TWI644188B - 伺服馬達驅動控制系統之即時電流擾動估測器 - Google Patents

Abstract

本發明為一種伺服馬達驅動控制系統之即時電流擾動估測器，在伺服馬達驅動控制系統上增加一外部擾動估測機制，利用內部複頻弦波(chirp sine)電流命令來擷取伺服馬達電流命令和馬達電流之訊號，透過遞迴最小平方法可有效且快速估測出系統轉移函數，最後以此轉移函數為基礎進行外部擾動的偵測。

Description

伺服馬達驅動控制系統之即時電流擾動估測器

本發明係關於一種伺服馬達驅動控制系統，特別是指一種根據馬達端可量測之訊號，自動更新出系統的轉移函數，並以此為基礎估測出外部未知的低頻擾動，再補償回原命令之伺服馬達驅動器。

如圖1所示為常見的伺服馬達驅動控制系統架構示意圖及伺服馬達速度與電流控制迴路方塊圖，包含一上位控制器1、一交流電源2、一伺服驅動模組3、一伺服馬達模組4，而伺服馬達模組4包括一伺服馬達401、一聯軸器402、一機械負載403、一編碼器404。

其中伺服馬達401需經由聯軸器402方可帶動機械負載403，機械負載403可為伺服馬達401所帶動之各種設備如加工機具、機械手臂、治具慣量盤等，而機械負載403之慣量可等效為一機械負載慣量(JL)，故整體伺服驅動控制系統之負載慣量(J)可為伺服馬達轉子慣量(JM)加上機械負載慣量(JL)。

伺服馬達驅動器模組3可接受交流電源2之單相或三相電源輸入，採用脈波寬度調變(PWM)架構來產生三相交流之脈波輸出給伺服馬達401做驅動；伺服驅動器模組3更可接收上位控制器1或由內部暫存器之命令來控制伺服馬達401，而伺服馬達401則透過編碼器404將當前伺服馬達401之轉子位置訊號回授給伺服驅動器模組3做閉迴路控制系統，使伺服馬 達401可於轉矩、速度或位置模式下運轉。

如圖2所示為伺服驅動器模組3內含速度與電流控制迴路的方塊圖，伺服驅動器模組3包括一減法器301、一速度控制器302、一轉矩轉q-軸電流命令303、一電流迴路304以及一速度估測器305。請一併參閱圖1及圖2，經由上位控制器1或由內部暫存器命令之設定產生一速度命令，速度回授ω _m 則經由編碼器404所產生之轉子位置訊號，再經由速度估測器305得到伺服馬達401的實際轉速；速度命令與速度回授經減法器301得到速度誤差後給速度控制器302產生轉矩命令，再經由轉矩轉q-軸電流命令303後產生q-軸電流命令給電流迴路304，最後再經由電流迴路304產生適當的電壓命令來控制伺服馬達401達到目標轉速。

在前述的速度與電流控制器之設計準則，其電流環之響應較快，因此於速度控制迴路時電流控制迴路簡化為單位增益；及伺服馬達模組4可表示為機械方程式，故可將圖2簡化為圖3所示。伺服驅動器模組3可簡化為一減法器301和一速度控制器302；伺服馬達模組4亦可簡化為一減法器405及一機械方程式406表示。速度追隨響應透過速度控制器302來調適，此速度控制器302為比例-積分控制器，而控制器之輸出控制量則為馬達轉矩，此馬達轉矩可透過調整速度控制器302來克服外部負載轉矩(TL)，最後經由機械方程式406得到伺服馬達401的實際轉速；在此，機械方程式406中J為整體伺服驅動控制系統之負載慣量，為機械負載慣量(JL)加上伺服馬達轉子慣量(JM)所得，而B為等效之整體黏滯摩擦係數。

伺服驅動控制系統之表現會受到外部擾動的影響，外部擾動可能有各種成因，例如摩擦力、齒槽轉矩、負載變動等等，若伺服驅動 控制系統受到外加擾動時只能藉由負迴授去作修正，不但響應速度差強人意，且系統會處於被動的情況，使整體控制系統性能無法提升。

若系統可以在負迴授之前預先偵測到外部擾動並加以補償，將使得伺服驅動控制系統能夠擁有優異的響應；但擾動估測器是一種model-based的補償器，故如何準確且快速的得到系統模型並估測出外部擾動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找到伺服馬達驅動控制系統模型及以此模型為基礎下的自動擾動估測器，能在負迴授之前先行估測並補償外部擾動之方法。

因此，為達成上述目的，本發明伺服馬達驅動控制系統之自動模型與外部擾動估測，其包含：一上位控制器用以下達控制命令之用；一交流電源；一伺服驅動器模組與上位控制器、交流電源相接，可接收上位控制器之命令及接受交流電源之單相或三相輸入，並以脈波寬度調變法則來產生三相交流之脈波輸出；一伺服馬達模組與伺服驅動器模組相接並帶動機械負載運轉；一遞迴最小平方法模組與伺服馬達模組相接，用來擷取內部輸入複頻弦波電流命令後的伺服馬達模組之q-軸電流命令及回授，藉由接收資料計算φ矩陣，再依序利用φ矩陣更新P矩陣、利用P矩陣更新θ矩陣，最後利用疊代法不斷修正該系統電流閉迴路轉移函數參數至穩定收斂；一外部擾動估測模組與伺服馬達模組相接，利用遞迴最小平方法得到的電流閉迴路模型為基礎，將伺服馬達模組之q-軸電流命令減掉外部擾動估測值作為新的伺服馬達模組之q-軸電流命令，利用q-軸電流迴授輸入電流閉 迴路模型之倒數得到估測的q-軸電流命令，再將估測與實際之q-軸電流命令作相減得到外部擾動估測值，最後經過低通濾波器濾掉被電流閉迴路模型之倒數放大的高頻雜訊，得到外部擾動估測值補償回q-軸電流命令。

本發明之優點為透過伺服馬達簡易取得q-軸電流命令及迴授訊號來進行電流閉迴路模型之估測。能夠快速且精準地獲得電流閉迴路模型之參數。最後，將模型套入外部擾動估測模組，使得系統可有效且正確地估測外部擾動並加以補償，使得伺服驅動控制系統具精確且快速的響應。

1‧‧‧上位控制器

2‧‧‧交流電源

3‧‧‧伺服驅動器模組

301‧‧‧減法器

302‧‧‧速度控制器

303‧‧‧轉矩轉q-軸電流命令

304‧‧‧電流迴路

305‧‧‧速度估測器

4‧‧‧伺服馬達模組

401‧‧‧伺服馬達

402‧‧‧聯軸器

403‧‧‧機械負載

404‧‧‧編碼器

405‧‧‧減法器

406‧‧‧機械方程式

5‧‧‧遞迴最小平方法模組

6‧‧‧外部擾動估測模組

601‧‧‧減法器

602‧‧‧加法器

603‧‧‧電流閉迴路

604‧‧‧加法器

605‧‧‧電流閉迴路的倒數

606‧‧‧減法器

607‧‧‧低通濾波器

圖1為伺服馬達驅動控制系統架構示意圖。

圖2為速度與電流控制迴路方塊圖。

圖3為速度控制迴路方塊圖。

圖4為本發明伺服馬達驅動控制系統架構圖。

圖5為遞迴最小平方法模組之流程圖。

圖6為外部擾動估測模組之方塊圖。

圖7為外部擾動估測模組之流程圖。

請參閱圖4所示為本發明伺服馬達驅動控制系統架構示意圖，及其電流閉迴路模型估測可即時補償外部擾動方法之架構圖，本發明伺服馬達控制系統包含一上位控制器1、一交流電源2、一伺服驅動器模組3、一伺服馬達模組4、一遞迴最小平方法模組5及一外部擾等估測模組6。 其中上位控制器1用以控制命令之下達，交流電源2為控制系統之輸入電源。其中伺服驅動器模組3耦接上位控制器1、交流電源2、伺服馬達模組4及外部擾動估測模組6，接受市電單相或三相之交流電源之輸入，並使用脈波寬度調變策略來達到三相交流之脈波輸出，以及接受上位控制器之命令設定。伺服馬達模組4耦接伺服驅動器模組3、遞迴最小平方法模組5及外部擾動估測模組6，用以使機械負載運轉，其內更設有一q-軸電流振盪計數模組，可用以產生一q-軸電流命令或一q-軸電流回授之訊號，並計算電流振盪次數及其振盪次數之平均值與標準差。

請一併參閱圖4及圖5所示，圖5為遞迴最小平方法模組之流程圖，其中遞迴最小平方法模組5耦接該伺服馬達模組，用以擷取內部經由設定電流offset輸入的複頻弦波電流命令所產生的q-軸電流命令及q-軸電流回授之訊號，再以遞迴最小平方法之參數推算機制計算出一電流閉迴路模型參數。本發明遞迴最小平方法模組5的內部輸入的複頻弦波電流命令係類似頻譜分析儀之掃頻訊號，短時間內便包含低頻至高頻的連續弦波訊號，藉由遞迴最小平方法之參數推算機制計算出伺服馬達驅動控制系之電流閉迴路由低頻至高頻系統轉移函數。

而遞迴最小平方法之參數推算機制係透過軟體程式在即時的數位信號處理器中執行中斷副程式迴圈，如圖5所示，該遞迴最小平方法之參數推算機制由程式開始(步驟501)，設定電流offset使馬達轉速跨過非線性摩擦力區間(步驟502)，給予電流複頻弦波命令作為系統的掃頻命令(步驟503)，透過伺服馬達模組4擷取掃頻命令下的馬達電流命令與馬達實際電流，並丟入數位信號處理器的空記憶體位址(步驟504)，判別電流複頻弦波 命令是否已發送完畢，若為『否』則回到給予命令(步驟503)；若為『是』則由空記憶體位址內的馬達電流命令與馬達實際電流資料計算φ矩陣(步驟506)，再由φ矩陣更新P矩陣(步驟507)，最後由P矩陣更新θ矩陣(步驟508)，接著判別是否所有的電流資料都更新為θ矩陣(步驟509)，若為『否』則回到計算φ矩陣(步驟506)，若為『是』則程式結束(步驟510)。

本發明遞迴最小平方法模組5所使用的內部輸入複頻弦波電流命令的電流偏移量設計方法，能使伺服馬達模組維持定轉速下的固定電流值，此電流偏移量會因伺服馬達的負載慣量不同而有所變化，可令伺服馬達跨過負載台造成的靜摩擦力，避免系統轉移函數包含附載的參數。

再請一併參閱圖4、圖6與圖7所示，圖6為外部擾動估測器模組的方塊圖，圖7為外部擾動估測模組的流程圖，其中外部擾動估測模組6係耦接伺服馬達模組4及伺服驅動器模組3，該外部擾動估測模組6包含一減法器601、一加法器602、一電流閉迴路603、一加法器604、一電流閉迴路的倒數605、一減法器606及一低通濾波器607。本發明的外部擾動估測模組6首先將將伺服馬達模組4的q-軸電流命令利用減法器602減掉外部擾動估測值d，作為新的伺服馬達模組4之q-軸電流命令，接著利用q-軸電流迴授輸入G _inv 電流閉迴路模型之倒數605得到估測的q-軸電流命令。再將估測與實際之q-軸電流命令以減法器606作相減，得到外部擾動估測值，最後經過低通濾波器607濾掉被電流閉迴路模型之倒數放大的高頻雜訊，得到外部擾動估測值補償回q-軸電流命令。

而外部擾動量估測機制流程由程式開始(步驟701)，先更新 出補償DDOB值的電流命令(步驟702)，再將電流迴授輸入G _inv (參數由θ矩陣決定)得到估測的q-軸電流命令，其包含高頻雜訊(步驟703)，再將實際與估測的q-軸電流命令作相減得到包含低頻擾動與高頻雜訊的輸出(步驟704)，此輸出通過一低通濾波器以消除高頻雜訊(步驟705)，得到的輸出即為DDOB補償值(步驟706)，最後回到更新DDOB補償值的電流命令(步驟702)。

經由實施方式的詳細說明，可由圖4、圖5及圖6之流程圖確實可達成一伺服驅動控制系統之遞迴最小平方法建構電流閉迴路模型及外部擾動估測的功能，並且電流閉迴路模型參數及擾動估測值具有即時調適的能力，實現優異的控制系統響應。

Claims (4)

1. 一種伺服馬達驅動控制系統之即時電流擾動估測器，其包含：一伺服驅動器模組，耦接一交流電源及一上位控制器，接受該交流電源輸入之單相或三相交流電，並使用脈波寬度調變達到三相交流之脈波輸出，以及接受該上位控制器輸出之一命令設定；一伺服馬達模組，耦接該伺服驅動器模組，可產生一q-軸電流命令或一q-軸電流回授之訊號，並計算電流振盪次數及其振盪次數之平均值與標準差；一遞迴最小平方法模組，耦接該伺服馬達模組，用以擷取該q-軸電流命令及該q-軸電流回授之訊號，再以遞迴最小平方法參數推算機制計算出一電流閉迴路模型參數；其中該遞迴最小平方法模組的內部輸入複頻弦波電流命令係一類似頻譜分析儀之掃頻訊號，短時間內便包含低頻至高頻的連續弦波訊號，藉由該遞迴最小平方法之參數推機制計算出該伺服馬達驅動控制系統之電流閉迴路由低頻至高頻系統轉移函數；及一外部擾動估測模組，耦接該伺服馬達模組及該伺服馬達驅動模組，利用該遞迴最小平方模組得到的該電流閉迴路模型參數，估算出一外部擾動量估測值，補償回該q-軸電流命令，做為一新的該q-軸電流命令。
2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動控制系統之即時電流擾動估測器，其中該遞迴最小平方法之參數推算機制包括下列步驟：藉由一接收資料計算一φ矩陣；其中該接收資料係一回歸變數，其中該φ矩陣係為該回歸變數組成的矩陣；依序利用該φ矩陣更新一P矩陣；其中該P矩陣為一回歸收斂矩陣，初始定義為增益大(10000)之一正定矩陣，增益隨著遞迴收斂的次數增加會由劇烈至平緩地更新；利用該P矩陣更新一θ矩陣；其中該θ矩陣為一估測變數組成的矩陣，最終收斂後的該估測變數即為估測完之一系統轉移函數參數；及重覆上述步驟至該接收資料全數進行更新該θ矩陣，以得到該電流閉迴路模型參數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動控制系統之即時電流擾動估測器，其中該內部輸入複頻弦波電流命令的電流偏移量設計方法為能使該伺服馬達模組維持定轉速下的固定電流值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達驅動控制系統之即時電流擾動估測器，其中該外部擾動估測器模組之外部擾動量估測機制包括下列步驟：將該q-軸電流命令減掉該外部擾動估測值，作為一新的該q-軸電流命令；將該q-軸電流迴授訊號輸入一電流閉迴路模型之倒數，得到一估測的該q-軸電流命令；將該估測q-軸電流命令與實際之該q-軸電流命令作相減，得到一外部擾動估測值；及以低通濾波器濾掉高頻雜訊，得到該外部擾動估測值，補償回該q-軸電流命令。