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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최익
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 광운대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
이 논문의 연구 히스토리 (4)
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최근 들어 교류동기 전동기는 드라이브의 발달로 인하여 정밀한 서보제어가 가능
하게 되었고, 복잡했던 제어 구조는 벡터 제어등을 통하여 간략화되고 일반화되어
널리 쓰이고 있다. 영구자석 동기 전동기의 경우는 고효율, 고역률 및 고출력 밀
도 등의 장점으로 인하여 서보용 전동기로의 사용이 증가되고 있는 실정이다.
그 중에서도 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet
Synchronous Motor)는 정밀한 속도 구동에 적합하고, 높은 전력 밀도와 효율의 장
점이 있다. 또한, 영구자석이 회전자 내부에 삽입되어 d축 자기저항과 q축 자기저항
의 차이를 가지며, 이런 돌극성으로 인하여 d축과 q축 사이의 자기저항 차이에 따라
발생하는 릴럭턴스 토크가 존재하게 된다. 이를 이용하여 전동기의 출력 토크를 증
가시킬 수 있으며, 고정자 전류를 이용하여 공극 자속을 조정함으로써 운전속도 범
위를 확장할 수 있는 장점을 갖는다.
전동기 제어에 일반적으로 사용되는 선형 PID 제어기는 좋은 응답성을 가진다.
하지만, 부하토크의 변동이나 파라미터의 변동에 대해 일정한 응답성을 가지지 못
하며, 이런 변동에 의하여 제어가 잘못되는 경우가 발생할 수 있다. 이런 문제를 극
복하기 위해서 적응 제어, 퍼지 제어, 변수 적응 제어 식별 및 적응 모델 추종 제어
등과 같은 많은 비선형 제어 방법들로 제어기를 설계할 수 있다.
본 논문에서 사용한 제어기 설계 방법은 비선형 적응 백스텝핑 제어 방법이다. 비
선형 적응 백스텝핑 제어는 가상 제어 입력을 구성할 때, 비선형 시스템을 선형화하
기 위한 항이나 비선형항에 대한 댐핑 성분을 첨가하여 시스템의 점근적인 안정을
확보할 수 있도록 구성한다. 또한, 실제 제어입력은 적분 되어져 가상 제어 입력으
로 들어가는 구조의 제어기이다. 이 때, 가상 제어 입력은 계측 가능한 상태변수를
선택하여 사용한다. 또한, 시스템 파라미터 변동의 영향이 포함될 수 있도록 제어기를 구성할 수 있기 때문에 시스템의 점근적인 안정성과 파라미터 변동에 적응하는
제어기를 구성할 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 논문에서는 매입형 영구자석 동기전동기의 고성능 운전을 위한 비선형 적응
백스텝핑 제어기 설계를 제안하였다. 서로 커플링된 제어 입력에 대하여 풀어내는
방법을 토대로 하여 백스텝핑 제어기를 설계하고, 정밀한 제어를 위한 파라미터 추
정기를 포함하도록 재구성하였다. 그리고, 설계한 제어기는 모의 실험과 실험을 통
하여 기존의 선형 PID 제어기와 여러 운전 모드와 속도 가변 환경 하에 성능을 비교
하여 검증한다. 그리고 추정한 파라미터들의 오차를 분석하고, 파라미터 변동 시에
추종 능력을 분석하였다.
하게 되었고, 복잡했던 제어 구조는 벡터 제어등을 통하여 간략화되고 일반화되어
널리 쓰이고 있다. 영구자석 동기 전동기의 경우는 고효율, 고역률 및 고출력 밀
도 등의 장점으로 인하여 서보용 전동기로의 사용이 증가되고 있는 실정이다.
그 중에서도 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM : Interior Permanent Magnet
Synchronous Motor)는 정밀한 속도 구동에 적합하고, 높은 전력 밀도와 효율의 장
점이 있다. 또한, 영구자석이 회전자 내부에 삽입되어 d축 자기저항과 q축 자기저항
의 차이를 가지며, 이런 돌극성으로 인하여 d축과 q축 사이의 자기저항 차이에 따라
발생하는 릴럭턴스 토크가 존재하게 된다. 이를 이용하여 전동기의 출력 토크를 증
가시킬 수 있으며, 고정자 전류를 이용하여 공극 자속을 조정함으로써 운전속도 범
위를 확장할 수 있는 장점을 갖는다.
전동기 제어에 일반적으로 사용되는 선형 PID 제어기는 좋은 응답성을 가진다.
하지만, 부하토크의 변동이나 파라미터의 변동에 대해 일정한 응답성을 가지지 못
하며, 이런 변동에 의하여 제어가 잘못되는 경우가 발생할 수 있다. 이런 문제를 극
복하기 위해서 적응 제어, 퍼지 제어, 변수 적응 제어 식별 및 적응 모델 추종 제어
등과 같은 많은 비선형 제어 방법들로 제어기를 설계할 수 있다.
본 논문에서 사용한 제어기 설계 방법은 비선형 적응 백스텝핑 제어 방법이다. 비
선형 적응 백스텝핑 제어는 가상 제어 입력을 구성할 때, 비선형 시스템을 선형화하
기 위한 항이나 비선형항에 대한 댐핑 성분을 첨가하여 시스템의 점근적인 안정을
확보할 수 있도록 구성한다. 또한, 실제 제어입력은 적분 되어져 가상 제어 입력으
로 들어가는 구조의 제어기이다. 이 때, 가상 제어 입력은 계측 가능한 상태변수를
선택하여 사용한다. 또한, 시스템 파라미터 변동의 영향이 포함될 수 있도록 제어기를 구성할 수 있기 때문에 시스템의 점근적인 안정성과 파라미터 변동에 적응하는
제어기를 구성할 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 논문에서는 매입형 영구자석 동기전동기의 고성능 운전을 위한 비선형 적응
백스텝핑 제어기 설계를 제안하였다. 서로 커플링된 제어 입력에 대하여 풀어내는
방법을 토대로 하여 백스텝핑 제어기를 설계하고, 정밀한 제어를 위한 파라미터 추
정기를 포함하도록 재구성하였다. 그리고, 설계한 제어기는 모의 실험과 실험을 통
하여 기존의 선형 PID 제어기와 여러 운전 모드와 속도 가변 환경 하에 성능을 비교
하여 검증한다. 그리고 추정한 파라미터들의 오차를 분석하고, 파라미터 변동 시에
추종 능력을 분석하였다.
목차
1. 서론 11.1. 영구자석 동기 전동기 11.2. 연구 배경과 기존의 연구 동향 41.3. 연구의 목적 및 내용 71.4. 논문의 구성 92. 비선형 적응 백스텝핑 제어기의 설계 102.1. 일반적인 비선형 백스텝핑 제어기 설계 방법 102.2. 비선형 백스텝핑 제어기 설계 예제 152.3. 영구자석 동기 전동기의 모델 182.4. 비선형 적응 백스텝핑 제어기의 설계 282.5. 개선된 비선형 적응 백스텝핑 제어기의 설계 363. 모의 실험 493.1. 모의 실험 환경 493.2. 파라미터 추정기를 포함하지 않은 제어기 513.3. 파라미터 추정기를 포함한 제어기 543.3.1. 모의 실험 543.3.2. 추정치 오차 분석을 위한 모의 실험 574. 실험 결과 634.1. 실험 장치의 구성 634.1.1. 실험에 사용된 장치 634.1.2. DSP 제어 보드 구성 644.2. 실험 결과 654.3. 추정치 오차 분석 결과 695. 결론 756. 참고 문헌 77
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