[논문]HEV용 영구자석동기전동기의 유기전압 고조파를 고려한 약자속 운전 영역해석

조관열; 우병국; 김경만; 강찬호; 신희근; 윤병철; 박민규

doi:10.6113/tkpe.2011.16.2.152

HEV용 영구자석동기전동기의 유기전압 고조파를 고려한 약자속 운전 영역해석
Analysis of Flux Weakening Operating Regions for a PM Synchronous Motor in HEV by considering Back EMF Harmonics 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.2, 2011년, pp.152 - 161

조관열 (충주대 제어계측공학과) , 우병국 (이지트로닉스) , 김경만 (이지트로닉스) , 강찬호 (이지트로닉스) , 신희근 (충주대 제어계측공학과) , 윤병철 (충주대 제어계측공학과) , 박민규 (동아일렉콤)

초록
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영구자석 매립형 동기전동기는 고효율, 소형화 및 넓은 가변속운전 등의 특성으로 인해 전기자동차에 적용되고 있다. 본 논문에서는 유기전압이 고조파를 함유하고 있는 영구자석 동기전동기에 대하여 고속운전 시 약자속 운전 영역의 해석에 대해 제안한다. 유기전압의 고조파가 전동기 속도와 최대토크에 미치는 영향을 해석하고 전압제한 및 전류제한 조건에서 최대토크 운전을 위한 dq 전류에 대해 분석한다. 약자속 운전영역에 대한 기존 및 제안된 해석결과를 비교하고 최대토크-속도 특성의 실험을 통하여 해석결과를 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

An interior permanent magnet synchronous motor(IPMSM) has been applied to the electric vehicle due to its high efficiency, compact volume, and wide operating speed ranges. This paper presents the analysis of the flux weakening operating regions at high speeds for the IPMSM that has back emf harmonics. The effect of the back emf harmonics on the motor speed and the maximum torque is analyzed. Also the dq currents for maximum torque operation under the voltage and the current limit conditions are analyzed. The conventional analysis and the presented analysis for the flux weakening operating regions are compared and the maximum torque - speeds characteristics for both analysis are verified through the experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 HEV용 영구자석 매립형 동기전동기의 유기전압이 고조파를 포함하고 있는 경우 고속운전을 위한 약자속 운전 영역에 대하여 분석하였다. 배터리의 전압제한 및 인버터의 최대전류 제한 조건하에서 유기전압의 고조파가 전동기의 속도 및 최대토크에 미치는 영향을 검토하고, 최대토크를 발생하기 위한 dq 전류의 운전점에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 유기전압에 고조파가 있는 경우 배터리 전압에 의해 제한되는 dq 전류의 영역을 해석하고, 전동기의 속도에 따라 전동기가 발생할 수 있는 최대 토크의 크기를 도출한다. 또한 속도별 최대토크를 발생하는 dq 전류의 운전점을 분석하고 기존의 해석결과와 비교한다.

가설 설정

전압제한에 의해 전동기에 공급할 수 있는 dq전류의 영역을 파악하기 위하여 일반적으로 전동기의 dq 전압방정식에서 상 저항에 걸리는 전압은 무시하고 해석 하였다.^[1] 최근의 경우 상저항에 걸리는 전압을 반영하여 약자속 운전영역을 해석하는 논문이 발표되고 있으나 유기전압은 정현파로 가정하고 dq 전류의 제어 가능영역을 해석하였다.^[1]-[7] 그러나 유기전압에 고조파가 존재할 경우 실재 전동기에 공급할 수 있는 dq 전류의 영역은 더욱 좁아지게 된다.
또한 전압제어의 최대 PWM 듀티비를 95%로 가정하고, 인버터의 데드타임(dead time)을 3%로 설계할 경우 인버터가 전동기에 공급할 수 있는 최대 상전압은 다음과 같다.

제안 방법

본 논문에서는 유기전압에 고조파가 있는 경우 배터리 전압에 의해 제한되는 dq 전류의 영역을 해석하고, 전동기의 속도에 따라 전동기가 발생할 수 있는 최대 토크의 크기를 도출한다. 또한 속도별 최대토크를 발생하는 dq 전류의 운전점을 분석하고 기존의 해석결과와 비교한다. 전동기의 토크-속도 특성 실험을 통하여 약자속 운전영역의 기존 해석 및 제안된 해석의 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 HEV용 영구자석 매립형 동기전동기의 유기전압이 고조파를 포함하고 있는 경우 고속운전을 위한 약자속 운전 영역에 대하여 분석하였다. 배터리의 전압제한 및 인버터의 최대전류 제한 조건하에서 유기전압의 고조파가 전동기의 속도 및 최대토크에 미치는 영향을 검토하고, 최대토크를 발생하기 위한 dq 전류의 운전점에 대해 분석하였다.
본 논문에서는 상저항에 걸리는 전압 및 유기전압의 고조파 성분을 모두 포함하는 식 (9)와 (10)의 dq 전압방정식을 이용하여 전압제한 조건에서 제어 가능한 dq 전류의 영역을 해석한다. 먼저 기존의 경우와 같이 전동기가 일정한 부하 및 일정한 속도에서 운전하는 정상상태일 경우 d축 및 q축 전류의 동특성은 무시할 수 있으므로 dq 전압방정식은 식 (17) 및 (18)로 나타낼 수 있다.
영구자석 동기전동기의 약자속 제어에 의한 최대토크 운전특성의 해석결과를 검증하기 위하여 전동기의 속도 별로 전동기가 발생할 수 있는 최대토크를 실험으로 확인하였다. 실험은 다이나모(Dynamo)의 서보전 동기로 속도를 제어하고 실험대상인 영구자석 동기전동기의 토크를 토크센서(Torque sensor)로부터 측정하였다.
또한 속도별 최대토크를 발생하는 dq 전류의 운전점을 분석하고 기존의 해석결과와 비교한다. 전동기의 토크-속도 특성 실험을 통하여 약자속 운전영역의 기존 해석 및 제안된 해석의 타당성을 검증한다.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 HEV용 영구자석 동기전동기의 고정자 권선은 집중권(Concentrated windings) 형태이고, 회전자는 16극, 영구자석이 회전자 코어(core) 내에 삽입되어 있는 영구자석 매립형 구조이다. abc 축 상 에서 영구자석 동기전동기의 전압방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
영구자석 동기전동기의 약자속 제어에 의한 최대토크 운전특성의 해석결과를 검증하기 위하여 전동기의 속도 별로 전동기가 발생할 수 있는 최대토크를 실험으로 확인하였다. 실험은 다이나모(Dynamo)의 서보전 동기로 속도를 제어하고 실험대상인 영구자석 동기전동기의 토크를 토크센서(Torque sensor)로부터 측정하였다. 표 1은 영구자석 동기전동기의 상수(parameters)를 나타내며 그림 6은 실험 장치를 나타낸다.

성능/효과

3)으로 유기전압의 고조파를 반영한 운전점이 실험결과와 유사하게 나타남을 알 수 있다. 또한 4,200rpm에서 전동기가 발생할 수 있는 최대토크는 기존 해석의 경우 52.4Nm, 유기전압의 고조파를 반영한 해석의 경우 43.9Nm, 실험의 경우 42.0Nm로 유기전압의 고조파를 반영한 해석이 실험결과와 유사하게 나타났다. 기존 해석의 경우 4,200rpm에서 최대토크인 52.
0)으로 유기전압의 고조파를 반영한 운전점이 실험결과와 유사하게 나타남을 알 수 있다. 또한 6,000rpm에서 전동기가 발생할 수 있는 최대토크는 기존 해석의 경우 35.5Nm, 유기전압의 고조파를 반영한 해석의 경우 23.6Nm, 실험의 경우 22.5Nm로 유기전압의 고조파를 반영한 해석이 실험결과와 유사하게 나타났다.
또한 기존의 약자속 운전의 해석과 제안된 해석에 의한 속도별 최대토크 및 운전점에 대해 비교, 분석하고 실험을 통하여 제안된 약자속 영역 해석의 타당성을 확인하였다.
실험결과 MTPA 궤적을 따라 105Nm를 발생할 수 있는 최대속도는 1,400rpm으로 해석치 1,450rpm과 비슷한 수준으로 나타났다. 또한 약자속 제어에 의해 105Nm를 발생할 수 있는 최대속도인 B점은 1,700rpm으로 해석결과와 동일하게 나타났다. 전동기 속도별 최대토크 및 최대토크를 발생하는 dq 전류의 실험결과는 유기전압의 고조파를 반영한 해석결과와 유사함을 알 수 있다.
본 논문에서 제안된 약자속 운전해석은 고속에서 실제 전동기의 최대토크 운전 가능영역을 정확히 파악하고, 약자속 제어 시 속도 및 토크에 따른 dq 전류의 맵 또는 약자속 제어 알고리즘을 구현하는데 유용하게 활용할 수 있다.
반면 기존의 해석에 따른 최대토크는 약자속 모드로 운전하는 1,700rpm 이상의 속도에서 실험값보다 더 크게 나타났다. 실제 시스템에서는 유기전압의 고조파에 의해 전동기에 공급할 수 있는 전류의 영역이 기존의 해석보다 더 좁아짐에 따라 오차가 발생하며 전동기의 속도가 증가함에 따라 유기전압의 고조파 영향이 더 크게 되므로 기존의 해석결과와 실험값의 오차는 더 증가한다.
실험결과 MTPA 궤적을 따라 105Nm를 발생할 수 있는 최대속도는 1,400rpm으로 해석치 1,450rpm과 비슷한 수준으로 나타났다. 또한 약자속 제어에 의해 105Nm를 발생할 수 있는 최대속도인 B점은 1,700rpm으로 해석결과와 동일하게 나타났다.
유기전압의 고조파는 전동기의 토크특성에 영향을 주는 5차 고조파가 -6.29%, 7차 고조파는 -4.83%로 나타났다. 반면 11차와 13차의 고조파는 각각 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영구자석 매립형 동기전동기의 특성은?	영구자석 매립형 동기전동기는 고효율, 소형화 및 넓은 가변속운전 등의 특성으로 인해 전기자동차에 적용되고 있다. 본 논문에서는 유기전압이 고조파를 함유하고 있는 영구자석 동기전동기에 대하여 고속운전 시 약자속 운전 영역의 해석에 대해 제안한다.
	유기전압을 정현파로 가정한 경우에 비해 실제 운전에서는 동일한 속도에서 전동기가 발생할 수 있는 토크의 크기가 작아진다는 것은 무엇을 의미하는가?	따라서 유기전압을 정현파로 가정한 경우에 비해 실제 운전에서는 동일한 속도에서 전동기가 발생할 수 있는 토크의 크기가 작아진다. 이는 동일한 토크에서 전동기가 도달할 수 있는 최대속도가 낮아짐을 의미한다. 따라서 전동기의 최대운전 영역을 보다 정확하게 해석하기 위해서는 전동기의 상저항에 걸리는 전압 및 유기전압의 고조파를 함께 고려하여야 한다.
	영구자석 동기 전동기를 약자속 영역에서 운전할 경우 전동기의 설계 및 제어 알고리듬을 구현하는데 있어 매우 중요한 것은?	일반적인 HEV용 영구자석 동기전동기의 경우 약자속 제어를 사용하지 않을 경우 최고속도는 HEV용 전동기에 요구되는 최고속도의 30% 이하이므로 매우 넓은 영역의 약자속 제어가 요구된다. 영구자석 동기 전동기를 약자속 영역에서 운전할 경우 부하에 따라 전동기가 발생할 수 있는 최대토크의 크기를 파악하는 것은 전동기의 설계 및 제어 알고리듬을 구현하는데 있어 매우 중요하다. 즉 전동기의 설계 상수 (Parameter) 또는 제작된 전동기의 상수로부터 부하 및 속도에 따라 약자속 운전에 의해 발생할 수 있는 최대토크를 정확히 해석하여 전동기 설계 및 제어 알고리듬에 반영해야 한다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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원문보기 상세보기
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S. K. Chung, H. S. Kim, C. G. Kim, M. J. Youn, "A new instantaneous torque control of PM synchronous motor for high-performance direct-drive applications", IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 13, No. 3, pp. 388-400, 1998. May.

상세보기
김장목, 임익헌, 류홍우, "약계자 영역에서 최대전압 설정에 관한 연구", 전력전자학술대회 논문집, pp. 26-30, 1999. 7.

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