[논문]토크예측제어를 이용한 매입형 영구자석 동기전동기의 토크리플저감기법

김현섭; 한정호; 송중호

doi:10.5207/jieie.2013.27.2.102

토크예측제어를 이용한 매입형 영구자석 동기전동기의 토크리플저감기법
Torque Ripple Reduction of Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors Driven by Torque Predictive Control 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.2, 2013년, pp.102 - 109

김현섭 (서울과학기술대학교 철도전문대학원) , 한정호 (서울과학기술대학교 철도전문대학원) , 송중호 (서울과학기술대학교 전기정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new torque predictive control method of interior permanent magnet synchronous motor is developed based on an extended rotor flux. Also, a duty ratio prediction method is proposed and allows the duty ratio of the active stator voltage vector to be continuously calculated. The proposed method makes it possible to relatively reduce the torque ripple under the steady state as well as to remain the good dynamic response in the transient state. With the duty ratio prediction method, the magnitude and time interval of the active stator voltage vector applied can be continuously controlled against the varying operation conditions. This paper shows a comparative study among the switching table direct torque control(DTC), the SVM-DTC, conventional torque predictive control, and the proposed torque predictive control. Simulation results show validity and effectiveness of this work.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 확장된 회전자 자속을 이용한 IPMSM의 토크 예측 제어기법과 연속적으로 전압 벡터의 듀티 비를 예측하는 방법을 제안하였다. 제안한 전압 듀티비 예측 방법은 고정자 전압 벡터의 크기와 적용 시간을 연속적으로 제어함으로써 과도 상태에서 토크의 응답속도를 유지하면서 정상상태에서 토크 리플을 감소시킨다.

제안 방법

본 논문에서는 확장된 회전자 자속을 이용한 IPMSM의 수학적인 모델링과, IPMSM-TPC의 제어 알고리즘과 전압벡터의 듀티비(Duty Ratio) 예측 기법을 제안하였다. 그리고 ST-DTC, SVM-DTC, 기존의 TPC, 제안한 TPC 알고리즘을 시뮬레이션을 통하여 각각의 성능을 비교, 분석하고 제안한 알고리즘의 토크리플 저감의 유효성과 우수성을 검증하였다.
본 논문은 확장된 회전자 자속을 이용한 IPMSM의 토크 예측 제어기법과 연속적으로 전압 벡터의 듀티 비를 예측하는 방법을 제안하였다. 제안한 전압 듀티비 예측 방법은 고정자 전압 벡터의 크기와 적용 시간을 연속적으로 제어함으로써 과도 상태에서 토크의 응답속도를 유지하면서 정상상태에서 토크 리플을 감소시킨다. 제안한 제어 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 스위칭 테이블을 이용한 직접 토크제어, 공간 벡터 변조 기법을 이용한 직접 토크제어, 기존의 TPC, 제안한 TPC를 시뮬레이션으로 구현하였다.
제안한 전압 듀티비 예측 방법은 고정자 전압 벡터의 크기와 적용 시간을 연속적으로 제어함으로써 과도 상태에서 토크의 응답속도를 유지하면서 정상상태에서 토크 리플을 감소시킨다. 제안한 제어 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 스위칭 테이블을 이용한 직접 토크제어, 공간 벡터 변조 기법을 이용한 직접 토크제어, 기존의 TPC, 제안한 TPC를 시뮬레이션으로 구현하였다. 그 결과 제안한 TPC는 다른 제어 알고리즘보다 우수한 토크 제어 성능을 보여주었다.

데이터처리

본 논문에서는 확장된 회전자 자속을 이용한 IPMSM의 수학적인 모델링과, IPMSM-TPC의 제어 알고리즘과 전압벡터의 듀티비(Duty Ratio) 예측 기법을 제안하였다. 그리고 ST-DTC, SVM-DTC, 기존의 TPC, 제안한 TPC 알고리즘을 시뮬레이션을 통하여 각각의 성능을 비교, 분석하고 제안한 알고리즘의 토크리플 저감의 유효성과 우수성을 검증하였다.
제안한 IPMSM-TPC의 성능을 평가하기 위해 ST-DTC[2], SVM-DTC[3], 기존의 IPMSM-TPC[6]를 시뮬레이션을 통해 비교, 분석하였다. 표 1은 시뮬레이션에서 적용된 IPMSM의 파라미터를 나타낸다.

이론/모형

6ms으로 같다. 토크리플의 감소량을 비교하기 위해식 (24)와 같이 토크리플율(Torque Ripple Factor, TRF)을 정의하였다.

성능/효과

그림 10은 식 (24)를 이용해서 토크 제어 방법에 따른 토크리플율을 보여준다. ST-DTC의 토크리플 율은 29.68%, DTC-SVM의 토크리플율은 21.74%, 기존의 TPC의 토크리플율은 18.55%, 제안한 TPC의 토크리플율은 1.41%로 제안한 TPC가 다른 제어 알고리즘보다 적은 토크리플을 발생시킨다.
제안한 제어 알고리즘의 성능을 검증하기 위해 스위칭 테이블을 이용한 직접 토크제어, 공간 벡터 변조 기법을 이용한 직접 토크제어, 기존의 TPC, 제안한 TPC를 시뮬레이션으로 구현하였다. 그 결과 제안한 TPC는 다른 제어 알고리즘보다 우수한 토크 제어 성능을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PMSM이 최근 고성능 전동기 분야에서 많이 사용되는 이유는 무엇인가?	PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)은 에너지 효율이 좋고, 전동기 무게에 대한 출력 토크의 비가 크고, 속응성이 유도전동기나 직류전동기보다우수하기 때문에 최근 순시 토크 제어가 요구되는 고성능 전동기 분야에서 사용이 크게 증가하고 있다[1].
	ST-DTC 방식을 이용하여 토크를 제어했을 때 어떤 단점이 있는가?	DTC 방식 중에 스위칭 테이블을 이용한 DTC(ST-DTC, Switching Table-based DTC)는 히스테리시스 제어기와 스위칭 테이블을 이용하여 토크와 자속을 제어하는 방식이다. 이 기법은 스위칭 주파수가 일정하지 않고 상대적으로 큰 토크리플이 발생하는 단점이 있다[2-3].
	토크 예측 제어기법이란 무엇인가?	토크 예측 제어기법(TPC, Torque Predictive Cotrol)은 PI 제어기 없이 토크와 전압 벡터의 관계식을 이용하여 전압 지령치를 계산하는 방법이다. 이 방식은 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)에 대한 연구를 진행하여 SVM-DTC 방식보다 토크 리플을 더 줄일 수 있다[6-8].

참고문헌 (9)

M.N. Uddin, T.S. Radwan, G.H. George and M.A. Rahman , Performance of current controllers for VSI-fed IPMSM drive, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 36, pp.1531-1538, 2000.

상세보기
L. Zhong, M. F. Rahman, W. Y. Hu, and K. W. Lim, ,Analysis of direct torque control in permanent magnet synchronous motor drives, IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 12, pp. 528-536, 1997.

상세보기
L. Tang, L. Zhong, and M. F. Rahman, A novel direct torque control for interior permanent-magnet synchronous machine drive with low ripple in torque and flux-a speed-sensorless approach, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, pp. 1748-1756, 2003.

상세보기
B. Singh and D. Goyal, Improved DSVM-DTC based current sensorless permanent magnet synchronous motor drive, in Proc. PEDS, pp. 1354-1360, 2007.
Yen-Shin Lai, A New Approach to Direct Torque Control Of Induction Motor Drives for Constant switching Frequency and Torque Ripple Reduction, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 16, pp. 220-221, 2001.
H. Zhu, X. Xiao, and L. Yongdong, Torque ripple reduction of the torque predictive control scheme for permanent-magnet synchronous motors, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 59, pp. 871-877, 2012.
Y. Li, C. Wang, and H. Hu, "Predictive control of torque and flux of induction motor drives," in Proc. PEDS, pp. 67-71, 2005.
M. Zhang, X. Xiao, and Y. Li, Predictive direct torque control of PM synchronous motors based on an area voltage vector table, J. Tsinghua Univ., vol. 48, no. 1, pp. 25-30, Jan. 2008.
Y. Zhang and J. Zhu, Direct torque control of permanent magnet synchronous motor with reduced torque ripple and commutation frequency, IEEE Transactions on Power Electronics., vol. 26, no. 1, pp. 235-248, 2011.

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