TWI772900B - 工作設備系統及其適用之控制方法 - Google Patents
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Abstract
本案提供一種工作設備系統及其適用之控制方法,工作設備系統包含工作設備、溫度感測器及控制器。工作設備包含用以提供動力至負載裝置的馬達裝置。控制器具有預設溫度、馬達裝置之馬達阻抗、工作設備系統之熱阻及電性參數。當控制器接收到需求動力指令時,控制器用以:根據需求動力指令及電性參數計算第一電流;計算馬達溫度與預設溫度之間的溫度差;根據溫度差及熱阻計算熱能;根據熱能及馬達阻抗計算第二電流;以及比較第二電流和第一電流之有效值,以判斷第二電流是否小於第一電流。
Description
本案係關於一種工作設備系統及其適用之控制方法,尤指一種可同時提供目標動力及需求溫度的工作設備系統及其適用之控制方法。
電動馬達通常設置於工作設備中,並用以為工作設備之運作提供主要動力。由於電動馬達中之電能與動能之間的轉換效率並非100%,故產生動力之過程中會具有熱損失。此外,用於傳動和導引之機構元件的運動亦會因摩擦而產生熱損失。前述之熱損失係以熱能形式呈現,該些熱能會增加工作設備之溫度,進而可能導致工作設備損壞。另外,隨著自動化之發展,對於機械精度的要求也越來越高。當工作設備之溫度大幅變化時,機械精度將因熱脹冷縮而受到影響,因此,如何將工作設備之溫度維持在固定的工作溫度範圍內顯得愈發重要。
現有技術中,係通過設置冷卻裝置(例如水冷、油冷或氣冷裝置)來冷卻工作設備系統,從而控制工作設備之溫度。然而,當工作設備的需求動力及移動速度改變時,所產生的熱能將隨之變化。亦即,電動馬達所產生的熱能並非一固定值。因此,僅使用冷卻裝置恐難以穩定工作設備之運作溫度,且為了降低生產成本並節省工作空間,許多工作設備在設計時並未配置有冷卻裝置。再者,當工作設備之溫度低於預設溫度時(例如在電動馬達產生之熱能減少、冷卻流體的溫度過低或環境溫度降低時),即便是具備冷卻裝置的工作設備亦難以穩定其運作溫度。此外,當工作設備初啟動時,工作設備須執行暖機動作,且工作設備在執行暖機動作期間無法用於生產。在環境溫度較低時,暖機動作的時間甚至變得更長。因此,將導致工作設備之工作效率下降,甚至因過度磨損而導致工作設備之使用壽命減少。
因此,如何發展一種可改善上述習知技術之工作設備系統及其適用之控制方法,實為目前迫切之需求。
本案之目的在於提供一種工作設備系統及其適用之控制方法,通過控制工作設備之馬達裝置的電流,使工作設備可同時滿足動力及溫度之需求,且可穩定地控制工作設備之溫度,藉此維持工作設備之機械精度。此外,可縮短暖機動作所需的時間,從而增加工作設備之工作效率及使用壽命。
為達上述目的,本案提供一種工作設備系統,包含工作設備、溫度感測器及控制器。工作設備包含馬達裝置,馬達裝置係用以提供動力至負載裝置。溫度感測器用以測量馬達裝置之馬達溫度。控制器具有預設溫度、馬達裝置之馬達阻抗、工作設備系統之熱阻及電性參數。當控制器接收到需求動力指令時,控制器用以:根據需求動力指令及電性參數計算第一電流;計算馬達溫度與預設溫度之間的溫度差;根據溫度差及熱阻計算熱能;根據熱能及馬達阻抗計算第二電流;以及比較第二電流和第一電流之有效值,以判斷第二電流是否小於第一電流,其中若控制器確認第二電流小於第一電流,則控制器控制馬達裝置減少動力。
為達上述目的,本案另提供一種控制方法,適用於工作設備系統,其中工作設備系統包含馬達裝置、溫度感測器及控制器。馬達裝置提供動力至負載裝置,溫度感測器測量馬達裝置之馬達溫度,控制器具有預設溫度、馬達裝置之馬達阻抗、工作設備系統之熱阻及電性參數。當控制器接收到需求動力指令時,控制器執行控制方法,控制方法包含下列步驟:(a) 根據需求動力指令及電性參數計算第一電流;(b) 計算馬達溫度與預設溫度之間的溫度差;(c) 根據溫度差及熱阻計算熱能;(d) 根據熱能及馬達阻抗計算第二電流;以及 (e) 比較第二電流和第一電流之有效值,以判斷第二電流是否小於第一電流。若控制器確認第二電流不小於第一電流,則控制器所執行之控制方法還包含下列步驟:(f) 根據有效值和第二電流之間的比值計算電流相位差;(g) 根據需求動力指令中之相位角及電流相位差計算目標電流相位;(h) 根據第二電流、目標電流相位及電性參數計算目標動力;以及 (i) 控制馬達裝置調整動力,使動力於誤差範圍內接近目標動力。
為達上述目的,本案還提供一種工作設備系統,包含馬達裝置、溫度感測器、控制器及冷卻裝置。馬達裝置用以提供動力至負載裝置。溫度感測器用以測量馬達裝置之馬達溫度。控制器具有預設溫度、馬達裝置之馬達阻抗、工作設備系統之熱阻及電性參數。冷卻裝置耦接於馬達裝置及控制器。當控制器接收到需求動力指令時,控制器係用以: 根據需求動力指令及電性參數計算第一電流;計算馬達溫度與預設溫度之間的溫度差;根據溫度差及熱阻計算熱能;根據熱能及馬達阻抗計算第二電流;以及比較第二電流和第一電流之有效值,以判斷第二電流是否小於第一電流,其中當控制器確認第二電流小於第一電流時,控制器啟動冷卻裝置。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化,其皆不脫離本案之範圍,且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用,而非用以限制本案。
第1圖係為本案較佳實施例之工作設備系統的架構示意圖。如第1圖所示,本案之工作設備系統包含工作設備1、控制器2及溫度感測器3。工作設備1包含馬達裝置11,馬達裝置11係用以提供動力F2至負載裝置12。於其他一些實施例中,負載裝置12之設置位置並不受限制,負載裝置12可設置於工作設備1之內部或外部,而本發明不限於此。溫度感測器3耦接於工作設備1,且溫度感測器3係用以感測馬達裝置11之馬達溫度T1。於一些實施例中,因主要的熱能通常由馬達裝置11產生,故馬達溫度T1即可代表工作設備1目前的工作溫度,但本發明亦不以此為限。控制器2係耦接於工作設備1之馬達裝置11及溫度感測器3。於第1圖中,控制器2包含物理參數及電性參數,其中電性參數可例如但不限於包含馬達裝置11之磁場值及馬達裝置11之磁石的相位角,而物理參數可例如但不限於包含預設溫度、馬達裝置11之馬達阻抗及工作設備系統之熱阻。
於一實施例中,控制器2係耦接於電腦,其中電腦係用以提供需求動力指令F1。當控制器2接收到需求動力指令F1時,控制器2執行下列操作:根據需求動力指令F1及電性參數計算第一電流;計算馬達溫度T1與預設溫度之間的溫度差;根據該溫度差及工作設備系統之熱阻計算熱能;根據該熱能及馬達阻抗計算第二電流;以及比較第二電流及第一電流之有效值(該有效值可為例如但不限於第一電流之方均根值、第一電流之絕對值或第一電流之平均值),以判斷第二電流是否小於第一電流。若第二電流小於第一電流之有效值,則表示第二電流小於第一電流。若第二電流大於或等於第一電流之有效值,則表示第二電流不小於第一電流。
若控制器2確認第二電流小於第一電流,則控制器2將控制馬達裝置11減少所輸出之動力F2。反之,若控制器2確認第二電流不小於第一電流,則控制器2將進一步執行下列操作:根據第一電流之有效值和第二電流之間的比值(ratio value)計算電流相位差;根據需求動力指令F1之相位角及電流相位差計算目標電流相位;根據第二電流、目標電流相位及電性參數計算目標動力;以及控制馬達裝置11調整動力F2,使動力F2在誤差範圍內接近目標動力,其中誤差範圍約為0至10%,但不以此為限。
藉此,通過將提供至負載裝置12之動力F2調整至接近目標動力,可滿足工作設備1之動力需求。此外,通過滿足工作設備1之熱能需求,可穩定控制工作設備1之溫度,亦即滿足工作設備1之溫度需求。據此,可將工作設備1之機械精度維持於較高水準。
請一併參閱第1圖及第2圖。根據第2圖所示之暖機動作期間的溫度變化曲線,相較於現有工作設備的暖機動作所需時間,本案之工作設備1的暖機動作所需時間明顯縮短。於第2圖中,係以實線描繪現有工作設備的溫度變化曲線,並以虛線描繪工作設備1的溫度變化曲線。藉由本案之工作設備1,可將暖機動作所需時間減少 ∆t,同時增加工作設備1之工作效率及使用壽命。
請再參閱第1圖。電性參數及物理參數可預設於控制器2之韌體或軟體程式中,但本發明亦不以此為限。於一些實施例中,使用者可利用電腦提供需求動力指令F1至控制器2。於一些實施例中,工作設備1還包含冷卻裝置4,冷卻裝置4耦接於工作設備1並用以降低馬達溫度T1。藉此,控制器2在控制馬達裝置11時可綜合考量冷卻裝置4所造成之影響,從而使馬達溫度T1維持一致。
於一些實施例中,如第3圖所示,冷卻裝置4還耦接於控制器2。控制器2輸出溫度控制指令以啟動或關閉冷卻裝置4。當控制器2確認第二電流小於第一電流時,控制器2啟動冷卻裝置4。此情況代表電腦所輸出之需求動力指令F1使馬達裝置11提供過多的動力F2。因此,馬達裝置11之運作產生大量的熱能,需啟動冷卻裝置4以減少熱能。在冷卻裝置4被啟動一段時間後,隨著馬達溫度T1低於預設溫度且持續降低,將導致馬達溫度T1與預設溫度之間的溫度差、需求熱能及第二電流增加。於此情況下,當控制器2確認第二電流不小於第一電流時,控制器2關閉冷卻裝置4。由於控制器2可藉由控制馬達裝置11及冷卻裝置4之運作以調整馬達溫度T1,故可更為準確地控制馬達溫度T1。
以下係示例說明前述由控制器2所執行的計算過程。
通過等式 (1),控制器2根據需求動力指令F1及電性參數計算第一電流i1
。
i1
= F1 / [sin(θi1
) × Bsin(θb
)] (1)
其中,θi1
係為需求動力指令F1中所包含之第一電流的相位角,B係為馬達裝置11之磁場值,θb
係為馬達裝置11之磁石的相位角,且相位角θi1
等於相位角θb
。
控制器2計算馬達溫度T1與預設溫度之間的溫度差。通過等式 (2),控制器2根據該溫度差及工作設備系統之熱阻計算熱能。
Pthermal
=ΔT / Rth
(2)
其中,Pthermal
係為熱能,ΔT係為溫度差,Rth
係為工作設備系統之熱阻。
通過等式 (3),控制器2根據熱能Pthermal
及馬達阻抗計算第二電流i2
。
i2
= (Pthermal
/ R) ^ 0.5 (3)
其中,R係為馬達裝置11之馬達阻抗。
若控制器2確認第二電流不小於第一電流,則控制器2通過等式 (4) 而根據第一電流i1
之有效值i1e
與第二電流i2
之間的比值計算電流相位差θid
。通過等式 (5),控制器2根據相位角θi1
和電流相位差θid
計算目標電流相位θtarget
。
θid
= cos-1
(i1e
/ i2
) (4)
θtarget
=θi1
- θid
(5)
通過等式 (6),控制器2根據第二電流i2
、目標電流相位θtarget
及電性參數計算目標動力F3。
F3 = i2
× [sin(θtarget
) × Bsin(θb
)] (6)
請參閱第1圖和第3圖。控制器2根據等式 (6) 所示之目標動力F3輸出控制訊號C1至馬達裝置11,控制器2可據此控制馬達裝置11調整動力F2,使動力F2於誤差範圍內接近目標動力F3。藉此,控制器2控制馬達裝置11以第二電流i2
及目標電流相位θtarget
運作,從而滿足動力需求。同時,馬達裝置11所產生之熱能等於熱能Pthermal
,故亦可滿足熱能需求。
本案之工作設備1的實際態樣不限於此,工作設備1可為任何形式之設備。舉例而言,如第4圖所示,工作設備1係為可動載具。於此實施例中,工作設備1包含馬達裝置11、負載裝置12及安裝面13,安裝面13上設置有導軌14。負載裝置12包含彼此耦接的工作平台15及滑輪18。通過滑輪18與導軌14間之耦接,負載裝置12可在安裝面13上沿著導軌14移動。馬達裝置11包含相互電磁耦合的線圈組16及磁石定子17,線圈組16設置於工作平台15上,磁石定子17在安裝面13上沿導軌14設置。於一些實施例中,工作設備系統還包含溫度感測器3及冷卻裝置4。溫度感測器3係耦接於工作設備1及控制器2,且溫度感測器3可例如但不限於設置於工作設備1中。冷卻裝置4係耦接於工作設備1。由於馬達裝置11、負載裝置12、溫度感測器3、冷卻裝置4及控制器2的運作及連接關係於前述相同,故於此不再贅述。此外,於一些實施例中,如第5圖所示,冷卻裝置4還耦接於控制器2,且冷卻裝置4係受控制器2所輸出之溫度控制指令控制。
第6A圖及第6B圖係為本案較佳實施例之適用於工作設備系統之控制方法的流程示意圖。此控制方法係用以控制前述實施例中的工作設備系統,且此控制方法係由控制器2執行。如第6A圖及第6B圖所示,控制方法包含下列步驟。
於步驟S1中,根據需求動力指令F1及電性參數計算第一電流。
於步驟S2中,計算馬達溫度T1與預設溫度之間的溫度差。
於步驟S3中,根據該溫度差及工作設備系統之熱阻計算熱能。
於步驟S4中,根據該熱能及馬達阻抗計算第二電流。
於步驟S5中,比較第二電流及第一電流之有效值,以判斷第二電流是否小於第一電流。若第二電流小於第一電流之有效值,則表示第二電流小於第一電流;若第二電流大於或等於第一電流之有效值,則表示第二電流不小於第一電流。
若控制器2確認第二電流不小於第一電流,則控制器所執行之控制方法還包含步驟S6、S7、S8及S9。於步驟S6中,根據第二電流和第一電流之有效值之間的比值來計算電流相位差。於步驟S7中,根據需求動力指令F1中之相位角及電流相位差計算目標電流相位。於步驟S8中,根據第二電流、目標電流相位及電性參數計算目標動力。於步驟S9中,控制馬達裝置調整動力F2,使動力F2於誤差範圍內接近目標動力。
若控制器2確認第二電流小於第一電流,則控制器2控制馬達裝置11減少動力F2 (如步驟S10所示)。另一方面,如第7A圖及第7B圖所示,在工作設備系統包含耦接於工作設備1及控制器2的冷卻裝置4的情況下,當控制器2確認第二電流小於第一電流時,控制器2啟動冷卻裝置4 (如步驟S11所示)。此外,在冷卻裝置4運作一段時間後,若控制器2確認第二電流不小於第一電流,則控制器2關閉冷卻裝置4 (如步驟S12所示)。
綜上所述,本案提供一種工作設備系統及其適用之控制方法,通過控制工作設備之馬達裝置的電流,使工作設備可同時滿足動力及溫度之需求,且可穩定地控制工作設備之溫度,藉此維持工作設備之機械精度。此外,可縮短暖機動作所需的時間,從而增加工作設備之工作效率及使用壽命。
須注意,上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例,本案不限於所述之實施例,本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾,然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。
1:工作設備
2:控制器
3:溫度感測器
4:冷卻裝置
11:馬達裝置
12:負載裝置
13:安裝面
14:導軌
15:工作平台
16:線圈組
17:磁石定子
18:滑輪
F1:需求動力指令
F2:動力
C1:控制訊號
T1:馬達溫度
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12:步驟
第1圖係為本案較佳實施例之工作設備系統的架構示意圖。
第2圖係為現有工作設備及第1圖之工作設備於暖機動作期間的溫度變化曲線的示意圖。
第3圖係為第1圖之工作設備系統之變化例的架構示意圖。
第4圖係為工作設備系統之側視示意圖及上視示意圖,其中工作設備系統之工作設備為可動載具。
第5圖係為第4圖之工作設備系統之變化例的側視示意圖。
第6A圖及第6B圖係為本案較佳實施例之適用於工作設備系統之控制方法的流程示意圖。
第7A圖及第7B圖係為第6A圖及第6B圖之控制方法的變化例的流程示意圖。
1:工作設備
2:控制器
3:溫度感測器
4:冷卻裝置
11:馬達裝置
12:負載裝置
F1:需求動力指令
F2:動力
C1:控制訊號
T1:馬達溫度
Claims (7)
- 一種工作設備系統,包含:一工作設備,包含一馬達裝置,其中該馬達裝置係用以提供一動力至一負載裝置;一溫度感測器,用以測量該馬達裝置之一馬達溫度;以及一控制器,具有一預設溫度、該馬達裝置之一馬達阻抗、該工作設備系統之一熱阻及電性參數;其中當該控制器接收到一需求動力指令時,該控制器用以:根據該需求動力指令及該電性參數計算一第一電流;計算該馬達溫度與該預設溫度之間的一溫度差;根據該溫度差及該熱阻計算一熱能;根據該熱能及該馬達阻抗計算一第二電流;以及比較該第二電流和該第一電流之一有效值,以判斷該第二電流是否小於該第一電流,其中若該控制器確認該第二電流小於該第一電流,則該控制器控制該馬達裝置減少該動力,其中若該控制器確認該第二電流不小於該第一電流,則該控制器進一步:根據該有效值和該第二電流之間的一比值計算一電流相位差;根據該需求動力指令中之一相位角及該電流相位差計算一目標電流相位;根據該第二電流、該目標電流相位及該電性參數計算一目標動力;以及控制該馬達裝置調整該動力,使該動力於一誤差範圍內接近該目標動力; 其中該誤差範圍為0~10%。
- 如請求項1所述之工作設備系統,其中該電性參數包含該馬達裝置之一磁場值及該馬達裝置之磁石的一相位角。
- 如請求項1所述之工作設備系統,其中該第一電流之該有效值為該第一電流之一均方根值、該第一電流之一絕對值或該第一電流之一平均值。
- 如請求項1所述之工作設備系統,還包含耦接於該工作設備及該控制器的一冷卻裝置,其中當該控制器確認該第二電流小於該第一電流時,該控制器啟動該冷卻裝置。
- 如請求項4所述之工作設備系統,其中當該控制器確認該第二電流不小於該第一電流時,該控制器關閉該冷卻裝置。
- 一種控制方法,適用於一工作設備系統,其中該工作設備系統包含一馬達裝置、一溫度感測器及一控制器,其中該馬達裝置提供一動力至一負載裝置,且該溫度感測器測量該馬達裝置之一馬達溫度,且該控制器具有一預設溫度、該馬達裝置之一馬達阻抗、該工作設備系統之一熱阻及電性參數,其中當該控制器接收到一需求動力指令時,該控制器執行該控制方法,其中該控制方法包含下列步驟:(a)根據該需求動力指令及該電性參數計算一第一電流;(b)計算該馬達溫度與該預設溫度之間的一溫度差;(c)根據該溫度差及該熱阻計算一熱能;(d)根據該熱能及該馬達阻抗計算一第二電流;以及(e)比較該第二電流和該第一電流之一有效值,以判斷該第二電流是否小於該第一電流, 其中,若該控制器確認該第二電流不小於該第一電流,則該控制器所執行之該控制方法還包含下列步驟:(f)根據該有效值和該第二電流之間的一比值計算一電流相位差;(g)根據該需求動力指令中之一相位角及該電流相位差計算一目標電流相位;(h)根據該第二電流、該目標電流相位及該電性參數計算一目標動力;以及(i)控制該馬達裝置調整該動力,使該動力於一誤差範圍內接近該目標動力。
- 如請求項6所述之控制方法,其中若該控制器確認該第二電流小於該第一電流,則該控制器控制該馬達裝置減少該動力。
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US202062961910P | 2020-01-16 | 2020-01-16 | |
US62/961,910 | 2020-01-16 | ||
US16/898,103 | 2020-06-10 | ||
US16/898,103 US11453994B2 (en) | 2020-01-16 | 2020-06-10 | Work equipment system and control method therefor |
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