TW200812217A - Control device and method for servo motors - Google Patents

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200812217 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本么明有關於伺服馬達之控制裝置，特別有關於具有電 流控制迴路，以對在伺服馬達中所流通之電流施以回饋控 制的伺服馬達之控制裝置。 、 【先前技術】 θ伺服馬達中的永久磁鐵同步馬達，藉由永久磁鐵而產生 %磁鐵磁束，並藉由流通三相電樞電流而產生轉矩，其合 成向量與場磁鐵磁束呈正交2永久磁鐵同步馬達的系統構 w如圖8所不。其基本構造包括有：永久磁鐵同步馬達 4卜對其供應電力的電壓式PWM反向器等電力轉換器42、 決定電力轉換器42對永久磁鐵同步馬達41所供應之電壓 或所流通之電流相位的磁極位置檢測器43、以及 流控制的電流控制g 44。當執行速度控制時，附加有速 度控制器45及檢測器43,而當執行位置控制時，則附加 有位置控制器46及檢測器43。在多數情況下，共用磁極 位置檢測器、速度檢測器及位置檢測器。 習知以來，速度控制器45、位置控制器46用於切換控 制迴路的增益（例如參照專利文獻υ。專利文獻i所記載 2發明，在從速度控制迴路所輸出的轉矩指令之大小較小 柑，增加速度控制迴路的增益，而當轉矩指令之大小較大 時，則縮小速度控制迴路的增益。藉此，當轉矩指令之大 小較小時’可加快位置偏差與速度偏差的收束而提升響應 性。相對地’當轉矩指令較大時，則可防止發生機械性振 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 . 200812217 動。 【2，^:日本專利特開平5-134750號公報 L發明内容】 (發明所欲解決之問題） 迴置控制迴路、速度控制迴路、及電流控制 迴路：命产抑^、。位置控制迴路係主迴路’而以速度控制 係衍二"IL工1迴路的順序形成次迴路。因電流控制迴路 係位於表内側的迴路，因此必需袓f塑庫降社从快庄, 路。理由在於若未Μ—, ^應性佳的控制迴 佳，則對於上位迴：：：：一路之增益兩使響應性變 位坦路的迷度控制迴路與位置控制迴路，即 益仍無法提升響應性。即，藉由將作為次迴路 的^丄制迴路之響應較外㈣路的響應較為足約高 迴路5交之又角將頻次皁1路Γ交又角頻率設定為較高於其外側的 性之=角頻率）’便可達提升外側迴路的響應性與安定 电L ^工制系統由馬達的電氣系統 成，系統的狀熊變化鲈,& >锊供口。寺構 置#制哭二 。所以，不同於速度控制器與位 曰广」’一般將電流控制器的增益設定為固定值。但 彳在南響應下控制’而增加電流控制迴路的增 ^線達中流通較大電流，則因伺服馬達的參數 振Γ。电 電輕繞線電阻自阻抗L)，而導致飼服馬達 緣是’本發明之目的在於蔣 — 的響應性，且能防止飼服馬達振動的飼服馬:::：2 312XP/發明說明書(補件)/96_〇8/96114975 7 200812217 及方法。 (解決問題之手段） 為解決上述問題，申請專利範圍第1項所記載發明，係 具有對在伺服馬達中流通的電流施以回饋控制之電流控 制迴路的伺服馬達之控制裝置；纟具備#:電流檢測手段 2電流迴路增益切換手段；該電流檢測手段檢測藉由上述 電流控制迴路而回饋的伺服馬達之輸出電流值；該電流迴 =牦I切換手段在所檢測到的上述輸出電流值較小於預 設的臨限值時，增加上述電流控制迴路的增益，反之，在 戶:核測到的上述輸出電流值較大於上述預設的臨限值 0守，則縮小上述電流控制迴路的增益。 申明專利圍第2項所記載發明，在巾請專利範圍第^ 項所記載飼服馬達之控制裝置中，上述伺服馬達之 置的電流回饋控制藉由使用d—q座標 、 :=料，換手段在所檢測到的上述輸心值 '义預°又的臨限值時，在預設大小的二個交又角顧 用較大的交又角頻率，計算出上述電流控制迴路的 增加上述電流控制迴路的增益，反之，在所檢測到 的上述輸出電流值較大於上述預設用 小的交叉角頻率計算出上述電流控制迴路的增I:;， 上述電流控制迴路的增益。 给的曰亚而鈿小 申;，範圍第3項所記载的發明，在申請專利 $、所d㈣服馬達之控制 服馬達的較電隸。 上仏限值係飼 312ΧΡ/發明說明書(補件)/96-08/96114975 200812217 申請專利範圍第4項所記載的發明，在申請專利範圍第 1至3項中任一項所記載伺服馬達之控制裝置中，上述伺 服馬達之控制裝置在上述電流控制迴路的外側設有回饋 控制伺服馬達之速度的速度控制迴路，且在上述速度控制 迴路的外侧設有回饋控制伺服馬達之位置的位置控制迴 路0 申請專利範圍第5項所記載的發明，係具有對在伺服馬 達中流通的電流施以回饋控制之電流控制迴路的伺服馬 達之控制方法，包括有電流撿測步驟與電流迴路增益切換 步驟；該電流檢測步驟檢測藉由上述電流控制迴路而回饋 勺伺服馬達之輸出電流值，該電流迴路增益切換步驟，在 所檢測到的上述輸出電流值較小於預設臨限值時，增加上 =電流控制迴路的增益，反之，在所檢測到的上述輸出電 抓值車乂大於預没的i述臨限值時，雜小上述電流控 路的增益。 (發明效果） 根據申請專利範圍第1項所記載發明 迴路的響應性，且能防止伺服馬達振動。 不=中請專利範圍第2項所記載的發明，因為使用大小 個交叉角頻率計算出增益，因而可使電流控_ 路的增ϋ切換程式較為容易。 利範圍第3項所記載的發明，可在 t電流前增加增益，且當料有大於額定電 “日寸則細小增ϋ而，可提升電流控制迴路的響 312ΧΡ/發明說明書(補件)/96彻61廳 9 200812217 應性，且能確實地防止伺服馬達之振動。 古根據申請專利範圍第4項所記載的發明，因為 :控制迴路的響應性，因而亦可提升成為其上位迴路的= 度控制迴路與位置控制迴路之響應性。 ，、 制範圍第5項所記載的發明，可提升電流控 k路的#應性，且能防止伺服馬達之振動。 【實施方式】 根=下所附圖式，針對本發明的實施形態進行詳細說 …貫靶形態如圖i所示，使兩 一 步線性馬達作為伺服馬。該可動绩^以八恤㈣ 線性打動線圈式水久磁鐵同步 2 φ亚在可動子3側捲繞有u、v、w相的線圈4。藉由在 線圈4中流通三相電樞電流，而 ^ Y。 王1綠式移動的移動場 磁鐵，使可動+ 3相對於定子i而直線移動。 場錢直線移㈣可動線圈式永久磁鐵同步 、，泉性馬達，亦與磁場旋轉的旋轉場磁鐵式同步馬達相同， 使用旋轉的d-q座標系而控制d、q抽的電㈣流。 :中固定的部分與旋轉的部分均轉換為旋轉的正交座 仏’即為d-q轉換，而其座標系即為d—q座標 ^目對d軸呈前進W的相位。在永久磁鐵同步馬達的 f月况，一般以場磁鐵所產生的磁束方向作為d軸。 圖2所示係使用d_q座標系而控制伺服馬達5之 造。基本構造包财：舰馬達5、與對其供 壓式酬反向器等電力轉換器6、決定電力轉換器6= 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 ι 〇 200812217 =馬達5所施加之電塵或流通之電流相位的直線比例尺 •丨ΙΓ:?—)等磁極位置檢測器7、以及供執行電流控 二、“控制器、12、13。在執行速度控制時’附加有執 订。玄=控制的速度控制器8及速度檢測器g，在執行位置 控制時’則附加為執行該項控制的位置控制器ig及 卜速度檢測器9與位置檢測㈣共用磁極位置 °控制糸統由位置控制迴路、速度控制迴路、電 • &制沿路等二者構成。位置控制迴路為主迴路，且以 度控制迴路'電流控制迴路的順序而構成次迴路。 位置控制器i"艮據從上位控制裝置所輸出的位置指令 、，人來自位置檢測器11 @位置回饋值6» rm間之偏 差二算速度指令“。速度控制器8根據速度指令值㊉ 4來自速度檢測器9的速度回饋值H偏差，運算 推力扣令’進而運算q軸電流指彳。 巧運算作為與d軸相同方向之電流成分的d軸電流= 、，欠久磁鐵同步馬達藉由磁鐵而_立d軸之磁束，因而 通常將d軸電流指令A控制為〇。就提昇馬達力率及降低 ，在功率（apparent p。财）考量，亦可能使㊃電流朝」 軸的反方向流動。 向里旋轉益· 3才目2相轉換ig ! 4將來自電流檢測器i 5 的三相回饋電流值iu、iv、iw，根據來自相位檢測器的 相位檢測益16之電角信號0 re，轉換成d軸電流^與q 轴電流iq°d軸電流控制器12擷取d軸電流指令 軸電流id的偏差，而運算d軸電壓的指令值—軸電 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 n 200812217 :二广"軸電流指令&與Q軸電流i,的偏差， Sr//電壓的指令值VV向量旋轉器·2相3相轉換 ;上厂根據該等電屢指令〜。及電角信號“，輪出三 -S = :U、VWW。電力轉換器6根據該等電麗指 行::控制，最後控制飼服馬達5中所 達 a猎由對舰馬達5的永久磁鐵同步馬 達仏應父流電流，使伺服馬達5產生推力。 需要高速轉矩響應的控制，因而電流的 缺。® 3所示係附加有電流控制器… 的水久磁鐵同步馬達之方塊圖。該方塊圖中，d軸電流 ld q轴私流iq採用理論上較容易控制的非干涉控制法。 =久磁鐵同步馬達中具有因d、q軸間相互干涉所生的 速 ^動勢（speed electr⑽〇tive fc)rce)。該等將對 ^、 适成;專，但疋無法直接控制之。求取該速率電動勢而 =抵銷之控制’即為非干涉控制法。採行非干涉化控 :’bld、“便可藉由v，d、v、而單純控制。其中，v，d、v，q 系才曰d q軸上電樞繞線阻抗所施加之電壓，可由以增益 =數Gid(s)、Giq(s)表示的id、“電流控制器之輸出的形 式:獲得。此外，在該方塊圖中，h、“係指d、q轴之電 樞屯机，’ φ,係指電樞繞線交鏈磁束數，R係指電樞繞線電 ^ L係才日私樞繞線的自感（sel f inductance)，P(=d/dt) 係扣U分算子，％係指馬達推力，L係指馬達的負荷推力， J係指馬達的慣性矩’ “係指同步馬達的輸出轴旋轉角 速度（¾械角），ω re係指磁場的角速度（電角）。同步馬達 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 12 200812217 的輸出轴旋轉角速度（機械角）ω rra在將極對數設定為p 時’便為ω re/p。 笔彳工制採取比例積分（PI)控制。此情況下，i d、i q電 流控制器的輸出V，d、v，q如下式： [數式1] v，d=K^(Hl/TldS)(i*d-id) v，q=Kl^1 + l/Tiqs)(i*q-iq) 此時，id、iq控制系統的開迴路增益函數G〇id(s)、Gaiq(s) 在將式子簡化而選擇Tld = Tlq = wR(電氣時間常數）時，便成 為下式： [數式2] G°id(s)-l/(Ls/Kid) G°iq(s) = l/(Ls/Kiq) ’成為早純的積分要素。 其中 ’Kid'Kiq 及 Tid、T /备 4匕· . ^ W係4日1 d、1 q控制裔的增益及積 分時間，Kid=Ku、Tid=Tiq。 、 •圖4所不，攸α亥開迴路增益函數所獲得的波德 圖（Bode diagram)，交叉角頻率為下式： [數式3] 控制系統的閉迴路增益函數 ω c=Ki/L (Ki=Kid=Kiq) 當滿足數式2時，id、土 GCid(S)、G iq(S)便如下式· [數式4] GCidCs)~l / (Ls/Kid+1 ) 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 13 200812217

Gciq(s) = l/ (Ls/Kiq+1 ) 圖5所示係從閉迴路心函數所獲得的波

㈣時的增益並無關於Kld、Klq，而為議，穩 Y 當電流控制採取PU允击|0士 , u + 為0〇 休取Η匕制知，如上述，積分時間I、 -配合電氣時間常數（L/R)。且，在為提升反應性考量，[數 式3]所讀交又角頻率仏求得之增益（Kid、q最好_ 能地提兩。藉由將次迴路的交又角頻率設定為較高於並他 迴路的交叉角頻率，可提升外側迴路的響應性與安定性。 但是，若將電流控制迴路的增益設定為較高值而在馬達中 f通較大電流，便可能導致馬達之振動。所以，本實施形 態中，對藉由電流控制迴路而回饋的祠服馬達輸出之電流 值設定有臨限值，而切換電流控制迴路之增益。 ' 圖、6所示係藉由伺服馬達之控制裝置的處理器所執行 的電流控制程式流程圖。在該電流控制程式中，控制裝置 的處理器（相當於中請專利範圍帛i項所記載的電流迴路 增显切換手段），首先判斷由電流控制迴路所回饋的飼服 馬達之輸出電流值是否達預設臨限值以上（S1)。其中，臨 限值設定為伺服馬達的額定電流值，即產生額定推力的電 流值。將臨限值數據預先記憶於控制裝置的記憶體_。此 外’所謂「飼服馬達的輸出電流值」係指從圖2所示向量 旋轉器·3相2相轉換器14回饋的q轴電流“值。所以， 申請專利範圍第1項所記载的電流檢測手段，便由向量旋 轉态· 3相2相轉換器14、電流檢測器15、及相位檢測 器1 6構成。 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 14 200812217 其次，控制裝置的處理器在所檢測到 於：設睹限值時，從預設的大小二個交叉角頻率二 =選用較大的交叉角鮮ωε1，並計算出電流控制迴路 的增…增加電流控制迴路的增益⑽。反之，在所檢 測到的輸出電流值較大於預設臨限值時，則選用較小的交 又角頻率ωε2，並計算出電流控制迴路的增益，而縮小電 流控制迴路的增益（S3)。 較大的交又角頻率ω cl(例如2000rad/s)設定成在飼服 曰’流通額定電流時’不會使词服馬達振動之範圍内的 最大值較小的父叉角頻率ω <：2(例如i〇〇〇ra(j/s)則設定 為在伺服馬達令流通超過額定電流的最大電流時，不會使 伺，馬達振動之範圍内的最大值。在控制裝置的記憶體中 ，憶有大小二個交叉角頻率θα。根據該等大小二個 父叉角頻率ω C1、ω c2，使用[數式1 ]計算增益Ki。 其次，控制裝置的處理器根據增益Kid、Kiq、積分時間 Tid、Tiq、d軸電流指令、q軸電流指令A、及所回饋 的d轴電流id、q轴電流iq之偏差，使用[數式π計算出 ν d(-d軸電壓的指令值v*d)、及v，軸電壓的指令值 v*q)(S4) 〇 另外，控制裝置的處理器在執行電流控制迴路之處理 時，亦同時執行速度控制迴路及位置控制迴路的處理。速 度控制系統與電流控制系統相同，將偏差設定為〇而使用 PI控制。若將電流控制系統的交叉角頻率ω c設定為較速 度控制系統的交又角頻率ω sc高出數倍以上，在角頻率ω 312ΧΡ/發明說明書(補件)/96·〇8/96114975 15 200812217 SC附近’便可將電流控制系統的閉迴路增益函數視為「丨」， 可忽視電流控制系統的特性對速度控制系統所造成的影 響。位置控制系統中，為防止位置的步階響應 response)產生超越量（〇versh〇〇t)而使用p控制。若將速 度m统的又叉角頻率ω se設定為較位置控制系統的交 叉角頻率…高出數倍以上，在角頻率為ωΡ的附近，便可 將速度控㈣、㈣閉迴路增益函數視為「丨」，心視速度 控制系統特性對位置控制系統所造成的影響。 μ丄所记载的電流控制法，可切換兩在截至達額定 電流之前增加增益，且在超過額定電流時縮小增益。圖7 所不係增益切換的概念圖。該圖7中，飼服馬達的輸出電 := 遺時間之經過而成比例上升。圖中虛線係指振動的電 &值（例如額定電流值）。當飼服馬達的輸出電流值較小於 =電流值（例如額定電流值）時，因為伺服馬達並無振動 :出因而使用較大之交叉角頻率心(例如2_rad/s) 计才出增盈，以可提升電流控制迴路的響應性。反之，合 =馬達的輸出電流值超過㈣之電流值時，若繼續設^ 為增加增益，則伺服馬達的電流振幅便隨之增加， 服馬達振動。所以，修正改為使用較小的 =刚議)計算出增益，並將增益切換為較小车二 響應：:達==動:=_-路 發明並不僅褐限於上述實施形態，在不變更本 日的㈣内可作各種變更。例如上述實施形態_， 312观/發明說明書(補件)/96-08/96114975 16 200812217 使用可動、線圈式永久磁鐵同步線性馬達為㈣明伺服馬 達但疋本發明的伺服馬達之控制裝置亦可適用於旋轉型 永久磁鐵同步馬達、感應馬達。 本說明書以2006年4月28日所提出申請的日本專利特 願2006 124954為基礎。其内容全部均涵蓋於本荦中。 【圖式簡單說明】 圖1為可動線圈式永久磁鐵同步線性馬達的立體示意 圖。 圖2為使用d q座標系的永久磁鐵同步馬達控制之整體 構造圖。 圖3為附加電流控制器的永久磁鐵同步馬達方塊圖。 圖4為從開迴路增益函數所獲得的波德圖。 圖5為從閉迴路增益函數所獲得的波德圖。 圖6為電流控制程式的流程圖。 圖7為增益切換的概念圖。 圖8為永久磁鐵同步馬達的系統構造圖。 【主要元件符號說明】 1 定子 2 永久磁鐵 3 可動子 4 線圈 5 伺服馬達 6、42 電力轉換器 7 ' 43 檢測器 312XP/發明麵書(補件)/%-〇8/96114975 17 200812217 8、45 速度控制器 9 速度檢測器 10、46 位置控制器 11 位置檢測器 12 電流控制器（d轴電流控制器） 13 電流控制器（q轴電流控制器） 14 向量旋轉器·： 3相2相轉換器 15 電流檢測器 16 相位檢測器 17 向量旋轉器·： 2相3相轉換器 41 永久磁鐵同步馬達 44 電流控制器 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 18

Claims (1)

1. 200812217 十、申請專利範圍： 、==7馬達之控制裝置，係具有對在触馬達令流 回饋控制之電流控制迴路的伺服馬達之控 制衣置，其特徵為其具備有·· 电4测手段，其檢測藉由上述電流控制迴路而回饋的 伺服馬達之輸出電流值；以及 、 值:換手段’其在所檢測到的上述輸出電流 X广^ °又的限值時，增加上述電流控制迴路的增 ^ 々面，在所撿測到的上述輸出電流值較大於上述 預設的臨限值時，則縮小上述電流控制迴路的增益： 中.如申請專利範圍第1項之飼服馬達之控制裝置，其 座達之控㈣置的電流回饋控·由使用h 座知的PI控制而實施； q 值增益切換手段在所檢測到的上述輸出電流 設的臨限值時，在預設大小的二個交又角 的：2:用較大的父又角頻率’計算出上述電流控制迴路 而增加上述電流控制迴路的增益，另-方面，在所 ㈣到的上述輸出電流值較大於上述預設的臨限值日士 Z 使用較小的交叉角頻率計算出 才、|J 而縮小上述電流控制迴路的增益。逸^控制迴路的增益 /中如Π專利範圍第1或2項之飼服馬達之控制裝置， /、中，上述臨限值係伺服馬達的額定電流值。 4·如申請專利第1或2項之伽馬達之控制裝置， 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975 19 200812217 其中，上述伺服馬達之控制裝置在上述電流控制迴路的外 側设有回饋控制伺服馬達之速度的速度控制迴路，且在上 述速度控制迴路的外侧設有回饋控制伺服馬達之位置 位置控制迴路。 ' 5· —種伺服馬達之控制方法，係具有對在伺服馬達中流 通的電μ轭行回饋控制之電流控制迴路的伺服馬達之控 制方法，其特徵為其包括有： 卫 電流檢測步驟，其檢測藉由上述電流控制迴路而回饋的 伺服馬達之輸出電流值；以及 電流迴路增益切換步驟，其在所檢測到的上述輸出電流 ，較小於預設的臨限值日f，增加上％電流控制迴路的增 ^另方面，在所檢測到的上述輸出電流值較大於上述 預。又的L限值日^，則縮小上述電流控制迴路的增益。 312XP/發明說明書(補件)/96-08/96114975