KR0131413B1

KR0131413B1 - 교습용 d/c 서보 모터 제어 교육장치

Info

Publication number: KR0131413B1
Application number: KR1019950003357A
Authority: KR
Inventors: 김철현
Original assignee: 김철현
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 1998-04-11
Also published as: KR960032266A

Abstract

본 발명은 대학교의 기초 공학과정 및 공고나 전문기술 훈련원의 학생들이 서보 메카니즘에 대한 실험 실습을 통해 서보 모터의 특성을 보다 체계적이고 효과적으로 이해하며 학습할 수 있는 교습용 서보 시스템을 제공함에 그 목적이 있는 것으로, D/C 서보 모터 제어 시스템에 있어서, 서보 구동부와 상기 서보 구동부를 제어하는 서보 컨트롤러가 각각 설치되는 판넬상면에는 일측에 인코더(Encoder)가 접속되고 타측에는 커플링으로 연결되는 브레이크장치를 가지는 D/C 서보 모터를 설치하여 서보 컨트롤러에 의해 비례 제어되는 서보 모터의 동작 및 제어상태를 학습자가 눈으로 직접확인 하도록 함으로써 실질적인 실험, 실습교육을 통해 교육효과를 극대화 시킬 수 있도록 한 것임.

Description

교습용 D/C 서보 모터 제어 교육장치

제1도는 본 발명에 따른 교습용 D/C 서보 모터 교육장치의 일예시도,

제2도는 본 장치에 사용되는 서보 구동기의 블럭도.

＊ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 시스템 본체 2 : 서보 구동부

3 : 서보 컨트롤러 4 : 인코더(Encoder)

5 : 커플링 6 : 브레이크 장치

7 : D/C 서보 모터

본 발명은 D/C 서보(SERVO) 모터 메카니즘에 대하여 폭 넓게 이해할 수 있는 교습용 D/C 서보 모터(SERVO MOTOR) 제어 교육장치를 제공 하고자 하는 것이다.

D/C 서보 모터(SERVO MOTOR)는 전기 에너지를 기계 에너지로 전환하는 장치로서, 메카트로닉스 시대의 서보 메카니즘은 로보트, 사무기기, 측정장비, 기기공구, 군사장비, 항공기 및 F.A분야에 채택 지금까지 여러 분야에서 널리 사용되고 있는 추세로서 좀더 콤팩트하고 경량, 고출력을 내게 하자는 것이 시대적인 요구이며, 현재 공학계에서 가장 폭넓게 사용되는 전동기이다.

이러한 D/C 서보 모터는 다음과 같은 장점 때문에 광범위하게 사용되고 있다.

1) 구동제어가 아주 간단하다.

2) 효율이 높다.

3) 속도반응이 빠르다.

4) Twisting force가 크다.

5) 소형, 경량화로 체적이 작다.

6) 직선성이 양호하고 동작이 안정되어 설계 및 제어를 쉽게 분석할 수 있어 신뢰도가 높다.

따라서 D/C 서보 모터의 폭 넓은 응용을 위해서는 서보 모터의 제어(SERVO MOTOR CONTROL) 교육이 상당히 중요하며, 특히 대학교의 기초 공학과정, 공고나 전문기술 훈련원의 학생들이 SERVO 메카니즘을 효과적으로 배우고 이해하기 위해서는 서보 모터 제어 교육훈련 시스템이 필요하다.

이를 위해서는 PWM 서보 구동기의 제어 기술은 DC 서보 모터의 탁월한 서보 특성을 만족하여야 하고, DC 서보 모터 제어 시스템의 기초원리부터 시스템 설계에 필요한 많은 실험(15가지 실험정도)이 가능하여야 한다. 또한 시스템의 소프트 웨어(SOFT WARE)는 신호발생기와 오실로스코프 기능을 수행하여야 하고, 메뉴-드라이번(MENU-DRIVEN)방식으로 교육에 용이하여야 한다. 그리고 RELL TIME ON LINE 컴퓨터 제어로 교육과 학습하는데 실질적이고 효과적이어야 한다.

이에 본 발명은 상술한 바와 같은 제반 문제점을 감안 해소하기 위해 대학교의 기초 공학과정 및 공고나 전문기술 훈련원의 학생들이 서보 메카니즘에 대한 실험 실습을 통해 서보 모터의 특성을 보다 체계적이고 효과적으로 이해하며 학습할 수 있는 교습용 서보 시스템을 제공함에 그 목적이 있다. 상기 목적을 이루기 위해 서보 모터 제어 시스템에 있어서, 서보 구동부와 상기 서보 구동부를 제어하는 서보 컨트롤러가 각각 설치되는 판넬상면에는 일측에 인코더(Encoder)가 접속되고 타측에는 커플링으로 연결되는 브레이크장치를 가지는 D/C 서보 모터를 설치하여 서보 컨트롤러에 비례 제어되는 D/C 서보 모터의 동작 및 제어 상태를 학습자가 눈으로 직접 확인 하도록 함으로써 실질적인 실험실습을 통해 교육효과를 극대화 할 수 있는 서보 제어 교습장치를 제공하고자 한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 교습용 서보 모터 제어 교육장치의 바람직한 일실시예를 첨부된 예시 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 따른 교습용 서보 모터 제어 교육장치의 일예시 사시도를 나타내고 있는 것으로서, 본 발명은 서보 모터 제어 시스템에 있어서, 상기 시스템 본체(1)에 서보 구동부(2)와 상기 서보 구동부(2)를 제어하는 서보 컨트롤러(3)가 부설되는 본체(1)의 판넬(10)상면에 일측에 인코더(4:Encoder)가 연결되고 타측에는 커플링(5)으로 연결되는 브레이크장치(6)를 가지는 서보 모터(7)를 설치하여 학습자가 판넬(10)의 상면에 설치되는 서보 모터(7)의 동작 및 제어상태를 직접 확인할 수 있도록 하는데 그 특징이 있는 것이다.

또한 시스템의 소프트 웨어(SOFT WARE)에 신호발생기와 오실로스코프 기능을 포함시켜 별도의 장비없이 완벽한 기능을 수행할 수 있도록 하였다.

서보 모터 제어 시스템은 자동 제어계(Close-loop control system:閉-loop 制御係)에 포함되어 있는 서보 콘트롤러(Controller), 전동기, 프로세스(Process:Motor) 및 피이드 백(Feedback)으고 되어있다. 상기 서보시스템의 프로세스는 PM DC 서보 모터로 하고, 피이드 백은 증분(增分) 엔코더(Incremental Encoder), 콘트롤러 부분은 일반 PC와 동시 제어 시뮬레이션 시스템 MBSP 프로그램(Program) 이다.

DC 서보 모터의 회전속도 또는 위치제어의 서보 계통에서 DC 서보 모터는 프로세스로서 작용하고 회전속도는 위치제어시 많은 종류의 피이드 백을 사용하지만 DC 태코제너레이터(Tachometer Generator)의 동작원리는 발전기와 같다. 즉 기계적인 힘을 공급하면 그 회전속도에 비례한 전압이 출력된다. DC 발전기와 DC 모터의 동작원리는 그대로 태코제너레이터에도 적용되므로 소형의 DC 발전기나 모터를 보면 된다.

따라서 태코제너레이터는 항상 피이드 백 또는 속도량을 측정하는 요소로 동작시키게 되며, 일반적인 DC 발전기와 모터의 특성과 약간의 차이가 있다.

한편, 태코제너레이터의 응용 범위는 크게 3부분으로 나눌 수 있다.

첫번째 전통적인 용도로서 회전축의 회전속도를 읽어 태코제너레이터의 출력을 전압계에 연결시켜 rpm 단위로 표시된 눈금으로 회전속도를 나타내게 한다.

제2의 응용으로 DC 서보 모터의 회전속도 제어를 위한 태코제너레이터의 정밀도는 시스템(system)의 정밀도와 밀접한 관계가 있다.

제3응용으로는 DC 서보 모터의 위치제어를 위해 이너 루프(Inner Loop)의 프이드 백 요소로서 속도 피이드 백(Tachometer Feedback)은 여러가지 안정성을 개선시킨다.

태코제너레이터의 동작원리는 DC 모터나 제너레타(GENERATOR)와 같으면 출럭전압은 회전자의 회전속도와 비례한다. 태코제너레이터의 구조는 DC 모터와 같으므로 브러쉬(BRUSH)와 정류자(Commutator)로 펄스(Pulse)를 발생시킨다.

앞서 설명한 태코제너레이터는 펄스 파형이므로 양호한 제어효과를 얻기위해서는 리플(Ripple)파를 없애야 하므로 출력단에 캐패시타와 저항을 병열 연결한다.

DC 서보모터의 위치 제어를 위해 태코제너레이트 만으로는 피이드 백 을 얻을 수 없다.

DC 서보 모터의 속도와 위치제어를 위한 피이드 백 요소로 증분 인코더(Incremntal Encoder)가 있다. 이는 운동방식에 따라 직선운동방식의 Linear optical Encoder와 회전운동 방식의 로터리 증분 인코더(Rotary optical Encoder)로 분류한다.

로터리 증분 인코더는 절대 부호기(absolute Encoder)와 증분 인코더로 나눌 수 있으며 절대 부호기는 회전축의 각도(위치) 감측기로서 회전축의 각도(위치)의 절대값을 출력으로 낼수 있는 것으로서 사용중 정전등의 경우가 발생하여도 위치의 감지등이 변하지 않는 다는 장점이 있으나, 구조가 복잡하고 가격이 비싸며 체적이 크다는 단점이 있다.

반면 증분 인코더는 회전축 속도 변환이나 각도(위치)를 감지하기 위한 것으로 가장 큰 장점은 구조가 간단하고 가격이 싸며 체적이 적다는 것이나, 정전된 후 종전의 위치를 확인할 수 없는 단점이 있다. 90°위상차를 갖는 2상 Pluse파의 출력 증분 인코더는 A, B의 양개 출력이 90°위상차를 갖도록 엔코더를 회전축에 부착한 것으로 시계방향 및 반시계방향 회전시의 출력을 나타낸다. 로터리 증분 인코더의 A, B 두개의 출력 Pulse파의 위상차는 회전방향을 판별하게 한다.

가장 간단한 방법은 1개의 D Flip-Flop 회로에의 판별이다. 즉 Q 출력이 1인 경우 반시계방향으로 0인 경우 시계방향으로 회전한다.

회전축의 회전방향은 Digital 회로로 판별하게 된다. 회전축이 반시계방향으로 회전할때 Eccw에만 Pulse파 출력이 나오며 주파수와 증분 인코더의 출력 구형파는 상이 같다. 반대로 회전축이 시계방향으로 회전할때는 Ecw 에만 Pulse파 출력이 나오며 주파수와 증분 인코더 출력 Pulse파는 상이 같다. 이상에서 설명한 바와 같이 회전방향을 판단하는 것은 증분 인코더로 회전축의 각도 및 회전속도를 알아내는 것이다. 회전축의 각도를 어떻게 측정하는가의 가장 간단한 방법은 1개의 D 필립-플롭(Flip-Flop)과 1개의 Up/Down Counter 회로로 회전축 각도를 측정하는 것이다. 필립-플롭 회로는 회전축의 회전방향을 판단하여 Up/Down Counter로 Count Up 또는 Count Down의 동작을 제어한다. 만약 회전축이 반시계방향으로 회전할때는 Count up, 시계방향일때는 Count down한다. 증분 인코더 출력 1개 구형파는 회전에 대한 1개 고정 각도로서 누계된 펄스파의 수에 따라 회전각도를 알 수 있게 되는 것이다.

증분 인코더의 출력 A의 펄스로 각도를 계산하므로 각도의 측정 정확도는 교차한다. 만일 증분 인코더의 출력 A와 B의 펄스파를 티지탈 회로에 가하면, 측정정확도는 2배 또는 4배가 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 회전각도를 측정하는 것을 펄스타의 주파수로 회전속도를 환산할 수 있게 된다. DC서보 모터, 태코제너레이터와 증분 인코더의 동작원리를 설명했으나 DC 서보 모터 제어 가장 중요한 요소중의 하나가 서보 구동기이다.

일반적으로 제어기의 설계는 항상 비교적 낮은 출력의 전자회로를 채용하므로 DC 서보 모터를 직접 구동시킬 수 없다. 따라서 DC 서보 모터 제어시스템 가운데 DC 서보 모터는 없어서는 안될 요소인 것이다. DC 서보 모터를 구동시키기 위한 것이다.

DC 서보 구동부(Servo Driver) 크게 3가지로 분류된다.

(1) Linear Servo 증폭기

이 증폭기는 직선성이 양호하고 제어시스템의 분석 및 설계방법이 간단하다. 회로 출력은 전환효율이 불량하다.

(2) SCR, GTO, TRIAC 방식의 증폭기

이 증폭기는 직선성에 차이가 나고 따라서 시스템의 분석이 어렵다. 그러나 회로출력에서 전환효율이 양호하고 사용반도체에 전압 강하가 적다.

(3) IC 또는 Power MOSFET용 Switching이 방식은 구동회로가 복잡하지만 회로의 출력 소모가 작다.

본 발명에서와 같은 교육장치를 이용하여 실험할 수 있는 주요 실험 내용은 다음과 같다.

＜개방 loop(OPEN-C) 실험＞

스텝(step) 응답특성, 사인.구형.삼각파에 의한 제어, 충격 응답 특성, 원점 기억 회전각 제어, 메뉴얼+싸인(Sine)파.

＜위치제어(POSITION-1) 실험 ＞

비례제어, PID제어, STATE 피이드 백, FEEDFORWARD, 비직선성 제어(NOLINER CONTROL).

＜속도 제어(VELOCITY-1) 실험 ＞

비례제어, PID제어, STATE 피이드 백, FEEDFORWARD, 비직선성 제어(NOLINER CONTROL). 등 15가지 종류의 측정 및 실험 실습이 가능한 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 대학교의 기초 공학과정 및 공고나 전문기술 훈련원의 학생들이 서보 메카니즘에 대한 실험 실습을 통해 서보 모터의 특성을 보다 체계적이고 효과적으로 이해하며 학습할 수 있도록 하기 위새 서보 모터 제어 시스템에 있어서, 서보 구동부와 상기 서보 구동부를 제어하는 서보 컨트롤러가 각각 설치되는 판넬 상면에는 일측에 인코더가 연결되고 타측에는 커플링으로 연결되는 브레이크장치를 가지는 서보 모터를 설치하여 서보 컨트롤러에 의해 비례 제어되는 서보 모터의 동작 및 제어상태를 학습자가 눈으로 직접확인 하도록 함으로써 실질적인 실험 실습 교육을 통해 교육효과를 극대화 할 수 있는 이점이 있는 것이다.

Claims

서보 모터 제어 시스템에 있어서, 상기 시스템 본체(1)에 서보 구동부(2)와 상기 서보 구동부(2)를 제어하는 서보 컨트롤러(3)가 부설되는 본체(1)의 판넬(10)상면에 일측에 인코도(4:Encoder)가 접속되고 타측에는 커플링(5)으로 연결되는 브레이크장치(6)를 가지는 D/C 서보 모터(7)가 설치되고, 시스템의 소프트 웨어(SOFT WARE)에 신호발행기와 오실로 스코프 기능을 부가하여 판넬(10)의 상면에 설치되는 서보 모터(7)의 동작 및 제어상태를 학습자가 직접 바라보면서 실험할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 교습용 D/C 서보 모터 제어 교육장치