KR840001389B1 - 직류 서보계의 속도 제어장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

직류 서보계의 속도 제어장치

제1도는 일반적인 직류 서보계의 회로도.

제2도는 제1도의 속도 제어기를 비례적분기로 하였을 경우의 등가회로도.

제3도는 종래속도 제어기의 등가회로도.

제4도는 종래의 가변구조형 속도 제어기의 등가회로도.

제5도는 종래의 가변구조형 속도 제어기의 회로도.

제6도는 종래의 가변구조형 속도 제어기에 의한 출력선도.

제7도는 본 발명의 속도 제어기의 등가회로도.

제8도는 본 발명의 속도 제어기의 회로도.

제9도는 본 발명의 속도 제어기에 의한 출력과 종래의 출력과 중매의 출력을 비교한 선도.

제10도는 본 발명에 의한 제어기의 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

33,34 : 연산증폭기 35,36 : 스위치

37 : 오차판별기 39 : 전압제한소자

본 발명은 직류 전동 장치의 속도제어를 효율적으로 하기 위한 방법으로서 일반적인 직류전동기에도 사용할 수 있는 주로 빠른 응답 특성과 정밀성을 필요로 하는 서보계에 관한 것이다.

먼저 일반적인 직류전동기의 속도 제어장치에 대하여 간략히 알아보기 위하여 도면을 참조하여 설명하겠다.

제1도에서는 일반적인 직류전동기의 속도 제어장치가 개략적으로 도시되어 있다.

(1)의 속도 지령정보와 (11)의 곡도 궤한 신호 정보의 차이 신호는 속도 제어기(2)에서 처리된 후 전류제한기(3)을 통하여 전류지령신호(4)로 출력되며 이는 전류제어계(5)의 기준지령 입력이 된다.

전류제어계(5)는 전류제어기(6), 전력증폭기(7), 전동기(8)로 구성되어 있으며, 제1도에서 (9)는 전동기의 전기자 전압에 대한 전기자 전류의 전달함수 특성을 갖는 장치이다.

즉, 역기 절력에 의한 부궤한 효과를 등가적으로 포함시킨 것이다.

(10)은 전류에 의해 발생되는 토오크가 회전속도를 주게되는 전달함수 특성을 갖는 장치이다.

직류전동기의 속도 제어장치에서는 정상상태 오차를 없애기 위하여 보통 속도 제어기(2)로서 비례적분(PI)제어기를 사용한다.

2제도는 이와같은 비례적분기의 블록선도를 나타낸 것이다.

비례적 분기의 이득은 제1도에서 전류 지령정보에 대한 직류전동기의 전류궤한으로 이루어지는 전류제어계와 전류에 대한 속도 전달함수(10)를 주어진 대상계로 보고 설계하게 된다.

전류제어계(5)의 응답속도는 전동기의 전기자전류에 대한 전동기 속도의 전달함수 특성을 갖는 장치(10)에 의한 응답속도보다 매우 빠르므로 보통 전류제어계의 과도현상은 장치(10)의 특성에 비해 무시할 수 있다.

한편, 직류 전동기나 증폭기의 반도체 소자등의 허용최대 전류치를 회로전류가 넘게 되면 전동기 및 증폭기 소자들이 손상된다.

그러므로 전류로 제한하는 목적으로 제1도의 전류 제한기가 사용된다.

제2도에서 비례적분기(12)의 속도 제어기의 설계시, 비례적분기의 이득은 보통 전류제한기(13)에 의한 비선형 특성을 고려하지 않고 선정한다.

그러나 실제속도 지령정보가 충분히 커서 속도제어기의 출력이 전류 제한값보다 클 경우, 실제 전동기는 비례적분기기(12)의 출력에 의해 가속되지 못하고 이보다 작은 값인 전류제한기(13)의 출력에 의해 가속된다.

이때 전동기가 가속되는 중에 궤환신호 Vf는 아직 속도지령정보에 크게 못미쳐 적분기(12)에는 오차에 의한 적분값이 계속 누적되어 신호 Vf이 극도 지령값 Vcmd에 도달하여도 적분기에는 상당값이 누적되게 된다.

이 누적된 양은 전류 제한기(3)가 없는 선형계에서의 경우보다 훨씬 커서 속도 제어기(2)를 선형계에 대해 설계한 경우에 실제속도 출력은 계가 선형성이라고 가정한 경우보다 훨씬 큰 오버슈트를 갖는다.

즉, 적분기는 비선형 전류 제한기(3)에 의한 매우 큰 오버슈트를 나타내게 된다.

다음에서는 이와같은 비선형기에 의한 큰 오버슈트를 발지하기 위하여 종래에 사용된 두가지 방법에 대해 기술하기로 한다.

제3도는 연산증폭기를 사용하여 비례적분기를 구성할 경우의 등가회로도이다.

Vcmd와 Vf는 제각기 속도지령 및 궤한 신호이고 Ri는 입력저항, Rf Cf는 궤환저항 및 궤환콘덴서로서 비례이득 및 적분이득을 위한 소자들이다.

여기서 박스(14)에서 표시된 바와 같이 적분기 양단에 제너다이오드 Dz를 사용하여 소정전압 이상의 전압이 인가되면 역직렬로 연결된 제너다이오드 Dz가 도통하여 콘덴서 양단 전압이 소정값 이상으로 올라갈 수 없도록 제한하도록 되어 있다.

이경우 적분기에는 적분치 제한기(14)가 없을 때에 비하여 최대적분 가능 전압을 작게 유지시킬 수가 있으므로 다소 오버슈트를 줄일 수 있다.

그러나 실제로 오차에 의한 적분값이 제한된 값까지는 누적될 수 있으므로 속도 지령간의 크기에 따라 오버슈트의 양이 상대적으로 커질 수도 있다.

이제 종래에 사용되던 속도 제어기중 제3도의 것보다 우수하다고 인정되고 있는 것에 대해 고찰하여 보자.

즉, 제4도는 비례 및 비례적분기 양쪽으로 동작할 수 있는 가변구조 제어기의 등가회로도이다.

제4도에서 오차 판별기(18)는 속도 지령신호와 궤한 신호사이의 차의 절대값을 취한 후 그 값이 어떤 기준 오차보다 크면 스위치(17)을 개발하여 적분기(16)를 비구동시키며, 비례기(15)만을 구동시켜 가속 기간 중 큰 속도오차에 의한 적분을 방지시키도록 구동한다.

또한 속도 오차가 작을 경우는 스위치(17)가 폐쇄되어 비례적분기로서 동작하도록 하여 정상상태 오차를 제거하도록 구성되어 있다.

제5도는 등가회로의 실제적 회로도이다.

여기에서는 속도 오차신호의 절대값을 취해 소정 기준차와 비교한 후 그크기를 판별하는 오차 판별기(27)가 스위치(21)을 구동하여 적분기를 구동시키던가 또는 비구동시키로록 되어 있다.

역직렬로 연결된 제어 다이오드 Dz들은 출력 Icmd를 클램프(Clamp)하여 최대출력이 최대 전류 지령치를 초과하지 않도록 제공되어 있다.

제6도는 제4도의 방법을 사용한 경우의 출력 파형도이다. 도면에서와 같이 속도오차의 크기가 파형(25)인 경우에 비례기에서 비례적분기로 바뀌도록 제어기를 설계한 경우 아직도 상당한 양의 오차가 있기 때문에 실제 속도는 (24)와 같이 오버슈트를 하게 된다.

이와같은 현상을 피하기 위해 만일 제6도의 오차의 크기가 작은 시점(26)에서 적분기를 동작시키려 하면 비례기로서는 도달할 수가 없으므로 적분기 동작이 되지 않게 된다.

한편 비례기에 의한 정상 상태(23)가 속도 지령치 파형(22)에 가깝게 되려면 비례기의 이득을 크게하여야 하는데 실제로 비례기의 이득은 임으로 크게 선정할 수가 없다.

왜냐하면 적분기로 동작하는 동안의 응답특성을 고려하여 비례 및 적분기의 이득을 동시에 선정하여야 하기 때문이다.

이상에서 고찰한 바와 같이 종래의 장치에 의하면 오버슈트가 크게 나타나며, 또한 정상시의 오차 및 구동시의 오차가 항상 존재하게 되는 것이 피할 수 없는 단점이 있음을 알 수 있다.

이러한 단점에서 파생되는 불필요한 사항들은 일일이 열거하지 않더라도 공지된 사실이므로, 상술하지 않겠으나, 예를 들자면, 정속구동, 기동력의 저하, 정확한 제어의 어려움이 있다.

그러므로 본 발명의 다른 목적은 오차에 의한 오버슈트를 없앨 수 있는 속도 제어장치를 제공하는 것이다.

발명의 또 다른 목적은 직류전동기가 빠른 시간내에 원하는 속도가 되며, 동시에 오버슈트가 극히 작은 응답을 나타내는 속도 제어장치를 제공하는 것이다.

이하에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하겠으나, 도면에 예시된 실시예에 본 발명이 국한되는 것이 아님을 주지하라.

제7도는 본 발명의 속도 제어기에 대한 등가회로도이다. (28)은 비례기, (29)는 최대감, 가속 지령기, (30), (31)은 신호의 개폐를 위한 스위치, (32)는 오차 크기의 기준 레벨이 되는 기준 오차의 궤한을 나타낸다.

제8도는 본 발명의 속도 제어기에 대한 좀더 상세한 전기적 회로도이다.

연상증폭기(33)은 속도 지령정보와 궤한 신호의 차를 얻기 위한 것이고 연산증폭기는 스위치(35)(36)의 상태에 따라 비례적분기 또는 최대감. 가속 지령기가 되도록 한 것이며, 오차 판별기(37)은 오차의 크기에 따라 스위치(35)(36)의 개폐를 결정하기 위한 것이다.

제너 다이오드의 역. 직력 연결은 출력(38)의 최대 허용 전류치 이상으로 되는 것을 막기 위한 것이다.

연산증폭기(33)의 출력은 속도 오차에 해당되는데 이를 오차 판별기(37)에서 절대값을 취한 후 기준 오차와 비교한다. 속도 오차가 기준오차보다 클 경우는 스위치(36)을 개방하고 스위치(35)를 폐쇄하여 연산증폭기(34)의 출력(38)이 점선내의 제한기(39)에 의해 제한된 값으로 되로록 하여 오차의 국성에 따라서 최대가속지령 또는 최대 감속지령이 되도록 한다. 또, 속도오차가 기준오차보다 작을 경우 스위치(36)를 폐쇄하고 스위치(35)를 개방하여 연산증폭기(34)의 출력이 속도 오차에 대한비례 적분제어기로서 동작되도록 된다.

제9도는 본 발명에 의한 속도 제어기를 사용하였을 경우의 속도 출력과 종래의 방법에 의해 얻어지는 출력을 비교한 선도이다.

본 발명에서 제시된 기준오차(46)는 제5도의 방법에 의한 오차(47)에 비해 충분히 작게 될 수 있다.

이것은 제5도에 제시된 종래의 방법에서는 상술된 바와같이 비례기에 의한 정상 상태 값(43)에서의 차이보다 크게 선정해야 하는 문제가 있으나 본 발명에서는 이러한 제약을 해소하였기 때문이다.

제9도에서 도시된 바와같이 본 발명에 의한 제어기는 최대 가속기간 Ta₁이 종래의 방법에 의한 가속기간 Ta₂에 비해 크게되어서 속도출력의 상승시간을 줄일 수 있으며, 비례적분기로 동작되는 시점에서 속도오차가 극히 작으므로, 오버슈트의 양은 거의 없게 된다.

또한 종래의 방법에서는 가속기간 Ta₂(45) 동안에도 최대 가속을 보장하기가 어려운 단점이 있다.

결국 제9도에서 인지되는 바와같이 본 발명에 의한 출력(40)은 종래의 방법에 의한 출력(41)과 비교할때 응답속도. 오버슈트. 정정시간(Settling Time)면에서 극히 우수함을 알 수 있다.

본 발명의 개념에 따르면 이상적인 경우에 기준오차를 무한히 줄 일 수 있으나 실제로는 다음과 같은 문제를 고려하여 기준 오차를 선정하여야 한다.

첫째로. 기준 오차를 너무 작게 잡으면 출력 속도가 외잡음에 의해 조금만 바뀌어져도 최대 가감속을 하게되어 출력속도에 리플이 생길 수 있다.

둘째로. 콘덴서 양단의 스위치가 이상적인 것이 못되기 때문에 전하를 방전하는 시간이 1msec 정도까지도 될 수 있으므로 이 시간동안에 최대로 가속될 경우에도 속도 지령치에는 도달하지 못하도록 해야 한다.

즉, 이 시간동안 가속에 의한 최대속도 변화량에 해당하는 전압보다 기준오차를 크게 잡아주어야 한다.

제10도는 본 발명의 개념의 흐름도를 나타내는 논리도를 도시한 것이다.

먼저 단계(48)에서 주어진 지령치와 궤한되어 온 속도차에서 속도오차를 계산한다.

단계(49)에서는 이 오차가 기준오차보다 큰가 작은가를 비교 판단하여 기준오차보다 크면 단계(50)에서 오차의 부호에 따라 최대 가속이냐 최대 감속이냐를 결정하여 Icmd에 해당하는 값을 인입한다.

한편 속도 오차가 기준오차보다 작으면 비례적분기로 제어되어야 하므로 단계(52)에서 적분기의 값을 새로운 값으로 바꾸어 주고 단계(53)에서와 같이 전류 지령값 Icmd에는 비례 및 적분이득을 오차 및 적분값에 제각기 곱한 후 합하여 단계(54)에서 출력시킨다.

이와같이 속도 제어기로 제어할 경우에는 샘플링을 하여야 하는데 이 경우의 기준오차 값은 샘플링의 한 주기동안에 최대 가속으로 인한 속도 변화량의 최대치보다 크게 선정하여야 한다.

본 발명은 실제 직류전동기에 이용할 경우 계단입력에 대한 출력특성이 상기된 바와 같이 전류 제어계의 전동기. 전력 반도체 등의 하드 웨어에 의해 제약되는 가감속 능력을 최대한도로 살릴 수 있다.

또한 종래의 방법에 대비하여 오버슈트의 양을 크게 줄일 수 있으며, 한편, 본 발명을 이용한 직류 전동기의 제어장치를 산업용 로보트, 수치제어, 공작기계 및 기타 직류 전동기를 사용하는 정밀 산업기계에 적용할 경우보다 우수한 속도 제어 특성을 얻음으로 인하여, 최증 제어대상에 대한 정밀 속도 및 정밀 위치 제어에 극히 유리하다.

Claims (1)

1. 직류서보계의 속도 제어장치에 있어서. 연산 증폭기(33)가 출력으로서 속도오차신호를 발생하도록 하고. 상기 연산증폭기(33)의 출력의 절대값과 기준오차를 판별기(37)에서 비교하도록 하며, 오차 판별기(37)에서의 출력이 속도오차가 기준오차보다 큰 경우에는 스위치(36)을 개방하고 스위치(36)을 폐쇄하며. 이와의 반대인 경우에는 스위치(36)을 폐쇄하고 스위치(35)를 개방하도록 하되 상기 스위치(36)가 개방되고 상기 스위치(35)가 폐쇄된 경우에는 전체의 회로가 최대 감. 가속 지령기가 되며 이와 반대로 상기 스위치(36)가 폐쇄되고, 상기 스위치(35)가 개방된 경우에는 전체의 회로가 비례적분기가 되도록 구성한 것을 특징으로 하는 직류 서보계의 속도 제어장치.

Images