KR0151016B1 - 서보 모터의 가감속 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서보 모터의 가감속 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명은 주어진 시작점과 종료점으로부터 구해지는 매개변수의 구간 사이에서 매개변수에 대하여 가감속을 함으로써 임의의 곡선보간에 대하여 보간전 가감속을 행해는 단계; 보간이 진행되는 동안 매개변수의 값으로부터 감속을 시작해야 할 위치를 찾아내는 단계; 매개변수값의 증분값을 항상 감속이 끝나면 종료점에 공구가 위치하도록 결정해주는 단계; 및 보간 중에 이송속도가 바뀌는 경우에 대해서 매개변수의 증분값을 해당 이송속도에 맞게 변경시켜주는 단계를 포함하고 있다.

따라서, 가감속에 의한 오차가 없어져서 형상 오차를 줄일 수 있고, 가감속을 위하여 별도의 버퍼를 필요로 하지 않으므로 계산시간을 줄일수 있으며, 모든 종류의 보간 곡선에 대하여 보간전 가감속을 효율적으로 행할 수 있다.

Description

서보 모터의 가감속 제어 방법

제1도는 종래 서보 모터의 가감속 제어 시스템을 나타내 보인 것으로서, 보간전 가감속의 블록선도.

제2도는 종래 서보 모터의 가감속 제어 시스템을 나타내 보인 것으로서, 보간후 가감속의 블록선도.

제3도는 종래 가감속 제어 시스템에 있어서, 원호 보간에서의 보간전 가감속에 의한 보간 결과를 나타내 보인 그래프선도.

제4도는 종래 가감속 제어 시스템에 있어서, 스파이럴 곡선에서의 보간전 가감속 제어를 설명하기 위한 그래프선도.

제5도는 본 발명에 따른 서보 모터의 가감속 제어 방법에 있어서, 보간전 가감속에 의한 위치 지령 전당 매커니즘의 개략적인 구성도.

제6도는 본 발명에 따른 서보 모터의 가감속 제어 방법에 있어서, 보간전 가감속을 할 경우의 시간에 따른 보간거리의 변화를 나타내 보인 그래프선도.

제7도는 본 발명에 따른 서보 모터의 가감속 제어 방법에 있어서, 매개변수를 이용한 보간전 가감속을 나타내보인 그래프선도.

제8도는 본 발명에 따른 서보 모터의 가감속 제어 방법에 있어서, 보간전 가감속의 시스템의 흐름도.

본 발명은 CNC(Computer Numerical Control)등에서 사용되는 보간(補間 : interpolation) 기능을 실제로 구현할 때, 기계측의 진동을 최소화하고 가공 오차를 최소화하기 위하여 사용되는 서보 모터(servomotor)의 가감속 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 다양한 보간 기능에 대하여 동일한 방법으로 이용이 가능한 보간전 가감속 방법과 관련된 서보 모터의 가감속 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 산업현장에서 이용되는 서보 모터의 가감속 제어 방법에는 보간전 가감속과 보간후 가감속이 있다. 보간전 가감속은 각보간 종류에 따라 다르게 구성되며, 보간되는 시점에 대한 정보를 항상 가지고 있어야 하는 단점이 있지만, 가감속에 의한 형상오차가 없다는 장점이 있다. 이에 반하여 보간후 가감속은 모든 보간 종류에 대해 동일한 방법으로 이용되며, 구현하기가 용이하지만 보간 결과에 가감속에 의한 형상오차가 발생한다는 단점이 있다.

통상 CNC에서는 공구의 위치가 피이드 백(feed back)에 의한 서보 제어에 의해 결정된다. 그런데, 이때 CNC에서 지령한 위치와 실제의 공구의 위치 사이에는 서보 지연등에 의해 소정의 오차가 발생된다. 이와 같은 오차를 최소화하기 위하여 보통 피드-포워드(feed-forward) 제어등을 이용하게 된다. 그러나, 피드-포워드 제어를 행할 경우 급격한 위치 명령의 변화는 오버슈트(overshoot)등을 발생시키는 문제가 있다. 또한, 코너를 절삭할 경우 운동방향의 급격한 변화에 따라 기계측에 충격이 가해지기 쉽다. 따라서, 정확한 위치결정을 위하여 보간의 시작점과 종료점에서의 서보 모터의 가속 및 감속 제어는 꼭 필요하게 된다.

첨부 도면의 제1도 및 제2도에서는 그와 같은 종래 서보 모터의 가감속 제어 시스템을 나타내 보인 것으로서, 제1도는 보간전 가감속의 블록선도이고, 제2도는 보간후 가감속의 블록선도이다.

먼저, 제2도를 참조하면, 이는 보간후 가감속으로서 각 축에 대하여 가감속을 별도로 하게 된다. 그러므로, 보간되고 있는 상황과는 관계없이 가감속을 한다. 따라서, 보간과 상관없이 자동적으로 코너 등의 위치에서 가감속이 이루어진다. 그러나, 가감속에 의한 형상 오차가 가공 결과에 포함되며, 특히 가감속 시간이 클 경우에는 그 오차는 더욱 크게 된다.

한편, 상기와 같은 문제점 때문에 제2도에서와 같은 보간전 가감속이 이용된다. 이는 보간해야 할 거리에 대하여 각 축에 대한 위치 지령값을 만들어내는 방법이다. 이러한 방법을 이용함으로써 각 축의 움직임이 보간하는 곡선 상에 위치하게 되며, 이에 따라 가감속에 의한 오차가 발생되지 않는다.

제3도는 그와 같은 보간전 가감속을 할 경우의 보간 결과를 나타내보인 그래프이다.

이를 참조하면, 감속을 하면서 이송하는 거리는 감속하는 시간과 이송속도에 따라 주어진다. 도시된 그래프에서 알 수 있듯이 감속이 끝나는 점에서 공구가 종점에 위치하여야 하며, 따라서 보간전 가감속을 위해서는 감속하는 시점을 정확히 알아내는 것이 중요하다. 여기서, 이와 같은 가감속에 이용되는 곡선은 직선 가감속이나 S자형 가감속이 이용될 수 있다.

그런데, 이와 같은 종래 보간전 가감속은 주로 원호에 대하여 이용되어 왔다. 그와 같은 원호의 경우 시작점과 종료점이 주어져 있으면 보간하는 총 거리와 보간 시간이 이송 속도에 따라서 정확히 주어진다. 그리고, 감속이 끝나는 점에서 공구가 종료점에 위치하여야 한다. 따라서, 보간전 가감속을 위해서는 감속하는 시점을 정확히 알아내야 하는데, 원호에서는 보간 거리를 정확히 알 수 있으므로 보간전 가감속의 구현이 가능하였다. 그러나, 스파이럴(spiral)곡선이나 스플라인(spline)곡선 등의 보간에 대해서는 보간 총 거리를 구하기가 어려워 보간전 가감속이 상당히 어려워진다. 이에 대한 일예로 스파이럴 곡선의 경우에 대해서 설명해 보기로 한다.

제4도와 같은 스파이럴 곡선에 있어서, 스파이럴 곡선은 매개변수 θ를 이용하여 다음과 수식으로 나타낼 수 있다.

여기서, θ는 매개변수이고, a,b는 상수이다.

(1)식으로부터 곡선상의 거리(L)는 매개변수 θ를 통하여 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

상기 (2)식은 매개변수 θ에 대한 적분으로서 정량적인 해는 구할 수 없다. 또한, 정량적인 해가 존재하여도 이 해가 매개변수에 대하여 3차 이상일 경우에는 이 식으로부터 근을 구할 수 없으므로, 감속이 시작하는 시점에서의 매개변수의 값을 구할 수가 없다. 즉, 종료점으로부터 감속하면서 가는 거리 만큼 떨어진 거리에서의 매개변수의 값을 구할 수가 없어서 언제부터 감속을 해야 하는지 알 수가 없는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 보간의 종류에 관계없이 모든 종류의 보간에 대하여 보간전 가감속이 가능한 서버 모터의 가감속 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 서보 모터의 가감속 제어 방법은, 주어진 시작점과 종료점으로부터 구해지는 매개변수의 구간 사이에서 매개변수에 대하여 가감속을 함으로써 임의의 곡선보간에 대하여 보간전 가감속을 행하는 단계;

보간이 진행되는 동안 매개변수의 값으로부터 감속을 시작해야 할 위치를 찾아내는 단계;

매개변수값의 증분값을 항상 감속이 끝나면 종료점에 공구가 위치하도록 결정해주는 단계; 및

보간 중에 이송속도가 바뀌는 경우에 대해서 매개변수의 증분값을 해당 이송속도에 맞게 변경시켜 주는 단계를 포함하여 된 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

제5도는 본 발명에 따른 서보 모터의 가감속 제어 방법에 있어서, 보간전 가감속에 의한 위치 지령 전달 매커니즘의 개략적인 구성도이다.

이를 참조하면, 보간전 가감속에 의한 위치 지령 값들이 생성되는 곳은 수치제어부(51)이다. 여기에서 생성되는 보간간 곡선에 따른 위치 지령값들이 수치제어부(51)와 디지탈 서보 혹은 위치결정회로부(53) 사이의 공유RAM(52)을 통하여 전달된다. 이때, 위치 결정 시간을 최소화하면서 형상 오차를 최소화하기 위하여 본 발명의 방법에 있어서의 제1단계인 보간전 가감속을 행하게 된다.

한편, CNC에서 직선, 원호, 지수함수 등의 보간을 하기 위해서는 먼저 보간 함수의 식을 찾아야 한다. 여기에서는 매개변수를 t로 하는 곡선의 표현방식을 이용한다. 즉, 3차원 상에서의 공구의 위치는 다음과 같은 수식으로 표현될 수 있다.

(3)식으로부터 접선방향의 벡터, 즉 매개변수 t에 대한 미분값의 크기는 다음과 같은 (4)식에 의해 구해진다.

여기서, 이송속도가 결정되어 있으면 단위 보간시간당 곡선상에서 움직여야 할 거리가 결정된다. 즉, 이 거리는 P의 증분값이 된다. (4)식으로부터 P의 증분량에 대한 매개변수의 증분량을 구할 수 있다.

이때, 보간전 가감속을 할 경우의 시간에 따르는 보간 거리의 변화는 제6도와 같다.

그러나, 보간 거리에 대해서 매개 변수를 이용한 정량적인 해는 구할 수 없는 경우가 많고, 또한 정량적인 해가 존재하여도 이 해가 매개변수에 대하여 3차 이상일 경우, 이 식으로부터 근을 구할 수 없으므로 감속이 시작하는 시점에서의 매개변수의 값을 구할 수가 없다. 즉, 종료점으로부터 감속하면서 가는 거리 만큼 떨어진 거리에서의 매개 변수의 값을 구할 수가 없어서 언제부터 감속을 해야하는지 알 수가 없는 것이다. 따라서, 여기에서는 제7도와 같은 과정을 거쳐서 가감속을 하게 된다.

제7도에서 매개변수의 가감속을 하여서 결과적으로 곡선상의 보간 거리에 대한 가감속이 이루어지고 있음을 알 수 있다. 가속시간이나 감속하는 시간은 수십 msec에서 수백 msec 정도로 짧은 시간이다. 따라서, 이 시간동안 매개변수에 대한 곡선상의 거리의 미분값의 변화는 아주 작다고 할 수 있다. 그러므로, 매개변수에 대한 가감속이 바로 곡선상의 보간 거리에 대한 가감속으로 나타나는 것이다.

한편, 보간을 하기 위해 이루어지는 매개변수의 값의 변경 중에 사작점과 정료점에서는 형상오차를 최소화하고 기계의 충격을 줄이기 위해 매개변수에 대한 가감속을 행하게 된다. 매개변수에 대한 가감속을 위한 흐름도는 제8도와 같다.

이를 참조하면, 매개변수를 시작점과 종료점애 대하여 가감속함으로써 실제적으로 곡선상에서 가감속이 이루어지도록 하고 있다. 이것이 가능한 것은 실제 가감속하는 시간은 전체 보간 시간에 비하여 매우 짧은 시간이 되며 따라서 가감속하는 부분에서 매개변수에 대한 곡선의 미분값의 변화가 거의 일정하다고 볼 수 있다. 그러므로, 매개변수를 가감속하면 자연히 곡선상의 위치 지령값에 가감속의 결과를 얻어낼 수 있게 되는 것이다. 즉, 가감속 부분에서 매개변수 t에 대한 곡선의 경로의 미분률이 급격히 변화하지 않으면 매개변수 t에 대한 가감속은 그대로 보간 거리의 가감속으로 나타나는 것이다. 그러면, 흐름도를 각 단계별로 설명해 보기로 한다.

81은 가감속에서 사용하는 각종 버퍼(buffer)의 초기화 부분이다. DEC는 2보다 클 경우 현재 감속을 시작하지 않고 있다는 것을 나타낸다. 감속이 시작되는 시점에서 이 값은 1이 되어 감속하는 영역에서의 매개변수의 증분량을 계산하게 된다.

82에서는 가감속을 하기 전에 주어진 이송속도에 따라서 결정되는 매개변수의 증분량을 계산하게 된다. 이 증분량으로부터 접선 방향의 속도를 항상 주어진 이송속도로 유지하는 것이 가능하다. 여기서, △1은 이송속도에 의해 해당 보간 시간에 대하여 보간을 해야할 곡선상의 거리이다.

83에서는 Acc/Dec 회로에 82에서 구한 매개변수의 증분량 △t'를 입력시켜 가감속 되어진 값 △t를 계산하게 된다. 여기에서, 이용이 가능한 Acc/Dec 회로로는 직선 가감속회로, S자형 가감속회로, 지수함수형 가감속회로 등이 있다.

84에서는 NC-code 지령의 종점으로부터 구한 종점에서의 매개변수의 값과 현재의 매개변수값과의 차이값과, 83에서 구한 △t로 보간을 하였을 경우 감속하면서 변하는 매개변수값의 차이를 비교하여 남은 양이 작거나 같으면 감속을 시작해야 하는 시점이라는 것을 결정하게 된다. 만약, 여기서 잔류량이 많으면 그대로 감속을 하지 않고 계속 가감속회로로부터 산출된 값을 가지고 보간을 해 나가게 된다.

85는 감속을 시작해야 할 경우 변수의 초기화를 나타낸다. 즉 DEC값을 1로 하여 보간은 이제 최종 감속하는 부분에서 이루어진다.

87은 83과 마찬가지로 가감속회로로부터 감속하는 시점에서의 매개변수의 증분량을 계산하는 부분이다.

88은 감속하면서 경과한 시간이 총 감속 시간을 지났는지를 조사하는 곳이다. 만일, 여기서 총 감속 시간을 지났을 경우 보간을 종료하게 된다. 이때 매개변수의 값은 정확히 종점의 매개변수의 값과 일치하게 된다.

한편, 피이드 오버라이드(feed overrid) 값등이 바뀌었을 경우, 상기의 흐름도에서 보면 항상 82에서 새로운 △t'값을 구해줌으로써 자연스럽게 바뀐 이송속도에 맞게 보간을 계속하게 된다. 이때 변한 이송속도에 대한 추종은 가감속 회로를 통과함으로써 급격한 이송속도의 변화가 아닌 가감속에 의해 부드럽게 추정하는 것이 가능하다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 서보 모터의 가감속 제어 방법은 가감속에 의한 오차가 없어져서 형상 오차를 줄일 수 있고, 가감속을 위하여 별도의 버퍼를 필요로 하지 않으므로 계산시간을 줄일 수 있으며, 모든 종류의 보간 곡선에 대하여 보간전 가감속을 효율적으로 행할 수 있다.

Claims (2)

1. 주어진 시작점과 종료점으로부터 구해지는 매개변수의 구간 사이에서 매개변수에 대하여 가감속을 함으로써 임의의 곡선보간에 대하여 보간전 가감속을 행하는 단계, 보간이 진행되는 동안 매개변수의 값으로부터 감속을 시작해야 할 위치를 찾아내는 단계, 매개변수값의 증분값을 항상 감속이 끝나면 종료점에 공구가 위치하도록 결정해 주는 단계, 및 보간 중에 이송속도가 바뀌는 경우에 대해서 매개변수의 증분값을 해당 이송속도에 맞게 변경시켜주는 단계를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 서보 모터의 가감속 제어 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 매개변수의 증분값은

   의 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 서보 모터의 가감속 제어 방법.