TWI815739B - 伺服馬達驅動控制系統及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種伺服馬達驅動控制系統及其方法，伺服馬達驅動控制系統包含上位控制器、交流電源、馬達模組以及驅動模組。馬達模組包含伺服馬達。驅動模組接收交流電源輸入的交流電。驅動模組包含感測模組、波峰擷取模組、命令規劃模組及抑制器。感測模組感測伺服馬達的轉動狀態而產生轉子位置訊號。波峰擷取模組接收轉子位置訊號以擷取訊號振盪波峰，並計算出系統阻尼及振動角頻率。命令規劃模組接收位置命令。抑制器將位置命令調整為抑制振盪的整形命令，並輸出至控制迴路，以抑制馬達模組的振盪。

Description

伺服馬達驅動控制系統及其控制方法

本發明涉及一種控制系統，特別是一種可消除伺服馬達模組的振盪，及線上實時鑑別，改善整體控制系統性能的伺服馬達驅動控制系統及其控制方法。

一般伺服馬達在高速運轉定位下，為保證機械負載之高定位精度與響應速度，伺服系統之響應必須快速跟隨追蹤目標變化，且以無過衝與零振盪之高速度下急停剎車。

然而，在實際伺服馬達閉迴路控制系統中，機構平台存在彈性連接裝置，如減速箱、聯軸器、滾珠螺桿、軸承等非理想剛體，導致在高速度急停剎車時，伺服馬達模組因慣性產生負載抖動之現象，使定位精度降低、穩定性下降、增加安全隱患。

為了消除伺服馬達模組的抖動現象，考量到硬體更換成本過高，常於伺服馬達閉迴路控制系統加入濾波模組，抑制共振振幅的產生。但是，使用濾波模組抑制振盪將犧牲部分命令訊號，使得伺服馬達閉迴路控制系統響應速度降低、命令曲折點過於平滑喪失加工精度。

為了解決此問題，有一方法是於伺服馬達閉迴路控制系統中，以輸入整形器替代濾波模組之應用，雖然輸入整形器可改善濾波模組響應慢、曲折點過於平滑之問題，但是輸入整形器抑制強健性差，而抑制強度和系統鑑別精度有關，系統鑑別準確度會受到如摩擦力、齒槽轉矩、負載變動等外部擾動的影響。因此，若是鑑別系統不精確，將無法完全抵銷伺服馬達模組實際振盪。

本發明的主要目的，是在提供一種具線上實時鑑別的伺服馬達驅動控制系統及其控制方法，在高擾動環境下亦具有高振動抑制能力，消除伺服馬達模組之振盪，降低鑑別準確度影響，改善整體控制系統性能。

根據本發明之目的，提供一種伺服馬達驅動控制系統，包含上位控制器、交流電源、馬達模組以及驅動模組。馬達模組包含一伺服馬達。驅動模組耦接馬達模組、上位控制器及交流電源，驅動模組接收交流電源輸入之單相或三相交流電。驅動模組包含感測模組、波峰擷取模組、命令規劃模組以及抑制器。感測模組感測伺服馬達的轉動狀態而產生轉子位置訊號。波峰擷取模組耦接感測模組，接收伺服馬達的轉子位置訊號，波峰擷取模組設定閥值，並根據閥值判斷轉子位置訊號而擷取訊號振盪波峰，並計算出系統阻尼及振動角頻率。命令規劃模組接收上位控制器或內部命令暫存器輸出的位置命令。抑制器耦接波峰擷取模組和命令規劃模組，利用波峰擷取模組得到的系統阻尼及振動角頻率，將位置命令整形為抑制振盪的整形命令，並輸出至控制迴路，以抑制馬達模組的振盪。

根據本發明之目的，再提供一種伺服馬達驅動控制系統之控制方法，用於控制伺服馬達驅動控制系統，控制方法包含下列步驟：a) 感測伺服馬達的轉動狀態而產生轉子位置訊號；b) 根據閥值於轉子位置訊號上擷取出訊號振盪波峰，並計算出系統阻尼及振動角頻率；c) 利用系統阻尼及振動角頻率，將位置命令調整為抑制振盪的整形命令；以及 d) 輸出整形命令至控制迴路，以抑制馬達模組的振盪。

以下舉例說明本申請較佳實施方式，並配合圖式說明如後。

請參閱第一圖，為本發明之伺服馬達驅動控制系統的架構圖。本發明的伺服馬達驅動控制系統10包含上位控制器200、交流電源100、馬達模組300以及驅動模組400。

上位控制器200用以下達位置命令。馬達模組300包含伺服馬達310。驅動模組400耦接馬達模組300、上位控制器200及交流電源100，驅動模組400接收上位控制器200的位置命令及接受交流電源100之單相或三相輸入交流電，並以脈波寬度調變來產生三相交流之脈波輸出。

驅動模組400包含感測模組410、波峰擷取模組420、命令規劃模組430、內部命令暫存器440、抑制器450以及控制迴路460。

感測模組410感測伺服馬達310的轉動狀態而產生轉子位置訊號，將脈波訊號轉化為角度位移值。波峰擷取模組420耦接感測模組410，波峰擷取模組420設定閥值，根據閥值判斷轉子位置訊號以擷取訊號振盪波峰，作為實時系統鑑別對數衰減法運算數據，結合過零點計算並計算出系統阻尼及振動角頻率，以提升高擾動下系統鑑別準確度。命令規劃模組430連接上位控制器200與內部命令暫存器440，且命令規劃模組430接收上位控制器200或內部命令暫存器440輸出的位置命令。

抑制器450耦接波峰擷取模組420和命令規劃模組430，利用波峰擷取模組420得到的系統阻尼及振動角頻率，將位置命令調整為抑制振盪的整形命令，並輸出至控制迴路460，控制迴路460根據整形命令輸出脈波控制訊號至馬達模組300，以抑制抵銷馬達模組300的實際振盪。脈波控制訊號可為三相脈波的訊號。

請參閱第二圖、第三圖及第四圖，第二圖為本發明一實施例的伺服馬達驅動控制系統的架構圖，第三圖為本發明驅動模組的訊號方塊示意圖，第四圖為本發明輸入整形器模組的示意圖。

本發明伺服馬達驅動控制系統20的驅動模組500耦接外部的上位控制器200與交流電源100，以及馬達模組300，交流電源100為伺服馬達驅動控制系統20之輸入電源，接受市電單相或三相之交流電源100之輸入。

在控制的部分，驅動模組500接收上位控制器200或內部命令暫存器540下達的位置命令 。命令規劃模組530將位置命令 收集並進行插補，使位置命令 的軌跡平順。

抑制器550更包含輸入整形器模組551及濾波單元552，根據振動之狀況作振動抑制命令整形。

在暫態響應部分，波峰擷取模組520即時鑑別計算出的系統阻尼 ，由輸入整形器模組551調整位置命令 ，輸入整形器模組551藉由系統阻尼 計算抑制器常數，且利用抑制器常數計算出二抑制振幅增益。其中，輸入整形器模組551內有位置命令緩存區 ，以隨時記錄固定時間內之位置命令 。輸入整形器模組551藉由振動角頻率 計算出振動週期，以振動週期搜尋位置命令緩存區 ，找出振動週期前之延遲時間位置命令 ，再將延遲時間位置命令 與位置命令 分別與先前計算之二抑制振幅增益相乘並相加，也就是公式608 及公式609 ，而進一步得到整形命令 。因此抑制器550可在暫態響應時使用輸入整形器模組551來提高響應追蹤速度，並追蹤位置命令 整形為可抑制伺服馬達驅動控制系統20振動之低振盪命令。

本發明伺服馬達驅動控制系統20由於具有可調節抑制強度功能的輸入整形器模組551，因此能保持輸入整形器模組551的高響應速度，在高擾動環境下亦具有高振動抑制能力，消除馬達模組300的振盪，降低鑑別準確度影響，以提升整體控制系統的性能。

進一步言，輸入整形器模組551包含將前述輸入的位置命令 直接輸入至二階系統603中，可產生振盪響應604；若位置命令 先經過時間延遲602，才輸入至二階系統603中，可產生與振盪響應604相反振幅的振盪響應605。

為了消除伺服馬達模組4振盪，輸入整形器以二階系統理論為基礎，透過加法器607相加延遲前與延遲後之命令，再將此命令輸入至二階系統603中，可產生如同振盪響應606之零振盪響應。時間延遲602模組的參數為振盪響應之週期，可透過二階系統響應公式找出，因此以輸入整形器模組551整形的馬達閉迴路控制系統命令，可抵銷伺服馬達模組300實際振盪之輸入命令。

在穩態響應部分，濾波單元552耦接輸入整形器模組551，濾波單元552為帶阻濾波器，且為二階轉移函數，帶阻濾波器二階轉移函數具有增益衰減參數，即振動強度調節器。振動強度調節器可消除頻域上指定頻率之振動增益。濾波單元552藉由計算出之轉動角頻率 可得到振動頻率，以利用振動頻率指定濾波單元552消除之振動位置，再藉由振動強度調節器消除振動頻率之振動增益。濾波單元552以轉動角頻率 計算出響應振動頻率，以利用振動強度調節器消除整形命令 振動頻率上之殘餘增益值，以計算出濾波後的整形命令 ，來抑制馬達模組300的振盪。因此，抑制器550可在穩態響應時使用濾波單元552來增加抑制強健性，利用濾波單元552之增益衰減參數作為抑制器550之振動強度調節器，降低模型依賴性和改善伺服馬達驅動控制系統20的性能。

感測模組510包含角度計算模組511以及快速傅立葉轉換模組512。

角度計算模組511耦接馬達模組300，且角度計算模組511根據伺服馬達310的轉動狀態計算出轉子位置訊號 ，再回授至控制迴路560。波峰擷取模組520利用轉子位置訊號 進行振盪波峰衰減比例計算，找出波峰並存入 波峰矩陣，且藉由判斷過零點來計算出系統阻尼 。

快速傅立葉轉換模組512連接角度計算模組511，且快速傅立葉轉換模組512根據伺服馬達310的轉子位置訊號 計算出馬達模組300的振動角頻率 。

馬達模組300根據內部命令暫存器540下達的位置命令 ，利用聯軸器320驅動機械負載330運轉。其中，馬達模組300具有聯軸器320及機械負載330，聯軸器320耦接機械負載330，馬達模組300連接驅動模組500，並帶動機械負載330運轉。機械負載330可為加工機具、機械手臂、治具慣量盤等設備。

本發明之伺服馬達驅動控制系統20的抑制器550因具有輸入整形器模組551與濾波單元552，在其結合下具有以下優點：於強振盪或鑑別精度低之情況可增大濾波單元552衰減增益係數值，以濾波後之整形命令 增強抑制振動能力，於低振盪情況可關閉濾波單元552衰減增益係數值，直接以整形後之整形命令 進入控制迴路560抑制振動，增加控制法則自由度作抑制振動之應用。

第五圖為本發明控制方法的第一實施例流程圖，此控制方法用於伺服馬達驅動控制系統。伺服馬達驅動控制系統具有馬達模組以及驅動模組。

如圖所示，本發明之控制方法包含下列步驟：

利用驅動模組進行步驟S100：感測馬達模組的轉動狀態而產生伺服馬達轉子位置訊號，將脈波訊號轉化為角度位移值。

步驟S200：根據閥值於轉子位置訊號上擷取出訊號振盪波峰，並計算出系統阻尼及振動角頻率。

在步驟S200中包括藉由接收資料找出訊號振盪波峰並存入 波峰矩陣，此接收資料可包含馬達模組的伺服馬達的轉子位置訊號。依序利用 波峰矩陣推算系統阻尼 ，以及利用系統阻尼 計算出抑制器輸入整形器參數。藉由前述的接收資料計算 特徵矩陣，依序利用 特徵矩陣計算振動角頻率 。

步驟S300：利用系統阻尼及振動角頻率，將位置命令整形為抑制振盪的整形命令。

步驟S400：輸出整形命令至控制迴路，以抑制馬達模組的振盪。

請參閱第六圖及第七圖，第六圖為本發明控制方法的第二實施例流程圖，第七圖為本發明控制方法的第二實施例的運算方塊示意圖。

本發明之控制方法應用於伺服馬達驅動控制系統，其具有抑制器，抑制器包含輸入整形器模組以處理暫態響應的部分，以及濾波單元來處理穩態響應的部分，此控制方法包含以下步驟。

步驟S100：接收伺服馬達的轉子位置訊號 ，將脈波訊號轉化為角度位移值。

步驟S200：根據轉子位置訊號 擷取訊號振盪波峰，訊號振盪波峰可作為線上即時對數衰減演算法的鑑別參數，並計算出系統阻尼 及振動角頻率 。

振動角頻率 經由公式701 來進行步驟S310：藉由振動角頻率 計算出振動週期 。

接收對數衰減演算法輸出的系統阻尼 進行步驟S320：藉由系統阻尼 計算出抑制振幅。其中，系統阻尼 透過二階系統響應公式703 計算出抑制器常數 ，利用抑制器常數 計算出抑制器輸入整形參數 、 ，也就是公式704 及公式705 ，並進一步計算二抑制振幅增益。

根據馬達模組回授與振盪抑制效果，判斷於當前振盪下是否開啟或關閉濾波單元，進行步驟S330：根據馬達模組回授與振盪抑制效果，判別是否開啟或關閉濾波單元。

在關閉濾波單元狀態狀態，也就是暫態響應的部分，利用輸入整形器模組進行步驟S341：利用抑制振幅及振動週期 計算得到整形命令。其中根據步驟S310及步驟S320計算的振動週期 及抑制振幅透過加法器706將延時前後的命令相加得到整形命令 。

在開啟濾波單元狀態，也就是穩態響應的部分，利用濾波單元進行步驟S351、步驟S352及步驟S353。

步驟S351：利用抑制振幅及振動週期 計算得到整形命令 。

其中，輸入整形器模組內有位置命令緩存區 ，以隨時記錄固定時間內之位置命令 。輸入整形器模組藉由振動角頻率 計算出振動週期，以振動週期搜尋位置命令緩存區 ，找出振動週期前之延遲時間位置命令 。

進而執行步驟S352：判斷整形命令 是否為穩態；若是，則進行步驟S353；若否，則直接進行步驟S400。

其中，藉由比對位置命令 與延遲時間位置命令 ，當位置命令 與延遲時間位置命令 相同時，可判斷出整形命令 為穩態響應。當位置命令 與延遲時間位置命令 不相同時，則可判斷出整形命令 為暫態響應。

步驟S353：利用濾波單元濾波整形命令 的穩態部分，計算出濾波後的整形命令 。

最後進行步驟S400：輸出整形命令 或 至控制迴路，以抑制馬達模組的振盪。

進一步言，本發明之控制方法在閉迴路系統中進行追蹤控制時，首先檢查是否開啟抑制功能，若無開啟抑制功能則直接結束。反之，若是判斷抑制功能開啟，則進入振動數據取樣環節，擷取並儲存轉子位置訊號數據，擷取完成後執行檢查是否取樣足夠數據。若數據不足進行重新取樣之動作回到重新判斷是否開啟抑制功能。

當判定數據足夠，進入初始化抑制相關參數，初始化結束再次檢查擷取之數值是否符合振動判定，符合進入震動抑制功能辨別，不符合則返回重新判斷是否開啟抑制功能重新取樣。抑制功能首先檢查啟動之抑制功能為濾波單元或輸入整形器模組，若啟用濾波單元則執行快速傅立葉轉換模組來進入數據分析，結束執行找出振動訊號頻率，最後設定濾波單元的參數來設置濾波單元的參數。若啟用輸入整形器模組，則進入過零點演算法紀錄過零點旗標，旗標進入數據過零點判斷數據是否過零點，若是則進入波峰判斷環節查找振動波峰，結束後檢查是否仍有數具未處理，若有則重複上述步驟。若於數據過零點步驟判斷數據未過零點，則直接返回進行新數據判斷。當振動波峰擷取完成，將儲存之波峰數輸出，以對數衰減法找到系統阻尼，計算之系統阻尼 進入輸入整形器模組計算抑制振幅。整形命令 延時時間由快速傅立葉模組進行分析，利用計算出的振動角頻率 來計算延遲時間。最後設定抑制器振動抑制時間與濾波單元的參數作為結束。

綜上說明及各圖所示，本發明之伺服馬達驅動控制系統及其控制方法可在高擾動振動下提升系統鑑別準確度，同時可即時整形命令以消除伺服馬達模組振動。抑制能力部分具振動抑制強度調節器，可強化輸入整形器穩態振動抑制性能，以確保伺服馬達驅動控制系統之定位精度與響應速度。

以上所述，僅為舉例說明本申請的較佳實施方式，並非以此限定實施的範圍，凡是依本申請申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單置換及等效變化，皆屬本申請的專利申請範疇。

10、20:伺服馬達驅動控制系統 100:交流電源 200:上位控制器 300:馬達模組 310:伺服馬達 320:聯軸器 330:機械負載 400、500:驅動模組 410、510:感測模組 420、520:波峰擷取模組 430、530:命令規劃模組 440、540:內部命令暫存器 450、550:抑制器 460、560:控制迴路 511:角度計算模組 512:快速傅立葉轉換模組 551:輸入整形器模組 552:濾波單元 S100~S400、S310~S330、S341、S351~S353:步驟 602:時間延遲 603:二階系統 604、605、606:振盪響應 607、706:加法器 608、609、701~705:公式 :轉子位置訊號 :系統阻尼 :振動角頻率 :振動週期 :抑制器常數 :位置命令 :整形命令 :濾波後的整形命令 :波峰矩陣 :特徵矩陣 :延遲時間位置命令 :位置命令緩存區

第一圖為本發明之伺服馬達驅動控制系統的架構圖。

第二圖為本發明一實施例的伺服馬達驅動控制系統架構圖。

第三圖為本發明驅動模組的訊號方塊示意圖。

第四圖為本發明輸入整形器模組的示意圖。

第五圖為本發明控制方法的第一實施例流程圖。

第六圖為本發明控制方法的第二實施例流程圖。

第七圖為本發明控制方法的第二實施例的運算方塊示意圖。

10:伺服馬達驅動控制系統

100:交流電源

200:上位控制器

300:馬達模組

310:伺服馬達

400:驅動模組

410:感測模組

420:波峰擷取模組

430:命令規劃模組

440:內部命令暫存器

450:抑制器

460:控制迴路

Claims (11)

1. 一種伺服馬達驅動控制系統，包含： 一馬達模組，包含一伺服馬達；以及 一驅動模組，耦接該馬達模組以及外部的一上位控制器與一交流電源，該驅動模組接收該交流電源輸入之交流電，該驅動模組包含： 一內部命令暫存器； 一命令規劃模組，連接該上位控制器與該內部命令暫存器，該命令規劃模組接收該上位控制器或該內部命令暫存器輸出的一位置命令； 一感測模組，連接該馬達模組，感測該伺服馬達的轉動狀態而產生一轉子位置訊號； 一波峰擷取模組，耦接該感測模組，該波峰擷取模組設定一閥值，根據該閥值判斷該轉子位置訊號而擷取出一訊號振盪波峰，並計算出一系統阻尼及一振動角頻率； 一抑制器，耦接該波峰擷取模組和該命令規劃模組，利用該波峰擷取模組得到的該系統阻尼及該振動角頻率，將該位置命令調整為抑制振盪的一整形命令；及 一控制迴路，連接該抑制器，並接收該整形命令，且將該整形命令輸出至該馬達模組，以抑制該馬達模組的振盪。
2. 如請求項1所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該控制迴路根據該整形命令輸出一脈波控制訊號至該馬達模組，抵銷該馬達模組的實際振盪。
3. 如請求項1所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該抑制器更包含一輸入整形器模組，該輸入整形器模組藉由該系統阻尼計算一抑制器常數，且利用該抑制器常數計算出一抑制振幅，以及該輸入整形器模組藉由該振動角頻率計算出一振動週期，且利用該抑制振幅及該振動週期計算得到該整形命令。
4. 如請求項3所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該抑制器更包含一濾波單元，該濾波單元耦接該輸入整形器模組，該濾波單元根據該整形命令計算出一濾波後的整形命令，來抑制該馬達模組的振盪。
5. 如請求項4所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該感測模組包含一角度計算模組，該角度計算模組耦接該馬達模組，且該角度計算模組根據該伺服馬達的轉動狀態計算出該轉子位置訊號，再回授至該控制迴路。
6. 如請求項5所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該波峰擷取模組利用該角度計算模組將該訊號振盪波峰進行振盪波峰衰減比例計算，且藉由判斷過零點來計算出該系統阻尼。
7. 如請求項5所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該感測模組包含一快速傅立葉轉換模組，該快速傅立葉轉換模組連接該角度計算模組，且該快速傅立葉轉換模組根據該伺服馬達的該轉子位置訊號計算出該馬達模組的該振動角頻率。
8. 如請求項1所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該馬達模組具有一聯軸器及一機械負載，該聯軸器耦接該機械負載，該馬達模組根據該內部命令暫存器下達的該位置命令，利用該聯軸器驅動該機械負載運轉。
9. 如請求項1所述之伺服馬達驅動控制系統，其中該命令規劃模組收集該位置命令並進行插補，使該位置命令的軌跡平順。
10. 一種伺服馬達驅動控制系統之控制方法，用於控制一伺服馬達驅動控制系統，該伺服馬達驅動控制系統包含一馬達模組與一驅動模組，該驅動模組接收外部的一上位控制器或一內部命令暫存器下達的一位置命令，該伺服馬達驅動控制系統之控制方法包含下列步驟： a) 藉由該驅動模組的一感測模組感測該馬達模組的一伺服馬達的轉動狀態，而產生一轉子位置訊號； b) 藉由該驅動模組的一波峰擷取模組根據一閥值於該轉子位置訊號上擷取出一訊號振盪波峰，並計算出一系統阻尼及一振動角頻率； c) 利用該驅動模組的一抑制器根據該系統阻尼及該振動角頻率，將該位置命令調整為抑制振盪的一整形命令；以及 d) 利用該驅動模組的該抑制器輸出該整形命令至一控制迴路，以抑制該馬達模組的振盪。
11. 如請求項10所述之控制方法，其中該步驟c)包含下列步驟： c1) 藉由該振動角頻率計算出一振動週期； c2) 藉由該系統阻尼計算出一抑制振幅； c3) 利用該位置命令及該振動週期判別該馬達模組回授與振盪抑制效果，判別當前振盪下是否開啟或關閉該抑制器的一濾波單元； 在關閉濾波單元狀態，則利用該抑制振幅及該振動週期計算得到該整形命令；以及 在開啟濾波單元狀態，則根據該整形命令計算出一濾波後的整形命令，來抑制該馬達模組的振盪。

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