KR20030020781A - Unified PID Position Controller for Linear Motor and Gain Design Method Using The Same - Google Patents

Unified PID Position Controller for Linear Motor and Gain Design Method Using The Same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A unified PID(proportional integral differential) position controller for a linear motor and a gain setting method using the same are provided to allow for an ease of gain setting, while effectively increasing the stiffness of the linear motor. CONSTITUTION: A unified PID position controller comprises a first mixer for extracting an error between the actual position and the reference position of a mover; a PID gain control unit including a first proportional control section for outputting a proportional gain with respect to the output value of the first mixer, a first differential control section for outputting a differential gain with respect to the output value of the first mixer, and a first integral control section for outputting an integral gain with respect to the output value of the first mixer; a second mixer for summing output values of the PID gain control unit; a position gain control unit including a second differential control section for obtaining a differential gain with respect to the actual position of the mover, a second proportional control section for taking, as an input, the output value of the second differential control section, and a third proportional control section for taking, as an input, the actual position of the mover, wherein the position gain control unit sums the output value of the second proportional control section and the output value of the third proportional control section and outputs the result; and a third mixer for summing output values of the PID gain control unit and the position gain control unit.

Description

리니어 모터의 통합 PID 위치 제어기 및 이를 이용한 이득 설정 방법{Unified PID Position Controller for Linear Motor and Gain Design Method Using The Same}Unified PID Position Controller for Linear Motor and Gain Design Method Using The Same}

본 발명은 리니어 모터의 위치 제어기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이득 설계가 간단화된 리니어 모터의 통합 PID 위치 제어기 및 이를 이용한 이득 설정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a position controller of a linear motor, and more particularly, to an integrated PID position controller of a linear motor with a simplified gain design and a gain setting method using the same.

최근들어 반도체 장비나 CNC등의 공구이송 장비와 같이 직선 왕복 운동을 필요로 하는 산업용 장치 분야에서 높은 정밀도와 빠른 응답성능에 대한 필요성이 부각되면서 직접 직선 왕복 운동을 실현하는 리니어 모터에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 리니어 모터는 체인 및 기어와 같은 기계적 변환 장치 없이 직선 운동이 가능하므로 기본적으로 회전기를 사용하는 볼-스크류(ball-screw) 방식 혹은 랙-피니언(rack-pinion) 방식의 선형 운동기구와 달리, 소음이나 백-래쉬(back-lash)로 인한 문제가 없으며 수명이 길고 유지 보수가 쉽다는 장점이 있다. 특히 리니어 모터는 전기력으로부터 직접 추력을 발생하기 때문에 다른 선형 운동기구보다 매우 높은 가속 성능을 쉽게 얻을 수 있으며 수㎛의 정밀한 위치 제어가 가능하다는 독특한 장점을 지니고 있다.Recently, the demand for a linear motor that realizes direct linear reciprocating movement is increasing as the need for high precision and fast response performance is emerging in the field of industrial devices requiring linear reciprocating movement such as semiconductor equipment or tool transfer equipment such as CNC. It is increasing. Since linear motors can be linearly moved without mechanical shifting devices such as chains and gears, they are noisy, unlike ball-screw or rack-pinion linear kinematics, which basically use rotors. There is no problem due to backlash or backlash, and it has the advantage of long life and easy maintenance. In particular, linear motors generate thrust directly from the electric force, which makes it possible to easily obtain much higher acceleration performance than other linear motion devices, and has a unique advantage of precise position control of several μm.

일반적으로 리니어 모터는 그 특성상 직선 운동에 의한 이동자의 이동 운동이 필요한 분야에 주로 활용되고 있으며, 이에 따라 일반적인 회전형 모터는 모터의 토크 제어 동작이나 속도 제어 성능이 우선시 되는 것에 비하여 리니어 모터는 이동자의 위치 제어 동작에 대한 우수한 동특성이 절대적으로 요구된다.In general, the linear motor is mainly used in the field that requires the movement of the mover by linear motion. Accordingly, the general rotary motor has the priority of the torque control operation and the speed control performance of the motor. Excellent dynamic characteristics for the position control operation are absolutely required.

산업계에서는 P(Proportional) 혹은 PI(Proportional-Integral)로 구성된 위치 보상기와 PI 속도 보상기 그리고 최하위의 전류 제어기가 직렬로 연결된 직렬 제어(Cascade Control) 구조의 위치 제어루프를 많이 사용한다. 이러한 제어 구조는 각각의 보상기를 독립적으로 운용할 수 있기 때문에 이득 설정이 비교적 간단하고, 각 보상기를 연결할 때 모터의 최대 속도 및 토크 등을 감안하여 속도 및 전류 등의 기준값에 대한 최대값을 제한하기 쉽다는 이점이 있다. 그러나, 주지하는 바와 같이 이러한 방식은 연산 수행시간이 길어지며 하위 보상기의 제어 동특성이 상위 제어 루프에 영향을 미치기 때문에 전체 위치 제어 루프의 동특성이 크게 떨어지는 문제가 있다. 따라서 이러한 직렬 제어 구조의 위치 제어 알고리즘은 2∼5 m/s의 속도에서 사용되는 고속 고성능 리니어 모터에는 적용하기 어려운 문제가 있다.The industry uses a position control loop of cascade control structure in which a position compensator composed of P (Proportional) or Proportional-Integral (PI), a PI speed compensator, and a lowest current controller are connected in series. This control structure is relatively simple in setting gains because each compensator can be operated independently, and when connecting each compensator, limiting the maximum value for reference values such as speed and current in consideration of the maximum speed and torque of the motor. There is an advantage of being easy. However, this method has a problem in that the operation time is long and the dynamic characteristics of the entire position control loop are greatly reduced because the control dynamics of the lower compensator affect the upper control loop. Therefore, the position control algorithm of the serial control structure has a problem that is difficult to apply to a high speed high performance linear motor used at a speed of 2 to 5 m / s.

근래에 들어 리니어 모터가 보편화되는 추세에 따라 고속 고정밀 위치제어 알고리즘에 대한 관심이 높아지면서, 직렬 보상기 구조를 탈피하고 내부 루프에 해당하는 속도 제어부 혹은 전류 제어부를 생략하여 제어 시스템의 동특성을 개선한 형태의 위치제어기에 관한 연구가 일부 이루어지고 있다. 그러나 선행 알고리즘의 대부분이 지나치게 학문적 성과에 치우치는 나머지, 구현이 쉬워야 한다는 실제적인 산업계의 요구 조건을 충족하지 못하고 이론으로만 그치는 경향을 보이고 있으며, 일부 제어기 제작 회사에서 실제적으로 적용하는 위치 제어 알고리즘의 경우에도 확실한 이론적 근거를 확립하지 못함으로써 제어기의 이득을 선정함에 있어서 소위 'Try-and-Error'의 고전적 방법에 의존하고 있다.In recent years, as the trend of linear motors becomes more common, interest in high-speed, high-precision position control algorithms has increased, and the dynamic compensator of the control system has been improved by eliminating the series compensator structure and omitting the speed controller or current controller corresponding to the inner loop. Some research has been done on position controllers. However, most of the preceding algorithms are too academically oriented and do not meet the actual industry requirements that they should be easy to implement. They tend to go beyond theory, and the position control algorithms that some controller manufacturers actually apply. Even without establishing a solid theoretical basis, it relies on the classical method of 'Try-and-Error' in selecting the controller's gain.

기존에 연구되었던 위치제어기 중에 한가지 주목할만한 성과를 얻은 방식이 TDOF(Two Degree Of Freedom)에 근거한 PID(Proportional Integral Differential) 위치 제어기라고 할 수 있다. 이 방식에서는 PID로 구성된 위치 보상기의 출력을 중간의 내부 속도 제어 루프를 생략하고 바로 전류(혹은 토크)제어 루프에 입력함으로써 시스템의 동특성을 개선하고 있다. 또한, 이때 필연적으로 발생하는 시스템의 진동 문제를 TDOF 방식의 속도 제어 알고리즘에서 사용하는 방식과 같이 제어기의 이득을 두 가지로 나누어 시스템의 극점(pole) 및 영점(zero) 위치를 변경함으로써 해결하는 방법을 제안하고 있다.One remarkable achievement of the previously studied position controller is the Proportional Integral Differential (PID) position controller based on the two degree of freedom (TDOF). In this method, the dynamics of the system are improved by inputting the output of the position compensator composed of PID directly to the current (or torque) control loop without the intermediate internal speed control loop. In addition, this method solves the inevitable vibration problem of the system by changing the pole and zero positions of the system by dividing the gain of the controller into two, like the method used in the TDOF speed control algorithm. Is proposing.

이러한 TDOF에 근거한 위치제어 방식은 안정성을 개선하는 의미에서 매우 우수한 성능을 보이고 있으며, 기존 산업계에서 많이 사용하는 PID를 기본 보상기로 사용함으로써 뛰어난 대중성을 확보할 수 있는 가능성을 지니고 있다. 그러나 이 방식은 기존의 TDOF 알고리즘을 적용하는 관계로 시스템 전체의 응답성을 고정시킨 상태에서 주어지는 자유도를 활용하기 어려운 자체적인 문제점을 지니고 있기 때문에 실제 이득 선정에 많은 제약이 발생하며, 필요 이상으로 크게 설정되는 각 지로(branch)의 이득으로 인하여 잡음(noise)에 민감하게 동작한다는 문제점이 있다.The position control method based on the TDOF shows a very good performance in the sense of improving the stability, and has the possibility of securing excellent popularity by using the PID used in the existing industry as a basic compensator. However, this method has its own problem that it is difficult to use the degrees of freedom given the fixed system-wide responsiveness due to the application of the existing TDOF algorithm. There is a problem in that it is sensitive to noise due to the gain of each branch to be set.

도 1은 일반적인 PID 위치 제어기의 기능 블록도이다.1 is a functional block diagram of a general PID position controller.

도 1에서, PID 위치 제어기는 이동자의 기준 위치(x*) 및 이동자의 실제 위치(x)의 궤환값을 입력으로 한다. PID 위치 제어부(18)는 크게, GC(s)로 나태내어 지는 주 오차 보상부(10), GF(s)로 나타내어 지는 상태 전향 보상부(12) 및 GB(s)로 나타내어지는 상태 궤환 보상부(14)로 이루어진다. 제어 타겟 시스템의 모델인 리니어 모터는 GS(s)로 나타내었다. 도 1에서 전류 제어부와 전력 변환부는 전류 제어계의 컷-오프 주파수가 위치 제어계의 주파수 보다 5∼10배 이상 크다고 가정하고 생략하였다.In Fig. 1, the PID position controller takes as input the feedback values of the reference position (x * ) of the mover and the actual position (x) of the mover. PID position control section 18 is larger, G C (s) state error compensating unit 10, which take sloth as, G F (s) represented by the state Feedforward unit represented by (12) and G B (s) The state feedback compensator 14 is provided. The linear motor, a model of the control target system, is represented by G S (s). In FIG. 1, the current controller and the power converter assume that the cut-off frequency of the current control system is 5 to 10 times greater than the frequency of the position control system.

도 2는 도 1에 도시한 PID 위치 제어기의 상세 회로도로서, 각 소자를 연산기로 구성한 예를 나타낸다.FIG. 2 is a detailed circuit diagram of the PID position controller shown in FIG. 1 and shows an example in which each device is configured with an operator.

도시된 것과 같이, 리니어 모터 이동자의 기준 위치(x*)와 실제 위치(x)가 입력되면, 제1 믹서(20)는 기준 위치(x*)에서 실제 위치(x)의 오차(x*-x)를 출력하는 연산을 수행한다. 이 오차는 먼저 주 오차 보상부(10)로 입력되는데, 주 오차 보상부(10)는 차분값의 비례 이득(Kp(x*-x))을 출력하는 제1 비례 제어부(22), 차분값의 미분 이득(KDS(x*-x))을 출력하는 제1 미분 제어부(24) 및 차분값의 적분 이득을 출력하는 제1 적분 제어부(26)를 포함한다.As shown, when the reference position (x * ) and the actual position (x) of the linear motor mover are input, the first mixer 20 is the error (x * -) of the actual position (x) at the reference position (x * ). Perform an operation that prints x). The error is first input to the main error compensator 10. The main error compensator 10 outputs the first proportional control part 22 that outputs the proportional gain K p (x * -x) of the difference value, and the difference. First derivative controller 24 which outputs the differential gain K D S (x * -x) of the value and the integral gain of the differential value It includes a first integration control unit 26 for outputting the.

한편, 이동자의 기준 위치(x*)는 상태 전향 보상부(12)로 입력된다. 상태 전향 보상부(12)는 이동자의 기준 위치(x*)를 제2 및 제3 미분 제어부(28, 30)에서 2차 미분하고 제1 지연부(32)에서 지연시켜 리니어 모터의 가속도항에 대한 2차 미분 이득(KAfS2x*)을 출력하는 한편, 이동자의 기준 위치(x*)를 제4 미분 제어부(34)에서 미분하고 제2 비례 제어부(36)에서 비례 이득을 더하여 속도항에 대한 미분 이득(KDfSx*)을 출력한다. 아울러, 상태 전향 보상부(12)는 제3 비례 제어부(38)에 의해 이동자의 기준 위치(x*)에 대한 비례 이득(KPfx*)을 출력한다.On the other hand, the reference position (x * ) of the mover is input to the state forward compensation unit 12. The state redirecting compensator 12 performs a second derivative of the reference position x * of the mover by the second and third differential control units 28 and 30 and delays the first delay unit 32 to the acceleration term of the linear motor. Outputs the second derivative gain K Af S 2 x * , while the reference position x * of the mover is differentiated in the fourth derivative controller 34 and the proportional gain is added in the second proportional controller 36 to speed Output the differential gain (K Df Sx * ) for the term. In addition, the state redirecting compensator 12 outputs a proportional gain K Pf x * with respect to the reference position x * of the mover by the third proportional controller 38.

주 오차 보상부(10) 및 상태 전향 보상부(12)의 출력값은 모두 제2 믹서(40)로 입력되어 합산된다.The output values of the main error compensator 10 and the state redirecting compensator 12 are input to the second mixer 40 and summed.

다른 한편으로, 이동자의 실제 위치(x)는 상태 궤환 보상부(14)로 입력된다. 상태 궤환 보상부(14)는 이동자의 실제 위치(x)를 입력으로 하여 실제 위치(x)의 비례 이득(KPBx)를 출력하는 제4 비례 제어부(42), 실제 위치의 미분 이득(KDBSx)을 출력하기 위한 제5 미분 제어부(44) 및 제4 비례 제어부(43)와 제5 미분 제어부(44)의 출력값을 합산하기 위한 제3 믹서(46)를 포함한다.On the other hand, the actual position x of the mover is input to the state feedback compensator 14. The state feedback compensator 14 is a fourth proportional controller 42 which outputs a proportional gain K P Bx of the actual position x by inputting the actual position x of the mover, and the derivative gain K of the actual position. And a third mixer 46 for summing output values of the fourth differential control unit 44 and the fourth proportional control unit 43 and the fifth differential control unit 44 for outputting DB Sx).

이제, 제2 믹서(40) 및 제3 믹서(46)의 출력값은 제4 믹서(48)로 입력되어 합산되고, 이로 인하여 결과적인 이득(A*)이 출력되게 된다.Now, the output values of the second mixer 40 and the third mixer 46 are input to the fourth mixer 48 and summed, resulting in the output of the resulting gain A *.

도 1 및 도 2에 도시한 PID 위치 제어기가 적용되는 모터의 기계계는 [수학식 1]과 같이 모델링될 수 있다.The mechanical system of the motor to which the PID position controller shown in FIGS. 1 and 2 is applied may be modeled as shown in [Equation 1].

[수학식 1]에서는 제어 힘(Force[N])를 나타내며는 왜란을 나타낸다. 또한, M은 리니어 모터 이동자의 질량(Mass[Kg])을 표시하고 B는 점성 마찰력(viscous friction)을 나타낸다. 일반적으로 리니어 모터에 사용되는 베어링에서 마찰력이 거의 발생하지 않으므로 B가 없다고 가정한다.In Equation 1 Represents the control force (Force [N]) Indicates a disturbance. In addition, M denotes the mass (Mass [Kg]) of the linear motor mover, and B denotes viscous friction. In general, it is assumed that there is no B because frictional force hardly occurs in a bearing used in a linear motor.

도 1에 도시한 것과 같이 속도 제어계가 모터의 힘(토크)을 직접 제어하는 경우에는 제어계 전체가 발산할 수 있으며, 이러한 문제 때문에 산업계에서는 주 보상기 및 위치 명령 입력단에 별도의 부가적인 안전 장치를 사용하고 있다. 그대표적인 예로 리드-래그(lead-lag) 보상기가 있으며, 주 보상기에 PD(Proportional Differential)제어기 만을 채용하는 경우도 있다. 또한, 교과서적인 예로써 PID를 주 보상기로 사용하고 있는 경우도 있다. PID 보상기는 PI 혹은 PD보다 뛰어난 응답성을 가질 수 있으나, 제어계의 부하인 피공작물의 정밀도에 영향을 미치는 진동 현상을 억제할 수 있는 제어 이득을 설정하기 매우 까다로운 문제점이 있다.When the speed control system directly controls the power (torque) of the motor as shown in FIG. 1, the entire control system may diverge. Due to this problem, an additional safety device is used in the main compensator and the position command input terminal in the industry. Doing. Another example is a lead-lag compensator, in which only a PD (Proportional Differential) controller is used as the main compensator. In addition, a textbook example uses PID as the main compensator. The PID compensator may have better responsiveness than PI or PD, but it is very difficult to set a control gain capable of suppressing a vibration phenomenon affecting the precision of a workpiece, which is a load of a control system.

한편, 리니어 모터의 전체 위치 제어 시스템에서 전류 제어부의 동특성이 매우 커서 위치 제어가 이루어지는 주파수 대역에서 전류제어기의 이득을 1로 대치 할 수 있는 경우, 위치 제어 루프에 영향을 주는 제어 상수는 전동기의 힘(force)상수 및 이동자의 질량(mass)으로 요약 될 수 있다. 영구자석을 이용하는 동기기형 리니어 모터에서는 힘(force)상수가 일반적으로 일정하고 정확하게 알 수 있다고 가정되어진다. 그러나, 자석의 재질에 따라 다르기는 하지만 온도가 변동될 경우 자속의 약화로 인하여 비교적 큰 폭으로 힘상수가 변동될 수 있다.On the other hand, when the gain of the current controller can be replaced by 1 in the frequency band where the position control is made because the dynamic characteristics of the current control unit in the overall position control system of the linear motor are very large, the control constant that affects the position control loop is the power of the motor. It can be summarized as the force constant and the mass of the mover. In synchronous linear motors using permanent magnets, the force constant is generally assumed to be constant and accurate. However, depending on the material of the magnet, if the temperature fluctuates, the force constant may fluctuate relatively largely due to the weakening of the magnetic flux.

또한, 전동기의 이송부 무게 역시 비교적 정확하게 알 수 있는 것으로 가정될 수 있으나, 이송 동작 중에 피이송물을 이동자에 올리거나 내려놓는 동작이 반복될 경우 매우 큰 폭으로 이송부 전체의 질량이 증감할 수 있다. 이러한 제어 정수의 변동은 전체 제어루프에서 제어기의 극점 및 영점 배치에 불확정 요소(uncertainty factor)로 작용하여 제어기의 안정성을 감소시키고 오버-슛(over-shoot) 현상과 같은 원하지 않는 결과를 발생시키는 문제점이 있다.In addition, it can be assumed that the weight of the transfer part of the motor can be known relatively accurately, but the mass of the entire transfer part can be increased or decreased in a very large amount when the movement of raising or lowering the object to be transferred to the mover is repeated during the transfer operation. This variation in the control constant acts as an uncertainty factor for the pole and zero placement of the controller in the entire control loop, reducing the stability of the controller and causing undesirable consequences such as over-shoot. There is this.

리니어 모터가 실제로 응용되는 분야 중에서 대다수를 차지하는 분야가 이송에 관련되어 있으며 NC(Numeric Control)등과 같은 공작기기 분야 역시 선형전동기의 중요 응용분야에 해당한다. 공작기기에서도 높은 가속도와 높은 정밀도를 위하여 가속도 2∼5G, 속도 1∼3m/s 급의 고성능 선형전동기가 사용된다. 또한, 다른 응용분야와는 다르게 공작기기 분야에서는 피가공물과 가공기구 사이에 직접적인 접촉이 발생하므로 전체 제어 루프 상에 외적인 힘이 작용하게되며 이러한 힘에 저항하는 정도를 강성도(stiffness)로 정의하고 있다.Most of the applications where linear motors are actually applied are related to feeding, and machine tools such as NC (Numeric Control) are also important applications for linear motors. High performance linear motors with accelerations of 2 to 5G and speeds of 1 to 3 m / s are also used for high acceleration and high precision in machine tools. In addition, unlike other applications, in the machine tool field, since a direct contact occurs between the workpiece and the processing tool, an external force acts on the entire control loop, and the degree of resistance to the force is defined as stiffness. .

외부에서 시스템에 인가되는 힘이 존재할 경우 이러한 힘은 제어루프에 왜란(disturbance)으로 작용하며, 위치제어루프의 성능을 증가시키기 위해서는 왜란에 대한 강인성에 해당하는 강성도(stiffness)가 어느 정도 이상으로 커야 한다. 공작물의 가공 정도를 높이기 위해서는 필수적으로 큰 강성도를 갖는 제어기가 필요하기 때문에 큰 강성도에 대한 산업 현장에서의 많은 여망에도 불구하고 이에 대한 현실적 접근이 거의 없는 것이 현실이다.If there is a force applied to the system from the outside, this force acts as a disturbance in the control loop, and in order to increase the performance of the position control loop, the stiffness corresponding to the rigidity against the disturbance must be greater than a certain degree. do. In order to increase the degree of machining of the workpiece, it is necessary to have a controller with a large stiffness, so that despite the many opportunities in the industrial field for the large stiffness, there is little practical approach to this.

이러한 강성도는 가공물의 질량 및 재질에 따라 달리 나타나지만 일반적으로 위치 제어기의 알고리즘에 따라 매우 큰 차이를 보이게 된다. 문제는 통상적인 제어기 구조에서 이득을 어떻게 설정하였을 때 강성도가 얼마로 나타나는지를 예측하기 어렵기 때문에 강성도를 높이기 위한 이득 설정이 매우 어렵문 문제점이 있다. 일반적으로 제어기 전체의 이득이 크면 클수록 강성도가 높게 나타나는 경향을 보이지만 너무 높은 이득을 설정할 경우 위치 검출부에서 나타나는 잡음 및 검출 지연 시간 등의 원인으로 위치 제어루프에서 발진 현상이 일어날 수 있으므로 원하는 정도의 강성도를 위한 이득 설정 가이드가 필요하게 된다.This stiffness is different depending on the mass and material of the workpiece, but generally shows a big difference according to the algorithm of the position controller. The problem is that it is difficult to set the gain to increase the stiffness because it is difficult to predict how much the stiffness appears when the gain is set in the conventional controller structure. In general, as the gain of the whole controller is larger, the stiffness tends to be higher. However, if the gain is set too high, oscillation may occur in the position control loop due to noise and detection delay time displayed in the position detector. Gain setting guide is necessary.

특히, CNC 머신과 같이 피조물에 직접 힘을 인가하여 절삭 등의 동작을 수행하는 공작기기류에서는 최소한 107∼ 108[N/m] 이상의 높은 강성도를 요구하는 경우가 많기 때문에 이를 만족시킬 수 있는 적절한 대책이 반드시 강구되어야만 한다.In particular, machine tools such as CNC machines that directly apply force to the work to perform cutting operations, etc., often require high stiffness of at least 10 7 to 10 8 [N / m]. Measures must be taken.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, PID 보상기를 주 제어기로 설계하고 이를 전류 제어기에 바로 연결시킴으로써, 시스템의 동특성을 높이고 연산 부담을 최소화할 수 있는 리니어 모터의 통합 PID 위치 제어기 및 이를 이용한 이득 설정 방법을 제공하는 데 그 기술적 과제가 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by designing a PID compensator as the main controller and directly connected to the current controller, an integrated PID position controller of the linear motor that can increase the dynamic characteristics of the system and minimize the computational burden; There is a technical problem in providing a gain setting method using the same.

본 발명의 다른 기술적 과제는 이용 가능한 모든 상태 전향 보상 기법 및 상태 궤환 보상 기법을 제어기에 적용하고 이를 바탕으로 전체 위치 제어 시스템이 1차 저역 통과 필터 형태로 구성되도록 설계함으로써, 시스템의 응답성 및 안정성을 높이고 제어 이득 설정에서 완벽한 자유도를 보장하도록 하는 데 있다.Another technical problem of the present invention is to apply all available state forward compensation techniques and state feedback compensation techniques to a controller, and design the entire position control system to be configured in the form of a first order low pass filter, thereby responsiveness and stability of the system. And to ensure complete freedom in setting the control gain.

본 발명의 또 다른 기술적 과제는 통합 PID 위치 제어기를 1차 저역 통과 필터 형태로 구성함에 따라 시스템의 동특성을 정확하게 예측하고 오버-슛(over-shoot) 현상을 억제함으로써 제어계의 부하에 해당하는 피가공물의 정밀도를 향상시키는 데 있다.Another technical problem of the present invention is to configure the integrated PID position controller in the form of a first-order low pass filter to accurately predict the dynamic characteristics of the system and to suppress the over-shoot phenomenon, thereby reducing the work load corresponding to the load of the control system. To improve the precision.

아울러, 본 발명은 통합 PID 위치 제어기 설계에서 파생되는 이득 설정의 자유도에 따른 시스템의 동특성을 일정하게 유지하면서, 시스템 정수의 변동 및 불확정성이 있는 경우에도 시스템의 성능이 변동하지 않도록 하고 제어계의강성(stiffness)을 증가시킬 수 있도록 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.In addition, the present invention, while maintaining the dynamic characteristics of the system according to the degree of freedom of gain setting derived from the design of the integrated PID position controller, the system performance does not change even when there are fluctuations and uncertainties of the system constant, and the stiffness of the control system ( It is a technical task to make it possible to increase stiffness.

또한, 본 발명은 통합 PID 위치 제어기의 출력을 리니어 모터로 입력하기 전 전류 제한기를 통과하도록 하여 전류 제한 요소에 의한 시스템의 비선형성을 방지하도록 하는 데 기술적 과제가 있다.In addition, the present invention has a technical problem to prevent the non-linearity of the system by the current limiting element by passing the current limiter before the output of the integrated PID position controller to the linear motor.

도 1은 일반적인 PID 위치 제어기의 기능 블록도이다.1 is a functional block diagram of a general PID position controller.

도 2는 도 1에 도시한 PID 위치 제어기의 상세 회로도이다.FIG. 2 is a detailed circuit diagram of the PID position controller shown in FIG. 1.

도 3은 본 발명에 적용되는 PID 위치 제어기의 기능 블록도이다.3 is a functional block diagram of a PID position controller applied to the present invention.

도 4는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 기능 블록도이다.4 is a functional block diagram of an integrated PID position controller according to the present invention.

도 5은 도 4에 도시한 통합 PID 위치 제어기의 상세 회로도이다.FIG. 5 is a detailed circuit diagram of the integrated PID position controller shown in FIG. 4.

도 6은 리니어 모터의 마찰력 모델을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing a frictional force model of the linear motor.

도 7a 내지 7c, 도 8a 및 8b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 저역 통과 필터 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.7A to 7C, 8A and 8B are graphs showing simulation results of low pass filter characteristics of the integrated PID position controller according to the present invention.

도 9a 내지 9c, 10a 내지 10c는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기의 스텝 응답 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.9A to 9C and 10A to 10C are graphs showing simulation results of step response characteristics of the integrated PID position controller of the present invention.

도 11a 및 11b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 주파수 응답 특성의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.11A and 11B are graphs showing experimental results of frequency response characteristics of the integrated PID position controller according to the present invention.

도 12a 및 12b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 스텝 응답 특성의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.12A and 12B are graphs showing experimental results of step response characteristics of the integrated PID position controller according to the present invention.

도 13a 및 13b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 오픈 루프 보드선도이다.13A and 13B are open loop board diagrams of an integrated PID position controller according to the present invention.

도 14a 및 14b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기에서 시스템 정수 변화에 따른 스텝 응답 특성을 나타내는 그래프이다.14A and 14B are graphs showing the step response characteristics according to the system constant change in the integrated PID position controller according to the present invention.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 통합 PID 위치 제어기의 기능 블록도이다.15 is a functional block diagram of an integrated PID position controller according to another embodiment of the present invention.

도 16a 및 16b는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기에서 컷 오프 주파수가 200rad/s인 경우 스텝 응답 특성의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.16A and 16B are graphs showing experimental results of step response characteristics when the cutoff frequency is 200 rad / s in the integrated PID position controller of the present invention.

도 17a 및 17b는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기에서 컷 오프 주파수가 50rad/s인 경우 스텝 응답 특성의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.17A and 17B are graphs showing experimental results of step response characteristics when the cutoff frequency is 50 rad / s in the integrated PID position controller of the present invention.

도 18a 및 18b는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기에서 강성도에 따른 위치 제어 능력을 설명하기 위한 그래프이다.18A and 18B are graphs for explaining position control capability according to stiffness in the integrated PID position controller of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 주 오차 보상부12 : 상태 전향 보상부10: main error compensation unit 12: state forward compensation unit

14 : 상태 궤환 보상부16 : 리니어 모터14: state feedback compensation unit 16: linear motor

18 : PID 위치 제어기20 : 제1 믹서18 PID position controller 20 first mixer

22 : 제1 비례 제어부24 : 제1 미분 제어부22: first proportional control unit 24: first differential control unit

26 : 제1 적분 제어부28 : 제2 미분 제어부26: first integral control unit 28: second differential control unit

30 : 제3 미분 제어부32 : 제1 지연부30: third differential control unit 32: first delay unit

34 : 제4 미분 제어부36 : 제2 비례 제어부34: fourth derivative controller 36: second proportional controller

38 : 제3 비례 제어부40 : 제2 믹서38: third proportional control unit 40: second mixer

42 : 제4 비례 제어부44 : 제5 미분 제어부42: fourth proportional control unit 44: fifth differential control unit

46 : 제3 믹서100 : PID 제어기46: third mixer 100: PID controller

200 : 통합 PID 위치 제어기102 : 상태 전향 보상부200: integrated PID position controller 102: state forward compensation unit

104 : 상태 궤환 보상부106 : 주 오차 보상부104: state feedback compensation unit 106: main error compensation unit

108 : PID 이득 제어부110 : 위치 이득 제어부108: PID gain control unit 110: position gain control unit

112 : 제4 믹서114 : 제5 믹서112: fourth mixer 114: fifth mixer

116 : 제5 비례 제어부118 : 제6 미분 제어부116: fifth proportional control unit 118: sixth differential control unit

120 : 제2 적분 제어부122 : 제6 믹서120: second integration controller 122: sixth mixer

124 : 제7 미분 제어부126 : 제6 비례 제어부124: seventh differential control unit 126: sixth proportional control unit

128 : 제7 비례 제어부130 : 제7 믹서128: seventh proportional controller 130: seventh mixer

132 : 전류 제한기132: current limiter

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 리니어 모터의 PID 위치 제어기에에 있어서, 이동자의 기준 위치에 대한 실제 위치의 오차값을 추출하기 위한 제1 믹서; 상기 제1 믹서의 출력값에 대한 비례 이득을 출력하기 위한 제1 비례 제어부, 상기 제1 믹서의 출력값에 대한 미분 이득을 출력하기 위한 제1 미분 제어부 및 상기 제1 믹서의 출력값에 대한 적분 이득을 출력하기 위한 제1 적분 제어부를 포함하는 PID 이득 제어부; 상기 PID 이득 제어부의 출력값 각각을 합산하기 위한 제2 믹서; 상기 이동자의 실제 위치에 대한 미분 이득을 획득하는 제2 미분 제어부와 상기 제2 미분 제어부의 출력값을 입력값으로 하는 제2 비례 제어부, 상기 이동자의 실제 위치를 입력으로 하는 제 3 비례 제어부 및 상기 제2 비례 제어부의 출력값과 상기 제3 비례 제어부의 출력값을 합산하여 출력하기 위한 위치 이득 제어부; 및 상기 PID 이득 제어부와 상기 위치 이득 제어부의 출력값을 합산하기 위한 제 3 믹서; 를 구비한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a PID position controller of a linear motor, comprising: a first mixer for extracting an error value of an actual position with respect to a reference position of a mover; A first proportional control unit for outputting a proportional gain with respect to the output value of the first mixer, a first differential control unit for outputting a differential gain with respect to the output value of the first mixer, and an integral gain for the output value of the first mixer A PID gain control unit including a first integration control unit for performing the control; A second mixer for summing respective output values of the PID gain control unit; A second proportional control unit that obtains a differential gain with respect to the actual position of the mover, a second proportional control unit that takes an output value of the second differential control unit as an input value, a third proportional control unit that uses the actual position of the mover as an input value, and the second A position gain control unit for summing and outputting the output value of the second proportional control unit and the output value of the third proportional control unit; And a third mixer for summing output values of the PID gain controller and the position gain controller. It is provided.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다. 이하의 설명에서,PID 위치 제어기에서 제어해야할 이득 항목을 간단화하는 과정에 따라 본 발명의 통합 PID 위치 제어기의 구현을 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, the implementation of the integrated PID position controller of the present invention will be described according to the process of simplifying the gain items to be controlled by the PID position controller.

도 3은 본 발명에 적용되는 PID 위치 제어기의 기능 블록도로서, 주 제어기로 PID를 적용하고 시스템의 안정성을 향상시키기 위하여 상태 전향 보상부(102)와 상태 궤환 보상(104)를 사용하는 경우를 나타낸다.3 is a functional block diagram of a PID position controller according to the present invention, in which a state forward compensation unit 102 and a state feedback compensation 104 are used to apply a PID as a main controller and improve the stability of the system. Indicates.

도 3에서 주 오차 보상부(106)는 PID 제어기이며 여기에서 KP'는 비례(Propotional)이득, KI'는 적분(Integral)이득, KD'는 미분(Differential)이득을 의미한다. PID의 입력은 기준 위치(x*)와 실제 위치(x) 사이의 오차이며 출력은 이득 설정을 쉽게 하기 위하여 기준 가속도()와 동일한 단위를 갖도록 고려하였다. 대상 제어계인 리니어 모터는 두 개의 극점(pole)을 갖는 2차 기계계로 모델링 하였으며 전기자 저항 및 인덕턴스로 구성되는 전기계의 동특성은 모델링에서 제외하였다. 다만 실제 모터와 제어 시스템을 연결하는 링크(link)로서 전류가 작용하기 때문에 전류에 대한 힘(force)의 계수에 해당하는를 대상 시스템에서 고려하였다.In FIG. 3, the main error compensator 106 is a PID controller, where K P ′ is proportional gain, K I ′ is integral gain, and K D ′ is differential gain. The input of the PID is the error between the reference position (x * ) and the actual position (x) and the output is the reference acceleration ( Were considered to have the same units. The target motor, linear motor, was modeled as a secondary mechanical system with two poles. The dynamic characteristics of the electric system, which consisted of armature resistance and inductance, were excluded from the modeling. However, since the current acts as a link between the actual motor and the control system, it corresponds to the coefficient of force against the current. Is considered in the target system.

도 3에서 M은 모터의 질량으로 Kg의 단위계를 갖는다.는 제어계에서 알고 있는 모터 이송부의 질량에 대한 정보이며는 힘상수에 대한 정보에 해당한다. 이들 정보는 일반적으로 비교적 정확하게 알 수 있다고 가정되고 있으나, 리니어 모터의 용도가 갖는 특수성 및 온도 변화 등의 조건을 고려할 때 정확한 값을 모르거나 운전중에 변동할 가능성이 매우 크다.In Figure 3 M is the mass of the motor has a unit system of Kg. Is the information about the mass of the motor feeder known from the control system. Corresponds to information about the force constant. These information are generally assumed to be relatively accurate, but considering the characteristics such as the specificity and temperature change of the use of the linear motor, the possibility of not knowing the exact value or changing during operation is very high.

주 오차 보상부(106)의 출력(Aerr *)은 기준 위치(x*)에 대한 상태 전향 보상항의 출력(Axff *,Avff *,Aaff *)과 실제 위치(x)의 상태 궤환항의 출력(Axfb *,Avfb *)과 합쳐져서 모터에 대한 가속도 기준값(A*)으로 작용한다. 또한, 가속도 기준값은에 대한 정보를 이용하여 루프에서 생략된 전류 제어기의 기준값이 변화되며, 전류 제어기에서는 기준값 그대로 모터에 전류를 인가한다고 가정한다. 도면에서, KPF', KDF', KAF'는 각각 상태 전향 보상부(102)의 위치항, 속도항, 가속도항 에 대한 비례이득, 미분이득, 2차 미분 이득에 해당하며, KPB', KDB' 는 상태 궤환 보상부(104)의 비례이득 및 미분이득을 의미한다.The output of the main error compensating portion (106) (A err *) are state feedforward term output with respect to a reference position (x *) (A xff * , A vff *, A aff *) and state feedback of the actual position (x) term output (a xfb *, a vfb * ) and combined to serve as an acceleration reference value (a *) for the motor. In addition, the acceleration reference value is And It is assumed that the reference value of the current controller omitted from the loop is changed by using information about the current controller, and the current controller assumes that the current is applied to the motor as it is. In the drawings, K PF ′, K DF ′, and K AF ′ correspond to proportional gains, differential gains, and second derivative gains for the position term, velocity term, and acceleration term of the state forward compensation portion 102, respectively, and K PB. ', K DB ' means proportional gain and differential gain of the state feedback compensation unit 104.

상태 궤환 보상부(104)에서는 위치 미분 연산을 위해서 1차 미분 요소가 필요하며 그 결과는 모터의 속도에 해당한다. 직접적인 미분 연산에서 발생할 수 있는 잡음 등으로 인한 오류를 피하기 위해 모터의 속도를 사용할 수 있으며, 모터의 속도는 간단한 관측기를 구성하여 수 백[rad/s] 범위에서 매우 정확하게 알아낼 수 있다. 상태 궤환 보상부(104)에서 가속도항을 사용할 수도 있으나, 실제적인 구현 문제에서 가속도를 비교적 정확하게 알아낼 수 있는 방법이 거의 없기 때문에 사용하지 않았다. 도 3에 나타낸 PID 위치 제어기의 전달함수는 [수학식 2]와 같다.In the state feedback compensator 104, the first derivative is required for the position differential calculation, and the result corresponds to the speed of the motor. The speed of the motor can be used to avoid errors due to noise that can occur in direct derivative operations, and the speed of the motor can be determined very accurately in the hundreds [rad / s] by configuring a simple observer. Although the acceleration term may be used in the state feedback compensator 104, it is not used because there is almost no way to find the acceleration relatively accurately in the practical implementation problem. The transfer function of the PID position controller shown in FIG. 3 is shown in [Equation 2].

[수학식 2]에서 k는로 나타내어지며, 시스템 정수의 변동 비율이다. 위 식에서 볼 수 있는 바와 같이 상태 전향 보상부(102)의 각 항은 폐루프 전달함수의 영점(zero)에 영향을 미치며 궤환 보상항 들은 극점(pole)에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 특히 상태 전향 보상부(102)에서 가속도 기준값에 해당하는 루프의 이득 KAF'가 추가됨으로써 시스템 영점의 전달함수 차수가 하나 증가함을 볼 수 있으며, 이 경우에는 시스템의 해석에 의한 극점 배치에 많은 어려움이 발생한다. 그러나 본 발명에서는 위치 보상기의 출력을 내부 속도 제어 루프를 생략하고 바로 토크 제어기에 연결시키므로 KAF'를 0으로 설정할 수 있다. 이와 같은 경우 전체 제어계는 2차계의 영점과 3차계의 극점을 갖는 폐루프 전달함수로 주어지므로 보다 간단해 지지만, 아직도 각 루프의 이득에 해당하는 7개의 제 정수를 결정해야하는 문제를 갖고 있다.In Equation 2, k is It is represented by, which is the rate of change of the system constant. As can be seen from the above equation, each term of the state forward compensation unit 102 affects the zero of the closed loop transfer function and the feedback compensation terms affect the poles. In particular, by adding the gain K AF 'of the loop corresponding to the acceleration reference value in the state forward compensator 102, it can be seen that the transfer function order of the system zero increases by one, and in this case, the pole arrangement by the analysis of the system Difficulties arise. However, in the present invention, since the output of the position compensator omits the internal speed control loop and is directly connected to the torque controller, K AF 'can be set to zero. In this case, the whole control system is simpler because it is given by a closed loop transfer function having the zero point of the secondary system and the pole point of the tertiary system, but still has the problem of determining the seventh constant corresponding to the gain of each loop.

그러나, 실제적인 면에 있어서 7개의 이득은 시스템을 구성함에 있어 모두 독립 변수가 아니기 때문에 제어계를 보다 간략화 시키는 일이 가능하다. [수학식 2]에서 다음의 [수학식 3]과 같이 이득을 재 정의할 수 있다.In practical terms, however, the seven gains are not all independent variables in the system configuration, making it possible to simplify the control system. In Equation 2, the gain may be redefined as in Equation 3 below.

[수학식 3]에 의해 [수학식 2]의 전달함수는 [수학식 4]와 같이 변경될 수있다.By [Equation 3], the transfer function of [Equation 2] can be changed as shown in [Equation 4].

그러므로, 실제적으로 5개의 루프 이득만을 결정하면 되며 전달함수에서 전향 보상항을 모두 제거하고 궤환 보상항만을 남기는 효과를 볼 수 있다. 이와 반대로 보상항을 모두 제거할 수도 있으나 이 경우에는 입력 실제적인 시스템의 구성에서 스텝 응답에 대한 동특성을 구하기가 어려워지는 문제가 발생하며, 입력에 해당하는 위치 기준값으로 반드시 S커브 형태의 패턴을 사용해야한다는 부담이 생긴다.Therefore, only five loop gains need to be determined, and it is possible to remove all the forward compensation terms from the transfer function and leave only the feedback compensation terms. On the contrary, it is possible to remove all the compensation terms, but in this case, it is difficult to obtain the dynamic characteristics for the step response in the configuration of the input actual system, and the S curve pattern must be used as the position reference value corresponding to the input. There is a burden.

도 4는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 기능 블록도로서, [수학식 4]에 근거하여 구성한 예를 나타낸다. 도 4에 도시한 제어기 구조는 상태 전향 보상부 및 상태 궤환 보상부를 통합하여 구성하였다는 의미에서 본 발명에서는 이러한 형태의 제어기를 통합 PID 위치 제어기(Unified PID Position Controller, 200)라고 칭한다.4 is a functional block diagram of the integrated PID position controller according to the present invention, and shows an example configured based on [Equation 4]. The controller structure shown in FIG. 4 is referred to as a unified PID position controller 200 in the present invention in the sense that the state forward compensator and the state feedback compensator are integrated.

도 5는 도 4에 도시한 통합 PID 위치 제어기의 상세 회로도이다.FIG. 5 is a detailed circuit diagram of the integrated PID position controller shown in FIG. 4.

도시된 것과 같이, 리니어 모터 이동자의 기준 위치(x*)와 실제 위치(x)가 입력되면, 제4 믹서(112)는 기준 위치(x*)에 대한 실제 위치(x)의 오차(x*-x)를 출력하는 연산을 수행한다. 이 오차는 먼저 PID 이득 제어부(108)로 입력되는데, PID 이득 제어부(108)는 차분값의 비례 이득(Kp(x*-x))을 출력하는 제5 비례 제어부(116), 차분값의 미분 이득(KDS(x*-x))을 출력하는 제6 미분 제어부(118) 및 차분값의 적분 이득을 출력하는 제2 적분 제어부(120)를 포함한다.As shown, if the reference position (x * ) and the actual position (x) of the linear motor mover are input, the fourth mixer 112 is the error (x * ) of the actual position (x) with respect to the reference position (x * ). -x) outputs the operation. This error is first input to the PID gain control unit 108. The PID gain control unit 108 outputs the proportional gain K p (x * -x) of the difference value, and the fifth proportional control unit 116 outputs the difference value. Integral gain of the sixth differential control unit 118 and the differential value, which outputs the differential gain K D S (x * -x) It includes a second integral control unit 120 for outputting.

제5 비례 제어부(116), 제6 미분 제어부(118) 및 제2 적분 제어부(120)의 출력값은 각각 제6 믹서(122)로 입력되어 합산된다.The output values of the fifth proportional control unit 116, the sixth differential control unit 118, and the second integration control unit 120 are input to the sixth mixer 122 and summed.

한편, 이동자의 실제 위치(x)는 위치 이득 제어부(110)로 입력된다. 위치 이득 제어부(110)는 이동자의 실제 위치(x)를 제7 미분 제어부(124)에서 미분하고 제6 비례 제어부(126)에서 비례 이득을 더하여 속도항에 대한 미분 이득(KvSx)을 출력한다. 아울러, 위치 이득 제어부(110)는 제7 비례 제어부(128)에 의해 이동자의 실제 위치(x)에 대한 비례 이득(Kxx)을 출력한다. 제6 비례 제어부(126) 및 제7 비례 제어부(128)의 출력값은 제7 믹서(130)에서 합산된다. 이후, 제6 믹서(122) 및 제7 믹서(130)의 출력값은 제5 믹서(114)로 입력되어 합산됨으로써, 결과적인 이득값(A*)이 출력되게 된다.On the other hand, the actual position (x) of the mover is input to the position gain control unit 110. The position gain controller 110 differentiates the actual position x of the mover from the seventh derivative controller 124 and adds the proportional gain from the sixth proportional controller 126 to output the derivative gain K v Sx for the speed term. do. In addition, the position gain control unit 110 outputs a proportional gain K x x for the actual position x of the mover by the seventh proportional control unit 128. The output values of the sixth proportional controller 126 and the seventh proportional controller 128 are summed in the seventh mixer 130. Thereafter, the output values of the sixth mixer 122 and the seventh mixer 130 are input to the fifth mixer 114 and summed, whereby the resultant gain value A * is output.

통합 PID 위치 제어기는 [수학식 4]의 전달함수 구조를 변형함으로써 매우 다양한 변형이 가능하다.The integrated PID position controller can be modified in many ways by modifying the transfer function structure of Equation 4.

일 예로 제어기의 루프 이득 KI및 KX를 0으로 함으로써 PD제어기 구조로 변환하는 것도 가능하다. 시스템의 운용 목적에 따라 다르게 바꿔 주어야 할 5개의 독립적인 루프 이득은 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기를 1차 저역 통과필터 형태로 구성함으로써 해결할 수 있다.For example, it is also possible to convert the PD controller structure by setting the loop gains K I and K X of the controller to zero. Five independent loop gains to be changed depending on the operation purpose of the system can be solved by configuring the integrated PID position controller according to the present invention in the form of a first order low pass filter.

적용예 1: 공작기기용 통합 PID 위치 제어기의 이득 설계Application Example 1: Gain Design of Integrated PID Position Controller for Machine Tools

일 실시예로서, 리니어 모터를 공작기기에 적용하는 경우 본 발명의 통합 PID 위치 제어기의 이득 설계 알고리즘을 설명하기로 한다.As an embodiment, when the linear motor is applied to a machine tool, a gain design algorithm of the integrated PID position controller of the present invention will be described.

대부분의 리니어 모터는 직선 왕복을 하는 모터의 특성상 기구물을 연결하여 특정 위치로 이동하는 이송동작에 주로 사용되며 그 대표적인 예가 반도체 공정에 사용되는 테스터(Tester) 기기나 공작기계용 X-Y 스테이지(stage)라고 할 수 있다. 어느 경우이거나 기구물에 충격이 가해지는 것을 방지하기 위하여 S-커브 형태의 위치 패턴에 따라 이송장치의 동작을 통제하는 경우가 일반적이다. 그러나, 전체 제어계의 동특성에 따라 S-커브 패턴에 많은 제약이 발생하며 높은 가감속율을 갖는 동작이 가능하려면 당연히 위치 제어계의 동특성이 높을수록 유리하다.Most linear motors are mainly used for the transfer operation of moving the equipment to a specific position by connecting the equipment due to the characteristics of the linear reciprocating motor. A representative example is the XY stage for testers or machine tools used in the semiconductor process. can do. In either case, it is common to control the operation of the conveying device according to the position pattern in the form of an S-curve in order to prevent the impact of the apparatus. However, many restrictions occur on the S-curve pattern according to the dynamic characteristics of the entire control system, and of course, the higher the dynamic characteristics of the position control system is advantageous in order to enable the operation having a high acceleration / deceleration rate.

본 발명에서는 통합 PID 위치 제어기를 활용함에 있어 그 목적을 공작기기용 X-Y 스테이지로 하는 경우에 사용할 수 있는 이득 설정 가이드-라인을 다음과 같이 정하였다. 첫째, 시스템의 동특성이 명확하게 제시되어야 하고, 둘째, 오버슛(Over-Shoot)현상이 없어야 한다. 두 번째의 오버슛 현상은 매우 큰 가감속율로 모터가 동작할 경우 피공작물의 공작 정밀도를 저해하는 요인으로 작용하므로 특히 공작기기와 같은 응용분야에서는 이 현상을 제거할 필요가 있다.In the present invention, the gain setting guideline that can be used in the case of using the integrated PID position controller as an X-Y stage for machine tools is determined as follows. First, the dynamics of the system should be clearly presented, and second, there should be no over-shoot. The second overshoot phenomenon is a factor that hinders the machining precision of the workpiece when the motor is operated with a very high acceleration / deceleration rate. Therefore, it is necessary to eliminate this phenomenon especially in applications such as machine tools.

또한 본 발명의 범위를 벗어나기 때문에 모델링되지 않았으나, 많은 종류의 기계계는 2개 이상의 여러 질량 단위-예로써 2 질량 시스템(two mass system)-로 구성되어 있으며 이들 단위 기계 사이에는 비틀림 등에 의한 강성계가 존재한다. 만일 1∼3[m/s]의 빠른 속도에서 동작하는 고성능 공작 기기에서 오버슛 현상이 발생하면 이 현상이 시스템의 강성과 반응하여 이차 진동을 유발 할 수 있으므로 오버슛 현상을 가능하면 억제하는 것이 좋다.In addition, although not modeled because it is outside the scope of the present invention, many types of mechanical systems are composed of two or more different mass units, for example, two mass systems. exist. If overshoot occurs in a high performance machine tool operating at a high speed of 1 to 3 [m / s], this phenomenon may cause secondary vibration in response to the stiffness of the system. good.

위의 두 가지 가이드-라인에 적합한 형태는 여러 가지일 수 있으나, 가장 용이하게 구현 할 수 있는 형태가 다음의 [수학식 5]와 같은 1차 저역 통과 필터이다.There may be various forms suitable for the above two guidelines, but the most easily implemented form is a first order low pass filter as shown in Equation 5 below.

1차 저역 통과 필터는 컷-오프(cut-off) 주파수로 표현되는 명확한 동특성을 지니고 있고 시스템이 정확하게 설계된 경우에 오버-슛 현상이 전혀 없으므로 위의 가이드-라인에 매우 적합한 형태라고 할 수 있다. 시스템의 해석을 용이하게 하기 위해 시스템의 제 정수를 비교적 정확하게 알고 있다는 가정하에 시스템 정수의 변동 비율k를 1로 가정하면, [수학식 4]에서 통합 PID 제어기의 개루프 전달함수를 다음의 [수학식 6]과 같이 구할 수 있다. 시스템 정수 변동 비율k의 보정에 대해서는 후술하는 이득 설정 방법에서 상세히 설명할 것이다.The first order low pass filter has a clear dynamical characteristic expressed in cut-off frequency and is well suited to the above guideline because there is no over-shoot when the system is designed correctly. In order to facilitate the interpretation of the system, assuming that the system constant is relatively accurate, assuming that the ratio k of the system constant is 1, the open loop transfer function of the integrated PID controller is Equation 6] can be obtained. Correction of the system constant variation ratio k will be described in detail in the gain setting method described later.

그러므로, [수학식 5]의 1차 저역 통과 필터의 개루프 전달함수와 동일한 형태를 갖기 위해서는 [수학식 6]에서 이득 KD를 ωC로 설정하고 분모의 괄호 부분과 분자의 괄호 부분이 [수학식 7]같이 동일한 형태를 유지하면 된다.Therefore, in order to have the same shape as the open loop transfer function of the first order low pass filter of Equation 5, the gain K D is set to ω C in Equation 6, and the parentheses of the denominator and the parentheses of the numerator are [ The same shape may be maintained as in Equation 7].

[수학식 7]에서 ζ 는 시스템 영점의 감쇄 비율(damping ratio), ωn은 시스템 영점의 고유 비감쇄 주파수(natural undamped frequency ratio)로써, 극점에 대한 값들이 아니므로 물리적으로 큰 의미가 있는 것은 아니지만 본 발명에서 이득의 자유도를 얻기 위하여 사용한다.In Equation 7, ζ is the damping ratio of the zero point of the system, ω n is the natural undamped frequency ratio of the zero point of the system. However, the present invention is used to obtain a degree of freedom of gain.

[수학식 7]이 성립할 경우, [수학식 4]의 폐루프 전달함수는 [수학식 5]와 같은 1차 저역 통과 필터 형태를 갖게 된다. [수학식 7]에서 좌항과 우항의 비교를 통하여 [수학식 8]과 같은 루프 이득을 얻을 수 있다.When [Equation 7] is established, the closed loop transfer function of [Equation 4] has a first-order low pass filter type as shown in [Equation 5]. In [Equation 7], the loop gain as shown in [Equation 8] can be obtained by comparing the left term and the right term.

[수학식 8]에서와 같이 제어기의 각 루프 이득을 정하기 위해서 ωC, ωn, ζ의 세 개의 값만을 결정하면 된다. ωC는 전체 제어계의 컷-오프 주파수로써 시스템의 동특성을 나타내며 시스템의 요구조건에 의하여 결정되는 것이 일반적이다. 예를 들어 진동기구에서와 같이 1초당 10번 왕복 운전이 필요한 경우에는 리니어 모터의 힘(force)대 이송부 질량(mass)의 비율(최대 가속도)이 충분히 커야하지만 무엇보다도 전체 제어계의 동특성이 10Hz(약 63rad/s) 이상 되어야 원하는 결과를 얻을 수 있으므로, 이를 감안하여 ωC를 보다 충분한 값으로 설정할 필요가 있다.As shown in [Equation 8], only three values of ω C , ω n and ζ need to be determined to determine the loop gain of the controller. ω C is the cut-off frequency of the entire control system, indicating the dynamics of the system and is usually determined by the requirements of the system. For example, if a reciprocating operation is required 10 times per second, such as in a vibrating mechanism, the ratio of the force (maximum acceleration) of the force of the linear motor to the mass of the conveying part should be large enough. It is necessary to set ω C to a more sufficient value in consideration of this, because the desired result can be obtained at about 63 rad / s) or more.

ωn및 ζ는 시스템 설계시에 이득 항에만 나타날 뿐이며 실제 제어계의 폐루프 상에 영향을 주지 않으므로 이론적으로 완전한 자유도에 해당한다. 즉, 이들 상수는 어떠한 값으로 설정하여도 ωC로 대변되는 시스템의 동특성이 일정하게 유지된다. 다만, ωn및 ζ가 개별적인 루프 이득에 관련되므로 왜란에 대한 계의 강성(stiffness)과 같은 요소에 영향을 준다. 따라서, 시스템의 동특성을 일정하게 유지하면서 계의 강성을 높인다거나 혹은 시스템의 제정수 변동에 둔감하도록 시스템을 설계하는 목적으로 이용할 수 있다. 이러한 자유도의 활용에 대해서는 후술하는 이득 설정 방법에서 자세히 설명할 것이다.ω n and ζ only appear in the gain term during system design and are theoretically perfect degrees of freedom since they do not affect the closed loop of the actual control system. In other words, even if these constants are set to any value, the dynamic characteristics of the system represented by ω C are kept constant. However, since ω n and ζ are related to the individual loop gains, they affect factors such as the stiffness of the system for the disturbance. Therefore, it can be used for the purpose of increasing the rigidity of the system while maintaining the dynamic characteristics of the system, or designing the system to be insensitive to fluctuations in the constant of the system. The use of such degrees of freedom will be described in detail in the gain setting method described below.

통합 PID 위치 제어기의 성능에 대한 실험 결과Experimental Results on the Performance of Integrated PID Position Controller

본 발명의 통합 PID제어기는 각 루프 이득의 값에 따라 매우 다양한 형태로 변종이 가능하다는 장점이 있으나, 우선적으로 [수학식 8]에 의해 루프 이득을 선정하여 시스템을 1차 저역 통과 필터로 구성한 시스템에 대하여 성능을 평가하기로 한다. 성능 평가를 위하여 (주)져스텍의 영구자석형 리니어 모터인 JTM10-420 모델을 기준으로 제어 대상계를 구성하였으며, 다음 [표 1]에는 제어 대상으로 사용한 리니어 모터의 제어 정수 일람을 표시하였다.The integrated PID controller of the present invention has a merit of being able to be modified in various forms according to the value of each loop gain, but first, the system is configured as a first order low pass filter by selecting the loop gain according to [Equation 8]. We will evaluate the performance against. For the performance evaluation, the control target system was configured based on JUST10-420 model, which is a permanent magnet linear motor of Justech Co., Ltd. [Table 1] shows the control parameter list of the linear motor used as the control target.

정수essence value 비고Remarks MM 3.0[㎏]3.0 [kg] 이동자 질량Mover mass Mload M load 최대 4[㎏]4 [㎏] 부하 질량Load mass KK 37[N/A]37 [N / A] DC 모델DC model Imax I max 8[A]8 [A] DC 모델DC model Vmax V max 3[m/s]3 [m / s]

실험에 앞서 제안된 제어기의 이론적인 성능을 알아보기 위하여 컴퓨터를 이용한 디지털 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 팩키지는 Mitchell&Gauthier 사의 ACSL계열을 사용하였으며 실험 조건과 유사한 환경을 구현하기 위치 제어기의 샘플링시간을 0.5msec로 설정하고, 전류제어기는 이득 1의 이상적인 동작을 한다는 가정 하에 생략하였다.In order to investigate the theoretical performance of the proposed controller, we performed a digital simulation using a computer. The simulation package uses Mitchell & Gauthier's ACSL series and omits the current controller's ideal operation of gain 1 with a sampling time of 0.5 msec.

도 6은 일반적인 리니어 모터의 마찰력 모델을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing a frictional force model of a general linear motor.

제어 대상계인 전동기는 [표 1]의 정수를 이용하여 구현하였으며 실제 전동기에 약간 존재하는 마찰계수의 영향을 고려하기 위하여 도 6과 같은 형태의 마찰력을 시뮬레이션에 반영하였다. 전동기의 마찰력은 리니어 모터의 선형 가이드에 있는 볼-베어링에 의해 나타나며, 일반적으로 마찰계수는 도 6과 같이 속도의 함수로 [수학식 9]와 같이 표현되어진다.The motor to be controlled is implemented by using the integers in Table 1 and the frictional force of the form shown in FIG. 6 is reflected in the simulation in order to consider the influence of the friction coefficient slightly present in the actual motor. The frictional force of the motor is represented by the ball bearings in the linear guide of the linear motor, and in general, the friction coefficient is expressed as Equation 9 as a function of speed as shown in FIG.

마찰 함수의 계수는 정확한 값을 알기가 매우 어려우나 반복 실험을 통하여 근사적으로은 5.Ns/m,는 10.N의 값을 선정하였다.The coefficient of friction function is very difficult to know the exact value, but it is approximated through repeated experiments. Silver 5.Ns / m, Selected a value of 10.N.

도 7a 내지 7c는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 저역 통과 필터 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프로서, 도 7a는 위치 명령(Position*)에 따른 시동자의 실제 위치(Position), 7b는 모터의 속도, 7c는 모터에 인가되는 전류량을 나타낸다.7A to 7C are graphs showing a simulation result of the low pass filter characteristic of the integrated PID position controller according to the present invention. FIG. 7A is an actual position of a starter according to a position command, and 7b is a speed of a motor. , 7c represents the amount of current applied to the motor.

도 7a 내지 7c에서는 특히 제어기의 특성을 파악하기 위하여 위치 명령(Position*)을 11.Hz의 정현파 형태로 입력하고 제어기의 이득을 ωC=70rad/s로 선정하여 약 11.Hz의 커-오프 주파수를 갖도록 구성한 경우에 대한 시뮬레이션 결과이다.In FIGS. 7A to 7C, a position command (Position * ) is input in the form of a sinusoidal wave of 11. Hz and the gain of the controller is selected as ω C = 70 rad / s to determine the characteristics of the controller. This is the simulation result for the case having the frequency.

나머지 제어이득의 자유도에 해당하는 ωn,ζ는 각각 30rad/s, 1로 선정하였다. 도시된 것과 같이, 제안된 제어기는 입출력 관계에 해당하는 위치명령(Position*)과 전동기의 위치 사이의 위상차가 45°나고 있으며 크기가로 감소하는 매우 이상적인 저역 통과 필터 특성을 보이고 있음을 알 수 있다. 이때, 이론적으로 이득 자유도에 해당하는 ωn, ζ를 어떤 값으로 선정하여도 제안된 제어기는 동일한 특성을 나타내며, 이를 확인할 수 있는 시뮬레이션 결과를 도 8에 도시하였다.Ω n and ζ corresponding to the remaining degrees of freedom of control gain were selected as 30 rad / s and 1, respectively. As shown in the figure, the proposed controller has a 45 ° phase difference between the position command (Position * ) corresponding to the input / output relationship and the position of the motor. It can be seen that it shows a very ideal low pass filter characteristic that decreases to. In this case, the proposed controller exhibits the same characteristics regardless of the theoretical values of ω n and ζ corresponding to gain degrees of freedom, and a simulation result to confirm this is shown in FIG. 8.

도 8a 및 8b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 저역 통과 필터 특성을 설명하기 위한 그래프로서, 위치 명령(Position*)에 따른 이동자의 실제 위치(Position)를 나타낸다.8A and 8B are graphs for explaining the low pass filter characteristic of the integrated PID position controller according to the present invention, and show the actual position of the mover according to the position command Position * .

본 시뮬레이션을 위하여, 도 8a의 경우에는 ωn을 70rad/s로 하고, ζ를 1로 설정하였으며, 도 8b의 경우에는 ωn을 30rad/s로 하고, ζ를 10으로 설정하였다. 도시된 것과 같이, 특정 제어기에 대하여 ωn,ζ 를 어떤 값으로 선정하여도 제어기의 특성이 동일하게 나타나는 것을 알 수 있다.For this simulation, ω n was set to 70 rad / s and ζ was set to 1 in FIG. 8A, ω n was set to 30 rad / s and ζ was set to 10 in FIG. 8B. As shown, it can be seen that the characteristics of the controller appear the same no matter what value ω n , ζ is selected for a particular controller.

도 9a 및 9c는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기의 스텝 응답 특성의 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프로서, 9a는 위치 명령(Position*)에 따른 이동자의 실제 위치(Position)를 나타내고, 9b는 모터의 속도를 나타내며, 9c는 모터에 인가되는 전류량을 나타낸다.9A and 9C are graphs showing a simulation result of the step response characteristic of the integrated PID position controller of the present invention, where 9a represents the actual position of the mover according to the position command (Position * ), and 9b represents the speed of the motor. 9c represents the amount of current applied to the motor.

제어기 이득 항을=70rad/s, ωn=30rad/s,ζ=1로 설정하였으며 이상적인동특성을 관찰하기 위하여 전동기의 전류를 무한대로 사용할 수 있다고 가정하였다. 도시된 것과 같이 스텝 형태로 위치 명령(Position*)이 주어지는 경우에도 저역 통과 필터의 응답 특성에 따라 전동기 위치가 오버-슛 현상 없이 기준 위치로 수렴하고 있음을 알 수 있다.Controller gain terms = 70 rad / s, ω n = 30 rad / s, ζ = 1 and it is assumed that the current of the motor can be used infinitely to observe the ideal dynamic characteristics. As shown, even when the position command (Position * ) is given in the form of a step, it can be seen that the motor position converges to the reference position without the over-shooting phenomenon according to the response characteristic of the low pass filter.

그러나, 완벽한 저역 통과 필터의 특성을 구현하기 위하여 제어기 내의 미분항이 초기에 매우 큰 출력을 발생함에 따라 전동기에 유입되는 전류가 수백[A]에 이르고 있으며 이는 실제 전동기에서 통상적인 전류 레벨을 훨씬 상회하는 값에 해당한다. 이와 같은 큰 초기 투입 전류를 감소시키기 위해서는 스텝 입력의 크기를 줄이거나 이득을 매우 작게 제한할 필요가 있다. 한편, 일반적으로 도 4에서와 같이 실제 전동기와 제어기를 연결하는 전류 항에는 인버터의 용량 및 전동기의 허용 전류에 따라 최대값을 제한하는 제한기(limiter)가 설치되어 있기 때문에 도 9c와 같은 전류가 흐를 수 없다.However, in order to realize the characteristics of the perfect low pass filter, the current flowing into the motor reaches several hundreds [A] as the derivative term in the controller initially generates a very large output, which far exceeds the current level typical of the actual motor. Corresponds to the value. To reduce this large initial input current, it is necessary to reduce the size of the step input or limit the gain to very small. On the other hand, in general, as shown in Figure 4, the current term connecting the actual motor and the controller is provided with a limiter (limiter) for limiting the maximum value according to the capacity of the inverter and the allowable current of the motor is installed as shown in Can not flow.

이러한 전류 제한기의 동작은 시스템에 비-선형적인 왜란을 발생시키는 문제가 있으며, 적분 제어기의 포화 방지(Anti-Windup) 대책과도 연계되어 있으므로 복잡한 문제를 발생시킨다. 이에 대하여서는 후술하기로 하며 제한기가 동작하는 경우의 시뮬레이션 결과만을 먼저 보이도록 한다.The operation of these current limiters presents a problem of generating non-linear disturbances in the system, and is also associated with the anti-windup countermeasures of the integral controller, which creates complex problems. This will be described later, and only the simulation results when the limiter operates are shown first.

도 10a 내지 10c는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기의 스텝 응답 특성을 나타내는 그래프로서, 특히 제어 이득을 ωC=70, ωn=30,ζ=4 로 설정하고 전류를 약 8[A]로 제한한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.10A to 10C are graphs showing the step response characteristics of the integrated PID position controller of the present invention, in particular, the control gain is set to ω C = 70, ω n = 30, ζ = 4 and the current is limited to about 8 [A]. The simulation result of one case is shown.

여기에서, 도 10a는 위치 명령(Position*)에 따른 이동자의 실제 위치를 나타내고, 10b는 모터의 속도를 나타내며, 10c는 모터에 인가되는 전류량을 나타낸다. 전동기 위치가 완벽한 형태는 아니지만 저역 통과 필터의 양상으로 오버-슛 현상 없이 위치 명령(Position*)에 수렴함을 볼 수 있다.Here, Figure 10a shows the actual position of the mover according to the position command (Position * ), 10b represents the speed of the motor, 10c represents the amount of current applied to the motor. The motor position is not perfect, but it is a low pass filter that converges to the position command (Position * ) without overshooting.

다음으로, 이상의 시뮬레이션 결과를 바탕으로 하여 본 발명의 통합 PID 위치 제어기의 실용성 및 구현 가능성을 검증하기 위한 실제 실험 결과를 제시한다. 실험에 사용한 전동기 구동용 드라이버(driver)는 TI사의 32bit 부동소수점 DSP (Digital Signal Processor)를 주 연산 장치로 사용하고 있으며, 50μs의 샘플링 시간마다 전류 제어를 수행하고 0.5msec 마다 통합 PID 위치 제어기가 수행되도록 제어 프로그램을 구성하였다.Next, based on the above simulation results, the actual experimental results for verifying the practicality and feasibility of the integrated PID position controller of the present invention are presented. The motor driver used in the experiment uses TI's 32-bit floating-point DSP (Digital Signal Processor) as the main computing device.It performs current control every 50μs sampling time and an integrated PID position controller every 0.5msec. The control program was configured as possible.

도 11a 및 11b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 주파수 응답 특성에 대한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.11A and 11B are graphs showing the results of experiments on the frequency response characteristics of the integrated PID position controller according to the present invention.

도 7에서 설명한 시뮬레이션 환경과 동일하게 11Hz의 정현파 형태 위치 입력(Position*)을 사용하였으며 제어 이득은ωC=70rad/s, ωn=30rad/s,ζ=1을 사용하였다. 실험 파형에서 시뮬레이션의 결과와 거의 동일한 결과를 관찰할 수 있으며, 다만 전류 형태에 약간의 왜곡 현상이 보인다. 이는 전동기의 역기전력이 완벽한 정현파가 아니기 때문에 발생하는 것으로 전체 제어에는 큰 영향이 없다.As in the simulation environment described with reference to FIG. 7, a sinusoidal position input (Position * ) of 11 Hz was used, and control gains of ω C = 70 rad / s and ω n = 30 rad / s, ζ = 1. On the experimental waveforms, we can observe almost the same results as the simulation, but with some distortion in the current shape. This occurs because the counter electromotive force of the motor is not a perfect sinusoidal wave and there is no significant effect on the overall control.

도 12a 및 12b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 스텝 응답 특성에대한 실험 결과를 나타내는 그래프이다.12A and 12B are graphs showing the results of experiments on the step response characteristics of the integrated PID position controller according to the present invention.

본 실험에서, 제어 이득은 ωC=70rad/s, ωn=30rad/s,ζ=4를 사용하였으며 가능하면 전동기 전류 포화 현상을 억제하기 위하여 위치 명령(Position*)을 0에서 9mm로, 9mm에서 18mm로 스텝형태로 인가한 후에 다시 0 위치로 명령을 복귀시켰다. 전동기 전류는 전동기의 용량 및 드라이버의 전원단 용량을 고려하여 약 7.5[A]로 최대 값을 제한하였다. 이동 거리가 9mm인 경우에는 전류에 약간의 포화 현상이 발생하고 있으나 18mm의 스텝 형태로 명령이 입력된 경우에는 전류의 포화 현상이 상당히 오래 지속됨을 볼 수 있다. 그러나, 어떤 경우에서도 저역 통과 필터의 형태를 유지하면서 실제 위치(Position)가 위치 명령(Position*)값에 수렴하는 것을 볼 수 있으며, 시뮬레이션 결과와도 일치함을 볼 수 있다. 이득이 높은 경우에는 동일한 거리를 이동하는 경우에도 전동기 전류의 포화 현상이 보다 오래 지속됨을 관찰할 수 있으며 이는 후술하는 포화 방지 대책에서 자세히 설명하기로 한다.In this experiment, the control gain is used as ω C = 70rad / s, ω n = 30rad / s, ζ = 4, and if possible, position command (Position * ) is set from 0 to 9mm and 9mm to suppress the motor current saturation. The command was returned to position 0 after applying in step form with 18mm at. The maximum current of the motor was limited to about 7.5 [A] in consideration of the capacity of the motor and the power supply capacity of the driver. When the moving distance is 9mm, some saturation occurs in the current, but when the command is input in the step form of 18mm, the saturation of the current lasts for a long time. However, while maintaining a certain shape of the low-pass filter, and even if the actual position (Position) can be seen that convergence to the position instruction (Position *) values, simulation results can be seen that the agreement. When the gain is high, it can be observed that the saturation phenomenon of the motor current lasts longer even when the same distance is moved, which will be described in detail later.

이상에서 고속운전이 가능한 리니어 모터 구동용 통합형 PID 위치 제어기를 제안하였다. 본 발명에서 제안한 리니어 모터의 통합 PID 위치 제어기는 안정성이 뛰어난 기존의 PID제어기를 그대로 사용하면서도 상태 궤환 기법을 이용하여 제어기에 극점 및 영점의 배치에 대한 자유도를 부여함으로써 CNC 및 반도체 공정 장비 등에 응용하기 적합한 형태로 시스템의 동작 특성을 변경할 수 있다는 우수한 특징이 있다. 특히, 전체 시스템의 동특성을 1차 지연 필터 형태로 유지함으로써 제어기의 동작에 대한 예측이 쉽고 높은 안정성을 얻을 수 있는 방법을 제시하였으며, 이 과정에서 동특성을 일정하게 유지시키면서도 각종 왜란에 유연하게 대처할 수 있는 완전한 자유도를 얻을 수 있음을 보였다.In the above, the integrated PID position controller for linear motor driving capable of high speed operation has been proposed. The integrated PID position controller of the linear motor proposed in the present invention can be applied to CNC and semiconductor process equipment by using the existing PID controller with excellent stability as it is, and giving the controller freedom in the arrangement of poles and zeros using state feedback technique. It is an excellent feature that can modify the operating characteristics of the system in a suitable form. In particular, we proposed a method to easily predict the operation of the controller and obtain high stability by maintaining the dynamic characteristics of the entire system in the form of a first-delay filter.In this process, it is possible to flexibly cope with various disturbances while maintaining the dynamic characteristics. It has been shown that full freedom can be achieved.

다음으로, 상술한 자유도를 활용하여 이송부의 무게 변동과 같은 시스템 제어 정수의 변동에 대한 제어기의 안정도를 확보에 대한 이득 설정 방법 및 강성도(stiffness)로 규정되는 왜란에 대한 강인성을 고려하기 위한 이득 설정 방법을 설명하기로 한다.Next, by using the above-mentioned degrees of freedom, a gain setting method for securing the stability of the controller to variations in the system control parameters such as variation in the weight of the conveying unit and gain setting for considering the robustness against the disturbance defined by the stiffness The method will be described.

외부에서 시스템에 인가되는 힘이 존재할 경우 이러한 힘은 제어루프에 왜란(disturbance)으로 작용하며, 위치 제어 루프의 성능을 증가시키기 위해서는 왜란에 대한 강인성에 해당하는 강성도(stiffness)가 어느 정도 이상으로 커야 한다. 특히, CNC 머신과 같이 피조물에 직접 힘을 인가하여 절삭 등의 동작을 수행하는 공작기기류에서는 최소한 107∼ 108[N/m] 이상의 높은 강성도를 요구하는 경우가 많기 때문에 이를 만족시킬 수 있는 적절한 대책이 반드시 강구되어야만 한다.If there is a force applied to the system from outside, this force acts as a disturbance in the control loop, and in order to increase the performance of the position control loop, the stiffness corresponding to the robustness against the disturbance must be greater than a certain degree. do. In particular, machine tools such as CNC machines that directly apply force to the work to perform cutting operations, etc., often require high stiffness of at least 10 7 to 10 8 [N / m]. Measures must be taken.

자유도를 활용한 이득 설정 방법How to set gain using degrees of freedom

도 4에 도시한 본 발명의 통합 PID 위치 제어기를 바탕으로, [수학식 4]로부터 [수학식 8]을 도출하여, 전체 제어루프의 전이 함수가 1차 저역 통과 필터 형태로 간략화됨을 알 수 있다. 따라서, 제어기의 이득을 선정할 때에는 시스템에서 요구되는 제어 성능에 따라 마치 저역 통과 필터의 차단 주파수를 설정하는 방식과동일한 방법으로 컷-오프 주파수 ωC를 결정하고, 자유도로 남아 있는 ζ 및 ωn을 적절한 값으로 선택하여 주면 위치 제어루프의 이득 설정이 완료된다.Based on the integrated PID position controller of the present invention shown in FIG. 4, it is possible to derive [Equation 8] from [Equation 4], so that the transition function of the entire control loop can be simplified to a first order low pass filter. . Therefore, when selecting the gain of the controller, the cut-off frequency ω C is determined in the same way as the cutoff frequency of the low pass filter is set according to the control performance required in the system, and ζ and ω n remain in the degrees of freedom. If you select as appropriate value, gain setting of position control loop is completed.

일반적으로 ωC및 ωn을 증가 시키면 위치제어기를 구성하는 각 루프의 지로 이득이 증가하므로 왜란에 강인해지는 장점이 있으나, 너무 높은 경우 궤환 회로 상에 유입되는 고주파 형태의 잡음에 민감해지는 문제점이 있다. 전동기의 정수가 정확한 경우에는 이러한 일반적인 방식에 근거하여 이득을 설정하는 경우에도 전체 제어기가 항상 1차 저역 통과 필터 형태로 동작하므로 제어 이득 설정에 큰 문제가 없으나, 제 정수를 정확히 모르거나 전동기 운전 중에 전동기의 정수가 변동하는 경우에는 문제가 달라질 수 있다.In general, if ω C and ω n are increased, the gain of each loop constituting the position controller is increased, so that it is strong in the disturbance, but if it is too high, there is a problem in that it is sensitive to high-frequency noise flowing into the feedback circuit. . If the constant of the motor is correct, even if the gain is set based on this general method, the whole controller always operates in the form of a first-order low pass filter, so there is no big problem in setting the control gain. If the constant of the motor fluctuates, the problem may be different.

특히 선형전동기와 같이 모션 운동을 위주로 동작하는 시스템에서는 공작물 이송 동작에서와 같이 빈번하게 이송부의 무게가 변동될 수 있으며, 과도한 동작을 반복하는 경우에는 권선의 발열로 인하여 전동기의 자속이 변동되는 등의 제 정수 변동이 쉽게 발생할 수 있다. 이러한 경우에는 [수학식 4]의 폐루프 전달함수가 더 이상 1차 저역 통과 필터 형태를 유지하지 못하게 되고 오버-슛 현상과 같이 예측할 수 없는 동작이 파생될 수 있다.In particular, in systems that operate mainly on motion movements, such as linear motors, the weight of the feeder may fluctuate as frequently as in the workpiece transfer operation. Integer fluctuations can easily occur. In this case, the closed loop transfer function of Equation 4 can no longer maintain the first-order low pass filter shape, and unpredictable behavior such as an over-shoot phenomenon can be derived.

이때, 이득 설정의 자유도로 남아 있는 ζ 및 ωn을 효율적으로 사용한다면 어느 한도 범위 내의 제정수 변동에 무관하게 1차 저역 통과 필터와 같이 오버-슛 없는 안정된 동작 특성을 손쉽게 구현 할 수 있다.In this case, if ζ and ω n remaining in the degree of freedom of gain setting are used efficiently, stable operation characteristics without over-shooting, such as a first-order low pass filter, can be easily implemented regardless of a constant variation within a certain range.

우선, 제어기의 이득 ωC는 위치제어기가 동작하는 시스템의 요구 조건에 따라 임의로 주어지는 것으로 가정한다. 경우에 따라 다를 수는 있으나 실험적 결과에 의하면 1m/s이하의 속도로 동작하는 저속 모션 동작이 필요로 하는 응용에서는 50∼100rad/sec 정도의 값이 적절하며, 2m/s 이상의 고속 동작을 하는 경우에는 150∼250rad/sec의 값이 적절하다. 또한, 이득 자유도의 하나인 ωn은 다음에 설명하는 강성도(stiffness)의 요구 조건에 따라 임의 변경할 수 있다고 가정하며 여기에서는 ωC와 ωn의 비율을 η=ωCn로 대신한다. 이제 이득을 설정하는 방법은 η에 따른 ζ의 값을 설정하는 문제로 귀착된다.First, it is assumed that the gain ω C of the controller is given arbitrarily according to the requirements of the system in which the position controller operates. Experimental results show that 50-100 rad / sec is appropriate for applications requiring low-speed motion that operates at speeds of less than 1 m / s, and high-speed operation above 2 m / s. The value of 150-250 rad / sec is appropriate for this. In addition, one of the ω n of the gain freedom is assumed that any change in accordance with the requirements of the rigidity (stiffness) to be described next, and here the place of the ratio of ω C and ω n by η = ω C / ω n. The method of setting the gain now results in the problem of setting the value of ζ according to η.

이득을 설정하기 위해서는, [수학식 4]에서 시스템 정수 변동 비율k가 1이 아닌 경우에 전체 위치 제어 루프에 나타나는 영향을 먼저 고찰할 필요가 있다.k가 분모의 고차항에만 존재하므로 어떤 경우에도 항상 위치 기준값에 수렴하는 형태로 동작하므로 DC 레벨의 안정도 측면에서는k의 변동이 크게 문제가 되지 않는다. 그러나, 오버-슛을 억제한다는 이득 설정의 기본 방향을 고려할 때k의 값에 따라 시스템 특성에 크게 바뀌어 질 수 있다. 이 문제를 고찰하기 위하여 식(1)의 개루프(open loop) 전달함수를 구해보면 다음의 [수학식 10]과 같다.In order to set the gain, it is necessary to first consider the effect of the entire position control loop when the system constant variation ratio k is not 1 in [Equation 4]. Since k exists only in the higher order term of the denominator, it always operates in the form of convergence to the position reference value, so the variation of k does not matter much in terms of stability of the DC level. However, considering the basic direction of gain setting that suppresses over-shooting, the value of k can greatly change the system characteristics. In order to consider this problem, the open loop transfer function of Equation (1) can be obtained as shown in Equation 10 below.

[수학식 10]에 [수학식 9]의 루프 이득 비율을 적용하면 [수학식 11]을 얻을 수 있다.If the loop gain ratio of [Equation 9] is applied to [Equation 10], [Equation 11] can be obtained.

[수학식 11]을 고찰하면k의 변동이 매우 특이한 동작을 발생시킨다는 것을 쉽게 알 수 있다. 즉,k가 1보다 같거나 큰 경우에는 ωn과 ζ 가 어떤 값을 갖더라도 극점의 위치가 영점보다 항상 큰 값을 유지하여 위상 지연이 90°를 넘지 않게 된다. 이를 간단히 확인하기 위하여 [수학식 11]에 대한 보드선도를 도 13에 도시하였다. 도 13a 및 13b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기의 오픈 루프 보드선도이다. ωn과 ζ를 다른 값으로 변경하여도 항상 위와 유사한 결과를 얻을 수 있다.Considering Equation 11, it is easy to see that the variation of k causes a very unusual behavior. In other words, if k is equal to or greater than 1, no matter where ω n and ζ have any value, the pole position always maintains a value larger than zero so that the phase delay does not exceed 90 °. To simplify this, a board diagram for Equation 11 is shown in FIG. 13. 13A and 13B are open loop board diagrams of an integrated PID position controller according to the present invention. Changing ω n and ζ to different values can always yield similar results.

이 결과가 의미하는 것은 폐루프 시스템에서 k≥1인 경우에는 언제나 오버-댐핑이 되므로 오버-슛 현상이 발생하지 않지만 k<1인 경우에는 문제가 될 수 있다는 것이다. 본 발명에서는k가 2∼0.5까지 변동하는 경우에도 오버-슛이 없는 안정된 동작을 하는 제어기 이득을 선정하기 위하여 다음과 같은 방법을 사용하였다.This result means that in closed loop system, if k≥1, it is always over-damped, so that over-shooting does not occur, but it can be a problem when k <1. In the present invention, the following method is used to select a controller gain that provides stable operation without over-shoot even when k varies from 2 to 0.5.

[수학식 11]은 3차식으로 이루어져 있으므로 이를 모두 고려할 경우 문제가 매우 복잡해진다.k가 0.5 근처의 값을 갖고 있을 때 오버-슛 없는 동작을 하는 것만을 목적으로 하는 경우, [수학식 11]을 간략하게 하기 위하여 ζ 가 1보다 상당히 큰 경우로 한정하여 시스템을 간략화 시킬 수 있다. [수학식 11]의 분자항에서 영점을 구하면 [수학식 12]와 같다.Equation 11 is composed of three-order equations, and when all of them are considered, the problem becomes very complicated. If only k is intended to perform over-shoot-free operation when k has a value near 0.5, the system can be simplified by limiting ζ to significantly greater than 1 to simplify [Equation 11]. . The zero point is obtained from the molecular term in [Equation 11].

만일 ζ 》1인 경우에는이므로 [수학식 13]과 같이 영점이 얻어진다.If ζ》 1 Therefore, a zero point is obtained as shown in [Equation 13].

[수학식 13]에 따라 [수학식 11]의 분자항을 다음과 같이 근사시킬 수 있다.According to Equation 13, the molecular term of Equation 11 can be approximated as follows.

마찬가지로 [수학식 11]의 분모항에도 동일한 가정을 적용하면 [수학식 11]을 다음과 같이 근사화 시킬 수 있다.Likewise, if the same assumption is applied to the denominator of Equation 11, Equation 11 can be approximated as follows.

따라서, 2차로 근사된 폐루프 방정식을 구하면 다음의 [수학식 16]과 같다.Therefore, the second-order approximated closed-loop equation is given by Equation 16 below.

[수학식 16]의 영점은 항상 실수축 상의 -2 ζ ωn에 고정되어 있다. 스텝 응답 특성에서 오버-슛이 없는 완전한 댐핑 효과를 갖기 위해서는 위식의 극점이 항상 음의 실수축 상에 존재하면 된다. 일단, [수학식 16]의 분모항에서 근을 조사해 보면 [수학식 17]과 같다.The zero point of Equation 16 is always fixed at -2 ζ ω n on the real axis. In order to have a complete damping effect without over-shooting in the step response characteristic, the pole of the common sense should always be on the negative real axis. First, the root of the denominator term in [Equation 16] is shown in [Equation 17].

[수학식 17]에서 근의 축이 음의 값을 갖고 있으며 근호(root)안의 값이 0보다 큰 경우에는 [수학식 16]의 극점이 항상 음의 실수축 상에 존재한다는 것을 알 수 있다. 한편,k가 1보다 큰 경우에는 [수학식 17]의 근호 안의 값이 항상 0보다 크므로 위에서 언급한 바와 같이 완전한 댐핑(damping) 효과를 갖는다는 것을 확인할 수 있다. [수학식 17]이 항상 실수 값을 갖는 조건을 요약하면 다음과 같다.In Equation 17, when the root axis has a negative value and the value in the root is greater than 0, the pole of Equation 16 always exists on the negative real axis. On the other hand, if k is greater than 1, the value in the radical in Equation 17 is always greater than 0, so it can be confirmed that it has a complete damping effect as mentioned above. Equation 17 summarizes the condition that always has a real value as follows.

단, only,

따라서, 미리 한정된k의 값에 대하여 [수학식 18]이 성립하는 ζ 및 η의조합을 선정하면 [수학식 15]의 스텝 응답 특성에서 오버-슛이 없는 안정된 동작을 얻어 낼 수 있다. 일 예로k=0.5인 경우에 대하여 [수학식 18]을 적용하면 다음과 같은 조건을 쉽게 구할 수 있다.Therefore, by selecting the combination of ζ and η, which is satisfied by Equation (18), for the value of k , which is defined in advance, it is possible to obtain stable operation without over-shooting in the step response characteristic of Equation (15). As an example, the following conditions can be easily obtained by applying [Equation 18] for the case of k = 0.5.

위식을 이용하면 ωC와 ωn의 비율 η 에 따른 ζ의 최소 값을 결정할 수 있다. 만일 η를 2로 결정할 경우에는 ζ의 최소값은 약 5.8이 된다. ζ를 5,8의 값으로 설정할 경우 [수학식 12]에서 약 1.5%의 오차만이 발생하므로 근사 방법에 큰 문제가 없다.Using the above equation, we can determine the minimum value of ζ according to the ratio η of ω C and ω n . If η is determined to be 2, the minimum value of ζ is about 5.8. If ζ is set to a value of 5,8, only about 1.5% error occurs in Equation 12, so there is no problem in the approximation method.

이와 같은 이득 결정 방식의 타당성을 보이기 위하여 근사되지 않은 원래의 [수학식 4]에 나타나 있는 전체 위치제어루프에 대한 스텝응답 특성을 컴퓨터로 시뮬레이션한 결과를 도 14에 도시하였다.In order to show the validity of the gain determination method, a result of computer simulation of the step response characteristic for the entire position control loop shown in the original [Equation 4], which is not approximated, is shown in FIG. 14.

도 14a 및 14b는 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기에서 시스템 정수 변화에 따른 스텝 응답 특성을 나타내는 그래프로서, ωC가 200rad/s인 상태에서 ωn및 ζ를 다르게 선정하였을 때의 스텝응답을 보여주고 있으며k가 변동하는 경우의 영향을 보기 위하여k가 0.2에서 2까지 변동하는 것을 가정하였다.14A and 14B are graphs showing the step response characteristics according to the system constant change in the integrated PID position controller according to the present invention, and show the step response when ω n and ζ are differently selected when ω C is 200 rad / s. to give and was assumed that k is variable from 0.2 to 2, to see the effect of the variation of k.

도 14b는 [수학식 19]에 의거하여 ωn을 100rad/s로 하였을 때 η=2, ζ를 5.8로 선정한 경우에 해당하며k가 0.5 이상인 모든 경우에서 매우 안정된 응답 특성이 나타남을 확인할 수 있다. [수학식 19]는 근사식을 이용하여 유도되었으나 ζ값이 1보다 비교적 큰 값에 해당하므로 근사 오차가 크게 문제되지 않는다는 것을 도 14b의 응답 특성에서 확인 할 수 있다.14b corresponds to the case where η = 2 and ζ were selected as 5.8 when ω n was set to 100 rad / s based on [Equation 19], and in all cases where k is 0.5 or more, a very stable response characteristic can be seen. . Equation 19 is derived using an approximation equation, but it can be seen from the response characteristic of FIG. 14B that the approximation error is not largely problem since the ζ value corresponds to a value larger than 1.

한편, [수학식 19]에 위배되도록 ωn및 ζ를 선정한 도 14a의 경우에는 k<1인 대부분의 영역에서 오버-슛 현상이 나타나고 있음을 볼 수 있으며 k>1인 영역에서도 과도한 댐핑이 발생하여 1차 저역 통과 필터의 특성이 왜곡되어 나타남을 확인 할 수 있다.On the other hand, in the case of Fig. 14a in which ω n and ζ are selected so as to violate [Equation 19], it can be seen that an over-shooting phenomenon occurs in most regions where k <1, and excessive damping occurs in a region where k> 1. It can be seen that the characteristics of the first order low pass filter are distorted.

강성도(stiffness)를 고려한 이득설정 방법Gain setting method considering stiffness

제어기의 관점에서 강성도는 왜란(Disturbance Force) Fd에 대한 위치편차의 비율에 관련되어 있다. 제어의 관점에서는 위치 명령(x*)을 0으로 하였을 때 왜란과 실제 위치 사이의 비율(Fd/x)을 왜란 제거율(Disturbance Rejection Ratio)로 표시하여 제어의 성능을 가늠하는 하나의 척도로 사용하고 있다. 강성도는 왜란 제거율의 크기에 해당하며 고성능 공작기기에서는 통상적으로 107∼108N/m 정도의 값을 요구하고 있다.From the controller's point of view, the stiffness is the positional deviation with respect to the distorted force F d It is related to the ratio of. From the control point of view, when the position command (x * ) is set to 0, the ratio between the disturbance and the actual position (F d / x) is expressed as the disturbance rejection ratio, which is used as a measure of the performance of the control. Doing. Stiffness corresponds to the size of the disturbance removal rate, and high-performance machine tools typically require values of about 10 7 to 10 8 N / m.

제안된 통합 PID 위치제어기에서는 전동기 제정수를 정확히 알고 있다고 가정할 때 왜란 제거율이 다음과 같이 표현된다.In the proposed integrated PID position controller, assuming that the motor constants are known correctly, the disturbance removal rate is expressed as follows.

[수학식 20]에서M은 이동자 전체의 무게를 의미한다. [수학식 8]을 사용하여 강성도를 표현하면 다음과 같다.In Equation 20, M denotes the total weight of the mover. The stiffness is expressed using Equation 8 as follows.

식에서 ωd는 왜란으로 입력되는 외부 힘의 주파수에 해당한다. 물론, 왜란의 모든 주파수를 정확하게 파악하는 것은 매우 어려운 일이다. 실용적으로 밀링-머신과 같은 공작기기를 운전할 때 나타나는 왜란의 주요 주파수를 선정하여 이에 대한 필요 강성도를 미리 파악한 후에, 적절한 이득을 설정하는 것이 바람직하다. 위의 식에서 알 수 있는 바와 같이, 전체 제어 공정에서 위치 제어기의 컷-오프 주파수 ωC가 미리 주어진다고 가정할 때 특정한 강성도를 만족하는 ωn과 ζ의 조합이 매우 많이 존재할 수 있다. 따라서 이득 선정에 많은 노력을 필요로 하며 복잡한 계산이 여러번 요구되어 질 수 있기 때문에 본 발명에서는 보다 간편한 연산을 고려하여 다음과 같은 한가지 예를 제안한다.In the equation, ω d corresponds to the frequency of the external force input into the disturbance. Of course, it is very difficult to know exactly all the frequencies of the distortion. Practically, it is desirable to select the main frequency of the disturbance that appears when operating a machine tool such as a milling-machine, to determine the required stiffness in advance, and to set an appropriate gain. As can be seen from the above equation, assuming that the cut-off frequency ω C of the position controller in the overall control process is given in advance, there may be a large number of combinations of ω n and ζ that satisfy a specific stiffness. Therefore, since a lot of effort is required to select a gain and a complicated calculation may be required many times, the present invention proposes the following example in consideration of simpler operation.

[수학식 21]을 간단히 정리하기 위해 ζ를 임의로 1의 값으로 고정하고 식을 전개하면 다음과 같은 식을 어렵지 않게 얻을 수 있다.To simplify [Equation 21], by fixing ζ to a value of 1 arbitrarily and expanding the equation, the following equation can be obtained without difficulty.

[수학식 22]에 미리 선정한 ωC및 ωd를 대입하면 필요로하는 강성도에 따른 ωn의 값을 손쉽게 구할 수 있다. 만일 이동자 질량이 100Kg 이고 ωC가 300rad/s인 시스템에서 31rad/s(5Hz)의 주파수를 갖는 왜란에 대하여 108N/m에 해당하는 강성도를 필요로 한다면, ζ =1일 때 ωn을 약 320rad/s로 설정해야 한다는 계산이 나온다. 이는 위치 제어 루프의 주기를 0.5ms로 하고 약 3000N (100Kg질량에서 3G)의 힘을 발생시킬 수 있는 선형전동기를 사용할 경우 충분히 구현 가능하다. 참고로, 108N/m의 강성도는 1000N 크기의 왜란이 정현파 형태로 인가되었을 때 위치 오차가 최대 10μm에 불과함을 의미한다.By substituting ω C and ω d previously selected in Equation 22, the value of ω n according to the required stiffness can be easily obtained. If stiffness equal to 10 8 N / m is required for a disturbance with a frequency of 31 rad / s (5 Hz) in a system with 100 Kg of mover mass and ω C of 300 rad / s, then ω n when ζ = 1 The calculation says that it should be set to about 320rad / s. This can be fully achieved by using a linear motor that can generate a force of about 3000N (3G at 100Kg mass) with a cycle of position control loop of 0.5ms. For reference, the stiffness of 10 8 N / m means that the position error is only 10 μm at the maximum when the 1000N size of the disturbance is applied in the form of a sine wave.

제어기의 포화 방지를 위한 통합 PID 위치 제어기의 다른 실시예Another embodiment of an integrated PID position controller for preventing saturation of the controller

위치제어 알고리즘을 실용 모델에 적용시키는 과정에서 필연적으로 부딪히는 문제가 제어기 혹은 전력 구성부의 용량(rating)에 따른 제한 요소(limiter)라고 할 수 있다. 위치 제어 루프 상에서 존재하는 제한 요소는 크게 전동기의 최대 속도에 따른 속도 제한과 전동기의 최대 전류에 따른 전류 제한으로 나뉘어 진다. 이 중에서 속도 제한 요소의 경우 전동기의 과속(over speed)으로 인한 시스템의 정지 등과 같은 문제를 야기할 수 있으나 PID 제어기의 상태에 직접 영향을 주는 것이 아니므로 비교적 큰 문제가 되지 않는 것으로 판단된다.The problem that is inevitably encountered in applying the position control algorithm to the practical model is a limiter according to the rating of the controller or the power component. The limiting elements present in the position control loop are largely divided into the speed limit according to the maximum speed of the motor and the current limit according to the maximum current of the motor. Among these, the speed limiting factor may cause a problem such as a system stop due to the over speed of the motor, but it is not considered to be a relatively large problem because it does not directly affect the state of the PID controller.

그러나, 본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기와 같이 위치 제어기의 출력이 전류(혹은 힘, 가속도)의 기준값으로 직접 작용하는 제어 구조에서는 전류 제한 요소로 인한 시스템의 비선형성(non-linearity)이 전체 제어 루프의 상태에 직접 영향을 미치기 때문에 이에 대한 적절한 대책이 반드시 필요하다. 본 발명에서는 이 문제를 적분기에 대한 포화 방지(Anti-windup)의 일환으로 고려하여 전류 제한 요소가 작용하는 상황에서는 PID 제어기를 PD(Proportional Differential) 제어구조로 가변하는 '가변 제어기' 구조를 제시함으로써 전류 제한 요소에 대한 문제를 해결함으로써 실용적인 위치 제어기로서의 최소 요구조건을 충족 시켰다.However, in the control structure in which the output of the position controller directly acts as a reference value of current (or force, acceleration), such as the integrated PID position controller according to the present invention, the non-linearity of the system due to the current limiting factor is controlled entirely. Appropriate measures must be taken because it directly affects the state of the loop. The present invention considers this problem as part of the anti-windup of the integrator and proposes a 'variable controller' structure in which the PID controller is changed to a PD (Proportional Differential) control structure in the situation where the current limiting element is acting. By solving the problem of the current limiting element, the minimum requirement as a practical position controller was met.

제어 루프에 제어 변수의 크기를 제한하는 제한요소(Limiter)가 있는 경우 적분기의 동작에 포화 현상이 발생할 수 있으며 이러한 문제는 고전적이면서 해결하기 매우 까다로운 난제로써 제어 분야에서 오래 동안 다루어져 왔다. 본 발명에서 의한 통합 PID 위치 제어기의 경우에도 적분기를 포함하고 있기 때문에 도 4에서 전동기의 전류를 제한하는 요소에서 전류제한이 발생되면 적분기의 포화문제가 필연적으로 발생한다. 이러한 포화 현상은 큰 위치 변량을 갖는 스텝 형태의 위치 명령이 입력될 경우 과도 상태에서 주로 발생할 수 있으며 이득이 너무 큰 경우에도 쉽게 발생할 수 있다.In the case of a limiter that limits the size of the control variable in the control loop, integrator operation can be saturated, a problem that has long been addressed in the field of control as a classic and very difficult challenge to solve. Since the integrated PID position controller according to the present invention also includes an integrator, when the current limit occurs in the element limiting the current of the motor in FIG. 4, the saturation problem of the integrator inevitably occurs. This saturation may occur mainly in a transient state when a step-type position command having a large position variable is input and easily occurs even when the gain is too large.

일단 적분기의 포화 현상이 발생되면 제어에 관여하는 모든 제어 루프의 상태(state)가 이루고 있는 조화(balance)가 깨어지므로 전류 제한이 풀어지는 시점에서도 제어가 원 상태를 회복하기 어렵게 되며 결과적으로 제어 루프의 오동작으로 인한 시스템 이상(fault)으로 전 위치제어 루프가 정지하게 된다. 따라서 전류 제한이 발생하면 이를 적절히 보완 할 수 있는 적분 포화 보상기(anti-windup compensator)가 반드시 필요하다. 이러한 보상기의 가장 간단한 전형은 적분기 출력 자체에 제한을 두는 방법이지만 이 방법은 과도 상태 및 정상 상태 모두에서 만족할 만한 성능이 구현되지 않는다.Once the saturation of the integrator occurs, the balance of all the control loop states involved in the control is broken, making it difficult for control to recover to its original state even when the current limit is released. All position control loops will stop due to system fault due to malfunction of the system. Therefore, if a current limit occurs, an integrated anti-windup compensator is necessary. The simplest typical of these compensators is to limit the integrator output itself, but this method does not provide satisfactory performance in both transient and steady state.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 의한 통합 PID 위치 제어기의 기능 블록도이다. 이하의 설명에서, 도 4에 도시한 통합 PID 위치 제어기와 같거나 비슷한 부분에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하였다.15 is a functional block diagram of an integrated PID position controller according to another embodiment of the present invention. In the following description, the same reference numerals are used for the same or similar parts as the integrated PID position controller shown in FIG.

도 15에 도시한 통합 PID 위치 제어기는 통합 PID 위치 제어기와 리니어 모터의 접속단에 전류 제한기(132)를 구성하였다.The integrated PID position controller shown in FIG. 15 configures a current limiter 132 at the connection end of the integrated PID position controller and the linear motor.

본 실시예에서, 전류 제한기(132)가 동작하는 상태에서는 PID 이득 제어부(108)의 제2 적분 제어부(120)의 출력항(Iout)과 위치 이득 제어부(110)의 제6 비례 제어부(126)로부터 출력되는 위치 궤환항(Xout)의 일부를 제어에서 제거함으로써 전체 위치 제어기가 PID가 아닌 PD(Proportional Differential)제어기의 구조로 운용하고 전류 제한이 풀리는 시점에서는 다시 PID로 제어를 행한다.In the present embodiment, when the current limiter 132 operates, the output term I out of the second integration controller 120 of the PID gain controller 108 and the sixth proportional controller of the position gain controller 110 ( By removing a part of the position feedback term (X out ) output from the control unit 126 from the control, the entire position controller operates in the structure of the PD (Proportional Differential) controller instead of the PID, and when the current limit is released, control is performed again by the PID.

도 15의 위치 제어기가 PD제어기로 동작할 때의 루프 이득을 본 발명에서 사용하는 [수학식 8]의 형태 그대로 사용할 경우, 전체 위치 제어기의 응답 특성이 다음과 같이 1차 저역 통과 필터의 형태로 원래의 PID 위치제어기와 동일하게 나타난다.When using the loop gain when the position controller of FIG. 15 operates as a PD controller in the form of Equation 8 used in the present invention, the response characteristics of the entire position controller are in the form of a first order low pass filter as follows. Same as the original PID position controller.

PD제어기의 장점은 적분항이 없기 때문에 과도 상태에서 제한 요소가 있는 경우에도 포화 현상이 없고 [수학식 23]과 같이 PID와 동일한 1차 저역 통과 필터 형태를 유지하기 때문에 매우 안정된 동작을 한다는 것이다.The advantage of the PD controller is that there is no integral term, so there is no saturation even when there is a limiting factor in the transient state, and it is very stable because it maintains the same first-order lowpass filter type as in [Equation 23].

본 발명에 의한 통합 PID 위치 제어기 이득 설정 방법의 특성을 검증하기 위하여 앞의 실험에서 사용한 리니어 모터를 이용한 실험을 수행하였다.In order to verify the characteristics of the integrated PID position controller gain setting method according to the present invention, the experiment using the linear motor used in the previous experiment was performed.

먼저, 정수 변동 비율k가 1이 아닌 경우의 스텝 동작 특성을 보이기 위하여 전동기에 3Kg의 부하를 인가하고 제어기에는 부하가 없는 것으로 변수를 설정하였으며, 힘상수 K는 정확하게 알고 있는 것으로 가정하였다. 이 경우, 전동기의 이동자 자체의 질량이 3Kg이므로 정수 변동 비율k는 0.5가 된다. 전술한 바와 같이k가 1보다 큰 경우에는 어느 정도(약 1∼3 정도) 범위 내에서 제어가 안정되게 이루어지므로 큰 문제가 발생하지 않는다. 다만,k가 너무 큰 값이 되도록 제정수가 설정된 경우에는, 전체 제어기의 이득이 실제적으로k배만큼 커지는 효과가 발생하고 제어 루프에 진동과 같은 이상 현상이 발생할 우려가 있으므로 주의해야 한다.First, in order to show the step operation characteristic when the constant variation ratio k is not 1, 3Kg load is applied to the motor and the controller is set to have no load, and the force constant K is assumed to be known correctly. In this case, since the mass of the mover itself of the electric motor is 3 Kg, the constant variation ratio k becomes 0.5. As mentioned above, when k is larger than 1, since the control is made stable within a certain range (about 1 to 3), no big problem occurs. However, if the constant is set so that k is too large, care should be taken because the gain of the entire controller is actually increased by k times and there is a possibility that an abnormal phenomenon such as vibration may occur in the control loop.

도 16a 및 16b는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기에서 컷 오프 주파수가 200rad/s인 경우 스텝 응답 특성의 실험 결과를 나타내는 도면으로, 정수 변동 비율k가 0.5인 경우에 10mm의 변위에 대하여 위치 제어기의 스텝 응답 특성을 도시하였다.16A and 16B show an experimental result of a step response characteristic when the cutoff frequency is 200 rad / s in the integrated PID position controller of the present invention. FIG. 16A and 16B illustrate a position controller for a displacement of 10 mm when the integer variation ratio k is 0.5. Step response characteristics are shown.

도 16a는 ωC가 200rad/s 일 때 ωn=100rad/s, ζ =1인 경우로 [수학식 19]에 위배되는 경우에 해당하며 약간의 오버-슛이 발생하고 있음을 볼 수 있다. 반면, 도 16b를 참조하면, ωn=50, ζ=5인 경우에 오버-슛이 거의 없는 안정된 동작이 이루어지고 있음을 볼 수 있다.16a corresponds to a case where ω n = 100rad / s and ζ = 1 when ω C is 200 rad / s and violates Equation 19, and some over-shooting occurs. On the other hand, referring to FIG. 16B, it can be seen that stable operation with almost no over-shooting is performed when ω n = 50 and ζ = 5.

한편, 본 실험에서는 주어진 이득에 비하여 이동 변위가 10mm로 비교적 큰 편에 해당하므로 최대 전류를 7.5A로 설정한 전류 제한 요소가 동작하는 영역이 된다. 이 때에는 도 15에서 설명한 가변 구조 위치 제어기에 의하여 PD제어가 수행되므로 오버-슛이 발생하는 것이 이득에 따른 것인지 전류 제한 요소에 의한 것인지가 불분명할 수 있다. 어떤 경우에건 도 16b에서와 같이 이득 설정을 올바르게 한 경우에는 큰 문제가 없으나, 가능하면 전류 제한 요소에 의한 영향을 배제하기 위하여 이득을 전반적으로 낮추어 동일한 실험을 수행하였다. 그 결과를 도 17에 나타내었다.On the other hand, in this experiment, since the displacement is relatively large (10 mm) compared to the given gain, the current limiting element with the maximum current set to 7.5 A operates. In this case, since PD control is performed by the variable structure position controller described with reference to FIG. 15, it may be unclear whether overshooting is caused by gain or current limiting element. In any case, if the gain setting is correct as in FIG. 16B, there is no big problem, but if possible, the same experiment was performed by reducing the overall gain to exclude the influence of the current limiting factor. The results are shown in FIG.

도 17a 및 17b는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기에서 컷 오프 주파수가 50rad/s인 경우 스텝 응답 특성의 결과를 나타내는 그래프이다.17A and 17B are graphs showing the results of step response characteristics when the cutoff frequency is 50 rad / s in the integrated PID position controller of the present invention.

도 17a은 ωC가 50rad/s 일 때 ωn=30rad/s, ζ=1의 이득으로 스텝 응답을 실험한 파형이 도시되어 있다. 스텝 응답 초반부에 전류 제한 요소가 잠깐 동작하지만 전반적으로 이러한 제한 요소의 영향을 거의 무시할 수 있다. 도 17a에서는 매우 큰 오버-슛 현상이 발생하고 있으나, 도 17b에서와 같이 ωn=30rad/s, ζ=4로 이득을 선정하는 경우에는 매우 안정된 위치 제어가 수행된다.FIG. 17A shows a waveform in which the step response is tested with a gain of ω n = 30 rad / s and ζ = 1 when ω C is 50 rad / s. The current limiting element operates briefly at the beginning of the step response, but overall the effect of this limiting element is almost negligible. In FIG. 17A, a very large over-shoot phenomenon occurs. However, when gain is selected as ω n = 30rad / s and ζ = 4 as in FIG. 17B, very stable position control is performed.

한편, 강성도(stiffness)를 고려한 이득 설정 방법의 타당성을 검증하기 위하여 특별히 제작된 선형전동기를 이용한 실험이 행하여졌다. 실험에서는 하나의 선형 가이드에 이동자를 2개 올린 형태의 선형전동기를 사용하고 두 이동자 사이의 간격이 일정하도록 고정 장치를 부착하였다. 한쪽 이동자는 영(0mm)위치에 대한 위치 제어를 수행하도록 제어기가 구성되었으며, 다른쪽 이동자에는 정확하게 알고 있는 왜란을 발생시키기 위해 정현파 형태의 힘을 발생하도록 제어기가 구성되었다. 이때 제어기가 부담하는 전체 이동자의 질량은 두 이동자의 질량을 합친 값에 해당한다. 이러한 장치를 사용하여 미리 정의된 왜란에 대하여 제어기의 위치 제어 능력을 검증하였으며 그 결과가 도 18에 도시되어 있다.On the other hand, in order to verify the validity of the gain setting method considering the stiffness, an experiment using a specially designed linear motor was performed. In the experiment, a linear motor of two movers was mounted on a single linear guide, and a fixing device was attached so that the distance between the two movers was constant. The controller is configured to perform position control on the zero position of one mover, and the controller is configured to generate sinusoidal force to generate a disturbance known to the other mover. At this time, the mass of the whole mover that the controller bears corresponds to the sum of the masses of the two movers. This device was used to verify the position control capability of the controller against predefined disturbances and the results are shown in FIG. 18.

도 18a 및 18b는 본 발명의 통합 PID 위치 제어기에서 강성도에 따른 위치 제어 능력을 설명하기 위한 그래프이다.18A and 18B are graphs for explaining position control capability according to stiffness in the integrated PID position controller of the present invention.

도 18a는 미리 정의되어진 왜란(disturbance force)과 위치 제어기에 의해 동작하는 이동자의 실제 위치를 나타낸다. 실험 조건은 ωC가 300rad/s 일 때 ωn=217rad/s, ζ=1로 하였으며 왜란은 75N의 크기에 10Hz의 주파수를 갖도록 설정하였다. 왜란이 없는 경우에는 위치 제어기에 의해 동작하는 이동자의 위치가 0mm 상태로 일정해야 하지만 정현파 형태로 주입되는 왜란에 의하여 위치 오차가 발생하게 되며, 이 오차의 크기와 주입되는 왜란의 크기를 조사하여 해당 주파수에서의 강성도를 측정할 수 있다.FIG. 18A shows a predefined distance force and the actual position of the mover operated by the position controller. The experimental conditions were ω n = 217rad / s and ζ = 1 when ω C was 300 rad / s, and the disturbance was set to have a frequency of 10 Hz with a size of 75N. If there is no disturbance, the position of the mover operated by the position controller should be constant in the state of 0mm, but the position error is caused by the disturbance injected in the form of sinusoidal wave. Stiffness at frequency can be measured.

도 18b는 주입되는 왜란의 주파수에 따른 강성도를 나타낸다. 도 18b에서 실선으로 표시된 값은 컴퓨터를 이용하여 [수학식 22]에 따르는 이론적인 강성도를 도시한 것이며 점선은 실험에서 얻은 자료를 표시한 것이다. 실험 결과에서 NS는 정규화된 강성도(Normalized Stiffness: NS)를 표시하며 강성도를 이동자 전체의 질량으로 나눈 값에 해당한다. 이러한 NS를 도입한 이유는 실제 강성도가 이송부의 질량에 직접 비례하기 때문에 절대적인 비교를 행하기 위함이다. 이송부의 질량이 100Kg인 리니어 모터에서 NS가 106이 될 경우에는 실제 강성도가 108의 값을 지니게 된다. 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이 제안된 이득 설정 방법을 이용하면 비교적 간단하게 원하는 강성도를 얻을 수 있도록 통합 PID위치 제어기의 자유도를 활용할 수 있다.18B shows the stiffness according to the frequency of the disturbance to be injected. In FIG. 18B, the value indicated by the solid line indicates the theoretical stiffness according to Equation 22 using a computer, and the dotted line indicates the data obtained in the experiment. In the experimental results, NS indicates normalized stiffness (NS) and corresponds to the stiffness divided by the mass of the whole mover. The reason for introducing such NS is to make an absolute comparison because the actual stiffness is directly proportional to the mass of the conveying part. If the NS is 10 6 in a linear motor with a mass of 100 kg, the actual stiffness is 10 8 . As can be seen from the experimental results, the proposed gain setting method can utilize the degree of freedom of the integrated PID position controller to achieve the desired stiffness relatively simply.

이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As such, those skilled in the art will appreciate that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. Therefore, the above-described embodiments are to be understood as illustrative in all respects and not as restrictive. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

이상에서 설명한 것과 같이 본 발명의 통합 PID 위치 제어기는 구조가 매우 간단하며 전체 위치 제어 루프의 동특성을 1차 저역 필터 형태로 유지하도록 함으로써 다른 어떠한 형태의 위치 제어기 보다 제어 이득을 설정하기 쉽고 오버-슛 현상이 없는 매우 안정된 동작을 수행할 수 있다.As described above, the integrated PID position controller of the present invention is very simple in structure and maintains the dynamics of the entire position control loop in the form of a first-order low pass filter, making it easier to set control gains and over-shoot than any other type of position controller. It can perform very stable operation without any phenomenon.

또한, 1차 저역 통과 필터의 동특성으로 인하여 전체 시스템의 컷-오프 주파수를 일정하게 유지하면서도 완전한 이득 설정의 자유도를 얻을 수 있으며, 이러한 자유도의 설정에 의해 리니어 모터의 강성도를 효과적으로 증가시킬 수 있다.In addition, due to the dynamic characteristics of the first-order low pass filter, it is possible to obtain the degree of freedom of the complete gain setting while maintaining the constant cut-off frequency of the whole system, and by setting the degree of freedom, the stiffness of the linear motor can be effectively increased.

아울러, 통합 PID 위치 제어기의 출력단에 전류 제한기를 구성하고, 전류 제어기가 동작하는 시점에서는 PID 이득 제어부 내의 적분 제어부와 위치 이득 제어부 내의 비례 제어부의 출력항이 제거되도록 하여 PID 위치 제어기를 PD 제어기로 운용하도록 함으로써, 과도 상태의 적분기 포화를 효율적으로 제한할 수 있을 뿐만 아니라 정상상태에서도 포화의 영향을 크게 감소시킬 수 있다.In addition, the current limiter is configured at the output of the integrated PID position controller, and when the current controller operates, the output terms of the integral control unit in the PID gain control unit and the proportional control unit in the position gain control unit are removed to operate the PID position controller as a PD controller. Thus, not only the integrator saturation in the transient state can be efficiently limited, but also the influence of the saturation can be greatly reduced even in the steady state.

Claims (2)

리니어 모터의 PID 위치 제어기에에 있어서,In the PID position controller of the linear motor, 이동자의 기준 위치에 대한 실제 위치의 오차값을 추출하기 위한 제1 믹서;A first mixer for extracting an error value of an actual position with respect to the reference position of the mover; 상기 제1 믹서의 출력값에 대한 비례 이득을 출력하기 위한 제1 비례 제어부, 상기 제1 믹서의 출력값에 대한 미분 이득을 출력하기 위한 제1 미분 제어부 및 상기 제1 믹서의 출력값에 대한 적분 이득을 출력하기 위한 제1 적분 제어부를 포함하는 PID 이득 제어부;A first proportional control unit for outputting a proportional gain with respect to the output value of the first mixer, a first differential control unit for outputting a differential gain with respect to the output value of the first mixer, and an integral gain for the output value of the first mixer A PID gain control unit including a first integration control unit for performing the control; 상기 PID 이득 제어부의 출력값 각각을 합산하기 위한 제2 믹서;A second mixer for summing respective output values of the PID gain control unit; 상기 이동자의 실제 위치에 대한 미분 이득을 획득하는 제2 미분 제어부와 상기 제2 미분 제어부의 출력값을 입력값으로 하는 제2 비례 제어부, 상기 이동자의 실제 위치를 입력으로 하는 제 3 비례 제어부 및 상기 제2 비례 제어부의 출력값과 상기 제3 비례 제어부의 출력값을 합산하여 출력하기 위한 위치 이득 제어부; 및A second proportional control unit that obtains a differential gain with respect to the actual position of the mover, a second proportional control unit that takes an output value of the second differential control unit as an input value, a third proportional control unit that uses the actual position of the mover as an input value, and the second A position gain control unit for summing and outputting the output value of the second proportional control unit and the output value of the third proportional control unit; And 상기 PID 이득 제어부와 상기 위치 이득 제어부의 출력값을 합산하기 위한 제 3 믹서;A third mixer for summing output values of the PID gain controller and the position gain controller; 를 구비하는 리니어 모터의 통합 PID 위치 제어기.Integrated PID position controller of the linear motor having a. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 제3 믹서의 출력단에 구비되어, 전류의 흐름에 따라 상기 적분 제1 적분 제어부 및 제 3 비례 제어부가 구동되거나 구동되지 않도록 하기 위한 전류 제한기를 더 구비하는 리니어 모터의 통합 PID 위치 제어기.And a current limiter provided at an output end of the third mixer, the current limiter for driving the integral first integration controller and the third proportional controller according to the flow of current.
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