KR0165450B1 - 교류 서보 모터의 위치 제어기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교류 서보 모터의 위치제어기에 관한 것이다.
본 발명은 시스템에 입력되는 위치명령신호와 모터로부터의 출력신호를 피드백 받아 위치오차를 감소시키도록 하는 소정 신호를 출력하는 PID 제어기와, 상기 모터에 인가되는 토오크신호와 모터로부터의 출력 신호를 입력받아 그 차이를 이용하여 모터에 인가되는 추정된 외란 토오크를 출력하는 외란 추정기를 구비하는 모터의 위치제어기에 있어서, 상기 외란추정기는 출력토오크를 필터링하여 진동을 억제시키기 위한 필터와, 외란추정기 이득 및 외란보상을 위한 모터의 규범모델을 구비하며, 상기 PID제어기의 출력신호와 모터로부터 출력되는 실제 위치신호를 입력받아 그 두 개의 신호간의 차를 이용하여 최종 모터 입력을 생성하도록 된 점에 특징이 있다.
이와 같은 본 발명은 종래와는 달리 모터로부터 출력되는 실제 위치신호를 직접 제어 시스템에 이용하게 되므로 보다 정확하고 신속한 위치제어가 가능하다.

Description

교류 서보 모터의 위치 제어기
제1도는 종래 모터 위치 제어기의 제어 매커니즘을 보여주는 블록 선도.
제2도는 본 발명에 따른 교류 서보 모터의 위치제어기의 시스템을 개략적으로 나타내 보인 블록 선도.
제3도는 제2도의 제어 시스템을 간략하게 표현한 등가 블록 선도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11,21 : PID제어기 12,24 : 모터
12a : 모터의 수학적 모델 12b : 적분기
13,22 : 외란추정기 14,25 : 외란추정기 이득
15,23 : 저역 필터 26 : 모터의 규범 모델
본 발명은 산업용 로보트나 CNC(Computer Numerical Control) 시스템 등에 널리 사용되는 교류 서보 모터의 위치제어기에 관한 것으로서, 특히 부하변동이나 외란에 거의 영향을 받지 않으며, 외란추정에 있어서 속도정보 대신 위치정보를 직접 사용함으로써 시스템 구현을 용이하게 할 수 있는 교류 서보 모터의 위치제어기에 관한 것이다.
오늘날, 산업현장에는 다양한 종류의 자동화 시스템이 설비되어 운용되고 있다. 그와 같은 자동화 시스템은 자동제어 이론을 기초로 하여 광범위하게 응용되고 있다. 자동제어는 크게 시퀀스 제어(sequential control)와 귀환 제어(feedback control)로 나눌 수 있다. 시퀀스 제어는 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계가 순차적으로 진행되는 것으로, 장치가 비교적 간단하지만 출력변수를 귀환시켜 명령신호와 비교시킬 귀환장치가 구성되어 있지 않아 조건변화에 대처할 수 없는 단점이 있다. 이에 반해 귀환 제어는 물리계 스스로가 제어의 필요성을 판단하여 수정 동작을 하는 것으로, 출력변수를 일단 귀환시켜 명령신호와 비교시킬 귀환장치를 구성하고 있어 외부의 조건변화에 대처할 수 있는 능력을 가지고 있다. 그러나, 모든 장치나 설비에 모두 귀환제어가 필요한 것은 아니며, 제어계에 관련되는 매개변수나 최종 제어의 목표 대상에 따라 시퀀스 제어만으로도 충분히 원하는 효과를 얻을 수 있는 경우가 있다. 따라서, 산업현장에서는 통상 시퀀스 제어와 귀환 제어를 적절히 혼합 응용하여 사용하고 있는 실정이다.
제1도에는 그와 같은 자동 제어 시스템이 적용된 종래 모터 위치 제어기의 제어 매커니즘을 보여주는 블록 선도이다.
이를 참조하면, 위치명령(θ)이 시스템에 입력되면 실제 위치(θ)와의 차가 PID제어기(11)에 입력되고, PID제어기(11)는 입력된 위치오차(θ-θ)가 감소되도록 하는 소정 신호를 출력한다.
한편, 외란추정기(13)는 모터(12)에 인가되는 토오크(T)와 모터의 실제속도를 입력받아 그 차이를 이용하여 저역 필터(low-pass filter)(15)를 통과시킨 후, 모터(12)에 인가되는 추정된 외란 토오크(Td')를 출력하게 된다. 이 추정된 외란 토오크(Td')는 상기 PID제어기(11)의 출력에 가산되어 모터(12)에 인가된다. 이때, 추정하고자 하는 외란의 주파수를 조절하는 외란추정기 이득(14)이 모터(12)에 인가되는데, 이 이득에 의해 외란으로 인한 위치변동의 영향을 줄일 수 있게 된다. 미설명 부호 12a는 모터의 수학적모델이고, 12b는 적분기로서 J는 부하 관성 모멘트, s는 라플라스 연산자, Jn은 모터 규범모델의 관성모멘트, ω0는 필터 리미트 주파수이다.
이와 같이 종래 모터 위치 제어기는 모터에 인가되는 토오크와 모터의 출력속도로부터 외란을 추정하는 방식을 취하고 있다. 즉, 속도 정보를 미분하여 입력토오크에 의해 움직여야 하는 예상값과의 편차로부터 외란 토오크를 추정하고 있다. 그런데, 이와 같은 종래 모터 위치 제어기는 설명한 바와 같이 외란 추정을 위해서 속도정보를 사용해야 하기 때문에 모터의 위치정보, 즉 엔코더 출력 데이타를 미분해야 하는 번거로움이 수반된다. 뿐만 아니라, 그와 같은 미분기(s)에 의해 노이즈가 증가되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 모터 출력인 위치정보를 이용하여 모터에 인가되는 최종 제어입력을 생성함으로써 모터에 인가되는 외란 토오크와 부하 변동에 거의 영향을 받지 않는 교류 서보 모터의 위치제어기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 교류 서보 모터의 위치제어기는, 시스템에 입력되는 위치명령신호와 모터로부터의 출력신호를 피드백 받아 위치오차를 감소시키도록 하는 소정 신호를 출력하는 PID제어기와, 상기 모터에 인가되는 토오크신호와 모터로부터의 출력신호를 입력받아 그 차이를 이용하여 모터에 인가되는 추정된 외란 토오크를 출력하는 외란 추정기를 구비하는 모터의 위치제어기에 있어서, 상기 외란 추정기는 출력토오크를 필터링하여 진동을 억제시키기 위한 필터와, 외란추정기 이득 및 외란보상을 위한 모터의 규범모델을 구비하며, 상기 PID제어기의 출력신호와 모터로부터 출력되는 실제 위치 신호를 입력받아 그 두 개의 신호간의 차를 이용하여 최종 모터 입력을 생성하도록 된 점에 그 특징이 있다.
이와 같이 본 발명은 종래와는 달리 모터로부터 출력되는 실제 위치 신호를 직접 제어 시스템에 용이하게 되므로 보다 정확하고 신속한 위치제어가 가능한 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 교류 서보 모터의 위치제어기의 시스템을 개략적으로 나타내 보인 블록 선도이다.
이를 참조하면, 본 발명의 교류 서보 모터의 위치제어기는 시스템에 입력되는 위치명령신호(θ)와 모터(24)로부터의 출력신호를 피드백(feedback) 받아 위치오차를 감소시키도록 하는 소정 신호를 출력하는 PID제어기(21)와, 상기 모터(24)에 인가되는 토오크신호와 모터(24)로부터의 출력신호를 입력받아 그 차이를 이용하여 모터(24)에 인가되는 추정된 외란 토오크를 출력하는 외란추정기(22)를 구비한다.
상기 외란추정기(22)는 출력토오크를 필터링하여 진동을 억제시키기 위한 필터(22)와, 외란추정기 이득(25) 및 외란보상을 위한 모터의 규범모델(26) 요소로 구성된다. 여기서, 특히 상기 토오크신호와 함께 외란추정기(22)에 입력되는 신호로는 모터(24)로부터 출력되는 위치 신호를 이용하게 된다.
한편, 외란추정기(22)는 외란 토오크(Td)를 효과적으로 억제하고, 제어 시스템이 모터의 관성모멘트(J)의 변동에 무관하도록 해준다. 이와 같은 기능을 수식화하여 표현하면 다음과 같다.
여기서, Gp(s)는 모터의 전달함수이고, θ(s)/T(S)는 모터의 토오크 변환에 대한 위치변화량을 나타낸다.
상기 (1)식에 의해, 제2도는 제3도와 같이 간략화될 수 있다. 즉, 제3도에서와 같이 본 발명의 위치제어기는 PID제어기(21)와 모터의 규범 모델(26)만으로 압축하여 표현될 수 있다. 이것은 곧 외란입력 및 부하변동에 관계없이 모터의 모델을 만들 수 있음을 의미한다.
이에 대해 좀 더 상세히 설명해 보기로 한다.
상기 외란추정기(22)에 의해 다음과 같은 수식이 유도될 수 있다.
그리고, (2)식에서 u(s)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서, α를 충분히 크게 설정한다면 α/(s+α)는 1이 되므로
상기 식(2)과 식(4)에 의해 θ(s)는 다음과 같이 표현될 수 있다.
상기 식(5)에서 이득 k를 충분히 크게 설정하면 1/(Js2+ks)는 0, (Jns+k)/(Js+k)는 1이 되므로, 식(5)는 다음과 같이 된다.
따라서, (6)식으로부터 상기 식(1)의을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 교류 서보 모터의 위치제어기는 종래와는 달리 모터로부터 출력되는 실제 위치신호를 직접 제어 시스템에 이용하게 되므로 보다 정확하고 신속한 위치제어가 가능하며, 그에 따라 위치제어에 있어서의 정밀도를 한층 증대시킬 수 있다.

Claims (1)

  1. 시스템에 입력되는 위치명령신호와 모터로부터의 출력신호를 피드백 받아 위치오차를 감소시키도록 하는 소정 신호를 출력하는 PID 제어기와, 상기 모터에 인가되는 토오크신호와 모터로부터의 출력 신호를 입력받아 그 차이를 이용하여 모터에 인가되는 추정된 외란토오크를 출력하는 외란 추정기를 구비하는 모터의 위치제어기에 있어서, 상기 외란추정기는 출력토오크를 필터링하여 진동을 억제시키기 위한 필터와, 외란추정기 이득 및 외란보상을 위한 모터의 규범모델을 구비하며, 상기 PID제어기의 출력신호와 모터로부터 출력되는 실제 위치신호를 입력받아 그 두 개의 신호간의 차를 이용하여 최종 모터 입력을 생성하도록 된 것을 특징으로 하는 교류 서보 모터의 위치제어기.
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