KR0144650B1 - 서보모터의 이상부하 검출 제어방법 - Google Patents

Abstract

이상부하가 검출될때에 기계에 부하가 지속하여 가해지지 않도록 서보모터를 제어하는 이상부하 검출제어 방법. 오브저버로 검출하는 부하토오크 Td2가 기준치 Ts이상이 되면 (S6), 플래그 F1을 「1」로 셋트한다(S7). 다음의 처리주기에서는, 플래그 F1이 「1」이고 플래그 F2가 「0」이기 때문에, 에러 레지스터 Er에 구동방향과는 역방향의 위치편차 A를 셋트하고 (S10, S11), 플래그 F2를 「1」로 셋트한다 (S12). 이하의 처리주기에서는, 에러레지스터 Er에서 위치의 피드백량 θ를 감하여 위치편차를 구하고 (S13), 이 위치편차에서 위치 및 속도루프의 처리를 한다 (S3, S4). 서보모터는 위치편차 A가 「0」이 될때까지 역전한후 정지한다.

Description

[발명의 명칭]

서보모터의 이상부하 검출제어방법

[기술분야]

본 발명은, 공작기계의 컷터나 로보트 아암등을 구동하는 서보모터에 가해지는 이상부하의 검출 및 이상부하가 검출될때의 서보모터의 제어방법에 관한 것이다.

[배경기술]

공작기계나 로보트등의 서보모터를 동력원으로하는 기계에 있어서, 컷터나 테이블과같은 공작기계의 가동부나 로보트 아암등이 장해물에 충돌할 때, 이들 가동부나 로보트 아암을 구동하는 서보모터가 이동지령에 따라 이동하려고 하여, 큰 토오크가 발생한다.

이 때문에 가동부나 로보트 아암에 과대한 힘이 가해지고 서보모터를 포함하는 구동기구가 손상되는 경우가 있다. 이와같은 사태를 방지하기 위하여, 서보모터에 가해지는 이상부하를 검출하고 이상부하가 검출될 때에 충돌이 발생한 것으로 판단하여 모터를 정지시키는 방법이 알려져 있다.

국제공개 WO91/10181 호에는 외란추정 오브저버에 의하여 외란토오크를 추정하고 이 추정외란 토오크와 설정치를 비교하여 이상부하를 검출하는 방법이 제안되어 있다.

종래의 방법에서는 이상부하가 검출될 때에, 속도지령을 「O」으로 하여 서보모터를 급정지시키도록 제어하고 있었다.

그러나, 이상부하가 검출될 때, 모터는 이미 외란 부하를 받고 있고, 기계는 탄성 변형하는 부위를 갖기 때문에, 모터가 이상부하 검출시에 즉시 정지해도, 모터는 기계를 누른채로, 즉시 기계에 탄성변형이 생긴 채로 정지하게 되고, 기계에는 부하가 가해진 상태가 지속되고, 그 결과, 공구나 기계의 구성부품을 손상시키게 된다.

[발명의 개시]

본 발명의 목적은, 이상부하가 검출 될때에, 기계에 부하가 가해지지 않도록 서보모터를 제어하므로서 공구나 기계의 구성부품의 손상을 방지하는데에 있다.

본 발명의 서보모터의 이상부하 검출제어 방법은, 서보모터의 구동제어중에 서보모터에 가해지는 이상부하를 검출하는 스텝과, 이상부하가 검출될 때, 상기 서보모터를 현재의 회전방향과는 반대 방향으로 소정량 회전시켜 정지 시키는 스텝을 구비한다.

본 발명의 방법에 의하면, 외란추정 오브저버에 의하여 서보모터가 받은 외란 토오크가 추정되고, 추정외란 토오크 값이 기준치 이상이 될 때에 이상부하가 검출된다. 또한 이상부하가 검출될 때에, 현재의 진행방향과는 반대방향의 소정의 위치 편차치가 위치루프처리를 위한 에러 레지스터에 셋트된다. 이에 따라, 서보모터는 셋트된 위치편차를 「O」으로 하도록 구동하게 되므로, 이상부하 검출시의 진행 방향과는 역방향으로 소정량 회전하여 정지한다.

[도면의 간단한 설명]

제1도는, 본 발명을 구체화하는 위치 및 속도제어 루프와 오브 저버를 포함하는 서보계의 블록선도.

제2도는, 본 발명을 실시하기 위한 서보제어 장치의 블록도.

제3도는, 제2도에 표시한 디지탈 서보회로의 프로세서가 본 발명에 방법에 따라서 실행하는 처리의 플로차트.

제4도는, 종래의 이상부하 검출시의 서보모터 제어방법에 의한 실험결과를 나타내는 그래프.

제5도는 본 발명의 방법에 의한 실험결과를 나타내는 그래프이다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

제1도는, 위치에 대해서 비례제어 (P 제어)를 실시하고, 속도에 대해서 비례적분제어(PI 제어)를 실시하는 공작기계나, 로보트등의 서보모터 제어계에 있어서, 오브저버를 사용하여 외란 토오크를 추정하고, 충돌등을 검출하는 제어계를 나타낸다, 항 1의 KP는 위치루프에 있어서의 비례게인, 항 2는 속도 루프에 있어서의 전달함수이고, K1은 적분정수, K2는 비례 정수이다. 또, 항 3 및 항 4는 모터의 전달함수이고, Kt는 토오크 정수, J는 이너셔이고, 항 5는 속도 V를 적분하여 위치 θ를 산출하는 전달 함수이다. 또 TL은 외란 토오크이다. 또한 S는 라플러스 연산자이다.

위치지령치 θr에서 현재위치 Q의 피드백치를 감산하여 위치 편차 ε(=θr-θ)가 얻어지고, 위치편차 ε에 비례정수 KP를 곱해서 속도지령 Vcmd가 구해진다. 구해진 속도지령 Vcmd와 실속도 V와의 차 (속도편차)에 의하여 PI제어를 하여 토오크 지령(전류지령) I가 구해진다. 토오크 지령 I에 의거하여 모터전류를 제어하여 모터가 구동된다. 모터는 속도 v로 회전하고, 이 속도 v를 적분하여 위치 θ가 구해진다.

이와 같은 서보모터 제어계에 있어서, 외란토오크를 추정하기 위하여, 외란 추정 오브저버(6)가 제1도에 표시한 바와 같이 짜 넣어진다.

외란 추정 오브저버(6)의 항 62 및 63의 K3, K4는 외란 추정 오브저버의 파라미터치이고, 항 61은 실제로 서보모터에 출력되는 토오크 지령으로서의 전류치 I에 곱하는 파라미터치이다. 항 61의 Kt^*는 모터의 토오크 정수의 추정치, J^*는 이너셔의 추정치이다. 64는 적분항을 나타낸다.

속도 루프처리에 의하여 출력되는 전류지령 I에 항 61에서 모터의 토오크 정수의 추정치 Kt^*를 이너셔의 추정치 J^*로 나눈값을 곱하여 얻어진 값과, 항 62에 있어서 검출 모터 실속도 v에서 추정모터 속도 va를 마이너스한 편차 Verr에 정수 K3을 곱한 값과, 항 63에 있어서 상기 편차 Verr을 적분하고 정수 K4를 곱한 값을 가산하고, 항 64에 있어서 그 가산치를 적분하여 추정속도 Va가 구해진다.

상기 처리에 있어서의 항 63의 출력이, 추정된 모터에 걸리는 전외란 토오크 Td1이다. 그리고 제1도에 나타내는 외란 추정 오브저버(6)에 있어서는, 상기 전외란 추정치 Td1에서, 속도에 비례하는 마찰토오크분(k·v)을 감하고, 다시 항 65에 있어서 파라미터 J^*/Kt^*를 곱하여, 충돌 검출을 위한, 외란 추정치 Td2를 구한다. 후술하는 바와같이, 이 외란 추정치 Td2가 소정의 기준치를 초과한 때에, 이상부하가 발생한 것으로 판단된다.

또한, 외란 추정 오브저버의 상세한 분석 및 처리에 대해서는, 국제공개 WO 91/10181호 및 특원평 4-306233호 등에 상세하게 설명되어 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.

제2도는 본 발명의 방법을 실시하는 서보제어장치의 요부 블록도이다. 공작기계나 로보트를 제어하는 수치 제어장치(10)에서 이동지령, 각종 제어신호가 공유 메모리(11)를 통해서 디지탈 서보회로(12)에 출력된다. 디지탈 서보회로(12)는, 프로세서(CPU), ROM, RAM을 구비하고, 위치 및 속도 루프처리를 디지탈적으로 실행하고, 트랜지스터 인버터등으로 구성되는 서보앰프(13)를 통해서 각 축 서보모터(14)를 제어한다. 또, 위치 및 속도를 검출하는 위치속도 검출기(15)는 서보모터의 모터축에 장착된 펄스코더 등으로 구성되고, 디지탈 서보회로(12)에 위치 및 속도 피드백 신호를 출력한다. 또한, 제2도에는 1축의 서보계만이 표시되었지만, 각 축마다 동일한 서보계가 설치되어 있고, 이들의 구성은, 종래의 디지탈서보회로의 구성과 동일하다.

이하에, 제3도의 플로차트를 참조하여 디지탈 서보회로(3)의 프로세서가 위치 및 속도 루프처리 주기마다 실시하는 처리에 대해서 설명한다.

또한, 사전에 오브저버를 구성하는 정수 K3, K4, 토오크 정수추정치 Kt^*, 이너셔 추정치 J^*, 추정 마찰토오크의 계수 k 및 이상부하검출을 위한 기준치 Ts, 및 이상부하 검출시의 서보모터의 회복량 A를 디지탈 서보회로(12)내에 설정해둔다.

디지탈 서보회로의 프로세서는, 우선 스텝 S1에 있어서, 플래그 F1이 「1」인가의 여부를 판별한다. 플래그 F1은 이상부하가 검출되어 있는 것을 나타내는 플래그이고, 초기설정에 있어서 「0」으로 셋트되고 후술하는 스텝 S7에 있어서 이상부하가 검출된 때에 「1」로 셋트된다.

플래그 F1이 「1」이 아니면, 프로세서는 스텝 S2로 전진하고 종래와 동일하게 수치제어장치(10)에서 분배 주기마다 지령된 이동지령을 공유 메모리(11)를 통해서 판독하고, DDA 처리등에 의하여 위치 및 속도 루프처리 주기마다의 이동지령으로 분할된 이동지령 θr에서 위치속도 검출기(15)에서의 위치의 피드백치 θ를 감하고, 얻어진 값을 위치편차를 기억하는 에러레지스터 Er에 가산하고, 새로운 위치편차를 구한다.

그리고, 스텝 S3에 있어서, 에러레지스터 Er에 기억된 위치편차에 위치 루프게인 Kp를 곱하고 속도지령 Vcmd를 구한다. 스텝 S4에 있어서, 이렇게 구해진 속도지령 Vcmd와 위치 속도검출기(15)에서 검출되는 속도 피드백치에서 속도루프 처리를 실시하지 않는 토오크지령 I를 구하고, 전류루프에 인도한다. 전류루프에서는, 토오크 지령 I에 의거하여 전류 루프처리를 실행하고 서보모터를 구동하게 된다.

다음에 스텝 S5에 있어서, 프로세서는 제1도에 블록선도로 나타내는 외란 추정 오브저버(6)의 처리를 실행하고 마찰토오크를 제거한 추정외란토오크 Td2를 구한다. 스텝 S6에 있어서는, 스텝 S5에서 구해진 추정외란 토오크 Td2의 절대값이 이상부하를 검출하기 위한 소정의 기준치 Ts를 초과하고 있는가의 여부를 판단한다. 추정외란 토오크 Td2의 절대값이 기준치 Ts를 초과하지 않았으면, 부하는 정상으로서 이 위치 및 속도 루프처리주기의 처리를 종료한다. 즉, 이상부하가 검출되지 않고 플래그 F1이 「0」으로 셋트되어 있는 동안은, 스텝 S1~S6의 처리를 위치 및 속도 루프처리 주기마다 반복실행 한다.

스텝 S6에 있어서, 추정외란 토오크 Td2의 절대값이 기준치 Ts를 초과하지 않다고 판단되면, 프로세서는 스텝 S7로 이행하고, 플래그 F1을 「1」로 셋트한다.

다음의 처리주기에 있어서는, 스텝 S1의 처리에서 플래그 F1의 값이 「1」인 것이 검출되고, 프로세서는 스텝 S8로 이행하고, 플래그 F2가 「1」로 셋트되어 있는가를 판별한다. 이 플래그 F2는, 이 처리주기가 이상부하 검출후의 최초의 주기인가의 여부를 나타내고, 기계의 구동개시시의 초기 설정에서 「0」으로 셋트되어 있다. 따라서, 처리의 개시 후 처음으로 스텝 S1에 있어서, F1=1로 판별될때는 F2=0 이므로, 스텝 S8에서 스텝 S9로 이행한다. 스텝 S9에 있어서는, 서보모터의 현재의 이동방향 (회전방향)이 판단된다. 이 이동방향은 서보모터에 대한 이동지령 θ의 극성에 의하여 판단된다. 이동방향이 플러스이면, 스텝 S10으로 이행하고, 에러 레지스터 Er에 서보모터의 회복양으로서 설정된 값 A의 크기의 음의값 「-A」를 설정한다. 또, 이동방향이 마이너스이면, 스텝 S11로 이행하고, 양의값 「A」를 에러레지스터 Er에 설정한다. 그리고, 스텝 S12에 있어서 플래그 F2를 「1」로 셋트하고, 스텝 S3 이하의 처리를 실행한다.

상기의 처리에 의하여, 에러레지스터 Er에는 현재의 진행방향과는 반대방향의 위치편차(역극성의 위치편차)가 기억되게 되기 때문에, 스텝 S3에서 구해지는 속도지령 Vcmd는, 현재의 진행방향과는 역방향의 속도지령이 된다. 따라서 스텝 S4에서 구해지는 토오크지령 I도 역방향이 되고, 서보모터는 현재의 회전방향과는 역방향으로 회전하게 된다. 그리고, 다음의 처리주기에서는 플래그 F1 및 F2가 함께 「1」로 셋트되어 있기 때문에, 프로세서는 스텝 S1에서 스텝 S8, 스텝 S8에서 스텝 S13으로 전진하고, 에러 레지스터 Er에서 위치의 피드백치 θ를 감한 새로운 위치편차를 구하고 스텝 S3이하의 처리를 행한다. 이하, 스텝 S1, S8, S13, S3~S6 및 S7의 처리가 각 처리주기마다 실시되고, 에러 레지스터 Er에 기억된 위치편차의 값이 「0」이 될때, 즉, 서보모터가 설정량 A에 대응하는 회전량 만큼 현재의 회전 방향과는 역 방향으로 회전할 때에, 서보모터가 정지하게 된다.

또한, 이상부하가 검출된 이후의 처리주기에서는, 스텝 S5~S7의 처리는 불필요하므로, 플래그 F1 또는 F23가 「1」로 셋트되어 있을 때에는 스텝 S5~S7의 처리를 하지 않도록 해도 좋다.

이상과 같이하여, 이상부하 검출시에는 서보모터는 소정량만큼 역방향으로 회전한 후 정지하기 때문에, 충돌들에 의하여 기계가 탄성 변형되어 있어도, 상기 서보모터의 역회전에 의하여 상기 기계의 탄성변형은 없어지고, 기계 및 서보모터에는 이상부하가 걸리지 않는 상태에서 정지하게 된다.

제4도와 제5도는 종래예와 본원 발명의 비교실험결과의 데이터를 표시한다. 제4도는 종래의 방법에 의하여 오브저버에 의하여 부하이상을 검출하여 정지시키는 제어를 실시할 때의 실험결과, 제5도는 본 발명의 방법에 따라서 실시할 때의 실험결과를 나타낸다.

제4도에 표시하는 종래예에서는, t1에 있어서 이상부하가 검출되면, 서보모터를 정지시키기 위하여 역방향의 토오크 (제어 토오크)가 크게 발생한 후, 양방향(충돌의 발생시의 이동방향)에의 토오크가 서보모터의 속도가 「0」이 되어도 발생하고 있다. 이것은 서보모터로 구동되는 기계의 가동부가 눌러진 채로 정지되어 있음을 의미한다.

한편, 제5도에 나타내는 본 발명의 방법에서는, t1에 있어서 이상부하가 검출된후, 서보모터의 역방향으로 회전시키는 방향으로 토오크가 발생하고, 속도가 역방향이 되고, 서보모터의 발생토오크는 「0」으로 수속 되어 있다. 이것은 서보모터로 구동되는 기계의 가동부에 힘이 가해진 상태로 정지하는 일은 없고, 기계나 공작물 등의 대상물이 보호된다.

상기와 같이 본 발명에 의하면, 서보모터에 의하여 구동되는 기계의 가동부나 구동기구에는, 이상부하 검출 후 지속하여 힘이 가해지는 적이 없고, 그 결과, 기계구성 부품이나 공구, 나아가서는 장해물이 파손을 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. (a) 서보모터의 구동제어중에 서보모터에 가해지는 이상부하를 검출하는 스텝과, (b) 상기 스텝 (a)에서 이상부하가 검출될 때에, 상기 서보모터를 현재의 회전방향과는 역방향으로 소정량 회전시켜서 정지시키는 스텝을 구비하고, 상기 스텝 (a)는 오브저버를 사용하여 서보모터가 받는 외란 토오크를 추정하는 스텝과, 추정외란 토오크치가 기준치 이상이 될 때에, 이상부하로 판단하는 스텝을 포함하는 서보모터의 이상부하 검출제어방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스텝 (a)는 위치편차치를 기억하는 에러 레지스터를 사용하여 위치루프 처리를 실시하는 스텝을 포함하고, 상기 스텝 (b)는, 현재의 진행방향과는 역방향의 소정의 위치편차치를, 상기 에러 레지스터에 셋트하고, 서보모터를 상기 소정위치 편차에 대응하는 회전량만큼 역방향으로 회전시키는 스텝을 포함하는 서보모터의 이상부하 검출제어방법.
3. (a) 위치 편차치를 기억하는 에러 레지스터를 사용하여 위치 루프처리를 실시하여 서보모터를 구동제어하고, 서보모터의 구동제어중에 오브저버를 사용하여 서보모터가 받는 외란 토오크를 추정하는 스텝과, (b) 상기 스텝 (a)에서 추정된 외란 토오크의 값이 기준치 이상이 될때에 이상부하로 판단하는 스텝과, (c) 상기 스텝 (b)에 있어서 이상부하가 검출될때, 현재의 진행방향과는 역방향의 소정의 위치편차치를 상기 에러 레지스터에 셋트하고, 서보모터를 상기 소정위치 편차에 대응하는 회전량만큼 역방향으로 회전시켜서 정지시키는 스텝을 구비하는 서보모터의 이상부하 검출 제어방법.