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표제지

목차

요지 8

약어 목록 15

제1장 서론 17

제1절 연구 배경 및 목표 17

제2절 연구 내용 및 구성 21

제2장 영구자석 동기전동기 일반 이론 및 회전자 영구자석 온도의 영향 23

제1절 PMSM의 구조 및 특징 23

제2절 PMSM의 수학적 모델링 29

제1항 PMSM의 3상 전압 방정식 29

제2항 벡터 제어를 위한 dq축 전압 방정식 33

제3절 PMSM 벡터 제어기법 46

제1항 전압 제한과 전류 제한 46

제2항 PMSM의 최대 출력 제어기법 53

제4절 PMSM의 회전자 영구자석 온도 상승에 따른 운전 특성 변화 64

제1항 영구자석의 온도에 따른 감자특성 64

제2항 PMSM의 벡터 제어 시 회전자 영구자석 온도에 의한 영향 69

제3장 온라인 파라미터 추정 79

제1절 파라미터 추정 모델 79

제1항 PMSM의 2상 동기좌표계 전압방정식 79

제2항 이산화된 PMSM 파라미터 추정 모델 84

제2절 영구자석 자속 추정 알고리즘 86

제1항 Steepest Descent 기법 86

제2항 영구자석 자속 추정기 87

제3절 dq축 인덕턴스 추정 알고리즘 91

제1항 Affine Projection 기법 91

제2항 인덕턴스 추정기 93

제4절 파라미터 추정기 간의 관계와 샘플링 주기의 선정 96

제1항 파라미터 추정기 간의 관계 96

제2항 샘플링 주기의 선정 98

제4장 시뮬레이션을 통한 파라미터 추정기 검증 101

제1절 시뮬레이션 모델링 101

제1항 IPMSM의 벡터 제어 시뮬레이션 모델 101

제2항 파라미터 추정기 모델 108

제2절 영구자석 자속 추정 시뮬레이션 결과 111

제3절 dq축 인덕턴스 추정 시뮬레이션 결과 113

제5장 파라미터 추정을 통한 토크 보상 제어기법 115

제1절 PMSM 토크 제어 115

제2절 제안하는 PMSM 토크 보상 제어기법 118

제6장 실험 결과 및 검토 121

제1절 실험 대상 IPMSM 및 실험 장치의 구성 121

제1항 실험 대상 750W급 IPMSM 121

제2항 실험 장치의 구성 124

제2절 회전자 온도에 따른 무부하 역기전력 측정 실험 및 검토 131

제3절 파라미터 추정 실험 135

제1항 영구자석 자속의 추정 135

제2항 dq축 인덕턴스의 추정 140

제4절 제안한 토크 보상 제어기법에 대한 검증 144

제7장 결론 154

참고문헌 156

ABSTRACT 163

표목차

표 2.1. 네오디뮴계열 영구자석의 온도계수 66

표 4.1. 구동 시뮬레이션을 위한 IPMSM의 사양 102

표 6.1. 실험대상 750W급 서보드라이브용 IPMSM의 사양 123

표 6.2. 측정된 무부하 역기전력으로부터 계산된 영구자석 자속 133

그림목차

그림 2.1. PMSM 4극 모델 25

그림 2.2. 3상 2극 IPMSM의 회로 모델 29

그림 2.3. 변환행렬 계수 k에 따른 좌표변환 결과 37

그림 2.4. dq축 동기좌표계에서의 IPMSM의 회로 모델 40

그림 2.5. IPMSM의 벡터도 43

그림 2.6. SPMSM의 벡터도 43

그림 2.7. 전압 변조기법에 따른 기본파 전압 이용률 48

그림 2.8. IPMSM의 전압 제한 타원과 전류 제한 원 52

그림 2.9. SPMSM의 전압 제한 원과 전류 제한 원 52

그림 2.10. IPMSM의 전류 당 최대토크 제어 시 전류궤적 55

그림 2.11. SPMSM의 전류 당 최대토크 제어 시 전류궤적 56

그림 2.12. IPMSM의 약자속 제어 시 전류궤적 59

그림 2.13. SPMSM의 약자속 제어 시 전류궤적 59

그림 2.14. IPMSM의 유기전압 당 최대토크 제어 시 전류궤적 62

그림 2.15. 네오디뮴계열 영구자석의 감자특성 곡선 64

그림 2.16. 네오디뮴계열 영구자석의 온도에 따른 감자특성 곡선 67

그림 2.17. 영구자석 온도에 따른 동작점의 변화 68

그림 2.18. IPMSM의 상온(실선) 및 고온(점선)에서의 MTPA 전류궤적과 등토크 곡선 70

그림 2.19. IPMSM의 상온(실선) 및 고온(점선)에서의 MTPA 전류궤적과 등토크 곡선의 확대도 72

그림 2.20. IPMSM의 상온(실선) 및 고온(점선)에서의 MTPA & FW 전류궤적과 전압제한 타원 74

그림 2.21. IPMSM의 상온(실선) 및 고온(점선)에서의 MTPA & FW 전류궤적과 전압제한 타원의 확대도 75

그림 2.22. PMSM의 회전자 영구자석 온도에 따른 2차원 유한요소해석결과 77

그림 3.1. 샘플링 주기에 따른 파라미터 계수 항에 대한 근사 오차 83

그림 3.2. Affine projection 기법의 흐름도 92

그림 3.3. 파라미터 추정기 간의 연관 관계도 98

그림 4.1. Simulink로 구현된 IPMSM 모델 103

그림 4.2. Simulink로 구현된 공간벡터 PWM 모델 105

그림 4.3. Simulink로 구현된 전류 제어기 모델 106

그림 4.4. Simulink로 구현된 좌표변환 모델 107

그림 4.5. Excel®로 구현한 영구자석 자속 추정기 109

그림 4.6. Excel®로 구현한 dq축 인덕턴스 추정기 110

그림 4.7. 시뮬레이션을 통해 추정된 영구자석 자속 112

그림 4.8. 시뮬레이션을 통해 추정된 영구자석 자속의 추정 오차 112

그림 4.9. 시뮬레이션을 통해 추정된 dq축 인덕턴스 114

그림 4.10. 시뮬레이션을 통해 추정된 dq축 인덕턴스의 추정 오차 114

그림 5.1. PMSM 제어기의 일반적인 구성 115

그림 5.2. 본 논문에서 제안하는 토크 제어기법 120

그림 6.1. 실험대상 IPMSM의 단면도 122

그림 6.2. 실험대상 IPMSM 122

그림 6.3. 실험 장치 125

그림 6.4. 다이나모 시스템 125

그림 6.5. PMSM 구동용 제어시스템의 구성 126

그림 6.6. TMS320F28335DSP를 기반으로 한 제어보드 126

그림 6.7. 회전자 온도 변화에 대한 무부하 역기전력의 측정 132

그림 6.8. 회전자 온도별 1000RPM에서의 무부하 역기전력 파형 133

그림 6.9. 실험을 통한 자속 추정기의 추정 결과 파형 135

그림 6.10. d축 인덕턴스의 값에 대한 영구자석 자속 추정값의 변화 137

그림 6.11. 전기자 전류 크기에 대한 영구자석 자속 추정값의 변화 138

그림 6.12. 전기자 전류 크기와 위상에 대한 영구자석 자속 추정값의 변화 139

그림 6.13. 실험을 통한 인덕턴스의 추정 결과 파형 141

그림 6.14. 전기자 전류 크기와 위상에 따른 인덕턴스 추정값의 변화 142

그림 6.15. 상온 영역에서의 토크 제어 특성 및 전류 파형 146

그림 6.16. 토크 궤환값을 절환하는 스위치를 포함한 토크 제어기 147

그림 6.17. 중온 영역에서의 토크 제어 특성 및 전류 파형 148

그림 6.18. 고온 영역에서의 토크 제어 특성 및 전류 파형 150

그림 6.19. 중온 영역과 고온 영역에서의 토크 제어 시 전류 궤적 152

그림 6.20. 그림 6.19의 (1)구간에 대한 전류 궤적의 확대 152

그림 6.21. 그림 6.19의 (2)구간의 전류 궤적 확대 153

초록보기

 본 논문은 영구자석 동기전동기(PMSM)의 회전자 영구자석 온도 변화에 따른 전동기 제어특성 변화에 대응하기 위해 온라인 파라미터 추정기법을 이용한 토크 보상 제어방법에 대한 연구이다.

영구자석 동기전동기는 고효율 운전 및 고출력 밀도 특성을 갖고 있어 차량용 전동기로 많이 이용되고 있다. 영구자석 동기전동기가 차량이라는 응용분야에 적합하도록 고토크화, 고속화 및 소형화 등의 발전 방향을 지향하면서 전동기 내에서 발생되는 열에 의한 문제가 보고되고 있다. 지속적인 피드백이 가능한 고정자 온도에 비해 측정불가한 회전자 온도에 의한 영향은 특히 영구자석 동기전동기의 제어 시 고려하기가 쉽지 않다.

본 논문에서는 영구자석 동기전동기 내에서 발생된 열에 의해 회전자 온도가 변화함에 따라 영구자석 동기전동기의 출력 특성이 저하되는 것을 보상하는 토크 제어기법을 목표로 하였다. 영구자석 동기전동기의 일반 이론 및 제어기법을 정리하였으며, 회전자 온도변화에 따른 영구자석 특성 변화의 영향을 고찰하고, 이를 통해 회전자 온도의 변화를 전동기 제어 시 반영하기 위해 전동기 파라미터에 대한 추정이 필요함을 밝혔다. 전동기 파라미터를 온라인 추정하기 위한 기법을 제시하였으며 파라미터 추정기 간의 연관관계를 고려해 추정 성능에 대한 신뢰도를 높였다. 파라미터 추정기의 성능은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며 추정된 파라미터 정보를 활용하여 회전자 온도 변화를 반영하는 영구자석 동기전동기의 최대 출력 제어에 기반을 둔 토크 보상 제어기법을 제안하였다.

제안된 영구자석 동기전동기의 토크 보상 제어기법에 대해 750W 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)의 다이나모 세트에서의 실험을 통해 타당성을 검증하였으며, 실험 대상 전동기의 회전자 온도를 외부에서 강제적으로 상승시켜 가며 회전자 온도를 변화시켰을 때, 전동기의 특성이 제안된 토크 제어기법을 통해 보상됨을 확인하였다.

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