KR20090021894A - 다축 모션 제어 회로 및 장치 - Google Patents

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Abstract

다축 모션 제어 회로 및 장치가 개시된다. 다축 모션 제어 회로는 호스트 컴퓨터로부터 다축 모션 시스템의 제어 명령을 수신하고 상기 제어 명령에 상응하는 응답을 출력하는 외부 인터페이스 모듈; 하나 이상의 보간방법을 이용하여 다축 보간을 수행하는 보간 모듈; 다축 모션 시스템의 단말장치(End Effector)를 주어진 위치로 이동 시키기 위한 역 키네메틱스 계산을 수행하는 역 키네메틱스 계산 모듈; 속도 파형을 생성하여 출력하는 펄스 적분 모듈로 출력하는 속도 파형 생성 모듈; 매 샘플링 시간마다 발생한 펄스를 누적하여 PID 제어 모듈로 출력하는 펄스 적분 모듈; 모터의 회전 방향과 위치 정보를 생성하여 PID 제어 모듈로 출력하는 피드백 카운터 모듈; 데이터 변환 모듈로 상기 모터의 위치 제어 신호를 출력하는 PID 제어 모듈; 상기 모터의 입력 특성에 상응하도록 출력 데이터를 변환하는 데이터 변환 모듈; 및 상기 모듈 중 하나 이상으로 클럭을 생성하여 출력하는 클럭 발생 모듈을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 다축 제어 회로 및 장치는 다축 모션 시스템을 빠르고 정확하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
다축 모션, 다축 로봇, 자동화 시스템

Description

다축 모션 제어 회로 및 장치{Circuit and apparatus for controlling multi-axis motion}
본 발명은 다축 모션 제어 회로 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다축 모션 시스템을 효율적으로 제어하기 위한 단일 칩(Chip)으로 구현된 다축 모션 제어 회로 및 이를 이용한 다축 모션 제어 장치에 관한 것이다.
다축 모션 제어 시스템은 로봇, CNC(Computer Numerical Control) 머신, 조립 머신, 자동화 시스템과 같은 다축 모션 시스템의 모션을 제어하는 역할을 수행한다.
종래에는 다축 모션 제어 시스템을 구현하기 위해 DSP(Digital Signal Processor)나 마이크로 프로세서를 기반으로 한 모션 제어기가 사용되었다. 이러한 모션 제어기는 소프트웨어 모션 라이브러리와 메모리 또는 인터페이스의 추가적인 회로를 필요로 한다. 다축 모션 제어 시스템은 산업용 로봇이나 자동화 시스템에서 요구되는 복잡한 작업을 빠르고 정확하게 수행하기 위하여 속도파형 발생(Velocity Profile Generation), 보간(Interpolation), 역 키네메틱스(Inverse Kinematics), PID 제어 모듈(Proportional-Integral-Derivative controller) 등의 많은 기능을 필요로 한다. 이러한 기능들에 대한 일반적인 계산 능력의 접근 방법은 많은 어려움을 갖는다. 예를 들어, 복잡한 곱셈, 나눗셈, 삼각함수의 계산이 반복적으로 연산되어야 한다. 요구되는 정확성과 속도를 충족시키기 위해서는 일반적으로 소수점 연산의 프로세서와 충분한 폭을 갖는 데이터 패스가 필요하다. 이러한 점은 복잡한 하드웨어 디자인, 큰 시스템의 크기, 비싼 가격, 높은 전력 소모를 발생시키는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 단일 칩(Chip)으로 구현된 다축 모션 제어 회로를 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단일 칩으로 구현된 다축 모션 제어 회로를 이용한 다축 모션 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다축 모션 제어 회로는 호스트 컴퓨터로부터 다축 모션 시스템의 제어 명령을 수신하고 상기 제어 명령에 상응하는 응답을 출력하는 외부 인터페이스 모듈; 하나 이상의 보간방법을 이용하여 다축 보간을 수행하는 보간 모듈; 다축 모션 시스템의 단말장치(End Effector)를 주어진 위치로 이동 시키기 위한 역 키네메틱스 계산을 수행하는 역 키네메틱스 계산 모듈; 속도 파형을 생성하여 출력하는 펄스 적분 모듈로 출력하는 속도 파형 생성 모듈; 매 샘플링 시간마다 발생한 펄스를 누적하여 PID 제어 모듈로 출력하는 펄스 적분 모듈; 모터의 회전 방향과 위치 정보를 생성하여 PID 제어 모듈로 출력하는 피드백 카운터 모듈; 데이터 변환 모듈로 상기 모터의 위치 제어 신호를 출력하는 PID 제어 모듈; 상기 모터의 입력 특성에 상응하도록 출력 데이터를 변환하는 데이터 변환 모듈; 및 상기 모듈 중 하나 이상으로 클럭을 생성하여 출력하는 클럭 발생 모듈을 포함할 수 있다.
상기 모터의 위치 제어는 PID 제어 알고리즘에 의해 수행될 수 있다.
상기 보간 방법은 직선보간, 원호보간, 원보간 및 스플라인보간 중 하나 이상일 수 있다.
피드백 카운터 모듈은 엔코더로부터 입력되는 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 디지털 지연 필터를 포함할 수 있다.
상기 디지털 지연 필터는 4 채배 방식이 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다축 모션 제어 회로를 포함하여 다축 모션 시스템의 제어 기능을 제공하는 다축 모션 제어 장치가 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 다축 제어 회로 및 장치는 다축 모션 시스템을 빠르고 정확하게 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 다축 제어 회로 및 장치는 하드웨어적으로 쉽게 구현할 수 있기 때문에 산업용 로봇, CNC 머신, 조립 머신, 자동화 시스템 등에 적용하기 용이한 효과가 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항 목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 모션 제어 회로의 구성 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 적분 모듈에 적용된 디지털 미분 분석기의 내구성을 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 다축 모션 제어 회로(100)는 외부 인터페이스 모듈(External Interface, 110), 보간 모듈(Interpolator, 120), 역 키네메틱스 계산 모듈(Inverse Kinematic Calculator, 130), 클럭 발생 모듈(Clock Generator, 140), 속도 파형 생성 모듈(Velocity Profile Generator, 150), 펄스 적분 모듈(Pulse Integrator, 160), 피드백 카운터 모듈(Feedback Counter, 170), PID 제어 모듈(PID Controller, 180) 및 데이터 변환 모듈(Data Converter, 190)을 포함할 수 있다. 이때, 다축 모션 제어 회로(100)는 단일 칩 형태로 구현될 수 있다.
외부 인터페이스 모듈(110)은 호스트 컴퓨터(10)로부터 명령을 입력 받거나 이에 상응하는 응답을 호스트 컴퓨터(10)로 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 외부 인터페이스 모듈(110)은 호트스 컴퓨터(10)로부터 입력된 명령을 이를 필요로 하는 부분(예를 들어, 보간 모듈(120), 속도 파형 생성 모듈(150), PID 제어 모듈 (180) 등)으로 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, PID 제어 모듈(180)은 PID 제어 모듈(180)로부터 제어 메시지를 입력 받을 수 있다.
보간 모듈(120)은 다축 모션을 다양한 보간법을 이용하여 보간 기능을 수행할 수 있다. 이때, 보간 모듈(120)은 직선보간(Linear Interpolation), 원호보간(Arc Interpolation), 원보간(Circular Interpolation), 스플라인보간(Spline Interpolation) 기능을 수행할 수 있다. 또한, 보간 모듈(120)은 보간법과 각 보간법에서 요구되는 경유하는 점의 위치에 대한 좌표값이나 원의 반지름 값을 입력받아서 각 보간법에 따른 경로의 모든 점의 좌표값을 역 키네메틱스 계산 모듈(130)로 출력할 수 있다.
역 키네메틱스 계산 모듈(130)은 다축 모션 시스템의 단말장치(End Effector)를 주어진 위치로 이동 시키기 위하여 각 축(axis)의 각도를 계산하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 역 키네메틱스 계산 모듈(130)은 다축 모션 시스템의 단말장치를 이동을 원하는 위치의 좌표값(x,y)과 다축 모션 시스템의 각 축에 해당하는 각 링크(Link)의 길이 정보를 입력받아 각 축의 각도를 계산하여 펄스 적분 모듈로 출력할 수 있다.
클럭 발생 모듈(140)은 회로의 각 모듈에서 필요로 하는 클럭를 생성하여 각 모듈로 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 즉, 도 1에서 도시된 바와 같이, 클럭 발생 모듈(140)은 속도 파형 생성 모듈(150)에서 필요로 하는 클럭을 생성하여, 생성된 클럭을 속도 파형 생성 모듈(150)로 출력할 수 있다. 다만, 도 1에서는 설명의 편의를 위해 클럭 발생 모듈이 생성한 클럭은 외부 인터페이스 모듈(110)과 속도 파형 생성 모듈(150)로만 전송하는 것으로 표시하였으나, 클럭 발생 모듈(140)은 다축 모션 제어 회로(100)의 모든 구성 요소로 생성한 클럭을 출력할 수 있다.
속도 파형 생성 모듈(150)은 임의의(arbitrary) 형태의 속도 파형(예를 들어, 사다리꼴(Trapezoidal), S커브(S-curve), 싸인파형(Sinusoidal), 비대칭형(Asymmetric) 등)을 생성하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 속도 파형 생성 모듈(150)은 필요로 하는 속도 파형의 정보와 이동 거리, 최대 속도의 정보를 입력 받아서 최적의 속도 파형을 생성하여 샘플링 시간에 따른 펄스(pulse)와 회전 방향을 펄스 적분 모듈(160)로 출력할 수 있다.
펄스 적분 모듈(160)은 매 샘플링 시간마다 발생한 펄스를 누적하여 PID 제어 모듈 (180)로 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 펄스 적분 모듈(160)은 해당 샘플링 시간에서 속도 파형에 해당하는 펄스 수와 모터(30)의 회전 방향으로 적분 연산을 수행한다. 여기서, 펄스 적분 모듈(160)은 모터(30)의 회전 방향이 정방향이면 펄스를 누적하고 모터(30)의 회전 방향이 역방향이면 펄스를 차감한다. 또한, 펄스 적분 모듈(160)은 널리 알려지고 사용되는 디지털 미분 분석기(Digital Differential Analyzer, 200)의 기능을 수행할 수 있다. 도 2를 참조하면, 디지털 미분 분석기(200)는 펄스를 래치(latch)하고 있는 레지스터(210), 매 클럭마다 덧셈을 수행하는 덧셈기(220) 및 더해진 펄스를 누적하는 누산기(220)로 구성될 수 있다. 이때, 누산기(220)에서 오버플로어가 발생하여 매 샘플링 시간동안 균등하게 펄스를 출력 할 수 있다.
피드백 카운터 모듈(170)은 모터(30)의 회전 방향과 위치 정보를 생성하여 PID 제어 모듈(180)로 출력하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 피드백 카운터 모 듈(170)은 모터(30)의 현재 위치 정보를 획득하기 위해 모터(30)와 결합된 엔코더(20)로부터 복수의 상(phase) 정보를 입력 받을 수 있다. 여기서, 엔코터(20)로부터 입력되는 정보(즉, 입력되는 신호)는 잡음을 포함할 수 있으며, 이를 제거하기 위해 디지털 지연 필터(Digital delay filter, 300)가 적용될 수 있으며, 4 채배의 방법으로 정밀도를 높일 수 있다. 이에 대한 상세한 사항은 도 3를 통해 설명하기로 한다.
PID 제어 모듈(180)은 모터(30)의 위치를 제어하는 기능을 수행할 수 있다. 이때, 모터(30)의 위치 제어는 PID 제어 알고리즘이 사용될 수 있다. PID 이득 값은 외부 인터페이스 모듈(110)을 통해서 호스트 컴퓨터(10)로부터 입력 받을 수 있다. 또는, PID 이득 값은 자동 조정(Auto Turning)을 통해서 획득될 수 있다. 여기서, 비례 이득을 증가 시키면 응답 시간은 감소하지만 과도 응답이 증가한다. 또한, 적분 이득을 증가 시키면 에러는 제거 되지만 과도 응답이 증가한다. 또한, 미분 이득의 증가는 과도 응답을 감소시키나 응답 시간의 증가를 초래한다.
데이터 변환 모듈(190)은 모터(30)의 입력 특성에 맞도록 출력 데이터를 변환하는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 데이터 변환 모듈(190)은 스텝 모터(Step Motor)를 위한 2채널(예를 들어, 펄스 및 방향) 출력, 아날로그 AC 서보 모터를 위한 전압 출력, 디지털 서보 모터 또는 DC 모터를 위한 PWM 출력을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔코더 신호의 잡음을 제거하기 위한 디지털 지연 필터(Digital Delay Filter)의 구성을 나타낸 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔코더(20)는 피드백 카운터 모듈(170)로 상 정보를 전송하는 기능을 수행할 수 있다. 엔코터(20)로부터 입력되는 정보(즉, 입력되는 신호)는 잡음을 포함할 수 있으며, 이를 제거하기 위해 디지털 지연 필터(Digital delay filter, 300)가 적용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 디지털 지연 필터 (300)는 각 상마다 4개의 D 플립플롭 (320)과 3분의 2 보팅 (330)으로 구성될 수 있다. 이때, 상 1의 잡음을 갖는 신호(310)는 디지털 지연 필터(300)로 입력될 수 있으며, 출력되는 신호(340)는 잡음이 제거된 상태일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 모션 제어 장치를 이용한 다축 모션 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 일 예이다.
도 4을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 모션 제어 시스템은 호스트 컴퓨터(10), 다축 모션 제어 장치(420), 모터 서보(430) 및 다축 모션 시스템을 포함할 수 있다. 이때, 다축 모션 시스템은 다축 모션 시스템의 일 실시예인 다축 로봇(440)일 수 있다. 또한, 다축 모션 제어 장치(420)는 도 1을 통해 설명된 다축 모션 제어 회로를 이용하여 구현될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다축 모션 제어 장치(420)는 호스트 컴퓨터(10)로부터 제어 명령을 수신하여 모터 서보(430)를 제어할 수 있다. 이때, 모터 서보(430)는 다축 로봇(440)이 포함하는 모터(30)를 구동 시킬 수 있으며, 다축 로봇(440)은 모터(30)의 동작에 상응하는 모션을 수행하게 된다. 본 발명에 따른 다축 제어 모션 제어 장치(420)는 다축 모션 제어 회 로(100)를 이용하여 하드웨어적으로 쉽게 구현할 수 있기 때문에 산업용 로봇, CNC 머신, 조립 머신, 자동화 시스템 등에 적용하기 용이한 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 모션 제어 회로의 구성 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 적분 모듈에 적용된 디지털 미분 분석기의 내구성을 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔코더 신호의 잡음을 제거하기 위한 디지털 지연 필터(Digital Delay Filter)의 구성을 나타낸 블록도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다축 모션 제어 장치를 이용한 다축 모션 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 일 예.

Claims (6)

  1. 호스트 컴퓨터로부터 다축 모션 시스템의 제어 명령을 수신하고 상기 제어 명령에 상응하는 응답을 출력하는 외부 인터페이스 모듈;
    하나 이상의 보간방법을 이용하여 다축 보간을 수행하는 보간 모듈;
    다축 모션 시스템의 단말장치(End Effector)를 주어진 위치로 이동 시키기 위한 역 키네메틱스 계산을 수행하는 역 키네메틱스 계산 모듈;
    속도 파형을 생성하여 출력하는 펄스 적분 모듈로 출력하는 속도 파형 생성 모듈;
    매 샘플링 시간마다 발생한 펄스를 누적하여 PID 제어 모듈로 출력하는 펄스 적분 모듈;
    모터의 회전 방향과 위치 정보를 생성하여 PID 제어 모듈로 출력하는 피드백 카운터 모듈;
    데이터 변환 모듈로 상기 모터의 위치 제어 신호를 출력하는 PID 제어 모듈;
    상기 모터의 입력 특성에 상응하도록 출력 데이터를 변환하는 데이터 변환 모듈; 및
    상기 모듈 중 하나 이상으로 클럭을 생성하여 출력하는 클럭 발생 모듈을 포함하는 다축 모션 제어 회로.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터의 위치 제어는 PID 제어 알고리즘에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 다축 모션 제어 회로.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보간 방법은 직선보간, 원호보간, 원보간 및 스플라인보간 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 다축 모션 제어 회로.
  4. 청구항 1에 있어서,
    피드백 카운터 모듈은 엔코더로부터 입력되는 신호에 포함된 잡음을 제거하기 위한 디지털 지연 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다축 모션 제어 회로.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 디지털 지연 필터는 4 채배 방식이 적용되는 것을 특징으로 하는 다축 모션 제어 회로.
  6. 청구항 1에 기재된 다축 모션 제어 회로를 포함하여 다축 모션 시스템의 제어 기능을 제공하는 다축 모션 제어 장치.
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