선형 추진 BLDC 모터에 대한 파라미터 추정 기법을 이용하는 오토 튜닝(Auto Tuning) PI 제어기 설계 The Design of an Auto Tuning PI Controller using a Parameter Estimation Method for the Linear BLDC Motor원문보기
서보 모터는 컴퓨터와 센서로부터 오는 지령에 대해 정밀한 모션제어 즉, 정확한 속도조절과 위치 잡기를 수행함으로써 자동화 시스템에서 중요한 부분으로 사용된다. 특히, 선형추진 BLDC모터는 볼스크류, 타이밍 벨트, 랙/피니온과 같은 마찰 유도 전달 메카니즘들과 연결을 갖는 회전식 서보모터들에 비해 다양한 장점들을 갖는다. 본 논문은 정현파 구동형 선형 추진 BLDC모터의 동특성과 출력들로부터 얻어지는 정보를 이용하여 미지의 전동기 계통 파라미터들을 추정하는 방식을 제안한다. 추정된 파라미터들은 제어기와 외란 관측기의 이득을 조절하는데 사용될 수 있다. 이러한 목적을 이루기 위해 고성능의 디지털신호처리프로세서로 계자기준제어(FOC)기법을 구현하기 위해 설계된 TMS320F240을 선형 BLDC서보 전동기의 제어기로서 사용한다. 이 서보전동기 응용 전용의 DSP는 A/D Converter와 PWM 발생부, 다수의 IO Port를 내장하고 있어 서보모터 제어기에 중요한 역할을 담당하게 된다. 이 선형 BLDC 서보 전동기 시스템은 또한 IPM 구동기와 홀센서 타입의 전류센서모듈 그리고 게이트 구동 신호와 고장 신호들의 전기적 절연을 위한 광결합 모듈을 포함한다.
서보 모터는 컴퓨터와 센서로부터 오는 지령에 대해 정밀한 모션제어 즉, 정확한 속도조절과 위치 잡기를 수행함으로써 자동화 시스템에서 중요한 부분으로 사용된다. 특히, 선형추진 BLDC모터는 볼스크류, 타이밍 벨트, 랙/피니온과 같은 마찰 유도 전달 메카니즘들과 연결을 갖는 회전식 서보모터들에 비해 다양한 장점들을 갖는다. 본 논문은 정현파 구동형 선형 추진 BLDC모터의 동특성과 출력들로부터 얻어지는 정보를 이용하여 미지의 전동기 계통 파라미터들을 추정하는 방식을 제안한다. 추정된 파라미터들은 제어기와 외란 관측기의 이득을 조절하는데 사용될 수 있다. 이러한 목적을 이루기 위해 고성능의 디지털신호처리프로세서로 계자기준제어(FOC)기법을 구현하기 위해 설계된 TMS320F240을 선형 BLDC 서보 전동기의 제어기로서 사용한다. 이 서보전동기 응용 전용의 DSP는 A/D Converter와 PWM 발생부, 다수의 IO Port를 내장하고 있어 서보모터 제어기에 중요한 역할을 담당하게 된다. 이 선형 BLDC 서보 전동기 시스템은 또한 IPM 구동기와 홀센서 타입의 전류센서모듈 그리고 게이트 구동 신호와 고장 신호들의 전기적 절연을 위한 광결합 모듈을 포함한다.
Servo-motors are used as key components of automated system by performing precise motion control as accurate positioning and accurate speed regulation in response to the commands from computers and sensors. Especially, the linear brushless servo-motors have numerous advantages over the rotary servo ...
Servo-motors are used as key components of automated system by performing precise motion control as accurate positioning and accurate speed regulation in response to the commands from computers and sensors. Especially, the linear brushless servo-motors have numerous advantages over the rotary servo motors which have connection with the friction induced transfer mechanism such as ball screws, timing belts, rack/pinion. This paper proposes an estimation method of unknown motor system parameters using the informations from the sinusoidal driving type linear brushless DC motor dynamics and outputs. The estimated parameters can be used to tune the controller gain and a disturbance observer. In order to meet this purpose high performance Digital Signal Processor, TMS320F240, designed originally for implementation of a Field Oriented Control(FOC) technology is adopted as a controller of the liner BLDC servo motor. Having A/D converters, PWM generators, rich I/O port internally, this servo motor application specific DSP play an important role in servo motor controller. This linear BLDC servo motor system also contains IPM(Intelligent Power Module) driver and hail sensor type current sensor module, photocoupler module for isolation of gate signals and fault signals.
Servo-motors are used as key components of automated system by performing precise motion control as accurate positioning and accurate speed regulation in response to the commands from computers and sensors. Especially, the linear brushless servo-motors have numerous advantages over the rotary servo motors which have connection with the friction induced transfer mechanism such as ball screws, timing belts, rack/pinion. This paper proposes an estimation method of unknown motor system parameters using the informations from the sinusoidal driving type linear brushless DC motor dynamics and outputs. The estimated parameters can be used to tune the controller gain and a disturbance observer. In order to meet this purpose high performance Digital Signal Processor, TMS320F240, designed originally for implementation of a Field Oriented Control(FOC) technology is adopted as a controller of the liner BLDC servo motor. Having A/D converters, PWM generators, rich I/O port internally, this servo motor application specific DSP play an important role in servo motor controller. This linear BLDC servo motor system also contains IPM(Intelligent Power Module) driver and hail sensor type current sensor module, photocoupler module for isolation of gate signals and fault signals.
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문제 정의
본 논문에서는 이러한 브러시리스 직류전동기가 최대의 효율을 발생할 수 있도록 영구자석 자계와 고정자인전기 자의 자계가 90도 위 상 관계를 유지 하도록 하는 정 류 (commutation) 동작을 위해 HED(Hall Effect Device)와 선형 스케일러를 이용하는 정류회로를 설계 한다. 더불어 IPM (Intelligent Power Module)과 홀 전류센서 를 사용하는소형 의 구동기를 설계하며, 이상의 센서 신호를 직접 받아들이고 디지털로 처리하여 정현파상전류를 발생시킬 수있는 PWM 모듈을 내 장하는 고속의 DSP인 TMS320F240 을 포함하는 제어기를 직접 설계한다.
본 논문은 선형 브러시리스 직류전동기를 대상으로 하였으며 고속성과 정밀성을 실현하고 안정된 제어시스템을 구현하기 위해 유연한 속도프로파일과 디지털 pi 위치제어기를 설계하였다. 그리고 시스템의 불확실성을 극복하기 위해 계통 파라미 터를 동특성 상태방정식과 Linear regression을 이용하여 추정 하였으며, 이를 이용하여 PI 제어기의 이득을 자동 조절하였다.
하지만 많은 경우 계통 파라미터의 정보는 불분명하고, 그 값의 변화 가능성이 크다. 본 연구에서는 이런 PI 이득 선정 시 필요한 계통 파라미터의 정보를 얻기 위한 추정 방법을 제안한다.
제안 방법
설계하였다. 그리고 시스템의 불확실성을 극복하기 위해 계통 파라미 터를 동특성 상태방정식과 Linear regression을 이용하여 추정 하였으며, 이를 이용하여 PI 제어기의 이득을 자동 조절하였다. 기존의 이득 조정 방법에 비해 초기 과도 과정에서 구간별로 이득을 조정하기 위한 파라미터 추정이 여러 번 이루어지기 때문에 과도상태와 정상상태 모두에 적합한 이득 조정 이 가능하였다.
더불어 IPM (Intelligent Power Module)과 홀 전류센서 를 사용하는소형 의 구동기를 설계하며, 이상의 센서 신호를 직접 받아들이고 디지털로 처리하여 정현파상전류를 발생시킬 수있는 PWM 모듈을 내 장하는 고속의 DSP인 TMS320F240 을 포함하는 제어기를 직접 설계한다. 전류 와 속도 그리고 위치 제어기로 증분형 이산치 PI 제어기를 도입하고미지 의 계통파라미 터를 추정 하기 위해 Linear regression 알고리즘을 적용한다.
이 방법은 효율이 높고 정 밀 한 구동이 가능하지만 정 류동작을 위한 제 어기 구성이 복잡하고 영구자석 자계의 초기 위치를 알고있어야 하는 단점이 있다. 본 논문에서는 두 가지 정류방법을 모두 사용하며, 초기 에는 HED에 의한 구형 파 구동방식으로 정류하였고 정확한 상을 찾은 후에는 정 현파형으로 구동하였다.
본 장에서는 선형 BLDC 전동기의 파라미터를 추정한 후속도 제어기의 이득을 결정하고, 가동자의 전류와 고정자의 전류를 독립적으로 제어하는 벡터제어를 적용한 실험 결과를 도시한다.
이론상으로는 속도에 대한 적분 값을 이용하여 위치를 구할 수 있으나, 마찰, 부하 등의 외란으로 인하여 오차가 발생하므로 초기에는 속도 프로파일을 추종하며 목표지점과 현 지점의 오차가 일정 거리이내에 들면 P제어기와 PI 제어기를 병행하여 실행하였고, 가속구간에는 Trapezoidal 프로파일과 S-curve 프로파일을 사용하였다. 16bit 프로세서의 경우 연산능력의 한계로 인하여 프로파일 할 수 없는 상황이 발생하므로 본 논문에서 시간에 따른 가속시 간과 감속시간을 모두 결정하여 프로파일하지않고 가속구간만을 시간에 따라 프로파일 링 한 후 정속 구간에서 감속구간으로의 진입은 전적으로 위치오차에 의한 제어기에 할당함으로써 목표위치에 빠르고 정확하게수렴할 수 있도록 하였고, 시간에 따른 제약도 없앴다.
정밀한 위치 제어를 위하여 현 지점과목표지 점간의 오차를 구하여 위치를 추종하기 위한 속도를 프로파일링 하였다. 이론상으로는 속도에 대한 적분 값을 이용하여 위치를 구할 수 있으나, 마찰, 부하 등의 외란으로 인하여 오차가 발생하므로 초기에는 속도 프로파일을 추종하며 목표지점과 현 지점의 오차가 일정 거리이내에 들면 P제어기와 PI 제어기를 병행하여 실행하였고, 가속구간에는 Trapezoidal 프로파일과 S-curve 프로파일을 사용하였다.
대상 데이터
본 논문에서 사용된 전동기는 최대 출력 500W의 2극형태의 Trilogy사의 제품으로 선형 스케일러는 RSF Electronics의 MSA665 ML 570mm< 부착하고 있다. 이 스케일러는 내부에서 5체배된 8呻의 거리 해상도를 갖는구형파 펄스를 출력하며, 본 제어기에서는 다시 이 신호를4체배 하여 사용한다.
데이터처리
전체 제어기 하드웨어를 직접 설계 제작하였으며, 실험 및 시뮬레이션을 모니터링하고 분석할 수 있는 통합운영 프로그램 역시 LabWindow/CVI 를 이용하여 직접 작성하였다.
이론/모형
더불어 IPM (Intelligent Power Module)과 홀 전류센서 를 사용하는소형 의 구동기를 설계하며, 이상의 센서 신호를 직접 받아들이고 디지털로 처리하여 정현파상전류를 발생시킬 수있는 PWM 모듈을 내 장하는 고속의 DSP인 TMS320F240 을 포함하는 제어기를 직접 설계한다. 전류 와 속도 그리고 위치 제어기로 증분형 이산치 PI 제어기를 도입하고미지 의 계통파라미 터를 추정 하기 위해 Linear regression 알고리즘을 적용한다. 이 방법을 통하여 얻어진 초기 단계의 추정 값을동특성 방정식에 적용하여 시스템 제어기의 이득을 온라인으로 조절한다.
성능/효과
이론상으로는 속도에 대한 적분 값을 이용하여 위치를 구할 수 있으나, 마찰, 부하 등의 외란으로 인하여 오차가 발생하므로 초기에는 속도 프로파일을 추종하며 목표지점과 현 지점의 오차가 일정 거리이내에 들면 P제어기와 PI 제어기를 병행하여 실행하였고, 가속구간에는 Trapezoidal 프로파일과 S-curve 프로파일을 사용하였다. 16bit 프로세서의 경우 연산능력의 한계로 인하여 프로파일 할 수 없는 상황이 발생하므로 본 논문에서 시간에 따른 가속시 간과 감속시간을 모두 결정하여 프로파일하지않고 가속구간만을 시간에 따라 프로파일 링 한 후 정속 구간에서 감속구간으로의 진입은 전적으로 위치오차에 의한 제어기에 할당함으로써 목표위치에 빠르고 정확하게수렴할 수 있도록 하였고, 시간에 따른 제약도 없앴다.
참고문헌 (3)
I. Boldea SA Nasar, 'Linear Motion Electromagnetic Systems', John Wiley & Sons, Inc. , pp2, 1985
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