KR19990071250A - 모터의 모션 트라젝토리 제어장치 - Google Patents

Abstract

모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치는 모션의 경로를 발생시키는 모션 트라젝토리(Motion Trajectory)부분중에서 설정속도에 도달하기 위한 가감속경로를 발생시키는 부분과 일정속도를 유지하는 부분을 분리하지 않고 통합제어하여 모터의 고속 동작시 정확한 위치를 제어하도록 하기 위한 것으로서, 모터를 구비한 모터의 모션 트라젝토리 제어장치에 있어서, 모터가 이송할 위치(Pcmd)와 속도(Vcmd)를 계산하여 지령신호를 출력하는 위치 지령수단과, 상기 위치 지령수단에서 출력된 지령신호에 따라 모션 프로파일(Motion Profile)을 생성하는 펄스 분배수단과, 상기 펄스 분배수단에서 생성된 모션 프로파일(Motion Profile)에 의한 이송속도에 따라 매 샘플링 타임(Sampling Time)마다 이전의 설정속도를 이용하여 현재 샘플링 타임에서의 이송량을 계산하여 그에 따른 제어신호를 출력하는 추적형 가감속 제어수단과, 상기 추적형 가감속 제어수단에서 출력된 제어신호에 따라 상기 모터의 구동을 제어하는 서보 제어수단으로 구성됨에 그 요지가 있다.

Description

모터의 모션 트라젝토리 제어장치

본 발명은 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어에 관한 것으로, 특히 모터의 고속 동작시 정확한 위치를 제어하도록 한 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치에 관한 것이다.

모션 제어(Motion Trajectory) 분야는 기계의 구동부를 제어하는 장치로 산업용 기계에 가장 널리 사용되고 있다.

서보 모터를 사용하여 위치를 제어하는 것은 시스템이 정밀한 위치제어를 필요로 할 때 일반적으로 사용되고 이러한 제어를 위하여 3가지 부분(위치제어, 속도제어, 전류제어)으로 분리하여 제어된다.

기존의 제어 개념은 상위 제어기에서 위치제어를 행하고 하위 서버 드라이버에서 속도 및 전류제어를 하여 서버 모터를 제어하는 방식으로 시스템을 구현하였다.

최근에 와서는 상위 제어기에서 소프트웨어로 위치, 속도 및 전류제어를 행하고 하위에 파워 앰프(Power Amp)만을 접속하여 서버 모터를 제어하는 통합 제어 시스템을 구축하는 형태로 변화되었다.

본 발명은 이러한 3가지의 제어부분중에 위치제어를 하기 위하여 모션의 경로를 발생시키는 모션 트라젝토리(Motion Trajectory)부분중에서 설정속도에 도달하기 위한 가감속경로를 발생시키는 부분과 일정속도를 유지하는 부분을 분리하지 않고 통합제어하는 방식이다.

이하, 종래 기술에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 종래 기술에 따른 모터의 모션 트라젝토리 제어장치(Motion Trajectory)를 나타낸 블럭 구성도로서, 모션 인터폴레이터(Motion Interpolator;미도시)에서 계산되어 입력되는 신호와 피드백된 위치 신호를 혼합하여 그에 따른 신호를 출력하는 제 1 혼합부(1)와, 상기 제 1 혼합부(1)에서 혼합된 신호에 소정 비례이득(Kp)을 승산하여 그 결과 신호를 출력하는 위치 제어부(2)와, 상기 위치 제어부(2)의 신호와 피드백된 속도 신호를 혼합하여 그에 따른 신호를 출력하는 제 2 혼합부(3)와, 상기 제 2 혼합부(3)에서 혼합된 신호에 따라 속도를 제어하기 위한 신호를 출력하는 속도 제어부(4)와, 상기 속도 제어부(4)의 제어신호에 따라 전류제어루프(loop)를 수행하여 그에 따른 제어신호를 출력하는 전류 제어부(5)와, 상기 전류 제어부(5)의 제어신호에 따라 구동되는 모터(6)와, 상기 모터(6)의 구동에 따른 신호를 인코딩하여 상기 제 1 및 제 2 혼합부(1)(3)로 위치 신호와 속도 신호를 각각 피드백하는 인코더부(7)로 구성된다.

도 2 는 도 1 의 모터의 가감속을 이용한 속도 프로파일을 나타낸 도면이다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제 1 혼합부(1)는 모션 인터폴레이터(Motion Interpolator;미도시)에서 계산되어 입력되는 신호와 피드백된 위치 신호를 혼합하여 그에 따른 신호를 출력한다.

즉 모션 인터폴레이터(미도시)는 상기 최상위 제어기에서 축이 이송해야 할 위치와 이송속도(Vcmd)가 전달되면 도 2 에 도시된 바와 같이 파라메터로 설정된 모터(6)의 가감속치와 최상위제어기(미도시)에서 발생된 목표위치와 설정속도를 가지고 만든 속도 프로파일(Profile)에 따라 현재 축의 속도를 고려하여 실제 이송 가능한 최대속도(Vt)를 계산한다.

여기서 도 2 에 도시된 X축의 T는 이송 시간을, Y축의 V는 이송 속도를, Ta는 가속 시간을, Tc는 정속 시간을, Td는 감속 시간을 각각 나타낸다.

상기 계산된 최대속도(Vt)에서 0까지의 감속시간(Td)을 계산하고 최대속도(Vt)로 이송하는 정속구간의 시간(Tc)을 계산한다.

이 시간들을 합산하여 총 이송시간을 계한하여 그 값을 샘플링 타임(Sampling Time;이하 Ts라 약칭함)으로 분할하여 분할된 이송량을 일정간격(Sampling Time)으로 상기 위치 제어부(2)로 전달하여 모터(6)의 이송명령을 출력한다.

그러면 위치 제어부(2)는 상기 제 1 혼합부(1)에서 혼합된 신호에 소정 비례이득(Kp)을 승산하여 그 결과 신호를 출력한다.

이에 따라 제 2 혼합부(3)는 상기 위치 제어부(2)의 신호와 피드백된 속도 신호를 혼합하여 그에 따른 신호를 출력한다.

그러면 속도 제어부(4)는 상기 제 2 혼합부(3)에서 혼합된 신호에 따라 속도를 제어하기 위한 신호를 출력한다.

이어 전류 제어부(5)는 상기 속도 제어부(4)의 제어신호에 따라 전류제어루프(loop)를 수행하여 그에 따른 제어신호를 출력한다.

그러면 모터(6)는 상기 전류 제어부(5)의 제어신호에 따라 구동된다.

이에 따라 인코더부(7)는 상기 모터(6)의 구동에 따른 신호를 인코딩하여 상기 제 1 및 제 2 혼합부(1)(3)로 위치 신호와 속도 신호를 각각 피드백한다.

상기 피드백된 위치 신호는 상기 제 1 혼합부(1)에서 입력되는 신호와 혼합되어 상기의 과정을 반복수행하여 위치 오차를 줄여가게 된다.

아울러 피드백된 속도 신호는 상기 제 2 혼합부(3)에서 상기 위치 제어부(2)에서 출력되는 신호와 혼합되는 상기의 과정을 반복수행하여 속도 오차를 줄여가게 된다.

그러나 종래 기술에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치는 모션 프로파일(Motion Profile) 생성시 전체 프로파일을 한꺼번에 계산해야 되기 때문에 계산시간이 많이 소요된다는 문제점이 있다.

또한 종래 기술은 가감속치가 클 경우 가감속시간이 짧아져서 순간적으로 이전 명령보다 큰 값이 출력되기 때문에 시스템이 불안정하게 되는 문제점도 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 모션의 경로를 발생시키는 모션 트라젝토리(Motion Trajectory)부분중에서 설정속도에 도달하기 위한 가감속경로를 발생시키는 부분과 일정속도를 유지하는 부분을 분리하지 않고 통합제어하여 모터의 고속 동작시 정확한 위치를 제어하도록 한 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 모터의 모션 트라젝토리 제어장치를 나타낸 블럭 구성도

도 2 는 도 1 의 모터의 가감속을 이용한 속도 프로파일을 나타낸 도면

도 3 은 본 발명에 따른 모터의 모션 트라젝토리 제어장치를 나타낸 블럭 구성도

도 4 는 도 3 의 펄스 분배부에서 발생되는 모션 프로파일을 나타낸 도면

도 5 는 도 3 의 추적형 가감속 제어부에서 발생되는 모션 프로파일을 나타낸 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110 : 위치 지령부 120 : 펄스 분배부

130 : 추적형 가감속 제어부 140 : 서보 제어부

150 : 모터

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치의 특징은, 모터를 구비한 모션 트라젝토리 제어장치에 있어서, 모터가 이송할 위치(Pcmd)와 속도(Vcmd)를 계산하여 지령신호를 출력하는 위치 지령수단과, 상기 위치 지령수단에서 출력된 지령신호에 따라 모션 프로파일(Motion Profile)을 생성하는 펄스 분배수단과, 상기 펄스 분배수단에서 생성된 모션 프로파일(Motion Profile)에 따라 매 샘플링 타임(Sampling Time)마다 이전의 설정속도를 이용하여 현재 샘플링 타임에서의 이송량을 계산하여 그에 따른 제어신호를 출력하는 추적형 가감속 제어수단과, 상기 추적형 가감속 제어수단에서 출력된 제어신호에 따라 상기 모터의 구동을 제어하는 서보 제어수단을 포함하여 구성되는데 있다.

이하, 본 발명에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치를 나타낸 블럭 구성도로서, 모터(110)가 이송할 위치(Pcmd)와 속도(Vcmd)를 계산하여 지령신호를 출력하는 위치 지령부(120)와, 상기 위치 지령부(120)에서 출력된 지령신호에 따라 모션 프로파일(Motion Profile)을 생성하는 펄스 분배부(130)와, 상기 펄스 분배부(130)에서 생성된 모션 프로파일(Motion Profile)에 의한 이송속도에 따라 매 샘플링 타임(Sampling Time)마다 이전의 설정속도를 이용하여 현재 샘플링 타임에서의 이송량을 계산하여 그에 따른 제어신호를 출력하는 추적형 가감속 제어부(140)와, 상기 추적형 가감속 제어부(140)에서 출력된 제어신호에 따라 상기 모터(110)의 구동을 제어하는 서보 제어부(150)로 구성된다.

도 4 는 도 3 의 펄스 분배부에서 발생되는 모션 프로파일(Motion Profile)을 나타낸 도면이고, 도 5 는 도 3 의 추적형 가감속 제어부에서 발생되는 모션 프로파일(Motion Profile)을 나타낸 도면이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 위치 지령부(120)는 모터(110)가 이송할 위치(Pcmd)와 속도(Vcmd)를 계산하여 지령신호를 출력한다.

그러면 펄스 분배부(130)는 상기 위치 지령부(120)에서 출력된 지령신호에 따라 모션 프로파일(Motion Profile)을 생성하여 그에 따른 신호를 출력한다.

즉 펄스 분배부(130)는 상기 위치 지령부(120)에서 출력된 지령신호에 따라 도 4 에 도시된 바와 같은 모션 프로파일(Motion Profile)을 생성하여 그에 따른 신호를 출력한다.

상기 도 4 에 도시된 Vt 는 펄스 분배부(120)에서의 이송속도이고, Ts 는 펄스 분배부(120)에서 계산한 총 이송시간이며 이때 이용되는 수학식 1, 2는 하기한 바와 같다.

Vt=Vcmd

여기서 Vcmd 는 위치 지령부(120)에서 지령한 이송속도이다.

Ts=Pcmd/Vt

여기서, Pcmd 는 위치 지령부(120)에서 지령한 이송 속도이다.

이에 따라 추적형 가감속 제어부(140)는 상기 펄스 분배부(130)에서 생성된 모션 프로파일(Motion Profile)에 의한 이송속도에 따라 매 샘플링 타임(Sampling Time)마다 이전의 설정속도를 이용하여 현재 샘플링 타임에서의 이송량을 계산하여 그에 따른 제어신호를 출력한다.

즉 추적형 가감속 제어부(140)는 상기 펄스 분배부(130)에서 생성된 모션 프로파일(Motion Profile)에 의한 이송속도에 따라 도 5 에 도시된 바와 같이 이전에 계산된 설정속도( Vt )를 이용하여 서보가 추종해야 할 이송거리를 계산한다.

상기 추적형 가감속 제어부(140)는 하기한 수학식 3, 4에 도시된 바와 같이 설정속도( Vt ;하나의 트라젝도리 구간동안에는 변경되지 않음)에서 Vd-1 을 감산하고 그 값을 Tpad (상수)로 제산한다.

여기까지가 V=Vo+AT 에서 A (가속)을 구한 것이고 이것을 샘플링 타임( Ts )와 곱하고 나서 전에 계산된 Vd-1 과 곱하여 이송속도( Vd )를 구하고 이 Vd 를 샘플링 타임( Ts )와 승산하면 이송거리가 계산된다.

Vd=Vd-1+(Vt-Vd-1)/Tpad*Ts

여기서 Vd 는 현재 샘플링 타임에서 계산된 이송속도이고, Vd-1 은 이전의 샘플링 타임에서 계산된 이송속도이고, Vt 는 펄스 분배부(120)에 지령된 이송속도이고, Tpad 는 가감속 파라메터에의 설정된 가감속 시정수이다.

Pd=Vd*Ts

여기서, Ts 는 샘플링 타임의 시간 간격이고, Pd 는 이번 샘플링 타임에서 이송해야될 거리이다.

상기 도 5 는 그 결과로서 현재속도가 설정속도보다 작기 때문에 수학식 3의 2항중 (Vt-Vd-1)/Tpad 에 의해 가속치가 계산되고 도시된 바와 같이 가속( Ta )구간에서 처럼 타원형의 가속구간이 발생된다.

즉 시간이 지날수록 Vd-1 이 Vt 에 근접하게 되기 때문이다.

또한 도시된 바와 같이 정속구간( Tc )에서는 Vt 와 Vd-1 이 같기 때문에 (Vt-Vd-1)/Tpad 의 결과치가 0이 되고 계산되는 이송속도는 일정해진다.

이후 상기 펄스 분배기(130)에서 계산된 총 이송시간( Ts )이 경과하면 추적형 가감속 제어부(140)는 Vt 를 0으로 상기 수학식 3에 대입하여 계산하면 도시된 바와 같은 감속( Td )구간과 같은 타원형의 구간이 발생된다.

그러면 서보 제어부(150)는 상기 추적형 가감속 제어부(140)에서 출력된 제어신호에 따라 구동 신호를 출력하여 상기 모터(110)를 제어한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 모터의 모션 트라젝토리(Motion Trajectory) 제어장치는 모션의 경로를 발생시키는 모션 트라젝토리(Motion Trajectory)부분중에서 설정속도에 도달하기 위한 가감속경로를 발생시키는 부분과 일정속도를 유지하는 부분을 분리하지 않고 통합제어하여 부드러운 모션 프로파일(Motion Profile)을 생성함으로써 모터의 고속 동작시 정확한 위치를 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 모터를 구비한 모터의 모션 트라젝토리 제어장치에 있어서,

   모터가 이송할 위치(Pcmd)와 속도(Vcmd)를 계산하여 지령신호를 출력하는 위치 지령수단과;

   상기 위치 지령수단에서 출력된 지령신호에 따라 모션 프로파일(Motion Profile)을 생성하는 펄스 분배수단과;

   상기 펄스 분배수단에서 생성된 모션 프로파일(Motion Profile)에 의한 이송속도에 따라 매 샘플링 타임(Sampling Time)마다 이전의 설정속도를 이용하여 현재 샘플링 타임에서의 이송량을 계산하여 그에 따른 제어신호를 출력하는 추적형 가감속 제어수단과;

   상기 추적형 가감속 제어수단에서 출력된 제어신호에 따라 상기 모터의 구동을 제어하는 서보 제어수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 모터의 모션 트라젝토리 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 펄스 분배수단에서의 총 이송시간( Ts )은 하기한 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 모터의 모션 트라젝토리 제어장치.

   Ts=Pcmd/Vt

   여기서, Pcmd 는 위치 지령수단에서 지령한 이송 속도이고, Vt 는 펄스 분배수단에서의 이송속도이다.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 추적형 가감속 제어수단에서 현재 샘플링 타임(Sampling Time)에서의 이송속도( Vd )는 하기한 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 모터의 모션 트라젝토리 제어장치.

   Vd=Vd-1+(Vt-Vd-1)/Tpad*Ts

   여기서 Vd-1 은 이전의 샘플링 타임에서 계산된 이송속도이고, Vt 는 펄스 분배수단에 지령된 이송속도이고, Tpad 는 가감속 파라메터에의 설정된 가감속 시정수이고, Ts 는 상기 펄스 분배수단에서의 총 이송시간이다.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 추적형 가감속 제어수단에서 계산된 이번 샘플링 타임에서 이송해야 될 거리( Pd )는 하기한 수학식에 의해 계산됨을 특징으로 하는 모터의 모션 트라젝토리 제어장치.

   Pd=Vd*Ts

   여기서, Ts 는 샘플링 타임의 시간 간격이고, Pd 는 이번 샘플링 타임에서 이송해야될 거리이다.