TW201006118A - Method of obtaining initial electrical angle of rotor of servo motor and apparatus thereof - Google Patents

Description

201006118 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係為-種舰馬達轉子初 裝置，特別是關於-種無刷精密2=::: =偵測轉子與定㈣縣定位角度的定位方法及其定位 裝置，以平滑地啟動伺服馬達轉動。 、 【先前技術】 按’馬達的用途廣泛，種類繁多，主要可分為轉速控 制型馬達及精密控制型馬達，轉速控制型馬達較簡單，可 控制馬達的_職，精馳㈣馬達财钱控制馬達 的轉速，亦可控制馬達轉動的角度（或位置），如步進馬達 或伺服馬達。 就無刷伺服馬達而言’如圖丨所示係為—f知伺服馬達 的向量控制系統，包括一馬達i、一用以感測角度的增量型 光學編碼器2及三組提供換相信號3、4、5的相位感測器（HaU sensor) ’ 一位置3十數器6、一電氣換相表7、一初始位置暫 存器8、一速度計算器9、一速度控制器1〇、一電流控制器 11、一三相旋轉座標對直角座標轉換模組12，一直角座標 對二相旋轉座標轉換模組13，一脈波寬度調變模組14及一 二相電力變頻器15。而該增量型光學編瑪器2，如圖2所示 係將換相信號直接製作在增量型光學編瑀器的光學盤上。 201006118 當該圖1的無刷伺服馬達在初始驅動系統送電時，系統 先經由該電氣換相表7將轉子電氣角度的初始位置放入該 初始位置暫存器8，後此時，初始化便完成；接下來當有一 轉速命令巧輸入時，該速度控制器1〇會將該轉速命令巧與 該速度計算器9得到的誤差值計算出所需要的一電流命令 ie: .e* ,此時該電流控制器11會將該電流命令V與該三相旋轉 ❹ 座標對直角座標轉換模組12所算出來的電流命令ζ的誤差 值計算出需要的一電壓命令在經由該直角座標對三相旋轉 座標轉換模組13，將需要的該電壓命令由直流轉換成一三 相交流電壓命令，並透過該脈波寬度產生模組14產生控制 訊號給該三相電力變頻器15，再由該三相電力變頻器15驅 動馬達1，而馬達1此時的轉子位置資訊由增量型光學編碼 ❹ 盤2上的A、Β相刻線16回授A、Β相的脈波信號到該位置計 數器6。 在圖1控制系統中，其中該三相旋轉座標對直角座標轉 換模組12與該直角座標對三相旋轉座標轉換模組13在叶算 時需要轉子的電氣角度，而轉子的電氣角度需由該位置1 數器6取得’但是在開機前由於該位置計數器6的值為μ 所以需要從該換相信號3、4、5與電 氣角度。 氣換相表7得到初始電 201006118 其中該換相信號3、4、5與該電氣換相表7得到初始電 氣角度的對應關係用圖3來說明，該換相信號3、4、5如果 對應為Hu、Hv、Hw，則可由邏輯丨或邏輯〇的狀態，來辦 應轉子的電氣角度，因此只需將其邏輯狀態查表即可知到 當時轉子所在的位置，以供該三相旋轉座標對直角座標轉 換模組12與該直角座標對三相旋轉座標轉換模組13在馬達 轉子初始轉動前計算出轉子的電氣角度。 然而此種習如馬達轉子初始電氣角度的取得方法，在 系統回授上馬達需多出3組訊號，多出六條配線，在可靠度 與維護上增加難度，且為了配置該換相信號3、4、5的感測 器使的馬達體積變大，結構相當複雜。如本國本國新型專 利第M302831號，即顯示出其複雜的結構。 再如本國發明公開公報200736868號，是利用一微處理 器將所讀取的Hu、Hv、Hw邏輯狀態用通訊的方式送回馬 ❹ 、去 達控制器中’以得到對應的馬達轉子的電氣角度，雖然減 少換相信號的配線，但是卻增加在馬達端設置微處理器的 成本。 職是，本案發明人針對上述現有無刷伺服馬達轉子初 始電氣角度的取得方法之需求與缺失，乃特潛心研究並配 合學理之運用，提出一種利用光學反射訊號的初始電氣角 度的取得方法及其裝置，可有效解決上述習知技術的缺失 201006118 ，更具有結構及原理簡單’安裝容易且成本低廉的優點 【發明内容】 本發明之主要目的係在於提供一種祠服馬達轉子初始 電氣角度的取得方法及裝置，利用簡單的正弦波原理侧 出馬達轉子的初始電氣角度，以解決習知技術之電氣角度 感測器需要使用多組配線及結構複雜，使馬達體積變大的 ❺ 缺失。 為達成上述目的，本發明之主要技術特徵係在於提供 一種飼服馬達轉子初始電氣角度的取得方法，首先建置一 連動於馬達轉子之光學編補，其上佈設對應於胁§磁極 對之線條圖形’該線條圖形由複數圍繞圓心呈放射狀排列 7線條組成；並建置二相隔—9G。夾角之光學感測器用以 ❿ < 測該光學編碼盤上之一組線條圖形，產生二組相差一如。 ^之弦波電壓訊號’·因此，於馬達初始啟動轉子轉動前， 二=學角感:器:測:光學編碼盤之-組線條圓形， 角之一第一弦波信號㈣)及一第二弦波信號 (cose);利用公式 tan' 计算出一正 ^多一弦波信號 L第一弦波信號(cos0) 弦波Θ角度’即為馬達轉子的初始電氣角度。 為達成上述目的，太溢^ 上述他料轉子技術特徵係在於提供 轉子純電氣角度的取得方法，其中該光學 201006118 編碼盤上之線條圖形，係由複數線條以等密度而不等寬度 形態組成，即該些線條在等距下由粗線漸漸變化到細線， 再漸漸變化到粗線。 為達成上述目的，本發明之另一技術特徵係在於提供 上述伺服馬達轉子初始電氣角度的取得方法，其中該光學 編碼盤上之線條圖形，係由複數線條以等寬度而不等密度 的形態組成，即該些線條在等線寬下以相距較密集漸漸疏 ® 遠，再漸漸密集。 為達成上述目的，本發明之又一技術特徵係在於提供 上述伺服馬達轉子初始電氣角度的取得方法，其中讓光學 感測器係由一光電晶體及一發光二極體所組成，使該發光 二極體發光照射於該光學編碼盤，該光電晶體接收由光學 編碼盤反射的光線，藉由該線條圖形的反光多募，使憤測 一整組線條圖形後產生一組正弦波電壓信號。 春 為達成上述目的，本發明之再一技術特徵係在於提供 上述伺服馬達轉子初始電氣角度的取得方法，其中該光學 編碼盤係為一可透光材質製成，而該光學感測器係由一光 電晶體及一發光二極體所組成，使該發光二極體發光穿透 該光學編碼盤，該光電晶體接收穿透光線，藉由光線穿透 該線條圖形的多募，使偵測一整組線條圖形產生一組正弦 波電壓信號。 201006118 【實施方式】 為了使貴審查委員能更進一步瞭解本發明為達成預 定目的所採取之技術、手段及功效’請參閱以下有關本發 明之詳細說明與附圖’相信本發明之目的、特徵與特點， 當可由此得一深入且具體之瞭解’然而所附圖式僅提供參 考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。 請參閱圖4所示，係為本發明伺服馬達之向量控制系統 @ 實施例方塊示意圖。而圖5係為本發明馬達轉子磁極定位裝 置之實施例立體分解圖，本發明之馬達轉子係設有至少一 組N-S磁極對，本發明主要是取消習知馬達向量控制系統中 該換相信號3、4、5與電氣換相表7，改採用二組光學感測 器17 ’並將設置於馬達1側的習知光學編碼盤2改為具有 A、B相刻線16與黑白相間的線條圖形21之一新式光學編碼 盤20，該光學編碼盤20之轴心係連接於馬達1轉子，轉子轉 φ 動可連動該光學編碼盤20轉動。 而除了該光學感測器Π本發明更設有一類比/數位轉 換器18及一電氣角度計算器19’皆配設於一編碼器電路板 24上’該編碼器電路板24可藉由一顆螺絲鎖固於馬達1本體 的電路板固定柱25上。 如圖6所示，係為本發明光學編碼盤之第一實施例示意 圖’該光學編碼盤20呈圓盤狀，其上佈設至少一組對應於 該N-S磁極對之線條圖形21’該線條圖形係由複數圍繞圓心 呈放射狀排列的線條所組成，且該些線條是以等密度而不 201006118 等寬度的形態組成，意即該些線條相鄰間皆等距離的情況 下，由粗線漸漸變化到細線，再由細線漸漸變化到粗線的 方式呈現，而一組線條圖形21係對應一組馬達轉子的N_s 磁極對，如一馬達轉子具有5組N-S磁極對，則該光學編碼 盤20上則對應有5組線條圖形21。 如圖7所示，係為本發明光學編碼盤之第二實施例示 意圖，該光學編碼盤20上佈設之線條圖形21，同樣由複數 圍繞圓心呈放射狀排列的線條所組成，但該些線條是以等 ❹ 寬度而不等密度的形態組成，意即該些線條皆是相同寬度 的細線，但是以線條間相鄰距離由近漸漸變化到遠，再由 遠漸漸變化到近，或者可解釋為相距較密集漸漸疏遠，再 由疏遠漸漸密集的方式呈現。 如圖8所示，係為本發明光學感測器之電路示意圖，該 光學感測器17是由一光電晶體23及一發光二極體22所組 成，如圖9所示係為該光學感測器照射光學編碼盤之第一實 施例示意圖，該發光二極體22發光照射於該光學編碼盤20 ® 上，該光電晶體23可接收由光學編碼盤20上線條圖形21反 射的光線，由於線條圖形21上線條的粗細（或密度）會影響 光電晶體23接收反射光線的多寡，線條越粗（或越密集）反 射光線越少則光電晶體23的輸出電壓越高，反之線條越細 (或越疏遠）反射光線越多，則光電晶體的輸出電壓越低， 因此可由該光學感測器17偵測一整組線條圖形後，輸出的 電壓訊號產生如同一組正弦波訊號，如圖10所示即為本發 明線條圖形與輸出電壓的對應關係示意圖。 11- 201006118 如圖11所示，係為該光學感測器照射光學編碼盤之第 二實施例示意圖，本發明之光學編碼盤20亦可為一可透光 材質，而該光學感測器17之發光二極體22發光穿透該光學 編碼盤20，讓光電晶體23接收光線，由於光學編碼盤20上 線條圖形21的粗細（或密度）會影響光線穿透該光學編碼盤 20的多寡，亦影響光電晶體23接收光線的多寡，線條越粗 (或越密集）穿透光線越少則光電晶體23的輸出電壓越高， 反之線條越細（或越疏遠）穿透光線越多，則光電晶體的輸 〇 出電壓越低，因此可由該光學感測器17偵測一整組線條圖 形21後，輸出的電壓訊號產生如同一組正弦波訊號，如圖 10 ° 本發明係使用二組光學感測器17，且該二組光學感測 器17間相隔一特定夾角，恰可因偵測一組線條圖形21後而 產生二組相差一特定角度的第一弦波信號及第二弦波信 號，較佳地，假設該第一弦波信號為一正弦波(sin)，而第 二弦波信號為一餘弦波(cos)，如圖12所示，亦即該二組光 ® 學感測器17相距一組線條圖形21之90°位置處，亦因此可藉 由該二組光學感測器17偵測該光學編碼盤2 0上之線條圖形 21產生二組電壓值，再由該二組電壓值對應出該第一弦波 信號Θ角度及第二弦波信號Θ角度，其對應關係如圖13所示。 因此當馬達1初始啟動轉子轉動前，即可藉由該光學感 測器17得到一第一弦波電壓值及一第二弦波電壓值，並透 過該類比/數位轉換器18將二組電壓值轉換為數位訊號，後 至該電氣角度計算器19，且由圖13的輸出電壓與弦波訊號 • 12· 201006118 的對應關係可得出該第一弦波信號(sine)及該第二弦波信 號(cose)的角度，因此該電氣角度計算器19將該二組弦波電 壓值轉換為該第一弦波信號(sine)及該第二弦波信號(COS0) ’第一弦波信號(sine) i .¾二弦波信號(cos0) tan-

V 即 ❹ ❹ 代入電氣角度計算公式 可將正弦波(sin0)訊號之Θ角度給反推出來，又因為正弦波 (sine)訊號之Θ角度與轉子轉一圈的電氣角度是相等的，所 以即可得到需要的電氣角度，以供給該三相旋轉座標對直 角座標轉換模組12與該直角座標對三相旋轉座標轉換模組 13在初始計算時的電氣角度。 職是，本發明不論馬達轉子有多少N-S磁極對數，皆可 利用此一事先設定好的光學編碼盤及二組光學感測器，偵 測出馬達轉子的電氣角度’完全不需要使用換相信號Hu、 Hv、Hw以取得初始電氣角度，且實施結構簡單，故而本發 明確能藉上述所揭露之技術，提供一種迥然不同於習知者 的設計’堪能提高整體之使用價值，又其申請前未見於刊 物或公開使用，誠已符合發明專利之要件，爰依法提出發 明專利申請。 惟，上述所揭露之圖式、說明，僅為本發明之實施例 而已，凡精于此項技藝者當可依據上述之說明作其他種種 之改良，而這些改變仍屬於本發明之創作精神及以下所界 定之專利範圍中。 -13- 201006118 【圖式簡單說明】 圖1係為習知伺服馬達的向量控制系統。 圖2係為習知換相信號之增量型光學編碼器的光學盤 示意圖。 圖3係為習知換相信號與電氣角度之對應關係示意圖 〇 圖4係為本發明伺服馬達之向量控制系統實施例方塊 ⑮ 示意圖。 圖5係為本發明馬達轉子磁極定位裝置之實施例立體 分解圖。 圖6係為本發明光學編碼盤之第一實施例示意圖。 圖7係為本發明光學編碼盤之第二實施例示意圖。 圖8係為本發明光學感測器之電路示意圖。 圖9係為本發明光學感測器照射該光學編碼盤之第一 ❹ 實施例示意圖。 圖10係為本發明線條圖形與輸出電壓的對應關係示 意圖。 圖11係為本發明光學感測器照射該光學編碼盤之第二 實施例示意圖。 圖12係為本發明二組光學感測器相距一組線條圖形 之90。位置處的實施例示意圖。及 圖13係為本發明反射式光學感測器感測之弦波信號 201006118 與電氣角度之關係圖。 【主要元件符號說明】 1 馬達 2 含換相信號之增量型光學編碼器 3 換相信號Hu 4 換相信號Hv 5 換相信號Hw 6 位置計數器 7 電氣換相表 8 初始位置暫存器 9 速度計算器 10 速度控制器 11 電流控制器 12 三相旋轉座標對直角座標轉換模組 13 直角座標對三相旋轉座標轉換模組 14 脈波寬度調變模組 15 三相電力變頻器 16 A、B相刻線 17 反射式光學感測器 18 類比/數位轉換器 19 電氣角度計算器 20 光學編碼盤 21 線條圖形 -15- 201006118 22 發光二極體 23 光電晶體 24 編碼器電路板 25 電路板固定柱

Claims (1)

1. 201006118 十、申請專利範圍： 1. -種餘馬達轉子初始魏肖度的取得方法，該轉子 設有至少一組Ν-S磁極對，該方法係包括下列步驟： 建置一連動於馬達轉子之光學編碣盤，其上佈設至少 -組對應於該Ν-S磁極對之線條圖形，該線條圖形 繞圓心呈放射狀排列的線條組成； 圍 建置二相隔—特定夾角之光學感測器，用以偵測該光 ❹學編碼盤上之一組線條圖形，產生二組相差 弦波電壓訊號； 、，於馬達初始啟動轉子轉動前，以該二光學感測器铺測 該光學編碼盤之一組線條圖形，產生相差特定角度之一第 一弦波信號Θ及一第二弦波信號θ ;及 以該第一弦波信號Θ及該第二弦波信號θ計算出一正弦 波Θ角度’即為馬達轉子的初始電氣角度。 ❹ 2. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得方法，其中該光學編碼盤上之線條圖形，係由 複數線條以等密度而不等寬度形態組成，即該些線條在等 距下由粒線漸漸變化到細線，再漸漸變化到粗線。 3. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得方法，其中該光學編碼盤上之線條圖形，係由 複數線條以等寬度而不等密度的形態組成，即該些線條在 等線寬下以相距較密集漸漸疏遠，再漸漸密集。 -17- 201006118 4. 如申請專利範圍第〗項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得方法，其中該光學感測器係由一光電晶體及一 發光二極體所組成，使該發光二極體發光照射於該光學編 碼盤該光電晶體接收由光學編碼盤反射的光線，藉由該 線條圖形的反光多募，使偵測—整組線條圖形後產H 正弦波電壓信號。 5. 如申請專利第丨項所述之舰馬達轉子初始電氣 ❹肖度的取得方法’其中該光學編碼盤係為—可透光材質製 成，而該光學感測器係由-光電晶體及一發光二極艘所組 成，使該發光二極體發光穿透該光學編碼盤，該光電晶體 接收穿透光線’藉由光線穿透該線條圏形的多募，使價測 一整組線條圏形產生一組正弦波電壓信號。 6·如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達轉子初始電氣 肖度的取得方法’其中偵測光學編碼盤線條圖形的步驟 ®中’更包括下列步驟： 產生一第一弦波電壓值及一第二弦波電壓值； 轉換該第一及第二弦波電壓值為數位電壓值；及 轉換該二組弦波電壓值為該第一弦波信號Θ及該第二 弦波“號0 ’以計算出該正弦波Θ角度。 7.如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得方法，其中該二光學感測器相隔-特定夾角， 18- 201006118 係相隔一組線條圖形之9〇。角，使該第一弦波信號Θ為一正 弦波(sine)，而第二弦波信號Θ為一餘弦波(cose),而計算該 正弦波Θ角度之公式為 L第二弦波信號(C〇S0)J 。 8. 如申請專利範圍第1項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得方法，其中該光學編碼盤上更佈設有A、B相刻 線。 9. 一種伺服馬達轉子初始電氣角度的取得裝置，該轉子 設有至少一組N-S磁極對，該裝置包括： 一光學編碼盤，係連動於馬達轉子，呈圓盤狀，其上 佈設至少一組對應於該N-S磁極對之線條圖形，該線條圖形 由複數圍繞圓心呈放射狀排列的線條組成； 二光學感測器，係相隔—特定夾角，用以偵測該光學 編碼盤上之-組線條圖形，產生二組相差一特定角度之弦 波電壓訊號；及 -電氣角度計算器，係接收該二組相差—特定角度之 弦波電壓訊號，轉換為—第—弦波信號Θ及—第二弦波信號 0,藉以計算出-正弦波#度，即為馬達轉子的初始電氣 角度。 10.如申請專利範圍第9項所述之舰馬達轉子初始電氣 角度的取得裝置，其中料學編碼盤上之線條圓形，係由 '19. 201006118 等密度而不等寬度形態組成，即該些線條在等 距下由粗線漸漸變化到細線’再漸漸變化到粗線。 H如申料·圍第9彻k他馬料子初始電氣 二取传裝置，其中該光學編碼盤上之線條圖形，係由 ^條以等寬度而不等密度_成，㈣些線條在 、下以相距較密㈣漸疏遠，再漸漸密集。 12·如申請專利範圍第9項所述之舰馬達轉子初始電氣 角度的取得裝置，其中該光學感測器係由—光電晶體及一 發光二極體所組成，使該發光二極體發絲射於該光學編 ❹

   碼盤’該光電晶體接收由光學編㈣反射的光線， 藉由該 線條圖形的反光多募，使彳貞測―整組線條圖形後產生一組 正弦波電壓信號。 13 ·如申請專利範圍第9項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得裝置，其中該光學編瑪盤係為一可透光材質製 成，而該光學感測器係由一光電晶體及一發光二極體所組 成使該發光二極體發光穿透該光學編碼盤，該光電晶體 接收穿透光線，藉由光線穿透該線條圖形的多募，使偵測 一整組線條圖形產生一組正弦波電壓信號。 14.如申請專利範圍第9項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得裝置，其中更包括： 一類比/數位轉換器，用以將該二組光學感測器所生 • 20- 201006118 之二組弦波電廢訊號轉換為數位電髮值 15·如申請專利範圍第9項所述 ^ 角度的取得裝置，其中該二光學感測器=轉=始電氣 係相隔一組線條圖形之90〇角 特疋夹角， . π便孩第一弦波信费 弦波(sme),而第二弦波信號0為一 」 俅弦波（cose)，而該電氣 角度叶算器計算該正弦波0角度之公式為 tan'1 Θ !一弦波信號(sinO)

   第二弦波信號(COS0) 16.如申請專利範圍第9項所述之伺服馬達轉子初始電氣 角度的取得裝置，其中該光學編碼盤上更佈設有A、B相刻 線。 Η*一、囷式： ❹ -21-