[논문]전기자동차 구동을 위한 IPMSM의 전압각 제어

고태훈; 김상훈

doi:10.6113/tkpe.2017.22.5.397

전기자동차 구동을 위한 IPMSM의 전압각 제어
Voltage Angle Control of an IPMSM for Electric Vehicle Drives 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.5, 2017년, pp.397 - 403

고태훈 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kangwon National University) , 김상훈 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Kangwon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper studies the voltage angle control of interior permanent magnet synchronous motors (IPMSMs). For voltage angle control, the optimum voltage angle trajectory according to the operating speed is researched while the voltage and current limit conditions are considered. Through research, two different optimum voltage angle trajectories that depend on the design of IPMSMs were found. The IPMSM drive based on a voltage angle control that follows such trajectory is proposed. Unlike the conventional voltage angle control method, which is applied only in the flux-weakening region, the proposed voltage angle control can be implemented in all operation ranges from low to high speed. The proposed method is verified by experiments using a DSC controller for 800 W IPMSM.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전기 자동차나 철도 차량 구동용 매입형 영구자석 동기전동기의 전압각 제어에 대해 연구하였다. 일정 토크 영역부터 약자속 영역에 까지 전 운전 영역에서 최대 토크 발생을 위한 최적의 전압각 궤적을 분석하였으며, 이를 바탕으로 기동부터 고속 운전 영역까지 적용 가능한 전압각 제어기법을 제안하였다.
IPMSM의 구동 시 전압각 제어기법은 약자속 영역에서만 한정적으로 적용되며, 일정 토크 영역에서는 통상적으로 벡터 제어가 적용된다. 본 논문에서는 전압각 제어에 의해 모든 운전 속도영역에서 구동되는 기법을 제 안한다. 이 경우 기동 시부터 약자속 영역의 고속 운전 영역까지 제어기법의 전환없이 전압각 제어기법에 의해서만 제어되도록 하였고, 각 영역에서 최대 토크 운전이 가능하도록 앞에서 구한 최적 전압각 궤적을 따라 전동기가 운전되도록 전압각을 제어하였다.
본 논문에서는 최근 전기 자동차나 철도 차량 구동 분야에서 사용이 증가하고 있는 매입형 영구자석 동기 전동기의 전압각 제어에 대하여 연구하였다. 이러한 전압각 제어를 위해 전동기의 전압과 전류의 제한 조건을 고려하여 운전속도에 따른 최적의 전압각 궤적을 전압 평면에서 분석하였는데, 최대 토크를 발생시키는 최적 전압각의 패턴은 전동기의 설계 특성에 따라 두 가지 유형으로 나타난다는 것을 알 수 있었다.

제안 방법

이 경우 기동 시부터 약자속 영역의 고속 운전 영역까지 제어기법의 전환없이 전압각 제어기법에 의해서만 제어되도록 하였고, 각 영역에서 최대 토크 운전이 가능하도록 앞에서 구한 최적 전압각 궤적을 따라 전동기가 운전되도록 전압각을 제어하였다. 또한 제안된 기법은 인버터의 선형제어 영역과 구형파 운전 모드까지 적용이 가능하다.
또한 최적 전압각을 추종하는 전압각 제어기법을 제안하였다. 제안된 전압각 제어기법은 약자속 영역에서 한정적으로 적용되었던 기존의 전압각 제어기법과 달리 기동 시부터 고속까지 모든 운전영역에서 제어기법의 전환없이 전압각 제어기법에 의해서만 제어되도록 구현하였다.
일정 토크 영역에서의 운전을 위해서는 전압각 제어 뿐만아니라 고정자 전압의 크기 제어도 필요하다. 이를 위해 제안된 제어기법에서는 토크 제어기를 사용하여 토크 지령과 추정된 전동기 토크와의 오차를 통해 고정자 전압의 지령을 생성하도록 하였다. 구형파의 기본파 최대 상전압인 2V_dc/π를 전압 변조 지수(Modulation Index, MI) 1로 하고, MI<1의 영역에서는 고정자 전압 과 전압각을 동시에 제어하고, MI=1이 되는 구형파 운전 시에는 고정자 전압 지령을 2V_dc/π로 고정하고 전압 각 제어만 실행하게 된다.
본 논문에서는 전기 자동차나 철도 차량 구동용 매입형 영구자석 동기전동기의 전압각 제어에 대해 연구하였다. 일정 토크 영역부터 약자속 영역에 까지 전 운전 영역에서 최대 토크 발생을 위한 최적의 전압각 궤적을 분석하였으며, 이를 바탕으로 기동부터 고속 운전 영역까지 적용 가능한 전압각 제어기법을 제안하였다. 제안된 전압각 제어기법은 800W 매입형 영구자석 동기전동기를 사용한 실험을 통하여 그 유효성을 검증하였다.
그림 13에서 그림16은 제안된 전압각 제어방법을 적용하여 기동부터 구형파 모드 운전영역까지의 가속한 결과를 보인다. 입력 전압 168V에서의 최대 속도 2592r/min까지 증가시켜 전압각을 확인하였다. 인가되는 고정자 전압이 최대(MI=1)가 되면 고정자 전압을 최대로 고정하고 전압각 제어만 하게 된다.
3.1 일정토크 영역에서의 전압각 제어

제안된 전압각 제어기법에서는 일정 토크 영역에서 전동기의 속도에 따른 고정자 전압 지령을 생성하기 위해 토크 제어기가 사용된다. 이때 토크 제어기의 빠른 응답특성을 위해 다음 식(10)과 같은 고정자 전압 전향 보상 성분 V_s-ff을 제어기의 출력에 추가하였다.
제안된 전압각 제어기법은 800W 매입형 영구자석 동기 전동기를 사용한 실험을 통하여 그 유효성을 검증하였다.
제안된 전압각 제어기법은 800W 매입형 영구자석 동기 전동기를 사용한 실험을 통하여 그 유효성을 검증하였다.
또한 최적 전압각을 추종하는 전압각 제어기법을 제안하였다. 제안된 전압각 제어기법은 약자속 영역에서 한정적으로 적용되었던 기존의 전압각 제어기법과 달리 기동 시부터 고속까지 모든 운전영역에서 제어기법의 전환없이 전압각 제어기법에 의해서만 제어되도록 구현하였다.
제안된 전압각 제어기법의 유효성을 검증하기 위해 실험을 수행하였다. 실험에는 Φ_f > I_smaxL_qs인 IPMSM이 사용되었으며, 그 제정수는 표 1에 나타난다.
그림 9는 본 실험에 이용된 IPMSM, 디지털 제어기와 IGBT 인버터를 나타낸다. 제어부는 Texas Instrument 사의 32bit DSC(Digital Signal Controller)인 TMS320F28335를 이용하여 디지털 제어를 구현하였다.

이론/모형

그림 10은 제안된 전압각 제어기법을 적용한 전체적인 IPMSM 구동시스템의 블록도를 나타낸다. PWM 기법으로는 SVPWM 기법이 사용되었으며, 인버터의 스위칭 주파수는 5kHz이며, 100us의 샘플링 주기마다 전류 제어를 수행한다. 직류단 입력 전압은 회생 전압을 고려하여 정격 전압보다 낮은 168V로 하였다.

성능/효과

그림 12는 이때의 d와 q축 전류 및 전압각을 나타낸다. d축 전류가 그 지령치를 잘 추종하고, 전압각은 그림 5에서 보인 것처럼 속도에 따라 그 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
앞에서 분석한 Φf > IsmaxLqs인 IPMSM의 최적 전압각 궤적과 같이 전압각은 약자속 영역의 초기 속도에서는 약간 증가하다가 다시 감소하는 특성을 보이며, 최대 속도에서 π/2 부근의 값으로 일정하게 유지하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 전압각 제어를 위해 전동기의 전압과 전류의 제한 조건을 고려하여 운전속도에 따른 최적의 전압각 궤적을 전압 평면에서 분석하였는데, 최대 토크를 발생시키는 최적 전압각의 패턴은 전동기의 설계 특성에 따라 두 가지 유형으로 나타난다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매입형 영구자석 동기전동기는 어떤 특성을 가지고 있는가?	매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)는 릴럭턴스 토크를 활용한 높은 출력 토크 특성과 넓은 약자속 영역 운전 특성 등으로 인하여 전기 자동차(EV) 또는 하이브리드 전기 자동차(HEV)에 널리 사용되고 있다[1][2].
	전압각 제어기법 연구의 실정은 어떠한가?	이러한 전압각 제어기법으로는 지령 전압각을 얻기 위해 d축 전류 오차를 이용하 는 방법[7][8]과 q축 전류 오차를 이용하는 방법[9][10]등이 있다. 그러나 전압각 제어에 기초가 되는 전압각 이동 궤적에 대해서는 연구되어 있지 않은 실정이다.
	EV 구동용 IPMSM에 고속 운전을 위한 약자속 제어가 필요한 이유는 무엇인가?	EV 구동용 IPMSM은 대부분 정격속도 이상에서 운전되도록 설계되기 때문에 고속 운전을 위한 약자속 제어가 필요하다[3][4]. EV용 전동기의 약자속 제어 시에는 한정적인 배터리의 전압을 효과적으로 활용하여 최대 토크를 발생시키기 위해 운전영역 전반에 걸쳐 d와 q축 지령전류를 적절하게 선정해 주어야 한다[5].

참고문헌 (10)

R. H. Staunton, C. W. Ayers, J. N. Chiasson, B. A. Burress, and L. D. Marlino, "Evaluation of 2004 Toyota Prius hybrid electric drive system," U.S. Department of Energy, 2006.
Sang-Hoon Kim, "Motor Control, DC, AC, BLDC," Chapter 5, Bokdoo, 2016.
Nae-Chun Park, and Sang-Hoon Kim, "Maximum Torque control for IPMSM Drive Systems based on Direct Torque Control," Korean Conference of Power Electronics, pp. 86-87, July, 2013.
Z. Yang, F. Shang, I. P. Brown, and M. Krishnamurthy, "Comparative study of interior permanent magnet, induction, and switched reluctance motor drives for EV and HEV applications," IEEE Trans. Transportation Electrification, Vol. 1, No. 3, pp. 245-254, Oct. 2015.

상세보기
Hee-Kwang Lee, and Kwang-Hee Nam, "An Overview: Current Control Technique for Propulsion Motor for EV," Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, Vol. 21, No. 5, Oct. 2016.
B. Cheng, and T. R. Tesch, "Torque feedforward control technique for permanent-magnet synchronous motors," IEEE Trans. Ind. Electron., Vol. 57, No. 3, pp. 969-974. Mar. 2010.

상세보기
L. Zhu, S. Xue, X. Wen, Y. Li, and L. Kong, "A new deep field-weakening strategy of IPM machines based on single current regulator and voltage angle control," Energy Conversion Congress and Exposition, ECCE, IEEE, pp. 1144-1149, Sep. 2010.
Z. Lei, W. Xuhui, Z. Feng, K. Liang, and Z. Baocang, "Deep field-weakening control of PMSMs for both motion and generation operation," Electrical Machines and Systems, IEEE, International Conference on, pp. 1-5, Aug. 2011.
S. Kitamura, and K. Kondo, "An enhanced torque control method of permanent magnet synchronous motor in the field weakening region," Electrical Machines and Systems, IEEE, International Conference on, pp. 781-786, Oct. 2010.
D. Stojan, D. Drevensek, Z. Plantic, B. Grcar, and G. Stumberger, "Novel field-weakening control scheme for permanent-magnet synchronous machines based on voltage angle control," IEEE Trans. Industry Applications, Vol. 48, No. 6, pp. 2390-2401, Nov/Dec. 2012.

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저자의 다른 논문 :

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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