[논문]전동기 구동 시스템에서의 적분기 포화 방지를 위한 새로운 안티-와인드업 기법

조내수; 김우현

[국내논문] 전동기 구동 시스템에서의 적분기 포화 방지를 위한 새로운 안티-와인드업 기법
The New Anti-Windup Strategy for an Integrator Saturation Protect of a Motor Driving System 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.58 no.3, 2009년, pp.270 - 275

조내수 (경북대학교 전자전기컴퓨터공학부) , 김우현 (영남이공대학 로보테크과)

Abstract ▼ AI-Helper

In a high performance motor driving system, PI controller which is simple implementation is frequently used. But, PI controller has various problems because of an integrator saturation. Therefore, the various methods of an anti-windup have been studied to solve such problems. But, conventional anti-windup methods have still problem with large overshoot and long settling time in the driving conditions. In this paper, to improve such problem, it is proposed a new anti-windup strategy. Using LPF and PI controller, it is improved an overshoot and reduced settling time. Simulation results have verified usefulness of the proposed method using MATLAB/Simulink.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 이런 방법들은 속도 지령의 영역 및 시스템의 구동 조건에 따라 여전히 응답에 오버슈트가 발생하며 느린 정착시간을 가지는 문제점이 남아 있다. 따라서 본 논문에서는 속도 제어기에서 계단 입력에 따른 속도영역에 관계없이 오버슈트를 억제하는 새로운 방식의 안티-와인드업 기법을 제안한다. 제안한 방법은 적분기가 포화되는 시점에 PI제어기에서 I제어기 대신 LPF(Low Pass Filter)를 사용하여 빠른 시간에 적분기 포화를 제거하여 오버슈틀 억제하며, LPF의 특성으로 인해 빠른 정착시간을 갖는다.
적분기 안티-와인드업 방법에는 크게 트래킹 방법과 조건부 방법, 신호처리에 의한 방법 등이 있다. 본 절에서는 각각의 방법에 대해 간단하게 알아본다.
그러나 시스템 구동부 즉 전력제한 부가 비선형의 특성을 가지고 있어 최적의 안티-와인드업 이득을 구하는 것은 불가능하다. 따라서 본 논문에서는 P제어기와 LPF 를 이용하는 새로운 안티-와인드업 방법을 제안 하였다. 제안된 방법은 제어 입력이 포화되면 적분기를 LPF로 전환하여 사용하는 방법으로 적분기 포화를 방지하기위한 안티-와인드업 이득을 사용하지 않는다.

가설 설정

그림 1은 적분기 포화 현상을 설명하기위한 블록도이다. 주어진 기준 계단 입력이 충분히 커서 구동기를 u_max에 서 포화되게 한다고 가정한다. 적분기는 오차 e(t)를 계속 누적해서 신호 u_c(t)가 계속 커진다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 속도 제어기에서 계단 입력에 따른 속도영역에 관계없이 오버슈트를 억제하는 새로운 방식의 안티-와인드업 기법을 제안한다. 제안한 방법은 적분기가 포화되는 시점에 PI제어기에서 I제어기 대신 LPF(Low Pass Filter)를 사용하여 빠른 시간에 적분기 포화를 제거하여 오버슈틀 억제하며, LPF의 특성으로 인해 빠른 정착시간을 갖는다. 제안한 방법의 타당성을 MATLAB/Simulink를 이용한 모의실험을 통해 검증하며, 기존의 안티-와인드업 방법들과 비교를 통해 제안한 방법의 우수성을 확인 한다.
그림 7은 제안된 안티-와인드업 방법에 대한 블록도 이다. 제안된 방법에서는 조건부 안티-와인드업 방법과 유사한 구조를 가지면서 제어 입력에 포화가 발생한 시점에서 PI제어기로 구동하다 P제어기와 LPF를 통해서 구동하는 방식이다. 따라서 오차 e(t)와 제어 입력 u_c(t)의 관계가 트래킹 방법과 유사한 형태로 주어진다.
본 논문에서는 제안한 안티-와인드업 방법의 유용성을 확인하기 위해서 기존의 안티-와인드업 방법인 트래킹 방법과 조건부 방법 및 제안한 방법의 성능을 비교하였다. 그림 11은 실험에 사용된 시스템의 블록을 나타내며, 표 1에는 실험에 사용된 전동기 상수를 나타내었다.
따라서 본 논문에서는 P제어기와 LPF 를 이용하는 새로운 안티-와인드업 방법을 제안 하였다. 제안된 방법은 제어 입력이 포화되면 적분기를 LPF로 전환하여 사용하는 방법으로 적분기 포화를 방지하기위한 안티-와인드업 이득을 사용하지 않는다. 따라서 전동기의 구동 속도 영역에 따른 안티-와인드업 이득의 조정을 요구하지 않으며, LPF의 특성으로 인해 전동기 구동 속도 영역에 관계없이 오버슈트를 억제하고 빠른 응답성능을 가진다.

성능/효과

제안한 방법은 적분기가 포화되는 시점에 PI제어기에서 I제어기 대신 LPF(Low Pass Filter)를 사용하여 빠른 시간에 적분기 포화를 제거하여 오버슈틀 억제하며, LPF의 특성으로 인해 빠른 정착시간을 갖는다. 제안한 방법의 타당성을 MATLAB/Simulink를 이용한 모의실험을 통해 검증하며, 기존의 안티-와인드업 방법들과 비교를 통해 제안한 방법의 우수성을 확인 한다.
표 2에는 세 가지 방법에 대해서 각각 상승시간과 정차시간을 나타내었다. 상승시간은 두 방법에 비해 제안된 방법이 약간 느리나, 정착시간은 빠름을 알 수 있다. 위의 실험 결과 제안된 안티-와인드업 방법은 전동기의 속도영역에 관계없이 오버슈트가 발생하지 않고 바른 정착시간을 가짐을 확인하였다.
상승시간은 두 방법에 비해 제안된 방법이 약간 느리나, 정착시간은 빠름을 알 수 있다. 위의 실험 결과 제안된 안티-와인드업 방법은 전동기의 속도영역에 관계없이 오버슈트가 발생하지 않고 바른 정착시간을 가짐을 확인하였다.
1%에 해당되는 백색잡음을 인가한 후의 응답특성을 그림 14에 나타내었다. 제안한 방법이 정상상태에 더 빠르게 도달하며 응답특성은 세 가지 방법 모두 외란이 없는 경우와 유사한 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
따라서 전동기의 구동 속도 영역에 따른 안티-와인드업 이득의 조정을 요구하지 않으며, LPF의 특성으로 인해 전동기 구동 속도 영역에 관계없이 오버슈트를 억제하고 빠른 응답성능을 가진다. 모의실험을 통해 제안한 방법의 타당함을 입증하였고, 기존 방법들과의 비교 실험을 통해서 제안된 방법의 우수성을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	트래킹 안티-와인드업 방법이란?	이러한 문제점을 개선하기 위해서 적분기 포화 방지를 위한 안티-와인드업에 대한 많은 연구가 이루어졌다[2-8]. 기존의 안티-와인드업에 대한 연구에는 제어 입력이 포화되었을 경우 적분기에서 누적된 값을 빼주는 방식의 트래킹 안티-와인드업 방법, 특정 조건이 만족될 경우 적분기 동작을 온, 오프 하는 방식인 조건부 안티-와인드업 방법과 FFT(Fast Fourier Transform)등의 신호처리를 이용 하는 방법 등이 있다. 하지만 이런 방법들은 속도 지령의 영역 및 시스템의 구동 조건에 따라 여전히 응답에 오버슈트가 발생하며 느린 정착시간을 가지는 문제점이 남아 있다.
	PI제어기의 문제점은 무엇인가?	그 중에서 현재까지도 구현이 쉽고 우수한 특성을 가지는 PI제어기가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 PI제어기의 경우 적분기 포화에 의한 누적 현상으로 시스템의 응답이 느려지고, 오버슈트를 동반한다. 이러한 문제점을 개선하기 위해서 적분기 포화 방지를 위한 안티-와인드업에 대한 많은 연구가 이루어졌다[2-8].
	고성능 전동기 구동시스템에서 무엇이 가장 많이 사용되고 있는가?	이러한 고성능 전동기 구동시스템에 사용되는 속도 및 전류 제어기는 퍼지 제어, 신경망 제어, PI(Proportional Integral)형태제어기 등 많은 제어 기법들이 연구되고 있다[1]. 그 중에서 현재까지도 구현이 쉽고 우수한 특성을 가지는 PI제어기가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 PI제어기의 경우 적분기 포화에 의한 누적 현상으로 시스템의 응답이 느려지고, 오버슈트를 동반한다.

참고문헌 (10)

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H. Sugimoto and etc., "Practical Aspects of Theory and Design of AC Servo System, Chapter 7.1," in Japanese, Motor Electronics Publications, 1990
H. Shim and etc., "Use of Accelerometer for Precision Motion Control of Linear Motor Driven Positioning System," IEEE Ind. Elec, Society, IECON'98, Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE, Vol. 4, pp2490-2414, 1998

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