WO2024048818A1 - 서보 시스템의 자동 공진 억제 장치 및 방법 - Google Patents

서보 시스템의 자동 공진 억제 장치 및 방법 Download PDF

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WO2024048818A1 PCT/KR2022/013136 KR2022013136W WO2024048818A1 WO 2024048818 A1 WO2024048818 A1 WO 2024048818A1 KR 2022013136 W KR2022013136 W KR 2022013136W WO 2024048818 A1 WO2024048818 A1 WO 2024048818A1
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resonance
frequency
amplitude
current command
servo system
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French (fr)
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조동일
김영석
오태호
이상훈
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RS AUTOMATION CO Ltd
SNU R&DB Foundation
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RS AUTOMATION CO Ltd
Seoul National University R&DB Foundation
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/50—Reduction of harmonics

Definitions

  • the present invention relates to a method of automatically suppressing resonance in a servo system using an amplitude estimator and a frequency estimator. More specifically, the present invention relates to a method of automatically detecting resonance occurring in a servo system and suppressing the resonance using a frequency estimator using the output of the amplitude estimator. It's about suppression technology.
  • a method of applying a notch filter to the output current command is widely used as a method to suppress the resonance phenomenon of the servo system.
  • a notch filter is a filter that outputs a signal by removing components of a specific frequency band from an input signal. Using a notch filter, the resonance phenomenon of a servo system can be suppressed by removing the frequency component that causes resonance from the current command.
  • a conventional servo system includes a control unit and a load unit.
  • the control unit includes a servo controller, a filter unit, and a current controller.
  • the load part includes a motor, load, and encoder.
  • the load may be a plant.
  • the servo controller generates a current command (control input) to control the motor of the load unit.
  • the control input of the servo controller goes through a filter unit, and the filter unit includes filters such as a low-pass filter for noise removal and a notch filter for removing signals in a specific frequency band.
  • the current controller provides a driving current corresponding to the control input passing through the filter unit to the motor.
  • the encoder measures the state of the driven load and provides feedback information to the controller as feedback.
  • the servo controller refers to the received feedback when controlling the motor later.
  • the feedback information may be generated based on angular displacement, but is not limited to this and may be information generated based on the angular position and/or angular velocity of the control object. Since the specific configuration and operation method of the current controller, motor, and encoder are widely known in the art, their description is omitted here.
  • the frequency characteristics of the system In order to suppress the resonance, the frequency characteristics of the system must be known. For this purpose, a method of applying a sinusoidal signal to the system and obtaining the frequency characteristics of the system through frequency analysis of input and output has been widely used in the past. However, since the frequency characteristics are difficult to obtain in real time, there is a problem in that it is difficult to apply the resonance suppression method in real time.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 of prior art documents a method of suppressing resonance in a servo system using an adaptive notch filter and a fixed notch filter.
  • the method detects the resonance component of the system in real time, estimates the resonance frequency using a frequency estimator, and then sets the estimated frequency as the notch frequency of the adaptive notch filter to determine the resonance frequency of the system that can change depending on driving conditions. This is a way to deal with it in real time.
  • the method determines whether resonance is suppressed when the adaptive notch filter is applied, and when resonance is suppressed by applying the adaptive notch filter, sets the notch frequency of the adaptive notch filter to the notch frequency of the fixed notch filter, and sets the notch frequency of the adaptive notch filter to the notch frequency of the fixed notch filter. Fix it. Additionally, when a plurality of fixed notch filters are required, the sizes of resonances can be compared and the fixed notch filter for suppressing small resonances can be replaced with a fixed notch filter for suppressing large resonances. The method provides great convenience to users by suppressing resonance in real time without obtaining the frequency characteristics of the plant.
  • the conventional frequency estimator has the characteristic that the estimation speed is proportional to the difference between the estimated frequency, which is the output value of the frequency estimator, and the frequency of the input signal, and the size (amplitude) of the input signal (Non-patent Document 1 of the prior art document) .
  • the frequency estimator is designed so that the speed of estimating the frequency does not vary significantly depending on the frequency band of the input signal, and is applied to the resonance suppression method of the servo system using the adaptive notch filter and the fixed notch filter to reduce the resonance of the industrial servo system. It has been widely used in frequency estimation (applied to RS Automation Co., Ltd.'s D8 series and CSD7 series).
  • the frequency estimator has the disadvantage that the frequency estimation speed varies depending on the size of the input signal. Therefore, when the size of the input signal is small, the estimation speed is slow, so when a small resonance occurs in an actual servo system, there is a disadvantage in estimating the frequency of the resonance slowly.
  • Patent Document 1 KR 10-1757267 B1
  • Patent Document 2 KR 10-1708739 B1
  • Non-patent Document 1 W. Bru, T. Kim, S. Lee, and D. Cho, “Resonant frequency estimation for adaptive notch filters in industrial servo systems,” Mechatronics, vol.41, pp. 45-57, 2017.
  • the present invention was created to solve the above-mentioned problems.
  • the output of the amplitude estimator is utilized to the frequency estimator to relax the proportional relationship between the amplitude of the input signal and the estimated speed of the frequency estimator, thereby creating resonances of various amplitudes.
  • the goal is to provide a servo system resonance suppression device that can quickly estimate and respond to this.
  • Another object of the present invention is to provide a method of suppressing resonance of a servo system using the above device.
  • Another object of the present invention is to provide a computer program stored in a medium to execute the method for suppressing resonance of the servo system.
  • a resonance suppression device for a servo system includes an amplitude estimator that outputs an amplitude estimate value, which is an estimate of the amplitude of resonance generated from a current command received from a servo controller; And a frequency estimator that estimates the frequency of resonance generated from the current command in real time using the amplitude estimate value and outputs an estimated frequency; including, detecting and determining resonance of the servo system based on the current command and the estimated frequency. and a resonance suppressor that suppresses resonance.
  • the amplitude estimator uses at least one of the adaptive filter state of the frequency estimator, the estimated frequency of the previous sample, the current command, and statistics of the current command to generate resonance generated from the current command.
  • the amplitude of can be estimated.
  • the frequency estimator estimates the frequency of the current command, which is an input signal, using at least one of the current command, the amplitude estimate value, the adaptive filter state, and the estimated frequency of the previous sample. You can.
  • the frequency estimator may divide the small amount of change in the estimated frequency by the amplitude estimate value and integrate it to output the estimated frequency.
  • the frequency estimator divides the slight change in the estimated frequency by the threshold when the amplitude estimate value is below a certain threshold, and divides the slight change in the estimated frequency by the amplitude estimate when the amplitude estimate value exceeds the threshold. You can.
  • the resonance suppressor may further include at least one of a filter unit and a resonance detection and determination unit.
  • the filter unit further includes an adaptive notch filter that filters the current command using the estimated frequency as a notch frequency and a plurality of fixed notch filters, wherein the fixed notch filter suppresses resonance with an adaptive notch filter.
  • the parameters of the adaptive notch filter including the notch frequency, can be used as the filter parameters of the fixed notch filter and its value can be fixed.
  • the resonance detection and determination unit uses the current command to determine whether resonance of the servo system occurs, the size of resonance, and whether resonance is suppressed, whether to use an adaptive notch filter, and whether to use a fixed notch filter. Whether or not to switch parameters, if a plurality of fixed notch filters are in use and a new resonance occurs, it is possible to determine whether to replace the fixed notch filter by comparing the size of the newly generated resonance with the size of the resonance before applying each fixed notch filter.
  • a method of suppressing resonance in a servo system includes an amplitude estimation step of outputting an amplitude estimate value, which is an estimated value of the amplitude of resonance generated from a current command received from a servo controller; A frequency estimation step of estimating the frequency of resonance generated from the current command in real time using the amplitude estimate value and outputting the estimated frequency; and a resonance suppression step of detecting, determining, and suppressing resonance of the servo system based on the current command and the estimated frequency.
  • the amplitude estimation step determines the amplitude of the resonance generated from the current command using at least one of the adaptive filter state, the estimated frequency of the previous sample, the current command, and the statistics of the current command. It can be estimated.
  • the frequency estimation step estimates the frequency of the current command, which is an input signal, using at least one of the current command, the amplitude estimate value, the adaptive filter state, and the estimated frequency of the previous sample. can do.
  • the frequency estimation step may further include dividing a small amount of change in the estimated frequency by the amplitude estimate value and integrating the divided amount to output the estimated frequency.
  • the frequency estimation step divides the small change in the estimated frequency by the threshold when the amplitude estimate value is below a certain threshold, and divides the small change in the estimated frequency by the threshold value, and divides the small change in the estimated frequency into the amplitude estimate value. It can be shared.
  • the resonance suppression step includes: a filtering step; and a resonance detection and determination step. It may include at least one more.
  • the filtering step filters the current command using the estimated frequency as a notch frequency using an adaptive notch filter and a plurality of fixed notch filters, and the fixed notch filter suppresses resonance with an adaptive notch filter.
  • the parameters of the adaptive notch filter including the notch frequency, can be used as the filter parameters of the fixed notch filter and its value can be fixed.
  • the resonance detection and determination step uses the current command to determine whether resonance of the servo system occurs, the magnitude of resonance, and whether resonance is suppressed, whether to use an adaptive notch filter, and a fixed notch filter. If a plurality of fixed notch filters are in use and a new resonance occurs, it is possible to determine whether to replace the fixed notch filter by comparing the size of the newly generated resonance with the size of the resonance before applying each fixed notch filter.
  • a computer program according to an embodiment for realizing another object of the present invention described above is combined with hardware and stored in a medium to execute a method of suppressing resonance of a servo system.
  • the amplitude estimator and frequency estimator can be used to quickly estimate and respond to resonances of various amplitudes.
  • FIG. 1 is a block diagram of a servo system according to the prior art.
  • Figure 2 is a block diagram of a servo system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the filter unit of FIG. 2.
  • Figure 4 is a flowchart of a method for automatically suppressing resonance of a servo system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of steps for estimating the frequency of FIG. 4 in real time.
  • Figure 2 is a block diagram of a servo system according to an embodiment of the present invention.
  • the servo system 1 automatically detects resonance occurring in the servo system 1 based on the frequency estimator 110 using the output of the amplitude estimator 130 and includes a resonance suppressor that suppresses the resonance. 10) Includes.
  • the servo system 1 may include a control unit 30, a resonance suppression unit 10, and a load unit 50.
  • the control unit 30 may include a servo controller 310 and a current controller 330.
  • the servo controller 310 and current controller 330 may perform the same functions as the servo controller and current controller described in FIG. 1. That is, the servo controller 310 can generate a current command, and the current controller 330 can generate a driving current according to the current command.
  • the load unit 50 may include a motor 510, a load 530, and an encoder 550.
  • the function of each component may be the same as the motor, load, and encoder described in FIG. 1.
  • the resonance suppressor 10 includes a frequency estimator 110 and an amplitude estimator 130, detects and determines resonance of the servo system 1, and suppresses resonance.
  • the amplitude estimator 130 outputs an amplitude estimate value, which is a value that estimates the amplitude of resonance generated from the current command generated from the servo controller 310, and the frequency estimator 110 uses the amplitude estimate value to calculate the amplitude from the current command.
  • the frequency of the generated resonance is estimated in real time and the estimated frequency is output.
  • the resonance suppressor 10 may further include at least one of a filter unit 170 and a resonance detection and determination unit 150.
  • the frequency estimator 110 receives the current command as input and estimates the frequency of the current command in real time.
  • the frequency estimator 110 can continuously estimate the frequency of the current command using the amount of change in the estimated frequency with respect to the frequency of the current command in each operation cycle so that the output estimated frequency is the resonance frequency shown in the current command. there is.
  • the frequency estimator 110 may estimate the frequency of the current command by integrating a small amount of change in the estimated frequency calculated for each operation cycle.
  • the output of the frequency estimator 110 in a steady-state becomes an estimated frequency for the resonant frequency of the current command.
  • a conventional frequency estimator may be designed as an adaptive filter-based frequency estimator expressed by Equation 1 below.
  • the state of the adaptive filter is the attenuation ratio of the adaptive filter, is the estimated frequency, is the frequency estimation gain, is an input signal and represents a current command in the present invention.
  • the conventional frequency estimator is a small change in the estimated frequency every unit time. Calculate and integrate to estimate the frequency of the input signal.
  • the size (amplitude) of the input signal is And the frequency is In case of a sinusoidal signal , the steady-state of the adaptive filter can be expressed as Equation 2 below.
  • Equation 2 By substituting Equation 2 into the equation for calculating the slight change in estimated frequency in Equation 1, it can be calculated as in Equation 3 below.
  • the estimation speed of the conventional frequency estimator expressed in Equation 1 has characteristics that are proportional to the difference between the estimated frequency and the frequency of the input signal and the size of the input signal.
  • Conventional frequency estimators are designed so that the speed of estimating the frequency does not vary significantly depending on the frequency band of the input signal, and have been widely used to estimate the resonance frequency of industrial servo systems.
  • the frequency estimator has the disadvantage that the frequency estimation speed varies depending on the size of the input signal. Therefore, when the size of the input signal is small, the estimation speed is slow, so when a small resonance occurs, there is a disadvantage in estimating the frequency of the resonance slowly.
  • the frequency estimator 110 determines the proportional relationship between the amplitude of the input signal and the estimated speed using the amplitude estimate value, which is the output value of the amplitude estimator 130, which estimates the amplitude of the resonance generated from the current command. It can be alleviated.
  • the size (amplitude) of the input signal is And the frequency is In case of a sinusoidal signal , the amplitude estimator 130 may be designed using Equation 4 or Equation 5 below.
  • the method of estimating the amplitude of the input signal is not limited to Equation 4 and Equation 5 below, and the input signal, statistical value of the input signal, state of the adaptive filter, etc. in the servo system 1 It can be calculated using obtainable values.
  • Equation 4 is a method of calculating the amplitude of the input signal using the input signal and its statistical values.
  • time delay inevitably occurs because the variance from before a specific unit of time to the present must be calculated, and the expected value of the sinusoidal input signal may not be 0 depending on the sampling time.
  • Equation 5 is a method of estimating the amplitude of the input signal using the state of the frequency estimator adaptive filter of Equation 1 and the estimated frequency of the previous sample.
  • the estimated amplitude value in the steady state can be calculated, and the estimated amplitude value is calculated according to the frequency of the input signal and the estimated frequency. Accuracy may vary.
  • the frequency estimator 110 When calculating a small change in the estimated frequency, the frequency estimator 110 according to an embodiment of the present invention divides the small change in the estimated frequency by the estimated amplitude value, so that the estimated speed of the conventional frequency estimator depends on the amplitude of the input signal. Proportionality can be relaxed.
  • the frequency estimator 110 can be designed as an adaptive filter and amplitude estimate-based frequency estimator expressed as Equation 6 below using the conventional frequency estimator expressed as Equation 1 above. there is.
  • Equation 7 The size (amplitude) of the input signal is And the frequency is In case of a sinusoidal signal , Substituting Equation 2 and Equation 5 into the equation for calculating the slight change in estimated frequency in Equation 6, it is calculated as in Equation 7 below.
  • Equation 6 When designing a frequency estimator as in Equation 6, the influence of the size of the input signal is divided in Equation 3, so that the estimated speed of the frequency estimator of the conventional frequency estimator expressed in Equation 1 is the input signal The characteristics proportional to the size of can be relaxed.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the filter unit of FIG. 2.
  • the filter unit 170 may include an adaptive notch filter 171 and a plurality of fixed notch filters 174 and 176 connected in series.
  • an adaptive notch filter 171 and a plurality of fixed notch filters 174 and 176 connected in series.
  • one adaptive notch filter and two fixed notch filters are shown, but the order and number are merely exemplary, and various filters such as a low-pass filter for noise reduction may be further included.
  • the adaptive notch filter 171 may filter the current command using the estimated frequency estimated by the frequency estimator 110 as the notch frequency and provide the filtered current command to the current controller 330.
  • the adaptive notch filter 171 may be designed as a second-order notch filter expressed by Equation 8 below, but the present invention is not limited thereto.
  • the notch frequency of the adaptive notch filter 171 is the estimated frequency of the frequency estimator 110 and may change with time.
  • the adaptive notch filter including the notch frequency ( It is characterized by using the parameters of 171) as parameters of the fixed notch filters 174 and 176 and fixing the values.
  • the fixed notch filters 174 and 176 may be designed as secondary notch filters expressed by Equation 9 below, similar to Equation 8, but the present invention is not limited thereto.
  • the notch frequency of the fixed notch filters 174 and 176 represents the damping factor of the fixed notch filter.
  • the notch frequency and attenuation ratio of the fixed notch filters 174 and 176 are values received from the adaptive notch filter when the resonance detection and determination unit 150 determines that resonance is suppressed, and do not change with time.
  • the resonance detection and determination unit 150 receives a current command generated from the servo controller 310 as an input signal, and determines whether resonance occurs and resonance is suppressed in the servo system from the current command, and whether resonance occurs. The size of can be sensed. That is, the resonance detection and determination unit 150 can determine whether resonance of the load unit 50 occurs or is suppressed from the current command generated according to the signal fed back from the encoder.
  • the resonance detection and determination unit 150 uses values that can determine the occurrence of resonance, such as the current command that can be obtained from the servo system 1 and statistical values using the same, and makes the estimate when the value exceeds a certain threshold. It may be designed to determine whether or not to apply a frequency to the adaptive notch filter 171.
  • the parameters of the adaptive notch filter 171 are set to the parameters of the fixed notch filters 174 and 176, and the values are set. It can be designed to fix.
  • the resonance detection and determination unit 150 determines whether a new resonance occurs, sets the notch frequency of the adaptive notch filter to the estimated frequency of the new resonance, and suppresses the new resonance. It may be designed to operate by repeating the process of determining and setting parameters of a fixed notch filter other than the fixed notch filter set before occurrence of a new resonance.
  • the resonance detection and determination unit 150 stores the size of the resonance using a value that can determine the occurrence of the resonance, and when all of the plurality of fixed notch filters 174 and 176 are in use and a new resonance occurs, a new resonance is generated. It can be designed to determine whether to replace the fixed notch filter by comparing the size of the generated resonance with the size of the resonance before setting the parameters of each fixed notch filter.
  • the resonance detection and determination unit 150 does not perform a separate operation when all of the plurality of fixed notch filters 174 and 176 are in use and the size of the newly generated resonance is smaller than the resonance before the parameter setting of each fixed notch filter. can be designed.
  • the adaptive notch filter 171 is operated to determine whether or not the resonance is suppressed. If it is determined that the resonance is suppressed, the size of the resonance is small. It may be designed to replace and fix the parameters of the fixed notch filter with the parameters of the adaptive notch filter 171.
  • the existing fixed notch filter may be designed to continue to be used.
  • the resonance detection and determination unit 150 may be designed to replace and maintain the fixed notch filters 174 and 176 by repeating the above process when all of the plurality of fixed notch filters 174 and 176 are in use.
  • FIG. 4 is a flowchart of a method for suppressing resonance of a servo system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a flowchart of steps for estimating the frequency of FIG. 4 in real time.
  • the method of suppressing resonance of a servo system may be carried out in substantially the same configuration as the resonance suppressing unit 10 of the servo system 1 of FIG. 2. Accordingly, the same components as those of the resonance suppressor 10 of FIG. 2 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted.
  • the method for suppressing resonance of a servo system can be executed by software (application) for suppressing resonance of a servo system.
  • the method of suppressing resonance in a servo system includes calculating an estimated amplitude of resonance generated from a current command generated from a servo controller (step S10), and determining the frequency of resonance generated from the current command based on the estimated amplitude value. It may include estimating in real time (step S30), detecting and determining resonance of the servo system using the current command and the estimated frequency, and suppressing it (step S50).
  • the amplitude estimation step may estimate the amplitude of the resonance generated from the current command using the adaptive filter state, the estimated frequency of the previous sample, the current command, and the statistics of the current command. there is.
  • the frequency estimation step may estimate the frequency of the input signal using the current command, the amplitude estimate value, the adaptive filter state, and the estimated frequency of the previous sample.
  • the slight change in the estimated frequency can be divided by the amplitude estimate value and integrated to output the estimated frequency.
  • step S31 in order to prevent division by 0 when dividing by the amplitude estimate value, it is first determined whether the amplitude estimate value is below a specific preset threshold value (step S31).
  • the estimated amplitude value is below a certain threshold, it can be calculated by dividing the small change in the estimated frequency by the threshold (step S33), and if it exceeds the threshold, the small change in the estimated frequency can be divided by the estimated amplitude value (step S35). .
  • the step of detecting and determining resonance of the servo system and suppressing it may further include a filtering step and a resonance detection and determination step.
  • the filtering step further includes an adaptive notch filter and a plurality of fixed notch filters for filtering the current command using the estimated frequency as a notch frequency, wherein the fixed notch filter is an adaptive notch filter that notches when resonance suppression is confirmed. It is characterized by using parameters of the adaptive notch filter, including frequency, as filter parameters of the fixed notch filter and fixing their values.
  • the resonance detection and determination step uses the current command to determine whether resonance occurs in the servo system, the size of resonance, and whether resonance is suppressed, whether to use an adaptive notch filter, and whether to switch parameters to a fixed notch filter. , if a plurality of fixed notch filters are in use and a new resonance occurs, it can be determined whether to replace the fixed notch filter by comparing the size of the newly generated resonance with the size of the resonance before applying each fixed notch filter.
  • This method of suppressing resonance of a servo system may be implemented as an application or in the form of program instructions that can be executed through various computer components and recorded on a computer-readable recording medium.
  • the computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc., singly or in combination.
  • the program instructions recorded on the computer-readable recording medium may be those specifically designed and configured for the present invention, or may be known and usable by those skilled in the computer software field.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magneto-optical media such as floptical disks. media), and hardware devices specifically configured to store and perform program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, etc.
  • Examples of program instructions include not only machine language code such as that created by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform processing according to the invention and vice versa.

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Abstract

서보 시스템의 공진 억제 장치는, 서보 제어기로부터 수신한 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정한 값인 진폭 추정값을 출력하는 진폭 추정기; 및 상기 진폭 추정값을 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 주파수를 실시간으로 추정하여 추정 주파수를 출력하는 주파수 추정기;를 포함하여, 상기 전류 명령 및 상기 추정 주파수를 기초로 서보 시스템의 공진을 감지 및 판단하고 공진을 억제하는 공진 억제부;를 포함한다. 이에 따라, 서보 시스템에서 다양한 진폭의 공진이 발생하는 상황에서 다양한 진폭의 공진을 빠르게 추정하고 이에 대응할 수 있다.

Description

서보 시스템의 자동 공진 억제 장치 및 방법
본 발명은 진폭 추정기 및 주파수 추정기를 이용한 서보 시스템의 자동 공진 억제 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진폭 추정기의 출력을 이용하는 주파수 추정기를 이용하여 서보 시스템에서 발생하는 공진을 자동으로 감지하고 그 공진을 억제하는 기술에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 출원은 중소벤처기업부 월드클래스300(WC300) 사업(스마트머신/협업로봇 유연 대응을 위한 로봇모션 제어 솔루션, 과제 고유번호: 1425139888, 세부과제번호: S2563339)의 지원에 의하여 이뤄진 것이다.
서보 시스템의 공진 현상을 억제하기 위한 방법으로 출력 전류 명령에 노치 필터를 적용하는 방법이 널리 사용되고 있다. 노치 필터란 입력 신호에서 특정 주파수 대역의 성분을 제거한 신호를 출력시키는 필터로서, 노치 필터를 사용하여 전류 명령에서 공진을 유발하는 주파수 성분을 제거하여 서보 시스템의 공진 현상을 억제할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 서보 시스템의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 종래 서보 시스템은 제어부 및 부하부를 포함한다. 제어부는 서보 제어기, 필터부 및 전류 제어기를 포함한다. 부하부는 모터, 부하 및 엔코더를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 부하부는 플랜트일 수 있다. 서보 제어기는 부하부의 모터를 제어하기 위한 전류 명령(제어 입력)을 생성한다. 서보 제어기의 제어 입력은 필터부를 거치는데, 필터부는 노이즈 제거를 위한 저역 통과 필터, 특정 주파수 대역의 신호를 제거하는 노치 필터 등의 필터를 포함한다. 전류 제어기는 필터부를 통과한 제어 입력에 상응하는 구동 전류를 모터에 제공한다. 엔코더는 구동된 부하의 상태를 측정하여 피드백 정보를 제어기에 피드백으로서 제공한다.
서보 제어기는 이후의 모터 제어시 수신된 피드백을 참조한다. 여기에서, 피드백 정보는 각변위를 기초로 생성될 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니며 제어 대항의 각변위(angular position) 및/또는 각속도(angular velocity)를 기초로 생성된 정보일 수 있다. 전류 제어기, 모터 및 엔코더의 구체적인 구성 및 동작 방법은 당해 기술 분야에 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그에 대한 설명은 생략한다.
상기 공진 억제 방법을 위해서는 시스템의 주파수 특성을 알아야 하며, 이를 위해 시스템에 정현파 신호를 인가하고 입력과 출력의 주파수 분석을 통해 시스템의 주파수 특성을 획득하는 방법이 종래에 많이 사용되고 있다. 하지만, 상기 주파수 특성은 실시간으로 획득하기 어렵기 때문에 상기 공진 억제 방법을 실시간으로 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해 적응 노치 필터 및 고정 노치 필터를 사용하는 서보 시스템의 공진 억제 방법이 제안된 바 있다(선행기술문헌의 특허문헌 1 및 특허문헌 2). 상기 방법은 실시간으로 시스템의 공진 성분을 감지하고 주파수 추정기를 이용하여 공진 주파수를 추정한 후, 추정한 주파수를 적응 노치 필터의 노치 주파수로 설정하여 구동 조건에 따라 변화할 수 있는 시스템의 공진 주파수를 실시간으로 대처하는 방법이다.
상기 방법은 적응 노치 필터가 적용되었을 때의 공진 억제 판단 유무를 판단하고, 상기 적응 노치 필터가 적용되어 공진이 억제되었을 경우 상기 적응 노치 필터의 노치 주파수를 상기 고정 노치 필터의 노치 주파수로 설정하고 이를 고정한다. 또한, 복수개의 고정 노치 필터가 필요한 경우 공진의 크기를 비교하여 크기가 작은 공진을 억제하기 위한 고정 노치 필터를 크기가 큰 공진을 억제하기 위한 고정 노치 필터로 대체할 수 있다. 상기 방법은 플랜트의 주파수 특성을 획득하지 않고도 실시간으로 공진을 억제할 수 있어 사용자에게 큰 편리함을 제공한다.
한편, 종래의 주파수 추정기는 추정 속도가 주파수 추정기의 출력값인 추정 주파수와 입력 신호의 주파수와의 차이 및 입력 신호의 크기(진폭)에 비례하는 특성을 지니고 있다(선행기술문헌의 비특허문헌 1). 상기 주파수 추정기는 입력 신호의 주파수 대역에 따라 그 주파수를 추정하는 속도가 크게 변동되지 않게 고안되었으며, 상기 적응 노치 필터 및 고정 노치 필터를 사용하는 서보 시스템의 공진 억제 방법에 적용되어 산업용 서보 시스템의 공진 주파수 추정에 널리 사용된 바 있다(알에스오토메이션주식회사의 D8 시리즈, CSD7 시리즈에 적용).
그러나, 상기 주파수 추정기는 입력 신호의 크기에 따라 주파수 추정 속도가 변하는 단점이 있다. 따라서 입력 신호의 크기가 작을 경우 추정 속도가 느려지기 때문에, 실제 서보 시스템에서 크기가 작은 공진이 발생할 경우 해당 공진의 주파수를 느리게 추정하는 단점이 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) KR 10-1757267 B1
(특허문헌 2) KR 10-1708739 B1
(비특허문헌 1) W. Bahn, T. Kim, S. Lee, and D. Cho, "Resonant frequency estimation for adaptive notch filters in industrial servo systems," Mechatronics, vol.41, pp. 45-57, 2017.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 서보 시스템에서 진폭 추정기의 출력을 주파수 추정기에 활용하여 입력 신호의 진폭과 주파수 추정기의 추정 속도 사이의 비례 관계를 완화하여, 다양한 진폭의 공진을 빠르게 추정하고 이를 대응할 수 있는 서보 시스템의 공진 억제 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 장치를 이용하여 서보 시스템의 공진 억제 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 서보 시스템의 공진 억제 방법을 실행하도록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 서보 시스템의 공진 억제 장치는, 서보 제어기로부터 수신한 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정한 값인 진폭 추정값을 출력하는 진폭 추정기; 및 상기 진폭 추정값을 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 주파수를 실시간으로 추정하여 추정 주파수를 출력하는 주파수 추정기;를 포함하여, 상기 전류 명령 및 상기 추정 주파수를 기초로 서보 시스템의 공진을 감지 및 판단하고 공진을 억제하는 공진 억제부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 진폭 추정기는, 상기 주파수 추정기의 적응형 필터 상태(state), 이전 샘플의 추정 주파수, 상기 전류 명령 및 전류 명령의 통계치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 주파수 추정기는, 상기 전류 명령, 상기 진폭 추정값, 적응형 필터 상태(state) 및 이전 샘플의 추정 주파수 중 적어도 하나를 이용하여 입력 신호인 상기 전류 명령의 주파수를 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 주파수 추정기는, 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 상기 진폭 추정값으로 나누고 이를 적분하여 추정 주파수를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 주파수 추정기는, 상기 진폭 추정값이 특정 문턱값 이하일 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 문턱값으로 나누고, 상기 문턱값을 넘을 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 진폭 추정값으로 나눌 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진 억제부는, 필터부와 공진 감지 및 판단부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 필터부는, 상기 추정 주파수를 노치 주파수로 하여 상기 전류 명령을 필터링하는 적응 노치 필터 및 복수개의 고정 노치 필터를 더 포함하되, 상기 고정 노치 필터는 적응 노치 필터로 공진 억제가 확인되면 노치 주파수를 포함한 적응 노치 필터의 파라미터를 고정 노치 필터의 필터 파라미터로 사용하고 그 값을 고정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진 감지 및 판단부는, 상기 전류 명령을 이용하여 상기 서보 시스템의 공진 발생 여부, 공진의 크기 및 공진 억제 여부를 판단하여, 적응 노치 필터의 사용 여부, 고정 노치 필터로의 파라미터 전환 여부, 복수개의 고정 노치 필터가 모두 사용 중이고 새로운 공진이 발생할 경우 새로 발생한 공진의 크기와 각 고정 노치 필터 적용 이전의 공진 크기를 비교하여 고정 노치 필터 대체 여부를 결정할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 서보 시스템의 공진 억제 방법은, 서보 제어기로부터 수신한 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정한 값인 진폭 추정값을 출력하는 진폭 추정 단계; 상기 진폭 추정값을 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 주파수를 실시간으로 추정하여 추정 주파수를 출력하는 주파수 추정 단계; 및 상기 전류 명령 및 상기 추정 주파수를 기초로 서보 시스템의 공진을 감지 및 판단하여 억제하는 공진 억제 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 진폭 추정 단계는, 적응형 필터 상태(state), 이전 샘플의 추정 주파수, 상기 전류 명령, 전류 명령의 통계치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 주파수 추정 단계는, 상기 전류 명령, 상기 진폭 추정값, 적응형 필터 상태(state) 및 이전 샘플의 추정 주파수 중 적어도 하나를 이용하여 입력 신호인 상기 전류 명령의 주파수를 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 주파수 추정 단계는, 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 상기 진폭 추정값으로 나누고 이를 적분하여 추정 주파수를 출력하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 주파수 추정 단계는, 상기 진폭 추정값이 특정 문턱값 이하일 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 문턱값으로 나누고, 상기 문턱값을 넘을 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 진폭 추정값으로 나눌 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진 억제 단계는, 필터링 단계;와 공진 감지 및 판단 단계; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 필터링 단계는, 적응 노치 필터 및 복수개의 고정 노치 필터를 이용하여 상기 추정 주파수를 노치 주파수로 하여 상기 전류 명령을 필터링하되, 상기 고정 노치 필터는 적응 노치 필터로 공진 억제가 확인되면 노치 주파수를 포함한 적응 노치 필터의 파라미터를 고정 노치 필터의 필터 파라미터로 사용하고 그 값을 고정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 공진 감지 및 판단 단계는, 상기 전류 명령을 이용하여 상기 서보 시스템의 공진 발생 여부, 공진의 크기 및 공진 억제 여부를 판단하여, 적응 노치 필터의 사용 여부, 고정 노치 필터로의 파라미터 전환 여부, 복수개의 고정 노치 필터가 모두 사용 중이고 새로운 공진이 발생할 경우 새로 발생한 공진의 크기와 각 고정 노치 필터 적용 이전의 공진 크기를 비교하여 고정 노치 필터 대체 여부를 결정할 수 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터 프로그램은 하드웨어와 결합되어 서보 시스템의 공진 억제 방법을 실행하도록 매체에 저장된다.
본 발명의 실시 예들에 따르면. 서보 시스템에서 다양한 진폭의 공진이 발생하는 상황에서 진폭 추정기 및 주파수 추정기를 활용하여 다양한 진폭의 공진을 빠르게 추정하고 이에 대응할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 서보 시스템의 블록도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 서보 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 2의 필터부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서보 시스템의 자동 공진 억제 방법의 순서도이다.
도 5는 도 4의 주파수를 실시간으로 추정하는 단계의 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 서보 시스템의 블록도이다.
본 발명에 따른 서보 시스템(1)은 진폭 추정기(130)의 출력을 이용하는 주파수 추정기(110)를 기초로 서보 시스템(1)에서 발생하는 공진을 자동으로 감지하고 그 공진을 억제하는 공진 억제부(10)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 서보 시스템(1)은 제어부(30), 공진 억제부(10) 및 부하부(50)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(30)는 서보 제어기(310) 및 전류 제어기(330)를 포함할 수 있다. 상기 서보 제어기(310) 및 전류 제어기(330)는 도 1에서 설명한 서보 제어기 및 전류 제어기와 동일한 기능을 수행할 수 있다. 즉, 서보 제어기(310)는 전류 명령을 발생시키고, 전류 제어기(330)는 전류 명령에 따른 구동 전류를 발생시킬 수 있다.
상기 부하부(50)는 모터(510), 부하(530) 및 엔코더(550)를 포함할 수 있다. 각 구성 요소의 기능은 도 1에서 설명한 모터, 부하 및 엔코더와 동일할 수 있다.
상기 공진 억제부(10)는 주파수 추정기(110) 및 진폭 추정기(130)를 포함하여, 서보 시스템(1)의 공진을 감지 및 판단하고 공진을 억제한다.
상기 진폭 추정기(130)는 상기 서보 제어기(310)로부터 발생된 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정한 값인 진폭 추정값을 출력하고, 상기 주파수 추정기(110)는 상기 진폭 추정값을 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 주파수를 실시간으로 추정하여 추정 주파수를 출력한다.
다른 실시예에서, 상기 공진 억제부(10)는 필터부(170) 및 공진 감지 및 판단부(150) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 주파수 추정기(110)는 상기 전류 명령을 입력으로 받아 상기 전류 명령의 주파수를 실시간으로 추정한다. 출력되는 추정 주파수가 상기 전류 명령에 나타나는 공진 주파수가 되도록, 상기 주파수 추정기(110)는 매 연산 주기에서의 전류 명령의 주파수에 대한 추정 주파수의 변화량을 이용하여 연속적으로 전류 명령의 주파수를 추정할 수 있다. 예컨대, 상기 주파수 추정기(110)는 매 연산 주기마다 계산되는 추정 주파수의 미소 변화량을 적분하여 전류 명령의 주파수를 추정할 수 있다.
상기 추정 주파수는 전류 명령의 공진 주파수에 가까워질수록 상기 계산된 추정 주파수의 미소 변화량의 크기가 작아지고, 상기 추정 주파수가 입력된 전류 명령의 공진 주파수에 수렴될 수 있다. 따라서, 정상 상태(steady-state)에서의 상기 주파수 추정기(110)의 출력은 상기 전류 명령의 공진 주파수에 대한 추정 주파수가 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정기(110) 및 진폭 추정기(130)를 설명하기에 앞서, 종래의 주파수 추정기는 하기 수학식 1로 표현되는 적응형 필터 기반의 주파수 추정기로 설계될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000001
여기서,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000002
는 적응형 필터의 상태(state),
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000003
는 적응형 필터의 감쇄비,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000004
는 추정 주파수,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000005
는 주파수 추정 이득,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000006
는 입력 신호로 본 발명에서는 전류 명령을 나타낸다.
상기 종래의 주파수 추정기는 매 단위 시간마다 추정 주파수의 미소 변화량
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000007
을 계산하고 이를 적분하여 상기 입력 신호의 주파수를 추정한다. 상기 입력 신호의 크기(진폭)가
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000008
이고, 주파수가
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000009
인 정현파 신호일 경우
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000010
, 상기 적응형 필터의 정상 상태(steady-state)는 하기 수학식 2로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000011
상기 수학식 2를 상기 수학식 1 중 추정 주파수의 미소 변화량을 계산하는 식에 대입하면 하기 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 3]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000012
즉, 수학식 1로 표현되는 종래의 주파수 추정기의 추정 속도는 상기 추정 주파수와 상기 입력 신호의 주파수의 차이 및 상기 입력 신호의 크기에 비례하는 특성을 갖고 있다.
종래의 주파수 추정기는 입력 신호의 주파수 대역에 따라 그 주파수를 추정하는 속도가 크게 변동되지 않게 고안되었으며, 산업용 서보 시스템의 공진 주파수 추정에 널리 사용된 바 있다.
그러나, 상기 주파수 추정기는 입력 신호의 크기에 따라 주파수 추정 속도가 변하는 단점이 있다. 따라서, 입력 신호의 크기가 작을 경우 추정 속도가 느려지기 때문에, 크기가 작은 공진이 발생할 경우 해당 공진의 주파수를 느리게 추정하는 단점이 있다.
실제 서보 시스템에서는 다양한 크기의 공진이 발생할 수 있기 때문에, 입력 신호의 크기에 따라 추정 속도가 달라지지 않는 주파수 추정기의 개발이 필요하다.
본 발명에서의 일 실시예에 따른 주파수 추정기(110)는 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정하는 진폭 추정기(130)의 출력값인 진폭 추정값을 이용하여 입력 신호의 진폭과 추정 속도의 비례 관계를 완화할 수 있다.
상기 입력 신호의 크기(진폭)가
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000013
이고, 주파수가
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000014
인 정현파 신호일 경우
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000015
, 상기 진폭 추정기(130)는 하기 수학식 4 또는 수학식 5로 설계될 수 있다.
그러나, 상기 입력 신호의 진폭 추정 방법은 하기 수학식 4 및 수학식 5에 제한된 것은 아니며, 상기 입력 신호, 상기 입력 신호의 통계치, 상기 적응형 필터의 상태(state) 등의 서보 시스템(1)에서 획득 가능한 수치를 이용하여 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000016
여기서,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000017
는 상기 입력 신호 의 기댓값,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000018
는 상기 입력 신호 의 분산,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000019
은 상기 입력 신호의 진폭 추정값을 나타낸다.
[수학식 5]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000020
상기 수학식 4는 상기 입력 신호 및 이의 통계치를 이용하여 상기 입력 신호의 진폭을 계산하는 방법이다. 실제 서보 시스템에 적용 시에는 특정 단위 시간 이전부터 현재까지의 분산을 계산해야 하기 때문에 필연적으로 시지연이 발생하고, 샘플링 시간에 따라 정현파 입력 신호의 기댓값이 0이 되지 않을 수 있다.
즉, 상기 시지연 및 상기 샘플링 시간에 따라 현재 시간의 진폭값을 정확하게 계산할 수 없기 때문에, 상기 수학식 4처럼 입력 신호의 분산을 이용하면 정확한 입력 신호의 진폭을 얻기 힘들다.
상기 수학식 5는 상기 수학식 1의 주파수 추정기 적응형 필터의 상태(state) 및 이전 샘플의 추정 주파수를 이용하여 상기 입력 신호의 진폭을 추정하는 방법이다. 상기 수학식 2로 표현되는 상기 주파수 추정기 적응형 필터의 정상 상태를 상기 수학식 5에 대입하면 정상 상태에서의 진폭 추정값을 계산할 수 있고, 상기 진폭 추정값은 상기 입력 신호의 주파수 및 상기 추정 주파수에 따라 정확도가 변할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정기(110)는 추정 주파수의 미소 변화량을 계산할 때, 추정 주파수의 미소 변화량을 상기 진폭 추정값으로 나누어 줌으로써, 종래 주파수 추정기의 추정 속도가 상기 입력 신호의 진폭에 따라 비례하는 것을 완화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 주파수 추정기(110)는 상기 수학식 1로 표현되는 종래의 주파수 추정기를 활용하여 아래 수학식 6으로 표현되는 적응형 필터 및 진폭 추정값 기반의 주파수 추정기로 설계될 수 있다.
[수학식 6]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000021
여기서,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000022
은 상기 수학식 6의 추정 주파수의 미소 변화량을 0으로 나누는 것을 방지하기 위해 설정된 문턱값이다. 상기 진폭 추정값
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000023
이
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000024
보다 작은 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000025
으로 나누고, 상기 진폭 추정값
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000026
이
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000027
보다 큰 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000028
으로 나누도록 설계될 수 있다.
상기 입력 신호의 크기(진폭)가
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000029
이고, 주파수가
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000030
인 정현파 신호일 경우
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000031
,상기 수학식 2 및 수학식 5를 상기 수학식 6 중 추정 주파수의 미소 변화량 계산식에 대입하면 하기 수학식 7과 같이 계산된다.
[수학식 7]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000032
상기 수학식 6과 같이 주파수 추정기를 설계할 경우, 상기 수학식 3에서 상기 입력 신호의 크기에 대한 영향을 나누어주어, 상기 수학식 1로 표현되는 종래의 주파수 추정기의 주파수 추정기의 추정 속도가 입력 신호의 크기에 비례하는 특성을 완화할 수 있다.
도 3은 도 2의 필터부의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 필터부(170)는 직렬로 연결된 적응 노치 필터(171) 및 복수개의 고정 노치 필터(174, 176)를 포함할 수 있다. 도 3에서는 한 개의 적응 노치 필터와 두 개의 고정 노치 필터가 도시되었으나 그 순서 및 개수는 예시적인 것에 불과하며, 노이즈 감소를 위한 저역 통과 필터 등 다양한 필터들을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 적응 노치 필터(171)는 상기 주파수 추정기(110)가 추정한 추정 주파수를 노치 주파수로 하여 상기 전류 명령을 필터링 하여 전류 제어기(330)에 필터링된 전류 명령을 제공할 수 있다.
상기 적응 노치 필터(171)는 하기 수학식 8로 표현되는 2차 노치 필터로 설계될 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
[수학식 8]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000033
여기서,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000034
는 라플라스 연산자(Laplace operator),
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000035
는 노치 주파수,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000036
는 필터의 감쇄비(damping factor)를 나타낸다.
상기 적응 노치 필터(171)의 노치 주파수는 상기 주파수 추정기(110)의 추정 주파수로서 시간에 따라 변화할 수 있다.
상기 필터부(170)의 고정 노치 필터(174, 176)는 상기 적응 노치 필터(171)를 이용하여 공진이 억제되었음을 공진 감지 및 판단부(150)로부터 판단되면, 노치 주파수를 포함한 적응 노치 필터(171)의 파라미터를 고정 노치 필터(174, 176)의 파라미터로 사용하고 그 값을 고정하는 고정하는 것을 특징으로 한다.
상기 고정 노치 필터(174, 176)는 상기 수학식 8과 유사하게 하기 수학식 9로 표현되는 2차 노치 필터로 설계될 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
[수학식 9]
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000037
여기서,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000038
는 고정 노치 필터(174, 176)의 노치 주파수,
Figure PCTKR2022013136-appb-img-000039
는 고정 노치 필터의 감쇄비(damping factor)를 나타낸다. 고정 노치 필터(174, 176)의 노치 주파수 및 감쇄비는 공진 감지 및 판단부(150)로부터 공진이 억제되었다고 판단되었을 때 적응 노치 필터로부터 전달받은 값이며, 시간에 따라 변화하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공진 감지 및 판단부(150)는 서보 제어기(310)에서 발생한 전류 명령을 입력 신호로 수신하여, 상기 전류 명령으로부터 상기 서보 시스템의 공진 발생과 공진 억제 여부, 그리고 공진의 크기를 감지할 수 있다. 즉, 상기 공진 감지 및 판단부(150)는 상기 엔코더로부터 피드백된 신호에 따라 발생된 상기 전류 명령으로부터 상기 부하부(50)의 공진 발생 및 억제 여부를 판단할 수 있다.
상기 공진 감지 및 판단부(150)는 서보 시스템(1)에서 획득 가능한 상기 전류 명령, 이를 활용한 통계치 등의 공진 발생을 판단할 수 있는 수치를 이용하여 그 수치가 특정 문턱값을 넘을 경우 상기 추정 주파수를 상기 적응 노치 필터(171)에 적용할지 여부에 대해 결정하도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 적응 노치 필터(171)를 이용하여 공진이 억제 되었음을 판단하고, 공진이 억제되었다고 판단되었을 때 적응 노치 필터(171)의 파라미터를 고정 노치 필터(174, 176)의 파라미터로 설정하고 그 값을 고정하도록 설계될 수 있다.
상기 고정 노치 필터(174, 176) 설정 후에 상기 공진 감지 및 판단부(150)는 새로운 공진이 발생하는지 판단, 상기 적응 노치 필터의 노치 주파수를 상기 새로운 공진의 추정 주파수로 설정, 상기 새로운 공진의 억제 판단, 및 새로운 공진 발생 이전에 설정된 고정 노치 필터 이외의 고정 노치 필터의 파라미터 설정의 과정을 반복하여 동작하도록 설계될 수 있다.
상기 공진 감지 및 판단부(150)는 상기 공진 발생을 판단할 수 있는 수치를 이용하여 공진의 크기를 저장하며, 상기 복수개의 고정 노치 필터(174, 176)가 모두 사용 중이고 새로운 공진이 발생할 경우 새로 발생한 공진의 크기와 각 고정 노치 필터의 파라미터 설정 이전의 공진 크기를 비교하여 고정 노치 필터 대체 여부를 결정하도록 설계될 수 있다.
상기 공진 감지 및 판단부(150)는 상기 복수개의 고정 노치 필터(174, 176)가 모두 사용 중이고 새롭게 발생한 공진의 크기가 각 고정 노치 필터의 파라미터 설정 이전의 공진보다 작을 경우 별도의 동작을 하지 않도록 설계될 수 있다.
만약, 새롭게 발생한 공진의 크기가 어떤 고정 노치 필터의 파라미터 설정 이전의 공진보다 클 경우, 적응 노치 필터(171)를 동작시켜 공진 억제 여부를 판단하고 공진이 억제되었다고 판단될 경우 공진의 크기가 작았던 고정 노치 필터의 파라미터를 적응 노치 필터(171)의 파라미터로 대체 및 고정하도록 설계될 수 있다.
이때, 공진이 억제되었다고 판단되지 않을 경우 기존의 고정 노치 필터를 계속 사용하도록 설계될 수 있다. 상기 공진 감지 및 판단부(150)는 상기 복수개의 고정 노치 필터(174, 176)가 모두 사용 중일 때 위의 과정을 반복하여 상기 고정 노치 필터를 대체 및 유지하도록 설계될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 서보 시스템의 공진 억제 방법의 순서도이다. 도 5는 도 4의 주파수를 실시간으로 추정하는 단계의 순서도이다.
본 실시예에 따른 서보 시스템의 공진 억제 방법은, 도 2의 서보 시스템(1)의 공진 억제부(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 2의 공진 억제부(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에 따른 서보 시스템의 공진 억제 방법은 서보 시스템의 공진 억제를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 서보 시스템의 공진 억제 방법은, 서보 제어기로부터 발생된 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭 추정값을 계산하는 단계(단계 S10), 상기 진폭 추정값을 기초로 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 주파수를 실시간으로 추정하는 단계(단계 S30), 상기 전류 명령 및 상기 추정 주파수를 이용하여 서보 시스템의 공진을 감지 및 판단하고 이를 억제하는 단계(단계 S50)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 상기 진폭 추정 단계(단계 S10)는 적응형 필터 상태(state), 이전 샘플의 추정 주파수, 전류 명령, 전류 명령의 통계치 등을 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정할 수 있다.
일 실시예에서 상기 주파수 추정 단계(단계 S30)는 상기 전류 명령, 상기 진폭 추정값, 상기 적응형 필터 상태(state), 이전 샘플의 추정 주파수를 이용하여 입력 신호의 주파수를 추정할 수 있다. 여기서, 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 상기 진폭 추정값으로 나누고 이를 적분하여 추정 주파수를 출력할 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 진폭 추정값으로 나눌 때 0으로 나누는 것을 방지하기 위해, 상기 진폭 추정값이 미리 설정된 특정 문턱값의 이하인지 먼저 판단한다(단계 S31).
상기 진폭 추정값이 특정 문턱값 이하일 경우, 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 문턱값으로 나누고(단계 S33), 상기 문턱값을 넘을 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 진폭 추정값으로 나누어 계산할 수 있다(단계 S35).
일 실시예에서 상기 서보 시스템의 공진을 감지 및 판단하고 이를 억제하는 단계(단계 S50)는 필터링 단계와 공진 감지 및 판단 단계를 더 포함할 수도 있다.
여기서, 상기 필터링 단계는, 상기 추정 주파수를 노치 주파수로 하여 상기 전류 명령을 필터링하는 적응 노치 필터 및 복수개의 고정 노치 필터를 더 포함하되, 상기 고정 노치 필터는 적응 노치 필터로 공진 억제가 확인되면 노치 주파수를 포함한 적응 노치 필터의 파라미터를 고정 노치 필터의 필터 파라미터로 사용하고 그 값을 고정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공진 감지 및 판단 단계는, 상기 전류 명령을 이용하여 상기 서보 시스템의 공진 발생 여부, 공진의 크기 및 공진 억제 여부를 판단하여, 적응 노치 필터의 사용 여부, 고정 노치 필터로의 파라미터 전환 여부, 복수개의 고정 노치 필터가 모두 사용 중이고 새로운 공진이 발생할 경우 새로 발생한 공진의 크기와 각 고정 노치 필터 적용 이전의 공진 크기를 비교하여 고정 노치 필터 대체 여부를 결정하는 것을 판단할 수 있다.
이와 같은, 서보 시스템의 공진 억제 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
[부호의 설명]
1: 서보 시스템
10: 공진 억제부
110: 주파수 추정기
130: 진폭 추정기
150: 공진 감지 및 판단부
170: 필터부
30: 제어부
310: 서보 제어기
330: 전류 제어기
50: 부하부
510: 모터
530: 부하
550: 엔코더
171: 적응 노치 필터
174, 176: 고정 노치 필터

Claims (17)

  1. 서보 제어기로부터 수신한 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정한 값인 진폭 추정값을 출력하는 진폭 추정기; 및
    상기 진폭 추정값을 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 주파수를 실시간으로 추정하여 추정 주파수를 출력하는 주파수 추정기;를 포함하여, 상기 전류 명령 및 상기 추정 주파수를 기초로 서보 시스템의 공진을 감지 및 판단하고 공진을 억제하는 공진 억제부;를 포함하는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진폭 추정기는, 상기 주파수 추정기의 적응형 필터 상태(state), 이전 샘플의 추정 주파수, 상기 전류 명령 및 전류 명령의 통계치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정하는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 추정기는, 상기 전류 명령, 상기 진폭 추정값, 적응형 필터 상태(state) 및 이전 샘플의 추정 주파수 중 적어도 하나를 이용하여 입력 신호인 상기 전류 명령의 주파수를 추정하는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 주파수 추정기는, 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 상기 진폭 추정값으로 나누고 이를 적분하여 추정 주파수를 출력하는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 주파수 추정기는, 상기 진폭 추정값이 특정 문턱값 이하일 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 문턱값으로 나누고, 상기 문턱값을 넘을 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 진폭 추정값으로 나누는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공진 억제부는, 필터부와 공진 감지 및 판단부 중 적어도 하나를 더 포함하는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 필터부는, 상기 추정 주파수를 노치 주파수로 하여 상기 전류 명령을 필터링하는 적응 노치 필터 및 복수개의 고정 노치 필터를 더 포함하되,
    상기 고정 노치 필터는 적응 노치 필터로 공진 억제가 확인되면 노치 주파수를 포함한 적응 노치 필터의 파라미터를 고정 노치 필터의 필터 파라미터로 사용하고 그 값을 고정하는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 공진 감지 및 판단부는, 상기 전류 명령을 이용하여 상기 서보 시스템의 공진 발생 여부, 공진의 크기 및 공진 억제 여부를 판단하여, 적응 노치 필터의 사용 여부, 고정 노치 필터로의 파라미터 전환 여부, 복수개의 고정 노치 필터가 모두 사용 중이고 새로운 공진이 발생할 경우 새로 발생한 공진의 크기와 각 고정 노치 필터 적용 이전의 공진 크기를 비교하여 고정 노치 필터 대체 여부를 결정하는, 서보 시스템의 공진 억제 장치.
  9. 서보 제어기로부터 수신한 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정한 값인 진폭 추정값을 출력하는 진폭 추정 단계;
    상기 진폭 추정값을 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 주파수를 실시간으로 추정하여 추정 주파수를 출력하는 주파수 추정 단계; 및
    상기 전류 명령 및 상기 추정 주파수를 기초로 서보 시스템의 공진을 감지 및 판단하여 억제하는 공진 억제 단계;를 포함하는, 서보 시스템의 공진 억제 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 진폭 추정 단계는, 적응형 필터 상태(state), 이전 샘플의 추정 주파수, 상기 전류 명령, 전류 명령의 통계치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전류 명령으로부터 발생한 공진의 진폭을 추정하는, 서보 시스템의 공진 억제 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 주파수 추정 단계는, 상기 전류 명령, 상기 진폭 추정값, 적응형 필터 상태(state) 및 이전 샘플의 추정 주파수 중 적어도 하나를 이용하여 입력 신호인 상기 전류 명령의 주파수를 추정하는, 서보 시스템의 공진 억제 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 주파수 추정 단계는, 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 상기 진폭 추정값으로 나누고 이를 적분하여 추정 주파수를 출력하는 단계;를 더 포함하는, 서보 시스템의 공진 억제 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 주파수 추정 단계는, 상기 진폭 추정값이 특정 문턱값 이하일 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 문턱값으로 나누고, 상기 문턱값을 넘을 경우 상기 추정 주파수의 미소 변화량을 진폭 추정값으로 나누는, 서보 시스템의 공진 억제 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 공진 억제 단계는, 필터링 단계;와 공진 감지 및 판단 단계; 중 적어도 하나를 더 포함하는 서보 시스템의 공진 감지 및 억제 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 필터링 단계는, 적응 노치 필터 및 복수개의 고정 노치 필터를 이용하여 상기 추정 주파수를 노치 주파수로 하여 상기 전류 명령을 필터링하되,
    상기 고정 노치 필터는 적응 노치 필터로 공진 억제가 확인되면 노치 주파수를 포함한 적응 노치 필터의 파라미터를 고정 노치 필터의 필터 파라미터로 사용하고 그 값을 고정하는, 서보 시스템의 공진 억제 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 공진 감지 및 판단 단계는, 상기 전류 명령을 이용하여 상기 서보 시스템의 공진 발생 여부, 공진의 크기 및 공진 억제 여부를 판단하여, 적응 노치 필터의 사용 여부, 고정 노치 필터로의 파라미터 전환 여부, 복수개의 고정 노치 필터가 모두 사용 중이고 새로운 공진이 발생할 경우 새로 발생한 공진의 크기와 각 고정 노치 필터 적용 이전의 공진 크기를 비교하여 고정 노치 필터 대체 여부를 결정하는, 서보 시스템의 공진 억제 방법.
  17. 하드웨어와 결합되어 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 서보 시스템의 공진 억제 방법을 실행하도록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
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