Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)는 볼스크류, 기어 및 타이밍 벨트를 이용하여 NC, 가공기, 로봇 및 공장 자동화를 포함하여 산업 시스템 전반에 널리 사용되고 있다. 이러한 PMSM과 부하의 결합으로 구성된 시스템은 동력의 전달에 있어서, 고유의 공진 주파수를 가지며 공진 주파수 대역에서의 기계계의 응답 특성은 매우 불안정하고, 기계 시스템의 손상을 일으키게 된다. 본 논문에서는 PMSM을 이용한 직선 운동 시스템에서 기계적인 결합에 의한 기구부의 진동을 억제하기 위하여 진동 주파수를 자동으로 검출하여, 진동의 원인이 되는 토크 지령 신호를 억제하는 적응형노치 필터를 포함하는 속도 제어 시스템을 제안한다. 하지만, 기계적인 진동 주파수와 주파수의 대역은 전동기에 결합된 결합 기구 및 부하에 따라서 변동하는 특성을 가지고 기계적인 진동의 크기도 진동원이 되는 신호에 따라 변동하므로, 이를 적응형 노치 필터부에서 이를 진단하여 진동 주파수를 자동으로 억제함으로써 안정적인 운전이 가능하도록 설계된다. 본 논문에서 제안된 기계적인 진동을 억제하기 위한 적응형 노치 필터의 성능은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다.
Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM)는 볼스크류, 기어 및 타이밍 벨트를 이용하여 NC, 가공기, 로봇 및 공장 자동화를 포함하여 산업 시스템 전반에 널리 사용되고 있다. 이러한 PMSM과 부하의 결합으로 구성된 시스템은 동력의 전달에 있어서, 고유의 공진 주파수를 가지며 공진 주파수 대역에서의 기계계의 응답 특성은 매우 불안정하고, 기계 시스템의 손상을 일으키게 된다. 본 논문에서는 PMSM을 이용한 직선 운동 시스템에서 기계적인 결합에 의한 기구부의 진동을 억제하기 위하여 진동 주파수를 자동으로 검출하여, 진동의 원인이 되는 토크 지령 신호를 억제하는 적응형 노치 필터를 포함하는 속도 제어 시스템을 제안한다. 하지만, 기계적인 진동 주파수와 주파수의 대역은 전동기에 결합된 결합 기구 및 부하에 따라서 변동하는 특성을 가지고 기계적인 진동의 크기도 진동원이 되는 신호에 따라 변동하므로, 이를 적응형 노치 필터부에서 이를 진단하여 진동 주파수를 자동으로 억제함으로써 안정적인 운전이 가능하도록 설계된다. 본 논문에서 제안된 기계적인 진동을 억제하기 위한 적응형 노치 필터의 성능은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다.
The Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) drive systems with ball-screw, gear and timing-belt are widely used in industrial applications such as NC machine, machine tools, robots and factory automation. These systems have torsional vibration in torque transmission from servo motor to mechanical l...
The Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) drive systems with ball-screw, gear and timing-belt are widely used in industrial applications such as NC machine, machine tools, robots and factory automation. These systems have torsional vibration in torque transmission from servo motor to mechanical load due to the mechanical couplings. This vibration makes it difficult to achieve quick responses of speed and may result in damage to the mechanical plant. This paper presents adaptive notch filter with auto searching function of vibration frequency to reject the mechanical vibration of linear feeder system with PMSM. The proposed adaptive notch filter can suppress the torque command signal of PMSM in the resonant bandwidth for reject the mechanical torsional vibration. However, the resonant frequency can vary with conditions of mechanical load system and coupling devices, adaptive notch filter can auto search the vibration frequency and suppress the vibration signal bandwidth. Computer simulation and experimental results shows the verification of the proposed adaptive notch filter in linear feeder system with PMSM.
The Permanent Magnet Synchronous Motor(PMSM) drive systems with ball-screw, gear and timing-belt are widely used in industrial applications such as NC machine, machine tools, robots and factory automation. These systems have torsional vibration in torque transmission from servo motor to mechanical load due to the mechanical couplings. This vibration makes it difficult to achieve quick responses of speed and may result in damage to the mechanical plant. This paper presents adaptive notch filter with auto searching function of vibration frequency to reject the mechanical vibration of linear feeder system with PMSM. The proposed adaptive notch filter can suppress the torque command signal of PMSM in the resonant bandwidth for reject the mechanical torsional vibration. However, the resonant frequency can vary with conditions of mechanical load system and coupling devices, adaptive notch filter can auto search the vibration frequency and suppress the vibration signal bandwidth. Computer simulation and experimental results shows the verification of the proposed adaptive notch filter in linear feeder system with PMSM.
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문제 정의
본 논문에서는 PMSM을 적용한 직선 운동 시스템에서 기계적인 결합에 의한 기구부의 진동을 억제하기 위하여 진동 주파수를 자동으로 검출하여, 진동의 원인이 되는 토크 출력을 억제하는 적응형 노치 필터를 가지는 속도 제어 시스템을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 적응형 노치 필터는 PMSM과 부하 기구 부의 결합에 의해 발생하는 기계적인 진동을 억제하기 위하여, 기계적인 진동의 원인이 되는 주파수 대역의 신호를 전동기에 인가되지 않도록 차단하는 방식이다.
본 논문에서는 PMSM을 적용한 직선 운동 시스템에서 기계적인 결합에 의한 기구부의 진동을 억제하기위한 적응형 노치 필터를 가지는 속도 제어기를 설계하였다. 본 논문에서 제안하는 적응형 노치 필터는 PMSM과 선형 피드 기구부의 결합에 의해 발생하는 기계적인 진동을 억제하기 위하여, 속도 오차의 데이터로부터 진동이 발생하는 주파수와 주파수 대역을 자동으로 검출하고, 이에 따라 직렬로 연결된 다중 디지털 노치 필터에서 진동 대역의 토크 지령을 차단하는 방식이다.
본 논문에서는 전동기와 기계부의 결합 및 전압, 전류 신호의 검출과 시스템 노이즈에 의해 발생하는 공진 주파수 영역에서의 전동기 진동을 억제하기 위하여, 진동 주파수 대역의 제어신호를 효과적으로 제거하기 위한 적응형 노치필터를 적용하였다. 그림 4는 일반적인 2관성 모델에 대한 속도 제어 블록과 본 논문에서 제안하는 적응형 노치 필터를 적용한 직선 구동 장치의 속도 제어 시스템을 나타내고 있다.
제안 방법
실험에 적용된 ADC는 12비트급 정밀도를 가지는 Analog Device사의 AD7891을 적용하였다. SVPWM을 구현하기 위한 파워 모듈은 15A급의 IPM 모듈이 적용되었으며, 전류 제어기는 lOORs]의 샘플 주기를 가지며, 200Rs]의 속도제어 주기를 가지도록 설계 되었다. 표 1고]" 표 2는 실험에 적용된 PMSM과 직선 이송장치의 파라미터를 나타내고 있다.
실험에 적용된 볼스크류 구조는 600[mm] 스트로크에 20[mm] 볼 피치를 가지는 직선 운동 변환장치로, 표 1 에서 제시된 PMSM과 커플링으로 결합된 형태로 구성된다. 기계적인 공진 주파수에 의한 진동은 볼스크류 이송 테이블에 5[kg]의 하중물을 부착하고, 하중 물의 측면에 가속도 센서와 RI0N사의 VM-80으로 측정하였다.
내부 전류 제어기는 SVPWM 방식으로 구현 되었으며, 전류 제어주기는 100[価]로 설계 되었다.
본 논문에서 적용된 적응형 노치 필터는 FFT 분석과 지배 주파수 검출 방식에 의해 결정된 지배 주파수 wres와 대역폭으로 설계된다. ' 일반적인 아날로그 노치 필터의 전달 함수는 다음과 같다[8-9].
본 논문에서 적용한 적응형 노치 필터는 진동 주파수 및 진동 대역을 검출하기 위한 검출부와 검출된 진동 주파수 및 진동 대역을 억제하기 위한 디지털 노치필터로 구성된다. 진동 주파수 및 진동 대역 검출부는 4개의 데이터 버퍼와 각 버퍼의 데이터에 대한 주파수 분석을 실시하는 FFT 분석기, 분석된 각 주파수에 대한 속도의 오차를 내림차순으로 정리하여 진동 주파수 및 진동 대역을 검출하는 검출부로 구성된다.
본 논문에서 제안된 기계적인 진동을 억제하기 위한 적응형 노치 필터의 성능은 시뮬레이션 및 실험을 통하여 검증하였다.
본 논문에서 제안하는 적응형 노치 필터는 PMSM과 선형 피드 기구부의 결합에 의해 발생하는 기계적인 진동을 억제하기 위하여, 속도 오차의 데이터로부터 진동이 발생하는 주파수와 주파수 대역을 자동으로 검출하고, 이에 따라 직렬로 연결된 다중 디지털 노치 필터에서 진동 대역의 토크 지령을 차단하는 방식이다. 실제 적용에 있어서, 전체 시스템의 진동 주파수와 그 대역은 부하의 상태에 따라 변동하고, 지령속도에 따라 속도 오차 데이터에는 시간 지연에 의한오차 성분이 크게 나타날 수 있으므로, 4개의 버퍼에서 분석된 주파수 성분 데이터에서 진동 대역의 지배적인 주파수를 탐색하는 방법을 사용하였다.
위한 과정을 나타내고 있다. 본 논문에서 허용가능한 속도 오차의 대역은 5[rpm]으로 선정하였고, 최대 오차가 발생하는 주파수로부터 허용 가능한 속도오차의 대역 이하에 존재하는 주파수 ^1, ^2를 검출한 후, 그 중에서 최대 진동이 발생하는 주파수와의 차이가 넓은 쪽은 노치 필터의 정지 대역폭으로 결정한다.
본 논문에서는 실제 디지털 노치 필터의 설계에서 -20[dB]의 이득을 가지는 디지털 노치필터를 설계하여 주파수 대역에서의 속도 오차가 매우 크고, 진동 주파수 대역이 좁은 경우는 2중의 노치 필터에 의해 정지대 역내의 신호를 차단하도록 하였다.
본 논문에서 제안하는 적응형 노치 필터는 PMSM과 선형 피드 기구부의 결합에 의해 발생하는 기계적인 진동을 억제하기 위하여, 속도 오차의 데이터로부터 진동이 발생하는 주파수와 주파수 대역을 자동으로 검출하고, 이에 따라 직렬로 연결된 다중 디지털 노치 필터에서 진동 대역의 토크 지령을 차단하는 방식이다. 실제 적용에 있어서, 전체 시스템의 진동 주파수와 그 대역은 부하의 상태에 따라 변동하고, 지령속도에 따라 속도 오차 데이터에는 시간 지연에 의한오차 성분이 크게 나타날 수 있으므로, 4개의 버퍼에서 분석된 주파수 성분 데이터에서 진동 대역의 지배적인 주파수를 탐색하는 방법을 사용하였다. 각 버퍼에 데이터가 저장되는 시간은 약 204.
제안된 속도 제어방식은 기존의 속도 제어기에서 제어기의 출력인 토크 지령에서 기계적인 진동을 발생시키는 주파수 성분을 검출하여 진동 대역의 주파수 성분이 토크 지령으로 출력되지 않도록 억제하는 적응형 노치 필터가 토크 제어기 앞에 위치된다.
진동 주파수 및 진동 대역 검출부는 4개의 데이터 버퍼와 각 버퍼의 데이터에 대한 주파수 분석을 실시하는 FFT 분석기, 분석된 각 주파수에 대한 속도의 오차를 내림차순으로 정리하여 진동 주파수 및 진동 대역을 검출하는 검출부로 구성된다. 진동 주파수의 검출을 위하여 4개의 버퍼를 적용한 것은, 실제 구동에 있어서 속도 대역의 변동이 발생하므로, 각 변동에 대하여 지배적인 진동 주파수를 검출하기 위하여 4개의 버퍼로부터 지배적인 진동 주파수원을 분석하게 된다.
그림 7에서 K& 와 K 谕는 PI 제어기의 비 례 및 적분 이득을 나타내며, K 线 는 Anti-Windup 제어 이 득을 의미 한다. 토크 제어기는 PMSM의 토크 상수 Kt에 의해 토크 성분 전류의 내부 전류 제어기로 구성되어 있으며, 전류 제어기의 응답 주파수는 8000[rad/s]로 설계하였다. 제어블록에서 선형 피드 시스템은 간략화된 2관성 모델로 해석되었다.
대상 데이터
있다. 1개의 데이터 버퍼에서 저장되는 데이터는 총 1024개로 1개 데이터는'속도 검출 주기인 200[“s]마다 저장되어 1개 버퍼의 촣 저장구간은 204.8[ms]이다. 따라서, 지령 속도의 변동 于간에서 발생하는 최대 오차는 4개의 데이터 버퍼 중优]서 한 구간에서만 발생하게 되고, 지배적인 진동 주파수, 대역의 오차는 전체 버퍼에서 고르게 나타나게 된다.
제안된 알고리즘을 검증하기 위하여 DSP 인 TMS320VC33-120MHZ를 메인 CPU로 하는 디지털 제어기를 설계하고, 실험을 수행하였다. 실험에 적용된 ADC는 12비트급 정밀도를 가지는 Analog Device사의 AD7891을 적용하였다. SVPWM을 구현하기 위한 파워 모듈은 15A급의 IPM 모듈이 적용되었으며, 전류 제어기는 lOORs]의 샘플 주기를 가지며, 200Rs]의 속도제어 주기를 가지도록 설계 되었다.
실험에 적용된 볼스크류 구조는 600[mm] 스트로크에 20[mm] 볼 피치를 가지는 직선 운동 변환장치로, 표 1 에서 제시된 PMSM과 커플링으로 결합된 형태로 구성된다. 기계적인 공진 주파수에 의한 진동은 볼스크류 이송 테이블에 5[kg]의 하중물을 부착하고, 하중 물의 측면에 가속도 센서와 RI0N사의 VM-80으로 측정하였다.
제안된 알고리즘을 검증하기 위하여 DSP 인 TMS320VC33-120MHZ를 메인 CPU로 하는 디지털 제어기를 설계하고, 실험을 수행하였다. 실험에 적용된 ADC는 12비트급 정밀도를 가지는 Analog Device사의 AD7891을 적용하였다.
데이터처리
제안된 적응형 다중 노치필터에 의한 진동억제 방식을 검증하기 위하여 그림 1(a)의 볼베어링 구조를 가지는 직선 운동 시스템에 대한 실험을 수행하였다. 제안된 알고리즘을 검증하기 위하여 DSP 인 TMS320VC33-120MHZ를 메인 CPU로 하는 디지털 제어기를 설계하고, 실험을 수행하였다.
이론/모형
본 논문에서 적용된 속도 및 토크 제어기는 산업계의 전반에 널리 사용되고 있는 Anti-Windup 구조를 가지는 PI형 제어기를 적용하였다.
성능/효과
본 논문에서 제안된 기계적인 진동을 억제하기 위한 적응형 노치 필터의 성능은 시뮬레이션 및 실험에서 안정적인 진동 억제 성능을 나타내었다.
참고문헌 (9)
이동희, 최철, 김철우,'이중 속도 제어구조에 의한 서보 제어기의 비선형 마찰토크 보상', 전력전자학회 논문지, Vol. 9, No. 6, pp. 612-619, 2004
Boulter, B. T., 'The Effect of Speed Loop Bandwidths and Line-speed on System Natural Frequencies in Multi-span Strip Processing Systems', IEEE IAS Conference Proceedings, New Orleans, LA, Oct., pp. 2157-2164, 1997
Bently, J.M., 'Electro-mechanical Drive Train Design and Application, Part I.', TAPPI 1999 Paper Machine Drives Short Course, Atlanta, GA, May, Tab5, 1999
Hori, Y., Swanda, H., Chun, Y, 'Slow Resonance Ratio Control for Vibration Supression and Disturbance Rejection in Torsional System', IEEE Trans. on Industrial Electronics, Vol. 46, No. 1, pp. 162-168, Feb., 1999
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Ohmae, T., Matsuda, T. Kanno, M., Saito, K. Sukegawa, T., 'A Microprecessor-Based Motor Speed Regulator Using Fast-response State Observer for Reduction of Torsional Vibration', IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 23, No. 5, pp. 863-871, Sep./Oct., 1987
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