[논문]가변게인 회전자 자속관측기에 근거한 스핀들 유도전동기의 센서리스 속도제어

유재성; 신수철; 이원철; 박상훈; 원충연; 이병국

가변게인 회전자 자속관측기에 근거한 스핀들 유도전동기의 센서리스 속도제어
Sensorless Vector Control of Spindle Induction Motors Using Rotor Flux Observer with a Variable Bandwidth 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.11 no.5, 2006년, pp.417 - 425

유재성 (성균관대 메카트로닉스공학과) , 신수철 (효성중공업연구소) , 이원철 (성균관대 전기공학과) , 박상훈 (성균관대 정보통신공학부) , 원충연 (성균관대 정보통신공학부) , 이병국 (성균관대 정보통신공학부)

초록
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본 논문은 가변게인 회전자 자속관측기를 이용하여 전동기의 영 속도를 포함하는 전 속도대역에서 우수한 성능을 갖는 스핀들 유도전동기의 센서리스 벡터제어기법을 제안하였다. 제안한 유도전동기의 센서리스 속도제어를 위한 고피나스 모델 자속관측기는 전동기의 저속영역에서 추정속도에 따른 가변구조 PI이득을 사용한다. 실험 결과는 제안한 센서리스 알고리즘의 만족스러운 운전 결과를 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a new speed sensorless vector control scheme of Spindle Induction Motors(SIM) which can be successfully applied to at any speed including even zero speed. The proposed sensorless vector control of SIM uses rotor flux estimator with a variable bandwidth. This approach is based on the Closed-Loop Rotor Flux Observer(CLRFO) which includes a variable bandwidth of the PI controller. For low speed operation, the bandwidth of CLRFO has a variable bandwidth structure according to the estimated rotor velocity. The experimental results show the satisfactory operation of the proposed sensorless algorithm.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 고피나스 모델 자속추정기를 사용한 유도 전동기의 센서 리스 벡터 제어시스템에서 추정자 속의 오 차가 속도 응답에 미치는 영향을 실험을 통해 고찰하였다. 전동기 초기 기동 시 고피나스 모델의 PI게인은 전 류모델에 의한 전동기 파라미터의 영향 때문에 낮게 설정한다.

제안 방법

본 논문에서 제안한 알고리즘은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전동기의 추정속도에 따른 가변구조 PI 이득을 갖는 고피나스(Gopinath) 모델 자속추정기를 이용한 스핀들 유도전동기의 센서 리스 벡터 제어기법이다. 제안한 기법은 PI 이득을 추정속도에 따라 세 영역으로 나누며, 추정된 위치 및 속도에 민감한 전류 모델을 사용하는 영역 I에서는 전동기의 영 속도에서 기동이 가능하도록 낮은 PI 이득을 갖도록 설정하였다.
이 영역에서 만약 전동기의 추정 속 도에 따른 가변구조를 갖는 PI 제어기를 사용하지 않을 경우 전압 모델에 의한 고정자 전압강하 및 낮은 역기 전력으로 인하여 스핀들 유도전동기의 원활한 벡터 제어 성능을 얻을 수 없다. 영역 HI에서는 충분한 역기 전력으로 인하여 전동기의 추정속도에 따른 가변구조 PI 이득을 사용하지 않아도 비교적 정확한 회전자 자속을 추정할 수 있기 때문에 고정된 PI 이득의 대역폭을 사용하였다.
제안한 기법은 PI 이득을 추정속도에 따라 세 영역으로 나누며, 추정된 위치 및 속도에 민감한 전류 모델을 사용하는 영역 I에서는 전동기의 영 속도에서 기동이 가능하도록 낮은 PI 이득을 갖도록 설정하였다. 영역 II에서는 추정속도에 따른 PI 제어기의 대역폭을 가변구조를 갖도록 설정하였다. 이 영역에서 만약 전동기의 추정속도에 따른 가변구조를 갖는 PI 제어기를 사용하지 않을 경우 전압 모델에 의한 고정자 전압강하 및 낮은 역기전력으로 인하여 스핀들 유도전동기의 원활한 벡터 제어 성능을 얻을 수 없다.
저속에서 PI 이득을 매우 낮게 설정하면 노이즈의 영향 때문에 추정 자속이 정확하지 않게 되고, 따라서 고성능 벡터 제어 성능을 얻을 수 없기 때문에 영역 I에서 PI 이득의 대역은 전동기 정격속도의 2[%]로 설정하였다. 영역 Ⅱ의 PI이득의 대역은 전동기 추정속도에 따른 가변구조를 갖도록 설정 하였으며, 영역 Ⅲ의 PI 이득의 대역은 전동기 정격 속도의 10[%]로 설정하였다.
영역 I과 영역 HI는 일정한 PI 이득을 갖으며, 영역 II에서는 전동기 추정속도에 따른 가변 PI 이득을 적용한다. 저속에서 PI 이득을 매우 낮게 설정하면 노이즈의 영향 때문에 추정 자속이 정확하지 않게 되고, 따라서 고성능 벡터 제어 성능을 얻을 수 없기 때문에 영역 I에서 PI 이득의 대역은 전동기 정격속도의 2[%]로 설정하였다. 영역 Ⅱ의 PI이득의 대역은 전동기 추정속도에 따른 가변구조를 갖도록 설정 하였으며, 영역 속도 센서 없는 향상된 벡터 제어를 위하여 수많은 자속추정기법은 연구되어왔다. 제안된 다양한 자속추정 방법들은^[2-4] 속도 적응관측기^[5,6], 확장 칼만 필터를 사용하는 속도추정기(EKF)^[7], 모델 레퍼런스 적응 시스템(MRAS)^[8], 고주파 신호 주입을 이용한 회전자 자속 위치검출 기법 등이 있다.
본 논문에서 제안한 알고리즘은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전동기의 추정속도에 따른 가변구조 PI 이득을 갖는 고피나스(Gopinath) 모델 자속추정기를 이용한 스핀들 유도전동기의 센서 리스 벡터 제어기법이다. 제안한 기법은 PI 이득을 추정속도에 따라 세 영역으로 나누며, 추정된 위치 및 속도에 민감한 전류 모델을 사용하는 영역 I에서는 전동기의 영 속도에서 기동이 가능하도록 낮은 PI 이득을 갖도록 설정하였다. 영역 II에서는 추정속도에 따른 PI 제어기의 대역폭을 가변구조를 갖도록 설정하였다.
그림 15는 일정 구간에서 차단 각주 파수를 선형으로 가변하는 방법으로 9600 ~ -9600[rpm]까지 램프 속도 지령에 추정자 속의 실험 결과이다. 제안한 방법은 속도 기준값에 따른 속도 가감속시 차단 각주 파수가 전환되는 시점에서 추정자 속의 위상 및 크기의 오차가 발생하지 않는다. 이 방법은 고성능 센서 리스 벡터 제어를 구현할 수 있다.
본 논문에서 제안한 알고리즘은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 전동기의 추정속도에 따른 가변구조 PI 이득을 갖는 고피나스(Gopinath) 모델 자속추정기를 이용한 스핀들 유도전동기의 센서 리스 벡터 제어기법이다. 제안한 기법은 PI 이득을 추정속도에 따라 세 영역으로 나누며, 추정된 위치 및 속도에 민감한 전류 모델을 사용하는 영역 I에서는 전동기의 영 속도에서 기동이 가능하도록 낮은 PI 이득을 갖도록 설정하였다. 영역 II에서는 추정속도에 따른 PI 제어기의 대역폭을 가변구조를 갖도록 설정하였다.

대상 데이터

D/A 채널은 오실로스코프로 파형을 보기 위하여 사용되었으며, 센서 리스 벡터 제어 프로그램은 ANSI "C" 프로그램 언어를 사용하였다. 본 논문의 실험은 TI사의 TMS320VC33-150[㎒] DSP 보드를 사용하였고, SVPWM 의 스위칭 주파수 및 데드타임은 각각 # 이며, 전류제어기의 동작은 #, 속도제어기는 1 [ms]이다.
유도전동기의 직접 벡터 제어시스템의 구조에 속도추정기가 추가된 형태이므로 기존의 직접 벡터 제어시스템의 구조를 그대로 사용할 수 있다. 실험에 2.4[kW] 유도전동기가 사용되었으며, 표 2에 실험에 사용된 유도전동기의 정격 및 파라미터를 나타내었다.

이론/모형

D/A 채널은 오실로스코프로 파형을 보기 위하여 사용되었으며, 센서 리스 벡터 제어 프로그램은 ANSI "C" 프로그램 언어를 사용하였다. 본 논문의 실험은 TI사의 TMS320VC33-150[
성능/효과
- 그림 11은 일정 구간에서 차단 각주 파수를 선형으로 가변하는 방법으로 저속에서 전압 모델 자속추정기는 고정자 저항에 의한 전압강하 및 낮은 역기전력 때문에 전동기 정격 속도의 2[%] 미만에서는 차단각주파수 를 전동기 정격속도의 2[%]인 100[rad/s]로 설정하였고, 전동기 정격속도의 2[%]~10[%] 구간에서는 차단 각 주파수를 선형으로 가변하며, 전동기 정격 속도의 10[%] 이상에서는 차단 각주 파수를 정격 전동기 속도의 10[%]인 502[rad/s]로 설정한 경우로 0~9600[rpm]까 지 램프 속도지령에 대한 속도 草 답 특성의 실험 결과이다. 속도 기준값에 따라 전동』 초기기동 문제를 극복하였고, 속도 및 토오크의 맥동이 없이 센서 리스 벡터 제어가 원활하게 동작하고 있음을 알 수 있다.
- 0pt">Ⅲ에서는 충분한 역기전력으로 인하여 전동기의 추정속도에 따른 가변구조 PI 이득을 사용하지 않아도 비교적 정확한 회전자 자속을 추정할 수 있기 때문에 고정된 PI 이득 의 대역폭을 사용하였다. 실험 결과는 제안한 가변구조 PI 제어기를 사용한 고피나스(Gopinath) 모델 자속 추정기를 이용하는 스핀들 유도전동기의 만족스러운 벡터 제어 성능을 나타낸다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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