专利名称：多点平滑化马达速度估测方法
技术领域：
本发明涉及一种马达速度估测方法，尤其涉及一种多点平滑化马 达速度估测方法。
背景技术：
在马达死循环速度控制中，速度估测是不可或缺的功能。 一般在 对马达做速度估测时，常使用编码器来估测马达转子的运转速度。公知速度估测算法由于编码器本身的位置量化(position quantization)解析不足，所得到的估测速度很难同时兼顾平滑性(smoothness)与实时性(real-time)。然而，这两个特性是自动化产业应用上需要同时必备的特性，越平滑的速度估测法越不会造成运转的噪音与机台的震动；具有实时性的速度估测越能表现原始速度的特性，减少延迟，进而提高速度控制性能表现。图1所示为AC马达控制系统的方框图，通过测量马达速度的反馈信息，来控制马达10a的转速。该公知速度估测系统20a包括计数器22a及速度估测单元24a。编码器12a输出脉波脉冲信号以表示测量到的马达位置，计数器22a处理该脉波脉冲信号后得到马达的位置信号P。速度估测单元24a处理马达位置信号P,以得到马达转速「經。位置控制单元40a根据位置命令Pcmd与和来自计数器22a的反馈，计算出速度命令Vemd;然后速度控制单元30a根据该速度命令Vemd计算出电流命令icmd输出至电流控制和与驱动单元50a。该电流控制与和驱动单元50a根据该电流命令iemd及马达回授反馈电流以驱动马达10a。 图2和3分别说明了公知技术速度估测单元24a处理的原理及步骤。如图2所示，公知的速度估测单元24a利用单位时间内的位移量来估算目前的移动速度 r ,其中F(t)为估测速度，P(t)表示编码器的反馈位置，r为取样时间。如图3所示，速度估测单元 24a在每次时间T的中断时(步骤S10a),取得计数器反馈的数值尸(t)(步骤S12)。速度估测单元24a再由计数器反馈的数值户(t)减去前 次中断的位置尸(t-T)(步骤S14)。接着速度估测单元24a根据两次位置的差值及取样时间^计算出初步估测速度 r (步骤S16)。然后将求得的初步估测速度「经由低通滤波器平滑化后形成最 后的速度值P;(步骤S18 )。由于编码器位置的量化误差(quantization error),公知技术存在测 量的跳动量问题。假设编码器一转的解析为1转产生Nt个脉冲，速 度估测的取样频率为fs Hz,,则发生速度不平滑的转速为(60 *fs/Nt) RPM的整数倍。以马达转速的测量为例，々支设取样时间T为(6kHz)—1 ，而编码器每 转的分辨率为10000脉沖/转，对马达转速从0 rpm至500 rpm做测量 时，可发现转速约为36rpm的倍数时，所估测出的转速其跳动量相对 于其它转速会比较大。即马达控制在这些转速时，运转会有不平滑的 现象。美国专利申请US 20070043528 Al公开了 一种对多个耳又样周期的 测量速度进行平均的方法，以降低测量涟波(ri卯le)问题。然而该专 利所提供的方式在马达高频率操作时会有相位延迟(phase delay)的问题。发明内容因此本发明的目的在于提供一种兼顾平滑化及高频响应的马达速 度估测方法。按照本发明提供的 一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编码 器的输出来测量马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达 速度控制单元，该方法包括决定过取样因子M;读取所述编码器的 输出；对所述编码器的输出进行计数；根据所述过取样因子M及额定 速度控制取样fs,对于所述编码器的输出做过取样；及对多个过取样 结果做平均处理，以得到初始速度估测值。按照本发明提供的另 一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编 码器的输出来测量马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达速度控制器，该方法包括决定第一过取样因子Ml及第二过取样 因子M2;读取所述编码器的输出；对所述编码器的输出进行计数； 根据所述第一过取样因子Ml及额定速度控制取样，对于所述编码器 的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理，以得到第一初始 速度估测值VI;根据所述第二过取样因子M2及额定速度控制取样， 对于所述编码器的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理， 以得到第二初始速度估测值V2;计算所述第一初始速度估测值VI和 所述第二初始速度估测值V2的平均值Vavg;根据所述平均值Vavg，判 断使用所述初始速度估测值VI还是所述第二初始速度估测值V2。按照本发明提供的马达速度估测方法，不仅能兼顾平滑化及高频 响应的实时性，而且可大幅改善马达转速测量时的跳动问题。
图1为AC马达控制系统的方框图；图2示出了公知技术速度估测单元处理的原理；图3示出了公知技术速度估测单元处理的步骤；图4为根据本发明的优选实施方案实现该多点平滑化马达速度估 测方法的方框图；图5为本发明与公知技术取样方式的示意图；图6为根据本发明的多点平滑化马达速度估测方法的流程图；图7为本发明的方法与上述专利在平均数同为8与16时的系 统响应相4立图。图8A至8C为根据本发明第二优选实施方案的多点平滑化马达 速度估测方法流程图。主要组件符号说明
公知技术马达 10a 编码器12a计数器 22a 速度估测单元24a速度控制单元30a 位置控制单元40a电流控制与驱动单元 50a本发明脉冲型编码器 12 多点平滑化马达速度估测装置20脉冲计数器 22 过取样单元 24位移量平均单元 26 低通滤波器 28速度控制单元 30具体实施方式
参见图4,其为根据本发明的优选实施方案实现该多点平滑化马 达速度估测方法的方框图。本发明的多点平滑化马达速度估测装置20 连接于脉沖型编码器12及速度控制单元30之间，以处理来自脉冲型 编码器12传来的马达位置信息，并估计马达转速，进而输出估测速度 至速度控制单元30。该多点平滑化马达速度估测装置20主要包括脉冲计数器22、过 取样单元24、位移量平均单元26及低通滤波器28。脉冲计数器22将编码器的脉冲数作累加计数，其功能与公知的计 数器并无差异。过取样单元24为离散时间的脉冲数取样装置，其取样 率为额定速度控制耳又样(rated speed sampling)的M倍。假设原本额定速 度控制取样为fsHz,对应取样周期为T=l/fs(Sec)。根据本发明的 多点平滑化马达速度估测法则，过取样单元24所对应的耳又样频率为 M*fsHz,其取样时间为Ts=l/(M*fs) See,其中M为一个过取样因子 (over-sampling factor),其为大于1的整数。位移量平均单元26将得 到M组位移量经过平均处理，再除以耳又样周期时间T，则可以得到初 步估测速度值V(t)。低通滤波器28对位移量平均单元26的初步速度 估测值V(t)做低通滤波处理，以得到最终速度估测值，最终速度估测 值可用于速度死循环控制。为更进一 步说明本发明的多点平滑化马达速度估测方法，以过取 样因子M=4为例，其^^样方式如图5所示。将图5 ^a羊得到的4组 位移量经过平均处理，再除以取样周期时间T，则可以得到初步速度<formula>formula see original document page 8</formula>当过取样频率为额定速度控制取样的M倍，其通式为、；_ M71将位移量平均单元计算出的初步速度估测值再通过一个低通滤波 器的滤波，最后输出一个最终速度估测值，该最终速度估测值可用于 马达速度死循环控制。参见图6,其为根据本发明的多点平滑化马达速度估测方法的流程图。首先决定一个过取样因子M (步骤S20)，接着读取编码器的 输出(步骤S22)及对于编码器的输出做计数(步骤S24)。根据过 取样因子M对于编码器的输出位置信息做过取样(步骤S26),并对 多个过取样结果做平均处理(步骤S28),以得到初步速度估测值。 最后对该初步速度估测值做低通滤波处理(步骤S29),以得到最终 速度估测值。与公知技术(美国专利申请20070043528 Al )相比较，本发明的 多点平滑化马达速度估测方法加大过取样因子M时，不会形成上述专 利速度估测值与实际速度的明显延迟。而且，本方法使用固定的平均 数(过取样因子M),不随转速变动，其作用在于平均过取样得到的 多点位移。上述专利方法随转速变动平均数来达到消除编码器的位置速度的伺服控制。图7为本发明的方法与上述专利在平均数同为8与16时的系 统响应相位图，乂人此图可明显看出本方法在增加平均数改善速度估测 的平滑度的同时，并不会额外造成信号的时间延迟。换言之，本方法 同时兼顾平滑性与高频响应的性能需求。而且，本发明的速度算法可 提高速度的平滑性，平均数愈大，平滑的效果愈好。同时，发明人发 现原本在转速(60xfs/Nt) RPM发生速度不平滑，在新的算法只发生在(60 x fs x M/Nt) RPM。当过取样频率愈高使得平均数M愈大，发生 不平滑的转速愈高，当不平滑的转速比最高操作速度更高时，即可避 开所有的速度不平滑的操作点。参见图8A至8C,其分别为根据本发明第二优选实施方案的多点 平滑化马达速度估测方法。该方法主要更有效地降低在涟波转速 fr=(M/Nt) x 60 x fs RPM发生速度不连续。该实施方案利用两个不同过取样因子(M值)的多点平滑的速度估测结果「AO与，其中,如果将两个M值不同的速度估测结合，则将会在frx(M,与A的最小公 倍数)上的转速才会出现估测跳动的现象。假设取样时间T为(6kHz)", 而编码器每转的分辨率为10000脉冲/转，则涟波转速fr约为36rpm 的倍数。以下根据该思路来改善多点平滑，并将之称为合成式多点平滑方 法(composite multiple-point smoothing method for motor-speedestimation)。以M! =8与^ =9为例，合成式多点平滑方法的计算方法 如下<formula>formula see original document page 9</formula>其中与「M2分别代表M = S与M = 9时所得到的速度估测数值、而—A/2—OTg J气表KM1与FM2的平均 <直，4叚如/>(87V —1)<「M1 M2—。vg <,X(8iV + 5),其中TV为整凄t,则寸吏用M-9时所得到的速度估测数值^2，而^^2—。vg为其它值时，则使用似=8时所得到 的速度估测数值^1。利用多点平滑估测合成方法来估测速度的流程图如8A至8C所丄 丄示，将原本的运算中断时间r分为碼与^2等分，在每次^与^的中断时，取得计数器的数值尸，再利用尸值得到尸(1 — 2—')、尸(1 — 2—)，求得r紹、^2 (步骤S42，并一并参见图8B及图8C的说明)。在7的 中断时，利用^与^2的平均值^—"2,(计算于步骤S44)来判断要使 用「紹或「m2来当作低通滤波的输入信号(步骤S46),最后所选择的 信号由低通滤波处理后得到&m给中断时间为r的控制回路使用(步骤 S48)。根据发明人的模拟发现假设^ = 8时，速度在36" = 288。111上仍 然有跳动的现象，而在似=9时，是在^^^^rpm上有跳动的现象。 为了改善这个现象，利用合成式多点平滑方法来估测速度后，则可发 现速度估测在这两个转速(288rpm与324rpm)上的跳动均获得了改善。虽然加大M值也有如上述的效果，^f旦是以一个3000rpm为最高速的系统为例，如果单纯利用多点平滑要改善所有36倍数转速上的跳动 现象，则需要将M值加大至84(8"36>3000)以上。而使用多点平滑的合成，则只要利用似=9与似=10，便可以达到要求(9与IO的最小公倍 数)x^J0x36^000。因此可以看出取两个互质的整数来作合成式多点平滑方法，可以更有效的改善跳动问题。总而言之，本发明的技术特征与优点叙述如下本发明的技术特征为使用过取样(over-sampling)装置，其取样频率 高于速度控制的取样频率。而且，本发明的技术优点为产生平滑的速 度估测值，又不会造成速度估测值与真实速度间过多的时间延迟。上述实施例仅供说明本发明之用，而并非对本发明的限制，本领 域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，所做出的各种等 效结构变化皆在本发明的范围之内。本发明的保护范围由权利要求限 定。
权利要求
1.一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编码器的输出来测量马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达速度控制单元，该方法包括决定过取样因子M；读取所述编码器的输出；对所述编码器的输出进行计数；根据所述过取样因子M及额定速度控制取样fs，对于所述编码器的输出做过取样；及对多个过取样结果做平均处理，以得到初始速度估测值。
2. 如权利要求l的方法，还包括对所述初始速度估测值做低通滤波处理，以得到最终速度估测值。
3. 如权利要求1的方法，其特征在于，取样因子M为大于1的整数。
4. 一种多点平滑化马达速度估测方法，根据编码器的输出来测量 马达的速度估测值，以将所述速度估测值传送至马达速度控制器，该 方法包括决定第一过取样因子Ml及第二过取样因子M2;读取所述编码器的输出；对所述编码器的输出进行计数；根据所述第一过取样因子Ml及额定速度控制取样，对于所述编 码器的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理，以得到第一 初始速度估测值VI;根据所述第二过取样因子M2及额定速度控制取样，对于所述编 码器的输出做过取样，及对多个过取样结果做平均处理，以得到第二 初始速度估测值V2;测值VI和所述第二初始速度估测值V2的平均值Vavg;根据所述平均值Vavg，判断使用所述初始速度估测值VI还是所 述第二初始速度估测值V2。
5. 如权利要求4的方法，其特征在于，判断使用所述第一初始速 度估测值VI或所述第二初始速度估测值V2的步骤，是根据下式进行 判断如果,x(8iV-1)〈^g〈,x(8^ + 5),其中，7V为整数，则使用第二初始速度估测值V2，否则使用第一初始速度估测值VI;上式中fr为涟 波转速fr= (60 x fs /Nt) RPM,其中，假设编码器的解析为1转产生Nt 个脉冲。
6. 如权利要求4的方法，其特征在于，Ml及M2为互质的整凄i。
7. 如权利要求4的方法，还包括对所述初始速度估测值做低通滤波处理，以得到最终速度估测值。
8. 如权利要求4的方法，其特征在于，取样因子M为大于1的整数。
全文摘要
一种多点平滑化马达速度估测方法，主要根据过取样因子M对于编码器的输出做过取样，接着对多个过取样结果做平均处理，以得到初步速度估测值。最后对初步速度估测值做低通滤波处理，以得到最终速度估测值，该最终速度估测值送至速度控制器，以控制马达速度。另外，本发明也可利用两个过取样因子分别进行过取样处理，再根据两个过取样因子所得结果的平均值，而选择性地使用两个过取样因子所得结果之一。本发明的方法可以大幅改善马达转速在高速运转时测量的跳动问题。
文档编号G01P3/481GK101329359SQ20071010944
公开日2008年12月24日 申请日期2007年6月21日 优先权日2007年6月21日
发明者吴家明, 王东海, 陈博铭 申请人:台达电子工业股份有限公司