TWI872851B

TWI872851B - 編碼器的校正及補償系統及方法

Info

Publication number: TWI872851B
Application number: TW112147567A
Authority: TW
Inventors: 梁介仲; 陳冠昕; 黃建評
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2023-12-07
Filing date: 2023-12-07
Publication date: 2025-02-11
Also published as: TW202524044A

Abstract

編碼器的校正及補償方法，包含步驟：(a) 提供相互連接之電機、編碼器及驅動器，其中，驅動器驅動電機，編碼器偵測電機的旋轉角度並提供給驅動器；(b) 利用驅動器提供三相電流至電機，使電機吸正於零點位置；(c) 依據零點位置對編碼器進行零點校正；(d) 利用驅動器控制電機以預設轉速持續運行；(e) 於電機以預設轉速運行時，紀錄電機之D軸電流及Q軸電流；(f) 利用驅動器輸出D軸電流命令至電機，並再次紀錄電機之D軸電流及Q軸電流，以計算變化量；(g) 利用驅動器依據變化量計算編碼器的零點偏差角；以及(h) 依據零點偏差角對編碼器進行角度補償。

Description

編碼器的校正及補償系統及方法

本案係關於一種校正及補償系統及方法，尤指一種編碼器的校正及補償系統及方法。

傳統的編碼器校正方法係透過輸入特定電流至電機，使電機的轉子吸正於零點位置，並將零點位置寫入編碼器以完成校正。然而，電機中齒槽轉矩的作用會導致零點位置產生偏差，而對於轉矩精度要求較高的產品而言，上述誤差會影響產品的準確性，因此需對偏差之零點位置進行補償。

現有對零點位置的補償方式為透過動力平台測試電機的性能，藉此判斷零點位置是否產生偏差。然而，上述方式無法準確估計零點位置的偏差程度，故須利用動力平台反覆測試電機的性能才可完成零點位置之偏差補償。因此，若僅以性能的測試結果作為判斷的標準可能導致電機的效率無法最佳化。此外，上述方式需架設額外的動力平台以對電機進行性能測試，導致設備成本及時間成本增加。

因此，如何發展一種可改善上述習知技術之編碼器的校正及補償系統及方法，實為目前迫切之需求。

本案之目的為提供一種編碼器的校正及補償系統及方法，其僅通過驅動器完成對編碼器的零點位置校正及零點偏差角補償，因而減少設備的架設成本及時間成本。此外，相較於傳統方法須利用動力平台反覆測試電機的性能才可完成零點位置之偏差補償，本案計算零點偏差角可將編碼器之偏差角度一次補償到位，補償後之編碼器的精準度提升，整體系統的效率因此提升。

根據本案之構想，本案提供一種編碼器的校正及補償系統，包含電機、編碼器及驅動器。編碼器連接於電機，且架構於偵測電機的旋轉角度。驅動器連接於電機及編碼器。驅動器提供三相電流至電機使電機的轉子吸正於零點位置，零點位置被用於校正編碼器。在編碼器完成零點校正後，驅動器控制電機以預設轉速持續運行時，驅動器輸出D軸電流命令至電機並紀錄電機之D軸電流及Q軸電流之變化量，驅動器依據變化量計算編碼器的零點偏差角，零點偏差角被用於補償編碼器。

根據本案之構想，本案提供一種編碼器的校正及補償方法，包含步驟：(a) 提供相互連接之電機、編碼器及驅動器，其中，驅動器架構於驅動電機，編碼器架構於偵測電機的旋轉角度並提供給驅動器；(b) 利用驅動器提供三相電流至電機，使電機轉子吸正於零點位置；(c) 依據零點位置對編碼器進行零點校正；(d) 利用驅動器控制電機以預設轉速持續運行；(e) 於電機以預設轉速持續運行時，紀錄電機之D軸電流及Q軸電流；(f) 利用驅動器輸出D軸電流命令至電機，並再次紀錄電機之D軸電流及Q軸電流，以計算D軸電流及Q軸電流之變化量；(g) 利用驅動器依據變化量計算編碼器的零點偏差角；以及(h) 依據零點偏差角對編碼器進行角度補償。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。

第1圖為本案較佳實施例之編碼器的校正及補償系統1的系統架構示意圖。如第1圖所示，本案之編碼器的校正及補償系統1包含電機2、編碼器3及驅動器4。編碼器3連接於電機2，且架構於偵測電機2的旋轉角度。於一些實施例中，編碼器3還架構於偵測電機2的旋轉角度以後續計算回授速度，其中回授速度反映電機2當下運行的轉速。驅動器4連接於電機2及編碼器3。驅動器4提供三相電流至電機2使電機2的轉子吸正於零點位置，其中零點位置被用於校正編碼器3。在編碼器3完成零點校正後，驅動器4控制電機2以預設轉速運行，當電機2以預設轉速持續運行一段時間後，驅動器4輸出D軸電流命令至電機2並紀錄電機2之D軸命令及Q軸命令的變化量。驅動器4依據變化量計算編碼器3的零點偏差角，其中零點偏差角被用於補償編碼器3。本案所述的連接可包含各裝置或模組間實體的電連接，或者透過有線或無線通訊等介面的連接，非用以限制本案。

本案之編碼器的校正及補償系統1，其僅通過驅動器4完成對編碼器3的零點位置校正及零點偏差角補償，因而減少設備的架設成本及時間成本。此外，相較於傳統方法須利用動力平台反覆測試電機2的性能才可完成零點位置之偏差補償，本案計算零點偏差角可將編碼器3之偏差角度一次補償到位，補償後之編碼器3的精準度提升，整體系統的效率因此提升。

驅動器4包含訊號處理單元41、零點校正單元42及控制單元43。控制單元43提供三相電流至電機2使電機2的轉子吸正於零點位置，訊號處理單元41連接於編碼器3以接收旋轉角度，訊號處理單元41通過對旋轉角度進行訊號處理以產生旋轉訊號。零點校正單元42連接訊號處理單元41以接收旋轉訊號，並將該旋轉訊號紀錄為零點位置，其中零點位置被用於校正編碼器3。

控制單元43連接於電機2及訊號處理單元41，以控制電機2以預設轉速運行。電機2以預設轉速運行一段時間後，控制單元43輸出D軸電流命令至電機2，此時，零點校正單元42紀錄電機2之D軸電流及Q軸電流之變化量，並依據變化量計算編碼器3的零點偏差角，其中零點偏差角被用於補償編碼器3。於一些實施例中，如第1圖所示，驅動器4還包含記憶體單元44，記憶體單元44連接於零點校正單元42，並架構於儲存零點位置及零點偏差角。於另一些實施例中，驅動器4不具有記憶體單元，零點位置及零點偏差角被儲存於編碼器3中。

以下細說明本案之控制單元43如何控制電機2以預設轉速運行。請再參閱第1圖，控制單元43包含相互連接之速度控制器431及電流控制器432。電流控制器432架構於持續輸出電流命令至電機2，該電流命令用以控制電機2運行。速度控制器431架構於控制電機2的運行速度。編碼器3還架構於偵測電機2的旋轉角度並提供給訊號處理單元41用以計算回授速度以及旋轉訊號。速度控制器431連接於訊號處理單元41以接收電機2的回授速度，並依據預設轉速及電機2的回授速度輸出轉矩指令或電流指令至電流控制器432，電流控制器432依據轉矩指令或電流指令校正電流命令，並輸出校正後之電流命令至電機2。具體來說，速度控制器431判斷預設轉速及回授速度之差值是否超過一預設值，當預設轉速及回授速度之差值超過預設值時，速度控制器431調節輸出轉矩指令或電流指令至電流控制器432。電流控制器432依據轉矩指令或電流指令校正電流命令，並輸出校正後之電流命令至電機2，使電機2以預設轉速運行。反之，當預設轉速及回授速度之差值未超過預設值時，速度控制器431維持輸出固定轉矩指令或電流指令至電流控制器432，電流控制器432持續輸出電流命令至電機2。

以下例示說明本案驅動器4如何依據D軸電流及Q軸電流之變化量計算編碼器3的零點偏差角。

首先，電機2之電磁轉矩如第(1)式所示。 (1) 其中，為電機2之電磁轉矩，為電機2之磁極對個數，為電機2之永久磁鐵的磁鏈，為電機2之D軸電感，為電機2之Q軸電感，為電流控制器432輸出的電流命令中之D軸電流，為電流控制器432輸出的電流命令中之Q軸電流。

由於本案之電機2為表面貼磁式永磁電機，電機2之D軸電感與Q軸電感的值相同，因此，第(1)式可簡化為第(2)式。 (2)

此外，電機2之機械方程式如第(3)式所示。 (3) 其中，為負載轉矩，為電機2的轉速，及為常數。由第(3)式可知，電機2的轉速與電磁轉矩及負載轉矩相關，若電機2為空載運作時，其負載轉矩為零。此時，第(3)式可簡化為第(4)式。 (4) 由第(4)式可知，當電機2以穩定的轉速運行時，電磁轉矩與電機2的轉速成正相關。

編碼器3在完成零點位置的校正後，零點位置還存在零點偏差角，零點偏差角會造成電流控制器432輸出的電流命令中之D軸電流及Q軸電流在向量上產生偏差，從而降低電機2的輸出性能及效率。

考慮電機2為弱磁的情況下，上述零點偏差角使電流控制器432輸出的D軸電流及Q軸電流反映在q軸上的值為 = (如第2A圖所示)，上述第(2)式則改寫為第(5)式。 (5)

當電機2以預設轉速運行一段時間後，驅動器4輸出D軸電流命令至電機2並紀錄電機2之D軸電流及Q軸電流之變化量。此時，零點偏差角造成電磁轉矩產生變化，進而導致電機2無法以預設轉速運行。當速度控制器431判斷預設轉速及回授速度之差值超過預設值時，速度控制器431調節輸出轉矩指令或電流指令至電流控制器432，電流控制器432依據轉矩指令或電流指令產生校正電流命令，並輸出校正電流命令至電機2，使電機以預設轉速運行。於一些實施例中，驅動器4輸出之D軸電流命令被輸入至電流控制器432，電流控制器432依據轉矩指令或電流指令以及D軸電流命令產生校正電流命令，並輸出校正電流命令至電機2，使電機2以預設轉速運行。

由於本案之控制單元43可控制電機2以預設轉速運行，因此，控制單元43可控制電機2在接收D軸電流命令前後之轉速相同(即預設轉速)。此外，由上述第(4)式可知，因電機2在接收D軸電流命令前後之轉速相同，電機2在接收D軸電流命令前後之電磁轉矩亦相同。上述第(5)式可推導出第(6)式。 (6) 其中，在電機2接收D軸電流命令後，校正電流命令中之D軸電流以表示，且校正電流命令中之Q軸電流以表示，因此，第(6)式可再推導為第(7)及(8)式，藉此獲取零點偏差角。 (7) (8)

若考慮電機2為非弱磁的情況下，電流控制器432輸出的D軸電流為零(如第2B圖所示)，於此情況下，上述第(5)及(8)式可分別改寫為第(9)及(10)式。 (9) (10)

第3及4圖分別為編碼器3在有無補償下之電機2的電流示意圖。如第3圖所示，隨著運轉過程的時間變化，若在編碼器3無補償時施加D軸電流命令至電機2，由於受到零點偏差角的影響，電流命令中之D軸電流造成電磁轉矩下降，速度控制器提升Q軸電流以維持電機2之轉速。因此，維持電機2運作於目標轉速所需的電流提升。請再參閱第4圖，若在編碼器3有補償時施加D軸電流命令至電機2，由於零點偏差角已補償，因此馬達2之轉速持續保持穩定，且此時電流命令中之D軸電流的值即為所施加的D軸電流命令的值，而Q軸電流在施加D軸電流命令前後不會改變。編碼器3在補償後，電機2於相同轉速下所需之電流降低，因此提升整體效率。

將本案之編碼器的校正及補償系統1所計算出的零點偏差角與軟體模擬出的理想電氣角進行比較可知，在電機2以不同的預設轉速運行的情況下，零點偏差角與理想電氣角的誤差均可控制在1度左右。

第5圖為本案較佳實施例之編碼器的校正及補償方法的流程圖。本案之編碼器的校正及補償方法係適用於前述之編碼器的校正及補償系統1。如第5圖所示，本案之編碼器的校正及補償方法包含步驟S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7及S8。於步驟S1中，提供相互連接之電機2、編碼器3及驅動器4，其中，驅動器4架構於驅動電機2，編碼器3架構於偵測電機2的旋轉角度並提供給驅動器4。於步驟S2中，利用驅動器4提供三相電流至電機2，使電機2的轉子吸正於零點位置。於步驟S3中，依據零點位置對編碼器3進行零點校正。於步驟S4中，利用驅動器4控制電機2以預設轉速持續運行。於步驟S5中，於電機2以預設轉速運行時，紀錄電機之D軸電流及Q軸電流。於步驟S6中，利用驅動器4輸出D軸電流命令至電機2，並再次紀錄電機2之D軸電流及Q軸電流，以計算D軸電流及Q軸電流之變化量。於步驟S7中，利用驅動器4依據變化量計算編碼器3的零點偏差角。於步驟S8中，依據零點偏差角對編碼器3進行補償。

第6圖為第5圖之編碼器的校正及補償方法的部分流程圖，本案之編碼器的校正及補償方法係適用於前述之編碼器的校正及補償系統1及編碼器的校正及補償方法。如第6圖所示，編碼器的校正及補償方法還包含步驟S9及S10。於步驟S9中，利用驅動器4之訊號處理單元41接收旋轉角度並對旋轉角度進行訊號處理後輸出旋轉訊號。於步驟S10中，利用驅動器4之零點校正單元42接收旋轉訊號並將旋轉訊號紀錄為零點位置，其中零點位置被用於校正編碼器4。

第7圖為第5圖之編碼器的校正及補償方法的部分流程圖，本案之編碼器的校正及補償方法係適用於前述之編碼器的校正及補償系統1及編碼器的校正及補償方法。如第7圖所示，編碼器的校正及補償方法還包含步驟S11、S12及S13。於步驟S11中，利用驅動器4之控制單元43控制電機2以預設轉速運行。於步驟S12中，利用控制單元43輸出D軸電流命令至電機2。於步驟S13中，利用零點校正單元42紀錄電機2之D軸電流及Q軸電流之變化量，並依據D軸電流及Q軸電流之變化量計算編碼器3的零點偏差角。

第8圖為第5圖之編碼器的校正及補償方法的部分流程圖，本案之編碼器的校正及補償方法係適用於前述之編碼器的校正及補償系統1及編碼器的校正及補償方法。如第8圖所示，編碼器的校正及補償方法還包含步驟S14、S15及S16。於步驟S14中，利用編碼器3偵測旋轉角度，再經訊號處理單元41依據旋轉角度輸出電機2的回授速度。於步驟S15中，利用控制單元43之速度控制器431依據預設轉速及回授速度輸出轉矩指令或電流指令至電流控制器432。於步驟S16中，利用控制單元43之電流控制器432依據轉矩指令或電流指令校正電流命令，並輸出校正後之電流命令至電機2。

於上述步驟S15中，還包含步驟S150及S151。於步驟S150中，利用速度控制器431判斷預設轉速及回授速度之差值是否超過一預設值。於步驟S151中，當預設轉速及回授速度之差值超過預設值時，利用速度控制器431調節輸出轉矩指令或電流指令至電流控制器432。

綜上所述，本案提供一種編碼器的校正及補償系統及方法，其僅通過驅動器完成對編碼器的零點位置校正及零點偏差角補償，因而減少設備的架設成本及時間成本。此外，相較於傳統方法須利用動力平台反覆測試電機的性能才可完成零點位置之偏差補償，本案計算零點偏差角可將編碼器之偏差角度一次補償到位，補償後之編碼器的精準度提升，整體系統的效率因此提升。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附專利申請範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附專利申請範圍所欲保護者。

1:編碼器的校正及補償系統 2:電機 3:編碼器 4:驅動器 41:訊號處理單元 42:零點校正單元 43:控制單元 431:速度控制器 432:電流控制器 44:記憶體單元 S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、S13、S14、S15、S150、S151:步驟

第1圖為本案較佳實施例之編碼器的校正及補償系統的系統架構示意圖。

第2A及2B圖分別為當電機為弱磁及非弱磁的情況下，D軸電流及Q軸電流的座標示意圖。

第3圖為編碼器在無補償下之電機的電流示意圖。

第4圖為編碼器在有補償下之電機的電流示意圖。

第5圖為本案較佳實施例之編碼器的校正及補償方法的流程圖。

第6圖為第5圖之編碼器的校正及補償方法的部分流程圖。

第7圖為第5圖之編碼器的校正及補償方法的部分流程圖。

第8圖為第5圖之編碼器的校正及補償方法的部分流程圖。

1:編碼器的校正及補償系統

2:電機

3:編碼器

4:驅動器

41:訊號處理單元

42:零點校正單元

43:控制單元

431:速度控制器

432:電流控制器

44:記憶體單元

Claims

一種編碼器的校正及補償方法，包含步驟： (a) 提供相互連接之一電機、一編碼器及一驅動器，其中，該驅動器架構於驅動該電機，該編碼器架構於偵測該電機的一旋轉角度並提供給該驅動器； (b) 利用該驅動器提供一三相電流至該電機，使該電機的一轉子吸正於一零點位置； (c) 依據該零點位置對該編碼器進行零點校正； (d) 利用該驅動器控制該電機以一預設轉速持續運行； (e) 於該電機以該預設轉速持續運行時，紀錄該電機之一D軸電流及一Q軸電流； (f) 利用該驅動器輸出一D軸電流命令至該電機，並再次紀錄該電機之該D軸電流及該Q軸電流，以計算該D軸電流及該Q軸電流之一變化量； (g) 利用該驅動器依據該變化量計算該編碼器的一零點偏差角；以及 (h) 依據該零點偏差角對該編碼器進行角度補償。
如請求項1之編碼器的校正及補償方法，還包含步驟： (i) 利用該驅動器之一訊號處理單元接收該旋轉角度，並對該旋轉角度進行訊號處理後輸出一旋轉訊號；以及 (j) 利用該驅動器之一零點校正單元接收該旋轉訊號，並將該旋轉訊號紀錄為該零點位置。
如請求項2之編碼器的校正及補償方法，還包含步驟： (k) 利用該驅動器之一控制單元控制該電機以該預設轉速運行； (l) 利用該控制單元輸出該D軸電流命令至該電機；以及 (m) 利用該零點校正單元紀錄該電機之該D軸電流及該Q軸電流之該變化量，並依據該D軸電流及該Q軸電流之該變化量計算該零點偏差角。
如請求項3之編碼器的校正及補償方法，還包含步驟： (n) 利用該訊號處理單元依據該旋轉角度輸出該電機的一回授速度； (o) 利用該控制單元之一速度控制器依據該預設轉速及該回授速度輸出一轉矩指令或一電流指令至一電流控制器；以及 (p) 利用該控制單元之該電流控制器依據該轉矩指令或該電流指令校正輸出至該電機之一電流命令，並輸出校正後之該電流命令至該電機。
如請求項4之編碼器的校正及補償方法，其中，於該步驟(o)中還包含步驟： (o1) 利用該速度控制器判斷該預設轉速及該回授速度之一差值是否超過一預設值；以及 (o2) 當該預設轉速及該回授速度之該差值超過該預設值時，利用該速度控制器調節輸出該轉矩指令或該電流指令至該電流控制器。
一種編碼器的校正及補償系統，包含：一電機；一編碼器，連接於該電機，且架構於偵測該電機的一旋轉角度；以及一驅動器，連接於該電機及該編碼器，其中，該驅動器提供一三相電流至該電機，使該電機的一轉子吸正於一零點位置，該零點位置被用於校正該編碼器，其中，在該編碼器完成零點校正後，及該驅動器控制該電機以一預設轉速持續運行時，該驅動器輸出一D軸電流命令至該電機並紀錄該電機之一D軸電流及一Q軸電流之一變化量，該驅動器依據該變化量計算該編碼器的一零點偏差角，其中該零點偏差角被用於補償該編碼器。
如請求項6之編碼器的校正及補償系統，其中，該驅動器包含一訊號處理單元、一零點校正單元及一控制單元，該訊號處理單元連接於該編碼器以接收該旋轉角度，該訊號處理單元通過對該旋轉角度進行訊號處理以產生一旋轉訊號，該零點校正單元連接該訊號處理單元以接收該旋轉訊號，並將該旋轉訊號轉換為該零點位置。
如請求項7之編碼器的校正及補償系統，其中，該控制單元連接於該電機及該訊號處理單元，以控制該電機以該預設轉速持續運行，該控制單元輸出該D軸電流命令至該電機，該零點校正單元紀錄該電機之該D軸電流及該Q軸電流之該變化量，並依據該變化量計算該編碼器的該零點偏差角。
如請求項7之編碼器的校正及補償系統，其中，該驅動器還包含一記憶體單元連接於該零點校正單元，該記憶體單元架構於儲存該零點位置及該零點偏差角。
如請求項7之編碼器的校正及補償系統，其中，該零點位置及該零點偏差角被儲存於該編碼器中。
如請求項7之編碼器的校正及補償系統，其中，該控制單元還包含一電流控制器，架構於持續輸出一電流命令至該電機以控制該電機運行。
如請求項11之編碼器的校正及補償系統，其中，該控制單元還包含與該電流控制器連接之一速度控制器，該訊號處理單元還架構於依據該旋轉角度輸出該電機的一回授速度，該速度控制器連接於該訊號處理單元以接收該電機的該回授速度，並依據該預設轉速及該電機的該回授速度輸出一轉矩指令或一電流指令至該電流控制器，該電流控制器依據該轉矩指令或該電流指令校正該電流命令，並輸出校正後之該電流命令至該電機。
如請求項12之編碼器的校正及補償系統，其中，該速度控制器判斷該預設轉速及該回授速度之一差值是否超過一預設值，當該預設轉速及該回授速度之該差值超過該預設值時，該速度控制器調節輸出該轉矩指令或該電流指令至該電流控制器，該電流控制器依據該轉矩指令或該電流指令校正該電流命令，並輸出校正後之該電流命令至該電機；以及當該預設轉速及該回授速度之該差值未超過該預設值時，該速度控制器維持輸出固定的該轉矩指令或該電流指令至該電流控制器，該電流控制器持續輸出該電流命令至該電機。