스테핑 모터의 진동 제거를 위한 속도 추종 제어기 설계

Abstract

영구자석 형 스테핑 모터는 높은 토크 대 관성비를 가지며 브러시가 없는 구조로 인해 긴 수명을 갖는 장점이 있어 그 이용분야가 점차 넓어지고 있다. 그러나 직류 모터에 비해 복잡한 내부 구조를 가지고 있고 이에 따라 고차의 동역학을 갖는다. 따라서 스테핑 모터를 이용한 추종 시스템을 구성하기 위해서는 그 구조를 보다 단순화 할 필요가 있다. 또한 스테핑 모터의 구동 시 입력의 오차에 의해 발생하는 토크 외란, 구동부의 구조적 특징으로 인한 코깅 토크 외란 등이 존재하게 된다. 이는 기기에 진동 및 잡음을 발생시켜 시스템의 성능에 악영향을 미친다. 본 논문에서는 스테핑 모터를 대상으로 속도 추종 시스템을 설계하였다. 스테핑 모터의 복잡한 동역학을 단일 입력-단일 출력 시스템으로 만들기 위하여 비선형 피드백을 이용한 새로운 벡터 제어 기법을 제안하였다. 제안한 벡터 제어 기법을 사용하여 속도 추종을 위한 폐루프 시스템을 구성하고 이 때 발생하는 토크 외란에 의한 진동 현상을 제거하기 위하여 내부 모델 법칙 기반의 제어기를 추가 적용하였다. 모의 실험을 통해 제안한 벡터 제어 기법의 장점을 보이고, 속도 추종 시스템을 구성하였을 때 정현파 토크 외란에 의하여 발생하는 특정 주파수를 갖는 진동을 내부 모델 법칙 기반의 제어기를 추가함으로써 효과적으로 제거할 수 있음을 확인하였다.; Permanent magnet stepping motors (PMSMs) are electrical actuator that has the advantage of high torque to inertia ratio and long life span because they do not have mechanical brush. However, they have more complexity and higher order dynamics than DC motors because of their internal complex structure. And PMSMs have the periodic velocity ripples cause of cogging torque or current offset. Since these torque ripples generate tracking error and mechanical vibration in accurate applications, the performance may be deteriorated. In this paper, speed tracking controller to reject the speed ripple of PMSMs is proposed. A new vector control technique using the nonlinear feedback method is proposed. By proposed vector control technique, the magnetizing component of the stator current is maintained at zero, and the electrical dynamic of PMSMs become negligible. PMSMs become a single-input single-output (SISO) plant from the torque current to speed. To track desired speed, the proportional-integral controller is applied to the SISO plant. And an add-on type internal model principle (IMP) is used to reject the speed ripple due to the sinusoidal disturbance torque. The performance of proposed vector controller was validated via simulations. Simulation results showed that the proposed controller rejects the speed ripple due to the sinusoidal disturbance torque.