利用逆算模型的馬達速度控制系統和負載慣量估測方法
2023-05-05 00:11:36 1
專利名稱：利用逆算模型的馬達速度控制系統和負載慣量估測方法
技術領域：
本發明涉及一種負載慣量估測技術，特別涉及一種利用逆算模型的馬達速度控制系統和負載慣量估測方法。
背景技術：
在交流伺服模塊中主要包括驅動器和馬達二部分。將伺服馬達裝設於應用的機構上，即可達到定位或控速的需求。因而，在設計交流伺服驅動器時，負載物的轉動慣量(rotor inertia)為設計時的一項重要參數，在達到精準估測此參數的情況下，才能確保交流伺服驅動器在進行運算控制時，能對此參數有一正確數值來作出準確的控制運算。然而，機構的慣量值的大小較難藉由數學計算而求得，需以在線實時估測方法來獲得，才能提供交流伺服驅動器實時了解本身及周遭環境的因素變化。
參照圖1，為傳統馬達速度控制系統，主要由第一合成器110、第一增益控制器120、電流迴路130、第二增益控制器140、第二合成器150和馬達數學模型160依序串聯成一迴路。第一合成器110接收一速度命令ω*和馬達數學模型160反饋的速度信號ω而輸出一誤差信號，此誤差信號再通過第一增益控制器120以輸出第一增益信號，再經由電流迴路130轉換成一電流信號i以輸入至第二增益控制器140，而第二增益控制器140根據此電流信號i產生第二增益信號，接著第二合成器150接收此第二增益信號和一扭矩信號Tl併合成為一合成信號輸入至馬達數學模型160，以控制其的速度。於此，電流信號i會輸出，藉以估測得實際負載慣量。
其中，第一增益控制器120為一比例/積分控制器，其增益值為 第二增益控制器140的增益值為Kt。馬達數學模型160的型式為 其中，Kp、Ki、Kt為三常數值， 代表Ki的積分，Jl為負載慣量，Jls即代表負載慣量的微分，而B為機械阻尼。
於一般設計下，電流迴路頻寬都遠大於速度迴路頻寬，因此電流迴路的影響都會予以忽略；並且負載慣量(Jl)會遠大於機械阻尼(B)，故B值亦可忽略不計。
因而可得一簡化的傳統馬達速度控制系統，如圖2所示，其中馬達數學模型160的型式為 於此，可得到輸出速度信號ω、電流信號i、扭矩信號Tl的關係式如下 公式一Jlddt=ikt+Tl]]>Jld=(iKt+Tl)dt]]>Jl=(iKt+Tl)dtd]]>公式二藉由公式一簡化可得到公式二，並且於取樣系統中，當取樣率為h秒(sec)且從t0至t1，可由公式二得到一負載慣量的關係式如下Jl=h(iKt+Tl)dt1-0]]>公式三由公式三可得知由於其分母為變動值因此取樣點的多寡對負載慣量Jl的估測值影響甚大，以致使負載慣量Jl的估測值變化甚大。
發明內容
鑑於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種利用逆算模型的馬達速度控制系統和負載慣量估測方法，藉以解決先前技術所存在的諸多問題與限制。
本發明所公開的利用逆算模型的馬達速度控制系統和負載慣量估測方法，藉由一逆算模型來逆向推演實質的扭矩輸出。
本發明所公開的利用逆算模型的馬達速度控制系統和負載慣量估測方法，可實現收斂快速且穩態誤差緩動的負載慣量估測。
因此，為達上述目的，本發明所公開的利用逆算模型的負載慣量估測方法，應用於一交流伺服模塊，藉由接收一速度命令和一扭矩信號來估算一負載慣量，包括下列步驟首先，設定如下列的一第一關係式於一實際系統中 接著，設定如下列的一第二關係式於一逆算系統中 然後根據第一關係式和第二關係式得到一第三關係式，如下 當交流伺服模塊的馬達為等速率轉動時，根據第三關係式而得到扭矩信號Tl為-Kti；以及當交流伺服模塊的馬達為加減速率轉動時，根據第三關係式而得到淨扭矩信號 為Tl+Kti。
其中 代表淨扭矩信號；Kt代表增益常數；i、i0分別代表實際系統和逆算系統產生的電流信號；Tl代表扭矩信號；ω、ω0分別代表實際系統和逆算系統產生的速度信號；Jl、J0分別代表負載慣量和單位馬達慣量；電流信號i為實際系統根據速度命令和反饋的速度信號ω而產生；而電流信號i0則逆算系統根據來自實際系統的速度信號ω和反饋的速度信號ω0而產生，並且此速度信號ω大致上相等於速度信號ω0。
此外還包括下列步驟根據第三關係式得到一第四關係式，如下 當速度信號ω的值由ω0增加至ω1時，根據第四關係式累加淨慣量比 以及當速度信號ω的值達到ω1時，根據第四關係式更新淨慣量比 其中，其中η代表負載慣量Jl除以單位馬達慣量J0的一慣量比， 代表一淨慣量比，以及ω1與ω0的差值的絕對值和μ分別為一定值。
於此，逆算系統可設計為一高頻寬迴路。其中，此高頻寬迴路可具有約300Hz的頻寬。
本發明還公開一種利用逆算模式的馬達速度控制系統，應用於一交流伺服模塊，包括一實際系統和一逆算系統於實際系統中包括一第一合成器、一第一增益控制器、一電流迴路、一第二增益控制器、一第二合成器和一馬達數學模型。此六元件依序串聯成一迴路。第一合成器用以接收一輸入速度信號並根據輸入速度信號和反饋的一速度信號產生一誤差信號，第一增益控制器則根據誤差信號產生一第一增益信號，電流迴路再將第一增益信號轉換為相應的一電流信號，第二增益控制器根據電流信號產生一第二增益信號，第二合成器將一扭矩信號與第二增益信號合成為一淨扭矩信號，最後馬達數學模型則根據淨扭矩信號產生一速度信號並反饋至第一合成器。
而於逆算系統中則包括一第三合成器、一第三增益控制器、一電流迴路、一第四增益控制器和一馬達數學模型。此六元件依序串聯成一迴路，並且第三合成器會與實際系統的馬達數學模型相連接。其中，第三合成器會根據實際系統產生的速度信號和反饋的速度信號而產生一誤差信號，第三增益控制器則根據第三合成器產生的誤差信號產生第三增益信號，接著電流迴路再將第三增益信號轉換為相應的電流信號，第四增益控制器根據電流信號產生第四增益信號，最後馬達數學模型根據第四增益信號產生一速度信號並反饋至第三合成器。
其中，利用適應性算法可根據實際系統和逆算系統產生的電流信號估測得淨扭矩信號，進而估測得交流伺服模塊的負載慣量。
再者，實際系統所產生的速度信號大致上相等於逆算系統所產生的速度信號。
此外，實際系統和逆算系統的頻寬遠小於所具有的電流迴路。
於此，第一和第三增益控制器可為比例/積分控制器。
有關本發明的特徵與實作，配合附圖作最佳實施例詳細說明如下。
圖1為說明傳統馬達速度控制系統的概要結構圖；圖2為圖1的簡化系統的概要結構圖；圖3為說明根據本發明的一實施例的利用逆算模式的馬達速度控制系統的概要結構圖；以及圖4為圖3中的系統產生的各個信號的示意圖。
其中，附圖標記說明如下110第一合成器 120第一增益控制器130電流迴路140第二增益控制器 150第二合成器160馬達數學模型210第三合成器 220第三增益控制器240第四增益控制器260馬達數學模型ω*速度命令 ω速度信號 ω0速度信號i電流信號 i0電流信號 Tl扭矩信號
G實際系統 G0逆算系統 淨慣量比具體實施方式
以下舉出具體實施例以詳細說明本發明的內容，並以附圖作為輔助說明。說明中提及的符號參照附圖符號。
本發明主要藉由一逆算系統來逆向推演實質的扭矩輸出，進而以適應性算法估測得實際負載慣量，以達到實時估測且精準控制的目的。
參照圖3，為本發明一實施例的利用逆算模式的馬達速度控制系統，應用於一交流伺服模塊，主要由一實際系統G和一逆算系統G0所組成。
此實際系統G的元件組成和運作大致上與上述的傳統馬達速度控制系統相同，因於此不再重複說明。此實際系統G由第一合成器110、第一增益控制器120、電流迴路(於此電流迴路的影響亦可忽略不計，因未顯示於圖中)、第二增益控制器140、第二合成器150和馬達數學模型160依序串聯成一迴路。其中，第二合成器150將第二增益信號和扭矩信號Tl合成為一淨扭矩信號 此淨扭矩信號 輸入至馬達數學模型160，以控制其的速度，並且馬達數學模型160所產生的速度信號ω除了會反饋至第一合成器110，亦會輸入之至逆算系統G0中。
此逆算系統G0由第三合成器210、第三增益控制器220、第四增益控制器240、電流迴路(於此電流迴路的影響亦可忽略不計，因未顯示於圖中)和馬達數學模型260依序串聯成一迴路。第三合成器210接收來自實際系統G的速度信號ω和馬達數學模型260反饋的速度信號ω0而輸出一誤差信號，此誤差信號再通過第三增益控制器220以輸出第三增益信號，再經由電流迴路230轉換成一電流信號i0以輸入至第四增益控制器240，而第四增益控制器240根據此電流信號i0產生第二增益信號，並輸入至馬達數學模型260中以控制其的速度。於此，電流信號i0會輸出，進而可藉由電流信號i和電流信號i0並利用適應性算法而估測得實際負載慣量。其中，第一和第三增益控制器120、220分別為一比例/積分控制器(P/I controller)。
於此，此逆算系統G0設計為高頻寬(例如300Hz)迴路，且其輸出的速度信號ω0相當近似於實際系統G輸出的速度信號ω，即ω0ω。
於實際系統G中，第一增益控制器120為一比例/積分控制器，其增益值為 第二增益控制器140的增益值為Kt；馬達數學模型160的公式為 而於逆算系統G0中，第三增益控制器220亦為一比例/積分控制器，其增益值為 第四增益控制器240的增益值亦為Kt；馬達數學模型260的公式為 其中，Kp、Kp0、Ki、Ki0、Kt均為常數值； 和 分別表示Ki的積分和Ki0的積分；Jl為負載慣量，Jls表示負載慣量的微分；J0為單位馬達慣量，J0s表示單位馬達慣量的微分；而B亦為機械阻尼且因負載慣量(Jl)和單位馬達慣量(J0)會遠大於機械阻尼(B)，故B值均可忽略不計，故馬達數學模型160的公式則為 且馬達數學模型260的公式為 因而可得到第一和第二關係式如公式四和公式五所示 公式四 公式五其中，由於ω0ω，因此由公式四和公式五可得公式六(即第三關係式)，如下 公式六並且，慣量比η定義為負載慣量除以單位馬達慣量 因此公式六可簡化為公式七(即第三關係式)，如下 公式七其中，當逆算系統G0產生的電流信號i0的絕對值極小時，此時代表馬達處於等速率轉動，因而淨電流 幾乎為零，進而可得到Tl＝-Kti；而當電流信號i0的絕對值夠大時，即代表馬達處於加減速率轉動，也就是淨扭矩信號 已足夠大，且此時輸出的電流信號為i，因此可得 並且，由公式七可導得公式八(即第四關係式)以進行慣量比η的估測，如下 公式八其中，|ω1-ω0|和μ分別為一定值。
當速度ω從ω0變化至ω1時， 即會進行一次更新，然後重新開始進行累加，並反覆於ω增加一定值時，使 進行一次更新，如圖4所示。其中 代表一淨慣量比。
於此，於公式八中已不存在分母的運算，因此於實際運用上，比公知技術有較低的穩態誤差變動性，同時收斂速度也相當快。此外，於此所得的電流信號i0可用以判斷等速或加減速的時機已決定扭矩信號Tl是否更新估測值，因此可得到較正確的扭矩信號Tl進而能準確地估測負載慣量Jl。
雖然本發明以前述的較佳實施例公開如上，然其並非用以限定本發明，任何本領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的權利要求書的範圍為準。
權利要求
1.一種利用逆算模型的負載慣量估測方法，應用於一交流伺服模塊，藉由接收一速度命令和一扭矩信號來估算一負載慣量，包括下列步驟設定如下列的一第一關係式於一實際系統中 其中 代表一淨扭矩信號，Kt代表一增益常數，i代表該實際系統產生的一電流信號，Tl代表該扭矩信號，ω代表該實際系統產生的一速度信號，Jl代表該負載慣量，以及該電流信號i為該實際系統根據該速度命令和反饋的該速度信號ω而產生；設定如下列的一第二關係式於一逆算系統中 其中i0代表該逆算系統產生的一電流信號，Kt代表該增益常數，ω0代表該逆算系統產生的一速度信號，J0代表一單位馬達慣量，以及該電流信號i0是該逆算系統根據來自該實際系統的該速度信號ω和反饋的該速度信號ω0而產生，並且該速度信號ω大致上相等於該速度信號ω0；根據該第一關係式和該第二關係式得到一第三關係式，如下 當該交流伺服模塊的馬達為等速率轉動時，根據該第三關係式而得到該扭矩信號Tl為-Kt:i；以及當該交流伺服模塊的馬達為加減速率轉動時，根據該第三關係式而得到該淨扭矩信號 為Tl+Kt:i。
2.如權利要求1所述的利用逆算模型的負載慣量估測方法，其特徵在於，還包括下列步驟根據該第三關係式得到一第四關係式，如下 其中η代表該負載慣量Jl除以該單位馬達慣量J0的一慣量比， 代表一淨慣量比，以及ω1與ω0的差值的絕對值和μ分別為一定值；當該速度信號ω的值由ω0增加至ω1時，根據該第四關係式累加該淨慣量比 以及當該速度信號ω的值達到ω1時，根據該第四關係式更新該淨慣量比
3.如權利要求1所述的利用逆算模型的負載慣量估測方法，其特徵在於，設計該逆算系統為一高頻寬迴路。
4.如權利要求3所述的利用逆算模型的負載慣量估測方法，其特徵在於設計該高頻寬迴路具有約300Hz的頻寬。
5.一種利用逆算模式的馬達速度控制系統，應用於一交流伺服模塊，包括一實際系統，包括一第一合成器，用以接收一輸入速度信號並根據該輸入速度信號和反饋的一速度信號產生一誤差信號；一第一增益控制器，連接至該第一合成器，以根據該誤差信號產生一第一增益信號；一電流迴路，連接至該第一增益控制器，以將該第一增益信號轉換為相應的一電流信號；一第二增益控制器，連接至該電流迴路，以根據相應該第一增益信號的該電流信號產生一第二增益信號；一第二合成器，連接至該第二增益控制器，以將一扭矩信號與該第二增益信號合成為一淨扭矩信號；以及一馬達數學模型，連接至該第一和第二合成器，以根據該淨扭矩信號產生一速度信號並反饋至該第一合成器；以及一逆算系統，包括一第三合成器，連接至該實際系統的該馬達數學模型，以將該實際系統產生的該速度信號和反饋的一速度信號而產生一誤差信號；一第三增益控制器，連接至該第三合成器，以根據該第三合成器產生的該誤差信號產生一第三增益信號；一電流迴路，連接至該第三增益控制器，以將該第三增益信號轉換為相應的一電流信號；一第四增益控制器，連接至該電流迴路，以根據相應該第三增益信號的該電流信號產生一第四增益信號；以及一馬達數學模型，連接至該第三合成器和該第四增益控制器，以根據該第四增益信號產生一速度信號並反饋至該第三合成器；其中，利用適應性算法可根據該實際系統和該逆算系統產生的該些電流信號估測得該淨扭矩信號，進而估測得該交流伺服模塊的負載慣量。
6.如權利要求5所述的利用逆算模式的馬達速度控制系統，其特徵在於，該實際系統所產生的該速度信號大致上相等於該逆算系統所產生的該速度信號。
7.如權利要求5所述的利用逆算模式的馬達速度控制系統，其特徵在於，該實際系統和該逆算系統的頻寬遠小於所具有的該電流迴路。
8.如權利要求5所述的利用逆算模式的馬達速度控制系統，其特徵在於，該第一和第三增益控制器分別為一比例/積分控制器。
全文摘要
一種利用逆算模型的馬達速度控制系統和負載慣量估測方法，應用於一交流伺服模塊，主要是利用一逆向系統連結於實際系統上，以逆向推演實質的扭矩輸出，於此當實際系統產生的速度信號的值逐漸增加時，會累加淨慣量比；而當實際系統產生的速度信號的值增加到一定值時，則會更新淨慣量比。
文檔編號H02P23/14GK1925310SQ200510096699
公開日2007年3月7日 申請日期2005年8月30日 優先權日2005年8月30日
發明者蔡清雄, 吳家明 申請人:臺達電子工業股份有限公司