[논문]dSPACE 시스템을 이용한 직류 전동기 구동 시스템의 전류 및 속도 제어기 설계

지준근; 이용석

dSPACE 시스템을 이용한 직류 전동기 구동 시스템의 전류 및 속도 제어기 설계
Design of Current and Speed Controller for DC Motor Drive System Using dSPACE System 원문보기

본 논문에서는 직류전동기 구동 시스템의 전류 및 속도 제어를 위하여 dSPACE 1104 시스템을 이용하여 전류 궤환을 갖는 속도 제어시스템을 구현하였다. 전류 및 속도 제어기의 설계는 MATLAB/SIMULINK 프로그램을 사용하여 간편하고 손쉽게 구현하였으며, 직류전동기 속도제어의 안정성과 응답성을 향상시킬 수 있었다. 직류전동기의 전류제어 및 속도제어는 DSP 보드와 dSPACE 시스템을 사용하여 수행하였으며, 속도의 궤환은 속도센서인 엔코더 펄스를 이용해서 QEP로 처리하였고, 전류의 궤환은 전류센서인 홀센서를 통해서 A/D 변환기로 처리하였다. 제어기들은 각각 PI 전류제어기 및 PI 속도제어기를 설계하였고 시뮬레이션과 실험을 통해서 전류 및 속도 응답을 확인하였다.

In this paper, design of current and speed controller for DC motor drive system using dSPACE 1104 system is introduced. Current and speed controller is designed and implemented using MATLAB/SIMULINK program simply and easily, and speed control response of DC motor can be advanced. Current and speed control of DC motor is carried in DSP control board using dSPACE system. Speed feedback is processed through QEP using pulse encorder as speed sensor, and current feedback is processed through A/D converter using hall sensor as current sensor. Controller is designed to PI current controler and PI speed controller. Current and speed response is verified through simulations and experiments.

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문제 정의

본 연구에서는 dSPACE 1104 시스템과 MATLAB/ SIMULINK 프로그램을 사용하여 직류전동기의 속도 및전류제어기를 구현하였으며, 일반적으로 많이 사용하는 PI제어기를 사용하여 속도스텝 명령시 속도 및 전류 응답을 살펴 보았다.
본 연구에서는 dSPACE 1104 시스템과 Matlab/ Simulink를 이용하여 텍스트 방식이 아닌 그래픽 방식으로 제어기를 설계하고 Simulation을 한 다음 직접 실시간프로그램으로 자동 변환하여 제어기의 응답을 테스트함으로서 전동기의 제어 시스템 개발을 짧은 시간 안에 매우 편리하게 구현할 수 있음을 소개하고자 한다.

제안 방법

그림 6은 실험에 사용한 전력변환장치이다. IPM 모듈을 사용하여 직류전동기 구동을 위한 단상인버터를 구성하였다.
01V/RPM 이고 전류는 1V/A가 되도록 설정하였다. PI전류제어기와 PI속도제어기 설계이론을 바탕으로 제어기의 Gain값들을 설정하여 시뮬레이션을 하고 그 제어기를 실험에 사용하였다.
명령추종을 빠르게 하기 위하여 제어주파수대역을 높이면 축진동 현상이 심하게 발생하기 때문에 주파수대역을 시뮬레이션에서의 값보다 1/5로 줄여서 실험을 하였다.
안쪽이 전류제어기이다. 속도제어기 동작 타이밍을 전류제어기보다 1/10로 느리게 설정하여 전류제어기(fcc=10KHz) 가 10번 동작할 때 속도제어기 (fsc=lKHz)는 1번 동작하고 속도제어기와 전류제어기의 주파수대역은 500rad/s, 20rad/s 으로 설정하였다.
전류제어기의 P Gain은 L*%a((2 94mH) 卩*500), I Gain은 1沽(5* .5£2) 腿(2*50101 ) 으로 설정하였고 속도제어기의 P Gain은 J(0.003kg . m2)*(i)s[:(2 IT *20)/KT(0.8003Nm/A), I Gain은 Pg血* 峋((&〃)으로 설정하였다.
하지만 속도제어기는 이보다 1/10 정도 느려야 하기 때문에 인터럽트블록을 만들어 전류 제어기와 서로 다른 주파수(Tsc=l ms)로 동작하도록 설계하였다. 제어기가 제대로 동작하는지 확인하기 위해 속도지령, 실제속도, 전류지령, 실제전류의 값들을 각각 DAC로 출력하였고, 각각의 실제 값들과 DAC 출력전압을 서로 맞추어주기 위해서 DAC 앞단에 적절한 Gain을 곱하여 속도는 0.01V/RPM 이고 전류는 1V/A가 되도록 설정하였다. PI전류제어기와 PI속도제어기 설계이론을 바탕으로 제어기의 Gain값들을 설정하여 시뮬레이션을 하고 그 제어기를 실험에 사용하였다.
동작하도록 설정되어 있다. 하지만 속도제어기는 이보다 1/10 정도 느려야 하기 때문에 인터럽트블록을 만들어 전류 제어기와 서로 다른 주파수(Tsc=l ms)로 동작하도록 설계하였다. 제어기가 제대로 동작하는지 확인하기 위해 속도지령, 실제속도, 전류지령, 실제전류의 값들을 각각 DAC로 출력하였고, 각각의 실제 값들과 DAC 출력전압을 서로 맞추어주기 위해서 DAC 앞단에 적절한 Gain을 곱하여 속도는 0.

대상 데이터

나타낸다. 본 연구에서 사용한 전동기는 Leroy Somer MG set의 콘버터용 타여자 직류 전동기이다. 속도센서인 엔코더가 직류전동기 옆에 있는 BLDC에 달려 있기 때문에 커플링으로 서로 연결하여 사용하였다.

성능/효과

dSPACE 1104 시스템과 MATLAB/SIMULINK 프로그램을 이용할 경우 기존의 제어시스템 개발시 보다 제어기의 설계 및 구현이 매우 쉽고 응답 결과도 보기에 편하여 제어시스템 해석 및 설계에 관하여 쉽게 이해하고 단기간에 제어 시스템을 설계할 수 있었다.
보통은 제어기 이득을 실험적으로 구하지만, 본 연구에서는 직류전동기와 각각의 제어기들의 전달함수를 구하여 해석적으로 제어기 이득을 구할 수 있었고, 또한 시뮬레이션을 통해 사전에 출력 결과를 알 수 있어서 실제 실험에 많은 도움이 되었다.
그림 7은 시뮬레이션 제어블록이다. 시험을 하기 전에먼저 실제 직류전동기를 모델링하여 시뮬레이션을 수행함으로서 실제 실험에서의 실수나 잘못된 제어기 설계등을 피하여 보다 안전한 실험을 할 수가 있었다.

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