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KR20090038780A - 자동속도조절 러닝머신, 그 제어모듈 및 그 제어방법 - Google Patents

자동속도조절 러닝머신, 그 제어모듈 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20090038780A
KR20090038780A KR1020070136452A KR20070136452A KR20090038780A KR 20090038780 A KR20090038780 A KR 20090038780A KR 1020070136452 A KR1020070136452 A KR 1020070136452A KR 20070136452 A KR20070136452 A KR 20070136452A KR 20090038780 A KR20090038780 A KR 20090038780A
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KR
South Korea
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control
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treadmill
driving
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박재상
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(주)다산알앤디
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Abstract

운동자를 지지하는 러닝벨트가 설치된 본체부; 상기 러닝벨트를 구동하는 구동모터; 상기 구동모터를 구동하는 모터 구동부; 상기 본체부의 소정영역에 설치되어 상기 운동자의 위치를 측정하는 운동자 감지부; 및 상기 구동모터의 회전속도를 조절하기 위해 제어신호를 생성하여, 상기 모터 구동부에 전달하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 운동자 감지부로부터 측정된 신호에 대응하는 측정값을 이용하여 변환값을 생성하는 전처리부, 기준위치값을 생성하는 기준위치 생성부, 및 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 구동명령부를 포함하여, 운동자의 가속도와 감속도를 빠르게 추종하며, 고정된 지지 기반에서 걷거나 뛰는 느낌을 구현하여 운동감을 향상시키고, 운동자의 다양한 운동 패턴을 수용할 수 있으며, 운동자의 위치 측정값을 전처리하여 측정값에 포함된 측정오차에 의해 러닝벨트의 속도를 제어할 수 없는 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있는 자동속도 조절 러닝머신을 제공할 수 있다.
러닝머신(treadmill), 속도 제어, 감속, 가변제어, 회생에너지, 전기적 제동, 제동저항

Description

자동속도조절 러닝머신, 그 제어모듈 및 그 제어방법{Treadmill with automatic speed control, Control Module of the same and Control Method of the same}
본 발명은 러닝머신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 운동자의 운동속도 및 상태에 따라 자동으로 러닝벨트의 속도가 제어되는 러닝머신에 관한 것이다.
종래의 러닝머신은 운동자가 조작부에 구비된 속도 조절부를 조작하여 설정된 속도에 따라 수동적으로 운동을 하게 되므로, 운동감이 떨어지고, 고정된 지지 기반에서 걷거나 뛰는 느낌을 구현하지 못하는 문제점이 있다.
이를 극복하기 위하여 운동자의 위치를 측정하여 속도를 자동으로 조절하기 위한 방법이 제시되고 있다.
대한민국 등록특허 제10-0398330호에서는 조작패널 하단에 초음파 센서를 구비하고, 초음파 센서로부터 운동자의 현재 위치를 측정하고, 운동자의 위치를 중앙지역으로 위치시킬 수 있도록, 운동자가 중앙지역보다 앞으로 오면 러닝벨트의 속도를 높여서, 운동자를 후퇴시켜 중앙지역으로 가도록 하고, 운동자가 중앙지역보다 뒤로 가면, 러닝벨트의 속도를 줄여서, 운동자를 전진시켜 중앙지역으로 가도록 하는 장치에 대해 기술되어 있다.
그러나, 상기 문헌에서 제시하는 러닝머신은 운동자가 지정한 중앙지역에서 일정범위 이내의 가속과 감속을 하는 경우에는 사용이 가능할 수 있으나, 운동자가 높은 속도로 운동을 하다가 운동을 정지하고자 하는 등의 급속한 감속등의 다양한 운동자의 운동패턴에 대응하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 상기의 운동자의 다양한 운동패턴에 대응되는 제어방법의 문제 외에도, 상기와 같은 급감속을 하는 경우에는 러닝머신에 사용되는 모터 구동부에 과부하가 발생하기 때문에 모터 구동부의 보호를 위하여 모터 구동부는 자체적으로 모터 구동을 차단하므로 빠른 감속이 불가능한 문제점이 있다.
지금까지 러닝머신에서 감속을 하는 경우에는 모터 구동부의 허용범위를 넘지 않는 감속도 범위내에서 구동속도에 관계없이 고정된 느린 감속을 하고, 비상정지의 경우에는 모터 구동부의 동작을 차단하여 러닝머신의 벨트 및 구동모터에 작용하는 자연적인 마찰력에 의해 정지하였다.
운동자가 러닝머신에서 운동을 할 때 급격한 감속은 운동자의 관성에 의해 넘어지고, 이에 따라 운동자에게 위험할 수 있기 때문에, 상기와 같이 지금까지의 러닝머신에서는 느린 감속 또는 자연적인 마찰력에 의한 감속만을 제공하고 있다.
그러나, 이로 인하여 운동자는 러닝머신에서 운동을 할 때 고정된 지지 기반에서 운동을 할 때와 다른 느낌을 받는 문제점이 있으며, 또한, 운동자의 다양한 운동 패턴을 수용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 운동자가 고정된 지지 기반에서 운동할 때와의 차이를 극복하고, 운동 자의 다양한 운동 패턴을 수용하기 위해, 운동자에 의해 발생하는 가속도와 감속도를 빠르게 추종이 필요하나, 지금까지 제시된 방법으로는 빠른 감속이 불가능하므로 운동자가 만족할 수 있는 수준의 자동 속도조절이 되지 못하는 문제점이 있다.
그리고, 상기 문헌에서 제시하는 러닝머신에서, 초음파 센서를 사용하여 운동자와의 거리를 측정하여 운동자가 중앙위치에 위치하도록 러닝벨트의 속도를 조절함에 있어서, 초음파 센서를 통하여 수신하는 운동자의 위치 측정값에는 많은 오류값을 포함하고 있으므로 단순히 초음파 센서만을 사용하여 자동 속도 조절 러닝머신을 구현하기 어려운 문제점이 있다.
상기 초음파 센서를 통하여 수신되는 측정값에는 주변의 다양한 노이즈 신호에 의한 신호왜곡이 발생할 수 있으며, 또한, 운동자가 운동을 할 때 흔드는 팔과 다리의 위치에 의해 원하지 않는 측정값들이 측정되어 러닝벨트의 속도를 제어할 수 없는 문제점이 있다.
또한, 대한민국 공개특허 제 10-2007-0015687호, 10-2007-0081476호, 10-2007-0082277호, 및 10-2007-0082929호에서는 러닝벨트의 전방하부 및 후방하부에 각각 하중센서를 구비하고, 각각의 하중센서에서 측정된 측정값을 연산하여 운동자의 위치를 판단한 후 기준위치와의 차이를 바탕으로 러닝벨트의 속도를 조절하는 방법 및 구조가 기재되어 있다.
그러나, 상기와 같은 하중센서를 사용하는 방법에 있어서는 운동자의 속도에 따라 하중센서에 작용되는 하중의 주기가 달라지고, 또한 운동자의 최고 속도에서도, 그 하중의 작용 주기는 초당 2회 내지 3회 정도로 낮아, 러닝벨트의 부드러운 속도 조절에 어려운 문제점이 있다.
또한, 운동자의 발이 러닝벨트를 누르는 순간에도 러닝벨트의 거동에 의해 눌리는 위치가 지속적으로 변하고, 운동자가 러닝벨트에서 걸을 때와 달릴 때의 러닝벨트에 접촉하고 있는 발의 개수가 달라지기 때문에 운동자의 상체 또는 무게중심 위치를 산정하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 운동자의 다양한 운동패턴, 즉 속도에 따른 급가속 및 급감속에 대응하는 제어방법이 기재되어 있지 않아, 단지 기준위치와의 차이만을 이용하여 속도를 제어하는 방법으로는 실제 러닝머신에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 러닝머신에 있어서, 운동자가 설정된 속도에 따라 수동적으로 운동을 하게 되므로, 운동감이 떨어지고, 고정된 지지 기반에서 걷거나 뛰는 느낌을 구현하지 못하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 러닝머신에 있어서, 운동자에 의해 발생되는 가속도와 감속도를 빠르게 추종하지 못하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 러닝머신에 있어서, 운동자의 다양한 운동 패턴을 수용하기 어려운 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 러닝머신에 있어서, 급감속시 발생되는 부하를 모터 구동부가 견디지 못하는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 러닝머신에 있어서, 운동자의 위치 측정값에 포함된 측정오차에 의해 러닝벨트의 속도를 제어할 수 없는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신은, 운동자를 지지하는 러닝벨트가 설치된 본체부; 상기 러닝벨트를 구동하는 구동모터; 상기 구동모터를 구동하는 모터 구동부; 상기 본체부의 소정영역에 설치되어 상기 운동자의 위치를 측정하는 운동자 감지부; 및 상기 구동모터의 회전속도를 조절하기 위해 제어신호를 생성하여, 상기 모터 구동부에 전달하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 상기 운동자 감지부로부터 측정된 신호에 대응하는 측정값을 이용하여 변환값을 생성하는 전처리부, 기준위치값을 생성하는 기준위치 생성부, 및 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 구동명령부를 포함한다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 운동자가 가속상태 또는 감속상태인지를 판단하는 상태판단부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 변환값을 생성하는 데이터 변환부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 전처리부는 상기 변환값, 및/또는 상기 상태판단부에서 판단된 결과에 대응하는 상태값을 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 구동명령부는 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값의 차이에 대응하는 오차값에 제어상수를 연산하여 제어이득을 생성하는 제어이득부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 제어이득부는 현재의 제어이득과 적어도 하나 이상의 과거의 제어이득의 함수로써 제어이득을 생성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 제어이득부는 복수의 판단기준에 의해 산출된 복수의 상기 제어이득들의 함수로써 제어이득을 생성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 구동명령부는 상기 제어상수를 조절하는 감도 조절부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 감도 조절부는 상기 운동자의 위치 변화율에 대응하여 제어상수를 조절하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 감도 조절부는 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 제어상수를 조절하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 감도 조절부는 상기 제어상수 중 상기 운동자의 위치 변화율이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수와, 상기 오차값이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수를 독립적으로 조절하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 구동명령부는 상기 제어이득을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 제어신호 생성부는 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도를 기반으로 상기 제어이득을 제한하여 상기 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
또한 상기 러닝머신에서, 상기 구동 명령부는 상기 구동모터의 감속시 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 상기 구동모터에 제동력을 가변적으로 제공하도록 상기 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신용 제어모 듈은, 전기적 배선이 형성된 기저 기판; 상기 기저 기판에 체결되며, 상기 전기적 배선과 전기적으로 결합하는 반도체 회로를 포함하는 제어부; 및 상기 기저 기판에 체결되며, 구동모터를 구동하는 모터 구동부, 및 운동자의 위치를 측정하는 운동자 감지부와 상기 전기적 배선을 통하여 상기 제어부와 전기적으로 연결하는 연결단자;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 운동자 감지부로부터 측정된 신호에 대응하는 측정값을 이용하여 변환값을 생성하는 전처리부, 기준위치값을 생성하는 기준위치 생성부, 및 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값을 이용하여, 상기 구동모터의 회전속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 구동명령부를 포함한다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 운동자가 가속상태 또는 감속상태인지를 판단하는 상태판단부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 변환값을 생성하는 데이터 변환부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 전처리부는 상기 변환값, 및/또는 상기 상태판단부에서 판단된 결과에 대응하는 상태값을 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 구동명령부는 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값의 차이에 대응하는 오차값에 제어상수를 연산하여 제어이득을 생성하는 제어이득부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 제어이득부는 현재의 제어이득과 적어도 하나 이상의 과거의 제어이득의 함수로써 제어이득을 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 제어이득부는 복수의 판단기준에 의해 산출된 복수의 상기 제어이득들의 함수로써 제어이득을 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 구동명령부는 상기 제어상수를 조절하는 감도 조절부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 감도 조절부는 상기 운동자의 위치 변화율에 대응하여 제어상수를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 감도 조절부는 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 제어상수를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 감도 조절부는 상기 제어상수 중 상기 운동자의 위치 변화율이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수와, 상기 오차값이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수를 독립적으로 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 구동명령부는 상기 제어이득을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 제어신호 생성부는 상기 러닝벨 트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도를 기반으로 상기 제어이득을 제한하여 상기 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신용 제어모듈에서, 상기 구동 명령부는 상기 구동모터의 감속시 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 상기 구동모터에 제동력을 가변적으로 제공하도록 상기 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신 제어방법은, 운동자 감지부로부터 측정된 신호에 대응하는 측정값을 이용하여 변환값을 생성하는 전처리 단계; 기준위치값을 생성하는 기준위치 생성 단계; 및 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값을 이용하여, 구동모터의 회전속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 구동명령 단계;를 포함한다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 전처리 단계는 상기 측정값을 이용하여 운동자가 가속상태 또는 감속상태인지를 판단하는 상태판단 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 전처리 단계는 상기 측정값을 이용하여 상기 변환값을 생성하는 데이터 변환 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 구동명령 단계는 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값의 차이에 대응하는 오차값에 제어상수를 연산하여 제어이득을 생성하는 제어이득생성 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 제어이득생성 단계는 현재의 제어이득과 적어도 하나 이상의 과거의 제어이득의 함수로써 제어이득을 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 제어이득생성 단계는 복수의 판단기준에 의해 산출된 복수의 상기 제어이득들의 함수로써 제어이득을 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 구동명령 단계는 상기 제어상수를 조절하는 감도 조절 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 감도 조절 단계는 운동자의 위치 변화율에 대응하여 제어상수를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 감도 조절 단계는 상기 구동모터의 회전속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 제어상수를 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 감도 조절 단계는 상기 제어상수 중 상기 운동자의 위치 변화율이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수와, 상기 오차값이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수를 독립적으로 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 구동명령 단계는 상기 제어이득을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 제어신호 생성 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 제어신호 생성 단계는 상기 구동모터의 회전속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도를 기반으로 상기 제어이득을 제한하여 상기 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 러닝머신 제어방법에서, 상기 구동 명령 단계는 상기 구동모터의 감속시 상기 구동모터의 회전속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 상기 구동모터에 제동력을 가변적으로 제공하도록 상기 제어신호를 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 운동자의 가속도와 감속도를 빠르게 추종하여, 고정된 지지 기반에서 걷거나 뛰는 느낌을 구현하여 운동감을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 운동자의 다양한 운동 패턴을 수용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 급감속시 발생되는 부하로 인해 모터 구동부가 트립이 발생되는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 운동자의 위치를 측정하는 운동자 감지부의 높이를 조절하여 측정 신호에 포함되는 노이즈 및 측정오차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 운동자의 위치 측정값을 전처리함으로써, 측정값에 포함된 측정오차에 의해 러닝벨트의 속도를 제어할 수 없는 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서 설명하는 현재값(Xr T)은 현재 측정값(Xr) 또는 그에 대응하는 현재 변환값(Xr')등을 포함하는 용어로서, 시간적 흐름에 있어서 현재 데이터를 설명하기 위하여 대표명화한 것이다. 즉 현재의 시간(예를 들면 현재의 계측주기)에 대응되는 데이터를 의미한다.
또한 이하에서 설명하는 과거값(Xr-i T, i=1,...n)은 과거 측정값(Xr -i, i=1,...n) 또는 그에 대응하는 과거 변환값(Xr - i', i=1,...n)등을 포함하는 용어로서, 시간적 흐름에 있어서 과거 데이터를 설명하기 위하여 대표명화한 것이다. 즉 과거의 시간(예를 들면 과거의 계측주기)에 대응되는 데이터를 의미한다.
또한 이하에서 설명하는 데이터값(Xr-i o, i=0,...n)은 현재값(Xr T)과 과거값(Xr-i T, i=1,...n)을 포함하는 데이터를 설명하기 위하여 대표명화한 것이다.
또한 이하에서 설명하는 벨트 속도, 구동 벨트 속도, 구동모터의 회전속도, 및 구동속도는 상호 대등한 것을 의미하며, 어느 하나를 예를 들어 설명하였다 하더라도 나머지의 의미를 포함한다 할 것이다.
즉, 벨트의 속도 또는 구동 벨트 속도는 구동모터의 회전속도에 롤러의 반경 등의 상수를 연산하여 쉽게 계산될 수 있으며, 또한, 모터 구동부에서 구동모터에 제공되는 신호를 이용/연산하여 산출될 수 있고, 제어부에서 모터 구동부에 제공되는 제어신호(제 1 제어신호)에 의해서도 산출될 수도 있다.
또한, 벨트의 속도, 구동 벨트 속도 또는 구동모터의 회전속도는 소정의 측정수단을 이용하여 직접 측정할 수도 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신의 부하설정을 위한 계측 그래프를 도시한 것으로, 본 발명에 의한 전기적 제동부를 추가하지 않는 경우 러닝벨트의 구동 속도에 따라 구동모터 제동시 모터 구동부에 걸리는 트립에 의해 모터 구동부가 발생시킬 수 있는 최대 허용 감속도(110, 120)와 실제 지면에서 운동하는 것과 같은 운동감을 운동자에게 제공하기 위한 목표 감속도(210, 220)를 도시하여 비교하였다.
또한, 도 1에는 종래의 기술에 의한 러닝벨트의 구동속도에 따라 감속도를 가변제어하지 않은 상태에서 작은 고정 감속도(310)를 제공하는 방법과, 큰 고정 감속도(320)를 제공할 때의 문제점을 비교 설명하기 위하여 함께 도시하였다.
운동자가 탑승한 상태에서 고속 주행중 급감속을 하는 실험은 운동자에게 위 험이 발생될 수 있으므로, 운동자가 탑승하지 않은 상태에서 측정한 데이터들이며, 2.2kW 용량의 모터 구동부를 사용하여 측정한 최대 허용 감속도(110)와 3.7kW 용량의 모터 구동부를 사용하여 측정한 최대 허용 감속도(120)를 각각 도시하였다.
먼저 2.2kW 용량의 모터 구동부를 사용하여 측정한 최대 허용 감속도(110)를 기준으로 설명하면 다음과 같다.
최대 허용 감속도(110)는 본 발명에 의한 전기적 제동부를 포함하지 않는 러닝머신에서 러닝벨트의 제동시 모터 구동부의 최대 허용 부하를 나타내는 것으로, 최대 허용 감속도(110) 선분 아래의 영역(A-a, A-b, A-c)은 모터 구동부의 허용 부하에 포함되는 감속도 영역으로, 본 발명의 전기적 제동부를 사용하지 않고도 모터 구동부의 제동력(제 1 제동력)만으로도 가능하다.
최대 허용 감속도(110) 선분 위의 영역(B-a, B-b, B-c)은 모터 구동부의 허용 부하를 넘어서는 감속도 영역으로, 본 발명의 전기적 제동부에 의한 제동력(제 2 제동력)의 추가가 필요함을 알 수 있다.
또한, 도 1의 그래프를 보면 러닝벨트의 구동속도에 따라 최대 허용 감속도가 달라짐을 알 수 있다.
러닝벨트의 구동속도 5km/h인 저속구간에서는 최대 허용 감속도가 초당 약 7.9km/h정도였으나, 러닝벨트의 구동속도 19km/h인 고속구간에서는 최대 허용 감속도는 초당 약 2.3km/h정도였다.
따라서, 러닝벨트의 구동속도가 빠를수록 운동에너지가 크기 때문에 모터 구동부에 제동에 필요한 큰 부하를 요구하게 되며, 이에 따라 모터 구동부에 트립이 발생하는 최대 허용 감속도가 작게된다. 즉, 본 발명에 의한 전기적 제동부를 포함하지 않으면, 러닝벨트의 구동속도가 빠를수록 큰 감속이 불가능하게 되며, 예로써 19km/h로 구동되는 러닝벨트는 초당 2.3km/h이상으로 감속을 할 수 없게 되는 문제점이 있음을 알 수 있었다.
또한, 본 발명에서는 운동자가 러닝머신에서 운동을 하다가 정지를 하고자 할 때, 러닝벨트의 구동속도와 상관없이 일정한 시간내에 정지하고자 하는 경향이 있음을 발견하였으며, 다수의 피실험자들을 통하여 다양한 러닝벨트 속도와 다양한 정지 소요시간에 대한 실험을 통해 운동자는 정지 소요시간이 1.5초에서 5초까지의 범위일 때 만족하는 것을 알 수 있었으며, 가장 바람직하게는, 2초에서 4초까지였다.
또한, 임의의 속도로 구동되는 러닝벨트가 완전히 정지하는데 까지 소요되는 시간인 정지 소요시간에 대응하여 감속 초기의 감속도는 상기 정지 소요시간에 대응하고, 감속중에 정지 소요시간을 가변하는 경우에도 상기와 같은 운동자의 감속에 대한 경향을 만족시켜 줄 수 있음을 실험을 통해 알 수 있었다.
따라서, 이하 설명에서의 정지 소요시간은 운동자의 감속에 대응하여 정지하는데에 소요되는 시간의 의미를 포함한다.
러닝벨트의 구동속도와 정지 소요시간의 비율은 운동자가 원하는 감속도에 해당하는 것이므로, 도 1에서는 러닝벨트의 구동속도별 목표 감속도(210, 220)를 상기 바람직한 정지 소요시간인 2초에 대응하는 상한 목표 감속도(220)와 4초에 대응하는 하한 목표 감속도(210)로 표시하였다.
따라서, 상한 목표 감속도(220)와 하한 목표 감속도(210) 사이 영역(A-b영역과 B-b영역)이 러닝벨트의 감속도를 제어해야 하는 목표 감속도 영역으로 설정되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 일 실시예로 목표 감속도를 3초로 설정하였다.
도 1에서 알 수 있듯이 목표 감속도(210, 220)는 러닝벨트의 구동속도가 증가하면 함께 증가하지만, 본 발명의 전기적 제어부를 포함하지 않는 러닝머신의 모터 구동부에 의한 최대 허용 감속도(110, 120)는 러닝벨트의 구동속도가 증가하면 오히려 감소하는 문제점이 있음을 알 수 있다.
모터 구동부의 제동력(제 1 제동력)만으로 제동이 불가능하여 전기적 제동부의 제동력(제 2 제동력)에 의한 제동 영역(B-a 영역, B-b 영역, B-c영역)을 사용하는 것이 필요하며, 상기 목표 감속도(210, 220)와의 관계를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
상한 목표 감속도(220)에 의해 구획되는 영역(A-a 영역, B-a 영역)은 빠른 감속에 의해 운동자에게 위험할 수 있는 영역으로 최대 감속도의 제한이 필요한 영역이다.
또한, 상한 목표 감속도(220) 및 하한 목표 감속도(210)에 의해 구획되는 영역(A-b 영역, B-b 영역)은 운동자에게 위험하지 않으면서 빠른 감속이 이루어지는 영역으로, 특히 최대 허용 감속도(110)에 의해 구획되는 좌측영역(A-b 영역)은 모터 구동부의 제동력(제 1 제동력)이 제공되어야 하는 영역이고, 최대 허용 감속도(110)에 의해 구획되는 우측영역(B-b 영역)은 전기적 제동부의 제동력(제 2 제동력)이 필요한 영역이다.
또한, 하한 목표 감속도(210)에 의해 구획되는 영역(A-c 영역, B-c 영역)은 상기 "A-b 영역" 또는 "B-b 영역"보다는 느린 감속구간이지만, 제동력의 제공이 필요한 영역으로, 특히 최대 허용 감속도(110)에 의해 구획되는 좌측영역(A-c 영역)은 모터 구동부의 제동력(제 1 제동력)이 제공되어야 하는 영역이고, 최대 허용 감속도(110)에 의해 구획되는 우측영역(B-c 영역)은 전기적 제동부의 제동력(제 2 제동력)이 필요한 영역이다.
따라서, 도 1에서 보아 알 수 있듯이 상한 목표 감속도(220)를 요구하는 운동자에게는 약 8km/h이상의 러닝벨트 속도부터 전기적 제동부의 제동력(제 2 제동력)이 필요하며, 하한 목표 감속도(220)를 요구하는 운동자에게는 약 11.5km/h이상의 러닝벨트 속도부터 전기적 제동부의 제동력(제 2 제동력)이 필요하게 된다.
일반적으로 운동자는 7km/h에서 15km/h의 속도의 범위에서 러닝머신을 가장 많이 이용하며, 20km/h이상의 속도에서도 운동을 하는 경우가 있다.
따라서, 모터 구동부에 의한 제동력(제 1 제동력)만 제공되는 러닝머신으로는 일반적인 운동 속도 범위내에서도 운동자가 원하는 감속도의 제동을 구현하기 어려운 문제점이 있으며, 본 발명에 의한 전기적 제동부를 포함함으로써 상기의 문제점을 해결하였다.
또한, 기존의 러닝머신에서는 전구간의 구동속도에서 고정된 느린 감속도(310)를 제공하므로 운동자가 원하는 감속도를 제공할 수 없다.
또한, 모터 구동부를 큰 용량의 3.7kW로 사용한 경우는 최대 허용 감속도(120)를 살펴보면, 2.2kW 용량의 모터 구동부에 비해 최대 허용 감속도가 증 가하지만, 저속구간에서 증가폭이 크고, 고속구간에서는 증가폭이 작음을 알 수 있다.
또한, 목표 감속도(210, 220)와 반대되는 경향으로 증가하는 것을 알 수 있다.
즉, 목표 감속도는 저속보다는 고속에서 큰 감속도를 요구하고 있으나, 큰 용량의 모터 구동부를 사용하여도 저속에서 감속도의 증가폭이 커지고, 고속에서는 감속도의 증가폭이 작아 목표 감속도에 대응하는 제동력을 제공할 수 없는 문제점이 있어, 본 발명의 전기적 제동부를 사용하여 제동력(제 2 제동력)을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 종래기술에 의한 러닝머신의 문제점을 극복하기 위하여 전구간의 구동속도에서 고정된 고속의 감속도(320)를 제공하게 되면 저속구간에서 운동자가 감당하기 어려운 큰 감속도가 발생하여 운동자에게 위험을 줄 수 있는 영역(A-a 영역, B-b 영역)에 포함되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝벨트의 구동속도에 대응하여 감속도를 가변제어하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 제어부를 포함하지 않고, 본 발명의 일 실시예에 따른 감속도 가변제어방법을 이용하여 목표 감속도(210, 220)와 최대 허용 감속도(110, 120) 선분으로 구획되는 하부 영역(A-b영역, A-c영역)내에서 러닝벨트의 구동속도에 대응하여 감속도를 가변제어함으로써 종래의 러닝머신에 비해 운동감을 향상시킬 수 있다.
이러한 감속도 가변제어는 상기의 목표 감속도의 범위내에서 제공되며, 후술되는 도 6a 내지 도 12b의 감속 제어방법에 의해 수행될 수 있다.
즉, 목표 감속도는 구동모터의 회전속도 및 그에 대응하는 러닝벨트의 속도에 대응하여 운동자의 운동감을 향상시킬 수 있는 목표치의 감속도이며, 제공 감속도는 상기의 목표 감속도의 범위 내에서 운동자의 위치변화율등의 다양한 요소들을 고려하여 러닝머신을 통해 제공하는 감속도를 의미하며, 이는 제어부(7000)에서 모터 구동부(6000)에 전달하는 제 1 제어신호에 대응한다.
여기에서 목표 감속도는 목표 제동력에 대응하고, 제공 감속도는 제공 제동력에 대응하며, 최대 허용 감속도는 모터 구동부(6000)에서 제공하는 제동력(제 1 제동력)에 대응한다.
따라서, 본 발명에 의한 전기적 제동부(8000)에서 제공하는 제동력(제 2 제동력)은 상기 제공 제동력이 상기 제 1 제동력보다 크거나 같을 때 발생되며, 이후 설명되는 전기적 제동부(8000)에 포함된 스위칭부가 동작되면서 발생된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신에 대한 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신의 주요구성에 대한 블럭도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 러닝머신은 본체부(2100), 운동자 감지부(3000), 구동모터(4000), 러닝벨트(5000), 모터 구동부(6000), 및 제어부(7000)를 포함한다.
본체부(2100)는 운동자(1000)가 운동하는 러닝벨트(5000), 러닝벨트(5000)를 구동하는 구동모터(4000), 구동모터를 구동하는 모터 구동부(6000), 및 제어부(7000) 등이 설치되며, 본체부(2100) 및 프레임(2110)의 설계 및 디자인에 따라 다양한 구성이 가능하다.
또한, 본체부(2100)는 일측에 프레임(2110)이 형성되고, 프레임(2110) 상의 일측에 운동자(1000)가 조작할 수 있는 버튼 등을 구비한 조작부(2210)와 각종 정보를 제공하는 표시장치(2220)를 포함하는 조작패널(2200) 및 운동자(1000)의 위치를 감지하는 운동자 감지부(3000) 등이 설치된다.
러닝벨트(5000)는 본체부(2100)에 설치된 한 쌍의 롤러(2310, 2320)에 의해 무한회전하여 그 상측에 운동자(1000)를 지지하는 벨트로 구성될 수 있으며, 상기 한 쌍의 롤러(2310, 2320) 중 어느 하나의 롤러(2310)는 구동모터(4000)와 연결되어 구동모터로부터 회전력을 공급받는다.
상기 구동모터(4000)와 롤러(2310) 간의 회전력 전달수단(2400)은 기어 등에 의한 방법 또는 벨트에 의한 방법 등으로 구성될 수 있으나, 소음이 적게 발생하는 벨트에 의한 방법이 보다 바람직하다.
운동자 감지부(3000)는 광센서 또는 초음파 센서와 같은 비접촉식 센서를 사용하여, 운동자 감지부(3000)와 운동자(1000)간의 거리를 측정한다.
광센서의 경우는 운동자(1000)가 착용하는 복장에 의해 광센서로부터 출광되는 광이 흡수될 수 있으므로, 본 발명에서는 이러한 문제가 없는 초음파 센서를 사용하였다.
이러한 비접촉식 센서는 소정의 간격으로 신호를 송출하고, 운동자(1000)에 의해 반사되는 신호를 수신하여 운동자 감지부(3000)와 운동자(1000) 간의 거리를 계산할 수 있다. 예를 들면, 초음파 센서의 경우 상기 신호의 대기중 이동속도와 상기 신호의 회송에 소요된 시간을 곱한 결과인 왕복거리의 반을 계산함으로써 운동자 감지부(3000)와 운동자(1000) 간의 거리를 계산할 수 있다.
초음파 센서의 경우 방사각도(θ)가 작으면, 노이즈가 적고, 운동자(1000)의 팔 또는 발의 흔들림에 따른 측정오차를 줄일 수 있으나, 가격이 비싼 단점이 있으며, 방사각도(θ)가 크면, 가격이 싼 장점이 있으나, 노이즈 및 측정오차가 커지는 문제점이 있다.
이를 극복하기 위하여, 방사각도(θ)가 약 25°이내의 초음파 센서를 사용하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 방사각도(θ)가 25°인 비교적 저렴한 초음파 센서를 사용하고, 이에 따라 발생되는 노이즈 및 측정오차의 보정을 이후 설명될 제어부(7000)에 프로그램된 제어방법을 통하여 해결하였다.
또한, 운동자 감지부(3000)는 성인 평균 신장 및 감지영역을 고려하여 러닝벨트(5000)의 상면으로부터 50cm ~ 150cm 높이에 해당하는 본체부(2100)의 일측에 설치하며, 운동자(1000)가 운동시 발을 들어올릴 때를 고려하여 골반 하부까지의 높이와 팔을 흔들 때 팔꿈치의 높이를 고려하여 러닝벨트(5000)의 상면으로부터 70cm ~ 110cm 높이에 설치하여 가능한 운동자(1000)의 복부의 위치를 측정하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예로 운동자 감지부(3000)로서 초음파 센서를 사용하여 소정의 계측주기(예를 들어 10Hz 이상)로 운동자(1000)의 위치를 측정하였으며, 운동자(1000)는 빠른 속도로 운동을 하는 경우 약 2Hz ~ 3Hz 정도로 팔을 흔들기 때문에 운동자(1000)의 상체의 위치 측정값이 아닌 운동자(1000)의 팔 또는 무 릎의 위치가 측정값에 포함되게 되며, 이를 최소화하기 위하여 운동자 감지부(3000)의 설치 높이를 설계하고, 또한 제어부(7000)에 의해 측정된 값을 보정하였다.
여기에서 초음파 센서의 계측주기는 측정신호의 변화주기(예를 들어 운동자가 운동시 상체의 위치 변화주기인 약 2Hz)에 대한 2 배수인 4Hz이상이고, 러닝머신의 운동자 감지부(3000)와 운동자의 위치 계측 가능거리인 약 1.5m와 음파의 이동속도를 고려하여 최대 100Hz이하인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 측정신호의 변화주기에 대한 3배수인 최소 6Hz이상인 것이 바람직하다.
운동자(1000)가 러닝벨트(5000)의 현재의 속도에서 가속하기 위하여 빨리 달리면 운동자(1000)의 현 위치(Xr)는 기준위치(X0)보다 앞쪽에 위치하며, 운동자 감지부(3000)는 측정된 운동자(1000)의 현재 위치에 대응하는 신호 또는 그에 대응하는 현재 위치 측정값(Xr)을 제어부(7000)에 전달한다.
제어부(7000)는 기준위치값(X0)과 운동자(1000)의 현재 위치 측정값(Xr)의 차이를 계산하여 그 차이 만큼에 대응하는 제 1 제어신호를 모터 구동부(6000)에 전달하고, 모터 구동부(6000)는 전원공급부(2500)로부터 전달받은 전원을 제어하여 구동모터(4000)의 회전속도를 증가시킨다.
구동모터(4000)의 회전속도가 증가하면, 구동모터(4000)에 연결된 러닝벨트(5000)의 속도가 증가되고, 이에 따라 운동자(1000)는 기준위치(X0) 방향으로 후퇴하게 된다.
마찬가지로, 운동자(1000)가 러닝벨트(5000)의 현재의 속도에서 감속하기 위하여 느리게 달리면 운동자(1000)의 현재 위치 측정값(Xr)은 기준위치(X0)보다 뒤쪽에 위치하며, 운동자 감지부(3000)는 측정된 운동자(1000)의 현재 위치에 대응하는 신호 또는 그에 대응하는 현재 위치 측정값(Xr)을 제어부(7000)에 전달한다.
제어부(7000)는 기준위치값(X0)과 현재 위치 측정값(Xr)의 차이를 계산하여 그 차이 만큼에 대응하는 제 1 제어신호를 모터 구동부(6000)에 전달하고, 모터 구동부(6000)는 전원공급부(2500)로부터 전달받은 전원을 제어하여 구동모터(4000)의 회전속도를 감소시킨다.
구동모터(4000)의 회전속도가 감소하면, 구동모터(4000)에 연결된 러닝벨트(5000)의 속도가 감소하고, 이에 따라 운동자(1000)는 기준위치(X0) 방향으로 전진하게 된다.
이렇게 하여 운동자(1000)가 가속 또는 감속하고자 할 때 러닝벨트의 속도를 자동 조절하여 줌으로써 운동자(1000)를 기준위치(X0)에 위치하도록 할 수 있다.
구동모터(4000)는 모터 구동부(6000)에 의해 회전속도가 조절되며, 구동모터(4000)의 회전력은 회전력 전달수단(2400)에 의해 러닝벨트(5000)와 체결되어 있는 롤러(2310)에 전달된다.
이때, 구동모터(4000)로는 일반적으로 사용되는 직류모터 또는 교류모터등을 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 교류모터를 사용하여 실험하였다.
모터 구동부(6000)는 전원공급부(2500)로부터 전원을 공급받고, 제어부(7000)에서 전달된 제 1 제어신호에 의해 구동모터(4000)의 회전속도를 조절한다.
이때, 구동모터(4000)의 종류에 따라 모터 구동부(6000)는 이후 도 4a 내지 도 5c에서 설명되는 인버터 또는 컨버터등을 사용할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에서는 교류모터에 교류를 공급하기 위한 인버터를 사용하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 제어부(7000)에서 모터 구동부(6000)에 전달하는 제 1 제어신호는 주파수변조 신호이며, 구동모터(4000)의 속도를 증가시킬 때에는 주파수를 높인 제 1 제어신호를 전달하도록 구성하였다.
전기적 제동부(8000)는 운동자(1000)가 일정 속도로 운동을 하다가 감속을 하는 경우에 구동모터(4000)에 제동력을 제공하여, 구동모터(4000)를 감속시킨다.
이때, 전기적 제동부(8000)의 구성은 구동모터(4000)가 교류모터인 경우에는 발전제동, 회생제동, 직류제동, 단상제동, 및 역상제동등의 다양한 구성이 가능하며, 본 발명의 일 실시예에서는 발전제동으로 구성하여 구동모터(4000)의 운동에너지를 열에너지로 소진시키는 저항으로 구성하였다.
또한, 구동모터(4000)가 직류모터인 경우에도 발전제동, 회생제동, 및 역상제동등의 다양한 구성이 가능하다.
이때, 모터 구동부(6000)는 자체적인 제동수단을 일부 내장하고 있어 구동모터(4000)에 제 1 제동력을 제공할 수 있고, 도 1에서 설명한 바와 같이 전기적 제동부(8000)를 포함하지 않고, 제 1 제동력의 한계를 넘어서면 트립이 발생한다.
따라서, 전기적 제동부(8000)에서 제 2 제동력을 발생시켜 구동모터(4000)를 제동하게된다.
본 발명에서는 목표 제동력의 일부인 제 1 제동력만을 제공하는 모터 구동부(6000)를 사용하고, 나머지 제동력은 전기적 제동부(8000)를 추가하여 상기의 문제점을 해결하였다.
이때, 전기적 제동부(8000)의 제 2 제동력은 상기 목표 제동력에서 상기 제 1 제동력으로 제동할 수 없는 제동력에 대응하는 것이 바람직하다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교류모터를 사용하였을 때 전기적 제동방법을 설명하기 위한 회로도를 도시한 것으로, 교류의 전원을 공급하는 전원공급부(2500), 구동모터(4000), 구동모터(4000)의 속도를 제어하는 모터구동부(6000), 및 구동모터(4000)에 제동력을 제공하기 위한 전기적 제동부(8000)로 크게 구성된다.
전원공급부(2500)에서 교류의 전원이 공급되고, 구동모터(4000)가 교류모터인 구성에서 모터 구동부(6000)는 일반적인 인버터를 사용할 수 있다.
인버터는 모터 구동부(6000)에 유입되는 교류 전원을 정류하는 컨버팅부(6100), 컨버팅부(6100)에 의해 정류된 전압을 평활시키는 DC평활부(6200), 및 DC평활부(6200)에 의해 평활된 직류전원을 제어부(7000)에 의해 주파수를 변조하여 구동모터(4000)에 공급하는 인버팅부(6300)를 포함함으로써 구동모터(4000)는 주파수에 따라 회전속도가 변경된다.
구동모터(4000)가 일정 속도로 회전할 때 제어부(7000)에서 모터 구동부(6000)로 감속에 대응되는 제 1 제어신호가 전달되면, 구동모터(4000)에서는 현재 속도와 감속하는 속도의 차이에 대응되는 운동에너지가 회생에너지로 모터 구동부(6000)에 유입되게 되며, 이에 따라 컨버팅부(6100)의 출력단 양단 또는 DC평활부(6200)의 출력단 양단에는 전원공급부(2500)의 전압과 회생에너지의 전압을 합한 만큼의 전압이 발생하게 된다.
도 4a에서는 이러한 회생에너지를 모터 구동부(6000)의 외부로 배출하기 위한 전기적 제동부(8000)를 제동저항(8200)을 사용하여 열에너지로 소진하는 일 실시예로 구성한 것이다.
전기적 제동부(8000)의 스위칭부(8100)는 컨버팅부(6100)의 출력단 양단 또는 DC평활부(6200)의 출력단 양단에 걸리는 전압이 소정 기준전압 이상인 경우, 즉 모터 구동부(6000)의 제동력(제 1 제동력)을 초과하는 제동력이 요구되는 경우에 작동되도록 하여, 구동모터(4000)로부터 모터구동부(6000)에 유입되는 회생에너지의 적어도 일부를 상기 스위칭부(8100)의 일단과 상기 컨버팅부(6100)의 일단 또는 DC평활부(6200)의 일단에 연결된 저항으로 구성된 제동저항(8200)에 의해 열에너지로 방출한다.
또한, 상기 스위칭부(8100)는 제어부(7000)에서 전달되는 제 2 제어신호에 의해 작동되도록 구성할 수도 있다.
여기에서, 제동저항(8200)은 모터 구동부(6000)의 용량 및 구동모터(4000)에 걸리는 부하, 즉 모터 구동부(6000)의 제동력(제 1 제동력)과 상기 도 1에서 설명한 목표 감속도(210, 220)를 제공하기 위한 제동력인 최대 목표 제동력에 대응하여 설계하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 일 실시예로 2.2KW의 모터 구동부(6000)와 50Ω의 저항을 사용한 제동저항(8200)으로 구성하였다.
도 4b 또는 도 4c에서는 회생에너지를 모터 구동부(6000)의 외부로 배출 또는 소모하기 위한 전기적 제동부(8000)를 통하여 회생에너지를 전원공급부(2500)로 돌려주는 실시예로 구성한 것이다.
도 4b에서 전기적 제동부(8000)는 모터 구동부(6000)의 인버팅부(6300)와 유사한 구성으로 컨버팅부(6100)의 출력단 양단 또는 DC평활부(6200)의 출력단 양단에 연결되도록 구성한다.
구동모터(4000)로부터 모터구동부(6000)에 유입되는 회생에너지에 의해 컨버팅부(6100)의 출력단 양단 또는 DC평활부(6200)의 출력단 양단에 걸리는 전압이 소정 기준이상으로 상승하면, 즉 모터 구동부(6000)의 제동력(제 1 제동력)을 초과하는 제동력이 요구되는 경우, 전기적 제동부(8000)의 스위칭부(8100)가 작동되어 회생에너지를 전원공급부(2500)로 전달한다.
이때, 전기적 제동부(8000)에 구비된 복수의 스위칭부(8100)를 각각 제어함으로써 전원공급부(2500)의 교류 전원과 위상을 동조하여 준다.
따라서, 상기 스위칭부(8100)는 인버터(6000)의 자체적인 회로구성에 의해 작동되도록 구성할 수 있고, 또한 제어부(7000)에서 전달되는 제 2 제어신호에 의해 작동되도록 구성할 수도 있다.
도 4c는 도 4b와 같은 회생제동을 구성한 것이나, 도 4b와 달리 모터 구동부(6000)의 컨버팅부(6100)에 스위칭부(8100)를 추가하여 전기적 제동부(8000) 로 함께 사용하는 구성을 실시한 것이다.
컨버팅부(6100) 또는 전기적 제동부(8000)에 형성된 다이오드는 전원공급부(2500)에서 구동모터(4000)로 순방향 전원을 공급할 때 전원공급부(2500)의 교류전원을 정류하는 역할을 수행하며, 스위칭부(8100)는 구동모터(4000)에서 전원공급부(2500)로 회생에너지를 전달하는 역할을 수행하며, 작동되는 기준은 도 4b의 설명과 동일하다.
도 4a 내지 도 4c의 본 발명의 실시예에 따른 회로구성을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
전원공급부(2500)는 일반 가정용으로 사용되는 교류 전원을 사용하였다.
컨버팅부(6100)는 전원공급부(2500)로부터 전달된 교류 전원을 정류하기 위하여 3쌍의 다이오드를 구성하여 출력단에서 정류된 전원을 출력한다.
DC평활부(6200)는 컨버팅부(6100)의 출력단 양단에 캐패시터를 병렬로 연결하여 구성하며, 정류된 파형을 평활하게 하는 역할을 수행한다.
인버팅부(6300)는 DC평활부(6200)의 출력단에 연결되며, 트랜지스터등의 스위칭 소자와 다이오드를 병렬로 연결한 IGBT(절연 게이트형 양극성 트랜지서터)를 3쌍으로 구성하여, 제어부(7000)에서 입력되는 제 1 제어신호에 대응하여 주파수를 변조하는 주파수변조기(미도시)의 신호를 IGBT의 게이트에 입력하여 구동모터(4000)에 소정주파수의 전원을 공급함으로써 구동모터(4000)의 속도를 조절한다.
또한, 직류제동의 경우는 도 4a 내지 도 4c의 구성에서 전원공급부(2500)에 서 구동모터(4000)로 가는 패스를 차단하고, 구동모터(4000)의 1차 권선에 직류전류를 흘려 줌으로써 제동력을 공급할 수 있다.
또한, 단상제동의 경우는 도 4a 내지 도 4c의 구성에서 1차 권선의 2개의 단자를 연결하고, 다른 하나의 단자와의 사이에 단상교류를 걸어 구동모터(4000)에 제동력을 공급할 수 있다.
또한, 역상제동의 경우는 도 4a 내지 도 4c의 구성에서 인버팅부(6300)의 IGBT의 작동을 통하여 위상을 조절하여 구동모터(4000)에 제동력을 공급할 수 있다.
이때, 전기적 제동부(8000)는 회생에너지를 모터 구동부(6000)로부터 배출 또는 소모하는 역할을 수행하며, 또한, 구동모터(4000)의 순방향 회전력에 반대 방향의 제동력을 공급하는 역할을 수행한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 직류모터를 사용하였을 때 전기적 제동방법을 설명하기 위한 회로도를 도시한 것으로, 교류의 전원을 공급하는 전원공급부(2500), 전압의 차로 회전속도가 달라지는 직류모터로 구성된 구동모터(4000), 구동모터(4000)의 속도를 제어하는 모터구동부(6000), 및 구동모터(4000)에 제동력을 제공하기 위한 전기적 제동부(8000)로 크게 구성된다.
전원공급부(2500)에서 교류의 전원이 공급되고, 구동모터(4000)가 직류모터인 구성에서 모터 구동부(6000)는 일반적인 컨버터를 사용할 수 있다.
컨버터는 모터 구동부(6000)에 유입되는 교류 전원을 정류하는 컨버팅부(6100)를 포함하며, 구동모터(4000)는 전원에 연결된 교류필드공급부를 포 함하여 구성되며, 모터 구동부(6000)로부터 유입되는 펄스폭 변조파의 평균 전압의 크기에 따라 회전속도가 변경된다.
전원공급부(2500)는 일반 가정용으로 사용되는 교류 전원을 사용할 수 있다.
컨버팅부(6100)는 전원공급부(2500)로부터 전달된 교류 전원을 정류하기 위하여 3쌍의 SCR(실리콘 제어 정류기)를 구성하여 출력단에서 정류된 전원을 출력하고, 구동모터(4000)의 속도를 제어하기 위하여 출력단에 형성된 트랜지스터등으로 구성한 스위칭소자를 제어하여 펄스폭을 변조한다.
구동모터(4000)가 일정 속도로 회전할 때 제어부(7000)에서 모터 구동부(6000)로 감속에 대응되는 제 1 제어신호가 전달되면, 구동모터(4000)에서는 현재 속도와 감속하는 속도의 차이에 대응되는 운동에너지가 회생에너지로 모터 구동부(6000)에 유입되게 되며, 이에 따라 컨버팅부(6110)의 출력단 양단에는 전원공급부(2500)의 전압과 회생에너지의 전압을 합한 만큼의 전압이 발생하게 된다.
도 5a에서는 이러한 회생에너지를 전기적 제동부(8000), 즉 제동저항(8200)을 사용하여 열에너지로 소진하는 일 실시예로 구성한 것이다.
전기적 제동부(8000)의 스위칭부(8100)는 컨버팅부(6110)의 출력단 양단에 걸리는 전압이 소정 기준전압 이상인 경우에 작동되도록 하여, 구동모터(4000)로부터 모터 구동부(6000)에 유입되는 회생에너지를 상기 스위칭부(8100)의 일단과 상기 컨버팅부(6110)의 일단에 연결된 저항으로 구성된 제동저항(8200)에 의해 열에너지로 소진한다.
또한, 상기 스위칭부(8100)는 제어부(7000)에서 전달되는 제 2 제어신호에 의해 작동되도록 구성할 수도 있다.
도 5b에서는 회생에너지를 모터 구동부(6000)의 외부로 배출 또는 소모하기 위한 전기적 제동부(8000)를 통하여 회생에너지를 전원공급부(2500)로 돌려주는 실시예로 구성한 것이다.
이때 전기적 제동부(8000)는 도 4a 내지 도 4c에서 설명한 인버터의 인버팅부(6300)와 유사한 구성으로 컨버팅부(6110)의 출력단 양단에 연결되도록 구성한다.
구동모터(4000)로부터 모터 구동부(6000)에 유입되는 회생에너지에 의해 컨버팅부(6110)의 출력단 양단에 걸리는 전압이 소정 기준이상으로 상승하면, 전기적 제동부(8000)의 스위칭부(8100)가 작동되어 회생에너지를 전원공급부(2500)로 전달한다.
이때, 전기적 제동부(8000)에 구비된 복수의 스위칭부(8100)를 각각 제어함으로써 전원공급부(2500)의 교류 전원과 위상을 동조하여 준다.
따라서, 상기 스위칭부(8100)는 컨버터의 자체적인 회로구성에 의해 작동되도록 구성할 수 있고, 또한 제어부(7000)에서 전달되는 제 2 제어신호에 의해 작동되도록 구성할 수도 있다.
도 5c는 전기적 제동부(8000)를 역상제동으로 구성한 실시예이다.
구동모터(4000)를 가속할 때는 컨버팅부(6110)의 SCR(실리콘 제어 정류기)을 온(on) 시키고, 전기적 제동부(8000)의 SCR을 오프(off) 시킴으로써, 소정 극성의 전압이 구동모터(4000)에 공급된다.
구동모터(4000)의 속도를 감속할 때는 컨버팅부(6110)의 SCR을 오프(on) 시키고, 전기적 제동부(8000)의 SCR을 온(on) 시킴으로써, 상기 가속시의 극성과 반대되는 극성의 전압인 제동력이 구동모터(4000)에 공급된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 러닝머신은 전기적 제동부를 통하여 구동모터(4000)에서 발생하는 회생에너지를 처리함으로써 목표 제동력을 달성할 수 있다.
비록, 본 발명에 의한 전기적 제동부(8000), 모터 구동부(6000), 및 구동모터(4000)에 대한 일부 실시예에 따른 구성을 설명하였으나, 다양한 변형이 가능하다 할 것이다.
따라서, 본 발명에 의한 전기적 제동부(8000)는 구동모터(4000)의 제동시 구동모터(4000)에서 발생하는 회생에너지를 모터 구동부(6000)로부터 배출 또는 소모하는 회생에너지 처리부를 의미하며, 상기 제 2 제동력으로의 전환을 위한 스위칭부(8100)를 포함할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 기능을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 6a는 운동자 감지부(3000)로부터 운동자(1000)의 위치를 측정한 신호에 대응하는 측정값(Xr)을 소정 기준으로 연산처리한 후 모터 구동부(6000)에 제 1 제어신호를 전달하는 과정에서의 제어부(7000)를 크게 전처리부(7100), 기준위치 생성부(7200), 및 구동 명령부(7300)로 구분하여 설명한다.
비록 도 6a내지 이후의 도 13 및 그에 대한 설명에서 측정값(Xr)은 운동자 감지부(3000)에서 제어부(7000)로 전달하여 주는 것으로 표시하였으나, 이것은 단지 이후의 설명을 용이하게 하기 위한 것으로 이에 한정하는 것은 아니다.
즉, 측정값(Xr)이란 운동자 감지부(3000)에서 생성한 운동자 위치에 대응하는 값일 수 있고, 또한 운동자 감지부(3000)로부터 제어부(7000)에 전달된 신호를 운동자 위치에 대응하는 값으로 변환한 값일 수도 있다.
따라서, 이후에서는 운동자 감지부(3000)에서 측정값(Xr)을 생성하여 제어부(7000)에 전달하는 것을 예를 들어 설명한다.
전처리부(7100)는 운동자 감지부(3000)로부터 전달받은 운동자(1000)의 위치를 측정한 신호에 대응하는 측정값(Xr)에 포함된 노이즈 및 원치않는 값들을 데이터 변환 기준에 의해 처리하여 변환값(Xr')을 생성하고, 기준위치 생성부(7200) 및/또는 구동 명령부(7300)에 전달하는 역할을 수행한다.
또한, 전처리부(7100)는 단위 시간으로 측정된 운동자(1000)의 위치에 대응하는 측정값(Xr -i,i=0,...,n)들 또는 그에 대응하는 데이터 변환 기준에 의해 처리된 변환값(Xr-i',i=0,...,n)들을 저장하고, 기준위치 생성부(7200) 및 구동 명령부(7300)에 전달하는 역할을 수행한다.
또한, 전처리부(7100)는 단위 시간으로 측정된 운동자(1000)의 위치에 대응하는 측정값(Xr -i,i=0,...,n)들 또는 그에 대응하는 데이터 변환 기준에 의해 처리 된 변환값(Xr-i',i=0,...,n)들을 바탕으로 상태 판단 기준에 의해 현재 운동자(1000)가 가속,감속, 및 유지상태 중 어느 하나의 상태에 있는지에 대한 현재 상태값(Sr)을 생성하고, 구동 명령부(7300)에 전달하는 역할을 수행한다.
기준위치 생성부(7200)는 현재 운동자(1000) 위치에 대응하는 측정값(Xr) 또는 변환값(Xr')과의 차이값을 판단하기 위한 기준위치값(X0)을 생성하여 구동 명령부(7300)에 전달하는 역할을 수행한다.
여기에서, 기준위치값(X0)이란 운동자(1000)가 소정의 위치에 있는 경우에 구동모터(4000)의 구동 속도를 일정하게 유지하게 되는 운동자 감지부(3000)로부터의 거리를 의미한다.
또한, 기준위치 생성부(7200)는 벨트 속도 또는 그에 대응되는 속도를 포함하는 구동속도를 판단하여 기준위치값(X0)을 조절하는 역할을 수행한다. 여기에서, 구동속도는 구동모터(4000)의 회전속도 또는 이에 대응하는 속도, 즉 러닝벨트(5000)의 속도 또는 제어부(7000)에서 모터 구동부(6000)로 전달되는 제 1 제어신호등이 될 수 있다.
구동 명령부(7300)는 기준위치 생성부(7200)에서 전달된 기준위치값(X0)과 운동자(1000) 위치에 대응되는 측정값(Xr) 또는 전처리부(7100)에서 전달된 변환값(Xr')과의 차이값(ΔX)을 연산하여 모터 구동부(6000)에 구동모터(4000)의 속 도를 조절하기 위한 제 1 제어신호를 전달하는 역할을 수행한다.
여기에서 본 발명의 일 실시예로 전처리부(7100)에서 전달된 변환값(Xr')을 사용하여 기준위치값(X0)과의 차이값(ΔX)을 구하였다.
또한, 구동 명령부(7300)는 폐루프 제어를 수행하며, 폐루프 제어의 제어식에 포함된 제어상수 등을 변환하여 제어이득을 조절함으로써 제어감도를 조절하는 기능을 수행한다.
도 6b는 도 6a에서 전처리부(7100)를 좀더 상세히 도식한 것으로, 전처리부(7100)는 크게 상태 판단부(7110), 데이터 변환부(7120), 및 데이터 저장부(7130)를 포함한다.
상태 판단부(7110)는 상태 판단 기준에 의해 운동자(1000)가 가속,감속, 및 유지상태 중 어느 상태에 있는지를 판단하는 역할을 수행하고, 현재 운동자(1000)의 상태에 대응하는 현재 상태값(Sr)을 생성한다.
데이터 변환부(7120)는 운동자 감지부(3000)로부터 전달받은 신호에 대응하는 측정값(Xr)에 포함된 노이즈 및 원치않는 값들을 데이터 변환 기준에 의해 처리하여 변환값(Xr')을 생성하는 역할을 수행한다.
데이터 저장부(7130)는 단위 시간별 측정값(Xr -i,i=0,...,n) 또는 데이터 변환부(7120)에서 생성되는 단위 시간별 변환값(Xr - i',i=0,...,n)을 저장하고, 상태 판단부(7110)에서 생성되는 단위 시간별 상태값(Sr-i,i=0,...,n)을 저장할 수도 있 다.
상태 판단부(7110)를 보다 상세히 설명하면, 운동자 감지부(3000)로부터 전달된 노이즈 및 원하지 않는 데이터를 포함하는 현재 측정값(Xr)과 데이터 저장부(7130)에 저장되어 있는 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들을 비교하여 상태 판단 기준에 의해 현재의 상태를 가속, 감속, 및 유지상태 중 하나에 대응하는 현재 상태값(Sr)을 생성한다.
여기에서 본 발명의 일 실시예로, 현재 상태값(Sr)을 생성하기 위하여 현재 측정값(Xr)과 비교하는 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들은 과거 변환값(Xr-i',i=1,...,n)들을 사용하였다.
생성된 현재 상태값(Sr)은 다음 단위시간의 측정값(Xr +1)에 대한 제어시 비교를 위하여 데이터 저장부(7130)에 저장될 수도 있으며, 또한, 구동 명령부(7300)에 전달하여 구동 명령부(7300)에 의해 제 1 제어신호를 생성할 때 사용될 수도 있다.
데이터 변환부(7120)를 좀더 상세히 설명하면, 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들과 현재 측정값(Xr)을 기반으로 운동자(1000)의 가/감속 방향성을 판단하여 현재 변환값(Xr')을 생성한다.
여기에서 본 발명의 일 실시예로, 현재 변환값(Xr')을 생성하기 위하여 현 재 측정값(Xr)과 비교하는 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들은 과거 변환값(Xr-i',i=1,...,n)들을 사용하였다.
생성된 현재 변환값(Xr')은 다음 단위시간의 측정값(Xr +1)에 대한 변환값(Xr +1') 생성시 비교를 위하여 데이터 저장부(7130)에 저장되고, 구동 명령부(7300)에 전달하여 기준위치값(X0)과의 차이인 위치 차이값(ΔX)을 연산하는데 사용되며, 또한 기준위치 생성부(7200)에 전달하여 기준위치값(X0)를 생성할 때 사용될 수도 있다.
도 6c는 도 6a에서 구동 명령부(7300)를 좀더 상세히 도식한 것으로, 구동 명령부(7300)는 크게 제어 이득부(7310), 감도 조절부(7320), 및 제어신호 생성부(7330)를 포함한다.
제어 이득부(7310)는 기준위치 생성부(7200)에서 전달된 기준위치값(X0)과 현재값(Xr T), 특히 전처리부(7100)에서 전달된 현재 변환값(Xr')과의 차이인 위치 차이값(ΔX)을 하기 [수학식 1]의 PI제어 또는 [수학식 2]의 PID제어에 적용하여 속도에 대응하는 제어이득(ΔV)을 생성한다.
[수학식 1]
Figure 112007092620033-PAT00001
[수학식 2]
Figure 112007092620033-PAT00002
여기에서, 제어상수로 사용되는 비례상수(Kp), 적분상수(Ki), 및 미분상수(Kd)는 이후 설명되는 감도 조절부(7320)에 의해 운동자(1000)의 다양한 운동 패턴을 수용하기 위해 조절된다.
본 발명의 일 실시예로는 빠른 반응속도와 목표값에 대한 오차가 작은 [수학식 1]로 표시한 PI제어를 사용하여 실험하였으나, 다른 제어 방식을 사용할 수도 있다.
제어신호 생성부(7330)는 제어 이득부(7310)로부터 전달받은 제어이득(ΔV)을 바탕으로 모터 구동부(6000)를 통하여 구동모터(4000)의 속도를 제어하기 위한 제 1 제어신호를 생성하여 모터 구동부(6000)에 전달한다.
감도 조절부(7320)는 운동자(1000)의 다양한 운동 패턴을 고려하여 제어 이득부(7310)에 사용되는 제어상수들을 변경하여 운동자(1000)의 거동에 대한 러닝벨트의 속도 반응에 대한 감도를 조절하는 역할을 수행한다.
여기에서, 제어부(7000)에 포함되는 각각의 구성부들(7100, 7200, 7300)은 별도의 물리적 공간에 구성될 수도 있고, 동일한 물리적 공간에 프로그램 코드로 구성될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(7000)의 제어 순서도를 도시한 것으로, 운동자 감지부(3000)가 운동자의 위치를 측정(S1000 단계)하여 측정된 신호 또는 그에 대응하는 측정값(Xr)을 제어부(7000)에 넘겨주면, 제어부(7000)에서는 크게 전처리과정에 의해 측정값(Xr)을 변환값(Xr')으로 변환하는 전처리 단계(S2000 단계), 벨트 속도 또는 그에 대응되는 속도를 포함하는 구동속도를 바탕으로 기준위치값(X0)을 생성하는 기준위치생성 단계(S3000 단계), 및 측정값(Xr) 또는 변환값(Xr')과 기준위치값(X0)을 바탕으로 모터 구동부(6000)에 제 1 제어신호를 전달하여 구동 명령을 수행하는 구동명령 단계(S4000 단계)를 포함한다.
전처리 단계(S2000 단계)는 운동자의 현재 상태를 판단하는 상태 판단 단계(S2100 단계)와 측정값(Xr)을 변환값(Xr')으로 변환하는 데이터 변환 단계(S2200 단계)를 포함한다.
구동명령 단계(S4000 단계)는 벨트 속도 또는 그에 대응되는 속도를 포함하는 구동속도 또는 운동자의 위치 변화율등을 판단하여 제어상수를 조절하는 감도조절 단계(S4100 단계), 폐루프 제어식에 의해 제어이득을 생성하는 제어이득생성 단계(S4200 단계), 및 제어이득을 바탕으로 모터 구동부(6000)에 명령을 전달하는 제어신호생성 단계(S4300 단계)를 포함한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 판단부의 제어 순서도를 도시한 것으로, (a)는 수행기능에 따라 단계를 도시한 것이고, (b)는 (a)의 단계별 분기하는 기준등을 상세하게 설명한 순서도를 도시한 것이다.
상태판단단계(S2100 단계)는 단위 시간별의 측정값(Xr) 또는 변환값(Xr')이 직전 또는 이전의 측정값 또는 변환값에 대해 변화되는 가/감속 방향성을 판단하는, 즉 데이터값(Xr-i o,i=0,...,n)들 중 후행 데이터값이 선행 데이터값에 대해 변화하는 가/감속 방향성에 대응하는 데이터 방향성을 판단하여, 데이터 방향성 판단 단계(S2110 단계)와, 기준되는 소정 단위 시간 전의 측정값 또는 변환값, 즉 기준되는 단위 시간 전의 선행 데이터값과 현재의 측정값 또는 변환값과의 차이가 소정 기준(Ca, Cd)을 만족하는가를 판단하는 가/감속 크기 기준 비교 단계(S2120 단계) 및 상기의 단계에 의해 상태를 결정하는 상태 결정 단계(S2130 단계)를 포함한다.
이때, 상태 결정 단계(S2130 단계)는 상기 현재의 운동자 상태에 대응하는 값으로 상태값(Sr)을 생성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
데이터 방향성 판단 단계(S2110 단계)에서는 데이터 저장부(7130)에 저장되어 있는 소정 단위 시간 이전부터 현재 직전의 변환값, 즉 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들 및 현재값(Xr T) 특히, 현재의 측정값(Xr)을 사용하여, 상기 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들 및 현재값(Xr T)이 지속적인 가속방향 또는 유지방향으로만 구성되고 상기 소정 단위 시간 이전의 과거값(Xr-j T,j는 양의 정수)과 현재값(Xr T)과 의 차이가 가속방향으로 발생하는 경우에 가속크기 기준 비교 단계(S2121 단계)로 넘어간다. 즉, 데이터값(Xr-i o,i=0,...,n)들 중 후행 테이터값이 선행 데이터값에 대해 지속적인 가속방향 또는 유지방향으로만 구성되고, 현재값(Xr T)이 그의 선행 데이터값에 대해 가속방향 또는 유지방향으로 발생하는 데이터 방향성이 가속방향인 경우에 가속크기 기준 비교 단계(S2121 단계)로 넘어간다.
또한, 상기 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들 및 현재값(Xr T)이 지속적인 감속방향 또는 유지방향으로만 구성되고 상기 소정 단위 시간 이전의 과거값(Xr-j T,j는 양의 정수)과 현재값(Xr T)과의 차이가 감속방향으로 발생하는 경우에 감속크기 기준 비교 단계(S2122 단계)로 넘어간다. 즉, 데이터값(Xr-i o,i=0,...,n)들 중 후행 테이터값이 선행 데이터값에 대해 지속적인 감속방향 또는 유지방향으로만 구성되고, 현재값(Xr T)이 그의 선행 데이터값에 대해 감속방향 또는 유지방향으로 발생하는 데이터 방향성이 감속방향인 경우에 감속크기 기준 비교 단계(S2122 단계)로 넘어간다.
또한, 상기 데이터값(Xr-i o,i=0,...,n)들이 상기와 같은 지속적인 방향성이 없는 경우, 즉 가속방향과 감속방향이 함께 존재하거나, 지속적인 유지방향으로만 구성되면 가/감속 크기 기준 비교 단계(S2120 단계)를 거치지 않고, 상태 결정 단계(S2130 단계)에서 현재 상태를 유지상태로 결정(S2132 단계)한다.
이때, 상기 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들로는 현재로부터 적어도 3 단위 시간 이전의 과거값(Xr-i',i=1,2,3)들, 즉 상기 n이 3보다 크거나 같은 과거값들을 사용하는 것이 바람직하며, 또한 현재값(Xr T)으로는 현재의 측정값(Xr)을 사용하여 데이터의 방향성을 판단하는 것이 바람직하다.
가/감속 크기 기준 비교 단계(S2120 단계) 중 가속크기 기준 비교 단계(S2121 단계)는 데이터 방향성 판단 단계(S2111 단계)에 의해 데이터의 방향성이 "가속방향"인 경우에 소정 단위 시간이전의 과거값(Xr-j T,j는 양의 정수)과 현재값(Xr T)과의 차이값이 소정의 가속크기 기준값(Ca)을 초과하는가를 판단(S2121 단계)하여 초과하면 현재의 상태를 "가속상태"로 판단(S2131 단계)하고, 이하이면 "유지상태"(S2132 단계)로 판단한다.
또한, 감속크기 기준 비교 단계(S2122 단계)는 데이터 방향성 판단 단계(S2111 단계)에 의해 데이터의 방향성이 "감속방향"인 경우에 소정 단위 시간이전의 과거값(Xr-j T,j는 양의 정수)과 현재값(Xr T)과의 차이값이 소정의 감속크기 기준값(Cd)을 초과하는가를 판단(S2122 단계)하여 초과하면 현재의 상태를 "감속상태" 로 판단(S2133 단계)하고, 이하이면 "유지상태"(S2132 단계)로 판단한다.
이때 현재 측정값(Xr)과 차이를 비교하는 소정단위 시간 이전의 과거값(Xr-j T,j는 양의 정수)은 현재로부터 적어도 2 단위 시간 이전의 과거값(Xr-2 T)을 사용하며, 3 단위 시간 이전의 과거값(Xr-3 T)을 사용하는 것이 보다 바람직하며, 또한 현재값(Xr T)으로는 현재의 측정값(Xr)을 사용하여 데이터의 방향성을 판단하는 것이 바람직하다.
또한, 상태결정 단계(S2130 단계)에서 판단한 "가속상태", "유지상태", 또는 "감속상태"는 현재 상태값(Sr)으로 생성하는 단계를 더 포함할 수도 있으며, 생성된 현재 상태값(Sr)은 데이터 저장부(7130)에 저장되거나, 구동 명령부(7300)에서 사용될 수도 있다.
도 9a는 본 발명의 일 실시예에 따른 데이터 변환부의 제어 순서도를 도시한 것으로, (a)는 수행기능에 따라 단계를 도시한 것이고, (b)는 (a)의 단계별 분기하는 기준등을 상세하게 설명한 순서도를 도시한 것이다.
데이터 변환단계(S2200 단계)는 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들의 변화되는 방향성을 판단하는 과거데이터 방향성 판단 단계(S2210 단계), 직전의 과거값(Xr-1 T)에 대한 현재 측정값(Xr)의 방향성을 판단하는 현재데이터 방향성 판단 단계(S2220 단계), 및 상기의 단계에 의해 현재 측정값(Xr)을 현재 변환값(Xr')으로 변환/생성하는 변환값 생성 단계(S2230 단계)를 포함한다.
이때, 변환값 생성 단계(S2240 단계)는 상기의 단계에 의해 1차 변환한 변환값(Xr')과 소정 단위 시간(n) 동안의 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)과의 가중 평균한 값을 현재 변환값(Xr')으로 변환/생성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
과거데이터 방향성 판단 단계(S2210 단계)는 소정 단위 시간(n) 이전부터의 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들을 사용하여 상기 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들이 지속적인 가속방향 또는 유지방향으로만 구성되거나 지속적인 감속방향 또는 유지방향으로만 구성되고, 상기 소정 단위 시간(n) 이전의 과거값(Xr-n T)과의 차이가 가속 또는 감속 방향으로 발생하는 일정한 방향성이 존재하는가를 판단(S2211 단계)한다.
상기 과거데이터 방향성 판단 단계(S2210 단계)에서 일정한 방향성이 존재하지 않는다고 판단되면, 즉 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들이 지속적으로 유지방향만 존재-지속적으로 동일한 값-하거나, 가속방향과 감속방향이 함께 존재하여 방향성이 존재하지 않는다고 판단되는 경우에는, 현재데이터 방향성 판단 단계(S2220 단계)를 거치지 않고 변환값 생성 단계(S2230 단계)에서 현재 측정값(Xr)을 사용하여 현재 변환값(Xr')을 생성(S2232 단계)한다. 즉, 현재 변환값(Xr')으로 현재 측정값(Xr)을 사용한다.
또한, 상기 과거데이터 방향성 판단 단계(S2210 단계)에서 일정한 방향성이 존재한다고 판단되면, 즉 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들이 지속적인 가속방향 또는 유지방향으로만 구성되거나 지속적인 감속방향 또는 유지방향으로만 구성되고, 상기 소정 단위 시간(n) 이전의 과거값(Xr-n T)과의 차이가 가속 또는 감속방향으로 발생하는 경우에는, 현재데이터 방향성 판단 단계(S2220 단계)를 거친다.
본 발명의 일 실시예로, 상기 과거데이터 방향성 판단 단계(S2210 단계)에서 사용하는 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들은 현재로부터 3 단위 시간 이전까지의 과거 변환값(Xr-i', i=1,2,3)들을 사용하였다.
현재데이터 방향성 판단 단계(S2220 단계)는 과거데이터 방향성 판단 단계(S2210 단계)에서의 과거데이터(과거 변환값)의 방향성을 현재값(현재 측정값)이 유지하는가를 판단하는 것으로, 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들이 지속적인 가속방향 또는 유지방향으로 구성된 가속방향성을 가질 때 현재값(현재 측정값)이 직전의 과거값(Xr-1 T)에 비해 감속방향으로 변화되면 변환값 생성 단계(S2230 단계)에서 현재 측정값(Xr)을 제한하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2231 단계)한다.
또한, 마찬가지로 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들이 지속적인 감속방향 또는 유지방향으로 구성된 감속방향성을 가질 때 현재값(현재 측정값)이 직전의 과거값(Xr-1 T)에 비해 가속방향으로 변화되면 변환값 생성 단계(S2230 단계)에서 현재 측정값(Xr)을 제한하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2231 단계)한다.
즉, 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들의 방향성에 대해 현재값(현재 측정값)의 방향성이 변화하는가를 판단(S2221 단계)하여, 변화하면 변환값 생성 단계(S2230 단계)에서 현재 측정값(Xr)을 제한하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2231 단계)하고, 변화하지 않으면 현재 측정값(Xr)을 사용하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2232 단계)한다.
이것은 운동자(1000)가 물리적으로 가속상태에서 즉시 감속상태로 전환할 수 없으며, 또한 감속상태에서 즉시 가속상태로 전환할 수 없으므로, 측정된 현재의 측정값(Xr)을 물리적으로 가능한 현재 변환값(Xr')으로 변환하여 현재값(Xr T)으로 사용하기 위한 것이다.
또한, 도 9a에 도시한 판단단계 및 판단기준 외에 소정 단위 시간(n) 동안의 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들과 현재값(현재 측정값)을 사용하여 상기 과거값(Xr-i T,i=1,...,n)들과 상기 현재값(현재 측정값)이 지속적인 가속방향 또는 유지방향으로만 구성되거나 지속적인 감속방향 또는 유지방향으로만 구성되고, 상기 소정 단위 시간(n) 이전의 과거값(Xr-n T)과의 차이가 가속 또는 감속방향으로 발생하는 경우에 현재 측정값(Xr)을 사용하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2232 단계)하고, 그렇지 않으면 즉, 가속방향과 감속방향이 함께 존재하면 현재 측정값(Xr)을 제한하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2231 단계)할 수도 있다.
변환값 생성 단계(S2230 단계) 중 현재 측정값(Xr)을 제한하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2231 단계)하는 단계에서, 본 발명의 일 실시예로 1 단위 시간 전의 과거값(Xr-1 T)을 사용하여 현재 변환값(Xr')으로 사용하였다.
이상에서 설명한 바와 같은 단계를 거쳐 현재 변환값(Xr')을 생성하고, 이후 제어과정에서 상기과정으로부터 생성된 현재 변환값(Xr')을 그대로 사용할 수도 있으나, 현재 변환값(Xr')이 직전의 변환값(Xr-1')에 비해 크게 변하는 것을 방지하기 위하여 소정 단위 시간(k) 동안의 과거 변환값들(Xr-i',i=1,...,k)과 상기 과정에서 얻은 현재 변환값(Xr')을 가중평균하여 최종 변환값(Xr')으로 생성하는 가중평균 단계를 더 포함할 수도 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예로, 가중평균에 사용되는 과거 변환값(Xr-i')들은 3 단위 시간 전까지의 과거 변환값(Xr-1',i=1,2,3)들을 사용하였다.
도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 데이터 변환부의 제어 순서도를 도시한 것이다.
정상범위기준(Nr)은 이하 설명에서의 가속정상범위기준(Na), 및 감속정상범위기준(Nd)을 포괄하는 의미로 사용한 것이다. 여기에서, 정상범위기준(Nr)이라 함은 현재 측정값(Xr)이 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)과의 차이로 볼 때 비정상적인가를 판단하는 소정의 기준을 의미한다.
도 9b에 의한 실시예에 따른 데이터 변환단계(S2200 단계)는 정상범위제어 단계(S2240 단계), 정상범위판단 단계(S2250 단계), 및 변환값 생성 단계(S2260 단계)를 포함한다.
정상범위판단 단계(S2250 단계)는 현재 측정값(Xr) 및/또는 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)을 이용한 함수의 결과와 정상기준범위(Nr)를 비교한다.
본 발명의 일 실시예로 정상범위판단 단계(S2250 단계)는 현재 측정값(Xr)과 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)과의 차이가 정상기준범위(Nr)에 포함되는가를 판단(S2251 단계)하고, 포함되면 변환값 생성 단계(S2260 단계)에서 현재 측정값(Xr)을 그대로 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2261 단계)하고, 포함되지 않으면 현재 측정값(Xr)을 제한하여 현재 변환값(Xr')으로 생성(S2262 단계)한다.
여기에서 상기 현재 측정값(Xr)과 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)과의 차이가 정상기준범위(Nr)에 포함되지 않으면, 소정의 초기값을 갖는 카운트(i, i는 정수)를 1만큼 증가(i=i+1) 시키고(S2253 단계), 포함되면 카운트(i)를 초기값으로 리셋(S2252 단계)한다. 본 발명의 일 실시예로 카운트(i)의 초기값을 "zero"로 설정하였다.
정상범위제어 단계(S2240 단계)는 상기 카운트(i)를 판단(S2241 단계)하여 정상기준범위(Nr)를 조절, 유지 또는 초기화한다.
여기에서, 상기 카운트(i)가 초기값 보다 크고 소정의 기준(n, n은 정수)보다 작거나 같을 경우 상기 정상기준범위(Nr)를 조절(S2242 단계)한다. 바람직하게는 정상기준범위(Nr)의 절대치를 증가시키고, 이하 설명에서의 정상기준범위(Nr)는 감 속정상범위기준(Nd)을 중심으로 설명하며, 가속정상범위기준(Na)에 대해서는 그 부호를 반대로 함으로써 당업자가 용이하게 이해할 수 있다.
또한, 상기 정상기준범위(Nr)의 조절은 동일한 변화 크기로 조절할 수도 있고, 변화 크기를 다르게 조절할 수도 있다.
또한, 상기 카운트(i)가 초기값인 경우 상기 정상기준범위(Nr)를 초기화(S2243 단계)하고, 상기 카운트(i)가 상기 소정의 기준(n)보다 클 경우 상기 정상기준범위(Nr)를 유지(S2244 단계)한다.
여기에서, 상기 소정의 기준(n)에 대응하는 정상기준범위(Nr), 즉 정상기준범위(Nr)의 최대값은 운동능력이 우수한 운동자가 발생시킬 수 있는 위치 변화 크기에 대응할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하고, 상기 카운트(i)가 초기값일 때의 정상기준범위(Nr), 즉 상기 정상기준범위(Nr)의 초기값은 상기 정상기준범위(Nr)의 최대값보다 작거나 같게 설정하는 것이 바람직하다.
또한, 가속정상범위기준(Na)과 감속정상범위기준(Nd)을 같은 값으로 사용할 수도 있고, 독립된 다른 값으로 사용할 수도 있다. 즉 정상범위판단 단계(S2250 단계)에서 현재 측정값(Xr)이 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)에 대한 변화가 가속 방향이면, 정상범위기준(Nr)을 가속정상범위기준(Na)으로 적용하고, 현재 측정값(Xr)이 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)에 대한 변화가 감속 방향이면, 정상범위기준(Nr)을 감속정상범위기준(Nd)으로 적용할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예로는 가속정상범위기준(Na)과 감속정상범위기준(Nd)을 독립된 다른 값으로 사용하였다.
또한, 현재 측정값(Xr)이 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)에 대한 변화가 가속 방향일 때와 감속 방향일 때 상기 카운트(i)와 비교하는 상기 소정의 기준(n)을 동일한 값으로 사용할 수도 있고, 독립된 다른 값으로 사용할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예로는 가속 방향일 때와 감속 방향일 때의 상기 소정의 기준(n)을 각각 다른 값으로 사용하였다.
이때, 본 발명의 일 실시예로, 변환값 생성 단계(S2260 단계) 중 현재 측정값(Xr)을 제한하여 현재 변환값(Xr')으로 생성하는 단계(S2262 단계)에서 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)에서 정상범위기준(Nr)을 더한 만큼의 값을 현재 변환값(Xr')으로 생성하였다.
즉, 현재 측정값(Xr)이 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)에 대하여 정상범위기준(Nr)을 초과하는 데이터일때 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr - k T,k는 양의 정수) 대비 현재 변환값(Xr')의 한계를 정상범위기준(Nr)으로 설정하여 변환값(Xr')을 제한하여 생성하였다.
또한, 소정의 단위 시간(k) 이전의 과거값(Xr-k T,k는 양의 정수)에서 정상범위기준(Nr)을 더한 만큼의 값 이하에서 현재 변환값(Xr')으로 생성할 수도 있다.
여기에서, 본 발명의 일실시예로 현재 측정값(Xr)이 정상범위기준(Nr)을 초과하는가를 비교하기 위한 과거값(Xr - k T,k는 양의 정수)으로 직전의 과거값(Xr -1 T), 즉 1 단위 시간(k=1) 전의 과거값을 사용하였다.
이상에서 설명한 바와 같은 단계를 거쳐 현재 변환값(Xr')을 생성하고, 이후 제어과정에서 상기 과정으로 생성된 현재 변환값(Xr')을 그대로 사용할 수도 있으나, 현재 변환값(Xr')이 직전의 변환값(Xr-1')에 비해 크게 변하는 것을 방지하기 위하여 소정 단위 시간동안의 과거 변환값들(Xr-i',i=1,...,k)과 상기 과정에서 얻은 현재 변환값(Xr')을 가중평균하여 다시 최종 변환값(Xr')으로 생성하는 가중평균 단계를 더 포함할 수도 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예로, 가중평균에 사용되는 과거 변환값(Xr-i')들은 3 단위 시간 전까지의 과거 변환값(Xr -1',i=1,2,3)들을 사용하였다.
또한, 도 9b에서 도시한 순서도의 단계 및 각 단계의 결합관계는 당업자에의해 다양한 변형예가 가능하다 할 것이다.
또한, 도 9b에서 설명한 정상범위기준에 대한 적용은 당업자라면 충분히 도 9a의 순서도에 추가하여 판단할 수 있을 것이다.
예를 들면, 도 9a의 변환값 생성 단계(S2230 단계) 중 현재 측정값(Xr)을 사용하여 현재 변환값(Xr')으로 생성하는 단계(S2232 단계)를 정상범위기준(Nr)을 판단하는 도 9b의 단계로 대체하여 사용이 가능하다 할 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준위치 생성부의 제어 순서도를 도시한 것으로, 구동 벨트의 속도를 판단하는 벨트속도판단 단계(S3010 단계)와 속도에 대응하여 기준위치를 조절하고 생성하는 기준위치값 조절 단계(S3020 단계)를 포함한다.
벨트속도판단 단계(S3010 단계)는 기준위치 생성부(7200)에 전달되는 벨트 속도 또는 그에 대응되는 속도를 포함하는 구동속도를 판단하는 단계이며, 구동속도는 제어부(7000)에서 모터 구동부(6000)에 전달하는 제 1 제어신호를 이용하여 산출할 수 있고, 모터 구동부(6000)에서 구동모터(4000)에 전달되는 신호를 이용하여 산출할 수도 있다.
또한, 구동속도는 구동모터(4000) 또는 롤러(2310)등의 회전속도를 측정하거나, 구동 벨트(5000)의 이동속도를 직접측정하여 산출할 수도 있다.
기준위치값 조절 단계(S3020 단계)는 구동속도가 빠르면 기준위치값(X0)을 감소시키고, 구동속도가 느리면 기준위치값(X0)을 증가시킨다.
운동자(1000)가 저속으로 운동하는 동안에는 가속을 빨리 할 수 있도록 기준위치값(X0)을 운동자 감지부(3000)로부터 멀리 설정하고, 고속으로 운동하는 동안에는 감속을 빨리 할 수 있도록 기준위치값(X0)을 운동자 감지부(3000)로부터 가깝게 설정한다.
즉, 구동속도가 느리면 기준위치값(X0)을 크게 하고, 구동속도가 빠르면 기준위치값(X0)을 작게 하여 구동 벨트의 속도에 따라 기준위치값(X0)을 가변제어한다.
또한, 구동속도가 빠르면 운동자를 지지하는 러닝벨트 상면의 진행방향에서의 상기 러닝벨트의 시작점으로부터 기준위치값(X0)을 가깝게하고, 구동속도가 느리면 상기 러닝벨트의 시작점으로부터 기준위치값(X0)을 멀게한다.
또한, 기준위치값(X0)을 가변하는 범위는 상기 러닝벨트 상면의 진행방향에서의 시작점부터 끝점까지의 거리, 즉 러닝벨트 상면의 길이보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 기준위치값(X0)을 가변할 수 있는 한계는, 상기 러닝벨트 상면의 시작점 및 끝점에서 소정간격 이격되는 것이 바람직하며, 이것은 운동자의 현재 위치와 의 차이에 의해 가감속을 수행하는 기준이 기준위치값(X0)이 상기 러닝벨트 상면의 시작점 또는 끝점에 너무 가까우면 운동자에게 위험을 줄 수 있기 때문이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 가/감속도 제한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 제안하는 속도에 따른 최대 가/감속도 제한은 실제 운동자(1000)가 감당하기 어려운 가/감속도를 러닝머신이 구동하지 않도록 하여, 운동자(1000)가 위험하지 않도록 하기 위한 것이다.
또한, 저속구간에서의 급격한 가/감속은 운동자에게 불쾌감 및 위험을 줄 수 있으며, 고속구간에서는 운동자의 가/감속에 대한 의지를 빠르게 추종할 필요가 있으므로, 속도에 따른 최대 가/감속도를 제한한다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 목표 감속도(210, 220) 선분에 의해 저속에서는 감속도가 상한 목표 감속도(220)보다 큰 영역(A-a 영역, 또는 B-a 영역)에서는 운동자에게 위험을 줄 수 있으므로 최대 감속도를 상한 목표 감속도(220) 이하인 작은 값으로 설정하고, 고속에서는 상한 목표 감속도(220)가 크기 때문에 최대감속도를 저속에서보다 크게 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
즉, 운동자의 운동능력마다 조금씩 달라질 수 있으나, 도 1의 목표 감속도 중 상한 목표 감속도(220)를 예로 들어 설명하면, 운동자는 벨트 속도 또는 그에 대응되는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하는 목표 감속도까지의 감속에는 좋은 운동감을 가지고 운동할 수 있으나, 그 이상의 감속도에는 급격한 감속에 의해 불쾌감을 느끼거나, 넘어지는 등 위험이 발생 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 실험예에서, 구동속도가 저속인 5km/h에서 상한 목표 감속도(220)는 초당 약 2.5km/h이고, 구동속도가 고속인 19km/h에서 상한 목표 감속도(220)는 초당 약 9.5km/h인 것을 보여주고 있다.
따라서, 구동속도가 크면 큰 최대 감속도로, 구동속도가 작으면 작은 최대 감속도로 제한하는 것이 바람직하다.
마찬가지로 가속에 대한 구동속도에 따른 최대 가속도의 제한도 적용이 가능하다.
여기에서 구동속도는 도 10에서 설명한 다양한 방법으로 산출 및 측정이 가능하며, 속도에 따라 최대 가속도 및 최대 감속도를 조절한다.
구동속도가 느린 저속구간에서는 최대 가속도 및/또는 최대 감속도를 작게 설정하고, 구동속도가 빠른 고속구간에서는 최대 가속도 및/또는 최대 감속도를 크게 설정하였다.
또한, 구동속도가 중속구간에서는 최대 가속도 및/또는 최대 감속도를 구동속도가 증가할수록 증가시켜준다.
이러한 구동속도에 따른 최대 가/감속도의 제한은 제어부(7000)의 구동 명령부(7300)에서 수행하며, 바람직하게는 제어신호 생성부(7330)에서 수행한다.
제어신호 생성부(7330)는 구동속도와 제어 이득부(7310)에서 생성된 가/감속에 대응하는 신호인 제어이득(ΔV)을 판단하여 출력하는 제 1 제어신호를 제한한다.
도 12a 내지 도 12b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 감도 조절부의 제어 방법을 설명하기 위한 제어 순서도이다.
이하에서 설명되는 제어감도는 기준위치값과 데이터값과의 차이값에 대응하여 산출되며, 제어신호를 생성하기 위한 제어이득에 대한 감도를 의미하는 것으로서, 상기 차이값이 동일한 경우에 있어서, 상기 제어감도가 큰 경우는 상기 제어감도가 작은 경우에 비해 상기 제어이득이 크게 나타나는 것을 의미한다.
즉, 제어감도는 상기 차이값을 입력변수로 하여 출력되는 상기 제어이득에 대한 반응 정도를 나타내는 것을 의미한다.
또한, 제어감도가 "크다", "높다", 또는 "민감하다"등의 표현은 상기 입력변수인 상기 차이값에 대한 결과물인 상기 제어이득의 반응정도가 큰 것을 의미하며, 제어감도가 "작다", "낮다", 또는 "둔감하다"등의 표현은 상기 입력변수인 상기 차이값에 대한 결과물인 상기 제어이득의 반응정도가 작은 것을 의미한다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 감도 조절부의 제어 순서도를 도시한 것으로, 운동자(1000)가 안정구간(Xs)에 위치해 있는가를 판단하는 현재위치 판단 단계(S4110 단계), 상태 판단부(7110)에서 생성된 운동자의 현재 상태값에 대응하여 운동자의 현재 상태를 판단하는 상태판단 단계(S4120 단계), 운동자(1000)가 안정구간(Xs) 내에서 소정의 시간 동안 위치하고 있는가를 판단하는 기간판단 단계(S4130 단계), 및 안정구간에서 소정의 시간동안 있는 경우에 제어감도를 조절하는 제어감도 조절 단계(S4140 단계)를 포함한다.
여기에서, 안정구간(Xs)이라 함은 기준위치값(Xo)을 중심으로 소정의 범위를 말하며, 운동자(1000)의 위치에 대응하는 측정값(Xr) 또는 변환값(Xr')이 상기 안정 구간(Xs)내에서 측정될 때 운동자(1000)가 속도를 유지할 수 있도록 제어 감도를 낮추거나 이전 제 1 제어신호를 변경하지 않는 구간을 의미한다.
현재위치 판단 단계(S4110 단계)는 운동자(1000)의 현재 위치에 대응되는 현재값(Xr T)이 소정의 범위로 구성된 안정구간(Xs)에 포함되는가를 판단(S4111 단계)하며, 포함되면 상태판단 단계(S4120 단계)를 거치고, 포함되지 않으면, 카운트를 초기화(본 발명의 일 실시예로 카운트를 "zero"로 하였다.) 하고(S4122 단계), 이후 도 12b 및/또는 [수학식 3]에서 설명되는 변속구간의 제어감도 적용(S4142 단계) 방법을 사용한다.
상태판단 단계(S4120 단계)는 도 8에서 설명한 상태 판단을 수행하여 결정된 운동자의 현재 상태값(Sr)을 전처리부(7100) 중 상태판단부(7110) 또는 데이터 저장부(7130)로부터 전달받아 현재 상태가 "가속상태" 또는 "감속상태"인가를 판단한다.
여기에서 현재 상태값(Sr)이 "가속상태" 또는 "감속상태"이면 카운트를 리셋(i=0)하고(S4122 단계), 이후 도 12b 및/또는 [수학식 3]에서 설명되는 변속구간의 제어감도 조절(S4142 단계) 방법을 사용하며, 현재 상태값(Sr)이 "가속상태" 또는 "감속상태"가 아니면, 기간판단 단계(S4130 단계)를 거친다.
기간판단 단계(S4130 단계)는 소정의 초기값을 갖는 카운트(i)를 1 증가(i=i+1) 시키고(S4131 단계), 카운트가 소정의 기준(k)보다 크거나 같은가를 판단(S4132 단계)하여 크거나 같으면 제어감도 조절 단계(S4140 단계)에서 제어 이득부(7310)의 제어상수를 안정구간 제어상수로 적용하는 안정구간 제어감도 적용 단계(S4141 단계)를 거치고, 작으면 이후 도 12b 및/또는 [수학식 3]에서 설명되는 변속구간의 제어감도 조절(S4142 단계) 방법을 사용한다. 여기에서 본 발명의 일 실시예로 상기 카운트(i)의 초기값을 "zero"로 설정하였다.
제어감도 조절 단계(S4140 단계) 중 안정구간 제어감도를 적용하는 단계(S4141 단계)는 제어 이득부(7310)의 제어식에서 제어상수를 조절하여 제어감도를 낮춰 줌으로써, 운동자(1000)의 위치변화에 대한 러닝벨트의 속도 변화 감도를 낮추어 운동자(1000)의 속도 유지 의사를 만족시켜 줄 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예로, 상기 카운트(i)가 소정의 기준(k)보다 크거나 같은가를 판단하는 단계(S4132 단계)에서 회수 기준(k)을 5로 설정하였다. 즉, 현재 위치인 현재값(Xr T)이 안정구간(Xs)내에서 5회 이상 존재하는 경우는 운동자(1000)의 속도 유지 의사로 판단하고 제어상수를 조절하여 제어감도를 낮춘다.
제어상수와 제어감도와의 관계 및 제어상수를 조절하여 제어감도를 조절하는 방법에 대한 설명은 이후 [수학식 3]에서 상세히 설명한다.
도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제어감도를 조절하기 위한 제어 순서도를 도시한 것으로, 가속 또는 감속 상태인가를 판단하는 현재 상태 판단 단계(S4150 단계), 벨트 속도 또는 그에 대응되는 속도를 포함하는 구동속도, 또는 운동자 위치 변화율을 판단하는 속도/변화율 판단 단계(S4160 단계), 및 속도/변화율 판단에 대응하여 제어감도를 조절하는 제어감도 조절 단계(S4170 단계)를 포함하며, 이에 따라 제어감도가 조절된 제어식에 의해 얻은 제어이득을 연산하여 최종 제어이득을 조절하는 제어이득 조절 단계(S4210 단계)를 더 포함할 수 있다.
현재 상태 판단 단계(S4150 단계)는 상태 판단부(7110)에서 생성한 현재 상태값(Sr)이 "가속상태" 또는 "감속상태"에 대응하는 값인지를 판단(S4151 단계)하는 단계이며, "가속상태" 또는 "감속상태"인 경우는 속도/변화율 판단 단계(S4160 단계)를 거치고, "가속상태" 또는 "감속상태"가 아닌 경우는 도 12a 및/또는 후술할 [수학식 3]에서 설명되는 안정구간에 대응하는 안정구간 제어감도 적용 단계(S4173 단계)를 통하여 제어감도를 조절한다.
속도/변화율 판단 단계(S4160 단계)는 크게 2가지를 판단하는 단계를 포함하며, 하나는 측정값(Xr -i,i=0,....,n) 또는 그에 대응하는 변환값(Xr-i',i=0,...,n)들의 단위 시간당 변화율을 판단하는 운동자 위치 변화율 판단 단계(S4161 단계)이고, 다른 하나는 구동속도를 판단하는 단계(S4162 단계)이다.
운동자 위치 변화율 판단 단계(S4161 단계)는 운동자(1000)의 가속 또는 감속 경향을 판단하기 위한 것으로 단위 시간당 변환값(Xr - i',i=0,...,n)의 변화량을 판단하여 운동자(1000)의 전진 또는 후퇴속도를 판단할 수 있다.
운동자(1000)는 구동속도와 독립적으로 가속 또는 감속을 하고자 하는 의지에 의해 위치를 변화시킬 수 있다.
즉, 운동자(1000)가 현재의 속도보다 가속을 하고자 하는 경우는 과거값(Xr-1 T)보다 현재값(Xr T)이 작아지고, 운동자가 현재의 속도보다 감속을 하고자 하는 경우는 과거값(Xr-1 T)보다 현재값(Xr T)이 커지게 된다.
따라서, 운동자 위치 변화율 판단 단계(S4161 단계)는 운동자(1000)가 현재의 속도에서 가속 또는 감속하고자 하는 정도를 판단하는 것으로, 단위 시간당 변화율이 큰 경우는 운동자(1000)가 가속 또는 감속하고자 하는 경향이 크다는 것을 알 수 있다.
단위 시간당 운동자(1000)의 위치 변화율이 크면 제어상수를 크게 하는 등의 제어상수 조절을 통하여 제어감도를 크게 하고, 단위 시간당 운동자의 위치 변화율이 작으면 제어상수를 작게 하는 등의 제어상수 조절을 통하여 제어감도를 작게 하여, 운동자(1000)의 가속 또는 감속하고자 하는 경향을 빠르게 추종한다.　　
벨트속도 판단 단계(S4162 단계)는 실제 구동속도를 판단하기 위한 것으로 구동속도를 산출하는 방법은 도 10의 기준위치 생성단계(S3000 단계)를 설명할 때의 방법과 동일하다.
구동속도가 크면, 즉 러닝벨트의 속도가 높으면 제어감도를 높이고, 작으면 제어감도를 작게한다.
이것은 빠른 속도로 운동하는 운동자(1000)가 감속하고자 하는 경우 감속이 느리면 운동자(1000)에게 위험을 줄 수 있기 때문에 제어감도를 높여서 제어한다.
반대로 느린 속도로 운동하는 운동자(1000)가 감속하고자 하는 경우에 감속이 너무 빠르면 운동자(1000)에게 불쾌감을 주거나 위험할 수 있기 때문에 제어감도를 낮추어 제어한다.
도 1에서 설명한 저속 및 고속에서의 목표 감속도(210, 220)를 참조하면 구동속도가 느린 경우에 목표 감속도가 낮고, 구동속도가 빠르면 목표 감속도가 높음을 알 수 있다.
제어감도 조절 단계(S4170 단계)는 속도/변화율 판단 단계(S4160 단계)의 판단에 근거하여 다음과 같이 제어감도를 조절한다.
운동자 위치 변화율 판단 단계(S4161 단계)에서 운동자(1000)의 위치 변화율, 즉 운동자의 후퇴속도가 크다고 판단되면, 러닝벨트의 감속도를 높이기 위하여 제어상수를 크게 하고, 작다고 판단되면 제어상수를 작게 하는 방법으로 제어감도를 조절(S4171 단계)하여 제어이득(G1)을 계산하고, 벨트속도 판단 단계(S4162 단계)에서 구동속도가 빠르면 제어상수를 높이고, 느리면 제어상수를 작게 하는 방법으로 제어감도를 조절(S4172 단계)하여 제어이득(G2)을 계산한다.
제어이득 조절 단계(S4210)는 이상에서와 같이 가속 또는 감속상태에서 2가지 또는 별도의 다양한 실시예에 따른 판단들에 의해 제어감도를 조절하여 얻은 각각의 제어이득(G1, G2)들을 연산(S4211 단계)하여 최종 제어이득(ΔV)을 생성할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예로는 상기 제어이득들을 각각 가중평균하여 최종 제어이득(ΔV)을 생성하였다.
또한, 다른 제어감도를 조절하는 다른 실시예는 다음과 같다.
운동자(1000)가 가속상태에서 가속도를 줄이거나, 감속하고자 하는 경우에, 운동자(1000)의 현재 위치인 현재값(Xr T)은 과거값(Xr -1 T) 보다 큰 값을 갖으나, 기준위치값(X0)에 대해서는 여전히 작은 값을 가지고 있으므로 운동자(1000)의 감속하고자 하는 의지와 반대로 러닝벨트는 가속하게 된다.
이러한 문제점에 대한 상세한 설명 및 이를 극복하기 위한 본 발명의 실시예를 하기 수학식을 참고하여 설명하면 다음과 같다.
[수학식 1]을 단위 시간당으로 표현하면 다음과 같다.
[수학식 1a]
Figure 112007092620033-PAT00003
[수학식 1b]
Figure 112007092620033-PAT00004
여기에서, [수학식 1a]는 현재시간(j=r)을 기준으로 직전의 단위 시간(j=r-1)에 해당하는 제어식이며, [수학식 1b]는 현재시간(j=r)에 해당하는 제어식이다.
[수학식 1a]와 [수학식 1b]를 연립하면 다음과 같이 [수학식 3]을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112007092620033-PAT00005
[수학식 3]에서 보아 알 수 있듯이, 운동자(1000)가 가속중에 가속도를 줄이고자 하는 경우 또는 감속하고자 하는 경우에는, [수학식 3]의 우변에서 변수들의 크기 관계는 과거값(Xr-1 T)이 현재값(Xr T)보다 작고, 현재값(Xr T)이 기준위치값(X0)보다 작은 상태이다.
따라서, 운동자(1000)가 가속도를 줄이고자 하거나, 감속하고자 하는 것이므로 현재의 가속도는 과거의 가속도보다 작아야 하므로, 현재의 속도 변화량, 즉 현재의 가속도(ΔVr)에서 과거의 속도 변화량, 즉 과거의 가속도(ΔVr -1)를 뺀 값은 음수가 되어야 하며, 이에 따라 상기 [수학식 3]의 좌변은 음수가 되어야 한다.
그러나, 기준위치값(X0)에서 현재값(Xr T)을 뺀 값은 양수이고, 과거값(Xr-1 T)에서 현재값(Xr T)을 뺀 값은 음수이므로, 각각에 곱하여진 제어상수인 비례상수(Kp)와 적분상수(Ki)가 고정값인 경우에는 특히, 적분상수(Ki)의 값이 큰 경우는 우변이 양수가 되어, 운동자(1000)의 가속도를 줄이고자하는 의지 또는 감속하고자 하는 의지와 상관없이 가속도가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 각각의 제어상수들을 독립적으로 제어하였다.
가속중에 운동자(1000)의 위치가 후퇴하는 경우, 즉 운동자(1000)의 위치에 해당하는 현재값(Xr T)이 과거값(Xr-1 T)보다 커지는 경우, 그리고, 운동자(1000)의 위치가 기준위치보다 운동자 감지부(3000)에 대해 앞에 있을 때, 즉 현재값(Xr T)이 기준위치값(X0)보다 작을 때까지, 운동자(1000)의 절대적 위치를 판단하는 부분의 제어상수인 적분상수(Ki)를 줄이거나, 또는 운동자(1000)의 단위 시간별 위치 변화를 판단하는 부분의 제어상수인 비례상수(Kp)를 크게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로는, 상기와 같은 상황에서 비례상수(Kp)는 조절하지 않고, 적분상수(Ki)를 조절하였으나, 비례상수(Kp)를 증가시키고, 적분상수(Ki)를 감소시키는 등의 다양하게 변형된 형태로 구현할 수도 있다.
마찬가지로 감속중에 운동자(1000)가 감속도를 줄이고자 하는 경우 또는 가속하고자 하는 경우에도 동일한 현상이 나타나므로 상기와 같은 방법으로 제어상수를 독립적으로 조절하는 것이 바람직하다.
즉, 운동자(1000)가 감속중에 감속도를 줄이고자 하는 경우 또는 가속하고자 하는 경우는, [수학식 3]의 우변에서 변수들의 크기 관계는 과거값(Xr-1 T)이 현재값(Xr T)보다 크고, 현재값(Xr T)이 기준위치값(X0)보다 큰 상태이다.
따라서, 운동자(1000)가 감속도를 줄이고자 하거나, 가속하고자 하는 것이므로 현재의 감속도는 과거의 감속도보다 작아야 하므로, 현재의 속도 변화량, 즉 현 재의 감속도(ΔVr)에서 과거의 속도 변화량, 즉 과거의 감속도(ΔVr-1)를 뺀 값은 양수가 되어야 하며, 이에 따라 상기 [수학식 3]의 좌변은 양수가 되어야 한다.
그러나, 기준위치값(X0)에서 현재값(Xr T)을 뺀 값은 음수이고, 과거값(Xr-1 T)에서 현재값(Xr T)을 뺀 값은 양수이므로, 각각에 곱하여진 제어상수인 비례상수(Kp)와 적분상수(Ki)가 고정값인 경우에는 특히, 적분상수(Ki)의 값이 큰 경우는 우변이 음수가 되어, 운동자(1000)의 감속도를 줄이고자하는 의지 또는 가속하고자 하는 의지와 상관없이 감속도가 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
감속중에 운동자(1000)의 위치가 전진하는 경우, 즉 운동자(1000)의 위치에 해당하는 현재값(Xr T)이 과거값(Xr-1 T)보다 작아지는 경우, 그리고, 운동자(1000)의 위치가 기준위치보다 운동자 감지부(3000)에 대해 뒤에 있을 때, 즉 현재값(Xr T)이 기준위치값(X0) 보다 클 때까지, 운동자(1000)의 절대적 위치를 판단하는 부분의 제어상수인 적분상수(Ki)를 줄이거나, 또는 운동자(1000)의 단위 시간별 위치 변화를 판단하는 부분의 제어상수인 비례상수(Kp)를 크게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로는, 상기와 같은 상황에서 비례상수(Kp)는 조절하지 않고, 적분상수(Ki)를 조절하였으나, 비례상수(Kp)를 증가시키고, 적분상수(Ki)를 감소시키는 등의 다양하게 변형된 형태로 구현할 수도 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 속도 조절 러닝머신용 제어 모듈에 대한 사시도를 도시한 것으로, 인쇄회로기판(PCB)을 포함하는 기저기판(400)상에 상기의 설명에 의한 제어부(7000)를 포함한다.
또한, 상기 제어부(7000)를 포함한 기저기판(400)상에 또는 별도의 구성으로 전기적 제동부(8000)를 더 포함한 자동속도 조절 러닝머신용 제어 시스템으로 구성할 수도 있다.
또한, 상기 기저기판(400)으로 구성된 자동속도 조절 러닝머신용 제어 모듈은 상기 도 1 내지 도 12b에서 설명된 본 발명에 의한 러닝머신의 각각의 구성요소들과의 전기적 연결을 위한 각각의 구성요소에 대응하는 연결 단자(410, 420, 430, 440, 450, 460)들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신용 제어 모듈은 기저기판(400)으로 인쇄회로기판을 사용하였으며, 기저기판(400)상에는 반도체 회로등을 포함하는 제어부(7000)를 포함하고, 제어부(7000)와 상기 연결 단자(410, 420, 430, 440, 450, 460)들과의 전기적 연결을 위한 전기적 배선(402)을 포함한다.
또한, 기저기판(400)은 러닝머신 본체부(2100)의 소정영역에 체결하기 위한 인쇄회로기판 체결구(401)를 포함한다.
운동자 감지부 연결단자(410)는 운동자 감지부(3000)로부터 측정된 운동자의 위치에 대응하는 신호 또는 측정값을 제어부(7000)에 전달하는 역할을 수행한다.
조작부 연결단자(420)는 조작 버튼을 포함하는 조작부(2210)로부터 운동자가 클릭한 조작 버튼에 대응하는 신호를 제어부(7000)에 전달하는 역할을 수행한다.
표시장치 연결단자(430)는 제어부(7000)에 의해 처리되어 운동자에게 제공하고자 하는 표시정보에 대응하는 신호를 표시장치(2220)에 전달하는 역할 및/또는 표시장치(2220)에 터치 스크린 또는 터치 패드가 구성되어 운동자의 조작에 대응하는 신호를 제어부(7000)에 전달하는 역할을 수행한다.
전원 공급부 연결단자(440)는 전원 공급부(2500)로부터 전달된 전원을 제어부(7000)에 전달하여 제어부(7000)에 포함된 반도체 회로등이 구동할 수 있도록 하는 역할을 수행한다.
전기적 제동부 연결단자(450)는 도 3 내지 도 5c에서 설명한 바와 같이 전기적 제동부(8000)에 포함된 스위칭부(8100)를 제어부(7000)에서 전달하는 제 2 제어신호에 의해 제어하고자 할 때 상기 제 2 제어신호를 전기적 제동부(8000)에 전달하는 역할을 수행한다.
모터 구동부 연결단자(460)는 구동모터의 속도를 제어하기 위하여 제어부(7000)에서 전달하는 제 1 제어신호를 모터 구동부(6000)에 전달하는 역할을 수행한다.
비록 도시하지는 않았으나, 러닝벨트(5000)의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도를 감지하기 위한 신호를 제어부(7000)에 전달하기 위한 연결단자등을 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 전기적 제동부(8000)로 제동 저항을 사용하였으며, 저항에서 발생되는 열을 방출하기 위하여 알루미늄등의 금속으로 구성된 방열 부를 포함하였다.
또한, 전기적 제동부(8000)는 모터 구동부(6000)와 연결하여 모터 구동부에 유입되는 회생에너지를 전기적 제동부(8000)로 전달하기 위한 구동부 연결라인(8011) 및/또는 제어부(7000)에서 송출하는 제 2 제어신호를 수신하기 위한 제어부 연결라인(8012)을 포함한다.
또한, 전기적 제동부(8000)를 러닝머신 본체부(2100)의 소정영역에 체결하기 위한 전기적 제동부 체결구(401)를 포함한다.
여기에서, 전기적 제동부(8000)는 상술된 설명에 의해 본 발명에 의한 전기적 제동부(8000)가 구동모터(4000)의 제동시 구동모터(4000)에서 발생하는 회생에너지를 모터 구동부(6000)로부터 배출 또는 소모하는 회생에너지 처리부를 의미하면, 상기 전기적 제동부(8000)를 회생에너지 처리부로 명명할 수 있으며, 또한, 그에 따른 전기적 제동부 연결단자 및 전기적 제동부 체결구등은 회생에너지 처리부 연결단자 및 회생에너지 체결구로 명명될 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예로 설명한 전기적 제동부(8000)를 상기 기저기판(400) 상에 형성할 수도 있으며, 전기적 제동부(8000)를 제동저항이 아닌 회생제동을 위한 회로 구성인 경우에는 상기 방열을 위한 방열부로 구성하지 않고 전자회로로 구성할 수도 있다.
따라서, 전기적 제동부(8000)의 구성 및 형태에 따라 제어장치의 구성 및 형태로 변형이 가능하다 할 것이다.
이상에서 설명한 연결단자는 병렬포트 또는 직렬포트를 사용할 수 있으며, 연결단자의 형태 및 구성은 본 발명의 일 실시예의 다양한 변형예에 대응하여 변형이 가능하다 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신의 부하설정을 위한 계측 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신에 대한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 러닝머신의 주요구성에 대한 블럭도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 교류모터를 사용하였을 때 전기적 제동방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 직류모터를 사용하였을 때 전기적 제동방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 기능을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 제어 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 상태 판단부의 제어 순서도이다.
도 9a 내지 도 9b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 데이터 변환부의 제어 순서도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준위치 생성부의 제어 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 최대 가/감속도 제한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 내지 도 12b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 감도 조절부의 제어 방법을 설명하기 위한 제어 순서도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 속도 조절 러닝머신용 제어 모듈에 대한 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
400 : 기저기판, 402 : 배선
410 : 운동자 감지부 연결단자, 420 : 조작부 연결단자,
430 : 표시장치 연결단자, 440 : 전원공급부 연결단자,
450 : 전기적 제동부 연결단자, 460 : 모터 구동부 연결단자,
1000 : 운동자, 2100 : 본체부,
2200 : 조작패널, 3000 : 운동자 감지부,
4000 : 구동모터, 5000 : 러닝벨트,
6000 : 모터 구동부, 7000 : 제어부,
7100 : 전처리부, 7110 : 상태 판단부,
7120 : 데이터 변환부, 7130 : 데이터 저장부,
7200 : 기준위치 생성부, 7300 : 구동 명령부,
7310 : 제어 이득부, 7320 : 감도 조절부,
7330 : 제어신호 생성부,

Claims (41)

  1. 운동자를 지지하는 러닝벨트가 설치된 본체부;
    상기 러닝벨트를 구동하는 구동모터;
    상기 구동모터를 구동하는 모터 구동부;
    상기 본체부의 소정영역에 설치되어 상기 운동자의 위치를 측정하는 운동자 감지부; 및
    상기 구동모터의 회전속도를 조절하기 위해 제어신호를 생성하여, 상기 모터 구동부에 전달하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 운동자 감지부로부터 측정된 신호에 대응하는 측정값을 이용하여 변환값을 생성하는 전처리부, 기준위치값을 생성하는 기준위치 생성부, 및 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 구동명령부를 포함하는 러닝머신.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 운동자가 가속상태 또는 감속상태인지를 판단하는 상태판단부를 포함하는 러닝머신.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 변환값을 생성하는 데이터 변환부를 포함하는 러닝머신.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 전처리부는 상기 변환값, 및/또는 상기 상태판단부에서 판단된 결과에 대응하는 상태값을 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 러닝머신.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 구동명령부는 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값의 차이에 대응하는 오차값에 제어상수를 연산하여 제어이득을 생성하는 제어이득부를 포함하는 러닝머신.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어이득부는 현재의 제어이득과 적어도 하나 이상의 과거의 제어이득의 함수로써 제어이득을 생성하는 것을 특징으로 하는 러닝머신.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제어이득부는 복수의 판단기준에 의해 산출된 복수의 상기 제어이득들의 함수로써 제어이득을 생성하는 것을 특징으로 하는 러닝머신.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 구동명령부는 상기 제어상수를 조절하는 감도 조절부를 포함하는 러닝머신.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 감도 조절부는 상기 운동자의 위치 변화율에 대응하여 제어상수를 조절하는 러닝머신.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 감도 조절부는 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 제어상수를 조절하는 러닝머신.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 감도 조절부는 상기 제어상수 중 상기 운동자의 위치 변화율이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수와, 상기 오차값이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수를 독립적으로 조절하는 러닝머신.
  12. 제 5항에 있어서, 상기 구동명령부는 상기 제어이득을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 러닝머신.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 제어신호 생성부는 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도를 기반으로 상기 제어이득을 제한하여 상기 제어신호를 생성하는 러닝머신.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 구동 명령부는 상기 구동모터의 감속시 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 상기 구동모터에 제동력을 가변적으로 제공하도록 상기 제어신호를 생성하는 러닝머신.
  15. 전기적 배선이 형성된 기저 기판;
    상기 기저 기판에 체결되며, 상기 전기적 배선과 전기적으로 결합하는 반도 체 회로를 포함하는 제어부; 및
    상기 기저 기판에 체결되며, 구동모터를 구동하는 모터 구동부, 및 운동자의 위치를 측정하는 운동자 감지부와 상기 전기적 배선을 통하여 상기 제어부와 전기적으로 연결하는 연결단자;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 운동자 감지부로부터 측정된 신호에 대응하는 측정값을 이용하여 변환값을 생성하는 전처리부, 기준위치값을 생성하는 기준위치 생성부, 및 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값을 이용하여, 상기 구동모터의 회전속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 구동명령부를 포함하는 러닝머신용 제어모듈.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 운동자가 가속상태 또는 감속상태인지를 판단하는 상태판단부를 포함하는 러닝머신용 제어모듈.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 전처리부는 상기 측정값을 이용하여 상기 변환값을 생성하는 데이터 변환부를 포함하는 러닝머신용 제어모듈.
  18. 제 16항 또는 제 17항에 있어서, 상기 전처리부는 상기 변환값, 및/또는 상기 상태판단부에서 판단된 결과에 대응하는 상태값을 저장하는 데이터 저장부를 포함하는 러닝머신용 제어모듈.
  19. 제 15항에 있어서, 상기 구동명령부는 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값의 차이에 대응하는 오차값에 제어상수를 연산하여 제어이득을 생성하는 제어이득부를 포함하는 러닝머신용 제어모듈.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 제어이득부는 현재의 제어이득과 적어도 하나 이상의 과거의 제어이득의 함수로써 제어이득을 생성하는 것을 특징으로 하는 러닝머신용 제어모듈.
  21. 제 19항에 있어서, 상기 제어이득부는 복수의 판단기준에 의해 산출된 복수의 상기 제어이득들의 함수로써 제어이득을 생성하는 것을 특징으로 하는 러닝머신용 제어모듈.
  22. 제 19항에 있어서, 상기 구동명령부는 상기 제어상수를 조절하는 감도 조절부를 포함하는 러닝머신용 제어모듈.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 감도 조절부는 상기 운동자의 위치 변화율에 대응하여 제어상수를 조절하는 러닝머신용 제어모듈.
  24. 제 22항에 있어서, 상기 감도 조절부는 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대 응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 제어상수를 조절하는 러닝머신용 제어모듈.
  25. 제 22항에 있어서, 상기 감도 조절부는 상기 제어상수 중 상기 운동자의 위치 변화율이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수와, 상기 오차값이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수를 독립적으로 조절하는 러닝머신용 제어모듈.
  26. 제 19항에 있어서, 상기 구동명령부는 상기 제어이득을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 러닝머신용 제어모듈.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 제어신호 생성부는 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도를 기반으로 상기 제어이득을 제한하여 상기 제어신호를 생성하는 러닝머신용 제어모듈.
  28. 제 15항에 있어서, 상기 구동 명령부는 상기 구동모터의 감속시 상기 러닝벨트의 속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 상기 구동모터에 제동력을 가변적으로 제공하도록 상기 제어신호를 생성하는 러닝머신용 제어모듈.
  29. 운동자 감지부로부터 측정된 신호에 대응하는 측정값을 이용하여 변환값을 생성하는 전처리 단계;
    기준위치값을 생성하는 기준위치 생성 단계; 및
    상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값을 이용하여, 구동모터의 회전속도를 조절하기 위한 제어신호를 생성하는 구동명령 단계;를 포함하는 러닝머신 제어방법.
  30. 제 29항에 있어서, 상기 전처리 단계는 상기 측정값을 이용하여 운동자가 가속상태 또는 감속상태인지를 판단하는 상태판단 단계를 포함하는 러닝머신 제어방법.
  31. 제 29항에 있어서, 상기 전처리 단계는 상기 측정값을 이용하여 상기 변환값을 생성하는 데이터 변환 단계를 포함하는 러닝머신 제어방법.
  32. 제 29항에 있어서, 상기 구동명령 단계는 상기 측정값 및 상기 변환값 중 적어도 하나와 상기 기준위치값의 차이에 대응하는 오차값에 제어상수를 연산하여 제어이득을 생성하는 제어이득생성 단계를 포함하는 러닝머신 제어방법.
  33. 제 32항에 있어서, 상기 제어이득생성 단계는 현재의 제어이득과 적어도 하나 이상의 과거의 제어이득의 함수로써 제어이득을 생성하는 것을 특징으로 하는 러닝머신 제어방법.
  34. 제 32항에 있어서, 상기 제어이득생성 단계는 복수의 판단기준에 의해 산출된 복수의 상기 제어이득들의 함수로써 제어이득을 생성하는 것을 특징으로 하는 러닝머신 제어방법.
  35. 제 32항에 있어서, 상기 구동명령 단계는 상기 제어상수를 조절하는 감도 조절 단계를 포함하는 러닝머신 제어방법.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 감도 조절 단계는 운동자의 위치 변화율에 대응하여 제어상수를 조절하는 러닝머신 제어방법.
  37. 제 35항에 있어서, 상기 감도 조절 단계는 상기 구동모터의 회전속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 제어상수를 조절하는 러닝머신 제어방법.
  38. 제 35항에 있어서, 상기 감도 조절 단계는 상기 제어상수 중 상기 운동자의 위치 변화율이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수와, 상기 오차값이 상기 제어신호에 미치는 영향을 제어하는 제어상수를 독립적으로 조절하는 는 러닝머신 제어방법.
  39. 제 32항에 있어서, 상기 구동명령 단계는 상기 제어이득을 이용하여 상기 제어신호를 생성하는 제어신호 생성 단계를 포함하는 러닝머신 제어방법.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 제어신호 생성 단계는 상기 구동모터의 회전속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도를 기반으로 상기 제어이득을 제한하여 상기 제어신호를 생성하는 러닝머신 제어방법.
  41. 제 29항에 있어서, 상기 구동 명령 단계는 상기 구동모터의 감속시 상기 구동모터의 회전속도 또는 그에 대응하는 속도를 포함하는 구동속도에 대응하여 상기 구동모터에 제동력을 가변적으로 제공하도록 상기 제어신호를 생성하는 러닝머신 제어방법.
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