[논문]고정 스위칭 주파수를 갖는 2상 공간벡터 SRP-PWM기법을 적용한 인버터 구동 시스템

정영국; 위석오; 임영철; 양승학

고정 스위칭 주파수를 갖는 2상 공간벡터 SRP-PWM기법을 적용한 인버터 구동 시스템
Inverter Drives Adopting the Two-Phase Space Vector SRP-PWM Scheme with Fixed Switching Frequency 원문보기

본 연구에서는 3상 SRP-PWM기법을 2상에 적용한 고정 스위칭 주파수의 공간벡터 SRP-PWM(Separately Randomized Pulse Position PWM)기법을 제안하고 이를 산업현장에 적용 가능한가를 검증하기 위하여, 속도 피드백 실험을 행하였다. 제안된 2상 SRP-PWM은 랜덤하게 배치된 a상의 펄스 범위 내에서 나머지 상의 펄스 위치를 완전히 랜덤하게 배치 할 수 있는 변조기법이다. 제안된 방법이 적용된 속도 피드백 시스템은 부하와 연결된 3상 유도모터의 v/f 일정 제어를 기반으로 하였다. 실험 결과, 제안된 방법이 적용된 기존의 2상 중앙정렬 SVM의 경우와 비교하여 모터의 v/f 일정 제어의 성능은 동일함을 확인할 수 있었으며, 모터의 전압 및 소음 스펙트럼의 광대역화 효과는 제안된 방법이 훨씬 우수함을 입증할 수 있었다.

In this paper, Inverter drives adopting 2 phase space vector SRP-PWM (Separately Randomized Pulse Position PWM) with fixed switching frequency is proposed. The proposed 2 phase space vector SRP-PWM scheme is based on the 3 phase SRP-PWM. In the proposed SRP-PWM scheme, each of two phase pulses is located randomly in each switching interval. The experimental results show that the voltage and acoustic noise harmonics are spread to a wide band area. Also, the performance of the proposed 2 phase SRP-PWM and the conventional center aligned SVM are compared to each other. In result, the speed response is nearly similar to each other from the viewpoint of the v/f constant control.

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문제 정의

본 연구에서는 3상 SRP-PW財기법闩을 2상에 적용한 고정 스위칭 주파수의 공간벡터 SRP-PWM 기법을 제안하고 이를 산업현장에 적용 가능한가를 검증하기 위하여, 속도 피드백 실험을 행하였다. 속도제어는 부하가 있는 상태에서 3상 유도모터의 v/f 일정 제어를 기반으로 행하였다.
본 연구에서는 랜덤하게 배치된 a상의 펄스 범위내에서 나머지 상의 펄스 위치도 완전히 랜덤하게 배치할 수 있는 고정 스위칭 주파수의 2상 공간벡터 SRP -PMPI 법을 제안하였다.

가설 설정

1) 만큼 좌측으로 이동시 킨다. 그리고 작은 펄스를 Ti 범위에서 결정된 랜덤 변위 (Trand 2) 만큼 좌측으로 이동하면 지령전압벡터를 충실히 구현하면서 2 상 변조 SRP-PM財이 구현된다.
먼저 그림 4(b)를 보면 두 개의 펄스 모두를 영벡터 (Vooo) 의 범위 내에서의 결정된 랜덤 변위 (Trand 1) 만큼 좌측으로 이동시 킨다. 그리고 작은 펄스를 Ti 범위에서 결정된 랜덤 변위 (Trand 2) 만큼 좌측으로 이동하면 지령전압벡터를 충실히 구현하면서 2 상 변조 SRP-PM財이 구현된다.

제안 방법

3상 유도모터는 3상 교류전원을 정류시킨 전압원 인버터에 의해서 구동되며 TMS320C₃₁ DSP 를 사용하여 전체적인 알고리즘이 수행되고 있다. 고정된 스위칭 주파수를 갖는 PWM 펄스의 위치를 랜덤하게 설정하기 위 하여, EPLD (Erasable Programmable Logic Device) 를 사용하여 구현하였다. 표 2에 속도제어용 모터와 부하의 사양을 나타내었다.
본 연구에서 인버터로 구동되는 3상 유도모터의 스위칭 소음의 파워 스펙트럼을 얻기 위한 실험은 6면이 모두 흡음제로 밀폐되도록 특별하게 설계된 무향실에서 수행되었다. 소음 측정 장비로는 소음 및 진동 신호에 대한 분석이 가능한 전용 측정기「OROS OR~2 5j 를 사용하였다.
본 연구에서 제안된 2상 SRP-PWM는 SVM에 의해 얻어진 To, Ti, T2의 재배열 방법에 의해 얻어질 수 있다. 우측정렬을 선택할 것인가, 좌측정렬을 선택할 것인가에 대한 선택은 랜덤함수에 의해 결정되며, 우측정려 좌측 정렬 여부에 관계없이 구현된 PWM 펄스는 지령 전압벡터 구현에 충실하면서 랜덤 PWM 효과를 잘 나타내게 된다.
본 연구에서 제안된 2상 변조 SRP-PWm 기법을 산업 현장에서 많이 사용하고 있는 3상 유도모터에 적용하여 속도 추종 성능을 검증하였다. 속도 추종 시스템의 객관성과 안정성을 위하여 속도 추종 알고리즘은 일반적으로 적용되고 있는 v/f 일정제어를 사용하였다.
그림 6과 그림 7에서 보는 바와 같이 속도 프로파일 곡선은 스텝지령, 램프지령 그리고 다단 스텝 지령으로 하였다. 본 연구에서는 제어기의 성능에 관심을 갖기보다는 여러가지 지령 속도 프로파일에 대해 제안된 방법의 속도 추종 특성이 종전의 방법과 비교하여 얼마만큼 유사한 특성을 갖고 있는가에 중점을 두어야 한다. 각 방식의 PI제어기 파라미터는 모두 동일한 조건으로 실험을 하였다.
제안된 기법을 구현하기 위해서는 우선 우측 정렬된 2상 SVM을 구현하고, 이를 바탕으로 펄스 위치를 우측 정렬 또는 좌측 정렬을 행하여야 한다. 이를 구현하기 위해 SVM기법에 의해 얻어진 유효벡터 인가시간 Ti, T2와 영벡터 인가시간 To를 적절히 재배치해야 한다.
그림 2(b) 는 본 연구에서 제안한 2상 공간벡터 SRP-PWM의 스위칭 기법을 나타낸 것이다. 제안된 방법은 2상 변조 SVM을 기반으로 하기 때문에 1 샘플링 주기 동안 2개의 상만이 2번의 펄스 교번 (commutation) 이 이루어 1 샘플링 주기동안 두 상에만 펄스가 존재하게 된다. 이렇게 얻어진 두 개의 펄스는 그 위치를 랜덤하게 정할 수 있는데 각 펄스별로 자유롭게 그 위치를 정할 수 있다.

이론/모형

속도 추종 성능을 검증하였다. 속도 추종 시스템의 객관성과 안정성을 위하여 속도 추종 알고리즘은 일반적으로 적용되고 있는 v/f 일정제어를 사용하였다. 3상 유도모터는 3상 교류전원을 정류시킨 전압원 인버터에 의해서 구동되며 TMS320C₃₁ DSP 를 사용하여 전체적인 알고리즘이 수행되고 있다.

성능/효과

실험 결과, 제안된 방법의 v/f 일정 제어의 성능은 기존의 2상 고정 주파수 SVM의 경우와 동일함을 확인할 수 있었다. 또한 모터의 전압 및 소음 스펙트럼의 광대역화의 관점에서는 제안된 방법이 종전의 방법에 비하여 우수함을 확인할 수 있었다.
있었다. 또한 제안된 기법은 종전의 기법과 비교하여 유도모터로부터 발생되는 불쾌한 가청 스위칭 소음을 현저하게 완화시킬 수 있었다. 다음의 연구과제로서 센서리스 벡터제어 기반의 시스템과 EMI 저감 효과 그리고 스위칭 손실의 비교 분석이 필요하리라 생각된다.
속도제어는 부하가 있는 상태에서 3상 유도모터의 v/f 일정 제어를 기반으로 행하였다. 실험 결과, 제안된 방법의 v/f 일정 제어의 성능은 기존의 2상 고정 주파수 SVM의 경우와 동일함을 확인할 수 있었다. 또한 모터의 전압 및 소음 스펙트럼의 광대역화의 관점에서는 제안된 방법이 종전의 방법에 비하여 우수함을 확인할 수 있었다.
이는 제안된 2상 SRP-PW财기법은 종전의 2상 중앙정렬 SVM과 속도 추종 성능이 동일하다는 것을 의미하며, 그림1의 제안된 시스템은 모터속도 제어기로서의 성능을 잘 유지하고 있다는 것을 나타낸다.
제안된 2상 SRP-PWN를 나타내고 있는 그림 10(a) 의 경우, 1배 스위칭 주파수인 2kHz 대역을 제외하고 2배, 3배 스위칭 주파수대 고조파 성분의 크기가 현격하게 감소되어 광대역 효과가 뚜렷하게 나타나고 있음을 관찰할 수 있다.
제안된 방법은 스위칭 주파수를 제외한 전 주파수 영역에서 매우 우수한 광대역 특성을 갖고 있으며 v/f 일정 속도제어를 수행한 결과, 기존의 2상 중앙정렬 SVM 방법과 거의 일치하는 속도 추종 성능을 얻을 수 있었다. 또한 제안된 기법은 종전의 기법과 비교하여 유도모터로부터 발생되는 불쾌한 가청 스위칭 소음을 현저하게 완화시킬 수 있었다.
그림 6(b)와 그림 7(b)는 150 rpm 에서 1400rpm 까지 선형적으로 속도를 증가한 후, 다시 200rpm까지 속도 지령치를 감소한 경우의 속도 추종 특성을 비교한 것이다. 중앙정렬 SW과 SRP- PWM 방식 모두 6 초만에 최 고 속도에 도달하였고 12 초에 이르러 최저 속도를 유지하고 있다.

후속연구

또한 제안된 기법은 종전의 기법과 비교하여 유도모터로부터 발생되는 불쾌한 가청 스위칭 소음을 현저하게 완화시킬 수 있었다. 다음의 연구과제로서 센서리스 벡터제어 기반의 시스템과 EMI 저감 효과 그리고 스위칭 손실의 비교 분석이 필요하리라 생각된다.
이 경우, 모터 구동 장치로부터 발생되는 소음은 모터, 인버터의 전자기적인 소음 뿐만 아니라, 구동장치 및 부하의 기계적인 소음 등이다. 본 연구에서 관심의 대상은 기계적인 소음이 아니라 인버터의 스위칭 상태에 따른 모터의 전자기적인 가청 소음이므로 부하가 연결되지 않은 상태에서 측정하는 것이 더 바람직하다.

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