[논문]개선된 전차원 자속 관측기를 사용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어

이경구; 이준석; 이교범

doi:10.6113/tkpe.2013.18.6.565

[국내논문] 개선된 전차원 자속 관측기를 사용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어
Sensorless Speed Control for PMSM Using an Improved Full-Order Flux Observer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.18 no.6, 2013년, pp.565 - 572

이경구 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Ajou University) , 이준석 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Ajou University) , 이교범 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

The sensorless speed control using the improved full-order flux observer for PMSM is proposed in this paper. A conventional full-order flux observer has a drawback that the estimated flux of this observer contains the ripple component at the low speed range due to the increased gains of the convectional full-order flux observer. The improved full-order flux observer with the modified gains guarantee the improved estimation performance without ripple component at the from zero to high speed range. To identify the performance of proposed observer, the simulation and experiment are conducted and this performance is compared with the conventional full-order observer.

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문제 정의

본 논문에서는 전차원 자속 관측기의 개선된 이득을 이용한 센서리스 제어기법을 제안하였다. 제안하는 전차원 자속 관측기의 이득은 속도에 따라 가변되는 항으로 구성되어 d-q축 전류와 자속정보를 추정한다^[3].
리플이 포함된 자속정보는 회전자 위치의 추정성능을 저하시키는 원인이 된다^[1][4][5]. 본 논문에서는 분모항에 속도를 제거하고, 안정한 극배치를 위해 이득 를 추가한 개선된 이득을 가지도록 설계한다. 일반적인 전차원 자속 관측기와 제안하는 전차원 자속 관측기는 속도에 따라 가변되는 이득항을 갖는다.
리플이 포함된 자속으로부터 회전각과 속도의 추정성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었고, 관측기의 이득항 분모에 속도정보가 포함되어 저속에서 추정성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 전차원 자속 관측기의 이득을 변경하고, 저속에서 추정성능이 저하되는 단점을 보완하였다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘의 타당성을 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검증하였다.

가설 설정

그러나 일반적인 전차원 자속 관측기의 이득은 저속에서 분모에 포함된 속도항에 따라 추정성능이 저하되는 문제가 있다. 제안하는 전차원 자속 관측기의 이득은 저속운전 시 속도에 영향을 받지 않는다. 따라서 제안하는 전차원 자속 관측기의 이득은 식 (18), (19), (20), (21)로 정의하였다.

제안 방법

본 논문에서는 전차원 자속 관측기의 개선된 이득을 이용한 센서리스 제어기법을 제안하였다. 제안하는 전차원 자속 관측기의 이득은 속도에 따라 가변되는 항으로 구성되어 d-q축 전류와 자속정보를 추정한다^[3]. 또한 일반적인 전차원 자속 관측기 이득의 저속운전 시 불안정해지는 추정성능 단점을 보완하기위해 이득항을 개선하고, 안정적인 극배치를 위해 이득항을 추가하여 안정한 극점을 배치할 수 있다.
IPMSM의 구조는 d-q축 인덕턴스가 다르다. d축 인덕턴스와 비교하여 q축 인덕턴스 성분은 전류와 온도 및 운전시간에 영향을 받기 때문에 본 논문에서는 자속 모델링을 d축 인덕턴스만을 이용하여 모델링하고, 이를 SPMSM과 동일하게 해석하였다 ^[3].
하지만 IPMSM의 자속 모델은 부하와 온도 조건에 따라 광범위하게 변화되는 q축 인덕턴스에 의해 영향을 받는다^[3]. 따라서 본 논문에서는 d축과 q축의 인덕턴스가 동일한 SPMSM의 자속 모델링과 같이 IPMSM의 자속 모델링을 d축 인덕턴스로 해석하여 정의한다. d축 인덕턴스는 부하와 온도 조건에 따라 영향을 받지 않기 때문이다^[3].
본 논문에서는 IPMSM의 자속 모델을 SPMSM의 자속 모델로 해석하고 전압 방정식을 정의하였다.
. 본 논문에서는 이득 분모항에 속도정보를 포함한 기존 전차원 자속 관측기의 이득을 나타내는 식 (9) - (17)을 제안하는 전차원 자속 관측기의 이득을 나타내는 식 (18) - (24)로 변경하여 저속운전 영역에서 개선된 성능을 제안한다.
본 논문에서 제안하는 이득을 적용한 전차원 자속 관측기와 일반적인 전차원 자속 관측기의 추정 성능 비교를 위해 PSIM을 사용하여 시뮬레이션을 진행 하였다.
본 논문에서 제안한 이득을 적용한 전차원 자속 관측기의 실험을 위하여 매입형 영구자석 동기전동기를 사용하였다. 실험에서 사용한 매입형 영구자석 동기전동기의 파라미터는 표 1의 파라미터와 동일하다.
제어주기는 100 [μsec]이고, 스위칭 주파수는 10 [kHz]이다. 실험에서는 시뮬레이션과 같이 일반적으로 사용하는 전차원 자속 관측기와 제안하는 이득을 적용한 전차원 자속 관측기의 저속운전 영역 추정성능을 비교하였다.

데이터처리

따라서 본 논문에서는 전차원 자속 관측기의 이득을 변경하고, 저속에서 추정성능이 저하되는 단점을 보완하였다. 본 논문에서 제안하는 알고리즘의 타당성을 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검증하였다.

성능/효과

속도 정보는 추정된 회전자의 위치정보로부터 PID제어기를 사용하여 얻는다. 매입형 영구자석 동기전동기의 시뮬레이션과 실험을 통해 제안하는 전차원 자속 관측기의 이득 알고리즘의 우수성을 확인하였다.
시뮬레이션을 통해 50 [rpm]에서 1650[rpm]속도 가변 시 속도 제어가 가능한 것을 확인할 수 있다. 저속운전 영역인 50 [rpm]에서 d-q축 추정자속은 일반적인 전차원 자속 관측기의 추정자속과 비교해 볼 때 본 논문에서 제안하는 이득을 적용한 전차원 자속 관측기의 추정자속에 리플이 제거된 것을 확인할 수 있다. 또한 추정 회전각에 리플이 제거된 것을 확인할 수 있는데 이는 d-q축의 추정자속에 리플성분이 제거되어 우수한 추정성능을 나타낸다고 할 수 있다.
저속운전 영역인 50 [rpm]에서 d-q축 추정자속은 일반적인 전차원 자속 관측기의 추정자속과 비교해 볼 때 본 논문에서 제안하는 이득을 적용한 전차원 자속 관측기의 추정자속에 리플이 제거된 것을 확인할 수 있다. 또한 추정 회전각에 리플이 제거된 것을 확인할 수 있는데 이는 d-q축의 추정자속에 리플성분이 제거되어 우수한 추정성능을 나타낸다고 할 수 있다. 50 [rpm]구간에서 추정 속도는 시뮬레이션 결과를 통해 리플이 제거되어 오차없이 추정되는 것을 나타내었다.
본 시뮬레이션 결과로부터 그림 5의 일반적인 전차원 자속 관측기의 추정 성능을 통해 이득항의 분모에 속도 값이 존재할 경우 저속운전에서 추정성능이 저하됨을 확인할 수 있으며, 본 논문에서 제안하는 이득을 적용한 전차원 자속 관측기는 저속운전에서의 추정성능이 우수함을 확인할 수 있다.
(d)와 (f)는 자속과 회전각 추정 시 리플이 발생하지 않는 것을 확인하였다. 본 실험 결과로부터 분모항에 속도값을 포함한 이득을 가진 일반적인 전차원 자속 관측기는 저속운전시 분모항에 포함된 속도값에 의해 이득이 커져서 추정값에 리플이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 이득을 가진 전차원 자속 관측기는 저속 운전 시 속도값에 영향을 받지않고 리플없이 안정적으로 자속을 추정하는 것을 확인하였다.
본 실험 결과로부터 분모항에 속도값을 포함한 이득을 가진 일반적인 전차원 자속 관측기는 저속운전시 분모항에 포함된 속도값에 의해 이득이 커져서 추정값에 리플이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 이득을 가진 전차원 자속 관측기는 저속 운전 시 속도값에 영향을 받지않고 리플없이 안정적으로 자속을 추정하는 것을 확인하였다.
그림 9는 50 [rpm]에서 정격부하(60 [N·m])를 스텝으로 인가하였을 때 제안하는 전차원 자속 관측기의 추정성능을 나타낸다. 실험 결과로부터 정격부하를 스텝으로 인가하였을 때 본 논문에서 제안하는 이득을 적용한 전차원 관측기는 안정적으로 회전각을 추정한다. 따라서 회전각으로부터 추정되는 속도정보는 급격한 외란에도 저속운전 영역에서 오차 없이 추정되며 안정적인 속도제어를 할 수 있다.
일반적인 전차원 자속 관측기는 이득항 분모에 속도정보를 포함하여 저속운전 시 추정성능 저하의 원인이 되는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 이득을 가진 전차원 자속 관측기는 저속과 고속에서 안정한 성능을 나타내며, 그림 8, 9, 10으로부터 제안하는 이득을 가진 전차원 자속 관측기의 센서리스 속도제어 시 저속에서 우수한 추정성능을 확인할 수 있다.
일반적인 전차원 자속 관측기의 저속영역 운전 시 추정되는 자속에 리플이 포함되는 것을 확인하였다. 리플이 포함된 자속으로부터 회전각과 속도의 추정성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었고, 관측기의 이득항 분모에 속도정보가 포함되어 저속에서 추정성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.
일반적인 전차원 자속 관측기의 저속영역 운전 시 추정되는 자속에 리플이 포함되는 것을 확인하였다. 리플이 포함된 자속으로부터 회전각과 속도의 추정성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었고, 관측기의 이득항 분모에 속도정보가 포함되어 저속에서 추정성능이 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 논문에서는 전차원 자속 관측기의 이득을 변경하고, 저속에서 추정성능이 저하되는 단점을 보완하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매입형 영구자석 동기전동기의 특징은?	매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)는 영구자석이 회전자 내부에 위치하여 유효 공극이 작고, 기계강도를 향상시킬 수 있다. 적층형 규소강판으로 이루어진 회전자 표면은 와전류손을 저감시키며, 약계자의 용이성이 있다. 또한 배치된 영구자석 위치에 따라 릴럭턴스 토크가 발생되며 d-q축 인덕턴스가 다르다[1].
	축소차수 관측기의 장단점은?	일반적으로 전류정보와 자속정보를 추정하는 전차원 자속 관측기와 다르게 축소차수 관측기는 자속정보만을 추정한다. 따라서 계산량이 적고, 전차원 자속 관측기에 비해 구조가 간단한 장점이 있다. 그러나 자속 추정 시 필요한 d-q축 전류항을 센서를 이용하여 얻은 정보를 사용하기 때문에 센서에 의한 노이즈나 왜곡에 민감한 단점이 있다. 반면 전차원 자속 관측기는 계산량이 많고, 구조가 복잡해지는 단점이 있으나, 전류와 자속정보를 같이 추정하기 때문에 센서에 의한 잡음이나 왜곡에 대해 덜 민감하다[1][2][3].
	전차원 자속 관측기의 장단점은?	그러나 자속 추정 시 필요한 d-q축 전류항을 센서를 이용하여 얻은 정보를 사용하기 때문에 센서에 의한 노이즈나 왜곡에 민감한 단점이 있다. 반면 전차원 자속 관측기는 계산량이 많고, 구조가 복잡해지는 단점이 있으나, 전류와 자속정보를 같이 추정하기 때문에 센서에 의한 잡음이나 왜곡에 대해 덜 민감하다[1][2][3].

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