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KR20070018009A - Controller Diagnosis System and Method of Rotational Restriction Motor System - Google Patents

Controller Diagnosis System and Method of Rotational Restriction Motor System Download PDF

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KR20070018009A
KR20070018009A KR1020067016836A KR20067016836A KR20070018009A KR 20070018009 A KR20070018009 A KR 20070018009A KR 1020067016836 A KR1020067016836 A KR 1020067016836A KR 20067016836 A KR20067016836 A KR 20067016836A KR 20070018009 A KR20070018009 A KR 20070018009A
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KR
South Korea
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signal
frequency domain
frequency response
position detection
motor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020067016836A
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Korean (ko)
Inventor
유홍 후앙
Original Assignee
지에스아이 그룹 코포레이션
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명의 진단 시스템은 회전 제한 모터 시스템을 분석하기 위한 것이다. 상기 진단 시스템은 제 1 변환 유닛, 제 2 변환 유닛, 폐루프 주파수 응답 유닛, 및 진단 시스템을 포함한다. 제 1 변환 유닛은 모터 제어신호(35)를 나타내는 제 1 디지털신호를 수신하여, 상기 모터 제어신호의 주파수 도메인 표시에 해당하는 모터 제어 주파수 도메인 신호를 제공한다. 제 2 변환 유닛은 위치검출신호(42)를 나타내는 제 2 디지털신호를 수신하여, 위치검출신호의 주파수 도메인 표시에 해당하는 위치 검출 주파수 도메인 신호를 제공한다. 폐루프 주파수 응답 유닛은 위치 검출 주파수 도메인 신호 및 모터 제어 주파수 도메인 신호에 응하여 회전 제한 모터의 주파수 응답의 표시를 확인한다. 진단 유닛(50)은 상기 주파수 응답의 표시를 이전에 기록된 이전 주파수 응답과 비교하여 회전 제한 모터 시스템에 대한 오류 상태(52)를 확인한다.

Figure 112006059702430-PCT00001

회전 제한 모터 시스템, 변환 유닛, FFT, 폐루프 주파수 응답 수단

The diagnostic system of the present invention is for analyzing a rotation limiting motor system. The diagnostic system includes a first conversion unit, a second conversion unit, a closed loop frequency response unit, and a diagnostic system. The first conversion unit receives the first digital signal representing the motor control signal 35 and provides a motor control frequency domain signal corresponding to the frequency domain indication of the motor control signal. The second conversion unit receives the second digital signal representing the position detection signal 42 and provides a position detection frequency domain signal corresponding to the frequency domain representation of the position detection signal. The closed loop frequency response unit confirms the indication of the frequency response of the rotation limiting motor in response to the position detection frequency domain signal and the motor control frequency domain signal. The diagnostic unit 50 checks the error condition 52 for the rotational limiting motor system by comparing the indication of the frequency response with a previously recorded previous frequency response.

Figure 112006059702430-PCT00001

Rotating limiting motor system, conversion unit, FFT, closed loop frequency response

Description

회전 제한 모터 시스템의 제어기 진단 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DIAGNOSING A CONTROLLER IN A LIMITED ROTATION MOTOR SYSTEM}SYSTEM AND METHOD FOR DIAGNOSING A CONTROLLER IN A LIMITED ROTATION MOTOR SYSTEM}

본 출원은 2004년 1월 23에 출원된 미국 임시 특허출원 제 60/538,842호에 대한 우선권, 및 2004년 5월 28에 출원된 미국 임시 특허출원 제 60/575,255호에 대한 우선권, 및 2004년 9월 28에 출원된 미국 임시 특허출원 제 60/613,962호에 대한 우선권을 주장한다.This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 538,842, filed Jan. 23, 2004, and priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 575,255, filed May 28, 2004, and 9, 2004. Claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 613,962, filed May 28.

본 발명은 일반적으로 회전 제한 모터 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전 제한 모터 시스템의 디자인 및 조정(adjusting) 시스템 및 방법에 관계한다. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates generally to rotational limiting motor systems, and more particularly to design and adjusting systems and methods of rotational limiting motor systems.

회전 제한 모터는 일반적으로 스테퍼 모터(stepper motors) 및 등속 모터(constant velocity motors)를 포함한다. 특정 스테퍼 모터는 고속 및 큰 스캔각(scan angle)으로의 고 듀티 사이클 톱니 스캐닝(high duty cycle sawtooth scanning)을 요구하는 응용(applications)에 매우 적합하다. 예를 들어, 미국특허 제 6,275,319호는 래스터 스캐닝 응용(raster scanning applications)을 위한 광 스캐닝장치(optical scanning device)를 개시한다. Rotational limiting motors generally include stepper motors and constant velocity motors. Certain stepper motors are well suited for applications requiring high duty cycle sawtooth scanning at high speeds and large scan angles. For example, US Pat. No. 6,275,319 discloses an optical scanning device for raster scanning applications.

그러나 특정 응용을 위한 회전 제한 모터는 톱니 방식의 스테핑(stepping) 및 세틀링(settling)이 아니라 정확하고 일정한 속도로 두 위치 사이를 이동하는 로터(rotor)를 요구한다. 이러한 응용은 일정한 속도에 도달하기 위한 최소 시간 및 상기 수득된 속도에서의 최소 양의 오차를 요구한다. 등속 모터는 일반적으로 더욱 큰 토크상수(torque constant)를 제공하고 전형적으로 로터 및 상기 로터가 중심축에 대하여 회전하게 하는 구동 회로(drive circuitry) 뿐만 아니라 위치 변환기(position transducer), 예컨대 태코미터(tachometer) 또는 위치 센서(position sensor), 및 상기 로터가 입력신호 및 피드백 신호(feedback signal)에 응하여 구동 회로에 의해 구동되는 것을 허용하는 상기 변환기에 연결된 피드백 회로(feedback circuit)를 포함한다. 예를 들어, 미국특허 제 5,424,632호는 종래의 쌍극 회전 제한 모터(two-pole limited rotation motor)를 개시한다. Rotational limiting motors for certain applications, however, require rotors that move between two positions at precise and constant speed, rather than sawing stepping and settling. This application requires a minimum time to reach a constant speed and a minimum amount of error in the speed obtained. Constant speed motors generally provide greater torque constants and typically position rotors, such as tachometers, as well as rotors and drive circuitry that causes the rotors to rotate about a central axis. Or a position sensor, and a feedback circuit coupled to the transducer that allows the rotor to be driven by a drive circuit in response to an input signal and a feedback signal. For example, US Pat. No. 5,424,632 discloses a conventional two-pole limited rotation motor.

회전 제한 토크 모터(limited rotation torque motor)는 몇몇의 유연성 모드(flexible mode) 및 저주파 비선형(non-linear) 효과를 포함하는 이중-적분기 모델(double-integrator model)로 설계되거나 표현될 수 있다. 전형적인 갈바노미터(galvanometer)를 위한 폐루프 서보 시스템(closed-loop servo system)은 저주파수 불확정성을 위한 적분동작(integral actions) 및 고주파 공진 모드용 노치 필터(notch filter)를 포함한다. 시스템 동작(system operation)은 상기 시스템이 강체(rigid body)에 의해 잘 설계되는 중간주파수 범위(mid-frequency range)에서 선택된다. 이중 적분기 강체 모델(double integrator rigid body model)의 경우에 는, 주파수 응답 플롯 상의 개방루프 이득(open-loop gain)과 교차 주파수(cross-over frequency) 사이의 직접적인 연관성이 있다. 예를 들어, 서보라이터 헤드 위치측정 시스템(servowriter head positioning system)의 자동 튜닝 시스템(automatic tuning system)은 Autotuning of a servowriter head positioning system with minimum positioning error, Y. H. Huang, S. Weerasooriya and T. S. Low, J. Applied Physics, v. 79 pp. 5674-5676 (1996)에 개시된다. The limited rotation torque motor can be designed or represented as a double-integrator model that includes several flexible modes and low frequency non-linear effects. Closed-loop servo systems for typical galvanometers include notch filters for high frequency resonant mode and integral actions for low frequency uncertainty. System operation is selected in the mid-frequency range in which the system is well designed by a rigid body. In the case of the double integrator rigid body model, there is a direct correlation between the open-loop gain and the cross-over frequency on the frequency response plot. For example, the automatic tuning system of a servowriter head positioning system is called Autotuning. of a servowriter head positioning system with minimum positioning error , YH Huang, S. Weerasooriya and TS Low, J. Applied Physics, v. 79 pp. 5674-5676 (1996).

도 1은 선행기술의 회전 제한 토크 모터 시스템(10)을 도시한다. 상기 시스템(10)은 입력명령(input command)(14)을 수신하는 제어기(controller)(12) (예컨대, 위치, 적분(intefral), 미분(derivative) 또는 PID 제어기)를 포함한다. 제어기(12)는 제어신호를 모터(16)에 제공하고, 이것은 거울과 같은 광학 소자(optical element)를 움직여 입력명령(14)에 따르는 위치 변경(position changes)(18)을 제공한다. 또한 시스템은 입력명령(14)과 함께 제어기(12)에 제공되는 위치검출신호(position detection signal)(22)를 제공하는 위치 검출기(position detector)(20)를 포함한다. 시스템의 개방루프 이득 (또는 OdB 교차 변동(cross-over variations))은 제어기가 이러한 변동에 적응하지 못하면 폐루프 시스템 성능에 악영향을 미친다. 1 shows a rotationally limited torque motor system 10 of the prior art. The system 10 includes a controller 12 (eg, position, integral, derivative or PID controller) that receives an input command 14. The controller 12 provides a control signal to the motor 16, which moves an optical element such as a mirror to provide a position change 18 in accordance with the input command 14. The system also includes a position detector 20 that provides a position detection signal 22 provided to the controller 12 with an input command 14. The open loop gain (or OdB cross-over variations) of the system adversely affects the closed loop system performance if the controller fails to adapt to these variations.

이러한 회전 제한 모터는, 예를 들어 고속 표면 계측(surface metrology)과 같은, 다양한 레이저 스캐닝 응용에 이용될 수 있다. 또한 레이저 처리 응용(laser processing application)은 레이저 용접(welding) (예컨대 고속 스폿(spot) 용접), 표면 처리, 절단, 드릴링, 마킹(marking), 트리밍(trimming), 레 이저 리페어(repair), 쾌속 조형(rapid prototyping), 미세구조체(microstructures) 형성, 또는 다양한 물질 상에 나노구조체(nanostructures)의 밀집 어레이(dense arrays) 형성을 포함한다. Such rotation limiting motors can be used in a variety of laser scanning applications, such as, for example, high speed surface metrology. Laser processing applications also include laser welding (such as high speed spot welding), surface treatment, cutting, drilling, marking, trimming, laser repair, rapid Rapid prototyping, microstructures, or the formation of dense arrays of nanostructures on a variety of materials.

그러나 회전 제한 토크 모터는 결국 한정된 사용 이후에는 결함이 생긴다. 회전 제한 모터를 더욱 견고하게 구동하기 위한 방법론들(methodologies)이 개발됨에 따라, 결함을 예측하기 어려운 수준까지 도달할 수 있다. 회전 제한 모터의 이상을 측정하는 능력은 모터의 수명을 예측하는데도 도움이 된다. 게다가, 분석을 위해 제조업체에 보내지 않고 그 자리에서(in situ) 회전 제한 모터의 이상을 측정할 수 있다는 점에서 바람직하다.Rotationally limited torque motors, however, eventually become defective after limited use. As methodologies have been developed to more robustly drive rotational limiting motors, defects can be reached at levels that are difficult to predict. The ability to measure abnormalities in rotational limiting motors also helps predict the life of the motor. In addition, it is desirable in that it can measure the abnormality of the rotation limiting motor in situ without sending it to the manufacturer for analysis.

따라서, 회전 제한 토크 모터를 모니터링하는 방법이 필요하고, 더욱 상세하게는, 회전 제한 토크 모터의 상태 및 수명을 진단하는 방법이 필요하다. Therefore, there is a need for a method of monitoring the rotational limit torque motor, and more particularly, a method for diagnosing the condition and life of the rotational limit torque motor.

[발명의 요약][Summary of invention]

하나의 구현예에 따르면, 본 발명은 회전 제한 모터 시스템 분석용 진단 시스템(diagnostic system)을 제공한다. 상기 진단 시스템은 제 1 변환 유닛(transform unit), 제 2 변환 유닛, 폐루프 주파수 응답 유닛(closed-loop frequency response unit), 및 진단 시스템을 포함한다. 제 1 변환 유닛은 모터 제어신호(motor control signal)를 나타내는 제 1 디지털신호(digital signal)를 수신하여, 상기 모터 제어신호의 주파수 도메인 표시(frequency domain representation)에 해당하는 모터 제어 주파수 도메인 신호(motor control frequency domain signal)를 제공한다. 제 2 변환 유닛은 위치검출신호를 나타내는 제 2 디지털신호를 수신하여, 위치검출신호의 주파수 도메인 표시에 해당하는 위치 검출 주파수 도메인 신호(position detection frequency domain signal)를 제공한다. 폐루프 주파수 응답 유닛은 위치 검출 주파수 도메인 신호 및 모터 제어 주파수 도메인 신호에 응한 회전 제한 모터의 주파수 응답(frequency response)의 표시를 확인한다. 진단 유닛(diagnostic unit)은 상기 주파수 응답의 표시를 이전에 기록된 이전 주파수 응답의 표시와 비교하여 회전 제한 모터 시스템에 대한 오류 상태(error condition)를 확인한다.According to one embodiment, the present invention provides a diagnostic system for analyzing a rotational limiting motor system. The diagnostic system includes a first transform unit, a second transform unit, a closed-loop frequency response unit, and a diagnostic system. The first conversion unit receives a first digital signal indicative of a motor control signal and receives a motor control frequency domain signal corresponding to a frequency domain representation of the motor control signal. control frequency domain signal). The second conversion unit receives the second digital signal representing the position detection signal and provides a position detection frequency domain signal corresponding to the frequency domain indication of the position detection signal. The closed loop frequency response unit checks the display of the frequency response of the rotational limiting motor in response to the position detection frequency domain signal and the motor control frequency domain signal. The diagnostic unit checks the error condition for the rotational limiting motor system by comparing the indication of the frequency response with the indication of the previously recorded previous frequency response.

후술하는 상세한 설명은 첨부 도면을 참조함으로써 이해될 수 있다: The following detailed description may be understood by reference to the accompanying drawings:

도 1은 종래 기술에 따른 회전 제한 모터 및 제어 시스템의 개략도이고; 1 is a schematic diagram of a rotation limiting motor and control system according to the prior art;

도 2는 본 발명의 구현예에 따른 회전 제한 모터 및 진단 시스템의 개략도이며; 2 is a schematic diagram of a rotation limiting motor and diagnostic system according to an embodiment of the invention;

도 3a 및 3b는 모터 제어기에 제공되는 의사 랜덤 2진 시퀀스 여기신호(pseudo random binary sequence excitation signal), 및 상기 의사 랜덤 2진 시퀀스에 응하여 모터에 의해 생성되는 연관된 위치검출신호의 그래프도이고; 3A and 3B are graph diagrams of a pseudo random binary sequence excitation signal provided to a motor controller and an associated position detection signal generated by a motor in response to the pseudo random binary sequence;

도 4는 본 발명의 구현예에 따른 진단 유닛의 개략도이며; 4 is a schematic diagram of a diagnostic unit according to an embodiment of the invention;

도 5는 본 발명의 구현예에 따른 시스템의 측정된 주파수 응답의 그래프도이고; 5 is a graphical representation of a measured frequency response of a system according to an embodiment of the invention;

도 6은 본 발명의 특정 구현예에 따른 저주파 응답의 변화를 나타내는 측정된 주파수 응답의 그래프도이며; 6 is a graphical representation of a measured frequency response showing a change in low frequency response in accordance with certain embodiments of the present invention;

도 7은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 토크상수의 변화를 나타내는 측정된 주파수 응답의 그래프도이고; 7 is a graphical representation of a measured frequency response illustrating a change in torque constant in accordance with another embodiment of the present invention;

도 8은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 비대칭 성능(asymmetrical performance)을 나타내는 측정된 주파수 응답의 그래프도이며; 및8 is a graphical representation of measured frequency response showing asymmetrical performance in accordance with another embodiment of the present invention; And

도 9는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 회전 제한 모터 및 진단 시스템의 개략도이다.9 is a schematic diagram of a rotation limiting motor and diagnostic system according to another embodiment of the invention.

상기 도면들은 단지 설명의 목적으로만 도시된 것이다.The drawings are shown for illustrative purposes only.

본 발명의 다양한 구현예에 따라, 회전 제한 모터 성능 데이터는 모터 시스템으로부터 캡쳐되고(captured), 이러한 데이터는 분석되어 시스템의 성능에 부정적인 영향을 줄 수 있는 다양한 이상에 대해 진단하기 위해 분석된다. 하나의 구현예에서, 입력 사인파(input sign wave)에 응답하는 출력신호(output signal)의 크기에 대한 보드 플롯(Bode plot)은 모든 작동 주파수(operating frequencies)에서 측정된다. 이 플롯은 아주 작은 범위 (예컨대, < 1도(degree))에서 측정된다. 또 다른 플롯은 이후의 시간에 동일한 범위에 대해 측정되거나, 또는 다른 범위에서 측정될 수 있다. 이러한 플롯들을 비교하여 갈바노미터 시스템에 대한 유용한 정보를 수득한다. 예를 들어, 같은 범위에서 시간에 따른 저주파수의 불일치는 급박한 베어링 결함(bearing failure)을 의미할 수 있다. 시간에 따른 중간주파수의 불일치는 심각한 토크상수의 손실을 의미할 수 있다. 상기 범위에서의 상이한 부분들 (예컨대, +1도 내지 +20도 범위와 -1도 내지 -20도 범위 비교)에서의 불일치는 비대칭 성능을 의미할 수 있다. According to various embodiments of the present invention, rotational limit motor performance data is captured from the motor system, and this data is analyzed to diagnose various abnormalities that may negatively affect the performance of the system. In one implementation, a Bode plot of the magnitude of the output signal in response to an input sign wave is measured at all operating frequencies. This plot is measured in a very small range (eg <1 degree). Another plot can be measured for the same range at a later time, or at another range. Comparison of these plots yields useful information about galvanometer systems. For example, inconsistency in low frequency over time in the same range can mean impending bearing failure. The discrepancy of intermediate frequencies over time can mean a serious loss of torque constant. Mismatches in different parts of the range (eg, in the +1 degree to +20 degree range and the -1 degree to -20 degree range comparison) may mean asymmetric performance.

회전 제한 모터에서의 결함의 일반적인 원인은 베어링 결함이고, 이것은 전형적으로 시간에 따라서 점진적으로 발생한다. 작동 중의 다른 문제는 토크상수의 변화 또는 영각 위치(zero angle position)에 대한 상기 모터의 응답의 대칭성에서의 변화를 포함할 수 있다. A common cause of faults in rotational limiting motors is bearing faults, which typically occur gradually over time. Another problem during operation may include a change in torque constant or a change in the symmetry of the motor's response to zero angle position.

본 발명의 다양한 구현예에 따라, 회전 제한 모터 성능 데이터는 모터 시스템으로부터 캡쳐된다. 의사 랜덤 2진 시퀀스(PRBS) 여기신호는 상기 시스템에 입력된다. 상기 모터에 입력된 신호 (모터 입력신호)는 기록되고, 위치 검출기로부터 수신된 위치신호 (PD신호) 또한 기록된다. 각각의 신호에 대해서 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform) (FFT)이 수행되고, PD신호의 주파수 응답 표시와 모터 입력신호의 주파수 응답 표시의 비율을 취함으로써 양자를 비교한다. 상기 비율은 시스템의 개방루프 주파수 응답을 나타내는 시퀀스(sequence) (비율 시퀀스)를 제공한다. 개방루프 주파수 응답은 크기 대(versus) 주파수의 보드 플롯으로 수득할 수 있다. 이어서 모터 시스템의 전송 기능(transfer function)을 나타내는 수학적 시스템 모델(mathematical system model)이 생성될 수 있다. 동작의 특정 시간 및 각도 범위에 있는 모터 시스템의 수학적 모델을 앎으로써, 진단 시스템이 상기 수학적 모델을 이전의 모델, 및/또는 로터의 회전 범위를 따르는 상이한 위치들에서의 모델과 비교할 수 있다. According to various implementations of the invention, rotational limit motor performance data is captured from a motor system. A pseudo random binary sequence (PRBS) excitation signal is input to the system. The signal (motor input signal) input to the motor is recorded, and the position signal (PD signal) received from the position detector is also recorded. A Fast Fourier Transform (FFT) is performed on each signal, and the two are compared by taking the ratio of the frequency response representation of the PD signal to the frequency response representation of the motor input signal. The ratio provides a sequence (ratio sequence) that represents the open loop frequency response of the system. The open loop frequency response can be obtained as a board plot of magnitude versus frequency. A mathematical system model can then be generated that represents the transfer function of the motor system. By knowing the mathematical model of the motor system at a particular time and angular range of operation, the diagnostic system can compare the mathematical model with the previous model and / or with the model at different locations along the rotational range of the rotor.

상기 시스템으로 모터 시스템의 개방루프 교차 주파수 변경의 확인이 자동적으로 (심지어 원격 디지털 네트워크(remote digital network)를 통해) 확인될 수 있다. 자동 확인(automatic identification)은 시스템 안정성이 이러한 과정 동안 영향받지 않도록 폐루프 상에서 수행될 수 있다. 데이터 수집 과정은 밀리세컨드(milliseconds) 단위로 수행될 수 있다. With this system confirmation of the open loop crossover frequency change of the motor system can be automatically verified (even via a remote digital network). Automatic identification can be performed on a closed loop so that system stability is not affected during this process. The data collection process may be performed in milliseconds.

본 발명의 일 구현예에 따른 자동 확인 시스템 본 발명은 의사 랜덤 2진 시퀀스(PRBS)를 이용한 시스템 여기(excitation)를 포함하고, 이어서 캡쳐된 시간 응답에 대해서 고속 푸리에 변환을 실행할 수 있다. 이어서 상기 시스템 확인은 FFT 데이터를 이용하여 모델링된다. Automated Confirmation System According to an Embodiment of the Invention The present invention includes system excitation using a pseudo random binary sequence (PRBS), and can then perform fast Fourier transform on the captured time response. The system identification is then modeled using FFT data.

도 2는 본 발명의 구현예에 따른 시스템(30)의 개략도이다. 시스템(30)은 입력명령(34)을 수신하는 PID 제어기(32)를 포함한다. 제어기(32)는 제어신호(35)를 모터(36)에 제공하고, 이것은 거울과 같은 광학 소자를 움직여 입력명령(34)에 따르는 위치 변경(38)을 제공한다. 시스템(30)은 또한 입력명령(34)과 함께 제어기(32)에 제공되는 위치검출신호(42)를 제공하는 위치 검출기(40)를 포함한다. 제어기(32)는 비례 증폭기(proportional amplifier)(44) (kp), 적분 소자(integrating element)(46) (ki), 및 미분 소자(derivative element)(48) (kd)를 포함한다. 시스템은 또한 제어기(32)에 의해 제공된 모터 제어신호 및 위치검출신호(42)를 수신하여, 오류신호(error signal)(52)를 출력하는 진단 유닛(diagnosis unit)(50)을 포함한다. 모터 제어신호 및 위치검출신호는 진단 유닛(50) 내의 FFT 변환기(FFT converter)에 디지털 형태로 제공되어 폐루프 주파수 응답을 측정하고, 개방루프 주파수 응답은 폐루프 주파수 응답으로부터 구해진다. 2 is a schematic diagram of a system 30 in accordance with an embodiment of the present invention. System 30 includes a PID controller 32 that receives an input command 34. The controller 32 provides a control signal 35 to the motor 36, which moves an optical element such as a mirror to provide a position change 38 in accordance with the input command 34. The system 30 also includes a position detector 40 which provides a position detection signal 42 which is provided to the controller 32 with an input command 34. The controller 32 includes a proportional amplifier 44 (k p ), an integrating element 46 (k i ), and a derivative element 48 (k d ). . The system also includes a diagnostic unit 50 that receives the motor control signal and position detection signal 42 provided by the controller 32 and outputs an error signal 52. The motor control signal and the position detection signal are provided in digital form to an FFT converter in the diagnostic unit 50 to measure the closed loop frequency response, and the open loop frequency response is obtained from the closed loop frequency response.

특히, 의사 랜덤 2진 시퀀스(PRBS)는 입력명령(34)으로서 시스템에 입력되거나 제어기(32)의 출력에 대한 교란(perturbation)으로 제공된다. PRBS 여기신호에 대한 데이터 포인트는 2의 n승일 수 있다. 도 3a는 PRBS 신호(60)를 도시하고, 도 3b는 도 3a에 도시된 PRBS 신호에 응하여 모터에 의해 제공된 위치 검출(position detection)(62)을 도시한다. 입력 처리는 예를 들어 각각의 입력신호의 1024 데이터 포인트를 캡쳐할 수 있다. 또 다른 구현예에서, 잡음 생성기 여기신호, 가우시안(Gaussian) 잡음 생성기 여기신호, 또는 모든 주파수에서 사인신호를 제공하는 스웹트(swept) 사인 여기신호와 같은 다른 타입의 여기신호가 이용될 수 있다.In particular, a pseudo random binary sequence (PRBS) is entered into the system as an input command 34 or provided as a perturbation to the output of the controller 32. The data point for the PRBS excitation signal can be n powers of two. FIG. 3A shows a PRBS signal 60 and FIG. 3B shows a position detection 62 provided by the motor in response to the PRBS signal shown in FIG. 3A. The input process may, for example, capture 1024 data points of each input signal. In another implementation, other types of excitation signals may be used, such as noise generator excitation signals, Gaussian noise generator excitation signals, or swept sine excitation signals that provide sine signals at all frequencies.

도 4에 도시된 바와 같이, A/D 변환기(54 및 56)에 의해 디지털신호로 변환될 수 있는 캡쳐된 제어신호(35) 및 위치검출신호(42)는 그 어떤 것도 아직 디지털 형태가 아니다. 일단 입력신호가 디지털 형태로 되면, 그들은 예를 들어 네트워크를 통해 어디로든 전송될 수 있고, 출력 PID 조정신호(adjustment signals) 또한 디지털 환경의 네트워크를 통해 전송될 수 있다. 그리고 나서 디지털 입력 시간 도메인 신호(digigital input time domain signals)는 FFT 변환기 유닛(64 및 66) 각각에 의해 주파수 도메인 표시의 신호로 변환된다. 각각의 FFT는 aowo, alwl, a2w2... anwn 형태의 복잡한 다항식(polinomial)을 제공하는데, 여기서 n은, 예를 들어 512일 수 있다. 제어신호에 대한 각각의 ao, al, a2... an 값(value)에 걸친 위치검출신호(42)에 대한 ao, al, a2... an 값의 비율의 시퀀스는 크기(magnitude) mo, ml, m2... mn의 시퀀스를 제공한다. 이러한 비율 시퀀스는 비율 시퀀스 유닛(68)에 의해 제공된다. 이러한 크기 mo, ml, m2... mn은 시스템의 개방루프 주파수 응답을 제공하고 도 5의 90으로 도시된 바와 같이 그래프 형태로 플로팅될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 시스템은 저주파수(92)에서 몇몇의 왜곡(distortion)을, 고주파수(94)에서 약간의 고조파 공진(harmonic resonance)을 경험할 수 있고, 중간주파수(96)에서 작동될 수 있다. 데이터 수집과정은 시간을 거의 요구하지 않는데, 예를 들면 1024 PBRS 시퀀스에 13.44 μsec이다. As shown in Fig. 4, none of the captured control signals 35 and position detection signals 42, which can be converted into digital signals by the A / D converters 54 and 56, are yet in digital form. Once the input signals are in digital form, they can be sent anywhere over the network, for example, and output PID adjustment signals can also be sent over the network in a digital environment. The digital input time domain signals are then converted by the FFT converter units 64 and 66 into signals of frequency domain representation. Each FFT provides a complex polynomial of the form a o w o , a l w l , a 2 w 2 ... a n w n , where n may be, for example, 512. A o , a l , a 2 ... a n for each control signal A o , a l , a 2 ... a n for the position detection signal 42 over a value The sequence of ratios of values gives a sequence of magnitudes m o , m l , m 2 ... m n . This ratio sequence is provided by ratio sequence unit 68. These magnitudes m o , m l , m 2 ... M n provide the open loop frequency response of the system and can be plotted graphically as shown at 90 in FIG. 5. As shown in FIG. 5, the system may experience some distortion at low frequency 92, some harmonic resonance at high frequency 94, and may be operated at intermediate frequency 96. have. The data collection process requires little time, for example 13.44 μsec in a 1024 PBRS sequence.

개방루프 주파수 응답을 측정하고 나서, 시스템은 이러한 응답들을 저장하여 이후 시간의 경과에 따른 변화를 확인하기 위하여 비교한다. 특히, 시스템은 주기적으로 폐루프 주파수 응답을 생성하고 현재 응답을 비교 유닛(comparison unit)(70)에서 측정된 이전 응답과 비교한다. 저주파수 범위에서 중요한 변화이 있다면 (저주파수 분석 유닛(72)에 의해 측정된 바와 같이), 시스템은 74로 도시된 바와 같이 베어링 내에 존재하는 잠재적인 문제를 확인할 수 있을 것이다. 도 6은 두 개의 폐루프 주파수 응답(100 및 102)을 도시한다. 응답 100은 응답 102 보다 앞선 시간에 기록된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 104로 도시된 바와 같은 저주파 범위에서 중요한 변화가 일어나는데, 이것은 베어링에 결함이 생기기 시작했다는 것을 의미한다.After measuring the open loop frequency response, the system stores these responses and compares them later to see how they change over time. In particular, the system periodically generates a closed loop frequency response and compares the current response with the previous response measured at the comparison unit 70. If there is a significant change in the low frequency range (as measured by the low frequency analysis unit 72), the system will be able to identify potential problems present in the bearing as shown at 74. 6 shows two closed loop frequency responses 100 and 102. The response 100 is recorded at a time earlier than the response 102. As shown in FIG. 6, a significant change occurs in the low frequency range, as shown at 104, which means that the bearings are starting to fail.

중간주파수 범위에서 중요한 변화가 있다면 (중간주파수 분석 유닛(76)에 의해 측정된 바와 같이), 시스템은 토크상수가 78로 도시된 바와 같이 변경되었음을 확인할 것이다. 도 7은 두 개의 폐루프 주파수 응답(110 및 112)을 도시한다. 응답 110은 응답 112 보다 앞선 시간에 기록된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 중요한 변화는 114로 도시한 바와 같이 응답 곡선에서의 이동으로 인해 지정된 크기 교차 포인트에서 일어난다. 이러한 교차 변화는 시스템의 토크상수의 변화를 의미한다.If there is a significant change in the intermediate frequency range (as measured by the intermediate frequency analysis unit 76), the system will confirm that the torque constant has changed as shown by 78. 7 shows two closed loop frequency responses 110 and 112. The response 110 is recorded at a time earlier than the response 112. As shown in FIG. 7, a significant change occurs at the designated magnitude crossing point due to the shift in the response curve, as shown at 114. This change in crossover means a change in the torque constant of the system.

또한 시스템은 상기 폐루프 주파수 응답을 상기 범위의 다른 부분 (예컨대, +20도 내지 -20도)의 폐루프 주파수 응답과 비교한다. 폐루프 주파수 응답이 1도 미만의 운동 범위로 측정된다면, 상기 범위의 많은 포인트들이 확인될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 폐루프 주파수 응답은 상기 범위의 다른 부분의 이전의 기록된 (예컨대, 바로 직전에 기록된) 폐루프 주파수 응답과 비교될 수 있다 (비교기(80)에서). 변동이 임계(threshold) 변동 (유닛(82)에 의해 측정된)보다 클 경우, 오류 상태는 비대칭성 유닛(84)에 의해 표지된다. 예를 들어, 도 8은 -20도 내지 +20도의 범위에 대한 이상적인 대칭 토크상수 표시 120 뿐만 아니라, 동일한 범위에 대한 측정(meagured) 토크상수 표시 122를 도시한다. 도시된 바와 같이, 상기 측정 토크상수는 상기 -20도 내지 +20도의 범위에 대한 영각(zero angle)에 관하여 비대칭이고, 이러한 비대칭성이 만약 검출되지 않는다면 회전 제한 모터의 성능에 상당한 부정적인 영향을 줄 것이다. 일단 검출되면, 시스템은 중간 포인트에 관하여 대칭적인 일정한 범위만을 이용하여 조절하거나, 또는 실질적으로 다른 부분의 범위의 PID 조정을 행할 수 있다.The system also compares the closed loop frequency response with the closed loop frequency response of another portion of the range (eg, +20 degrees to -20 degrees). If the closed loop frequency response is measured with a range of motion of less than 1 degree, many points in that range can be identified. As shown in FIG. 4, the closed loop frequency response can be compared (at comparator 80) to the previously recorded (eg, just before) closed loop frequency response of another portion of the range. If the variance is greater than the threshold variance (measured by unit 82), the error condition is indicated by asymmetry unit 84. For example, FIG. 8 shows the ideal symmetric torque constant indication 120 for the range of -20 degrees to +20 degrees, as well as the measured torque constant indication 122 for the same range. As shown, the measured torque constant is asymmetric with respect to the zero angle for the range of -20 degrees to +20 degrees, and if this asymmetry is not detected, it will have a significant negative impact on the performance of the rotational limiting motor. will be. Once detected, the system can adjust using only a constant range symmetrical with respect to the intermediate point, or make PID adjustments to substantially other parts of the range.

그리고 나서 진단 유닛(50)은 취약한 상태에 있는 베어링, 토크상수의 변화, 또는 비대칭 상태와 같은 임의의 오류 상태의 존재를 의미하는 오류신호(52)를 출력한다.The diagnostic unit 50 then outputs an error signal 52 indicating the presence of any fault condition, such as a bearing in a vulnerable state, a change in torque constant, or an asymmetric state.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 회전 제한 모터 시스템(130)의 진단 시스템은 입력명령(134)을 수신하는 PID 제어기(132)를 포함할 수 있다. 상기 제어기(132)는 제어신호(135)를 모터(136)에 제공하고, 이것은 거울과 같은 광학 소자를 움직여 입력명령(134)에 따르는 위치 변경(138)을 제공한다. 또한 시스템(130)은 입력명령(134)과 함께 제어기(132)에 제공되는 위치검출신호(142)를 제공하는 위치 검출기(140)를 포함한다. 제어기(132)는 비례 증폭기(144) (kp), 적분 소자(146) (ki), 및 미분 소자(148) (kd)를 포함한다. 상기 시스템은 또한 제어기(132)에 의해 제공되는 모터 제어신호 및 위치검출신호(142)를 수신하는 진단 유닛(150)을 포함한다. 모터 제어신호 및 위치검출신호는 진단 유닛(150) 내의 FFT 변환기에 디지털 형태로 제공되어 폐루프 주파수 응답을 측정하고, 개방루프 주파수 응답은 상기 폐루프 주파수 응답으로부터 구해진다. As shown in FIG. 9, the diagnostic system of the rotation limiting motor system 130 according to another embodiment of the present invention may include a PID controller 132 that receives an input command 134. The controller 132 provides a control signal 135 to the motor 136, which moves an optical element, such as a mirror, to provide a position change 138 according to the input command 134. System 130 also includes a position detector 140 that provides a position detection signal 142 provided to controller 132 with an input command 134. The controller 132 includes a proportional amplifier 144 (k p ), an integral element 146 (k i ), and a derivative element 148 (k d ). The system also includes a diagnostic unit 150 for receiving motor control signals and position detection signals 142 provided by the controller 132. The motor control signal and the position detection signal are provided in digital form to the FFT transducer in the diagnostic unit 150 to measure the closed loop frequency response, and the open loop frequency response is obtained from the closed loop frequency response.

도 9의 구현예에서, 진단 유닛(150)은 검출된 오류 상태를 교정하기 위해 비례 유닛, 적분 유닛 및/또는 미분 유닛에 대한 각각의 계수 k p , k i k d 에 대해서 행해질 필요가 있는 변화를 맞추기 위해 PID 제어기에 대한 적당한 조정들을 결정한다. 예를 들어, 오류 상태가 토크상수가 예를 들어 2 팩터(factor) 만큼 변화되었음을 나타내는 것으로 검출된다면, 각각의 k p , k i k d 계수 역시 2 팩터 만큼 증가될 수 있다. 따라서, 상기 시스템(130)은 오류 상태가 확인되는 경우에, 상기 시스템 역시 상기의 검출된 오류 상태를 교정하기 위해 시도할 것이다.In the embodiment of FIG. 9, the diagnostic unit 150 is configured with respective coefficients k p , k i for the proportional unit, the integral unit and / or the derivative unit to correct the detected error condition. And Determine the appropriate adjustments to the PID controller to match the changes that need to be made for k d . For example, if an error condition is detected that indicates that the torque constant has changed by, for example, two factors, then k p , k i , respectively. And The k d coefficient can also be increased by 2 factors. Thus, if the error condition is identified, the system 130 will also attempt to correct the detected error condition.

본 발명이 속하는 기술분야의 당업자들은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 구현예에 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 알 것이다. Those skilled in the art will appreciate that various modifications and changes can be made to the embodiments of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention.

Claims (21)

다음을 포함하는 회전 제한 모터 시스템(limited rotation motor system) 분석용 진단 시스템(diagnostic system): Diagnostic system for analysis of limited rotation motor system, including: 모터 제어신호(motor control signal)를 나타내는 제 1 디지털신호(digital signal)를 수신하여, 상기 모터 제어신호의 주파수 도메인 표시(frequency domain representation)에 해당하는 모터 제어 주파수 도메인 신호(motor control frequency domain signal)를 제공하는 제 1 변환 수단(transform means); A motor control frequency domain signal corresponding to a frequency domain representation of the motor control signal by receiving a first digital signal representing a motor control signal First transform means for providing a; 위치검출신호(position detection signal)를 나타내는 제 2 디지털신호를 수신하여, 상기 위치검출신호의 주파수 도메인 표시에 해당하는 위치 검출 주파수 도메인 신호를 제공하는 제 2 변환 수단; Second conversion means for receiving a second digital signal representative of a position detection signal and providing a position detection frequency domain signal corresponding to a frequency domain representation of the position detection signal; 상기 모터 제어 주파수 도메인 신호 및 상기 위치 검출 주파수 도메인 신호에 응한 상기 회전 제한 모터의 상기 주파수 응답(frequency response)의 표시를 확인하는 폐루프(closed loop) 주파수 응답 수단; 및 Closed loop frequency response means for confirming an indication of said frequency response of said rotational limiting motor in response to said motor control frequency domain signal and said position detection frequency domain signal; And 상기 주파수 응답의 상기 표시를 이전에 기록된 이전 주파수 응답의 표시와 비교하여 상기 회전 제한 모터 시스템에 대한 오류 상태(error condition)를 확인하는 진단(diagnostic) 수단. Diagnostic means for confirming an error condition for the rotational limiting motor system by comparing the indication of the frequency response with an indication of a previously recorded previous frequency response. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 변환 수단 및 상기 각각의 변환 수신 수단은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행하는 것을 특징으로 하는 시스템. 2. The system of claim 1, wherein the first transform means and each transform receiving means perform a Fast Fourier Transform. 제 1항에 있어서, 상기 폐루프 주파수 응답 수단에 의해 확인된 상기 주파수 응답의 상기 표시는 상기 위치 검출 주파수 도메인 신호와 상기 모터 제어 주파수 도메인 신호의 비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. The system according to claim 1, wherein said indication of said frequency response identified by said closed loop frequency response means comprises a ratio of said position detection frequency domain signal and said motor control frequency domain signal. 제 3항에 있어서, 상기 비율은 상기 위치 검출 주파수 도메인 신호를 상기 모터 제어 주파수 도메인 신호로 나누어 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템. 4. The system of claim 3, wherein the ratio is provided by dividing the position detection frequency domain signal by the motor control frequency domain signal. 제 1항에 있어서, 상기 진단 수단은 저주파수 범위의 상기 주파수 응답을 상기 이전 주파수 응답과 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템. 2. The system of claim 1, wherein said diagnostic means compares said frequency response in the low frequency range with said previous frequency response. 제 5항에 있어서, 상기 진단 수단은 베어링(bearing)에 결함이 생길 우려가 있음을 나타내는 결함 베어링 오류신호(error signal)를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 6. A system according to claim 5, wherein said diagnostic means provides a faulty bearing error signal indicating that there is a risk of bearing failure. 제 1항에 있어서, 상기 진단 수단은 중간주파수 범위의 상기 주파수 응답을 상기 이전 주파수 응답과 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템. 2. The system of claim 1, wherein said diagnostic means compares said frequency response in the intermediate frequency range with said previous frequency response. 제 7항에 있어서, 상기 진단 수단은 상기 회전 제한 모터의 토크상수(torque constant)의 변화를 나타내는 토크상수 오류신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 8. A system according to claim 7, wherein said diagnostic means provides a torque constant error signal indicative of a change in the torque constant of said rotational limiting motor. 제 1항에 있어서, 상기 진단 수단은 상기 회전 제한 모터의 회전축(rotor shaft)의 운동 범위가 상기 토크상수에 대하여 대칭인지 여부를 나타내는 비대칭(asymmetry) 오류신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 2. A system according to claim 1, wherein the diagnostic means provides an asymmetry error signal indicating whether the range of motion of the rotor shaft of the rotational limiting motor is symmetrical with respect to the torque constant. 제 1항에 있어서, 상기 회전 제한 모터 시스템은 비례(proportional), 적분(integral), 미분(derivative) 제어기(controller)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. 10. The system of claim 1, wherein the rotational limiting motor system comprises a proportional, integral, and derivative controller. 제 10항에 있어서, 상기 진단 수단은 상기 비례, 적분, 미분 제어기에 교정신호(corrective signals)를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 12. The system of claim 10, wherein said diagnostic means provides corrective signals to said proportional, integral, and derivative controller. 다음을 포함하는 회전 제한 모터 시스템 분석용 진단 시스템: Diagnostic system for analysis of rotational limiting motor systems, including: 모터 제어신호를 나타내는 제 1 디지털신호를 수신하여, 다양한 주파수에서의 상기 모터 제어신호의 주파수 도메인 표시에 해당하는 모터 제어 주파수 도메인 시퀀스(motor control frequency domain sequence)를 제공하는 제 1 FFT 수단; First FFT means for receiving a first digital signal representing a motor control signal and providing a motor control frequency domain sequence corresponding to a frequency domain representation of the motor control signal at various frequencies; 위치검출신호를 나타내는 제 2 디지털신호를 수신하여, 상기 다양한 주파수에서의 상기 위치검출신호의 주파수 도메인 표시에 해당하는 위치 검출 주파수 도메인 시퀀스를 제공하는 제 2 FFT 수단; Second FFT means for receiving a second digital signal representing a position detection signal and providing a position detection frequency domain sequence corresponding to a frequency domain representation of the position detection signal at the various frequencies; 상기 모터 제어 주파수 도메인 신호 및 상기 위치 검출 주파수 도메인 신호에 응한 상기 회전 제한 모터의 상기 다양한 주파수에서의 상기 주파수 응답의 표시를 확인하는 폐루프 주파수 응답 수단; 및 Closed loop frequency response means for confirming an indication of said frequency response at said various frequencies of said rotational limiting motor in response to said motor control frequency domain signal and said position detection frequency domain signal; And 상기 주파수 응답의 상기 표시를 이전에 기록된 이전 주파수 응답의 표시와 비교하여 상기 회전 제한 모터 시스템에 대한 오류 상태를 확인하는 진단 수단. Diagnostic means for confirming an error condition for said rotational limiting motor system by comparing said indication of said frequency response with an indication of a previously recorded previous frequency response. 제 12항에 있어서, 상기 폐루프 주파수 응답 수단에 의해 확인된 상기 주파수 응답의 상기 표시는 상기 위치 검출 주파수 도메인 신호와 상기 모터 제어 주파수 도메인 신호의 비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. 13. The system according to claim 12, wherein said indication of said frequency response identified by said closed loop frequency response means comprises a ratio of said position detection frequency domain signal and said motor control frequency domain signal. 제 13항에 있어서, 상기 비율은 상기 위치 검출 주파수 도메인 신호를 상기 모터 제어 주파수 도메인 신호로 나누어 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템. 14. The system of claim 13, wherein the ratio is provided by dividing the position detection frequency domain signal by the motor control frequency domain signal. 제 12항에 있어서, 상기 진단 수단은 저주파수 범위의 상기 주파수 응답을 상기 이전 주파수 응답과 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템. 13. The system of claim 12, wherein the diagnostic means compares the frequency response in the low frequency range with the previous frequency response. 제 15항에 있어서, 상기 진단 수단은 베어링에 결함이 생길 우려가 있음을 나타내는 결함 베어링 오류신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 16. The system of claim 15, wherein said diagnostic means provides a fault bearing error signal indicating that a bearing may be defective. 제 12항에 있어서, 상기 진단 수단은 중간주파수 범위의 상기 주파수 응답을 상기 이전 주파수 응답과 비교하는 것을 특징으로 하는 시스템. 13. The system of claim 12, wherein said diagnostic means compares said frequency response in the intermediate frequency range with said previous frequency response. 제 17항에 있어서, 상기 진단 수단은 상기 회전 제한 모터의 토크상수의 변화를 나타내는 토크상수 오류신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 18. The system according to claim 17, wherein said diagnostic means provides a torque constant error signal indicative of a change in torque constant of said rotational limiting motor. 제 12항에 있어서, 상기 진단 수단은 상기 회전 제한 모터의 회전축의 운동 범위가 상기 토크상수에 대하여 대칭인지 여부를 나타내는 비대칭 오류신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 13. The system according to claim 12, wherein the diagnostic means provides an asymmetric error signal indicating whether the range of motion of the rotational axis of the rotational limiting motor is symmetrical with respect to the torque constant. 제 12항에 있어서, 상기 회전 제한 모터 시스템은 비례, 적분, 미분 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. 13. The system of claim 12, wherein the rotational limiting motor system includes a proportional, integral, and derivative controller. 제 20항에 있어서, 상기 진단 수단은 상기 비례, 적분, 미분 제어기에 교정신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 시스템. 21. The system of claim 20, wherein said diagnostic means provides a calibration signal to said proportional, integral, and derivative controller.
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