[논문 리뷰] Model-Free Based Digital Control for Magnetic Measurements

Loïc Michel, Olivier Ghibaudo외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 15.

Magnetic Properties and Applications참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 에프스틴 프레임 기반 자성 재료 특성 측정을 위한 모델 프리 디지털 제어 전략을 제안하며, 재료의 비선형성과 히스테리시스에도 불구하고 자기감도 B의 정밀한 웨이브폼 형상 조절을 가능하게 한다. 유도 미사용 기반의 모델 프리 제어기 변형을 사용함으로써, 10–50 Hz 범위에서 정현파 및 정사각형파 기준에 대해 1% 미만의 포맷 팩터(FF)를 달성하여, 과도한 포화 상태 근처에서도 고조파 왜곡을 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

This paper presents a novel digital control strategy successfully implemented for a soft magnetic material characterization bench (Epstein frame type). The main objective is to control the magnetic induction waveform whatever the applied excitation and the material under study. Given the nonlinear nature of the magnetization curves of magnetic materials, an original model-free based control technique is considered. Special mention should be made of the interesting dynamic properties in closed-loop against the changes of the operating point related basically to the hysteresis form. The operation and the performances of the digital control method are illustrated in different working conditions through both simulation and experimental measurements.

연구 동기 및 목표

• 비선형성과 히스테리시스를 보이는 자성 재료의 특성 측정 조건에서 정현파, 삼각파 등의 정밀한 자기감도 웨이브폼 유지 문제를 해결하기 위해.
• 비선형성과 전원 공급 장치의 왜곡으로 인해 웨이브폼 정밀도가 떨어지는 고감도 영역에서 전통적인 아날로그 피드백 및 모델 기반 제어의 한계를 극복하기 위해.
• 자성 재료 또는 에프스틴 프레임 동역학의 명시적 모델이 필요 없는 강력한 실시간 디지털 제어 방법을 개발하기 위해.
• 다양한 자극 주파수와 재료 상태, 특히 과도한 포화 조건에서도 IEC 기준(FF < 1%)을 충족시키기 위해.
• 코어의 DC 부 bias 및 불필요한 자화를 방지하기 위해 대칭적인 자극 전류를 확보함으로써 측정 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 필레 및 조인의 접근 방식에서 유도된 모델 프리 제어 프레임워크를 채택하여, 시스템 모델 의존성 또는 출력 신호의 도함수 추정에 의존하지 않는다.
• 2차 코ils의 전압 $v_B$ 에서 피드백을 취해 실시간으로 입력 전압 웨이브폼을 조정하는 재귀적 제어 알고리즘을 사용하며, 이 $v_B$ 는 적분을 통해 $B(t)$ 를 추정한다.
• 피드백 루프의 노이즈 민감도를 낮추고 내구성을 향상시키기 위해 도함수를 사용하지 않는 모델 프리 제어기의 변형을 적용한다.
• 자극 전류 $i_H$ 의 균형을 확보하여 DC 성분을 제거함으로써 코어의 편향을 방지하기 위해 제어 신호에 대칭화 기법을 적용한다.
• 디지털 신호 처리를 통해 RMS 및 정류 평균 값으로부터 실시간으로 포맷 팩터 $FF(\%)$ 를 계산하여 동적 성능 모니터링을 가능하게 한다.
• 정현파 및 정사각형파 기준에 대해 10 Hz 및 50 Hz에서 비-oriented SiFe 강에 대한 시뮬레이션과 실험 측정을 통해 제어 전략을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모델 프리 디지털 제어 전략은 다양한 자극 주파수와 재료의 비선형성 조건 하에서도 자기감도 웨이브폼의 고조파 왜곡을 효과적으로 낮출 수 있는가?
• RQ2 제안된 도함수 미사용 모델 프리 제어기의 동적 성능 및 안정성은 전통적인 아날로그 또는 모델 기반 피드백 대비 어떻게 다른가? 특히 과도한 포화 근처에서의 성능을 비교하여 설명하라.
• RQ3 이 제어 방법은 코어의 비선형성과 전원 공급 장치의 제약으로 인한 전압 강하 및 웨이브폼 왜곡을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ4 제어기는 자극 전류의 웨이브폼 대칭성과 DC 부 bias를 유지하여 정확한 히스테리시스 루프 측정을 보장할 수 있는가?
• RQ5 제안된 디지털 제어를 사용할 경우 오픈 루프 운영 대비 포맷 팩터(FF) 향상은 어느 정도 이루어지는가?

주요 결과

• 제안된 디지털 제어는 자기감도 웨이브폼의 포맷 팩터(FF)를 오픈 루프 상태의 6.1%에서 10 Hz에서 0.53%로 감소시켜 IEC 기준을 충족시킨다.
• 50 Hz에서 대칭화 기법을 적용한 결과 포맷 팩터는 0.7%로 감소하여 고주파 자극 조건에서도 효과적인 고조파 억제를 보였다.
• 제어기는 2차 코ils의 전압 강하를 성공적으로 보상하여, 비선형 코어 거동에도 불구하고 안정적이고 정확한 $v_B$ 웨이브폼을 유지한다.
• 정현파 및 정사각형 기준 입력 조건 하에서도 과도한 포화 근처에서조차 준정현파 및 준삼각파 형태의 $B$ 웨이브폼을 유지한다.
• 대칭화 기법은 자극 전류의 DC 성분을 성공적으로 제거하여 코어의 편향을 방지하고 정확한 히스테리시스 루프 측정을 보장한다.
• 재료의 자기 모델에 대한 사전 지식이 없이도 고감도 수준을 포함한 다양한 운영 조건에서 강력한 동적 성능을 보여주며, 이는 제어 방법의 일반화 가능성을 시사한다.