专利名称：马达速度控制器及其控制方法
技术领域：
本发明是关于一种马达速度的控制器及其控制方法，特别是有关于一种交流感应 马达在扭力和功率限制的下，经由执行多次差值运算来控制马达运动时的速度、加速度和 急冲度O
背景技术：
在一般工业应用上，常常将马达(特别是交流感应马达)的控制曲线区分为定扭 力区及定功率区，以此来控制马达的运动速度，定扭力区及定功率区的速度曲线特性，请参 考图1。如图1所示，当马达的速度在定扭力区时，马达的扭力会依其加速或负载需求而增 加，直到最大扭力后，即无法再增加；而当马达的速度到达定功率区后(也就是马达的速度 到达基底速度后)，马达的加速度随着最大扭力的变小逐渐形成非线性的衰减。在传统的马 达速度控制中，为了让输出扭力能够符合第1图的速度对扭力限制的特性曲线，在进行规 划马达的运动速度时，都是将速度-时间曲线分割成许多段来近似，如图2所示。为此，使 用者必须事先给定马达每一段的端点速度及每一段的加速度时间，最后得到一条不平滑的 速度曲线。上述的马达控制方式存在两个缺点，第一个缺点是当马达速度超过基底速度进入 定功率区时，现有技术要求使用者给定多段的参数，以期望能够逼近理想的速度时间曲线， 但此一方法无法达到较佳的加减速控制。同时，给定多段参数在应用上给使用者带来不便 以及设定上的困难；第二个缺点是当马达在不同速度区间转换时，必须转换不同加速度，切 换点加减速太剧烈，转换时急冲度很大，可能造成主轴运转不平顺。
发明内容
为改善现有技术中对马达速度控制上的缺点，本发明提供一种数值控制器来控制 马达的速度，其通过系统给定的马达加减速时间、目前速度、基底速度和最大速度，实时动 态计算出当时的最大加速度，配合使用者给定的目标速度和马达的最大急冲度，作为加减 速的规划依据。在每一次插值时间点，以目前速度和目前加速度值，用最短时间到达目标速 度来进行规划，计算出下个插值时间点的速度和加速度值输出到马达。经由重复上述决策 方法，可以在最短时间内将目前马达速度增加或减少到目标速度。依据上述的控制器，本发明的一主要目的在提供一种控制器及其控制方法，使得 马达能在最大加速度和最大急冲度的限制内将马达以最短的时间内平滑地变动加(减)速 到目标速度，故可减少马达运转的震动现象。本发明的另一主要目的在提供一种控制器及其控制方法，使得马达能在最大加速 度和最大急冲度的限制内将马达以最短的时间内平滑地变动加(减)速到目标速度，故可 延长马达的寿命。本发明的再一主要目的在提供一种控制器及其控制方法，使得马达能在最大加速 度和最大急冲度的限制内，可通过改变目标速度来控制马达的加(减)速，故可使马达能平滑地变动加(减)速到目标速度，使得加工件有较佳的精度。本发明的还有一主要目的在提供一种控制器及其控制方法，使得马达能在最大加 速度和最大急冲度的限制内，可在马达的实时的动态速度状态下来调整马达的目前速度， 故可使马达在最短时间内反应外部所给予的命令。本发明的再一主要目的在提供一种控制器及其控制方法，使得马达能在最大加速 度和最大急冲度的限制内，当马达的速度超过基底速度时，亦可配合马达最大扭力随着速 度增加而衰减的特性，去限制马达的最大加速度，故可使马达自动调整马达速度的输出。依据上述的各种目的，本发明首先提供一种控制马达速度的方法，包括提供一马 达的基底速度、最大速度、加速至最大速度的时间及加速到最大加速度的时间，以完成马达 的最大速度、最大加速度及最大急冲度的设定；接着，提供一插值运算周期及目标速度；然 后马达从静止开始启动，并依预设周期启动插值运算；再接着，执行一插值运算，依该预设 周期启动插值运算，在任一时刻进行插值运算时，可得知该马达的目前速度及目前加速度； 据此获得一加速度曲线规划，将该马达的该目前速度、该目前加速度以及在该最大加速度 与该最大急冲度的限制下所预设的该目标速度进行判断，以规划出一个使该目前速度达到 该目标速度且此时加速度为零的加速度曲线规划；然后，再计算出一实时速度及实时加速 度，依据该加速度曲线规划进行该马达的加减速控制，并计算输出该次插值运算周期结束 时间点的实时速度和实时加速度；最后，输出该实时速度，以作为该马达的速度控制命令。 重复步骤上述的过程直到全程运动流程结束时，使得该马达达到该目前速度值与该目标速 度相同且加速度为零。本发明接着再提供一种马达速度的控制器，该控制器是在马达的最大加速度及最 大急冲度的限制下，在一设定的插值运算周期中执行多次差值运算来控制该马达的速度， 其中该控制器的特征在于以前一次插值运算所输出的一实时速度值来作为下一次插值运 算的目前速度值，并于该下一次插值运算中，由该目前速度值与一目标速度值之间的差值 来选择一加速度规划曲线，并再依据该加速度规划曲线进行该马达的加减速控制，并于该 下一次插值运算结束时，输出该实时速度值至该马达，以作为该马达的速度控制命令，使得 于该插值运算周期结束时，该马达的该目前速度值达到该目标速度且加速度为零。本发明接着再提供一种制造系统，包括一可控制的马达及一控制器，该控制器用 以控制该马达运动，其中该制造系统的特征在于该控制器在设定的最大加速度及最大急 冲度的限制下，以及在一设定的插值运算周期中执行多次差值运算来控制该马达的速度， 并以前一次插值运算所输出的一实时速度值来作为下一次插值运算的目前速度值，并于该 下一次插值运算中，由该目前速度值与一目标速度值之间的差值来选择一加减速度曲线规 划，并再依据该加减速度曲线进行该马达的加减速控制，并于该下一次插值运算结束时，输 出该实时速度值至该马达，以作为该马达的速度控制命令，使得于该插值运算周期结束时， 该马达的该目前速度值达到该目标速度且加速度为零。
图1是现有技术交流感应马达的扭力-速度图。图2是现有技术运动规划的速度-时间图。图3是每次插值时间内的速度加速度决定流程图。
图4是运动到目标速度最佳运动规划流程图。图5是最佳运动规划三段加速度曲线图。图6是最佳运动规划两段加速度曲线图。图7是最佳运动规划三段加速度曲线图。图8是最佳运动规划两段加速度曲线图。图9是马达在定扭力和定功率区的速度-时间图。图10是马达在定扭力和定功率区的加速度-时间图。图11是马达在定扭力和定功率区的急冲度-时间图。图12是马达在未到达定功率区的速度-时间图。图13是马达在未到达定功率区的加速度-时间图。图14是马达在未到达定功率区的急冲度-时间图。图15是马达在定扭力和定功率区的速度-时间图。图16是马达在定扭力和定功率区的加速度-时间图。图17是马达在定扭力和定功率区的急冲度-时间图。图18是本发明的一多轴制造系统的示意图。主要元件符号说明A从马达运动起点到目标速度的等最大急冲度区段。B从马达运动起点到目标速度的等最大加速度区段。C马达最大加速度在定功率区和目前速度成反比。D从马达运动起点到目标速度的负等最大急冲度区段。10多轴制造系统100控制器101数据输入单元103加减速规划单元105插值运算单元
具体实施例方式由于本发明揭露一种控制马达速度的控制器及其控制方法，特别是对一种交流感 应马达的控制，因此，在以下的说明中，将详细说明控制器与其马达速度控制方法，而对于 交流感应马达则不作完整描述。此外，本发明所提及的各种控制方法中所表示的图式，亦并 未依据实际的相关尺寸完整绘制，其作用仅在表达与本创作特征有关的示意图。特别要说 明，在下述说明中的各种说明是为本发明的实施例，并非用以限制本发明。本发明是一种控制马达速度的控制器，特别是对交流感应马达的控制方法。当使 用者要对一制造系统中的可控制的机械装置(例如一种CNC车床、CNC铣床、攻牙机或是钻 孔机等)进行加工路程的设定时，首先，提供驱动制造设备的马达的基底速度(Vf)、最大速 度、加速至最大速度的时间及加速到最大加速度的时间至制造系统中的控制器；然后，设定 加工路程的插值运算周期及目标速度。接着，根据马达的加速特性，制造系统会再给定马达 最大加速度(Amax)和最大急冲度值(Jmax)至控制器，以确保在运动全程中，马达的加速度和 急冲度不会超过这些默认值，其中最大加速度(Amax)是指当马达到达基底速度时的加速度。因此，控制器必须在每次插值运算的周期内(例如每10微秒执行一次插值运算)，获得马 达当时的实时速度(或称目前速度)和实时加速度(或称目前加速度)，然后输出新的速度 命令给马达，利用此种控制方式来控制马达的实际速度(或称实时速度或是目前速度)最 终达到给定的马达目标速度(V。md)，而此一马达目标速度可由使用者来设定。其详细的控制 过程说明如下。首先，请参考图3，为本发明每次插值时间内的速度加速度决定流程图。如图3所 示，当使用者经由控制器来启动马达时，马达于静止到启动时刻，此时马达的速度和加速度 都为零。接着，控制器依据给定的马达基底速度、马达最大速度、马达加速至最大速度的时 间及马达加速到最大加速度的时间以及插值运算周期及目标速度等讯息，并在马达的最大 加速度及最大急冲度的限制下，进行插值运算，以期获得马达的目前速度及目前加速度，如 步骤301所示。再接着，控制器会依据马达的目前速度及目前加速度数值，将之与目标速度 进行比较，以便能规划出一个在最短时间内能让目前速度与目标速度相同的加减速度曲线 规划，如步骤302所示。在此步骤中，控制器为了避免马达在抵达目标速度后，仍然有震动 的现象，因此，控制器除了控制马达的速度必须要精确到达目标速度外，同时，也要控制马 达的加速度也要同时到达零，如此，当马达的目前速度一旦到达目标速度后，才不会再有加 减速所造成的震动。而为了达到如此的目标速度，控制器不仅必须克服目前速度和目标速度的速度 差，同时还要确保目前加速度在达目标速度时以不超过最大急冲度的限制而减少(增加) 到零，图4即为此加减速度曲线的流程图。说明如下如果控制器判断目标速度(例如 IOOrpm)减去目前速度(例如60rpm)的差比将目前加速度依最大急冲度减少(增加)到零 所需的速度差还要大时，则表示还可再增加加速度；同时又判断出此速度差又比将目前加 速度依最大急冲度增加到最大加速度再马上减少到零所产生的速度差还要大时，则由如步 骤401所示，控制器可由目前速度(Vn。w)、目前加速度(An。w)，可以规划出一个三段加减速度 曲线，如图5所示；反之，如果判断出此速度差又比将目前加速度依最大急冲度增加到最大 加速度再马上减少到零所产生的速度差还要小时，则由如步骤402所示，控制器可由目前 速度(Vn。w)、目前加速度(An。w)可以规划出两段加减速度曲线，如图6所示。在上述图5所示 的三段加减速度曲线是由一段正最大急冲度增加加速度至最大加速度后(即第一段)，以 最大加速度保持一段等加速度(即第二段)，再由一段负最大急冲度减少加速度至加速度 等于零(即第三段)，很明显地，在图5的实施例中，马达已到达基底速度或是在定功率区； 而在上述图6所示的二段加减速度曲线是由一段正最大急冲度增加加速度后(即第一段)， 于到达最大加速度前，再由一段负最大急冲度减少加速度至加速度等于零(即第二段)；很 明显地，在图6的实施例中，马达尚未到达基底速度或是马达仍然在定扭力区。再者，如果目标速度(例如100rpm)减去目前速度(例如120rpm)的差比将目前 加速度依最大急冲度减少(增加)到零所产生的速度差还要小时，则表示马达必须马上减 少加速度。在此情况下，如果控制器又同时判断此速度差比将目前加速度依最大急冲度减 少到负最大加速度再马上增加到零所产生的速度差还要大时，则由如步骤403所示，控制 器可由目前速度、目前加速度，可以规划出三段加减速度曲线，如图7所示。反之，如果控制 器又同时判断此速度差比将目前加速度依最大急冲度减少到负最大加速度再马上增加到 零所产生的速度差还要小时，则由如步骤404所示，控制器可由目前速度、目前加速度，可以规划出二段加减速度曲线，如图8所示。在上述图7所示的三段加减速度曲线是由一段 负最大急冲度减少加速度至负最大加速度后(即第一段)，以负最大加速度保持一段等加 速度(即第二段)，再由一段正最大急冲度增加加速度至加速度等于零(即第三段)；很明 显地，在图7的实施例中，马达已到达基底速度或是在定功率区；而在上述图8所示的二段 加减速度曲线是由一段负最大急冲度减少加速度后，于到达负最大加速度前(即第一段)， 再由一段正最大急冲度增加加速度至加速度等于零(即第二段)；很明显地，在图8的实施 例中，马达尚未到达基底速度或是马达仍然在定扭力率区。当规划出上述的各种加减速度曲线之后，则可在制造系统的控制器在每次插值运 算时间点，依据当时马达的速度(即目前速度)及加减速度曲线所得的加减速度规划而计 算出下个插值时间点的速度，如步骤303所示。此得到的速度即为输出到马达的新速度指 令，如步骤304所示。如此经过多次的插值运算时间点来不断地实时更新系统的最新速度 和加速度，最终可以在最大加速度与最大急冲度限制下以最短时间达到目标速度。此外，在本发明的控制方法中，均是以一个设定的最大加速度(Amax)来做为每一次 插值运算点的马达速度与加速度的参考。当马达的运动速度在定扭力区时，可以输出的最 大扭力是固定的，相对的可以允许的最大加速度(Amax)也是固定的；但是在马达速度进入 定功率区之后，也就是到达基底速度(Vf)后，其输出最大扭力会与速度成反比。所以当给 定目前速度(Vn。w)后，马达可以允许的目前最大加速度(An_J为
权利要求
1.一种控制马达速度的方法，其特征在于，包括a.提供一马达的基底速度、最大速度、加速至最大速度的时间及加速到最大加速度的 时间，以完成马达的最大速度、最大加速度及最大急冲度的设定；b.提供一插值运算周期及目标速度；c.马达从静止开始启动，并依预设周期启动插值运算；d.执行一插值运算，依该预设周期启动插值运算，在任一时刻进行插值运算时，可得知 该马达的目前速度及目前加速度；e.获得一加减速度曲线规划，将该马达的该目前速度、该目前加速度以及在该最大加 速度与该最大急冲度的限制下所预设的该目标速度进行判断，以规划出一个使该目前速度 达到该目标速度且此时加速度为零的加减速度曲线规划；f.计算出一实时速度及实时加速度，依据该加减速度曲线规划进行该马达的加减速控 制，并计算出该次插值运算周期结束时间点的实时速度和实时加速度；g.输出该实时速度，以作为该马达的速度控制命令；h.重复步骤d到g直到全程运动流程结束时，使得该马达达到该目前速度值与该目标 速度相同且加速度为零。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该加减速度曲线规划进一步包括 当该目标速度与该目前速度的速度差比将该目前加速度依该最大急冲度减少/增加到零所需的速度差还要大时，且当该速度差又比将该目前加速度依该最大急冲度增加到该 最大加速度再减少到零所产生的速度差还要大时，则由目前速度及目前加速度产生一三段 加减速度曲线规划。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该加减速度曲线规划进一步包括 当该目标速度与该目前速度的速度差比将该目前加速度依该最大急冲度减少/增加到零所需的速度差还要大时，且当该速度差又比将该目前加速度依该最大急冲度增加到该 最大加速度再减少到零所产生的速度差还要小时，则由目前速度及目前加速度产生一二段 加减速度曲线规划。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该加减速度曲线规划进一步包括 当该目标速度与该目前速度的速度差比将该目前加速度依该最大急冲度减少/增加到零所需的速度差还要小时，且当该速度差又比将该目前加速度依该最大急冲度减少到负 最大加速度再马上增加到零所产生的速度差还要大时，则由目前速度及目前加速度产生 一二段加减速度曲线规划。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该加减速度曲线规划进一步包括 当该目标速度与该目前速度的速度差比将该目前加速度依该最大急冲度减少/增加到零所需的速度差还要小时，且当该速度差又比将该目前加速度依该最大急冲度减少到负 最大加速度再马上增加到零所产生的速度差还要小时，则由目前速度及目前加速度产生 一三段加减速度曲线规划。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在该马达整个运动过程的中，可以动态改变 该目标速度、该插值周期、该最大加速度和该最大急冲度。
7.—种马达速度的控制器，该控制器是在设定的最大加速度及最大急冲度的限制下， 以及在一设定的插值运算周期中执行多次差值运算来控制该马达的速度，其中该控制器的特征在于以前一次插值运算所输出的一实时速度值来作为下一次插值运算的目前速度值，并于 该下一次插值运算中，由该目前速度值与一目标速度值之间的差值来选择一加减速度曲线 规划，并再依据该加减速度曲线进行该马达的加减速控制，并于该下一次插值运算结束时， 输出该实时速度值至该马达，以作为该马达的速度控制命令，使得于该插值运算周期结束 时，该马达的该目前速度值达到该目标速度且加速度为零。
8.如权利要求7所述的控制器，其特征在于，在该马达整个运动过程的中，可以动态改 变该目标速度、该插值周期、该最大加速度和该最大急冲度。
9.如权利要求7所述的控制器，其特征在于，该控制器为一速度命令型的马达控制器 或是一位置命令型的马达控制器。
10.一种制造系统，包括一可控制的马达及一控制器，该控制器用以控制该马达运动， 其中该制造系统的特征在于该控制器在设定的最大加速度及最大急冲度的限制下，以及在一设定的插值运算周期 中执行多次差值运算来控制该马达的速度，并以前一次插值运算所输出的一实时速度值来 作为下一次插值运算的目前速度值，并于该下一次插值运算中，由该目前速度值与一目标 速度值之间的差值来选择一加减速度曲线规划，并再依据该加减速度曲线进行该马达的加 减速控制，并于该下一次插值运算结束时，输出该实时速度值至该马达，以作为该马达的速 度控制命令，使得于该插值运算周期结束时，该马达的该目前速度值达到该目标速度且加 速度为零。
全文摘要
本发明是一种马达速度控制器及其控制方法，其控制器是依照不同速度动态调整加速度和急冲度，将马达速度以最短时间增加或降低到预设的目标速度，且不超过最大加速度和最大急冲度的限制。即使在马达速度进入高速的定功率区时，亦能自动调整其最大加速度来限制速度输出，以避免超出马达在高速时的加速能力。
文档编号H02P23/14GK102082545SQ20091024639
公开日2011年6月1日 申请日期2009年11月27日 优先权日2009年11月27日
发明者杨文宏, 王芝峰, 黄炜生 申请人:新代科技股份有限公司