TWI676871B - 馬達命令收斂調整裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

一種馬達命令收斂調整裝置，包含一差值運算單元、一積分單元與一濾波頻寬設定單元。差值運算單元，係用以接收一命令產生裝置產生之輸入位置命令與一傳送至馬達驅動裝置之輸出位置命令，並運算出一命令差值。濾波頻寬設定單元，係用以設定一濾波頻寬，並使積分單元依據濾波頻寬與命令差值積分運算出一動態命令輸出修正量，藉以利用動態命令輸出修正量即時性地修正輸出位置命令，使輸出位置命令逐漸收斂於輸入位置命令。

Description

馬達命令收斂調整裝置及其方法

本發明係有關於一種收斂調整裝置，尤其是指一種馬達命令收斂調整裝置。

馬達，又稱電動機、電動馬達，是一種將電能轉換為動能，可用來驅動其他裝置的電器設備，在現今生活中被廣泛地應用。其原理與發電機大致相同，差異僅在於能量的轉換不同而已。馬達的發展也帶動了人類科技的進步，從馬達問世發展至今，衍生出了各式各樣的馬達種類。

隨著科技的進步，人類對於精確度的要求越來越高，這樣的要求也應用於馬達，一般稱之為伺服馬達，而伺服馬達主要應用於精密的轉速或位置控制。

一般來說，伺服馬達控制系統會包含一命令產生裝置、一濾波裝置、一馬達驅動裝置、一伺服馬達與一回授裝置。命令產生裝置係產生一輸入位置命令，並將輸入位置命令傳送至濾波裝置。濾波裝置，係電性連接命令產生裝置，用以接收輸入位置命令，並且 將其濾波成一輸出位置命令，其中，濾波的用意在於過濾輸入位置命令中的雜訊。

馬達驅動裝置，係電性連接濾波裝置，用以接收輸出位置命令，並據以驅動伺服馬達。回授裝置係用以擷取伺服馬達的一實際位置，並且回授傳送至馬達驅動裝置。馬達驅動裝置，接收到伺服馬達的實際位置後，會再與輸出位置命令運算，產生下一次的輸出位置命令，藉以使伺服馬達的實際位置逐漸趨近於輸出位置命令所代表之一輸出位置。

請參閱第一圖，第一圖係顯示先前技術中之輸入位置命令與輸出位置命令之收斂關係圖。如圖所示，一輸入位置命令PAIc與一輸出位置命令PAOc。馬達驅動裝置接收伺服馬達的實際位置後，會再與輸出位置命令PAOc運算，產生下一次的輸出位置命令PAOc。因此，隨著時間越久，輸出位置命令PAOc會向輸入位置命令PAIc收斂。

然而，先前技術中的濾波裝置在過濾輸入位置命令PAIc產生輸出位置命令PAOc時，有可能發生命令遺失、命令誤差等情形。因此，輸出位置命令PAOc所代表之輸出位置便與輸入位置命令PAIc所代表之一輸入位置有所差異。故當馬達驅動裝置認為伺服馬達的實際位置與輸出位置相同而認為伺服馬達已完成輸出位置命令時，實際上伺服馬達的實際位置仍未到達輸入位置命令所希望伺服馬達到達的輸入位置，亦即在圖式中，在一收斂時間點PATc後，輸出位置命令PAOc與輸入與輸 入位置命令PAIc平行，且不再向輸入位置命令PAIc收斂時，輸出位置命令PAO與輸入位置命令PAIc係存在一命令誤差e。在日漸要求精確與精準的現今社會，此一命令誤差e的累積有可能會帶來極大的影響。

此外，先前技術中的濾波裝置會有一切換判別動作。當判斷出伺服馬達的實際位置與輸出位置命令代表之輸出位置相同，也就是收斂時間點PATc後，輸出位置命令PAOc與輸入位置命令PAIc平行，且不再向輸入位置命令PAIc收斂時，濾波裝置會從1切換至0，也就是不對輸入位置命令濾波，使得輸入位置命令PAIc直接變成輸出位置命令PAOc輸出。此時，馬達驅動裝置接收到的輸出位置命令PAOc會與輸入位置命令PAIc相同，故會使輸出位置命令PAOc瞬間增加命令誤差e躍升至輸入位置命令PAIc。然而，濾波裝置從1切換至0的瞬間，使得輸出位置命令PAOc瞬間增加命令誤差e躍升至輸入位置命令PAIc，容易造成整個系統震盪而不穩定的情形。

有鑒於在先前技術中，回授裝置僅回授伺服馬達的實際位置，馬達驅動裝置也僅比對實際位置與濾波裝置產生的輸出位置命令，並未去比對濾波裝置產生的輸出位置命令與命令產生器產生的輸入位置命令，容易造成實際位置等於輸出位置，卻與輸入位置有所落差的情形發生，以及濾波裝置切換判斷動作切換至0容易造成整個系統的震盪不穩定。本發明之一主要目的係提 供一種馬達命令收斂調整裝置，係用以接收一命令產生裝置之一輸入位置命令，產生一用以傳送至一馬達驅動裝置之輸出位置命令，並使輸出位置命令逐漸收斂於輸入位置命令。

本發明為解決先前技術之問題，所採用之必要技術手段為提供一種馬達命令收斂調整裝置，係用以接收一命令產生裝置之一輸入位置命令，產生一用以傳送至一馬達驅動裝置之輸出位置命令，並使輸出位置命令逐漸收斂於輸入位置命令，馬達命令收斂調整裝置包含一差值運算單元、一積分單元與一濾波頻寬設定單元。

差值運算單元，係電性連接於命令產生裝置，用以接收輸入位置命令與輸出位置命令，並運算出一命令差值。積分單元，係電性連接差值運算單元，用以接收命令差值。濾波頻寬設定單元，係電性連接積分單元，用以設定一濾波頻寬，並將濾波頻寬傳送至積分單元，使積分單元依據命令差值與濾波頻寬積分運算出一動態命令輸出修正量，藉以利用動態命令輸出修正量即時性地修正輸出位置命令，使輸出位置命令逐漸收斂於輸入位置命令。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達命令收斂調整裝置中之差值運算單元，係一減法器。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達命令收斂調整裝置中之 積分單元，係一積分器。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達命令收斂調整裝置中之濾波頻寬設定單元，包含一濾波頻寬設定介面，且濾波頻寬設定介面係用以供一使用者設定濾波頻寬。

本發明為解決先前技術之問題，所採用之必要技術手段為另外提供一種馬達命令收斂調整方法，係利用如前述之馬達命令收斂調整裝置加以實施，並包含以下步驟：(a)利用差值運算單元，接收輸入位置命令與輸出位置命令，並運算出命令差值；(b)利用積分單元，接收命令差值；(c)利用濾波頻寬設置單元，設定濾波頻寬，並將濾波頻寬傳送至積分單元；(d)利用積分單元，依據命令差值與濾波頻寬積分運算出動態命令輸出修正量；以及(e)利用積分單元，依據動態命令輸出修正量即時性地修正輸出位置命令，使輸出位置命令逐漸收斂於輸入位置命令。

承上所述，本發明所提供馬達命令收斂調整裝置，係利用差值運算單元、積分單元與濾波頻寬設定單元，使傳送至馬達驅動裝置之輸出位置命令逐漸收斂於命令產生裝置產生之輸入位置命令，藉以解決先前技術中輸入位置命令與輸出位置命令有所誤差之情形。

e‧‧‧命令差值

PAIc‧‧‧輸入位置命令

PAOc‧‧‧輸出位置命令

PATc‧‧‧收斂時間點

100‧‧‧馬達控制系統

1‧‧‧馬達命令收斂調整裝置

11‧‧‧差值運算單元

12‧‧‧積分單元

13‧‧‧濾波頻寬設定單元

131‧‧‧操作介面

2‧‧‧命令產生裝置

3‧‧‧馬達驅動裝置

4‧‧‧馬達

Ic‧‧‧輸入位置命令

Oc‧‧‧輸出位置命令

Tc‧‧‧收斂時間點

第一圖係顯示先前技術中之輸入位置命令與輸出位置命 令之收斂關係圖；第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之馬達命令收斂調整裝置應用於馬達控制系統之方塊圖；第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之馬達命令收斂調整裝置之輸出位置命令與輸入位置命令之收斂關係圖；以及第四圖係顯示本發明較佳實施例所提供之馬達命令收斂調整方法之流程圖。

請一併參閱第二圖與第三圖，其中，第二圖係顯示本發明較佳實施例所提供之馬達命令收斂調整裝置應用於馬達控制系統之方塊圖；以及，第三圖係顯示本發明較佳實施例所提供之馬達命令收斂調整裝置之輸出位置命令與輸入位置命令之收斂關係圖。如圖所示，一種馬達控制系統100，包含一馬達命令收斂調整裝置1、一命令產生裝置2、一馬達驅動裝置3與一馬達4。

命令產生裝置2，係用以產生一輸入位置命令Ic。馬達命令收斂調整裝置1，係電性連接命令產生裝置2，用以接收輸入位置命令Ic，並據以產生一輸出位置命令Oc，且輸出位置命令Oc會受操作地回授至馬達命令收斂調整裝置1。馬達驅動裝置3，係電性連接馬達命令收斂調整裝置1，用以接收輸出位置命令Oc，並據以驅動馬達4作動。

馬達命令收斂調整裝置1，包含一差值運 算單元11、一積分單元12與一濾波頻寬設定單元13。差值運算單元11，係電性連接於命令產生裝置2，用以接收輸入位置命令Ic與回授的輸出位置命令，並據以運算出一命令差值。差值運算單元11，可為一減法器，或是其他具有差值運算的晶片、韌體等。

積分單元12，係電性連接差值運算單元11，用以接收差值運算單元11所運算出的命令差值。濾波頻寬設定單元13，係電性連接積分單元12，用以設定一濾波頻寬，並將濾波頻寬傳送至積分單元12。

積分單元12，接收到命令差值與濾波頻寬後，係據以積分運算出一動態命令輸出修正量，藉以利用動態命令輸出修正量即時性地修正輸出位置命令Oc，使得輸出位置命令Oc逐漸收斂於輸入位置命令Oc。

因為只要有輸出位置命令Oc產生，輸出位置命令Oc便會被回授至差值運算單元11，差值運算單元11便會將輸入位置命令Ic減掉輸出位置命令Oc得到命令差值，而積分單元12便會不斷地接收命令差值，並利用濾波頻寬與命令差值不斷地進行積分運算，而計算出對應的動態命令輸出修正量。因此，動態命令輸出修正量可以即時性地修正輸出位置命令Oc，使得輸出位置命令Oc逐漸收斂於輸入位置命令Ic。亦即只要一有輸出位置命令Oc產生或是輸出位置命令Oc與輸入位置命令Ic相異時，馬達命令收斂調整裝置1就會進行上述作動，故可以在動態的情況下即時性地修正輸出位置命令Oc，使輸出位置命令Oc逐漸收斂於輸入位置命令Ic。

在本實施例中，濾波頻寬設定單元13包含一操作介面131。操作介面131，係用以供一使用者設定上述濾波頻寬。濾波頻寬越大，則輸出位置命令收斂於輸入位置命令的速度就越快；反之，濾波頻寬越小，則輸出位置命令收斂於輸入位置命令的速度就越慢。

以第三圖為例，輸入位置命令Ic為一步階響應由0至100的命令，若將濾波頻寬設定為100Hz，則在1/(2π×100)的時間點時，輸出位置命令Oc會到達輸入位置命令Ic的62.8%；若將濾波頻寬設定為200Hz，則在1/(2π×200)的時間點時，輸出位置命令Oc就會到達輸入位置命令Ic的62.8%。因為，輸出位置命令Oc會一直向輸入位置命令Ic收斂，越早到達輸入位置命令Ic的62.8%，也表示輸出位置命令Oc會越早收斂於輸入位置命令Ic。如圖所示，一收斂時間點Tc係表示輸出位置命令Oc收斂於輸入位置命令Ic的時間點。濾波頻寬設定的越大，輸出位置命令Oc收斂於輸入位置命令Ic的速度會越快，收斂時間點Tc會越小。反之，濾波頻寬設定的越小，輸出位置命令Oc收斂於輸入位置命令Ic的速度會越慢，收斂時間點Tc會越大。

而本發明較佳實施例所提供之馬達命令收斂調整裝置1，也可應用於先前技術中的伺服馬達控制系統。因為馬達命令收斂調整裝置1可以在動態的情況下，即時性地修正輸出位置命令Oc，使得輸出位置命令Oc逐漸收斂於輸入位置命令Ic。而先前技術中的伺服馬達控制系統，回授裝置會將伺服馬達的實際位置回授至 馬達驅動裝置，馬達驅動裝置會將實際位置與輸出位置命令Oc所代表的輸出位置進行比較運算，以修正出下一個輸出位置命令Oc，使得實際位置逐漸向輸出位置命令Oc所代表的輸出位置逼近。故，實際位置會逐漸逼近輸出位置命令Oc所代表的輸出位置，而馬達命令收斂調整裝置1又會使得輸出位置命令Oc逐漸收斂於輸入位置命令Ic，因此，實際位置也會逐漸逼近輸入位置命令Ic所代表的輸入位置，不會像先前技術中實際位置逐漸逼近輸出位置，然而輸出位置命令PAOc卻與輸入位置命令PAIc存在有命令誤差e。

而當輸出位置命令Oc收斂於輸入位置命令Ic，使得命令差值為0時，馬達命令收斂調整裝置1仍會繼續運算，但是因為命令差值為0，使得動態命令輸出修正量為0，故不會對已經收斂於輸入位置命令Ic的輸出位置命令Oc造成影響。因此，本發明所提供之馬達命令收斂調整裝置1也不需要像先前技術一樣需要進行切換，進而避免切換所造成系統震盪不穩定的情形發生。

在本實施例中，積分單元12係一積分器，也可為其他具有積分能力的晶片、韌體等。此外，濾波頻寬設定單元13可包含一濾波頻寬設定介面(圖未繪示)，濾波頻寬設定介面係用以供一使用者設定上述濾波頻寬。

接著，請一併參閱第二圖至第四圖，第四圖係顯示本發明較佳實施例所提供之馬達命令收斂調整方法之流程圖。馬達命令收斂調整方法，係利用如第一 圖所示之馬達命令收斂調整裝置1加以實施，並包含以下步驟S101至S105。

步驟S101：利用該差值運算單元，接收該輸入位置命令與該輸出位置命令，並運算出該命令差值。

步驟S102：利用該積分單元，接收該命令差值。

步驟S103：利用該濾波頻寬設定單元，設定該濾波頻寬，並將該濾波頻寬傳送至該積分單元。

步驟S104：利用該積分單元，依據該命令差值與該濾波頻寬積分運算出該動態命令輸出修正量。

步驟S105：利用該積分單元，依據該動態命令輸出修正量即時性地修正該輸出位置命令，使該輸出位置命令逐漸收斂於該輸入位置命令。

步驟S101係利用差值運算單元11，接收輸入位置命令Ic與輸出位置命令Oc，並運算出命令差值，其中，輸入位置命令Ic係第二圖中之命令產生裝置2所產生，輸出位置命令Oc係由馬達命令收斂調整裝置1產生，並傳送至馬達驅動裝置3，且同時回授至差值運算單元11。

步驟S102係利用積分單元12，接收差值運算單元11所運算出之命令差值。

步驟S103係利用濾波頻寬設定單元13，設定濾波頻寬，通常係由一使用者操作設定，並將濾波頻寬傳送至積分單元12。

步驟S104係利用積分單元12，接收差值運 算單元11所運算出的命令差值與濾波頻寬設定單元13所設定的濾波頻寬，並依據命令差值與濾波頻寬進行積分運算出動態命令輸出修正量。

步驟S105係利用積分單元12，依據動態命令輸出修正量，即時性地修正輸出位置命令Oc，使輸出位置命令Oc逐漸收斂於輸入位置命令Ic。因為只要有輸出位置命令Oc的產生便會回授至差值運算單元11，便會產生出命令差值。而只要有命令差值，積分單元12便會依據命令差值與濾波頻寬進行積分運算，而計算出動態命令輸出修正量。因此，馬達命令收斂調整方法可以在動態的情況下即時性地修正輸出位置命令，使得輸出位置命令Oc逐漸收斂於輸入位置命令Ic。

而當輸出位置命令Oc收斂於輸入位置命令Ic，使得命令差值為0時，馬達命令收斂調整裝置1仍會繼續運算，但是因為命令差值為0，使得動態命令輸出修正量為0，故不會對已經收斂於輸入位置命令Ic的輸出位置命令Oc造成影響。因此，本發明所提供之馬達命令收斂調整裝置1也不需要像先前技術一樣需要進行切換，進而避免切換所造成系統震盪不穩定的情形發生。

綜上所述，本發明所提供之馬達命令收斂調整裝置及其方法，利用差值運算單元、積分單元與濾波頻寬設定單元，運算出動態命令輸出修正量，並且即時性地修正輸出位置命令，藉以使得輸出位置命令逐漸收斂於輸入位置命令。相較於先前技術，本發明可以確保輸出位置命令逐漸收斂於輸入位置命令，而不會像先 前技術當中輸出位置命令與輸入位置命令不同，造成的誤差所衍生出後續的問題。而當輸出位置命令收斂於輸入位置命令時，因命令差值為0使得動態命令輸出修正量也為0，並不會對輸出位置命令造成影響，因此，本發明所提供之馬達命令收斂調整裝置及其方法不需要進行切換，也避免因為切換而導致系統震盪不穩定的情形發生。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

Claims (5)

1. 一種馬達命令收斂調整裝置，係用以接收一命令產生裝置之一輸入位置命令，產生一用以傳送至一馬達驅動裝置之輸出位置命令，並使該輸出位置命令逐漸收斂於該輸入位置命令，該馬達命令收斂調整裝置包含：一差值運算單元，係電性連接於該命令產生裝置，用以接收該輸入位置命令與該輸出位置命令，並運算出一命令差值；一積分單元，係電性連接該差值運算單元，用以接收該命令差值；以及一濾波頻寬設定單元，係電性連接該積分單元，用以設定一濾波頻寬，並將該濾波頻寬傳送至該積分單元，使該積分單元依據該命令差值與該濾波頻寬積分運算出一動態命令輸出修正量，藉以利用該動態命令輸出修正量即時性地修正該輸出位置命令，使該輸出位置命令逐漸收斂於該輸入位置命令。
2. 如申請專利範圍第1項所述之馬達命令收斂調整裝置，其中，該差值運算單元係一減法器。
3. 如申請專利範圍第1項所述之馬達命令收斂調整裝置，其中，該積分單元係一積分器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之馬達命令收斂調整裝置，其中，該濾波頻寬設定單元包含一濾波頻寬設定介面，且該濾波頻寬設定介面係用以供一使用者設定該濾波頻寬。
5. 一種馬達命令收斂調整方法，係利用如申請專利範圍第1項所述之馬達命令收斂調整裝置加以實施，並包含以下步驟：(a)利用該差值運算單元，接收該輸入位置命令與該輸出位置命令，並運算出該命令差值；(b)利用該積分單元，接收該命令差值；(c)利用該濾波頻寬設定單元，設定該濾波頻寬，並將該濾波頻寬傳送至該積分單元；(d)利用該積分單元，依據該命令差值與該濾波頻寬積分運算出該動態命令輸出修正量；以及(e)利用該積分單元，依據該動態命令輸出修正量即時性地修正該輸出位置命令，使該輸出位置命令逐漸收斂於該輸入位置命令。