KR100255855B1 - 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엔코더의 사양에 의해 결정되는 기존의 제어 성능을 대폭 개선하고, 또한 저속에서의 속도 리플(Ripple)을 줄임으로써 저속 제어 성능을 향상시키도록 한 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 모터의 회전식 검출되는 위치/속도 검출 펄스의 체배된 펄스와 모터의 정밀 제어를 위해 기준신호로 입력되는 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스를 논리 연산하여 정밀 위치/속도를 보상하기 위한 위치/속도 데이터를 출력하는 정밀 위치/속도 검출 보상회로부와, 상기 정밀 위치/속도 검출 보상회로부로부터 얻어지는 위치/속도 데이터를 검색하여 정밀 위치/속도의 보상치를 계산하고 그 계산치에 따라 모터의 회전에 따른 위치와 속도를 계산하는 중앙처리장치로 구성된다.

Description

서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치 및 방법
본 발명은 서보 제어계에서 위치 및 속도 제어의 성능을 향상시키기 위해 피드백 유닛(Unit)으로 사용되는 엔코더(Encoder)로부터 발생되는 펄스를 이용한 정밀 위치/속도 검출장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 엔코더의 사양에 의해 결정되는 기존의 제어 성능을 대폭 개선하고, 또한 저속에서의 속도 리플(Ripple)을 줄임으로써 저속 제어 성능을 향상시키도록 한 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치 및 방법에 관한 것이다.
종래 모터를 피드백 제어하기 위한 위치/속도 검출기는 제1도에 도시된 바와 같이, 인크리멘탈 인코더를 주로 사용하고 있는데, 인크리멘탈 인코더의 디스크(1)원주를 따라 가동된 센싱홀(2)의 개수가 많으면 많을수록 모터 제어 정밀도는 증가 하게 된다.
그러나, 제조 기술상의 한계로 센싱홀(2)의 가공 개수는 한정되고 이에 따라 제어 정밀도도 한정된다.
이런 물리적 제약에 의한 제어 정밀도의 한정을 극복하기 위해 인크리멘탈 인코더가 모터축(3)에 연결되어 회전함에 따라 발생되는 펄스열 즉, 제4도의 A,B를 이용하여 펄스수를 제2도와 같은 회로를 통해 4체배하게 된다.
이를 토대로 종래의 위치/속도 검출장치의 동작을 제3도를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 모터가 회전함에 따라 모터 축에 연결되어 있는 인코더부(10)로부터 모터의 회전 방향에 따라 제5도에 도시된 A,B신호가 발생한다.
이 A,B신호는 4체배회로부(20)내의 제1~4 디-플립플롭(20a~20d)을 걸치면서 제5도에 도시된 바와 같이 각각 펄스 A1,
Figure kpo00001
, A2,
Figure kpo00002
, B1,
Figure kpo00003
, B2,
Figure kpo00004
신호로 변환된다.
이때, 모터 정방향 회전시에는 A,
Figure kpo00005
, A1,
Figure kpo00006
, A2,
Figure kpo00007
및 B,
Figure kpo00008
, B1,
Figure kpo00009
, B2,
Figure kpo00010
에 대해 제1~4 앤드게이트(20e~20h)를 사용하여 a 와 b상의 에지부근에서의 펄스 C1, C2, C3, C4신호를 얻는다.
한편, 모터 역방향 회전시에는 A,
Figure kpo00011
, A1,
Figure kpo00012
, A2,
Figure kpo00013
및 B,
Figure kpo00014
, B1,
Figure kpo00015
, B2,
Figure kpo00016
에 대해 제5~8앤드게이트(20i~21)를 사용하여 a와 b상의 에지부근에서의 펄스 C5,C6,C7,C8신호를 얻는다.
그러면, 제1오아게이트(20m)는 상기 제1~4앤드게이트(20e~20h)에서 각각 논리곱된 펄스신호(C1,C2,C3,C4)를 논리합하여 정방향의 펄스열 신호 즉, 제5도에 도시된 펄스 D1을 얻을 수 있으며, 제2오아게이트(20n)는 상기 제5~8앤드게이트(20i~20l)에서 각각 논리곱된 펄스신호(C5,C6,C7,C8)를 논리합하여 정방향향의 펄스열 신호 즉, 제5도에 도시된 펄스 D2를 얻을 수 있다.
그러면, 제3오아게이트(20o)는 상기 제1, 제2오아게이트(20m)(20n)에서 각각 논리합된 펄스신호(C1)(C2)가 인가됨으로써 모터의 방향을 판별할 수 있는 판별신호 즉, 제5도에 도시된 F신호를 얻을 수가 있다.
상기에서, 4체배회로부(20)에서 4체배된 펄스열 E는 펄스 업/다운 카운터부(30)의 CLK단자에 인가하고, 방향 판별신호 F는 U/D단자에 인가하여 펄스 개수를 카운트한다.
그러면, CPU(도면상의 미도시)는 상기 펄스 업/다운 카운터부(30)의 출력을 일정 시간 마다 래치부(40)를 이용하여 읽어감으로써 모터의 회전에 따른 속도와 위치를 계산하다.
제6도는 제2도의 위치/속도 검출장치로부터 읽어들인 데이터로부터 위치 및 속도를 검출하는 알고리듬을 나타내었다.
이를 참조로 위치 및 속도를 검출하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, CPU의 i번째 샘플링(Sampling)이 시작되면 래치부(40)로부터 데이터 Li을 언사인드(Unsigned)값으로 읽어 들이고 방향 판별신호에 따라 i번째와 (i-1)번째 샘플링사이의 데이터 차 ΔL을 구한다.
먼저, 정방향 회전시 Li가 L(i-1)보다 크거나 같으면 ΔL=|Li-L(i-1)| 값을 취하고, Li가 L(i-1)보다 작을 경우에는 펄스 업/다운 카운터부(30)의 최대치 LM을 넘어 다시 0부터 카운트하고 있으므로 ΔL=|Li-L(i-1)|과 ΔL=|Li-L(i-1)-LM|식으로 ΔL을 구한다.
그 구한 ΔL로부터 ΔPi=ΔL/LM×360식을 이용하여 ((i-1))번째와 i번째 사이의 물리적 이미를 갖는 각도 증가분 ΔP를 구하고 그 각도 증가분 ΔP를 샘플링 간격(Interval)으로 나눔으로써 Vi=(Diri×ΔPi)/Ts현재의 속도를 구할 수 있다.
또한, (i-1)번째 샘플링의 위치값 증가분 ΔP를 더함으로써 i번째 샘플링시의 위치를 구한다.
즉, Pi=P(i-1)+Diri×ΔPi의 식을 대입하여 구한다.
그러나 이러한 종래의 위치/속도 검출장치는 모터의 정밀도는 4체배 회로서 발생된 1펄스에 의해 결정된다.
예로서, 1024개의 센싱홀을 가진 인코더의 경우 모터 1회전시 4체배 회로를 걸쳐 4096개의 펄스가 발생되므로 모터 제어기를 통한 제어 가능 위치 정밀도는 360°/4096≒0.088가 된다.
또한, 속도 제어를 할 때 고속의 경우 한 샘플링 시간 동안의 센싱 펄수수가 많아 한 펄스 오차는 큰 영향을 미치지 않지만 저속의 경우에는 한 펄스 오차가 속도 제어에 커다란 영향을 미친다.
즉, 모터가 5 RPM(회전수/분)이 되도록 속도 제어를 하고 샘플링 시간이 1msec 일 때 정상 상태에 도달했을 때의 센싱 펄스수는
Figure kpo00017
펄스/msec이다.
그러나, 제7도에 도시된 바와 같이 디지털 회로에서는 정수만이 유효하므로 약 3번의 샘플링마다 한 펄스를 읽게 되므로 리플(Ripple) 현상이 발생하게 되어 정확한 속도 제어가 어려운 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 엔코더의 사양에 의해 결정되는 기존의 제어 성능을 대폭 개선하고, 또한 저속에서의 속도 리플(Ripple)을 줄임으로써 저속 제어 성능을 향상시키도록 한 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치 및 방법으로 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 모터의 회전시 검출되는 위치/속도 검출 펄스의 체배된 펄스와 모터의 정밀 제어를 위해 기준신호로 입력되는 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스를 논리 연산하여 정밀 위치/속도를 보상하기 위한 위치/속도 데이터를 출력하는 정밀 위치/속도 검출 보상회로부와, 상기 정밀 위치/속도 검출 보상회로부로부터 얻어지는 위치/속도 데이터를 검색하여 정밀 위치/속도의 보상치를 계산하고 그 계산치에 따라 모터의 회전에 따른 위치와 속도르 계산하는 중앙처리장치로 이루어진다.
또한, 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 임의 번째 샘플링이 시작되면 정밀 위치/속도를 제어하기 위한 각각의 데이터를 읽어들이고 상기 임의번째 샘플링 바로 이전의 샘플링시의 회전 방향과 일치하는 지를 판단하는 제1단계와, 상기 판단한 모터의 회전 방향에 따라 소정식에 의해 모터의 정밀 위치와 속도의 보상치를 산출하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 산출한 모터의 위치와 속도의 보상치에 따라 위치 및 속도 증가분을 보상하고, 그 보상된 위치 및 속도증가분과 샘플링 인터벌로 계산된 위치 및 속도를 가산하여 현재의 위치 및 속도를 산출하는 제3단계로 이루어진다.
제1도는 일반적인 인크리멘탈 인코더의 개략 구성도.
제2도는 종래의 위치/속도 검출장치의 블록 구성도.
제3도는 제2도에 적용되는 4체배 회로부의 상세 회로도.
제4도는 제2도에 적용되는 인코더에서 발생된 펄스열 신호도.
제5도는 제3도의 각 출력단의 타이밍 차트.
제6도는 종래의 위치/속도 검출방법을 설명하기 위한 동작 흐름도.
제7도는 저속 운전시 검출 파형도.
제8도는 본 발병에 의한 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치의 블록 구성도.
제9도는 제8도의 각 출력단의 타이밍 차트.
제10도는 본 발명에 의한 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출방법을 설명하기 위한 동작 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 정밀 위치/속도 검출 보상 회로부 200 : 중앙처리장치
101 : 제1앤드게이트 102 : 인버터
103 : 제2앤드게이트 104 : 제3앤드게이트
105 : 카운터 106 : 제1래치
107 : 제2래치
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제8도는 본 발명에 의한 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치의 블록 구성도를 나타낸 것으로서, 모터의 회전시 검출되는 위치/속도 검출 펄스의 체배된 펄스와 모터의 정밀 제어를 위해 기준신호로 입력되는 정밀 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스를 논리 연산하여 정밀 위치/속도를 보상하기 위한 위치/속도 데이터를 출력하는 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(100)와, 상기 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(11)로부터 얻어지는 위치/속도 데이터를 검색하여 정밀 위치/속도의 보상치를 계산하고 그 계산치에 따라 모터의 회전에 따른 위치와 속도를 계산하는 중앙처리 장치(200)로 구성되어져 있다.
상기에서, 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(100)는 4체배된 펄스열(E)을 타측에 입력되는 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스(f1)와 논리곱하여 제어신호(G)를 출력하는 제1앤드게이트(101)와, 상기 제1앤드게이트(101)에서 출력된 제어신호(G)를 위상 반전하는 인버터(102)와, 상기 인버터(102)에서 위상 반전된 신호(J)와 타측에 입력되는 클럭 설프(f1)를 논리곱하여 출력하는 제2앤드게이트(103)와, 상기 제1앤드게이트(101)에서 출력된 제어신호(G1)와 타측에 입력되는 4체배된 펄스열(E)을 논리곱하여 출력하는 제3앤드게이트(104)와, 상기 제3앤드게이트(104)에서 출력된 신호에 따라 상기 제2앤드게이트(103)에서 출력되는 신호를 카운팅하는 카운터(105)와, 상기 카운터(105)에 의해 카운트된 신호를 제1앤드게이트(101)에서 출력된 신호에 래치시켜 출력하는 제1래치(106)와, 중앙처리장치(200)로부터 출력된 클럭에 따라 상기 카운터(105)의 현재 값을 유지시켜 주는 제2래치(107)로 구성되어져 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과를 첨부한 도면 제8도 내지 제10도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 기존의 위치/속도 검출장치는 종래의 기술 방식과 동일하게 동작한다.
이때, 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(100)는 상기 위치/속도 검출장치내의 4체배회로(20)로부터 얻어지는 4체배된 펄스와 모터의 정밀 제어를 위해 기준신호로 입력되는 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스(f1)를 논리 연산하여 정밀 위치/속도를 보상하기 위한 위치/속도 데이터를 후단의 중앙처리장치(200)에 출력한다.
즉, 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(100)내의 제1앤드게이트(101)는 타측에 모터의 정밀 제어를 위해 기준신호로 입력되는 정밀 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스(f1)를 논리곱하여 제어신호(G)를 출력한다.
그러면, 인버터(102)에 의해 위상 반전된 신호(J)와 클럭 펄스(f1)를 제2앤드게이트(103)를 통하여 논리곱하면 제9도에 도시된 바와 같은 신호(H)가 만들어진다.
한편, 인버터(102)를 통해 위상 반전된 신호(J)와 상기 4체배회로(20)에서 얻어지는 펄스열(E)을 제3앤드게이트(104)를 통하여 논리곱하면 제어신호(I)가 만들어진다.
그러면, 카운터(105)는 4체배 펄스열(E)의 펄스와 펄스 사이에 발생되는 신호(H)의 펄스 개수를 카운트하며 제어신호(I)에 의해 펄스열(E)의 펄스 발생 주기마다 카운트값은 제어신호(G)에 의해 제1래치(106)에 저장되며, 상기 제3앤드게이트(104)를 통해 출력된 제어신호(I)에 의해 리셋된다.
상기 제1래치(106)에 의해 유지된 카운트값은 후단의 중앙처리장치(200)에 의해 읽혀들임으로서 상기 중앙처리장치(200)가 4체배 펄스열(E)의 펄스와 펄스사이에 클럭 펄스(f1)의 펄스를 몇개 포함하고 있는지를 인식하게 된다.
한편, 제2래치(107)는 중앙처리장치(200)의 읽기 명령에 따라 CPU Sampling 시간(제9도의 Ts)때 카운터(105)의 카운터값을 유지시키면서 중앙처리장치(200)가 그 값을 읽어 갈 수 있게 한다.
여기서, 기존의 위치/속도 검출장치내의 래치(40)와, 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(100)내의 제1, 제2래치(106)(107)로부터 읽어 들인 데이터를 이용하여 정밀 위치/속도를 검출하는 알고리즘을 제10도에 나타내었다.
여기서, 제8도에 도시된 종래의 회로부분에 해당하는 위치/속도 검출 알고리즘은 동일하며 정밀 위치/속도 검출을 위한 보상회로부로부터 읽어들인 데이터를 처리하는 알고리즘은 다음과 같다.
먼저, 정밀 위치/속도 검출 보상회로로부터 읽어 들인 데이터를 이용하여 위치 및 속도 보상분을 계산하고 그 보상된 위치 및 속도 증가분과 샘플링 인터벌로 계산된 위치 및 속도를 가산하여 현재의 위치 및 속도를 산출하게 되는 것이다.(ST10, ST20)이를 더 상세하게 설명하면, 먼저 임의 번째 샘플링이 시작되면 정밀 위치/속도를 제어하기 위한 각각의 데이터를 읽어들이고 상기 임의번째 샘플링 바로 이전의 샘플링시의 회전 방향과 일치하는 지를 판단하는 단계를 수행한다.(ST11)
그 판단된 모터의 회전 방향에 따라 소정식에 의해 모터의 정밀 위치와 속도의 보상치를 산출하는 단계를 수행한다.(ST12, ST13).
즉, 상기 판단한 모터의 회전 방향이 정방향일 경우에는 ΔVf j=(L3i/L2 i-L3 (i-1)/L2 (i-1))×360/(TsLM), ΔPf j=L3i/L2 i×360/LM식에 의해 위치와 속도 보상치를 산출하고, 상기 모터의 회전 방향이 역방향 경우에는 ΔVf j=(L3i/L2 i+L3 (i-1)/L2 (i-1))×360/(TsLM), ΔPf j=L3i/L2 i×360/LM식에 의해 위치와 속도 보상치를 산출한다.
그 산출된 모터의 위치와 속도의 보상치에 따라 위치 및 속도 증가분을 보상하고, 그 보상된 위치 및 속도 증가분과 샘플링 인터벌로 계산된 위치 및 속도를 가산하여 현재의 위치 및 속도를 산출하게 되는 것이다.(ST20)
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 엔코더의 사용에 의해 결정되는 기존의 제어 성능을 대폭 개선하고, 또한 저속에서의 속도 리플(Ripple)을 줄임으로써 저속 제어 성능을 향상시키는 효과가 있으며, 또한 기존의 위치/속도 검출회로를 이용한 제어시스템보다 정밀한 위치/속도 제어 시스템을 구성할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 모터의 회전시 검출되는 위치/속도 검출 펄스의 체배된 펄스와 모터의 정밀제어를 위해 기준신호로 입력되는 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스를 논리 연산하여 정밀 위치/속도를 보상하기 위한 위치/속도 데이터를 출력하는 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(100)와, 상기 정밀 위치/속도 검출 보상회로부(100)로부터 얻어지는 위치/속도 데이터를 검색하여 정밀위치/속도의 보상치를 계산하고 그 계산치에 따라 모터의 회전에 따른 위치와 속도를 계산하는 중앙처리장치(200)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정밀 위치/속도 검출용 보상회로부(100)는 4체배된 펄스열(E)을 타측에 입력되는 정밀 위치/속도 검출용 클럭펄스(f1)와 논리곱하여 제어신호(G)를 출력하는 제1앤드게이트(101)와, 상기 제1앤드게이트(101)에서 출력된 제어신호(G)를 위상 반전하는 인버터(102)와, 상기 인버터(102)에서 위상 반전된 신호(J)와 타측에 입력되는 클럭 펄스(f1)를 논리곱하여 출력하는 제2앤드게이트(103)와, 상기 제1앤드게이트(101)에서 출력된 제어신호(G)와 타측에 입력되는 4체배된 펄스열(E)을 논리곱하여 출력하는 제3앤드게이트(104)와, 상기 제3앤드게이트(104)에서 출력된 신호에 따라 상기제2앤드게이트(103)에서 출력되는 신호를 카운팅하는 카운터(105)와, 상기 카운터(105)에 의해 카운트된 신호를 제1앤드게이트(101)에서 출력된 신호에 래치시켜 출력하는 제1래치(106)와, 중앙처리장치(200)로부터 출력된 클럭에 따라 상기 카운터(105)의 현재 값을 유지시켜 주는 제2래치(107)로 이루어진 것을 특징으로 하는 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출장치.
  3. 임의 번째 샘플링이 시작되면 정밀 위치/속도를 제어하기 위한 각각의 데이터를 읽어들이고 상기 임의 번째 샘플링 바로 이전의 샘플링시의 회전 방향과 일치하는 지를 판단하는 제1단계와, 상기 판단한 모터의 회전 방향에 따라 소정식에 의해 모터의 정밀 위치와 속도의 보상치를 산출하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 산출한 모터의 위치와 속도의 보상치에 따라 위치 및 속도 증가분을 보상하고, 그 보상된 위치 및 속도 증가분과 샘플링 인터벌로 계산된 위치 및 속도를 가산하여 현재의 위치 및 속도를 산출하는 제3단계로 이루어짐을 특징으로 하는 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2단계는 상기 판단한 모터의 회전 방향이 정방향일 경우 ΔVf j=(L3i/L2 i-L3 (i-1)/L2 (i-1))×360/(TsLM), ΔPf j=L3i/L2 i×360/LM식에 의해 위치와 속도 보상치를 산출하고, 상기 모터의 회전 방향이 역방향 경우에는 ΔVf j=(L3i/L2 i+L3 (i-1)/L2 (i-1))×360/(TsLM), ΔPf j=L3i/L2 i×360/LM식에 의해 위치와 속도 보상치를 산출하는 것을 특징으로 하는 서보 제어기 정밀 위치/속도 검출방법.
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