專利名稱：多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種馬達(dá)速度估測方法，尤其涉及一種多點(diǎn)平滑化馬 達(dá)速度估測方法。
背景技術(shù)：
在馬達(dá)死循環(huán)速度控制中，速度估測是不可或缺的功能。 一般在 對馬達(dá)做速度估測時(shí)，常使用編碼器來估測馬達(dá)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)速度。公知速度估測算法由于編碼器本身的位置量化(position quantization)解析不足，所得到的估測速度很難同時(shí)兼顧平滑性(smoothness)與實(shí)時(shí)性(real-time)。然而，這兩個(gè)特性是自動化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上需要同時(shí)必備的特性，越平滑的速度估測法越不會造成運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音與機(jī)臺的震動；具有實(shí)時(shí)性的速度估測越能表現(xiàn)原始速度的特性，減少延遲，進(jìn)而提高速度控制性能表現(xiàn)。圖1所示為AC馬達(dá)控制系統(tǒng)的方框圖，通過測量馬達(dá)速度的反饋信息，來控制馬達(dá)10a的轉(zhuǎn)速。該公知速度估測系統(tǒng)20a包括計(jì)數(shù)器22a及速度估測單元24a。編碼器12a輸出脈波脈沖信號以表示測量到的馬達(dá)位置，計(jì)數(shù)器22a處理該脈波脈沖信號后得到馬達(dá)的位置信號P。速度估測單元24a處理馬達(dá)位置信號P,以得到馬達(dá)轉(zhuǎn)速「經(jīng)。位置控制單元40a根據(jù)位置命令Pcmd與和來自計(jì)數(shù)器22a的反饋，計(jì)算出速度命令Vemd;然后速度控制單元30a根據(jù)該速度命令Vemd計(jì)算出電流命令icmd輸出至電流控制和與驅(qū)動單元50a。該電流控制與和驅(qū)動單元50a根據(jù)該電流命令iemd及馬達(dá)回授反饋電流以驅(qū)動馬達(dá)10a。 圖2和3分別說明了公知技術(shù)速度估測單元24a處理的原理及步驟。如圖2所示，公知的速度估測單元24a利用單位時(shí)間內(nèi)的位移量來估算目前的移動速度 r ,其中F(t)為估測速度，P(t)表示編碼器的反饋位置，r為取樣時(shí)間。如圖3所示，速度估測單元 24a在每次時(shí)間T的中斷時(shí)(步驟S10a),取得計(jì)數(shù)器反饋的數(shù)值尸(t)(步驟S12)。速度估測單元24a再由計(jì)數(shù)器反饋的數(shù)值戶(t)減去前 次中斷的位置尸(t-T)(步驟S14)。接著速度估測單元24a根據(jù)兩次位置的差值及取樣時(shí)間^計(jì)算出初步估測速度 r (步驟S16)。然后將求得的初步估測速度「經(jīng)由低通濾波器平滑化后形成最 后的速度值P;(步驟S18 )。由于編碼器位置的量化誤差(quantization error),公知技術(shù)存在測 量的跳動量問題。假設(shè)編碼器一轉(zhuǎn)的解析為1轉(zhuǎn)產(chǎn)生Nt個(gè)脈沖，速 度估測的取樣頻率為fs Hz,,則發(fā)生速度不平滑的轉(zhuǎn)速為(60 *fs/Nt) RPM的整數(shù)倍。以馬達(dá)轉(zhuǎn)速的測量為例，々支設(shè)取樣時(shí)間T為(6kHz)—1 ，而編碼器每 轉(zhuǎn)的分辨率為10000脈沖/轉(zhuǎn)，對馬達(dá)轉(zhuǎn)速從0 rpm至500 rpm做測量 時(shí)，可發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速約為36rpm的倍數(shù)時(shí)，所估測出的轉(zhuǎn)速其跳動量相對 于其它轉(zhuǎn)速會比較大。即馬達(dá)控制在這些轉(zhuǎn)速時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)會有不平滑的 現(xiàn)象。美國專利申請US 20070043528 Al公開了 一種對多個(gè)耳又樣周期的 測量速度進(jìn)行平均的方法，以降低測量漣波(ri卯le)問題。然而該專 利所提供的方式在馬達(dá)高頻率操作時(shí)會有相位延遲(phase delay)的問題。發(fā)明內(nèi)容因此本發(fā)明的目的在于提供一種兼顧平滑化及高頻響應(yīng)的馬達(dá)速 度估測方法。按照本發(fā)明提供的 一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法，根據(jù)編碼 器的輸出來測量馬達(dá)的速度估測值，以將所述速度估測值傳送至馬達(dá) 速度控制單元，該方法包括決定過取樣因子M;讀取所述編碼器的 輸出；對所述編碼器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)；根據(jù)所述過取樣因子M及額定 速度控制取樣fs,對于所述編碼器的輸出做過取樣；及對多個(gè)過取樣 結(jié)果做平均處理，以得到初始速度估測值。按照本發(fā)明提供的另 一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法，根據(jù)編 碼器的輸出來測量馬達(dá)的速度估測值，以將所述速度估測值傳送至馬達(dá)速度控制器，該方法包括決定第一過取樣因子Ml及第二過取樣 因子M2;讀取所述編碼器的輸出；對所述編碼器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)； 根據(jù)所述第一過取樣因子Ml及額定速度控制取樣，對于所述編碼器 的輸出做過取樣，及對多個(gè)過取樣結(jié)果做平均處理，以得到第一初始 速度估測值VI;根據(jù)所述第二過取樣因子M2及額定速度控制取樣， 對于所述編碼器的輸出做過取樣，及對多個(gè)過取樣結(jié)果做平均處理， 以得到第二初始速度估測值V2;計(jì)算所述第一初始速度估測值VI和 所述第二初始速度估測值V2的平均值Vavg;根據(jù)所述平均值Vavg，判 斷使用所述初始速度估測值VI還是所述第二初始速度估測值V2。按照本發(fā)明提供的馬達(dá)速度估測方法，不僅能兼顧平滑化及高頻 響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，而且可大幅改善馬達(dá)轉(zhuǎn)速測量時(shí)的跳動問題。


圖1為AC馬達(dá)控制系統(tǒng)的方框圖；圖2示出了公知技術(shù)速度估測單元處理的原理；圖3示出了公知技術(shù)速度估測單元處理的步驟；圖4為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)該多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估 測方法的方框圖；圖5為本發(fā)明與公知技術(shù)取樣方式的示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法的流程圖；圖7為本發(fā)明的方法與上述專利在平均數(shù)同為8與16時(shí)的系 統(tǒng)響應(yīng)相4立圖。圖8A至8C為根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施方案的多點(diǎn)平滑化馬達(dá) 速度估測方法流程圖。主要組件符號說明
公知技術(shù)馬達(dá) 10a 編碼器12a計(jì)數(shù)器 22a 速度估測單元24a速度控制單元30a 位置控制單元40a電流控制與驅(qū)動單元 50a本發(fā)明脈沖型編碼器 12 多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測裝置20脈沖計(jì)數(shù)器 22 過取樣單元 24位移量平均單元 26 低通濾波器 28速度控制單元 30具體實(shí)施方式
參見圖4,其為根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)該多點(diǎn)平滑化馬 達(dá)速度估測方法的方框圖。本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測裝置20 連接于脈沖型編碼器12及速度控制單元30之間，以處理來自脈沖型 編碼器12傳來的馬達(dá)位置信息，并估計(jì)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而輸出估測速度 至速度控制單元30。該多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測裝置20主要包括脈沖計(jì)數(shù)器22、過 取樣單元24、位移量平均單元26及低通濾波器28。脈沖計(jì)數(shù)器22將編碼器的脈沖數(shù)作累加計(jì)數(shù)，其功能與公知的計(jì) 數(shù)器并無差異。過取樣單元24為離散時(shí)間的脈沖數(shù)取樣裝置，其取樣 率為額定速度控制耳又樣(rated speed sampling)的M倍。假設(shè)原本額定速 度控制取樣為fsHz,對應(yīng)取樣周期為T=l/fs(Sec)。根據(jù)本發(fā)明的 多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測法則，過取樣單元24所對應(yīng)的耳又樣頻率為 M*fsHz,其取樣時(shí)間為Ts=l/(M*fs) See,其中M為一個(gè)過取樣因子 (over-sampling factor),其為大于1的整數(shù)。位移量平均單元26將得 到M組位移量經(jīng)過平均處理，再除以耳又樣周期時(shí)間T，則可以得到初 步估測速度值V(t)。低通濾波器28對位移量平均單元26的初步速度 估測值V(t)做低通濾波處理，以得到最終速度估測值，最終速度估測 值可用于速度死循環(huán)控制。為更進(jìn)一 步說明本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法，以過取 樣因子M=4為例，其^^樣方式如圖5所示。將圖5 ^a羊得到的4組 位移量經(jīng)過平均處理，再除以取樣周期時(shí)間T，則可以得到初步速度<formula>formula see original document page 8</formula>當(dāng)過取樣頻率為額定速度控制取樣的M倍，其通式為、；_ M71將位移量平均單元計(jì)算出的初步速度估測值再通過一個(gè)低通濾波 器的濾波，最后輸出一個(gè)最終速度估測值，該最終速度估測值可用于 馬達(dá)速度死循環(huán)控制。參見圖6,其為根據(jù)本發(fā)明的多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法的流程圖。首先決定一個(gè)過取樣因子M (步驟S20)，接著讀取編碼器的 輸出(步驟S22)及對于編碼器的輸出做計(jì)數(shù)(步驟S24)。根據(jù)過 取樣因子M對于編碼器的輸出位置信息做過取樣(步驟S26),并對 多個(gè)過取樣結(jié)果做平均處理(步驟S28),以得到初步速度估測值。 最后對該初步速度估測值做低通濾波處理(步驟S29),以得到最終 速度估測值。與公知技術(shù)(美國專利申請20070043528 Al )相比較，本發(fā)明的 多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法加大過取樣因子M時(shí)，不會形成上述專 利速度估測值與實(shí)際速度的明顯延遲。而且，本方法使用固定的平均 數(shù)(過取樣因子M),不隨轉(zhuǎn)速變動，其作用在于平均過取樣得到的 多點(diǎn)位移。上述專利方法隨轉(zhuǎn)速變動平均數(shù)來達(dá)到消除編碼器的位置速度的伺服控制。圖7為本發(fā)明的方法與上述專利在平均數(shù)同為8與16時(shí)的系 統(tǒng)響應(yīng)相位圖，乂人此圖可明顯看出本方法在增加平均數(shù)改善速度估測 的平滑度的同時(shí)，并不會額外造成信號的時(shí)間延遲。換言之，本方法 同時(shí)兼顧平滑性與高頻響應(yīng)的性能需求。而且，本發(fā)明的速度算法可 提高速度的平滑性，平均數(shù)愈大，平滑的效果愈好。同時(shí)，發(fā)明人發(fā) 現(xiàn)原本在轉(zhuǎn)速(60xfs/Nt) RPM發(fā)生速度不平滑，在新的算法只發(fā)生在(60 x fs x M/Nt) RPM。當(dāng)過取樣頻率愈高使得平均數(shù)M愈大，發(fā)生 不平滑的轉(zhuǎn)速愈高，當(dāng)不平滑的轉(zhuǎn)速比最高操作速度更高時(shí)，即可避 開所有的速度不平滑的操作點(diǎn)。參見圖8A至8C,其分別為根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施方案的多點(diǎn) 平滑化馬達(dá)速度估測方法。該方法主要更有效地降低在漣波轉(zhuǎn)速 fr=(M/Nt) x 60 x fs RPM發(fā)生速度不連續(xù)。該實(shí)施方案利用兩個(gè)不同過取樣因子(M值)的多點(diǎn)平滑的速度估測結(jié)果「AO與，其中,如果將兩個(gè)M值不同的速度估測結(jié)合，則將會在frx(M,與A的最小公 倍數(shù))上的轉(zhuǎn)速才會出現(xiàn)估測跳動的現(xiàn)象。假設(shè)取樣時(shí)間T為(6kHz)", 而編碼器每轉(zhuǎn)的分辨率為10000脈沖/轉(zhuǎn)，則漣波轉(zhuǎn)速fr約為36rpm 的倍數(shù)。以下根據(jù)該思路來改善多點(diǎn)平滑，并將之稱為合成式多點(diǎn)平滑方 法(composite multiple-point smoothing method for motor-speedestimation)。以M! =8與^ =9為例，合成式多點(diǎn)平滑方法的計(jì)算方法 如下<formula>formula see original document page 9</formula>其中與「M2分別代表M = S與M = 9時(shí)所得到的速度估測數(shù)值、而—A/2—OTg J氣表KM1與FM2的平均 <直，4叚如/>(87V —1)<「M1 M2—。vg <,X(8iV + 5),其中TV為整凄t,則寸吏用M-9時(shí)所得到的速度估測數(shù)值^2，而^^2—。vg為其它值時(shí)，則使用似=8時(shí)所得到 的速度估測數(shù)值^1。利用多點(diǎn)平滑估測合成方法來估測速度的流程圖如8A至8C所丄 丄示，將原本的運(yùn)算中斷時(shí)間r分為碼與^2等分，在每次^與^的中斷時(shí)，取得計(jì)數(shù)器的數(shù)值尸，再利用尸值得到尸(1 — 2—')、尸(1 — 2—)，求得r紹、^2 (步驟S42，并一并參見圖8B及圖8C的說明)。在7的 中斷時(shí)，利用^與^2的平均值^—"2,(計(jì)算于步驟S44)來判斷要使 用「紹或「m2來當(dāng)作低通濾波的輸入信號(步驟S46),最后所選擇的 信號由低通濾波處理后得到&m給中斷時(shí)間為r的控制回路使用(步驟 S48)。根據(jù)發(fā)明人的模擬發(fā)現(xiàn)假設(shè)^ = 8時(shí)，速度在36" = 288。111上仍 然有跳動的現(xiàn)象，而在似=9時(shí)，是在^^^^rpm上有跳動的現(xiàn)象。 為了改善這個(gè)現(xiàn)象，利用合成式多點(diǎn)平滑方法來估測速度后，則可發(fā) 現(xiàn)速度估測在這兩個(gè)轉(zhuǎn)速(288rpm與324rpm)上的跳動均獲得了改善。雖然加大M值也有如上述的效果，^f旦是以一個(gè)3000rpm為最高速的系統(tǒng)為例，如果單純利用多點(diǎn)平滑要改善所有36倍數(shù)轉(zhuǎn)速上的跳動 現(xiàn)象，則需要將M值加大至84(8"36>3000)以上。而使用多點(diǎn)平滑的合成，則只要利用似=9與似=10，便可以達(dá)到要求(9與IO的最小公倍 數(shù))x^J0x36^000。因此可以看出取兩個(gè)互質(zhì)的整數(shù)來作合成式多點(diǎn)平滑方法，可以更有效的改善跳動問題?？偠灾景l(fā)明的技術(shù)特征與優(yōu)點(diǎn)敘述如下本發(fā)明的技術(shù)特征為使用過取樣(over-sampling)裝置，其取樣頻率 高于速度控制的取樣頻率。而且，本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)為產(chǎn)生平滑的速 度估測值，又不會造成速度估測值與真實(shí)速度間過多的時(shí)間延遲。上述實(shí)施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非對本發(fā)明的限制，本領(lǐng) 域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下，所做出的各種等 效結(jié)構(gòu)變化皆在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求限 定。
權(quán)利要求
1.一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法，根據(jù)編碼器的輸出來測量馬達(dá)的速度估測值，以將所述速度估測值傳送至馬達(dá)速度控制單元，該方法包括決定過取樣因子M；讀取所述編碼器的輸出；對所述編碼器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)；根據(jù)所述過取樣因子M及額定速度控制取樣fs，對于所述編碼器的輸出做過取樣；及對多個(gè)過取樣結(jié)果做平均處理，以得到初始速度估測值。
2. 如權(quán)利要求l的方法，還包括對所述初始速度估測值做低通濾波處理，以得到最終速度估測值。
3. 如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，取樣因子M為大于1的整數(shù)。
4. 一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法，根據(jù)編碼器的輸出來測量 馬達(dá)的速度估測值，以將所述速度估測值傳送至馬達(dá)速度控制器，該 方法包括決定第一過取樣因子Ml及第二過取樣因子M2;讀取所述編碼器的輸出；對所述編碼器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)；根據(jù)所述第一過取樣因子Ml及額定速度控制取樣，對于所述編 碼器的輸出做過取樣，及對多個(gè)過取樣結(jié)果做平均處理，以得到第一 初始速度估測值VI;根據(jù)所述第二過取樣因子M2及額定速度控制取樣，對于所述編 碼器的輸出做過取樣，及對多個(gè)過取樣結(jié)果做平均處理，以得到第二 初始速度估測值V2;測值VI和所述第二初始速度估測值V2的平均值Vavg;根據(jù)所述平均值Vavg，判斷使用所述初始速度估測值VI還是所 述第二初始速度估測值V2。
5. 如權(quán)利要求4的方法，其特征在于，判斷使用所述第一初始速 度估測值VI或所述第二初始速度估測值V2的步驟，是根據(jù)下式進(jìn)行 判斷如果,x(8iV-1)〈^g〈,x(8^ + 5),其中，7V為整數(shù)，則使用第二初始速度估測值V2，否則使用第一初始速度估測值VI;上式中fr為漣 波轉(zhuǎn)速fr= (60 x fs /Nt) RPM,其中，假設(shè)編碼器的解析為1轉(zhuǎn)產(chǎn)生Nt 個(gè)脈沖。
6. 如權(quán)利要求4的方法，其特征在于，Ml及M2為互質(zhì)的整凄i。
7. 如權(quán)利要求4的方法，還包括對所述初始速度估測值做低通濾波處理，以得到最終速度估測值。
8. 如權(quán)利要求4的方法，其特征在于，取樣因子M為大于1的整數(shù)。
全文摘要
一種多點(diǎn)平滑化馬達(dá)速度估測方法，主要根據(jù)過取樣因子M對于編碼器的輸出做過取樣，接著對多個(gè)過取樣結(jié)果做平均處理，以得到初步速度估測值。最后對初步速度估測值做低通濾波處理，以得到最終速度估測值，該最終速度估測值送至速度控制器，以控制馬達(dá)速度。另外，本發(fā)明也可利用兩個(gè)過取樣因子分別進(jìn)行過取樣處理，再根據(jù)兩個(gè)過取樣因子所得結(jié)果的平均值，而選擇性地使用兩個(gè)過取樣因子所得結(jié)果之一。本發(fā)明的方法可以大幅改善馬達(dá)轉(zhuǎn)速在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)測量的跳動問題。
文檔編號G01P3/481GK101329359SQ20071010944
公開日2008年12月24日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者吳家明, 王東海, 陳博銘 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司