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담 강
6 years ago
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1 전력전자학술대회논문집 ~ 7.15 퍼지제어기를이용한엘리베이터구동용영구자석형동기전동기의속도제어 황선모 *, 유재성 *, 원충연 *, 김규식 **, 최세완 *** 성균관대학교 *, 서울시립대학교 **, 서울산업대학교 *** Speed Control for PMSM in Elevator Drive System Using Fuzzy Controller S.M Hwang *, J.S Yu *, C.Y Won *, K.S Kim **, S.W Choi *** Sunkyunkwan University *, The University of Seoul **, Seoul National Uinversity of Technology *** ABSTRACT This paper proposes a fuzzy logic based vector control for the gearless traction machine drive systems using a permanent-magnet synchronous motor (PMSM). The performance of the proposed Fuzzy Logic Control(FLC)-based PMSM drive are investigated and compared to those obtained from the conventional PI controll-based drive system. We have confirmed theoretically and experimentally at different dynamic operating conditions such as step change in command speed, step change in load, etc. The comparative experimental results show that the FLC is more robust and, hence, found to be a suitable replacement of the conventional PI controller for the high-performance elevator drive system. 1. 서론 기존의엘리베이터시스템의구동원으로는유도전동기가주로사용되고있다. 그러나유도전동기의특성상여자전류로인한낮은효율과토크부족때문에기어를사용한다. 기어를사용하므로기계실의부피가커지고소음이커지는문제점이있다. 따라서엘리베이터를고효율, 고성능으로운전하기위해영구자석형동기전동기가채택된다.[1] 벡터제어를사용한엘리베이터용구동시스템은보통 PI제어기를사용한다. 그러나 PI제어기를적용한방식은파라미터의변화와외란등의영향에민감하다는단점이있다. 이러한점을개선하기위 하여 Model Reference Adaptive Control (MRAC), Sliding-Mode Control (SMC), Variable Structure Control (VSC), Self-tuning PI controllers 와같은기법이제안되었다. 그러나위에기술한제어기법은정확한시스템의수학적모델이필요하다는단점을가진다. 따라서이러한점을극복하기위하여최근퍼지제어기가모터제어와 DC/DC 컨버터에적용되고있다. [2]-[4] 본논문에서는벡터제어알고리즘의속도및전류제어기에퍼지제어기를사용하여 PSIM 시뮬레이션과실험을통하여결과를확인하였다. 2. 본론 2.1 퍼지제어기의구성 입출력변수그림 1 은퍼지제어기의블록도를나타낸다. 퍼지제어기는그림 1 과같이 Fuzzifier, Fuzzy Inference Engine, Knowledge Base, Deffuzifier 로구성된다. 퍼지제어기의설계는퍼지제어기의입출력변수와언어값, 수치적입력변수의퍼지화방법, 퍼지제어규칙, 추론법, 비퍼지화방법등을결정한다. * ω r 그림 1 Fig. 1 ω r e e G1 G2 Fuzzifier Fuzzy Inference Engine Knowledge Base Fuzzy Set Rule Base Defuzzifier 퍼지제어기블록도 Block diagram of Fuzzy Controller G3 u 655

2 퍼지제어기의설계를위하여먼저입 출력변수를결정해야한다. 입력변수는오차 (e) 와오차의변화량 (Δe) 이며, 출력변수는조작량의변화량 (Δu) 이다. (1) (2) (3) 속도제어기에서오차는속도지령과실제속도의차이가되며, 출력변수는토크의변화량이된다전류제기에서오차는전류지령과실제전류의차이가되고, 출력변수는 PMSM 에인가하는전압지령치의변화량이된다. 오차 (e) 와오차의변화량 (Δe) 을사용하고, 출력변수y는조작량의변화량 (Δu) 사용한다. A와 B는언어값이다. 그림 3은전동기스텝속도명령에대한응답특성을관찰하여위상공간에표현한그림이다제어규칙을작성하기위해그림3의 와 의위상공간에서의응답특성을관찰하여스텝응답의 특징점들 에서필요한제 어규칙을얻을수있다 언어값과소속함수입출력변수가결정이되면적절한언어값을선택해야한다. 본논문에서는다음과같은 7 개의언어값을선택하였다. NB : Negative Big PB : Positive Big NM : Negative Medium PM : Positive Medium NS : Negative Small PS : Positive Small ZE : Zero 측정된입력값이외란의영향을받아서불확실하다고간주될때입력값의확률적인특성을적절한퍼지숫자로변환시켜주는퍼지화작업을수행한다. 본논문에서는언어값의소속함수로서이등변삼각형을채택하여입력변수인오차 (e), 오차의변화량 (Δe), 출력변수인조작량의변화량 (Δu) 에대하여퍼지화작업을수행하였다. 그림 3 전동기속도의스텝응답특성 Fig. 3 Step response of motor speed 예를들어 α i 점부근에서는오차 e = positive 이고, 오차의변화량 Δe=0 이기때문에다음과같은제어규칙을작성할수있다. If e = PB and Δe = ZE then Δu = PB If e = PM and Δe = ZE then Δu = PM If e = PS and Δe = ZE then Δu = PS If e = ZE and Δe = ZE then Δu = ZE 나머지 b i, c i, d i 점에대해서도동일한방법으로제어규칙을작성할수있다. 본논문에서는표 1 과같이 49 개의제어규칙을작성하였다. 표 1 퍼지룰집합 Table 1 Fuzzy rule base matrix 그림 2 의소속함수 Fig. 2 Membership function of 제어규칙퍼지제어기설계에서제어규칙을작성하는것이중요하다. 제어규칙은합성에의한추론법을사용할때, 'If x is A then y is B' 의형식으로기술된다. 퍼지제어기에서제어규칙의전제조건변수 x는 NB NM NS ZE PS PM PB NB NB NB NB NB NM NS ZE NM NB NB NB NM NS ZE PS NS NB NB NM NS ZE PS PM ZE NB NM NS ZE PS PM PB PS NM NS ZE PS PM PB PB PM NS ZE PS PM PB PB PB PB ZE PS PM PB PB PB PB 입력변수 e 와 Δe 의퍼지화방법으로 Mamdani 의추론 법을채택하였다. 656

3 2.1.4 비퍼지화퍼지추론한결과를제어기에입력하기위해서는보통집합 (Crisp set) 값으로변환해야한다. 삼각형의무게중심법을사용하여표 3-1에있는 49개의제어규칙에의한비퍼지화된추론결과를식 (4) 로구한다. (4) 2.2 퍼지제어기를이용한구동시스템그림 4 는퍼지제어기를이용한전체제어시스템의블록도를나타낸다. 3. 시뮬레이션및실험결과 3.1 시뮬레이션기존의벡터제어에사용된 PI 제어기와제안한퍼지제어기의속도응답및부하응답특성을시뮬레이션을통해확인하였다. 시뮬레이션툴은컨버터및모터드라이브전용툴인 PSIM6.0 을사용하여전력변환부는회로도로작성하고, 퍼지제어기및 PI 제어기는 DLL(Dynamic Link Library) 를이용하여 ANSI C 언어로코딩하였다. 시뮬레이션과실험에사용한영구자석형동기전동기의사양은표 2 와같다. 표 kw SMPMSM 사양 Table 2 Specification of 13.3kW SMPMSM 파라미터항목 값 Rated Power 13.3 kw Torque 670 Nm Speed 190 rpm Current 27.2 A Efficiency 87 % Frequency 38 Hz Pole 24 극 Rs Ω Ls 8.65 mh Ke 2135 Vpk/krpm Jm 2.8 Kg-m^2 그림 4 Fig. 4 벡터제어블록도 Block diagram of vector control 엘리베이터구동시스템은안락한승차감을위해서정밀한토크제어를필요로하기때문에벡터제어알고리즘을사용한다. [6] 벡터제어는그림과같이두개의제어루프로구성된다. 첫번째는속도제어를위한퍼지제어기이고, 두번째는전류제어를위한퍼지제어기이다. 첫번째제어기는속도오차에해당하는양을퍼지제어기를통해전류지령치 를만든다. 두번째제어기는첫번째속도제어기인퍼지제어기의출력을기준값으로입력받고실제측정한 축전류와의오차량을퍼지제어기를통해 PMSM 으로인가할수있는전압지령치 를생 성한다. 무부하시속도응답특성은속도지령을 -150[rpm] 에서 +150[rpm] 로인가하여관찰하였다. 부하응답특성은속도가 100[rpm] 일때정격토크의 35% 부하를스텝으로인가하여특성을확인하였다. (a) 속도응답특성 ( 무부하 ) 657

부하변화에대한과도응답특성은 100[rpm] 의일정속도로운전하는동안무부하에서 ( 실제 MG 실험세트는부하대상타여자직류전동기의전기자의무게만큼부하가걸려있음 ) 정격의약 35% 부하를램프인가하여실험하였다.

5 Response Characteristic of PI controller (a) 속도응답특성 (Speed : 1[V] 20[rpm], Current : 1[V] 7[A]) (a) 속도응답특성 (

7 Response Characteristic of PI controller 그림 6 퍼지제어기의응답특성 Fig. 6 Response Characteristic of Fuzzy controller 3.

4 부하변화에대한과도응답특성은 100[rpm] 의일정속도로운전하는동안무부하에서 ( 실제 MG 실험세트는부하대상타여자직류전동기의전기자의무게만큼부하가걸려있음 ) 정격의약 35% 부하를램프인가하여실험하였다. 부하변화에대한과도응답은퍼지제어기가실험결과로우수함을알수있다. 그림 5 PI 제어기의응답특성 Fig. 5 Response Characteristic of PI controller (a) 속도응답특성 (Speed : 1[V] 20[rpm], Current : 1[V] 7[A]) (a) 속도응답특성 ( 무부하 ) (Speed : 1[V] 40[rpm],Current : 1[V] 7[A]) 그림 7 PI 제어기의응답특성 Fig. 7 Response Characteristic of PI controller 그림 6 퍼지제어기의응답특성 Fig. 6 Response Characteristic of Fuzzy controller 3.2 실험결과시뮬레이션과동일한방법으로 PI 제어기와퍼지제어기의속도및부하응답특성을비교하였다. PI 제어기를사용한경우에는속도응답특성이퍼지제어기에비해서느리게응답함을실험결과를통해서확인할수있었다. PI 제어기인경우좀더빠르게응답특성을개선할수는있으나, 그렇게하면속도응답이떨어지게된다. (a) 속도응답특성 (Speed : 1[V] 20[rpm], Current : 1[V] 7[A]) 658

(Speed : 1[V] 40[rpm], Current : 1[V] 7[A]) [4] E. Cerruto, A. Consoli, A. Raciti, and A. Testa, "Fuzzy adaptive vector control of induction motor drives," IEEE Trans. Power Electron., vol. 12, pp.

5 (Speed : 1[V] 40[rpm], Current : 1[V] 7[A]) [4] E. Cerruto, A. Consoli, A. Raciti, and A. Testa, "Fuzzy adaptive vector control of induction motor drives," IEEE Trans. Power Electron., vol. 12, pp , Nov [5] 변증남, 퍼지논리제어, 홍릉과학출판사 [6] B.K Bose, "Expert system, fuzzy logic and neural network applications in power electronics and motor control," Proc. IEEE, vol.82, no.8, 1994, pp [7] 유재성, 김이훈, 원충연, 최기준, 윤관철, 정무택, 김연충, 이상석, 엘리베이터구동용영구자석형동기전동기의속도제어에관한연구, 전력전자학회하계학술대회논문집, pp , 그림 8 퍼지제어기의응답특성 Fig. 8. ResponseCharacteristic of FL controller 4. 결론 본논문에서는엘리베이터구동용영구자석표면부착형동기전동기에대하여퍼지제어기를적용하여다음의결과를얻었다. 제안된시스템을 13.3[kW] 용량의엘리베이터구동용영구자석동기전동기에적용하고이에대한컴퓨터시뮬레이션및실험을수행한결과, 제안한퍼지제어기가속도응답및부하응답에대한과도특성이우수함을확인하였다. 제안한퍼지제어기를사용해서실제엘리베이터구동용영구자석동기전동기의드라이브시스템에사용하여훨씬향상된고성능운전을할수있을것으로사료된다. 이논문은한국과학재단목적기초연구 (R ) 지원에의하여연구되었음 참고문헌 [1] D.W. Chung, H.M. Ryu, Y. M. Lee, S. K., Sul, S. J. Kang, J. H. Song, J. S. Yoon, K. H. Lee, J. H. Seo, "A new Configuration of drive system for high speed gearless elevator." in IEEE IAS Annu. Rec, 1999, pp [2] I. Miki, N. Nagai, S. Nishiyama, and T. Yamada, "Vector control of induction motor with fuzzy PI controller," in IEEE IAS Annu. Rec., 1992, pp [3] Y. Tang and L. Xu, "Fuzzy logic application for intelligent control of a variable speed drive," IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 9, pp , Dec

1_12-53(김동희)_.hwp

1_12-53(김동희)_.hwp 본논문은 2012년전력전자학술대회우수추천논문임 Cascaded BuckBoost 컨버터를 이용한 태양광 모듈 집적형 저전압 배터리 충전 장치 개발 472 강압이 가능한 토폴로지를 이용한 연구도 진행되었지만 제어 알고리즘의 용의성과 구조의 간단함 때문에 BuckBoost 컨버터 또는 Sepic 컨버터를 이용하여 연구 가 진행되었다[10][13]. 태양광 발전