[논문]H-infinity Loop Shaping 방법을 이용한 BLDC 전동기 핀 위치제어시스템 제어기 설계

주학림; 목형수; 이형근; 한수희; 서현욱

doi:10.6113/tkpe.2019.24.1.49

H-infinity Loop Shaping 방법을 이용한 BLDC 전동기 핀 위치제어시스템 제어기 설계
Controller Design of BLDC Motor Fin Position Servo System by Employing H-infinity Loop Shaping Method 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.1, 2019년, pp.49 - 55

주학림 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 목형수 (Dept. of Electrical Eng., Konkuk University) , 이형근 (Servo Motor Research Center, LC-TEK Co., Ltd.) , 한수희 (Dept. of Creative IT Eng., Pohang University of Science & Technology) , 서현욱 (Dept. of AI Machinery, Korea institute of machinery & materials)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a robust control of a fin position servo system using the H-infinity loop-shaping method. The fin position control system has a proportional (P) position controller and a proportional-integral (PI) controller. In this work, the position control loop requires a wide bandwidth. No current control loop exists due to the compact design of the system. Hence, the controller parameters are difficult to determine using the traditional cascade design method. The $H_{\infty}$ controller design method is used to design the controller's gain to achieve good performance and robustness. First, the transfer function of the system, which can be divided into tunable and fixed parts, is derived. The tunable part includes the position P controller and speed PI controller. The fixed part includes the rest of the system. Second, the optimized controller parameters are calculated using Matlab $H_{\infty}$ controller design program. Finally, the system with optimized controller is tested by simulation and experiment. The control performance is satisfactory, and the $H_{\infty}$ controller design method is proven to be valid.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Exitaction state of a BLDC motor: (a) A, B phase are excited, (b) A, C phase are excited.
그림 Fig. 2. Equivalent circuit of a BLDC.
그림 Fig. 4. H∞control optimization configuration: (a) General control configuration, (b) Stability robustness.
그림 Fig. 3. Block diagram of fin position servo system.
표 TABLE I PARAMETER OF THE FIN POSITION SERVO SYSTEM
그림 Fig. 5. Targeted loop shape of position control.
그림 Fig. 6. Targeted and actual loop shape of position control.
그림 Fig. 7. Closed loop of position control system.
그림 Fig. 8. Simulation of fin position servo system.
표 TABLE II CALCULATED CONTROLLER PARAMETER
그림 Fig. 9. Simulation of position control response - 65Hz sinusoidal reference input.
그림 TABLE III POSITION CONTROL PERFORMANCE COMPARISON BETWEEN TRANSFER FUNCTION AND SIMULATION BY SINUSOIDAL INPUT AT 65HZ
그림 Fig. 11. 0~15 degree position step response and its input current, PWM output, by designed controller(Experiment).
그림 Fig. 12. 0~15 degree position step response and its input current, PWM output, by tunded controller(Experiment).
표 Fig. 10. 0~15 degree position step response and its input current, PWM output(Simulation).
표 TABLE IV 0~15 DEGREE STEP RESPONSE COMPARISON BETWEEN SIMULATION AND EXPERIMENT
표 TABLE V 0~15 DEGREE STEP RESPONSE COMPARISON BETWEEN DESIGNED CONTROLLER AND TUNED CONTROLLER

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

MATLAB으로 제어기 설계를 구현하였고 SIMULINK로 전체 시스템을 모델링하여 그 성능을 전달함수와 비교하여 검증하였다. 마지막으로 실험을 통하여 수동으로 튜닝한 제어기와의 성능 비교를 실시함으로써 본 논문에서 제안한 방법에 대하여 평가하였다.
본 논문에서는 응용이 간단하고 제어기에 대한 부담이 없으며 명확한 제어목표를 만족할 수 있는 H∞ loop shaping 제어기 설계 방법을 제시하였다.
마지막으로 수동으로 튜닝한 제어기와 그 성능을 비교하였고 제안한 방법으로 설계한 제어기가 제어성능이 약간 더 좋은 것으로 나타났다. 이로서 게인 튜닝에 투입되는 시간을 절약할 수 있으면서 제어 성능을 보장하는 방법을 제시하였다.
본 연구 대상인 핀 위치제어 시스템의 제어기구성은 상위 위치 P 제어기, 내부 속도 PI제어기로 되어 있다. 제어기 설계 목표는 시스템 스텝 응답 속도 및 오버슛(overshoot) 사양을 만족하는 성능 최적화를 연구 목표로 하였다. MATLAB으로 제어기 설계를 구현하였고 SIMULINK로 전체 시스템을 모델링하여 그 성능을 전달함수와 비교하여 검증하였다.

제안 방법

H∞ loop shaping 방법으로 설계된 제어기의 성능을 검증하기 위하여 MATLAB/SIMULINK로 위치제어 시스템의 모델링을 실시하고 시뮬레이션을 구성하였다.
스텝 응답에 대해 시뮬레이션과 실험을 진행하고 비교하였다. 그림 10 과 그림 11은 각각 0∼15° 스텝 응답에서의 시뮬레이션과 실험 결과 비교를 나타내였다.
시뮬레이션의 정확성을 높이기 위해 전기, 기계 파라미터를 입력하고 실제 제어와 동일한 디지털 제어기를 구성하였다. 핀 위치제어 특성상 위치지령 변화 및 정지 시에도 전동기 회전 방향의 변화가 빈번히 일어나게 된다.
전달함수는 제어기 설계를 위한 tunable과 전기시스템, 기계시스템 등을 나타내는 fixed 2개 부분으로 나뉘는데 이 중 tunable 부분으로 H∞ loop shaping 제어기 설계를 진행한다.
loop shaping 제어기 설계 방법을 제시하였다. 전동기 위치제어시스템에서 한정된 부피, 원가 절감 등 원인으로 전류제어루프가 없을 시 cascade 제어기 설계 방법이 어려워지는데 이에 대해 제안한 방법은 요구되는 성능을 만족하기 위한 제어기 게인 선정 해결책을 제시하였다. 설계 시 가이드라인은 다음과 같다.
이러한 가이드라인에 따라 제어기를 설계하였다. 전체 시스템에 대해 모델링 및 시뮬레이션을 구성하여 제어기의 제어대역 및 성능을 검증하였다. 위치제어 스텝 응답 시뮬레이션과 실험파형 비교를 통하여 제안한 방법으로 설계한 제어기가 요구사양에 만족하는 것을 확인하였다.
제어기는 표 2에서 나타낸 제어기 게인을 적용하였다. 표 4에서 각각 제어 요구사항, 시뮬레이션, 실험의 스텝응답의 상승시간과 오버 슛을 비교하였다. 그림에서 나타내는바와 같이 스텝응답, DC 단 입력 전류, PWM 출력 모두 시뮬레이션과 실험결과사이에 큰 오차가 없고 유사한 추이를 가지는 것을 확인하였다.

대상 데이터

본 논문에서 사용되는 전동기는 고속 구동에 적합한 BLDC 전동기이다. BLDC전동기는 120° 통전방식을 사용하며 필요한 2개의 상에만 전압을 인가하는데, 이때 통전시키는 구간이 120°가 된다.
이 방법으로 전류제어루프를 가지지 않는 핀 위치제어시스템에서도 적용이 가능하다. 본 연구 대상인 핀 위치제어 시스템의 제어기구성은 상위 위치 P 제어기, 내부 속도 PI제어기로 되어 있다. 제어기 설계 목표는 시스템 스텝 응답 속도 및 오버슛(overshoot) 사양을 만족하는 성능 최적화를 연구 목표로 하였다.

데이터처리

제어기 설계 목표는 시스템 스텝 응답 속도 및 오버슛(overshoot) 사양을 만족하는 성능 최적화를 연구 목표로 하였다. MATLAB으로 제어기 설계를 구현하였고 SIMULINK로 전체 시스템을 모델링하여 그 성능을 전달함수와 비교하여 검증하였다. 마지막으로 실험을 통하여 수동으로 튜닝한 제어기와의 성능 비교를 실시함으로써 본 논문에서 제안한 방법에 대하여 평가하였다.
마지막으로 본 논문에서 제안한 방법으로 설계한 제어기와 현장에서 수동으로 튜닝한 제어기의 성능을 비교 분석하였다. 그림 12는 현장에서 장시간에 거쳐 여러 차례 튜닝을 진행한 튜닝한 제어기의 제어성능을 나타내고 표 5에서 두 제어기의 제어 성능을 비교하였다.

이론/모형

핀 위치제어 특성상 위치지령 변화 및 정지 시에도 전동기 회전 방향의 변화가 빈번히 일어나게 된다. 따라서 BLDC 전동기 위치 및 속도제어에 사용하는 PWM 방식은 바이폴라(Bipolar) PWM 방식을 사용하였다^[18],[19]. 기계시스템 부분에서는 리드스크류에 의한 기구 비선형성도 고려하여 시뮬레이션에 반영하였다.

성능/효과

Loop shape 전달함수에 맞추어 설계된 결과 –3dB을 가지는 차단 주파수가 제어 대역인 65Hz로 나오는 것으로 확인할 수 있고 이 주파수에서의 위상은 약54°로 확인하였다.
위치제어 스텝 응답 시뮬레이션과 실험파형 비교를 통하여 제안한 방법으로 설계한 제어기가 요구사양에 만족하는 것을 확인하였다. 마지막으로 수동으로 튜닝한 제어기와 그 성능을 비교하였고 제안한 방법으로 설계한 제어기가 제어성능이 약간 더 좋은 것으로 나타났다. 이로서 게인 튜닝에 투입되는 시간을 절약할 수 있으면서 제어 성능을 보장하는 방법을 제시하였다.
전체 시스템에 대해 모델링 및 시뮬레이션을 구성하여 제어기의 제어대역 및 성능을 검증하였다. 위치제어 스텝 응답 시뮬레이션과 실험파형 비교를 통하여 제안한 방법으로 설계한 제어기가 요구사양에 만족하는 것을 확인하였다. 마지막으로 수동으로 튜닝한 제어기와 그 성능을 비교하였고 제안한 방법으로 설계한 제어기가 제어성능이 약간 더 좋은 것으로 나타났다.
이러한 제어기의 구조는 일반적인 위치제어기의 구조와 유사하며 본 논문에서 H∞ loopshaping 방법으로 안정적이면서 최적의 성능을 보장하는 게인 값을 구하기 편리하게 된다.
튜닝한 제어기는 상승시간 14.14ms와 0.29°의 제어 성능을 보인 반면에 제안한 방법으로 설계한 제어기가 상승시간이 1.67ms 빠르고 와 오버슛이 0.08° 적게 나왔다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동기의 위치 제어시스템에서 제어기의 구조의 특징은 무엇인가?	핀 위치 제어 시스템은 로봇, 드론, 항공기, 자동화 등분야에서 많이 사용된다. 일반적인 전동기의 위치 제어시스템에서 제어기의 구조는 내부루프로 PI 전류 제어기, 그 상위에 PI 속도 제어기 및 가장 상위에 P 위치제어기가 배치되는 cascade 제어방식을 가진다[1],[2]. 각 제어기의 제어대역 설계 시 내부제어 루프 대역이 외부대역로프 대역보다 적어도 5배 이상 크게 설계하여야 제어기 간에 서로 영향을 끼치지 않으면서[3] 제어할 수있다.
	핀 위치 제어 시스템은 어떤분야에서 사용되는가?	핀 위치 제어 시스템은 로봇, 드론, 항공기, 자동화 등분야에서 많이 사용된다. 일반적인 전동기의 위치 제어시스템에서 제어기의 구조는 내부루프로 PI 전류 제어기, 그 상위에 PI 속도 제어기 및 가장 상위에 P 위치제어기가 배치되는 cascade 제어방식을 가진다[1],[2].
	전류제어 루프가 없을 경우 cascade 방식에 따른 제어기 게인 설계가 어려운 이유는?	특히 미사일 핀 위치제어 시스템 등 높은 제어대역을 요구하는 분야에서는 위치 제어 대역폭은 수십Hz로 전류 제어기 대역폭이수kHz가 되어야 하는데 샘플링 및 PWM스위칭 주파수는 수십kHz가 요구된다. 대역이 높은 전류제어기는 가격이 높을 뿐만 아니라 제어기의 연산 부담도 커지게되고 특히 하나의 제어기로 여러 개의 액추에이터 위치를 제어할 경우 이러한 문제가 두드러지게 된다. 이러한경우에 제어기 게인은 튜닝을 하는 경우가 있는데 이는많은 시간이 필요할 뿐만 아니라 최적화 성능을 만족하기 어렵게 되기 때문에 자동 게인 튜닝 방법이[4] 등이 제안되었다.

참고문헌 (19)

J. H. Jang and S. H. Kim, “A PI-PD controller design for the position control of a motor,” The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 22, No. 1, pp. 60-66, Feb. 2017.

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J. N. Bae and D. H. Lee, “A position control of BLDC motor in a rail guided system for the un-maned facility security,” The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 22, No. 3, pp. 223-230, Jun. 2017.
Sang-Hoon Kim, Motor Control-DC, AC, BLDC Motors, bogdoo, 2014.
M. Veronesi and A. Visioli, “Simultaneous closed-loop automatic tuning method for cascade controllers,” IET Control Theory & Applications, Vol. 5, No. 2, pp. 263-270, Jan. 2011.

상세보기
Y. I. Son, I. H. Kim, D. S. Choi, and H. Shim, “Robust cascade control of electric motor drives using dual reduced-order PI observer,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 62, No. 6, pp. 3672-3682, Jun. 2015.

상세보기
S. Bazi, R. Benzid, and M. N. Said, "Optimum PI controller design in PMSM using Firefly Algorithm and Genetic Algorithm," in 2017 6th International Conference on Systems and Control (ICSC), Jun. 2017.
V Aparna, K. M. Hussain, D. N. Jamal, and M. S. M. Shajahan, "Implementation of gain scheduling multiloop PI controller using optimization algorithms for a dual interacting conical tank process," in 2018 2nd International Conference on Trends in Electronics and Informatics (ICOEI), May 2018.
S. B. Lee, "Closed-loop estimation of permanent magnet synchronous motor parameters by PI controller gain tuning," IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 21, No. 4, pp. 863-870, Nov. 2006.

상세보기
C. H. Yoo, Y. C. Lee, and S. Y. Lee, "A robust controller for an electro-mechanical fin actuator," in Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Control Applications, Spe. 2004.
D. Chwa, J. Y. Choi, J. H. Seo, “Compensation of actuator dynamics in nonlinear missile control,” IEEE Transactions on Control Systems Technology, Vol. 12, No. 4, pp. 620-626 2004, Jul. 2004.

상세보기
J. C. Doyle, K. Glover, P. P. Khargonekar, and B. A. Francis "State-space solutions to standard H/sub 2/and H/sub infinity / control problems," IEEE Transaction on Automatic Control, Vol. 34, No. 8, pp. 931-847, Aug. 1989.
K. Zhou, “Comparison between H/sub 2/ and H/sub infinity / controllers,” IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 37, No. 8, pp. 1261-1265, Aug. 1992.

상세보기
A. N. Moser, “Designing controllers for flexible structures with H-infinity/ mu-synthesis,” IEEE Control Systems Magazine, Vol. 13, No. 2, pp. 79-89, Apr. 1993.

상세보기
T. Umeno and Y. Hori, “Robust speed control of DC servomotors using modern two degrees-of-freedom controller design,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 38, No. 5, pp. 363-368, Oct. 1991.

상세보기
M. G. Ortega, M. Vargas, and F. R. Rubio, " $H{\infty}$ controller for a visual servoing system," in 1999 European Control Conference (ECC), Aug. 1999.
T. V. D. Krishnan, C. M. C. Krishnan, and K. P. Vittal, "Design of robust H-infinity speed controller for high performance BLDC servo drive," in 2017 International Conference on Smart grids, Power and Advanced Control Engineering (ICSPACE), Aug. 2017.
G. Zames, “On the input-output stability of time-varying nonlinear feedback systems Part one: Conditions derived using concepts of loop gain, conicity, and positivity,” IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 11, No. 2, pp. 228-238, Apr. 1966.

상세보기
Y. S. Jin, H. K. Shin, H. W. Kim, H. S. Mok, and K. Y. Cho, “Position controller for clutch drive system of PHEV(Plug in Hybrid Electric Vehicle),” The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 17, No. 2, pp. 166-173, Apr. 2012.

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H. W. Kim, H. K. Shin, H. S. Mok, Y. K. Lee, and K. Y. Cho, "Novel PWM method with low ripple current for position control applications of BLDC motors," Journal of Power Electronics, Vol. 11, No. 5, pp. 726-733, Sep. 2011.

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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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