TWI662781B

TWI662781B - 馬達控制系統及其方法

Info

Publication number: TWI662781B
Application number: TW107111022A
Authority: TW
Inventors: 林逢傑; 林家仁; 許世昌
Original assignee: 東元電機股份有限公司
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-06-11
Also published as: TW201943200A

Abstract

一種馬達控制系統，係用以傳送一驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達，並包含一輸入模組與一運動控制器。輸入模組，係用以設定複數個運動控制參數，且運動控制參數至少包含一目標位置與一目標運動時間。運動控制器，係電性連接輸入模組，用以接收運動控制參數，依據至少一運算規則產生對應於一單位運動時間之一單位運動量，並依據至少一轉換規則產生一對應單位運動量之控制命令，再依據該控制命令產生該驅動信號。其中，單位運動時間係小於目標運動時間。

Description

馬達控制系統及其方法

本發明係有關於一種馬達控制系統及其方法，尤其是指一種利用一單位時間之一單位運動量驅動馬達之馬達控制系統及其方法。

大多數的機械系統需要進行運動軌跡規劃，如CNC工具機、機械手臂、鑽孔機、雕刻機、繪圖機等，上述機具基本上都是多軸運動控制，在控制多軸系統的情況下，多顆馬達的相互移動、運動路徑的產生、移動速度及加減速的規畫等都相當重要。因此，因應上述需求，運動控制器自然而然成為系統的核心控制單元。運動控制器主要是接收了使用者傳來的運動資料，並將這些資料轉換成馬達驅動器的輸入訊號，進而控制馬達以及機械系統的運動軌跡。

一般常見的運動控制器為數位差分分析器(Digital Differential Analyzer；DDA)，數位差分分析器是接收一目標位置，並依據一目標時間，運算產生一脈衝驅動信號，藉以驅動一馬達。

然而，先前技術使用數位差分分析器需要較長的運算時間來產生脈衝，而且若在運算時間內有新的目標位置，也需要等待前一次運算時間結束，並再等候一次運算時間依據新的目標位置進行運算，才能產生對應新的目標位置的脈衝驅動信號，容易導致命令切換時，產生的脈衝驅動信號會有所延遲或是誤差。

有鑒於在先前技術中，數位差分分析器需要較長的運算時間，容易導致命令切換時，造成脈衝驅動信號會有所延遲或誤差。本發明之一主要目的係提供一種馬達控制系統與馬達控制方法，以解決先前技術所衍生出的問題。

本發明為解決先前技術之問題，所採用之必要技術手段為提供一種馬達控制系統，用以傳送一驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達，並包含一輸入模組與一運動控制器。

輸入模組，係用以設定複數個運動控制參數，且運動控制參數至少包含一目標位置與一目標運動時間。

運動控制器，係電性連接上述輸入模組，用以接收上述運動控制參數，依據至少一運算規則產生對應於一單位運動時間之一單位運動量，並依據至少一轉換規則產生一對應單位運動量之控制命令，再依據控制命令產生上述驅動信號。

其中，上述單位運動時間係小於上述目標運動時間。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使上述單位運動量，係小於上述目標位置。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使上述至少一運算規則，係一加加速度直線運動公式。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使上述至少一轉換規則，係一對照表，且對照表係顯示上述單位運動量與一脈衝邊緣變化量之對應關係。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使上述運動控制器，係依據上述單位運動量所對應之該脈衝邊緣變化量，產生上述控制命令。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制系統，更包含：一轉換模組，且轉換模組係電性連接上述輸入模組與上述運動控制器，用以接收上述運動控制參數，並將上述運動控制參數轉換成二進位格式。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制系統中之運動控制器，更包含：一記憶模組，且記憶模組係用以儲存上述運算規則與上述轉換規則。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制系統中之運動控制器，更包含：一脈衝輸出模組，且脈衝輸出模組係用以依據上述控制命令產生上述驅動信號，且上述驅動信號係一脈衝驅動信號。

本發明並提供一種馬達控制方法，使用一輸入模組與一運動控制器，並包含以下步驟：(a)利用輸入模組，設定複數個運動控制參數，且運動控制參數至少包含一目標位置與一目標運動時間；(b)利用運動控制器，接收運動控制參數，並依據至少一運算規則，產生對應於一單位運動時間之一單位運動量；(c)利用運動控制器，依據至少一轉換規則，產生一對應單位運動量之控制命令；(d)利用運動控制器，依據控制命令產生一驅動信號；以及(e)利用運動控制器，傳送驅動係號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達。

在上述必要技術手段的基礎下，本發明所衍生之一附屬技術手段為使馬達控制方法，更包含以下步驟：利用運動控制器判斷驅動信號係一無變化量驅動信號，係產生一基本速度驅動信號，並傳送至驅動裝置。

承上所述，本發明所提供之馬達控制系統及其方法，係利用運動控制器依據運算規則以及轉換規則產生一對應單位運動時間與單位運動量之驅動信號，其中單位運動時間係小於目標運動時間。因此，可以縮短所需的運算時間，若接收到新的目標位置，運動控制器可即時的進行新的目標位置的運算、轉換並產生新的驅動信號，藉以解決先前技術中，切換新的目標位置可能造成驅動信號的延遲或誤差。

1、1a‧‧‧馬達控制系統

11‧‧‧輸入模組

12、12a‧‧‧運動控制器

121a‧‧‧處理模組

122a‧‧‧記憶模組

123a‧‧‧脈衝輸出模組

13a‧‧‧轉換模組

2‧‧‧驅動裝置

3‧‧‧馬達

S₀‧‧‧初始位置

S₁‧‧‧第一位置

S₂‧‧‧第二位置

S_n‧‧‧目標位置

T₀‧‧‧初始時間

T₁‧‧‧第一時間

T₂‧‧‧第二時間

T_n‧‧‧目標運動時間

△T‧‧‧單位運動時間

△S_i、△S₁、△S₂‧‧‧單位運動量

第一圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；第二圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之位置一時間圖；第三圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖；第四圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；第五圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖；以及第六A圖與第六B圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之脈衝驅動信號示意圖。

請參閱第一圖至第三圖，其中，第一圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；第二圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之位置一時間圖；以及，第三圖係顯示本發明一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖。如圖所示，一種馬達控制系統1係用以傳送一驅動信號至一驅動裝置2，並藉由驅動裝置2驅動一馬達3，且馬達控制系統1並包含一輸入模組11與一運動控制器12。

輸入模組11，用以設定複數個運動控制參數，而運動控制參數中至少包含一目標位置S_n與一目標運動時間T_n。輸入模組11可為一電腦、一手機、一鍵盤等可輸入運動控制參數的裝置。

運動控制器12，係電性連接輸入模組11，用以接收運動控制參數，並依據至少一運算規則產生對應於一單位運動時間△T之一單位運動量△S_i，i=1至n，對應至不同之運動時點，△S₁係對應到一第一時間T₁與一初始時間T₀的單位運動時間△T，並且使馬達3自一初始位置S₀移動至一第一位置S₁，△S₂係對應到一第二時間T₂與第一時間T₁的單位運動時間△T，並且使馬達3自第一位置S₁移動至一第二位置S₂。在此需說明的是，實際上每一個單位運動時間△T所對應到的單位運動量不一定會相同，不同的單位運動時間△T所對應到的單位運動量係以△S₁、△S₂…作為區別，如第二圖所示，單位運動量△S_i則是作為一個統稱，以利於理解本發明。

運動控制器12依據至少一轉換規則，產生一對應單位運動量△S_i的控制命令，再依據控制命令產生驅動信號，並將驅動信號傳送至驅動裝置2以驅動馬達3。因控制命令通常是一個數位信號，無法直接驅動馬達。因此，本實施例係依據控制命令轉換成驅動裝置2可解讀的驅動信號傳送至驅動裝置2，以驅動馬達3轉動。就一實施例而言，驅動信號可為一脈衝驅動信號。

在第一實施例中，運動控制器12係一現場可程式閘陣列(Field Programmable Gate Array；FPGA)晶片，但不以此為限。在另一實施例中，運動控制器12可為一數位訊號處理器(Digital Signal Processor；DSP)。前述運算規則與轉換規則可以內建於運動控制器12內，亦可儲存於一記憶單元。

如第二圖所示，運動控制器12演算出的每一小段單位運動量△S_i(即△S₁、△S₂…)全部相加，會使馬達在目標運動時間T_n自一初始位置S₀移動至目標位置S_n。由於本實施例運算單位運動量△S_i所需之單位運動時間△T(可視為運動控制器12的內建運算時間)小於目標運動時間T_n，因此，若在目標運動時間T_n內，有新的目標位置或是接收到新的運動控制參數，本實施例之運動控制器12可即時的進行新的運算產生新的單位運動量△S_i，以配合新的目標位置並在目標運動時間T_n到達新的目標位置。而不會像先前技術一樣，需要先在目標運動時間T_n移動到目標位置S_n後，再去產生由目標位置S_n移動到新的目標位置的驅動信號。因此，本實施例有助於避免傳統馬達控制系統及其方法所造成之驅動信號的延遲甚至是誤差等問題。

如第三圖所示，本發明之一實施例提供一種馬達控制方法，此馬達控制方法係利用第一圖之馬達控制系統1，此馬達控制系統1包含包含一輸入模組11與一運動控制器12。此馬達控制方法包含以下步驟S101至 S105。

步驟S101：利用輸入模組11，設定複數個運動控制參數，且該些運動控制參數至少包含一目標位置與一目標運動時間。

步驟S102：利用運動控制器12，接收該些運動控制參數，並依據至少一運算規則，產生對應於一單位運動時間之一單位運動量。

步驟S103：利用運動控制器12，依據至少一轉換規則，產生一對應該單位運動量之控制命令。

步驟S104：利用運動控制器12，依據該控制命令產生一驅動信號。

步驟S105：利用運動控制器12，傳送該驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達。

步驟S101係利用輸入模組11設定複數個運動控制參數，而運動控制參數至少包含一目標位置(如第二圖中之Sn)與一目標運動時間(如第二圖中之Tn)。

步驟S102係利用運動控制器12依據運算規則，運算出對應於一單位運動時間(如第二圖中之△T)之一單位運動量(如第二圖中之△S_i、△S₁、△S₂…)。此運動控制器12可以是一FPGA晶片。又，就一較佳實施例而言，運動控制器12係依據加加速度直線運動公式，將運動控制參數演算出單位運動量。

步驟S103係利用運動控制器12，依據轉換規則，產生一對應該單位運動量之控制命令，轉換規則可以內建於運動控制器12內，亦可儲存於一記憶單元。

步驟S104係利用運動控制器12，依據控制命令產生驅動信號，因運動控制器12運算出來的單位運動量△Si與控制命令並無法直接驅動馬達3，所以，運動控制器12需再將控制命令轉換成一可與驅動裝置2溝通的驅動信號。

最後，步驟S105係利用運動控制器12傳送驅動信號至驅動裝置2，以驅動馬達3，進而完成馬達控制。

請參閱第四圖至第六B圖，其中，第四圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之系統方塊圖；第五圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之方法流程圖；以及，第六A圖與第六B圖係顯示本發明另一實施例所提供之馬達控制系統及其方法之脈衝驅動信號示意圖。如圖所示，一種馬達控制系統1a係用以傳送一驅動信號至如第一實施例中之驅動裝置2，以驅動如第一實施例中之馬達3，馬達控制系統1a並包含一輸入模組11、一運動控制器12a與一轉換模組13a，其中，輸入模組11與第一實施例中相同，故不多加贅述。

轉換模組13a係電性連接輸入模組11與運動控制器12a，用以將輸入模組11設定的運動控制參數轉換成二進位格式，以利運動控制器12a的運算。轉換模組13a可內嵌於輸入模組11，也可內嵌於運動控制器12a，也可如第四圖所示自成一個模組方塊。

運動控制器12a更包含一處理模組121a、一記憶模組122a與一脈衝輸出模組123a。記憶模組122a用以儲存至少一運算規則與至少一轉換規則，在本實施例中，運算規則係一加加速度直線運動公式，轉換規則係一對照表顯示單位運動量△S_i與脈衝邊緣變化量之對應關係。記憶模組122a可為一記憶晶片。

處理模組121a係接收經由轉換模組13a轉換後的運動控制參數，並依據記憶模組122a中之運算規則，產生對應一單位運動時間△T(標示於第二圖)之一單位運動量△S_i(標示於第二圖)。並依據轉換規則，將單位運動量△S_i轉換成一數位資料，此數位資料具有一預設位元長度，隨後再依據此數位資料產生一對應單位運動量△S_i之控制命令，控制命令係此數位資料所對應到的脈衝邊緣變化量。

最後，再利用脈衝輸出模組123a，依據控制命令產生一驅動信號，此驅動信號與第一實施例不同之處在於是一脈衝驅動信號，並傳送至驅動裝置2，以驅動馬達3。

如第五圖所示，本發明之另一實施例提供一種馬達控制方法，此馬達控制方法係用於第四圖之馬達控制系統1a，並包含以下步驟S201至S207。步驟S201與第一實施例之步驟S101相同，故不多加說明。

步驟S202係利用轉換模組13a，接收運動控制參數，並將運動控制參數轉換成利於運動控制器12a進行運算的格式，例如：二進位格式。

步驟S203至步驟S205與第一實施例中之步驟S102與S103大致相同，差異在於自第一實施例中的運動控制器12改成由第二實施例中運動控制器12a內部的處理模組121a、記憶模組122a執行步驟。

步驟S206係利用脈衝輸出模組123a接收控制命令，並據以產生一驅動信號，此驅動信號與前述實施例中的差異在於，此驅動信號為一脈衝驅動信號。並傳送驅動信號至驅動裝置2以驅動馬達3，完成步驟S207。

接著，將以實際數值舉例說明，設定複數個運動控制參數包含加加速度=1、加速度=10、速度=100、目標位置=1000，初始加速度=0、初始速度=0、初始位置=0、單位運動時間=2、QX,Y格式=Q32,24與最多脈衝邊緣變化量=3。QX,Y格式為一種二進位格式，用以決定單位運動量△S_i轉換成二進位格式後的位元數，其中X=32表示總位元數為32位元，Y=24表示代表小數的位元數有24位元。請一併參閱第二圖、第四圖至第六B圖。因我們對於十進位格式較為熟悉，但是馬達控制系統實際上運算係利用二進位格式，故以下說明會一併使用十進位格式與二進位格式，二進位格式是為了呈現馬達控制系統的實際運算情況，十進位格式則是為了利於理解本發明。

轉換模組13a將上述運動控制參數轉換成二進位格式，除了QX,Y格式與最多脈衝邊緣變化量，處理模組121a依據加加速度直線運動公式，將上述運動控制參數運算出一單位運動量△Si的十進位格式為221.333 循環小數，在Q32,24格式下的值為01101001001010101010101010101011。

處理模組121a係依據轉換規則，轉換規則如下：1.最多只能有(2ⁿ-1)個脈衝邊緣變化量。2.QX,Y格式中，脈衝邊緣變化的主導位元為第(Y-1)至(Y+(n-1))位元。3.如下表(一)。

表(一)係一單位運動量△Si主導位元之對應數值與脈衝邊緣變化量的對照表。依據上述轉換規則，可知因為最多脈衝邊緣變化量=3，因此n=2，主導脈衝邊緣變化的位元為第(24-1)至(24+(2-1))位元，即第23至25位元，單位運動量△S_i在Q32,24格式中的第23至25位元(即主導位元)為101，對應到十進位格式的數值為5(即2²+1)，此數值對應之脈衝邊緣變化量為-3，表示控制命令為控制馬達3沿負方向轉動3格，並依據控制命令產生脈衝驅動信號，使驅動裝置2驅動馬達3負方向轉動3格，即為第六A圖所顯示的脈衝驅動信號。脈衝邊緣變化量表示脈衝的切換次數，如圖所示，脈衝驅動信號係依序自輸出邏輯1切換至0、再從0切換至1、最後從1切換至0，共切換3次，表示脈衝邊緣變化量為3，因為第一次切換係自大(1)切換至小(0)，故為負方向。而第六B圖係顯示正方向轉動3格之脈衝驅動信號，因為第一次切換係自小(0)切換至大(1)，故為正方向。

在此需特別說明的是，表(一)係適用於n=2時，不過，本發明不限於此。基本上，表(一)可分成三個區間，第一個區間的單位運動量△S_i主導位元之對應數值係自0、1、2…遞增至(2ⁿ-1)，對應的脈衝邊緣變化量係自0、+1、+2…遞增至+(2ⁿ-1)。第二個區間的單位運動量△S_i主導位元之對應數值為2ⁿ，此時對應的脈衝邊緣變化量為0。第三個區間的單位運動量△S_i主導位元之對應數值係自(2ⁿ+1)、(2ⁿ+2)…遞增至(2ⁿ+2ⁿ-1)，此時，對應的脈衝邊緣變化量係自-(2ⁿ-1)遞增至-1。

針對第三個區間的對應關係做更詳細的說明，當單位運動量△S_i主導位元之對應數值係(2ⁿ+1)時，對應到的脈衝邊緣變化量為-(2ⁿ-1)，在此可將(2ⁿ+1)等同於(2ⁿ⁺¹-2ⁿ+1)，再等同於(2ⁿ⁺¹-(2ⁿ-1))。因此，脈衝邊緣變化量為-(2ⁿ-1)係對應到單位運動量△S_i主導位元之對應數值的後半部。其他單位運動量△S_i與脈衝邊緣變化量的對應關係依此類推。

再以實際數值舉例說明，運動控制參數皆與上述數值相同，運算規則與轉換規則也相同，唯一差異在於單位運動時間=1。依此單位運動時間運算出的單位運動量△S_i主導位元為100，對應數值為4，對應表(一)脈衝邊緣變化量為0，表示脈衝驅動信號不會使驅動裝置2驅動馬達3，當運動控制器12a判斷脈衝變化量為0時，係產生一基本速度驅動信號，使驅動裝置2驅動馬達3以一對應基本速度驅動信號之最低速度轉動。

綜上所述，本發明所提供之馬達控制系統及其方法係利用輸入模組設定運動控制參數，以及運動控制器依據運算規則與轉換規則產生驅動信號，並將驅動信號傳送至驅動裝置，以驅動馬達。

相較於先前技術，本發明所提供之馬達控制系統及其方法，不會因為運動控制參數的改變，而造成驅動信號的延遲或誤差，取而代之的是利用單位運動時間小於目標運動時間的關係，而達到因應新的運動控制參數的即時運算，故不會造成驅動信號的延遲或誤差。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

Claims

一種馬達控制系統，係用以傳送一驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達，並包含：一輸入模組，用以設定複數個運動控制參數，該些運動控制參數至少包含一目標位置與一目標運動時間；以及一運動控制器，係電性連接該輸入模組，用以接收該些運動控制參數，依據一加加速度直線運動公式產生對應於一單位運動時間之一單位運動量，並依據至少一轉換規則產生一對應該單位運動量之控制命令，再依據該控制命令產生該驅動信號；其中，該單位運動時間係小於該目標運動時間。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制系統，其中，該單位運動量係小於該目標位置。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制系統，其中，該至少一轉換規則係一對照表，且該對照表係顯示該單位運動量與一脈衝邊緣變化量之對應關係。
如申請專利範圍第3項所述之馬達控制系統，其中，該運動控制器係依據該單位運動量所對應之該脈衝邊緣變化量，產生該控制命令。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制系統，更包含：一轉換模組，且該轉換模組係電性連接該輸入模組與該運動控制器，用以接收該些運動控制參數，並將該些運動控制參數轉換成二進位格式。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制系統，其中，該運動控制器更包含：一記憶模組，且該記憶模組係用以儲存該至少一運算規則與該至少一轉換規則。
如申請專利範圍第1項所述之馬達控制系統，其中，該運動控制器更包含：一脈衝輸出模組，該脈衝輸出模組係用以依據該控制命令產生該驅動信號，且該驅動信號係一脈衝驅動信號。
一種馬達控制方法，係使用一輸入模組與一運動控制器，並包含以下步驟：利用該輸入模組，設定複數個運動控制參數，且該些運動控制參數至少包含一目標位置與一目標運動時間；利用該運動控制器，接收該些運動控制參數，並依據一加加速度直線運動公式，產生對應於一單位運動時間之一單位運動量；利用該運動控制器，依據至少一轉換規則，產生一對應該單位運動量之控制命令利用該運動控制器，依據該控制命令產生一驅動信號；以及利用該運動控制器，傳送該驅動信號至一驅動裝置，藉以驅動一馬達。
如申請專利範圍第8項所述之馬達控制方法，更包含以下步驟：利用該運動控制器判斷該驅動信號係一無變化量驅動信號，係產生一基本速度驅動信號，並傳送至該驅動裝置。