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문제 정의
- 본 논문에서는 스테핑 전동기를 이용한 위치제어 시스템을 구현하기 위하여 간단한 전류제어기와 폐루프 제어기 및 오픈루프 제어기가 병합된 제어기를 설계하였다. 제안된 위치제어기는 고속 및 위치오차가 큰 경우에는 폐루프 제어기를 통한 토크각도 제어로 빠르게 위치오차를 수렴할 수 있도록 하고, 미세한 잔여 위치오차에 대해서는 스테핑 전동기의 특성을 활용한 오픈루프 제어모드로 동작하여 정확한 위치에 정지할 수 있도록 한다.
제안 방법
- 또한, 빠른 응답특성을 구현하기 위하여, 속도에 따른 토크 선행각을 제어기의 내부 메모리에 저장하여, 운전속도에 따른 어드밴스 각도를 먼저 계산하고, 속도오차에 따른 제어기의 출력을 어드밴스 각도에 더하여 토크각도를 결정하는 방식을 적용하였다.
- 본 논문에서 적용된 가변게인은 고속으로 회전할수록 비례 이득을 감소시키도록 설계하였다. 또한 제어기의 안정성을 고려하여 가변 게인은 최소 및 최대 범 위 내에서 속도에 따라 가변적으로 적용되도록 설계하였다. 설계된 위치제어기의 비례 이득은 다음과 같다.
- 또한, 빠른 응답특성을 구현하기 위하여, 속도에 따른 토크 선행각을 제어기의 내부 메모리에 저장하여, 운전속도에 따른 어드밴스 각도를 먼저 계산하고, 속도오차에 따른 제어기의 출력을 어드밴스 각도에 더하여 토크각도를 결정하는 방식을 적용하였다. 또한, 고속운전에서 급정지하거나, 저속운전을 위해서 오픈루프 제어모드를 3가지로 분할하여 적용함으로써 빠른 속도로 위치오차를 수렴하도록 설계하였다.
- 또한, 위치오차에 대하여 높은 비례 이득 (Kppc)은 위치 오차의 수렴을 빠르게 하지만, 위치지령 펄스가 정지 하였을때 , 감속구간이 너무 짧아서 역회전을 하는 문제가 발생하게 되므로 이를 보완하기 위하여 속도에 따라 비례 이득이 감소하는 가변게인을 적용하였다.
- 또한, 저속 및 정지상태에서 안정적으로 지령위치에 수렴하기 위해 오픈루프 제어모드를 3가지로 구분하여 폐루프 제어모드와 오픈루프 제어모드가 상호 연동적으로 동작하여 안정적인 위치제어가 가능하도록 설계하였다.
- 제안된 위치제어기는 고속 및 위치오차가 큰 경우에는 폐루프 제어기를 통한 토크각도 제어로 빠르게 위치오차를 수렴할 수 있도록 하고, 미세한 잔여 위치오차에 대해서는 스테핑 전동기의 특성을 활용한 오픈루프 제어모드로 동작하여 정확한 위치에 정지할 수 있도록 한다. 본 논문에서 설계된 폐루프 제어기는 d-q변환을 적용한 복잡한 제어기를 적용하지 않고 위치오차에 따라 내부적인 속도 지령을 발생하고, 속도 제어기에서 토크의 크기를 결정하는 토크 선행각을 가변적으로 제어하는 토크 각도 제어기법을 적용하였다. 또한, 빠른 응답특성을 구현하기 위하여, 속도에 따른 토크 선행각을 제어기의 내부 메모리에 저장하여, 운전속도에 따른 어드밴스 각도를 먼저 계산하고, 속도오차에 따른 제어기의 출력을 어드밴스 각도에 더하여 토크각도를 결정하는 방식을 적용하였다.
- 또한, 위치오차에 대하여 높은 비례 이득 (Kppc)은 위치 오차의 수렴을 빠르게 하지만, 위치지령 펄스가 정지 하였을때 , 감속구간이 너무 짧아서 역회전을 하는 문제가 발생하게 되므로 이를 보완하기 위하여 속도에 따라 비례 이득이 감소하는 가변게인을 적용하였다. 본 논문에서 적용된 가변게인은 고속으로 회전할수록 비례 이득을 감소시키도록 설계하였다. 또한 제어기의 안정성을 고려하여 가변 게인은 최소 및 최대 범 위 내에서 속도에 따라 가변적으로 적용되도록 설계하였다.
- 그림 4는 본 논문에서 적용된 속도에 따른 어드밴스 각도를 나타내고 있다. 본 논문에서 적용된 어드밴스 각도는 토크 각도에 대한 회전속도를 측정하여 이를 스플라인 보간법을 적용하여 10[rpm] 단위로 DSP 내부의 RAM 영역에 저장하였다. 메모리에 저장된 어드밴스 각도는 실제 스테핑 전동기의 회전속도에 따라 토크 각도를 출력하고, 이 각도는 다시 속도제어기의 제어출력과 합해져서 토크 각도를 결정하게 된다.
- 그림 6은 본 논문에서 적용한 스테핑 전동기의 전류 제어기의 블록도를 나타내고 있다. 본 논문에서 적용한 스테핑 전동기의 위치제어방식은 토크 각도를 제어하는 방식으로 구성되며, 전류의 크기는 일정하게 제어하도록 하였다. 전류제어기는 Anti-windup 구조를 가지는 PI 제어기로 구성하였으며, 전류제어기의 제어는 50[㎲]로 설계하여 스위칭 주파수는 20[㎑]로 동작한다.
- 제어모드의 변환에는 위치지령펄스의 입력상태와 전동기의 속도 및 위치오차를 고려하여 제어모드를 변화시킨다. 본 논문에서 적용한 오픈루프 제어모드는 3개로 구분되어 적용된다. 제 1 오픈루프 제어모드는 위치지령 펄스의 주파수가 낮아서 저속으로 회전하는 펄스입력인 경우에 적용되며, 오픈루프의 펄스 제어각은 위치 지령펄스의 변화량을 적분하여 토크각도로 사용하게 된다.
- 본 논문에서 적용한 오픈루프 제어모드는 저속운전 모드일 경우에는 제 1 오픈루프에서 제 3 오픈루프 모드로 변화하게 되며, 고속운전 모드일 경우에는 폐루프 제어모드에서 제 2 또는 제 3 오픈루프 제어모드로 동작하게 된다.
- 본 논문에서 제안된 위치 제어기는 고속 및 위치오차가 큰 경우에는 빠르게 위치오차를 수렴하기 위해서 폐루프 제어기로 토크 각도를 제어하게 되며, 저속 및 정지구간에서는 오픈루프 제어기로 동작하여, 저속 및 정지 상태에서의 진동을 억제시키게 된다. 제어모드의 변환에는 위치지령펄스의 입력상태와 전동기의 속도 및 위치오차를 고려하여 제어모드를 변화시킨다.
- 본 논문에서 제안한 스테핑 전동기의 위치제어기를 검증하기 위해서 실제 시스템을 구현하여 실험을 수행하였다. 실험에 적용된 스테핑 전동기의 사양은 표 2와 같다.
- 본 논문에서는 DSC의 내부 메모리를 이용하여, 속도에 따른 어드밴스 토크각도를 내장하고, 위치오차에 따른 내부의 속도제어기에서 스테핑 전동기의 토크각을 어드밴스 토크각과 PI 제어기로 구성하여 위치오차를 수렴하는 폐루프 제어기를 제안하였다. 특히, 내부 메모리의 어드밴스 토크각은 회전자의 속도에 따라 선행적으로 토크각을 연산함으로써, 빠른 응답특성을 나타낼 수 있으며, 이에 따른 오차는 PI 제어기의 제어각도를 통해서 보상하도록 하였다.
- 본 논문에서는 간단한 전류제어기와 토크 각도제어 기법을 이용한 위치제어 시스템을 설계하였으며, 제안된 위치제어 시스템은 고속 및 저속운전구간에서 전동기의 운전상태에 따라 폐루프 제어 모드와 오픈루프 제어 모드가 가변적으로 적용되어 전 운전 영역에서 안정적인 위치제어가 이루어질 수 있도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 개선된 제어성능을 구현하기 위해서, 전동기의 특성에 적합한 토크 각도 데이터를 속도에 따라 메모리에 저장하고 있으며, 실제 속도 ωm에 따라, 선행적으로 메모리에 저장된 어드밴스 토크 각도 θadv를 연산한다.
- 스테핑 전동기의 제어기는 TI사의 TMS320F2811을 사용하여 제작하였으며, 전류는 2상의 전류를 각각 션트저항을 통하여 전압으로 변환하고, 이를 DSC 내부의 고속 12비트 ADC를 통하여 검출하였다.
- 본 논문에서 적용한 스테핑 전동기의 위치제어방식은 토크 각도를 제어하는 방식으로 구성되며, 전류의 크기는 일정하게 제어하도록 하였다. 전류제어기는 Anti-windup 구조를 가지는 PI 제어기로 구성하였으며, 전류제어기의 제어는 50[㎲]로 설계하여 스위칭 주파수는 20[㎑]로 동작한다.
- 제안된 위치제어 시스템은 1.8° 의 기계적 정밀도를 가진 2상 스테핑 전동기와 2500[ppr]의 엔코더를 결합하여 0.036° 의 위치제어 정밀도의 실시험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
- 본 논문에서는 스테핑 전동기를 이용한 위치제어 시스템을 구현하기 위하여 간단한 전류제어기와 폐루프 제어기 및 오픈루프 제어기가 병합된 제어기를 설계하였다. 제안된 위치제어기는 고속 및 위치오차가 큰 경우에는 폐루프 제어기를 통한 토크각도 제어로 빠르게 위치오차를 수렴할 수 있도록 하고, 미세한 잔여 위치오차에 대해서는 스테핑 전동기의 특성을 활용한 오픈루프 제어모드로 동작하여 정확한 위치에 정지할 수 있도록 한다. 본 논문에서 설계된 폐루프 제어기는 d-q변환을 적용한 복잡한 제어기를 적용하지 않고 위치오차에 따라 내부적인 속도 지령을 발생하고, 속도 제어기에서 토크의 크기를 결정하는 토크 선행각을 가변적으로 제어하는 토크 각도 제어기법을 적용하였다.
- 본 논문에서는 DSC의 내부 메모리를 이용하여, 속도에 따른 어드밴스 토크각도를 내장하고, 위치오차에 따른 내부의 속도제어기에서 스테핑 전동기의 토크각을 어드밴스 토크각과 PI 제어기로 구성하여 위치오차를 수렴하는 폐루프 제어기를 제안하였다. 특히, 내부 메모리의 어드밴스 토크각은 회전자의 속도에 따라 선행적으로 토크각을 연산함으로써, 빠른 응답특성을 나타낼 수 있으며, 이에 따른 오차는 PI 제어기의 제어각도를 통해서 보상하도록 하였다. 따라서 PI 제어기의 토크 제어각도는 좁은 범위내에서 가변하게 되므로 보다 안정적인 동작을 수행하게 되며, 저속 및 고속 구간에서의 동작 특성을 안정적으로 설계 할 수 있다.
- 따라서 PI 제어기의 토크 제어각도는 좁은 범위내에서 가변하게 되므로 보다 안정적인 동작을 수행하게 되며, 저속 및 고속 구간에서의 동작 특성을 안정적으로 설계 할 수 있다. 한편, 위치제어기는 비례제어기로 구성하고, 속도에 따라 가변제어이득을 적용함으로써, 고속의 감속구간에서 부드러운 감속이 가능하며, 저속의 가감속 영역에서는 빠르게 동작하도록 하였다.
대상 데이터
- 스테핑 전동기의 제어기는 TI사의 TMS320F2811을 사용하여 제작하였으며, 전류는 2상의 전류를 각각 션트저항을 통하여 전압으로 변환하고, 이를 DSC 내부의 고속 12비트 ADC를 통하여 검출하였다. 인버터는 H-bridge 타입으로 고속 MOSFET를 사용하여 제작하였다. 위치지령 펄스 및 전동기의 위치펄스는 DSC의 QEP 모듈을 통하여 입력하고 있으며, 2500[ppr]의 엔코더로부터 스테핑 전동기의 회전위치와 실제 위치량을 검출한다.
성능/효과
- 그림 9(a)의 가속구간 실험결과에서도 그림 8과 같이 제안된 위치 제어기가 안정적으로 동작하는 것을 확인할 수 있다. 그림 9(b)의 감속구간에서는 위치지령 펄스가 정지한 후, 감속을 하다가 펄스오차가 경계 조건 내에 있지만, 실제 속도가 높아서 다이나믹 브레이크인 제 2 오픈루프 모드가 잠시 나타나고 있음을 보인다. 이후 위치오차가 음의 값으로 되어 폐루프 제어모드로 역회전이 되면서 음의 경계조건에서 오픈루프 제어모드에서 위치오차를 수렴하고 있음을 보이고 있다.
- 제안된 방식에서 별도의 메모리에 어드밴스 토크각도를 사용하는 것은, 속도와 위치가 지령값에 보다 빠르게 수렴하게 하는 장점을 가지며, 속도제어기의 낮은 제어이득에 대해서도 빠른 응답특성을 구현할 수 있는 특성이 있다. 또한, 위치오차에 대하여 높은 비례 이득 (Kppc)은 위치 오차의 수렴을 빠르게 하지만, 위치지령 펄스가 정지 하였을때 , 감속구간이 너무 짧아서 역회전을 하는 문제가 발생하게 되므로 이를 보완하기 위하여 속도에 따라 비례 이득이 감소하는 가변게인을 적용하였다.
- 제안된 토크각을 이용한 위치제어기는 저속 및 고속 구간에서 안정적으로 위치 지령을 추종하며, 위치오차를 영으로 수렴하는 것을 확인하였다.
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