KR20050073964A - 동기전동기를 이용한 위치 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동기전동기를 이용한 정밀 위치제어 방법과 그 제어를 수행하기 위한 장치에 관한 것으로 특히 신경망 외란관측기와 파라미터 보상기를 이용한 동기전동기의 정밀위치제어에 관한 것이다.
본 발명에 따른 동기전동기를 이용한 위치제어장치는, 상태 궤환 제어기와, 외란의 영향을 줄일 수 있는 외란 관측기와, 관측 시스템의 잡음을 줄이기 위한 MA필터를 포함하는 위치제어 장치에 있어서, 상기 위치제어장치의 제어 기준이 되는 파라미터 동기전동기와, 상기 외란의 보상 입력을 생성하기 위하여 추가 상태 궤환으로 외부 외란의 영향을 등가 전류로 정궤환하여 보상하는 위치제어기와, 상기 위치제어기와 연동되며 임의의 실제 시스템의 입력에 따라 이를 추정하여 샘플링에 의해 외란의 구간상수를 가정하고 알 수 없는 파라미터와 부하변화에 의한 영향을 보상해 주는 역전파 신경망 외란 관측기와, 상기 위치제어기와 역전파 신경망 외란 관측기로부터 형성되는 고정이득으로 인한 파라미터 변화를 등가지표 시스템으로 보상하여 파라미터의 변화에 의한 성능 변화를 추정하고 보상하여 제거하는 파라미터 보상기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은 추가 상태 체환 위치제어기와, 외란의 영향을 줄일 수 있는 신경망 외란 관측기 및 동기전동기를 이용하는 위치제어방법에 있어서, 상기 위치제어기로 전달되는 동기전동기의 위치 카운터 신호를 엔코더를 거쳐 제로오더홀더를 통하여 위치제어기에 전달하는 단계; 상기 위치제어기로 입력되는 신호를 신경망과 파라미터 이득으로 전달하는 단계; 상기 위치제어기의 출력인 전류 명령을 신경망의 보상출력과 더해서 드라이버에 전류 최종 명령값으로 전달하는 단계; 상기 파라미터 이득을 파라미터 보상기를 통해 조정하고 상기 위치제어기의 출력을 파라미터보상기와 제로오더홀더를 통해 얻어진 속도로 입력하는 단계; 상기 파라미터보상기에 의해 가공된 신호를 파라미터 이득으로 조정하여 상기 위치제어기의 출력과 제로오더홀더의 출력을 상기 외란관측기에 보내고 상기 외란관측기의 출력 신호가 토크상수로 나누어 신경망으로 공급하여 이 공급신호에 의해 학습된 결과를 도출하는 단계를 포함하는 동기전동기를 이용한 위치제어방법을 특징으로 한다.

Description

동기전동기를 이용한 위치 제어장치 및 방법{Position control equipment and method of PMSM}
본 발명은 동기전동기를 이용한 정밀 위치제어 방법과 그 제어를 수행하기 위한 장치에 관한 것으로 특히 신경망 외란관측기와 파라미터 보상기를 이용한 동기전동기의 정밀위치제어에 관한 것이다.
최근 자성체, 반도체 전력소자, 제어이론 등의 향상으로 중-소용량 영역에서 영구자석 동기전동기(PMSM)를 이용한 동작 제어(motion control)의 응용은 매우 중요한 부분이 되어졌다.
정밀 위치제어 및 동작제어를 수행하기 위한 알려진 기술중 국내특허 등록번호 0393326호의 "엑츄에이터 시스템의 정밀 속도 제어방법" 의 기술은 정밀속도 제어시 문제되는 외란(Disturbance)의 영향을 제거한 기술로서, 이 기술은 추가된 상태 궤한 제어기와, 외란의 영향을 효과적으로 줄일 수 있는 데드 비트형 외란 관측기와, 상기 관측기 시스템의 잡음을 줄이기 위한 MA필터를 포함하는 엑츄에이터 시스템의 정밀 속도 제어로서, 실제 속도와 레퍼런스 속도를 입력하는 단계; 아그먼트 스테이트 + 플랜트부에서 진행되는 피드백 제어단계; 데드 비트 관측기에 의해 부하 토크를 추정하는 단계; MA필터를 통해 필터링 출력을 수행하는 단계; 상기 피드백 제어단계와 필터링 출력 단계에서 출력되는 신호를 입력받고, 그에 따른 제어 신호를 산출하는 단계; 및 상기 제어신호를 산출하는 단계에 의해 보정된 제어신호를 출력하는 단계로 이루어진다.
도 1 및 도 2는 상기 기술을 보인 엑츄에이터 시스템의 제어 블록도로서, 제어기의 출력(u( κ))를 출력하는 아그먼트 스테이트 + 플랜트(augment state + plant)부와, 상기 엑츄에이터 속도(w( κ))와 엑츄에이터 추정속도(w^( κ))가 합산된 출력을 입력받아 다시 엑츄에이터 추정속도를 출력하는 부하 토크 관측기(load torque observer)를 포함하여 구성되는 데드 비트(dead beat) 외란 관측기에, 데드 비트 외란 관측기의 노이즈 성분을 극도로 저감하기 위한 포스트 필터(post filter)로서 MAF(Moving Average Filter)를 포함하는 구성이다. 이와 같은 구성을 통해 노이즈 성분이 제거된 외란을 이용하여 외란에 상응하는 제어입력을 정궤환 보상함으로써 외란의 영향이 없는 제어기를 구현한다. 즉 외란 관측기에 데드 관측기와 MA필터를 사용하여 외란의 영향을 효과적으로 제거하여 정밀한 속도제어를 수행할 수 있도록 할 수 있는 엑츄에이터 시스템의 정밀속도 제어 방법이다.
또 다른 동작 제어 및 위치 제어를 수행하기 위한 알려진 기술 중 본 출원인의 국내특허 공개번호 2001-0104008호의 "속도, 위치 등의 신호 제어에 있어서 외란에 강인한 제어기" 의 기술은, 위치나 속도 제어 등의 제어 시스템에서 외부 외란에 강인한 초정밀 제어를 위한 방법에 관한 것으로, 외부 외란의 영향을 신경망의 일종인 오차 역전파 알고리즘을 사용하여 보상하도록 한 것이며, 구동 상태의 온-라인 위상에서 학습되는 이 신경망은 전향 신호와 역 전파법에 의해 구성되었다. 또한 신경망에서 총 노드의 수가 8개이기 때문에 간단하고, 수학적인 접근이 적게 구현이 가능하여 실제 산업현장 인원이 쉽게 쓸 수 있는 제어기로 제시되었으며, 이 시스템의 강인성은 전체 시스템 응답에 영향을 주지 않고, 신경망에서 시간 지연 없이 빠른 응답으로 보상을 할 수 있었다. 또한 기존 여러 제어기에 간단한 프로그램만 추가하여 구성이 가능한 이점이 있었다.
도 3 및 도 4는 신경망의 구성과 그로부터 외부 외란의 영향을 신경망 보호회로에서 등가 전류로 계산하여 정궤환 하는 것을 나타낸 것으로 입력으로는 y, 위치목표 yr, 속도ωr, 위치와 위치 목표의 차 y-yr를 신경망의 입력으로 역전파 알고리즘에 의해 학습되도록 한 것을 보인 것이다. 여기서 i는 입력층이고, j는 은닉층, k는 출력층을 나타내고 있다. Wji와 Wkj는 각 층사이의 연결강도이다.
위치나 속도 제어 등의 제어 시스템에서 외부 외란에 강인한 초정밀 위치 제어를 실제 구현하기 위해서 시스템의 전동기는 영구자석 동기 전동기를 사용하고, 메인 컴퓨터는 586급 DSP 보드를 이용하여 제어하였다.
위치 제어를 실현하기 위하여 실제 시스템을 구성하여 실험한 결과로 일반적으로 추가된 상태 궤환 시스템을 사용한 실험 결과와 신경망 시스템을 사용한 결과는 다르게 나타난다.
실험에서 관성 부하를 주고 관성에 의한 영향을 신경망에 의해서 보상하도록 하였는데, 이런 경우 관성 부하의 영향이 신경망 보상에 의해 없어지는 것을 알 수 있다.
성능 비교를 해보면 추가된 상태 궤환을 사용한 시스템의 경우에 비해 신경망 보상에서는 오차가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다.
따라서, 상기 국내특허 공개번호 2001-0104008호의 위치나 속도 제어 등의 제어 시스템에서 외부 외란에 강인한 초정밀 제어를 위한 기술은, 신경망 보상에 의해 강인한 제어가 가능하여 X-Y 테이블을 사용하는 자동화 기기 및 로봇의 위치 제어에 사용하는 경우 생산성이 높아지고, 자동화 기기의 신뢰성과 성능향상에 기여할 수 있었으며, 이 제어는 소형 엑츄에이터, 무기 시스템, 컴퓨터의 하드 디스크, 시디롬 드라이버 류에도 상용화가 가능할 것으로 전망되었다.
그러나, 이러한 제어 기술은 파라미터와 실제 시스템 상호간 외란을 추정하고 오차를 보상하거나 줄이지 못해 편향된 추정 특성을 원인적으로 가지는 것이어서 추정이 불안정하여 외란에 의한 오차 발생을 억제할 수 없는 문제점이 있었다. 이에 따라 보다 강인한 고정밀 위치 제어를 실현하지 못했고, 시스템 안정성과 효용성도 기대치에 미치지 못하는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 신경망 보상에 의해 강인한 제어가 가능하여 X-Y 테이블을 사용하는 자동화 기기 및 로봇의 위치 제어에 사용하는 경우 생산성을 항상 시키고, 자동화 기기의 신뢰성과 성능 향상에 기여할 수 있으며, 소형 엑츄에이터, 무기 시스템, 컴퓨터의 하드 디스크, 시디롬 드라이버류에 상용화가 가능한 동기전동기의 위치제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 파라미터와 실제 시스템 상호간 외란을 추정하고 오차를 보상하여 외란에 의한 오차 발생을 억제할 수 있는 동기전동기를 이용한 위치제어 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 강인한 고정밀 위치 제어를 실현할 수 있고 시스템 안정성과 효용성면에서 기대치를 능가하는 동기전동기를 이용한 위치제어장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 동기전동기를 이용한 위치제어장치는, 상태 궤환 제어기와, 외란의 영향을 줄일 수 있는 외란 관측기와, 관측 시스템의 잡음을 줄이기 위한 MA필터를 포함하는 위치제어 장치에 있어서,
상기 위치제어장치의 제어 기준이 되는 파라미터 동기전동기와,
상기 외란의 보상 입력을 생성하기 위하여 추가 상태 궤환으로 외부 외란의 영향을 등가 전류로 정궤환하여 보상하는 위치제어기와,
상기 위치제어기와 연동되며 임의의 실제 시스템의 입력에 따라 이를 추정하여 샘플링에 의해 외란의 구간상수를 가정하고 알수 없는 파라미터와 부하변화에 의한 영향을 보상해 주는 역전파 신경망 외란 관측기와,
상기 위치제어기와 역전파 신경망 외란 관측기로부터 형성되는 고정이득으로 인한 파라미터 변화를 등가지표 시스템으로 보상하여 파라미터의 변화에 의한 성능 변화를 추정하고 보상하여 제거하는 파라미터 보상기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은 추가 상태 궤환 위치제어기와, 외란의 영향을 줄일 수 있는 신경망 외란 관측기 및 동기전동기를 이용하는 위치제어방법에 있어서,
상기 위치제어기로 전달되는 동기전동기의 위치 카운터 신호를 엔코더를 거쳐 제로오더홀더를 통하여 위치제어기에 전달하는 단계;
상기 위치제어기로 입력되는 신호를 신경망과 파라미터 이득으로 전달하는 단계;
상기 위치제어기의 출력인 전류 명령을 신경망의 보상출력과 더해서 드라이버에 전류 최종 명령값으로 전달하는 단계;
상기 파라미터 이득을 파라미터 보상기를 통해 조정하고 상기 위치제어기의 출력을 파라미터보상기와 제로오더홀더를 통해 얻어진 속도로 입력하는 단계;
상기 파라미터보상기에 의해 가공된 신호를 파라미터 이득으로 조정하여 상기 위치제어기의 출력과 제로오더홀더의 출력을 상기 외란관측기에 보내고 상기 외란관측기의 출력 신호가 토크상수로 나누어 신경망으로 공급하여 이 공급신호에 의해 학습된 결과를 도출하는 단계를 포함하는 동기전동기를 이용한 위치제어방법을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 도면을 참고로 설명하면 다음과 같다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 오류 역전파를 사용한 신경망의 블록도이다. 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 제어 시스템의 블록도이다. 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 알고리즘의 블록선도이다. 도 8은 관성 파라미터의 100배 관성부하와, R과 L의 변화에 대한 위치의 모의실험 결과로서, (a)는 추가상태 궤환 알고리즘이고, (b)는 외란 관측기를 이용한 알고리즘이며, (c)는 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘이다. 도 9는 관성부하에 대한 회전자 위치 q상 전류 명령의 실험결과로서, (a)는 추가 상태 궤환 알고리즘이고, (b)는 외란 관측기를 이용한 알고리즘이며, (c)는 본 발명의 실시 예에 따른 알고리즘이다.
최근 자성체, 반도체 전력소자, 제어이론 등의 향상으로 중소용량 영역에서 영구자석 동기전동기(PMSM)를 이용한 동작 제어의 응용은 매우 중요한 부분이 되어졌다.
본 발명에서는 영구자석 동기전동기의 정밀 위치 제어의 방법으로 외란관측기를 이용한 외란 보상과 파라미터 추정에 의해 파라미터 보상기의 이득을 조절하도록 함으로서, 외란이 없는 등가 지표시스템의 응답 특성을 추정하는 시스템에서 외란 관측기를 신경망에 의하여 학습하는 시스템을 제시 하였다. 외란 관측기에 의한 보상방법은 알려진 데드비트 외란 관측기를 이용하였다. 잡음에 약한 데드비트 관측기의 단점은 괸측기 후단에 MA처리를 통하여 잡음에 대한 영향을 줄이도록 하였는데 이 필터 효과도 학습 대상에 포함된다.
또한 데드비트 관측기의 파라미터와 실제 시스템의 파라미터의 차이로 발생하는 외란 추정 오차를 줄이고자 실제 시스템과 파라미터 보상기로 구성된 등가 시스템이 지표 시스템이 되도록 구성하였다.
시스템에 사용된 RLSM 파라미터 추정기는 외란에 의하여 편향된 추정 특성을 가진다. 이러한 파라미터 추정문제에 대하여 파라미터 추정기가 데드비트 외란 관측기를 학습한 지능형 관측기를 포함하도록 함으로서 외란에 의한 문제를 해결하였다. 이와 같은 제어기는 외란 및 파라미터 변화를 갖는 시스템에서 강인한 고정밀 제어를 할 수 있으며, 이의 안정성과 효용성을 컴퓨터를 이용한 모의실험과 실제 실험을 통하여 보였다. 이 실험에서는 계산 시간을 줄이고, 실시간 제어를 위해서 TMS320C31 프로세서를 내장한 DS1102 보드를 사용하였다.
본 발명에 따른 동기전동기를 이용한 위치 제어는 도 6및 도 7과 같은 블록다이어그램과 알고리즘으로 표현될 수 있다.
주요 부분은, 외란의 보상 입력을 생성하기 위하여 추가 상태 궤환으로 외부 외란의 영향을 등가 전류로 정궤환하여 보상하는 위치제어기(10), 위치제어기(10)와 연동되며 임의의 실제 시스템의 입력에 따라 이를 추정하여 샘플링에 의해 외란의 구간상수를 가정하고 알수 없는 파라미터와 부하 변화에 의한 영향을 보상해 주는 역전파 신경망 외란 관측기(20), 위치제어기(10)와 역전파 신경망 외란 관측기(20)로부터 형성되는 고정 이득으로 인한 파라미터 변화를 등가지표 시스템으로 보상하여 파라미터의 변화에 의한 성능 변화를 추정하고 보상하여 제거하는 파라미터 보상기(30)로 이루어진다.
상기 위치 제어장치는 구체적으로 도 6과 같이 연결된다. 신호 yr 은 위치 제어기(10)에 연결되고 동기전동기(60)의 위치 카운터 신호는 엔코더(50)를 거쳐 제로오더홀더(90)를 통하여 위치제어기(10)에 연결된다. 이 신호는 신경망(40)에도 연결되며, 파라미터 이득(80) C2에 연결된다.
위치제어기(10)의 출력인 전류 명령은 신경망(40)의 보상출력 과 더해서 C3를 통해 드라이버(70)(71)에 전류 최종 명령값 가되어 연결된다. 파라미터이득(80) C 1, C 2, C 3를 조정하는 파라미터보상기(30)를 위해 위치제어기(10)의 출력 이 파라미터보상기(30)에 연결되고 제로오더홀더(90)를 통해 얻어진 속도 y(k) 또는 θ(k)가 입력된다.
파라미터보상기(30)에 의해 가공된 신호는 파라미터 이득(80) C 1, C 2, C 3를 조정한다. 또 위치제어기(10)의 출력 과 제로오더홀더(90)의 출력 y(k)가 외란관측기(20)에 연결되고 이 외란관측기(20)의 출력 신호가 토크상수 Kt로 나눠져 신경망(40)에 로 공급된다. 이 신호와 yr,y(k)에 의해 학습된 이 C3에 과 합쳐져 연결된다.
본 발명에 따른 동기전동기를 이용한 위치제어방법은, 위치제어기(10)로 전달되는 동기전동기(60)의 위치 카운터 신호를 엔코더(50)를 거쳐 제로오더홀더(70)를 통하여 위치제어기에 전달하는 단계, 위치제어기(10)로 입력되는 신호를 신경망(40)과 파라미터 이득으로 전달하는 단계, 위치제어기(10)의 출력인 전류명령을 신경망(40)의 보상출력과 더해서 드라이버(70)(71)에 전류 최종 명령값으로 전달하는 단계, 파라미터 이득을 파라미터 보상기(30)를 통해 조정하고 상기 위치제어기(10)의 출력을 파라미터보상기(30)와 제로오더홀더(70)(71)를 통해 얻어진 속도로 입력하는 단계, 파라미터 보상기(30)에 의해 가공된 신호를 파라미터 이득으로 조정하여 위치제어기(10)의 출력과 제로오더홀더(70)(71)의 출력을 상기 외란관측기(20)에 보내고 외란관측기(20)의 출력 신호가 토크상수로 나누어 신경망(40)으로 공급하여 이 공급신호에 의해 학습된 결과를 도출하는 단계로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 위치제어기(10), 역전파 신경망 외란관측기(20), 파라미터 보상기(30)에 의한 시스템 제어는 도 의 제어 알고리즘을 통해 알 수 있다.
위치제어기(10)의 상태 궤환 알고리즘은, 동기전동기(PMSM)의 추적 제어를 위해서 추가상태를 식(1)과 같이 정의하면 PMSM의 추가 상태 시스템 방정식은 식(2)(3)과 같으며 위치 제어기 출력출력 에 해당하는 제어 규칙은 식 (4)와 같이 정의할 수 있다.
외란에 의한 오차를 빨리 줄이기 위해서는 큰 궤환 이득이 필요하게 되며, 이것은 매우 큰 전류를 만들게 된다. 만일 부하 토크 T L 을 알게 되면, T L = 에 의하여 등가 전류 에 의하여 등가 전류 를 구할 수 있으며 외란의 보상 입력을 생성할 수 있다. 따라서 제어 입력 는 위치 제어기 출력 과 등가 전류 로 구성된다. 외부 외란의 영향은 등가의 q-상 전류로 정궤한 (feed-forward)하여 보상한다.
역전파 신경망 외란관측기(20)의 제어 알고리즘은 도 7과 같다.
일반적으로 시스템의 모든 입력을 알면 상태 추정(estimation)을 할 수 있다. 그러나, 실제 시스템에서 많은 경우에 몇몇 입력은 정확한 값을 알 수 없거나 찾아내기 힘든 경우가 있다. 빠른 샘플링에 의해 외란은 구간상수로 가정할 수 있으므로 다음과 같은 0차 관측기에 의해 추정 가능하다.
빠른 추정을 위해 데드비트 알고리즘을 사용하면, 극점을 z도메인의 0점에 정의하여 궤환 이득을 Ackermann공식에 의해 얻을 수 있다. 또한 데드비트 관측기의 단점인 잡음 증폭문제는 MA처리에 의한 저대역 통과 필터(LPF)를 적용하여 고주파 잡음을 저감하였다.
또한, 호닉(Hornick)이 적용한 함수 근사화의 방법으로 신경망의 응용은 다층 전방향 신경망이 일반 근사기로 사용되었다. 위 신경망의 특성은 알 수 없는 파라미터와 부하 변화에 의한 영향을 보상해주는데 적당한 알고리즘이다. 본 논문에서 사용한 알고리즘은 도 7과 같은 역전파 신경망(back-propagation neural network)을 사용하였다.
또한, 도 5에서 보는 바와 같이 다양한 상황을 학습시키기 위해 위치 θ, 위치 목표 θ r , 속도 ω, 위치와 위치 목표의 차 θ-θ r , 등가전류 를 신경망의 입력으로 선택하고 원하는 출력 를 통해 학습을 하였다. 오차 신호는 다음과 같은 양극성 활성 함수를 사용하여 계산된 출력과 원하는 출력을 비교해서 출력층에서 은닉층으로 역전파 된다.
또한, 본 발명에서는 활성함수의 기울기 λ는 간단히 1로 선택하였고 연결강도의 갱신을 위해 델타 학습 규칙(delta learning rule)을 사용하였다.
j 번째 은닉층의 뉴런으로부터 k 번째 출력층의 뉴런간의 연결강도를 W kj 로 표기하고, 오차 E 를 최소화하기 위해 연결강도를 음의 경사방향으로 변화시켜준다. 여기서, η는 학습률이다. 각 노드에서 뉴런의 출력값은 다음과 같이 된다.
오차신호 δ를 연쇄규칙(chain rule)을 사용해서 나타내면 다음과 같음이 잘 알려져 있고 식 (7)과 (12)의 수식을 통해서 오차 신호는 식 (13)과 같이 주어진다.
이상의 수식을 통해서 델타 학습 규칙을 기초로 각 연결강도의 값은 다음 값으로 조정된다.
위 식에서 y j 는 j 번째 층에서의 출력이다. 같은 방식으로 은닉층에서 오차신호와 연결 강도 조정은 다음과 같다.
한편, 파라미터 보상기(30)에 의한 보상과 추정 제어 알고리즘은 도 7과 같다.
실제 시스템의 파라미터 변화 혹은 정확하지 않은 파라미터를 이용한 고정이득 설정은 시스템의 성능 변화를 가져오게 된다. 추가 상태 궤환 제어기와 외란 관측기를 이용한 제어기는 고정 이득을 사용하기 때문에 파라미터 변화로 인해 시스템의 성능 저감을 초래하게 된다. 따라서 등가 지표(nominal) 시스템으로 보상하여 파라미터의 변화에 의한 성능 변화를 제거할 수 있다. 다음은 동기전동기(PMSM)의 위치에 대한 이산방정식이다.
여기서,
파라미터의 변화를 등가지표시스템으로 보상하기 위하여 부하토크의 영향이 없다고 가정하고, 보상기의 이득을 각각 C 1, C 2, C 3라 정의하면 보상기를 통한 제어명령은 다음과 같다.
파라미터 보상기에 의해 보상된 시스템과 등가 지표 시스템의 응답이 같다고 가정하면 다음과 같이 표현 할 수 있다.
여기서, α, β, r와 α n, β n, r n 은 각각 시스템의 실제 파라미터와 명판에 주어진 지표파라미터이다. 따라서 보상기의 이득은 식 (23)로 부터 다음과 같이 간단히 얻을 수 있다.
파라미터 추정을 위하여 영구자석 동기전동기의 이산 방정식을 파라미터 벡터와 측정 벡터로 구분하면 다음과 같다.
여기서,
파라미터 추정 알고리즘으로 RLSM을 사용하며, 외란에 의한 추정 오차를 제거하기 위해 외란 보상기를 포함한 시스템의 입출력을 측정 벡터로 사용하면 다음 식에 의해 파라미터 추정을 할 수 있다.
여기서, ,
제어 입력 는 추가 상태 궤환 위치제어기(10)의 출력 과 데드비트 외란관측기(20)의 출력 를 학습한 신경망(40)의 출력 을 합해서 구하게 된다. 그리고 파라미터 추정기는 을 이용하여 파라미터 보상기(30)에 의해 보상기 이득 C 1, C 2, C 3를 계산한다. 그리고 이를 이용하여 파라미터 보상기(30)에서 보상 전류 를 최종적으로 계산하며 이를 드라이버(70)(71)의 전류 명령으로 사용한다.
본 발명에 따른 모의실험 및 실험결과는 도 8 및 도 9와 같다.
도 8은 관성 파라미터의 100배 관성부하와, R과 L의 변화에 대한 위치의 모의실험 결과로서, (a)는 추가상태 궤환 알고리즘이고, (b)는 외란 관측기를 이용한 알고리즘이며, (c)는 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘이다.
도 8과 같은 모의실험 및 실험에서 사용한 동기전동기(PMSM)의 파라미터는 표 1과 같으며, 이 값은 전동기의 제조 회사의 매뉴얼에 있는 값이다.
도 8의 모의 실험에서 사용한 히스테리시스 간격은 0.05[A]이고, 샘플링 주기 Ts는 0.2 [ms]이다. 원하는 목표 도달시간과 과도응답이 없는 가중 행렬(weighting matrix)은 Q=diag[0.1 80 30000] R=1로 선택하여 최적 이득 행렬을 구하면 k=[0.0773 4.9807 62.5080]이 되며, Dead beat 관측기 이득은 L=[9626.3 2.7 -275.2]T이 된다.그림 4는 관성 파라미터의 100배에 해당되는 관성부하를 갖는 경우의 위치 응답에 대한 (a)의 추가 상태 궤환 제어기, (b)의 후단 필터를 갖는 외란 관측기, (c)의 관측기에 의해 계산된 전류를 신경망으로 학습하여 파라미터 보상을 한 본 발명의 실시예에 따른 제어기의 모의실험 결과이다. C-언어를 사용하였고 동기전동기(PMSM) 시스템 방정식의 해는 runge-kutta 4차방법을 이용하여 구하였다.
이 모의 실험결과 기존 시스템과 성능을 비교하여 더욱 우수한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
한편, 도 9는 관성부하에 대한 회전자 위치 q상 전류 명령의 실험결과로서, (a)는 추가 상태 궤환 알고리즘이고, (b)는 외란 관측기를 이용한 알고리즘이며, (c)는 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘으로서, 관성 부하에 대한 실험결과이다.
(a)와 같이 추가 상태 궤환 제어기만 사용하였을 경우 과도상태에서 부하의 영향으로 위치 정보의 진동이 발생함을 볼수 있다. (b)와 같이 외란 관측기를 사용하면 이러한 진동이 더 줄어들며, 본 발명에 따른 제어기에서는 (c)와 같이 외란에 의한 영향을 학습을 통한 보상으로 진동도 없으며 정상 상태에서 위치 오차 또한 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 또한 파라미터 변화를 일으키는 관성부하와 부하 변화를 발생하는 막대부하가 같이 있는 경우에 대한 실험을 통해 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘의 성능을 입증할 수도 있다. 이와 같이 본 발명은 알고리즘의 모의실험과 실험을 통하여 기존 시스템과 성능을 비교하여 더욱 우수한 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 동기전동기를 이용한 위치 제어는 외란과 파라미터 변화에 강인한 위치 제어를 위해 신경망 외란 관측기와 파라미터 보상기를 이용하는 힘으로서, 파라미터 추정기에 사용된 파라미터 추정방법의 단점인 외란에 의해 편향특성을 외란 관측기에 의한 보상 입력을 포함하도록 함으로서 편향 특성을 제거할 수 있는 효과가 있다. 이는 파라미터와 실제 시스템 상호간 외란을 추정하고 오차를 보상하여 외란에 의한 오차 발생을 효과적으로 억제할 수 있으므로, 신경망 보상에 의해 강인한 제어가 가능하여 X-Y 테이블을 사용하는 자동차 기기 및 로봇의 위치 제어에 사용하는 경우 생산성을 항상 시키고, 자동화 기기의 신뢰성과 성능 향상에 기여할 수 있으며, 소형 엑츄에이터, 무기 시스템, 컴퓨터의 하드 디스크, 시디롬 드라이버류에 상용화가 가능한 효과가 있다. 또한 강인한 고정밀 위치 제어를 실현할 수 있고 시스템 안정성과 효용성면에서 기대치를 능가하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 외란 보상을 위한 관측기를 갖는 시스템의 제어 블록도
도 2는 종래의 엑츄에이터 시스템의 제어 블록도
도 3은 위치 제어를 위한 종래의 신경망 구성도
도 4는 위치 제어를 위해 신경망을 사용한 종래의 시스템 구성도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 오류 역전파를 사용한 신경망의 블록도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 제어 시스템의 블록도
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘의 블록선도
도 8은 관성 파라미터의 100배 관성부하와, R과 L의 변화에 대한 위치의 모의실험 결과로서,
(a)는 추가상태 궤환 알고리즘이고,
(b)는 외란 관측기를 이용한 알고리즘이며,
(c)는 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘
도 9는 관성부하에 대한 회전자 위치 q상 전류 명령의 실험결과로서,
(a)는 추가 상태 궤환 알고리즘이고,
(b)는 외란 관측기를 이용한 알고리즘이며,
(c)는 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10:위치제어기 20:외란관측기
30:파라미터보상기 40:신경망
50:엔코더 60:동기전동기
70.71:드라이버 80:파라미터 이득
90:제로오더홀더

Claims (4)

  1. 상태 궤환 제어기와, 외란의 영향을 줄일 수 있는 외란 관측기와, 관측 시스템의 잡음을 줄이기 위한 MA필터를 포함하는 위치제어 장치에 있어서,
    상기 위치제어장치의 제어 기준이 되는 파라미터 동기전동기와,
    상기 외란의 보상 입력을 생성하기 위하여 추가 상태 궤환으로 외부 외란의 영향을 등가 전류로 정궤환하여 보상하는 위치제어기와,
    상기 위치제어기와 연동되며 임의의 실제 시스템의 입력에 따라 이를 추정하여 샘플링에 의해 외란의 구간상수를 가정하고 알수 없는 파라미터와 부하변화에 의한 영향을 보상해 주는 역전파 신경망 외란 관측기와,
    상기 위치제어기와 역전파 신경망 외란 관측기로부터 형성되는 고정이득으로 인한 파라미터 변화를 등가지표 시스템으로 보상하여 파라미터의 변화에 의한 성능 변화를 추정하고 보상하여 제거하는 파라미터 보상기로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기전동기를 이용한 위치 제어장치,
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치제어기에 전달되는 신호는 상기 위치제어기에 연결되고 상기 동기전동기의 위치 카운터 신호는 엔코더를 거쳐 제로오더홀더를 통하여 위치제어기에 연결되는 것을 특징으로 하는 동기전동기를 이용한 위치제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 위치제어기에 입력 신호가 입력되는 신경망과,
    상기 위치제어기 및 신경망에 동기전동기의 속도를 입력하는 제로오더홀더와,
    상기 상기 신경망의 보상출력과 더해서 최종명령 값으로 연산하는 드라이버로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기전동기를 이용한 위치제어장치.
  4. 추가 상태 궤환 위치제어기와, 외란의 영향을 줄일 수 있는 신경망 외란 관측기 및 동기전동기를 이용하는 위치제어방법에 있어서,
    상기 위치제어기로 전달되는 동기전동기의 위치 카운터 신호를 엔코더를 거쳐 제로오더홀더를 통하여 위치제어기에 전달하는 단계;
    상기 위치제어기로 입력되는 신호를 신경망과 파라미터 이득으로 전달하는 단계;
    상기 위치제어기의 출력인 전류 명령을 신경망의 보상출력과 더해서 드라이버에 전류 최종 명령값으로 전달하는 단계;
    상기 파라미터 이득을 파라미터 보상기를 통해 조정하고 상기 위치제어기의 출력을 파라미터보상기와 제로오더홀더를 통해 얻어진 속도로 입력하는 단계;
    상기 파라미터보상기에 의해 가공된 신호를 파라미터 이득으로 조정하여 상기 위치제어기의 출력과 제로오더홀더의 출력을 상기 외란관측기에 보내고 상기 외란관측기의 출력 신호가 토크상수로 나누어 신경망으로 공급하여 이 공급신호에 의해 학습된 결과를 도출하는 단계를 포함하는 동기전동기를 이용한 위치제어방법.
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