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KR101671527B1 - 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기 - Google Patents

부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기 Download PDF

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KR101671527B1
KR101671527B1 KR1020100126215A KR20100126215A KR101671527B1 KR 101671527 B1 KR101671527 B1 KR 101671527B1 KR 1020100126215 A KR1020100126215 A KR 1020100126215A KR 20100126215 A KR20100126215 A KR 20100126215A KR 101671527 B1 KR101671527 B1 KR 101671527B1
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KR
South Korea
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load
servo motor
inertia
control
control parameter
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김기홍
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두산공작기계 주식회사
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Abstract

본 발명은 부하(소재)의 무게에 따라 부하 관성이 바뀌는 경우에도 서보 모터를 적응적으로 제어할 수 있음은 물론, 부하의 이송 중 발생하는 각종 기계적 변수를 실시간 반영하여 부하 무게에 관계없이 최적의 상태로 서보 모터를 제어할 수 있는 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기에 관한 것이다. 이를 위해, 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기는, 테스트용 부하들을 각각 이송시키면서 측정한 제어 파라미터를 각각 저장하였다가, 실시간 추정된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 제공하는 제어 파라미터 제공기와, 부하의 이송 중 발생하는 외란을 실시간 추정하는 외란 관측기 및 이송중인 부하의 관성을 계산하여 제어 파라미터 제공기로 출력하는 부하 관성 계산기와, 제어 파라미터 제공기로부터 제어 파라미터를 입력받아 서보 모터를 제어하는 서보 제어기 및 제어 알고리즘을 수행하는 상위 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기{Real time servo motor controller which controlled by load weight}
본 발명은 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하(소재)의 무게에 따라 부하 관성이 바뀌는 경우에도 서보 모터를 적응적으로 제어할 수 있음은 물론, 부하의 이송 중 발생하는 각종 기계적 변수를 실시간 반영하여 부하 무게에 관계없이 최적의 상태로 서보 모터를 제어할 수 있는 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기에 관한 것이다.
일반적으로, 각종 공작 기계들을 포함하는 플랜트는 상기 플랜트에 로딩된 소재(부하)를 서보 모터에 의해 이송시키고 있으며, 이때 서보 모터 및 그에 연결된 이송축은 부하의 무게에 의한 부하 관성에 따라 제어 시스템의 성능이 크게 영향을 받는다.
특히, 싸이클 타임을 줄이고 이송 속도를 높이기 위해 이송축 볼스크류의 피치를 키운 경우에는 볼스크류에 의한 감속비 효과가 작아지기 때문에 부하 무게의 변동에 따라 부하 관성의 변동이 더욱 커지고 이로 인해 제어 시스템의 성능이 크게 달라진다.
즉, 서보 모터의 관성과 해당 서보 모터 측에서 바라본 부하 관성 간의 상대적인 비율에 따라 제어 시스템의 대역폭뿐만 아니라 안정도도 영향을 받는데, 일반적으로 서보 모터 대 부하의 관성비가 작을수록 제어 시스템의 대역폭이 커지고 안정도도 높아지며, 반대로 서보 모터 대 부하의 관성비가 클수록 제어 시스템의 대역폭이 작아지고 안정도가 떨어진다.
그리고, 제어 시스템의 대역폭이 작아질수록 지령에 대한 반응성이 떨어져 이송 지령과 추종 간에 지연이 커지고, 안정도가 떨어질수록 추종 오버슈트(overshoot)가 커지는 문제점이 발생하므로, 적절한 제어 파라미터의 조정을 통해 발생이 예상되는 문제점을 회피할 수 있어야 하므로, 부하 무게에 의한 부하 관성을 실시간으로 추정하는 것이 필요하다.
이를 위해, 일본 파낙에서 특허출원한 '관성 추정을 위한 제어장치 및 제어 시스템(일본공개특허 제2010-148178호)'에서는 관성 추정 개시 신호에 따라 이송축 서보 모터에 사인 토크 지령(sine torque command)이 보내지면, 이 토크 지령에 의해 서보 모터가 진동할 때 서보 모터의 전류 및 가속도 데이터를 검출하여 부하 관성을 계산하는 방식을 제안하였다.
그러나, 이상과 같은 방식은 부하가 바뀌는 경우마다 관성 추정 개시 신호를 발생시켜 이송축 서보 모터가 진동되도록 해야 하고, 이송축의 마찰을 미리 측정하여 파라미터를 설정하는 방식을 사용함에 따라 부하 무게 및 시간 경과에 따른 이송축 마찰 특성의 변화에 실시간으로 대응하지 못하며, 기계적 백래쉬(backlash)로 인해 서보 모터와 이송축의 연결 강성(stiffness)이 떨어지는 경우에는 관성 추정이 어렵거나 추정 오차가 커진다는 문제점이 있었다.
또한, 독일 하이덴하인에서 특허출원한 'Method for Determining the Mass Moment of Inertia of an Electric Motor Drive System(미국등록특허 US 6,998,812)'에서는 소재 이송축을 정방향과 역방향으로 모두 이송시키며 부하 관성을 추정하는 방식을 제안하였다.
그러나, 이상과 같은 방식은 방향 전환 시 이송축 컴플라이언스(compliance)에 의해 발생할 수 있는 서보 모터 토크 및 가속도 데이터의 리플(ripple)에 의해 부하 관성 추정 성능이 떨어지고, 또한 정속구간에서의 이송계 마찰력과 가속구간에서의 마찰력은 서로 다름에도 불구하고 이와 같은 마찰력(즉, 외란)의 변화를 실시간 반영하지 못하여 부하 관성 계산의 정확성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 부하(소재)의 무게에 따라 부하 관성이 바뀌는 경우에도 서보 모터를 적응적으로 제어할 수 있음은 물론, 부하의 이송 중 발생하는 각종 기계적 변수를 실시간 반영하여 부하 무게에 관계없이 최적의 상태로 서보 모터를 제어할 수 있는 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기를 제공하고자 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기는, 서로 다른 무게를 갖는 테스트용 부하(소재)를 각각 이송시키면서 측정한 각종 데이터를 이용하여 최적화된 서보 모터 제어용 제어 파라미터를 각각 저장하고, 플랜트의 실제 가동시에는 실시간 추정된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 제공하는 제어 파라미터 제공기와; 마찰 토크를 비롯하여 상기 부하의 급속 이송 중 발생하는 외란을 실시간 추정하는 외란 관측기와; 상기 서보 모터에 인가되는 전류의 측정값과, 상기 서보 모터의 회전 각속도 측정값 및 상기 외란 관측기에서 추정된 추정 외란값을 입력받아, 상기 서보 모터에 의해 이송중인 부하의 관성을 계산하고, 상기 계산된 부하 관성 값을 제어 파라미터 제공기로 출력하는 부하 관성 계산기와; 상기 제어 파라미터 제공기로부터 상기 부하 관성 계산기에서 출력된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 입력받고, 상기 입력된 제어 파라미터를 이용하여 상기 서보 모터를 제어하는 서보 제어기; 및 상기 부하 관성의 계산과 상기 제어 파라미터를 통한 상기 서보 제어기의 제어 알고리즘을 수행하는 상위 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어 파라미터 제공기는, 상기 테스트된 제어 파라미터를 각 부하의 무게에 따른 부하 관성 별로 룩업 테이블(look-up table)에 저장하고, 상기 룩업 테이블에 저장된 제어 파라미터 값들 중 서로 인접한 위치의 2개의 제어 파라미터 값들을 선형 보간하여 제어 파라미터를 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 부하 관성 계산기는 아래의 [수학식 1]에 의해 부하 관성을 실시간 계산하고, 상기 계산된 부하 관성을 상기 제어 파라미터 제공기로 출력하는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
∫Kt*(Iq + DTRQ)dt = (Jm + JL)*Vm
(여기서, 상기 Kt는 서보 모터 토크 상수, 상기 Iq는 서보 모터에 인가된 q상 전류, 상기 DTRQ은 외란, 상기 Vm은 상기 서보 모터 회전 각속도, 상기 Jm은 서보 모터 관성, 상기 JL은 모터측에서 본 부하 관성)
또한, 상기 제어 파라미터와, 상기 외란 및 상기 부하 관성은 상기 부하가 상기 서보 모터에 의해 등가속으로 이송중 측정된 값에 의해 추정되는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기에 의하면, 부하(소재)의 무게에 따라 부하 관성이 바뀌는 경우에도 서보 모터를 적응적으로 제어할 수 있게 한다.
또한, 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기는 부하의 이송 중 발생하는 기계적 백래쉬 및 마찰 토크를 비롯한 각종 기계적 변수를 실시간 반영할 수 있어서 부하 무게에 관계없이 최적의 상태로 서보 모터를 제어할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기를 나타낸 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기의 룩업 테이블을 나타낸 도이다.
도 2b는 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기의 선형 보간 방법을 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기의 외란 관측기를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기 부하 관성 추정 구간을 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기의 동작 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기(100)는, 테스트용 부하(소재)들을 각각 이송시키면서 측정한 각종 데이터를 이용하여 최적화된 제어 파라미터를 각각 저장하였다가, 실시간 추정된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 제공하는 제어 파라미터 제공기(140)와, 부하(L, 이하 도면 참조부호 생략)의 이송 중 발생하는 외란(disturbance)을 실시간 추정하는 외란 관측기(150)와, 이송중인 부하의 관성을 계산하여 제어 파라미터 제공기(140)로 출력하는 부하 관성 계산기(160)와, 제어 파라미터 제공기(140)로부터 제어 파라미터를 입력받아 서보 모터(11)를 제어하는 서보 제어기(120) 및 제어 알고리즘을 조정하는 상위 제어기(110)를 포함한다.
그 외 공지된 바와 같이, 상기 서보 제어기(120)와 플랜트(10) 사이에는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등으로 이루어진 서보 앰프(130)('서보 드라이버'라고도 함)를 구비하여 PWM 신호를 여자전류로 변환하여 서보 모터(11)에 공급할 수 있게 한다.
이러한 구성에 의하면, 서보 모터(11)에 의해 부하를 이송중 발생하는 외란을 외란 관측기(150)에서 실시간 추정하고, 서보 모터에 내장된 센서로부터(미도시)에서 서보 모터(11)에 인가되는 전류값과 서보 모터(11)의 회전 각속도를 측정하면, 부하 관성 계산기(160)에서 상기 외란과, 전류값 및 회전 각속도를 이용하여 이송 중인 부하에 의해 발생하는 부하 관성을 계산할 수 있게 한다.
그리고, 제어 파라미터 제공기(140)는 기 저장되어 있는 제어 파라미터들 중 상기 계산된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 서보 제어기(120)에 제공함으로써, 서보 제어기(120)가 제공된 제어 파라미터를 이용하여 서보 모터(11)를 제어할 수 있도록 하며, 이때 이상과 같은 제어계는 상위 제어기(110)의 제어하에 수행되도록 한다.
따라서, 본 발명은 가감속 시정수(time constant)가 커서 데이터 수집에 용이하고 충분한 시간이 확보될 수 있는 급속 이송 중 외란과, 전류 및 가속도 데이터를 검출하여 부하 관성을 계산하고, 계산된 부하 관성에 따라 서보 모터 이송축 제어 시스템의 제어 파라미터를 적응적으로 조정함으로써 부하 무게와 관계없이 최적의 이송축 제어를 가능하게 한다.
이때, 급속 이송은 부하 무게에 따른 부하 관성이 전체 제어계에 영향을 미치는 소정 속도 이상을 의미하며 이는 부하의 무게에 따라 달라질 수 있으므로, 부하 무게에 따라 급속 이송 기준값을 가변적으로 설정할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 부하의 이송 중에 실시간 검출된 서보 데이터를 이용하기 때문에, 부하 이송 축 반전 시 발생하는 기계적인 백래쉬(backlash)에 의한 영향을 제거함은 물론 외란 데이터를 고려함으로써 이송중 발생하는 마찰 특성의 변화에도 대응할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 의하면 서로 다른 무게를 갖는 테스트 부하들에 대한 제어 파라미터를 미리 저장하였다가 제공하므로, 부하 변경시마다 장비 조작자가 부하 관성 추정 개시 신호를 발생시키는 명시적인 절차의 필요없이, 서보 모터(11)의 이송축에 가해진 외란을 실시간 반영하여 부하 관성을 계산하고 그에 대응하는 최적화된 제어 파라미터를 선택적으로 제공하므로 장비 조작자의 부담을 덜어준다.
좀더 구체적으로 설명하면, 제어 파라미터 제공기(140)는 서로 다른 무게를 갖는 테스트용 부하를 각각 이송시키면서 측정한 각종 데이터를 이용하여 최적화된 서보 모터(11) 제어용 제어 파라미터를 각각 저장하고, 그 후 플랜트(10)의 실제 가동시에는 실시간 추정된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 계산하여 제공한다.
테스트용 부하는 일 예로 무부하(즉, 0톤), 2.5톤, 5톤, 7.5톤 및 10톤 등의 대표 무게를 갖는 부하들로서, 필요에 따라서는 좀더 많은 수의 테스트용 부하를 사용할 수도 있으며, 테스트용 부하를 플랜트(10)의 작업대(12)에 로딩한 후 부하 관성에 최적의 상태로 대응할 수 있는 제어 파라미터 값을 미리 획득하여 저장한다.
각 테스트용 부하에 대한 제어 파라미터는 도 2a에 도시된 바와 같이 룩업 테이블(look-up table)(141)에 저장되는데, 비활성 메모리에 내에 구비된 룩업 테이블(141)은 테이블 인덱스, 부하 관성 및 제어 파라미터 등을 포함하고 있어서, 서로 다른 무게를 갖는 테스트 부하별로 각각 최적의 제어 파라미터를 저장한다.
제어 파라미터는 공지된 바와 같이 속도루프 제어이득, 가감속 시정수, 제진 필터(resonance elimination filter)의 감쇄 주파수, 가속도 피드백 이득 및 가속도 피드 포워드(feed forward) 등이 있다.
이때, 속도 루프 제어이득은 그 값을 크게 할수록 제어 강성(stiffness) 및 반응성이 좋아지지만, 반면 너무 클 경우에는 제어 루프가 불안정해진다.
또한, 가감속 시정수는 그 값을 크게 할수록 부하 관성에 의한 충격이 작아지지만 가공 시간이 늘어난다.
또한, 공진제거(제진)필터의 중심주파수는 서보 모터(11)와 부하 간의 관성비 및 이송계 강성에 따라 공진 주파수가 변하므로 그에 적응적으로 대응하기 위해 조정이 필요하다.
또한, 가속도 피드백 이득은 전자적으로 서보 모터(11)의 관성을 조정하는 파라미터로서, 그 값을 크게 할수록 서보 모터 관성에 비해 부하 관성이 큰 경우 발생하는 문제점들을 개선하지만, 반면 가공시간이 늘어나며 너무 클 경우에는 제어계가 불안정해진다.
또한, 가속도 피드 포워드는 부하 관성에 의해 발생하는 지연을 보상하기 위한 파라미터로서, 그 값을 크게 할수록 가감속은 빨라지지만, 너무 클 경우에는 부하 관성에 의한 충격이 발생할 수 있다.
그러므로, 이상과 같은 다양한 제어 파라미터들을 각 테스트 부하별로 테스트하여 최적의 제어 파라미터를 미리 측정하여 저장해 두는 것이다.
한편, 추정된 부하 관성(M)이 룩업 테이블(141)에 기 저장된 최소의 부하관성(m0)보다 작은 경우(M≤m0)에는 제공될 제어 파라미터(fM)로서 룩업 테이블(141)에 기 저장된 최소의 부하관성(m0)에 대응하는 제어 파라미터(f0)를 제공하고, 반대로 추정된 부하 관성(M)이 룩업 테이블(141)에 기 저장된 최대의 부하관성(mn)보다 큰 경우(M≥m0)에는 제공될 제어 파라미터(fM)로서 룩업 테이블(141)에 기 저장된 최대의 부하관성(mn)에 대응하는 제어 파라미터(fn)를 제공한다.
즉, 룩업 테이블(141)의 범위를 벗어나는 것은 룩업 테이블(141)의 최소값(f0) 또는 최대값(fn)으로 대체하여 제공함으로써 룩업 테이블(141)에 대표값이 없는 경우에도 적절히 대응할 수 있도록 한다. 이는, 최소값(f0) 미만이나 최대값(fn) 초과 등과 같이 범위를 벗어난 값을 최소값(f0) 또는 최대값(fn)으로 대체하더라도 실제로는 제어에 큰 영향을 미치지는 않기 때문이다.
뿐만 아니라, 룩업 테이블(141)의 범위를 벗어나지는 않지만, 대표 무게에 해당되지 않는 무게를 갖는 부하에 대한 제어 파라미터를 제공해야 하는 경우에는, 도 2b에 도시된 바와 같이 선형 보간법을 이용하여 제어 파라미터를 제공한다.
즉, 룩업 테이블(141)에 저장된 제어 파라미터 값들 중 서로 인접한 위치의 2개의 제어 파라미터 값들을 선형 보간하여 제어 파라미터를 제공하는데, 일 예로 실제 부하의 부하 관성이 m3와 m4 사이의 값으로 계산된 경우, F=(f4-f3/m4-m3)*(M-m3)+f3 식을 이용하여 계산된 제어 파라미터를 제공한다.
이와 같이 과정을 통해 본 발명은 서로 다른 대표 무게를 갖는 테스트 부하들에 최적화된 제어 파라미터들을 미리 저장하여 두었다가 다양한 부하에 대해 적절한 제어 파라미터를 제공할 수 있게 한다.
따라서, 아래에서 좀더 상세히 설명하는 바와 같이, 외란 관측기(150)에서 실시간으로 외란을 추정하면 이것과 각종 서보 데이터를 이용하여 부하 관성을 계산하고, 나아가 부하 관성에 따라 바로 룩업 테이블(141)에 기 저장된 제어 파라미터를 사용할 수 있도록 하므로, 종래와 같이 부하 변경시마다 장비 조작자가 부하 관성 추정 개시 신호를 발생시키는 명시적인 절차를 수행할 필요가 없게 한다.
외란 관측기(150)는 이송축 마찰 토크를 비롯하여 상기 부하의 이송 중 외부로부터 받는 힘으로서의 외란를 실시간 추정하여 부하 관성 계산기(160)에 제공하는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 모터부(151, 153), 외란 가산기(152), 추정 외란 가산기(154), 이송축 관성모델(155), 속도센서 모델(156), 속도 감산기(157) 및 보상기(158)을 포함하며, 이들은 폐루프 피드백 제어회로를 형성한다.
도 3에서, 모터부(151, 153)의 Kt는 모터 토크 상수이고, Jm은 모터 관성이며, 이들은 서보 모터(11) 제조사에서 제공하는 서보 모터(11) 사양(specification)에 나타나 있다. S는 라플라스 연산자이다.
또한, 외란 가산기(152)는 외부에서 인가되는 외란이 관성 모델(153)에 영향을 미침을 도식적으로 표현하기 위해 필요하다.
또한, 이송축 관성모델(155)은 추정된 외란이 더해진 토크 지령을 서보 모터 모델을 참조하여 속도로 변환하고, 보상기(158)는 외란 관측기(150)의 보정 파라미터로서 밴드폭(bandwidth)을 조정하는데, 밴드폭을 넓힐 경우 추정된 외란 토크가 실제 외란 토크에 좀더 빨리 그리고 좀더 정확하게 가까워지도록 추정되므로 부하 관성 계산의 정확도를 더욱 높일 수 있게 한다.
또한, 속도센서 모델(156)은 속도 감산기(157)에서 계산된 실속도(v)와 추정 속도의 편차를 토크로 변환하여 이를 추정된 외란으로서 제공한다. 추정된 외란은 당해 외란 관측기(150)의 출력으로서 일 예로 이송축의 외란 토크이며, 이와 같이 추정된 외란은 부하 관성 계산기(160)에서 부하 관성을 계산하는데 사용된다.
한편, 위에서 설명한 외란 관측기(150) 그 자체는 공지된 것으로서, 등록특허 제10-712558호 및 등록특허 제10-185720호 등에서 제안된 것을 비롯하여 다양한 외란 관측기(150)가 사용될 수 있다.
그러나, 본 발명은 종래 기술과 차별적으로 외란 관측기(150)에서의 외란 추정이 가감속 시정수가 커서 데이터 수집에 용이하고 충분한 시간이 확보될 수 있는 급속 이송 중에 이루어지므로 외란을 정확히 추정할 수 있다는 점에서 차이가 있다. 이는, 후술할 서보 모터(11)에 인가되는 전류나 서보 모터(11)의 회전 각속도 역시 마찬가지이다.
뿐만 아니라, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 서보 모터(11)가 등가속으로 가동되고 있는 시간(t2~t3)에 추정되고, 이 시간(t2~t3)에 외란 관측기에 의해 추정된 외란 토크의 평균값이 사용된다는 점에서 차이가 있다.
이는, 이송축 등가속 시 외란을 관측하면 기계적 백래쉬에 의한 영향을 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 선형 가속 구간(t1~t2)이나 선형 감속 구간(t3~t4)에서는 외란 관측기(150)의 대역폭을 넘어서는 고주파 대역 신호가 포함될 수 있어서 외란 관측기(150)가 실제 외란 토크를 정확히 추종하기 어렵기 때문이다.
부하 관성 계산기(160)는 서보 모터(11)에 인가되는 전류와, 서보 모터(11)의 회전 각속도 및 추정 외란값을 입력받아 서보 모터(11)에 의해 이송중인 부하의 관성을 계산한 다음 제어 파라미터 제공기(140)에 제공한다.
따라서, 제어 파라미터 제공기(140)에서 부하 관성에 해당하는 제어 파라미터를 서보 제어기(120)에 제공하면, 서보 제어기(120)가 서보 모터(11)를 부하 무게에 따라 최적의 상태로 제어할 수 있게 한다.
서보 모터(11)에 인가되는 전류(정확히는 q상 전류: 모터 토크에 비례하는 전류)와 서보 모터(11)의 회전 각속도는 공지된 바와 같이 서보 모터(11)에 내장된 각종 센서(미도시)를 이용하여 측정된 값을 사용하고, 추정 외란값은 상기 외란 관측기(150)에서 추정한 외란 토크를 사용하며, 부하 관성 계산식의 아래의 [수학식 1]을 사용한다.
[수학식 1]
Kt*(Iq + DTRQ) = (Jm + JL)*am ⇔ ∫Kt*(Iq + DTRQ)dt = (Jm + JL)*Vm
(여기서, Kt는 서보 모터 토크 상수, Iq는 서보 모터에 인가된 q상 전류, DTRQ은 외란 토크, am은 서보 모터 회전 각가속도, Vm은 서보 모터 회전 각속도, Jm은 서보 모터 관성, JL은 모터측에서 본 부하 관성을 나타냄.)
상기 [수학식 1]에서 좌변 전체를 적분하면 우변과 같아지므로, 서보 모터 회전 각가속도 am나 서보 모터 회전 각속도 Vm 중 어느 것이나 사용 가능함을 알 수 있다. 즉, 가속도를 적분하면 속도가 나오므로, 가속도를 사용하는 경우에는 좌변의 식을 사용하고, 속도를 사용하는 경우에는 우변의 식을 사용하면 된다.
한편, [수학식 1] 중 부하 관성 JL이 최종적으로 계산하고자 하는 목표치이고, 그 외 서보 모터 토크 상수 Kt와 서보 모터 관성 Jm은 서보 모터(11) 제조사에서 제공하는 서보 모터 사양에 나타나 있는 상수로서 이미 알고 있은 값이고, 서보 모터(11)에 인가된 전류 Iq와 회전 각가속도 am 또는 회전 각속도 Vm은 서보 모터에 내장된 센서를 통해 측정된 후 서보 앰프(130) 및 서보 제어기(120)를 통해 부하 관성 계산기(160)에 제공된 측정값이다.
따라서, 위 [수학식 1]을 통해 목표치인 부하 관성 JL을 계산하기 위해서는 외란 토크인 DTRQ값만 구하면 되는데, 이는 상술한 외란 관측기(150)에서 추정하여 제공되므로 부하 관성을 계산할 수 있고, 이와 같이 계산된 부하 관성은 제어 파라미터 제공기(140)로 출력된다.
서보 제어기(120)는 제어 파라미터 제공기(140)로부터 부하 관성 계산기(160)에서 계산된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 입력받고, 상기 입력된 제어 파라미터에 따라 서보 앰프(130)를 통해 서보 모터(11)를 제어한다.
물론, 서보 모터(11)에 내장된 센서로부터 서보 모터(11)에 인가된 전류와, 서보 모터(11)의 회전 속도 등을 비롯한 다양한 서보 데이터를 입력받아 상위 제어기(110)로 전송하기도 한다.
상위 제어기(110)는 부하 관성의 계산과 제어 파라미터 계산을 통한 서보 제어기(120)의 적응적 조정을 수행하는 등 전반적인 제어를 담당하는데, 이때 상술한 바와 같은 제어에 사용되는 제어 알고리즘은 응용프로그램 메모리(111)에 저장되어 있다.
서보 제어기(120)는 상위 제어기(110)에 의해 적응적으로 조정된 제어 파라미터를 이용하여 부하에 상관없이 최적의 제어가 가능하도록 토크 지령을 생성시켜 서보 앰프(130)에 보냄으로써 서보 모터(11)를 제어한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기의 동작 순서에 대해 설명한다.
도 5는 본 발명의 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기의 동작 순서도이다.
단, 도 5에서는 제어 파라미터 제공기(140)의 룩업 테이블(141)에 대표 무게에 해당하는 테스트 부하별로 최적의 제어 파라미터를 측정하여 저장하는 단계를 생략하였으나, 이러한 단계가 먼저 이루어짐은 위에서 이미 설명하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 소재 즉, 부하(L)를 플랜트(10)의 작업대(12) 위에 로딩 후 가공을 시작(S101)한다.
가공이 시작되면 외란 관측기(150)에 구비된 보상기(158)의 파라미터를 조정(S102)한다. 보상기(158)의 파라미터 조정은 상술한 바와 같이 밴드폭을 확대시키는 것이다.
외란 관측기(150)의 파라미터가 조정되면, 서보 모터(11)의 이송축이 급속 이송 중인지의 여부를 감시(S103)한다. 급속 이송은 부하 관성에 의해 영향을 받는 소정 속도 이상을 의미하며 이는 부하의 무게에 따라 달라질 수 있다.
이때, 급속 이송중이 아닌 경우에는 계속하여 급속 이중 구간에 들어설 때까지 감시하고, 급속 이송중이라면 등가속도 구간인지를 감시(S104)한다.
감시 중, 급속 이송중이면서도 등가속도 구간인 경우에는 부하 관성 계산용 데이터를 수집(S105)한다. 부하 관성 계산에 필요한 값들은 이송축 모터 전류와, 이송축 모터 각가속도 및 외란 토크 등을 포함하며, 이들 값은 등가속도 구간 전체에 대한 평균값으로 저장된다.
반면, 등가속도 구간이 아닌 경우에는 정속 구간인지의 여부를 감시(S106)하는데, 이때 정속 구간이 아니라면 계속해서 등가속 구간인지를 감시하고, 정속 구간이라면 등가속도 구간에서 수집한 부하 관성 계산에 필요한 외란 토크 및 서보 데이터의 평균값을 계산(S107)한다.
정속 구간에서는 속도가 일정하기 때문에 부하에 의한 부하 관성이 작용하지 않으므로 가속 구간에서만 부하 계산에 필요한 외란 토크 및 서보 데이터를 수집하는 것이다.
등가속 구간에서 수집된 값들의 평균값이 계산되면, 부하 관성 계산기(160)는 평균화된 외란 토크, 전류 및 회전 각가속도 등을 상기 [수학식 1]에 대입하여 부하 관성을 계산(S108)한 다음 제어 파라미터 제공기(140)로 출력한다.
그러면, 제어 파라미터 제공기(140)는 계산된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 계산한다. 단, 룩업 테이블(141)에 저장되어 있지 아니한 부하 관성 값이 산출된 경우에는 선형 보간법을 사용하여 적절한 제어 파라미터를 계산한다.
계속하여, 서보 모터(11)의 이송축이 정지하였는지를 감시(S110)하여, 정지한 경우에는 이상과 같이 계산된 제어 파라미터로 서보 제어기(120)의 제어 파라미터를 수정(S111)하고, 외란 관측기(150)의 대역폭을 복구(S112)함으로써 제어 프로세스를 종료한다.
이 프로세스 종료 후부터는 소재 무게에 맞춰 적응적으로 조정된 제어 파라미터 및 서보 제어기(120)로 인해 플랜트(100)에 대한 최적의 제어가 이루어진다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
110: 상위 제어기 111: 응용프로그램 메모리
120: 서보 제어기 130: 서보 앰프
140: 제어 파라미터 제공기 141: 룩업 테이블
150: 외란 관측기 160: 부하 관성 계산기
10: 플랜트 11: 서보 모터
12: 작업 테이블 L: 부하(소재)

Claims (4)

  1. 서로 다른 무게를 갖는 테스트용 부하(소재)를 각각 이송시키면서 측정한 데이터를 이용하여 최적화된 서보 모터(11) 제어용 제어 파라미터를 각각 저장하고, 플랜트(10)의 실제 가동시에는 실시간 추정된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 제공하는 제어 파라미터 제공기(140)와;
    마찰 토크(torque)를 비롯하여 상기 부하의 이송 중 발생하는 외란(disturbance)을 실시간 추정하는 외란 관측기(150)와;
    상기 서보 모터(11)에 인가되는 전류의 측정값과, 상기 서보 모터(11)의 회전 각속도 측정값 및 상기 외란 관측기(150)에서 추정된 추정 외란값을 입력받아, 상기 서보 모터(11)에 의해 이송중인 부하의 관성을 계산하고, 상기 계산된 부하 관성값을 제어 파라미터 제공기(140)로 출력하는 부하 관성 계산기(160)와;
    상기 제어 파라미터 제공기(140)로부터 상기 부하 관성 계산기(160)에서 출력된 부하 관성에 대응하는 제어 파라미터를 입력받고, 상기 입력된 제어 파라미터를 이용하여 상기 서보 모터(11)를 제어하는 서보 제어기(120); 및
    상기 부하 관성의 계산과 상기 제어 파라미터를 통한 상기 서보 제어기(120)의 제어 알고리즘을 수행하는 상위 제어기(110);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 파라미터 제공기(140)는,
    상기 테스트된 제어 파라미터를 각 부하의 무게에 따른 부하 관성 별로 룩업 테이블(look-up table)(141)에 저장하고, 상기 룩업 테이블(141)에 저장된 제어 파라미터 값들 중 서로 인접한 위치의 2개의 제어 파라미터 값들을 선형 보간하여 제어 파라미터를 제공하는 것을 특징으로 하는 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기(100).
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부하 관성 계산기(160)는 아래의 [수학식 1]에 의해 부하 관성을 실시간 계산하고,
    [수학식 1] Kt*(Iq + DTRQ) = (Jm + JL)*am ⇔∫Kt*(Iq + DTRQ)dt = (Jm + JL)*Vm
    (여기서, 상기 Kt는 서보 모터 토크 상수, 상기 Iq는 서보 모터에 인가된 q상 전류, 상기 DTRQ은 외란, 상기 am은 서보 모터 회전 각가속도, 상기 Vm은 상기 서보 모터 회전 각속도, 상기 Jm은 서보 모터 관성, 상기 JL은 모터측에서 본 부하 관성)
    상기 계산된 부하 관성을 상기 제어 파라미터 제공기(140)로 출력하는 것을 특징으로 하는 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제어 파라미터와, 상기 외란 및 상기 부하 관성은 상기 부하가 상기 서보 모터(11)에 의해 등가속으로 이송중 측정된 값에 의해 추정되는 것을 특징으로 하는 부하 무게에 따른 실시간 서보 모터 제어기(100).
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