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TWI805157B - 伺服電機及其編碼器校正方法 - Google Patents

伺服電機及其編碼器校正方法 Download PDF

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TWI805157B
TWI805157B TW110149190A TW110149190A TWI805157B TW I805157 B TWI805157 B TW I805157B TW 110149190 A TW110149190 A TW 110149190A TW 110149190 A TW110149190 A TW 110149190A TW I805157 B TWI805157 B TW I805157B
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邱智凱
葉柏廷
陳燦煌
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

本發明揭露一種伺服電機及編碼器校正方法。編碼器校正方法包括：藉由一誤差校正區塊根據一編碼器輸出的一第一訊號及一第二訊號計算一增益誤差、一偏移量誤差及一相位誤差；藉由該誤差校正區塊根據該增益誤差、該偏移量誤差及該相位誤差計算至少一增益校正參數、至少一偏移量校正參數及至少一相位校正參數；以及藉由該編碼器根據該至少一增益校正參數、該至少一偏移量校正參數及該至少一相位校正參數對該第一訊號及該第二訊號的增益、偏移量及相位進行有順序性的校正，其中在校正完成相位後至少進行一次增益校正及一次偏移量校正。

Description

伺服電機及其編碼器校正方法
本發明是有關於一種伺服電機及其編碼器校正方法。
伺服電機(servo motor)的經常被應用在精密的控制系統上。決定伺服電機的控制是否精確的其中一個因素為編碼器的校正是否足夠及時且正確。編碼器效正通常是針對增益(gain)、偏移量(offset)及相位(phase)等三個參數。傳統的編碼器校正通常會在校正增益及偏移量之後才校正相位。然而，傳統的方法會遇到校正無法收斂及校正完相位後已經校正過的增益及/或偏移量又產生變動的問題。校正無法收斂會造成校正時間拉長而不夠及時。校正完相位後已經校正過的增益及/或偏移量又產生變動則會造成校正的結果不夠正確而影響伺服電機的控制精確度。有鑑於此，有必要針對伺服電機的編碼器校正方法進行改進。
本發明實施例係揭露一種用於伺服電機的編碼器校正方法。編碼器校正方法包括：藉由一誤差校正區塊根據一編碼 器輸出的一第一訊號及一第二訊號計算一增益誤差、一偏移量誤差及一相位誤差；藉由該誤差校正區塊根據該增益誤差、該偏移量誤差及該相位誤差計算至少一增益校正參數、至少一偏移量校正參數及至少一相位校正參數；以及藉由該編碼器根據該至少一增益校正參數、該至少一偏移量校正參數及該至少一相位校正參數對該該第一訊號及該第二訊號的增益、偏移量及相位進行有順序性的校正，其中在校正完成相位後至少進行一次增益校正及一次偏移量校正。
本發明另一實施例係揭露一種伺服電機。伺服電機包括一馬達、一編碼器及一驅動電路。馬達包括一偵測手段用以偵測該馬達的一轉動資訊。編碼器耦接至該馬達，用以根據該轉動資訊產生一第一訊號及一第二訊號。驅動電路包括一誤差校正區塊，耦接至該編碼器，被配置以根據該第一訊號及該第二訊號計算一增益誤差、一偏移量誤差及一相位誤差，根據該增益誤差、該偏移量誤差及該相位誤差計算至少一增益校正參數、至少一偏移量校正參數及至少一相位校正參數。其中該編碼器根據該至少一增益校正參數、該至少一偏移量校正參數及該至少一相位校正參數對該該第一訊號及該第二訊號的增益、偏移量及相位進行有順序性的校正，其中在校正完成相位後至少進行一次增益校正及一次偏移量校正。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
10:伺服電機
102:馬達
104、304、410、510、610:編碼器
106、300:驅動電路
108、310:誤差校正區塊
110:驅動控制區塊
S200~S205:步驟
310:誤差計算器
312:抗雜訊誤差估測器
314:適應性誤差調整器
320、400、500、600、700:校正參數產生器
412、512、616、716:相位校正
414、516、612、618、714、720:增益校正
416、514、614、620、712、718:偏移量校正
S1:第一訊號
S2:第二訊號
第1圖繪示根據本發明一實施例的伺服電機的方塊圖。
第2圖繪示根據本發明一實施例的伺服電機的校正流程圖。
第3圖繪示根據本發明一實施例的誤差校正區塊及編碼器的示意圖。
第4~7圖繪示根據本發明實施例的校正參數產生器及編碼器的示意圖。
請參照第1圖，第1圖繪示根據本發明一實施例的伺服電機的方塊圖。伺服電機10包括一馬達102、一編碼器104以及一驅動電路106。編碼器104耦接至馬達102。驅動電路106耦接至馬達102及編碼器104。
馬達102可包括偵測手段用以獲取馬達102的一轉動資訊，並以訊號的形式將轉動資訊傳送給編碼器104。轉動資訊可包括但不限於馬達102的轉速及轉子位址。一般而言，包含轉動資訊的訊號為一正弦波及一餘弦波。正常運轉下的馬達102的轉動資訊中，正弦波的增益會等於餘弦波的增益，正弦波與餘弦波之間的偏移量為零，且相位差九十度。
編碼器104接收到馬達102的轉動資訊後，會根據出轉動資訊產生對應於正弦波的一第一訊號及對應於餘弦波的一第二訊號，並將第一訊號與第二訊號傳送至驅動電路106。第一訊號包含轉動資訊 中的正弦波的資訊，第二訊號包含轉動資訊中的餘弦波的資訊。理論上，第一訊號與第二訊號之間應維持正弦波與餘弦波的增益、偏移量及相位之間的關係。然而，實際上編碼器104所產生的第一訊號與第二訊號之間會存在增益、偏移量及/或相位上的誤差。
驅動電路106可包括一誤差校正區塊108及一驅動控制區塊110。誤差校正區塊108用以根據第一訊號及第二訊號計算一增益誤差、一偏移量誤差及一相位誤差，並根據增益誤差、偏移量誤差及相位誤差產生並傳送至少一增益校正參數、至少一偏移量校正參數及至少一相位校正參數至編碼器104。具體來說，倘若驅動電路106在編碼器104未經校正的情況下直接根據第一訊號及第二訊號來驅動及控制馬達102的轉速及/或定址，將會使控制不夠準確。
編碼器104會根據驅動電路106傳來的此些增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數對第一訊號及第二訊號的增益、偏移量及相位進行有順序性的校正，以產生校正後的第一訊號及第二訊號。
驅動電路106的驅動控制區塊110會根據校正後的第一訊號及校正後的第二訊號產生驅動訊號對馬達102進行轉速及/或定址的控制。
請參照第2圖，第2圖繪示根據本發明一實施例的伺服電機的運作流程圖。
在S200中，伺服電機上電，馬達開始轉動。
在S201中，馬達的偵測手段獲取馬達的轉動資訊並傳送給編碼器。
在S202中，編碼器根據馬達傳送的轉動資訊產生第一訊號及第二訊號至驅動電路。
在S203中，驅動電路的誤差校正區塊根據第一訊號及第二訊號計算增益誤差、偏移量誤差及相位誤差，並根據增益誤差、偏移量誤差及相位誤差產生並傳送增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數至編碼器。
S204中，回應於增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數，編碼器根據增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數有順序性的對第一訊號及第二訊號的增益、偏移量及相位進行調整，並傳送校正後的第一訊號及校正後的第二訊號至驅動電路。
在S205中，驅動電路的驅動控制區塊根據校正後的第一訊號及校正後的第二訊號產生並傳送驅動訊號至馬達。在完成S205之後，伺服電機即完成啟動時流程。
請參照第3圖，第3圖繪示根據本發明一實施例的編碼器及誤差校正區塊的示意圖。誤差校正區塊300可包括一誤差校正區塊310及一校正參數產生器320。在一實施例中，誤差校正區塊310可包括一抗雜訊誤差估測器312及一適應性誤差調整器314。
抗雜訊誤差估測器312可耦接至編碼器304，用以接收第一訊號S1及第二訊號S2。抗雜訊誤差估測器312可用以去除第一訊號S1及第二訊號S2的雜訊，並根據第一訊號S1及第二訊號S2計算第一訊號S1與第二訊號S2之間的增益誤差、偏移量誤差及相位誤差。在替代的實施例中，抗雜訊誤差估測器可通過一資料擷取器(未繪示)耦接至編碼器。資料擷取器接收第一訊號S1及第二訊號S2，並用以擷取第一訊號S1及第二訊號S2中的增益、偏移量及相位。抗雜訊誤差估測器312 根據資料擷取器提供的第一訊號S1及第二訊號S2的增益、偏移量及相位計算增益誤差、偏移量誤差及相位誤差。
適應性誤差調整器314耦接至抗雜訊誤差估測器312。適應性誤差調整器314可用以根據環境參數，適應性地調整抗雜訊誤差估測器312得到的增益誤差、偏移量誤差及相位誤差後輸出。環境參數是指馬達運行的環境中的一些參數，在不同的實施例中可採用不同的環境參數，例如在某些實施例中，環境參數可為溫度及濕度。
校正參數產生器320耦接至誤差校正區塊310。校正參數產生器320用以根據增益誤差、偏移量誤差及相位誤差產生增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數。此些增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數會被傳至編碼器304。
請參照第4圖，第4圖繪示根據本發明一實施例的校正參數產生器及編碼器校正的示意圖。在本實施例中，誤差計算器400會根據增益誤差、偏移量誤差及相位誤差產生並傳送一增益校正參數、一偏移量校正參數及一相位校正參數至編碼器410。編碼器410會回應於增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數依序校正第一訊號S1及第二訊號S2的相位412、增益414及偏移量416。
需要注意的是，針對增益、偏移量及相位進行校正的順序是十分關鍵的。一般而言，校正相位時，若已經進行過至少一次增益及/或至少一次偏移量校正，會使經過調整的增益及/或偏移量產生變動。反之，校正增益及偏移量時，若已經進行過相位校正，則不會使經過調整的相位產生變動。這代表在完成增益及偏移量的校正之前須先完成相位的校正。否則校正相位會導致已經完成校正的增益及/或偏 移量產生變動而偏離已經校正好的值。因此，在相位校正完之後，需要至少進行一次增益的校正及一次偏移量的校正。
請參照第5圖，第5圖繪示根據本發明另一實施例的校正參數產生器及編碼器校正的示意圖。與第4圖的實施例不同之處在於，編碼器510根據校正參數產生器500傳送的增益校正參數、偏移量校正參數及相位校正參數執行校正的順序依序為相位512、偏移量514及增益516。也就是說，偏移量與增益的校正順序是可以互相對調的。
請參照第6圖，第6圖繪示根據本發明又一實施例的校正參數產生器及編碼器校正的示意圖。在本實施例中，校正參數產生器600根據增益誤差、偏移量誤差及相位誤差產生一第一級增益校正參數、一第一級偏移量校正參數、一相位校正參數、一第二級增益校正參數以及一第二級偏移量校正參數。編碼器610依序根據第一級增益校正參數進行第一級增益校正612、根據第一級偏移量校正參數進行第一級偏移量校正614、根據相位校正參數進行相位校正616、根據第二級增益校正參數進行第二級增益校正618以及根據第二級偏移量校正參數進行第二級偏移量校正620。也就是說，針對增益、偏移量及相位至少其中之一的校正可拆分為多級進行，但必須符合「在相位校正完之後，需要至少進行一次增益的校正及一次偏移量的校正」。需要注意的是，在其他實施例中，拆分的級數可以是二以上。此外，如前文所述，增益校正與偏移量校正的順序是可以對調的。如第7圖所示，可以先進行第一級偏移量712，再進行第一級增益校正714。同樣地，也可以先進行第二級偏移量718，再進行第二級增益校正720。
透過觀察藉由本發明的編碼器校正方法進行校正後的馬達的轉動資訊中的正弦波及餘弦波合成的利薩茹(Lissajous)曲線可以發現，轉動資訊中的正弦波及餘弦波合成的利薩茹(Lissajous)曲線會呈現穩定的圓形，且圓心在原點，而不是中心不對準原點的橢圓形。這代表校正的效果能夠達到穩定收斂。
本發明提出的伺服電機及編碼器校正方法透過在相位校正完之後，至少進行一次增益的校正及一次偏移量的校正，來讓校正結果穩定收斂，進而縮短校正花費的時間，同時提高校正的正確性。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S200~S205:步驟

Claims (10)

  1. 一種用於伺服電機的編碼器校正方法，包括：藉由一誤差校正區塊根據一編碼器輸出的一第一訊號及一第二訊號計算一增益誤差、一偏移量誤差及一相位誤差；藉由該誤差校正區塊根據該增益誤差、該偏移量誤差及該相位誤差計算至少一增益校正參數、至少一偏移量校正參數及至少一相位校正參數；以及藉由該編碼器根據該至少一增益校正參數、該至少一偏移量校正參數及該至少一相位校正參數對該第一訊號及該第二訊號的增益、偏移量及相位進行有順序性的校正，其中在校正完成相位後至少進行一次增益校正及一次偏移量校正。
  2. 如請求項1所述之編碼器校正方法，其中在藉由該編碼器根據該至少一增益校正參數、該至少一偏移量校正參數及該至少一相位校正參數對該第一訊號及該第二訊號的增益、偏移量及相位進行有順序性的校正，其中在校正完成相位後至少進行一次增益校正及一次偏移量校正中，增益及偏移量的校正在順序上係可對調。
  3. 如請求項1所述之編碼器校正方法，其中該至少一增益校正參數包括一第一級增益校正參數及一第二級增益校正參 數，該至少一偏移量校正參數包括一第一級偏移量校正參數及一第二級偏移量校正參數。
  4. 如請求項3所述之編碼器校正方法，其中該編碼器依序根據該第一級增益校正參數及該第一級偏移量校正參數進行第一級增益校正及第一級偏移量校正；根據該至少一相位校正參數進行相位校正；以及根據該第二級增益校正參數及該第二級偏移量校正參數進行第二級增益校正及第二級偏移量校正。
  5. 如請求項1所述之編碼器校正方法，更包括：藉由一驅動控制區塊根據校正後的該第一訊號及校正後的該第二訊號驅動及控制一馬達，其中該馬達的一轉動資訊中的一正弦波及一餘弦波合成的一利薩茹曲線為圓心與原點重合的圓形。
  6. 一種伺服電機，包括：一馬達，包括一偵測手段用以偵測該馬達的一轉動資訊；一編碼器，耦接至該馬達，用以根據該轉動資訊產生一第一訊號及一第二訊號；以及一驅動電路，包括一誤差校正區塊，耦接至該編碼器，被配置以根據該第一訊號及該第二訊號計算一增益誤差、一偏移量誤差及一相位誤差，根據該增益誤差、該偏移量誤差及該相位誤差 計算至少一增益校正參數、至少一偏移量校正參數及至少一相位校正參數，其中該編碼器根據該至少一增益校正參數、該至少一偏移量校正參數及該至少一相位校正參數對該第一訊號及該第二訊號的增益、偏移量及相位進行有順序性的校正，其中在校正完成相位後至少進行一次增益校正及一次偏移量校正。
  7. 如請求項6所述之伺服電機，其中增益及偏移量的校正在順序上係可對調。
  8. 如請求項6所述之伺服電機，其中該至少一增益校正參數包括一第一級增益校正參數及一第二級增益校正參數，該至少一偏移量校正參數包括一第一級偏移量校正參數及一第二級偏移量校正參數。
  9. 如請求項8所述之伺服電機，其中該編碼器依序根據該第一級增益校正參數及該第一級偏移量校正參數進行第一級增益校正及第一級偏移量校正，根據該至少一相位校正參數進行相位校正以及根據該第二級增益校正參數及該第二級偏移量校正參數進行第二級增益校正及第二級偏移量校正。
  10. 如請求項6所述之伺服電機，其中該驅動電路更包括一驅動控制電路，該驅動控制區塊根據校正後的該第一訊號及校正後的該第二訊號驅動及控制該馬達，該馬達受控後的該轉動資訊中的一正弦波及一餘弦波合成的一利薩茹曲線為圓心與原點重合的圓形。
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