KR200305684Y1

KR200305684Y1 - 직류 서보-모터 실험장치

Info

Publication number: KR200305684Y1
Application number: KR20-2002-0033721U
Authority: KR
Inventors: 조춘선
Original assignee: (주)우선제어
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2003-03-03

Abstract

직류 서보 모터의 기본 원리 및 개념의 이해와 PID 콘트롤러에 의한 정속 운전, 위치 제어 실험을 위한 장치로서, 각 장치는 독립적으로 블록화되어 있어서 독립 실험 및 연계 실험이 가능하다. 또 실험자가 응용하기 편리하게 독립적으로 설계되어 있다. 실험 내용을 실험자가 쉽게 접하게 하기 위하여 컴퓨터 인터페이스(Computer Interface)를 통하여 실험자가 모니터를 통하여 쉽게 관찰할 수 있도록 되어 있다.

Description

직류 서보-모터 실험장치 {A Direct Current Servo Motor Trainer}

본 고안은 직류(DC) 서보 모터(servo motor) 실험 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 직류 서보 모터의 기본 원리 및 개념의 이해와 P.I.D. 콘트롤러에 의한 정속 운전, 위치 제어 실험을 위한 장치이다.

직류 모터는 자계 중에 흐르는 전류에 작용하는 힘을 회전력으로 한 것이며 이중 응답성을 좋게 해서 빈번한 기동, 정지에 적합하도록 특성을 보완한 것을 서보 모터라고 한다. 여자(勵磁) 코일(coil)에 일정한 전류를 흘려서 자계를 만드는 것과, 영구자석에 의하는 것 등이 있으며 최근에 와서는 회토류 금속에 의한 고자속(高磁束) 밀도(密度)를 이용해서 토크(torque)의 증대를 꾀한 것이 쓰이기 시작하고 있다.

그 구조는 고정자측 구성은 자로 및 기계적 지지를 목적으로 하는 원통형의 프레임과 프레임 내경에는 자석이 부착되어 있다. 회전자측 구성은 샤프트와, 샤프트 외경에 정류자 및 회전자 철심이 부착되어 있고 회전자 철심내에 전기자 권선(Coil)이 감겨져 있다. 전기자 권선에 정류자를 통하여 전류를 공급하는 브러시 및 브러시 홀더가 부착되어 있다. 브라켓과 플랜지에는 볼 베어링이 있어서 회전자를 받쳐주고 있다. 브라켓 뒤쪽에는 회전속도신호를 검출하는 검출기가 회전자와 연결되어 있는데 광학식 인코더(encoder) 혹은 타코제너레이터(Tacho generator)를 많이 사용한다.

직류(Direct Current: DC) 서보-모터는 토오크와 전류가 비례하여 선형제어계의 구성이 가능하므로 비교적 간단한 회로로 안정된 제어계 설계가 가능하다. DC 서보모터는 최고속도와 그 점에서의 허용 토오크는 정류불꽃에 의해 제약을 받는다.

DC 서보모터의 구동 방식은 트랜지스터에 의한 펄스폭 변조방식이 주류를 이룬다. 이 방식은 사용 주파수 전원을 정류하여 직류를 얻어 이 직류 전원이 모터에 인가되는 시간폭을 주파수의 반송파에 의해 변화되어 가변 전압을 만들어 모터의 속도 제어를 행한다. 이런 방식의 제어는 응답성이 좋고 부하 마찰 토오크가 국부적으로 변화하므로 다관절 로봇과 같이 자세에 의한 모터축 환산부하 관성이 크게 변하는 계에서도 충분히 안정된 제어를 행할 수 있다.

그러나, 이러한 주목에도 불구하고 서보(servo) 모터에 대한 지식을 습득할 만한 장치가 없어 불편을 겪고 있다. 따라서, 서보 모터의 동작원리를 효율적으로 이해할 수 있도록 실험하기 위한 교육장비가 요구되고 있는 실정이다.

본 고안은 직류 서보 모터의 특성을 쉽게 습득할 수 있도록 학습효율을 증대시킬 수 있는 실험장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 다른 목적은 각각 독립 실행 및 연계 실험이 가능한 직류 서보 모터 실험장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 직류 서보 모터 실험장치는 제어실험을 위한 구성회로들을 블록(block)화하여 제어에 필요한 다수의 독립된 스위치들이 형성된 제어반과; 상기 제어반 위에 형성되어 상기 제어반을 통해 제공되는 제어신호에 의해 구동되는 모터기구부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 고안에 따른 직류 서보 모터 실험장치의 세부적 특징은 상기 모터기구부가, 직류 전원에 의해 구동되는 직류 서보 모터(DC servo motor)와; 상기 직류 서보 모터를 사용한 위치 제어실험시 지침의 움직임에 따라 서보 모터의 위치에 따른 피드백 신호(Feedback signal)를 발생시키는 포텐셔미터(potentiometer)와; 상기 서보모터에 부착되어 상기 서보 모터의 구동 펄스를 출력하는 엔코더(Encoder)와; 상기 서보모터의 회전속도에 비례한 직류 전압을 발생시키는 타코 제너레이터(Tacho Generator)를 포함하여 이루어지는 점이다.

본 고안에 따른 직류 서보 모터 실험장치의 다른 세부적 특징은 상기 제어반이, 제어반 상단에 위치한 직류 서보-모터 기구들을 심벌(symbol)화하여 나타낸 기구부 도식부와; 서보모터의 속도에 비례한 직류 전압을 발생하는 속도 검출부와; 위치제어나 속도 제어시 적절한 값으로 이득(gain)을 조정함으로써 서보모터의 특성을 관찰할 수 있도록 다수의 범위 값이 표기된 써밍 앰프(summing Amp)와; 비례제어(Proportion Control)와 적분제어(Integral Control) 및 미분제어(Differential Control)를 위한 이득조정용 가변저항 조절부와; 모터에 알맞게 입력을 받아서 그 입력량에 맞게 출력값을 조절하고 모터에 적절한 값을 인가하기 위한 모터 드라이브 앰프와; 서보 모터의 속도 제어시 모터에 제동을 걸어주기 위한 원판으로서 여자(勵磁)전류의 크기에 비례하는 제동력을 나타내는 브레이크장치를 포함하여 이루어지는 점이다.

도 1은 직류 서보 모터 실험장치의 외관을 나타낸 사시도,

도 2는 도 1의 모터기구부를 개략적으로 나타낸 구성도,

도 3은 도 1의 제어반의 일예를 나타낸 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 고안에 따른 직류 서보 모터 실험장치의 구성과 그에 따른 동작을 상세히 설명한다.

도 1은 직류 서보 모터 실험장치의 외관을 나타낸 사시도이다. 제어실험을 위한 구성회로들을 블록(block)화하여 제어에 필요한 다수의 독립된 스위치들이 형성된 제어반(100)과; 상기 제어반(100) 위에 형성되어 상기 제어반(100)을 통해 제공되는 제어신호에 의해 구동되는 모터기구부(200)로 이루어진다.

상기 모터기구부(200)는 도 2에서와 같이, 직류 전원에 의해 구동되는 직류 서보 모터(DC servo motor)(230)와; 상기 직류 서보 모터(230)를 사용한 위치 제어실험시 지침의 움직임에 따라 서보 모터의 위치에 따른 피드백 신호(Feedback signal)를 발생시키는 포텐셔미터(potentiometer)(210)와; 상기 서보 모터(230)에 부착되어 상기 서보 모터(230)의 구동 펄스를 출력하는 엔코더(Encoder)(240)와; 상기 서보모터(230)의 회전속도에 비례한 직류 전압을 발생시키는 타코 제너레이터(Tacho Generator)(250)와, 상기 서보모터(230)의 회전축에 연결되어 회전량을 알 수 있도록 눈금이 표기된 눈금판(220)을 포함하여 이루어진다.

제어반(100)은 제어반 상단에 위치한 직류 서보-모터 기구들을 심벌(symbol)화하여 나타낸 기구부 도식부(Architecture)와; 서보모터의 속도에 비례한 직류 전압을 발생하는 속도 검출부와; 위치제어나 속도 제어시 적절한 값으로 이득(gain)을 조정함으로써 서보모터의 특성을 관찰할 수 있도록 다수의 범위 값이 표기된 써밍 앰프(summing Amp)와; 비례제어(Proportion Control)와 적분제어(Integral Control) 및 미분제어(Differential Control)를 위한 이득조정용 가변저항 조절부와; 모터에 알맞게 입력을 받아서 그 입력량에 맞게 출력값을 조절하고 모터에 적절한 값을 인가하기 위한 모터 드라이브 앰프와; 서보 모터의 속도 제어시 모터에 제동을 걸어주기 위한 원판으로서 여자(勵磁)전류의 크기에 비례하는 제동력을 나타내는 브레이크장치와, 컴퓨터와의 인터페이스를 위한 커넥터를 포함하여 이루어진다.

컴퓨터와의 인터페이스 기능을 강화하기 위해서 마이크로프로세서(Microprocessor)인 80C196이 내장되어 아나로그/디지탈 변환기 및 디지털/아나로그 변환기를 제어한다. 본 고안에 의한 실험장치는 제어반(100) 위에 서보 모터 등이 포함된 모터기구부들을 배치하였으며, 제어반(100) 전면에 구성 회로들을 블럭(Block)화하고 각 블럭(Block)은 각각의 독립된 스위치에 의해서 동작되게 되어 있다. 각각의 블럭(Block)은 독립 실행 및 연계 실험이 가능하고 다른 부분에 독립적으로 사용이 가능하다.

기구부 도식부(Architecture)는 제어반 상단에 위치한 모터기구부를 심벌화하여 나타내었다. 또한 서보모터, 포텐셔미터, 엔코더들은 각 선을 단자로 인출하여 회로와 바나나 플러그 타입의 리드 선으로 연결하여 실험토록 하였다.

포텐셔미터는 서보모터를 사용한 위치 제어 실험 시 지침의 움직임에 따라 피드백신호를 발생시키는 부분으로 입력은 제어반 내의 PCB 기판에 연결되어 있으며 출력만 사용하도록 하였다.

서보 모터에는 엔코더와 타코미터가 부착되어 있으며, 엔코더(Encoder)는 3개의 채널을 가지고 있는 인크리멘탈 엔코더이며 A, B 채널은 위상은 조금 다르지만 1 cycle에 500 정도의 펄스를 발생하고, C채널은 1 cycle에 1 펄스가 발생하는 엔코더이다. 그래서 A, B 채널은 카운터, 그리고 C채널은 리셋(Reset)에 사용한다.

타코 제너레이터는 서보모터의 회전속도에 비례한 직류 전압을 발생한다. 서보모터가 정 방향 회전 때는 +10V, 역 방향 회전 때는 -10V를 발생한다. 따라서 Tacho Generator는 속도 제어실험 시 피드백신호 발생용으로 사용한다.

속도검출부는 서보모터의 속도가 0에서 1800(rpm)까지 변화함에 따라 DC 0에서 10V까지(역 방향일 경우 DC 0 ∼ -10V까지) 속도에 비례한 신호를 발생하는 것이다.

써밍앰프(summing Amp)는 3개의 입력 신호 V1, V2, V3을 합성해 주는 앰프(AMP)로 이득값(Gain) 조종용 선택 스위치(Selector Switch)에 의해 1/4, 1/2, 1, 2, 4의 5단계로 이득값(gain) 조정이 가능하다. 위치 제어나 속도 제어 시 적절한 값으로 이득값을 조정함으로써 변화 감도를 예민하게 또는 둔감하게 변화시킴으로써 서보 모터의 특성을 잘 관찰할 수 있을 뿐만 아니라 5단계의 레인지를 이용하여 다양한 실험이 가능하다.

P·I·D 컨트롤러에서 P는 비례 제어(Proportional Control)를, I는 적분 제어(Integral Control)를, D는 미분 제어(Differential Control)를 나타낸다. 위치 제어시는 적분 동작을 기구의 포텐셔미터에서 제어하고, 속도 제어 시는 P·I·D의 이득값 조정용 가변저항을 조절하여 상태의 특성을 관찰한다.

모터 드라이브 앰프는 모터를 구동하기 위해서 반드시 필요한 블록이며 모터에 알맞게 입력을 받아서 그 입력량에 맞게 출력 값을 조절하고 모터에 적절한 값을 인가하게 된다.

브레이크 장치는 속도 제어시 서보 모터에 제동을 걸어 주기 위한 원판으로 브레이크 제동력은 여자(勵磁) 전류의 크기에 비례한다.

기능(구형파) 발생장치는 서보 모터의 과도 특성을 실험하기 위한 것으로 0 - 10V(1∼10sec)의 펄스가 출력된다. 이 기능은 P·I·D 조절에서 제어된 신호가 어느 정도로 기존의 기능(구형파) 발생장치에서 발생되는 주기를 따라가 줄 수 있는가를 관찰하기 위해서 절대적으로 필요하다고 할 수 있다.

내부적으로 A/D(아나로그/디지탈 변환) 및 D/A(디지탈/아나로그 변환)는 마이크로 프로세서인 80C196을 사용하여 제어하였다. 컴퓨터와 본 고안에 따른 실험장치 사이의 정보를 주고받는 방법에는 병렬(Parallel) 전송과 직렬(Serial) 전송 방식이 있다. 이 중 RS-232C 직렬포트는 직렬 전송 방식으로 9Pin 용의 Cable이 준비되어 있다. 직렬전송방식은 제어가 간단하고 직렬(Serial) 전용의 IC가 많이 있기 때문이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 직류 서보 모터 실험장치는 전기 제어능력을 필요로 하는 실험생에게 직류 서보 모터의 동작 특성과 이 특성을 유용하게 활용할 수 있는 능력을 효과적으로 배양시킬 수 있다.

Claims

제어실험을 위한 구성회로들을 블록(block)화하여 제어에 필요한 다수의 독립된 스위치들이 형성된 제어반과;

상기 제어반 위에 형성되어 상기 제어반을 통해 제공되는 제어신호에 의해 구동되는 모터기구부를 포함하여 이루어지는 직류 서보-모터 실험장치.
제 1 항에 있어서, 상기 모터기구부는:

직류 전원에 의해 구동되는 직류 서보 모터(DC servo motor)와;

상기 직류 서보 모터를 사용한 위치 제어실험시 지침의 움직임에 따라 서보 모터의 위치에 따른 피드백 신호(Feedback signal)를 발생시키는 포텐셔미터(potentiometer)와;

상기 서보모터에 부착되어 상기 서보 모터의 구동 펄스를 출력하는 엔코더(Encoder)와;

상기 서보모터의 회전속도에 비례한 직류 전압을 발생시키는 타코 제너레이터(Tacho Generator)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 서보-모터 실험장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제어반은:

제어반 상단에 위치한 직류 서보-모터 기구들을 심벌(symbol)화하여 나타낸 기구부 도식부(Architecture)와;

서보모터의 속도에 비례한 직류 전압을 발생하는 속도 검출부와;

위치제어나 속도 제어시 적절한 값으로 이득(gain)을 조정함으로써 서보모터의 특성을 관찰할 수 있도록 다수의 범위 값이 표기된 써밍 앰프(summing Amp)와;

비례제어(Proportion Control)와 적분제어(Integral Control) 및 미분제어(Differential Control)를 위한 이득조정용 가변저항 조절부와;

모터에 알맞게 입력을 받아서 그 입력량에 맞게 출력값을 조절하고 모터에 적절한 값을 인가하기 위한 모터 드라이브 앰프와;

서보 모터의 속도 제어시 모터에 제동을 걸어주기 위한 원판으로서 여자(勵磁)전류의 크기에 비례하는 제동력을 나타내는 브레이크장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 직류 서보-모터 실험장치.