KR940003005B1

KR940003005B1 - 동기형 교류 서보모터의 속도제어방법

Info

Publication number: KR940003005B1
Application number: KR1019910001348A
Authority: KR
Inventors: 김동일
Original assignee: 삼성전자 주식회사; 강진구
Priority date: 1991-01-26
Filing date: 1991-01-26
Publication date: 1994-04-09
Also published as: US5272423A; KR920015687A; JPH0549284A; JP2573120B2

Abstract

내용 없음.

Description

동기형 교류 서보모터의 속도제어방법

제1도는 종래의 비례적분미분제어기의 블록도.

제2도는 전류제어되는 동기형 교류서보모터의 블록도.

제3도는 본 발명의 일실시예에 의한 동기형 교류서보모터의 속도제어방법이 적용되는 장치의 블록도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 피드포워드제어기 20 : 비례적분제어기

30 : 모터 40 : 가속도계산부

본 발명은 로보트 또는 컴퓨터수치제어(CNC : Computer Numerical Control) 공작기계 등의 신속한 응답특성을 얻을 수 있음과 동시에 부하토오크 및 관성의 변화에 대하여 뛰어난 특성을 가진 동기형 교류서보 모터의 속도제어방법에 관한 것이다.

최근, 산업용 로보트 또는 컴퓨터수치제어 공작기계등과 같은 정밀한 제어를 요구하는 산업분야에 동기형 교류서보모터가 점차 널리 사용되고 있다.

그러나, 산업용 로보트의 경우, 로보트암(Arm)의 위치와 상기 암이 움직이는 속도 및 로보트이 잡은 물체의 무게의 변화 등에 의해서 부하토오크 및 관성의 변화가 발생되어 로보트의 각 조인트의 교류서보모터 제어장치에 영향을 초래하여 로보트의 정상적인 동작을 방해한다는 문제점이 있었다.

이에 따라, 상기 부하토오크 및 관성의 변화 등에 영향을 적게 받는 교류서보모터 제어장치의 개발이 진행되고 있다.

일례로, 직류 모터에 있어서는 뛰어난 제어장치를 구성하기 위하여 기존의 전류 제어를 없애는 대신 가속도 제어를 사용하는 방법이 있으나, 상기 직류 모터와는 달리 교류서보모터에는 3상의 정현파 전류가 모터에 인가되어야 하므로 전류 제어를 가속도제어로 대신할 수 없을 뿐만 아니라, 상기 가속도 제어는 부하토오크의 변화에 대해서는 뛰어난 반면에 응답속도가 늦어진다는 문제점이 있었다.

또한, 구체적인 종래의 제어방법으로서는 제1도에 도시한 바와같이 모터(4)의 속도명령데이타값(Wr)을 미분제어기(1)에서 미분하여 합산기(G2)에 출력됨과 동시에 모터(4)의 속도명령데이타값(Wr)은 비교기(G1)에서 모터(4)의 현재속도데이타값(W)과 비교된 후, 그 값을 비례적분제어기(2)에 출력하며, 비례적분제어기(2)에서는 모터(4)의 속도명령데이타값(Wr)과 현재속도데이타값(W)의 차이값(e)을 비례적분해서 합산기(G2)에 출력한다. 따라서, 합산기(G2)에서는 비례적분제어기(2)에서 출력되는 비례적분값(Kp+Kis)과 미분제어기(1)에서 출력되는 미분제어값(KdS) 및 모터(4)의 현재속도데이타값(W)을 미분제어기(3)에서 미분제어한 미분제어값(KdS)을 합산해서 모터(4)의 속도를 제어하는 비례적분미분제어방법이 있었다.

그러나, 상기와 같은 종래의 비례적분미분제어방법은, 비례제어이득, 적분제어이득 및 미분제어이득을 조장하기가 곤란하기 때문에 응답특성이 불량하고, 부하토오크 및 관성의 변화에 대해 큰 영향을 받는다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안해서 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은, 전류제어방식을 사용함과 동시에, 가속도 정보를 비례적분 제어기의 출력에 피드백시키고, 속도명령치를 상기 비례적분 제어기의 출력에 피드포워드시킴으로써 교류서보모터의 응답특성을 신속하게 함과 동시에, 부하토오크 및 관성의 변화에 의한 영향을 최소화하도록 모터에 인가되는 전류를 제어하는 동기형 교류서보모터의 속도제어방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 동기형 교류서보모터의 속도제어방법은, 동기형 교류서보모터의 속도제어방법에 있어서, 로보트의 암의 위치변화와, 상기 로보트의 암이 움직이는 속도 및 상기 로보트이 잡은 물체 무게의 변화 등에 의한 부하토오크 및 관성의 변화로 부터 기인하는 영향을 최소화하도록 동기형 교류서보모터의 현재의 속도를 검출하고, 상기 서보모터의 현재속도에 의거한 가속도를 계산하여 비교기에 피드백시키고, 피드포워드제어기에서 입력되는 속도명령데이타값에 소정의 이득값을 곱하여 합산기에 피드포워드하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제2도는 전류제어되는 동기형 서보모터의 블록도이고, 제3도는 본 발명의 동기형 교류서보모터의 속도 제어방법이 적용되는 장치의 블록도이다. 또한, 제1도와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명은 생략한다.

제2도는 히스테리시스 전류제어기 또는 고 이득 전류제어기의 경우 과도상태 및 정상상태에서 전류 명령과 실제전류 사이의 위상과 크기에 차이가 없도록 동기형 교류서보모터(30)의 제어가 가능한 전류제어기에 의해 제어되는 동기형 교류서보모터(30)의 블록도를 도시한 것이다. 즉, 제2도는 비교기(G1)의 출력신호에 이득(1/Kir)을 곱해서 모터(30)를 구동하는 전류(i)를 서보모터(30)에 인가해서 전류제어에 의해 동기형 교류서보모터(30)를 제어하는 것이다.

제3도에 있어서, (10)은 동기형 교류서보모터(30)를 구동하기 위한 제어장치에서, 속도명령데이타값(Wr)에 적당한 이득값을 곱하여 피드포워드시키는 피드포워드제어기이고, (20)은 상기 속도명령데이타값(Wr)과 모터(30)의 현재속도피드백상수값(Kv)을 비교기(G1)에서 비교하여 그 비교값을 비례적분하여 출력하는 비례적분제어기이며, (40)은 상기 모터(4)의 현재속도출력데이타값(W) 및 속도피드백상수(Kv)를 토대로 모터(30)의 가속도를 계산하여 합산기(G2)에 피드백시키는 가속도계산부이다. 상기 합산기(G2)에서는 피드포워드제어기(10)의 피드포워드출력값(KFS), 비례적분제어기(20)의 출력값(KP+Ki/S) 및 가속도계산부(40)의 출력값(KaS)을 합산하여 모터(30)에 인가하여 모터(30)의 속도를 제어하도록 구성되어 있다.

한편, 상기 모터(30)는 제2도에 도시한 전류제어되는 모터이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동기형 교류서보모터의 속도제어장치에 의하면, 제2도에 도시한 바와 같은 전류제어방식을 사용함과 동시에 가속도 정보를 비례적분제어기(20)에 출력에 피드백시키고, 속도명령치를 상기 비례적분제어기(20)의 출력에 피드포워드시킴으로써 교류서보모터의 응답특성을 신속하게 함과 동시에 부하토오크 및 관성의 변화에 대하여 뛰어난 특성을 가질 수 있는 것이다.

그러나, 부하토오크 및 관성의 변화등에 대하여 뛰어난 특성이 요구되는 시스템에 있어서, 가속도 제어를 사용하면 특성은 향상시킬 수 있으나, 전체적인 시스템의 응답속도가 저하된다.

즉, 가속도를 피드백한다는 것은 결국 속도의 변화를 억제하는 것이므로, 상기 속도제어명령을 출력하였을 경우 상기 속도명령을 따르기 위한 변화까지도 억제하게 됨으로써 전체적인 응답속도가 저하되는 것이다.

이를 방지하기 위해서는 비례이득을 증가시키면 응답속도를 증가시킬 수는 있으나, 실제적으로 하드웨어적인 제한으로 인한 시스템의 불안정을 초래하고, 시스템에 잡음을 발생하기 때문에 상기 비례이득을 무한정으로 크게 할 수가 없다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 점을 고려하여 피드포워드제어기를 사용한 제어 시스템을 이용함으로써 목적하는 바를 달성하는 것이다.

제3도에 도시한, 동기형 교류서보모터의 속도제어장치의 동작을 설명한다.

먼저, 로보트이 정상 구동하는데 필요한 속도명령데이타값(Wr)이 본 발명의 모터 속도제어장치에 입력되면 상기 속도명령데이타값(Wr)은 피드포워드제어기(10)에 의하여 조건의 변화를 검출하여 그 영향이 제어계에 미치기 전에 출력신호(KfS)를 가산기(G2)에 출력한다.

한편, 상기 속도명령데이타값(Wr)은 모터(30)의 속도출력데이타값(W)과 속도피드백상수값(Kv)을 비교기(G1)에서 비교하여 로보트을 구동하는 상기 모터(30)의 속도가 정상적인 구동속도를 나타내는 상기 속도 명령데이타값(Wr)과 어느정도의 오차가 발생하는지를 판별한다.

상기 비교기(G1)에서의 판별 결과, 속도에러가 발생되었다고 판단되면, 속도에러데이타값(e)이 비례적분제어기(20)에 입력되어 비례적분제어되어 합산기(G2)에 출력신호(Kp+Ki/S)를 출력한다.

한편, 상기 모터(30)의 속도출력데이타값(W)은 속도피드백상수(Kv)와 곱해져서 합산기(G2)에 피드백된다. 즉, 모터(30)에 부착된 센서(타코제너레이터, 엔코더, 리졸버)의 출력데이타로 부터 가속도(W)를 계산하여 비교기(G1)에서 비교하여 모터(30)의 속도출력데이타값(W)을 비례적분제어기(20)의 출력에 피드백시키는 것이다.

이에따라, 피드포워드제어기(10)에서 출력된 데이터(KfS)와 비례적분제어기(20)에서 출력된 데이터(Kp+Ki/S) 그리고 상기 가속도계산부(40)에서 출력되는 데이터(KaS)가 합산기(G2)에서 합산되어 그 합산된 데이터를 모터(30)에 출력해서 모터(30)를 제어하는 것이다.

그러면, 상기 합산기(G2)에서 합산된 데이터는 토오크 상수(Kt)와 곱해져서 G3로 출력되어 G3에서 모터(30)를 정지시키려는 브레이트 작용등의 외부에서 인가되는 부하토오크(TL)와 합산된 후, 그 합산 데이터에 의해 모터(30)가 구동되므로, 모터(30)의 기계적 동특성값(1/(JS+B)으로 출력되면서 속도출력데이타값(W)이 발생하는 것이다.

한편, 제2도에서 전달함수

는 다음과 같이 표시된다.

즉,

(여기서 S는 라플라스 연산자 즉, 미분연산자이고, G(S)=S²+(KtKvKp+B)S/(KtKvKa+J)+KtKvKi/ (KtKvKa+J)이다)

또한, 상기 속도명령데이타값(Wr)이 단위 스텝(unit step)으로 주어질 경우에 정착시간(settling time : ts)은 다음과 같다.

즉, 정착시간(ts)은

또한, 상기 식(2) (3)의 전달함수를 다음과 같은 형태로 표시한다고 할 경우,

(여기서, N1(S), N2(S), N1'(S), N2'(S)는 모닉 폴리노미얼(monic polynomical)이다.)

C1 및 C2는

과 같이 주어진다.

즉, 본 발명에 의하면, 피드포워드상수(Kf)와 가속도상수(Ka)가 동일할 경우에는(Kf=Ka) 제1도에 도시한 바와 같은 기존의 비례적분미분(PID)제어기와 동일하게 된다.

이는 피드포워드제어기(10)와 가속도 제어기를 동시에 사용할 경우 미분제어기의 자유도가 2인 경우와 동일하다는 것을 의미한다.

본 발명이 기존의 장치와 다른 것은, 제1도에 도시한 상기 비례적분미분제어기의 경우에는 제7식으로 표시된 C1만이 피드포워드제어기와 가속도제어기를 사용한 경우와 다르다는 점이다.

즉, 피드포워드제어기와 가속도제어기의 경우 피드포워드제어상수(Kf)를 Ka+J/KtKv로 설정함으로써 제7식의 C1을 제로로 만들 수 있기 때문에 상기 비례적분미분제어기와 비교할 경우 상당히 우수한 특성을 얻을 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명의 동기형 교류서보모터의 속도제어방법에 의하면, 신속한 응답특성을 얻을 수 있을뿐만 아니라, 부하토오크 및 관성의 변화에 의한 영향을 최소화함으로써 로보트의 정상구동을 유지하여 작업 능률을 향상시킨다는 효과가 있다.

Claims

동기형 교류서보모터의 속도제어방법에 있어서, 로보트의 암의 위치변화와, 상기 로보트의 암이 움직이는 속도 및 상기 로보트가 잡은 물체 무게의 변화 등에 의한 부하토오크 및 관성의 변화로 부터 기인하는 영향을 최소화하도록 동기형 교류서보모터의 현재의 속도를 검출하고, 상기 서보모터의 현재속도에 의거한 가속도를 계산하여 비례적분제어기에 피드백시키고, 피드포워드제어기에서 입력되는 속도명령데이타값에 소정의 이득값을 곱하여 비교기에 피드포워드하는 것을 특징으로 하는 동기형 교류서보모터의 속도제어방법.