KR102085047B1 - 서보모터의 제어 시스템 - Google Patents

서보모터의 제어 시스템 Download PDF

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KR102085047B1
KR102085047B1 KR1020190113795A KR20190113795A KR102085047B1 KR 102085047 B1 KR102085047 B1 KR 102085047B1 KR 1020190113795 A KR1020190113795 A KR 1020190113795A KR 20190113795 A KR20190113795 A KR 20190113795A KR 102085047 B1 KR102085047 B1 KR 102085047B1
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servomotor
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control system
disturbance
control unit
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KR1020190113795A
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홍순석
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홍순석
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10S388/00—Electricity: motor control systems
    • Y10S388/923—Specific feedback condition or device

Abstract

본 발명은 전체 시스템의 안정도를 증가시키고 외란에 강인한 특성을 갖는 서보모터의 제어 시스템에 관한 것으로, 전체시스템의 안정도와 외란억제 성능을 높이는 피드백제어부와 목표속도에 대한 응답특성을 제어하는 피드포워드제어부를 결합한 형태를 갖는 서보모터의 제어 시스템을 제공함으로써 전체시스템을 안정화함과 동시에 외란을 효과적으로 억제할 수 있도록 구성된다.

Description

서보모터의 제어 시스템{ERVO MOTOR CONTROL SYSTEM}
본 발명은 전체 시스템의 안정도를 증가시키고 외란에 강인한 특성을 갖는 서보모터의 제어 시스템에 관한 것이다.
서보모터의 종류는 AC 서보와 DC 서보로 크게 구분한다. 초기의 서보모터는 DC 서보모터를 사용하였으나, 정류자, brush, communicator 등으로 구성되어 있어 DC 모터의 단점인 brush 마찰에 의한 분진과 불꽃 방전현상 및 주기적인 교체로 인하여 그 사용량이 점점 줄어들게 되었다. 또한 모터 제어를 위한 전력소자의 개발 및 반도체 가격 하락으로 인하여 AC 서보모터가 대부분 사용되고 있다.
기존의 서보모터의 제어 시스템은 PI 제어기와 같이 전체시스템을 안정하게 하는 피드백제어부가 요구되었다. 하지만, 서보모터에서는 진동이나 부하토크의 변동 등으로 인해 발생하여 시스템의 응답특성을 나쁘게 하는 외란을 억제할 필요성이 있으며, 이를 위해서 추정된 외란을 전치보상하는 부하토크관측기를 결합하는 접근방식을 택하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 서보모터의 제어 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 서보모터의 제어 시스템은 PI제어기(11)와, 부하토크관측기(12)를 포함하고 있으며, 목표속도(ω*)에 실제의 모터속도(ω)가 감산되어 속도차이가 계산되고, 이는 PI제어기(11)에 입력되어 토크명령(ω*)을 발생시키고 토크명령(τ*)은 부하토크(τd)가 감산되어 서보모터(2)에 입력되는 하나의 제어루프와, 서보모터(2)의 출력속도(ω)를 미분하고 서보모터(2)의 관성능률(Jn )을 곱하는 단계(13)를 거쳐 상기 제어토크명령(ω*)에 감산하여 관측기필터(14)에 입력되고 관측기필터(14)의 출력토크신호(T0)는 다시 제어토크명령에 부가하는 다른 하나의 제어루프로 구성된다.
이러한 종래의 서보모터의 제어 시스템에서 부하토크관측기는 실제의 부하를 LPF(Low pass filter)에 부가하는 형태이므로 비교적 높은 주파수의 외란제거가 곤란하며, 외란제거성능을 높이기 위하여 관측기의 주파수대역을 높이면 노이즈에 의해 제어시스템이 불안정하게 되는 문제점이 있었다.
한편, 비선형제어이론을 적용한 비선형 적응 백스텝핑 속도 제어방법도 제안되었는데, 이 방법은 제어 성능은 비교적 우수하지만 제어기가 다소 복잡하다는 단점이 있었다.
KR 10-0218930 B1
따라서 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 전체 시스템의 안정도를 증가시키고 외란에 강인한 특성을 갖는 서보모터의 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 서보모터(20)를 제어하기 위한, 서보모터의 제어 시스템으로서, 서보모터(20)의 전달함수(
Figure 112020011787707-pat00081
)는
Figure 112020011787707-pat00082
... (1)
로 나타내고(여기서, J는 서보모터(20)와 부하의 총 관성모멘트, B는 점성마찰계수를 나타내고, s는 라플라스연산자)로서 복소변수임),
서보모터(20)의 회전속도(
Figure 112020011787707-pat00083
)는
Figure 112020011787707-pat00084
... (2)
로 나타내고(여기서,
Figure 112020011787707-pat00085
는 서보모터(20)의 발생토크로서 제어입력에 해당되고,
Figure 112020011787707-pat00086
는 서보모터(20)에 인가되는 외란토크를 나타SO며, 후단의 감산기에 의해
Figure 112020011787707-pat00150
에서
Figure 112020011787707-pat00151
가 감산됨)
시스템의 모델 파라미터 오차(
Figure 112020011787707-pat00087
)와 출력오차(
Figure 112020011787707-pat00088
)는 각각
Figure 112020011787707-pat00089
... (3)
Figure 112020011787707-pat00090
... (4)
Figure 112020011787707-pat00091
... (5)
로 나타내고(여기서,
Figure 112020011787707-pat00092
는 목표속도이고,
Figure 112020011787707-pat00093
는 출력속도를 나타내고, Jn, Bn은 각각 총 관성모멘트(J)와 점성마찰계수(B)에 대한 공칭 값을 나타냄),
가산부(26)에 의해, 전체시스템의 안정도와 외란억제 성능을 높이는 피드백제어부(22)(
Figure 112020011787707-pat00094
)와 목표속도(
Figure 112020011787707-pat00095
)에 대한 응답특성을 제어하는 피드포워드제어부(24)(
Figure 112020011787707-pat00096
)를 결합한 형태로서,
서보모터(20)의 발생토크
Figure 112020011787707-pat00097
는
Figure 112020011787707-pat00098
... (6)
로 나타내고,
피드백제어부(22)(
Figure 112020011787707-pat00099
)와 피드포워드제어부(24)(
Figure 112020011787707-pat00100
)는
Figure 112020011787707-pat00101
... (7)
Figure 112020011787707-pat00102
... (8)
로 표현되고(여기서,
Figure 112020011787707-pat00103
는 외란 억제필터함수임),
Figure 112020011787707-pat00104
는
Figure 112020011787707-pat00105
...(9)
의 형태를 갖도록 선택되며,
여기서,
Figure 112020011787707-pat00106
는 외란선택함수로서, 노치필터의 형태를 가지고,
Figure 112020011787707-pat00107
인 경우,
Figure 112020011787707-pat00108
이므로,
전술한 식들로부터, 내부상태를 나타내는 변수들(
Figure 112020011787707-pat00109
,
Figure 112020011787707-pat00110
,
Figure 112020011787707-pat00111
)은
Figure 112020011787707-pat00112
...(10-1)
Figure 112020011787707-pat00113
...(10-2)
Figure 112020011787707-pat00114
...(10-3)
이고, 이때 함수
Figure 112020011787707-pat00115
는 임의로 선택할 수 있는 안정한 자유함수이고, 서보모터의 전달함수
Figure 112020011787707-pat00116
와 서보모터 모델 파라미터
Figure 112020011787707-pat00117
는 최소 위상 함수이므로, 시스템 내부의 모든 전달함수들은 안정한 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
본 발명에 의하면, 전체시스템의 안정도와 외란억제 성능을 높이는 피드백제어부와 목표속도에 대한 응답특성을 제어하는 피드포워드제어부를 결합한 형태를 갖는 서보모터의 제어 시스템을 제공함으로써 전체시스템을 안정화함과 동시에 외란을 효과적으로 억제할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 서보모터의 제어 시스템의 개략적인 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 서보모터의 제어 시스템의 개략적인 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 서보모터의 제어 시스템과 기존 서보모터의 제어 시스템 간의 속도 추적성능을 비교한 그래프이다.
기타 실시예들의 구체적인 사항은 상세한 설명 및 도면에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 매체를 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 서보모터의 제어 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 서보모터의 제어 시스템은 서보모터(20)와, 피드백제어부(22)와, 피드포워드제어부(24)와, 가산부(26)를 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 서보모터(20)의 전달함수(
Figure 112019094533110-pat00009
)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019094533110-pat00010
... (1)
여기서, J는 서보모터(20)와 부하의 총 관성모멘트, B는 점성마찰계수를 나타내고, s는 라플라스연산자)로서 복소변수이다.
서보모터(20)의 회전속도(
Figure 112019094533110-pat00011
)는 다음과 같다.
Figure 112019094533110-pat00012
... (2)
여기서,
Figure 112019094533110-pat00013
는 서보모터(20)의 발생토크로서 제어입력에 해당되고,
Figure 112019094533110-pat00014
는 서보모터(20)에 인가되는 외란토크를 나타낸다.
한편, 시스템의 모델 파라미터 오차(
Figure 112019094533110-pat00015
)와 출력오차(
Figure 112019094533110-pat00016
)는 다음과 같이 정의한다.
Figure 112019094533110-pat00017
... (3)
Figure 112019094533110-pat00018
... (4)
Figure 112019094533110-pat00019
... (5)
여기서,
Figure 112019094533110-pat00020
는 목표속도이고,
Figure 112019094533110-pat00021
는 출력속도를 나타낸다.
또한, Jn, Bn은 각각 총 관성모멘트(J)와 점성마찰계수(B)에 대한 공칭 값을 나타낸다.
본 발명의 서보모터의 제어 시스템은 가산부(26)에 의해 피드백제어부(22)(
Figure 112019094533110-pat00022
)와 피드포워드제어부(24)(
Figure 112019094533110-pat00023
)를 결합한 형태를 가진다.
즉, 서보모터(20)의 발생토크
Figure 112019094533110-pat00024
는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019094533110-pat00025
... (6)
구체적으로, 피드백제어부(22)(
Figure 112019094533110-pat00026
)와 피드포워드제어부(24)(
Figure 112019094533110-pat00027
)는 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019094533110-pat00028
... (7)
Figure 112019094533110-pat00029
... (8)
여기서,
Figure 112019094533110-pat00030
는 안정한 유리함수 중에서 임의로 선택될 수 있는 자유함수로서, 외란 억제필터함수를 나타낸다.
Figure 112019094533110-pat00031
는 안정한 유리함수 중에서 임의로 선택될 수 있지만, 최소한 안정한 전달함수 형태가 바람직하다.
일반적으로, 서보모터(20)에 인가되는 외란토크를 나타내는
Figure 112019094533110-pat00032
의 주파수 특성을 살펴보면 비교적 낮은 주파수 대역에 존재한다.
따라서, 이러한 외란을 없애기 위해서는
Figure 112019094533110-pat00033
를 고역통과필터 형태로 선택해야 함을 알 수 있다. 또한 만약 외란이 어떤 특정한 주파수대역에만 존재한다면 노치필터 형태로 설계하고 노치필터의 중심주파수가 외란의 주파수와 일치하도록 하면 될 것이다.
이러한 고역통과필터나 노치필터는 모두 안정한 전달함수 형태를 가지므로
Figure 112019094533110-pat00034
에 대한 제약조건을 만족하며,
Figure 112019094533110-pat00035
는 다음과 같은 형태를 갖도록 선택된다.
Figure 112019094533110-pat00036
...(9)
여기서,
Figure 112019094533110-pat00037
는 외란선택함수로서, 외란의 형태에 따라 고역통과필터 또는 노치필터의 형태를 가질 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 서보모터의 제어 시스템을 적용시, 시스템의 내부 안정도를 살펴보기로 한다. 다시 말해서, 서보모터에 대한 모델 파라미터 오차가 없는 경우, 즉
Figure 112019094533110-pat00038
인 경우의 안정도를 살표보기로 한다.
Figure 112019094533110-pat00039
이므로, 전술한 식들로부터, 내부상태를 나타내는 변수들(
Figure 112019094533110-pat00040
,
Figure 112019094533110-pat00041
,
Figure 112019094533110-pat00042
)은 다음과 같다.
Figure 112019094533110-pat00043
...(10-1)
Figure 112019094533110-pat00044
...(10-2)
Figure 112019094533110-pat00045
...(10-3)
함수
Figure 112019094533110-pat00046
는 임의로 선택할 수 있는 안정한 자유함수이고, 서보모터의 전달함수
Figure 112019094533110-pat00047
와 서보모터 모델 파라미터
Figure 112019094533110-pat00048
는 최소 위상 함수이므로, 시스템 내부의 모든 전달함수들은 안정함을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 서보모터의 제어 시스템과 기존 서보모터의 제어 시스템 간의 속도 추적성능을 비교한 그래프이다.
목표속도
Figure 112019094533110-pat00049
를 시간에 대해 주기적인 삼각파 형태로 설정하고, 모델 파라미터 오차가 없는 경우, 이때의 출력속도
Figure 112019094533110-pat00050
및 속도추적오차(
Figure 112019094533110-pat00051
-
Figure 112019094533110-pat00052
)를 살펴보았다.
본 발명에 따른 서보모터의 제어 시스템의 속도 추적성능은 도 3a 및 도 3b와 같다. 여기서, 도 3a 는 목표속도
Figure 112019094533110-pat00053
와 출력속도
Figure 112019094533110-pat00054
를 나타내고, 도 3b는 속도추적오차(
Figure 112019094533110-pat00055
-
Figure 112019094533110-pat00056
)를 나타내며, 도 3b와 같이 본 발명에 따른 서보모터의 제어 시스템은 양호한 속도추적성능을 보여주고 있다.
종래기술에 따른 서보모터의 제어 시스템의 속도 추적성능은 도 3c 및 도 3d와 같다. 여기서, 도 3c 는 목표속도
Figure 112019094533110-pat00057
와 출력속도
Figure 112019094533110-pat00058
를 나타내고, 도 3d는 속도추적오차(
Figure 112019094533110-pat00059
-
Figure 112019094533110-pat00060
)를 나타내며, 도 3d와 같이 종래기술에 따른 서보모터의 제어 시스템은 ±5 (rad/sec)의 속도추적성능을 보여주고 있다.
이상과 같이, 본 발명에서는 전체시스템을 안정하게 하는 피드백제어부와 기준명령에 대한 응답특성을 제어하는 피드포워드제어부를 결합한 형태를 갖는 서보모터의 제어 시스템을 제공하고 있으며, 따라서 전체시스템을 안정화함과 동시에 외란을 효과적으로 억제할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
20 : 서보모터
22 : 피드백제어부
24 : 피드포워드제어부
26 : 가산부

Claims (4)

  1. 서보모터(20)를 제어하기 위한, 서보모터의 제어 시스템으로서,
    서보모터(20)의 전달함수(
    Figure 112020011787707-pat00118
    )는
    Figure 112020011787707-pat00119
    ... (1)
    로 나타내고(여기서, J는 서보모터(20)와 부하의 총 관성모멘트, B는 점성마찰계수를 나타내고, s는 라플라스연산자)로서 복소변수임),
    서보모터(20)의 회전속도(
    Figure 112020011787707-pat00120
    )는
    Figure 112020011787707-pat00121
    ... (2)
    로 나타내고(여기서,
    Figure 112020011787707-pat00122
    는 서보모터(20)의 발생토크로서 제어입력에 해당되고,
    Figure 112020011787707-pat00123
    는 서보모터(20)에 인가되는 외란토크를 나타내며, 후단의 감산기에 의해
    Figure 112020011787707-pat00152
    에서
    Figure 112020011787707-pat00153
    가 감산됨)
    시스템의 모델 파라미터 오차(
    Figure 112020011787707-pat00124
    )와 출력오차(
    Figure 112020011787707-pat00125
    )는 각각
    Figure 112020011787707-pat00126
    ... (3)
    Figure 112020011787707-pat00127
    ... (4)
    Figure 112020011787707-pat00128
    ... (5)
    로 나타내고(여기서,
    Figure 112020011787707-pat00129
    는 목표속도이고,
    Figure 112020011787707-pat00130
    는 출력속도를 나타내고, Jn, Bn은 각각 총 관성모멘트(J)와 점성마찰계수(B)에 대한 공칭 값을 나타냄),
    가산부(26)에 의해, 전체시스템의 안정도와 외란억제 성능을 높이는 피드백제어부(22)(
    Figure 112020011787707-pat00061
    )와 목표속도(
    Figure 112020011787707-pat00062
    )에 대한 응답특성을 제어하는 피드포워드제어부(24)(
    Figure 112020011787707-pat00063
    )를 결합한 형태로서,
    서보모터(20)의 발생토크
    Figure 112020011787707-pat00131
    는
    Figure 112020011787707-pat00132
    ... (6)
    로 나타내고,
    피드백제어부(22)(
    Figure 112020011787707-pat00133
    )와 피드포워드제어부(24)(
    Figure 112020011787707-pat00134
    )는
    Figure 112020011787707-pat00135
    ... (7)
    Figure 112020011787707-pat00136
    ... (8)
    로 표현되고(여기서,
    Figure 112020011787707-pat00137
    는 외란 억제필터함수임),
    Figure 112020011787707-pat00074
    는
    Figure 112020011787707-pat00138
    ...(9)
    의 형태를 갖도록 선택되며,
    여기서,
    Figure 112020011787707-pat00076
    는 외란선택함수로서, 노치필터의 형태를 가지고,
    Figure 112020011787707-pat00139
    인 경우,
    Figure 112020011787707-pat00140
    이므로,
    전술한 식들로부터, 내부상태를 나타내는 변수들(
    Figure 112020011787707-pat00141
    ,
    Figure 112020011787707-pat00142
    ,
    Figure 112020011787707-pat00143
    )은
    Figure 112020011787707-pat00144
    ...(10-1)
    Figure 112020011787707-pat00145
    ...(10-2)
    Figure 112020011787707-pat00146
    ...(10-3)
    이고, 이때 함수
    Figure 112020011787707-pat00147
    는 임의로 선택할 수 있는 안정한 자유함수이고, 서보모터의 전달함수
    Figure 112020011787707-pat00148
    와 서보모터 모델 파라미터
    Figure 112020011787707-pat00149
    는 최소 위상 함수이므로, 시스템 내부의 모든 전달함수들은 안정한 것을 특징으로 하는 서보모터의 제어 시스템.
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