표제지

목차

기호 및 약어 15

논문요약 18

1. 서론 20

1.1. 영구자석 동기 전동기 구동 시스템 20

1.2. 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 22

1) 가격 측면 22

2) 부피 측면 23

3) 하드웨어 구성의 복잡성 측면 23

4) 신뢰성 측면 23

1.3. 연구의 목적 및 내용 24

1) 영구자석 동기 전동기의 제정수 변동에 대해 대응이 가능하고 정확한 회전자 위치 추정을 위한 자속 관측기 제안 25

2) 추정 회전자 좌표계 (estimated rotor coordinates)에서 전향 보상을 기반으로 한 관측기 설계 방법 제시 25

3) 실제 시스템에서 제안하는 관측기의 추정 성능 향상을 위한 보상 방법 제시 26

1.4. 논문의 구성 26

2. 기존 연구사례 분석 28

2.1. 전동기의 수학적 모델을 이용하는 방법 28

2.2. 상태 관측기를 이용하는 방법 31

2.2.1. 상태 관측기 이론 31

2.2.2. 역기전력 관측기 34

2.2.3. 자속 관측기 38

3. 제안하는 자속 관측기 기반 센서리스 제어 방법 56

3.1. 추정 회전자 좌표계에서의 전향 보상 기반 자속 관측기 56

3.1.1. 추정 회전자 좌표계에서 영구자석 동기 전동기 모델링 56

3.1.2. 자속 관측기의 상태 변수 선정 60

3.1.3. 상호 간섭 성분 제거를 위한 전향 보상 67

3.1.4. 회전자 자속 관측기의 구조 변형 72

3.2. 회전자 회전 속도 및 위치 추정 77

3.2.1. 회전자 회전 속도 및 위치 추정 방법 77

3.2.2. 속도 적응형 자속 관측기 80

3.3. 자속 관측기 설계 및 구현 방법 83

3.3.1. 고정자 자속 관측기 설계 방법 84

3.3.2. 회전자 자속 관측기 설계 방법 87

3.3.3. 알고리즘 구현 방법 89

3.4. 주파수 응답 특성 분석 95

3.4.1. Nyquist 선도를 이용한 안정도 분석 95

3.4.2. Bode 선도를 이용한 주파수 응답 특성 분석 106

4. 제안하는 자속 관측기의 성능 향상을 위한 응용 방법 112

4.1. 실제적인 문제점 112

4.1.1. 인버터의 비선형적인 특성으로 인한 출력 전압 왜곡 문제 113

4.1.2. 전류 측정 오차로 인한 문제 125

4.1.3. 디지털 제어기 사용으로 인한 샘플링 지연 문제 136

4.2. 보상 방법 140

4.2.1. 출력 전압 왜곡 보상 140

4.2.2. 전류 측정 오차 보상 142

4.2.3. 디지털 제어기의 샘플링 지연 보상 148

5. 시뮬레이션 결과 157

5.1. 시뮬레이션 구성 157

5.2. 자속 관측기 시스템 설계 예시 166

5.2.1. PI 전류 제어기 설계 166

5.2.2. 자속 관측기 설계 168

5.2.3. 위치 추정기 설계 172

5.3. 시뮬레이션 결과 176

5.3.1. 고정자 자속 및 회전자 자속 추정 성능 검증 176

5.3.2. 회전자 위치 추정 및 센서리스 제어 성능 검증 178

5.3.3. 자속 추정 속도 정량적 분석 180

5.3.4. 전류 측정 오차에 대한 추정 성능 분석 182

6. 실험 결과 195

6.1. 실험 장치의 구성 195

6.1.1. 인버터 197

6.1.2. 제어부 197

6.1.3. M-G 세트 200

6.2. 실험 결과 202

6.2.1. 고정자 및 회전자 자속 추정 실험 결과 203

6.2.2. 센서리스 벡터 제어 실험 결과 216

6.2.3. 인버터 비선형성 보상 실험 결과 229

6.2.4. 정량적 분석 249

7. 결론 254

참고문헌 256

부록 265

〈부록 A〉 고정자 자속 관측기의 특성 방정식 (식 (3-49)) 유도 265

〈부록 B〉 고정자 자속 관측기의 전달 함수 행렬 (식 (3-69)) 유도 270

〈부록 C〉 Nyquist 선도를 이용한 안정도 판별 273

〈부록 D〉 Bode 선도를 이용한 주파수 응답 특성 분석 278

〈부록 E〉 공간 벡터 전압 변조 기법 (Space Vector PWM) 287

ABSTRACT 291

표 2-1. 적분기, LPF, SOGI, TOGI의 주요 성능 비교 30

표 2-2. 상태 관측기를 이용한 영구자석 동기 전동기 센서리스 제어의 주요 특성 비교 55

표 3-1. 고정자 자속 관측기 구현 알고리즘 90

표 3-2. 회전자 자속 관측기 구현 알고리즘 92

표 3-3. 회전자 회전 속도 및 위치 추정 알고리즘 93

표 3-4. 전향 보상 구현 알고리즘 94

표 4-1. 전류 측정 회로의 DC 오프셋 측정 알고리즘 146

표 5-1. 주요 시뮬레이션 파라미터 158

표 5-2. 주요 설계 파라미터 174

표 6-1. DSP TMS320F28335 주요 기능 198

표 6-2. 고정자 전류 크기에 따른 MTPA 전류 동작점 및 고정자 자속 크기 202

표 6-3. 고정자 및 회전자 자속 추정 실험 결과 리스트 203

표 6-4. 센서리스 벡터 제어 실험 결과 리스트 216

표 6-5. 인버터 비선형성 보상 실험 결과 리스트 229

표 6-6. 정량적 분석 내용 리스트 249

표 6-7. 디지털 제어기의 제어 알고리즘 구현에 따른 연산 시간 측정값 250

그림 1-1. 영구자석 동기 전동기의 분류 21

그림 1-2. 영구자석 동기 전동기의 자속 성분 전류와 토크 성분 전류 22

그림 2-1. 관측기를 이용한 상태 피드백 제어 및 관측기 내부 구조 32

그림 2-2. 추정 회전자 좌표계 상 확장 역기전력 추정을 위한 관측기 37

그림 2-3. 정지 좌표계 및 추정 회전자 좌표계를 모두 사용한 자속 관측기 40

그림 2-4. 추정 회전자 좌표계 상 적응형 자속 관측기 42

그림 2-5. 추정 회전자 좌표계 상 축소 차수 자속 관측기 45

그림 2-6. 추정 회전자 좌표계 상 D-module을 이용한 회전자 자속 관측기 48

그림 2-7. Inversed D-module의 구현 49

그림 2-8. 정지 좌표계 상 회전자 자속 관측기 50

그림 2-9. 자속 관측기를 구현하는 좌표계에 따른 센서리스 제어 구조 비교 51

그림 2-10. Bobtsov 알고리즘 기반의 회전자 자속 관측기 53

그림 3-1. 고정자 전체 자속 및 회전자 자속 기반의 관측기 구조 62

그림 3-2. 고정자 전체 자속 및 고정자 자속 기반의 관측기 구조 64

그림 3-3. 고정자 자속 및 회전자 자속 기반의 관측기 구조 66

그림 3-4. 전향 보상을 적용한 제안하는 자속 관측기 구조 70

그림 3-5. 간략화된 전향 보상을 적용한 제안하는 자속 관측기 구조 71

그림 3-6. 회전자 자속 관측기 입력을 변형한 제안하는 자속 관측기 구조 75

그림 3-7. 회전자 자속 관측기의 등가 구성도 76

그림 3-8. 회전자 회전 속도 및 위치 추정을 위한 제어 블록도 78

그림 3-9. 회전자 회전 속도의 추정 오차 계산을 위한 제어 블록도 79

그림 3-10. 속도 추정 제어기를 결합한 제안하는 적응형 자속 관측기의 구조 81

그림 3-11. ω＝0 가정하에 속도 추정 제어기를 결합한 제안하는 적응형 자속 관측기의 구조[이미지참조] 82

그림 3-12. 전달 함수 행렬을 이용하여 나타낸 고정자 자속 관측기의 블록다이어그램 96

그림 3-13. θ＝0 rad일 때 고정자 자속 관측기의 Nyquist 선도[이미지참조] 99

그림 3-14. θ 증가에 따른 고정자 자속 관측기의 Nyquist 선도[이미지참조] 101

그림 3-15. θ＝0.1 rad에서 Ld 감소에 따른 고정자 자속 관측기 Nyquist 선도[이미지참조] 102

그림 3-16. θ＝0.1 rad에서 Ld 증가에 따른 고정자 자속 관측기 Nyquist 선도[이미지참조] 103

그림 3-17. θ＝0.1 rad에서 Lq 감소에 따른 고정자 자속 관측기 Nyquist 선도[이미지참조] 104

그림 3-18. θ＝0.1 rad에서 Lq 증가에 따른 고정자 자속 관측기 Nyquist 선도[이미지참조] 105

그림 3-19. θ 증가에 따른 고정자 자속 관측기의 Bode 선도[이미지참조] 107

그림 3-20. θ＝0.1 rad 에서 Ld 감소에 따른 고정자 자속 관측기 Bode 선도[이미지참조] 109

그림 3-21. θ＝0.1 rad에서 Lq 증가에 따른 고정자 자속 관측기 Bode 선도[이미지참조] 111

그림 4-1. 3상 2레벨 전압형 인버터 회로도 114

그림 4-2. 전압형 인버터의 a상 부하 전류 크기에 따른 데드 타임 극전압 파형 115

그림 4-3. 전동기 구동 시스템의 전류 측정 과정 125

그림 4-4. 1차 저역 통과 필터의 회로도 및 주파수 응답 특성 134

그림 4-5. MATLAB/Simulink를 이용하여 나타낸 인버터의 실제 부하 상전류와 1차 저역 통과 필터를 거친 측정 전류의 비교 136

그림 4-6. 디지털 제어기에서 대칭 SVPWM 수행 시 제어 신호 처리 과정 139

그림 4-7. 실제 전동기 구동 시스템 제어 보드의 ADC 회로 구성 144

그림 4-8. 인버터 전류 센싱 및 DSP 데이터 값 처리 과정 145

그림 4-9. 전류 측정 회로의 시지연 보상을 위한 전류 측정 시점 지연 147

그림 4-10. 디지털 제어기의 샘플링 지연을 고려한 인버터의 전류 예측 및 데드 타임 전압 왜곡 보상 블록도 149

그림 4-11. 인버터의 데드 타임 전압 왜곡 보상을 위한 제어 알고리즘 150

그림 4-12. 데드 타임 전압 왜곡 보상을 위한 스위치 턴-오프 전류 예측 152

그림 4-13. 연산량 부담을 고려한 스위치 턴-오프 전류 계산 과정 155

그림 5-1. 전압원 인버터 시뮬레이션 구성도 159

그림 5-2. 비선형 IPMSM 시뮬레이션 구성도 159

그림 5-3. 비선형 IPMSM의 dq축 고정자 전류 크기에 따른 Ld_Sat, Lq_Sat[이미지참조] 160

그림 5-4. 기계 부하 시스템 시뮬레이션 구성도 161

그림 5-5. 제안하는 고정자/회전자 자속 관측기 시뮬레이션 구성도 162

그림 5-6. 고정자/회전자 자속 관측기의 이득 조정 블록도 163

그림 5-7. 자속 관측기 상태 변수 기반 전향 보상 시뮬레이션 구성도 164

그림 5-8. 시뮬레이션 전체 구성도 165

그림 5-9. 회전자 위치 오차가 0일 경우 전류 제어 시스템 167

그림 5-10. 시뮬레이션 결과-1: 고정자 자속 및 회전자 자속 추정 성능 177

그림 5-11. 시뮬레이션 결과-2: 회전자 위치 추정 및 센서리스 벡터 제어 성능 (위에서부터 순서대로, ① 출력 토크, 지령 토크, ② γ축 측정 회전자 자속,... 179

그림 5-12. 시뮬레이션 결과-3: 고정자 자속 및 회전자 자속 추정 속도의 정량적 분석 181

그림 5-13. 시뮬레이션 결과-4: 양의 DC 오프셋 전류 (+1.5 A)에서 자속 추정 및 센서리스 제어 성능 184

그림 5-14. 시뮬레이션 결과-5: 음의 DC 오프셋 전류 (-1.5 A)에서 자속 추정 및 센서리스 제어 성능 186

그림 5-15. 시뮬레이션 결과-6: 양의 Scaling 오차 (+10 %)에서 자속 추정 및 센서리스 제어 성능 189

그림 5-16. 시뮬레이션 결과-7: 음의 Scaling 오차 (-10 %)에서 자속 추정 및 센서리스 제어 성능 191

그림 5-17. 시뮬레이션 결과-8: 고정자 인덕턴스 포화가 고려된 경우 자속 추정 및 센서리스 제어 성능 194

그림 6-1. 제안하는 자속 관측기 및 센서리스 제어의 성능 검증을 위한 실험 장치의 구성도 196

그림 6-2. 게이트 드라이버 보드 사진 197

그림 6-3. 실험을 위한 제어부의 상세 구성도 200

그림 6-4. 실험 장치의 사진 201

그림 6-5. 실험 결과-1: 20 A의 지령 전류 상황에서 고정자 자속의 정상상태 추정 성능 204

그림 6-6. 실험 결과-2: 20 A의 Step-up, down 지령 전류 인가 시 고정자 자속의 과도상태 추정 성능 206

그림 6-7. 실험 결과-3: 20 A의 Step-up, down 지령 전류 인가 시 회전자 자속의 과도상태 추정 성능 209

그림 6-8. 실험 결과-4: 5 A의 Step-up, down 지령 전류를 단계적으로 인가할 경우 회전자 자속 추정 성능 210

그림 6-9. 실험 결과-5: 20 A의 Step-up, down 지령 전류 인가 시 회전자 자속 추정 오차 결과 213

그림 6-10. 실험 결과-6: 20 A의 Step-up, down 지령 전류 인가 시 전향 보상 전의 지령 전압 및 전향 보상 전압 결과 215

그림 6-11. 실험 결과-7: 센서리스 제어 전환 시 회전자 위치 추정 성능 218

그림 6-12. 실험 결과-8: 센서리스 제어 전환 시 회전자 회전 속도 추정 성능 219

그림 6-13. 실험 결과-9: 센서리스 제어 전환 시 회전자 위치 추정 오차 결과 221

그림 6-14. 실험 결과-10: 과도상태에서 센서리스 벡터 제어 성능-1 224

그림 6-15. 실험 결과-11: 과도상태에서 센서리스 벡터 제어 성능-2 226

그림 6-16. 실험 결과-12: 과도상태에서 센서리스 벡터 제어 성능-3 228

그림 6-17. 실험 결과-13: 샘플링 시퀀스 및 SVPWM 파형 검증 231

그림 6-18. 실험 결과-14: 비선형성 보상을 위한 전류 예측 성능 검증 232

그림 6-19. 실험 결과-15: 인버터 비선형성으로 인한 전압 왜곡 파형 233

그림 6-20. 실험 결과-16: 비선형성 보상 전/후 고정자 전류 파형 비교 236

그림 6-21. 실험 결과-17: 비선형성 보상 전/후 고정자 자속 추정 성능 비교 238

그림 6-22. 실험 결과-18: 비선형성 보상 전/후 회전자 자속 추정 성능 비교 240

그림 6-23. 실험 결과-19: 비선형성 보상 후 센서리스 제어 성능 검증-1 242

그림 6-24. 실험 결과-20: 비선형성 보상 후 센서리스 제어 성능 검증-2 243

그림 6-25. 실험 결과-21: 비선형성 보상 후 센서리스 제어 성능 검증-3 244

그림 6-26. 실험 결과-22: 180° → 90° 전류각 변동 시 센서리스 성능 검증 246

그림 6-27. 실험 결과-22: 90° → 180° 전류각 변동 시 센서리스 성능 검증 247

그림 6-28. 실험 결과-23: 전류각 변동 시 센서리스 성능 검증 248

그림 6-29. 실험 결과-24: 연산시간 계산 251

그림 6-30. 실험 결과-25: 비선형성 보상 방법 적용 여부에 따른 고정자 전류 THD 비교 252

그림 6-31. 실험 결과-26: 비선형성 보상 방법 적용 여부에 따른 추정 고정자 자속의 THD 비교 253

그림 6-32. 실험 결과-27: 비선형성 보상 방법 적용 여부에 따른 추정 회전자 자속의 THD 비교 253