자속기준제어란?

FOC(자속기준제어) 또는 벡터 제어는 유도 머신, PMSM(영구자석 동기전동기), BLDC(브러시리스 DC) 모터 등 다양한 모터 유형의 전체 토크 및 속도 범위에 걸쳐 적합한 제어 기능을 획득하는 데 쓰이는 제어 기법입니다. 정격 속도를 초과한 속도에는 자속기준제어와 약계자 제어가 함께 사용됩니다.

아래 블록 다이어그램은 다음의 구성요소가 포함된 자속기준제어 아키텍처를 보여줍니다.

• 비례-적분 제어기 2개로 구성된 전류 제어기
• 외부 루프 속도 제어기 및 전류 기준 생성기 (옵션)
• 고정 및 회전 동기 좌표계 간 변환을 위한 Clarke, Park 변환 및 Park 역변환
• vα 및 vβ 명령을 고정자 권선에 적용되는 펄스 폭 변조 신호로 변환하기 위한 공간 벡터 변조기 알고리즘
• 시작 및 종료 로직 등의 보호 및 보조 기능
• 센서리스 제어가 필요한 경우 회전자 각위치 추정을 위한 관측기 (옵션)

자속기준제어를 설계하는 모터 제어 엔지니어는 다음과 같은 작업을 수행합니다.

• 전류 루프에 대해 2개의 PI 제어기를 갖는 제어기 아키텍처 개발
• 선택적 외부 속도 및 위치 루프에 대한 PI 제어기 개발
• 성능 요구사항을 충족하기 위해 모든 PI 제어기의 이득 조정
• PWM 제어를 위한 공간 벡터 변조기 설계
• 센서리스 제어를 사용한 경우 회전자 위치 및 속도 추정을 위한 관측기 알고리즘 설계
• 최적의 id_ref 및 iq_ref 생성을 위한 암페어당 최대 토크 또는 약계자 제어 알고리즘 설계
• 연산 효율적인 Park, Clarke 변환 및 Park 역변환 구현
• 결함 검출 및 보호 로직 설계
• 다양한 동작 조건에서 제어기 성능 검증 및 확인
• 마이크로컨트롤러 또는 FPGA에 고정소수점 또는 부동소수점으로 제어기 구현

Simulink를 사용한 자속기준제어 설계를 통해 멀티레이트 시뮬레이션으로 제어 알고리즘을 설계, 조정 및 검증하고 하드웨어 테스트 전에 모터의 전체 작동 범위에 걸쳐 오류를 검출하고 수정할 수 있습니다. 프로토타입 테스트 횟수를 절감하고, 하드웨어에서 테스트하기에 비실용적인 결함 상태에 대한 제어 알고리즘의 강인성을 검증할 수 있습니다.

Simulink를 사용한 시뮬레이션을 통해 다음과 같은 작업을 수행할 수 있습니다.

• 동기 및 비동기 3상 머신을 비롯한 다양한 유형의 모터 모델링. 단순한 제1원리, 집중 파라미터 모델부터 ANSYS^® Maxwell^®, JMAG^® 및 Femtet^® 등의 FEA 툴로부터 가져오기를 통해 생성된 고충실도, 자속 기반 비선형 모델까지, 다양한 충실도의 모델을 생성하고 모델 간 전환할 수 있습니다.
• 전류 제어기, 속도 제어기 및 변조기 모델링.
• 인버터 전력전자 모델링.
• 보드 플롯 및 근궤적 등의 선형 제어 설계 기법과 자동 PID 조정 같은 기법으로 제어 시스템 이득 조정.
• 시작, 종료 및 오류 모드 모델링과 부하경감 및 보호 로직 설계를 통한 안전한 작동 환경 확보.
• 회전자의 위치 및 속도 추정을 위한 관측기 알고리즘 설계.
• 최소 전력 손실, 회전자 공칭 속도 초과 시의 작동, 파라미터 불확실성하에서의 정상 작동을 보장하도록 id_ref 및 iq_ref 최적화.
• I/O 채널에 대한 신호 조절 및 처리 알고리즘 설계.
• 모터와 제어기의 폐루프 시뮬레이션을 실행하여 정상 및 비정상 동작 시나리오에서 시스템 성능 테스트.
• 신속 프로토타이핑, Hardware-in-the-Loop 테스트 및 프로덕션 구현을 위해 ANSI, ISO 또는 프로세서에 최적화된 C 코드 및 HDL 자동 생성.