工工學學學碩碩碩士士士學學學位位位請請請求求求論論論文文文

서 론

연구배경 및 동향

따라서 DC 모터의 속도 제어에는 연속 제어가 가능하고 효율적이며 전압 조정이 용이한 전기자 전압 제어 방식이 주로 사용된다. 즉, 센서리스 크루즈 컨트롤에 대한 연구가 이루어졌습니다.

연구 목적

기존 센서리스 속도 제어 방식은 전기자 전압, 전류, 계자 전류로부터 모터 회전 속도를 추정하는 방식을 사용합니다.

논문의 구성

또한, 전기자에 가변저항을 직렬로 연결하여 전기자에 걸리는 전압을 변화시켜 속도를 제어하는 전기자저항 제어방식이 있는데, 정격속도보다 낮은 범위에서 속도를 제어할 때 사용됩니다. 실제 모터의 전기자 전류와 수학적 모델이 일치하여 좋은 속도 특성이 얻어지는 것을 볼 수 있습니다.

직류전동기의 개요

직류전동기의 구동원리

DC 모터의 회전 원리는 다음과 같습니다. 도체가 회전하는 것과 동시에 플레밍의 오른손 법칙에 따라 유도 전압이 생성됩니다.

그림 2.1 직류전동기의 회전원리 Fig. 2.1 Rotation principle of DC motor.

직류전동기의 수학적 모델링

DC 모터에서 발생하는 토크는 상호 인덕턴스, 계자 전류 및 전기자 전류의 곱으로 표현되며 이는 식 (2.7)과 같이 표현됩니다. 방정식 (2.7)에서 계자 전압이 일정하게 유지되면 상호 인덕턴스와 계자 전류는 다음과 같습니다. 이는 일정한 값이 되며 생성된 토크는 전기자 전류에 대해서만 생성됩니다.

회전자의 관성 모멘트와 부하의 합과 전기 모터의 마찰 계수에 베어링 손실이 포함되는 경우.

직류전동기 제어방식

전기자전압 제어방식
계자 제어방식

그림 2.4에서 볼 수 있듯이 이는 계자 전류를 일정하게 유지하고 전기자에 인가되는 전압을 변화시켜 인버터 구동 DC 모터의 계자 전류를 제어하는 방법입니다. 인버터 구동 DC 모터의 속도를 제어하는 또 다른 방법은 현장 제어 방법입니다. 이 방법은 전기자 전류를 일정한 수준으로 유지하고 계자 전류를 변경하여 속도를 제어합니다.

따라서 수학적 모델의 전기자 전류와 실제 모터의 전류가 일치하도록 제어하면 됩니다.

직류전동기 센서리스 속도제어

기존의 센서리스 속도제어

회전자 속도에 대한 정보는 자기 전류 값에서 얻을 수 있습니다. 속도 추정을 위해서는 정확한 엔진 매개변수 값이 필수적이며, 이를 위해서는 여러 번의 반복 실험이 필요합니다. 또한, 저속 영역의 속도 추정 시 전기자 전압이 낮아 파라미터 변화의 영향이 커져 정확한 속도 추정이 어려워진다.

그림 3.1 속도추정기에 의한 제어시스템 Fig. 3.1 The control system by the speed estimator

전류오차보상에 의한 센서리스 제어

속도 응답 특성도 좋고, 전류 응답 특성도 좋은 것을 알 수 있습니다. 속도 제어 실험을 검증하기 위해 속도 검출 회로를 구성하였다. 흐름이 일치하고 좋은 속도 특성이 달성되는 것을 볼 수 있습니다.

속도 응답 특성도 좋고, 전류 응답 특성도 좋은 것을 알 수 있습니다.

그림 3.2 직류전동기의 입․ 출력변수 Fig. 3.2 Input and output variables of DC motor.

시뮬레이션 및 검토

전류오차보상에 의한 제어시스템의 시뮬레이션

시뮬레이션의 임무는 먼저 저속 명령 속도에 대한 안정적인 속도 추적 능력을 조사하고 전진 및 후진 주행 성능을 테스트하는 것이었습니다. 그리고 고속 지령 속도 응답을 확인하고, 운전 중 지령 속도 변화에 따른 속도 추종 성능을 검토하였다. 고속 영역에서도 우수한 속도 특성이 달성됩니다.

그림에서 볼 수 있듯이 명령 속도 추종 성능이 좋고 실제 응답성도 우수하다.

시뮬레이션 결과 검토

이 센서리스 속도 제어 시스템의 전체 구성은 그림 5.1에 나와 있습니다. 또한, 제어 성능을 확인하기 위해 제어 회로와 별도로 속도 검출 회로를 사용합니다. 이 센서리스 속도 제어 시스템을 구현하기 위해 구성된 제어 프로그램의 흐름도는 그림 5.2에 나와 있습니다.

이에 본 연구에서는 속도 센서를 사용하지 않는 DC 모터의 센서리스 속도 제어에 관한 연구를 진행하였다.

그림 4.1 계단상 속도지령 변화에 대한 응답 (0 → 50[rpm]) (a) 전동기속도 (b) 모델과 전동기의 전기자전류

실험 및 검토

실험장치의 구성

하드웨어 구성
제어프로그램 구성

시스템을 구현하기 위한 하드웨어 구성은 마이크로프로세서 시스템, 전원 링크 전압 및 직류 검출 회로, 게이트 구동 회로, 전원 회로로 구분된다. 본 게이트 드라이버 회로는 직접 제작하여 개별소자로 사용할 수도 있으나, 본 실험장치에는 상용화된 전용 게이트 드라이버 IC인 TF1205를 사용하였다. 전원회로의 구성은 정류부, 침식부, 제어장치 전원부로 나누어진다.

초퍼 부분은 IGBT 모듈을 사용해 제작했는데, 그건 다른 장치입니다.

그림 5.1 직류전동기 전체 구동시스템 Fig. 5.1 Overall DC motor drive system.

실험결과 검토

전류 오차 보상 방법에 의해 양호한 부하 특성이 달성되는 것을 볼 수 있다. 그림에서 알 수 있듯이 명령 속도 추종도 좋고 전류 응답성도 뛰어납니다. 제어 시스템에 속도 센서를 사용하면 제어 시스템의 비용이 증가하고, 센서 부착으로 인해 DC 모터의 구조가 복잡해지며, 센서 오류로 인해 견고한 제어 특성을 구현하기가 어렵습니다.

본 논문에서는 전류오차보상을 기반으로 한 방법을 사용하였다. 전기자 전압과 전류를 이용하여 회전자 속도를 추정하는 기존 방식과 달리, 이 방식은 실제 DC 모터와 DC 모터의 수학적 모델 사이의 전기자 전류 차이를 이용하여 회전자 속도를 추정하는 기존 방식과 다르다. 를 억제하는 전압을 인가하여 모터의 속도가 설정값인 모델의 속도를 추종하도록 하는 제어 방식입니다. 본 논문에서 제안하는 제어방법의 제어특성은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 확인되었으며, 본 논문에서 제안하는 방법의 우수한 제어특성은 실제 실험을 통해 입증되었다. 향후 보다 정확한 전류 제어 방법이 사용되고 모터 상수의 온라인 추정이 수반된다면, 본 논문에서 제시하는 전류 오차 보상에 의한 센서리스 속도 제어 방법은 동작 조건 및 외란에 강인한 제어 특성을 나타낼 것으로 기대된다. 이를 향후 과제로 삼을 계획입니다.