KR-20260060890-A - CONSTANT CURRENT MICROSTEPPING CONTROL DEVICE FOR MOTOR

Abstract

입력된 목표 전류와 모터로 입력되는 입력 전류의 오차가 감소하도록 피드백 제어하는 비례-적분 제어부; 상기 목표 전류 보다 전기각 위상이 180도 선행하는 전류를 미분하고 미분 결과에 상기 모터의 상 인덕턴스를 곱셈하여 출력하는 미분부; 상기 목표 전류에 상기 모터의 상 저항을 곱하여 출력하는 상 저항 곱셈부; 및 상기 비례-적분 제어부의 출력과 상기 미분부의 출력 및 상기 상 저항 곱셈부의 출력을 합산하여 상기 모터의 제어 전압으로 출력하는 합산기를 포함하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치가 개시된다.

Inventors

• 양광웅

Assignees

• 주식회사 인트

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241025

Claims (7)

1. 입력된 목표 전류와 모터로 입력되는 입력 전류의 오차가 감소하도록 피드백 제어하는 비례-적분 제어부; 상기 목표 전류 보다 전기각 위상이 180도 선행하는 전류를 미분하고 미분 결과에 상기 모터의 상 인덕턴스를 곱셈하여 출력하는 미분부; 상기 목표 전류에 상기 모터의 상 저항을 곱하여 출력하는 상 저항 곱셈부; 및 상기 비례-적분 제어부의 출력과 상기 미분부의 출력 및 상기 상 저항 곱셈부의 출력을 합산하여 상기 모터의 제어 전압으로 출력하는 합산기; 를 포함하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 비례-적분 제어부 상기 미분부 및 상기 상 저항 곱셈부에 의한 상기 모터의 전류에 대한 전달 함수는 식 (I(s): 상기 모터의 전류, I * (s): 상기 목표 전류, J * (s): 상기 목표 전류 보다 전기각 위상이 180도 선행하는 전류, L: 상기 모터의 상 인덕턴스, R: 상기 모터의 상 저항, K p : 상기 비례-적분 제어부의 비례 이득, K i : 상기 비례-적분 제어부의 적분 이득)과 같이 s-도메인에서 표현되는 것을 특징으로 하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 비례 이득(K p ) 및 상기 적분 이득(K i )은 식 (ω c : 상기 모터의 각주파수)와 같이 구하는 것을 특징으로 하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 각주파수(ω c )를 조정하여 상기 비례 이득(K p ) 및 상기 적분 이득(K i )이 자동 결정되는 것을 특징으로 하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 모터의 속도가 사전 설정된 기준 속도 이하의 저속 구간에서 동작하는 경우 상기 미분부는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 모터의 속도가 사전 설정된 기준 속도 이상의 고속 구간에서 동작하는 경우 상기 비례-적분 제어부 및 상기 상 저항 곱셈부는 동작하지 않는 것을 특징으로 하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 모터의 속도가 사전 설정된 기준 속도 이상의 고속 구간에서 동작하는 경우, 상기 모터로 제공되는 a상 전압(v a ) 및 b상 전압(v b )은 식 (K e : 상기 모터의 역기전력 상수, L: 상기 모터의 상 인덕턴스, i * : 상기 목표 전류, θ e : 상기 모터의 전기각 위치)에 의해 연산 되는 것을 특징으로 하는 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치.

Description

모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치{CONSTANT CURRENT MICROSTEPPING CONTROL DEVICE FOR MOTOR} 본 발명은 모터의 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 극쌍(pole pair) 수가 큰 모터를 제어하기 위한 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치에 관한 것이다. 모바일 로봇의 바퀴의 특징은 회전속도가 느리지만 큰 토크가 필요하므로 이에 적합한 감속기 일체형 모터가 주로 사용된다. 그러나, 기어의 백래쉬 문제와 동력 전달효율이 떨어지는 문제로 인해 자율 이동 로봇(Autonomous Mobile Robots: AMR)과 같은 정밀한 이동이 필요한 로봇에서는 극쌍 수가 큰 인휠 모터나 스텝 모터가 사용되기도 한다. 모터의 극쌍 수는 모터의 전자 기어비와 유사한 것이다. 예를 들어, 극쌍 수가 10이라면 모터는 전기적으로 10회전 하여야 기계적으로 1회전 하게 된다. 극쌍 수가 많을 수록 모터의 회전 속도는 낮아지지만 더 높은 토크를 제공할 수 있다. 이는 더 많은 자극(Magnetic pole)이 모터의 회전력을 증가시키기 때문이다. 그리고 극쌍 수가 많을 수록 모터의 작동이 더 부드럽고 정밀해 진다. 이는 각 스텝이 더 작아져 진동과 소음이 감소하기 때문이다. 극쌍 수가 큰 모터를 센서리스로 제어할 때, 정전류 제어와 마이크로스텝(microstep) 제어를 결합하여 사용하게 된다. 정전류 제어(Constant Current Control)는 모터 권선의 각 상에 흐르는 전류가 일정하게 유지하는 제어 방식이며, 마이크로스텝 제어(Microstepping)는 아주 작은 단계로 나누어 더욱 부드러운 움직임과 높은 분해능을 제공하는 제어 방식이다. 극쌍 수가 큰 모터를 폐루프로 제어하는 방법으로 크게 2가지 방법이 알려져 있다. 그 중 하나는, 일반적인 서보 모터 제어와 동일하게 폐루프 구조의 위치, 속도, 전류 제어기를 순차적으로 구성하고 전류 제어기를 d/q축으로 나누어 FOC(Field Oriented Control) 방법이다. 이 제어 방법은, 극쌍(Pole pairs) 수가 큰 모터는 모터의 기계각 회전보다 전기각이 극쌍 수 배만큼 빨리 회전하게 되는 단점이 있다. 예를 들어, 극쌍수가 50인 모터 축을 3000 rpm으로 회전한다면, 기계적으로는 1초당 50회전하지만, 전기적으로는 1초당 2500 회전한다. 제어를 위해서 전기각을 빠르게 업데이트 하여야 하므로 FOC 알고리즘을 100kHz 이상으로 수행해야 한다. 또한, 이 제어 방법은 모터의 속도를 증가시키기 위해 약계자 제어를 해야 한다. d/q축 전류의 양을 매 제어주기마다 계산해 분배하는 인버스 파크 변환(Inverse Park transform)과 파크 변환(Park transform)이 고속으로 수행되어야 하므로 마이크로 컨트롤러의 계산량 부담이 커지는 단점이 있다. 극쌍 수가 큰 모터를 폐루프로 제어하는 방법 중 나머지 하나는, 폐루프 마이크로스테핑 방법이다. 이 방법에서 위치 제어기는 모터의 엔코더 피드백을 실시간으로 읽어와 모션 프로파일 위치와 비교하여 보정값을 계산하고, 보정값을 반영한 명령을 만들어 냄으로써 실시간으로 위치를 조정 한다. 폐루프 마이크로스테핑 제어의 장점은 목표 위치 도달 후 서보 특유의 진동이 없어 목표 위치 유지 능력이 뛰어나다는 점이다. 이러한 장점으로 인해 광학 장비와 같은 목표위치 도달 후 진동이 발생하면 안 되는 장비들에 폐루프 마이크로스테핑 제어가 널리 사용되고 있다. 그러나, 폐루프 마이크로스테핑 제어는, 개방 루프 마이크로스테핑(Open loop microstepping)과 같이 전류 제어기가 일정한 전류를 항상 모터의 a상과 b상에 흐르게 하기 때문에 모터와 드라이버에서 열이 발생하게 되는 단점이 있다. 또한 목표 위치 근처에서 목표 위치에 수렴시키기 위한 토크가 이동 방향과 수직으로 발생하여 구동 토크가 약해짐으로 목표위치 도달에 지연이 발생하는 단점이 있다. 상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다. 본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 용이하게 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 다음의 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치의 제어 블록선도이다. 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치의 PI 제어부와 피드-포워드 제어부를 결합한 장치의 제어 블록선도이다. 도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치를 더욱 단순화 시킨 장치의 제어 블록선도이다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치가 저속 구간에서 작동할 때 제어 구조를 도시한 제어 블록선도이다. 도 5는 모터의 저속 회전 시 모터 제어 관련 인자들을 벡터로 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치가 고속 구간에서 작동할 때 제어 구조를 도시한 제어 블록선도이다. 도 7은 모터의 고속 회전 시 모터 제어 관련 인자들을 벡터로 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치에서 목표 전기각을 도출하는 위치 제어 구조를 설명하는 도면이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치를 상세하게 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다. 제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 이하에서 설명되는 '~부', '~블록' 등으로 표현되는 발명의 구성요소들은 프로세서와 메모리를 포함하는 컨트롤러나 연산 소자 또는 컴퓨팅 시스템에 사전 이식된 프로그램 또는 어플리케이션에 의해서 수행되는 특정 동작이나 연산을 수행하는 단위로 이해될 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치의 제어 블록선도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터의 정전류 마이크로 스테핑 제어 장치는, 사전 설정된 모터(200)의 목표 전기각(θe*)을 기반으로 사전 설정된 모터 구동을 위한 정전류인 목표 전류(i*)를 a상 목표 전류(ia*) 및 b상 목표 전류(ib*)로 변환하는 변환부(11)와, 모터(200)로 제공되는 a상 검출 전류(ia)와 a상 목표 전류(ia*)의 오차(ea)를 감소시키기 위한 a상 제어 전압을 연산하여 출력하는 제1 PI 제어부(12a), a상 목표 전류(ia*), 모터(200)의 상 저항, 모터(200)의 상 인덕턴스, 모터(200)의 역기전력 상수, 모터(200)의 전기각을 기반으로 a상의 피드 포워드 전압(va-ff)을 생성하여 출력하는 제1 피드-포워드 제어부(13a), 제1 PI 제어부(12a)에 출력된 a상 제어 전압과 제1 피드-포워드 제어부(13a)에서 출력된 a상의 피드 포워드 전압(va-ff)을 합산하여 모터로 제공되는 최종 a상 입력 전압(va)을 생성하는 제1 합산기(14a), 모터(200)로 제공되는 b상 검출 전류(ib)와 b상 목표 전류(ib*)의 오차(eb)를 감소시키기 위한 b상 제어 전압을 연산하여 출력하는 제2 PI 제어부(12b), b상 목표 전류(ib*), 모터(200)의 상 저항, 모터(200)의 상 인덕턴스, 모터(200)의 역기전력 상수, 모터(200)의 전기각을 기반으로 b상의 피드 포워드 전압(vb-ff)을 생성하여 출력하는 제2 피드-포워드 제어부(13b), 제2 PI 제어부(12b)에 출력된 b상 제어 전압과 제2 피드-포워드 제어부(13b)에서 출력된 b상의 피드 포워드 전압(vb-ff)을 합산하여 모터로 제공되는 최종 b상 입력 전압(vb)을 생성하는 제2 합산기(14b)를 포함할 수 있다. 일반적인 2상(a상과 b상) 모터의 전기식은 다음의 식 1과 같다. [식 1] 여기서 va, vb는 모터(200)의 a상 및 b상 입력 전압, ia, ib는 모터(200)의 a상과 b상 전류, R은 모터(200)의 상 저항, L은 모터(200)의 상 인덕턴스, Ke는 모터(20