KR20000016377A - 모터 조정 장치 및 방법 - Google Patents

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미하엘 진츠
지크프리트 쾨프
디트마르 슈토이버
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뷔슐레프, 아우어
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Abstract

본 발명은 모터 조정 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제어 시스템에서 위상 왜곡 등을 막기 위해, 모터(200)의 운동 상태를 검출하기 위한 센서(250)가 모터의 힘 전달 인터페이스(270) 상에 또는 내에 직접 제공된다. 센서는 예컨대 위치, 속도 또는 가속을 직접 검출할 수 있다. 본 발명은 예컨대 공작 기계, 밀링 머신 또는 자동 피팅 머신과 같은 고정밀 선형 모터을 조정하는데 특히 적합하다.

Description

모터 조정 장치 및 방법
모터를 작동시키기 위한 조정 장치는 일반적으로 공지되어 있다. 이러한 목적을 위해 예컨대 센서를 통해 모터의 운동 상태 또는 위치가 검출되어 조정 장치에 공급된다. 조정 장치는 모터 파라미터의 설정값과 실제값 사이의 차에 따라 모터를 작동시킨다. 이렇게 함으로써, 위치, 속도 또는 가속과 같은 시간적으로 변하는 프리세팅 값이 비교적 정확하게 얻어질 수 있다.
그러나, 기술적 개발 과정에서 예컨대 전동기, 유체 모터 또는 내연 기관의 조정에 대한 점점 더 높은 정밀도가 요구된다.
특히 본딩 장치, 자동 피팅 머신, 밀링 머신 등과 같은 최근의 자동 제조 장치에서는 서로 모순되는 요구가 조정 장치에 의해 중촉되어야 한다.
즉, 전자 소자를 회로 기판에 장착하기 위한 자동 피팅 머신은 점 대 점 운동을 수행해야 하며, 이 경우 한편으로는 소자를 삽입하기 위한 점이 매우 정확히 제어되어야 하고, 다른 한편으로는 점 대 점 운동이 고속으로 이루어져야 한다. 이것은 가속 및 제동으로 인해 시스템내에서 진동을 일으키고, 상기 진동은 재차 위치 설정시 정확도를 저하시킨다. 이것은 비교적 작은 밀링 헤드가 상이한 크기의 밀링 개구 및 윤곽에 사용되는 최근의 밀링 머신에도 적용된다. 여기서도 밀링 헤드의 높은 위치 정확도와 높은 속도 또는 가속이 얻어져야 한다.
밀링 머신 등과 같은 종래의 공작 기계 또는 자동 피팅 머신에서는 병진 구동 장치로서 볼 롤러 스핀들 구동장치가 사용된다. 볼 롤러 스핀들 구동장치에서는 전동기가 공구 테이블 또는 공작물 테이블을 이동시키는 볼 롤러 스핀들을 구동시킨다. 모터 조정은 모터에 있는 샤프트 엔코더 및 공작물 테이블에 있는 선형 측정 스케일을 통해 이루어진다.
그러나, 볼 롤러 스핀들 구동 장치의 모든 기계 부품은 조정 시스템에 불리한 영향을 주는 것으로 나타났다. 즉, 스핀들의 탄성 특성, 공작물 또는 공구 테이블의 진동 등으로 인한 시간 지연은 조정 시스템에서 위상 회전으로 나타나며, 이것은 진동 문제를 야기시킨다.
상기 문제는 직접 구동 장치, 즉 전자기 선형 모터의 사용에 의해 어느 정도 감소될 수 있는데, 그 이유는 예컨대 선형 직접 구동 장치에서는 볼 롤러 스핀들의 기계 부품이 없기 때문이다. 그러나, 여기서도 밀링 헤드, 공작물 테이블 등의 서스펜션과 같은 모든 기계 부품이 적은 정도라도 조정 시스템에 불리한 영향을 준다. 게다가, 조정 회로 자체의 영향도 중요하다. 속도 조정시 일반적으로 실제 속도 신호가 실제 위치 신호로부터 유도되어 설정 속도 신호와 비교된다. 시간 미분에 의해 시스템내에서 지연이 생기고, 상기 지연은 위상 편이 또는 위상 회전으로서 조정 시스템에 불리하게 작용한다. 또한, 통상적으로 위치 데이터가 개별적으로 픽업됨으로써, 시간 미분시 증폭되는 양자화 잡음이 생긴다. 상응하는 사실이 가속 조정시에는 심하게 적용된다.
상응하는 문제점은 다수의 조정기가 차례로 접속된 소위 종속(cascade) 조정, 예컨대 위치 조정, 속도 조정 및 가속 조정시에도 나타난다.
예컨대 설정값으로부터 유도된 속도 예비 제어 신호가 부가로 속도 조정기에 공급되는 소위 예비 제어의 사용에 의해 조정 정확도가 더욱 상승될 수 있기는 하지만, 위상 회전, 위상 편이 및 지연에 관련한 전술한 문제점은 여전히 남는다.
본 발명은 청구범위 제 1항의 전문에 따른 모터 조정 장치 및 모터 조정 방법에 관한 것이다.
도 1은 선형 모터를 가진 CNC-제어 공작 기계의 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 조정기의 개략도이며,
도 3은 선형 모터를 가진 CNC-기계의 다른 개략도이다.
본 발명의 목적은 모터의 운동 상태를 신속하고 정확하게 조정할 수 있는 모터 조정 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또다른 목적은 상응하는 모터 조정 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구범위 제 1항에 따른 조정 장치 및 청구범위 제 11항에 따른 모터 조정 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 청구범위 종속항에 제시된다.
본 발명에 따라 모터의 운동 상태를 검출하기 위한 센서가 모터의 힘 전달 장소에 배치된다. 따라서, 모터의 운동 상태의 모든 변동이 직접 검출되어 조정기에 공급됨으로써, 기계적 영향 및/또는 미분 등과 같은 조정장치의 영향을 받지 않는 직접적인 조정이 가능하다.
바람직하게는 센서가 모터의 힘 전달 장소에서 힘 전달 매체의 상태 파라미터, 예컨대 유체의 압력 상태 또는 전동기 전계 및/또는 자계 세기 즉, 모터에서 힘전달에 사용되는 필드의 세기를 직접 검출한다. 이러한 상태 파라미터는 모터의 운동 상태 또는 운동 상태의 변동에 대한 직접적인 척도이다. 이러한 목적을 위해 센서가 가장 넓은 의미로 모터의 힘 전달 매체 "내에" 배치된다.
센서는 회전 모터의 경우에는 각 위치 전송기, 각 속도 전송기 또는 각 가속 전송기이거나 또는 선형 모터의 경우에는 위치 전송기, 속도 전송기 및/또는 가속 전송기일 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서 모터의 운동 상태는 직접 힘 전달 인터페이스에서 바람직하게는 힘 전달 매체를 통해 검출된다.
조정 방법은 바람직하게는 속도 및/또는 가속 조정이 이루어지는 종속(cascade) 조정과 조합될 수 있다. 속도 및/또는 가속 예비 제어를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
도 1에는 CNC-기계를 제어하기 위한 기계 컴퓨터(10)가 도시된다. 기계 컴퓨터(10)는 예컨대 밀링 헤드(도시되지 않음)를 제어하기 위한 프리세팅 데이터를 포함하는 데이터 캐리어(20)와 통신한다. 프리세팅 데이터는 인터페이스(30) 및 인터페이스(40)를 통해 구동 컴퓨터(100)에 공급된다. 구동 컴퓨터는 출력단(60)을 통해 개략적으로 도시된 선형 모터(200)를 제어한다.
선형 모터(200)는 공지된 방식으로 1차부(210) 및 2차부(220)를 포함한다. 선형 측정 스케일(230) 및 위치 전송기(240)가 개략적으로 도시된다. 속도를 직접 검출하기 위한 센서(250)가 선형 모터의 힘 전달 인터페이스, 즉 1차부와 2차부 사이의 갭 상에 또는 내에 제공된다. 속도 검출은 예컨대 센서의 장소에서 자계의 시간적 변동으로부터 직접 유도될 수 있다.
센서(250) 및 위치 전송기(240)는 그것들의 신호를 속도 제어, 위치 제어 또는 전류 제어를 수행하는 구동 컴퓨터(100)에 전송한다.
선형 측정 스케일은 도 1에서 선형모터와 별도로 도시되어 있지만, 마찬가지로 힘 전달 인터페이스의 장소에, 즉 모터부 사이의 갭내에 배치될 수 있다. 선형 측정 스케일 또는 위치 전송기에서도 힘 전달 매체, 즉 전자기장의 특성이 이용될 수 있다.
도 2는 구동 컴퓨터(100)에서 이루어지는 모터 조정의 구성예를 보다 상세히 도시한다.
프리세팅 데이터가 기계 컴퓨터(10) 및 데이터 캐리어(20)로부터 선형 위치 보간기(110)에 전송된다. 상기 데이터는 감산기(111)에 공급된다. 실제 위치 데이터가 선형 측정 스케일(230)로부터 고해상 위치 인터페이스(50)를 통해 감산기(111)의 반전 입력에 공급된다. 그리고 나서, 차이가 위치 조정기(112)에 공급된다. 위치 조정기(112)의 출력 데이터는 다른 감산기(120)에 공급된다. 속도 차를 형성하기 위해, 공지된 기술에서 위치 인터페이스(50)의 출력 신호가 미분기(250)에서 미분되어 감산기(120)에 공급된다. 감산기(120)에는 가속 편차를 검출하기 위한 회로(270)가 접속된다. 보다 상세하게는, 회로(270)에서 설정 가속이 검출되고, 상기 설정 가속으로부터 다른 미분기 소자(260')에 의해 유도된 실제 가속이 감산된다. 전류 조정기, 출력단(60) 및 전류 벡터 형성기(132)로 이루어진 후속하는 조정부가 상기 값으로부터 동기 선형 모터(200)의 구동 전류를 형성한다.
도시된 조정은 종속 조정이며, 부가로 속도 예비 제어 신호가 감산기 소자(120)로 전송되는 속도 예비 제어(122)가 부가로 이루어질 수 있다.
속도 실제값 및 가속 실제값에 대한 정보가 미분기 소자(250') 및 (260')를 통해 검출되기 때문에, 조정 시스템의 기계적 영향과 더불어 신호 지연, 위상 회전 등으로 인한 부정적 영향이 나타난다.
이것 때문에 본 발명에 따른 조정과 전술한 조정이 다른데, 그 차이점은 미분기 소자(250') 대신에 부가의 센서(250)가 동기 선형 모터 상에 또는 내에 직접 제공된다는 것이다. 상기 센서(250)는 모터의 1차부의 속도를 직접 검출하고 상응하는 신호를 감산기(120)에 전달한다.
가속 측정을 위해서도 별도의 가속 센서(260)가 제공될 수 있다. 상기 가속 센서(260)는 가속 신호를 미분하지 않고 감산기(272)로 전달하므로, 미분기 소자(250'), (260')가 생략될 수 있다. 즉, 미분기 소자(250'), (260')가 모터의 운동 상태를 직접 검출하는 센서(250), (260)로 대체된다.
본 발명에 따른 원리의 바람직한 변형예가 도 3에 도시된다. 도 3은 도 1에 거의 상응하며, 여러 가지 인터페이스가 생략되었다.
도 3에 따른 실시예에서 속도 센서(250)는 선형 모터(200)의 갭 근처에 배치되어 갭내의 전자기장을 검출하는 코일 센서이다. 즉, 센서가 모터의 힘 전달을 야기시키는 전자기장을 직접 검출한다. 센서(250)의 코일에서, 자계의 시간적 변동에 비례하며 그에 따라 (고정 자계에서) 속도에 비례하는 전압이 유도된다. 코일 센서(250)의 (아날로그) 신호가 변환기(252)내에서 후술될 신호 처리 후에, 경우에 따라 양자화 후에 속도 신호(v)로서 구동 컴퓨터(100)에 공급된다. 코일 센서(250)의 속도에 비례하는 신호로부터 전술한 미분기 소자(260')를 통해 가속에 비례하는 신호(a)가 유도되어 마찬가지로 구동 컴퓨터(100)에 공급된다. 구동 컴퓨터(100)는 증폭기 또는 출력단(60)을 통해 선형 모터(200)의 2차부(210)의 운동을 제어한다.
도 3에 따른 실시예는 속도에 비례하는 신호가 센서(250)으로부터 직접 얻어진다는 중요한 장점을 갖는다. 따라서, 이산 위치 신호로부터 양자화된 속도 신호를 유도할 필요가 없다.
이 실시예에서는 가속 측정을 위해 미분기 소자(260')가 사용되기는 하지만, 이 실시예는 가속 조정면에서 중요한 장점을 갖는다. 한편으로는 가속이 선행기술에서와 같이 위치 신호의 2번의 미분에 의해서가 아니라 속도 신호의 간단한 미분에 의해 얻어진다는 것이다. 다른 한편으로는 속도 센서(250)가 힘 인터페이스에 직접 배치되므로, 속도 신호로부터 유도된 가속 신호(a)가 1차부(210)과 2차부(220) 사이의 차 가속에 직접 상응한다는 것이다.
따라서, 한편으로는 1차부(220)에서, 다른 한편으로는 2차부(210)에서 2번의 가속 측정 및 후속하는 차 형성이 실제의 차 가속을 검출하기 위해 필요치 않다.
도 3의 실시예에서 바람직하게는 후술되는 기능을 가진 전술한 신호 변환기(252)가 센서(250)의 신호 처리를 위해 제공된다. 코일 센서(250)는 모터(200)의 힘 인터페이스에 직접 배치된다. 즉, 센서(250)는 1차부와 동일한 자기 트랙에서 동작한다. 센서(250)는 그것의 국부적인 주변만을 검출한다. 즉, 센서(250)는 매우 제한된 영역만을 "커버한다". 구조로 인해(1차부에서 교번 N 극 및 S 극) 그리고 제조 공차로 인해, 검출 장소(s)에 대한 센서(250)의 속도에 비례하는 신호의 의존도가 나타난다. 즉, v = f(s). 따라서, 실제로 모터를 일정한 속도로 작동시키면, 즉 1차부(210)를 2차부의 한 단부로부터 다른 단부로 일정한 속도로 이동시키면, 장소(s)에 의존하는 속도 신호(v)의 변동이 검출된다. 속도 신호의 이러한 장소 의존도는 신호 변환기(252)에서 보상된다.
이러한 목적을 위해 바람직하게는 속도 센서(250)의 신호가 신호 변환기(252)에서 먼저 정류되고, 위치 전송기(240)의 신호가 부가로 속도 변환기에 공급된다. 1차부(210)가 일정한 속도로 2차부(220)의 전체 길이를 한 번 이상 이동되는 테스트 동작시, 동시에 센서(250)의 속도 데이터 및 위치 전송기(240)의 위치 데이터가 픽업되어 서로 상관됨으로써, 2차부(210)의 일정한 속도에서 속도 신호의 장소 의존도가 검출될 수 있다. 후속해서 속도 신호의 장소 의존도 함수 v(s)로부터 공지된 방식으로 보정 함수 v*(s)가 검출된다. 상기 보정 함수 v*(s)는 일정한 속도에서 모든 장소에서 일정한 속도 신호가 검출되기 위해서 센서(250)의 신호가 어떤 방식으로 보정되어야 하는지를 지시한다. 각각의 장소점에 대한 값쌍(si, v*i)은 예컨대 신호 변환기(252)에 룩업 테이블로 저장되므로, 나중의 조정시 각각의 장소점(si)에 대해 대응하는 보정값(v*i)이 호출될 수 있고 속도 센서(250)의 신호가 도시되지 않은 평가 회로에서 상응하게 보정될 수 있다. 상기 평가 회로가 어떻게 구성되는지 그리고 신호 변환기(252)내의 룩업 테이블이 메모리를 이용해 어떻게 구현되지에 대한 세부사항은 당업자에게 공지되어 있으므로, 여기서 구체적으로 설명하지 않는다. 보정 함수 v*(s)가 룩업 테이블로서 저장되지 않고 함수 v*(s)를 예컨대 삼각 함수 등으로 가급적 정확히 나타내는 함수 발생기를 통해 발생될 수도 있다.
신호 변환기(252), 미분기 소자(260') 및 센서(250)가 도 3에 파선(254)으로 표시된 바와 같이 하나의 유닛으로 통합될 수도 있다. 상기 유닛(254)은 모터(200)의 1차부(210)에 직접 통합됨으로써, 모터(200)가 외부로 위치 신호(s), 속도 신호(v) 및 가속 신호(s)에 대한 단자만을 포함할 수 있다. 또한, 보정 함수가 초기의 테스트 동작에서만 검출되지 않고, 모터의 사용에 따라 시간 간격으로 검출될 수도 있다. 보정 함수는 예컨대 규칙적인 간격으로 또는 동작 시작시 자동으로 업데이트됨으로써, 예컨대 마모 등에 의한 점차적인 변동이 고려될 수 있다.

Claims (24)

  1. 힘 전달 인터페이스(270)를 통해 상호 작용하고 서로 상대 운동하는 적어도 2개의 모터부(210, 220), 모터부의 운동 상태를 검출하기 위한 센서(250), 및 센서의 신호에 따라 모터의 운동 상태를 조정하기 위한 조정기(100)을 포함하는 모터(200)용 조정 장치에 있어서, 센서가 모터(200)의 힘 전달 인터페이스(270)에 배치되는 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 센서가 모터의 힘 전달 매체내에 배치되는 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 센서가 모터의 힘 전달 매체의 적어도 하나의 상태 파라미터를 검출하는 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  4. 제 1항, 2항 또는 3항에 있어서, 모터의 힘 전달 매체가 유체 또는 전자기 장인 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 모터가 회전 모터이고 센서가 각 위치 전송기, 각 속도 전송기 및/또는 각 가속 전송기인 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 모터가 선형 모터이고 센서가 위치 전송기, 속도 전송기 및/또는 가속 전송기인 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  7. 제 5항 또는 6항에 있어서, 센서는 모터의 힘 전달에 근거가 되는 전자기장 또는 전자기장의 변동을 검출하는 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 센서(250)가 유도 센서인 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 센서(250)가 하나 이상의 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 신호 변환기(252)가 제공되며, 상기 신호 변환기(252)는 위치 전송기(240) 및 운동 상태를 검출하기 위한 센서(252)에 접속되고 위치에 대한 센서(250) 신호의 의존도를 보상하기 위한 메모리 및 보정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 조정 장치.
  11. 힘 전달 인터페이스를 통해 상호 작용하고 서로 상대 운동하는 적어도 2개의 모터부를 포함하는 모터(200)용 조정 방법에 있어서, 모터의 운동 상태가 모터의 힘 전달 인터페이스에서 검출되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  12. 제 11항에 있어서, 모터의 힘 전달 매체의 상태 파라미터가 검출되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  13. 제 11항 또는 12항에 있어서, 모터의 힘 전달 인터페이스에서 유체의 압력 또는 압력 변동 또는 전자기장의 세기 또는 전자기장의 변동이 검출되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  14. 제 11항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서, 모터의 힘 전달 인터페이스에서 모터부의 각 위치, 각 속도 및/또는 각 가속이 검출되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  15. 제 11항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 모터의 힘 전달 인터페이스에서 선형 위치, 선형 속도 및/또는 선형 가속이 검출되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  16. 제 11항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 위치 조정 및 속도 조정이 종속되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 속도 예비 제어가 수행되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  18. 제 16항 또는 17항에 있어서, 가속 조정이 이루어지는 종속 조정이 수행되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  19. 제 18항에 있어서, 가속 예비 제어가 수행되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  20. 제 11항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서, 모터의 운동 상태가 유도 센서, 바람직하게는 하나 이상의 코일을 가진 센서(250)에 의해 전동기의 힘 전달 인터페이스에서 속도에 비례하는 신호의 형태로 검출되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  21. 제 20항에 있어서, 속도에 비례하는 신호가 속도 조정에 공급되고 속도에 비례하는 신호가 시간 미분 후에 가속 조정에 공급되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  22. 제 20항 또는 21항에 있어서,
    모터의 시동 전에 테스트 동작에서 모터가 일정한 속도로 한번 이상 작동되고, 속도에 비례하는 신호가 모터의 순시 위치에 따라 픽업되며,
    속도에 비례하는 순시 신호(v) 및 순시 장소에 대한 장소(s)로부터 보정 함수(v*(s))가 검출되고,
    모터의 위치(s)에 대한 센서(250) 신호의 의존도가 보상되는 방식으로 센서(250)의 신호가 보정 함수에 의해 보상되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 보정 함수(v*(s))가 룩업 테이블의 형태로 저장되거나 또는 근사 함수의 형태로 발생되는 것을 특징으로 하는 조정 방법.
  24. 공작 기계, 자동 피팅 머신, 자동 본딩 장치 등의 병진 구동 장치에 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 조정 장치 또는 제 11항 내지 23항 중 어느 한 항에 따른 조정 방법을 사용하는 방법.
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