KR100700187B1 - 모터의 가감속 운전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터의 가감속 운전 방법에 관한 것으로, 그 제어가 고정된 주기를 가지는 펄스로 이루어지는 종래 모터 가감속 제어는, 가감속 제어 구간을 소정의 하위 구간으로 나누어 각 구간마다 계산된 고정 속도로 운전하기 때문에, 가감속을 실현할 경우 고정된 주기를 가지는 펄스를 발생 시키는 도중에는 속도 변경이 불가능하여 각 하위 구간마다 오차가 발생할 수 있어 결과적으로 원하는 목표 위치에 도달하기 전에 바이어스 속도가 되거나, 바이어스 속도에 도달하기 전에 목표 위치에 도달하게 되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 고정된 주기의 속도 제어 펄스를 이용하는 모터 가감속 제어 방법에 있어서, 가감속을 위한 운전 전에 사용자가 입력하는 바이어스 속도와 연산을 통해 얻어지는 바이어스 속도 중 실현 가능한 최적의 바이어스 속도를 획득하여 이를 가감속 속도 연산을 위한 연산식에 적용하도록 하고, 가감속 속도 연산시 고정된 가감속 증감분을 하위 구간마다 고정된 비율로 적용하는 것이 아니라 하위 구간마다 새롭게 가감속을 위한 속도를 재 연산하여 오차가 누적될 수 없도록 함으로써, 탈조나 저속 운전 상황이 발생할 수 있는 사용자 실수나 구동 펄스에 의한 구조적인 오차 발생의 누적을 근본적으로 방지하여 정확한 위치 지정을 위한 최적의 가감속 제어가 가능하게 되는 효과가 있다.

Description

모터의 가감속 운전 방법{ACCELERATION DRIVING METHOD FOR MOTOR}

도 1은 종래 일반적인 가감속 처리 방식을 설명하는 시간-속도 그래프도.

도 2는 이상적인 가감속 운전 결과를 보이는 그래프도.

도 3은 탈조가 발생하는 감속 운전 결과를 보이는 그래프도.

도 4는 저속 구간이 발생하는 감속 운전 결과를 보이는 그래프도.

도 5는 종래 거리와 속도를 제어하는 구동 펄스 개념도.

도 6은 본 발명 일 실시예를 설명하기 위한 가감속 처리 방식의 그래프도.

도 7은 본 발명 일 실시예의 동작 과정을 보인 순서도.

본 발명은 모터의 가감속 운전 방법에 관한 것으로, 특히 프로그래머블 논리 제어기(PLC)에 적용되는 모터의 위치를 결정하기 위해 정지 시점의 구동 속도를 검증하고, 다단계로 이루어진 감속 구간별로 감속 정도를 재계산하도록 하여 오차 누적을 방지하도록 한 모터의 가감속 운전 방법에 관한 것이다.

공장 자동화 시스템에 있어서 위치 제어는 대단히 중요한 요소이며, 이를 위해서 모터 제어 관련 기술이 다양하게 개발되었다. 따라서, 모터의 운전 시점, 운전 거리, 속도, 가감속 제어는 대부분의 공장 자동화 시스템에 적용되는 것은 물론이고, 다양한 구동부를 구비한 일반 장비 및 가전 제품들에 이르기까지 수 많은 장치들에 적용되고 있다.

특히, 정확한 위치 제어와 빠른 목표 위치 접근성이 요구되는 공장 자동화 장비인 PLC에서는 목적에 적합한 모터의 특성을 최대한 활용하기 위한 소프트웨어적인 가감속 제어를 반드시 실시하게 되는데, 이를 통해 정지 상태에서 곧바로 구동하기 어려운 속도까지 순차적으로 속도를 높이거나, 높은 속도에서 탈조 없이 정지하기 위하여 순차적으로 속도를 줄일 수 있다. 이를 위해 PLC에서는 가속 구간과 감속 구간을 가지는 가감속 패턴을 설계하여 해당 구간에서의 속도 및 위치를 제어하고 있다.

도 1은 전형적인 모터의 가감속 패턴을 보이는 그래프도로서, 모터의 구동 속도를 시간에 대해 그린 것이다. 모터가 무리없이 기동을 시작하고, 정지할 수 있는 속도를 바이어스(bias) 속도라 하고, 원하는 최대 구동 속도를 목표 속도라 한다.

도시된 바와 같이 바이어스 속도에서부터 목표 속도에 이를 때까지 구간을 복수의 단계들(예를 들어 7단계 8포인트:T0~T7)로 구분하여 각각의 구간에서 속도를 점차 증가시키는 가속 구간과, 목표 속도에서 정지를 위한 바이어스 속도에 이를 때까지 구간을 복수의 단계들(예를 들어 7단계 8포인트:T8~T15)로 구분하여 각각의 구간에서 점차적으로 속도를 감속하도록 한 감속 구간이 정의되어 있다.

이 중에서 바이어스 속도와 가감속 구간의 길이는 모터와 부하의 특성에 맞추어 사용자가 설정할 수 있게 되어 있으며, 이러한 사용자의 설정에 따라 모터를 제어하는 제어부에서 적합한 시점에서 적합한 속도 제어 펄스를 제공함으로써 이러한 가감속 제어가 가능해진다. 이러한 가감속 제어를 이용하면 빠른 속도로 목표 속도까지 운전한 후 원하는 위치에서 빠르고 안전하게 감속하여 정지할 수 있게 된다.

종래 가감속 제어는 상기 가속과 감속 구간에서 일정한 크기로 속도를 증감시켜 가속과 감속을 실시하는 방식을 이용하였다.

예를 들어, 가속의 경우 T0의 위치에서는 바이어스 속도로 구동하고, T1의 위치에서는 목표 속도에서 바이어스 속도를 뺀 속도를 가속 시간으로 나눈 값을 속도 증가분으로 이용하였다. 즉, 속도 증가분 = (목표속도-바이어스 속도)의 식이 이용되는 것이다. 이러한 속도 증가분을 미리 설정한 가속 구간의 전체 구간 수(실 시예에서는 7개 구간)으로 나누어 각 구간마다 (속도 증가분/7)*구간 순서로 구한 값을 바이어스 속도에 더한 값으로 운전한다. 여기서, 구간의 숫자는 총 가속 시간을 의미할 수도 있다.

도시된 경우의 가속 구간별 구동 속도는 다음과 같다.

T0~T1 구간: 바이어스 속도

T1~T2 구간: 바이어스 속도 + 속도 증가분/7

T2~T3 구간: 바이어스 속도 + (속도 증가분/7)*2

T3~T4 구간: 바이어스 속도 + (속도 증가분/7)*3

T4~T5 구간: 바이어스 속도 + (속도 증가분/7)*4

T5~T6 구간: 바이어스 속도 + (속도 증가분/7)*5

T6~T7 구간: 바이어스 속도 + (속도 증가분/7)*6

T7이후 구간: 바이어스 속도 + (속도 증가분/7)*7 = 목표 속도

감속 역시 동일한 방식을 이용하게 되는데, PLC는 감속할 위치에 대한 정보를 속도와 거리를 지시하는 펄스 정보로 감속을 시작할 위치를 확인하여 정지 위치(T16)에서 바이어스 속도가 되어 정지시킬 수 있게 감속이 필요한 지점(T8)을 결정한다.

이 경우도 감속 구간에서 감속해야 할 속도 감소분은 목표 속도에서 바이어스 속도를 뺀 시간을 감속할 구간들의 수로 나누어 이용한다. 이를 가속 시간으로 나눈다는 표현을 사용할 수도 있다는데 주의한다.

따라서, 도시된 경우의 감속 구간별 구동 속도는 다음과 같다.

T8이전 구간: 목표 속도

T8~T9 구간: 목표 속도 - 속도 감소분/7

T9~T10 구간: 목표 속도 - (속도 감소분/7)*2

T10~T11 구간: 목표 속도 - (속도 감소분/7)*3

T11~T12 구간: 목표 속도 - (속도 감소분/7)*4

T12~T13 구간: 목표 속도 - (속도 감소분/7)*5

T13~T14 구간: 목표 속도 - (속도 감소분/7)*6

T14~T15 구간: 목표 속도 - (속도 감소분/7)*7 = 바이어스 속도

즉, 종래의 가감속 방식은 일정 주기마다 속도 변경을 연산된 증가분만큼 반복 증가시켜 목표 속도나 바이어스 속도에 도달하도록 함으로써, 과속 상태에서의 정지나 급속 기동에 의한 탈조를 방지하면서 충분한 토크를 얻을 수 있도록 한다.

하지만, 이러한 위치 제어 및 속도 제어를 펄스를 이용하여 실시한다는 점에서 임의의 고정된 구간과 고정된 속도 증감분을 이용하는 종래의 방식은 누적된 오차에 의한 탈조나 저속 구동이 발생할 수 있는 근본적인 위험을 안고 있다.

도 2는 정확하게 속도 제어에 성공하여 지정된 위치에 빠르게 도달하여 아무런 문제 없이 정지한 경우를 보인 것이다. 감속의 경우를 보면, 목표 위치에 정확히 도달하여 정지하며, 그때의 구동 속도는 바이어스 속도가 되므로 문제 없이 정지가 가능하다. 이는 가장 이상적인 제어 결과라 할 수 있다. 그러나, 종래의 방법으로는 이렇게 완벽한 제어가 사실상 불가능하다.

도 3은 속도가 바이어스 속도에 도달하지 못했지만, 목표 위치에 도달하여 강제로 정지시키게 된 경우를 보인 것으로 이 경우 모터가 탈조할 수 있다. 즉, 정지 명령으로 정지는 되었지만, 정지 토크보다 운동 에너지가 더 켜서 정확히 정지하지 못하는 경우가 발생되는 것이다.

도 4는 속도가 바이어스 속도에 도달하였지만, 목표 위치에는 도달하지 못하여 바이어스 속도로 목표 위치까지 저속 구동한 후 목표 위치에서 정지하는 경우이다. 즉, 저속으로 구동되는 구간이 길어질 수록 제어 속도가 감소하게 되는 비효율적 제어가 되는 것이다.

이러한 상황이 발생하게 되는 원인은 그 속도 제어 방식이 도 5에 도시한 바와 같이 고정된 주기를 이용한다는 점과, 가감속 구간을 임의의 숫자의 하위 구간들로 구분하여 각각의 구간에서 이미 연산된 고정된 가감속 증분을 이용하여 가감속을 실시한다는 점 때문이다. 즉, 기 정해진 속도 변화의 시점에서 즉시 연산된 속도로 운전을 실시해야만 정확한 시점에서 원하는 속도를 얻을 수 있으나, 도시된 바와 같이 일정한 주기를 단위로 속도 제어가 실시되는 방식에서는 해당 주기 내의 임의의 시점(화살표)에서 속도를 변화시킬 수 없다. 그로인해 각각의 고정된 가감속 하위 구간마다 약간씩의 오차가 누적되게 되어 결과적으로 도 3내지 도 4와 같은 문제점이 발생하게 되는 것이다.

상기한 바와 같이 그 제어가 고정된 주기를 가지는 펄스로 이루어지는 종래 모터 가감속 제어는, 가감속 제어 구간을 소정의 하위 구간으로 나누어 각 구간마다 계산된 고정 속도로 운전하기 때문에, 가감속을 실현할 경우 고정된 주기를 가 지는 펄스를 발생 시키는 도중에는 속도 변경이 불가능하여 각 하위 구간마다 오차가 발생할 수 있어 결과적으로 원하는 목표 위치에 도달하기 전에 바이어스 속도가 되거나, 바이어스 속도에 도달하기 전에 목표 위치에 도달하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 사용자가 지정하는 바이어스 속도가 너무 낮은 경우 고정된 감속 구간동안 감속이 불가능할 수 있으나, 이를 검증할 수단이 없는 문제점도 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 고정된 주기의 속도 제어 펄스를 이용하는 모터 가감속 제어 방법에 있어서, 가감속을 위한 운전 전에 사용자가 입력하는 바이어스 속도와 연산을 통해 얻어지는 바이어스 속도 중 실현 가능한 최적의 바이어스 속도를 획득하여 이를 가감속 속도 연산을 위한 연산식에 적용하도록 하고, 가감속 속도 연산시 고정된 가감속 증감분을 하위 구간마다 고정된 비율로 적용하는 것이 아니라 하위 구간마다 새롭게 가감속을 위한 속도를 재 연산하여 오차가 누적될 수 없도록 함으로써, 정확한 위치 지정을 위한 최적의 가감속 제어가 가능하도록 한 모터의 가감속 운전 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기위한 본 발명은 가감속을 실시하기 전에 사용자가 지정한 바이어스 속도를 검증하여 실현이 불가능한 바이어스 속도인 경우 자체 연산을 통해 획득한 바이어스 속도를 운전 속도 연산에 이용할 바이어스 속도로 설정하는 단계와; 가감속 구간에 대한 동작 시점을 획득하고, 가감속 구간을 임의로 나눈 하위 구간마다 현재 위치 정보와 속도 정보를 이용하여 구동할 속도를 재 계산하여 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 바이어스 속도를 설정하는 단계는, 사용자가 지정하는 바이어스 속도와 목표 속도 및 감속구간의 감속 시간을 이용하여 연산한 바이어스 속도를 비교하여 더 높은 바이어스 속도를 운전 속도 연산에 이용하도록 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연산에 사용될 바이어스 속도가 기 입력된 실제 모터의 물리적인 최대 바이어스 속도보다 높은 경우 물리적 구동이 불가능하므로 모터 운전을 실시하지 않고 사용자에게 이러한 사실을 통보하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명 일 실시예를 설명하기 위한 가감속 동작 패턴을 보이기 위해 운전 속도를 시간에 따라 그린 그래프이다. 도시한 바와 같이 가속 구간과 감속 구간을 복수의 하위 구간들로 구분하여 각각의 구간별로 상이한 속도로 운전한다. 이러한 가감속 패턴과 기본적인 이론 자체는 종래와 동일하다.

하지만, 본 발명은 모터의 정확한 목표 위치 지정을 탈조나 가감속 시간의 연장 없이 효과적으로 실시하기 위하여, 각 가감속 구간의 하위 구간별 속도를 일정하게 유지하는 것이 아니라 매 구간마다 최적의 구동 속도를 새롭게 연산하도록 하여 고정 주기 구동 방식에서 기인하는 누적 오차 발생을 근본적으로 차단하도록 한다. 또한, 가감속 구동 속도 연산의 기본 파라메터가 되는 바이어스 속도에 대한 검증 과정을 더 포함하도록 하여 사용자가 지정하는 불합리한 바이어스 속도를 무조건 수용하지 않도록 함으로써, 보다 지능적이고 효율적인 운전이 가능하도록 한 것다.

상기 도 6의 감속 시작 시점(A)과 정지 시점(B)까지의 감속 구간을 도시된 7 개 하위 구간을 통해 제어하는 실시예를 이용하여 본원 발명을 설명하도록 한다. 가속 구간에 대한 구동 방식은 종래와 동일하게 사용하거나, 본원 발명과 동일한 방식으로 구현할 수 있으므로 이는 생략하도록 한다. 가속의 경우, 종래 방식을 그대로 사용할 수도 있으나, 본원 발명과 같이 바이어스 속도 검증과 하위 구간별 속도 재연산을 실시하게 되면 목표 속도에 도달하는 시간이 최소화 되어 전체 운전 시간이 줄어들게 되는 이점을 얻을 수 있다.

그러면, 감속이 시작되는 시점(A, T8)에서부터 목표 위치에 도달하여 정지되는 시점(B, T15)까지의 감속 과정과, 이를 위해 최적의 바이어스 속도를 검증을 통해 획득하는 절차를 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.

먼저, 사용자가 목표 속도, 바이어스 속도, 목표 위치(펄스의 수로 지정)에 대한 정보를 모터 제어기(예를 들어 PLC)에 입력하고 제어기에 모터 운전 지령을 내린다. 보다 원활한 구동을 위해서 실제 모터의 한계 바이어스 속도에 대한 정보가 미리 입력되어 있는 것이 바람직하다.

상기 지령을 받은 제어기는 구동 전에 사용자가 입력한 바이어스 속도와 연산을 통해 얻은 바이어스 속도를 비교하여 보다 높은 바이어스 속도를 이용한다. 더 높은 바이어스 속도를 사용하는 이유는 목표 속도에서 감속을 실시할 경우 빠르게 해당 바이어스 속도에 도달하도록 하여 제어 가능한 감속 시간을 줄이기 위한 것이다. 경우에 따라서는 감속을 시작할 감속 시간동안 바이어스 속도에 도달하지 못할 정도로 낮은 속도로 사용자 지정이 이루어질 수 있으므로 이 경우 정상적인 구동이 되지 못하여 탈조가 발생할 수 있다. 보다 안전한 구동을 원하는 경우 상기 연산을 통해 얻어진 바이어스 속도가 실제 모터의 한계 바이어스 속도보다 낮은지 검사하는 부분을 더 추가하여 물리적인 모터의 한계 바이어스 이상의 속도가 연산되는 경우라면 운전 전에 이러한 사실을 사용자에게 알려 소정의 조치를 취하도록 해야 한다.

이때 사용되는 바이어스 속도 연산은 다음과 같은 식을 이용할 수 있다.

상기 감속 시간은 감속 구간의 시간이며, 이는 감속 제어가 가능한 최소한의 시간일 수 있다.

상기와 같이 바이어스 속도가 얻어지면, 감속 시작 시점을 연산하는데, 이는 사용자가 입력한 목표 위치 정보(목표 펄스의 수)와 감속 구간에서 필요한 감속 시간동안의 펄스 수를 통해 감속이 시작되어야 하는 시점, 즉 펄스값을 얻는 것이다. 이는 다음과 같은 식을 통해 얻어질 수 있다.

감속 시작을 위한 펄스 잔량 = {바이어스 속도+(목표 속도-바이어스 속도)/2}×감속 시간

상기와 같은 방법을 통해 바이어스 속도와 감속 시작 시점에 대한 정보를 얻은 후 운전을 시작한다. 이때 가속은 앞서 설명한 바와 같이 종래 방법이나 앞으로 설명하는 본원 발명의 방식을 이용할 수 있다. 여기서는 아직 본원에 대한 설명이 끝나지 않았으므로 종래의 방식대로 고정된 속도 증분값의 배수로 속도 변경을 실시하는 과정으로 나타내었다.

상기와 같은 순차적인 고정 증분값 배수 적용을 통해 목표 속도에 도달하면 상기 감속 시작 위치가 될 때까지 등속 운전을 실시한다. 이는 구동 펄스를 제공하는 제어기가 자체적으로 생성하는 펄스(고정된 주기)를 측정하여 알 수 있다.

만일 감속 시작 위치에 도달하면, 하위 구간이 시작되는 시점에서 구간별 속도를 매번 재연산한다.

이때 사용되는 연산 식은 다음과 같다.

즉, 매번 목표위치-현재위치를 펄스 값으로 얻어 펄스 잔량(즉, 남은 거리)과 감속시간-경과시간에 대한 잔류 시간을 이용하여 모터를 운전할 속도를 얻도록 하므로 오차가 누적될 가능성이 없게 되는 것이다.

이런 방식으로 목표 위치에 도달할 때까지 하위 구간 시작 시 연산을 반복하면 목표 위치에 도달하기 직전의 위치(T14)에서는 정확하게 바이어스 속도로 운전을 실시할 수 있게 된다. 따라서, 목표 위치에서 정확하게 모터를 정지시킬 수 있어 최적의 감속 제어가 이루어지게 된다.

전술한 바와 같이 바이어스 속도에 대한 검증을 실시한 후, 오차 누적을 방지하도록 감속 하위 구간별로 제어할 구동 속도를 다시 획득하도록 하면 목표 위치에서 바이어스 속도까지 감속하지 못하여 발생하는 탈조나 목표 위치 이전에 바이어스 속도까지 감속하여 저속 운전 구간이 발생하게는 상황을 방지할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 모터의 가감속 운전 방법은 고정된 주기의 속도 제어 펄스를 이용하는 모터 가감속 제어 방법에 있어서, 가감속을 위한 운전 전에 사용자가 입력하는 바이어스 속도와 연산을 통해 얻어지는 바이어스 속도 중 실현 가능한 최적의 바이어스 속도를 획득하여 이를 가감속 속도 연산을 위한 연산식에 적용하도록 하고, 가감속 속도 연산시 고정된 가감속 증감분을 하위 구간마다 고정된 비율로 적용하는 것이 아니라 하위 구간마다 새롭게 가감속을 위한 속도를 재 연산하여 오차가 누적될 수 없도록 함으로써, 탈조나 저속 운전 상황이 발생할 수 있는 사용자 실수나 구동 펄스에 의한 구조적인 오차 발생의 누적을 근본적으로 방지하여 정확한 위치 지정을 위한 최적의 가감속 제어가 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 가감속을 실시하기 전에 사용자가 지정한 바이어스 속도를 검증하여 미리 입력된 모터의 한계 바이어스 속도 보다 사용자가 지정한 바이어스 속도가 높은 경우 자체 연산을 통해 획득한 바이어스 속도를 바이어스 속도로 설정하는 단계와;

   가감속 구간에 대한 동작 시점을 획득하고, 가감속 구간을 임의로 나눈 하위 구간마다 현재 위치 정보와 속도 정보를 이용하여 구동할 속도를 재 계산하여 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 가감속 운전 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 바이어스 속도를 설정하는 단계는, 사용자가 지정하는 바이어스 속도와 목표 속도 및 감속구간의 감속 시간을 이용하여 연산한 바이어스 속도를 비교하여 더 높은 바이어스 속도를 운전 속도 연산에 이용하도록 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 가감속 운전 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 연산을 통해 얻어지는 바이어스 속도는 다음과 같은 연산식,

   

   을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 모터의 가감속 운전 방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 연산에 사용될 바이어스 속도가 기 입력된 실제 모터의 물리적인 최대 바이어스 속도보다 높은 경우 모터 운전을 실시하지 않고 사용자에게 이러한 사실을 통보하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 가감속 운전 방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 감속 시 각 감속 구간의 하위 구간에서 구동할 속도는 다음과 같은 연산식,

   

   를 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 모터의 가감속 운전 방법.

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