專利名稱：多點平滑化馬達速度估測方法
技術領域：
本發明涉及一種馬達速度估測方法，尤其涉及一種多點平滑化馬達速度估測方 法。
背景技術：
在馬達死循環速度控制中，速度估測是不可或缺的功能。一般在對馬達做速度估 測時，常使用編碼器來估測馬達轉子的運轉速度。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兼顧平滑性 (smoothness)與實時性(real-time)。然而，這兩個特性是自動化產業應用上需要同時必 備的特性，越平滑的速度估測法越不會造成運轉的噪音與機臺的震動；具有實時性的速度 估測越能表現原始速度的特性，減少延遲，進而提高速度控制性能表現。圖1所示為AC馬達控制系統的方框圖，通過測量馬達速度的反饋信息，來控制馬 達IOa的轉速。該公知速度估測系統20a包括計數器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位置，計數器22a處理該脈波脈沖信號后得到馬達 的位置信號P。速度估測單元24a處理馬達位置信號P，以得到馬達轉速VOT。位置控制單 元40a根據位置命令Pemd與和來自計數器22a的反饋，計算出速度命令Vemd ；然后速度控制 單元30a根據該速度命令Vemd計算出電流命令i。md輸出至電流控制和與驅動單元50a。該 電流控制與和驅動單元50a根據該電流命令i。md及馬達回授反饋電流以驅動馬達10a。圖2和3分別說明了公知技術速度估測單元24a處理的原理及步驟。如圖 2所示，公知的速度估測單元24a利用單位時間內的位移量來估算目前的移動速度 T"、 P{t)-P{t-T)
V(t)= τκ-其中V(t)為估測速度，P (t)表示編碼器的反饋位置，T為取樣時間。
如圖3所示，速度估測單元24a在每次時間T的中斷時(步驟SlOa)，取得計數器反饋的數 值P(t)(步驟S12)。速度估測單元24a再由計數器反饋的數值P(t)減去前次中斷的位置 P(t-T)(步驟S14)。接著速度估測單元24a根據兩次位置的差值及取樣時間T計算出初步
估測速度廠⑴=(步驟S16)。然后將求得的初步估測速度V經由低通濾波器
平滑化后形成最后的速度值步驟S18)。由于編碼器位置的量化誤差(quantization error)，公知技術存在測量的跳動量 問題。假設編碼器一轉的解析為1轉產生Nt個脈沖，速度估測的取樣頻率為fs Hz，，則發 生速度不平滑的轉速為(60*fs/Nt)RPM的整數倍。以馬達轉速的測量為例，假設取樣時間T為(6kHz)—1，而編碼器每轉的分辨率為 10000脈沖/轉，對馬達轉速從Orpm至500rpm做測量時，可發現轉速約為36rpm的倍數時，所估測出的轉速其跳動量相對于其它轉速會比較大。即馬達控制在這些轉速時，運轉會有 不平滑的現象。美國專利申請US 20070043528A1公開了一種對多個取樣周期的測量速度進行平 均的方法，以降低測量漣波(ripple)問題。然而該專利所提供的方式在馬達高頻率操作時 會有相位延遲(phase delay)的問題。
發明內容
因此本發明的目的在于提供一種兼顧平滑化及高頻響應的馬達速度估測方法。按照本發明提供的一種多點平滑化馬達速度估測方法，根據編碼器的輸出來測量 馬達的速度估測值，以將所述速度估測值傳送至馬達速度控制單元，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行計數；根據所述過取樣因子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；及對多個過取樣結果做平均處 理，以得到初始速度估測值。按照本發明提供的另一種多點平滑化馬達速度估測方法，根據編碼器的輸出來測 量馬達的速度估測值，以將所述速度估測值傳送至馬達速度控制器，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行計 數；根據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， 及對多個過取樣結果做平均處理，以得到第一初始速度估測值Vl ；根據所述第二過取樣因 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，及對多個過取樣結果做平均 處理，以得到第二初始速度估測值V2 ；計算所述第一初始速度估測值Vl和所述第二初始速 度估測值V2的平均值Vavg ；根據所述平均值Vavg，判斷使用所述初始速度估測值Vl還是所 述第二初始速度估測值V2。按照本發明提供的馬達速度估測方法，不僅能兼顧平滑化及高頻響應的實時性， 而且可大幅改善馬達轉速測量時的跳動問題。
圖1為AC馬達控制系統的方框圖；圖2示出了公知技術速度估測單元處理的原理；圖3示出了公知技術速度估測單元處理的步驟；圖4為根據本發明的優選實施方案實現該多點平滑化馬達速度估測方法的方框 圖；圖5為本發明與公知技術取樣方式的示意圖；圖6為根據本發明的多點平滑化馬達速度估測方法的流程圖；圖7為本發明的方法與上述專利在平均數同為8與16時的系統響應相位圖。圖8A至8C為根據本發明第二優選實施方案的多點平滑化馬達速度估測方法流程 圖。主要組件符號說明公知技術馬達IOa 編碼器12a
計數器22a
速度控制單元30a
電流控制與驅動單元50a
本發明
脈沖型編碼器12
脈沖計數器22
位移量平均單元26
速度控制單元30
速度估測單元24a 位置控制單元40a
多點平滑化馬達速度估測裝置20 過取樣單元24
低通濾波器28
具體實施方式
參見圖4，其為根據本發明的優選實施方案實現該多點平滑化馬達速度估測方法 的方框圖。本發明的多點平滑化馬達速度估測裝置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傳來的馬達位置信息，并估計馬達轉速，進而輸 出估測速度至速度控制單元30。該多點平滑化馬達速度估測裝置20主要包括脈沖計數器22、過取樣單元24、位移 量平均單元26及低通濾波器28。脈沖計數器22將編碼器的脈沖數作累加計數，其功能與公知的計數器并無差異。 過取樣單元24為離散時間的脈沖數取樣裝置，其取樣率為額定速度控制取樣(rated speed sampling)的M倍。假設原本額定速度控制取樣為fs Hz，對應取樣周期為T = 1/fs (Sec)。 根據本發明的多點平滑化馬達速度估測法則，過取樣單元24所對應的取樣頻率為M*fs Hz，其取樣時間為Ts = l/(M*fs)Sec，其中M為一個過取樣因子(over-sampling factor), 其為大于1的整數。位移量平均單元26將得到M組位移量經過平均處理，再除以取樣周期 時間Τ，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 環控制。為更進一步說明本發明的多點平滑化馬達速度估測方法，以過取樣因子M = 4為 例，其取樣方式如圖5所示。將圖5取樣得到的4組位移量經過平均處理，再除以取樣周期 時間T，則可以得到初步速度估測值V (t)，V(t)表示法可寫為下式，
‘P{t)-P{t--T) P(t--T)-P{t--T) P{t--T)-P{t--T) P(t-^T)-P(t-lnV(t)=——+ ^^~^ + ^+/4
V)當過取樣頻率為額定速度控制取樣的M倍，其通式為= to Μ' “ M__
MT將位移量平均單元計算出的初步速度估測值再通過一個低通濾波器的濾波，最后 輸出一個最終速度估測值，該最終速度估測值可用于馬達速度死循環控制。參見圖6，其為根據本發明的多點平滑化馬達速度估測方法的流程圖。首先決定一 個過取樣因子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數(步驟S24)。根據過取樣因子M對于編碼器的輸出位置信息做過取樣(步驟S26)，并對 多個過取樣結果做平均處理(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(美國專利申請20070043528A1)相比較，本發明的多點平滑化馬達速 度估測方法加大過取樣因子M時，不會形成上述專利速度估測值與實際速度的明顯延遲。 而且，本方法使用固定的平均數(過取樣因子M)，不隨轉速變動，其作用在于平均過取樣得 到的多點位移。上述專利方法隨轉速變動平均數來達到消除編碼器的位置偏差，因而上述 專利因為速度估測值的延遲也無法應用于本專利的高速度的伺服控制。圖7為本發明的方法與上述專利在平均數同為8與16時的系統響應相位圖，從 此圖可明顯看出本方法在增加平均數改善速度估測的平滑度的同時，并不會額外造成信號 的時間延遲。換言之，本方法同時兼顧平滑性與高頻響應的性能需求。而且，本發明的速 度算法可提高速度的平滑性，平均數愈大，平滑的效果愈好。同時，發明人發現原本在轉速 (60Xfs/Nt)RPM發生速度不平滑，在新的算法只發生在(60XfdXM/Nt)RPM。當過取樣頻率 愈高使得平均數M愈大，發生不平滑的轉速愈高，當不平滑的轉速比最高操作速度更高時， 即可避開所有的速度不平滑的操作點。參見圖8A至8C，其分別為根據本發明第二優選實施方案的多點平滑化馬達速度 估測方法。該方法主要更有效地降低在漣波轉速fr= (M/Nt)X60Xfs RPM發生速度不連 續。該實施方案利用兩個不同過取樣因子(M值)的多點平滑的速度估測結果Vmi與Vm2，其 中虬興112，如果將兩個M值不同的速度估測結合，則將會在frX饑與禮的最小公倍數)上 的轉速才會出現估測跳動的現象。假設取樣時間T為(6kHz)—1，而編碼器每轉的分辨率為 10000脈沖/轉，則漣波轉速fr約為36rpm的倍數。以下根據該思路來改善多點平滑，并將之稱為合成式多點平滑方法(composite multiple-point smoothing method for motor-speed estimation)。以 M1 = 8 與 M2 = 9
為例，合成式多點平滑方法的計算方法如下 其中Vmi與Vm2分別代表M = 8與M = 9時所得到的速度估測數值、而Vmi M2 avg代 表Vmi與VM2的平均值，假如
其中N為整數，則使用M = 9時所得到的
速度估測數值Vm2，而VM1—avg為其它值時，則使用M = 8時所得到的速度估測數值VM1。利用多點平滑估測合成方法來估測速度的流程圖如8A至8C所示，將原本的運算中斷時間T分為M1與M2等分，在每次f與f的中斷時，取得計數器的數值P，再利用P值
得到P (1-Ζ_Μ1)、P (l-z-"2)，求得VM1、Vm2 (步驟S42，并一并參見圖8B及圖8C的說明)。在T 的中斷時，利用Vmi與Vm2的平均值VM1—avg(計算于步驟S44)來判斷要使用Vmi或Vm2來當 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Vut給中斷 時間為T的控制回路使用(步驟S48)。根據發明人的模擬發現假設M = 8時，速度在36X8 = 288rpm上仍然有跳動的 現象，而在M = 9時，是在36X9 = 324rpm上有跳動的現象。為了改善這個現象，利用合成 式多點平滑方法來估測速度后，則可發現速度估測在這兩個轉速(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，但是以一個3000rpm為最高速的系統為例，如果 單純利用多點平滑要改善所有36倍數轉速上的跳動現象，則需要將M值加大至84(84X36 > 3000)以上。而使用多點平滑的合成，則只要利用M = 9與M= 10，便可以達到要求(9 與10的最小公倍數)X36 = 90X36 > 3000。因此可以看出取兩個互質的整數來作合成式 多點平滑方法，可以更有效的改善跳動問題。總而言之，本發明的技術特征與優點敘述如下本發明的技術特征為使用過取樣(over-sampling)裝置，其取樣頻率高于速度控 制的取樣頻率。而且，本發明的技術優點為產生平滑的速度估測值，又不會造成速度估測值 與真實速度間過多的時間延遲。上述實施例僅供說明本發明之用，而并非對本發明的限制，本領域技術人員在不 脫離本發明的精神和范圍的前提下，所做出的各種等效結構變化皆在本發明的范圍之內。 本發明的保護范圍由權利要求限定。
權利要求
一種多點平滑化馬達速度估測方法，根據編碼器的輸出來測量馬達的速度估測值，以將所述速度估測值傳送至馬達速度控制器，該方法包括決定第一過取樣因子M1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行計數；根據所述第一過取樣因子M1及額定速度控制取樣，對于所述編碼器的輸出做過取樣，及對多個過取樣結果做平均處理，以得到第一初始速度估測值V1；根據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，及對多個過取樣結果做平均處理，以得到第二初始速度估測值V2；計算所述第一初始速度估測值V1和所述第二初始速度估測值V2的平均值Vavg；根據所述平均值Vavg，判斷使用所述初始速度估測值V1還是所述第二初始速度估測值V2。
2.如權利要求1的方法，其特征在于，判斷使用所述第一初始速度估測值Vl或所述第 二初始速度估測值V2的步驟，是根據下式進行判斷如果/XSTV-Dct/i^^ + i)其中，N為整數，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Vl ；上式中fr為漣波轉速fr = (60 X fs/Nt) RPM，其中， 假設編碼器的解析為1轉產生Nt個脈沖，且fs爲額定速度控制取樣。
3.如權利要求1的方法，其特征在于，Ml及M2為互質的整數。
4.如權利要求1的方法，還包括對所述第一初始速度估測值Vl和所述第二初始速度估測值V2做低通濾波處理，以得 到最終速度估測值。
全文摘要
一種多點平滑化馬達速度估測方法，主要根據過取樣因子M對于編碼器的輸出做過取樣，接著對多個過取樣結果做平均處理，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，以控制馬達速度。另外，本發明也可利用兩個過取樣因子分別進行過取樣處理，再根據兩個過取樣因子所得結果的平均值，而選擇性地使用兩個過取樣因子所得結果之一。本發明的方法可以大幅改善馬達轉速在高速運轉時測量的跳動問題。
文檔編號G01P3/481GK101907632SQ20101024305
公開日2010年12月8日 申請日期2007年6月21日 優先權日2007年6月21日
發明者吳家明, 王東海, 陳博銘 申請人:臺達電子工業股份有限公司