KR101053205B1 - 백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치 - Google Patents

백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101053205B1
KR101053205B1 KR1020090075341A KR20090075341A KR101053205B1 KR 101053205 B1 KR101053205 B1 KR 101053205B1 KR 1020090075341 A KR1020090075341 A KR 1020090075341A KR 20090075341 A KR20090075341 A KR 20090075341A KR 101053205 B1 KR101053205 B1 KR 101053205B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
unit
backlash
signal
disturbance
torque
Prior art date
Application number
KR1020090075341A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110017725A (ko
Inventor
허욱열
Original Assignee
인하대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인하대학교 산학협력단 filed Critical 인하대학교 산학협력단
Priority to KR1020090075341A priority Critical patent/KR101053205B1/ko
Publication of KR20110017725A publication Critical patent/KR20110017725A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101053205B1 publication Critical patent/KR101053205B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q5/00—Driving or feeding mechanisms; Control arrangements therefor
    • B23Q5/54—Arrangements or details not restricted to group B23Q5/02 or group B23Q5/22 respectively, e.g. control handles
    • B23Q5/56—Preventing backlash
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/17—Toothed wheels
    • F16H55/18—Special devices for taking up backlash
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/12—Arrangements for adjusting or for taking-up backlash not provided for elsewhere
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/404—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control arrangements for compensation, e.g. for backlash, overshoot, tool offset, tool wear, temperature, machine construction errors, load, inertia
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D3/00—Control of position or direction
    • G05D3/12—Control of position or direction using feedback
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q2705/00—Driving working spindles or feeding members carrying tools or work
    • B23Q2705/10—Feeding members carrying tools or work
    • B23Q2705/14—Electric drives
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/12—Arrangements for adjusting or for taking-up backlash not provided for elsewhere
    • F16H2057/123—Arrangements for adjusting or for taking-up backlash not provided for elsewhere using electric control means

Abstract

백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 모터 제어 장치는, 기어와 부하 간에 발생하는 백래쉬를 외란 신호로 모델링하고 모델링된 백래쉬에 대한 외란 신호를 제공하는 백래쉬부, 외부로부터 기준 전압을 제공받아 각 변위를 출력하는 모터부, 모터부에서 출력된 각 변위를 제공받아 소정의 기어비로 처리하여 출력 신호를 생성하는 기어비, 기준 전압과 기어비의 출력 신호를 비교하여 백래쉬에 대한 관측 신호를 제공하는 외란 관측기 및 외란 관측기를 통해 관측된 관측 신호를 피드백시켜 기준 전압을 조정하도록 하는 피드백 라인을 포함한다.
모터, 백래쉬, 외란 신호, 외란 관측기

Description

백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치{Motor controlling apparatus for compensating backlash}
본 발명은 백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기어에서 나타나는 비선형 요소인 백래쉬를 외부 외란으로 정의하고 외란을 관측하여 보상하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.
최근에 로봇 산업이 발전함에 따라, 종래의 기계자동화를 위한 로봇 등 단순한 동작을 반복하는 로봇보다 더욱 활동적이고 세밀한 동작을 할 수 있는 로봇 등을 개발되기에 이르렀다. 예컨데, 인간의 형태로 형성되어 인간의 동작을 따라할 수 있는 로봇인 '휴머노이드 로봇'등이 그 일 예라 할 수 있다. 이에, 로봇이 세밀한 동작을 하기 위해서는 기어를 통하여 동력을 제공하는 모터와 기계적인 장치로 구성된 각 관절과 이러한 기계장치를 정밀하게 제어하기 위해 모터의 동력발생량을 제어하는 제어부가 필수적으로 마련되어야 한다.
여기서, 이론적으로는 제어부에 제어를 받은 모터는 요구되는 동력을 발생하여 로봇이 요구되는 동작을 하도록 하는 것이 이상적이라 할 것이나, 동력의 전달 과정에서 기구적인 요인, 외부 요인 등에 의해 로봇의 세밀한 동작을 방해하는 요소가 발생하였다. 대부분 이러한 요소들은 비선형적 특성을 지니며, 기어 사이에 존재하는 대표적인 비선형 요소는 백래쉬(Backlash)가 있다. 백래쉬는 시스템의 궤적 추종 오차 및 진동을 유발시키는 것으로, 로봇의 정확도 및 안정도를 저하시킨다.
한편, 백래쉬와 같은 비선형 요소를 보상하기 위한 방안으로, 다양한 알고리즘이 제시되었으나, 고전 제어 알고리즘에 따른 비선형 요소의 보상 방법은 제어 시스템의 파라미터 변화 및 모델링 오차로 인해 정확한 제어가 어려우며, 현대의 제어 알고리즘은 복잡성으로 인해 실제 시스템에 적용하기가 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 백래쉬의 다른 보상 방안으로, 플랜트의 공칭 모델과 그 역모델을 이용한 외란 관측기가 제안되었다. 하지만 종래의 외란 관측기를 설계하는데 있어서, 대상 모터의 내부 궤환 루프에 의해 역모델을 실현하는 것의 어려움과 비선형 요소인 비선형 요소인 백래쉬가 제어 시스템에 미치는 영향을 파악하기 어려워 백래쉬에 따른 외란을 보상하는데 한계가 있었다.
그리고, 종래에는 모터 제어 시스템은 기준 입력으로 전류를 인가하는 토크 제어를 주로 하고 있으나, 이는 모터 구동을 위해 필요한 적정 전류를 제공하기 위해 작업자가 별도의 전류 센서를 이용하여 전류를 조절해주어야 하는 번거로움이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 비선형성 요소인 백래쉬를 외부에서 가해지는 외란 신호로 모델링하고, 이를 외란 관측자를 이용하여 보상함으로써 모터를 정확하게 구동할 수 있는 모터 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 외부에서 제공되는 기준 전압을 이용하여 제어함으로써 전류 센서 없이 모터 구동을 위해 필요한 적정 전류를 공급하여 모터의 위치를 제어할 수 있는 모터 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 외란 관측기의 연산 과정을 간략화함으로써 마이크로 프로세서를 통해 실시간 연산 처리할 수 있는 모터 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 장치는, 기어와 부하 간에 발생하는 백래쉬를 외란 신호로 모델링하고, 모델링된 백래쉬에 대한 외란 신호를 제공하는 백래쉬부, 외부로부터 기준 전압을 제공받아 각 변위를 출력하는 모터부, 상기 모터부에서 출력된 상기 각 변위를 제공받아 소정의 기어비로 처리하여 출력 신호를 생성하는 기어비, 상기 기준 전압과 상기 기어비의 출력 신호를 비교하여 백래쉬에 대한 관측 신호를 제공하는 외란 관측기 및 상기 외란 관측기를 통해 관측된 관측 신호를 피드백시켜 상기 기준 전압을 조정하 도록 하는 피드백 라인을 포함한다.
또한, 상기 모터부는 상기 기준 전압을 전류로 변환하는 전류 변환부, 상기 변환된 전류에 비례하는 토크를 출력하는 토크부, 상기 토크부를 통해 출력되는 토크에서 상기 백래쉬부로부터 제공되는 상기 외란 신호를 감산하여 토크 수정값을 출력하는 제1 감산기, 상기 제1 감산기를 통해 출력되는 토크 수정값에 의해 구동되어 각속도로 회전하는 회전부, 상기 회전부의 각속도를 적분하여 상기 각 변위를 출력하는 적분기, 상기 회전부의 각속도에 역기전력 상수를 인가하여 역기전력 전압을 출력하는 역기전력부 및 상기 기준 전압에서 상기 역기전력 전압을 감산하여 감산 결과값을 상기 전류 변환부에 제공하는 제2 감산기를 포함할 수 있다.
본 모터 제어 장치에서 상기 외란 관측기는 상기 기준 전압을 제공받아 상기 기준 전압에서 외란 신호를 검출하는 플랜트 모델링부, 상기 기어비로부터 출력되는 출력 신호에서 고주파 성분을 제거하고 외란 성분을 검출하는 필터링 플랜트 역모델링부 및 상기 플랜트 모델링부에서 제공되는 외란 신호에서, 상기 필터링 플랜트 역모델부에서 제공되는 외란 성분을 감산하여 상기 백래쉬에 대한 관측 신호를 출력하는 감산기를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 외란 신호는 상기 모델링된 백래쉬에 따라 상기 기어에서 상기 부하로 전달되는 토크 신호인 것이 바람직하다.
한편, 상기 플랜트 모델링부는 상기 전류 변환부, 상기 토크부, 상기 제2 감 산기 및 상기 역기전력부로 구성된 플랜트의 전달함수의 형태로, 아래의 수학식으로 모델링될 수 있다.
Figure 112009049826440-pat00001
여기서 c1, c2, …, cq 및 d1, d2, …, dp는 상기 전류 변환부, 상기 토크부, 상기 역기전력부 및 상기 제2 감산기에 대한 파라미터 입력값이며, p 및 q는 3~5 범위의 수이다.
또한, 상기 필터링 플랜트 역모델링부는 상기 회전부, 상기 적분기, 상기 기어비, 상기 백래쉬부 및 상기 부하로 구성된 플랜트의 전달함수에서 분모와 분자의 위치를 바꾸어 역모델링한 것으로, 아래의 수학식으로 모델링될 수 있다.
Figure 112009049826440-pat00002
여기서 c1, c2, …, cq 및 d1, d2, …, dp는 상기 회전부, 상기 적분기, 상기 기어비, 상기 백래쉬부 및 상기 부하에 대한 파라미터 입력값이며, p 및 q는 3~5 범위의 수이다.
본 발명에 따르면, 모터 구동시 기어와 부하 간에 발생하는 백래쉬를 모델링 하고 그에 따른 외란 신호를 생성하여 외부 외란으로 적용함으로써, 비선형 요소인 백래쉬를 보상할 수 있게 된다.
또한, 외란 관측기를 통해 모터 제어 장치에서 발생하는 외란을 관측하고 보상해줌으로써 모터의 구동을 보다 정확하게 제어할 수 있게 된다. 그리고, 외란 관측기의 연산 과정을 간략화하여 마이크로 프로세서를 통해 연산 가능한 형태로 구현할 수 있게 된다.
또한, 모터 구동을 위한 기준 입력을 전압 형태로 제공하고, 이를 전류로 변환해줌으로써 적정 전류를 모터에 구동할 수 있게 되며, 별도의 전류 센싱 작업이 필요없게 되어 작업자의 편의성이 향상된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 장치를 나타내는 블럭도이다. 도 1에 도시된 모터 제어 장치(100)는 비교기(101), 모터부(110), 기어비(105), 백래쉬부(120), 감산기(107), 부하(130) 및 외란 관측기(140)를 포함한다.
모터부(110)는 외부로부터 기준 전압(R)을 제공받아, 그 기준 전압(R)을 처리하여 모터 회전에 따른 각 변위를 출력한다. 기어비(105)는 모터부(110)를 통해 전달되는 각 변위를 소정의 기어비로 처리하여 그에 따른 출력 신호를 생성하며, 그 출력 신호를 통해 기어(미도시)를 구동시킨다. 이 경우, 모터부(110)는 일반적으로 DC 모터일 수 있으며, AC 모터가 이용될 수도 있다.
백래쉬부(120)는 모터 회전에 따라 기어가 구동하는 동안 기어와 부하(130) 간의 백래쉬에 따른 외란 신호(d)를 산출한다. 이를 위해, 기어와 부하(130) 간의 백래쉬를 외부에서 가해지는 외란 신호로 모델링하고, 모델링된 백래쉬에 따른 토크 신호를 산출한다. 이 경우, 토크 신호는 모델링된 백래쉬를 거쳐 기어에서 부하(130)로 전달되는 토크를 의미한다. 또한, 백래쉬부(120)는 상기의 토크 신호를 외부에서 인가되는 외란 신호(d)로써 모터부(110)에 전달한다.
백래쉬부(120)는 외란 신호(d)를 부하(130)에 전달하여 부하(130)를 구동시킨다. 이 과정을 통해, 부하(130)에서 출력되는 출력 신호(y)는 외부로 출력됨과 동시에 감산기(107)에 전달되어 백래쉬부(120)로 다시 피드백될 수 있다. 이는, 부하(130) 구동시 발생하는 외란을 측정하기 위한 것이다.
외란 관측기(140)는 기준 전압(R) 및 모터부(110)에 후속하여 연결된 기어비(105)의 출력 신호를 수신한다. 그리고, 기준 전압(R)과 기어비(105)의 출력 신호를 비교하여 모터 제어 장치(100)에서 발생하는 외란(특히, 백래쉬로 인해 발생하는 외란)을 관측하고, 그 관측 결과를 관측 신호로 출력한다.
이 관측 신호는 외란 관측기(140)와 연결된 피드백 라인(150)을 통해 비교 기(101)로 입력된다. 이에 따라, 외부로부터 제공되는 기준 입력(R)에서 관측 신호가 감산되어 모터부(110)에 전달됨으로써, 모터 제어 장치(100)에서 발생하는 외란을 보상해줄 수 있게 된다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 모터 제어 장치에서 백래쉬 모델링에 따른 토크 신호 생성 방법을 나타내는 도면이다. 도 2a는 기어(1)와 부하(2) 사이에 존재하는 백래쉬를 모델링하는 방법을 나타내는 도면이며, 도 2b는 모델링된 백래쉬에 따른 기어와 부하 사이의 토크를 그래프화한 도면이다.
백래쉬(bl)란 기어(1)와 부하(2) 사이에 존재하는 공극에 의한 놀음으로, 이러한 백래쉬(bl)는 모터에서 발생된 토크가 기어(1)를 통해 부하(2)로 전달되는지 여부에 따라 데드존(dead zone) 모델로 설명될 수 있다.
도 2a에 도시된 것과 같이, 비선형 비틀림 스프링으로 기어(1)를 모델링하고, 비선형 비틀림 스프링에 대한 축의 강성(k)을 통해 부하(2)로 토크가 전달되는 구조를 갖는다. 이 같은 구조에서 기어(1)와 부하(2) 사이의 상대 변위와 백래쉬(bl) 크기에 따라 기어(1)에서 부하(2)로의 토크 전달 여부가 결정될 수 있다.
또한, 부하(2)로 전달되는 토크는 기어(1)가 부하(2)에 접촉되었는지 여부에 따라 다른 값을 가지게 된다. 구체적으로, 기어(1)와 부하(2)가 서로 떨어져 있을 때, 즉, 도 2a에 도시된 것과 같은 상태일 때는, 부하(2)로 전달되는 토크는 0이 된다. 이는, 기어(1)와 부하(2) 간의 상대 변위가 백래쉬(bl)보다 작은 경우에, 기어(1)가 백래쉬(bl)보다 작은 구간을 이동하게 되므로 부하(2)로 전달되는 토크는 0이 된다.
반면, 기어(1)와 부하(2)가 접촉하여 일 방향으로 이동할 때는, 소정의 값을 갖는 토크가 부하(2)로 전달된다. 이는, 기어(1)과 부하(2) 간의 상대 변위가 백래쉬(bl) 크기보다 큰 경우에, 기어(1)가 백래쉬(bl)보다 큰 구간을 이동하게 되므로, 부하(2)로 특정값을 갖는 토크가 전달된다.
기어(1)를 통해 부하(2)로 전달되는 토크는 다음과 같은 수학식 1 내지 3을 통해 얻어질 수 있다.
Figure 112009049826440-pat00003
Figure 112009049826440-pat00004
Figure 112009049826440-pat00005
수학식 1 내지 3에서, TL은 기어(1)를 통해 부하(2)로 전달되는 토크, θm은 모터의 회전각도, θL은 부하(2)의 회전각도, θG는 기어(1)의 회전각도, β는 기어(1)와 부하(2) 간의 상대 변위, N은 기어비, bl은 백래쉬이며, k는 축의 강성 계수를 나타낸다.
도 2a에 도시된 방법을 통해 백래쉬를 모델링하고, 모델링된 백래쉬를 수학식 1 내지 3에 적용하여 도 2b에 도시된 것과 같은 그래프를 얻을 수 있다. 도 2b는 백래쉬(bl)에 따라 부하(2)에 전달되는 토크(TL)를 그래프화 것이다. 이렇게 얻어진 토크(TL) 신호를 도 1에 도시된 것과 같이, 모터부(110)에 제공하게 된다. 이에 따라, 모터부(110)는 토크(TL) 신호를 외부에서 가해지는 외란 신호(d)로 입력받게 된다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 비선형 요소인 백래쉬를 모델링하여 외란 신호를 생성하는 것으로, 결과적으로, 모터부(110)에 비선형 요소를 포함하는 외란 신호를 제공하여, 그에 대한 외란을 보상할 수 있도록 한다.
도 3은 도 1에 도시된 모터 제어 장치의 구성을 구체화한 도면이다. 도 3에 도시된 모터 제어 장치(100')는 도 1에 도시된 모터 제어 장치(100)와 동일한 것으로, 모터부(110), 백래쉬부(120) 및 외란 관측기(140)의 구성을 구체화한 것이다. 따라서, 모터부(110), 백래쉬부(120) 및 외란 관측기(140)에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
모터부(110)는 제1 감산기(111a), 제2 감산기(111b), 전류 변환부(113), 토크부(115), 회전부(117) 및 역기전력부(119) 및 적분기(103)를 포함한다.
전류 변환부(113)는 모터부(110)에 입력되는 기준 전압(R)을 전류로 변환하는 역할을 한다. 구체적으로, 전류 변환부(113)는 임피던스 1/Ls+R에 대한 전달함수 형태로 표현되어, 기준 전압(R)을 전류로 변환시킨다.
토크부(115)는 전류 변환부(110)를 통해 전달되는 전류에 토크 상수(kt)를 인가하여, 변환된 전류에 비례하는 토크를 출력한다.
한편, 제2 감산기(111b)는 토크부(115)에서 전달되는 토크에서 백래쉬부(120)로부터 제공되는 외란 신호(d)를 감산하여, 그에 대한 토크 수정값을 출력한다.
회전부(117)는 제어 대상을 지칭하는 것으로, 모터가 될 수 있다. 이 회전 부(117)는 제2 감산기(111b)를 통해 출력되는 토크 수정값에 의해 구동되며, 토크 수정값에 대응되는 각속도로 회전하게 된다.
역기전력부(119)는 회전부(117)의 각속도에 역기전력 상수를 인가하여 역기전력 전압을 출력한다. 그리고, 출력된 역기전력 전압을 제1 감산기(111a)에 전달한다.
제1 감산기(111a)는 기준 전압(R)에서 역기전력부(119)로부터 전달받은 역기전력 전압을 감산하여 감산 결과값을 생성한다. 이 경우, 감산 결과값은 백래쉬부(120)에서 제공된 외란 신호에 의해 회전부(117)의 구동에 오차가 발생하는 것을 보상해주기 위한 것으로, 전류 제어부(113)에 제공된다.
한편, 적분기(103)는 모터부(110)의 회전부(117)에 의해 각속도가 출력되면, 이 각속도를 적분하여 각 변위로 변환한다. 그리고, 기어비(105)를 통해 각변위를 소정의 기어비로 처리하여 그에 따른 출력 신호를 생성한다.
백래쉬부(120)는 모터부(110)의 기어비(105)에서 출력되는 출력 신호를 제공받아 외란 신호(d)를 출력한다. 이 때, 외란 신호(d)는 기어(미도시)와 부하(130) 사이의 백래쉬에 의해 발생하는 외란을 의미하는 것으로, 기어에서 부하로 전달되는 토크(TL) 신호가 될 수 있다. 이 경우, DC 제어부(110)의 토크부(115)에서 출력된 토크와 상기의 토크(TL) 신호가 동일하면 백래쉬에 의한 외란이 발생되지 않은 이상적인 상태가 된다. 하지만, 기어와 부하(130) 사이의 백래쉬에 의해 외란이 발생함에 따라, 토크부(115)에서 출력된 토크와 상기의 토크(TL) 신호가 동일하지 않게 된다. 따라서, 백래쉬부(120)는 백래쉬(121)를 모델링하여 외란신호를 생성하고, 백래쉬(121)와 기어의 축의 강성 계수(k)를 고려하여 토크 신호(TL)를 출력한다. 이렇게 출력된 토크(TL) 신호를 모터부(110)의 제2 감산기(111b)에 외부에서 인가되는 외란 신호(d)로 제공한다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 2a 및 도 2b를 통해 제공하였다.
외란 관측기(140)는 플랜트 모델링부(141), 필터링 플랜트 역모델링부(145) 및 제3 감산기(143)를 포함한다.
플랜트 모델링부(141)는 기준 전압(R)을 제공받아 기준 전압에서 외란 신호를 검출한다. 이 경우, 플랜트 모델링부(141)는 제1 감산기(111a), 전류 변환부(113), 토크부(115) 및 역기전력부(119)로 구성된 하나의 플랜트(P1)이다. 따라서, 플랜트 모델링부(141)는 플랜트(P1)에 대한 전달함수로 모델링된다. 구체적으로, 플랜트 모델링부(141)는 제1 감산기(111a)에 대한 전달함수와 전류 변환부(113)에 대한 전달함수, 그리고 토크 상수(Kt) 및 역기전력 상수(Kb)를 더하여 플랜트(a)를 모델링(P1)한 것이다. 이 같이 모델링된 플랜트 모델링부(141)는 기준 전압(R)이 통과하게 되면 외란 신호를 검출한다.
필터링 플랜트 역모델링부(145)는 기어비(105)에서 출력되는 출력 신호에서 고주파 성분을 제거하고 외란 성분을 검출한다. 이 경우, 필터링 플랜트 역모델링부(145)는 저역 통과 필터(미도시)를 포함하는 것으로, 이 저역 통과 필터를 이용하여 기어비(105)에서 출력되는 출력 신호에서 고주파 성분을 제거한다.
한편, 필터링 플랜트 역모델링부(145)는 모터부(110)의 회전부(117), 적분기(103), 기어비(105), 백래쉬(121) 및 부하(130) 및 기어에 대한 축의 강성 계수(k)를 하나의 플랜트(P2)로 보고, 이 플랜트(P2)를 역모델링한 것이다. 구체적으로, 필터링 플랜트 역모델링부(145)는 회전부(117)의 전달함수, 적분기(103)의 전달함수, 기어비(105), 백래쉬(121)에 대한 값, 부하(130)의 전달함수 및 기어에 대한 축의 강성 계수(K)를 더하고, 그 결과값이 전달함수에서 분모와 분자의 위치를 바꾸는 방식으로 플랜트(P2)를 역모델링(P2-1)한 것이다. 저역 통과 필터에 의해 고주파 성분이 제거된 출력 신호는 상술한 바와 같이 역모델링된 필터링 플랜트 역모델링부(145)를 통과하면서 외란 성분이 검출될 수 있게 된다.
제3 감산기(143)는 플랜트 모델링부(141)에서 출력된 외란 성분에서 필터링 플랜트 역모델링부(145)에서 검출된 외란 성분을 감산하여 백래쉬에 대한 관측 신호를 출력한다.
피드백 라인(150)은 외란 관측기(140)의 제3 감산기(143)를 통해 출력되는 백래쉬에 대한 관측 신호를 비교기(101)로 전달하여, 기준 전압(R)을 조정한다. 즉, 모터 제어 장치(100')에 입력되는 기준 전압(R)에서 관측 신호를 감산하여 그 감산 결과값이 모터부(110)에 입력되도록 한다. 이 같은 방법으로 모터 제어 장치(100')에서 발생하는 백래쉬를 관측하고 보상하여 줌으로써, 보다 정확한 동작을 구현하는 모터 제어 장치(100')를 제공할 수 있게 된다.
한편, 플랜트 모델링부(141)는 모터 제어 장치(100')의 초기 동작시(예를 들어, 최초 구동시, 또는 리셋 구동시)에는 모터 제어 장치(100')에 입력되는 기준 전압(R)을 제공받지만, 지속적으로 구동되는 경우에는 비교기(101)를 통해 조정된 기준 전압을 제공받을 수 있게 된다. 즉, 플랜트 모델링부(141)는 모터 제어 장치(100')에 입력되는 기준 전압(R)에서 피드백 라인(150)을 통해 전달되는 관측 신호를 감산하는 방식으로 조정된 기준 전압을 제공받게 된다. 따라서, 플랜트 모델링부(141)는 조정된 기준 전압에서 외란 신호를 검출하게 된다.
도 3에 도시된 외란 관측기(140)에서 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 모델링부(145)는 백래쉬에 따른 외란을 관측하여, 그 관측 신호로 모터 제어 장치(100')의 외란을 양호한 형태로 보상한다. 하지만, 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 모델링부(145)를 실제 장치에 적용하는 경우, 전달함수 형태의 수학식에 파라미터를 대입하게 되면 수학식은 고차항 형태로 이루어지게 된다. 따라서, 수학식을 마이크로 프로세서에서 연산 가능한 형태로 간략화하여 실제 장치에 적용 이 용이하도록 한다.
간략화되지 않은 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 역모델링부(145)각각은 수학식 4와 같이 모델링될 수 있다.
Figure 112009049826440-pat00006
수학식 4가 플랜트 모델링부(141)에 적용되는 경우, a1, a2, …, aq 및 b1, b2, …, bp는 전류 변환부(113), 토크부(115), 역기전력부(119) 및 제1 감산기(111a)에 대한 파라미터 입력값들이다. 즉, 수학식 4가 플랜트 모델링부(141)에 적용되는 경우, 전류 변환부(113), 토크부(115), 역기전력부(119) 및 제1 감산기(111a) 각각의 전달함수를 모두 더하고, 파라미터 입력값을 입력할 수 있다.
또한, 수학식 4가 필터링 플랜트 역모델링부(145)에 적용되는 경우, 회전부(117), 적분기(103), 기어비(105), 백래쉬(121), 부하(130) 및 기어에 대한 축의 강성 계수(k)에 대한 파라미터 입력값이될 수 있다. 또한, 수학식 4에서 l 및 m은 10~20 범위의 수를 갖는다.
예를 들어, 간략화되지 않은 수학식 4로 모델링된 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 역모델링부(145) 각각에 파라미터 입력값을 대입하면, 다음의 수학 식 5 및 6이 될 수 있다.
Figure 112009049826440-pat00007
Figure 112009049826440-pat00008
수학식 4에서 R1은 플랜트 모델링부(141)에 파라미터 값을 대입한 것이며, 수학식 5에서 R2는 필터링 플랜트 역모델링부(145)에 파라미터 값을 대입한 것이다. 이 경우, R1 및 R2를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 고차항 형태로 이루어져 있어 연산 과정이 복잡하다. 따라서, 이 같은 연산 과정을 간략화하기 위해 수학식 4를 인수분해할 수 있다. 구체적으로, 수학식 4를 인수분해하여 값이 유사한 분자, 분모의 항들을 소거하는데, 이 과정에서 수학식 4로 표현되는 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 역모델링부(145)를 간략화하기 전과 후의 전달함수 DC 게인이 동일하도록 유지시키는 것이 필요하다. 이는 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 역모델링부(145)의 전달함수 저주파 특성을 동일하게 유지하기 위한 것이다.
수학식 4의 간략화를 위한 인수분해는 다음의 수학식 7을 통해 이루어질 수 있다.
Figure 112009049826440-pat00009
수학식 7을 이용하여 수학식 4를 인수분해하면, 다음의 수학식 8과 같이 간략화된다. 즉, 본 발명에 따른 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 역모델링부(145)는 수학식 8로 모델링될 수 있다.
Figure 112009049826440-pat00010
수학식 8이 플랜트 모델링부(141)에 적용되는 경우, a1, a2, …, aq 및 b1, b2, …, bp는 전류 변환부(113), 토크부(115), 역기전력부(119) 및 제1 감산기(111a)에 대한 파라미터 입력값들이다. 또한, 수학식 8이 필터링 플랜트 역모델링부(145)에 적용되는 경우, 회전부(117), 적분기(103), 기어비(105), 백래쉬(121), 부하(130) 및 기어에 대한 축의 강성 계수(k)에 대한 파라미터 입력값이될 수 있다. 이러한 파라미터 입력값은 정해진 값이 아니며, 변경될 수 있는 값들이다. 또한, p 및 q는 3~5 범위의 수를 갖는다.
예를 들어, 간략화된 수학식 8로 모델링된 플랜트 모델링부(141) 및 필터링 플랜트 역모델링부(145) 각각에 파라미터 값을 대입하면, 다음의 수학식 9 및 10과 같다.
Figure 112009049826440-pat00011
Figure 112009049826440-pat00012
R1은 플랜트 모델링부(141)에 파라미터 값을 대입한 것이며, R2는 필터링 플랜트 역모델링부(145)에 파라미터 값을 대입한 것으며, 수학식 5 및 6과 비교할 때 보다 간략화된 연산 과정을 갖는다. 이에 따라, 마이크로 프로세서를 통해 연산 처리할 수 있게 되어 실제 장치에 적용하는 것이 용이해진다.
한편, 수학식 5 및 6, 그리고, 수학식 9 및 10에 입력된 파라미터 값들은 모터 제어 장치에 실질적으로 적용되는 것이나, 이는 일 실시 예에 불과한 것으로 이에 한정되지 않으며 각 모터 제어 장치에 따라서 상이한 파라미터 값이 입력될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터 제어 장치를 나타내는 블럭도,
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 모터 제어 장치에서 백래쉬 모델링에 따른 토크 신호 생성 방법을 나타내는 도면,
도 3은 도 1에 도시된 모터 제어 장치의 구성을 구체화한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *
100, 100' : 모터 제어 장치 110 : 모터부
120 : 백래쉬부 130 : 부하
140 : 외란 관측기 150 : 피드백 라인

Claims (6)

  1. 기어와 부하 간에 발생하는 백래쉬를 외란 신호로 모델링하고, 모델링된 백래쉬에 대한 외란 신호를 제공하는 백래쉬부; 외부로부터 기준 전압을 제공받아 각 변위를 출력하는 모터부; 상기 모터부에서 출력된 상기 각 변위를 제공받아 소정의 기어비로 처리하여 출력 신호를 생성하는 기어비; 상기 기준 전압과 상기 기어비의 출력 신호를 비교하여 백래쉬에 대한 관측 신호를 제공하는 외란 관측기; 및, 상기 외란 관측기를 통해 관측된 관측 신호를 피드백시켜 상기 기준 전압을 조정하도록 하는 피드백 라인;을 포함하며,
    상기 모터부는, 상기 기준 전압을 전류로 변환하는 전류 변환부; 상기 변환된 전류에 비례하는 토크를 출력하는 토크부; 상기 토크부를 통해 출력되는 토크에서 상기 백래쉬부로부터 제공되는 상기 외란 신호를 감산하여 토크 수정값을 출력하는 제1 감산기; 상기 제1 감산기를 통해 출력되는 토크 수정값에 의해 구동되어 각속도로 회전하는 회전부; 상기 회전부의 각속도를 적분하여 상기 각 변위를 출력하는 적분기; 상기 회전부의 각속도에 역기전력 상수를 인가하여 역기전력 전압을 출력하는 역기전력부; 및 상기 기준 전압에서 상기 역기전력 전압을 감산하여 감산 결과값을 상기 전류 변환부에 제공하는 제2 감산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외란 관측기는,
    상기 기준 전압을 제공받아 상기 기준 전압에서 외란 신호를 검출하는 플랜트 모델링부;
    상기 기어비로부터 출력되는 출력 신호에서 고주파 성분을 제거하고 외란 성분을 검출하는 필터링 플랜트 역모델링부; 및
    상기 플랜트 모델링부에서 제공되는 외란 신호에서, 상기 필터링 플랜트 역모델링부에서 제공되는 외란 성분을 감산하여 상기 백래쉬에 대한 관측 신호를 출력하는 감산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 외란 신호는 상기 모델링된 백래쉬에 따라 상기 기어에서 상기 부하로 전달되는 토크 신호인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 플랜트 모델링부는,
    상기 전류 변환부, 상기 토크부, 상기 제2 감산기 및 상기 역기전력부로 구성된 플랜트의 전달함수로, 아래의 수학식으로 모델링되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
    Figure 112011050608038-pat00020
    (c1, c2, …, cq 및 d1, d2, …, dp는 상기 전류 변환부, 상기 토크부, 상기 역기전력부 및 상기 제2 감산기에 대한 파라미터 입력값,
    p 및 q는 3~5 범위의 수)
  6. 제3항에 있어서,
    상기 필터링 플랜트 역모델링부는,
    상기 회전부, 상기 적분기, 상기 기어비, 상기 백래쉬부 및 상기 부하로 구성된 플랜트의 전달함수에서 분모와 분자의 위치를 바꾸어 역모델링한 것으로, 아래의 수학식으로 모델링되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
    Figure 112009049826440-pat00014
    (c1, c2, …, cq 및 d1, d2, …, dp는 상기 회전부, 상기 적분기, 상기 기어비, 상기 백래쉬부 및 상기 부하에 대한 파라미터 입력값,
    p 및 q는 3~5 범위의 수)
KR1020090075341A 2009-08-14 2009-08-14 백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치 KR101053205B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090075341A KR101053205B1 (ko) 2009-08-14 2009-08-14 백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020090075341A KR101053205B1 (ko) 2009-08-14 2009-08-14 백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110017725A KR20110017725A (ko) 2011-02-22
KR101053205B1 true KR101053205B1 (ko) 2011-08-01

Family

ID=43775664

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090075341A KR101053205B1 (ko) 2009-08-14 2009-08-14 백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101053205B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102382312B1 (ko) 2020-11-19 2022-04-05 주식회사 현대케피코 변속기의 입출력 회전수 차이에 기반한 모터/엔진 토크 제어 방법 및 장치

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101393765B1 (ko) * 2013-04-17 2014-05-12 현대중공업 주식회사 토크 리플 저감을 위한 모델 기반 외란 관측기
KR102170677B1 (ko) * 2018-11-29 2020-10-27 주식회사 아이모션테크 액츄에이터를 이용한 백래쉬 조절장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0185720B1 (ko) * 1993-08-19 1999-05-15 이나바 세이우에몽 서보모터의 제어장치 및 제어방법
JP2003224994A (ja) * 2002-01-28 2003-08-08 Fuji Photo Optical Co Ltd モータ制御装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR0185720B1 (ko) * 1993-08-19 1999-05-15 이나바 세이우에몽 서보모터의 제어장치 및 제어방법
JP2003224994A (ja) * 2002-01-28 2003-08-08 Fuji Photo Optical Co Ltd モータ制御装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
논문(2006)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102382312B1 (ko) 2020-11-19 2022-04-05 주식회사 현대케피코 변속기의 입출력 회전수 차이에 기반한 모터/엔진 토크 제어 방법 및 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110017725A (ko) 2011-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9242375B2 (en) Control device for power device
CN100504695C (zh) 位置控制装置、测量装置以及加工装置
KR100425819B1 (ko) 기계진동검출장치 및 제진제어장치
US9796087B2 (en) Control system for power unit
TWI501540B (zh) 電動機控制裝置
JP7117827B2 (ja) モータ制御システム、モータ制御システムの制御方法、及びロボットシステム
US20160016310A1 (en) Notch filter, external force estimator, motor control apparatus, and robotic system
JP4867105B2 (ja) 数値制御装置
KR101053205B1 (ko) 백래쉬 보상 기능을 갖는 모터 제어 장치
JP4914979B2 (ja) モータ制御装置およびモータ制御方法
RU2394674C2 (ru) Самонастраивающийся электропривод робота
US20190227500A1 (en) Control system
JP5271853B2 (ja) フィードバック制御装置とフィードバック制御方法
JP5176729B2 (ja) 慣性モーメント同定器を備えたモータ制御装置
JP2020064576A (ja) 制御システム、制御方法、及び制御プログラム
KR101417486B1 (ko) 착용로봇의 의도토크 추출방법 및 추출시스템
JP2021005918A (ja) イナーシャの評価を行う制御装置及びイナーシャの評価方法
Hazaz et al. Disturbance observer for DC motor based on savitzky-golay filters and application to bilateral control
JP4507071B2 (ja) モータ制御装置
JP3971959B2 (ja) 位置制御装置及び制御器設計方法
RU2359306C2 (ru) Самонастраивающийся электропривод робота
JP2552552B2 (ja) 外乱トルク補償装置
RU2784456C1 (ru) Устройство для компенсации влияния механического зазора на работу следящего электропривода
JP4491904B2 (ja) 電動機の位置制御装置
JPH0380311A (ja) 外乱トルク補償装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140612

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150626

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160602

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180104

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180712

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190521

Year of fee payment: 9