TWI452824B - 動態增益控制器及其方法 - Google Patents

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TWI452824B TW099126656A TW99126656A TWI452824B TW I452824 B TWI452824 B TW I452824B TW 099126656 A TW099126656 A TW 099126656A TW 99126656 A TW99126656 A TW 99126656A TW I452824 B TWI452824 B TW I452824B
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Description

動態增益控制器及其方法
本發明係有關一種線性控制系統，特別是關於一種動態增益控制器及其方法。
圖1係傳統固定增益閉迴路線性回授控制系統，其中單一增益控制器10提供一調整值Sc給受控目標18以控制受控目標18的輸出值OV。在控制器10中，回授電路16偵測輸出值OV，產生與輸出值OV相關的回授值FB，運算電路12具有兩輸入端分別接收回授值FB及輸入的參考值Ref，以及一輸出端送出參考值Ref及回授值FB之間的誤差Err，具有增益A的增益電路14放大誤差Err產生調整值Sc給受控目標18以控制輸出值OV。一般的數位控制系統通常是針對應用的標的，設定一適當的增益A來當作控制參數，而在線性控制系統中，大多數使用者希望在輸入或負載變化時，控制系統的輸出值可以在最短的響應時間(settling time)達到穩定的設定值，一般的固定增益閉迴路線性回授控制系統可以藉由調整參考值Ref來控制輸出值OV，而改變增益A的大小可改變響應的速度。然而，設定較大的增益A雖然可以使輸出值OV較快到達設定值，但是可能造成輸出值OV的不穩定，反之，設定較小的增益A，雖然有助於輸出值OV的穩定，但是可能使響應時間過長，甚至過小的增益可能使輸出值OV未達到設定值便保持穩定，進而使輸出值和設定值之間存在穩態誤差(static error)。
假設圖1之控制系統為固定增益的單相數位無刷直流(BrushLess DC；BLDC)馬達(fan)控制系統，參考值Ref為設定的參考轉速，回授值FB為回授的輸出轉速，受控目標18為BLDC馬達，參考轉速Ref與回授的輸出轉速FB之間的誤差Err經過增益電路14的線性控制運算後，控制受控目標18的轉速。圖2顯示單相數位BLDC馬達控制系統的功能方塊圖，其中輸出端OUT1及OUT2連接至風扇馬達34，藉由控制H橋的四個開關的開啟時間及啟閉的順序，可以控制輸出端OUT1及OUT2上的電流大小及方向，進而控制風扇馬達34的轉速。風扇馬達34的轉速由回授電路23偵測，回授電路23包括霍爾元件24偵測風扇馬達34的轉速，霍爾元件24的輸出經運算後得到目前的轉速FB。參考轉速分派(assign)電路19用以提供參考轉速Ref，參考轉速分派電路19包括工作週期轉速轉換器20及對應表22，工作週期轉速轉換器20解碼輸入端PWMIN上信號的工作週期(duty)，而解碼出的值再透過預設的對應表22利用查表(lookup table)方式得到參考轉速Ref，或者也可以用設定暫存器的值當作參考轉速。程式化介面36用以更新參考轉速分派電路19中對應表22的資料。運算電路26對參考轉速Ref及目前回授轉速FB進行運算產生誤差Err，具有增益A的補償器28根據誤差Err產生調整值Sc，數位脈寬調變器30根據調整值Sc產生輸出值OV給驅動器32以控制H橋的四個開關M1、M2、M3及M4。
假設當參考轉速值Ref由3000RPM改變至4000RPM後，風扇馬達34的轉速隨之改變，如圖3所示風扇馬達34的轉速約在7.5秒時開始改變，而約在12.3秒時穩定在所設定的轉速4000RPM。圖4顯示在不同增益下馬達風扇轉速改變與時間的關係圖，其中波形40、42及44分別表示補償器28的增益為A1、A2及A3時，輸出轉速與時間之關係曲線，增益A3>增益A1>增益A2，如波形40、42及44所示在不同增益下，風扇馬達34的轉速大約都在7.5秒時開始改變，但增益為A1的補償器28使風扇馬達34在約12.3秒時達到4000RPM，響應時間(settling time)為4.8秒，增益為A2的補償器28使風扇馬達34在約13.8秒時達到4000RPM，響應時間為5.5秒，增益為A3的補償器28使風扇馬達34在約12秒時達到4000RPM，響應時間(settling time)為4.5秒。如圖4所示，增益越大，響應時間越短，但增益過大時，如圖5所示風扇的轉速將變的不穩定。
本發明的目的之一，在於提出一種能縮短受控目標的響應時間的控制器及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種能穩定受控目標的輸出值的控制器及方法。
本發明的目的之一，在於提出一種能動態調整增益的控制器及其方法。
根據本發明，一種動態增益控制器產生一調整值給一受控目標以控制該受控目標的輸出值，該動態增益控制器包括增益選擇器偵測一輸入參考值與該輸出值導出的回授值之間的誤差來動態選擇不同的增益，當該誤差大於預設門檻值時，選擇較大的增益以縮短響應時間，當該誤差小於該門檻值時，選擇較小的增益以使該輸出值穩定。
根據本發明，一種動態調整增益的控制方法包括根據一參考值提供一輸出值，再藉由該參考值以及該輸出值導出的回授值之間的誤差來動態選擇不同的增益，當該誤差大於預設門檻值時，選擇較大的增益以縮短響應時間，當該誤差小於該門檻值時，選擇較小的增益以使該輸出值穩定。
圖6顯示應用本發明的控制系統，其包括本發明的動態增益控制器50提供一調整值Sc給受控目標18以控制受控目標18的輸出值OV。圖6的動態增益控制器50與圖1的控制器10同樣包括運算電路12、增益電路14及回授電路16，此外，圖6的動態增益控制器50還包括增益選擇器52及多工器54。增益選擇器52持續偵測運算電路12所輸出的誤差Err，並藉由誤差Err與預設的門檻值Err_thresh產生選擇信號CP，多工器54根據該選擇信號CP從增益A0及A1中選擇其中之一給增益電路14，作為控制參數。圖7係圖6中增益選擇器52的實施例，其包括比較器56比較誤差Err及門檻值Err_thresh，並根據比較結果輸出選擇信號CP。當誤差Err大於門檻值Err_thresh時，多工器54根據選擇信號CP選擇較大的增益A0給增益電路14，以加快響應時間。當誤差Err小於門檻值Err_thresh時，多工器54根據選擇信號CP選擇較小的增益A1給增益電路14，以確保輸出值OV穩定。圖6的控制系統可以是類比或數位控制系統。
圖8及圖9是根據圖6的控制系統所做的實驗結果。如圖8所示，在時間約151.5秒時，控制系統的參考值Ref由3000RPM變為4000RPM，輸出值OV的轉速開始上升，由於此時參考值Ref與回授值FB之間的誤差Err大於門檻值Err_thresh，因此選擇較大的增益A0給增益電路14，當誤差Err小於門檻值Err_thresh時，改選擇較小的增益A1給增益電路14，最後輸出值OV的轉速約在153秒時穩定在4000RPM。如圖9所示，在時間約391.8秒時，控制系統的參考值Ref由4000RPM變為3000RPM，輸出值OV的轉速開始下降，由於此時參考值Ref與回授值FB之間的誤差Err大於門檻值Err_thresh，因此選擇較大的增益A0給增益電路14，當誤差Err小於門檻值Err_thresh時，選擇較小的增益A1給增益電路14，最後輸出值OV的轉速約在393.6秒時穩定在3000RPM。如圖8及圖9所示，應用本發明的控制系統的響應時間不到2秒，而且可以保持輸出值OV穩定。
圖10顯示應用本發明的單相數位BLDC馬達控制系統，其與圖2的電路同樣包括參考轉速分派電路19、回授電路23、運算電路26、補償器28、數位脈寬調變器30、驅動器32、風扇馬達34及程式化介面36，此外還包括增益選擇器52及多工器54。圖10電路中的回授電路23、運算電路26、補償器28分別為圖6中的回授電路16、運算電路12及增益電路14，而圖10電路中參考轉速分派電路19所輸出的參考轉速即為圖6電路中的參考值Ref。在圖10中，增益選擇器52具有二輸入端分別接收預設的門檻值Err_thresh及運算電路26所輸出的誤差Err，增益選擇器52根據誤差Err與門檻值Err_thresh產生選擇信號CP，多工器54根據選擇信號CP選擇增益A0或A1給補償器28。當誤差Err大於門檻值Err_thresh時，多工器54根據選擇信號CP選擇較大的增益A0給補償器28，以加快響應時間。當誤差Err小於門檻值Err_thresh時，多工器54根據選擇信號CP選擇較小的增益A1給補償器28，以確保輸出值OV穩定。
以上對於本發明之較佳實施例所作的敘述係為闡明之目的，而無意限定本發明精確地為所揭露的形式，基於以上的教導或從本發明的實施例學習而作修改或變化是可能的，實施例係為解說本發明的原理以及讓熟習該項技術者以各種實施例利用本發明在實際應用上而選擇及敘述，本發明的技術思想企圖由以下的申請專利範圍及其均等來決定。
10．．．單一增益控制器
12．．．運算電路
14．．．增益電路
16．．．回授電路
18．．．受控目標
19．．．參考轉速分派電路
20．．．工作週期轉速轉換器
22．．．對應表
23．．．回授電路
24．．．霍爾元件
26．．．運算電路
28．．．補償器
30．．．數位脈寬調變器
32．．．驅動器
34．．．風扇馬達
36．．．程式化介面
40．．．增益為A1時馬達風扇轉速改變與時間的關係曲線
42．．．增益為A2時馬達風扇轉速改變與時間的關係曲線
44．．．增益為A3時馬達風扇轉速改變與時間的關係曲線
50．．．動態增益控制器
52．．．增益選擇器
54．．．多工器
56．．．比較器
圖1係傳統固定增益閉迴路線性回授控制系統；
圖2顯示單相數位BLDC馬達控制系統的功能方塊圖；
圖3係馬達風扇轉速改變與時間的關係圖；
圖4顯示在不同增益下馬達風扇轉速改變與時間的關係圖；
圖5顯示在增益過大時馬達風扇轉速改變與時間的關係圖；
圖6顯示應用本發明的控制系統；
圖7係圖6中增益選擇器的實施例；
圖8係圖6控制系統的實驗結果；
圖9係圖6控制系統的實驗結果；以及
圖10顯示應用本發明的單相數位BLDC馬達控制系統。
12．．．運算電路
14．．．增益電路
16．．．回授電路
18．．．受控目標
50．．．動態增益控制器
52．．．增益選擇器
54．．．多工器

Claims (9)

  1. 一種動態增益控制器，用來產生一調整值給一受控目標以控制該受控目標的輸出值，該動態增益控制器包括：回授電路從該輸出值導出與其相關的回授值；運算電路連接該回授電路並接收一參考值，從而取得該回授值與該參考值之間的誤差；增益電路連接該運算電路，其具有一可調整的增益據以放大該誤差而產生該調整值；增益選擇器連接該運算電路並接收一門檻值，根據該誤差及該門檻值決定一選擇信號；以及多工器連接該增益選擇器及該增益電路，根據該選擇信號決定該可調整的增益。
  2. 如請求項1之動態增益控制器，其中該增益選擇器包括比較器比較該誤差及該門檻值以產生該選擇信號。
  3. 如請求項1之動態增益控制器，更包括參考轉速分派電路用以提供該參考值。
  4. 如請求項3之動態增益控制器，其中該參考轉速分派電路包括：工作週期轉速轉換器，解碼一信號的工作週期；以及對應表，根據該工作週期轉速轉換器解碼出的值決定該參考值。
  5. 如請求項4之動態增益控制器，更包括程式化介面用以更新該對應表的資料。
  6. 一種動態調整增益的控制方法，包括下列步驟：提供一輸出值；偵測該輸出值產生與該輸出值相關的回授值；取得該回授值與一參考值之間的誤差；根據該誤差及一門檻值選擇一增益；根據該增益放大該誤差產生一調整值；以及根據該調整值控制該輸出值。
  7. 如請求項6之控制方法，其中該根據該誤差及一門檻值選擇一增益的步驟包括根據該誤差及門檻值的比較結果選擇該增益。
  8. 如請求項6之控制方法，更包括：解碼一信號的工作週期；以及根據解碼出的值及一對應表決定該參考值。
  9. 如請求項8之控制方法，更包括更新該對應表的資料。
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