專利名稱：利用逆算模型的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)和負(fù)載慣量估測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種負(fù)載慣量估測技術(shù)，特別涉及一種利用逆算模型的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)和負(fù)載慣量估測方法。
背景技術(shù)：
在交流伺服模塊中主要包括驅(qū)動器和馬達(dá)二部分。將伺服馬達(dá)裝設(shè)于應(yīng)用的機(jī)構(gòu)上，即可達(dá)到定位或控速的需求。因而，在設(shè)計交流伺服驅(qū)動器時，負(fù)載物的轉(zhuǎn)動慣量(rotor inertia)為設(shè)計時的一項重要參數(shù)，在達(dá)到精準(zhǔn)估測此參數(shù)的情況下，才能確保交流伺服驅(qū)動器在進(jìn)行運(yùn)算控制時，能對此參數(shù)有一正確數(shù)值來作出準(zhǔn)確的控制運(yùn)算。然而，機(jī)構(gòu)的慣量值的大小較難借由數(shù)學(xué)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(qū)動器實時了解本身及周遭環(huán)境的因素變化。
參照圖1，為傳統(tǒng)馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，主要由第一合成器110、第一增益控制器120、電流回路130、第二增益控制器140、第二合成器150和馬達(dá)數(shù)學(xué)模型160依序串聯(lián)成一回路。第一合成器110接收一速度命令ω*和馬達(dá)數(shù)學(xué)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(jīng)由電流回路130轉(zhuǎn)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(jù)此電流信號i產(chǎn)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并合成為一合成信號輸入至馬達(dá)數(shù)學(xué)模型160，以控制其的速度。于此，電流信號i會輸出，借以估測得實際負(fù)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(dá)數(shù)學(xué)模型160的型式為 其中，Kp、Ki、Kt為三常數(shù)值， 代表Ki的積分，Jl為負(fù)載慣量，Jls即代表負(fù)載慣量的微分，而B為機(jī)械阻尼。
于一般設(shè)計下，電流回路頻寬都遠(yuǎn)大于速度回路頻寬，因此電流回路的影響都會予以忽略；并且負(fù)載慣量(Jl)會遠(yuǎn)大于機(jī)械阻尼(B)，故B值亦可忽略不計。
因而可得一簡化的傳統(tǒng)馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，如圖2所示，其中馬達(dá)數(shù)學(xué)模型160的型式為 于此，可得到輸出速度信號ω、電流信號i、扭矩信號Tl的關(guān)系式如下 公式一→∫Jldωdt=i×kt+Tl]]>→∫Jldω=∫(i×Kt+Tl)dt]]>→Jl=∫(i×Kt+Tl)dt∫dω········]]>公式二借由公式一簡化可得到公式二，并且于取樣系統(tǒng)中，當(dāng)取樣率為h秒(sec)且從t0至t1，可由公式二得到一負(fù)載慣量的關(guān)系式如下Jl=hΣ(i×Kt+Tl)dtω1-ω0········]]>公式三由公式三可得知由于其分母為變動值因此取樣點的多寡對負(fù)載慣量Jl的估測值影響甚大，以致使負(fù)載慣量Jl的估測值變化甚大。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上的問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用逆算模型的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)和負(fù)載慣量估測方法，借以解決先前技術(shù)所存在的諸多問題與限制。
本發(fā)明所公開的利用逆算模型的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)和負(fù)載慣量估測方法，借由一逆算模型來逆向推演實質(zhì)的扭矩輸出。
本發(fā)明所公開的利用逆算模型的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)和負(fù)載慣量估測方法，可實現(xiàn)收斂快速且穩(wěn)態(tài)誤差緩動的負(fù)載慣量估測。
因此，為達(dá)上述目的，本發(fā)明所公開的利用逆算模型的負(fù)載慣量估測方法，應(yīng)用于一交流伺服模塊，借由接收一速度命令和一扭矩信號來估算一負(fù)載慣量，包括下列步驟首先，設(shè)定如下列的一第一關(guān)系式于一實際系統(tǒng)中 接著，設(shè)定如下列的一第二關(guān)系式于一逆算系統(tǒng)中 然后根據(jù)第一關(guān)系式和第二關(guān)系式得到一第三關(guān)系式，如下 當(dāng)交流伺服模塊的馬達(dá)為等速率轉(zhuǎn)動時，根據(jù)第三關(guān)系式而得到扭矩信號Tl為-Kti；以及當(dāng)交流伺服模塊的馬達(dá)為加減速率轉(zhuǎn)動時，根據(jù)第三關(guān)系式而得到凈扭矩信號 為Tl+Kti。
其中 代表凈扭矩信號；Kt代表增益常數(shù)；i、i0分別代表實際系統(tǒng)和逆算系統(tǒng)產(chǎn)生的電流信號；Tl代表扭矩信號；ω、ω0分別代表實際系統(tǒng)和逆算系統(tǒng)產(chǎn)生的速度信號；Jl、J0分別代表負(fù)載慣量和單位馬達(dá)慣量；電流信號i為實際系統(tǒng)根據(jù)速度命令和反饋的速度信號ω而產(chǎn)生；而電流信號i0則逆算系統(tǒng)根據(jù)來自實際系統(tǒng)的速度信號ω和反饋的速度信號ω0而產(chǎn)生，并且此速度信號ω大致上相等于速度信號ω0。
此外還包括下列步驟根據(jù)第三關(guān)系式得到一第四關(guān)系式，如下 當(dāng)速度信號ω的值由ω0增加至ω1時，根據(jù)第四關(guān)系式累加凈慣量比 以及當(dāng)速度信號ω的值達(dá)到ω1時，根據(jù)第四關(guān)系式更新凈慣量比 其中，其中η代表負(fù)載慣量Jl除以單位馬達(dá)慣量J0的一慣量比， 代表一凈慣量比，以及ω1與ω0的差值的絕對值和μ分別為一定值。
于此，逆算系統(tǒng)可設(shè)計為一高頻寬回路。其中，此高頻寬回路可具有約300Hz的頻寬。
本發(fā)明還公開一種利用逆算模式的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，應(yīng)用于一交流伺服模塊，包括一實際系統(tǒng)和一逆算系統(tǒng)于實際系統(tǒng)中包括一第一合成器、一第一增益控制器、一電流回路、一第二增益控制器、一第二合成器和一馬達(dá)數(shù)學(xué)模型。此六元件依序串聯(lián)成一回路。第一合成器用以接收一輸入速度信號并根據(jù)輸入速度信號和反饋的一速度信號產(chǎn)生一誤差信號，第一增益控制器則根據(jù)誤差信號產(chǎn)生一第一增益信號，電流回路再將第一增益信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的一電流信號，第二增益控制器根據(jù)電流信號產(chǎn)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凈扭矩信號，最后馬達(dá)數(shù)學(xué)模型則根據(jù)凈扭矩信號產(chǎn)生一速度信號并反饋至第一合成器。
而于逆算系統(tǒng)中則包括一第三合成器、一第三增益控制器、一電流回路、一第四增益控制器和一馬達(dá)數(shù)學(xué)模型。此六元件依序串聯(lián)成一回路，并且第三合成器會與實際系統(tǒng)的馬達(dá)數(shù)學(xué)模型相連接。其中，第三合成器會根據(jù)實際系統(tǒng)產(chǎn)生的速度信號和反饋的速度信號而產(chǎn)生一誤差信號，第三增益控制器則根據(jù)第三合成器產(chǎn)生的誤差信號產(chǎn)生第三增益信號，接著電流回路再將第三增益信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流信號，第四增益控制器根據(jù)電流信號產(chǎn)生第四增益信號，最后馬達(dá)數(shù)學(xué)模型根據(jù)第四增益信號產(chǎn)生一速度信號并反饋至第三合成器。
其中，利用適應(yīng)性算法可根據(jù)實際系統(tǒng)和逆算系統(tǒng)產(chǎn)生的電流信號估測得凈扭矩信號，進(jìn)而估測得交流伺服模塊的負(fù)載慣量。
再者，實際系統(tǒng)所產(chǎn)生的速度信號大致上相等于逆算系統(tǒng)所產(chǎn)生的速度信號。
此外，實際系統(tǒng)和逆算系統(tǒng)的頻寬遠(yuǎn)小于所具有的電流回路。
于此，第一和第三增益控制器可為比例/積分控制器。
有關(guān)本發(fā)明的特征與實作，配合附圖作最佳實施例詳細(xì)說明如下。


圖1為說明傳統(tǒng)馬達(dá)速度控制系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1的簡化系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)圖；圖3為說明根據(jù)本發(fā)明的一實施例的利用逆算模式的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)圖；以及圖4為圖3中的系統(tǒng)產(chǎn)生的各個信號的示意圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下110第一合成器 120第一增益控制器130電流回路140第二增益控制器 150第二合成器160馬達(dá)數(shù)學(xué)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(dá)數(shù)學(xué)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(tǒng) G0逆算系統(tǒng) 凈慣量比具體實施方式
以下舉出具體實施例以詳細(xì)說明本發(fā)明的內(nèi)容，并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(fā)明主要借由一逆算系統(tǒng)來逆向推演實質(zhì)的扭矩輸出，進(jìn)而以適應(yīng)性算法估測得實際負(fù)載慣量，以達(dá)到實時估測且精準(zhǔn)控制的目的。
參照圖3，為本發(fā)明一實施例的利用逆算模式的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，應(yīng)用于一交流伺服模塊，主要由一實際系統(tǒng)G和一逆算系統(tǒng)G0所組成。
此實際系統(tǒng)G的元件組成和運(yùn)作大致上與上述的傳統(tǒng)馬達(dá)速度控制系統(tǒng)相同，因于此不再重復(fù)說明。此實際系統(tǒng)G由第一合成器110、第一增益控制器120、電流回路(于此電流回路的影響亦可忽略不計，因未顯示于圖中)、第二增益控制器140、第二合成器150和馬達(dá)數(shù)學(xué)模型160依序串聯(lián)成一回路。其中，第二合成器150將第二增益信號和扭矩信號Tl合成為一凈扭矩信號 此凈扭矩信號 輸入至馬達(dá)數(shù)學(xué)模型160，以控制其的速度，并且馬達(dá)數(shù)學(xué)模型160所產(chǎn)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(tǒng)G0中。
此逆算系統(tǒng)G0由第三合成器210、第三增益控制器220、第四增益控制器240、電流回路(于此電流回路的影響亦可忽略不計，因未顯示于圖中)和馬達(dá)數(shù)學(xué)模型260依序串聯(lián)成一回路。第三合成器210接收來自實際系統(tǒng)G的速度信號ω和馬達(dá)數(shù)學(xué)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(jīng)由電流回路230轉(zhuǎn)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(jù)此電流信號i0產(chǎn)生第二增益信號，并輸入至馬達(dá)數(shù)學(xué)模型260中以控制其的速度。于此，電流信號i0會輸出，進(jìn)而可借由電流信號i和電流信號i0并利用適應(yīng)性算法而估測得實際負(fù)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)。
于此，此逆算系統(tǒng)G0設(shè)計為高頻寬(例如300Hz)回路，且其輸出的速度信號ω0相當(dāng)近似于實際系統(tǒng)G輸出的速度信號ω，即ω0ω。
于實際系統(tǒng)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(dá)數(shù)學(xué)模型160的公式為 而于逆算系統(tǒng)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(dá)數(shù)學(xué)模型260的公式為 其中，Kp、Kp0、Ki、Ki0、Kt均為常數(shù)值； 和 分別表示Ki的積分和Ki0的積分；Jl為負(fù)載慣量，Jls表示負(fù)載慣量的微分；J0為單位馬達(dá)慣量，J0s表示單位馬達(dá)慣量的微分；而B亦為機(jī)械阻尼且因負(fù)載慣量(Jl)和單位馬達(dá)慣量(J0)會遠(yuǎn)大于機(jī)械阻尼(B)，故B值均可忽略不計，故馬達(dá)數(shù)學(xué)模型160的公式則為 且馬達(dá)數(shù)學(xué)模型260的公式為 因而可得到第一和第二關(guān)系式如公式四和公式五所示 公式四 公式五其中，由于ω0ω，因此由公式四和公式五可得公式六(即第三關(guān)系式)，如下 公式六并且，慣量比η定義為負(fù)載慣量除以單位馬達(dá)慣量 因此公式六可簡化為公式七(即第三關(guān)系式)，如下 公式七其中，當(dāng)逆算系統(tǒng)G0產(chǎn)生的電流信號i0的絕對值極小時，此時代表馬達(dá)處于等速率轉(zhuǎn)動，因而凈電流 幾乎為零，進(jìn)而可得到Tl＝-Kti；而當(dāng)電流信號i0的絕對值夠大時，即代表馬達(dá)處于加減速率轉(zhuǎn)動，也就是凈扭矩信號 已足夠大，且此時輸出的電流信號為i，因此可得 并且，由公式七可導(dǎo)得公式八(即第四關(guān)系式)以進(jìn)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(dāng)速度ω從ω0變化至ω1時， 即會進(jìn)行一次更新，然后重新開始進(jìn)行累加，并反復(fù)于ω增加一定值時，使 進(jìn)行一次更新，如圖4所示。其中 代表一凈慣量比。
于此，于公式八中已不存在分母的運(yùn)算，因此于實際運(yùn)用上，比公知技術(shù)有較低的穩(wěn)態(tài)誤差變動性，同時收斂速度也相當(dāng)快。此外，于此所得的電流信號i0可用以判斷等速或加減速的時機(jī)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(jìn)而能準(zhǔn)確地估測負(fù)載慣量Jl。
雖然本發(fā)明以前述的較佳實施例公開如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的專利保護(hù)范圍須視本說明書所附的權(quán)利要求書的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種利用逆算模型的負(fù)載慣量估測方法，應(yīng)用于一交流伺服模塊，借由接收一速度命令和一扭矩信號來估算一負(fù)載慣量，包括下列步驟設(shè)定如下列的一第一關(guān)系式于一實際系統(tǒng)中 其中 代表一凈扭矩信號，Kt代表一增益常數(shù)，i代表該實際系統(tǒng)產(chǎn)生的一電流信號，Tl代表該扭矩信號，ω代表該實際系統(tǒng)產(chǎn)生的一速度信號，Jl代表該負(fù)載慣量，以及該電流信號i為該實際系統(tǒng)根據(jù)該速度命令和反饋的該速度信號ω而產(chǎn)生；設(shè)定如下列的一第二關(guān)系式于一逆算系統(tǒng)中 其中i0代表該逆算系統(tǒng)產(chǎn)生的一電流信號，Kt代表該增益常數(shù)，ω0代表該逆算系統(tǒng)產(chǎn)生的一速度信號，J0代表一單位馬達(dá)慣量，以及該電流信號i0是該逆算系統(tǒng)根據(jù)來自該實際系統(tǒng)的該速度信號ω和反饋的該速度信號ω0而產(chǎn)生，并且該速度信號ω大致上相等于該速度信號ω0；根據(jù)該第一關(guān)系式和該第二關(guān)系式得到一第三關(guān)系式，如下 當(dāng)該交流伺服模塊的馬達(dá)為等速率轉(zhuǎn)動時，根據(jù)該第三關(guān)系式而得到該扭矩信號Tl為-Kt:i；以及當(dāng)該交流伺服模塊的馬達(dá)為加減速率轉(zhuǎn)動時，根據(jù)該第三關(guān)系式而得到該凈扭矩信號 為Tl+Kt:i。
2.如權(quán)利要求1所述的利用逆算模型的負(fù)載慣量估測方法，其特征在于，還包括下列步驟根據(jù)該第三關(guān)系式得到一第四關(guān)系式，如下 其中η代表該負(fù)載慣量Jl除以該單位馬達(dá)慣量J0的一慣量比， 代表一凈慣量比，以及ω1與ω0的差值的絕對值和μ分別為一定值；當(dāng)該速度信號ω的值由ω0增加至ω1時，根據(jù)該第四關(guān)系式累加該凈慣量比 以及當(dāng)該速度信號ω的值達(dá)到ω1時，根據(jù)該第四關(guān)系式更新該凈慣量比
3.如權(quán)利要求1所述的利用逆算模型的負(fù)載慣量估測方法，其特征在于，設(shè)計該逆算系統(tǒng)為一高頻寬回路。
4.如權(quán)利要求3所述的利用逆算模型的負(fù)載慣量估測方法，其特征在于設(shè)計該高頻寬回路具有約300Hz的頻寬。
5.一種利用逆算模式的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，應(yīng)用于一交流伺服模塊，包括一實際系統(tǒng)，包括一第一合成器，用以接收一輸入速度信號并根據(jù)該輸入速度信號和反饋的一速度信號產(chǎn)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(jù)該誤差信號產(chǎn)生一第一增益信號；一電流回路，連接至該第一增益控制器，以將該第一增益信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的一電流信號；一第二增益控制器，連接至該電流回路，以根據(jù)相應(yīng)該第一增益信號的該電流信號產(chǎn)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凈扭矩信號；以及一馬達(dá)數(shù)學(xué)模型，連接至該第一和第二合成器，以根據(jù)該凈扭矩信號產(chǎn)生一速度信號并反饋至該第一合成器；以及一逆算系統(tǒng)，包括一第三合成器，連接至該實際系統(tǒng)的該馬達(dá)數(shù)學(xué)模型，以將該實際系統(tǒng)產(chǎn)生的該速度信號和反饋的一速度信號而產(chǎn)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(jù)該第三合成器產(chǎn)生的該誤差信號產(chǎn)生一第三增益信號；一電流回路，連接至該第三增益控制器，以將該第三增益信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的一電流信號；一第四增益控制器，連接至該電流回路，以根據(jù)相應(yīng)該第三增益信號的該電流信號產(chǎn)生一第四增益信號；以及一馬達(dá)數(shù)學(xué)模型，連接至該第三合成器和該第四增益控制器，以根據(jù)該第四增益信號產(chǎn)生一速度信號并反饋至該第三合成器；其中，利用適應(yīng)性算法可根據(jù)該實際系統(tǒng)和該逆算系統(tǒng)產(chǎn)生的該些電流信號估測得該凈扭矩信號，進(jìn)而估測得該交流伺服模塊的負(fù)載慣量。
6.如權(quán)利要求5所述的利用逆算模式的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，其特征在于，該實際系統(tǒng)所產(chǎn)生的該速度信號大致上相等于該逆算系統(tǒng)所產(chǎn)生的該速度信號。
7.如權(quán)利要求5所述的利用逆算模式的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，其特征在于，該實際系統(tǒng)和該逆算系統(tǒng)的頻寬遠(yuǎn)小于所具有的該電流回路。
8.如權(quán)利要求5所述的利用逆算模式的馬達(dá)速度控制系統(tǒng)，其特征在于，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(dá)速度控制系統(tǒng)和負(fù)載慣量估測方法，應(yīng)用于一交流伺服模塊，主要是利用一逆向系統(tǒng)連結(jié)于實際系統(tǒng)上，以逆向推演實質(zhì)的扭矩輸出，于此當(dāng)實際系統(tǒng)產(chǎn)生的速度信號的值逐漸增加時，會累加凈慣量比；而當(dāng)實際系統(tǒng)產(chǎn)生的速度信號的值增加到一定值時，則會更新凈慣量比。
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(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者蔡清雄, 吳家明 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司