專利名稱：不需要電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種不需要電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器，尤涉及一種直接以開回路控制，通過由伺服馬達(dá)的編碼器接受的電流指令信號作為解耦合所需的反饋電流信號的、不需要電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器。
背景技術(shù)：
參照圖1所示，現(xiàn)有技術(shù)的交流伺服模塊包括交流伺服驅(qū)動器1，和與交流伺服驅(qū)動器1連接的伺服馬達(dá)2，伺服馬達(dá)2內(nèi)含一個編碼器(圖中未繪示)。交流伺服驅(qū)動器1通過速度模式來控制，包含第一比例積分(PI)控制器11，d、q軸的第二、三比例積分(PI)控制器12、13，第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器14，脈寬調(diào)制器15，三相連結(jié)的多個電流傳感器16，第二坐標(biāo)變換器17，解耦補(bǔ)償器18，計數(shù)器19及速度估側(cè)器20。其中，伺服馬達(dá)2的線圈轉(zhuǎn)移函數(shù)T1(s)＝1/(Ls+R)，Ls代表繞組電感值，R代表繞組電阻值，在上述公知的交流伺服驅(qū)動器1的電流回路中，解耦補(bǔ)償只與激磁電流Id、轉(zhuǎn)矩電流Iq及角速度w有關(guān)，解耦補(bǔ)償器18隨時保持作用，該回路系統(tǒng)可簡化為如圖2所示。在圖2中，顯示了d軸或q軸的第二或第三比例積分(PI)控制器12、13與伺服馬達(dá)2的線圈轉(zhuǎn)移函數(shù)T1(s)＝1/(Ls+R)之間的關(guān)系結(jié)構(gòu)，其中，伺服馬達(dá)2取得定子電流，激磁電流Id和轉(zhuǎn)矩電流Iq被反饋，以解耦合補(bǔ)償電流指令信號Id*與Iq*。并將經(jīng)過補(bǔ)償?shù)碾娏髦噶钚盘栕鳛閐軸或q軸的第二或第三比例積分(PI)控制器12、13的輸入電流指令信號。
圖3所示為圖1所示的公知交流伺服模塊的模塊系統(tǒng)響應(yīng)曲線示意圖，其中，所述曲線是以3KW，2000rpm的馬達(dá)傳動5倍慣量負(fù)載為例所獲得的響應(yīng)曲線。其中，圖3上部曲線圖中的A線為速度命令，B線為實際的輸出速度，圖3下部曲線圖中的C線為對應(yīng)的Iq命令，D線為反饋的電流。由于有電流傳感器感測反饋電流，所以圖3下部曲線圖中的C、D兩線重合為一。
在上述公知的交流伺服模塊中，伺服馬達(dá)2利用編碼器接受電流指令信號，提供轉(zhuǎn)子初始角度以便交流伺服驅(qū)動器1產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子磁場垂直的定子電流，但因永磁式伺服馬達(dá)2的輸入電壓、電流及轉(zhuǎn)速間的關(guān)系是線性的，所以必需利用電流傳感器18取得伺服馬達(dá)2的三相定子電流并將其反饋至電流回路以進(jìn)行解耦合(Decoupling)，從而使得電流回路呈線線性關(guān)系。這種以反饋電流來進(jìn)行解耦合的結(jié)構(gòu)在高性能的交流伺服驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)中是非常重要。又，在已知一般電流傳感器應(yīng)用于大功率的交流伺服驅(qū)動控制結(jié)構(gòu)時，只能采用霍爾效應(yīng)(Hall-effect)感測組件(下簡稱霍爾組件)配置以測取定子電流反饋，但是霍爾組件具有對溫度產(chǎn)生溫飄現(xiàn)象的特性，即，容易因高溫而產(chǎn)生感測值升高的問題，并無法解決或改善該問題。此外，為了獲得上述測取的三相定子電流作為反饋，在公知的結(jié)構(gòu)下必需配置多個電流傳感器，所測取得的反饋電流信號還需通過第二坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器17進(jìn)行轉(zhuǎn)換以與反饋信號匹配。因此，在組件成本及將來維修等都需較高的成本時，該現(xiàn)有技術(shù)的交流伺服模塊的成本是無法降低的(cost down)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于解決上述傳統(tǒng)缺失。本發(fā)明以開回路控制架構(gòu)設(shè)計通過將伺服馬達(dá)的編碼器所接受的電流指令信號，直接作為解耦合所需的反饋電流信號，使得在傳統(tǒng)的電流回路系統(tǒng)中除去電流傳感器后，依然具有解耦合功能，從而改善電流感應(yīng)器溫飄惡化伺服馬達(dá)控制及成本問題，以提供低廉但高實用性的免電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的不需電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器，所述交流伺服驅(qū)動器與伺服馬達(dá)連接，以組成交流伺服模塊，所述驅(qū)動器包括有伺服馬達(dá)，其內(nèi)具有編碼器；兩個一階控制器，其中，由速度命令與編碼器所產(chǎn)生的反饋速度相減后而產(chǎn)生q軸的電流命令，而d軸電流在永磁馬達(dá)應(yīng)用是設(shè)為零，但在其它應(yīng)用中可設(shè)為其它值，所述q軸的電流命令和d軸電流經(jīng)由所述兩個一階控制器可得到輸出至馬達(dá)的d、q軸的未含解耦合的輸出電壓；解耦補(bǔ)償器，其利用所述伺服模塊的電流指令信號作為解耦合所需的反饋電流，并與上述輸出電壓指令信號形成經(jīng)過解耦補(bǔ)償?shù)目刂菩盘?；坐?biāo)轉(zhuǎn)換器，將所述控制信號進(jìn)行d、q軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并輸出；脈寬調(diào)制控制器，將所述述經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的控制信號調(diào)制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，并輸出至所述伺服馬達(dá)，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；計數(shù)器，連接于所述伺服馬達(dá)的編碼器，以輸出角速度感測信號作為所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制控制器的觸發(fā)時序信號，及所述速度估測器的輸入信號；速度估測器，根據(jù)所述計數(shù)器輸出的角速度感測信號估測伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并輸出角速度反饋信號至所述解耦補(bǔ)償器，或同時與所述伺服模塊的角速度指令信號w形成輸入于比例積分控制器的指令信號。


圖1是公知的電流回路方塊示意圖；圖2是公知的簡化電流回路方塊示意圖；圖3是公知的模塊系統(tǒng)響應(yīng)曲線示意圖；圖4是本發(fā)明的以速度模式控制的電流回路方塊示意圖；圖5是本發(fā)明的以電流模式控制的電流回路方塊示意圖；圖6是本發(fā)明的在開回路要求下、由公知的簡化電流回路的方塊示意圖；圖7是本發(fā)明圖6的等效簡化電流回路的方塊示意圖；圖8是本發(fā)明的模塊系統(tǒng)響應(yīng)曲線示意圖。
本發(fā)明主要組件符號說明伺服馬達(dá) 3 交流伺服驅(qū)動器4比例積分(PI)控制器 41第一一階控制器42解耦補(bǔ)償器 44坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器45脈寬調(diào)制控制器 46計數(shù)器48速度估測器 47第二一階控制器43
現(xiàn)有技術(shù)的主要組件符號說明交流伺服驅(qū)動器 1 伺服馬達(dá) 2第一比例積分(PI)控制器 11第二比例積分(PI)控制器 12第三比例積分(PI)控制器 13第一坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器 14 脈寬調(diào)制器 15電流傳感器 16 第二坐標(biāo)變換器 17解耦補(bǔ)償器 18 計數(shù)器 19速度估側(cè)器 20具體實施方式
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的之技術(shù)內(nèi)容。
圖4所示為本發(fā)明的無需電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器在速度模式控制結(jié)構(gòu)下的方塊示意圖。如圖所示，本發(fā)明的交流伺服模塊包括有伺服馬達(dá)3及連接于伺服馬達(dá)3的交流伺服驅(qū)動器4。交流伺服驅(qū)動器4具有比例積分(PI)控制器41，第一、二一階控制器42、43，解耦補(bǔ)償器44，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器45，脈寬調(diào)制控制器46，計數(shù)器48及速度估測器47，以構(gòu)成開回路控制的驅(qū)動器電流回路。在該電流回路中，利用速度命令與伺服馬達(dá)3內(nèi)含的編碼器(圖中未示)產(chǎn)生反饋速度而生成速度誤差，所產(chǎn)生的速度誤差經(jīng)由比例積分(PI)控制器41產(chǎn)生電流指令信號，并直接作為進(jìn)行解耦合所需的反饋電流信號，從而使得電流回路系統(tǒng)在除去電流傳感器后，依然具有解耦合功能，因此，改善了電流感應(yīng)器溫飄惡化伺服馬達(dá)控制及成本問題，從而提供低廉但非常實用性的免電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器。
上述伺服馬達(dá)3內(nèi)含的編碼器為角度編碼器，如分解器(resolver)、光電編碼器(photo commutation)等，以測量轉(zhuǎn)子的絕對位置或轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的相對位置，并產(chǎn)生角速度感測信號以及將所產(chǎn)生的角速度感測信號反饋至驅(qū)動器速度回路。
上述比例積分(PI)控制器41具有電流變換器功能，其接收伺服模塊的角速度指令信號W與上述速度估測器47反饋的轉(zhuǎn)速反饋信號，并在對所接收的信號進(jìn)行變換后輸出由伺服馬達(dá)3的編碼器反饋于q軸的轉(zhuǎn)矩電流指令信號Iq*。
該第一、二一階控制器42、43具有垂直相交的d、q軸的電壓變換器功能，其中，d軸的第一一階控制器42將來自伺服模塊的電流指令信號，和由伺服馬達(dá)3所內(nèi)含的編碼器產(chǎn)生的電流反饋信號，作為輸入的激磁電流指令信號Id*，并產(chǎn)生輸出電壓指令信號Vd；q軸的第二一階控制器43則接受上述比例積分(PI)控制器41輸出的轉(zhuǎn)矩電流指令I(lǐng)q*。
該解耦補(bǔ)償器44，其將伺服模塊的電流指令信號與伺服馬達(dá)3所內(nèi)含的編碼器產(chǎn)生解耦電流信號反饋，作為解耦合所需的反饋電流。包括激磁電流Id與轉(zhuǎn)矩電流Iq的反饋電流在經(jīng)過解耦補(bǔ)償器44后，與上述由d、q軸的第一、二一階控制器42、43分別輸出的電壓指令信號一起形成經(jīng)過解耦補(bǔ)償?shù)目刂菩盘栞敵?；坐?biāo)轉(zhuǎn)換器45將上述經(jīng)解耦補(bǔ)償?shù)膁、q軸控制信號，通過d、q軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為三相電壓指令，并輸出至脈寬調(diào)制控制器46，脈寬調(diào)制控制器46將上述經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的三相電壓指令控制信號調(diào)制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號并輸出至伺服馬達(dá)3，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
計數(shù)器48連接于伺服馬達(dá)3的編碼器以輸出角速度感測信號，作為上述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器45、脈寬調(diào)制控制器46的觸發(fā)時序信號，及速度估測器48的輸入信號；速度估測器47根據(jù)計數(shù)器48輸出的角速度感測信號估測伺服馬達(dá)速度，并輸出角速度反饋信號至上述解耦補(bǔ)償器44，同時速度估測器47估測到的伺服馬達(dá)速度與該伺服模塊的角速度指令信號w形成輸入于PI控制器41的指令信號。
圖5所示為本發(fā)明的不需電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器于電流模式控制架構(gòu)下的方塊示意圖。如圖所示，本發(fā)明的交流伺服模塊包括有伺服馬達(dá)3及連接于伺服馬達(dá)3的交流伺服驅(qū)動器4。交流伺服驅(qū)動器4具有第一、二一階控制器42、43，解耦補(bǔ)償器44，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器45，脈寬調(diào)制控制器46，計數(shù)器48及速度估測器47，以構(gòu)成開回路控制的驅(qū)動器電流回路，同樣直接利用了伺服模塊的電流指令信號和伺服馬達(dá)3所內(nèi)含的編碼器產(chǎn)生的解耦電流信號。具體地說，激磁電流Id與轉(zhuǎn)矩電流Iq與速度估測器48反饋的角速度反饋信號一起產(chǎn)生的解耦合電流信號經(jīng)過解耦補(bǔ)償后，同第一、二一階控制器42、43產(chǎn)生的輸出電壓指令信號Vd、Vq共同形成控制信號，并輸出至坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器45，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器45轉(zhuǎn)換為三相電壓指令后經(jīng)脈寬調(diào)制控制器46調(diào)制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，輸出至伺服馬達(dá)3使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
由于上述圖4、5所示的交流伺服驅(qū)動器的電流回路不需電流傳感器來反饋定子電流信號，而以開回路架構(gòu)直接控制，并由伺服馬達(dá)3內(nèi)含的編碼器經(jīng)程控產(chǎn)生反饋電流。當(dāng)圖1的電流回路被要求BW(Hz)的開回路頻寬(open loop bandwidth)時，則上述d、q軸的第二、三比例積分(PI)控制器12、13可設(shè)為2π*BW*(Ls+R)/s，則可將圖2所示公知架構(gòu)的簡化方塊圖等效于圖6所示的架構(gòu)。在圖6中顯示了表示為2π*BW*(Ls+R)/s的d軸與q軸的第二、三比例積分(PI)控制器12、13，與伺服馬達(dá)3的線圈轉(zhuǎn)移函數(shù)(s)＝1/(Ls+R)之間的關(guān)系；同時，因已不具有電流傳感器配置，而永磁式伺服馬達(dá)3定子的電感L與電阻R隨著溫度升高的增加的比例不大，所以該d、q軸的第一、二一階控制器42、43可等效于2π*BW*(Ls+R)/(s+2π*BW)，因此，可將圖6所示的架構(gòu)簡化為圖7所示架構(gòu)，即，圖7顯示了由等效設(shè)為2π*BW*(Ls+R)/(s+2π*BW)的d軸與q軸的第一、二一階控制器42、43，與伺服馬達(dá)3的線圈轉(zhuǎn)移函數(shù)(s)＝1/(Ls+R)之間在沒有定子電流反饋時的關(guān)系。
圖8所示為第4、5圖所示的本發(fā)明的交流伺服模塊的模塊系統(tǒng)響應(yīng)曲線示意圖，所述曲線同樣是以在3KW，2000rpm的馬達(dá)傳動5倍慣量負(fù)載為例的情況下所獲得的響應(yīng)曲線。其中，在圖8下部曲線圖中的曲線中，G線為對應(yīng)的Iq命令，H線為反饋的電流，從圖中可以看出，產(chǎn)生的Iq命令與實際的電流輸出有少許差異。但是在圖8上部曲線圖中，E線為速度命令，F(xiàn)線為實際的輸出速度，從該曲線的速度響應(yīng)顯示中可以看出，其與圖3所示的、公知的由電流傳感器反饋定子電流的架構(gòu)幾乎完全相同。盡管各伺服馬達(dá)定子電阻及電感會存在一些少許差異，但是速度回路環(huán)是可以輕易補(bǔ)償。
上述僅為本發(fā)明優(yōu)選實施例而已，并非用來限定本發(fā)明實施范圍。即凡根據(jù)本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆為本發(fā)明專利范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種不需電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器，包括伺服馬達(dá)及連接于所述伺服馬達(dá)的交流伺服驅(qū)動器，所述交流伺服驅(qū)動器包括比例積分控制器、至少兩個一階控制器、解耦補(bǔ)償器、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制控制器、計數(shù)器及速度估測器，從而構(gòu)成開回路控制的交流伺服驅(qū)動器電流回路，其中，利用所述伺服馬達(dá)內(nèi)含的編碼器所接受的伺服模塊的電流指令信號，直接程控形成解耦合所需的電流反饋信號，所述電流反饋信號配合所述速度估測器對所述伺服馬達(dá)輸出進(jìn)行估測而得到的角速度反饋信號，產(chǎn)生解耦合電流信號，所述解耦合電流信號與d、q軸的所述一階控制器產(chǎn)生的輸出電壓指令信號一起形成經(jīng)過解耦補(bǔ)償?shù)目刂菩盘枺⑤敵鲋了鲎鴺?biāo)轉(zhuǎn)換器，所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器將所述經(jīng)過解耦補(bǔ)償?shù)目刂菩盘栟D(zhuǎn)換為三相電壓指令后經(jīng)脈寬調(diào)制控制器調(diào)制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，輸出至伺服馬達(dá)使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。
2.一種不需電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器，用于交流伺服模塊中，進(jìn)行解耦合功能的伺服馬達(dá)向量控制，包括伺服馬達(dá)，內(nèi)含編碼器；比例積分控制器，接受由所述伺服模塊的角速度指令信號與速度估測器反饋的轉(zhuǎn)速反饋信號形成的指令信號，并將其變換輸出；至少兩個一階控制器，利用所述伺服模塊的所述電流指令信號與所述編碼器產(chǎn)生的電流反饋信號，作為所述一階控制器的輸入電流指令信號，并產(chǎn)生輸出電壓指令信號，所述兩個一階控制器分別為d、q軸的兩個一階控制器；解耦補(bǔ)償器，其利用所述伺服模塊的電流指令信號與所述編碼器產(chǎn)生的解耦電流信號反饋作為解耦合所需的反饋電流，并使得所述反饋電流與所述輸出電壓指令信號形成經(jīng)過解耦補(bǔ)償?shù)目刂菩盘?；坐?biāo)轉(zhuǎn)換器，將所述控制信號進(jìn)行d、q軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并輸出；脈寬調(diào)制控制器，將所述經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的控制信號調(diào)制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，并輸出至所述伺服馬達(dá)使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；計數(shù)器，連接所述伺服馬達(dá)的編碼器，以輸出角速度感測信號，作為所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制控制器的觸發(fā)時序信號，及速度估測器的輸入信號；速度估測器，根據(jù)所述計數(shù)器輸出的所述角速度感測信號估測伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并輸出角速度反饋信號至所述解耦補(bǔ)償器，同時，所述角速度反饋信號與所述伺服模塊的角速度指令信號形成輸入于所述比例積分控制器的指令信號。
3.如權(quán)利要求2所述的交流伺服驅(qū)動器，其中，所述編碼器為角度編碼器，所述編碼器為分解器、光電編碼器中的一個，以產(chǎn)生角速度感測信號，并將其反饋至驅(qū)動器電流回路。
4.一種不需電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器，應(yīng)用于交流伺服模塊中，進(jìn)行解耦合功能的伺服馬達(dá)向量控制，包括伺服馬達(dá)，內(nèi)含編碼器；至少兩個一階控制器，利用所述伺服模塊的所述電流指令信號與所述編碼器產(chǎn)生的電流反饋信號，作為所述一階控制器的輸入電流指令信號，并產(chǎn)生輸出電壓指令信號，所述兩個一階控制器分別為d、q軸的兩個一階控制器；解耦補(bǔ)償器，其利用所述伺服模塊的電流指令信號與所述編碼器產(chǎn)生的解耦電流信號反饋作為解耦合所需的反饋電流，并使得所述反饋電流與所述輸出電壓指令信號形成經(jīng)過解耦補(bǔ)償?shù)目刂菩盘?；坐?biāo)轉(zhuǎn)換器，將所述控制信號進(jìn)行d、q軸坐標(biāo)轉(zhuǎn)換并輸出；脈寬調(diào)制控制器，將所述經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的控制信號調(diào)制產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號，并輸出至所述伺服馬達(dá)使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩；計數(shù)器，連接所述伺服馬達(dá)的編碼器，以輸出角速度感測信號，作為所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制控制器的觸發(fā)時序信號，及速度估測器的輸入信號；速度估測器，根據(jù)所述計數(shù)器輸出的所述角速度感測信號估測伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)速，并輸出角速度反饋信號至所述解耦補(bǔ)償器。
全文摘要
一種不需要電流傳感器的交流伺服驅(qū)動器，包括比例積分(PI)控制器、兩個一階控制器(含極點和零點)、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制控制器、解耦補(bǔ)償器、計數(shù)器及速度估測器。所述交流伺服驅(qū)動器與伺服馬達(dá)連接組成交流伺服模塊，利用伺服馬達(dá)的編碼器，將接受的伺服模塊的電流指令信號，作為d、q軸的比例積分(PI)控制器及解耦補(bǔ)償?shù)妮斎腚娏髦噶钚盘?，該d、q軸比例積分(PI)控制器產(chǎn)生的輸出電壓指令信號與解耦補(bǔ)償產(chǎn)生的信號，形成經(jīng)解耦補(bǔ)償?shù)目刂菩盘柌⑤斎胱鴺?biāo)轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)脈寬調(diào)制控制器進(jìn)行信號調(diào)制后控制伺服馬達(dá)，藉以改善電流感應(yīng)器溫飄惡化伺服馬達(dá)控制及成本問題。
文檔編號H02P6/06GK1941605SQ200510108039
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月29日
發(fā)明者蔡清雄 申請人:臺達(dá)電子工業(yè)股份有限公司