[논문]단일 인버터를 이용한 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 병렬 구동 시스템의 센서리스 구동 방법

이용재; 하정익

doi:10.6113/tkpe.2015.20.1.38

단일 인버터를 이용한 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 병렬 구동 시스템의 센서리스 구동 방법
Sensorless Drive for Mono Inverter Dual Parallel Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor Drive System 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.20 no.1, 2015년, pp.38 - 44

이용재 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul National University) , 하정익 (Dept. of Electrical and Computer Eng., Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the sensorless drive method for mono inverter dual parallel (MIDP) surface mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) drive system. MIDP motor drive system is a technique that can reduce the cost of the multi motor driving system. To maximize this merit of the MIDP motor drive system, the sensorless technique is essential to eliminate the position sensors. This paper adopts an appropriate sensorless method for MIDP SPMSM drive system, which uses the reduced order observer and phase locked loop (PLL) to reduce the calculation burden. The I-F control method is implemented for start-up and low speed operation. The validity and performance of the proposed algorithm are shown via experiments with 600-W SPMSMs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

제안된 센서리스 방법은 두 개의 전동기 제어를 수행해야하는 제어기의 부담을 줄이기 위해 연산량을 줄일 수 있는 축소 차원 관측기와 위상 고정 루프를 채택하여 적용하였다. 또한 저속 기동문제를 해결하기 위한 I-F 제어 방법에 대해 논하였다. 본 논문에서는 600W급 표면 부착형 동기 전동기를 이용한 실험을 통해 제안한 병렬 표면 부착형 동기전동기 구동 시스템의 센서리스 제어 성능을 확인하였다.
또한 저속 기동문제를 해결하기 위한 I-F 제어 방법에 대해 논하였다. 본 논문에서는 600W급 표면 부착형 동기 전동기를 이용한 실험을 통해 제안한 병렬 표면 부착형 동기전동기 구동 시스템의 센서리스 제어 성능을 확인하였다.
본 논문에서는 병렬 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템을 위한 센서리스 방법을 제안하였다. 저렴한 가격으로 시스템 구성이 가능하다는 병렬 전동기 구동 시스템의 장점을 살리기 위해서 센서리스 운전은 필수적이라고 할 수 있다.
본 논문에서는 이를 해결하기 위해 병렬 영구자석 동기 전동기 구동 시스템을 위한 센서리스 알고리즘을 제안하였다. 제안된 센서리스 방법은 연산량이 많은 병렬 구동 시스템의 특징을 고려하여 축소 차원 관측기를 이용하여 설계되었다.

제안 방법

이를 해결하기 위해 저속 영역에서 고주파 주입 센서리스, V-F 제어 등의 방법이 일반적으로 사용된다. 본 논문에서는 I-F 제어를 통해 기동 및 저속 운전을 구현하였다^[16]. I-F 제어는 사용자가 원하는 임의의 위치로 전류를 주입하는 제어 방식으로, I-F 제어는 전류 제어 루프를 닫은 상태에서 운전하기 때문에 V-F에 비해 안정성이 높으며, 전류 제어 루프를 중간에 켜지 않기 때문에 제어 방식의 절환도 필요로
본 논문에서는 역기전력을 추정하는 많은 방법들 중에 축소 차원 관측기를 사용하는 방식을 사용하였다^[3]. 정지 좌표계에서 전동기의 전압 전류 관계식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
또한 역기전력 추정기로부터 전동기의 속도 정보를 직접적으로 얻을 수가 없기 때문에 속도 추정기를 필요로 하게 된다. 본 논문에서는 위상 고정 루프를 속도 추정기로 사용하였다. 정확한 제정수를 알고 전차원 관측기를 사용하는 경우, 위상 고정 루프를 사용하는 경우에 비해 우수한 성능을 얻을 수 있다.
I-F 제어와 센서리스 구동 사이에 구동 방법 절환은 히스테리시스 루프를 사용하여 외란 및 추정 오차에 의해 구동 방법이 자주 바뀌는 것을 방지해주었다. 영속부터 센서리스 추정을 시작하면 위치 추정 알고리즘이 전동기의 회전 방향을 반대로 추정하는 경우도 있기 때문에, 일정 속도 이상에서 추정을 시작하도록 알고리즘을 구성하였다. 이를 그림으로 나타내면 그림 6과 같다.
제안된 병렬 표면 부착형 동기 전동기의 센서리스 구동 알고리즘의 성능을 평가하고 검증하기 위하여 표 1과 같은 제정수를 가지는 600W급 전동기 2개를 이용하여 그림 7과 같이 시스템을 구성하고 실험을 수행하였다.
저렴한 가격으로 시스템 구성이 가능하다는 병렬 전동기 구동 시스템의 장점을 살리기 위해서 센서리스 운전은 필수적이라고 할 수 있다. 제안된 센서리스 방법은 두 개의 전동기 제어를 수행해야하는 제어기의 부담을 줄이기 위해 연산량을 줄일 수 있는 축소 차원 관측기와 위상 고정 루프를 채택하여 적용하였다. 또한 저속 기동문제를 해결하기 위한 I-F 제어 방법에 대해 논하였다.
본 논문에서는 이를 해결하기 위해 병렬 영구자석 동기 전동기 구동 시스템을 위한 센서리스 알고리즘을 제안하였다. 제안된 센서리스 방법은 연산량이 많은 병렬 구동 시스템의 특징을 고려하여 축소 차원 관측기를 이용하여 설계되었다. 또한 I-F 제어를 사용하여 역기전력 기반 센서리스의 기동 및 저속 구동 문제를 해결하였으며, 실험을 통해 제안된 알고리즘의 안정성 및 구동 성능을 확인하였다.
따라서, q축 전류만 제어하여 전동기의 토크를 제어할 수 있게 되고, d축 전류는 자유롭게 제어할 수 있게 된다. 종속 전동기 제어부에서는 [13]에서 제안된 것과 마찬가지로 d축 전류를 이용하여 최소 전류 제어와 탈조 방지를 위한 능동 댐핑 제어를 수행한다.

대상 데이터

본 논문에서는 d를 –1000으로 선정하여 실험을 수행하였다.
본 논문에서 사용한 단일 인버터를 이용한 표면 부착형 영구자석 동기 전동기 병렬 구동 시스템의 기본 구조는 그림 1과 같다. 사용한 시스템은 인버터 구조의 변형 없이 기본적인 삼상 전압형 인버터를 사용하였다. 따라서 저렴한 가격으로 시스템을 구성할 수 있다.

이론/모형

동기 좌표계로의 전류, 전압 변환과 능동 댐핑 제어, 최소 전류 제어, 속도 제어 등은 모두 전동기의 위치/속도 정보를 필요로 하기 때문에 위치 센서나 센서리스 관측기가 필수적이다. 전동기의 위치를 추정하는 방법에는 여러 가지가 있지만 본 논문에서는 전동기의 역기전력을 이용하여 위치를 추정하는 역기전력 센서리스 방식을 사용하였다. 위치/속도 센서리스 알고리즘은 크게 역기전력 관측부와 속도 추정을 위한 속도 관측부로 구성된다.

성능/효과

I-F 제어와 센서리스 구동 사이에 구동 방법 절환은 히스테리시스 루프를 사용하여 외란 및 추정 오차에 의해 구동 방법이 자주 바뀌는 것을 방지해주었다. 영속부터 센서리스 추정을 시작하면 위치 추정 알고리즘이 전동기의 회전 방향을 반대로 추정하는 경우도 있기 때문에, 일정 속도 이상에서 추정을 시작하도록 알고리즘을 구성하였다.
제안된 센서리스 방법은 연산량이 많은 병렬 구동 시스템의 특징을 고려하여 축소 차원 관측기를 이용하여 설계되었다. 또한 I-F 제어를 사용하여 역기전력 기반 센서리스의 기동 및 저속 구동 문제를 해결하였으며, 실험을 통해 제안된 알고리즘의 안정성 및 구동 성능을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인버터의 구조를 변형하여 인버터 출력 전압의 개수를 늘리는 경우의 단점은?	이중 전동기 구동 시스템은 다양한 형태로 개발되었으나 2-레그 인버터를 병렬로 사용하는 4-레그 인버터의 형태[6]와 DC 링크의 중성단 대신 공통 레그를 사용하는 5-레그 인버터의 형태[7], 혹은 두 개의 전압을 출력하는 dual-output-leg 인버터[8]를 이용한 형태가 대표적이라고 할 수 있다. 이처럼 인버터의 구조를 변형하여 인버터 출력 전압의 개수를 늘리는 경우 각 전동기를 독립적인 속도와 토크로 구동할 수는 있지만 일반적으로 사용되는 삼상 인버터 구조를 그대로 사용할 수 없기 때문에, 시중에서 쉽고 저렴하게 구할 수 있는 전력 반도체 제품군을 사용할 수 없다는 단점이 있다. 이는 대량 생산을 기반으로하는 제품 생산에 큰 제약이 되기 때문에 실제 기술을 도입하는데 문제가 될 수 있다.
	인버터의 구조를 변형하여 인버터 출력 전압의 개수를 늘리는 경우 생기는 문제점을 해결하기 위해 진행되고 있는 연구는?	이는 대량 생산을 기반으로하는 제품 생산에 큰 제약이 되기 때문에 실제 기술을 도입하는데 문제가 될 수 있다. 그러므로 이러한 문제를 해결하기 위해 6-pack 모듈이나 지능형 전력 모듈 (IPM)을 사용하는 이중 전동기 구동시스템에 대한 연구가 진행되고 있다[9]-[14].
	전동기 구동 시스템에 있어 가장 중요한 요소는?	전동기 구동 시스템에 있어 가장 중요한 요소는 효율, 신뢰성, 비용, 전력 밀도 등 이라고 할 수 있다. 적용 분야에 따라 중요하게 여겨지는 요소는 조금씩 달라지나 백색 가전이나, 소형 전동기 구동과 같은 분야에서는 시스템 구성 비용을 줄이는 것이 가장 중요한 설계 요소 중에 하나가 된다.

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상세보기
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