KR20040071921A

KR20040071921A - 다축 서보드라이브 시스템

Info

Publication number: KR20040071921A
Application number: KR1020030007840A
Authority: KR
Inventors: 김희중
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-16

Abstract

본 발명은, 복수의 모터와, 상기 모터를 구동제어하기 위한 서보드라이브와, 상기 서보드라이브로 제어지령을 출력하는 상위제어기를 포함하는 다축 서보드라이브 시스템에 관한 것으로서, 상기 서보드라이브는, 상기 상위제어기가 출력하는 위치지령과 상기 각 모터의 위치를 검출하는 위치검출수단으로부터 출력되는 위치피드백신호의 편차에 따라 속도지령을 생성하는 위치제어부와, 상기 속도지령과 상기 각 모터의 속도를 검출하는 속도검출수단으로부터 출력되는 속도피드백신호의 편차에 따라 전류지령을 생성하는 속도제어부와, 상기 모터에 구동전원을 공급하기 위한 전력변환기를 포함하며; 상기 전류지령과 상기 각 모터에 흐르는 전류피드백신호와의 편차를 전기신호로 입력받기 위한 입력접속부와, 상기 전력변환기로 상기 모터의 구동제어신호를 출력하기 위한 출력접속부와, 상기 입력접속부를 통해 입력받은 상기 전기신호에 따라 상기 모터를 구동제어하도록 상기 출력접속부를 통해 상기 전력변환기로 제어신호를 출력하는 일련의 동작을 병렬적으로 수행하는 프로세서를 갖는 전류제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 오차를 줄이며 시스템의 처리속도를 빠르게 하고, 서보드라이브에서 제어할 수 있는 축 수를 늘릴 수 있다.

Description

다축 서보드라이브 시스템{MULTI-AXIS SERVO DRIVE SYSTEM}

본 발명은 다축 서보드라이브 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 복수의 모터와, 상기 모터를 구동제어하기 위한 서보드라이브와, 상기 서보드라이브로 제어지령을 출력하는 상위제어기를 포함하는 다축 서보드라이브 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 모터를 구동제어하기 위한 서보드라이브 시스템은 각종 공작기계, 반도체 장비, 각종로봇 등 산업용 기계장치에 있어서 이들을 구동하고 제어하기 위한 구동제어부로서 널리 사용되고 있다.

종래의 서보드라이브 시스템은, 산업용 기계장치의 축에 장착되어 산업용 기계장치를 구동시키기 위한 구동동력원의 역할을 하는 모터와, 모터에 전류를 공급함과 동시에 공급된 전류량 및 위상을 조정함으로써 모터를 구동제어하기 위한 서보드라이브와, 서보드라이브에 제어지령을 출력하는 상위제어기를 포함한다.

구동제어하고자 하는 산업용 기계장치가 다축을 가질 경우, 각 축마다 모터가 장착되고 각 모터를 구동제어하기 위한 복수의 서보드라이브가 각각 동축케이블에 의해 상위제어기에 연결되게 된다. 그러나, 이러한 서보드라이브 시스템은 축수만큼 서보드라이브를 사용하고, 상위제어기와 서보드라이브가 각각 동축케이블에 의해 연결되므로, 구성이 복잡해지고 비용이 증가한다는 단점이 있다.

이에, 하나의 서보드라이브가 복수의 모터에 연결되어 이들을 구동제어하는 다축 서보드라이브 시스템이 제안된 바 있다.

다축 서보드라이브 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 모터(130)와, 서보드라이브(120)와, 상위제어기(110)를 포함한다. 여기서, 다축 서보드라이브 시스템이 전술한 서보드라이브 시스템과 상이한 점은 하나의 서보드라이브(120)가 복수의 모터(130)를 구동제어한다는 점이다.

서보드라이브(120)는, 상위제어기(110)로부터의 제어지령에 따라 인버터모듈(122)을 제어하며 모터(130)로부터의 피드백신호를 수령하여 상위제어기(110)에 피드백하도록 전류제어루틴과 속도제어루틴 및 위치제어루틴으로 구성된 제어모듈(124)과, 제어모듈(124)의 제어에 따라 상위제어기(110)로부터의 제어지령에 기초하여 모터(130)에 파워을 공급하여 구동시키는 인버터모듈(122)을 구비한다(도 2 참조). 여기서, 상위제어기(110)와 서보드라이브(120)는 동축케이블을 통해 상호 연결되어 있다.

여기서, 서보드라이브(120)의 전류제어루틴을 가장 하위루프로 구성하고 위치제어루틴을 가장 상위루프로 구성하는 것이 일반적이다. 이에, 각 축에 해당하는 전류제어루틴이 각각 직렬로 수행된 후 각 축에 해당하는 속도제어루틴이 수행되고, 마지막으로 각 축에 해당하는 위치제어루틴이 수행되게 된다(도 3 참조).

이렇게 다축 서보드라이브 시스템에서는 제어루틴이 반복적으로 수행되는데, 그 중에서 가장 하위루프인 전류제어루틴이 가장 빈번하게 수행되게 된다. 이에, 전류제어를 위한 계산량이 많아지고, 축 수가 늘어날수록 제어루프의 대역폭이 낮아지는 문제점이 있다. 즉, 서보드라이브(120) 내에 마련된 마이크로프로세서가 상위제어기(110)의 명령에 빨리 응답하지 못하여 전체 시스템의 처리속도가 느려지며 오차가 커질 수 있는 문제점이 있다. 이에 따라, 축 수에도 제한을 받게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 오차를 줄이며 시스템의 처리속도를 빠르게 하고, 서보드라이브에서 제어할 수 있는 축 수를 늘릴 수 있도록 하는 다축 서보드라이브 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 종래 다축 서보드라이브 시스템의 블록도,

도 2는 도 1의 부분상세도,

도 3은 종래의 다축 서보드라이브의 제어 수행시간을 나타낸 것,

도 4는 본 발명에 따른 다축 서보드라이브 시스템의 블록도,

도 5는 본 발명에 따른 다축 서보드라이브의 제어 수행시간을 나타낸 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 상위제어기 20 : 서보드라이브

22 : 위치제어부 24 : 속도제어부

26 : 전류제어칩 28 : 전력변환기

30 : 모터 32 : 속도센서

34 : 위치센서

상기 목적은, 본 발명에 따라, 복수의 모터와, 상기 모터를 구동제어하기 위한 서보드라이브와, 상기 서보드라이브로 제어지령을 출력하는 상위제어기를 포함하는 다축 서보드라이브 시스템에 있어서, 상기 서보드라이브는, 상기 상위제어기가 출력하는 위치지령과 상기 각 모터의 위치를 검출하는 위치검출수단으로부터 출력되는 위치피드백신호의 편차에 따라 속도지령을 생성하는 위치제어부와, 상기 속도지령과 상기 각 모터의 속도를 검출하는 속도검출수단으로부터 출력되는 속도피드백신호의 편차에 따라 전류지령을 생성하는 속도제어부와, 상기 모터에 구동전원을 공급하기 위한 전력변환기를 포함하며; 상기 전류지령과 상기 각 모터에 흐르는 전류피드백신호와의 편차를 전기신호로 입력받기 위한 입력접속부와, 상기 전력변환기로 상기 모터의 구동제어신호를 출력하기 위한 출력접속부와, 상기 입력접속부를 통해 입력받은 상기 전기신호에 따라 상기 모터를 구동제어하도록 상기 출력접속부를 통해 상기 전력변환기로 제어신호를 출력하는 일련의 동작을 병렬적으로 수행하는 프로세서를 갖는 전류제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다축 서보드라이브 시스템에 의해 달성된다.

여기서, 상기 전류제어부는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array) 중 어느 하나로 구현되는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 다축 서보드라이브 시스템의 블록도이다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 다축 서보드라이브 시스템은, 산업용 기계장치의 축에 장착되어 산업용 기계장치를 구동시키기 위한 구동동력원의 역할을 하는 복수의 모터(30)와, 모터(30)에 전류를 공급함과 동시에 공급된 전류량 및 위상을 조정함으로써 모터(30)를 구동제어하기 위한 서보드라이브(20) 및 전류제어칩(26)과, 서보드라이브(20)에 제어지령을 출력하는 상위제어기(10)를 포함한다. 여기서, 서보드라이브(20)는 복수의 모터(30)를 구동제어하기 위한 것이나 도면에는 편의상 모터(30) 하나를 구동하기 위한 블록으로 도시하였다.

모터(30)에는 모터(30)의 속도(회전수)를 검출하기 위한 속도센서(32) 및 위치를 검출하기 위한 위치센서(34)가 마련되는데, 일반적으로 타코제너레이터, 엔코더 등이 사용되고 있다. 이 속도센서(32) 및 위치센서(34)를 통해 검출된 신호는 피드백되어 서보드라이브(20)에 제공된다.

상위제어기(10)는 현재의 위치값을 서보드라이브(20)로부터의 피드백신호를 통해 파악하고, 목표위치값을 계산한다. 목표위치값은 펄스지령 혹은 전압지령으로 변환되어 서보드라이브(20)로 제공된다. 여기서, 서보드라이브(20)에 제공되는 제어지령은 각 축을 이동시키기 위한 위치지령과, 운전시작, 운전정지와 같은 간단한 I/O지령이다.

서보드라이브(20)는 상위제어기(10)로부터 제공된 제어지령을 분석하여 제어주기마다 발생되는 인터럽트에 따라 제어루프를 수행하여 모터(30)를 구동제어하는 것으로서, 모터(30)의 위치 및 속도 등을 제어하기 위한 위치제어부(22) 및 속도제어부(24)와, 모터(30)에 구동전원을 공급하기 위한 전력변환기(28)를 포함한다.

위치제어부(22)는, 상위제어기(10)에서 출력하는 위치지령과 모터(30)에 마련된 위치센서(34)로부터 검출된 위치피드백신호의 차이에 따라 속도지령을 출력한다. 상기 속도지령과 속도센서(32)로부터 출력되는 모터(30)의 실제회전속도와의 차이에 기초하여 속도제어부(24)에서는 전류지령을 생성하고, 상기 전류지령과 모터(30)에 흐르는 실제전류피드백신호의 차이에 해당하는 신호가 전류제어칩(26)에 인가되게 된다.

전류제어칩(26)은 종래의 소프트웨어로 구현된 전류제어부를 하드웨어로 구성한 것으로서, 전류지령과 각 모터(30)에 흐르는 전류피드백신호의 차이에 해당하는 전기신호를 입력받기 위한 입력접속부와, 입력접속부를 통해 입력된 신호에 따라 상기 각 모터(30)에 흐르는 전류의 양이나 위상을 조절하도록 전력변환기(28)를 제어하는 과정을 병렬적으로 처리하는 프로세서와, 프로세서에서 발생하는 제어신호를 전력변환기(28)에 제공하기 위한 출력접속부를 포함한다.

여기서, 입력접속부 및 출력접속부는 전류제어칩(26)의 핀인 것이 바람직하며, 서보드라이브(20)의 마이크로프로세서(미도시)가 입력접속부를 통해 전류지령과 모터(30)에 흐르는 전류피드백신호의 차이에 해당하는 신호를 전류제어칩(26)에 전기적인 신호로 인가한다. 이에 따라, 전류제어칩(26)의 프로세서가 입력된 신호를 해석하고, 이 신호에 따라 모터(30)에 흐르는 전류의 양이나 위상이 조절되도록출력접속부를 통해 전력변환기(28)에 제어신호를 인가한다. 이러한 프로세서의 전류제어 동작은 병렬적으로 수행된다.

전류제어칩(26)은 ASIC(Application Specific IC)이나 FPGA(Field Programmable Gate Array) 등으로 구현되는 것이 바람직하다.

전력변환기(28)는 파워 트랜지스터, 파워 MOSFET, IGBT(Insulated Gate Bi-polar Transistor), IPM(Intelligent Power Modules) 등의 파워디바이스에 의해 구성되며, 전류제어칩(26)으로부터 인가받은 제어신호에 따라 모터(30)에 전류를 공급하는 동시에, 전류의 양이나 위상을 조절한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다축 서보드라이브 시스템에서는 가장 빈번하게 수행되는 전류제어루프의 연산을 하드웨어로 대체함으로써, 축 수에 관계없이 전류제어 연산을 병렬적으로 동시에 수행할 수 있게 된다.

예를 들어, 전류제어루프의 수행주기를 T, 속도제어루프의 수행주기를 5T, 전류제어 및 속도제어의 축당 수행시간을 T/10라고 할 때, 전류제어칩(26)에 의한 전류제어루프의 수행시간은 축 수에 관계없이 T/10가 된다(도 5참조).

한편, 종래에 전류제어부를 소프트웨어로 구현한 경우에는 전류제어 연산이 직렬적으로 수행되게 되어 전류제어루프의 수행시간이 축 수에 비례하게 된다. 즉, 축 수를 n이라고 한다면, 종래의 전류제어루프의 수행시간은 (T/10)*n이 된다(도 3 참조).

여기서, 전체 마이크로프로세서의 점유율(프로세서가 사용된 시간과 전체처리시간의 비)은 다음과 같이 계산될 수 있다. 단, 전류제어루프와 속도제어루프가수행된 것만을 고려하고, 전체처리시간이 5T라고 한다면,

본 발명에 따른 다축 서보드라이브(20) 시스템의 전체 프로세서 점유율 A는,

A = (전류제어 수행시간+ 속도제어 수행시간) / 전체처리시간 = {(T/10)*5 + (T/10)*n}/5T = 0.02*n+0.1,

종래의 다축 서보드라이브 시스템의 전체 프로세서 점유율 B는,

B = (전류제어 수행시간 + 속도제어 수행시간) / 전체처리시간 = {(T/10)*5*n + (T/10)*n}/5T = 0.12*n 이 된다.

따라서, 종래의 프로세서 점유율은 축 수가 늘어남에 따라 12%씩 늘어나게 되어, 축 수에 많은 제한을 받게 되었으나, 본 발명의 프로세서 점유율은 계산 결과, 2%씩 밖에 늘어나지 않게 된다.

이에 따라, 본 다축 서보드라이브 시스템은 종래에 비해 축 수의 제한을 덜 받게 된다. 바꿔 말하면, 축 수가 일정하다면 제어루프의 대역폭이 높아질 수 있어, 상위제어기(10)의 제어명령에 빠르게 응답하여 전체 시스템의 처리속도를 높이며 오차를 줄일 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 오차를 줄이며 시스템의 처리속도를 빠르게 하고, 서보드라이브에서 제어할 수 있는 축 수를 늘릴 수 있는 다축 서보드라이브 시스템이 제공된다.

Claims

복수의 모터와, 상기 모터를 구동제어하기 위한 서보드라이브와, 상기 서보드라이브로 제어지령을 출력하는 상위제어기를 포함하는 다축 서보드라이브 시스템에 있어서,

상기 서보드라이브는, 상기 상위제어기가 출력하는 위치지령과 상기 각 모터의 위치를 검출하는 위치검출수단으로부터 출력되는 위치피드백신호의 편차에 따라 속도지령을 생성하는 위치제어부와, 상기 속도지령과 상기 각 모터의 속도를 검출하는 속도검출수단으로부터 출력되는 속도피드백신호의 편차에 따라 전류지령을 생성하는 속도제어부와, 상기 모터에 구동전원을 공급하기 위한 전력변환기를 포함하며;

상기 전류지령과 상기 각 모터에 흐르는 전류피드백신호와의 편차를 전기신호로 입력받기 위한 입력접속부와, 상기 전력변환기로 상기 모터의 구동제어신호를 출력하기 위한 출력접속부와, 상기 입력접속부를 통해 입력받은 상기 전기신호에 따라 상기 모터를 구동제어하도록 상기 출력접속부를 통해 상기 전력변환기로 제어신호를 출력하는 일련의 동작을 병렬적으로 수행하는 프로세서를 갖는 전류제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다축 서보드라이브 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전류제어부는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit),FPGA(Field Programmable Gate Array) 중 어느 하나로 구현되는 것을 특징으로 하는 다축 서보드라이브 시스템.