전동기 위치 제어를 위한 비례 미분-2 자유도 직렬 제어기 설계

Abstract

일반적으로 산업 현장에서 요구하는 전동기 위치 제어 시스템은 빠르고 정확한 위치 응답이 요구된다. 고속, 고정밀 위치 응답을 확보하기 위해 많은 연구가 이루어지고 있다. 빠른 위치 응답이 요구되는 위치 제어 시스템에서는 내부 루프인 속도 제어기를 사용하지 않고, 위치 제어기를 전류 제어기에 직접 연결하는 구조를 사용한다. 이러한 구조는 속도 제어기를 사용하지 않기 때문에 위치 제어기의 출력을 전류 제어기에 직접 연결하기 때문에, 속도 제어기가 생략되어 위치 제어 시스템의 동특성을 높일 수 있다. 반면에 속도 제어기를 사용하지 않으므로, 위치 제어 시스템의 안정성을 저하시킬 수 있다. 정확한 위치 응답이 요구되는 위치 제어 시스템에서는 주로 비례 제어기로 이루어진 위치 제어기와 비례 적분 속도 제어기가 직렬로 연결된 직렬 제어 구조가 사용된다. 비례-비례 적분 직렬 제어 구조는 직렬 연결된 두 제어기를 독립적으로 다룰 수 있기 때문에, 제어기 이득 설정이 간단하다. 그리고 제어기를 독립적으로 다뤄서 전동기의 최대 속도 및 토크 등을 쉽게 제한할 수 있기 때문에 시스템이 안정하다. 그러나 이러한 직렬 제어 구조는 상위 제어기의 동특성이 떨어지는 문제가 있다. 속응성과 안정성을 모두 만족하기 위해서는 직렬 제어 구조를 유지함과 동시에 상위 제어기의 동특성을 높여야 한다. 직렬 구조를 유지한 상태에서 속응성을 확보하기 위해 비례 미분 제어기 형태의 위치 제어기와 2 자유도 형태의 속도 제어기를 제안한다. 위치 제어기의 영점과 폐루프 속도 제어기의 극점을 상쇄시켜서 위치 제어기의 대역폭을 확대할 수 있다. 제안된 비례 미분-2 자유도 직렬 제어기의 타당성을 검증하기 위해, 계단 위치 지령과 정현파 위치 지령에 대한 위치 제어를 모의 실험 및 실험으로 수행하였다. 검증 결과, 직렬 제어기 구조를 사용하면서도 위치 제어 대역폭을 속도 제어 대역폭까지 확대할 수 있다.|In general, motor position control systems required by industrial sites require rapid and accurate position responses. Research is being actively conducted to secure high-speed and high-precision position responses. The position control system that requires rapid position response uses a structure that directly connects the position controller to the current controller. Since this structure does not require the speed controller, the output of the position controller is directly connected to the current controller to increase the system's dynamic characteristic. However, the position control system's stability can deteriorate without the speed controller. The position control system that requires accurate position response uses a cascade control structure consisting of a proportional position controller and a proportional integration speed controller. This structure is relatively simple to set the gain because each controller operates independently. Furthermore, the system is stable because it is possible to limit the maximum speed and torque of the motor. However, this cascade control structure has a problem in that the dynamic characteristic of the position controller is not rapid. To satisfy the rapid and accurate position response, it is necessary to maintain the cascade control structure and increase the dynamic characteristic of the position controller.A proportional differential-two degree of freedom cascade controller is proposed to satisfy the rapid and accurate position response. By cancelling the zero point of the position controller and the pole of the closed-loop speed controller, the bandwidth of the position controller can be expanded. Simulations and experiments were conducted based on the proposed proportional differential-2 degree of freedom cascade controller. The location control dynamic characteristic is verified through simulation and experimental results by applying the step response and the sinusoidal response.