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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하고자 외란관측기(DOB; Disturbance OBserver)를 갖는 SMC를 제안한다. 제안된 DOB 기반의 SMC는 계단형 부하 인가와 모터의 파라미터 변동을 상정한 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증하였다.
제안 방법
- (4) 본 논문에서 제안된 DOB는 전류와 속도 정보만을 이용하며, 속도의 미분 항을 갖지 않는 구조로 설계된다.
- SMC의 설계는 우선, 제어대상의 상태방정식을 이용하여 슬라이딩 평면을 설계한다.
- 본 논문에서는 계단형 부하 및 파라미터 변동을 포함 하는 DC모터 속도제어계의 강인한 제어 성능 확보를 위해 SMC의 DOB를 설계하였고, 그 타당성을 Matlab 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
- 시뮬레이션에서는 먼저 SMC의 DOB 유무에 따른 무부하 상태 및 부하 인가 시의 속도제어 성능을 확인하였다.
- 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 보완하고자 외란관측기(DOB; Disturbance OBserver)를 갖는 SMC를 제안한다. 제안된 DOB 기반의 SMC는 계단형 부하 인가와 모터의 파라미터 변동을 상정한 시뮬레이션을 통해 그 타당성을 검증하였다.
- 제안된 DOB는 전류와 속도 정보만을 이용하며, 속도의 미분 항을 갖지 않는 구조로 설계되었다.
대상 데이터
- 인가된 부하는 정격토크의 80%, 모터 시스템의 파라미터는 Ra, La, J, B를 대상으로 하였고, DOB를 갖는 SMC의 2,500 rpm 부근의 속도 응답을 각각 나타낸다.
이론/모형
- 설계된 SMC의 안정성은 Lyapunov의 제2방법인 V>0 , #<0의 동시 만족 여부를 확인하였다.
성능/효과
- (2) DOB 기반의 SMC는 정격토크의 부하 인가 시에도 정상상태오차를 발생하지 않는다.
- (3) DOB 기반의 SMC는 모터의 전기계 및 기계계 파라미터가 변동하고 동시에 계단형 부하가 인가되는 경우에도 아주 작은 정상오차를 발생할 뿐 강인한 속도 제어 성능을 보였다.
- 모터의 기계계의 파라미터인 B와 J가 각각 공칭값의 150% 변동하는 경우에는 속도 정상오차가 발생하지 않았다. 따라서 DOB를 갖는 SMC는 모터 파라미터 변동 하에서도 강인한 속도 제어 성능을 보임을 확인하였다.
- 이상의 결과를 종합하면, DOB를 갖지 않는 SMC는무부하 조건에서는 속도 정상오차를 발생시키지 않으나, 부하 조건에서는 정상오차를 발생시킴을 확인하였다. 본 논문에서 제안한 DOB를 갖는 SMC는 이러한 정상오차 문제를 해결할 뿐만 아니라 모터의 파라미터 변동에도 강인한 속도 제어 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
- 이 시뮬레이션에서는 DOB를 갖지 않는 SMC가 무부하 시에는 엄밀한 속도제어가 가능하지만, 정격부하 근방의 부하 인가 시에는 미소한 정상상태 속도오차가 발생 함을 보인다.
- , 2016). 이 연구에서는 SMC와 PID 제어기의 제어성능을 다양한 부하들을 인가한 시뮬레이션을 통해 SMC가 PI 제어기보다 부하 변동 및 모델의 파라미터 변동에 더 강인함을 입증하였다(Han and Jeong, 2018). 하지만 이 SMC 제어는 무부하 시에는 양호한 제어성능을 발휘하지만, 정격부하 근방의 부하 인가 시에는 미소한 속도 정상상태오차가 발생하는 것으로 확인되었다.
- 이상의 결과를 종합하면, DOB를 갖지 않는 SMC는무부하 조건에서는 속도 정상오차를 발생시키지 않으나, 부하 조건에서는 정상오차를 발생시킴을 확인하였다.
- 전류는 모터의 안전 확보 차원에서, 속도는 제어를 위해 상시 계측하는 정보이므로 별도의 부가 센서 장착 없이도 제안된 DOB의 구현이 가능함을 알 수 있다.
- (4) 본 논문에서 제안된 DOB는 전류와 속도 정보만을 이용하며, 속도의 미분 항을 갖지 않는 구조로 설계된다. 전류는 모터의 안전 확보 차원에서, 속도는 제어를 위해 상시 계측해야 하는 정보이므로 외란 추정을 위한 별도의 부가 센서 장착 없이도 제안된 DOB의 구현이 가능하다. 또한 미분 항을 갖지 않으므로 고조파의 영향을 덜 받게 된다.
- 이 연구에서는 SMC와 PID 제어기의 제어성능을 다양한 부하들을 인가한 시뮬레이션을 통해 SMC가 PI 제어기보다 부하 변동 및 모델의 파라미터 변동에 더 강인함을 입증하였다(Han and Jeong, 2018). 하지만 이 SMC 제어는 무부하 시에는 양호한 제어성능을 발휘하지만, 정격부하 근방의 부하 인가 시에는 미소한 속도 정상상태오차가 발생하는 것으로 확인되었다. 이는 SMC가 전류 제어기를 내부루프로 갖지 않는 전압 제어형이며 SMC의 채터링 방지를 위해 포화함수를 이용한 것에 기인한 것으로 보인다.
후속연구
- 본 논문에서 설계한 SMC는 향후 실험을 거쳐 잦은 외란 인가 또는 파라미터 변동이 수반되는 DC모터의 정밀한 속도제어에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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