TWI494720B - 伺服馬達系統中之脈波處理器 - Google Patents

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TWI494720B
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Description

伺服馬達系統中之脈波處理器
本發明是有關於一伺服馬達系統(servo motor system)，且特別是有關於一種伺服馬達系統中之脈波處理器(pulse processing device)。
眾所周知，伺服馬達系統能夠精準的控制伺服馬達的轉速，並具備反應快速的加速、減速能力。亦即，由於伺服馬達系統具備精確的位置控制和速度控制之能力，因此已經廣泛的運用於各種自動化工業以及精密加工領域。例如，機械手臂、或者機械工作平台等等。
一般來說，於控制伺服馬達系統時，如果快速地改變伺服馬達的轉速，或者快速且不規則的改變伺服馬達的轉向，將會造成伺服馬達系統失去控制(out of control)。亦即，當控制伺服馬達系統的輸入信號變化太快時，伺服馬達將無法及時反應輸入信號的變化，所以會造成伺服馬達系統失去控制。
因此，如何能夠即時反應輸入信號的變化，並即時操控伺服馬達即為本發明所欲達成的目的。
本發明係有關於一種伺服馬達系統中之脈波處理器，連接至一指令裝置用以根據一指令脈波來控制一伺服馬達，該脈波處理器包括：一相位/脈寬取樣器，根據該指令脈波中的一第一信號與一第二信號決定一輸入轉向信號、一輸入相位數值與一輸入脈寬數值；一第一計算器，接收該輸入相位數值並將該輸 入相位數值乘上P/Q成為一目標相位數值，其中P與Q為正整數；一第二計算器，接收該輸入脈寬數值並將該輸入脈寬數值乘上Q/P成為一目標脈寬數值；一栓鎖裝置；接收該輸入轉向信號並輸出一目標轉向信號；以及，一脈波寬度調變器，接收該目標轉向信號、該目標相位數值與該目標脈寬數值，並輸出一轉換脈波。
本發明更提出一種伺服馬達系統，包括：一指令裝置，輸出一指令脈波；一脈波處理器，連接至該指令裝置，以接收該指令脈波並產生一轉換脈波；一微控制器，連接至該脈波處理器，該微控制器包括：一偏差計數單元與一轉速/轉矩控制單元；其中，該偏差計數器接收該轉換脈波與一回授脈波並產生一誤差信號；以及，該轉速/轉矩控制單元根據該誤差信號產生一驅動信號；一伺服馬達，連接至該微控制器，用以接收該驅動信號；以及一回授元件，根據該伺服馬達的轉速與轉向產生該回授脈波。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
110、210‧‧‧指令裝置
120、220‧‧‧微控制器
124‧‧‧比例控制單元
126、226‧‧‧偏差計數單元
128、228‧‧‧速度/轉矩控制單元
130、230‧‧‧伺服馬達
140、40‧‧‧光電編碼器
215、400‧‧‧脈波處理器
410‧‧‧相位/脈寬取樣器
422‧‧‧第一栓鎖器
428‧‧‧第二栓鎖器
432‧‧‧第一乘法器
438‧‧‧第一除法器
452‧‧‧第二乘法器
458‧‧‧第二除法器
490‧‧‧脈波寬度調變器
第1圖所繪示為伺服馬達系統示意圖。
第2圖所繪示為本發明伺服馬達系統示意圖。
第3A圖之脈衝格式係為A/B相位(A/B phase)指令脈波。
第3B圖之脈衝格式係為單一脈波方向(One Pulse Direction)指令脈波。
第3C圖之脈衝格式係為順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)指令脈波。
第4圖所繪示為本發明伺服馬達系統中的脈波處理器示意圖。
第5A圖所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，並產生A/B相位的轉換脈波y1、y2的示意圖。
第5B圖所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，並產生A/B相位的轉換脈波y1、y2的示意圖。
第6A圖所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，並產生單一脈波方向(One Pulse Direction)的轉換脈波y1、y2的示意圖。
第6B圖所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，並產生單一脈波方向(One Pulse Direction)的轉換脈波y1、y2的示意圖。
第7A圖所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，並產生順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)的轉換脈波y1、y2的示意圖。
第7B圖所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，並產生順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)的轉換脈波y1、y2的示意圖。
請參照第1圖，其所繪示為伺服馬達系統示意圖。伺服馬達系統包括：指令裝置110、微控制器(micro controller)120、伺服馬達130、光電編碼器(optical encoder)140。其中，微控制器120係為一數位信號處理器(digital signal processor，簡稱DSP)。再者，微控制器120中更包括一比例控制單元(proportional control unit)124、偏差計數單元126、以及轉速/轉矩控制單元128。
基本上，指令裝置110係根據使用者的操作，而輸出指令脈波(command pulses)，用以進行伺服馬達130的轉速與轉 向控制。比例控制單元124接收指令脈波並一具特定的比例產生控制脈波(control pulses，C)。再者，偏差計數器126根據控制脈波以及回授脈波(feedback pulses)產生誤差信號(error signal，E)至轉速/轉矩控制單元128，而轉速/轉矩控制單元128根據誤差信號E產生一轉換脈波(transferred pulses)至伺服馬達130以控制伺服馬達130的轉速與轉向。再者，光電編碼器140係根據伺服馬達130的轉速與轉向產生回授脈波至偏差計數單元126。當然，光電編碼器140僅是一種回授元件，也可以由其他裝置所取代，例如解角器(resolver)。
基本上，微控制器120中係利用韌體程式來實現上述比例控制單元124、偏差計數單元126以及轉速/轉矩控制單元128的功能。眾所周知，韌體程式的執行速度受限於微控制器120本身的處理速度。尤其韌體程式在進行乘除法的數學運算時將會耗費大量的系統資源，並使得微控制器120運作效率大幅下降。
在微控制器120中，比例控制單元124會將指令裝置110輸入的指令脈波進行乘除的數學運算，並輸出轉換脈波至偏差計數單元126。因此，當指令脈波快速變化時，有可能造成比例控制單元124的負擔(loading)過大，無法即時計算出轉換脈波的情況，所以造成伺服馬達130失去控制。
請參照第2圖，其所繪示為本發明伺服馬達系統示意圖。伺服馬達系統包括：指令裝置210、脈波處理器215、與伺服馬達230。其中，指令裝置210係根據使用者的操作，而輸出指令脈波a1、a2，用以進行伺服馬達230的轉速與轉向控制。脈波處理器215接收指令脈波a1、a2並輸出轉換脈波y1、y2以控制伺服馬達230。
基本上，指令輸出裝置210可產生多種脈衝格式的指令脈波a1、a2。當然，脈波處理器215也可以產生多種脈衝格式的轉換脈波y1、y2。以下詳細說明各種脈衝格式。
第3A圖之脈衝格式係為A/B相位(A/B phase)指令 脈波示意圖。當a1信號的脈波相位超前a2信號的脈波相位90度時，代表控制伺服馬達230進行第一方向的轉動(例如順時鐘方向)；反之，當a1信號的脈波相位落後a2信號的脈波相位90度時，代表控制伺服馬達230進行第二方向的轉動(例如逆時鐘方向)。因此，於時間點t1時，伺服馬達230被控制往第一方向轉動；而於時間點t2時，伺服馬達230被控制往第二方向轉動。再者，a1信號與a2信號脈波寬度代表驅動伺服馬達230的驅動強度，當a1信號與a2信號脈波寬度越寬，伺服馬達230的轉速會加快；反之，當a1信號與a2信號脈波寬度越窄，伺服馬達230的轉速會減慢。
第3B圖之脈衝格式係為單一脈波方向(One Pulse Direction)指令脈波示意圖。a1信號的脈波寬度代表驅動伺服馬達230的驅動強度，當a1信號脈波寬度越寬，伺服馬達230的轉速會加快；反之，當a1信號脈波寬度越窄，伺服馬達230的轉速會減慢。再者，a2信號係用來指示轉動方向。因此，由a2信號可知，於時間點t1時，伺服馬達230被控制往第一方向轉動；而於時間點t2時，伺服馬達230被控制往第二方向轉動。
第3C圖之脈衝格式係為順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)指令脈波示意圖。其中，當a1信號動作時，伺服馬達230往第一方向轉動且其脈波寬度代表驅動伺服馬達230的驅動強度；當a2信號動作時，伺服馬達230往第二方向轉動且其脈波寬度代表驅動伺服馬達230的驅動強度。因此，於時間點t1時，伺服馬達230被控制往第一方向轉動；而於時間點t2時，伺服馬達230被控制往第二方向轉動。
雖然第3A圖至第3C圖係說明三種脈衝格式的指令脈波a1、a2。當然，第3A圖至第3C圖的脈衝格式的也可以運用於轉換脈波y1、y2，此處不再贅述。
根據本發明的實施例，脈波處理器215係處理指令脈波a1、a2，並輸出轉換脈波y1、y2。基本上，脈波處理器215 可以將上述三種脈衝格式的指令脈波a1、a2轉換為上述三種脈衝格式其中之一的轉換脈波y1、y2。再者，脈波處理器215可以進一步將指令脈波a1、a2的頻率進行變換。舉例來說，僅改變A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率，成為A/B相位的轉換脈波y1、y2；改變A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率以及脈衝格式，成為單一脈波方向的轉換脈波y1、y2；或者，改變A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率以及脈衝格式，成為順逆時鐘轉動的轉換脈波y1、y2。
請參照第4圖，其所繪示為本發明伺服馬達系統中的脈波處理器示意圖。為了防止伺服馬達系統失去控制，脈波處理器400需要能夠即時將指令脈波a1、a2改變為轉換脈波y1、y2。因此，脈波處理器400中所有電路元件皆以硬體電路來實現，並非以韌體程式來實現。
脈波處理器400包括：相位/脈寬取樣器410、第一栓鎖器422、第二栓鎖器428、第一乘法器432、第二乘法器452、第一除法器438、第二除法器458、與脈波寬度調變器(pulse width modulator)490。其中，脈波處理器400可經由使用者的設定將指令脈波a1、a2之頻率改變為P/Q倍，其中P與Q皆為正整數。並且，設定脈波寬度調變器490輸出特定脈衝格式的轉換脈波y1、y2。
當指令脈波a1、a2輸入相位/脈寬取樣器410時，利用一參考時脈(reference clock)來取樣指令脈波a1、a1並且產生輸入相位數值(input phase number，IPN)以及輸入脈寬數值(input pulse width number，IPWN)。當然，根據指令脈波a1、a2也可以產生輸入轉向信號(input direction signal，IDIR)。
隨著指令脈波a1、a2的變化，相位/脈寬取樣單元410持續產生輸入轉向信號、輸入相位數值、輸入脈寬數值。脈波處理器400內部利用管線式傳輸(pipelining transformation)，逐級的進行計算，並持續產生目標轉向信號(target direction signal，TDIR)、目標相位數值(target phase number，TPN)、目標脈寬數值(target pulse width number，TPWN)至脈波寬度調變器490，使得脈波寬度調變器490可以產生特定脈衝格式的轉換脈波y1、y2，以及輸出相位數值(output phase number，OPN)。以下詳細說明脈波處理器400的信號處理流程。
請參照第5A圖，其所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，並產生A/B相位的轉換脈波y1、y2的示意圖。由於指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，所以P=1且Q=3。
根據本發明的實施例，相位/脈寬取樣器410會根據a1信號與a2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸入相位數值IPN。根據本發明的實施例，當指令脈波a1、a2係為第一方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞增；反之，當指令脈波a1、a2係為第二方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞減。亦即，輸入相位數值IPN係為一有號數(sign)之數值，例如二補數數值(number with 2’ complement representation)。由第5A圖可之，指令脈波a1、a2係往第一方向旋轉，所以輸入相位數值IPN持續遞增。並且，輸入轉向信號IDIR並未改變其信號準位。
再者，相位/脈寬取樣器410會利用參考時脈CLKref來取樣a1信號或者a2信號，並產生輸入脈寬數值IPWN。由第5A圖可知，相位/脈寬取樣器410係利用參考時脈CLKref來取樣a1信號，並產生4T的輸入脈寬數值IPWN。
假設脈波處理器400進行管線式傳輸會有ΔL的延遲時間(latency)。以輸入相位數值IPN=3為例，將IPN利用第一乘法器432乘上P(P=1)再利用第一除法器438除以Q(Q=3)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標相位數值TPN=1。由以上說明可知，當輸入相位數值IPN=3~5時，目標相位數值TPN皆會維持在1。同理，當輸入相位數值IPN=6~8時，目標相位數值TPN會改變為2，並依此類推。
同理，當輸入脈寬數值IPWN=4T時，將IPWN利用第二乘法器452乘上Q(Q=3)再利用第二除法器458除以P(P=1)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標脈寬數值TPWN=12T。很明顯地，由於輸入脈寬數值IPWN持續維持在4T，所以目標脈寬數值TPWN維持在12T。
由於目標轉向信號TDIR並未改變其信號準位。因此，如第5A圖所示，脈波寬度調變器490根據目標轉向信號TDIR、目標相位數值TPN、與目標脈寬數值TPWN，可以產生A/B相位的轉換脈波y1、y2以及輸出相位數值OPN。其中，y1信號與y2信號的脈波寬度皆為12T，亦即參考時脈CLKref週期的12倍；再者，y1信號超前y2信號90度。
請參照第5B圖，其所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，並產生A/B相位的轉換脈波y1、y2的示意圖。由於指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，所以P=2且Q=1。
再者，相位/脈寬取樣器410會根據a1信號與a2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸入相位數值IPN。當指令脈波a1、a2係為第一方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞增；反之，當指令脈波a1、a2係為第二方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞減。亦即，輸入相位數值IPN係為一有號數(sign)之數值，例如二補數數值(number with 2’ complement representation)。
再者，相位/脈寬取樣器410會利用參考時脈CLKref來取樣a1信號或者a2信號，並產生輸入脈寬數值IPWN。由第5B圖可知，相位/脈寬取樣器410係利用參考時脈CLKref來取樣a1信號，並產生4T的輸入脈寬數值IPWN。
假設脈波處理器400進行管線式傳輸會有ΔL的延遲時間(latency)。以輸入相位數值IPN=2為例，將IPN利用第一乘法器432乘上P(P=2)再利用第一除法器438除以Q(Q=1)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標相位數值TPN=4。由以上說明 可知，當輸入相位數值IPN=3時，目標相位數值TPN改變為6，並依此類推。
同理，當輸入脈寬數值IPWN=4T時，將IPWN利用第二乘法器452乘上Q(Q=1)再利用第二除法器458除以P(P=2)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標脈寬數值TPWN=2T。很明顯地，由於輸入脈寬數值IPWN持續維持在4T，所以目標脈寬數值TPWN維持在2T。
由於輸入轉向信號IDIR在輸入相位數值IPN=8之後，由低準位轉為高準位，代表伺服馬達230旋轉方向改變。所以第一栓鎖器422與第二栓鎖器428將造成ΔL延遲時間，才可獲得目標轉向信號TDIR由低準位轉為高準位。因此，如第5B圖所示，脈波寬度調變器490根據目標轉向信號TDIR、目標相位數值TPN、與目標脈寬數值TPWN，可以產生A/B相位的轉換脈波y1、y2以及輸出相位數值OPN。其中，y1信號與y2信號的脈波寬度皆為2T，亦即參考時脈CLKref週期的2倍；再者，於目標相位數值TPN=16之前，y1信號超前y2信號90度，伺服馬達230往第一方向旋轉；於目標相位數值TPN=16之後，y2信號超前y1信號90度，伺服馬達230往第二方向旋轉。
請參照第6A圖，其所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，並產生單一脈波方向(One Pulse Direction)的轉換脈波y1、y2的示意圖。由於指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，所以P=1且Q=3。
相位/脈寬取樣器410會根據a1信號與a2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸入相位數值IPN。其中，當指令脈波a1、a2係為第一方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞增；反之，當指令脈波a1、a2係為第二方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞減。亦即，輸入相位數值IPN係為一有號數(sign)之數值，例如二補數數值(number with 2’ complement representation)。由第6A圖可之，指令脈波a1、a2係往第一方向旋轉，所以輸入 相位數值IPN持續遞增。並且，輸入轉向信號IDIR並未改變其信號準位。
再者，相位/脈寬取樣器410會利用參考時脈CLKref來取樣a1信號或者a2信號，並產生輸入脈寬數值IPWN。由第6A圖可知，相位/脈寬取樣器410係利用參考時脈CLKref來取樣a1信號，並產生4T的輸入脈寬數值IPWN。
假設脈波處理器400進行管線式傳輸會有ΔL的延遲時間(latency)。以輸入相位數值IPN=3為例，將IPN利用第一乘法器432乘上P(P=1)再利用第一除法器438除以Q(Q=3)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標相位數值TPN=1。由以上說明可知，當輸入相位數值IPN=3~5時，目標相位數值TPN皆會維持在1。同理，當輸入相位數值IPN=6~8時，目標相位數值TPN會改變為2，並依此類推。
同理，當輸入脈寬數值IPWN=4T時，將IPWN利用第二乘法器452乘上Q(Q=3)再利用第二除法器458除以P(P=1)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標脈寬數值TPWN=12T。。很明顯地，由於輸入脈寬數值IPWN持續維持在4T，所以目標脈寬數值TPWN維持在12T。
由於目標轉向信號TDIR並未改變其信號準位。因此，如第6A圖所示，脈波寬度調變器490根據目標轉向信號TDIR、目標相位數值TPN、與目標脈寬數值TPWN，可以產生單一脈波方向(One Pulse Direction)的轉換脈波y1、y2以及輸出相位數值OPN。其中，y1信號的脈波寬度皆為12T，亦即參考時脈CLKref週期的12倍；再者，y2信號維持在低準位代表持續往第一方向旋轉。
請參照第6B圖，其所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，並產生單一脈波方向(One Pulse Direction)的轉換脈波y1、y2的示意圖。由於指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，所以P=2且Q=1。
再者，相位/脈寬取樣器410會根據a1信號與a2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸入相位數值IPN。當指令脈波a1、a2係為第一方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞增；反之，當指令脈波a1、a2係為第二方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞減。亦即，輸入相位數值IPN係為一有號數(sign)之數值，例如二補數數值(nu1mber with 2’ complement representation)。
再者，相位/脈寬取樣器410會利用參考時脈CLKref來取樣a1信號或者a2信號，並產生輸入脈寬數值IPWN。由第5B圖可知，相位/脈寬取樣器410係利用參考時脈CLKref來取樣a1信號，並產生4T的輸入脈寬數值IPWN。
假設脈波處理器400進行管線式傳輸會有ΔL的延遲時間(latency)。以輸入相位數值IPN=2為例，將IPN利用第一乘法器432乘上P(P=2)再利用第一除法器438除以Q(Q=1)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標相位數值TPN=4。由以上說明可知，當輸入相位數值IPN=3時，目標相位數值TPN改變為6，並依此類推。
同理，當輸入脈寬數值IPWN=4T時，將IPWN利用第二乘法器452乘上Q(Q=1)再利用第二除法器458除以P(P=2)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標脈寬數值TPWN=2T。很明顯地，由於輸入脈寬數值IPWN持續維持在4T，所以目標脈寬數值TPWN維持在2T。
由於輸入轉向信號IDIR在輸入相位數值IPN=8之後，由低準位轉為高準位，代表伺服馬達230旋轉方向改變。所以第一栓鎖器422與第二栓鎖器428將造成ΔL延遲時間，才可獲得目標轉向信號TDIR由低準位轉為高準位。因此，如第6B圖所示，脈波寬度調變器490根據目標轉向信號TDIR、目標相位數值TPN、與目標脈寬數值TPWN，可以產生單一脈波方向(One Pulse Direction)的轉換脈波y1、y2以及輸出相位數值OPN。其中，y1信號的脈波寬度為2T，亦即參考時脈CLKref週期的2倍； 再者，於目標相位數值TPN=16之前，y2信號為低準位，伺服馬達230往第一方向旋轉；於目標相位數值TPN=16之後，y2信號為高準位，伺服馬達230往第二方向旋轉。
請參照第7A圖，其所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，並產生順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)的轉換脈波y1、y2的示意圖。由於指令脈波a1、a2之頻率變為1/3倍，所以P=1且Q=3。
相位/脈寬取樣器410會根據a1信號與a2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸入相位數值IPN。其中，當指令脈波a1、a2係為第一方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞增；反之，當指令脈波a1、a2係為第二方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞減。亦即，輸入相位數值IPN係為一有號數(sign)之數值，例如二補數數值(number with 2’ complement representation)。由第7A圖可之，指令脈波a1、a2係往第一方向旋轉，所以輸入相位數值IPN持續遞增。並且，輸入轉向信號IDIR並未改變其信號準位。
再者，相位/脈寬取樣器410會利用參考時脈CLKref來取樣a1信號或者a2信號，並產生輸入脈寬數值IPWN。由第7A圖可知，相位/脈寬取樣器410係利用參考時脈CLKref來取樣a1信號，並產生4T的輸入脈寬數值IPWN。
假設脈波處理器400進行管線式傳輸會有ΔL的延遲時間(latency)。以輸入相位數值IPN=3為例，將IPN利用第一乘法器432乘上P(P=1)再利用第一除法器438除以Q(Q=3)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標相位數值TPN=1。由以上說明可知，當輸入相位數值IPN=3~5時，目標相位數值TPN皆會維持在1。同理，當輸入相位數值IPN=6~8時，目標相位數值TPN會改變為2，並依此類推。
同理，當輸入脈寬數值IPWN=4T時，將IPWN利用第二乘法器452乘上Q(Q=3)再利用第二除法器458除以P(P=1) 後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標脈寬數值TPWN=12T。。很明顯地，由於輸入脈寬數值IPWN持續維持在4T，所以目標脈寬數值TPWN維持在12T。
由於目標轉向信號TDIR並未改變其信號準位。因此，如第7A圖所示，脈波寬度調變器490根據目標轉向信號TDIR、目標相位數值TPN、與目標脈寬數值TPWN，可以產生順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)的轉換脈波y1、y2以及輸出相位數值OPN。其中，y1信號代表第一方向旋轉的信號，其脈波寬度皆為12T，亦即參考時脈CLKref週期的12倍；再者，y2信號沒有任何脈波，代表並未往第二方向旋轉。
請參照第7B圖，其所繪示為利用脈波處理器將A/B相位的指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，並產生順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)的轉換脈波y1、y2的示意圖。由於指令脈波a1、a2之頻率變為2倍，所以P=2且Q=1。
再者，相位/脈寬取樣器410會根據a1信號與a2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸入相位數值IPN。當指令脈波a1、a2係為第一方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞增；反之，當指令脈波a1、a2係為第二方向旋轉時，輸入相位數值IPN會持續遞減。亦即，輸入相位數值IPN係為一有號數(sign)之數值，例如二補數數值(number with 2’ complement representation)。
再者，相位/脈寬取樣器410會利用參考時脈CLKref來取樣a1信號或者a2信號，並產生輸入脈寬數值IPWN。由第5B圖可知，相位/脈寬取樣器410係利用參考時脈CLKref來取樣a1信號，並產生4T的輸入脈寬數值IPWN。
假設脈波處理器400進行管線式傳輸會有ΔL的延遲時間(latency)。以輸入相位數值IPN=2為例，將IPN利用第一乘法器432乘上P(P=2)再利用第一除法器438除以Q(Q=1)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標相位數值TPN=4。由以上說明可知，當輸入相位數值IPN=3時，目標相位數值TPN改變為6， 並依此類推。
同理，當輸入脈寬數值IPWN=4T時，將IPWN利用第二乘法器452乘上Q(Q=1)再利用第二除法器458除以P(P=2)後，共需ΔL的延遲時間才可獲得目標脈寬數值TPWN=2T。很明顯地，由於輸入脈寬數值IPWN持續維持在4T，所以目標脈寬數值TPWN維持在2T。
由於輸入轉向信號IDIR在輸入相位數值IPN=8之後，由低準位轉為高準位，代表伺服馬達230旋轉方向改變。所以第一栓鎖器422與第二栓鎖器428將造成ΔL延遲時間，才可獲得目標轉向信號TDIR由低準位轉為高準位。因此，如第7B圖所示，脈波寬度調變器490根據目標轉向信號TDIR、目標相位數值TPN、與目標脈寬數值TPWN，可以產生順逆時鐘轉動(Clockwise Counterclockwise)的轉換脈波y1、y2以及輸出相位數值OPN。其中，y1信號代表第一方向旋轉的信號，於目標相位數值TPN=16之前，其脈波寬度皆為2T，亦即參考時脈CLKref週期的2倍；再者，y2信號代表第二方向旋轉的信號，於目標相位數值TPN=16之後，其脈波寬度皆為2T。
由第5A圖與第5B圖，第6A圖與第6B圖，以及第7A圖與第7B圖之說明可之。本發明的脈波處理器400可將A/B相位的指令脈波a1、a2轉換為各種脈衝格式的轉換脈波y1、y2。當然，利用相同的方式，也可以將各種脈衝格式指令脈波a1、a2轉換為各種脈衝格式的轉換脈波y1、y2，此處不再贅述。
再者，上述的相位/脈寬取樣器410係根據a1信號與a2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸入相位數值IPN。當然，相位/脈寬取樣器410也可以僅根據a1信號之信號緣(edge)的變化，來改變輸入相位數值IPN；或者，相位/脈寬取樣器410也可以僅根據a2信號之信號緣的變化，來改變輸入相位數值IPN。
同理，脈波寬度調變器490也可以根據y1信號與y2信號之信號緣(edge)變化，來改變輸出數值OPN。當然，脈波 寬度調變器490也可以僅根據y1信號之信號緣(edge)的變化，來改變輸出相位數值OPN；或者，脈波寬度調變器490也可以僅根據y2信號之信號緣的變化，來改變輸出相位數值OPN。
再者，本發明的脈波處理器400中的乘法器與除法器的位置可以互換，一樣也可以達成本發明的效果。換句話說，利用一第一計算器，接收輸入相位數值(IPN)並將輸入相位數值(IPN)乘上P/Q後成為目標相位數值(TPN)。利用第二計算器，接收輸入脈寬數值(IPWN)並將輸入脈寬數值(IPWN)乘上Q/P成為目標脈寬數值(TPWN)。並利用栓鎖裝置(包括二個栓鎖器)接收輸入轉向信號(IDIR)並輸出目標轉向信號(TDIR)。
再者，本發明雖然提出三種脈衝格式的指令脈波a1、a2來做說明並轉換為三種脈衝格式的轉換脈波y1、y2，然而本發明並非僅限於上述脈衝格式而已。在此技術領域的技術人員也可以利用本發明之脈波處理器400將其他脈衝格式的指令脈波a1、a2轉換為轉換脈波y1、y2。
由以上說明可知，本發明的優點在於伺服馬達系統中的脈波處理器400係由硬體電路來實現。相較於微控制器實現的脈波處理單元，本發明具備更短的ΔL延遲時間。因此本發明的伺服馬達系統能夠即時反應輸入信號的變化，並即時操控伺服馬達防止伺服馬達系統失去控制。
綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
400‧‧‧脈波處理器
410‧‧‧相位/脈寬取樣器
422‧‧‧第一栓鎖器
428‧‧‧第二栓鎖器
432‧‧‧第一乘法器
438‧‧‧第一除法器
452‧‧‧第二乘法器
458‧‧‧第二除法器
490‧‧‧脈波寬度調變器

Claims (10)

  1. 一種伺服馬達系統中之脈波處理器，連接至一指令裝置與一伺服馬達，根據該指令裝置輸出的一指令脈波來控制該伺服馬達，該脈波處理器包括；一相位/脈寬取樣器，根據該指令脈波中的一第一信號與一第二信號決定一輸入轉向信號、一輸入相位數值與一輸入脈寬數值，其中該相位/脈寬取樣器利用一參考時脈取樣該第一信號的脈波寬度獲得該輸入脈寬數值，且該脈波寬度調變器根據該目標脈波寬度數值與該參考時脈產生決定該轉換脈波的脈波寬度；一第一計算器，接收該輸入相位數值並將該輸入相位數值乘上P/Q成為一目標相位數值，其中P與Q為正整數；一第二計算器，接收該輸入脈寬數值並將該輸入脈寬數值乘上Q/P成為一目標脈寬數值；一栓鎖裝置，接收該輸入轉向信號並輸出一目標轉向信號；以及一脈波寬度調變器，接收該目標轉向信號、該目標相位數值與該目標脈寬數值，並輸出一轉換脈波。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之脈波處理器，其中，該指令脈波係為一A/B相位的指令脈波、一單一脈波方向的指令脈波、或者一順逆時鐘轉動的指令脈波。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之脈波處理器，其中，該轉換脈波係為一A/B相位的轉換脈波、一單一脈波方向的轉換脈波、或者一順逆時鐘轉動的轉換脈波。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之脈波處理器，其中該輸入相位數值係由該第一信號的信號邊緣決定，或者該輸入相位數值係由該第一信號與該第二信號的信號邊緣決定。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之脈波處理器，其中該輸入相位數值係為二補數的輸入相位數值，且當該第一信號與該第二信號決定一第一方向旋轉時，該輸入相位數值會遞增；當該第一信號與該第二信號決定一第二方向旋轉時，該輸入相位數值會遞減。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之脈波處理器，其中，該第一計算器包括：一第一乘法器，將該輸入相位數值乘上P後產生一第一結果數值；以及第一除法器，接收該第一結果數值並除以Q後產生該目標相位數值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之脈波處理器，其中，該第二計算器包括：一第二乘法器，將該輸入脈寬數值乘上Q後產生一第二結果數值；以及第二除法器，接收該第二結果數值並除以P後產生該目標脈寬數值。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之脈波處理器，其中，該栓鎖裝置包括：串接的一第一栓鎖器與一第二栓鎖器，該第一栓鎖器輸入端接收該輸入轉向信號，且該第二栓鎖器輸出端產生該輸出轉向信號。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之脈波處理器，其中該脈波寬度調變器係根據該轉換脈波產生一輸出相位數值。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之脈波處理器，其中該轉換脈波中包括一第三信號與一第四信號，該輸出相位數值係由該第 三信號的信號邊緣決定，或者該輸入相位數值係由該第三信號與該第四信號的信號邊緣決定。
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