KR0160716B1 - 서보 전동기 속도 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 서보 전동기의 속도 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 특수 공작 기계에 이용되고 있는 서보 모터가 외란에 대하여 오동작을 하지 않도록 하여주는 외란에 강한 서보 전동기 속도 제어 장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 서보 전동기 속도 제어 장치는 인입되는 외란을 보상하는 장치를 구비하여 속도 제어를 함으로써, 외란의 최대값만 알면 외란의 영향을 0으로 만들 수 있으므로 CNC등의 공작기계의 서보 제어기로 이용될 경우 절삭시에 발생하는 흠집이나 돌기 등이 감소하여 정밀 가공 작업이 가능하게 된다.

Description

서보 전동기 속도 제어 방치
제1도는 종래의 서보 전동기 속도 제어 장치의 제어 계통을 나타내는 블록 선도이고,
제2도는 본 발명에 따른 서보 전동기 위치 제어 장치의 제어 계통을 나타내는 블록 선도이며,
제3도는 제2도의 블록 선도중 속도 제어 장치 만을 등가적으로 간략화한 블럭 선도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
J : 기계계의 관성 τ : 발생 토오크
B : 기계계의 마찰력 Kpp: 위치 제어계의 비례 제어기 이득
ω*: 속도 명령 ω : 실제 속도
θr: 위치(회전각) 명령 θ : 회전각
Kp: 속도 제어기의 비례 이득 s : 미분 연산자
Td: 외관 토오크 sgn : signum 함수
본 발명은 서보 전동기의 속도 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 공작 기계에 이용되고 있는 서보 모터가 외란에 대하여 오동작을 하지 않도록 하여주는 외란에 강한 서보 전동기 속도 제어 장치에 관한 것이다.
로보트에 사용되는 서보 전동기의 제어와는 달리 CNC(computerized numeric control) 공작기계용 서보 전동기의 제어는 외란에 대한 극복 능력이 중요한 사양이다. 이는 공작 기계의 절삭 공구에는 절삭 시작과 절삭 중에 전동기 축에 급격한 변화를 가지는 큰 외란(disturbance torque)이 인가되며, 이 외란은 절삭 대상의 표면에 흠집이나 돌기를 형성하게 되는 결과를 초래한다.
이러한 외란을 제거하는 방법은 서보 전동기 속도 및 위치 제어 장치의 전달 함수의 특성에 의해서 하는 방법과 외란 추정이게 의해 외란값을 추정하여 보상하는 방법 등이 있다.
제1도는 종래의 서보 전동기 속도 제어 장치의 제어 계통을 나타내는 블록 선도로서, 특개평 5-257537호에 소개되어 있다. 이 블록 선도에서 1,2,3은 일반적인 서보 전동기의 위치 및 속도 제어기의 비례(P), 비례 적분(PI) 제어기 이득들이며, 8은 마찰 보상을 위한것이며, 4,5,6은 피드 포워드 제어기를 나타낸다. 7은 외란 뿐 만아니라 관성의 변화도 보상하는 피드포워드 블록이다. 9,10은 서보 전동기의 전기적 모델이다.
이와 같은 블록 선도에서 그 동작을 설명하면 다음과 같다. 제1도에서 도시된 바와 같은 제어계는 기본적으로 비례(P)제어에 의한 위치 제어, 비례 적분(PI) 제어에 의한 속도 제어, 그리고 위치 및 속도의 피드포워드 제어를 위한 기본 제어계이다. 블록 5,6은 속도 포워드항일 뿐만 아니라 7과 함께 제어 대상의 관성 변화를 보상한다.
8은 비선형 마찰항을, 3은 외란을 보상하는 항이다. 즉, 위의 블록 선도는 관성의 변화, 마찰, 외란 등 기계의 내재된 비선형 성분을 보상하는 제어계인데 보상을 위하여 3가지 기계 오차 성분을 추정한다.
전체적으로 회전각 명령 θr에 대하여 Kpp는 명령과 실제 이동각 θ와의 차이를 증폭하여 속도 명령을 발생시키며 이 속도 명령은 실제 속도와 비교되어 토오크 명령을 발생시킨다. 이 토오크 명령에 4,5,6에 의한 피드 포워드 성분과 마찰 및 관성 변화의 보상을 위한 성분이 더하여져 기계부 9,10을 구동하게 된다.
이와 같은 방식의 문제점은 외란의 보상을 위하여 외란의 미분이 0이라는 가정이 있다는 점이다. 즉, 외란의 변화가 없다는 가정이다. 그런데 외란은 짧은 순간 급격한 변화를 갖는 성분이므로 CNC와 같은 순간적인 절삭의 시작, 작은 외란의 침투가 예상되는 경우에는 상기 발명의 효과가 유효하지 않게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 외란 극복이 매우 중요한 CNC등의 공작기계에 있어서 인가되는 외란을 보상하기 위한 장치를 구비한 강인한 서보 전동기 속도 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 서보 전동기 속도 제어 장치는, 위치 제어계에 연접된 속도 제어계를 구비하는 서보 전동기 속도 제어 장치에 있어서, 속도 이득을 비례 제어하는 속도 비례 제어 수단; 기계계의 관성을 피드 포워드 제어하는 미분 제어 수단; 미리 파악된 외란의 크기를 피드 포워드 방식을 보상해 주는 외란 보상 수단; 및 기계의 마찰 손실을 보상해 주는 마찰 보상 수단; 을 구비하되, 상기 외란 보상 수단은 수식3 Dmax·sgnωe에 의해 정의 되어, 외란의 최대값의 절대치와 상기 signum 함수 및 속도 제어 오차의 곱에 의해 보상되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 일반적인 signum 함수는로 표시된다.
이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 서보 전동기 속도 제어 장치를 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 서보 전동기 속도 제어 장치의 제어 계통을 나타내는 블록 선도이다. 이 도면에서 외란은 Td로 표기되고, 기계계의 마찰 B는 보상되어 있다. 본 발명은 속도 제어계에서 외란을 보상하는 것에 관한 것이기 때문에 상기 제2도는 등가적으로 제3도와 같이 다시 나타낼 수 있다. 즉, 제3도는 제2도의 블록 선도를 등가적으로 간략화한 블럭 선도이다.
편의상 제2도의 마찰 B는 그 값이 작거나 혹은 잘 보상된 것으로 무시하고, 블록3의 Dmax는 다음과 같이 정의된다.
Dmax｜max Td｜ : Td의 절대값의 최대치
제3도에 도시된 바와 같은 각 블록들을 갖는 서보 전동기의 속도 제어 장치를 설명하면 다음과 같다. 블록1은 속도 제어계의 비례 제어기이며, 블록2는 기계계의 관성 미분 피드 포워드 값이며, 블록3은 본 발명의 특징부인 외란 Td를 즉각적으로 보상해 주는 보상기이다.
다음은 제3도의 속도 제어 장치의 외란 보상 방법을 설명한다. 우선 다음과 같은 리아프노프 함수(Lyapunov function)을 설정한다.
미분을 취하면 다음식을 얻을 수 있다.
여기서 ωe는 ω*와 ω의 차이를 의미한다 식(1),(2),(3)을 이용하면 다음식을 구할 수 있다.
위 식의 결과식 (10)으로 판단하건데, 본 발명의 외란 보상기는 어떤 외란에 대하여서도 속도 제어 오차를 발생시키지 않음을 보여주며, 초기 속도 제어 오차는 식(9)에서 나타난 바와 같이 2Kp/J의 비율로 감소하게 된다. 즉, 어떠한 입력 속도 명령 ω*에 대하여 출력 속도(실제 전동기 속도) ω는 외란의 입력의 유무에 관계 없이 입력 속도 명령을 속도 제어 오차 ωe없이 추종하게 된다.
(10)식의 결과 초기 속도 오차의 0으로의 수렴을 알아보기 위해 (9)식을 이용하여 정리하면 다음과 같다.
따라서 V의 초기값이 V(0)이라면
이 식(12)에서 V(t)는 시간이 지남에 따라 0으로 수렴한다. 따라서 (5)식을 참고로 하면 다음 결과가 성립한다.
즉, 시간이 지남에 따라 속도 제어 오차 ωe가 0이 되어 없어지므로, 실제 전동기 속도 ω는 외란에 의한 속도 제어 오차 ωe에 관계없이 속도명령 ω*를 따르게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 서보 전동기 속도 제어 장치는 인입되는 외란을 보상하는 장치를 구비하여 속도 제어를 함으로써, 외란의 최대값만 알면 외란의 영향을 0으로 만들 수 있으므로 CNC등의 공작기계의 서보 제어기로 이용될 경우 절삭시에 발생하는 흠집이나 돌기 등이 감소하여 정밀 가공 작업이 가능하게 된다.

Claims (1)

  1. 위치 제어계에 연접된 속도 제어계를 구비하는 서보 전동기 속도 제어 장치에 있어서, 속도 이득을 비례 제어하는 속도 비례 제어 수단; 기계계의 관성을 피드 포워드 제어하는 미분 제어 수단; 미리 파악된 외란의 크기를 피드 포워드 방식을 보상해 주는 외란 보상 수단; 및 기계의 마찰 손실을 보상해 주는 마찰 보상 수단; 을 구비하되, 상기 외란 보상 수단은 수식τ3 Dmax sgnωe에 의해 정의 되어, 외란의 최대값의 절대치와 상기 signum 함수 및 속도 제어 오차의 곱에 의해 보상되는 것을 특징으로 하는 서보 전동기 속도 제어 장치.
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