KR101595842B1 - 서보 모터의 정밀제어 시스템 및 정밀제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서보 모터의 정밀제어 시스템 및 정밀제어방법에 관한 것으로서,서보 모터에 장착된 로드셀로부터 전기적 신호를 수신하여 서보 모터의 토크를 검출하는 토크 검출부와, 토크에 따라 서보 모터의 위치와 속도 및 토크에 대한 제어명령을 발생하는 시퀀스 제어기와, 서보 모터에 장착된 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 서보 모터의 위치를 검출하는 위치 검출부와, 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 서보 모터의 속도를 검출하는 속도 검출부와, 시퀀스 제어기로부터 서보 모터의 위치에 대한 제어명령을 수신하여 서보 모터의 위치를 제어하는 위치제어기와, 시퀀스 제어기로부터 서보 모터의 속도에 대한 제어명령을 수신하여 서보 모터의 속도를 제어하는 속도제어기와, 시퀀스 제어기로부터 서보 모터의 전류에 대한 제어명령을 수신하여 서보 모터에 공급되는 전류를 제어하는 전류제어기와, 시퀀스 제어기로부터 신호를 인가받아 위치제어기로부터 전류제어기로 제어명령을 전환하는 스위치부를 포함하며, 시퀀스 제어기는 서보 모터의 힘 또는 토크값에 대한 미리 설정된 미분 프로파일을 생성하고, 토크 검출부로부터 검출된 힘값 또는 토크값이 미리 설정된 값에 도달하면 서보 모터를 위치제어기에 의한 위치제어로부터 전류제어기에 의한 전류제어로 전환하고 전류제어기를 미분 프로파일에 따라 전류제어하고, 미분 프로파일은 힘 또는 토크값을 미분한 값이 시간의 경과에 따라 점차 증가하는 증가단계와, 일정하게 유지되는 유지단계와, 점차 감소하는 감소단계를 갖는 사다리꼴 형상인 것이 바람직하다.

Description

서보 모터의 정밀제어 시스템 및 정밀제어 방법{PRECISE CONTROL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR SURBO MOTOR}

본 발명은 서보 모터의 정밀제어 시스템 및 정밀제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서보모터를 제어할 때에 위치 제어와 전류제어를 교번하여 제어하고, 힘 또는 토크 등의 대상값에 대한 미분 프로파일을 생성하여 이에 따라 대상값을 제어함으로써 정밀한 제어가 가능한 정밀제어 시스템 및 정밀제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 조립 공정에서 압입이나너트 체결에 주로 사용되는 프레스와 너트러너는 정밀도와 생산성 향상이 지속적으로 요구되고 있다. 초기 단계에는 높은 토크를 위해 유압 시스템을 이용한 장비들이 사용되었지만, 시스템을 구성하는 부품의 크기가 크고 고가일 뿐만 아니라 현장에서 누유소음 발생필터와 유압 작동유의 주기적인 교환으로 인한 폐기물 발생 등의 문제점으로 인해 유압시스템은 점차 AC 서보모터 제어기술의 향상으로 AC 서보모터 시스템으로 빠르게 대체되고 있다.

AC 서보 모터 시스템으로서 너트 러너(또는 서보 프레스)에서 일반적인 서보 모터 제어는 서보 모터의 위치, 속도, 전류를 제어하여 모터의 회전축에 장착된 압입 기구를 통해 볼트나 너트를 암나사 또는 수나사에 압입 또는 체결시킬 수 있다. 이러한 서보 모터 제어 시에 서보 모터의 위치, 속도, 전류는 피드백 제어에 따라 목표 위치에서 모터의 회전이 정지되도록 하고 있다.

그러나, 기구적인 부하, 외부의 반발력 등에 의한 외란이나 시스템 응답 특성으로 인하여 위치, 속도, 전류의 제어에 오차가 발생할 수 있으며, 특히 압입이나 체결 시에는 부하를 더욱 받게되므로 오차가 증가될 수 밖에 없다. 특히 서보 모터 제어 중에 위치 오차가 계속적으로 발생할 수 있고, 이 때문에 목표 토크에 도달하여 모터를 멈추게 피드백 제어하더라도 모터가 전진을 할 수 있고, 이에 따라 목표 토크를 오버슛(overshoot)하여 모터 또는 나사나 볼트에 무리한 과부하가 생기는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 한국특허 제 1188419호에 제시된 바와 같은 정밀제어 시스템이 개시되어 있다. 상기 종래기술은 목표 토크에 도달했을 때 토크 혹은 힘 제어용 위치 보상기를 통해 위치 되먹임을 적용함으로써 최종 위치에서 그대로 유지될 수 있도록 제어하였으나 원하는 정밀도롤 충족시키기에는 다소 어려움이 있었고, 급정지할 때 시스템 지연으로 인한 오버 슈트가 발생하기 때문에 최종 압입위치에 근접하면 속도를 떨어뜨림으로써 오차를 줄이는 방법이 적용되기 때문에 힘 혹은 토크의 정밀도를 높이기 위한 속도저하는 생산성 저하시키고 에너지를 낭비시키는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 서보 모터를 제어함에 있어서 목표 토크 이상으로 오버슛 하지 않게 제어하여 외란 또는 시스템 응답 특성에 기인한 오차 발생에 의하여도 서보 모터가 목표 토크를 초과하지 않게 정밀 제어할 수 있고, 토크의 정밀도를 높이기 위해 속도를 저하시키지 않고서도 정밀한 제어가 가능하도록 구성하여 공정에 소요되는 시간을 절약할 수 있음과 동시에 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있는 서보모터의 정밀제어 시스템 및 정밀제어방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 서보 모터의 구동을 제어하는 서보 모터 시스템은, 서보 모터에 장착된 로드셀로부터 전기적 신호를 수신하여 서보 모터의 토크를 검출하는 토크 검출부와, 토크에 따라 서보 모터의 위치와 속도 및 토크에 대한 제어명령을 발생하는 시퀀스 제어기와, 서보 모터에 장착된 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 서보 모터의 위치를 검출하는 위치 검출부와, 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 서보 모터의 속도를 검출하는 속도 검출부와, 시퀀스 제어기로부터 서보 모터의 위치에 대한 제어명령을 수신하여 서보 모터의 위치를 제어하는 위치제어기와, 시퀀스 제어기로부터 서보 모터의 속도에 대한 제어명령을 수신하여 서보 모터의 속도를 제어하는 속도제어기와, 시퀀스 제어기로부터 서보 모터의 전류에 대한 제어명령을 수신하여 서보 모터에 공급되는 전류를 제어하는 전류제어기와, 시퀀스 제어기로부터 신호를 인가받아 위치제어기로부터 전류제어기로 제어명령을 전환하는 스위치부를 포함하며, 시퀀스 제어기는 서보 모터의 힘 또는 토크값에 대한 미리 설정된 미분 프로파일을 생성하고, 토크 검출부로부터 검출된 힘값 또는 토크값이 미리 설정된 값에 도달하면 서보 모터를 위치제어기에 의한 위치제어로부터 전류제어기에 의한 전류제어로 전환하고 전류제어기를 미분 프로파일에 따라 전류제어하고, 미분 프로파일은 힘 또는 토크값을 미분한 값이 시간의 경과에 따라 점차 증가하는 증가단계와, 일정하게 유지되는 유지단계와, 점차 감소하는 감소단계를 갖는 사다리꼴 형상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 서보 모터의 정밀제어방법은, 서보 모터의 구동을 제어하는 서보 모터 제어 방법은, 서보 모터에 장착된 로드셀과 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 서보 모터의 토크와 위치를 검출하는 단계와; 서보 모터의 검출된 위치에 따라 미리 설정된 속도값으로 서보 모터의 회전속도를 제어하는 단계와; 서보 모터의 검출되는 토크값이 미리 설정된 일정 값에 도달하면 스위치부를 구동하여 서보 모터를 위치제어기에 의한 위치제어로부터 전류제어기에 의한 전류제어로 전환하는 단계와; 서보 모터에 공급되는 전류를 제어하는 단계와; 서보 모터의 힘 또는 토크값에 대한 미리 설정된 미분 프로파일을 생성하는 단계를 포함하고, 전류를 제어하는 단계는 로드셀과 토크검출부로부터 측정되는 힘 또는 토크값을 피드백 받아 미분 프로파일에 설정된 값에 따라 전류를 제어하고, 위치제어로부터 전류제어로 전환하는 단계는 서보 모터에 의해 볼트가 구멍에 삽입되어 볼트 헤드가 대상물의 표면에 맞닿은 후에 전환되며, 미분 프로파일은 힘 또는 토크값을 미분한 값이 시간의 경과에 따라 점차 증가하는 증가단계와, 일정하게 유지되는 유지단계와, 점차 감소하는 감소단계를 갖는 사다리꼴 형상인 것이 바람직하다.

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상술한 본 발명에 의하면, 서보 모터를 제어함에 있어서 목표 토크 이상으로 오버슛 하지 않게 제어하여 외란 또는 시스템 응답 특성에 기인한 오차 발생에 의하여도 서보 모터가 목표 토크를 초과하지 않게 정밀 제어할 수 있고, 초기에는 위치제어 및 속도제어에 의해 신속하게 공정을 진행하고 일정 단계이후에는 서보 모터의 힘 또는 토크에 대한 미분 프로파일에 따라 제어함으로써 토크의 정밀도를 높이기 위해 속도를 저하시키지 않고서도 정밀한 제어가 가능하며, 공정에 소요되는 시간을 절약할 수 있음과 동시에 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 의한 서보 모터의 제어를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 서보 모터의 정밀제어시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 서보 모터의 제어가 적용되는 볼트의 압입을 단계별로 나타내는 도면이다.
도 4는 시간 경과에 따른 서보 모터의 시퀀스 제어를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 힘 또는 토크에 대한 미분 프로파일을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 서보 모터의 정밀제어 시스템 및 정밀제어방법에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.

도 2 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 서보 모터의 정밀제어 시스템(1)은, 서보 프레스 또는 너트 러너의 액츄에이터인 서보 모터를 제어하기 위한 시스템이다.

상기 정밀제어시스템(1)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 서보 모터(2)와, 로드셀(3)과, 엔코더(4)와, 시퀀스 제어기(10)와, 위치검출부(20), 속도검출부(21), 위치제어기(22), 속도제어기(23), 토크검출부(30), 스위치부(40), 전류검출부(50), 전류제어기(51), PWM(60), 인버터(70)를 포함하여 구성된다.

상기 로드셀(3)은 서보 모터에 장착되며 서보 모터의 움직임(상하)에 따라 부하에 대응되는 전기적 신호를 생성하며, 상기 토크 검출부(30)는 상기 로드셀(3)로부터의 전기적 신호에 대응되는 서보 모터의 토크를 검출할 수 있다.

상기 엔코더(4)는 서보모터에 장착되며, 서보 모터(또는 모터의 회전자)의 회전 위치에 대응되는 전기적 신호를 생성하며, 상기 위치검출부와 상기 속도검출부는 상기 엔코더로부터의 전기적 신호에 대응되는 서보모터의 위치와 회전속도를 검출할 수 있다.

상기 인버터(70)는 서보 모터에 전원을 공급하고, 상기 전류검출부(50)는 상기 인버터(70)에 연결되어 설치되며, 상기 서보 모터에 공급되는 전원이 소비하는 전류를 검출한다.

상기 시퀀스 제어기(10)는 상위의 명령에 따라 프로그램을 구동하여, 토크 검출부(30)가 검출하는 토크에 따라 순차적으로 목표 위치 명령을 발생시키고, 상기 스위치부의 구동명령과 목표 전류 명령을 발생시킨다.

또한, 상기 시퀀스 제어기는 해당 목표 위치명령에 따른 속도 프로파일을 생성한다. 예를 들어, 일정 위치 구간에 대하여 미리 결정된 사인파, 삼각파 등의 프로파일을 생성하여 속도 제어기(23)가 속도 제어에 이용할 수 있도록 한다.

상기 속도 제어기(23)는 상기 위치 제어기(22)가 발생하는 명령과 속도 검출부(21)가 검출한 회전 속도를 비교하여 서보 모터를 구동하기 위한 명령을 발생하되, 미리 생성된 속도 프로파일에 따른 해당 위치에 대한 속도로 서보모터가 회전하도록 명령을 발생할 수 있다.

상기 전류 제어기(51)는 속도 제어기가 발생하는 명령과 전류 검출부(50)가 검출하는 전류를 비교하여 비교 결과에 상응하는 제어 신호를 발생하며, 이에 따라 PWM 제어기(60)는 해당 제어 신호에 따라 PWM(Pulse Width Modulation)을 수행하여 상기 인버터(70)가 서보 모터로 공급하는 전류의 양을 제어하기 위한 신호를 발생할 수 있다.

이하, 상술한 구성을 가지는 본 발명의 서보 모터 정밀제어 시스템을 이용한 서보 모터의 정밀제어방법에 대하여 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

본 발명에 의한 서보 모터의 정밀제어방법을 서보 모터를 이용하여 볼트를 강제 압입하는 것을 예로 하여 설명한다. 도 3은 본 발명에 의한 서보 모터의 제어가 적용되는 볼트의 압입을 단계별로 나타내는 도면이다.

우선 볼트를 압입하고자 하는 대상에 볼트를 삽입하기 위하여 서보 모터를 구동한다. 이 때, 서보 모터에 장착된 로드셀과 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 상기 서보 모터의 토크와 위치를 검출한다.

볼트 압입의 초기단계에서는, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 볼트가 나사로 들어가기 전의 위치에서는 무부하 상태로서 로드셀(3)의 출력은 0에 가깝고 토크 검출부(30)는 0 정도의 토크를 검출한다. 그런 다음, 도 3의 (b)와 (c)에 나타낸 바와 같이, 볼트가 나사로 진입하여 볼트가 구멍에 맞닫는 위치에 이르기까지 로드셀의 출력이 점차 증가하게 된다.

이 단계에서는, 상기 서보 모터의 검출된 위치에 따라 미리 설정된 속도값으로 상기 서보 모터의 회전속도를 제어한다.

상기 위치검출부와 상기 속도검출부는 상기 엔코더로부터의 전기적 신호에 대응되는 서보모터의 위치와 회전속도를 검출하고, 상기 속도 제어기는 상기 위치 제어기가 발생하는 명령과 속도 검출부가 검출한 회전 속도를 비교하여, 미리 생성된 속도 프로파일에 따른 해당 위치에 대한 속도로 서보모터가 회전하도록 제어한다.

그런 다음, 상기 서보 모터의 검출되는 토크값이 미리 설정된 일정 값에 도달하면 스위치부를 구동하여 상기 서보 모터를 상기 위치제어기에 의한 위치제어로부터 상기 전류제어기에 의한 전류제어로 전환한다.

도 4는 시간 경과에 따른 서보 모터의 시퀀스 제어를 설명하는 도면이다. 도 4는 서보 모터의 구동에 의해 볼트를 압입할 때에 시간경과에 따른 서보 모터의 일반적인 토크값을 나타내는 그래프이다.

본 발명에 의한 서보 모터의 정밀제어방법은, 본압 압입의 목표 토크값(Tt)에 대하여 미리 일정한 값(Ta)을 설정하여 두고, 서보 모터의 구동에 의한 토크값이 상기한 미리 설정된 값 Ta에 도달하면 상기 스위치부를 구동하여 서보 모터의 제어를 위치제어로부터 전류제어로 전환한다.

여기서, 위치제어로부터 전류제어로 전환하는 단계는 상기 서보 모터에 의해 볼트가 구멍에 삽입되어 볼트 헤드가 대상물의 표면에 맞닿은 후, 즉 도 3의 (d)의 위치에 이르렀을 때인 것이 바람직하다.

즉, 압입되는 볼트가 조립대상 부품에 접촉되기 전(도 3의 (a) 내지 (c))에는 실제 힘과 목표 힘의 차이가 크기 때문에 전류 제어 모드를 적용하면 엄청난 속도로 구동되어 위험하므로 제어적으로 안전한 위치 제어 모드를 적용하고, 이후 볼트가 부품과 접촉하여 로드셀에서 측정한 값이 일정 기준치 이상이되면 전류제어 모드로 전환하고 후술하는 미분 프로파일을 따라 제어하여 정밀한 전류제어가 실행되도록 구성된다.

한편, 본 발명에 의한 서보 모터의 정밀제어방법은 서보 모터의 힘 또는 토크값에 대한 미분 프로파일을 생성하여 전류제어한다.

도 5는 본 발명의 힘 또는 토크에 대한 미분 프로파일을 나타내는 도면으로서, 도 4의 A구간, 즉 전류제어로 전환된 때부터 본압 목표토크에 이르기까지의 구간에서의 힘 값 또는 토크값을 시간에 대하여 미분한 미분 프로파일을 나타내는 도면이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 미분 프로파일은 사다리꼴 형상의 프로파일을 갖는다. 상기 미분 프로파일은 힘 값 또는 토크값을 미분한 값이 시간의 경과에 따라 전류제어로 전환된 때부터 시간 ta까지 미분값이 점차 증가하는 증가단계(a)와, tb까지 미분값이 일정하게 유지되는 유지단계(b)와, tb이후 tc까지 미분값이 점차 감소하는 감소단계(c)를 갖는 사다리꼴 형상으로 구성된다.

상기 전류를 제어하는 단계는 상기 로드셀과 토크검출부로부터 측정되는 힘 또는 토크값을 피드백 받아 도 5에 나타낸 바와 같은 미분 프로파일에 설정된 값에 따라 전류를 제어한다.

여기서, 상기 증가단계와 상기 감소단계의 시간 및 미분값은 제어대상이 되는 공정 및 부품에 따라 적절하게 조절하여 제어할 수 있음은 물론이다.

이로써, 상기 b구간에서는 높은 토크값으로 제어하여 생산성을 향상시키고 공정에 소요되는 시간을 절약할 수 있으며, 상기 c 구간에서는 목표 힘 혹은 토크에 도달될수록 힘 또는 토크의 오차가 점점 작아지므로 속도도 점점 느려지는 효과가 자연스럽게 만들어진다. 기존 방법에서는 급정지로 인한 관성 등으로 인하여 오버슈트가 발생하였으나, 본 발명에 의하면 목표 토크 위치에서 속도가 낮기 때문에 기계적 반응이 느리더라도 높은 토크 정밀도를 구현할 수 있고, 목표 토크 이상으로 오버슛 하지 않게 제어하여 외란 또는 시스템 응답 특성에 기인한 오차 발생에 의하여도 서보 모터가 목표 토크를 초과하지 않게 정밀 제어할 수 있다.

한편, 상기 위치제어기와 속도제어기에 의한 위치제어단계에서도, 상기 서보 모터의 회전속도 제어는 상기 서보 모터의 위치값을 미분한 값이 시간의 경과에 따라 점차 증가하는 증가단계와, 일정하게 유지되는 유지단계와, 점차 감소하는 감소단계를 갖는 사다리꼴 형상의 프로파일을 따라 제어할 수도 있다.

본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형에와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.

2 : 서보 모터
3 : 로드셀
4 : 엔코더
10 : 시퀀스 제어기
21 : 위치제어기
22 : 속도제어기
40 : 스위치부
51 : 전류제어기

Claims (6)

1. 서보 모터의 구동을 제어하는 서보 모터 시스템에 있어서,
   상기 서보 모터에 장착된 로드셀로부터 전기적 신호를 수신하여 상기 서보 모터의 토크를 검출하는 토크 검출부와,
   상기 토크에 따라 서보 모터의 위치와 속도 및 토크에 대한 제어명령을 발생하는 시퀀스 제어기와,
   상기 서보 모터에 장착된 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 상기 서보 모터의 위치를 검출하는 위치 검출부와,
   상기 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 상기 서보 모터의 속도를 검출하는 속도 검출부와,
   상기 시퀀스 제어기로부터 상기 서보 모터의 위치에 대한 제어명령을 수신하여 상기 서보 모터의 위치를 제어하는 위치제어기와,
   상기 시퀀스 제어기로부터 상기 서보 모터의 속도에 대한 제어명령을 수신하여 상기 서보 모터의 속도를 제어하는 속도제어기와,
   상기 시퀀스 제어기로부터 상기 서보 모터의 전류에 대한 제어명령을 수신하여 상기 서보 모터에 공급되는 전류를 제어하는 전류제어기와,
   상기 시퀀스 제어기로부터 신호를 인가받아 상기 위치제어기로부터 상기 전류제어기로 제어명령을 전환하는 스위치부를 포함하며,
   상기 시퀀스 제어기는
   상기 서보 모터의 힘 또는 토크값에 대한 미리 설정된 미분 프로파일을 생성하고, 상기 토크 검출부로부터 검출된 힘값 또는 토크값이 미리 설정된 값에 도달하면 상기 서보 모터를 상기 위치제어기에 의한 위치제어로부터 상기 전류제어기에 의한 전류제어로 전환하고 상기 전류제어기를 상기 미분 프로파일에 따라 전류제어하고, 상기 미분 프로파일은 힘 또는 토크값을 미분한 값이 시간의 경과에 따라 점차 증가하는 증가단계와, 일정하게 유지되는 유지단계와, 점차 감소하는 감소단계를 갖는 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 서보 모터의 정밀제어 시스템.
   
2. 서보 모터의 구동을 제어하는 서보 모터 제어 방법에 있어서,
   상기 서보 모터에 장착된 로드셀과 엔코더로부터 전기적 신호를 수신하여 상기 서보 모터의 토크와 위치를 검출하는 단계와;
   상기 서보 모터의 검출된 위치에 따라 미리 설정된 속도값으로 상기 서보 모터의 회전속도를 제어하는 단계와;
   상기 서보 모터의 검출되는 토크값이 미리 설정된 일정 값에 도달하면 스위치부를 구동하여 상기 서보 모터를 위치제어기에 의한 위치제어로부터 전류제어기에 의한 전류제어로 전환하는 단계와;
   상기 서보 모터에 공급되는 전류를 제어하는 단계와;
   상기 서보 모터의 힘 또는 토크값에 대한 미리 설정된 미분 프로파일을 생성하는 단계를 포함하고,
   상기 전류를 제어하는 단계는 상기 로드셀과 토크검출부로부터 측정되는 힘 또는 토크값을 피드백 받아 상기 미분 프로파일에 설정된 값에 따라 전류를 제어하고,
   위치제어로부터 전류제어로 전환하는 단계는 상기 서보 모터에 의해 볼트가 구멍에 삽입되어 볼트 헤드가 대상물의 표면에 맞닿은 후에 전환되며,
   상기 미분 프로파일은 힘 또는 토크값을 미분한 값이 시간의 경과에 따라 점차 증가하는 증가단계와, 일정하게 유지되는 유지단계와, 점차 감소하는 감소단계를 갖는 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 서보 모터의 정밀제어방법.
   
   
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