KR100349168B1 - 3축천정크레인의비간섭흔들림방지위치서보장치 - Google Patents

3축천정크레인의비간섭흔들림방지위치서보장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공장이나 생산 현장에서 많이 사용되는 3축 천정크레인을 무인화하기 위한 제어장치에 관한 것이다. 본 발명은 부하 질량의 크기에 관계없이 3축 천정크레인이 이동하는 동안에 발생하는 임의의 방향으로의 이송물의 흔들림을 방지하면서, 동시에 천정크레인을 원하는 위치에 신속 정확하게 이동시키는 3축 천정크레인의 흔들림방지 위치서보장치에 관한 것으로, 구동모터 토크서보기, 비간섭제어기, 속도제어기, 위치제어기, 흔들림방지 제어기를 포함하여 구성되는 흔들림방지 위치서보기가 이송물 흔들림을 방지하면서 주행축의 거더와 횡행축의 트롤리의 위치를 각각 독립적으로 제어하고, 구동모터 토크서보기와 속도제어기를 포함하여 구성되는 위치서보기가 권상/권하축의 방향으로 매달린 이송물의 높이를 제어하며, 이송물의 줄길이가 변화함에 따라 흔들림방지 제어기의 이득값이 조정되는 것을 특징으로 하여, 부하 질량의 크기에 관계없이 3축 천정크레인이 이동하는 도중에 발생하는 임의의 방향으로의 이송물 흔들림을 방지할 수 있으며, 동시에 크레인을 원하는 위치에 신속하고도 정밀하게 이동시킬 수 있으므로, 생산성 향상에 큰 효과가 있다.

Description

3축 천정크레인의 비간섭 흔들림방지 위치서보장치{Position servo apparatus for preventing shakes in 3 axes overhead crane}
본 발명은 공장이나 생산현장에서 많이 사용되는 무인 천정크레인(overhead crane)의 제어장치에 관한 것으로, 특히 천정크레인이 이동하는 동안 발생하는 이송물의 흔들림을 방지하고, 동시에 천정크레인을 원하는 위치에 신속하게 이동시키는 3축 천정크레인의 비간섭 흔들림방지(anti-swing) 위치서보장치에 관한 것이다.
도 1은 중량물의 이송에 많이 사용되는 3축 천정크레인의 개략도로서, 여기에서 도시한 바와 같이 천정크레인의 거더(4)와 트롤리(5)가 가감속하여 이동함으로써 트롤리(5)의 줄(10)에 매달린 이송물이 운반된다.
또한 천정크레인의 위치를 적절하게 나타내기 위하여 고정프레임(fixed frame)(3)에 정의된 절대좌표계(absolute coordinate)(1)와 트롤리(5) 하부의 각도측정장치(6)에 정의된 상대좌표계(relative coordinate)(2)를 보여주고 있다. 여기에서 주행축(X축)은 거더(4)의 이동축이고, 횡행축(Y축)은 트롤리(5)의 이동축이다. 또한 Z축은 이송물의 권상/권하축이다.
그리고 거리측정장치(11,12) 또는 레이저 거리센서(13,14)와 레이저 거리센서 반사판(15,16)은 거더(4)와 트롤리(5)의 기준위치를 정하고 이동거리를 결정하는데 사용하기 위한 것으로서, 거리측정장치(11,12)또는 레이저 거리센서(13,14)와 거리센서 반사판(15,16)중 어느 한가지만 사용하여도 된다. 두가지를 모두 사용하는 경우에는 임의의 위치에서 레이저 거리센서(13,14)를 이용하여 거리측정장치(11,12)를 초기화하는데 사용할 수 있다. 거리측정장치(11,12)가 자체적으로 초기화할 수 있는 장치를 포함하는 경우에는 거리측정장치(11,12)만을 사용할 수 있다.
줄(9)은 2차원 각도측정을 위한 것이고 그랩(Grab)(7)에 줄 길이에 관계없이 일정한 장력을 주는 장력조절장치(17)가 설치되어 있다. 줄(10)은 그랩(7)의 지지용 줄이다. 이 줄(10)은 트롤리(5)에서 길이를 조절할 수 있게 되어 있다.
도 2는 도 1의 a1(또는 a2)부분을 확대하여 거리측정장치의 설치상태를 보여주는 평면도이고 도 3은 도 2의 정면도이다. 일반적으로 천정크레인의 구동모터에 연결된 증분형 엔코더(incremental encoder)는 천정크레인의 바퀴가 가감속시에 관성에 의해 미끄러지므로 정확한 거리측정이 불가능하다는 문제점이 있다. 도 2와 도 3의 거리측정장치는 상기의 문제점을 해결하기 위한 장치로서, 천정크레인 본체에 부착되는 프레임(34), 프레임(34)에 용접 등을 통해서 체결되는 다른프레임(36), 베어링(23)을 통해서 프레임(36)을 중심으로 회전 가능한 프레임(37), 이 프레임(37)에 체결된 엔코더(21), 거리측정용 주행바퀴(22) 및 엔코더(21)의 축에 체결된 노슬립(No-Slip) 풀리(26), 거리측정용 주행바퀴에 체결된 노슬립풀리(28), 두 풀리(26,28)를 연결하는 노슬립벨트(27)를 보여준다. 또한 트롤리 및 거더 레일(18),(19)의 노면상태에 관계없이 주행바퀴(22)의 외주면이 트롤리 및 거더 레일(18),(19)에 항상 일정한 압력으로 접촉하도록 천정크레인 본체에 부착된 프레임(34)과 회전 프레임(37) 사이에 스프링(30)을 설치한 거리측정장치를 보여준다. 여기서, 스프링(30)의 압축력을 조절할 수 있도록 볼트(38)와 더블너트(29)를 장착하였다. 볼트(38)는 회전 프레임(37)과 고정되지 않고 자유롭게 상대운동을 할 수 있다. 또한, 거리측정용 주행바퀴(22)는 트롤리 및 거더 레일(18),(19)과 접촉되는 그 외주면을 우레탄 수지(32)로 구성하였다. 레일(18),(19) 위의 이물질을 제거하기 위하여 이물질 제거장치(31)를 설치하였다. 이 거리측정장치로부터의 위치 출력신호는 도시되지 않은 제어부 카운트 보드에 입력되어 위치제어장치에서 사용된다. 거리측정장치의 자세한 내용, 용도 및 효과는 대한민국 특허출원(출원번호 제 96-67655)에 더욱 상세하게 설명되어 있다.
도 4는 도 1의 b부분을 확대한 것으로, 트롤리(5) 하부에 부착된 2차원 각도측정장치의 개략도이다. 여기에서 도시한 바와 같이 십자형 레버중 하나의 레버(48) 양단에 각기 회전각센서(41),(42)가 연결되어 있다. 십자형 레버(48)와 (49)는 일체이다. 하나의 센서(41)는 축방향으로 연결되어 x방향 회전각을 검출하고 다른 센서(42)는 레버(48)에 연결/고정되어 y방향 회전각을 검출한다. 센서가연결되지 않은 레버(49) 한쪽단에는 U자형 레버(47)가 연결되어 있고, 풀리(45)는 U자형 레버(47)에 고정되어 있다. U자형 레버(47)와 풀리(45)는 레버(49)를 중심으로 회전할 수 있다. 줄(9)을 통하여 연결된 이송물(8)이 x축 방향으로 회전할 때 U자형 레버(47)가 십자형 레버(48)를 중심으로 회전하고 십자형 레버가(48)가 베어링(44)을 중심으로 회전하며 회전각센서(41)에 의하여 이송물의 x방향의 흔들림각이 검출된다. 이송물(8)이 y축 방향으로 회전하면 풀리(45)와 U자형 레버(47)가 레버(49)를 중심으로 회전하고 그 풀리(45)의 회전에 따라 노슬립(No-Slip)벨트(46)에 의해 연결된 고정 부착된 회전각센서(42)에 의하여 y축 방향 회전각이 검출된다. 따라서, 임의의 방향으로의 이송물의 흔들림 각도를 측정할 수 있다. 이 각도측정장치로부터의 흔들림각 출력신호는 도시되지 않은 제어부 아날로그 입력보드에 입력되어 흔들림방지 제어장치에서 사용된다. 각도측정장치의 자세한 내용, 용도 및 효과는 대한민국 실용신안등록출원(출원번호 제 94-39349호)에 나타나 있다.
도 5는 도 1에서 정의한 절대좌표계(1)와 상대좌표계(2)의 관계를 보여준다. 절대좌표계로부터의 임의의 위치 x0및 y0는 주행 및 횡행축 거리측정장치로부터 구할 수 있다. 도 5에서 임의의 흔들림각도 θ는 θx와 θy로 분해가능하며, 이들 θx와 θy는 각도측정장치를 이용하여 측정할 수 있다. 여기서 θx는 흔들림각도 θ를 상대좌표계 xz 평면에 투영한 주행축 방향으로의 흔들림 각도를 나타내고,θy는 상대좌표계 xz평면으로부터 측정한 최소 흔들림각도로써 횡행축 방향으로의 흔들림 각도를 나타낸다.
상기한 바와 같이 3축 천정크레인이 이송물을 운반할 때 거더(4)와 트롤리(5)의 가감속으로 인하여 이송물의 흔들림이 발생하고 이러한 흔들림으로 인하여 천정크레인의 제어가 어렵게 되며, 안전사고의 위험이 존재하게 된다. 따라서 천정크레인의 무인운전을 위해서는 크레인 이동중 이송물의 흔들림을 최소화하면서 목표지점으로 이송물을 신속, 정확하게 이송케하는 흔들림방지 제어장치 및 정밀한 위치제어장치의 개발이 필요하다.
상기와 같은 필요에 따라, 흔들림방지 위치서보장치가 여러 가지 형태로 개발되어 왔으며, 이 가운데 가장 많이 사용되는 방법은 크레인의 이동거리에 따라 흔들림이 최소화되는 가감속 구간을 계산하여 속도 프로파일(velocity profile)을 구하고, 이 프로파일에 따라서 크레인을 구동시키면서 흔들림 및 위치오차를 제거하기 위하여 피드백 제어를 수행하는 것이었다. 대한민국 특허출원(출원번호 제 95-17145호)에서는 1축(주행축 또는 횡행축) 제어를 수행할 수 있는 위치 및 흔들림방지 제어장치를 제공하고 있다.
그러나 종래의 제어장치들은 흔들림각도 측정장치 및 거리측정장치의 부정확성, 크레인 가감속 구간의 실험적 결정, 제어로직의 자체 문제 등으로 인하여 제어종료 후에도 여전히 흔들림이 존재하였으며, 정밀한 위치 제어도 불가능하였다.
한편, 영국 특허공개 제 2280045(A)에서는 흔들림각도 및 각속도를 측정하여 사용하는 제어규칙을 퍼지로직으로 구성하였다. 그러나 흔들림 각도가 "0" 일 때에만 제어규칙을 가지므로 전체 제어시간중 일부만 피드백 제어를 수행하게 되어 제어종료 후에도 흔들림이 존재하여 생산성의 저하를 초래하는 문제점이 있다.
또한, 지금까지의 크레인 흔들림 제어에서는 부하 질량에 대한 영향을 무시하여, 감속비가 낮은 크레인이나 고중량물을 이송하는 크레인에서는 트롤리의 위치제어가 부하 흔들림에 영향을 받아 전체 제어시스템의 성능을 크게 낮출 수 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해결하여, 부하 질량의 크기에 관계없이 3축 크레인(주행, 횡행 및 권상/권하축)이 이동하는 도중에 발생되는 이송물의 흔들림을 최소화하고 목표지점에서 이송물의 흔들림을 방지하고 동시에 크레인을 신속하게 원하는 위치로 이동시킬 수 있는 3축 천정크레인에 대한 비간섭 흔들림방지 위치서보장치를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은, 3축 천정크레인의 횡행축을 고정하면 2축 크레인(주행 및 권상/권하축)이 되므로 2축 크레인에도 그대로 적용할 수 있는 3축 천정크레인에 대한 비간섭 흔들림방지 위치서보장치를 제공하는데 있다.
도 1은 3축 천정크레인의 개략도이다.
도 2는 도 1의 a1(또는 a2)부분을 확대하여 거리측정장치의 설치상태를 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2의 거리측정장치의 설치상태를 보여주는 정면도이다.
도 4는 도 1의 b부분을 확대한 것으로 트롤리 하부에 부착된 2차원 각도측정장치의 개략도이다.
도 5는 원점으로부터 임의의 위치에서의 이송물의 좌표와 흔들림 각도θ및 이것의 x축성분θ x 와 y축성분θ y 를 정의하고 도 4에서 도시한 각도측정장치를 이용하여 임의의 흔들림각도θ를θ x 및θ y 로써 측정할 수 있음을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 주행축(X축)(또는 횡행축(Y축))에 대한 비간섭 속도서보기의 블록도이다.
도 7(a)는 본 발명에 따른 주행축(또는 횡행축 또는 권상/권하축(Z축))에 대한 위치서보기의 블록도이다.
도 7(b)는 도 7(a)에 도시된 위치서보기의 등가블록도이다.
도 8(a)는 본 발명에 따른 주행축(또는 횡행축 또는 권상/권하축(Z축))에 대한 흔들림방지 위치서보기의 등가블록도이다.
도 8(b)는 도 8(a)에 도시된 흔들림방지 위치서보기의 등가블록도이다.
도 9는 도 8(a)에 도시된 흔들림방지 위치서보기의 변형블록도이다.
도 10은 본 발명에 따른 속도 프로파일로서, 1축 제어시 이동거리에 따른 속도 프로파일이며, (a)는 이동거리가 긴 경우의 속도 프로파일이고, (b)는 이동거리가 짧은 경우의 속도 프로파일이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 ..... 절대좌표계 2 ..... 상대좌표계
3 ..... 크레인 고정프레임 4 ..... 주행축 거더
5 ..... 횡행축 트롤리 6 ..... 각도측정장치
7 ..... 그랩(Grab) 8 ..... 이송물(부하)
9 ..... 각도측정장치용 케이블 10 .... 그랩(Grab) 부착용 줄
11,12.. 거리측정장치 13,14.. 레이저 거리센서
15,16.. 레이저 거리센서 반사판 17 .... 장력조절장치
18,19.. 트롤리 및 거더레일 21 .... 엔코더
22 .... 거리측정용 주행바퀴 26 .... 엔코더측 노슬립풀리
27 .... 노슬립벨트 28 .... 주행바퀴측 노슬립풀리
32 .... 우레탄 수지 41,42.. 회전각센서
43 .... 고정점 44 .... 베어링
47 .... 흔들림 전달요소 64 .... 비간섭제어기
65 .... 속도제어기 66 .... 토크서보기
67 .... 크레인 동역학 72 .... 위치제어기
73 .... 역속도서보기 74 .... 적분기
75 .... 속도서보기 76 .... 이송물 동역학
77 .... 흔들림방지 제어기 78 .... 위치서보기
79 .... 새로운 흔들림방지 제어기
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로서의 본 발명은, X축으로 주행하는 거더와 Y축으로 횡행하는 트롤리에 각각 위치(거리)측정장치와 구동용 모터 및 모터토크서 보기가 설치되고, 이송물의 권상/권하를 위한 Z축에 대하여 위치(높이)측정장치와 권상/권하용 모터 및 모터토크서 보기가 설치되며, 트롤리의 하부에 Z축 방향으로 매달린 이송물의 흔들림 각도를 측정하기 위한 2차원 각도측정장치가 설치되어 있는 3축 천정크레인의 비간섭 흔들림방지 위치서보장치에 있어서,
거더 또는 트롤리가 움직임에 따라 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를입력받아 안정하고 흔들림에 최적감쇠를 주도록 거더 또는 트롤리의 기준위치입력신호를 보상하는 제1위치보상신호를 발생하는 흔들림방지 제어기(77)와,
기준위치입력신호에 제1위치보상신호를 더하고 거더 또는 트롤리의 위치출력신호를 빼서 위치제어신호를 발생하는 제1가감기와,
위치제어신호에 따라 거더 또는 트롤리가 목표 위치에 도달하도록 각각의 구동용 모터의 속도를 제어하는 제1속도명령신호를 출력하는 제1위치제어기(72)와,
제1속도명령신호에서 거더 또는 트롤리 모터의 속도출력신호를 빼서 제1속도제어신호를 발생하는 제2가감기와,
제1속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제1토크명령신호를 발생하는 제1속도제어기(65)와,
거더 또는 트롤리가 움직임에 따라 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를 입력받아 부하 질량이 거더 또는 트롤리의 제어에 미치는 영향을 보상하기 위하여 제1토크보상신호를 발생하는 비간섭제어기(64)와,
제1토크명령신호와 제1토크보상신호를 합하여 제1토크제어신호를 발생하는 제3가감기와,
제1토크제어신호에 따라서 구동모터에서 토크를 발생시키는 토크서보기(66)를 포함하여 구성되는 흔들림방지 위치서보기가 X축의 거더와 Y축의 트롤리의 위치를 각각 독립적으로 제어하고,
이송물의 기준높이입력신호에서 높이출력신호를 빼서 높이제어신호를 발생하는 제4가감기와,
높이제어신호에 따라 이송물이 목표 높이에 도달하도록 구동모터의 속도를 제어하는 제2속도명령신호를 출력하는 제2위치제어기(72)와,
제2속도명령신호에서 거더 또는 트롤리 모터의 속도출력신호를 빼서 제2속도제어신호를 발생하는 제5가감기와,
제2속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제2토크명령신호를 발생하는 제2속도제어기(65)와,
제2토크명령신호에 따라서 Z축방향 구동모터에서 토크를 발생시키는 토크서보기(66)를 포함하여 구성되는 위치서보기가 Z축의 방향으로 매달린 이송물 높이를 제어하며,
Z축 방향의 줄길이가 변화함에 따라 흔들림방지 제어기(77)의 이득값이 조정되도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 또 다른 기술적인 수단으로서의 본 발명은, X축으로 주행하는 거더와 Y축으로 횡행하는 트롤리에 각각 위치(거리)측정장치와 구동용 모터 및 모터토크서 보기가 설치되고, 이송물의 권상/권하를 위한 Z축에 대하여 위치(높이)측정장치와 권상/권하용 모터 및 모터토크서 보기가 설치되며, 거더와 트롤리의 하부에 Z축 방향으로 매달린 이송물의 흔들림 각도를 측정하기 위한 2차원 각도측정장치가 설치되어 있는 3축 천정크레인의 비간섭 흔들림방지 위치서보장치에 있어서,
기준위치입력신호에서 거더 또는 트롤리의 위치출력신호를 빼서 위치제어신호를 발생하는 제1가감기와,
위치제어신호에 따라 거더 또는 트롤리가 목표 위치에 도달하도록 하는 각각의 구동모터의 속도를 제어하는 제1속도명령신호를 출력하는 제1위치제어기(72)와,
거더 또는 트롤리가 움직임에 따라 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를 입력받아 안정하고 흔들림에 최적감쇠를 주도록 거더 또는 트롤리의 구동모터의 속도를 보상하는 제1속도보상신호를 발생하는 새로운 흔들림방지 제어기(79)와,
제1속도명령신호와 제1속도보상신호를 더하고 거더 또는 트롤리의 속도출력신호를 빼서 제1속도제어신호를 발생하는 제2가감기와,
제1속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제1토크명령신호를 발생하는 제1속도제어기(65)와,
거더 또는 트롤리가 움직임에 따라 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를 입력받아 부하 질량이 거더 또는 트롤리의 제어에 미치는 영향을 보상하기 위하여 제1토크보상신호를 발생하는 비간섭제어기(64)와,
제1토크명령신호와 제1토크보상신호를 합하여 제1토크제어신호를 발생하는 제3가감기와,
제1토크제어신호에 따라서 구동모터에서 토크를 발생시키는 토크서보기(66)를 포함하여 구성되는 흔들림방지 위치서보기가 X축의 거더와 Y축의 트롤리의 위치를 각각 독립적으로 제어하고,
이송물의 기준높이입력신호에서 높이출력신호를 빼서 높이제어신호를 발생하는 제4가감기와,
높이제어신호에 따라 이송물이 목표 높이에 도달하도록 구동모터의 속도를제어하는 제2속도명령신호를 출력하는 제2위치제어기(72)와,
제2속도명령신호에서 거더 또는 트롤리 모터의 속도출력신호를 빼서 제2속도제어신호를 발생하는 제5가감기와,
제2속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제2토크명령신호를 발생하는 제2속도제어기(65)와,
제2토크명령신호에 따라서 Z축방향 구동모터에서 토크를 발생시키는 토크서보기(66)를 포함하여 구성되는 위치서보기가 Z축의 방향으로 매달린 이송물 높이를 제어하고,
Z축 방향의 줄길이가 변화함에 따라 흔들림방지 제어기(77)의 이득값이 조정되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명에 따른 주행축에 대한 비간섭 속도서보기의 블록도이다. 크레인 속도명령 (61)V xr (s) 에서 크레인의 속도출력(62)V x (s)을 감산한 결과가 속도제어기(65)K xv (s) 로 입력된다. 여기서,V x (s) 은 크레인 속도출력의 라플라스 변환을 나타내고V xr (s)은 크레인 속도명령의 라플라스 변환을 나타낸다. 흔들림각 측정신호(63)가 비간섭제어기(64)K dc (s) 에 입력되고, 이 비간섭제어기(64) 출력과 속도제어기(65)의 출력이 합산되어 토크서보기(66)
Figure pat00045
으로 입력된다.K xt 는 본문에서 정의한다. 비간섭제어기는 부하 질량에 의한 트롤리와 거더의 속도제어에 대한 영향을 보상하기 위하여 사용된다. 토크서보기(66)의 토크출력은 크레인 동역학(67)
Figure pat00046
에 의하여 크레인의 속도출력(62)으로 변환된다. 여기서,F x (s) 는 X 방향으로 모터가 크레인에 가하는 힘이고,M x 와D x 는 본문에서 정의한다. 이 블록도는 횡행축 제어에도 공통으로 사용할 수 있다. 또한, 이 블록도는 권상/권하축의 속도제어에도 사용할 수 있으며, 이때, 비간섭제어기(64)는 사용하지 않는다.
도 7(a)는 본 발명에 따른 주행축에 대한 위치서보기의 블록도이다. 이 위치서보기는 도 6의 비간섭 속도서보기에 기초하여 설계한다. 크레인의 속도출력(62)V x (s) 는 속도외란(68)d x 와 합산되어 실제속도가 되고 이는 적분기(74)를 거쳐서 크레인의 위치출력(70) X(s) 이 된다. 여기서, 적분기(74) 1/s 는 크레인의 속도를 크레인의 위치로 변환하기 위하여 삽입한 것이며 실제의 크레인 장치는 아니다. 크레인의 위치명령(69)X r (s) 에서 크레인의 위치출력(70) X(s) 가 감산된 결과가 크레인 위치제어기(72)K xp (s)로 입력된다. 크레인의 피드포워드(feedforward) 기준속도입력신호(71)V ref 는 크레인의 역속도서보기(73) Gvs -1(s)에 입력되고, 역속도서보기의 출력과 위치제어기(72)의 출력과 합산되어크레인 속도명령(61)V r 이 되어서 속도제어기(65)K xv (s)으로 입력된다. 여기서, 역속도서보기(73)는 도 6의 크레인 속도서보기의 역동역학을 의미하며 크레인 속도명령(61)V xr (s) 과 크레인의 속도출력(62)V x (s) 의 관계로서
Figure pat00047
로 정의되는 라플라스 변수 s 의 함수이다. 피드포워드 기준속도입력신호(71)는 위치명령(69)X r 에 대한 위치출력(70) X 의 명령추종성을 높이기 위하여 사용되며 반드시 사용할 필요는 없다. 이 블록도는 횡행축 제어에도 공통으로 사용할 수 있다. 또한, 이 블록도는 권상/권하축의 위치제어에도 사용할 수 있으며, 이때, 비간섭 제어기(64)는 사용하지 않는다.
도 7(b)는 도 7(a)에서 비간섭제어기(64)K dc (s) 와 역속도서보기 Gvs -1(s) 의 출력이 각각 0일 때 도 7(a)와 등가이다. 이 블록도는 도 7(a)의 위치서보기의 위치제어기(72)의 설계에 사용된다. 크레인 속도서보기(75)G vs (s) 는 크레인 속도명령(61)V xr (s) 에 대한 크레인 속도출력V x (s) (62)의 동역학적 함수관계를 나타내며
Figure pat00048
로 정의할 수 있다.
도 8(a)는 본 발명에 따른 주행축에 대한 흔들림방지 위치서보기의 블록도이다. 이 블록도는 횡행축 제어에도 공통으로 사용할 수 있다. 위치출력(70) X(s) 은 이송물 동역학(76)G L (s)으로 입력되어 흔들림각 Θ(s)으로 변환된다. 이송물의 동역학은 크레인 위치출력(70) X(s)에 대한 흔들림각 Θ(s)의 동역학적 함수관계를나타내며
Figure pat00049
로 정의할 수 있다. 여기서 X(s)와 Θ(s)는 각각 크레인 위치와 흔들림각의 라플라스 변환을 나타내고, L 과 g 는 각각 줄길이와 중력가속도이다. 이 흔들림각 Θ(s) 는 비간섭제어기(64)를 거쳐서 모터 토크서보기(66)로 입력된다. 또한, 이 흔들림각은 흔들림방지 제어기(77)에 입력되고, 그 출력값은 위치명령(69)X r 과 합산되고 위치출력(70) X(s)가 감산되어 위치제어기(72)로 입력된다.
도 8(b)는 도 8(a)에서 속도외란(68)이 0이고 역속도서보기(73)와 비간섭제어기(64)의 출력이 각각 0일 때 도 8(a)와 등가이다. 이 블록도는 도 8(a)의 흔들림방지 제어기(77)의 설계에 사용된다. 위치출력(70) X(s) 은 이송물 동역학(76)G L (s)으로 입력되어 흔들림각 Θ(s)으로 변환된다. 이 흔들림각은 흔들림방지 제어기(77)에 입력되고, 그 출력값은 위치명령(69)X r 과 합산되어 위치서보기(78)G x (s)로 입력된다. 이 위치서보기(78)G x (s)는 크레인 위치명령(69)X r 에 대한 크레인 위치출력(70) X 의 동역학적 함수관계를 나타내며
Figure pat00050
로 정의할 수 있다.
도 9는 도 8(a)에 도시된 흔들림방지 위치서보기의 변형블록도이다. 여기서 새로운 흔들림방지 제어기(79)K na (s)는 도 8(a)에서 위치제어기(72)K xp (s)와 흔들림방지 제어기(77)K xv (s) 의 곱과 같다. 즉K na (s)=K xa (s)K xp (s). 도 8(a)에서 흔들림방지 제어기의 제어출력이 위치제어기(72)K xp (s) 으로 궤환되지만, 도 9에서는 흔들림방지 제어기의 제어출력이 속도제어기(65)K xv (s) 로 직접 궤환된다. 따라서, 이 경우 위치제어와 흔들림방지 제어를 분리할 수 있다.
속도제어기(65), 역속도서보기(73), 위치제어기(72), 비간섭제어기(64), 흔들림방지 제어기(77,79)는 모두 컴퓨터 시스템을 나타내며 제어로직K xp (s),G vs - 1(s),K dc (s),K xa (s),K na (s)를 각각 구현하게 된다. 각각의 제어 컴퓨터 시스템에는 입력신호를 받아들이는 입력장치가 있다. 입력신호가 디지틀신호인 경우에는 디지틀입력보드를 사용하고 입력신호가 아날로그신호인 경우에는 아날로그-디지틀 변환보드를 사용하여 디지틀신호로 입력된다. 제어 컴퓨터 시스템내에서 샘플링신호에 따라 각종 입력신호를 디지틀신호로 입력받은 후 제어시스템의 중앙연산장치(CPU) 보드에서 제어로직K xp (s),G vs -1(s),K dc (s),K xa (s),K na (s)를 구현하게 된다. 이 계산 결과는 디지틀값으로 디지틀-아날로그 변환보드를 통하여 출력하게 된다. 경우에 따라서는 디지틀 출력보드를 사용하여 디지틀값을 직접 출력하기도 한다. 이때 크레인의 동작상태에 따라서 적절한 시퀀스제어신호를 함께 출력하게 된다. 여기서 위치제어기, 역속도서보기, 비간섭제어기, 흔들림방지 제어기는 각각의 제어 컴퓨터 시스템에서 각각 구현해도 되지만 하나의 제어 컴퓨터 시스템에서 제어로직K xp (s),G vs -1(s),K dc (s),K xa (s),K na (s)를 각각 구현할 수도있다. 제어 컴퓨터 시스템에서 제어로직을 구현하는 방법은 아래의 본문에서 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 속도 프로파일로 사다리꼴(101) 형태의 프로파일은 이동거리가 긴 경우이고, 삼각형(103) 형태의 프로파일은 이동거리가 짧을 때의 프로파일이다. T는 가감속 시간으로서 아래에서 상세히 설명한다. 도 10의 (b)에서 S1및 S2는 각각 이등변 삼각형의 면적으로 이동거리를 나타낸다. Vmax는 주행, 횡행 및 권상/권하축의 물리적 최대이동속도를 나타내며 각각의 축에 따라 다른 값을 가질 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 실시예의 동작에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
크레인 운전은 대부분의 경우 안전상의 이유와 이송물 보호를 위하여 크레인의 이동중에는 줄 길이를 천천히 변화시키고 흔들림각을 작게 유지한다. 이때, 크레인의 가속도는 중력 가속도보다 훨씬 작다. 또한, 크레인은 토크서보기로 제어되는 모터로 구동되는데, 토크서보기의 동역학은 크레인 동역학보다 수백배 정도 빠르므로 토크서보기의 동역학은 무시할 수 있다. 이 경우, 도 1에서 보여지는 거더(4) 및 트롤리(5)의 운동방정식 및 부하(이송물) 운동방정식은 다음과 같이 모델링할 수 있다(참고 Ho-Hoon Lee, "Modeling and Control of a 2-Dimensional Overhead Crane", 97 ASME IMECE, Nov. 16-21, 1997, Dalas Texas, Accepted for publication).
먼저 주행축 방향으로의 운동방정식은 아래와 같다.
Figure pat00051
Figure pat00052
그리고 횡행축 방향으로의 운동방정식은 다음과 같다.
Figure pat00053
Figure pat00054
여기서 사용된 변수 및 상수의 의미는 아래와 같다.
M x : 감속기 비를 고려한 모터, 치차, 풀리 관성을 포함한 거더(4)와 트롤리(5)의 질량
M y : 감속비를 고려한 모터, 치차, 풀리 관성을 포함한 트롤리(5)의 질량
D x : 회전부의 회전 점성마찰계수를 포함한 주행축 방향으로의 점성마찰계수
D y : 회전부의 회전 점성마찰계수를 포함한 횡행축 방향으로의 점성마찰계수
m : 이송물의 질량, L : 줄 길이, g : 중력가속도
Figure pat00055
: x 방향으로의 트롤리 가속도,
Figure pat00056
: y 방향으로의 트롤리 가속도,
θ x : x 방향으로의 흔들림각도,θ y : y 방향으로의 흔들림각도
Figure pat00057
: x 방향으로의 흔들림각 가속도,
Figure pat00058
: y 방향으로의 흔들림각 가속도
f x : x 방향으로 트롤리와 거더에 작용하는 외력,
f y : y 방향으로 트롤리에 작용하는 외력
u xt : x 축 모터 토크서보기의 입력,u yt : y 축 모터 토크서보기의 입력
K xt : 비례상수 (f x /u xt ),K yt : 비례상수 (f y /u yt ),
운동방정식 수학식 1과 수학식 2 및 수학식 3과 수학식 4는 주행축과 횡행축에 서로 독립적이므로 흔들림방지 위치서보기를 독립적으로 설계할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 여기서는 운동방정식 수학식 1과 수학식 2를 이용하여 주행축에 대한 흔들림방지 위치서보기를 설계한다. 횡행축에 대한 흔들림방지 위치서보기도 운동방정식 수학식 3과 수학식 4를 이용하여 같은 방법으로 설계할 수 있다.
상기와 같이 수학적으로 모델링된 시스템에 대하여 비간섭제어기, 속도제어기, 위치제어기, 흔들림방지 제어기로 구성된 흔들림방지 위치서보기를 설계하는 절차는 아래와 같다. 위치제어기 설계는 주행축, 횡행축, 권상/권하축에 대해서 같은 방법을 적용할 수 있으므로 여기서는 주행축에 대하여 설계방법을 설명한다. 제어기 설계순서는 우선 비간섭제어기를 설계하여 부하 질량이 트롤리의 속도 및 위치 제어에 미치는 영향을 보상한다. 이를 바탕으로 속도제어기와 위치제어기를 설계한다. 권상/권하축에는 비간섭제어기를 사용하지 않는다. 마지막으로, 주행축과 횡행축에 대하여 흔들림방지 제어기를 설계한다.
우선, x 축(주행축) 모터 토크서보기의 입력을 수학식 1에 기초하여 아래와 같이 설계한다.
u xt =u x -mgtheta x /K xt
여기서, -mgtheta x /K xt 는 비간섭제어를 나타내고,u x 는 x 축 모터 토크서보기의 입력에 대한 새로운 제어입력으로서 아래에서 설계한다.
수학식 5와 같이 비간섭제어를 설계하면, 수학식 1은 다음과 같이된다.
Figure pat00059
비간섭제어에 의하여 수학식 6에서는 트롤리의 속도는 부하 질량에 영향을 받지않음을 알 수 있다.
도 6의 비간섭 속도서보기의 블록도는 주행, 횡행 및 권상/권하축에 공통으로 적용될 수 있는 구조이다. 비간섭제어기(64)K dc (s)는 수학식 5에 의하여K dc (s)=-mg/K xt 로 설계하였다. 권상/권하축에는 비간섭제어기를 사용하지 않는다. 속도제어기(65)K xv (s)는 수학식 6에 기초하여 루프형상기법이나 위상앞섬/지연 방법(phase lead/lag method)을 사용하여 설계한다. 이렇게 설계한 속도제어기의 기본구조는 아래와 같다.
Figure pat00060
여기서, s 는 시간영역에서 복소수영역으로 라플라스(Laplace) 변환할 경우의 복소수 독립변수를 나타내고,
Figure pat00061
는 각각 속도제어기의 비례제어이득 및 적분제어이득이다. 이 경우, 저주파의 속도외란을 억제할 수 있다. 고주파 및 저주파영역에서 위상앞섬/지연방법(lead/lag method)으로 속도제어기(수학식 7)의 성능을 다소간 향상시킬 수 있다. 그리고, 적분제어를 사용할 때에는 적분기 와인드엎(windup) 현상을 방지하기 위하여 반 와인드엎(anti-windup) 제어를 할 필요가 있다. 실제의 적용에서는K xv (s)의 출력을 포화(saturation)시킬 수 있다.
도 7(a)의 위치서보기의 블록도는 주행, 횡행 및 권상/권하축에 공통으로 적용될 수 있는 구조이다. 위치제어기(72)K xp (s)는 도 7(b)에서 루프형상기법이나 위상앞섬/지연 방법(phase lead/lag method)을 사용하여 설계한다. 저주파 영역에서 속도외란d x 가 위치 X 에 미치는 영향을 최대로 억제하고 명령추종성을 높이기 위하여 개루프 전달함수K xa (s)G v s (s)/s 의 크기를 충분히 크게 하고, 고주파 영역에서 모델 불확실성과 센서잡음의 영향을 최대한 줄이기 위하여 개루프 전달함수의 크기를 최대한 작게 하며 교차주파수(crossover frequency)에서는 안정성을 확보하기 위하여 개루프 전달함수 크기의 기울기를 -20dB/dec로 설정한다. 이렇게 설계한위치제어기의 기본구조는 아래와 같다.
Figure pat00062
Figure pat00063
는 각각 위치제어기의 비례제어이득 및 적분제어이득이다. 고주파 및 저주파영역에서 위상앞섬/지연방법(lead/lag method)으로 위치제어기(수학식 8)의 성능을 다소간 향상시킬 수 있다. 그리고, 적분제어를 사용할 때에는 적분기 와인드엎(windup) 현상을 방지하기 위하여 반 와인드엎(anti-windup) 제어를 할 필요가 있다. 또한, 실제의 적용에서는K xp (s)의 출력을 포화(saturation)시킬 수 있다.
도 7(a)에서 피드포워드 기준속도입력신호(71)는 위치서보기의 명령추종성을 높이기 위하여 사용하며 반드시 사용할 필요는 없다. 여기서, 역속도서보기(73)는 속도서보기(75)의 역동역학(inverse dynamics) 모델이다.
본 발명에서는 비간섭 속도서보기와 위치서보기를 독립적으로 설계하였다. 그러나, 상기 속도서보기 및 위치서보기는 통합하여 비간섭 위치서보기로 설계할 수 있다. 이 경우, 피드포워드 기준속도입력신호는 피드포워드 기준위치입력신호로 대치하여 역위치서보기G x -1(s)를 통하여 위치제어기로 입력할 수 있다. 여기서, 역위치서보기
Figure pat00064
는 위치서보기(78)
Figure pat00065
의 역동역학(inverse dynamics) 모델이다.
도 8(a)는 흔들림방지 위치서보기를 나타낸다. 흔들림방지 제어기(77)K xa (s)는 다음과 같이 설계한다. 앞에서 설계한 위치서보기의 대역폭은 대부분의 산업용 크레인의 경우 부하의 흔들림 주파수(
Figure pat00066
)보다 작으므로, 흔들림방지 제어기를 설계할 때 위치서보기의 동특성을 반드시 고려하여야 한다. 본 발명에서 흔들림방지 제어기는 도 8(b)에서 근궤적법을 적용하여 설계한다. 개루프 전달함수K xa (s)G x (s)G L (s) 에서G x (s)G L (s) 의 극점(pole)과 영점(zero)의 수와 위치를 고려하여 설계한 흔들림방지 제어기의 기본구조는 다음과 같다.
Figure pat00067
여기서,K a 는 흔들림각 제어이득이고,
Figure pat00068
은 제어상수이며,K n 〉K d 〉0 인 위상지연 보상기 (s+K n )/(s+K d )은 부하 흔들림에 감쇠 특성을 높이기 위하여 사용하였다. 이 제어상수와 제어이득은 흔들림방지 위치서보계 폐루프의 대표극점들이 항상 최적감쇠를 갖도록 값을 정한다. 또한, 흔들림방지 제어기(수학식 9)는 고주파 및 저주파 영역에서 위상앞섬/지연방법으로 성능을 다소간 향상시킬 수 있다. 또한, 실제의 적용에서는K xa (s)의 출력을 포화(saturation)시킬 수 있다.
만일 흔들림방지 제어기(수학식 9)에서
Figure pat00069
로 설정하면도 8(a)에서 흔들림방지 제어기(수학식 9)의
Figure pat00070
가 위치제어기(수학식 8)의
Figure pat00071
와 상쇄된다. 즉, 흔들림각 측정치θ x 에 의한 속도제어기K xv (s)의 입력은 PD(비례/미분) 제어기를 위상지연 보상한 제어가 된다. 이 경우 흔들림각 측정치에 의한 제어입력은 속도제어기로 직접 궤환되므로 위치제어와 흔들림방지 제어를 분리할 수 있다. 이 제어기 구조를 도 9에 나타내었다. 여기서, 속도제어기K xv (s)로 궤환되는 새로운 흔들림방지 제어기(79)K na (s)는 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00072
여기서 흔들림방지 제어기(수학식 10)는 고주파 및 저주파 영역에서 위상앞섬/지연 방법으로 성능을 다소간 변경 및 향상시킬 수 있다.
줄 길이가 변하는 경우, 본 발명에서는 흔들림방지 제어기의 이득값은 줄 길이L o 에서K a 의 값을K ao라 할 때, 임의의 줄 길이L에서의K a 값은 다음과 같은 방법으로 조정한다.
Figure pat00073
줄 길이 변화에 따라서 흔들림방지 제어기의 이득값을 바꾸어 주면 흔들림방지 위치서보계에 있어서 항상 최적감쇠를 얻을 수 있으므로, 3축 동시 제어시 주행 및 횡행축 흔들림방지 제어기의 이득값을 상기 방법에 따라 조정하면 이송물의 흔들림에 최적감쇠를 항상 줄 수 있다. 흔들림방지 제어기(수학식 9, 수학식 10)의 이득값(수학식 11)은 모델의 불확실성 때문에 실험에 의하여 다소간 조정할 수 있고, 테이블(table) 형태로 나타낼 수 있다.
본 발명에서 속도제어기(수학식 7), 위치제어기(수학식 8), 흔들림방지 제어기(수학식 9, 수학식 10)는 라플라스 변수 s 의 함수로 나타나 있다. 그러나 제어기(로직)들은 Z변환을 한 후에 제어 컴퓨터 시스템에서 구현된다. 라플라스 함수로 된 제어기(로직)들을 Z변환할 때에는 사다리꼴 변환 s=2(z-1)/[T s(z+1)], backward rectangular rule s=(z-1)/[T s z], forward rectangular rule s=(z-1)/T s 를 라플라스 함수에 대입하여 변환하면 된다. 여기서 z 는 Z변환에서 독립변수,T s 는 샘플링 주기를 나타낸다. 이밖에 극점-영점 맵핑등 다른 방법을 사용해도 된다.
권상/권하축에는 대부분의 경우 감속비가 큰 모터를 사용하므로 위치제어에 대한 이송물 흔들림의 영향을 무시할 수 있다. 즉, 비간섭제어는 사용할 필요가 없다. 따라서, 이송물의 권상/권하 위치제어기는 위에서 설명한 주행축과 횡행축의 위치제어기와 같은 방법으로 설계할 수 있으며, 속도제어기(수학식 7), 위치제어기(수학식 8)를 사용할 수 있다. 또한, 고주파 및 저주파 영역에서 위상앞섬/지연 방법으로 속도제어기 및 위치제어기의 성능을 다소간 향상시킬 수 있다.
한편, 주행축이나 횡행축의 기준속도입력신호와 기준위치입력신호는 다음과 같은 방법으로 구한다. 도 10의 속도 프로파일은 수학식 2 또는 수학식 4에서 이송시간을 최소로 하면서 출발시점과 도착시점에서 흔들림 각속도 및 흔들림 각도가 "0" 이라는 경계조건을 갖는 최적제어 문제를 풀면 구할 수 있다. 여기서 Vmax는 크레인 각 축의 물리적인 최대속도이다. 속도 프로파일은 우선 도 10에서 보여지는 것처럼 이동거리가 긴 경우와 짧은 경우에 대해서 나눈다. 이 속도 프로파일은 (71)의 피드포워드 기준속도입력신호로 사용된다. 기준위치입력신호는 이 속도 프로파일을 적분함으로서 구하게 된다. 이동거리가 도 10의 (b)에 도시된 이등변 삼각형(102) 면적(S1)보다 클 경우에는 도 10의 (a)에 도시된 속도 프로파일을 통해서 기준위치입력신호를 생성시키고, 이동거리가 도 10의 (b)에 도시된 이등변 삼각형 면적(S1)보다 작을 경우는 최대속도를 낮추어서 이동거리가 삼각형 면적(S2)과 같도록 하며, 이 속도 프로파일을 적분하여 기준위치입력신호를 구한다. 여기서 가감속 시간 T 는 아래에서 정의한다.
주행, 횡행 및 권상/권하축을 동시에 구동할 때 각 축의 기준속도입력신호와 기준위치입력신호를 구하기 위한 속도프로파일은 장애물이나, 크레인이 이송하여야 할 부하의 적재상태에 따라서 달라질 수 있으며, 도 10의 (a)의 사다리꼴 속도 프로파일과 도 10의 (b)의 삼각형 프로파일을 조합하여 구한다.
트롤리와 거더의 가속 및 감속구간의 시작시점에서의 줄 길이에 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T s ,종료시점에서의 줄 길이 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T e 라하고, 도 6의 비간섭 속도서보기에 최대속도 계단(step)입력을 가할 때 최대속도의 90% 속도에 이르는 시간을T r 이라 하면, 본 발명에서는 가감속 시간 T 를 다음과 같이 설정한다.
Figure pat00074
Figure pat00075
여기서, 임의의 줄 길이 L 에 대한 이송물 흔들림의 한 주기는
Figure pat00076
(초)이고,
Figure pat00077
(피드포워드 기준속도입력신호(71)가 사용될 때
Figure pat00078
), n 은 T〉0 을 만족시키는 최소 자연수이다.
권상/권하축의 위치제어에서 가감속 시간은 트롤리와 거더의 가속 및 감속시간 T 와 별개로 작업상황에 맞게 구동모터 토크가 허용하는 범위에서 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 부하 질량의 크기에 관계없이 3축 천정크레인이 이동하는 도중에 발생하는 이송물의 흔들림을 방지할 수 있으며, 동시에 크레인을 원하는 위치에 신속하고도 정밀하게 이동시킬 수 있으므로, 고중량물을 이송하는 크레인에까지 적용 가능하며, 생산성 향상에 큰 효과가 있다.

Claims (26)

  1. X축으로 주행하는 거더와 Y축으로 횡행하는 트롤리에 각각 위치(거리)측정장치와 구동용 모터 및 모터토크서 보기가 설치되고, 이송물의 권상/권하를 위한 Z축에 대하여 위치(높이)측정장치와 권상/권하 모터 및 모터토크서 보기가 설치되며, 상기 트롤리의 하부에 Z축 방향으로 매달린 이송물의 흔들림 각도를 측정하기 위한 2차원 각도측정장치가 설치되어 있는 3축 천정크레인의 흔들림방지 위치서보장치에 있어서,
    상기 거더 또는 상기 트롤리가 움직임에 따라 상기 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를 입력받아 안정하고 흔들림에 최적감쇠를 주도록 상기 거더 또는 상기 트롤리의 기준위치입력신호를 보상하는 제1위치보상신호를 발생하는 흔들림방지제어기와,
    상기 기준위치입력신호에 상기 제1위치보상신호를 더하고 상기 거리측정장치의 상기 거더 또는 상기 트롤리의 위치출력신호를 빼서 위치제어신호를 발생하는 제1가감기와,
    상기 위치제어신호에 따라 상기 거더 또는 상기 트롤리가 목표 위치에 도달하도록 각각의 구동용 모터의 속도를 제어하는 제1속도명령신호를 출력하는 제1위치제어기와,
    상기 제1속도명령신호에서 상기 거더 또는 상기 트롤리 모터의 속도출력신호를 빼서 제1속도제어신호를 발생하는 제2가감기와,
    상기 제1속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제1토크명령신호를 발생하는 제1속도제어기와,
    상기 거더 또는 상기 트롤리가 움직임에 따라 상기 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를 입력받아 부하 질량이 거더 또는 트롤리의 제어에 미치는 영향을 보상하기 위하여 제1토크보상신호를 발생하는 비간섭제어기와,
    상기 제1토크명령신호와 상기 제1토크보상신호를 합하여 제1토크제어신호를 발생하는 제3가감기와,
    상기 제1토크제어신호에 따라서 상기 구동모터에서 토크를 발생시키는 제1토크서보기를 포함하여 구성되는 흔들림방지 위치서보기가 X축의 상기 거더와 Y축의 상기 트롤리의 위치를 각각 독립적으로 제어하고,
    이송물의 기준높이입력신호에서 높이출력신호를 빼서 높이제어신호를 발생하는 제4가감기와,
    상기 높이제어신호에 따라 이송물이 목표 높이에 도달하도록 구동모터의 속도를 제어하는 제2속도명령신호를 출력하는 제2위치제어기와,
    상기 제2속도명령신호에서 상기 거더 또는 상기 트롤리 모터의 속도출력신호를 빼서 제2속도제어신호를 발생하는 제5가감기와,
    상기 제2속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제2토크명령신호를 발생하는 제2속도제어기와,
    상기 제2토크명령신호에 따라서 상기 Z축방향 구동모터에서 토크를 발생시키는 제2토크서보기를 포함하여 구성되는 위치서보기가 Z축의 방향으로 매달린 이송물 높이를 제어하고,
    Z축 방향의 줄길이가 변화함에 따라 흔들림방지 제어기의 이득값이 조정되는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1위치제어기와 상기 제1속도제어기와의 사이에 기준속도입력신호를 입력받아 상기 거더 또는 상기 트롤리의 구동용 모터의 속도명령 추종성을 향상시키도록 제1속도제어신호를 보상하는 제1속도보상신호를 출력하는 제1역속도서보기를 더 포함하여 구성되어,
    상기 제2가감기는 상기 제1속도보상신호를 더 가산하여 상기 제1속도제어신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2위치제어기와 상기 제2속도제어기와의 사이에 기준속도입력신호를 입력받아 상기 이송물의 Z축 구동용 모터의 속도명령 추종성을 향상시키도록 제2속도제어신호를 보상하는 제2속도보상신호를 출력하는 제2역속도서보기를 더 포함하여 구성되어,
    상기 제5가감기는 상기 제2속도보상신호를 더 가산하여 상기 제2속도제어신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  4. 제2항에 있어서 상기 기준속도입력신호는,
    사다리꼴 속도 프로파일과 삼각형 속도 프로파일을 조합하여 주행 및 횡행축에 대하여 만들어지며, 상기 기준속도입력신호를 적분하여 상기 주행 및 횡행축의 기준위치입력신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  5. 제3항에 있어서 상기 기준속도입력신호는,
    사다리꼴 속도 프로파일과 삼각형 속도 프로파일을 조합하여 주행, 횡행 및 권상/권하축에 대하여 만들어지며, 상기 기준속도입력신호를 적분하여 권상/권하축의 상기 기준위치입력신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  6. 제1항에 있어서 거더 또는 트롤리의 기준위치입력신호의 가감속 시간은,
    트롤리와 거더의 가감속구간의 시작시점에서의 줄 길이에 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T s ,종료시점에서의 줄 길이 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T e , 비간섭 속도서보기에 최대속도 계단(step)입력을 가할 때 최대속도의 90% 속도에 이르는 시간을T r ,
    Figure pat00079
    (피드포워드 기준속도입력신호가 사용될 때
    Figure pat00080
    ), n 은 T〉0 을 만족시키는 최소 자연수일 때
    Figure pat00081
    Figure pat00082
    을 이용하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  7. 제2항에 있어서 거더 또는 트롤리의 기준속도입력신호의 가감속 시간은,
    트롤리와 거더의 가감속구간의 시작시점에서의 줄 길이에 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T s ,종료시점에서의 줄 길이 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T e , 비간섭 속도서보기에 최대속도 계단(step)입력을 가할 때 최대속도의 90% 속도에 이르는 시간을T r ,
    Figure pat00083
    (피드포워드 기준속도입력신호가 사용될 때
    Figure pat00084
    ), n 은 T〉0 을 만족시키는 최소 자연수일 때
    Figure pat00085
    Figure pat00086
    을 이용하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  8. 제1항에 있어서 상기 제1속도제어기 및 상기 제2속도제어기는,
    Figure pat00087
    (여기서,
    Figure pat00088
    는 제어상수),
    형태의 전달함수를 갖는 것을 기본으로 하고, 고주파 및 저주파 영역에서 위상 앞섬/지연 방법으로 변형한 제어기인 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  9. 제1항에 있어서 상기 제1위치제어기 및 상기 제2위치제어기는,
    Figure pat00089
    (여기서,
    Figure pat00090
    는 제어상수)
    형태의 전달함수를 갖는 것을 기본으로 하고, 고주파 및 저주파 영역에서 위상 앞섬/지연 방법으로 변형한 제어기인 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  10. 제1항에 있어서 상기 비간섭제어기는,
    Figure pat00091
    (여기서, δ는 비간섭 제어이득을 나타내며 0≤δ≤1이고, m 은 부하 질량, g 는 중력가속도 이며,K xt 는 비례상수로서 (크레인 구동력)/(모타 토크서보기 입력)을 나타냄.)
    의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  11. 제1항에 있어서 상기 흔들림방지 제어기는,
    Figure pat00092
    (여기서,K a 는 흔들림각 제어기 이득이고,
    Figure pat00093
    Figure pat00094
    ,K n 〉K d 〉0 은 제어상수임.)
    형태의 전달함수를 갖는 것을 기본으로 하고, 고주파 및 저주파 영역에서 위상 앞섬/지연방 법으로 변형한 제어기인 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  12. 제11항에 있어서 Z축 방향의 길이가 변하는 경우,
    줄 길이L o 에서K a 의 값을K ao 라 할 때 임의의 줄 길이 L 에서의K a 값을
    Figure pat00095
    로 흔들림방지 제어기의 이득값을 조정하는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  13. 제8항 내지 제11항중 어느 한 항에 있어서 실시간 적용시 안정성과 성능향상을 위하여 상기 제1속도제어기, 제2속도제어기, 제1위치제어기, 제2위치제어기, 비간섭제어기, 흔들림방지 제어기의 출력을 각각 적절한 값으로 포화(saturation)시키는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  14. X축으로 주행하는 거더와 Y축으로 횡행하는 트롤리에 각각 위치(거리)측정장치와 구동용 모터 및 모터 토크서보기가 설치되고, 이송물의 권상/권하를 위한 Z축에 대하여 위치(높이)측정장치와 권상/권하 모터 및 모터 토크서보기가 설치되며, 상기 거더와 상기 트롤리의 하부에 Z축 방향으로 매달린 이송물의 흔들림 각도를 측정하기 위한 2차원 각도측정장치가 설치되어 있는 3축 천정크레인의 흔들림방지 위치서보장치에 있어서,
    기준위치입력신호에서 상기 거더 또는 상기 트롤리의 위치출력신호를 빼서 위치제어신호를 발생하는 제1가감기와,
    상기 위치제어신호에 따라 상기 거더 또는 상기 트롤리가 목표 위치에 도달하도록 하는 각각의 구동모터의 속도를 제어하는 제1속도명령신호를 출력하는 제1위치제어기와,
    상기 거더 또는 상기 트롤리가 움직임에 따라 상기 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를 입력받아 안정하고 흔들림에 최적감쇠를 주도록 상기 거더 또는 상기 트롤리의 구동모터의 속도를 보상하는 제1속도보상신호를 발생하는 흔들림방지 제어기와,
    상기 제1속도명령신호와 상기 제1속도보상신호를 더하고 상기 거더 또는 상기 트롤리의 속도출력을 빼서 제1속도제어신호를 발생하는 제2가감기와,
    상기 제1속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제1토크명령신호를 발생하는 제1속도제어기와,
    상기 거더 또는 상기 트롤리가 움직임에 따라 상기 2차원 각도측정장치에서 측정된 각도를 입력받아 부하 질량이 상기 거더 또는 상기 트롤리의 제어에 미치는 영향을 보상하기 위하여 제1토크보상신호를 발생하는 비간섭제어기와,
    상기 제1토크명령신호와 상기 제1토크보상신호를 합하여 제1토크제어신호를 발생하는 제3가감기와,
    상기 제1토크제어신호에 따라서 상기 구동모터에서 토크를 발생시키는 제1토크서보기를 포함하여 구성되는 흔들림방지 위치서보기가 X축의 상기 거더와 Y축의 상기 트롤리의 위치를 각각 독립적으로 제어하고,
    이송물의 기준높이입력신호에서 높이출력신호를 빼서 높이제어신호를 발생하는 제4가감기와,
    상기 높이제어신호에 따라 이송물이 목표 높이에 도달하도록 구동모터의 속도를 제어하는 제2속도명령신호를 출력하는 제2위치제어기와,
    상기 제2속도명령신호에서 상기 거더 또는 상기 트롤리 모터의 속도출력신호를 빼서 제2속도제어신호를 발생하는 제5가감기와,
    상기 제2속도제어신호에 추종하여 구동모터가 구동되도록 제2토크명령신호를 발생하는 제2속도제어기와,
    상기 제2토크명령신호에 따라서 Z축방향 구동모터에서 토크를 발생시키는 제2토크서보기를 포함하여 구성되는 위치서보기가 Z축의 방향으로 매달린 이송물 높이를 제어하고,
    Z축 방향의 줄길이가 변화함에 따라 흔들림방지 제어기의 이득값이 조정되는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1위치제어기와 상기 제1속도제어기와의 사이에 기준속도입력신호를 입력받아 상기 거더 또는 상기 트롤리의 구동용 모터의 속도명령 추종성을 향상시키도록 제1속도제어신호를 보상하는 제2속도보상신호를 출력하는 제1역속도서보기를 더 포함하여 구성되어,
    상기 제2가감기는 상기 제2속도보상신호를 더 가산하여 상기 제1속도제어신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제2위치제어기와 상기 제2속도제어기와의 사이에 기준속도입력신호를 입력받아 상기 이송물의 Z축 구동용 모터의 속도명령 추종성을 향상시키도록 제2속도제어신호를 보상하는 제3속도보상신호를 출력하는 제2역속도서보기를 더 포함하여 구성되어,
    상기 제5가감기는 상기 제3속도보상신호를 더 가산하여 상기 제2속도제어신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  17. 제15항에 있어서 상기 기준속도입력신호는,
    사다리꼴 속도 프로파일과 삼각형 속도 프로파일을 조합하여 주행 및 횡행축에 대하여 만들어지며, 상기 기준속도입력신호를 적분하여 주행 및 횡행축의 기준위치입력신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 제어장치.
  18. 제16항에 있어서 상기 기준속도입력신호는,
    사다리꼴 속도 프로파일과 삼각형 속도 프로파일을 조합하여 권상/권하축에 대하여 만들어지며, 상기 기준속도입력신호를 적분하여 상기 권상/권하축의 기준높이입력신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 제어장치.
  19. 제14항에 있어서 거더 또는 트롤리의 기준위치입력신호의 가감속 시간은,
    트롤리와 거더의 가속 및 감속구간의 시작시점에서의 줄 길이에 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T s ,종료시점에서의 줄 길이 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T e 라하고, 비간섭 속도서보기에 최대속도 계단(step)입력을 가할 때 최대속도의 90% 속도에 이르는 시간을T r ,
    Figure pat00096
    (피드포워드 기준속도입력신호가 사용될 때
    Figure pat00097
    ), n 은 T〉0 을 만족시키는 최소 자연수일 때,
    Figure pat00098
    Figure pat00099
    을 이용하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  20. 제15항에 있어서 거더 또는 트롤리의 기준속도입력신호의 가감속 시간은,
    트롤리와 거더의 가속 및 감속구간의 시작시점에서의 줄 길이에 대한 이송물흔들림의 한 주기를T s ,종료시점에서의 줄 길이 대한 이송물 흔들림의 한 주기를T e 라하고, 비간섭 속도서보기에 최대속도 계단(step)입력을 가할 때 최대속도의 90% 속도에 이르는 시간을T r ,
    Figure pat00100
    (피드포워드 기준속도입력신호가 사용될 때
    Figure pat00101
    ), n 은 T〉0 을 만족시키는 최소 자연수일 때,
    Figure pat00102
    Figure pat00103
    을 이용하여 만들어지는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  21. 제14항에 있어서 상기 비간섭제어기는,
    K dc(s) = - δm g /K xt
    ( 여기서, δ는 비간섭 제어이득을 나타내며 0≤δ≤1이고, m 은 부하 질량, g 는 중력가속도 이며,K xt 는 비례상수로서 (크레인 구동력)/(모타 토크서보기 입력)을 나타냄.)
    의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  22. 제14항에 있어서 상기 제1속도제어기 및 상기 제2속도제어기는,
    Figure pat00104
    (여기서,
    Figure pat00105
    는 제어상수),
    형태의 전달함수를 갖는 것을 기본으로 하고, 고주파 및 저주파 영역에서 위상 앞섬/지연 방법으로 변형한 제어기인 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  23. 제14항에 있어서 상기 제1위치제어기 및 상기 제2위치제어기는,
    Figure pat00106
    (여기서,
    Figure pat00107
    는 제어상수)
    형태의 전달함수를 갖는 것을 기본으로 하고, 고주파 및 저주파 영역에서 위상앞섬/지연 방법으로 변형한 제어기인 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  24. 제14항에 있어서 흔들림방지 제어기는,
    Figure pat00108
    (여기서,K a 는 흔들림각 제어기 이득이고,
    Figure pat00109
    은 제어상수임.)
    형태의 전달함수를 갖는 것을 기본으로 하고, 고주파 및 저주파 영역에서 위상 앞섬/지연 방법으로 변형한 제어기인 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  25. 제24항에 있어서,
    Z축 방향의 길이가 변하는 경우, 줄 길이L o 에서K a 의 값을K ao 라 할 때 임의의 줄 길이 L 에서의K a 값을
    Figure pat00110
    로 흔들림방지 제어기의 이득값을 조정하는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
  26. 제21항 내지 제24항중 어느 한 항에 있어서,
    실시간 적용시 안정성과 성능향상을 위하여 상기 제1속도제어기, 제2속도제어기, 제1위치제어기, 제2위치제어기, 비간섭제어기, 흔들림방지 제어기의 출력을 각각 적절한 값으로 포화(saturation)시키는 것을 특징으로 하는 3축 크레인의 흔들림방지 위치서보장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR970001199A (ko) * 1995-06-23 1997-01-21 김종진 흔들림방지기능을 구비한 무인 천정크레인 제어장치
JPH09255300A (ja) * 1996-03-18 1997-09-30 Tadano Ltd 平衡荷役装置
JPH10139368A (ja) * 1996-11-07 1998-05-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 吊荷の振れ止め及び位置決め制御装置

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