KR20000066834A - 서보 모터의 가감속 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서보 모터의 가감속 제어 방법에 관한 것으로, 종래 기술에 있어서 직선형 가감속 방식을 통해 속도를 제어함에 따라 계산이 단순하며 구현이 용이하여 외부 인터럽트에 대응이 쉬우나, 속도가 급격히 변하는 임계점들이 포함되어 전체적인 서보 모터 제어 시스템이 불안정해지는 문제점이 있었다. 또한, 지수함수형, 별형, 종형 등의 가감속 제어방식은 제어 시스템의 안정성을 향상시키나, 외부 인터럽트가 요구되는 시스템에 적용시 정확한 위치 제어가 불가능한 문제점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 제어 대상인 서보 모터, 스테핑 모터등이 가지는 특성중에서 저속 무응답 영역 특성과 선형 가감속의 기본 원리와 종형 가감속의 특성을 결합하여 움직임 파라메터를 연산하여 이를 통해 상기 제어대상의 구동을 제어함으로써, 속도가 급격히 변하는 임계점에서의 응답 특성에 의한 오차를 최소화하여 시스템을 안정화시킴과 아울러 외부 인터럽트에 정확하게 대응하는 효과가 있다.

Description

서보 모터의 가감속 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING ACCELERATION AND DECELERATION OF SERVO MOTOR}

본 발명은 서보 모터의 가감속 제어 방법에 관한 것으로, 특히 서보 모터의 가감속을 제어함에 있어서 상기 서보 모터의 위치 제어를 하기 위하여 움직임의 경로를 발생시키는 움직임 프로파일 부분 중에서 설정 속도에 도달하기 위한 가감속 경로를 발생시키는 부분을 3단계로 분리하여 빠르고 안정되게 제어하도록 한 서보 모터의 가감속 제어 방법에 관한 것이다.

움직임 제어 분야는 기계의 구동부를 제어하는 장치로 산업용 기계에 가장 널리 사용되고 있다. 이 기술이 적용되는 분야중 서보 모터를 사용하여 위치를 제어하는 분야로 한정하여 소개하겠다.

여기서, 상기 서보 모터를 사용하여 위치를 제어하는 시스템은 정밀한 위치 제어를 필요로 할 시에 일반적으로 사용되고 이러한 제어를 위하여 3가지 부분인 위치 제어, 속도 제어, 전류제어로 분리하여 제어된다.

따라서, 기존의 상기 서보 모터를 제어하는 제어 방식은 상위 제어기에서 위치 제어를 행하고 하위 서보 드라이버에서 속도 및 전류 제어를 하여 서보 모터를 제어하는 방식으로 시스템을 구현하였으나, 최근에 와서는 상위 제어기에서 소프트 웨어로 위치, 속도 및 전류 제어를 행하고 하위에 파워 앰프만을 접속하여 서보 모터를 제어하는 통합 제어 시스템을 구축하는 형태로 변화되었다.

도 1은 일반적인 서보 모터 제어기의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 움직임에 관한 기본적인 요소인 보간방법, 타겟 위치, 타겟 피드, 가감속 벡터등을 발생시키는 인터프레터(10)와; 기본 움직임 프로파일 발생부(21)와 가감속 제어기(22)로 구성하여 움직임 제어에 관한 움직임 프로파일을 생성하는 인터폴레이터(20)와; 상기 인터폴레이터(20)의 동작을 정지시키는 인터럽트부(30)와; 실제 모터의 위치를 제어하는 위치 제어 루프(40)로 구성되며, 이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 동작과정을 첨부한 도 2 및 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 사용자가 시스템을 제어할 목적으로 모터의 움직임에 관련되는 프로그램을 하이레벨 프로그램 언어인 G코드, 로봇 언어 등을 이용하여 작성한 후, 상기 작성한 프로그램을 실행하게 되면, 인터프레터(10)는 작성한 프로그램이 1블록씩 전송받아 인터폴레이터(20)가 수행할 수 있는 정보인 축의 이송방법, 목적위치, 위송 속도, 가감속 방법, 기카 이송에 관련된 요소(Factor)로 전환하여 상기 인터폴레이터(20)로 그 정보를 전송하게 된다.

그리고, 상기 인터폴레이터(20)는 상기 인터프레터(10)의 결과치를 입력받아 기본 움직임 프로파일 발생기(21)내에서 입력된 값중 이송방법, 목적 위치, 이송속도를 이용하여 도 2와 같은 기본 움직임 프로파일을 생성하게 된다.

즉, 도 2는 이송시간과 이송속도의 관계를 가감속없이 일정하게 속도를 유지하는 것을 보여주고 있으며, 원호 보간같은 각도를 중심으로 한 움직임이 요구되면, 이송 속도는 각속도로 전환되어 표시된다.

그리고, 상기 기본 움직임 프로파일 발생기(21)에서 발생된 기본 움직임 프로파일은 가감속 제어기(22)로 입력되어 가감속이 가미된 움직임 프로파일을 생성하게 된다.

그리고, 상기 가감속 제어기(22)의 종류로는 직선형, 지수함수형, 벨형, 종형 등이 있으며, 상기 가감속 제어기(22)에서 가감속 요인을 적용하여 발생시킨 움직임 프로파일은 도 3과 같으며, 실제 생성된 도 3의 면적은 도 2의 면적과 동일하며, 이로 부터 상기 도 2와 도 3의 이송거리가 일정함을 알 수 있게 된다.

따라서, 상기 인터폴레이터(20)에서 가감속이 가미된 움직임 프로파일을 위치 제어 루프(40)로 전송하면, 상기 위치 제어 루프(40)는 그값을 일정 간격으로 나누어서 시간에 종속되게 진행시키게 되며, 이 과정에서 위치 궤환값과 현재 제어를 원하는 위치값의 차에 P Gain을 곱하여 속도 명령으로 출력하여 상기 모터를 제어한다.

여기서, 인터럽트부(30)는 발생되는 속도 오버라이드와 타겟 위치 리로케이션 명령에 의하여 위의 과정을 반복수행한다.

이때, 상기 속도 오버라이드는 상기 인터프레터(10)에서 지령된 이송송도를 변경시키는 기능이고, 상기 타겟 위치 리로케이션은 상기 인터프레터(10)에서 지령된 목적 위치를 변경시키는 명령으로써, 이러한 명령이 상기 인터럽트부(30)에서 상기 인터폴레이터(20)로 지령되면, 상기 인터폴레이터(20)는 기존에 계산된 움직임 프로파일을 상기 새로운 지령치에 맞게 변경하게 된다.

상기와 같이 종래의 기술에 있어서 직선형 가감속 방식을 통해 속도를 제어함에 따라 계산이 단순하며 구현이 용이하여 외부 인터럽트에 대응이 쉬우나, 속도가 급격히 변하는 임계점들이 포함되어 전체적인 서보 모터 제어 시스템이 불안정해지는 문제점이 있었다.

또한, 지수함수형, 별형, 종형 등의 가감속 제어방식은 제어 시스템의 안정성을 향상시키나, 외부 인터럽트가 요구되는 시스템에 적용시 정확한 위치 제어가 불가능한 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 서보 모터의 위치 제어를 하기 위하여 움직임의 경로를 발생시키는 움직임 프로파일 부분 중에서 설정 속도에 도달하기 위한 가감속 경로를 발생시키는 부분을 3단계로 분리하여 빠르고 안정되게 제어하도록 한 서보 모터의 가감속 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 서보 모터 제어기의 구성을 보인 블록도.

도 2는 도 1에서 기본적인 움직임 프로파일을 보인 관계도.

도 3은 종래 직선형 가감속 움직임 프로파일을 보인 관계도.

도 4는 본 발명을 적용한 서보 모터 제어기의 동작 흐름도.

도 5는 도 4에 따른 가감속 기본 움직임 프로파일을 보인 관계도.

도 6은 도 4에 따른 다단계 가감속 움직임 프로파일을 보인 관계도.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 가속시간이 2배의 오프셋 시간보다 긴지 판단하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 판단결과 상기 가속시간이 긴 경우 다단계 가감속을 위한 파라메터를 연산하나, 상기 가속시간이 짧은 경우 직선형 가감속을 위한 파라메터를 연산하는 제2 단계와; 상기 제2 단계의 연산 동작이 완료되면, 상기 연산된 파라메터에 의해 움직임 프로파일을 발생시키는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예에 대한 동작과 작용효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 적용한 서보 모터 제어기의 구성은 종래 도 1과 동일하게 구성한다. 즉, 움직임에 관한 기본적인 요소인 보간방법, 타겟 위치, 타겟 피드, 가감속 벡터등을 발생시키는 인터프레터(10)와; 기본 움직임 프로파일 발생부(21)와 가감속 제어기(22)로 구성하여 움직임 제어에 관한 움직임 프로파일을 생성하는 인터폴레이터(20)와; 상기 인터폴레이터(20)의 동작을 정지시키는 인터럽트부(30)와; 실제 모터의 위치를 제어하는 위치 제어 루프(40)로 구성하며, 이와 같이 구성한 본 발명의 동작과정을 첨부한 도 4의 동작흐름도 및 도 5, 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.

여기서, 본 발명의 전체적인 동작원리는 종래 도 1과 동일하게 동작하나, 인터폴레이터(20)내 가감속 제어기(22)의 동작은 전체 가속시간(Ta)이 2배의 오프셋 시간(Toffset)보다 긴지 여부에 따라 직선형 가감속동작을 할 것인지 다단계 선형 가감속 동작을 할 것인지 판단하여 그에 따라 동작한다.

즉, 상기 가속시간(Ta)이 2배의 오프셋 시간(Toffset)보다 긴 경우, 다단계 선형 가감속 동작에 따른 파라메터 연산동작을 수행하나 짧은 경우 종래 직선형 가감속 동작을 위한 파라메터 연산 동작을 수행한다.

여기서, 상기 가속시간(Ta)이 긴 경우, 우선, 도 5에 도시한 바와 같이 선형 가감속 제어방식에서 다단계 선형 가감속의 기본 유니트들을 계산하기 위한 상기 전체 가속시간(Ta)을 이용하여 제1 가속도치(Ac)를 수학식 1과 같이 연산한다.

Ac = (Vtt - Vo) / Ta

여기서, Ac는 제1 가속도치이고, Vtt는 이송을 원하는 희망속도이고, Vo는 초기 속도이고, Ta는 가속시간이며, 상기 가속시간(Ta) 또는 제1 가속도치(Ac)는 고정값으로 주어지기 때문에 나머지 값을 계산할 수 있다.

이때, 제어대상인 서보 모터의 특성중에서 저속 무응답 영역 특성인 상기 오프셋 시간(Toffset)을 이용하여 선형 프로파일을 이동(Shift)시킨다.

여기서, 도 5의 가속시간의 중간점(Ta/2)에 대응하는 이송속도값을 기준으로 하여 이동한 선형 프로파일의 두점을 도 5와 같이 연결하여 제2,제3 가속도치(Ai)(At)를 구할수 있는 기울기를 가진 두 직선을 구한다.

여기서, 상기 제2 가속도치(Ai)는 가속을 위한 초기 가속도치이고, 상기 제3 가속도치(At)는 정속 구간과 접하는 종료 가속도치이다.

그리고, 도 6은 위의 설명에 의해서 구해지는 제1,제2,제3 가속도치(Ac)(Ai)(At)를 합성하여 도시하였으며, 상기 가속도치(Ac)(Ai)(At)를 이용하여 각각 가속하는 시간인 제1,제2,제3 가속시간(Ti)(Tc)(Tt)을 연산하기 위한 도 6의 영역 (가)의 제2,제3 가속도치(Ai)(At)를 이용하여 이동한 이동거리(Si)는 수학식 2를 통해 연산한다.

Si = (Ta * Vtt / 2) / N

여기서, N은 가속 구간을 분할하는 8이상의 실수값으로 상기 제어대상인 서보 모터의 특성에 의하여 설정되는 실험치값이다.

따라서, 상기 제2,제3 가속시간(Ti)(Tt)은 각각의 이동거리(Si)에 2를 곱한 후, 이를 각각의 가속도치(Ai)(At)로 나눈 값을 루트(root)연산하여 구하며, 상기 제1 가속시간(Tc)은 전체 가속시간(Ta)에서 상기 연산된 제2,제3 가속시간(Ti)(Tt)을 뺀 시간이다.

그리고, 상기 연산된 각각의 가속시간(Tc)(Ti)(Tt)을 이용하여 각각의 속도(Vc)(Vi)(Vt)를 수학식 3을 통해 연산한다.

Vi = Ai × Ti + Vo

Vc = Ac ×Tc + Vi

Vt = Vtt

그리고, 상기 연산된 값을 이용하여 인터폴레이터(20)는 다단계 가감속이 가미된 움직임 프로파일을 위치 제어 루프(40)로 전송하여 상기 제어대상인 서보 모터의 구동을 제어한다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 제어 대상인 서보 모터, 스테핑 모터등이 가지는 특성중에서 저속 무응답 영역 특성과 선형 가감속의 기본 원리와 종형 가감속의 특성을 결합하여 움직임 파라메터를 연산하여 이를 통해 상기 제어대상의 구동을 제어함으로써, 속도가 급격히 변하는 임계점에서의 응답 특성에 의한 오차를 최소화하여 시스템을 안정화시킴과 아울러 외부 인터럽트에 정확하게 대응하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 가속시간이 2배의 오프셋 시간보다 긴지 판단하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 판단결과 상기 가속시간이 긴 경우 다단계 가감속을 위한 파라메터를 연산하나, 상기 가속시간이 짧은 경우 직선형 가감속을 위한 파라메터를 연산하는 제2 단계와; 상기 제2 단계의 연산 동작이 완료되면, 상기 연산된 파라메터에 의해 움직임 프로파일을 발생시키는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 서보 모터의 가감속 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 다단계 가감속을 위한 파라메터 연산동작은 각 구간의 가속도치인 제1,제2,제3 가속도치를 연산한 후, 상기 제2,제3 가속도치에 따른 이동거리를 연산하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 연산이 완료되면, 상기 연산된 제1,제2,제3 가속도치 및 이동거리를 이용하여 각 구간별 제1,제2,제3 가속시간을 연산하는 제2 단계와; 상기 제2 단계의 연산이 완료되면, 상기 연산된 제1,제2,제3 가속시간 및 가속도치를 이용하여 각 구간별 제1,제2,제3 속도를 연산하는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 서보 모터의 가감속 제어 방법.