KR20080065106A

KR20080065106A - 화상 형성 장치

Info

Publication number: KR20080065106A
Application number: KR1020070002079A
Authority: KR
Inventors: 이성렬
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2008-07-11
Also published as: CN101219612A; US20080165216A1

Abstract

용지 카세트에서 용지를 픽업한 후 인쇄 작업을 거쳐 장치 외부로 용지를 배출하기 위한 인쇄 용지 이송용 모터의 속도 제어 장치를 개시한다. 개시된 본 발명은 모션 생성부가 속도 프로파일의 감속 단계에서 출력하는 속도 제어 명령을 개선하고, 속도 제어기에 대한 설계 시 게인과 상수를 튜닝하여 적용한다.

인쇄 장치, 속도 프로파일, 속도 제어기, 위치 제어기, 용지 이송

Description

화상 형성 장치{Image Forming Apparatus}

도 1은 인쇄 용지 이송용 모터를 제어하기 위한 속도 프로파일과 위치 프로파일을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 화상 형성 장치의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 모션 생성부에 의해 생성하는 속도 프로파일이다.

도 4는 본 발명에 따른 제어기 설계 시 용지 이송 시스템에 인가하는 입력 펄스이다.

도 5는 도 4의 입력 펄스에 대응하는 시스템의 출력 파형이다.

도 6은 용지 이송 시스템에 인가하는 입력 펄스와 출력 파형을 기초로 하여 본 발명에 적용하는 커브 피팅 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과의 속도 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과의 위치 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

10 : 모션 생성부

30 : PID 제어기

40 : PWM 드라이버

50 : 용지 이송 시스템

60 : 속도 센서

100 : 모터 모델링부

본 발명은 인쇄 용지를 이송하기 위한 용지 이송 시스템에 채용하고 있는 직류 서보 모터의 속도를 제어하기 위한 화상 형성 장치에 관한 것이다.

잉크젯 프린터와 같은 인쇄 장치의 용지 이송 시스템에서 용지 이송 정밀도는 인쇄 품질과 매우 밀접한 관련이 있으며, 고화질의 인쇄 품질을 얻기 위해서 고정밀의 용지 이송 제어방법이 필요하다.

인쇄 장치의 용지 이송은 용지 카세트에 적재된 용지를 한 장씩 픽업한 이후 인쇄 작업을 거쳐 장치 외부로 배출하는 일련의 과정을 포함하며, 모터의 동력을 전달받은 이송 수단에 의해 용지가 이송 경로를 따라 이송되기 때문에, 용지 이송에 있어서 모터의 제어가 결정적인 요소로 작용하게 된다.

기존 모터 제어는, 도 1에 도시한 바와 같이 속도 센서(인코더)를 통해 측정한 모터 속도(S1)가 용지 이송에 상응하여 미리 생성한 속도 프로파일(S2)을 추종하도록 모터 속도를 제어하며, 이에 따라 모터 속도(S1)로부터 유도된 위치 프로파일(S4)도 속도 프로파일(S2)에 대응하는 위치 프로파일(S3)을 추종하게 된다. 여기서 속도 프로파일(S2)은 가속 구간(Ta)과 등속 구간(Tf) 및 감속 구간(Td)을 포함한다.

그런데 실제 모터 제어 시 속도 프로파일(S2)을 추종하는 과정에서 오차가 발생하기 때문에 감속 구간(Td)의 종료 시점에 이르게 되어도 모터 위치 즉 용지의 이송 위치(Pa)는 목표 위치(Pt)에 도달하지 못하는 위치 오차(Pd)가 발생하게 된다. 그래서 목표 위치에 도달하기 까지 일정 구간(Tp) 동안 모터 위치를 제어하도록 되어 있다. 즉 기존에는 속도 프로파일(S2)의 가속 구간(Ta)과 등속 구간(Tf) 및 감속 구간(Td)에서 속도 제어기가 제어하고, 이후 남은 구간(Tp)의 위치 오차에 대해서 위치 제어기가 제어하도록 되어 있다.

기존의 모터 제어 방법은 다음의 단점을 가지고 있다.

속도 제어기에 의해 모터 속도를 제어하는 구간과 위치 제어기에 의해 모터 속도를 제어하는 구간이 불연속되므로 모션 진동이 발생할 수 있어서 정확하고 안정적인 용지 이송 작업에 지장을 줄 수 있다.

또한 속도 프로파일을 설계할 때 가속 구간에 적용하기 위한 최대 가속도를 설정하기 위한 방법의 제시가 없다.

또한 속도 제어기와 위치 제어기를 모두 구비하는 경우 각 제어기의 게인을 개별 설정하여야 하므로 최적의 게인을 설정하기 위해 많은 시간이 소요된다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단일의 속도 제어기를 구비하여 인쇄 용지를 이송하기 위한 용지 이송 시스템에 채용하고 있는 직류 서보 모터의 속도를 제어할 수 있도록 한 화상 형성 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인쇄 장치; 상기 인쇄 장치에 적용하며 직류 서보 모터를 이용하여 용지를 이송하기 위한 용지 이송 시스템; 상기 직류 서보 모터의 속도를 측정하는 속도 센서; 상기 용지 이송을 위한 복수 구간을 포함하는 속도 프로파일을 생성하고, 상기 속도 프로파일의 감속 구간에서 모터의 위치 정보를 반영하여 속도 제어 명령을 출력하는 모션 생성부; 및 상기 모션 생성부의 속도 제어 명령에 따라 상기 모터를 제어하기 위한 모터 제어 명령을 출력하되, 상기 용지 이송 시스템에 대한 시스템 응답 특성을 반영하여 모터 제어 명령을 출력하는 속도 제어기를 포함한다.

상기 모션 생성부는 감속 구간에서 다음의 식에 따라 속도 제어 명령을 출력한다.

VEL_COMMAND = K*(TARGET_POS - CURRENT_POS)

K = VEL_CONST / (TARGET_POS - BREAK_POS)

여기서 VEL_COMMAND 는 감속 단계에서 속도 명령이고, TARGET_POS는 제어 목표 위치, CURRENT_POS는 현재 위치이고, K는 상수이고, BREAK_POS 는 등속 구간에서 감속 구간으로 전환하는 시점에서의 용지의 위치, VEL_CONST는 등속구간의 속도이다.

상기 모션 생성부는 등속 구간의 종점과 감속 구간의 시점의 속도 제어 명령을 일치시켜 출력한다.

상기 모션 생성부는 모터 파라미터를 이용하여 상기 속도 프로파일의 가속 구간에서 적용하는 최대 가속도를 정의하되, 상기 모션 생성부는 다음의 식에 따라 최대 가속도를 정의한다.

MAX_ACCEL = {(Kt*Im)-TI}/Jt

여기서, Kt는 모터의 토크 상수이고, Im은 모터의 최대 전류, TI은 부하 토크이고, Jt는 모터의 관성 모멘트이다.

상기 속도 제어기는 제어기의 게인과 부하 마찰에 의한 상수를 고려하여 모터 모터 제어 명령을 출력한다.

상기 속도 제어기는 다음 식에 따라 모터 제어 명령을 출력한다.

U(t) = Kp{yc(t)-y(t)} + Ki∫{yc(t)-y(t)}dt - Uff

여기서, U(t)는 모터 제어 명령, Kp는 비례 게인, Ki는 적분 게인, Uff는 부하 마찰을 보상하기 위한 상수이다.

상기 속도 제어기는 직류 모터를 사용하는 상기 용지 이송 시스템을 1차식으로 근사화한 다음 수식 모델을 이용하여 게인과 부하 마찰의 상수를 결정한다.

Y(s) = {Kdc/(Ts+1)}*{U(s)+d(s)}

여기서, U(s)는 시스템 입력, d(s)는 외란(disturbance), Y(s)는 속도(velocity), Kdc는 시스템의 dc 게인, T는 시정수(time constant) 이다.

상기 속도 제어기는 추정된 시스템의 dc 게인(Kdc)과 외란(d)을 극점 배치 기법에 적용하여 제어기의 비례 게인(Kp)과 적분 게인(Ki)을 결정하고, 추정한 외란(d)을 상수(Uff)로 결정한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인쇄 장치; 상기 인쇄 장치에 적용하 며 직류 서보 모터를 이용하여 용지를 이송하기 위한 용지 이송 시스템; 상기 직류 서보 모터의 속도를 측정하는 속도 센서; 상기 용지 이송을 위한 복수 구간을 포함하는 속도 프로파일을 생성하고, 상기 속도 프로파일의 등속 구간의 종점과 감속 구간의 시점의 속도 제어 명령을 일치시켜 출력하는 모션 생성부; 상기 모션 생성부의 속도 제어 명령과 상기 속도 센서의 모터 속도를 감산하여 오차 신호를 제공하는 감산기; 상기 감산기에서 제공하는 오차 신호와 비례 게인과 적분 게인 및 부하 마찰에 의한 상수를 이용하여 모터 제어 명령을 출력하는 속도 제어기; 및 상기 속도 제어기의 모터 제어 명령에 따라 상기 용지 이송 시스템의 모터를 구동하기 위한 PWM 신호를 출력하는 PWM 드라이버를 포함한다.

상기 속도 제어기는 직류 서보 모터를 사용하는 상기 용지 이송 시스템을 1차식으로 근사화한 수식 모델을 이용하여 비례 게인과 적분 게인 및 부하 마찰에 의한 상수를 튜닝한다.

이하, 본 발명의 실시 예에 의한 화상 형성 장치 및 그 제어 방법을 설명한다.

본 실시 예의 화상 형성 장치는 인쇄 장치에 적용하기 위한 용지 이송 시스템에 적용하는 직류(DC) 서보 모터를 제어 대상으로 하며, 이 모터가 용지 카세트에서 용지를 픽업한 후 인쇄 작업을 거쳐 장치 외부로 용지를 배출하기 까지 일련의 과정에 관계하는 것을 하나의 예로 설명한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 화상 형성 장치는 모션 생성부(10),감산기(20), PID 제어기(30), PWM 드라이버(40), 용지 이송 시스템(50), 속 도센서(60)를 포함한다. 여기서 PWM 드라이버(40), 용지 이송 시스템(50) 및 속도센서(60)는 PID 제어기(30)의 설계를 위한 모터 모델링부(100)로 정의하기로 한다.

모션 생성부(10)는 용지 이송을 위한 속도 프로파일을 생성하고, 측정 모터 속도(y(t))가 속도 프로파일을 추종하도록 하는 속도 제어 명령(yc(t))을 출력한다.

감산기(20)는 속도 제어 명령(yc(t))과 모터 속도(y(t))의 오차를 출력한다.

PID 제어기(30)는 감산기(20)의 출력에 설정된 비례 게인, 적분 게인, 미분 게인을 적용하여 모터 제어 명령을 모터 모델링부(100)에 인가한다. PID 제어기(30)는 설계의 필요에 따라 PI 제어기로 대체할 수 있다.

PWM 드라이버(40)는 PID 제어기(30)의 출력에 따라 인쇄 용지 이송용 모터를 구동하기 위한 PWM 신호를 용지 이송 시스템(50)에 인가한다. 이에 따라 용지 이송 시스템(50)은 용지 카세트에 적재된 용지를 픽업하고 용지 이송 경로를 따라 이송시킨다. 이때 속도 센서(60)는 모터 속도를 측정하고, 측정한 모터 속도(y(t))를 모션 생성부(10)와 감산기(20)에 피드백한다.

PID 제어기(30)가 모터 속도와 속도 제어 명령의 오차 신호를 피드백을 받아서 모터 제어 명령을 출력하는 방법은 기존의 모터 제어 방법에서도 적용하고 있는 것인데, 단순히 그 오차 신호에만 의존할 경우 속도 프로파일의 감속 단계에서 위치 정밀도가 떨어져서 위치 오차가 발생할 우려가 있다.

그렇다고 기존과 같이 위치 오차를 해소하기 위해 위치 제어기를 도입 시 여러 가지 문제가 파생되므로, 위치 제어기의 도입 없이 위치 오차를 해결하기 위한 방안이 필요하다.

상기 위치 오차에 의한 문제에 대비하기 위하여, 본 발명의 모션 생성부(10)가 속도 프로파일의 감속 단계에서 출력하는 속도 제어 명령을 개선하고, PID 제어기(30)에 대한 설계 시 게인과 상수를 튜닝하여 적용한다.

모션 생성부(10)는 기본적으로 도 3에 도시한 가속, 등속, 감속 구간을 가지는 속도 프로파일에 따라 속도 제어 명령을 출력한다.

모션 생성부(10)는 가속 구간에서 적용하는 최대 가속도(MAX_ACCEL)를 모터 파라미터를 이용하여 다음과 같이 정의한다.

MAX_ACCEL = {(Kt*Im)-TI}/Jt

모터 생성부(10)는 가속 구간과, 등속 구간(ta-tb)에서 모터 속도와 속도 제어 명령의 오차 신호를 피드백을 받아서 모터 제어 명령을 출력한다. 특징적으로 감속 구간에서 위치 정밀도가 떨어질 수 있으므로, 모션 생성부(10)는 다음의 속도 제어 명령(VEL_COMMAND)을 생성하여 출력한다.

VEL_COMMAND = K*(TARGET_POS - CURRENT_POS)

여기서 VEL_COMMAND 는 감속 단계에서 속도 명령이고, TARGET_POS는 제어 목표 위치, CURRENT_POS는 현재 위치이고, K는 상수이다.

K = VEL_CONST / (TARGET_POS - BREAK_POS)

여기서 BREAK_POS 는 등속 구간에서 감속 구간으로 전환하는 시점에서의 용 지의 위치를 의미하고, VEL_CONST는 등속구간의 속도로서 설계 시 설정하는 값이다.

등속 구간에서 감속 구간으로 전환되는 시점(tb)에서 속도 제어 명령(vb)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Vb = {VEL_CONST/(TARGET_POS - BREAK_POS)}*(TARGET_POS - CURRENT_POS)

여기서 시점(tb)에서 (TARGET_POS - BREAK_POS)과 (TARGET_POS - CURRENT_POS)이 같으므로, 속도 제어 명령(vb)은 등속 구간의 속도(VEL_CONST)가 되므로 등속 구간의 종점과 감속 구간의 시점에서의 속도 제어 명령은 일치한다.

이와 같이 속도 제어 명령을 입력으로 받는 PID 제어기(30)는 감속 구간에서 위치 오차가 발생하지 않도록 하기 위해서 모터 모델링부(100)에 대하여 게인과 상수를 튜닝하는 것이 필요하다.

이 게인과 상수를 튜닝하는 동작을 설명한다.

PID 제어기(30)가 출력하는 모터 제어 명령(U(t))은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

U(t) = Kp{yc(t)-y(t)} + Ki∫{yc(t)-y(t)}dt - Uff

여기서, Kp는 비례 게인, Ki는 적분 게인, Uff는 부하 마찰을 보상하기 위한 상수이다. 본 실시 예에 따른 PID 제어기(30)는 비례 게인과 적분 게인을 이용하는 PI 제어기의 역할을 한다.

상기 비례 게인(Kp)과 적분 게인(Ki) 및 상수(Uff)를 자동으로 튜닝하기 위하여 용지 이송 시스템(50)에 대하여 근사화시킨 수식 모델을 도입한다.

용지를 이송하기 위해 직류 모터(DC)를 사용하는 경우, 용지 이송 시스템(50)의 시스템 출력(Y(s))은 다음 1차식 모델로 근사화된다.

Y(s) = {Kdc/(Ts+1)}*{U(s)+d(s)} ---- 식(1)

테스트 입력신호를 시스템에 입력하고 그 출력 파형으로부터 시정수(T)를 추정하고, DC 입력일 때 식(1)은 다음과 같이 표현할 수 있다.

Yss = Kdc*U + Kdc*d, -- 식(2)

여기서 Yss는 테스트 입력에 대한 시스템 응답의 정상 상태 값이다.

예를 들어, 도 4과 같이 PWM 드라이버(40)에서 테스트 입력 신호(U1, U2, U3, U4, U5)를 용지이송 시스템(50)에 인가하고, 그에 따른 도 5와 같은 출력파형(Yss1,Yss2,Yss3,Yss4,Yss5)을 얻은 경우, 커브 피팅(curve fitting)에 의한 도 6과 같이 1차식의 직선을 얻고, 이 1차식의 직선과 식(2)를 비교하여 시스템의 dc 게인(Kdc)과 외란(d)을 추정할 수 있다.

이와 같이 추정된 시스템의 모델을 이용하여 극점 배치 기법(pole placement method)을 적용하여 제어기의 비례 게인(Kp)과 적분 게인(Ki)을 결정한다. 그리고 상수(Uff)는 추정한 외란(d)으로 결정한다.

상기와 같이 개선한 모션 생성부(10)와 PID 제어기(30)를 적용하여 시뮬레이션 결과, 도 7의 속도 그래프에서와 같이 기준 신호(Vr)와 실제 출력(Vo) 사이에 미소한 차이가 있을 뿐 속도 프로파일을 잘 추종하고, 이에 따른 도 8의 위치 그래 프에서와 같이 목표 위치에 용지를 정확하게 이송할 수 있음을 확인할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 속도 프로파일에 따라 모터 속도를 제어하는 속도 제어기만을 사용하고도 속도 프로파일의 감속 단계에서 위치 정밀도의 저하를 방지할 수 있으며, 기존과 같이 속도 제어기와 위치 제어기를 모두 갖추어야 하는 부담과 파생되는 문제를 해결할 수 있다.

Claims

인쇄 장치;

상기 인쇄 장치에 적용하며 직류 서보 모터를 이용하여 용지를 이송하기 위한 용지 이송 시스템;

상기 직류 서보 모터의 속도를 측정하는 속도 센서;

상기 용지 이송을 위한 복수 구간을 포함하는 속도 프로파일을 생성하고, 상기 속도 프로파일의 감속 구간에서 모터의 위치 정보를 반영하여 속도 제어 명령을 출력하는 모션 생성부; 및

상기 모션 생성부의 속도 제어 명령에 따라 상기 모터를 제어하기 위한 모터 제어 명령을 출력하되, 상기 용지 이송 시스템에 대한 시스템 응답 특성을 반영하여 모터 제어 명령을 출력하는 속도 제어기를 포함하는 화상 형성 장치.
제1항에 있어서,

상기 모션 생성부는 감속 구간에서 다음의 식에 따라 속도 제어 명령을 출력하는 화상 형성 장치.

VEL_COMMAND = K*(TARGET_POS - CURRENT_POS)

K = VEL_CONST / (TARGET_POS - BREAK_POS)

여기서 VEL_COMMAND 는 감속 단계에서 속도 명령이고, TARGET_POS는 제어 목표 위치, CURRENT_POS는 현재 위치이고, K는 상수이고, BREAK_POS 는 등속 구간에 서 감속 구간으로 전환하는 시점에서의 용지의 위치, VEL_CONST는 등속구간의 속도이다.
제2항에 있어서.

상기 모션 생성부는 등속 구간의 종점과 감속 구간의 시점의 속도 제어 명령을 일치시켜 출력하는 화상 형성 장치.
제1항에 있어서,

상기 모션 생성부는 모터 파라미터를 이용하여 상기 속도 프로파일의 가속 구간에서 적용하는 최대 가속도를 정의하는 화상 형성 장치.
제4항에 있어서,

상기 모션 생성부는 다음의 식에 따라 최대 가속도를 정의하는 화상 형성 장치.

MAX_ACCEL = {(Kt*Im)-TI}/Jt

여기서, Kt는 모터의 토크 상수이고, Im은 모터의 최대 전류, TI은 부하 토크이고, Jt는 모터의 관성 모멘트이다.
제1항에 있어서,

상기 속도 제어기는 제어기의 게인과 부하 마찰에 의한 상수를 고려하여 모 터 모터 제어 명령을 출력하는 화상 형성 장치.
제6항에 있어서,

상기 속도 제어기는 다음 식에 따라 모터 제어 명령을 출력하는 화상 형성 장치.

U(t) = Kp{yc(t)-y(t)} + Ki∫{yc(t)-y(t)}dt - Uff

여기서, U(t)는 모터 제어 명령, Kp는 비례 게인, Ki는 적분 게인, Uff는 부하 마찰을 보상하기 위한 상수이다.
제7항에 있어서,

상기 속도 제어기는 직류 모터를 사용하는 상기 용지 이송 시스템을 1차식으로 근사화한 다음 수식 모델을 이용하여 게인과 부하 마찰의 상수를 결정하는 화상 형성 장치.

Y(s) = {Kdc/(Ts+1)}*{U(s)+d(s)}

여기서, U(s)는 시스템 입력, d(s)는 외란(disturbance), Y(s)는 속도(velocity), Kdc는 시스템의 dc 게인, T는 시정수(time constant) 이다.
제8항에 있어서,

상기 속도 제어기는 추정된 시스템의 dc 게인(Kdc)과 외란(d)을 극점 배치 기법에 적용하여 제어기의 비례 게인(Kp)과 적분 게인(Ki)을 결정하고, 추정한 외 란(d)을 상수(Uff)로 결정하는 화상 형성 장치.
인쇄 장치;

상기 인쇄 장치에 적용하며 직류 서보 모터를 이용하여 용지를 이송하기 위한 용지 이송 시스템;

상기 직류 서보 모터의 속도를 측정하는 속도 센서;

상기 용지 이송을 위한 복수 구간을 포함하는 속도 프로파일을 생성하고, 상기 속도 프로파일의 등속 구간의 종점과 감속 구간의 시점의 속도 제어 명령을 일치시켜 출력하는 모션 생성부;

상기 모션 생성부의 속도 제어 명령과 상기 속도 센서의 모터 속도를 감산하여 오차 신호를 제공하는 감산기;

상기 감산기에서 제공하는 오차 신호와 비례 게인과 적분 게인 및 부하 마찰에 의한 상수를 이용하여 모터 제어 명령을 출력하는 속도 제어기; 및

상기 속도 제어기의 모터 제어 명령에 따라 상기 용지 이송 시스템의 모터를 구동하기 위한 PWM 신호를 출력하는 PWM 드라이버를 포함하는 화상 형성 장치.
제10항에 있어서,

상기 속도 제어기는 직류 서보 모터를 사용하는 상기 용지 이송 시스템을 1차식으로 근사화한 수식 모델을 이용하여 비례 게인과 적분 게인 및 부하 마찰에 의한 상수를 튜닝하는 화상 형성 장치.