[논문]트레드밀에 사용되는 3상 유도전동기의 슬립 기반 센서리스 제어 저속성능 향상

이수형; 이상희; 문태양; 한희민; 김준석

doi:10.6113/tkpe.2019.24.1.25

트레드밀에 사용되는 3상 유도전동기의 슬립 기반 센서리스 제어 저속성능 향상
Low-Speed Performance Improvement of Slip Based Sensorless Control for Three-Phase Induction Motor Used in Treadmill 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.1, 2019년, pp.25 - 32

이수형 (Dept. of Electrical Eng., Incheon National University) , 이상희 (Dept. of Electrical Eng., Incheon National University) , 문태양 (Dept. of Electrical Eng., Incheon National University) , 한희민 (Dept. of Electrical Eng., Incheon National University) , 김준석 (Dept. of Electrical Eng., Incheon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent high-end treadmills are demanding stable performance at lower speeds. In this study, a slip control-based induction motor sensorless algorithm for treadmills, which have heavy load variations, is proposed. A modified Gopinath flux estimator is used to evaluate the rotor flux. Results indicate that a good speed regulation performance is achieved even at a low speed of approximately 3 Hz with a nominal exercise load of 90 kg body weight. The slip calculation method in the stationary coordinate system is adopted to improve the control stability. The proposed algorithm is verified throughout the simulation study using PSIM, and the experimental test consists of a commercial treadmill system.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Slip control-based induction motor sensorless scalar control system.
그림 Fig. 2. Existing scalar speed feedback control algorithm.
그림 Fig. 3. Vector control based slip estimator.
그림 Fig. 4. Sensorless control of induction motor for treadmill system.
그림 Fig. 5. Voltage controller for treadmill system.
그림 Fig. 6. Rotor flux in the dr - pr reference frame.
그림 Fig. 7. The Closed-loop gopinath flux observer.
그림 Fig. 8. Modified stator flux & slip observer.
그림 Fig. 9. Simulation result of the proposed algorithm with 3Hz(90r/min) speed command.
그림 Fig. 10. Simulation result of the proposed algorithm with 10Hz(300r/min) speed command.
표 TABLE 1 SIMULATION AND EXPERIMENT PARAMETERS
그림 Fig. 11. Experiment equipments.
그림 Fig. 12. Experiment results of comparing speed control performance at 90r/min(0.6km/h) speed command. (a) conventional control algorithm. (b) proposed control algorithm.
그림 Fig. 13. Experiment results of the proposed algorithm at 90r/min(0.6km/h) speed command (to show estimated speed & flux).
그림 Fig. 14. Experiment results of the proposed algorithm at 300r/min(2km/h) speed command (to show estimated speed & slip, q-axis current).
그림 Fig. 15. Experiment results of the proposed algorithm at 1300r/min(8.6km/h) speed command (to show estimated speed & flux).
그림 Fig. 16. Experiment results of the proposed algorithm at 90r/min(0.6km/h) speed command with maximum brake torque (to show estimated speed & flux).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 부하가 급변하는 트레드밀에 적용할 수 있는 슬립제어 기반 유도전동기 센서리스 알고리즘을 제안하였다.
본 연구에서는 부하변동에도 안정적인 속도제어 성능을 얻기 위하여 슬립연산기^[4]및 속도제어기^[5]를 적용하여 그림 4와 같은 트레드밀용 유도전동기 센서리스 제어기를 구성하였다. 3Hz대의 저속에서도 안정적인 제어성능을 보장하기 위해 슬립제어 기반의 스칼라형 제어구조를 갖고 있으며, 전류제어 없이 전압제어만을 통해 속도제어를 수행한다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 실제 속도 정보가 아닌 기준 속도를 사용하는 변형된 고피나스형 자속관측기를 구성하였다. 기준속도를 사용하므로 전류형 자속관측기 자체는 정상적으로 동작하지 않는다.
본 연구에서는 전기각 출력주파수 3∼75Hz의 속도영역에서 부하가 급변하는 경우에도 안정적인 속도제어가 가능한 슬립주파수제어 기반의 센서리스 알고리즘에 대하여 논한다.

가설 설정

인체 운동부하이므로 완벽히 동일한 조건은 아니지만 90kg 체중의 인체가 동일속도에서 동일한 보폭으로 운동한 경우를 비교한 것이다. 운동부하에서 그림의 (a)파형이 기존 알고리즘으로 동작하는 경우이며, (b)파형이 제안된 알고리즘에 의한 동작 파형이다. 파형은 위쪽부터 전동기 속도w_rm, 추정 속도 ŵr_m, 추정 슬립 ŵ_sl, 동기좌표계상의 q축 전류 î_qe가 도시되어 있다.

제안 방법

션트저항을 이용하여 전류를 검출하며 MCU에 내장된 12bit ADC 모듈을 사용하여 전류를 측정하였다. Dead-time 보상 알고리즘을 적용하여 PWM 정밀도를 높였으며, 전압정보는 PWM을 발생시키기 위한 전압 기준값을 커브피팅을 통해 보정하여 사용하였다. 제어에는 사용하지 않지만 성능을 검증하기 위한 용도로 1024펄스급 중공축형 엔코더를 부착하여 전동기의 실제속도를 측정하였다.
부하급변의 조건에서 안정적인 슬립을 연산하기 위해 다양한 방식의 자속추정기^[3]를 검토하였으며, 전류모델과 전압모델을 복합적으로 사용하는 변형된 고피나스형 자속 관측기를 적용하였다. 고피나스형 자속관측기와 정지좌표계상에서 슬립을 연산하는 슬립연산 알고리즘^[4]을 적용하여 부하가 급변하는 조건에서 전기각주파수 3Hz(90r/min, 트레드밀 주행속도 0.6km/h)의 저속에서도 안정적인 일정속도 제어가 가능한 제어알고리즘을구현하였다.
과도상태에서 자속에 해당하는 d축 전류를 제한하기 위해 자속분 전압제어출력을 3마력급 전동기의 파라메터를 고려하여 –10∼10V로 제한하였다.
이러한 성능 실험에 별도의 검증 규격이 존재하지는 않지만 현장에서는 대략 1초 이내에 속도를 회복하면 매우 우수한 성능으로 평가를 받는다. 본 실험은 인체가 트레드밀에 탑재되었을 때 부하가 있는 상태에서 기동하는 능력을 검증하는 방법이기도 하다.
본 연구에서 적용한 제어기의 성능을 입증하기 위하여 표 1에 표시된 4극 3마력 급 유도전동기를 사용하여 PSIM을 이용한 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 상업용 트레드밀 시스템의 경우 중저급의 MCU가 적용되는 점을 감안하여 자속 추정 및 슬립제어는 1ms주기로 수행하며 추정 역기전력에 대한 전압 보상 제어는 5ms주기로 수행한다.
센서리스 제어의 경우 저속에서 정확한 자속각을 얻을 수 없기 때문에 동기좌표계에서 구현된 슬립연산식을 사용할 경우 제어의 안정성이 크게 떨어지는 문제가 발생한다.본 연구에서는 그림 6과 같이 슬립을 회전자 자속각으로부터 직접 연산하는 방식^[4]을 적용하였다.
정확한 슬립연산을 위해서는 자속 정보가 요구되며 자속 추정 알고리즘의 성능이 제어성능을 좌우한다. 본 연구에서는 제정수에 대한 의존성이 크지 않은 전압 적분형 자속추정기를 적용하였다. 그러나 널리 알려진 바와 같이 3Hz대역의 저속영역에서는 전압 정보의 신뢰성이 크게 감소하기 때문에 저속영역에서 자속정보를 보정할 필요가 있다.
를통해 전류제어 없이도 안정적인 속도제어 성능을 구현한 트레드밀용 유도전동기 센서리스 제어시스템을 구현하였다. 부하급변의 조건에서 안정적인 슬립을 연산하기 위해 다양한 방식의 자속추정기^[3]를 검토하였으며, 전류모델과 전압모델을 복합적으로 사용하는 변형된 고피나스형 자속 관측기를 적용하였다. 고피나스형 자속관측기와 정지좌표계상에서 슬립을 연산하는 슬립연산 알고리즘^[4]을 적용하여 부하가 급변하는 조건에서 전기각주파수 3Hz(90r/min, 트레드밀 주행속도 0.
Cortex-M4 계열의 보급형 MCU인 Infineon Technologies사의 XMC4400 MCU가 탑재된 상업용 인버터를 이용하여 제어기를 구성하였다. 션트저항을 이용하여 전류를 검출하며 MCU에 내장된 12bit ADC 모듈을 사용하여 전류를 측정하였다. Dead-time 보상 알고리즘을 적용하여 PWM 정밀도를 높였으며, 전압정보는 PWM을 발생시키기 위한 전압 기준값을 커브피팅을 통해 보정하여 사용하였다.
제어에는 사용하지 않지만 성능을 검증하기 위한 용도로 1024펄스급 중공축형 엔코더를 부착하여 전동기의 실제속도를 측정하였다. 실험파형은 MCU에서 연산되는 변수를 12bit DAC를 통해 출력하여 파형관측기로 관측한 것이다.
정지좌표계에서 연산이 가능한 슬립연산방식을 적용하여 제어의 안정성을 높였으며 90kg 체중의 운동 부하에서도 안정적인 속도제어 성능을 구현하였다. 제시된 알고리즘은 상업화가 가능한 중 저급 MCU를 사용한 인버터 시스템과 상업용 트레드밀에 적용하여 그 성능을 실험적으로 입증하였다.
Dead-time 보상 알고리즘을 적용하여 PWM 정밀도를 높였으며, 전압정보는 PWM을 발생시키기 위한 전압 기준값을 커브피팅을 통해 보정하여 사용하였다. 제어에는 사용하지 않지만 성능을 검증하기 위한 용도로 1024펄스급 중공축형 엔코더를 부착하여 전동기의 실제속도를 측정하였다. 실험파형은 MCU에서 연산되는 변수를 12bit DAC를 통해 출력하여 파형관측기로 관측한 것이다.

대상 데이터

실험조건은 표 1과 동일하다. Cortex-M4 계열의 보급형 MCU인 Infineon Technologies사의 XMC4400 MCU가 탑재된 상업용 인버터를 이용하여 제어기를 구성하였다. 션트저항을 이용하여 전류를 검출하며 MCU에 내장된 12bit ADC 모듈을 사용하여 전류를 측정하였다.
제안된 트레드밀용 제어 알고리즘의 성능을 실험적으로 검증하기 위하여 그림 11의 실제 상업용 트레드밀을 이용하여 실험을 진행하였다. 실험조건은 표 1과 동일하다.
스위칭 주파수는 16kHz를 사용하여 스위칭에 의한 소음을 최소화하였다. 현장의 상황에 가까운 시뮬레이션 환경을 구성하기 위하여 90kg 무게의 성인 남성에 대한 운동부하를 실험적으로 실측한 부하를 시뮬레이션에 적용하였다.

데이터처리

구현된 알고리즘은 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 통하여 타당성을 검증하였고 상업용 트레드밀을 이용한 부하실험을 통해 그 성능을 검증하였다.

이론/모형

인체가 직접 접촉하는 트레드밀의 특성으로 인하여 저속영역에서 불안정성이 내포된 전류제어 기반의 전형적인 센서리스 알고리즘을 배제하고 단방향으로만 속도가 발생하는 슬립제어 기반의 센서리스 알고리즘을 적용하였다. 저속에서도 안정적인 슬립추정을 위해 변형된 고피나스형 자속추정기를 사용하였으며, 전기각주파수 3Hz의 저속에서 급변하는 부하조건에서도 안정적인 자속추정이 가능함을 보였다.

성능/효과

6km/h)에서의 제어기 동특성을 나타내는 실험 파형이다. 8.6km/h의 속도는 상당히 빠른 달리기에 해당하며 90kg 체중의 운동 부하에 따라 약간의 순시 속도 오차가 발생하지만 매우 안정적인 속도에어 성능을 보이고 있다.
6km/h)의 속도 명령에서 제안된 알고리즘의 자속관측기 동특성을 검증하기 위한 실험 파형으로 위쪽부터 추정 속도 ŵ_rm, 추정된 고정자 d-q축 자속λ#/λ#, a상전류 i_as를 표시한다. 변형된 고피나스 자속관측기를 적용하여 전기각 주파수 3Hz의 저속에서도 시뮬레이션과 거의 동일한 형태의 우수한 자속 추종 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다(실제 자속을 확인할 수 없기 때문에 시뮬레이션과의 비교만 가능함).
시뮬레이션 결과를 통해 제안된 시스템이 트레드밀에서 요구하는 최저 3Hz의 속도에서도 안정적인 속도 제어성능을 갖고 있음을 확인할 수 있다.
실험을 통해 저속 및 고속 주행에서의 트레드밀 동작에 대한 제어 알고리즘의 성능을 검증하였으며 부하가 급변하는 조건에서 3Hz의 저속에서도 속도 추종성능이 크게 개선되고 안정적인 토크제어 성능을 나타냄을 확인하였다.
연구의 결과, 슬립제어 기반의 스칼라형 제어구조^[5]를통해 전류제어 없이도 안정적인 속도제어 성능을 구현한 트레드밀용 유도전동기 센서리스 제어시스템을 구현하였다. 부하급변의 조건에서 안정적인 슬립을 연산하기 위해 다양한 방식의 자속추정기^[3]를 검토하였으며, 전류모델과 전압모델을 복합적으로 사용하는 변형된 고피나스형 자속 관측기를 적용하였다.
인체가 직접 접촉하는 트레드밀의 특성으로 인하여 저속영역에서 불안정성이 내포된 전류제어 기반의 전형적인 센서리스 알고리즘을 배제하고 단방향으로만 속도가 발생하는 슬립제어 기반의 센서리스 알고리즘을 적용하였다. 저속에서도 안정적인 슬립추정을 위해 변형된 고피나스형 자속추정기를 사용하였으며, 전기각주파수 3Hz의 저속에서 급변하는 부하조건에서도 안정적인 자속추정이 가능함을 보였다. 정지좌표계에서 연산이 가능한 슬립연산방식을 적용하여 제어의 안정성을 높였으며 90kg 체중의 운동 부하에서도 안정적인 속도제어 성능을 구현하였다.
저속에서도 안정적인 슬립추정을 위해 변형된 고피나스형 자속추정기를 사용하였으며, 전기각주파수 3Hz의 저속에서 급변하는 부하조건에서도 안정적인 자속추정이 가능함을 보였다. 정지좌표계에서 연산이 가능한 슬립연산방식을 적용하여 제어의 안정성을 높였으며 90kg 체중의 운동 부하에서도 안정적인 속도제어 성능을 구현하였다. 제시된 알고리즘은 상업화가 가능한 중 저급 MCU를 사용한 인버터 시스템과 상업용 트레드밀에 적용하여 그 성능을 실험적으로 입증하였다.

후속연구

약 30∼40r/min의 순시 속도 편차는 풀리 -벨트(롤러)로 이루어진 트레드밀에서 인체가 벨트의 속 도 변화를 거의 느낄 수 없는 수준에 해당한다. 실제 벨 트의 순시적인 주행속도를 측정할 방법이 마땅하지 않 기 때문에 이를 실험 결과로 제시하지 못함을 양해하기 바란다.
전동기의 제정수는 실험적 고찰을 통해 확정한 것으로 전동기가 바뀌는 경우 적절한 제정수를 자동으로 설정할 수 있는 오토튜닝 기능이 추가적으로 필요하며 이에 대한 연구를 진행 중이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	트레드밀이란?	트레드밀은 운동 부하 장치의 하나로 주로 체중감량 및 재활운동의 목적이나 운동선수들의 훈련용으로 개발 되어왔다. 트레드밀은 최근까지도 가정용 및 클럽용으로 걷기, 조깅, 달리기 등 자신의 체력수준에 따라 속도를 임의로 조정할 수 있는 이점으로 인하여 전 세계적으로 많은 수요가 있다.
	사업장용 트레드밀이 갖는 특성은?	트레드밀은 사업장용과 가정용으로 나뉘며 그중에서도 내구성에 중점을 둔 사업장용 트레드밀이 대부분을 차지하며 장시간 운전하는 경우가 많다[1]. 이러한 이유로 구조가 간단하며 고장이 적고 가격이 상대적으로 저렴한 유도전동기가 트레드밀에 주로 사용된다.
	V/F제어가 유도전동기 센서리스와 반대되는 특성은 무엇인가?	전류제어 기반의 전통적인 유도전동기 센서리스 알고리즘의 경우 급변하는 부하에 대해 민감하게 반응하는 경우가 많고, 특히 출력주파수 기준으로 3Hz 미만의 저속영역에서 속도가 정역을 반복하는 불안정한 동작이 나타날 수 있기 때문에 트레드밀 제어시스템에 적용하기가 곤란한 경우가 많다. 이에 비해 V/F제어의 경우 부하가 급변하여도 단방향으로의 비교적 안정적인 운전이 가능한 장점이 있다.

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].

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