[논문]BLDC 모터의 토크리플을 줄이기 위한 외란 관측기 기반 제어기 설계에 관한 연구

장소현; 조남훈

doi:10.5370/kiee.2015.64.8.1217

[국내논문] BLDC 모터의 토크리플을 줄이기 위한 외란 관측기 기반 제어기 설계에 관한 연구
A Study on the Torque Ripple Reduction in Brushless DC Motors using Disturbance-Observer Controller 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.8, 2015년, pp.1217 - 1223

장소현 (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil Univerity) , 조남훈 (Dept. of Electrical Engineering, Soongsil Univerity)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we study the problem of torque ripple minimization in Brushless DC Motors (BLDC) and proposes a disturbance observer (DOB) based controller in order to efficiently reduce the torque ripple. In the DOB based control system, an equivalent disturbance (plant disturbance and effect of modelling error) is cancelled by its estimate. When the DOB controller is applied to BLDC motors, the effect of inverter switching is considered as an equivalent disturbance and to be cancelled by the DOB controller. Through computer simulations, it is shown that the performance of the proposed DOB controller is superior to that of the conventional PI controller. In the case where the numerical values of resistance and inductance are not known exactly, it is shown that the proposed DOB controller achieves better performance than the PI controller.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 BLDC 모터의 토크 리플을 효과적으로 감소시키기 위한 방법으로 외란관측기 기반 제어기 설계에 대한 연구를 수행한다. 인버터 스위칭에 영향을 받아 출력 전류에 리플이 포함되는데, 이를 고려하여 본 논문에서는 인버터 스위칭을 외란으로 간주하였다.
인버터 스위칭에 영향을 받아 출력 전류에 리플이 포함되는데, 이를 고려하여 본 논문에서는 인버터 스위칭을 외란으로 간주하였다. 따라서 전류의 리플을 감소시키기 위해서 외란의 영향을 최소화하는 전류 제어기를 설계하는 것을 목표로 한다. 또한, 고속 스위칭 주파수를 이용하지 않고 상대적으로 낮은 스위칭 주파수에서의 모의실험을 통하여 제안된 외란관측기 기반제어기가 토크리플을 줄이기 위해 고속 스위칭 주파수를 쓰지 않아도 우수한 제어 성능을 나타낸다는 것을 보인다.
본 논문에서는 BLDC 모터의 토크리플을 저감하기 위한 제어 방법으로 DOB 제어기가 효과적으로 사용될 수 있음을 보였다. BLDC 모터는 입력전류와 출력 토크가 비례하는 특성을 이용하여 토크를 직접 제어하는 대신에 전류를 제어하는 방법을 사용한다.

가설 설정

(i) PnC/(1+PnC)가 안정하다.

제안 방법

인버터 스위칭에 영향을 받아 출력 전류에 리플이 포함되는데, 이를 고려하여 본 논문에서는 인버터 스위칭을 외란으로 간주하였다. 따라서 전류의 리플을 감소시키기 위해서 외란의 영향을 최소화하는 전류 제어기를 설계하는 것을 목표로 한다.
따라서 토크리플을 감소시키기 위해 그림 3의 ∆im을 줄이는 것을 제어목적으로 정할 수 있다. 전류 리플은 인버터 스위칭에 의해서 주로 발생된다는 점에 착안하여, 본 논문에서는 인버터 스위칭을 외란으로 간주하였다. 따라서, 외란의 영향을 효과적으로 감소시킬 수 있는 DOB 제어기를 사용하면, 인버터의 영향을 최소화하여 전류의 리플을 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
본 장에서는 Matlab/Simulink을 이용한 모의실험을 통하여 외란 관측기 기반 제어기가 BLDC 모터의 토크리플 저감 제어에 우수한 성능을 가짐을 검증해 보도록 한다. 그림 5는 모의실험에 사용된 Matlab/Simulink 전체 구성도인데, 실제 실험상황과 유사한 모의실험을 위하여 전기 모델, 기계 모델, 토크 모델 뿐만 아니라 인버터 모델 등이 포함되어 있다.
제어기와 비교하였다. 객관적인 성능비교를 위하여 PI 제어기는 제안된 제어기와 유사한 대역폭(Bandwidth)을 갖도록 선정하였다. 그림 6은 제안된 DOB 제어기와 PI 제어기 (18)을 적용하였을 때의 개루프 진폭응답을 보여주고 있는데, 두 시스템의 개루프 교차주파수(Open loop crossover frequency)가 거의 유사함을 알 수 있다.
실제상황에서는 BLDC 모터의 전기자 저항과, 전기자 인덕턴스값이 공칭 값과 다른 경우가 대부분이기 때문에, 이를 고려하여 표 2와 같은 조건에서 모의실험을 수행하고 그 결과를 비교해 보았다. 표 2에서 fsw는 인버터 스위칭 주파수를 나타내며 # 는 모터의 실제 파라메터를 의미한다.
BLDC 모터는 입력전류와 출력 토크가 비례하는 특성을 이용하여 토크를 직접 제어하는 대신에 전류를 제어하는 방법을 사용한다. 제어기 설계시 인버터 스위칭을 외란으로 간주하였으며, 이러한 외란의 영향의 영향을 줄이기 위해서 외란관측기기반 제어기를 설계하였다. 컴퓨터 모의실험을 통하여 DOB 제어기가 기존 PI 제어기보다 우수한 토크리플 저감 성능을 가지고 있음을 보였다.

데이터처리

제안된 DOB 제어기의 제어성능은 산업계에서 주로 사용하는 PI 제어기와 비교하였다. 객관적인 성능비교를 위하여 PI 제어기는 제안된 제어기와 유사한 대역폭(Bandwidth)을 갖도록 선정하였다.

성능/효과

따라서 전류의 리플을 감소시키기 위해서 외란의 영향을 최소화하는 전류 제어기를 설계하는 것을 목표로 한다. 또한, 고속 스위칭 주파수를 이용하지 않고 상대적으로 낮은 스위칭 주파수에서의 모의실험을 통하여 제안된 외란관측기 기반제어기가 토크리플을 줄이기 위해 고속 스위칭 주파수를 쓰지 않아도 우수한 제어 성능을 나타낸다는 것을 보인다.
2) 시스템 출력은 공칭모델 pn에 의해 결정되고 불확실한 실제 플랜트 p의 영향을 받지 않는다.
따라서, PI 제어기 (18)과 제안된 DOB 제어기는 거의 유사한 폐 루프 대역폭을 갖게 된다는 것을 알 수 있다.
그림 7은 사례연구 1에 대한 모의실험 결과이다. 첫 번째 그림과 두 번째 그림은 PI제어기와 DOB 제어기를 적용했을 때의 상전류 파형인데, DOB 제어기를 사용했을 때 전류리플이 작아짐을 확인할 수 있다. 세 번째 그림은 두 제어기를 적용했을 때의 토크를 비교하고 있는데, DOB 제어기(빨간색)가 PI제어기(파란색)보다 리플을 작게 만들 수 있음을 알 수 있다.
제어기 설계시 인버터 스위칭을 외란으로 간주하였으며, 이러한 외란의 영향의 영향을 줄이기 위해서 외란관측기기반 제어기를 설계하였다. 컴퓨터 모의실험을 통하여 DOB 제어기가 기존 PI 제어기보다 우수한 토크리플 저감 성능을 가지고 있음을 보였다.

후속연구

지금까지 기술된 DOB 제어기의 특징들은 본 논문에서 고려하는 BLDC 모터의 토크리플 저감 제어에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 보인다. BLDC 모터는 입력전류와 출력 토크가 비례하는 특성을 이용하여 토크를 직접 제어하는 대신에 전류를 제어하는 방법이 많이 사용되고 있다.
전류 리플은 인버터 스위칭에 의해서 주로 발생된다는 점에 착안하여, 본 논문에서는 인버터 스위칭을 외란으로 간주하였다. 따라서, 외란의 영향을 효과적으로 감소시킬 수 있는 DOB 제어기를 사용하면, 인버터의 영향을 최소화하여 전류의 리플을 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 논문에서 고려하는 BLDC 모터의 공칭 파라미터는 표 1과 같다.

참고문헌 (12)

G.J. Su, J. Mckeever and K. Samons, “Design of a PM Brushless Motor Drive for Hybrid Electric Vehicle Application,” PCIM 2000, Boston, MA, pp. 35-43, 2000.
J. Fang, X. Zhou, and G. Liu, “Instantaneous torque control of small inductance brushless DC motor”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 27, no. 12, pp. 4952-4964, Dec. 2012.

상세보기
F. Aghili, “Fault-tolerant torque control of BLDC motors”, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 2, pp. 355-363, Feb. 2011.

상세보기
J. O. Krah and J. Holtz, “High-performance current regulation and efficient PWM implementation for low-inductance servo motors”, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 35, no. 5, pp. 1039-1049, Sep/Oct. 1999.

상세보기
S. J. Su and D. J. Adams. “Multilevel DC link inverter for brushless permanent magnet motors with very low inductance”, Industry Applications Conference, 2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting, Conference Record of the 2001 IEEE. vol. 2, pp. 829-834, Sep/Oct. 2001.
K. Kim, “Problems in recent application of inverters and its solution”, technical reports of Korean energy agency, 2003
Y. Park, M. R. Nam, I. H. Seo, S. H. Lee, J. T. Lim, and M.-J. Tahk, “Least squares based PID control of an electromagnetic suspension system,” KSAS Int. Journal, vol. 4, no. 2, pp. 69-78, 2003.
S. Kim, Control of DC and AC motors, Bokdoo, 2007
D. H. Lee, and J. W. Ahn, “A current ripple reduction Trans of a high-speed miniature brushless direct current motor using instantaneous voltage control,” IET Electric Power Applications, vol. 3, no. 2, pp. 85-92, Mar. 2009.

상세보기
Y. Choi, K. Yang, W.K. Chung, H.R. Kim, and I.H. Suh, “On the robustness and performance of disturbance observers for second-order systems”, IEEE Trans. Automat. Contr., vol. 48, pp. 315-320, 2003.

상세보기
M.T. White, M. Tomizuka, and C. Smith, “Improved track following in magnetic disk drives using a disturbance observer”, IEEE/ASME Trans. Mechatronics, vol. 2, pp. 63-76, 1997.

상세보기
H. Shim, and Nam H. Jo, “An Almost Necessary and Sufficient Conditions for Robust Stability of Closed-loop Systems with Disturbance Observer”, Automatica, Vol. 45, No. 1, pp. 296-299, Jan. 2009.

상세보기

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

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