KR102248547B1 - Position Control System and Control Method Using First Order Deadbeat Observer - Google Patents

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KR102248547B1 KR1020180043914A KR20180043914A KR102248547B1 KR 102248547 B1 KR102248547 B1 KR 102248547B1 KR 1020180043914 A KR1020180043914 A KR 1020180043914A KR 20180043914 A KR20180043914 A KR 20180043914A KR 102248547 B1 KR102248547 B1 KR 102248547B1
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고종선
정성철
이익선
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

PMSM 동작시 발생되는 진동을 제거하기 위한 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템 및 제어방법이 개시된다. 이는 PMSM에 부하를 인가하거나 또는 기구부가 가지고 있는 고유 진동 주파수에 의해 발생되는 진동을 제거하기 위해 추가 상태 궤환 제어를 위한 위치제어기 및 종래의 0차 데드비트 관측기에서 1차 데드비트 관측기로 차수를 증가시켜 시스템에 적용함으로써 높은 주파수의 진동요소에 강인하고 정밀한 위치 및 속도 제어가 가능하다.Disclosed are a position control system and a control method using a primary deadbeat observer for removing vibrations generated during PMSM operation. This increases the order from a position controller for additional state feedback control and a conventional zero-order deadbeat observer to a first-order deadbeat observer in order to apply a load to the PMSM or remove the vibration generated by the natural vibration frequency of the mechanical part. By applying it to the system, it is possible to control the position and speed robustly and precisely against the vibration elements of high frequency.

Description

1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템 및 제어방법{Position Control System and Control Method Using First Order Deadbeat Observer}Position Control System and Control Method Using First Order Deadbeat Observer}

본 발명은 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PMSM 동작시 발생되는 진동을 제거하기 위한 위치 제어 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a position control system and a control method using a primary deadbeat observer, and more particularly, to a position control system and control method for removing vibrations generated during PMSM operation.

PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)은 높은 토크와 가감속 특성 및 고정밀 제어 특성으로 인하여 현재 반도체 산업, 철강 산업, 군수 산업 등에서 많이 사용하고 있으며, 특히 볼 스크류, 다관절 로봇, 웨이퍼 제조 공정 등에서 널리 사용되고 있다. 이러한 PMSM의 정밀 제어 기술은 반도체 소자와 전력전자 기술의 발전으로 동작제어 응용에 매우 중요한 부분을 차지한다.PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) is currently widely used in the semiconductor industry, steel industry, and military industry due to its high torque, acceleration/deceleration characteristics, and high-precision control characteristics, and is particularly widely used in ball screw, articulated robots, and wafer manufacturing processes. . PMSM's precision control technology occupies a very important part in motion control applications due to the development of semiconductor devices and power electronics technology.

하지만 PMSM의 예측할 수 없는 파라미터의 변화와 외부 외란, 선형모델에 고려되지 않은 비선형 동특성은 종래의 제어기로는 해결하지 못하고 있는 실정이다. 또한, 고정밀 제어를 위한 구동 방식에 있어서 관성이 큰 부하가 인가되거나 부하와 커플링 또는 텐션이 있는 연결부 등에 의해 기구부가 가지고 있는 고유 진동 주파수 성분에 공진이 발생된다. 이러한 공진에 의해 발생되는 진동을 억제하기 위한 문제는 아직까지 존재하고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 최적제어, 적응제어, 강인제어, 퍼지제어, 인공신경망을 적용한 제어 등의 연구가 활발히 진행되고 있다.However, unpredictable parameter changes, external disturbances, and nonlinear dynamics that are not considered in the linear model of PMSM cannot be solved with conventional controllers. In addition, in the driving method for high-precision control, a load having a large inertia is applied, or a resonance is generated in the natural vibration frequency component of the mechanical part by a coupling part with a load or a connection part having tension. A problem for suppressing the vibration generated by this resonance still exists. In order to solve such a problem, studies on optimal control, adaptive control, robust control, fuzzy control, and artificial neural network applied control are being actively conducted.

한국등록특허 10-1250175Korean Patent Registration 10-1250175

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 PMSM 동작시 발생되는 진동을 억제 및 제거하기 위해 종래의 0차 데드비트 관측기에서 1차 데드비트 관측기로 차수를 증가하여 높은 주파수의 진동요소에 강인하고 정밀한 위치 및 속도를 제어할 수 있는 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템 및 제어방법을 제공한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to increase the order from a conventional zero-order deadbeat observer to a first-order deadbeat observer in order to suppress and eliminate vibrations generated during PMSM operation. It provides a position control system and a control method using a first-order deadbeat observer capable of controlling.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템은 외란의 보상 입력을 생성하기 위해 동기전동기의 위치, 속도 및 추가 상태 궤환 신호를 피드백 받고, 외란의 영향을 등가 전류로 보상하는 위치제어기, 상기 동기전동기의 위치 신호와 상기 위치제어기의 출력 신호를 입력받아 외부 외란을 제어하는 1차 데드비트 관측기, 상기 1차 데드비트 관측기의 출력 신호를 입력받고, 상기 1차 데드비트 관측기의 잡음을 제거하기 위한 MA 필터 및 상기 위치제어기와 상기 MA 필터의 출력 신호가 가산된 신호를 입력받고, 진동 유발의 원인이 되는 특정 주파수의 성분을 제거하는 노치필터를 포함한다.In order to solve the above problem, the position control system using the first deadbeat observer of the present invention receives the position, speed and additional state feedback signal of the synchronous motor to generate a compensation input for the disturbance, and the effect of the disturbance is converted into an equivalent current. A position controller to compensate, a first deadbeat observer for controlling external disturbance by receiving a position signal of the synchronous motor and an output signal of the position controller, an output signal of the first deadbeat observer, and the first deadbeat An MA filter for removing noise from an observer, and a notch filter for receiving a signal to which an output signal of the position controller and the MA filter are added, and removing a component of a specific frequency that causes vibration.

상기 동기전동기의 출력 신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 속도 정보 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 속도 관측기 및 상기 동기전동기의 출력신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 추가된 상태 궤환 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 추가상태 제어기를 더 포함할 수 있다.A speed observer for receiving feedback from the output signal of the synchronous motor through an encoder and outputting the speed information signal of the synchronous motor to the position controller, and an output signal of the synchronous motor as feedback through an encoder, and the added state of the synchronous motor It may further include an additional state controller for outputting the feedback signal to the position controller.

상기 위치제어기와 상기 속도 관측기의 출력신호를 입력받고, 입력된 신호를 이용하여 파라미터 이득을 계산함으로써 이득을 조절하는 파라미터 추정기를 더 포함할 수 있다.It may further include a parameter estimator configured to receive output signals from the position controller and the speed observer and adjust the gain by calculating a parameter gain using the input signal.

상기 노치필터의 출력신호를 입력받고, 3상 전류를 생성하는 역 dq0 변환부 및 상기 역 dq0 변환부의 출력신호를 입력받고, 상기 동기전동기로 최종명령 신호를 출력하는 드라이버를 더 포함할 수 있다.An inverse dq0 converter configured to receive the output signal of the notch filter, generate a three-phase current, and a driver configured to receive an output signal of the inverse dq0 converter and output a final command signal to the synchronous motor.

상기 1차 데드비트 관측기는 이득으로 4×1의 행렬을 갖을 수 있다.The first-order deadbit observer may have a 4×1 matrix as a gain.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 방법은 기준 위치 정보 신호와 동기전동기의 위치, 속도 및 추가상태 궤환 정보 신호를 위치제어기로 전달하는 단계, 상기 위치제어기의 출력신호와 상기 동기전동기의 출력신호를 1차 데드비트 관측기로 전달하는 단계, 상기 1차 데드비트 관측기의 출력신호를 MA 필터로 전달하는 단계 및 상기 MA 필터에서 출력된 신호를 상기 위치제어기의 출력신호와 가산한 후 노치필터로 전달하는 단계를 포함한다.The position control method using the first deadbeat observer of the present invention for solving the above problem includes the steps of transmitting a reference position information signal and a position, speed, and additional state feedback information signal of a synchronous motor to a position controller, and the output of the position controller. Transferring a signal and an output signal of the synchronous motor to a primary deadbeat observer, transferring the output signal of the primary deadbeat observer to an MA filter, and transmitting a signal output from the MA filter to an output signal of the position controller And adding the and and transferring them to the notch filter.

상기 MA 필터의 출력신호를 상기 노치필터로 출력하는 단계 전에, 상기 MA 필터의 출력신호를 토크상수로 나누는 단계를 더 포함할 수 있다.Before the step of outputting the output signal of the MA filter to the notch filter, the step of dividing the output signal of the MA filter by a torque constant may be further included.

상기 노치필터에서 출력된 신호를 역 dq0 변환부를 통해 3상 전류 신호로 변환한 후 드라이버를 통해 동기전동기로 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.It may further include converting the signal output from the notch filter into a three-phase current signal through an inverse dq0 converter and transmitting the converted signal to a synchronous motor through a driver.

상기 동기전동기의 출력 신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 속도 정보 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 속도 관측기 및 상기 동기전동기의 출력신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 추가된 상태 궤환 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 추가상태 제어기를 더 포함할 수 있다.A speed observer for receiving feedback from the output signal of the synchronous motor through an encoder and outputting the speed information signal of the synchronous motor to the position controller, and an output signal of the synchronous motor as feedback through an encoder, and the added state of the synchronous motor It may further include an additional state controller for outputting the feedback signal to the position controller.

상기 위치제어기와 상기 속도 관측기의 출력신호를 입력받고, 입력된 신호를 이용하여 파라미터 이득을 계산함으로써 이득을 조절하는 파라미터 추정기를 더 포함할 수 있다.It may further include a parameter estimator configured to receive output signals from the position controller and the speed observer and adjust the gain by calculating a parameter gain using the input signal.

본 발명에 따르면, PMSM에 부하를 인가하거나 또는 기구부가 가지고 있는 고유 진동 주파수에 의해 발생되는 진동을 제거하기 위해 추가 상태 궤환 제어를 위한 위치제어기 및 종래의 0차 데드비트 관측기에서 1차 데드비트 관측기로 차수를 증가시켜 시스템에 적용함으로써 높은 주파수의 진동요소에 강인하고 정밀한 위치 및 속도 제어가 가능하다.According to the present invention, a position controller for additional state feedback control in order to apply a load to the PMSM or to remove vibrations generated by a natural vibration frequency possessed by a mechanism unit, and a first-order deadbeat observer in a conventional zero-order deadbeat observer By increasing the furnace order and applying it to the system, it is possible to control the position and speed robustly and precisely against vibration elements of high frequency.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 위치 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 위치 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4는 비교예1에 따른 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 5 및 도 6은 비교예2에 따른 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8은 실시예에 따른 실험결과를 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 1차 데드비트 관측기와 종래의 0차 데드비트 관측기를 비교하기 위한 실험예를 나타내는 그래프이다.
1 is a diagram showing a position control system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a position control system according to a second embodiment of the present invention.
3 and 4 are graphs showing experimental results according to Comparative Example 1.
5 and 6 are graphs showing experimental results according to Comparative Example 2.
7 and 8 are graphs showing experimental results according to an embodiment.
9 and 10 are graphs showing experimental examples for comparing a first-order deadbeat observer of the present invention with a conventional zero-order deadbeat observer.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and will be described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and in the description with reference to the accompanying drawings, the same or corresponding components are assigned the same reference numbers, and redundant descriptions thereof will be omitted. It should be.

실시예Example

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 위치 제어 시스템을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a position control system according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 위치 제어 시스템은 위치제어기(110), 1차 데드비트 관측기(120), MA 필터(Moving Average Filter)(130) 및 노치필터(140)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the position control system according to the first embodiment of the present invention includes a position controller 110, a first-order deadbeat observer 120, a moving average filter (MA) 130, and a notch filter 140. Includes.

위치제어기(110)는 외부 외란의 보상 입력을 생성하기 위한 추가 상태 궤환 제어기(Augmented State Feedback Control)로써, 외부 외란의 영향을 등가 전류로 정궤환하여 보상하기 위해 기준 위치 신호(θr:θreference)를 입력받고, 동기전동기(190)의 위치(θ), 속도(

Figure 112018037552612-pat00001
) 및 추가 상태 궤환 신호 정보(z)를 속도 관측기(150)와 추가상태 제어기(160)를 통해 피드백 받은 후 전류신호 iqc1을 출력한다.The position controller 110 is an additional state feedback controller for generating a compensation input for external disturbances, and a reference position signal (θ r :θreference) to compensate by positive feedback of the effect of the external disturbance with an equivalent current. Is input, the position (θ) of the synchronous motor 190, the speed (
Figure 112018037552612-pat00001
) And the additional state feedback signal information z are fed back through the speed observer 150 and the additional state controller 160, and then the current signal i qc1 is output.

위치제어기(110)의 제어 알고리즘은 아래와 같이 나타낼 수 있다.The control algorithm of the position controller 110 can be expressed as follows.

즉, 단일 입력 단일 출력 시스템의 상태 방정식은 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.That is, the state equation of the single input single output system is expressed by Equation 1 and Equation 2.

Figure 112018037552612-pat00002
Figure 112018037552612-pat00002

Figure 112018037552612-pat00003
Figure 112018037552612-pat00003

여기서, A, B, C는 각각 n×n, n×1, 1×n 행렬이다. 일반적으로 선형 2차 최적제어(Linear Quadratic Control)는 상태 변수를 궤환하여 레귤레이터 문제를 해결하는 용도로 사용된다. 또한, 추적 문제를 해결하기 위한 제어 명령은 수학식 3으로 표현된다.Here, A, B, and C are n×n, n×1, and 1×n matrices, respectively. In general, Linear Quadratic Control is used to solve a regulator problem by feeding back a state variable. In addition, a control command for solving the tracking problem is expressed by Equation 3.

Figure 112018037552612-pat00004
Figure 112018037552612-pat00004

여기서, K는 궤환 이득 행렬(Feedback gain Matrix)이고,

Figure 112018037552612-pat00005
는 보상 입력이다. 레귤레이터는 출력 값을 0으로 보내야 함으로
Figure 112018037552612-pat00006
이기 때문에
Figure 112018037552612-pat00007
를 구하기 위해 새로운 오차를 적용하면 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.Here, K is the feedback gain matrix,
Figure 112018037552612-pat00005
Is the compensation input. Since the regulator has to send the output value to 0
Figure 112018037552612-pat00006
Because
Figure 112018037552612-pat00007
If a new error is applied to obtain a, it can be expressed as in Equation 4.

Figure 112018037552612-pat00008
Figure 112018037552612-pat00008

또한, 수학식 1에 수학식 4를 적용한 개루프 추적 시스템은 수학식 5 및 수학식 6으로 표현된다.In addition, the open loop tracking system to which Equation 4 is applied to Equation 1 is expressed by Equations 5 and 6.

Figure 112018037552612-pat00009
Figure 112018037552612-pat00009

Figure 112018037552612-pat00010
Figure 112018037552612-pat00010

따라서, 위치 제어를 위한 동기전동기(190)의 추가 상태 궤환 시스템의 방정식은 수학식 7 및 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.Accordingly, the equation of the additional state feedback system of the synchronous motor 190 for position control can be expressed as Equation 7 and Equation 8.

Figure 112018037552612-pat00011
Figure 112018037552612-pat00011

Figure 112018037552612-pat00012
Figure 112018037552612-pat00012

여기서,

Figure 112018037552612-pat00013
는 동기전동기(190)의 속도와 위치를 추정한 값이고,
Figure 112018037552612-pat00014
는 서보 문제를 해결하기 위한 추가된 상태를 나타낸다. 또한, 동기전동기(190)의 실제 파라미터로써 B는 마찰계수, J는 회전관성, kt는 토크 상수 및 p는 모터의 극수를 나타낸다.here,
Figure 112018037552612-pat00013
Is the estimated value of the speed and position of the synchronous motor 190,
Figure 112018037552612-pat00014
Represents an added state to solve the servo problem. In addition, as the actual parameters of the synchronous motor 190, B is the coefficient of friction, J is the rotational inertia, k t is the torque constant, and p is the number of poles of the motor.

일반적으로, 가제어성 행렬이 최대 계수를 가지면 해당 시스템은 제어가 가능하기 때문에 추가 상태 궤환 시스템의 가제어성 행렬의 계수가 3을 가지므로 제어가 가능하다.In general, if the controllability matrix has a maximum coefficient, the system can be controlled, and thus control is possible because the controllability matrix of the additional state feedback system has a coefficient of 3.

1차 데드비트 관측기(120)는 동기전동기(190)의 위치 신호(θ)와 상기 위치제어기(110)의 출력 신호(iqc1)를 입력받고,

Figure 112018037552612-pat00015
Figure 112018037552612-pat00016
신호를 MA 필터(130)로 출력함으로써 외부 외란을 제어한다.The primary deadbeat observer 120 receives the position signal θ of the synchronous motor 190 and the output signal i qc1 of the position controller 110,
Figure 112018037552612-pat00015
And
Figure 112018037552612-pat00016
External disturbance is controlled by outputting the signal to the MA filter 130.

이러한 외부 외란을 제어하기 위해 종래에는 데드비트 관측기로써 0차 데드비트 관측기가 적용됐다.In order to control such external disturbances, a zero-order deadbeat observer was conventionally applied as a deadbeat observer.

0차 데드비트 관측기의 제어 알고리즘은 아래와 같이 나타낼 수 있다.The control algorithm of the 0th order deadbeat observer can be expressed as follows.

Figure 112018037552612-pat00017
이 상수라 가정하면,
Figure 112018037552612-pat00018
이다. 따라서, 수학식 7의
Figure 112018037552612-pat00019
Figure 112018037552612-pat00020
상태 방정식에
Figure 112018037552612-pat00021
를 적용하면 0차 데드비트 관측기의 방정식을 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018037552612-pat00017
Assuming this constant,
Figure 112018037552612-pat00018
to be. Therefore, in Equation 7
Figure 112018037552612-pat00019
and
Figure 112018037552612-pat00020
To the equation of state
Figure 112018037552612-pat00021
When is applied, the equation of the zero-th order deadbeat observer can be expressed as Equation 9.

Figure 112018037552612-pat00022
Figure 112018037552612-pat00022

여기서,

Figure 112018037552612-pat00023
는 관측하고 싶은 부하 토크이고, L은 0차 데드비트 관측기의 이득으로써 이는 L1,L2,L3를 가지는 3×1 행렬임을 나타낸다. 즉, 궤환 이득을 극 배치로 구할 때 사용 가능한 Ackermann's Formular를 이용하여 L 행렬을 구할 수 있다. 일반적으로 가관측성 행렬은 최대 계수를 가지면 시스템은 관측이 가능하므로 상기 0차 데드비트 관측기의 가관측성 행렬은 역행렬이 존재하고, 계수가 3이므로 관측이 가능하다.here,
Figure 112018037552612-pat00023
Is the load torque you want to observe, and L is the gain of the zeroth deadbeat observer, indicating that it is a 3×1 matrix with L 1 , L 2 , and L 3. That is, the L matrix can be obtained by using Ackermann's Formular, which can be used when calculating the feedback gain by pole arrangement. In general, if the observability matrix has a maximum coefficient, the system can observe, so the observability matrix of the zero-th order deadbeat observer has an inverse matrix and has a coefficient of 3, so it can be observed.

상술한 종래의 0차 데드비트 관측기는 부하가 있을 때, 샘플링 시간 마다 그 부하의 값을 예측하여 보상한다. 이는 현재 샘플링 시간에서 예측한 부하의 값을 다음 샘플링 시간까지 그대로 유지하기 때문에 샘플링 시간 사이에 변화되는 부하의 오차율이 큰 단점이 있다. 허나, 본 발명의 1차 데드비트 관측기(120)는 현재 샘플링 시간의 예측한 부하의 값에서 다음 샘플링 시간의 예측한 부하의 값까지 직선으로 연결하여 예측하기 때문에 진동하는 부하에 대해 강인하게 제어가 가능하다.When there is a load, the conventional zero-order deadbeat observer described above predicts and compensates for the load value every sampling time. This has a disadvantage of having a large error rate of the load that changes between sampling times because the value of the load predicted from the current sampling time is maintained until the next sampling time. However, since the first deadbeat observer 120 of the present invention predicts by connecting in a straight line from the predicted load value of the current sampling time to the predicted load value of the next sampling time, it is possible to strongly control the vibrating load. It is possible.

본 발명의 1차 데드비트 관측기(120)의 제어 알고리즘은 아래와 같이 나타낼 수 있다.The control algorithm of the first deadbeat observer 120 of the present invention can be expressed as follows.

Figure 112018037552612-pat00024
이 시간에 대한 1차 함수라고 가정하면,
Figure 112018037552612-pat00025
로 나타낼 수 있다. 상기 식을
Figure 112018037552612-pat00026
로 치환하여 상태방정식으로 표현하면 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018037552612-pat00024
Assuming this is a linear function over time,
Figure 112018037552612-pat00025
It can be expressed as The above equation
Figure 112018037552612-pat00026
It can be expressed as Equation 10 by substituting with and expressing the equation of state.

Figure 112018037552612-pat00027
Figure 112018037552612-pat00027

여기서, 수학식 7의

Figure 112018037552612-pat00028
Figure 112018037552612-pat00029
상태 방정식에 수학식 10의 수식을 적용하면 1차 데드비트 관측기(120)의 방정식을 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.Here, in Equation 7
Figure 112018037552612-pat00028
and
Figure 112018037552612-pat00029
When the equation of Equation 10 is applied to the equation of state, the equation of the first-order deadbeat observer 120 can be expressed as Equation 11.

Figure 112018037552612-pat00030
Figure 112018037552612-pat00030

여기서, L은 1차 데드비트 관측기(120)의 이득으로 L1,L2,L3,L4를 가지는 4×1 행렬임을 나타낸다. 이러한 1차 데드비트 관측기(120)의 행렬은 0차 데드비트 관측기에서와 같이 Ackermann's Formular를 이용하여 L 행렬을 구할 수 있다. 또한, 1차 데드비트 관측기(120)의 디지털 구현을 위한 이산방정식은 Matlab의 함수를 이용하여 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.Here, L represents a 4×1 matrix having L 1 , L 2 , L 3 , and L 4 as gains of the first-order dead bit observer 120. As for the matrix of the first-order deadbit observer 120, the L matrix can be obtained using Ackermann's Formular as in the zero-order deadbit observer. In addition, the discrete equation for digital implementation of the first-order deadbeat observer 120 can be expressed as Equation 12 using a Matlab function.

Figure 112018037552612-pat00031
Figure 112018037552612-pat00031

따라서, 본 발명에 따른 1차 데드비트 관측기(120)도 종래의 0차 데드비트 관측기에서와 같이 가관측성 행렬의 계수가 4이므로 역행렬이 존재하기 때문에 관측이 가능하고 제어가 가능하다.Accordingly, the first-order deadbeat observer 120 according to the present invention can also observe and control because the coefficient of the observability matrix is 4, as in the conventional zero-order deadbeat observer, because an inverse matrix exists.

MA 필터(130)(Moving Average Filter)는 1차 데드비트 관측기(120)의 출력 신호(

Figure 112018037552612-pat00032
Figure 112018037552612-pat00033
)를 입력받고, 입력받은 신호를 필터링한다.The MA filter 130 (Moving Average Filter) is the output signal of the first-order deadbeat observer 120 (
Figure 112018037552612-pat00032
And
Figure 112018037552612-pat00033
) Is input, and the input signal is filtered.

일반적으로 데드비트 관측기는 디지털 시스템의 제어기중 하나로 구조가 간단하고 외란 제거에 뛰어난 성능을 보인다. 즉, 관측된 외란의 피드백에 의해서 외란을 효율적으로 보상해주는 특징을 가지지만 잡음에 약하다는 단점을 가진다. 따라서, MA 필터(130)는 이러한 1차 데드비트 관측기(120)의 출력 신호를 입력받고, 입력된 신호의 잡음을 제거하는 기능을 수행한다.In general, a deadbeat observer is one of the controllers of a digital system and has a simple structure and excellent performance in eliminating disturbances. That is, it has the characteristic of efficiently compensating the disturbance by the feedback of the observed disturbance, but has a disadvantage of being weak against noise. Accordingly, the MA filter 130 receives the output signal of the first-order deadbeat observer 120 and performs a function of removing noise from the input signal.

MA 필터(130)에 의해 필터링 된 신호(c_tl)는 토크상수(kt)로 나눈 후 전류신호 iqc2로 출력되며, 출력된 전류신호(iqc2)는 위치제어기(110) 출력신호(iqc1)와 가산되어 전류신호 iqc를 노치필터로 출력한다.The signal (c_tl) filtered by the MA filter 130 is the torque constant (k t) and then divided by and output to the current signal i qc2, the output current signal (i qc2) is a position controller 110, the output signal (i qc1 ) And outputs the current signal i qc to the notch filter.

노치필터(140)는 상기 가산된 전류신호(iqc)를 입력받고, 입력된 신호(iqc)를 필터링한다. 즉, 노치필터(140)에 입력된 신호는 노치필터(140)에 의해 진동 유발의 원인이 되는 특정 주파수 성분이 제거될 수 있다.Notch filter 140 receives the current signal (i qc) of the additive, and filter the input signal (i qc). That is, in the signal input to the notch filter 140, a specific frequency component that causes vibration may be removed by the notch filter 140.

노치필터(140)에 의해 필터링 된 출력 전류신호(i* qc)는 모터를 제어하기 위한 a,b,c 3상 전류를 생성하기 위해 역 dq0 변환부(Inverse Direct-quadrature-zero Transformation)(170)로 출력되고, 역 dq0 변환부(170)에서 출력된 3상 전류 신호(iac,ibc,icc)는 드라이버(180)를 통해 동기전동기(190)로 전달된다. The output current signal (i * qc ) filtered by the notch filter 140 is an inverse dq0 transform unit (Inverse Direct-quadrature-zero Transformation) 170 to generate a, b, c three-phase current for controlling the motor. ), and the three-phase current signals (i ac , i bc , i cc ) output from the inverse dq0 conversion unit 170 are transferred to the synchronous motor 190 through the driver 180.

본 발명의 제1 실시예에 따른 위치 제어 시스템의 제어 방법을 아래에 상세히 설명한다.A method of controlling the position control system according to the first embodiment of the present invention will be described in detail below.

본 발명의 제1 실시예에 따른 위치 제어 시스템의 제어 방법은 기준 위치 정보 신호와 동기전동기(190)의 위치, 속도 및 추가상태 궤환 정보 신호를 위치제어기(110)로 전달하는 단계, 위치제어기(110)의 출력신호와 동기전동기(190)의 출력신호를 1차 데드비트 관측기(120)로 전달하는 단계, 1차 데드비트 관측기(120)의 출력신호를 MA 필터(130)로 전달하는 단계, MA 필터(130)에서 출력된 신호를 위치제어기(110)의 출력신호와 가산한 후 노치필터(140)로 전달하는 단계를 포함한다.The control method of the position control system according to the first embodiment of the present invention includes the steps of transmitting a reference position information signal and a position, speed, and additional state feedback information signal of the synchronous motor 190 to the position controller 110, the position controller ( Transferring the output signal of 110) and the output signal of the synchronous motor 190 to the primary deadbeat observer 120, transferring the output signal of the primary deadbeat observer 120 to the MA filter 130, And adding the signal output from the MA filter 130 to the output signal of the position controller 110 and transmitting the added signal to the notch filter 140.

여기서, MA 필터의 출력신호를 상기 노치필터로 출력하는 단계 전에, 상기 MA 필터의 출력신호를 토크상수로 나누는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, before the step of outputting the output signal of the MA filter to the notch filter, the step of dividing the output signal of the MA filter by a torque constant may be further included.

우선, 위치제어기(110)는 기준 위치 정보 신호(θr)와 동기전동기(190)의 위치(θ), 속도(

Figure 112018037552612-pat00034
) 및 추가된 상태 신호 정보(z)를 피드백 받는다. 여기서, 동기전동기(190)의 속도 신호(
Figure 112018037552612-pat00035
)는 동기전동기(190)의 위치 정보를 입력받은 속도 관측기(150)를 통해 전달받고, 동기전동기(190)의 추가된 상태 신호(z)는 동기전동기(190)의 위치 정보를 입력받은 추가상태 제어기(160)를 통해 전달받는다. 위치제어기(110)는 기준 위치 정보 신호(θr), 동기전동기(190)의 위치(θ), 속도(
Figure 112018037552612-pat00036
) 및 추가된 상태 신호 정보(z)를 전달받고 전류신호 iqc1을 출력한다.First, the position controller 110 includes a reference position information signal θr, a position θ of the synchronous motor 190, and a speed (
Figure 112018037552612-pat00034
) And the added status signal information (z) are fed back. Here, the speed signal of the synchronous motor 190 (
Figure 112018037552612-pat00035
) Is transmitted through the speed observer 150 receiving the position information of the synchronous motor 190, and the added state signal z of the synchronous motor 190 is an additional state receiving the position information of the synchronous motor 190. It is transmitted through the controller 160. The position controller 110 includes a reference position information signal θr, a position θ of the synchronous motor 190, and a speed (
Figure 112018037552612-pat00036
) And the added status signal information (z), and outputs a current signal i qc1.

위치제어기(110)를 통해 출력된 출력 전류신호(iqc1)와 동기전동기(190)의 위치 정보 신호(θ)는 외부 외란을 제어하기 위해 1차 데드비트 관측기(120)로 입력되고, 입력된 신호를 통해 1차 데드비트 관측기(120)는 (

Figure 112018037552612-pat00037
Figure 112018037552612-pat00038
)신호를 MA 필터(130)로 출력한다. MA 필터(130)는 1차 데드비트 관측기(120)의 출력신호(
Figure 112018037552612-pat00039
Figure 112018037552612-pat00040
)를 입력받아 입력된 신호의 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 신호(c_tl)를 출력한 후 토크상수(kt)로 나누어 전류신호 iqc2를 출력한다. The output current signal i qc1 output through the position controller 110 and the position information signal θ of the synchronous motor 190 are input to the primary deadbeat observer 120 to control external disturbances, Through the signal, the first-order deadbeat observer 120 is (
Figure 112018037552612-pat00037
And
Figure 112018037552612-pat00038
) Signal is output to the MA filter 130. The MA filter 130 is the output signal of the first-order deadbeat observer 120 (
Figure 112018037552612-pat00039
And
Figure 112018037552612-pat00040
) Is received, the noise of the input signal is removed, the signal from which the noise is removed (c_tl) is output, and the current signal i qc2 is output by dividing it by the torque constant (k t ).

출력된 전류신호(iqc2)는 위치제어기(110) 출력 전류신호(iqc1)와 가산되어, 전류신호 iqc를 생성한 후 노치필터(140)로 입력되고, 입력된 전류신호 iqc는 진동 유발의 원인이 되는 특정 주파수의 성분을 제거하기 위해 노치필터(140)에 의해 필터링 된다.The output current signal (i qc2) are added and the position controller 110 outputs a current signal (i qc1), and then generate a current signal i qc is input to the notch filter 140, the input current signal i qc is vibration Filtered by the notch filter 140 in order to remove a component of a specific frequency that causes the induction.

노치필터(140)에 의해 필터링 된 전류신호 i* qc는 모터를 제어하기 위한 a,b,c 3상 전류를 생성하기 위해 역 dq0 변환부(170)(Inverse Direct-quadrature-zero Transformation)로 출력되고, 역 dq0 변환부(170)에서 출력된 3상 전류 신호(iac,ibc,icc)는 드라이버(180)를 통해 동기전동기(190)로 전달된다. 부하와 연결된 동기전동기(190)의 출력신호는 다시 엔코더를 통해 위치제어기(110) 및 1차 데드비트 관측기(120)로 피드백되고, 이러한 과정이 반복적으로 수행됨으로써 동기전동기(190) 동작시 발생되는 진동을 억제 및 제거할 수 있다. 또한, 데드비트 관측기를 종래의 0차에서 1차로 차수를 증가시켜 높은 주파수의 진동요소에 강인하고 정밀한 위치 및 속도를 제어할 수 있다. The current signal i * qc filtered by the notch filter 140 is output to the inverse dq0 transform unit 170 (Inverse Direct-quadrature-zero Transformation) to generate a, b, c three-phase current for controlling the motor. And, the three-phase current signal (i ac , i bc , i cc ) output from the inverse dq0 conversion unit 170 is transmitted to the synchronous motor 190 through the driver 180. The output signal of the synchronous motor 190 connected to the load is fed back to the position controller 110 and the primary deadbeat observer 120 through the encoder again, and this process is repeatedly performed, which is generated when the synchronous motor 190 is operated. It can suppress and eliminate vibration. In addition, by increasing the order of the deadbeat observer from the conventional 0th order to the 1st order, it is possible to control the position and speed of the dead beat observer with a strong and precise position and speed against high frequency vibration elements.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 위치 제어 시스템을 나타낸 도면이다.2 is a diagram showing a position control system according to a second embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 위치 제어 시스템은 제1 실시예의 구성에서 파라미터 추정기(210)를 포함할 수 있다. 즉, 파라미터 추정기(210)를 제외하고는 제1 실시예의 구성과 동일하다.Referring to FIG. 2, the position control system according to the second embodiment may include a parameter estimator 210 in the configuration of the first embodiment. That is, except for the parameter estimator 210, the configuration of the first embodiment is the same.

일반적으로 실제시스템의 파라미터 변화 혹은 정확하지 않은 파라미터를 이용한 고정이득 설정은 시스템의 성능 변화를 가져오게 된다. 따라서, 파라미터 추정기(210)를 적용하여 이득을 조절함으로써 외란이 없는 등가 지표시스템의 응답 특성을 추정하여 실제시스템이 정격(nominal)값에서 동작하도록 할 수 있다.In general, a parameter change of an actual system or a fixed gain setting using an inaccurate parameter leads to a change in the performance of the system. Therefore, by adjusting the gain by applying the parameter estimator 210, the response characteristic of the equivalent index system without disturbance can be estimated so that the actual system operates at a nominal value.

이러한 제2 실시예에 따른 파라미터 추정기(210)의 동작을 살펴보면, 파라미터 추정기(210)는 위치제어기(110)의 출력 전류신호(iqc1)와 속도 관측기(150)에서 출력되는 속도 정보 신호(

Figure 112018037552612-pat00041
)를 입력받고, 입력된 신호를 이용하여 파라미터 이득 G1, G2, G3를 계산한다. 즉, 파라미터 추정기(210)에서 계산된 파라미터 이득 G1, G2, G3를 이용하여 동기전동기(190)의 속도(
Figure 112018037552612-pat00042
)와 위치(θ)에 각각 G1과 G2 적용하여 계산하고, 위치제어기(110)의 출력 전류신호(iqc1)와 1차 데드비트 관측기(120)와 MA 필터(130)를 통해 출력된 출력 전류신호(iqc2)를 가산한 전류신호(iqc3)에 G3를 적용하여 계산한 후 계산된 이득을 모두 가산하여 노치필터(140)로 출력 전류신호 iqc를 출력한다.Looking at the operation of the parameter estimator 210 according to the second embodiment, the parameter estimator 210 includes an output current signal i qc1 of the position controller 110 and a speed information signal output from the speed observer 150 (
Figure 112018037552612-pat00041
) Is input, and the parameter gains G 1 , G 2 , and G 3 are calculated using the input signal. That is, the parameters calculated by the parameter estimator 210, a gain G 1, G 2, G 3 speed of the synchronous motor 190 by using the (
Figure 112018037552612-pat00042
) And the position (θ) by applying G 1 and G 2 respectively, and the output current signal (i qc1 ) of the position controller 110 and the first deadbeat observer 120 and the MA filter 130 the output current signal (i qc2) a current signal (i qc3) the addition and then calculated by applying the calculated gain G 3 both the addition, and outputs an output current signal i qc a notch filter (140).

실험예Experimental example

실험은 본 발명에 따른 1차 데드비트 관측기를 적용한 실시예를 두 개의 비교예와 비교하며 실험을 실시하였다. [표 1]에서와 같이 비교예1은 데드비트 관측기를 적용하지 않고 위치제어기만을 적용했을 때를 나타내고, 비교예2는 위치제어기와 0차 데드비트 관측기를 적용했을 때를 나타내며, 실시예는 위치제어기와 1차 데드비트 관측기를 적용했을 때를 나타낸다.The experiment was conducted by comparing the example to which the first deadbeat observer according to the present invention was applied with two comparative examples. As shown in [Table 1], Comparative Example 1 shows a case where only a position controller is applied without a deadbeat observer, and Comparative Example 2 shows a case where a position controller and a zeroth deadbeat observer are applied. It shows when the controller and the first deadbeat observer are applied.

위치제어기Position controller 0차 데드비트 관측기Zeroth order deadbeat observer 1차 데드비트 관측기1st deadbeat observer 비교예1Comparative Example 1 oo -- -- 비교예2Comparative Example 2 oo oo -- 실시예Example oo -- oo

실험조건으로는 C언어를 이용하여 구현하였고, 샘플링 주기는 0.2[ms]로 하였다. 시스템의 구성은 Runge-Kutta 4차 방법이 1[μ로 동작하도록 구성하였다. The experimental conditions were implemented using C language, and the sampling period was set to 0.2[ms]. The system was configured so that the Runge-Kutta 4th method operates at 1 [μ].

[표 2]은 시뮬레이터에서 사용된 파라미터 값으로 실제 사용하고 있는 2.5kW PMSM의 파라미터를 나타낸다. [Table 2] shows parameters of 2.5kW PMSM actually used as parameter values used in the simulator.

ParameterParameter ValueValue UnitUnit Rated OutputRated Output 2.52.5 kWkW Rated TorqueRated Torque 8.18.1 NmNm Rated SpeedRated Speed 30003000 r/minr/min Rated CurrentRated Current 8.88.8 AA J (Inertia)J (Inertia) 10.6×10-4 10.6×10 -4 kgm2 kgm 2 Torque ConstantTorque Constant 0.9204550.920455 Nm/ANm/A Mechanical Time ConstantMechanical Time Constant 1.01.0 msms Stator ResistanceStator Resistance 0.910.91 Ω/phaseΩ/phase Phase InductancePhase Inductance 1.761.76 mHmH B (Viscous Friction)B (Viscous Friction) 1.061.06 kgm2/skgm 2 /s PolesPoles 88 --

상술한 실험조건을 이용하여 비교예1, 비교예2 및 실시예에 대해 각각 실험을 실시하여 비교하였다.Using the experimental conditions described above, each experiment was conducted and compared for Comparative Example 1, Comparative Example 2, and Example.

도 3 및 도 4는 비교예1에 따른 실험결과를 나타내는 그래프이다.3 and 4 are graphs showing experimental results according to Comparative Example 1.

도 3 및 도 4를 참조하면, 도 3(a)은 위치제어기만을 적용했을 때 주파수가 10이고 크기가 2인 사인파 부하를 인가한 상태의 회전자 위치를 나타내고, 도 3(b)는 q상 전류명령에 대한 실험 결과를 나타낸다. 또한, 도 4는 도 3의 그래프에서 회전자 위치가 정상상태에 도달했을 때의 값을 확인하기 위해 x축의 1.4[sec] ~ 2.6[sec] 범위를 확대한 파형을 나타낸다.3 and 4, FIG. 3(a) shows the rotor position in a state where a sine wave load having a frequency of 10 and a size of 2 is applied when only the position controller is applied, and FIG. 3(b) shows the position of the rotor. Shows the experimental results for the current command. In addition, FIG. 4 shows a waveform in which the range of 1.4 [sec] to 2.6 [sec] of the x-axis is expanded in order to check the value when the rotor position reaches a steady state in the graph of FIG. 3.

도 3 및 도 4의 그래프에서와 같이, 비교예1에서는 데드비트 관측기를 적용하지 않고 위치제어기만을 적용했기 때문에 부하에 대해 민감하여 εpp(Peak to Peak θ Error)가 0.041130[rad]로 측정됨을 확인할 수 있다.As shown in the graphs of FIGS. 3 and 4, in Comparative Example 1, since the deadbeat observer was not applied and only the position controller was applied, it was sensitive to the load, so that ε pp (Peak to Peak θ Error) was measured as 0.041130 [rad]. I can confirm.

도 5 및 도 6은 비교예2에 따른 실험결과를 나타내는 그래프이다.5 and 6 are graphs showing experimental results according to Comparative Example 2.

도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5는 비교예1과 동일한 시험 조건에서 실험하였으며, 도 5(a)는 비교예2에 대한 회전자의 위치를 나타내고, 도 5(b)는 q상 전류명령에 대한 실험 결과를 나타낸다. 또한, 도 6은 도 5의 그래프에서 회전자 위치가 정상상태에 도달했을 때의 값을 확인하기 위해 x축의 1.4[sec] ~ 2.6[sec] 범위를 확대한 파형을 나타낸다.5 and 6, FIG. 5 is an experiment under the same test conditions as Comparative Example 1, and FIG. 5(a) shows the position of the rotor for Comparative Example 2, and FIG. 5(b) shows the q-phase current. Shows the results of the experiment on the command. In addition, FIG. 6 shows a waveform in which the range of 1.4 [sec] to 2.6 [sec] of the x-axis is expanded in order to check the value when the rotor position reaches a steady state in the graph of FIG. 5.

도 5 및 도 6의 그래프에서와 같이, 위치제어기에 0차 데드비트 관측기를 적용한 경우 0차 데드비트 관측기에 의해 부하에 대해 보상이 수행되었기 때문에 비교에1에 비해 εpp값이 약 22배 감소한 0.001870[rad]로 측정됨을 확인할 수 있다.As shown in the graphs of Figs. 5 and 6, when the 0th deadbeat observer is applied to the position controller, the ε pp value is reduced by about 22 times compared to 1 compared to the comparison because the compensation is performed for the load by the 0th deadbeat observer. It can be seen that it is measured as 0.001870 [rad].

도 7 및 도 8은 실시예에 따른 실험결과를 나타내는 그래프이다.7 and 8 are graphs showing experimental results according to an embodiment.

도 7 및 도 8을 참조하면, 도 7은 비교예1,2와 동일한 시험 조건에서 실험하였으며, 도 7(a)는 실시예에 대한 회전자의 위치를 나타내고, 도 7(b)는 q상 전류명령에 대한 실험 결과를 나타낸다. 또한, 도 8은 도 7의 그래프에서 회전자 위치가 정상상태에 도달했을 때의 값을 확인하기 위해 x축의 1.4[sec] ~ 2.6[sec] 범위를 확대한 파형을 나타낸다.7 and 8, FIG. 7 was tested under the same test conditions as Comparative Examples 1 and 2, and FIG. 7(a) shows the position of the rotor for the example, and FIG. 7(b) shows the q-phase. Shows the experimental results for the current command. In addition, FIG. 8 shows a waveform in which the range of 1.4 [sec] to 2.6 [sec] of the x-axis is expanded in order to check the value when the rotor position reaches a steady state in the graph of FIG. 7.

도 7 및 도 8의 그래프에서와 같이, 위치제어기에 1차 데드비트 관측기를 적용한 경우 1차 데드비트 관측기에 의해 부하에 대해 보상이 수행되었기 때문에 비교예1에 비해 εpp값이 약 78배 감소하고, 0차 데드비트 관측기를 적용한 비교예2에 비해 εpp값이 약 3.5배 감소한 0.000527[rad]로 측정됨을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 위치 제어 시스템은 위치제어기 및 1차 데드비트 관측기를 적용함으로써 동기전동기에 부하를 인가하거나 또는 기구부가 가지고 있는 고유 진동 주파수에 의해 발생되는 진동요소를 강인하고 정밀한 위치 및 속도 제어를 통해 효과적으로 제거가 가능함을 확인할 수 있다.As shown in the graphs of Figs. 7 and 8, when the first deadbeat observer is applied to the position controller, the ε pp value is reduced by about 78 times compared to Comparative Example 1 because compensation was performed for the load by the first deadbeat observer. And, compared to Comparative Example 2 to which the zeroth deadbeat observer was applied, it can be seen that the ε pp value decreased by about 3.5 times to be 0.000527 [rad]. That is, the position control system according to the present invention applies a load to the synchronous motor by applying a position controller and a primary deadbeat observer, or controls the vibration element generated by the natural vibration frequency of the mechanism unit with strong and precise position and speed control. It can be seen that it can be effectively removed through.

아래의 [표 3]은 사인파 부하에 대한 모의시험 결과를 2[mm]의 볼 피치를 갖는 스크류에 연결하였을 때 비교예1,2 및 실시예에 대한 실험 결과를 나타낸다. 볼 스크류의 피치는 기계적으로 0에 가깝게 만들 수 없고, 현재 1[mm]~2[mm]의 볼 피치를 갖는 볼 스크류가 사용되고 있으므로 2[mm]로 계산하였다. 또한, 볼 스크류의 위치오차는

Figure 112018037552612-pat00043
로 계산하였다.[Table 3] below shows the experimental results for Comparative Examples 1 and 2 and Examples when the simulation test results for a sine wave load are connected to a screw having a ball pitch of 2 [mm]. The pitch of the ball screw cannot be mechanically made close to 0, and a ball screw with a ball pitch of 1[mm]~2[mm] is currently being used, so it was calculated as 2[mm]. Also, the position error of the ball screw is
Figure 112018037552612-pat00043
It was calculated as.

εpp ε pp Error with Ball screwError with Ball screw OvershootOvershoot UndershootUndershoot 비교예1Comparative Example 1 0.041330[rad]0.041330 [rad] 13.092[μm]13.092[μm] 1.590978[rad]1.590978[rad] 1.549848[rad]1.549848[rad] 비교예2Comparative Example 2 0.001870[rad]0.001870 [rad] 595.239[nm]595.239[nm] 1.571420[rad]1.571420 [rad] 1.569550[rad]1.569550[rad] 실시예Example 0.000527[rad]0.000527[rad] 167.749[nm]167.749 [nm] 1.570988[rad]1.570988[rad] 1.570461[rad]1.570461 [rad]

[표 3]의 실험결과에서와 같이 위치제어기와 1차 데드비트 관측기를 적용한 실시예가 비교예1,2에 비해 위치 오차가 가장 적은 167.749[nm]로 가장 정밀한 결과가 측정됨을 확인할 수 있다. As shown in the experimental results of [Table 3], it can be seen that the example in which the position controller and the first deadbeat observer are applied is 167.749 [nm], which has the lowest position error compared to Comparative Examples 1 and 2, and the most precise result is measured.

도 9 및 도 10은 본 발명의 1차 데드비트 관측기와 종래의 0차 데드비트 관측기를 비교하기 위한 실험예를 나타내는 그래프이다.9 and 10 are graphs showing experimental examples for comparing a first-order deadbeat observer of the present invention with a conventional zero-order deadbeat observer.

도 9(a)는 0차 데드비트 관측기를 적용한 위치 제어 시스템에 있어서 부하 토크에서 관측한 오차를 나타낸 그래프이며, 도 9(b)는 도 9(a)에 나타낸 오차에 대한 절대값을 계산한 후 적분하여 인가한 부하와의 오차율을 나타낸 그래프이다. 또한, 도 10(a)는 본 발명에 따른 1차 데드비트 관측기를 적용한 위치 제어 시스템에 있어서 부하 토크에서 관측한 오차를 나타낸 그래프이며, 도 10(b)는 도 10(a)에 나타낸 오차에 대한 절대값을 계산한 후 적분하여 인가한 부하와의 오차율을 나타낸 그래프이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 다른 1차 데드비트 관측기가 0차 데드비트 관측기에 비해 진동하는 부하 토크에 대한 오차율이 적은 것을 확인할 수 있다.Fig. 9(a) is a graph showing the error observed in the load torque in the position control system to which the zeroth deadbeat observer is applied, and Fig. 9(b) is a calculated absolute value for the error shown in Fig. 9(a). It is a graph showing the error rate with the applied load after integration. In addition, FIG. 10(a) is a graph showing the error observed in the load torque in the position control system to which the first deadbeat observer according to the present invention is applied, and FIG. 10(b) is a graph showing the error shown in FIG. 10(a). It is a graph showing the error rate with the applied load by integrating after calculating the absolute value for. Referring to FIGS. 9 and 10, it can be seen that the first deadbeat observer according to the present invention has a smaller error rate for the vibrating load torque than the zeroth deadbeat observer.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템은 동기전동기에 부하를 인가하거나 또는 기구부가 가지고 있는 고유 진동 주파수에 의해 발생되는 진동을 제거하기 위해 추가 상태 궤환 제어를 위한 위치제어기 및 종래의 0차 데드비트 관측기에서 1차 데드비트 관측기로 차수를 증가시켜 시스템에 적용함으로써 높은 주파수의 진동요소에 강인하고 정밀한 위치 및 속도 제어가 가능하다.As described above, the position control system using the primary deadbeat observer according to the present invention applies a load to the synchronous motor or removes the vibration generated by the natural vibration frequency possessed by the mechanism unit for additional state feedback control. By increasing the order from a position controller and a conventional zero-order deadbeat observer to a first-order deadbeat observer and applying it to the system, it is possible to control the position and speed robustly against high-frequency vibration elements.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely presented specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. In addition to the embodiments disclosed herein, it is obvious to those of ordinary skill in the art that other modified examples based on the technical idea of the present invention may be implemented.

110 : 위치제어기 120 : 1차 데드비트 관측기
130 : MA 필터 140 : 노치필터
150 : 속도 관측기 160 : 추가상태 제어기
170 : 역 dq0 변환부 180 : 드라이버
190 : 동기전동기 210 : 파라미터 추정기
110: position controller 120: first deadbeat observer
130: MA filter 140: notch filter
150: speed observer 160: additional state controller
170: inverse dq0 conversion unit 180: driver
190: synchronous motor 210: parameter estimator

Claims (10)

외란의 보상 입력을 생성하기 위해 동기전동기의 위치, 속도 및 추가 상태 궤환 신호를 피드백 받고, 외란의 영향을 등가 전류로 보상하는 위치제어기;
상기 동기전동기의 위치 신호와 상기 위치제어기의 출력 신호를 입력받아 외부 외란을 제어하는 1차 데드비트 관측기;
상기 1차 데드비트 관측기의 출력 신호를 입력받고, 상기 1차 데드비트 관측기의 잡음을 제거하기 위한 MA 필터;
상기 위치제어기와 상기 MA 필터의 출력 신호가 가산된 신호를 입력받고, 진동 유발의 원인이 되는 특정 주파수의 성분을 제거하는 노치필터;
상기 동기전동기의 출력 신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 속도 정보 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 속도 관측기; 및
상기 동기전동기의 출력신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 추가된 상태 궤환 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 추가상태 제어기를 포함하고,
상기 속도 관측기는 상기 동기전동기의 위치 정보 신호를 상기 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 위치 정보 신호를 이용하여 관측한 속도 정보 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 것이며,
상기 위치제어기는 상기 동기전동기의 위치 정보 신호, 상기 속도 관측기에서 관측한 속도 정보 신호 및 상기 추가상태 제어기에서 출력된 상기 동기전동기의 추가된 상태 궤환 신호를 입력받는 것인 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템.
A position controller that receives a feedback signal for a position, a speed, and an additional state feedback signal of the synchronous motor to generate a disturbance compensation input, and compensates the influence of the disturbance with an equivalent current;
A primary deadbeat observer configured to receive a position signal of the synchronous motor and an output signal of the position controller to control external disturbances;
An MA filter for receiving the output signal of the first-order deadbeat observer and removing noise from the first-order deadbeat observer;
A notch filter for receiving a signal obtained by adding an output signal of the position controller and the MA filter, and removing a component of a specific frequency that causes vibration;
A speed observer receiving feedback from the output signal of the synchronous motor through an encoder and outputting a speed information signal of the synchronous motor to the position controller; And
An additional state controller receiving feedback of the output signal of the synchronous motor through an encoder and outputting an added state feedback signal of the synchronous motor to the position controller,
The speed observer receives feedback of the position information signal of the synchronous motor through the encoder, and outputs the observed speed information signal to the position controller using the position information signal,
The position controller receives the position information signal of the synchronous motor, the speed information signal observed by the speed observer, and the added state feedback signal of the synchronous motor output from the additional state controller. Position control system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 위치제어기와 상기 속도 관측기의 출력신호를 입력받고, 입력된 신호를 이용하여 파라미터 이득을 계산함으로써 이득을 조절하는 파라미터 추정기를 더 포함하는 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템.
The method of claim 1,
A position control system using a first-order deadbeat observer, further comprising a parameter estimator configured to receive an output signal from the position controller and the speed observer and adjust the gain by calculating a parameter gain using the input signal.
제1항에 있어서,
상기 노치필터의 출력신호를 입력받고, 3상 전류를 생성하는 역 dq0 변환부; 및
상기 역 dq0 변환부의 출력신호를 입력받고, 상기 동기전동기로 최종명령 신호를 출력하는 드라이버를 더 포함하는 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템.
The method of claim 1,
An inverse dq0 converter receiving the output signal of the notch filter and generating a three-phase current; And
A position control system using a primary deadbeat observer further comprising a driver receiving the output signal of the inverse dq0 converter and outputting a final command signal to the synchronous motor.
제1항에 있어서,
상기 1차 데드비트 관측기는 이득으로 4×1의 행렬을 갖는 것인 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 시스템.
The method of claim 1,
The position control system using a first-order deadbeat observer, wherein the first-order deadbit observer has a matrix of 4×1 as a gain.
기준 위치 정보 신호와 동기전동기의 위치, 속도 및 추가상태 궤환 정보 신호를 위치제어기로 전달하는 단계;
상기 위치제어기의 출력신호와 상기 동기전동기의 출력신호를 1차 데드비트 관측기로 전달하는 단계;
상기 1차 데드비트 관측기의 출력신호를 MA 필터로 전달하는 단계; 및
상기 MA 필터에서 출력된 신호를 상기 위치제어기의 출력신호와 가산한 후 노치필터로 전달하는 단계를 포함하고,
상기 동기전동기의 출력 신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 속도 정보 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 속도 관측기; 및
상기 동기전동기의 출력 신호를 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 동기전동기의 추가된 상태 궤환 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 추가상태 제어기를 포함하며,
상기 속도 관측기는 상기 동기전동기의 위치 정보 신호를 상기 엔코더를 통해 피드백 받고, 상기 위치 정보 신호를 이용하여 관측한 속도 정보 신호를 상기 위치제어기로 출력하는 것이며,
상기 위치제어기는 상기 동기전동기의 위치 정보 신호, 상기 속도 관측기에서 관측한 속도 정보 신호 및 상기 추가상태 제어기에서 출력된 상기 동기전동기의 추가된 상태 궤환 신호를 입력받는 것인 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 방법.
Transmitting a reference position information signal and a position, speed, and additional state feedback information signal of the synchronous motor to a position controller;
Transmitting the output signal of the position controller and the output signal of the synchronous motor to a primary deadbeat observer;
Passing the output signal of the first-order deadbeat observer to an MA filter; And
Including the step of adding the signal output from the MA filter to the output signal of the position controller and then transferring it to a notch filter,
A speed observer receiving feedback from the output signal of the synchronous motor through an encoder and outputting a speed information signal of the synchronous motor to the position controller; And
And an additional state controller for receiving feedback of the output signal of the synchronous motor through an encoder, and outputting an added state feedback signal of the synchronous motor to the position controller,
The speed observer receives the feedback of the position information signal of the synchronous motor through the encoder, and outputs the observed speed information signal to the position controller using the position information signal,
The position controller receives the position information signal of the synchronous motor, the speed information signal observed by the speed observer, and the added state feedback signal of the synchronous motor output from the additional state controller. Position control method.
제6항에 있어서,
상기 MA 필터의 출력신호를 상기 노치필터로 출력하는 단계 전에,
상기 MA 필터의 출력신호를 토크상수로 나누는 단계를 더 포함하는 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 방법.
The method of claim 6,
Before the step of outputting the output signal of the MA filter to the notch filter,
The position control method using a first-order deadbeat observer further comprising the step of dividing the output signal of the MA filter by a torque constant.
제6항에 있어서,
상기 노치필터에서 출력된 신호를 역 dq0 변환부를 통해 3상 전류 신호로 변환한 후 드라이버를 통해 동기전동기로 전달하는 단계를 더 포함하는 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 방법.
The method of claim 6,
Converting the signal output from the notch filter into a three-phase current signal through an inverse dq0 converter and transmitting the converted signal to a synchronous motor through a driver.
삭제delete 제6항에 있어서,
상기 위치제어기와 상기 속도 관측기의 출력신호를 입력받고, 입력된 신호를 이용하여 파라미터 이득을 계산함으로써 이득을 조절하는 파라미터 추정기를 더 포함하는 1차 데드비트 관측기를 이용한 위치 제어 방법.
The method of claim 6,
A position control method using a first-order deadbeat observer further comprising a parameter estimator configured to receive an output signal of the position controller and the speed observer and adjust the gain by calculating a parameter gain using the input signal.
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