TWI423579B - Servo motor drive control system - Google Patents

Description

伺服馬達驅動器之控制系統

本發明係關於一種伺服馬達驅動器之控制系統，特別是指一種應用於根據伺服驅動系統之振盪情況來自動調整控制器參數增益之伺服馬達驅動器。

基本伺服驅動系統之示意圖，如圖一所示，包含一交流電源1、一上位控制器2、一伺服驅動器模組3及一伺服馬達模組4；而伺服馬達驅動模組4可包括一伺服馬達401、一編碼器402、一連軸裝置403及一機械負載404。

伺服驅動器模組3中包含變頻器之電力電子迴路架構，可接受市電單相或三相之交流電源1之輸入，並使用脈波寬度調變策略來達到三相交流之脈波輸出給予伺服馬達401作驅動；其間，伺服驅動器模組3可接受上位控制器2或由內部暫存器之命令設定來控制伺服馬達401，而伺服馬達401則透過編碼器402將目前伺服馬達轉子之位置或速度訊號回授給伺服驅動器模組3來決定內部控制器之輸出並使伺服馬達401可操作在位置、速度或轉矩模式下運轉。

伺服馬達401之本體需要透過連軸裝置403來帶動機械負載404，此機械負載404可為伺服馬達401所帶動之各種設備、工具機台、機具、治具、飛輪等；機械負載404整體慣量亦可等效為一機械慣量(J_L )，故整體伺服驅動系統之慣量(J)可為一等效之機械慣量(J_L )再加上伺服馬達轉子之慣量(J_M )。

圖二A為伺服驅動器模組3含有電流迴路之速度模式方塊圖，伺服驅動器模組3在此可包括一減法器301、一速度控制器302、一q-軸電流命令轉換303、一電流迴路304、一計數器305及一速度估測器306。速度命令經由上位控制器2或由內部暫存器之命令設定而來，速度回授則經由編碼器402所產生之脈波信號，經由計數器305轉換成位置訊號後，再經由速度估測器306產生；速度命令與速度回授經由減法器301得到速度誤差後則透過速度控制器302來產生適當轉矩命令，再經由q-軸電流命令轉換303後產生q-軸電流命令給電流迴圈304，最後再經由電流迴圈304產生適當之電壓命令來控制伺服馬達401來達到所需之速度。

因電流迴路之響應速度較快可以化簡為單位增益而忽略；以及伺服馬達模組4可化簡成機械方程式來表示，故可將圖二A化簡為圖二B來表示，伺服驅動器模組3可化簡為一減法器301以及一速度控制器302來表示；伺服馬達模組可化簡為一減法器405以及一機械方程式之方塊圖406來表示。速度命令與速度回授之誤差會經由速度控制器302來調整；在此，速度控制器302之形式為一比例-積分(PI)控制器，亦可為一比例-積分-微分(PID)控制器，而控制器之輸出為馬達之輸出轉矩(T_e )，此轉矩會因為速度控制器302之調整而去克服外加之機械負載轉矩(T_L )，最後，經由機械方程式之方塊圖406轉換可得到回授之馬達轉速；在此，機械方程式之方塊圖406中之等效整體伺服驅動系統之慣量為J=J_L +J_M 來表示，為等效之機械慣量(J_L )再加上伺服馬達之轉子慣量(J_M )所獲得，而等效之整體黏滯摩擦係數為B來表示。

伺服驅動系統性能之表現與機械負載慣量之變化有很大的關係，圖三係指伺服驅動系統在理想速度模式下之頻域分析圖(波德圖Bode Diagram)；在頻域分析方面，相同的速度控制器參數，倘若機械負載增大兩倍，所造成的結果便是系統頻寬的下降，也會造成整體系統性能的惡化；如因為機械慣量的增加而線性地增加控制器參數之增益值，則會因為慣量的變化以及實際系統有剛性上的限制，致使增加的系統頻寬而激發系統的振盪發生。故如何因應機械負載慣量的變化而去調整控制器參數的增益，就變成是一個需要考量整體機械系統結構的一個課題。

當頻寬搜尋之大小如愈大時，則代表控制器之比例增益參數設定也就愈大，實際上也就愈容易面對到不同系統振盪之區域發生。請再參閱圖四A係為系統振盪次數之標準差與頻寬搜尋大小之示意圖；圖四B係為系統振盪次數之平均值與頻寬搜尋大小之示意圖。由前述圖中在此可看出當頻寬搜尋大小如增大時，對於系統振盪的激發可分為三個區域，分別為第I區的穩態區、第II區的臨界振盪區以及第III區的完全振盪區。

由圖四A可知，在穩態區下之標準差大小較小，而當頻寬搜尋大小增加後進入臨界振盪區後，可發覺到標準差之大小則會隨之增加，此時若繼續增加頻寬搜尋之大小，則會由於進入完全振盪區，振盪之大小較為固定且平均，此時標準差之大小反而會比在臨界振盪區較小且趨於一固定值變化。

由圖四B可知，在穩態區及臨界振盪區下，而當頻寬搜尋大小增加後可發覺到平均值之大小則會隨之增加，此時若繼續增加頻寬搜尋之大小，則會由於進入完全振盪區，振盪之大小較為固定且平均，故平均值大小會接近並趨於一固定值。

習知的伺服驅動器之增益調整方法，必須事先知道伺服驅動系統之剛性大小以及機械負載慣量來決定系統最大頻寬後再設定控制器之參數增益。此習知的伺服驅動器之增益調整方法因無法事先得知最適當之系統剛性以及無法得知不會去影響系統振盪之最大頻寬之大小，故仍然容易造成系統的振盪發生；而習知的伺服控制系之振盪臨界檢測方法(伺服控制系之振盪臨界檢測方法，中華民國專利第90105220號)雖有提到伺服驅動系統之振盪檢測但只有針對在臨界振盪之區域有實質的效果，對於不同機械慣量下之最大頻寬並無搜尋之機制，而是根據臨界振盪之情況直接去調整控制器之參數增益，故此習知的伺服控制系之振盪臨界檢測方法將會造成系統由振盪到穩定之收斂時間更長。

由此可見，上述習用方式仍有諸多缺失，實非一良善之設計，而亟待加以改良。本案發明人鑑於上述習用之方法所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經過多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功來完成本件伺服馬達驅動器之控制系統及其控制器之參數增益線上自動調整方法。

鑒於以上的問題，本發明之目的即在於提供一種伺服馬達驅動器之控制系統及其控制器之參數增益線上自動調整方法，係為了可應用在伺服驅動系統中且適用在不同機械負載下可藉由伺服馬達q-軸電流命令或q-軸電流回授之訊號來偵測伺服驅動系統是否發生振盪來進行在該機械負載下作一適當頻寬搜尋的動作，並根據所得到之頻寬大小與線上所估測之整體伺服驅動系統慣量之計算，自動地去調整控制器之參數增益。本發明亦提出一種利用移動時間窗陣列偵測的技巧來加速偵測振盪的發生，使得系統由振盪至穩定的收斂時間加快，可藉以解決習知技術中所存在的技術課題與潛在缺點。

因此，為達上述目的，本發明伺服馬達驅動器之控制系統，其包含：一交流電源；一上位控制器用以控制命令之下達；一伺服驅動器模組交流電源、上位控制器相介接，接受市電單相或三相之交流電源之輸入並使用脈波寬度調變策略來達到三相交流之脈波輸出，接受上位控制器之命令設定；一伺服馬達模組與伺服驅動器模組相介接使機械負載運轉；一q-軸電流振盪計數模組與伺服馬達模組相介接用以儲存該伺服馬達模組的q-軸電流命令或q-軸電流回授之訊號，並計算電流振盪次數及其振盪次數之平均值與標準差；一頻寬搜尋機制模組與q-軸電流振盪計數模組及相介接，利用電流振盪次數之平均值與標準差來判斷頻寬之搜尋大小是否需要遞增或是遞減；一控制器參數增益計算模組與頻寬搜尋機制模組及伺服驅動器模組相介接，根據整體系統之慣量與搜尋後之頻寬大小來計算伺服驅動器模組內控制器之參數增益。

本發明的優點在於利用伺服馬達之q-軸電流命令或q-軸電流回授之訊號來偵測伺服驅動系統發生振盪的次數，再根據振盪的次數來計算此振盪次數之平均值與標準差的大小。如振盪發生在臨界振盪區時則可根據標準差來搜尋頻寬，當標準差大於一個特定數值時，則表示需要降低目前系統之頻寬大小以避免系統發生振盪；反之，則需要增加目前系統之頻寬大小以增加系統之性能響應；如振盪發生在完全振盪區時則可根據平均值之大小變化已經較為固定來判斷，可快速將頻寬之大小進行較大量衰減的動作使系統可快速脫離完全振盪區。最後，將獲得不會引起振盪之頻寬大小與線上所估測之整體系統慣量加以計算，即可自動獲得適合之控制器參數之增益。

另，本發明除速度控制器之參數增益線上自動調整外，亦可使用至位置控制器之參數增益線上自動調整。

有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。

請參閱圖五，為本發明之伺服馬達驅動器之控制系統及其控制器之參數增益線上自動調整方法之架構圖，其中係包含：一交流電源1，係與伺服驅動器模組3相介接；一上位控制器2，係與伺服驅動器模組3相介接；一伺服驅動器模組3，係與交流電源1、上位控制器2、伺服馬達模組4及控制器參數增益計算模組7相電性連接；一伺服馬達模組4，係與伺服驅動器模組3及q-軸電流振盪計數模組5相電性連接。

一q-軸電流振盪計數模組5，係與伺服馬達模組4及頻寬搜尋機制模組6相電性連接，該模組之詳細流程圖如圖六所示。

一頻寬搜尋機制模組6，係與q-軸電流振盪計數模組5及控制器參數增益計算模組7相電性連接，該模組之詳細流程圖如圖七所示。

一控制器參數增益計算模組7，係與頻寬搜尋機制模組6及伺服驅動器模組3相電性連接，該模組之詳細流程圖如圖八所示。

本發明提出之一種利用移動時間窗陣列偵測的技巧來加速偵測振盪的發生。如圖九A所示為固定時間窗陣列所偵測之電流振盪次數的檢測結果，由圖中可知，需要經由完整的T_S 時間後，才可計算出一筆電流振盪之次數，而下一筆電流振盪次數則需再經過下一個T_S 時間才能得到；而本發明所提出之移動時間窗陣列偵測技巧如圖九B及圖九C所示，由於是利用移動時間窗陣列來儲存電流振盪的次數，可在每個系統取樣時間下計算出電流振盪的次數，故不需要經歷完整的T_S 時間，才可以偵測到系統振盪的趨勢。

圖六係為q-軸電流振盪模組之流程圖，係透過軟體程式之方法在即時的數位信號處理器中之中斷副程式迴圈中所執行，該模組之流程由程式迴圈開始(步驟501)，將q-軸電流命令或q-軸電流迴授之訊號擷取後並存入AT_win移動窗陣列(索引值用ATCnt表示，總共可儲存P個元素)(步驟502)，接下來取得AT_win陣列中所有相鄰兩元素之斜率符號值(步驟503)，當斜率為正，斜率符號值=1；當斜率為負，斜率符號值=-1。可利用斜率符號值來獲得電流振盪次數(如前後兩次符號值的和為0則可計算振盪次數加一)後並存入Nm陣列(索引值用ATCnt表示，總共可儲存P個元素)(步驟504)。

由於AT_win與Nm兩陣列有儲存元素上的限制，共有P個，故其最大索引值為P-1，故需要判斷上述兩陣列是否已經存到最大索引值中(步驟505)：如未到達最大索引值，則將索引值加一(步驟508)，最後再進行程式返回(步驟509)之動作；如已到達最大索引值，則會去計算Nm陣列中所有元素之平均值與標準差(步驟506)，此時所獲得之電流振盪次數之平均值與標準差再經由頻寬搜尋機制模組6與控制器參數增益計算模組7來自動調整控制器之參數增益，並將索引值歸零(步驟507)，最後再進行程式返回(步驟509)之動作。

圖七係為頻寬搜尋機制模組之流程圖，當計算完電流振盪之平均值與標準差之後，即可根據該值來進行頻寬搜尋之動作，其流程由程式開始(步驟601)，進行判斷電流振盪之平均值是否大於一極大值(步驟602)，若為『是』則不需判斷標準差之大小則直接將原本之頻寬乘上K倍(0<K<1)(步驟608)做頻寬衰減之動作；若為『否』則判斷平均值是否連續達N次相同(N為一正整數)(步驟603)，若為『是』則表示此時系統進入完全振盪的區域則直接將原本之頻寬乘上J倍(0<J<1)(步驟607)做頻寬衰減之動作；若為『否』則表示此系統目前有可能處在穩定區及臨界振盪之區域。此時則需要判斷標準差之大小是否大於U(U為一正整數)(步驟604)來決定遞增或遞減頻寬。當標準差小於U時，則表示此時系統介在穩定區中，故可將頻寬遞增S赫茲(S為一正整數)(步驟605)的頻率來提升系統的性能；反之，則表示系統介在臨界振盪的區域，故可將頻寬遞減R赫茲(R為一正整數)(步驟606)的頻率來避免激發系統而產生更大的振盪發生。

頻寬搜尋後，則需要有一限制器來限制所搜尋之頻寬之最大及最小值(步驟609)以避免搜尋範圍發生異常，最後則回到流程結束(步驟610)。

圖八係為控制器參數增益計算模組之流程圖，當獲得所搜尋到在伺服驅動系統下不會引起系統振盪之頻寬大小後，則可透過該值來計算控制器之參數增益，其流程由程式開始(步驟701)，根據整體系統之慣量與搜尋後之頻寬大小來計算控制器之參數增益(步驟702)，當控制器之參數增益計算後，則需要有一限制器來限制控制器之參數增益之最大及最小值(步驟703)以避免計算範圍發生異常，最後則回到流程結束(步驟704)。

經由實施方式的說明，可知圖六、圖七與圖八之流程圖確實可達到一伺服馬達驅動器之控制器系統可包含控制器之參數增益線上自動調整的功能，並且可針對不同機械慣量負載在不同振盪區間下達到合適的頻寬搜尋，以及獲得不激發系統振盪之優良系統性能響應。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應以充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利案，以勵發明，至感德便。

1．．．交流電源

2．．．上位控制器

3．．．伺服驅動器模組

301．．．減法器

302．．．速度控制器

303．．．q-軸電流命令轉換

304．．．電流迴路

305．．．計數器

306．．．速度估測器

4．．．伺服馬達模組

401．．．伺服馬達

402．．．編碼器

403．．．連軸裝置

404．．．機械負載

405．．．減法器

406．．．機械方程式之方塊圖

5．．．q-軸電流振盪計數模組

501．．．程式迴圈開始

502．．．q-軸電流訊號之擷取

503．．．q-軸電流訊號之斜率符號值取得

504．．．計算q-軸電流訊號之振盪次數

505．．．判斷是否存滿一個移動時間窗陣列

506．．．計算振盪次數之平均值與標準差

507．．．移動時間窗陣列之索引值歸零

508．．．移動時間窗陣列之索引值加一

509．．．程式返回

6．．．頻寬搜尋機制模組

601．．．頻寬搜尋開始

602．．．判斷振盪次數之平均值是否大於一極大值

603．．．判斷振盪次數之平均值是否連續達N次相同

604．．．判斷振盪次數之標準差是否大於一U值

605．．．頻寬遞增S赫茲

606．．．頻寬遞減R赫茲

607．．．頻寬乘上J倍

608．．．頻寬乘上K倍

609．．．頻寬搜尋大小之限制器

610．．．頻寬搜尋結束

7．．．控制器參數增益計算模組

701．．．控制器參數增益計算開始

702．．．控制器之參數增益計算

703．．．控制器參數增益之限制器

704．．．控制器參數增益計算結束

圖一為基本伺服驅動系統之示意圖；

圖二A為伺服驅動器模組含有電流迴路之速度模式方塊圖；

圖二B為圖二A化簡後之等效速度模式方塊圖；

圖三為理想速度模式下之頻域分析圖；

圖四A為系統振盪次數之標準差與頻寬搜尋大小之示意圖；

圖四B為系統振盪次數之平均值與頻寬搜尋大小之示意圖；

圖五為本發明伺服馬達驅動器之控制系統之架構圖；

圖六為q-軸電流振盪計數模組之流程圖；

圖七為頻寬搜尋機制模組之流程圖；

圖八為控制器參數增益計算模組之流程圖；

圖九A為固定時間陣列之電流振盪偵測之示意圖；

圖九B為移動時間窗陣列之電流振盪偵測之示意圖一；

圖九C為移動時間窗陣列之電流振盪偵測之示意圖二。

1．．．交流電源

2．．．上位控制器

3．．．伺服驅動器模組

4．．．伺服馬達模組

5．．．q-軸電流振盪計數模組

6．．．頻寬搜尋機制模組

7．．．控制器參數增益計算模組

Claims (5)

1. 一種伺服馬達驅動器之控制系統，其包含：一交流電源，係為控制系統之輸入電源；一上位控制器，係用以控制命令之下達；一伺服驅動器模組，與交流電源、上位控制器相介接，接受市電單相或三相之交流電源之輸入並使用脈波寬度調變策略來達到三相交流之脈波輸出，接受上位控制器之命令設定；一伺服馬達模組，係與伺服驅動器模組相介接使機械負載運轉；一q-軸電流振盪計數模組，係與伺服馬達模組相介接用以儲存該伺服馬達模組的q-軸電流命令或q-軸電流回授之訊號，並計算電流振盪次數及其振盪次數之平均值與標準差；一頻寬搜尋機制模組，係與q-軸電流振盪計數模組及相介接，利用電流振盪次數之平均值與標準差來判斷頻寬之搜尋大小是否需要遞增或是遞減；一控制器參數增益計算模組，係與頻寬搜尋機制模組及伺服驅動器模組相介接，根據整體系統之慣量與搜尋後之頻寬大小來計算伺服驅動器模組內控制器之參數增益。
2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動器之控制系統，其中，該q-軸電流振盪計數模組係利用移動時間窗陣列之技巧，來儲存伺服馬達q-軸電流命令或q-軸電流回授之訊號，並計算電流振盪次數及其振盪次數之平均值與標準差。
3. 如申請專利範圍第2項所述之伺服馬達驅動器之控制系統，其中，該伺服驅動系統發生振盪之次數方法，係根據電流斜率如發生正負號變化時，判斷斜率符號值來計算：當斜率為正，斜率符號值=1；當斜率為負，斜率符號值=-1，如前後兩次之斜率符號值的和為0則可計算振盪次數加一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動器之控制系統，其中，該頻寬搜尋機制模組判斷方法為：1)當平均值超過一極大值，則將頻寬之大小乘上K倍(0<K<1)衰減；2)當平均值連續N次達相同時(N為一正整數)，則將頻寬之大小乘上J倍(0<J<1)衰減；3)當平均值非連續N次達相同時(N為一正整數)，則改由標準差之大小來決定頻寬大小；4)當標準差大於一U值時(U為一正整數)，則將頻寬之大小遞減R赫茲的頻率(R為一正整數)；5)當標準差小於一U值時(U為一正整數)，則將頻寬之大小遞減S赫茲的頻率(S為一正整數)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動器之控制系統，其中，該控制器參數增益計算模組與頻寬搜尋機制模組及伺服驅動器模組相電性連接，係根據整體系統之慣量與搜尋後之頻寬大小來計算控制器系統之參數增益。