[논문]EHA의 정밀 힘제어를 위한 펌프 속도 제어기의 강인 내부루프 보상

김종혁; 홍예선

doi:10.7839/ksfc.2018.15.4.055

EHA의 정밀 힘제어를 위한 펌프 속도 제어기의 강인 내부루프 보상
Robust Internal-loop Compensation of Pump Velocity Controller for Precise Force Control of an Electro-hydrostatic Actuator 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.15 no.4, 2018년, pp.55 - 60

김종혁 (Aerospace & Mechanical Engineering, Graduate School, Korea Aerospace University) , 홍예선 (Aerospace & Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

Abstract ▼ AI-Helper

Force-controlled electro-hydrostatic actuators have to exhibit high backdrivability, to quickly compensate for force control errors caused by externally disturbed rod movement. To obtain high backdrivability, the servomotor for driving the hydraulic pump, should rotate exactly to such a revolution to compensate for force control errors, compressing or decompressing cylinder chambers. In this study, we proposed a modified velocity control structure, including a robust internal-loop compensator (RIC)-based velocity controller, for the servomotor to improve backdrivability of a force-controlled EHA. Performance improvement was confirmed experimentally, wherein sinusoidal velocity disturbance was applied to the force-controlled EHA, with constant reference input. Its dynamic force control errors reduced effectively, with the proposed control scheme, compared to test results with a conventional motordriver, for motor velocity control.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Configuration of force-controlled EHA
그림 Fig. 2 Conventional velocity control scheme of a servomotor
그림 Fig. 3 Modified structure of motor velocity controller
그림 Fig. 4 RIC-based motor velocity control scheme
그림 Fig. 5 Configuration of backdrivability test system
그림 Fig. 6 Experimental apparatus
표 Table 1 Specifications of experimental apparatus
그림 Fig. 7 Test results of motor velocity control without load
그림 Fig. 8 Cylinder displacement for backdrivability test
그림 Fig. 9 Test results with a reference force of 0N
그림 Fig. 10 Test results with a reference force of 500N

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

여기서 PI 게인의 역할은 쉽게 파악할 수 있으나, 부하가 계속 변하는 경우에 부하관성비를 얼마로 설정해야 적절한지는 매우 애매하며, 부하가 달라질 때 제어기가 적절히 대응하는 지를 각자 분리하여 확인하기도 어렵다. 이러한 문제점을 고려하여 본 논문에서는 속도 제어구조의 변경 및 동적인 외란에 강인한 특성을 보이는 속도 제어기를 다음과 같이 제안하였다.

가설 설정

⁷⁾ 또한 RIC는 설계의 자유도 측면에서 DOB보다 더 유리한 장점이 있다.⁸⁾ 내부루프 보상기가 제대로 기능을 한다면 전체 시스템은 공칭 모델 P_n(s)처럼 동작하게 되므로, 외부루프의 제어기 C(s)는 공칭 모델을 이용하여 설계된다.

제안 방법

5) 따라서 Fig. 3에 표현된 속도 제어기를 Fig. 4와 같이 2-루프 구조로 구성하여, 모터의 속도 제어 성능이 펌프의 부하 압력에 의한 불규칙적인 외란 토크에 대해 강인하도록 하였다. 내부의 보상기 K(s)는 강인내부 루프보상기(Robust internal-loop compensator, 이하 RIC)로 불리며, 외란 또는 모델링 오차에 의해 발생한 실제 플랜트 P(s)와 공칭모델 P_n(s)간의 출력 차이를 상쇄시킴으로써 실제 플랜트가 공칭모델처럼 동작하게 한다.
본 연구에서는 모터드라이버를 속도 제어용이 아닌 토크제어용으로 사용하였고, 서보모터의 속도 제어를 위해 단순 PID 제어기보다 외란에 강인한 RIC 기반의 속도 제어기를 제안하였다.

대상 데이터

부하 실린더의 위치제어와 2절에서 설명한 힘제어 및 피스톤 속도 보상, 3절에서의 모터의 속도 제어, 그리고 센서들의 데이터를 수집하기 위하여 NI 사의 CompacRIO 9035를 이용하였으며, 제어 주기는 1ms이다. Fig.
힘제어 EHA의 성능 개선 여부를 확인하기 위한 비교 대상은 기존과 같이 모터드라이버에 내장된 속도 제어기를 이용한 경우(Fig. 2)와, 본 논문에서 제안한 RIC 기반의 속도 제어기를 이용한 경우(Fig. 3과 Fig. 4)이다. 편의상 전자의 경우를 Case 1으로 후자의 경우를 Case 2로 칭하기로 한다.

이론/모형

식 (10)의 오차 동역학에 대한 안정성은 Lyapunov안정성 이론을 이용하여 분석할 수 있다. 이를 위해 상태변수를 x₁ = #e_n , x₂ = e_n 로 선정하면, 상태 방정식이 식 (11)와 같이 얻어진다.

성능/효과

1) 재난 환경이나 험지같은 비정형 환경에서 보행을 하는 유압구동 로봇의 경우에는 안정적인 보행과 자세 제어를 위해 로봇 관절들이 위치제어와 힘제어 기능을 분담해야 한다.²⁾
2와 같은 제어 구조를 이용한다.4) 힘제어기와 피스톤 속도 보상을 통해 모터에 입력되는 속도 명령 신호(w_d)는 모터 드라이버에 내장된 속도 제어기로 입력되어 토크 명령 신호를 만들고, 토크 명령 신호에 의해 모터의 구동 토크가 발생하도록 전류 제어기는 모터의 아마추어 코일에 흐르는 전류를 제어한다. 속도 제어기에서 일반적으로 사용자가 조정할 수 있는 것은 모터의 모델 기반 제어를 위해 필요한 부하관성비와 PI 게인이다.
내부의 보상기 K(s)는 강인내부 루프보상기(Robust internal-loop compensator, 이하 RIC)로 불리며, 외란 또는 모델링 오차에 의해 발생한 실제 플랜트 P(s)와 공칭모델 P_n(s)간의 출력 차이를 상쇄시킴으로써 실제 플랜트가 공칭모델처럼 동작하게 한다.⁶⁾ RIC는 일반적으로 알려져 있는 외란관측기(Disturbance observer, DOB)와 사실상 동일한 수학적 구조를 가지므로 저주파수 영역에서 단순 PID 제어기는 구현할 수 없는 우수한 외란 제거 성능을 나타낸다.⁷⁾ 또한 RIC는 설계의 자유도 측면에서 DOB보다 더 유리한 장점이 있다.
⁶⁾ RIC는 일반적으로 알려져 있는 외란관측기(Disturbance observer, DOB)와 사실상 동일한 수학적 구조를 가지므로 저주파수 영역에서 단순 PID 제어기는 구현할 수 없는 우수한 외란 제거 성능을 나타낸다.⁷⁾ 또한 RIC는 설계의 자유도 측면에서 DOB보다 더 유리한 장점이 있다.⁸⁾ 내부루프 보상기가 제대로 기능을 한다면 전체 시스템은 공칭 모델 P_n(s)처럼 동작하게 되므로, 외부루프의 제어기 C(s)는 공칭 모델을 이용하여 설계된다.
모터의 속도 제어 성능을 비교하는 실험에서 본 논문에서 제안한 방식을 적용함으로써 속도 명령 신호와 실제 모터의 속도 간에 발생하는 시간 지연을 줄여 모터의 속도 제어 오차를 크게 감소시킬 수 있었다. 또한 힘제어 EHA를 역구동시키는 실험을 통하여, 기존 모터드라이버의 속도 제어기를 이용했을 때보다 모터의 속도 제어 성능이 향상됨으로 인해 EHA의 힘제어 오차가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
모터의 속도 제어 성능을 비교하는 실험에서 본 논문에서 제안한 방식을 적용함으로써 속도 명령 신호와 실제 모터의 속도 간에 발생하는 시간 지연을 줄여 모터의 속도 제어 오차를 크게 감소시킬 수 있었다. 또한 힘제어 EHA를 역구동시키는 실험을 통하여, 기존 모터드라이버의 속도 제어기를 이용했을 때보다 모터의 속도 제어 성능이 향상됨으로 인해 EHA의 힘제어 오차가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 모터드라이버에 내장된 속도 제어기 대신에 강인 내부루프 보상기를 추가한 2-루프 구조의 PI 방식 속도 제어기를 제안하였으며, 모터드라이버에 내장된 속도 제어기를 이용했을 때보다 역구동 조건에서 EHA의 힘제어 특성이 개선되는 것을 실험으로 확인하였다.
이때 힘제어 EHA는 부하 실린더에 의한 유량 외란으로 인해 힘제어 오차가 발생하며, 이를 보상하기 위해 서보모터가 펌프를 회전시킨다. 이 과정에서 발생하는 힘제어 오차를 측정함으로써 힘제어 EHA의 역구동 성능을 확인할 수 있으며, 제어 오차가 작을수록 EHA의 힘제어 성능이 좋음을 의미한다. 힘제어 오차는 펌프를 구동하는 서보모터가 힘제어 오차를 보상하기 위해 빠르고 정확하게 반응할수록 줄어든다.
10a에서도 힘제어 오차는 여전히 Case 2의 경우가 Case 1의 경우에 비해 더 작음을 알 수 있다. 이는 펌프에 작용하는 부하 압력에 의한 토크 외란이 있는 상태에서도 본 논문에서 제안한 모터의 속도 제어기가 강인성을 유지하고 있음을 보여준다.
9b에서 힘제어기와 피스톤 속도 보상을 통해 모터로 입력되는 속도 명령 신호에 대하여 Case 2의 속도 제어 오차가 Case 1보다 감소되었기 때문이다. 즉, 서보모터의 속도 제어 성능이 향상됨에 따라 EHA의 응답속도가 높아졌고, 이로 인해 EHA의 힘제어 성능이 개선된 것이다.

후속연구

본 연구 내용은 힘제어 EHA뿐 아니라 속도 제어용 서보모터를 이용한 제어시스템의 동적 응답속도를 개선하기 위하여 다양하게 적용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정유압구동기(EHA)의 단점은 무엇인가?	정유압구동기(EHA)는 밸브제어방식 유압구동기보다 동력손실을 줄일 수 있지만, 펌프와 모터의 회전 관성으로 인해 응답 속도가 상대적으로 느린 단점을 지닌다.3) 따라서 EHA는 빠른 동특성이 요구되지 않는 로봇 관절에만 적용될 수 있는 한계가 있다.
	비정형 환경에서 보행하는 유압구동 로봇은 왜 관절들이 위치제어와 힘제어 기능을 분담해야 하는가?	무게/부피 대비 출력이 높은 유압구동기를 고출력이 요구되는 로봇 관절에 적용하는 시도가 최근 활발하게 소개되고 있다.1) 재난 환경이나 험지같은 비정형 환경에서 보행을 하는 유압구동 로봇의 경우에는 안정적인 보행과 자세 제어를 위해 로봇 관절들이 위치제어와 힘제어 기능을 분담해야 한다.2)
	본 실험에서 외란 제거 효과가 미흡한 점을 보완하기 위한 방법은?	5) 따라서 Fig. 3에 표현된 속도 제어기를 Fig. 4와 같이 2-루프 구조로 구성하여, 모터의 속도 제어 성능이 펌프의 부하 압력에 의한 불규칙적인 외란 토크에 대해 강인하도록 하였다. 내부의 보상기 K(s)는 강인내부 루프보상기(Robust internal-loop compensator, 이하 RIC)로 불리며, 외란 또는 모델링 오차에 의해 발생한 실제 플랜트 P(s)와 공칭모델 Pn(s)간의 출력 차이를 상쇄시킴으로써 실제 플랜트가 공칭모델처럼 동작하게 한다.

참고문헌 (8)

J. S. Cho, "A Study of Hydraulic Actuator Based On Electro Servo Valve For A Walking Robot", Journal of Drive and Control, Vol.13, No.2, pp.26-33, 2016.
T. Boaventura et al., "On the Role of Load Motion Compensation in High-Performance Force control", 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp.4066-4071, 2012.
J. H. Kim and Y. S. Hong, "Comparison of Force Control Characteristics Between Double-Rod and Single-Rod Type Electro-Hydrostatic Actuators (I): Tracking Performance", Journal of Drive and Control, Vol.14, No.4, pp.9-16, 2017.
MITSUBISHI ELECTRIC, MR-J4-_A Servo Amplifier Instruction Manual, pp.6/1-6/23, 2012.
N. S. Nise, Control Systems Engineering 5th Ed., John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, pp.333-340, 2008.
B. K. Kim et al., "Robust Internal Loop Compensator Design for Motion Control of Precision Linear Motor", Proc. IEEE Int. Symp. Industrial Electronics, pp.1045-1050, 1999.
B. K. Kim and W. K. Chung, "Design of Robust Motion Controllers with Internal-loop Compensator", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol.25, No.10, pp.1501-1513, 2001.
S. K. Yoo et al., "Development of rotary hydroelastic actuator with robust internal-loop-compensatorbased torque control and cross-parallel connection spring", Mechatronics, Vol.43, pp.112-123, 2017.

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