적응노치필터를 활용한 산업용 서보 시스템의 공진억제

Abstract

본 논문에서는 산업용 서보 시스템의 공진을 자동으로 감지하고, 억제하는 적응노치필터(adaptive notch filter, ANF)를 개발하였다. 일반적으로 서보 시스템에서 고성능을 확보하기 위해 제어기의 게인을 높이는 경우 플랜트에 내재되어 있는 공진 극점에 의해 시스템이 불안정해져 공진이 발생할 수 있다, 기존 서보 제어기는 공진 억제를 위한 제어 파라미터들을 튜닝하는 작업이 매우 복잡하다는 문제가 있었다. 특히 산업용 로봇은 적게는 수 축에서 많게는 수십 축에 달하는 서보 시스템으로 구성되어 있으며, 각 축이 서로 다른 특성을 가지므로 장비 초기 셋업에 소요되는 시간 및 비용이 상당하였다. 본 논문에서 제안한 ANF는 자동으로 진동을 감지하면 활성화되어 진동의 주파수를 추정하고 적정 노치 깊이 파라미터를 탐색하여 노치필터를 실시간으로 튜닝함으로써 공진을 억제한다. 또한 공진이 억제되었다고 판단하면 튜닝된 노치 주파수 및 노치 깊이 파라미터를 고정 파라미터 노치필터에 설정하고 비활성화된다. 본 논문에서 제안된 ANF기반 공진억제방법은 산업용 서보시스템에 발생하는 공진을 자동으로 감지하고, 억제하여 사용자 편의성을 높임으로써 초기설정에 소요되는 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 또한 Nyquist 주파수 부근에서도 비교적 이산화 오차가 작은 이산화 방법을 적용해 자동공진억제방법을 구현함으로써 비교적 높은 주파수의 공진을 억제할 수 있다. 본 논문에서는 ANF 기반 공진억제방법을 실제 산업용 서보 시스템에 구현하여 실험하였으며, 수백 ~ 수천 Hz 대역의 기계공진이 발생하는 부하에 대해 성공적으로 공진억제를 수행하였다.

This paper presents an adaptive notch filter (ANF) for industrial servo systems that detects vibrations and suppresses resonances automatically. Servo systems are widely utilized in industrial robots. Generally, when the user of the servo system increases the controller gain to achieve high performance of a servo system, a resonance may occur due to the resonance poles of the plant. However, tuning the control parameters of the previous servo systems are highly complicated, and thus, it takes tremendous time and cost to set up industrial robots that composed of multiple axes of servo systems. The ANF proposed in this paper becomes enabled when it detects vibration. The ANF estimates the frequency of the vibration and searches for the proper notch depth to suppress the resonance by tuning the notch filter parameters. When the resonance is suppressed, the ANF sets the notch frequency and the notch depth to the fixed-parameter notch filter and become disabled. The proposed method automatically suppresses the resonance, and thus, this method can save time and the cost for the initial setting of the industrial robots. Moreover, a new discretization method is developed to improve the resonance suppression performance of the proposed system near the Nyquist frequency. In this paper, the developed ANF is implemented on industrial servo systems to show the resonance suppression performance, and the proposed method successfully suppresses the mechanical resonances.