In robot operation, a motor with multi-degree of freedom motion control and an encoder for motor control are needed. To perform precise motion, location, and velocity control, the operation of motor and encoder with superior performance is important. In this paper, we studied performance evaluation ...
In robot operation, a motor with multi-degree of freedom motion control and an encoder for motor control are needed. To perform precise motion, location, and velocity control, the operation of motor and encoder with superior performance is important. In this paper, we studied performance evaluation system that can evaluate the performance of motor and encoder. The performance of motor and encoder can be evaluated in terms of disconnection check, signal variation count, and U, V, W signal check. Disconnection check verifies signal connection between a motor and an encoder, signal variation check verifies A, B signal by counting the number of signal A, B when a motor revolves, and U, V, W signal check verifies operating direction of a motor. The result is shown at graphic LCD integrated in system, and can be checked in PC with PC communication.
In robot operation, a motor with multi-degree of freedom motion control and an encoder for motor control are needed. To perform precise motion, location, and velocity control, the operation of motor and encoder with superior performance is important. In this paper, we studied performance evaluation system that can evaluate the performance of motor and encoder. The performance of motor and encoder can be evaluated in terms of disconnection check, signal variation count, and U, V, W signal check. Disconnection check verifies signal connection between a motor and an encoder, signal variation check verifies A, B signal by counting the number of signal A, B when a motor revolves, and U, V, W signal check verifies operating direction of a motor. The result is shown at graphic LCD integrated in system, and can be checked in PC with PC communication.
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문제 정의
본 논문에서는 모터와 엔코더의 성능을 평가 할 수 있는 시스템을 연구하였다. 이 시스템은 모터와 엔코더의 A, #, B, #, Z, #, U, #, V, #, W, #, 신호를 이용하여 CPLD를 이용하여 위의 신호를 검증하고, 150MIPS의 성능을 가지는 고성능 DPS를 이용하여 엔코더의 케이블의 단선 체크, Incremental 신호(A, #, B, #, Z, #) 카운트, Incremental Duty 측정, Commutation 신호 (U, #, V, #, W, #) 카운트 등의 기능을 가지도록하여 모터와 엔코더의 성능을 판단할 수 있도록 하였다.
하지만 이러한 연구들은 프로세서의 성능을 고려하지 않았고, 복잡한 연산 등을 사용해 실제 적용하기에는 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 프로세서의 기능을 최대한 활용하고 성능을 평가할 수 있는 시스템에 대하여 연구하였다.
본 논문은 사용자, 개발자, QC에서 모터와 엔코더를 사용 및 검사함에 있어서 엔코더, 케이블, 드라이버의 불량을 판단하고, 엔코더 신호의 이상 유무를 확인하고, 엔코더 및 케이블의 단선, 단락을 확인하기 위해 모터와 엔코더가 일체형으로 동작하는 드라이버의 성능을 측정하는 성능 평가 시스템을 구현한 논문이다. 일체형 드라이버의 성능 측정은 단선 체크, Incremental 신호 카운트, U, V, W 신호 확인을 통해서 성능을 평가 할 수 있었다.
제안 방법
성능평가 시스템은 모터, 엔코더 신호(A, #, B, #, Z, #, U, #, V, #, W, #)를 CPLD(Complex Programmable Logic Device)로 입력한다. CPLD는 모터 제어 장치와 성능 평가 시스템의 주제어기로 바이패스 시켜, 모터 제어 장치에서 모터를 구동하고, 2.2절의 엔코더 출력신호 필터를 프로그래밍하여 성능 평가 시스템의 주제어기에서 성능을 평가 할 수 있도록 하였다.
U, V, W 신호를 측정하기 위해서 U, V, W 신호를 마이크로 프로세서의 범용 I/O 핀에 연결하고, 내부 타이머를 이용하여 I/O의 변화를 최대 1m동안 측정하여 변화 정보를 저장하도록 하였다. 모터의 정방향 인식은 U, V, W 신호가 120° 위상차를 가지고, 순차적으로 인지되었을 때이다.
역방향 인식은 U, V, W 신호가 그 역순으로 인지되었을 때이고, 6, 5, 4, 3, 2, 1을 차례로 출력하도록 하였다. U, V, W 핀의 접속이 정확히 이루어지지 않았을 경우 출력을 나타내지 않으며 성능 평가 보드에 ERROR를 나타내는 LED가 ON 되도록 하였다.
그리고 성능 평가의 푸쉬 버튼을 사용하여 동작을 선택하고, 그래픽 LCD(320 × 240)로 결과를 출력하기 위해 Atmel 사의 ATmega128을 사용하여 입/출력 동작을 제어하고, 주제어기와 RS-232로데이터 통신이 이루어지도록 하였다.
8과 같이 A, B 신호를 카운트하여 모터의 RPM, 속도를 측정한다. 그리고 타이머 입력 캡처2 기능을 사용하여 클럭의 펄스 폭을 계산하여 신호의 Duty를 측정한다. Duty의 측정 오차는 0.
모터 속도 측정은 모터가 1분동안 회전한 수(RPM) 를 나타내며, 듀티비는 모터의 듀티비를 나타내고, A, B상의 클럭 속도는 ①, ②, ③, ④의 각 구간의 속도를 µs 단위로 나타내고, 에러 내용은 UVW상의 실시간 입력 에러 측정의 결과를 문자열로 출력하도록 하였다.
본 논문에서는 출력 A, B 신호를 상대 신호 상태에 따라 XOR, XOR NOT 연산의 결과를 적용하여 출력하도록 하였다. A, B 신호의 출력 조건은 다음과 같다.
일체형 드라이버의 성능 측정은 단선 체크, Incremental 신호 카운트, U, V, W 신호 확인을 통해서 성능을 평가 할 수 있었다. 본 시스템 구현은 일체형 제어기를 사용해서 모터를 구동하고, 이에 대한 성능 측정을 하기 위해 CPLD를 이용하여 일체형 드라이버의 신호를 일체형 드라이버 제어기와 성능 평가 시스템으로 분리하였고, 성능 평가 시스템의 주제어기로 DSP를 사용하여 동작 속도에 대해 만족하도록 하였으며, DSP의 I/O 포트와 타이머의 입력 캡쳐 모드를 이용하여 신호를 측정하였다. 성능 평가 시스템을 이용하여 일체형 드라이버의 성능의 결과는 성능 평가 시스템에 내장된 그래픽 LCD에 최종 결과만 출력하였고, 실시간 측정 결과는 시리얼 포트를 통해 PC로 전송하여 확인할 수 있도록 하였다.
본 시스템 구현은 일체형 제어기를 사용해서 모터를 구동하고, 이에 대한 성능 측정을 하기 위해 CPLD를 이용하여 일체형 드라이버의 신호를 일체형 드라이버 제어기와 성능 평가 시스템으로 분리하였고, 성능 평가 시스템의 주제어기로 DSP를 사용하여 동작 속도에 대해 만족하도록 하였으며, DSP의 I/O 포트와 타이머의 입력 캡쳐 모드를 이용하여 신호를 측정하였다. 성능 평가 시스템을 이용하여 일체형 드라이버의 성능의 결과는 성능 평가 시스템에 내장된 그래픽 LCD에 최종 결과만 출력하였고, 실시간 측정 결과는 시리얼 포트를 통해 PC로 전송하여 확인할 수 있도록 하였다.
성능 평가 항목은 모터, 엔코더 신호 연결을 확인 할 수 있는 단선체크, 증감형(Incremental) A, B 신호를 계수하여 모터가 1회전을 하면서 발생하는 A, B 신호의 클럭을 계수하고 A, B 신호가 90°의 위상차를 유지 하는지를 확인하는 증감형 A, B 신호 카운트, U, V, W 신호의 순서를 확인하고 동작 방향을 결정하고 출력하는 U, V, W 신호 출력 및 확인 등이다.
9에서와 같이 U, V, W 신호의 동작 파형과 1, 2, 3, 4, 5, 6을 차례로 출력하도록 하였다. 역방향 인식은 U, V, W 신호가 그 역순으로 인지되었을 때이고, 6, 5, 4, 3, 2, 1을 차례로 출력하도록 하였다. U, V, W 핀의 접속이 정확히 이루어지지 않았을 경우 출력을 나타내지 않으며 성능 평가 보드에 ERROR를 나타내는 LED가 ON 되도록 하였다.
본 논문에서는 모터와 엔코더의 성능을 평가 할 수 있는 시스템을 연구하였다. 이 시스템은 모터와 엔코더의 A, #, B, #, Z, #, U, #, V, #, W, #, 신호를 이용하여 CPLD를 이용하여 위의 신호를 검증하고, 150MIPS의 성능을 가지는 고성능 DPS를 이용하여 엔코더의 케이블의 단선 체크, Incremental 신호(A, #, B, #, Z, #) 카운트, Incremental Duty 측정, Commutation 신호 (U, #, V, #, W, #) 카운트 등의 기능을 가지도록하여 모터와 엔코더의 성능을 판단할 수 있도록 하였다.
1은 본 논문에서 구성한 성능 평가 시스템의 구성도를 나타낸다. 이것은 모터, 엔코더 신호와 드라이브 사이의 사이의 A, A, B, B, Z, Z, U, U, V, V, W, W 신호를 CPLD를 이용하여 분리하고, 바이패스시켜, DSP를 사용한 성능 평가 시스템(Encoder Tester)에 인터페이스하여 모터, 엔코더 드라이버의 성능을 평가 할 수 있도록 구성하였다.
이렇나 단점을 개선하기 위해 Ohmae는 ‘M/T’ 법을 제안하였다.
증감형 A, B 신호 계수는 모터가 1회전하면서 발생하는 A, B신호 펄스의 수를 계수하여 엔코더에서 계수한 A, B 신호가 정확한지를 판단할 뿐만 아니라 A, B 신호의 위상 차이를 시간으로 계산하여 90°의 위상 차이를 유지하는지를 판단할 수 있도록 한다.
대상 데이터
본 논문의 실험을 위해 사용된 일체형 드라이버는 (주)LS 메카피온[12]에서 제작된 모터와 엔코더가 일체 Z로 구성된 드라이버를 사용하였으며, 모터의 1회전시 A, B 상에 8000회의 카운트를 측정할 수 있도록 제작된 드라이버이다. 실험 결과 단선 체크는 A, #, B, #, Z, #, U, #, V, #, W, # 신호중 임의로 하나를 분리하여 단선이 되었는지를 확인하였으며, Incremental A, B 신호 카운트는 실험에 사용된 일체형 드라이버의 # 카운트 수를 확인하여 8000회의 카운트가 동작하였음을 알 수 있었다.
성능 평가 시스템의 주제어기는 150MIPS의 성능을 가지는 TI사의 TMS320F2811을 사용하였고, CPLD는 ALTERA사의 EPM7128STC100을 사용하였다. 레벨컨버터는 5V의 모터, 엔코더 신호를 주제어기에서 동작하는 3.
성능/효과
실험 결과 단선 체크는 A, #, B, #, Z, #, U, #, V, #, W, # 신호중 임의로 하나를 분리하여 단선이 되었는지를 확인하였으며, Incremental A, B 신호 카운트는 실험에 사용된 일체형 드라이버의 # 카운트 수를 확인하여 8000회의 카운트가 동작하였음을 알 수 있었다. 마지막으로 U, V, W 신호 출력은 U, V, W의 신호 파형을 오실로스코프에서 측정된 파형과 실제 출력되는 파형을 비교해서 동일한 파형이 측정됨을 알 수 있었다.
실험 결과 단선 체크는 A, #, B, #, Z, #, U, #, V, #, W, # 신호중 임의로 하나를 분리하여 단선이 되었는지를 확인하였으며, Incremental A, B 신호 카운트는 실험에 사용된 일체형 드라이버의 # 카운트 수를 확인하여 8000회의 카운트가 동작하였음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고정주기법과 고정 변위법의 단점은?
반면에 펄스 주기 검출 혹은 ‘T’법으로 알려진 고정 변위법은 엔코더 펄스의 주기를 검출하여 회전속도를 산출한다. 고정주기법과 고정 변위법은 각각 저속과 고속 영역에서 정밀도가 감소하는 단점을 가지고 있다. 이렇나 단점을 개선하기 위해 Ohmae는 ‘M/T’ 법을 제안하였다.
Ohmae가 제안한 M/T법의 장단점은?
이렇나 단점을 개선하기 위해 Ohmae는 ‘M/T’ 법을 제안하였다. 이것은 ‘M’법과 ‘T’법을 조합하여 넓은 범위에 걸친 속도를 정밀하게 검출할 수 있지만, 속도 검출 주기가 가변되는 단점을 가지고 있다[4].
엔코더 출력신호의 단점은?
이 엔코더 출력신호 A, B는 수 십 KHz에서 수 백 KHz의 고조파 디지털 신호이므로 90° 위상차를 가지는 두 신호 사이의 간섭과 함께 전동기 구동용 반도체 전력회로의 스위칭에 의해 발생되는 전자파에 많은 영향을 받으며, 이 엔코더 출력신호는 디지털 신호이므로 노이즈에 취약한 단점을 가지고 있고, 엔코더 출력 펄스를 카운팅하여 계산되는 속도 및 위치 값에 오차를 발생하는 원인이 되기도 한다. 따라서 모터와 엔코더의 성능을 평가하는 연구는 사용자, 개발자, 품질검사에서 모터와 엔코더를 사용 및 검사함에 있어서 엔코더, 케이블, 드라이버의 불량 판단, 엔코더 신호의 이상 유무 확인 그리고 엔코더 및 케이블의 단선, 단락을 확인하기 위해 필요하다.
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