TWI558089B - 多軸馬達同動控制系統及其方法 - Google Patents

Description

多軸馬達同動控制系統及其方法

本發明係有關於一種控制系統，特別是一種多軸馬達同動控制系統。本發明還涉及此多軸馬達同動控制系統之控制方法。

一直以來高速度與高精確度都是工具機發展的目標，但應用於不同目的之工具機在不同場合上所需克服之問題也不盡相同，當所需生產之工件越來越大時，工具機的體積也越大，例如，近年來，工具機被用來生產大尺寸LCD面板與大型太陽能板等等。而以往在X-Y平台或是多軸加工機的控制應用中，各軸僅由單組馬達所驅動，然而為了符合高加速、高推力和高剛性的需求，多軸馬達系統便順勢而生。在此架構下，各組馬達之間的位置誤差與速度誤差除影響精度外，亦可能使機構產生變形，造成受控系統的損壞，甚者危害工作人員的安全。

習知技藝已提出了多種不同的多軸馬達同動控制系統以克服上述的問題，然而，習知技藝之多軸馬達同動控制系統卻仍有不少缺點有待改進。例如，美國專利第7183739號揭露一種平行式訊號傳遞的同步運動架構，其以雙線性馬達間的轉矩差異量或電流差異量為同步運動補償訊號來實現雙軸同步運動控制。然而，其僅適用於雙線性馬達之同步運動補償，無法有效應用於二軸以上的多軸同動控制系統，故使用上受到很大的限制，且平行式同步運動架構較缺乏強健性。

美國專利第5646495號揭露一種利用串-並聯式訊號傳遞的同步運動架構，其以雙線性馬達間的速度差異量為同步運動補償訊號，再輔以阻尼補償器增加強健性。然而，同樣的，其僅適用於雙線性馬達之同步運動補償，無法有效應用於二軸以上的多軸同動控制系統，故使用上受到很大的限制。另外，此架構屬於主從式控制，因此從動軸僅會跟從主動軸，但與控制命令所欲達到的位置仍會有一段差距，因此會有相位落後之問題。

中華民國專利公開第200729673號揭露一種利用串-並聯式訊號傳遞的同步運動架構，其考慮重力加速度對同步運動控制性能的影響，而提出主動式氣壓補償系統，搭配串-並聯混合式同步運動控制架構，以有效的提升垂直軸向雙平行線型馬達之同步運動控制性能。然而，同樣的，其僅適用於雙線性馬達之同步運動補償，無法有效應用於二軸以上的多軸同動控制系統，故使用上受到很大的限制。另外，此架構仍屬於主從式控制，因此從動軸僅會跟從主動軸，但與控制命令所欲達到的位置仍會有一段差距，因此會有相位落後之問題。

因此，如何提出一種多軸馬達同動控制系統，能夠有效改善習知技藝之多軸馬達同動控制系統使用上受到限制、相位落後及缺乏強健性等缺點已成為一個刻不容緩的問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種多軸馬達同動控制系統及其方法，以解決習知技藝之多軸馬達同動控制系統使用上受到限制、相位落後及缺乏強健性等問題。

根據本發明之一方面，提出一種多軸馬達同動控制系統，其包含有複數個驅動軸，該些驅動軸互相連結，其中，任一個該驅動軸包含有位置迴路控制器、速度迴路控制器、馬達及同動校正裝置。位置迴路控制器根據 位置命令產生速度訊號。速度迴路控制器根據速度訊號產生速度命令。馬達根據速度命令運轉。同動校正裝置計算此馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號之平均值，並回授至位置迴路控制器，藉此進行同動校正。

在一實施例中，同動校正裝置更將平均值進行微分產生第一速度補償值，並回授至速度迴路控制器，藉此進行同動校正。

在一實施例中，同動校正裝置包含第一加法器、除法器及第一微分器。

在一實施例中，任一個驅動軸更包含同動補償裝置，其根據驅動軸之馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號產生第三速度補償值，並回授至此驅動軸之速度迴路控制器，藉此進行同動補償。

在一實施例中，第一加法器及除法器計算平均值，而微分器將平均值進行微分產生第一速度補償值。

在一實施例中，同動補償裝置包含乘法器、第二加法器、第三加法器、一積分器、第一轉移函式控制器、第二轉移函式控制器及比例積分控制器。

在一實施例中，任一個驅動軸更包含前饋控制裝置，其對位置命令進行前饋控制以產生第四速度補償值，並回授至驅動軸之速度迴路控制器，藉此進行前饋補償。

在一實施例中，乘法器將驅動軸之馬達之位置回授訊號乘以整數倍以產生第一計算值，第二加法器將第一計算值減去與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號以產生第二計算值，第一計算值透過第一轉移函式控制器處理後產生第三計算值，第一計算值透過積分器及第二轉移函式控制器處理後產生第四計算值，第三加法器將第三計算值及第四計算值相加以產生第五計算值，比例積分控制器根據第五計算值產生第三速度補償 值。

在一實施例中，前饋控制裝置包含第二微分器及第三轉移函式控制器。

在一實施例中，任一個驅動軸更包含第四加法器，其將位置命令與平均值相減以產生位置補償值，並回授至驅動軸之位置迴路控制器以產生第二速度補償值，並回授至驅動軸之速度迴路控制器。

在一實施例中，位置命令透過第二微分器及第三轉移函式控制器處理後產生第四速度補償值。

在一實施例中，任一個驅動軸更包含第五加法器，其將第二速度補償值、第三速度補償值、第四速度補償值相加，並減去第一速度補償值，以產生總速度補償值，並回授至此驅動軸之速度迴路控制器。

在一實施例中，速度迴路控制器根據總速度補償值產生速度命令，以控制驅動軸之馬達之運轉。

根據本發明之另一方面，再提出一種多軸馬達同動控制方法，可用於多軸馬達同動控制系統，此多軸馬達同動控制系統包含有複數個驅動軸，該些驅動軸互相連結，多軸馬達同動控制方法包含下列步驟：傳送位置命令至各個驅動軸之位置迴路控制器以產生速度訊號；傳送速度訊號至各個驅動軸之速度迴路控制器以產生速度命令以驅動各個驅動軸之馬達；計算各個驅動軸之馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號之平均值；以及將各個平均值分別回授至對應的驅動軸之位置迴路控制器，藉此對多軸馬達同動控制系統進行同動校正。

在一實施例中，多軸馬達同動控制方法更包含下列步驟：將各個平均值進行微分產生第一速度補償值，並回授至對應的驅動軸之速度迴路控制器，藉此進行同動校正。

在一實施例中，多軸馬達同動控制方法更包含下列步驟：根據各個驅 動軸之馬達之位置回授訊號及與其鄰近的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號產生第三速度補償值，並回授至對應的驅動軸之速度迴路控制器，藉此對多軸馬達同動控制系統進行同動補償。

在一實施例中，多軸馬達同動控制方法更包含下列步驟：對位置命令進行前饋控制以產生第四速度補償值，並回授至各個驅動軸之速度迴路控制器，藉此進行前饋補償。

在一實施例中，多軸馬達同動控制方法更包含下列步驟：將位置命令與各個平均值相減以分別產生位置補償值，並回授至對應的驅動軸之位置迴路控制器，以產生第二速度補償值。

在一實施例中，多軸馬達同動控制方法更包含下列步驟：將各個驅動軸之第二速度補償值、第三速度補償值、第四速度補償值相加，並減去第一速度補償值，以分別產生總速度補償值。

在一實施例中，多軸馬達同動控制方法更包含下列步驟：將各個總速度補償值回授至對應的驅動軸之速度迴路控制器，以控制對應的驅動軸之馬達之運轉。

1‧‧‧多軸馬達同動控制系統

11_i-1、11_i、11_i+1‧‧‧驅動軸

111‧‧‧位置迴路控制器

112‧‧‧速度迴路控制器

113‧‧‧馬達

114‧‧‧同動校正裝置

115‧‧‧同動補償裝置

116‧‧‧前饋控制裝置

A1~A5‧‧‧加法器

DR‧‧‧除法器

D1~D2‧‧‧微分器

M‧‧‧乘法器

I‧‧‧積分器

G1~G3‧‧‧轉移函式控制器

PIC‧‧‧比例積分控制器

PC‧‧‧位置命令

d_i、d_i-1、d_i+1‧‧‧位置回授訊號

d’_i、d’_i-1、d’_i+1‧‧‧平均值

v’_i1、v’_i1-1、v’_i1+1‧‧‧第一速度補償值

v’_i2、v’_i2-1、v’_i2+1‧‧‧第二速度補償值

v’_i3、v’_i3-1、v’_i3+1‧‧‧第三速度補償值

v’_i4、v’_i4-1、v’_i4+1‧‧‧第四速度補償值

v’_t、v’_t-1、v’_t+1‧‧‧總速度補償值

C1‧‧‧第一計算值

C2‧‧‧第二計算值

C3‧‧‧第三計算值

C4‧‧‧第四計算值

C5‧‧‧第五計算值

S31~S34、S61~S65、S151~S156‧‧‧步驟流程

第1圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第一實施例之方塊圖。

第2圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第一實施例之示意圖。

第3圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第一實施例之流程圖。

第4圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第二實施例之方塊圖。

第5圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第二實施例之示意圖。

第6圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第二實施例之流程圖。

第7圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之方塊圖。

第8圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第一示意圖。

第9圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第二示意圖。

第10圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第三示意圖。

第11圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第四示意圖。

第12圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第五示意圖。

第13圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第六示意圖。

第14圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第七示意圖。

第15圖 係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之流程圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明之多軸馬達同動控制系統及其方法之實施例，為使便於理解，下述實施例中之相同元件係以相同之符號標示來說明。

請參閱第1圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第一實施例之方塊圖。如圖所示，多軸馬達同動控制系統1包含複數個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1，各個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1包含位置迴路控制器111、速度迴路控制器112、馬達113及同動校正裝置114。

由驅動軸11_i觀之，位置迴路控制器111根據位置命令產生速度訊號，並傳送速度訊號至速度迴路控制器112。速度迴路控制器112可根據速度訊號產生速度命令並傳送至馬達113。馬達113則可根據速度命令運轉。同動校正裝置114計算馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1之平均值，並回授至位置迴路控制器111及速度迴路控制器112。而多軸馬達同動控制系統1之各個驅動軸均進行上述的程序，藉此對所有驅動軸進行同動校正。

請參閱第2圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第一實施例之示意圖。圖中所示的是本發明之多軸馬達同動控制系統之第一實施例之 其中一種較佳的結構。如圖所示，多軸馬達同動控制系統1包含複數個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1，而各個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1則包含有位置迴路控制器111、速度迴路控制器112、馬達113、同動校正裝置114以及複數個加法器A4、A5。

由驅動軸11_i觀之，位置迴路控制器111根據位置命令PC產生速度訊號，並傳送速度訊號至速度迴路控制器112。速度迴路控制器112可根據速度訊號產生速度命令並傳送至馬達113。馬達113則可根據速度命令運轉。

同動校正裝置114包含加法器A1、除法器DR及微分器D1。加法器A1計算馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1的總和，而除法器DR則根據此總和計算平均值d’_i，微分器D1將平均值d’_i微分以產生第一速度補償值v’_i1，加法器A4將位置命令PC與平均值d’_i相減，並回授至位置迴路控制器111以產生第二速度補償值v’_i2。

加法器A5則將第二速度補償值v’_i2與第一速度補償值v’_i1相減以產生總速度補償值V_t，並將總速度補償值V_t回授至速度迴路控制器112以產生控制命令以控制馬達113運轉。而多軸馬達同動控制系統1之各個驅動軸均進行上述的程序，藉此對所有驅動軸進行同動校正。

由上述可知，同動校正裝置114藉由導入虛擬回授的概念，將多軸馬達控制系統的各個驅動軸回授做前處理，其可對多個驅動軸間的速度與位置做同動校正，以達到各個驅動軸間的同步運動。虛擬位置回授定義如下： 其中，d’_i為第i個驅動軸之馬達之虛擬位置回授訊號；d_i為第i個驅動軸之馬達之位置回授訊號；n為平均取樣驅動軸數。虛擬速度回授定義如下： 其中，v’_i為第i個驅動軸之馬達之虛擬速度回授訊號；v_i為第i個驅動軸之馬達之速度回授訊號；n為平均取樣驅動軸數。

透過上述虛擬回授的概念，多軸馬達同動控制系統1能將相鄰的數個驅動軸之馬達之回授訊置訊號及回授速度訊號作平均，藉此可將多軸同動制系統之所有驅動軸之同動誤差消除，以增加其強健性。

請參閱第3圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第一實施例之流程圖。本實施例包含下列步驟：

在步驟S31中，傳送位置命令至各個驅動軸之位置迴路控制器以產生速度訊號。

在步驟S32中，傳送速度訊號至各個驅動軸之速度迴路控制器以產生速度命令以驅動各個驅動軸之馬達。

在步驟S33中，計算各個驅動軸之馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號之平均值。

在步驟S34中，將各個平均值分別回授至對應的驅動軸之位置迴路控制器及速度迴路控制器，藉此對多軸馬達同動控制系統進行同動校正。

請參閱第4圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第二實施例之方塊圖。如圖所示，多軸馬達同動控制系統1包含複數個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1，各個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1包含位置迴路控制器111、速度迴路控制器112、馬達113、同動校正裝置114及同動補償裝置115。

由驅動軸11_i觀之，位置迴路控制器111根據位置命令PC產生速度訊號，並傳送速度訊號至速度迴路控制器112。速度迴路控制器112可根據速度訊號產生速度命令並傳送至馬達113。馬達113則可根據速度命令運轉。 同動校正裝置114計算馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1之平均值，並回授至位置迴路控制器111及速度迴路控制器112，藉此進行第一次的同動校正。

同動補償裝置115根據馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1計算驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1的交叉耦合同動誤差，並回授至速度迴路控制器112，藉此進行第二次的同動校正。而多軸馬達同動控制系統1之各個驅動軸均進行上述的程序，藉此對所有驅動軸進行同動校正。

請參閱第5圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第二實施例之示意圖。圖中所示的是本發明之多軸馬達同動控制系統之第二實施例之其中一種較佳的結構。如圖所示，多軸馬達同動控制系統1包含複數個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1，而各個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1則包含有位置迴路控制器111、速度迴路控制器112、馬達113、同動校正裝置114、同動補償裝置115以及複數個加法器A4、A5。

由驅動軸11_i觀之，位置迴路控制器111根據位置命令PC產生速度訊號，並傳送速度訊號至速度迴路控制器112。速度迴路控制器112可根據速度訊號產生速度命令並傳送至馬達113。馬達113則可根據速度命令運轉。

同動校正裝置114包含加法器A1、除法器DR及微分器D1。加法器A1計算馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1的總和，而除法器DR則根據此總和計算平均值d’_i，微分器D1將平均值d’_i微分以產生第一速度補償值v’_i1，加法器A4將位置命令PC與平均值d’_i相減，並回授至位置迴路控制器111以產生第二速度補償值v’_i2。

同動補償裝置115具交叉耦合同動補償的功能，其可包含乘法器M、 加法器A2、加法器A3、積分器I、轉移函式控制器G1、轉移函式控制器G2及比例積分控制器PIC。其中，乘法器M將驅動軸11_i之馬達113之位置回授訊號d_i乘以2以產生第一計算值C1，加法器A2將第一計算值C1減去與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1以產生第二計算值C2，第二計算值C2透過轉移函式控制器G1處理後產生第三計算值C3，第一計算值C1透過積分器I及轉移函式控制器G2處理後產生第四計算值C4，加法器A3將第三計算值C3及第四計算值C4相加以產生第五計算值C5，比例積分控制器PIC根據第五計算值C5產生第三速度補償值v’_i3。

加法器A5則將與第二速度補償值v’_i2及第三速度補償值v’₃相加再減去第一速度補償值v’_i1以產生總速度補償值V_t，並將總速度補償值V_t回授至速度迴路控制器112以產生控制命令以控制馬達113運轉。而多軸馬達同動控制系統1之各個驅動軸均進行上述的程序，藉此對所有驅動軸進行同動校正。

由上述可知，為了有效消除多軸馬達同動控制系統1之所有驅動軸之間的同動誤差，本實施例進步一利用交叉耦合同動補償技術的概念，利用同動補償裝置115根據相鄰的多個馬達113的位置回授訊號計算交叉耦合同動誤差，以用來補償與修正多個驅動軸之間的同動誤差，其中，相鄰的二驅動軸的同動誤差如下： 其中，φ_i為第i個驅動軸的交叉耦合同動誤差；d_i為第i個驅動軸之馬達之位置回授訊號。而交叉耦合同動誤差推導如下：ε _i =φ _i +φ _i+1；其中，ε_i為第i個驅動軸的交叉耦合同動誤差，其包含了二軸的同動誤 差，而多個驅動軸的交叉耦合同動誤差轉換方程式如下： 其中，d_i為第i個驅動軸之馬達之位置回授訊號；n為平均取樣驅動軸數。而透過上述交叉耦合同動誤差轉換方程式計算出來的交叉耦合同動誤差再輸入比例積分控制器處理後，再輸入到速度迴路控制器112以進一步修正個驅動軸之間的同動誤差。

如同前述，在本實施例中，多軸馬達同動控制系統1透過虛擬回授的概念，以同動校正裝置114對多個驅動軸的回授進行前處理，以對多個驅動軸的速度及位置進行第一次同動校正，並透過交叉耦合同動補償技術的概念，以同動補償裝置115進一步修正多個驅動軸間的同動誤差，以對多個驅動軸的速度及位置進行第二次同動校正，故可以有效地使多軸馬達同動控制系統1之所有驅動軸達到更高精度的同步運動。

請參閱第6圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第二實施例之流程圖。本實施例包含下列步驟：

在步驟S61中，傳送位置命令至各個驅動軸之位置迴路控制器以產生速度訊號。

在步驟S62中，傳送速度訊號至各個驅動軸之速度迴路控制器以產生速度命令以驅動各個驅動軸之馬達。

在步驟S63中，計算各個驅動軸之馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號之平均值。

在步驟S64中，將各個平均值分別回授至對應的驅動軸之位置迴路控制器及速度迴路控制器，藉此對多軸馬達同動控制系統進行同動校正。

在步驟S65中，根據各個驅動軸之馬達之位置回授訊號及與其鄰近的 該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號計算鄰近驅動軸的交叉耦合同動誤差，並回授至對應的驅動軸之速度迴路控制器，藉此對多軸馬達同動控制系統進行同動補償。

請參閱第7圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之方塊圖。如圖所示，多軸馬達同動控制系統1包含複數個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1，各個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1包含位置迴路控制器111、速度迴路控制器112、馬達113、同動校正裝置114、同動補償裝置115及前饋控制裝置116。

由驅動軸11_i觀之，位置迴路控制器111根據位置命令PC產生速度訊號，並傳送速度訊號至速度迴路控制器112。速度迴路控制器112可根據速度訊號產生速度命令並傳送至馬達113。馬達113則可根據速度命令運轉。同動校正裝置114計算馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1之平均值，並回授至位置迴路控制器111及速度迴路控制器112，藉此進行第一次的同動校正。

同動補償裝置115根據馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1計算驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1的交叉耦合同動誤差，並回授至速度迴路控制器112，藉此進行第二次的同動校正。

前饋控制裝置116對位置命令進行前饋控制以產生補償訊號，並回授至速度迴路控制器112，藉此進行前饋補償。而多軸馬達同動控制系統1之各個驅動軸均進行上述的程序，藉此對所有驅動軸進行同動校正。

請參閱第8圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第一示意圖。圖中所示的是本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之其中一種較佳的結構。如圖所示，多軸馬達同動控制系統1包含複數 個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1，而各個驅動軸11_i-1、11_i、11_i+1則包含有位置迴路控制器111、速度迴路控制器112、馬達113、同動校正裝置114、同動補償裝置115、前饋控制裝置116以及複數個加法器A4、A5。

由驅動軸11_i觀之，位置迴路控制器111根據位置命令PC產生速度訊號，並傳送速度訊號至速度迴路控制器112。速度迴路控制器112可根據速度訊號產生速度命令並傳送至馬達113。馬達113則可根據速度命令運轉。

同動校正裝置114包含加法器A1、除法器DR及微分器D1。加法器A1計算馬達113之位置回授訊號d_i及與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1的總和，而除法器DR則根據此總和計算平均值d’_i，微分器D1將平均值d’_i微分以產生第一速度補償值v’_i1，加法器A4將位置命令PC與平均值d’_i相減，並回授至位置迴路控制器111以產生第二速度補償值v’_i2。

同動補償裝置115具交叉耦合同動補償的功能，其可包含乘法器M、加法器A2、加法器A3、積分器I、轉移函式控制器G1、轉移函式控制器G2及比例積分控制器PIC。其中，乘法器M將驅動軸11_i之馬達113之位置回授訊號d_i乘以2以產生第一計算值C1，加法器A2將第一計算值C1減去與其相鄰的該些驅動軸11_i-1、11_i+1之該些馬達113之位置回授訊號d_i-1、d_i+1以產生第二計算值C2，第二計算值C2透過轉移函式控制器G1處理後產生第三計算值C3，第一計算值C1透過積分器I及轉移函式控制器G2處理後產生第四計算值C4，加法器A3將第三計算值C3及第四計算值C4相加以產生第五計算值C5，比例積分控制器PIC根據第五計算值C5產生第三速度補償值v’_i3。

前饋控制裝置116對位置命令PC進行前饋控制以進行前饋補償，其包含微分器D2及轉移函式控制器G3，位置命令PC透過微分器D2及轉移函 式控制器G3處理後產生第四速度補償值v’_i4。

加法器A5則將與第二速度補償值v’_i2、第三速度補償值v’_i3及第四速度補償值v’_i4相加再減去第一速度補償值v’_i1以產生總速度補償值V_t，並將總速度補償值V_t回授至速度迴路控制器112以產生控制命令以控制馬達113運轉。而多軸馬達同動控制系統1之各個驅動軸均進行上述的程序，藉此對所有驅動軸進行同動校正。

由上述可知，在本實施例中，多軸馬達同動控制系統1透過虛擬回授的概念，以同動校正裝置114對多個驅動軸的回授進行前處理，以對多個驅動軸的速度及位置進行第一次同動校正，並透過交叉耦合同動補償技術的概念，以同動補償裝置115進一步修正多個驅動軸間的同動誤差，以對多個驅動軸的速度及位置進行第二次同動校正，再透過前饋控制裝置將位置命令前饋到速度迴路控制器，以補償多軸同動控制所產生的相位落後，因此可以有效地使多軸馬達同動控制系統1之所有驅動軸達到更高精度的同步運動。

又，本實施例之多軸馬達同動控制系統1所採取的控制方法可利用簡單的控制演算法即可輕易實現，因此，多軸馬達同動控制系統1之成本可以進一步降低。

另外，本實施例之多軸馬達同動控制系統1可以輕易地達到模組化及全數位化，因此，多軸馬達同動控制系統1可以直接應用於大部份市售之控制系統，故極具商業價值。

請參閱第9圖、第10圖及第11圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第二示意圖、第三示意圖及第四示意圖。圖中所示的為利用本實施例的架構進行實驗的實驗結果，其中y1軸及y2軸表示相鄰的二個驅動軸。第9圖表示y1軸及y2軸的追隨軌跡及動子追隨響應。 第10圖表示y1軸及y2軸的動子追隨誤差。第10圖表示y1軸及y2軸的同動誤差，由第10圖可看出，透過本實施例的架構，y1軸及y2軸的同動誤差已大幅地降低。

請參閱第12圖、第13圖及第14圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之第五示意圖、第六示意圖及第七示意圖。圖中所示的為利用本實施例的架構進行實驗的實驗結果，其中更針對同動補償裝置115的轉移函式控制器G1及G2進行參數最佳化。同樣的，y1軸及y2軸表示相鄰的二個驅動軸。第12圖表示y1軸及y2軸的追隨軌跡及動子追隨響應。第13圖表示y1軸及y2軸的動子追隨誤差。第14圖表示y1軸及y2軸的同動誤差，由第14圖可看出，在針對同動補償裝置115的轉移函式控制器G1及G2進行參數最佳化後，y1軸及y2軸的同動誤差可以進一步降低。

請參閱第15圖，其係為本發明之多軸馬達同動控制系統之第三實施例之流程圖。本實施例包含下列步驟：

在步驟S151中，傳送位置命令至各個驅動軸之位置迴路控制器以產生速度訊號。

在步驟S152中，傳送速度訊號至各個驅動軸之速度迴路控制器以產生速度命令以驅動各個驅動軸之馬達。

在步驟S153中，計算各個驅動軸之馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號之平均值。

在步驟S154中，將各個平均值分別回授至對應的驅動軸之位置迴路控制器及速度迴路控制器，藉此對多軸馬達同動控制系統進行同動校正。

在步驟S155中，根據各個驅動軸之馬達之位置回授訊號及與其鄰近的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號計算鄰近驅動軸的交叉耦合同動誤 差，並回授至對應的驅動軸之速度迴路控制器，藉此對多軸馬達同動控制系統進行同動補償。

在步驟S156中，對位置命令進行前饋控制以產生補償訊號，並回授至各個驅動軸之速度迴路控制器，藉此進行前饋補償。

綜上所述，依本發明之多軸馬達同動控制系統及其方法，其可具有一或多個下述優點：

(1)本發明之一實施例中，多軸馬達同動控制系統所採取的控制方法可有效應用於二軸以上之多軸馬達同動控制系統，故多軸馬達同動控制系統使用範圍更為廣泛。

(2)本發明之一實施例中，多軸馬達同動控制系統包含同動校正裝置，其藉由導入虛擬回授的概念，將多軸馬達同動控制系統之各驅動軸之回授做前處理，對所有驅動軸間的速度與位置做第一次的同動校正，故可以有效地使多軸馬達同動控制系統之所有驅動軸達到同步運動。

(3)本發明之一實施例中，多軸馬達同動控制系統更包含同動補償裝置，其可提供多軸交叉耦合功能以進行第二次的同動校正，其可於速度迴路中補償所有驅動軸間的同動誤差，故可進一步提升所有驅動軸間的同動響應，故可以有效地使多軸馬達同動控制系統之所有驅動軸達到更高精度的同步運動。

(4)本發明之一實施例中，多軸馬達同動控制系統更包含前饋控制裝置，其可將位置命令前饋到速度迴路控制器，故可有效地補償多軸同動控制所產生的相位落後。

(5)本發明之一實施例中，多軸馬達同動控制系統所採取的控制方法可利用簡單的控制演算法實現，因此，多軸馬達同動控制系統之成本可以進一步降低。

(6)本發明之一實施例中，多軸馬達同動控制系統可以輕易地達到模組化及全數位化，因此，多軸馬達同動控制系統可以應用於大部份市售之控制系統，故極具商業價值。

可見本發明在突破先前之技術下，確實已達到所欲增進之功效，且也非熟悉該項技藝者所易於思及，其所具之進步性、實用性，顯已符合專利之申請要件，爰依法提出專利申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵創作，至感德便。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。其它任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應該包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧多軸馬達同動控制系統

11_i-1、11_i、11_i+1‧‧‧驅動軸

111‧‧‧位置迴路控制器

112‧‧‧速度迴路控制器

113‧‧‧馬達

114‧‧‧同動校正裝置

PC‧‧‧位置命令

d_i、d_i-1、d_i+1‧‧‧位置回授訊號

Claims (20)

1. 一種多軸馬達同動控制系統，其包含有：複數個驅動軸，該些驅動軸係互相連結，且其中任一個該驅動軸更包含有：一位置迴路控制器，係根據一位置命令產生一速度訊號；一速度迴路控制器，係根據該速度訊號產生一速度命令；一馬達，係根據該速度命令運轉；以及一同動校正裝置，係計算該馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號之一平均值，並回授至該位置迴路控制器，藉此進行一同動校正。
2. 如申請專利範圍第1項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該同動校正裝置更將該平均值進行微分產生一第一速度補償值，並回授至該速度迴路控制器，藉此進行該同動校正。
3. 如申請專利範圍第2項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該同動校正裝置係包含一第一加法器、一除法器及一第一微分器。
4. 如申請專利範圍第2項所述之多軸馬達同動控制系統，其中任一個該驅動軸更包含一同動補償裝置，其係根據該驅動軸之該馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號產生一第三速度補償值，並回授至該驅動軸之該速度迴路控制器，藉此進行一同動補償。
5. 如申請專利範圍第3項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該第一加法器及該除法器係計算該平均值，而該微分器係該平均值進行微分產生該第一速度補償值。
6. 如申請專利範圍第4項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該同動補 償裝置係包含一乘法器、一第二加法器、一第三加法器、一積分器、一第一轉移函式控制器、一第二轉移函式控制器及一比例積分控制器。
7. 如申請專利範圍第4項所述之多軸馬達同動控制系統，其中任一個該驅動軸更包含一前饋控制裝置，其係對該位置命令進行前饋控制以產生一第四速度補償值，並回授至該驅動軸之該速度迴路控制器，藉此進行一前饋補償。
8. 如申請專利範圍第6項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該乘法器係將該驅動軸之該馬達之位置回授訊號乘以一整數倍以產生一第一計算值，該第二加法器係將該第一計算值減去與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號以產生一第二計算值，該第一計算值透過該第一轉移函式控制器處理後產生一第三計算值，該第一計算值透過該積分器及該第二轉移函式控制器處理後產生一第四計算值，該第三加法器將該第三計算值及該第四計算值相加以產生一第五計算值，該比例積分控制器根據該第五計算值產生該第三速度補償值。
9. 如申請專利範圍第7項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該前饋控制裝置係包含一第二微分器及一第三轉移函式控制器。
10. 如申請專利範圍第7項所述之多軸馬達同動控制系統，任一個該驅動軸更包含一第四加法器，其係將該位置命令與該平均值相減以產生一位置補償值，並回授至該驅動軸之該位置迴路控制器以產生一第二速度補償值，並回授至該驅動軸之該速度迴路控制器。
11. 如申請專利範圍第9項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該位置命令係透過該第二微分器及該第三轉移函式控制器處理後產生該第四速度補償值。
12. 如申請專利範圍第10項所述之多軸馬達同動控制系統，其中任一個該 驅動軸更包含一第五加法器，其係將該第二速度補償值、該第三速度補償值、該第四速度補償值相加，並減去該第一速度補償值，以產生一總速度補償值，並回授至該驅動軸之該速度迴路控制器。
13. 如申請專利範圍第12項所述之多軸馬達同動控制系統，其中該速度迴路控制器係根據該總速度補償值產生該速度命令，以控制該驅動軸之該馬達之運轉。
14. 一種多軸馬達同動控制方法，係用於一多軸馬達同動控制系統，該多軸馬達同動控制系統包含有複數個驅動軸，該些驅動軸互相連結，該多軸馬達同動控制方法包含下列步驟：傳送一位置命令至各個該驅動軸之一位置迴路控制器以產生一速度訊號；傳送該速度訊號至各個該驅動軸之一速度迴路控制器以產生一速度命令以驅動各個該驅動軸之一馬達；計算各個該驅動軸之一馬達之位置回授訊號及與其相鄰的該些驅動軸之該些馬達之位置回授訊號之一平均值；以及將各個該平均值分別回授至對應的該驅動軸之該位置迴路控制器，藉此對該多軸馬達同動控制系統進行一同動校正。
15. 如申請專利範圍第14項所述之多軸馬達同動控制方法，更包含下列步驟：將各個該平均值進行微分產生一第一速度補償值，並回授至對應的該驅動軸之該速度迴路控制器，藉此進行該同動校正。
16. 如申請專利範圍第15項所述之多軸馬達同動控制方法，更包含下列步驟：根據各個該驅動軸之該馬達之位置回授訊號及與其鄰近的該些驅動 軸之該些馬達之位置回授訊號產生一第三速度補償值，並回授至對應的該驅動軸之該速度迴路控制器，藉此對該多軸馬達同動控制系統進行一同動補償。
17. 如申請專利範圍第16項所述之多軸馬達同動控制方法，更包含下列步驟：對該位置命令進行前饋控制以產生一第四速度補償值，並回授至各個該驅動軸之該速度迴路控制器，藉此進行一前饋補償。
18. 如申請專利範圍第17項所述之多軸馬達同動控制方法，更包含下列步驟；將該位置命令與各個該平均值相減以分別產生一位置補償值，並回授至對應的該驅動軸之該位置迴路控制器，以產生一第二速度補償值。
19. 如申請專利範圍第18項所述之多軸馬達同動控制方法，更包含下列步驟；將各個該驅動軸之該第二速度補償值、該第三速度補償值、該第四速度補償值相加，並減去該第一速度補償值，以分別產生一總速度補償值。
20. 如申請專利範圍第19項所述之多軸馬達同動控制方法，更包含下列步驟；將各個該總速度補償值回授至對應的該驅動軸之該速度迴路控制器，以控制對應的該驅動軸之該馬達之運轉。