KR20110109998A

KR20110109998A - 서보 제어 방법 및 서보 제어 장치

Info

Publication number: KR20110109998A
Application number: KR1020110028510A
Authority: KR
Inventors: 준 후지따
Original assignee: 도시바 기카이 가부시키가이샤
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-10-06
Also published as: CN102207738A; US20110241594A1; JP2011217530A; US8680804B2

Abstract

본 발명의 일 실시예에 관한 방법은, 1개의 피구동물을 복수의 모터로 구동하는 이송 구동 기구에 적용되는 서보 제어 방법이며, 각 모터의 속도 피드백을 혼합한 신호를 사용하여 상기 피구동물의 속도 제어를 행하여, 상기 속도 제어에 의해 얻어진 토크 지령을 모든 모터의 구동에 사용한다. 이 실시예에 의해, 피구동물의 위치에 따라서 전달 함수가 변화되고, 위상이 급격하게 지연되어 불안정해짐으로써, 게인을 올리는 것이 곤란해지는 현상을 방지하는 것이 가능한 서보 제어계가 제공된다.

Description

서보 제어 방법 및 서보 제어 장치{SERVO CONTROL METHOD AND SERVO CONTROL APPARATUS}

[관련출원의 상호참조]

본 출원은 2010년 3월 31일자로 출원된 일본 특허 출원 제2010-084040호에 기초하며 그로부터 우선권을 주장하며, 이 일본 출원의 전체 내용은 참조로 본 명세서에 합체되어 있다.

본 발명은 1개의 이동물을 복수의 모터로 구동하는 이송 구동 기구에 있어서의 서보 제어 방법 및 서보 제어 장치에 관한 것이다.

복수 모터에 의해, 피이동물의 위치 및 속도 또는 토크를 제어하는 방법이 알려져 있다(일본 특허 출원 공개 평7-110714호 공보 참조). 1개의 이동물을 복수의 모터로 구동하는 이송 구동 기구의 예를 도 5에 도시한다. 이는, 1개의 볼 나사(34)를 양단부의 모터(21, 22)로 구동하여, 새들(36)을 가이드(30, 31)를 따라서 이동시키는 것이다. 볼 나사(34)는 지지 베어링(33, 38)에 의해 지지되고, 새들(36)에는 너트(35)가 고정되어 있다.

이 이송 구동 기구를 제어하는 종래의 제어계를 도시하는 블록 구성도를 도 6에 도시한다.

이 제어계는, 모터는 2개 설치되어 있지만, 위치 및 속도 제어계는 1계통이고, 모터(21)의 인코더(23)에 의한 위치 피드백 및 속도 피드백에 의해, 위치 및 속도 제어를 행한다.

인코더(23)는 모터(21)의 회전에 따라서, 전기각 산출용 위치 신호를 출력한다. 이 위치 신호는 1회전을, 예를 들어 1/2²⁰으로 분할하여, 모터(21)의 회전자 회전각을 나타내는 2진수값을 출력한다. 인코더(24)도 마찬가지로, 전기각 산출용 위치 신호를 출력한다. 모터(21, 22)는, 예를 들어 동기 모터가 사용된다. 모터는 동기 모터로 한정되지 않고, 용도에 따라서 직류 모터를 사용할 수 있다.

위치 피드백 작성기(26)는 위치 제어 주기당의 피구동물 이동량을 작성(연산)한다. 즉, 위치 피드백 작성기(26)는 위치 제어 주기당의 인코더(23)로부터의 출력값의 변화량을, 인코더 1회전당의 카운트수로 나누어, 인코더 1회전당의 기계(피구동물)의 이동량을 곱하고, 그 승산 결과를 적산하여 구한 기계 위치 피드백을 작성한다.

감산기(11)는 도시하지 않은 주제어부로부터 송신된 위치 지령으로부터, 기계 위치 피드백을 감산하여, 위치 오차를 출력한다. 승산기(12)는 이 위치 오차에 위치 제어 게인(Kp)을 승산하여, 승산 결과를 속도 지령으로서 출력한다.

미분기(13)는 인코더(23)로부터 출력되는 위치 신호를 미분하여, 그 미분 결과를 속도 피드백 신호로서 출력한다. 감산기(15)는 속도 지령값으로부터 속도 피드백 신호의 값을 감산하여, 감산 결과를 속도 오차로서 출력한다. 속도 제어 처리부(18)는 속도 오차에 대해, 예를 들어 비례 적분 연산 등의 속도 제어를 행하여, 제어 결과를 토크 지령으로서 출력한다. 또한, 디지털 샘플링 방식의 제어계의 미분은 차분으로 대용할 수 있다.

전류 제어 앰프(19)는 인코더로부터의 위치 신호를 전기각으로 변환하여, 이 전기각 및 토크 지령에 기초하여 모터 구동 신호를 발생하여 모터(21)를 회전 구동한다. 제어 앰프(20)도 제어 앰프(19)와 마찬가지로 동작한다.

이와 같은 이송 구동 기구의 토크로부터 속도에 대한 전달 함수, 즉 속도 제어 처리부(18)의 출력 신호인 토크 지령에 대한, 미분기(13)의 출력인 속도 피드백 신호의 주파수 특성을, 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 도 7a 내지 도 7c에 나타낸다.

도 7a는 새들(36)이 모터(21)에 가까운 단부에 위치할 때의 전달 함수, 도 7b는 새들(36)이 중앙 부근에 위치할 때의 전달 함수, 도 7c는 새들(36)이 모터(22)에 가까운 단부에 위치할 때의 전달 함수를 나타낸다. 도 7a 내지 도 7c로부터 알 수 있는 바와 같이, 전달 함수가 새들(36)의 위치에 의해 변화되고, 모터(22)에 가까운 도 7c의 경우에는, 타원(25)으로 나타낸 바와 같이, 비교적 낮은 주파수에서 위상이 급격하게 지연되는 부분이 발생한다. 일반적으로, 위상 지연이 180°이고 게인이 0dB 이상 있으면, 동작이 불안정해져 제어가 곤란해진다. 따라서, 제어계의 도 7c와 같은 특성은 속도 제어계의 게인을 올리는 데 방해가 되어, 게인을 충분히 올리는 것이 곤란해지는 문제가 발생한다. 게인을 충분히 올릴 수 없다고 하는 것은, 충분한 응답 속도가 얻어지지 않는 것을 의미한다.

따라서 본 발명의 목적은, 피구동물의 위치에 따라서 전달 함수가 변화되고, 위상이 급격하게 지연되어 불안정해짐으로써, 제어 게인을 올리는 것이 곤란해지는 현상을 방지하여, 안정적으로 게인을 올리는 것이 가능한 서보 제어계를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 1개의 피구동물을 복수의 모터로 구동하는 이송 구동 기구에 적용되는 서보 제어 방법이며, 각각의 모터의 속도 피드백 신호를 혼합한 신호를 사용하여 상기 피구동물의 속도 제어를 행하여, 상기 속도 제어에 의해 얻어진 토크 지령을 모든 모터의 구동에 사용하는 서보 제어 방법이 제공된다.

이와 같은 실시예에 의해, 피구동물 위치에 따라서 전달 함수가 변화되고, 위상이 급격하게 지연되어 불안정해짐으로써, 게인을 올리는 것이 곤란해지는 현상을 방지하여, 안정적으로 게인을 올리는 것이 가능해진다.

본 발명의 추가적인 목적 및 잇점은 이하에 설명되며, 명세서로부터 어느 정도 명백하게 되거나, 본 발명의 실시에 의해 교시될 수 있다. 본 발명의 목적 및 잇점은 특히 이하에 지적된 수단 및 조합에 의해 실현 및 달성될 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 의한 서보 제어 방법을 적용하는 장치의 블록 구성도.
도 2a 내지 도 2c는 2개의 속도 피드백 신호를 더하고 2로 나누는 방식으로 토크로부터 속도 피드백까지의 전달 함수를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 관한 이송 구동 기구의 구조예를 도시하는 도면.
도 4는 도 3의 이송 구동 기구에 적용되는 본 발명에 의한 서보 제어 장치의 제2 실시예를 도시하는 블록 구성도.
도 5는 1개의 이동물을 복수의 모터로 구동하는 이송 구동 기구의 구조예를 도시하는 도면.
도 6은 도 5의 이송 구동 기구를 제어하는 종래의 제어계를 도시하는 블록 구성도.
도 7a 내지 도 7c은 도 6의 제어계를 사용한 이송 구동 기구의 토크로부터 속도 피드백까지의 전달 함수를, 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타내는 도면.

명세서와 결합되어 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은, 전술한 일반적인 설명과 후술하는 양호한 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 양호한 실시예를 예시하며, 본 발명의 원리를 설명하는데 기여한다.

이하, 본 발명에 관한 서보 제어 방법의 실시예에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 서보 제어 방법을 적용하는 장치의 제1 실시예를 도시하는 블록 구성도이다. 종래 구성의 도 6과 동일 요소에는 동일한 참조 번호를 부여하여, 그들 요소의 상세한 설명은 할애한다. 본 예의 서보 제어 장치도, 예를 들어 도 5와 같은 이송 구동 기구에 적용할 수 있다.

도 1에 도시하는 제1 실시예의 구성은 도 6의 구성에 비해, 미분기(14) 및 속도 피드백 혼합기(17)가 추가되어 있다. 미분기(14)는 인코더(24)로부터 출력되는 위치 신호를 미분하여, 미분 결과로서 속도 피드백(2)을 출력한다. 미분기(13)는 인코더(23)로부터 출력되는 위치 신호를 미분하여, 미분 결과로서 속도 피드백(1)을 출력한다. 속도 피드백 혼합기(17)는 속도 피드백(1)과 속도 피드백(2)을 혼합하여, 속도 피드백 신호를 출력한다. 이것 이후의 동작은 도 6과 마찬가지이다.

종래 방식에서는, 속도 제어에 사용하는 속도 피드백 신호는 모터(21)의 인코더(23)로부터 얻어진 것만을 사용하고 있었다. 이에 대해, 본 실시예에서는, 모터(21), 모터(22)의 인코더(23, 24)로부터 얻어진 속도 피드백(1, 2)을 속도 피드백 혼합기(17)에 의해 혼합하여, 속도 피드백 신호로서 사용한다.

속도 피드백 혼합기(17)의 피드백 신호의 혼합 방법으로서는, 여러가지를 생각할 수 있지만, 가장 간단한 예로서는, 2개의 속도 피드백(1, 2)의 값을 더하고 2로 나누는 단순한 평균값을 사용하는 방법이 있다.

이것 이외에는, 비율을 바꾸어 평균하는, 피구동물의 위치에 따라서 비율을 변화시키는 것 등도 생각된다. 예를 들어, 새들의 위치가 스트로크(가이드)의 중앙에서 속도 피드백의 혼합비가 1:1로 되고, 모터(1)측의 단부에서 1:0, 모터(2)측의 단부에서 0:1로 되도록 혼합비를 연속적으로 변화시킨다.

도 2a, 도 2b, 도 2c는 2개의 속도 피드백 신호값을 더하고 2로 나누는 방식으로, 토크로부터 속도 피드백까지의 전달 함수를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 도 2a, 도 2b, 도 2c의 어떤 위치에서도 위상이 급격하게 지연되는 경우가 없어 양호한 특성으로 되어 있다. 또한, 도 1과 같은 구성을 채용하여 장치를 실제로 제작하여, 전달 함수를 측정한 결과도 도 2a 내지 도2c와 동일한 특성이 얻어지고 있다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제2 실시예를 도시한다. 이는, 1개의 회전 테이블을 웜 기어를 사용하여 4개의 모터로 회전 구동하는 예이다.

도 3과 같이, 회전 테이블(40)의 주변에는 모터(43), 웜 기어(42), 인코더(44)로 구성되는 구동부(50)가 4개 설치되고, 회전 테이블(40)의 주위에는 웜 기어(42)와 맞물리는 나사산이 형성되어 있다. 도 3과 같은 구성은 회전 테이블(40)의 질량이 커서, 1개의 구동부로 구동하는 것이 곤란한 경우에 적용된다.

도 4와 같이, 인코더(44a 내지 44d)의 각 출력(전기각 산출용 위치 신호)은 제어 앰프(41a 내지 41d)에 각각 공급되는 동시에, 미분기(45a 내지 45d)에 의해 미분되고, 미분 결과는 속도 피드백 혼합기(46)에 공급된다. 또한, 인코더(44a)의 출력은 위치 피드백 작성기(26)를 통해 감산기(11)에 공급된다. 속도 피드백 혼합기(46)는 4개의 미분기(45a 내지 45d)로부터 공급되는 속도 피드백 신호의, 예를 들어 평균값을 감산기(15)에 제공한다. 이것 이후의 동작은 도 1의 실시예와 마찬가지이다.

이와 같이 구성함으로써, 토크 지령에 대한 속도 피드백의 전달 함수는, 도 2a 내지 도 2c와 같이, 어떤 위치에서도 위상이 급격하게 지연되는 경우가 없는 양호한 특성이 얻어진다.

이상 설명한 바와 같이, 종래의 방법에서는 부하의 상황(위치)에 따라서 제어계의 특성이 불안정해져, 게인을 올릴 수 없는 경우라도, 본원 발명의 방법이면, 불안정으로 되지 않고 게인을 더욱 올리는, 즉 응답 속도를 향상시킬 수 있다.

임의의 실시예가 설명되었지만, 이들 실시예들은 예로서 제시된 것일 뿐, 본 발명의 범주를 한정하기 위한 것은 아니다. 실제로, 본 명세서에 개시된 독창적인 실시예는 다양한 다른 형태로 실시될 수 있고, 또한 본 명세서에 개시된 실시예의 형태에 대해 발명의 사상을 벗어나지 않는 다양한 생략, 대체, 및 변경이 이루어질 수 있다. 첨부의 특허청구범위 및 그 등가물은 본 발명의 범주 및 사상에 포함되는 형태 또는 수정예를 커버하고자 하는 것이다.

Claims

1개의 피구동물을 복수의 모터로 구동하는 이송 구동 기구에 적용되는 서보 제어 방법이며,
각 모터의 속도 피드백 신호를 혼합한 신호를 사용하여, 상기 피구동물의 속도 제어를 행하고,
상기 속도 제어에 의해 얻어진 토크 지령값을 모든 모터의 구동에 사용하는, 서보 제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 피구동물은 상기 복수의 모터에 의해 직선적으로 구동되는, 서보 제어 방법.

제1항에 있어서, 상기 피구동물은 상기 복수의 모터에 의해 회전 구동되는, 서보 제어 방법.

1개의 피구동물을 제1 및 제2 모터로 구동하는 이송 구동 기구에 적용되는 서보 제어 장치이며,
상기 제1 모터의 전기각 산출용 제1 위치 신호를 미분하여 제1 피드백 신호를 출력하는 제1 미분기와,
상기 제2 모터의 전기각 산출용 제2 위치 신호를 미분하여 제2 피드백 신호를 출력하는 제2 미분기와,
상기 제1 및 제2 피드백 신호를 혼합하여 제3 피드백 신호를 출력하는 혼합기와,
상기 제3 피드백 신호를 사용하여 속도 제어를 행하여, 토크 지령값을 출력하는 속도 제어기와,
상기 토크 지령값을 사용하여 상기 제1 및 제2 모터를 구동하는 제1 및 제2 전류 제어기를 포함하는, 서보 제어 장치.

제4항에 있어서, 상기 피구동물은 상기 제1 및 제2 모터에 의해 직선적으로 구동되는, 서보 제어 장치.

제4항에 있어서, 상기 피구동물은 상기 제1 및 제2 모터에 의해 회전 구동되는, 서보 제어 장치.

1개의 피구동물을 제1 및 제2 모터로 구동하는 이송 구동 기구에 적용되는 서보 제어 장치이며,
상기 제1 모터의 전기각 산출용 제1 위치 신호를 미분하여 제1 피드백 신호를 출력하는 제1 미분 수단과,
상기 제2 모터의 전기각 산출용 제2 위치 신호를 미분하여 제2 피드백 신호를 출력하는 제2 미분 수단과,
상기 제1 및 제2 피드백 신호를 혼합하여 제3 피드백 신호를 출력하는 혼합 수단과,
상기 제3 피드백 신호를 사용하여 속도 제어를 행하여, 토크 지령값을 출력하는 속도 제어 수단과,
상기 토크 지령값을 사용하여 상기 제1 및 제2 모터를 구동하는 제1 및 제2 전류 제어 수단을 포함하는, 서보 제어 장치.