KR100531736B1 - 직류모터의 서보제어장치 - Google Patents

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KR100531736B1
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카와무라사토시
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

서보기구의 제어시, 서보제어가 피구동체의 위치가 목표위치의 정상판정영역으로 되었다는 것을 검출하여, 이 정상판정영역에 있어서 제어정수(PI치)를 가변시키므로써 정상판정영역에 있어서 피구동체의 진동을 감소시키는 것이다.

Description

직류모터의 서보제어장치{SERVO CONTROLLER FOR DC MOTOR}
이 발명은 기계적인 위치나 각도를 제어하는 서보기구의 제어대상, 예를들면 배기가스의 재순환계중에 비치되는 배기가스 제순환〔이하, EGR(Exhaust Gas Recirculation)이라 부른다〕밸브, 스로틀밸브, 터보차저(Turbo charger)의 액튜에이터 등을 제어하는 직류모터의 서보제어장치에 관한 것이다.
도 1은 엔진(E)의 배기통로(a)와 흡기통로(b)를 연통시키는 배기환류통로(c)에 배치된 EGR밸브(11)를 제어대상으로 하는 것으로써 제어부(50)의 출력으로 직류모터(21)를 구동시키어 밸브(11)의 개도를 제어한다.
도 2는 서보제어장치를 적용시킨 직류모터(21)를 구동원으로 한 EGR밸브의 구성을 표시하는 종단면도이다.
도 2에 있어서, 1은 배기가스의 재순환계중에 개재하는 배기환류통로(c)와 연통하는 통로가 내부에 형성된 밸브몸체이며, 밸브(11)가 도면과 같이 위로 동작하여 시트(12)에 접촉하므로써 배기환류통로(c)가 폐쇄되고, 밸브(11)가 아래로 동작하여, 시트(12)에서 이탈되므로써 배기환료통로(c)가 개방된다. 21은 배기가스통로를 개폐시키는 밸브의 구동수단(토크발생원)인 직류모터, 22는 밸브몸체(1)에 부착되어 있는 모터케이스, 23은 모터케이스(22)내에 베어링(24,25)을 통하여 회전자재되게 지지된 로터이고, 이 로터(23)는 축심부를 관통하는 나사공(23a)을 구비하고 있다.
26은 로터(23)의 외주에 부착되어 있는 마그네트, 27은 마그네트(26)의 외주를 포위하고 있는 스테이터 코어이며, 이 스테이터 코어(27)와 마그네트(26) 사이에는 소정의 갭이 형성되어 있다.
28은 스테이터 코어(27)에 배치되어 스테이터를 구성하는 코일, 29는 밸브구동축인 모터샤프트이며, 이 모터샤프트(29)는 스크류샤프트로 된 것으로 로터(23)의 나사공(23a)에 나합되고, 로터(23)의 회전에 의하여 축방향으로 이동되도록 되어 있다.
30은 모터샤프트(29)와 일체로 형성된 밸브샤프트 당접부재이며, 이 밸브샤프트 당접부재(30)의 돌기단(도 1의 하단)에는 선단에 밸브(11)를 가진 밸브샤프트 (13)의 상단을 맞닿게 하므로써 그 밸브샤프트(13)를 모터샤프트(29)의 축방향으로이동시키어 밸브(11)를 개폐동작되게 된다. 31은 모터케이스(22)에서의 밸브샤프트 당접부재(30)측의 단면에 부착되어 있는 커버부재, 32는 밸브샤프트 당접부재 (30)의 돌기단측에 부착되어 있는 스프링 계합부재, 33은 이 스프링 계합부재(32)와 커버부재(31) 사이에 현가되어 있는 밸브가세용 스프링이며, 이 스프링(33)은 밸브샤프트 당접부재(30)를 통하여 밸브샤프트 선단의 밸브(11)를 개방방향으로 가세시키는 것이다.
34는 로터(23)와 일체로 회전하는 정류자로써 중심부에 축공(34a)을 갖고 있다.
35는 모터케이스(22)의 정류자(34)측의 개구단부에 부착되어 있는 전원측 케이스이며, 이 전원측 케이스(35)는 합성수지의 일체성형품으로 직류모터(21)의 통전장치 본체를 구성하고 있으며, 밸브의 개도를 검출하는 포지션센서(도시하지 않음)를 내장한 센서내장부(36) 및 컨넥터 단자를 내장한 입출력 컨넥터부(37)도 일체로 되어 있다.
38은 전원측 케이스(35)에 있어서, 정류자(34)와의 대향벽부에 일체로 형성된 브러시홀딩부, 39는 이 브러시홀딩부(38)내에 접동자재하게 끼워진 통전용 브러시이다.
이 브러시(39)는 카분분말과 동분말로 되어 있으며, 리드선(도시하지 않음)을 통하여 입출력 컨넥터부(37)의 컨넥터 단자에 접속되어 있다.
다음에 동작에 관하여 설명한다.
브러시(39), 정류자(34)를 통하여 코일(28)에 통전시키므로써 코일(28)에 발생된 자계와 마그네트(26)의 자계와의 상호작용에 의하여 로터(23)에 회전토크가 발생한다.
이 회전토크에 의하여 로터(23)가 회전되면, 로터(23)의 나사공(23a)에 나합된 모터샤프트(29)가 나사작동에 의하여 이송되어 축방향으로 직선이동한다.
여기에서 모터샤프트(29)가 도 1중에서 하방향으로 이동하는 경우에는 그 모터샤프트(29)에서 밸브샤프트 당접부재(30)가 스프링(33)의 가세력 방향으로 밀어냄으로써 이 밸브샤프트 당접부재(30)에 맞닿은 밸브샤프트(13)를 통하여 밸브(11)가 개방된다.
그리고, 밸브(11)가 목표위치 근방으로 이동되어 현재값과 목표값과의 차가 거의 0으로 되면, 밸브(11)를 리턴스프링(18)의 복원력에 대항하여 그 위치에 유지할 만큼의 전력을 직류모터(21)에 공급한다.
한편, 직류모터(21)의 로터(23)가 상기와 반대방향으로 회전되면, 모터샤프트(29)가 도 1중에서 상방향으로 이동되고, 이 모터샤프트(29)와 일체로 된 밸브샤프트 당접부재(30)에 맞닿아 있는 밸브샤프트(13)가 리턴스프링(18)의 복원력에 의하여 모터샤프트(29)에 추종이동되어 밸브를 폐쇄시킨다.
도 3은 직류모터(21)의 구동을 제어하는 서보제어장치를 표시하는 회로구성의 일예를 표시한 것으로써 도 3에 있어서 41은 포지션센서이고, 이 포지션센서 (41)는 전원공급단자에서 정전압이 인가되는 저항체(42)의 위에서 이동하는 가동접점부(43)를 구비하고 있으며, 이 가동접점부(43)가 모터(21)의 회전에 따라 모터샤프트(29)가 이동하므로써 그 이동위치, 즉 밸브위치에 따라 전압이 검출신호로써 출력된다.
44는 컨트롤러 유니트이며, 이 컨트롤러 유니트(44)는 밸브포지션센서(41)에서의 검출신호를 입력하는 A/D입력포트(45), 이 A/D입력포트(45)의 출력을 판독하는 필터(46), 이 필터(46)의 출력과 목표치 결정부(47)의 출력에 의하여 PI제어연산을 행하는 PI제어연산부(48), 이 PI제어연산부(48)의 출력에 의하여 여자듀티 (DUTY)연산을 행하는 여자전환부 및 듀티연산부(49), 이 여자전환부 및 듀티연산부 (49)의 출력에 의하여 ON신호를 출력하는 디지틀출력포트(50) 및 PWM신호를 출력하는 PWM출력포트(51)를 구비하고 있다.
52는 출력모터(21)에 대한 통전을 제어하는 스위칭회로이며, 직류모터(21)의 (+)측단은 직렬접속된 반도체 스위칭소자(이하, 스위치소자라 한다)(53, 54)의 접속점에 (-)측단은 직렬접속된 반도체 스위칭소자(이하, 스위치소자라 한다)(55,56)의 접속점에 접속되어 있다.
상기 스위치소자(53,55)에는 디지털 출력포트(50)의 출력에 의하여 ON되는 트랜지스터(57,58)가 접속되고, 스위치소자(54,56)에는 PWM출력포트(51)의 출력에 의하여 ON/OFF되는 트랜지스터(59,60)가 접속되어 있다.
다음에 동작에 관하여 설명한다.
목표치 결정부(47)에서 목표치가 결정되면, 포지션센서(41)에서 검출되어 A/D입력포트(45), 필터(46)를 통하여 입력된 현재의 밸브위치에 대응하는 검출치와 목표치에 의하여 PI제어연산부(48)에서 PI제어연산을 한다. 이 연산결과에 의하여 여자전환부 및 듀티연산부(49)에서 여자듀티연산을 한다.
디지틀 출력포트(50)는 여자전환부 및 듀티연산부(49)의 출력에 의하여 a단자에 ON신호를 출력시키고, 트랜지스터(57)를 통하여 스위치소자(53)를 도통시키어 직류모터(21)의 (+)단자를 전원인가단자(V)에 접속시킨다.
한편, PWM출력포트(51)는 여자전환부 및 듀티연산부(49)의 출력에 의하여 출력단자(b)에 PWM신호를 출력시키어 트랜지스터(60)를 통하여 스위치소자(56)의 도통을 제어하고, 직류모터(21)의 (-)단자를 접지(E)에 접속시키어 실선 화살표 방향의 전류를 흐르게 한다.
이로 인하여, 직류모터(21)의 로터(23)는 회전되고, 이 회전에 의하여 모터샤프트(29)를 아래로 이동시키고, 이로 인하여 밸브샤프트(13)를 리턴스프링(18)에 대항하여 동일방향으로 작동시키어 밸브(11)를 목표위치로 이동시키어 밸브를 개방시킨다.
그리고, 밸브(11)가 목표위치 근방으로 이동되어 포지션센서(41)에서 검출된 현재의 밸브위치의 검출치와 목표치와의 차가 거의 0에 가깝게 된 것을 PI제어연산부(48)에서 인식하면, 이 PI제어연산부(48)의 출력신호에 따라 여자전환부 및 듀티연산부(49)에서 듀티를 연산하고, 이 연산된 듀티에 의하여 밸브(11)를 리턴스프링 (18)의 복원력에 대항하여 그 목표개변(開弁)위치에 유지할 만큼의 전력을 직류모터(21)에 공급한다. 종래의 직류모터를 적용시킨 서보기구는 이상과 같이 구성되어 있으므로 아래와 같은 원인에 의하여 목표개변 부근에서 서보제어시에 밸브의 진동이 발생한다.
(1) 모터의 통전전류의 변동에 의하여 부분적인 토크의 변동이 생기기 때문에 피드백 제어를 하려고 하는 피구동체인 밸브가 목표근방에서 안정되지 않는다.
(2) 센서출력판독시 그 센서출력에 모터노이즈가 혼입되면, 정밀도 있게 센서출력을 판독할 수 없기 때문에 그 센서출력에 의하여 제어되는 피구동체인 밸브가 목표근방에서 안정되지 않는다.
이 밸브의 진동발생에 의하여 밸브를 목표위치에 안정되게 정지시킬 수 없다는 문제점이 있었다.
이 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 발명된 것으로써 직류모터의 서보제어시 진동을 감소시키는 진동대책장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
(발명이 개시)
이 발명에 관한 직류모터의 서보제어장치는 피구동체를 복원력에 대항하여 구동시키는 직류모터와, 상기 피구동체의 이동위치를 검출하는 포지션센서와, 이 포지션센서의 검출치에 의하여 피구동체의 이동속도를 검출하는 속도검출부 및 피구동체의 편차를 검출하는 편차검출부와, 이 검출된 이동속도 및 편차와 목표치 결정부에서 예정된 목표치를 입력시키어 PI제어연산하는 PI제어연산부와, 상기 이동속도 및 편차에서 정상영역의 조건이 성립하느냐를 판정하고, 정상영역의 조건이 성립하면 판정될 때의 출력신호에 의하여 PI제어연산부를 기동시키어 PI제어연산부에 PI제어연산을 실행시키는 정상판정부와, 이 PI제어연산부의 출력신호에 의하여 직류모터의 급전제어신호를 출력하는 여자전환부 및 듀티연산부를 구비한 것이다.
이로 인하여, 밸브를 목표개변 근방인 정상영역에 유지하는 경우에 있어서 밸브의 진동을 감소시킬 수 있는 것이다.
이 발명에 관한 직류모터의 서보제어장치는 포지션센서로부터의 검출치를 3회 판독하고, 그 2번째로 큰 검출치를 채용하는 것이다.
이로 인하여, 브러시부착 직류모터의 브러시부분에서 발생하는 노이즈가 포지션센서에 유도되어 준험한 노이즈로 되어 이 노이즈가 포지션센서의 검출치로써 입력되어도 이 노이즈를 제거한 포지션센서의 검출치를 입력할 수 있으므로 직류모터의 서보제어를 정확하게 할 수 있는 것이다.
이 발명에 관한 직류모터의 서보제어장치는 피구동체를 복원력에 대항하여 구동하는 직류모터와, 피구동체의 이동위치를 검출하는 포지션센서와, 이 포지션센서의 검출치와 목표치 결정부에서 예정된 목표치를 입력시키어 PI제어연산을 행하는 PI제어연산부와, 이 PI제어연산부의 출력신호에 의하여 직류모터의 급전제어신호를 출력하는 여자전환부 및 듀티연산부와, 직류모터와의 통전전류를 출력하는 전류검출부와, 이 전류검출부의 검출치에 의하여 통전전류의 변동을 억제하도록 하는 여자전환부 및 듀티연산부를 제어하는 제어부 등을 구비한 것이다.
이로 인하여, 직류모터의 통전전류의 준험한 변동에 의한 토크변동을 억제하여 피구동체의 진동발생을 방지할 수 있는 것이다.
이 발명에 관한 직류모터의 서보제어장치는 포지션센서로부터의 검출치를 3회 판독하여 그 2번째로 큰 검출치를 채용하는 것이다.
이로 인하여, 브러시부착 직류모터의 브러시부분에서 발생하는 노이즈가 포지션센서에 유도되어 준험한 노이즈로 되어, 이 노이즈가 포지션센서의 검출치로써 입력되어도 그 노이즈를 제거한 포지션센서의 검출치를 입력할 수 있으므로 직류모터의 서보제어를 정확하게 할 수 있는 것이다.
도 1은 엔진배기계의 개략설명도.
도 2는 EGR밸브의 구성을 표시하는 단면도.
도 3은 직류모터의 제어회로도.
도 4는 밸브의 개도특성도.
도 5는 실시의 형태 1에 의한 직류모터의 서보제어장치에서 직류모터의 제어회로도.
도 6은 모터의 통전전류에 대한 포지션센서 출력의 관계를 표시하는 파형도.
도 7은 실시의 형태 2에 의한 직류모터의 서보제어장치에 있어서 직류모터의 제어회로도.
도 8은 센서출력의 판독에 오차가 발생한 것을 설명하는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이 발명을 보다 상세하게 설명하기 위하여 이 발명을 실시하기 위한 최량의 형태를 첨부도면에 의하여 설명한다.
실시의 형태 1.
도 4는 직류모터의 서보제어시에 있어서의 제어특성도이며, A는 정수 PI를 변화시킴이 없는 비정상영역, B는 정수 PI를 변화시키는 정상영역이다.
이 정상영역 판정은 편차「변위(현재치-목표치)<정상판정변위(실험에 의하여 예정된 값)」와, 속도「속도<정상판정속도(실험에 의하여 예정된 값)」의 조건의 성립시에 정상영역으로 판정한다.
도 5는 실시의 형태 1의 구성을 표시하는 직류모터의 서보제어회로도이다.
도 5에 있어서, 66은 A/D입력포트(45), 필터(46)를 통하여 판독된 포지션센서(41)의 출력에 의하여 속도를 검출하는 속도검출부, 67은 A/D입력포트(45), 필터(46)를 통하여 판독된 포지션센서(41)의 출력에 의하여 편차를 검출하는 편차검출부, 68은 속도검출부(66), 편차검출부(67)의 출력에 의하여 정상영역의 조건이 되는지 안되는지를 판정하여 정상영역의 조건이 성립된다고 판정되었을 때에는 PI제어연산부(48)에 PI제어연산을 실행시키는 정상판정부이며, 다른 구성은 도 3에 표시한 종래의 회로구성과 동일하므로 동일부분에는 동일부호를 부여하고, 중복설명을 생략한다.
다음에 동작에 관하여 설명한다.
목표치 결정부(47)에서 목표치가 결정되면 포지션센서(41)에서 검출되어 A/D입력포트(45), 필터(46)를 통하여 입력된 현재의 밸브위치에 대응하는 검출치와 목표치에 의하여 속도검출부(66)에서 속도를, 편차검출부(67)에서 편차를 검출하고, 이 검출된 속도신호와 편차신호에 의하여 정상판정부(68)에서 정상영역의 조건이 되는지 안되는지를 판정하여. 정상판정이 아닌 경우, 즉, 도 4에 표시한 비정상 A영역의 경우에는 PI제어연산부(48)는 연산동작을 하지 않는다. 그러므로 여자전환부 및 듀티연산부(49)는 미리 정해진 듀티신호를 PWM출력포트(51)에 출력한다.
디지털 출력포트(50)는 여자전환부 및 듀티연산부(49)의 출력에 의하여 a단자에 ON신호를 출력하고, 트랜지스터(57)를 통하여 스위치소자(53)를 도통시키어 직류모터(21)의 (+)단자를 전원인가단자(V)에 접속시킨다.
한편, PWM출력포트(51)는 여자전환부 및 듀티연산부(49)의 출력에 의하여 출력단자(a)에 PWM신호를 출력시키어 트랜지스터(60)를 통하여 스위치소자(56)의 도통/비도통을 제어하여 직류모터(21)의 (-)단자를 접지(E)에 접속시키어 실선 화살표 방향의 전류를 흐르게 한다.
이로 인하여, 직류모터(21)를 동작시키어 그 로터(23)의 회전에 의하여 모터샤프트(29)를 아래로 동작시키고, 이 동작에 의하여 밸브샤프트(13)를 리턴스프링 (18)에 대항하여 동일방향으로 동작시키어 밸브(11)를 목표위치로 이동케하여 밸브를 개방시킨다.
그리고, 밸브(11)가 목표위치 근방으로 이동한 것, 즉 정상영역에 진입했다는 것을 속도 및 편차의 출력신호에 의하여 정상검출부(68)가 검출하면 이 정상검출부(68)의 정상판정출력으로 PI제어연산부(48)를 기동시키어 속도검출부(66)로부터의 속도신호와, 편차검출부(67)로부터의 편차신호에 의하여 PI제어연산을 하게 된다.
이 PI제어연산부(48)의 출력으로 여자전환부 및 듀티연산부(49)를 제어하여, 예를들면 듀티간격을 좁힌 신호를 여자전환부 및 듀티전환부(49)에서 출력되도록 한다.
이상과 같이 이 실시의 형태 1에 의하면, 서보제어가 밸브(11)가 목표위치의 정상판정영역으로 된 것을 검출하고, 이 정상판정영역내에 있어서 제어정수(PI값)를 가변시키어 듀티를 변화시킴으로써 정상영역내에서의 서보제어의 제어량이 크게 변동하지 않도록 정수(PI)를 변화시킬 수 있으므로 정상판정영역에서의 밸브의 진동을 감소시킬 수 있는 것이다.
실시의 형태 2.
도 6은 직류모터(21)의 통전전류의 변화에 의하여 포지션센서(410)의 검출신호, 즉 밸브(11)의 위치가 변동되는 것을 표시한 도면이며, 실시의 형태 2는 이와 같은 변동을 억제하도록 하는 것이다.
도 7은 실시의 형태 2의 구성을 표기하는 직류모터의 서보제어장치의 회로구성을 표시하는 도면이다.
도 7에 있어서, 71은 직류모터(21)의 통전전류를 검출하는 전류검출부이며, 저항(72), 비교기(73), 입력포트(74) 등으로 구성되어 있다.
75는 전류검출부(71)의 검출신호에 의하여 여자전환부 및 듀티연산부(49)를 제어하는 피드포워드 등의 제어부이며, 다른 구성은 도 3에 표시한 종래예와 동일구성이다.
따라서, 동일부분에는 동일부호를 부여하고, 중복설명을 생략한다.
다음에 동작에 관한여 설명한다.
종래예와 동일한 동작에 의하여 밸브(11)가 개도방향으로 이동하여 목표치 부근에 도달한 후, 직류모터(21)에 리턴스프링(18)의 복원력과 동일한 구동력을 발생시키어 밸브(11)를 목표위치에 유지시켰을 때에 직류모터(21)의 통전전류가 급변한 것을 전류검출부(71)가 검출하면, 이 전류검출부(71)에서의 검출신호를 입력시킨 제어부(75)에서 통전전류의 변동을 억제하도록 여자전환부 및 듀티연산부(49)를 제어하여 직류모터(21)의 통전전류변화에 기인하는 밸브(11)의 진동을 방지할 수 있는 것이다.
이상과 같이 이 실시의 형태 2에 의하면, 직류모터(21)에 리턴스프링(18)의 복원력과 동일한 구동력을 발생시키어 밸브(11)를 목표위치에 유지시키고, 모터의 통전전류가 증대되었을 때에 이 전류증가를 자동적으로 감소시킴으로써 전류증가에 의한 밸브(11)의 진동발생을 방지할 수 있는 것이다.
실시의 형태 3.
도 8은 시간에 대한 포지션센서(41)의 검출신호의 관계를 표시하는 도면이며, 피구동체인 밸브(11)의 이동위치를 검출한 포지션센서(41)의 검출신호를 판독하였을 때에 그 검출신호에 모터노이즈가 부가되어 있으면, 그 검출신호는 다른 검출신호에 비하여 크게 변동되어 정확한 검출치를 판독할 수 없는 것이다.
그러므로, 포지션센서(41)에서의 검출신호를 3회 판독하고, 그 판독된 검출신호의 2번째로 큰값, 예를들면 도 8에 있어서는 V1을 채택하도록 한 것이다.
이 중간치 취출기능은 도 5, 도 7의 A/D입력포트(45)에 보존케하여 그 판독검출신호의 2번째로 큰값을 필터(46)에 공급하게 되는 것이다.
이상과 같이 실시의 형태 3에 의하면, 판독된 검출신호의 2번째로 큰값을 채용하므로써 노이즈 등에 의하여 영향을 받은 검출신호를 배제하여 정상적인 검출신호만을 판독할 수 있으므로 서보제어를 인정되게 행할 수 있는 것이다.
이상과 같이 이 발명에 관한 직류모터의 서보제어장치는 서보제어에 있어서 동작의 안정을 기하는데 적합한 것이다.

Claims (3)

  1. 피구동체를 복원력에 대항하여 구동시키는 직류모터와,
    피구동체의 이동위치를 검출하는 포지션센서와,
    이 포지션센서의 검출치에 의하여 피구동체의 이동속도를 검출하는 속도검출부 및 피구동체의 편차를 검출하는 편차검출부와,
    이 검출된 이동속도 및 편차와 목표치 결정부에서 예정된 목표치를 입력시키어 PI제어연산을 행하는 PI제어연산부와,
    상기 이동속도 및 편차에서 정상영역의 조건이 성립하는냐를 판정하여 정상영역의 조건이 성립된다고 판정되었을 때의 출력신호에 의하여 PI제어연산부를 기동시키어 PI제어연산을 실행시키는 정상판정부와,
    이 PI제어연산부의 출력신호에 의하여 상기 직류모터의 급전제어신호를 출력하는 여자전환부 및 듀티연산부
    를 구비한 직류모터의 서보제어장치.
  2. 피구동체를 복원력에 대항하여 구동시키는 직류모터와,
    피구동체의 이동위치를 검출하는 포지션센서와,
    이 포지션센서의 검출치와, 목표치 결정부에서 예정된 목표치를 입력시키어 PI제어연산을 행하는 PI제어연산부와,
    이 PI제어연산부의 출력신호에 의하여 직류모터의 급전제어신호를 출력시키는 여자전환부 및 듀티연산부와,
    상기 직류모터의 통전전류를 검출하는 전류검출부와,
    이 검출부의 검출치에 의하여 상기 통전전류의 변동을 억제하도록 상기 여자전환부 및 듀티연산부를 제어하는 제어부
    를 구비한 직류모터의 서보제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 포지션센서로부터의 검출치를 3회 판독하여 그 2번째로 큰 검출치를 채용하는 것을 특징으로 하는 직류모터의 서보제어장치.
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