KR940007152B1 - Arrangement for controlling the torque of servo motor - Google Patents

Abstract

The torque limiting apparatus of a servo motor comprises a PI controller for supplying a torque command signal of the motor, a fourth operational amplifier for inverting the torque command signal, a microprocessor for receiving an encoder pulse for a motor speed from the motor, a digital-to-analog (D/A) converter for determining a D/A output value corresponding to the speed signal, a first operational amplifier for inverting an output signal of the D/A converter, and second and third operational amplifiers for eliminating a voltage of the torque command signal which is beyond a prescribed range, thereby protecting the servo motor even at a high speed.

Description

서보모터의 토오크 제한장치Torque Limiter of Servo Motor

제1도는 본 발명에 따른 토오크 제한장치의 회로도.1 is a circuit diagram of a torque limiter according to the present invention.

제2도는 일반적인 소용량 AC서보모터의 T-N커브를 나타낸 그래프.2 is a graph showing a T-N curve of a typical small capacity AC servo motor.

제3도는 본 발명이 적용되는 대용량의 AC서보모더의 T-N커브를 나타낸 그래프.3 is a graph showing a T-N curve of a large-capacity AC servomode to which the present invention is applied.

제4도는 모터에 입력되는 토오크 명령신호의 파형도.4 is a waveform diagram of a torque command signal input to a motor.

제5도는 실제 모터에 입력되는 토오크 명령신호의 파형도이다.5 is a waveform diagram of a torque command signal actually input to a motor.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

l : 마이컴 2 : D/A콘버터l: Micom 2: D / A converter

3 : 디코더: 칩실렉터단자3: decoder : Chip selector terminal

R1∼R6 : 저항 4 : 제 1연산증폭기R1 to R6: resistance 4: first operational amplifier

5 : 제 3연산증폭기 6:제2연산증폭기5: third operational amplifier 6: second operational amplifier

D2 : 다이오드 7 : 제5연산증폭기D2: Diode 7: Fifth Operational Amplifier

8 : 속도 PI제어회로 Vt : 토오크 명령신호8: Speed PI control circuit Vt: Torque command signal

9 : 제 4 연산증폭기 10 : 서보모터9: fourth operational amplifier 10: servo motor

11 : 서보모터드라이브 12 : 제거부11: Servo Motor Drive 12: Remover

본 발명은 서보모터의 토오크 제한장치에 관한 것으로, 특히 높은 속도에서, 설정된 토오크 이상이 발생되지 않도록 함으로써 기기를 보호할 수 있도록 된 서보모터의 토오크 제한장치에 관한 것이다.The present invention relates to a torque limiting device for a servomotor, and more particularly, to a torque limiting device for a servomotor which is capable of protecting a device by preventing a set torque abnormality from occurring at a high speed.

제2도에는 로보트등의 위치제어에 일반적으로 사용되는 AC서보모터의 T-N커브(토오크-회전수커브)가 도시되어 있다. 이때 T는 토오크(kgcm)를 뜻하며, N은 단위시간당 회전수(rpm)을 뜻한다.2 shows a TN curve (torque-speed curve) of an AC servomotor which is generally used for position control of a robot or the like. Where T is the torque (kg cm) and N means revolutions per unit time (rpm).

이 커브가 적용되는 모터 용량은 200W 정도로 소형이며 정격속도는 1500rpm이다.The motor capacity of this curve is as small as 200W and the rated speed is 1500rpm.

이러한 모터는 어느 한도의 속도(약 2500rpm)를 넘어가면 토오크명령이 들어가서는 안된다.These motors should not enter torque commands beyond any speed limit (about 2500 rpm).

만약 이 속도이상에서 토오크 명령이 들어가면 모터에 무리를 주거나 서보드라이버에도 이상을 발생시킬수 있다.If a torque command is entered above this speed, the motor may be overwhelmed or the servo driver may fail.

따라서 제2도에 도시된 바와같은 전동기는 제한속도 이상이 되면 토오크 명령을 끊어야만 된다.Therefore, the motor as shown in FIG. 2 must cut off the torque command when the speed exceeds the speed limit.

한편, 모터가 대용량(1kw이상)이 되면 제3도에 도시된 바와같이 T-N 커버의 모양이 직사각형이 아니라 어느 속도(약 2000rpm)이상부터 서서히 감소하다가 급격히 끊어지는 형태를 나타낸다.On the other hand, when the motor becomes a large capacity (1kw or more), as shown in FIG. 3, the shape of the T-N cover is not a rectangle, but gradually decreases from a certain speed (about 2000 rpm) and then shows a sharp breakage.

본 발명은 상기와같이 모터정격에 알맞는 커브를 발생시키는 서보모터 드라이버를 제공하기 위해 발명된것으로, 본 발명의 목적은 높은 속도에서, 설정된 토오크 이상이 발생되지 않도록 함으로써 기기를 보호하며 안정된 모터구동이 이루어질 수 있도록 된 서보모터 드라이브의 T-N커브 발생장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been invented to provide a servo motor driver that generates a curve suitable for the motor rating as described above. An object of the present invention is to protect the device by preventing a set torque or more from occurring at a high speed and stable motor driving. It is an object of the present invention to provide a TN curve generating device of the servomotor drive that can be achieved.

상기와같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 서보모터의 토오크제한장치는, 모터에 대한 토오크명령신호를 공급하는 PI제어회로와; 이 PI제어회로로 부터 출력되는 토오크 명령신호를 반전시키는 제4연산증폭기; 모터로부터 모터속도에 대한 인코더펄스를 받아들이는 마이컴과: 상기 속도신호에 맞는 D/A출력값을 결정하여 그 출력값을 발송시키는 D/A콘버터; 상기 D/A콘버터의 출력신호를 반전시키는 제1연산증폭기 및; 상기 제1연산증폭기의 출력단에 연결되어, 상기 제4연산증폭기로부터 상기 모터에 공급되는 토오크 명령신호의 전압크기가 소정범위를 벗어났을 경우 그 벗어난 범위의 전압을 제거하여주는 제2연산증폭기와 제3연산증폭기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the torque limiting apparatus of the servomotor according to the present invention includes a PI control circuit for supplying a torque command signal to the motor; A fourth operational amplifier for inverting the torque command signal output from the PI control circuit; A microcomputer that receives encoder pulses for the motor speed from the motor, and includes: a D / A converter for determining a D / A output value corresponding to the speed signal and sending the output value; A first operational amplifier for inverting the output signal of the D / A converter; A second operational amplifier connected to an output terminal of the first operational amplifier and removing a voltage in an out-of-range range when the voltage of the torque command signal supplied to the motor from the fourth operational amplifier is out of a predetermined range; It is characterized by consisting of a three-operation amplifier.

이하 예시된 도면에 의거 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the illustrated drawings.

제1도는 본 발명에 따른 서보모터드라이버의 내부회로도이고, 제3도는 본 발명이 적용되는 대용량의AC서보모터의 T-N커브를 나타낸 그래프이며, 제4도는 제1도에 있어서 모터에 입력되는 토오크 명령신호의 파형도이고, 제5도는 실제모터에 입력되는 토오크 명령신호의 파형도이다.1 is an internal circuit diagram of a servo motor driver according to the present invention, and FIG. 3 is a graph showing a TN curve of a large-capacity AC servo motor to which the present invention is applied. FIG. 4 is a torque command input to a motor in FIG. 5 is a waveform diagram of a torque command signal input to an actual motor.

제1도에 도시된 바와같이, 마이컴(1)의 단자(A,B)에는 인코더 펄스신호가 입력된다. 마이컴(1)으로부터는 D/A콘버터(2)로 데이타 버스라인이 연결되어 있어, 데이타를 전송시키게 되며, 마이컴(1)의 기록신호단자()는 D/A콘버터(2)의 기록신호단자()와 연결되게 되고, 마이컴(1)은 D/A콘버터(2)로 데이타를 송신시키겠다는 출력모드신호를 이 기록단자들()을 통해 전송시키게 된다.As shown in FIG. 1, an encoder pulse signal is input to terminals A and B of the microcomputer 1. The data bus line is connected from the microcomputer 1 to the D / A converter 2 to transmit data, and the recording signal terminal of the microcomputer 1 ( ) Is the recording signal terminal () of the D / A converter (2). ) And the microcomputer 1 outputs an output mode signal for transmitting data to the D / A converter 2. Will be sent via).

상기 마이컴(1)은 어드레스버스 라인을 통해 디코더(3)에, 데이타를 전송할 어드레스를 지정해주며, 이디코더(3)는 D/A콘버터(2)에, 데이타를 마이컴으로 부터 받아들이라는 신호를 송출시키고, 이 신호는 D/A콘버터(2)에 설치된 칩실렉터단자()에 입력되게 된다.The microcomputer 1 designates an address to transmit data to the decoder 3 through an address bus line, and the decoder 3 sends a signal to the D / A converter 2 to accept data from the microcomputer. This signal is connected to the chip selector terminal (D) installed in the D / A converter Will be entered.

마이컴(1)에서는 제4도에 도시된 바와 같이, 서보모터(10)에 공급되어야 할 기준전압(Vref1,Vref2)이 설정되게 되며, 이 기준전압데이타가 디지탈신호로 D/A콘버터(2)에 입력되게 되고, 이 기준전압데이타에 상응하는 아날로그신호가 저항(R1)을 통해 제1연산증폭기(4)의 반전단에 입력되며, 상기 제1연산증폭기(4)의 비반전단은 접지단자(G)에 연결되게 된다. 상기 제1연산증폭기(4)의 반전단과 제1연산증폭기(4)의 출력단 사이에는 또다른 저항(R5)이 설치되며 따라서 제l연산증폭기(4)는 입력신호를 반전시키는 인버터로작용하게 된다.In the microcomputer 1, as shown in FIG. 4, reference voltages Vref1 and Vref2 to be supplied to the servomotor 10 are set, and the reference voltage data is a digital signal. The analog signal corresponding to the reference voltage data is input to the inverting terminal of the first operational amplifier 4 through the resistor R1, and the non-inverting terminal of the first operational amplifier 4 is connected to the ground terminal. G). Another resistor R5 is provided between the inverting end of the first operational amplifier 4 and the output end of the first operational amplifier 4, so that the first operational amplifier 4 acts as an inverter for inverting the input signal. .

상기 제1연산증폭기(4)의 출력단은 저항(R2)을 통해 제3연산증폭기(5)의 비반전단에 연결되며, 상기제3연산증폭기(5)의 반전단은 제2연산증폭기(6)의 반전단과 연결된다. 상기 제1연산증폭기(4)의 출력단에는 입력원 아날로그 신호를 기준전압(Vref1)이하로만 출력시키도록 된 제3연산증폭기(5)가 연결되며,상기 D/A콘버터(2)의 출력단에는 입력된 아날로그신호를 기준전압(Vref2)이상으로만 출력시키도록 된 제2연산증폭기(6)가 연결되고, 상기 제2연산증폭기(6)의 출력단에는 다이오드(Dl)가 순방향으로 연결되어있고, 상기 제3연산증폭기(5)의 출력단에는 다이오드(D2)가 역방향으로 연결되며, 이 두개 다이오드(Dl,D2)의 출력단은 궤환요소와 함께 병렬연결되어 후술하는 제5연산증폭기(7)의 비반전단에 연결되게 된다.The output terminal of the first operational amplifier 4 is connected to the non-inverting end of the third operational amplifier 5 through the resistor R2, and the inverting end of the third operational amplifier 5 is the second operational amplifier 6 Is connected to the inverting end of. A third operational amplifier 5 is connected to an output terminal of the first operational amplifier 4 so as to output an input source analog signal only to a reference voltage Vref1 or less, and an input to an output terminal of the D / A converter 2. The second operational amplifier 6 is configured to output the analog signal only above the reference voltage Vref2, and the diode Dl is connected to the output terminal of the second operational amplifier 6 in the forward direction. The diode D2 is connected to the output terminal of the third operational amplifier 5 in the reverse direction, and the output terminals of the two diodes Dl and D2 are connected in parallel with the feedback element so that the non-inverting terminal of the fifth operational amplifier 7 to be described later. Will be connected to

한편, 속도 PI 제어회로(8)를 거쳐서 나온 토오크 명령신호(Vt)는 저항(R3)을 거쳐서 제4연산증폭기(9)의 반전단에 입력되며, 이 제4연산증폭기(9)의 반전단과 출력단 사이에는 저항(R6)이 설치된다.On the other hand, the torque command signal Vt outputted through the speed PI control circuit 8 is input to the inverting end of the fourth operational amplifier 9 via the resistor R3, and the inverted end of the fourth operational amplifier 9 A resistor R6 is provided between the output terminals.

상기 제4연산증폭기(9)의 비반전단은 접지단자(G)에 연결된다.The non-inverting terminal of the fourth operational amplifier 9 is connected to the ground terminal G.

상기 제4연산증폭기(9)의 출력단은 또한 저항(R4)을 거쳐서 제5연산증폭기(7)의 비반전단에 연결되고,이 제5연산증폭기(7)의 반전단은 이 제5연산증폭기(7)의 출력단과 코몬되게 되며, 이 제5연산증폭기(7)의 출력단은 서보모터(10)의 입력단자와 연결되게 된다.The output terminal of the fourth operational amplifier 9 is also connected to the non-inverting end of the fifth operational amplifier 7 via a resistor R4, and the inverting end of the fifth operational amplifier 7 is connected to the fifth operational amplifier ( 7) and the output terminal of the fifth operational amplifier (7) is connected to the input terminal of the servo motor (10).

본 발명의 동작에 대해 설명한다.The operation of the present invention will be described.

제1도에 도시된 바와같이, 서보모터 드라이버(11)는 마이컴(1)을 CPU로 사용하며, 이 마이컴(1)은 인코더 펄스신호를 받아들이고, 이 인코더 펄스신호는 모터에 직접 부착된 센서인 인코더(도시안됨)나 리졸버(도시안됨)로부터 발생된 신호이며, 이 신호를 받아들임으로써 마이컴(1)은 현재 모터의 속도를 인식할 수있다.As shown in FIG. 1, the servomotor driver 11 uses the microcomputer 1 as a CPU, and the microcomputer 1 receives an encoder pulse signal, which is a sensor directly attached to the motor. The signal is generated from an encoder (not shown) or a resolver (not shown), and by accepting this signal, the microcomputer 1 can recognize the current speed of the motor.

제l도에 있어서, PI제어회로(8)로부터 토오크 명령신호(Vt)가 출력되게 되며, 이 토오크 명령신호는 제4연산증폭기(9)를 통해 반전되게 된다.In Fig. 1, the torque command signal Vt is outputted from the PI control circuit 8, and this torque command signal is inverted through the fourth operational amplifier 9.

이 토오크 명령신호는 제4도에 도시된 바와같이, 일예로 삼각파형(Vi)으로 공급되게 되며, 모터의 정격토오크전압이 9V와 -9V 사이여야 할 경우, 이 9V를 초과하는 전압은 전술한 제3연산증폭기(5)와 제2연산증폭부(6)로 이루어지는 제거부(12)에 의해 잘려지게 되고, 그 결과로 제5도에 도시왼 바와같은 사다리꼴 파형의 입력전압이 모터(10)에 입력되게 된다This torque command signal is supplied as a triangular waveform Vi, for example, as shown in FIG. 4. When the rated torque voltage of the motor should be between 9V and -9V, the voltage exceeding this 9V is It is cut by the elimination part 12 which consists of the 3rd operational amplifier 5 and the 2nd operational amplifier 6, As a result, the input voltage of the trapezoidal waveform as shown in FIG. Will be entered in

이 부분에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.This part is described in more detail as follows.

즉, 상기 D/A콘버터(2)에서는 마이컴(1)에서 출력되는 디지탈신호를 아날로그신호로 변환시켜 이를 아날로그소자를 이루는 제2연산증폭기(6)와 제3연산증폭기(5)에 출력하게 된다. 한편, 상기 제3연산증폭기(5)에서는 제4도에 도시된 바와같이 상기 마이컴(1)의 정상 동작제어신호를 인가받아 기준전압(Vrefl)이하로 상기 서보모터(10)에 인가된 정격입력전압(Vi) 즉, 삼각파형의 전압을 제한하고, 상기 제2연산증폭기(6)에서는 제4도에 도시된 바와같이 상기 마이컴(1)의 정상 동작제어신호를 인가받아 기준전압(Vref2)이상으로 상기 정격입력전압(Vi)을 제한하여 출력시킨다. 따라서 제5연산증폭기(7)를 통과하는 상기 제2,3연산증폭기(6,5)의 합성출력은 제5도에 도시된 바와같이 제한된 전압범위 즉 정격출력전압으로 상기 서보모터(10)에 공급되게 되어 상기 서보모터(10)를 정상동작시키게 된다.That is, the D / A converter 2 converts the digital signal output from the microcomputer 1 into an analog signal and outputs the analog signal to the second operational amplifier 6 and the third operational amplifier 5 forming the analog device. . On the other hand, the third operational amplifier 5 receives the normal operation control signal of the microcomputer 1 as shown in FIG. 4, and the rated input applied to the servo motor 10 below the reference voltage Vrefl. The voltage Vi, that is, the voltage of the triangular waveform is limited, and the second operational amplifier 6 receives the normal operation control signal of the microcomputer 1 as shown in FIG. By limiting the rated input voltage (Vi) to output. Therefore, the combined output of the second and third operational amplifiers 6 and 5 passing through the fifth operational amplifier 7 is transmitted to the servomotor 10 in a limited voltage range, that is, a rated output voltage as shown in FIG. The servo motor 10 is normally operated.

따라서 모터는 항상 알맞는 범위내에 해당되는 토오크 출력신호를 공급받을 수 있게 된다.Therefore, the motor can always receive the torque output signal within the appropriate range.

한편, 제3도에 있어서, 모터(10)의 속도가 2500rpm 이상이 되어, 토오크명령이 0V가 되어야 한다면 D/A콘버터(2) 출력을 0V로 만들어주어야 한다.On the other hand, in Fig. 3, if the speed of the motor 10 is 2500rpm or more, and the torque command should be 0V, the output of the D / A converter 2 should be made 0V.

즉, 각 모터(10)에 따라 T-N커브가 각각 다르므로 각 모터(l0)에 대한 T-N커브 발생을 소프트웨어에 연계시키고, 딥(DIP) 스위치 등을 이용하여 모터를 셀렉트(SELECT)시키고 이에 따라 T-N커브를 발생시켜야 한다.That is, since the TN curves are different for each motor 10, the TN curve generation for each motor 10 is linked to the software, and the motor is selected using a dip switch, and thus the TN curve is selected. You need to generate a curve.

이러한 커브를 만들기 위한 소프트웨어는 제3도에 있어서, 속도(가)까지는 토오크(다)를 내보내고 속도(가)부터 속도(나)까지의 중간단계는 1차함수를 만들어 이에 따른 토오크 데이타를 만들면 된다.The software for creating these curves is shown in Fig. 3, where torque (a) is outputted to the speed (a), and the intermediate stages from speed (a) to speed (b) can be generated by first order functions to produce torque data accordingly. .

즉,1차함수는 속도(가,나)를 X1,X2라 하고 토오크(다, 라)를 Yl,Y2라 하면In other words, the first-order function assumes that the speeds (a, b) are X1, X2 and the torques (c, d) are Yl, Y2.

이 되어, 속도(가,나)사이의 속도를 X에 대입하면, 그에 맞는 토오크값(Y)이 나오게 된다.When the speed between the speeds (a) and (b) is substituted for X, the torque value Y corresponding to the speed is obtained.

또한, 속도(나) 이상의 속도가 검출되면 토오크 명령을 0V로 하면 된다.If a speed higher than the speed (b) is detected, the torque command may be 0V.

이와같이 본 발명은 높은 속도에서, 설정된 토오크 이상의 토오크 명령신호가 서보모터에 입력되지 않게함으로써 서보모터를 보호할수 있는 효과가 있고, 또한 모터구동을 안정되게 실행시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention has the effect of protecting the servomotor by preventing the torque command signal more than the set torque from being input to the servomotor at a high speed, and also has the effect of stably executing the motor driving.

Claims (2)

서보모터의 토오크제한장치에 있어서: 모터에 대한 토오크 명령신호를 공급하는 PI제어회로와; 이PI제어회로로 부터 출력되는 토오크 명령신호를 반전시키는 제4연산증폭기: 상기 모터로부터 모터속도에대한 인코더 펄스를 받아들이는 마이컴과; 상기 속도신호에 맞는 D/A출력값을 결정하여 그 출력값을 발송시키는 D/A콘버터; 상기 D/A콘버터의 출력신호를 반전시키는 제 1연산증폭기 및: 상기 제 1연산증폭기의 출력단에 연결되어, 상기 제4연산증폭기로부터 상기 모터에 공급되는 토오크명령신호의 전압 크기가 소정범위를 벗어났을 경우 그 벗어난 범위의 전압을 제거하여주는 제2연산증폭기와 제3연산증폭기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 서보모터의 토오크제한장치.A torque limiting device for a servomotor, comprising: a PI control circuit for supplying a torque command signal to a motor; A fourth operational amplifier for inverting the torque command signal output from the PI control circuit, a microcomputer receiving an encoder pulse for the motor speed from the motor; A D / A converter which determines a D / A output value corresponding to the speed signal and sends the output value; A first operational amplifier for inverting an output signal of the D / A converter and a voltage magnitude of a torque command signal supplied to the motor from the fourth operational amplifier connected to an output terminal of the first operational amplifier, out of a predetermined range A torque limiting device for a servomotor, comprising: a second operational amplifier and a third operational amplifier which removes the voltage in the out-of-range range when it occurs. 제1항에 있어서, 상기 제1연산증폭기의 출력단에는 입력된 아날로그신호를 기준전압(Vref1)이하로만 출력시키도록 된 제3연산증폭기가 연결되며, 상기 D/A콘버터의 출력단에는 입력된 아날로그신호를 기준전압(Vref2)이상으로만 출력시키도록 된 제2연산증폭기가 연결되고, 상기 제2연산증폭기의 출력단에는 다이오드가 순방향으로 연결되어 있고, 상기 제3연산증폭기의 출력단에는 다이오드가 역방향으로 연결되며,이 두개 다이오드의 출력단은 궤환요소와 함께 병렬연결되어 모터의 입력단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 서보모터의 토오크제한장치.The output terminal of the first operation amplifier is connected to a third operation amplifier for outputting the input analog signal only below the reference voltage (Vref1), the output terminal of the D / A converter, the input analog signal Is connected to the second operation amplifier to output only above the reference voltage (Vref2), the diode is connected to the output terminal of the second operational amplifier in the forward direction, the diode is connected to the output terminal of the third operational amplifier in the reverse direction The output terminal of the two diodes is a torque limiting device of the servo motor, characterized in that connected in parallel with the feedback element is connected to the input terminal of the motor.