KR102121393B1 - Position Control Method And Position Controller - Google Patents

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KR102121393B1
KR102121393B1 KR1020190030513A KR20190030513A KR102121393B1 KR 102121393 B1 KR102121393 B1 KR 102121393B1 KR 1020190030513 A KR1020190030513 A KR 1020190030513A KR 20190030513 A KR20190030513 A KR 20190030513A KR 102121393 B1 KR102121393 B1 KR 102121393B1
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Application number
KR1020190030513A
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Inventor
이정효
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군산대학교 산학협력단
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Abstract

An embodiment of the present invention relates to a position control method and a position controller for a low-cost system. According to an embodiment of the present invention, the position control method may comprise the steps of: obtaining an output of a P-controller and an output of an I-controller; detecting a position error of the output of the P-controller based on an allowable range for an error of a preset reference position; setting a gain of the I-controller as a minimum value if the position error reaches the boundary of the allowable range; and outputting a position control transfer function using the output of the P-controller and an output by the set gain of the I-controller.

Description

위치 제어 방법 및 위치 제어기{Position Control Method And Position Controller}Position control method and position controller

아래 실시예들은 위치 제어 방법 및 위치 제어기에 관한 것이다.The embodiments below relate to a position control method and a position controller.

최근, 자동차에서 사용되는 많은 기계 부품들이 효율성이 높은 전기 부품으로 대체되고 있다. 하이브리드 전기 자동차 또는 전기 자동차, MDPS(Motor Driven Power Steering) 및 ISG(Integrated Starter and Generator)는 운전 효율 및 화석 연료의 사용을 절감시킨다.In recent years, many mechanical parts used in automobiles are being replaced by highly efficient electrical parts. Hybrid electric vehicles or electric vehicles, Motor Driven Power Steering (MDPS) and Integrated Starter and Generator (ISG) reduce driving efficiency and use of fossil fuels.

이러한 변화는 변속기 시스템과 엔진 밸브 시스템으로 확산될 수 있다. 그 중에서도 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR) 밸브는 소형 DC 모터를 대체할 수 있는 목표 기계 부품이다. 그러나, 밸브에 사용되는 일반적인 기계 시스템은 허용 비용이 매우 낮고 구현을 위한 공간 매우 좁기 때문에, 액추에이터(actuator)를 포함한 전기 시스템은 크기 및 비용 측면에서 효과적이어야 한다.These changes can spread to transmission systems and engine valve systems. Among them, the exhaust gas recirculation (EGR) valve is a target mechanical component that can replace a small DC motor. However, because the typical mechanical system used for valves has very low permissible cost and very small space for implementation, the electrical system including the actuator must be effective in terms of size and cost.

한편, 저비용으로 설계되는 기계적 작동 시스템은 쿨롱 마찰(coulomb friction)과 정지 마찰(static friction)의 차이가 매우 커서 위치 제어의 정확도 및 속도를 개선하기 위해 P, PI 또는 PID와 같은 기존의 선형 제어 시스템으로는 해결하기 힘들다.On the other hand, the mechanical operating system designed at low cost has a very large difference between coulomb friction and static friction, so existing linear control systems such as P, PI or PID to improve the accuracy and speed of position control. It is difficult to solve.

마찰에 대한 위치를 제어하기 위한 방법으로 아래의 논문이 제안되었다.The following paper was proposed as a method to control the position of friction.

D.T. Kim, and Z. J. Zhang: "Position Control of a Pneumatic Cylinder Considering Friction Compensation", Journal of Korean Soc. Fluid Power Constr. Equip., Vol. 10, No. 1, pp. 1-6, 2013D.T. Kim, and Z. J. Zhang: "Position Control of a Pneumatic Cylinder Considering Friction Compensation", Journal of Korean Soc. Fluid Power Constr. Equip., Vol. 10, No. 1, pp. 1-6, 2013

실시예들은, 저비용 시스템을 위한 위치 제어 방법 및 이를 수행하는 위치 제어기를 제공하고자 한다. 자세하게는, 안정된 위치 제어를 위해 먼저 EGR 밸브의 기계적 모델을 분석하고 발생하는 위치 진동의 원인을 정의하여, 저비용 시스템에 적응할 수 있는 위치 제어 방법 및 이를 수행하는 위치 제어기를 제공하고자 한다.Embodiments are intended to provide a position control method for a low-cost system and a position controller for performing the same. In detail, to provide a position control method capable of adapting to a low-cost system by analyzing a mechanical model of the EGR valve and defining the cause of the positional vibration that occurs in order to provide stable position control, and to provide a position controller that performs the same.

일 측에 따른 위치 제어기에서 수행되는 위치 제어 방법은 P 제어기의 출력 및 I 제어기의 출력을 획득하는 단계; 미리 정해진 기준 위치의 오차에 대한 허용 범위를 기준으로, 상기 P 제어기의 출력의 위치 오차를 감지하는 단계; 상기 위치 오차가 상기 허용 범위의 경계에 도달한 경우, 상기 I 제어기의 이득(Gain)을 미리 정해진 값으로 설정하는 단계; 및 상기 P 제어기의 출력 및 상기 I 제어기의 설정된 이득에 의한 출력을 이용하여 위치 제어 전달 함수를 출력하는 단계를 포함한다.The position control method performed by the position controller according to one side includes: obtaining an output of a P controller and an output of an I controller; Detecting a position error of the output of the P controller based on an allowable range for an error of a predetermined reference position; Setting the gain of the I controller to a predetermined value when the position error reaches the boundary of the allowable range; And outputting a position control transfer function using the output of the P controller and the output of the set gain of the I controller.

상기 미리 정해진 값은 상기 I 제어기의 이득을 감소시키는 값일 수 있다.The predetermined value may be a value that reduces the gain of the I controller.

상기 위치 오차가 상기 허용 범위 내인 경우, 상기 I 제어기의 이득(Gain)을 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다.When the position error is within the allowable range, the step of maintaining a gain of the I controller may be further included.

상기 위치 전달 함수는, 전류 지령으로 모델링될 수 있다.The position transfer function can be modeled with a current command.

상기 위치 제어기에 적용되는 마찰 토크는 제어 대상 시스템에 포함된 기어 및 조인트의 쿨롱 마찰 토크; 상기 기어 및 조인트의 정지 마찰 토크; 및 스트리벡 속도 중 적어도 하나에 기초하여 모델링될 수 있다.The friction torque applied to the position controller includes coulomb friction torque of gears and joints included in a control target system; Static friction torque of the gear and joint; And a strebec speed.

일 측에 따른 위치 제어기는 하나 이상의 프로세서; 메모리; 및 상기 메모리에 저장되어 있으며 상기 하나 이상의 프로세서에 의하여 실행되도록 구성되는 하나 이상의 프로그램을 포함하고, 상기 프로그램은, P 제어기의 출력 및 I 제어기의 출력을 획득하는 단계; 미리 정해진 기준 위치의 오차에 대한 허용 범위를 기준으로, 상기 P 제어기의 출력의 위치 오차를 감지하는 단계; 상기 위치 오차가 상기 허용 범위의 경계에 도달한 경우, 상기 I 제어기의 이득(Gain)을 미리 정해진 값으로 설정하는 단계; 및 상기 P 제어기의 출력 및 상기 I 제어기의 설정된 이득에 의한 출력을 이용하여 위치 제어 전달 함수를 출력한다.The position controller according to one side includes one or more processors; Memory; And one or more programs stored in the memory and configured to be executed by the one or more processors, the programs comprising: obtaining the output of the P controller and the output of the I controller; Detecting a position error of the output of the P controller based on an allowable range for an error of a predetermined reference position; Setting the gain of the I controller to a predetermined value when the position error reaches the boundary of the allowable range; And a position control transfer function using the output of the P controller and the output of the set gain of the I controller.

본 발명의 실시예를 통해 저비용 시스템을 위한 위치 제어 방법 및 이를 수행하는 위치 제어기를 제공할 수 있다. 자세하게는, 안정된 위치 제어를 위해 먼저 EGR 밸브의 기계적 모델을 분석하고 발생하는 위치 진동의 원인을 정의하여, 저비용 시스템에 적응할 수 있는 위치 제어 방법 및 이를 수행하는 위치 제어기를 제공할 수 있다.It is possible to provide a position control method for a low cost system and a position controller performing the same through an embodiment of the present invention. In detail, it is possible to provide a position control method capable of adapting to a low-cost system and a position controller performing the same, by first analyzing the mechanical model of the EGR valve and defining the cause of the position vibration generated for stable position control.

도 1은 EGR 밸브의 기계적 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 실험적으로 측정된 스프링 토크이다.
도 3은 실험적으로 측정된 마찰 토크이다.
도 4는 제로 밸브 위치에서 측정된 정지 마찰 토크이다.
도 5는 제어 시스템의 동작의 예시로 일반적인 P-PI 제어기의 위치 제어 방법을 이용하는 것과 실시예에 따른 위치 제어 방법을 비교하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 있어서, 위치 제어 방법의 흐름도이다.
도 7은 일실시예에 있어서, PI 제어기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 일실시예에 있어서, 위치 오차에 따라 I 제어기의 이득을 설정하는 그래프이다.
도 9는 일실시예에 있어서, 위치 제어기의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 10은 실시예의 실험을 위한 설정을 보여주는 도면이다.
도 11은 일실시예에 있어서, 위치 동적 응답(Position dynamic response)에 대한 그래프이다.
도 12는 일실시예에 있어서, 기존의 위치 제어 방법 및 실시예에 의한 위치 제어 방법의 성능을 비교하기 위한 그래프이다.
1 is a view for explaining the mechanical configuration of the EGR valve.
2 is an experimentally measured spring torque.
3 is an experimentally measured friction torque.
4 is the static friction torque measured at the zero valve position.
5 is a diagram for comparing a position control method according to an embodiment with a position control method of a general P-PI controller as an example of the operation of the control system.
6 is a flowchart of a method for controlling a position in one embodiment.
7 is a graph for explaining the operation of the PI controller in one embodiment.
8 is a graph for setting the gain of the I controller according to the position error in one embodiment.
9 is a block diagram illustrating a configuration of a position controller in one embodiment.
10 is a view showing the setting for the experiment of the embodiment.
11 is a graph of position dynamic response in one embodiment.
12 is a graph for comparing performance of an existing position control method and a position control method according to an embodiment in one embodiment.

본 명세서에서 개시되어 있는 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 기술적 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 실시예들은 다양한 다른 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.The specific structural or functional descriptions disclosed in this specification have been exemplified for the purpose of describing embodiments according to technical concepts only, and the embodiments may be implemented in various other forms and are limited to the embodiments described herein. Does not work.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but these terms should be understood only for the purpose of distinguishing one component from other components. For example, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~간의에"와 "바로~간의에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When an element is said to be "connected" or "connected" to another component, it is understood that other components may be directly connected to or connected to the other component, but there may be other components in between. It should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no other component exists in the middle. Expressions describing the relationship between the components, for example, "between" and "immediately between" or "adjacent to" and "directly adjacent to" should be interpreted similarly.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "include" or "have" are intended to designate the presence of a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof as described, one or more other features or numbers, It should be understood that the existence or addition possibilities of steps, actions, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having meanings consistent with meanings in the context of related technologies, and should not be interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined herein. Does not.

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals in each drawing denote the same members.

실시예에서, 저비용 시스템에 적용하기 위한 위치 제어 방법은 P 제어 및 PI 제어 방법을 활용할 수 있다. 마찰이 높은 기계 시스템 하에서는 선형 제어기를 이용하여 정확하고 빠른 제어가 어려우므로 일반적으로 피드포워드 보상(feedforward compensation)을 통해 제어 성능을 향상시킨다. 그러나, 피드포워드 보상 방법은 제어기의 동적 특성을 향상시킬 수는 있으나 정적 특성 및 마찰 토크의 차이로 인한 불안정한 제어 성능을 위한 솔루션이 되지는 않는다.In an embodiment, a position control method for applying to a low cost system may utilize a P control and PI control method. Under a high-friction mechanical system, since it is difficult to accurately and quickly control a linear controller, the control performance is generally improved through feedforward compensation. However, the feed-forward compensation method can improve the dynamic characteristics of the controller, but it is not a solution for unstable control performance due to the difference in static characteristics and friction torque.

실시예를 통해, 안정된 위치 제어를 위해 먼저 EGR 밸브의 기계적 모델을 분석하고 발생하는 위치 진동의 원인을 정의하여, 저비용 시스템에 적응할 수 있는 위치 제어 방법 및 이를 수행하는 위치 제어기를 제공한다.Through an embodiment, to provide a position control method capable of adapting to a low-cost system and a position controller performing the same, by first analyzing the mechanical model of the EGR valve for stable position control and defining the cause of the position vibration that occurs.

도 1은 EGR 밸브의 기계적 구성을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the mechanical configuration of the EGR valve.

일반적인 EGR 밸브는 밸브의 초기 위치를 복구하기 위한 스프링(101), 동력을 회전에서 변환하기 위한 조인트(Joint)(102) 및 기어(Gear)(103) 및 각각 기계 시스템의 소스와 액추에이터가 되는 직류 모터(104) 및 스로틀 밸브(throttle valve)(105)로 구성된다.Typical EGR valves are springs (101) for restoring the initial position of the valves, joints (102) and gears (103) for converting power from rotation, and direct currents, which are the source and actuator of the mechanical system, respectively. It is composed of a motor 104 and a throttle valve (105).

EGR 밸브의 일반적인 구조와 마찬가지로, 실시예의 시스템을 작동시키는 모터는 DC 모터이며, DC 모터에서 발생한 토크는 수학식 1과 같이 모델링된다.As with the general structure of the EGR valve, the motor operating the system of the embodiment is a DC motor, and the torque generated by the DC motor is modeled as in Equation 1.

Figure 112019027432440-pat00001
Figure 112019027432440-pat00001

여기서, k t 는 토크 상수이고, i a 는 DC 모터의 전기자(armature) 전류이다.Here, k t is the torque constant, and i a is the armature current of the DC motor.

또한, 수학식 1은 수학식 2의 일반 방정식으로도 설명할 수 있다.In addition, Equation 1 can also be described as a general equation of Equation 2.

Figure 112019027432440-pat00002
Figure 112019027432440-pat00002

여기서, J는 관성,

Figure 112019027432440-pat00003
r 는 회전 각, T fric 은 마찰 토크, T spring 은 스프링 토크, T L 은 부하 토크(load torque)를 나타낸다.Where J is the inertia,
Figure 112019027432440-pat00003
r is the rotation angle, T fric is the friction torque, T spring is the spring torque, T L is the load torque.

회전 각은 기계적 조인트 및 기어에 의해 선형 위치로 전달되며, 선형 위치는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.The rotation angle is transmitted to the linear position by mechanical joints and gears, and the linear position can be expressed as Equation 3.

Figure 112019027432440-pat00004
Figure 112019027432440-pat00004

Figure 112019027432440-pat00005
Figure 112019027432440-pat00005

여기서, r은 조인트 거리,

Figure 112019027432440-pat00006
L 은 조인트 각도,
Figure 112019027432440-pat00007
L0 은 초기 설정된 조인트 각도 값을 의미하며, 조인트 각도는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, n은 기어의 비를 나타낸다.Where r is the joint distance,
Figure 112019027432440-pat00006
L is the joint angle ,
Figure 112019027432440-pat00007
L0 means an initial joint angle value, and the joint angle can be expressed as Equation (4). Here, n represents the gear ratio.

선형 위치에 따른 스프링 세기(force)는 다음의 수학식 5로 나타낸다.The spring force according to the linear position is expressed by Equation 5 below.

Figure 112019027432440-pat00008
Figure 112019027432440-pat00008

여기서, k spr 는 스프링 특성을 나타내는 상수이고, x 0 는 초기 선형 위치를 의미한다. 스프링 세기는 아래의 수학식 6과 같이 부하 측 토크에 전달될 수 있다.Here, k spr is a constant representing the spring characteristic, and x 0 means the initial linear position. The spring strength can be transmitted to the load-side torque as in Equation 6 below.

Figure 112019027432440-pat00009
Figure 112019027432440-pat00009

수학식 7은 스프링 토크가 스프링 위치에 의해서만 영향을 받음을 나타내고 있으나 스프링 토크는 위치뿐만 아니라 속도 방향의 영향을 받는다. 이를 반영하기 위해, 수학식 9의 스프링 쿨롱 마찰 토크를 정의할 수 있다.Equation 7 shows that the spring torque is affected only by the spring position, but the spring torque is influenced not only by the position, but also by the speed direction. To reflect this, the spring coulomb friction torque of equation (9) can be defined.

Figure 112019027432440-pat00010
Figure 112019027432440-pat00010

Figure 112019027432440-pat00011
Figure 112019027432440-pat00011

모터 속도가 반전(reverse)되면 스프링 쿨롱 마찰 토크는 음수로 나타낼 수 있다. 스프링 토크는 결과적으로 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.When the motor speed is reversed, the spring coulomb friction torque can be expressed as a negative number. As a result, the spring torque can be expressed as Equation (10).

Figure 112019027432440-pat00012
Figure 112019027432440-pat00012

한편, EGR 밸브 시스템은 스프링뿐만 아닌 조인트 및 기어의 영향을 받는다. 저비용 조인트 및 기어의 사용으로 인해 리드 스크류(lead-screw)와 같은 비선형 정지 마찰을 발생시킨다. 수학식 11과 같이 LuGre 마찰 모델(LuGre friction model)이 유도될 수 있다.Meanwhile, the EGR valve system is affected by joints and gears as well as springs. The use of low cost joints and gears creates nonlinear static friction, such as lead-screws. As shown in Equation 11, a LuGre friction model can be derived.

Figure 112019027432440-pat00013
Figure 112019027432440-pat00013

여기서, T ge _ col 는 기어 및 조인트의 쿨롱 마찰 토크이고, T ge _ sta 는 기어 및 조인트의 정지 마찰 토크이고,

Figure 112019027432440-pat00014
s 는 스트리벡 속도(Stribeck velocity)를 의미한다.Where T ge _ col is the Coulomb friction torque of the gear and joint, and T ge _ sta is the static friction torque of the gear and joint ,
Figure 112019027432440-pat00014
s stands for Stribeck velocity.

실시예에서는, 피드포워드 보상을 수행하는 제어기를 구현하기 위해서, 모델링된 부하 토크를 실험적으로 측정할 수 있다. 피드포워드 보상은 피드백 제어기의 부담을 줄이고 선형 제어기로 비선형 부하를 제어해야 하는 경우 제어 성능을 향상시킬 수 있다.In an embodiment, the modeled load torque can be experimentally measured to implement a controller that performs feedforward compensation. Feedforward compensation can reduce the burden on the feedback controller and improve control performance when it is necessary to control a nonlinear load with a linear controller.

도 2는 실험을 통해서 측정된 스프링 토크를 나타낸다.2 shows the spring torque measured through the experiment.

도 3은 실험을 통해서 측정된 마찰 토크를 나타낸다.3 shows the friction torque measured through the experiment.

모터로부터의 전기 토크는 수학식 1의 DC 모터 전류에 비례한다. 즉, 전류 파형은 생성된 토크를 간접적으로 나타낼 수 있다.The electric torque from the motor is proportional to the DC motor current in equation (1). That is, the current waveform can indirectly represent the generated torque.

아래와 같은 실험을 통해 도 2의 스프링 토크의 측정 결과를 획득할 수 있다.The spring torque measurement result of FIG. 2 may be obtained through the following experiment.

1. 초기 EGR 밸브 위치에서 속도 제어를 시작1. Start speed control at initial EGR valve position

2. 속도 레퍼런스를 10 rpm에서 300 rpm까지 적용2. Apply speed reference from 10 rpm to 300 rpm

3. 평균 전류를 측정 - 가장 낮은 평균 전류가 관찰되는 속도가 스트리벡 속도임3. Measure the average current-the speed at which the lowest average current is observed is the strebec speed

4. 스트리벡 속도로 모터를 제어 - 스트리벡 속도에서 마찰 토크가 무시될 수 있다는 가정 하에 정상 상태에서 측정된 순간적인 전류가 스프링 토크를 의미함4. Control the motor at the Strevec speed-the instantaneous current measured at steady state means the spring torque, assuming that the frictional torque at the Strevec speed can be neglected

5. 전동기 전류를 토크로 환산하기 위해 토크 상수를 곱함.5. Multiply the torque constant to convert the motor current into torque.

상기와 같이 획득한 스프링 토크를 이용하여 정지 마찰 토크를 측정할 수 있다.The static friction torque can be measured using the spring torque obtained as described above.

1. 각 EGR 밸브 위치에서 속도 제어를 시작1. Start speed control at each EGR valve position

2. 램프 증가 전류 기준을 적용하기 위해 전류 제어기에 작은 이득을 설정2. Set a small gain on the current controller to apply the ramp increase current reference

3. 위치 변화에 의한 급격한 전류 변화가 나타나는데 피크 전류 지점을 측정3. Measure the peak current point when a sudden current change occurs due to position change

4. 3에서 측정된 수치에서 스프링 토크를 제외하여 정지 마찰 토크 전류를 획득4. Obtain static friction torque current by excluding spring torque from the measured value in 3

5. 정지 마찰 토크 전류에 토크 상수를 곱하여 정지 마찰 토크를 획득5. The static friction torque is multiplied by the torque constant to obtain the static friction torque.

또한, 아래의 절차를 통해 쿨롱 마찰 토크를 획득할 수 있다.In addition, the Coulomb friction torque can be obtained through the following procedure.

1. 초기 EGR 밸브 위치에서 속도 제어를 시작1. Start speed control at initial EGR valve position

2. 100 rpm에서 300 rpm의 속도 레퍼런스를 적용2. Apply speed reference from 100 rpm to 300 rpm

3. 각 속도의 정상(steady) 상태에서 순간 전류를 측정3. Measure instantaneous current at steady state of each speed

4. 스프링 토크 성분의 제거를 위해 300 rpm에 측정된 전류에서 100 rpm에 측정된 전류의 차를 획득4. Obtain the difference between the current measured at 300 rpm and the current measured at 100 rpm to remove the spring torque component

5. 4의 결과에 토크 상수를 곱하여 토크로 환산. 쿨롱 마찰 토크 획득.5. The result of 4 is multiplied by the torque constant and converted into torque. Coulomb friction torque obtained.

6. 5의 결과에 미리 정해진 속도(예를 들어, 200rpm)를 나누어 쿨롱 마찰 토크 게인을 획득6. Divide the result of 5 by a predetermined speed (eg, 200 rpm) to obtain the Coulomb friction torque gain.

도 2에 도시된 바와 같이, 밸브 위치 방향에 따라 스프링 토크가 달리 발생한다. 밸브 위치 방향이 밸브를 열기 위한 것이면, 스프링 토크는 수학식 8에 표시된 스프링 토크의 쿨롱 마찰로 인해 그 값이 증가한다. 밸브 위치 방향이 반대로 밸브를 잠그기 위한 것인 경우, 스프링 토크는 감소한다.As shown in FIG. 2, spring torque is differently generated according to the valve position direction. If the valve position direction is to open the valve, the spring torque is increased due to the Coulomb friction of the spring torque shown in equation (8). If the valve position direction is to close the valve in reverse, the spring torque decreases.

도 3은 각 위치에서의 마찰 토크가 거의 동일한 정지 마찰 토크를 가지고 있음을 보여준다. 또한, 역 방향의 정지 마찰은 정 방향의 값과는 다른 값을 가짐을 보여준다.3 shows that the friction torque at each position has almost the same static friction torque. Also, it shows that the static friction in the reverse direction has a different value from that in the forward direction.

쿨롱 마찰 토크는 간단한 원리로 계산될 수 있다. 예를 들어, 300 rpm에서의 토크 방정식은 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.Coulomb friction torque can be calculated on a simple basis. For example, the torque equation at 300 rpm can be expressed as Equation 12.

Figure 112019027432440-pat00015
Figure 112019027432440-pat00015

여기서,

Figure 112019027432440-pat00016
r2 는 300rpm의 각속도이다.here,
Figure 112019027432440-pat00016
r2 is an angular speed of 300 rpm.

정상 상태 조건이 쿨롱 마찰 토크를 식별하는 데에 효과적이면 관성에 대한 항은 무시될 수 있다. 수학식 12를 이용하면, 쿨롱 마찰 토크를 획득하기 위한 4의 과정에서 나타나는 토크의 차이는 수학식 13과 같이 계산될 수 있다.The term for inertia can be neglected if steady-state conditions are effective in identifying Coulomb friction torque. When using Equation 12, the difference in torque appearing in the process of 4 for obtaining the Coulomb friction torque can be calculated as in Equation 13.

Figure 112019027432440-pat00017
Figure 112019027432440-pat00017

여기서,

Figure 112019027432440-pat00018
r1 은 100rpm의 각속도이다.here,
Figure 112019027432440-pat00018
r1 is an angular speed of 100 rpm.

상기 설명한 바와 같이, 위치가 일치하면 스프링 토크는 속도의 영향을 받지 않는다. 등속 운전 중에는 정지 마찰 토크는 무효하므로 수학식 13을 수학식 14와 같이 간단히 나타낼 수 있다.As described above, if the positions match, the spring torque is not affected by the speed. Since the static friction torque is invalid during the constant speed operation, Equation 13 can be simply expressed as Equation 14.

Figure 112019027432440-pat00019
Figure 112019027432440-pat00019

쿨롱 마찰이 속도에 비례하면, 쿨롱 마찰 이득과 속도로 나타낼 수 있다. 쿨롱 마찰 이득이 쿨롱 마찰을 단순화하기 위해 모든 위치와 거의 동일하다 가정하면 수학식 14는 수학식 15로 나타낼 수 있다.If coulomb friction is proportional to velocity, it can be expressed as coulomb friction gain and velocity. Equation (14) can be expressed as Equation (15), assuming that the Coulomb friction gain is almost equal to all positions to simplify the Coulomb friction.

Figure 112019027432440-pat00020
Figure 112019027432440-pat00020

여기서, B는 쿨롱 마찰 이득을 의미한다. 실시예에서는 스트리벡 속도 이상에서 쿨롱 마찰이 발생한다 가정하도록 한다.Here, B means Coulomb friction gain. In the embodiment, it is assumed that coulomb friction occurs above the Strebeck speed.

도 4는 정지 마찰 토크의 측정을 보여준다.4 shows the measurement of static friction torque.

녹색은 전류, 보라색은 속도, 파란색은 위치를 나타낸다.Green indicates current, purple indicates speed, and blue indicates position.

도시된 바와 같이, 정지 마찰을 극복하기 위해 전류가 증가하고, 밸브의 위치는 움직이지 않는다. 전류가 도 4에 표시된 지점에 도달하면 생성된 토크가 정지 토크를 초과하므로 밸브가 움직이지 시작하는데, 정지 마찰 토크와 쿨롱 마찰 토크의 차이가 큰 경우 속도가 급격히 증가한다. 실시예에서, 제어 속도는 스트리벡 속도인 20rpm이며, 해당 속도에서 쿨롱 마찰 토크는 0.8A이다. 정지 마찰 토크는 10.4A이므로, 정지 마찰 토크가 쿨롱 마찰 토크의 10배를 초과함을 의미한다. 이러한 마찰 토크의 차이에 의해 물리적인 위치 제어 진동이 발생할 수 있다.As shown, the current increases to overcome static friction, and the position of the valve does not move. When the current reaches the point indicated in Fig. 4, the generated torque exceeds the stop torque, and the valve starts to move, but the speed increases rapidly when the difference between the stop friction torque and the Coulomb friction torque is large. In the embodiment, the control speed is a Strebeck speed of 20 rpm, and the coulomb friction torque at that speed is 0.8 A. Since the static friction torque is 10.4 A, it means that the static friction torque exceeds 10 times the Coulomb friction torque. Due to this difference in friction torque, physical position control vibration may occur.

도 5(a)는 기존의 제어 시스템을 도시하며 도 5(b)는 실시예의 위치 제어 방법을 적용한 제어 시스템을 도시하고 있다.5(a) shows a conventional control system, and FIG. 5(b) shows a control system to which the position control method of the embodiment is applied.

실시예에 따른 도 5(b)의 제어 시스템은 속도 제어기(Speed controller)를 구현하지 않는다. 속도 정보는 밸브 위치를 검출하기 위해 구현된 선형 위치 센서로부터 얻을 수 있으나, 선형 위치 센서의 동적(dynamic) 감지를 통해 모터 속도를 계산하기 어렵다. 또한 속도 정보는 위치 정보의 미분 요소이며, 노이즈를 줄이기 위해서는 필터가 필요하나 선형 위치 센서는 동적 특성이 느리므로 기 제한된 컨트롤러의 대역폭을 악화시킬 수 있다. 위치 오차의 미분 요소를 획득하기 어렵기 때문에 실시예에서 D 제어기는 사용되지 않는다.The control system of FIG. 5(b) according to the embodiment does not implement a speed controller. The speed information can be obtained from a linear position sensor implemented to detect the valve position, but it is difficult to calculate the motor speed through dynamic sensing of the linear position sensor. In addition, the speed information is a differential element of the position information, and a filter is required to reduce noise, but the linear position sensor has a slow dynamic characteristic, which can deteriorate the bandwidth of the limited controller. The D controller is not used in the embodiment because it is difficult to obtain the differential component of the position error.

실시예에서 도 5(b)의 제어 시스템은 PI 제어기를 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서는 일반적인 PI 제어기의 성능을 개선하는 방법에 대해서 설명하도록 한다.In an embodiment, the control system of FIG. 5(b) may include a PI controller. Hereinafter, a method of improving the performance of a general PI controller will be described.

실시예에 의한 위치 제어 전달 함수는 수학식 16으로 표현할 수 있다.The position control transfer function according to the embodiment may be expressed by Equation (16).

Figure 112019027432440-pat00021
Figure 112019027432440-pat00021

전류 제어기의 제어 동적은 위치 제어기보다 훨씬 빠르며, 전류 제어기의 전달 함수 Gc(s)는 위치 제어의 시점에서 1에 근접할 수 있다. 스프링 부하 토크가 피드 포워드 경로에 의해 완전히 보상된 것으로 가정하면, 수학식 17과 같이 위치 제어 전달 함수를 표현할 수 있다.The control dynamic of the current controller is much faster than that of the position controller, and the transfer function Gc(s) of the current controller can approach 1 at the time of position control. Assuming that the spring load torque is completely compensated by the feed forward path, the position control transfer function can be expressed as in Equation 17.

Figure 112019027432440-pat00022
Figure 112019027432440-pat00022

여기서, km는 kt / J이다. 해당 전달 함수를 최종 값 정리(final value theorem)에 적용하면, 수학식 18과 같이 계단 응답(step response)의 오차를 구할 수 있다.Here, k m is k t / J. If the transfer function is applied to the final value theorem, the error of the step response as in Equation 18 can be obtained.

Figure 112019027432440-pat00023
Figure 112019027432440-pat00023

상기 식에서 위치 제어를 위한 PI 제어기는 정상 상태(steady state)에서 오차가 발생할 수 있다. 해당 오차는 히스테리시스 제어(hysteresis control)로부터 유도된다. 실시예에 따른 제어 방법은 오차의 허용 범위가 실용 가능한 범위로 설정할 수 있다. 선형 위치가 경계 내로 진입하는 것을 감지하는 경우, 타이머가 활성화되어 해당 위치가 경계 내에 안정적으로 위치하는지 일시적으로 위치하는지를 관찰할 수 있으며, 실시예에서 이를 관찰하는 데에 소요되는 시간은 200ms이다.In the above equation, the PI controller for position control may generate an error in a steady state. The corresponding error is derived from hysteresis control. In the control method according to the embodiment, an allowable range of errors may be set to a practical range. When detecting that the linear position enters the boundary, a timer is activated to observe whether the position is stably or temporarily located within the boundary, and the time required to observe this in the embodiment is 200 ms.

도 6은 실시예에 따른 위치 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method for controlling a position according to an embodiment.

단계(610)에서 위치 제어기는, P 제어기의 출력 및 I 제어기의 출력을 획득한다.In step 610, the position controller obtains the output of the P controller and the output of the I controller.

실시예에서, P 제어기의 출력은 미리 설정된 기준 위치를 기준으로 실시간으로 감지되는 위치에 대한 출력, I 제어기의 출력은 미리 설정된 기준 위치와 실시간으로 감지되는 위치의 오차를 누적하는 값을 의미한다.In an embodiment, the output of the P controller is an output for a position detected in real time based on a preset reference position, and the output of the I controller means a value that accumulates errors between a preset reference position and a position detected in real time.

단계(620)에서 위치 제어기는, 미리 정해진 기준 위치의 오차에 대한 허용 범위를 기준으로, P 제어기의 출력의 위치 오차를 감지한다.In step 620, the position controller detects the position error of the output of the P controller based on the allowable range for the error of the predetermined reference position.

단계(630)에서 위치 제어기는, P 제어기의 출력의 위치 오차가 허용 범위의 경계에 도달한 경우, I 제어기의 이득(Gain)을 미리 정해진 값(예를 들어, 최소값)으로 설정한다.In step 630, the position controller sets the gain of the I controller to a predetermined value (for example, a minimum value) when the position error of the output of the P controller reaches the boundary of the allowable range.

실시예에서, P 제어기의 출력의 위치 오차가 허용 범위 내에 있는 경우, I 제어기의 이득을 수정하지 않을 수 있다.In an embodiment, if the position error of the output of the P controller is within an allowable range, the gain of the I controller may not be corrected.

단계(640)에서 위치 제어기는, P 제어기의 출력 및 I 제어기의 설정된 이득에 의한 출력을 이용하여 위치 제어 전달 함수를 출력한다.In step 640, the position controller outputs the position control transfer function using the output of the P controller and the output by the set gain of the I controller.

실시예에서 출력되는 위치 제어 전달 함수는 도 2 또는 도 3과 같이 모델링된 스프링 토크 또는 쿨롱 마찰의 모델에 결합되어 전류 지령으로 활용될 수 있다.The position control transfer function output in the embodiment may be utilized as a current command in combination with a model of spring torque or coulomb friction modeled as in FIG. 2 or 3.

도 7은 실시예의 PI 제어기의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.7 is a graph for explaining the operation of the PI controller of the embodiment.

도 7(a)는 기준 위치 및 허용 범위를 도시한 그래프이다.7(a) is a graph showing a reference position and an allowable range.

도 7(b)는 기존의 PI 제어기의 출력 및 실시예의 PI 제어기의 출력을 비교하기 위한 그래프이다.7(b) is a graph for comparing the output of the existing PI controller and the output of the PI controller of the embodiment.

도 7(c)는 스트리벡 속도에서의 현상을 설명하기 위한 그래프이다.Fig. 7(c) is a graph for explaining the phenomenon at the Strebeck speed.

도 7(a)를 참조하면, 실시간 감지되는 위치가 위치 기준에 도달하면 P 제어기의 출력은 감소하며, 전류 및 모터의 속도 또한 감소하게 된다.Referring to FIG. 7(a), when the real-time sensed position reaches the position reference, the output of the P controller decreases, and the current and the speed of the motor also decrease.

실시예에서, 도 7(c)에 도시된 바와 같이 속도가 쿨롱 마찰에서 정지 마찰이 적용되는 스트리벡 속도에 도달하게 되면 정지 마찰 토크가 전체 부하 토크에 영향을 미치게 되고 모터의 전류가 정지 마찰 토크를 극복하지 못하는 경우 모터가 정지할 수 있다.In an embodiment, as shown in Fig. 7(c), when the speed reaches the Strebeck speed to which static friction is applied in Coulomb friction, the static friction torque affects the total load torque and the motor current is static friction torque. If it cannot be overcome, the motor may stop.

이때 도 7(b)를 참조하면, P 제어기의 출력은 위치는 모터가 정지하는 시점을 기준으로 일정하게 유지되지만 I 제어기는 감지된 위치가 정확하지 않을 경우 작은 위치 오차를 누적 기록한다. 스트리벡 속도에서 모터가 급격히 정지하면서 전류가 정지 마찰 토크를 초과하고, 도 4에 도시된 바와 같이 급격한 속도 변화에 의한 위치 진동이 발생될 수 있다.At this time, referring to FIG. 7(b), the output of the P controller remains constant based on the point at which the motor stops, but the I controller cumulatively records a small position error when the detected position is not correct. As the motor stops abruptly at the Strebeck speed, the current exceeds the stationary friction torque, and position vibration due to a rapid speed change may occur as shown in FIG. 4.

일반적인 PI 제어를 적용하게 되면, I 제어기로부터 출력되는 작은 오차가 시간이 지남에 따라 누적되므로 PI 제어기로부터 출력되는 값은 계속 증가할 수 있다.When general PI control is applied, the small error output from the I controller accumulates over time, so the value output from the PI controller can continue to increase.

실시예에서 제안하는 PI 제어 방법은 P 제어기의 출력이 허용 범위의 경계에 도달하면 도 8에 도시된 바와 같이 I 제어기의 이득을 최소 값으로 조절함으로써 I 제어기를 비활성화할 수 있다. 예를 들어, 도 8과 같이 I 제어기의 이득을 0에 가깝도록 설정할 수 있다. 앞서 설명하다시피, I 제어기는 위치 진동의 원인이 되고, 실시간 위치가 허용 범위 내에 위치하므로, 허용 경계에서 P 제어기의 출력만을 출력으로 이용함으로써 허용 오차 내에서 적절한 제어 성능을 제공하는 위치 제어 방법을 제공할 수 있다.In the PI control method proposed in the embodiment, when the output of the P controller reaches the boundary of the allowable range, the I controller can be deactivated by adjusting the gain of the I controller to a minimum value as shown in FIG. 8. For example, as shown in FIG. 8, the gain of the I controller can be set to be close to zero. As described above, since the I controller causes the position vibration and the real-time position is within the allowable range, a position control method that provides proper control performance within the tolerance by using only the output of the P controller at the allowable boundary as an output Can provide.

실시예의 PI 제어기의 출력은 도 7(b)를 참조할 수 있다.The output of the PI controller of the embodiment may refer to FIG. 7(b).

도 9는 실시예에 따른 위치 제어 방법을 수행하는 위치 제어기(900)를 설명하기 위한 도면이다.9 is a view for explaining a position controller 900 performing a position control method according to an embodiment.

위치 제어기(900)는, 실시예에서, 메모리(610)와 하나 이상의 프로세서(620)를 포함하여 구성될 수 있으며, 메모리(610)에 저장되어 프로세서(620)를 통해 실행되는 하나 이상의 프로그램을 통해 아래의 위치 제어 방법을 수행하는 위치 제어기(900)가 제공될 수 있다.The location controller 900 may be configured to include, in an embodiment, a memory 610 and one or more processors 620, through one or more programs stored in the memory 610 and executed through the processor 620. A position controller 900 that performs the following position control method may be provided.

실시예에서, 위치 제어기(900)는 P 제어기의 출력 및 I 제어기의 출력을 획득한다.In an embodiment, the position controller 900 obtains the output of the P controller and the output of the I controller.

실시예에서, P 제어기의 출력은 미리 설정된 기준 위치를 기준으로 실시간으로 감지되는 위치에 대한 출력, I 제어기의 출력은 미리 설정된 기준 위치와 실시간으로 감지되는 위치의 오차를 누적하는 값을 의미한다.In an embodiment, the output of the P controller is an output for a position detected in real time based on a preset reference position, and the output of the I controller means a value that accumulates errors between a preset reference position and a position detected in real time.

위치 제어기(900)는, 미리 정해진 기준 위치의 오차에 대한 허용 범위를 기준으로, P 제어기의 출력의 위치 오차를 감지한다.The position controller 900 detects the position error of the output of the P controller based on the allowable range for the error of the predetermined reference position.

또한, 위치 제어기(900)는, P 제어기의 출력의 위치 오차가 허용 범위의 경계에 도달한 경우, I 제어기의 이득(Gain)을 최소값으로 설정한다.In addition, the position controller 900 sets the gain of the I controller to a minimum value when the position error of the output of the P controller reaches the boundary of the allowable range.

실시예에서, P 제어기의 출력의 위치 오차가 허용 범위 내에 있는 경우, I 제어기의 이득을 수정하지 않을 수 있다.In an embodiment, if the position error of the output of the P controller is within an allowable range, the gain of the I controller may not be corrected.

단계(640)에서 위치 제어기는, P 제어기의 출력 및 I 제어기의 설정된 이득에 의한 출력을 이용하여 위치 제어 전달 함수를 출력한다.In step 640, the position controller outputs the position control transfer function using the output of the P controller and the output by the set gain of the I controller.

실시예에서, 속도가 쿨롱 마찰에서 정지 마찰이 적용되는 스트리벡 속도에 도달하게 되면 정지 마찰 토크가 전체 부하 토크에 영향을 미치게 되고 모터의 전류가 정지 마찰 토크를 극복하지 못하는 경우 모터가 정지하는데, P 제어기의 출력은 위치는 모터가 정지하는 시점을 기준으로 일정하게 유지되지만 I 제어기는 감지된 위치가 정확하지 않을 경우 작은 위치 오차를 누적 기록한다. 스트리벡 속도에서 모터가 급격히 정지하면서 전류가 정지 마찰 토크를 초과하고, 급격한 속도 변화에 의한 위치 진동이 발생될 수 있다. 따라서, P 제어기의 출력의 위치 오차가 허용 범위 내에 있는 경우 일반적인 PI 제어기의 출력을 획득하며, P 제어기의 출력의 위치 오차가 허용 범위의 경계에 도달한 경우, I 제어기의 이득(Gain)을 최소값으로 설정함으로써 P 제어기의 출력만을 획득함으로써 허용 오차 내에서 적절한 제어 성능을 제공하는 위치 제어 방법을 제공할 수 있다.In an embodiment, when the speed reaches the Strebeck speed to which static friction is applied in Coulomb friction, the static friction torque affects the overall load torque and the motor stops when the motor current does not overcome the static friction torque. The output of the P controller remains constant based on when the motor stops, but the I controller accumulates a small position error when the detected position is not correct. The current may exceed the static friction torque while the motor suddenly stops at the Strebeck speed, and positional vibration may occur due to the rapid speed change. Therefore, when the position error of the output of the P controller is within the allowable range, the output of the general PI controller is obtained, and when the position error of the output of the P controller reaches the boundary of the allowable range, the gain of the I controller is the minimum value. By setting to, it is possible to provide a position control method that provides proper control performance within the tolerance by acquiring only the output of the P controller.

실시예에서 출력되는 위치 제어 전달 함수는 도 2 또는 도 3과 같이 모델링된 스프링 토크 또는 쿨롱 마찰의 모델에 결합되어 전류 지령으로 활용될 수 있다.The position control transfer function output in the embodiment may be utilized as a current command in combination with a model of spring torque or coulomb friction modeled as in FIG. 2 or 3.

도 10은 실시예에 대한 실험을 위한 세팅을 도시한 것이다.10 shows the settings for the experiment for the Examples.

실시예에서, 위치 제어 방식의 비교를 위해 고성능의 DSP 보드(1010)인 TMS320F28335가 사용될 수 있고, 기계식 밸브 시스템(1020)과 연결되어 성능이 측정된다. 실시예에서, 속도 센서는 시스템(1020)에서 즉각적으로 구현될 수 있다. 실시예에서, 전류 제어기의 샘플링 주파수와 스위칭 주파수는 20kHz로 설정될 수 있고, 위치 제어 주파수는 2kHz로 설정될 수 있다.In an embodiment, a TMS320F28335, a high-performance DSP board 1010, may be used for comparison of the position control method, and performance is measured in connection with a mechanical valve system 1020. In an embodiment, the speed sensor can be implemented immediately in the system 1020. In an embodiment, the sampling frequency and switching frequency of the current controller may be set to 20 kHz, and the position control frequency may be set to 2 kHz.

모터의 파라미터는 아래의 표 1과 같다.The motor parameters are shown in Table 1 below.

ParametersParameters ValueValue UnitUnit Rated PowerRated Power 200200 [W][W] Input voltageInput voltage 1212 [V][V] Max. CurrentMax. Current 2020 [A][A] Rated SpeedRated Speed 500500 [rpm][rpm]

도 11은 위치 동적 응답(Position dynamic response)에 대한 그래프이다.11 is a graph for position dynamic response.

도 11(a)는 10 % 위치 기준이 적용되는 경우, 도 11(b)는 100 % 위치 기준이 적용되는 경우에 대한 것이다.11(a) shows a case where a 10% position criterion is applied, and FIG. 11(b) shows a case where a 100% position criterion is applied.

높은 정지 마찰 토크로 인해, 위치 오차가 작은 경우, I 컨트롤러는 정지 마찰 토크에 대해 적절한 토크를 위한 출력을 생성하는 데에 약간의 시간이 소요된다. 가장 작은 위치 기준이 적용될 때 최대 허용 제어 응답 시간을 고려하여 이득을 설정할 수 있다.Due to the high static friction torque, if the position error is small, the I controller takes some time to generate an output for the proper torque for the static friction torque. When the smallest position criterion is applied, the gain can be set considering the maximum allowable control response time.

도시된 바와 같이, 10% 기준이 적용되면, 정지 마찰 토크로 인해 100% 기준이 적용될 결과보다 제어 응답 시간이 길어진다. 한편, 오버슛(overshoot) 제한으로 인해, 해당 제어 이득을 무한대로 증가시킬 수 없으므로, 제어 이득의 설정은 응답 시간과 오버슛 이 두가지 측면을 고려하여 절충할 수 있다.As shown, when the 10% criterion is applied, the control response time is longer than the result to which the 100% criterion is applied due to the static friction torque. On the other hand, due to the overshoot (overshoot) limit, the control gain can not be increased to infinity, the setting of the control gain can be compromised considering the two aspects of response time and overshoot.

도 12는 기존의 위치 제어 방법 및 실시예에 의한 위치 제어 방법의 성능을 비교하기 위한 그래프이다.12 is a graph for comparing the performance of a conventional position control method and a position control method according to an embodiment.

도 12(a)는 기존의 위치 제어 방법에 관한 것이고, 도 12(b)는 실시예에 대한 위치 제어 방법에 관한 결과이다.Fig. 12(a) relates to an existing position control method, and Fig. 12(b) shows a result of a position control method for an embodiment.

도시된 바와 같이, 정지 마찰 및 쿨롱 마찰 토크의 큰 차이로 인해 기존의 PI 제어 방법으로는 제어되는 위치가 진동한다. 순방향으로 전류가 2.5A에 도달할 때까지 정지 마찰 토크가 움직임에 저항하므로 위치 이동은 거의 없으나 전류가 10A 이상이므로 급격한 마찰로 인해 위치가 진동할 수 있다. 역방향 시에도 마찬가지로 진동이 발생할 수 있다. 이는 I 제어기로부터 발생하는 작은 위치 오차의 누적으로 인한 것이다.As shown, due to the large difference between static friction and coulomb friction torque, the controlled position vibrates with the existing PI control method. Since the static friction torque resists movement until the current reaches 2.5A in the forward direction, there is little position movement, but since the current is more than 10A, the position may vibrate due to sudden friction. Vibration may also occur in the reverse direction. This is due to the accumulation of small position errors from the I controller.

실시예를 통해 제안된 PI 제어기는 허용 오차 범위 내에 위치 오차가 통합되므로 허용 범위 이상의 오차가 발생하지 않는다. 실시예의 실험에 의하면, 안정적인 제어가 가능한 밸브 위치는 83.4%이며, 해당 기준에서 3.4%의 오차를 가진다.The PI controller proposed through the embodiment does not generate an error beyond the allowable range because the position error is integrated within the allowable error range. According to the experiment of the embodiment, the valve position capable of stable control is 83.4%, and has an error of 3.4% in the corresponding standard.

실시예와 같은 차량 밸브 시스템에 사용될 수 있는 비용측면에서 효과적이고 응답이 빠른 위치 제어 방법을 제안할 수 있다. 저비용 기계 시스템은 정지 마찰과 쿨롱 마찰의 차이가 크기 때문에 기존 선형 제어기에서는 제어 성능이 저하되나 실시예에 의한 제어 방법으로는 I 제어기의 허용 경계와 선택 가능한 동작이 허용 오차를 갖는 적절한 제어 성능을 제공할 수 있다.It is possible to propose a position control method that is effective and quick in terms of cost that can be used in a vehicle valve system such as the embodiment. In a low-cost mechanical system, since the difference between static friction and Coulomb friction is large, the control performance is deteriorated in the existing linear controller, but in the control method according to the embodiment, the allowable boundary and selectable motion of the I controller provide appropriate control performance with tolerance. can do.

이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The embodiments described above may be implemented as hardware components, software components, and/or combinations of hardware components and software components. For example, the devices, methods, and components described in the embodiments include, for example, processors, controllers, arithmetic logic units (ALUs), digital signal processors (micro signal processors), microcomputers, and field programmable gates (FPGAs). It can be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as arrays, programmable logic units (PLUs), microprocessors, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may run an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of the software. For convenience of understanding, a processing device may be described as one being used, but a person having ordinary skill in the art, the processing device may include a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. In addition, other processing configurations, such as parallel processors, are possible.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instruction, or a combination of one or more of these, and configure the processing device to operate as desired, or process independently or collectively You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device, or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. , Or may be permanently or temporarily embodied in the transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems, and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored in one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiments or may be known and usable by those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. Includes hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.As described above, although the embodiments have been described by the limited drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (10)

위치 제어기에서 수행되는 위치 제어 방법에 있어서,
P 제어기의 출력 및 I 제어기의 출력을 획득하는 단계;
미리 정해진 기준 위치의 오차에 대한 허용 범위를 기준으로, 상기 P 제어기의 출력의 위치 오차를 감지하는 단계;
상기 위치 오차가 상기 허용 범위의 경계에 도달한 경우, 상기 I 제어기의 이득(Gain)을 미리 정해진 값으로 설정하는 단계; 및
상기 P 제어기의 출력 및 상기 I 제어기의 설정된 이득에 의한 출력을 이용하여 위치 제어 전달 함수를 출력하는 단계
를 포함하는,
위치 제어 방법.
In the position control method performed in the position controller,
Obtaining the output of the P controller and the output of the I controller;
Detecting a position error of the output of the P controller based on an allowable range for an error of a predetermined reference position;
Setting the gain of the I controller to a predetermined value when the position error reaches the boundary of the allowable range; And
Outputting a position control transfer function using the output of the P controller and the output of the set gain of the I controller.
Containing,
Position control method.
제1항에 있어서,
상기 미리 정해진 값은
상기 I 제어기의 이득을 감소시키는 값인,
위치 제어 방법.
According to claim 1,
The predetermined value is
A value that reduces the gain of the I controller,
Position control method.
제1항에 있어서,
상기 위치 오차가 상기 허용 범위 내인 경우, 상기 I 제어기의 이득(Gain)을 유지하는 단계
를 더 포함하는,
위치 제어 방법.
According to claim 1,
Maintaining the gain of the I controller when the position error is within the allowable range
Further comprising,
Position control method.
제1항에 있어서,
상기 위치 전달 함수는, 전류 지령으로 모델링되는,
위치 제어 방법.
According to claim 1,
The position transfer function is modeled by current command,
Position control method.
제1항에 있어서,
상기 위치 제어기에 적용되는 마찰 토크는
제어 대상 시스템에 포함된 기어 및 조인트의 쿨롱 마찰 토크;
상기 기어 및 조인트의 정지 마찰 토크; 및
스트리벡 속도
중 적어도 하나에 기초하여 모델링되는,
위치 제어 방법.
According to claim 1,
The friction torque applied to the position controller is
Coulomb friction torque of gears and joints included in the controlled system;
Static friction torque of the gear and joint; And
Strebeck speed
Modeled based on at least one of the
Position control method.
제5항에 있어서,
상기 위치 제어기에 적용되는 마찰 토크는
Figure 112019027432440-pat00024

-T ge _ col 는 기어 및 조인트의 쿨롱 마찰 토크이고, T ge _ sta 는 기어 및 조인트의 정지 마찰 토크이며,
Figure 112019027432440-pat00025
s 는 스트리벡 속도이고,
Figure 112019027432440-pat00026
r 는 현재 속도임-
으로 모델링되는,
위치 제어 방법.
The method of claim 5,
The friction torque applied to the position controller is
Figure 112019027432440-pat00024

-T ge _ col is coulomb friction torque of gear and joint, T ge _ sta is static friction torque of gear and joint ,
Figure 112019027432440-pat00025
s is the Strebeck speed ,
Figure 112019027432440-pat00026
r is the current speed
Modeled as,
Position control method.
하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
A computer program stored in a computer readable recording medium in combination with hardware to execute the method of claim 1.
하나 이상의 프로세서;
메모리; 및
상기 메모리에 저장되어 있으며 상기 하나 이상의 프로세서에 의하여 실행되도록 구성되는 하나 이상의 프로그램을 포함하고,
상기 프로그램은,
P 제어기의 출력 및 I 제어기의 출력을 획득하는 단계;
미리 정해진 기준 위치의 오차에 대한 허용 범위를 기준으로, 상기 P 제어기의 출력의 위치 오차를 감지하는 단계;
상기 위치 오차가 상기 허용 범위의 경계에 도달한 경우, 상기 I 제어기의 이득(Gain)을 미리 정해진 값으로 설정하는 단계; 및
상기 P 제어기의 출력 및 상기 I 제어기의 설정된 이득에 의한 출력을 이용하여 위치 제어 전달 함수를 출력하는,
위치 제어기.
One or more processors;
Memory; And
One or more programs stored in the memory and configured to be executed by the one or more processors,
The above program,
Obtaining the output of the P controller and the output of the I controller;
Detecting a position error of the output of the P controller based on an allowable range for an error of a predetermined reference position;
Setting the gain of the I controller to a predetermined value when the position error reaches the boundary of the allowable range; And
Outputting the position control transfer function using the output of the P controller and the output of the set gain of the I controller,
Position controller.
제8항에 있어서,
상기 미리 정해진 값은
상기 I 제어기의 이득을 감소시키는 값인,
위치 제어기.
The method of claim 8,
The predetermined value is
A value that reduces the gain of the I controller,
Position controller.
제8항에 있어서,
상기 프로그램은,
상기 위치 오차가 상기 허용 범위 내인 경우, 상기 I 제어기의 이득(Gain)을 유지하는,
위치 제어기.
The method of claim 8,
The above program,
Maintaining the gain of the I controller when the position error is within the allowable range,
Position controller.
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