KR101185029B1 - 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법 - Google Patents

영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101185029B1
KR101185029B1 KR1020100118449A KR20100118449A KR101185029B1 KR 101185029 B1 KR101185029 B1 KR 101185029B1 KR 1020100118449 A KR1020100118449 A KR 1020100118449A KR 20100118449 A KR20100118449 A KR 20100118449A KR 101185029 B1 KR101185029 B1 KR 101185029B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
step motor
current
variable structure
permanent magnet
Prior art date
Application number
KR1020100118449A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20120056952A (ko
Inventor
김원희
정정주
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020100118449A priority Critical patent/KR101185029B1/ko
Publication of KR20120056952A publication Critical patent/KR20120056952A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101185029B1 publication Critical patent/KR101185029B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
    • H02P8/12—Control or stabilisation of current
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K37/00—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors
    • H02K37/10—Motors with rotor rotating step by step and without interrupter or commutator driven by the rotor, e.g. stepping motors of permanent magnet type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00—Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
    • H02P8/22—Control of step size; Intermediate stepping, e.g. microstepping
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Stepping Motors (AREA)

Abstract

본 발명은 고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 있어서, 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 이용하여 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 단계; 상기 원하는 전압에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류를 유지하기 위하여 전압 오차 또는 전류 오차를 이용하는 단계; 외란 관측기를 이용하여 스텝모터의 역기전력을 추정하는 단계; 상기 전압 오차와 상기 추정된 역기전력을 이용하여 실제 입력 전압을 얻는 단계; 및 상기 실제 입력 전압을 상기 스텝모터에 인가하는 단계;를 포함하여, 상기 역기전력과 위상지연을 동시에 제거할 수 있다.

Description

영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법 {Method for MICRO-STEPPING VARIABLE STRUCTURE CONROL OF PERMANENT MAGNET STEP MOTOR}
본 발명은 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 관한 것으로, 보다 상게하게는 역기전력 및 위상 지연으로 인한 오차를 보상할 수 있는 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 스텝 모터(또는 스테핑 모터 또는 스테퍼 모터)는 로보틱 포지셔닝 시스템(robotic positioning systems) 등과 같이 정밀한 위치 제어가 필요한 분야에서 널리 이용되고 있다. 스텝 모터는 현재 일반적인 위치 제어에 가장 많이 사용되고 있는 모터로서 위치의 정지 정밀도를 요구하는 곳에 적합한 모터라고 할 수 있다. 스텝 모터의 경우에는 위치 제어구조가 개루프제어(Open Loop Control)구조를 가지고 있으며 스텝 모터의 기계적인 스텝각을 기준으로 회전을 하기 때문에 스텝 모터에 입력되어지는 스텝각을 기준으로 보면 현재의 회전위치를 판별할 수 있도록 되어 제어하기 쉽기 때문에 적용비용이 저렴하고 스텝 모터가 이송되어 정위치에 이르게 되면 더 이상의 위치 이동을 위한 제어가 이루어지지 않기 때문에 정지시 진동이 발생하지 않아 정확한 이송 및 정지를 요구하는 반도체장비 등에서 많이 사용되고 있다.
스텝 모터는 전기적으로 크게 2상 스텝 모터와 5상 스텝 모터로 분류된다. 이것은 스텝 모터에 공급되는 전력의 위상(phase) 수를 말하는데 전기적으로 단상 유도 전동기 혹은 다상(3상) 유도 전동기로 유도 전동기를 분류하는 것과 같다. 따라서, 2상 스텝 모터의 경우 입력 펄스 1펄스에 대하여 1.8도씩 회전하도록 구성되어 1회전당 200스텝의 회전각을 가지고 있으며, 5상 스텝 모터의 경우 0.72도의 스텝각을 가지고 있어 500스텝의 회전각을 가지고 있다.
적당한 제어기(controller)를 사용하여 대부분의 스텝 모터는 하프-스텝(half-steps)으로 구동될 수 있고, 어떤 제어기들은 더 작은 스텝 또는 마이크로 스텝(micro steps)으로 스텝 모터를 구동시킬 수 있다.
한편, 스텝 모터는 개루프제어(open loop control) 시스템에 의해 구동될 수 있고, 위치 센서 없이 정수의 스텝 내에서 정밀한 위치 제어를 제공하기 때문에 어떠한 스텝 위치에서도 안정을 유지할 수 있다. 즉, 제어를 위해서 피드백(feedback)이 필요하지 않다.
그러나, 개루프제어는 과도한 오버슈트(overshoot), 진동 응답(oscillatory response) 및 긴 정착시간(settle time) 때문에 성능이 좋지 않은 문제가 있다. 그리고, 이러한 문제로 인해 스텝 모터는 피드백 센서 없이 사용될 수 없고, 정확한 위치가 요구되는 높은 성능의 폐루프제어(closed loop control)이 사용될 수 없다.
이러한 스텝 모터의 제어를 위해 전류 PI(proportional integral) 제어기를 사용하는데, 전류 PI 제어기만을 사용하는 경우에는 역기전력(back-emf) 또는 위상 지연(phase lag)으로 인한 문제가 발생한다.
즉, 역기전력 및 위상 지연으로 인해 상 전류가 감소하는 문제도 있다. 스텝 모터의 속도가 증가함에 따라 스텝 모터의 역기전력(back-EMF) 및 위상 지연(phase lag) 때문에 전류가 감소하게 된다.
본 발명은 역기전력 및 위상 지연에 의해 전류가 감소하는 것을 보상할 수 있는 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법을 제공한다.
본 발명은 위치 제어 성능이 우수한 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법을 제공한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 있어서, 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 이용하여 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 단계; 상기 원하는 전압에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류를 유지하기 위하여, 상기 상기 원하는 전압과 상기 영구자석 스텝모터에 인가되는 실제 입력 전류(ia,ib)와 상기 고정자에 권선된 코일의 저항의 곱의 차이로부터 전압 오차(ea,eb)를 얻거나 또는 상기 원하는 전류와 상기 실제 입력 전류의 차이로부터 전류 오차를 얻는 단계; 외란 관측기를 이용하여 스텝모터의 역기전력을 추정하는 단계; 및 상기 전압 오차와 상기 추정된 역기전력을 가변구조제어기에 입력하여 상기 스텝모터에 인가되는 실제 입력 전압(Va,Vb)을 얻는 단계;를 포함하며, 상기 실제 입력 전압을 얻는 단계에서 상기 가변구조제어기는 아래 식(9)에 의해 상기 실제 입력 전압을 얻을 수 있다.

Figure 112012019591103-pat00020

식(9)에서 Ra와 Rb는 각각 A상 및 B상에 대한 고정자 권선의 저항값, L은 권선의 인덕턴스, ea = Va d-Raia, eb = Vb d-Rbib이며, ρa와 ρb는 제어 입력 이득, Va d 및 Vb d는 원하는 전압의 미분값이고,
d~ amax 및 d~ bmax는 역기전력의 최대 관측 오차로서
Figure 112012019591103-pat00021
로 정의되고, da=[Kmωsin(Nrθ)]/L 및 db=[Kmωcos(Nrθ)]/L은 각각 상(phase)에서의 역기전력, Km은 모터 토크 상수, Nr은 회전자의 티스(teeth)의 개수, θ는 고정자에 대한 회전자의 위치, ω는 모터속도이며,
d^a, d^b는 추정된 역기전력으로 아래 식(5)로 표현되고,
Figure 112012019591103-pat00022

식(5)에서 kp, kl은 외란 관측기 파라미터이고, i^a, i^b의 동특성은 아래 식(4)로 표현된다.
Figure 112012019591103-pat00023
상기 역기전력을 추정하는 단계에서 상기 외란 관측기는 상기 역기전력의 최대주파수 보다 위에 있는 컷오프 주파수를 가지는 고대역 필터(High Pass Filter) 형태인 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 원하는 전압 또는 상기 원하는 전류는 최대 전압 또는 최대 전류의 정현파 함수로 표현되는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 스텝모터의 권선 저항값은 스텝모터 자료에서 제공되는 값과 같은 값을 사용하거나, 실제 측정 또는 적응 제어(adaptive control)를 통하여 추정하는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 전류 루프에서 역기전력에 의한 전류 감소와 위상 지연을 보상할 수 있다.
본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 역기전력 및 위상지연에 의한 오차를 보상함으로써 스텝 모터의 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 외란 관측기를 사용하여 역기전력을 추정하고 가변구조제어(VSC)를 사용하여 역기전력과 위상지연을 보상함으로써 스텝 모터의 마이크로 스테핑 성능을 개선할 수 있고, 역기전력에 강인한 제어를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 전류 피드백(currents feedback)만 필요로 하기 때문에 제어 시스템의 구성을 단순화할 수 있으며, 전류 PI 피드백만을 사용하는 마이크로 스테핑 보다 위치 추종 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터를 도시한 일부 절개 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 영구자석 스텝 모터를 제어하기 위한 블록 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터를 마이크로 스테핑 가변구조제어하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 가변구조제어 방법에 따른 스텝 모터의 성능을 나타내는 실험 데이터 그래프이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터를 도시한 일부 절개 사시도, 도 2는 도 1에 따른 영구자석 스텝 모터를 제어하기 위한 블록 다이어그램을 도시한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터를 마이크로 스테핑 가변구조제어하는 방법을 도시한 순서도, 도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 가변구조제어 방법에 따른 스텝 모터의 성능을 나타내는 실험 데이터 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝 모터(100)는 케이스(110) 내부에 설치된 회전자(140)를 영구 자석(Permanent Magnet)으로 구성하여 고정자(130)의 권선(coil)에서 인가되는 전류에 의하여 발생하는 자속과 반응하도록 구성된다. 고정자(130)는 슬롯 스테이터(slotted stator)이며, 고정자(130)의 권선이 2개 위치하고 있어 2상을 가진다. 영구자석으로 된 회전자(140)는 회전축(120)에 설치되어 회전축(120)과 함께 회전하며, N극 및 S극을 가진다. 이와 같이, 내부의 회전자(140)가 영구 자석으로 구성된 것을 영구자석 스텝 모터(PMSM: Permanent Magnet Stepper Motor)라고 한다.
도 2에는 상기한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑 가변구조제어하기 위한 블록 다이어그램이 도시되어 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 상기한 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑하는 경우의 가변구조제어 방법에 대해서 설명한다.
우선, 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 위치(θ)를 회전자(140)의 원하는 위치(θd)로 이동시키기 위해, 원하는 마이크로 스테핑 입력(desired microstepping inputs)은 다음 식(1)과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112010077375453-pat00001
상기 식(1)에서 θd 는 고정자(130)에 대한 회전자(140)의 원하는 위치이고, Va d 및 Vb d는 각각 A상 및 B상에서 영구자석 스텝 모터(100)의 원하는 마이크로 스테핑 전압(desired microstepping voltage) 내지 원하는 전압(desired voltage)이고, Ra, Rb는 각각 A상 및 B상에 대한 권선의 저항값이다. 또한, 스텝모터(100)를 전류로 제어하는 경우 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에 따르는 원하는 전류(ia d, ib d)는 다음 식(2)에서 구할 수 있다.
Figure 112010077375453-pat00002
본 발명에서는 전류가 측정될 때 원하는 전류(desired currents)의 국부 지수 안정성(local exponential stability)을 보장하기 위해 제어기를 설계한다. 이를 위해 스텝 모터(100)의 동특성(dynamics)는 다음 식(3)과 같이 수정될 수 있다.
Figure 112010077375453-pat00003
상기 식(3)에서 da=[Kmωsin(Nrθ)]/L, db=[Kmωcos(Nrθ)]/L이고 각각 상(phase)에서의 역기전력(back-emf)이다. Km은 모터 토크 상수(motor torque constant)이고 Nr은 회전자(140)의 티스(teeth)의 개수를 나타낸다.
본 발명에서는 역기전력 및 위상지연에 의한 오차를 보상하기 위해 외란 관측기(disturbance observer, 220)를 사용하고 외란 관측기(220)의 출력을 가변구조제어(VSC: Variable Structure Control)하기 위한 가변구조 제어기(210)를 사용한다. 여기서, 외란 관측기(220)는 역기전력을 추정(estimate)하기 위해서 사용되며, 가변구조 제어기(210)는 원하는 전류(desired currents)의 지수 안정성(exponential stability)을 보장하기 위해서 사용된다.
외란 관측기(220)를 설계하는 과정에 대해서 설명하면 다음과 같다. 역기전력에 관한 상기 식(3)의 da 및 db를 추정하기 위해 하기 식(4) 및 식(5)가 제안될 수 있다.
Figure 112010077375453-pat00004
Figure 112010077375453-pat00005
여기서, 역기전력의 관측 오차는
Figure 112010077375453-pat00006
로 정의할 수 있다. 상기 식(5)의 양변을 2번씩 미분하면 다음 식(6)이 얻어진다.
Figure 112010077375453-pat00007
상기 식(6)에서
Figure 112010077375453-pat00008
와
Figure 112010077375453-pat00009
를 식(3)과 식(4)로 대체하면 다음 식(7)이 얻어진다.
Figure 112010077375453-pat00010
상기 식(7)로부터 다음 식(8)과 같이 에러 전달 함수(error transfer functions)을 얻을 수 있다.
Figure 112010077375453-pat00011
상기 식(8)에서 s는 라플라스 연산자(Laplace operator)이다. 상기 수식들로부터 추정 에러 주파수 응답(estimation error frequency response)은 2차 고대역 필터(2nd order high pass filter)가 됨을 알 수 있다.
식(8)의 컷오프 주파수(cutoff frequency)는 외란 관측기 파라미터 kp 및 kl에 의해서 결정된다. 역기전력을 정확하게 추정하기 위해서는 고대역 필터의 컷오프 주파수는 역기전력, 즉 di의 주파수인 Nrωmax 보다 위에 있어야 한다. ωmax는 모터의 최대 속도 또는 최대 원하는 속도이다. 본 발명에 따른 제어 시스템(200)의 외란 관측기(220)는 역기전력을 정확하게 추정할 수 있다.
도 4는 kp 및 kl가 2×(0.707π×1000) 및 (2π×1000)2 일 때 역기전력과 추정 에러(estimation error) 사이의 전달 함수의 주파수 응답을 보여준다. 또한, 도 5는 사인(sine) 신호를 모터에 인가하였을 경우에 대한 역기전력에 대한 추정 결과(estimation results)를 보여준다.
상기한 과정을 거쳐 설계된 외란 관측기(220)를 사용하여 영구자석 스텝 모터(100)를 마이크로 스테핑 가변구조제어하는 방법에 대해서 설명한다.
회전자(140)의 원하는 위치(θd)를 가지고 원하는 마이크로 스테핑(desired microstepping) 전압(Va d, Vb d)을 발생시킨다. 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에 따르는 전류를 유지하기 위하여 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)를 발생시킨다. 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)는 원하는 마이크로 스테핑 전압(Va d, Vb d)에서 스텝 모터(100)에 인가되는 실제 입력 전류(ia,ib)와 스텝 모터 권선의 저항(R)의 곱의 차이로부터 얻어질 수 있다.
이와 함께 외란 관측기(220)를 사용하여 추정된 역기전력(back-emf)을 사용하여 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)와 함께 가변구조 제어기(210)에서 실제 입력 전압(Va,Vb)를 발생시킨다.
가변구조 제어 기법은 다음 식(9)와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112010077375453-pat00012
상기 식(9)에서
Figure 112010077375453-pat00013
이며 ρa와 ρb는 제어 입력 이득이다. 그리고 전압 오차는 ea = Va d-Raia, eb = Vb d-Rbib 이다. 식 (9)와 같이 설계가 되면 전압오차를 0으로 지수적으로 수렴시킬 수 있다. 만일 전류 제어일 경우 ea와 eb는 ia d-ia와 ib d-ib로 사용된다.
상기 식(1), (2), (4), (9)에서 사용되는 스텝모터의 권선 저항값 Ra와 Rb는 모터 자료(즉, 모터 제조사에서 제공하는 모터의 성능 또는 스펙 등에 관한 자료)에서 제공되는 값과 같은 값으로 사용될 수 있으며, 또한 실제 측정 또는 적응 제어(Adaptive control)를 통하여 추정하여 사용할 수 있다.
실제 입력 전압(Va,Vb)을 영구자석 스텝 모터(100)에 PWM(Pulse Width Modulation) 드라이버 등을 사용하여 입력한다.
상기에서 설명한 바를 도 3을 참조하여 다시 한 번 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 스텝 모터(100)의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은, 고정자(130) 및 회전자(140)를 구비한 영구자석 스텝모터(100)의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 있어서, 상기 고정자(130)에 대한 상기 회전자(140)의 원하는 위치(θd)를 이용하여 상기 스텝모터(100)를 구동하기 위한 원하는 전압(Va d, Vb d) 또는 원하는 전류(ia d, ib d)를 얻는 단계(1100), 상기 원하는 전압(Va d, Vb d)에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류(ia d, ib d)를 유지하기 위하여 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib) 또는 전류 오차(ia d-ia, ib d-ib)를 얻는 단계(1200), 외란 관측기(220)를 이용하여 스텝모터의 역기전력(back-emf)을 추정하는 단계(1300), 상기 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)와 상기 외란 관측기(220)에 의하여 추정된 역기전력을 이용하여 가변구조제어기(210)에서 실제 입력 전압(Va,Vb)을 얻는 단계(1400) 및 상기 실제 입력 전압(Va,Vb)을 상기 스텝모터(100)에 인가하는 단계(1500)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 역기전력을 발생시키거나 추정하는 외란 관측기(220) 및 가변구조제어기(210)를 사용함으로써, 상기 역기전력과 위상지연을 동시에 제거하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법을 제공할 수 있다.
상기 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)를 얻는 단계(1200)에서 상기 전압 오차는 상기 원하는 전압(Va d,Vb d)과 상기 영구자석 스텝모터(100)의 입력 전류(ia, ib)와 상기 고정자(130)에 권선된 코일의 저항(R)의 곱의 차이에서 얻어질 수 있다.
상기 역기전력을 추정하는 단계(1300)에서 상기 외란 관측기(220)는 고대역 필터(High Pass Filter) 형태인 것을 특징으로 한다. 상기한 식(8)을 참조하면, 외란 관측기(220)는 2차 고대역 필터와 유사한 기능을 한다고 볼 수 있다. 본 발명에 따른 외란 관측기(220)는 고대역 필터의 컷오프 주파수가 역기전력의 최대주파수 즉, Nrωmax 보다 위에 있다면 역기전력을 정확히 추정할 수 있다.
상기 실제 입력 전압을 얻는 단계(1400)는 상기 전압 오차(Va d-Raia, Vb d-Rbib)와 상기 역기전력을 상기 식(9)에 의해 가변구조제어(variable structure control)를 하는 것을 특징으로 한다. 이를 위해서 가변구조제어기(210)를 사용하며, 가변구조제어(VSC)를 위해서 원하는 상전류 오차(desired phase current errors)를 슬라이딩 표면(sliding surfaces)으로 정의할 수 있다. 본 발명에 따른 가변구조제어기(210)는 위치 정보 없이 역기전력과 전류의 위상 지연에 의해 전류가 감소하는 것을 보상하여 마이크로 스테핑의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 원하는 전압(Va d, Vb d) 또는 상기 원하는 전류(ia d, ib d)는 최대 전압(Vmax) 또는 최대 전류(Imax)의 정현파 함수(sinusoidal functions)로 표현될 수 있다.
도 6에는 종래 기술과 본 발명에 따른 위치 추종 에러(position tracking errors)에 관한 실험 그래프가 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 일정 속도 구간(constant velocity period)에서 본 발명의 경우가 추종 에러(tracking error)의 평균을 종래 기술의 60%까지 줄인 것을 알 수 있는데, 이는 본 발명의 가변구조제어 방법의 경우 마이크로 스테핑을 위해 요구되는 원하는 전류(desired currents)의 국부 지수 안정성(local exponential stability)을 보장하기 때문이다. 즉, 도 6에서 속도가 일정한 구간인 0.5초 내지 1.5초 구간에서 위치 추종 에러를 비교하면, 종래 기술의 경우에는 위치 추종 에러의 오실레이션(oscillation) 진폭이 큰 반면에 본 발명의 경우는 위치 추종 에러의 오실레이션 진폭이 작음을 알 수 있다.
한편, 가속 및 감속 구간(acceleration and deceleration period)에서는 가변구조제어(VSC)로 인해 채터링(chattering)이 나타나지만 일정 속도 구간에서는 추종 에러 리플(tracking error ripples)이 감소하고 일정함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 영구자석 스텝 모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법은 가변구조제어(VSC)를 기본으로 하여 역기전력을 추정하기 위한 외란 관측기를 이용함으로써 스텝 모터의 마이크로 스테핑 성능 또는 위치 추종 성능을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 영구자석 스텝모터 110: 케이스
120: 회전축 130: 고정자
140: 회전자 200: 가변구조제어 시스템
210: 가변구조 제어기 220: 외란 관측기
230: 전류 PI 제어기

Claims (6)

  1. 고정자 및 회전자를 구비한 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법에 있어서,
    상기 고정자에 대한 상기 회전자의 원하는 위치를 이용하여 상기 스텝모터를 구동하기 위한 원하는 전압 또는 원하는 전류를 얻는 단계;
    상기 원하는 전압에 따르는 전류 또는 상기 원하는 전류를 유지하기 위하여, 상기 원하는 전압과 상기 영구자석 스텝모터에 인가되는 실제 입력 전류(ia,ib)와 상기 고정자에 권선된 코일의 저항의 곱의 차이로부터 전압 오차(ea,eb)를 얻거나 또는 상기 원하는 전류와 상기 실제 입력 전류의 차이로부터 전류 오차를 얻는 단계;
    외란 관측기를 이용하여 스텝모터의 역기전력을 추정하는 단계; 및
    상기 전압 오차와 상기 추정된 역기전력을 가변구조제어기에 입력하여 상기 스텝모터에 인가되는 실제 입력 전압(Va,Vb)을 얻는 단계;를 포함하며,
    상기 실제 입력 전압을 얻는 단계에서 상기 가변구조제어기는 아래 식(9)에 의해 상기 실제 입력 전압을 얻는 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
    Figure 112012019591103-pat00024

    식(9)에서 Ra와 Rb는 각각 A상 및 B상에 대한 고정자 권선의 저항값, L은 권선의 인덕턴스, ea = Va d-Raia, eb = Vb d-Rbib이며, ρa와 ρb는 제어 입력 이득, Va d 및 Vb d는 원하는 전압의 미분값이고,
    d~ amax 및 d~ bmax는 역기전력의 최대 관측 오차로서
    Figure 112012019591103-pat00025
    로 정의되고, da=[Kmωsin(Nrθ)]/L 및 db=[Kmωcos(Nrθ)]/L은 각각 상(phase)에서의 역기전력, Km은 모터 토크 상수, Nr은 회전자의 티스(teeth)의 개수, θ는 고정자에 대한 회전자의 위치, ω는 모터속도이며,
    d^a, d^b는 추정된 역기전력으로 아래 식(5)로 표현되고,
    Figure 112012019591103-pat00026

    식(5)에서 kp, kl은 외란 관측기 파라미터이고, i^a, i^b의 동특성은 아래 식(4)로 표현된다.
    Figure 112012019591103-pat00027

  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 역기전력을 추정하는 단계에서 상기 외란 관측기는 상기 역기전력의 최대주파수 보다 위에 있는 컷오프 주파수를 가지는 고대역 필터 형태인 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 원하는 전압 또는 상기 원하는 전류는 최대 전압 또는 최대 전류의 정현파 함수로 표현되는 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스텝모터의 권선 저항값은 스텝모터 자료에서 제공되는 값과 같은 값을 사용하거나, 실제 측정 또는 적응 제어를 통하여 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법.
KR1020100118449A 2010-11-26 2010-11-26 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법 KR101185029B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100118449A KR101185029B1 (ko) 2010-11-26 2010-11-26 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100118449A KR101185029B1 (ko) 2010-11-26 2010-11-26 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120056952A KR20120056952A (ko) 2012-06-05
KR101185029B1 true KR101185029B1 (ko) 2012-09-21

Family

ID=46608919

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100118449A KR101185029B1 (ko) 2010-11-26 2010-11-26 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101185029B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101734718B1 (ko) 2015-12-14 2017-05-11 현대자동차주식회사 전동식 파워 스티어링용 모터의 외란 보상 시스템
KR102543234B1 (ko) * 2023-05-08 2023-06-13 전홍섭 Bemf 위상각 측정장치

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001095297A (ja) 1999-09-20 2001-04-06 Massuru Kk ステップモータの制御方式
JP2005210786A (ja) * 2004-01-20 2005-08-04 Sanmei Denshi Sangyo Kk ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置およびその制御方法ならびにその運転方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001095297A (ja) 1999-09-20 2001-04-06 Massuru Kk ステップモータの制御方式
JP2005210786A (ja) * 2004-01-20 2005-08-04 Sanmei Denshi Sangyo Kk ステッピングモータのマイクロステップ駆動装置およびその制御方法ならびにその運転方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120056952A (ko) 2012-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Le et al. An advanced closed-loop control to improve the performance of hybrid stepper motors
JP4221307B2 (ja) 同期電動機の制御装置，電気機器およびモジュール
JP3971741B2 (ja) 磁極位置検出装置
US8766571B2 (en) Method and apparatus for controlling an electrical machine
US20140285124A1 (en) Control method and device therefor
US20160056743A1 (en) Motor drive control apparatus and motor drive control method
Derammelaere et al. Sensorless load angle control for two-phase hybrid stepper motors
JP2019530030A (ja) 運動制御デバイス及び運動制御方法
KR20150000363A (ko) 영구자석 동기 전동기의 토크를 제어하는 방법 및 제어 장치.
JP4102770B2 (ja) 巻線界磁式同期機の制御装置
KR101224571B1 (ko) 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 제어 방법
KR101185029B1 (ko) 영구자석 스텝모터의 마이크로 스테핑 가변구조제어 방법
JP6790760B2 (ja) 可変磁束モータの電流制御方法、及び電流制御装置
US20180198398A1 (en) System and method for controlling a motor
JP6962957B2 (ja) 直流励磁方式の磁極初期位置検出装置及び磁極位置検出装置
CN111049433A (zh) 磁极初始位置检测装置以及磁极位置检测装置
Somesh et al. Constant current control of stepper motor in microstepping mode using PIC16F877A
Derammelaere et al. Robust sensorless load angle control for stepping motors
JP6707050B2 (ja) 同期電動機の制御装置
Pugi et al. Enhanced Back EMF Sensorless Control for Permanent Magnet Synchronous Motors
JP6511648B2 (ja) モータ駆動装置
De Viaene et al. Load angle estimation in dynamic stepping motor applications based on Phase Locked Loop
JP2020120485A (ja) スイッチトリラクタンスモータの制御方法及びスイッチトリラクタンスモータ制御装置
Derammelaere et al. A linear time-invariant model for a vector-controlled two-phase stepping motor
Kar et al. Direct torque control of permanent magnet synchronous motor drive with a sensorless initial rotor position estimation scheme

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151001

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160705

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee