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표제지

목차

국문요약 9

I. 서론 11

1.1. 연구배경 및 필요성 11

1.2. 연구 목적 12

1.3. 논문의 구성 13

II. 과변조 14

2.1. 과변조의 정의 14

2.2. 과변조 영역에서의 문제점 및 적절한 과변조 기법의 필요성 16

III. 기존 과변조 기법 17

3.1. 동일 위상 과변조 기법(MPEPM) 17

3.2. 최소 거리 과변조 기법(MMEPM) 19

3.3. Bolognani 과변조 기법 20

3.4. 전압 피드백 보상 과변조 기법 27

IV. 보상 이득 가변 기법을 적용한 전압 피드백 보상 과변조 기법 33

4.1. 보상 이득 가변 필요성 33

4.2. 지령 전압 변조 지수와 보상 이득의 관계 37

4.3. 보상 이득 가변 기법 45

4.3.1. 실험적 데이터 기반 보상 이득 가변 전략 45

4.3.2. Off-line 상에서 새로운 보상 이득 추정 및 가변 전략 47

V. 알고리즘 검증 실험 및 결과 58

5.1. 실험 조건 및 환경 58

5.2. IPMSM 기반 보상 이득 가변 전략을 적용한 보상 과변조 기법 60

5.2.1. 보상 이득 가변 전략 검증 실험 60

5.2.2. 보상 이득 고정 및 가변 시 과변조 영역 제어 성능 비교 65

5.2.3. Bolognani 기법과 보상 이득 가변 시 과변조 영역 제어 성능 비교 67

VI. 결론 75

참고 문헌 77

Abstract 79

표목차

표 4.1. 과변조 기법에 따른 상전압 상전류 THD 분석 결과 56

표 5.1. 8kW급 HSG Motor 파라미터 58

표 5.2. 과변조 기법에 따른 상전압, 상전류 THD 분석 결과 64

표 5.3. 입력 전압 변조 지수에 따른 출력 전압 변조 지수 비교 66

표 5.4. 과변조 기법에 따른 상전압, 상전류 THD 분석 결과 73

그림목차

그림 2.1. 과변조의 정의 14

그림 2.2. PWM 변조 방식에 따른 과변조 영역 15

그림 3.1. 동일 위상 과변조 기법 17

그림 3.2. 최소 거리 과변조 기법 19

그림 3.3. Bolognani 과변조 기법 21

그림 3.4. 전압 변조 지수에 따른 변조되는 전압 벡터 22

그림 3.5. 지령 전압 벡터의 크기에 따른 위상각(α)의 변화 23

그림 3.6. 지령 전압 벡터 위상에 따라 변조되는 전압 벡터 23

그림 3.7. Bolognani 과변조 기법 지령 전압 벡터 변조 영역 24

그림 3.8. Bolognani 과변조 기법을 적용한 출력 상전압 파형의 변화 25

그림 3.9. 선형 영역 M＝0.88 상전압, 극전압 파형 26

그림 3.10. 과변조 영역 M＝0.95 상전압, 극전압 파형 26

그림 3.11. Six-Step 운전 영역 M＝1 상전압, 극전압 파형 26

그림 3.12. 전압 피드백 보상 과변조 기법 블록도 27

그림 3.13. 전압 피드백 보상 과변조 기법의... 30

그림 3.14. 보상 기법 적용 시 최종 출력 전압 벡터 31

그림 3.15. 지령 전압 변조 지수 M＝0.95 보상 기법 적용 조건에 따른 출력 상전압 31

그림 3.16. 지령 전압 변조 지수 M＝0.98 보상 기법 적용 조건에 따른 출력 상전압 32

그림 4.1. 지령 전압(VM*)의 전압 변조 지수에 따라 필요한 보상 성분의 크기[이미지참조] 34

그림 4.2. 보상 이득 고정 시 과변조 영역에서의 선형성 35

그림 4.3. 보상 이득 가변 시 과변조 영역에서의 선형성 35

그림 4.4. 보상 이득 고정 및 가변 조건 전압 이득 비교 36

그림 4.5. 과변조 영역의 지령 전압 37

그림 4.6. 지령 전압 벡터와 최소 거리... 38

그림 4.7. Vds, Vqs 축의 좌표 평면상의 직선 방정식 및 교점[이미지참조] 39

그림 4.8. 보상된 전압 벡터와 최소 거리... 42

그림 4.9. 지령 전압 변조 지수에 따른 보상 이득 그래프 44

그림 4.10. 보상 이득 일정 상수로 고정 조건에서... 45

그림 4.11. 실험적 기반 보상 이득 가변 전략 블록도 46

그림 4.12. 실험적 기반 추세선을 이용한 지령 전압... 46

그림 4.13. 가상의 과변조 모델링 블록도 48

그림 4.14. Sector 1 동안의 지령 전압의 크기와 출력 전압의 평균 크기 비교 48

그림 4.15. 과변조 모델링을 이용한 지령 전압 및... 49

그림 4.16. 출력 전압 벡터 크기 검출 49

그림 4.17. Vdc＝100V 기준 보상 이득 Table[이미지참조] 50

그림 4.18. 보상 이득 가변 전략을 적용한 Simulink model 51

그림 4.19. 보상 이득 가변 테이블을 적용한 지령 전압... 52

그림 4.20. 전압 변조 지수 M＝0.94 상전압, 상전류 파형 53

그림 4.21. 전압 변조 지수 M＝0.94 상전압 파형 FFT 분석 53

그림 4.22. 전압 변조 지수 M＝0.94 상전류 파형 FFT 분석 53

그림 4.23. 전압 변조 지수 M＝0.96 상전압, 상전류 파형 54

그림 4.24. 전압 변조 지수 M＝0.96 상전압 파형 FFT 분석 54

그림 4.25. 전압 변조 지수 M＝0.96 상전류 파형 FFT 분석 54

그림 4.26. 전압 변조 지수 M＝0.98 상전압, 상전류 파형 55

그림 4.27. 전압 변조 지수 M＝0.98 상전압 파형 FFT 분석 55

그림 4.28. 전압 변조 지수 M＝0.98 상전류 파형 FFT 분석 55

그림 5.1. 8kW급 HSG Motor 59

그림 5.2. 부하 다이나모 시스템 실험 환경 59

그림 5.3. Vdc＝50V 실험에서 적용한 보상 이득 가변 Table[이미지참조] 60

그림 5.4. 과변조 기법에 따른 전압 이득 그래프 61

그림 5.5. 과변조 기법에 따른 속도-토크 특성 비교 62

그림 5.6. 과변조 기법에 따른 상전압 파형 FFT 분석 결과 63

그림 5.7. 과변조 기법에 따른 상전류 파형 FFT 분석 결과 63

그림 5.8. 보상 이득 고정 및 가변 시 전압 이득 그래프 65

그림 5.9. 보상 이득 고정 및 가변 시 속도-토크 특성 비교 65

그림 5.10. 보상 이득 가변과 Bolognani 과변조 기법의... 67

그림 5.11. 보상 이득 가변과 Bolognani 과변조 기법의... 68

그림 5.12. Bolognani 기법 상전류 파형... 69

그림 5.13. 보상 이득 가변 상전류 파형... 69

그림 5.14. 전압 변조 지수 M＝0.89 상전압 파형 FFT 분석 결과 69

그림 5.15. 전압 변조 지수 M＝0.89 상전류 파형 FFT 분석 결과 69

그림 5.16. Bolognani 기법 상전류 파형... 70

그림 5.17. 보상 이득 가변 상전류 파형... 70

그림 5.18. 전압 변조 지수 M＝0.92 상전압 파형 FFT 분석 결과 70

그림 5.19. 전압 변조 지수 M＝0.92 상전류 파형 FFT 분석 결과 70

그림 5.20. Bolognani 기법 상전류 파형... 71

그림 5.21. 보상 이록 가변 상전류 파형... 71

그림 5.22. 전압 변조 지수 M＝0.95 상전압 파형 FFT 분석 결과 71

그림 5.23. 전압 변조 지수 M＝0.95 상전류 파형 FFT 분석 결과 71

그림 5.24. Bolognani 기법 상전류 파형... 72

그림 5.25. 보상 이득 가변 상전류 파형... 72

그림 5.26. 전압 변조 지수 M＝0.98 상전압 파형 FFT 분석 결과 72

그림 5.27. 전압 변조 지수 M＝0.98 상전류 파형 FFT 분석 결과 72

그림 5.28. 상전압 THD 결과 비교 그래프 73

그림 5.29. 상전류 THD 결과 비교 그래프 73

초록보기

차세대 자동차에 사용되는 전동기는 소형화, 경량화, 원가절감을 위해 저비용으로 주행 가능 거리를 늘리기 위해 고효율화가 필수적이다. 특히, 모빌리티와 같은 차세대 이동 수단인 초소형 자동차에는 작은 부피에도 큰 효율을 낼 수 있는 전동기를 필요로 한다. 이에 적합한 전동기로 영구 자석 동기 전동기(PMSM)을 꼽을 수 있다. 영구 자석 동기 전동기는 손실이 적으므로 발열이 억제되며 전동기의 방열 면적과 열용량을 작게 할 수 있어 유도 전동기(Induction Motor)보다 소형화, 경량화가 가능하다. 또한, 영구 자석 동기 전동기는 회전자에 영구 자석을 내장하고 있어 회전자 측에는 전류가 흐르지 않아서 이러한 손실이 없으므로 효율이 높다. 따라서 대부분의 자동차 산업에서는 영구 자석 동기 전동기를 채택하고 있다.

소형화된 전동기는 작은 부피에서 높은 출력을 내기 위해 과변조 제어를 통한 전압 이용률을 높이는 전략이 요구된다. 과변조 제어는 배터리 전압의 한계를 극복할 수 있기 때문에 용이하고 인버터가 선형적으로 전압을 출력할 수 있는 범위를 벗어난 영역에서 적절한 과변조 기법을 통해 제어가 이루어짐으로써, 인버터의 전압 이용률을 높일 수 있어 큰 출력을 낼 수 있다. 하지만 기존 과변조 기법들에는 적용되는 기법에 따라 과변조 영역에서의 낮은 선형성을 보이거나 많은 고조파 및 THD 성분으로 인한 시스템의 제어 성능 및 효율성 문제 등 여러 한계점이 있다. 따라서 이를 개선할 수 있는 과변조 영역에서의 새로운 제어 기법에 관한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 첫 번째로, 과변조 영역에서 고조파 및 THD를 낮출 수 있는 과변조 기법을 설명한다. 과변조 영역에서는 전압 변조 지수가 높아질수록 고조파 성분 및 THD의 수치가 높아져서 전동기 시스템에서의 효율성이 떨어진다. 이를 보완할 수 있는 과변조 기법에 관해 설명한다.

두 번째로, 과변조 영역에서 출력 향상을 위한 새로운 대안을 제안한다. 본 논문에서 설명하는 과변조 기법에서 새로운 대안을 적용하여 실험을 통해 검증한다. 과변조 영역에서 인버터의 전압 이득(입력 전압에 대한 출력 전압의 비)을 1로 유지 시킴으로써 출력 향상을 위한 높은 선형성을 확보할 수 있다.

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