KR101478675B1 - Apparatus and method for controlling phase compensated microstepping for permanent magnet stepper motors - Google Patents

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Abstract

영구자석형 스텝 모터의 위상 보상 마이크로 스테핑 제어 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일례에 따른 마이크로 스테핑 제어 방법은, 스텝 모터에 대해 목표 각도 오차 및 목표 각속도를 입력받아 위상 보상값을 획득하고, 목표 각도와 획득된 위상 보상값을 이용하여 목표 전류를 산출하고, 목표 전류 및 스텝 모터의 전류를 입력받아 모터 입력 전압을 발생시키며, 발생된 모터 입력 전압을 스텝 모터에 인가한다.A phase compensation micro stepping control apparatus and method for a permanent magnet type stepping motor are disclosed. A micro stepping control method according to an example of the present invention is a micro stepping control method for a stepping motor that receives a target angular error and a target angular velocity with respect to a stepping motor to obtain a phase compensation value and calculates a target current using the target angle and the obtained phase compensation value, Current and step motor currents to generate a motor input voltage and apply the generated motor input voltage to the stepper motor.

Description

영구자석형 스텝 모터의 위상 보상 마이크로 스테핑 제어 장치 및 방법{Apparatus and method for controlling phase compensated microstepping for permanent magnet stepper motors}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phase-compensating microstepping control apparatus and method for a permanent magnet type stepping motor,

본 발명은 스텝 모터의 구동 제어 기술에 관한 것으로, 특히 영구자석형 스텝 모터에서 위상을 보상함으로써 마이크로 스테핑을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drive control technique for a stepper motor, and more particularly, to an apparatus and a method for controlling microstepping by compensating a phase in a permanent magnet type stepper motor.

일반적으로 스텝 모터(또는 스테핑 모터 또는 스테퍼 모터)는 로보틱 포지셔닝 시스템(robotic positioning systems) 등과 같이 정밀한 위치 제어가 필요한 분야에서 널리 이용되고 있다. 스텝 모터는 현재 일반적인 위치 제어에 가장 많이 사용되고 있는 모터로서 위치의 정지 정밀도를 요구하는 곳에 적합한 모터라고 할 수 있다. 스텝 모터의 경우에는 위치 제어 구조가 개-루프 제어(Open Loop Control)구조를 가지고 있으며 스텝 모터의 기계적인 스텝각을 기준으로 회전을 하기 때문에 스텝 모터에 입력되는 스텝각을 기준으로 보면 현재의 회전 위치를 판별할 수 있도록 되어 제어하기 쉽기 때문에 적용 비용이 저렴하고 스텝 모터가 이송되어 정위치에 이르게 되면 더 이상의 위치 이동을 위한 제어가 이루어지지 않기 때문에 정지시 진동이 발생하지 않아 정확한 이송 및 정지를 요구하는 반도체 장비 등에서 많이 사용되고 있다.In general, step motors (or stepping motors or stepper motors) are widely used in fields requiring precise position control such as robotic positioning systems. The stepper motor is the motor that is most commonly used for general position control, and it can be said that it is suitable for the position requiring the stopping accuracy of the position. In the case of a step motor, the position control structure has an open loop control structure. Since the step motor rotates based on the mechanical step angle of the step motor, Since it is easy to control because it is easy to control the position, it is inexpensive to apply and when the step motor is moved to the correct position, no control for further movement is made, It is widely used in demanding semiconductor equipment.

적당한 제어기(controller)를 사용하여 대부분의 스텝 모터는 하프-스텝(half-steps)으로 구동될 수 있고, 어떤 제어기들은 더 작은 스텝 또는 마이크로 스텝(micro steps)으로 스텝 모터를 구동시킬 수 있다.Using the appropriate controller, most step motors can be driven in half-steps, and some controllers can drive step motors in smaller steps or micro steps.

한편, 스텝 모터는 개-루프 제어(open loop control) 시스템에 의해 구동될 수 있고, 위치 센서 없이 정수의 스텝 내에서 정밀한 위치 제어를 제공하기 때문에 어떠한 스텝 위치에서도 안정을 유지할 수 있다. 즉, 제어를 위해서 피드백(feedback)이 필요하지 않다.On the other hand, a stepper motor can be driven by an open loop control system and can maintain stability at any step position because it provides precise position control within integer steps without a position sensor. That is, no feedback is required for control.

그러나, 개-루프 제어는 과도한 오버슈트(overshoot), 진동 응답(oscillatory response) 및 긴 정착 시간(settle time) 때문에 성능이 좋지 않은 문제가 있다. 또한, 이러한 문제로 인해 스텝 모터는 피드백 센서 없이 사용될 수 없고, 정확한 위치가 요구되는 높은 성능의 폐-루프 제어(closed loop control)가 사용될 수 없다.However, the open-loop control has poor performance due to excessive overshoot, oscillatory response and long settle time. Also, due to this problem, the stepper motor can not be used without a feedback sensor, and a high performance closed loop control in which a precise position is required can not be used.

이하에서 인용되는 비특허문헌은 전류 트래킹(tracking)을 위해 각도 센서를 이용한 제어기 및 마이크로 스테핑 기술을 기술하고 있다. 그러나, 동역학적 특성들로 인해 이러한 기계 동역학이 전기 동역학에 비해 훨씬 느린 관계로, 비록 마이크로 스테핑에서의 목표 전류가 보장되더라도 정상상태 각도 오차(steady-state position error, SSPE)가 나타나는 문제점이 발견되었다.Non-patent references cited below describe a controller and microstepping technique using an angle sensor for current tracking. However, due to the dynamic properties, such mechanical dynamics are much slower than electrodynamics, and a problem has arisen that a steady-state position error (SSPE) appears even if the target current is guaranteed in microstepping .

W. Kim, D. Shin, and C. Chung, “Microstepping using a disturbance observer and a variable structure controller for permanent magnet stepper motors,” IEEE Trans. Ind. Electron., [Online]. DOI:10.1109/tie.2012.2198033. W. Kim, D. Shin, and C. Chung, " Microstepping using a disturbance observer and a variable structure controller for permanent magnet stepper motors, " IEEE Trans. Ind. Electron., [Online]. DOI: 10.1109 / tie.2012.2198033.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 종래의 마이크로 스테핑 기법에서 비록 목표 전류에 대한 제어가 완전하게 보장되더라도 정상상태 각도 오차가 발생하는 한계를 극복하고, 이러한 정상상태 각도 오차의 문제점을 해결하고 위치 제어의 정밀도를 향상시키기 위해 전류 제어기에 부가적인 구성을 추가하거나 구조를 변경해야 하는 문제점을 해결하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the limitations of steady-state angular error and to solve the problem of steady-state angular error in the conventional micro-stepping technique, The present invention aims to solve the problem of adding an additional configuration to the current controller or changing the structure in order to improve the accuracy of the current controller.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법은, 상기 스텝 모터에 대해 목표 각도 오차 및 목표 각속도를 입력받아 위상 보상값을 획득하는 단계; 목표 각도와 획득된 상기 위상 보상값을 이용하여 목표 전류를 산출하는 단계; 상기 목표 전류 및 상기 스텝 모터의 전류를 입력받아 모터 입력 전압을 발생시키는 단계; 및 발생된 상기 모터 입력 전압을 상기 스텝 모터에 인가하는 단계;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a micro stepping control method of a permanent magnet type stepping motor, comprising: obtaining a target phase angle and a target angular velocity with respect to the stepping motor to obtain a phase compensation value; Calculating a target current using the target angle and the acquired phase compensation value; Generating a motor input voltage by receiving the target current and the current of the stepper motor; And applying the generated motor input voltage to the stepper motor.

일 실시예에 따른 상기 마이크로 스테핑 제어 방법에서, 상기 위상 보상값은, 마이크로 스테핑에서의 정상상태 각도 오차(steady-state position error, SSPE)를 보상한다. 또한, 상기 위상 보상값은, 각도 센서 없이 산출되어 상기 스텝 모터의 각도를 트래킹(tracking)할 수 있다. 나아가, 상기 위상 보상값은, 상기 정상상태 각도 오차의 평형점을 이용하여 전류 제어기를 제어함으로써 상기 모터 입력 전압을 발생시킨다.In the microstepping control method according to an embodiment, the phase compensation value compensates for a steady-state position error (SSPE) in microstepping. The phase compensation value may be calculated without an angle sensor to track the angle of the step motor. Further, the phase compensation value generates the motor input voltage by controlling the current controller using the equilibrium point of the steady state angle error.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 장치는, 상기 스텝 모터에 대해 복수의 목표 각도 오차 및 목표 각속도에 대하여 위상 보상값을 미리 산출하여 저장하는 저장부; 목표 각도 오차 및 목표 각속도가 입력되면, 입력값에 대응하여 상기 저장부로부터 위상 보상값을 획득하고, 목표 각도와 획득된 상기 위상 보상값을 이용하여 목표 전류를 산출하는 연산부; 상기 목표 전류 및 상기 스텝 모터의 전류를 입력받아 모터 입력 전압을 발생시키고, 발생된 상기 모터 입력 전압을 상기 스텝 모터에 인가하는 제어부; 및 상기 모터 입력 전압에 의해 동작하는 영구자석형 스텝 모터;를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a micro stepping control apparatus for a permanent magnet type stepping motor, wherein a phase compensation value is previously calculated for a plurality of target angular errors and a target angular velocity with respect to the stepping motor A storage unit for storing the data; An operation unit that obtains a phase compensation value from the storage unit corresponding to an input value and calculates a target current using the target angle and the obtained phase compensation value when a target angle error and a target angular velocity are input; A controller for receiving the target current and the current of the stepper motor to generate a motor input voltage and applying the generated motor input voltage to the stepper motor; And a permanent magnet type step motor operated by the motor input voltage.

일 실시예에 따른 상기 마이크로 스테핑 제어 장치에서, 상기 연산부는, 상기 저장부에 미리 저장된 복수의 위상 보상값으로부터 선형 보간법(linear interpolation)을 이용하여 상기 입력값에 대응하는 위상 보상값을 산출할 수 있다.In the microstepping control apparatus according to an embodiment, the operation unit may calculate a phase compensation value corresponding to the input value by using linear interpolation from a plurality of phase compensation values stored in advance in the storage unit have.

일 실시예에 따른 상기 마이크로 스테핑 제어 장치에서, 상기 위상 보상값은, 마이크로 스테핑에서의 정상상태 각도 오차를 보상한다. 또한, 상기 위상 보상값은, 각도 센서 없이 산출되어 상기 스텝 모터의 각도를 트래킹할 수 있다. 나아가, 상기 위상 보상값은, 상기 정상상태 각도 오차의 평형점을 이용하여 상기 제어부를 제어함으로써 상기 모터 입력 전압을 발생시킨다.In the micro stepping controller according to an embodiment, the phase compensation value compensates for a steady state angle error in microstepping. The phase compensation value may be calculated without an angle sensor to track the angle of the step motor. Further, the phase compensation value generates the motor input voltage by controlling the control unit using the equilibrium point of the steady state angle error.

본 발명의 실시예들은 목표 각도 오차 및 목표 각속도에 기초한 위상 보상값을 이용하여 정상상태 각도 오차의 평형점을 고려한 전류 제어를 수행함으로써, 마이크로 스테핑에서 정상상태 각도 오차의 한계를 극복할 수 있고, 각도 센서 내지 제어기의 구조 변경과 같은 추가적인 하드웨어 없이도 기존의 장비를 간단하게 활용하여 위치 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.Embodiments of the present invention can overcome the limit of the steady-state angular error in microstepping by performing the current control in consideration of the equilibrium point of the steady-state angular error using the phase compensation value based on the target angular error and the target angular velocity, It is possible to improve the precision of position control by simply using existing equipment without additional hardware such as an angle sensor or a structure change of the controller.

도 1은 종래의 전류 제어 드라이버를 이용한 마이크로 스테핑 기법의 구조를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 마이크로 스테핑 제어 기법에서 선형 보간법을 이용하여 위상 보상값을 획득하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들을 구현하기 위한 프로토타입을 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a structure of a micro stepping method using a conventional current control driver.
2 is a flowchart illustrating a micro stepping control method of a permanent magnet type stepping motor according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing a micro stepping control apparatus of a permanent magnet type stepping motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining a process of obtaining a phase compensation value using linear interpolation in the micro stepping control technique of FIGS. 2 and 3. FIG.
5 is a diagram illustrating a prototype for implementing embodiments of the present invention.

본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기에 앞서 마이크로 스테핑 기술과 관련한 종래의 기술들과 이로부터 나타나는 문제점들을 소개한 후, 이를 해결하기 위해 안출된 본 발명의 실시예들을 구체적으로 제시하도록 한다.Before describing embodiments of the present invention concretely, conventional techniques related to microstepping technology and problems that arise therefrom will be introduced, and the embodiments of the present invention will be concretely presented to solve the problems.

본 발명의 실시예들이 활용되는 기술 분야, 즉 영구 자석형 스텝 모터는 케이스 내부에 설치된 회전자를 영구 자석(Permanent Magnet)으로 구성하여 고정자의 권선(coil)에서 인가되는 전류에 의하여 발생하는 자속과 반응하도록 구성된다. 고정자는 슬롯 스테이터(slotted stator)이며, 고정자의 권선이 2개(물론 이와 다르게 구성될 수도 있다.) 위치하고 있어 2상을 가진다. 영구자석으로 된 회전자는 회전축에 설치되어 회전축과 함께 회전하며, N극 및 S극을 가진다. 이와 같이, 내부의 회전자가 영구 자석으로 구성된 것을 영구 자석 스텝 모터(PMSM: Permanent Magnet Stepper Motor)라고 한다.In the technical field in which the embodiments of the present invention are utilized, that is, the permanent magnet type step motor is constituted by a permanent magnet (permanent magnet) installed inside the case, and the magnetic flux generated by the current applied from the coil of the stator . The stator is a slotted stator, and the windings of the stator are located in two (of course, differently) windings and have two phases. A rotor made of a permanent magnet is installed on the rotating shaft and rotates together with the rotating shaft, and has N poles and S poles. In this way, a permanent magnet step motor (PMSM) is used as the permanent magnet.

도 1은 종래의 전류 제어 드라이버를 이용한 마이크로 스테핑 기법의 구조를 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a structure of a micro stepping method using a conventional current control driver.

종래의 마이크로 스테핑 기법에서는 엔코더 및 레졸버 등의 위치 센서 없이 PI 전류 제어기만을 이용하여 모터의 위치 제어가 가능한 장점이 존재하였고, 이러한 제어 기법이 스텝 모터 구현에 널리 사용되었다. 특히, 도 1에 예시된 바와 같이 전류 트래킹(tracking)(100)은 마이크로 스테핑의 핵심으로서, 전류 제어 드라이버를 이용하여 간단하게 구현이 가능하였다.In the conventional micro stepping technique, there is a merit that the position of the motor can be controlled by using only the PI current controller without the position sensor of the encoder and resolver, and this control technique is widely used in the step motor implementation. In particular, as illustrated in FIG. 1, current tracking 100 is the core of microstepping and can be implemented simply using a current control driver.

그러나, 전류 제어가 완벽하게 이루어지더라도 정상상태 각도 오차가 나타나는 문제점이 발견되었는바, 이하에서는 우선 이러한 기술적 한계를 명확하게 풀이해보도록 한다.However, even when the current control is completely performed, there has been found a problem that the steady state angle error appears. Hereinafter, this technical limitation will be clarified first.

영구자석형 스텝모터를 위한 기계적/동역학적 모델링은 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.The mechanical / dynamic modeling for a permanent magnet type stepper motor can be expressed as the following equation (1).

Figure 112013031117001-pat00001
Figure 112013031117001-pat00001

여기서, 각 기호는 다음의 표 1과 같다.Here, the symbols are as shown in Table 1 below.

Figure 112013031117001-pat00002
Figure 112013031117001-pat00002

이로부터 마이크로 스테핑 구동의 각도 오차를 분석하기 위해, 우선 변수 및 기호를 다음의 표 2와 같이 정의하자.In order to analyze the angular error of the microstepping drive from this, we first define the variables and symbols as shown in Table 2 below.

Figure 112013031117001-pat00003
Figure 112013031117001-pat00003

일정한 속도 구간에서, 상수

Figure 112013031117001-pat00004
에 대하여
Figure 112013031117001-pat00005
이다. 그러면,
Figure 112013031117001-pat00006
는 상수이다.In a constant velocity section,
Figure 112013031117001-pat00004
about
Figure 112013031117001-pat00005
to be. then,
Figure 112013031117001-pat00006
Is a constant.

이제, 마이크로 스테핑을 위한 목표 상 전류 (

Figure 112013031117001-pat00007
,
Figure 112013031117001-pat00008
)는 다음의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.Now, the target phase current for microstepping (
Figure 112013031117001-pat00007
,
Figure 112013031117001-pat00008
Can be defined by the following equation (2).

Figure 112013031117001-pat00009
Figure 112013031117001-pat00009

여기서,

Figure 112013031117001-pat00010
는 목표 상 전류의 진폭이고, 각도 오차
Figure 112013031117001-pat00011
및 각속도 오차
Figure 112013031117001-pat00012
는 다음의 수학식 3과 같이 정의된다.here,
Figure 112013031117001-pat00010
Is the amplitude of the target phase current, and the angular error
Figure 112013031117001-pat00011
And angular velocity error
Figure 112013031117001-pat00012
Is defined by the following equation (3).

Figure 112013031117001-pat00013
Figure 112013031117001-pat00013

여기서,

Figure 112013031117001-pat00014
는 상수인 목표 속도이다. 비록, 전류 피드백 루프가 목표 전류를 조절하기 위해 사용되더라도, 느린 동역학적 특성으로 인해 정상상태 각도 오차(steady-state position error, SSPE)가 나타나게 된다.here,
Figure 112013031117001-pat00014
Is the constant, the target velocity. Even though the current feedback loop is used to regulate the target current, a steady-state position error (SSPE) appears due to slow dynamic characteristics.

전류 제어기에 의해 목표 상 전류를 모터의 각 상 전류가 완벽하게 추종한다고 가정하자. 즉, 최적 분석(best case analysis)에 의해

Figure 112013031117001-pat00015
,
Figure 112013031117001-pat00016
라고 가정하자. 이러한 가정에 기초하여, 각속도 오차의 동역학은 다음의 수학식 4와 같이 유도될 수 있다.Suppose that the phase current of the motor perfectly follows the target phase current by the current controller. That is, by the best case analysis
Figure 112013031117001-pat00015
,
Figure 112013031117001-pat00016
. Based on this assumption, the dynamics of the angular velocity error can be derived as: < EMI ID = 3.0 >

Figure 112013031117001-pat00017
Figure 112013031117001-pat00017

따라서, 정상상태 각도 오차는 위 동역학의 평형점,

Figure 112013031117001-pat00018
및
Figure 112013031117001-pat00019
이므로, 다음의 수학식 5가 성립한다.Therefore, the steady-state angular error is the equilibrium point of the dynamics,
Figure 112013031117001-pat00018
And
Figure 112013031117001-pat00019
, The following equation (5) is established.

Figure 112013031117001-pat00020
Figure 112013031117001-pat00020

또한, 정상상태 각도 오차는 다음의 수학식 6과 같이 유도된다.In addition, the steady state angle error is derived as shown in Equation (6).

Figure 112013031117001-pat00021
Figure 112013031117001-pat00021

결론적으로, 목표 상전류의 진폭

Figure 112013031117001-pat00022
및 목표 각속도
Figure 112013031117001-pat00023
조정에는 물리적인 한계가 존재하므로, 정상상태 오차
Figure 112013031117001-pat00024
가 감속하는 것 역시 한계가 존재한다. 즉, 마이크로 스테핑에서 목표 전류가 보장되더라도, 정상상태 오차는 제거될 수 없다.In conclusion, the amplitude of the target phase current
Figure 112013031117001-pat00022
And target angular velocity
Figure 112013031117001-pat00023
Since there are physical limitations in the adjustment,
Figure 112013031117001-pat00024
There is also a limit to the deceleration. That is, even if the target current is guaranteed in the micro stepping, the steady state error can not be eliminated.

따라서, 이하에서 기술되는 본 발명의 실시예에서는 위상을 보상하는 마이크로 스테핑 기법을 제안하고자 한다.Therefore, in the embodiment of the present invention described below, a microstepping technique for compensating for a phase is proposed.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법을 도시한 흐름도로서, 다음과 같은 개괄적인 단계들을 포함한다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a micro stepping control method of a permanent magnet type stepping motor according to an embodiment of the present invention, including the following general steps.

S210 단계에서, 영구자석형 스텝 모터에 대해 목표 각도 오차 및 목표 각속도를 입력받아 위상 보상값을 획득한다. 여기서, 위상 보상값은, 마이크로 스테핑에서의 정상상태 각도 오차(steady-state position error, SSPE)를 보상하는 역할을 수행한다. 특히, 상기 위상 보상값은, 각도 센서 없이 산출되어 상기 스텝 모터의 각도를 트래킹(tracking)하는 것으로서, 상기 정상상태 각도 오차의 평형점을 이용하여 전류 제어기를 제어함으로써 상기 입력 전압을 발생시키게 된다. 보다 구체적인 획득 과정은 이후에 수학식을 통해 제시하도록 한다.In step S210, the target angle error and the target angular velocity are input to the permanent magnet type stepper motor to obtain the phase compensation value. Here, the phase compensation value compensates for the steady-state position error (SSPE) in microstepping. In particular, the phase compensation value is calculated without an angle sensor and is used to track the angle of the stepping motor, and the input voltage is generated by controlling the current controller using the equilibrium point of the steady state angle error. A more specific acquisition process will be presented later in the equation.

S220 단계에서, 목표 각도와 S210 단계를 통해 획득된 상기 위상 보상값을 이용하여 목표 전류를 산출한다.In step S220, the target current is calculated using the target angle and the phase compensation value obtained through step S210.

S230 단계에서, 상기 목표 전류 및 상기 스텝 모터의 전류를 입력받아 모터 입력 전압을 발생시킨다. 여기서, 입력되는 스텝 모터의 전류는, 상기 스텝 모터로부터 피드백되는 전류에 해당한다.In step S230, the target current and the current of the step motor are input to generate a motor input voltage. Here, the current of the input step motor corresponds to the current fed back from the step motor.

S240 단계에서, S230 단계를 통해 발생된 상기 모터 입력 전압을 상기 스텝 모터에 인가한다.In step S240, the motor input voltage generated in step S230 is applied to the step motor.

이하에서는 위상 보상값이 어떻게 산출될 수 있는지, 수학식을 활용하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, how the phase compensation value can be calculated will be described in more detail using a mathematical expression.

마이크로 스테핑의 정상상태 오차를 감소시키기 위해, 본 발명의 실시예들은 위상보상 마이크로 스테핑을 위한 목표 전류

Figure 112013031117001-pat00025
및
Figure 112013031117001-pat00026
를 추가적인 위상 보상값
Figure 112013031117001-pat00027
와 더불어 다음의 수학식 7과 같이 설계하였다. 위상 보상 마이크로 스테핑 제어 기법의 목표 상 전류 (
Figure 112013031117001-pat00028
,
Figure 112013031117001-pat00029
)는 다음과 같다.To reduce the steady-state error of the microstepping, embodiments of the present invention provide a target current < RTI ID = 0.0 >
Figure 112013031117001-pat00025
And
Figure 112013031117001-pat00026
To an additional phase compensation value
Figure 112013031117001-pat00027
And is designed as shown in Equation (7) below. Phase Compensation The target phase current of the microstepping control technique (
Figure 112013031117001-pat00028
,
Figure 112013031117001-pat00029
) Is as follows.

Figure 112013031117001-pat00030
Figure 112013031117001-pat00030

여기서,

Figure 112013031117001-pat00031
는 위상 보상값(위상 보상 각도)를 나타낸다.here,
Figure 112013031117001-pat00031
Represents a phase compensation value (phase compensation angle).

전류 제어기에 의해 목표 상 전류를 모터의 각 상 전류가 완벽하게 추종한다고 가정하자. 즉, 최적 분석에 의해

Figure 112013031117001-pat00032
,
Figure 112013031117001-pat00033
라고 가정하자. 이러한 가정에 기초하여 오차의 동역학은 다음의 수학식 8과 같이 기술될 수 있다.Suppose that the phase current of the motor perfectly follows the target phase current by the current controller. That is, by optimal analysis
Figure 112013031117001-pat00032
,
Figure 112013031117001-pat00033
. Based on this assumption, the dynamics of the error can be described by the following equation (8).

Figure 112013031117001-pat00034
Figure 112013031117001-pat00034

또한, 각도 오차의 평형점은 다음의 수학식 9와 같이 제시될 수 있다.Also, the equilibrium point of the angular error can be expressed by the following equation (9).

Figure 112013031117001-pat00035
Figure 112013031117001-pat00035

앞서 논의된 가정에 따라,

Figure 112013031117001-pat00036
및
Figure 112013031117001-pat00037
이므로, 위상 보상 마이크로 스테핑의 정상상태 각도 오차는 다음의 수학식 10과 같다.According to the assumptions discussed above,
Figure 112013031117001-pat00036
And
Figure 112013031117001-pat00037
The steady state angle error of the phase compensation microstepping is expressed by the following equation (10).

Figure 112013031117001-pat00038
Figure 112013031117001-pat00038

즉, 위상 보상값

Figure 112013031117001-pat00039
에 의해 마이크로 스테핑에서의 정상상태 각도 오차의 한계를 극복하는 것이 가능하다.That is,
Figure 112013031117001-pat00039
It is possible to overcome the limit of steady-state angular error in microstepping.

Figure 112013031117001-pat00040
의 가정에 의해, 영구 자석형 스텝 모터의 전류 동역학은 전류 제어기 및 위상 보상각 설계를 위해 다음의 수학식 11과 같이 재정의될 수 있다.
Figure 112013031117001-pat00040
The current dynamics of the permanent magnet type stepper motor can be redefined as shown in the following Equation 11 for the current controller and the phase compensation angle design.

Figure 112013031117001-pat00041
Figure 112013031117001-pat00041

따라서, 영구 자석형 스텝 모터를 위한 피드포워드 입력 전류는 다음의 수학식 12와 같이 유도될 수 있다. 설계된 피드포워드 전류 제어기 (

Figure 112013031117001-pat00042
,
Figure 112013031117001-pat00043
)는 다음과 같다.Therefore, the feedforward input current for the permanent magnet type stepper motor can be derived as shown in the following equation (12). Designed Feedforward Current Controller (
Figure 112013031117001-pat00042
,
Figure 112013031117001-pat00043
) Is as follows.

Figure 112013031117001-pat00044
Figure 112013031117001-pat00044

여기서, 피드포워드 입력 전압은 백-EMF(back electromotive forces) 효과 및 인덕턴스를 보상한다.Here, the feedforward input voltage compensates for back electromotive forces (EMF) effects and inductance.

이제, 전류 오차를 다음의 수학식 13과 같이 정의하자.Now, let us define the current error as shown in Equation 13 below.

Figure 112013031117001-pat00045
Figure 112013031117001-pat00045

그러면, 피드백 전류 제어기는 다음의 수학식 14와 같이 정의될 수 있다.Then, the feedback current controller can be defined as the following Equation (14).

Figure 112013031117001-pat00046
Figure 112013031117001-pat00046

여기서,

Figure 112013031117001-pat00047
는 비례 제어 이득이고,
Figure 112013031117001-pat00048
는 적분 제어 이득으로서, 각각 양의 상수이다.here,
Figure 112013031117001-pat00047
Is a proportional control gain,
Figure 112013031117001-pat00048
Is an integral control gain, each positive constant.

이제, 전류 제어기를 적용한 전류 동역학은 다음의 수학식 15와 같이 제시될 수 있다.Now, the current dynamics applying the current controller can be expressed as: < EMI ID = 15.0 >

Figure 112013031117001-pat00049
Figure 112013031117001-pat00049

삼각함수의 가법 정리(trigonometric addition law)를 이용하여 풀이하면, 이상의 전류 동역학의 해는 다음의 수학식 16과 같이 산출될 수 있다.When solving the problem using the trigonometric addition law, the above solution of the current dynamics can be calculated by the following equation (16).

Figure 112013031117001-pat00050
Figure 112013031117001-pat00050

여기서, 상기 수학식들의 유도 과정에서 활용된 변수는 다음의 수학식 17과 같이 정리된다.Here, the variables used in the derivation of the above equations are summarized as Equation (17).

Figure 112013031117001-pat00051
Figure 112013031117001-pat00051

따라서, 전류 동역학의 해를 기계동역학에 대입하면 다음과 같은 수학식 18이 유도된다.Thus, substituting the solution of the current dynamics into the mechanical dynamics leads to the following equation (18).

Figure 112013031117001-pat00052
Figure 112013031117001-pat00052

각도 오차를 목표 각오차로 치환(

Figure 112013031117001-pat00053
)하고, 주어진 목표 각도 오차(
Figure 112013031117001-pat00054
) 및 목표 각속도(
Figure 112013031117001-pat00055
)를 대입한 아래의 수학식 19를
Figure 112013031117001-pat00056
에 대하여 수치해석적으로 풀이하면, 원하는 목표 정밀도를 보장하는 위상 보상값(
Figure 112013031117001-pat00057
)를 구할 수 있다.Replace the angle error with the target angle error (
Figure 112013031117001-pat00053
), And a given target angle error (
Figure 112013031117001-pat00054
) And the target angular velocity (
Figure 112013031117001-pat00055
) Is substituted into the following equation (19)
Figure 112013031117001-pat00056
, A phase compensation value (for example,
Figure 112013031117001-pat00057
) Can be obtained.

Figure 112013031117001-pat00058
Figure 112013031117001-pat00058

구현의 관점에서, 본 발명의 실시예는 다음과 같은 순서에 따라 적용될 수 있다.From an implementation point of view, embodiments of the present invention can be applied in the following order.

(1) 오프라인 상에서, 목표 각도 오차

Figure 112013031117001-pat00059
및 목표 각속도
Figure 112013031117001-pat00060
가 주어지면, 수학식 19에 따라 추가 위상 보상값
Figure 112013031117001-pat00061
를 룩업(look-up) 테이블로 미리 만들어두고 활용하는 것이 가능하다.(1) On-line, target angular error
Figure 112013031117001-pat00059
And target angular velocity
Figure 112013031117001-pat00060
Is given, an additional phase compensation value < RTI ID = 0.0 >
Figure 112013031117001-pat00061
It is possible to make a look-up table in advance and utilize it.

(2) 이상에서 생성한 오프라인 룩업 테이블을 이용하여 실시간으로 선형 보간법을 이용하여 위상 보상값을 획득할 수 있다.(2) The phase compensation value can be obtained by using the linear interpolation method in real time using the offline lookup table generated above.

(3) 수학식 7을 이용하여 위상 보상 마이크로 스테핑을 위한 목표 전류

Figure 112013031117001-pat00062
및
Figure 112013031117001-pat00063
를 산출한다.(3) Using Equation (7), the target current for phase compensation micro stepping
Figure 112013031117001-pat00062
And
Figure 112013031117001-pat00063
.

(4) 수학식 14를 이용하여 영구자석형 스텝 모터에 대하여 제어 입력 전류 를

Figure 112013031117001-pat00064
및
Figure 112013031117001-pat00065
를 적용한다.(4) Using Equation (14), the control input current for the permanent magnet type stepper motor is
Figure 112013031117001-pat00064
And
Figure 112013031117001-pat00065
Is applied.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 장치를 도시한 블록도로서, 앞서 도 2 및 일련의 연산 과정을 통해 설명한 마이크로 스테핑 제어 방법을 장치적인 관점에서 도시한 블록에 해당한다. 따라서, 여기서는 설명의 중복을 피하고자 각 블록에서 수행되는 연산의 개괄과 입출력되는 데이터를 중심으로 설명하도록 한다.FIG. 3 is a block diagram showing a micro stepping control apparatus of a permanent magnet type stepping motor according to an embodiment of the present invention. The micro stepping control method described with reference to FIG. Block. Therefore, in order to avoid duplication of explanations, an overview of operations performed in each block and data to be input / output will be mainly described.

저장부(10)는 영구자석형 스텝 모터에 대해 복수의 목표 각도 오차 및 목표 각속도에 대하여 위상 보상값을 미리 산출하여 저장한다. 이러한 저장부(10)는 위상 보상값이 저장될 수 있는 다양한 기록 수단의 형태로서 구현될 수 있으며, 빠른 독출을 위해 편의상 룩업 테이블의 형태로 저장되는 것이 바람직하다.The storage unit 10 previously calculates and stores phase compensation values for a plurality of target angular errors and target angular velocities with respect to the permanent magnet type stepper motor. The storage unit 10 may be implemented as a variety of recording means in which the phase compensation value may be stored, and is preferably stored in the form of a look-up table for quick reading.

연산부(20)는 기능 구분의 관점에서, 연산부(20)는 위상 보상값 산출부(23)와 목표 전류 산출부(25)로 구분될 수 있으며, 위상 보상값 산출부(23)는 목표 각도 오차(

Figure 112013031117001-pat00066
) 및 목표 각속도(
Figure 112013031117001-pat00067
)가 입력되면, 입력값에 대응하여 상기 저장부로부터 위상 보상값(
Figure 112013031117001-pat00068
)을 획득하고, 그런 다음 목표 전류 산출부(25)는 목표 각도(
Figure 112013031117001-pat00069
)와 획득된 상기 위상 보상값(
Figure 112013031117001-pat00070
)을 이용하여 목표 전류(
Figure 112013031117001-pat00071
,
Figure 112013031117001-pat00072
)를 산출한다.The calculating unit 20 can be divided into a phase compensation value calculating unit 23 and a target current calculating unit 25 from the viewpoint of function classification and the phase compensation value calculating unit 23 calculates a phase compensation value (
Figure 112013031117001-pat00066
) And the target angular velocity (
Figure 112013031117001-pat00067
) Is input, the phase compensation value ("
Figure 112013031117001-pat00068
), And then the target current calculating section 25 obtains the target angle (
Figure 112013031117001-pat00069
) And the obtained phase compensation value (
Figure 112013031117001-pat00070
) To obtain the target current (
Figure 112013031117001-pat00071
,
Figure 112013031117001-pat00072
).

이러한 위상 보상값은, 마이크로 스테핑에서의 정상상태 각도 오차를 보상하는 역할을 수행한다. 특히, 상기 위상 보상값은, 각도 센서 없이 산출되어 상기 스텝 모터의 각도를 트래킹할 수 있으며, 정상상태 각도 오차의 평형점을 이용하여 이후 설명할 제어부(30)를 제어함으로써 모터 입력 전압(

Figure 112013031117001-pat00073
,
Figure 112013031117001-pat00074
)을 발생시키게 된다.This phase compensation value serves to compensate for the steady state angular error in microstepping. In particular, the phase compensation value may be calculated without an angle sensor to track the angle of the stepping motor, and by controlling the control unit 30 to be described later by using the equilibrium point of the steady state angle error,
Figure 112013031117001-pat00073
,
Figure 112013031117001-pat00074
).

한편, 연산부(20)는, 상기 저장부(10)에 미리 저장된 복수의 위상 보상값으로부터 선형 보간법(linear interpolation)을 이용하여 상기 입력값에 대응하는 위상 보상값을 산출할 수 있다.The operation unit 20 may calculate a phase compensation value corresponding to the input value using linear interpolation from a plurality of phase compensation values stored in advance in the storage unit 10. [

도 4는 도 2 및 도 3의 마이크로 스테핑 제어 기법에서 활용될 수 있는 선형 보상의 결과를 예시한 도면으로서, 앞서 설명한 바 있는 오프라인 룩업 테이블을 이용하여 실시간으로 선형 보간법을 이용하여 위상 보상값을 획득하는데 활용된다.FIG. 4 is a diagram illustrating the result of linear compensation that can be utilized in the micro-stepping control technique of FIGS. 2 and 3, wherein a phase compensation value is acquired using linear interpolation in real time using the offline look- .

다시 도 3으로 돌아와, 제어부(30)는 상기 목표 전류 및 상기 스텝 모터의 전류를 입력받아 모터 입력 전압을 발생시키고, 발생된 상기 모터 입력 전압을 상기 스텝 모터에 인가한다.3, the control unit 30 receives the target current and the current of the step motor to generate a motor input voltage, and applies the generated motor input voltage to the step motor.

마지막으로, 영구자석형 스텝 모터(40)는 상기 모터 입력 전압에 의해 동작한다.Finally, the permanent magnet type stepper motor 40 is operated by the motor input voltage.

도 5는 본 발명의 실시예들을 구현하기 위한 프로토타입을 예시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a prototype for implementing embodiments of the present invention.

ADC&DAC 그리고 DSP 보드를 이용하여 목표 각도 오차 및 목표 각속도를 생성하고, 이로부터 위상 보상값을 획득한 후, 목표 전류를 산출한다. 그런 다음, PWM 드라이버를 이용하여 모터 입력 전압을 발생시켜 영구 자석형 스텝 모터에 인가하게 된다.The target angle error and the target angular velocity are generated using the ADC & DAC and the DSP board, the phase compensation value is obtained therefrom, and then the target current is calculated. Then, the motor input voltage is generated using the PWM driver and applied to the permanent magnet type step motor.

상기된 본 발명의 실시예들 및 프로토타입을 활용한 실험 결과에 따르면, 목표 각도 오차 및 목표 각속도에 기초한 위상 보상값을 이용하여 정상상태 각도 오차의 평형점을 고려한 전류 제어를 수행함으로써, 마이크로 스테핑에서 정상상태 각도 오차의 한계를 극복할 수 있고, 각도 센서 내지 제어기의 구조 변경과 같은 추가적인 하드웨어 없이도 기존의 장비를 간단하게 활용하여 위치 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있었다.According to the experimental results using the embodiments of the present invention and the prototype, the current control considering the equilibrium point of the steady state angular error is performed using the phase compensation value based on the target angular error and the target angular velocity, It is possible to overcome the limit of the steady state angle error and improve the accuracy of the position control by simply using the existing equipment without additional hardware such as the change of the angle sensor or the structure of the controller.

특히, 제안된 본 발명의 실시예들에 따르면, 전류 센서만을 이용함으로써 각도 센서 없이 마이크로 스테핑 제어가 가능하므로, 비용을 절감할 수 있고, 종래의 마이크로 스테핑의 각도 오차 한계를 극복할수 있으며, 통상적인 제어기 구조를 크게 수정하지 않았을 뿐만 아니라 실제 적용시 위상 보상각을 미리 계산하여 저장해 놓은 후 선형 보간법을 이용하여 적용할 수 있으므로 고용량 메모리 및 고성능 MCU 등의 추가적인 하드웨어가 불필요하며, 사용자가 희망하는 정밀도를 결정하고 이를 종래의 장비에 용이하게 적용함으로써 성능 향상을 보장해 줄 수 있다.Particularly, according to the embodiments of the present invention, since the micro stepping control can be performed without using the angle sensor by using only the current sensor, the cost can be reduced, the angular error limit of the conventional micro stepping can be overcome, In addition to not greatly modifying the controller structure, it can be applied by using linear interpolation method after pre-calculating and storing the phase compensation angle in actual application. Therefore, additional hardware such as high-capacity memory and high-performance MCU is unnecessary, And it can be easily applied to conventional equipment to guarantee performance improvement.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described above with reference to various embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

10 : 저장부
20 : 연산부
23 : 위상 보상값 산출부 25 : 목표 전류 산출부
30 : 제어부
40 : 스텝 모터10:
20:
23: phase compensation value calculating section 25: target current calculating section
30:
40: Step motor

Claims (10)

영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 방법에 있어서,
상기 스텝 모터에 대해 목표 각도 오차 및 목표 각속도를 입력받아 위상 보상값을 획득하는 단계;
목표 각도와 획득된 상기 위상 보상값을 이용하여 목표 전류를 산출하는 단계;
상기 목표 전류 및 상기 스텝 모터의 전류를 입력받아 모터 입력 전압을 발생시키는 단계; 및
발생된 상기 모터 입력 전압을 상기 스텝 모터에 인가하는 단계;를 포함하되,
상기 위상 보상값은 정상상태 각도 오차(steady-state position error, SSPE)의 평형점을 이용하여 전류 제어기를 제어함으로써 상기 모터 입력 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 방법.A microstepping control method of a permanent magnet type stepping motor,
Receiving a target angular error and a target angular velocity with respect to the step motor to obtain a phase compensation value;
Calculating a target current using the target angle and the acquired phase compensation value;
Generating a motor input voltage by receiving the target current and the current of the stepper motor; And
And applying the generated motor input voltage to the stepper motor,
Wherein the phase compensation value generates the motor input voltage by controlling a current controller using an equilibrium point of a steady-state position error (SSPE). 제 1 항에 있어서,
상기 위상 보상값은,
마이크로 스테핑에서의 정상상태 각도 오차(steady-state position error, SSPE)를 보상하는 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1,
Wherein the phase compensation value is a phase compensation value,
And compensating for steady-state position error (SSPE) in the microstepping. 제 2 항에 있어서,
상기 위상 보상값은,
각도 센서 없이 산출되어 상기 스텝 모터의 각도를 트래킹(tracking)하는 것을 특징으로 하는 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the phase compensation value is a phase compensation value,
Wherein the angle of the step motor is calculated without an angle sensor to track the angle of the step motor. 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 입력 전압을 발생시키는 단계에서 입력되는 스텝 모터의 전류는, 상기 스텝 모터로부터 피드백되는 전류인 것을 특징으로 하는 방법.The method according to claim 1,
Wherein a current of the step motor inputted in the step of generating the input voltage is a current fed back from the step motor. 영구자석형 스텝 모터의 마이크로 스테핑 제어 장치에 있어서,
상기 스텝 모터에 대해 복수의 목표 각도 오차 및 목표 각속도에 대하여 위상 보상값을 미리 산출하여 저장하는 저장부;
목표 각도 오차 및 목표 각속도가 입력되면, 입력값에 대응하여 상기 저장부로부터 위상 보상값을 획득하고, 목표 각도와 획득된 상기 위상 보상값을 이용하여 목표 전류를 산출하는 연산부;
상기 목표 전류 및 상기 스텝 모터의 전류를 입력받아 모터 입력 전압을 발생시키고, 발생된 상기 모터 입력 전압을 상기 스텝 모터에 인가하는 제어부; 및
상기 모터 입력 전압에 의해 동작하는 영구자석형 스텝 모터;를 포함하되,
상기 위상 보상값은 정상상태 각도 오차의 평형점을 이용하여 상기 제어부를 제어함으로써 상기 모터 입력 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.1. A micro stepping control apparatus for a permanent magnet type stepping motor,
A storage unit for previously calculating and storing a phase compensation value for a plurality of target angular errors and a target angular velocity with respect to the step motor;
An operation unit that obtains a phase compensation value from the storage unit corresponding to an input value and calculates a target current using the target angle and the obtained phase compensation value when a target angle error and a target angular velocity are input;
A controller for receiving the target current and the current of the stepper motor to generate a motor input voltage and applying the generated motor input voltage to the stepper motor; And
And a permanent magnet type step motor operated by the motor input voltage,
Wherein the phase compensation value generates the motor input voltage by controlling the control unit using an equilibrium point of steady-state angular error. 제 6 항에 있어서,
상기 연산부는,
상기 저장부에 미리 저장된 복수의 위상 보상값으로부터 선형 보간법(linear interpolation)을 이용하여 상기 입력값에 대응하는 위상 보상값을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.The method according to claim 6,
The operation unit,
And calculates a phase compensation value corresponding to the input value using linear interpolation from a plurality of phase compensation values stored in advance in the storage unit. 제 6 항에 있어서,
상기 위상 보상값은,
마이크로 스테핑에서의 정상상태 각도 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 장치.The method according to claim 6,
Wherein the phase compensation value is a phase compensation value,
To compensate for steady-state angular error in microstepping. 제 8 항에 있어서,
상기 위상 보상값은,
각도 센서 없이 산출되어 상기 스텝 모터의 각도를 트래킹하는 것을 특징으로 하는 장치.9. The method of claim 8,
Wherein the phase compensation value is a phase compensation value,
And calculates an angle of the step motor without an angle sensor. 삭제delete
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