[논문]비정현적인 역기전력을 가진 매입형 영구자석 동기전동기의 토크리플 저감에 관한 연구

이상훈; 홍인표; 박성준; 김철우

비정현적인 역기전력을 가진 매입형 영구자석 동기전동기의 토크리플 저감에 관한 연구
Torque Ripple Minimization for IPMSM with Non Sinusoidal Back-EMF 원문보기

이상훈 (부산대 전기공학과) , 홍인표 (부산대 대학원 전기공학과) , 박성준 (부산대 대학원 지능기계공학과 박사과정, 동명대학) , 김철우 (부산대 전자전기정보 컴퓨터공학부)

본 논문에서는 매입형 영구자석 동기전동기의 전자기 토크의 맥동저감에 관하여 기술하였다. 일반적으로 토크 맥동은 전동기의 진동과 소음을 유발하는 중요한 원인이 된다. 제안된 방법에서는 비정현적인 역기전력을 가진 IPMSM에서 토크 맥동을 저감하기 위해 단위전류당 최대토크 제어를 할 수 있는 최적의 전류 형상을 고려하여 도출하였다. 그리고 이를 전동기에 인가했을 때 토크 맥동이 개선될 수 있음을 시뮬레이션과 실험을 통해서 입증하였다.

This paper deals with the ripple reduction of the electromagnetic torque developed in IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor). Generally, torque ripple is an important causes of vibration and noise of motor. For reducing torque ripple in IPM with nonsinusoidal EMF, the optimal current which is able to control maximum torque/ampere is considered to be introduced In the proposed method. The fact of torque ripple being reduced when the optimal current Is used in motor is verified through simulation and experiment.

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문제 정의

그러나 매입형의 경우에는 场, 福 성분의 간섭항 및 비간섭항이 존재하기 때문에 위와 같은 간단한 방법으 로는 원하는 전류파형을 찾아낼 수 없다. 그래서 본 연구에서는 맥동이 없는 토크를 내기 위한 전류를 구 하기 위해 위와는 다른 방법을 제안하여 최적전류를 찾고자 한다. 그림 6은 或, %가 일정한 경우에 대해 서만 나타내었지만 그림 8은 위치각。에 의해 가변되는 e么, 电를 적용한 경우가 된다
따라서 본 논문에서는 비정현적인 역기전력을 가진 IPMSM에서 토크 맥동을 저감하기 위해 단위전류당 최대토크 제어를 할 수 있는 최적의 전류 형상을 해석 하여 도출함으로써 이를 전동기에 인가 했을 때 토크 맥동이 개선될 수 있음을 시뮬레이션과 실험을 통해서 제시하였다.
본 연구에서는 BLDC 전동기의 토크 맥동을 최소화 하기 위해 역기전력 형상을 분석하고 단위 전류 당 최대 토크를 내면서 맥동 저감을 할 수 있는 최적의 상 전류를 도출하였다. 또한 이러한 상전류에 대해 실제 전동기의 샹전류가 양호한 추종성능을 가짐을 시뮬레 이션과 실험을 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

본 논문에 사용된 BLDC전동기는 역기전력이 비정 현적인 특성을 가진 매입형으로 회전자 표면의 기계적 구조는 대칭이나 자기적으로는 대칭적이지 못하다. 자 기적으로 볼 때 q축 자로와 달리 d축 자로는 자석을 통과하게 된다.
즉 토크는 역기전력과 전류와의 곱의 형태로 나타나기 때문에 역기전력이 가진 리플성분이 제거되지 못하고 실험 결과에서 알 수 있듯이 토크의 맥동 성분으로 나타 나게 된다. 본 연구에서 제안된 최적화 전류는 동기좌 표계 변환 시에서 일정 DC 레벨 외에 역기전력의 리 플 보상성분을 가지게 된다. 따라서 전동기에 최적화 전류 인가시 역기전력 리플성분으로 인해 나타난 토크 맥동이 저감됨을 실험결과를 통해 알 수 있었다.
위 시뮬레이션을 바탕으로 실제 시스템에서 이 알고 리즘을 적용시켜 보았다. 실험조건은 시뮬레이션을 했 을 때와 동일한 방법을 통해 이루어 졌고, DC Link단 전압은 100[V]로 하였고, 부하토크를 2[Nm]로 두고 전 동기의 지령속도는 30[ipm]으로 두었다. 고속의 경우 토크 맥동은 전동기의 역기전력에 의한 것보다 제어기 의 특성이 더 많은 영향을 미치게 되므로 이 실험은 고속보다는 저속에서 그 의미가 더 크게 되므로 30[rpm]에서 구동하였다.
그림 18은 정현적인 상전류를 전동기에 인가했을 때 출력토크 파형을 나타낸 것이며 그림 19는 최적의 상 전류를 인가했을 때 출력되는 토크를 나타낸 그림으로 엔코더로부터 위치정보를 참조하여 상태 관측기를 통하여 비교한 것이다. 역기전력 파형은 FFT변환을 통해 만든 역기전력 함수를 D/A를 통해 나타내보았고 토크 파형은 맥동 성분을 보다 정확히 관측하기 위해 AC레벨만을 나타내었다. 그림 18에서 토크리플은 전체 토크에 대해 10% 정도 발생하게 되나 그림 19에서 볼 때 전체 토크에 대해 5% 정로 감소했음을 볼 수 있다.
위 시뮬레이션을 바탕으로 실제 시스템에서 이 알고 리즘을 적용시켜 보았다. 실험조건은 시뮬레이션을 했 을 때와 동일한 방법을 통해 이루어 졌고, DC Link단 전압은 100[V]로 하였고, 부하토크를 2[Nm]로 두고 전 동기의 지령속도는 30[ipm]으로 두었다.
표 1에 나타난 파라메타 값과 상술한 역기전력의 맥 동성분을 전동기의 수식 모델링에 대입한 후 시뮬레이 션을 해 보았다. 토크 지령과 엔코더로부터 위치정보를 고려하여 최적의 전류파형을 형성하여 히스테리시 스 전류제어기의 지령 값으로 처리하도록 하는 알고리즘을 통해 실제 전류가 최적의 전류파형을 따라가도록 제어하게 된다.

성능/효과

본 연구에서 제안된 최적화 전류는 동기좌 표계 변환 시에서 일정 DC 레벨 외에 역기전력의 리 플 보상성분을 가지게 된다. 따라서 전동기에 최적화 전류 인가시 역기전력 리플성분으로 인해 나타난 토크 맥동이 저감됨을 실험결과를 통해 알 수 있었다.
그림 18에서 토크리플은 전체 토크에 대해 10% 정도 발생하게 되나 그림 19에서 볼 때 전체 토크에 대해 5% 정로 감소했음을 볼 수 있다. 즉 실험결과가 시뮬레이션을 통해 제시한 결과와 같이 제안한 최적전류는 토크의 맥동 성분이 양호 하게 개선될 수 있음을 알 수 있다.

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