KR100933969B1

KR100933969B1 - 모션 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100933969B1
Application number: KR1020070117083A
Authority: KR
Inventors: 전세웅; 윤준영; 이종배; 박창우; 김봉석
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-12-28
Also published as: KR20090050568A

Abstract

본 발명은 모션 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 모터가 이동시키고자하는 각 축에 대한 모션 데이터를 분석하여 모션 데이터에서 각 축에 대한 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간을 설정하고, 각 구간에 따른 모터 제어 변수를 등 가속도 운동방정식을 통해 산출하며, 산출한 모터 제어변수를 이용하여 모터를 구동시키기 위한 모션 프로파일을 생성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 별도의 하드웨어를 장착하지 않아도 모터의 연속 동작이 가능하므로 비용 절감 및 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 일정 시간마다 모터의 위치 및 속도 등을 피드백 받지 않아도 되므로 시스템에 걸리는 부하를 줄일 수 있다.

모션 제어, 라이드봇, 모션 데이터, 샘플링 타임, 속도

Description

모션 제어 장치 및 방법{ Apparatus and Method for motion control }

본 발명은 모션 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모션 데이터를 분석하여 구간별로 모터 제어 변수를 산출하고 이를 통해 모터 구동을 위한 모션 프로파일을 생성하는 모션 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치로, 오늘날 전 세계적으로 광범위한 분야에서 사용되고 있는 에너지 변환 수단이다.

모터는 기어나 폴리 등과 같은 각종 기계적인 장치와 결합하여 사용하는 경우, 고유 능력인 회전력 이외에 상하, 전후, 좌우 왕복운동 등을 포함하는 대부분의 3차원 운동이 가능하다.

모터는 또한 다수의 링크를 갖는 정밀한 메커니즘을 구성하여 회전 방향과 회전 속도를 세밀하게 제어할 경우에는 인간의 움직임과 같은 자유로운 운동성을 제공할 수도 있다.

상기 모터의 정밀 위치 및 속도 제어를 위해서는 모션 제어 기술이 필수적인 데, 모션 제어 기술을 통해 모터는 운동 대상 기계를 정확하고 빠르게 움직일 수 있게 된다.

일반적으로, 모션 제어 기술은 하나의 모션 제어 장치가 보간에 관련되는 모든 축들의 연산을 수행하고, 모터를 구동하기 위한 이송 값을 아날로그(Analog) 또는 펄스(Pulse)로 출력하는 장비를 말한다.

즉, 상기 모션 제어 장치의 입력 포트 및 출력 포트에 서보 드라이버가 케이블을 통해 연결되며, 상기 모션 제어 장치는 서보 드라이버로부터 모터의 엔코더 신호를 입력받아 축 이동에 관계되는 연산을 수행하고, 그 결과를 서보 드라이버로 출력하는데, 이러한 동작을 일정 시간 동안 주기적으로 반복 수행한다.

종래의 즉시 시작(Immediately Start) 기능이 있는 모션 제어기는 한번 동작 지령을 서보 드라이버로 전달하여 모터를 구동시킨 후, 모터 구동의 종료 시점 이전에 다음 동작 지령을 전달해야 하는 경우, 모터의 현재 위치 및 속도 등을 감안하여 속도 및 가속도 등을 재설정한 후 다음 동작 지령을 전달하여 모터를 구동시킨다.

그러나, 즉시 시작(Immediately Start) 기능이 없는 모션 제어기는 한번 동작 지령을 서보 드라이버로 전달하여 모터를 구동시킨 후에는 모터의 구동이 종료하기 전까지 어떤 동작 지령도 전달할 수 없다.

이러한 모션 제어기로 모터의 연속 동작을 구현하려면, 모터 구동의 종료 시점을 알아야 하며, 그러기 위해서는 짧은 시간 단위로 모터로부터 위치 및 속도에 관한 데이터를 피드백 받아야하며 이는 시스템에 많은 부하를 안겨주게 된다.

즉시 시작(Immediately Start) 기능이 있는 모션 제어기를 사용하면 모터를 제어하기에는 편리하지만 별도의 하드웨어를 추가하거나, 모션 제어기를 제어하는 프로그램인 펌웨어에 즉시 시작(Immediately Start) 기능을 추가하여야 하기 때문에 제작 비용이 많이 들게 된다.

따라서, 일반 모션 제어기에서도 별도의 하드웨어를 추가하지 않고 모터를 연속 동작시키기 위한 방안이 필요하다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 모션 제어 장치의 바람직한 실시예는 모터가 이동시키고자하는 각 축에 대한 모션 데이터를 저장하는 메모리와, 상기 모션 데이터를 이용하여 모션 데이터에서 상기 각 축에 대한 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간을 설정하고, 각 구간에 따른 모터 제어 변수를 산출하는 모터 제어변수 산출부와, 상기 모터 제어 변수를 이용하여 상기 모터를 구동시키기 위한 모션 프로파일을 생성하는 모션 프로파일 생성부와, 상기 메모리에서 모션 데이터를 추출하여 상기 모터 제어변수 산출부로 전달하고, 상기 모터 제어변수 산출부가 상기 모터 제어 변수를 산출하도록 제어하며, 상기 모션 프로파일 생성부를 제어하여 상기 모션 프로파일을 생성하도록 하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 모션 제어 방법의 바람직한 실시예는, 제어부가 모터가 이동시키고자하는 각 축에 대한 모션 데이터를 메모리에서 추출하여 모터 제어변수 산출부로 전달하는 단계와, 상기 모터 제어변수 산출부가 상기 모션 데이터를 이용하여 모션 데이터에서 상기 각 축에 대한 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간을 설정하고, 각 구간들의 모터 제어변수를 산출하는 단계와, 상기 제어부가 상기 모터 제어변수를 모터 프로파일 생성부로 전달하면, 상기 모터 프로파일 생성부가 상기 모터 제어변수를 이용하여 모터를 구동시키기 위한 모션 프로파일을 생성하여 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 모션 데이터의 분석을 통해 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간을 설정하고, 각 구간에 따라 모션 제어변수를 산출하여 모터를 구동시킴으로써, 모터의 위치 및 속도를 피드백 받지 않아도 모터를 연속적으로 동작시킬 수 있다.

그리고, 이러한 기능을 구현하기 위하여 별도의 하드웨어를 장착하지 않아도 되기 때문에 비용을 절감할 수 있고, 모션 제어 장치의 크기를 줄일 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 모션 제어 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술 되는 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.

도 1은 본 발명의 모션 제어 장치의 실시예를 나타낸 블록도이다. 여기서는, 3축을 가진 라이드봇(Ridebot)을 예로 들어 설명하기로 한다.

이에 도시된 바와 같이, 모션 제어 장치(100)는 메모리(110), 모터 제어변수 산출부(120), 모션 프로파일 생성부(130), 및 제어부(140)를 포함하여 이루어진다.

상기 메모리(110)는 모터(300)의 구동을 위한 모션 데이터(Motion Data)를 저장하는데, 상기 메모리(110)에는 라이드봇의 각 축에 따른 모션 데이터가 각각 저장된다.

상기 모션 데이터는 일정 주기의 샘플링 시간(Sampling Time) 단위로 라이드봇의 각 축에 대한 위치 정보가 기록되어 있다. 표 1은 라이드봇의 제1 축에 대한 모션 데이터의 실시예를 나타낸 것이다.

index	position
0	88000.000000
1	92438.579958
2	96831.520569
3	101136.877950
4	105311.190417
5	109313.888974
6	113104.796507
7	116645.702923
8	119902.541922
9	122844.755813
10	125442.878253
11	127672.286344
12	129511.925683
13	130944.991663
14	131958.234175
15	132545.356113
16	132701.872508
17	132428.065956
18	131728.326871
19	130615.061947
20	129099.036146
21	127200.020676
22	124940.720765
23	122345.279520
24	119444.260843
25	116268.946224
26	112855.191758
27	109238.993020
28	105462.416090
29	101564.160272
30	97587.659363
31	93575.276351
32	89570.392399
33	85616.151644
34	81753.093164
35	78023.568469
36	74466.609591
37	71118.475896
38	68014.585020
39	65187.239740
40	62664.034511
41	60472.105153
42	58632.386026
43	57161.032637
44	56073.716584
45	55379.886364
46	55084.371527
47	55186.381079
48	55684.967832
49	56569.240490
50	57828.315456
51	59445.895587
52	61401.169365
53	63670.324357
54	66226.696737
55	69037.582850
56	72071.900529
57	75290.986466
58	78658.635952
59	82134.631782
60	88000.000000

표 1은 각 샘플링 시간에 따른 제1 축의 위치를 나타낸 것이다.

여기서, index는 각 샘플링 시간에 색인을 붙인 것으로 샘플링 시간 간격은 0.05sec로 한다. 이에 따르면 상기 모션 데이터의 한 주기는 3초(0.05×60 = 3)가 된다.

상기 모션 데이터에서는 각 축의 위치를 펄스 단위로 표현하게 되는데, 여기서는 8000 펄스당 축의 위치가 1cm 이동하는 것으로 하였다. 여기서, 펄스 하나는 모터에 연결되어 있는 엔코더의 분해능에 해당된다.

한편, 라이드봇의 경우 3개의 축들의 상하 운동을 통하여 말을 타는 것과 같은 효과를 나타내는데, 이를 위해 각 축들은 원점에서 일정한 높이 이상 높게 위치한 상태에서 구동되어야 한다.

따라서, 상기 모션 데이터에서는 라이드봇의 제1 축의 기준 위치를 88000 펄스로 하였다. 즉, 제1 축의 기준 위치를 원점에서 11cm 높게 설정한 상태에서 구동되도록 하였다.

상기 모터 제어변수 산출부(120)는 상기 메모리(110)에 저장된 모션 데이터를 이용하여 모터를 구동시키는데 필요한 제어변수 예를 들면, 가속 시간, 속도, 감속 시간, 감속도 등을 산출해낸다.

먼저 상기 모터 제어변수 산출부(120)는 상기 모션 데이터에서 각각의 샘플링 타임당 위치의 기울기(Gradient) 부호를 체크하여, 기울기의 부호가 (+)에서 (-)로 변하는 구간과, (-)에서 (+)로 변하는 구간을 각각 추출한다.

표 1을 살펴보면, index 0 ~ index 16 구간까지는 위치 값이 계속 상승하고, index 17 ~ index 46 구간까지는 위치 값이 계속 하강하며, 다시 index 47 ~ index 60 구간까지 위치 값이 계속 상승하여 원래 위치에 이르는 것을 볼 수 있다.

즉, index 0 ~ index 16 구간은 위치 상승 구간이 되고, index 17 ~ index 46 구간은 위치 하강 구간이 되며, 다시 index 47 ~ index 60 구간은 위치 상승 구간이 된다.

다음으로, 모터 제어변수 산출부(120)는 각 구간에서의 총 이동 거리, 가속 시간, 감속 시간, 가속 구간의 속도, 감속 구간의 속도, 가속도 등을 계산한다.

일반적으로, 등 가속도 운동은 도 2에 도시된 바와 같이, 가속 구간, 등속 구간, 감속 구간으로 나눠지지만, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 등속 구간의 시간을 0으로 하고, 가속 구간과 감속 구간의 시간 및 속도 등을 계산한다.

예를 들어, 표 1에서 index 0 ~ index 16 구간을 살펴보면, index 0 ~ index 16 구간의 총 시간은 0.05 × 16 = 0.85sec 이므로, 이 구간에서 가속 시간과 감속 시간은 각각 0.425sec가 된다.

또한, 상기 index 0 ~ index 16 구간에서의 총 이동 거리는 132701.872508 - 88000 = 44701.872508 펄스이므로, 이 구간에서 가속 구간과 감속 구간에서의 이동 거리는 각각 22350.936254 펄스가 된다.

그리고, 상기 index 0 ~ index 16 구간에서의 속도와 가속도는 다음 수학식 1 및 2를 통해 구할 수 있다.

여기서, S는 총 이동 거리를 나타내고, v₀는 모터의 초기 속도를 나타내며, a는 가속도를 나타낸다.

상기 수학식 1에서 모터의 초기 속도는 0이고, 가속 시간 및 가속 구간에서의 이동 거리를 알고 있으므로, 가속 구간에서의 가속도 a를 구할 수 있다. 여기서, 감속 구간에서의 가속도는 가속 구간에서의 가속도에 부호를 달리하면 구할 수 있다.

여기서, v는 모터의 속도를 나타내며, 상기 수학식 1에서 가속도를 알 수 있으므로, 가속 구간 및 감속 구간에서의 속도를 구할 수 있다.

이러한 방법을 통하여, index 17 ~ index 46 구간과 index 47 ~ index 60 구간에서의 총 이동 거리, 가속 시간, 감속 시간, 가속 구간의 속도, 감속 구간의 속도, 가속도 등을 계산한다.

상기 모션 프로파일 생성부(130)는 상기 모터 제어변수 산출부(120)가 산출한 데이터를 이용하여 모터(300)를 구동시키기 위한 모션 프로파일을 생성한 후, 모터 드라이버(200)로 출력한다.

즉, 상기 모션 프로파일 생성부(130)는 모터의 각 축 별로 모션 프로파일을 생성하여 모터 드라이버(200)로 출력하는데, 상기 모션 프로파일에는 각 구간별로 가속 시간, 감속 시간, 가속 구간의 속도, 감속 구간의 속도, 가속도, 각 구간별 간격(Interval) 등의 정보가 포함된다.

예를 들어, 표 1을 통해 상기 모터(300)를 구동시키고자 할 때, 상기 모션 프로파일 생성부(130)는 제어부(140)의 제어에 따라 각 구간이 시작하는 시간 예를 들어, index 0, index 17, index 47에 해당하는 시간에 해당 구간의 길이(즉, 총 시간), 해당 구간에서 제1 축의 처음 위치 및 마지막 위치, 가속 시간, 감속 시간, 가속 구간의 속도, 감속 구간의 속도, 가속도 및 다음 신호 지령(즉, 다음 구간에 대한 신호 지령)이 있기까지의 시간 등의 정보가 포함된 모션 프로파일을 생성하여 상기 모터 드라이버(200)로 출력한다.

상기 제어부(140)는 각 구성 요소를 제어한다. 즉, 제어부(140)는 메모리(110)에서 모션 데이터를 추출하여 모터 제어변수 산출부(120)로 전달하고, 상기 모터 제어변수 산출부(120)가 모터를 구동시키는데 필요한 각 제어변수를 산출하도록 하며, 상기 모터 제어변수 산출부(120)가 산출한 제어변수를 모션 프로파일 생성부(130)로 전달하여 각 축에 대한 모션 프로파일을 생성하도록 한다.

본 발명에 의하면, 모션 데이터의 분석을 통해 각 구간에 따라 모션 제어변수를 산출하여 모터를 구동시킴으로써, 모터의 위치 및 속도를 피드백 받지 않아도 모터를 연속적으로 동작시킬 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 3축을 가진 라이드봇의 구동 시뮬레이션을 나타낸 도면이다. 이에 도시된 바와 같이, 라이드봇의 초기 상태(도 4a)에서, 라이드봇이 상하 운동을 할 수 있도록, 각 축을 기준점의 위치로 이동시킨다(도 4b).

다음으로, 모션 프로파일을 이용하여 라이드봇의 각 축을 상하로 이동시킨다(도 4c). 여기서, 모터를 구동시키는데 필요한 제어변수들로 속도, 가속 시간, 감속 시간, 각 축의 처음 위치 및 마지막 위치 등이 나타나 있다.

도 5는 본 발명의 모션 제어 방법의 실시예를 나타낸 순서도이다.

이에 도시된 바와 같이, 먼저 제어부(140)가 메모리(110)에서 3축 라이드봇에 대한 모션 데이터를 추출하여 모터 제어변수 산출부(120)로 전달한다(S 100).

상기 모션 데이터에는 일정 주기의 샘플링 시간(Sampling Time) 단위로 라이드봇의 각 축에 대한 위치 정보가 기록되어 있다.

다음으로, 상기 모터 제어변수 산출부(120)가 상기 모션 데이터에서 각 축의 위치 기울기를 체크하여, 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간 등의 각 구간을 설정 한다(S 110).

즉, 각 축의 위치 기울기의 부호가 (+)에서 (-)로 변하는 구간과, (-)에서 (+)로 변하는 구간을 체크하여, 모션 데이터에서 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간 등의 각 구간을 설정한다.

이어서, 상기 모터 제어변수 산출부(120)가 각 구간에서 모터 제어변수를 산출해낸다(S 120).

여기서, 각 구간의 모터 제어변수로는 총 이동 거리, 가속 시간, 감속 시간, 가속 구간의 속도, 감속 구간의 속도, 가속도 등이 있다.

연이어, 제어부(140)가 상기 모터 제어변수를 모션 프로파일 생성부(130)로 전달하고, 상기 모션 프로파일 생성부(130)가 상기 모터 제어변수를 이용하여 각 축에 대한 모션 프로파일을 생성한 후(S 130), 모터 드라이버(200)로 출력하여 모터(300)를 구동하도록 한다(S 140).

즉, 모션 프로파일 생성부(130)는 상기 모터 제어변수를 이용하여 펄스 열 형태의 신호인 모션 프로파일을 생성하여 모터 드라이버(200)로 출력하며, 이를 통해 모터 드라이버(200)가 모터(300)를 구동시킨다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 모션 제어 장치의 실시예를 나타낸 블록도.

도 2는 일반적인 등 가속도 운동을 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 등 가속도 운동을 나타낸 그래프.

도 4a 내지 도 4c는 3축을 가진 라이드봇의 구동 시뮬레이션을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 모션 제어 방법의 실시예를 나타낸 순서도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 모션 제어 장치 110 : 메모리

120 : 모터 제어변수 산출부 130 : 모션 프로파일 생성부

140 : 제어부

Claims

삭제
삭제
삭제
제어부가 모터가 이동시키고자하는 각 축에 대한 모션 데이터를 메모리에서 추출하여 모터 제어변수 산출부로 전달하는 단계;

상기 모터 제어변수 산출부가 상기 모션 데이터를 이용하여 모션 데이터에서 상기 각 축에 대한 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간을 설정하고, 각 구간들의 모터 제어변수를 산출하는 단계; 및

상기 제어부가 상기 모터 제어변수를 모터 프로파일 생성부로 전달하면, 상기 모터 프로파일 생성부가 상기 모터 제어변수를 이용하여 모터를 구동시키기 위한 모션 프로파일을 생성하여 출력하는 단계를 포함하고,

상기 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간을 설정하는 것은;

상기 모션 데이터에 포함된 상기 각 축의 위치들의 기울기를 체크하여, 상기 기울기의 부호가 (+)에서 (-)로 변하는 순간까지를 위치 상승 구간으로 설정하고, 상기 기울기의 부호가 (-)에서 (+)로 변하는 순간까지를 위치 하강 구간으로 설정하는 것을 특징으로 하는 모션 제어 방법.
제어부가 모터가 이동시키고자하는 각 축에 대한 모션 데이터를 메모리에서 추출하여 모터 제어변수 산출부로 전달하는 단계;

상기 모터 제어변수 산출부가 상기 모션 데이터를 이용하여 모션 데이터에서 상기 각 축에 대한 위치 상승 구간 및 위치 하강 구간을 설정하고, 각 구간들의 모터 제어변수를 산출하는 단계; 및

상기 제어부가 상기 모터 제어변수를 모터 프로파일 생성부로 전달하면, 상기 모터 프로파일 생성부가 상기 모터 제어변수를 이용하여 모터를 구동시키기 위한 모션 프로파일을 생성하여 출력하는 단계를 포함하고,

상기 모터 제어변수를 산출하는 단계는,

상기 각 구간의 시간을 통해 각 구간에서 감속 시간과 가속 시간을 산출하는 단계;

상기 각 구간에서의 축의 총 이동 거리 및 상기 산출한 감속 시간과 가속 시간을 통해 각 구간에서의 가속도를 산출하는 단계; 및

상기 축의 총 이동 거리 및 상기 산출한 가속도를 통해 감속 속도 및 가속 속도를 산출하는 단계를 포함하여 이루어지는 모션 제어 방법.