KR100352024B1 - 모터속도제어장치 - Google Patents

Abstract

현재시각 i에 있어서 K·Ts(K≥0, Ts :샘플링 주기)전의 모터위치 y(i-K)를 검출하고, 이 검출신호를 기초로 산출한 모터속도 피드백신호 v_fb에 의해 피드백제어를 행하는 모터속도 제어장치에 있어서,

속도지령과 상기 모터속도 피드백 신호 v_fb에서 토오크지령 u(i)을 산출하는 수단과,

상기 위치 y(i-K)에서 속도 v(i-K)를 산출하는 수단과,

M' 샘플링 전에서 시각 i-K까지의 상기 속도 v(i-m) (단, m =K, …, M')을 기억하는 수단과,

모터의 동특성 모델, 상기 토오크 지령 u(i), 상기 위치 y(i-K)에 의해 M샘플링 전까지의 속도 예측치 v^*(i+m) (단, m = -K +1, …, M)를 구하는 예측기와,

상기 속도 피드백 신호를

(단, W_m, W'_m은 무게계수)

로 되는 계산에 의해 구하는 수단과,

를 갖춘 것을 특징으로 하는 모터속도 제어장치.

Description

모터속도 제어장치

모터의 속도피드백제어에 있어서 종래는 타코미터 제너레이터(tachometer generator)등의 속도검출기가 많이 이용되고 있었지만 최근에는 엔코더(encoder)등으로 검출한 위치정보에서 피드백 속도 신호를 산출하는 방식이 많이 이용되고 있다. 이 때 속도 피드백 신호의 산출방법으로서는 위치신호의 샘플링 주기Ts간의 증분치 Δy 에 의해 v = Δy/Ts로서 구하는 것이 가장 일반적이다.

그러나 이 방법에서는 산출한 속도신호의 위상이 실제의 속도보다도 지연되고 또한 저속역(低速域)에서의 정밀도가 크게 열화한다는 문제가 있다. 과거 복수점에서의 이동평균을 얻는 것에 의해 저속역에서의 정밀도 열화의 문제는 개선되지만 위상의 지연은 다시 커져 버린다. 또한 샘플링 주기가 길 경우나, 위치검출지연이 있을 경우에는 그 위상은 다시 지연된다. 이와 같이 위상의 지연신호에 의해 피드백 제어를 행하면 피드백 게인을 높게 설정할 수 없고 응답속도가 지연된다.

한편 일본국 특개평 4-9767호 공보와 같이 연산시점에서의 속도를 예측 검출하는 것도 알려져 있지만 모터의 특성이나 토오크지령을 고려하지 않고, 엔코더등으로 검출한 위치정보만으로 의지하여 예측하는 것으로, 예측이 실제의 값과 맞지않을 염려가 있다.

발명의 개시

그래서 본 발명은 엔코더등으로 검출한 위치정보, 모터의 특성 및 토오크지령에 의거하여 속도를 예측하고 그 가중된 이동평균을 구하는 것에 의해 저속역에서의 정밀도 열화가 작고, 또한 위상지연이 없는 속도피드백 신호를 이용한 모터속도 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명에서는 현재 시각 i에 있어서 K·Ts(K≥0, Ts:샘플링 주기)전의 모터위치 y(i-K)를 검출하고 이 검출신호를 기초로 산출한 모터속도 피드백신호 v_fb에 의해 피드백 제어를 행하는 모터속도 제어장치에 있어서,

속도지령과 상기 모터속도 피드백 신호(V_fb)에서 토오크 지령 u(i)을 산출하는 수단과,

상기 위치 y(i-K)에서 속도(v)(i-K)를 산출하는 수단과,

M' 샘플링 전부터 시각i-K까지의 상기 속도v(i-m)(단, m=K, …, M')를 기억하는 수단과,

모터의 동특성 모델, 상기 토오크지령 u(i), 상기 위치 y(i-K)에서 M샘플링 전까지의 속도예측치 v^*(i+m)(단,m= -K+1, …, M)를 구하는 예측기와,

상기 속도피드백 신호를,

로 되는 계산에 의해 구하는 수단

을 갖춘 것을 특징으로 하는 것이다.

상기 수단에 의해 정밀도 열화가 작고, 위상지연이 없는 속도피드백 신호가 얻어지므로 피드백 루프게인을 높게 설정할 수 있고, 속도제어계의 응답주파수가 높아진다.

본 발명은 모터의 속도제어장치에 관한 것이다.

제 1도는 본 발명의 구체적 실시예를 도시하는 도면.

제 2도는 본 발명의 예측기의 일예를 도시하는 내부 블럭도.

제 3도는 본 발명의 예측기의 다른 예를 도시하는 내부 블럭도.

제 4도는 본 발명의 제어연산기의 일예를 도시하는 내부 블럭도.

제 5도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명의 제 1의 발명의 모터속도 제어장치의 실시예를 도시한다.

도면중 제 5도는 속도지령과 속도피드백 신호 v_fb를 입력하고, 토오크지령u을 출력하는 제어연산기이다. (6)은 토오크제어기, 모터 및 위치검출기를 포함한 것을 나타내고 있고, 현재시각 i에 있어서 토오크지령 u(i)을 입력하고, K·Ts(K≥0, Ts:샘플링주기)전의 모터위치 검출치 y(i-K)를 출력한다. (1)은 모터의 동특성 모델, 토오크지령 u 및 위치 y에서 M샘플링 전까지의 속도예측치 v^*(i+m)(단, m= -K+1, …, M)를 구하는 예측기이다. (4)는 v(i-K) = Δy(i-K)/Ts(Δ은 샘플링 주기 Ts간의 증분치를 나타낸다)등의 연산에 의해 위치 y(i-K)에서 속도 v(i-K)를 산출하는 연산기이며, (3)은 M'샘플링 전부터 시각(i-K)까지의 속도 v(i-m)(단, m=K, …, M')를 기억하는 메모리이다. (2)는 연산기이며,

로 되는 연산에 의해 속도피드백 신호 v_fb를 구하고, 제어연산기(5)로 출력한다. 무게 W_m과 W'_m은 W_m= W'_m= 1/(M+M'+1)로서 각 속도의 평균을 구해도 좋고, 각 속도에 다른 무게를 주고 전체로 1이 되도록 설정해도 좋다. M과 M'은 그 차 M-M'에 의해 속도피드백 신호의 위상을 합계 M+M'에 의해 속도분해능을 조정할 수 있고, M≥M'으로 하는 것에 의해 위상지연이 없는 피드백 신호를 얻을 수 있다.

다음은 예측기(1)의 구체적 실시예를 제 2도및 제 3도에 도시한다. 우선 제 2도에 있어서, (11)은 예측기, (13)은 예측계수 A_mn,B_mn를 기억하는 메모리,(14),(15)는 현재에 이를 때까지의 과거의 토오크 지령 u 및 위치증분치 Δy를 기억하는 메모리,(16)은 위치(y)로 부터 위치증분치 Δy를 구하는 차분기이다.

(12)는 연산기이며,

로 되는 연산에 의해 속도예측치 v^*(i+m)를 산출하여 출력한다.

제 3도에 있어서 (21)은 예측기, (23)은 예측계수 A_mn,B_mn를 기억하는 메모리(24),(25)는 현재에 이를 때까지의 과거의 토오크 지령 증분치 Δu및 위치증분치 Δy를 기억하는 메모리, (26),(27)는 증분치를 구하는 차분기이다.

(22)는 연산기이며,

로 되는 연산에 의해 속도 예측치 v^*(i+m)를 산출하여 출력한다.

여기서(2b)식 및(3b)식에 있어 예측계수에 대하여 설명한다. 지금 토오크 지령 u부터 위치증분치 'Δy까지의 전달함수모델이,

의 이산시간계에서 얻어진다고 한다면 그 입출력 모델은 다음식이 된다.

시각 i에 있어서는 시각 i-K까지의 위치증분치의 실측치 Δy(i-n)(n≥K)가 얻어지므로 그 이후의 위치증분치를 실측치를 이용하여,

로 예측하면 위치증분치 예측치 Δy^*(i+m)는 (2b)식이 되고, 예측계수A_mn,B_mn는 미래의 토오크지령을 u(j) = 0(j>i)로 하면,

로 부여된다. 또한 u(j) = u(i)(j>i)로 하면 (7b)식의 B_m0은 다음식이 된다.

또한 토오크지령 증분치(Δu)에서 위치증분치(Δy)까지의 전달함수모델이,

일 경우, 그 입출력 모델은 다음식으로 되어,

(5)식과 마찬가지로 하여 위치증분치를 예측하면(3b)식을 얻고, 예측계수 A_mn,B_mn은 미래의 토오크지령 증분치를 Δu(j) = 0(j>i)로 하면,

로 부여된다.

예를들면 K = 0이고, 토오크지령치에서 위치까지의 연속계의 전달함수모델을 1/JS²로하여 0차홀드와 샘플러를 고려하여 이산화하면, 제 2도의 예측기의 모델 Gv(z)의 계수는 N_a=1, a₁= 1,N_b= 2, b₁= b₂= b = T_s ²/2J가 되고, 제3도의 예측기의 모델 Gp(z)의 계수는 N_a= 2, a₁= 2, a_z= -1, N_b= 2, b₁= b₂= b=T_s ²/2J가 된다.

제 2도의 예측기를 이용하여 M = 2로하면,(2b)식의 계수는(6),(7),(7b') 식에 의해 A₁₀=A₂₀=1, B₁₀=B₁₁=b, B₂₀= 3b, B₂₁= b가 된다.

또한 (1)식에 있어서 M' = 0, w₂= 0.5, w₁= W'₀= 0.25로 하면 (1),(2)식에서

를 얻는다. 위의 식과 같이 제 1도의 예측기(1)와 연산기(2),(4)를 일체화하여 V_fb(i)를 구해도 물론 상관없다.

외란 토오크 u_d의 검출치 또는 추정치를 얻을 수 있는 경우에는 토오크지령 u에서 외란 토오크 u_d를 뺀 값을 토오크 지령이라고 생각하여 속도 예측치를 구해도 좋다. 제어연산기(5)내에서 PID제어나 I-P제어등의 적분연산을 포함하는 연산에 의해 토오크지령을 결정할 경우에는 적분연산치를 상기 외란토오크 추정치로서 이용해도 좋다. 예를들면 제 4도에 도시하는 바와 같이 제어연산기(5)내부에서 PID연산에 의해 토오크 지령을 산출하는 경우, 토오크지령에서 적분연산치를 뺀 것, 즉 PD(비례미분) 연산치만을 토오크 지령으로서 예측기(1)로 입력한다.

또한 PI연산치를 1차 또는 n차 필터링한 값을 다음의 샘플링 주기에 토오크 지령 u(i)으로서 출력하는 제어연산기에 대하여 (11)식을 이용하여 속도피드백 신호 V_fd(i)를 구한 경우의 블럭도를 제 5도에 도시한다. 동 도면에서는 1주기전의 적분치를 외란 토오크 u_d로 하고 있지만 이것을 다시 필터링한 값을 u_d로 해도 좋다. 또한 속도 V(i)는 Δy(i)/T_s에 의해 구하고 있지만 이 이외의 방법, 예를들면 속도검출기의 이용 또는 엔코더의 펄스간의 시간을 계측하여 산출하는 등, 기존의 속도산출방법을 이용해도 좋다.

이상 진술한 바와 같이 본 발명에 의하면 저속역에서의 정밀도 열화가 작고, 또한 위상지연이 없는 속도피드백 속도를 이용하기 위해 피드백 루프 게인이 올라가고, 고속응답가능한 모터속도 제어장치가 실현된다는 효과가 있다.

본 발명은 모터의 속도제어장치에 적용된다.

Claims (6)

1. 현재시각 i에 있어서 K·Ts(K≥0, Ts:샘플링 주기)전의 모터위치 y(i-K)를 검출하고, 이 검출신호를 기초로 산출한 모터속도 피드백 신호 v_fb에 의해 피드백 제어를 행하는 모터속도 제어장치에 있어서,

   속도지령과 상기 모터속도 피드백 신호 v_fb에서 토오크지령 u(i)을 산출하는 수단과,

   상기 위치 y(i-K)에서 속도 v(i-K)를 산출하는 수단과,

   M' 샘플링전에서 시각 i-K까지의 상기 속도 v(i-m)(단, m= K, …, M')를 기억하는 수단과,

   모터의 동특성 모델, 상기 토오크지령 u(i), 상기 위치 y(i-K)에 의해 M 샘플링 전까지의 속도 예측치 v^*(i+m)(단, m = -K+1, …, M)를 구하는 예측기와,

   상기 속도 피드백 신호를,

   

   (단, W_m, W'_m은 무게 계수)

   로 되는 계산에 의해 구해지는 수단

   을 갖춘것을 특징으로 하는 모터속도 제어장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 예측기는,

   위치 y에 의해 위치증분치 Δy(Δ는 샘플링 주기 Ts간의 증분치를 나타낸다)를 구하는 수단과,

   토오크지령 u에서 위치증분치 Δy까지의 전달함수모델

   

   에 의해 예측계수 A_mn,B_mn를

   

   로 결정하여 기억하는 수단과,

   현재에 이를 때까지의 과거의 토오크지령 및 위치증분치를 기억하는 수단과,

   이들의 예측계수, 토오크지령, 위치증분치에 의해 상기 속도예측치를 다음식

   

   으로 구하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 B_m0에 대신하여

   

   로 하는 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 모터속도 제어장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 예측기는,

   위치 y, 토오크지령 u에 의해 그 증분치 Δy, Δu를 구하는 수단과,

   토오크지령 증분치 Δu에서 위치증분치 Δy까지의 전달함수모델

   

   에 의해 예측계수 A_mn,B_mn를

   

   로 결정하여 기억하는 수단과,

   현재에 이를 때까지의 과거의 토오크 지령증분치 및 위치증분치를 기억하는 수단과,

   이들의 예측계수, 토오크 지령 증분치, 위치증분치에 의해 상기 속도예측치를 다음식

   

   으로 구하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 토오크 지령 U에서 외란 토오크 U_d의 검출치를 뺀 값을 토오크 지령으로 생각하여 속도 예측치를 구하는 수단을 갖춘 것을 특징으로 하는 모터속도 제어장치
6. 제5항에 있어서, PID제어나 IP제어 등의 적분연산을 포함하는 연산에 의해 토오크 지령을 결정하는 경우에 상기 외란 토오크 U_d의 검출치로서 적분연산치에 의한 추정치를 이용하는 것을 특징으로 하는 모터속도 제어장치

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