TWI551028B

TWI551028B - Servo drive system bandwidth and phase verification of the measurement device

Info

Publication number: TWI551028B
Application number: TW104140021A
Authority: TW
Inventors: Chih Jung Hsu; Sheng Lan Chu; Li Jen Lin; Ping Yi Lin; Yen Shin Lai
Original assignee: Shihlin Electric & Eng Corp
Priority date: 2015-12-01
Filing date: 2015-12-01
Publication date: 2016-09-21
Also published as: TW201722061A

Description

伺服驅動系統頻寬及相位驗證之量測裝置

本發明係關於一種可量測不同伺服驅動系統頻寬及相位驗證之裝置，特別是應用在伺服驅動器與伺服馬達及其負載之伺服驅動系統頻率響應之性能驗證項目評估。

請參閱圖1，伺服驅動系統之主要架構係包括一伺服驅動器10電性連接一交流電源20，伺服驅動器10電性連接一編碼器31及一伺服馬達30，而伺服驅動器10主要之控制模式分別為位置迴路控制、速度迴路控制與轉矩(電流)迴路控制，藉以控制伺服馬達可達到負載所需之位置、速度與轉矩(電流)大小。伺服驅動系統中最重要之性能評估指標為速度迴路之頻率響應，此頻率響應係包括速度迴路頻寬及相位；以性能評估指標來看，尤其著重在速度迴路頻寬之大小；當速度迴路頻寬之大小愈寬(大)，表示伺服驅動系統在速度迴路控制下之暫態表現愈快速且優異，可應用之市場領域及其範圍則愈寬；反之，則愈窄。

量測一個伺服驅動系統的頻率響應，其方式分別有兩種，第一種為在不同單一頻率下利用信號產生器產生正弦波由低頻逐漸增加至高頻並輸入至該系統，經由示波器同時顯示該系統在不同單一頻率下之輸入與輸出信號後並再進行頻率響應(波德圖)的繪製，此法之優點為簡單，缺點為若測量之信號雜訊較大，經由人為判斷，所繪製之頻率響應會有所失真，且此法繪製頻率響應之時間也會較長；而第二種為使用儀器進行輸入信號頻率掃描，並經由該儀器回饋輸入與輸出信號再做分析，直接將頻率響應之分析結果於該儀器顯示出來，此儀器最常見即為頻率響應分析儀(Frequency Response Analyzer，簡稱FRA)，此法之優點為分析較快速、準確，缺點為設定較為複雜，需要有專業背景之人員來進行操作。但以上兩種方式之共同問題為所要分析之輸入與輸出信號皆需要使用類比信號來進行分析，而量測伺服驅動系統之輸入或輸出信號其中常有非類比信號存在，故在頻率響應量測之過程中，需經由一適當之介面來進行使得該輸入或輸出信號轉換成類比信號，方可進行分析。

習知的伺服驅動系統速度迴路頻寬及相位量測方法如圖1所示，為了搭配一頻率響應分析儀40來分析，其擾動參考信號(REF)係由頻率響應分析儀提供並直接作為伺服驅動器10的類比速度命令(Vcmd)使用，為了能夠分析伺服驅動系統速度迴路頻率響應，故使用在伺服驅動器10上可直接產生類比信號輸出的類比監視輸出端1(MON1)及類比監視輸出端2(MON2)兩信號，經由伺服驅動器10的參數設定可將該類比監視輸出端1(MON1)與該類比監視輸出端2(MON2)之信號分別設定為速度迴路之輸入與輸出信號，並回饋至頻率響應分析儀40的輸入信號分析端(CH1)及輸出信號分析端(CH2)進行速度迴路頻率響應之分析與波德圖之繪製。

圖2A及2B為伺服驅動器上的類比監視輸出端1(MON1)及類比監視輸出端2(MON2)分別在類比速度命令(Vcmd)給予低頻(100Hz)及高頻(600Hz)擾動參考信號(REF)之波形；伺服驅動器的類比監視輸出端1(MON1)波形即代表伺服驅動系統之輸入信號，在圖2B可知在類比速度命令(Vcmd)給予高頻(600Hz)擾動的情況下，該類比監視輸出端1(MON1)波形與圖2A相比其大小會有衰減的現象，即代表進入頻率響應分析儀的輸入信號分析端(CH1)之信號大小會隨頻率增加而衰減，故利用此習知的方法來進行量測在頻率響應的分析上對於高頻信號的大小與精度就會不足，因此將會造成分析上較不準確。

又，另一習知的一種數位式功率控制系統頻寬與相位驗證策略之方法，除了僅可對於本身所設計之系統來進行頻率響應的分析外，還需額外增加一個相位超前補償器(請參閱TW I423579)，但此方式並無法測量與馬達驅動控制相關之控制系統的頻率響應。

本發明之主要目的即在於提出一種可量測不同伺服驅動系統頻寬及相位驗證之裝置，可藉由一頻寬及相位量測輔助單元，分別連接到頻率響應分析儀的擾動參考信號、輸入信號分析端及輸出信號分析端，與伺服驅動器的類比速度命令及脈波輸出信號，即可改善上述習知的量測方法所造成在高頻擾動參考信號下量測不準確的問題；本發明之另一目的在於所提出之方法並不需要在伺服驅動器中增加相位超前補償器，故可針對不同的伺服驅動系統來進行位置迴路或速度迴路之性能評估，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，本發明揭露一頻寬及相位量測輔助單元，在接收到來自於頻率響應分析儀的擾動參考信號(REF)後，經由第一位準轉換電路再進入至數位信號處理器的類比/數位轉換器與經由數位信號處理後，再經由第一數位/類比轉換器並透過第二位準轉換電路後送給伺服驅動器的類比速度命令(Vcmd)，作為伺服驅動器的位置命令或速度命令之來源；而連結至頻率響應分析儀的輸入信號分析端(CH1)，則是由頻率響應分析儀的擾動參考信號(REF)，經由第一位準轉換電路再進入至數位信號處理器的類比/數位轉換器與經由數位信號處理後，再經由第二數位/類比轉換器並透過第一位準轉換電路後送回至頻率響應分析儀。因伺服驅動器的類比速度命令(Vcmd)與頻率響應分析儀的輸入信號分析端(CH1)擁有相同元件的路徑，故不需補償在數位系統中的落後成分，且頻寬及相位量測輔助單元之架構無低通濾波器的效應存在，故輸入信號分析端(CH1)之信號大小在高頻下並不會如習知技術有衰減的現象。

而連結至頻率響應分析儀的輸出信號分析端(CH2)，則是來自於伺服驅動器的脈波輸出信號(ABZ與)，此信號頻率與伺服馬達轉速成正比且為一高頻之輸出信號，經由差動信號接收電路處理後，再進入至數位信號處理器的脈波計數器經過計數後，並使用此計數器之計數值做為回授位置或回授轉速計算可獲得伺服馬達之位置或轉速。最後，經由第二數位/類比轉換器並透過第一位準轉換電路後送回至頻率響應分析儀。因頻寬及相位量測輔助單元與伺服驅動器之介面為類比速度命令(Vcmd)與一遠高於速度迴路頻寬之高頻脈波輸出信號(ABZ與)，故本發明之方法可適用在不同伺服驅動系統頻率響應之性能評估。

有關於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。

(習知)

10‧‧‧伺服驅動器

20‧‧‧交流電源

30‧‧‧伺服馬達

31‧‧‧編碼器

40‧‧‧頻率響應分析儀

(本發明)

100‧‧‧頻率響應分析儀

200‧‧‧頻寬及相位量測輔助單元

211‧‧‧第一位準轉換電路

212‧‧‧第二位準轉換電路

220‧‧‧數位信號處理器

221‧‧‧類比/數位轉換器

222‧‧‧數位信號處理

223‧‧‧脈波計數器

224‧‧‧回授位置或回授轉速計算

231‧‧‧第一數位/類比轉換器

232‧‧‧第二數位/類比轉換器

240‧‧‧差動信號接收電路

300‧‧‧伺服馬達

301‧‧‧編碼器

400‧‧‧伺服驅動器

410‧‧‧伺服驅動器電源模組

411‧‧‧轉換器

412‧‧‧直流鏈電容

413‧‧‧變頻器

420‧‧‧伺服驅動器控制模組

421‧‧‧位準轉換電路

422‧‧‧類比/數位轉換器

423‧‧‧速度迴路

4231‧‧‧減法器

4232‧‧‧速度控制器

4233‧‧‧機械負載等效模型

424‧‧‧電流迴路

425‧‧‧脈波寬度調變電路

426‧‧‧頻率脈波轉換電路

500‧‧‧交流電源

圖1係為習知的伺服驅動系統速度迴路頻寬及相位量測方法方塊圖。

圖2A係為習知方法在低頻擾動參考信號下頻率響應分析儀的波形。

圖2B係為習知方法在高頻擾動參考信號下頻率響應分析儀的波形。

圖3係為本發明所提出伺服驅動系統頻寬及相位驗證技術與裝置架構圖。

圖4係為本發明所提出頻寬及相位量測輔助單元方塊圖。

圖5係為本發明所提出伺服驅動器方塊圖。

圖6係為本發明所提出速度迴路方塊圖。

圖7A係為本發明所提出在低頻擾動參考信號下頻率響應分析儀的波形。

圖7B係為本發明所提出在高頻擾動參考信號下頻率響應分析儀的波形。

圖8係為習知方法實測之伺服驅動系統速度迴路頻寬及相位圖。

圖9係為本發明所提出實測之伺服驅動系統速度迴路頻寬及相位圖。

請參閱圖3~6，為本發明可量測不同伺服驅動系統頻寬及相位驗證之裝置架構圖與頻寬及相位量測輔助單元方塊圖；伺服驅動系統之主要架構係包括一伺服驅動器400電性連接一交流電源500，該伺服驅動器400電性連接一編碼器301及一伺服馬達300，其量測裝置包括有：一頻率響應分析儀100及一頻寬及相位量測輔助單元200。

該交流電源500係作為該伺服驅動器400與該伺服馬達300之能量供給，並連結至該伺服驅動器400之電力輸入側(RST)。

該伺服馬達300與該編碼器301同軸共為一體，係與該伺服驅動器400相連接，其輸入端由伺服驅動器400的電力輸出側(UVW)來進行伺服馬達300之電壓與電流驅動；該編碼器301與伺服驅動器400相連接，該編碼器301之信號為傳送伺服馬達300的位置(角度)回傳至該伺服驅動器400上作為不同模式之控制使用，或是接收該伺服驅動器400所下達之通訊命令。

而，該伺服驅動器400的電力側之輸入端(RST)係接受交流電源500之電源供給；電力側之輸出端(UVW)係經伺服驅動器400將能量轉換後傳送至伺服馬達300作驅動；其信號側之輸入端為類比速度命令(Vcmd)，係接收來自該頻寬及相位量測輔助單元200的輸入；信號側之輸出端為脈波輸出信號(ABZ與)，係傳送脈波輸出信號(ABZ與)作為該頻寬及相位量測輔助單元200的輸入。

該頻率響應分析儀100與該頻寬及相位量測輔助單元200相連接，該頻率響應分析儀100輸出端為擾動參考信號(REF)；其輸入端分別為輸入信號分析端(CH1)與輸出信號分析端(CH2)兩種信號，而該頻率響應分析儀100作為不同伺服驅動系統之頻率響應分析。

該頻寬及相位量測輔助單元200係分別與該頻率響應分析儀100與該伺服驅動器400相連接；該頻寬及相位量測輔助單元200與該頻率響應分析儀100相連之輸出端分別為輸入信號分析端(CH1)及輸出信號分析端(CH2)之信號；而該頻寬及相位量測輔助單元200與該頻率響應分析儀100相連之輸入端為擾動參考信號(REF)之信號。

又，該頻寬及相位量測輔助單元200與該伺服驅動器400相連之輸出端為類比速度命令(Vcmd)之信號；而該頻寬及相位量測輔助單元200與伺服驅動器400相連之輸入端為脈波輸出信號(ABZ與)。

其中，該頻寬及相位量測輔助單元200包含了一第一位準轉換電路211及一第二位準轉換電路212、一數位信號處理器220，一第一數位 /類比轉換器231及一第二數位/類比轉換器232，及一差動信號接收電路240。又該數位信號處理器220係包含了一類比/數位轉換器221、一數位信號處理222、一脈波計數器223及一回授位置或回授轉速計算224；為了詳細說明本發明的特徵與實作，請參閱圖3圖4，該頻寬及相位量測輔助單元200在接收到來自於該頻率響應分析儀100的擾動參考信號(REF)後，經由該第一位準轉換電路211再進入至數位信號處理器220的類比/數位轉換器221與經由數位信號處理222後，再經由第一數位/類比轉換器231並透過第二位準轉換電路212後送給伺服驅動器400的類比速度命令(Vcmd)，當作伺服驅動器400的位置命令或速度命令之來源；而連結至頻率響應分析儀100的輸入信號分析端(CH1)，則是由頻率響應分析儀100的擾動參考信號(REF)，經由第一位準轉換電路211再進入至數位信號處理器220的類比/數位轉換器221與經由數位信號處理222後，再經由第二數位/類比轉換器232並透過第一位準轉換電路211後送回至頻率響應分析儀100。因伺服驅動器400的類比速度命令(Vcmd)與頻率響應分析儀100的輸入信號分析端(CH1)擁有相同元件的路徑，故不需補償在數位系統中的落後成分，且頻寬及相位量測輔助單元200之架構無低通濾波器的效應存在，故輸入信號分析端(CH1)之信號大小在高頻下並不會有衰減的現象。

而連結至頻率響應分析儀100的輸出信號分析端(CH2)，則是來自於伺服驅動器400的脈波輸出信號(ABZ與)，此信號頻率與伺服馬達300轉速成正比且為一高頻之輸出信號，經由差動信號接收電路240處理後，再進入至數位信號處理器220的脈波計數器223經過計數後，並利用此計數器之計數值做為回授位置或回授轉速計算224可獲得伺服馬達之位置或轉速。最後，經由第二數位/類比轉換器232並透過第一位準轉換電路211後送回至頻率響應分析儀100。因頻寬及相位量測輔助單元200與伺服驅動器400之介面為類比速度命令(Vcmd)與一遠高於速度迴路頻寬之高頻脈波輸出信號(ABZ與)，此兩種信號適用於市面一般販售之泛用伺服驅動器之介面，故本發明之方法可適用在不同伺服驅動系統頻率響應性能評估。

為了輔助說明類比速度命令(Vcmd)及脈波輸出信號(ABZ與)與速度迴路之關係，請再參閱圖5圖6，該伺服驅動器400之輸出入在此簡化為電力輸入側(RST)、電力輸出側(UVW)、信號輸入側(Vcmd)與信號輸出側(ABZ與)；而伺服驅動器400主要包括有：伺服驅動器電源模組410用來處理來自於交流電源500之RST三相電源，經由轉換器411將交流電整流成有漣波之直流電後，並經由直流鏈電容412進行穩壓並作為變頻器413之輸入，而該變頻器413藉由電流迴路424輸出之脈波寬度調變電路425所產生脈波寬度調變之控制將直流電轉換成具有脈波輸出之三相交流電UVW，藉此將能量轉換至伺服馬達300並作為電壓與電流之驅動。

該伺服驅動器控制模組420用來接受頻寬及相位量測輔助單元200所轉換之類比速度命令(Vcmd)，係經由位準轉換電路421再透過類比/數位轉換器422，作為伺服驅動系統中速度迴路423之速度命令()使用；而從伺服馬達300所回授轉速(ω _r)，係為速度迴路423之輸出，最後，可經由頻率脈波轉換電路426將該回授轉速(ω _r)轉換成其頻率與回授轉速(ω _r)成正比之脈波輸出信號(ABZ與)，並輸出給頻寬及相位量測輔助單元200之處理使用；該速度迴路423係包括了：一減法器4231、一速度控制器 4232及機械負載等效模型4233。

圖7A及圖7B為頻率響應分析儀100之輸入信號分析端(CH1)及輸出信號分析端(CH2)分別在擾動參考信號(REF)給予低頻(100Hz)與高頻(600Hz)之波形；由於擾動參考信號(REF)、輸入信號分析端(CH1)及輸出信號分析端(CH2)分別經由頻寬及相位量測輔助單元200之信號處理，故在低頻擾動與高頻擾動之情況下來觀察，在輸入信號分析端(CH1)之信號大小並不會受到低通的影響，而使高頻下的信號進行衰減，更可加強在做伺服驅動系統頻率響應分析的信號穩定度，可獲得較佳之分析結果。

圖8及圖9為實測之伺服驅動系統速度迴路頻寬及相位圖；圖8為習知方法(如圖1量測方法)之結果；圖9則為本發明所提出之量測裝置。此兩實測圖係在相同的伺服驅動系統下擁有相同的速度控制器增益大小所獲得，由圖9更可以證實本發明所提出方式擁有較佳之頻率響應分析結果，並更接近於實際的伺服驅動系統。

本發明所提供之可量測不同伺服驅動系統頻寬及相位驗證技術與裝置，與先前習知技術相互比較時，更具備下列優點：

1.在頻率響應分析儀之輸入信號分析端(CH1)之信號，加上頻寬量測及相位量測輔助單元之信號處理後不會受到低通的影響，而使高頻下的信號進行衰減，更可加強在做伺服驅動系統頻率響應分析的信號穩定度，可獲得較佳之分析結果。

2.因伺服驅動器的類比速度命令(Vcmd)與頻率響應分析儀的輸入信號分析端(CH1)擁有相同元件的路徑，故不需補償在數位系統中的落後成分。

3.頻寬及相位量測輔助單元與伺服驅動器之介面為類比速度命令(Vcmd)與一遠高於速度迴路頻寬之高頻脈波輸出信號(ABZ與)，此兩種信號適用於市面一般販售之泛用伺服驅動器之介面，故本發明之方法可適用在不同伺服驅動系統頻率響應性能評估，並可分析伺服驅動系統在位置迴路與速度迴路之頻率響應。

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申請案，以勵發明，至感德便。