KR102567673B1

KR102567673B1 - 서보 앰프 및 서보 시스템

Info

Publication number: KR102567673B1
Application number: KR1020200092518A
Authority: KR
Inventors: 다카시 아이하라
Original assignee: 후지 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2023-08-16
Also published as: JP6885436B2; JP2021043714A; CN112486219B; TWI734569B; CN112486219A; KR20210031365A; TW202111456A

Abstract

본 개시에 의하면, 추정된 부하 토크에 관한 정보를 외부에서 감시할 수 있게 한다.
본 개시는, 가동부를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 이동시키는 모터의 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와, 상기 모터가 받는 외란 토크를 추정하는 외란 토크 추정부와, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 상기 가동부에 작용하는 중력에 의해 발생하는 중력 토크를 감함으로써, 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와, 상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 서보 앰프 외부로 출력하는 출력부를 포함하는 서보 앰프에 관한 것이다.

Description

서보 앰프 및 서보 시스템{SERVO AMPLIFIER AND SERVO SYSTEM}

본 발명은 서보 앰프 및 서보 시스템에 관한 것이다.

종래에, 토크 지령 및 모터 속도에 기초하여, 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 오브저버를 구비하는 모터 제어 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조)

일본국 공개특허공보 특개2012-130214호

그러나, 종래 기술에서는, 추정된 부하 토크가 외란(外亂)을 제어할 목적으로 모터 제어에 사용되기는 하지만, 추정된 부하 토크에 관한 정보를 외부에서 감시할 수는 없었다.

이에, 본 개시는 추정된 부하 토크에 관한 정보를 외부에서 감시할 수 있는 서보 앰프 및 서보 시스템을 제공한다.

본 개시는, 가동부를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 이동시키는 모터의 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와, 상기 모터가 받는 외란 토크를 추정하는 외란 토크 추정부와, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 상기 가동부에 작용하는 중력에 의해 발생하는 중력 토크를 감함으로써, 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와, 상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 서보 앰프 외부로 출력하는 출력부를 포함하는 서보 앰프를 제공한다.

또한, 본 개시는, 가동부를 이동시키는 모터의 속도 지령에 기초하여 상기 모터의 토크 지령을 생성하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와, 상기 속도 지령에 기초하여 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와, 상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 서보 앰프 외부로 출력하는 출력부를 포함하는 서보 앰프를 제공한다.

또한, 본 개시는, 서보 앰프와, 상기 서보 앰프의 외부에 구비되는 외부 기기를 포함하며, 상기 서보 앰프가, 가동부를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 이동시키는 모터의 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와, 상기 모터가 받는 외란 토크를 추정하는 외란 토크 추정부와, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 상기 가동부에 작용하는 중력에 의해 발생하는 중력 토크를 감함으로써, 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와, 상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 상기 외부 기기로 출력하는 출력부를 포함하는, 서보 시스템을 제공한다.

또한, 본 개시는, 서보 앰프와, 상기 서보 앰프의 외부에 구비되는 외부 기기를 포함하며, 상기 서보 앰프가, 가동부를 이동시키는 모터의 속도 지령에 기초하여 상기 모터의 토크 지령을 생성하는 속도 제어부와, 상기 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와, 상기 속도 지령에 기초하여 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와, 상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 상기 외부 기기로 출력하는 출력부를 포함하는, 서보 시스템을 제공한다.

본 개시 기술에 의하면, 추정된 부하 토크에 관한 정보를 외부에서 감시할 수 있는 서보 앰프 및 서보 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 일 비교 형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다.
도 2는 제1 실시형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다.
도 3은 제2 실시형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다.
도 4는 추정 부하 토크에 중력 토크를 포함시킨 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다.
도 5는 추정 부하 토크에 중력 토크를 포함시키지 않은 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다.
도 6은 제3 실시형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다.
도 7은 부하 토크의 추정에 귀환 속도를 사용하는 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다.
도 8은 부하 토크의 추정에 지령 속도를 사용하는 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다.
도 9는 부하 토크의 추정값을 피크 홀드(peak hold)하는 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다.
도 10은 단자와 전선 압착의 정상(正常) 상태를 나타내는 도면이다.
도 11은 단자와 전선 압착의 이상(異常) 상태를 나타내는 도면이다.
도 12는 부하 토크의 추정값을 시간 적분하는 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 개시의 실시형태에 대해 설명한다. 우선, 본 개시의 실시형태와 비교하기 위해, 일 비교 형태에서의 서보 시스템의 구성에 대해 설명한다.

도 1은 일 비교 형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다. 도 1에 나타내는 서보 시스템(100)은, 가동부(미도시)를 움직이기 위한 모터(9)를 제어하는 모터 시스템이다. 서보 시스템(100)은, 속도 제어부(1), 가산기(2), 토크 제어부(3), 속도 검출부(4), 부하 토크 추정부(5), 제어 필터(8), 모터(9), 위치 검출기(10)를 구비한다.

토크 제어부(3)는 토크 지령(Tr)에 기초하여 모터(9)의 토크를 제어한다. 위치 검출기(10)는 모터(9)의 위치(회전 위치 θ)를 검출한다. 위치 검출기는 PG라고도 한다. 속도 검출부(4)는 위치 검출기(10)에 의해 검출된 회전 위치(θ)의 시간적 변화에 기초하여, 모터(9)의 속도(각속도 ω)를 검출한다. 속도 제어부(1)는, 속도 검출부(4)에 의해 검출된 각속도(ω)를, 전단(前段)의 제어 블록(미도시)으로부터 공급되는 속도 지령(ωr)에 추종시키는 피드백 토크 지령(Tb)을 생성한다.

또한, 서보 시스템(100)은 모터(9)가 받는 부하 토크(TL)를 추정하기 위해 부하 토크 추정부(5)를 구비한다. 부하 토크 추정부(5)는 토크 지령(Tr)와 속도 검출부(4)에 의해 검출된 각속도(ω)에 기초하여, 부하 토크(TL)를 추정한다.

모터(9)의 발생 토크를 T, 모터(9)의 관성 모멘트(관성값)를 J, 모터(9)의 각가속도를 dω/dt라고 했을 때에, 부하 토크(TL)에 모터(9)에 의해 이동하는 가동부에 작용하는 중력에 의해 발생하는 토크(중력 토크)를 포함시킨 경우,

TL = T - J×dω/dt ······ 식(1)

라는 관계식이 성립한다. 따라서, 부하 토크 추정부(5)는, 토크 지령(Tr)으로부터, 토크 산출부(6)에 의해 산출된 토크(J×dω/dt)를 감산기(7)에 의해 감산(減算)함으로써, 부하 토크(TL)를 추정한다.

제어 필터(8)는, 부하 토크 추정부(5)에 의해 추정된 부하 토크(TL, 추정 부하 토크 TLe)에 필터 처리를 함으로써, 보상 부하 토크(TLc)를 생성한다. 가산기(2)는, 속도 제어부(1)에 의해 생성된 피드백 토크 지령(Tb)과, 제어 필터(8)에 의해 생성된 보상 부하 토크(TLc)를 가산함으로써, 토크 지령(Tr)을 생성한다.

그러나, 도 1에 나타내는 서보 시스템(100)에서는, 부하 토크 추정부(5)에 의해 추정된 부하 토크(TL)가 외란을 제어할 목적으로 모터 제어에 사용되기는 하지만, 추정 부하 토크(TLe)에 관한 정보를 외부에서 감시할 수는 없다.

이에, 본 개시의 실시형태에서의 서보 앰프 및 서보 시스템은, 추정된 부하 토크에 관한 정보를 외부에서 감시할 수 있는 구성을 구비한다. 이어서, 본 개시의 실시형태에서의 서보 앰프 및 서보 시스템의 당해 구성에 대해 설명한다.

도 2는 제1 실시형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다. 도 2에 나타내는 서보 시스템(120)은, 가동부(40)를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 아암(41)에 의해 이동시키는 모터(19)를 구동 및 제어하는 모터 구동 제어 시스템이다. 서보 시스템(120)은, 예를 들어, 모터(19)를 구동 및 제어하여 가동부(40)의 위치를 원하는 위치로 제어한다. 서보 시스템(120)은 서보 앰프(111)와 외부 기기(122)를 구비한다.

외부 기기(122)는 서보 앰프(121)의 외부에 구비되는 장치이며, 부하 토크(TL)의 감시 기능을 가지고 있다. 외부 기기(122)는 아날로그 전압이나 유선 또는 무선 통신에 의해 서보 앰프(121)에 접속된다. 외부 기기(122)는, 예를 들어, 프로그래머블 로직 컨트롤러 등과 같은 제어 장치이다.

서보 앰프(111)는, 가동부(40)를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 아암(41)에 의해 이동시키는 모터(19)를 구동하는 모터 구동 장치이며, 예를 들어, 모터(19)를 구동하여 가동부(40)의 위치를 원하는 위치로 제어한다. 서보 앰프(111)는, 예를 들어, 주된 구성으로서 속도 제어부(11), 가산기(12), 토크 제어부(13), 속도 검출부(14), 부하 토크 추정부(15), 제어 필터(18), 출력부(23)를 구비한다.

토크 제어부(13)는 토크 지령(Tr)에 기초하여 모터(19)의 토크를 제어한다. 위치 검출기(20)는 모터(19)의 위치(회전 위치 θ)를 검출한다. 속도 검출부(14)는 위치 검출기(20)에 의해 검출된 위치의 시간적 변화에 기초하여, 모터(19)의 속도(각속도 ω)를 검출한다. 속도 제어부(11)는 속도 검출부(14)에 의해 검출된 각속도(ω)를, 전단의 제어 블록(미도시)으로부터 공급되는 속도 지령(ωr)에 추종시키는 피드백 토크 지령(Tb)을 생성한다. 예를 들어, 속도 제어부(11)는, 속도 검출부(14)에 의해 검출된 각속도(ω)와, 전단의 제어 블록(미도시)으로부터 공급되는 속도 지령(ωr)과의 편차가 0이 되도록, PI 제어(비례 제어 및 적분 제어)를 행함으로써, 피드백 토크 지령(Tb)을 생성한다.

부하 토크 추정부(15)는, 토크 지령(Tr) 또는 토크 검출값(Tde)과, 속도 검출부(14)에 의해 검출된 각속도(ω)에 기초하여, 모터(9)가 받는 부하 토크 TL(모터(9)에 가해지는 부하 토크 TL)를 추정한다. 부하 토크 추정부(5)는, 예를 들어, 부하 토크(TL)를 추정하는 부하 토크 오브저버이다. 부하 토크(TL)의 추정에 사용되는 토크 검출값(Tde)은 토크 검출부(21)에 의해 검출된 모터(19)의 토크값을 나타낸다. 즉, 부하 토크(TL)의 추정에는, 토크 지령(Tr)을 사용할 수도 있으며, 토크 검출값(Tde)을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 토크 검출부(21)가 서보 앰프(111)에 구비되어 있지 않은 경우에, 토크 지령(Tr)이 부하 토크(TL)의 추정에 사용된다. 이하에서, 부하 토크 추정부(15)에 의해 추정된 부하 토크(TL)를 “추정 부하 토크(TLe)”라고도 한다.

도 1에 나타내는 일 비교 형태에서는, 부하 토크(TL)에 중력 토크를 포함시켜 부하 토크(TL)가 추정되고 있다. 도 2에 나타내는 제1 실시형태에서는, 부하 토크(TL)에 중력 토크를 포함시키지 않고서 부하 토크(TL)를 추정하는 경우를 나타낸다.

중력 토크란, 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 아암(41)에 의해 이동하는 가동부(40)에 작용하는 중력 부분을 제거하기 위해 필요로 하는 토크를 말한다. 모터(19)는, 모터(19)의 회전 출력축에 기어 등을 통해 접속된 아암(41)을 연직 방향 성분을 갖는 방향(예를 들어, 상하 방향)으로 이동시킴으로써, 아암(41)에 결합된 가동부(40)를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 이동시킨다. 가동부(40)는, 예를 들어, 거치대 상에 고정된 가공물(W)을 상방에서 프레스하는 프레스 동작부이다. 아암(41)은, 예를 들어, 볼 나사를 이용하여 가동부(40)를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 이동시킨다. 한편, 가동부(40)는 프레스 동작, 드릴 동작, 전단(剪斷) 동작 등과 같은 공작 동작을 하는 것일 수 있다.

예를 들어, 아암(41)이 그 작동 방향으로 가동부(40)를 이동시키는 볼 나사인 경우를 생각해 보자. 가동부(40)의 중심 위치에 작용하는 중력을 Fg, 중력 Fg 중 아암(41) 작동 방향(가동부(40)의 이동 방향)의 중력 성분을 Fg`, 중력 토크를 Tg, 연직 방향과 아암(41) 작동 방향과의 각도를 α, 볼 나사의 피치(리드)를 BP라 한다. 각도 α가 0인 경우에는 가동부(40)가 연직 방향으로만 이동함을 나타낸다. 이 때에 중력 성분 Fg`와 중력 토크 Tg에는 각각,

Fg`=Fg×cosα······ ····식(2)

Tg=(BP/2π)×Fg`······ 식(3)

라는 관계식이 성립한다.

또한, 모터(19)의 발생 토크를 T, 모터(19) 및 모터(19)에 직접적 또는 간접적으로 접속되는 부하 기계 가동부의 관성 모멘트(관성값)를 J, 모터(19)의 각가속도를 dω/dt, 모터(19)가 받는 외란 토크를 Td, 외란 토크 Td에 포함되는 중력 토크를 Tg라 한다. 이 때에 부하 토크(TL)에 중력 토크(Tg)를 포함시키지 않은 경우,

TL = Td-Tg= T-J×dω/dt-Tg······ 식(4)

라는 관계식이 성립한다. 추정 대상인 부하 토크(TL)로부터 중력 토크(Tg)를 뺌으로써 부하 토크(TL)의 추정 정밀도가 향상된다.

식(4)를 사용하여 부하 토크(TL)을 추정하는 경우, 부하 토크 추정부(15)는, 예를 들어, 외란 토크 추정부(28) 및 감산기(30)를 가진다.

외란 토크 추정부(28)는, 토크 지령(Tr) 또는 토크 검출값(Tde)과, 속도 검출부(14)에 의해 검출된 각속도(ω)에 기초하여, 모터(19)가 받는 외란 토크 Td(모터(19)에 가해지는 외란 토크 Td)를 추정한다. 외란 토크 추정부(28)는, 예를 들어, 외란 토크(Td)를 추정하는 외란 토크 오브저버이다. 이하에서 외란 토크 추정부(28)에 의해 추정된 외란 토크 Td를 “추정 외란 토크 Tdie”라고도 한다.

외란 토크 추정부(28)는, 예를 들어, 도 1에 나타내는 부하 토크 추정부(5)와 같은 구성을 가진다. 이 경우, 외란 토크 추정부(28)는, 전술한 바와 같이, 토크 지령(Tr) 또는 토크 검출값(Tde)로부터, 토크 산출부(6)에 의해 산출된 토크(J×dω/dt)를 감산기(7)에 의해 감산함으로써, 외란 토크(Td)를 추정한다. 한편, 외란 토크 추정부(28)는 이러한 구성에 한정되지 않으며, 임의의 공지 구성일 수도 있다.

식(4)에 나타낸 바와 같이, 부하 토크(TL)은, 외란 토크(Td)로부터 중력 토크(Tg)를 감산함으로써 추정할 수 있다. 따라서, 부하 토크 추정부(15)는, 외란 토크 추정부(28)에 의해 추정된 외란 토크 Td(추정 외란 토크 Tdie)로부터, 중력 토크(Tg)를 감산기(30)에 의해 감산함으로써, 부하 토크(TL)를 추정한다. 즉, 중력 토크(Tg)의 보상에 의해 정밀도 높은 추정 부하 토크(TLe)를 얻을 수 있다.

예를 들어, 부하 토크 추정부(15)는, 외란 토크 추정부(28)에 의해 추정된 외란 토크 Td(추정 외란 토크 Tdie)로부터 일정한 중력 토크(Tg)를 감함으로써, 부하 토크(TL)를 추정한다. 각도 α가 고정되어 가동부(40)가 연직 방향의 일직선 상에서 이동하는 경우, 중력 토크(Tg)는 식(3)에 의해 일정한 값으로 된다. 따라서, 일정한 중력 토크(Tg)를 서보 앰프(111) 내부에 미리 설정(기억)하여 둘 수 있다.

또는, 부하 토크 추정부(15)는, 외란 토크 추정부(28)에 의해 추정된 외란 토크 Td(추정 외란 토크 Tdie)로부터 서보 앰프 외부에서 공급되는 중력 토크(Tg)를 감함으로써, 부하 토크(TL)를 추정할 수도 있다. 동작 상태나 작업 공정의 변화에 의해 가동부(40)의 질량이 변하거나 각도 α가 변하는 등의 경우가 있다. 이와 같은 가변 정보를 외부 기기(122)가 가지는 경우, 외부 기기(122)에 의해 시시각각의 중력 토크 Tg 값이 연산되어, 시시각각의 중력 토크 Tg의 연산값이 외부 기기(122)로부터 통신에 의해 서보 앰프(111)의 부하 토크 추정부(15)로 공급된다. 이와 같이 중력 토크(Tg)가 변화하더라도 서보 앰프(111)는 외부 기기(122)로부터 중력 토크(Tg)를 입수하여 부하 토크(TL)의 추정에 이용할 수가 있다.

제어 필터(18)는 추정 부하 토크(TLe)에 필터 처리를 함으로써 보상 부하 토크(TLc)를 생성한다. 가산기(12)는, 속도 제어부(11)에 의해 생성된 피드백 토크 지령(Tb)과 제어 필터(18)에 의해 생성된 보상 부하 토크(TLc)를 가산함으로써, 토크 지령(Tr)을 생성한다.

서보 앰프(111)는 추정 부하 토크(TLe)에 관한 정보(감시 정보)를 서보 앰프(111)의 외부로 출력하는 출력부(23)를 구비한다. 이로써, 추정 부하 토크(TLe)에 관한 정보가 서보 앰프(111)의 외부(예를 들어, 외부 기기(122))로 출력 가능하게 된다. 따라서, 외란을 제어할 목적으로 추정 부하 토크(TLe)를 토크 지령(Tr)의 산출에 반영하여 모터(19)의 서보 제어에 사용할 수 있을 뿐 아니라, 추정 부하 토크(TLe)에 관한 정보를 서보 앰프(111)의 외부(예를 들어, 외부 기기(122))에서 감시할 수가 있다.

예를 들어, 모터(19)에 의해 위치 등이 제어되는 가동부(40) 또는 모터(19) 자체에, 이상(예를 들어, 경년 열화, 이물 접촉 등)이 발생하면, 추정 부하 토크(TLe)가 변화한다. 따라서, 출력부(23)에서 출력되는 추정 부하 토크(TLe)에 관한 정보를 서보 앰프(111)의 외부에서 모니터링함으로써, 가동부(40) 또는 모터(19)에 발생한 이상을 서보 앰프(111)의 외부에서 검지할 수 있게 된다.

추정 부하 토크(TLe)에 관한 정보로는, 예를 들어, 추정 부하 토크(TLe) 값, 서보 앰프(111) 내부에서 추정 부하 토크(TLe)에 기초하여 이상 판정을 내린 결과 등을 들 수 있다.

출력부(23)는 추정 부하 토크(TLe)에 관한 정보를 아날로그 출력으로 외부에 출력할 수도 있으며, 유선 통신 또는 무선 통신으로 외부에 출력할 수도 있다.

예를 들어, 출력부(23)는 추정 부하 토크(TLe) 값을 아날로그 전압값으로 변환하여 외부에 출력한다. 이로써, 서보 앰프(111)의 외부 기기(122)는, 출력부(23)에서 출력되는 아날로그 전압값에 따라 추정 부하 토크(TLe) 값을 검지할 수 있다. 출력부(23)가 추정 부하 토크(TLe) 값을 소정의 반송파로써 통신 출력하는 경우에도 마찬가지로, 서보 앰프(111)의 외부 기기(122)는 출력부(23)에서 출력되는 반송파를 수신함으로써 추정 부하 토크(TLe) 값을 검지할 수 있다. 예를 들어, 출력부(23)는 부하 토크의 추정값을 피크 홀드(peak hold)하여 그 추정값의 피크 홀드값을 서보 앰프의 외부로 송신한다.

마찬가지로, 출력부(23)는 서보 앰프(111) 내부에서 추정 부하 토크(TLe)에 기초하여 이상 판정을 내린 결과(정상 또는 이상)를 나타내는 정보를, 아날로그 전압값으로 변환시켜 외부에 출력할 수도 있으며, 소정의 반송파로써 통신 출력할 수도 있다. 이로써, 서보 앰프(111)의 외부 기기(122)는 출력부(23)에서 출력되는 아날로그 전압 또는 반송파를 검지함으로써, 서보 앰프(111)가 이상 판정한 결과를 취득할 수 있다.

그런데, 부하 토크(TL)의 추정에는, 전술한 바와 같이, 모터(19) 및 모터(19)에 접속되는 부하 기계 가동부의 관성 모멘트(관성값 J)가 사용된다. 부하 토크(TL)의 추정에 사용하는 관성값이 서보 제어 파라미터(예를 들어, 속도 제어부(11)에서 행해지는 비례 제어의 제어 게인 A)의 결정에 사용하는 관성값과 겸용되는 경우, 부하 토크(TL)의 추정에 사용하는 관성값이 반드시 바르게 설정된다고는 볼 수 없다. 서보 제어의 제어성 향상에 적합한 관성값이 반드시 부하 토크(TL)의 추정 정밀도 향상에도 적합하다고는 볼 수 없기 때문이다. 또한, 서보 제어 파라미터의 결정에 사용되는 관성 모멘트비(比)는, 다소의 오차가 있더라도 서보 제어 상의 문제가 발생하지 않으면 되는 것이므로, 1배, 5배, 10배 등 개략적인 값으로 설정하고서 오토튜닝 게인(auto-tuning gain)으로 미세 조정하는 경우가 있다. 이 경우에, 부하 토크(TL)를 높은 정밀도로 추정하는 것은 곤란하다.

이에 관련하여, 도 2에 나타내는 서보 앰프(111)는, 모터(19)의 제어용으로 제1 관성값(Jc)을 설정하는 제1 관성값 설정부(24)와, 부하 토크(TL)의 추정용으로 제2 관성값(Je)을 설정하는 제2 관성값 설정부(26)를 구비한다. 즉, 부하 토크(TL) 추정용과 모터(19) 제어용에 있어 독립적으로 관성값을 설정할 수 있는 기능을 가진다. 이와 같이 관성값을 독립적으로 설정할 수 있는 기능을 가짐으로써, 부하 토크(TL)를 추정하기 위한 보다 적절한 관성값을 설정할 수 있게 되어 부하 토크(TL)의 추정 정밀도가 향상된다. 또한, 부하 토크(TL) 추정용과 모터(19) 제어용에 있어 각각 적절한 관성값을 설정할 수 있으므로, 서보 제어의 제어 정밀도 향상과 부하 토크(TL)의 추정 정밀도 향상을 양립시킬 수 있게 된다.

예를 들어, 제1 관성값 설정부(24)는, 입력받은 제1 관성값(Jc)에 따라 제어 게인(A)을 오토튜닝하고, 속도 제어부(11)에서 행하여지는 비례 제어의 제어 게인으로서 오토튜닝 후의 제어 게인(A)을 설정한다. 또한, 제2 관성값 설정부(26)는, 부하 토크 추정부(15) 내에서 부하 토크(TL)의 추정에 사용하는 관성값 J(예를 들어, 전술한 J×dω/dt의 산출에 사용하는 관성값 J)으로서, 입력받은 제2 관성값(Je)을 설정한다.

한편, 제1 관성값(Jc) 또는 제2 관성값(Je)은, 서보 앰프(111)가 가지는 관성값 추정 연산 기능에 의해 얻어지는 추정값일 수도 있으며, 사용자 또는 서보 앰프(111)의 외부 기기(122)로부터 입력되는 정보에 따라 결정되는 값일 수도 있다.

또한, 도 2에 나타내는 서보 앰프(111)는, 모터(19) 제어용으로서 제1 필터값(Kc)을 설정하는 제1 필터값 설정부(25)와, 추정 부하 토크(TLe)에 관한 감시 정보의 출력용으로서 제2 필터값(Ko)을 설정하는 제2 필터값 설정부(27)를 구비한다. 즉, 감시 정보 출력용과 모터(19) 제어용에 있어 필터값을 독립적으로 설정할 수 있는 기능을 가진다. 이와 같이 필터값을 독립적으로 설정할 수 있는 기능을 가짐으로써, 모터(19)의 서보 제어에 적합한 필터값을 설정할 수 있을 뿐 아니라, 서보 앰프(111)의 외부 기기(122)가 감시 정보를 감시하는 데에 적합한 필터값을 설정할 수 있다.

서보 앰프(111)는, 예를 들어, 모터(19) 제어용의 제어 필터(18)와, 감시 정보 출력용의 출력 필터(22)를 구비한다. 제1 필터값 설정부(25)는 입력받은 제1 필터값(Kc)을 제어 필터(18)에 설정하고, 제2 필터값 설정부(27)는 입력받은 제2 필터값(Ko)을 출력 필터(22)에 설정한다. 예를 들어, 제1 필터값(Kc)은 제어 필터(18) 응답시의 정수(定數)이며, 제2 필터값(Ko)은 출력 필터(22) 응답시의 정수(定數)이나, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 필터에서 행해지는 필터 처리에 적합한 값으로 설정된다. 제어 필터(18)는, 추정 부하 토크(TLe)에 제1 필터값(Kc)을 사용한 필터 처리를 함으로써, 보상 부하 토크(TLc)를 생성한다. 출력 필터(22)는, 추정 부하 토크(TLe)에 제2 필터값(Ko)을 사용한 필터 처리를 함으로써, 외부 감시에 적합한 추정 부하 토크(TLe)를 생성한다.

한편, 출력 필터(22)는, 로우 패스 필터(low pass filter)일 수도 있으며, 밴드 패스 필터(band pass filter)일 수도 있으며, 하이 패스 필터(high pass filter)일 수도 있다. 외부 감시에 적합한 필터 특성이 설정된다.

도 3은 제2 실시형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다. 도 3에 나타내는 서보 시스템(140)은 서보 앰프(121)와 외부 기기(122)를 구비한다. 전술한 실시형태와 마찬가지인 구성 및 효과에 대해서는, 전술한 설명을 원용함으로써 생략하거나 간략하게 설명한다.

제2 실시형태에서는, 부하 토크 추정부(15)의 구성이 제1 실시형태와 다르다. 제2 실시형태에서는, 부하 토크 추정부(15)가, 외란 토크 추정부(28)에 의해 추정된 외란 토크 Td(추정 외란 토크 Tdie)로부터 중력 토크(Tg)를 고대역 통과 필터(32)에 의해 감함으로써, 부하 토크(TL)를 추정한다. 고대역 통과 필터(32)는, 외란 토크(Td)를 입력받아 입력된 외란 토크(Td)에 포함되는 중력 토크(Tg)를 감쇠시킴으로써, 중력 토크(Tg)의 성분이 감쇠된 추정 부하 토크(TLe)를 출력한다. 중력 토크(Tg)의 주파수 성분이 직류 성분인 경우(예를 들어, 전술한 바와 같이, 중력 토크(Tg)가 일정한 값인 경우), 외란 토크(Td)에 고대역 통과 필터(32)에 의한 필터 처리를 함으로써 중력 토크(Tg)에 상당하는 직류 성분이 감쇠된 추정 부하 토크(TLe)를 얻을 수 있다.

도 4는 추정 부하 토크에 중력 토크를 포함시킨 경우의 각 파형을 예시하는 도면으로서, 일 비교형태에서의 부하 토크 추정부(5)가 부하 토크(TL)를 추정하는 경우를 나타낸다. 도 5는 추정 부하 토크에 중력 토크를 포함시키지 않은 경우의 각 파형을 예시하는 도면으로서, 제1 또는 제2 실시형태에서의 부하 토크 추정부(15)가 부하 토크(TL)를 추정하는 경우를 나타낸다. 도 4, 도 5에서, “속도”는 가동부(40)가 금속 가공물(W)을 프레스할 때의 프레스 속도(또는 각속도 ω)를 나타내며, “부하 토크”는 서보 앰프 내부에서 연산된 추정 부하 토크(TLe)를 나타낸다.

도 4의 경우, 하강 동작에 의해 금속을 프레스하기 위해 하지점(下支点) 근처에서 부하 토크가 가해지고 있으나 중력 토크(Tg)가 추정 부하 토크(TLe)에 20% 정도 포함되어 있으므로, 부하 토크(이 경우, 프레스 토크)를 양호한 정밀도로 감시할 수 없다. 반면, 도 5의 경우 중력 토크(Tg)가 추정 부하 토크(TLe)에 포함되어 있지 않으므로, 추정 부하 토크(TLe)를 0을 기준으로 해서 변화하는 양으로 나타낼 수 있어서 프레스 토크를 양호한 정밀도로 또한 직감적으로 감시할 수가 있다.

도 6은 제3 실시형태에서의 서보 시스템의 구성을 예시하는 도면이다. 도 6에 나타내는 서보 시스템(160)은 서보 앰프(131)와 외부 기기(122)를 구비한다. 전술한 실시형태와 마찬가지인 구성 및 효과에 대해서는, 전술한 설명을 원용함으로써 생략하거나 간략하게 설명한다.

제3 실시형태에서는, 부하 토크 추정부(15)가 모터(19)의 속도 지령(ωr)에 기초하여 부하 토크(TL)를 추정한다는 점에서, 모터(19)의 속도 검출값(속도 검출부(14)에 의해 검출된 각속도 ω)에 기초하여 부하 토크(TL)를 추정하는 전술한 실시형태와 다르다. 부하 토크 추정부(15)는, 외란 토크 추정부(28)가 속도 지령(ωr)에 기초하여 외란 토크(Td)를 추정함으로써, 부하 토크(TL)를 추정한다.

예를 들어, 도 1에 나타내는 부하 토크(TL) 연산에서는, 위치 검출기(20)에 의해 검출된 회전 위치(θ)를 속도 검출부(14)가 미분함으로써 얻어지는 각속도(ω)가 사용된다. 그러나, 위치 검출기(20)에 의해 검출된 회전 위치(θ)에는 노이즈 성분이 포함되므로, 이를 미분하면 큰 노이즈 성분이 각속도(ω)에 나타나는 경향이 있다. 특히, 관성값이 큰 경우에는 감시에 적합하지 않을 정도의 노이즈 성분으로 되는 경우가 있다. 속도 검출부(14)에 의해 얻어진 각속도(ω)를 한번더 미분하여 각가속도(dω/dt)를 얻으면, 노이즈 성분이 더 증가하는 경우가 있다.

이에 대해, 도 6에 나타내는 부하 토크 추정부(15)는, 속도 지령(ωr)으로 지령되는 속도(지령 속도)를 미분하여 얻어지는 각가속도(dω/dt)를 사용하여 부하 토크(TL)를 연산한다. 속도 지령(ωr)으로 지령되는 속도(지령 속도)는 서보 앰프(131)의 내부값이므로, 노이즈 성분이 비교적 작다. 따라서, 속도 지령(ωr)으로 지령되는 속도(지령 속도)를 사용함으로써, 노이즈가 적은 고정밀도의 감시가 가능할 수 있다.

한편, 도 6에 나타내는 부하 토크 추정부(15)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 고대역 통과 필터(32)를 사용하여 부하 토크(TL)를 추정할 수도 있다.

도 7은 부하 토크의 추정에 귀환 속도(속도 검출부(14)에 의해 검출되는 각속도 ω)를 사용하는 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다. 도 8은 부하 토크의 추정에 지령 속도(속도 지령 ωr로 지령되는 속도)를 사용하는 경우의 각 파형을 예시하는 도면이다.

도 7의 경우, 귀환 속도의 미분을 사용하고 있으므로, 실제 부하에 의한 부하 토크(TL) 인가시의 각속도(ω) 변화에 따라 수시로 추정 부하 토크(TLe)를 산출할 수 있다. 반면, 도 8에서와 같이 지령 속도의 미분을 사용한 경우에는, 실제 부하에 의한 부하 토크(TL) 인가시의 각속도(ω) 변화가 부하 토크(TL)의 추정에 반영되지 않는다. 그러므로, 속도 제어의 결과로서 토크 지령(Tr)이 기동함에 따라 추정 부하 토크(TLe)가 기동된다. 즉, 추정 부하 토크(TLe)의 응답 속도는 속도 제어의 응답 속도에 의해 결정된다. 그러나, 속도 제어의 응답은 일반적으로 30~100Hz 정도(시정수로 환산하면 5~1ms 정도)로서 충분히 빠르므로 실용상으로는 지장이 없다.

그런데, 도 5에 예시하는 추정 부하 토크(TLe)의 파형에서는, 출력부(23)에서 출력되는 추정 부하 토크(TLe)로부터 그 피크값을 외부 기기(122)에서 검출하려면 1ms 정도의 샘플링이 요구된다. 이러한 피크 검출을 버스 통신에 의해 하는 경우, 버스 통신을 1ms 정도로 행할 것이 요구되므로, 외부 기기(122) 쪽의 피크 검출에 높은 정밀도가 요구되는 바 고정밀도의 피크 검출이 용이하지는 않다.

이에, 각 실시형태에서의 출력부(23)는, 예를 들어 도 9에 나타내는 바와 같이, 부하 토크(TL)의 추정값을 피크 홀드하고 그 추정값의 피크 홀드값을 서보 앰프 외부로 송신할 때마다 리셋하여, 부하 토크(TL)의 추정값을 다시 피크 홀드할 수도 있다. 출력부(23)는, 버스 통신에 의해 송수신하는 동안의 기간에 추정 부하 토크(TLe)를 피크 홀드하고, 송신 타이밍에서 최신 피크 홀드값을 외부 기기(122)로 송신하고서 내부의 피크 홀드값을 리셋한다. 이로써, 예를 들어 버스 통신이 5ms 정도인 경우에도, 외부 기기(122)는 놓치지 않고 피크를 검출할 수 있다. 따라서, 데이터 갱신이 비교적 느린 시스템에서도, 외부 기기(122)는 추정 부하 토크(TLe)의 피크값을 놓치지 않고 추정 부하 토크(TLe)에 기초하여 모터(19) 등의 이상 판정을 비교적 높은 정밀도로 실시할 수가 있다.

외부 기기(122) 쪽에서 피크 토크를 검출할 것이 요구되는 예로서,

· 기계의 1사이클 정보가 외부 기기(122) 쪽에만 있어서 서보 앰프 쪽이 어느 구간의 피크를 검출하면 좋은지 불명확한 경우

· 1사이클 내 복수 개의 피크 중 어느 피크를 이상 판정에 사용할지를 정하는 조건이 외부 기기(122) 쪽에만 있는 경우 등이 있다.

또는, 각 실시형태에서의 출력부(23)는, 부하 토크(TL)의 추정값을 시간 적분하여 그 추정값의 시간 적분값을 서보 앰프 외부로 송신할 수도 있다. 이로써, 추정 부하 토크(TLe)의 피크값의 정상일 때와 이상이 있을 때의 차가 비교적 작더라도, 외부 기기(122)는 출력부(23)로부터 공급되는 시간 적분값에 기초하여 모터(19) 등의 이상 판정을 비교적 높은 정밀도로 실시할 수 있다.

도 12는 부하 토크의 추정값을 시간 적분하는 경우의 각 파형을 예시하는 도면으로서, 본 실시형태에서의 서보 시스템을 프레스 기계에 적용한 경우에, 속도 및 부하 토크의 파형을 정상시와 이상시에서 비교한 결과를 나타낸다. 도 12에서 “속도”는 가동부(40)가 금속 리셉터클 단자를 프레스할 때의 프레스 속도(또는 각속도 ω)를 나타내며, “부하 토크”는 서브 앰프 내부에서 연산된 추정 부하 토크(TLe)를 나타낸다. 도 12에서 “정상 ”은 리셉터클 단자(60)와 전선(51)의 압착이 정상인 경우를 나타내고(도 10 참조), “이상”은 리셉터클 단자(60)와 전선(51)의 압착에 이상이 있는 경우를 나타낸다(도 11 참조).

도 10은, 프레스 기계의 가동부(40)가, 전선(51) 선단부의 피복(52)이 벗겨짐으로써 노출된 도선(53)과, 리셉터클 단자(60)의 근원부(根元部,61)를 같이 프레스하여, 도선(53)과 근원부(61)가 압착된 정상 상태를 나타낸다. 도 11은, 프레스 기계의 가동부(40)가, 전선(51) 선단부의 피복(52)이 벗겨지지 않고 도선(53)을 덮은 상태에서 리셉터클 단자(60)의 근원부(61)를 프레스하여, 전선(51)과 근원부(61)가 압착된 이상 상태를 나타낸다.

도 12에 예시하는 이상 파형에서는, 전선(51)에 피복(52)이 씌워진 상태에서 압착되어 있으므로, 이물질(피복(52))이 있는 만큼 추정 부하 토크(TLe)가 정상 파형에 비해 빠르게 (-) 쪽으로 커지도록 되어 있다. 출력부(23)는, 예를 들어, 각속도(ω)가 소정의 속도 역치 ωa(예를 들어, -200rpm)보다 낮고 또한 추정 부하 토크(TLe)가 소정의 토크 역치 TLa(예를 들어, -20%)보다 낮은 구간에서, 추정 부하 토크(TLe)를 시간 적분한다. 이 조건으로 시간 적분하는 경우, 출력부(23)는, 이상시에는 t1~t3 구간에서 시간 적분하고, 정상시에는 t2~t3 구간에서 시간 적분하게 된다. 시간 적분값(도 12에서 해칭부의 면적에 상당)은 이상시와 정상시에서 명확하게 차이를 판별할 수가 있다. 이와 같이 추정 부하 토크(TLe)의 피크값으로는 판별하기 어려운 경우에도, 시간 적분값으로 비교함으로써 모터(19) 등의 이상 판정을 용이하게 할 수 있다.

이와 같이, 전술한 실시형태에 의하면, 추정된 부하 토크(TL)에 관한 감시 정보가 외부로 출력되므로, 추정된 부하 토크에 관한 정보를 외부에서 감시할 수 있게 된다.

한편, 전술한 실시형태에서 서보 앰프가 구비하는 추정 토크 추정부 등 각부의 기능은, 메모리로 읽어들일 수 있도록 저장된 프로그램에 의해 프로세서(예를 들어, CPU(Central Processing Unit))가 동작함으로써 실현된다.

이상에서 서보 앰프 및 서보 시스템을 실시형태에 의해 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 다른 실시형태의 일부 또는 전부와의 조합, 치환 등 다양한 변형 및 개량이 본 발명의 범위 내에서 가능하다.

본원은 일본 특허청에 2019년 9월 11일에 출원된 기초 출원 2019-165481호의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체 내용을 참조로써 여기에 원용한다.

15 부하 토크 추정부
18 제어 필터
22 출력 필터
23 출력부
24 제1 관성값 설정부
25 제1 필터값 설정부
26 제2 관성값 설정부
27 제2 필터값 설정부
28 외란 토크 추정부
29 마찰 토크 추정부
30 감산기
32 고대역 통과 필터
40 가동부
100,120,140,160 서보 시스템
111,121,131 서보 앰프
122 외부 기기

Claims

가동부를 이동시키는 모터의 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와,
상기 모터가 받는 외란 토크를 추정하는 외란 토크 추정부와,
하기의 식(4)에 따라, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 상기 가동부에 작용하는 중력에 의해 발생하는 중력 토크를 감함으로써, 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와,
상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 서보 앰프 외부로 출력하는 출력부를 포함하는 서보 앰프.
TL=Td-Tg=T-J×dω/dt-Tg······ 식(4)
(여기서, TL은 부하에서의 추정 토크, Td는 추정 외란 토크, Tg는 중력에 의한 토크, T는 부하에서의 발생 토크, J는 부하에서의 관성 모멘트, dω/dt는 부하에서의 각가속도)
제1항에 있어서,
상기 부하 토크 추정부는, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 일정한 상기 중력 토크를 감함으로써, 상기 부하 토크를 추정하는 것인 서보 앰프.
제1항에 있어서,
상기 부하 토크 추정부는, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 서보 앰프 외부에서 공급되는 상기 중력 토크를 감함으로써, 상기 부하 토크를 추정하는 것인 서보 앰프.
제1항에 있어서,
상기 부하 토크 추정부는, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 상기 중력 토크를 고대역 통과 필터에 의해 감함으로써, 상기 부하 토크를 추정하는 것인 서보 앰프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터의 속도 지령에 기초하여 상기 토크 지령을 생성하는 속도 제어부를 포함하고,
상기 부하 토크 추정부는 상기 속도 지령에 기초하여 상기 부하 토크를 추정하는 것인 서보 앰프.
제5항에 있어서,
상기 부하 토크 추정부는, 상기 외란 토크 추정부가 상기 속도 지령에 기초하여 상기 외란 토크를 추정함으로써, 상기 부하 토크를 추정하는 것인 서보 앰프.
가동부를 이동시키는 모터의 속도 지령에 기초하여 상기 모터의 토크 지령을 생성하는 속도 제어부와,
상기 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와,
상기 속도 지령의 입력을 직접 받아, 상기 모터가 받는 외란 토크를 추정하는 외란 토크 추정부와,
상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크에 기초하여 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와,
상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 서보 앰프 외부로 출력하는 출력부를 포함하는 서보 앰프.
제7항에 있어서,
상기 모터는 상기 가동부를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 이동시키는 것인 서보 앰프.
제1항 내지 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출력부는 상기 부하 토크의 추정값을 피크 홀드하여 상기 추정값의 피크 홀드값을 서보 앰프 외부로 송신하는 것인 서보 앰프.
제9항에 있어서,
상기 출력부는 상기 피크 홀드값을 서보 앰프 외부로 송신할 때마다 리셋하여 상기 부하 토크의 추정값을 다시 피크 홀드하는 것인 서보 앰프.
제1항 내지 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 출력부는 상기 부하 토크의 추정값을 시간 적분하여 상기 추정값의 시간 적분값을 서보 앰프 외부로 송신하는 것인 서보 앰프.
제1항 내지 제4항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부하 토크 추정부는 상기 가동부가 프레스 동작할 때의 상기 부하 토크를 추정하는 것인 서보 앰프.
서보 앰프와, 상기 서보 앰프의 외부에 구비되는 외부 기기를 포함하며,
상기 서보 앰프가,
가동부를 이동시키는 모터의 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와,
상기 모터가 받는 외란 토크를 추정하는 외란 토크 추정부와,
하기의 식(4)에 따라, 상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크로부터 상기 가동부에 작용하는 중력에 의해 발생하는 중력 토크를 감함으로써, 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와,
상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 상기 외부 기기로 출력하는 출력부를 포함하는 것인 서보 시스템.
TL=Td-Tg=T-J×dω/dt-Tg······ 식(4)
(여기서, TL은 부하에서의 추정 토크, Td는 추정 외란 토크, Tg는 중력에 의한 토크, T는 부하에서의 발생 토크, J는 부하에서의 관성 모멘트, dω/dt는 부하에서의 각가속도)
서보 앰프와, 상기 서보 앰프의 외부에 구비되는 외부 기기를 포함하며,
상기 서보 앰프가,
가동부를 이동시키는 모터의 속도 지령에 기초하여 상기 모터의 토크 지령을 생성하는 속도 제어부와,
상기 토크 지령에 기초하여 상기 모터의 토크를 제어하는 토크 제어부와,
상기 속도 지령의 입력을 직접 받아, 상기 모터가 받는 외란 토크를 추정하는 외란 토크 추정부와,
상기 외란 토크 추정부에 의해 추정된 상기 외란 토크에 기초하여 상기 모터가 받는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정부와,
상기 부하 토크 추정부에 의해 추정된 상기 부하 토크에 관한 정보를 상기 외부 기기로 출력하는 출력부를 포함하는 것인 서보 시스템.
제14항에 있어서,
상기 모터는 상기 가동부를 연직 방향 성분을 갖는 이동 방향으로 이동시키는 것인 서보 시스템.