계단식 위치 제어: 작동 원리
계단식 위치 제어란 무엇인가요?
계단식 위치 제어는 위치 제어를 위한 서보 드라이브의 표준 제어기 아키텍처입니다. 위치 오차를 직접 토크 명령으로 변환하는 대신, 여러 개의 중첩된 제어 루프를 사용합니다 — 외부 위치 제어 루프, 중간 속도 제어 루프, 내부 전류/토크 제어 루프입니다.
왜 이것이 중요한가요?
단일 PID 제어기는 위치 오차를 직접 토크 명령으로 변환하는(소위 "단순 PID") 수학적으로 단순하지만, 실제 적용 시 상당한 한계가 있습니다. 계단식 아키텍처는 다음과 같은 결정적인 이점을 제공합니다:
- 더 높은 제어 품질 — 각 제어 루프는 독립적으로 최적화될 수 있습니다
- 더 나은 안정성 — 빠른 내부 제어 루프가 느린 외부 제어 루프가 개입하기 전에 시스템을 안정화시킵니다.
- 자연적 제한 — 속도 및 전류 제한은 캐스케이드 단계 사이에 직접 삽입될 수 있습니다
- 더 쉬운 튜닝 — 조정은 내부에서 외부로 진행되며, 각 단계는 안정적이라고 가정할 수 있습니다.
어떻게 작동하나요?
세 개의 제어 루프는 서로 다른 주파수로 작동합니다 — 내부 제어 루프가 가장 빠릅니다:
1. 외부 제어 루프 — 위치 제어기 (4 kHz): 목표 위치와 실제 위치를 비교하고 PID 제어기를 통해 목표 속도를 계산합니다. 정상 작동 시 PI-P 구성이 사용됩니다: 위치 제어기에는 비례 및 적분 성분이, 속도 제어기에는 비례 성분만 포함됩니다.
2. 중간 제어 루프 — 속도 제어기(4 kHz): 목표 속도와 실제 속도를 비교하여 목표 토크 명령을 계산합니다. 안티 윈드업 제한 기능은 적분기의 오버플로우를 방지합니다.
3. 내부 제어 루프 — 전류/토크 제어기(16 kHz): 필드 지향 제어(FOC)를 통해 토크 명령을 모터 위상용 PWM 신호로 변환합니다. SOMANET 드라이브에서는 이 제어 루프가 모델 예측 데드비트 제어(Model Predictive Deadbeat Control)와 함께 작동합니다.
튜닝 전략: 조정은 항상 내부에서 외부로 진행됩니다 — 먼저 속도 제어기(안정성 한계까지 Kp 증가, 이후 90%로 감소), 그다음 위치 제어기입니다. 적분 성분은 마지막에 신중하게 추가됩니다.
매개변수는 위치 제어기 객체(0x2012)에 저장됩니다: 위치 제어기용 서브인덱스 1–4(Kp, Ki, Kd, 적분 제한), 속도 제어기용 서브인덱스 5–8.
SOMANET은 이를 어떻게 구현합니까?
SOMANET 드라이브에서는 계단식 위치 제어가 표준 제어 모드입니다. OBLAC Drives는 시스템 식별을 수행하고 두 계단 단계 모두에 대해 자동으로 최적화된 이득을 계산하는 자동 튜닝 기능을 제공합니다. 이후 이득은 수동으로 미세 조정할 수 있습니다.
캐스케이드 모드 외에도 위치 오차를 직접 토크 명령으로 변환하는 "단순 PID" 모드를 사용할 수 있습니다. 그러나 Synapticon은 생산 애플리케이션에 캐스케이드 모드를 권장합니다.
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