KR0146893B1

KR0146893B1 - 자동식 저항 가변회로

Info

Publication number: KR0146893B1
Application number: KR1019940028426A
Authority: KR
Inventors: 김성운; 정정학
Original assignee: 배순훈; 대우전자주식회사
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 1998-09-15
Also published as: KR960015608A

Abstract

본 발명은 종래의 수동식 가변저항회로를 대신해서 프로그램에 의해서 자동적으로 저항을 가변하도록하는 자동식 저항 가변회로에 관한 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하 기술적인 수단으로써, 외부의 제어부와 서보모터 구동부 및 서보모터로 이루어진 액추에이터에서, 상기 서보모터 구동부의 루프이득을 조절하는 회로에 있어서, 본 발명은 디지탈값을 이에 대응하는 전압값으로 변환하는 디지탈/아날로그 변환부를 내장한 외부의 제어부; 상기 제어부의 제어하에서 상기 디지탈/아날로그변환부의 출력전압에 의해서 자동적으로 저항이 가변되도록 한 전압가변저항 회로부; 를 마련함에 의한다.

Description

자동식 저항 가변회로

본 발명은 자동식 저항 가변회로에 관한 것으로, 특히 서보모터의 운전응답 특성에 영향하는 서보모터 구동부의 루프 이득을 프로그램적으로 용이하게 조절가능토록 함으로써, 서보모터의 동작을 양호하게 동작하도록 하는 서보모터 구동부의 이득을 조절하는 자동식 저항 가변회로에 관한 것이다.

일반적으로 모터를 사용하는 엑추에이터는 제1도와 같이 서보모터 구동부(10)와 서보모터(20)로 이루어진다.

제1도에 있어서, 외부의 제어부(10)의 제어에 의해서 서보모터 구동부(20)의 압력은 위치제어, 속도제어, 방향제어와, 또한 정전금지, 알람(Alarm) 등의 여러가지가 있는데, 상기 위치 및 속도제어신호는 펄스열의 형태로 입력된다. 이때 입력되는 펄스갯수로 서보모터의 회전을 제어하고, 펄스주기로 서보모터의 속도를 제어한다.

제2도는 제1도에 도시한 서보모터 구동부(20)를 수학적으로 모델링한 블록도로서, 상기 서보모터(30)의 운전응답특성은 서보머터 구동부(20)에서의 위치루프이득(KP)과 속도루프이득(KI)에 영향을 받는다. 이를 서보모터 구동부(30)에 대한 시스템의 전달함수를 입력(Θc(s))에 대한 출력(Θ(s))으로 라플라스 변환형태로 기술하면 아래 수학식(1)과 같다.

상기 수학식(1)에서 나타낸 바와같이, 2차 전달함수로 모델링된 시스템은 위치루프이득(KP)과 속도루프 이득(KI) 및 물리량인 관성모멘트에 의해서 그 특성이 좌우된다.

상기 관성모멘트는 시스템의 시정수(τ)에 영향을 미치는 요소로써, 상기 식(1)으로 모델링되는 함수는 시정수에 그 운전특성이 영향을 받는다. 그러나 관성모멘트에 의해서 영향을 받는 시스템의 특성은 위치루프 이득(KP)과 속도루프이득(KI)을 적절히 조절함으로써 보상을 할 수 있다. 따라서, 외부에서 조절되는 서보모터 구동부(20)의 위치루프이득(KP)과 속도루프이득(KI)은 매우 중요한 요소임에 주목할 수 있다.

만약, 상기 서보모터 구동부(20)의 시스템을 구현하는 경우에 있어서, 상기 위치루프이득(KP)과 속도루프이득(KI)이 적절하게 조절되지 않을 경우에는 상기 속도루프 및 위치루프의 이득은 서보모터(30)에 걸리는 부하가 시간에 따라서 연속적으로 변하는 시스템에서는 시스템 자체가 양호하게 동작하지 못하게 되는 것이다. 따라서, 상기 시스템의 양호한 동작을 위해서는 상기 속도루프이득 및 위치루프이득을 적절한 값으로 조절하여야 하는 것이다.

제3도는 종래 서보모터의 운전응답특성에 영향하는 서보모터 구동부의 루프이득을 조절하는 저항가변회로도로서, 단순한 고정저항(R)에 중간탭을 조절함으로서 상기 고정저항의 상단 및 하단의 저항값을 가변하게 되며, 이 중간탭은 외부에 마련된 조절단자를 이용하여 상기 서보모터 구동부(20)내에 포함된 반고정가변저항의 저항(R1, R2)을 가변하게 되고, 이에 따라 전압이 가변되어 루프이득이 조절되는 것이다.

그러나, 이와같은 종래의 서보모터 구동부의 루프이득을 조절하는 반고정가변저항기의 문제점을 기술하면 다음과 같다. 첫 번째는 상기 종래의 반고정가변저항기의 저항가변을 수동으로 특정조절도구를 이용해야 하는 불편한 문제점이 있을 뿐만 아니라, 상기 조절단자는 후미진곳에 마련되어 있기 때문에 이를 조절하는데에도 불편한 점이 있었고, 두번째는 모터의 부하변화량이 큰 경우의 시스템에서는 부하변화에 대한 속도루프 및 위치루프의 이득을 일일이 수동으로 조절해야 하기 때문에 부하의 변화에 따라 시스템의 운전특성을 안정되게 맞출 수가 없었던 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 따라서, 본 발명의 목적은 종래의 수동식 가변저항 회로를 대신해서 프로그램에 의해서 자동적으로 저항을 가변하도록 하는 자동식 저항 가변회로를 제공하는데 있다.

제1도는 일반적인 모터를 사용한 엑추에이터(Actuator)를 도시한 구성도이다.

제2도는 제1도에 도시한 서보모터 구동부를 수학적으로 모델링한 블록도이다.

제3도는 종래 서보모터의 운전응답특성에 영향하는 서보모터 구동부의 로프이득을 조절하는 저항 가변 회로도이다.

제4도는 본 발명에 따른 서보모터의 운전응답 특성에 영향하는 서보모터 구동부의 루프이득을 조절하는 자동식 저항 가변회로도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,110:제어부 20:서보모터 구동부

30:서보모터 111:디지탈/아날로그 변환부

120:전압 가변저항 회로부

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 발명의 회로는 입력 디지탈값을 해당 아날로그값으로 변환하여 출력하는 디지탈/아날로그 변환부를 내장한 제어부; 상기 제어부의 제어하에서 상기 디지탈/아날로그변환부의 출력전압에 의해서 자동적으로 저항이 가변되도록, 증폭율이 1:1이 되도록 바이어스 저항이 R21=R22, R24=R25, R26=R27로 설정한 두 개의 연산증폭기중에 하나는 입력되는 전압을 반전증폭하는 반전증폭기와, 나머지 하나는 입력전압과 이 입력전압의 최대값에 해당되는 전압을 가산하여 연산증폭기를 포함하는 연산증폭기와, 상기 두 개의 연산증폭기의 각 뒷단에, 상기 연산증폭기로 부터 게이터로 입력되는 전압에 의해서 전자적으로 가변되는 저항을 얻기 위하여 전압 가변저항용으로 구성한 각각의 전계효과트랜지스터를 포함하는 전압가변저항 회로부; 를 구비함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 자동식 저항가변회로에 대해서 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

제4도는 본 발명에 따른 서보모터의 운전응답특성에 영향하는 서보모터 구동부의 루프이득을 조절하는 자동식 저항 가변회로도이다.

본 발명은 외부의 제어부(10)와 서보모터 구동부(20) 및 서보모터(30)로 이루어진 엑추에이터에서, 상기 서보모터 구동부(20)의 루프이득을 조절하는 저항 가변회로에 있어서, 본 발명은 디지탈값을 아날로그 변환하는 디지탈/아날로그 변환부(111)를 내장한 외부의 제어부(110)와, 상기 제어부(110)의 제어하에서 상기 디지탈/아날로그 변환부(111)의 출력전압에 의해서 자동적으로 저항이 가변되도록 한 서보모터 구동부(20)내의 전압가변저항 회로부(120)로 구성된다.

상기 서보모터 구동부(20)의 외부에 마련된 제어부(110)에서 상기 디지탈/아날로그 변환부(111)로 디지탈 값이 인가되면, 상기 디지탈/아날로그 변환부(111)에서는 상기 디지탈값을 아날로그값으로 변환하여 상기 서보모터 구동부(20)내부에 구비된 전압가변 저항 회로부(120)로 출력하도록 구성한다.

상기 외부에 구비된 제어부(110)내의 디지탈/아날로그 변환부(111)로 부터 출력되는 전압에 의해서 자동적으로 저항을 가변하는 상기 서보모터 구동부(20)내의 전압가변저항 회로부(120)는 입력전압을 분배하도록 병렬접속된 두 개의 연산증폭기(121,122)중에 하나는 입력되는 전압(V1)을 반전증폭하는 반전증폭기로 구성하고, 나머지 하나는 입력전압(V1)과 이 입력전압(V1)의 최대값에 해당되는 전압(-V1 max)을 가산하는 연산증폭기로 구성한다.

또한, 상기 두 개의 연산증폭기(121,122)의 각 뒷단에 접속되는 각각의 전계효과 트랜지스터(123,124)는 상기 연산증폭기(121,122)로부터 게이터로 입력되는 전압(Vg)에 의해서 전자적으로 가변되는 저항을 얻기 위하여 전압가변저항용으로 구성된다.

도면중 미설명부호인 Va, Vb는 가변되는 저항에 의해서 가변되어 출력되는 전압이다.

이와같이 구성된 본 발명의 회로에 따른 동작을 첨부도면에 의거하여 하기에 상세히 설명한다.

제4도에 있어서, 서보모터 구동부(20)를 제어하기 위해 외부에 구비되어 있는 제어부(110)가 디지탈/아날로그 변환부(111)로 임의의 디지탈값을 입력하면, 상기 디지탈/아날로그 변환부(111)는 입력된 디자탈값을 아날로그값으로 변환하여 출력한다.

예를들어, 상기 디지탈/아날로그 변환부(111)가 8비트(bit) 용이라 하고, 또한 변환상수(K)를 -0.01라 하면, 8비트에 의해 표현되는 값의 범위는 0~255(2⁸=256, 즉 8비트로 256가지의 값을 표현가능함)이므로, 전압값의 단위를 V라 하면, 디지탈/아날로그 변환부(111)는 0~-2.55V(K*2⁰~K*2⁸-1)[V]까지의 전압으로 변환할 수 있는 것이다.

상기 제어부(110)로부터 입력되는 디지탈값을 D라고 할 때, 디지탈/아날로그 변환부(111)에서 출력되는 아날로그값(전압값)은 하기 수학식2로 표현할 수 있다.

여기서, 상기한 바 있는 V1은 상기 디지탈/아날로그 변환부(111)에서 출력되는 이득조절용 전압이고, 상기 K는 디지탈/아날로그 변환부(111)의 자체 변환상수이며, 상기 D는 제어부(110)에서 디지탈/아날로그 변환부(111)로 입력하는 디지탈 값, 즉 디지탈값에 대한 크기이다.

따라서, 제어부(110)에서 사전에 결정되어 디지탈/아날로그 변환부(111)로 제공되는 디지탈값(D)에 따라, 상기 디지탈/아날로그 변환부(111)에서 출력되는 변환 전압값이 정해진다. 이때 출력되는 전압은 상기 서보모터 구동부(20) 내의 전압가변저항 회로부(120)로 입력되어, 이득조절용 전압으로 동작하게 되는 것이다.

한편, 상기 서보모터 구동부(20)내의 전압 가변저항 회로부(120)로 입력되는 전압(V1)은 연산증폭기에 의해서 1:1의 증폭율로 증폭된다. 이 이유는 바이어스 저항은 R21=R22, R24=R25, R26=R27로 설정되어 있기 때문이다.

상기 두 개의 반전 및 비반전 연산증폭기(121,122)의 출력전압은 아래 수학식3, 4와 같게 된다.

여기서, Vmax는 입력이 가질 수 있는 최대전압값이고, V121, V122는 각 연산증폭기(121,122)로 출력되는 출력전압이며, 상기 두 개의 연산증폭기(121,122)에 의해서 출력되는 각각의 출력전압(V121,V122)은 상기 두 개의 연산증폭기(121,122)의 뒷단에 각각 접속된 전계 효과트랜지스터(123,124)의 게이트로 인가되는데, 하나의 연산증폭기(212)는 상기 수학식1에 보인 바와 같이 입력을 반전시켜 출력하고, 다른 하나의 연산증폭기(122)는 상기 수학식2에서 보인 바와 같이 입력전압에서 사전에 설정된 부(-)최대전압을 가산하여 출력한다.

상기 전계효과트랜지스터(123,124)는 게이트로 입력되는 전압에 따라서 드레인과 소오스간의 저항(rds1, rds2)이 선형적으로 변하는 소자로, 상기 각 전계효과트랜지스터(123,124)의 드레인-소오스 저항(rds)에 대하여 식으로 기술하면 아래 수학식5와 같다.

여기서, β는 비례상수이고, Vg는 게이트 전압이며, 이 Vg는 연산증폭기의 출력전압이다.

상기 수학식 3, 4와 5에 있어서, 드레인-소오스 저항(rds1, rds2)에 대하여 정리하면 아래 수학식6, 7과 같으며, 또한 아래 두 수학식6과 7을 합하면 수학식 8과 같다.

여기서, 비례상수 β1, β2는 동일한 전계효과 트랜지스터를 사용하면, 상기 V1max는 항상 동일한 값이므로 전체저항은 항상 일정한 값이 됨과 동시에, 상기 두 전계효과 트랜지스터의 각각의 드레인-소오스 저항(rds1, rds2) 각각은 가변되는 것이다.

다른한편, 외부의 제어부(110)의 제어에 의해서 서보모터 구동부(20)의 입력 중 위치 및 속도제어에 펄스열의 형태로 입력되는데, 이때 입력되는 펄스갯수로 서보모터의 회전을 제어하고, 펄스주기로 서보모터의 속도를 제어한다. 이때, 상기 서보모터 구동부(20)를 수학적으로 모델링하면, 서보모터(30)의 운전응답특성은 서보모터 구동부(20)에서의 위치루프 이득(KP)과 속도루프이득(KI)에 영향을 받는다.

이를 서보모터 구동부(20)에 대한 시스템의 전달함수를 입력(Θc(s))에 대한 출력(Θ(s))으로 라플라스 변환형태로 기술하면 상기 수학식1과 같으며, 상기 수학식1에서 나타낸 바와 같이, 2차 전달함수로 모델링된 시스템은 위치루프이득(KP)과 속도루프 이득(KI) 및 물리량인 관성모멘트에 의해서 그 특성이 좌우됨을 알 수 있다.

또한, 상기 관성모멘트는 시스템의 시정수(τ)에 영향을 미치는 요소로써, 상기 수학식(1)으로 모델링되는 함수를 참조하면, 관성모멘트에 의해서 영향을 받는 시스템의 특성은 위치루프 이득(KP)과 속도루프이득(KI)을 적절히 조절함으로써 보상될 수 있다.

이에 따라, 상기 서보모터 구동부(20)의 시스템을 구현하는 경우에 있어서, 상기 위치루프이득(KP)과 속도루프이득(KI)이 적절하게 조절되지 않을 경우에는 상기 속도루프 및 위치루프의 이득은 서보모터(30)에 걸리는 부하가 시간에 따라서 연속적으로 변하는 시스템에서는 시스템 자체가 양호하게 동작하지 못하게 되는 것이다. 그러므로, 상기 시스템의 양호한 동작을 위해서는 상기 속도루프이득 및 위치루프 이득을 적절한 값으로 조절하여야 하는 것이다.

상술한 바와 같이, 서보모터의 운전응답특성에 영향하는 서보모터 구동부의 루프이득을 조절하기 위해 저항가변회로를 사용하는데, 종래는 단순한 고정저항(R)에 중간탭을 조절함으로서 상기 고정저항의 상단 및 하단의 저항값을 가변하게 되며, 이 중간탭은 외부에 마련된 조절단자를 이용하여 상기 서보모터 구동부(20)내에 포함된 반고정가변저항의 저항(R1,R2)을 가변하게 되고, 이에 따라 전압이 가변되어 루프이득이 조절되는 것이고, 본 발명에서는 수동식 가변저항회로를 대신하여, 디지탈/아날로그변환기와 연산증폭기 및 전계 효과트랜지스터를 이용해서 프로그램에 의해서 자동적으로 저항을 가변되도록 한 것이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 수동식 가변저항회로를 대신하여 프로그램에 의해서 자동적으로 저항을 가변하도록 하여, 가변저항기가 사용되는 분야에서는 적용가능하고, 상기 서보모터의 운전응답특성에 영향하는 서보모터 구동부의 루프이득조절에 적용할 수 있게 되는 효과가 있는 것이다.

Claims

입력 디지탈값을 해당 아날로그값으로 변환하여 출력하는 디자탈/아날로그 변환부를 내장한 제어부(110); 상기 제어부의 제어하에서 상기 디지탈/아날로그변환부의 출력전압에 의해서 자동적으로 저항이 가변되도록, 증폭율이 1:1이 되도록 바이어스저항이 R21=R22, R24=R25, R26=R27로 설정한 두 개의 연산증폭기(121,122)중에 하나는 입력되는 전압(v1)을 반전증폭하는 반전증폭기와, 나머지 하나는 입력전압(v1)과 이 입력전압(v1)의 최대값에 해당되는 전압(-v1max)을 가산하는 연산증폭기를 포함하는 연산증폭기(121,122)와, 상기 두 개의 연산증폭기(121,122)의 각 뒷단에, 상기 연산증폭기(121,122)로 부터 게이터로 입력되는 전압(Vg)에 의해서 전자적으로 가변되는 저항을 얻기 위하여 전압 가변저항용으로 구성한 각각의 전계효과트랜지스터(123,124)를 포함하는 전압가변저항 회로부(120); 를 구비함을 특징으로 하는 자동식 저항 가변회로.