TWI618346B - 馬達力矩漣波動態補償方法 - Google Patents

Abstract

一種馬達力矩漣波動態補償方法，首先進入補償模式，讀取馬達的工作數位電流訊號，檢查工作數位電流訊號符合映射條件，根據建立的上限力矩曲線與下限力矩曲線，映射線性補償曲線。取得馬達的轉動角度，根據轉動角度，由線性補償曲線計算補償值，補償值補償工作數位電流訊號，以控制馬達轉動。

Description

馬達力矩漣波動態補償方法

本發明有關一種馬達，尤其關於機器手臂的馬達，在控制轉動時，利用力矩漣波補償器動態補償控制訊號的方法。

機器手臂具有靈活移動、精確定位及連續性作業的特性，已成為產品生產線上製造組裝的最佳利器。而降低機器手臂移動時的震動，提升機器手臂控制的精確性，為機器手臂研發的主要課題。

先前技術的機器手臂主要利用馬達轉動提供動力，機器手臂的控制系統，藉由控制命令經由位置控制器、速度控制器及電流控制器等，驅動馬達轉動。為了精確控制馬達，控制系統利用類比數位轉換器(A/D CONVERTER)取出的馬達A相電流與B相電流，形成數位的電流訊號，作為電流控制器的回授訊號，以控制馬達輸出需求的力矩。馬達並設有編碼器偵測馬達的轉動角度，偵測的馬達轉動角度訊號除提供速度控制器控制馬達轉動的角速度外，另提供位置控制器控制馬達定位在需求的角度。

然而，馬達的定子及轉子磁極間磁力的分布並非均勻，導致控制馬達轉動的輸出力矩隨磁力周期性變化，產生力矩漣波(TORQUE RIPPLE)現象，造成波動變化的輸出力矩。此外，利用類比數位轉換器取出 作為回授訊號的馬達A相電流與B相電流，訊號的中心準位極易受到硬體電路的偏差及系統開關電的影響，導致電流控制器的控制準位出現偏差，更會加劇力矩漣波，造成機器手臂的馬達產生震動。再者，前述類比數位轉換器有其轉換訊號的界線，力矩漣波過大的訊號偏差，將超出類比數位轉換器轉換訊號的界線，無法進行轉換，進而影響機器手臂精確的操作。因此，機器手臂的馬達在力矩漣波的補償上，仍有問題亟待解決。

本發明的目的提供一種馬達力矩漣波動態補償方法，藉由設定上限值及下限值，補償類比數位轉換器取出的馬達A相電流與B相電流訊號，形成映射條件，篩選電路過大偏差的硬體進行修復，以提高控制精確度。

本發明另一目的在提供一種馬達力矩漣波動態補償方法，利用上限力矩曲線及下限力矩曲線，映射線性補償曲線，補償類比數位轉換器訊號準位的偏差，以降低震動。

為了達到前述發明的目的，本發明馬達力矩漣波動態補償方法，首先進入補償模式，讀取馬達的工作數位電流訊號，檢查工作數位電流訊號符合映射條件，根據建立的上限力矩曲線與下限力矩曲線，映射線性補償曲線，取得馬達的轉動角度，根據轉動角度，由線性補償曲線計算補償值，補償值補償工作數位電流訊號，以控制馬達轉動。

本發明的馬達力矩漣波動態補償方法，在進入補償模式前，需先建立上限力矩曲線與下限力矩曲線，利用預設的上限值，補償由馬達讀取的基準數位電流訊號形成回授訊號，做為控制電流控制器的回授訊 號，將馬達轉動1電氣週期的360度波動，分成預設個單位角度，一單位角度接一單位角度轉動馬達，並紀錄該每一轉動單位角度及輸出力矩，直到馬達轉完1電氣週期紀錄全部預設個單位角度的輸出力矩，以建立上限力矩曲線。建立下限力矩曲線時，利用預設的下限值，補償由馬達讀取的基準數位電流訊號形成回授訊號，做為控制電流控制器的回授訊號，一單位角度接一單位角度轉動馬達，並紀錄該每一轉動單位角度及輸出力矩，直到馬達轉完1電氣週期紀錄全部預設個單位角度的輸出力矩。

本發明的馬達力矩漣波動態補償方法，利用基準數位電流訊號加減預設的上限值及下限值，形成映射條件。工作數位電流訊號介於基準數位電流訊號的上限值及下限值間為符合映射條件，將繼續補償模式。不符合映射條件時，將停止補償模式。

本發明的馬達力矩漣波動態補償方法，馬達包含A相及B相數位電流訊號。馬達轉動1電氣週期的360度波動，分成預設k個單位角度，每一單位角度上限力矩曲線U(k)及下限力矩曲線D(k)，A相基準數位電流訊號為DA及及B相基準數位電流訊號為DB，A相的工作數位電流訊號為DA1及B相的工作數位電流訊號為DB1，預設補償基準數位電流訊號DA及DB的上限值XA1、XB1與下限值XA2及XB2，則FA=[(XA1+XB1)+(XA2+XB2)]/2，FB=[(DA+XA1-DA1)+(DB+XB1-DB1)]/2，而線性補償曲線L(k)的補償公式為：L(k)=[(FA-FB)/FA]*U(k)+[FB/FA]*D(k)，以映射每一單位角度的線性補償L(k)。

本發明的馬達力矩漣波動態補償方法，在補償工作數位電流訊號時，設需要N個脈衝轉動馬達1電氣週期360度波動，以n個脈衝轉動馬 達，可計算出馬達的轉動波動角度G=(360/N)* n，再根據每一單位角度s的線性補償L(k)，由該轉動波動角度的前後角度k與k+1，以內插公式[L(k+1)-L(k)]：[L(G)-L(k)]=s：(G-k*s)取得L(G)補償值。前述轉動角度G，以可由馬達的編碼器的機器週期轉動角度除5轉換取得。

10‧‧‧控制系統

11‧‧‧馬達

12‧‧‧位置控制器

13‧‧‧速度控制器

14‧‧‧電流控制器

15‧‧‧編碼器

16‧‧‧類比數位轉換器

17‧‧‧力矩漣波補償器

18‧‧‧速度計算器

圖1 為本發明機器手臂的馬達的控制系統的功能圖。

圖2 為本發明建立上下限力矩曲線的流程圖。

圖3 為本發明建立的上下限力矩曲線的座標圖。

圖4 為本發明映射的線性補償曲線。

圖5 為本發明建立的上限力矩曲線紀錄的數據表。

圖6 為本發明建立的下限力矩曲線紀錄的數據表。

圖7 為本發明映射線性補償曲線的數據表。

圖8 為本發明馬達力矩漣波動態補償方法的的流程圖。

圖9 為本發明馬達力矩漣波動態補償方法的誤差比較圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉較佳實施例，並配合圖式加以說明如下。

請同時參閱圖1、圖2及圖3，圖1為本發明機器手臂的馬達的控制系統，圖2為本發明建立上下限力矩曲線的流程圖，圖3為本發明建立的上下限力矩曲線圖。圖1中本發明馬達11的控制系統10，主要藉由控制命令經由位置控制器12、速度控制器13及電流控制器14，控制馬達11轉動。 其中馬達11為A、B、C相的三相馬達，並設有編碼器15用以偵測馬達11的轉動角度。控制系統10利用類比數位轉換器16，從馬達11取出A相電流與B相電流，形成數位電流訊號，經力矩漣波補償器17接收，力矩漣波補償器17利用線性補償曲線，並根據編碼器偵測的馬達11轉動角度，補償A相與B相的電流訊號，作為電流控制器14的回授訊號，控制馬達11輸出需求的力矩。而馬達11的編碼器15偵測的馬達11轉動角度訊號，另提供速度計算器18計算馬達11的轉速，回授至速度控制器13控制馬達11轉動的角速度。位置控制器12也由接收編碼器15偵測的馬達11轉動角度訊號，控制馬達11定位在需求的角度。

本發明的力矩漣波補償器17在進入補償模式補償馬達11的A相與B相數位電流訊號前，由於類比數位轉換器16有轉換訊號的上界線T1及下界線T2限制(參圖3)，首先需建立類比數位轉換器16可接受轉換訊號的上限力矩曲線U及下限力矩曲線D，以確認可補償電流訊號的範圍。圖2為本發明建立上下限力矩曲線的步驟，在啟動馬達後(步驟P1)，藉由類比數位轉換器16取得馬達11的A相與B相電流，並轉換為基準數位電流訊號DA及DB(步驟P2)。先建立上限力矩曲線U，利用預設的A相上限值XA1及B相上限值XB1，分別補償A相基準數位電流訊號DA形成回授訊號DA+XA1，及補償B相基準數位電流訊號DB形成回授訊號DB+XB1，做為控制電流控制器14的回授訊號(步驟P3)。

由於馬達11轉動1圈的機器週期，包含5個相同磁場變化的360度波動的電氣週期。為加速補償作業，以相當於馬達11轉動72度的1電氣週期，建立補償曲線。首先將1電氣週期360度的波動，分成預設k個單位 角度s，例如k=400，並一單位角度s接一單位角度s驅動馬達11(步驟P4)，紀錄馬達11每一單位角度s及輸出力矩(步驟P5)，檢查馬達11是否轉動1電氣週期？(步驟P6)，假如尚未轉動1電氣週期，則回至步驟P4，繼續轉動至下一單位角度s，重複步驟P4至步驟P6，直到馬達11轉完1電氣週期紀錄全部k個單位角度s的輸出力矩U(k)，以完成建立上限力矩曲線U。然後檢查是否完成上下限力矩曲線？(步驟P7)，假如未完成，比照建立上限力矩曲線U的步驟，接著建立下限力矩曲線D，利用預設的A相下限值XA2及B相下限值XB2，分別補償A相基準數位電流訊號DA形成回授訊號DA-XA2，及補償B相基準數位電流訊號DB形成回授訊號DB-XB2，做為控制電流控制器14的回授訊號(步驟P8)。然後回至步驟P4，重複步驟P4至步驟P6，直到一單位角度s接一單位角度s轉動馬達11，轉完1電氣週期紀錄全部k個單位角度s的輸出力矩D(k)，以完成建立下限力矩曲線D。最後檢查完成上下限力矩曲線後(步驟P7)，結束建立上下力矩曲線的操作(步驟P9)。

將前述步驟P5紀錄馬達11的每一單位角度s及其對應的輸出力矩U(k)與D(k)的資料，形成如圖3所示的座標圖，顯示力矩漣波狀的上限力矩曲線U及下限力矩曲線D。由於前述建立上下力矩曲線，預設補償基準數位電流訊號DA及DB的上下限值XA1、XB1、XA2及XB2，基本上可由類比數位轉換器16的產品規格，根據使用經驗加以調整設定可接受最大的上下限值，讓受力矩漣波影響，建立的上限力矩曲線U及下限力矩曲線D不超出類比數位轉換器16的轉換界線。但是一旦發現建立的上限力矩曲線U及下限力矩曲線D超出類比數位轉換器16的轉換界線，就必調整設定補償上下限值，重新建立上下力矩曲線。因此利用建立可用的上限力矩曲線U及下限力矩曲 線D後，根據數位電流訊號與力矩成比例關係，判斷介在上限力矩曲線U及下限力矩曲線D的範圍內，為類比數位轉換器16可有效轉換的電流，否則為類比數位轉換器16無法轉換的電流。

如圖4所示，為本發明映射的線性補償曲線。當控制系統執行補償模式時，類比數位轉換器取得馬達的A相與B相電流轉換的工作數位電流訊號DA1及DB1，首先利用上限力矩曲線U及下限力矩曲線D建立映射條件，即A相數位電流訊號的上限為基準數位電流訊號DA加上上限值XA1，即DA+XA1，下限為基準數位電流訊號DA減上限值XA2，即DA-XA2。B相數位電流訊號的上限為基準數位電流訊號DB加上上限值XB1，即DB+XB1，下限為基準數位電流訊號DB減上限值XB2，即DB-XB2。利用映射條件篩選工作數位電流訊號DA1及DB1，DA+XA1>DA1>DA-XA2且DB+XB1>DB1>DB-XB2，才能符合映射條件，否則工作數位電流訊號DA1及DB1超出上限力矩曲線U及下限力矩曲線D補償範圍，硬體電路偏差過大需篩出進行修復，以提高控制的精確度。

符合映射條件的工作數位電流訊號DA1及DB1，進入補償模式，利用上限力矩曲線U及下限力矩曲線D及下列公式繼續執行補償模式。設FA為馬達的A相與B相基準數位電流訊號DA及DB上下限的平均跨距，即FA=[(XA1+XB1)+(XA2+XB2)]/2，FB為工作數位電流與上限基準數位電流訊號的平均差，即FB=[(DA+XA1-DA1)+(DB+XB1-DB1)]/2，利用線性比例計算上限力矩曲線U及下限力矩曲線D，形成對該工作數位電流的線性補償曲線L的補償公式為：L(k)=[(FA-FB)/FA]*U(k)+[FB/FA]*D(k)，因此，圖4中線性補償曲線L就可利用建立的上限力矩曲線U及下限力矩曲線D在每一單位角度s的力矩U(k)與D(k)線性映射獲得。

請同時參閱圖5、圖6及圖7，圖5為本發明建立的上限力矩曲線U紀錄的數據表，圖6為建立的下限力矩曲線D紀錄的數據表，圖7為本發明映射線性補償曲線L的數據表。以實際映射線性補償曲線L的實施例舉例說明，馬達控制系統利用類比數位轉換器取得馬達的A相與B相電流，並轉換為基準數位電流訊號DA=3569訊號單位及DB=3640訊號單位，並預設的A相上限值XA1=150訊號單位及B相上限值XB1=150訊號單位。分別補償A相基準數位電流訊號DA形成回授訊號DA+XA1=3569+150=3719，及補償B相基準數位電流訊號DB形成回授訊號DB+XB1=3640+150=3790，做為控制電流控制器的回授訊號。接著將1電氣週期的360度波動，分成k=400個單位角度，一單位角度s=0.9度，紀錄角度0度及其輸出力矩U(0)=13力矩單位，驅動馬達轉動一單位角度0.9度，紀錄角度0.9度及輸出力矩U(0.9)=26力矩單位，接著驅動馬達再一一增加轉動一單位角度s，並紀錄轉動角度及輸出力矩U(k)，直到馬達轉動1電氣週期，以取得圖5上限力矩曲線U的數據表。

同樣，預設的A相下限值XA1=150訊號單位及B相下限值XB1=150訊號單位。分別補償A相基準數位電流訊號DA形成回授訊號DA-XA1=3569-150=3419，及補償B相基準數位電流訊號DB形成回授訊號DB-XB1=3640-150=3490，做為控制電流控制器的回授訊號。紀錄轉動角度0度及輸出力矩D(0)=-35力矩單位，驅動馬達轉動一單位角度0.9度，紀錄轉動角度0.9度及輸出力矩D(0.9)=-31力矩單位，接著一單位角度一單位角度驅動馬達，並紀錄轉動角度及輸出力矩D(k)，直到馬達轉動1電氣週期，以取得圖6下限力矩曲線D的數據表。

假設測得馬達的一A相工作數位電流訊號DA1=3580訊號單 位，B相工作數位電流訊號DB1=3732訊號單位，首先需檢查工作數位電流訊號符合映射條件：DA+XA1>DA1>DA-XA2且DB+XB1>DB1>DB-XB2，即3719>3580>3419與3790>3732>3490，才能映射。

接著映射該工作數位電流訊號的線性補償曲線L如下，計算A相與B相數位電流訊號上下限的平均跨距FA=[(XA1+XB1)+(XA2+XB2)]/2=[(150+150)+(150+150)]/2=300，而工作數位電流與上限數位電流訊號的平均差，FB=[(DA+XA1-DA1)+(DB+XB1-DB1)]/2=[(3569+150-3580)+(3640+150-3732)]/2=98.5，根據上限力矩曲線U(k)及下限力矩曲線D(k)的數據表，利用補償公式為：L(k)=[(FA-FB)/FA]*U(k)+[FB/FA]*D(k)，計算每一單位角度s的線性補償曲線L(k)，在單位角度0度，L(0)=[(300-98.5)/300]*U(0)+[98.5/300]*D(0)=[(300-98.5)/300]*13+[98.5/300]*(-35)=-2.76，在單位角度0.9度，由補償公式計算L(0.9)=[(300-98.5)/300]*U(0.9)+[98.5/300]*D(0.9)=[(300-98.5)/300]*26+[98.5/300]*(-31)=7.285力矩單位，以補償公式一一計算每一單位角度，就可根據已知的上限力矩曲線U與下限力矩曲線D的數據表，取得圖7一電氣週期的線性補償曲線的數據表。同理，複製該一電氣週期的線性補償曲線，形成5電氣週期的線性補償曲線，就類推作為馬達轉動1圈的機器週期的線性補償曲線。

對該工作數位電流訊號進行補償時，一般轉動馬達一電氣週期360度波動，需要N個脈衝(Pulse)，以n個脈衝轉動馬達，可計算出馬達的轉動波動角度G=(360/N)* n，再根據圖7線性補償曲線L的數據表，由該轉動角度的前後角度k與k+1，內插公式 [L(k+1)-L(k)]：[L(G)-L(k)]=s：(G-k*s)取得補償值。舉例說明，假如一般轉動馬達一電氣週期360度波動，需要10000個脈衝，以40個脈衝轉動馬達，可計算出馬達的轉動角度G=(360/10000)*40=1.44度，介於前後角度0.9度與1.8度，以線性補償曲線L，角度0.9度的L(1)=7.285與角度1.8度的L(2)=13.643代入內插公式[13.643-7.285]：[L(1.44)-7.285]=0.9：(1.44-1*0.9)，取得補償值L(1.44)=11.0998。再由力矩與數位電流訊號比例關係，換算回補償的電流訊號，就可進行補償數位電流訊號。前述馬達的轉動波動角度G，亦可由馬達的編碼器讀取機器週期的轉動角度，再除以5轉換為轉動波動角度G。

如圖8所示，為本發明馬達力矩漣波動態補償方法的流程圖。本發明馬達力矩漣波動態補償方法的詳細步驟說明如下：在步驟S1進入補償模式，開始進行補償；步驟S2，讀取工作數位電流訊號；步驟S3，檢查工作數位電流訊號是否符合映射條件？假如不符合映射條件，則至步驟S4，停止補償模式，並調整或修復馬達，如符合映射條件，則進入步驟S5，根據建立的上限力矩曲線與下限力矩曲線，映射線性補償曲線；步驟S6，由馬達的編碼器或脈衝，讀取馬達的轉動角度；步驟S7，根據轉動角度，由線性補償曲線計算補償值；步驟S8，以補償值補償工作數位電流訊號；步驟S9，控制馬達轉動。

由前述的實施例，本發明的馬達力矩漣波動態補償方法，就可藉由設定上限值及下限值，補償類比數位轉換器取出的馬達A相電流與B相電流訊號，形成映射條件，篩選電路過大偏差的硬體進行修復，以提高控制精確度，並建立上限力矩曲線及下限力矩曲線，以映射線性補償曲線， 補償類比數位轉換器訊號準位的偏差。如圖9所示，將使用本發明馬達力矩漣波動態補償方法及不使用補償的誤差加以比較，使用本發明馬達力矩漣波動態補償方法，機器手臂的移動誤差、週期震動及震幅，都明顯縮小，因此，本發明馬達力矩漣波動態補償方法可達到降低震動的目的。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。

10‧‧‧控制系統

11‧‧‧馬達

12‧‧‧位置控制器

13‧‧‧速度控制器

14‧‧‧電流控制器

15‧‧‧編碼器

16‧‧‧類比數位轉換器

17‧‧‧力矩漣波補償器

18‧‧‧速度計算器

Claims (10)

1. 一種馬達力矩漣波動態補償方法，其步驟包含：進入補償模式；讀取馬達的工作數位電流訊號；檢查工作數位電流訊號符合映射條件；根據建立的上限力矩曲線與下限力矩曲線，映射線性補償曲線；取得馬達的轉動角度；根據轉動角度，由線性補償曲線計算補償值；以補償值補償工作數位電流訊號，控制馬達轉動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中該上限力矩曲線，在進入補償模式前的建立步驟包含：利用預設的上限值，補償由馬達讀取的基準數位電流訊號形成回授訊號，做為控制電流控制器的回授訊號；將馬達轉動1電氣週期360度波動，分成預設個單位角度；一單位角度接一單位角度轉動馬達，並紀錄該每一轉動單位角度及輸出力矩；直到馬達轉完1電氣週期紀錄全部預設個單位角度的輸出力矩，以建立上限力矩曲線。
3. 如申請專利範圍第2項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中該下限力矩曲線，在進入補償模式前的建立步驟包含：利用預設的下限值，補償由馬達讀取的基準數位電流訊號形成回授訊號，做為控制電流控制器的回授訊號； 一單位角度接一單位角度轉動馬達，並紀錄該每一轉動單位角度及輸出力矩；直到馬達轉完1電氣週期紀錄全部預設個單位角度的輸出力矩，以建立下限力矩曲線。
4. 如申請專利範圍第3項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中基準數位電流訊號，利用預設的上限值及下限值，形成映射條件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中該工作數位電流訊號介於基準數位電流訊號的上限值及下限值間為符合映射條件。
6. 如申請專利範圍第5項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中不符合映射條件時，停止補償模式。
7. 如申請專利範圍第5項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中該馬達包含A相及B相數位電流訊號。
8. 如申請專利範圍第7項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中馬達轉動1電氣週期的360度波動，分成預設k個單位角度，每一單位角度上限力矩曲線U(k)及下限力矩曲線D(k)，A相基準數位電流訊號為DA及及B相基準數位電流訊號為DB，A相的工作數位電流訊號為DA1及B相的工作數位電流訊號為DB1，預設補償基準數位電流訊號DA及DB的上限值XA1、XB1與下限值XA2及XB2，則FA=[(XA1+XB1)+(XA2+XB2)]/2 FB=[(DA+XA1-DA1)+(DB+XB1-DB1)]/2線性補償曲線L(k)的補償公式為：L(k)=[(FA-FB)/FA]*U(k)+[FB/FA]*D(k) 以映射每一單位角度的線性補償L(k)。
9. 如申請專利範圍第8項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中補償工作數位電流訊號時，設需要N個脈衝轉動馬達1電氣週期360度波動，以n個脈衝轉動馬達，可計算出馬達的轉動波動角度G=(360/N)* n，再根據每一單位角度s的線性補償L(k)，由該轉動波動角度的前後角度k與k+1，以內插公式[L(k+1)-L(k)]：[L(G)-L(k)]=s：(G-k*s)取得L(G)補償值。
10. 如申請專利範圍第9項所述之馬達力矩漣波動態補償方法，其中該轉動波動角度G由馬達的編碼器取得機器週期的轉動角度除5轉換獲得。