[논문 리뷰] Nonlinear PI current control of reluctance synchronous machines

Christoph M. Hackl, Kamper, M. J.외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 31.

Electric Motor Design and Analysis참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 알려진 플럭스 연관 맵을 사용하여 비선형 PI 전류 제어 전략을 제안하며, 온라인 파ameter 조정 및 워프링 방지 기능을 포함한다. 비선형 플럭스 연관성과 상호자화 효과로 인해 매우 비선형적인 반발 동기기(RSMs)를 제어하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해, 크기 최적 기준(Magnitude Optimum criterion)을 활용해 PI 컨트롤러를 튜닝하고, 보간된 미분 인덕턴스 및 플럭스 연관성 기반 실시간 외란 보정을 구현함으로써 전체 작동 범위에서 거의 동일한 전류 동역학을 달성한다. 시뮬레이션과 실험 측정을 통해 높은 추적 정확도와 역전기력(Back-EMF) 변화에 대한 강건성을 입증하였다.

ABSTRACT

This paper discusses nonlinear proportional-integral (PI) current control with anti-windup of reluctance synchronous machines (RSMs) for which the flux linkage maps are known. The nonlinear controller design is based on the tuning rule "Magnitude Optimum criterion" [1]. Due to the nonlinear flux linkage, the current dynamics of RSMs are highly nonlinear and, so, the parameters of the PI controllers and the disturbance compensation feedforward control must be adjusted online (e.g., for each sampling instant). The theoretical results are illustrated and validated by simulation and measurement results.

연구 동기 및 목표

• 비선형 플럭스 연관성과 상호자화 효과로 인해 매우 비선형적인 RSMs를 제어하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 온라인 PI 컨트롤러 파ameter 조정 및 외란 보정을 통해 RSMs의 전류 제어 성능을 향상시키기 위해.
• 비선형 동역학에도 불구하고 전체 작동 범위에서 일관된 일시적 반응(상승 및 정착 시간)을 확보하기 위해.
• 실제 실험 측정과 함께 랩탑 테스트 벤치에서 제안된 제어 전략을 시뮬레이션 및 검증하기 위해.
• 예측 가능하고 균일한 폐루프 전류 동역학을 보장함으로써 외부 루프 제어 설계(예: 속도 또는 위치 제어)를 신뢰할 수 있게 하기 위해.

제안 방법

• 최적의 일시적 반응을 보장하기 위해 비선형 PI 컨트롤러를 크기 최적 튜닝 기준(Magnitude Optimum tuning criterion)을 사용하여 설계한다.
• 각 샘플링 순간마다 실시간으로 추정된 미분 인덕턴스 기반으로 컨트롤러 파am터(비례 및 적분 이득)를 온라인으로 업데이트한다.
• 미분 인덕턴스는 유한요소법(FEM) 데이터에서 유도된 알려진 플럭스 연관 맵을 수치 미분하여 계산되며, 2차원 룩업 테이블로 저장된다.
• 직류축과 교류축 동역학을 분리하기 위해 실시간으로 추정된 플럭스 연관성 및 미분 인덕턴스 기반 비선형 외란 보정(피드포워드) 제어를 구현한다.
• 큰 기준 변경 또는 포화 상태에서 적분기 워프링을 방지하기 위해 방지 기구(anti-windup mechanisms)가 제어 구조에 포함된다.
• 컨트롤러는 MATLAB/Simulink에서 구현되었으며, 실제 RSM 테스트 벤치에서 실시간 측정을 통해 검증되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 온라인 파ameter 조정 기능이 있는 비선형 PI 제어는 RSM 전체 작동 범위에서 일관된 전류 동역학을 달성할 수 있는가?
• RQ2 보간된 플럭스 연관성 및 인덕턴스 데이터 기반 실시간 외란 보정은 전류 추적 정확도와 상호연결 효과에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 크기 최적 튜닝 기준은 비선형 RSM 전류 제어에서 일시적 반응을 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 다양한 토크 및 속도 조건에서 시뮬레이션 결과와 실험 측정 결과는 얼마나 유사한가?
• RQ5 제고된 속도에서 급격히 변화하는 역전기력에도 불구하고, 제안된 제어 구조는 안정적이고 정확한 전류 추적을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 폐루프 전류 동역학은 전체 작동 범위(‖ik_s‖ ≤ 5 A)에서 직류 및 교류 전류 모두 거의 동일한 상승 및 정착 시간을 나타낸다.
• 시뮬레이션 및 측정 결과는 뛰어난 일치를 보이며, 모든 테스트 조건에서 추적 오차가 극히 미미하게 유지된다.
• 온라인 PI 튜닝 및 외란 보정의 구현은 특히 상호연결 효과에 민감한 교류 전류의 경우 추적 정확도를 크게 향상시킨다.
• 고속에서 급격히 변화하는 역전기력에도 불구하고 컨트롤러는 저해상도 룩업 테이블에서 발생하는 수치 노이즈에도 불구하고 정확한 전압 기준 생성을 성공적으로 보장한다.
• 플럭스 연관성 및 인덕턴스 보간에 25×25 룩업 테이블을 사용함으로써 발생한 편차는 미미하였으며, 이는 모델링되지 않은 철손실 및 히스테리시스 효과로 기인된 것으로 판단된다.
• 제안된 제어 전략은 일관되고 예측 가능한 전류 동역학을 기반으로 하여 외부 루프 컨트롤러(예: 속도 또는 위치 제어)의 신뢰할 수 있는 설계를 가능하게 한다.