KR20160041001A - 고성능 모션 제어용 모터 서보-드라이브 - Google Patents

Abstract

모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 위한 서보-드라이브 시스템이 제공되는데, 서보-드라이브 시스템은 그로부터 피드백을 제공하기 위하여, 드라이브 모터에 의해 끌려지는 전류의 측정을 획득하도록 구성되는 전류 측정 장치; 작동 범위를 갖는 전류;를 포함하되, 작동 범위는 가속을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 포함하나 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있다. 전류 측정 장치는 이에 의해 정상 상태 작동 동안에 피드백을 위한 정확도를 최대화하기 위하여, 상대적으로 큰 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 1, 거친 센서 및 상대적으로 작은 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 2, 미세 센서를 갖는다.

Description

고성능 모션 제어용 모터 서보-드라이브{MOTOR SERVO-DRIVE FOR HIGH PERFORMANCE MOTION CONTROL}

본 발명은 그 일부 실시 예들에서, 서보-모터들에 전류를 공급하는 모터 서보-드라이브들의 성능 향상에 관한 것으로서, 특히, 그러나 전적으로는 아닌, 비록 범위가 크더라도 전체 전류 범위에 걸친 전류 민감도의 향상에 관한 것이다. 모터는 전류와 직접적으로 관련된 힘(또는 토크) 및 가속도를 생산한다. 더 나은 전류는 서보-모터들의 더 정확한 속도 및 위치 제어를 가능하게 한다. 명령(command)을 따르는 드라이브의 출력 전류(모터에 공급하는)가 더 정확할수록; 드라이브의 속력 및 위치 제어는 더 정확해진다. 드라이브의 향상된 성능은 일례로서 특히 필요한 전류가 모터를 가속할 때 필요한 최대 전류에 대하여 낮은 레벨일 때 전류 측정의 신호 대 잡음 비율을 향상시킴으로써 달성된다.

모터에 가능한 한 최상의 성능을 제공하기 위하여, 폐쇄 루프(closed loop) 전류 제어 방법이 사용된다는 사실이 잘 알려져 있다. 드라이브는 드라이브의 실제 전류 출력을 나타내는 전기 신호를 생산하는 전류 감지 회로를 이용한다. 측정된 출력 전류는 원하는 전류 명령과 비교되고 출력 전류를 보정하기 위하여 드라이브에 의해 둘 사이의 오차가 사용된다.

출력 전류에 대한 보정은 측정 정확도 및 측정된 전류가 실제로 실제 출력을 나타내는 정도에 의해 제한된다는 사실이 잘 알려져 있다. 실제 출력 전류로부터 측정된 신호의 편차는 드라이브에 의해 거짓 보정(false correction)을 생산할 수 있다. 그러한 편차들은 일반적으로 양자화 잡음(또는 오차들), 주변 전기 회로들로부터의 전자기 간섭(EMI) 및 다른 잡음원들에 기인한다.

모터의 고성능 속도 및 위치 제어를 달성하기 위하여, 폐쇄 루프 방법이 사용된다는 사실이 잘 알려져 있다. 실제 속도 및/또는 위치가 측정되고 원하는 속도 및/또는 위치와 비교된다. 원하는 속도 및 실제 측정된 속도 사이의 편차, 속도 오차, 또는 그러한 문제에 있어서 원하는 위치와 측정된 위치 사이의 편차(위치 오차)가 모터 서보-드라이브에 대한 명령(드라이브 명령)에 대한 보정으로서 사용된다. 모터 전류 내의 어떠한 잡음, 즉 양자화 잡음이 모터가 생산하는 힘 또는 토크 내에 도입될 수 있고 따라서 실제 속도와 실제 위치가 원하는 속도와 위치를 얼마나 잘 따르는지에 대하여 부정적으로 영향을 미칠 수 있다.

두 가지 주요 형태의 이용 가능한 모터 서보-드라이브가 존재한다: 선형 드라이브들 및 스위칭 펄스 폭 변조(PWM) 드라이브들. 드라이브들은 많은 형태의 모터들과 협력할 수 있다: 두 가지 모두 선형과 회전형(rotary type)인 단일 위상 및 다-위상 모터들. 모터들은 직류 모터들, 영구 자석 동기 모터(synchronous motor)들, 음성 코일(voice coil)들, 스테퍼 모터(stepper motor)들 등을 포함하는, 어떠한 형태의 모터 구조일 수 있다.

특히 선형 드라이브들과 펄스 폭 변조 드라이브들 사이에 일부 차이점이 존재하며 이제 다음과 같이 요약된다.

선형 드라이브들은 동일한 출력 전력 능력을 갖는 펄스 폭 변조 형태의 드라이브에 비하여 낮은 효율성으로 어려움을 겪으며, 따라서 선형 드라이브는 그에 비해 상당한 양의 열을 소모한다. 선형 드라이브들은 상대적으로 크고 일반적으로 가격이 비싸다. 선형 드라이브들은 또한 펄스 폭 변조 드라이브들보다 조용하고, 전류 감지 회로에 영향을 미치는 더 적은 전자-자기 잡음을 생산한다. 그 결과 선형 드라이브들은 특히 정교한 속도와 위치 보정을 위하여 낮은 레벨의 전류가 필요할 때, 광범위한 범위의 전류에 걸쳐, 모터에 원하는 전류를 더 잘 복제하는 전류를 공급할 수 있다.

단지 그러한 작은 오차들의 보정을 위하여 매우 낮은 레벨의 전류들이 필요할 때, 상당한 양 또는 관성의 높은 동역학, 가속도(수 중력의 순서로), 및 따라서 높은 전류들의, 수 나노미터 이하의 낮은 정지 위치 지터(standstill position jitter), 즉 정지에서 원하는 위치로부터의 편차와, 일정 속도로 이동하는 동안에 수 나노미터 이하의 추종 오차(following error)와의 조합을 필요로 하는 많은 높은 정확도의 위치선정 적용들이 존재한다.

그러한 적용들의 예들은 둘 모두 공기-베어링(air-bearing) 형태 또는 기계적 베어링 형태들의, 높은 정확도의 위치선정 테이블들을 이용하는 웨이퍼(wafer) 검사 및 계측 시스템들을 포함한다. 그러한 위치선정 스테이지들은 단일 선형 모터와 위치 피드백을 갖는 시스템들, 및 또한 각각의 갠트리 축(gantry axis) 당 두 개의 모터와 두 개의 위치 피드백을 이용하는, 갠트리 축 시스템들을 포함할 수 있다. 종래 기술의 웨이퍼 검사 및 계측 시스템들은 수 나노미터의 일정 속도에서 이동하는 동안에 나노미터와 서브-나노미터 레벨에서의 정지 지터, 및 추종 오차들을 필요로 한다. 그러한 적용들, 또는 유사한 적용들은 또한 상대적으로 높은 관성과 다라서 높은 전류의 높은 가속도들 및 수 마이크로도(microdegree) 이하의 낮은 정지 지터의 조합을 필요로 하는 높은 정확도의 회전 위치선정 테이블들을 사용한다.

높은 동역학 및 일정 속도 동안에 또는 정지에서 나노미터와 서브-나노미터, 또는 마이크로도와 서브-마이크로도의, 정지 지터와 뒤따르는 낮은 오차의 조합을 요구하는 위치 적용들을 위하여, 현재 기술에서 유일한 실행 가능한 서보-드라이브들은 선형 드라이브이다. 특히, 현존하는 펄스 폭 변조 서보-드라이브들은 일반적으로 정지 동안에 약 10 나노미터 이하의 지터 및 추종 오차를 필요로 하는 적용들에 사용되지 않는다. 일정 속도에서 펄스 폭 변조 드라이브들로 달성될 수 있는 추종 오차는 일반적으로 더 좋지 않다.

E. Anger 등에 의해 등록된 미국특허 제3775654호는 작업물(workpiece) 컨베이어에 의해 이동되는 동안에 기계가 다양한 위치들에서 작업을 실행할 수 있도록 작업물에 대하여 기계의 위치를 제어하기 위한 프로그램 가능하고 수동으로 작동 가능한 제어 시스템을 개시한다. 시스템은 기준 위치에 대하여 기계의 위치를 나타내는 출력 신호들을 제공하는 한 쌍의 싱크로 리졸버(synchro resolver) 및 기준 위치에 대하여 컨베이어의 위치를 나타내는 출력 신호들을 제공하는 한 쌍의 싱크로 리졸버를 포함한다. 리졸버들을 나타내는 기계의 출력들은 리졸버들을 나타내는 컨베이어에 입력들을 제공하고 리졸버들을 나타내는 컨베이어의 출력들은 메모리로부터 신호들에 의해 미리 설정된 연속적으로 순환하는 카운터에 의해 발생되는 명령 신호들과 비교되며 따라서 작업물 상의 선택된 위치들 사이의 배치는 서로 다른 기계적 전동장치를 사용하지 않고 전기적으로 측정된다. 제어 시스템은 기계가 작업물과 더 동시에, 작업물과 독립적으로 이동하고, 기계가 작업물 상의 사전 프로그래밍된 위치로부터 새로 프로그래밍된 위치로 이동하는 동안에 작업물과 동시에 이동하도록 배치된다.

Jehuda Ish-Shalom에 의해 등록된 유럽특허 제0189794호는 전기자 및 복수의 코일을 갖는 고정자를 갖는 스테퍼 모터, 코일들에 전력을 공급하기 위하여 코일들에 연결되는 전력 수단, 선택될 때 전력 수단으로부터의 회로들을 코일들을 통하도록 가능하게 하는 완료하기 위하여 코일들에 연결되는 코일 스위칭 수단, 및 전기자의 위치를 모니터하고 존재하는 전기자 위치 신호들의 패턴을 논리 수단과 마이크로-프로세서에 제공하도록 적용되는 전기자 위치 감지 수단을 포함하는 전자기 액추에이터를 개시하는데, 마이크로-프로세서는 진폭 제어 신호를 전력 수단에 제공하고 방향과 위상 고도 신호는 논리 수단에 제공하도록 적용되고, 논리 수단은 코일 스위칭 수단에 스위치 선택 신호들을 발생시키도록 적용되며, 마이크로-프로세서는 제어 진폭(U)을 제공하기 위하여 선형 제어 법칙으로 작동하도록 적용되고고, 또한 아래의 공식에 따른 제곱 법칙 보상을 전력 수단에 제공하도록 적용되는 것을 특징으로 한다:

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Walker의 미국특허 제4274042호는 교류 모터 드라이브 시스템의 세 가지 위상을 개시하는데, 가변 주파수 가변 크기 교류 전류는 인덕터(inductor)를 포함하는 직류 링크(DC link)에 의해 사이리스터(thyristor) 제어식 교류 대 직류 변환기(AC to DC converter)로부터 공급되는 사이리스터 제어식 직류 대 교류 변환기로부터 교류 모터 부하에 공급된다. 직류 부하 전류는 변환기의 출력 전압 및 전압이 인덕터를 가로질러 나타나는 변압기에 대한 입력 전압 사이의 차이에 의해 제한되는 비율로 상승하도록 명령된다. 음의 방향으로의 명령들을 위하여 마주치는 고유의 전류 운반 지연의 결과, 오차 신호 클램프(error signal clamp)는 음의 방향으로의 변화를 위한 명령을 제한하기 위하여 교류 대 직류 변환기를 제어하는 피드백 신호 경로 내에 위치되고 이에 의해 음의 방향으로의 응답과 거의 같은 양의 방향으로의 시스템 응답을 제공한다.

본 발명의 실시 예들은 펄스 폭 변조 및 선형 드라이브들뿐만 아니라, 다른 형태의 드라이브에 적용된다. 펄스 폭 변조 드라이브들에 적용될 때, 펄스 폭 변조 드라이브들에 등가 선형 드라이브의 성능에 비교할만한 성능을 부여할 수 있고, 선형 드라이브에 적용될 때, 선형 드라이브에 종래의 선형 드라이브들로 달성할 수 없는 성능을 부여할 수 있다.

설명된 것과 같이, 일부 위치선정 적용들은 높은 전류 범위를 갖는 드라이브들의 사용을 필요로 한다. 가속도와 같은, 전이 상태 동안에 필요한 모터 전류는 가속하지 않을 때, 즉 정지할 때 또는 일정한 속도로 이동할 때, 정상 상태(steady state) 동안의 전류의 수천 배일 수 있다. 실제로 정상 상태의 필요한 전류는 0에 가까울 수 있다.

여기서 용어 "가속도"는 또한 음의 가속도로서 간주될 수 있는 감속도를 언급한다는 것에 유의하여야 한다. 용어 "가속도"는 또한 큰 교란(disturbance)들을 극복하는데 필요한 가속들의 보정을 언급한다.

더 일반적으로, 가속도의 전이 상태들 동안과 같은, 높은 힘이 필요할 때 그리고 높은 교란에 마주칠 때 높은 전류들이 필요하다.

전체 전류 범위를 포함하도록 계산되는 센서에 의해 정상 상태 위상 동안에 수행된 전류 측정들은 센서와 측정 회로에 의해 수집되는 전기 잡음보다 작은 실제 전류를 나타내는 전기 신호를 생산한다. 본 발명의 실시 예들은 따라서 현재 기술의 단일 센서를 사용하는 것과 동일한 신호 대 잡음 비율 및 해상도를 갖는 전류들, 및 높은 신호 대 잡음 비율 및 높은 해상도를 갖는 저 레벨 저류들 모두의 다양한 범위의 조합을 획득하기 위하여 개별 전류 센서들과 측정 회로들, 높은 전류들을 측정하기 위한 제 1 센서 및 측정 회로(거친(coarse) 측정) 및 낮은 전류들을 측정하기 위한 제 2 센서 및 측정 회로(미세 측정)를 사용할 수 있다. 개별 측정들은 위치 지터 및 추종 오차들을 개선시킨다. 그 결과가 향상된 속도 및 위치지정 정확도를 제공하는 드라이브이다. 본 발명의 거친 및 미세 측정들의 기술을 펄스 폭 변조 드라이브에 적용할 때, 펄스 폭 변조 드라이브는 단일 전류 측정 센서를 갖는 등가 선형 드라이브와 동일하거나 또는 더 나은 성능을 제공하고 이에 의해 펄스 퍽 변조 드라이브가 높은 전류 범위, 높은 정확도 적용에서 선형 드라이브를 대신하여 사용되도록 허용한다. 대안으로서, 거친 및 미세 측정의 동일한 기술은 단일 전류 측정 센서를 갖는 등가 선형 드라이브와 비교할 때 그 특성들을 더 향상시키고 따라서 훨씬 더 나은 정지 지터와 추종 오차를 달성하기 위하여 선형 드라이브에 적용될 수 있다.

여기서 용어 서보-드라이브가 사용될 때마다, 이는 단일 위상 또는 하나 또는 그 이상의 전류 피드백 측정을 갖는 다-위상 모터용 서보-드라이브일 수 있다. 거친 및 미세 측정의 방법은 하나 또는 그 이상의 그러한 피드백 측정에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 대안으로서 전류 및 전류 벡터와 관련될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 더 일반적으로 어떠한 종류의 액추에이터 및 액추에이터의 제어의 일부분을 형성하도록 측정될 수 있는 어떠한 측정 가능한 특징에도 적용될 수 있다. 특징에 광범위한 범위가 존재하고 정상 상태를 위하여 낮은 레벨 범위가 필요할 때마다 두 범위는 전용 센서들에 의해 개별적으로 측정될 수 있다.

측정 피드백 신호들에 더하여, 동일한 처리가 액추에이터의 구동을 위하여 외부로 공급되는 명령 신호들에 적용될 수 있다. 명령 신호의 낮은 범위 부분을 위하여 이는 증폭될 수 있고 증폭된 신호는 낮은 범위 부분에 대하여 더 정확한 제어를 주도록 사용될 수 있다.

본 발명의 일부 실시 예들의 일 양상에 따르면, 모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 위한 서보-드라이브 시스템이 제공되는데, 서보-드라이브 시스템은:

그로부터 피드백을 제공하기 위하여, 드라이브 모터에 의해 끌려지는(drawn) 전류의 측정을 획득하도록 구성되는 전류 측정 장치;

작동 범위를 갖는 전류 - 작동 범위는 가속을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 가지나 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음 -;를 포함하고, 전류 측정 장치는 이에 의해 정상 상태 작동 동안에 피드백을 위한 정확도를 최대화하기 위하여, 상대적으로 큰 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 1, 거친 센서 및 상대적으로 작은 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 2, 미세 센서를 포함한다.

일 실시 예는 각각 동일한 비율로 제 1 센서 및 제 2 센서를 샘플링하기 위한 샘플러(sampler)를 포함할 수 있다.

일 실시 예에서, 드라이브는 펄스 폭 변조 드라이브, 또는 선형 드라이브 또는 다른 적절한 드라이브일 수 있다.

일 실시 예에서, 모터는 단일 위상 모터, 직류 모터, 다-위상 모터, 3-상(three-phase) 모터, 교류 모터, 2-상 모터, 선형 모터 또는 회전 모터 또는 다른 적절한 모터일 수 있다.

일 실시 예는 모터 전류가 미리 결정된 임계(threshold) 아래일 때 제 2, 미세 센서를 켤 수 있고, 모터 전류가 미리 결정된 임계 위일 때 제 2 미세 센서를 전기적으로 단락할(short) 수 있다.

센서들은 저항기들, 전류 미러 회로(current mirror circuit)들, 변환기들, 홀-효과(Hall-effect) 기반 전류 회로들 또는 다른 적절한 센서를 포함할 수 있다.

드라이브는 단일 위상을 갖는 모터용일 수 있고 제 1 및 제 2 센서는 모터의 하나의 전류 측정에 적용될 수 있다.

대안으로서, 드라이브는 복수의 위상을 갖는 모터용일 수 있고, 제 1 및 제 2 센서는 모터의 적어도 하나의 적용을 위하여 제공될 수 있다. 일반적으로 모터의 하나, 일부 또는 모든 위상을 위하여 센서 쌍이 제공될 수 있다.

일 실시 예에서, 아날로그 전류 명령을 발생시키기 위하여 외부 컨트롤러가 사용될 수 있고, 드라이브는 외부 컨트롤러로부터 아날로그 명령을 수신하도록 연결된다. 드라이브는 아날로그 명령의 미세 및 거친 측정을 획득하거나 또는 제공한다.

드라이브 시스템은 모터의 제어를 위하여 하나 또는 그 이상의 전류 명령을 발생시킬 수 있고, 하나 또는 그 이상의 전류 명령을 기초로 하여 제 1 및 제 2 센서 중 하나를 선택할 수 있다. 드라이브는 그 증폭에 의해 아날로그 명령의 미세 측정을 획득할 수 있고 증폭 이전 및 이후의 명령 전류 사이에서 선택할 수 있다.

제 2, 미세 센서는 제 1, 거친 센서에 의해 사용되는 것보다 큰 출력 측정 범위를 사용할 수 있다.

드라이브 시스템은 미세 및 거친 감지의 측정들을 위하여 오프셋 보상(offset compensation) 및 이득 미스매치 보상(gain mismatch compensation)을 사용할 수 있고, 이에 의해 피드백 및 아날로그 명령 신호들 중 어느 하나 또는 모두를 향상시키기 위하여 보상은 감지 쌍들 내에 제공된다.

본 발명의 제 2 양상에 따르면 모터의 모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 위하여 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법이 제공되고, 방법은:

모터 내로 전류의 측정을 획득하는 단계;

피드백을 제공하기 위한 측정을 제공하는 단계 - 전류는 작동 범위를 갖고, 작동 범위는 가속을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 가지나 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음 -;를 포함하고, 전류 측정을 획득하는 단계는 이에 의해 정상 상태 작동 동안에 피드백을 위한 정확도를 최대화하기 위하여, 상대적으로 큰 전류 범위의 제 1, 거친 측정 및 상대적으로 작은 전류 범위의 제 2, 미세 측정을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 제 3 양상에 따르면, 모터의 모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 위한 서보-드라이브가 제공되는데, 서보-드라이브는:

거친 명령으로서 외부로 발생되는 명령 신호를 수신하기 위한 거친 명령 입력;

외부로 발생되는 명령 신호를 증폭하는 증폭기;

미세 명령 신호로서의 증폭 후에 외부로 발생된 명령을 수신하기 위한 증폭기의 미세 명령 신호 출력;

작동 범위를 갖는 명령을 포함하되, 작동 범위는 전이 상태들을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 가지나 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음;을 포함하고, 서보-드라이브는 이에 의해 정상 상태 동안에 명령을 위한 정확도를 최대화하기 위하여, 명령이 미리 결정된 임계 위일 때 거친 명령을 연결하기 위한 스위치 및 명령이 미리 결정된 임계 아래일 때 미세 명령을 연결하기 위한 스위치를 포함한다.

본 발명의 제 4 양상에 따르면, 모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 갖는 액추에이터 시스템이 제공되고, 액추에이터 시스템은:

그로부터 피드백을 제공하기 위하여, 액추에이터의 제어 가능한 특징의 측정을 획득하도록 구성되는 측정 장치;

작동 범위를 갖는 측정 가능한 특징일 수 있는 특징부를 포함하되,

작동 범위는 전이 상태들을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 가지나 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음;을 포함하고, 측정 장치는 이에 의해 정상 상태 작동 동안에 측정 가능한 특징부를 위한 정확도를 최대화하기 위하여, 상대적으로 큰 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 1, 거친 센서 및 상대적으로 작은 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 2, 미세 센서를 포함한다.

달리 정의되지 않으면, 여기서 사용되는 모든 기술 및/또는 과학 용어는 본 발명에 속하는 통상의 지식을 가진 자들에 의해 공통으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 비록 여기에 설명되는 것과 유사하거나 또는 동등한 방법들과 재료들이 본 발명의 실시 예들의 실행 또는 검사에 사용될 수 있으나, 바람직한 방법들 및/또는 재료들이 아래에 설명된다. 충돌이 발생할 경우에, 정의들을 포함하는 특허 명세서가 제어할 것이다. 게다가, 재료들, 방법들 및 실시 예들은 단지 설명을 이한 것이며 이를 한정하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명의 실시 예들의 방법 및/또는 시스템의 구현은 수동으로, 자동으로, 또는 그것들의 조합으로 선택된 작업들을 실행 또는 완료를 포함한다. 게다가, 본 발명의 방법 및/또는 시스템의 실시 예들의 실제 계장(instrumentation) 및 장비에 따르면, 몇몇 선택된 작업들은 운용 시스템을 사용하는 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어 또는 이것들의 조합에 의해 구현될 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시 예들에 따라 선택된 작업들을 실행하기 위한 하드웨어는 칩(chip) 또는 회로로서 구현될 수 있다. 소프트웨어로서, 본 발명의 실시 예들에 따라 선택된 작업들은 어떤 적절한 운용 시스템을 사용하는 컴퓨터에 의해 실행되는 복수의 소프트웨어 명령으로 구현될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서, 위에 설명된 것과 같은 방법 및/또는 시스템의 바람직한 실시 예들에 따른 하나 또는 그 이상의 작업은 복수의 명령을 실행하기 위한 계산 플랫폼과 같은, 데이터 프로세서에 의해 실행된다. 선택적으로, 데이터 프로세서는 명령들 및/또는 데이터를 저장하기 위한 휘발성 메모리 및/또는 명령들 및/또는 데이터를 저장하기 위한 비-휘발성 메모리, 예를 들면 자기 하드-디스크 및/또는 제거 가능한 매체를 포함한다.

첨부된 도면들을 참조하여 단지 예로써, 본 발명의 일부 실시 예들이 여기에 설명된다. 이제 도면들을 상세히 참조하면, 도시된 특정 실시 예들은 일례이며 본 발명의 실시 예들의 설명을 위한 목적이라는 것을 이해하여야 한다. 이와 관련하여, 도면들을 참조한 설명은 통상의 지식을 가진 자들에 본 발명의 실시 예들이 어떻게 실행될 수 있는지를 자명하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 서보-드라이브의 단순화된 블록 다이어그램이다.
도 2는 3-상 모터를 위한 도 1의 실시 예의 구현을 도시한 단순화된 회로 다이어그램이다.
도 3은 도 1의 장치의 작동의 플로우 차트이다.
도 4는 감지가 모터의 위상들과 함께 연속적인 거친 및 미세 전류 측정을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3-상 모터용 서보-드라이브의 개략적인 회로 다이어그램이다.
도 5는 감지가 전력 브리지(power bridge)의 음 전력 공급 면 상에 수행되는 거친 및 미세 전류 측정을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3-상 모터용 서보-드라이브의 개략적인 회로 다이어그램이다.
도 6은 전류 명령 또는 전류 벡터 명령의 완전 제어 시스템 및 발생을 도시한 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 7은 전류 명령이 드라이브 외부로 발생되고 아날로그 신호로서 드라이브에 제공되는 본 발명의 일 실시 예를 도시한 개략적인 블록 다이어그램이다.
도 8은 도 7의 실시 예의 작동을 도시한 단순화된 플로우 차트이다.

본 발명은 그 일부 실시 예들에서, 광범위한 전류 범위에 대한 모터의 전류의 측정들을 위한 방법의 구현에 의한 모터 전류의 제어 향상에 관한 것이다. 잡음에 대한 민감도는 잔류 범위에 대하여, 특히 더 나은 위치 및 속도 제어에 이르게 하는, 낮은 전류 레벨들에 대하여 향상될 수 있다.

고성능 속도 및 위치 제어 시스템들은 폐쇄 루프 피드백을 이용한다. 실제 속도 및/또는 위치가 측정될 수 있고 원하는 속도 및/또는 위치와 비교될 수 있다. 원하는 속도 또는 위치 및 실제 속도 또는 위치 사이의 편차, 속도 또는 위치 오차는 모터-서보 드라이브에 대한 전류 명령 또는 전류 명령 벡터, 드라이브 명령을 생성하도록 사용된다. 설명된 것과 같이 서보-드라이브는 대안으로서 모터 전류로서 알려진, 서보-모터를 공급하는 전류를 생산한다.

본 발명의 실시 예들은 더 정확한 전류 제어를 가능하게 하고, 차례로 더 정확한 속도 및 위치 제어를 가능하게 하는, 모터 전류의 측정들을 향상시킨다.

일반적으로, 위치선정 적용들은 넓은 전류 범위 및 따라서 광범위한 민감한 전류 피드백 측정을 필요로 한다. 전류들의 높은 레벨들은 일례로서 가속할 때 및 감속할 때 사용된다. 상대적으로 매우 작은 전류들은 정지 및 일정한 속도 동안에 사용된다. 본 발명의 실시 예들은 전류 값들이 낮을 때 실제 전류를 더 정확하게 나타내고 높은 신호 대 잡음 비율을 나타낼 수 있는 전류 측정 방법을 제공한다. 부가적으로, 특히 외부 컨트롤러에 의해 드라이브 명령이 발생되는 경우를 위하여, 드라이브 명령 측정 방법이 제공될 수 있다.

제어될 수 있는 전류의 최소 값은 오프셋들 및 아날로그 대 디지털 변환기(Analog to Digital Converter, ADC)가 그것의 유한 해상도에 기인하여 샘플링할 수 있는 최소 값(양자화 잡음 또는 오차)에 의해, 전류 측정 센서와 측정 회로의 전기 신호에 추가되는 주변 회로들로부터의 전기 잡음의 레벨에 의해 주어진 시스템 내에서 결정될 수 있다. 샘플링된 신호 내의 잡음 및 오차는 잡음 및 잘못된 전류를 야기하고 원하는 속도와 원하는 위치에 대한 속도와 위치의 잡음 비-제어 변동(fluctuation), (= 속도 오차, 위치 오차)을 야기한다

피드백의 잡음이 없는 해상도보다 높은 해상도(잡음이 없는)를 갖는 명령의 사용은 만약 있다 해도, 피드백의 잡음이 없는 해상도와 동일하거나 또는 약간 높은 해상도를 갖는 명령에 대하여 미미한 향상을 갖는다.

선형 드라이브들은 유사한 전압과 전류 범위인, 균등한 펄스 폭 변조보다 적은 전기 잡음을 생산하고, 이와 같이 동일한 범위의 전류와 전류 피드백 측정을 가지며, 선형 드라이브들로 더 미세한 전류 및 그 결과 더 작은 속도 및 위치 오차들을 달성하는 것이 가능하다. 일반적으로, 선형 드라이브들은 더 효율적인 높은 해상도(잡음 없는) 피드백을 이용하기 위하여 높은 해상도를 갖는 전류 명령에 의해 명령된다. 본 발명의 실시 예들에서, 두 개의 전류 측정 장치가 사용되는데, 하나는 설정 임계 위의 높은 전류들을 측정하고 다른 하나는 그러한 임계 아래의 낮은 전류를 측정하기 위한 것이다. 이러한 두 가지 측정 방법은 실제로 어떠한 종류의 드라이브를 위하여, 펄스 폭 변조 및 선형 드라이브들 모두를 위하여 작용 가능하다.

컨트롤러는 아래에 설명될 것과 같이, 어떠한 주어진 시간에 두 가지 측정 중 어느 것을 사용하는지를 결정할 수 있다. 낮은 전류 센서는 낮은 전류에서 낮은 전류 센서의 출력이 주어진 전류를 위하여 동일한 전류를 위한 높은 전류 센서의 출력보다 훨씬 높도록 디자인된다. 일례로서, 1 암페어(Amp)의 전류를 위하여, 낮은 전류 센서의 출력은 1 볼트이고 동일한 1 암페어를 위한 높은 전류 센서의 센서는 20배 작다(0.05 볼트). 두 측정 신호들에 추가되는 결함(잡음, 오프셋들 및 양자화 오차들을 포함하는)은 동일한 레벨이고 그 결과 20배 적은 실제 전류가 정확하게 측정될 수 있고 제어를 위하여 사용될 수 있으며, 따라서 필요한 전체 범위의 전류를 위하여 단지 하나의 전류 센서의 사용에 의해 가능한 것보다 20배 적은 전류들을 제어할 수 있다. 게다가, 아날로그 신호 측정들 내의 오프셋들의 부정적 효과는 또한 미세, 또는 낮은 전류 측정에서 감소될 수 있다. 작은 오프셋들은 높은 성능을 제공할 수 있다(특히 등속(constant velocity) 이동 동안에 다 위상 모토들로). 전류들 내의 오프셋들은 모터가 바람직하지 않은 힘/토크의 변동들을 발생시키도록 야기하고, 따라서 등속 성능의 악화를 야기한다. 비록 오프셋들이 보상될 수 있더라도, 보상은 결코 완벽하지 않다. 미세 측정 상의 오프셋들의 영향은 주어진 예에서 상당히 작은데, 약 20배 더 작다.

동일한 개념이 또한 명령들이 아날로그 신호들이면 드라이브에 대한 명령 신호들에 적용된다. 다시 개념은 선형 및 펄스 폭 변조 드라이브 모두에 적용된다. 종래의 펄스 폭 변조 드라이브들에 의해 발생되는 전류 피드백 내의 잡음 성분이 선형 드라이브들과 비교할 때 상대적으로 높기 때문에, 명령 해상도는 지금까지 제한 인자가 아니었다. 전류 피드백 내의 잡음이 감소될 때, 유용한 해상도는 높고, 그리고 나서 전류가 낮은 레벨일 때 더 나은 신호 대 잡음 비율 피드백에 의해 제공되는 향상들을 실현하기 위하여 높은 해상도 명령들과의 결합이 관련된다.

동일한 개념이 어떠한 액추에이터의의 어떠한 종류의 드라이브 및 제어를 제공하기 위하여 측정될 수 있는, 전류, 전압, 압력 등과 같은, 어떠한 측정 가능한 특징부에 적용될 수 있고 특징부는 정상 상태 동안에 범위의 낮은 부분이 사용되는 범위를 가지며, 성능은 낮은 범위 내의 잡음이 없는 해상도 측정을 증가시킴으로써 향상될 수 있다.

다시 서보-드라이브의 경우에서, 모터는 다-위상 모터 내의 전류 명령, 또는 전류 명령 벡터와 직접적으로 관련되는 힘(선형 모터) 또는 토크(회전 모터)를 생산한다. 모터 드라이브 목적은 전류를 제어 방식으로 모터에 밀어 넣는 것이다. 실제 존류는 가능한 한 원하는 전류에 가까워야만 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 폐쇄 제어 루프 방법이 사용된다. 실제 전류가 측정되고 (원하는) 전류 명령 과 비교되며 드라이브의 전류 응답 출력을 변형하기 위하여 둘 사이의 오차가 사용된다. 원하는 전류로부터 실제 전류 내의 어떠한 편차는 모터의 힘 또는 토크 내의 바람직하지 않은 변동들을 야기할 수 있고 그 결과, 가속도, 속도(가속도의 적분) 및 위치(속도의 적분) 내의 편차들을 야기할 수 있다.

컴퓨터 기반 디지털 폐쇄 루프 제어 시스템들뿐만 아니라 아날로그 폐쇄 루프 제어 시스템들에서, 실제 전류가 명령을 얼마나 잘 따르는가는 전류 측정의 품질에 상당히 의존한다. 그 중에서도, 측정된 실제 전류를 나타내는 전기 신호의 품질은 다음에 의해 영향을 받는다:

a. 주변 회로들에 의해 추가되는 전기적 임의 잡음 및

b. 유한 해상도 아날로그 대 디지털 변환기에 의한 측정들의 샘플링에 기인하는 양자화 잡음(또는 오차)

c. 전기 회로들 내의 오프셋들(회로의 오프셋은 입력이 0일 때 출력의 평균 값이고 평균 출력이 또한 0인 것으로 추정된다).

전류 잡음 및 오차는 모터의 힘 또는 토크 내의 잡음 및 오차를 야기하고 그 결과, 실제 가속도, 실제 속도 및 실제 위치 내의 잡음 및 오차를 야기한다.

많은 서보 제어식 위치선정 시스템들은 하나의 위치로부터 또 다른 위치로 가능한 한 빠른 이동 및 정상 상태 동안에 가능한 한 가장 작은 속도 오차 및 위치 오차를 필요로 한다. 빠른 이동은 높은 가속을 요구하고 따라서 높은 힘 또는 토크를 요구하며 따라서 높은 전류를 요구한다. 필요한 최대 전류는 주어진 시스템 내에서 최대 가속에 의해 정의된다. 일정 속도로 이동할 때, 또는 정지할 때, 작은 전류를 위하여 단지 마찰과 다른 방해들을 극복하기 위한 힘 또는 토크를 생산하기에 충분한 것만 필요하다. 생산되고 제어될 수 있는 낮은 레벨 전류의 해상도와 정확도가 높을수록, 모터가 생산하는 힘 또는 토크의 해상도와 정확도가 높아지고, 이는 더 작은 정지 지터 및 추종 오차들을 달성하는 더 작은 방해들을 극복하는 것을 가능하게 한다. 따라서 많은 서보 제어식 위치선정 시스템들은 빠르게 이동하기 위한 높은 전류 및 정상 상태 속도와 위치 오차들을 최소화하기 위한 낮은 전류의 높은 해상도 및 높은 정확도의 조합을 필요로 한다. 최대 전류는 높은 전류 범위(0부터 최대까지)를 정의하고 마찰과 다른 방해들을 극복하기 위하여 일정 속도 동안에 그리고 정지일 때 필요한 최대 전류는 높은 전류 범위의 서브셋인 낮은 전류 범위를 정의한다.

최대 유용 전류 측정 신호는 그러한 신호 내의 잡음 성분에 의해 정의된다.

다음은 주어진 시스템에 관한 것이며, 도시된 향상들은 그러한 시스템을 위한 것이다. 다른 시스템들을 위하여 특정 숫자들이 다를 수 있으나 원칙을 적용한다. 따라서, 일 실시 예에서:

a. 필요한 최대 전류는 10A이다.

b. 전류 측정 회로의 출력은 전류와 선형으로 관련된다.

c. 전류 측정 회로의 최대 출력은 100㎃이다.

d. 그러한 회로의 잡음 레벨(오프셋을 포함하는)은 0.1㎃이다.

e. 측정될 수 있는 최소 유용 전류는 따라서 0.1A이다. 그러한 레벨 아래에서, 측정 신호는 주로 잡음을 포함한다.

필요한 전류의 범위는 0 내지 10A(또는 요약하여 10A)이다. 이러한 실시 예에서 유용한 전류의 범위는 0.01A부터 10A까지이고 최소에 대한 최대의 비율은 10/0.01이며, 이는 최대 신호 대 잡음 비율(SNR)과 동일하다.

신호는 12비트의 깨끗한 해상도를 갖는 아날로그 대 디지털 변환기에 의해 측정된다. 아날로그 대 디지털 변환기 내의 전기 잡음은 0.1 ㎃ 위의, 회로의 잡음 내에 포함되는 것으로 가정된다. 아날로그 대 디지털 변환기 출력의 최소 표시는 0.005A와 동일한 저류를 나타내는 100㎃/(4096/2) = 0.05㎃이다. 만일 잡음이 없는 신호 내의 실제 전류가 그러한 레벨 아래이면, 아날로그 대 디지털 변환기는 실제로 실제 전류를 보지 못할 것이며, 대신에 양자화 오차 또는 잡음에 의해 혼동된다. 만일 회로의 잡음이 양자화 잡음 아래이면, 양자화 잡음은 전류 측정 신호의 유용한 범위 내의 제한 인자가 된다.

본 발명의 실시 예들은 전류 측정 신호의 신호 대 잡음 비율을 증가시킴으로써 그리고 낮은 잔류 범위 내의 전류들을 위하여 양자화 잡음(오차)의 효과를 감소시킴으로써 낮은 전류 범위 내의 전류들의 유용한 해상도를 증가시킨다. 높은 해상도를 갖는 아날로그 대 디지털 변환기의 사용은 이러한 실시 예에서 낮은 범위 내의 전류들의 유용한 해상도를 향상시키지 않을 것이고 그것들은 (상당히) 경비가 더 든다.

본 발명의 실시 예들에서, 전류는 두 개의 서로 다른 측정 회로에 의해 두 번 측정된다. 하나의 측정 회로, 이하 거친 측정 회로는 전체 높은 전류 범위(실시 예에서 0 내지 10A. 따라서 100mV는 10A를 나타냄)를 측정한다.

제 2 회로, 이하 미세 측정 회로는 낮은 전류 범위 내, 예를 들면 0.5A까지의 전류들을 측정한다. 따라서 100mV의 측정 출력 신호는 0.5A의 실제 전류를 나타낸다. 실제 전류가 0.5A 위일 때, 미세 측정 제 2 회로는 사용되지 않는다.

실제 전류가 0.5A 위일 때, 전류 제어를 위하여 제 1 회로로부터의 신호가 사용된다. 실제 전류가 0.5A까지일 때, 제 2 회로의 신호가 사용된다.

거친 및 미세 측정들은 동시에 수행될 수 있으나, 대안으로서 특정 실시 예들에서 서로 다른 시기에 수행될 수 있다.

두 회로 모두는 유사한 전기 잡음(실시 예에서는 0.1mV)을 갖는다. 따라서 결합된 신호의 신호 대 잡음 비율은 전류가 낮은 전류 범위일 때 20배 더 높고 20배 낮은 실제 전류들을 나타내는 잡음이 없는 신호들을 생산한다. 실시 예에서의 최대 신호 대 잡음 비율은 이제 20,000이다. 측정될 수 있고 생산될 수 있는 최소 유용 전류는 이제 10/20,000 = 0.0005A이다. 그 결과 가속 잡음은 20배 작을 수 있고 오차 및 지터를 따르는 위치는 상당히 작을 수 있다.

위에 설명된 시스템은 선형 및 펄스 폭 변조 드라이브 모두에 적용될 수 있다. 펄스 폭 변조 서보-드라이브들에 적용될 때 그 결과로서 생기는 드라이브는 1 나노미터 아래의 정지 지터 및 몇몇 나노미터 순으로 추종 오차들이 필요한, 웨이퍼 검사 및 계측학과 같은 고성능 적용들의 사양들을 충족시킬 수 있다.

펄스 폭 변조 서보-드라이들에서, 전기 잡음은 항상 유사한 전압과 최대 전류인 등가에서 선형 드라이브들보다 높고, 따라서 지금까지 펄스 폭 변조 명령 해상도의 증가에 대한 지적이 없었는데, 그 이유는 그것이 제한 인자가 아니었기 때문이다. 그러나, 본 발명의 실시 예들과 함께, 펄스 폭 변조 명령 해상도는 제한 인자이기 시작하였고 따라서 본 발명의 일부 실시 예들에서 증가된 펄스 폭 변조 명령 해상도가 제공된다.

본 발명의 실시 예들은 선형 서보-드라이브들에 제공될 수 있다. 선형 서보-드라이브들은 이미 매우 뛰어난 성능을 가지며 본 발명의 실시 예들에 의해 제공되는 향상들은 훨씬 더 낮은 정지 지터 및 추종 오차들을 필요로 하는 웨이퍼 검사 및 계측학과 같은 분야들에서 새롭게 나타나는 요구사항들을 충족시킬 수 있다.

여기서, 용어 '드라이브 시스템'은 모터 또는 액추에이터용 서보-드라이브를 언급하도록 사용되고, 또한 명령 신호들, 에너지 및 서보-드라이브와 모터의 작동을 위하여 필요할 수 있는 다른 지원을 제공할 수 있는 서보-드라이브 외부의 부품들을 언급하도록 사용된다.

본 발명의 적어도 하나의 실시 예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 뒤따르는 설명에서 제시되거나 및/또는 도면들 및/또는 실시 예들에서 나타내는 부품들 및/또는 방법들의 구성과 배치의 상세설명에 대한 그 적용에 반드시 한정되는 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다양한 방법으로 다른 실시 예들에서 가능하거나 또는 실행되거나 또는 수행될 수 있다.

이제 도면들을 참조하면, 도 1은 서보-드라이브(20)의 제 1 실시 예를 나타내는 단순화된 개략적인 블록 다이어그램이다. 서보-드라이브는 펄스 폭 변조 또는 선형 형태일 수 있다. 위에 언급된 것과 같이, 본 발명은 펄스 폭 변조 장치에 한정되지 않고, 두 측정 센서의 동일한 원리가 선형 드라이브 및 어떠한 다른 형태의 서보-드라이브에도 적용될 수 있다. 본 발명의 실시 예들에 따른 서보-드라이브는 전류 컨트롤러(30), 전력 브리지(32), 거친 및 미세 전류 측정 센서들(36, 38), 및 상응하는 두 개의 전류 측정 회로(34)를 포함할 수 있다. 서보-드라이브는 또한 속도 및 위치 컨트롤러들을 포함할 수 있다.

전류 컨트롤러(30)는 전류 또는 전류 벡터 명령을 기초로 하고 측정된 실제 모터 전류(= 현재 피드백)를 기초로 하여, 모터(33)에 공급하는 전류를 생산하는 전력 브리지(32)를 위한 제어 명령들을 제공한다.

위에 설명된 것과 같이, 많은 서보-제어식 위치선정 시스템들은 하나의 위치로부터 또 다른 위치로 가능한 한 빨리 이동하는 것이 필요하고, 정상 상태 동안에 가능한 가장 작은 속도 오차와 위치 오차를 달성하는 것이 필요하며, 따라서 서보-드라이브는 높은 전류 범위와 높은 해상도 및 낮은 전류 범위 내의 높은 정확도 전류의 결합을 제공할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시 예들은 두 개의 센서가 사용되는, 모터에 적용되는 전류를 위한 측정 유닛(34)을 제공한다. 첫 번째는 예를 들면 가속 위상들 동안에 필요한 것과 같이, 완전 전류 범위 내의 전류들을 측정하기 위한 거친 센서(36)이고 두 번째는 일정 속도 또는 정지 동안인, 정상 상태 동안에 필요한 것과 같이 낮은 전류 범위 내의 전류들을 측정하는, 미세 센서(38)이다.

각각의 센서들은 따라서 의도된 특정 전류 범위를 위하여 최적화된 방식으로 작동하며, 특히 낮은 전류 범위에 대하여 향상된 정확도를 제공한다. 일반적으로 미세 센서는 높은 전류 범위의 5%와 동일한 낮은 전류 범위에 대하여 작동하나, 이는 0%보다 작은 다른 어떠한 범위일 수도 있다. 미세 센서는 실제 전류가 낮은 전류 범위 내의 최대 전류와 동일할 때 최대 신호를 생산하도록 디자인되고 거친 센서는 실제 전류가 높은 전류 범위 내의 최대 전류와 동일할 때 최대 신호를 생산하도록 디자인된다. 일례로서, 두 센서는 100mV와 동일한 최대 신호를 생산한다. 따라서, 실제 전류가 낮은 전류 범위일 때, 미세 센서의 출력 신호는 거친 센서의 출력 신호보다 훨씬 높다. 높은 전류 범위의 5%의 낮은 전류 범위 및 두 센서를 위한 동일한 최대 신호를 위하여(위의 실시 예에서 100mV), 미세 센서(36)의 출력은 거친 센서(38)의 출력 신호보다 20배 높다.

두 측정에 영향을 미치는 잡음은 대략 동일하고 그 결과, 미세 센서(38)의 효율적인 신호 대 잡음 비율은 20배 더 크며, 따라서 필요한 전류들의 전체 범위를 위하여 하나의 센서만을 사용함으로써 가능한 것보다 20배 더 적은 전류들을 제어할 수 있다.

두 개의 센서는 아날로그 측정들을 만들 수 있고, 그리고 나서 컨트롤러(30)를 위하여 샘플링되고 디지털화될 수 있으며, 일 실시 예에서, 두 센서는 동시에 그리고 동일한 비율로 샘플링된다. 대안의 실시 예에서 센서들은 서로 다른 시간에 샘플링된다.

컨트롤러는 어떤 주어진 시간에서 거친 또는 미세의, 두 측정 중 어느 것을 사용하는지를 자동으로 결정할 수 있다. 컨트롤러는 두 측정을 샘플링하고 거친 측정을 기초로 하여 어던 주어진 시간에서 어느 것을 사용할지를 결정한다. 만일 전류가 낮은 전류 범위 내에 존재하면, 컨트롤러는 미세 측정을 사용하고, 만일 전류가 그러한 낮은 전류 범위 위일 때 컨트롤러는 거친 측정을 사용한다. 대안으로서, 컨트롤러는 전류 명령 신호의 크기 또는 전류 벡터 명령 신호의 크기를 볼 수 있고 만일 필요한 전류가 낮은 전류 범위 내에 존재하면, 미세 측정이 피드백으로서 사용될 수 있다. 만일 필요한 전류가 낮은 전류 범위 위이면, 거친 측정이 피드백으로서 사용된다. 제어 알고리즘 내의 이득은 서로 다른 스케일의 거친 및 미세 측정을 보상하도록 변형될 수 있다.

낮은 전류 범위 내의 전류들의 신호 대 잡음 비율에서의 또 다른 향상은 명령들의 해상도를 변형함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 실시 예들은 신호 대 잡음 비율을 향상시킬 뿐만 아니라 낮은 전류 범위 내의 전류들을 위한 양자화 오차들을 감소시킨다.

전류 센서들(36 및 38)은 저항기들, 홀 기반 전류 센서들 또는 전류를 측정할 수 있는 어떠한 다른 센서일 수 있다.

전류 센서들로서 저항기들을 사용할 때, 미세 저항기의 저항 값은 거친 저항기의 값보다 높다. 위의 실시 예에서, 이는 20배 더 높다. 20A를 위한 0.1V의 출력을 위하여, 거친 저항기 값은 0.005 옴일 수 있다. 거친 저항기를 통하여 20A의 전류가 흐를 때, 이는 2W(=20×20×0.0005)의 비율로 열을 소멸시킬 수 있다. 미세 저항기는 40W(=20×20×0.1)의 비율로 열을 소멸시킬 수 있다. 많은 적용들에서 그러한 높은 레벨의 열 소멸은 그러한 방법의 사용을 방지할 수 있으나, 일 실시 예에서, 미세 센서는 실제 전류가 낮은 전류 범위 내에 존재할 때를 제외하고는 그것을 단락함으로써 꺼진다. 따라서 미세 저항기에서의 열 소멸은 최소화된다. 위의 실시 예에서, 만일 낮은 전류 범위가 1A이면, 미세 저항기의 최대 역 소멸은 0.1W(=1×1×0.1)이다.

게다가, 그것의 출력 신호의 크기에 관한 열을 소멸시키는 센서, 예를 들면 출력 신호인, 저항기 상의 전압 강하에 곱해진 전류와 열을 소멸시키는 저항기를 사용할 때, 그러한 열 소멸은 센서의 출력 신호의 최대 값을 제한한다. 20A의 높은 전류 범위 및 1A의 낮은 전류 범위를 갖는 위의 실시 예에서, 거친 센서의 열 소멸을 2W로 한정하기 위하여 20A를 나타내는 0.1V 최대 출력 신호가 디자인된다. 사용되지 않을 때 미세 센서의 저항기를 단락함으로써, 그리고 전류가 낮은 전류 범위일 때만 그것을 통하여 측정된 전류 흐름을 허용함으로써, 동일한 최대 출력 신호를 위하여 열 소멸은 위의 실시 예에서보다 20배 작으며, 이는 단지 0.1W의 열 소멸만을 야기한다. 따라서 아는 낮은 전류 범위 내의 최대 전류를 위하여 높은 신호를 발생시키는 미세 센서를 위한 저항기를 선택하는 것을 가능하게 하고 따라서 미세 센서 출력 신호의 신호 대 잡음 비율을 더 향상시킨다. 위의 실시 예에서 0.1옴 대신에 0.2옴의 미세 저항기를 선택함으로써, 주어진 전류를 위한 출력 신호는 2배 더 높고 따라서 2의 추가적인 인자에 이해 그러한 신호의 신호 대 잡음 비율을 증가시키며, 최대 열 소멸은 거친 저항기가 소멸시키는 열 또는 현재 기술의 단일 센서가 소멸시키는 열의 단지 10%만을 추가하여, 0.2W로 증가한다.

미세 센서의 최대 출력 신호는 거친 센서의 최대 출력 신호보다 높게 디자인될 수 있고, 다라서 미세 센서 출력 신호의 신호 대 잡음 비율을 향상시킨다.

도 4와 관련하여 아래에 상세히 설명될 것과 같이, 전류 측정 장치에 일련의 모터가 제공될 수 있다. 만일 모터가 다-위상 모터이면 모터의 하나 또는 그 이상의 위상을 위하여 미세 및 거친 센서들이 제공될 수 있다.

도 5의 대안의 실시 예에서, 전류 측정 장치는 브리지 및 음성 전원공급 노드(power supply node) 사이에 위치될 수 있다.

전류 측정 장치는 또한 브리지 및 양성 전원공급 노드 사이에 위치될 수 있다.

전류 컨트롤러(30)는 전력 브리지(32)를 작동시키고 따라서 모터를 위한 전류를 발생시키기 위하여 필요한 전류 명령 또는 전류 명령 벡터를 사용할 수 있다. 여기서 도 6은 아래에 컨트롤러(30)를 위한 입력으로서 사용되는, 전류 명령이 어떻게 발생될 수 있는지를 나타낸다.

이제 도 1의 서보-드라이브 실시 예의 일 구현을 나타내는 회로 다이어그램인, 도 2가 참조된다.

도 2에서, 서보-드라이브(40)는 전력 브리지(50)를 포함하고 3-상 모터(52)를 작동시킨다. 개략도는 펄스 폭 변조뿐만 아니라 선형 형태 드라이브에도 적용된다. 전류 컨트롤러(54)는 전류 명령을 수신한다. 세 개의 위상 중 적어도 두 개를 위하여 모터 내로의 전류가 측정되고 각각의 전류를 위하여 두 거친(56) 및 미세(58) 센서 모두가 제공된다. 컨트롤러(54)는 전력 브리지(50)에 대한 제어 신호들을 변형하기 위하여 측정된 전류들을 기초로 하여 계산된 신호들을 전류 명령들과 비교하고 이는 차례로 모터(52) 내의 필요한 전류를 발생시킨다. 펄스 폭 변조 드라이브의 경우에 트랜지스터 제어 신호들은 전력 브리지의 트랜지스터들을 켜거나 끄도록 사용되는 펄스 폭 변조 스위칭 신호들이다. 선형 서보-드라이브의 경우에 트랜지스터 제어 신호들은 연속 방식으로 각각의 트랜지스터에 대한 전압 및 각각의 트랜지스터를 통한 전류 흐름을 제어하도록 사용되는 아날로그 신호들이다.

이제 거친 및 미세 측정 센서를 사용하여 서보-드라이브 내의 피드백의 정확도를 향상시키는 방법을 도시한 단순화된 플로우 차트인, 도 3이 참조된다.

단계 100에서 센서들은 설명된 것과 같이 제어 루프를 위한 측정들을 제공하고, 제어 신호들이 전력 브리지에 제공된다. 단계 110에서 전류의 두 거친 및 미세 측정 모두가 샘플링된다. 단계 120에서 거친 측정이 임계와 비교된다. 만일 임계 아래이면 단계 130에서 미세 전류가 사용된다. 만일 임계 위에 존재하면, 거친 측정이 사용된다(135). 단계 140에서 두 개의 센서 중 어느 것이 사용되었는지에 따라 출력 측정이 스케일링된다. 단계 150에서 전력 브리지에 대한 제어 신호들을 변형하기 위하여(160) 선택된 전류 측정 신호 및 원하는 신호 사이의 오차가 사용된다.

도 3의 방법은 더 나은 전류 제어를 제공하는 서보-드라이브의 작동 방법을 제공할 수 있다. 도 3의 방법의 사용은 더 작은 전류들이 모터에 잡음이 없는 더 미세한 해상도를 제공하는 것을 가능하게 한다. 여기서 설명되는 것과 같이, 더 미세하고 더 정확한 전류는 낮은 정지 지터와 추종 오차들을 갖는 더 미세한 위치 및 속도 제어를 허용한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른, 거친 및 미세 측정 방법을 사용하는 펄스 폭 변조 서보-드라이브는 유사한 최대 전류의 선형 드라이브의 해상도와 동일하거나 또는 더 나은 잡음이 없는 해상도를 갖는 낮은 전류를 생산할 수 있고 단일 전류 측정을 갖는 전압 사양을 생산할 수 있으며 따라서 그러한 펄스 폭 변조 서보-드라이브는 지금까지 필요한 위치 및 속도 성능을 달성하기 위하여 선형 드라이브들만이 사용되었던 적용들에서 단일 전류 측정 방법을 갖는 선형 드라이브들을 대체할 수 있다. 예를 들면, 높은 가속과 따라서 높은 전류 모두 및 동시에 위치 정지 지터와 수 나노미터 및 그 이하의 오차들을 따르는 위치, 및 따라서 고해상도의 잡음이 없는 낮은 전류의 조합을 필요로 하는 적용들은 본 발명의 실시 예의 펄스 폭 변조 서보 드라이브를 사용할 수 있다. 그러한 적용들은 현대 웨이퍼 검사 및 계측 시스템들을 포함한다. 필요한 낮은 지터와 추종 오차 요구조건을 제공하기 위하여 이러한 적용들은 지금까지 펄스 폭 변조 드라이브들의 불능에 기인하여 선형 드라이브들에 제한되어 왔다. 이러한 적용들에서 펄스 폭 변조 드라이브들의 사용은 낮은 효율성, 높은 열 소멸, 대형 크기 및 높은 비용과 같은 이러한 적용들에서 선형 드라이브들과 관련된 단점들을 제거하거나 또는 감소시킬 수 있다.

설명된 것과 같이, 서보-드라이브를 갖는 제한 인자는 필요한 전류의 범위가 높다는 것이다. 모터를 위하여 필요한 동역학을 달성하고 필요한 가속들을 제공하기 위하여, 높은 최대 전류를 위한 필요성, 예를 들면 20A가 존재한다. 정지 또는 일정 속도로 이동하는 동안에, 필요한 전류는 훨씬 작고, 단지 마찰과 다른 방해물을 극복하는데 필요할 수 있는데, 예를 들면 1A 이하이다. 20A의 전체 범위를 커버하기 위하여 단일 전류 측정을 사용하는 그러한 시스템에서, 1A의 전류를 위한 신호 대 잡음 지율은 1A의 최대 전류를 갖는 시스템보다 20배 낮거나, 또는 그 이하인데, 그 이유는 시스템이 완전한 20A 전류 범위에 대처하도록 디자인되기 때문이다.

본 발명의 실시 예들은 따라서 높은 전류 부분, 본 실시 예에서는 1A 및 20A까지, 및 낮은 전류 범위, 본 실시 예에서는 1A 이하 사이의 모터의 작동을 분리한다. 낮은 범위 부분이 개별적으로 처리되기 때문에, 그러한 범위 부분을 위하여 최대 출력이 정지 또는 일정 속도 동안에 필요한 낮은 전류와 동일한(본 실시 예에서 1A) 시스템을 위한 것과 다름없는, 신호 대 잡음 비율이 달성될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 거친 및 미세 상태들을 개별적으로 처리함으로써 신호 대 잡음 비율을 향상시키고 또한 전류 명령이 전류를 위하여 낮은 범위일 때 서보-컨트롤러 명령들의 해상도를 효율적으로 증가시킨다. 거친 및 미세 측정들과 결합된 더 큰 명령 해상도가 결과들에 상당한 기여를 한다.

설명된 것과 같이, 고해상도 전류 피드백 측정은 측정하는데 필요한 각각의 전류 당 두 개의 센서를 사용하는데, 하나는 완전 전류 범위의 거친 측정을 위한 것이고 하나는 전류가 미리 정의된 임계 이하로 낮을 때 미세 전류 측정을 위한 것이다. 미세 센서는 일례로서 높은 전류 범위의 5%(5% 범위)와 동일할 수 있는, 낮은 전류 범위 내의 전류들을 위하여 사용되고 거친 센서는 전류가 높은 전류 범위의 5% 내지 100% 범위일 때 피드백을 위하여 사용된다. 두 가지 모두 특정 해상도를 갖는 아날로그 대 디지털 변환기(ADC), 예를 들면 잡음 없는 14비트 해상도를 갖는, 16비트 해상도 아날로그 대 디지털 변환기에 의해 샘플링된다. 그러한 실시 예에서 낮은 전류 범위 내의 전류들을 위한 신호 대 잡음 비율은 4 비트 이상인, 20배 증가할 수 있고, 따라서 부가적인 4비트의 잡음 없는 효율적인 해상도가 총 18비트에 도달하는 것을 가능하게 한다.

고해상도 아날로그 대 디지털 변환기(18비트)의 사용 및 하나의 센서의 사용은 질이 낮은 결과를 제공하고, 이와 같이 해결책은 측정된 신호 자체의 신호 대 잡음 비율을 향상시키지 않고, 어던 경우에서도 상당히 더 비용이 들 수 있다.

일반적으로, 잡음은 그중에서도 정상 상태 조건에서의 지터와 추종 오차들을 야기하는 힘 또는 토크를 발생시키고, 본 발명의 실시 예들은 이러한 방법으로 지터와 추종 오차들을 상당히 감소시킬 수 있다.

측정 센서들은 낮은 저항 저항기들, 또는 홀 기반 전류 센서들, 잔류 미러 회로들 등과 같은 다른 센서들일 수 있다.

일례로서 미세 측정기 센서에 의한, 저항기에 의한, 열 발생은 예를 들면, 피드백을 위하여 미세 센서가 사용되지 않고 거친 센서가 사용될 때 미세 센서를 단락함으로써 상당히 감소될 수 있다. 센서를 단락하기 위하여 트랜지스터 또는 하나 혹은 두 개의 다이오드가 사용될 수 있거나 또는 미세 센서가 사용되지 않을 때 센서를 가로질러 전압 강하를 제한하거나 또는 높은 모터 전류가 이를 통하여 흐르는 것을 방지하기 위한 다른 알려진 방법들이 사용될 수 있다.

고해상도 펄스 폭 변조 명령 발생은 현존하는 기술이다. 그러나, 위에 설명된 것과 같이, 만일 전류 피드백 해상도 및 신호 대 잡음 비율이 향상되지 않으면 이는 유용하지 않다. 즉, 아무리 펄스 폭 변조 명령 해상도가 뛰어나도, 그 효과는 전류 피드백 신호들 내의 잡음 레벨에 의해 제한된다. 증가된 펄스 폭 변조 명령 해상도를 갖는 본 발명의 2-채널 피드백 측정은 상당한 향상에 이르게 할 수 있다.

본 발명에 따른 서보-드라이브의 또 다른 실시 예에서, 아래의 도 7에 도시된 것과 같이, 전류 명령은 아날로그이고 미세 해상도 아날로그 대 디지털 변환기에 의해 샘플링된다. 명령은 두 번 측정되는데, 한 번은 거친 측정이고 한 번은 보다 큰 인자에 의한 증폭 후에 측정된다(미세). 일례로서 20의 인자가 주어진다. 거친 명령은 명령이 높을 때(인자 20의 본 실시 예에서는 최대 전류의 5% 내지 100%) 사용되고 미세 명령은 명령이 최대 전류의 5%까지의 범위일 때 사용된다. 가능한 한 명령 신호가 서보-드라이브로 들어가는 회로 내의 위치와 가깝게, 본 실시 예에서는 20의 인자에 의해 명령을 증폭함으로써, 서보-드라이브로의 입구 부분 및 샘플링 회로 사이에서 신호에 추가되는 잡음의 영향이 상당히 감쇠되고, 더 미세하고 잡음 없는 해상도들을 갖는 명령 전류들을 가능하게 하는 명령 신호의 신호 대 잡음 비율을 향상시킨다.

위의 설명이 디지털화되는 신호와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 실시 예들은 또한 아날로그 신호일 수 있고, 아날로그 대 디지털 변환기가 다 이상 필요하지 않다는 것을 이해하여야 한다.

이제 모터 위상과 함께 전류 측정이 얻어지는 전류 측정 피드백 루프를 도시한 단순화된 회로 다이어그램인, 도 4가 참조된다. 브리지(240)는 전계 효과 트랜지스터(FET)들, 양극성 접합 트랜지스터(BJT)들 및 다른 전자 스위치들을 포함하는, 어떠한 적절한 스위치로 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 도 4에서, 전력 브리지(240)는 모터의 세 가지 위상에 연결된다. 두 모터 위상 각각을 위하여 모터의 전류를 측정하기 위한 두 개의 전류 측정 센서, 미세 센서(212) 및 거친 센서(222)가 존재한다. 미세 센서는 미세 채널 아날로그 대 디지털 변환기(211)에 의해 샘플링되고, 거친 센서는 거친 채널 아날로그 대 디지털 변환기(221)에 의해 샘플링된다. 아날로그 대 디지털 변환기(211 및 221)는 두 개의 샘플링 채널 또는 그 이상을 갖는 하나의 물리적 아날로그 대 디지털 변환기일 수 있다. 두 개의 샘플링된 신호는 다시 컨트롤러(250)로 공급된다. 컨트롤러(250)는 그리고 나서 모터(260)를 통하여 전류를 변형하는 브리지(240)에 제어 출력들을 제공한다.

설명된 것과 같이, 거친 및 미세 센서들은 모터와 함께 위치되는 저항기들을 포함하나, 언급된 것과 같이, 홀 기반 전류 센서들과 같은 다른 종류의 센서들이 대신 사용될 수 있다.

설명된 것과 같이, 미세 센서는 불필요한 열 소멸을 방지하기 이하여, 스위치(213)를 사용하여 단락될 수 있다.

설명된 것과 같이, 제 2 위상을 위하여 동일한 측정 배치가 제공된다. 비록 도시되지는 않으나, 제 3 위상을 위하여 유사하게 측정 배치가 제공될 수 있다.

이제 전류 측정이 브리지 및 전원장치의 음성 단자 사이에서 구현되는 대안의 전류 측정을 도시한 단순화된 회로 다이어그램인, 도 5가 참조된다. 도 4와 동일한 부품들은 동일한 도면부호들로 주어지고 본 발명의 실시 예의 이해를 위하여 필요한 것을 제외하고는 다시 설명되지 않는다. 도 5에서, 전력 브리지(240)는 모터(260)의 세 가지 위상에 연결된다. 전류를 측정하기 위하여, 미세 센서(212) 및 거친 센서(222)는 브리지의 하부 트랜지스터 및 전원장치 음성 단자 사이에 위치된다. 일반적으로, 감지 위치들은 사용되는 모터의 종류에 특이적이고 측정은 모터의 제어를 위하여 유용한 피드백을 제공할 수 있는 어떠한 전류이다. 미세 센서는 미세 채널 아날로그 대 디지털 변환기(211)에 의해 샘플링되고, 거친 센서는 거친 채널 아날로그 대 디지털 변환기(221)에 의해 샘플링된다. 두 개의 샘플링된 신호는 다시 컨트롤러(250)로 공급된다. 컨트롤러(250)는 그리고 나서 모터(260)를 통하여 전류를 변형하는 브리지(240)에 제어 출력들을 제공한다. 이전에서와 같이, 거친 및 미세 센서들은 전류와 함께 위치되는 저항기들을 포함하나, 홀 기반 전류 센서들과 같은 다른 종류의 센서들이 대신 사용될 수 있다. 도시된 것과 같이, 미세 센서는 도 4 및 도 5의 실시 예를 제공하기 위하여 스위치(213)에 의해서만 단락될 수 있다. 측정 저항기들은 대안으로서 상부 트랜지스터들 및 전원장치의 양성 단자 사이에 위치될 수 있다.

위에 설명된 것과 같이, 피드백을 위하여 미세 전류 측정 또는 거친 전류 측정을 사용하는지의 결정은 임계를 초과하거나 또는 초과하지 않는 거친 측정을 기초로 할 수 있다. 대안으로서, 모터를 작동하기 위하여 컨트롤러에 의해 생산되는 것과 같은 전류 명령의 크기가 사용될 수 있다.

사용되는 채널은 컨트롤러에서 선택될 수 있고 따라서 단락 또는 그렇지 않으면 회로 기판 상의 센서들의 스위칭 오프와 반드시 연결될 필요는 없다는 것을 이해하여야 한다. 센서들을 끄는 것은 전력 효율 및 열의 최소화와 관련되고, 반면에 사용하기 위한 측정의 선택은 어떠한 센서가 현재 가장 유용한 측정을 선택하는지와 관련된다.

이제 그중에서도 전류 명령의 발생을 나타내는 단순화된 다이어그램인, 도 6이 참조된다. 원하는 위치 및 속도 명령들은 모션 컨트롤러(도시되지 않음)에 의해 제공된다. 원하는 위치는 감산기(302) 내의 모터 위치 피드백과 비교되고 속도 제어를 위한 명령 신호(308)를 제공하기 위하여 결과로서 생긴 차이는 위치 제어 알고리즘(303), 예를 들면 피아이디(PID, 비례, 적분, 미분) 알고리즘에 적용된다. 위치 피드백은 위치 센서에 의해 측정되는 것과 같은, 모터 위치 또는 부하 위치일 수 있다. 원하는 속도 명령은 가산기(305)를 통하여 위치 제어 알고리즘의 출력에 가산될 수 있다. 피드백 모터 속도와 함께 가산기(305)의 출력이 감산기(306)에 제공되고 결과로서 생긴 차이는 속도 제어 알고리즘(308)에 공급되는 속도 오차를 제공한다. 속도 피드백은 모터 상에서 속도 센서로부터 측정될 수 있거나 또는 위치 피드백으로부터 계산될 수 있다. 속도 제어 알고리즘의 출력(310)은 모터에 대한 전류 명령이다.

전류 명령은 그리고 나서 감산기(312)에 제공된다. 감산기(310)에서 모터로부터의 전류 피드백이 전류 명령으로부터 감산된다. 전류 피드백은 모터 전류 측정들을 기초로 한다. 그 결과가 피아이디(PID)와 같은 제어 법칙을 기초로 하는 펄스 폭 변조 형태 또는 아날로그 형태로, 전력 브리지(314)에 전압 명령들을 제공하는 전류 제어 알고리즘(312)에 제공된다. 전력 브리지는 모터를 위한 위상 전류들(316)을 발생시킨다. 설명된 것과 같이, 모터는 회전 또는 선형 모터, 단일 위상 또는 다-위상, 직류 또는 교류일 수 있다.

실시 예들에서, 서보-드라이브 내의 하나의 디지털 프로세서는 위치, 속도, 전류 등을 포함하는 제어를 실행하고, 그러한 경우에 전류 명령은 그러한 디지털 프로세서에 의해 내부에 발생된다.

다른 실시 예들에서, 하나의 디지털 프로세서는 의치 제어를 실행하고 선택적으로 또는 속도 제어를 실행하나 그 이상은 실행하지 않고, 그리고 나서 디지털 프로세서는 아날로그 또는 디지털 포맷으로 전류 명령만을 실행하는 개별 서보-드라이브에 전류 명령을 출력한다.

전류의 정확도를 보장하기 위하여, 측정 신호들 내의 어떠한 오프셋들도 그것들의 영향을 최소화하도록 보상될 수 있고, 원하는 이득 비율에 대한 거친 및 미세 측정의 이득 비율 사이의 어떠한 미스매치도 높은 전류로부터 낮은 전류로 그리고 낮은 전류로부터 높은 전류로의 평활하고 오차 없는 전류 전이를 얻기 위하여 이득 미스매치의 효과를 최소화하도록 보상될 수 있다.

그러한 오프셋들 및 이득 미스매치 보상들은 드라이브의 생산 과정 동안에 수동으로 또는 드라이브의 전류 컨트롤러에 의해 자동으로 수행될 수 있다.

수동의 경우에, 오프셋들 및 이득 미스매치는 수동으로 측정되고 보상은 컨트롤러가 사용할 수 있는 비-휘발성 메모리에 저장된다.

자동의 경우에, 전류 컨트롤러는 드라이브 활성 과정이 일부로서 또는 드라이브의 적절한 작동에 영향을 미치지 않고 보상이 수행될 수 있는 어떠한 다른 시간에, 오프셋들과 이득 미스매치를 측정한다. 컨트롤러는 보상 값들을 저장할 수 있고 나중에 이를 사용할 수 있다. 오프셋 및 이득 미스매치 측정들의 일부 방법은 컨트롤러가 샘플링할 수 있고 적절한 보상을 위한 기준으로서 사용할 수 있는 높은 정확도의 알려진 기준을 추가하는 단계와 같이, 특정 회로들과 알고리즘들의 구현을 필요로 할 수 있다.

이제 전류 명령이 드라이브 외부에 발생되고 아날로그 신호로서 드라이브를 공급하는 경우를 나타내는 단순화된 개략적인 다이어그램인, 도 7이 참조된다.

특히, 도 7의 실시 예는 외부 소스로부터 아날로그 포맷 내의 명령들을 수용하고 전류 제어만을 실행하는 서보-드라이브들과 관련된다. 초기에 거친, 입력 명령 신호는 1보다 큰 이득에 의해 증폭기(416)에서 증폭되고, 미세 명령 신호를 생산한다. 거친 및 미세 신호 모두는 전류 컨트롤러의 아날로그 대 디지털 변환기(414)에 의해 동시에 또는 서로 가깝게 샘플링된다.

전류 컨트롤러는 거친 신호의 크기를 기초로 하여, 주어진 시간에 거친 및 미세 명령 중 어느 것을 사용하는지를 자동으로 결정할 수 있다. 만일 거친 명령이 미리 정의된 임계 아래이면, 전류 컨트롤러는 미세 명령을 사용한다. 만일 거친 명령이 임계 위이면 전류 컨트롤러는 거친 명령을 사용한다. 미세 신호는 어던 주어진 전류를 위하여 원시 거친 명령 신호보다 높다. 도 7의 실시 예는 낮은 명령들을 위하여 효율적인 잡음 없는 해상도 전류 명령을 향상시키고 낮은 전류들의 제어를 더 정확하게 할 수 있도록 한다.

일례로서, 입력 명령 신호 범위는 0 내지 10V로 가정된다. 입력 명령 신호는 잡음 없이 컨트롤러에 도달하고 각각 0 내지 10A의 범위 내의 전류를 위한 명령을 표현하는데; 거친 신호는 미세 신호를 발생시키기 위하여 32배로 증폭된다. 거친 및 미세 사이를 선택하기 위한 임계는 0.5V로 설정된다. 두 신호 모두를 샘플링하기 위하여 잡음이 없는 16비트 아날로그 대 디지털 변환기들이 사용되고 아날로그 대 디지털 변환기 입력 전압 범위는 10V로 설정된다. 아날로그 대 디지털 변환기가 샘플링할 수 있는 최소 전압은 약 10/65,536 = 0.00015V이다. 두 신호 모두에 추가되는 잡음 및 오프셋은 약 0.00488V, 아날로그 대 디지털 변환기가 측정할 수 있는 가장 낮은 신호의 약 32배(5비트)이다. 따라서 아날로그 대 디지털 변환기의 효율적인 잡음과 오프셋이 없는 해상도는 16 중에서 11비트이다. 잡음이 없는 최소 거친 전류 명령은 0.00488A이다. 증폭 때문에, 잡음이 없는 최소 미세 전류 명령은 32배 낮고 약 0.00015A이다. 증폭된 미세 신호와 함께 효과는 신호가 특정 임계보다 낮을 때마다 잡음이 없는 신호에 대한 완전한 16비트의 잡음 없는 아날로그 대 디지털 변환기의 사용과 유사하다.

일례로서, 18비트를 갖는 고해상도의 잡음이 없는 아날로그 대 디지털 변환기의 사용 및 거친 명령만의 샘플링은 질이 낮은 결과를 제공하고, 이와 같이 해결책은 신호에 추가된 잡음을 제거하지 못하고 최소 유용 명령은 여전히 0.00488A이다. 어떠한 경우에서도 18비트 아날로그 대 디지털 변환기는 상당히 비쌀 수 있다. 선택기(420)는 미세 및 거친 명령들 사이를 선택한다.

전류 명령은 원하는 전류 진폭을 기술하는 단일 아날로그 신호, 또는 모터의 위상들 중 하나 이상에서 원하는 전류들을 기술하는 몇몇 신호들일 수 있다. 각각의 신호를 위하여 미세 및 거친 측정 방법이 적용된다.

도 7의 실시 예는 따라서 샘플링된 아날로그 명령의 신호 대 잡음 비율을 향상시킬 수 있고, 오프셋들의 부정적 효과 및 드라이브의 회로들에 의해 신호들에 추가되는 전기 잡음을 최소화할 수 있다.

위의 명령 향상은 서보 모터, 유압 모터, 압전-세라믹(piezzo-ceramic) 모터 또는 다른 모터이건 간에, 어떠한 형태의 액추에이터용의 어떠한 형태의 드라이브에도 적용 가능하다는 것에 유의하여야 한다. 명령은 전류, 전압, 압력 또는 액추에이터를 활성화하거나 또는 제어하는데 필요한 어떠한 다른 측정된 특징을 향상시킬 수 있다.

이제 도 7의 실시 예의 작동을 도시한 단순화된 플로우 차트인, 도 8이 참조된다.

단계 500에서 외부 컨트롤러에 의해 아날로그 드라이브 신호들이 드라이브에 제공된다. 단계 505에서 명령은 드라이브에 도달할 때 증폭된다. 원시 명령(raw command)은 거친 명령을 형성하고, 증폭된 명령은 미세 명령을 형성한다. 단계 510에서 거친 및 미세 아날로그 명령 모두는 서로 다른 시간에 샘플링된다.

단계 520에서 거친 명령은 임계와 비교되고, 만일 거친 명령이 임계 아래이면 미세 명령(530)이 사용된다. 다른 한편으로, 만일 거친 명령이 임계 위이면 거친 명령이 사용된다(533). 단계 540에서 명령 신호는 두 신호 중 어느 신호가 사용되었는지에 따라 스케일링된다. 컨트롤러는 그리고 나서 낮은 잡음을 갖는 고해상도 드라이브 명령을 발생시킨다(550).

본 출원서로부터 만기되는 특허 기간 동안에 많은 관련 드라이브들이 개발될 것이고 용어 펄스 폭 변조 드라이의 범위는 그러한 모든 신규 기술을 우선 포함하는 것으로 의도된다.

여기서 사용되는 것과 같이 용어 "약"은 ±10%를 언급한다.

용어 "포함하다( comprise, include)", "포함하는(comprising, including)", 갖는(having)" 및 그 활용형들은 "포함하나 이에 한정되지 않는"을 의미한다.

용어 "구성되는"은 "포함하고 이에 한정되는"을 의미한다.

여기서 사용되는 것과 같이, 단수 형태 "a", "an" 및 "the"는 문맥이 명확히 달리 설명하지 않는 한 복수 형태를 포함한다.

명확성을 위하여 개별 실시 예들의 맥락에서 설명된, 본 발명의 특정 특징들은 또 단일 실시 예의 조합으로 제공될 수 있고, 위의 설명은 이러한 조합이 명백히 기술된 것으로 해석된다. 반대로, 간결성을 위하여 단일 실시 예의 맥락에서 설명된, 본 발명의 다양한 특징들은 또한 개별적으로 또는 어떤 적절한 서브-조합으로 제공될 수 있거나 혹은 어떠한 다른 본 발명의 설명된 실시 예에 적합한 것으로서 제공될 수 있고, 위의 설명은 이러한 개별 실시 예들이 분명하게 기술된 것과 같이 해석된다. 다양한 실시 예들의 맥락에서 설명된 특정 특징들은 실시 예들이 드러한 구성요소들 없이 실시 불가능하지 않는 한, 그러한 실시 예들의 본질적인 특징들로 고려되지 않는다.

특정 실시 예들과 함께 본 발명이 설명되었으나, 통상의 지식을 가진 자들에 많은이 존재할 수 있다는 것은 자명한 사실이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구항들의 정신과 광범위한 범위를 벗어나지 않는 그러한 모든 대안, 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.

본 명세서에 언급된 모든 문헌, 특허 및 특허출원서는 각각의 개별 문한, 특허 또는 특허출원서가 여기에 참조로써 통합되는 것으로 나타내는 것과 동일한 정도까지, 본 명세서에 전체가 참조로써 통합된다. 게다가, 본 출원서 내의 어떠한 참고문헌의 인용 또는 확인은 그러한 참고문헌이 종래 기술로서 본 발명에 이용 가능하다는 인정으로서 해석되어서는 안 된다. 섹션 주제가 사용되는 정도까지, 그것들은 반드시 한정하는 것으로서 해석되어서는 안 된다.

20 : 서보-드라이브
30 : 전류 컨트롤러
32 : 전력 브리지
33 : 모터
34 : 전류 측정 회로
36 : 거친 전류 측정 센서
38 : 미세 전류 측정 센서
40 : 서보-드라이브
50 : 전력 브리지
52 : 모터
54 : 전류 컨트롤러
56 : 거친 센서
58 : 미세 센서
211 : 미세 채널아날로그 대 디지털 변환기
212 : 미세 센서
221 : 거친 채널 아날로그 대 디지털 변환기
222 : 거친 센서
240 : 브리지
250 : 컨트롤러
260 : 모터
302 : 감산기
303 : 위치 제어 알고리즘
305 : 가산기
306 : 감산기
308 : 명령 신호
310 : 속도 제어 알고리즘의 출력
312 : 전류 제어 알고리즘
314 : 전력 브리지
316 : 위상 전류
414 : 아날로그 대 디지털 변환기
416 : 증폭기

Claims (25)

1. 모터의 모션 및 위치선정의 피드백 제어를 위한 서보-드라이브 시스템에 있어서,
   상기 드라이브 모터에 의해 끌려지는 전류의 측정을 획득하고, 그로부터 상기 피드백을 제공하도록 구성되는 전류 측정 장치;
   작동 범위를 갖는 전류 - 상기 작동 범위는 가속을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 가지나 상기 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음 -;를 포함하고,
   상기 전류 측정 장치는 상기 상대적으로 큰 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 1, 거친 센서 및 상기 상대적으로 작은 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 2, 미세 센서를 포함하여, 이에 의해 상기 정상 상태 작동 동안에 상기 피드백을 위한 정확도를 최대화하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서, 각각 동일한 비율로 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서를 샘플링하기 위한 샘플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 드라이브는 펄스 폭 변조 드라이브, 및 선형 드라이브로 구성되는 그룹 중 하나의 구성요소인 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 모터는 단일 위상 모터, 직류 모터, 다-위상 모터, 3-상 모터, 교류 모터, 2-상 모터, 선형 모터 및 회전 모터로 구성되는 그룹 중 하나의 구성요소인 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서, 모터 전류가 미리 결정된 임계 아래일 때 상기 제 2, 미세 센서를 켜도록 구성되고, 상기 모터 전류가 미리 결정된 임계 위일 때 상기 제 2 미세 센서를 전기적으로 단락하도록 더 구성되는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 센서들은 저항기들, 전류 미러 회로들, 변환기들 및 홀-효과 기반 전류 회로들로 구성되는 그룹 중 하나의 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
7. 제 1항에 있어서, 상기 드라이브는 단일 위상을 갖는 모터용이고 상기 모터의 적어도 하나의 전류 측정을 위하여 상기 제 1 및 제 2 센서가 제공되는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
8. 제 1항에 있어서, 상기 드라이브는 복수의 위상을 갖는 모터용이고, 상기 모터의 적어도 하나의 적용을 위하여 상기 제 1 및 제 2 센서가 제공되는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
9. 제 1항에 있어서, 아날로그 전류 명령을 발생시키는 외부 컨트롤러를 포함하고, 상기 드라이브는 상기 외부 컨트롤러로부터 상기 아날로그 명령을 수신하고 상기 아날로그 명령의 미세 및 거친 측정을 제공하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
   
10. 제 1항에 있어서, 상기 모터의 제어를 위하여 하나 또는 그 이상의 전류 명령을 발생시키도록 구성되고, 상기 하나 또는 그 이상의 전류 명령을 기초로 하여 상기 제 1 및 제 2 센서 중 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
    
11. 제 9항에 있어서, 상기 드라이브는 그 증폭에 의해 상기 아날로그 명령의 상기 미세 측정을 획득하도록 구성되고 증폭 이전 및 이후의 상기 명령 전류 사이에서 선택하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
    
12. 제 1항에 있어서, 상기 제 2, 미세 센서는 상기 제 1, 거친 센서에 의해 사용되는 것보다 큰 출력 측정 범위를 사용하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
    
13. 제 1항에 있어서, 상기 미세 및 거친 감지의 측정들을 위하여 오프셋 보상 및 이득 미스매치 보상을 더 포함하고, 상기 보상은 이에 의해 피드백 및 아날로그 명령 신호들로 구성되는 그룹 중 적어도 하나의 구성요소를 향상시키기 위하여 감지 쌍들 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브 시스템.
    
14. 모터의 모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 위한 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법에 있어서,
    상기 모터 내로 전류의 측정을 획득하는 단계;
    상기 피드백을 제공하기 위하여 상기 측정을 제공하는 단계 - 상기 전류는 작동 범위를 갖고, 상기 작동 범위는 가속을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 가지나 상기 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음 -;를 포함하고,
    상기 전류 측정을 획득하는 단계는 상기 상대적으로 큰 전류 범위의 제 1, 거친 측정 및 상기 상대적으로 작은 전류 범위의 제 2, 미세 측정을 취하는 단계를 포함하여, 이에 의해 상기 정상 상태 작동 동안에 측정 정확도를 최대화하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
15. 제 14항에 있어서, 동일한 비율로 상기 거친 및 상기 미세 측정을 샘플링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
16. 제 14항에 있어서, 상기 각각의 거친 전류 센서의 측정 출력 범위보다 큰 측정 출력 범위로부터 상기 미세 측정을 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
17. 제 14항에 있어서, 모터 전류가 미리 결정된 임계 아래로 내려갈 때 상기 제 2, 미세 센서를 켜는 단계 및 상기 모터 전류가 미리 결정된 임계 위일 때 상기 제 2 미세 센서를 전기적으로 단락하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
18. 제 14항에 있어서, 상기 모터는 단일 위상 모터이고, 상기 방법은 상기 모터 위상 중 적어도 하나의 전류를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
19. 제 14항에 있어서, 상기 모터는 복수의 위상을 갖고, 상기 방법은 상기 모터 의 적어도 하나의 전류를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
20. 제 14항에 있어서, 상기 모터의 제어를 위하여 하나 또는 그 이상의 전류 명령을 발생시키는 단계, 및 상기 하나 또는 그 이상의 전류 명령을 기초로 하여 상기 제 1 및 제 2 센서 중 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
21. 제 14항에 있어서, 외부 컨트롤러로부터 아날로그 명령을 수용하는 단계, 및 상기 아날로그 명령의 미세 및 거친 측정들을 획득하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
22. 제 21항에 있어서, 상기 아날로그 명령의 상기 미세 측정을 제공하기 위하여 상기 아날로그 명령을 증폭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
23. 제 14항에 있어서, 상기 미세 및 거친 감지의 측정들을 위하여 오프셋 보상 및 이득 미스매치 보상을 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 보상은 이에 의해 피드백 및 아날로그 명령 신호들로 구성되는 그룹 중 적어도 하나의 구성요소를 향상시키기 위하여 감지 쌍들 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브의 전류 제어를 위한 방법.
    
24. 모터의 모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 위한 서보-드라이브에 있어서,
    거친 명령으로서 외부로 발생되는 명령 신호를 수신하기 위한 거친 명령 입력;
    상기 외부로 발생되는 명령 신호를 증폭하는 증폭기;
    미세 명령 신호로서의 증폭 후에 상기 외부로 발생된 명령을 수신하기 위한 상기 증폭기의 미세 명령 신호 출력;
    작동 범위를 갖는 명령 - 상기 작동 범위는 가속을 위하여 전이 상태들을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 포함하나 상기 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음 -;를 포함하고,
    상기 서보-드라이브는 상기 명령이 미리 결정된 임계 위일 때 상기 거친 명령을 연결하기 위한 스위치 및 상기 명령이 미리 결정된 임계 아래일 때 상기 미세 명령을 연결하기 위한 스위치를 포함하여, 이에 의해 상기 정상 상태 작동 동안에 상기 명령을 위한 정확도를 최대화하는 것을 특징으로 하는 서보-드라이브.
    
25. 모션 및 위치선정의 피드백 기반 제어를 갖는 액추에이터 시스템에 있어서,
    상기 액추에이터의 제어 가능한 특징부의 측정을 획득하고, 그로부터 상기 피드백을 제공하도록 구성되는 측정 장치;
    작동 범위를 갖는 측정 가능한 특징인 특징부를 포함하되, 상기 작동 범위는 전이 상태들을 위하여 상대적으로 큰 전류 범위를 가지나 상기 모터의 정상 상태 작동을 위하여 상대적으로 작은 전류 범위 내에 남아 있음 -;를 포함하고,
    상기 측정 장치는 상기 상대적으로 큰 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 1, 거친 센서 및 상기 상대적으로 작은 전류 범위의 측정을 위하여 최적화된 제 2, 미세 센서를 포함하여, 이에 의해 상기 정상 상태 작동 동안에 측정 가능한 특징부를 위한 정확도를 최대화하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 시스템.

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