专利名称：向伺服电动机控制单元提供处理延时调整的位置数据的编码单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测在机械工具等的位置编码单元和由编码单元得到位置数据用来控制伺服电动机的伺服电动机控制单元。
为提供具有高分辨率的编码单元或得到一种绝对值编码单元，已知有一种诸如在日本专利公报HEI5—65827上揭示的方法，在该方法中，对根据旋转角度输出的诸如正弦波和三角波的模拟信号和与该模拟信号有规定的相位差的模拟信号进行A/D转换，并通过算法操作对转换结果进行内插。图22是根据上述方法的传统的编码控制装置的结构图。在图22中，参考号1表示编码单元，它安装在伺服电动机3或机器的移动部件上。电动机驱动单元2用外部源的位置命令和编码单元1的输出控制伺服电动机3。
下面详细描述图22中的编码单元1和电动机驱动单元2。安装在电动机转轴或机器的移动部件上的屏蔽板5改变了由LED4A发射并到达诸如光敏二极管和光敏晶体管等的光接收器件6A和6B的光量，光接收器件6A和6B产生与光量成比例的信号。这些信号为模拟信号，是彼此相位偏移90°的正弦波或三角波。取样和保持电路7A和7B同时保持这些模拟信号，并把它们输入至A/D转换器8A和8B。由运算单元9把A/D转换器数字化的数据转换成位置数据，并把它输出至电动机驱动单元2。运算单元9包含除法器和ROM表。
下面描述电动机驱动单元2的工作情况。减法器12输出位置命令与编码单元1的输出θ(Tn)之间的差值，位置控制装置13根据该差值产生速度命令值。减法器14输出速度命令值与在微分器19对θ(Tn)微分得到的速度反馈值之间的差值，速度控制装置15根据该差值产生电流命令值。减法器16输出电流命令值与电流反馈值之间的差值，电流控制装置17根据该差值产生电压命令值。一个3相PWM电压产生装置18响应于该电压命令输出3相电压并控制为同步电动机的伺服电动机。具体地说，3相PWM电压产生装置从编码器的输出θ(Tn)确定电动机的磁极位置，并根据当前磁极位置输出3相电压。在电流反馈回路中，由电流检测器31A和31B检测3相交流电流，并在3相交流d—q转转换器20上把它转换成转矩分量电流，用于控制电流。在这种情况下，3相交流d—q轴转换器20从编码器的输出θ(Tn)确定磁极位置，并根据该当前磁极位置进行转换。
图23示出了传统的编码单元的数据处理时序图。取样和保持电路7A和7B的保持一般是根据电动机驱动单元2给出的请求信号进行循环周期保持。当信号为保持状态时，A/D转换器8A和8B开始A/D转换。A/D转换完成之后，由运算单元9对数据进行算术运算处理，在时间Tn＋Td时输出时间Tn时的角数据θ(Tn)。电动机驱动单元2从时间Tn＋Td起进行控制。在多多数情况下，该角数据以串行信号形式输出。
如上所述，从保持模拟信号到把数据传输给电动机驱动单元2的A/D转换、算术处理和串行通信花了较长的延时时间。
作为延时时间补偿的速度检测方法，已知一种例如日本专利申请公报SHO.62—260574所揭示的方法，从预先检测到的速度V(n－1)和当前检测到的速度Vn预测V(n＋1)。在这种情况下，用下面算术式来表示它们之间的关系V(n＋1)＝2Vn－V(n－1)这种补偿方法是用线性外插来如图24所示线性增加或减少。图26示出了用这种补偿方法进行编码单元的定位检测，预测和补偿取样周期T0(T0＝Tn－Tn－1)和延时时间Td的原理图。图28示出了补偿单元的方框图。
基于在取样周期的变化分量以如图25所示的规定的递增量或递减量来增加或减少的假设，曲线外插方法也显而易见。在这种情况下，用下面的算术式来表示它们之间的关系V(n＋1)＝3V(n)－3V(n－1)＋V(n－2)图27示出了把这种方法应用于编码单元的位置检测，预测和补偿取样周期T0和延时时间Td的原理图，图29示出了该补偿单元的方框图。
由于传统的编码单元如上所述构成，所以在相应于伺服放大器的请求输出位置数据之前就产生了延时。因此，输出的位置数据不与真实角度一致，它包括了延时时间。电动机驱动单元2根据带有这种延时的位置数据来控制电动机。虽然位置控制装置13一般已有低环路增益控制系统，并且几乎不受延时的影响，但速度控制装置15具有高环路增益，它需要提供高频响应，因此，编码单元输出的延时会引起速率控制同样的延时，导致控制性能下降。
如果把同步电动机用作伺服电动时，如上所述，3相PWM电压产生装置18和3相交流d—q轴转换器20都需要电动机磁极位置数据。然而，存在的问题是，如果编码器输出数据包括了延时，则磁极检测误差，尤其是在电动机高速旋转时，变得较大，大大降低了电动机的输出转矩。
上述问题可以通过提高A/D转换和算术运算速度来缓和。然而，这种方法的缺点是必须使用非常昂贵的高速A/D转换器和算术运算处理单元。
此外，高速串行通信的可靠性也受到限制。
下面描述用图28和29所示的补偿方法预测和计算发生在检测延时期间的位置变化带来的问题。例如，如图30和31所示，假设电动机停留在θ0和θ1界线附近的位置θ0上，并一直到时间Tn－1，然后在时间Tn超过界线移入位置θ1区域，在时间Tn＋1，返回原始位置。在这种情况下，为方便起见，假设延时时间Td＝(取样周期T0)。在进行线性外插补偿的情况下，式子如下θ(Tn＋1)＝2θ(Tn)－θ(Tn－1)＝2θ(Tn＋1)＝2θ(Tn＋1)－θ(Tn)＝-1尽管电动机实际工作性能小到小于最小的检测单位，但编码器的输出在3个脉冲宽度内波动。该波动被反馈到电动机驱动单元2使电动机停止时摆动增大。
在进行如图29所示的曲线外插补偿的情况下，式子如下所给出的θ(Tn＋1)＝3θ(Tn)－3θ(Tn－1)＋θ(Tn－2)＝3θ(Tn＋2)＝3θ(Tn＋1)－θ(Tn)＝-3如图32所示，编码器输出6个脉冲宽度内波动，当电动机停止时更进一步增大了摆动。
如果进行如图28和29所示的补偿，即使电动机低速运动，对于编码单元检测的最小单位，也不能平稳地检测出电动机的位置，还把小于检测最小单位的误差放大了，并且输出，增加了旋转的不均匀性。图32示出了这种现象。在图33中，作为一种例子，示出了速度减小至零后，反向加速的运行情况。垂直刻度表示编码器的检测边界，水平刻度表示取样时间。
如上所述预测和补偿延时时间的传统的方法不能直接应用于编码单元。
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种能输出无时间延时的位置数据和精确地进行位置检测的编码单元，以及一种能根据从编码单元接收到的位置数据非常准确地控制伺服电动机的伺服电动机控制单元。
为了克服上述问题，此处描述的伺服控制单元包含一编码单元，编码单元包括编码输出补偿装置，它用当前取样和前一取样获得的位置数据来预测在从取样的模拟检测信号得到输出位置数据所需的延时时间期间被测目标(例如伺服电动机)位置变化情况。编码输出补偿装置输出一个发生在延时时间期间的预测位置变化以及将该预测的位置变化与当前取样位置数据相加而得到的预测位置数据。
伺服电动机控制单元进一步包含一电动机驱动单元，该驱动单元包含响应于位置命令和当前取样位置数据之差值产生速度命令值的位置控制装置；响应于速度命令值和从预测的位置变化获得的速度反馈值之间的差值产生电流命令值的速度控制装置；把从伺服电动机检测到的3相交流电流转换成转矩分量电流，并根据为同步电动机的伺服电机的当前磁极位置进行转换的转换装置；响应于当前命令值和转换装置产生的当前反馈值之间差值产生电压命令值的电流控制装置；以及响应于从预测的位置数据得到的当前磁极位置输出3相电压的电压产生装置。
根据第一实施例，编码输出补偿装置计算在对模拟信号进行取样和输出位置数据所需要的延时时间期间发生的预测的位置变化，它在当前取样周期内位置变化的绝对值和在前一取样周期内位置变化的绝对值二者之间选择较小的一个，并假设取样周期期间，根据选出的位置变化使位置变化相对于该位置线或曲线地变化，以补偿输出位置数据。
根据第二实施例，编码输出补偿装置计算在对模拟信号取样并输出位置数据所需要的延时时间期间发生的预测的位置变化，通过如下方式完成1)选择当前取样周期内的位置变化的绝对值和前一取样周期内的位置变化的绝对值中较小的一个；2)选择在当前取样周期内与在前一取样周期内位置变化之间的差值和前一取样周期内的位置变化与在前一取样周期之前的取样周期内的位置变化之间的差值中较小的一个，并假设在取样周期内，根据选出的位置变化与选出的位置变化差值之和使位置变化线性或曲线地变化。
根据第三实施例，编码输出补偿装置计算在对模拟信号取样并输出位置数据所需要的延时时间期间发生的预测的位置变化，它是假设在取样周期期间，位置变化根据当前取样周期期间的位置变化与在前一取样周期期间的位置变化的平均值线性或曲线地变化。
根据第四实施例，编码输出补偿装置计算在对模拟信号取样并输出位置数据所需要的延时时间期间发生的预测的位置变化，它是假设在取样周期期间，位置变化根据当前取样周期内从位置变化获得的位置变化与前一取样周期之前的取样周期内的位置变化的平均值，与前一取样周期内的位置变化与在前一取样周期之前的取样周期内的位置变化之间差值的平均值之和线性或曲线地变化。
根据第五实施例，编码输出补偿装置从在当前取样和前一取样时获得的位置数据计算预测位置变化，它包括可变乘法器，在当前取样周期的位置变化较小时减小预测的位置变化。
根据第六实施例，编码输出补偿装置预先估算电动机驱动单元输出的当前值与在取样周期内位置变化的偏移量之间的关系，并根据估算的关系和当前取样的位置数据估计预测的延时时间期间产生的位置变化。
根据第七实施例，提供信号产生装置，产生对应于转轴转角的角度模拟信号；A/D转换装置，对模拟信号进行取样，并把它们转换成数字数据；算术运算装置，从经转换的数据数据得到转轴转角；脉冲信号产生装置，产生其相位彼此偏移90°的脉冲；计数器，对所述脉冲进行计数；以及编码输出补偿装置，输出下列之和1)计数器从对模拟信号取样到转角计算完成测量到的转角；和2)从作为当前角度的角信号计算得到的转角。
图1是本发明的编码单元和伺服电动机控制单元的方框图。
图2是图1所示编码单元工作的时序图。
图3示出了本发明的编码单元的存储单元的工作情况。
图4是本发明第一实施例的编码单元和伺服电动机控制单元的方框图。
图5是本发明第一实施例的编码单元的输出补偿单元的方框图。
图6是本发明第二实施例的编码单元的输出补偿单元的方框图。
图7是本发明的编码单元转换操作的流程图。
图8是本发明第三实施例的编码单元的输出补偿单元的方框图。
图9是本发明第4实施例的编码单元的输出补偿单元的方框图。
图10是本发明第一和第三实施例的编码单元的输出补偿单元检测边界附近的位置上工作的曲线图。
图11是本发明第四实施例的编码单元的输出补偿单元的检测边界附近的位置上工作的曲线图。
图12是本发明第一和第二实施例的编码单元的输出补偿单元的工作曲线图。
图13是本发明第三和第四实施例的编码单元的输出补偿单元的工作曲线图。
图14是本发明第5实施例的编码单元的输出补偿单元的方框图。
图15是图14的输出补偿单元的可变乘法器的一种工作例子的曲线图。
图16是图14的输出补偿单元的可变乘法器的另一种工作例子的曲线图。
图17是本发明第6实施例的编码单元和伺服电动机控制单元的方框图。
图18是图17所示的编码单元的函数估计单元的曲线图。
图19是本发明第七实施例的编码单元的方框图。
图20是图19所示的编码单元的屏蔽极的示意图。
图21是图19的编码单元的工作时序图。
图22是传统编码单元和伺服电动机控制单元的方框图。
图23是传统编码单元的工作时序图。
图24是在速度检测时进行延时时间补偿的传统例子曲线图。
图25是在速度检测时进行延时时间补偿的传统例子曲线图。
图26是把传统的延时补偿应用于编码单元时的补偿操作情况的曲线图。
图27是把传统的延时补偿应用于编码单元时的补偿操作情况的曲线图。
图28是把传统的延时补偿应用于编码单元时其结构的方框图。
图29是把传统的延时补偿应用于编码单元时其结构方框图。
图30是图示传统延时补偿中存在问题的示意图。
图31是图示传统延时补偿中存在问题的示意图。
图32是图示传统延时补偿中存在问题的示意图。
图33是传统延时补偿工作曲线图。
下面详述本发明的实施例。图1是本发明的编码单元和伺服电动机控制单元的结构图。在图1中，那些对应于图22所示的相同的元件以相同的参考号给出，对其的描述省略。把运算单元9(即为算术运算装置)的输出θ(Tn)输出至电动机驱动单元2和编码输出补偿单元(此后称之为输出补偿单元11，即为输出补偿装置)，并存储在存储单元10内。如图3所示，存储单元存储最后几个位置数据，并根据输出补偿单元11的请求输出所存储的位置数据。输出补偿单元11在时间Tn＋Td时输出预测的位置数据θ(Tn＋Td)，该数据已根据过去的取样位置数据θ(Tn－1)，θ(Tn－2)…和当前位置数据θ(Tn)补偿了等于运算操作所用的延时时间Td的延时和在时间Tn＋Td时的取样周期内的预测的位置变化Δθ(Tn＋Td)。输出补偿单元11可以是图28和29所示类型的延时时间补偿单元，或者也可以是第一至第六实施例所示的输出补偿单元。
位置控制的环路增益一般较小(约为30ral/s)，并且几乎不受检测时间延时的影响。如果把不精确的数据以如传统延时补偿的方法反馈，则反馈数据会增加摆动和速度的不均匀性。因此，把当前位置数据θ(Tn)输入到电动机驱动单元2的减法器12中，用于位置控制。
速度反馈值是通过用除法器31把在时间Tn＋Td时的取样周期内的预测的位置变化Δθ(Tn＋Td)除以取样周期T0产生的，把它用于速度控制。所以，把与延时时间无关的数据用于高环路增益的速度控制，防止控制性能的下降。虽然3相PWM电压产生装置18(为电压产生装置)和3相交流d-q轴转换器20(为转换装置)不会受微小的位置误差和不均匀的检测结果的影响，但由于延时产生的较大的位置偏差会使电动机转矩减小，因此，不受延时影响的在时间Tn＋Td时的预测的位置数据θ(Tn＋Td)是有用的。
图2示出了按照本发明的编码单元的数据处理时序图。虽然各块的运行时间与图23所示的传统的例子相同，但数据输出完成时输出的数据为时间Tn＋Td时的位置数据，并消除了延时时间。第一实施例第一至第六实施例图示了输出补偿单元11的内部实际情况。由于这些实施例是为了解决传统的延时时间补偿方法中存在的问题，其编码单元的整体结构可以是上述图1所示的结构，或者可以是如图4所示的仅输出已有延时补偿的位置数据θ(Tn＋Td)的结构。
图5是本发明第一实施例的输出补偿单元的结构图。在图5中，减法器21A输出当前取样位置θ(Tn)和预测取样位置θ(Tn－1)之间的差值，即当前以样周期期间的位置变化Δθn。减法器21B输出预测的取样位置θ(Tn－1)与该预测的取样位置前的取样位置(在时间n－2)θ(Tn－2)，即在前一取样周期内的位置变化Δθ(n－1)。选择开关22把Δθn和Δθ(n－1)中较小的一个选作当前的位置改变输入至乘法器23。在乘法器23中把选出的位置变化Δθ与Td/To(To为取样时间)相乘获得时间Tn和Tn＋Td之间的位置变化。在加法器24中把获得的输出加到θ(Tn)上进行延时补偿。图7示出了该选择开关22的工作流程图。如果，Δθn的符号与Δθ(n－1)不同，则，Δθ＝0，如果，它们的符号相同，则把其中绝对值较小的一个当作Δθ。
在该实施例中，图10示出了当位置从停留在检测边界附近的状态越过图30所示的边界时的输出位置。因为在时间Tn时Δθn＝1，Δθ(n－1)＝0，所以开关22选择Δθn＝0。因而，得到输出θ(Tn＋1)＝θ(Tn)＝1。同样，如图31所示，给出θ(Tn＋2)＝θ(Tn＋1)得到0，把不正确的输出反馈给电动机驱动单元2，防止电动机振动的增加。在低速运动时的效果是使位置输出平滑，如图12所示防止电动机旋转时增加速度波动。
因此，根据第一实施例，编码输出补偿装置通过选择当前取样期间获得的位置变化与前一取样期间获得的位置变化中较小的一个变化来预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时期间发生的位置变化。计算是以假设取样周期内的位置变化线性或曲线变化为依据选出的位置变化进行的。通过用该方法补偿位置数据，获得到更精确的输出位置。第二实施例图为本发明第二实施例的编码单元的输出补偿单元的结构图。在图6中，省略了与图5所示的第一实施例的输出补偿单元相同的部件的描述。开关22A与第一实施例的输出补偿单元的开关22一样，选择当前位置变化Δθ。减法器25A输出当前取样周期内的位置变化Δθn和前一周期内的位置变化Δθ(n－1)之间的差值Δ(Δθn)。减法器25B输出前一取样周期内的位置变化Δθ(n－1)与n－2取样周期内的位置变化Δθ(n－2)之间的差值Δ(Δθn－1)。开关22B根据图7所示的流程图把Δ(Δθn)和Δ(Δθn－1)中较小的一个选作Δ(Δθn)(即，开关22B相对于其输入以与第一实施例的开关22相同的方法工作)。在乘法器23内把选择的位置变化Δθ与位置变化增量Δ(Δθ)之和乘以Td/To，获得Tn和Tn＋Td之间的位置变化。在加法器24中把其输出加到θ(Tn)上，因而延时得到补偿。
在该实施例中，图10示出了位置从停留在检测边界附近越过图30所示的边界时的输出位置。由于在时间Tn时，Δθn＝1，Δθ(n－1)＝0，所以开关22选择Δθn＝0，由于Δ(Δθn)＝1，Δ(Δθn－1)＝0，所以开关22B选择Δ(Δθ)＝0。因此，得到输出θ(Tn＋1)＝1。同样，如图32所示，把不正确的输出反馈给电动机驱动单元2，防止电动机振动现象增加。在低速运动时的效果是使位置输出平滑，如图12所示，防止电动机旋转时增加速度波动。
因此，根据第二实施例，编码输出补偿装置通过下列方式预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需的延时时间期间发生的位置变化。选择当前取样周期内位置变化绝对值较小的一个，以及选择当前取样周期的位置变化与前一取样周期内的位置变化之间的差值，与在前一取样周期内的位置变化与n－2取样周期内的位置变化之间的差值中较小的一个差值。计算是在假设在取样周期内位置按线性或曲线地变化的条件下并根据选择出的位置变化之间差值之和来进行的。以这种方法对位置数据进行补偿，能得到精确的输出位置。第三实施例图8是本发明第三实施例的编码单元的输出补偿单元的结构图。减法器21输出当前取样位置θ(Tn)与n－2取样位置θ(Tn－2)之间的差值，即在2个取样周期内的位置变化2Δθ，并把它输入至乘法器23。在乘法器中乘以1/2得到2个取样周期的平均位置变化，同时把输出乘以Td/To，得到Tn和Tn＋Td之间的位置变化。在加法器24中把其输出与θ(Tn)相加，补偿延时。
在该实施例中，图10示出了位置从停留在检测边界附近的状态越过图30所示的边界时的输出位置。时间Tn的输出为2Δθn＝1，并去掉平均值的小数部分，把它加到θ(Tn)上，得到输出θ(Tn＋1)＝1。同样，给出θ(Tn＋2)＝0，如图31所示，把不正确的输出反馈给电动机驱动单元2，防止电动机振动的增加。如图1 3所示，在低速运动时的作用是平滑位置输出，防止电动机旋转时速度波动的增加。
因此，根据第三实施例，编码输出补偿装置假设位置根据当胶取样周期的位置变化与前一取样周期的位置变化的平均值线性或曲线地变化，来预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需的延时期间发生的位置变化。用这种方法补偿位置数据，得到更精确的输出位置。第四实施例图9是根据本发明第四实施例的输出补偿单元的结构图。减法器21D与前一实施例的输出补偿单元的减法器21一样工作，输出两个取样周期内的位置变化2Δθ。减法器21A输出当前取样周期内的位置变化，减法器21C输出位置变化Δθ(n－2)，减法器25输出两个取样周期内的位置变化的偏移量2Δ(Δθ)。在加法器26内把2Δθ和2Δ(Δθ)相加，并输入至乘法器23。乘法器把输出乘以1/2得到两个周期内的位置变化的平均位置变化和变化量，同时把输出乘以Td/To得到Tn和Tn＋Td之间的位置变化。在加法器24内把其输出与θ(Tn)相加来补偿延时。
在本实施例中，当如图30所示，从停留在检测区边界位置并越过边界移动时，其位置输出示于图22。将Tn时的2Δθ＝1及2Δ(Δθ)＝1与平均值θ(Tn＋1)相加，得到θ(Tn＋1)＝2。同样，给出θ(Tn＋2)＝0，如图32所示的传统的例子一样，把不正确的输出反馈至电动机驱动单元2，防止电动机振动增加。在低速运动时的效果是使位置输出平稳，如图13所示防止电动机旋转时速度波动增加。
因此，按照实施例四实施例，编码输出补偿装置假设位置变化线性或曲线地变化，并根据从在当前和前一取样周期内的位置变到得的位置变化的平均值与在前一和n－2取样周期内的位置变化的差值的平均值，预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时时间期间发生的位置变化。以该方法补偿位置数据，能获得更精确的输出位置数据。第五实施例图14是按照本发明的第五实施例的编码单元的输出补偿单元的结构图。此处省略了对与图28所示的输出补偿单元相同的部件的描述。参考号27为第二乘法器，它把乘法器23的输出与k(Δθn)相乘，并在加法器24内把其输出与θ(Tn)相加。在这种情况下，乘法器27为可变乘法器，其倍率K(Δθn)随Δθn值变化。当在取样期间位置变化较大时，把该倍率K(Δθn)设置得较大，当取样期间位置变化较小时，把它设置得较小。换句话说，通过额外地提供可变乘法器，当低速运行时，延时影响较小，而微小的检测误差可能对控制环路造成不利影响，增加振动和速度不均匀性，所以应把补偿倍率设置的较小。对于延时影响较大，并且微小的检测误差几乎不对控制环路造成不利影响的高速运行来说，可以把补偿倍率设置得较大。因此，在解决了由于延时产生的问题的同时，也解决了如由于传统的延时补偿而使振动增加的问题。
图15和16分别示出了可变乘法器27的一个工作例子的曲线图，如图15所示，相对于Δθ，倍率从0到1可以连续变化，如图16所示，倍率从0到1经如两步或更多步的多个步骤改变。虽然在第一至第五实施例中以位置线性变化为假设描述了对位置的预测，该结构同样可以制作使位置曲线地变化。
因此，根据第五实施例，编码输出补偿装置基于在当前和前一个以及更前面的取样周期内获得的位置数据预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时时间期间发生的位置变化。编码输出补偿装置配置有可变乘法器，在当前取样周期内的位置变化较小时，减小预测的位置变化，获得更精确的位置输出。第六实施例图17是根据本发明的第六实施例的编码单元和伺服电动机控制单元的结构图。编码单元和伺服电动机控制单元中与图1所示的实施例1中的部件相同的部件用相同的参考号给出，对这些部件的描述就省略了。参考号28表示Δ(Δθ)一Iq函数估算单元，它根据取样位置数据θ(Tn)和存储在存储单元10内的两个前取样位置数据θ(Tn－1)和θ(Tn－2)得到位置变化偏移量。Δ(Δθ)－Iq函数估算单元如下式估算电动机驱动单元输出的当前值与偏移量θ(θΔ)之间的函数。
Δ(Δθ)＝f(Iq)估算一个函数，它基本上表示了如图18所示取样得到的Δ(Δθ)与Iq之间的关系的平均梯度。函数估算单元28根据估算的函数从Iq输出当前位置变化的偏移量Δ(Δθ)。加法器/减法器29输出θ(Tn)－θ(Tn－1)＝Δθ与函数估算单元28的输出Δ(Δθ)之和，把其输出乘以Td/to，得到延时期间的位置变化。加法器24把得到的位置变化加到θ(Tn)上，补偿延时，函数估计单元28估算的函数可以是二次函数或高阶函数。
因此，根据第六实施例，编码输出补偿装置事先估算电动机驱动单元输出的电流值与取样周期内的位置变化的偏移量之间的关系，根据估算的关系、当前值和位置数据，预测出延时期间发生的位置关系。用这种方法补偿位置数据，可以获得更精确的输出位置数据。第七实施例图19是本发明第七实施例的结构图。在图19中，那些与图1所示的编码单元相同的部件以相同的参考号给出，并省略了对它们的描述。LED包含4A和4B，增加了光接收元件6C和6D。屏蔽板5的光栅平行排列，以产生如图20所示的模拟信号和脉冲串信号。在图20中，阴影部分遮蔽了光线。光接收元件6A和6B输出的模拟信号被转换成位置数据θ(Tn)，其处理与传统的例子相同。光接收元件6C和6D输出的脉冲串的脉冲A与B之间的相位差90°，由可逆计数器30进行计数。图21示出了图19所示的编码单元数据处理的时间图。当取样和保持电路7A和7B保持取样数据并顺序对脉冲A和B计数的同时，将可逆计数器30清零。在加法器24内，把在时间Td至运算单元9的运算处理完成期间计数器30的计数值Δθ(Td)加到运算单元9的输出上，补偿A/D转换时间和运算处理时间Td。上述的结构能够输出不受延时影响的数据。可以从Δθ(Td)估计串行输出所需要的时间造成的位置变化，并可以补偿在通信时间内产生的位置变化。
因此，根据第七实施例，编码单元根据转轴的转角对模拟信号取样，并根据转换后的数字数据获得转轴的转角，它配备有脉冲信号产生装置，产生彼此之间相位偏移90°的两个脉冲串；计数器，对脉冲串的脉冲数进行计数，以测量所述转轴在A/D转换器对模拟信号取样和算术运算装置确定转角所需要的时间周期期间旋转产生的延时转角；以及编码输出补偿装置，输出作为转角与延时转角之和的当前角。这种编码单元可以精确地补偿A/D转换和运算处理所需的延时，而与电动机速度以及加速情况无关，并可消除控制环路延时的增加和磁极检测误差的增加。
如上所述，根据本发明的伺服控制单元包含根据检测目标的位置对模拟信号取样，并根据转换后的数字数据获得位置数据的编码单元。编码单元包括编码输出补偿单元，它预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时时间期间的检测目标的位置变化。编码输出补偿单元使用从当前取样取得的位置数据和从前一取样获得的位置数据，并输出预测的位置变化以及输出把预测的位置变化加到从当前取样获得的位置数据上得到的精确的位置数据。编码输出补偿单元还提供从当前取样得到的位置数据作为输出(未补偿)。在本发明中，由于允许A/D转换、运算处理和通信所需的延时时间可以较长，所以能使用低成本的A/D转换装置和算术运算装置。算术运算装置和输出补偿装置可以分别用中央处理单元(CPU)和微处理单元(MPU)来实现，可以抵消输出补偿装置成本的增加。另外，例如，也不需要过分地提高与电动机驱动单元的通信速度。
本发明的伺服电动机控制单元还包含有位置控制装置的伺服电动机的电动机驱动单元；速度控制装置；转换装置；电流控制装置和电压控制装置。低环路增益的位置控制装置根据位置命令值和编码单元输出的当前取样位置数据之间的差值，产生速度命令值。高环路增益的速度控制装置根据速度命令值和从编码单元输出的预测的位置变化得到的速度反馈值之间的差值，产生电流命令值。用预测的位置数据，把从伺服电动机检测到的3相交流电换成转矩分量电流。根据电流命令值和转换装置输出的反馈电流值(转矩分量电流)(用于当伺服电动机为同步电动机时响应于当前磁极进行转换)之间的差值产生电压命令值。根据电压命令值和预测的位置数据响应于当前磁极位置产生3相电压。因此，可以精确地控制伺服电动机，而不会增大伺服电动机的振动和速度不均度。
权利要求
1.一种伺服电动机控制单元，其特征在于包含编码单元，包括根据被检测目标的位置产生模拟信号的信号产生装置；对模拟信号取样并把模拟信号转换成数字数据的A/D转换器；从数字数据产生被测目标的位置数据的算术运算装置，以及用从当前取样和前面的取样得到的位置数据来预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时时间期间产生的被测目标的位置变化，所述编码输出补偿装置把预测的位置变化加到当前取样位置数据上，产生预测位置数据；伺服电动机；和电动机驱动单元，包括响应于位置命令值和当前取样位置数据之间的差值产生速度命令值的位置控制装置；响应于所述速度命令值和从预测的位置变化得到的速度反馈值之间的差值产生电流命令值的速度控制装置；根据当前磁极位置把从所述伺服电动机检测到的3相交流电流转换成转矩分量电流的转换装置；响应于所述电流命令值和与所述转换装置输出的转矩分量电流有关的电流反馈值之间的差值产生电压命令值的电流控制装置；以及响应于电压命令值和预测的位置数据确定的当前磁极位置之间差值输出3相电压的电压产生装置。
2.如权利要求1所述的控制单元，其特征在于所述伺服电动机为同步电动机。
3.一种编码单元，包含信号产生装置，根据被检测目标的位置产生模拟信号；A/D转换装置，对模拟信号进行取样，并把模拟信号转换成数字数据；算术运算装置，从数字数据产生被检测目标位置数据；以及编码输出补偿装置，用从当前取样和前面的取样获得的位置数据，预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需的延时时间期间发生的被测目标的位置变化，所述编码输出补偿装置把预期的位置变化加到当前取样的位置数据上，产生预期的位置数据，其特征在于，所述编码输出补偿装置通过选择当前取样周期期间发生的位置变化的绝对值与前一取样周期期间发生的位置变化的绝对值中较小的一个值，预测其预期位置变化，此时假设取样周期期间选出的位置变化呈线性或曲线关系。
4.一种编码单元，包含信号产生装置，根据被测目标的位置产生模拟信号；A/D转换装置，对模拟信号进行取样，并把模拟信号转换成数字数据；算术运算装置，从数字数据产生被测目标的位置数据；和编码输出补偿装置，它使用从当前取样和前面的取样获得的位置数据，预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时时间期间发生的被测目标的位置变化，所述编码输出补偿装置把预期的位置变化与当前取样的位置数据相加，产生预期的位置数据，其特征在于，所述编码输出补偿装置通过如下方式来预测预期的位置变化，选择当前取样周期期间发生的位置变化的绝对值与前一取样周期期间发生的位置变化的绝对值中较小的一个值，选择当前取样周期期间发生的位置变化与前一取样周期期间发生的位置变化之间的差值和前一取样周期期间发生的位置变化与该前一取样周期前的一个取样周期期间发生的位置变化之间的差值中较小的一个差值，并假设发生在取样周期期间的位置是按选出的位置变化和选出的位置变化之间的差值之和变化的。
5.一种编码单元，包含信号产生装置，根据被测目标的位置，产生模拟信号；A/D转换装置，对模拟信号进行取样，并把模拟信号转换成数字数据；算术运算装置，从数字数据产生被测目标的位置数据；和编码输出补偿装置，它使用从当前取样和前面的取样获得的位置数据预测在对模拟信号进行取样和输出位置数据所需要的延时期间发生的被测目标的位置变化，所述编码输出补偿装置把预测的位置变化加到当前取样的位置数据上产生预期的位置数据，其特征在于，所述编码输出补偿装置通过假设取样周期期间位置按当前取样周期期间的位置变化与前一取样周期期间的位置变化的平均值作线性或曲线变化。
6.一种编码单元，包含信号发生装置，根据被测目标的位置产生模拟信号；A/D转换装置，对模拟信号取样，并把模拟信号转换成数字数据；算术运算装置，从数字数据产生位置数据，编码输出补偿装置，用从当前取样和前面的取样得到的位置数据预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时期间发生的被测目标的位置变化，所述编码输出补偿装置把预测的位置变化加到当前取样位置数据上产生预期的位置数据；其特征在于，所述编码输出补偿装置根据下面假设预测预期的位置变化；假设在取样周期期间位置按照下面之和进行线性或曲线变化，即当前取样周期期发生的位置变化和前一取样周期期间发生的位置变化的平均值，与当前取样周期期间发生的位置变化和前一取样周期间发生的位置变化的差值与前一取样周期期间发生的位置变化和前一取样周期前的一个取样周期期间发生的位置变化的差值的平均值之和。
7.一种编码单元，包含信号发生装置，根据被测目标的位置产生模拟信号；A/D转换装置，对模拟信号取样，并把模拟信号转换成数字数据；算术运算装置，从数字数据产生被测目标位置数据，和编码输出补偿装置，用从当前取样和前面的取样得到的位置数据预测在对模拟信号取样和输出位置数据所需要的延时期间发生的被测目标的位置变化，所述编码输出补偿装置把预期的位置变化与当前取样位置数据相加，产生预期的位置数据，其特征在于，所述编码输出补偿装置根据从当前取样周期和前面的取样周期得到的位置数据预测预期的位置变化，它包含一个可变乘法器，在当前取样周期的位置变化较小时，预期的位置变化亦减小。
8.一种编码单元，包含信号产生装置，根据被测目标的位置产生模拟信号；A/D转换装置，对模拟信号取样，并把模拟信转换成数字数据；算术运算装置，从数字数据产生被测目标的位置数据；和编码输出补偿装置，用从当前取样和前面的取样得到的位置数据预测在对模拟信号取样和输出数字数据所需要的延时期间发生的被测目标的位置变化，所述编码输出补偿装置把预期的位置变化加到当前取样位置数据上产生预期的位置数据，其特征在于，所述输出补偿装置预先估算电动机驱动单元输出的当前值与取样周期内位置的偏移量之间的关系，根据估算的关系和当前值、位置数据预测预期的位置变化。
9.一种编码单元，包含信号产生装置，对应于转轴的转角产生模拟信号；A/D转换装置，对所述模拟信号取样，并把所述模拟信号转换成数字数据；算术运算装置，从数字数据确定所述转轴的转角；脉冲信号发生装置，产生两个相位彼此偏移90°的脉冲串；计数器，对所述脉冲串的脉冲计数，以测量所述转轴在所述A/D转换装置对所述模拟信号进行取样以及所述算术运算装置确定所述转角所需要的时间期间的延时转角，以及编码输出补偿装置，把所述转角和所述管延时转角作为当前角度输出。
全文摘要
在一种编码单元中，通过A/D转换和运算处理，内插诸如正弦波和三角波等模拟信号，以获得较高的分辨率或绝对值，本发明消除了由于A/D转换和运算处理时间引起的数据的延时，防止了控制性能的下降。设置有保持检测到的角度数据的存储单元和补偿延时时间的输出补偿单元，输出补偿单元根据从当前和前面的取样周期获得的角度数据预测在延时期间发生的位置变化，并通过把预测到的位置变化加到当前取样数据上来补偿延时。因此可以防止控制性能的下降，使用廉价的低速A/D转换器和运算处理器，降低所需的成本。
文档编号H02P23/00GK1135038SQ9511872
公开日1996年11月6日 申请日期1995年10月31日 优先权日1995年3月24日
发明者堤下洋治 申请人:三菱电机株式会社