[논문]향상된 전차원 자속 관측기를 이용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 넓은 영역 센서리스 속도제어 알고리즘 기법

강성윤; 윤재승; 신혜웅; 이교범

doi:10.5370/kiee.2017.66.2.339

향상된 전차원 자속 관측기를 이용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 넓은 영역 센서리스 속도제어 알고리즘 기법
Sensorless Speed Control Algorithm of IPMSM for Wide Speed Range with an Improved Full-Order Flux Observer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.66 no.2, 2017년, pp.339 - 346

강성윤 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 윤재승 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 신혜웅 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 이교범 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a sensorless control method to improve the performance of an internal permanent magnet synchronous motor (IPMSM) control by using a full-order flux observer in a wide speed range. The conventional sensorless control method uses a constant gain for high performance at low-speed region. However, this method has drawbacks such as an increased angle error and current ripple in the high-speed region due to the fixed gain value. In order to overcome this problem, the gain of the full-order flux observer is changed by considering the angle error in the whole speed range. The proposed method minimizes the angle error for each region of the speed range by applying a relevant gain value, which improves the current ripple reduction and motor noise cancellation. The validity of proposed sensorless control method is verified by a simulation and an experiment.

주제어

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문제 정의

기존의 전차원 자속관측기의 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 각 속도 영역에서 추정 각과 실제 각의 오차를 반영한 최적의 이득 값을 적용함으로써 넓은 속도영역에서 향상된 추정 성능을 가지는 전차원 자속 관측기를 제안한다. 식 (9)는 제안하는 전차원 자속 관측기의 이득을 나타낸다.
본 논문에서는 넓은 속도 범위에서 회전자의 위치 성능을 향상시키며 전류 리플을 저감시키는 최적의 이득값이 적용된 전차원 자속관측기 센서리스 알고리즘을 제안한다. 제안하는 향상된 전차원 자속측기를 이용한 센서리스 알고리즘은 모든 속도 영역에서 자속 추정 이득항의 각속도 값과 전류 추정 이득항의 각속도 값을 각의 오차가 최소가 되는 상수로 가변함으로써 기존의 방법보다 성능이 향상된 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 향상된 전차원 자속관측기 알고리즘을 제안한다. 전차원 자속관측기의 이득 항에 포함된 각속도 성분으로 인해 넓은 속도 영역에서 속도제어 시 저하되는 추정 성능을 보완하는 알고리즘을 제안한다.
본 논문에서는 향상된 전차원 자속관측기 알고리즘을 제안한다. 전차원 자속관측기의 이득 항에 포함된 각속도 성분으로 인해 넓은 속도 영역에서 속도제어 시 저하되는 추정 성능을 보완하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 방법은 실제 각과 추정 각의 오차를 이용하여 넓은 속도 영역에서 전차원 자속관측기의 이득항의 각속도 성분을 최적의 값을 적용함으로써 각의 오차를 최소화하고 동기좌표계q축 전류 리플을 최소화한다.

제안 방법

또한, 300 rpm 단위로 최적의 k값을 적용하였다. 300 rpm보다 작은 단위에서는 k의 변동량이 매우 작기때문에 300 rpm 단위의 최적 k 설계를 제안하였다. 그림 3(i)는 구해진 k의 넒은 속도 구간에서 적용될 최적의 이득값 정리 결과이므로, 전차원 자속 관측기의 각속도 성분의 역수를 대신해서사용함으로써 추정의 성능을 향상시킬 수 있다.
그림 5는 제안하는 알고리즘의 제어 블록도를 나타내며, 본 논문에서는 IPMSM의 정격속도인 1750 rpm에서 기존의 약자속 제어 기법의 식 (12), (13)을 이용하여 고속 영역의 특성을 확인하기 위해 2500 rpm까지 구동 시뮬레이션 및 실험을 진행하였다.
속도 정보는 추정된 회전자 위치로부터 PI제어기를 통해 추정된다. 또한 고속 영역에서 제안하는 알고리즘의 성능을 확인하기 위해 약자속 제어를 이용한 정격이상의 속도영역에서 제안하는 알고리즘의 성능을 검증한다. 제안하는 센서리스 알고리즘의 우수성은 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검증된다.
본 논문에서 제안하는 넓은 속도 영역에서 추정 성능이 향상된 전차원 자속 관측기와 기존의 자속 관측기의 성능 비교를 위해 PSIM tool을 사용하여 시뮬레이션을 진행 하였다. 표 1은 시뮬레이션 및 실험을 위한 IPMSM의 파라미터 값을 나타낸다.
본 논문에서 제안하는 향상된 전차원 자속 관측기 알고리즘의 실험을 위해 IPMSM을 사용하였으며 사용된 IPMSM의 파라미터는 표 1과 동일하다. 그림 9는 제안하는 알고리즘의 검증을 위한 실험세트를 나타낸다.
영구자석 동기 전동기에서 계자 자속은 영구자석으로부터 발생하기 때문에 직접 제어할 수 없고 d축 고정자 전류를 흘려 반대 방향으로 자속을 발생시켜 공극의 유효 자속크기를 줄이는 방법을 이용한다. 약자속 제어의 여러 방법 중 본 논문에서는 정상 상태의 전동기 방식으로부터 최대 토크를 발생시키는 전류 지령을 구하는 기존의 방식을 이용하여 고속 운전을 위한 약자속 제어를 수행하였다[8].
전차원 자속관측기의 이득 항에 포함된 각속도 성분으로 인해 넓은 속도 영역에서 속도제어 시 저하되는 추정 성능을 보완하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 방법은 실제 각과 추정 각의 오차를 이용하여 넓은 속도 영역에서 전차원 자속관측기의 이득항의 각속도 성분을 최적의 값을 적용함으로써 각의 오차를 최소화하고 동기좌표계q축 전류 리플을 최소화한다. 제안하는 전차원 자속관측기 알고리즘은 저속영역뿐만 아니라 정격이상의 고속영역에서도 향상된 성능을 보인다는 장점이 있으며, 제안하는 알고리즘은 시뮬레이션 및 실험을 통해 증명하였다.
본 논문에서는 넓은 속도 범위에서 회전자의 위치 성능을 향상시키며 전류 리플을 저감시키는 최적의 이득값이 적용된 전차원 자속관측기 센서리스 알고리즘을 제안한다. 제안하는 향상된 전차원 자속측기를 이용한 센서리스 알고리즘은 모든 속도 영역에서 자속 추정 이득항의 각속도 값과 전류 추정 이득항의 각속도 값을 각의 오차가 최소가 되는 상수로 가변함으로써 기존의 방법보다 성능이 향상된 알고리즘을 제안한다. 속도 정보는 추정된 회전자 위치로부터 PI제어기를 통해 추정된다.

데이터처리

또한 고속 영역에서 제안하는 알고리즘의 성능을 확인하기 위해 약자속 제어를 이용한 정격이상의 속도영역에서 제안하는 알고리즘의 성능을 검증한다. 제안하는 센서리스 알고리즘의 우수성은 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 검증된다.

성능/효과

그림 12는 위에서부터 동기좌표계 q축 전류, 동기좌표계 q축 전류, 추정 각, 전동기 속도를 나타낸다. 200 rpm에서 1000 rpm까지 속도제어를 수행하였으며 속도가 잘 제어되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제안하는 알고리즘을 이용한 추정 각도 잘 나오는 것을 확인할 수 있다.
1000 rpm에서 2500 rpm까지 속도제어를 수행하였으며, 정격속도인 1750 rpm에서 약자속제어를 이용하여 2500 rpm까지 구동하였다. 동기좌표계 q축 전류 리플을 확인하기 위해 2 A/div을 이용한 실험 파형이며, 확인결과 고속영역에서도 작은 전류 리플을 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 속도제어도 지령에 맞게 수행되는 것을 확인할 수 있다.
만약 모터 속도가 정격보다 증가하면, 전압 제한 타원의 크기가 감소되어 A지점에서 B지점으로 운전점이 옮겨지게 되는데 B지점은 전류 제한 원의 밖에 위치하게 되어 제어가 불가능하다. 또 MTPA 제어를 유지한다면 A지점에서 D지점으로 운전점이 이동하게 되는데 이때, 출력 토크가 많이 감소됨을 확인할 수 있다. 또한, A지점에서 C지점으로 운전점을 옮기면 출력 토크는 감소하지만 전압과 전류의 제한 조건 모두 고려할 수 있다.
제안하는 전차원 자속 관측기를 사용하였을 때, 저속영역에서 실제 각과 추정 각의 오차가 가장 작으며 고속영역에서 동기좌표계 d-q축 전류 리플이 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 또한, 50 rpm에서 2500 rpm까지 정상적으로 속도제어가 가능한 것을 확인할 수 있다.
21 A로 기존의 알고리즘 보다 약 85% 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, a상 출력 전류도 제안하는 알고리즘을 사용하였을 때, 정현적으로 나오는 것을 확인할 수 있다.
는 고정자 전류 최댓값을 나타낸다. 또한, 전류와 전압 제한내에서 최대 토크를 발생시키는 전류 지령을 구하기 위해 IPMSM의 출력토크 식을 대입하여 정리한다면 기존의 약자속 제어 시 필요한 d-q축 전류지령을 얻을 수 있다.
200 rpm에서 1000 rpm까지 속도제어를 수행하였으며 속도가 잘 제어되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제안하는 알고리즘을 이용한 추정 각도 잘 나오는 것을 확인할 수 있다.
본 시뮬레이션 결과로부터 고속영역에서 전차원 자속관측기 이득항의 각속도 성분으로 인해 추정성능이 저하되는 것을 확인할 수 있으며, 기존의 전차원 자속관측기 보다 제안하는 전차원 자속관측기가 저속영역에서 고속영역까지 넓은 속도 범위에서 가장 추정 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
실험 결과를 통해 저속영역과 정격을 넘는 고속영역에서도 제안하는 향상된 전차원 자속 관측기를 이용한 센서리스 속도제어가 기존의 논문 보다 뛰어난 성능을 가진다는 것을 확인하였고,전류 리플 또한 저감됨을 확인할 수 있었다.
기존의 전차원 자속 관측기 알고리즘은 속도 추정 이득항의 분모에 각속도가 포함된 항을 고정상수인 100으로 지정하여 사용한 알고리즘이며, 제안하는 전차원 자속 관측기 알고리즘은 각의 오차 평균이 최소가 되는 값을 기준으로 전차원 자속 관측기 이득항의 각속도 성분을 모두 최적의 값을 사용한 알고리즘이다. 제안하는 알고리즘을 사용했을 때, 동기좌표계 q축 전류 리플이 0.21 A로 기존의 알고리즘 보다 약 85% 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, a상 출력 전류도 제안하는 알고리즘을 사용하였을 때, 정현적으로 나오는 것을 확인할 수 있다.
표 2는 시뮬레이션 결과를 통해 얻은 각의 오차 평균과 동기좌표계 q축 전류 리플을 비교한 표이다. 제안하는 전차원 자속 관측기 알고리즘을 이용했을 때, 일반적인 전차원 자속 관측기에 비해 동기좌표계 q축 전류 리플이 약 80% 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 각의 오차 평균 또한 기존의 두 전차원 자속 관측기 알고리즘 보다 가장 작은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
시뮬레이션 결과 구성은 그림 6, 7과 같다. 제안하는 전차원 자속 관측기를 사용하였을 때, 저속영역에서 실제 각과 추정 각의 오차가 가장 작으며 고속영역에서 동기좌표계 d-q축 전류 리플이 가장 작은 것을 확인할 수 있다. 또한, 50 rpm에서 2500 rpm까지 정상적으로 속도제어가 가능한 것을 확인할 수 있다.
제안하는 방법은 실제 각과 추정 각의 오차를 이용하여 넓은 속도 영역에서 전차원 자속관측기의 이득항의 각속도 성분을 최적의 값을 적용함으로써 각의 오차를 최소화하고 동기좌표계q축 전류 리플을 최소화한다. 제안하는 전차원 자속관측기 알고리즘은 저속영역뿐만 아니라 정격이상의 고속영역에서도 향상된 성능을 보인다는 장점이 있으며, 제안하는 알고리즘은 시뮬레이션 및 실험을 통해 증명하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업현장에서 사용되는 대표적인 센서리스 기법은 무엇인가?	산업현장에서 사용되는 대표적인 센서리스 기법으로는 EEMF (Extended Electromotive Force) 기반의 축소차원 관측기와 전차원 자속관측기를 이용한 센서리스 기법이 있다. EEMF 기반의 축소차원 센서리스 기법은 모터 구동 시 발생하는 역기전력 성분을 포함하고 있는 회전자 각의 오차 정보를 이용하는 방법이며, 이 오차 성분을 0으로 제어하여 회전자 위치 정보를 추정하는방법이다.
	IPMSM의 장점은 무엇인가?	IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Machine)은 높은 토크밀도와 높은 효율, 작은 규격 등의 장점 때문에 전기자동차용 전동기, 선반을 위한 전동기, 초고속 운전이 요구되는 전동기가 필요한 산업현장에서 많이 사용된다[1]. IPMSM은 주로 벡터제어 방식을 이용하여 고성능의 구동을 하는데 이를 위해서 회전자의 위치 정보가 필수적이며, 회전자의 위치 정보를 얻기 위해 가격이 비싼 엔코더나 레졸버와 같은 속도센서를 주로 사용한다.
	기존에 존재하는 이득항의 각속도값을 고정상수로 설정하여 저속영역에서 향상된 성능을 보이는 알고리즘의 한계점은 무엇인가?	이러한 단점을 보완하기 위해 자속 추정에 대한 이득항의 각속도값을 고정상수로 설정하여 저속영역에서 향상된 성능을 보이는 알고리즘은 기존에 제안되어있다[4]. 하지만 고정된 상수로 이득항을 설정한다면 고속영역에서 필요한 이득값에 도달하지 못하여 추정성능이 저하될 수 있으며, 고속영역에서는 자속 추정에 대한 이득항의 각속도값 뿐만 아니라 전류 추정에 대한 이득항의 각속도 값에 의해 커지는 이득값으로 인해 회전자위치 추정 성능이 저하될 수 있는 문제점이 발생한다.

참고문헌 (8)

S. J. Lee, T. W. Kim, and W. S. Kim, M. G. Kim, and Y. S Jung, "Performance Improvement of Sensorless Control of IPMSM Using Active Flux Concept by Improved Current Estimators," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 18, No. 6, pp. 587-592, Dec. 2013.

원문보기 상세보기
S. C. Lee and Y. S. Jung, "Study on Speed Ripple Reduction Algorithm in Sensorless Controlled IPMSM," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 21, No. 3, pp. 249-253, Jun. 2016.

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J. C. Lee and D. H. Chung, "Sensorless Vector Control for High Performance Drive of IPMSM," The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 51, No. 3, pp. 126-131, 2002.
K. G. Lee, J. S. Lee, and K. B. Lee, "Sensorless Speed Control for PMSM Using an Improved Full-Order Flux Observer," The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 18, No. 6, pp. 565-572, Dec. 2013.

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K. B. Lee, "Electric Motor Control," Hantee media.
A. Matsumoto, M. Hasegawa, M. Tomita, and K. Matsui, "Algebraic Design of Full-Order Flux Observer for IPMSM Position Sensorless Control," In 2011 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC), pp. 1276-1281, 2011.
K. G. Lee, J. S. Lee, and K. B. Lee, "Wide-Range Sensorless Control for SPMSM Using an Improved Full-Order Flux Observer," Journal of Power Electronics, Vol. 15, No. 3, pp. 721-729, May. 2015.

원문보기 상세보기
J. H. Lee, J. H. Lee, J. H. Park, and C. H. Won "Field-Weakening Strategy in Condition of DC-Link Voltage Variation Using on Electric Vehicle of IPMSM," In 2011 IEEE-Conference Electrical Machines and Systems (ICEMS), pp. 1-6, Aug. 2011.

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