[논문]가변이득 PI 제어기를 이용한 BLDC 모터의 속도제어

윤시영; 이주

doi:10.5370/kiee.2013.62.9.1234

가변이득 PI 제어기를 이용한 BLDC 모터의 속도제어
Speed Control of Permanent Magnet Brushless DC Motor using Variable Gain PI Controller 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.9, 2013년, pp.1234 - 1239

윤시영 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University) , 이주 (Dept. of Electrical Engineering, Hanyang University)

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This paper provides a technical review of speed control using variable gain PI algorithm for BLDC(Brushless DC) motor. Usually the PI control is used in many motor applications, but a general PI control has problems of overshooting and disturbance for response. By the change of PI gain in motor control operation, these problems can be solved. To find the optimized PI gains for BLDC motor control, many control methods have been proposed. In this paper, the control algorithm with a variable PI gain is applied to improve overshooting response in transient region and rapid load disturbance rejection. Fixed gain and variable gain PI controls are compared. The validity of the propose method is verified by experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 적용이 비교적 쉬운 가변이득 PI 제어기를 사용하여 BLDC 모터의 속도제어를 수행한다. 기동 시의 오버슈팅과 외란에 대한 현상을 파악하고 제어이득의 변화에 따른 출력 응답 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 BLDC 모터에 대한 가변이득 PI 제어기의 적용 가능성을 확인하도록 한다.
본 논문에서는 BLDC 모터의 향상된 속도제어를 위해 가변이득 PI 제어기의 적용을 제안하고 이득에 따른 응답특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 가변이득 제어기가 고정이득 제어기 보다 모터의 동작 시에 발생하는 오버슈팅과 외란에 강한 특성과 안정된 성능을 가지고 있음을 확인할 수 있었다.

제안 방법

이것은 과도구간에서 이득 값이 어떻게 형성되는 가에 따라 다른 속도 변동성을 가지는 것을 나타내는 것으로 모터의 운전 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 예측할 수 있다. 따라서 여러 형태를 가진 구간이득 값에 대해 과도구간에서의 시뮬레이션을 통해 각각의 응답특성을 파악한다.
본 논문에서는 가변이득 제어기의 동적특성을 고정이득 제어기와 비교하여 수행하였으며 각각에 대해 시뮬레이션과 실험으로 두 제어기의 응답 특성의 차이점을 분석한다. 식 (5)에 있는 비례이득 값(K_p)과 적분시간상수(T)를 변경하여 각각의 경우에 대해 시뮬레이션을 수행한다.
본 논문에서는 적용이 비교적 쉬운 가변이득 PI 제어기를 사용하여 BLDC 모터의 속도제어를 수행한다. 기동 시의 오버슈팅과 외란에 대한 현상을 파악하고 제어이득의 변화에 따른 출력 응답 특성을 시뮬레이션과 실험을 통해 BLDC 모터에 대한 가변이득 PI 제어기의 적용 가능성을 확인하도록 한다.
본 논문에서는 초기 기동 시 오버슈트가 발생하지 않고 외란에 빠르게 반응할 수 있도록 하기 위해서 비례이득 값 (K_p )의 초기치를 20로 하고 최종값을 50으로 선정하여 가변이득 제어기를 모의 구현한다.
본 논문의 실험에서는 가변제어이득 값을 오버슈트와 정착시간을 고려하여 시뮬레이션과 같은 초기값 20과 최종값 50으로 하여 부하운전 시의 속도응답을 측정하였다. 가변제어이득을 적용한 실험에서 기동 시 PO 값은 2.
가변이득을 나타내는 그림 9에서는 이득 값의 변경 범위를 20에서 50으로 하고 과도구간에서는 n=2인 polynomial curve를 이용하여 속도응답 특성을 구하였다. 실험에서는 지령속도를 3,000[rpm]으로 하고 4초에서 6초 사이에 부하 토크를 1.5[Nm]를 인가하여 외란에 대한 속도응답 특성을 구하였다.
과도현상과 외란의 조건하에서 최적의 응답특성을 가질 수 있도록 이득값을 선정하는데 PO값을 이용할 수 있다. 즉, 초기 기동 시에는 오버슈트가 발생하지 않는 이득값을 취하고 외란 시에는 빠른 응답특성을 가지도록 하는 이득값을 선정하도록 한다.

성능/효과

시뮬레이션과 실험을 통해 가변이득 제어기가 고정이득 제어기 보다 모터의 동작 시에 발생하는 오버슈팅과 외란에 강한 특성과 안정된 성능을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 과도상태에서의 제어이득 궤적 파형에 따라 속도응답 특성이 매우 크게 차이가 나는 것을 파악할 수 있었다. 가변이득 제어를 통해 고정이득 제어에서는 가질 수 없는 강인한 제어효과를 간단한 방법을 통해 얻을 수 있었으며 이러한 가변이득 제어기는 정지 시 진동의 최소화를 필요로 하는 위치제어 분야에서 그리고 최적화된 이득을 얻기 위한 방법적인 부분에서도 계속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
그림 5의 시뮬레이션과 그림 8의 실제 실험에서의 오버슈트와 정착시간 특성은 다소간의 차이를 보인다. 시뮬레이션과 실험결과에 나타난 정착시간의 차이는 모터 파라미터의 부정확성과 기계적 손실, 관성의 영향 등의 오차에 기인한 것으로 판단된다. 표 3에서 보면 시뮬레이션에서처럼 실험에서도 초기 기동 시에 제어이득 값에 따라 속도응답의 오버슈트가 크게 변동되어 나타나고 있으며 외란에 대한 특성 또한 제어이득 값에 따라 확연한 차이를 보이고 있다.
본 논문에서는 BLDC 모터의 향상된 속도제어를 위해 가변이득 PI 제어기의 적용을 제안하고 이득에 따른 응답특성을 비교 분석하였다. 시뮬레이션과 실험을 통해 가변이득 제어기가 고정이득 제어기 보다 모터의 동작 시에 발생하는 오버슈팅과 외란에 강한 특성과 안정된 성능을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 과도상태에서의 제어이득 궤적 파형에 따라 속도응답 특성이 매우 크게 차이가 나는 것을 파악할 수 있었다.

후속연구

또한 과도상태에서의 제어이득 궤적 파형에 따라 속도응답 특성이 매우 크게 차이가 나는 것을 파악할 수 있었다. 가변이득 제어를 통해 고정이득 제어에서는 가질 수 없는 강인한 제어효과를 간단한 방법을 통해 얻을 수 있었으며 이러한 가변이득 제어기는 정지 시 진동의 최소화를 필요로 하는 위치제어 분야에서 그리고 최적화된 이득을 얻기 위한 방법적인 부분에서도 계속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	여러 가지 제어이론을 적절하게 혼합하여 사용하는 기법의 예시는 무엇인가?	현재에는 여러 가지 제어이론을 적절하게 혼합하여 사용하는 기법들이 많이 발표되고 있다. 예로 들면 가변이득 PID 제어기, 적응 PID 제어기, 적응 가변 구조 제어기, 적응 퍼지 제어기, 퍼지 적응 가변 구조 제어기 및 지능제어 등이 있다.
	BLDC 모터의 장점은 무엇인가?	오랫동안 산업계에서 사용해 온 DC 모터는 효율 및 동작 성능 면에서 우수성을 가지고 있지만 브러시와 정류자의 존재로 인해 한계수명이 발생하여 그 수요가 점차 영구자석형 모터로 대체되고 있다. 영구자석형 동기모터 중 하나인 BLDC(Brushless DC) 모터는 고효율, 고토크 및 작은 체적을 가지고 있어 산업분야에서 동력용과 서보제어용으로 많이 사용되고 있다. 제어에 대한 넓은 속도범위와 작은 관성으로 인하여 짧은 동작구간에서의 급가감속이 가능한 점 그리고 제어구조가 간단하다는 점은 BLDC 모터가 서보모터 로서의 최적의 조건을 가지고 있음을 보여주고 있다[1].
	선형제어기의 종류는 무엇이 있는가?	이러한 BLDC 모터의 속도제어나 위치제어를 위해 간단한 알고리즘부터 진보적 기법을 가진 이론들 까지 많은 종류의 제어기법이 사용되고 있다. 선형제어기로는 PI 제어기, PD 제어기, PID 제어기, 선형 최적제어기, 선형모델 추종제어기 등이 있으며 여러 제어 방식 중 간단한 구조와 쉬운 적용 때문에 현재까지도 모터제어에 PI(Proportional Integral) 제어가 가장 보편화되어 있다. 그러나 일반적인 PI 제어는 비선형적인 제어가 필요한 부분에서 오차가 발생된다는 점과 오버슈팅(overshooting), 느린 정착시간(settling time) 등의 적용상에 있어서 여러 문제점을 가지고 있다[2].

참고문헌 (6)

N. Ravi, S. Ekram, and D. Mahajan, "Design and Development of a In-Wheel Brushless D.C. Motor Drive for an Electric Scooter", Power Electronics, Drives and Energy Systems, 2006. PEDES '06. International Conference on, 2006
Cheng-Tsung Lin, Chung-Wen Hung and Chih-Wen Liu, "Fuzzy PI controller for BLDC motors considering Variable Sampling Effect", IEEE Industrial Electronics Society (IECON). Nov. 5-8, Taipei, Taiwan. 2007.
N. Hemati, J. S. Thorp, and M. C. Leu, "Robust nonlinear control of Brushless dc motors for direct-drive robotic applications", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 37, pp. 460-468, Dec 1990.

상세보기
P. M. Pelczewski and U. H. Kunz, "The optimal control of a constrained drive system with brushless dc motor", IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 37, pp. 342-348, Oct. 1990.

상세보기
LU. Y. S. and CHEN. J. S., "A self-organizing fuzzy sliding-mode controller design for a class of nonlinear servo system", IEEE Trans.,IE-41, pp492-502, 1994.
K. Ang, G. Chong, and Y. Li, "PID control system analysis, design, and technology", IEEE Trans. Control System Technology, vol. 13, pp. 559-576, July 2005.

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