KR100340849B1 - 자이로스코프를 이용한 안정화 시스템에서 속도 추정 장치및 방법 - Google Patents

Abstract

가. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템에 관한 기술이다.

나. 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제

자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템에서 별도의 기기를 더 구비하지 않고 속도를 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

다. 발명의 해결방법의 요지

이를 달성하기 위한 본 발명에 따른 장치는 자이로스코프를 사용하는 제3타입의 안정화 시스템에서 속도를 추정하기 위한 장치로, 상기 안정화 시스템에서 제어하고자 하는 대상의 제어 신호와 상기 자이로스코프의 출력을 안티-와인드업 제어기를 통해 궤환된 값을 가산하는 제1가산부와, 상기 제1가산부의 출력에 토커 상수/각 운동량의 값을 곱하여 출력하는 제1함수부와, 상기 제1함수부의 출력과 음의 부호를 가지는 제어 대상의 출력을 가산하는 제2가산부와, 상기 제2가산부의 출력 값을 이용하여 움직임에 대한 값을 보상하는 상기 자이로스코프와, 상기 자이로스코프의 출력 값을 불감대를 가지며, 소정의 이득에 따라 궤환하도록 하는 궤환부와, 상기 자이로스코프의 출력값에 상기 궤환부의 이득 값을 곱하여 속도 추정값으로 사용하는 속도 값 추정부로 구성됨을 특징으로 한다.

라. 발명의 중요한 용도

자이로스코프를 사용하는 제3타입의 안정화 시스템에 사용한다.

Description

자이로스코프를 이용한 안정화 시스템에서 속도 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONJECTURING SPEED IN STABILIZATION SYSTEM USING GYROSCOPE}

본 발명은 속도를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 자이로스코프를 사용하는 장치에서 속도를 추정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로 자이로스코프(Gyroscope)는 이동하는 물체에서 움직임을 보상하여 시스템을 안정화하기 위해 사용된다. 자이로스코프는 인공위성을 이용한 위치측정장치, 차량속도 측정장치 및 관성항법장치 등과 같이 이동하는 물체의 이동성을 보상하여 시스템을 안정화하는 등의 광범위한 산업분야에서 사용되고 있다. 그러면 이러한 자이로스코프가 사용되는 안정화 시스템의 각 구성 및 동작에 대하여 살펴본다.

도 1은 자이로스코프를 적용한 제2타입(Type)의 안정화 시스템 블록 구성도이다. 안정화 시스템에서 제어 대상(30)을 제어하기 위한 제어 신호(ω_c)는 가산기(10)로 입력된다. 그러면 가산기(10)는 음(-)의 부호를 갖는 궤환된 신호(ω_f)와 상기 제어 신호(ω_c)를 가산하여 제어기(20)로 출력한다. 제어기(20)는 상기 제어 신호(ω_c)와 궤환된 신호(ω_f)의 가산된 값을 수신하여 제어 대상(30)을 제어하기 위한 실제의 제어 신호(ω)를 발생하여 출력한다. 그러면 실제의 제어 신호(ω)에 제어 신호에 따라 제어 대상(30)이 제어되며, 구동된다. 또한 제어 대상(30)에서 출력되는 값은 움직임에 따른 신호가 된다. 상기 제어 대상(30)에서 출력되는 움직임에 대한 신호는 마찰 계수 등에 따라 제어하고자 하는 값과는 다른 값을 가지게 된다. 이와 같이 제어 대상(30)에서 출력되는 값은 자이로스코프(40)로 입력된다. 자이로스코프(40)는 입력된 값에 대하여 움직임에 대한 보상의 값인 각속도(ω_f)로 변환한 후 출력한다. 따라서 이러한 과정을 통해 제어가 이루어진다.

그런데 도 1과 같이 구성된 자이로스코프를 사용하는 제2타입(Type)의 안정화 시스템을 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 자이로스코프를 사용하는 안정화시스템에서 각 타입마다의 주파수에 따른 외란 제거율을 나타낸 도표이다. 상기 도 1에 따른 안정화 시스템은 도 3에 보여지는 바와 같이 주파수에 대하여 음(-)의 기울기를 가지며, 1차 함수와 같은 외란 제거율을 가진다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 외란 제거율이 소정의 주파수 값인 f₁이하 지점에서 ②의 직선을 나타내며, 상기 f₁의 이상에서는 ⑥의 직선에 대응하는 외란 제거율을 가진다. 그러므로 영역 A에서와 같은 경우에는 외란을 제거할 수 없는 문제가 있었다. 따라서 제2타입의 안정화 시스템은 잘 사용되지 않고 있다. 그러면 도 2를 참조하여 일반적으로 사용되고 있는 외란 제거를 위한 안정화 시스템을 설명한다.

도 2는 자이로스코프를 적용한 제3타입(Type)의 안정화 시스템 블록 구성도이다. 안정화 시스템에서 제어 대상(30)을 제어하기 위한 제어 신호(ω_c)는 가산기(10)로 입력된다. 그러면 가산기(10)는 음(-)의 부호를 갖는 궤환된 신호(ω_f)와 상기 제어 신호(ω_c)를 가산하여 자이로스코프(40)로 출력한다. 자이로스코프(40)는 상기 제어 신호(ω_c)와 음(-)의 부호를 가지는 궤환된 신호(ω_f)의 가산된 값을 수신하고, 이를 보상하여 출력한다. 따라서 자이로스코프(40)에서 출력된 신호는 보상된 신호가 된다. 상기 보상된 신호는 제어기(20)로 입력되며, 제어기(20)는 입력된 신호에 따라 제어 대상(30)을 제어한다. 그리고 제어 대상(30)은 움직임에 대한 신호를 발생하여 출력하며, 이는 각속도(ω_f)가 된다. 따라서 상기 제어 대상(30)으로부터 출력된 각속도는 보상부(50)를 구성하는 가산기(10)로 음(-)의 부호를 가지고 입력된다. 이와 같은 제3타입(Type)의 안정화 시스템의 동작을 도 3을 참조하여 설명한다. 상기 제3타입의 안정화 시스템은 영역 A에서는 ③과 같은 직선의 비율로 주파수에 대한 외란 제거율을 가지며, f₁의 주파수 이상에서는 ⑤와 같은 직선의 비율로 주파수에 대한 외란 제거율을 가진다. 따라서 일반적으로 자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템은 전 전파수 대역에서 외란 제거율이 좋은 제3타입의 안정화 시스템을 사용한다.

그런데 상기 자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템은 주로 이동체에서 사용된다. 따라서 이동체에서는 속도 루프 제어기가 필요한 경우가 발생한다. 이와 같은 속도 루프 제어기를 필요로 하는 경우에 상기 자이로스코프를 구비하는 제3타입의 안정화 시스템은 속도 감지를 위한 별도의 속도 측정기기를 구비해야만 한다. 왜냐하면 상기한 자이로스코프에서 출력되는 값은 각도의 값을 가지므로 이를 이용하여 속도를 알 수 없기 때문이다. 따라서 자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템은 속도 측정기기를 더 부가해야만 하므로 가격적으로 부담을 느끼게 되며, 시스템의 부피도 커지는 문제가 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 가격이 저렴하고, 부피가 적은 안정화를 수행하는 동시에 속도를 추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템에서 속도를추정할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장치는 자이로스코프를 사용하는 제3타입의 안정화 시스템에서 속도를 추정하기 위한 장치로, 상기 안정화 시스템에서 제어하고자 하는 대상의 제어 신호와 상기 자이로스코프의 출력을 안티-와인드업 제어기를 통해 궤환된 값을 가산하는 제1가산부와, 상기 제1가산부의 출력에 토커 상수/각 운동량의 값을 곱하여 출력하는 제1함수부와, 상기 제1함수부의 출력과 음의 부호를 가지는 제어 대상의 출력을 가산하는 제2가산부와, 상기 제2가산부의 출력 값을 이용하여 움직임에 대한 값을 보상하는 상기 자이로스코프와, 상기 자이로스코프의 출력 값을 불감대를 가지며, 소정의 이득에 따라 궤환하도록 하는 궤환부와, 상기 자이로스코프의 출력값에 상기 궤환부의 이득 값을 곱하여 속도 추정값으로 사용하는 속도 값 추정부로 구성됨을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은 제어 대상의 움직임을 제어하기 위한 제어 신호와 자이로스코프의 출력을 안티-와인드업 제어기를 통해 궤환된 값을 가산하는 제1가산부와, 상기 제1가산부의 출력에 소정의 상수를 곱하여 출력하는 제1함수부와, 상기 제1함수부의 출력과 음의 부호를 가지는 제어 대상의 출력을 가산하는 제2가산부와, 상기 제2가산부의 출력 값을 이용하여 움직임에 대한 값을 보상하는 상기 자이로스코프와, 상기 자이로스코프의 출력 값을 불감대를 가지며, 소정의 이득에 따라 궤환하도록 하는 궤환부를 적어도 구비하는 안정화 시스템에서 속도를 추정하는 방법으로서, 상기 제어 대상으로부터 출력되는 자이로 휠의 변위 값에 상기 궤환부의 이득 값을 승산하여 속도의 추정 값으로 함을특징으로 한다.

도 1은 자이로스코프를 적용한 제2타입(Type)의 안정화 시스템 블록 구성도,

도 2는 자이로스코프를 적용한 제3타입(Type)의 안정화 시스템 블록 구성도,

도 3은 자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템에서 각 타입마다의 주파수에 따른 외란 제거율을 나타낸 도표,

도 4는 도 2의 보상부에 대한 상세 블록 구성도,

도 5는 도 4에 Anti-Windup 제어기를 포함하는 보상부의 블록 구성도,

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구성 및 동작을 상세히 설명한다. 또한 동일한 부분은 비록 다른 도면에 도시되더라도 동일한 참조부호를 사용한다.

도 4는 상기 도 2의 보상부에 대한 상세 블록 구성도이다. 이하 도 4를 참조하여 보상부(50)의 상세한 구성 및 그 동작을 살펴본다.

제어 대상(30)의 움직임을 제어하기 위한 제어 신호(ω_c)는 제1함수부(51)로 입력된다. 제1함수부(51)는 입력된 제어 신호(ω_c)를 하기 <수학식 1>과 같은 함수에 의해 처리하여 출력한다.

여기서 K_m은 토커 상수이며, H는 각 운동량이다.

상기 제1함수부(51)에서 처리된 데이터는 양(+)의 값을 가지고 가산기(10)로 입력되며, 음(-)의 부호를 가지고 궤환된 주파수 값(ω_f)과 가산되어 자이로스코프(40)으로 입력된다. 그러면 자이로스코프(40)는 입력된 값에 자이로 이득인 K를 곱하여 적분한 값을 출력한다. 이와 같이 출력되는 값을 자이로 휠의변위(θ₀)가 된다. 그러면 상기 도 4의 도면에 나타난 바에 따라 자이로 휠의 변위(θ₀)를 수학식으로 표시하면 하기 <수학식 2>와 같이 도시할 수 있다.

그런데 상기 도 4에 도시한 자이로스코프(40)는 순수한 적분기로 모델링되어 있다. 따라서 자이로스코프(40)에 안티-와인드업(Anti-Windup) 제어기가 필요하며, 이를 포함하여 도면을 구성하면 도 5와 같이 도시할 수 있다.

도 5는 상기 도 4에 안티-와인드업(Anti-Windup) 제어기를 포함하는 보상부의 블록 구성도이다. 이하 도 5를 참조하여 Anti-Windup 제어기를 포함하는 보상부(50)의 구성 및 동작을 상세히 설명한다.

Anti-Windup 제어기를 포함하는 보상부(50)는 상기 자이로스코프(40)로부터 출력되는 자이로 휠의 변위(θ₀)를 입력받아 이를 궤환시킨다. 이때 상기 자이로 휠의 변위(θ₀)을 입력으로 하여 궤환할 경우 불감대(dead band or dead zone)(52)를 가진다. 이와 같은 불감대를 상술하면 서보 모터 등에서 입력 전압과 출력인 속도간의 관계에서 출력측에 작용하는 고체 마찰에 의해 출력 토크가 그것을 이기고 운동을 시작할 때까지의 영역과 같은 것이다. 따라서 불감대로 동작하는 소정의 영역에서는 입력 값이 변화하여도 출력은 동일한 값 예를 들면 0의 값을 가진다. 이와 같은 불감대 영역을 지나면 궤환기의 특성에 따른 기울기를 가지며, 입력되는 값과비례하여 움직이게 된다. 이러한 기울기를 결정하는 이득 계수부(53)의 값을 곱하여져 제1가산부(54)로 입력된다. 따라서 상기 도 5와 같이 자이로스코프를 사용하는 안정화 시스템의 보상부(50)의 출력(θ₀)은 두 가지 경우로 구분될 수 있다. 즉, Anti-Windup 제어기가 동작하지 않을 경우와 Anti-Windup 제어기가 동작할 경우로 구분할 수 있다. 그러면 상기 Anti-Windup 제어기가 동작하지 않을 경우 도 5의 구성에 따른 전달함수를 수학식으로 도시하면 하기 <수학식 3>과 같이 도시할 수 있다.

그리고 상기 도 5에서 K_m/H를 A로, K를 B로, K_d를 C라 가정하면, 상기 Anti-Windup 제어기가 동작할 경우 도 5의 구성에 따른 전달함수를 하기 <수학식 4>와 같이 도시할 수 있다.

그러면 상기 <수학식 4>를 이용하여 속도를 추정하기 위한 추정 값을 얻기 위해 상기 수학식을 정리하면, 하기 <수학식 5>와 같이 정리할 수 있다.

이때 상기 <수학식 5>에서 상기 A는 토커 상수(K_m)를 각 운동량(H)으로 나눈 값이다. 따라서 각 운동량에 비해 토커 상수는 큰 양의 수이므로, 1보다 큰 양의 값을 가진다. 또한 B는 K·K_d의 값을 가진다. K는 자이로스코프의 이득으로 양의 값을 가지는 1보다 큰 상수가 된다. 또한 K_d는 궤환기에서 불감대 이외의 영역에 대한 기울기를 나타내는 이득 값이 되므로 양의 값을 가지는 1보타 큰 상수 값을 가진다. 따라서 상기 두 값의 곱은 1보다 큰 양의 값을 가지는 수로 표현된다. 또한 C는 K_d의 값을 가진다. 따라서 상기 A와 B와 C의 곱은 1보다 큰 양의 값을 가지는 상수로 표현할 수 있다. 그런데 상기 ABC의 곱이 매우 큰 값을 가진다고 가정하면, 상기 <수학식 5>는 하기 <수학식 6>과 같이 도시할 수 있다.

상기한 <수학식 6>을 통해 속도의 추정 알고리즘을 얻을 수 있게 된다. 이와 같은 속도에 대한 추정 알고리즘을 수학식으로 도시하면 하기 <수학식 7>과 같이 도시할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 안정화 회로에 상기 <수학식 7>을 적용하는 회로를 부가하여 속도를 추정할 수 있는 회로들 부가하여 구성함으로써 속도 측정기기 없이 속도 값을 추정하여 사용할 수 있다. 즉, 상기 자이로스코프(40)의 출력 값에 상기 궤환기와 동일한 이득을 가지는 증폭기를 연결하여 출력된 값을 속도의 추정값으로 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이 상기한 알고리즘으로부터 자이로스코프를 사용하는 제3타입의 안정화 시스템에서 속도 측정기기 없이 속도를 추정할 수 있는 간단한 회로만을 부가하거나 또는 상기 출력 값을 이용하여 제어부에서 상기한 수학식을 계산하여 속도를 추정할 수 있다. 따라서 안정화 시스템의 부피가 작아지는 잇점이 있으며, 더불어 가격적인 경쟁력이 향상되는 이점이 있다.

Claims (2)

1. 자이로스코프를 사용하는 제3타입의 안정화 시스템에서 속도를 추정하기 위한 장치에 있어서,

   상기 안정화 시스템에서 제어하고자 하는 대상의 제어 신호와 상기 자이로스코프의 출력을 안티-와인드업 제어기를 통해 궤환된 값을 가산하는 제1가산부와,

   상기 제1가산부의 출력에 토커 상수/각 운동량의 값을 곱하여 출력하는 제1함수부와,

   상기 제1함수부의 출력과 음의 부호를 가지는 제어 대상의 출력을 가산하는 제2가산부와,

   상기 제2가산부의 출력 값을 이용하여 움직임에 대한 값을 보상하는 상기 자이로스코프와,

   상기 자이로스코프의 출력 값을 불감대를 가지며, 소정의 이득에 따라 궤환하도록 하는 궤환부와,

   상기 자이로스코프의 출력값에 상기 궤환부의 이득 값을 곱하여 속도 추정값으로 사용하는 속도 값 추정부로 구성됨을 특징으로 하는 자이로스코프를 이용한 안정화 시스템에서 속도 추정 장치.
2. 제어 대상의 움직임을 제어하기 위한 제어 신호와 자이로스코프의 출력을 안티-와인드업 제어기를 통해 궤환된 값을 가산하는 제1가산부와, 상기 제1가산부의 출력에 소정의 상수를 곱하여 출력하는 제1함수부와, 상기 제1함수부의 출력과 음의 부호를 가지는 제어 대상의 출력을 가산하는 제2가산부와, 상기 제2가산부의 출력 값을 이용하여 움직임에 대한 값을 보상하는 상기 자이로스코프와, 상기 자이로스코프의 출력 값을 불감대를 가지며, 소정의 이득에 따라 궤환하도록 하는 궤환부를 적어도 구비하는 안정화 시스템에서 속도를 추정하는 방법에 있어서,

   상기 제어 대상으로부터 출력되는 자이로 휠의 변위 값에 상기 궤환부의 이득 값을 승산하여 속도의 추정 값으로 함을 특징으로 하는 자이로스코프를 이용한 안정화 시스템에서 속도 추정 방법.