KR100468825B1 - 회전형액츄에이터의피봇베어링의마찰특성보상방법및그장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법은, 비선형 플랜트의 회전형 액츄에이터를 구동시키는 단계; 상기 비선형 플랜트의 회전형 액츄에이터의 변위 및 속도를 각각 측정하는 단계; 상기 비선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도가 선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도의 시뮬레이션 결과와 동일한지를 판별하는 단계; 상기 판별에서, 동일하지 않으면 상기 비선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도 프로파일과 관련된 파라미터들을 조정하는 단계; 상기 조정된 파라미터들이 적용된 비선형 플랜트의 강성이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크를 각각 구하는 단계; 상기 강성 이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 각각의 토오크를 바탕으로 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크를 구하는 단계; 및 상기 총토오크를 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성 보상 알고리즘에 의해 왜곡된 부분을 보상하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 실제 액츄에이터의 변위 및 속도 프로파일과 시뮬레이션 변위 및 속도 프로파일을 비교하여 왜곡된 부분을 보상하여 줌으로써, 액츄에이터의 마찰특성을 정확하게 규명 및 모델링할 수 있는 장점이 있다.

Description

회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법 및 그 장치{Method for compensating friction characteristic of pivot bearing in rotary actuator and an apparatus thereof}
본 발명은 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더 상세히는 회전형 액츄에이터에 있어서의 피봇 베어링에 의한 마찰특성을 보상함으로써 액츄에이터의 마찰 특성을 정확하게 규명 및 모델링할 수 있는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법 및 그 장치에 관한 것이다.
회전형 액츄에이터는 산업용 로봇의 매니퓰레이터(manipulator), 하드 디스크 드라이브의 액츄에이터 등 고속, 고정밀 구동장치로 광범위하게 응용되고 있다. 이와 같은 회전형 액츄에이터는 보통 보이스 코일 모터(voice coil motor)의 구동에 의해 피봇 베어링을 중심으로 좌,우로 회전운동을 발생시킨다. 이때, 액츄에이터의 동작점을 목표 위치에 빠른 시간 내에 정확히 이동시키기 위해서는 정밀한 값의 전류를 모터에 인가하여야 한다. 그러나, 액츄에이터의 구조가 플렉시블한 특성을 가지고 있고, 이동 변위의 간격에 따라 입/출력 관계가 비선형적이서 원하는 위치에 동작점을 정확히 이동시키기가 어렵게 된다. 따라서, 그와 같은 비선형적 특성을 보상해 줄 수 있는 모델링 기술 및 보상 기법이 요구되고 있다.
최근 이와 같은 문제와 관련하여 연구 논문들이 발표되고 있는 바, 그 중에서 몇 편을 간략히 살펴보기로 한다.
"Disk Drive Pivot Nonlinearity Modeling"(Part I & II, Abramovitch et al, Hewlett Parkard and Stanford University, 1994)은 다양한 모델을 선정하여 시뮬레이션 결과와 실제의 실험 결과를 비교하여 주파수 영역에서나 시간 영역에서 두 영역 모두 잘 맞도록 개선하는 기술 내용이나, 시뮬레이션 결과와 실제의 실험결과의 타당성을 검증할 수 있는 실험 환경 구축과 시뮬레이션 조정 단계 등의 복잡한 구성이 단점으로 지적되고 있다.
"Modeling and Compensation of Pivot Friction"(Goh et al, 1995, National University of Singapore, Singapore)은 단순한 스틱-슬립(stick-slip) 모델을 구성하여 실제 플랜트에 피드백(feedback)시키는 것으로서, 보상 기법은 DOB (disturbance observer)로 구성되어 있으나, 에스티메이터(estimator)를 통해야만 하는 단점이 있다.
또한, "Microactuator Control of Disk Drive"(Takaishi et al, 1996, Fujitsu, Japan)은 소프트웨어적인 보상이 아닌 압전(piezoelectric) 액츄에이터를 단일 액츄에이터에 부착한 기구적인 개선을 통해 베어링의 마찰 외란을 최소화하는 기술내용이나, 비교적 복잡한 Dahl 모델을 사용하고 있는 것이 단점으로 지적되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 창출된 것으로서 회전형 액츄에이터에 있어서의 피봇 베어링에 의한 마찰특성을 보상함으로써 액츄에이터의 마찰특성을 정확하게 규명 및 모델링할 수 있는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법은, 비선형 플랜트의 회전형 액츄에이터를 구동시키는 단계; 상기 비선형 플랜트의 회전형 액츄에이터의 변위 및 속도를 각각 측정하는 단계; 상기 비선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도가 선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도의 시뮬레이션 결과와 동일한지를 판별하는 단계; 상기 판별에서, 동일하지 않으면 상기 비선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도 프로파일과 관련된 파라미터들을 조정하는 단계; 상기 조정된 파라미터들이 적용된 비선형 플랜트의 강성이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크를 각각 구하는 단계; 상기 강성 이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 각각의 토오크를 바탕으로 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크를 구하는 단계; 및 상기 총토오크를 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성 보상 알고리즘에 의해 왜곡된 부분을 보상하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치는, 회전형 액츄에이터의 변위 및 속도를 측정하기 위한 변위/속도 측정장치; 상기 변위/속도 측정장치로부터의 아날로그 신호를 입력받아 디지탈 신호로 변환하여 출력하는 A/D(analog-to-digital) 변환기; 상기 A/D 변환기로부터의 출력신호를 입력받아 소정의 보상 알고리즘에 의해 상기 변위 및 속도 프로파일의 왜곡 부분을 보상하는 프로세서; 시뮬레이션의 변위 및 속도 프로파일과 상기 실제 액츄에이터의 측정된 변위 및 속도 프로파일을 화면에 나타내 보이는 디스플레이장치; 피봇 베어링의 마찰특성 모델의 변수를 조정하여 상기 프로세서에 전송하는 변수 조정기; 및 상기 프로세서로부터의 디지탈 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 회전형 액츄에이터에 전송하는 D/A(digital-to-analog) 변환기를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 실제 액츄에이터의 변위 및 속도 프로파일과 시뮬레이션 변위 및 속도 프로파일을 비교하여 왜곡된 부분을 보상하여 줌으로써, 액츄에이터의 마찰특성을 정확하게 규명 및 모델링할 수 있는 장점이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치의 개략적인 시스템 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치는 회전형 액츄에이터(100)의 변위 및 속도를 측정하기 위한 변위/속도 측정장치(101)와, 그 변위/속도 측정장치(101)로부터의 아날로그 신호를 입력받아 디지탈 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환기(102)와, 그 A/D 변환기(102)로부터의 출력신호를 입력받아 소정의 보상 알고리즘에 의해 상기 변위 및 속도 프로파일의 왜곡 부분을 보상하는 프로세서(103)와, 시뮬레이션의 변위 및 속도 프로파일과 상기 실제 액츄에이터의 측정된 변위 및 속도 프로파일을 화면에 나타내 보이는 디스플레이장치(104)와, 피봇 베어링의 마찰특성 모델의 변수를 조정하여 상기 프로세서(103)에 전송하는 변수 조정기(105) 및 상기 프로세서(103)로부터 출력된 디지탈 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하여 상기 회전형 액츄에이터(100)에 전송하는 D/A 변환기(106)를 구비한다.
여기서, 상기 변위/속도 측정장치(101)로는 레이저 도플러 바이브러미터(laser Doppler vibrameter)가 사용되며, 특히 본원 발명의 장치가 소형 액츄에이터에 적용될 경우를 대비하여, 도시된 바와 같이 상기 D/A 변환기(106)와 회전형 액츄에이터(100) 사이에 피봇 베어링의 마찰특성을 검색하기 위한 저항기(107)가 더 구비된다. 또한, 상기 디스플레이장치(104)와 변수 조정기(105)는 본 실시예와 같이 독립된 별개의 장치로 구성될 수도 있고, 컴퓨터로 대체하여 하나의 장치로 구성될 수도 있다.
그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치에 의해 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성을 보상하는 과정에 대해 설명해 보기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법을 구현하기 위한 전체적인 시스템 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법의 실행과정을 나타내 보인 플로우 차트이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법에 따라 먼저 비선형 플랜트(201)의 회전형 액츄에이터를 구동시키게 된다(단계 301). 그리고, 그 비선형 플랜트(201)의 회전형 액츄에이터의 변위 및 속도를 각각 측정한다(단계 302). 그런 후, 상기 비선형 플랜트(201)의 액츄에이터의 측정된 변위 및 속도가 선형 플랜트(202)의 액츄에이터의 변위 및 속도의 시뮬레이션 결과와 동일한지를 판별한다(단계 303). 여기서, 이와 같은 선형 플랜트(202)는 물론 시뮬레이션용으로 마련된 것으로서, 상기 비선형 플랜트(201)에 입력되는 입력전류(200)를 동시에 공급받아 비선형 플랜트(201)의 구동과 함께 동시에 구동되며, 상기 비선형 플랜트(201)의 변위 및 속도와의 비교를 위해 시뮬레이션 변위(x1) 및 속도(x2)를 출력한다.
상기 판별단계 303에서, 측정된 변위 및 속도가 시뮬레이션 변위(x1) 및 속도(x2)와 동일하면, 프로그램을 바로 단계 307로 진행시켜 베어링의 마찰특성 보상 알고리즘에 의해 왜곡된 부분을 보상한다. 실제로, 이 경우에는 측정값이 시뮬레이션 결과와 일치하므로 왜곡된 부분이 없어 보상이 이루어지지 않게 된다.
한편, 상기 판별단계 303에서, 측정된 변위 및 속도가 시뮬레이션 변위(x1) 및 속도(x2)와 동일하지 않으면, 상기 비선형 플랜트(201)의 액츄에이터의 변위 및 속도 프로파일과 관련된 파라미터들을 조정하게 된다(단계 304). 이때, 관련 파라미터에는 점착성 이득(ba), 비선형 강성이득(kb), 선형 강성 문턱계수(p_th) 및 스틱션 문턱계수(v_th) 등이 포함된다.
이와 같이 상기 파라미터들이 조정되면, 그 조정된 파라미터들이 적용된 비선형 플랜트(201)의 강성이득으로부터 피드백된 토오크(f_pos) 및 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크(f_vel)를 각각 구한다(단계 305). 그런 후, 그 강성이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 각각의 토오크(f_pos)(f_vel)를 바탕으로 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크(fback)를 구한다(단계 306). 즉, 상기 강성이득으로부터 피드백된 토오크(f_pos)와 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크(f_vel)를 합산하여 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크(fback)를 구하게 된다.
이렇게 하여 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크(fback)가 구해지면, 그 총토오크(fback)를 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성 보상 알고리즘에 의해 변위 및 속도 프로파일에서 왜곡된 부분을 보상한다(단계 307). 이에 의해 베어링의 마찰특성이 보상된다. 여기서, 이와 같은 베어링의 마찰특성 보상과 관련하여 설명을 부연해 보기로 한다.
시뮬레이션에 적용한 피봇 베어링의 마찰특성 모델의 알고리즘은 다음과 같이 표현될 수 있다.
fmodel:
f_vel = ba*x(2)
f_pos = -p_th+kb*x(1), (if x(2)< -v_th)
f_pos = p_th+kb*x(1), (if x(2)> v_th)
fback = f_pos+f_vel
여기서, x(1)은 시뮬레이션 변위, x(2)는 시뮬레이션 속도, f_vel은 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크, f_pos는 강성이득으로부터 피드백된 토오크, fback은 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크, ba는 점착성 이득, kb는 비선형 강성이득, p_th는 선형 강성 문턱계수, v_th는 스틱션 문턱계수를 각각 나타낸다.
한편, 도 4는 상기와 같은 알고리즘을 실행하는 시뮬레이션 모델을 나타내 보인 것으로서, 시뮬레이션에 있어서 필요한 모든 파라미터(401)를 불러 들여 시뮬레이션을 수행하게 된다. 또한, 실험상에서 구현한 피봇 베어링의 마찰특성 변수값(ba,kb,p_th,v_th)들이 마찰특성 모델(405)에 적용된다. 여기서, 시뮬레이션 플랜트(403)는 실험상에서 구현한 마찰모델을 대신하는 것으로서, 그 마찰모델을 검증하는데 필요한 수단 중의 하나이다. 이때, 왜곡된 출력을 보기 위해서는 "GO"라는 블록(404)의 보상 알고리즘을 제거한 후 출력을 구하고, 왜곡이 보상된 출력을 보기 위해서는 상기 "GO"블록(404)을 실행시키면 된다.
이와 같은 시뮬레이션 모델에 있어서, 실험을 통해 모델의 마찰특성 파라미터가 확정되면, 피드백된 총토오크(fback)를 전류로 변환시킨 다음 입력전류와 함께 액츄에이터에 입력시킨다. 이때, 이와 같은 과정은 상기 "GO"블록(404)의 실행에 의해 수행된다. 시뮬레이션상에서 감산된 총토오크(fback) 값을 다시 입력신호에 가산하여 속도나 변위 프로파일에 나타나는 왜곡된 부분을 보상하게 된다. 즉, 초기 단계에서 정현파 신호를 입력시키지만, 실제로 액츄에이터에 인가되는 신호는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 실제 입력 프로파일과 같다. 여기서, 도 7은 8Hz, 25Hz, 88Hz의 각 주파수를 가지는 0.04mA의 실제 입력전류에 대하여 보상된 실제 속도 프로파일이고, 도 8은 8Hz, 25Hz, 88Hz의 각 주파수를 가지는 0.09mA의 실제 입력전류에 대하여 보상된 실제 속도 프로파일이다. 또한, 도 5는 8Hz, 25Hz, 88Hz의 각 주파수를 가지는 0.04mA의 실제 입력전류에 대하여 보상되지 않은 시뮬레이션 속도 및 실제 속도 프로파일이고, 도 6은 8Hz, 25Hz, 88Hz의 각 주파수를 가지는 0.09mA의 실제 입력전류에 대하여 보상되지 않은 시뮬레이션 속도 및 실제 속도 프로파일이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 8Hz의 낮은 주파수에서만 왜곡이 심하게 나타나는 것을 볼 수 있는데, 이와 같은 왜곡이 전술한 보상 알고리즘에 의해 보상되는 것이다. 즉, 왜곡이 없는 주파수 영역에서는 상기 보상 알고리즘이 아무런 영향을 미치지 않으나, 왜곡이 심한 영역은 상기 보상 알고리즘에 의해 보상된다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법 및 그 장치는 실제 액츄에이터의 변위 및 속도 프로파일과 시뮬레이션 변위 및 속도 프로파일을 비교하여 왜곡된 부분을 보상하여 줌으로써, 액츄에이터의 마찰특성을 정확하게 규명 및 모델링할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치의 개략적인 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법을 구현하기 위한 전체적인 시스템 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법의 실행과정을 나타내 보인 플로우 차트.
도 4는 본 발명에 따른 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법에 따라 마찰특성을 보상하기 위한 시뮬레이션 모델의 구성도.
도 5는 다양한 주파수의 0.04mA의 입력전류에 대하여 보상되지 않은 시뮬레이션 속도 및 실제 속도의 특성곡선도.
도 6은 다양한 주파수의 0.09mA의 입력전류에 대하여 보상되지 않은 시뮬레이션 속도 및 실제 속도의 특성곡선도.
도 7은 다양한 주파수의 0.04mA의 입력전류에 대하여 왜곡부분이 보상된 시뮬레이션 속도 및 실제 속도의 특성곡선도.
도 8은 다양한 주파수의 0.09mA의 입력전류에 대하여 왜곡부분이 보상된 시뮬레이션 속도 및 실제 속도의 특성곡선도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101...레이저 도플러 바이브러미터 102...A/D 변환기
103...프로세서 104...디스플레이장치
105...변수 조정기 106...D/A 변환기
107...저항기 201...비선형 플랜트
202...선형 플랜트 203,404...보상 알고리즘
401...부하 파라미터 403...시뮬레이션 플랜트
405...마찰특성 모델

Claims (6)

  1. 비선형 플랜트의 회전형 액츄에이터를 구동시키는 단계;
    상기 비선형 플랜트의 회전형 액츄에이터의 변위 및 속도를 각각 측정하는 단계;
    상기 비선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도가 선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도의 시뮬레이션 결과와 동일한지를 판별하는 단계;
    상기 판별에서, 동일하지 않으면 상기 비선형 플랜트의 액츄에이터의 변위 및 속도 프로파일과 관련된 점착성 이득, 비선형 강성이득, 선형 강성 문턱계수 및 스틱션 문턱계수를 포함하는 파라미터들을 조정하는 단계;
    상기 조정된 파라미터들이 적용된 비선형 플랜트의 강성이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크를 각각 구하는 단계;
    상기 강성 이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 각각의 토오크를 바탕으로 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크를 구하는 단계; 및
    상기 총토오크를 바탕으로 피봇 베어링의 마찰특성 보상 알고리즘에 의해 왜곡된 부분을 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피봇 베어링의 마찰특성 보상은 피봇 베어링의 마찰특성 모델의 알고리즘에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 피봇 베어링의 마찰특성 모델(fmodel)의 알고리즘은 다음과 같이 나타내어지는 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상방법.
    fmodel:
    f_vel = ba*x(2)
    f_pos = -p_th+kb*x(1), (if x(2)< -v_th)
    f_pos = p_th+kb*x(1), (if x(2)> v_th)
    fback = f_pos+f_vel
    여기서, x(1)은 시뮬레이션 변위, x(2)는 시뮬레이션 속도, f_vel은 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크, f_pos는 강성이득으로부터 피드백된 토오크, fback은 마찰특성 이득으로부터 피드백된 총토오크, ba는 점착성 이득, kb는 비선형 강성이득, p_th는 선형 강성 문턱계수, v_th는 스틱션 문턱계수를 각각 나타냄.
  4. 회전형 액츄에이터의 변위 및 속도를 측정하기 위한 변위/속도 측정장치;
    상기 변위/속도 측정장치로부터의 아날로그 신호를 입력받아 디지탈 신호로 변환하여 출력하는 A/D 변환기;
    상기 A/D 변환기로부터의 출력신호를 입력받아 소정의 보상 알고리즘에 의해 상기 변위 및 속도 프로파일과 관련된 점착성 이득, 비선형 강성이득, 선형 강성 문턱계수 및 스틱션 문턱계수를 포함하는 파라미터들을 조정하고, 상기 조정된 파라미터들이 적용된 비선형 플랜트의 강성이득 및 점착성 이득으로부터 피드백된 토오크를 이용하여 왜곡 부분을 보상하는 프로세서;
    시뮬레이션의 변위 및 속도 프로파일과 상기 실제 액츄에이터의 측정된 변위 및 속도 프로파일을 화면에 나타내 보이는 디스플레이장치;
    피봇 베어링의 마찰특성 모델의 변수를 조정하여 상기 프로세서에 전송하는 변수 조정기; 및
    상기 프로세서로부터의 디지탈 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 회전형 액츄에이터에 전송하는 D/A 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 변위/속도 측정장치는 레이저 도플러 바이브러미터인 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 D/A 변환기와 회전형 액츄에이터 사이에 피봇 베어링의 마찰특성을 검색하기 위한 저항기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 회전형 액츄에이터의 피봇 베어링의 마찰특성 보상장치.
KR1019980004011A 1998-02-11 1998-02-11 회전형액츄에이터의피봇베어링의마찰특성보상방법및그장치 KR100468825B1 (ko)

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