KR100374052B1 - 제어상수동정장치 - Google Patents

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KR100374052B1
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히로시 나카무라
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가부시키가이샤 야스가와덴끼
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    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
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Abstract

속도지령(Vref)을 발생하는 지령발생부와, 상기 속도지령(Vref)과 실제의 모터속도(Vfb)에 의해 토오크지령(Tref)를 결정하여 모터속도를 제어하는 속도제어부와, 모델에 의해 상기 속도제어부를 시뮬레이트하여 추정 토오크지령(Tref')을 출력하는 추정부와, 상기 속도제어부의 출력인 토오크지령(Tref)을 소정의 구간 [a, b]에서 시간적분한 값(STref)과 상기 추정부의 출력인 토오크지령(Tref')을 소정의 [a, b]에서 시간적분한 값(STref')과의 비에 의해 관성(J)을 동정하는 동정부를 갖춘다. 적은 연산으로 관성(J)을 정학하게 구하기 위해 상기 실제의 모터속도(Vfb)와 상기 추정부에서 구한 모터속도(Vfb')가 시각(b)에 있어서 0이 아닌 값에서 일치하도록 상기 소정의 구간 [a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정한다.

Description

제어상수 동정장치
제어상수를 동정하는 장치로서 예를 들어,
(1) 토오크지령을 바꾸어 회전속도를 변화시키고, 토오크지령의 적분 량과 회전속도의 변화폭을 계산하고, (관성)=(토오크지령의 적분 량)/(회전속도 변화폭)이 되는 연산에서 관성을 구하는 동정장치(일본국 특개소 61-88780호 공보 참조).
(2) 램프부를 갖는 속도지령을 입력하여 속도루프를 P제어로 행하고, 부하관성이 없는 상태에서의 일정 속도편차와 부하관성이 있는 상태에서의 일정 속도편차의 비로부터 부하관성을 구하는 동정장치(일본국 특개평 6-70566호 공보참조).
(3) 실제와 시뮬레이션에 있어서의 전류검출치 혹은 전류지령치를 시간적분하여 전류면적을 구하고, 이 전류면적 계산 결과로부터 최초로 가정한 관성가정치를 수정해 가는 것으로 관성을 구하는 동정장치(일본국 특개평 4-325886호 공보참조) 등이 있다.
그러나 상기 종래예(1)(2)(3)의 기술의 경우 점성마찰이나 클롱마찰(coulomb's friction)이 있는 경우 관성동정치의 오차나 변동이 크다는 문제가 있다. 또 특히 상기 종래예 (1)에서는 회전속도가 일정비율로 변하는 지령으로 한정되고, (2)에서는 적분제어를 행하고 있지 않으므로 외란(外亂)의 영향을 받기 쉬우며 (3)에서는 최초로 가정한 관성가정치가 실제의 관성에 가까워지도록 퍼지이론 등을 사용하여 반복수정을 행하면서 관성을 구해가므로 연산이 복잡하고 많아진다는 문제도 있다.
본 발명은 공작기계 등을 구동하는 모터의 제어장치에 관한 것으로서, 특히 관성이나 점성마찰계수라는 제어상수를 동정(同定)하는 제어장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 기본적인 개념을 설명하는 원리도.
도 2는 본 발명의 원리를 보충하기 위한 블록도,
도 3은 본 발명의 원리를 보충하기 위한 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예로서의 구성도.
도 5는 속도지령의 예.
도 6은 도 4에 있어서 속도제0어부와 추정부와 동정부의 상세를 도시하는 구성도.
도 7은 AC서보 모터를 이용한 동작예이다.
[실시예]
이하, 먼저 본 발명의 원리를 설명하고, 이어서 모터를 이용한 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 기본적인 개념을 설명하는 원리도이다. 부호 1은 속도제어부이고, 부호 2는 추정부이다. 속도제어부(1)어서는 PI제어를 이루고, 제어대상은 관성(J)으로만 하고, 마찬가지로 추정부(2)에서도 PI제어를 이루고, 제어대상은 관성(J)으로만 한다. 동 도면에 있어서, 속도제어 부(1)의 속도(Vfb)와 추정부의 속도(Vfb')가 일치하고 Vfb와 Vfb' 가 모두 0이 아닐 경우,속도제어부의 토오크지령 적분치(STref)와 관성(J) 및 추정부의 토오크지령 적분치(STref')와 관성(J')에는 J/J'=STref/STref' …… (1)의 관계가 성립하고, 관성(J)은 J=(STref/STref')*J' …… (2)에서 바로 구해진다. 이상이 본 발명의 기본적 원리이다.
단 점성마찰(D)이 존재하는 시스템에 있어서는 점성마찰(D)를 무시할 수 없으며, 이 관계를 성립시키기 위해서는 소정의 구간[a, b]에 있어서 속도(Vfb)의 적분치가 0이다, 라는 조건을 부가해야한다. 다음은 그 이유를 설명한다. 도 2는 제어대상이 관성(J)과 점성마찰(D)로 나타낸 경우의 블록도이고, 도 3은 도 2를 수정한 를록도이다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 속도(Vfb)의 상기 구간 [a, b]에서 적분치가 0이면 점성마찰(D)의 영향을 없앨 수 있다. 따라서 이 조건을 부가하면 (1)식이 성립하며 (2)식에서 바로 관성(J)을 구할 수 있다. 또 여기서는 속도(Vfb)의 적분치가 0이지만, 위치를 관리하고 있으면 상기 구간 [a, b]에 있어서 시각(a)에서의 위치와 시각(b)에서의 위치가 일치하고 있으면 된다. 또 모터속도(Vfb)의 시간적분치가 0이 되는 복수개의 구간에서 구한 관성의 평균치를 관성(J)으로 해도 좋다. 다음은 일정외란(Td)이 걸린 경우는 어떤 속도지령(Vref1)에 의해 구한 관성(J1)과, 속도지령(Vref1)의 플러스, 마이너스를 반전시킨 Vref2에 의해 구한 관성(J2)과의 평균치를 관성(J)으로 하면 일정외란(Td)의 영향을 없앨 수 있다. 클롱마찰이 있는 경우는 상기 구간 [a, b] 안에서의 모터의 정전시간과 역전시간이 같아지도록 상기 구간 [a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정하면 클롱마찰의 영향도 없앨 수 있다. 또한 일정외란(Td)은 속도지령(Vref1)다 의해 구한 토오크지령적분치(STref1)와 속도지령(Vref1)의 플러스, 마이너스를 반전시킨 Vref2에 의해 구한 토오크지령 적분치(STref2)와의 평균치를 적분시간(b-a)으로 나눔으로써 구할 수 있다. 점성마찰(D)은 속도지령(Vref)이 일정가속시 또는 일정감속시에 토오크지령(Tref)의 기울기(시간변화)에서 구할 수 있다.
다음은 모터를 이용한 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시예로서의 구성도이다. 도면중 부호 41은 지령발생부이고, 속도지령(Vref)은 속도제어부(42)와 추정부(43)로 출력한다. 또 부호 44는 동정부이고, 속도제어부(42)의 토오크지령(Tref)과 추정부(43)의 토오크지령(Tref')을 입력하여 관성(J), 일정외란(Td) 및 점성마찰(D)을 구한다. 다음 각 부분에 대해서는 실험을 행한 구성에 의거해 도 5, 도 6을 이용하여 설명하고, AC서보모터를 이용한 동작예를 도 7에 도시한다. 지령발생부(41)는 속도지령(Vref)을 발생한다. 속도지령(Vref)은 예를 들어 도 5(A)～(F)에 도시하는 지령을 생각할 수 있지만 여기서는 동 도면중 5(A)에 도시하는 바와 같이 최고속도와 최저속도의 절대치가 동일하고 가감속이 동일한 사다리꼴 형상의 속도지령(Vref)으로 했다. 속도 제어부(42)와 추정부(43)와 동정부(44)의 구성을 도 6에 도시한다. 속도제어부(42)는 속도지령(Vref)에 속도(Vfb)가 일치하도록 속도루프를 이루고 있고, 여기 서는 PI(비례적분)제어로 하며, 토오크지령(Tref)을 모터를 구동하는 전류제어기와 동정부(44)에 출력한다. 또한 모터에는 모터관성(JM)의 4.16배의 부하(JL)(=4.16*JM)이 부착되어 있고, 모터에서는 속도(Vfb)가 출력되고 있다고 가정한다. 추정부(43)는 속도제어부(42)와 같은 PI제어로 구성하고, 제어대상을 1/J' S로 모델화하며, 토오크지령(Tref')을 제어대상(1/J'S)과 동정부(44)로 출력한다. 동정부(44)에서는 속도제어부(42)에서 출력된 토오크지령(Tref)과 동정부(43)에서 출력된 토오크지령(Tref')을 받아들이고, 각각을 시각(a)에서 시각(b)까지 시간적분한 값(STref)과 (STref')와 추정부의 관성(J')에서 관성(J)을 J=(STref/STref')*J' 에 의해 구한다.
도 7은 AC서보 모터를 이용한 경우의 동작 예이고, Vref는 속도지령, ①은 속도제어부(42)안의 모터의 속도(Vfb), ①'는 추정부(43)안의 속도(Vfb'), ②는 속도제어부안의 토오크지령(Tref) 및 ②'는 추정부(43)안의 토오크지령(Tref')이다. ②와 ②'를 각각 시각(a1)에서 시각(b1)까지 시간적분한 값(STref1)과 (STref1')과 함께 추정부의 관성(J')에서 관성(J1)을 구하면, J1=(STref1/STref1')*J'=5.49*JM이 되고, 마찬가지로 시각(a2)에서 시각(b2)까지 시간적분한 값(STref2)과 (STref2')과 함께 추정부의 관성(J')으로부터 관성(J2)을 구하면 J2=(STref2/STref2')*J'=4.81*JM이 되므로 관성(J)은 J=(J1+J2)/2=5.15*JM으로 동정할 수 있다. 이 동정치는 (모터 관성(JM)+(부하 관성(JL)=4.16*JM)=5.16*JM 과 대략 일치하고 있다. 단, 추정부의 관성(J')은 J'=JM으로서 시뮬레이트했다. 또한 본 실시예에서는 추정부의 연산도 리얼타임으로 행했지만 속도지령(Vref)을 고정하고 있으면 추정부의 토오크지령 적분치(STref')는 미리 계산할 수 있긴 때문에 속도제어부(42)안의 토오크지령 적분치(STref)만 리얼타임으로 연산하면 된다.
또한 실제로는 속도가 0이 될 경우, 정지마찰의 영향 때문에 상기(1)식의 관계는 성립하지 않는다. 따라서 상기 속도(Vfb)가 X1
Figure pct00001
Vfb
Figure pct00002
X2인 경우(단 X1
Figure pct00003
0,X2
Figure pct00004
0)는 상기 속도제어부의 토오크지령(Tref) 및 상기 추정부의 토오크지령(Tref')의 시긴적분을 행하지 않도록 하면 J/J'=STref/STref' 가 성립하고, J=(STref/STref')*J 식에서 관성(J)이 바로 구해진다. 또 도 2와 같이 점성마찰(D)이 있는 경우는 도 2를 수정한 도 3에서 알 수 있는 바와 같이 속도(Vfb)의 상기 구간 [a, b]어 있어서 적분치가 0이라면 점성마찰(D)의 영향을 없앨 수 있기 때문에 상기 속도(Vfb)가 X1
Figure pct00005
Vfb
Figure pct00006
X2인 경우(단 X1
Figure pct00007
0, X2
Figure pct00008
0)는, 상기 속도제어부의 토오크지령(Tref) 및 상기 추정부의 토오크지령(Tref')의 시간적분을 행하지 않도록 하고, 또한 상기 속도(Vfb)가 X1
Figure pct00009
Vfb
Figure pct00010
X2인 경우의 시간(t1)(t1
Figure pct00011
0)동안을 뺀 상기 속도(Vfb)의 시간적분치가 0이 되도록 상기 구간 [a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정하면 점성마찰(D)의 영향도 제거할 수 있다. 이상에 의해 속도가 0 또는 0에 가까운 경우에 발생하는 정지마찰 등의 영향을 받지 않고, 관성이 동정가능한 제어상수 동정장치를 제공할 수 있다.
또 실제와 모델동작의 차이가 큰 경우는 속도제어부의 속도(Vfb)와 추정부의 속도(Vfb')가 일치하지 않는 경우가 있다. 그 경우는 도 6에 도시하는 바와 같이 속도루프 게인(Kv')을 조정하는 조정부(45)를 마련해도 좋다.
상기 조정부에 있어서는 상기 추정부의 토오크지령(Tref')이 Tref'>0이고, 속도(Vfb)>속도(Vfb')의 경우는 상기 추정부의 속도루프 게인(Kv')을 올리고,
상기 추정부의 토오크지령(Tref')이 Tref'<0이고, 속도(Vfb)>속도(Vfb')의 경우는, 상기 추정부의 속도루프 게인(Kv')을 내리고,
상기 추정부의 토오크지령(Tref')이 Tref'<0이고, 속도(Vfb)<속도(Vfb')의경우는 상기 추정부의 속도루프 게인(Kv')을 올리는 조정을 행한다.
본 발명은 이들 문제를 해결할 수 있는 제어상수 동정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명은
속도지령(Vref)를 발생하는 지령발생부와,
상기 속도지령(Vref)과 실제의 모터속도(Vfb)에 의해 토오크지령(Tref)을 결정하여 모터속도를 제어하는 속도제어부와,
모델에 따라 상기 속도제어부를 시뮬레이트하여 추정 토오크지령(Tref')을 출력하는 추정부와,
상기 속도제어부의 출력인 토오0크지령(Tref)을 소정의 구간 [a, b]에서 시간적분한 값(STref)과 상기 추정부의 출력인 토오크지령(Tref')을 소정의 구간 [a, b]에서 시간적분한 값(STref')과의 비에 의해 관성(J)을 동정하는 동정부를 갖추고,
상기 실제의 모터속도(Vfb)와 상기 추정부에서 구한 모터속도(Vfb')가 시각(b)에 있어서 0이 아닌 값에서 일치하도록 상기 소정의 구간 [a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면 점성마찰, 일정외란 및 클롱마찰이 있는 경우에도 관성 동정치의 오차와 변동이 적으며, 또0한 아주 간단히 적은 연산으로 관성을 구할 수 있는 제어상수 동정장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 산업용 기계, 특히 부하의 변동이 적은 공작기계나 분류기계 등을 구동하는 모터의 제어장치에 이용할 수 있다.

Claims (12)

  1. 속도지령(Vref)을 발생하는 지령발생부와,
    상기 속도지령(Vref)과 실제의 모터속도(Vfb)에 의해 토오크지령(Tref)을 결정하여 모터속도를 제어하는 속도제어부와,
    모델에 의해 상기 속도제어부를 시뮬레이트하며 추정 토오크지령(Tref')을 출력하는 추정부와,
    상기 속도제어부의 출력인 토오크지령(Tref)을 소정의 구간 [a, b]에서 시간적분한 값(STref)과 상기 추정부의 출력인 토오크지령(Tref')을 소정의 구간 [a, b]에서 시간적분한 값(STref')과의 비에 의해 관성(J)을 동정하는 동정부를 갖추고,
    상기 실제의 모터속도(Vfb)와 상기 추정부에서 구한 모터속도(Vfb')가 시각(b)에 있어서 0이 아닌 값에서 일치하도록 상기 소정의 구간 [a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지령발생부에서 발생하는 속도지령(Vref)을 미리 고정하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 속도제어부에 있어서 적분연산을 포함하는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 실제의 모터의 속도(Vfb)의 상기 소정의 구간 [a, b]에서의 시간적분치가 0이 되도록 상기 구간 [a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 실제의 모터속도(Vfb)의 시간적분치가 0이 되는 여러개의 구간에서 구한 관성의 평균치를 관성(J)으로 하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 구간 [a, b] 안에서의 모터의 정전시간과 역전시간이 동일해지도록 상기 구간[a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    어떤 속도지령(Vref1)에 의해 구한 관성(J1)과, 속도지령(Vref1)의 플러스, 마이너스를 반전시킨 Vref2에 의해 구한 관성(J2)과의 평균치를 관성(J)으로 하는것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    어떤 속도지령(Vref1)에 의해 구한 토오크지령 적분치(STref1)와, 속도지령(Vref1)의 플러스, 마이너스를 반전시킨 Vref2에 의해 구한 토오크지령 적분치(STref2)에 의해 일정외란(Td)을 구하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    속도지령(Vref)이 일정가속시 또는 일정감속시에 토오크지령(Tref)의 기울기(시간변화)에서 점성 마찰계수(D)를 구하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 구간 [a, b] 안에서 상기 속도(Vfb)가 X1
    Figure pct00012
    Vfb
    Figure pct00013
    X2(단, X1 <0 그리고 X2>0)인 경우(단 X1
    Figure pct00014
    0, X2
    Figure pct00015
    0)는, 상기 속도제어부의 토오크지령(Tref) 및 상기 추정부의 토오크지령(Tref')의 시간적분을 행하지 않도록 한 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 속도(Vfb)가 X1
    Figure pct00016
    Vfb
    Figure pct00017
    X2인 경우의 시간(t1)(t1
    Figure pct00018
    0) 사이를 뺀 상기 속도(Vfb)의 시간적분치가 0이 되도록 상기 구간 [a, b] 및 속도지령(Vref)을 설정하는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 속도제어부의 모터속도(Vfb)와 상기 추정부의 속도(Vfb') 및 토오크지령(Tref')의 정보로부터 상기 추정부의 속도루프게인(Kv')의 조정을 행하는 조정부를 갖추는 것을 특징으로 하는 제어상수 동정장치.
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