TWI627410B

TWI627410B - 轉子驅動系統及轉子驅動方法

Info

Publication number: TWI627410B
Application number: TW106116381A
Authority: TW
Inventors: 陳兆芸; 葉記廷
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-06-21
Also published as: CN108964559A; CN108964559B; US9979345B1; TW201901154A

Abstract

一種轉子驅動系統，其包含：轉子、轉速感測器、感測電路、控制器與轉子驅動器。轉速感測器，感測轉子的轉速以產生量測信號。感測電路，電性連接轉速感測器，將量測信號轉換為當前轉速量測值。控制器電性連接感測電路，用於依據歷史轉速量測值、當前轉速量測值與參考值，產生估計轉速值，並依據估計轉速值與轉速控制信號，產生轉子驅動信號。轉子驅動器，電性連接控制器，依據轉子驅動信號，驅動該轉子轉動。

Description

轉子驅動系統及轉子驅動方法

本發明係關於一種轉子驅動系統及轉子驅動方法，特別是一種高精確度的轉子驅動系統及轉子驅動方法。

轉子，或稱轉軸，係發電機、馬達、引擎中的重要部件。一般的轉子機械運轉於高轉速時，由於溫度、製作公差等原因，使轉子的旋轉幾何中心與慣性中心不一致，造成偏心力的產生，而偏心力為轉速的平方成正比，因此當轉速越高，偏心力影響越大。傳統的軸承控制器功效是把轉子定位於轉子的幾何中心位置，然而轉速越大，偏心力越大，則轉子振動越大，若是要把轉子定位於幾何中心位置，需要的控制力越大。因此，通常是利用轉速來決定控制力。

利用轉速來決定控制力時，可以利用轉速指令來決定控制力，然而由於轉速指令與實際轉速往往有差異，這樣產生的控制力往往無法良好地使轉子定位，因此有人提出利用感測到的轉速來決定控制力。然而，因為振動、滑差等問題，可能造成感測到的轉速有錯誤，從而計算得到的控制力有錯誤，則可能造成控制器不穩定。

綜上所述，如何提高轉速感測的精確度以提供良好的轉子驅動系統，實為有待克服的問題。因此本發明提出一種轉子驅動系統與轉子驅動方法，藉由濾波器將可能的量測誤差降低或消除，藉以提高轉速感測的精確度。

依據本發明一實施例的轉子驅動系統，其包含：轉子、轉速感測器、感測電路、控制器與轉子驅動器。轉速感測器，感測轉子的轉速以產生量測信號。感測電路，電性連接轉速感測器，將量測信號轉換為當前轉速量測值。控制器電性連接感測電路，用於依據歷史轉速量測值、當前轉速量測值與參考值，產生估計轉速值，並依據估計轉速值與轉速控制信號，產生轉子驅動信號。轉子驅動器，電性連接控制器，依據轉子驅動信號，驅動該轉子轉動。

依據本發明一實施例的轉子驅動方法，其包含下列步驟：感測轉子的轉速以產生量測信號。將量測信號轉換為當前轉速量測值。依據歷史轉速量測值、當前轉速量測值與參考值，產生估計轉速值。依據估計轉速值與轉速控制信號，產生轉子驅動信號以驅動轉子。

綜上所述，本發明所揭示的轉子驅動系統及方法，利用當前轉速量測值、歷史轉速量測值與參考值，產生估計轉速值。也就是利用過去的信號變化趨勢與當前量測值來估算正確的轉速值。從而降低量測誤差，提高量測的精確度。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參照圖1，其係依據本發明一實施例的轉子驅動系統架構示意圖。如圖1所示，本發明一實施例中的轉子驅動系統1000具有轉子1100、轉速感測器1200、感測電路1300、控制器1400與轉子驅動器1500。

轉子1100例如為引擎、馬達、發電機或是其他轉子機械的轉軸。轉子1100受到轉子驅動器1500驅動而轉動。轉子驅動器1500於一實施例中為接觸式轉子驅動器1500，也就是說轉子驅動器1500直接接觸轉子1100以帶動轉子1100轉動。或是轉子驅動器1500透過直接接觸轉子1100的一個傳動機構1510來帶動轉子1100轉動。於另一實施例中，轉子驅動器1500為非接觸式轉子驅動器。也就是說，轉子驅動器1500不接觸轉子1100，也沒有透過任何接觸轉子的元件來帶動轉子1100轉動。

轉速感測器1200適於感測該轉子的轉速以產生一量測信號。於一實施例中，轉速感測器1200例如為以光耦合器實作或以霍爾效應感測器實作的轉速感測器，本發明不加以限制。以光耦合器實作的轉速感測器1200請參照圖2，其係依據本發明一實施例的轉子與轉速感測器配置示意圖。如圖2所示，轉子1100平行於X軸配置，且轉子1100具有一個穿孔1101其延伸方向正交(perpendicular)於X軸(平行於紙面)。而轉速感測器1200包含光源1210與光耦合器1220，光源1210與光耦合器1220的連線平行於圖2的Z軸(平行於紙面)，並且當轉子1100轉到適當位置而使穿孔1101的延伸方向實質平行於Z軸時，光源1210發出的光線會穿過穿孔1101而被光耦合器1220所接收。此時光耦合器1220輸出的信號例如為高電位。而當穿孔1101的延伸方向實質不平行於Z軸時，光源1210發出的光線不會被光耦合器1220所接收，此時光耦合器1220輸出的信號例如為低電位。前述的實質平行例如為穿孔1101的延伸方向與Z軸的夾角小於5度，然而本發明並不加以限制，本領域通常知識者得自行依加工技術與需求而設定。因此，每當轉子1100轉動一圈，光耦合器1220所輸出的量測信號會有四次的電位轉換，兩次由低電位轉換為高電位，兩次由高電位轉換為低電位。換句話說，量測信號的頻率理論上是轉動頻率的兩倍。然而，如果轉子1100因為振動而有了位置的偏移，則有可能當穿孔1101的延伸線平行於Z軸時，光源1210的光線無法穿過穿孔1101而被光耦合器1220所接收，如此當轉子1100轉動一圈的時候，光耦合器1220所輸出的量測信號可能只有兩次電位轉換甚至沒有電位轉換。從而使得量測信號的頻率不到轉子的轉動頻率的兩倍。

雖然上述以光耦合器實作的轉速感測器需要轉子具有穿孔，然而所屬領域通常知識者當能以其他的方式設計此類轉速感測器。例如參照圖3，其係依據本發明另一實施例的轉子與轉速感測器配置示意圖。於圖3的實施例中，光源1210’與光耦合器1220’設置於轉子1100的同一側，在轉子1100對應於轉速感測器1200的光耦合器1220’的區域進行環狀拋光，並於其中一段進行磨砂處理。因此當光耦合器1220’正對著被拋光的區域時，光耦合器1220’輸出的信號例如為高電位，而當光耦合器1220’正對著被磨砂處理的區域時，光耦合器1220’輸出的信號例如為低電位。從而當轉子1100每轉動一圈，光耦合器1220’輸出的信號會有兩次的電位轉換，一次由低電位轉換為高電位，另一次從高電位轉換為低電位。換句話說，量測信號的頻率理論上是等同於轉動頻率。然而，如果轉子1100因為振動而有了位置的偏移，則可能當轉子1101的磨砂區域正對著光耦合器1220’的時候，轉子1101太過於靠近光耦合器1220’，使得光耦合器1220’感受到過多的反射光而使輸出的量測信號為高電位。如此輸出的量測信號的頻率可能高於轉子的轉動頻率。另一方面，可能當轉子1101的拋光區域正對著光耦合器1220’的時候，轉子1101太過於遠離光耦合器1220’，使得光耦合器1220’無法感受到足構反射光，而使輸出的量測信號為低電位。如此輸出的量測信號的頻率可能低於轉子的轉動頻率。另外由於滑差、轉子形變、轉子熱膨脹，也可能有類似的量測誤差。

感測電路1300電性連接轉速感測器1200，將量測信號轉換為當前轉速量測值。量測信號可能是電壓或電流的形式呈現，並且量測信號僅能粗略地呈現轉速感測器1200是否感測到轉子1100上對應的位置，而量測信號並不一定能直接被數位電路所處理，因此感測電路1300用來將量測信號轉換為適合被控制器1400的數位電路處理的脈衝信號形式。具體來說，感測電路1300例如但不限於具有比較器、施密特觸發器(Schmidt trigger)、類比數位轉換器或其他適於將類比信號轉換為數位信號的元件，本發明不加以限制。

控制器1400電性連接感測電路1300。控制器1400依據歷史轉速量測值、當前轉速量測值與參考值，產生估計轉速值。控制器1400並依據估計轉速值與轉速控制信號，產生轉子驅動信號。於一實施例中，控制器1400使用卡爾曼濾波器(Kalman filter)或其他遞歸濾波器(recursive filter)來根據當前轉速量測值、參考值以及一筆或多筆歷史轉速量測值來產生估計轉速值。於一實施例中，請回到圖1，控制器1400外接一個儲存媒介1600，歷史轉速量測值與參考值係儲存於儲存媒介1600。並且控制器1400將當前轉速量測值寫入儲存媒介1600作為未來計算用的歷史轉速量測值，控制器1400並將所產生的估計轉速值寫入儲存媒介1600來更新參考值。控制器1400例如但不限於單晶片控制器、微控制器(micro controller unit, MCU)、現場可程式邏輯閘陣列(field programmable gate array, FPGA)、複雜可程式化邏輯器件(complex programmable logic device, CPLD)或其他適於進行數位信號處理的電子裝置，本發明不加以限制。儲存媒介1600例如為揮發性或非揮發性儲存媒介，其中較佳為非揮發性儲存媒介。

於一實施例中，在產生估計轉速值的時候，首先使用當前轉速量測值ω _k+1、歷史轉速量測值ω _k與參考值ω _k ^’應用卡爾曼濾波器產生對應的一個當前估計值ω _k+1 ^’。其中，如果前述非理想狀態造成的轉速量測誤差很小，或是沒有造成量測誤差的時候，所產生的當前估計值ω _k+1 ^’會實質上等同於當前轉速量測值ω _k+1。而當前述非理想狀態造成的轉速量測誤差達到一定的比例的時候，所產生的當前估計值ω _k+1 ^’會不同於當前轉速量測值ω _k+1，而是接近於實際上轉子1100的轉速。其中，前述的諸量測值與參考值，係關於一個脈衝信號的電位高低的描述。而此脈衝信號係用以描述轉速感測器1200是否感測到光線。

接下來，為了說明前述實施例的效果，請參照圖4，其係依據本發明一實施例的轉速量測值與估計值時序圖。如圖4所示，信號V1為實際量測得到的轉速量測值，而信號V2為依據前述方法得到的估計值。其中在第一時間區間P1中，由於沒有發生前述的量測誤差，因此信號V1等同於信號V2。接著在第二時間區間P2，由於轉子驅動系統1000發生振動，因此可以發現信號V1有一段未偵測到脈衝信號的時間區間明顯不同於信號V1在第一時間區間P1中的模式。而信號V2則不論在第一時間區間P1還是在第二時間區間P2，其發生脈衝的模式大致固定。因此，使用信號V2，也就是當前估計值來進行後敘的計算與控制，可以避免或降低前述因振動、滑差或其他非理想因素造成的量測誤差。

於一實施例中，當得到了當前估計值ω _k+1 ^’後，控制器1400可以直接用當前估計值ω _k+1 ^’所定義出來的脈衝信號p對時間微分或差分以取得轉子1100的轉速。然而，在某些狀況下，這樣的方式可能會帶入過多的量測誤差或是系統程序誤差。因此，於另一實施例中，控制器1400以最小平方法來估測轉子1100的轉速，其方程式如下：

其中， T代表中斷取樣時間，為係數矩陣，在進行速度估測時，可決定時間階數n與資料點數M後，便可決定係數矩陣。而依照上述方程式，得以取得較為可信的轉子估計轉速值v。

控制器1400在取得估計轉速值後，控制器1400以估計轉速值與轉速控制信號來產生轉子驅動信號。舉例來說，若是估計轉速值低於轉速控制信號所指定的轉速，則轉子驅動信號會使轉子驅動器1500驅動轉子加速轉動。若是估計轉速值高於轉速控制信號所指定的轉速，則轉子驅動信號會使轉子驅動器1500驅動轉子減速。其中，轉子驅動器1500例如為馬達中的多相磁場驅動裝置或是引擎中的閥門控制器。

此外，控制器1400更可以依據估計轉速值與轉速控制信號，以偏心力抑制技術(Unbalance Force Rejection Control, UFRC)產生該轉子驅動信號。請參照圖5A與圖5B，其中圖5A係一般的轉子驅動系統的轉子控制電流時序圖，而圖5B係依據本發明一實施例的轉子驅動系統的轉子控制電流時序圖。不論圖5A還是圖5B的實驗結果中，都是在0.4秒時啟動UFRC來調整轉子控制電流。從圖5A可以看出，一般的轉子驅動系統在啟動UFRC後，並未能使轉子控制電流收斂。相較之下，從圖5B可以看出，依據本發明一實施例的轉子驅動系統，在啟動UFRC後，轉子控制電流明顯收斂。其原因在於，由振動或其他原因所造成的轉速量測誤差造成了一般轉子驅動系統的UFRC無法良好地發揮效果(因為得到的轉速有誤)。相較之下，這樣的轉速量測誤差，於本發明一實施例的轉子驅動系統中被移除或降低了，從而使得UFRC可以良好的發揮效果。

綜上所述，本發明一實施例的轉子驅動系統可以下列轉子驅動方法來進行控制，請參照圖6，其係依據本發明一實施例的轉子驅動方法流程圖。如圖6所示，依據本發明一實施例的轉子驅動方法包含下列步驟：如步驟S610所示，感測轉子的轉速以產生量測信號。如步驟S620所示，將量測信號轉換為當前轉速量測值。如步驟S630所示，依據歷史轉速量測值、當前轉速量測值與參考值，產生估計轉速值。如步驟S640所示，依據估計轉速值與轉速控制信號，產生轉子驅動信號以驅動轉子。

其中，關於產生估計轉速值的方法，除了可以如前述實施例的計算方式以外，也可以參照圖7，其係依據本發明一實施例的轉速估計方法流程圖。如步驟S710所示，依據歷史轉速量測值、當前轉速量測值與參考值，判斷是否發生量測誤差。如果未發生量測誤差，則如步驟S720所示，依據當前轉速量測值產生估計轉速值。如果發生量測誤差，擇如步驟S730所示，依據歷史轉速量測值、當前轉速量測值與參考值，產生估計轉速值。於一實施例中，在步驟S720與步驟S730之後，更包含步驟S740，以估計轉速值更新參考值。

綜上所述，依據本發明一實施例的轉子驅動系統與轉子驅動方法，藉由遞歸濾波器來去除或抑制量測誤差，使轉子轉速的量測更加精確。避免因為振動或其他非理想因素導致的量測誤差造成轉子控制的問題。於一實施例中，依據本發明所揭示的系統與方法，使UFRC技術能更良好的使用在轉子驅動系統。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

1000‧‧‧轉子驅動系統

1100‧‧‧轉子

1101‧‧‧穿孔

1200‧‧‧轉速感測器

1210、1210’‧‧‧光源

1220、1220’‧‧‧光耦合器

1300‧‧‧感測電路

1400‧‧‧控制器

1500‧‧‧轉子驅動器

1600‧‧‧儲存媒介

V1、V2‧‧‧信號

X、Y、Z‧‧‧軸線

S610~S640‧‧‧步驟

S710~S740‧‧‧步驟

圖1係依據本發明一實施例的轉子驅動系統架構示意圖。圖2係依據本發明一實施例的轉子與轉速感測器配置示意圖。圖3係依據本發明另一實施例的轉子與轉速感測器配置示意圖。圖4係依據本發明一實施例的轉速量測值與估計值時序圖。圖5A係一般的轉子驅動系統的轉子控制電流時序圖。圖5B係依據本發明一實施例的轉子驅動系統的轉子控制電流時序圖。圖6係依據本發明一實施例的轉子驅動方法流程圖。圖7係依據本發明一實施例的轉速估計方法流程圖。

Claims

一種轉子驅動系統，其包含：一轉子；一轉速感測器，感測該轉子的轉速以產生一量測信號；一感測電路，電性連接該轉速感測器，將該量測信號轉換為一當前轉速量測值；一控制器，電性連接該感測電路，用於依據一歷史轉速量測值、該當前轉速量測值與一參考值，產生一估計轉速值，並依據該估計轉速值與一轉速控制信號，產生一轉子驅動信號；以及一轉子驅動器，電性連接該控制器，依據該轉子驅動信號，驅動該轉子轉動。
如請求項1的轉子驅動系統，其中該轉子驅動器係接觸式轉子驅動器。
如請求項1的轉子驅動系統，其中該轉子驅動器係非接觸式轉子驅動器。
如請求項1的轉子驅動系統，其中該控制器依據該估計轉速值與該轉速控制信號，以偏心力抑制技術產生該轉子驅動信號。
如請求項1的轉子驅動系統，其中該控制器依據該當前轉速量測值、該歷史轉速量測值與該參考值，以最小平方法產生該估計轉速值。
如請求項1的轉子驅動系統，更包含一儲存媒介，電性連接該控制器，該控制器以該估計轉速值更新該參考值，並以該當前轉速量測值更新該歷史轉速量測值。
一種轉子驅動方法，其包含：感測一轉子的轉速以產生一量測信號；將該量測信號轉換為一當前轉速量測值；依據一歷史轉速量測值、該當前轉速量測值與一參考值，產生一估計轉速值；以及依據該估計轉速值與一轉速控制信號，產生一轉子驅動信號以驅動該轉子。
如請求項7的轉子驅動方法，其中係依據該估計轉速值與該轉速控制信號，以偏心力抑制技術產生該轉子驅動信號。
如請求項7的轉子驅動方法，其中係依據該當前轉速量測值、該歷史轉速量測值與該參考值，以最小平方法產生該估計轉速值。
如請求項7的轉子驅動方法，更包含以該估計轉速值更新該參考值，並以該當前轉速量測值更新該歷史轉速量測值。