TWI636656B - 伺服馬達驅動控制系統的無模型電流補償器 - Google Patents

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Abstract

本發明一種伺服馬達驅動控制系統無模型電流補償器，其係在電流回授部分搭配三角積分類比數位轉換器，經由無模型電流控制演算模組，經由先前回授實際電流值預測出下一次電流值，可有效估測出電流，並以此電流估測值為基礎計算出控制器之增益改善電流延遲，提升電流迴路頻寬。

Description

伺服馬達驅動控制系統的無模型電流補償器
本發明係關於一種伺服馬達驅動控制系統的無模型電流補償器，特別是關於一種針對電流迴路端採用三角積分類比數位轉換器，搭配數位濾波器產生之延遲電流，透過無模型預測方式預測出電流，並以此值完成電流迴路計算，透過此方法達到減少電流延遲時間，改善系統頻寬響應。
常見的伺服馬達電流迴路控制架構之示意圖，如圖1所示，包含一變頻器模組1、一同步轉靜止軸脈波輸出2、一電流回授單元3、一3Φ/2Φ靜止轉同步軸4、一電流控制器5及一伺服馬達模組6。一般實現電流閉迴路控制透過電流回授單元3進行實際電流取樣，請一併參閱圖2，為電流回授單元示意圖，所取樣的實際電流i a 、i b 經過三角積分類比數位轉換器302進行類比轉數位轉換，並透過數位濾波器303抑制高頻雜訊後成數位電流輸出304，再輸出至3Φ/2Φ靜止轉同步軸4進行運算，運算後的數位電流值i d 、i q 輸出至電流控制器5進行運算，得到實際d軸與q軸電壓，再輸出至同步轉靜止軸脈波輸出2，最後將運算好的脈波訊號輸出至變頻器模組1完成電流迴路控制。
其中電流回授單元3在實際電流回授301時，需經由三角積 分類比數位轉換器302擷取實際類比電流，並搭配數位濾波器303，此數位濾波器303可將實際伺服馬達相電流濾除高頻雜訊，此過程中會導致實際電流延遲的問題發生。
常見電流控制器5之設計是採用PI控制器實現，藉由伺服馬達本身電氣參數推算出實際控制器的需要值，再將其值帶入電流控制器5實現電流閉迴路控制，一般使用三角積分類比數位轉換器302搭配數位濾波器303，得到的回授電流均會產生延遲情形發生，在實現電流迴路控制時導致實際系統頻寬下降。
伺服馬達電流迴路控制系統之表現會受到實際電流回授延遲時間的影響，導致伺服馬達驅動控制系統於理想電流模式下之頻寬量測產生延遲；在頻域分析方面，若加入數位濾波器303，而電流控制器仍維持原增益，將會造成系統頻寬下降，亦使整體控制系統頻寬下降。
因此實際回授之電流經過三角積分類比數位轉換器302的過程中產生之延遲時間，會導致伺服馬達驅動控制系統動態響應及實際可應用頻寬均會影響，故如何準確且快速的預測出電流，將成為一個必要之課題。
鑒於上述之課題，本發明之目的即為提出一種伺服馬達電流迴路控制系統及其無模型預測電流迴路控制之方法，係為了可應用於伺服馬達電流控制系統中採用三角積分類比數位轉換器搭配數位濾波器產生的延遲電流對其改善， 透過估測的方式可以準確的預測出下一次的電流值，達到精準閉迴路電流控制，將系統頻寬響應提升。
因此，為達成上述目的，本發明伺服馬達電流控制系統之無模型預測電流控制，其包含：一變頻器模組、透過三角積分類比數位轉換器將實際電流值回授到無模型電流控制演算模組進行運算，並以脈波寬度調變來產生三相交流之脈波輸出至變頻器模組；無模型電流控制演算模組透過實際擷取的前幾次的電流值，可透過泰勒估測器估測下一次電流命令，將其經由電流控制器進行運算得到修正後之d軸及q軸電壓值，最後經過轉換輸入三相脈波至變頻器模組完成無模型預測電流控制。
本發明之優點為透過三角積分類比數位轉換器取得馬達相電流回授電流部分來進行電流預測，不需要馬達本身電氣參數，只需要取得前幾次獲得的電流值進行預測可有效改善伺服馬達驅動控制使用三角積分類比轉換器會產生之電流延遲問題。由電流預測結果可有效且正確的進行電流迴路控制，提升伺服驅動控制系統頻寬響應。
1‧‧‧變頻器模組
2‧‧‧同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出
3‧‧‧電流回授單元
301‧‧‧實際電流回授
302‧‧‧三角積分類比數位轉換器
303‧‧‧數位濾波器
304‧‧‧數位電流輸出
4‧‧‧3Φ/2Φ靜止轉同步軸
5‧‧‧電流控制器
6‧‧‧伺服馬達
7‧‧‧無模型電流控制演算模組
圖1為常見伺服馬達電流控制架構示意圖。
圖2為圖1中的電流回授單元示意圖。
圖3為本發明伺服馬達電流迴路控制系統示意圖。
圖4為無模型電流迴路控制方法流程圖。
請一併參閱圖3及圖4所示，圖3為本發明之伺服馬達電流迴路控制系統示意圖，圖4為無模型電流迴路控制方法流程圖，本發明可預測出伺服馬達的電流值，本發明包含一變頻器模組1、一同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出2、一電流回授單元3、3Φ/2Φ靜止轉同步軸4、電流控制器5、一伺服馬達6及一無模型電流控制演算模組7，其中電流回授單元3連接伺服馬達6，用以回授一實際馬達相電流i a 、i b ，其電流回授單元3同樣由三角積分類比數位轉換器及數位濾波器組成；其中伺服馬達6使一機械負載運轉。
其中無模型電流控制演算模組7連接電流回授單元3，用以將實際馬達相電流i a 、i b 進行無模型電流控制演算，輸出一實際預測電流值i a (prediction)、i b (prediction)。其中3Φ/2Φ靜止轉同步軸4連接該無模型電流控制演算模組7，用以將實際預測電流值i a (prediction)、i b (prediction)進行3Φ/2Φ靜止轉同步軸4之數值轉換成一預測電流值i d 、i q 。
其中電流控制器5連接3Φ/2Φ靜止轉同步軸4，用以將預測電流值i d 、i q 進行控制演算，輸出一d軸電壓v d 及一q軸電壓v q ；其中同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出2連接於電流控制器5，用以將演算後之d軸電壓及q軸電壓進行同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出2的轉換，再進行脈波寬度調變(PWM)輸出一預測電流值脈波；其中變頻器模組1連接同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出2、電流回授單元3及伺服馬達6，用以將脈波寬度調變後之預測電流值脈波輸出至伺服馬達6及電流迴授單元3，進行電流迴路控制。
本發明提出一種利用三角積分類比數位轉換器將伺服馬達的實際電流回授得知實際相電流，經由無模型電流控制演算模組7的運算，運算方法是利用一泰勒估測器估測出下一次實際預測電流值，進行電流閉迴路精準控制。
請一併參閱圖3及圖4之流程圖，本發明無模型電流控制演算是透過軟體程式在可規劃邏輯閘陣列之中斷程式迴圈中執行，該流程由電流迴路中斷開始(步驟501)，透過電流回授單元3擷取伺服馬達的實際相電流(步驟502)，判別是否切入無模型電流控制模組(步驟503)，若為『是』則切入無模型電流控制模組7(步驟504)，將實際預測電流值輸出至3Φ/2Φ靜止轉同步軸4(步驟505)；若為『否』則採用當下實際電流值進入3Φ/2Φ靜止轉同步軸4(步驟505)進行運算；而得到的q-軸及d-軸電流i a 、i b 回授進入電流控制器5進行運算(步驟506)，再透過電流控制器5輸出之q-軸及d-軸電壓v d 、v q 進行2Φ/3Φ同步轉靜止軸(步驟507)，以此值進行脈波寬度調變輸出預測電流值脈波訊號至變頻器模組1(步驟508)，最後完成電流無模型預測控制流程，結束程式返回(步驟509)。
經由實施方式的詳細說明，可由圖3之示意圖確實可達成一伺服馬達無模型電流迴路控制系統的功能，藉由其預測之電流實現電流迴路控制，以實現優異的電流頻寬響應。
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案，以勵發明，至感德便。

Claims (2)

  1. 一種伺服馬達驅動控制系統的無模型電流補償器，包括：一電流回授單元，係連接一伺服馬達，用以回授一實際馬達相電流；其中該伺服馬達使一機械負載運轉；一無模型電流控制演算模組，係連接該電流回授單元，透過一三角積分類比數位轉換器回授該實際馬達相電流，並經過一數位濾波器得到一數位電流值，透過一泰勒估測器進行預測，若一判別條件成立，則輸出該實際預測電流值；一3Φ/2Φ靜止轉同步軸，係連接該無模型電流控制演算模組，用以將該實際預測電流值進行3Φ/2Φ靜止轉同步軸之數值轉換，成一預測電流值；一電流控制器，係連接該3Φ/2Φ靜止轉同步軸，用以將該預測電流值進行控制器演算，輸出一d軸電壓及一q軸電壓；一同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出，係連接該電流控制器，用以將演算後之該d軸電壓及q軸電進行同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出的轉換，再進行脈波寬度調變(PWM)輸出一預測電流值脈波；及一變頻器模組，係連接該同步轉靜止軸2Φ/3Φ脈波輸出、該電流回授單元及該伺服馬達，用以將脈波寬度調變後之該預測電流值脈波輸出至該伺服馬達及該電流迴授單元，進行電流迴路控制。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動控制系統的無模型電流補償器，其中該無模型電流控制演算模組之該判別條件為：透過該電流回授單元回授該實際馬達相電流，進入一判別式進行判別，若該判別式成立，則進行該泰勒估測器演算，預測下一次該實際預測電流值；及若該判別式不成立，則輸出當下該實際預測電流值，進行電流迴路控制。
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