KR100580182B1 - 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법 - Google Patents

직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 여러 변수를 포함하는 복합적 시스템(예; 프린터 또는 인쇄장치의 캐리어 시스템)의 실제 동작의 퍼포먼스(performance)(예; 오버슈트(overshoot), 상승시간(rise time), 정상 상태 에러, 등))를 수식적으로 판단하는 방법을 통해 비례적분(PI; Proportional and Integral) 제어기의 비례 이득(gain)과 적분 이득을 제어기가 셀프 튜닝(self tuning)할 수 있게 함으로써 인쇄장치의 캐리어 시스템과 같은 복합적 시스템의 직류모터 제어를 효율적으로 할 수 있게 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 직류모터의 비례적분 제어기를 셀프 튜닝하기 위한 방법에 있어서, (a) 상기 직류모터의 모션 플랜(motion plan)을 위한 레퍼런스(r; reference)를 설정하는 단계; (b) 상기 직류모터의 비례이득(KP)을 튜닝하기 위한 비례이득 튜닝 단계; (c) 상기 직류모터의 적분이득(KI)을 튜닝하기 위한 적분이득 튜닝 단계; (d) 상기 비례이득 튜닝 단계와 적분이득 튜닝 단계를 통해 상기 직류모터의 튜닝이 자동으로 이루어지는 셀프 튜닝 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법{Apparatus and method for self tuning proportional and integral controller of DC motor}
도 1은 일반적인 직류모터 PID 제어기의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치의 구성도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 방법의 흐름도.
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법을 설명하기 위한 도면으로서,
도 5는 레퍼런스 함수 신호의 그래프 도면,
도 6은 레퍼런스 계단(step) 함수 신호의 그래프 도면,
도 7은 비례이득 튜닝에 따른 출력 변화 값을 나타내는 그래프 도면,
도 8은 적분이득 튜닝에 따른 출력 변화 값을 나타내는 그래프 도면,
도 9는 제어 관련 신호들의 그래프 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 캐리어 시스템(직류모터) 20 : 레퍼런스(reference) 설정부
30 : 비례적분(PI) 제어기 32 : 비례이득 튜닝부
34 : 적분이득 튜닝부 40 : 셀프 튜닝부
본 발명은 예를 들어 직류모터(DC motor)의 비례적분(PI; Proportional and Integral) 제어기를 셀프 튜닝(self tuning)하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 여러 변수를 포함하는 복합적 시스템(예; 프린터 또는 인쇄장치의 캐리어 시스템)의 실제 동작의 퍼포먼스(performance)(예; 오버슈트(overshoot), 상승시간(rise time), 정상상태 에러, 등))를 수식적으로 판단하는 방법을 통해 비례적분 제어기의 비례 이득(gain)과 적분 이득을 제어기가 셀프 튜닝할 수 있게 함으로써 인쇄장치의 캐리어 시스템과 같은 복합적 시스템의 직류모터 제어를 효율적으로 할 수 있게 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 잉크젯 프린터와 같은 인쇄장치의 캐리어(carrier) 시스템에는 직류모터가 채용된다. 상기 인쇄장치의 캐리어 시스템에는 직류모터, 기어, 벨트, 스프링 및 엔코더(encoder) 등이 포함되기 때문에 상기 캐리어 시스템은 복합적 시스템을 형성한다. 이 같은 캐리어 시스템에는 제어를 위한 제어기가 사용되는데, PID 제어기와 가속(acceleration) 제어기를 사용하여 캐리지를 제어하는 구성을 도 1에 나타내 보였다. 도 1은 미국특허 6,603,282의 직류모터 제어 장치 및 방법에 개시된 도면이므로, 도 1에 도시된 부재번호 및 명칭 등 은 변형없이 그대로 사용하기로 한다.
도 1에서 부재번호 100은 캐리어 드라이브 정지 시간 계산 유닛을 나타내고, 부재번호 6은 가속 제어기(6m)와 PID 제어기(6f, 6g, 6h)가 구비된 DC 유닛을 나타내고, 부재번호 4는 직류모터를 나타내고, 부재번호 11은 엔코더를 나타낸다.
도 1과 같이 구성된 종래기술에 의한 직류모터 제어장치는, PID 제어기(6f, 6g, 6h)와 가속 제어기(6m)를 사용하여 캐리어, 즉 직류모터를 제어한다. 이때, 타겟 위치, 모터 입력 전압 및 엔코더(11) 출력 정보를 기초로 하여 캐리어 드라이브 정지 시간을 계산하고 감속시간을 가변한다. PID 제어기(6f, 6g, 6h)의 각 이득은 미리 저장된 값을 사용하고 튜닝하거나 변동시키지 않는다.
즉, 종래기술에 의한 인쇄장치의 캐리어 시스템에 채용되는 직류모터 제어장치는, 인쇄 구간의 대부분을 차지하는 구간에서 PID 제어기를 사용하지만, 상기 제어장치는 시간의 흐름에 따라 캐리어 시스템의 특성 변동에도 불구하고 일정한 제어 이득을 계속해서 그대로 사용하기 때문에 속도 및 거리 제어 효율을 저하시키는 문제점을 가지고 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 여러 변수를 포함하는 복합적 시스템(예; 프린터 또는 인쇄장치의 캐리어 시스템)의 실제 동작의 퍼포먼스(예; 오버슈트(overshoot), 상승시간(rise time), 정상상태 에러, 등))를 수식적으로 판단하는 방법을 통해 비례적분(PI; Proportinal Integral) 제어기의 비례 이득(gain)과 적분 이득을 제어 기가 셀프 튜닝할 수 있게 함으로써 인쇄장치의 직류모터를 구비한 캐리어 시스템과 같은 복합적 시스템의 제어를 효율적으로 할 수 있게 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 제어기 설계자가 튜닝에 들이는 노력과 시간을 단축시키고, 튜닝의 정확성을 개선시키고, PI 제어기의 일관성 있는 튜닝 방식과 제어기의 성능 측정 표준을 제공하며, 자동 튜닝 기능을 해당 시스템에 적용하여 시간의 흐름에 따라 해당 시스템의 특성 변화에 대응하여 제어기의 재 튜닝을 사용자가 간편하게 수행할 수 있도록 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치는, 상기 직류모터의 모션 플랜(motion plan)을 위한 레퍼런스(r[m]; reference)를 설정하는 레퍼런스 설정부; 상기 직류모터의 비례이득(KP)을 튜닝하기 위한 비례이득 튜닝부; 상기 직류모터의 적분이득(KI)을 튜닝하기 위한 적분이득 튜닝부; 상기 비례이득 튜닝부와 적분이득 튜닝부를 통해 상기 직류모터의 튜닝이 자동으로 이루어지도록 하기 위한 셀프 튜닝부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, KP=1, KI=0 으로 설정하고 동작시켜 직류 이득(GDC)을 공식(a)와 같이 계산하고, KP=GDC 로 설정하고 KP를 소정값(ΔKP) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 리플 에러 퍼센트(ripple error percent)(RP)를 공식(b)와 같이 계산하여 관찰하고, 가장 작은 RP 값을 가지는 KP를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 비례이득의 최적값(K'P)으로 정한다:
- 공식(a) : GDC = MEAN(r[m]) / MEAN(y[m]);
MEAN(r[m])은 r[m]의 평균값, y[m]은 출력신호로서 실제 직류모터의 속도
- 공식(b) : RP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(y[m]);
STD(y[m])는 y[m]의 표준 편이.
바람직하게는, 정상 상태 에러(steady state error)(OUP)를 공식(c)와 같이 계산하고, KP=K'P, KI=0.1로 설정하고 KI를 소정값(ΔK I) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 상기 OUP를 관찰하고, 가장 작은 OUP 값을 가지는 KI를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 적분이득의 최적값(K'I)으로 정한다:
- 공식(c) : OUP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(r[m])
바람직하게는, 상기 r[m]은 사다리꼴 함수 또는 계단 함수의 형태를 취하고,
상기 KP 값은 1~10 이고, 상기 KI 값은 0~1 이다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 방법은, (a) 상기 직류모터의 모션 플랜(motion plan)을 위한 레퍼 런스(r[m]; reference)를 설정하는 단계; (b) 상기 직류모터의 비례이득(KP)을 튜닝하기 위한 비례이득 튜닝 단계; (c) 상기 직류모터의 적분이득(KI)을 튜닝하기 위한 적분이득 튜닝 단계; (d) 상기 비례이득 튜닝 단계와 적분이득 튜닝 단계를 통해 상기 직류모터의 튜닝이 자동으로 이루어지는 셀프 튜닝 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 (b) 단계는:
KP=1, KI=0 으로 설정하고 동작시켜 직류 이득(GDC)을 공식(a)와 같이 계산하는 단계; KP=GDC 로 설정하고 KP를 소정값(ΔKP) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 리플 에러 퍼센트(RP)를 공식(b)와 같이 계산하여 관찰하고, 가장 작은 RP 값을 가지는 K P를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 비례이득의 최적값(K'P)으로 정하는 단계를 포함하고,
- 공식(a) : GDC = MEAN(r[m]) / MEAN(y[m]);
MEAN(r[m])은 r[m]의 평균값, y[m]은 출력신호로서 실제 직류모터의 속도
- 공식(b) : RP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(y[m]);
STD(y[m])는 y[m]의 표준 편이
바람직하게는, 상기 (c) 단계는:
정상 상태 에러(steady state error)(OUP)를 공식(c)와 같이 계산하는 단계; KP=K'P, KI=0.1 으로 설정하고 KI를 소정값(ΔKI ) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 상기 OUP를 관찰하고, 가장 작은 OUP 값을 가지는 KI를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 적분이득의 최적값(K'I)으로 정하는 단계를 포함한다:
- 공식(c) : OUP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(r[m]).
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
한편, 이하의 설명에 있어서, 종래기술에 따른 구성부재와 본 발명에 의한 구성부재가 동일한 경우에는 종래기술에서 사용하였던 도면 부호를 그대로 사용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치의 구성도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 방법의 흐름도이다. 도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 5는 레퍼런스 함수 신호의 그래프 도면, 도 6은 레퍼런스 계단 함수 신호의 그래프 도면, 도 7은 비례이득 튜닝에 따른 출력 변화 값을 나타내는 그래프 도면, 도 8은 적분이득 튜닝에 따른 출력 변화 값을 나타내는 그래프 도면, 도 9는 제어 관련 신호들의 그래프 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치는, 제어대상인 캐리어 시스템의 직류모터(10)의 모션 플랜(motion plan)을 위한 레퍼런스(r[m]; reference)를 설정하는 레퍼런스 설정부(20)와; 직류모터(10)의 비례이득(KP)을 튜닝하기 위한 비례이득 튜닝부(32); 직류모터(10)의 적분이득(KI)을 튜닝하기 위한 적분이득 튜닝부(34); 비례이득 튜닝부(32)와 적분이득 튜닝부(34)를 통해 직류모터(10)의 튜닝이 자동으로 이루어지도록 하기 위한 셀프 튜닝부(40)를 포함한다. 그리고, 적분이득 튜닝부(34)에 이산 적분 신호를 제공하기 위한 이산 적분기(33)를 포함한다. 비례이득 튜닝부(32)와 적분이득 튜닝부(34) 및 이산 적분기(33)는 도시한 바와 같이 PI 제어기(30)를 이룬다.
본 발명에 있어서, 비례이득(KP)은 상승 시간을 감소시키지만 정상 상태 에러는 제거하지 못한다. 비례이득(KP)의 값은 대략 1~10 로 한다. 적분이득(KI)은 정상 상태 에러를 제거하지만, 전이 응답을 나쁘게 할 수 있다. 적분이득(KI)의 값은 대략 0~1 로 한다. 상기 비례이득과 적분이득은 상호간에 의존적이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치에 의해 구현되는 본 발명의 방법은, 상기 직류모터의 모션 플랜(motion plan)을 위한 레퍼런스(r[m]; reference)를 설정하는 단계(201); 직류모터(10)의 비례이득(KP)을 튜닝하기 위한 비례이득 튜닝 단계(202, .., 208); 직류모터(10)의 적분이득(KI)을 튜닝하기 위한 적분이득 튜닝 단계(301, .., 304); 상기 비례이득 튜닝 단계와 적분이득 튜닝 단계를 통해 직류모터(10)의 튜닝이 자동으로 이루어지도록 하는 셀프 튜닝 단계(209)(305)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법의 동작을 도 2 내지 도 9를 참조하여 설명한다.
본 발명은 전술한 바와 같이 여러 변수를 포함하는 복합적 시스템(예; 인쇄장치의 캐리어 시스템)(10)의 실제 동작의 오버슈트, 상승 시간, 정상 상태 에러 등의 퍼포먼스(performance)를 수식적으로 판단하는 방법을 통해 비례적분(PI) 제어기의 비례이득과 적분이득을 제어기(30)가 셀프 튜닝할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명의 동작은 모션 플랜을 위한 레퍼런스(r)를 설정(SET r)하는 단계(201; 도 3)와, 비례이득(KP)을 튜닝하는 단계(202~209; 도 3), 그리고 적분이득(KI)을 튜닝하는 단계(도 4)로 크게 3 부분으로 나뉘어진다. 본 발명의 설명에 사용 되는 모든 부호들은 아래 표에 나타내 보였다. 본 발명의 동작을 설명하기 위해 사용된 시스템은 토네이도(Tornado; Samsung) 캐리어 시스템이다.
부호 정의 설명
r[m] 레퍼런스 신호 희망 속도(도 5 참조)(Vin)
y[m] 출력 신호 엔코더의 출력으로 실제 속도(도 5 참조)(Vout)
e[m] 에러 신호 r과 y의 차
u[m] 제어 신호 제어기(30; 도 2)가 계산한 직류모터에 인가될 전압의 크기
KP[i] 비례이득
KI[j] 적분이득
K'P 비례이득 셀프 튜닝에 의하여 찾아진 최적 값
K'I 적분이득 셀프 튜닝에 의하여 찾아진 최적 값
△KP 최적 이득을 찾기 위한 KP변화 값(설계자 정의)
△KI 최적 이득을 찾기 위한 KI변화 값(설계자 정의)
K 제어기 이산 PI 제어기(30; 도 2)
P 기계장치 캐리어 시스템(예; 직류모터(10); 도 2)
m 제어기 인터럽트 수 m=0~M (직류모터가 움직이는 동안의 K의 동작 인터럽트 카운터)
i 튜닝 반복 횟수 i=0~I (셀프 튜닝이 최적 이득 K'P를 찾기 위한 동작의 반복 횟수
j 튜닝 반복 횟수 j=0~J (셀프 튜닝이 최적 이득 K'I를 찾기 위한 동작의 반복 횟수
GDC r에서 y DC 이득 MEAN(r[m]) / MEAN(y[m]) (MEAN은 평균)
RP[i] y의 리플 에러 퍼센트 = (100 ×STD(y[m])) / MEAN(y[m]) (정속 구간에서의 출력의 진동과 평균값 과의 차이 값에 의한 에러)
OUP[j] y의 오버슈트/ 언더슈트 퍼센트 = (100 × STD(y[m])) / MEAN(r[m]) (정속 구간에서 레퍼런스 보다 위로 혹은 아래로 튀는 성분 정상 상태 에러)
MEAN(x) x의 평균
STD(x) x의 표준 편이
SELF TUNING 셀프 튜닝 실행 최적의 KP와 KI를 찾는 동작
RUN P 직류모터 구동 주어진 r과 K에 의하여 직류모터(즉, 캐리어)가 움직이는 동작
SET r 프리-셋업 (pre-set up) 1. 가속 감속구간을 포함한 사다리꼴 함수이며 정속 구간의 크기는 K에 따라 다르다(도 5) 2. 혹은 계단(Step) 함수 형태이며 크기는 K에 따라 다르다(도 6)
도 3을 참조하면, 본 발명은 레퍼런스 설정부(20)를 통해 타겟 시스템 동작의 모션 플랜(motion plan), 즉 레퍼런스 신호(r[m])를 설정 한다(201). 상기 레퍼 런스 신호 설정을 위해, 레퍼런스 설정부(20)는 가/감속을 포함하는 사다리꼴 함수(도 5) 혹은 계단 함수(도 6)를 사용한다. 레퍼런스(r)는 튜닝되는 동안 계속 같은 것으로 사용한다.
레퍼런스 신호(r[m])의 정속 구간의 크기에 따라 캐리어 시스템 직류모터(10)의 퍼포먼스(performance)가 다르게 나타나므로 제어기(30)가 레퍼런스(r)에 따라 각각 다르게 튜닝되고 사용된다. 본 발명의 일실시예의 동작을 위해 본 발명은 도 5의 사다리꼴 함수의 레퍼런스 신호를 사용하였다. 도 5에서 가로축(x축)은 인터럽트 카운터인 m을 나타내고, 세로축(y축)은 캐리어의 속도를 나타내는데 단위는 1/600 인치로 정속 구간 속도가 20 IPS 이다.
상기와 같이 해서 레퍼런스(r)가 설정되었으면(201), 셀프 튜닝부(40)와 제어기(30)는 여러 번의 반복을 통하여 비례이득(KP)의 최적 값을 찾아낸다(202, .., 209).
먼저, 제어기(30)와 셀프 튜닝부(40)는 KP[1] = 1, KI = 0으로 설정하고 동작시켜 캐리어 시스템(10)의 직류 이득(DC gain; GDC)을 공식(a)를 통해 계산한다.
- 공식(a) : GDC = MEAN(r[m]) / MEAN(y[m]);
MEAN(r[m])은 r[m]의 평균값, y[m]은 출력신호로서 실제 직류모터의 속도
그리고, 제어기(30)와 셀프 튜닝부(40)는 KP[i] = 1 값을 시작으로 KP[i]값을 △KP 만큼 변화시켜 가면서, 공식(b)로 표현되는 RP[i]를 관찰한다.
- 공식(b) : RP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(y[m]);
STD(y[m])는 y[m]의 표준 편이
RP[i]는 KP[i]가 커질수록 작아지다가 KP[i]가 어느 값을 넘어가게 되면 다시 커지기 시작한다. 셀프 튜닝부(40)는 가장 작은 RP[i] 값을 가지는 KP[i]를 찾아 그것을 최적의 비례이득 셀프 튜닝 값(K'P)으로 정한다. 도 7은 KP의 일실시예의 그래프 도면이다. 도 7에서 직류이득(GDC)은 2.538이고, △KP 를 0.5로 설정하여 최적의 비례이득 셀프 튜닝 값(K'P) 4.038을 찾았다. 이때 RP는 1.37% 이고 i는 4이다.
상기와 같이 해서 최적의 비례이득 셀프 튜닝 값을 찾은 다음, 제어기(30)와 셀프 튜닝부(40)는 도 4에 도시한 바와 같은 단계들(301, .., 305)을 통해 최적의 적분이득 셀프 튜닝 값(K'I)을 찾는데, 그 이유는 최적의 비례이득 셀프 튜닝으로 RP 는 줄일 수 있으나 정속 구간의 안정 상태 에러는 KI 에 의하여서만 제거할 수 있기 때문이다.
캐리어 시스템(10)이 정속 구간 진입시 발생하는 출력의 튀는 현상인 오버슈트/언더슈트(overshoot/undershoot)와, 정속 구간에서의 안정 상태 에러(steady state error)를 표시하는 식(공식(c))을 OUP로 정의한다.
- 공식(c) : OUP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(r[m])
제어기(30)와 셀프 튜닝부(40)는 KI[1]를 처음엔 0.1로 셋업하고 △KI를 변 화시켜 가면서 OUP[j]를 관찰한다. OUP[j]도 KI[j]가 커질수록 작아지다가 어느 값을 지나면 다시 커진다. 셀프 튜닝부(40)는 가장 작은 OUP[j] 값을 가지는 KI[j]를 찾아 그것을 최적의 적분이득 셀프 튜닝 값(K'I)으로 정한다. 도 8은 KI 의 일실시예의 그래프 도면이다. 도 8을 참조하면, K'P = 0.1에서 시작하여 K'P = 0.19에서 가장 작은 OUP[j] 값이 찾아졌다. 이 때 △KI 는 0.01, j는 9 이다.
도 9는 튜닝이 끝난 후의 제어에 관련된 신호들을 그린 도면이다. 도 9에서 pwm은 도 8에서 나타나듯이 최적의 적분이득 셀프 튜닝 값을 통과한 신호들의 합으로 만들어짐을 알 수 있다. 최종 OUP 는 1.33%이다.
이로써, 본 발명은 여러 변수를 포함하는 복합적 시스템(예; 인쇄장치의 캐리어 시스템)의 실제 동작의 오버슈트, 상승 시간, 정상 상태 에러 등의 퍼포먼스(performance)를 수식적으로 판단하는 방법을 통해 비례적분(PI) 제어기의 비례이득과 적분이득을 제어기가 셀프 튜닝할 수 있게 한다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치 및 방법은, 제어기 설계자가 튜닝에 들이는 노력과 시간을 단축시키고, 튜닝의 정확성을 개선시키고, PI 제어기의 일관성 있는 튜닝 방식과 제어기의 성능 측정 표준을 제공하며, 자동 튜닝 기능을 해당 시스템에 적용하여 시간의 흐름에 따라 해당 시스템의 특성 변화에 대응하여 제어기의 재 튜닝을 사용자가 간편 이 수행할 수 있도록 하는 이점을 제공한다.
그리고, 본 발명은 여러 변수를 포함하는 복합적 시스템(예; 프린터 또는 인쇄장치의 캐리어 시스템)의 실제 동작의 성능(performance)(예; 오버슈트(overshoot), 상승시간(rise time), 정상상태 에러, 등))를 수식적으로 판단하는 방법을 통해 비례적분(PI; Proportinal Integral) 제어기의 비례 이득(gain)과 적분 이득을 제어기가 셀프 튜닝할 수 있게 함으로써 인쇄장치의 직류모터를 구비한 캐리어 시스템과 같은 복합적 시스템의 제어를 효율적으로 할 수 있게 하는 이점을 제공한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (8)

  1. 직류모터의 비례적분 제어기를 셀프 튜닝하기 위한 장치에 있어서,
    상기 직류모터의 모션 플랜(motion plan)을 위한 레퍼런스(r[m]; reference)를 설정하는 레퍼런스 설정부;
    상기 직류모터의 비례이득(KP)을 튜닝하기 위한 비례이득 튜닝부;
    상기 직류모터의 적분이득(KI)을 튜닝하기 위한 적분이득 튜닝부;
    상기 비례이득 튜닝부와 적분이득 튜닝부를 통해 상기 직류모터의 튜닝이 자동으로 이루어지도록 하기 위한 셀프 튜닝부를 포함하고,
    KP=1, KI=0 으로 설정하고 동작시켜 직류 이득(GDC)을 공식(a)와 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치.
    - 공식(a) : GDC = MEAN(r[m]) / MEAN(y[m]), MEAN(r[m])은 r[m]의 평균값, y[m]은 출력신호로서 실제 직류모터의 속도
  2. 제1항에 있어서, KP=GDC 로 설정하고 KP를 소정값(ΔKP) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 리플 에러(ripple error) 퍼센트(RP)를 공식(b)와 같이 계산하여 관찰하고, 가장 작은 RP 값을 가지는 KP를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 비례이득의 최적값(K'P)으로 정하는 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치.
    - 공식(b) : RP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(y[m]), STD(y[m])는 y[m]의 표준 편이
  3. 제2항에 있어서, 정상 상태 에러(steady state error)(OUP)를 공식(c)와 같이 계산하고,
    KP=K'P, KI=0.1로 설정하고 KI를 소정값(ΔKI) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 상기 OUP를 관찰하고, 가장 작은 OUP 값을 가지는 KI를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 적분이득의 최적값(K'I)으로 정하는 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치.
    - 공식(c) : OUP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(r[m])
  4. 제1항에 있어서, 상기 r[m]은 사다리꼴 함수 또는 계단 함수의 형태를 취하고,
    상기 KP 값은 1~10 이고, 상기 KI 값은 0~1 인 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 장치.
  5. 직류모터의 비례적분 제어기를 셀프 튜닝하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 상기 직류모터의 모션 플랜(motion plan)을 위한 레퍼런스(r[m]; reference)를 설정하는 단계;
    (b) 상기 직류모터의 비례이득(KP)을 튜닝하기 위한 비례이득 튜닝 단계로서, KP=1, KI=0 으로 설정하고 동작시켜 직류 이득(GDC)을 공식(a)와 같이 계산하는 단계;
    (c) 상기 직류모터의 적분이득(KI)을 튜닝하기 위한 적분이득 튜닝 단계;
    (d) 상기 비례이득 튜닝 단계와 적분이득 튜닝 단계를 통해 상기 직류모터의 튜닝이 자동으로 이루어지는 셀프 튜닝 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 방법.
    - 공식(a) : GDC = MEAN(r[m]) / MEAN(y[m]), MEAN(r[m])은 r[m]의 평균값, y[m]은 출력신호로서 실제 직류모터의 속도
  6. 제5항에 있어서, 상기 (b) 단계는:
    KP=GDC 로 설정하고 KP를 소정값(ΔKP) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 리플 에러(ripple error) 퍼센트(RP)를 공식(b)와 같이 계산하여 관찰하고, 가장 작은 RP 값을 가지는 KP를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 비례이득의 최적값(K'P)으로 정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 방법.
    - 공식(b) : RP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(y[m]), STD(y[m])는 y[m]의 표준 편이
  7. 제6항에 있어서, 상기 (c) 단계는:
    정상 상태 에러(steady state error)(OUP)를 공식(c)와 같이 계산하는 단계;
    KP=K'P, KI=0.1 으로 설정하고 KI를 소정값(ΔKI ) 만큼 변화시킨 후 동작시켜 상기 OUP를 관찰하고, 가장 작은 OUP 값을 가지는 KI를 찾아 이것을 셀프 튜닝에 의한 적분이득의 최적값(K'I)으로 정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 방법.
    - 공식(c) : OUP = (100 × STD(y[m])) / MEAN(r[m])
  8. 제5항에 있어서, 상기 r[m]은 사다리꼴 함수 또는 계단 함수의 형태를 취하고,
    상기 KP 값은 1~10 이고, 상기 KI 값은 0~1 인 것을 특징으로 하는 직류모터 비례적분 제어기의 셀프 튜닝 방법.
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