KR100222953B1 - 서보시스템의 제어방법 및 제어장치 - Google Patents

서보시스템의 제어방법 및 제어장치 Download PDF

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KR100222953B1 KR1019970010118A KR19970010118A KR100222953B1 KR 100222953 B1 KR100222953 B1 KR 100222953B1 KR 1019970010118 A KR1019970010118 A KR 1019970010118A KR 19970010118 A KR19970010118 A KR 19970010118A KR 100222953 B1 KR100222953 B1 KR 100222953B1
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Abstract

본 발명은 서보모터와, 상기 서보모터의 출력측에 배치되는 기구계와, 상기 서보모터의 구동력을 상기 기구계에 전달하는 구동전달수단을 갖는 서보시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 제어방법은, 상기 기구계의 출력운동값인 가속도 값과 위치값중 하나를 검출하는 단계와; 상기 서보모터의 구동토오크와 상기 기구계의 출력운동값 사이의 선형관계를 나타낸 실험적 궤환이득에 관한 정보에 기초하여, 상기 검출된 출력운동값에 따른 댐핑값을 산출하는 단계와; 상기 댐핑값을 상기 기구계의 제어입력값에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특정으로 한다. 이에 의해 시스템전반에 발생하는 저주파성분을 추가적으로 제거할 수 있으며, 특히, 신속한 응답성 및 정확한 위치제어를 할 수 있다는 우수한 효과가 제공된다.

Description

서보시스템의 제어방법 및 제어장치
본 발명은 서보시스템의 제어방법 및 제어장치에 관한 것으로서, 특히, 서보모터와 기구계 및, 이들을 상호 연결하여 서보모터의 구동을 기구계에 전달하는 로봇의 유연관절부나 벨트구동시스템을 갖는 서보시스템의 제어방법 및 제어장치에 관한 것이다.
최근의 FA(Factory automation), OA(office automation)에 대표되는 로봇이나 공작기계 등에는 고도의 전동제어기술을 채용하여 기기의 성능향상을 도모하고 있는 경우가 많으며, 이러한 전동 제어기술중 응답성 및 신뢰성, 경량성, 그리고 부하내량 및 온도상승 등의 성능이 뛰어난 서보모터를 적용한 제어가 다양하게 제안되어 있다. 서보모터를 갖는 서보시스템에는, 목적하는 출력을 자동적으로 얻기 위하여 입력되는 목표값으로부터 제어토오크를 산출하여 서보모터를 구동제어하는 제어부와, 이 제어부의 제어지령값에 대응한 출력을 피드백하여 목표입력값과 비교하는 귀환(Feedback path)를 가지고 있다.
제4도는 종래의 서보시스템의 블록도이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 서보시스템은, 도시않은 상위 기준입력요소로 부터의 목표값(
Figure kpo00002
*)에 비례하는 토오크(
Figure kpo00003
*)를 발생하는 제어부(1)와, 제어부(1)의 발생토오크(
Figure kpo00004
*)를 전달받는 모터계(11), 그리고, 모터계(11)로부터 출력된 토오크지령값(
Figure kpo00005
)에 의해 구동제어되는 기구계(21)로 구성되어 있다. 제어부(1)는, 위치제어부(3) 및 속도제어부(5) 그리고, 토오크지령필터(7)로 구성되어 있다. 그리고, 서보모터를 가지는 모터계(11)와 기구계(21)는 상호 동력전달장치(35)에 의해 연결되게 된다.
이러한 구성의 이상적인 시스템에서는, 제어부(1)에 입력된 목표값에 대응하는 토오크값(
Figure kpo00006
* L
Figure kpo00007
*
Figure kpo00008
)을 비교한 오차를 귀환경로를 통해 제어부(1)에 인가시키고, 이 오차에 비례하는 보상을 출력 신호에 반영함으로써, 목적하는 정확한 제어를 도모하고 있다.
이러한 위치제어방법을 보다 구체적으로 설명하면, 우선 상위 기준입력요소로부터의 목표값이 제어부(1)의 위치제어부(3)에 입력위치값(
Figure kpo00009
*)으로 인가되게 된다. 이때 입력위치값(
Figure kpo00010
*)은, 위치제어부(3)의 상류측에 마련된 가산부(33)에서 상위 기준입력요소로부터의 목표값과 모터계의 실제 위치값이 비교된 차이값이며, 이 차이값은 Kpp로 블록표시되는 위치제어블록(5)에서 위치제어게인에 곱하여져 속도지령값(
Figure kpo00011
*)으로 출력되게 된다. 속도지령값(
Figure kpo00012
*)은, 속도제어부(5)의 상류측의 가산부(9)에서 역시 모터계(11)의 실제속도와 비교되며,
Figure kpo00013
블록표시되는 속도제어블록(7)에 대응하는 토오크값(
Figure kpo00014
*)으로 출력되게 된다. (여기서, Kpp는 위치비례게인이고, Kwp는 속도비례게인, KWI는 속도적분게인, S는 라플라스연산자이다.)
한편, 이러한 토오크값(
Figure kpo00015
*)은, 토오크지령필터(7)를 거쳐 모터계(11) 및 기구계(21)에 입력되게 된다. 이 때, 토오크지령필터(7)는 속도제어부(5)로부터의 토오크값(
Figure kpo00016
*)에 혼합된 고주파성분을 제거하는 역할을 한다. 이에 따라, 서보시스템은, 기구적 또는 전기적 외란 및 고주파성분에 의해 유발되는 진동이 억제되어 정확한 제어가 가능하게 되는 것이다.
그런데, 이러한 서보시스템에서는, 기계적 및 전기적 외란이 서보모터를 갖는 모터계(11)와 이 모터계(11)의 구동력에 의해 작동되는 기구계(21)에 전반적으로 작용할 수 있으며, 이에도 불구하고, 종래의 서보시스템에서는 모터계측에 작용하는 외란에 대한 보상만을 하기 때문에, 즉 기구계측에 작용하는 외란에 대한 보상이 충분히 이루어지고 있지 아니하기 때문에, 실제적으로는 거의 느낄 수 없지만 소정의 외란에 대한 진동이 유발되고 있다. 이는 제어부내에 토오크지령필터(7)가 마련되어 있기 때문이기도 하지만, 이러한 토오크지령필터(7)에서도 속도제어부(5)로부터 제공되는 토오크신호에 포함된 저주파성분은 제거하기 곤란하고, 또한, 피드백되는 신호는 제어부내의 마련된 토오크지령필터(7)를 거쳐야 하기 때문에 필연적으로 시스템전체의 응답성이 저하되게 된다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 문제점을 고려하여, 시스템전반에 발생하는 저주파성분을 제거할 수 있으며, 특히, 기구계측에 작용하는 외란에 대한 보상을 추가하여 정확한 위치제어를 도모할 수 있고, 또한, 신속한 응답성을 향상시킬 수 있는 서보시스템의 위치제어방법 및 위치제어장치를 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 진동억제궤환경로를 갖는 서보시스템의 개략적 구성을 나타낸 블록도.
제2도는 이론적 진동억제궤환경로를 갖는 서보시스템의 부분블록도.
제3도는 실제 적용가능한 진동억제궤환경로를 갖는 서보시스템의 부분블록도.
제4도는 종래의 서보시스템의 블록도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제어부 3 : 위치제어부
5 : 속도제어부 7 : 토오크지령필터
9,17,27,33 : 가산부 11 : 모터계
21 : 기구계
상기 목적은, 본 발명에 따라, 서보모터와, 상기 서보모터의 출력측에 배치되는 기구계와, 상기 서보모터의 구동력을 상기 기구계에 전달하는 구동전달수단을 갖는 서보시스템의 제어방법에 있어서, 상기 기구계의 출력운동값인 가속도값과 위치값중 하나를 검출하는 단계와; 상기 서보모터의 구동토오크와 상기 기구계의 출력운동값 사이의 선형관계를 나타낸 실험적 궤환이득에 관한 정보에 기초하여, 상기 검출된 출력운동값에 따른 댐핑값을 산출하는 단계와; 상기 댐핑값을 상기 기구계의 제어입력값에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보시스템의 제어방법에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 댐핑값 산출단계는, 상기 검출된 가속도값을 가속도미분치로서 연산하는 단계와, 상기 가속도미분치를 상기 소정의 저장된 궤환이득에 대응한 비례값으로 검출하는 단계를 포함하여, 댐핑값을 순차적으로 구할 수 있다. 이때, 상기 댐핑값(KVA)은, 상기 서보모터의 위치와 상기 기구계 위치와의 관계를 표현한 다음의 수학식 1에 기초하여, 두 위치값의 차(
Figure kpo00017
A-
Figure kpo00018
)에 따른 값으로 얻을 수 있으며:
Figure kpo00019
(여기서,
Figure kpo00020
A는 기구계선단의 위치, JA는 기구계의 관성모멘트, S는 라플라스연산자, BA는 기구계의 점성마찰계수, K는 동력전달수단의 일실시예에 따른 스프링의 스프링상수, 그리고,
Figure kpo00021
는 모터의 위치를 나타낸다.)
상기 댐핑값이 반영된 상기 서보모터와 상기 기구계의 위치의 관계식은 다음의 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure kpo00022
그리고, 상기 기구계의 가속도값은 상기 기구계의 선단에 설치된 가속도센서에 의해 검출되도록 하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 기구계의 위치값은 엔코더에 의해 검출되도록 간단히 구성할 수 있다. 이 때, 상기 검출된 위치값은 2차미분함으로써, 상기 가속도값으로 간단하게 변환시킬 수 있으며, 이 변환된 가속도값으로 간단하게 댐핑값을 산출할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른분야에 따르면, 상기 목적은 서보모터와, 이 서보모터의 출력측에 배치되는 기구계와, 상기 서보모터의 구동력을 상기 기구계에 전달하는 구동전달수단을 갖는 서보시스템에 있어서, 상기 서보모터의 구동토오크와 상기 기구계의 가속도값과 위치값과의 사이의 선형적인 실험적 궤환이득에 관한 정보를 저장하는 메모리와; 상기 기구계의 가속도 값과 위치값중 하나를 검출하는 검출수단과; 상기 저장된 실험적 궤환이득에 관한 정보에 기초하여, 상기 출력운동값에 따른 댐핑값을 산출하는 연산부와; 상기 댐핑값을 상기 기구계의 제어입력값에 반영하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보시스템에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 검출수단은 상기 기구계의 가속도를 검출하는 가속도센서나 상기 기구계의 위치를 검출하는 엔코더중 어느 일측의 것을 선택적으로 구성할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 따른 진동억제궤환경로를 갖는 서보시스템의 개략적 구성을 나타낸 블록도이다. 본 서보시스템은 종래의 제4도와 관련하여 설명한 바와 마찬가지로, 상위 기준입력요소(31)와, 제어부(1), 모터계(11), 그리고, 기구계(21)로 구성되어 있다. 제어부(1)는, 상위 기준입력요소(31)로 부터의 목표값에 비례하는 토오크값(
Figure kpo00023
*)를 출력하여 모터계(11)에 제공한다. 서보모터를 갖는 모터계(11)는, 제어부(1)로 부터의 ,토어크값(
Figure kpo00024
*)에 해당하는 토오크지령값(
Figure kpo00025
)을 기구계(21)에 하달하며, 이에 의해 기구계(21)는 토오크지령값(
Figure kpo00026
)에 의해 구동제어되게 된다. 모터계(11)와 기구계(21) 사이에는 모터계(11)의 동력을 전달하는 구동전달 요소(35)가 마련되어 있다.
제어부(1)는, 위치제어부(3) 및 속도제어부(5), 그리고 토오크지령필터(7)로 구성되고, 모터계(11)와 기구계(21)에는 각각 속도요소블록(13, 23)과 위치요소 블록(15, 25)이 각각 표시되어 있다. 이러한 구성의 서보시스템에서는, 제어부(1)에 입력된 목표값과 모터계(11) 및 기구계(21)의 출력운동값이 동일하여 정확한 위치제어가 이루어져야 하는 것이 이상적이지만, 실제에서는, 전기적 및 기계적인 외란(TL)이 각 구성요소에 작용하여 목표값과 각 출력값이 일치하지 아니하게 된다. 그래서, 이러한 시스템의 정확한 위치 및 속도제어를 위하여, 제4도와 관련하여 설명한 바와 마찬가지로, 귀환경로를 통해 모터계(11)의 실제위치 및 속도를 피드백하여 목표값과 비교하고, 그 오차에 비례하는 보상값을 제어부(1)에 인가시키면, 모터계(11)로부터의 출력치 즉, 토오크지령값(
Figure kpo00027
)이 보상되게 된다. 이 때, 토오크지령필터(7)는, 출력되는 토도크값(
Figure kpo00028
*
한편, 기구계(21)에 작용하는 기계적 또는 전기적 외란은, 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 모터계(11)의 상류측에 마련된 가산부(17)에서 제어부(1)로 부터의 토오크값(
Figure kpo00029
*)과 기구계(21)로부터 피드백된 현재속도값(
Figure kpo00030
A) 또는 현재위치값(
Figure kpo00031
A)을 비교하여, 그 오차를 보상함으로써 제거되게 된다. 이러한 보상방법 및 보상값의 산출방법은 후술하기로 한다.
제2도는 제1도의 부분 블록도로서, 이 블록도에는 모터계(11)의 출력측에 기구계(21)가 배치되어 있고, 이들 사이에 K로 블록표시된 구동전달블록(35)이 마련되어 있으며, 기구계(21)에 작용하는 외란을 제거하기 위한 이론적 진동억제궤환경로가 도시되어 있다. 동력전달장치를 갖는 시스템은 다양한 형태로 구성할 수 있지만, 본 구성은 점성마찰요소를 갖는 탄성계 즉, 모터계와 기구계가 탄성스프링에 의해 연결된 시스템을 일예로 설명하기로 한다. 이러한 구성에서는, 모터계(11)로 부터 토오크지령값(
Figure kpo00032
)이 출력되면, 동력전달측에 뒤틀림이 발생하게 되며, 이에 따라 기구계(21)는 뒤틀림힘에 의해 구동되게 된다.
도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 제어부(1)로 부터의 토오크값(
Figure kpo00033
*) 입력 토오크에 대응하는 실제 전류(i)로 변환되어 모터계(11)에 가해지게 된다. 그러면, 모터계(11)는 인가된 전류에 비례하여 토오크지령값(
Figure kpo00034
)을 발생하게 되며, 토오크지령값(
Figure kpo00035
)은 K로 블록표시된 동력전달블록(35)을 거쳐 기구계(21)에 입력되게 된다. 모터계(11)로부터의 토오크지령값(
Figure kpo00036
)이 기구계(21)를 구동시킬 때, 그 속도요소블록(23)의 동특성은, JA는 관성능률(Inertia moment), BA는 점성마찰계수, S는 라플라스변수라 하면
Figure kpo00037
로 나타내며, 그리고, 위치요소블록(25)의 동특성은
Figure kpo00038
로 나타낸다. 기구계(21)의 각 블록(23, 25)에 대응하는 기구계 선단의 속도는 WA로 나타내었고, 기구계 선단의 위치는
Figure kpo00039
A로 나타내었다.
이하에서는 기구계(21)에 작용하는 외란을 제거하기 위한 제어방법 및 보상값의 계산방법을 상세하게 설명하기로 한다. 기구계(21)의 외란은, 모터계(11)로 부터의 출력값에 대응하는 기구계(21)의 가속도 또는 위치정보중 어느 하나를 인가하며, 후술하는 바와 같은 과정을 통해 계산된 댐핑값(KVA)을 보상항으로써 제거될 수 있다. 가속도의 인가는 기구계(21)의 선단에 가속도센서를 마련하여 인가하고, 위치정보는 엔코드 등의 위치검출장치를 사용하여 인가할 수 있다.
가속도정보를 사용한 댐핑값(KVA)의 산출은, 우선 가속도센서에서 검출된 가속도값을 가속도미분치로서 연산하고, 이 가속도미분치를 제어부내에 저장된 소정의 데이터에 대응한 비례값으로 검출하게 된다. 이 때, 제어부내에 저장된 데이터는, 모터계(11)의 구동토오크와 기구계(21)의 출력운동값 사이의 선형관계를 나타낸 궤환이득에 관한 정보로, 이러한 궤환이득은 실험적으로 상정되어 제어부(1)의 메모리에 저장된 것이다.
즉, 댐핑값( KVA)은, 모터계(11) 즉, 서보모터의 위치와 기구계(21) 위치와의 관계를 표현한 다음의 수학식 1에 기초하여, 두 위치값의 차(
Figure kpo00040
A-
Figure kpo00041
)에 따른 값으로 얻을 수 있다.
[수학식 1]
Figure kpo00042
(여기서,
Figure kpo00043
A는 기구계선단의 위치, JA는 기구계의 관성모멘트, S는 라플리스연산자, BA는 기구계의 점성마찰계수, K는 동력전달수단의 일실시예에 따른 스프링의 스프링상수, 그리고,
Figure kpo00044
는 모터의 위치를 나타낸다.)
이렇듯 수학식 1에 따라 계산된 댐핑값( KVA)은, 기구계(21)의 제어입력값에 반영하며, 목표값과 동일한 기구계(21)의 출력운동값을 얻을 수 있게 된다. 이러한 댐핑값이 반영된 모터계(11)와 기구계(21)의 위치의 관계식은 다음의 수학식 2로 표현되게 된다.
[수학식 2]
Figure kpo00045
한편, 가속도정보에 기초하여 산출한 댐핑값(KVA)은, 이론적으로는, 구동 전달블록(35)의 상류측에 마련된 가산부(27)에 귀환경로를 통해 피드백시키면, 시스템의 응답성이 향상될 수 있어야 바람직하지만, 그 제어가 용이하지 아니하기 때문에, 실제적으로는 제어가능한 모터계(11)의 상류측에 마련된 가산부(17)에 피드백시키게 된다. 제3도는 이러한 실제 적용가능한 진동억제궤환경로를 갖는 서보시스템의 부분 블록도이다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이 본 블록도에서는, 모터계(11)의 상류측에 마련된 가산부(17)에 기구계(21)의 가속도정보에 기초하여 산출된 댐핑값(KVA)이 추가적으로 반영되고 있으며, 이에 의해 기구계(21)에 작용하는 외란에 의한 진동이 제거될 수 있게 된다.
한편, 엔코더 등의 위치검출장치를 사용하여 인가된 기구계(21)의 위치정보는, 2차미분함으로써 가속도정보로 변환시킬 수 있으며, 이 가속도정보는 상기와 같은 동일한 과정을 통하여 댐핑값( KVA)으로 산출할 수 있게 된다. 이렇듯 산출된 댐핑값(KVA)을 모터계(11)의 상류측에 마련된 가산부(17)에 적용하면, 상기와 동일한 목적을 달성할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 서보시스템의 제어방법 및 제어장치에 따르면, 토오크지령필터에 의해 제거되지 아니한 시스템전반에 발생하는 저주파성분을 추가적으로 제거할 수 있으며, 특히, 기구계측에 작용하는 외란은, 모터계에 인접한 가산부에 소정의 댐핑값을 보상함으로써 제거할 수 있기 때문때, 신속한 응답성을 도모할 수 있는 동시에 정확한 위치제어를 할 수 있다는 우수한 효과가 제공된다.

Claims (9)

  1. 서보모터와, 상기 서보모터의 출력측에 배치되는 기구계와, 상기 서보모터의 구동력을 상기 기구계에 전달하는 구동전달수단을 갖는 서보시스템의 제어방법에 있어서, 상기 기구계의 출력운동값인 가속도값과 위치값중 하나를 검출하는 단계와; 상기 서보모터의 구동포오크와 상기 기구계의 출력운동값 사이의 선형관계를 나타낸 실험적 궤환이득에 관한 정보에 기초하여, 상기 검출된 출력운동값에 따른 댐핑값을 산출하는 단계와; 상기 댐핑값을 상기 기구계의 제어입력값에 반영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보시스템의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 댐핑값 산출단계는, 상기 검출된 가속도값을 가속도미분치로서 연산하는 단계와; 상기 가속도미분치를 상기 소정의 저장된 궤환이득에 대응한 비례값으로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보시스템의 제어방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 댐핑값( KVA)은, 상기 서보모터의 위치와 상기 기구계 위치와의 관계를 표현한 다음의 수학식 1에 기초하여, 두 위치값의 차(
    Figure kpo00046
    A-
    Figure kpo00047
    )에 따른 값으로 얻을 수 있으며;
    Figure kpo00048
    (여기서,
    Figure kpo00049
    A는 기구계선단의 위치, JA는 기구계의 관성모멘트, S는 라플라스연산자, BA는 기구계의 점성마찰계수, K는 동력전달수단의 일실시예에 따른 스프링의 스프링상수, 그리고,
    Figure kpo00050
    는 모터의 위치를 나타낸다.)
    상기 댐핑값이 반영된 상기 서보모터와 상기 기구계의 위치의 관계식은 다음의 수학식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 서보시스템의 제어방법;
    Figure kpo00051
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 기구계의 가속도 값은 상기 기구계의 선단에 설치된 가속도센서에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 서보시스템의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기구계의 위치값은 엔코더에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 서보시스템의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 검출된 위치값은 2차미분함으로써, 상기 가속도 값으로 연산가능한 것을 특징으로 하는 서보시스템의 제어방법.
  7. 서보모터와, 이 서보모터의 출력측에 배치되는 기구계와, 상기 서보모터의 구동력을 상기 기구계에 전달하는 구동전달수단을 갖는 서보시스템에 있어서, 상기 서보모터의 구동토오크와 상기 기구계의 출력운동값인 가속도값과 위치 값과의 사이의 선형적인 실험적 궤환이득에 관한 정보를 저장하는 메모리와; 상기 기구계의 가속도 값과 위치값중 하나를 검출하는 검출수단과; 상기 저장된 실험적 궤환이득에 관한 정보에 기초하여, 상기 출력운동값에 따른 댐핑값을 산출하는 연산부와; 상기 댐핑값을 상기 기구계의 제어입력 값에 반영하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 검출수단은 상기 기구계의 가속도를 검출하는 가속도센서인 것을 특징으로 하는 서보시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 검출수단은 상기 기구계의 위치를 검출하는 엔코더인 것을 특징으로 하는 서보시스템.
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