[논문]피드포워드를 이용한 속도리플 자동 보상 알고리즘

한지희; 김정한

doi:10.7736/kspe.2013.30.9.951

[국내논문] 피드포워드를 이용한 속도리플 자동 보상 알고리즘
Automatic Velocity Ripple Compensation Algorithm by Feedforward Control 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.9, 2013년, pp.951 - 959

한지희 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 김정한 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve the speed performance of the direct drive mechanical systems, a comprehensive analysis of the velocity ripples of blushless DC motors should be required. Every motor has a certain level of torque ripples when it generates power, and the generated torque ripple also makes the velocity ripples in the final output stage in speed control system. In this paper, a novel algorithm for reducing velocity ripples is proposed based on the modeling of torque ripples for BLDC motors. Various algorithms have been made for torque ripples, but usually they should be installed inside the amplifier logic, result in the difficulties of flexibility for various kinds of torque ripples. The proposed algorithm was developed for being ported in the controller not the amplifier, and it has the capability of the automatic compensation adjustment. The performance of the proposed algorithm was verified by effective simulations and experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 부하가 매우 작은 직접구동(direct drive) 방식의 BLDC 서보모터 시스템에서, 모터의 여자(commutation) 알고리듬과 전류제어루프와 관계없이, 위치제어기나 속도제어기와 같은 상위 제어단에서 직접적으로 속도 리플을 제거하기 위한 알고리듬을 개발하였다.
실제로 사용자가 관심이 있는 것은 토크가 아니라 출력 속도의 리플이므로, 본 연구에서는 직접적으로 속도리플을 줄이는 것을 목표로 하며, BLDC 모터의 토크리플 특성을 이용/확장하여 속도리플을 모델링하고, 이를 이용하여 위치에 따라 자동 계산되는 피드포워드 보상 제어항을 설계함으로써 고정밀 등속구동을 실현하였다. 또한, 상황의 변화에 따른 속도 리플의 크기가 변화하는 경우에도 이의 자동 보상 알고리즘을 제안하여 보다 빠르고 효율적으로 속도리플을 보상해주는 알고리듬을 설계 및 검증하였다.
기본적으로 모터에서 발생하는 토크는 코일에 흐르는 전류에 비례하므로, 본 연구에서는 전류의 리플식을 도출하여 토크 리플식을 모델링 하였다. 일반적인 BLDC 모터는 u, v, w의 3상을 이용하므로, 쌍극(pole pair)의 갯수를 n_p 이라 하면, 3상 BLDC 서보 모터의 상전류는 Fig.
리플의 크기는 모터의 종류 및 모델에 따라 달라지므로 그 크기를 예측하기 어렵고, 구동축에 하중을 싣게 되면 또 그 양이 변화되므로, 오차 없이 리플의 크기를 예측하는 데에는 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 빈도수를 이용한 초기 측정방법을 통하여 리플의 크기를 직접 측정 및 보상하는 방법을 제안하였다.
본 논문에서는 BLDC 서보모터의 속도리플을 모델링하여 피드포워드 제어를 통한 속도리플의 자동보상 알고리듬을 개발하였다. 다이렉트 드라이브 방식에서의 속도리플의 경우, 그 특성상 피드백제어로 보상하기가 쉽지 않으므로 제어기안에 내장할 수 있는 본 피드포워드 알고리듬을 사용하면, 상당한 크기로 속도리플을 감소시킬 수 있었다.

제안 방법

등이 있다. 구조적인 변경을 이용한 토크리플의 감소방법은 주로 모터 자석의 공간배치 설계, 모터구조의 대체설계, 공기베어링 설계, 모터 드라이버 추가 설계 등의 대책등을 통하여 구현하였다. 이러한 메커니즘은 시스템의 구조를 더욱 복잡하게 만들며 비용이 높아지는 단점이 가지고 있다.
실제로 사용자가 관심이 있는 것은 토크가 아니라 출력 속도의 리플이므로, 본 연구에서는 직접적으로 속도리플을 줄이는 것을 목표로 하며, BLDC 모터의 토크리플 특성을 이용/확장하여 속도리플을 모델링하고, 이를 이용하여 위치에 따라 자동 계산되는 피드포워드 보상 제어항을 설계함으로써 고정밀 등속구동을 실현하였다. 또한, 상황의 변화에 따른 속도 리플의 크기가 변화하는 경우에도 이의 자동 보상 알고리즘을 제안하여 보다 빠르고 효율적으로 속도리플을 보상해주는 알고리듬을 설계 및 검증하였다.
트랙킹 제어기에 주로 사용되는 피드포워드 제어기는 구동하는 프로파일에 따른 필요한 전류의 양을 미리 계산해 넣어주어 제어 성능을 향상시키기 위해 주로 사용한다. 본 연구에서는 회전자의 위치의 변화에 따라 미리 발생할 속도 리플을 계산하여, 이를 피드포워드 항을 통해 자동으로 보상하여주는 알고리즘을 구성하였다.
실제 BLDC모터를 무부하상태에서 저속으로 돌려가면서 속도 리플을 측정하였다. Fig.
5(a)와 같이 변화가 많고 유동적이라 순간적으로 측정하면 속도리플의 정확한 크기를 측정하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 측정 구간을 3개 구간으로 나누어 일단 최대 최소 값을 정확히 측정한 후 구간을 설정하고 빈도수를 측정하여 신뢰도 높은 속도리플의 크기를 얻는 방법을 개발하였다.
6은 측정된 속도리플 보상 알고리즘에 대한 블록 다이어그램이다. 최초 구동시에 3.2에서 제시한 방법으로 속도리플의 크기를 자동으로 측정하게 되는데, 3개 구간으로 이루어진 리플의 전체 측정시간은 발생하는 리플 주기의 8개 시간에 완성되도록 설계하였다.
7은 속도 20 rev/s 에서의 실제 속도 리플 측정 데이터를 토대로 MATLAB을 이용하여 속도리플 보상 시뮬레이션을 한 결과이다. 실제 실험 데이터에 앞서 모델링한 속도리플 식(14)과 주기 식(15)를 이용해 피드포워드 제어를 시뮬레이션 하였다. 속도리플의 크기가 현저히 감소함을 볼 수 있다.
9와 같이 모션 컨트롤과 분석 대상 장비에서 나오는 각종 데이터들을 처리하기 위해 제어보드(DSP28335)를 사용하였으며, 제어보드의 출력값을 D/A 컨버터를 이용해 서보팩(CSDH-02BA1)의 입력으로 사용하였다. 모터의 엔코더값인 피드백 신호는 시리얼 통신으로 서보팩으로 전송하여 정확한 데이터를 측정하였다.
구동 속도에 따라 리플의 주기, 크기가 변화하므로, 2 rev/s, 15 rev/s, 20 rev/s, 25 rev/s, 30 rev/s, 40 rev/s 속도로 구동을 한 후, 리플을 측정하고, 리플 자동 보상 알고리즘을 적용해 실험을 하였다. 실험은 7차프로파일로 구동하였으며, 그 중 등속구간만을 대상으로 하였다.
본 연구에서는 BLDC 서보모터의 특성과 회전 당 토크리플의 개수를 이용하여 속도리플을 모델링 하였다. 또한 빈도수를 이용한 속도리플의 크기 측정 알고리듬을 개발하여 속도리플의 크기, 주기를 자동으로 계산하여 속도리플을 즉시 제거 가능한 자동 보상 알고리즘을 구현하였다.
본 연구에서는 BLDC 서보모터의 특성과 회전 당 토크리플의 개수를 이용하여 속도리플을 모델링 하였다. 또한 빈도수를 이용한 속도리플의 크기 측정 알고리듬을 개발하여 속도리플의 크기, 주기를 자동으로 계산하여 속도리플을 즉시 제거 가능한 자동 보상 알고리즘을 구현하였다. 마지막으로 실험을 통하여 제안된 알고리듬이 다양한 속도에서 속도리플을 평균적으로 60% 이상 감소시킴을 확인하였다.

대상 데이터

실험 장비 구성은 Fig. 8과 같으며 구동부는 Tamagawa 사의 TS4607N1096E20 모터와 CONVEX 사의 CSDH-02BA1 서보팩 및 DSP28335 제어보드를 사용하여 구성하였다.
구동 속도에 따라 리플의 주기, 크기가 변화하므로, 2 rev/s, 15 rev/s, 20 rev/s, 25 rev/s, 30 rev/s, 40 rev/s 속도로 구동을 한 후, 리플을 측정하고, 리플 자동 보상 알고리즘을 적용해 실험을 하였다. 실험은 7차프로파일로 구동하였으며, 그 중 등속구간만을 대상으로 하였다.

성능/효과

본 연구에서 제안한 속도 리플 보상 알고리즘은 회전축의 위치에 따라 자동으로 출력을 생성하므로 제어기의 계산량에 큰 부담을 주지 않으며, 피드백 제어기와는 독립적으로 동작하며, 기본적으로 필요할 경우에만 동작하여 정밀 등속 구동을 가능하게 한다.
Table 3은 속도리플 보상 전, 후의 속도리플의 크기와 표준편차를 정리한 표이다. 결과적으로 속도리플의 표준편차가 47.5% 감소하였다.
12, 13은 각각 속도가 30 rev/s, 35 rev/s일 때의 결과이며, Table 5와 6은 각각의 속도리플 보상 전, 후의 속도리플의 크기와 표준편차를 나타낸 표이다. 결과적으로 속도리플의 표준편차가 약 71%, 53% 감소하였다.
Table 7은 각각의 속도에서의 리플의 크기와 감소를 전체적으로 정리한 것이다. 다양한 구동속도에서 본 알고리즘을 적용한 결과, 본 논문에서 제시하는 자동보상 알고리즘은 평균적으로 실험조건에서 속도리플을 약 60% 이상 보상할 수 있음을 알 수 있다.
본 논문에서는 BLDC 서보모터의 속도리플을 모델링하여 피드포워드 제어를 통한 속도리플의 자동보상 알고리듬을 개발하였다. 다이렉트 드라이브 방식에서의 속도리플의 경우, 그 특성상 피드백제어로 보상하기가 쉽지 않으므로 제어기안에 내장할 수 있는 본 피드포워드 알고리듬을 사용하면, 상당한 크기로 속도리플을 감소시킬 수 있었다.
또한 빈도수를 이용한 속도리플의 크기 측정 알고리듬을 개발하여 속도리플의 크기, 주기를 자동으로 계산하여 속도리플을 즉시 제거 가능한 자동 보상 알고리즘을 구현하였다. 마지막으로 실험을 통하여 제안된 알고리듬이 다양한 속도에서 속도리플을 평균적으로 60% 이상 감소시킴을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영구자석형 AC 서보모터의 장점은?	영구자석형 AC 서보모터는 브러쉬가 없는 (BrushLess) DC 모터라고도 불리우는데, 기계적인 유지보수가 필요하지 않고, 사이즈에 비하여 정격 용량이 크다는 장점들을 가지고 있다. 때문에 BLDC 서보모터는 산업용 기계, 가전기기, 의료장비, 반도체장비, 로봇, 공작기계 등 여러 가지 산업현장에서 널리 쓰이고 있다.
	구조적인 변경을 이용한 토크리플의 감소방법의 단점은?	구조적인 변경을 이용한 토크리플의 감소방법은 주로 모터 자석의 공간배치 설계, 모터구조의 대체설계, 공기베어링 설계, 모터 드라이버 추가 설계 등의 대책등을 통하여 구현하였다. 이러한 메커니즘은 시스템의 구조를 더욱 복잡하게 만들며 비용이 높아지는 단점이 가지고 있다.
	토크 리플을 줄이기 위한 연구는 무엇이 있는가?	토크 리플을 줄이기 위한 연구들에는, 모터의 내부 구조를 모델링하여 이에 따른 토크리플을 분석하고 이를 이용해 내부 모델의 구조를 변경시켜 이를 감소시키는 방법, 2-4 전류 또는 전압제어를 통해 모터의 여자(commutation)에서 생기는 토크리플을 감소시키는 연구, 5-8 별도 센서를 이용해 토크리플을 감소시키는 연구9 등이 있다. 구조적인 변경을 이용한 토크리플의 감소방법은 주로 모터 자석의 공간배치 설계, 모터구조의 대체설계, 공기베어링 설계, 모터 드라이버 추가 설계 등의 대책등을 통하여 구현하였다.

참고문헌 (13)

Kim, J. H., "Control of Linear Motor using DSP," Tong-Il Pub., pp. 213-221, 2003
Lee, D. H., "A Torque Ripple Reduction of Miniature BLDC using Instantaneous Voltage Control," Journal of The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 31, No. 1, pp. 18-25, 2007.

원문보기 상세보기
Kim, D. H., Choi, J. H., Son, C. W., and Baek, Y. S., "Theoretical analysis and experiments of axial flux pm motors with minimized cogging torque," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 23, No. 2, pp. 335-343, 2009.

원문보기 상세보기
Kwack, J. H. and Min, S. J., "Structural Optimization of Interor Permanent Magnet Motor for Torque Ripple Reduction Considering Speed Range," Proc. of KSAE Annual Conference, pp. 3045-3049, 2009.
Song, J. H., Jang, J. S., and Kim, B. T., "Reduction of Torque Ripple in a BLDC Motor Using an Improved Voltage Control," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 16, No. 2, pp. 145-150, 2010.

원문보기 상세보기
Won, T. H., Park, H. W., and Lee, M. H., "Torque Ripple Minimization of BLDC Motor including Flux- Weakening Region," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 8, No. 6, pp. 445-454, 2002.

원문보기 상세보기
Ziaeinejad, S., Sangsefidi, Y., and Shoulaie, A., "Analysis of commutation torque ripple of BLDC motors and a simple method for its reduction," Proc. of Analysis of commutation torque ripple of BLDC motors and a simple method for its reduction, pp. 1-6, 2011.
Lee, G. H., Choi, W. C., Kim, S. I., Kwon, S. O., and Hong, J. P., "Torque ripple minimization control of permanent magnet synchronous motors for EPS applications," International Journal of Automotive Technology, Vol. 12, No. 2, pp. 291-297, 2011.

원문보기 상세보기
Won, C. H., Song, J. H., and Choy, I., "Commutation torque ripple reduction in brushless DC motor drives using a single DC current sensor," IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 2, No. 2, pp. 312-319, 2004.
Atallah, K. and Wang, J., "Torque-Ripple Minimization in Modular Permanent-Magnet Brushless Machines," IEEE 33rd Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol. 19, No. 2, pp. 985-990, 2003.
Choi, Y. M., Gweon, D. G., and Lee, M. G., "Adaptive Force Ripple Compensation and Precision Tracking Control of High Precision Linear Motor System," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 22, No.12, pp. 51-60, 2005.
Kim, H. B., Lee, B. H., Han, S. O., and Huh, K. S., "Nonlinear Adaptive Control for Linear Motor through the Estimation of Friction Forces and Force Ripples," The Korean Society of Mechanical Engineers, Vol. 31, No. 31, pp. 18-25, 2007.

원문보기 상세보기
Jang, H. Y., "The compensation of Torque Ripple of Brushless DC Motor Using Feedforward Method," M.Sc. Thesis, Department of Mechanical Engineering, KAIST, 1997.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증