KR100300131B1 - 모터의 속도제어시스템 및 속도지령생성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 모터 속도제어시스템 및 그 속도지령생성방법에 관한 것으로, 모터와, 상기 모터를 구동하는 모터구동부와, 상기 모터구동부로의 속도지령을 인가하는 상위제어부를 포함하는 모터 속도제어시스템의 상기 속도지령 생성방법에 있어서, 소정시간 간격으로 소정 상위속도지령을 생성하는 단계; 상기 생성된 상위속도지령에 기초하여 상기 소정시간 간격에서의 가속도를 구하는 단계; 상기 생성된 속도지령과 상기 가속도에 기초하여 현재시점에서의 속도지령을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 모터에서 발생되던 진동 및 소음을 크게 감소시킬 수 있고, 고속제어시, 탈조를 방지할 수 있다.

Description

모터의 속도제어시스템 및 속도지령생성방법{velocity control system and velocity command generating method for motor}

본 발명은, 모터의 속도제어방법 및 속도제어시스템에 관한 것으로, 특히 스텝핑모터 속도제어방법 및 속도제어시스템에 관한 것이다.

스테핑모터는 영구자석이 구비된 원기동상의 회전자와 상기 회전자를 수용하는 고정자를 포함한다. 그리고, 상기 회전자의 외주면에는 일정간격으로 돌출되어 있는 회전자치(齒)가 형성되어 있고, 상기 회전자치와 대향되는 상기 고정자의 내주면에도 소정 간격으로 이격된 고정자치가 형성되어 방사상으로 대향되는 상기 회전자치에 대한 상대위치가 점진적으로 증가 또는 감소되도록 배열되어 있다. 이와 같이 상호대향되는 치들사이의 어긋난 정도가 궤도를 따라 점차적으로 증가 또는 감소되게 배열됨으로써 고정자의 자계변환에 의해 회전자의 이동각도가 상호 어긋난 정도만큼 미세하게 제어될 수 있게 된다.

도 1은 종래 스텝핑모터 제어시스템의 블록도이다.

종래 스텝핑모터 제어시스템은, 모터(10)와, 모터(10) 권선(도시않음)의 전류를 온/오프제어하여 모터(10)를 구동하는 모터구동부(11), 및 소정 프로그램에 기초하여 모터구동부(11)에 속도지령을 내려주는 상위제어부(12)를 포함한다. 여기서, 상위제어부(12)는 소정시간 간격으로 모터구동부(11)로의 속도지령을 발하기 위한 기준클럭발생기를 구비하고 있다.

일반적으로, 서보모터 제어시스템이 서보구동부를 구비하여 상위제어부로부터의 지령을 받아 PWM(Pulse Width Modulation) 파형 등을 만들어 모터에 인가줌으로써 모터를 부드럽게 구동제어하는 것과 달리, 스텝핑모터 제어시스템에서는 상위제어부(12)로부터의 속도지령이 직접 모터구동부(12)로 전달됨에 따라 모터(10)의 진동 및 소음이 발생되기 쉽고, 고속제어의 경우는 탈조를 일으킬 수 있다.

도 2는 종래, 스텝핑모터를 가속제어하고자 할 경우, 상위제어부(12)로부터 모터구동부(11)로 인가되는 속도지령을 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, 상위제어부(12)는 모터구동부(11)로 소정시간간격(Δt)으로 속도지령(V*)을 발하는 바, 속도지령(V*)을 발생시키는 시점에서 모터(10)의 회전속도를 급격히 증가시키기 위해서는 이에 대응되는 토크가 필요하게 된다. 그런데, 모터(10)의 회전속도가 증가할수록 역기전력도 증가하게 되어 토크는 감소되게 된다. 따라서, 고속영역에서 모터(10)가 상위제어부(12)로부터의 속도지령(V*)에 추종할 수 있는 토크를 발생시키지 못하면 속도지령(V*)에 추종하지 못하게 되는 탈조가 발생될 수 있는 문제점이 있었다.

더욱이, 급격한 속도변경에 따른 진동과 소음발생 또한 모터(10)의 수명을 단축하며, 정밀한 제어를 어렵게 하였다.

이에, 상위제어부(12)에서 기준클럭이 발생할 때마다 속도지령을 발생시키는 방법이 제안되었다. 그러나, 상위제어부(12)에서 속도지령(V*)을 생성하기 위해서는 소정 시간이 필요하고, 이에 고속제어에는 실제로 구현이 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 모터를 부드럽게 가감속시킬 수 있으며, 고속제어시에도 실제 구현이 가능한 스텝핑모터 속도제어시스템 및 속도제어방법을 제공하는 것이다.

도 1은 종래 스텝핑모터 제어시스템의 블록도,

도 2는 종래 모터구동부로 인가되는 속도지령의 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 스텝핑모터 속도제어시스템의 블록도,

도 4는 본 발명에 따라 구현된 로직회로를 포함한 상위제어부(32)의 블록도,

도 5는 로직회로의 펄스속도지령 발생순서도,

도 6은 로직회로에서 발생된 펄스속도지령 파형도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10, 30 : 모터 11, 31 : 모터구동부

12, 32 : 상위제어부 L :로직회로

40 : CPU 43 : 펄스카운터부

45 : 레지스터부 47 : 속도계산부

48 : 클럭카운터로드부 49 : 클럭카운터부

50 : 펄스발생부

상기 목적은, 본 발명에 따라, 모터와, 상기 모터를 구동하는 모터구동부와, 상기 모터구동부로의 속도지령을 인가하는 상위제어부를 포함하는 모터 속도제어시스템의 상기 모터속도지령 생성방법에 있어서, 소정시간 간격으로 소정 상위속도지령을 생성하는 단계; 상기 생성된 상위속도지령에 기초하여 상기 소정시간 간격에서의 가속도를 구하는 단계; 상기 생성된 속도지령과 상기 가속도에 기초하여 속도지령을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도지령발생방법에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 상위속도지령을 생성하는 단계는, 현재상위속도지령과, 상기 소정시간 이후의 다음상위속도지령을 생성하며, 상기 현재시점에서의 속도지령을 생성하는 단계는, 상기 가속도와 상기 현재상위속도지령을 더하여 생성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 상위속도지령에 기초하여 펄스를 발생시키는 단계를 더 포함하며, 상기 속도지령은 상기 펄스의 발생시 생성되는 펄스속도지령이며, 상기 상위제어부는 기준클럭발생부를 더 포함하며, 상기 상위속도지령은, 상기 기준클럭값을 상기 속도지령에 대응되는 펄스수로 나눈 값인 속도지령대응클럭수로, 상기 소정 시간은 상기 소정시간 동안 상기 기준클럭에 의해 카운트된 클럭수로 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가속도는, 상기 현재상위속도지령인 현재속도지령대응클럭수와,상기 다음상위속도지령인 다음속도지령대응클럭수의 차이를 상기 클럭수로 나눈 값이고, 상기 펄스속도지령은, 상기 가속도에 상기 현재속도지령대응클럭수를 더하여 구하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 모터와, 상기 모터를 구동하는 모터구동부와, 상기 모터구동부로의 속도지령을 인가하는 상위제어부를 포함하는 모터 속도제어시스템에 있어서, 상기 상위제어부는, 소정시간 간격으로 상위속도지령을 생성하는 CPU, 상기 생성된 상위속도지령에 기초하여 상기 소정시간 간격에서의 가속도를 구하고, 상기 생성된 속도지령과 상기 가속도에 기초하여 현재시점에서의 속도지령을 생성하는 로직회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도제어시스템에 의해서도 달성된다.

여기서, 상기 CPU는, 현재상위속도지령과, 상기 소정 시간간격 이후의 다음상위속도지령을 생성하고, 상기 상위제어부는, 기준클럭발생기를 더 포함하며, 상기 로직회로는, 상기 CPU로부터 제공받은 데이터를 저장하기 위한 레지스터부, 상기 기준클럭발생기로부터의 클럭값을 카운트하는 클럭카운터부, 상기 상위속도지령이 발생되는 순간마다 상기 클럭카운터의 카운트값을 로딩받는 클럭카운터로드부, 및 상기 레지스터부, 상기 클럭카운터부 및 상기 클럭카운터로드부의 로드값에 기초하여 상기 가속도를 구하고, 상기 속도지령을 생성하기 위한 속도계산부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 CPU는, 상기 상위속도지령에 대응하는 펄스를 발생하며, 상기 기준클럭값을 상기 속도지령에 대응되는 펄스수로 나눈 값인 속도지령대응클럭수로,상기 소정시간은 상기 기준클럭에 의해 카운트된 클럭수로 제공하며, 상기 속도계산부는, 상기 현재상위속도지령인 현재속도지령대응클럭수와, 상기 다음상위속도지령인 다음속도지령대응클럭수의 차이를 상기 클럭수로 나누어 상기 가속도를 생성하고, 상기 가속도와 상기 현재상위속도지령을 더하여 현재시점에서의 속도지령을 생성하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 속도지령은 상기 펄스의 발생시 생성되는 펄스속도지령이다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 3은, 본 발명에 따른 스텝핑모터 속도제어시스템의 블록도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스텝핑모터 속도제어시스템은, 모터(30)와, 모터(30) 권선(도시않음)의 전류를 온/오프제어하여 모터(30)를 구동하는 모터구동부(31), 및 소정 프로그램에 기초하여 모터구동부(31)에 속도지령을 내려주는 상위제어부(32)를 포함한다. 여기서, 상위제어부(32)는 소정시간 간격으로 모터구동부(31)로의 속도지령을 발하기 위한 기준클럭발생기를 구비하고 있다.

도 4는 본 발명에 따라 구현된 로직회로를 포함한 상위제어부(32)의 블록도이고, 도 5는 로직회로의 펄스속도지령 발생순서도이며, 도 6은 발생된 펄스속도지령 파형도이다.

도시된 바와 같이, 상위제어부(32)는, 소정 프로그램에 의해 일정시간 간격으로 로직회로(L)에 상위속도지령을 발하고, 로직회로(L)를 제어하는 CPU(40), CPU (40)로부터 제공받은 상위속도지령에 기초하여 펄스마다 속도지령을 발생시키기 위한 로직회로(L)를 포함하며, 로직회로(L)와 CPU(40)사이에는 도시않은, 데이터버스, 어드레스버스, 소정 데이터를 읽어들이거나 로딩하기 위한 리드(read), 라이트(write)제어신호선, 및 초기화를 위한 리셋(reset)제어신호선이 마련되어 있다.

로직회로(L)는, CPU(40)로부터 제공받은 데이터를 저장하기 위한 레지스터부(45), CPU(40)로부터 상기 상위속도지령에 대응하여 발생되는 펄스를 카운트하는 펄스카운터부(43), 상위속도지령이 발생되는 순간마다 클럭카운터값(clock count loading)을 로딩받는 클럭카운터로드부(48), 기준클럭발생기(도시않음)로부터의 클럭값(clock count)을 카운트하는 클럭카운터부(49), 레지스터부(45), 클럭카운터부(49), 및 클럭카운터로드부(48)에 저장된 값을 참조하여 펄스마다 속도지령을 계산하기 위한 속도계산부(47), 속도계산부(47)로부터의 속도지령에 기초하여 모터구동부(31)로 모터(30)구동을 위한 펄스를 발생시키는 펄스발생부(50)를 포함한다.

여기서, CPU(40)는, 현재시점의 현재속도지령펄스수와 일정시간(Δt) 경과후의 다음속도지령펄스수를 생성하고, 기준클럭발생기로부터 발생되는 기준클럭수(본 실시예에서는 25㎒)를 상기 현재속도지령펄스수 및 다음속도지령펄스수로 각각 나눈 값인 현재상위속도지령대응클럭수(pre-velocity), 다음상위속도지령대응클럭수(next-velocity), 및 상위속도지령 생성간격(Δt)의 클럭수(c)를 로직회로(L)에 제공한다. 레지스터부(45)는, CPU(40)로부터 제공받은 현재상위속도지령대응클럭수를 저장하는 PV레지스터(45-1), 다음상위속도지령대응클럭수를 저장하는 NV레지스터(45-2), 상위속도지령생성간격에 대응되는 클럭수(c)를 저장하는 CC레지스터(45-3)를 포함한다.

위와 같은 구성에 의하여, CPU(40)는 초기값(l,m)을 각각 PV레지스터(45-1), NV레지스터(45-2) 및 CC레지스터(45-3)에 로딩하고, 펄스카운터부(43), 클럭카운터부(49), 및 클럭카운터로드부(48)를 0으로 초기화한다(501).

한편, CPU(40)는 PV레지스터(45-1), NV레지스터(45-2) 및 CC레지스터(45-3)에 로딩된 초기값에 기초하여 모터구동부(31)는 모터(30)를 구동하기 시작한다.

일정시간(Δt)이 경과하면, CPU(40)는 모터(30)를 가속 또는 감속하기 위한 상위속도지령인 현재상위속도지령펄스수와 다음상위속도지령펄스수를 생성하고(502), 이에 기초하여 현재상위속도지령대응클럭수(m) 및 다음상위속도지령대응클럭수(n)를 구한 후, 각각 PV레지스터(45-1), NV레지스터(45-2)에 로딩함으로써 로직회로(L)에 전달한다(503).

한편, 펄스카운터부(43)는 CPU(40)에서 생성되는 상위속도지령펄스수를 카운트하고, 클럭카운터부(49)는 기준클럭발생기로부터 발생되는 클럭을 카운트하며, CPU(40)에서 상위속도지령이 생성되는 시점(t₁)에서 클럭카운터값을 로드받는다.

속도계산부(47)는 PV레지스터(45-1), NV레지스터(45-2)에 로딩된 현재상위속도지령(m)과 다음상위속도지령(n)에 기초하여 다음의 수학식에 따라 가속도(a)를 계산한다;

a 〓 (next velocity ― pre velocity)/{c×(clock count ― clock count loading)}

여기서, next-velocity는 다음상위속도지령대응클럭수로서 n, pre-velocity는 현재상위속도지령대응클럭수로서 m, c는 상위속도지령 생성간격(Δt)의 클럭수, clock count는 클럭카운터부(49)의 카운터값으로 t'에서의 값, clock count loading은 클럭카운터로드부(48)의 값으로 t₁에서의 값이다.

그런데, 현재속도는 가속도에 초기속도를 더한 값이 되므로, 현재 펄스발생시점에서 속도인 펄스속도지령(current velocity)은, 다음의 수학식에 의해 얻어진다;

current velocity 〓 a + pre-velocity

도 6에 도시된 바와 같이, t'에서의 current velocity, 즉 펄스속도지령은 p가 된다.

위와 같이, 속도계산부(47)는, CPU(40)로부터 펄스가 발생될 때마다 대응되는 펄스속도지령(d,e,f,g)을 계산하여 펄스발생부(50)로 제공한다. 펄스발생부(50)는 제공받은 펄스속도지령에 기초하여 속도지령펄스를 발생시키고, 모터구동부(31)는 이에 기초하여 모터(30)를 구동제어한다.

이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 종래 소정시간(Δt)간격으로 발생되는 스텝형태의 속도지령이 아닌, 펄스발생시마다 생성되어, 부드러운 곡선으로 이어지는 속도지령을 모터구동부(31)에 인가할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, CPU(40)에서는 일정시간 간격으로 상위속도지령을 발생시키는 한편, 상위속도지령에 기초하여 로직회로(L)가 펄스발생시마다 상기 상위속도지령을 부드럽게 이어주는 펄스속도지령을 발생시킴으로써, 모터구동부(31)에 인가되는 속도지령의 프로파일은 부드러운 곡선으로 주어지게 된다.

본 발명에 따르면, 별도의 로직회로(L)를 하드웨어적으로 구현하여 펄스발생시마다 펄스속도지령을 발생시키므로, CPU(40)는 종래와 마찬가지로 소정시간간격으로 상위속도지령만을 생성하고, 이에 따라, 펄스속도지령발생을 위한 프로그램실행부담을 갖지 않으면서도, 종래 급격한 속도지령의 변화로 인해 모터(30)에서 발생되던 진동 및 소음을 크게 감소시킬 수 있고, 고속제어시, 탈조를 방지할 수 있다.

한편, CPU(40)는, 펄스카운터부(43)와 클럭카운터부(49)는 카운트할 수 있는 값이 할당된 비트수에 따라 제한되기 때문에, 제한값을 초과하기 전에 리셋시켜, 초기화한 후 다시 카운트하도록 한다. 가속도를 구하기 위해 필요한 값은 최종 상위속도지령발생시점에서부터 현재 펄스발생시점까지의 시간차, 즉 (clock count ― clock count loading)값으로, 펄스카운터부(43)와 클럭카운터부(49)가 가지고 있는 절대값은 필요하지 않으므로, 리셋시키는 시점은 특별한 제한을 갖지 않으며, 다만 계산의 편리함을 위해 상위속도지령발생시점에 리셋시킨다.

또한, 로직회로는 프로그래머블롬(programmable ROM)의 일종인 FPGA 등을 이용하거나, ASIC을 구워 구현할 수 있으며, 구현을 위한 논리회로는 VHDL 등에 의해 얻어진다.

그리고, 본 발명은 스테핑모터의 속도제어를 위해 발명되었으나, 일반 서보모터에도 응용가능하다. 실제로, 서보모터를 구동제어하는 서보드라이버에 본 발명에 따른 펄스속도지령을 인가하면, 진동과 잡음이 현저히 개선되며, 보다 부드러운 속도제어가 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 별도의 로직회로를 하드웨어적으로 구현하여 CPU로부터의 상위속도지령에 대응되는 펄스 발생시마다 펄스속도지령을 생성하도록 함으로써, CPU에게 펄스속도지령발생을 위한 프로그램실행부담을 주지 않으면서도, 종래 급격한 속도지령의 변화로 인해 모터에서 발생되던 진동 및 소음을 크게 감소시킬 수 있고, 고속제어시, 탈조를 방지할 수 있다.

Claims (14)

1. 모터와, 상기 모터를 구동하는 모터구동부와, 상기 모터구동부로의 속도지령을 인가하는 상위제어부를 포함하는 모터 속도제어시스템의 상기 모터속도지령 생성방법에 있어서,

   소정시간 간격으로 소정 상위속도지령을 생성하는 단계;

   상기 생성된 상위속도지령에 기초하여 상기 소정시간 간격에서의 가속도를 구하는 단계;

   상기 생성된 속도지령과 상기 가속도에 기초하여 속도지령을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도지령발생방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 상위속도지령을 생성하는 단계는,

   현재상위속도지령과, 상기 소정 시간간격 이후의 다음상위속도지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 속도지령발생방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 현재시점에서의 속도지령을 생성하는 단계는, 상기 가속도와 상기 현재상위속도지령을 더하여 생성하는 것을 특징으로 하는 속도지령발생방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 상위속도지령에 기초하여 펄스를 발생시키는 단계를 더 포함하며, 상기 속도지령은 상기 펄스의 발생시 생성되는 펄스속도지령인 것을 특징으로 하는 속도지령발생방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 상위제어부는 기준클럭발생부를 더 포함하며, 상기 상위속도지령은, 상기 기준클럭값을 상기 속도지령에 대응되는 펄스수로 나눈 값인 속도지령대응클럭수로, 상기 소정 시간은 상기 소정시간 동안 상기 기준클럭에 의해 카운트된 클럭수로 제공되는 것을 특징으로 하는 속도지령발생방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 가속도는, 상기 현재상위속도지령인 현재속도지령대응클럭수와, 상기 다음상위속도지령인 다음속도지령대응클럭수의 차이를 상기 클럭수로 나눈 값임을 특징으로 하는 속도지령발생방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 펄스속도지령은, 상기 가속도에 상기 현재속도지령대응클럭수를 더하여 구하는 것을 특징으로 하는 속도지령발생방법.
8. 모터와, 상기 모터를 구동하는 모터구동부와, 상기 모터구동부로의 속도지령을 인가하는 상위제어부를 포함하는 모터 속도제어시스템에 있어서,

   상기 상위제어부는, 소정시간 간격으로 상위속도지령을 생성하는 CPU, 상기 생성된 상위속도지령에 기초하여 상기 소정시간 간격에서의 가속도를 구하고, 상기 생성된 속도지령과 상기 가속도에 기초하여 현재시점에서의 속도지령을 생성하는 로직회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도제어시스템.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 CPU는, 현재상위속도지령과, 상기 소정 시간간격 이후의 다음상위속도지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 속도제어시스템.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,

    상기 상위제어부는, 기준클럭발생기를 더 포함하며, 상기 로직회로는, 상기 CPU로부터 제공받은 데이터를 저장하기 위한 레지스터부, 상기 기준클럭발생기로부터의 클럭값을 카운트하는 클럭카운터부, 상기 상위속도지령이 발생되는 순간마다 상기 클럭카운터의 카운트값을 로딩받는 클럭카운터로드부, 및 상기 레지스터부, 상기 클럭카운터부 및 상기 클럭카운터로드부의 로드값에 기초하여 상기 가속도를 구하고, 상기 속도지령을 생성하기 위한 속도계산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도제어시스템.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 CPU는, 상기 상위속도지령에 대응하는 펄스를 발생하며, 상기 기준클럭값을 상기 속도지령에 대응되는 펄스수로 나눈 값인 속도지령대응클럭수로, 상기 소정시간은 상기 기준클럭에 의해 카운트된 클럭수로 제공하는 것을 특징으로 하는 속도제어시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 속도계산부는, 상기 현재상위속도지령인 현재속도지령대응클럭수와, 상기 다음상위속도지령인 다음속도지령대응클럭수의 차이를 상기 클럭수로 나누어 상기 가속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 속도제어시스템.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 속도계산부는, 상기 가속도와 상기 현재상위속도지령을 더하여 현재시점에서의 속도지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 속도제어시스템.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 속도지령은 상기 펄스의 발생시 생성되는 펄스속도지령인 것을 특징으로 하는 속도제어시스템.