KR960016799B1 - 서보모터의 정밀위치제어방법 및 그 장치 - Google Patents

서보모터의 정밀위치제어방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

없음.

Description

서보모터의 정밀위치제어방법 및 그 장치
제1도는 본 발명에 의한 서보모터의 정밀위치제어장치를 나타내는 블록도.
제2도는 제1도 장치를 설명하기 위한 서보모터의 속도변화상태를 나타내는 그래프.
제3도는 제1도 장치에서 마이크로컴퓨터의 동작을 설명하기 위한 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 마이크로프로세서11 : 서보모터
12 : 타코제너레이터13 : 엔코더
14 : 카운터20 : 등속위치연산부
30 : 저장부40 : PID연산부
41 : 위치에러연산기45 : 이득산출기
50 : 속도연산부60 : D/A변환부
70 : 서보모터구동부100 : 마이크로컴퓨터
본 발명은 서보모터의 위치제어시스템에 관한 것으로서, 특히 범용마이크로프로세서를 이용하여 서보모터의 속도상태변화에 따라 샘플링시간을 달리 갖도록 하므로써 정밀하게 위치를 제어할 뿐 아니라 마이크로프로세서의 이용효율을 증가시키기 위한 서보모터의 정밀위치제어방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 서보메카니즘(Servo Mechanism)에서의 서보모터위치제어는 고속의 CPU에 의한 PID(Proportional, Intergrated, Deriviated)연산시간이 1~4msec 정도로 극히 짧아야만 정밀위치결정이 가능하다. 그러나 이들 고속전용 마이크로프로세서들은 고가이며 또한, 고가의 개발장비들을 필요로 한다. 더욱이 고속위치제어전용마이크로프로세서인 DSP(Digital Signal Processor)는 부동소숫점연산을 고속으로 수행할 수 있지만 범용의 마이크로프로세서는 부동소숫점연산을 위한 코프로세서를 필요로 한다. 이와 같은 범용마이크로프로세서를 이용하여 서보모터의 위치를 제어하는 방식에는 다음과 같이 구분되어질 수 있다. 첫번째 방식으로는 마이크로프로세서에 일정시간 마다 주기적인 인터럽트신호를 공급하여 인터럽트가 걸릴 때마다 서보모터의 현재위치를 샘플링하여 목표위치와 비교하므로써 위치에러를 구하고, 위치에러에 대응한 아날로그속도 전압을 내보내어 서보모터를 제어하는 것이다. 이 경우에는 범용마이크로프로세서의 연산시간이 매우 느리므로 고속의 샘플링을 하지 못하여 위치정도확보에 큰 문제점이 있었다. 또 하나의 방식으로는 사전에 샘플링시 간단위의 목표위치들로 테이블(Table)을 형성하여 샘플링시마다 테이블(Table)에 저장되어 있는 정보를 즉각 돌출할 수 있도록 하므로써 목표위치연산시간을 줄여 결과적으로 샘플링시간을 짧게 가져갈 수 있도록 하여 전술한 첫번째 방식의 단점을 해결한 방식이다. 그러나 이 경우에는 메모리의 용량이 커지므로 시스템을 구성하기가 무척 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점들을 해결할 수 있도록 서보모터의 가감속구간과 등속구간을 분리하여 고속의 샘플링이 요구되며 매우 작은 시간을 차지하는 가감속시에는 목표위치가 미리 연산된 가감속테이블을 이용하고, 속도변화가 극히 미약한 등속구간에서는 저속의 샘플링을 하도록 하므로써 범용마이크로프로세서가 서보모터제어 이외의 다른 일도 수행할 수 있도록 한 서보모터의 정밀위치제어방법을 제공함에 있다.
본 발명에 다른 목적은 전술한 서보모터의 정밀위치제어방법을 실행하기 위한 서보모터의 정밀위치제어장치를 제공함에 있다.
이와 같은 본 발명의 목적은, 일정시간단위로 인터럽트신호가 발생하며, 서보모터의 속도변화상태에 따라 서보모터의 위치를 제어하기 위한 방법에 있어서, 인터럽트신호가 발생하면 현 샘플링횟수를 사전 설정된 서보 모터의 속도구간별 샘플링횟수와 비교하여 현 서보모터의 속도구간을 판단하는 단계와, 상기 서보모터가 가속구간으로 판단되는 경우 서보모터가속구간동안의 샘플링횟수에 대응하는 목표위치들로 이루어진 저장테이블로부터 해당 샘플링횟수에 대한 목표위치를 산출하는 단계와, 상기 서보모터가 등속구간으로 판단되는 경우 현 샘플링횟수에 해당하는 위치데이타를 계산하여 목표위치로 산출하는 단계와, 상기 서보모터가 감속구간으로 판단되는 경우 서보모터감속구간동안의 샘플링횟수에 대응하는 목표위치들로 이루어진 저장테이블로부터 해당 샘플링횟수에 대한 목표위치를 산출하는 단계와, 상기 서보모터의 회전속도에 상응하는 위치정보를 현재 위치 데이타로 변환시키는 단계와, 상기 산출된 목표위치로부터 현재위치를 감산하여 위치에러량을 계산하는 단계와, 상기 위치에러량에 비례하여 서보모터를 제어하기 위한 속도명령을 출력하는 단계, 및 현 샘플링횟수를 "1"씩 증가시키는 단계에 의하여 달성된다.
본 발명의 다른 목적은, 임의의 타이밍에 주변회로로부터 인터럽트신호가 가해지면 서보모터의 위치를 제어하는 장치에 있어서, 인터럽트신호가 인가되면 현 샘플링횟수를 사전 설정된 서보모터의 속도구간별 샘플링횟수가와 비교하여 현 서보모터의 속도구간을 판단하고, 이에 따른 제어신호를 발생함과 동시에 샘플링횟수를 증가시키는 마이크로프로세서와, 상기 마이크로프로세서로부터 인가되는 변수데이타에 의해 현 샘플링횟수에 해당하는 목표위치를 계산하는 등속위치연산부와, 서보모터가속구간동안의 샘플링횟수에 대응하는 목표위치들로 이루어진 테이블을 구비하며 상기 마이크로프로세서로부터 인가되는 제어신호에 응답하여 해당 목표위치를 독출하는 제1메모리와, 서보모터감속구간동안의 샘플링횟수에 해당하는 목표위치들로 이루어진 테이블을 구비하며 상기 마이크로프로세서로부터 인가되는 제어신호에 응답하여 해당 목표위치를 독출하는 제2메모리와, 구해진 목표위치와 소정의 궤환입력되는 서보모터의 현재위치를 인가받아 위치에러량을 구하고, 그에 비례하는 이득을 산출하는 PID연산부와, 상기 PID연산부로부터 인가되는 이득값에 응답하여 서보모처를 제어하기 위한 속도명령을 출력하는 속도연산부, 및 서보모터의 회전속도에 상응하여 구해진 위치정보를 위치데이타로 변환하여 상기 PID연산부로 인가하는 카운터에 의하여 달성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
제1도는 본 발명에 따른 서보모터의 정밀위치제어장치의 일 실시예를 나타내는 블록도이다. 제1도의 장치는 위치제어의 대상이 되는 서보모터(Servo Moter;SM)(11)와, 서보모터(11)의 현재 속도를 검출하는 타코제너레이터(Tacometer Generator;TG)(12)를 구비한다. 또한, 서보모터(11)의 현재위치를 검출하는 엔코더(Encoder;EN)(13)를 구비한다. 엔코더(13)를 출력단에는 검출된 위치정보를 디지탈데이타로 변환하여 출력하는 카운터(14)가 연결된다. 카운터(14)의 출력단에는 마이크로컴퓨터(100)가 연결된다. 마이크로컴퓨터(100)는 일정시간마다 주기적으로 인터럽트신호가 걸릴 때 현 샘플링횟수에 따른 제어신호를 발생하는 마이크로프로세서(10)와, 등속시의 목표위치를 연산하는 등속위치연산부(20)와, 가속시 및 감속시의 목표위치들을 사전 설정하고 있는 제1메모리(31) 및 제2메모리(35)를 구비한 저장부(30)와, 목표위치에서 카운터(14)로부터 인가되는 현재위치를 감산하여 위치에러를 구하는 위치에러연산기(41) 및 위치에러량을 일정한 함수값에 적용하여 PID이득을 구하는 이득산출기(45)를 구비한 PID연산부(40)와, PID연산부(40)로부터의 PID이득을 속도 데이타로 변환시키는 속도연산부(50)로 이루어졌다. 마이크로컴퓨터(100)의 속도연산부(50) 출력단에는 디지탈형태의 속도데이타를 아날로그형태로 변환시키는 D/A변환부(60)가 연결된다. D/A변환부(60)와 타코제너레이터(12)의 출력단 사이에는 아날로그속도전압을 인가받아 서보모터(11)를 구동시키는 서보모터구동부(70)가 연결되도록 구성된다.
제2도는 제1도 장치를 설명하기 위한 서보모터의 속도변화상태를 나타내는 그래프이다. 제2도에서, 서보모터는 초기속도에서부터 가속되어 가속구간(ta)동안 원하는 이송속도(V)까지 가속된다. 그런 다음, 등속구간(tc)동안 원하는 이송속도로 등속을 유지하고, 감속구간(td)에서 다시 초기속도로 감속된다. 여기에서 가속 및 감속구간의 샘플링시간 Ta및 Td는 약 2~3msec 정도이고, 등속구간의 샘플링시간 Tc는 약 5~6msec 정도가 된다. 그럼, 제1도의 동작설명과 함께 좀더 구체적으로 설명한다.
제1도에서, 임의의 타이밍에 주변회로(도시되지 않음)로부터 인터럽트신호가 가해지면 마이크로컴퓨터(100)내의 마이크로프로세서(10)는 실행중의 동작을 일시 중단하고, 사전 정해진 순서에 따라서 이 인터럽트요구에 대응하는 별도의 동작을 수행한다. 인터럽트가 발생하면 마이크로프로세서(10)는 현재 샘플링횟수 "K"를 사전 설정된 속도구간별 샘플링횟수와 비교하여 서보모터(11)의 속도상태를 판단한다. 그런 다음 마이크로프로세서(10)는 속도구간별로 현 샘플링횟수 "K"에 대응하는 목표위치를 구할 수 있도록 제어한다. 즉, 현 샘플링횟수 "K"가 가속샘플링횟수 "na"보다 작거나 같으면 마이크로프로세서(10)는 현재 서보모터(11)가 가속구간(ta)인 경우로 판단하고 저장부(30)의 제1메모리(31)에 저장되어 있는 해당 샘플링횟수 "K"에 대응하는 목표위치 G (K)를 독출할 수 있도록 제어한다. 저장부(30)의 제1메모리(31)에는 제2도에 도시된 바와 같은 가속구간(ta)에서의 샘플링시간 Ta마다 사전 연산된 목표위치들로 테이블(Table)을 형성하고 있어 마이크로프로세서(10)로부터 인가되는 제어신호에 따라 해당 목표위치를 독출한다. 반대로, 현 샘플링횟수 "K"가 가속샘플링 횟수 "na"보다 크고 등속샘플링횟수 "nc"와 가속샘플링횟수 "na"와의 합인 "na+nc"보다 작거나 같으면 마이크로프로세서(10)는 현재 서보모터(11)가 등속구간(tc)인 경우로 판단하고 등속위치연산부(20)에 해당 샘플링 횟수 "K" 에 대응하는 목표위치를 연산할 수 있도록 필요한 데이타들을 공급한다. 등속위치연산부(20)에서의 목표위치는 마이크로프로세서(10)로부터 인가되는 변수데이타(DATA)에 의해 결정되며, 그 값은 다음과 같이 얻어진다.
G(K)=(V/2)ta＋V〔(K-na)ΔT〕
=(a/2)ta2＋V〔(K-na)ΔT〕
여기서, V는 이송속도이고, ta는 가속구간이며 K는 현 샘플링횟수를 나타낸다. 또한, na는 가속샘플링횟수이고, ΔT(=ΔTc)는 등속구간에서의 샘플링시간간격이며, a는 가속도를 나타낸다.
또한, 현 샘플링횟수 "K"가 "na+nc"보다 크면 마이크로프로세서(10)는 저장부(30)의 제2메모리(35)에 저장되어 있는 해당 샘플링회수 "K"에 대응하는 목표위치 G(K)를 독출할 수 있도록 제어한다. 저장부(30)의 제2메모리(35)에서는 제2도에 도시된 바와 같은 감속구간(td)에서의 샘플링시간 T4마다 사전 연산된 목표위치들로 테이블(Table)을 형성하고 있어 마이크로프로세서(10)로부터 인가되는 제어신호에 따라 해당 목표위치를 독출한다. PID연산부(40)의 위치에러연산기(41)는 현재 샘플링횟수 "K"에 대해 구해진 목표위치 G(K)로부터 소정의 궤환입력되는 현재위치 X(K)를 감산하여 위치에러량을 산출한다. 그럼, 이득산출기(45)는 위치에러연산기(41)로부터 산출된 위치에러량 E(K)를 다음과 같은 함수식에 적용하여 PID이득을 산출한다.
여기서, Kp, Ki, Kd는 각각 PID연산부의 제어대상에 대한 비례, 적분, 미분요소에 해당하는 이득값으로 Kp는 위치이득이고, Ki는 위치이득의 적분치에 비례하는 적분이득이며, Kd는 위치이득의 미분치에 비례하는 미분이득값으로 위치에러E(K)에 이 함수를 곱하여 위치응답의 추종성과 오버슈트(Overshoot)를 동시에 고려한 PID이득을 산출한다. 속도연산부(50)는 이득산출기(45)로부터 인가되는 PID이득에 전압변환상수를 곱하여 서보모터(11)를 제어하는 속도명령을 출력한다. D/A변환부(60)는 마이크로컴퓨터(100)의 속도연산부(50)로부터 인가되는 디지탈형태의 속도명령을 아날로구형태로 변환시킨다. 서보모터구동부(70)는 D/A변환부(60)로부터 인가되는 아날로그속도전압에 응답하여 서보모터(11)의 속도를 조절하므로서 위치제어를 하게 된다. 서보모터(11)는 서보모터구동부(70)로부터 인가되는 아날로그 속도전압에 응답하여 대상물을 원하는 속도로 지정된 위치에 이송하게 된다. 타코제너레이터(12)는 서보모터(11)에 직결되어 있어서 서보모터(11)의 회전속도에 비례하는 전압을 서보모터구동부(70)로 공급하여 서보모터(11)의 동작을 안정시킨다. 한편, 엔코더(13)는 서보모터(11)의 회전수에 응답하여 현재 위치를 검출한다. 카운터(14)는 엔코더(13)로부터 인가되는 위치정보에 따른 위치데이타 X(K)를 마이크로컴퓨터(100)내의 위치에러연산기(41)로 궤환 입력시킨다.
제3도는 제1도 장치에서 마이크로컴퓨터(100)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 먼저, 마이크로프로세서(10)는 현재 샘플링횟수 "K"가 가속샘플링횟수 "na"보다 작거나 같은지(Kna)를 비교하여 현재 서보모터(11)가 가속구간(ta)인지를 판단한다(제310단계). 판단결과 가속구간이며 저장부(30)의 제1메모리(31)에 저장되어 있는 가속위치테이블로부터 샘플링횟수 "K"에 해당하는 위치데이타 Ta(K)를 목표위치 G(K)로 독출한다(제320단계). 반대로 가속구간이 아니면 현재 샘플링횟수 "K"가 등속샘플링횟수 "nc"와 가속샘플링횟수 "na"와의 합보다 작거나 같은지(naKna＋nc)를 비교하여 현재 서보모터(11)가 등속구간(tc)인지를 판단한다(제330단계). 판단결과 등속구간이면 등속위치연산부(20)로부터 현재 샘플링횟수에 해당하는 위치데이타를 계산하여 목표위치로 설정한다(제340단계). 반대로 등속구간이 아니면 현재 샘플링횟수 "K"가 등속샘플링횟수 "nc"와 가속샘플링횟수 "na"와의 합보다 큰지(K＞na＋nc)를 비교하여 현재 서보모터(11)가 감속구간(td)인지를 판단한다(제350단계). 판단결과 감속구간이면 저장부(30)의 제2메모리(35)에 저장되어 있는 감속위치테이블로부터 현재 샘플링횟수 "K"에 해당하는 위치데이타 T4(K)를 목표위치 G(K)로 독출한다(제360단계). 반대로 감속 구간이 아니면 동작을 종료한다. 목표위치 G(K)가 산출되면 위치에러연산기(41)는 현재 샘플링횟수 "K"에 해당하는 현재 서보모터(11)의 위치를 카운터(14)로부터 읽어들인 후(제370단계). 목표위치 G(K)로부터 현재위치 X(K)를 감산하여 위치에러량 E(K)을 구한다(제380단계). 그런 다음 이득산출기(45)에서는 위치에러량 E(K)을 설정한 함수식 f(E(K))에 적용하여 PID이득 GPID을 산출하고(제390단계), PID이득 GPID에 전압변환상수 Cv를 곱하여 서보모터(11)를 제어하기 위한 속도명령 V(K)을 구하여 출력한다(제400단계). 그런 다음 샘플링횟수 "K"를 1증가시킨 후(제410단계), 인터럽트발생전의 주동작으로 복귀한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 서보모터의 정밀위치제어방법 및 그 장치에 관한 것으로, 서보모터제어에 있어 대부분의 시간을 차지하는 등속운동시에는 속도변화가 거의 없으므로 5~6msec 정도의 저속 샘플링시간으로 제어하여 마이크로프로세서가 서보모터제어 이외의 다른 일을 수행할 수 있도록 하므로써 마이크로프로세서의 이용효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 정밀제어가 필요한 가감속시에는 목표위치가 저장되어 있는 테이블을 이용하므로써 샘플링시간을 짧게 하여 정밀위치제어가 가능하도록 한 효과를 갖는다.

Claims (7)

  1. 임의의 타이밍에 주변회로로부터 인터럽트신호가 가해지면 서보모터의 위치를 제어하는 장치에 있어서, 인터럽트신호가 인가되면 현 샘플링횟수를 사전 설정된 서보모터의 속도구간별 샘플링횟수와 비교하여 현 서보모터의 속도구간을 판단하고, 그에 따른 제어신호를 발생함과 동시에 샘플링횟수를 증가시키는 마이크로프로세서; 상기 마이크로프로세서로부터 인가되는 변수데이타에 의해 현 샘플링횟수에 해당하는 목표위치를 계산하는 등속위치연산부; 서보모터가속구간동안의 샘플링횟수에 대응하는 목표위치들로 이루어진 테이블을 구비하며 상기 마이크로프로세서로부터 인가되는 제어신호에 응답하여 해당 목표위치를 독출하는 제1메모리; 서브모터감속구간동안의 샘플링횟수에 해당하는 목표위치들로 이루어진 테이블을 구비하며 상기 마이크로프로세서로부터 인가되는 제어신호에 응답하여 해당 목표위치를 독출하는 제2메모리; 구해진 목표위치와 소정의 궤환입력되는 서보모터의 현재위치를 인가받아 위치에러량을 구하고, 그에 비례하는 이득을 산출하는 PID 연산부; 상기 PID연산부로부터 인가되는 이득값에 응답하여 서보모터를 제어하기 위한 속도명령을 출력하는 속도연산부; 및 서보모터의 회전속도에 상응하여 구해진 위치정보를 위치데이타로 변환하여 상기 PID연산부로 인가하는 카운터를 포함하는 서보모터의 정밀위치제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 PID연산부는 구해진 목표위치에서 카운터로부터 인가되는 서보모터의 현재위치를 감산하여 위치에러량을 구하는 위치에러연사기; 및 상기 위체에러연산기로부터 인가되는 위치에러량에 응답하는 이득값을 산출하는 이득산출기로 이루어진 것을 특징으로 하는 서보모터의 정밀위치제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 속도연산부로부터 출력되는 속도명령을 아날로그속도전압으로 변환시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 서보머터의 정밀위치제어장치.
  4. 일정시간단위로 인터럽트신호가 발생하며, 서보모터의 속도변화상태에 따라 서보모터의 위치를 제어하기 위한 방법에 있어서, 인터럽트신호가 발생하면 현 샘플링횟수를 사전 설정된 서보모터의 속도구간별 샘플링횟수가 비교하여 현 서보모터의 속도구간을 판단하는 단계; 상기 서보모터가 가속구간으로 판단되는 경우 서보모터가속구간동안의 샘플링횟수에 대응하는 목표위치들로 이루어진 저장테이블로부터 해당 샘플링횟수에 대한 목표위치를 산출하는 단계; 상기 서보모터가 등속구간으로 판단되는 경우 현 샘플링횟수에 해당하는 위치데이타를 계산하여 목표위치로 산출하는 단계; 상기 서보모터가 감속구간으로 판단되는 경우 서보모터감속구간동안의 샘플링횟수에 대응하는 목표위치들로 이루어진 저장테이블로부터 해당 샘플링횟수에 대한 목표위치를 산출하는 단계; 상기 서보모터의 회전속도에 상응하는 위치정보를 현재 위치데이타로 변환시키는 단계; 상기 산출된 목표위치로부터 현재위치를 감산하여 위치에러량을 계산하는 단계; 상기 위치에러량에 비례하여 서보모터를 제어하기 위한 속도명령을 출력하는 단계; 및 현 샘플링횟수를 "1"씩 증가시키는 단계를 포함하는 서보모터의 정밀위치제어방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 서보모터의 가속 및 감속구간동안에는 샘플링시간을 빠르게 하는 것을 특징으로 하는 서보모터의 정밀위치제어방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 서보모터의 등속구간동안에는 저속의 샘플링시간을 갖는 것을 특징으로 하는 서보모터의 정밀위치제어방법.
  7. 제4항에 있어서, 상기 서보모터의 등속구간동안에 목표위치는 다음의 식에 의해서 연산하는 것을 특징으로 하는 서보모터의 정밀위치제어방법.
    G(K)=(V/2)ta＋V〔(K-na)ΔT〕
    =(a/2)ta2＋V〔(K-na)ΔT〕
    여기서, V는 이송속도이고, ta는 가속구간이며 K는 현 샘플링횟수를 나타낸다. 또한, na는 가속샘플링횟수이고, ΔT(=ΔTc)는 등속구간에서의 샘플링시간간격이며, a는 가속도를 나타낸다.
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KR100866213B1 (ko) * 2007-02-09 2008-10-30 삼성전자주식회사 비례-적분-미분 제어 장치 및 방법

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