高精度光電解碼器之研製與速度估測方法之研究(I)

Abstract

本計畫擬提出一種方法以提昇伺服馬達之 關鍵零組件"光電編碼器"(Photo encoder)的解析度, 光電編碼器是數位式伺服系統的關鍵組件,目 前應用於工業伺服馬達之光電編碼器其解析度 多為2000PPR,在實際應用時雖可藉由其相位變化 將解析度提高四倍,但在高精度變速控制系統 此解析度仍嫌不足,本計畫擬分兩年研製一個 以DSP為基礎具有高解析度的光電解碼器,以提 升一般光電編碼器之解析度,同時以此為基礎 探討如何由光電編碼器的增量回授信號來估測 馬達轉速.第一年:以DSP為基礎的高精度光電編 碼器之研製.本階段將採用單晶片數位信號處 理器TMS320C14設計一個光電編碼器的解碼電路, 使一般工業伺服馬達光電編碼器的解析度能從 2000PPR提升64倍而達128,000PPR.此解析度之提升主 要是應用於增加伺服馬達轉速控制時之增量回 授資訊,以提高速度控制之精確度.在位置伺服 控制時,將設計邊緣偵測(Edge detection)電路並採用鎖相迴路(Phase-locked loop)技術提升伺服馬達 之位置控制精度,使其不致於因增量回授所產 生之量化誤差而造成位置迴路的極環(Limit cycle ).研究計畫亦將針對所提出之方法建立其數學 模型來分析此解碼電路之量化誤差,實際製作 一個以單晶片DSP為主的光電編碼器解碼電路以 驗證所提出之方法,並應用於交流感應馬達的 轉速控制以提高轉速之控制精度與降低量化誤 差所造成的速度漣波.第二年:由增量回授估測馬達轉速方法之研究.本階段將根據前一年之 研究成果,以研製之光電解碼器為基礎來探討 由增量回授(Incremental feedback)信號估測馬達轉 速之方法.數位式伺服系統會因增量式回授信 號而造成控制訊號在幅度與時間上的量化誤差 (Quantizationerror),在一個以脈衝產生器(Plus generator, PG)為回授元件的速度控制系統,此量化 誤差將造成速度之波動,在低轉速操作狀況此 量化波動(Quantization ripple)尤其嚴重,本研究將 以DSP為基礎結合估計理論與模糊理論探討增量 回授之速度估測方法,並應用返覆控制理論( Repetitive control theory)來消除因量化誤差所造成 的穩態轉速波動.