KR20220075930A - 정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법 - Google Patents

정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치는, 모터의 구동을 제어하는 정현파 모션 프로파일 생성장치에 관한 것으로, 상기 모터의 목표위치 및 현재위치에 기초하여 이동거리를 산출하는 이동거리 산출모듈; 상기 이동거리에 기초하여 상기 모터의 모션 프로파일의 형상을 결정하는 파라미터를 생성하는 파라미터 생성모듈; 및 상기 파라미터에 기초하여 상기 모터의 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 생성하는 프로파일 생성모듈;을 포함하고, 상기 프로파일은 가속구간, 정속구간 및 감속구간 중 적어도 하나를 포함하되, 상기 가속구간 및 감속구간의 프로파일은 정현파 형태로 이루어진다.

Description

정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법{AN APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING SINUSOIDAL MOTION PROFILE}
본 발명은 정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법에 관한 것으로, 구체적으로는 모션 컨트롤러, 모터 드라이버 등에서 적용되어 목표 속도 및 이에 기초한 목표 위치까지 이동체를 안정적으로 이동시킬 수 있는 정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법에 관한 것이다.
공작 기계, 로봇, 각종 마이크로 광학 장비와 같은 초정밀 제조 장비에서 진동은 매우 심각한 문제를 야기한다.
진동은 목표 위치 도달 정밀도 및 최소의 도달시간을 달성해야 하는 장비의 특성을 저해하는 요소가 되며, 장비에서 진동에 대한 대비가 없는 경우 진동은 소음, 마모, 정확도 및 성능 저하 등으로 이어지게 된다.
고속 및 고정밀 목표위치 도달이 요구되는 경우, 모션에 의한 구조적 진동의 억제를 위해 다양한 방법들이 연구되고 실제 장비에 적용되어 사용되고 있다.
기구 구조 설계를 최적화하고 능동 댐핑 및 능동 진동 차단을 사용하는 것도 하나의 방법이며 기구 구조의 고유진동에 의한 공진을 억제하기 위한 고급 모션 제어 전략이 필요하다.
현재 위치에서 목표 위치로 이동하기 위한 모션 프로파일은 가속, 일정한 속도로 이동, 감속 단계로 구성되는데, 현재까지 범용적으로 많이 사용되는 프로파일은 사다리꼴 프로파일이다.
이러한 사다리꼴 속도 프로파일에서 가속도 프로파일은 구형파(square wave) 모양이 되는데, 구형파에는 기본 주파수의 정수 배(1, 3, 5, 7, ...)에 해당하는 고조파(harmonic)가 존재하게 되는데, 만일 이러한 고조파 중 한 성분이 기구 구조의 고유진동수와 일치하게 되면 공진을 일으켜 시스템을 불안하게 만든다.
한편 하기 선행기술문헌에는 사다리꼴 프로파일에 의한 모터구동방법에 대한 발명이 개시되어 있으며, 본 발명의 기술적 요지는 개시하고 있지 않다.
대한민국 공개특허공보 특1997-0031212호
본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
종래로 구형파 모션 프로파일에 의하여 발생되는 고조파 발생을 억제함으로써 시스템의 진동문제를 극복할 수 있는 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치는, 모터의 구동을 제어하는 정현파 모션 프로파일 생성장치에 관한 것으로, 상기 모터의 목표위치 및 현재위치에 기초하여 이동거리를 산출하는 이동거리 산출모듈; 상기 이동거리에 기초하여 상기 모터의 모션 프로파일의 형상을 결정하는 파라미터를 생성하는 파라미터 생성모듈; 및 상기 파라미터에 기초하여 상기 모터의 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 생성하는 프로파일 생성모듈;을 포함하고, 상기 프로파일은 가속구간, 정속구간 및 감속구간 중 적어도 하나를 포함하되, 상기 가속구간 및 감속구간의 프로파일은 정현파 형태로 이루어진다.
상기 파라미터 생성모듈은, 상기 이동거리, 상기 모터의 현재속도, 가속도, 감속도, 최고속도 및 기준저크에 기초하여 상기 파라미터를 생성하되, 상기 파라미터는 상기 가속구간, 정속구간 및 감속구간의 이동시간, 이동거리, 가속도, 감속도 및 프로파일 최고속도를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 파라미터 생성모듈은, 상기 이동거리 산출모듈로부터 전달받은 이동거리 및 상기 모터의 현재 속도를 설정하는 이동명령 수신부; 상기 이동거리, 현재속도, 가속도 및 감속도에 기초하여 최초 가속이 필요한 상황인지 감속이 필요한 상황인지를 판단하는 가감속 부호 결정부; 상기 프로파일 최고속도를 산출하는 프로파일 최고속도 산출부; 상기 가속구간 및 감속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하는 이동시간 및 이동거리 산출부; 상기 이동시간 및 이동거리에 기초하여 각 구간별 저크를 산출하는 저크 산출부;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 프로파일 최고속도 산출부는, 상기 프로파일 최고속도가 미리 설정된 최고속도의 범위를 벗어나지 않도록 프로파일 최고속도를 산출하는 것이 바람직하다.
상기 이동시간 및 이동거리 산출부는, 상기 현재속도, 가속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 가속구간에서의 이동시간을 산출하고, 상기 감속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 감속구간에서의 이동시간을 산출하는 것이 바람직하다.
상기 이동시간 및 이동거리 산출부는, 상기 현재속도, 프로파일 최고속도 및 가속구간에서의 이동시간에 기초하여 가속구간에서의 이동거리를 산출하고, 상기 프로파일 최고속도 및 감속구간에서의 이동시간에 기초하여 감속구간에서의 이동거리를 산출하는 것이 바람직하다.
상기 저크산출부는, 상기 가속구간에서의 이동시간 및 이동거리에 기초하여 가속구간에서의 저크를 산출하고, 상기 감속구간에서의 이동시간 및 이동거리에 기초하여 감속구간에서의 저크를 산출하는 것이 바람직하다.
상기 저크산출부는, 상기 가속구간에서의 저크 및 감속구간에서의 저크 중 적어도 하나가 상기 기준저크보다 큰 경우, 미리 설정된 비율만큼 상기 가속도 및 감속도를 조절하여 업데이트하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성방법은 모터의 구동을 제어하는 정현파 모션 프로파일 생성방법에 관한 것으로, 상기 모터의 목표위치 및 현재위치에 기초하여 이동거리를 산출하는 단계; 상기 이동거리에 기초하여 상기 모터의 모션 프로파일의 형상을 결정하는 파라미터를 생성하는 단계; 상기 파라미터에 기초하여 상기 모터의 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 생성하는 단계;를 포함하되, 상기 프로파일은 가속구간, 정속구간 및 감속구간 중 적어도 하나를 포함하되, 상기 가속구간 및 감속구간의 프로파일은 정현파 형태로 이루어진다.
상기 파라미터를 생성하는 단계는, 상기 이동거리 및 상기 모터의 현재 속도를 설정하는 단계; 상기 이동거리, 현재속도, 가속도 및 감속도에 기초하여 최초 가속이 필요한 상황인지 감속이 필요한 상황인지를 판단하여 가감속 부호를 결정하는 단계; 상기 가속도 및 감속도에 기초하여 프로파일 최고속도를 산출하는 단계; 상기 현재속도, 가속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 가속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하고, 상기 감속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 감속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하는 단계; 및 상기 이동시간 및 이동거리에 기초하여 각 구간별 저크를 산출하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 파라미터를 생성하는 단계는, 산출된 상기 각 구간별 저크와 미리 설정된 기준저크와 비교하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
산출된 상기 각 구간별 저크가 미리 설정된 기준저크보다 큰 경우, 상기 가속도 및 상기 감속도 중 적어도 하나를 업데이트하는 단계;가 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법은 정현파 형태의 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 사용함으로써 종래의 사다리꼴 형태의 프로파일에서의 고조파 성분에 의하여 야기되는 기계 시스템의 진동문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 모터 제어기의 일반적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2 및 도 3은 종래의 사다리꼴 속도 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 4 내지 6은 사다리꼴 속도 프로파일 적용시 요구위치, 요구속도 및 요구가속도의 형태를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 8 및 도 9는 초기 속도가 0인 경우의 정현파 속도 프로파일 모형 및 정현파 가속도 프로파일 모형을 도시한 그래프이다.
도 10은 도 7 중 파라미터 생성모듈의 세부 구성을 도시한 블록도이다.
도 11 내지 도 14는 초기 속도가 있는 경우 정현파 모션 프로파일 생성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성방법을 시계열적으로 도시한 플로우차트이다.
도 16은 도 15에서의 파라미터 생성 단계를 세부적으로 도시한 플로우차트이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치 및 생성방법을 설명하기에 앞서 도 1을 참조하여 모터 제어기의 일반적인 구성에 대하여 설명하도록 한다.
모터 드라이버의 일반적인 제어 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 위치 제어기(position controller)(20), 속도 제어기(velocity controller)(30) 및 전류 제어기(current controller)(40)가 직렬(cascade)로 연결된 구조를 가진다.
전류 제어기(40)의 출력은 모터를 구동하는 전압 명령을 만들고 power stage(50)를 거쳐서 모터 고정자 권선에 전류를 흘려 구동력을 발생시켜 모터(1)가 회전하게 된다.
프로파일 생성기(profile generator)(10)는 모터(1)가 움직여야할 최종 목표 속도(target velocity) 또는 목표 위치(target position)에 도달하기 위해 모터 제어기의 위치, 속도, 전류 제어기가 추종해야 할 요구값(demand value)을 만들어낸다.
목표 속도나 목표 위치가 주어지면 프로파일 생성기(10)는 매 시각별로 요구 위치(position demand), 요구 속도(velocity demand), 요구 가속도(acceleration demand) 값을 만들어 위치, 속도, 전류 제어기에 각각 배분되며, 이때 요구 가속도 값은 토크 상수(Kt)로 나누어 요구 전류(current demand) 값으로 바뀐다.
모션 프로파일(motion profile)은 모터(1)가 시간에 따라 따라가야 할 목표 위치나 속도의 궤적으로, 관성과 고유진동수를 가지는 기계 시스템을 구동할 때는 해당 시스템에 맞는 모션 프로파일을 사용하는 것이 중요하며, 잘못된 프로파일의 사용으로 목표 추종 오차나 목표 수렴시간이 커지기도 하며 시스템의 고유진동을 유발하여 안정성에 큰 영향을 미치게 된다.
모션 프로파일은 관성을 가지는 기계 시스템의 급격한 속도 변화를 만들어 내기 어렵기 때문에 일반적으로 3차 이상의 다항식(polynomial)을 기반으로 차수를 조정하여 연속되고 부드러운 형상을 가지도록 만들어진다.
일반적으로 많이 사용되고 있는 모션 프로파일은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 사다리꼴 형태의 속도 궤적으로, 이러한 사다리꼴 형태의 프로파일은 생성이 간단하고 임베디드 제어기와 같이 성능이 제한적인 환경에서 테이블 형태로 구현하여 사용된다.
특히 도 2는 시작 속도가 0일때의 사다리꼴 속도 프로파일이고, 도 3은 시작 속도가 0이 아닐 때의 사다리꼴 속도 프로파일로써 프로파일이 진행 중인 상황에서 새로운 목표 속도가 주어질 경우 도 3과 같이 현재 속도에 기초하여 새로운 프로파일을 생성하게 된다.
이러한 사다리꼴 속도 프로파일은 가속구간, 등속구간, 감속구간으로 구분될 수 있으며, 가속한 후 최대 속도에 도달하지 못할 경우에는 등속구간이 없이 가속구간 및 감속구간으로만 이루어지는 형태도 있다.
특히 사다리꼴 속도 프로파일은 감속 및 가속이 일정하기 때문에 계산이 쉽고 구현이 단순하여 저사양의 임베디드 제어기에서 많이 사용될 수 있지만 가속과 감속 구간의 시작과 끝에서 임펄스 형태의 저크가 발생하므로 기계 시스템의 고유진동을 발생시키므로 정밀성이 요구되고 목표 도달 시간이 중요한 곳에서는 사용이 제한적이다.
사다리꼴 속도 프로파일이 사용될 경우 프로파일 생성기가 만들어내는 요구 위치, 요구 속도, 요구 가속도의 형태는 각각 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치는 상술한 사다리꼴 형태의 프로파일의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이 이동거리 산출모듈(100), 파라미터 생성모듈(200) 및 프로파일 생성모듈(300)을 포함하도록 구성된다.
이동거리 산출모듈(100)은 모터(1)의 목표위치 및 현재위치에 기초하여 이동거리를 산출하는 기능을 수행하는데, 구체적으로 상위 기기에서 모터 제어기로 위치이동 명령을 내렸을 때 목표 위치가 주어지면 현재 위치를 기준으로 이동해야할 거리(S)를 계산한다.
파라미터 생성모듈(200)은 이동거리 산출모듈(100)이 계산한 이동거리(S)와 모터(1)의 모션 프로파일 형상을 결정하는 파라미터 설정들(현재속도, 가속도, 감속도, 최고속도 및 기준저크)을 참조하여 정현파 프로파일 형상을 결정하는 내부 파라미터를 생성하는 기능을 수행하는데, 이에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
프로파일 생성모듈(300)은 파라미터 생성모듈(300)에 기초하여 모터(1)의 시간별 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 생성하며, 특히 프로파일 생성모듈(300)은 모터 제어기에서 주기적으로 발생시키는 인터럽트에 의하여 미리 계산된 내부 파라미터에 기초하여 요구 위치, 요구 속도 및 요구 가속도를 생성하게 된다.
이후 위치 제어기(20), 속도 제어기(30) 및 전류 제어기(40)는 상기 요구 위치, 요구 속도 및 요구 가속도를 추종하도록 동작하게 된다.
한편 생성된 프로파일은 가속구간, 정속구간 및 감속구간 중 적어도 하나를 포함하되, 이러한 프로파일은 정현파 형태로 이루어지며, 이하에서는 정현파 프로파일의 생성에 대하여 설명하도록 한다.
정현파에 의한 위치(
Figure pat00001
), 속도(
Figure pat00002
), 가속도(
Figure pat00003
), 저크(
Figure pat00004
)를 생성하는 기본 수식은 아래와 각각 하기 수식 (1)과 같다.
<수식 (1)>
Figure pat00005
(여S는 이동거리, T는 주기, t는 0~T 사이의 시각임)
상기 수식 (1)로부터 확인해볼 수 있는 최대 속도, 최대 가속도 및 최대 저크는 하기 수식(2)와 같다.
<수식 (2)>
Figure pat00006
한편, 초기 속도가 0인 경우, 즉 모터(1)가 멈춘 상태에서 사용자가 목표 위치를 입력한 경우 만들어지게 되는 기본적인 속도 프로파일 모형 및 가속도 프로파일 모형은 도 8 및 도 9와 같다.
도 8에서 s1은 가속구간에서의 이동 거리이고, s2는 감속 구간에서의 이동 거리며, s3는 정속 구간에서의 이동 거리이다.
이 때 주어진 가속도(a1)와 감속도(a2), 최대속도(vmax)로부터 각 구간에서의 이동 거리를 계산하면, 하기 수식 (3) 및 수식 (4)와 같다.
<수식 (3)>
Figure pat00007
<수식 (4)>
Figure pat00008
만일 전체 이동 거리(S)보다 가감속 구간에서의 이동 거리가 크다면 정속 구간이 필요하지 않음을 의미하며, 즉 S1+S2>S 인 경우라면, S1+S2=S가 성립하도록 하기 수식 (5) 및 수식 (6)과 같이 vmax를 다시 계산해야 한다.
<수식 (5)>
Figure pat00009
<수식 (6)>
Figure pat00010
상기 수식 (6)에서와 같이 vmax가 바뀌었기 때문에, 식 (3) 및 (4)를 사용하여 T1, T2, S1, S2를 새로 계산할 필요가 있다.
그런데, 전체 이동 거리(S)보다 가감속 구간에서의 이동 거리가 작다면 정속 구간을 삽입해야만 하며, 즉 S1+S2<S 인 경우 하기 수식 (7) 및 수식 (8)과 같이 S3를 삽입하여 T3를 계산하여야 한다.
<수식 (7)>
Figure pat00011
<수식 (8)>
Figure pat00012
상기와 같은 과정을 통하여 이제 각 구간(가속, 정속, 감속 구간)에서의 주기(T1, T2, T3)를 찾았기 때문에 정현파 구동 프로파일을 사용할 수 있게 된다.
앞에서는 초기 속도가 0인 경우의 프로파일 모형에 대한 내용을 살펴보았으며, 이하에서는 모터(1)가 일정한 속도로 구동중인 상황, 즉 초기 속도가 v0인 경우 구동 프로파일을 생성하는 방법에 대하여 도 10 내지 도 14를 참조하여 설명하도록 한다.
이를 위하여 파라미터 생성모듈(200)은 도 10에 도시된 바와 같이 이동명령 수신부(210), 가감속 부호 결정부(220), 프로파일 최고속도 산출부(230), 이동시간 및 이동거리 산출부(240) 및 저크 산출부(250)를 포함하도록 구성된다.
이동명령 수신부(210)는 이동거리 산출모듈(100)로부터 전달받은 이동거리(S) 및 모터(1)의 현재속도인 초기속도(v0)를 설정하는 기능을 수행하며, 이때 모터(1)의 초기속도(v0)가 있기 때문에 구동 프로파일의 기본적인 형상은 일반적으로 도 11과 같이 형성될 수 있다.
그런데, 초기 속도가 있을 때 가속이 먼저 수행되는지 또는 감속이 먼저 수행되는지에 따라 도 12에서 도시된 바와 같이 다음 그림과 같이 점선과 실선의 두 가지 모양의 속도 그래프를 고려할 수 있다(도 12 내지 도 14는 실제 S-curve 형상을 사다리꼴 형상으로 간략히 도시한 것임).
즉, 최초 가속이 필요한 상황인지 감속이 필요한 상황인지를 판단하는 것이 필요하며, 이러한 판단은 가감속 부호 결정부(220)가 수행한다.
특히 상기 도 12에서 v0에서 ta까지의 빨간색 그래프를 적분하게 되면 Sdet를 얻게 되고, 이 값을 S와 비교하면 어떠한 그래프 모양을 선택해야 할 지를 알 수 있게 된다.
구체적으로 처음에는 가속도와 감속도가 같다고 가정하고, 하기 수식 (9)와 같이 Sdet를 계산한다.
<수식 (9)>
Figure pat00013
(여기에서 sign(
Figure pat00014
)함수는 인수의 부호를 판별하는 함수임)
가속이 먼저인 상황일 때, 즉 Sdet<S이 되는 상황에서의 그래프 모양은 도 13과 같으며, 이때 프로파일 최고속도는 0보다 크게 되어야 하며(vp>0), 가속도의 방향은 양이 된다(asign=1).
반대로 감속이 먼저인 상황일 때, 즉 Sdet>S이 되는 상황에서의 그래프 모양은 도 14와 같으며, 이때 프로파일 최고속도는 0보다 작아야 하며(vp<0), 가속도의 방향은 음이 된다(asign=-1).
상기와 같기 가감속 부호 결정부(220)에 의한 가감속 부호가 결정되면, 프로파일 최고속도 산출부(230)는 이러한 가감속 부호에 기초하여 프로파일 최고속도를 산출한다.
프로파일 최고점은 도 13 및 도 14에서의 꼭지점(vp)이며, 이를 계산하기 위해서는 먼저 면적에 대한 관계식을 만들어야 하며, 여기서 vp를 계산하는 것은, 이 값이 최고속도 범위(-vmax~+vmax) 내에 있는지를 확인하기 위함이다.
이때 vp가 최고속도 범위(-vmax~+vmax)를 벗어나는 것으로 확인되면, -vmax 또는 +vmax의 값을 최고 속도로 두고 다른 파라미터들을 조정하여야 한다.
상술한 과정을 위하여 면적에 대한 관계식은 하기 수식 (10)과 같다.
<수식 (10)>
Figure pat00015
상기 수식 (10)에서 T1, T2을 소거하고 vp를 계산하면 하기 수식 (11)과 같다.
<수식 (11)>
Figure pat00016
프로파일 최고속도 vp는 vmax를 초과할 수 없기 때문에 하기 수식 (12)와 같이 vp를 제한한다.
<수식 (12)>
Figure pat00017
이후 이동시간 및 이동거리 산출부(240)는 현재속도, 가속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 가속구간 및 감속구간에서의 이동시간(T1, T2)을 산출하고, 나아가 가속구간 및 감속구간에서의 이동거리(s1a, s1b, s2)를 산출한다.
구체적으로 가속구간에서의 이동시간(T1) 및 감속구간에서의 이동시간(T2)은 하기 수식 (13)을 이용하여 산출한다.
<수식 (13)>
Figure pat00018
이후 수식 (13)에 의하여 산출된 가속구간 및 감속구간에서의 이동시간에 기초하여 하기 수식 (14)를 이용하여 각 구간의 이동거리(s1a, s1b, s2)를 계산하며, 여기에서 s1=s1a+s1b이다.
<수식 (14)>
Figure pat00019
저크 산출부(250)는 이동시간 및 이동거리 산출부(240)에서 산출한 각 구간에서의 이동시간 및 이동거리에 기초하여 각 구간별 저크를 산출하는 기능을 수행한다.
즉 이전 과정을 통하여 결정된 여러 파라미터를 이용하여 가속 구간의 저크(j1) 및 감속 구간의 저크(j2)를 하기 수식 (15)를 이용하여 산출한다.
<수식 (15)>
Figure pat00020
이때 상기 수식 (15)에 의하여 계산된 가속 구간에서의 저크(j1)가 미리 설정된 값인 기준 저크(J)보다 크다면(j1>J) 다음과 같이 가속도를 조절하여 저크를 낮추도록 해야 하며, 구체적으로 가속도의 비율을 (J/j1)0.25로 조절하는 것이 바람직하며, 아울러 감속 구간에서의 저크(j2) 또한 동일한 방식으로 감속도를 조절하여 저크를 낮추도록 조절하는 것이 바람직하며, 이에 대한 수식은 하기 수식 (16)과 같다.
<수식 (16)>
Figure pat00021
상기 수식 (16)에 의하여 가속도 또는 감속도가 변경되었다면, 변경된 가속도 및 감속도를 적용하여 가감속 부호 결정부(220)에 의한 가감속 부호를 결정하는 과정부터 다시 수행된다.
한편, 상술한 과정들을 통하여 파라미터 생성모듈(200)에 의하여 생성된 파라미터에 기초하여 프로파일 생성모듈(300)은 매 시각의 요구위치, 요구속도 및 요구가속도를 생성하는데, 요구값(demand value)은 하기 수식 (17)에 기재된 함수를 사용하여 매 시각 t에 대하여 위치(pt), 속도(vt) 및 가속도(at)를 계산한다.
<수식 (17)>
Figure pat00022
이때 모션 프로파일의 앞구간에 해당하는 가속구간에서의 요구위치(pt), 요구속도(vt) 및 요구가속도(at)는 시각 t가 0에서 T1까지 증가하면서 하기 수식 (18)에 의해 결정된다.
<수식 (18)>
Figure pat00023
시각 t가 가속구간을 지나 정속구간에 들어온 경우, 정속구간의 시간(T3)은 하기 수식 (19)에 의해 결정된다.
<수식 (19)>
Figure pat00024
만일 T3가 0인 경우 정속구간이 없는 것을 의미하며, 이 구간의 실행은 무시되며, 만일 T3가 0이 아닌 경우, 정속 구간에서 요구위치(pt), 요구속도(vt) 및 요구가속도(at)는 시각 t가 0에서 T3까지 증가하면서 하기 수식 (20)에 의하여 결정된다.
<수식 (20)>
Figure pat00025
아울러 모션 프로파일의 뒷 구간에 해당하는 감속 구간에서 요구위치(pt), 요구속도(vt) 및 요구가속도(at)는 시각 t가 T2에서 0까지 감소하면서 하기 수식 (20)에 의해 결정된다.
<수식 (21)>
Figure pat00026
이하에서는 도 15 및 도 16을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성방법에 대하여 설명하되, 앞에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성장치와의 중복되는 내용은 그 자세한 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정현파 모션 프로파일 생성방법은 도 15에 도시된 바와 같이 모터(1)의 목표위치 및 현재위치에 기초하여 이동거리를 산출하는 단계(S100)와, 산출된 이동거리에 기초하여 모터(1)의 모션 프로파일의 형상을 결정하는 파라미터를 생성하는 단계(S200)가 수행되며, 이후에 생성된 파라미터에 기초하여 상기 모터(1)의 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 생성하는 단계(S300)가 순차적으로 수행되도록 구성된다.
여기에서 프로파일은 가속구간, 정속구간 및 감속구간 중 적어도 하나를 포함하되, 상기 가속구간 및 감속구간의 프로파일은 정현파 형태로 이루어짐으로써 모션 프로파일에 의하여 발생되는 고조파 발생을 억제함으로써 시스템의 진동문제를 극복할 수 있게 된다.
상기 3단계 중 파라미터를 생성하는 단계(S200)는 도 3과 같이 세분화될 수 있는데, 먼저 상기 이동거리 및 상기 모터의 현재 속도를 설정하는 단계(S210)가 수행되며, 이후 상기 이동거리, 현재속도, 가속도 및 감속도에 기초하여 최초 가속이 필요한 상황인지 감속이 필요한 상황인지를 판단하여 가감속 부호를 결정하는 단계(S220)가 수행된다.
다음으로는 가속도 및 감속도에 기초하여 프로파일 최고속도를 산출하는 단계(S230)와, 현재속도, 가속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 가속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하고, 상기 감속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 감속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하는 단계(S240)가 수행된다.
이후 상기 이동시간 및 이동거리에 기초하여 각 구간별 저크를 산출하는 단계(S250)와, 산출된 상기 각 구간별 저크와 미리 설정된 기준저크와 비교하는 단계(S260)가 수행된다.
이때 각 구간별 저크가 기준저크보다 큰 경우에는 가속도 및 상기 감속도 중 적어도 하나를 업데이트하는 단계(S270)가 수행되고, 업데이트된 가속도 및 감속도를 이용하여 다시 가감속 부호를 결정하는 단계(S240)로 회기하게 된다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 이동거리 산출모듈
200: 파라미터 생성모듈
300: 프로파일 생성모듈

Claims (12)

  1. 모터의 구동을 제어하는 정현파 모션 프로파일 생성장치에 있어서,
    상기 모터의 목표위치 및 현재위치에 기초하여 이동거리를 산출하는 이동거리 산출모듈;
    상기 이동거리에 기초하여 상기 모터의 모션 프로파일의 형상을 결정하는 파라미터를 생성하는 파라미터 생성모듈; 및
    상기 파라미터에 기초하여 상기 모터의 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 생성하는 프로파일 생성모듈;
    을 포함하고,
    상기 프로파일은 가속구간, 정속구간 및 감속구간 중 적어도 하나를 포함하되, 상기 가속구간 및 감속구간의 프로파일은 정현파 형태로 이루어지는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 파라미터 생성모듈은, 상기 이동거리, 상기 모터의 현재속도, 가속도, 감속도, 최고속도 및 기준저크에 기초하여 상기 파라미터를 생성하되,
    상기 파라미터는 상기 가속구간, 정속구간 및 감속구간의 이동시간, 이동거리, 가속도, 감속도 및 프로파일 최고속도를 포함하는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 파라미터 생성모듈은,
    상기 이동거리 산출모듈로부터 전달받은 이동거리 및 상기 모터의 현재 속도를 설정하는 이동명령 수신부;
    상기 이동거리, 현재속도, 가속도 및 감속도에 기초하여 최초 가속이 필요한 상황인지 감속이 필요한 상황인지를 판단하는 가감속 부호 결정부;
    상기 프로파일 최고속도를 산출하는 프로파일 최고속도 산출부;
    상기 가속구간 및 감속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하는 이동시간 및 이동거리 산출부;
    상기 이동시간 및 이동거리에 기초하여 각 구간별 저크를 산출하는 저크 산출부;
    를 포함하는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로파일 최고속도 산출부는, 상기 프로파일 최고속도가 미리 설정된 최고속도의 범위를 벗어나지 않도록 프로파일 최고속도를 산출하는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 이동시간 및 이동거리 산출부는,
    상기 현재속도, 가속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 가속구간에서의 이동시간을 산출하고,
    상기 감속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 감속구간에서의 이동시간을 산출하는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 이동시간 및 이동거리 산출부는,
    상기 현재속도, 프로파일 최고속도 및 가속구간에서의 이동시간에 기초하여 가속구간에서의 이동거리를 산출하고,
    상기 프로파일 최고속도 및 감속구간에서의 이동시간에 기초하여 감속구간에서의 이동거리를 산출하는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 저크산출부는,
    상기 가속구간에서의 이동시간 및 이동거리에 기초하여 가속구간에서의 저크를 산출하고,
    상기 감속구간에서의 이동시간 및 이동거리에 기초하여 감속구간에서의 저크를 산출하는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 저크산출부는,
    상기 가속구간에서의 저크 및 감속구간에서의 저크 중 적어도 하나가 상기 기준저크보다 큰 경우, 미리 설정된 비율만큼 상기 가속도 및 감속도를 조절하여 업데이트하는 정현파 모션 프로파일 생성장치.
  9. 모터의 구동을 제어하는 정현파 모션 프로파일 생성방법에 있어서,
    상기 모터의 목표위치 및 현재위치에 기초하여 이동거리를 산출하는 단계;
    상기 이동거리에 기초하여 상기 모터의 모션 프로파일의 형상을 결정하는 파라미터를 생성하는 단계;
    상기 파라미터에 기초하여 상기 모터의 위치, 속도 및 가속도 프로파일을 생성하는 단계;
    를 포함하되, 상기 프로파일은 가속구간, 정속구간 및 감속구간 중 적어도 하나를 포함하되, 상기 가속구간 및 감속구간의 프로파일은 정현파 형태로 이루어지는 정현파 모션 프로파일 생성방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 파라미터를 생성하는 단계는,
    상기 이동거리 및 상기 모터의 현재 속도를 설정하는 단계;
    상기 이동거리, 현재속도, 가속도 및 감속도에 기초하여 최초 가속이 필요한 상황인지 감속이 필요한 상황인지를 판단하여 가감속 부호를 결정하는 단계;
    상기 가속도 및 감속도에 기초하여 프로파일 최고속도를 산출하는 단계;
    상기 현재속도, 가속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 가속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하고, 상기 감속도 및 프로파일 최고속도에 기초하여 상기 감속구간에서의 이동시간 및 이동거리를 산출하는 단계; 및
    상기 이동시간 및 이동거리에 기초하여 각 구간별 저크를 산출하는 단계;
    를 포함하는 정현파 모션 프로파일 생성방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 파라미터를 생성하는 단계는,
    산출된 상기 각 구간별 저크와 미리 설정된 기준저크와 비교하는 단계;
    를 더 포함하는 정현파 모션 프로파일 생성방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    산출된 상기 각 구간별 저크가 미리 설정된 기준저크보다 큰 경우,
    상기 가속도 및 상기 감속도 중 적어도 하나를 업데이트하는 단계;가 수행되는 정현파 모션 프로파일 생성방법.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970031212A (ko) 1995-11-22 1997-06-26 배순훈 사다리꼴 프로파일에 의한 모터구동방법
KR20070057592A (ko) * 2005-12-02 2007-06-07 엘에스산전 주식회사 모터 속도 제어장치 및 방법
KR20080010723A (ko) * 2006-07-28 2008-01-31 호서대학교 산학협력단 비대칭 에스 커브를 이용한 모터 제어 방법
JP2008199883A (ja) * 2007-01-29 2008-08-28 Rockwell Automation Technologies Inc Ｓ―曲線速度輪郭における不測の速度逆転の除去システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970031212A (ko) 1995-11-22 1997-06-26 배순훈 사다리꼴 프로파일에 의한 모터구동방법
KR20070057592A (ko) * 2005-12-02 2007-06-07 엘에스산전 주식회사 모터 속도 제어장치 및 방법
KR20080010723A (ko) * 2006-07-28 2008-01-31 호서대학교 산학협력단 비대칭 에스 커브를 이용한 모터 제어 방법
JP2008199883A (ja) * 2007-01-29 2008-08-28 Rockwell Automation Technologies Inc Ｓ―曲線速度輪郭における不測の速度逆転の除去システム

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