[发明专利]伺服马达驱动器的控制系统

说明书

技术领域

本发明关于一种伺服马达驱动器的控制系统，特别是指一种应用于根据伺服驱动系统的振荡情况来自动调整控制器参数增益的伺服马达驱动器控制系统。

背景技术

基本伺服驱动系统的示意图，如图1所示，包含一交流电源1、一上位控制器2、一伺服驱动器模块3及一伺服马达驱动模块4；而伺服马达驱动模块4可包括一伺服马达401、一编码器402、一连轴装置403及一机械负载404。

伺服驱动器模块3中包含变频器的电力电子回路架构，可接受市电单相或三相的交流电源1的输入，并使用脉波宽度调变策略来达到三相交流的脉波输出给予伺服马达401作驱动；其间，伺服驱动器模块3可接受上位控制器2或由内部缓存器的命令设定来控制伺服马达401，而伺服马达401则透过编码器402将目前伺服马达转子的位置或速度讯号回授给伺服驱动器模块3来决定内部控制器的输出并使伺服马达401可操作在位置、速度或转矩模式下运转。

伺服马达401的本体需要透过连轴装置403来带动机械负载404，此机械负载404可为伺服马达401所带动的各种设备、工具机台、机具、治具、飞轮等；机械负载404整体惯量亦可等效为一机械惯量J_L，故整体伺服驱动系统的惯量J可为一等效的机械惯量J_L再加上伺服马达转子的惯量J_M。

图2A为伺服驱动器模块3含有电流回路的速度模式方块图，伺服驱动器模块3在此可包括一减法器301、一速度控制器302、一q-轴电流命令转换303、一电流回路304、一计数器305及一速度估测器306。速度命令经由上位控制器2或由内部缓存器的命令设定而来，速度回授则经由编码器402所产生的脉波信号，经由计数器305转换成位置讯号后，再经由速度估测器306产生；速度命令与速度回授经由减法器301得到速度误差后则透过速度控制器302来产生适当转矩命令，再经由q-轴电流命令转换303后产生q-轴电流命令给电流回路304，最后再经由电流回路304产生适当的电压命令来控制伺服马达401来达到所需的速度。

因电流回路的响应速度较快可以化简为单位增益而忽略；以及伺服马达模块4可化简成机械方程式来表示，故可将图2A化简为图2B来表示，伺服驱动器模块3可化简为一减法器301以及一速度控制器302来表示；伺服马达模块可化简为一减法器405以及一机械方程式的方块图406来表示。速度命令与速度回授的误差会经由速度控制器 302来调整；在此，速度控制器302的形式为一比例-积分(PI)控制器，亦可为一比例-积分-微分(PID)控制器，而控制器的输出为马达的输出转矩T_e，此转矩会因为速度控制器302的调整而去克服外加的机械负载转矩T_L，最后，经由机械方程式的方块图406转换可得到回授的马达转速；在此，机械方程式的方块图406中的等效整体伺服驱动系统的惯量为J=J_L+J_M来表示，为等效的机械惯量(J_L)再加上伺服马达的转子惯量(J_M)所获得，而等效的整体黏滞摩擦系数为B来表示。

伺服驱动系统性能的表现与机械负载惯量的变化有很大的关系，图3系指伺服驱动系统在理想速度模式下的频域分析图(波特图Bode Diagram)；在频域分析方面，相同的速度控制器参数，倘若机械负载增大两倍，所造成的结果便是系统频宽的下降，也会造成整体系统性能的恶化；如因为机械惯量的增加而线性地增加控制器参数的增益值，则会因为惯量的变化以及实际系统有刚性上的限制，致使增加的系统频宽而激发系统的振荡发生。故如何因应机械负载惯量的变化而去调整控制器参数的增益，就变成是一个需要考虑整体机械系统结构的一个课题。

当频宽搜寻的大小愈大时，则代表控制器的比例增益参数设定也就愈大，实际上也就愈容易面对到不同系统振荡的区域发生。请再参阅图4A为系统振荡次数的标准差与频宽搜寻大小的示意图；图4B为系统振荡次数的平均值与频宽搜寻大小的示意图。由前述图中可看出当频宽搜寻大小增大时，对于系统振荡的激发可分为三个区域，分别为第I区的稳态区、第II区的临界振荡区以及第III区的完全振荡区。

由图4A可知，在第I区稳态区下的标准差大小较小，而当频宽搜寻大小增加后进入第II区临界振荡区后，可发觉到标准差的大小则会随之增加，此时若继续增加频宽搜寻的大小，则会由于进入第III区的完全振荡区，振荡的大小较为固定且平均，此时标准差的大小反而会比在临界振荡区较小且趋于一固定值变化。