[논문]영구자석 동기전동기 드라이브의 확장형 칼만필터를 이용한 개방성 고장진단 기법

안성국; 박병건; 김래영; 현동석

doi:10.6113/tkpe.2011.16.2.191

영구자석 동기전동기 드라이브의 확장형 칼만필터를 이용한 개방성 고장진단 기법
Fault Diagnosis Scheme for Open-Phase Fault of Permanent Magnet Synchronous Motor Drive using Extended Kalman Filter 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.16 no.2, 2011년, pp.191 - 198

안성국 (한양대 대학원 전기공학과) , 박병건 (한양대 대학원 전기공학과) , 김래영 (한양대 전기제어생체공학부) , 현동석 (한양대 전기제어생체공학부)

초록
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본 논문에서는 영구자석 동기전동기 구동용 인버터 스위치에서 개방성 고장이 발생하여도 구동 성능을 유지하기 위한 고장진단 기법이 제안 되었다. 제안한 고장진단 기법은 확장형 칼만필터에 의해 실시간으로 추정된 고정자 저항이 개방성 고장발생 시 고장발생 위치에 따라서 다르게 추정되는 것을 이용하여 고장을 진단한다. 고장진단을 위한 제어 알고리즘을 별도의 하드웨어 구성없이 기존의 제어 프로그램에 추가함으로써 비용을 저감 시킬 수 있으며 추정된 고정자 저항은 상수 변동에 영향을 받는 제어기의 전동기 상수로 사용함으로써 제어 성능을 향상 시킬 수 있다. 제안한 고장진단 기법의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the fault diagnosis scheme for PMSM drives has been proposed to maintain control performance under a switch open-phase fault of inverter. When the open-phase fault occurs, the stator resistances of PMSM are estimated by Extended Kalman Filter (EKF) in real time and can appear differently according to the location of fault occurrence to check the fault detection and identification. The control algorithm is configured without the additional device and low cost by adding the existing control program. Also, by using motor parameter the estimated stator resistance value improves the control performance of the controller affected by parameter variation. The feasibility of the proposed fault diagnosis algorithm is validated in simulation and experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위하여 실험을 수행하였다. 제안한 인버터 개방성 고장진단 방법의 가능성을 판단하기 위해 시뮬레이션과 동일한 조건에서 실험 하였다.
본 논문에서는 영구자석 동기 전동기 구동 인버터의 개방 고장에 대한 제어 특성해석과 고장 모델을 제시했다. 개방성 고장 발생 후 PWM 벡터제어의 두 섹터 구간 내에 빠르게 고장을 검출하고 위치를 확인함으로써 고장 피해를 최소화 시키고 재구성 시스템을 통해서 제어성능을 유지할 수 있다.
본 논문에서는 영구자석 동기전동기 드라이브의 신뢰성을 확보하기 위한 새로운 고장진단 기법을 제안하였다. 제안한 고장진단 기법은 개방성 고장 발생 시 확장형 칼만필터에 의해 실시간으로 추정된 고정자 저항 값이 고장 발생 위치에 따라서 다르게 나타나는 것을 관찰하여 고장검출과 고장확인이 이루어진다.

제안 방법

확장형 칼만필터를 이용해서 고정자 저항을 추정하여 고장발생 여부를 판단하기 위한 고장검출 부분과 고정자 저항값을 관측하여 고장위치를 알아내는 고장 확인 부분으로 나눌 수 있다. 각 상의 고정자 저항은 확장형 칼만필터로 추정되고 고장 발생 시 변화되는 고정자 저항과 주어진 문턱저항의 비교를 통해 고장을 진단한다.
개방성 고장 발생 후 PWM 벡터제어의 두 섹터 구간 내에 빠르게 고장을 검출하고 위치를 확인함으로써 고장 피해를 최소화 시키고 재구성 시스템을 통해서 제어성능을 유지할 수 있다. 고장진단을 위한 제어 알고리즘을 기존의 시스템에 프로그램으로 추가함으로써 별도의 하드웨어 구성없이 제조비용을 감소시키고 고장에 강인한 제어 시스템을 구현하여 신뢰성을 확보하였다. 제안된 고장진단 방법의 실현 가능성과 우수성을 보이고자 시뮬레이션과 실험을 통하여 고장에 대한 강인한 특성을 검증하였다.
제안한 인버터 개방성 고장진단 방법의 가능성을 판단하기 위해 시뮬레이션과 동일한 조건에서 실험 하였다. 실험은 A상의 상단 스위치 S₁에 대한 개방성 고장을 고려하여 실험하였다.
본 논문에서는 영구자석 동기전동기 드라이브의 신뢰성을 확보하기 위한 새로운 고장진단 기법을 제안하였다. 제안한 고장진단 기법은 개방성 고장 발생 시 확장형 칼만필터에 의해 실시간으로 추정된 고정자 저항 값이 고장 발생 위치에 따라서 다르게 나타나는 것을 관찰하여 고장검출과 고장확인이 이루어진다. 제안한 방법은 추가적인 센서가 필요 없을 뿐만 아니라 기존 방법에 비해 공간전압벡터 PWM에서 6개의 구간 중 두 개의 구간 이내로 고장을 검출하여 고장검출 시간을 단축시킬 수 있다.
제안한 고장진단 기법은 개방성 고장이 발생할 경우 확장형 칼만 필터에 의해 추정된 고정자 저항이 비정상적인 저항 값으로 나타나는 특성을 이용한다. 그림 2는 제안한 고장진단 기법의 흐름도를 나타낸다.
제안한 방법의 타당성을 입증하기 위하여 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 제안한 고장진단 기법의 구현 가능성을 보기 위해 일반적인 재구성 방법을 적용하였다. 시뮬레이션에 사용된 영구자석 동기전동기의 파라미터는 표 2와 같다.
제안한 방법의 타당성을 입증하기 위하여 PSIM을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 제안한 고장진단 기법의 구현 가능성을 보기 위해 일반적인 재구성 방법을 적용하였다.
본 논문에서 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위하여 실험을 수행하였다. 제안한 인버터 개방성 고장진단 방법의 가능성을 판단하기 위해 시뮬레이션과 동일한 조건에서 실험 하였다. 실험은 A상의 상단 스위치 S₁에 대한 개방성 고장을 고려하여 실험하였다.

데이터처리

제안한 방법은 추가적인 센서가 필요 없을 뿐만 아니라 기존 방법에 비해 공간전압벡터 PWM에서 6개의 구간 중 두 개의 구간 이내로 고장을 검출하여 고장검출 시간을 단축시킬 수 있다. 제안된 고장진단 모델의 타당성을 입증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였고 실제 동일 고장 조건에서 실험을 통하여 가능성과 우수성을 검증하였다.

이론/모형

그림 1은 영구자석 동기전동기 구동 시스템의 등가회로를 보여주고 있다. 기존의 d-q 모델은 2상을 고려한 것으로서 각 상의 저항 변화를 추정하기 어렵기 때문에 본 논문에서는 다음과 같이 3상 전압방정식을 이용하였다.

성능/효과

고장진단을 위한 제어 알고리즘을 기존의 시스템에 프로그램으로 추가함으로써 별도의 하드웨어 구성없이 제조비용을 감소시키고 고장에 강인한 제어 시스템을 구현하여 신뢰성을 확보하였다. 제안된 고장진단 방법의 실현 가능성과 우수성을 보이고자 시뮬레이션과 실험을 통하여 고장에 대한 강인한 특성을 검증하였다.
제안한 고장진단 기법은 개방성 고장 발생 시 확장형 칼만필터에 의해 실시간으로 추정된 고정자 저항 값이 고장 발생 위치에 따라서 다르게 나타나는 것을 관찰하여 고장검출과 고장확인이 이루어진다. 제안한 방법은 추가적인 센서가 필요 없을 뿐만 아니라 기존 방법에 비해 공간전압벡터 PWM에서 6개의 구간 중 두 개의 구간 이내로 고장을 검출하여 고장검출 시간을 단축시킬 수 있다. 제안된 고장진단 모델의 타당성을 입증하기 위해 시뮬레이션을 수행하였고 실제 동일 고장 조건에서 실험을 통하여 가능성과 우수성을 검증하였다.
따라서 식(17)에서 A상의 고정자 저항은 증가하게 되고, B상의 고정자 저항은 감소하게 된다. 첫 번째, A상의 고정자 저항은 V1과 V2에서 계속 증가했고, B상의 고정자 저항은 V1에서 증가했고 V2에서는 감소했다. 마지막 C상의 고정자 저항은 V1에서 감소했고 V2에서는 변화가 없다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력변환 기기에서 발생하는 스위치의 개방성 고장 검출에는 어떤 방법들이 있는가?	기존에 제안된 전력변환 기기에서 발생하는 스위치의 개방성 고장 검출은 하드웨어적으로 센서 혹은 검출회로 등을 추가적으로 구성하는 방법과 추가적인 하드웨어 없이 소프트웨어적으로 알고리즘을 구성하는 방법들이 있다. 추가적으로 하드웨어를 추가하는 방법들은 인버터의 폴 전압을 검출하여 고장 여부를 분석하는 방법 [2], 스위치 턴-온 시 게이트 드라이브의 고장 검출 회로를 이용하여 고장 유무를 판단하는 방법 [3] 등이 있다. 이러한 방법들은 개방성 고장 발생 시, 고장발생과 검출 사이의 시간이 짧고, 정확한 고장진단 성능을 가지고 있다.
	영구자석 동기전동기의 장점은?	영구자석 동기전동기 (Permanent Magnet Synchronous Motor)는 고효율, 고역률, 높은 토크, 넓은 속도 범위에서 제어가 용이한 장점들로 인하여 가전 및 산업응용 제품에서 사용이 증가되고 있다[1]. 최근에는 영구자석 동기전동기 드라이브의 성능 향상과 더불어 사용량 증가에 따른 신뢰성은 매우 중요한 요소로 고려되고 있다.
	하드웨어를 추가하는 방법들은 인버터의 폴 전압을 검출하여 고장 여부를 분석하는 방법, 스위치 턴-온 시 게이트 드라이브의 고장 검출 회로를 이용하여 고장 유무를 판단하는 방법 등이 있다, 이 방법들의 장단점은?	추가적으로 하드웨어를 추가하는 방법들은 인버터의 폴 전압을 검출하여 고장 여부를 분석하는 방법 [2], 스위치 턴-온 시 게이트 드라이브의 고장 검출 회로를 이용하여 고장 유무를 판단하는 방법 [3] 등이 있다. 이러한 방법들은 개방성 고장 발생 시, 고장발생과 검출 사이의 시간이 짧고, 정확한 고장진단 성능을 가지고 있다. 하지만 전압 측정에 있어서 센서와 절연회로등과 같은 추가적인 구성을 필요로 하기 때문에 시스템 비용이 증가하는 단점을 가지고 있다. 소프트웨어적인 구성을 이용한 방법들은 사용자의 경험 혹은 실험에 의해 얻어진 정상 동작에 대한 정보와 실제 구동 시에 발생하는 값을 비교하여 고장을 검출하는 방법 [4]과 한 주기의 전류 궤적을 분석하여 고장 시 직류-링크 또는 출력 부하 전류의 변화를 검출하여 고장이 발생한 스위치와 상을 판별하는 방법 [5], 퍼지 혹은 neural-network를 이용하여 고장을 검출하는 방법 [6] 등이 있다.

참고문헌 (6)

P. Pillay and P. Freere, "Literature survey of permanent magnet ac motors and drives", in conf. Rec. IEEE-IAS Annu. Meeting. pp. 74-84. 1989.
R. L. A. Ribeiro, C. B. Jacobina and E. R. C. da Silva, "Fault-Tolerant Voltage-Fed PWM Inverter Ac Motor Drive Systems", IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 51, No. 2, pp. 439-446, 2004, Apr.
Jingwei Zhu, Ertugrul N., Wen Liang Soong, "Detection and Remediation of Switch Faults on a Fault Tolerant Permanent Magnet Motor Drive with Redundancy", 2007 Second IEEE Conf. on Ind. Electronincs and Applications. pp. 96-101, 2007.
R. Spee and T. Lipo, "Remedial strategies for brushless dc drive failures", IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 26, No. 2, pp. 259-266, 1990, Mar./Apr.

상세보기
R. Peuget, S. Courtine, and J. P. Rognon, "Fault Detection and Isolation on a PWM Inverter by Knowledge-BasedModel", IEEE Trans. on Ind. Applicat., Vol. 34, No. 6, pp. 1318-1326, 1998, Nov./Dec.

상세보기
M. Awadallah and M. Morcos, "Automatic diagnosis and location of open-switch fault in brushless DC motor drives using wavelets and neuro-fuzzy systems", IEEE Trans. on Energy Conversion, Vol. 21, No. 1, pp. 104-111, 2006, Mar.

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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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