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IOa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VOT。位置控制单 元40a根据位置命令Pemd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i。md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i。md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 T"、 P{t)-P{t-T)
V(t)= τκ-其中V(t)为估测速度，P (t)表示编码器的反馈位置，T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SlOa)，取得计数器反馈的数 值P(t)(步骤S12)。速度估测单元24a再由计数器反馈的数值P(t)减去前次中断的位置 P(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T计算出初步
估测速度厂⑴=(步骤S16)。然后将求得的初步估测速度V经由低通滤波器
平滑化后形成最后的速度值步骤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，假设取样时间T为(6kHz)—1，而编码器每转的分辨率为 10000脉冲/转，对马达转速从Orpm至500rpm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 20070043528A1公开了一种对多个取样周期的测量速度进行平 均的方法，以降低测量涟波(ripple)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Vl ；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Vl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Vl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时的系统响应相位图。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IOa 编码器12a
计数器22a
速度控制单元30a
电流控制与驱动单元50a
本发明
脉冲型编码器12
脉冲计数器22
位移量平均单元26
速度控制单元30
速度估测单元24a 位置控制单元40a
多点平滑化马达速度估测装置20 过取样单元24
低通滤波器28
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连接于脉冲型编码器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取样(rated speed sampling)的M倍。假设原本额定速度控制取样为fs Hz，对应取样周期为T = 1/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所对应的取样频率为M*fs Hz，其取样时间为Ts = l/(M*fs)Sec，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，再除以取样周期 时间Τ，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，其取样方式如图5所示。将图5取样得到的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估测值V (t)，V(t)表示法可写为下式，
‘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)当过取样频率为额定速度控制取样的M倍，其通式为= to Μ' “ M__
MT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20070043528A1)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偏差，因而上述 专利因为速度估测值的延迟也无法应用于本专利的高速度的伺服控制。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，从 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(60XfdXM/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)X60Xfs 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Vmi与Vm2，其 中虬兴112，如果将两个M值不同的速度估测结合，则将会在frX饥与礼的最小公倍数)上 的转速才会出现估测跳动的现象。假设取样时间T为(6kHz)—1，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-speed estimation)。以 M1 = 8 与 M2 = 9
为例，合成式多点平滑方法的计算方法如下 其中Vmi与Vm2分别代表M = 8与M = 9时所得到的速度估测数值、而Vmi M2 avg代 表Vmi与VM2的平均值，假如
其中N为整数，则使用M = 9时所得到的
速度估测数值Vm2，而VM1—avg为其它值时，则使用M = 8时所得到的速度估测数值VM1。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所示，将原本的运算中断时间T分为M1与M2等分，在每次f与f的中断时，取得计数器的数值P，再利用P值
得到P (1-Ζ_Μ1)、P (l-z-"2)，求得VM1、Vm2 (步骤S42，并一并参见图8B及图8C的说明)。在T 的中断时，利用Vmi与Vm2的平均值VM1—avg(计算于步骤S44)来判断要使用Vmi或Vm2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Vut给中断 时间为T的控制回路使用(步骤S48)。根据发明人的模拟发现假设M = 8时，速度在36X8 = 288rpm上仍然有跳动的 现象，而在M = 9时，是在36X9 = 324rpm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，但是以一个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(84X36 > 3000)以上。而使用多点平滑的合成，则只要利用M = 9与M= 10，便可以达到要求(9 与10的最小公倍数)X36 = 90X36 > 3000。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
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M1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M1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V1；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V1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V1还是所述第二初始速度估测值V2。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，判断使用所述第一初始速度估测值Vl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/XSTV-Dct/i^^ + i)其中，N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Vl ；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，且fs爲额定速度控制取样。
3.如权利要求1的方法，其特征在于，Ml及M2为互质的整数。
4.如权利要求1的方法，还包括对所述第一初始速度估测值Vl和所述第二初始速度估测值V2做低通滤波处理，以得 到最终速度估测值。
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G01P3/481GK101907632SQ20101024305
公开日2010年12月8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