[논문]PWM 구동방식을 이용한 초음파 모터의 힘/ 토크제어

최병현; 최혁렬

doi:10.22634/ksme-a.2000.24.11.2723

[국내논문] PWM 구동방식을 이용한 초음파 모터의 힘/ 토크제어
Force/Torque Control of Ultrasonic Motor with PWM Driving Method 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.24 no.11 = no.182, 2000년, pp.2723 - 2731

최병현 (성균관대학교 기계공학과 대학원) , 최혁렬 (성균관대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Ultrasonic motors(USM) has been emerging as one type actuators, which possess many advantages such as high torque, low weight, compact size and no magnetic field generation. In spite of these features, there are several problems to be solved, which are temperature rise in case of long term operation, non -linearity, and hysteresis. Among these, hysteresis cause the most serious problem in force/torque control applications. To cope with this paper we propose a new PWM driving method which can be applied to force/torque control applications. To cope with this problem, in this paper we propose a new PWM driving method which can applied to force/torque control of USM. To verify the proposed method, an experimental setup was built and several experiments were performed.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 들은 추후 동력전달의 문제 점을 개선한 직접 구동방식의 역촉감제시기구에 초음파 모터를 액추에이터로 사용하여 초음파 모터의 힘/ 토크 제어의 가능성을 제시하였다.",
본 논문에서는 초음파 모터의 힘/토크 제어를 위한 새로운 방식의 PWM 구동방법을 제시한다. 제안된 방법은 Tomovic 등이 제안한 사버네틱 액추에이터가 갖추어야할 네 가지 조건을 만족하며, 동시에 초음파 모터가 지닌 비선형성을 어느 정도 극복할 수 있었다.
본 논문에서는 기존의 PWM구동방법과는 다른새로운 PWM 구동방법을 제시하고, 이를 PWM/PS (PWM with phase selector)라고 명명하였다. 제안된 PWM/PS 구동방법은 초음파 모터의 특성을 살리기 위하여 시스템의 상태에 따라 적절히 위상을 선택하도록 위상선택기를 도입하였으며, 압전소자의 히스테리시스의 영향을 제거하기 위한 방법으로 PWM 한 주기의 마지막에 자유 상태(Me state)를 추가하였다.
본 연구에서는 새로운 형태의 액추에이터로 마찰력에 의하여 구동되는 초음파 모터의 힘/토크제어를 위한 새로운 방식의 PWM 구동방넙을 제시하였다. 제시된 방법은 위상 선택기로부터 초음파 모터 구동을 위한 위상차를 선택하여 초음파 모터를 구동시켰다.
제시된 방법은 위상 선택기로부터 초음파 모터 구동을 위한 위상차를 선택하여 초음파 모터를 구동시켰다. 또한 PWM 구동시 한 주기의 마지막에 자유상태를 추가하여 회전자와 고정자 간의 마찰력에 의하여 발생되는 히스테리시스 현상을 극복하고자 하였다. 실험을 통하여 제안된 구동방법의 실효성을 보였다.
이들은 시뮬레이션을 통해 On-Off에 의한 모터의 과도응답을 해석하였으며, 모터의 성능을 부하토크와 압전소자의 높이의 함수로 표현하고자 하였다.

가설 설정

따라서 이 기간이 길어지면 초음파 모터의 무토크 상태가 길어지게 되어 초음파 모터의 실제 출력토크가 감소하게 되는 결과를 초래하게 되므로 가급적 짧은 것이 좋다. 본 연구에서는 자유상태의 듀티비는 1%로 설정하였다.

제안 방법

PWM 구동방법을 제시하고, 이를 PWM/PS (PWM with phase selector)라고 명명하였다. 제안된 PWM/PS 구동방법은 초음파 모터의 특성을 살리기 위하여 시스템의 상태에 따라 적절히 위상을 선택하도록 위상선택기를 도입하였으며, 압전소자의 히스테리시스의 영향을 제거하기 위한 방법으로 PWM 한 주기의 마지막에 자유 상태(Me state)를 추가하였다.
어렵다. 따라서 이를 해결하기 위한 방법으로 PWM 한 주기의 마지막에 자유상태(fiee state) 를 추가하는 방법을 제안한다. 추가된 자유상태는 기존연구에서 설명한 바와 같이 압전소자를 제자리에서 진동시키게 되므로, 회전자와 고정자 간의 마찰력을 제거하게 되고, 그 결과 마찰력에 의한 히스테리시스의 영향을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
PWM/PS는 비례적분 제어기(PI)를 기본으로 설계가 되었으며, 제어기의 기준입력 (r) 은 초음파 모터의 지령토크 (command torque)이다. 또한, 개루프에 앞섬 보상기 (FF: feed forward controller)를 추가하여 외란의 영향을 줄이고자 하였으며, 비례 적분 제어기의 출력과 앞섬 보상기의 출력으로부터 초음파 모터(USM)를 구동시키기 위한 듀티비(duty ratio),얻게 된다.
8은 초음파 모터와 링크로 구성된 실험 장치의 사진을 보여주고 있다. 이와 같이 실험 장치를 구성한 이유는 실제 토크를 측정하기 위하여 실험을 수행하고자 하였지만, 초음파모터와 기준 센서를 체결할 경우 여러 가지 문제점이 발생하여 모터에 링크를 부착하여 실험을 수행하게 되었다.
이 장에서는 제안된 구동방법을 사용하여 초음파 모터의 힘/토크 제어를 수행한 결과를 보이고자 한다. 실험 조건으로는 반송주파수 10아Iz의 소프트웨어 PWM을 이용하였으며, 초음파 모터의 제어입력은 매 10 msec 마다 계산이 된다.
제시된 방법은 위상 선택기로부터 초음파 모터 구동을 위한 위상차를 선택하여 초음파 모터를 구동시켰다. 또한 PWM 구동시 한 주기의 마지막에 자유상태를 추가하여 회전자와 고정자 간의 마찰력에 의하여 발생되는 히스테리시스 현상을 극복하고자 하였다.
개발환경으로 SUN 웍스테이션이 사용되었으며, Motolora의 68040 CPU를 탑재한 VME 시스템(MVEM162-222)을 이용하여 모터를 제어하였다. PWM 구동은 소프트웨어를 이용하여 반송주파수 l(X)Hz로 동작하도록 구현하였으며, 실제 모터를 구동시키기 위한 모터구동용 드라이버(USM driver)는 VME 버스시스템을 기 반으로 자체 제작하였다. 모터제어 의 결과로 얻어진 출력은 힘/토크 센서(JR3)를 이용하여 측정을 하였으며, 모터의 변위는 20bit 카운터보드를 이용하여 DIO 보드(digital input/ output board)를 통하여 얻어진다

성능/효과

제시한다. 제안된 방법은 Tomovic 등이 제안한 사버네틱 액추에이터가 갖추어야할 네 가지 조건을 만족하며, 동시에 초음파 모터가 지닌 비선형성을 어느 정도 극복할 수 있었다. 이후 2장에서는 초음파 모터의 구조와 구동원리에 대하여 서술하였으며, 3장에서는 기존에 제안된 PWM 제어방식에 대하여 설명하였다.
이상과 같이 알아본 초음파 모터는 그 구동 방식 자체가 기존의 전자기 모터와 달리 마찰력에 의하여 구동되므로 주변기기에 대하여 전자기잡음을 발생시키지 않는다는 장점을 가지고 있다. 또한, 저속에서 고토크를 낼 수 있으며, 크기가 작고 컴팩트하다는 점 이외에도, 특별히 전원을 공급하지 않더라도 마찰력에 의하여 큰 정지 토크를 낼 수 있다는 장점을 가지고 있다.
4는 이들이 제시한 PWM 구동형태를 보여 _주는 것으로 Tew, Tccw, 그리고 Tst。_{成=1, 2)는 각}각 정전, 역전, 그리고 정지모드를 의미한다. 이들이 제안한 방법 역시 여타의 센서가 필요 없는 개 루프 토크제어 방법을 제공할 수 있으며, 특히 이들은 자신들이 제시한 PWM 구동방법을 이용하여 초음파 모터의 토크맵을 만들고 이를 이용하여 개루프 토크제어가 가능하다는 것을 보였다.
주어진 조건에 의하여 얻어진 힘 응답은 PWM 구동시 한 주기 내에 정전과 역전을 모두 포함하기 때문에 약간의 흔들림을 수반하지만 평균 0.4N을 유지하는 것을 알 수 있다. 그러나, 초음파 모터의 변위의 경우는 토크출력을 얻기 위하여 포함된 정전과 역전의 영향으로 인하여 약 土 1° 정도로 상당히 변화가 심하게 나타나는 것을알 수 있다.
10의 결과와는 다르게 아주 만족스러운 응답을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 따라서 제안된 PWM/PS 구동방법은 초음파모터의 히스테리시스 현상을 제거할 수 있다고 말할 수 있다. 한편, Fig.
또한 PWM 구동시 한 주기의 마지막에 자유상태를 추가하여 회전자와 고정자 간의 마찰력에 의하여 발생되는 히스테리시스 현상을 극복하고자 하였다. 실험을 통하여 제안된 구동방법의 실효성을 보였다.

후속연구

따라서 이를 해결하기 위한 방법으로 PWM 한 주기의 마지막에 자유상태(fiee state) 를 추가하는 방법을 제안한다. 추가된 자유상태는 기존연구에서 설명한 바와 같이 압전소자를 제자리에서 진동시키게 되므로, 회전자와 고정자 간의 마찰력을 제거하게 되고, 그 결과 마찰력에 의한 히스테리시스의 영향을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. Fig.

참고문헌 (14)

Barth, H. V. 1973, 'Ultrasonic driven Motor,' IBM Tech. Disclosure Bull, Vol. 16, No. 7, p. 2263
Sashida, T. and Kenjo, T., 1993, 'An Introduction to Ultrasonic Motors,' Oxford science publications
Hagood, N. W. IV and McFarland, A. J., 1995, 'Modeling of a Piezoelectric Rotary Ultrasonic Motor,' IEEE trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 42, No.2, pp. 210-224

상세보기
Senjyu, T., Yokoda, S. and Uezato, K., 1997, 'A Study on High Efficiency Drive of Ultrasonic Motors,' Procs. of inter. conf. on Power Electronics & Drive System, pp. 365-370
Senjyu, T., Yokoda, S. and Uezato, K., 1997, 'Position Control of Ultrasonic Motors using Slide Mode Control,' IPEMC '97, pp. 388-393
Izuno, Y., Izumi, T., Yasutsune, H., Hiraki, E. and Nakaoka, M., 1998, 'Speed Tracking Servo Control System Incorporating Traveling-Wave-Type Ultrasonic Motor and Feasible Evaluation,' IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 34, No. 1, pp. 126-132

상세보기
Nishihori, K., Ohkuma, S., Eryu, Y. and Sugimoto, T., 1991, 'Velocity Control of Ultrasonic Motors for Robot Arms by Pulse Width Modulation,' Trans. on Japan Society of Mechanical Eng., Vol. 57, No. 6, pp. 166-170
Nishihori, K., Kondo, S., Obata, H. and Ouma, S., 1998, 'PWM Driving Characteristics of Robot hand With Fingers using Vibration-Type Ultrasonic Motors,' Trans. on Japan Society of Mechanical Eng., pp. 1355-1360
Kaneko, M., Sihirara, T. and Tsuji, T., 1995, 'Active Control of Self-locking Characteristic of Ultrasonic Motor,' IEEE Inter. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2928-2929
Noma, H., Miyasato, T., Kitamura, Y. and Kishino, F., 1996, 'Hapitc and Visual Feedback for Manipulation aid in a virtual Environment,' ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Vol. 58, pp. 469-476
Cha, I., Park, H. and Back, H., 1996, 'The Characteristics of Compensation on Temperature of Ultrasonic Motor with Robot Actuator by Fuzzy Controller,' IEEE Can! on Emerging Technologies and Factory Automation, pp. 752-758
최병현, 이규훈, 최혁렬, 1998, '초음파 모터를 이용한 장력 구동방식의 장착형 역촉감 제시기구의 개발,' 로보틱스 제어계측 자동화 종합학술대회 논문집, pp. 216-219
최병현, 최혁렬, 1998, '초음파 모터를 이용한 직접구동방식의 장착형 힘 제시기구의 개발,' 한국자동 제어 학술회의 논문집, pp. 1702-1706
Tomovic, R. and McGhee, R. B., 1966, 'A Finite State Approach to the Synthesis of Bioengineering Control Systems,' IEEE trans. on Human Factor in Electronics, Vol. 7, No. 2, pp. 65-69

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증