转子驱动系统及转子驱动方法与流程

本发明关于一种转子驱动系统及转子驱动方法，特别是一种高精确度的转子驱动系统及转子驱动方法。

背景技术

转子，或称转轴，是发电机、马达、引擎中的重要部件。一般的转子机械运转于高转速时，由于温度、制作公差等原因，使转子的旋转几何中心与惯性中心不一致，造成偏心力的产生，而偏心力为转速的平方成正比，因此当转速越高，偏心力影响越大。传统的轴承控制器功效是把转子定位于转子的几何中心位置，然而转速越大，偏心力越大，则转子振动越大，若是要把转子定位于几何中心位置，需要的控制力越大。因此，通常是利用转速来决定控制力。

利用转速来决定控制力时，可以利用转速指令来决定控制力，然而由于转速指令与实际转速往往有差异，这样产生的控制力往往无法良好地使转子定位，因此有人提出利用感测到的转速来决定控制力。然而，因为振动、滑差等问题，可能造成感测到的转速有错误，从而计算得到的控制力有错误，则可能造成控制器不稳定。

技术实现要素：

综上所述，如何提高转速感测的精确度以提供良好的转子驱动系统，实为有待克服的问题。因此本发明提出一种转子驱动系统与转子驱动方法，藉由滤波器将可能的测量误差降低或消除，藉以提高转速感测的精确度。

依据本发明一实施例的转子驱动系统，其包含：转子、转速感测器、感测电路、控制器与转子驱动器。转速感测器，感测转子的转速以产生测量信号。感测电路，电性连接转速感测器，将测量信号转换为当前转速测量值。控制器电性连接感测电路，用于依据历史转速测量值、当前转速测量值与参考值，产生估计转速值，并依据估计转速值与转速控制信号，产生转子驱动信号。转子驱动器，电性连接控制器，依据转子驱动信号，驱动该转子转动。

依据本发明一实施例的转子驱动方法，其包含下列步骤：感测转子的转速以产生测量信号。将测量信号转换为当前转速测量值。依据历史转速测量值、当前转速测量值与参考值，产生估计转速值。依据估计转速值与转速控制信号，产生转子驱动信号以驱动转子。

综上所述，本发明所揭示的转子驱动系统及方法，利用当前转速测量值、历史转速测量值与参考值，产生估计转速值。也就是利用过去的信号变化趋势与当前测量值来估算正确的转速值。从而降低测量误差，提高测量的精确度。

以上的关于本揭露内容的说明及以下的实施方式的说明是用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。

附图说明

图1是依据本发明一实施例的转子驱动系统架构示意图。

图2是依据本发明一实施例的转子与转速感测器配置示意图。

图3是依据本发明另一实施例的转子与转速感测器配置示意图。

图4是依据本发明一实施例的转速测量值与估计值时序图。

图5a是一般的转子驱动系统的转子控制电流时序图。

图5b是依据本发明一实施例的转子驱动系统的转子控制电流时序图。

图6是依据本发明一实施例的转子驱动方法流程图。

图7是依据本发明一实施例的转速估计方法流程图。

其中，附图标记：

1000转子驱动系统

1100转子

1101穿孔

1200转速感测器

1210、1210’光源

1220、1220’光耦合器

1300感测电路

1400控制器

1500转子驱动器

1600储存媒介

v1、v2信号

x、y、z轴线

s610～s640步骤

s710～s740步骤

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟习相关技艺者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及图式，任何熟习相关技艺者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参照图1，其是依据本发明一实施例的转子驱动系统架构示意图。如图1所示，本发明一实施例中的转子驱动系统1000具有转子1100、转速感测器1200、感测电路1300、控制器1400与转子驱动器1500。

转子1100例如为引擎、马达、发电机或是其他转子机械的转轴。转子1100受到转子驱动器1500驱动而转动。转子驱动器1500于一实施例中为接触式转子驱动器1500，也就是说转子驱动器1500直接接触转子1100以带动转子1100转动。或是转子驱动器1500通过直接接触转子1100的一个传动机构1510来带动转子1100转动。于另一实施例中，转子驱动器1500为非接触式转子驱动器。也就是说，转子驱动器1500不接触转子1100，也没有通过任何接触转子的元件来带动转子1100转动。

转速感测器1200适于感测该转子的转速以产生一测量信号。于一实施例中，转速感测器1200例如为以光耦合器实作或以霍尔效应感测器实作的转速感测器，本发明不加以限制。以光耦合器实作的转速感测器1200请参照图2，其是依据本发明一实施例的转子与转速感测器配置示意图。如图2所示，转子1100平行于x轴配置，且转子1100具有一个穿孔1101其延伸方向正交(perpendicular)于x轴(平行于纸面)。而转速感测器1200包含光源1210与光耦合器1220，光源1210与光耦合器1220的连线平行于图2的z轴(平行于纸面)，并且当转子1100转到适当位置而使穿孔1101的延伸方向实质平行于z轴时，光源1210发出的光线会穿过穿孔1101而被光耦合器1220所接收。此时光耦合器1220输出的信号例如为高电位。而当穿孔1101的延伸方向实质不平行于z轴时，光源1210发出的光线不会被光耦合器1220所接收，此时光耦合器1220输出的信号例如为低电位。前述的实质平行例如为穿孔1101的延伸方向与z轴的夹角小于5度，然而本发明并不加以限制，本领域通常知识者得自行依加工技术与需求而设定。因此，每当转子1100转动一圈，光耦合器1220所输出的测量信号会有四次的电位转换，两次由低电位转换为高电位，两次由高电位转换为低电位。换句话说，测量信号的频率理论上是转动频率的两倍。然而，如果转子1100因为振动而有了位置的偏移，则有可能当穿孔1101的延伸线平行于z轴时，光源1210的光线无法穿过穿孔1101而被光耦合器1220所接收，如此当转子1100转动一圈的时候，光耦合器1220所输出的测量信号可能只有两次电位转换甚至没有电位转换。从而使得测量信号的频率不到转子的转动频率的两倍。

虽然上述以光耦合器实作的转速感测器需要转子具有穿孔，然而所属领域通常知识者当能以其他的方式设计此类转速感测器。例如参照图3，其是依据本发明另一实施例的转子与转速感测器配置示意图。于图3的实施例中，光源1210’与光耦合器1220’设置于转子1100的同一侧，在转子1100对应于转速感测器1200的光耦合器1220’的区域进行环状抛光，并于其中一段进行磨砂处理。因此当光耦合器1220’正对着被抛光的区域时，光耦合器1220’输出的信号例如为高电位，而当光耦合器1220’正对着被磨砂处理的区域时，光耦合器1220’输出的信号例如为低电位。从而当转子1100每转动一圈，光耦合器1220’输出的信号会有两次的电位转换，一次由低电位转换为高电位，另一次从高电位转换为低电位。换句话说，测量信号的频率理论上是等同于转动频率。然而，如果转子1100因为振动而有了位置的偏移，则可能当转子1100的磨砂区域正对着光耦合器1220’的时候，转子1100太过于靠近光耦合器1220’，使得光耦合器1220’感受到过多的反射光而使输出的测量信号为高电位。如此输出的测量信号的频率可能高于转子的转动频率。另一方面，可能当转子1100的抛光区域正对着光耦合器1220’的时候，转子1100太过于远离光耦合器1220’，使得光耦合器1220’无法感受到足够反射光，而使输出的测量信号为低电位。如此输出的测量信号的频率可能低于转子的转动频率。另外由于滑差、转子形变、转子热膨胀，也可能有类似的测量误差。

感测电路1300电性连接转速感测器1200，将测量信号转换为当前转速测量值。测量信号可能是电压或电流的形式呈现，并且测量信号仅能粗略地呈现转速感测器1200是否感测到转子1100上对应的位置，而测量信号并不一定能直接被数字电路所处理，因此感测电路1300用来将测量信号转换为适合被控制器1400的数字电路处理的脉冲信号形式。具体来说，感测电路1300例如但不限于具有比较器、施密特触发器(schmidttrigger)、模拟数字转换器或其他适于将模拟信号转换为数字信号的元件，本发明不加以限制。

控制器1400电性连接感测电路1300。控制器1400依据历史转速测量值、当前转速测量值与参考值，产生估计转速值。控制器1400并依据估计转速值与转速控制信号，产生转子驱动信号。于一实施例中，控制器1400使用卡尔曼滤波器(kalmanfilter)或其他递归滤波器(recursivefilter)来根据当前转速测量值、参考值以及一笔或多笔历史转速测量值来产生估计转速值。于一实施例中，请回到图1，控制器1400外接一个储存媒介1600，历史转速测量值与参考值储存于储存媒介1600。并且控制器1400将当前转速测量值写入储存媒介1600作为未来计算用的历史转速测量值，控制器1400并将所产生的估计转速值写入储存媒介1600来更新参考值。控制器1400例如但不限于单芯片控制器、微控制器(microcontrollerunit,mcu)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray,fpga)、复杂可编程逻辑器件(complexprogrammablelogicdevice,cpld)或其他适于进行数字信号处理的电子装置，本发明不加以限制。储存媒介1600例如为挥发性或非挥发性储存媒介，其中较佳为非挥发性储存媒介。

于一实施例中，在产生估计转速值的时候，首先使用当前转速测量值ωk+1、历史转速测量值ωk与参考值ωk’应用卡尔曼滤波器产生对应的一个当前估计值ωk+1’。其中，如果前述非理想状态造成的转速测量误差很小，或是没有造成测量误差的时候，所产生的当前估计值ωk+1’会实质上等同于当前转速测量值ωk+1。而当前述非理想状态造成的转速测量误差达到一定的比例的时候，所产生的当前估计值ωk+1’会不同于当前转速测量值ωk+1，而是接近于实际上转子1100的转速。其中，前述的诸测量值与参考值，是关于一个脉冲信号的电位高低的描述。而此脉冲信号用以描述转速感测器1200是否感测到光线。

接下来，为了说明前述实施例的效果，请参照图4，其是依据本发明一实施例的转速测量值与估计值时序图。如图4所示，信号v1为实际测量得到的转速测量值，而信号v2为依据前述方法得到的估计值。其中在第一时间区间p1中，由于没有发生前述的测量误差，因此信号v1等同于信号v2。接着在第二时间区间p2，由于转子驱动系统1000发生振动，因此可以发现信号v1有一段未检测到脉冲信号的时间区间明显不同于信号v1在第一时间区间p1中的模式。而信号v2则不论在第一时间区间p1还是在第二时间区间p2，其发生脉冲的模式大致固定。因此，使用信号v2，也就是当前估计值来进行后叙的计算与控制，可以避免或降低前述因振动、滑差或其他非理想因素造成的测量误差。

于一实施例中，当得到了当前估计值ωk+1’后，控制器1400可以直接用当前估计值ωk+1’所定义出来的脉冲信号p对时间微分或差分以取得转子1100的转速。然而，在某些状况下，这样的方式可能会带入过多的测量误差或是系统程序误差。因此，于另一实施例中，控制器1400以最小平方法来估测转子1100的转速，其方程式如下：

其中，t代表中断取样时间，为系数矩阵，在进行速度估测时，可决定时间阶数n与数据点数m后，便可决定系数矩阵而依照上述方程式，得以取得较为可信的转子估计转速值v。

控制器1400在取得估计转速值后，控制器1400以估计转速值与转速控制信号来产生转子驱动信号。举例来说，若是估计转速值低于转速控制信号所指定的转速，则转子驱动信号会使转子驱动器1500驱动转子加速转动。若是估计转速值高于转速控制信号所指定的转速，则转子驱动信号会使转子驱动器1500驱动转子减速。其中，转子驱动器1500例如为马达中的多相磁场驱动装置或是引擎中的阀门控制器。

此外，控制器1400更可以依据估计转速值与转速控制信号，以偏心力抑制技术(unbalanceforcerejectioncontrol,ufrc)产生该转子驱动信号。请参照图5a与图5b，其中图5a是一般的转子驱动系统的转子控制电流时序图，而图5b是依据本发明一实施例的转子驱动系统的转子控制电流时序图。不论图5a还是图5b的实验结果中，都是在0.4秒时启动ufrc来调整转子控制电流。从图5a可以看出，一般的转子驱动系统在启动ufrc后，并未能使转子控制电流收敛。相较之下，从图5b可以看出，依据本发明一实施例的转子驱动系统，在启动ufrc后，转子控制电流明显收敛。其原因在于，由振动或其他原因所造成的转速测量误差造成了一般转子驱动系统的ufrc无法良好地发挥效果(因为得到的转速有误)。相较之下，这样的转速测量误差，于本发明一实施例的转子驱动系统中被移除或降低了，从而使得ufrc可以良好的发挥效果。

综上所述，本发明一实施例的转子驱动系统可以下列转子驱动方法来进行控制，请参照图6，其是依据本发明一实施例的转子驱动方法流程图。如图6所示，依据本发明一实施例的转子驱动方法包含下列步骤：如步骤s610所示，感测转子的转速以产生测量信号。如步骤s620所示，将测量信号转换为当前转速测量值。如步骤s630所示，依据历史转速测量值、当前转速测量值与参考值，产生估计转速值。如步骤s640所示，依据估计转速值与转速控制信号，产生转子驱动信号以驱动转子。

其中，关于产生估计转速值的方法，除了可以如前述实施例的计算方式以外，也可以参照图7，其是依据本发明一实施例的转速估计方法流程图。如步骤s710所示，依据历史转速测量值、当前转速测量值与参考值，判断是否发生测量误差。如果未发生测量误差，则如步骤s720所示，依据当前转速测量值产生估计转速值。如果发生测量误差，则如步骤s730所示，依据历史转速测量值、当前转速测量值与参考值，产生估计转速值。于一实施例中，在步骤s720与步骤s730之后，更包含步骤s740，以估计转速值更新参考值。

综上所述，依据本发明一实施例的转子驱动系统与转子驱动方法，藉由递归滤波器来去除或抑制测量误差，使转子转速的测量更加精确。避免因为振动或其他非理想因素导致的测量误差造成转子控制的问题。于一实施例中，依据本发明所揭示的系统与方法，使ufrc技术能更良好的使用在转子驱动系统。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。