KR20090128036A - 펄스변조용 커넥터 및 모션 제어 펄스의 실시간 변조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시스템의 모션 제어를 위해 컨트롤러로부터 출력되는 펄스지령을 변조하여 상기 시스템의 진동감쇄를 달성하기 위한 펄스변조용 커넥터 및 실시간 펄스 변조방법에 관한 것으로서, 모션 제어 컨트롤러로부터 출력되는 펄스지령을 입력받기 위한 펄스입력단자와; 상기 펄스입력단자로부터 입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하는 복원모듈과; 상기 모션 제어 컨트롤러에 의해 구동되는 대상 시스템의 진동 특성값에 따른 진동상쇄 필터값이 저장된 필터모듈과; 상기 속도 프로파일과 상기 진동상쇄 필터값 간 실시간 컨볼루션(convolution)을 수행하여 변조된 속도 프로파일을 생성하고, 상기 변조된 속도 프로파일로부터 변조 펄스를 생성하는 펄스변조모듈; 및 상기 변조 펄스를 출력하는 펄스출력단자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 컨트롤러에 의해 출력되는 펄스열의 특성을 조정함으로써 상기 펄스지령으로 인한 구동 대상 시스템의 진동을 방지할 수 있다.

input shaping, 펄스(pulse), 변조(modulation)

Description

펄스변조용 커넥터 및 모션 제어 펄스의 실시간 변조방법{PULSE MODULATING CONNECTOR AND METHOD FOR REAL-TIME MODULATING MOTION CONTROL PULSE}

본 발명은 시스템의 모션 제어를 위해 컨트롤러로부터 출력되는 펄스지령을 변조하여 상기 시스템의 진동감쇄를 달성하기 위한 펄스변조용 커넥터 및 실시간 펄스 변조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 산업현장이나 사무기기 등에 적용되는 자동 구동 시스템은 정밀한 위치제어를 요하는 경우가 많다. 특히, 시스템의 구동 시 자체적으로 발생하는 진동에 대하여 효과적인 제어가 필요하다.

예를 들어, 도 1에 도시된 갠트리 시스템(Gantry System, 10)에 있어서, 이송부(11)는 구동모터(12)의 구동에 따라 아래의 가이드 레일(13)을 따라 전후 왕복운동을 한다. 가이드 레일(13)은 일반적으로 화강암 베이스인 석정반(14) 위에 고정되어 있으며, 상기 석정반(14)은 네 귀퉁이에 바닥면으로부터의 진동을 차단하기 위한 제진대(15)로 지지된다.

이 경우, 이송부(11)의 위치 내지 모션 제어를 위한 컨트롤러(controller, 도면 미도시)는 사용자의 입력으로부터 요구되는 이송부(11)의 이동 거리에 기초하 여 속도 프로파일을 생성한다.

통상적으로, 이와 같은 속도 프로파일은 도 2에 도시된 바와 같이 등가속구간(1a), 등속구간(1b) 및 등가속구간(1c)을 가지며, 이때 그래프에 의해 그려지는 면적(S)은 이송부(11)의 이동 거리에 해당하게 된다.

상기 컨트롤러는 도 2의 속도 프로파일(1)로부터 도 3의 거리 프로파일(2)을 생성하고, 이로부터 펄스지령(3)을 생성하여 명령으로 내보내게 된다.

따라서, 통상의 모션 제어 컨트롤러는 사용자의 명령으로부터 도 2 및 도 3의 과정을 거쳐 생성된 펄스(3)를 이송부(11)의 위치제어를 위한 신호로서 출력하게 된다.

구동모터(12)는 상기 펄스(3)의 입력에 의해 구동되어 이송부(11)를 이동시키게 된다.

그러나, 이상과 같은 종래의 컨트롤러 작동 방식에 의하면, 제어 대상인 시스템은 구동 시 이송부(11)의 가속력에 의한 반작용으로 가이드 레일(13)을 이동 반대 방향으로 밀게 되는데, 이때 제진대(15)는 일종의 스프링이기 때문에 가이드 레일(13)을 포함하여 석정반(14) 전체를 가진하게 되어 결국 일정 주파수 성분을 갖는 진동을 일으키게 된다는 문제 및 이에 따라 상기 시스템의 구동 과정에서 정확한 위치 제어가 이루어지지 못한다는 문제가 있었다.

이러한 문제는 호이스트 크레인이나 외팔보 형태의 직교 로봇의 구동 시에도 흔히 나타난다.

호이스트 크레인 분야는 이러한 문제점을 해결하기 위해 많은 연구가 집중된 분야인데, 이를 해결하기 위해 Input shaping이라는 기법이 개발되었으며, 일부 고가 모션 컨트롤러 업체에서 최근에 와서야 이러한 알고리즘을 탑재하여 출시하고 있는 실정이다.

그러나, 이러한 고가 모션 컨트롤러를 사용하지 않는 종래의 장치들에 적용할 수 있는 방법이 없을 뿐만 아니라, 직교 로봇이나 갠트리 고 가감속 구동시 생기는 반발력에 의한 석정반의 진동에 대해서는 최근에 와서야 문제의식을 갖게 되었을 정도이다.

본 발명의 목적은 종래의 모션 컨트롤러에 의해 출력되는 펄스지령을 변조함으로써 상기 펄스지령의 입력으로 인한 구동 대상 시스템의 진동을 방지할 수 있는 펄스변조용 커넥터 및 실시간 펄스 변조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 모션 제어 컨트롤러로부터 출력되는 펄스를 입력받기 위한 펄스입력단자와; 상기 펄스입력단자로부터 입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하는 복원모듈과; 상기 모션 제어 컨트롤러에 의해 구동되는 대상 시스템의 진동 특성값에 따른 진동상쇄 필터값이 저장된 필터모듈과; 상기 속도 프로파일과 상기 진동상쇄 필터값 간 실시간 컨볼루션(convolution)을 수행하여 변조된 속도 프로파일을 생성하고, 상기 변조된 속도 프로파일로부터 변조 펄스를 생성하는 펄스변조모듈; 및 상기 변조 펄스를 출력하는 펄스출력단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스변조용 커넥터를 제공한다.

여기서, 상기 펄스변조용 커넥터는 외부로부터 상기 대상 시스템의 진동 특성값을 입력받기 위한 필터입력부와; 입력된 진동 특성값에 기초하여 상기 진동상쇄 필터값을 생성하고 상기 필터모듈에 저장하는 마이컴을 더 포함할 수도 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 모션 제어 컨트롤러에 의해 구동되는 대상 시스템의 진동 특성값에 따른 진동상쇄 필터값을 저장하는 단계와; 상기 대상 시스템의 구동 제어를 위해 상기 모션 제어 컨트롤러로부터 출력되는 펄스 를 입력받는 단계와; 입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하는 단계와; 상기 속도 프로파일과 상기 진동상쇄 필터값 간 실시간 컨볼루션(convolution)을 수행하여 변조된 속도 프로파일을 생성하는 단계와; 상기 변조된 속도 프로파일로부터 변조 펄스를 생성하는 단계; 및 상기 변조 펄스를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 제어 펄스 변조방법을 제공한다.

여기서, 상기 모션 제어 펄스 변조방법은, 외부로부터 상기 대상 시스템의 진동 특성값을 입력받는 단계와; 입력된 진동 특성값에 기초하여 상기 진동상쇄 임필터값을 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 진동상쇄 필터값을 저장하는 단계는 상기 생성된 진동상쇄 필터값을 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 펄스변조용 커넥터 및 모션 제어 펄스의 실시간 변조방법에 의하면, 컨트롤러로부터 출력되는 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하고, 복원된 속도 프로파일을 진동상쇄 필터값과 실시간 컨볼루션을 수행하여 변조된 속도 프로파일 및 변조된 펄스를 출력하여 구동 대상인 시스템에 입력함으로써 상기 시스템의 구동 시 반발력으로 인한 진동 발생을 방지할 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 펄스변조용 커넥터에 의하면, 종래의 컨트롤러에서 출력되는 펄스로부터 출발하여 변조된 펄스를 생성하여 재출력하므로, 시스템의 구동 제어를 위한 기존의 컨트롤러를 그대로 유지한 상태에서 상기 펄스변조용 커넥터를 추가로 연결하기만 하면 되므로 진동의 발생을 방지를 위해 전체 시스템을 교체 내지 수정할 필요가 없다는 장점을 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 펄스변조용 커넥터(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부의 컨트롤러(도면 미도시)로부터 출력되는 펄스를 입력받기 위한 펄스입력단자(110), 입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하여 소정 과정을 거친 후 변조 펄스를 생성하는 제어부(120), 생성된 변조 펄스를 출력하기 위한 펄스출력단자(130)를 포함한다.

펄스입력단자(110)는 구동 대상인 시스템(도 1의 10 참조)의 제어를 위해 컨트롤러(도면 미도시)로부터 출력되는 펄스를 입력받기 위한 수단이다.

제어부(120)는 펄스입력단자(110)로부터 입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하는 복원모듈(121)을 포함한다.

복원모듈(121)은 예를 들어 도 3에 도시된 펄스(3)를 입력받은 경우, 이로부터 펄스 카운팅(pulse counting)을 수행하여 그의 원래 속도 프로파일(도 2의 1)을 역으로 계산해내는 기능을 한다.

도 5에 도시된 속도 프로파일(1')은 상기 복원모듈(121)이 도 3의 펄스(3)로부터 복원한 것으로서 도 2의 속도 프로파일(1)과 실질적으로 동일하다.

또한, 제어부(120)는 상기한 컨트롤러의 구동 대상인 시스템(도 1의 10 참조)의 고유한 진동 특성치를 반영한 진동상쇄 필터값이 저장되는 필터모듈(122)을 포함한다.

필터모듈(122)에 저장되는 진동상쇄 필터값은 도 6에 도시된 그래프 형태로 나타낼 수 있다.

도면에서, t_λ는 컨트롤러의 제어에 의해 구동되는 대상 시스템(도 1의 10 참조)의 진동감쇄 반주기로서 다음의 식 (1)에 의해 구해진다.

t_λ = 1/(2ω) ... (1)

여기서, ω는 상기 시스템의 고유진동수이다.

그리고, 도 6에서 α값은 다음의 식 (2)를 만족하도록 정해진다.

α/(1-α) = ζ ... (2)

여기서, ζ는 상기 시스템의 진동 감쇄비에 해당한다.

상기 식 (1) 및 식 (2)에서 보는 바와 같이, 필터모듈(122)에 저장되는 진동상쇄 필터값을 결정하기 위해서는 상기 시스템의 진동 특성값인 고유진동수(ω)와 진동 감쇄비(ζ)를 미리 알고 있어야 하는데, 이러한 시스템의 진동 특성값은 상기 시스템의 사전 테스트 구동에 의해 측정할 수 있다.

또한, 상기한 진동 특성값은 적용 대상인 시스템에 따라 다른 값을 갖게 되므로, 펄스변조용 커넥터(100)가 여러 시스템에 호환하여 사용될 수 있기 위해서는 필터모듈(122)에 저장되는 진동상쇄 필터값이 저장, 삭제, 수정될 필요가 있다.

물론, 같은 시스템에 적용된다 하더라도 사용환경의 변화, 시간경과 등에 따라 필터모듈(122)에 저장되는 진동상쇄 필터값이 업데이트될 수도 있다.

이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 펄스변조용 커넥터(100)는 USB단자(140)와 마이컴(150)을 더 포함하고 있는 바, USB 단자(140)로는 펄스변조용 커넥터(100)가 적용될 시스템에 대한 진동 특성값을 외부의 호스트 컴퓨터 등으로부 터 입력받을 수 있으며, 마이컴(150)을 통해서는 상기 입력받은 진동 특성값으로부터 도 6에 도시된 바와 같은 진동상쇄 필터값을 계산, 필터모듈(122)에 저장할 수 있도록 한다.

또한, 제어부(120)는 복원모듈(121)에 의해 복원된 속도 프로파일(도 5의 1')과 필터모듈(122)에 저장된 상기 시스템의 진동상쇄 필터값 간의 실시간 컨볼루션(convolution)을 수행하는 펄스변조모듈(123)을 포함한다.

인풋 셰이핑(Input shaping)이란 구동 대상인 시스템이 임펄스(impulse)의 입력으로 인해 소정 파형으로 진동하게 되는 것으로부터 출발하는 개념으로서, 소정의 임펄스를 가지는 최초 명령 입력 시 이로부터 발생하는 진동을 상쇄하기 위해 또 다른 임펄스를 가지는 명령을 상기 최초 입력된 명령과 소정 시간 간격을 두고 소정 크기로 입력시키게 되면 먼저 가해진 임펄스에 의한 진동과 나중에 가해진 임펄스에 의한 진동이 서로 상쇄되는 개념으로, 진동을 상쇄할 수 있는 임펄스 형태의 필터값을 입력 명령에 컨볼루션(Convolution) 적분하여 계산할 수 있다.

컨볼루션에 관한 관계식은 다음의 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

...(3)

도 7은 펄스변조모듈(123)에서 컨볼루션이 수행되는 과정을 설명하기 위한 그래프 관계식이다.

도면에서, 맨 좌측의 그래프는 복원모듈(121)에서 복원된 속도 프로파일(도 5의 1')이며, 중간의 그래프는 필터모듈(122)에 저장된 시스템의 진동상쇄 필터값 (도 6 참조)이다.

이들 두 그래프 간 컨볼루션을 수행할 경우 맨 우측의 그래프(4)와 같은 결과가 도출된다.

이를 기하학적으로 관찰해보면, 맨 좌측 그래프에서 속도 프로파일(1')의 면적은 거리(S'=S)에 해당하며, 이에 대해 컨볼루션을 수행할 경우 맨 우측 그래프의 S1에 대한 속도 프로파일(5)과 S2에 대한 속도 프로파일(6)로 나누어진다.

이때, S, S1, S2 사이에는 다음의 식 (4)의 관계를 만족한다.

S1 = α×S

S2 = (1-α)×S

S1/S2 = ζ

S= S1 + S2 ... (4)

따라서, 컨볼루션의 수행에 의해 변조된 속도 프로파일(4)은, 도 7의 맨 우측 그래프에서 S1의 속도 프로파일(5)과 S2의 속도 프로파일(6)의 산술합으로 나타나게 된다.

펄스변조모듈(123)은 도 7의 변조된 속도 프로파일(4)로부터 도 8의 거리 프로파일(2')을 생성하고 이로부터 변조 펄스(3')를 생성하여 펄스출력단자(130)로 보낸다.

펄스출력단자(130)는 상기 제어부(120)의 펄스변조모듈(123)로부터 생성된 변조 펄스(3')를 입력받아 이를 시스템(도 1의 10 참조)에 출력한다.

결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 펄스변조용 커넥터(100)는 컨트롤러로 부터 출력되는 기존의 펄스(도 3의 2)를 입력받아 이를 변조하여 생성된 변조 펄스(도 8의 2')가 출력되도록 한다.

변조 펄스(2')를 입력받은 시스템은 구동 시 진동 감쇄 효과를 얻을 수 있다.

펄스변조용 커넥터(100)에 의한 시스템의 진동 감쇄 효과는 도 9와 같이 도식화하여 나타낼 수 있다.

즉, 상기 시스템은 도 7의 맨 우측 그래프 중 S1의 속도 프로파일(5)의 입력으로 인해 그래프 f와 같은 진동 현상을 나타내나, 곧이어 도 7의 S2의 속도 프로파일(6)의 입력으로 인해 그래프 g와 같은 상쇄 진동이 발생함으로써 f와 g가 서로 합해져 전체적으로는 진동이 상쇄되는 효과를 얻게 되는 것으로 해석될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 모션 제어 펄스 변조 방법은 상기한 펄스변조용 커넥터(100)에 의해 수행되는 과정과 실질적으로 동일한 것으로서, 이를 단계적으로 구분하면 다음과 같다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 모션 제어 펄스 변조 방법은, 모션 제어 컨트롤러에 의해 구동되는 대상 시스템(도 1의 10 참조)의 진동 특성값에 따른 진동상쇄 펄스값을 상기한 필터모듈(122) 등에 저장하는 단계를 포함한다.

특히, 본 저장 단계에 앞서, 상기한 USB 단자(140), 마이컴(150) 등에 의해 외부의 호스트 컴퓨터 등으로부터 대상 시스템의 진동 특성값을 입력받는 단계, 입력된 고유진동수에 기초하여 상기한 식 (1) 및 식 (2)에 의해 계산되는 진동상쇄 필터값을 생성하는 단계가 추가될 수 있다.

이 경우, 본 저장 단계는 상기 추가된 단계들을 통해 생성된 진동상쇄 필터값을 저장하는 단계에 의할 수 있다.

다음 단계로서, 본 발명의 실시예에 따른 모션 제어 펄스 변조 방법은 상기 대상 시스템의 구동 제어를 위해 상기 모션 제어 컨트롤러로부터 출력되는 펄스를 입력받는 단계를 포함한다. 본 단계는 상기한 펄스 입력단자(110)를 통해 수행될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 모션 제어 펄스 변조 방법은 상기와 같이 입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 상기한 복원모듈(121) 등에 의해 복원하는 단계를 포함한다. 물론, 복원 과정은 도 3에서 도 5의 그래프를 생성하는 과정을 의미한다.

다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 모션 제어 펄스 변조 방법은, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 복원된 속도 프로파일과 상기 진동상쇄 필터값 간 컨볼루션(convolution)을 수행하여 변조된 속도 프로파일(4)을 생성하는 단계 및 상기 변조된 속도 프로파일로부터 변조 펄스(3')를 생성하는 단계를 포함한다. 이들 과정은 도 4의 펄스변조모듈(123)에 의해 달성될 수 있다.

마지막으로, 본 발명의 실시예에 따른 모션 제어 펄스 변조 방법은 상기 변조 펄스(3')를 출력하는 단계를 포함한다. 변조 펄스(3')의 출력은 상기한 펄스출력단자(130)를 통해 이루어질 수 있다.

한편, 상기한 펄스변조용 커넥터(100) 및 모션 제어 펄스 변조 방법은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예에 불과할 뿐 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범 위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위는 후술하는 특허청구범위 및 그 균등범위에 의해 정하여진다.

도 1은 본 발명에 따른 펄스변조용 커넥터가 적용되는 갠트리 시스템의 개략도,

도 2는 도 1의 갠트리 시스템의 위치제어에 이용되는 종래의 속도 프로파일을 도시한 그래프,

도 3은 도 2의 속도 프로파일에 따른 거리 프로파일과 시스템 제어를 위한 펄스를 도시한 그래프,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 펄스변조용 커넥터를 도시한 블록구성도,

도 5는 도 4의 펄스변조용 커넥터에 의해 복원된 속도 프로파일을 도시한 그래프,

도 6은 도 2의 갠트리 시스템에 대한 진동상쇄 필터값을 도시한 그래프,

도 7은 도 4의 펄스변조용 커넥터에 의해 실시간 컨볼루션이 수행되는 과정을 도시한 그래프 관계도,

도 8은 도 7의 변조된 속도 프로파일에 대한 거리 프로파일 및 변조 펄스,

도 9는 본 발명에 따른 펄스변조용 커넥터에 의할 경우의 시스템 진동감쇄 효과를 설명하기 위한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 1': 속도 프로파일 2, 2': 거리 프로파일

3, 3': 위치 제어용 펄스 4: 변조된 속도 프로파일

100: 펄스변조용 커넥터 110: 펄스입력단자

120: 제어부 121: 복원모듈

122: 필터모듈 123: 펄스변조모듈

130: 펄스출력단자 140: USB단자

150: 마이컴

Claims (4)

1. 모션 제어 컨트롤러로부터 출력되는 펄스를 입력받기 위한 펄스입력단자와;

   상기 펄스입력단자로부터 입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하는 복원모듈과;

   상기 모션 제어 컨트롤러에 의해 구동되는 대상 시스템의 진동 특성값에 따른 진동상쇄 필터값이 저장된 필터모듈과;

   상기 속도 프로파일과 상기 진동상쇄 필터값 간 실시간 컨볼루션(convolution)을 수행하여 변조된 속도 프로파일을 생성하고, 상기 변조된 속도 프로파일로부터 변조 펄스를 생성하는 펄스변조모듈; 및

   상기 변조 펄스를 출력하는 펄스출력단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스변조용 커넥터.
2. 제1항에 있어서,

   외부로부터 상기 대상 시스템의 진동 특성값을 입력받기 위한 필터입력부와;

   입력된 진동 특성값에 기초하여 상기 진동상쇄 필터값을 생성하고 상기 필터모듈에 저장하는 마이컴을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스변조용 커넥터.
3. 모션 제어 컨트롤러에 의해 구동되는 대상 시스템의 진동 특성값에 따른 진동상쇄 필터값을 저장하는 단계와;

   상기 대상 시스템의 구동 제어를 위해 상기 모션 제어 컨트롤러로부터 출력되는 펄스를 입력받는 단계와;

   입력된 펄스로부터 속도 프로파일을 복원하는 단계와;

   상기 속도 프로파일과 상기 진동상쇄 필터값 간 실시간 컨볼루션(convolution)을 수행하여 변조된 속도 프로파일을 생성하는 단계와;

   상기 변조된 속도 프로파일로부터 변조 펄스를 생성하는 단계; 및

   상기 변조 펄스를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 제어 펄스 변조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 모션 제어 펄스 변조방법은,

   외부로부터 상기 대상 시스템의 진동 특성값을 입력받는 단계와;

   입력된 진동 특성값에 기초하여 상기 진동상쇄 필터값을 생성하는 단계를 더 포함하고,

   상기 진동상쇄 임펄스값을 저장하는 단계는, 상기 생성된 진동상쇄 필터값을 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모션 제어 펄스 변조방법.

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