專(zhuān)利名稱(chēng)：多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種馬達(dá)速度估測(cè)方法，尤其涉及一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方 法。
背景技術(shù)：
在馬達(dá)死循環(huán)速度控制中，速度估測(cè)是不可或缺的功能。一般在對(duì)馬達(dá)做速度估 測(cè)時(shí)，常使用編碼器來(lái)估測(cè)馬達(dá)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。公知速度估測(cè)算法由于編碼器本身的 位置量化(position quantization)解析不足，所得到的估測(cè)速度很難同時(shí)兼顧平滑性 (smoothness)與實(shí)時(shí)性(real-time)。然而，這兩個(gè)特性是自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上需要同時(shí)必 備的特性，越平滑的速度估測(cè)法越不會(huì)造成運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音與機(jī)臺(tái)的震動(dòng)；具有實(shí)時(shí)性的速度 估測(cè)越能表現(xiàn)原始速度的特性，減少延遲，進(jìn)而提高速度控制性能表現(xiàn)。圖1所示為AC馬達(dá)控制系統(tǒng)的方框圖，通過(guò)測(cè)量馬達(dá)速度的反饋信息，來(lái)控制馬 達(dá)IOa的轉(zhuǎn)速。該公知速度估測(cè)系統(tǒng)20a包括計(jì)數(shù)器22a及速度估測(cè)單元24a。編碼器12a 輸出脈波脈沖信號(hào)以表示測(cè)量到的馬達(dá)位置，計(jì)數(shù)器22a處理該脈波脈沖信號(hào)后得到馬達(dá) 的位置信號(hào)P。速度估測(cè)單元24a處理馬達(dá)位置信號(hào)P，以得到馬達(dá)轉(zhuǎn)速VOT。位置控制單 元40a根據(jù)位置命令Pemd與和來(lái)自計(jì)數(shù)器22a的反饋，計(jì)算出速度命令Vemd ；然后速度控制 單元30a根據(jù)該速度命令Vemd計(jì)算出電流命令i。md輸出至電流控制和與驅(qū)動(dòng)單元50a。該 電流控制與和驅(qū)動(dòng)單元50a根據(jù)該電流命令i。md及馬達(dá)回授反饋電流以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)10a。圖2和3分別說(shuō)明了公知技術(shù)速度估測(cè)單元24a處理的原理及步驟。如圖 2所示，公知的速度估測(cè)單元24a利用單位時(shí)間內(nèi)的位移量來(lái)估算目前的移動(dòng)速度 T"、 P{t)-P{t-T)
V(t)= τκ-其中V(t)為估測(cè)速度，P (t)表示編碼器的反饋位置，T為取樣時(shí)間。
如圖3所示，速度估測(cè)單元24a在每次時(shí)間T的中斷時(shí)(步驟SlOa)，取得計(jì)數(shù)器反饋的數(shù) 值P(t)(步驟S12)。速度估測(cè)單元24a再由計(jì)數(shù)器反饋的數(shù)值P(t)減去前次中斷的位置 P(t-T)(步驟S14)。接著速度估測(cè)單元24a根據(jù)兩次位置的差值及取樣時(shí)間T計(jì)算出初步
估測(cè)速度廠(chǎng)⑴=(步驟S16)。然后將求得的初步估測(cè)速度V經(jīng)由低通濾波器
平滑化后形成最后的速度值步驟S18)。由于編碼器位置的量化誤差(quantization error)，公知技術(shù)存在測(cè)量的跳動(dòng)量 問(wèn)題。假設(shè)編碼器一轉(zhuǎn)的解析為1轉(zhuǎn)產(chǎn)生Nt個(gè)脈沖，速度估測(cè)的取樣頻率為fs Hz，，則發(fā) 生速度不平滑的轉(zhuǎn)速為(60*fs/Nt)RPM的整數(shù)倍。以馬達(dá)轉(zhuǎn)速的測(cè)量為例，假設(shè)取樣時(shí)間T為(6kHz)—1，而編碼器每轉(zhuǎn)的分辨率為 10000脈沖/轉(zhuǎn)，對(duì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速?gòu)腛rpm至500rpm做測(cè)量時(shí)，可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速約為36rpm的倍數(shù)時(shí)，所估測(cè)出的轉(zhuǎn)速其跳動(dòng)量相對(duì)于其它轉(zhuǎn)速會(huì)比較大。即馬達(dá)控制在這些轉(zhuǎn)速時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)有 不平滑的現(xiàn)象。美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)US 20070043528A1公開(kāi)了一種對(duì)多個(gè)取樣周期的測(cè)量速度進(jìn)行平 均的方法，以降低測(cè)量漣波(ripple)問(wèn)題。然而該專(zhuān)利所提供的方式在馬達(dá)高頻率操作時(shí) 會(huì)有相位延遲(phase delay)的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于提供一種兼顧平滑化及高頻響應(yīng)的馬達(dá)速度估測(cè)方法。按照本發(fā)明提供的一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法，根據(jù)編碼器的輸出來(lái)測(cè)量 馬達(dá)的速度估測(cè)值，以將所述速度估測(cè)值傳送至馬達(dá)速度控制單元，該方法包括決定過(guò)取 樣因子M ；讀取所述編碼器的輸出；對(duì)所述編碼器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)；根據(jù)所述過(guò)取樣因子M 及額定速度控制取樣fs，對(duì)于所述編碼器的輸出做過(guò)取樣；及對(duì)多個(gè)過(guò)取樣結(jié)果做平均處 理，以得到初始速度估測(cè)值。按照本發(fā)明提供的另一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法，根據(jù)編碼器的輸出來(lái)測(cè) 量馬達(dá)的速度估測(cè)值，以將所述速度估測(cè)值傳送至馬達(dá)速度控制器，該方法包括決定第一 過(guò)取樣因子Ml及第二過(guò)取樣因子M2 ；讀取所述編碼器的輸出；對(duì)所述編碼器的輸出進(jìn)行計(jì) 數(shù)；根據(jù)所述第一過(guò)取樣因子Ml及額定速度控制取樣，對(duì)于所述編碼器的輸出做過(guò)取樣， 及對(duì)多個(gè)過(guò)取樣結(jié)果做平均處理，以得到第一初始速度估測(cè)值Vl ；根據(jù)所述第二過(guò)取樣因 子M2及額定速度控制取樣，對(duì)于所述編碼器的輸出做過(guò)取樣，及對(duì)多個(gè)過(guò)取樣結(jié)果做平均 處理，以得到第二初始速度估測(cè)值V2 ；計(jì)算所述第一初始速度估測(cè)值Vl和所述第二初始速 度估測(cè)值V2的平均值Vavg ；根據(jù)所述平均值Vavg，判斷使用所述初始速度估測(cè)值Vl還是所 述第二初始速度估測(cè)值V2。按照本發(fā)明提供的馬達(dá)速度估測(cè)方法，不僅能兼顧平滑化及高頻響應(yīng)的實(shí)時(shí)性， 而且可大幅改善馬達(dá)轉(zhuǎn)速測(cè)量時(shí)的跳動(dòng)問(wèn)題。


圖1為AC馬達(dá)控制系統(tǒng)的方框圖；圖2示出了公知技術(shù)速度估測(cè)單元處理的原理；圖3示出了公知技術(shù)速度估測(cè)單元處理的步驟；圖4為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)該多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法的方框 圖；圖5為本發(fā)明與公知技術(shù)取樣方式的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法的流程圖；圖7為本發(fā)明的方法與上述專(zhuān)利在平均數(shù)同為8與16時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)相位圖。圖8A至8C為根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施方案的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法流程 圖。主要組件符號(hào)說(shuō)明公知技術(shù)馬達(dá)IOa 編碼器12a
計(jì)數(shù)器22a
速度控制單元30a
電流控制與驅(qū)動(dòng)單元50a
本發(fā)明
脈沖型編碼器12
脈沖計(jì)數(shù)器22
位移量平均單元26
速度控制單元30
速度估測(cè)單元24a 位置控制單元40a
多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)裝置20 過(guò)取樣單元24
低通濾波器28
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖4，其為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)該多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法 的方框圖。本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)裝置20連接于脈沖型編碼器12及速度控制 單元30之間，以處理來(lái)自脈沖型編碼器12傳來(lái)的馬達(dá)位置信息，并估計(jì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而輸 出估測(cè)速度至速度控制單元30。該多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)裝置20主要包括脈沖計(jì)數(shù)器22、過(guò)取樣單元24、位移 量平均單元26及低通濾波器28。脈沖計(jì)數(shù)器22將編碼器的脈沖數(shù)作累加計(jì)數(shù)，其功能與公知的計(jì)數(shù)器并無(wú)差異。 過(guò)取樣單元24為離散時(shí)間的脈沖數(shù)取樣裝置，其取樣率為額定速度控制取樣(rated speed sampling)的M倍。假設(shè)原本額定速度控制取樣為fs Hz，對(duì)應(yīng)取樣周期為T(mén) = 1/fs (Sec)。 根據(jù)本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)法則，過(guò)取樣單元24所對(duì)應(yīng)的取樣頻率為M*fs Hz，其取樣時(shí)間為T(mén)s = l/(M*fs)Sec，其中M為一個(gè)過(guò)取樣因子(over-sampling factor), 其為大于1的整數(shù)。位移量平均單元26將得到M組位移量經(jīng)過(guò)平均處理，再除以取樣周期 時(shí)間Τ，則可以得到初步估測(cè)速度值V(t)。低通濾波器28對(duì)位移量平均單元26的初步速 度估測(cè)值V(t)做低通濾波處理，以得到最終速度估測(cè)值，最終速度估測(cè)值可用于速度死循 環(huán)控制。為更進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法，以過(guò)取樣因子M = 4為 例，其取樣方式如圖5所示。將圖5取樣得到的4組位移量經(jīng)過(guò)平均處理，再除以取樣周期 時(shí)間T，則可以得到初步速度估測(cè)值V (t)，V(t)表示法可寫(xiě)為下式，
‘P{t)-P{t--T) P(t--T)-P{t--T) P{t--T)-P{t--T) P(t-^T)-P(t-lnV(t)=——+ ^^~^ + ^+/4
V)當(dāng)過(guò)取樣頻率為額定速度控制取樣的M倍，其通式為= to Μ' “ M__
MT將位移量平均單元計(jì)算出的初步速度估測(cè)值再通過(guò)一個(gè)低通濾波器的濾波，最后 輸出一個(gè)最終速度估測(cè)值，該最終速度估測(cè)值可用于馬達(dá)速度死循環(huán)控制。參見(jiàn)圖6，其為根據(jù)本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法的流程圖。首先決定一 個(gè)過(guò)取樣因子M(步驟S20)，接著讀取編碼器的輸出(步驟S22)及對(duì)于編碼器的輸出做計(jì)數(shù)(步驟S24)。根據(jù)過(guò)取樣因子M對(duì)于編碼器的輸出位置信息做過(guò)取樣(步驟S26)，并對(duì) 多個(gè)過(guò)取樣結(jié)果做平均處理(步驟S28)，以得到初步速度估測(cè)值。最后對(duì)該初步速度估測(cè) 值做低通濾波處理(步驟S29)，以得到最終速度估測(cè)值。與公知技術(shù)(美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)20070043528A1)相比較，本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速 度估測(cè)方法加大過(guò)取樣因子M時(shí)，不會(huì)形成上述專(zhuān)利速度估測(cè)值與實(shí)際速度的明顯延遲。 而且，本方法使用固定的平均數(shù)(過(guò)取樣因子M)，不隨轉(zhuǎn)速變動(dòng)，其作用在于平均過(guò)取樣得 到的多點(diǎn)位移。上述專(zhuān)利方法隨轉(zhuǎn)速變動(dòng)平均數(shù)來(lái)達(dá)到消除編碼器的位置偏差，因而上述 專(zhuān)利因?yàn)樗俣裙罍y(cè)值的延遲也無(wú)法應(yīng)用于本專(zhuān)利的高速度的伺服控制。圖7為本發(fā)明的方法與上述專(zhuān)利在平均數(shù)同為8與16時(shí)的系統(tǒng)響應(yīng)相位圖，從 此圖可明顯看出本方法在增加平均數(shù)改善速度估測(cè)的平滑度的同時(shí)，并不會(huì)額外造成信號(hào) 的時(shí)間延遲。換言之，本方法同時(shí)兼顧平滑性與高頻響應(yīng)的性能需求。而且，本發(fā)明的速 度算法可提高速度的平滑性，平均數(shù)愈大，平滑的效果愈好。同時(shí)，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)原本在轉(zhuǎn)速 (60Xfs/Nt)RPM發(fā)生速度不平滑，在新的算法只發(fā)生在(60XfdXM/Nt)RPM。當(dāng)過(guò)取樣頻率 愈高使得平均數(shù)M愈大，發(fā)生不平滑的轉(zhuǎn)速愈高，當(dāng)不平滑的轉(zhuǎn)速比最高操作速度更高時(shí)， 即可避開(kāi)所有的速度不平滑的操作點(diǎn)。參見(jiàn)圖8A至8C，其分別為根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施方案的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度 估測(cè)方法。該方法主要更有效地降低在漣波轉(zhuǎn)速fr= (M/Nt)X60Xfs RPM發(fā)生速度不連 續(xù)。該實(shí)施方案利用兩個(gè)不同過(guò)取樣因子(M值)的多點(diǎn)平滑的速度估測(cè)結(jié)果Vmi與Vm2，其 中虬興112，如果將兩個(gè)M值不同的速度估測(cè)結(jié)合，則將會(huì)在frX饑與禮的最小公倍數(shù))上 的轉(zhuǎn)速才會(huì)出現(xiàn)估測(cè)跳動(dòng)的現(xiàn)象。假設(shè)取樣時(shí)間T為(6kHz)—1，而編碼器每轉(zhuǎn)的分辨率為 10000脈沖/轉(zhuǎn)，則漣波轉(zhuǎn)速fr約為36rpm的倍數(shù)。以下根據(jù)該思路來(lái)改善多點(diǎn)平滑，并將之稱(chēng)為合成式多點(diǎn)平滑方法(composite multiple-point smoothing method for motor-speed estimation)。以 M1 = 8 與 M2 = 9
為例，合成式多點(diǎn)平滑方法的計(jì)算方法如下 其中Vmi與Vm2分別代表M = 8與M = 9時(shí)所得到的速度估測(cè)數(shù)值、而Vmi M2 avg代 表Vmi與VM2的平均值，假如
其中N為整數(shù)，則使用M = 9時(shí)所得到的
速度估測(cè)數(shù)值Vm2，而VM1—avg為其它值時(shí)，則使用M = 8時(shí)所得到的速度估測(cè)數(shù)值VM1。利用多點(diǎn)平滑估測(cè)合成方法來(lái)估測(cè)速度的流程圖如8A至8C所示，將原本的運(yùn)算中斷時(shí)間T分為M1與M2等分，在每次f與f的中斷時(shí)，取得計(jì)數(shù)器的數(shù)值P，再利用P值
得到P (1-Ζ_Μ1)、P (l-z-"2)，求得VM1、Vm2 (步驟S42，并一并參見(jiàn)圖8B及圖8C的說(shuō)明)。在T 的中斷時(shí)，利用Vmi與Vm2的平均值VM1—avg(計(jì)算于步驟S44)來(lái)判斷要使用Vmi或Vm2來(lái)當(dāng) 作低通濾波的輸入信號(hào)(步驟S46)，最后所選擇的信號(hào)由低通濾波處理后得到Vut給中斷 時(shí)間為T(mén)的控制回路使用(步驟S48)。根據(jù)發(fā)明人的模擬發(fā)現(xiàn)假設(shè)M = 8時(shí)，速度在36X8 = 288rpm上仍然有跳動(dòng)的 現(xiàn)象，而在M = 9時(shí)，是在36X9 = 324rpm上有跳動(dòng)的現(xiàn)象。為了改善這個(gè)現(xiàn)象，利用合成 式多點(diǎn)平滑方法來(lái)估測(cè)速度后，則可發(fā)現(xiàn)速度估測(cè)在這兩個(gè)轉(zhuǎn)速(288rpm與324rpm)上的 跳動(dòng)均獲得了改善。雖然加大M值也有如上述的效果，但是以一個(gè)3000rpm為最高速的系統(tǒng)為例，如果 單純利用多點(diǎn)平滑要改善所有36倍數(shù)轉(zhuǎn)速上的跳動(dòng)現(xiàn)象，則需要將M值加大至84(84X36 > 3000)以上。而使用多點(diǎn)平滑的合成，則只要利用M = 9與M= 10，便可以達(dá)到要求(9 與10的最小公倍數(shù))X36 = 90X36 > 3000。因此可以看出取兩個(gè)互質(zhì)的整數(shù)來(lái)作合成式 多點(diǎn)平滑方法，可以更有效的改善跳動(dòng)問(wèn)題?？偠灾?，本發(fā)明的技術(shù)特征與優(yōu)點(diǎn)敘述如下本發(fā)明的技術(shù)特征為使用過(guò)取樣(over-sampling)裝置，其取樣頻率高于速度控 制的取樣頻率。而且，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為產(chǎn)生平滑的速度估測(cè)值，又不會(huì)造成速度估測(cè)值 與真實(shí)速度間過(guò)多的時(shí)間延遲。上述實(shí)施例僅供說(shuō)明本發(fā)明之用，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不 脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，所做出的各種等效結(jié)構(gòu)變化皆在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。 本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法，根據(jù)編碼器的輸出來(lái)測(cè)量馬達(dá)的速度估測(cè)值，以將所述速度估測(cè)值傳送至馬達(dá)速度控制器，該方法包括決定第一過(guò)取樣因子M1及第二過(guò)取樣因子M2；讀取所述編碼器的輸出；對(duì)所述編碼器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)；根據(jù)所述第一過(guò)取樣因子M1及額定速度控制取樣，對(duì)于所述編碼器的輸出做過(guò)取樣，及對(duì)多個(gè)過(guò)取樣結(jié)果做平均處理，以得到第一初始速度估測(cè)值V1；根據(jù)所述第二過(guò)取樣因子M2及額定速度控制取樣，對(duì)于所述編碼器的輸出做過(guò)取樣，及對(duì)多個(gè)過(guò)取樣結(jié)果做平均處理，以得到第二初始速度估測(cè)值V2；計(jì)算所述第一初始速度估測(cè)值V1和所述第二初始速度估測(cè)值V2的平均值Vavg；根據(jù)所述平均值Vavg，判斷使用所述初始速度估測(cè)值V1還是所述第二初始速度估測(cè)值V2。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，判斷使用所述第一初始速度估測(cè)值Vl或所述第 二初始速度估測(cè)值V2的步驟，是根據(jù)下式進(jìn)行判斷如果/XSTV-Dct/i^^ + i)其中，N為整數(shù)，則使用第二初始速度估測(cè)值V2，否則使用第一初始速度估測(cè)值Vl ；上式中fr為漣波轉(zhuǎn)速fr = (60 X fs/Nt) RPM，其中， 假設(shè)編碼器的解析為1轉(zhuǎn)產(chǎn)生Nt個(gè)脈沖，且fs爲(wèi)額定速度控制取樣。
3.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，Ml及M2為互質(zhì)的整數(shù)。
4.如權(quán)利要求1的方法，還包括對(duì)所述第一初始速度估測(cè)值Vl和所述第二初始速度估測(cè)值V2做低通濾波處理，以得 到最終速度估測(cè)值。
全文摘要
一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測(cè)方法，主要根據(jù)過(guò)取樣因子M對(duì)于編碼器的輸出做過(guò)取樣，接著對(duì)多個(gè)過(guò)取樣結(jié)果做平均處理，以得到初步速度估測(cè)值。最后對(duì)初步速度估測(cè)值做低通濾波處理，以得到最終速度估測(cè)值，該最終速度估測(cè)值送至速度控制器，以控制馬達(dá)速度。另外，本發(fā)明也可利用兩個(gè)過(guò)取樣因子分別進(jìn)行過(guò)取樣處理，再根據(jù)兩個(gè)過(guò)取樣因子所得結(jié)果的平均值，而選擇性地使用兩個(gè)過(guò)取樣因子所得結(jié)果之一。本發(fā)明的方法可以大幅改善馬達(dá)轉(zhuǎn)速在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)量的跳動(dòng)問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01P3/481GK101907632SQ20101024305
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者吳家明, 王東海, 陳博銘 申請(qǐng)人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司