TWI455474B - 編碼器的自動對位方法及其裝置 - Google Patents

Description

編碼器的自動對位方法及其裝置

本提案係關於一種對位方法及其裝置，特別關於一種編碼器的自動對位方法及其裝置。

在伺服驅動裝置中，伺服馬達的控制性能是非常重要。因此伺服驅動裝置中回授信號的正確性須符合一定的規格與要求，其中以位置回授信號最為重要。若位置回授信號不正確，將使得伺服馬達的驅動效率降低、電功率損耗大或無法發揮馬達最大扭矩輸出。

一般而言，伺服馬達的製造業者並沒有生產編碼器，因此大部份伺服馬達的製造業者多是外購編碼器，再自行將編碼器安裝於伺服馬達上。由於編碼器需依據馬達轉子角度安裝至伺服馬達上，因此產生了編碼器與伺服馬達對位的問題。

目前一般伺服馬達與編碼器的自動對位方法多採用人工方式處理，藉由有經驗工程師製作相關工具，量測馬達所輸出的信號，再與編碼器所輸出的資料比對後，最後調整編碼器的角度以符合馬達輸出訊號。雖然上述方法可將 解決編碼器與伺服馬達對位問題，但於大量生產上存在有不穩定的誤差範圍。

此外，由於一般伺服馬達的使用者無法擁有上述人工方式處理伺服馬達與編碼器對位問題所需的相關工具，使得伺服馬達的使用者無法依據使用需求更換不同的編碼器，進而限縮伺服馬達的性能。

有鑑於此，本提案提出一種編碼器的自動對位方法及其裝置，藉以解決先前技術因人工調整對位的方式使得伺服馬達於大量生產上存在有不穩定的誤差範圍的問題以及伺服馬達的使用者無法依據使用需求更換不同編碼器的問題。

依據本提案所揭露之編碼器的自動對位方法的一實施例，編碼器的自動對位方法包括：依據一第一三角信號輸出一三相電流，使一馬達單元的一轉子隨著三相電流所產生的磁場轉動，其中第一三角信號對應轉子的一轉子角度；依據轉子的一轉動量輸出一第二三角信號，其中第二三角信號對應一編碼器所輸出的一角度資料；依據第一三角信號與第二三角信號輸出一偏移信號；以及依據第二三角信號與偏移信號調整三相電流，令轉子角度符合編碼器所輸出的角度資料。

在編碼器的自動對位方法的一實施例中，依據第 一三角信號與第二三角信號輸出偏移信號的步驟包括：當轉子隨著三相電流所產生的磁場轉動至少二圈後，依據第一三角信號與第二三角信號輸出偏移信號。

依據本提案所揭露之編碼器的自動對位裝置的一實施例，適於耦接一馬達單元與一編碼器，其中馬達單元與編碼器相互耦接，馬達單元具有一轉子，編碼器具有一解析度數值。編碼器的自動對位裝置包括一第一計數器、一第一加法器、一電流迴路控制模組、一編碼元件、一運算模組與一暫存器。第一計數器用以產生一第一三角信號，其中第一三角信號對應轉子的一轉子角度。電流迴路控制模組耦接馬達單元，並耦接第一計數器或第一加法器。編碼元件耦接編碼器。第二計數器耦接編碼元件與第一加法器，用以產生一第二三角信號，其中第二三角信號對應編碼器所輸出的一角度資料。運算模組耦接第一計數器與第二計數器，暫存器耦接第一加法器並選擇性地耦接運算模組。

當電流迴路控制模組耦接第一計數器且運算模組耦接暫存器時，電流迴路控制模組依據第一三角信號輸出一三相電流，使得轉子隨著三相電流所產生的磁場轉動，編碼元件依據轉子的轉動量輸出一第二三角信號，運算模組依據第一三角信號與第二三角信號輸出一偏移信號至暫存器。當運算模組輸出偏移信號至暫存器時，電流迴路控制模組耦接第一加法器且運算模組與暫存器分離，第一加法器依據第 二三角信號與偏移信號調整電流迴路控制模組所輸出的三相電流，令轉子角度符合編碼器所輸出的角度資料。

在編碼器的自動對位裝置的一實施例中，當轉子隨著三相電流所產生的磁場轉動至少二圈後，運算模組依據第一三角信號與第二三角信號輸出偏移信號至暫存器。

依據本提案所揭露之編碼器的自動對位方法及其裝置的實施例，可藉由第一三角信號與第二三角信號之間偏移信號，補償轉子角度與編輯器角度之間的誤差，進而使轉子角度符合編碼器所輸出的角度資料。因此，本提案所揭露之編碼器的自動對位方法及其裝置可解決先前技術因人工調整對位的方式使得伺服馬達於大量生產上存在有不穩定的誤差範圍的問題以及伺服馬達的使用者無法依據使用需求更換不同編碼器的問題。

以上關於本提案的內容說明及以下之實施方式的說明係用以示範與解釋本提案的精神與原理，並且提供本提案的專利申請範圍更進一步的解釋。

21‧‧‧第一切換開關

22‧‧‧第二切換開關

25‧‧‧編碼信號

30‧‧‧處理模組

41、42‧‧‧第一減法器

43、44‧‧‧比例積分控制器

45‧‧‧兩軸至三軸座標轉換器

46‧‧‧脈波寬度調變器

47‧‧‧電力模組

48‧‧‧類比數位轉換器

49‧‧‧三軸至兩軸座標轉換器

50‧‧‧馬達單元

52‧‧‧轉子

60‧‧‧編碼器

63‧‧‧偏移信號

65‧‧‧角度轉換器

71‧‧‧第二減法器

72‧‧‧絕對編碼處理單元

73‧‧‧比較器

74‧‧‧傳送接收單元

75‧‧‧第二加法器

77‧‧‧選擇器

80‧‧‧第一計數器

82‧‧‧第一加法器

84‧‧‧電流迴路控制模組

86‧‧‧增量編碼處理單元

88‧‧‧第二計數器

90‧‧‧運算模組

92‧‧‧暫存器

100、300‧‧‧編碼器的自動對位裝置

第1A圖係為依據本提案所揭露之編碼器的自動對位裝置於運算模式的一實施例結構示意圖。

第1B圖係為依據本提案所揭露之編碼器的自動對位裝置於補償模式的一實施例結構示意圖。

第2圖係為依據本提案所揭露之第一三角信號與第二三角信號的一實施例結構示意圖。

第3圖係為第1A圖與第1B圖之編碼器的自動對位裝置進行編碼器的自動對位方法的一實施例流程圖。

第4圖係為第1圖之運算模組的一實施例結構示意圖。

第5圖係為第4圖之運算模組的一實施例運算流程圖。

第6A圖為依據本提案所揭露之編碼器的自動對位裝置於運算模式的另一實施例結構示意圖。

第6B圖為依據本提案所揭露之編碼器的自動對位裝置於運算模式的另一實施例結構示意圖。

請參照「第1A圖」與「第1B圖」，係分別為依據本提案所揭露之編碼器的自動對位裝置於運算模式與補償模式的一實施例結構示意圖。編碼器的自動對位裝置100適於耦接馬達單元50與編碼器60。其中，馬達單元50與編碼器60相互耦接，馬達單元50具有轉子52，編碼器60具有解析度數值P。編碼器的自動對位裝置100包括第一計數器80、第一加法器82、電流迴路控制模組84、編碼元件、第二計數器88、運算模組90與暫存器92。在本實施例中，編碼器60係為增量型編碼器，編碼元件係為增量編碼處理單元86，增量編碼處理單元86耦接編碼器60與第二計數器88。

其中，電流迴路控制模組84耦接馬達單元50， 並耦接第一計數器80或第一加法器82。增量編碼處理單元86(即編碼元件)耦接編碼器60，第二計數器88耦接增量編碼處理單元86(即編碼元件)與第一加法器82。運算模組90耦接第一計數器80與第二計數器88。暫存器92耦接第一加法器82，並選擇性地耦接運算模組90。第一計數器80用以產生第一三角信號S₁，第二計數器88用以產生第二三角信號S₁，其中第一三角信號S₁對應轉子52的轉子角度，第二三角信號S₁對應編碼器60所輸出的角度資料(請參照「第2圖」，係為依據本提案所揭露之第一三角信號與第二三角信號的一實施例結構示意圖)。在本實施例中，第一三角信號S₁的週期可大於或等於5秒，且第一計數器80循迴計數至解析度數值P。前述循迴計數係指第一計數器80從零開始數至解析度數值P，在到達解析度數值P後，則再回到零繼續累加。第二三角信號S₁的週期亦可大於或等於5秒，且第二計數器88循迴計數至解析度數值P。其中，第一三角信號S₁的週期與第二三角信號S₁的週期相同，且每一週期的時間代表馬達單元50旋轉一圈的時間。

此外，編碼器的自動對位裝置100另可包括處理模組30、第一切換開關21與第二切換開關22。第一切換開關21耦接處理模組30、電流迴路控制模組84、第一計數器80與第一加法器82，第二切換開關22耦接處理模組30、暫存器92與運算模組90。處理模組30利用第一切換開關21 控制電流迴路控制模組84耦接第一計數器80或第一加法器82以及利用第二切換開關22控制運算模組90與暫存器92耦接或分離。更詳細地說，當編碼器的自動對位裝置100於運算模式時，處理模組30利用第一切換開關21控制電流迴路控制模組84耦接第一計數器80，且利用第二切換開關22控制暫存器92耦接運算模組90(如「第1A圖」所示)。當編碼器的自動對位裝置100於補償模式時，處理模組30利用第一切換開關21控制電流迴路控制模組84耦接第一計數器80，且利用第二切換開關22控制暫存器92耦接運算模組90(如「第1B圖」所示)。

請參照「第3圖」，係為「第1A圖」與「第1B圖」之編碼器的自動對位裝置進行編碼器的自動對位方法的一實施例流程圖。編碼器的自動對位方法包括：步驟202：依據第一三角信號輸出三相電流，使馬達單元的轉子隨著三相電流所產生的磁場轉動；步驟204：依據轉子的轉動量輸出第二三角信號；步驟206：依據第一三角信號與第二三角信號輸出偏移信號；以及步驟208：依據第二三角信號與偏移信號調整三相電流，令轉子角度符合編碼器所輸出的角度資料。

當使用者安裝編碼器60後，使用者輸入啟動信號(未繪製)至處理模組30，使編碼器的自動對位裝置100開始進行編碼器60與馬達單元50的對位。首先，編碼器的自動對位裝置100進入運算模式，使得處理模組30利用第一 切換開關21控制電流迴路控制模組84耦接第一計數器80，且處理模組30利用第二切換開關22控制暫存器92耦接運算模組90(如「第1A圖」所示)。接著，第一計數器80輸出第一三角信號S₁至電流迴路控制模組84，電流迴路控制模組84依據第一三角信號S₁輸出三相電流，進而使馬達單元50的轉子52隨著三相電流所產生的磁場轉動(即步驟202)。

更詳細地說，請參照「第1A圖」。電流迴路控制模組84包括第一減法器41、第一減法器42、比例積分控制器(Proportional integral controller，PI controller)43、比例積分控制器44、兩軸至三軸座標轉換器45、脈波寬度調變器46、電力模組47、類比數位轉換器48、三軸至兩軸座標轉換器49與角度轉換器65。

原本使用者尚未安裝編碼器60時，電流迴路控制模組84中的初始q軸電流分量I_q與初始d軸電流分量I_d分別經由第一減法器41與第一減法器42減去由三軸至兩軸座標轉換器49所輸出的q軸電流分量I_q”與d軸電流分量I_d”後，分別輸出給比例積分控制器43與比例積分控制器44，以輸出q軸電流分量I_q’與d軸電流分量I_d’至兩軸至三軸座標轉換器45。兩軸至三軸座標轉換器45將q軸電流分量I_q’與d軸電流分量I_d’轉換為三相電流I_U、I_V、I_W至脈波寬度調變器46。脈波寬度調變器46依據三相電流I_U、I_V、I_W調變電力模組47所輸出的三相電流I_U’、I_V’、I_W’，馬達單元50隨著三 相電流I_U’、I_V’、I_W’所產生的磁場轉動。接著，電流迴路控制模組84藉由類比數位轉換器48將電力模組47所輸出的三相電流I_U’、I_V’轉換成數位三相電流I_U”、I_V”、I_W”，再藉由三軸至兩軸座標轉換器49將數位三相電流I_U”、I_V”、I_W”轉換為q軸電流分量I_q”與d軸電流分量I_d”，以分別回授至第一減法器41與第一減法器42。藉由上述的流程使得電流迴路控制模組84所輸出的三相電流I_U’、I_V’、I_W’維持於預設範圍內。

當使用者安裝編碼器60後，編碼器的自動對位裝置100進入運算模式，第一計數器80輸出第一三角信號S₁至電流迴路控制模組84，角度轉換器65將第一三角信號S₁轉換成電相位信號Q₁，並將電相位信號Q₁傳輸至兩軸至三軸座標轉換器45與三軸至兩軸座標轉換器49以進行座標轉換。兩軸至三軸座標轉換器45接收電相位信號Q₁後係調整輸出的三相電流I_U、I_V、I_W，進而改變電力模組47所輸出的三相電流I_U’、I_V’、I_W’。由於三相電流I_U’、I_V’、I_W’的改變，使得馬達單元50的轉子52的旋轉狀態亦隨之改變。

當馬達單元50的轉子52隨著三相電流I_U’、I_V’、I_W’所產生的磁場轉動開始轉動時，編碼器60係依據轉子52的轉動量輸出編碼信號25至增量編碼處理單元86(即編碼元件)。增量編碼處理單元86(即編碼元件)將編碼信號25進行解碼後輸出至第二計數器88，第二計數器88依據編碼信號 25輸出第二三角信號S₁至運算模組90(即步驟204)。需注意的是，由於增量型編碼器於馬達單元50轉動一圈時會產生一個脈波訊號，以使增量型編碼器歸零。因此，第二計數器88需待轉子52隨著三相電流I_U’、I_V’、I_W’所產生的磁場轉動至少二圈後才能輸出第二三角信號S₁。

運算模組90接收第一三角信號S₁與第二三角信號S₁，並依據第一三角信號S₁與第二三角信號S₁輸出偏移信號63(即步驟206)。更詳細地說，請參照「第2圖」與「第4圖」，「第4圖」係為「第1圖」之運算模組的一實施例結構示意圖。

運算模組90包括第二減法器71、比較器73、第二加法器75與選擇器77。第二減法器71耦接第一計數器80與增量編碼處理單元86(即編碼元件)，比較器73耦接第二減法器71，第二加法器75耦接第二減法器71，選擇器77耦接第二減法器71、第二加法器75與比較器73。

請參照「第2圖」、「第4圖」與「第5圖」，「第5圖」係為「第4圖」之運算模組的一實施例運算流程圖。步驟502：當第一三角信號減去第二三角信號的第一差值大於零或等於零時，輸出第一差值；以及步驟504：當第一三角信號減去第二三角信號的第一差值小於零時，令第一差值與編碼器的解析度數值相加以輸出第二差值。

第二減法器71用以將第一三角信號S₁減去第二 三角信號S₁以輸出第一差值F至比較器73、第二加法器75與選擇器77。當第一差值F大於零時(如「第2圖」之時間區段K)，比較器75輸出第一比較信號U₁至選擇器77。當第一差值F小於零時(如「第2圖」之時間區段J)，輸出第二比較信號U₂至選擇器77。第二加法器75用以將第一差值F與編碼器60的解析度數值P相加，以輸出第二差值G至選擇器77。當選擇器77接收到第一比較信號U₁時，選擇器77輸出第一差值F。當選擇器77接收到第二比較信號U₂時，選擇器77輸出第二差值G。因此，偏移信號63包括至少一第一差值F與至少一第二差值G。

請參照「第1B圖」，當運算模組90輸出偏移信號63至暫存器92時，編碼器的自動對位裝置100進入補償模式。處理模組30利用第一切換開關21控制電流迴路控制模組84耦接第一計數器80，且利用第二切換開關22控制暫存器92耦接運算模組90。第一加法器82將第二三角信號S₁與偏移信號63相加，以輸出第三三角信號S3至角度轉換器65。角度轉換器65將第三三角信號S3轉換為電相位信號Q₃，以供兩軸至三軸座標轉換器45調整輸出的三相電流I_U、I_V、I_W。由於改變三相電流I_U、I_V、I_W會改變三相電流I_U’、I_V’、I_W’所產生的磁場，進而改變轉子52的旋轉狀態，以使馬達單元50的轉子角度符合編碼器60所輸出的角度資料。

上述編碼器的自動對位裝置100所耦接的編碼 器60係可為增量型編碼器，但本實施例並非用以限定本提案。舉例而言，編碼器的自動對位裝置100所耦接的編碼器60亦可為絕對型編碼器。請參照「第6A圖」與「第6B圖」，為依據本提案所揭露之編碼器的自動對位裝置於運算模式與補償模式的另一實施例結構示意圖。在本實施例中，編碼器的自動對位裝置300所具有的元件與編碼器的自動對位裝置100的差異點在於編碼元件。由於增量型編碼器與絕對型編碼器所輸出的格式不同，因此需要不同的編碼元件用以將不同編碼器所輸出的信號僅進行解碼。在本實施例中，編碼器60係為絕對型編碼器，編碼元件包括絕對編碼處理單元72與傳送接收單元74，絕對編碼處理單元72耦接編碼器60與傳送接收單元74，傳送接收單元74耦接第二計數器88。

此外，由於絕對型編碼器所輸出的編碼信號25係代表出轉子52的絕對位置，因此第二計數器88不需等到轉子52旋轉至少二圈才能輸出第二三角信號S₁。

上述實施例所述之轉子角度符合編碼器所輸出的角度資料，係為轉子角度與編碼器所輸出的角度資料之間的落差不影響伺服馬達(由編碼器的自動對位裝置100、馬達單元50與編碼器60所組成)精確運作的情況。

依據本提案所揭露之編碼器的自動對位方法及其裝置的實施例，可藉由第一三角信號與第二三角信號之間偏移信號，補償轉子角度與編輯器角度之間的誤差，進而使 轉子角度符合編碼器所輸出的角度資料。此外，假若編碼器的自動對位裝置進行完一次運算模式與一次的補償模式後，轉子角度不符合編碼器所輸出的角度資料，可重複進行運算模式與補償模式，直到轉子角度符合編碼器所輸出的角度資料。因此，本提案所揭露之編碼器的自動對位方法及其裝置可解決先前技術因人工調整對位的方式使得伺服馬達於大量生產上存在有不穩定的誤差範圍的問題以及伺服馬達的使用者無法依據使用需求更換不同編碼器的問題。

雖然本提案以前述的實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本提案的專利保護範圍須視本說明書所附的申請專利範圍所界定者為準。

21‧‧‧第一切換開關

22‧‧‧第二切換開關

25‧‧‧編碼信號

30‧‧‧處理模組

41、42‧‧‧第一減法器

43、44‧‧‧比例積分控制器

45‧‧‧兩軸至三軸座標轉換器

46‧‧‧脈波寬度調變器

47‧‧‧電力模組

48‧‧‧類比數位轉換器

49‧‧‧三軸至兩軸座標轉換器

50‧‧‧馬達單元

52‧‧‧轉子

60‧‧‧編碼器

63‧‧‧偏移信號

65‧‧‧角度轉換器

80‧‧‧第一計數器

82‧‧‧第一加法器

84‧‧‧電流迴路控制模組

86‧‧‧增量編碼處理單元

88‧‧‧第二計數器

90‧‧‧運算模組

92‧‧‧暫存器

100‧‧‧編碼器的自動對位裝置

Claims (9)

1. 一種編碼器的自動對位方法，包括：依據一第一三角信號輸出一三相電流，使一馬達單元的一轉子隨著該三相電流所產生的磁場轉動，其中該第一三角信號對應該轉子的一轉子角度；依據該轉子的轉動量輸出一第二三角信號，其中該第二三角信號對應一編碼器所輸出一角度資料；依據該第一三角信號與該第二三角信號輸出一偏移信號，該偏移信號包括一第一差值與一第二差值；以及依據該第二三角信號與該偏移信號調整該三相電流，令該轉子角度符合該角度資料；其中依據該第一三角信號與該第二三角信號輸出該偏移信號包括：當該第一三角信號減去該第二三角信號的該第一差值大於零或等於零時，輸出該第一差值；以及當該第一三角信號減去該第二三角信號的該第一差值小於零時，令該第一差值與該編碼器的一解析度數值相加以輸出該第二差值。
2. 一種編碼器的自動對位方法，包括：依據一第一三角信號輸出一三相電流，使一馬達單元的一轉子隨著該三相電流所產生的磁場轉動，其中該第一三角信號對應該轉子的一轉子角度； 依據該轉子的轉動量輸出一第二三角信號，其中該第二三角信號對應一編碼器所輸出一角度資料；當該轉子隨著該三相電流所產生的磁場轉動至少二圈後，依據該第一三角信號與該第二三角信號輸出該偏移信號；以及依據該第二三角信號與該偏移信號調整該三相電流，令該轉子角度符合該角度資料。
3. 一種編碼器的自動對位裝置，適於耦接一馬達單元與一編碼器，該馬達單元與該編碼器相互耦接，該馬達單元具有一轉子，該編碼器具有一解析度數值，該編碼器的自動對位裝置包括：一第一計數器，用以產生一第一三角信號，其中該第一三角信號對應該轉子的一轉子角度；一第一加法器；一電流迴路控制模組，耦接該馬達單元，並耦接該第一計數器或該第一加法器；一編碼元件，耦接該編碼器；一第二計數器，耦接該編碼元件與該第一加法器，用以產生一第二三角信號，其中該第二三角信號對應該編碼器所輸出一角度資料；一運算模組，耦接該第一計數器與該第二計數器；以及 一暫存器，耦接該第一加法器，並選擇性地耦接該運算模組；其中，當該電流迴路控制模組耦接該第一計數器且該運算模組耦接該暫存器時，該電流迴路控制模組依據該第一三角信號輸出一三相電流，使得該轉子隨著該三相電流所產生的磁場轉動，該編碼元件依據該轉子的轉動量輸出該第二三角信號，該運算模組依據該第一三角信號與該第二三角信號輸出一偏移信號至該暫存器；當該運算模組輸出該偏移信號至該暫存器時，該電流迴路控制模組耦接該第一加法器且該運算模組與該暫存器分離，該第一加法器依據該第二三角信號與該偏移信號調整該電流迴路控制模組所輸出的該三相電流，令該轉子角度符合該角度資料。
4. 如請求項3所述之編碼器的自動對位裝置，其中該編碼元件係為一增量編碼處理單元，該增量編碼處理單元耦接該編碼器與該第二計數器。
5. 如請求項4所述之編碼器的自動對位裝置，其中當該轉子隨著該三相電流所產生的磁場轉動至少二圈後，該運算模組依據該第一三角信號與該第二三角信號輸出該偏移信號至該暫存器。
6. 如請求項3所述之編碼器的自動對位裝置，其中該編碼元件包括一絕對編碼處理單元與一傳送接收單元，該絕對編 碼處理單元耦接該編碼器與該傳送接收單元，該傳送接收單元耦接該第二計數器。
7. 如請求項3所述之編碼器的自動對位裝置，其中該編碼器的自動對位裝置另包括一處理模組、一第一切換開關與一第二切換開關，該第一切換開關耦接該處理模組、該電流迴路控制模組、該第一計數器與該第一加法器，該第二切換開關耦接該處理模組、該暫存器與該運算模組，該處理模組利用該第一切換開關控制該電流迴路控制模組耦接該第一計數器或該第一加法器，且利用該第二切換開關控制該運算模組與該暫存器耦接或分離。
8. 如請求項3所述之編碼器的自動對位裝置，其中該偏移信號包括一第一差值與一第二差值，該運算模組包括：一第二減法器，耦接該第一計數器與該編碼元件，用以將該第一三角信號減去該第二三角信號以輸出該第一差值；一比較器，耦接該第二減法器，當該第一差值大於零時輸出一第一比較信號，當該第一差值小於零時輸出一第二比較信號；一第二加法器，耦接該第二減法器，用以將該第一差值與該編碼器的該解析度數值相加，以輸出該第二差值；以及 一選擇器，耦接該第二減法器、該第二加法器與該比較器，用以依據該第一比較信號輸出該第一差值，依據該第二比較信號輸出該第二差值。
9. 如請求項3所述之編碼器的自動對位裝置，其中該第一三角信號的週期大於或等於5秒，且該第一計數器循迴計數至該解析度數值。