KR20120112602A - 병렬 구동 시스템 - Google Patents

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Abstract

병렬 구동 시스템에 있어서, 슬레이브측 서보 모터에 위치 검출기를 구비하지 않아도 아암 부재의 진동을 저감함과 아울러, 고속 위치 결정이 가능해지는 시스템을 저비용으로 제공한다. 이 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 따른 병렬 구동 시스템은, 서로 병렬로 배치되어 직동하는 가동부를 가지는 마스터측 서보 모터와 슬레이브측 서보 모터와, 2개의 가동부에 교가되는 아암 부재를 가지는 병렬 구동 시스템에 있어서, 마스터측 서보 모터 가동부의 위치 정보를 검출하는 위치 검출기와, 슬레이브측 서보 모터 가동부의 가속도 정보를 검출하는 가속도 센서와, 위치 정보에 기초해서 마스터측 서보 모터를 제어하는 마스터측 서보 앰프와, 위치 정보 및 가속도 정보에 기초해서 슬레이브측 서보 모터를 제어하는 슬레이브측 서보 앰프를 마련했다.

Description

병렬 구동 시스템{PARALLEL DRIVE SYSTEM}
본 발명은 병렬 구동 시스템에 관한 것으로, 특히 서로 병렬로 배치되어 직동(直動)하는 가동부를 가지는 마스터측 및 슬레이브측의 2개의 서보 액추에이터(servo actuator)와 당해 액추에이터의 가동부끼리를 결합하는 아암(arm) 부재를 가지는 병렬 구동 시스템에 관한 것이다.
아암 부재를 2개의 액추에이터로 병렬 구동하는 종래의 시스템으로서, 마스터측과 슬레이브측의 쌍방의 액추에이터마다 위치 검출기를 구비하는 시스템과, 한쪽 액추에이터에 위치 검출기가 없는 시스템이 있다.
종래의 병렬 구동 시스템의 일례를 나타내는 도면을 도 9에 나타낸다. 도 9의 (a)는 마스터측 액추에이터에만 위치 검출기를 구비하는 병렬 구동 시스템의 구성도이다. 도 9의 (a)에 있어서, 마스터측 및 슬레이브측의 액추에이터의 각 가동부(5A 및 5B)는 헤드(9)를 구비한 아암 부재(8)로 연결된다. 마스터측 서보 앰프(12A)는 컨트롤러(14)로부터 받는 위치 지령, 및 위치 검출기(10)으로부터 입력되는 마스터측 액추에이터의 가동부(5A) 위치를 나타내는 마스터측 위치 정보에 기초해서 위치 제어를 수행한다. 마스터측 서보 앰프(12A)로부터 슬레이브측 서보 앰프(12B)로는 토크 지령이 보내지고, 슬레이브측 서보 앰프(12B)는 당해 토크 지령을 이용해서 토크 제어를 수행함으로써 병렬 구동 시스템을 구축한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
도 9의 (b)는 종래의 다른 병렬 구동 시스템을 나타내는 도면이다. 도 9의 (b)에서는 마스터측과 슬레이브측 각각의 액추에이터에 위치 검출기(10A 및 10B)를 구비한다. 마스터측 및 슬레이브측 서보 앰프(12A 및 12B) 모두는, 컨트롤러(14)로부터 받는 위치 지령, 및 위치 검출기(10A 및 10B)로부터 입력되는 가동부(5A 및 5B)의 위치를 나타내는 위치 정보에 기초해서 위치 제어를 수행한다. 아울러, 도 9 의 (b)에 나타내는 시스템에 있어서는, 파선의 화살표로 나타내는 바와 같이 위치 검출기(10A 및 10B)에서 얻은 위치 정보를, 슬레이브측 및 마스터측 서보 앰프(12B 및 12A)에 각각 입력함으로써, 이러한 위치 정보를 공유해도 무방하다. 서보 앰프의 내부에서 각 액추에이터 가동부의 위치 편차의 차이를 억제하는 제어, 즉 마스터측, 슬레이브측의 각 가동부의 위치가 보다 동기하여 이동하도록 제어함으로써, 아암 부재의 평행도를 고정밀도로 유지할 수 있는 병렬 구동 시스템을 구축한다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
[특허문헌 1] 특개 2003-140751호 공보 [특허문헌 2] 특개 2004-92859호 공보
도 9의 (a)에 나타내는 종래의 병렬 구동 시스템에서는, 슬레이브측 액추에이터에 위치 검출기가 없기 때문에 비용을 낮게 억제하면서 시스템을 구성할 수 있다. 그렇지만, 슬레이브측 액추에이터에 마스터측과 동일한 토크 지령이 부여되기 때문에, 아암 부재(8)의 중심 위치가 아암 부재(8)의 중심으로부터 어긋나 있는 경우나, 아암 부재(8)에 있어서의 헤드(9)의 위치가 아암 부재(8)의 구동 방향과 직교하는 방향으로 이동하는 경우에는, 아암 부재(8)의 평행이동 정밀도가 저하한다. 이 경우, 고정밀도 위치 결정이 어려워질 뿐만 아니라 아암 부재(8)로의 기계적 부하가 커지기 때문에, 아암 부재(8)의 고속 이동이 어려워진다고 하는 문제가 있었다.
한편, 도 9의 (b)에 나타내는 종래의 병렬 구동 시스템에 있어서는, 마스터측 및 슬레이브측 액추에이터 쌍방에 위치 검출기(10A 및 10B)를 구비하고, 마스터측 및 슬레이브측의 서보 앰프(12A 및 12B) 각각에 있어서 위치 제어를 수행하기 때문에 아암 부재(8)를 고속, 고정밀도로 위치 결정할 수 있다. 게다가 파선의 화살표로 나타내는 바와 같이 위치 정보를 공유하는 구성으로 한다면, 각 가동부(5A 및 5B)의 실제 위치의 차이를 억제하는 제어를 수행할 수 있으므로, 아암 부재(8)를 더욱더 고정밀도로 평행이동하는 것이 가능해진다. 그렇지만, 마스터측 및 슬레이브측 쌍방의 액추에이터에 위치 검출기(10A 및 10B)를 구비하기 때문에 시스템의 비용이 높다라고 하는 문제가 있었다. 위치 검출기로서 리니어 스케일(linear scale)을 이용하는 경우는, 일반적으로 장치의 크기에 비례해서 리니어 스케일의 비용이 증대하기 때문에 더욱더 문제가 된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 서로 병렬로 배치되어 직동하는 가동부를 가지는 마스터측 및 슬레이브측의 2개의 서보 액추에이터와 당해 액추에이터의 가동부끼리를 결합하는 아암 부재를 가지는 병렬 구동 시스템에 있어서, 시스템 비용을 낮게 억제하고 또한 고속 위치 결정을 가능하게 하는 시스템을 실현하는 것이다.
본 발명에 관한 병렬 구동 시스템은, 서로 병렬로 배치되어 직동하는 가동부를 가지는 제1의 액추에이터 및 제2의 액추에이터와, 상기 제1의 액추에이터의 가동부와 상기 제2의 액추에이터의 가동부에 교가(橋架)되는 아암 부재를 가지는 병렬 구동 시스템에 있어서, 상기 제1의 액추에이터의 가동부의 위치 정보를 검출하는 위치 검출 수단과, 상기 제2의 액추에이터의 가동부의 가속도 정보를 검출하는 가속도 검출 수단과, 상기 위치 정보에 기초해서 제1의 액추에이터를 제어하는 제1의 제어 수단과, 상기 위치 정보 및 상기 가속도 정보에 기초해서 제2의 액추에이터를 제어하는 제2의 제어 수단을 구비한 것이다.
또한, 다음의 발명에 관한 병렬 구동 시스템은, 상기 액추에이터는 리니어 서보 모터이며, 상기 제어장치는 서보 앰프이며, 상기 위치 검출 수단은 리니어 스케일인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 다음의 발명에 관한 병렬 구동 시스템은, 상기 제2의 제어 수단은 상기 위치 정보를 제1의 속도 정보로 변환하는 제1의 속도 변환 수단과, 상기 가속도 정보를 제2의 속도 정보로 변환하는 제2의 속도 변환 수단과, 상기 제1 및 제2의 속도 정보를 합성해서 합성 속도를 생성하는 속도 합성 수단을 구비한 것이다.
또한, 다음의 발명에 관한 병렬 구동 시스템은, 상기 속도 합성 수단은 상기 제1의 속도 정보로부터 상기 제2의 속도 정보를 감산하는 감산 수단과, 상기 감산 수단의 출력을 입력으로 하는, 소정의 차단 주파수를 구비한 로우 패스 필터(low pass filter)와, 상기 로우 패스 필터의 출력과 상기 제2의 속도 정보를 가산해서 합성 속도를 생성하는 가산 수단을 구비한 것이다.
또한, 다음의 발명에 관한 병렬 구동 시스템은, 상기 속도 합성 수단은 상기 제1의 속도 정보를 입력으로 하는, 소정의 차단 주파수를 갖춘 로우 패스 필터와, 상기 제2의 속도 정보를 입력으로 하는, 소정의 차단 주파수를 구비한 하이 패스 필터(high pass filter)와, 상기 로우 패스 필터의 출력과 상기 하이 패스 필터의 출력을 가산해서 합성 속도를 생성하는 가산 수단을 구비한 것이다.
또한, 다음의 발명에 관한 병렬 구동 시스템은, 상기 제2의 제어 수단은 상기 제1의 제어 수단으로부터 상기 제1의 액추에이터의 토크를 제어하는 제어 신호가 추가로 입력되고, 상기 위치 정보와 상기 가속도 정보에 기초해서 보정 토크를 계산하는 토크 계산 수단을 구비하고, 상기 토크 계산 수단의 출력과 상기 제어 신호에 기초해서 제2의 액추에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 슬레이브측 서보 모터는 위치 검출기를 구비하지 않기 때문에, 저비용으로 시스템을 구축할 수 있다고 하는 효과를 달성한다. 또한, 마스터측 서보 모터의 위치 검출기에 의해 얻은 위치 정보를 마스터측 및 슬레이브측 양쪽 모두의 서보 앰프에 확보하기 때문에, 슬레이브측도 위치 제어를 할 수 있다고 하는 효과를 달성한다. 또한, 환산한 마스터측 및 슬레이브측 각각의 가동부의 속도 정보로부터, 슬레이브측의 속도 정보를 합성하는 속도 합성부를 슬레이브측 서보 앰프에 구비하기 때문에, 아암 부재를 고속 위치 결정할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 병렬 구동 시스템의 기계 구동부를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 병렬 구동 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 병렬 구동 시스템의 기능 블록을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3에 있어서의 속도 연산부(132)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 있어서의 공진 억제 효과를 나타내는 계산기 시뮬레이션 결과이다.
도 6은 도 3에 있어서의 속도 연산부(132)의 다른 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 2에 있어서의 병렬 구동 시스템의 기능 블록을 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 7에 있어서의 보정 토크 계산부(27)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 종래의 병렬 구동 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
이하 본 발명을, 그 실시형태를 나타내는 도면에 기초해서 구체적으로 설명한다. 또한 실시형태에서는 본 발명에 관한 병렬 구동 시스템을, 서로 병렬로 배치되어 직동하는 가동부를 가지는 액추에이터를 리니어 서보 모터로 구성한 서보 시스템인 경우를, 예로 들어 설명한다.
[실시형태 1]
우선, 본 실시형태 1에 있어서의 병렬 구동 시스템의 구성을 도면을 이용해서 설명한다. 도 1은 본 발명에 관한 병렬 구동 시스템(1)의 기계 구동부를 나타내는 사시도이다. 또한 도 2는 실시형태 1에 있어서의 병렬 구동 시스템(1)의 구성도이다. 부호의 A는 마스터측, B는 슬레이브측의 구성요소인 것을 나타낸다. 제1의 액추에이터인 마스터측 서보 모터(2A) 및 제2의 액추에이터인 슬레이브측 서보 모터(2B)에 있어서, 마스터측의 고정부(3A)와 슬레이브측의 고정부(3B)는 병렬로 배치되고, 도시하지 않은 테이블 등에 고정된다. 리니어 가이드(4A, 4B, 4C 및 4D)는 직선 안내 부재이며, 고정부(3A 및 3B)에 대향해서 배치되는 서보 모터의 가동부(5A 및 5B)는, 이것들 리니어 가이드(4A 내지 4D)에 따라 직동, 즉 직선 운동을 수행한다.
가동부(5A 및 5B)에는 고정부(3A 및 3B)와 대항하는 측의 반대 측에 테이블 부재(6A 및 6B)가 각각 마련된다. 테이블 부재(6A 및 6B)에는 각각 아암 지지 부재(7A 및 7B)가 재치(載置)되고, 아암 지지 부재(7A 및 7B)는 아암 부재(8)가 교가되고 있다. 서보 모터의 가동부(5A 및 5B)가 구동됨으로써 아암 부재(8)가 병렬 구동된다. 아암 부재(8)에는 헤드(9)가 마련된다.
마스터측의 테이블 부재(6A)에는 위치 검출 수단인 위치 검출기(10)가 마련된다. 실시형태에서는, 위치 검출기(10)는 리니어 스케일인 것으로 해서 설명한다. 슬레이브측의 테이블 부재(6B)에는 가속도 검출 수단인 가속도 센서(11)가 마련된다. 즉 본 실시형태에서는 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 슬레이브측 서보 모터(2B)에 리니어 스케일이 아니라 가속도 센서(11)를 구비한다. 일반적으로 가속도 센서(11)는 리니어 스케일과 비교해서 염가이므로, 본 실시형태 1은 마스터측 및 슬레이브측의 쌍방에 위치 검출기(10)로서, 리니어 스케일을 구비하는 종래의 병렬 구동 시스템과 비교해서 저비용인 시스템 구축이 가능해진다.
또한, 위치 검출기(10)로부터 얻은 위치 정보는, 제1의 제어 수단인 마스터측 서보 앰프(12A) 및 제2의 제어 수단인 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 쌍방으로 피드백된다. 이 때문에, 슬레이브측의 서보 앰프(12B)는 토크 제어뿐만 아니라 위치 제어도 가능해진다. 한편, 가속도 센서(11)로부터 얻은 가속도 정보는, 슬레이브측의 서보 앰프(12B)에 피드백된다.
다음으로, 본 실시형태 1에 있어서의 병렬 구동 시스템의 동작을 도면을 이용해서 설명한다. 도 3은 실시형태 1에 있어서의 병렬 구동 시스템(1)의 기능 블록을 나타내는 블록도이다. 또한, 도 4는 도 3에 있어서의 속도 연산부(132)의 구성을 나타내는 블록도이다. 우선, 마스터측 서보 앰프(12A)의 동작을 설명한다.
도 3에 있어서, 마스터측 서보 앰프(12A)에는 컨트롤러(14)로부터 위치 지령이 입력됨과 아울러, 위치 검출기(10)로부터 가동부(5A)의 실제 위치에 상당하는 위치 정보가 입력된다. 그리고 가산기(15A)에 있어서 위치 지령으로부터 위치 정보가 감산되고, 위치 편차인 감산 결과는 위치 제어부(16A)에 입력된다. 위치 제어부(16A)로부터는 위치 편차의 크기에 따른 속도 지령이 출력되고, 위치 편차가 0이 되도록 속도 지령이 출력된다.
위치 검출기(10)로부터 입력되는 위치 정보는, 속도 변환부(131)에도 입력된다. 속도 변환부(131)는 위치 정보를 미분함으로써 실속도로 변환해서 출력한다. 구체적으로는 소정의 시간 간격에 있어서의 위치 정보의 차이에 기초해서 실속도를 구한다. 출력된 실속도는 가산기(17A)에 입력되어 속도 지령으로부터 감산되고, 속도 편차인 감산 결과는 속도 제어부(18A)에 입력된다. 속도 제어부(18A)로부터는 속도 편차에 따른 토크 지령이 출력되고, 속도 편차가 0이 되도록 토크 지령이 출력된다. 토크 지령은 가산기(19A)에 입력되어 전류 제어부(20A)로부터 출력되는 실전류가 감산되고, 전류 편차가 전류 제어부(20A)에 입력된다. 전류 제어부(20A)는 전류 편차에 기초해서 실전류를 제어함으로써, 마스터측 서보 모터(2A)의 토크를 제어한다.
다음으로, 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 동작을 설명한다. 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 동작 중, 마스터측 서보 앰프(12A)의 동작과 같은 것에 대해서는 대응하는 부호를 부여해서 설명을 생략한다. 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 동작 중 마스터측과 동작이 다른 것은 속도 연산부(132)이다. 속도 연산부(132)에는 위치 검출기(10)로부터 입력되는 위치 정보뿐만 아니라, 슬레이브측의 가동부(5B)에 마련된 가속도 센서(11)에서 얻은 가속도 정보도 입력된다. 속도 연산부(132)는 각 가동부의 속도 정보에 기초해서 합성 속도를 출력한다.
다음으로, 도 4를 이용해서 속도 연산부(132)의 동작을 설명한다. 도 4에 있어서 속도 연산부(132)에 입력된 위치 정보는, 제1의 속도 변환 수단인 미분기(21)에 의해서 미분되고, 마스터측의 실속도가 산출된다. 한편, 가속도 센서(11)로부터 입력되는 가속도 정보는, 제2의 속도 변환 수단인 적분기(22)에 의해 적분되고, 슬레이브측의 실속도가 산출된다. 산출된 마스터측 및 슬레이브측의 실속도는, 가산기(23), 로우 패스 필터(24), 및 가산기(25)로 구성되는 속도 합성 수단에 입력된다. 우선, 감산 수단인 가산기(23)에 있어서 마스터측의 실속도로부터 슬레이브측의 실속도가 감산되고, 이러한 차분 즉 실속도차이가 로우 패스 필터(24)에 입력된다. 로우 패스 필터(24)는 실속도차이에 있어서 차단 주파수(fcl)보다 높은 주파수 성분을 감쇠시킨다. 로우 패스 필터(24)의 출력은 가산 수단인 가산기(25)에 있어서 적분기(22)의 출력인 슬레이브측의 실속도와 가산되고, 합성 속도로서 속도 연산부(132)로부터 출력된다.
아암 부재(8)의 고속 위치 결정 및 고정밀도 설정속도 전송 등의 성능을 향상하기 위해서는, 각 제어기의 제어 이득(gain)을 높임으로써, 컨트롤러(14)로부터의 위치 지령에 대한 추종성을 높이고, 외란(外亂)에 대한 응답을 높일 필요가 있다. 여기서 제어 이득을 높이면 제어 대역이 넓어지고, 결과적으로 아암 부재(8)가 기계적으로 고유한 값인 공진 주파수가 제어 대역 내에 포함되게 된다.
아암 부재(8)의 공진 주파수가 제어 대역 내에 포함되면, 아암 부재(8)의 공진 영향으로, 위치 검출기(10)로부터 얻은 위치 정보로부터 산출한 마스터측의 실속도는, 슬레이브측 가동부의 실속도와의 차이가 커진다. 이때, 마스터측의 실속도를 기준으로 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 속도 제어 루프를 구성하면, 커진 실속도의 차이에 기인해서 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 제어가 불안정해지고, 제어 이득을 높이는 것이 곤란해진다. 결과적으로, 위치 결정 시간이 증가해 버려 고속 위치 결정을 달성할 수 없다.
한편, 아암 부재(8)에 공진이 발생했다고 해도, 가속도 센서(11)에서 얻은 가속도 정보를 변환해서 구한 속도 정보는, 슬레이브측 서보 모터 가동부(5B)의 실속도와 일치한다. 따라서, 이 속도 정보에 기초해서 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 속도 제어 루프를 구성하면 안정된 제어를 기대할 수 있다. 즉, 제어 이득 저하에 수반하는 위치 결정 시간 증가를 억제할 수 있다.
고속 위치 결정을 수행하기 위해서는, 상기와 같이 위치 검출기(10)에서 얻은 위치 정보로부터 산출한 마스터측의 실속도가 아니라, 가속도 센서(11)에서 얻은 가속도 정보로부터 산출한 속도 정보에 의해 슬레이브측 서보 앰프(12B)를 제어할 필요가 있다. 그러나, 실제 시스템에서는 가속도 센서(11)의 출력에 오프셋 등의 저주파수 오차 성분이 혼입할 가능성을 고려해야 한다. 저주파수 오차 성분이 혼입하면 속도 연산부(132)의 출력이 당해 오차 성분에 응답해서 불필요한 토크 지령이 발생해 버린다. 또한, 아암 부재(8)의 공진 주파수보다 충분히 낮은 제어 대역에서 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 속도 제어 루프를 구성하면, 위치 검출기(10)에서 얻은 위치 정보로부터 산출한 속도 정보와 가속도 센서(11)에서 얻은 가속도 정보로부터 산출한 속도 정보의 차이는 작다. 이 때문에, 위치 검출기(10)에서 얻은 위치 정보로부터 산출한 속도 정보를 기준으로 속도 제어 루프를 구성해도, 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 제어가 불안정해지지 않는다.
이에, 슬레이브측 서보 앰프(12B)의 속도 제어 루프가, 저주파 영역에서는 위치 검출기(10)로부터 얻은 속도 정보를 바탕으로 해서 동작하는 한편, 고주파 영역에서는 가속도 센서(11)로부터 얻은 속도 정보를 바탕으로 해서 동작하는 시스템을 고려한다. 이로 인해, 고속 위치 결정 가능하고 안정적인 시스템을 구축할 수 있다. 본 실시형태 1에 있어서는 로우 패스 필터(24)를 이용함으로써, 이것을 간단하게 실현한다.
이 경우의 동작에 대해서 이하에 설명한다. 우선 미분기(21)로부터의 속도 정보를 고려하면, 로우 패스 필터(24)에 있어서 속도 정보의 fcl 이상의 주파수 성분은 감쇠한다. 이 때문에, 주파수(fcl) 이하의 성분만 출력인 합성 속도에 반영된다. 다음으로 적분기(22)로부터의 속도 정보를 고려하면, 적분기(22)의 출력은 마이너스 부호를 부가한 후에 로우 패스 필터(24)를 통과하고, 가산기(25)에 입력된다. 한편, 가산기(25)로의 입력도 별도로 이루어지기 때문에, 결과적으로 가산기(25)의 출력에서는 주파수(fcl) 이하의 성분은 캔슬된다. 이 때문에, 적분기(22)로부터의 속도 정보는 주파수(fcl) 이상의 성분만 출력인 합성 속도에 반영된다. 즉, fcl 이하의 주파수대에서는 미분기(21)로부터의 속도 정보, 즉 위치 검출기(10)로부터 얻은 속도 정보에 의해 합성 속도가 구해지고, 한편으로 fcl 이상의 주파수대에서는 적분기(22)로부터의 속도 정보, 즉 가속도 센서(11)로부터 얻은 속도 정보에 의해 합성 속도가 구해진다.
이상과 같이, fcl를 다음에 나타내는 범위로 설정함으로써, 슬레이브측 서보 앰프(12B)는 넓은 대역에서 안정적인 제어가 가능해지고, 아암 부재(8)를 고속 위치 결정 가능한 시스템을 구축할 수 있다.
[식(1)]
가속도 센서(11) 출력의 저주파수 오차를 제거 가능한 주파수＜fcl＜슬레이브측 서보 앰프(12)의 제어가 불안정해지지 않는 주파수, 또는 아암 부재(8)의 공진 주파수
본 발명에 의한 아암 부재(8)의 공진 억제 효과를 정량적으로 확인하기 위해 시뮬레이션 모델을 작성하고, 아암 부재(8)를 고속 위치 결정한 경우의 계산기 시뮬레이션을 실시했다. 계산 결과를 도 5의 (a)~(d)에 나타낸다. 각 도면 중에 속도 지령, 마스터측 및 슬레이브측 서보 앰프(12A 및 12B)의 위치 편차(지령 위치 - 실위치) 및 헤드(9) 위치 각각의 거동을 나타낸다. 또한 각 도의 횡축은 시간이다. 도 5의 (a) 및 (b)는 종래의 슬레이브측에 가속도 센서(11)를 구비하지 않은 병렬 구동 시스템의 계산 결과이다. (a)는 마스터측에 헤드(9)가 위치하는 경우, (b)는 슬레이브측에 헤드(9)가 위치하는 경우이다. 속도 지령이 주어진 후 100μs정도의 시간이 경과해도 위치 편차 및 헤드(9)의 위치는 진동하고 있다.
한편, 도 5의 (c) 및 (d)가 본 실시형태에 있어서의 병렬 구동 시스템의 계산 결과이다. (c)는 마스터측에 헤드(9)가 위치하는 경우, (d)는 슬레이브측에 헤드(9)가 위치하는 경우이다. 도 5의 (a) 및 (b)와 비교하면, 본 실시형태의 경우는 헤드(9)의 진동, 및 마스터측 및 슬레이브측 각각의 위치 편차의 진동은 모두 작은 데다 감쇠도 빨라서, 100μs정도에서 수렴하는 것을 알 수 있다.
이상 말한 것처럼, 본 실시형태 1에 의하면, 슬레이브측 서보 모터(2B)에 위치 검출기를 구비하지 않은 구성으로 했으므로, 저비용으로 시스템을 구축할 수 있다고 하는 효과를 달성한다. 또한, 마스터측 서보 모터(2A)의 위치 검출기(10)에서 얻은 위치 정보를 마스터측 및 슬레이브측 쌍방의 서보 앰프(12A 및 12B)에 확보한 구성으로 했으므로, 슬레이브측 서보 모터(2B)의 위치 제어가 가능해진다고 하는 효과를 달성한다. 게다가 슬레이브측 서보 모터(2B)의 가동부(5B)에 가속도 센서(11)를 구비하고, 검출한 가속도 정보를 슬레이브측 서보 앰프(12B)에서 속도로 환산하고, 마스터측의 위치 정보를 속도로 환산한 값과 비교하는 구성으로 했으므로, 아암 부재(8)의 진동 상태가 속도 정보로서 파악할 수 있다고 하는 효과를 달성한다. 게다가 산출한 마스터측 및 슬레이브측 각각의 가동부(5A 및 5B)의 속도 정보로부터, 슬레이브측의 속도 정보를 합성하는 속도 연산기(132)를 슬레이브측 서보 앰프(12B)에 구비하는 구성으로 했으므로, 슬레이브측 서보 앰프(12B)는 안정적인 제어가 가능해지고, 아암 부재(8)의 고속 위치 결정이 가능해진다고 하는 효과를 달성한다.
또한, 본 실시형태 1에서는 속도 연산부(132)의 구성으로서 도 4를 이용해서 설명했지만, 반드시 도 4에 나타내는 구성에만 한정되지 않는다. 예를 들면 속도 연산부(132)의 다른 구성으로서 도 6에 나타내는 바와 같은 구성으로 해도 무방하다. 도 6에 있어서, 미분기(21) 및 적분기(22)에서 위치 정보 및 가속도 정보를 마스터측 및 슬레이브측의 실속도로 변환하는 기능은 도 4와 같다. 산출된 마스터측의 실속도는 로우 패스 필터(24)에 입력되는 한편, 슬레이브측의 실속도는 하이 패스 필터(26)에 입력된다.
다음으로, 도 6을 이용해서 속도 연산부(132)의 동작을 설명한다. 로우 패스 필터(24)는 도 4에 나타내는 구성과 마찬가지로 차단 주파수(fcl)보다 높은 주파수 성분을 감쇠시킨다. 한편, 하이 패스 필터(26)는 차단 주파수(fch)보다 낮은 주파수 성분을 감쇠시킨다. 로우 패스 필터(24)와 하이 패스 필터(26)의 출력은 가산기(25)에 있어서 가산되고, 합성 속도로서 속도 연산부(132)로부터 출력된다.
도 6에 나타내는 구성의 경우, 로우 패스 필터(24)의 차단 주파수(fcl), 및 하이 패스 필터(26)의 차단 주파수(fch)를, 슬레이브측 서보 앰프(12B)가 안정적으로 제어 가능한 범위, 예를 들면 아암 부재(8)의 공진 주파수보다 낮은 값으로 하고, 또한 fcl=fch로 설정하는 것이 기본이 된다. 이 경우, 하이 패스 필터(26)로부터의 출력은 적분기(22)로부터 얻은 속도 정보의 주파수 대역(fch) 이상의 정보로 제한되고, 반대로 로우 패스 필터(24)로부터의 출력은 미분기(21)로부터 얻은 속도 정보의 주파수 대역(fcl) 이하의 정보로 제한된다. 즉, 설정한 차단 주파수에서 합성 속도의 기준이 되는 속도 정보가, 미분기(21)의 정보로부터 적분기(22)의 정보로 바뀐다고 하는 효과가 발생한다.
이상과 같이, fcl와 fch를 도 4에 나타내는 구성과 동등의 고려 방식으로 설정함으로써, 동등한 효과를 얻을 수 있다. 이로 인해, 슬레이브측 서보 앰프(12B)는 안정적인 제어가 가능해지고, 아암 부재(8)의 고속 위치 결정이 가능해진다.
또한 본 실시형태 1에서는, 위치 제어부(16A)나 속도 제어부(18A)는, 각각 위치 편차 및 속도 편차가 0이 되도록 속도 지령 및 토크 지령을 출력하는 것으로 해서 설명했다. 반드시 상시 각 편차가 0이 되는 제어를 수행하지 않아도 무방하다. 예를 들면, 위치 편차나 속도 편차가 0에 가까운 충분히 작은 소정의 값 이내가 되면, 제어를 중지하는 구성으로 해도 무방하고, 본 발명과 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
[실시형태 2]
실시형태 1에서는, 컨트롤러(14)로부터 입력되는 위치 지령을 마스터측 및 슬레이브측 쌍방의 서보 앰프(12A 및 12B)에 입력하고, 각각에서 위치 제어를 수행하는 경우에 대해서 설명했지만, 슬레이브측 서보 앰프(12B)에서는 반드시 컨트롤러(14)로부터의 위치 지령에 기초해서 위치 제어를 수행하지 않아도 무방하다. 예를 들면, 도 9의 (a)에 나타낸 종래의 병렬 구동 시스템과 같이, 슬레이브측 서보 앰프(12B)에 있어서는 마스터측 서보 앰프(12A)로부터 출력되는 토크 지령을 이용해서 토크 제어를 수행해도 무방하다. 본 실시형태 2에서는, 슬레이브측 서보 앰프(12B)에서 마스터측 서보 앰프(12A)의 토크 지령을 이용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 7은 본 실시형태 2에 있어서의 병렬 구동 시스템의 기능 블록을 나타내는 블록도이다. 도 7에 있어서, 도 3과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여해서 설명을 생략한다. 본 실시형태 2에서는, 컨트롤러(14)로부터의 위치 지령은 슬레이브측 서보 앰프(12B)에 입력되지 않는다. 마스터측 서보 앰프(12A)에서는 속도 제어부(18A)의 출력인, 제어 신호인 토크 지령이 슬레이브측 서보 앰프(12B)에 입력된다.
한편, 슬레이브측 서보 앰프(12B)에는, 실시형태 1과 마찬가지로 위치 검출기(10)로부터의 마스터측 서보 모터 가동부(5A)의 위치 정보, 및 가속도 센서(11)로부터의 가속도 정보가 입력된다. 이것들은 토크 계산 수단인 보정 토크 계산부(27)에 입력되고, 보정 토크가 계산된다.
도 8은 도 7에 있어서의 보정 토크 계산부(27)의 기능 블록을 나타내는 블록도이다. 도 8에 있어서 도 4와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여해서 설명을 생략한다. 보정 토크 계산부(27)에 입력된 위치 정보 및 가속도 정보는 각각 마스터측의 실속도 및 슬레이브측의 실속도로 변환된다. 그리고 가산기(23)에 있어서, 이러한 차분 즉 실속도차이가 산출되고, 하이 패스 필터(28)에 입력된다. 하이 패스 필터(28)에서는 차단 주파수(fch)보다 낮은 주파수 성분을 감쇠시킨다. 하이 패스 필터(28)의 출력은 P보상부(29)에 입력되어 소정의 이득이 승산된 후 보정 토크로서 출력된다. 보정 토크는 가산기(19B)에 있어서 마스터측 서보 앰프(12A)로부터 입력되는 토크 지령에 가산되고, 아울러 슬레이브측 서보 모터(2B)에 공급되는 실전류가 감산되어 전류 편차가 전류 제어부(20B)에 입력된다.
다음으로, 보정 토크 계산부(27)의 동작에 대해서 설명한다. 우선, 도 9의 (a)에 나타낸 종래의 병렬 구동 시스템을 이용해서 설명한다. 슬레이브측 서보 앰프(12B)에서는 마스터측 서보 앰프(12A)로부터 입력되는 토크 지령을 이용해서 토크 제어를 수행한다. 이 때문에, 아암 부재(8)의 중심 위치나 헤드(9)의 위치 변화에 의해, 구동시의 아암 부재(8)의 평행이동 정밀도가 저하하고, 아암 부재(8)로의 기계적 부하가 커질 뿐만 아니라, 아암 부재(8)의 고속, 고정밀도 위치 결정이 곤란해진다. 아암 부재(8)의 공진 주파수가 제어 대역 내에 포함되면, 아암 부재(8)의 공진의 영향으로 위치 검출기(10)로부터 얻은 위치 정보로부터 산출한 마스터측의 속도 정보는, 슬레이브측 가동부의 실속도와 차이가 커진다. 이것에 대해서 본 실시형태 2에 나타내는 병렬 구동 시스템에서는, 이러한 속도 정보의 차이인 실속도차이를 가산기(23)에 의해 구하고, 이 실속도차이가 작아지도록 보정 토크를 출력한다.
하이 패스 필터(28)의 동작에 대해서 설명한다. 가속도 센서(11)의 출력에는 오프셋 등의 저주파수 오차 성분이 혼입할 가능성이 있지만, 이로 인해 슬레이브측의 보정 토크가 발산하지 않게 할 필요가 있다. 하이 패스 필터(28)는 이것을 방지하기 위해서 구비되며, 저주파수 오차 성분에 대해서는 보정 토크가 출력되지 않게 된다. 이 때문에, 위치 검출기(10)의 위치 정보로부터 변환한 속도와, 가속도 센서(11)의 가속도 정보로부터 변환한 속도가 동기하도록 보정 토크를 안정적으로 출력하는 것이 가능해진다. 결과적으로, 아암 부재(8)의 평행이동 정밀도가 높아져 아암 부재의 고속, 고정밀도 결정이 가능해진다. 또한, 보정 토크 계산부(27)의 실제 연산의 구현에 있어서는, 가속도 센서(11)에 상기 오차가 있어도 적분기(22)의 출력 등 연산의 중간 변수가 무한대가 되지 않게, 적분기(22), 가산기(23)에 있어서의 감산 연산, 및 하이 패스 필터(28)가, 일체가 된 등가인 연산을 수행하는 것이다.
이상 말한 것처럼, 본 실시형태 2에 의하면, 산출한 마스터측 및 슬레이브측 각각의 서보 모터 가동부(5A 및 5B)의 속도 정보로부터 보정 토크를 산출하는 보정 토크 계산부(27)를 슬레이브측 서보 앰프(12B)에 구비하기 때문에, 아암 부재(8)의 고정밀의 평행이동이 가능해져, 아암 부재의 고속, 고정밀도 위치 결정이 가능해진다고 하는 효과를 달성한다.
또한, 본 실시형태에서는, 헤드(9)는 아암 부재(8)에 고정되어 있다, 즉 헤드(9)의 이동 방향은 아암 부재(8)의 구동 방향만으로서 설명했지만, 헤드(9)는 반드시 아암 부재(8)에 고정될 필요는 없다. 예를 들면, 헤드(9)를 X-Y축에서 위치 결정이 가능해지도록, 헤드(9)에 대해서 아암 부재(8)의 구동 방향과 직교하는 방향으로 구동할 수 있는 액추에이터를 마련하는 구성으로 해도 좋다. 이와 같은 구성에 의해 본 발명의 효과를 얻을 수 있고, 헤드(9)를 X-Y축에서 위치 결정할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 서로 병렬로 배치되어 직동하는 가동부를 가지는 액추에이터를 리니어 서보 모터로 구성한 서보 시스템인 것으로 해서 설명했지만, 이것은 반드시 그러하지 않다. 예를 들면 구동계를 회전형 모터와 볼 나사를 조합하는 등에 의해 구성해도 무방하고, 가동부가 병렬로 직동하는 구성이면 본 발명과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 공작 기계 등의 분야에 있어서, 병렬로 배치한 직동 서보 액추에이터를 아암 부재로 연결한 병렬 구동 시스템의 아암의 위치 결정 제어 기기, 설정속도 전송 제어 기기에 이용할 수 있다.
1 : 병렬 구동 시스템 2 : 서보 모터
3 : 서보 모터 고정부 4 : 리니어 가이드
5 : 서보 모터 가동부 6 : 테이블 부재
7 : 암 지지 부재 8 : 아암 부재
9 : 헤드 10 : 위치 검출기
11 : 가속도 센서 12 : 서보 앰프
131 : 속도 변환부 132 : 속도 연산부
14 : 컨트롤러 15, 17, 19, 23, 25 : 가산기
16 : 위치 제어부 18 : 속도 제어부
20 : 전류 제어부 21 : 미분기
22 : 적분기 24 : 로우 패스 필터
26, 28 : 하이 패스 필터 27 : 보정 토크 계산부
29 : P보상부

Claims (6)

  1. 서로 병렬로 배치되어 직동하는 가동부를 가지는 제1의 액추에이터 및 제2의 액추에이터와, 상기 제1의 액추에이터의 가동부와 상기 제2의 액추에이터의 가동부에 교가(橋架)되는 아암 부재를 가지는 병렬 구동 시스템에 있어서,
    상기 제1의 액추에이터의 가동부의 위치 정보를 검출하는 위치 검출 수단과,
    상기 제2의 액추에이터의 가동부의 가속도 정보를 검출하는 가속도 검출 수단과,
    상기 위치 정보에 기초해서 제1의 액추에이터를 제어하는 제1의 제어 수단과,
    상기 위치 정보 및 상기 가속도 정보에 기초해서 제2의 액추에이터를 제어하는 제2의 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 구동 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액추에이터는 리니어 서보 모터이며, 상기 제어장치는 서보 앰프이며, 상기 위치 검출 수단은 리니어 스케일인 것을 특징으로 하는 병렬 구동 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2의 제어 수단은,
    상기 위치 정보를 제1의 속도 정보로 변환하는 제1의 속도 변환 수단과,
    상기 가속도 정보를 제2의 속도 정보로 변환하는 제2의 속도 변환 수단과,
    상기 제1 및 제2의 속도 정보를 합성해서 합성 속도를 생성하는 속도 합성 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 구동 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 속도 합성 수단은,
    상기 제1의 속도 정보로부터 상기 제2의 속도 정보를 감산하는 감산 수단과,
    상기 감산 수단의 출력을 입력으로 하는, 소정의 차단 주파수를 구비한 로우 패스 필터와,
    상기 로우 패스 필터의 출력과 상기 제2의 속도 정보를 가산해서 합성 속도를 생성하는 가산 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 구동 시스템.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 속도 합성 수단은,
    상기 제1의 속도 정보를 입력으로 하는, 소정의 차단 주파수를 구비한 로우 패스 필터와,
    상기 제2의 속도 정보를 입력으로 하는, 소정의 차단 주파수를 구비한 하이 패스 필터와,
    상기 로우 패스 필터의 출력과 상기 하이 패스 필터의 출력을 가산해서 합성 속도를 생성하는 가산 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 구동 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2의 제어 수단은,
    상기 제1의 제어 수단으로부터 상기 제1의 액추에이터의 토크를 제어하는 제어 신호가 추가로 입력되고,
    상기 위치 정보와 상기 가속도 정보에 기초해서 보정 토크를 계산하는 토크 계산 수단을 구비하고,
    상기 토크 계산 수단의 출력과 상기 제어 신호에 기초해서 제2의 액추에이터를 제어하는 것을 특징으로 하는 병렬 구동 시스템.
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