KR102118184B1 - Method and Apparatus for Robust Emulation of Mechanical Load by using Disturbance Observer - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 특정부하를 갖는 동력계에 연결된 시험대상 모터를 에뮬레이션하는 방법에 있어서, 상기 시험대상 모터에 작용하는 전기토크 값을 수신하는 단계; 에뮬레이트할 특정 동역학의 부하토크 값을 수신하는 단계; 상기 시험대상 모터의 회전속도를 검출하는 단계; 및 상기 회전속도에 상기 동력계의 마찰을 곱한 값인 제1값, 상기 회전속도에 상기 동력계의 관성을 곱한 값인 제2값, 상기 부하토크 값 및 상기 전기토크 값을 이용하여 상기 동력계에 작용하는 동력계 토크 명령을 생성하는 단계; 및 상기 동력계 토크 명령에 따라 상기 동력계를 구동하는 단계를 포함하는 에뮬레이션 방법을 제공한다.The present invention provides a method for emulating a motor under test connected to a dynamometer having a specific load, the method comprising: receiving an electric torque value acting on the motor under test; Receiving a load torque value of a specific dynamic to be emulated; Detecting the rotational speed of the motor under test; And a dynamometer torque acting on the dynamometer using a first value that is the product of the rotation speed multiplied by the friction of the dynamometer, a second value that is the product of the rotation speed multiplied by the inertia of the dynamometer, the load torque value, and the electric torque value. Generating an instruction; And driving the dynamometer according to the dynamometer torque command.

Description

외란 관측기를 이용한 기계 부하의 강인한 에뮬레이션 방법 및 장치{Method and Apparatus for Robust Emulation of Mechanical Load by using Disturbance Observer}Method and Apparatus for Robust Emulation of Mechanical Load by using Disturbance Observer}

본 발명의 실시예는 외란 관측기를 이용한 기계 부하의 강인한 에뮬레이션 방법 및 장치에 관한 것이다.Embodiments of the present invention relate to a robust emulation method and apparatus for mechanical load using a disturbance observer.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명의 실시 예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section merely provides background information for an embodiment of the present invention and does not constitute a prior art.

모터의 특성은, 주로 질량 또는 마찰 부하 용으로 설계된 기계 부품들을 모터 샤프트에 연결하여 테스트한다. 반면, 모터가 전기 자동차, 풍력 발전기, 항공기 등과 같은 고 신뢰성 어플리케이션 용으로 개발되는 경우 다양한 부하 조건 하에서 테스트가 수행되어야 한다. 이 경우, 일반적으로 모터와 그 구동 회로를 프로그램 가능 동력계(Programmable Dynamometer)라 불리는 다른 전기 기계 장치에 연결하여 테스트하며, 이 연결되는 전기 기계 장치는 실제 작동시의 부하 토크처럼 모터에 작용하는 기계적 토크를 발생시킨다.Motor properties are tested by connecting mechanical parts designed primarily for mass or friction loads to the motor shaft. On the other hand, if the motor is developed for high reliability applications such as electric vehicles, wind power generators, aircraft, etc., tests must be performed under various load conditions. In this case, the motor and its driving circuit are usually tested by connecting to another electromechanical device called a programmable dynamometer, which is a mechanical torque acting on the motor as a load torque during actual operation. Causes

최근의 연구에서는, 동적 부하 에뮬레이션을 위한 몇 가지 방법이 제안되었으며, 이 방법에서, 에뮬레이터의 동역학이 원하는 동역학이 되도록 프로그램 가능 동력계의 토크는 몇가지 폐 루프 알고리즘에 의해 결정된다. 동적 부하 에뮬레이션의 성능은 폐 루프 알고리즘에 달렸으며 여러 방법이 문헌에 보고되어 있다.In a recent study, several methods for dynamic load emulation have been proposed, in which the torque of the programmable dynamometer is determined by several closed loop algorithms so that the dynamics of the emulator become the desired dynamics. The performance of dynamic load emulation depends on the closed loop algorithm, and several methods have been reported in the literature.

본 발명의 실시 예는, 외란 관측기 (DOB: Disturbance Observer)를 이용한 기계 부하의 강인한 에뮬레이션을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a robust emulation of a mechanical load using a disturbance observer (DOB: Disturbance Observer).

또한, 외란 관측기 기반 에뮬레이션 기법을 용이하게 구현 및 분석할 수 있도록 개선하는 것을 그 목적으로 한다.In addition, it aims to improve the emulation technique based on the disturbance observer so that it can be easily implemented and analyzed.

본 발명의 실시 예에 의하면, 특정부하를 갖는 동력계에 연결된 시험대상 모터를 에뮬레이션하는 장치에 있어서, 상기 시험대상 모터에 작용하는 전기토크 값을 수신하는 전기토크 수신기; 에뮬레이트할 특정 동역학의 부하토크 값을 수신하는 부하토크 수신기; 상기 시험대상 모터의 회전속도를 검출하는 속도검출기; 및 상기 회전속도에 상기 동력계의 마찰을 곱한 값인 제1값, 상기 회전속도에 상기 동력계의 관성을 곱한 값인 제2값, 상기 부하토크 값 및 상기 전기토크 값을 이용하여 상기 동력계에 작용하는 동력계 토크 명령을 생성하는 에뮬레이션기; 및 상기 동력계 토크 명령에 따라 상기 동력계를 구동하는 동력계 구동기를 포함하는 에뮬레이션 장치를 제공한다.According to an embodiment of the present invention, an apparatus for emulating a motor under test connected to a dynamometer having a specific load, the apparatus comprising: an electrical torque receiver for receiving an electric torque value applied to the motor under test; A load torque receiver that receives a load torque value of a specific dynamic to be emulated; A speed detector that detects the rotational speed of the motor under test; And a dynamometer torque acting on the dynamometer using a first value that is the product of the rotation speed multiplied by the friction of the dynamometer, a second value that is the product of the rotation speed multiplied by the inertia of the dynamometer, the load torque value, and the electric torque value. An emulator for generating commands; And a dynamometer driver that drives the dynamometer according to the dynamometer torque command.

본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 특정부하를 갖는 동력계에 연결된 시험대상 모터를 에뮬레이션하는 방법에 있어서, 상기 시험대상 모터에 작용하는 전기토크 값을 수신하는 단계; 에뮬레이트할 특정 동역학의 부하토크 값을 수신하는 단계; 상기 시험대상 모터의 회전속도를 검출하는 단계; 및 상기 회전속도에 상기 동력계의 마찰을 곱한 값인 제1값, 상기 회전속도에 상기 동력계의 관성을 곱한 값인 제2값, 상기 부하토크 값 및 상기 전기토크 값을 이용하여 상기 동력계에 작용하는 동력계 토크 명령을 생성하는 단계; 및 상기 동력계 토크 명령에 따라 상기 동력계를 구동하는 단계를 포함하는 에뮬레이션 방법을 제공한다.According to another embodiment of the present invention, a method for emulating a motor under test connected to a dynamometer having a specific load, the method comprising: receiving an electric torque value acting on the motor under test; Receiving a load torque value of a specific dynamic to be emulated; Detecting the rotational speed of the motor under test; And a dynamometer torque acting on the dynamometer using a first value that is the product of the rotation speed multiplied by the friction of the dynamometer, a second value that is the product of the rotation speed multiplied by the inertia of the dynamometer, the load torque value, and the electric torque value. Generating an instruction; And driving the dynamometer according to the dynamometer torque command.

본 발명은, 외란 관측기 (DOB: Disturbance Observer)를 이용한 기계 부하의 강인한 에뮬레이션을 제공하는 효과가 있다.The present invention has an effect of providing a robust emulation of a mechanical load using a Disturbance Observer (DOB).

또한, 분석과 구현 모두에 대해 간단한 에뮬레이션 구조를 제공하고, 다양한 부하 조건에 대해 우수한 에뮬레이션 성능을 나타낸다.In addition, it provides a simple emulation structure for both analysis and implementation, and exhibits excellent emulation performance for various load conditions.

도 1은 도 1은 모터와, 다른 전기 기계(즉, 부하 기계)로서 프로그램 가능한 동력계(Dynamometer)를 사용하는 모터 테스트 장치(Test Rig)를 모델링한 도면이다.
도 2는 부하 에뮬레이션에 종래의 DOB를 적용한 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 에뮬레이션을 위한 동력계의 토크 생성 장치의 동작 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 시험대상 모터 및 동력계로 구성된 실험 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.
도 5의 (a)는 정현파 레퍼런스인 Tm = sin(2πt)[Nm]이 모터에 적용될 때의 동력계 토크 Te에 대한 응답을 보여주고, 도 5의 (b)는 정현파 레퍼런스인 Tm = sin(2πt)[Nm]에 대한 회전속도 측정치(ωm: 실선) 및 원하는 회전속도(ωem: 점선)를 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 스텝 입력 Tm = 5u(t)가 모터에 적용되는 경우, 에뮬레이션 할 다양한 동적 부하에 대한 동력계 토크 Te 응답을 보여주는 도면이고, 도 6의 (b)는 스텝 입력 Tm = 5u(t)에 대한 회전속도 측정치(ωm: 실선) 및 원하는 회전속도(ωem: 점선)을 나타내는 도면이다.
도 7의 (a) 및 (b)는 모터 측이 다음 수학식 21과 같은 PI형 속도 제어기로 구동되는 경우의 응답을 도시한 도면이다.
도 8은, 수학식 22의 원하는 에뮬레이션 동역학의 파라미터가 m = 10[kg], Jem = 5J, Bem = 5B, g = 9.8[m/s2], Rr = 0.2, c1 = 0.5, c2 = 24, and c3 = 0.52로 각각 선택되었을 때 실험 결과를 보여준다.
도 9는 제안 방법(도 3)의 성능을 평가하기 위한 실험 시스템(도 4)의 실제구현을 나타낸 도면이다.
FIG. 1 is a diagram modeling a motor test device (Test Rig) using a motor and a programmable dynamometer as another electric machine (ie, a load machine).
2 is a view showing that a conventional DOB is applied to load emulation.
3 is a view showing an operation method of the torque generating apparatus of the dynamometer for emulation according to the present embodiment.
4 shows a block diagram of an experimental system consisting of a motor and dynamometer under test.
5(a) shows the response to the dynamometer torque T e when the sinusoidal reference T m = sin(2πt)[Nm] is applied to the motor, and FIG. 5(b) shows the sinusoidal reference T m = It is a graph showing the measured rotation speed (ω m : solid line) and the desired rotation speed (ω em : dotted line) for sin(2πt)[Nm].
6(a) is a diagram showing the dynamometer torque T e response to various dynamic loads to be emulated when step input T m =5u(t) is applied to the motor, and FIG. 6(b) shows step input T It is a diagram showing the measured rotation speed (ω m : solid line) and the desired rotation speed (ω em : dotted line) for m = 5u(t).
7A and 7B are views showing a response when the motor side is driven by a PI-type speed controller as in Equation 21 below.
8, the parameters of the desired emulation kinetics of Equation 22 are m=10[kg], J em =5J, B em =5B, g=9.8[m/s2], R r =0.2, c 1 =0.5, c 2 = 24, and c 3 = 0.52, respectively.
9 is a view showing the actual implementation of the experimental system (FIG. 4) for evaluating the performance of the proposed method (FIG. 3).

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail through exemplary drawings. It should be noted that in adding reference numerals to the components of each drawing, the same components have the same reference numerals as possible even though they are displayed on different drawings. In addition, in the description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related well-known structures or functions may obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

본 실시예에서, 기계적 부하를 에뮬레이션하기 위해 DOB가 이용된다. 에뮬레이션은 기존의 DOB 기반 컨트롤러와 동일한 구성으로 수행될 수 있으며, 공칭 성능 복원(Nominal Performance Recovery)을 통해 에뮬레이션할 원하는 동역학(Desired Dynamics)을 달성할 수 있음을 알 수 있다. 특히 본 실시예에서는, 에뮬레이션 성능 및 외란 토크의 영향에 대한 엄격한 시간 영역 분석이 수행된다. 이 시간 영역 분석은 비선형 부하의 에뮬레이션에 대한 연구로 확장될 수 있고, 제안된 방법의 효용성은 선형 및 비선형 부하에 대한 다양한 실험을 통해 검증되었다.In this embodiment, DOB is used to emulate a mechanical load. It can be seen that the emulation can be performed in the same configuration as a conventional DOB-based controller, and the desired dynamics to be emulated can be achieved through nominal performance recovery. Particularly in this embodiment, rigorous time domain analysis of the effects of emulation performance and disturbance torque is performed. This time domain analysis can be extended to studies on emulation of nonlinear loads, and the effectiveness of the proposed method has been verified through various experiments on linear and nonlinear loads.

도 1은 모터와, 다른 전기 기계(즉, 부하 기계)로서 프로그램 가능한 동력계(Dynamometer)를 사용하는 모터 테스트 장치(Test Rig)를 모델링한 도면이다.1 is a diagram modeling a motor test apparatus (Test Rig) using a motor and a programmable dynamometer as another electric machine (ie, a load machine).

도 1에서, 두 개의 전기 기계(즉, 시험대상 모터(110) 및 동력계(120))는 단단한 샤프트(130)에 의해 서로 연결되며 그 동역학은 아래의 수학식 (1)로 나타낼 수 있다.In FIG. 1, two electric machines (that is, the motor 110 to be tested and the dynamometer 120) are connected to each other by a rigid shaft 130, and the dynamics thereof may be represented by Equation (1) below.

Figure 112018002912546-pat00001
Figure 112018002912546-pat00001

수학식 (1)에서, J(= J1 + J2)는 시험대상 모터(110)의 관성(J1)과 부하 기계인 동력계(120)의 관성(J2)을 포함하는 샤프트(130)의 집중 관성(Lumped inertia)이며, B(= B1 + B2)는 집중 매개 변수(Lumped parameter)로서 마찰 계수이며, Tm은 시험대상 모터(110)에 의해 생성된 전기 토크, Te는 동력계(120)의 토크, ωm은 샤프트(130)의 회전 속도, d는 외란 토크(disturbance torque)이다. 또한, B1은 시험대상 모터(110)의 마찰계수, B2는 부하 기계(120)의 마찰계수를 의미한다. In Equation (1), J(= J1 + J2) is the concentrated inertia of the shaft 130 including the inertia J1 of the motor 110 under test and the inertia J2 of the dynamometer 120, which is the load machine ( Lumped inertia), B(= B1 + B2) is a frictional parameter as a lumped parameter, T m is the electric torque generated by the motor 110 under test, T e is the torque of the dynamometer 120 , ω m is the rotational speed of the shaft 130, d is the disturbance torque. In addition, B1 means the friction coefficient of the motor 110 under test, and B2 means the friction coefficient of the load machine 120.

한편, 이하의 설명에서, 시험대상 모터(110)라는 용어를 구동모터 또는 모터 등의 용어로 혼용하여 사용할 수 있으나 이는 모두 같은 의미로 사용된 것임을 밝혀둔다. 또한, 동력계(120)라는 용어를 부하 기계, 혹은 동력계 모터로 혼용하여 사용할 수 있으나 이는 모두 같은 의미로 사용된 것임을 밝혀둔다.On the other hand, in the following description, the term motor 110 to be tested may be used interchangeably with terms such as a driving motor or a motor, but it is revealed that they are all used in the same sense. In addition, the term dynamometer 120 can be used interchangeably as a load machine or dynamometer motor, but it is revealed that they are all used in the same sense.

시험대상 모터(110)가 관성 Jem 및 마찰 Bem을 갖는 원하는 기계적 부하(Desired Mechanical Load)에 연결되었다고 가정하면 다음의 수학식 (2)를 얻는다.Assuming that the motor under test 110 is connected to a desired mechanical load having inertia J em and friction B em , the following equation (2) is obtained.

Figure 112018002912546-pat00002
Figure 112018002912546-pat00002

여기서, ωem 및 Tl은 각각 에뮬레이트할 원하는 동역학(desired dynamics)의 회전 속도 및 부하 토크이다.Where ω em and T l are the rotational speed and load torque of the desired dynamics to emulate, respectively.

본 제어 목적은 수학식 (1)의 ωm이 수학식 (2)의 ωem을 가능한 한 가깝게 따라가도록 Te를 조종(manipulate)하는 것이다. 수학식 (1) 및 (2)로부터 ωm과 ωem의 전달 함수는 다음의 식 (3a) 및 (3b)와 같이 각각 유도된다.The purpose of this control is to manipulate T e so that ω m in equation (1) follows ω em in equation (2) as close as possible. The transfer functions of ω m and ω em from equations (1) and (2) are derived as shown in the following equations (3a) and (3b), respectively.

Figure 112018002912546-pat00003
Figure 112018002912546-pat00003

Figure 112018002912546-pat00004
Figure 112018002912546-pat00004

여기서, 전달함수 G(s), Gem(s)는 각각Here, the transfer functions G(s) and G em (s) are respectively

Figure 112018002912546-pat00005
Figure 112018002912546-pat00005

Figure 112018002912546-pat00006
Figure 112018002912546-pat00006

이다.to be.

본 실시예에서는 외란 토크 및 부하 토크가 고려되며, 파라미터 J 및 B의 정확한 값은 알 수 없다고 가정하며, 대신에 다음과 같은 가정을 한다.In this embodiment, disturbance torque and load torque are considered, and it is assumed that the exact values of the parameters J and B are unknown, instead, the following assumptions are made.

가정 1: 플랜트 파라미터 J 및 B의 값은 불확실하지만, 다음의 식 (4c)와 같이 한계가 있는 집합(bounded set)에 속한다고 가정한다. Assumption 1: The values of the plant parameters J and B are uncertain, but it is assumed that they belong to a bounded set as in the following equation (4c).

Figure 112018002912546-pat00007
Figure 112018002912546-pat00007

가정 2: 토크 Tm, Tl 및 외란 d는 두 번 미분 가능하며, 또한 그 값이 한계가 있는(bounded) 것으로, 즉, 소정의 상수 T+ m,

Figure 112018002912546-pat00008
Figure 112018002912546-pat00009
에 대하여
Figure 112018002912546-pat00010
으로 가정한다. Assumption 2: Torque T m , T l and disturbance d can be differentiated twice, and the value is also bounded, i.e., given constant T + m ,
Figure 112018002912546-pat00008
And
Figure 112018002912546-pat00009
about
Figure 112018002912546-pat00010
Is assumed.

이하에서는, 동력계 토크 Te를 생성하기 위한 새로운 에뮬레이션 방법을 제시하고, 그 성능 및 안정성 분석을 제공한다.In the following, a new emulation method for generating dynamometer torque T e is presented, and its performance and stability analysis is provided.

도 2는 본 실시예에 따른 부하 에뮬레이션에 기존의 DOB를 적용한 것을 나타내는 도면이다.2 is a view showing that a conventional DOB is applied to load emulation according to the present embodiment.

도 2는 부하 토크 T1의 추가와 같은 몇 가지 뚜렷한 특징을 가지고 있으며, 종래의 DOB 기반 제어 시스템의 플랜트 공칭 모델이 도 2에서 에뮬레이션 동역학 Gem(s)으로 대체된 것이다. 도 2에서, 폐 루프 시스템의 관계식은 다음의 식 (5)와 같이 표현될 수 있다.FIG. 2 has several distinct features, such as the addition of load torque T 1 , and the plant nominal model of a conventional DOB based control system is replaced by emulation dynamics G em (s) in FIG. 2. In FIG. 2, the relational expression of the closed loop system can be expressed as the following expression (5).

Figure 112018002912546-pat00011
Figure 112018002912546-pat00011

여기서, Q(s)는 1의 DC 이득 (limω →0 Q(jω) = 1)을 가지며 Q-필터라고 불리는 저역 통과 필터이다. 수학식 (5)와 같이 나타낸 폐 루프 시스템은 저주파수 범위에서는 수학식 (3b)로 나타낸 원하는 에뮬레이션 동역학처럼 동작한다.Here, Q(s) is a low-pass filter called DC filter with a DC gain of 1 (lim ω → 0 Q(jω) = 1). The closed loop system represented by Equation (5) behaves like the desired emulation kinetics represented by Equation (3b) in the low frequency range.

본 실시예에서는 다음의 식 (6a), (6b)와 같이 표현될 수 있는 상태 공간 에뮬레이션 방법을 개시한다.This embodiment discloses a state space emulation method that can be expressed as the following equations (6a) and (6b).

Figure 112018002912546-pat00012
Figure 112018002912546-pat00012

Figure 112018002912546-pat00013
Figure 112018002912546-pat00013

여기서 q는 제어기의 상태(state)이고, fe와 fq는 설계하고자 하는 함수들이다. 따라서, 이하의 설명에서 보이는 바와 같이 ωm, Tm 및 Tl로부터 Te가 생성될 수 있는 방법이 명확하게 나타나도록 도 2를 수정할 필요가 있다.Here, q is the state of the controller, and fe and fq are functions to be designed. Therefore, as shown in the following description, it is necessary to modify FIG. 2 to clearly show how T e can be generated from ω m , T m and T l .

도 2로부터, 동력계 토크는 수학식 7에 의해 계산된다.From Fig. 2, the dynamometer torque is calculated by equation (7).

Figure 112018002912546-pat00014
Figure 112018002912546-pat00014

수학식 (7)에서 Q-필터는 Q(s) = 1/(δs +1)로서 선택되고, 여기서 설계 파라미터 δ > 0이다. 참고로, 에뮬레이션 성능을 향상시키기 위하여 고차(Higher order) Q-필터를 선택하는 것도 가능하다.In equation (7), the Q-filter is selected as Q(s) = 1/(δs +1), where the design parameter δ> 0. For reference, it is also possible to select a higher order Q-filter to improve emulation performance.

수학식 (7)에 Te(s)의 대수적인 루프가 존재하므로, Te(s)는 다음의 수학식 (8)과 같이 다시 나타낼 수 있다.Since the algebraic loop of T e (s) present in the expression (7), T e (s) may be re-written as the following equation (8).

Figure 112018002912546-pat00015
Figure 112018002912546-pat00015

만일, q=(Tm(s) - Tl(s) - Bemωm(s))/s 라고 설정하면, 수학식 (8)의 상태 공간 표현(state-space realization)을 다음의 수학식 (9a) 및 (9b)와 같이 얻을 수 있다.If q=(T m (s)-T l (s)-B em ω m (s))/s, the state-space realization of equation (8) is It can be obtained as equations (9a) and (9b).

Figure 112018002912546-pat00016
Figure 112018002912546-pat00016

Figure 112018002912546-pat00017
Figure 112018002912546-pat00017

수학식 (9a) 및 (9b)는, 수학식 6a에서의 fe()와 수학식 6b에서의 fq()를 각각 구체화한 것이다.Equations (9a) and (9b) embody fe() in Equation 6a and fq() in Equation 6b, respectively.

도 3은 본 실시예에 따른 에뮬레이션을 위한 동력계의 토크 생성 장치의 동작 방법을 나타낸 도면이다.3 is a view showing an operation method of the torque generating apparatus of the dynamometer for emulation according to the present embodiment.

수학식 (8)(또는 수학식 9a, 9b)는 도 3으로서 다시 그려질 수 있으며, 이는 도 2의 특별 구현 형태이다. 도 3의 구조적 성능은 다음 수학식 (10)과 같이 보장됨은 이후의 설명에서 증명된다.Equation (8) (or Equations 9a, 9b) can be redrawn as FIG. 3, which is a special implementation of FIG. It is verified in the following description that the structural performance of FIG. 3 is guaranteed as in the following equation (10).

Figure 112018002912546-pat00018
Figure 112018002912546-pat00018

여기서, 실제 시스템을 나타내는 수학식 1의 궤적은, 바운드 ε* 내에서 원하는 에뮬레이션 동역학을 나타내는 수학식 2를 따라간다. 여기서 sup는 상한을 나타내는 기호이다.Here, the trajectory of Equation 1 representing the actual system follows Equation 2 representing the desired emulation dynamics within the bound ε * . Here sup is a symbol indicating the upper limit.

도 3에 도시하듯이, 본 실시예에 따른 에뮬레이션하는 장치는 전기토크 수신기(310), 부하토크 수신기(320), 속도검출기(330) 및 에뮬레이션기(340)를 포함한다. 본 실시예에 따른 에뮬레이션하는 장치는 전기토크 수신기(310), 부하토크 수신기(320), 속도검출기(330) 및 에뮬레이션기(340)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 일부 구성요소를 제외하거나 다른 구성요소를 더 포함하여 구현될 수도 있다.As shown in FIG. 3, the emulation device according to the present embodiment includes an electric torque receiver 310, a load torque receiver 320, a speed detector 330, and an emulator 340. The apparatus for emulation according to this embodiment has been described as including an electric torque receiver 310, a load torque receiver 320, a speed detector 330, and an emulator 340, except for some components or other components It may be implemented by further including.

전기토크 수신기(310)는 시험대상 모터(110)에 작용하는 전기토크 값(Tm)을 수신한다.The electric torque receiver 310 receives an electric torque value T m acting on the motor 110 under test.

부하토크 수신기(320)는 에뮬레이트할 특정 동역학의 부하토크 값(Tl)을 수신한다.The load torque receiver 320 receives a load torque value T l of a specific dynamic to be emulated.

속도검출기(330)는 시험대상 모터(110)의 회전속도(ωm)를 검출한다.The speed detector 330 detects the rotational speed ω m of the motor 110 under test.

에뮬레이션기(340)는 시험대상 모터(110)의 회전속도(ωm)에 동력계(120)의 마찰(Bem)을 곱한 값인 제1값(Bemωm), 회전속도(ωm)에 동력계(120)의 관성(Jem)을 곱한 값인 제2값(Jemωm), 부하토크 값(Tl) 및 전기토크 값(Tm)을 이용하여 동력계(120)에 작용하는 동력계 토크 명령(Te)을 생성한다.The emulator 340 has a first value (B em ω m ), which is the product of the rotational speed (ω m ) of the motor 110 under test multiplied by the friction (B em ) of the dynamometer 120, and the rotational speed (ω m ). The dynamometer torque acting on the dynamometer 120 using the second value (J em ω m ) multiplied by the inertia (J em ) of the dynamometer 120, the load torque value (T l ) and the electric torque value (T m ) Create a command (T e ).

도 3을 참조하면서 에뮬레이션기(340)의 동작을 다시 설명하면, 에뮬레이션기(340)는 수학식 8의 전달함수에 따라 동력계 토크 명령(Te)을 생성한다.Referring to FIG. 3 again, the operation of the emulator 340, the emulator 340 generates a dynamometer torque command T e according to the transfer function of Equation (8).

즉, 에뮬레이션기(340)는, 전기토크 값(Tm)에서 부하토크 값(Tl)과 제1값(Bemωm)을 뺀 값인 제3값(Tm-Tl-Bemωm)을 이용하여 동력계 토크 명령(Te)을 생성한다.That is, the emulator 340, the third value (T m -T l -B em ω) is the value obtained by subtracting the load torque value (T l ) and the first value (B em ω m ) from the electric torque value (T m ). m ) to generate a dynamometer torque command (T e ).

또한, 에뮬레이션기(340)는, 제3값을 적분한 값[(Tm-Tl-Bemωm)/s]에서 제2값(Jemωm)을 뺀 값인 제4값을 이용하여 동력계 토크 명령(Te)을 생성한다.In addition, the emulator 340 uses a fourth value that is a value obtained by subtracting the second value (J em ω m ) from the integrated value of the third value [(T m -T l -B em ω m )/s]. To generate a dynamometer torque command (T e ).

또한, 에뮬레이션기(340)는, 제4값에 제1파라미터(1/δ)를 곱하여 동력계 토크 명령(Te)을 생성한다.Further, the emulator 340 multiplies the fourth value by the first parameter (1/δ) to generate the dynamometer torque command T e .

이하에서는 특이 섭동 이론(singular perturbation theory)에 기반한 제안된 방법의 에뮬레이션 성능을 제시한다.Hereinafter, the emulation performance of the proposed method based on the singular perturbation theory is presented.

보조 정리 1. 폐 루프 시스템 (1)과 (9)가 지수적으로(exponentially) 안정화되게 하는 δ(>0)이 존재한다. Auxiliary Theorem 1. There is δ(>0), which allows the closed loop systems (1) and (9) to stabilize exponentially.

증명: 편의상 Te를 η로 나타내면, 폐 루프 시스템 (1)과 (9)는 각각 다음의 식 11a 및 11b가 됨을 나타내는 단순한 대수학의 문제임을 알 수 있다. Proof: If T e is expressed as η for convenience, it can be seen that the closed-loop systems (1) and (9) are simply algebraic problems, which are represented by the following equations 11a and 11b, respectively.

Figure 112018002912546-pat00019
Figure 112018002912546-pat00019

Figure 112018002912546-pat00020
Figure 112018002912546-pat00020

이는 각각 입력 Tm, Tl 및 d와 관련한 선형 시스템이며, 그 시스템 행렬은 수학식 12와 같이 주어진다.This is a linear system associated with the inputs T m , T l and d, respectively, and the system matrix is given by Equation 12.

Figure 112018002912546-pat00021
Figure 112018002912546-pat00021

수학식 12에서, 이 행렬은 δ>0에 대하여 Hurwitz 행렬이 된다. 이로써 증명은 끝난다.In Equation 12, this matrix becomes the Hurwitz matrix for δ>0. This ends the proof.

보조 정리 1에서, 폐 루프 시스템(수학식 (11a), (11b))은 표준 특이 섭동 (singular perturbation) 형태에 의해 쓰여진다. 특이 섭동 이론에 기초하면, 시스템(수학식 (11a), (11b))은 시간-분리 파라미터(time-separation parameter) δ를 갖는 저속 변수(ωm) 및 고속 변수 (η)로 나뉜다. 충분히 작은 δ(≒0)에 대해, 고속 변수 η가 수학식 (13)과 같은 그 평형점(즉, η*)으로 수렴하는 반면에 저속 변수는 고정된다.In Supplementary Theorem 1, the closed loop system (Equations (11a), (11b)) is written by the standard singular perturbation form. Based on the singular perturbation theory, the system (Equations (11a), (11b)) is divided into a low speed variable (ω m ) and a high speed variable (η) with a time-separation parameter δ. For a sufficiently small δ(≒0), the fast variable η converges to its equilibrium point (ie, η * ) as in equation (13), while the slow variable is fixed.

Figure 112018002912546-pat00022
Figure 112018002912546-pat00022

고속 변수가 수렴한다고 가정하면 (즉, η = η*), 저속 변수는 본 실시예에서 고려하는 에뮬레이션 동역학(수학식 2)처럼 동작한다. 이러한 접근법에서 안정성 분석은 완벽한 시간 척도 분리(time scale separation)에 의해 제한되는데, 완벽한 시간 척도 분리에서 그 목적(수학식 2)은 임의의 작은 δ(≒0)를 가정함으로써 달성된다.Assuming that the fast variable converges (ie, η = η * ), the slow variable behaves like the emulation dynamics (Equation 2) considered in this embodiment. In this approach, stability analysis is limited by perfect time scale separation, where the purpose (Equation 2) in perfect time scale separation is achieved by assuming any small δ(≒0).

Remark 1. DOB 접근법에서 표준 특이 섭동 형태는 몇몇 좌표 변환에 의해 얻어질 수 있으며, 반면에, 간단한 구조(수학식 9)로 인해 본 실시예에서는 추가적인 과정이 필요하지 않다. Remark 1. In the DOB approach, the standard singular perturbation form can be obtained by some coordinate transformations, whereas, due to the simple structure (Equation 9), no additional process is required in this embodiment.

본 실시예에서는 현실적인 조건(δ>0)이 고려된다. 에뮬레이션 성능을 평가하기 위해, 수학식 14a 및 14b와 같이 고속 변수의 좌표 변경(

Figure 112018002912546-pat00023
)과 함께 에뮬레이션 오차 e(=ωm - ωem)가 고려된다.In this embodiment, realistic conditions (δ>0) are considered. To evaluate the emulation performance, change the coordinates of the high-speed variable as shown in equations 14a and 14b (
Figure 112018002912546-pat00023
) And the emulation error e(=ω mem ) is considered.

Figure 112018002912546-pat00024
Figure 112018002912546-pat00024

Figure 112018002912546-pat00025
Figure 112018002912546-pat00025

수학식 (14b)에서,

Figure 112018002912546-pat00026
는 수학식 13으로부터 다음의 수학식 15와 같이 직접 계산된다.In equation (14b),
Figure 112018002912546-pat00026
Is calculated directly from Equation 13 as in Equation 15 below.

Figure 112018002912546-pat00027
Figure 112018002912546-pat00027

여기서

Figure 112018002912546-pat00028
이고, γ1 = B/J - Bem/Jem, γ2 = 1 - J/Jem 이다.here
Figure 112018002912546-pat00028
And γ 1 = B/J-B em /J em , γ 2 = 1-J/J em .

에뮬레이션 오차 응답은 다음 수학식 16의 안정적 전달 함수에 의해 결정된다.The emulation error response is determined by the stable transfer function in Equation 16 below.

Figure 112018002912546-pat00029
Figure 112018002912546-pat00029

이는 수학식 (14a), (14b)와 (15)로부터 산출된다.This is calculated from equations (14a), (14b) and (15).

수학식 (16)에서, 입력 신호 u(t)는 bounded인 것으로 가정하며(보조 정리 2 참조), 따라서, 에뮬레이션 오차가 [|e(t)| < ε, ∀t]가 되는 양의 상수 ε이 존재한다.In equation (16), it is assumed that the input signal u(t) is bounded (see Supplementary Theorem 2), so that the emulation error is [|e(t)| There is a positive constant ε that becomes <ε, ∀t].

보조 정리 2. 가정 1 및 가정 2에서, 입력 신호의 보수적 경계(

Figure 112018002912546-pat00030
>u(t), ∀t)는 다음의 식 16a와 같이 계산될 수 있다. Supplementary Theorem 2. In Assumption 1 and Assumption 2, the conservative boundary of the input signal (
Figure 112018002912546-pat00030
>u(t), ∀t) can be calculated as in the following equation 16a.

Figure 112018002912546-pat00031
Figure 112018002912546-pat00031

여기서, bound [

Figure 112018002912546-pat00032
+ em ≥ |
Figure 112018002912546-pat00033
em|]는 에뮬레이션 동역학 (수학식 2)에 대한 지식을 사용하여 얻어지며, 상수들은 다음의 식에 의해 계산된다.Where bound [
Figure 112018002912546-pat00032
+ em ≥ |
Figure 112018002912546-pat00033
em |] is obtained using knowledge of emulation dynamics (Equation 2), and constants are calculated by the following equation.

Figure 112018002912546-pat00034
Figure 112018002912546-pat00034

보조정리 2는 자명하므로 증명은 생략한다.Because theorem 2 is self-explanatory, proof is omitted.

이하에서는 실험 결과를 통해, 본 실시예에 따른 방법은, 1) 넓은 범위의 선형 동하중을 에뮬레이트하고 외란 토크 d의 영향을 보상하며, 2) 원하는 동역학의 에뮬레이션을 다양한 부하 토크(T1)의 존재 하에 수행한다. 실험 시스템을 위한 하드웨어 설정은 도 9의 설명에 나타내었다.Hereinafter, through the experimental results, the method according to the present embodiment, 1) emulates a wide range of linear dynamic loads and compensates for the influence of disturbance torque d, and 2) the presence of various load torques (T 1 ) to emulate the desired dynamics. Is performed under. The hardware setup for the experimental system is shown in the description of FIG. 9.

도 4는 시험대상 모터 및 동력계로 구성된 본 실시예에 따른 실험 시스템의 블록 다이어그램을 보여준다.Figure 4 shows a block diagram of an experimental system according to this embodiment consisting of a motor and dynamometer under test.

도 4에서, 모터(110) 측에서는 상용 모터 드라이브(Varispeed G7, YASKAWA)를 이용하여 유도 전동기가 Tm을 생성하며, Tm의 레퍼런스는 T* m으로 표시된다. 이 상용 모터 드라이브를 사용하여 부하 에뮬레이터의 성능을 테스트하는 다양한 작업이 수행된다.In Figure 4, the side of the motor 110 and the induction motor by using a commercially available motor drive (Varispeed G7, YASKAWA) generating a T m, T m of the reference is expressed by the T * m. Various tasks are performed to test the performance of the load emulator using this commercial motor drive.

동력계(120) 측에서는, 외란 관측기의 출력 T* e을 수신하여 Te를 생성하기 위해 영구자석형 동기전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)가 사용된다. 에뮬레이션은 캐스케이드 제어 방식에 의해 수행된다. 즉, 본 실시예에 따른 외란 관측기(도 3)는 외측 루프에서 T* e를 생성하고 종래의 필드-지향 전류 제어(Field-oriented Current Control)는 내측 루프를 형성한다.On the dynamometer 120 side, a permanent magnet synchronous motor (PMSM) is used to receive the output T * e of the disturbance observer and generate T e . Emulation is performed by a cascade control method. That is, the disturbance observer according to the present embodiment (FIG. 3) generates T * e in the outer loop, and the conventional field-oriented current control forms the inner loop.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 에뮬레이션 장치는 동력계 구동기(410)를 포함하여 구현될 수 있다.As shown in FIG. 4, the emulation device according to the present embodiment may be implemented by including a dynamometer driver 410.

동력계 구동기(410)는, 외란 관측기의 출력 T* e을 수신하여 동력계(120)를 구동하는 토크인 Te를 생성한다.The dynamometer driver 410 receives the output T * e of the disturbance observer and generates a torque T e that drives the dynamometer 120.

모든 실험에서, 회전 속도와 토크를 측정하고 그 결과를 수치 시뮬레이션으로 얻은 원하는 동역학의 응답과 비교하였다. 본 실시예에서 제안된 방법에 의해 성공적으로 에뮬레이션이 수행된 경우, 측정치 ωm(t)는 시뮬레이션 결과인 ωem(t)를 추종한다.In all experiments, rotational speed and torque were measured and the results were compared with the desired dynamic response obtained by numerical simulation. When emulation is successfully performed by the method proposed in this embodiment, the measurement value ω m (t) follows the simulation result ω em (t).

도 4에서, 다음과 같은 가정하에 본 실시예가 적용된다.4, this embodiment is applied under the following assumptions.

1) dq-축 전류 제어기와 산업용 모터 구동 장치의 토크 제어기의 추적 동역학은 그 빠른 응답들 때문에 무시 가능하며, 따라서 i* d = id, i* q = iq 및 T* m = Tm이라고 각각 가정한다.1) The tracking dynamics of the dq-axis current controller and the torque controller of the industrial motor-drive unit are negligible because of their fast responses, so i * d = i d , i * q = i q and T * m = T m Each is assumed.

2) id = 0은 d 축 제어기에 의해 제어되기 때문에, 토크는 Te = Ktiq의 관계로 생성되며, 토크 상수 Kt

Figure 112018002912546-pat00035
(P: PMSM의 극수, Ψf: PMSM의 자속)의 값을 갖도록 설정된다.2) Since i d = 0 is controlled by the d-axis controller, torque is generated in the relationship of T e = K t i q , and the torque constant K t is
Figure 112018002912546-pat00035
It is set to have a value of (P: number of poles of PMSM, Ψ f : magnetic flux of PMSM).

이하에서는 선형부하에 대한 실험결과를 설명한다.Hereinafter, the experimental results for the linear load will be described.

도 5의 (a)는 정현파 레퍼런스인 Tm = sin(2πt)[Nm]이 모터에 적용될 때의 동력계 토크 Te에 대한 응답을 보여주고, 도 5의 (b)는 정현파 레퍼런스인 Tm = sin(2πt)[Nm]에 대한 회전속도 측정치(ωm: 실선) 및 원하는 회전속도(ωem: 점선)를 나타내는 도면이다. 5(a) shows the response to the dynamometer torque T e when the sinusoidal reference T m = sin(2πt)[Nm] is applied to the motor, and FIG. 5(b) shows the sinusoidal reference T m = This diagram shows the measured rotation speed (ω m : solid line) and the desired rotation speed (ω em : dotted line) for sin(2πt)[Nm].

도 5의 실험에서, 원하는 동적 하중은 각각 Jem = J, Bem = B 및 Tl = 0으로 선택된다. 본 실시예의 설계 파라미터인 δ는 성능을 실증하기 위해 변경된다.In the experiment of Figure 5, the desired dynamic loads are selected as J em = J, B em = B and T l = 0, respectively. The design parameter δ of this embodiment is changed to demonstrate performance.

도 5의 (a)에서 에뮬레이션 오차는 δ가 작아짐에 따라 감소하고, 도 5의 (b)는 외란 토크 d가 동력계에 의해 보상됨을 보여준다. 이 경우에 수학식 15는 Te = Ktiq = -d를 유지하므로, 도 5에 나타낸 것과 유사한 절차로 그 값이 선택될 수 있다. 다른 모든 실험에서는 δ = 0.01로 고정된다.The emulation error in FIG. 5(a) decreases as δ decreases, and FIG. 5(b) shows that the disturbance torque d is compensated by the dynamometer. In this case, since Equation 15 maintains T e = K t i q = -d, the value can be selected by a procedure similar to that shown in FIG. 5. In all other experiments, δ = 0.01 is fixed.

Remark 2. 사실, 외란 토크 d는 실제로는 알지 못하는 값이다. 제안된 방법은 이전에 논의된 바와 같이, 외란의 추정을 포함하여 총 외란 (total disturbance)을 보상한다. Remark 2. In fact, the disturbance torque d is a value that is not actually known. The proposed method compensates for total disturbance, including the estimation of the disturbance, as previously discussed.

도 6의 (a)는 스텝 입력 Tm = 5u(t)가 모터에 적용되는 경우, 에뮬레이션 할 다양한 동적 부하에 대한 동력계 토크 Te 응답을 보여주는 도면이고, 도 6의 (b)는 스텝 입력 Tm = 5u(t)에 대한 회전속도 측정치(ωm: 실선) 및 원하는 회전속도(ωem: 점선)을 나타내는 도면이다.6(a) is a diagram showing the dynamometer torque T e response to various dynamic loads to be emulated when step input T m =5u(t) is applied to the motor, and FIG. 6(b) shows step input T It is a diagram showing the measured rotation speed (ω m : solid line) and the desired rotation speed (ω em : dotted line) for m = 5u(t).

여기서, u(t)는 단위 스텝 입력을 나타낸다(t> t0인 경우 u(t-t0) = 1, 그렇지 않으면 u(t-t0) = 0이 됨).Here, u(t) represents a unit step input (if t> t 0 , u(tt 0 ) = 1, otherwise u(tt 0 ) = 0).

도 6에서, 60 초 시점에, 부하 토크 Tl = 10u(t-60)[Nm]이 적용되고 성공적으로 에뮬레이트된다.In Fig. 6, at a time of 60 seconds, a load torque T l = 10 u(t-60) [Nm] is applied and successfully emulated.

Remark 3. 종래에는, 본 실시예에서의 결과와 비교하여 상대적으로 제한된 조건 하에서 실험이 수행되었다. 예를 들어, 선형 부하의 경우 Jem = 10J, 비선형 부하의 경우 Jem = 2J, HIL(Hardware-In-the-Loop) 소자를 사용하는 산업용 모터 드라이브의 경우 Jem = 3J이다. Remark 3. Conventionally, experiments were performed under relatively limited conditions compared to the results in this example. For example, in the case of linear load em J = 10J, when the non-linear load for J em = 2J, HIL (Hardware -In-the-Loop) industrial motor drive device that uses the J em = 3J.

도 7의 (a) 및 (b)는 모터 측이 다음 수학식 21과 같은 PI형 속도 제어기로 구동되는 경우의 응답을 도시한 도면이다. 도 7의 (a)는 Kps = 0.15, Kis= 0.015인 경우이고, 도 7의 (b)는 Kps = 0.9, Kis= 0.09인 경우이다.7A and 7B are views showing a response when the motor side is driven by a PI-type speed controller as in Equation 21 below. 7(a) is a case where K ps = 0.15 and K is = 0.015, and FIG. 7(b) is a case where K ps = 0.9 and K is = 0.09.

Figure 112018002912546-pat00036
Figure 112018002912546-pat00036

여기서 Kps와 Kis는 이 제어기의 PI 게인이고, 레퍼런스 속도와 부하 토크는 ω* m = 100u(t)[rad/s]와 T1 = 10u(t - 60)[Nm]에 의해 주어진다. 해당 원하는 동적 하중은 Jem = 20J 및 Bem = 40B으로 선택된다.Where K ps and K is the PI gain of this controller, and the reference speed and load torque are given by ω * m = 100u(t)[rad/s] and T 1 = 10u(t-60)[Nm]. The corresponding dynamic loads are selected as J em = 20J and B em = 40B.

이전 실험과 달리 모터 토크는 폐 루프 제어기(수학식 21)에 의해 생성되므로 비교될 시뮬레이션 결과는 다음의 식 (21a)의 폐 루프 시스템에서도 제공된다.Unlike the previous experiment, since the motor torque is generated by the closed loop controller (Equation 21), the simulation result to be compared is also provided in the closed loop system of the following equation (21a).

Figure 112018002912546-pat00037
Figure 112018002912546-pat00037

여기서 Tem와 ωem은 측정치 Tm과 ωm에 각각 해당한다. 또한, 모터 토크를 |Tm|<20[Nm]으로 제한하기 위하여 포화 기능이 추가된다. 도 7에서 모터 측의 토크와 회전 속도는 매우 작은 오차(ωm ≒ ωem 및 Tm ≒ Tem)를 가지고 에뮬레이션 됨을 알 수 있다.Here, T em and ω em correspond to the measured values T m and ω m , respectively. In addition, a saturation function is added to limit the motor torque to |T m |<20[Nm]. It can be seen from FIG. 7 that the motor side torque and rotation speed are emulated with very small errors (ω m ≒ ω em and T m ≒ T em ).

이하에서는 비선형부하에 대한 실험결과를 설명한다.Hereinafter, the experimental results for the nonlinear load will be described.

이 실험에서, 제안된 방법의 성능은 다음의 식 (22a, 22b, 22c)와 같이 비선형 마찰 부하를 에뮬레이션 함으로써 검증된다:In this experiment, the performance of the proposed method is verified by emulating a nonlinear friction load as shown in the following equations (22a, 22b, 22c):

Figure 112018002912546-pat00038
Figure 112018002912546-pat00038

Figure 112018002912546-pat00039
Figure 112018002912546-pat00039

Figure 112018002912546-pat00040
Figure 112018002912546-pat00040

여기서, m은 질량, Vv는 질량의 속도, Rr은 속도 Vv와 회전 속도 ωv 사이의 변환 비율, g는 중력 가속도, λ = 1-(ωemv)는 미끄럼 속도(slip velocity), μ(λ) = c1(1-e-C2|λ|-c3|λ|)는 계수 ci(i=1,2,3)를 갖는 Burckhardt 모델에 기초한 비선형 함수이다.Where m is the mass, V v is the speed of the mass, R r is the conversion ratio between the speed V v and the rotational speed ω v , g is the gravitational acceleration, λ = 1-(ω emv ) is the slip speed (slip velocity), μ(λ) = c 1 (1-e -C2|λ| -c 3 |λ|) is a nonlinear function based on the Burckhardt model with coefficient c i (i=1,2,3).

이제, 제안된 방법은 시험 장치(도 4)의 실제 동역학(수학식 1)을 원하는 동역학 (수학식 22a)으로 수정한다. 한편, 부하 토크 Tl(= -RrFf)는, 동력계 측에 구현된 동적 모델(수학식 22b 및 22c)에 의해 생성된다. 또한, 모터 토크는 다음 수학식 (23)의 비선형 컨트롤러에 의해 인가된다.Now, the proposed method modifies the actual kinetics (Equation 1) of the test apparatus (Fig. 4) to the desired kinetics (Equation 22a). On the other hand, the load torque T l (= -R r F f ) is generated by dynamic models (Equations 22b and 22c) implemented on the dynamometer side. Further, the motor torque is applied by the nonlinear controller of the following equation (23).

Figure 112018002912546-pat00041
Figure 112018002912546-pat00041

여기서 λ*( = 0.2)는 원하는 슬립 속도이고, TB와 γB는 제어기의 설계 파라미터이고, sign()는 입력 신호 (1 또는 -1)의 부호를 나타내며, sat()는 모터 토크를 |Tm|<13 [Nm] 이내로 제한하는 포화 함수를 나타낸다.Where λ * (= 0.2) is the desired slip speed, T B and γ B are the design parameters of the controller, sign() represents the sign of the input signal (1 or -1), sat() represents the motor torque | T m |<13 [Nm].

Remark 4. 수학식 (22)는 급제동 상황에서 차량의 단일 휠의 동적 거동을 나타내며, 즉, Ff는 차량의 슬립 속도 λ에 의해 결정되는 응착력(Adhesion Force)으로 불린다. 수학식 23의 제어기는 차량의 미끄럼을 방지하기 위한 뱅뱅 제어기로 알려져 있다. MATLAB/Simulink에서의 시뮬레이션 모델을 사용하여 수학식 22 및 23의 폐 루프 시스템의 거동이 쉽게 테스트 될 수 있다. Remark 4. Equation (22) represents the dynamic behavior of a single wheel of a vehicle in a sudden braking situation, that is, F f is called an adhesion force determined by the vehicle's slip speed λ. The controller of Equation 23 is known as a bang bang controller for preventing the vehicle from slipping. Using the simulation model in MATLAB/Simulink, the behavior of the closed loop systems of equations 22 and 23 can be easily tested.

도 8은, 수학식 22의 원하는 에뮬레이션 동역학의 파라미터가 m = 10[kg], Jem = 5J, Bem = 5B, g = 9.8[m/s2], Rr = 0.2, c1 = 0.5, c2 = 24, and c3 = 0.52로 각각 선택되었을 때 실험 결과를 보여준다. 도 8의 (a)는 실험결과를 나타내며, 도 8의 (b)는 시뮬레이션 결과를 나타낸다.8, the parameters of the desired emulation kinetics of Equation 22 are m = 10 [kg], J em = 5J, B em = 5B, g = 9.8 [m/s2], R r = 0.2, c 1 = 0.5, c 2 = 24, and c 3 = 0.52, respectively. 8(a) shows the experimental results, and FIG. 8(b) shows the simulation results.

회전 속도의 초기 조건은 ωm(0) = ωv(0) = 83 [rad/s]으로 주어진다. 비교될 시뮬레이션 결과는 각각 Tem, ωev 및 ωem 으로 표시된다(수학식 22를 에뮬레이션 시의 Tm, ωv 및 ωm의 측정치에 해당). 도 8에서, 토크의 응답은 위상차에 따라 약간 다른 반면(|Tm - Tem| ≤ 2[Nm]), 에뮬레이션 오차(|ωm - ωem|)는 5 [rad/s] 미만이다. 이 실험에서, 모터 토크가 수학식 23의 sign() 함수의 사용에 의해 크게 변하기 때문에 에뮬레이션 성능은 저하된다.The initial condition of the rotational speed is given by ω m (0) = ω v (0) = 83 [rad/s]. The simulation results to be compared are represented by T em , ω ev and ω em , respectively (corresponding to the measurements of T m , ω v and ω m when emulating Equation 22). In Fig. 8, the response of torque is slightly different depending on the phase difference (|T m -T em | ≤ 2 [Nm]), while the emulation error (|ω mem |) is less than 5 [rad/s]. In this experiment, the emulation performance is degraded because the motor torque is greatly changed by the use of the sign() function in Equation (23).

도 9는 본 실시예의 제안 방법(도 3)의 성능을 평가하기 위한 실험 시스템(도 4)의 실제구현을 나타낸 도면이다. 9 is a view showing the actual implementation of the experimental system (FIG. 4) for evaluating the performance of the proposed method (FIG. 3) of this embodiment.

본 실시예의 제안 방법은 200 [MHz] 클록 주파수의 마이크로 프로세서인 TMS320f28377D에서 구현된다. 3 상 전류 (ia, ib, ic)는 전류 센서로 측정되는 한편, 스위칭 주파수가 10 [khz]로 선택된 스위칭 장치를 통해 3상 전압(va, vb, vc)이 영구자석형 동기전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)에 인가된다.The proposed method of this embodiment is implemented in TMS320f28377D, a microprocessor with a 200 [MHz] clock frequency. The three-phase current (ia, ib, ic) is measured by a current sensor, while the three-phase voltage (va, vb, vc) is a permanent magnet synchronous motor (PMSM:) through a switching device with a switching frequency of 10 [khz] selected. Permanent Magnet Synchronous Motor).

샤프트의 회전 속도는 수치 미분(ωm = dθm/dt)에 의해 계산된다. 여기서 수치 미분과 관련된 몇 가지 문제를 완화하기 위하여 샤프트 각도 θm은 sin/cos 인코더로 측정되며, 이 인코더는 기존의 광학 인코더보다 측정 해상도가 매우 높다. 모든 측정은 CAN 프로토콜을 이용한 랩톱에서 0.3[ms]마다 모니터링된다. 마지막으로, PMSM의 전기적 파라미터는, 고정자 인덕턴스 Ld = Lq = 0.12 [mH], 고정자 저항 R = 9.5[Ω], 회전자 자속 쇄교(Flux Linkage) m = 0.025 [Wb] 및 영구 자석의 극 쌍(Pole Pair)의 수 P = 8이다.The rotational speed of the shaft is calculated by numerical differential (ω m = dθ m /dt). Here, in order to alleviate some problems related to numerical differentiation, the shaft angle θ m is measured with a sin/cos encoder, which has a higher measurement resolution than conventional optical encoders. All measurements are monitored every 0.3 [ms] on a laptop using the CAN protocol. Finally, the electrical parameters of the PMSM are: stator inductance L d = L q = 0.12 [mH], stator resistance R = 9.5 [Ω], rotor flux linkage m = 0.025 [Wb] and pole of permanent magnet The number of pairs (Pole Pair) is P = 8.

본 실시예에서는 외란 관측기를 기반으로 한 새로운 에뮬레이션 방법을 제안한다. 제안된 방법의 구조는 분석과 구현 모두에 대해 간단하며, 실험 결과는, 원하는 에뮬레이션 동역학이 선형일 때 제안 방법의 에뮬레이션 성능이 우수함을 입증한다. 하지만, 비선형 부하의 경우에는 에뮬레이션 성능이 다소 저하된다. 모든 에뮬레이션 방법은 측정 노이즈, 전류/토크 컨트롤러의 대역폭 등과 같은 합리적인 조건을 가정한다. 단 하나의 설계 파라미터를 갖는 싱글 루프로 제안 방법을 튜닝하는 것은 간단한 절차의 문제이며, 이는 실제로 다양한 조건을 다루는 것이 용이함을 의미한다.In this embodiment, a new emulation method based on a disturbance observer is proposed. The structure of the proposed method is simple for both analysis and implementation, and the experimental results demonstrate that the emulation performance of the proposed method is excellent when the desired emulation kinetics are linear. However, in the case of a nonlinear load, the emulation performance is slightly deteriorated. All emulation methods assume reasonable conditions such as measurement noise, current/torque controller bandwidth, and so on. Tuning the proposed method with a single loop with only one design parameter is a matter of simple procedure, which means that it is really easy to handle various conditions.

전술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 에뮬레이션 방법은, 프로그램으로 구현되고 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다. 본 실시예에 따른 에뮬레이션 방법을 구현하기 위한 프로그램이 기록되고 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등을 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 또한, 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.As described above, the emulation method according to the present embodiment may be implemented in a program and recorded in a computer-readable recording medium. The program for implementing the emulation method according to the present embodiment is recorded, and the computer-readable recording medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of such computer-readable recording media include ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, and optical data storage devices. In addition, the computer readable recording medium may be distributed over network coupled computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed manner. In addition, functional programs, codes, and code segments for implementing the present embodiment can be easily inferred by programmers in the technical field to which this embodiment belongs.

이상의 설명은 본 발명 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the embodiments of the present invention, and those skilled in the art to which the embodiments of the present invention pertain may have various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the embodiments of the present invention. will be. Therefore, the embodiments of the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain it, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments.

110: 시험대상 모터
120: 동력계
310: 전기토크 수신기
320: 부하토크 수신기
330: 속도검출기
340: 에뮬레이션기
410: 동력계 구동기
110: motor under test
120: dynamometer
310: electric torque receiver
320: load torque receiver
330: speed detector
340: emulator
410: dynamometer driver

Claims (6)

특정부하를 갖는 동력계에 연결된 시험대상 모터를 에뮬레이션하는 장치에 있어서,
상기 시험대상 모터에 작용하는 전기토크 값을 수신하는 전기토크 수신기;
에뮬레이트할 특정 동역학의 부하토크 값을 수신하는 부하토크 수신기;
상기 시험대상 모터의 회전속도를 검출하는 속도검출기; 및
상기 회전속도에 상기 동력계의 마찰을 곱한 값인 제1값, 상기 회전속도에 상기 동력계의 관성을 곱한 값인 제2값, 상기 부하토크 값 및 상기 전기토크 값을 이용하여 상기 동력계에 작용하는 동력계 토크 명령을 생성하는 에뮬레이션기; 및
상기 동력계 토크 명령에 따라 상기 동력계를 구동하는 동력계 구동기
를 포함하는 에뮬레이션 장치.
A device for emulating a motor under test connected to a dynamometer having a specific load,
An electric torque receiver for receiving an electric torque value acting on the motor under test;
A load torque receiver that receives a load torque value of a specific dynamic to be emulated;
A speed detector that detects the rotational speed of the motor under test; And
A dynamometer torque command acting on the dynamometer using the first value, which is the product of the rotation speed multiplied by the friction of the dynamometer, the second value, which is the product of the rotation speed multiplied by the inertia of the dynamometer, the load torque value, and the electric torque value. An emulator for generating a; And
A dynamometer driver that drives the dynamometer according to the dynamometer torque command
Emulation device comprising a.
제1항에 있어서, 상기 에뮬레이션기는,
상기 전기토크 값에서 상기 부하토크 값과 상기 제1값을 뺀 값인 제3값을 이용하여 상기 동력계 토크 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 에뮬레이션 장치.
According to claim 1, The emulator,
And generating the dynamometer torque command using a third value which is a value obtained by subtracting the first value from the load torque value from the electric torque value.
제2항에 있어서, 상기 에뮬레이션기는,
상기 제3값을 적분한 값에서 상기 제2값을 뺀 값인 제4값을 이용하여 상기 동력계 토크 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 에뮬레이션 장치.
According to claim 2, The emulator,
And generating the dynamometer torque command using a fourth value that is the value obtained by subtracting the second value from the integrated value of the third value.
제3항에 있어서, 상기 에뮬레이션기는,
상기 제4값에 제1파라미터를 곱하여 상기 동력계 토크 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 에뮬레이션 장치.
According to claim 3, The emulator,
And generating the dynamometer torque command by multiplying the fourth value by a first parameter.
제1항에 있어서, 상기 에뮬레이션기는,
다음의 식
Figure 112019106645196-pat00052
(단, Tm: 상기 전기토크, Tl: 상기 부하토크, Bem: 상기 동력계의 마찰, Jem: 상기 동력계의 관성, ωm: 상기 시험대상 모터의 회전속도, δ: 설계 파라미터, 1/s: 적분기)을 기반으로 상기 동력계 토크 명령을 생성하는 것을 특징으로 하는 에뮬레이션 장치.
According to claim 1, The emulator,
The following expression
Figure 112019106645196-pat00052
(However, Tm: the electric torque, T l : the load torque, B em : friction of the dynamometer, J em : inertia of the dynamometer, ω m : rotational speed of the motor under test, δ: design parameter, 1/ s: integrator) emulation device, characterized in that for generating the dynamometer torque command.
특정부하를 갖는 동력계에 연결된 시험대상 모터를 에뮬레이션하는 방법에 있어서,
상기 시험대상 모터에 작용하는 전기토크 값을 수신하는 단계;
에뮬레이트할 특정 동역학의 부하토크 값을 수신하는 단계;
상기 시험대상 모터의 회전속도를 검출하는 단계; 및
상기 회전속도에 상기 동력계의 마찰을 곱한 값인 제1값, 상기 회전속도에 상기 동력계의 관성을 곱한 값인 제2값, 상기 부하토크 값 및 상기 전기토크 값을 이용하여 상기 동력계에 작용하는 동력계 토크 명령을 생성하는 단계; 및
상기 동력계 토크 명령에 따라 상기 동력계를 구동하는 단계
를 포함하는 에뮬레이션 방법.
A method for emulating a motor under test connected to a dynamometer having a specific load,
Receiving an electric torque value acting on the motor under test;
Receiving a load torque value of a specific dynamic to be emulated;
Detecting the rotational speed of the motor under test; And
A dynamometer torque command acting on the dynamometer using the first value, which is the product of the rotation speed multiplied by the friction of the dynamometer, the second value, which is the product of the rotation speed multiplied by the inertia of the dynamometer, the load torque value, and the electric torque value. Generating a; And
Driving the dynamometer according to the dynamometer torque command
Emulation method comprising a.
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