KR100758503B1 - 디씨모터구동 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PID제어기로부터 출력된 토크지령값을 제 1새츄레이션 블럭 및 검사블럭으로 전송하는 토크지령값 전송단계, 검사블럭으로 전송된 토크지령값이 검사블럭을 통해 토크지령값의 상한값으로 정의되어 출력되는 상한값 출력단계, 상기 상한값 출력단계에서 출력된 토크지령값의 상한값이 제 1새츄레이션으로 전송되고, 상기 상한값을 전송받은 제 1새츄레이션이 최초 상기 PID제어기로부터 전송받은 토크지령값과 비교판단하는 비교판단단계, 제 1 새츄레이션이 비교판단하여 해당되는 값을 브릿지회로로 출력하는 비교판단값 출력단계를 포함하는 검사블럭 알고리즘을 마이크로프로세서에 구현하여 PID제어기를 통하여 토크지령값을 검사하여 모터의 과부하 상태를 검사할 수 있는 DC 모터 구동 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, PID제어기의 PWM Duty를 검사하여 외부 부하에 대해 출력값이 조절될 수 있으며, 이에 따른 내부 모터 및 기어의 파손을 방지할 수 있고, 제품에 대한 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 센서 없이도 출력값이 조절될 수 있는 제어할 수 있다.

PID, PWM, DC모터, H-bridge, 브릿지회로, 새츄레이션

Description

디씨모터구동 제어방법{DC Motor Control Method}

도 1은 종래의 센서없는 DC모터 구동 제어방법의 개념도

도 2는 종래의 센서를 가진 DC모터 구동 제어방법의 개념도

도 3은 본 발명에 따른 DC모터 구동 제어방법의 개념도

도 4는 본 발명에 따른 DC모터 구동 제어방법의 알고리즘

도 5는 본 발명에 따른 검사블럭의 알고리즘

※ 도면에 사용된 부호에 대한 설명※

10 : PID제어기 20 : 제 1새츄레이션 블럭

30 : 검사블럭 31 : 제 2새츄레이션 블럭

40 : H-bridge 50 : 모터

60 : 퍼텐셜 미터

본 발명은 DC모터구동 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 지령위치값과 현재위치값을 입력받아, PID컨트롤러를 통하여 토크지령값을 출력하고, 상 기 출력된 토크지령값을 세츄레이션 블럭 및 브릿지회로를 통해 DC모터에 전류를 흘려주게 되어 상기 DC모터가 회전함으로써 기어와 포텐셜미터를 회전시키게 되며, 상기 PID컨트롤러는 새로 변화된 위치 정보를 받아 새로운 토크지령값을 출력하는 DC 모터 구동 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 지능형 로봇은 모션 및 액션(Action)을 취하기 위하여 액츄에이터(Actuator)가 사용된다. 이와 같은 액츄에이터는 구동방식에 따라 캠 등에 의해 동작되는 기계식, 에어와 에어실린더를 사용하는 공기식, 유압과 유압실린더를 이용한 유압식, 그리고 3상교류 유도 전동기나 서보모터 등의 전동기를 사용한 전기식 등이 있다. 이때, 전기식에 사용되는 모터의 종류로는 DC모터, 스텝모터, 서보모터 등이 사용된다.

이와 같은 모터의 구동회로에 인가하는 신호는 아날로그 신호를 이용한 방법과 디지털 신호를 이용한 방법이 있다. 이 중 디지털 신호를 이용한 방법을 PWM(Pulse Width Modulation)이라고 한다. PWM이란 펄스 변조 방식의 하나로, 펄스의 위치나 진폭은 변하지 않고, 변조 신호의 크기에 따라서 펄스의 폭을 변화시켜 변조하는 방식이다. 또한, 신호파의 진폭이 클 때는 펄스의 폭이 넓어지고, 진폭이 작을 때는 펄스의 폭이 좁아지는 방법인 것이다.

간단히 말하자면, PWM은 아날로그 신호를 디지털화하여 인코딩하는 방법이다. 고분해능의 카운터를 통해 사각형파의 Duty Cycle은 특정 아날로그 신호를 인코드 하기위해 변조된다. 직류전원 공급장치는 ON 아니면 OFF이므로 임의의 주어진 시간에 PWM신호는 여전히 디지털 신호이다. 일련의 반복되는 ON, OFF 펄스를 통해 전압이나 전류가 아날로그 장치에 공급된다. On-time은 Duty Cycle이 아날로그 장치에 공급되는 기간을 말하며, off-time은 전원 공급 스위치가 꺼진 기간을 일컫는다. 충분한 대역폭이 주어진다면 어떠한 아날로그 값도 PWM을 통해 인코드 될 수 있다.

이러한 PWM을 이용하여 모터를 제어하는 방법으로는 P(Proportional)제어방법, I(Proportional-Integral)제어방법, D(Proportional-Derivative)제어방법, 상술된 제어방식을 조합한 PID(Proportional-Integral-Derivative)제어방법이 있다.

이 중에 상기 PID제어방식을 이용한 종래의 모터제어방법을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 도 1은 DC모터 구동 제어방법을 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, DC모터의 제어를 위한 장치는 모터제어 및 모든 부분의 제어를 총괄하는 마이크로프로세서(Micro Processor)(100)와, 상기 마이크로프로세서(100)에서 출력되는 PWM신호를 구동방향에 맞춰 전류를 입력하는 H-bridge(200)와 , 상기 H-bridge(200)로부터 입력되는 전류에 따라 회전하는 모터(300)와, 상기 DC모터(300)의 위치정보를 측정하는 퍼텐셜미터(400)로 구성된다.

또한, PID제어기(310) 및 세츄레이션 블럭(320)은 상기 마이크로프로세서에 내장된 프로그램이다. 상기 PID제어기(110)는 사칙연산 등의 수식으로 이루어진 함수로 물리적인 한계를 상관하지 않고 출력값을 출력한다.

그런데, 출력값은 0%~100%까지의 범위를 가져야하는데, 상기 PID제어기(110)는 입력된 값에 따라 산출된 출력값이 100%를 넘어가는 경우가 발생하기 때문에 100%를 넘지않도록 하기 위해 세츄레이션 블럭(120)을 더 포함하고 있다.

이러한 세츄레이션 블럭(120)은 입력받는 값이 3개이고, 출력되는 값은 1개이고, 상기 입력받는 값은 Input Data, Maximum Data, Minimum Data이다.

이때, Input Data > Maximum Data 이면 출력되는 값은 Maximum Data가 되고, Minimum Data < Input Data < Maximum Data 이면 출력되는 값은 Input Data가 되고, Input Data < Minimum Data 이면 출력되는 값은 Minimum Data가 된다.

이와 같이 구성된 모터제어장치를 제어하는 방법은 소정의 상위 제어기로부터 지령위치정보 및 모터(300)의 현재위치정보를 입력받아 PID제어기(110)를 통하여 소정의 출력값을 출력한다. 이때 출력값은 부호가 있는 값으로서 이 부호는 모터의 회전방향을 의미하도록 Direction신호로 표시되고, DC모터(300)에 가해야할 토크의 크기인 토크지령값(이하 "PWM Duty"라 함)은 PWM 신호의 Duty로 표시되어 각각 H-bridge(200)에 입력된다.

H-bridge(200)는 입력된 PWM Duty에 따라 산출된 전류값을 DC모터(300)에 인가하게 되고, 상기 DC모터(300)의 회전에 따른 위치정보를 퍼텐셜미터(400)가 측정하게 된다. 그리고, 퍼텐셜미터(400)가 측정한 위치정보는 PID 제어기(310)로 피드백되어 변화된 DC모터(300)의 위치정보를 입력받아 새로운 PWM Duty를 출력하는 폐루프 구조로 이루어져 있다. 그러나, 이와 같은 구성으로는 외부 부하에 대한 검출 방법이 없어 외부 부하에 대한 피드백 없이 동작하였기 때문에 외부 부하로 인한 장치에 가해지는 과전류로 인해 내부 모터 및 기어의 파손을 방지할 수 없는 문제점이 있었다.

도 2는 도 1에 도시된 구성에 센서(500)가 추가로 구성된 것으로서, DC모 터(300)에 인가되는 전류의 크기를 측정하여 이를 부하연산 알고리즘(600)을 통해 현재 전류의 크기를 측정하고, 측정된 부하크기를 PID제어기(110)로 피드백하며, 상기 PID제어기(310)는 피드백된 부하크기 및 모터(300)의 위치정보를 종합하여 외부 부하 크기를 예측하여 변화된 PWM Duty를 출력한다. 그러나, 이와 같은 경우는 외부 부하에 대한 검출을 위하여 전류 센서를 추가하여 전류량을 측정하고 측정된 전류량을 근거로 외부 부하를 추정하여 외부 부하에 대한 모터장치의 보호 알고리즘을 사용하고 있는 바, 전류 센서의 추가로 인한 비용적인 손실이 발생하는 문제점이 있었다.

이에 따라, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, PID제어기의 PWM Duty를 검사하여 외부 부하에 대해 출력값이 조정될 수 있는 DC모터 제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 외부 부하에 대해 출력값이 조정될 수 있음으로 인해 내부 모터 및 기어의 파손을 방지하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 외부 부하에 대해 출력값이 조정될 수 있음으로써, 제품에 대한 내구성 및 신뢰성을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.

또한, DC모터를 제어함에 있어 센서 없이도 출력값이 조정될 수 있는 제어방법을 제공하여 제조비용 절감을 그 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 지령위치정보와 현재위치정보를 입력받아, PID제어기를 통하여 토크지령값을 출력하고, 상기 출력된 토크지령값이 브릿지회로를 통해 DC모터에 전류를 흘려주게 되어 상기 DC모터 및 기어가 회전하게 되고, 상기 DC모터의 위치정보를 포텐셜미터가 상기 PID제어기로 피드백하여 상기 PID제어기는 변화된 위치정보를 받아 새로운 토크지령값을 출력하는 DC 모터 구동 제어방법에 있어서, PID제어기로부터 출력된 토크지령값을 제 1새츄레이션 블럭 및 검사블럭으로 전송하는 토크지령값 전송단계, 검사블럭으로 전송된 토크지령값이 검사블럭을 통해 토크지령값의 상한값으로 변화되어 출력되는 상한값 출력단계, 상기 상한값 출력단계에서 출력된 토크지령값의 상한값이 제 1새츄레이션으로 전송되고, 상기 상한값을 전송받은 제 1새츄레이션이 최초 상기 PID제어기로부터 전송받은 토크지령값과 비교판단하는 비교판단단계, 제 1 새츄레이션이 비교판단하여 해당되는 값을 브릿지회로로 출력하는 비교판단값 출력단계를 포함하여 DC모터의 구동을 제어한다.

이때, 상기 검사블럭은, 상기 PID제어기로부터 출력되어 전송된 상기 토크지령값을 레퍼런스값과 비교하는 레퍼런스 비교단계, 상기 토크지령값이 상기 레퍼런스값보다 크면 카운트값을 증가시키고, 상기 토크지령값이 상기 레퍼런스값보다 작으면 카운트값을 감소시키는 카운트 증감단계, 상기 카운트 증감단계에서 변동된 카운트값이 입력되고, 입력된 카운트값에 따라 토크지령값의 상한값을 정의하는 상한값 정의단계, 정의된 토크지령값의 상한값을 제 2새츄레이션 블럭으로 전송하고, 상기 토크지령값의 상한값을 전송받은 제 2새츄레이션 블럭이 상기 상한값을 모터장치의 물리적인 제한에 맞게 설정한 뒤 제 1새츄레이션 블럭으로 설정된 상한값을 전송하는 설정값 전송단계를 포함할 수 있다.

이때, 상기 상한값 정의단계에서의 토크지령값의 상한값은 입력되는 카운트값과 반비례하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 2 새츄레이션 블럭에 입력되는 입력값 중 최고출력값은 100%이고, 최저출력값은 0%인 것이 바람직하다.

한편, 상기 카운트 증감단계에서의 증가 및 감소되는 카운트값은 단위값이고, 상기 레퍼런스값은 오퍼레이터에 의해 설정되는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 DC모터 구동 제어방법의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 DC모터 구동제어 방법은 모터장치 내에 탑재되는 마이크로프로세서에서 출력되는 PWM Duty를 검사하여 DC모터를 제어할 수 있도록 소정의 알고리즘을 구현한 것이다. 도 3은 본 발명에 따른 DC모터 구동 제어방법의 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 DC모터 구동 제어방법의 메인 알고리즘이고, 도 5는 본 발명에 따른 검사블럭의 알고리즘이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 DC모터 구동제어 알고리즘은, PID제어기(10)로부터 출력된 PWM Duty를 제 1새츄레이션 블럭(20) 및 검사블럭(30)으로 PWM Duty를 전송한다(S1). 이때, 제 1새츄레이션 블럭(20)으로 전송된 PWM Duty는 바로 H-bridge(40)로 출력되지 않고 제 1새츄레이션 블럭(20) 내의 소정의 데이터 저장부에 저장된다.

검사블럭(30)을 통해 PWM Duty의 상한값(이하 "Duty Limit"이라 함)으로 정의되어 출력된다(S2).

이때, 상기 검사블럭(30)에서 Duty Limit으로 정의되는 것을 도 5를 참조하여 살펴보면, PWM Duty가 검사블럭(30)으로 전송되고(S21), PWM Duty와 레퍼런스값(이하 "Reference Duty"라고 함)과 크기를 비교한다(S22). 이때, Reference Duty는 오퍼레이터에 의해 각 모터의 특성에 맞게 설정된 값이다.

그리고, 상기 비교된 PWM Duty와 Reference Duty 중에서 PWM Duty가 Reference Duty보다 크다면 카운트값을 증가시키고, PWM Duty가 Reference Duty보다 작거나 같다면 카운트값을 감소시킨다(S23). 이때, 상기 카운트값의 증감되는 값은 단위값일 수 있다.

증감된 카운트값은 상기 증감된 카운트값을 변수로 하는 소정의 함수를 통해 PWM Duty는 Duty Limit으로 정의된다(S24). 이때, 상기 소정의 함수는 Duty Limit과 카운트값이 반비례할 수 있도록 정의된 함수이다.

정의된 Duty Limit은 제 2새츄레이션 블럭(31)로 전송된다(S25). 한편, 상술했던 바처럼 제 2새츄레이션 블럭(31)은 입력받는 값이 3개이고, 출력되는 값은 1개이다. 상기 입력받는 값은 Input Data로 Duty Limit을 입력받고, 최고출력값(이하 "Maximum Data"라고 함)은 100%를 입력받으며, 최저출력값(이하 "Minimum Data"라고 함)은 0%을 입력받는다.

따라서, 일반적인 새츄레이션 블럭이 Input Data > Maximum Data 이면 출력되는 값은 Maximum Data가 되고, Minimum Data < Input Data < Maximum Data 이면 출력되는 값은 Input Data가 되고, Input Data < Minimum Data 이면 출력되는 값은 Minimum Data가 되는 것과 마찬가지로, 제 2새츄레이션 블럭(31)을 통해 출력되는 값은 Duty Limit > 100% 이면 출력되는 값은 100%가 되고, 0% < Duty Limit < 100% 이면 출력되는 값은 Duty Limit이 되고, Duty Limit < 0% 이면 출력되는 값은 0%가 된다.

상술된 바와 같은 과정을 거쳐 제 2새츄레이션 블럭(31)을 통해 출력된 Duty Limit은 제 1새츄레이션 블럭(20)으로 전송된다(S3).(도 4 참조)

제 1 새츄레이션 블럭(20)은 검사블럭(30)으로부터 전송된 Duty Limit과 기전송된 PWM Duty를 비교하게 된다(S4). 이때, 상술된 제 2새츄레이션 블럭과 마찬가지로 입력받는 값이 3개이고, 출력되는 값은 1개이다. 상기 입력받는 값은 Input Data로 PWM Duty를 입력받고, Maximum Data로 검사블럭(30)에서 출력된 Duty Limit을 입력받으며, Minimum Data는 0%를 입력받는다.

제 1새츄레이션 블럭(20)에서의 출력되는 값은 PWM Duty > Duty Limit 이면 출력되는 값은 Duty Limit이 되고, 0 < PWM Duty < Duty Limit 이면 출력되는 값은 PWM Duty가 되고, PWM Duty < 0 이면 출력되는 값은 0이 된다.

이와 같이 비교판단되어 출력되는 값은 H-bridge회로(40)로 전송되고(S5), H-bridge회로(40)를 통해를 통해 DC모터(50)를 회전시키게 되고, DC모터(50)의 회전에 의해 DC모터(50)의 변화된 위치정보는 퍼텐셜미터(60)에 의해 PID제어기로 피 드백되어 새로운 PWM Duty를 생성하게 된다.

상술된 알고리즘을 통한 모터의 제어상태를 설명한다.

만약 DC모터의 지령위치정보 및 현재위치정보를 입력받아 PID제어기로부터 출력된 PWM Duty가 100이고, 모터의 환경에 맞게 설정된 값인 Reference Duty가 80이라면, PWM Duty가 Reference Duty보다 큰 경우이므로 카운트값을 단위값만큼 증가시키게 된다.

증가된 카운트값에 따라 소정의 함수에 의해 정의되는 Duty Limit은 카운트값과 반비례하므로 PWM Duty보다 작아져 PWM Duty의 상한값인 Duty Limit을 80으로 낮출 수 있다. 제 2새츄레이션(31)은 80으로 낮춰진 Duty Limit을 제 1새츄레이션(20)으로 전송하고, 제 1새츄레이션(20)은 전송받은 80인 Duty Limit과 최초 PWM Duty인 100을 비교판단하여 80인 Duty Limit을 H-bridge로 출력한다.

H-bridge로 출력된 80만큼으로 모터를 회전시키게 되고, 모터의 변화된 위치정보는 퍼텐셜미터(60)가 측정한 후, PID제어기(10)로 피드백시키게 된다.

이와 같은 방법으로, 모터에 과부하가 걸리게 되면 H-bridge로 출력되는 Duty Limit을 조절함으로써 시스템이 과부하에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 별도의 센서를 포함하지 않고도 모터에 걸리는 부하에 따른 모터구동을 제어할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구 범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 변형할 수 있는 범위까지 본 발명의 청구 범위 내에 있다는 것이 이해될 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 DC모터 구동 제어방법은 PID제어기의 PWM Duty를 검사하여 외부 부하에 대해 출력값이 조절될 수 있는 효과가 있다.

또한, 외부 부하에 대해 출력값이 조정될 수 있음으로 인해 내부 모터 및 기어의 파손을 방지하는 장점이 있다.

또한, 외부 부하에 대해 출력값이 조정될 수 있음으로써, 제품에 대한 내구성 및 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, DC모터를 제어함에 있어 센서 없이도 출력값이 조정될 수 있는 제어방법을 제공하여 제조비용을 절감하는 장점이 있다.

Claims (6)

1. 지령위치정보와 현재위치정보를 입력받아, PID제어기를 통하여 토크지령값을 출력하고, 상기 출력된 토크지령값이 브릿지회로를 통해 DC모터에 전류를 흘려주게 되어 상기 DC모터 및 기어가 회전하게 되고, 상기 DC모터의 위치정보를 포텐셜미터가 상기 PID제어기로 피드백하여 상기 PID제어기는 변화된 위치정보를 받아 새로운 토크지령값을 출력하는 DC 모터 구동 제어방법에 있어서,

   PID제어기로부터 출력된 토크지령값을 제 1새츄레이션 블럭 및 검사블럭으로 전송하는 토크지령값 전송단계;

   검사블럭으로 전송된 토크지령값이 검사블럭을 통해 토크지령값의 상한값으로 정의되어 출력되는 상한값 출력단계;

   상기 상한값 출력단계에서 출력된 토크지령값의 상한값이 제 1새츄레이션으로 전송되고, 상기 상한값을 전송받은 제 1새츄레이션이 최초 상기 PID제어기로부터 전송받은 토크지령값과 비교판단하는 비교판단단계; 및

   제 1 새츄레이션이 비교판단하여 해당되는 값을 브릿지회로로 출력하는 비교판단값 출력단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC모터 구동 제어방법
2. 제 1항에 있어서,

   상기 검사블럭은,

   상기 PID제어기로부터 출력되어 전송된 상기 토크지령값을 레퍼런스값과 비 교하는 레퍼런스 비교단계;

   상기 토크지령값이 상기 레퍼런스값보다 크면 카운트값을 증가시키고, 상기 토크지령값이 상기 레퍼런스값보다 작으면 카운트값을 감소시키는 카운트 증감단계;

   상기 카운트 증감단계에서 변동된 카운트값이 입력되고, 입력된 카운트값에 따라 토크지령값의 상한값을 정의하는 상한값 정의단계; 및

   정의된 토크지령값의 상한값을 제 2새츄레이션 블럭으로 전송하고, 상기 토크지령값의 상한값을 전송받은 제 2새츄레이션 블럭이 상기 상한값을 모터장치의 물리적인 제한에 맞게 설정한 뒤 제 1새츄레이션 블럭으로 설정된 상한값을 전송하는 설정값 전송단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 DC모터 구동 제어방법
3. 제 2항에 있어서,

   상기 상한값 정의단계에서의 토크지령값의 상한값은 입력되는 카운트값과 반비례하는 것을 특징으로 하는 DC모터 구동 제어방법
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제 2새츄레이션 블럭에 입력되는 입력값 중 최고출력값은 100%이고, 최저출력값은 0%인 것을 특징으로 하는 DC모터 구동 제어방법
5. 제 4항에 있어서,

   상기 카운트 증감단계에서의 증가 및 감소되는 카운트값은 단위값인 것을 특징으로 하는 DC모터 구동 제어방법
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 레퍼런스값은 오퍼레이터에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 DC모터 구동 제어방법

Images