[논문]IPMSM 센서리스 제어의 안정된 기동을 위한 간단한 초기회전자 추정기법

김건명; 박병건; 구본관; 김래영; 현동석

doi:10.6113/tkpe.2011.16.6.602

IPMSM 센서리스 제어의 안정된 기동을 위한 간단한 초기회전자 추정기법
Simple Initial Rotor Position Estimation for Stable Startup of IPMSM Sensorless Control 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.6, 2011년, pp.602 - 609

김건명 (한양대 대학원 전기공학과) , 박병건 (한국전기연구원) , 구본관 (전자부품연구원) , 김래영 (한양대 전기제어생체공학부) , 현동석 (한양대 전자전기공학과 공학부)

초록
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본 논문은 역기전력 기반 센서리스 제어 시 안정적인 기동성능 확보를 위한 간단한 초기 회전자 위치추정 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 전동기의 고정자 권선 인덕턴스의 차이에 의한 전류응답특성을 이용하여 초기 회전자 위치를 추정한다. 이러한 초기 회전자 위치추정 방법은 알고리즘 구현이 간단하고 추가적인 외부회로가 불필요하며, 전동기 상수의 영향을 받지 않는다. 제안된 방법의 타당성은 실험결과를 통하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a simple initial rotor position estimation method to obtain a stable startup performance for back EMF-based sensorless control. The proposed estimation method is achieved at standstill by using the current response to difference between each of the stator winding inductance. This initial rotor position estimation method can be easily implemented to control algorithm without any other external devices. The proposed algorithm is also not affected by motor parameter. The validity of the proposed method is demonstrated by experimental result.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존의 인덕턴스에 의한 전류포화현상으로 초기 회전자 위치 추정방법들은 공간전압벡터를 수차례 인가하여 초기 회전자의 위치추정 오차 범위를 360°에서 180°, 180°에서 60°, 60°에서 30°등으로 고정자 인덕턴스의 전류응답을 수시로 확인하면서 추정 가능범위를 좁히는데 그 목적이 있었다.
본 논문에서는 역기전력 기반 센서리스 제어 시 안정적인 기동 성능 확보를 위한 간단한 초기 회전자 위치 추정 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 전동기의 고정자 각 권선에 회전자 위치적인 특성을 가지고 있는 공간전압벡터(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)를 인가하여 나타나는 전류응답 특성으로 초기 회전자 위치를 추정한다.
본 논문에서는 역기전력을 기반으로 하는 IPMSM의 센서리스 제어 시에 안정된 기동 성능을 확보하기 위한 간단한 초기회전자 위치추정 방법을 제안하였다. 제안한 방법을 이용하여 역기전력기반 센서리스 제어 방법의 초기 기동에 대한 안전성을 확보하여 역회전이나 기동실패 없이 성공적인 기동을 할 수 있다.

가설 설정

1) 고정자의 히스테리시스 자화는 무시한다.
3) 각 상 권선의 저항과 인덕턴스는 모두 같다.

제안 방법

Step2 V1(1,0,0)과 V4(0,1,1)에 의해 나타나는 상전류 크기의 대소관계로 회전자의 N극의 위치가 오른쪽 반면인지 왼쪽 반면 인지 판별하고, N극의 위치가 판별된 후 N극이 위치한 180°범위 안에서 V1(1,0,0), V3(0,1,0), 그리고 V5(0,0,1)의 전류 대소 관계를 비교하여 회전자 d축의 위치를 반경 60° 범위 안에서 판별한다.
따라서 본 논문에서는 특정한 공간전압벡터를 인가하고 회전자 위치에 따라 변하는 인덕턴스의 영향을 받아 다르게 나타나는 전류 응답의 크기를 이용하여 초기 회전자의 위치를 추정하게 된다.
센서리스 제어 성능 비교를 위해 엔코더를 부착하여 실제 회전자 각속도 ωr과 회전자 위치 θ를 얻었다.
실험은 인버터로부터 공간전압벡터 V1(1,0,0), V3(0,1,0), V5(0,0,1), V4(0,1,1)를 40μs동안 인가하였으며, 제어보드에 구성된 Analog Devices사의 4ch 동시에 샘플링이 가능한 AD7865를 이용하여 전류의 크기를 비교하였다.
이러한 가정을 토대로 3상 2극 IPMSM의 회전자 위치에 의한 인덕턴스 변화를 분석하였다. IPMSM 각 고정자 권선의 쇄교 자속은 영구자석에 의한 회전자의 쇄교 자속 λ_rΦ 과 고정자 전류에 의한 고정자 쇄교 자속 λ_sΦ의 합으로 나타낸다.
본 논문에서는 역기전력 기반 센서리스 제어 시 안정적인 기동 성능 확보를 위한 간단한 초기 회전자 위치 추정 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 전동기의 고정자 각 권선에 회전자 위치적인 특성을 가지고 있는 공간전압벡터(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)를 인가하여 나타나는 전류응답 특성으로 초기 회전자 위치를 추정한다. 이러한 방법은 알고리즘 구현이 간단하고 추가적인 외부회로가 불필요하며, 전동기 상수의 영향을 받지 않기 때문에 역기전력 기반의 센서리스 제어 방법의 보조적인 방법으로 사용하기에 적합하다.
그림 7은 제안한 방법을 포함한 역기전력 기반의 센서리스 제어 알고리즘의 전체적인 구성을 나타낸다. 초기 회전자 위치 추정을 위한 알고리즘을 수행한 후에 얻어진 회전자 위치 정보를 바탕으로 전동기의 기동을 실시한다. 표 1은 각도별 각 상전류의 크기를 정리한 것이다.
하지만 제안된 초기 회전자 추정 방법은 공간전압벡터를 여러 번 인가하여 초기 회전자의 위치 오차를 줄여보려는 시도와는 달리, 그림 3에서 보여지는 120° 간격의 공간전압벡터 V1(1,0,0), V3(0,1,0), V5(0,0,1), V4(0,1,1)를 중간 연산 없이 짧게 한번만 인가하여 나타나는 각 상의 고정자 권선의 전류를 비교한다.

대상 데이터

실험에 사용된 전동기의 세부적인 사항은 표 2과 같다. 3상 인버터는 Mitsubishi사의 파워모듈(Intelligent Power Module, IPM)인 PM75RLA60로 구성하였다. 제어보드는 TI사의 디지털 신호 처리기(DSP) TMS320VC33과 FPGA로 구성하였다.
제안한 초기 회전자 위치추정 방법의 타당성을 검증하기 위해 Higen사에서 제작된 2.2kW IPMSM을 사용하여 제작된 실험세트로 실험을 하였다. 실험에 사용된 전동기의 세부적인 사항은 표 2과 같다.
3상 인버터는 Mitsubishi사의 파워모듈(Intelligent Power Module, IPM)인 PM75RLA60로 구성하였다. 제어보드는 TI사의 디지털 신호 처리기(DSP) TMS320VC33과 FPGA로 구성하였다. 그림 8은 실험을 위해 구성된 실험 세트를 보여준다.

데이터처리

또한, 초기회전자 위치정보를 추정하기 위한 추가적인 하드웨어를 필요로 하지 않으며, 전동기 상수의 영향을 받지 않는다. 실험적인 분석과 역기전력 기반의 센서리스 제어에 적용하여 제안된 방법의 타당성을 검증하였다.
이러한 방법은 알고리즘 구현이 간단하고 추가적인 외부회로가 불필요하며, 전동기 상수의 영향을 받지 않기 때문에 역기전력 기반의 센서리스 제어 방법의 보조적인 방법으로 사용하기에 적합하다. 제안된 초기 회전자 위치 검출방법의 타당성은 2.2kW IPMSM 구동 실험세트를 이용하여 검증하였다.

성능/효과

2) 공극의 자속밀도 분포는 정현적이라고 본다.
#와 #는 센서리스 제어 방법에 의해 추정된 회전자 각속도와 위치 정보를 나타낸다. 그림 14에서와 같이 제안한 초기 회전자 위치 추정방법을 적용하였을 때, 회전자의 위치를 초기 기동부터 잘 추정하는 것을 볼 수 있으며, 속도 역시 실제 속도를 잘 추정하는 것을 확인할 수 있다. 그림 15는 제안한 방법을 적용하지 않았을 때의 센서리스 기동 특성을 보여준다.
본 논문에서는 역기전력을 기반으로 하는 IPMSM의 센서리스 제어 시에 안정된 기동 성능을 확보하기 위한 간단한 초기회전자 위치추정 방법을 제안하였다. 제안한 방법을 이용하여 역기전력기반 센서리스 제어 방법의 초기 기동에 대한 안전성을 확보하여 역회전이나 기동실패 없이 성공적인 기동을 할 수 있다. 또한, 초기회전자 위치정보를 추정하기 위한 추가적인 하드웨어를 필요로 하지 않으며, 전동기 상수의 영향을 받지 않는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IPMSM은 회전자의 위치를 얻기 위해 레졸버나 엔코더를 사용할 때, 발생하는 문제점은?	매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 마그네틱 토크만을 이용하는 표면 부착형 영구자석 동기전동기 (Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)와는 다르게 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 이용하여 단위체적당 높은 출력으로 전동기의 크기와 무게를 줄일 수 있는 장점을 지니고 있어 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. 일반적으로 IPMSM은 회전자의 위치를 얻기 위해 레졸버나 엔코더를 사용하는데, 결과적으로 전동기 가격 상승의 주된 요인이 되며 시스템이 복잡해지고 크기가 커지며 노이즈에 취약하게 되어 기계적 강인성과 신뢰성을 확보하기가 어렵다. 그러므로 이러한 문제를 해결하기 위해 위치센서가 필요 없는 센서리스 제어에 대한 연구가 많이 진행되고 있다[1]-[7].
	매입형 영구자석 동기전동기의 장점은?	매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 마그네틱 토크만을 이용하는 표면 부착형 영구자석 동기전동기 (Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)와는 다르게 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 이용하여 단위체적당 높은 출력으로 전동기의 크기와 무게를 줄일 수 있는 장점을 지니고 있어 다양한 응용분야에서 사용되고 있다. 일반적으로 IPMSM은 회전자의 위치를 얻기 위해 레졸버나 엔코더를 사용하는데, 결과적으로 전동기 가격 상승의 주된 요인이 되며 시스템이 복잡해지고 크기가 커지며 노이즈에 취약하게 되어 기계적 강인성과 신뢰성을 확보하기가 어렵다.
	전동기의 고정자 권선 인덕턴스의 차이에 의한 전류응답특성을 이용하여 초기 회전자 위치를 추정하는 방법의 특징은?	제안된 방법은 전동기의 고정자 권선 인덕턴스의 차이에 의한 전류응답특성을 이용하여 초기 회전자 위치를 추정한다. 이러한 초기 회전자 위치추정 방법은 알고리즘 구현이 간단하고 추가적인 외부회로가 불필요하며, 전동기 상수의 영향을 받지 않는다. 제안된 방법의 타당성은 실험결과를 통하여 검증하였다.

참고문헌 (9)

Bolognani S, Calligaro S, Petrella R. Tursini M, "Sensorless Control of IPM Motors in the Low-Speed Range and at Standstill by HF Injection and DFT Processing" Industry Applications, IEEE Trans TIA vol. 47 Issue. 1, pp. 96 - 104, 2011

상세보기
장지훈, "영구자석 동기전동기 센서리스 제어의 운전 영역확장에 대한 연구", 서울대학교 공학박사 학위논문, 2006
Mustafa R, Ibrahim Z, Lazi J.M, "Sensorless adaptive speed control for PMSM drives" IEEE - PEOCO, 4th, pp. 511 - 516, 2010.
Long Bo, Zhou Hao Bin, Cao Bing Gang, Hu qing hua, "Position Tracking Controlling System on Sensorless BLDCM by Using MRAC" Industrial Electronics and Applications, IEEE - ICIEA 2nd pp. 1808 - 1812, 2007
Yuchao Shi, Kai Sun, Hongyan Ma, Lipei Huang, "Permanent magnet flux identification of IPMSM based on EKF with speed sensorless control" IEEE - IECON IES pp. 2252 - 2257, 2010
Vyncke T.J, Boel R.K., Melkebeek J.A.A, "On Extended Kalman Filters with augmented state vectors for the stator flux estimation in SPMSMs" APEC, Twenty-Fifth Annual IEEE pp. 1711 - 1718, 2010
임동훈, 박병건, 김래영, 현동석 "병렬형 저감 차수 칼만 필터를 이용한 매입형 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어" 전력전자학회 논문지, 제16권, 제3호, pp. 266-273, 2011. 6.

원문보기 상세보기
박내춘, 이윤규, 김상훈 "인덕턴스의 포화현상을 이용한 IPMSM의 회전자 초기위치 추정" 전력전자학회 논문지, 제16권, 제4호, pp. 374-381, 2011 .8.
이욱진, 설승기 "위치 센서가 없는 소형 BLDC 전동기의 기동 방법에 관한 연구", 전력전자학술대회 논문집(II) pp. 646-650, 2004. 7.

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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