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문제 정의
- 본 논문은 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 영구자석 동기전동기의 새로운 센서리스 제어를 제안한다. 제안된 관측기는 슬라이딩모드 이론을 적용하였기 때문에 관측기의 강인성 및 관측기 설계의 용이함을 얻을 수 있다.
가설 설정
- 또한 식 (1)을 보면 영구자석 동기전동기에서 시간에 따라 변동하는 변수로써 전압 전류 이외에 위치에 대한 삼각함수와 속도 항이 곱해져 있는 형태로 나타나는 역기전력 성분이 있음을 볼 수 있다. 따라서 전체 시스템은 비선형이 되기 때문에 선형화 시키고자 한 제어주기 내에서는 전동기의 속도가 거의 일정하다는 가정을 세운다.
제안 방법
- 잘 추정할 수 있음을 확인하였다. 또한 고속운전 뿐만 아니라 저속 그리고 가변속에 이르기까지 넓은 영역의 운전 특성을 확인하였다.
- 제안된 슬라이딩 모드 관측기가 안정할 수 있도록 하는 이득을 구하기 위해리아프노프 함수를 설정하고 이로부터 관측기의 이득을 설계하였다. 또한 기존의 슬라이딩모드 관측기와 달리 운동방정식을 사용하지 않기 때문에 영구자석 동기전동기의 속도를 추정하기 위한 추정식을 리아프노프 함수로부터 도출하였으며. 이와 동시에 고정자 서항에 대한 추정식은 도출하였다.
- 본 논문에서는 고정자 저항 추정기를 갖는 슬라이딩 모드 관측기를 제안하고 이를 영 구자석 동기전동기 의 속도 및 위치 센 없는 제어에 대해 적용하였으며, 이를 통한 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 논문에서는 영구자석 전동기의 센서리스 제어를 위해위해 영구자석 전동기와 인버터, 부하로 사용된 BLDCM, 그리고 제어기를 다음의 그림 2와 같이 구성하였다. 실험에 사용된 영구자석 전동기의 사양은 다음의 표 1과 같다.
- 실험은 비교를 위해 2.1 절에서 설명한 슬라이딩 모드 관측기와 제안된 적응 슬라이딩 모드 관측기에 대해서 행하였으며, 부하장치로는 BLDCM의 정지토오크를 이용하여 전동기 정격의 약 60% 부하가 전체 동작영역에서 일정량의 토오크로 인가되게 하였다.
- 또한 기존의 슬라이딩모드 관측기와 달리 운동방정식을 사용하지 않기 때문에 영구자석 동기전동기의 속도를 추정하기 위한 추정식을 리아프노프 함수로부터 도출하였으며. 이와 동시에 고정자 서항에 대한 추정식은 도출하였다. 제안된 관측기 는 고정 자 저 항 추정 식음 사용하여 고정 자 저항을 추정할 수 있으므로 속도 센서리스 운전중에 전동기의 고정자 저항이 변동하거나 초기에 서항값을 잘못 알고 있더라도 전동기의 속도를 추정할 수 있다.
- 제안된 관측기는 슬라이딩모드 이론을 적용하였기 때문에 관측기의 강인성 및 관측기 설계의 용이함을 얻을 수 있다. 제안된 슬라이딩 모드 관측기가 안정할 수 있도록 하는 이득을 구하기 위해리아프노프 함수를 설정하고 이로부터 관측기의 이득을 설계하였다. 또한 기존의 슬라이딩모드 관측기와 달리 운동방정식을 사용하지 않기 때문에 영구자석 동기전동기의 속도를 추정하기 위한 추정식을 리아프노프 함수로부터 도출하였으며.
대상 데이터
- 공간 전압벡터 변조법을 구현하기 위하여 전용 프로세서인 ADMC201 을 사용하였다. 게이트 구동회로 및 보호회로는 40kHz까지 구동 가능한 게이트 드라이버를 사용하였다. 전류제어기의 전류제어를 위하여 전동기에 흐르는 3상 실제 전류는 검출이 요구된다.
- 하드웨어를 간략화하기 위하여 인버터를 제외한 대부분의 알고리즘은 소프트웨어로 구성되었으며 소프트웨어는 고속, 고정도의 연산을 수행하기 위하여 DSP를 사용하였다. 본 논문에서 마이크로프로세서로 사용된 DSP소자는 고속, 고정도의 연산이 가능하며, 부동소수점 처리가 가능한 32비트 DSP인 TMS320C31 제어기를 사용하였다. 영구자석 전동기의 회전속도 측정을 위해 전동기에 부착되어진 4096ppr(pulse per round)의 정도를 갖는 인크리멘탈형 엔코더를 사용하였다.
- 인버터의 스위칭 소자는 IGBT 모듈을 사용하였으며 일반적인 3상 풀브릿지 형태를 취하는 전력 회로로 구성하였다. 영구자석 전동기의 부하로는 BLDCM을 사용하였으며 전동기는 최대 정지 토오크가 3.39[N・m]인 브레이크를 가지고 있다. 전동기의 축과 부하의 축은 커플러를 통하여 연결하였다.
- 본 논문에서 마이크로프로세서로 사용된 DSP소자는 고속, 고정도의 연산이 가능하며, 부동소수점 처리가 가능한 32비트 DSP인 TMS320C31 제어기를 사용하였다. 영구자석 전동기의 회전속도 측정을 위해 전동기에 부착되어진 4096ppr(pulse per round)의 정도를 갖는 인크리멘탈형 엔코더를 사용하였다. 엔코더에서 구한 전동기의 회전속도는 추정속도와 비교를 위한 실제속도로 제공되었다.
- 사용하였다. 인버터의 스위칭 소자는 IGBT 모듈을 사용하였으며 일반적인 3상 풀브릿지 형태를 취하는 전력 회로로 구성하였다. 영구자석 전동기의 부하로는 BLDCM을 사용하였으며 전동기는 최대 정지 토오크가 3.
데이터처리
- 엔코더에서 구한 전동기의 회전속도는 추정속도와 비교를 위한 실제속도로 제공되었다. 제안된 알고리즘의 성능 및 상태량은 DSP를 통해 D/A 변환기 에 입력되며, 이들의 값은 오실로스코프로 확인하였다.
이론/모형
- 또한 전동기를 구동하기 위한 전압형 인버터의 전압 변조법으로 공간 전압 벡터 변조법(SVPWM)를사용하였으면 전류제어 기 는 비 간섭 PI 전류제어 기를 사용하였다. 공간 전압벡터 변조법을 구현하기 위하여 전용 프로세서인 ADMC201 을 사용하였다. 게이트 구동회로 및 보호회로는 40kHz까지 구동 가능한 게이트 드라이버를 사용하였다.
- 전동기의 축과 부하의 축은 커플러를 통하여 연결하였다. 또한 전동기를 구동하기 위한 전압형 인버터의 전압 변조법으로 공간 전압 벡터 변조법(SVPWM)를사용하였으면 전류제어 기 는 비 간섭 PI 전류제어 기를 사용하였다. 공간 전압벡터 변조법을 구현하기 위하여 전용 프로세서인 ADMC201 을 사용하였다.
- 속도와 위치에 대한 추정식이 필요하다. 본 논문에서는 파라미터 변동에 강인한 전동기의 속도 및 고정자 저항을 추정하기 위하여 리아푸노프(Lyapunov) 함수를 이용한다.
성능/효과
- 1) 제안한 관측기 시스템은 정상상태 뿐만 아니라 속도가 급변하는 과도상태에서도 전동기의 속도 및 회전자의 위치를 잘 추정할 수 있음을 확인하였다. 또한 고속운전 뿐만 아니라 저속 그리고 가변속에 이르기까지 넓은 영역의 운전 특성을 확인하였다.
- 2) 고정자 저항 추정기는 고정자 저항값을 잘 추정함을 확인하였다.
- 3) 고정자 저항 추정기를 사용하여 고정자 저항을 추정하고, 전동기의 기계적 제 정수를 사용하지 않고 속도를 고정자 저항과 동시에 추정하기 때문데 고정자 저항 변동 시에도 속도를 잘 추정할 수 있음을 확인하였다. 따라서 제안된 알고리즘은 전동기 정수에 덜 민감함을 확인하였다.
- 잘 추정할 수 있음을 확인하였다. 따라서 제안된 알고리즘은 전동기 정수에 덜 민감함을 확인하였다.
- 제안된 관측기 는 고정 자 저 항 추정 식음 사용하여 고정 자 저항을 추정할 수 있으므로 속도 센서리스 운전중에 전동기의 고정자 저항이 변동하거나 초기에 서항값을 잘못 알고 있더라도 전동기의 속도를 추정할 수 있다. 따라서, 제안된 적응 슬라이딩 모드 관측기의 사용은 전동기의 제 정수에 강인한 속도 센서리스 시스템 구축을 가능하게 할 수 있다. 제안된 관측기의 타당성은 실험과 모의실험을 통해 확인하였다.
- 역시 빠른 응답 특성을 보여주고 있다. 또한 결과로부터 추정된 속도와 실제 속도가 거의 일치함을 볼 수 있으며, 추정 위치와 실제 위치 역시 거의 일치함을 볼 수 있다.
- 모의실험을 행하였다. 모의실험 결과로부터 고정자 저항값의 100%변동에 대해 정상상태에 도달하는데 약 2초의 시간이 걸리는 것을 볼 수 있다. 그러나 실제 시스템에 있어서 전동기의 고정자 저항값이 스텝적으로 급격히 증가하지 않고 서서히 증가하므로 고정자 저항 추정의 응답성은 문제가 되지 않으리라 사료된다.
- 또한 이득을 적절히 큰 값으로 설정해 주면 부하의 영향에도 강인한 특성을 볼 수 있다. 실험결과로부터 고속운전 시에는 슬라이딩모드 관측기는 빠른 응답특성과 부하에 강인한 특성을 갖고 있음을 볼 수 있다. 또한 추정값에 떨림의 영향 역시 잘 나타나지 않는다는 것을 볼 수 있다.
- 새로운 센서리스 제어를 제안한다. 제안된 관측기는 슬라이딩모드 이론을 적용하였기 때문에 관측기의 강인성 및 관측기 설계의 용이함을 얻을 수 있다. 제안된 슬라이딩 모드 관측기가 안정할 수 있도록 하는 이득을 구하기 위해리아프노프 함수를 설정하고 이로부터 관측기의 이득을 설계하였다.
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