CN111614301B - 马达编码器的动态采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种马达编码器的动态采样方法,依据输入命令速度的切换区间,以相对应的编码采样时间,计算马达转动速度,将平均马达转动速度乘以相对应的权重,形成动态阈值,比较马达转动速度不小于动态阈值,马达转动速度为正常,马达转动速度小于动态阈值,马达转动速度为异常,进入补偿模式,以控制马达。
Description
技术领域
本发明涉及一种马达,尤其涉及马达在执行控制命令时,根据控制命令速度,动态切换采样时间进行采样编码器的方法。
背景技术
机器手臂具有灵活移动、精确定位及连续性作业的特性,已成为产品生产线上制造组装的最佳利器。而降低机器手臂移动时的震动,提升机器手臂控制的精确性,需要正确控制马达。
如图8所示,现有技术的马达由外部输入控制的命令脉冲(Pulse),并以固定的采样时间t取得命令脉冲,而由取得的命令脉冲数量,除以采样时间t,计算出处理的命令速度(Vcmd)。同时马达的控制***的速度计算器也会利用同样的采样时间t,取得与马达同步转动的编码器检测编码脉冲数量,而由取得的编码脉冲数量除以采样时间t,计算出马达转动速度(Vm),作为反馈信号控制马达转动。
然而,现有技术的马达利用固定的采样时间t,在慢速转动的马达中,由同步转动的编码器,仅能提取少量的编码信号,而少量的条码信号不足以显示真正马达的转动速度状态。同样利用固定的采样时间t,在快速转动的马达中,虽可由同步转动的编码器,提取多量的编码信号,但采样频率不足,多量的编码信号平均后也无法显示马达细部的转动速度状态,而不能正确反馈控制马达转动速度,将造成机器手臂的震动,并影响机器手臂的移动的精密度。因此,马达在控制命令的采样时间上,仍有问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的提供一种马达编码器的动态采样方法,设定命令速度的切换区间,根据处理命令速度的切换区间,藉由切换相对应的编码采样时间,取得正确马达转动速度,以提升控制的精密度。
本发明另一目的在提供一种马达编码器的动态采样方法,根据命令速度的切换区间,设定平均马达转动速度的权重形成动态阈值,在马达转动速度小于动态阈值时,计算失效次数大于设定值,进行维修排除异常状态,以保护马达运转。
本发明再一目的在提供一种马达编码器的动态采样方法,在马达转动速度小于动态阈值时,利用补偿模式,计算马达转动速度与平均马达转动速度的差值,利用差值乘以编码采样时间,补偿马达转动速度的脉冲数量,以维持控制的精确性。
为了达到前述发明的目的,本发明马达编码器的动态采样方法,预先设定命令速度的多个切换区间、切换区间相对应的编码采样时间及相对应的权重,依据输入的命令脉冲在设定的命令采样时间,采样命令脉冲,计算命令速度,根据命令速度的切换区间,以相对应的编码采样时间,采样编码器的编码脉冲,计算马达转动速度,根据命令速度的切换区间,以相对应的权重,将设定的平均马达转动速度乘以权重,形成动态阈值,比较马达转动速度不小于动态阈值,将马达转动速度列入计算平均马达转动速度,并更新设定平均马达转动速度,检查处理完命令脉冲,结束处理命令脉冲。
本发明马达编码器的动态采样方法,比较马达转动速度小于动态阈值,马达转动速度为异常,进入补偿模式,计算马达转动速度与设定的平均马达转动速度的差值,利用差值乘以编码采样时间,取得补偿的脉冲数量,补偿马达转动速度。补偿后,记录采样失效一次,并累积计算失效次数,检查失效次数超过设定值时,进行维修。检查失效次数未超过设定值时,再检查马达转一圈,将失效次数归零,重新计次。再检查未处理完命令脉冲时,则继续重复下一采样。
本发明马达编码器的动态采样方法,命令速度预先设定分成多个命令速度等级的切换区间,切换区间以等比的命令速度间隔。预设相对应的编码采样时间,以命令速度越快切换越短的编码采样时间的反比原则,形成命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。切换区间预设相对应的权重,以命令速度越快设置越大权重的等差的原则设定,形成命令速度切换区间及权重的对照表。马达根据最近预设次数正常采样的马达转动速度,计算平均马达转动速度,形成设定的平均马达转动速度。
附图说明
图1为本发明机器手臂的马达的控制***的功能图。
图2为本发明命令速度的示意图。
图3为本发明命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。
图4为命令速度切换区间及权重的对照表。
图5为本发明马达编码器的动态采样方法的流程图。
图6为本发明动态采样的马达转速曲线图。
图7为本发明马达输出的力矩曲线图。
图8为现有技术命令速度及马达转数示意图。
【符号说明】
10 控制***
11 马达
12 位置控制器
13 速度控制器
14 电流控制器
15 命令脉冲
16 命令速度
17 编码器
18 模拟数字转换器
19 编码脉冲
20 速度计算器
21 马达转动速度
具体实施方式
有关本发明为达成上述目的,所采用的技术手段及其效果,现在举优选实施例,并配合附图加以说明如下。
请同时参阅图1、图2、图3及图4,图1为本发明机器手臂的马达的控制***,图2为本发明命令速度的示意图,图3为本发明命令速度切换区间及编码采样时间的对照表,图4为命令速度切换区间及权重的对照表。图1 中,本发明马达11的控制***10,包含位置控制器12、速度控制器13及电流控制器14等,控制***10由外部输入命令脉冲15,经位置控制器12利用设定的命令采样时间t(参图2),取得命令脉冲15数量,形成命令速度 (Vcmd)16,传输经速度控制器13及电流控制器14控制马达11转动。其中马达11为A、B、C相的三相马达,并设有编码器17用以检测马达11的转动位置。控制***10利用模拟数字转换器18,从马达11取出A相电流与B相电流,形成数字电流信号,作为电流控制器14的电流反馈信号,校正马达11输出的力矩。而马达11的编码器17检测产生的编码脉冲19,经速度计算器20利用设定的编码采样时间,取得编码脉冲19,计算马达转动速度21,反馈至速度控制器13补偿马达11的转动速度。编码器17检测马达11的转动位置,另反馈至位置控制器12补偿马达11转动位置。
图2中,外部输入的命令脉冲15在各设定的命令采样时间t,具有不同数量的命令脉冲15,因此在各命令采样时间t构成不同的命令速度,显示马达11的变动快慢状态。为了配合不同的命令速度,对于慢速的命令速度,相对产生的马达转动速度较慢,同步转动的编码器17也会较慢,产生的编码脉冲间隔较长,速度计算器20需要利用设定较长的编码采样时间,才能适当采样编码脉冲,形成显现变动较慢的真正的马达转动速度。相反地,对于快速的命令速度,相对产生的马达转动速度较快,同步转动的编码器17也会较快,产生的编码脉冲间隔较短,速度计算器20需要利用设定较短的编码采样时间,才能适当采样编码脉冲,形成显现变动较快的真正马达转动速度。
图3中,根据设定的命令采样时间t,取得的命令脉冲15数量,构成命令速度(Vcmd)的快慢,将命令速度分成多个命令速度等级的切换区间,例如命令速度等级以等比间隔,而命令速度越快切换越短的编码采样时间,例如命令速度与编码采样时间大致反比的原则设定,但本发明包含且不限于本实施例的比例设定。先依经验值设定命令速度K,一般可设定命令速度K等于命令速度(Vcmd)。命令速度(Vcmd)切换区间位于小于设定命令速度K,设定较长的2倍命令采样时间t的编码采样时间T1=2t。命令速度(Vcmd)切换区间位大于设定命令速度K且小于2倍设定命令速度K,设定等于命令采样时间 t的编码采样时间T2=t。命令速度(Vcmd)切换区间位大于2倍设定命令速度K 且小于3倍设定命令速度K,设定编码采样时间T3=t/2。命令速度(Vcmd)切换区间位大于3倍设定命令速度K且小于4倍设定命令速度K,设定编码采样时间T4=t/3。命令速度(Vcmd)切换区间位大于4倍设定命令速度K且小于5倍设定命令速度K,设定编码采样时间T5=t/4。命令速度(Vcmd)切换区间位大于5倍设定命令速度K且小于6倍设定命令速度K,设定编码采样时间 T6=t/5。形成命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。因此在各切换区间设定的编码采样时间TX,只要以适当编码采样时间TX频率取得编码脉冲数量,将编码脉冲数量除以编码采样时间TX,就可计算出较正确的马达转动速度(Vm)。本实施例以划分6个切换区间为例,但本发明包含且不限于划分 6个切换区间。
图4中,为了监控计算出的马达转动速度(Vm)是否异常?本发明根据马达 11最近例如20或30次等预设次数正常采样的马达转动速度,计算出平均马达转动速度(Vavg),形成设定的平均马达转动速度,作为基准。并因应命令速度(Vcmd)的切换区间速度快慢不同,对于命令速度(Vcmd)较慢的,因检测编码脉冲较不遗失,设置平均马达转动速度的权重w较小,例如小于设定命令速度K的命令速度(Vcmd)切换区间,设定权重w为0.25。而对于命令速度 (Vcmd)较快的,因检测编码脉冲较易遗失,设置平均马达转动速度的权重w 较大,例如大于5倍设定命令速度K且小于6倍设定命令速度K的命令速度 (Vcmd)切换区间,设定权重w为0.5。以命令速度越快设置越大的权重w,例如命令速度与权重w大致等差的原则设定,形成命令速度切换区间及权重 w的对照表。经由经验值设置命令速度(Vcmd)切换区间的权重w,将设定平均马达转动速度(Vavg)乘以权重w,作为判断马达转动速度异常的动态阈值,以确保计算的马达转动速度正确性。
本发明当计算的马达转动速度小于动态阈值时,判断马达转动速度异常,记录采样失效一次,当失效次数超过设定值时,需进行维修排除异常状态,以保护马达运转,而在马达转一圈时,失效次数归零重新计算失效次数。失效的计算马达转动速度,不列入平均马达转动速度(Vavg)计算,不更新设定平均马达转动速度,而本发明以补偿模式补偿失效的计算马达转动速度,补偿模式首先计算马达转动速度与平均马达转动速度的差值,利用差值乘以相对应编码采样时间,取得补偿的脉冲数量,补偿马达转动速度,以维持控制马达转动的稳定性。
本发明在运作时,首先依据输入的命令脉冲15在设定的命令采样时间t,形成的命令速度(Vcmd),例如命令速度(Vcmd)在2K<Vcmd<3K切换区间,根据命令速度(Vcmd)在命令速度切换区间与编码采样时间的对照表中,找出相对应的编码采样时间T3=t/2,再利用编码采样时间,取得编码脉冲数量,计算编码脉冲数量/T3=马达转动速度(Vm)。接着再由命令速度切换区间及权重w的对照表,根据命令速度(Vcmd)在2K<Vcmd<3K切换区间,找出相对应的权重W3=0.35,将设定平均马达转动速度(Vavg)乘以权重W3形成动态阈值。
比较马达转动速度(Vm)不小于动态阈值,判断计算的马达转动速度(Vm) 正常,列入计算平均马达转动速度(Vavg),更新设定平均马达转动速度,继续下一采样。如果马达转动速度(Vm)不大于平均马达转动速度(Vavg)乘以权重W3,则视为异常,接着进入补偿模式,计算马达转动速度(Vm)与设定的平均马达转动速度(Vavg)的差值,利用差值乘以相对应编码采样时间,取得补偿的脉冲数量,补偿马达转动速度,并记录采样失效一次,当失效次数或连续失效次数超过设定值时,则进行维修,然后检查马达是否转一圈?如果转一圈,将失效次数归零,重新计次,如果未转完一圈,检查是否处理完命令脉冲,如果未处理完,则继续重复下一采样如果处理完,则结束运作。
如图5所示,为本发明马达编码器的动态采样方法的流程。本发明马达编码器的动态采样方法的详细步骤说明如下:在步骤S1,依据输入的命令脉冲在设定的命令采样时间,采样命令脉冲,计算命令速度;步骤S2,根据命令速度在切换区间,以相对应的编码采样时间,采样编码器的编码脉冲,计算马达转动速度;步骤S3,根据命令速度的切换区间,找出相对应的权重,计算设定平均马达转动速度乘以权重,形成动态阈值;步骤S4,比较马达转动速度是否小于动态阈值?如果马达转动速度不小于动态阈值,则进入步骤 S5,计算的马达转动速度正常,列入计算平均马达转动速度,在步骤S6,并更新设定平均马达转动速度,再至步骤S13。如果马达转动速度小于动态阈值,则进入步骤S7,马达转动速度视为异常,接着进入补偿模式,补偿马达转动速度;步骤S8,记录采样失效一次,累积计算失效次数;步骤S9,检查失效次数是否超过设定值,超过设定值时,则进入步骤S10进行维修,未超过设定值时,则进入步骤S11,再检查马达是否转一圈?如果转一圈,则进入步骤S12将失效次数归零,重新计次,再至步骤S13。如果未转完一圈,则进入步骤S13,检查是否处理完命令脉冲?如果未处理完命令脉冲,则进入步骤S1继续重复下一采样,如果处理完命令脉冲,则进入步骤S14,结束处理命令脉冲。
如图6所示,为本发明动态采样的马达转速图。本发明根据命令速度不同速度等级的切换区间,采用相对应设定的编码采样时间,动态改变采样的频率,获得的马达转速曲线,比较采用固定编码采样时间,固定采样的频率,获得的马达转速曲线,显示本发明动态采样的马达转速曲线较为平滑,较固定采样的马达转速曲线,少突起的转速曲线,控制较为平顺,而可达到降低震动的目的。
如图7所示,为本发明马达输出的力矩曲线图。本发明采用动态编码采样时间,采样反馈控制马达时,获得的马达输出力矩曲线,比较采用固定编码采样时间,获得的输出力矩曲线,显示本发明动态采样的输出力矩曲线较为一致,输出的力矩大致相同,较固定采样的输出力矩曲线上下激烈变化的力矩曲线,本发明可达到降低震动的目的。
因此,本发明马达编码器的动态采样方法,利用设定命令速度的切换区间,根据命令速度的切换区间,藉由切换相对应的编码采样时间,以命令速度越快切换越短的编码采样时间,取得正确马达转动速度进行控制,而可达提升马达控制的精密度的发明目的。此外本发明马达编码器的动态采样方法,也可根据处理命令速度切换区间,设定命令速度越快权重越大,在马达转动速度小于平均马达转动速度乘以权重,形成的动态阈值时,计算失效次数大于设定值,需进行维修,而可达到保护马达运转的目的。本发明马达编码器的动态采样方法,在马达转动速度小于动态阈值时,利用补偿模式,计算马达转动速度与平均马达转动速度的差值,利用差值乘以编码采样时间,补偿马达转动速度的脉冲数量,而可达到维持控制的精确性的发明目的。
以上所述仅为用以方便说明本发明的优选实施例,本发明的范围不限于该等优选实施例,凡依本发明所做的任何变更,在不脱离本发明的精神下,皆属本发明申请专利的范围。
Claims (9)
1.一种马达编码器的动态采样方法,预先设定命令速度的多个切换区间、切换区间相对应的编码采样时间及相对应的权重,其步骤包含:
依据输入的命令脉冲在设定的命令采样时间,采样命令脉冲,计算命令速度;
根据该命令速度的切换区间,以相对应的编码采样时间,采样编码器的编码脉冲,计算马达转动速度;
根据命令速度的切换区间,以相对应的权重,将设定的平均马达转动速度乘以权重,形成动态阈值;
比较该马达转动速度与该动态阈值;
在该马达转动速度不小于该动态阈值时,将该马达转动速度列入计算平均马达转动速度,并更新该设定平均马达转动速度;
检查处理完命令脉冲,则结束处理命令脉冲。
2.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法,其中在该马达转动速度小于该动态阈值时,该马达转动速度为异常,进入补偿模式,计算该马达转动速度与该设定的平均马达转动速度的差值,利用差值乘以该编码采样时间,取得补偿的脉冲数量,补偿该马达转动速度。
3.如权利要求2所述的马达编码器的动态采样方法,其中补偿后,记录采样失效一次,并累积计算失效次数,检查失效次数超过设定值时,进行维修。
4.如权利要求3所述的马达编码器的动态采样方法,其中检查失效次数未超过设定值时,再检查马达转一圈,将失效次数归零,重新计次。
5.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法,其中检查未处理完命令脉冲时,则继续重复下一采样。
6.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法,其中命令速度预先设定分成多个命令速度等级的切换区间,切换区间以等比的命令速度间隔。
7.如权利要求6所述的马达编码器的动态采样方法,其中切换区间预设相对应的编码采样时间,以命令速度越快切换越短的编码采样时间的反比原则,形成命令速度切换区间及编码采样时间的对照表。
8.如权利要求6所述的马达编码器的动态采样方法,其中切换区间预设相对应的权重,以命令速度越快设置越大权重的等差的原则设定,形成命令速度切换区间及权重的对照表。
9.如权利要求1所述的马达编码器的动态采样方法,其中马达根据最近预设次数正常采样的马达转动速度,计算平均马达转动速度,形成该设定的平均马达转动速度。
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