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표제지

목차

국문 요약 10

제1장 서론 12

1.1. 연구 배경 및 목적 12

1.2. 논문의 구성 14

제2장 기존 PWM 기법을 통한 전동기 구동 15

2.1. 3상 인버터의 모델링 및 PWM 기법 15

2.1.1. 3상 인버터 모델링 15

2.1.2. PWM을 통한 전압 변조 기법 17

2.1.3. 기존 PWM을 통해 출력된 전압의 고조파 분석 22

2.2. 주파수 변조 지수가 낮은 조건에서 구동 특성 25

2.2.1. 비동기 PWM의 서브하모닉 현상 25

2.2.2. 선형 영역 구동 특성 27

2.2.3. 과변조 영역 구동 특성 30

제3장 제안하는 동기 PWM 기법 34

3.1. 동기 PWM 기법 34

3.1.1. 연속 변조 방식을 이용한 동기 PWM 35

3.1.2. 불연속 변조 방식을 이용한 동기 PWM 38

3.2. 옵셋 전압을 이용한 동기 전압 지령 생성 42

3.2.1. 기존 동기 전압 지령 생성 방법 42

3.2.2. 선형 영역 동기 전압 지령 생성 43

3.2.3. 과변조 영역 동기 전압 지령 생성 48

3.3. 가변 샘플링 주파수 시스템 55

3.3.1. 가변 샘플링 주파수 시스템 적용 동기 PWM 55

3.3.2. 샘플링 주기 계산 56

3.3.3. 동기 전압 및 샘플 위치각 지령 생성 59

3.3.4. 지령각 보정기 60

3.3.5. 전류 제어기 62

제4장 시뮬레이션 및 실험 결과 63

4.1. MATLAB/Simulink 시뮬레이션 결과 63

4.1.1. 스위칭 주파수 가변에 따른 제어 성능 시뮬레이션 66

4.1.2. 과변조 영역 제어 성능 시뮬레이션 70

4.1.3. 동기 PWM 6-Step 운전 시뮬레이션 71

4.2. 실험 구성 및 결과 74

4.2.1. 실험 구성 74

4.2.2. 실험 결과 76

제5장 결론 82

참고 문헌 84

Abstract 86

표목차

표 2.1. 스위칭 상태에 따른 상전압 및 공간 전압 벡터 20

표 2.2. 시뮬레이션에 사용된 IPMSM 파라미터 28

표 3.1. 섹터 I에서 HWS, QWS, 3PS를 만족하기 위한 스위칭 조건표 35

표 3.2. Space Vector Based Synchronized PWM Strategies (Continuous PWM) 36

표 3.3. Space Vector Based Synchronized PWM Strategies (DPWM) 41

표 3.4. Offset Voltage Synchronized PWM Strategies (DPWM) 47

표 3.5. 과변조 영역[Ns＝2]샘플 위치 및 전압 벡터 출력 위상각[이미지참조] 49

표 3.6. 과변조 영역[Ns＝3]샘플 위치 및 전압 벡터 출력 위상각[이미지참조] 52

표 4.1. 동기 PWM 및 주파수 변조 지수 별 PWM에 따른 THD 분석 결과 71

표 4.2. HSG용 IPMSM 파라미터 74

표 4.3. 과변조 영역[Ns＝5]샘플 위치 및 전압 벡터 출력 위상각[이미지참조] 77

표 4.4. 전압 변조 지수 별 상전류 THD 비교 81

그림목차

그림 2.1. 3상 인버터 회로의 구조 16

그림 2.2. 삼각파 비교 변조 방식 19

그림 2.3. 복소 평면에서 공간 전압 벡터 20

그림 2.4. 연속 변조 방식 스위칭 동작 21

그림 2.5. 더블 샘플링 싱글 샘플링 고조파 비교(mf＝9)[이미지참조] 24

그림 2.6. PWM 출력 펄스 폭(좌: mf 낮은 조건, 우: mf 높은 조건)[이미지참조] 26

그림 2.7. 선형 영역 제어 특성 (mf＝9.3)[이미지참조] 29

그림 2.8. 볼로냐니 과변조 31

그림 2.9. 과변조 영역 제어 특성 (mf＝9.375)[이미지참조] 33

그림 3.1. 섹터 내 지령 전압 벡터 위상각(Ns＝3)[이미지참조] 36

그림 3.2. 연속 변조 방식 동기 PWM 적용 시 상전압 파형(Ns＝3)[이미지참조] 37

그림 3.3. 60° DPWM 38

그림 3.4. -120° DWPM(좌), 120° DWPM(우) 39

그림 3.5. 60°(+30°) DWPM (좌), 60°(-30°)DWPM(우) 39

그림 3.6. 30° DPWM 40

그림 3.7. 불연속 변조 방식 동기 PWM 적용 시 상전압 파형(Ns＝3)[이미지참조] 41

그림 3.8. 옵셋 전압을 이용한 연속 변조 방식 45

그림 3.9. 옵셋 전압을 이용한 불연속 변조 방식 47

그림 3.10. θhold 따른 출력 위상각 및 샘플각(좌:θhold 〈 α₁, 우:θhold ≥ α₁)[이미지참조] 49

그림 3.11. 과변조 [Ns＝2]: 극전압 지령 및 스위칭 함수에 따른 상전압[이미지참조] 51

그림 3.12. θhold 따른 출력 위상각 및 샘플각(좌: θhold 〈 α₂, 우: θhold ≥ α₂)[이미지참조] 53

그림 3.13. 과변조 [Ns＝3]:극전압 지령 및 스위칭 함수에 따른 상전압[이미지참조] 54

그림 3.14. 동기 PWM 전체 제어 블록도 55

그림 3.15. 가변 샘플링 주파수 시스템 트리거 56

그림 3.16. 회전자각과 전압 벡터 위상각 관계도 57

그림 3.17. Sampling Time Calculation Block 58

그림 3.18. 동기 전압 및 샘플 지점 지령 생성기 60

그림 3.19. 지령각 보정기 구조 61

그림 4.1. MATLAB/Simulink 기반 시뮬레이션 전체 시스템 64

그림 4.2. MATLAB/Simulink 기반 DSP 블록도 65

그림 4.3. 속도 가변에 따른 스위칭 주파수 가변 시뮬레이션 결과 66

그림 4.4. 지령 전압 벡터 궤적 (좌: 선형 영역(속도가변), 우: 과변조 영역) 67

그림 4.5. 선형 영역 정상상태 확대 파형 (1) 68

그림 4.6. 과변조 영역 정상상태 확대 파형 (2) 69

그림 4.7. 상전류 FFT 분석 70

그림 4.8. 선간전압 FFT 분석 70

그림 4.9. 6-Step 영역 정상 상태 파형 72

그림 4.10. 6-Step 운전영역 지령 전압 벡터 궤적 73

그림 4.11. 기존 SVPWM d, q 전류 제어 성능 (상: mf＝9.375, 하: mf＝9)[이미지참조] 73

그림 4.12. 실험 환경 구성 및 장비 75

그림 4.13. 동기 PWM 선형영역 상전류 및 극전압 지령 파형 76

그림 4.14. 동기 PWM 과변조 영역(mv＝1.19)상전류 및 극전압 지령 파형[이미지참조] 77

그림 4.15. 동기 PWM 과변조 영역(mv＝1.24)상전류 및 극전압 지령 파형[이미지참조] 77

그림 4.16. 과변조 영역 샘플 위치각, 출력 벡터 위상각, 샘플링 주기 파형 78

그림 4.17. SVPWM 과변조 영역(mv＝1.19) 상전류 및 극전압 지령 파형[이미지참조] 79

그림 4.18. SVPWM 과변조 영역(mv＝1.24) 상전류 및 극전압 지령 파형[이미지참조] 79

그림 4.19. 전압 변조 지수 mv＝1.19 상전류 FFT 분석 결과[이미지참조] 81

그림 4.20. 전압 변조 지수 mv＝1.24 상전류 FFT 분석 결과[이미지참조] 81

초록보기

 영구자석 동기 전동기(PMSM)는 영구자석을 사용하여 효율이 좋고 출력 밀도가 높아 유도 전동기나 직류 전동기에 비해 소형화가 유리하고 여러 성능이 우수하다. 따라서 최근 고성능 전동기 구동 시스템, 특히 운송 분야에서 트랙션 전동기로 많이 사용되고 있다. 소형 고출력의 트랙션 전동기의 설계를 위해서는 구동 속도를 증가시켜야 한다. 하지만 전력 변환 시스템 스위칭 소자의 스위칭 주파수는 제한적이므로 구동 속도를 증가시키면 출력 전압의 기본파 주파수 대비 스위칭 주파수 비율, 즉 주파수 변조 지수가 낮아지게 된다. 기존의 고정된 스위칭 주파수로 PWM을 사용하면 주파수 변조 지수가 낮아질수록 지령 전압이 현저하게 비대칭으로 출력되고 이에 따라 출력 전압에 고조파 함유량이 증가한다. 따라서 주파수 변조 지수가 낮은 조건에서도 지령 전압을 대칭적으로 출력하여 고조파 및 THD(Total Harmonic Distortion)를 낮출 수 있는 기법에 대한 연구가 필요하다. 또한 최근 배터리 전압의 한계를 극복하여 출력을 높이기 위해 과변조 제어 기법을 많이 사용한다. 과변조 제어는 선형적으로 출력 가능한 범위를 벗어난 전압 지령과 동일한 또는 근접한 전압을 출력할 수 있어 인버터의 전압 이용률을 높일 수 있다. 하지만 과변조 영역에서는 저차 고조파의 함유량이 증가하므로 주파수 변조 지수가 낮아질수록 선형 영역보다 고조파 함유량이 현저하게 증가한다. 따라서 구동 모터의 운전 전 영역(선형영역, 과변조 영역, 6-Step 영역)에 대해 전압을 대칭적으로 출력할 수 있는 기법이 필요하다.

따라서 본 논문에서는 속도에 따라 단위 섹터당 샘플링 개수가 정수로 유지되도록 스위칭 주파수를 가변하고 전압 지령을 대칭적으로 출력할 수 있는 동기 PWM 방법을 제안한다. 제안하는 동기 PWM 방법은 변조 방식에 따라 옵셋 전압을 적절히 합성하여 지령 전압을 생성하여 오프라인 계산양이 없으며 구현 방법이 간단하다. 또한 과변조 영역에서 동기 지령 전압을 생성하는 방법을 제안하여 전 운전 영역에서 동기 PWM 방법을 통해 영구자석 동기 전동기를 구동 가능하다.

기존의 고정 스위칭 주파수로 SVPWM 기법을 통해 과변조 기법을 사용하여 전동기를 구동했을 때 제어 성능과 본 논문에서 제안하는 기법을 적용했을 때 제어 성능을 실험을 통해 FFT(Fast Fourier Transform) 분석을 하여 고조파 및 THD를 비교하여 검증한다. 제안하는 동기 PWM을 적용하여 기존 방법 대비 고조파 함유량을 감소시켰으며 과변조 영역의 높은 선형성을 확보하였다.

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