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[국내논문] 외란 관측기 기반의 BLDC 전동기 추종제어
Tracking Control of BLDC Motor Based on Disturbance Observer 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.15 no.5, 2020년, pp.907 - 912  

전용호 (중원대학교 항공정비학과) ,  이신원 (중원대학교 컴퓨터공학과)

초록
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전동기의 수학적 모델 오차와 작용하는 외란을 고려하여 제어기를 설계하는 것이 강건하며 정밀한 제어 성능을 좌우한다. 강건하며 정밀한 제어를 위하여 기계적인 부분과 전기적인 부분의 외란 관측기를 설계하여 외란을 추정하고, 공칭 시스템으로 설계된 속도제어기와 전류 제어기에 나누어 적용하였다. 설계된 시스템의 제어 성능을 확인하고자 120 [W]급의 BLDC 전동기에 적용하여, 속도 추종제어의 결과 외란을 극복하고 정상상태 오차가 영으로 수렴하며, 점근적 안정한 결과를 확인할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

When designing a controller, a motor can have robust and precise control performance only by considering the error of the motor's mathematical model and the disturbance acting on it. For robust and precise control, the mechanical and electrical disturbance observers were designed to estimate the dis...

주제어

#BLDC 전동기   #외란 관측기   #속도 제어   #전류 제어   #백스텝핑 제어  

표/그림 (9)

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

제안 방법

  • 4장에서는 공칭 시스템에 대하여 속도와 전류 제어기를 백스텝핑 기법으로 설계하기 위해 각각 평가함수를 선정하고 시스템이 점근적 안정함을 얻을 수 있도록 하였다. 그리고 외란에 대한 강건함과 정밀한 추종 성능을 얻고자 설계된 제어기에 추정된 외란을 적용하였다. 5장에서는 추정된 외란의 영향을 120W급 BLDC 전동기에 적용하여 시뮬레이션하였고, 제안된 외란 관측기와 제어기가 유용함을 확인하였다.
  • 기계적인 시스템에는 선형적이지만 기계적인 파라메타 오차와 부하변동외란으로 간주하고, 전기적인 시스템에서는 내부의 영구자석이 회전함으로 고정자 권선에 발생하는 역기전압을 외란으로 고려할 수 있다. 다중입출력 시스템으로 해석과 설계가 가능하지만 기계적인 시상수와 전기적인 시상수의 차이가 크며 제어기 구성과 관측기의 설계가 복잡하고 어려워지므로 외란 관측기를 간편히 적용할 수 있도록 두 시스템을 나누어 설계한 것을 제안한다.
  • 본 논문은 BLDC 전동기의 강건한 속도와 전류제어기를 구성하기 위하여 3장에서 외란 관측기를 설계한다. 외란 관측기는 두 공칭 시스템에 맞춰 1차로 설계하였다[1-3].
  • 설계된 제어기와 외란 관측기의 성능을 검증하고자 Psim을 사용하여 시뮬레이션 수행을 하였으며, BLDC 전동기의 사양은 표 1과 같다.
  • 본 논문은 BLDC 전동기의 강건한 속도와 전류제어기를 구성하기 위하여 3장에서 외란 관측기를 설계한다. 외란 관측기는 두 공칭 시스템에 맞춰 1차로 설계하였다[1-3]. 4장에서는 공칭 시스템에 대하여 속도와 전류 제어기를 백스텝핑 기법으로 설계하기 위해 각각 평가함수를 선정하고 시스템이 점근적 안정함을 얻을 수 있도록 하였다.
  • 전동기 시스템의 기계적인 부분과 전기적인 부분으로 나누어 외란 관측기를 설계한다.
  • 전동기의 제어기는 기계적인 공칭 시스템의 시상수가 전기적인 공칭 시스템의 시상수에 비해 큰 값을 가지고 있다. 전류제어의 주기를 속도 제어의 주기보다 작게 설정하여 전류제어가 내부 피드백 루프를 구성하고, 속도 제어가 바깥 피드백 루프를 구성하게 제어기를 설계한다. 속도 레퍼런스를 입력으로 하는 속도 제어기의 출력을 전류 레퍼런스로 변환하여 전류 제어기의 입력으로 하여 전류제어가 수행된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
BLDC 전동기의 제어기를 구성하기 위하여 필요한 것은 무엇인가? BLDC 전동기는 제어기를 구성하기 위해서는 기계적인 파라메타, 전기적인 파라메타, 부하의 모델 등의 정확한 수학적인 모델이 필요로 하지만 실제는 비선형적인 요소와 모델의 오차가 존재하며 부하의 변동, 외란 등이 존재하여 이를 극복하여 고성능의 제어기를 구성하기 위해서는 많은 연구가 요구된다. 전동기에 작용하는 부하변동에 대해 추정하고 모델 오차까지도 고려할 수 있는 외란 관측기는 전동기 제어를 위해서는 필수적이다.
BLDC 전동기에 공존하는 시스템은 무엇인가? BLDC 전동기는 전기적인 발생 토크를 입력으로 하고 회전축의 속도를 출력으로 하는 기계적인 시스템과 인버터에 공급되는 전압을 입력으로 하여 고정자 권선에 흐르는 전류를 출력으로 하는 전기적인 시스템이 공존한다[4-10]. 이는 연립 일차 미분방정식을 갖는 2입력 2출력 시스템이 된다.
BLDC 전동기의 각 시스템에서 고려될 수 있는 외란은 어떤 것이 있는가? 이는 연립 일차 미분방정식을 갖는 2입력 2출력 시스템이 된다. 기계적인 시스템에는 선형적이지만 기계적인 파라메타 오차와 부하변동외란으로 간주하고, 전기적인 시스템에서는 내부의 영구자석이 회전함으로 고정자 권선에 발생하는 역기전압을 외란으로 고려할 수 있다. 다중입출력 시스템으로 해석과 설계가 가능하지만 기계적인 시상수와 전기적인 시상수의 차이가 크며 제어기 구성과 관측기의 설계가 복잡하고 어려워지므로 외란 관측기를 간편히 적용할 수 있도록 두 시스템을 나누어 설계한 것을 제안한다.
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참고문헌 (12)

  1. K. Ohnishi, "A new servo method in mechatronics," Trans. of Japanese Society of Electrical Engineers, vol. 107-D, 1987, pp. 83-86. 

  2. J. Back and H. Shim, "Adding robustness to nominal output feedback controllers for uncertain nonlinear systems: A nonlinear version of disturbance observer," Automatica, vol. 44, no. 10, 2008, pp. 2528-2537. 

    상세보기

  3. J. Back and H, Shim, "An inner-loop controller guaranteeing robust transient performance for uncertain MIMO nonlinear systems," IEEE Trans. on Automatic Control, vol. 54, no. 7, 2009, pp. 1601-1607. 

  4. J. Kim, "A robust sensorless speed control of sensorless BLDC motor," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 3, no. 4, 2008, pp. 266-275. 

  5. H. Lee, W. Cho, and K. Lee, "Improved switching method for sensorless BLDC motor drive," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 5, no. 2, 2010, pp. 164-170. 

  6. Y-H. Jeon and M-H. Cho, "A Speed Control of BLDC Motor using Adaptive Back stepping Technique," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9, no. 8, 2014, pp. 899-905. 

  7. J. Zhou and Y. Wang, "Adaptive backstepping speed controller design for a permanent magnet synchronous motor," Electric Power Applications IEE Proc. vol. 149, no. 2, 2002. pp. 165-172. 

  8. M. Ouassaid, M. Cherkaoui, and Y. Zidani, "A Nonlinear Speed Control for a PM Synchronous Motor Using an Adaptive Back -stepping Control Approach," IEEE Int. Conf. on Industrial Technology (ICIT), Hammamet, Tunisia, vol. 3, 2004, pp. 1287-1292. 

  9. S. Rebouh, A. Kaddouri, R. Abdessemed, and A. Haddoun, "Adaptive Back stepping speed Control for a Permanent Magnet Synchronous Motor," Management and Service Science (MASS) 2011 Int. Conf., Wuhan, China, 2011, pp. 1-4. 

  10. L. Yuan, H. Feng-you, and W. Feng "Nominal Model-Based Control for Permanent Magnet Synchronous Motor," 2009 Int. Conf. on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics, Hangzhou, China, vol. 2, 2009, pp. 343-346. 

  11. S. Back, "A Study on the Design and Implementation of 2-phase BLDC Fan Motor with 1-horsepower Class for Air Conditioning," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 13, no. 4, Aug. 2018, pp. 760. 

  12. H. Kwon, "Knee Rehabilitation System through EMG Signal analysis and BLDC Motor Control," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 14, no.5, Oct. 2019, pp. 1009-1018. 

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