KR100873237B1 - 디지털 제어 서보 시스템 - Google Patents

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Abstract

다이나믹 레인지를 확장하고 해상도를 높이기 위하여 디지털 처리를 이용하는 갈바노미터, 스캐너 및 이와 유사한 장치에 사용되는 개선된 서보 시스템을 제공한다. 이 시스템은 여기에 직접적으로 영향을 미치는 기준점을 디지털로 제어하여 회로의 이득에 직접 영향을 미치게 한다. 다이나믹 레인지를 최적화하기 위하여 고해상도 및 저해상도 전환 경로가 제공된다. 광각 토크 보상에 의하여 광각에서 0으로부터의 편차에 대한 응답의 균일성이 향상된다. 개선된 열보호에 의하여, 시스템의 열제한 부근에서의 안정한 동작이 보장된다. 그래픽 사용자 인터페이스에 의하여, 입력 조건 또는 사용자 제어에 의한 튜닝을 위한 회전속도에 대한 응답의 조정 및 변경이 허용된다.

Description

디지털 제어 서보 시스템{DIGITAL CONTROL SERVO SYSTEM}
본 출원은 2000년 9월 21일에 출원되어 계류중인 미국 가출원 일련번호 제60/234,405호에 관련된 것이며, 상기 가출원의 모든 권리의 우선권을 주장한다.
본 발명은 광스캐닝 장치에 사용하기 위한 개선된 서보 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로 말해서, 내장 프로세서와 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 설정도구에 의하여 디지털 서보 제어가 행하여지는 광스캐닝 시스템에 사용하기 위한 서보 시스템에 관한 것이다.
서보 시스템은 임의의 출력 변수(들)가 임의의 입력 변수(들)를 추종(track)하도록 하는 제어 시스템이다. 종래의 서보 시스템에서는 아날로그 방식의 서보 회로 및 처리 기술을 채택하여 왔다. 이러한 시스템에서는 "PID"(Proportional Integrator Derivative: 비례 적분 미분) 제어 알고리즘을 사용하기도 하는데, 이 알고리즘에 의하면 에러신호가 제어신호에 영향을 미치게 된다.
디지털 센서와 처리 기술은 보편화, 저비용화되고 있으며, 많은 알고리즘 서보 회로가 디지털 장치로 교체되고 있다. 디지털 서보 회로와 디지털 처리는 아날로그 방식(analog scheme)에 대하여 많은 이점을 갖는다. 즉, 디지털 방식에 의하면, 아날로그 시스템에 비하여, 적응성(flexibility) 및 안정성(stability)이 더 좋다. 또, 디지털 회로는 소형화가 가능하고 열손실이 적다는 등의 많은 이점이 있다.
스캐너 및 갈바노미터(galvanometer) 서보 시스템은 다양한 응용장치에 이용되어 왔다. 이들 시스템을 디지털 토폴로지에 적용하는 것은 늦어지게 되었는데, 이는 기존의 설계로는 조악하고 신뢰성에 문제가 있었기 때문이다. 또, 통상적인 스캐너 동작에는 현존하는 아날로그 서보 설계로 매우 높은 다이나믹 레인지(dynamic range)를 달성해야 할 필요가 있다. 결국, 이들 시스템에서 아날로그 위치 피드백(position feedback) 장치을 사용하게 됨으로써, 아날로그 서보 시스템을 계속해서 사용하게 되는 것이다.
디지털 회로를 서보 시스템에 효과적으로 적용하고 디지털 처리 기술을 향상시키기 위한 많은 시도가 있어 왔다. 그러나, 이러한 많은 시도에도 서보 처리가 전체적으로 이루어지는 동안에는 충분한 해상도를 제공하지 못하고 있다. 이하 몇가지 예를 든다.
베이커(Baker) 등에 의한 미국특허 제4398241호에서, 연산수단은 서보를 제어하고 피드백 신호를 처리한다. 위치 신호 및 속도 신호가 컴퓨터에서 처리되어 상기 기술한 회로에 의하여 서보로 전달된다.
베이커 등에 의한 미국특허 제4282468호에 개시되어 있는 서보 피드백 시스템에서, 피드백 신호는 좌표변환기 디지타이저 회로(resolver digitizer circuit)에서 생성된다. 이 좌표변환기 디지타이저 회로는 그 피드백 신호에 대응하는 펄스를 생성한다. 이 디지털 에러신호는 디지털/아날로그 변환기로 공급되어 서보에 인가된다. 이 과정에 디지털 처리 기술을 수반함으로써 더 정확한 응답이 이루어진다는 이점이 있다.
리드/래그 적분기(lead/lag integrator)를 구비한 디지털 서보 위치설정 시스템이 에반스(Evans)에 의한 미국특허 제4893068호에 개시되어 있다. 이 위치설정 제어 시스템의 적분기는 피드백 루프와 병렬로 위치하고, 이 적분기에 의하여 경로추종이 이루어지는 동안의 속도 에러와 정지상태 및 이동상태 동안의 위치 에러를 전환하는 것이 가능하게 된다.
다이나믹 레인지를 확장하고 해상도를 더 향상시킨 서보 시스템이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 디지털 처리 기술에 의하여 적절한 아날로그 커맨드 및 위치 피드백 신호와 함께 작용하여 광스캐너 동작의 다이나믹 레인지와 해상도를 더 향상시킨 서보 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개별적으로 디지털화된 커맨드 및 위치 피드백 신호외에도 아날로그 에러신호를 디지털화하는 것이다. 특히, 본 발명은 2중 해상도 방식을 채택한다. 고해상도 경로는 낮은 에러 조건하에서 이용이 가능하고, 저해상도 시스템은 더 높은 에러 조건하에서 이용이 가능하다. 이로 인해, 해상도와 다이나믹 레인지가 더 효과적으로 된다.
본 발명의 또 다른 목적은 서보의 완전한 다이나믹 레인지가 시야각의 모든 부분에 계속해서 적용되도록 하는 것이다. 이를 달성하기 위하여, 센서의 이득과 센서 처리회로의 이득 및 오프셋은 디지털 제어하에서 변경된다. 또한, 스캐너 위 치의 극단에서 감소된 토크 상수(torque constant)를 위한 보상이 제공된다.
본 발명의 또 다른 목적은 서보 시스템 동작 알고리즘과 상기 기술된 파라미터를 실시간으로 온라인 튜닝(tuning)하는 것이다. 시뮬레이트된 아날로그 표시 및 입력을 갖는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 내장 디지털 프로세서를 통하여 시스템 파라미터를 측정 및 변경하기 위한 단순한 오퍼레이터 인터페이스 툴을 제공하는데 이용된다.
본 발명의 또 다른 목적은 내장 프로세서내에 동작 파라미터의 다중의 "튠(tune)"과 세트를 저장하여, 내부 상태 및/또는 외부 커맨트에 따라 실시간으로 튠간의 전환(switching between tunes)을 허용하는 것이다. 튠은 이를 설명하는 변수들뿐만 아니라 서보 알고리즘으로 구성된다. 튠의 변경은 현재의 알고리즘과 함께 사용하기 위한 변수로 변경하거나, 완전하게 새로운 알고리즘을 동일한 또는 새로운 변수로 교체하는 것으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 시스템은 래스터 파형 및 콰이어터(quieter)의 귀선기간 동안의 고대역폭 튠과, 전방 스캔 기간 동안의 저대역폭 튠을 가지도록 명령이 주어질 수 있다. 다른 예로서, 레이저 마킹 애플리케이션을 제어하기 위하여, 하나의 튠이 원활하고 제어가 양호한 모션을 제공하는 마킹을 위하여 이용될 수 있고, 다른 튠이 가장 빠른 속도 및 정지 시간을 제공하는 마크간의 점프를 위하여 이용된다. 크고 삽입된 모양 또는 문자를 마킹할 때, 하나의 튠은 모션이 매끄럽고 잘 제어된 윤곽을 마킹하는데 이용될 수 있으며, 다른 튠은 내부를 고속으로 채우는데 이용된다. 다른 예로서, 시스템은 위치를 벗어난 오버포지션(overposition)이나 잘려짐을 나타내는 클리핑(clipping)을 출력 증폭기에 의하여 검출함에 따라 그 튠을 변경할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 스캐너 전류와 열 파라미터로부터 피크 코일 온도를 계산하고 이 계산된 값을 스캐너에 있는 센서로부터 판독한 기준온도와 조합함으로써 회전자 자석 열 마진을 모니터링하기 위한 실시간 스캐너 성능을 제공하는 것이다. 내장 센서와 전류의 열 모델(thermal model)에 의하여 주위온도와 코일 전류 가열을 고려하여 스캐너의 열 극한값에 가깝게 장치를 계속하여 동작시킬 수 있다.
본 발명의 다른 목적과 이점은 이하의 상세한 설명으로부터 당업자라면 명백하게 알 수 있을 것이며, 본 명세서에는 본 발명을 실시하는데 최적이라고 생각되는 본 발명의 바람직한 실시예만을 기술하고 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 실현될 수 있는 바와 같이, 본 발명은 다른 상이한 실시가 가능하며, 그 상세한 설명들은 다양한 명백한 특징으로 변형이 가능하고 이 모든 것이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다.
본 발명은 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명에 의하여 충분히 이해할 수 있을 것이다.
도 1A는 피드백 회로로 아날로그 입력, A/D 변환기 및 D/A 변환기를 이용하여 디지털 에러신호를 갖는 종래의 아날로그 서보 회로소자를 나타낸 블록도.
도 1B는 종래의 디지털 서보 회로소자를 모두 나타낸 블록도.
도 2는 서보 회로에서 고해상도/저해상도 디지털 에러 전환을 나타내는 본 발명의 바람직한 실시예의 개략도.
도 3은 위치와 에러신호를 래스터 스캔으로 나타낸 그래프.
도 4A는 종래의 위치 검출기 회로를 나타낸 개략도.
도 4B는 도 4A의 위치 검출기 회로를 이상적으로 나타낸 도면.
도 5A는 센서 이득, 차동 증폭기 및 이득부를 조정하기 위한 조정 가능한 기준전압과 회로 이득을 조정하기 위한 조정 가능한 오프셋 전압을 갖는 서보 회로의 바람직한 실시예를 나타낸 기능 개략도.
도 5B는 도 5A의 회로의 차동 증폭기부의 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 5C는 도 5A의 회로의 차동 증폭기부의 제2 실시예를 나타낸 도면.
도 5D는 도 5A의 회로의 차동 증폭기부의 제3 실시예를 나타낸 도면.
도 6은 디지털부에 선택 가능한 알고리즘을 갖는 서보 회로의 광각 보상 실시예를 나타낸 도면.
도 7A는 써미스터를 갖는 스캐너 장치의 물리적인 측면을 나타낸 도면.
도 7B는 도 7A의 실시예의 스캐너 장치 열 모델의 전기적 등가회로를 나타낸 도면.
도 8은 광스캐너 장치를 위한 디지털 제어식 서보 시스템의 바람직한 실시예에서 본 발명의 구성요소를 개략적으로 나타낸 도면.
도 9는 그래픽 사용자 인터페이스로 전문가 수준의 튜닝을 나타낸 스크린 샷.
도 10은 도 9의 그래픽 사용자 인터페이스로 애플리케이션 수준의 튜닝을 나타낸 스크린 샷.
도 11은 도 9의 그래픽 사용자 인터페이스의 노치 필터 튜닝 윈도우(notch filter tuning window)를 나타낸 스크린 샷.
도 12는 도 9의 그래픽 사용자 인터페이스의 튠 매트릭스에서 튠간의 경로를 화살표로 나타낸 스크린 샷.
도 13A 및 13B는 도 9의 그래픽 사용자 인터페이스를 이용하여 튠 선택을 위한 5비트 워드 구성과 기호 의미를 나타내는 도면.
본 발명은 이하에 기재하고 있는 바람직한 실시예를 포함한 많은 실시예를 가질 수 있다. 상황에 따라 종래기술을 참조하여 설명한다. 도 1A 및 1B는 종래의 서보 피드백 시스템 장치를 나타낸다. 현재의 서보 피드백 구조에는 기본적으로 2가지 형태가 있는데, 좌표변환기의 형태를 갖는 아날로그 시스템과 암호화기의 형태를 갖는 디지털 피드백 시스템이 있다. 도 1A는 아날로그 위치 피드백 서보 시스템 장치를 나타내며, 이 장치에서 아날로그 커맨드 및 위치 피드백 신호는 A/D 변환기(10) 및 D/A 변환기(40)에 의하여 개별적으로 디지털화된다. 다음으로, 에러(error)는 가산기호(30)로 표시되어 있는 상기 2개의 디지털화된 값의 산술 합계이며, 시스템 프로세서에 의하여 이러한 가산 기능이 수행된다. 도 1B는 디지털 커맨드 및 디지털 위치 피드백 신호가 가산되어 디지털화된 에러신호를 생성하는 디지털 피드백 서보 시스템 장치가 도시되어 있다.
도 2에는, 본 발명의 바람직한 실시예가 기능적 개략도로 도시되어 있다. 서보 시스템은 스위치로 선택 가능한 저해상도/고해상도 회로를 이용하며, 이 회로에서는 개별적으로 디지털화된 아날로그 커맨드 및 위치 피드백 신호의 산술적 합을, 아날로그 신호를 디지털화하여 합한 디지털 에러신호로서 이용할 수 있다. 아날로그 가산 회로장치(130)는 고정이득 또는 가변이득 K를 가져, 더 높은 해상도 에러신호를 제공하게 되는데, 이 신호는 A/D 변환기(140)에서 디지털화되어 고해상도의 디지털 에러신호(1)를 생성하게 된다. 저해상도 에러신호(2)는 A/D 변환기(160)에서 아날로그 커맨드 신호(100)를 변환시키고 A/D 변환기(170)에서 아날로그 위치 피드백 신호(110)를 변환시켜, 그 변환된 값들을 가산기호(180)로 표시된 장치에서 가산함으로써 생성된다. A/D 변환기(140)가 포화상태로 됨에 따라 에러가 커지면 에러신호 출력의 선택을, 고해상도 신호(1)로부터 저해상도 신호(2)로 스위치(150)에 의하여 자동적으로 변경한다. 이것은 변환기(140)의 출력 신호값이 그 양의 극한값 또는 음의 극한값에 도달하게 될 때에 정해지는 조건이다. 에러신호 선택은 서보 시스템 프로세서 및 소프트웨어하에서 상기 조건이 완화되면 고해상도 신호(1)로 다시 복귀하게 된다. 가산기호(180)와 스위치(150)와 같은 회로의 디지털 기능은 내장된 시스템 프로세서 및 컴퓨터 코드에서 실행된다.
이러한 고해상도/저해상도 에러신호 특성의 이용을 나타내기 위하여, 통상적인 래스터 스캔 파형이 도 3에, 스캐너 모션의 사이클에 대하여 위치신호 SP 및 에 러신호 SE 로 도시되어 있다. 에러신호는 서보가 T0 에서 T1 까지에서 저속 조건, 소위 전방(forward) 스캔 상태에서 동작하는 동안에는 작다. 그 반대의 경우, 즉 T1 에서 T2 까지의 귀선(flyback) 상태 동안에는 에러신호는 속도가 커짐에 따라 증가한다. 도 2에서 설명한 고해상도 에러신호와 저해상도 에러신호간의 전환은 이득 회로(130)로부터 제공되는 에러신호가 A/D 변환기(140)의 한계를 초과할 때 행하여진다. 다음으로, 스위치(150)는 저해상도 에러신호(2)로 전환시킨다. 이미 설명한 바와 같이, 이러한 전환은 A/D 변환기(140)가 포화상태가 될 때만 이루어지며, 파형의 주파수 및 진폭과 회로의 튜닝 방식 등의 변수들에 대하여 함수관계를 갖는다.
종래기술인 도 4A에는 스캐너내의 위치 검출기의 단순화한 개략도가 도시되어 있다. 이러한 타입의 위치 검출기는 산업상 편재해 있으며, 예컨대 로어(Rohr)의 미국특허 제4864295호 및 다우드(Dowd)의 미국특허 제5537109호에 개시되어 있다. 여기전압(excitation voltage) E는 오실레이터에 연결되어 있다. 스캐너 가동장치는 스캐너의 위치를 검출하는데 이용되는 전류를 변조시키는 플레이트를 갖고 있다. 이 스캐너 위치 검출기는 도 4B에 도시된 바와 같이 2개의 전류원을 갖는 것이 이상적이 될 수 있다. POS+ 전류와 POS- 전류는 여기전압 E와 스캐너 각위치(angular position, θ)와 함수관계를 이룬다. 여기전압의 레벨은 POS+ 신호와 POS- 신호의 크기에 직접적으로 영향을 미치기 때문에, 주어진 각위치에 대하여, 여기전압을 증가시키면 POS+ 전류와 POS- 전류도 증가하고 이들 전류간의 차도 증가하게 된다.
상기 인용된 특허문헌에는 합/차 검출기 아키텍처(sum/diffirence detector architecture)도 개시되어 있다. 여기에서의 서보 시스템의 회로는 POS+ 전류와 POS- 전류간의 차를 계산할 뿐만 아니라 그 합도 계산한다. 이 회로는 POS+ 전류와 POS- 전류의 합을 임의의 기준전압 Ref와 비교하고, 여기전압 E를 조정하여 상기 전류들의 합과 기준전압 Ref가 동일하게 유지되도록 한다.
본 발명의 고유의 특징 중 하나는 상기와 같은 기준전압 Ref의 조작에 있다. 바람직한 실시예로서, 디지털 제어하에서 D/A 변환기에 의하여 기준전압 Ref를 정함으로써, 여기전압의 디지털 제어에 의하여 센서 이득의 디지털 제어가 가능하게 된다. 바람직한 실시예로서, 상기 이득은 10 이상의 인자에 의하여 변경이 가능하기 때문에, 다이나믹 레인지를 종래기술의 시스템에서 보다 더 완전하게 할 수 있다.
도 5A에 도시된 서보 회로의 바람직한 실시예를 참조하여 보면, 전류원(200, 210)이 각각 상호컨덕턴스 증폭기(220, 230)에 접속되고, 이들 상호컨덕턴스 증폭기는 각각 전압 신호(221, 231)를 출력한다. 이들 2개의 전압신호들간의 차가 차동 증폭기(250)에서 결정되어 스캐너 위치가 표시되는데, 이 차동 증폭기의 이득 K는 조정이 가능하다. 시스템 프로세서 및 컴퓨터 코드의 디지털 제어하에서의 오프셋 신호 전압은 D/A 변환기(251)를 통하여 인가되고, 가산노드(252)를 통하여 시 스템의 영점(zero point)을 조정한다.
차동 증폭기(250)와 오프셋 가산노드(252)는 다양한 형태로 구현이 가능하다. 예를 들어, 도 5B는 가변 저항기(240, 260)가 동시에 동작하거나 동일한 값으로 동시에 변경되어 이득 K를 조정하는 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 5C는 저항기(241)가 이득 K를 조정하기 위하여 가변으로 구성된 다른 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 5D는 이득 K를 조정하기 위하여 저항기(242)가 가변으로 구성된 또 다른 바람직한 실시예를 나타낸다. 도 5B, 5C 또는 5D에서, 가변 저항기는 디지털로 가변될 수 있는 저항기이거나 디지털로 제어되는 스위치가 있는 고정 저항기가 될 수 있다. 그 외의 다른 구성은 다른 일반적인 서보 응용장치에서의 일반적인 구성이다. 예를 들어, 실시예들은 Analog DeviceTM AD8400(상표나 제품표시에 대해서는 권리화하지 않음)의 디지털로 제어되는 가변 저항기를 이용하여 구현이 가능하다.
도 5A를 다시 참조해 보면, 양의 위치 전압신호와 음의 위치 전압신호는 저항기 회선망(280)을 통하여 가산되고, 가산된 신호가 연산 증폭기(290)에 의하여 디지털로 제어된 기준신호 Ref와 비교된다. 이 연산 증폭기는 위치 검출기의 여기전압 E를 조정하여 그 가산한 값이 기준전압과 동일하도록 유지시킨다.
요컨대, 시스템 프로세서 및 컴퓨터 코드를 이용하여 여기전압 E를 제어하는 기준신호 Ref를 디지털로 제어함으로써, 센서의 이득을 제어하게 된다. 또한 센서에 연결된 전자기기의 이득도 제어하게 된다.
도 6은 스캐너 각위치에 의한 토크 상수의 변화를 보상하는 본 발명의 다른 특징을 나타낸다. 통상적으로 정류된 회전 DC 모터를 위한 서보 시스템을 설계할 때, 코일 전류와 발생된 토크간의 관계는 회전자의 위치에 무관하게 일정하다고 가정하는 것이 합리적이다. 그러나, 제한된 각을 갖는 비정류식 갈보(galvos)의 경우에는 이것이 적용되지 않는데, 이러한 갈보는 단위 전류당 토크가 광각에서 조금 감소한다. 광각 보상에 의하면, 도 6에 도시된 것과 같이 이러한 토크의 손실을 보정하기 위하여 광각에서 출력 제어 작용력(output control effort), 즉 전압이 높아지게 된다. PID 및 커맨드 피드포워드(feedforward) 서보 제어(300)의 결과는 일반적으로 D/A 변환기(310)에 직접 전달될 것이며, 이 변환기는 갈보모터(galvo motor)에 결합된 증폭기(320)를 구동시킨다. 본 발명에서, 승압인자(330)는 A/D 변환기(326)의 디지털 출력으로부터 보상 연산기(compensation calculator: 328)에서 아날로그 위치 피드백 신호로부터 디지털로 연산되고, 이 값이 승산기(340)에 제공된다. 토크 상수 편차를 각(angle)으로 보상함으로써, 시스템 응답은 모든 각도에서의 동작이 거의 균일하게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예의 다른 변형예가 도 7A 및 7B에 도시되어 있으며, 여기에서는 열 모델(thermal model)의 전기적 아날로그형과 스캐너의 그래픽 측면을 나타낸다. 스캐너는 임계온도 문턱값을 갖는다. 대략 100-120℃의 최대온도에서, 재료에 따라, 자석은 자성을 잃은 비자화상태로 될 것이며, 시스템은 사용하지 못하게 된다. 따라서, 스캐너 온도를 모니터링할 수 있으며 필요할 때 스캐너를 보호하기 위하여 서보를 중지시킬 수 있는 시스템이 필요하다. 이상적으로는, 자석표면의 순간 온도가 가장 유용한 측정값이 될 것이다. 실용적인 목적을 위하여, 코일 온도는 가동 자석형 스캐너에서 자석 온도를 반영하는 가장 정확한 값이 된다.
도 7A에 도시된 바와 같이, 가동 자석형 스캐너는 자석(70), 한쌍의 코일(60) 및 고정자(50)를 구비한다. 본 발명에 따르면, 열전쌍 또는 써미스터(80)는 고정자에 밀착 결합되어 고정자 온도를 추종하게 된다.
RMS 전류제한 기능을 채택하는 것은 본 기술분야에 공지되어 있으며, 이는 코일 전류(I)를 피크 온도로 단순히 변환시키는 것이다. 종래의 시스템은 공식(I2ㆍRcoil)을 이용하여 시스템에 입력되는 순간의 열을 계산한다. 이 값이, 시간 상수가 스캐너의 열 시간 상수에 대응하는 적분기에서 조합되고, 코일 시스템의 열 상승이 기준온도 이상이 되면 이것이 단순하게 표시될 뿐이다.
그러나, 종래의 시스템은 자체의 기준온도를 인지하지 못한다. 따라서, 종래의 방법에 의하면, 실제 온도보다 더 높은 온도를 갖는 것으로 판단하여 시스템의 이용 가능한 열 마진을 낮추거나, 실제 온도보다 주위 온도가 더 낮다고 판단하여 시스템을 과열시킴으로써 파손시키게 된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 고정자의 온도는 써미스터에 의하여 측정되며, 이 온도값이 기준온도로서 이용된다. RMS 모델은 상기 기준온도 이상의 코일 온도 변화를 계산하여, 훨씬 더 신뢰성 있는 실제 코일 온도의 자료를 제공한다. 도 7B에 도시된 열 모델의 전기적 아날로그형에서, 열은 전류에 대응하고, 온도는 전압에 대응하며, 코일 및 고정자의 열저항값은 저항에 대응한다.
가동 코일 스캐너에서, 본 발명은 과열로 인한 파손으로부터 코일을 보호하기 위하여도 이용될 것이다.
도 8은 갈바노미터 광스캐너 장치를 위한 디지털 제어 서보 시스템을 구현한 본 발명의 많은 구성요소를 개략적으로 나타내고 있다. 특히, 상기 기술된 저해상도/고해상도 에러 스위치(400)와 광각 보상기(410)가 도시되어 있다. 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 구현에 의하면, 커맨드 피드포워드(450) 알고리즘을 갖는 2차원[또는 "에러 비례"(error proportional), "속도"(speed), 즉 제0 타입]의 PID[비례기(420)-적분기(430)-미분기(440)]와 3차원(또는 "위치 비례", "정확성", 즉 제1 타입)의 PID 알고리즘뿐만 아니라 노치 필터(460)를 지원한다. 다른 알고리즘도 가능하다. 예를 들어, 도 8에 도시된 미분 블록(440)은 2차원 튠(tune) 및 3차원 튠을 위한 입력으로서 디지털화된 위치 피드백을 가지며, 에러를 2차원 튠을 위한 입력으로 사용할 수도 있다.
도 9 내지 도 13에는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 몇개의 스크린이 도시되어 있으며, 이 그래픽 사용자 인터페이스는 당업자가 아날로그 서보 시스템의 그래픽 사용자 인터페이스와 동일하게 사용할 수 있도록 설계되어 있다. 이 GUI는 개인용 컴퓨터 또는 다른 범용 컴퓨터 및 키보드로 동작되며, 서보 장치의 내장 제어 프로세서와 인터페이스하고 스캐너의 동작을 프로그래밍하기 위한 설정장치이다. 연속 가변형 마우스 제어식 슬라이더는 아날로그 시스템의 전위차계와 매우 유사하게 동작하고, 많은 동일한 기능을 수행한다. 노치 필터와 광각 보상과 같은 다양한 선택적 특징이 가능하도록 박스(boxes)가 검사될 수 있다. GUI는 사용자의 의도와 튠 알고리즘(tune algorithm)의 필요에 따라 다중의 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 9는 대규모의 제어 세트와 2차원 튠 알고리즘을 위한 제어를 갖는 "전문가" 구성을 나타낸다. 일단 서보 장치가 프로그래밍되면, GUI는 더 이상 필요하지 않다.
도 10은 간단하게 나타내기 위하여 일부 옵션이 제거되어 있는 보다 제한된 구성을 도시하고 있다. 도시된 구성은 3차원 튠 알고리즘에 대한 것이다. 도 9의 'Error Proportional'(에러비례) 슬라이더가 'Position Proportional'(위치비례) 슬라이더로 교체되어 있다는 것과, 커맨드 피드포워드 조절은 3차원 튠 알고리즘에서는 이용이 가능하지 않기 때문에 커맨드 피드포워드 조절은 약화되어 있다는 것에 주의하라. 알고리즘은 사용자가 각 스크린 샷의 왼쪽상방에 있는 'Second Order'(2차원) 버튼 및 'Third Order'(3차원) 버튼를 이용하여 사용자가 선택하게 된다. 튜닝 파라미터에 대한 조절은 실시간으로 서보 하드웨어로 자동으로 전달되어 "온라인" 튜닝이 된다.
이와 유사하게, 서보의 다른 특징은 도 11에 도시된 집합 노치 필터이다. 이 노치 필터는 적절한 필터를 주파수 대역에서 가시적으로 설계할 수 있는 사용자 인터페이스를 포함한다. 조절은 하드웨어에 자동으로 전달된다.
임의의 서보 시스템의 응답 동작은 부분적으로 그 튜닝에 의하여 결정된다. PID형 튜닝의 경우, 튜닝은 P, I, D, 오프셋, 필터 계수 등을 포함하는 다수의 변수의 상태이다. 시스템의 사용 동안 하나의 튠에서 다른 튠으로 변경하는 것이 바람직한 경우가 많다. 예를 들어, 레이저 마킹의 경우, 한쌍의 갈바노미터는 고에 너지 레이저 빔을 이용하여 물품에 표시를 한다. 상이한 필요조건, 즉 잡음이 낮아야 하고, 마킹 동안 속도의 제어가 잘 되어야 하며, 다음 문자로 고속의 빠른 정지 점핑(fast-settling jumping)에는 적어도 2개의 동작이 있다. 게다가, 삽입 문자의 경우, 삽입 동작에는 중간 속도의 튠이 바람직할 것이다.
서보의 다른 특징으로 도 12에 매트릭스형으로 도시되어 있으며, 지정된 튠을 한세트의 내부 및 외부 시스템 상태와 관련시키는 수단을 나타내는 도 13A 및 13B의 어드레싱 구성이 있다. 각각의 X축 및 Y축에 대하여, 튠 매트릭스는 한세트의 튠이며. 이들의 5비트 "어드레스"를 위한 5비트 선택 규칙은 축 'OverPosition Status Flag'(오버포지션 상태 플래그)와 4개의 논리레벨 동기입력 핀으로 형성된다. 선택 규칙은 상호배타적으로 되어야 하는데, 예컨대 선택 규칙이 0XXXX 및 XXXXX를 갖는 X축에 대한 2개의 튠은 허용되지 않을 것이다. 왜냐하면, 예를 들어 01111['Not OverPosition'(오버포지션 아님), 모든 동기입력이 하이]이 2개의 규칙에 부합할 것이기 때문이다. 불완전한 규칙 세트도 가능한데, 예를 들어, 3개의 Y축 튠에 대한 선택 규칙 XXX00, XXX01 및 XXX10은 01111을 포함하지 않을 것이며, 서보는 이러한 어드레스에 따라 튠을 변경하지는 않을 것이다. 이러한 튠 매트릭스는 서보의 비휘발성 플래쉬 메모리에 저장될 수 있다.
2개의 튠이 현저하게 상이한 특성을 가진다면, 하나의 튠에서 다른 튠으로 급격하게 변경하는 것은 시스템이 불안정하게 될 수 있다. 다수의 중간 튠 상태를 거쳐 변경하는 것이 필요할 것이다. 튠 매트릭스에 있는 비대각 성분(off-diagonal elements)은 원활한 동작을 보장하기 위하여 튠간에 "튠 래더"(tune ladders)가 어떻게 구축되는지를 나타낸다. "Steps"(스텝)은 하나의 튠에서 다른 튠으로 변경하기 위하여 사용되는 중간 튠의 개수이다. "Dwell"(드웰)은 각 스텝에서 경과되는 서보 사이클의 개수이다. 이들 개수들은 직접 입력될 수도 있다. 도 12에 있는 화살표는 매트릭스가 하나의 튠에서 다른 튠으로 변경될 때 시계방향으로 이동하는 것을 나타낸다. 따라서, "저잡음"에서 "고속"으로 이동하게 되면 도 12의 2행 3열의 교차점에 있는 튠 래더 블록을 포함하는데, X축은 5개의 스텝을 채택할 것이고, Y축은 9개의 스텝을 채택할 것이며, 오버포지션 상태에서 "고속" 튠으로 복귀할 때는 X 및 Y는 8개의 스텝을 채택할 것이다.
본 발명은 다른 다양한 실시예를 가질 수 있으며, 이러한 모든 실시예는 청구의 범위에 포함된다. 예컨대, 본 명세서에 개시된 서보는 광스캐닝 장치 또는 시스템의 렌즈에 대하여 새롭게 초점을 맞추는데 이용될 수도 있다.
다른 실시예로서, 도 2와 유사하게, 아날로그 위치 커맨드 신호 및 아나로그 위치 피드백 신호를 위한 입력과 에러신호 출력이 있는 신호 처리회로와, 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드를 연결하는 광스캐너를 위한 디지털 서보 시스템이 있다. 상기 신호 처리회로는 위치 커맨드 신호 및 위치 피드백 신호로부터 아날로그 위치 에러신호를 생성하는 제1 회로소자를 포함한다. 제2 회로소자는 아날로그 위치 에러신호로부터 고해상도 에러신호인 제1의 디지털화 에러신호를 생성한다. 제3 회로소자는 디지털화 아날로그 위치 커맨드 신호를 생성한다. 제4 회로소자는 디지털화 아날로그 위치 피드백 신호를 생성한다. 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 저해상도 에러신호인 제2의 디지털화 에러신호를 디지털화 커맨드 신호와 디지털화 피드백 신호간의 차신호로서 생성한다. 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 상기 제2 회로소자가 양의 최대출력 제한값 또는 음의 최대출력 제한값을 갖는 기간 동안 고해상도 에러신호로부터 저해상도 신호로 에러신호 출력을 자동으로 전환시킨다.
디지털화된 위치 피드백 신호 입력으로부터 프로세서 및 컴퓨터 코드에 의하여 디지털로 동작되는 스캐너 각토크 보상 제어 작용력 승산기 전압이 생성될 수 있다.
상기 프로세서 및 컴퓨터 코드는 그래픽 사용자 인터페이스에 연결될 수 있다. 이 그래픽 사용자 인터페이스는 서보 알고리즘의 시뮬레이트된 아날로그 표시와 동작 파라미터를 제공하고, 마우스, 조이스틱 또는 물리적인 아날로그 모션을 감지하는 다른 장치 등의 손이나 손가락 모션 입력장치에 의하여 실시간으로 시뮬레이트된 아날로그 제어 입력을 허용하여, 서보 시스템의 동작 파라미터의 다중화를 조작할 수 있다.
도 5의 실시예와 관련된 다른 실시예로서, 광스캐너를 위한 디지털 서보 시스템이 제공될 수 있는데, 이 서보 시스템은 아날로그 위치 커맨드 신호 입력, 디지털 에러신호 출력, 아날로그 차동 증폭기에 접속된 양 및 음의 각도 위치 센서를 갖는 아날로그 위치 피드백 신호 처리회로, 및 이득을 갖는 아날로그 위치 에러신호를 포함한다. 상기 아날로그 위치 에러신호는 피드백 신호 처리회로에 의하여 차동 증폭기와 아날로그 커맨드로부터 생성된다.
디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드에는, 이 프로세서 및 컴퓨터 코드에 의하여 제어되고 피드백 신호 처리회로에 접속되어 회로 이득을 제어하기 위한 기준 전압이 있다. 고해상도 에러신호는 아날로그 위치 에러신호의 디지털화 형태로 구성되며, 저해상도 에러신호는 커맨드 신호 입력의 디지털화된 형태와 아날로그 위치 에러신호의 디지털화된 형태로 구성된다.
몇개의 다른 실시예로서, 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 제2 회로소자가 양의 최대출력 제한값 또는 음의 최대출력 제한값인 기간 동안 고해상도 에러신호로부터 저해상도 신호로 에러신호 출력을 자동으로 전환시킨다.
디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 차동 증폭기의 이득을 조정하기 위한 피드백 신호 처리회로에 접속되어 디지털 제어를 출력할 수 있다. 차동 증폭기의 이득은 피드백 신호 처리회로에 설치된 2개의 등가 저항기를 통하여 조정이 가능하며, 이들 저항기는 각각 위치 센서 및 차동 증폭기 사이에 접속되도록 설치되며, 이들 저항기는 프로세서 및 컴퓨터 코드의 동작에 의하여 저항값의 동일한 부분집합의 동시 선택을 위하여 기계적으로 또는 디지털적으로 동시 동작하게 된다.
프로세서 및 컴퓨터 코드에 의하여 제어되고 피드백 신호 처리회로에 접속된 오프셋 전압에 의하여 서보 시스템의 영점을 조정할 수 있다. 피드백 위치 신호로부터 프로세서 및 컴퓨터 코드에 의하여 디지털로 구성된 스캐너 각토크 보상 제어 작용력 승산기 전압이 생성될 수 있다.
또한, 이 실시예에서 그래픽 사용자 인터페이스는 프로세서 및 컴퓨터 코드에 연결될 수 있다. 이 그래픽 사용자 인터페이스는 서보 알고리즘의 시뮬레이트된 아날로그 표시 또는 다중의 표시와 동작 파라미터를 제공하고, 손이나 손가락 모션 입력 장치에 의하여 실시간으로 시뮬레이트된 아날로그 제어 입력을 허용하여, 서보 시스템의 동작 파라미터를 다중화할 수 있다. 그래픽 사용자 인터페이스는 개인용 컴퓨터 또는 범용 컴퓨터, 키보드 및 마우스나 조이스틱 등의 손이나 손가락 아날로그 모션 커서 제어 장치가 될 수 있다.
또, 프로세서, 컴퓨터 코드 및 그래픽 사용자 인터페이스는 순차적으로 실행 가능한 사용자가 구성한 튠 또는 알고리즘의 프로그래밍을 위하여 시뮬레이트된 아날로그 제어 입력을 제공할 수 있으며, 여기서 튠은 프로세서 및 컴퓨터 코드에서 판독이 가능하여, 스캐너 동작 동안 자동적으로 순차처리된다.
또 다른 예로서, 갈바노미터에서 회전자 자석 동작 온도를 계산하기 위한 프로세스가 있으며, 이 프로세서에는, 고정자의 부근에 위치한 열센서로 갈바노미터의 고정자 온도를 감지하는 단계와, 상기 갈바노미터에서 코일 전류를 감지하는 단계와, 코일 전류의 효과로부터 시스템에서의 온도상승을 계산하는 단계와, 계산된 온도 상승을 고정자의 주위온도에 가산하는 단계가 포함된다.
이러한 프로세스를 구현하기 위하여, 광스캐너가, 고정자의 부근에 위치한 열센서, 코일 전류 센서, 시스템에서의 온도 상승과 코일 전류 레벨을 관련시키는 프로세서의 열 모델 및 시스템의 동작 온도를 나타내기 위하여 코일 전류의 효과로부터 가정된 온도 상승을 계산하고 이 계산된 값을 상기 열센서로부터 실제의 온도에 가산하는 프로그램을 구비할 수 있다.
본 발명은 상세한 설명, 도면 및 청구범위의 발명의 특징을 임의의 바람직한 실시예에 대하여 도시되고 설명되었다. 그러나, 당업자라면 다양한 변경 및 변형 이 가능하다는 것과 상세한 설명은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 개시됨을 명백하게 알 수 있을 것이다. 본 발명의 다른 목적이나 이점이 본 발명의 범위내에서 구성들과 조합에 의하여 구현 및 획득될 수 있다. 도면과 상세한 설명은 제한하기 위한 것이 아니며 단지 예시일 뿐이다.

Claims (22)

  1. 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드와 신호 처리회로를 구비하고 광스캐너에 사용하기 위한 디지털 서보 시스템에 있어서,
    상기 신호 처리회로는, 아날로그 위치 커맨드 신호를 위한 제1 입력부와,
    아날로그 위치 피드백 신호를 위한 제2 입력부와,
    에러신호 출력부를 구비하며,
    상기 신호 처리회로는, 상기 위치 커맨드 신호와 상기 위치 피드백 신호로부터 아날로그 위치 에러신호를 생성하는 제1 회로소자와,
    상기 아날로그 위치 에러신호로부터 고해상도 에러신호인 제1 디지털화 에러신호를 생성하는 제2 회로소자와,
    디지털화된 상기 아날로그 위치 커맨드 신호를 생성하는 제3 회로소자와,
    디지털화된 상기 아날로그 위치 피드백 신호를 생성하기 위한 제4 회로소자를 구비하고,
    상기 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 상기 디지털화된 커맨드 신호와 상기 디지털화된 피드백 신호간의 차 신호로서 저해상도 에러신호인 디지털화 제2 에러신호를 생성하며,
    상기 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 상기 제2 회로소자가 양의 최대출력 제한값 또는 음의 최대출력 제한값인 기간 동안 상기 고해상도 에러신호로 부터 저해상도 신호로 상기 에러신호 출력을 자동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 디지털 서보 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 디지털화된 피드백 위치 신호 입력으로부터 유도된 디지털로 동작하는 스캐너 각토크 보상 제어 작용력 승산기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 서보 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프로세서 및 컴퓨터 코드는 그래픽 사용자 인터페이스에 접속되는 것을 특징으로 하는 디지털 서보 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 그래픽 사용자 인터페이스는 서보 알고리즘의 시뮬레이트된 아날로그 표시와 동작 파라미터를 제공하고, 손이나 손가락 모션에 의하여 실시간으로 시뮬레이트된 아날로그 제어 입력을 허용하여, 서보 시스템 동작 파라미터를 다중화하는 것을 특징으로 하는 디지털 서보 시스템.
  5. 광스캐너용 디지털 서보 시스템에 있어서,
    아날로그 위치 커맨드 신호 입력부와,
    디지털 에러신호 출력부와,
    아날로그 차동 증폭기에 접속된 양의 각위치 센서 및 음의 각위치 센서가 있는 아날로그 위치 피드백 신호 처리회로와,
    상기 피드백 신호 처리회로에 의하여 상기 아날로그 커맨드 및 상기 차동 증폭기로부터 유도되며 이득을 갖는 아날로그 위치 에러신호와,
    디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드와,
    상기 피드백 신호 처리회로에 접속된 상기 프로세서 및 컴퓨터 코드에 의하여 제어되어 이득을 제어하기 위한 기준 전압과,
    디지털화된 상기 아날로그 위치 에러신호로 구성되는 고해상도 에러신호와,
    디지털화된 상기 커맨드 신호 입력과 디지털화된 상기 아날로그 위치 에러신호의 디지털 미분값으로 구성되는 저해상도 에러신호를 구비하며,
    상기 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 상기 제2 회로소자가 양의 최대출력 제한값 또는 음의 최대출력 제한값인 기간 동안 상기 고해상도 에러신호로부터 저해상도 신호로 상기 에러신호 출력을 자동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 피드백 신호 처리회로에 접속되어 상기 차동 증폭기의 이득을 조정하기 위한 디지털 제어를 출력하는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 차동 증폭기의 이득은 상기 피드백 신호 처리회로에 설치된 2개의 등가 저항기를 통하여 조정이 가능하며, 이들 저항기는 각각 상기 위치 센서 및 차동 증폭기 사이에 접속되도록 설치되며, 상기 프로세서 및 컴퓨터 코 드의 동작에 의하여 저항값의 동일한 부분집합의 동시 선택을 위하여 동시 동작하는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드에 의하여 제어되고 상기 피드백 신호 처리회로에 접속되어 상기 서보 시스템의 영점을 조정하는 오프셋 전압을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  9. 제5항에 있어서, 상기 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드에 의하여 상기 피드백 위치 신호로부터 유도되는 디지털로 구성된 스캐너 각토크 보상 제어 작용력 승산기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  10. 제5항에 있어서, 상기 디지털 프로세서 및 컴퓨터 코드는 그래픽 사용자 인터페이스에 접속되는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 그래픽 사용자 인터페이스는 서보 알고리즘의 시뮬레이트된 아날로그 표시와 동작 파라미터를 제공하고, 손이나 손가락 모션에 의하여 실시간으로 시뮬레이트된 아날로그 제어 입력을 허용하여, 서보 시스템의 동작 파라미터를 다중화하는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 그래픽 사용자 인터페이스는 범용 컴퓨터, 키보드 및 손이나 손가락 아날로그 모션 커서 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 프로세서, 컴퓨터 코드 및 그래픽 사용자 인터페이스는 순차적으로 실행 가능한 사용자가 구성한 튜닝 프로그래밍을 위하여 시뮬레이트된 아날로그 제어 입력을 제공하며, 상기 튜닝은 상기 프로세서에서 판독이 가능하여 스캐너 동작 동안 자동적으로 순차처리되는 것을 특징으로 하는 광스캐너용 디지털 서보 시스템.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 시야 범위 내에서 적어도 하나의 위치로 에너지빔을 향하게 하기 위한 갈바노미터 광스캐너용 디지털서보시스템에 있어서,
    상기 디지털서보시스템은 적어도 제1부분과 제2부분을 포함하는 서보 커맨드파형에 따라 갈바노미터 스캐너의 모션을 제어하도록 구비되고,
    상기 커맨드파형의 제1 부분을 사용하는 동안에 폐루프 제어파라미터의 제1 세트를 제공하고, 상기 커맨드파형의 제2 부분을 사용하는 동안에 폐루프 제어파라미터의 제2 세트를 제공하는 디지털프로세서를 포함하되,
    상기 커맨드파형의 제1 부분은 갈바노미터의 모션을 제어하도록 구비될 수 있고, 상기 커맨드파형의 제2 부분은 갈바노미터의 모션을 제어하도록 구비될 수 있는 것을 특징으로 하는 디지털서보시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    폐루프제어 파라미터의 각 세트는 비례(P)계수, 적분(I)계수, 미분(D)계수, 시스템이득, 오프셋계수 및 대역폭필터 중에 적어도 두개를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털서보시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    폐루프제어 파라미터의 제1 세트는 고대역폭필터를 포함하고, 폐루프제어 파라미터의 제2 세트는 저대역필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털서보시스템.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 디지털프로세서와 연동되게 연결되고 폐루프제어파라미터의 제1 및 제2 세트에 있어서 사용자가 입력을 할 수 있도록 구비되는 그래픽 사용자 인터페이스를 부가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 디지털서보시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    폐루프제어파라미터의 각 세트는 적어도 포워드스캔의 일부와 결합되는 것을 특징으로 하는 디지털서보시스템.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 스캐닝시스템은 레이저 마킹 애플리케이션 내에서 이용되고, 제1 폐루프 제어파라미터의 세트는 마킹을 위해 이용되고, 제2 폐루프 제어파라미터 세트는 마크간의 점프를 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 디지털서보시스템.
  22. 제16항에 있어서,
    상기 스캐닝시스템은 레이저 마킹 애플리케이션 내에서 이용되고, 제1 폐루프 제어파라미터의 세트는 윤곽을 마킹하는데 이용되고, 제2 폐루프 제어파라미터의 세트는 윤곽을 채우는데 이용되는 것을 특징으로 하는 디지털서보시스템.
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