1차 외란 관측기를 적용한 PMSM의 저진동 고정밀 위치 제어에 대한 연구 :A Study on Low Vibration and High Precision Position Control of PMSM Using First Order Disturbance Observer

이익선

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이익선 (단국대학교, 단국대학교 대학원)

지도교수: 고종선

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

1차 관측기를 이용한 진동 저감의 PMSM 위치 제어에 대한 연구

이익선 , 정성철 , 윤인식 외 1명 대한전기학회 학술대회 논문집 2018.04 학술대회자료

1차 외란 관측기를 적용한 PMSM의 저진동 고정밀 위치 제어에 대한 연구

이익선 전자전기공학과 2018.01 학위논문

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최근 중, 소용량의 영구자석형 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)는 높은 토크와 고정밀 제어 및 빠른 가감속 특성을 가지고 있다. 이런 특성 때문에 정밀 가공 로봇, 반도체 공정, 공장 자동화 등 로봇 산업 및 생산 자동화 산업 등에서 주로 사용하고 있다. 하지만 고정밀, 고강성 제어를 하는 산업계에서 예측이 불가능한 외란과 파라미터의 변화 또는 구동부에 고려되지 않은 비선형 동특성으로 인해 기존 제어는 여러 문제를 가지고 있다. 또한, 나노급 정밀 제어의 기술이 미흡하고, 부하가 변동할 시에 적절한 이득(Gain)을 다시 계산해야하기 때문에 작업의 연속성이 떨어져 경쟁력이 부족하다. 뿐만 아니라 진동이 적고 높은 정밀도의 제어를 위한 구동 방식에서 영구자석형 동기 전동기와 부하의 연결 과정은 시스템의 응답 특성이 매우 불안정 해지고, 진동이 발생하며, 시스템에 무리를 줄 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 현재 적응 제어(Adaptive Control), 최적 제어(Optimal Control), 강인 제어(Robust Control), 인공신경망을 적용한 제어(Artificial Neural Network) 등 여러 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 논문에서는 회전자의 위치를 검출하기 위하여 영구자석형 동기 전동기의 증분 엔코더를 이용하였고, 검출된 회전자의 위치를 사용하여 저진동, 고정밀 위치 제어를 하였다. 제어기로는 속도 관측기를 추가한 추가 상태 궤환 제어기(Augmented State Feedback Control)와 1차 데드비트 외란 관측기(First Order Deadbeat Disturbance Observer)를 제안한다. 추가 상태 궤환 제어기는 회전자의 위치가 기준 위치에 빠르고 정밀하게 도달하는 제어를 수행한다. 이 추가 상태 궤환 제어기에 속도 관측기를 추가하여 미리 계산한 속도의 값을 제어에 이용함으로써 속도 응답 특성이 떨어지는 점을 보완하였다. 1차 데드비트 외란 관측기는 기구부가 가지고 있는 진동하는 성분 또는 외란을 보상함으로써 모터의 진동을 줄이는 제어를 수행한다. 데드비트 외란 관측기의 경우 잡음에 약하다는 특성을 가지고 있으므로 잡음의 영향을 줄이기 위해 이동 평균 필터(Moving Average Filter) 방식을 이용하여 보완하였다. 제안하는 1차 데드비트 외란 관측기는 기존의 0차 데드비트 외란 관측기에 비해 진동 부하에 대하여 더 강인하다는 것을 검증하였다.
이와 같이 1차 데드비트 외란 관측기를 가지는 새로운 제어기는 큰 관성 부하 및 고유 진동 주파수의 영향에 더 강인하고 정밀한 위치 제어를 할 수 있으며, C 언어와 Matlab Simulink를 통하여 시스템의 안정성과 효율성을 모의실험으로 확인하였다. 또한, 실제 2.5[kW] 영구자석형 동기 전동기 실험으로 검증하였다.

Recently, a permanent magnet synchronous motor of middle and small-capacity has high torque, high precision control and acceleration / deceleration characteristics. Because of this characteristic, it is mainly used in robot and production automation industry such as precision processing robot, semiconductor process and factory automation. Existing control has several problems that include unpredictable disturbances and parameter changes in the high accuracy and rigidity control industry or nonlinear dynamic characteristics not considered in the driving part. In addition, the nano-level precision control technology is insufficient, and when the load fluctuates, the proper gain must be calculated again, so the continuity of the operation is poor and it lacks competitiveness. In addition, in the drive method for the control of low-vibration and high-precision, the process of connecting the permanent magnet type synchronous motor and the load may cause the response characteristic of the system to become very unstable, to cause vibration, and to overload the system. In order to solve these problems, various studies such as adaptive control, optimal control, robust control and artificial neural network have been actively conducted.
In this paper, an incremental encoder of a permanent magnet synchronous motor is used to detect the position of the rotor. And the position of the detected rotor is used for low vibration and high precision position control. As a controller, we propose augmented state feedback control with a speed observer and first order deadbeat disturbance observer. The augmented state feedback controller performs control that the position of the rotor reaches the reference position quickly and precisely. The addition of a speed observer to this augmented state feedback controller compensates for the drop in speed response characteristics by using the previously calculated speed value for the control. The first order deadbeat disturbance observer performs control to reduce the vibration of the motor by compensating for the vibrating component or disturbance that the mechanism has. Since the deadbeat disturbance observer has a characteristic of being vulnerable to noise, it is supplemented by moving average filter method to reduce the influence of the noise. The proposed first order deadbeat disturbance observer is confirmed to be more robust against vibration load than the existing zero order deadbeat disturbance observer.
Thus, the new controller with the first order deadbeat disturbance observer can perform more robustness and precise position control for the influence of large inertial load and natural frequency. The simulation stability and efficiency has been obtained through C language and Matlab Simulink. In addition, the experiment of actual 2.5[kW] synchronous motor with permanent magnet type was verified.

국 문 요 약 ⅰ
감 사 의 글 ⅲ
목 차 ⅳ
표 목 차 ⅵ
그 림 목 차 ⅶ
기호 및 약어 ⅸ
Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 배경 및 동향 1
2. 연구의 목적 및 내용 3
3. 논문의 구성 4
Ⅱ. PMSM의 구조 및 수학적 모델링 5
1. PMSM의 비선형 모델 5
2. PMSM의 선형 모델 8
Ⅲ. 기존 제어기 11
1. 추가 상태 궤환 제어기 11
2. 속도 관측기를 적용한 추가 상태 궤환 제어기 14
3. 디지털 제어기 17
Ⅳ. 제안하는 제어기 19
1. 1차 외란 관측기 19
2. 후단 필터 25
Ⅴ. 전체 시스템 구성 27
Ⅵ. 모의실험 및 실험 결과 33
1. 1차 외란 관측기를 적용한 모의실험 결과 33
2. 1차 외란 관측기를 적용한 실험 결과 53
Ⅶ. 결 론 62
참고문헌 63
부 록 65
A) DS1102 Data Sheet 66
B) 제안하는 위치 제어기 프로그램 69
영문요약 74

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