[논문 리뷰] State Observers for Sensorless Control of Magnetic Levitation Systems

Alexey Bobtsov, Anton A. Pyrkin외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 07.

Magnetic Bearings and Levitation Dynamics참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전압과 전류 측정만으로 위치와 속도를 추정하는 적응 상태 관측기를 사용하여 비선형 자기부상(MagLev) 시스템에 대한 새로운 센서리스 제어 전략을 제안한다. 매개변수 추정 기반 관측기와 동적 재귀 확장 및 혼합(DREM)을 조합함으로써 자기유도를 재구성하고, 전역 수렴하는 상태 추정을 가능하게 하여 1- 및 2-자유도 시스템 모두에서 전체 상태 피드백 제어 성능과 비교할 만한 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper we address the problem of state observation for sensorless control of nonlinear magnetic levitation systems, that is, the regulation of the position of a levitated object measuring only the voltage and current of the electrical supply. Instrumental for the development of the theory is the use of parameter estimation-based observers, which combined with the dynamic regressor extension and mixing parameter estimation technique, allow the reconstruction of the magnetic flux. With the knowledge of the latter it is shown that the mechanical coordinates can be estimated with suitably tailored nonlinear observers. Replacing the observed states, in a certainty equivalent manner, with a full information globally stabilising law completes the sensorless controller design. We consider one and two-degrees-of-freedom systems that, interestingly, demand totally different mathematical approaches for their solutions. Simulation results are used to illustrate the performance of the proposed schemes.

연구 동기 및 목표

• 전압과 전류만 측정 가능한 비선형 자기부상 시스템에서 센서리스 제어의 과제를 해결한다.
• 직접적인 위치 측정이 필요 없이 위치 센서의 높은 비용과 신뢰성 문제를 해결한다.
• 전기적 측정값만을 사용하여 기계적 상태(위치, 속도)에 대한 전역 수렴 관측기를 개발한다.
• 수학적 복잡도가 다른 1- 및 2-자유도 MagLev 시스템에 모두 적용 가능한 통합 관측기 프레임워크를 설계한다.
• 제안된 관측기 기반 제어기가 시뮬레이션에서 전체 상태 피드백 제어와 구분되지 않을 정도의 성능을 달성하도록 보장한다.

제안 방법

• 전압 및 전류 신호로부터 자기유도를 재구성하기 위해 매개변수 추정 기반 관측기(PEBO)와 동적 재귀 확장 및 혼합(DREM)을 조합한다.
• 재구성된 자기유도를 활용하여 1- 및 2-dof MagLev 시스템의 기계적 좌표(위치 및 속도)에 특화된 비선형 관측기를 설계한다.
• 확실성 등가 원칙을 적용하여 전체 상태 피드백 제어 법칙을 관측기에서 추정한 상태로 대체한다.
• IDA-PBC(상호연결 및 감쇠 부여 기반 패assivity 기반 제어)를 전체 상태 안정화 제어기로 사용하고, 이를 센서리스 작동에 적합하게 변형한다.
• 매개변수 추정 및 관측기 설계의 수렴을 보장하기 위해 확장된 재귀 신호에 대해 자극 조건을 도입한다.
• 1- 및 2-dof MagLev 시스템에 대한 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하고, 센서리스 성능을 전체 상태 피드백과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전압과 전류 측정만으로 위치 센서 없이도 MagLev 시스템에 대해 전역 수렴하는 상태 관측기를 설계할 수 있는가?
• RQ2 비선형 MagLev 시스템에서 적응 추정 기법을 사용해 전기 신호로부터 자기유도를 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 1-dof 및 2-dof MagLev 시스템은 물리적 원리상 유사하지만, 관측기 설계에 있어 본질적으로 다른 수학적 접근이 필요한 이유는 무엇인가?
• RQ4 제안된 센서리스 제어기가 일시적 반응 및 안정성 측면에서 전체 상태 피드백 제어기 성능과 얼마나 유사한가?
• RQ5 DREM 기반 매개변수 추정 및 관측기의 수렴을 위해 필요한 자극 조건는 무엇이며, 실용적으로 어떻게 확보할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 관측기는 전압과 전류 측정만으로도 1- 및 2-dof MagLev 시스템의 위치 및 속도를 전역 수렴성으로 성공적으로 추정한다.
• 시뮬레이션 결과, 센서리스 제어기의 성능이 전체 상태 피드백 IDA-PBC와 거의 동일하며, 일시적 반응 및 궤적 추적 측면에서 미미한 차이만 존재한다.
• 2-dof 시스템는 1-dof 시스템에 비해 더 단순한 관측기 설계가 가능하며, 1-dof 시스템는 구조적 차이로 인해 더 복잡한 매개변수 추정 및 필터링이 필요하다.
• 어떤 이전 방법들과 달리, 이 방법은 고주파 신호 주입을 침습적으로 사용하지 않으며, 시스템의 고유한 동역학과 DREM 기반 자극에 의존한다.
• 관측기의 수렴은 확장된 재귀 신호의 자극 조건에 의존하며, 시스템 에너지 및 신호의 풍부성에 대한 현실적인 가정 하에 이러한 조건이 충족됨을 입증하였다.
• 관측기의 계산 복잡도는 실시간 구현에 있어 도전 과제로 남아 있으며, 특히 1-dof 케이스에서 더욱 두드러지므로 향후 연구에서 제어기 근사화가 필요하다.