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표제지

목차

기호 및 약어 목록 10

국문 요약 11

제1장 서론 13

1.1. 연구 배경 및 목적 13

1.2. 논문의 구성 16

제2장 슬라이딩 모드 제어 17

2.1. 슬라이딩 모드 제어 이론 17

2.2. Lyapunov Stability 분석 22

제3장 슬라이딩 모드 속도 제어기 28

3.1. PMSM 모델링 28

3.2. PI 속도 제어기 31

3.3. 슬라이딩 모드 속도 제어기 40

3.4. 적분 슬라이딩 모드 속도 제어기 45

제4장 외란 관측기 기반 슬라이딩 모드 속도 제어기 53

4.1. 외란 관측 기반 슬라이딩 모드 속도 제어기 설계 56

4.2. 슬라이딩 모드 외란 관측기 설계 60

제5장 시뮬레이션 및 실험 결과 64

5.1. MATLAB/Simulink를 이용한 시뮬레이션 65

5.1.1. 전류 제어기 채터링 현상 비교 시뮬레이션 67

5.1.2. 속도 제어 성능 비교 시뮬레이션 70

5.2. 실험 구성 및 실험 결과 75

5.2.1. 전류 제어기 채터링 현상 비교 실험 78

5.2.2. 속도 제어 성능 비교 실험 81

제6장 결론 84

참고 문헌 87

Abstract 89

표목차

표 1.1. PI 제어기의 이득 선정 13

표 3.1. 속도 제어 시뮬레이션에 사용된 PMSM 파라미터 33

표 3.2. 속도 제어 시뮬레이션에 사용된 인버터 제어 파라미터 33

표 5.1. 시뮬레이션에 사용된 제어 파라미터 정의 70

표 5.2. 외란 토크에 대한 속도 제어 시뮬레이션 결과 (1,000RPM) 73

표 5.3. 외란 토크에 대한 속도 제어 시뮬레이션 결과 (3,000RPM) 74

표 5.4. Motor Parameter 와 Test Condition 76

표 5.5. 속도 제어 실험 결과 비교 80

표 5.6. 외란 토크 인가 시 속도 응답 실험 결과 비교 83

표 5.7. 외란 토크 제거 시 속도 응답 실험 결과 비교 83

그림목차

그림 1.1. PI 제어기를 사용한 기존의 속도 제어 방식 14

그림 2.1. 상태 평면에서의 슬라이딩 모드 제어 20

그림 2.2. 불연속 제어 입력 21

그림 2.3. Reaching Phase 시 상태평면상 거동 27

그림 2.4. Sliding Phase 시 상태평면상 거동 27

그림 3.1. PMSM 속도 제어 시스템 구조 31

그림 3.2. PI 속도 제어기를 갖는 PMSM 구동 시스템의 구조 32

그림 3.3. MATLAB/Simulink를 이용한 PMSM 속도 제어 시스템 블록도 34

그림 3.4. D축 전류 제어기 35

그림 3.5. Q축 전류 제어기 35

그림 3.6. DQ 좌표변환 35

그림 3.7. Offset 전압을 이용한 SPWM 36

그림 3.8. PI 속도 제어기 36

그림 3.9. 시뮬레이션 조건 37

그림 3.10. PI 속도 제어기 속도 응답 38

그림 3.11. PI 속도 제어기 d-q축 전류 응답 38

그림 3.12. PI 속도 제어기 3상 전류 응답 39

그림 3.13. 슬라이딩 모드 속도 제어기 43

그림 3.14. 슬라이딩 모드 속도 제어기 속도 응답 43

그림 3.15. 외란 인가 시점 변경 후 속도 응답 44

그림 3.16. 적분 슬라이딩 모드 속도 제어기 48

그림 3.17. 적분 슬라이딩 모드 속도 제어기 속도 응답 48

그림 3.18. 적분 슬라이딩 모드 속도 제어기 위상 응답 49

그림 3.19. 주어진 Ramp Function 형태의 속도 제어기 입력 50

그림 3.20. Ramp지령이 주어진 속도 응답 50

그림 3.21. Ramp지령이 주어진 위상 응답 51

그림 3.22. 외란 인가 유무에 따른 속도 응답 비교 52

그림 3.23. 외란 인가 시점 변경 후 위상 응답 52

그림 4.1. 무부하 속도 제어 시뮬레이션 결과 (속도 응답) 54

그림 4.2. 무부하 속도 제어 시뮬레이션 결과 (전류 응답) 54

그림 4.3. 시스템 종합 외란을 포함하는 슬라이딩 모드 속도 제어기 59

그림 4.4. 슬라이딩 모드 외란 관측기 63

그림 4.5. 외란 관측기 기반 슬라이딩 모드 속도 제어기 63

그림 5.1. 본 논문에서 제안하는 PMSM 속도 제어 시스템 64

그림 5.2. MATLAB/Simulink를 이용한 전체 시스템 블록도 66

그림 5.3. 속도 지령 입력 67

그림 5.4. 외란 토크 입력 67

그림 5.5. 전류 제어기 채터링 현상 비교 68

그림 5.6. SMC 속도 응답 68

그림 5.7. SMC+SMDOB 속도 응답 68

그림 5.8. 인가 외란 및 관측 외란 69

그림 5.9. 파라미터 변동에 대한 PI 제어기 속도 응답 (J₀) 71

그림 5.10. 파라미터 변동에 대한 PI 제어기 속도 응답 (1.5J₀) 71

그림 5.11. 파라미터 변동에 대한 SMC+SMDOB 속도 응답 (J₀) 72

그림 5.12. 파라미터 변동에 대한 SMC+SMDOB 속도 응답 (1.5J₀) 72

그림 5.13. 외란 토크에 대한 속도 응답 비교 (1,000RPM) 73

그림 5.14. 외란 토크에 대한 속도 응답 비교 (3,000RPM) 74

그림 5.15. 실험 환경 75

그림 5.16. SMC 전류 응답 실험 결과 78

그림 5.17. SMC 속도 응답 실험 결과 78

그림 5.18. SMC+SMDOB 전류 응답 실험 결과 79

그림 5.19. SMC+SMDOB 속도 응답 실험 결과 79

그림 5.20. 속도 제어 오차 성분 비교 80

그림 5.21. 외란 토크 인가 시 PI제어기 속도 응답 실험 결과 81

그림 5.22. 외란 토크 제거 시 PI제어기 속도 응답 실험 결과 81

그림 5.23. 외란 토크 인가 시 SMC+SMDOB 속도 응답 실험 결과 82

그림 5.24. 외란 토크 제거 시 SMC+SMDOB 속도 응답 실험 결과 82

그림 6.1. 시뮬레이션 결과 84

그림 6.2. 실험 결과 비교 85

초록보기

 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor:PMSM)는 Field-oriented 제어를 기반으로 타 전동기보다 정밀한 제어가 가능하며 타 전동기에 비해 고효율이며, 우수한 성능 및 높은 전력밀도의 장점으로 인해 오늘날 널리 사용되고 있다. PMSM의 제어 시스템에서 널리 사용되는 제어 기법으로는 비례-적분(Proportional-Integral:PI) 제어 기법이다. PMSM의 선형화 된 모델을 이용한 PI 제어 기법은 타 제어 기법에 비해 간단한 구성을 보이며, 구현의 용이성으로 인해 많이 사용되고 있다. 그러나 실제 PMSM 시스템에는 모델링 되지 않은 역학, 파라미터 변동, 부하 외란과 같이 시스템 내부 또는 외부에서 발생할 수 있는 불확실성이 존재한다. 그 결과, PI 제어 기법과 같은 선형 제어 시스템의 성능 저하를 야기할 수 있다.

슬라이딩 모드 제어(Sliding Mode Control:SMC) 기법은 가변 구조 시스템(Variable Structure System)의 일종으로, 시스템의 구조를 변경하여 시스템의 상태를 슬라이딩 평면에 구속시켜 외란 및 파라미터 변동과 같은 불확실성에 둔감한 특성을 갖게 만드는 비선형 제어 기법이다. 슬라이딩 모드 제어 기법은 불확실성이 존재하는 전력 변환 장치, 전동기, 산업용 로봇, 항공 분야 등 강인한 제어 성능을 요구하는 다양한 시스템에 폭넓게 적용되고 있다.

본 논문에서는 외란 및 파라미터 변동과 같은 불확실성에 대해 강인한 PMSM의 속도 제어 시스템 구축을 위해 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용하였다. 슬라이딩 모드 제어 기법을 이용해 PMSM의 속도 제어 시스템에 적용할 경우 고려해야 하는 중요한 문제는 슬라이딩 모드 제어기의 큰 스위칭 이득으로부터 발생하는 불연속 제어 입력에 의한 채터링(Chattering) 현상이다. 전류 제어기로 입력되는 진동하는 성분의 전류 지령은 시스템에 해로운 소음 및 진동을 유발하며, 제어 성능에 악영향을 끼칠 수 있다.

따라서, 본 논문에서는 슬라이딩 모드 제어 기법으로 구성한 PMSM의 속도 제어 시 발생하는 전류 제어기로의 채터링 현상을 저감하기 위한 방법으로 슬라이딩 모드 외란 관측기를 추가로 적용한 복합 슬라이딩 모드 제어 전략을 제안한다. 전동기의 운전 중 발생할 수 있는 파라이터 변동 및 외란과 같은 불확실성을 시스템의 등가 외란으로 고려한 슬라이딩 모드 속도 제어기를 구성하여, 해당 등가 외란을 슬라이딩 모드 외란 관측기로 하여금 피드 포워드 하여 제어 입력에 이를 보상해준다면 기존 슬라이딩 모드 제어기의 큰 스위칭 이득의 크기를 상쇄시켜 불연속적인 형태로 생성되는 채터링 현상을 완화할 수 있다.

본 논문에서 제안하는 방법에 대해 설명하기 앞서 기존 PMSM의 속도 제어를 위해 사용된 PI 제어 기법과 슬라이딩 모드 제어 기법으로 구성한 속도 제어 시스템을 설계하는 방법에 대해 다뤘으며, MATLAB/Simulink 기반 시뮬레이션을 통해 각 제어 기법에 대한 속도 응답, 전류 응답 특성을 살펴보았다.

슬라이딩 모드 제어 기법으로 구성한 속도 제어 시스템의 문제점으로 지목되는 전류 제어기로의 채터링 현상에 대해 알아보고, 이를 저감하기 위해 본 논문에서 제안하는 복합 슬라이딩 모드 제어 전략을 위한 각각의 제어기를 설계하는 방법에 대해 기술하였다. 최종적으로 본 논문에서 제안하는 방법에 대한 검증을 위해 MATLAB/Simulink 기반 시뮬레이션으로 기존 제어 기법들과 제어 성능을 비교 분석하여 실효성을 검증하였으며, 실제 실험을 통해 제어 성능을 검증하였다.

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