본 논문은 DSP 제어기와 IGBT 구동기를 이용하는 조립과 공급의 자동처리를 위한 BLDC서보 모터제어시스템 설계를 제안한다. 조립, 공급 자동처리 시스템은 다양한 동작을 위해 서보모터의 토크, 속도, 위치 제어를 필요로한다. 본 논문은 이러한 서보제어를 벡터제어와 공간벡터 PWM 기법을 이용하여 구현한다. 제어기의 CPU 로서 PWM 파형발생기, A/D 컨버터, SPI 통신 포트 및 많은 입/출력 포트를 갖는 TMS320F240 DSP를 채택하였다. 이 제어시스템은 메인 호스트 PC 가 위로부터의 명령을 전달하고 끝단의 서보제어기의 상태들을 모니터링하는 세 개의 부 DSP시스템을 관리하는 3레벨의 계층적 구조로 이루어져 있다. 각 부 DSP 시스템은 DSP와 IPM을 사용하여 BLDC 서보모터를 제어하는 8개의 BLDC 서보모터제어부를 운영한다. 호스트 시스템과 중간의 DSP는 RS-422을 이용하여 통신하며, 주프로세서와 제어기는 SPI 포트를 이용하여 통신한다.
본 논문은 DSP 제어기와 IGBT 구동기를 이용하는 조립과 공급의 자동처리를 위한 BLDC 서보 모터 제어시스템 설계를 제안한다. 조립, 공급 자동처리 시스템은 다양한 동작을 위해 서보모터의 토크, 속도, 위치 제어를 필요로한다. 본 논문은 이러한 서보제어를 벡터제어와 공간벡터 PWM 기법을 이용하여 구현한다. 제어기의 CPU 로서 PWM 파형발생기, A/D 컨버터, SPI 통신 포트 및 많은 입/출력 포트를 갖는 TMS320F240 DSP를 채택하였다. 이 제어시스템은 메인 호스트 PC 가 위로부터의 명령을 전달하고 끝단의 서보제어기의 상태들을 모니터링하는 세 개의 부 DSP시스템을 관리하는 3레벨의 계층적 구조로 이루어져 있다. 각 부 DSP 시스템은 DSP와 IPM을 사용하여 BLDC 서보모터를 제어하는 8개의 BLDC 서보모터제어부를 운영한다. 호스트 시스템과 중간의 DSP는 RS-422을 이용하여 통신하며, 주프로세서와 제어기는 SPI 포트를 이용하여 통신한다.
This paper presents a design of a BLDC servo motor control system for the auto process of assembly and supply using DSP(Digital Signal Processor) controller and IGBT driver. The assembly and supply auto processing system needs torque, speed, position control of servo motor for variable action. This ...
This paper presents a design of a BLDC servo motor control system for the auto process of assembly and supply using DSP(Digital Signal Processor) controller and IGBT driver. The assembly and supply auto processing system needs torque, speed, position control of servo motor for variable action. This paper implements those servo control with vector control and space vector PWM(Pulse Width Modulation) technique. As CPU of controller, TMS320F240 DSP was adopted because it has PWM waveform generator, A/D converter, SPI(Serial Peripheral Interface) port and many input/output port etc. This control system consists of 3-level hierarchy structure that main host PC manages three sub DSP system which transfer downward command and are monitoring the states of end servo controllers. Each sub DSP system operates eight BLDC servo controllers which control BLDC motor using DSP and IPM. Between host system and sub DSP communicate with RS-422, between main processor and controller communicate with SPI port.
This paper presents a design of a BLDC servo motor control system for the auto process of assembly and supply using DSP(Digital Signal Processor) controller and IGBT driver. The assembly and supply auto processing system needs torque, speed, position control of servo motor for variable action. This paper implements those servo control with vector control and space vector PWM(Pulse Width Modulation) technique. As CPU of controller, TMS320F240 DSP was adopted because it has PWM waveform generator, A/D converter, SPI(Serial Peripheral Interface) port and many input/output port etc. This control system consists of 3-level hierarchy structure that main host PC manages three sub DSP system which transfer downward command and are monitoring the states of end servo controllers. Each sub DSP system operates eight BLDC servo controllers which control BLDC motor using DSP and IPM. Between host system and sub DSP communicate with RS-422, between main processor and controller communicate with SPI port.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
자동조립 및 공급시스템은 일반적으로 여러 개의 기계적인 장치와 구동장치 그리고 센서시스템이 연결되어 각각 또는 동시에 동작하는 복합 시스템이라고도 할 수 있다. 이러한 자동화시스템은 보편적으로 공장라인에 많이 설치되지만 본 응용에서는 이동 중 차량 내에서 포탄을 자동으로 조립하고 정지 상태에서 탄을 밀어주는 고 신뢰성 정밀 이송 장치를 위해 설계되었다. 이러한 정밀 이송 시스템의 액츄에이터로 교류 전동기의 한 종류인 BLDC(Brushless Direct Current) 전동기를 사용하는 것이 현대의 추세이다.
제안 방법
넷째, IPM을 이용하여 회생제동이 가능한BLDC 전동기의 구동 드라이브를 설계하였다. 그리고 RS-422를 통하여 호스트PC시스템의 명령을 주프로세서에 전달하고, 주프로세서로부터 SPI 통신을 이용하여 서보명령을 전달받아 BLDC 전동기를 구동하는 제어프로세서 등 3단계 구조의 제어기를 이용하여 자동화 서보 시스템을 구현하였다.
본 연구는 BLDC 구동 전용의 16비트 프로세서인 TMS320F240 DSP를 이용하여 BLDC 다축 서보 제어시스템 제어기를 설계하였고, 어셈블리어로 전류, 속도, 위치 제어프로그램을 작성하였다. 그리고 공간전압 벡터 방식을 구현하는 인버터들을 소형경량화 하기 위해 IPM(Intelligent Power Module)을 이용하여 구성하였다. 벡터제어 및 현대의 PI 제어기법을 사용하여 주어진 시간 내에 정현파형 BLDC 전동기의 전류, 속도, 위치제어를 실현하였다.
그림1의 전체 제어 블럭도에서 보는 것과 같이 위치제어기에서는 수정된 PI 제어기를 사용하였고, 속도제어기에서는 PDFF(Pseudo-Derivative Control with Feedforward) 제어기를 사용하여 오버슈트 제거 노력을 수행하였다. d축 및 q축의 전류제어기에는 고전적인 PI 제어기를 사용하였다.
셋째, 부동 소수점 연산을 못하는 TMS320F240의 고정소수점 표현 단점을 Q8, Q12 형태를 이용하여 보완하였으며, 어셈블리어로 제어 프로그램을 작성하여 주어진 시간 내에 전류, 속 도및 위치제어를 실현하였다. 넷째, IPM을 이용하여 회생제동이 가능한BLDC 전동기의 구동 드라이브를 설계하였다. 그리고 RS-422를 통하여 호스트PC시스템의 명령을 주프로세서에 전달하고, 주프로세서로부터 SPI 통신을 이용하여 서보명령을 전달받아 BLDC 전동기를 구동하는 제어프로세서 등 3단계 구조의 제어기를 이용하여 자동화 서보 시스템을 구현하였다.
첫째, 주프로세서와 제어프로세서 모두 TMS320F240 DSP를 사용 하였고, DSP에서 제공하는 SPI 통신을 통하여 다수의 서보 제어시스템을 구현하였다. 둘째, 벡터제어 및 공간전압벡터 알고리즘을 실현하였으며, 3상 대칭 PWM 변조 법을 소프트웨어로 구현하였다. 셋째, 부동 소수점 연산을 못하는 TMS320F240의 고정소수점 표현 단점을 Q8, Q12 형태를 이용하여 보완하였으며, 어셈블리어로 제어 프로그램을 작성하여 주어진 시간 내에 전류, 속 도및 위치제어를 실현하였다.
벡터제어 및 현대의 PI 제어기법을 사용하여 주어진 시간 내에 정현파형 BLDC 전동기의 전류, 속도, 위치제어를 실현하였다. 또한, RS-422 및 SPI 통신을 이용하여 상위 제어기로부터 지령을 받아 동작하는 다축 이송 시스템을 실현하였다.
먼저 3상의 전압, 전류, 자계 변수를 단상의 변수로 바꾸어주는 벡터제어기법을 이용하여 BLDC 전동기의 전압방정식 및 토크 식을 유도하였다.
그리고 공간전압 벡터 방식을 구현하는 인버터들을 소형경량화 하기 위해 IPM(Intelligent Power Module)을 이용하여 구성하였다. 벡터제어 및 현대의 PI 제어기법을 사용하여 주어진 시간 내에 정현파형 BLDC 전동기의 전류, 속도, 위치제어를 실현하였다. 또한, RS-422 및 SPI 통신을 이용하여 상위 제어기로부터 지령을 받아 동작하는 다축 이송 시스템을 실현하였다.
본 응용시스템은 24개의 BLDC 전동기로 구성되며, 각 전동기 구동에 의해 잡기, 밀기, 당기기, 돌리기 등이 구현된다. 본 연구는 BLDC 구동 전용의 16비트 프로세서인 TMS320F240 DSP를 이용하여 BLDC 다축 서보 제어시스템 제어기를 설계하였고, 어셈블리어로 전류, 속도, 위치 제어프로그램을 작성하였다. 그리고 공간전압 벡터 방식을 구현하는 인버터들을 소형경량화 하기 위해 IPM(Intelligent Power Module)을 이용하여 구성하였다.
둘째, 벡터제어 및 공간전압벡터 알고리즘을 실현하였으며, 3상 대칭 PWM 변조 법을 소프트웨어로 구현하였다. 셋째, 부동 소수점 연산을 못하는 TMS320F240의 고정소수점 표현 단점을 Q8, Q12 형태를 이용하여 보완하였으며, 어셈블리어로 제어 프로그램을 작성하여 주어진 시간 내에 전류, 속 도및 위치제어를 실현하였다. 넷째, IPM을 이용하여 회생제동이 가능한BLDC 전동기의 구동 드라이브를 설계하였다.
본 논문의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 주프로세서와 제어프로세서 모두 TMS320F240 DSP를 사용 하였고, DSP에서 제공하는 SPI 통신을 통하여 다수의 서보 제어시스템을 구현하였다. 둘째, 벡터제어 및 공간전압벡터 알고리즘을 실현하였으며, 3상 대칭 PWM 변조 법을 소프트웨어로 구현하였다.
대상 데이터
본 응용시스템은 24개의 BLDC 전동기로 구성되며, 각 전동기 구동에 의해 잡기, 밀기, 당기기, 돌리기 등이 구현된다. 본 연구는 BLDC 구동 전용의 16비트 프로세서인 TMS320F240 DSP를 이용하여 BLDC 다축 서보 제어시스템 제어기를 설계하였고, 어셈블리어로 전류, 속도, 위치 제어프로그램을 작성하였다.
DSP(TMS320F240)를 중심으로 BLDC 전동기 각 상의 전류를 홀(Hall) 센서를 통하여 검출하는 회로, 절연 앰프를 이용하여 DC 링크 전압의 변동을 검출하는 회로, DC 링크 전압이 일정한 값 이상 되면 제동저항을 통해 에너지를 방출하는 회생제동회로, 전동기의 회전자와 내부적으로 결합되어 회전자의 절대위치를 알려주는 아날로그 교류출력 2상 브러시리스 레졸버, 그리고 이 출력을 인터페이스하고 디지털 정보화하는 RDC 회로, 전동기, IPM, 각종 소자의 보호를 위한 보호회로 등으로 구성되어 있다. 스위칭 소자인 IPM의 게이트를 구동하기 위한 PWM 펄스는 DSP 자체에서 제공하는 게이트구동 신호를 사용하였다.
이론/모형
주프로세서와 제어프로세서 사이의 통신은 DSP에서 제공하는 SPI 통신 방식을 사용하였다. SPI 통신은 DSP와 외부 장치 또는 다른 제어기와 통신을 위한 것으로 4개의 I/O 핀이 제공되며, Master/Slave 모드를 설정하여 쓸 수 있다.
성능/효과
논문의 주된 목적이 자동조립 및 공급을 위해 궤도 차량 내에 다수 장착되는 레졸버 궤환 BLDC 서보제어시스템을 현대의 마이크로프로세서인 DSP와 IPM 인버터를 통해 설계 구현하였다는 것과 그 구동을 실험을 통해 입증하였다는 것이다.
위치오차 그림은 위치제어가 시작되는 구간부터 위치 값이 계산되도록 하였으며, 각 시작점에서의 편차가 8회전(8x4096)이 넘음을 알 수 있다. 위치제어 결과 예상대로 정속구간이 연장된 형태의 실제 속도 궤적이 보여 지고 있으며, 제안된 위치제어 방법이 적용되고 있음을 보인다.
그림 11은 역방향 위치제어를 위해 사다리꼴 속도궤적이 300ms 까지 가속 800ms 까지 정속, 1100ms까지 감속 하는 속도궤적이 되도록 계산된 경우에 제안된 방법을 사용하는 실험 결과이다. 제안된 방법에서는 이전의 정속구간 끝인 800ms 지점에서 위치오차가 8회전 이상이 되어 정속구간이 연장되고, 8회전 미만의 위치오차가 되는830ms 지점부터 위치제어가 시작되나 이때의 속도 지령이 최대속도가 넘어 정속 구간의 속도로 제한되고 결국940ms 까지 정속을 유지하다 속도지령이 낮아짐에 따라 위치오차도 그 시점부터 지수함수적으로 감소하는 특성을 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
BLDC(Brushless Direct Current) 전동기의 장점은?
이러한 정밀 이송 시스템의 액츄에이터로 교류 전동기의 한 종류인 BLDC(Brushless Direct Current) 전동기를 사용하는 것이 현대의 추세이다. 이 전동기는 기존의 직류전동기로 인한 브러시(Brush)와 정류자(Commutator)에 의한 문제점을 전자적인 정류로 해결한 우수한 교류전동기로 단위체적당 효율이 높은 응용성이 큰 현대의 전동기이다.
조립, 공급 자동처리 시스템은 다양한 동작을 위해 무엇을 필요로 하는가?
본 논문은 DSP 제어기와 IGBT 구동기를 이용하는 조립과 공급의 자동처리를 위한 BLDC 서보 모터 제어시스템 설계를 제안한다. 조립, 공급 자동처리 시스템은 다양한 동작을 위해 서보모터의 토크, 속도, 위치 제어를 필요로한다. 본 논문은 이러한 서보제어를 벡터제어와 공간벡터 PWM 기법을 이용하여 구현한다.
자동조립 및 공급시스템이 보편적으로 설치되는 곳은?
자동조립 및 공급시스템은 일반적으로 여러 개의 기계적인 장치와 구동장치 그리고 센서시스템이 연결되어 각각 또는 동시에 동작하는 복합 시스템이라고도 할수 있다. 이러한 자동화시스템은 보편적으로 공장라인에 많이 설치되지만 본 응용에서는 이동 중 차량 내에서 포탄을 자동으로 조립하고 정지 상태에서 탄을 밀어주는 고 신뢰성 정밀 이송 장치를 위해 설계되었다. 이러한 정밀 이송 시스템의 액츄에이터로 교류 전동기의 한 종류인 BLDC(Brushless Direct Current) 전동기를 사용하는 것이 현대의 추세이다.
참고문헌 (4)
D.Y.Ohm, "A PDFF Controller for Tracking and Regulation in Motion Control," Proceeding of 18th PCIMConference, Oct.21-26, 1990.
TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide, Peripheral Library and Specific Devices, Texas Instruments, June 1999.
TMS320F/C24x DSP Controllers Reference Guide, CPU and Instruction Set, Texas Instruments, June 1999
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.