네트워크 기반 전동기 구동시스템의 제어기 설계에 관한 연구 = (A)study on controller design for networked motor-drive systems

국문 초록 (Abstract)

최근 네트워크 및 제어기술의 비약적인 발전으로 제어시스템의 장치들이 공유 네트워크를 통해 연결되는 네트워크 기반 제어시스템에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며 산업현장의 크레인, 산업용 로봇 등과 같은 생산설비에 적용되고 있는 추세이다. 이러한 시스템의 장점은 종래의 점대점 연결방식을 적용한 시스템 에 비해 배선작업이 간단하고 구조변경 시 배선상의 유연성을 가지며 유지보수가 용이하다. 하지만 네트워크를 적용함으로써 발생되는 한정된 대역폭, 적용된 프로토콜에 따른 실시간 데이터 전송의 어려움 그리고 네트워크 유도지연 등으로 인해 시스템의 설계단계에서 고려해야 할 사항이 많고 명확한 설계사양 결정이 어려워진다. 이를 해결하기 위해 한정된 네트워크의 대역폭을 효율적으로 사용하고 데이터 전송의 실시간성을 보장하기 위한 스케줄링 알고리즘이 연구되고 있으며, 네트워크 유도지연을 보상할 수 있는 제어기 설계기법에 대한 연구가 이루어지고 있다.
본 논문에서는 산업현장의 생산설비에 흔히 사용되는 전동기 구동시스템에 네트워크가 적용될 경우 유도지연을 보상할 수 있는 제어기 설계기법에 대해 논하 였다. 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 첫째, 공유 네트워크로 IEEE802.3 CSMA/CD 프로토콜과 유사한 CAN(Controller Area Network)을 적용하였고 제어 시스템에 적합한 동적 스케줄링 알고리즘으로는 기 제안된 MEF-TOD(Maximum-Error First-Try Once Discard)Rule을 사용하였다. 둘째, 제어대상이 선형인 경우 시변 네트워크 유도지연을 보상할 수 있는 선형행렬부등식(LMI: Linear Matrix Inequality)기반 상태궤환 안정화 기법을 제안하였다. 이를 바탕으로 실제 시스템에 쉽게 적용할 수 있는 출력궤환 제어기 설계기법을 제안하고 타당성을 검증하기 위해 네트워크 기반 직류전동기 구동시스템의 시간지연을 보상할 수 있는 제어기를 설계하고 시뮬레이션 및 실험을 수행하였다. 셋째, 입.출력 선형화 기법을 적용하여 제어대상이 비선형인 네트워크 기반 유도전동기 구동시스템의 시간지연을 보상할 수 있는 제어기 설계기법을 제안하고 타당성을 검증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the NCS (Networked Control Systems) whose control loops are closed through the serial communication channel, most important issue which should be overcome from the point of controller design is network-induced time delay.
This paper focuses on controller design for networked motor-drive systems. Especially, DC motor and Induction motor drive systems are considered.
The CAN (Controller Area Network) which is similar to IEEE802.3 CSMA/CD protocol is considered as shared network for networked DC motor-drive systems. In order to compensate the network-induced time delay, LMI (Linear Matrix Inequality) based SFST (State Feedback Stabilization Technique) is proposed for NCS with time-varying delay. And also, the output feedback controller design technique which is based on SFST is proposed for networked DC motor-drive system. Simulation and experimental results are given to verify the controller design technique.
The LMI based state feedback controller designed method is proposed for networked induction motor-drive system which is basically controlled by FOC (Field Oriented Control) and input-output linearizing technique to compensate the network-induced time delay (fixed value).

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 =ⅰ
• 차 례 = ⅲ
• 그림목록 = ⅴ
• 표 목 록 = ⅶ
• 기호 및 약어 설명 = ⅷ
• 1. 서론 = 1
• 2. CAN (Controller Area Network)의 개요 및 적용된 동적 스케줄링 알고리즘 = 4
• 2.1. CAN (Controller Area Network) = 4
• 2.2. MEF-TOD (Maximum-Error First-Try Once Discard)Rule = 6
• 3. 시변 시간지연을 가지는 네트워크 기반 시스템의 상태궤환 안정화 = 10
• 3.1. 시스템 모델링 = 10
• 3.2. 상태궤환 제어기 설계 = 13
• 3.3. 시뮬레이션 = 20
• 3.4. 요약 = 22
• 4. 네트워크 기반 직류전동기 구동시스템의 제어기 설계 = 24
• 4.1. 시스템 모델링 = 24
• 4.2. 제어기 설계 = 26
• 4.2.1. 시불변 시스템에 대한 제어기 설계 = 26
• 4.2.1.1. 변수 선형화 기법 = 27
• 4.2.1.2. 제어기 계산 = 29
• 4.2.2. 시변 시스템에 대한 제어기 설계 = 30
• 4.2.2.1. 적분기를 포함한 제어기 설계 = 34
• 4.3. 시뮬레이션 = 38
• 4.3.1. 시뮬레이션 과정 = 39
• 4.3.1.1. 일 경우 = 40
• 4.3.1.2. 일 경우 = 43
• 4.4. 네트워크 기반 직류전동기 구동시스템의 구현 = 46
• 4.5. 요약 = 50
• 5. 네트워크 기반 유도전동기 구동시스템의 제어기 설계 = 51
• 5.1. 유도전동기의 수학적 모델 = 52
• 5.1.1. 유도전동기의 전압 및 자속 방정식 = 52
• 5.1.2. 유도전동기의 운동 방정식 = 54
• 5.2. 유도전동기 모델의 선형화 = 54
• 5.3. 제어기 설계 = 58
• 5.4. 시뮬레이션 = 60
• 5.5. 요약 = 63
• 6. 결론 = 65
• 참고문헌 = 67
• Appendix A = 71