TWI527359B

TWI527359B - 抑制振動的方法及控制系統

Info

Publication number: TWI527359B
Application number: TW102139784A
Authority: TW
Inventors: 楊勝明; 王士銓
Original assignee: 光寶科技股份有限公司
Priority date: 2013-11-01
Filing date: 2013-11-01
Publication date: 2016-03-21
Also published as: TW201519571A; US20150123584A1; US9331622B2

Description

抑制振動的方法及控制系統

本發明是有關於一種抑制振動的方法及控制系統，特別是指一種自動偵測干擾頻率並控制凹陷濾波器以抑制振動的方法及控制系統。

已知控制系統的振動來源的分類有許多種類，大致可分為控制產生的振動與機械產生的振動，機械振動最常見的有扭矩振動(Torsion Vibration)及機構共振(Mechanism Resonance)。

一般馬達控制系統通常會有一些不同型態及頻率的機械共振，這些共振會導致速度及位置的誤差，嚴重時可能會使系統損壞。

在馬達控制系統運轉的範圍內有機械共振產生時，有數種習知的解決方法。傳統的方法是將控制系統的增益及頻寬降低以避開共振頻率，但這樣做也會降低控制系統的性能。另外的方法是在控制迴路中加入凹陷濾波器(Notch Filter)以抑制共振的影響，但通常以手動方式調整，不只花時間而且在共振頻率變動時必須再重新調整。

因此，本發明之目的，即在提供一種自動偵測干擾頻率並控制凹陷濾波器以抑制振動的方法及控制系統。

於是，本發明抑制振動的方法包括下述步驟：(a)記錄一筆經過一段時間受振動干擾的待測信號資料；(b)提供一可以改變一操作頻率的帶通濾波器；(c)改變該帶通濾波器的操作頻率，令該待測信號資料通過該帶通濾波器處理以輸出多個帶通資料；(d)將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多筆正規化頻譜；(e)在該等正規化頻譜的強度中取得一最大值及對應該最大值的干擾頻率，比較該最大值與一門檻值，若該最大值未高於該門檻值則不動作，若該最大值高於該門檻值，則接續步驟(f)；及(f)控制一可受控改變其操作頻率的凹陷濾波器動作，且該凹陷濾波器的操作頻率設定為該干擾頻率以消除通過信號的振動干擾。

所述的抑制振動的方法中，步驟(c)還包括：設定該操作頻率為一初始值，設定該操作頻率增加一變化量，並以此更新該帶通濾波器的操作頻率；及判斷累加該變化量後的該操作頻率是否到達一預定範圍，若未到達該預定範圍則重覆步驟(c)及步驟(d)，若到達該預定範圍則接續步驟(e)。

所述的抑制振動的方法中，步驟(b)是提供一個可以改變多個操作頻率的帶通濾波器；步驟(c)還包括：(c1) 設定各該操作頻率分別為一基準頻率及該基準頻率微幅增減的鄰近值；步驟(d)還包括：(d1)依據該等正規化頻譜的兩兩相鄰頻率的強度的斜率判斷是否為該干擾頻率，若是，接續步驟(e)，若否，接續步驟(c4)；及(d2)改變該基準頻率，並以此更新該帶通濾波器的操作頻率，並重覆步驟(c)及步驟(d)。

所述的抑制振動的方法中，改變該基準頻率的修正量是一固定值或是根據兩兩相鄰頻率的強度的斜率大小決定的一變動值。

所述的抑制振動的方法中，步驟(c)的正規化處理是輸入一經過帶通濾波及取絕對值後的時域資料，配合頻譜轉換並累加平均後輸出該正規化頻譜。

本發明的抑制振動的控制系統包括一儲存裝置、一帶通濾波器、一凹陷濾波器及一控制器。

該儲存裝置記錄一筆經過一段時間受振動干擾的待測信號資料；該帶通濾波器可受控改變其操作頻率；該凹陷濾波器可受控改變其操作頻率；及一控制器，電性連接該儲存裝置、該帶通濾波器及該凹陷濾波器並控制其運作，控制該待測信號資料通過不同操作頻率的該帶通濾波器處理輸出多個帶通資料，將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多個正規化頻譜，並依據正規化頻譜控制該凹陷濾波器的操作頻率以消除通過信號的振動干擾。

所述的抑制振動的控制系統中，該控制器具有一暫存單元、一正規化單元及一處理單元。

該暫存單元儲存該待測信號資料通過該帶通濾波器處理所輸出的多個操作頻率的帶通資料；該正規化單元將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多個正規化頻譜；該處理單元依據該等正規化頻譜的兩兩相鄰頻率的強度的斜率判斷是否為干擾頻率，若判斷不是干擾頻率，則改變該基準頻率，並以此更新該帶通濾波器的操作頻率，接續以此更新各該帶通濾波器的操作頻率且令該暫存單元及該正規化單元運作；若判斷該基準頻率為一干擾頻率，則取得對應該干擾頻率的強度的一最大值，比較該最大值與一門檻值，若該最大值未高於該門檻值則不動作，若該最大值高於該門檻值，則控制該凹陷濾波器動作，且該凹陷濾波器的操作頻率設為該干擾頻率以消除該凹陷濾波器通過信號的振動干擾。

所述的抑制振動的控制系統中，該帶通濾波器可以改變多個操作頻率；該控制器具有一暫存單元、一正規化單元及一處理單元。該暫存單元儲存該待測信號資料通過該帶通濾波器處理所輸出的多個操作頻率的帶通資料；該正規化單元將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多個正規化頻譜；該處理單元依據該等正規化頻譜的兩兩相鄰頻率強度之斜率判斷是否為干擾頻率，若判斷不是干擾頻率，則改變該基準頻率，並以此更新該帶通濾波器的操作頻率，接續以此更新各該帶通濾波器的操作頻率且令該暫存單元及該正規化單元運作；若判斷該基準頻率為一干擾頻率，則取得對應該干擾頻率的強度的一最大值，比較該最大值與一門檻值，若該最大值未高於該門檻值則不動作，若該最大值高於該門檻值，則控制該凹陷濾波器動作，且該凹陷濾波器的操作頻率設為該干擾頻率以消除該凹陷濾波器通過信號的振動干擾。

所述的抑制振動的信控制系統中，該處理單元改變該基準頻率的修正量是一固定值或是根據兩兩相鄰頻率的強度的斜率大小決定的一變動值。

所述的抑制振動的控制系統還包括一位置控制器、一速度控制器、一驅動器、一馬達、一位置感測器及/或一速度感測器，且該控制裝置是處理該位置控制器產生的信號、該速度控制器產生的信號、該驅動器產生的信號、該馬達，或該位置感測器產生的信號。

本發明之功效在於：改變帶通濾波器的操作頻率，令該待測信號資料通過該帶通濾波器處理以輸出多個帶通資料，將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多筆正規化頻譜，在該等正規化頻譜的強度中取得最大值，並依據此最大值判斷相對應的干擾頻率是否屬於干擾頻率，有效地達到自動偵測的目的，並且，藉此控制是否驅動凹陷濾波器動作，亦可有效抑制振動。

100‧‧‧控制系統

1‧‧‧控制裝置

10‧‧‧控制器

101‧‧‧暫存單元

102‧‧‧正規化單元

103‧‧‧處理單元

11‧‧‧帶通濾波器

12‧‧‧凹陷濾波器

21‧‧‧位置控制器

22‧‧‧速度控制器

23‧‧‧驅動器

24‧‧‧馬達及負載

25‧‧‧位置感測器

26‧‧‧速度感測器

3‧‧‧儲存裝置

401~402‧‧‧信號

S21~S28‧‧‧步驟

S211~S214‧‧‧步驟

S241~S244‧‧‧步驟

S31~S36‧‧‧步驟

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是說明本發明的抑制振動的控制系統的較佳實施例的系統方塊圖；圖2是說明本發明抑制振動的方法的第一較佳實施例之流程圖；圖3是說明本發明記錄所需之待測信號資料的過程的流程圖；圖4是說明本發明抑制振動的方法的第一實施例進行帶通處理及正規化處理的過程的流程圖；圖5是說明待測信號資料的波形經過正規化處理的示意圖；圖6是說明正規化頻譜的強度最大值未高於該門檻值而代表沒有振動發生；圖7是說明正規化頻譜的強度最大值高於該門檻值而代表有振動發生；圖8是說明本發明抑制振動的方法的第二實施例進行帶通處理及正規化處理的過程的步驟；圖9是說明判斷正規化頻譜符合本發明抑制振動的方法的第二實施例的條件時則屬於干擾頻率的狀況；圖10及圖11是說明判斷正規化頻譜不符合本發明抑制振動的方法的第二實施例的條件的狀況；圖12至圖15是說明本發明抑制振動的方法的第一實施例在不同轉速的實驗結果的波形圖；圖16至圖23是說明本發明抑制振動的方法的第二實施例在不同初始頻率及不同轉速的實驗的波形圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明的一實施例中，執行本發明抑制振動的方法的控制系統100包括一控制裝置1、一儲存裝置3、一位置控制器21、一速度控制器22、一驅動器23、一馬達及負載24、一位置感測器25及一速度感測器26。

其中，馬達及負載24的輸出藉由位置感測器25量測一位置回授信號及速度感測器26量測一速度回授信號後，將位置回授信號和位置命令信號相減得到一位置誤差信號，使得位置控制器21根位置誤差信號產生一速度輸出信號，速度控制器22根據速度回授信號和位置控制器21之速度輸出信號的一速度誤差信號來調整驅動器23對於馬達及負載24的輸入。類似的控制迴路為現有的控制方式，在此不多作介紹。

本發明的改良在於，控制裝置1具有一控制器10、一帶通濾波器11及一凹陷濾波器12，控制器10具有一暫存單元101、一正規化單元102及一處理單元103。

控制器10接收速度誤差信號當作待測信號，但需注意的是，本領域通常知識者可應用本發明抑制振動的方法去處理類似元件的控制信號當作待測信號，當不以本實施例所提的速度誤差信號為限制。例如：位置控制器21產生的信號、速度控制器22產生的信號、驅動器23產生的信號、馬達及負載24，或位置感測器25產生的信號，亦屬於本發明可應用的範疇。

參閱圖1及圖2，本發明抑制振動的方法包括下述步驟，儲存裝置3記錄一筆經過一段時間受振動干擾的待測信號資料(步驟S21)並給予暫存單元101暫存；提供一可以改變一操作頻率的帶通濾波器11(步驟S22)；處理單元103改變帶通濾波器11的操作頻率，令該待測信號資料通過該帶通濾波器11處理以輸出多個帶通資料(步驟S23)；正規化單元102將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多筆正規化頻譜(步驟S24)，且正規化頻譜以頻率為橫軸及強度為縱軸；處理單元103在該等正規化頻譜的強度中取得一最大值及對應該最大值的干擾頻率(步驟S25)，比較該最大值與一門檻值(步驟S26)，若該最大值未高於該門檻值則不動作(步驟S27)，若該最大值高於該門檻值，則控制凹陷濾波器12動作，且該凹陷濾波器12的操作頻率設定為該干擾頻率以消除通過信號的振動干擾(步驟S28)。

參閱圖3，如步驟S21的待測信號資料的處理程序包括：儲存裝置3擷取速度誤差信號(步驟S211)，經由高通濾波器(圖未示)處理速度誤差信號(步驟S212)，儲存)高通濾波信號(步驟S213)，判斷是否儲存完成(步驟S214)，本實施例中，即是將速度誤差信號通過高通濾波器13，同時濾除低頻及直流成份，接著進行取樣及儲存到儲存裝置3，直到儲存完畢，完成後即為待測信號資料。

以下配合圖1，分別介紹本發明抑制振動的方法的兩個具體實施例。

參閱圖4及圖5，本發明抑制振動的方法的第一實施例中，帶通濾波器11將一待測信號資料信號401帶通處理為一帶通資料信號402(步驟S23)，暫存單元101暫存帶通資料402，正規化單元102的正規化處理將該帶通資料信號402取絕對值、累加平均(步驟S241)及取得帶通資料信號402的絕對值信號403，依據絕對值信號403進行時域-頻域轉換後儲存為一正規化頻譜信號404(步驟S242)，以圖5的正規化頻譜信號404為例，對應不同操作頻率ω_b具有不同的正規化頻譜強度E(ω_b)，再判斷是否到達預定範圍(步驟S243)，若是則輸出，若否則執行S244。

處理單元103判斷是否掃描完成的方式，是於初始時設定該帶通濾波器11的操作頻率ω_b為一初始值，且經正規化後，再設定該操作頻率ω_b增加一變化量△ω 1(步驟S244)，並以此更新該帶通濾波器11的操作頻率ω_b，當判斷累加該變化量後的該操作頻率ω_b到達預定範圍即進行後續處理。

參閱圖5、圖6及圖7，若完成正規化處理，在該等正規化頻譜強度中取得一最大值E_p及對應該最大值的干擾頻率ω_p，比較該最大值E_p與一速度誤差門檻值E(ω_{err_Limit})，本實施例的速度誤差門檻值E(ω_{err_Limit})是根據現有驅動器的速度誤差限制所制定，若超出即表示有振動。若該最大值E_p未高於該速度誤差門檻值E(ω_{err_Limit})，如圖6，即E(ω_vib)<E(ω_{err_Limit})，代表沒有振動發生，因此不動作；若該最大值E_p高於該速度誤差門檻值E(ω_{err_Limit})，如圖7，即E(ω_vib)>E(ω_{err_Limit})，則控制該凹陷濾波器12的操作頻率設定為該干擾頻率ω_vib以消除通過信號的振動干擾。

參閱圖8，配合圖9至圖11，本發明抑制振動的方法的第二實施例不同於第一實施例，無須完整掃描全部頻率的頻譜強度，而是以一次追蹤數個頻率的頻譜強度的方式，因此可減少偵測時間。

第二實施例中，儲存裝置3記錄一筆經過一段時間受振動干擾的待測信號資料(步驟S31)並給予暫存單元101暫存；提供一可改變多個操作頻率的帶通濾波器11(步驟S32)；帶通濾波器11設定多個操作頻率以輸出帶通資料(步驟S33)；然後，該待測信號資料通過帶通濾波器11處理所輸出的多個操作頻率的帶通資料BPF(ω_b)、BPF(ω_b-1)、BPF(ω_b-2)；正規化單元102將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多個正規化頻譜強度E(ω_b)、E(ω_b-1)、E(ω_b-2)(步驟S34)。

步驟S35中，處理單元103依據該等正規化頻譜計算兩兩相鄰頻率的強度之斜率S，即斜率S=E(ω_b)-E(ω_b-1)及斜率S=E(ω_b-1)-E(ω_b-2)，藉此判斷E(ω_b-1)>E(ω_b)及E(ω_b-1)>E(ω_b-2)(步驟S35)，若是，代表如圖9已出現最大值，因此，判斷ω_b-1為干擾頻率，並接續控制該凹陷濾波器12動作，且該凹陷濾波器12的操作頻率設為該干擾頻率ω_b-1以消除該凹陷濾波器12通過信號的振動干擾(步驟S36)。

若處理單元103判斷不符合E(ω_b-1)>E(ω_b)及E(ω_b-1)>E(ω_b-2)的條件時，則判斷斜率S是否大於0，若是斜率S不大於0，接續判斷斜率S大於門檻值-S_Lim，若是斜率S不大於門檻值-S_Lim，改變基準頻率ω_b=ω_b-1，若斜率S大於門檻值-S_Lim，改變基準頻率ω_b=ω_b-5；若是斜率S大於0，接續判斷斜率S是否大於門檻值S_Lim，若是斜率S大於門檻值S_Lim，改變基準頻率ω_b=ω_b+1，若否，改變基準頻率ω_b=ω_b+5。

參閱圖10，為需改變基準頻率ω_b增加的情況，參閱圖11，為需改變基準頻率ω_b減少的情況，並以此更新該帶通濾波器11的操作頻率，接續以此更新各該帶通濾波器11的操作頻率且令該暫存單元101及該正規化單元102運作，且處理單元103改變該基準頻率的修正量是一固定值或是根據兩兩相鄰頻率強度的斜率大小決定的一變動值，例如：斜率大則變動值大，斜率小則變動值小，藉此減少追蹤時間。

參閱圖12及圖13，為採用本發明抑制振動的方法的第一實施例的方法應用在控制系統的轉速為1200rpm時，以頻率10至600Hz掃描的實驗結果，在時間△T的局部放大圖可觀察到振動干擾被有效的被抑制。

參閱圖14及圖15，為採用本發明抑制振動的方法的第一實施例的方法應用在控制系統的轉速為0rpm時，以頻率10至600Hz掃描的實驗結果，在時間△T的局部放大圖可觀察到振動干擾被有效的被抑制。

參閱圖16及圖17，為採用本發明抑制振動的方法的第二實施例的方法應用在控制系統的轉速為1200rpm時，初始頻率100Hz的實驗結果，在時間△T的局部放大圖可觀察到振動干擾被有效的被抑制。

參閱圖18及圖19，為採用本發明抑制振動的方法的第二實施例的方法應用在控制系統的轉速為1200rpm時，初始頻率600Hz的實驗結果，在時間△T的局部放大圖可觀察到振動干擾被有效的被抑制。

參閱圖20及圖21，為採用本發明抑制振動的方法的第二實施例的方法應用在控制系統的轉速為0rpm時，初始頻率100Hz的實驗結果，在時間△T的局部放大圖可觀察到振動干擾被有效的被抑制。

參閱圖22及圖23，為採用本發明抑制振動的方法的第二實施例的方法應用在控制系統的轉速為0rpm時，初始頻率600Hz的實驗結果，在時間△T的局部放大圖可觀察到振動干擾被有效的被抑制。

綜上所述，本發明之功效在於：改變帶通濾波器的操作頻率，令該待測信號資料通過該帶通濾波器處理以輸出多個帶通資料，將該等帶通資料進行正規化處理、時頻轉換並儲存為多筆正規化頻譜，在該等正規化頻譜的強度中取得最大值，並依據此最大值判斷相對應的干擾頻率是否屬於干擾頻率；另外，本發明提出兩種自動偵測干擾頻率的方式，包括全頻率範圍的帶通濾波的掃描方式及循序帶通濾波的追蹤方式，有效地達到自動偵測的目的，並且，藉此控制是否驅動凹陷濾波器動作，亦可有效抑制振動，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。