자속기준제어

시뮬레이션을 이용한 자속기준제어 알고리즘 개발

자속기준제어는 최대 토크 운전 점 추적 제어(Maximum torque per Amp control)를 제공하거나, 인덕턴스 머신, 영구자석 동기 머신(PMSM), 브러시리스 DC(BLDC) 모터 등 다양한 유형의 모터에 약계자제어를 제공합니다.

아래 블록 다이어그램에는 다음과 같은 구성요소가 포함된 자속기준제어 아키텍처가 제시되어 있습니다.

비례-적분(PI) 제어기 2개로 구성된 전류 제어기
외곽 루프 속도 제어기 및 전류 명령 생성기
정지(Stationary) 및 회전(Rotating) 동기 프레임 간 전환을 위한 Clarke, Park, inverse Park 변환
vα 및 vβ 명령을 고정자 권선에 적용되는 펄스 폭 변조 (PWM) 신호로 변환하기 위한 공간 벡터 변조기 (Space Vector Modulator)알고리즘
스타트업 및 셧다운 로직 등의 보호 기능과 보조 기능
센서리스 제어 필요 시, 회전자 각도 위치 추정을 위한 관측기

자속기준제어의 블록 다이어그램.

자속기준제어를 설계하는 모터 제어 엔지니어는 다음과 같은 과제를 수행합니다.

PI 제어기 2개 이용한 전류 루프 제어기 아키텍처 개발
외곽 속력 및 위치 루프 PI 제어기 개발
성능 요구사항 충족을 위한 PI 제어기 게인 튜닝
PWM 제어위한 공간 벡터 변조기 (Space Vector Modulator) 설계
센서리스 제어 시, 회전자 위치와 속도 추정을 위한 관측기 알고리즘 설계
최적 id_ref 및 iq_ref 생성을 위한 최대 토크 운전 점 추적 제어 (Maximum torque per Amp Control)또는 약계자제어 알고리즘 설계
효율적인 Park, Clarke, Inverse Park 변환 구현
오류 탐지 및 보호 로직 설계
다양한 작동 조건에 걸친 제어기 성능 확인 및 검증
마이크로컨트롤러 또는 FPGA에 고정소수점 또는 부동소수점으로 된 제어기 구현

Simulink^®를 이용하여 자속기준제어를 설계하면, 하드웨어 테스팅 이전에 다중속도 (Multi-rate) 시뮬레이션을 이용하여 전체 모터 작동 범위에 걸쳐 오류를 검출하고 수정하며, 제어 알고리즘을 설계, 튜닝, 검증할 수 있습니다. Simulink를 사용하여 시뮬레이션하면 프로토타입 테스팅 횟수를 줄일 수 있고, 하드웨어 테스트에서는 어려운 고장 조건에 대한 제어 알고리즘의 강건성을 검증할 수 있습니다. 자세한 내용은 다음과 같습니다.

동기 및 비동기 3상 머신 등 다양한 유형의 모터를 모델링합니다. 단순한 제1원리 (First-principle)기본 모델, 일괄(lumped-sum) 모델로부터 ANSYS^® Maxwell^®, JMAG^®, 및 Femtet^® 같은 FEA 툴로부터 가져오기를 통해 생성된 고충실도, 플럭스 기반 비선형 모델까지, 다양한 충실도의 모델을 생성하고 모델들 간에 전환을 할 수있습니다.
전류 제어기, 속력 제어기, 변조기 (Modulator) 모델링
인버터 전력 전자 기기 모델링
보드 플롯, 근궤적 (Root locus)과 같은 선형 제어 설계 기법 혹은 자동 PID 튜닝 등의 기법을 이용한 제어 시스템 게인 튜닝
안전한 작동을 위한 스타트업, 셧다운, 오류 모드 모델링 및 디레이팅, 보호 로직 설계
회전자 위치와 속도 추정을 위한 관측기 알고리즘 설계
최소 출력 손실, 회전자 정격 속력 이상에서의 작동 혹은 파라미터 불확실성 하에서 정확한 작동 보장을 위한 id_ref와 iq_ref 최적화
I/O 채널을 위한 신호 컨디셔닝 및 프로세싱 알고리즘 설계
모터와 제어기 폐루프 시뮬레이션을 통한 정상 및 비정상 작동 시나리오에서의 시스템 성능 테스트
프로토타이핑 및 Hardware-in-the-Loop 테스팅, 양산 구현 을 위한 ANSI, ISO 또는 프로세서 최적화된 C 코드, HDL 자동 생성