[논문]피드포워드 제어를 이용한 위상차 보정 속도리플 제어기의 설계

태원형; 김정한; 심종엽; 오정석; 송준엽

doi:10.7736/kspe.2014.31.8.705

[국내논문] 피드포워드 제어를 이용한 위상차 보정 속도리플 제어기의 설계
Design of Velocity Ripple Controller using Phase Compensation Feedforward Control 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.8, 2014년, pp.705 - 713

태원형 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 김정한 (서울과학기술대학교 기계시스템디자인공학과) , 심종엽 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 오정석 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부) , 송준엽 (한국기계연구원 첨단생산장비연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a novel velocity ripple controller using phase compensation feedforward control. Velocity ripples result in many kinds of performance degradations in manufacturing machines, especially such as ultra-precision roll lathes. The generation of velocity ripple in constant velocity control comes from various causes, such as electrical torque ripples, mechanical worn out, inconsistent mass center, etc. Conventional researches about ripple is mainly for reducing torque ripple in actuator level, which is only one of reasons for velocity ripples, so in this study, we focus on eliminating velocity ripples in upper level controller using phase compensation feedforward controller. The proposed algorithm is composed of several modules, such as ripple extractor, phase adjuster and phase follower etc. The suggested algorithm can be easily extended, and it shows a superior performance in the experiments of ultra-precision roll lathes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 서보 모터 시스템에서 모터 정속 구동 시 발생하는 변동하는 주파수 속도리플을 상위제어기에서 피드포워드 제어를 통해 줄이는 알고리듬을 제안하였다.

가설 설정

그림과 같은 처짐이 발생했을 때 부하에는 단순하게 처짐에 의한 원심력과 그에 반대로 복원력인 탄성력만 작용한다고 가정한다. e는 처짐에 의한 회전중심과 부하의 무게중심 편차, Ψ는 부하의 각 변위 Ω는 부하의 회전속도이다.
준비단계에서 속도리플 추출기의 설계를 통해 해당 속도리플을 추출했다고 가정하였고 0~1초는 Step1, 1~2초는 Step2로 최종보상신호의 게인은 1, 시스템의 위상지연은 없다고 가정하였다. Step1과정은 그림에서 생략하였다.

제안 방법

본 논문에서는 발생 토크의 리플에만 초점을 맞춘 기존 연구와는 관점을 달리하여, 주기적인 속도 리플의 제거에 집중하며, 전기적인 원인의 리플 뿐만 아니라, 장비의 기계적 원인에 의해 발생되는 속도 리플 또한 같이 제거하는 것을 목표로 하였으며 또한 추가적인 하드웨어의 구성이나 변경 없이 일반 상용제어기에 Feedforward 제어방식^3,7,8-10,14을 사용하여 상위제어기에서 구현함으로써 보다 유연하고 적용이 편리하도록 설계하였다.
상기한 식 (10), (12), (17)에서 정리된 바와 같이 모터에서 발생하는 토크리플, 기계적인 정적 및 동적 토크리플 등은 모두 정현파로 모델링될 수 있으므로, 본 논문에서는 리플을 기본적으로 정현파로 모델링하고, 핵심 파라미터를 분석하여 상위 제어기에서 단계적으로 제어하는 피드포워드 리플 제어기를 설계하였다.
본 연구에서 제안한 리플보상 알고리듬은 Fig.4의 상단 박스에 표현된 바와 같이 속도 리플 추출기, 주파수 및 위상 검출기, 위상 조절기, 위상 추종기로 구성되어 있으며, 알고리듬의 적용은 준비 단계, Step1, Step2의 과정으로 진행 된다.
제안된 알고리듬을 구성하기 위한 핵심 파라미터는 속도 리플의 핵심 주파수와 위상, 속도리플의 크기, 최종 보상신호의 게인, 그리고 시스템의 위상지연이다.
이를 위해서 준비단계에서 모터를 실제 정속 구동해 실제 속도 원본 데이터를 수집하고 FFT분석을 수행하여 속도리플의 핵심주파수를 파악한 뒤 밴드패스필터를 설계한다.
5는 속도리플의 파라미터를 측정하는 과정으로 속도리플의 크기는 안정화 시간을 둔 뒤 일정 구간의 속도리플의 최대, 최소 크기를 수집하여 평균값으로 정한다. 속도리플의 주파수와 위상은 제로 크로스 포인트(Zero cross point)를 기준으로 측정하며 크기 측정과 같이 일정 구간의 값을 평균으로 하여 사용한다. 이때 측정된 속도리플의 크기는 위상 추종기의 동작 기준이 된다.
이 문제점을 해결하기 위해서 위상제어 방식을 사용하여 실시간 위상 추종기를 제안하였다. Fig.
제어기는 Delta TAU사의 UMAC사용하였고 제어대상인 롤 가공기의 스핀들 유닛은 콜모르겐사의 모터와 모터드라이버로 구성하였다. 설계된 알고리듬은 UMAC의 오픈서보(Open servo) 기능을 통해 구현하였다.
5kHz이고 데이터는 비교를 위해 알고리듬의 적용 전, 후에 대하여 각 rpm에서 5초 동안 속도와 위치오차 데이터를 수집하였다. 기본적인 모터의 구동은 UMAC의 Jog 명령을 이용하였으며 모터가 등속구간에 도달하면 안정화 시간을 준 후에 알고리듬을 적용하였다. 알고리듬의 적용은 실제 알고리듬 구동 전 사전 작업을 통해 시스템의 위상지연, 속도리플의 핵심 주파수, 최종보상 신호의 게인을 측정한 뒤 최종 보상신호를 만들기 위해 속도리플을 이용해 파라미터를 측정하는 step1과 최종보상신호를 적용한 후 나타나는 주파수 변화나 위상의 변화를 보상하는 step2로 나누어 적용하였다.
기본적인 모터의 구동은 UMAC의 Jog 명령을 이용하였으며 모터가 등속구간에 도달하면 안정화 시간을 준 후에 알고리듬을 적용하였다. 알고리듬의 적용은 실제 알고리듬 구동 전 사전 작업을 통해 시스템의 위상지연, 속도리플의 핵심 주파수, 최종보상 신호의 게인을 측정한 뒤 최종 보상신호를 만들기 위해 속도리플을 이용해 파라미터를 측정하는 step1과 최종보상신호를 적용한 후 나타나는 주파수 변화나 위상의 변화를 보상하는 step2로 나누어 적용하였다.
본 연구에서는 모터뿐 아니라 부하, 베어링등 시스템에서 일반적으로 발생하는 속도리플에 대하여 주파수별로 시스템의 위상지연을 사전에 측정하여 각 rpm별로 정확한 보상이 되도록 해주었다. 또한 미세하게 변동하는 리플의 특성상 이를 실시간으로 측정하여 자동으로 위상변동을 추적하여 보정하는 위상 추종기를 제안하였다.
본 연구에서는 모터뿐 아니라 부하, 베어링등 시스템에서 일반적으로 발생하는 속도리플에 대하여 주파수별로 시스템의 위상지연을 사전에 측정하여 각 rpm별로 정확한 보상이 되도록 해주었다. 또한 미세하게 변동하는 리플의 특성상 이를 실시간으로 측정하여 자동으로 위상변동을 추적하여 보정하는 위상 추종기를 제안하였다.
제안한 알고리듬은 상위제어기에 프로그램으로 구현되어 시스템 특성에 따른 수정이 간편하고 몇 가지 파라미터 입력만으로 각 시스템에 최적화 시켜 적용할 수 있다. 또한 실험을 통해 모든 리플 주파수에 45%이상을 높은 속도리플 감소율을 보이는 것을 확인 하였다.

대상 데이터

제안된 알고리듬을 검증하기 위해서 Matlab을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 데이터는 각각 20Hz와 100Hz의 속도리플로 실제 리플과 비슷한 환경에서 실험하기 위해 속도리플의 주파수가 최대 +0.5Hz까지 변하였다가 원래대로 되돌아 오도록 외란을 주었다.
최종 보상신호를 생성하기 위한 파라미터는 Step1을 통해 구해진 주기 56ms와 사전 실험을 통해 구해진 최종 보상신호 게인30000, 위상지연+100°(시스템의 위상은 280°)이다.
실제 장비의 적용 실험은 장비의 FFT분석결과 10rpm과 300rpm에서 진행하였다. 제어기의 제어주파수는 약 4.5kHz이고 데이터는 비교를 위해 알고리듬의 적용 전, 후에 대하여 각 rpm에서 5초 동안 속도와 위치오차 데이터를 수집하였다. 기본적인 모터의 구동은 UMAC의 Jog 명령을 이용하였으며 모터가 등속구간에 도달하면 안정화 시간을 준 후에 알고리듬을 적용하였다.
제어기는 Delta TAU사의 UMAC사용하였고 제어대상인 롤 가공기의 스핀들 유닛은 콜모르겐사의 모터와 모터드라이버로 구성하였다. 설계된 알고리듬은 UMAC의 오픈서보(Open servo) 기능을 통해 구현하였다.

이론/모형

제안된 알고리듬을 검증하기 위해서 Matlab을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 데이터는 각각 20Hz와 100Hz의 속도리플로 실제 리플과 비슷한 환경에서 실험하기 위해 속도리플의 주파수가 최대 +0.

성능/효과

이상적인 경우 최종 보상신호를 생성해 속도리플과 정확히 180° 위상 차이를 이루도록 출력해주면 속도리플을 감소시킬 수 있다.
8, 9의 그림과 같이 리플이 크게 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 또한 위상 추종 알고리듬(Phase follower)을 적용하여 리플의 크기가 일정 이상 커지면 보상신호의 위상을 재조정해 리플 감소율이 유지 되는 것을 확인할 수 있다.
최종 보상신호를 생성하기 위한 파라미터는 주기 약 201ms, 최종보상신호 게인과 위상 지연은 10000, 50°(시스템 위상은 230°)이다. 측정된 파라미터를 이용하여 보상 신호를 적용하면 Fig. 15와 같이 리플이 크게 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. Fig.
제안한 알고리듬은 상위제어기에 프로그램으로 구현되어 시스템 특성에 따른 수정이 간편하고 몇 가지 파라미터 입력만으로 각 시스템에 최적화 시켜 적용할 수 있다. 또한 실험을 통해 모든 리플 주파수에 45%이상을 높은 속도리플 감소율을 보이는 것을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	리플의 전기적인 발생 원인 중 모터 구조에 의한 발생 원인으로는 어떤 것들이 있는가?	리플의 전기적인 발생원인은 모터 구조에 의한 것과 모터 드라이버의 전류제어 불완전성에 의한 것으로 나뉜다. 모터 구조에 의한 발생원인은 회전자인 영구자석의 비대칭성, 고정자인 코일의 저항 값의 차이, 회전자와 고정자의 철심 코어 사이의 상호작용 때문에 발생하는 코깅토크등이 있고 모터 드라이버의 전류제어 불완전성에 의한 발생 원인은 제어기의 비선형성, 상전류의 크기 차이, 전류 오프셋 등이 있다.11,12
	리플의 전기적인 발생 원인은 무엇으로 나뉘는가?	리플의 전기적인 발생원인은 모터 구조에 의한 것과 모터 드라이버의 전류제어 불완전성에 의한 것으로 나뉜다. 모터 구조에 의한 발생원인은 회전자인 영구자석의 비대칭성, 고정자인 코일의 저항 값의 차이, 회전자와 고정자의 철심 코어 사이의 상호작용 때문에 발생하는 코깅토크등이 있고 모터 드라이버의 전류제어 불완전성에 의한 발생 원인은 제어기의 비선형성, 상전류의 크기 차이, 전류 오프셋 등이 있다.
	모터 정속 구동시에 발생하는 속도리플은 토크리플과 어떤 관계인가?	모터 정속 구동시에 발생하는 속도리플은 토크리플과 적분관계에 있으며, 일반적으로 많이 연구되고 있는 액추에이터 레벨에서의 토크리플 뿐 아니라 기구적인 원인에 의해서도 발생한다. 이러한 기구적인 요인 때문에 모터에서의 토크리플을 모두 제거하여도 기계적인 요인에 의한 리플은 여전히 남아 정속 구동시 속도리플의 형태로 나타나게 된다.

참고문헌 (15)

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Yang, B. S., "Vibration of Rotary Machine," Intervision Pub., 2002.

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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].

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