KR100663067B1

KR100663067B1 - 교류 서보모터 제어구조

Info

Publication number: KR100663067B1
Application number: KR20040094453A
Authority: KR
Inventors: 정기철
Original assignee: 대덕대학산학협력단
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2007-01-02
Also published as: KR20060055124A

Abstract

본 발명은 종래의 교류 서보모터 제어구조가 PID 제어의 경우에는 정밀 제어와 과도상태의 제어가 어렵고 적응제어의 경우에는 마이크로프로세서에 과다한 부담을 주거나 적절한 제어가 이루어지지 않게 되는 문제점이 있기 때문에,

직류를 3상교류로 변환시켜 서보모터로 공급하는 3상 인버터와, 홀 센서를 이용하여 상기 서보모터로 공급되는 3상교류를 측정한 후 전류신호로 변환시키는 좌표 변환기와, 제어 입력 전류신호와 상기 좌표 변환기를 통해 얻어진 전류신호를 이용하여 제어용 전류신호를 발생시키되 시간의 흐름에 따라 갱신되는 적응제어 보상이득을 계산하여 제어용 전류신호 연산에 이용되도록 하는 적응 규칙을 포함하여 구성되는 적응 PID 제어기와, 상기 적응 PID 제어기에서 나온 전류신호를 해당 좌표로 변환시키는 역좌표 변환기와, 상기 역좌표 변환기의 좌표 신호를 펄스 파형으로 변환시켜 상기 3상 인버터로 인가하는 펄스폭 변조기를 포함하여 구성됨으로써,

정밀한 제어가 가능하고 사용자 지령에 대한 빠른 추종능력으로 외란에 대한 강인한 특성을 갖게 하는 교류 서보모터 제어구조에 관한 것이다.

교류 서보모터, PID제어, 적응제어, 보상이득, 추적오차, 외란, 과도상태

Description

교류 서보모터 제어구조 {Control system for AC servo motor}

도 1은 종래의 서보모터 제어구조가 도시된 블록선도,

도 2는 기존의 PID 제어기에 적응 규칙을 추가한 서보모터 제어구조의 구성을 단순화시킨 블록선도,

도 3은 본 발명에 의한 교류 서보모터 제어구조가 도시된 블록선도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

50 : 서보모터 51 : 적응 PID 제어기

52 : 역좌표 변환기 53 : 펄스폭 변조기

54 : 3상 인버터 55 : 좌표 변환기

56 : 홀 센서 57 : 적응 규칙

본 발명은 교류 서보모터의 제어에 있어서 입력 값과 출력 값의 차이를 감지하여 적응 PID 제어하는 서보모터 제어구조에 관한 것으로서, 특히 PID 제어와 적응제어 기법을 결합하여 적용함으로써 전류의 세기에 대한 미세 조정을 통해 정밀제어와 더불어 과도상태의 적절한 제어가 가능한 교류 서보모터 제어구조에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 서보모터에 적용되는 제어기는 PID 제어기로서, 성능의 우수성과 구현의 용이성으로 가장 널리 퍼져 있다. 그러나 PID 제어기는 과도 상태 제어의 불리함과 추적오차 및 강인성의 문제로 인하여 산업현장에서 끊임없이 성능 개선에 대한 논의가 이루어지고 있는 실정이다. 따라서 PID 제어기를 대체할 수 있는 수 없이 많은 제어기법들이 제안되었으나, DSP(digital signal processor)의 제어 알고리즘 계산속도의 한계와 같은 하드웨어적인 문제 및 유지, 보수에 있어서의 제한 때문에 PID 제어기를 완전히 대체할 수 있는 제어 알고리즘은 찾기 어려운 실정이다.

그러나 하드웨어의 성능이 빠르게 발전하여 예전과는 비교할 수 없을 정도가 됨에 따라 과거에는 이론상으로만 존재하였던 제어기를 실제 구현할 수 있게 되었으며, 산업 현장에서도 고도로 정밀하면서 빠른 추적 성능을 갖고 외란에도 강인한 특성을 보이는 제어기의 수요가 급증하고 있다. 이에 따라 기존의 PID 제어기도 요구되는 성능을 만족시킬 수 있도록 제어 성능의 향상을 요구받게 되었다.

일반적인 서보모터의 제어구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 서보모터(10)의 회전 위치 정보를 수집하는 엔코더(13)와, 상기 엔코더(13)의 위치 정보에 따라 서보모터(10)의 회전속도를 계산하는 속도계(12)와, 사용자의 지령속도와 상기 속도계(12)에서 계산된 실제 회전속도를 비교하여 요구 전류량을 연산하는 제1 PID 제어기(11)와, 상기 서보모터(10)로 실제 공급되는 전류량과 상기 제1 PID 제어기(11)의 요구 전류량을 비교하여 공급 전류량을 연산하는 제2 PID 제어기(14)와, 상기 제2 PID 제어기(14)에서 나온 신호를 펄스 파형으로 변환시키는 펄스폭 변조기(15)와, 상기 펄스폭 변조기(15)에서 나온 펄스 파형에 따라 상기 서보모터(10)로 3상 전류를 공급하는 인버터(16)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 서보모터 제어구조는 2번의 PID 제어를 통해 서보모터가 원하는 속도로 회전될 수 있도록 한다.

사용자가 서보모터(10)의 회전속도를 입력하게 되면 서보모터(10)에 전류가 인가되어 서보모터(10)가 작동하게 되는데, 엔코더(13) 및 속도계(12)를 통해 서보모터(10)의 실제 회전속도를 알 수 있게 된다. 제1 PID 제어기(11)는 사용자의 지령속도와 실제 회전속도를 비교하여 오차값에 상당하는 전류지령을 생성한다. 이와 동시에 인버터(16)를 통해 서보모터(10)로 공급되는 전류량이 계측되어 제2 PID 제어기(14)에 공급되는 바, 제2 PID 제어기(14)는 상기 제1 PID 제어기(11)의 요구 전류량과 실제 전류량을 비교하여 공급 전류량을 결정하게 된다. 공급 전류량이 결정되면 펄스폭 변조기(15)가 펄스 파형으로 변환시키게 되고, 펄스 파형에 따라 인버터(16)가 서보모터(10)에 3상 전류를 공급하게 된다. 따라서 상기 서보모터(10)의 실제 회전속도가 사용자의 요구 회전속도와 일치하게 되는 것이다.

여기서, 상기 PID 제어기(11,14)는 사용자 지령과 실제 출력의 오차값(e)과 비례이득(Kp), 적분이득(Ki), 미분이득(Kd)을 결합시켜 구성하게 된다. 이를 수식으로 나타내면 다음의 수학식 1과 같다.

여기서, U는 시스템에 인가되는 제어입력이고, e는 지령 값과 실제 시스템 출력의 오차값이다. 또한, Kp, Ki, Kd는 각각 비례, 적분, 미분에 대한 이득을 나타내며, 제어기 설계자가 설계해야 하는 상수 파라미터이다.

결국, PID 제어기(11,14)의 설계 과정은 설계자가 시스템의 특성을 고려하여 비례, 적분, 미분에 대한 각각의 상수 파라미터를 결정하는 것이며, 각각의 이득에 대한 결정에 따라 전체 제어 시스템의 과도상태 및 정상상태에 대한 제어 특성이 결정된다.

그러나 상기와 같이 구성된 종래의 서보모터 제어구조는 설계자에 의해 결정된 상수 파라미터에 의해 제어 특성이 결정되므로, 추적오차로 인하여 정밀제어에 한계가 있고 특히 과도상태의 적절한 제어가 어려워 외란에 의한 에러 발생 시 신속한 보상처리가 곤란하다는 문제점이 있다.

상기한 PID 제어기법과 대응되는 적응제어기법은 제어 입력에 대한 각각의 이득이 온라인으로 결정되므로 추적의 정밀성과 외란에 대한 강인한 특성을 갖도록 설계가 가능한 장점이 있다. 그러나 적응제어 기법에 따른 제어기의 설계는 PID 제어기에 비해 매우 복잡하다. 또한 적응제어기법은 제어 입력에 대한 수치적 계산량이 많아 마이크로프로세서에 부담을 줄 수 있으며, 경우에 따라 마이크로프로세서가 요구되는 제어입력 계산시간 안에 제어량을 계산하지 못하여 적절한 제어가 이루어지지 않는 경우가 발생하기도 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래의 서보모터 제어구조는 PID 제어의 경우에는 정밀 제어와 과도상태의 제어가 어렵고 적응제어의 경우에는 마이크로프로세서에 과다한 부담을 주거나 적절한 제어가 이루어지지 않게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 마이크로프로세서에 제어량 계산에 대한 큰 부담을 주지 않으면서도 사용자 지령에 대하여 정밀하고 빠른 추적 성능을 가지며 외란 등의 순간적인 환경 변화에 대하여도 빠르고 안정적인 대처가 가능한 개선된 성능의 교류 서보모터 제어구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 직류를 3상교류로 변환시켜 서보모터로 공급하는 3상 인버터와, 홀 센서를 이용하여 상기 서보모터로 공급되는 3상교류를 측정한 후 전류신호로 변환시키는 좌표 변환기와, 제어 입력 전류신호와 상기 좌표 변환기를 통해 얻어진 전류신호를 이용하여 제어용 전류신호를 발생시키되 시간의 흐름에 따라 갱신되는 적응제어 보상이득을 계산하여 제어용 전류신호 연산에 이용되도록 하는 적응 규칙을 포함하여 구성되는 적응 PID 제어기와, 상기 적응 PID 제어기에서 나온 전류신호를 해당 좌표로 변환시키는 역좌표 변환기와, 상기 역좌표 변환기의 좌표 신호를 펄스 파형으로 변환시켜 상기 3상 인버터로 인가하는 펄스폭 변조기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교류 서보모터 제어구조를 제공한다.

또한, 상기 적응 PID 제어기에 의해 시스템에 인가되는 제어입력은 PID 제어 보상성분과 적응제어 보상성분의 합으로 나타나게 되며, 이를 수식으로 나타내면 다음의 수학식 2와 같다.

여기서, U는 시스템에 인가되는 제어입력이고, e는 지령 값과 실제 시스템 출력의 오차값이다.

값은 PID 제어 보상성분으로서, Kp, Ki, Kd는 각각 비례, 적분, 미분에 대한 이득을 나타낸다. 또한

값은 적응제어 보상성분으로서, Kad는 모터 특성에 따른 미분방정식으로 나타나는 적응제어 이득이고, sgn(e)는 다음의 수학식 3으로 나타내어지는 함수이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 2는 기존의 PID 제어기에 적응 규칙을 추가한 본 발명의 기본 구성을 상기의 종래 기술과 대비하여 단순화시켜 표현한 시스템 블록선도이다.

도 2에 도시된 서보모터의 제어구조는, 서보모터(30)의 회전 위치 정보를 수집하는 엔코더(33)와, 상기 엔코더(33)의 위치 정보에 따라 서보모터(30)의 회전속도를 계산하는 속도계(32)와, 사용자의 지령속도와 상기 속도계(32)에서 계산된 실제 회전속도를 비교하여 요구 전류량을 연산하는 제1 PID 제어기(31)와, 상기 서보모터(30)로 실제 공급되는 전류량과 상기 제1 PID 제어기(31)의 요구 전류량을 비교하여 공급 전류량을 연산하되 시간의 흐름에 따라 갱신되는 적응제어 보상이득을 계산하여 공급 전류량 연산에 이용되도록 하는 적응 규칙(37)을 포함하여 구성되는 적응 PID 제어기(34)와, 상기 적응 PID 제어기(34)에서 나온 신호를 펄스 파형으로 변환시키는 펄스폭 변조기(35)와, 상기 펄스폭 변조기(35)에서 나온 펄스 파형에 따라 상기 서보모터로 3상전류를 공급하는 인버터(36)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 서보모터 제어구조는 PID 제어 및 적응 PID 제어를 통해 서보모터가 원하는 속도로 회전될 수 있도록 한다.

사용자가 서보모터(30)의 회전속도를 입력하게 되면 서보모터(30)에 전류가 인가되어 서보모터(30)가 작동하게 되는데, 엔코더(33) 및 속도계(32)를 통해 서보모터(30)의 실제 회전속도를 알 수 있게 된다. 제1 PID 제어기(31)는 사용자의 지령속도와 상기 서보모터(30)의 실제 회전속도를 비교하여 오차값에 상당하는 전류지령을 생성한다. 이와 동시에 인버터(36)를 통해 서보모터(30)로 공급되는 전류량이 계측되어 적응 PID 제어기(34)에 공급되는 바, 적응 PID 제어기(34)는 상기 제1 PID 제어기(31)의 요구 전류량과 실제 전류량을 비교하여 공급 전류량을 결정하게 된다. 이 때 매 시각마다 적응제어 보상성분이 적응 규칙(37)에 의해 결정되고 PID 제어 보상성분과 합하여져 공급 전류량 결정에 이용된다. 이렇게 공급 전류량이 결정되면 펄스폭 변조기(35)가 펄스 파형으로 변환시키게 되고, 펄스 파형에 따라 인버터(36)가 서보모터(30)에 3상전류를 공급하게 된다. 이에 따라 상기 서보모터(30)의 실제 회전속도가 사용자의 요구 회전속도와 거의 완전하게 일치하게 되는 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 교류 서보모터 제어구조에서 발명의 특성이 구현된 부분을 보다 자세히 표현한 블록선도이다.

본 발명에 의한 교류 서보모터 제어구조는 도 3에 도시된 바와 같이, 직류를 3상교류로 변환시켜 서보모터(50)로 공급하는 3상 인버터(54)와, 홀 센서(56)를 이용하여 상기 서보모터(50)로 공급되는 3상교류를 측정한 후 전류신호로 변환시키는 좌표 변환기(55)와, 제어 입력 전류신호와 상기 좌표 변환기(55)를 통해 얻어진 전류신호를 이용하여 제어용 전류신호를 발생시키되 시간의 흐름에 따라 갱신되는 적응제어 보상이득을 계산하여 제어용 전류신호 연산에 이용되도록 하는 적응 규칙(57)을 포함하여 구성되는 적응 PID 제어기(51)와, 상기 적응 PID 제어기(51)에서 나온 전류신호를 해당 좌표로 변환시키는 역좌표 변환기(52)와, 상기 역좌표 변환기(52)의 좌표 신호를 펄스 파형으로 변환시켜 상기 3상 인버터(54)로 인가하는 펄스폭 변조기(53)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 서보모터 제어구조는 PID 제어 보상성분에 적응제어 보상성분을 추가한 제어 입력을 통해 서보모터로 공급되는 전류량을 결정하게 된다.

사용자가 서보모터(50)를 작동시키면 3상 인버터(54)에서 서보모터(50)에 전류가 인가되어 서보모터(50)가 작동된다. 이때 홀 센서(56)를 통해 서보모터(50)로 인가되는 3상의 교류 전류의 전류량이 획득되고, 이 전류량은 좌표 변환기(55)에 의해 전류신호로 변환되어 적응 PID 제어기(51)에 입력된다. 적응 PID 제어기(51)는 제어입력 전류신호와 좌표 변환기(55)에 의한 신호를 통해 계산된 PID 제어 보상성분과 적응제어 보상성분을 합산하여 제어용 전류 신호를 발생하게 되는데, 이때 적응제어 보상성분의 계산은 적응 규칙(57)에 따라 이루어진다. 상기 적응 PID 제어기(51)에서 나온 제어용 전류 신호는 역좌표 변환기(52)를 통해 펄스폭 변조기(53)로 전달되고, 펄스폭 변조기(53)를 통해 펄스 파형으로 변환된 전류 신호에 따라 3상 인버터(54)가 서보모터(50)에 3상전류를 인가하게 된다. 결국 상기 서보모터(50)는 상기 적응 PID 제어기(57)에 의해 매 시각의 적응제어 보상이득 성분을 포함하는 제어 입력값에 따라 작동하게 되므로, 사용자 지령에 대하여 빠르고 정밀한 추종능력을 갖게 되고 외란 등의 환경 변화에도 순간적인 대응이 가능하게 된다.

여기서, 상기 적응 PID 제어기(34, 51)에서 결정된 최종 공급 전류량은 PID 제어 보상성분과 적응제어 보상성분의 합으로 나타나게 되며, 이를 수식으로 나타내면 상기의 수학식 2와 같다.

상기의 수학식 2에서, 적응제어 보상성분인

의 산식은 다음의 수학식 4와 같으며, 구체적인 적응 규칙은 수학식 5로 나타내어진다.

여기서,

는 적응속도 파라미터로서,

로 결정된다. 또한, 변수인

는 다음의 수학식 6과 같이 오차값 e에 대한 함수이다.

여기서, 각각의 함수값은 다음의 수학식 7에 의해 구해진다.

상기의 수학식 4, 수학식 5, 수학식 6 및 수학식 7로 이루어지는 산식은 가장 단순한 형태의 적응 규칙의 하나로서, 마이크로프로세서의 계산량에 대한 부담을 줄이면서도 PID 제어의 보조적인 역할을 수행하여 전체적인 제어성능의 향상을 도모하게 한다.

이와 같이, 상기의 적응제어 보상성분(

)은 적응 규칙이라 하는 미분 방정식으로 표현되는 시간에 대한 함수이며, 이는 PID 제어 보상성분의 비례, 적분, 미분 이득이 각기 상수 파라미터인 것과 대비된다.

결과적으로 본 발명의 교류 서보모터 제어구조는 기존의 PID 제어기의 제어 특성을 그대로 이어 받으면서도 적응 제어기의 특성을 포함하게 되는 것이다. 따라서 상기와 같은 본 발명의 교류 서보보터 제어구조 하에서는, 외란에 의해 제어 시스템 환경이 갑작스럽게 변화되는 경우에도 적응 PID 제어기가 적응 규칙에 따라 보상이득을 스스로 크게 만들어 사용자 지령에 대한 빠른 추종을 가능하게 함으로써 외란에 대하여 강인한 특성을 가지게 된다. 또한, PID 제어의 오차 보상 정도를 적응 규칙이 도와주게 되어 정밀 제어에 있어서도 성능 향상을 기대할 수 있고, 적응 속도 결정을 위한 파라미터를 통해 오차 보상 속도를 조절하여 과도 상태의 적절한 제어가 가능하다.

본 발명은 통상적으로 사용되는 PID 제어기를 그대로 사용하되, 단지 단순화된 적응제어 기법을 포함시켜 적응제어 이득(Kad)과 sgn(e)함수를 추가해준 것뿐이며, 따라서 제어기 설계자는 이전에 설계 되었던 PID 제어기에 적응 제어기 성분을 추가하는 동시에 적응제어 보상이득의 갱신을 위한 상기 적응 규칙을 설계하는 것으로 본 발명을 실시할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 교류 서보모터 제어구조는 마이크로프로세서에 제어량 계산에 대한 부담을 크게 주지 않으면서도 PID 제어 보상성분의 추적 오차를 적응제어 보상성분이 보완하여 줌으로써 정밀한 제어를 가능하게 하고 사용자 지령에 대한 빠른 추종능력으로 외란에 대한 강인한 특성을 갖게 하는 이점이 있다.

Claims

직류를 3상교류로 변환시켜 서보모터로 공급하는 3상 인버터와, 홀 센서를 이용하여 상기 서보모터로 공급되는 3상교류를 측정한 후 전류신호로 변환시키는 좌표 변환기와, 제어 입력 전류신호와 상기 좌표 변환기를 통해 얻어진 전류신호를 이용하여 제어용 전류신호를 발생시키되 시간의 흐름에 따라 갱신되는 적응제어 보상이득을 계산하여 제어용 전류신호 연산에 이용되도록 하는 적응 규칙을 포함하여 구성되는 적응 PID 제어기와, 상기 적응 PID 제어기에서 나온 전류신호를 해당 좌표로 변환시키는 역좌표 변환기와, 상기 역좌표 변환기의 좌표 신호를 펄스 파형으로 변환시켜 상기 3상 인버터로 인가하는 펄스폭 변조기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 교류 서보모터 제어구조.
제 1 항에 있어서,

상기 적응 PID 제어기에 의해 시스템에 인가되는 제어입력은 PID 제어 보상성분과 적응제어 보상성분의 합으로 나타나되, 적응제어 보상성분은 하기의 식과 같은 시간의 함수로 표현되는 것을 특징으로 하는 서보모터 제어구조.

여기서, Kad는 모터 특성에 따른 미분방정식으로 나타나는 적응제어 이득이고, e는 지령 값과 실제 시스템 출력의 오차값이다.
제 2 항에 있어서,

상기 적응제어 보상성분은 하기의 식과 같은 적응 규칙에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 서보모터 제어구조.

여기서, Γ는 적응속도 결정 파라미터이다.