KR20230064212A - Integrated disturbance observer - Google Patents

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KR20230064212A
KR20230064212A KR1020210149561A KR20210149561A KR20230064212A KR 20230064212 A KR20230064212 A KR 20230064212A KR 1020210149561 A KR1020210149561 A KR 1020210149561A KR 20210149561 A KR20210149561 A KR 20210149561A KR 20230064212 A KR20230064212 A KR 20230064212A
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오세훈
사무엘 강와계
이현욱
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

The present invention relates to an integrated disturbance observer capable of efficiently removing an unintended disturbance in force/torque dimensions, which can affect a system in a contact or noncontact situation with an external object in a bot system. The integrated disturbance observer, which is provided to compensate for a control input signal of a plant to be controlled by observing an unmodeled disturbance included in the force of the plant, includes: a measurement sensor connected between a motor and a load part to measure a force transmitted to the load part; and a disturbance observer receiving drive torque information of the motor, position information of the motor, and measurement information of the force transmitted from the measurement sensor to the load part.

Description

통합 외란 관측기{INTEGRATED DISTURBANCE OBSERVER}Integrated disturbance observer {INTEGRATED DISTURBANCE OBSERVER}

본 발명은 통합 외란 관측기에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 로봇 시스템에서 외부 객체와의 접촉상황 또는 비접촉상황에서 시스템에 영향을 주는 원하지 않는 힘/토크 차원의 외란을 효과적으로 제거할 수 있는 통합 외란 관측기에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated disturbance observer, and more particularly, to an integrated disturbance observer capable of effectively removing undesirable force/torque dimension disturbance affecting the system in a contact situation with an external object or in a non-contact situation in a robot system. will be.

현재까지 알려진 많은 제어기들은 제어 대상이 되는 시스템의 수학적 모델링을 바탕으로 설계된다. 하지만 대부분의 경우 실제 시스템은 수학적 모델링과 다소 맞지 않을 뿐 아니라(이를 '모델 불확실성'이라 함), 외부 환경으로부터 미처 고려되지 못한 추가적인 외란(disturbance)이 시스템에 인가될 수 있다. 이러한 불확실한 요소들은, 설계 시 기대하였던 제어기 성능을 저해시킬 뿐만 아니라 그 정도에 따라 전체 시스템을 불안정하게 만들 수 있다. 이에 모델 불확실성과 외란이 존재함에도 전체 시스템의 제어성능을 안정하게 향상시킬 수 있는 강인 제어 기법이 연구되어 왔다.Many controllers known to date are designed based on mathematical modeling of a system to be controlled. However, in most cases, the actual system does not match the mathematical modeling to some extent (this is called 'model uncertainty'), and additional disturbances from the external environment that have not been considered may be applied to the system. These uncertain factors not only hinder the performance of the controller expected at the time of design, but also can make the entire system unstable depending on the degree. Therefore, robust control techniques that can stably improve the control performance of the entire system despite the presence of model uncertainty and disturbance have been studied.

이러한 강인 제어 기법 중 널리 알려진 기술로 외란 관측기(disturbance observer, DOB)가 있다. 외란 관측기는 모델 불확실성과 외란이 시스템에 미치는 영향을 관측 혹은 추정하여 보상하는 기술이다.Among these robust control techniques, a widely known technique is a disturbance observer (DOB). Disturbance observer is a technology that compensates for model uncertainty and disturbance by observing or estimating the effect on the system.

로봇 시스템에서 외란을 제거하기 위한 종래기술로, i) 일본 공개특허공보 제2020-064576호(제어 시스템, 제어 방법, 및 제어 프로그램)는 부하부재와 구동수단 사이의 관계 정보를 제1 및 제2 센서로 검출하고, 이 정보에 근거하여 부하부재 정보가 첨가된 외란을 추정하는 외란옵저버를 통해 구동수단의 구동력에 필터를 적용하는 제어 시스템에 관한 기술이며, ii) 미국 등록특허공보 US10493632호(Robot control device for controlling robot and method for estimating disturbance value applied to robot)는 로봇 제어 장치에 있어서 외란 추정값과 포스센서를 이용한 지지력 측정값을 통해 로봇 제어 데이터를 보정하는 기술이다.As a prior art for removing disturbance from a robot system, i) Japanese Patent Laid-open Publication No. 2020-064576 (control system, control method, and control program) provides relational information between a load member and a driving means as first and second It is a technology related to a control system that detects with a sensor and applies a filter to the driving force of a driving means through a disturbance observer that estimates a disturbance to which load member information is added based on this information, ii) US Patent Publication No. US10493632 (Robot control device for controlling robot and method for estimating disturbance value applied to robot) is a technology that corrects robot control data through a disturbance estimation value and a support force measurement value using a force sensor in a robot control device.

그러나, 상술한 종래기술들은 로봇 시스템에 가해지는 외력에 의한 외란을 추정하는 것으로 시스템에 영향을 주는 외란을 추정하는 것은 아니다. 또한 상술한 종래기술들은 외력에 의한 접촉상황에서 외란을 추정하지만 비접촉상황에서는 외란 추정이 불가능하다.However, the above-described prior art estimates the disturbance due to the external force applied to the robot system, not the disturbance affecting the system. In addition, the above-described conventional techniques estimate disturbance in a contact situation due to an external force, but disturbance estimation is impossible in a non-contact situation.

일본 공개특허공보 제2020-064576호(제어 시스템, 제어 방법, 및 제어 프로그램)Japanese Unexamined Patent Publication No. 2020-064576 (control system, control method, and control program) 미국 등록특허공보 US10493632호(Robot control device for controlling robot and method for estimating disturbance value applied to robot)US Patent Publication No. US10493632 (Robot control device for controlling robot and method for estimating disturbance value applied to robot)

본 발명의 과제는 상술한 종래 기술이 가진 문제를 해결하기 위해 고안된 것으로, 로봇 시스템에서 시스템에 영향을 주는 힘/토크 차원의 외란 추정이 가능하고 접촉상황 및 비접촉상황을 불문하고 외란 추정이 가능한 새로운 형태의 발명을 제공함에 있다.The object of the present invention is devised to solve the problems of the prior art described above, and it is possible to estimate disturbance in the force / torque dimension affecting the system in a robot system, and to estimate a new disturbance regardless of contact situation or non-contact situation. It is to provide an invention of the form.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 통합 외란 관측기는, 제어대상인 시스템에 포함된 모델링되지 않은 외란을 관찰하여 상기 시스템의 제어 입력 신호를 통해 외란을 보상하는 통합 외란 관측기로서, 상기 모터와 부하부 사이에 연결되어 상기 부하부에 전달되는 힘을 측정하는 측정센서; 및 상기 모터의 구동토크 정보와, 상기 모터의 위치정보와, 상기 측정센서로부터 측정된 상기 부하부에 전달되는 힘의 측정정보를 입력받아 상기 외란을 추정하여 상기 제어 입력 신호에 보상하는 외란 관측기;를 포함한다.An integrated disturbance observer according to the present invention for achieving the above object is an integrated disturbance observer that observes a non-modeled disturbance included in a system to be controlled and compensates for the disturbance through a control input signal of the system, wherein the motor and the load a measuring sensor connected between the units to measure the force transmitted to the load unit; and a disturbance observer for estimating the disturbance by receiving driving torque information of the motor, position information of the motor, and measurement information of force transmitted to the load measured from the measurement sensor, and compensating for the control input signal. includes

바람직하게는, 상기 외란 관측기는 상기 모터의 공칭 역모델부와 상기 외란을 보상하는 저역통과필터부를 포함한다.Preferably, the disturbance observer includes a nominal inverse model part of the motor and a low-pass filter part compensating for the disturbance.

또한, 바람직하게는, 상기 측정센서에서 측정된 부하부에 전달된 힘에 기어비를 연산하는 기어비 연산부를 더 포함한다.Also, preferably, a gear ratio calculation unit for calculating a gear ratio based on the force transmitted to the load unit measured by the measurement sensor is further included.

또한, 바람직하게는, 상기 부하부에 전달된 힘에는 상기 측정센서에서 측정된 힘 노이즈가 포함된다.Also, preferably, the force transmitted to the load unit includes force noise measured by the measuring sensor.

또한, 바람직하게는, 상기 외란의 추정값은 주파수 영역에서 아래 <수학식>으로 계산되는 것을 특징으로 한다.Also, preferably, the estimated value of the disturbance is characterized in that it is calculated by the following <Equation> in the frequency domain.

<수학식><mathematical expression>

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서,

Figure pat00002
는 외란의 추정값이고, Q는 저역통과필터이고,
Figure pat00003
은 기어비이고,
Figure pat00004
는 부하부에 전달된 힘 측정정보이고,
Figure pat00005
은 모터부의 공칭 역 모델이고,
Figure pat00006
은 모터의 위치정보이며,
Figure pat00007
은 모터의 구동토크 정보임.here,
Figure pat00002
is an estimate of the disturbance, Q is a low-pass filter,
Figure pat00003
is the gear ratio,
Figure pat00004
Is the force measurement information transmitted to the load unit,
Figure pat00005
is the nominal inverse model of the motor part,
Figure pat00006
is the location information of the motor,
Figure pat00007
is the driving torque information of the motor.

또한, 바람직하게는, 상기

Figure pat00008
은 모터 선형모델로서 아래 수학식과 같이 모델링되는 것을 특징으로 한다.Also, preferably, the
Figure pat00008
Is a motor linear model, characterized in that it is modeled as in the following equation.

<수학식> <mathematical expression>

Figure pat00009
Figure pat00009

또한, 바람직하게는, 상기 플랜트는 모터와 부하를 포함하는 힘 서보 시스템이고, 상기 모터와 부하가 연결된 축에 상기 측정센서가 장착되는 것을 특징으로 한다.Also, preferably, the plant is a power servo system including a motor and a load, and the measuring sensor is mounted on a shaft to which the motor and the load are connected.

또한, 바람직하게는, 상기 플랜트의 공칭성능은 상기 모터와 부하가 연결된 축 강성 상수에 무관하게 유지되는 것을 특징으로 한다.Also, preferably, the nominal performance of the plant is characterized in that it is maintained regardless of the shaft stiffness constant in which the motor and the load are connected.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.According to the present invention, there are the following effects.

첫째, 로봇 시스템에 영향을 주는 모델링되지 않은 힘/토크 차원의 외란을 제거하도록, 부하부에 전달된 힘 측정정보, 모터 위치정보 및 모터 구동토크정보를 결합하여 힘차원에서 외란을 추정하는 것이 가능하다.First, it is possible to estimate the disturbance in the force dimension by combining the force measurement information, motor position information, and motor driving torque information transmitted to the load to remove the unmodeled force/torque dimension disturbance affecting the robot system. do.

둘째, 본 발명에 따르면, 큰 불확실성을 가진 강성값(stiffness)에 대한 지식을 필요로 하는 기존의 외란 관측기와 달리 모터의 동역학만을 사용하여 외란을 추정하는 것이 가능하다.Second, according to the present invention, it is possible to estimate the disturbance using only the dynamics of the motor, unlike conventional disturbance observers that require knowledge of stiffness with large uncertainty.

셋째, 본 발명에 따르면, 플랜트의 공칭모델 설계 시 부하(Load)와 외부환경을 모델링하지 않으므로, 부하 및 외부환경 역학이 바뀌어도 외란 관측기의 성능에는 영향을 미치지 않는다.Third, according to the present invention, since the load and external environment are not modeled when designing the nominal model of the plant, the performance of the disturbance observer is not affected even if the dynamics of the load and external environment are changed.

넷째, 본 발명에 따르면, 통합 외란 관측기는 플랜트의 힘 및 위치 제어에 모두 적용이 가능하다.Fourth, according to the present invention, the integrated disturbance observer can be applied to both power and position control of a plant.

다섯째, 기존의 외란 관측기는 외부 객체와의 접촉 상황에서 발생된 외력에 의한 외란 제거 효과만을 가지나, 본 발명에 따르면 접촉 상황뿐만 아니라 비접촉상황에서도 외란 제거 효과가 나타난다.Fifth, a conventional disturbance observer has only a disturbance removal effect by an external force generated in a contact situation with an external object, but according to the present invention, a disturbance removal effect appears in a non-contact situation as well as in a contact situation.

도 1은 종래의 외란 관측기를 포함한 제어 시스템의 개략적인 블록선도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기를 포함한 제어 시스템의 개략적인 블록선도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기의 성능을 실험하기 위해 힘 서보 시스템을 플랜트로 사용한 제어 시스템의 개략적인 블록선도이다.1 is a schematic block diagram of a control system including a conventional disturbance observer.
2 is a schematic block diagram of a control system including an integrated disturbance observer according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic block diagram of a control system using a force servo system as a plant to test the performance of an integrated disturbance observer according to an embodiment of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 통합 외란 관측기 및 이를 이용한 통합 외란 관측방법에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, an integrated disturbance observer and an integrated disturbance observation method using the integrated disturbance observer according to a preferred embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, the same reference numerals are used for the same components, and repeated descriptions and detailed descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the invention are omitted. Embodiments of the invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clarity.

도 1은 기존의 외란 관측기를 포함한 제어 시스템의 개략적인 블록선도이다.1 is a schematic block diagram of a control system including a conventional disturbance observer.

입력 외란과 모델의 불확실성은 정밀 제어에 많은 문제를 야기한다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로 외란 관측기가 사용된다. 외란 관측기는 외란을 추정하여 이의 영향을 제거하는 것과 함께 플랜트의 모델 불확실성을 보상하는 것을 목적으로 한다.Input disturbances and model uncertainties cause many problems in precise control. To solve this problem, a disturbance observer is used. Disturbance monitors aim to compensate for model uncertainty in a plant, along with estimating disturbances and eliminating their effects.

도 1을 참조하면, 기존의 외란 관측기(10)는 모델 불확실성을 보상해주기 위한 실제 플랜트(Pm)의 공칭(nominal) 모델(Pmn)(11)과, 시스템에 입력되는 외란(d)의 영향을 제거하기 위한 저역통과필터부(Q-필터라 부름)(14)를 포함한다. 여기서, 플랜트(Plant)는 제어대상을 의미하는 것으로, 도 1에서 예시로 든 플랜트는 로봇을 구동시키는 모터이다. 따라서, 도 1의 플랜트에서 실제 플랜트는 첨자 m이 사용되었고, 공칭 플랜트는 첨자 mn이 사용되었다.Referring to FIG. 1, the existing disturbance observer 10 is a nominal model (P mn ) 11 of an actual plant (P m ) to compensate for model uncertainty and a disturbance (d) input to the system. and a low-pass filter section (called a Q-filter) 14 for removing the influence. Here, a plant means a control target, and the plant exemplified in FIG. 1 is a motor that drives a robot. Thus, in the plant of Figure 1, the subscript m is used for actual plants and the subscript mn is used for nominal plants.

기존의 외란 관측기(10)는 출력값(θm)을 통해 실제 플랜트(Pm)의 공칭 모델(Pmn)로 예측한 값과 입력값(τm)의 차이를 구해서 외란(

Figure pat00010
)을 관측하게 된다. 이후, 외부 제어기(미도시)에 의한 제어 입력값(τc)에 상기 외란(
Figure pat00011
)을 제거한 값(τm)이 실제 플랜트(Pm)에 입력된다.The existing disturbance observer 10 obtains the difference between the value predicted by the nominal model (P mn ) of the actual plant (P m ) and the input value (τ m ) through the output value (θ m ),
Figure pat00010
) will be observed. Thereafter, the disturbance (
Figure pat00011
) is removed and the value (τ m ) is input to the actual plant (P m ).

기존의 외란 관측기(10)는 이미 알려진 기술이나, 그 동작 원리에 대해 개략적으로 살펴본다.The existing disturbance observer 10 is a known technology, but its operating principle will be briefly reviewed.

도 1에 도시된 블록선도를 기반으로 제어 입력값(τm)부터 출력값(θm)까지 그리고 외란 입력값(d) 부터 출력값(θm)까지의 전달함수를 구하면 아래 <수학식 1>과 같다.Based on the block diagram shown in FIG. 1, if the transfer function from the control input value (τ m ) to the output value (θ m ) and from the disturbance input value (d) to the output value (θ m ) is obtained, the following <Equation 1> and same.

<수학식 1> <Equation 1>

Figure pat00012
Figure pat00012

이때, Q-필터가 저주파에서 근사적으로 1의 이득이 되도록, 즉

Figure pat00013
이 되도록 설계된다면 상기 <수학식 1>은 아래 <수학식 2>가 된다.At this time, the Q-filter has a gain of approximately 1 at low frequencies, that is,
Figure pat00013
If designed to be, the above <Equation 1> becomes <Equation 2> below.

<수학식 2> <Equation 2>

Figure pat00014
Figure pat00014

상기 <수학식 2>에서 알 수 있듯이, 입력 외란(d)은 제거되고, 실제 플랜트(Pm)를 포함한 외란 관측기 블록이 공칭 플랜트 모델(Pmn)로 대체되어 외부 제어기와의 폐루프 시스템이 형성되며, 외란(d)과 플랜트 모델의 불확실성의 영향이 제거되고, 외부 제어기로 공칭 플랜트 모델(Pn)의 폐루프 시스템 응답을 조절할 수 있게 된다.As can be seen in Equation 2 above, the input disturbance (d) is removed, and the disturbance observer block including the actual plant (P m ) is replaced with the nominal plant model (P mn ), resulting in a closed-loop system with an external controller. is formed, the influence of the disturbance (d) and the uncertainty of the plant model is removed, and the closed-loop system response of the nominal plant model (P n ) can be adjusted by an external controller.

그러나, 종래의 로봇 시스템에 사용되는 외란 관측기(10)는 모터의 위치 정보와 모터의 구동토크 정보만을 제어 입력으로 활용하여 위치 차원의 외란(

Figure pat00015
)을 추정하고 있다. 즉, 기존의 외란 관측기(10)에 의하면 부하부에 전달되는 힘과 외란이 섞인 정보가 측정되므로 외란만을 분리하여 측정하는 것이 어렵다.However, the disturbance observer 10 used in the conventional robot system utilizes only the position information of the motor and the driving torque information of the motor as control inputs to generate positional disturbance (
Figure pat00015
) is estimated. That is, according to the existing disturbance observer 10, it is difficult to separate and measure only the disturbance because information mixed with the force transmitted to the load and the disturbance is measured.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기를 포함한 제어 시스템의 개략적인 블록선도이다.2 is a schematic block diagram of a control system including an integrated disturbance observer according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기(100)는 기존의 로봇 시스템에 가해지는 외력 자체만을 측정하는 기술과 다르다. 즉, 본 발명에서는 시스템에 섞여 있는 모델링되지 않은 요소들, 예를 들어 플랜트 모델링 에러, 힘에 포함된 노이즈, 외란 등을 관측하여 보상하는 기술이다.The integrated disturbance observer 100 according to an embodiment of the present invention is different from a conventional technology for measuring only the external force itself applied to a robot system. That is, in the present invention, it is a technique of observing and compensating for non-modeled elements mixed in the system, for example, plant modeling error, noise included in force, disturbance, and the like.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기(100)는 모터 위치 측정정보, 모터 토크 입력정보뿐만 아니라 부하부에 전달된 힘 측정정보를 입력받아 힘차원의 외란을 추정하는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 모터의 공칭 역 모델부(110), 측정센서(105), 기어비 연산부(120) 및 저역통과필터부(140)를 포함한다.To this end, the integrated disturbance observer 100 according to an embodiment of the present invention receives not only motor position measurement information and motor torque input information but also force measurement information transmitted to the load unit and estimates disturbance in the force dimension. As shown in FIG. 2, it includes a nominal inverse motor model unit 110, a measurement sensor 105, a gear ratio calculation unit 120 and a low pass filter unit 140.

한편, 도 2에 예시된 제어 시스템에서, 제어대상인 플랜트는 힘 서보 시스템인 것으로 한다.On the other hand, in the control system illustrated in FIG. 2, it is assumed that the plant to be controlled is a power servo system.

모터의 공칭 역 모델부(110)는 기존의 외란 관측기(10)에서와 마찬가지로, 모터의 위치정보(θm)를 입력받아 외란 입력추정값(d0)을 출력한다. 이때, 통합 외란 추정기(100)는 출력된 외란 입력추정값(d0)과 제어 입력값(τm)의 차이 정보(d1)를 도출한다.As in the conventional disturbance observer 10, the motor nominal inverse model unit 110 receives motor position information (θ m ) and outputs a disturbance input estimation value (d 0 ). At this time, the integrated disturbance estimator 100 derives difference information (d 1 ) between the output estimated disturbance input value (d 0 ) and the control input value (τ m ).

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 측정기(100)는 외란(

Figure pat00016
)을 추정하기 위해 모터에서 발생된 부하부에 전달된 힘 측정정보(F)를 더 활용한다. 이를 위해 통합 외란 측정기(100)는 모터 힘을 측정할 수 있는 측정센서(105)(도 3 참조)를 포함한다.On the other hand, the integrated disturbance measuring instrument 100 according to an embodiment of the present invention is a disturbance (
Figure pat00016
), the force measurement information (F) transmitted to the load generated by the motor is further utilized. To this end, the integrated disturbance measuring device 100 includes a measurement sensor 105 (see FIG. 3) capable of measuring motor force.

플랜트(P)에서 발생된 힘은 측정센서(105)를 통해 센싱된다. 이렇게 측정된 힘 측정정보(F)는 외란(

Figure pat00017
)을 추정하는데 사용된다.The force generated in the plant P is sensed through the measuring sensor 105. The force measurement information (F) measured in this way is the disturbance (
Figure pat00017
) is used to estimate

한편, 힘 측정정보(F)는 기어비 연산부(120)에서 연산되어 모터차원의 힘 크기 정보(d2)로 변환된다.Meanwhile, the force measurement information (F) is calculated in the gear ratio calculation unit 120 and converted into motor dimension force magnitude information (d 2 ).

통합 외란 관측기(100)는 외란 입력추정값(d0)과 제어 입력값(τm)의 차이 정보(d1)와 기어비 연산부(100)를 거쳐 변환된 힘 측정정보(d2)를 이용하여 외란을 추정한다.The integrated disturbance observer 100 uses the difference information (d 1 ) between the disturbance input estimate value (d 0 ) and the control input value (τ m ) and the force measurement information (d 2 ) converted through the gear ratio calculation unit 100 to detect disturbances. to estimate

상술한 두 정보(d1, d2)는 저역통과필터부(140)를 거쳐 제어 입력(τc)에 보상될 외란(

Figure pat00018
)이 추정된다. 이때 저역통과필터부(140)는 외란을 보상하기 위한 튜닝 파라미터의 기능을 한다. 기존의 외란관측기는 모델들(스프링강성, 부하부 등)을 사용하여 힘을 구하는 경우에 부하와 외부 환경에 영향을 받게 된다. 그러나, 본 발명의 통합 외란관측기는 부하부에 전달되는 힘을 고려하여 정확한 외란을 관측할 수 있어, 부하와 외부 환경의 변화에 상관없이 적용할 수 있다.The above-mentioned two pieces of information (d 1 and d 2 ) are the disturbance to be compensated for the control input (τ c ) through the low-pass filter unit 140 (
Figure pat00018
) is estimated. At this time, the low-pass filter unit 140 functions as a tuning parameter to compensate for the disturbance. Existing disturbance observers are affected by the load and external environment when force is obtained using models (spring stiffness, load part, etc.). However, the integrated disturbance observer of the present invention can accurately observe disturbances in consideration of the force transmitted to the load, and can be applied regardless of changes in load and external environment.

저역통과필터부(140)를 거친 외란(

Figure pat00019
)은 주파수 영역에서 아래 <수학식 3>과 같이 구해질 수 있다.Disturbance through the low-pass filter unit 140 (
Figure pat00019
) can be obtained as shown in Equation 3 below in the frequency domain.

<수학식 3> <Equation 3>

Figure pat00020
Figure pat00020

여기서, F, θm, τm은 통합 외란 관측기의 입력 정보로서, F는 부하부에 전달된 힘 측정정보이고,

Figure pat00021
은 모터부의 공칭 역 모델이고, θm은 토크 위치정보이며, τm은 모터 토크정보이다.Here, F, θ m , τ m are the input information of the integrated disturbance observer, F is the force measurement information transmitted to the load,
Figure pat00021
is a nominal inverse model of the motor unit, θ m is torque position information, and τ m is motor torque information.

한편, 플랜트 공칭 역 모델부(11)에서 모터의 공칭 선형모델을 사용하면 상기 <수학식 3>은 아래 <수학식 4>와 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, when the nominal linear model of the motor is used in the plant nominal inverse model unit 11, the above Equation 3 can be expressed as Equation 4 below.

<수학식 4> <Equation 4>

Figure pat00022
Figure pat00022

여기서, Jn, Bn 및 N은 실험적으로 결정된다.Here, Jn, Bn and N are determined experimentally.

상기 <수학식 3> 및 <수학식 4>를 분석하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기(100)는 모터 힘 측정정보, 토크 위치정보, 모터 토크정보가 결합되어 외란을 추정하며, 모터 역학만 알면 되므로 외란(

Figure pat00023
)을 정확하게 추정할 수 있다. 또한, 상기 <수학식 3> 및 <수학식 4>에서 볼 수 있듯이 외란 추정 시 부하와 외부환경에 영향을 받지 않음을 알 수 있다.Analyzing <Equation 3> and <Equation 4> above, the integrated disturbance observer 100 according to an embodiment of the present invention estimates disturbance by combining motor force measurement information, torque location information, and motor torque information. , since only the motor dynamics are known, the disturbance (
Figure pat00023
) can be accurately estimated. In addition, as shown in <Equation 3> and <Equation 4>, it can be seen that the load and external environment are not affected when the disturbance is estimated.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기의 성능을 실험하기 위해 힘 서보 시스템을 플랜트로 사용한 제어 시스템의 개략적인 블록선도이다.3 is a schematic block diagram of a control system using a force servo system as a plant to test the performance of an integrated disturbance observer according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 플랜트(P)는 모터(M), 기어, 힘측정센서(105) 및 부하(L)를 포함한다. 모터(M)는 토크를 생성할 수 있다. 모터(M)와 부하(L)는 힘측정센서(105)로 연결되어 모터(M)에서 부하(L)로 전달되는 힘, 외부에서 부하(L)로 작용하는 힘을 측정한다. 여기서, 모터토크는 기어를 거쳐 힘측정센서(105)로 전달된다.The plant P shown in FIG. 3 includes a motor M, a gear, a force measuring sensor 105 and a load L. The motor M may generate torque. The motor (M) and the load (L) are connected to the force measuring sensor 105 to measure the force transmitted from the motor (M) to the load (L) and the force acting on the load (L) from the outside. Here, the motor torque is transmitted to the force measurement sensor 105 via the gear.

한편, 본 발명의 통합 외란 관측기(100)의 성능을 분석하기 위해 저주파에서 공칭성능과 외란 제거능력을 확인할 필요가 있다. 여기서 공칭성능을 확인하는 것은 실제 플랜트 모델과 공칭 플랜트 모델이 어느 정도 일치하는가를 의미한다. 이를 위해 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 모터(M), 측정센서(105) 및 부하(L)로 구성된 플랜트(힘 서보 시스템)를 사용하여 통합 외란 관측기의 성능을 확인하였다.Meanwhile, in order to analyze the performance of the integrated disturbance observer 100 of the present invention, it is necessary to check the nominal performance and disturbance rejection capability at low frequencies. Checking the nominal performance here means how much the actual plant model and the nominal plant model agree. To this end, in the present invention, as shown in FIG. 3, the performance of the integrated disturbance observer was confirmed using a plant (force servo system) composed of a motor M, a measuring sensor 105, and a load L.

한편, 도 3에서 d는 힘 서보 시스템에 유입된 외란을 의미하고,

Figure pat00024
는 모터 힘에 포함된 노이즈를 의미한다.On the other hand, in FIG. 3, d means the disturbance introduced into the force servo system,
Figure pat00024
denotes the noise included in the motor force.

도 3을 참조하면, 통합 외란 관측기(100)의 성능분석 중, 공칭성능에 대해서는 모터 입력 토크(τc)에서 힘(F)까지의 전달함수를 사용하고, 외란 제거성능에 대해서는 외란(d)에서 힘(F)까지의 전달함수를 사용하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 3, during performance analysis of the integrated disturbance observer 100, a transfer function from motor input torque (τ c ) to force (F) is used for nominal performance, and disturbance (d) is used for disturbance rejection performance. This can be done using a transfer function from to the force (F).

우선, 공칭성능을 확인하기 위해, 모터 입력 토크(τc)에서 힘(F)까지의 전달함수는 아래 <수학식 5>와 같이 구할 수 있다.First of all, in order to check the nominal performance, the transfer function from the motor input torque (τ c ) to the force (F) can be obtained as shown in Equation 5 below.

<수학식 5> <Equation 5>

Figure pat00025
Figure pat00025

여기서,

Figure pat00026
는 모터의 선형모델이고, J는 모터관성이며, B는 모터댐핑계수이고,
Figure pat00027
는 모터모델(Pm)을 포함한 플랜트(P)의 모델이다.here,
Figure pat00026
is the linear model of the motor, J is the motor inertia, B is the motor damping coefficient,
Figure pat00027
is a model of the plant (P) including the motor model (P m ).

낮은 주파수에서 저역통과필터인 Q = 1에 가까워지므로, 상기 <수학식 5>에 Q = 1을 대입하면 아래 <수학식 6>과 같이 변환된다.Since Q = 1, which is a low-pass filter, is approached at a low frequency, substituting Q = 1 into <Equation 5> results in conversion as shown in <Equation 6> below.

<수학식 6> <Equation 6>

Figure pat00028
Figure pat00028

한편, <수학식 6>은 아래 <수학식 7>과 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, <Equation 6> can be expressed as <Equation 7> below.

<수학식 7> <Equation 7>

Figure pat00029
Figure pat00029

여기서, 공칭모델(

Figure pat00030
)은 모터모델(
Figure pat00031
)과 같게 설정하기 때문에
Figure pat00032
이다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 외란 관측기(100)는 강성 상수(Ks)의 불확실성을 고려하면서 공칭성능을 유지할 수 있다. 이는 기존의 외란 관측기와의 중요한 차이다.Here, the nominal model (
Figure pat00030
) is the motor model (
Figure pat00031
) because it is set equal to
Figure pat00032
am. Therefore, the integrated disturbance observer 100 according to an embodiment of the present invention can maintain nominal performance while considering the uncertainty of the stiffness constant (K s ). This is an important difference from existing disturbance observers.

다음으로, 외란 제거성능을 확인하기 위해, 외란(d)에서 모터 힘(F)까지의 전달함수는 아래 <수학식 8>과 같이 구할 수 있다.Next, in order to check the disturbance rejection performance, the transfer function from the disturbance (d) to the motor force (F) can be obtained as shown in Equation 8 below.

<수학식 8> <Equation 8>

Figure pat00033
Figure pat00033

상기 <수학식 8>에서 낮은 주파수에서는 Q = 1이므로 모터 힘에 섞여있는 외란의 영향은 아래 <수학식 9>와 같이 통합 외란 관측기(100)에 의해 완전히 억제된다.In Equation 8 above, since Q = 1 at a low frequency, the influence of the disturbance mixed with the motor force is completely suppressed by the integrated disturbance observer 100 as shown in Equation 9 below.

<수학식 9> <Equation 9>

Figure pat00034
Figure pat00034

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings, but this is only exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. You will be able to. Therefore, the true protection scope of the present invention should be defined only by the appended claims.

100 : 통합 외란 관측기 110 : 모터의 공칭 역 모델부
120 : 기어비 연산부 140 : 저역통과필터부 100: integrated disturbance observer 110: nominal inverse model unit of the motor
120: gear ratio calculation unit 140: low pass filter unit

Claims (8)

제어대상인 시스템에 포함된 모델링되지 않은 외란을 관찰하여 상기 시스템의 제어 입력 신호를 통해 외란을 보상하는 통합 외란 관측기로서,
상기 모터와 부하부 사이에 연결되어 상기 부하부에 전달되는 힘을 측정하는 측정센서; 및
상기 모터의 구동토크 정보와, 상기 모터의 위치정보와, 상기 측정센서로부터 측정된 상기 부하부에 전달되는 힘의 측정정보를 입력받아 상기 외란을 추정하여 상기 제어 입력 신호에 보상하는 외란 관측기;를 포함하는,
통합 외란 관측기.An integrated disturbance observer that observes unmodeled disturbances included in a system to be controlled and compensates for disturbances through a control input signal of the system,
a measuring sensor connected between the motor and the load unit to measure a force transmitted to the load unit; and
a disturbance observer that receives driving torque information of the motor, position information of the motor, and measurement information of force transmitted to the load measured from the measurement sensor, estimates the disturbance, and compensates for the control input signal; including,
Integrated Disturbance Observer. 제 1 항에 있어서,
상기 외란 관측기는 상기 모터의 공칭 역모델부와 상기 외란을 보상하는 저역통과필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 외란 관측기.According to claim 1,
The disturbance observer comprises a nominal inverse model unit of the motor and a low-pass filter unit compensating for the disturbance. 제 2 항에 있어서,
상기 측정센서에서 측정된 부하부에 전달된 힘에 기어비를 연산하는 기어비 연산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 통합 외란 관측기.According to claim 2,
The integrated disturbance observer further comprises a gear ratio calculation unit for calculating a gear ratio based on the force transmitted to the load unit measured by the measurement sensor. 제 1 항에 있어서,
상기 부하부에 전달된 힘에는 상기 측정센서에서 측정된 힘 노이즈가 포함되는 것을 특징으로 하는 통합 외란 관측기.According to claim 1,
The integrated disturbance observer, characterized in that the force transmitted to the load includes force noise measured by the measurement sensor. 제 1 항에 있어서,
상기 외란의 추정값은 주파수 영역에서 아래 <수학식>으로 계산되는 것을 특징으로 하는 통합 외란 관측기.
<수학식>
Figure pat00035

여기서,
Figure pat00036
는 외란의 추정값이고, Q는 저역통과필터이고,
Figure pat00037
은 기어비이고,
Figure pat00038
는 부하부에 전달된 힘 측정정보이고,
Figure pat00039
은 모터부의 공칭 역 모델이고,
Figure pat00040
은 모터의 위치정보이며,
Figure pat00041
은 모터의 구동토크 정보임.According to claim 1,
The estimated value of the disturbance is calculated by the following <Equation> in the frequency domain.
<mathematical expression>
Figure pat00035

here,
Figure pat00036
is an estimate of the disturbance, Q is a low-pass filter,
Figure pat00037
is the gear ratio,
Figure pat00038
Is the force measurement information transmitted to the load unit,
Figure pat00039
is the nominal inverse model of the motor part,
Figure pat00040
is the location information of the motor,
Figure pat00041
is the driving torque information of the motor. 제 5 항에 있어서,
상기
Figure pat00042
은 모터 선형모델로서 아래 수학식과 같이 모델링되는 것을 특징으로 하는 통합 외란 관측기.
<수학식>
Figure pat00043
According to claim 5,
remind
Figure pat00042
is a motor linear model, and an integrated disturbance observer, characterized in that it is modeled as in the equation below.
<mathematical expression>
Figure pat00043
 제 1 항에 있어서,
상기 플랜트는 모터와 부하를 포함하는 힘 서보 시스템이고, 상기 모터와 부하가 연결된 축에 상기 측정센서가 장착되는 것을 특징으로 하는 통합 외란 관측기.According to claim 1,
The plant is a power servo system including a motor and a load, and the measurement sensor is mounted on a shaft to which the motor and the load are connected. 제 7 항에 있어서,
상기 플랜트의 공칭성능은 상기 모터와 부하가 연결된 축 강성 상수에 무관하게 유지되는 것을 특징으로 하는 통합 외란 관측기.According to claim 7,
The integrated disturbance observer, characterized in that the nominal performance of the plant is maintained regardless of the shaft stiffness constant connected to the motor and the load.
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