KR20160117607A - 모터의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

고정밀도의 위치 제어와 고속의 속도 제어의 양립을 도모한다. 위치 제어를 위한 고분해능 인코더(11)와, 속도 제어를 위한 저분해능 인코더(21)를 마련한다. 주어진 위치 지령과 고분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 위치의 차이에 따라 속도 지령을 발생하는 위치 제어 수단(13, 14), 상기 속도 지령과 저분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 속도의 차이에 따라 전류 지령을 발생하는 속도 제어 수단(23, 24)을 구비하고, 속도 제어 수단에 의한 속도 제어 주기를 위치 제어 수단에 의한 위치 제어 주기보다도 빠르게 한다.

Description

모터의 제어 방법 및 장치{MOTOR CONTROL METHOD AND APPARATUS}
이 발명은 모터의 제어 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 액추에이터(actuator) 등의 구동원으로 이용한 경우에 고(高)정밀도로 위치 결정이 가능한 모터의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
액추에이터 등의 움직임이 미세한 제어를 실시하기 위해서는, 고분해능의 위치 결정 정밀도가 요구된다. 고분해능의 위치 제어를 실시하기 위해서는, 피드백 제어에서 모터의 회전 각도 위치를 고정밀도로 검출하는 고분해능의 인코더(encoder)를 구비하는 것이 필요하다. 고분해능의 인코더는 시리얼 통신으로 데이터를 송신하는 것이 많아, 시리얼 통신(시리얼 데이터)을 위한 시간이 걸린다(예를 들면 수십 μ초)는 문제가 있다.
모터의 제어, 일례로서 스테핑(stepping) 모터의 피드백 제어 방법 및 장치가 특허문헌 1에 기재되어 있다. 이 제어 장치에서는, 1개의 인코더의 출력을 스테핑 모터의 위치 제어 및 속도 제어를 위한 피드백 신호로 이용하고 있다. 고분해능이며 시리얼 통신에 의해 데이터를 송신하는 인코더를 이용한 경우, 시리얼 통신을 위해 수십 μ(마이크로)초의 시간이 걸렸다고 해도, 위치 제어에 대해서는, m(밀리)초의 오더의 제어 주기로 피드백 제어를 실시하면 되기 때문에 특별히 큰 문제는 생기지 않는다.
일본 공개특허공보 2004-320847호
그러나 속도 제어에 관해서는, 스테핑 모터는 극대수(極對數)가 많으므로(예를 들면 50극대), 단위 시간당 전기 진각량(進角量)이 커서 제어 주기를 고속으로 하지 않으면(예를 들면 수십 μ초의 오더) 대응할 수 없다. 따라서 시리얼 통신에 수십 μ초 걸리는 고분해능 인코더를 사용할 수는 없다. 즉, 고정밀도의 위치 결정 제어를 달성하기 위해 고분해능 인코더를 사용한 경우에, 피드백 위치 제어와 피드백 속도 제어가 양립하지 않는다는 문제가 있다.
이 발명은, 고정밀도로 위치 결정 가능한 모터의 피드백 제어에서, 위치 제어와 속도 제어의 양립을 도모하는 것을 목적으로 한다.
모터의 제어 장치에 관해, 이 발명은 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 장치에서, 위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더와, 속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더를 구비하고, 속도 제어 주기를 위치 제어 주기보다도 빠르게 한 것을 특징으로 하는 것이다.
또한 제어 방법에 관해, 이 발명은 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 방법에서, 위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더와, 속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더를 마련하고, 속도 제어 주기를 위치 제어 주기보다도 빠르게 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
모터 제어 장치의 보다 구체적인 실시형태에서, 이 발명은 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 장치에서, 위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더와, 속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더와, 주어진 위치 지령과 상기 고분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 위치의 차이에 따라 속도 지령을 발생하는 위치 제어 수단과, 상기 속도 지령과 상기 저분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 속도의 차이에 따라 구동 출력 지령(전류 지령 또는 전압 지령)을 발생하는 속도 제어 수단을 구비하고, 상기 속도 제어 수단에 의한 속도 제어 주기를 상기 위치 제어 수단에 의한 위치 제어 주기보다도 빠르게 한 것을 특징으로 하는 것이다.
모터 제어 방법의 보다 구체적인 실시 형태에 관해, 이 발명은 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 방법에서, 위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더와, 속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더를 마련하여, 주어진 위치 지령과 상기 고분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 위치의 차이에 따라 속도 지령을 발생하고, 상기 속도 지령과 상기 저분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 속도의 차이에 따라 구동 출력 지령(전류 지령 또는 전압 지령)을 발생하며, 구동 출력 지령을 발생하는 속도 제어의 주기를, 속도 지령을 발생하는 위치 제어의 주기보다 빠르게 하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상기에서, 고분해능, 저분해능은 상대적인 것이지만, 목표로서 구체적으로 말하면, 고분해능 인코더는 모터 1회전당 대체로 8,000에서 420만 개의 펄스를 발생하는 것이다. 저분해능 인코더는 모터 1회전당 대체로 100에서 4,000개의 펄스를 발생하는 것이다.
상기에서, 위치 제어 주기와 속도 제어 주기의 대소관계도 상대적인 것이지만, 목표로서 구체적으로 말하면, 위치 제어 주기는 대체로 0.5에서 3밀리초, 속도 제어 주기는 대체로 10에서 300마이크로초이다.
이 발명에 의하면, 고속 제어 주기로 피드백이 필요한 속도 제어에 관해서는 저분해능의 인코더를 이용하고, 저속 제어 주기로 피드백이 가능한 위치 제어(위치 응답)에 대해서는 고분해능 인코더를 이용하고 있다. 그리고 고분해능 인코더로부터 시리얼 데이터가 출력되어, 통신 시간이 걸렸다고 해도 위치 제어에서는 저속 제어 주기여도 되므로, 모터의 위치 제어를 고분해능화할 수 있다. 저분해능 인코더는 회전량에 따른 주파수의 펄스를 발생하므로(시리얼 데이터를 출력하는 것이 아니므로), 제어 주기의 고속화가 가능하다.
이렇게 하여, 이 발명에 의하면, 고정밀도의 위치 제어와 고속의 속도 제어의 양립을 도모할 수 있다.
도 1은, 이 발명의 실시예를 나타내는 스테핑 모터의 검출계, 제어계 및 구동계의 기능 블록도이다.
이 실시예는, 본 발명을 스테핑 모터에 적용한 것이다.
도 1은, 스테핑 모터의 구동 회로 및 제어 회로(제어 장치)를 포함하는 검출계, 제어계 및 구동계의 기능 블록도이다. 이 도면에 나타낸 제어 회로의 일부 또는 전부, 예를 들면 감산기(13), 위치 제어기(14), 감산기(23), 속도 제어기(24), 약계자(弱界磁; weak field) 보상기(31), 좌표 변환기(32) 등은, 각각의 하드웨어 회로뿐만 아니라, 컴퓨터(프로세서) 및 컴퓨터에 장착된 소프트웨어에 의해서도 실현할 수 있다. 또한 검출계 및 구동계의 일부, 예를 들면 위치 검출기(12), 속도 검출기(22), 감산기(33, 34), 전류 제어기(35, 36)의 일부 또는 전부도, 각각의 하드웨어 회로, 또는 컴퓨터와 그것에 장착된 소프트웨어에 의해 실현할 수 있다.
2상(2相; two-phase) 스테핑 모터(10)는, A상(및 A의 반전상) 및 B상(및 B의 반전상)의 구동 전류(모터 전류)에 의해 구동된다. 스테핑 모터(10)에는, 2종류의 인코더, 즉 위치 제어용 고분해능 인코더(11)와 속도 제어용 저분해능 인코더(21)가 마련되어, 스테핑 모터(10)의 회전량(회전 각도 위치, 회전수, 회전 속도 등)을 검출한다.
고분해능 인코더(11)는 8천(즉 8,000)~420만P/rev(펄스/회전) 정도의 분해능을 가지는 신호를 출력하는 것이 바람직하고, 일례로는 13비트(8192분할(分轄)/회전) 또는 15비트(32768분할/회전) 앱설루트(absolute) 인코더이다. 저분해능 인코더(21)는 100~4,000P/rev 정도의 분해능을 가지는 신호를 출력하는 것이 바람직하고, 일례로는 200펄스/회전의 증분형(incremental) 인코더이다.
고분해능 인코더(11)의 출력 신호는 위치 검출기(12)를 통해, 검출 위치(회전 각도 위치)를 나타내는 신호(위치 응답)로서 감산기(13)에 부여된다. 위치 검출기(12)는, 예를 들면 고분해능 인코더(11)로부터 출력된 13비트 또는 15비트 시리얼 신호를 받아들여, 병렬 데이터로 변환하는 시리얼 인터페이스이다. 모터(10) 그 자체의 구동, 또는 모터(10)에 의해 구동되는 액추에이터의 이동을 어떻게 제어할 것인가 하는 프로그램(예를 들면, 원 운동, 직선 운동 등)에 따라, 스테핑 모터(10)에 대한 위치 지령이 상위의 컴퓨터(도시 생략)에 의해 작성되어 감산기(13)에 부여된다. 감산기(13)는 주어진 위치 지령과 검출 위치의 차이를 구하고, 이 차이를 위치 제어기(14)에 부여한다. 위치 제어기(14)는 입력하는 차이 신호(difference signal)에 기초하여 스테핑 모터(10)에 대한 속도 지령을 작성한다.
저분해능 인코더(21)의 출력 신호(예를 들면 A, B상 펄스 신호)는, 속도 검출기(22)에 부여된다. 속도 검출기(22)는, 예를 들면 카운터를 포함하고, 입력하는 A, B상 펄스를 계수하여 검출 속도 신호(속도 응답)를 출력한다(인코더(21)는 저분해능이고 속도 제어는 고속이므로, 속도 검출기(22)는, 예를 들면 이동 평균을 취하는 방법 등에 의해 평활화하여 속도를 나타내는 신호를 생성한다). 감산기(23)는, 위치 제어기(14)로부터 출력되는 속도 지령과 속도 검출기(22)로부터 출력되는 검출 속도의 차이를 취하여 속도 제어기(24)에 부여한다. 속도 제어기(24)는 입력하는 속도의 차분에 기초하여 전류 지령(모터의 종류에 따라서는 전압 지령)을 생성하여 출력한다.
이 전류 지령은 약계자 보상기(31)에 부여된다. 약계자 보상기(31)에는 속도 검출기(22)로부터의 속도 신호도 입력하고 있다. 약계자 보상은 상기의 특허문헌 1에 상술되어 있다. 스테핑 모터의 회전이 빨라지면 로터 마그넷(rotor magnet)의 자속에 의한 역기전력(逆起電力)이 증가한다. 따라서 로터 마그넷의 자속과는 역방향의 자속이 발생하도록 스테이터 코일(stator coil)에 전류를 흘려(토크(torque)를 발생시키는 회전좌표계의 q축뿐만 아니라, d축에도 전류를 흘려), 자속을 상쇄함으로써 역기전력의 발생을 억제하는 것을 약계자 보상이라고 한다. 이 약계자 보상은, 전류 지령값과 회전 속도(검출 속도)의 곱이 소정 역치를 넘었을 때에 실시된다(약계자 보상이 실시되지 않을 때에는 입력하는 전류 지령(q축의 전류 지령값)이 그대로 출력된다).
좌표 변환기(32)는, 약계자 보상기(31)로부터 출력되는 회전좌표계의 q축, d축의 전류값(Iq, Id)(약계자 보상이 실시되지 않을 때에는 Id=0)을 정지좌표계의 상전류(相電流) IA, IB로 변환하여 상전류 지령으로서 출력한다. 전류검출기(도시 생략)에 의해 모터(10)에 흐르는 A상, B상의 전류가 검출되고, 감산기(33, 34)에서 각각, 상전류 지령과 검출 상전류의 차이가 산출되고, 이 차이가 전류 제어기(35, 36)에 부여된다. 전류 제어기(35, 36)는, 입력하는 차이 신호에 기초하여, 인버터(inverter)(예를 들면, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터)를 제어하는 신호를 생성하고 인버터(37)를 제어한다. 그리고 인버터(37)에 의해 스테핑 모터(10)가 구동된다.
상기에서, 위치 제어(피드백 제어)는, 주로 고분해능 인코더(11), 위치 검출기(12), 감산기(13), 위치 제어기(14)(위치 지령을 생성하는 상위 컴퓨터를 포함함)에 의해 실시된다. 고정밀도의 위치 결정 요구에 대처하기 위해 위치 제어용 인코더로서 고분해능 인코더(11)가 이용되고 있다. 이 경우에, 위치 제어의 제어 주기는 반드시 빠르지 않아도 충분하며(모터에 의해 구동되는 액추에이터의 움직임은 늦으므로), 밀리초 오더(0.5~3m초 정도)이면 된다. 일례로서, 위치 제어 주기는 1m초이다. 따라서 고분해능 인코더(11)의 출력 신호의 시리얼 통신에 수십μ(마이크로)초의 시간이 걸렸다고 해도 문제는 없다. 고분해능 인코더로서 시리얼 데이터를 출력하는 것을 이용할 수 있다.
속도 제어(피드백 제어)는, 주로 저분해능 인코더(21), 속도 검출기(22), 감산기(23), 속도 제어기(24)에 의해 실시된다. 스테핑 모터의 경우, 극대수가 많으므로(예를 들면 50극대) 제어 주기를 빠르게 해야 한다(수십 마이크로초의 오더, 예를 들면 10~300μ초). 일례로서 50μ초이다. 저분해능의 인코더(21)를 이용하고 있으므로 속도 제어 주기를 빠르게할 수 있다. 즉, 저분해능의 인코더는 A, B상의 펄스 신호와 같이, 모터의 회전량에 비례한(따른) 주파수의 펄스 신호를 출력하므로(시리얼 데이터를 출력하는 것이 아니므로)(시리얼 통신을 실시할 필요는 없고), 그 전송을 위한 시간은 매우 짧기 때문에 제어 주기의 고속화를 도모할 수 있다.
이상과 같이 하여, 고속 제어 주기로 피드백이 필요한 속도 제어(속도 응답)에 관해서는 저분해능의 인코더를 이용하고, 저속 제어 주기로 피드백이 가능한 위치 제어(위치 응답)에 대해서는 고분해능 인코더를 이용하고 있다. 그리고 고분해능 인코더로부터 시리얼 데이터가 출력되어 통신 시간이 걸렸다고 해도, 위치 제어(위치 응답 피드백)에서는 저속 제어 주기여도 되므로, 스테핑 모터의 위치 제어를 고분해능화할 수 있다.
상기 실시예는 스테핑 모터의 피드백 제어에 관한 것이며, 특히 이 발명은 스테핑 모터의 제어에서 위력을 발휘하지만, 이 발명은 다른 타입의 모터, 예를 들면 AC 서보모터(servomotor)에도 적용할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
10: 스테핑 모터
11: 고분해능 인코더
12: 위치 검출기
13, 23: 감산기
14: 위치 제어기
21: 저분해능 인코더
22: 속도 검출기
24: 속도 제어기

Claims (12)

  1. 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 장치에 있어서,
    위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더(encoder)와,
    속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더를 구비하고,
    속도 제어 주기를 위치 제어 주기보다도 빠르게 한 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  2. 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 장치에 있어서,
    위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더와,
    속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더와,
    주어진 위치 지령과 상기 고분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 위치의 차이에 따라 속도 지령을 발생하는 위치 제어 수단과,
    상기 속도 지령과 상기 저분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 속도의 차이에 따라 구동 출력 지령을 발생하는 속도 제어 수단을 구비하고,
    상기 속도 제어 수단에 의한 속도 제어 주기를 상기 위치 제어 수단에 의한 위치 제어 주기보다도 빠르게 한 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 구동 출력 지령이 전류 지령인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 구동 출력 지령이 전압 지령인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분해능 인코더가 모터의 회전 위치를 나타내는 시리얼 데이터를 출력하는 것인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  6. 제1항, 제2항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분해능 인코더가 모터 1회전당 8천에서 420만 개의 펄스를 발생하는 것인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 저분해능 인코더가 모터의 회전량에 따른 주파수의 펄스를 출력하는 것인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  8. 제1항, 제2항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저분해능 인코더가 모터 1회전당 100에서 4,000개의 펄스를 발생하는 것인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    위치 제어 주기가 0.5에서 3밀리초인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    속도 제어 주기가 10에서 300마이크로초인 것을 특징으로 하는 모터의 제어 장치.
  11. 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 방법에 있어서,
    위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더와,
    속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더를 마련하고,
    속도 제어 주기를 위치 제어 주기보다도 빠르게 하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
  12. 위치 제어 및 속도 제어를 포함하는 피드백 제어를 실시하기 위한 모터의 제어 방법에 있어서,
    위치 제어를 위해 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 고분해능 인코더와,
    속도 제어를 위해 모터의 회전 속도를 검출하기 위한 저분해능 인코더를 마련하고,
    주어진 위치 지령과 상기 고분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 위치의 차이에 따라 속도 지령을 발생하며,
    상기 속도 지령과 상기 저분해능 인코더의 출력에 기초하는 검출 속도의 차이에 따라 구동 출력 지령을 발생하고,
    구동 출력 지령을 발생하는 속도 제어의 주기를, 속도 지령을 발생하는 위치 제어의 주기보다도 빠르게 하는 것을 특징으로 하는 모터의 제어 방법.
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