KR20110087171A

KR20110087171A - 모터 제어장치 및 모터 제어 방법

Info

Publication number: KR20110087171A
Application number: KR1020100006682A
Authority: KR
Inventors: 이기문; 홍용준; 안치건; 박대형
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2011-08-02
Also published as: KR101689793B1; US20110181223A1; US8614558B2

Abstract

모터에 의해 구동되는 피구동체의 동역학에 근거하여 모터의 현재 토크를 추정하고, 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은지를 판단하고, 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은 경우, 미리 설정된 토크값으로부터 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일을 보상하고, 보상된 속도 프로파일을 이용하여 모터를 구동하는 것을 포함함으로써 속도 프로파일을 실시간으로 보상할 수 있어 모터의 탈조를 방지하면서도 모터의 속도를 높일 수 있는 모터 제어장치 및 모터 제어방법을 개시한다.

Description

모터 제어장치 및 모터 제어 방법{MOTOR CONTROL APPARATUS AND CONTROL METHOD THE SAME}

본 발명은 모터 제어장치 및 모터 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일에 따라 모터의 속도를 제어하는 모터 제어장치 및 모터 제어 방법에 관한 것이다.

로봇의 움직임을 제어하는 로봇제어기는 사용자로부터 입력된 목표위치, 속도, 가속시간, 감속시간 등의 정보에 따라 매 제어주기마다 로봇 관절에 마련된 모터의 위치, 속도, 가속도 제어를 수행한다.

여기서, 로봇 관절의 모터는 속도 프로파일(velocity profile)에 따라 구동된다.

모터를 구동하기 위한 속도 프로파일은 속도구간이 가속구간, 등속구간, 감속구간으로 구분되어 있다. 속도 프로파일은 모터를 구동하는 데 영향을 주는 모터의 위치, 속도, 가속시간 및 감속시간으로부터 다항식 형태로 정의된다.

모터는 이렇게 정의된 속도 프로파일을 추종하여 구동된다. 그리고, 모터가 구동하는 동안 속도 프로파일은 변경되지 않는다.

속도 프로파일은 사용자로부터 입력받은 위치, 속도, 감속시간, 가속시간 등의 파라미터를 기준으로 생성된다.

모터 속도의 경우 통상 모터의 NT-커브라는 불리는 속도(N)-토크(T) 곡선과 같이 고속 영역으로 갈수록 모터가 낼 수 있는 허용토크가 작아지는 경향을 가지기 때문에 전 속도 영역 내에서 모터를 안정적으로 사용하기 위해서는 정격속도 내에서 움직이거나 고속으로 구동하는 경우 작은 토크만을 내도록 부하를 조정해야 한다.

하지만 로봇은 이동 가능한 모든 동작영역 내에서 안정적으로 움직일 수 있는 신뢰성이 보장되어야 하고 특히 특이점이나 관성이 커서 높은 토크를 요구하는 구간과 같은 악조건에 대해서도 동일한 신뢰성이 보장될 수 있도록 모션 관련 파라미터인 속도, 가속도 등을 설정해야 한다.

이중 가장 일반적인 방식이 최고 속도를 모터의 정격속도에 맞추고 그 속도를 기준으로 하여 속도 프로파일을 생성하고 이상의 영역은 배제하는 방식이다.

이런 조건하에서 모터를 사용하는 경우 전속도 영역에서 모터는 항상 자신의 최대 토크를 낼 수 있으므로 기구설계가 편하고 제어도 편하다는 장점을 가진다. 또 한편으로는 정격속도부터 최대속도 영역까지의 마진이 있기 때문에 특이점과 같이 예기치 못하게 속도가 급격하게 올라가는 영역도 커버가 가능하기 때문에 상당한 신뢰성을 보장한다.

하지만 보통의 경우는 정격속도 이상의 영역을 사용하지 않기 때문에 모터 속도의 효율성 측면에서는 상당한 단점을 가지고 있다.

본 발명의 일 측면은 모터의 탈조를 방지하면서 모터의 속도를 높이도록 모터에 의해 구동되는 피구동체의 동역학모델로부터 추정된 모터의 현재 토크를 이용하여 속도 프로파일을 실시간으로 보상하는 모터 제어장치 및 모터 제어방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 일 측면에 따른 모터 제어방법은 모터에 의해 구동되는 피구동체의 동역학에 근거하여 상기 모터의 현재 토크를 추정하고, 상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은지를 판단하고, 상기 추정된 토크값이 상기 미리 설정된 토크값보다 높은 경우, 상기 미리 설정된 토크값으로부터 상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일을 보상하고, 상기 보상된 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 포함한다.

또한, 상기 모터의 토크를 추정하는 단계에서 상기 모터의 토크(

)는 다음의 식 [1]에 의해 산출되는 것을 포함한다.

식 [1]

여기서,

는 토크,

는 위치,

는 속도,

는 가속도,

는 상기 모터와 피구동체의 관성 모멘트 합,

는 코리올리스 힘과 원심력의 합,

는 중력이다.

또한, 상기 추정된 토크값이 상기 미리 설정된 토크값보다 높은지를 판단하는 단계에서 상기 미리 설정된 값은 상기 모터의 속도(N)와 토크(T)의 관계를 나타내는 NT-커브 상에서 상기 토크값을 추정할 때 사용된 속도값에 대응하는 토크값인 것을 포함한다.

또한, 상기 속도 프로파일을 보상하는 단계에서 상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일은 이전 제어주기에서 상기 모터를 구동하는 데 사용된 이전 속도 프로파일 혹은 사용자로부터 입력된 목표위치, 목표속도, 목표가속시간 및 목표감속시간으로부터 생성된 속도 프로파일 중 어느 하나인 것을 포함한다.

또한, 상기 속도 프로파일을 보상하는 단계는, 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 모터의 가속도를 산출하고, 상기 산출된 가속도에 따라 상기 모터의 속도를 산출하고, 상기 산출된 속도를 이용하여 상기 속도 프로파일을 보상하는 것을 포함한다.

또한, 상기 모터의 가속도를 산출하는 단계에서 상기 모터의 가속도(

)는 다음의 식 [2}에 의해 산출되고, 상기 모터의 속도(

)는 다음의 식 [3]에 의해 산출되는 것을 포함한다.

식 [2]

식 [3]

여기서,

는 상기 미리 설정된 토크,

는 위치,

는 속도,

는 가속도,

는 상기 모터와 피구동체의 관성 모멘트의 합,

는 코리올리스 힘과 원심력의 합,

는 중력,

는 이전 속도이다.

또한, 상기 모터의 토크를 추정하는 단계에서 상기 모터의 토크를 매 제어주기마다 추정하는 것을 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 모터 제어방법은 피구동체에 마련된 모터의 이전의 위치, 속도 및 가속도를 입력받고, 상기 입력된 정보에 따라 상기 피구동체의 동역학을 이용하여 상기 모터의 현재 토크를 추정하고, 상기 추정된 모터의 토크값에 따라 서로 다른 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동시키는 것을 포함한다.

또한, 상기 모터를 구동시키는 단계는, 상기 추정된 모터의 토크값과 상기 미리 설정된 토크값을 비교하고, 상기 비교결과 상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높지 않는 경우, 이전의 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동시키고, 상기 추정된 토크값이 상기 미리 설정된 토크값보다 높은 경우, 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 속도 프로파일을 보상한 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동시키는 것을 포함한다.

또한, 상기 보상한 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동하는 단계는, 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 모터의 가속도를 산출하고, 상기 산출된 가속도에 따라 상기 모터의 속도를 산출하고, 상기 산출된 속도를 이용하여 상기 속도 프로파일을 보상하는 것을 포함한다.

)는 다음의 식 [2}에 의해 산출되고, 상기 모터의 속도(

)는 다음의 식 [3]에 의해 산출되는 것을 포함한다.

식 [2]

식 [3]

여기서,

는 상기 미리 설정된 토크,

는 위치,

는 속도,

는 가속도,

는 상기 모터와 피구동체의 관성 모멘트의 합,

는 코리올리스 힘과 원심력의 합,

는 중력,

는 이전 속도이다.

또한, 상기 모터를 구동시키는 단계에서 상기 미리 설정된 토크값은 상기 모터의 속도(N)와 토크(T)의 관계를 나타내는 NT-커브 상에서 상기 토크값을 추정할 때 사용된 속도값에 대응하는 토크값인 것을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 모터 제어장치는 모터에 의해 구동되는 피구동체의 동역학을 이용하여 상기 모터의 현재 토크를 추정하는 토크추정부와, 상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일을 보상하는 속도 프로파일 보상부와, 상기 모터를 구동시키는 모터구동부와, 상기 토크추정부를 통해 상기 모터의 토크를 추정하고, 상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은지를 판단하고, 상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은 경우, 상기 속도 프로파일 보상부를 통해 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 속도 프로파일을 보상하고, 상기 모터구동부를 통해 상기 보상된 속도 프로파일에 따라 상기 모터를 구동시키는 모터제어부를 포함한다.

또한, 상기 모터제어부는 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 모터의 가속도를 산출하고, 상기 산출된 가속도에 따라 상기 모터의 속도를 산출하고, 상기 산출된 속도를 이용하여 상기 속도 프로파일을 보상하는 것을 포함한다.

또한, 상기 미리 설정된 토크값은 상기 모터의 속도(N)와 토크(T)의 관계를 나타내는 미리 설정된 NT-커브 상에서 상기 토크를 추정하는데 속도에 대응하는 토크값인 것을 포함한다.

또한, 상기 모터제어부는 상기 토크추정부를 통해 상기 모터의 토크를 매 제어주기마다 추정하는 것을 포함한다.

또한, 상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일은 이전 제어주기에서 상기 모터를 구동하는 데 사용된 이전 속도 프로파일 혹은 사용자로부터 입력된 목표위치, 목표속도, 목표가속시간 및 목표감속시간으로부터 생성된 속도 프로파일 중 어느 하나인 것을 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 측면에 따르면, 모터에 의해 구동되는 피구동체의 동역학모델로부터 추정된 모터의 현재 토크를 사용하여 모터를 구동하는 속도 프로파일을 실시간으로 보상하므로, 모터의 탈조를 방지하면서도 모터를 모터가 낼 수 있는 최대 속도로 구동할 수 있어 모터 속도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치가 적용되는 로봇의 외관도이다.
도 2는 도 1에 도시된 로봇의 주요 관절 구조를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치의 제어블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치에서 사용자로부터 입력된 정보에 따라 생성된 속도 프로파일을 보인 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치에서 속도-토크 곡선의 확장전후의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치에서 보상된 속도 프로파일을 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어방법을 설명하기 위한 제어흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

이하에서는 설명의 편의상 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치가 적용되는 피구동체가 모터에 의해 구동되는 로봇관절을 가진 휴머노이드 로봇인 것에 대하여 설명한다. 피구동체는 휴머노이드 로봇 외에도 산업용 로봇에도 적용 가능하며, 로봇 외에도 모터에 의해 구동되는 다른 대상체도 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치가 적용되는 로봇의 외관을 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 로봇(100)은 인간과 마찬가지로 두 개의 다리(110)에 의해 직립 이동하는 이족 보행 로봇으로, 몸통(102), 머리(104), 팔(106)로 이루어진 상체(101)와, 두 개의 다리(110)로 이루어진 하체(103)를 가진다.

로봇(100)의 상체(101)는 몸통(102)과, 몸통(102)의 상부에 목(120)을 통해 연결된 머리(104)와, 몸통(102)의 상부 양측에 어깨(114L, 114R)를 통해 연결된 두 개의 팔(106L, 106R)과, 이 두 개의 팔(106L, 106R)의 말단에 각각 연결된 손(108L, 108R)으로 이루어진다.

로봇(100)의 하체(103)는 상체(101)의 몸통(102) 하부 양측에 연결된 두 개의 다리(110L, 110R)와, 두 개의 다리(110L, 110R) 말단에 각각 연결된 발(112L, 112R)로 +이루어진다.

참조 부호에서, "R"과 "L"는 각각 로봇(100)의 오른쪽(right)과 왼쪽(left)을 나타내고, COG(Center Of Gravity)는 로봇(100)의 무게 중심을 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시된 로봇의 주요 관절 구조를 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 로봇(100)의 몸통(102)에는 포즈 센서(pose sensor; 14)가 설치된다. 포즈 센서(14)는 연직축에 대한 상체(101)의 기울기인 경사 각도와 그 각속도를 검출하여 자세 정보를 발생시킨다.

몸통(102)에는 상체(101)가 회전할 수 있도록 요우 방향의 1 자유도를 가지는 허리 관절부(15)가 설치된다.

또한, 로봇(100)의 머리(104)에는 주위를 촬영하는 카메라(41)와, 사용자 음성을 입력하는 마이크로폰(42)이 설치된다.

머리(104)는 목 관절부(280)를 통해 상체(101)의 몸통(102)과 연결된다. 목 관절부(280)는 요우 방향(yaw, Z축 회전)의 회전 관절(281)과, 피치 방향(pitch, Y축 회전)의 회전 관절(282) 및 롤 방향(roll, X축 회전)의 회전 관절(283)을 포함하여 3 자유도를 가진다.

목 관절부(280)의 각각의 회전 관절(281, 282, 283)에는 머리(104)의 회전을 위한 모터들이 연결된다.

로봇(100)의 두 개의 팔(106L, 106R)은 각각 상박 링크(31), 하박 링크(32) 및 손(33)을 가진다.

상박 링크(31)는 어깨 관절부(250L, 250R)를 통해 상체(101)에 연결되고, 상박 링크(31)와 하박 링크(32)는 팔꿈치 관절부(260)를 통해 서로 연결되며, 하박 링크(32)와 손(33)은 손목 관절부(270)를 통해 서로 연결된다.

어깨 관절부(250L, 250R)는 상체(101)의 몸통(102)의 양측에 설치되어 두 개의 팔(106L, 106R)을 상체(101)의 몸통(102)에 연결한다.

팔꿈치 관절부(260)는 피치 방향의 회전 관절(261)과, 요우 방향의 회전 관절(262)를 포함하여 2 자유도를 가진다.

손목 관절부(270)는 피치 방향의 회전 관절(271)과, 롤 방향의 회전 관절(272)을 포함하여 2 자유도를 가진다.

손(33)에는 5개의 손가락(33a)이 설치된다. 각각의 손(33a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(33a)은 팔(106)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.

그리고, 로봇(100)의 두 개의 다리(110L, 110R)는 각각 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22), 발(112L, 112R)을 가진다.

대퇴 링크(21)는 힙 관절부(210)를 통해 상체(101)의 몸통(102)에 연결되고, 대퇴 링크(21)와 하퇴 링크(22)는 무릎 관절부(220)를 통해 서로 연결되며, 하퇴 링크(22)와 발(112L, 112R)은 발목 관절부(230)를 통해 서로 연결된다.

힙 관절부(210)는 요우 방향(yaw, Z축 주위의 회전)의 회전 관절(211)과, 피치 방향(pitch, Y축 주위의 회전)의 회전 관절(212)과, 롤 방향(roll, X축 주위의 회전)의 회전 관절(213)을 포함하여 3 자유도를 가진다.

무릎 관절부(220)는 피치 방향의 회전 관절(221)을 포함하여 1 자유도를 가진다.

발목 관절부(230)는 피치 방향의 회전 관절(231; 발목 피치 조인트)과, 롤 방향의 회전 관절(232; 발목 롤 조인트)을 포함하여 2 자유도를 가진다.

두 개의 다리(110L, 110R) 각각에는 힙 관절부(210), 무릎 관절부(220), 발목 관절부(230)에 대해 6개의 회전 관절이 마련되므로, 두 개의 다리(110L, 110R) 전체에 대해서는 12개의 회전 관절이 마련된다.

한편, 두 개의 다리(110L, 110R)에서 발(112L, 112R)과 발목 관절부(230)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor; 24)가 각각 설치된다. F/T 센서(24)는 발(112L, 112R)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(112L, 112R)의 착지 여부 및 발(112L, 112R)에 가해지는 하중을 검출한다.

도면에 도시되어 있지 않지만, 로봇(100)에는 각 회전 관절을 구동하는 모터가 설치된다. 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는 이 모터를 적절히 제어함으로써 로봇(100)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치의 제어블록을 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는 입력부(300), 모터제어부(310), 속도 프로파일 생성부(320), 토크추정부(330), 속도 프로파일 보상부(340), 모터구동부(350)를 포함한다.

전반적인 제어를 수행하는 모터제어부(310)에는 입력부(300)가 전기적으로 연결된다. 입력부(300)는 사용자로부터 속도 프로파일의 생성을 위한 속도 프로파일 생성정보를 입력받는다.

속도 프로파일 생성정보는 모터(360)의 위치, 속도, 가속시간 및 감속시간을 포함한다. 또한, 속도 프로파일 생성정보는 가속시간과 감속시간 대신에 가속도와 감속도를 포함할 수도 있다.

속도 프로파일이란 모터를 구동하기 위하여 매 제어주기마다 이동해야 하는 모터의 이동량을 나타내는 것으로써 모터는 이 값을 적분하여 매 제어주기마다 자신의 이동위치를 지령받아 구동된다. 즉, 속도 프로파일은 로봇 관절이 시작위치에서 목표위치까지 이동하기 위한 모터의 일련의 시간별 속도값을 나타낸다.

또한, 모터제어부(310)에는 속도 프로파일 생성부(320), 토크추정부(330), 속도 프로파일 보상부(340) 및 모터구동부(350)가 전기적으로 연결된다.

속도 프로파일 생성부(320)는 모터제어부(310)의 제어신호에 따라 입력부(300)를 통해 입력된 모터(360)의 위치, 속도, 가속시간, 감속시간 등으로부터 속도 프로파일을 생성한다.

토크추정부(330)는 모터제어부(310)의 제어신호에 따라 모터(360)에 의해 구동되는 로봇의 동역학모델을 이용하여 모터(360)의 현재 토크를 추정한다.

로봇의 동역학모델을 이용한 모터(360)의 현재 토크(

)는 다음의 식 [1]과 같이 나타낼 수 있다.

식 [1]

여기서,

는 모터의 토크,

는 모터의 위치,

는 모터의 속도,

는 모터의 가속도,

는 모터와 로봇 관절의 관성 모멘트 합,

는 코리올리스 힘과 원심력의 합,

는 중력이다.

각각의 항은 가속도, 속도, 위치에 따른 토크의 량을 나타내고 있으며 추가로 마찰력 등의 항목이 고려될 수 있다.

속도 프로파일 보상부(340)는 모터제어부(310)의 제어신호에 따라 로봇의 동역학모델을 이용하여 추정한 모터(360)의 현재 토크(

)가 NT-커브상의 토크(

)를 초과할 때 NT-커브상의 토크(

)에 따른 가속도를 산출하고, 산출된 가속도로부터 속도를 산출한 후 이 속도를 이용하여 이전의 속도 프로파일을 보상한다.

이때, NT-커브상의 토크(

)에 따른 가속도(

)는 모터(360)가 매 제어주기마다 움직일 수 있는 가속도이며, 다음의 식 [2]에 의해 산출된다.

식 [2]

식 [2]로부터 산출된 모터(360)의 가속도(

)로부터 산출되는 모터(360)의 속도(

)는 모터(360)가 낼 수 있는 최대 속도이며, 다음의 식 [3]에 의해 산출된다.

식 [3]

여기서,

는 이전 속도이다.

결국 속도 프로파일 보상부(340)는 식 [3]을 통해 산출된 모터(360)의 속도를 이용하여 이전의 속도 프로파일을 보상한다.

즉, 속도 프로파일 보상부(340)는 이전의 속도 프로파일에서 현재 제어주기의 속도값 대신에 식 [3]을 통해 산출된 속도값을 가지도록 이전의 속도 프로파일을 보상한다. 이때, 보상된 속도 프로파일은 이전 속도 프로파일에 대비하여 이전의 속도 프로파일의 목표위치와 목표속도와 동일해지도록 각 시간별 속도값이 보상된 속도 프로파일이다.

모터구동부(350)는 모터제어부(310)의 제어신호에 따라 이전의 속도 프로파일 혹은 보상된 속도 프로파일을 이용하여 모터(360)를 구동한다. 이에 따라, 모터는 한 제어주기동안 이전의 속도 프로파일 혹은 보상된 속도 프로파일에 추종하여 구동된다. 즉, 모터(360)의 속도가 현재 제어주기에 대응하는 이전 속도 프로파일상의 속도값 혹은 보상된 속도 프로파일상의 속도값에 도달하도록 모터(360)을 구동시킨다.

모터제어부(310)는 입력부(300)를 통해 입력된 위치, 속도, 가속시간, 감속시간 등으로부터 속도 프로파일 생성부(320)에 제공하고, 속도 프로파일 생성부(320)를 통해 속도 프로파일을 생성한다.

상술한 바와 같이, 이 속도 프로파일은 입력부(300)을 통해 입력된 목표위치, 목표속도, 목표가속시간, 목표감속시간을 만족하는 시간별 속도값들을 나타낸다.

또한, 모터제어부(310)는 매 제어주기마다 토크추정부(330)를 통해 모터(360)에 의해 구동되는 로봇의 동역학모델을 이용하여 모터(360)의 현재 토크를 추정한다.

또한, 모터제어부(310)는 토크추정부(330)를 통해 추정된 토크값과 미리 설정된 토크값을 비교하여 추정된 토크가 미리 설정된 토크보다 더 큰 경우 속도 프로파일 보상부(340)를 통해 미리 설정된 토크를 기준으로 하여 프로파일을 보상한다.

이때, 미리 설정된 토크값은 현재 제어주기에서 속도(N)-토크(T) 곡선 상의 토크값이다. 즉, 미리 설정된 토크값은 모터(360)의 속도(N)와 토크(T)의 관계를 나타내는 NT-커브 상에서 토크를 추정하는데 사용된 속도에 대응하는 토크값이다. 이 NT-커브는 미리 설정된다.

즉, 모터제어부(310)는 로봇의 동역학모델을 이용하여 추정한 모터의 현재 토크값과 그에 대응하는 NT-커브상의 토크값을 비교하여, 동역학모델을 이용하여 추정한 토크값이 NT-커브 상의 토크값보다 큰 경우 토크값이 제한되도록 NT-커브 상의 토크값에 근거하여 속도 프로파일을 보상한다.

또한, 모터제어부(310)는 보상된 속도 프로파일에 따라 모터(360)가 구동되도록 모터구동부(350)를 제어한다. 즉, 모터(360)의 속도가 보상된 속도 프로파일에서 현재 제어주기에 해당하는 속도값에 도달하도록 모터(360)를 구동시킨다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치에서 사용자로부터 입력된 정보에 따라 생성된 속도 프로파일을 나타낸 것이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치에서 속도-토크 곡선의 확장전후를 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 사다리꼴의 속도 프로파일은 가감속시 일정한 전류를 필요로 하고, 목표위치에 도달하는 시간이 짧아 통상 주로 사용된다.

모터(360)의 속도 프로파일은 모터(360)의 위치, 속도, 가속시간 및 감속시간에 따라 가속구간(Tacc), 등속구간(Tcon), 감속구간(Tdec)으로 이루어진 사다리꼴 형상으로 이루어진다.

가속구간(Tacc)과 감속구간(Tdec)를 설정하는 것은 최고 속도의 값에 따라 모터의 회전이 탈조되지 않도록 하기 위해서 설정하는 것으로 설정값이 매우 중요하다. 가속시간이 너무 길게 되면 정속 운전시간이 짧아지는데 이러한 운전의 경우 모터의 속도가 느리게 된다. 모터의 위치는 면적으로 나타나며, 일반적으로 가감속시간을 동일하게 설정한다.

모터 운전의 가장 중요한 사항은 모터의 운전시 탈조현상이 생기지 않도록 설정하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 기존에는 모터의 최고 속도가 정격속도를 넘지 않도록 설정되는 것이 일반적이다.

실선은 기존방식의 속도 프로파일로서, 최고 속도(V')를 정격속도(Rated_RPM)로 하여 생성된 속도 프로파일이다.

이에 반해 점선은 최고 속도(V)를 최대 속도(Max_RPM)보다 높은 속도영역인 오버 드라이브(Over_drive) 영역에 속한 속도까지 높여 생성된 속도 프로파일이다. 즉, 점선의 속도 프로파일은 실선의 속도 프로파일보다 속도만을 더 높인 속도 프로파일이다. 이러한 점선의 속도 프로파일을 이용하여 모터를 구동하더라도 모터가 탈조되지 않게 할 수 있는 이유는 본 발명의 실시예에서는 매 제어주기마다 로봇의 동역학방정식을 이용하여 모터의 현재 토크를 추정하고, 이 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값을 초과하는 경우에는 이전의 속도 프로파일을 실시간으로 보상하기 때문이다.

도 4에서 점선의 속도 프로파일과 실선의 속도 프로파일에서의 모터의 이동량즉, 각각의 사다리꼴 면적은 동일하다.

본 발명의 실시예에서는 초기에는 점선의 속도 프로파일을 이용하여 모터(36)를 구동하다가 제어주기가 달라질 때마다 로봇의 동역학방정식을 이용하여 추정된 모터(360)의 현재 토크와 미리 설정된 토크를 비교하여 추정된 토크가 과도한지를 판단하고, 추정된 토크가 과도한 경우에는 점선의 속도 프로파일을 토크값이 제한되는 다른 형태의 속도 프로파일로 보상하고, 보상된 속도 프로파일을 이용하여 모터(360)를 구동한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 속도가 높아질수록 모터(360)가 낼 수 있는 토크는 줄어들기 때문에 결국 모터(360)는 과부하 상황에 빠지게 모터가 탈조될 수 있다.

도 5에서, 가는 실선은 최고 속도가 정격속도(Rated RPM)로 제한된 규격 NT- 커브를 나타낸 것이다. 규격 NT-커브는 최고 속도가 정격 속도(Rated RPM)로 제한되어 있기 때문에 모터(360)의 속도가 예기치 않게 정격 속도(Rated RPM) 이상으로 상승하더라도 일정수준까지는 모터(360)가 탈조되진 않는다,

하지만, 보통의 경우는 정격속도(Rated RPM) 이상의 영역을 사용하지 않기 때문에 모터(360)가 상대적으로 낮은 속도영역에서 구동된다.

한편, 굵은 실선은 규격 NT-커브보다 확장된 NT-커브를 나타낸 것으로, 최대 속도(Max_RPM) 이전의 속도영역에서는 토크는 낮아지지만, 최고 속도를 최대 속도(Max_RPM)보다 높은 속도 영역으로까지 확장 가능하기 때문에 모터(360)를 상대적으로 높은 속도영역에서 구동시킬 수 있다.

이때, 본 발명의 실시예에서는 동역학방정식을 이용하여 추정된 모터(360)의 토크가 미리 설정된 토크보다 과도한 경우에는 속도 프로파일을 실시간으로 보상하고 보상된 속도 프로파일에 따라 모터(360)를 구동하기 때문에 모터(360)가 탈조되진 않는다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 매 제어주기마다 로봇 동역학방정식을 이용하여 모터(360)의 토크를 추정하고 ,추정된 토크값과 도 5의 확장된 NT-커브상의 토크값을 실시간으로 비교하고, 비교결과 현재 모터의 토크가 확장된 NT-커브상의 토크값을 넘어서는 경우, 토크가 제한되도록, 확장된 NT-커브상의 토크값에 따라 속도 프로파일을 보상하고, 보상된 속도 프로파일에 따라 모터(360)를 구동시킴으로써 모터(360)의 탈조를 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치에서 보상된 속도 프로파일을 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 점선은 보상전의 속도 프로파일을 나타내고, 실선은 보상된 속도 프로파일을 나타낸다.

실선으로 나타낸 보상된 속도 프로파일은 점선으로 나타낸 보상전 속도 프로파일에 대비하여 점선의 원으로 나타낸 것과 같이 주로 고속영역 주변에서 속도 프로파일의 보상이 이루어졌음을 확인할 수 있다. 이는 도 5와 같이 속도가 고속 영역으로 갈수록 토크가 줄어들기 때문이다.

즉, 점선의 원과 같이 가속구간에서 등속구간으로 변할 때와 등속구간에서 감속구간으로 변할 때 속도 프로파일에 대한 보상이 주로 이루어진다. 이때, 보상된 속도 프로파일의 속도가 보상전의 속도 프로파일의 속도보다 점선의 원에 해당하는 제한된 시간동안 낮아진 것을 확인할 수 있다.

도 6을 좀더 구체적으로 살펴보면, 모터가 가속구간에서 등속구간으로 변하는 점선의 영역에 도달하기 전까지는 모터(360)가 점선의 속도 프로파일을 추종하여 구동된다.

이는 가속구간에서 등속구간으로 변하는 영역에 도달하기 전까지는 매 제어주기마다 로봇의 동역학방정식에 근거하여 추정된 모터(360)의 토크값이 그에 대응하는 속도를 가진 도 5의 NT-커브상의 토크값을 초과하지 않음을 의미한다.

그러다가 가속구간에서 등속구간으로 변하는 첫 번째 점선의 영역에 도달하면, 모터를 점선의 속도 프로파일 대신에 보상된 속도 프로파일을 이용하여 구동시킨다.

이는 첫 번째 점선의 영역에서 로봇의 동역학방정식에 근거하여 추정된 모터(360)의 토크값이 그에 대응하는 속도를 가진 도 5의 NT-커브상의 토크값을 초과함을 의미한다.

또한, 이때의 보상된 속도 프로파일은 점선의 속도 프로파일에 NT-커브상의 토크값으로부터 산출된 속도값이 반영되어 만들어진다(실선의 속도 프로파일 참조). 이때, 보상된 속도 프로파일은 모든 시간구간에 대하여 점선의 속도 프로파일을 보상할 수도 있고, 모터(360)가 이미 구동된 시간구간은 제외하고 앞으로 구동될 시간구간에 대해서만 점선의 속도 프로파일을 보상할 수도 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어방법을 설명하기 위한 제어흐름을 나타낸다.

도 7을 살펴보면, 먼저, 모터제어부(310)는 입력부(300)를 통해 사용자로부터 모터(360)의 위치, 속도, 가속시간, 감속시간 등의 속도 프로파일 생성정보를 입력받는다(400).

사용자로부터 모터의 위치, 속도, 가속시간, 감속시간이 입력되면, 모터제어부(310)는 속도 프로파일 생성부(320)를 제어하여 모터의 위치, 속도, 가속시간, 감속시간으로부터 속도 프로파일을 생성한다(401).

속도 프로파일을 생성한 후 모터제어부(310)는 토크추정부(330)를 통해 로봇의 동역학모델을 이용하여 모터(360)의 토크(

)를 추정한다(402). 이때, 모터(360)의 토크(

)는 다음의 식 [1]을 이용하여 산출한다.

식 [1]

여기서,

는 토크,

는 위치,

는 속도,

는 가속도,

는 모터와 로봇의 관성 모멘트의 합,

는 코리올리스 힘과 원심력의 합,

는 중력이다.

모터(360)의 토크(

)를 추정한 후 모터제어부(310)는 추정된 토크(

)와 미리 설정된 토크인 NT 커브상의 토크(

)를 비교하여 추정된 토크(

)가 NT 커브상의 토크(

)를 초과하는지를 판단한다(403).

만약, 작동모드 403의 판단결과 추정된 토크(

)가 NT 커브상의 토크(

) 이하이면, 이전의 속도 프로파일에 따라 모터(360)를 구동시킨다(404). 이때, 이전의 속도 프로파일은 최초에는 작동모드 401에서 생성된 속도프로파일이고, 보상된 속도 프로파일이 있는 경우에는 직전 제어주기에서 사용된 속도 프로파일이다. 그런 후 작동모드 402로 이동하여 이하의 작동모드를 수행한다.

한편, 작동모드 403의 판단결과 추정된 토크(

)가 NT 커브상의 토크(

)를 초과하면, 모터(360)의 토크를 NT 커브상의 토크(

)로 제한시키기 위해 NT 커브상의 토크(

)를 이용하여 모터(360)의 가속도를 산출하고(405), 산출된 가속도를 이용하여 모터(360)의 속도를 산출한다(406).

NT 커브상의 토크(

)로부터 산출되는 모터(360)의 가속도(

)는 매 제어주기마다 모터(360)가 움직일 수 있는 최대 가속도이며, 다음의 식 [2]에 의해 산출된다.

식 [2]

또한, 모터(360)의 가속도(

)로부터 산출되는 모터(360)의 속도(

)는 현재 제어주기에서 낼 수 있는 모터(360)의 최대 속도이며, 다음의 식 [3]에 의해 산출된다.

식 [3]

여기서,

는 이전 속도이다.

결국 식 [3]을 사용하여 작동모드 401에서 생성된 속도 프로파일을 실시간으로 수정함으로써 원하는 최대 효율로 로봇을 구동하는 것이 가능하다.

NT 커브상의 토크(

)에 따른 모터(360)의 속도를 산출한 후 모터제어부(310)는 속도 프로파일 보상부(340)를 제어하여 산출된 속도를 이용하여 작동모드 401에서 생성된 속도 프로파일을 보상한다(407).

그런 후 모터제어부(310)는 모터구동부(350)를 제어하여 보상된 속도 프로파일을 이용하여 모터(360)를 구동시킨다(408). 그런 후 작동모드 402로 이동하여 이하의 작동모드를 수행한다.

300 : 입력부 310 : 모터제어부
320 : 속도 프로파일 생성부 330 : 토크추정부
340 : 속도 프로파일 보상부 350 : 모터구동부
360 : 모터

Claims

모터에 의해 구동되는 피구동체의 동역학에 근거하여 상기 모터의 현재 토크를 추정하고;
상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은지를 판단하고;
상기 추정된 토크값이 상기 미리 설정된 토크값보다 높은 경우 상기 미리 설정된 토크값으로부터 상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일을 보상하고;
상기 보상된 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동하는 것을 포함하는 모터 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 모터의 토크를 추정하는 단계에서 상기 모터의 토크(
)는 다음의 식 [1]에 의해 산출되는 것을 포함하는 모터 제어방법.

식 [1]
여기서,
는 토크,
는 위치,
는 속도,
는 가속도,
는 상기 모터와 피구동체의 관성 모멘트 합,
는 코리올리스 힘과 원심력의 합,
는 중력이다.
제2항에 있어서,
상기 추정된 토크값이 상기 미리 설정된 토크값보다 높은지를 판단하는 단계에서 상기 미리 설정된 값은 상기 모터의 속도(N)와 토크(T)의 관계를 나타내는 NT-커브 상에서 상기 토크값을 추정할 때 사용된 속도값에 대응하는 토크값인 것을 포함하는 모터 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 속도 프로파일을 보상하는 단계에서 상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일은 이전 제어주기에서 상기 모터를 구동하는 데 사용된 이전 속도 프로파일 혹은 사용자로부터 입력된 목표위치, 목표속도, 목표가속시간 및 목표감속시간으로부터 생성된 속도 프로파일 중 어느 하나인 것을 포함하는 모터 제어방법.
제4항에 있어서,
상기 속도 프로파일을 보상하는 단계는, 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 모터의 가속도를 산출하고, 상기 산출된 가속도에 따라 상기 모터의 속도를 산출하고, 상기 산출된 속도를 이용하여 상기 속도 프로파일을 보상하는 것을 포함하는 모터 제어방법.
제5항에 있어서,
상기 모터의 가속도를 산출하는 단계에서 상기 모터의 가속도(
)는 다음의 식 [2}에 의해 산출되고, 상기 모터의 속도(
)는 다음의 식 [3]에 의해 산출되는 것을 포함하는 모터 제어방법.

식 [2]

식 [3]
여기서,
는 상기 미리 설정된 토크,
는 위치, 는 속도,
는 가속도,
는 상기 모터와 피구동체의 관성 모멘트의 합,
는 코리올리스 힘과 원심력의 합,
는 중력,
는 이전 속도이다.
제1항에 있어서,
상기 모터의 토크를 추정하는 단계에서 상기 모터의 토크를 매 제어주기마다 추정하는 것을 포함하는 모터 제어방법.
피구동체에 마련된 모터의 이전의 위치, 속도 및 가속도를 입력받고;
상기 입력된 정보에 따라 상기 피구동체의 동역학을 이용하여 상기 모터의 현재 토크를 추정하고;
상기 추정된 모터의 토크값에 따라 서로 다른 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동시키는 모터 제어방법.
제8항에 있어서,
상기 모터를 구동시키는 단계는, 상기 추정된 모터의 토크값과 상기 미리 설정된 토크값을 비교하고, 상기 비교결과 상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높지 않는 경우, 이전의 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동시키고,
상기 추정된 토크값이 상기 미리 설정된 토크값보다 높은 경우, 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 속도 프로파일을 보상한 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동시키는 것을 포함하는 모터 제어방법.
제9항에 있어서,
상기 보상한 속도 프로파일을 이용하여 상기 모터를 구동하는 단계는, 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 모터의 가속도를 산출하고, 상기 산출된 가속도에 따라 상기 모터의 속도를 산출하고, 상기 산출된 속도를 이용하여 상기 속도 프로파일을 보상하는 것을 포함하는 모터 제어방법.
제10항에 있어서,
상기 모터의 가속도를 산출하는 단계에서 상기 모터의 가속도(
)는 다음의 식 [2}에 의해 산출되고, 상기 모터의 속도(
)는 다음의 식 [3]에 의해 산출되는 것을 포함하는 모터 제어방법.

식 [2]

식 [3]
여기서,
는 상기 미리 설정된 토크,
는 위치,
는 속도,
는 가속도,
는 상기 모터와 피구동체의 관성 모멘트의 합,
는 코리올리스 힘과 원심력의 합,
는 중력,
는 이전 속도이다.
제9항에 있어서,
상기 모터를 구동시키는 단계에서 상기 미리 설정된 토크값은 상기 모터의 속도(N)와 토크(T)의 관계를 나타내는 NT-커브 상에서 상기 토크값을 추정할 때 사용된 속도값에 대응하는 토크값인 것을 포함하는 모터 제어방법.
모터에 의해 구동되는 피구동체의 동역학을 이용하여 상기 모터의 현재 토크를 추정하는 토크추정부;
상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일을 보상하는 속도 프로파일 보상부;
상기 모터를 구동시키는 모터구동부;
상기 토크추정부를 통해 상기 모터의 토크를 추정하고, 상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은지를 판단하고, 상기 추정된 토크값이 미리 설정된 토크값보다 높은 경우, 상기 속도 프로파일 보상부를 통해 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 속도 프로파일을 보상하고, 상기 모터구동부를 통해 상기 보상된 속도 프로파일에 따라 상기 모터를 구동시키는 모터제어부;를 포함하는 모터 제어장치.
제13항에 있어서,
상기 모터제어부는 상기 미리 설정된 토크값에 따라 상기 모터의 가속도를 산출하고, 상기 산출된 가속도에 따라 상기 모터의 속도를 산출하고, 상기 산출된 속도를 이용하여 상기 속도 프로파일을 보상하는 것을 포함하는 모터 제어장치.
제14항에 있어서,
상기 미리 설정된 토크값은 상기 모터의 속도(N)와 토크(T)의 관계를 나타내는 미리 설정된 NT-커브 상에서 상기 토크를 추정하는데 속도에 대응하는 토크값인 것을 포함하는 모터 제어장치.
제13항에 있어서,
상기 모터제어부는 상기 토크추정부를 통해 상기 모터의 토크를 매 제어주기마다 추정하는 것을 포함하는 모터 제어장치.
제13항에 있어서,
상기 모터를 구동하기 위한 속도 프로파일은 이전 제어주기에서 상기 모터를 구동하는 데 사용된 이전 속도 프로파일 혹은 사용자로부터 입력된 목표위치, 목표속도, 목표가속시간 및 목표감속시간으로부터 생성된 속도 프로파일 중 어느 하나인 것을 포함하는 모터 제어장치.