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® 및 JMAG® 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

Simulink를 이용한 자속기준제어

대화형 예제와 튜토리얼을 검토하여 기본 작업부터 고급 작동까지 차근차근 진행하십시오.

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