pmsm의속도제어회로

소개글

pmsm의속도제어회로에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 설계 목적

2. 이론
① PMSM
② IGBT
③ 스위칭소자로서의 MOSFET
④ 인버터
⑤ Inverse_DQ
⑥ PID제어기

3. 설계내용

① 단상인버터 설계
② 3상인버터 설계
③ Inverse DQ
④ 설계에 사용된 PMSM
⑤ PI제어기
⑥ 전체블록선도
⑦ 무부하에서 출력파형
⑧ 부하입력시 출력파형

4. 결론

본문내용

-puls-Intergrate-plum-Derivative)제어기는 비례-적분-미분 제어기이다. 아래와 같은 폐루프 시스템을 고려해볼대,
제어기에 입력되는 값은 Plant의 출력값과 Plant가 출력해야 하는 값의 차인 오차신호(e)이다. 일반적으로 대부분의 제어기는 오차신호를 피드백 받아서 제어기 출력신호를 출력하도록 설계되어 진다. PID제어기는 오차신호를 다음식과 같이 처리하여 제어신호를 계산한다.
여기에서 Kp는 오차신호에 곱해지는 비례이득이며, KI 는 오차신호를 적분한 값에 곱해지는 적분이득 이며, KD는 오차신호를 미분한 값이 곱해지는 미분이득 이다.
비례이득 Kp는 Rise time을 줄이는 효과가 있으며, 상승시간을 줄일 수 있다. 그러나 정상상태 오차는 없애지는 못한다. 적분이득KI 의 값은 정상상태 오차를 제거하는 효과를 가지고 있지만, 과도응답 특성을 좋지 않게 만들 수 있다. 미분이득 KD의 값은 시스템의 안정도를 향상시키는 효과를 갖고 있어서, 오버슈트를 줄이고, 과도응답 특성을 향상시킬 수 있다.
이번설계에서는 PI제어기를 사용함으로서 미분이득KD의 값은 0으로 정하고 설계를 하였다.
⑦ 전기각을 기계각으로 바꾸는 공식
⑧ 속도 rad/s을 rpm으로 바꾸는 공식
3. Matlab Simulink를 이용한 PMSM 속도제어회로설계
①단상인버터설계
단상인버터회로
출력파형
Relay에서 switch on point 는 0.1
switch off point 는 -0.1로 정하였다.
②3상인버터설계
3상 인버터회로
3-phase Ref, Sine Wave
3-phase Current
③Inverse DQ
실제 설계에서는 주어진 Inverse DQ을 사용하였다.
Inverse DQ
④ 설계에 사용된 PMSM
모터의모델 선택시 학번의 뒷자리 숫자를 선택함 (학번: 32042155, No.5번 모델사용)
모터의 정격부하: 8Nm 정격전압: 300VDC 정격RPM: 2000rpm
모터의주요 parameter :
Stator Phase Resistance Rs: 0.9585Ω
Inductance[Ld Lq]: [ 0.00525H , 0.00525H]
Inertia: 0.0006329J(kg.m2)
Pole Pairs : 4
⑤PI제어기
본 설계에서는 PI제어기를 이용하여 전류제어를 하였다.
⑥전체블록선도
전체블록선도
모터의 pole pairs가 4이므로 전기각을 기계각으로 바꾸는데 있어 에 대입하면 전기각에 4를 곱해줘 기계각으로 바꾼후에 Inv_Dq에 입력한다.
PI Controller
CRPWM
Inverse DQ(설계에서 Inverse DQ는 주어짐)
MOS_Inverter
⑦무부하에서 출력파형
속도파형(scope1)
입력속도 2000rpm
P Gain : 0.1
I Gain : 0.01
위 그림과 같이 0.005s에서 2000rpm에 도달함을 알 수 있다.
전류 Ref.(scope3)
전류가 원하는 값에 도달했으므로 전류명령은 0에 가깝게 된다.
⑧부하입력시 출력파형
Simulink 내에 있는 Step소자를 이용하여 0.02초에 8Nm의 부하를 인가했다.
속도파형(scope1)
0.02s에서 부하 때문에 속도가 1927로 떨어지는 것을 알 수 있다.
모터의 정격토크와 부하의 정격토크를 같게하면 떨어진 속도를 만회하기 위해 전류가 소모되기 때문에 전류가 모잘라 그림과 같이 속도가 갑자기 줄어들게 된다.
3상전류 Reference.(scope3)
0.02s에서 부하 인가때문에 0에 가깝던 전류 명령이 다시 변화 한다.
0.02초에 정격부하 보다 조금 낮은 6Nm의 부하를 인가해 보았다.
속도파형(scope1)
8Nm부하인가 보다 속도가 덜 줄어드는 것을 알 수 있다.
3상전류 Reference.(scope3)
8Nm부하인가 보다 전류 명령의 폭이 작다.
4. 결론
Matlab의 Simullink를 이용해 PMSM의 속도제어회로를 설계했다. 이론은 수업에서 배운 내용을 정리를 하였고, 설계부분은 설계시간에 배운 회로와 출력파형을 정리 하였다.
설계를 하는데 있어 이론적인 부분이 전력전자공학과 관련된 게 많아서 이해하는데 어려움이 있었다. PMSM은 3상 전류인가만으로 동작을 하지 않기 때문에 반드시 인버터 회로에 함께 설계를 해야 한다. 인버터를 설계는 먼저 단상 인버터를 설계하였고, 그 다음에 3상인버터를 RL소자와 연결하여 설계하여 3상전류가 흐르는 것을 확인하였다. 이 때 인버터 소자의 스위칭을 제어하는데 히스테리리스 PWM방식을 이용하였다. 또한 인버터의 직류부분은 정류회로를 이용하지 않고 Simulink내에 있는 DC소자를 이용하여 인가하였으며, 기준전류는 120도의 위상차를 가지는 Sine Wave를 이용하였다.
3상인버터 설계 후에 RL소자 대신에 직접 PMSM을 연결하고, PI제어기, Inv_DQ를 이용하여 전체적인 블록선도를 구성하였다. 지령속도에 PMSM의 정격속도인 2000rpm을 입력하고 출력파형을 살펴보면서 Percent Overshoot가 없도록 P Gain과 I Gain을 조정하였고, 그 결과 P Gain은 0.1 , I Gain은 0.01때 P.O가 없이 지령속도에 도달하는 것을 확인 하였다.
여기에서 P Gain을 늘이게 되면 도달속도는 빨라지지만 정상상태오차가 나빠지게 되고 I Gain을 늘이게 되면 정상상태오차는 좋아지지만 과도응답이 나빠지게 된다. 또한 전류명령에 있어서 지령전류에 도달하면 전류명령이 0에 가깝게 된다는 것을 출력파형을 통해 알 수 있다. 이후 정격부하 8Nm과 정격보다 낮은 6Nm을 인가하여 속도를 살펴봤고 정격부하를 인가한 시간에 속도가 줄어드는 점을 알 수 있었다. 이때 부하로 인해 떨어진 속도를 만회하기 위해 전류가 소모되기 때문에 속도가 바로 지령속도에 도달하지 못하고 계속 유지 되는 점을 확인 할 수 있었다. 시간이 지나면 다시 지령속도에 도달한다고 수업시간에 배웠지만 설계에서 그 시간은 알 수 없었다.
이번 설계를 통해 수업시간에 배운 이론적인 부분을 조금 더 자세히 살펴볼 기회가 있었고, 전류제어를 이용한 PMSM의 속도제어대한 전반적인 내용에 대해 알 수 있었던 것 같다.

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