TWI733951B

TWI733951B - 馬達編碼器的動態取樣方法

Info

Publication number: TWI733951B
Application number: TW106140416A
Authority: TW
Inventors: 賴俊文; 夏紹基
Original assignee: 達明機器人股份有限公司
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2021-07-21
Also published as: TW201923351A

Abstract

一種馬達編碼器的動態取樣方法，依據輸入命令速度的切換區間，以相對應的編碼取樣時間，計算馬達轉動速度，將平均馬達轉動速度乘以相對應的權重，形成動態閥值，比較馬達轉動速度不小於動態閥值，馬達轉動速度為正常，馬達轉動速度小於動態閥值，馬達轉動速度為異常，進入補償模式，以控制馬達。

Description

馬達編碼器的動態取樣方法

本發明有關一種馬達，尤其關於馬達在執行控制命令時，根據控制命令速度，動態切換取樣時間進行取樣編碼器的方法。

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，需要正確控制馬達。

如圖8所示，先前技術的馬達由外部輸入控制的命令脈衝(Pulse)，並以固定的取樣時間t取得命令脈衝，而由取得的命令脈衝數量，除以取樣時間t，計算出處理的命令速度(Vcmd)。同時馬達的控制系統的速度計算器也會利用同樣的取樣時間t，取得與馬達同步轉動的編碼器偵測編碼脈衝數量，而由取得的編碼脈衝數量除以取樣時間t，計算出馬達轉動速度(Vm)，作為回授訊號控制馬達轉動。

然而，先前技術的馬達利用固定的取樣時間t，在慢速轉動的馬達中，由同步轉動的編碼器，僅能擷取少量的編碼訊號，而少量的條碼訊號不足以顯示真正馬達的轉動速度狀態。同樣利用固定的取樣時間t，在快速轉動的馬達中，雖可由同步轉動的編碼器，擷取多量的編碼訊號，但取樣頻率不足，多量的編碼訊號平均後也無法顯示馬達細部的轉動速度狀態，而不能正確回授控制馬達轉動速度，將造成機器手臂的震動，並影響機器手臂的移動的精密度。因此，馬達在控制命令的取樣時間上，仍有問題亟待解決。

本發明的目的提供一種馬達編碼器的動態取樣方法，設定命令速度的切換區間，根據處理命令速度的切換區間，藉由切換相對應的編碼取樣時間，取得正確馬達轉動速度，以提升控制的精密度。

本發明另一目的在提供一種馬達編碼器的動態取樣方法，根據命令速度的切換區間，設定平均馬達轉動速度的權重形成動態閥值，在馬達轉動速度小於動態閥值時，計算失效次數大於設定值，進行維修排除異常狀態，以保護馬達運轉。

本發明再一目的在提供一種馬達編碼器的動態取樣方法，在馬達轉動速度小於動態閥值時，利用補償模式，計算馬達轉動速度與平均馬達轉動速度的差值，利用差值乘以相對應編碼取樣時間，補償馬達轉動速度的脈衝數量，以維持控制的精確性。

為了達到前述發明的目的，本發明馬達編碼器的動態取樣方法，預先設定命令速度的複數切換區間、切換區間相對應的編碼取樣時間及相對應的權重，依據輸入的命令脈衝在設定的命令取樣時間，取樣命令脈衝，計算命令速度，根據命令速度的切換區間，以相對應的編碼取樣時間，取樣編碼器的編碼脈衝，計算馬達轉動速度，根據命令速度的切換區間，以相對應的權重，將設定的平均馬達轉動速度乘以權重，形成動態閥值，比較馬達轉動速度不小於動態閥值，將馬達轉動速度列入計算平均馬達轉動速度，並更新設定平均馬達轉動速度，檢查處理完命令脈衝，結束處理命令脈衝。

本發明馬達編碼器的動態取樣方法，比較馬達轉動速度小於動態閥值，馬達轉動速度為異常，進入補償模式，計算馬達轉動速度與設定的平均馬達轉動速度的差值，利用差值乘以相對應編碼取樣時間，取得補償的脈衝數量，補償馬達轉動速度。補償後，紀錄取樣失效一次，並累積計算失效次數，檢查失效次數超過設定值時，進行維修。檢查失效次數未超過設定值時，再檢查馬達轉一圈，將失效次數歸零，重新計次。再檢查未處理完命令脈衝時，則繼續重複下一取樣。

本發明馬達編碼器的動態取樣方法，命令速度預先設定分成複數個命令速度等級的切換區間，切換區間以等比的命令速度間隔。預設相對應的編碼取樣時間，以命令速度越快切換越短的編碼取樣時間的反比原則，形成命令速度切換區間及編碼取樣時間的對照表。切換區間預設相對應的權重，以命令速度越快設置越大權重的等差的原則設定，形成命令速度切換區間及權重的對照表。馬達根據最近預設次數正常取樣的馬達轉動速度，計算平均馬達轉動速度，形成設定的平均馬達轉動速度。

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:命令脈衝

16:命令速度

17:編碼器

18:類比數位轉換器

19:編碼脈衝

20:速度計算器

21:馬達轉動速度

圖1 為本發明機器手臂的馬達的控制系統的功能圖。

圖2 為本發明命令速度的示意圖。

圖3 為本發明命令速度切換區間及編碼取樣時間的對照表。

圖4 為命令速度切換區間及權重的對照表。

圖5 為本發明馬達編碼器的動態取樣方法的流程圖。

圖6 為本發明動態取樣的馬達轉速曲線圖。

圖7 為本發明馬達輸出的力矩曲線圖。

圖8 為先前技術命令速度及馬達轉數示意圖。

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、圖3及圖4，圖1為本發明機器手臂的馬達的控制系統，圖2為本發明命令速度的示意圖，圖3為本發明命令速度切換區間及編碼取樣時間的對照表，圖4為命令速度切換區間及權重的對照表。圖1中，本發明馬達11的控制系統10，包含位置控制器12、速度控制器13及電流控制器14等，控制系統10由外部輸入命令脈衝15，經位置控制器12利用設定的命令取樣時間t(參圖2)，取得命令脈衝15數量，形成命令速度(Vcmd)16，傳輸經速度控制器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17用以偵測馬達11的轉動位置。控制系統10利用類比數位轉換器18，從馬達11取出A相電流與B相電流，形成數位電流訊號，作為電流控制器14的電流回授訊號，校正馬達11輸出的力矩。而馬達11的編碼器17偵測產生的編碼脈衝19，經速度計算器20利用設定的編碼取樣時間，取得編碼脈衝19，計算馬達轉動速度21，回授至速度控制器13補償馬達11的轉動速度。編碼器17偵測馬達11的轉動位置，另回授至位置控制器12補償馬達11轉動位置。

圖2中，外部輸入的命令脈衝15在各設定的命令取樣時間t，具有不同數量的命令脈衝15，因此在各命令取樣時間t構成不同的命令速度，顯示馬達11的變動快慢狀態。為了配合不同的命令速度，對於慢速的命令速度，相對產生的馬達轉動速度較慢，同步轉動的編碼器17也會較慢，產生的編碼脈衝間隔較長，速度計算器20需要利用設定較長的編碼取樣時間，才能適當取樣編碼脈衝，形成顯現變動較慢的真正的馬達轉動速度。相反地，對於快速的命令速度，相對產生的馬達轉動速度較快，同步轉動的編碼器17也會較快，產生的編碼脈衝間隔較短，速度計算器20需要利用設定較短的編碼取樣時間，才能適當取樣編碼脈衝，形成顯現變動較快的真正馬達轉動速度。

圖3中，根據設定的命令取樣時間t，取得的命令脈衝15數量，構成命令速度(Vcmd)的快慢，將命令速度分成複數個命令速度等級的切換區間，例如命令速度等級以等比間隔，而命令速度越快切換越短的編碼取樣時間，例如命令速度與編碼取樣時間大致反比的原則設定，但本發明包含且不限於本實施例的比例設定。先依經驗值設定命令速度K，一般可設定命令速度K等於命令速度(Vcmd)。命令速度(Vcmd)切換區間位於小於設定命令速度K，設定較長的2倍命令取樣時間t的編碼取樣時間T1=2t。命令速度(Vcmd)切換區間位大於設定命令速度K且小於2倍設定命令速度K，設定等於命令取樣時間t的編碼取樣時間T2=t。命令速度(Vcmd)切換區間位大於2倍設定命令速度K且小於3倍設定命令速度K，設定編碼取樣時間T3=t/2。命令速度(Vcmd)切換區間位大於3倍設定命令速度K且小於4倍設定命令速度K，設定編碼取樣時間T4=t/3。命令速度(Vcmd)切換區間位大於4倍設定命令速度K且小於5倍設定命令速度K，設定編碼取樣時間T5=t/4。命令速度 (Vcmd)切換區間位大於5倍設定命令速度K且小於6倍設定命令速度K，設定編碼取樣時間T6=t/5。形成命令速度切換區間及編碼取樣時間的對照表。因此在各切換區間設定的編碼取樣時間TX，只要以適當編碼取樣時間TX頻率取得編碼脈衝數量，將編碼脈衝數量除以編碼取樣時間TX，就可計算出較正確的馬達轉動速度(Vm)。本實施例以劃分6個切換區間為例，但本發明包含且不限於劃分6個切換區間。

圖4中，為了監控計算出的馬達轉動速度(Vm)是否異常？本發明根據馬達11最近例如20或30次等預設次數正常取樣的馬達轉動速度，計算出平均馬達轉動速度(Vavg)，形成設定的平均馬達轉動速度，作為基準。並因應命令速度(Vcmd)的切換區間速度快慢不同，對於命令速度(Vcmd)較慢的，因偵測編碼脈衝較不遺失，設置平均馬達轉動速度的權重w較小，例如小於設定命令速度K的命令速度(Vcmd)切換區間，設定權重w為0.25。而對於命令速度(Vcmd)較快的，因偵測編碼脈衝較易遺失，設置平均馬達轉動速度的權重w較大，例如大於5倍設定命令速度K且小於6倍設定命令速度K的命令速度(Vcmd)切換區間，設定權重w為0.5。以命令速度越快設置越大的權重w，例如命令速度與權重w大致等差的原則設定，形成命令速度切換區間及權重w的對照表。經由經驗值設置命令速度(Vcmd)切換區間的權重w，將設定平均馬達轉動速度(Vavg)乘以權重w，作為判斷馬達轉動速度異常的動態閥值，以確保計算的馬達轉動速度正確性。

本發明當計算的馬達轉動速度小於動態閥值時，判斷馬達轉動速度異常，紀錄取樣失效一次，當失效次數超過設定值時，需進行維修排除異常狀態，以保護馬達運轉，而在馬達轉一圈時，失效次數歸零重新計算失效次數。失效的計算馬達轉動速度，不列入平均馬達轉動速度(Vavg)計算，不更新設定平均馬達轉動速度，而本發明以補償模式補償失效的計算馬達轉動速度，補償模式首先計算馬達轉動速度與平均馬達轉動速度的差值，利用差值乘以相對應編碼取樣時間，取得補償的脈衝數量，補償馬達轉動速度，以維持控制馬達轉動的穩定性。

本發明在運作時，首先依據輸入的命令脈衝15在設定的命令取樣時間t，形成的命令速度(Vcmd)，例如命令速度(Vcmd)在2K<Vcmd<3K切換區間，根據命令速度(Vcmd)在命令速度切換區間與編碼取樣時間的對照表中，找出相對應的編碼取樣時間T3=t/2，再利用編碼取樣時間，取得編碼脈衝數量，計算編碼脈衝數量/T3=馬達轉動速度(Vm)。接著再由命令速度切換區間及權重w的對照表，根據命令速度(Vcmd)在2K<Vcmd<3K切換區間，找出相對應的權重W3=0.35，將設定平均馬達轉動速度(Vavg)乘以權重W3形成動態閥值。

比較馬達轉動速度(Vm)不小於動態閥值，判斷計算的馬達轉動速度(Vm)正常，列入計算平均馬達轉動速度(Vavg)，更新設定平均馬達轉動速度，繼續下一取樣。如果馬達轉動速度(Vm)不大於平均馬達轉動速度(Vavg)乘以權重W3，則視為異常，接著進入補償模式，計算馬達轉動速度(Vm)與設定的平均馬達轉動速度(Vavg)的差值，利用差值乘以相對應編碼取樣時間，取得補償的脈衝數量，補償馬達轉動速度，並紀錄取樣失效一次，當失效次數或連續失效次數超過設定值時，則進行維修，然後檢查馬達是否轉一圈？如果轉一圈，將失效次數歸零，重新計次，如果未轉完一圈，檢查是否處理完命令脈衝，如果未處理完，則繼續重複下一取樣如果處理完，則結束運作。

如圖5所示，為本發明馬達編碼器的動態取樣方法的流程。本發明馬達編碼器的動態取樣方法的詳細步驟說明如下：在步驟S1，依據輸入的命令脈衝在設定的命令取樣時間，取樣命令脈衝，計算命令速度；步驟S2，根據命令速度在切換區間，以相對應的編碼取樣時間，取樣編碼器的編碼脈衝，計算馬達轉動速度；步驟S3，根據命令速度的切換區間，找出相對應的權重，計算設定平均馬達轉動速度乘以權重，形成動態閥值；步驟S4，比較馬達轉動速度是否小於動態閥值？，如果馬達轉動速度不小於動態閥值，則進入步驟S5，計算的馬達轉動速度正常，列入計算平均馬達轉動速度，在步驟S6，並更新設定平均馬達轉動速度，再至步驟S13。如果馬達轉動速度小於動態閥值，則進入步驟S7，馬達轉動速度視為異常，接著進入補償模式，補償馬達轉動速度；步驟S8，紀錄取樣失效一次，累積計算失效次數；步驟S9，檢查失效次數是否超過設定值，超過設定值時，則進入步驟S10進行維修，未超過設定值時，則進入步驟S11，再檢查馬達是否轉一圈？如果轉一圈，則進入步驟S12將失效次數歸零，重新計次，再至步驟S13。如果未轉完一圈，則進入步驟S13，檢查是否處理完命令脈衝？如果未處理完命令脈衝，則進入步驟S1繼續重複下一取樣，如果處理完命令脈衝，則進入步驟S14，結束處理命令脈衝。

如圖6所示，為本發明動態取樣的馬達轉速圖。本發明根據命令速度不同速度等級的切換區間，採用相對應設定的編碼取樣時間，動態改變取樣的頻率，獲得的馬達轉速曲線，比較採用固定編碼取樣時間，固定取樣的頻率，獲得的馬達轉速曲線，顯示本發明動態取樣的馬達轉速曲線較為平滑，較固定取樣的馬達轉速曲線，少突起的轉速曲線，控制較為平順，而可達到降低震動的目的。

如圖7所示，為本發明馬達輸出的力矩曲線圖。本發明採用動態編碼取樣時間，取樣回授控制馬達時，獲得的馬達輸出力矩曲線，比較採用固定編碼取樣時間，獲得的輸出力矩曲線，顯示本發明動態取樣的輸出力矩曲線較為一致，輸出的力矩大致相同，較固定取樣的輸出力矩曲線上下激烈變化的力矩曲線，本發明可達到降低震動的目的。

因此，本發明馬達編碼器的動態取樣方法，利用設定命令速度的切換區間，根據命令速度的切換區間，藉由切換相對應的編碼取樣時間，以命令速度越快切換越短的編碼取樣時間，取得正確馬達轉動速度進行控制，而可達提升馬達控制的精密度的發明目的。此外本發明馬達編碼器的動態取樣方法，亦可根據處理命令速度切換區間，設定命令速度越快權重越大，在馬達轉動速度小於平均馬達轉動速度乘以權重，形成的動態閥值時，計算失效次數大於設定值，需進行維修，而可達到保護馬達運轉的目的。本發明馬達編碼器的動態取樣方法，在馬達轉動速度小於動態閥值時，利用補償模式，計算馬達轉動速度與平均馬達轉動速度的差值，利用差值乘以相對應編碼取樣時間，補償馬達轉動速度的脈衝數量，而可達到維持控制的精確性的發明目的。

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。

步驟S1-S14‧‧‧馬達編碼器的動態取樣方法的步驟

Claims

一種馬達編碼器的動態取樣方法，預先設定命令速度的複數切換區間、切換區間相對應的編碼取樣時間及相對應的權重，其步驟包含：依據輸入的命令脈衝在設定的命令取樣時間，取樣命令脈衝，計算命令速度；根據該命令速度的切換區間，以相對應的編碼取樣時間，取樣編碼器的編碼脈衝，計算馬達轉動速度；根據命令速度的切換區間，以相對應的權重，將設定的平均馬達轉動速度乘以權重，形成動態閥值；比較該馬達轉動速度不小於動態閥值；將該馬達轉動速度列入計算平均馬達轉動速度，並更新該設定平均馬達轉動速度；檢查處理完命令脈衝，則結束處理命令脈衝。
如申請專利範圍第1項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中比較馬達轉動速度小於動態閥值，該馬達轉動速度為異常，進入補償模式，計算該馬達轉動速度與該設定的平均馬達轉動速度的差值，利用差值乘以相對應該編碼取樣時間，取得補償的脈衝數量，補償該馬達轉動速度。
如申請專利範圍第2項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中補償後，紀錄取樣失效一次，並累積計算失效次數，檢查失效次數超過設定值時，進行維修。
如申請專利範圍第3項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中檢查失效次數未超過設定值時，再檢查馬達轉一圈，將失效次數歸零，重新計次。
如申請專利範圍第1項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中檢查未處理完命令脈衝時，則繼續重複下一取樣。
如申請專利範圍第1項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中命令速度預先設定分成複數個命令速度等級的切換區間，切換區間以等比的命令速度間隔。
如申請專利範圍第6項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中切換區間預設相對應的編碼取樣時間，以命令速度越快切換越短的編碼取樣時間的反比原則，形成命令速度切換區間及編碼取樣時間的對照表。
如申請專利範圍第6項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中切換區間預設相對應的權重，以命令速度越快設置越大權重的等差的原則設定，形成命令速度切換區間及權重的對照表。
如申請專利範圍第1項所述之馬達編碼器的動態取樣方法，其中馬達根據最近預設次數正常取樣的馬達轉動速度，計算平均馬達轉動速度，形成該設定的平均馬達轉動速度。