KR100586509B1 - 서보시스템의 관성추정방법 및 관성추정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 플랜트와 상기 플랜트를 제어하기 위한 상위제어기를 포함하는 서보시스템의 관성추정방법에 있어서, 상기 서보시스템의 모델로서 모델서보시스템을 마련하는 단계; 상기 서보시스템을 토오크모드로 구동시키는 단계; 상기 플랜트의 출력속도를 상기 모델서보시스템의 속도지령으로 입력하는 단계; 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지도록 상기 토오크지령을 조정하는 단계; 및 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지면 상기 모델서보시스템의 관성에 기초하여 상기 서보시스템의 관성을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 저강성 서보시스템 혹은 부하관성이 상대적으로 큰 서보시스템에 있어서도 신속하고 안정적으로 부하관성을 추정할 수 있는 관성추정방법이 제공된다.

Description

서보시스템의 관성추정방법 및 관성추정장치{method and apparatus for estimating inertia of servo-system}

도 1은 종래 AC서보시스템에 있어 관성을 추정하기 위한 블록선도,

도 2는 종래 AC서보시스템의 관성추정방법을 설명하기 위한 플로우챠트,

도 3은 본 발명에 따른 AC서보시스템의 관성을 추정하기 위한 블록선도,

도 4는 본 발명에 따른 AC서보시스템의 관성추정방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100: 토오크제어부 200: 모델속도제어부

111: 토오크제어기 112: 플랜트

113,223: 적분기 114,224: 감산기

221: 모델속도제어기 222: 모델플랜트

본 발명은, 서보시스템의 관성추정방법 및 관성추정장치에 관한 것으로, 특히 상호 연결된 서보모터와 부하를 포함하는 플랜트, 및 상기 플랜트를 제어하기 위한 상위제어기를 구비하는 서보시스템의 관성추정방법 및 관성추정장치에 관한 것이다.

서보모터에 의해 구동되는 서보시스템은 산업의 발전과 더불어 많은 산업분야에서 그 필요성이 증대되고 있다. 최근 전력반도체 소자의 발달과 전력전자기술의 비약적인 발전으로 저가격, 고신뢰성의 인버터가 개발되고 이로 인해 AC모터의 구동성능이 향상됨에 따라 DC모터를 대신하여 AC모터를 사용한 서보시스템의 사용이 확대되고 있다.

AC서보시스템에 있어서 일반적으로 요구되는 성능은 속도변화나 부하변동에 대한 고응답특성이다. 특히, 정밀한 제어성능이 요구되는 AC서보시스템에 있어 AC모터를 구동하기 위한 속도/위치제어기의 최적 게인을 설정하기 위해 플랜트의 관성을 아는 것은 필수적이다. 즉, 서보시스템을 최적으로 제어하기 위해서는 서보시스템에 포함된 제어기의 게인을 조정하여야 하는 바, 게인은 AC모터 관성과 부하 관성의 합, 즉 플랜트 관성에 비례하게 설정되어야 한다. 통상 AC모터 관성은 모터제조업자에 의해 제시되어 있으므로, 부하의 관성을 추정하는 것이 중요하다.

도 1은 종래 AC서보시스템에 있어 관성을 추정하기 위한 블록선도이다.

도시된 바와 같이, 종래 AC서보시스템의 관성추정기는, 도시않은 상위제어기와, 도시않은 서보모터와 부하를 포함하는 플랜트(12)와, 상기 상위제어기로부터 입력받은 속도지령(v^*)에 기초한 토오크지령(τ^*)을 출력하여 플랜트(12) 속도를 제어하기 위한 속도제어기(11)와, 속도제어기(11)로부터 출력된 토오크지령(τ^*)을 적 분하기 위한 적분기(13), 및 플랜트(12)의 출력속도(v_fb)를 피드백받아 속도지령(v^*)으로부터 감산하기 위한 감산기(14)를 포함하는 속도제어부(1), 및 속도제어부(1)에 병렬로 부착되어 부하의 관성을 추정하기 위한 모델속도제어부(2)를 구비한다. 모델속도제어부(2) 또한 모델플랜트(22)와, 도시않은 상위제어기로부터 입력받은 속도지령(v^*)에 기초한 모델토오크지령(τ_m ^*)을 출력하여 모델플랜트(22)의 속도를 제어하기 위한 모델속도제어기(21)와, 모델속도제어기(21)로부터 출력된 모델토오크지령(τ_m ^*)을 적분하기 위한 모델적분기(23), 및 모델플랜트(22)의 출력속도(v_mfb)를 피드백받아 속도지령(v^*)으로부터 감산하기 위한 모델감산기(24)를 포함한다.

여기서, 플랜트(12) 및 모델플랜트(22)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 순수관성시스템으로 표시된다. 속도제어기의 게인은 서보모터의 관성과 부하관성의 합에 비례하도록 설정되는 바, 통상 서보모터의 관성은 제조업자에 의해 제시되고 이에 부하관성을 알아내는 것으로 족하기 때문이다. 따라서, 설명을 단순화하기 위해, 예를 들면 서보모터의 백래시(backlash) 및 마찰과 같은 파라미터의 효과를 보상하기 위한 부가적인 궤환루프는 표시하지 않았다.

도 2는 종래 AC서보시스템의 관성추정방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도시않은 상위제어기는 플랜트(12)의 특성에 따라 모델플랜트(22) 관성의 초 기값을 설정하고 속도제어기(10)와 모델속도제어기(22)의 게인을 동일하게 설정한다(S1). 즉, 구동초기에 상기 상위제어기는 플랜트(12)의 관성(J)은 알지 못하고 단지 모델플랜트(22)의 관성(J_m)만을 알고 있다.

다음으로 플랜트(12)의 특성에 따라 미리 결정된 속도지령프로파일에 따라 플랜트(12) 및 모델플랜트(22)를 구동한다. 이에, 도시않은 상위제어기로부터 속도지령(v^*)이 속도제어부(1) 및 모델속도제어부(2)로 입력된다(S2). 감산기(14) 및 모델감산기(24)는 입력된 속도지령(v^*)으로부터 플랜트(12) 및 모델플랜트(22)로부터 피드백된 속도(v_fb, v_mfb)를 각각 감산하여 각각 속도편차(v_e, v_me)를 출력한다(S3). 물론, 최초 피드백 속도(v_fb, v_mfb)는 0 이다.

속도편차(v_e)를 입력받은 속도제어기(12)와 속도편차(v_me)를 입력받은 모델속도제어기(22)는 각각 플랜트(12) 및 모델플랜트(22)로 토오크지령(τ^*, τ_m ^*)을 출력한다(S4). 이에, 플랜트(12) 및 모델플랜트(22)는 입력된 토오크지령(τ^*, τ_m ^*)에 따라 구동속도가 가감된다. 그 결과 플랜트(12) 및 모델플랜트(22)의 출력속도는 각각 새로운 v_fb, v_mfb가 되며 이 값들은 다시 감산기(14) 및 모델감산기(24)로 각각 피드백된다.

상위제어기는 플랜트(12)의 출력속도(v_fb)와 모델플랜트(22)의 출력속도가 같 아지게 될 때, 즉 다음의 조건을 만족하게 될 때까지 전술한 과정을 반복한다(S5);

v_fb = v_mfb ≠0

상기 조건이 만족되면, 도1의 블록선도에서 도출되는 바와 같이, 다음 조건이 만족됨을 알 수 있다;

τ^* ×1/(J·s) = τ_m ^* ×1/(J_m·s)

여기서, τ^* 는 속도제어기(11)로부터 출력된 토오크지령이고, τ_m ^*는 모델속도제어기(21)로부터 출력된 토오크지령이며, J는 플랜트(12)관성이고, J_m은 모델플랜트(22)관성이며, s는 라플라스연산자이다.

윗 식에서 플랜트관성(J)을 제외한 나머지 값은 모두 알고 있으므로, 플랜트관성(J)에 대해 정리하면 다음과 같이 플랜트(12)의 관성 J를 추정할 수 있다;

J = {(τ^*/s)/(τ_m ^*/s)} ×J_m

= {(s·τ^*)/(s·τ_m ^*)} ×J_m

여기서, s·τ^*, s·τ_m ^* 는 토오크지령(τ^*, τ_m ^*)의 적분값으로서, 속도제어 기(11) 및 모델속도제어기(21)로부터 토오크지령(τ^*, τ_m ^*)이 적분기(13) 및 모델적분기(23)로 입력되고, 적분기(13) 및 모델적분기(23)는 적분을 수행하여 각각 토오크지령의 적분값(s·τ^*, s·τ_m ^*)을 산출한다.

그런데, 전술한 바와 같은 종래 추정방법에 따르면 서보시스템이 저강성인 경우 공진으로 인하여 v_fb = v_mfb를 만족하지 못하는 경우가 발생될 수 있다. 또한 부하관성이 AC모터관성에 비해 상대적으로 매우 큰, 예를 들면 부하관성이 AC모터관성의 30배 이상인 서보시스템에 있어서는 구동초기화 단계에서 동일하게 설정된 속도제어기의 게인오차가 매우 커서 v_fb = v_mfb를 만족하는데 많은 시간이 소요된다.

다시 말해, 저강성 서보시스템 혹은 부하관성이 상대적으로 큰 서보시스템에 있어서 종래의 방법으로 부하관성을 추정하게 되면 많은 오차가 생기거나 초기에 설정된 속도제어기의 게인이 실제값에 근접하게 설정되지 않으면 추정을 위한 구동자체가 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 저강성 서보시스템 혹은 부하관성이 상대적으로 큰 서보시스템에 있어서도 안정적이며 정밀하게 부하관성을 추정할 수 있는 관성추정방법 및 관성추정장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 플랜트와 상기 플랜트를 제어하기 위한 상위 제어기를 포함하는 서보시스템의 관성추정방법에 있어서, 상기 서보시스템의 모델로서 모델서보시스템을 마련하는 단계; 상기 서보시스템을 토오크모드로 구동시키는 단계; 상기 플랜트의 출력속도를 상기 모델서보시스템의 속도지령으로 입력하는 단계; 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지도록 상기 토오크지령을 조정하는 단계; 및 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지면 상기 모델서보시스템의 관성에 기초하여 상기 서보시스템의 관성을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성추정방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 모델서보시스템은, 상기 플랜트에 대응하는 모델플랜트 및 상기 모델플랜트의 속도를 제어하기 위한 모델속도제어기를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 서보시스템의 관성을 추정하는 단계는, 다음의 수학식에 의하는 것이 바람직하다;

[수학식 3]

J = {(s·τ^*)/(s·τ_m ^*)} ×J_m

단, 여기서 τ^*는 상기 서보시스템에 입력되는 토오크지령, τ_m ^*는 상기 모델속도제어기로부터 출력되는 토오크지령, J_m은 상기 모델플랜트의 관성, J는 상기 플랜트의 관성을 의미한다.

한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 플랜트와 상기 플랜트를 제어하기 위한 상위제어기를 포함하는 서보시스템의 관성추정장치에 있어서, 상기 서보시스템의 모델로서 모델서보시스템; 및 상기 서보시스템을 토오크모드로 구동시키고, 상기 플랜트의 출력속도를 상기 모델서보시스템의 속도지령으로 입력하며, 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지도록 상기 토오크지령을 조정하며, 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지면 상기 서보시스템의 관성을 상기 모델서보시스템의 관성으로 추정하기 위한 상위제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성추정장치에 의해서도 달성된다.

여기서, 상기 모델서보시스템은, 상기 플랜트에 대응하는 모델플랜트 및 상기 모델플랜트의 속도를 제어하기 위한 모델속도제어기를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 서보시스템의 관성은 다음의 수학식에 의해 추정되는 것이 효과적이다;

[수학식 3]

J = {(s·τ^*)/(s·τ_m ^*)} ×J_m

단, 여기서 τ^*는 상기 서보시스템에 입력되는 토오크지령, τ_m ^*는 상기 모델속도제어기로부터 출력되는 토오크지령, J_m는 상기 모델플랜트의 관성, J는 상기 플랜트의 관성을 의미한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 AC서보시스템의 관성을 추정하기 위한 블럭선도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 AC서보시스템의 관성추정기는, 도시않은 상위제어기와, 도시않은 서보모터와 부하를 포함하는 플랜트(112)와, 상기 상위제어기로부터 입력받은 토오크지령(τ^*)에 기초하여 실제 플랜트(112)에 토오크지령을 인가하기 위한 토오크제어기(111)와, 토오크제어기(111)로부터 출력된 토오크지령(τ_e = τ^* - τ)을 대응전압으로 발생시키기 위한 전압발생기(115)와, 토오크지령(τ^*)을 적분하기 위한 적분기(113), 및 플랜트(112)의 전류입력단에 부착된 도시않은 토오크센서(전류센서)로부터 감지된 토오크(τ)값을 피드백받아 토오크지령(τ^*)으로부터 감산하기 위한 감산기(14)를 포함하는 토오크제어부(100)와, 토오크제어부(100)에 연결되어 부하의 관성을 추정하기 위한 모델속도제어부(200)를 구비한다. 여기서, 상기 상위제어기는 통상 이하에서 설명될 관성추정방법이 수행되기 위한 소정 프로그램을 탑재한 컴퓨터시스템으로 구현된다. 물론, 이하에서 설명될 관성추정방법이 수행되기 위한 로직으로 설계된 논리회로칩으로 구현할 수도 있다.

다만, 본 발명에 따른 모델속도제어부(200)는 모델플랜트(222)와, 플랜트(112)의 출력속도(V_fb)를 입력받은 속도지령(v^*)에 기초한 모델토오크지령(τ_m ^*)을 출력하여 모델플랜트(222)의 속도를 제어하기 위한 모델속 도제어기(221)와, 모델속도제어기(221)로부터 출력된 모델토오크지령(τ_m ^*)을 적분하기 위한 모델적분기(223), 및 모델플랜트(222)의 속도(v_m)를 피드백받아 속도지령(v^*)으로부터 감산하기 위한 모델감산기(224)를 포함한다.

여기서도 마찬가지로, 플랜트(112) 및 모델플랜트(222)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 순수관성시스템으로 표시된다. 속도제어기의 게인은 서보모터의 관성과 부하관성의 합에 비례하도록 설정되는 바, 통상 서보모터의 관성은 제조업자에 의해 제시되고 이에 부하관성을 알아내는 것으로 족하기 때문이다. 따라서, 설명을 단순화하기 위해, 예를 들면 서보모터의 백래시(backlash) 및 마찰과 같은 파라미터의 효과를 보상하기 위한 부가적인 궤환루프는 표시하지 않았다.

이하에서는 본 발명에 따라 서보시스템의 부하관성을 추정하는 방법을 구체적으로 설명한다.

도 4는 부하관성추정방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.

도시않은 상위제어기는 플랜트(112)의 특성에 따라 모델플랜트(222)의 관성의 초기값을 설정한다(F1). 즉, 구동초기화 단계에서 도시않은 상위제어기는 플랜트(112)의 관성(J)은 알지 못하고 단지 모델플랜트(222)의 관성(J_m)만을 알고 있다.

다음으로 플랜트(112)의 특성에 따라 미리 결정된 토오크지령프로파일에 따라 플랜트(112)를 구동한다(F2). 즉, 상기 상위제어기로부터의 토오크지령(τ^*)이 토오크제어부(100)로 입력되면 감산기(114)는 플랜트(112)로부터 피드백된 토오크( τ)를 감산한 토오크편차(τ^* - τ)를 토오크제어기(111)로 입력한다.

물론 초기구동시 피드백되는 토오크(τ)는 0이 될 것이다. 또한, 이하에서 설명하는 바와 같이, 토오크지령(τ^*)은 플랜트(112)에서 출력되는 속도 v_fb를 모니터링하여 모델플랜트(222)에서 출력되는 속도 v_mfb와 같아지도록 조정된다.

한편, 종래 상위제어기로부터 속도지령(v*)을 입력받았던 것과 달리, 본 발명에 있어 모델감산기(224)는 플랜트(112)로부터 속도(v_fb)를 입력받아(F3), 모델플랜트(222)로부터 피드백된 속도(v_mfb)를 감산하여 속도편차(v_me)를 출력한다(F4). 초기구동시 피드백되는 속도(v_mfb)는 0이 될 것이다.

속도편차(v_me)를 입력받은 모델속도제어기(222)는 모델플랜트(222)로 토오크지령(τ_m ^*)을 출력한다(F5). 모델플랜트(222)는 입력된 토오크지령(τ_m ^*)에 따라 구동속도(V_mfb)가 가감된다.

다음으로 모델플랜트(222)의 출력속도(v_mfb)가 플랜트(112)의 출력속도(V_fb)와 동일한 값을 갖는지 확인한다(F6).

모델플랜트(222)의 출력속도(v_mfb)가 플랜트(112)의 출력속도(V_fb)가 동일하지 않은 경우, 도시않은 상위제어기는 전술한 바와 같이 출력속도(V_fb)를 모니터링하여 적절히 토오크지령(τ^*)을 조정하고 전술한 과정을 반복함으로써 플랜트(112)의 출력속도(v_fb)와 모델플랜트(222)의 출력속도(v_mfb)가 같아지도록 한다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다;

[수학식 1]

v_fb = v_mfb ≠0

상기 조건이 만족되어 속도편차(v_e)가 0이 되면 부하관성을 구하기 위한 이후의 절차는 종래의 방식과 동일하다. 즉, 도 3의 블록선도에서 도출되는 바와 같이, 다음 조건이 만족됨을 알 수 있다;

[수학식 2]

τ^* ×1/(J·s) = τ_m ^* ×1/(J_m·s)

여기서, τ^* 는 도시않은 상위제어기로부터 입력된 토오크지령이고, τ_m ^*는 모델속도제어기(221)로부터 출력된 토오크지령이며, J는 플랜트(112)관성이고, J_m은 모델플랜트(222)관성이며, s는 라플라스연산자이다.

윗 식에서 플랜트관성(J)을 제외한 나머지 값은 모두 알고 있으므로, 플랜트관성(J)에 대해 정리하면 다음과 같이 플랜트(112)의 관성 J를 추정할 수 있다;

[수학식 3]

J = {(τ^*/s)/(τ_m ^*/s)} ×J_m

= {(s·τ^*)/(s·τ_m ^*)} ×J_m

여기서, s·τ^*, s·τ_m ^* 는 토오크지령(τ^*, τ_m ^*)의 적분값으로서, 도시않은 상위제어기 및 모델속도제어기(221)로부터 각각 토오크지령(τ^*, τ_m ^*)이 적분기(13) 및 모델적분기(223)로 각각 입력되고, 적분기(113) 및 모델적분기(223)는 적분을 수행하여 각각 토오크지령의 적분값(s·τ^*, s·τ_m ^*)을 산출한다.

즉, 본 발명의 특징은 부하관성을 구하기 위한 초기화구동에 있어서 플랜트(112)를 속도모드로 구동하지 않고 토오크모드로 구동한다는 점에 있다. 따라서, 속도모드로 구동하였던 종래기술에 비해 속도제어기의 게인과 무관하고 서보시스템의 강성에 영향을 덜 받게 되어 안정적으로 부하관성을 추정할 수 있는 이점이 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저강성 서보시스템 혹은 부하관성이 상대적으로 큰 서보시스템에 있어서도 신속하고 안정적으로 부하관성을 추정할 수 있는 관성추정방법이 제공된다.

Claims (6)

1. 플랜트와 상기 플랜트를 제어하기 위한 상위제어기를 포함하는 서보시스템의 관성추정방법에 있어서,

   상기 서보시스템의 모델로서 모델서보시스템을 마련하는 단계;

   상기 서보시스템을 토오크모드로 구동시키는 단계;

   상기 플랜트의 출력속도를 상기 모델서보시스템의 속도지령으로 입력하는 단계;

   상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지도록 상기 토오크지령을 조정하는 단계; 및

   상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지면 상기 모델서보시스템의 관성에 기초하여 상기 서보시스템의 관성을 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성추정방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 모델서보시스템은, 상기 플랜트에 대응하는 모델플랜트 및 상기 모델플랜트의 속도를 제어하기 위한 모델속도제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성추정방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 서보시스템의 관성을 추정하는 단계는, 다음의 수학식에 의하는 것을 특징으로 하는 관성추정방법;

   [수학식 3]

   J = {(s·τ^*)/(s·τ_m ^*)} ×J_m

   단, 여기서 τ^*는 상기 서보시스템에 입력되는 토오크지령, τ_m ^*는 상기 모델속도제어기로부터 출력되는 토오크지령, J_m은 상기 모델플랜트의 관성, J는 상기 플랜트의 관성을 의미한다.
4. 플랜트와 상기 플랜트를 제어하기 위한 상위제어기를 포함하는 서보시스템의 관성추정장치에 있어서,

   상기 서보시스템의 모델로서 모델서보시스템; 및

   상기 서보시스템을 토오크모드로 구동시키고, 상기 플랜트의 출력속도를 상기 모델서보시스템의 속도지령으로 입력하며, 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지도록 상기 토오크지령을 조정하며, 상기 모델서보시스템의 속도와 상기 플랜트의 속도가 같아지면 상기 서보시스템의 관성을 상기 모델서보시스템의 관성으로 추정하기 위한 상위제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성추정장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 모델서보시스템은, 상기 플랜트에 대응하는 모델플랜트 및 상기 모델플랜트의 속도를 제어하기 위한 모델속도제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성추정장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 서보시스템의 관성은 다음의 수학식에 의해 추정되는 것을 특징으로 하는 관성추정장치;

   [수학식 3]

   J = {(s·τ^*)/(s·τ_m ^*)} ×J_m

   단, 여기서 τ^*는 상기 서보시스템에 입력되는 토오크지령, τ_m ^*는 상기 모델속도제어기로부터 출력되는 토오크지령, J_m는 상기 모델플랜트의 관성, J는 상기 플랜트의 관성을 의미한다.

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