直流電機的低速驅動控制裝置及其控制方法
2023-12-11 04:53:22 1
專利名稱：直流電機的低速驅動控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種控制DC電機的低速驅動的設備和方法。更具體地講，本發明涉及一種能夠使用低解析度編碼器提供減小的速度紋波的控制DC電機的低速驅動的設備和方法。
背景技術：
圖1是傳統的DC電機驅動設備的框圖。圖2A和圖2B示出傳統的DC電機驅動設備的結構。
參照圖1，廣泛認可使用比例加積分加微分(PID)控制器10來控制DC電機20。PID控制器10接收DC電機20的當前速度的反饋，並根據當前速度和基準速度之間的差來控制DC電機20的速度。
參照圖2A，將簡要解釋傳統的DC電機驅動設備的結構。如所示出的，編碼器30連接至DC電機20的旋轉軸22，從而通過編碼器30通知DC電機20的速度和位置。因此，通過構造反饋關於DC電機20的速度和位置的信息的閉環，可控制DC電機20的速度。
通常認可PID控制器10以低於2ms的時間間隔控制DC電機20。僅當在2ms的控制周期期間關於DC電機20的速度和位置的信息變化至少一次時，速度控制才可行。
因此，尤其當低速驅動DC電機20時，需要高解析度編碼器30，以使得編碼器30的信息在2ms周期內改變。「高解析度」指的是在2ms的控制周期期間編碼器30的速度和位置信息的一次或多次變化。
圖2B示出高解析度編碼器30的示例。如所示出的，沿著編碼器30的輪32形成多個狹縫34。隨著狹縫34的數量的增加，PID控制器10可以以更高的精度控制DC電機20。然而，由於高解析度編碼器30通常比較昂貴，所以產生了問題。
因此，儘管通過使用高解析度編碼器30可提高對DC電機20的速度控制的精度，但是還存在價格增加的缺點。然而，當低解析度編碼器應用於DC電機驅動設備時，出現嚴重的速度紋波。
對於具有與DC電機20的旋轉軸22連接的300計數每解析度(CPR)輪的雙通道編碼器30，速度控制最高可以到(13004)2ms60=20rpm.]]>此外，對於具有30 CPR輪32的雙通道編碼器30，速度控制最高可以到(13004)2ms60=200rpm.]]>因此，需要一種使用具有30 CPR輪32的編碼器30以低於200rpm的速度控制DC電機20的改進的系統和方法。
發明內容
本發明示例性實施例的一方面在於至少解決以上問題和/或缺點並至少提供下述優點。因此，本發明示例性實施例的一方面在於提供一種在DC電機中使用的控制器，所述DC電機以低速被驅動從而在控制周期期間編碼器的位置信息的計數不增加，所述控制器能夠以減小的速度紋波驅動DC電機，而不需要增加編碼器的解析度。
當提供一種DC電機的低速驅動控制裝置時，實現以上方面。所述低速驅動控制裝置包括第一速度控制器，根據控制周期接收DC電機的當前速度的反饋，並相應地控制DC電機的速度；第二速度控制器，根據電壓表控制DC電機的速度；和切換控制器，根據與DC電機連接的編碼器的位置改變在第一速度控制器和第二速度控制器之間進行切換。
在示例性的實現中，第一速度控制器是比例加積分加微分(PID)控制器。
在另一示例性的實現中，切換控制器根據控制周期檢查編碼器的位置改變，當編碼器的位置改變時，切換控制器將第一速度控制器與DC電機連接，當編碼器的位置沒有改變時，切換控制器將第二速度控制器與DC電機連接。
在另一示例性的實現中，電壓表包括根據每個目標速度的固定位置計數的DC電機的速度。
在另一示例性的實現中，當根據編碼器的位置改變獲得的編碼器位置信息的計數沒有改變時，切換控制器在每個控制周期從初始值「0」開始增加固定位置計數，而當編碼器位置信息的計數改變時，切換控制器初始化固定位置計數。
在另一示例性的實現中，當通過切換控制器連接至DC電機時，第二速度控制器從電壓表中提取對應於固定位置計數的電壓，並相應地控制DC電機的速度。
在另一示例性的實現中，第二速度控制器根據Vb＝Vprev+Vcons確定控制DC電機的電壓Vb，其中，Vprev是DC電機的先前電壓，Vcons是從電壓表中提取的電壓。
通過提供一種DC電機的低速驅動控制方法也實現以上方面，該方法根據控制周期接收DC電機的當前速度的反饋，並相應地控制DC電機的速度。根據控制周期確定是否存在與DC電機連接的編碼器的任何位置改變，當存在編碼器的位置改變時，進行切換以便接收當前速度的反饋以控制DC電機的速度，而當不存在編碼器的位置改變時，根據電壓表控制DC電機的速度。
電壓表包括根據每個目標速度的固定位置計數的DC電機的速度。
在切換期間，當根據編碼器的位置改變獲得的編碼器位置信息的計數沒有改變時，在每個控制周期從初始值「0」開始增加固定位置計數，而當編碼器位置信息的計數改變時，初始化固定位置計數。
在切換期間，當不存在編碼器的位置改變時，從電壓表中提取對應於固定位置計數的電壓以控制DC電機的速度。
在切換期間，根據Vb＝Vprev+Vcons確定控制DC電機的電壓Vb，其中，Vprev是DC電機的先前電壓，Vcons是從電壓表中提取的電壓。
本領域技術人員從下面結合附圖公開了本發明示例性實施例的詳細描述中將清楚本發明的其它目的、優點和顯著特徵。
通過下面參照附圖進行的描述，本發明特定示例性實施例的上述和其它目的、特點和優點將會變得更加清楚，其中圖1是傳統的DC電機驅動設備的框圖；圖2A和圖2B是示出傳統的DC電機驅動設備的結構的示圖；圖3A和圖3B是示出根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的結構的示圖；圖4是根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的框圖；圖5是解釋根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的操作的示圖；圖6A和圖6B是解釋根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的性能的示圖；和圖7是解釋根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制方法的流程圖。
貫穿附圖，相同的附圖標號將被理解為表示相同的元件、特點和結構。
具體實施例方式
提供描述中定義的諸如詳細的結構和元件的內容以幫助全面理解本發明的示例性實施例。因此，本領域普通技術人員應該理解，在不脫離本發明的範圍和精神的情況下，可對這裡描述的實施例進行各種改變和修改。此外，為了清楚和簡明，略去了對公知的功能和結構的描述。
圖3A和圖3B是示出根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的結構的示圖。
參照圖3A，將詳細解釋根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的結構。
DC電機100和編碼器200被固定到固定部件300。編碼器200的一端與固定部件300連接，編碼器200的近似中間部分與DC電機100的旋轉軸110的一端連接。
圖3B是示出編碼器200的示例的截面圖。例如，作為示例，圖3B示出低解析度編碼器200。與圖2B所示的高解析度編碼器30相比，圖3B的編碼器200沿輪210形成的狹縫220的數量相對較少。
由於可以以低於高解析度編碼器30的價格獲得根據本發明示例性實施例的低解析度編碼器200，所以可降低DC電機的低速驅動控制裝置的價格。
圖4是根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的框圖。
參照圖4，根據本發明示例性實施例的低速驅動控制裝置可包括第一速度控制器500、第二速度控制器600、切換控制器400和DC電機100。
響應於速度命令，第一速度控制器500根據預定的控制周期接收DC電機100的當前速度的反饋，並相應地控制DC電機100的速度。所述預定的控制周期可以是2ms。
第一速度控制器500可以是在通常的DC電機驅動裝置中廣泛使用的比例加積分加微分(PID)控制器。
第一速度控制器500在每個控制周期中接收DC電機的當前速度的反饋，通過將基準速度和當前速度之間的誤差信號乘以適當的比例常數增益(KP)來產生第一控制信號，通過將所述誤差信號的積分乘以適當的比例常數增益(KI)來產生第二控制信號，並通過將所述誤差信號的微分乘以適當的比例常數增益(KD)來產生第三控制信號。
然後，第一速度控制器500將所述控制信號彼此並行結合以確定將施加給DC電機100的電壓Va。這可以表達為[數學表達式1]Va＝(KP×speed error)+(KI×error int egral)+(KD×error defferential)第一速度控制器500根據通過數學表達式1獲得的電壓Va來控制DC電機100的速度，並將DC電機100的先前電壓Vprev改變為當前電壓Va。這可以表達為[數學表達式2]Vprev＝Va以上解釋的PID控制器通常用於控制DC電機100的速度，但是當低速驅動DC電機100時，PID控制器不能實現最優的速度紋波。
當具有32 CPR輪210的編碼器200連接至DC電機100的旋轉軸110並且當使用雙通道編碼器200時，在DC電機100的一個旋轉中增加編碼器位置信息的128個計數。隨著編碼器200的位置的變化，編碼器位置信息的計數自動增加。由於這在現有技術中是公知的，所以為了清楚和簡明，略去其解釋。
由於DC電機100的控制周期為2ms，所以為了反饋速度信息，位置信息的計數必須至少增加1。因此，由於在2ms內發生1/128旋轉，所以可將速度控制到(1/128 rotation)/2ms＝3.9rps＝234rpm。
由於使用通常的PID控制器會發生嚴重的速度紋波，所以為了以低於234rpm的速度和最優的速度紋波驅動DC電機100，如果第一速度控制器500不能控制DC電機100，那麼第二速度控制器600可控制DC電機100。
第二速度控制器600根據電壓表來控制DC電機100的速度。可基於關於各個目標速度在固定位置計數中的增加或減少的實驗數據來構造電壓表。也就是說，當DC電機100在正向方向上旋轉時，電壓表具有增加常數，而當DC電機100在反向方向上旋轉時，電壓表具有減少常數。電壓表可以以查詢表的形式預先存儲在存儲器(未示出)中。
固定位置計數可被最初設置為「0」，當編碼器位置信息的計數沒有改變時，固定位置計數增加，而當編碼器位置信息的計數改變時，固定位置計數被初始化。
下面的表1示出用於DC電機100的控制的第二速度控制器600使用的電壓表的一部分。
表1
當第二速度控制器600經下面解釋的切換控制器400與DC電機100連接時，第二速度控制器600從電壓表中提取對應於當前固定位置計數的計數，並相應地控制DC電機100的速度。
第二速度控制器600確定將提供給DC電機100的電壓Vb，以根據下面的數學表達式3來控制DC電機100的速度[數學表達式3]Vb＝Vprev+Vcons其中，Vprev是DC電機100的先前電壓，Vcons是第二速度控制器從電壓表中提取的電壓。
然後，第二速度控制器600根據通過數學表達式3獲得的電壓Vb來控制DC電機100的速度，並將DC電機100的先前電壓Vprev改變為當前確定的電壓Vb。這可表達為如下[數學表達式4]Vprev＝Vb切換控制器400根據與DC電機100連接的編碼器200的位置的改變進行切換，以使得第一速度控制器500和第二速度控制器600之一可控制DC電機100。
切換控制器400在每個控制周期確定編碼器200是否改變位置。當編碼器200的位置改變時，切換控制器400切換以將第一速度控制器500連接至DC電機100，而當編碼器200的位置沒有改變時，切換控制器400將第二速度控制器600連接至DC電機100。
更具體地講，當DC電機100通過切換控制器400與第一速度控制器500連接時，DC電機100由通過第一速度控制器500獲得的電壓Va驅動，而當DC電機100與第二速度控制器600連接時，DC電機100由通過第二速度控制器600獲得的電壓Vb驅動。
當在每個控制周期中編碼器位置信息的計數沒有改變時，切換控制器400將固定位置計數從初始值「0」增加「1」，而當編碼器位置信息的計數改變時，切換控制器400將當前固定位置計數初始化為「0」。
因此，第二速度控制器600能夠基於在每個控制周期中變化的固定位置計數來確定控制DC電機100的電壓。
DC電機100由通過與切換控制器400連接的第一速度控制器500和第二速度控制器600之一獲得的電壓V驅動。DC電機100根據控制周期反饋當前速度。
圖5示出根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的操作。
參照圖5，將解釋使用DC電機的低速驅動控制裝置的示例。當以57rpm的速度在正向方向上驅動DC電機100時，如圖5所示，雙通道編碼器200具有編碼器脈衝。
切換控制器400可基於每個控制周期(即，2ms、4ms、6ms、8ms、10ms等)中編碼器位置信息的計數來檢查編碼器200的位置改變。編碼器位置信息的計數從初始值「1」開始，在編碼器脈衝從「低」變為「高」的時刻4ms增加到「2」，並在編碼器脈衝被識別為從「低」變為「高」的時刻14ms增加到「3」。
切換控制器400可基於編碼器位置信息的計數對固定位置計數進行計數。如所示出的，固定位置計數在編碼器位置信息的計數從「1」增加到「2」的時刻4ms從初始值「0」開始，在隨後的控制周期6ms、8ms、10ms和12ms連續增加「1」，然後，固定位置計數在編碼器位置信息的計數從「2」增加到「3」的時刻14ms被初始化為「0」。在時刻16ms之後固定位置計數再次增加「1」，直到編碼器位置信息的計數改變。
由於在時刻4ms編碼器位置信息的計數改變，所以切換控制器400被切換，以使得第一速度控制器500控制DC電機100。第一速度控制器500可通過數學表達式1計算提供給DC電機100的電壓V。第一速度控制器500計算的電壓Va可被存儲為DC電機100的先前電壓Vprev。
由於在時刻6ms編碼器位置信息的計數沒有改變，所以切換控制器400切換，以使得第二速度控制器600控制DC電機100。第二速度控制器600可通過數學表達式3計算最終提供給DC電機100的電壓V。
例如，由於在時刻6ms固定位置計數為「1」，所以從表1的電壓表中提取Vcons＝+1400mV。結果，在時刻6ms，電壓V＝Vb＝Vprev+1400mV被提供給DC電機100。第二速度控制器600計算的電壓Vb可被存儲為DC電機100的先前電壓Vprev。
由於在時刻8ms編碼器位置信息的計數還沒有改變，所以切換控制器400切換，以使得第二速度控制器600繼續控制DC電機100。固定位置計數為「2」，從電壓表1中提取Vcons+150mV，電壓V＝Vprev+150mV最終被提供給DC電機100。
由於分別在時刻10ms和12ms編碼器位置信息的計數沒有改變，所以切換控制器400切換，以使得第二速度控制器600繼續控制DC電機100，第二速度控制器600以以上解釋的方式確定將提供給DC電機100的電壓V。
在時刻14ms編碼器位置信息的計數改變。因此，切換切換控制器400切換，以使得第一速度控制器500現在控制DC電機100。如以上所解釋的，在每個控制周期中根據切換控制器400的操作，由第一速度控制器200和第二速度控制器300之一確定將提供給DC電機100的電壓。
圖6A和圖6B是示出根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制裝置的性能的示圖。
當切換控制器400在每個控制周期以2ms的間隔控制DC電機100的速度根據編碼器200的位置改變而變化時，出現如圖6A所示的速度紋波。
如果在傳統的DC電機驅動設備中採用如圖1所示的低解析度編碼器200，那麼如圖6B所示出現嚴重的速度紋波。
然而，通過根據編碼器200的位置改變選擇性地在第一速度控制器500和第二速度控制器600之間進行切換以控制DC電機100的驅動，與傳統PID控制相比，本發明的示例性實施例提供改善的速度紋波。
圖7是示出根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制方法的流程圖。
將參照圖1至圖7來解釋根據本發明示例性實施例的DC電機的低速驅動控制方法。
在步驟S500，DC電機100由電壓初始值驅動，在步驟S510，切換控制器400通過基於根據編碼器200的位置改變獲得的編碼器位置信息的計數對固定位置進行計數，以2ms為時間間隔檢查與DC電機100連接的編碼器200的位置是否存在任何改變。
當在步驟S520-Y確定編碼器200的位置改變時，切換控制器400將DC電機100與第一速度控制器500連接。因此，在步驟S530，DC電機100反饋其當前速度，在步驟S540，第一速度控制器500基於DC電機100的當前速度確定將提供給DC電機100的電壓。
當在步驟S520-N切換控制器400確定編碼器200的位置沒有改變時，DC電機100與第二速度控制器600連接。因此，在步驟S550，第二速度控制器600使用DC電機100的先前電壓和當前固定位置計數，基於從電壓表中提取的電壓來確定將提供給DC電機100的電壓。
在步驟S560，DC電機100由第一速度控制器500和第二速度控制器600之一確定的電壓驅動，該操作以2ms的時間間隔重複。
如以上解釋的，根據本發明的示例性實施例，當在控制周期中以不引起編碼器位置信息的計數增加的低速驅動DC電機時，通過基於編碼器200的位置改變選擇性地進行切換來控制DC電機100，以使得可以以減小的速度紋波驅動DC電機100，而不用增加編碼器200的解析度。由於使用低解析度編碼器，所以可提供具有經濟節約的價格的高質量的驅動。
儘管參照本發明的特定示例性實施例顯示和描述了本發明，但是本領域的技術人員應該理解，在不脫離如權利要求及其等同物所限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對其進行形式和細節上的各種改變。
權利要求
1.一種DC電機的低速驅動控制裝置，包括編碼器，連接至DC電機；第一速度控制器，在控制周期中接收DC電機的當前速度，並控制DC電機的速度；第二速度控制器，根據電壓表控制DC電機的速度；和切換控制器，根據編碼器的位置改變在第一速度控制器和第二速度控制器之間進行切換。
2.如權利要求1所述的低速驅動控制裝置，其中，第一速度控制器包括PID控制器。
3.如權利要求1所述的低速驅動控制裝置，其中，切換控制器根據控制周期確定編碼器的位置改變，當發生位置改變時，將第一速度控制器與DC電機連接，當沒有發生位置改變時，將第二速度控制器與DC電機連接。
4.如權利要求1所述的低速驅動控制裝置，其中，電壓表包括根據每個目標速度的固定位置計數的DC電機的速度。
5.如權利要求4所述的低速驅動控制裝置，其中，當根據編碼器的位置改變獲得的編碼器位置信息的計數沒有改變時，切換控制器在每個控制周期從初始值「0」開始增加固定位置計數，當編碼器位置信息的計數改變時，切換控制器初始化固定位置計數。
6.如權利要求5所述的低速驅動控制裝置，其中，當通過切換控制器連接至DC電機時，第二速度控制器從電壓表中提取對應於固定位置計數的電壓，並相應地控制DC電機的速度。
7.如權利要求6所述的低速驅動控制裝置，其中，第二速度控制器根據Vb＝Vprev+Vcons確定控制DC電機的電壓Vb，其中，Vprev是DC電機的先前電壓，Vcons是從電壓表中提取的電壓。
8.一種DC電機的低速驅動控制方法，該控制方法包括根據控制周期確定與DC電機連接的編碼器的位置改變的發生；和如果發生位置改變，那麼切換為接收當前速度的反饋以控制DC電機的速度，如果沒有發生位置改變，那麼根據電壓表控制DC電機的速度。
9.如權利要求8所述的低速驅動控制方法，其中，電壓表包括根據每個目標速度的固定位置計數的DC電機的速度。
10.如權利要求9所述的低速驅動控制方法，其中，切換包括當根據編碼器的位置改變獲得的編碼器位置信息的計數沒有改變時，在每個控制周期從初始值「0」開始增加固定位置計數，當編碼器位置信息的計數改變時，初始化固定位置計數。
11.如權利要求10所述的低速驅動控制方法，其中，切換包括當不存在編碼器的位置改變時，從電壓表中提取對應於固定位置計數的電壓以控制DC電機的速度。
12.如權利要求11所述的低速驅動控制方法，其中，切換包括根據Vb＝Vprev+Vcons確定控制DC電機的電壓Vb，其中，Vprev是DC電機的先前電壓，Vcons是從電壓表中提取的電壓。
13.一種DC電機的低速驅動控制方法，該控制方法包括根據控制周期接收DC電機的當前速度的反饋，並相應地控制DC電機的速度；根據電壓表控制DC電機的速度；根據控制周期確定與DC電機連接的編碼器的位置改變的發生；和如果發生位置改變，那麼切換為接收當前速度的反饋以控制DC電機的速度，如果沒有發生位置改變，那麼根據電壓表控制DC電機的速度。
14.一種DC電機的低速驅動控制裝置，包括第一速度控制器，包括PID控制器，用於在控制周期中接收DC電機的當前速度的反饋，產生第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號，並行結合第一、第二、第三控制信號以確定將被施加到DC電機的電壓；和第二速度控制器，根據電壓表控制DC電機的速度，其中，當DC電機在正向方向上旋轉時，電壓表包括增加常數，當DC電機在反向方向上旋轉時，電壓表包括減少常數。
15.如權利要求14所述的低速驅動控制裝置，還包括切換控制器，根據與DC電機連接的編碼器的位置改變在第一速度控制器和第二速度控制器之間進行切換。
16.如權利要求15所述的低速驅動控制裝置，其中，當DC電機與第一速度控制器連接時，DC電機由通過第一速度控制器獲得的電壓驅動。
17.如權利要求15所述的低速驅動控制裝置，其中，當DC電機與第二速度控制器連接時，DC電機由通過第二速度控制器獲得的電壓驅動。
18.如權利要求14所述的低速驅動控制裝置，其中，電壓表包括根據每個目標速度的固定位置計數的DC電機的速度。
19.如權利要求18所述的低速驅動控制裝置，其中，當在控制周期編碼器位置信息的計數沒有改變時，切換控制器從初始值「0」開始增加固定位置計數，當編碼器位置信息的計數改變時，切換控制器將當前固定位置計數初始化為「0」。
全文摘要
提供了一種DC電機的低速驅動控制裝置及其控制方法。所述DC電機的低速驅動控制裝置包括第一速度控制器，基於關於DC電機的當前速度的反饋信息，根據控制周期控制DC電機的速度；第二速度控制器，根據電壓表控制DC電機的速度；和切換控制器，根據與DC電機連接的編碼器的位置改變在第一速度控制器和第二速度控制器之間進行切換。因此，通過使用低解析度編碼器，可以以低價格提供高質量的驅動。
文檔編號H02P6/00GK101047354SQ20071007875
公開日2007年10月3日 申請日期2007年2月26日 優先權日2006年3月29日
發明者黃鎬斌 申請人:三星電子株式會社