KR19990041780A - 스텝핑 모터의 위치 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 스텝핑 모터의 위치 제어 장치는, 스텝핑 모터의 현재 위치를 검출하는 위치 검출부와, 상기 위치 검출부로부터의 현재 위치 신호 및 사용자로부터의 목표 위치 명령 신호를 입력받아 그 두 신호간의 위치 오차를 디지털 신호 처리에 의해 연산하고, 구해진 위치 오차에 대한 보상을 수행하여 보상된 위상 및 진폭 신호를 출력하는 디지털 신호 처리부와, 상기 보상된 위상 및 진폭 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 디지털/아날로그 변환부, 및 상기 디지털/아날로그 변환부로부터의 아날로그 출력 신호에 따라 상기 스텝핑 모터를 구동시키는 구동부를 포함한다.

Description

스텝핑 모터의 위치 제어 장치

본 발명은 디지털 신호 처리(Digital Signal Processing)를 이용하여 스텝핑 모터의 위치를 제어하는 스텝핑 모터의 위치 제어 장치에 관한 것이다.

1920년대 영국에서 개발된 스텝핑(Stepping) 모터는, 1950년대 트랜지스터(transistor)의 출현 이후에 디지탈 제어가 용이하다는 장점을 갖게 되었다. 이 스텝핑 모터는, 높은 정밀도의 위치 결정이 가능한 모터로서, 컴퓨터 주변 단말 기기, 공작 기계, 및 각종 자동 제어 기계 등에 사용된다.

이와 같은 스텝핑 모터의 정밀한 위치 제어를 위해서, 마이크로 스텝핑(micro-stepping) 기술을 이용하여 오픈 루프 제어를 수행하는 한편, 여기에 아날로그 형태의 폐쇄 루프 제어를 부가하기도 한다. 즉, 일정 시간 간격으로 스텝핑 모터의 현재 위치를 검출하고, 이 검출된 현재 위치를 위치 제어를 수행하는 컨트롤러로 피드백시킨다. 이 피드백된 현재 위치 정보를 입력받은 컨트롤러에서는 입력된 현재 위치 정보를 이용하여 오차를 연산한다. 그리고, 이 연산된 오차를 보정하고, 최종적으로 오차가 보상된 출력 신호를 발생시킨다. 일반적으로, 오픈 루프 제어를 통해서는 수십 마이크로 단위의 위치 정밀도를 얻을 수 있으며, 아날로그 형태의 폐쇄 루프 제어를 첨가하면 수 마이크로미터 이하의 위치 정밀도를 얻을 수 있다.

그런데, 위치 정밀도를 향상시키기 위하여 아날로그 형태의 페쇄 루프 제어를 부가하는 경우에는, 이 폐쇄 루프 형태의 아날로그 제어 방식이 온도나 습도 등에 영향을 받아 제어 성능이 저하될 수 있다. 또한, 구동 중에 발생되는 오차의 차이가 1/2 스텝 이상 발생하면 영구적인 위치 오차가 발생된다. 이와 같은 경우에는 구동시 기구적 또는 전기적 특성에 의해 결정되는 시스템의 최고 성능을 발휘시키기 어려우며, 이에 따라 고속 정밀 제어를 수행하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 페쇄 루프 제어 과정을 디지털 신호 처리 방법을 사용하여 수행하도록 된 위치 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 위치 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도.

도 2는 도 1의 위치 제어 장치의 디지털 신호 처리부의 구성을 나타낸 블록도.

도 3은 도 2의 디지털 신호 처리부의 동작을 설명하기 위한 플로우 챠트.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1...위치 검출부 2...디지털 신호 처리부

3...디지털/아날로그 변환부 4...구동부

21...오차 연산부 22...PID 제어부

23...위상-진폭 보정부 24...비교 출력부

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 스텝핑 모터의 위치 제어 장치는, 스텝핑 모터의 현재 위치를 검출하는 위치 검출부; 상기 위치 검출부로부터의 현재 위치 신호 및 사용자로부터의 목표 위치 명령 신호를 입력받아, 상기 두 신호간의 위치 오차를 디지털 신호 처리에 의해 연산하고, 구해진 위치 오차에 대한 보상을 수행하여 보상된 위상 및 진폭 신호를 출력하는 디지털 신호 처리부; 상기 보상된 위상 및 진폭 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 디지털/아날로그 변환부; 및 상기 디지털/아날로그 변환부로부터의 아날로그 출력 신호에 따라 상기 스텝핑 모터를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는, 상기 위치 오차를 연산하는 오차 연산부; 상기 오차 연산부에 의해 연산된 위치 오차에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하는 PID 제어부; 상기 PID 제어부로부터 출력된 값을 상기 목표 위치 명령에 따른 위상 및 진폭에 각각 가산하는 위상-진폭 보정부; 및 상기 오차 연산부에 의해 연산된 위치 오차와, 출력값을 제한하기 위하여 기설정된 1차 및 2차 임계 오차값을 각각 비교하여 상응하는 진폭 및 위상 신호를 출력시키는 비교 출력부를 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면은 참조하면서 본 발명에 따른 스텝핑 모터의 위치 제어 장치를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 스텝핑 모터의 위치 제어 장치의 시스템 구성을 개략적으로 나타내 보인 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스텝핑 모터의 위치 제어 장치는 위치 검출부(1), 디지털 신호 처리부(2), 디지털/아날로그 변환부(3) 및 구동부(4)를 포함하여 구성된다.

상기 위치 검출부(1)는 스텝핑 모터의 현재 위치를 검출한다. 상기 디지털 신호 처리부(2)는 위치 검출부(1)로부터의 현재 위치 신호 및 사용자로부터의 목표 위치 명령 신호를 입력받는다. 그리고, 입력받은 목표 위치 명령 신호와 현재 위치 신호와의 편차인 위치 오차를 디지털 신호 처리에 의해 연산하고, 구해진 위치 오차에 대한 보상을 수행하여 보상된 위상 및 진폭 신호를 출력한다. 상기 디지털/아날로그 변환부(3)는 디지털 신호 처리부(2)로부터의 보상된 위상 및 진폭 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. 상기 구동부(4)는 디지털/아날로그 변환부(3)로부터의 아날로그 출력 신호에 따라 상기 스텝핑 모터를 구동시킨다.

이와 같은 구성을 갖는 본 위치 제어 장치는 전반적인 신호 처리를 디지털로 처리한다는 점에 그 특징이 있다.

도 2는 상기 디지털 신호 처리부(2)의 내부 구성을 나타낸 블록도이다. 도 2를 참조하면, 디지털 신호 처리부(2)는 오차 연산부(21), PID(Proportional, Integral and Derivative) 제어부(22), 위상-진폭 보정부(23) 및 비교 출력부(24)를 구비한다.

상기 오차 연산부(21)는 사용자로부터 위상 및 진폭으로 이루어진 위치 명령 및 위치 검출부(1)로부터의 현재 위치를 입력받는다. 그리고, 위치 명령과 현재 위치와의 편차인 위치 오차를 연산한다. 상기 PID 제어부(22)는 오차 연산부(21)에 의해 연산된 위치 오차에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행한다. 상기 위상-진폭 보정부(23)는 PID 제어부(22)로부터 출력된 값을 사용자로부터의 위치 명령에 따른 위상 및 진폭에 각각 가산하여 보정된 위상 및 진폭을 출력한다. 상기 비교 출력부(24)는 오차 연산부(21)에 의해 연산된 위치 오차와, 출력값을 제한하기 위하여 기설정된 1차 및 2차 임계 오차값를 각각 비교하고, 그 비교 결과에 따라 출력 진폭 및 출력 위상을 결정하여 출력시킨다.

특히, 상기 비교 출력부(24)는 상기 위치 오차가 상기 1차 임계 오차값보다 작은 경우에는 위치 명령에 따른 진폭 및 보정된 위상을 출력시킨다. 그리고, 상기 위치 오차가 상기 1차 임계 오차값 이상이고, 상기 2차 임계 오차값보다 작은 경우에는 보정된 진폭 및 상기 스텝핑 모터의 복원력이 최대가 되도록 하는 위상을 출력시킨다. 상기 위치 오차가 상기 2차 임계 오차값 이상인 경우에는 기설정된 최대 진폭 및 스텝핑 모터의 복원력이 최대가 되도록 하는 위상을 출력시킨다.

이와 같은 구성을 갖는 위치 제어 장치, 특히 디지털 신호 처리부(2)의 동작을 리니어 스텝핑 모터의 경우를 예를 들어 도 3을 참조하면서 설명하면 다음과 같다.

위치 검출부(1)에서 위치 검출 센서(미도시)를 통해 리니어 스텝핑 모터의 현재 위치를 검출한다. 검출된 현재 위치에는 리니어 스텝핑 모터의 위상, 즉 변위 및 진폭에 관한 정보가 포함된다. 이 현재 위치 신호는 디지털 신호 처리부(2)에 입력된다(단계 100). 이와 함께, 사용자로부터의 목표 위치 명령 신호도 디지털 신호 처리부(2)에 입력된다. 이 목표 위치 명령에도 리니어 스텝핑 모터의 위상, 즉 변위 및 진폭에 관한 정보가 포함되어 있다. 상기 검출된 현재 위치 및 목표 위치 명령은 디지털 신호 처리부(2)의 오차 연산부(21)에 각각 입력된다. 그리고, 목표 위치 명령은 위상-진폭 보정부(23) 및 비교 출력부(24)에도 입력된다.

현재 위치 신호 및 목표 위치 명령을 입력받은 오차 연산부(21)에서는 입력된 두 신호간의 위치 오차를 연산한다(단계 200). 그리고, 이 위치 오차 신호는 각각 PID 제어부(22) 및 비교 출력부(24)에 입력된다. 위치 오차 신호를 입력받은 PID 제어부(22)에서는 비례, 적분 및 미분 제어를 각각 수행하여 결과를 위상-진폭 보정부(23)로 입력시킨다(단계 300). 위상-진폭 보정부(23)에서는 PID 제어부(22)로부터 입력된 값들을 목표 위치 명령에 따른 변위 및 진폭에 각각 가산하여 보정된 변위 및 진폭 신호를 출력한다(단계 400). 이 보정된 변위 및 진폭 신호는 비교 출력부(24)에 입력된다.

보정된 변위 및 진폭 신호를 입력받은 비교 출력부(24)에서는 기설정된 1차 및 2차 임계 오차값과, 오차 연산부(21)로부터의 위치 오차를 비교하여 상응하는 진폭 및 변위 신호를 각각 출력시킨다(단계 500 내지 단계 900). 이 때, 출력되는 진폭 및 변위 신호를 결정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 오차 연산부(21)로부터의 위치 오차가 1차 임계 오차값보다 작은 경우에는, 목표 위치 명령에 따른 진폭이 진폭으로서 출력되도록 하며, 보정된 변위가 출력되도록 한다(단계 500, 600). 그리고, 상기 위치 오차가 1차 임계 오차값보다 작지 않은 경우에는 2차 임계 오차값과 비교한다(단계 700). 이 비교 결과, 위치 오차가 2차 임계 오차값보다 크지 않은 경우, 즉 위치 오차가 1차 임계 오차값과 2차 임계 오차값 사이에 있는 경우에는 보정된 진폭을 진폭으로서 출력되도록 하며, 변위로서는 리니어 스텝핑 모터의 복원력이 최대값이 되는 변위, 예컨대 피치 주기가 2π일 때 ±π/2의 위상 출력에 해당하는 값인 ±P_i/4(여기서, P_i는 리니어 스텝핑 모터의 피치 간격)를 측정된 현재 변위에 더하여 출력시킨다(단계 800). 한편, 상기 위치 오차가 2차 임계 오차값보다 큰 경우에는, 시스템의 손상을 방지하기 위하여 설정된 최대 진폭을 진폭으로서 출력시키고, 변위로서는 ±P_i/4를 출력시킨다(단계 900).

이와 같이, 디지털 신호 처리부(2)로부터 진폭 및 변위 신호가 출력되면, 제1 및 제2 디지털/아날로그 변환부(3)에서는 입력된 디지털 신호를 아날로그 신호로 각각 변환시킨다. 이 아날로그 신호들은 구동부(4)에 입력된다. 구동부(4)는 상기 아날로그 입력 신호들에 따라 리니어 스텝핑 모터를 구동시킨다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 스텝핑 모터의 위치 제어 장치에 의하면, 폐쇄 루프 제어를 디지털 신호 처리에 의해 수행되므로 전기적 제어 회로가 온도나 습도 등에 의한 영향을 받지 않으며 안정적인 제어 동작을 수행할 수 있다.

Claims (4)

1. 스텝핑 모터의 현재 위치를 검출하는 위치 검출부;

   상기 위치 검출부로부터의 현재 위치 신호 및 사용자로부터의 목표 위치 명령 신호를 입력받아, 상기 두 신호간의 위치 오차를 디지털 신호 처리에 의해 연산하고, 구해진 위치 오차에 대한 보상을 수행하여 보상된 위상 및 진폭 신호를 출력하는 디지털 신호 처리부;

   상기 보상된 위상 및 진폭 신호를 입력받아 아날로그 신호로 변환하여 출력하는 디지털/아날로그 변환부; 및

   상기 디지털/아날로그 변환부로부터의 아날로그 출력 신호에 따라 상기 스텝핑 모터를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝핑 모터의 위치 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 디지털 신호 처리부는,

   상기 위치 오차를 연산하는 오차 연산부;

   상기 오차 연산부에 의해 연산된 위치 오차에 비례, 적분 및 미분 제어를 수행하는 PID 제어부;

   상기 PID 제어부로부터 출력된 값을 상기 목표 위치 명령에 따른 위상 및 진폭에 각각 가산하는 위상-진폭 보정부; 및

   상기 오차 연산부에 의해 연산된 위치 오차와, 출력값을 제한하기 위하여 기설정된 1차 및 2차 임계 오차값을 각각 비교하여 상응하는 진폭 및 위상 신호를 출력시키는 비교 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스텝핑 모터의 위치 제어 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 비교 출력부는,

   상기 위치 오차가 상기 1차 임계 오차값보다 작은 경우에는 상기 목표 진폭 및 보정된 위상 신호를 출력시키고, 상기 위치 오차가 상기 1차 임계 오차값 이상이고, 상기 2차 임계 오차값보다 작은 경우에는 보정된 진폭 신호 및 상기 스텝핑 모터의 복원력이 최대가 되도록 하는 위상 신호를 출력시키며, 상기 위치 오차가 상기 2차 임계 오차값 이상인 경우에는 기설정된 최대 진폭 신호 및 스텝핑 모터의 복원력이 최대가 되도록 하는 위상 신호를 출력시키는 것을 특징으로 하는 스텝핑 모터의 위치 제어 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 스텝핑 모터의 복원력이 최대가 되도록 하는 위상 신호는 스텝핑 모터의 피치가 P라 할 때, ±P/4로 표현되는 것을 특징으로 하는 스텝핑 모터의 위치 제어 장치.