[논문]IPMSM의 토크출력피드백을 이용한 속도제어

전용호

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.1.93

IPMSM의 토크출력피드백을 이용한 속도제어
Speed Control of the IPMSM Using The Torque Output Feedback 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.1, 2018년, pp.93 - 100

초록
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본 연구는 정밀한 각속도 추종을 위해 토크오차를 보상하는 제어기와 구현에서 제어기의 안정성을 보완하는 방법을 제안한다. 또한 설계된 제어기가 점근적인 안정할 수 있음을 리아프노프 안정도이론에 근거하여 증명하였다. 제안된 제어기는 d축 기준전류를 임의 값에 대한 제어가 가능하고, 속도이득과 전류이득의 두 가지로 손쉽게 제어성능을 달성할 수 있도록 하였다. 약 750W급의 IPMSM에 적용한 결과 레퍼런스 속도 1200[RPM]에 대한 정상상태 오차는 0.1[%]이내이며, 약 5[Nm]의 상수부하에서 약 0.2초 이내에 외란을 극복하여 점근적인 안정한 제어기임을 확인 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a controller that compensates torque error for precise angular velocity tracking and a method to compensate the stability of controller in implementation. Also, it is proved that the designed controller can be asymptotically stable based on Lyapunov stability theory. The proposed controller is able to control the d-axis reference current to arbitrary values and easily achieve control performance with two gains. As a result of applying to IPMSM of about 750W class, the steady state error with reference speed 1200 [RPM] is within 0.1 [%]. And it can be seen that it is an asymptomatic stable controller overcoming disturbance within about 0.2 second in application of constant load of about 5 [Nm].

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 IPMSM의 회전축의 속도제어를 하기 위한 발생토크를 계산하고, 그에 따라 d축과 q축의 전류로 발생하는 전기적인 토크를 제어하는 간접적인 토크 제어방법을 제안한다. 백스텝핑 제어기(Back-stepping controller)를 구성함으로 제안하는 제어기의 설정 제어이득은 속도 오차에 보상 이득과 토크오차에 대한 보상 이득의 두 가지이며, 리아프노프 안정도(Lyapunov stability) 이론에 따라 제어기가 점근적인 안정을 얻을 수 있는 강건함을 포함하는 장점이 있다.
본 연구는 전동기의 정밀한 각속도 추종을 위해 토크오차를 보상하는 제어기와 제어구현에서 안정성을 보완하는 제어기를 제안하였다. 또한 설계된 제어기가 점근적인 안정할 수 있음을 리아프노프 안정도이론에 근거하여 증명해 보이고, 설계된 제어기가 만족할 만한 추종성능을 가짐을 시뮬레이션으로 입증해 보였다.

제안 방법

약계자 제어, MTPA제어 등은 d축 전류를 활용하는 방법이다. 본 연구에서는 속도제어를 기반으로 하여 요구되는 토크를 얻어내는 방법으로 d축 전류를 임의의 상수로 설정한다.

이론/모형

시뮬레이션 프로그램으로는 PSIM을 사용하였다. IPMSM의 모델은 PSIM에서 제공되는 모델을 이용하였다. 전동기의 파라메타는 표 1과 같다.
시뮬레이션 프로그램으로는 PSIM을 사용하였다. IPMSM의 모델은 PSIM에서 제공되는 모델을 이용하였다.
전동기의 파라메타는 표 1과 같다. 전동기의 파라메타는 실제로 실험에 사용하는 IPMSM의 파라메타를 적용하였고, 식(39)에서 식(40)의 제어기를 DLL기능을 사용하여 작성하였다. 운전은 다음 표 2의 방법으로 실행하였는데.

성능/효과

그리고 기존 PI제어기의 속도, 전류제어에 요구되는 6가지 제어이득을 두 가지 제어이득으로 줄여 손쉽게 제어성능을 달성함을 보일 수 있었다. 그 결과 속도상태의 정상상태 오차는 0.1[%]이내이며 약 0.2초 이내에 외란을 극복하여 점근적인 안정한 제어기임을 확인 할 수 있다.
또한, 제안된 제어기는 d축 기준전류를 임의 값에 대한 제어가 가능하도록 설계하였고, 공극의 유효자속을 줄이는 제어가 가능함을 보일 수 있었다. 그리고 기존 PI제어기의 속도, 전류제어에 요구되는 6가지 제어이득을 두 가지 제어이득으로 줄여 손쉽게 제어성능을 달성함을 보일 수 있었다. 그 결과 속도상태의 정상상태 오차는 0.
본 연구는 전동기의 정밀한 각속도 추종을 위해 토크오차를 보상하는 제어기와 제어구현에서 안정성을 보완하는 제어기를 제안하였다. 또한 설계된 제어기가 점근적인 안정할 수 있음을 리아프노프 안정도이론에 근거하여 증명해 보이고, 설계된 제어기가 만족할 만한 추종성능을 가짐을 시뮬레이션으로 입증해 보였다. 또한, 제안된 제어기는 d축 기준전류를 임의 값에 대한 제어가 가능하도록 설계하였고, 공극의 유효자속을 줄이는 제어가 가능함을 보일 수 있었다.
또한 설계된 제어기가 점근적인 안정할 수 있음을 리아프노프 안정도이론에 근거하여 증명해 보이고, 설계된 제어기가 만족할 만한 추종성능을 가짐을 시뮬레이션으로 입증해 보였다. 또한, 제안된 제어기는 d축 기준전류를 임의 값에 대한 제어가 가능하도록 설계하였고, 공극의 유효자속을 줄이는 제어가 가능함을 보일 수 있었다. 그리고 기존 PI제어기의 속도, 전류제어에 요구되는 6가지 제어이득을 두 가지 제어이득으로 줄여 손쉽게 제어성능을 달성함을 보일 수 있었다.
25초에 0[A]로 한 결과 전류제어가 정확히 되고 있다. 세 번째 그림은 요구되어지는 토크에 대해 계산되어지는 i_q,r전류와 그에 대해 추종하는 모습으로 두 번째 그림의 d축 전류 변화에 따라 q축의 전류가 41.3[A]에서 35.7[A]로 보완되는 모습을 보이며, 네 번째 그림에서는 발생되는 토크가 약 5.13[Nm]로 d-q축 전류가 변하여도 결과적으로 만들어내는 토크는 일정하게 유지하는 것을 보인다.
이 이득을 더 크게 설정하면 기동시간을 더욱 줄일 수 있으나 기동시 상전류에 순간의 과전류가 흐를 수 있어 적정한 값을 설정할 필요가 있다. 시간 0.5초에서 상수 부하 5[Nm]를 적용한 결과 약 988[RPM]의 속도로 212[RPM]의 언더슈팅이 발생하는 결과를 확인할 수 있고 약 0.7초 이후에 정상상태로 부하를 극복하는 모습을 보인다. 시간 1초에서 전동기의 회전방향을 역으로 가동한 결과로 정상상태의 도달시간이 약0.

후속연구

추후에 약자속 제어까지 가능함을 확인 보완하고,더욱 향상된 토크제어의 성능을 위해 적분기 포워딩(Integrator Fowarding)방법에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매입형 영구자석 동기전동기의 구조는?	영구자석을 회전자로 가지는 전동기들 중에 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)는 고정자로 전기자를 구성하고 회전자 철심 내부에 영구자석을 삽입한 구조이다. 표면 부착형 영구자석 동기전동기(SPMSM: Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)는 회전자 표면에 부착된 영구자석으로 자속 발생축인 d축과 그에 수직인 q축의 이 거의 같아 두 축의 인덕턴스가 같고, 그에 비해 IPMSM은 d축의 공극이 q축에 공극에 비해 더 큰 구조로 d축의 인턱턴스가 q축의 인턱턴스보다 작아서 출력토크 특성이 다르다.
	본 연구에서 제안한 토크오차를 보상하는 제어기와 제어구현에서 안정성을 보완하는 제어기를 검토한 결과는 어떠한가?	또한 설계된 제어기가 점근적인 안정할 수 있음을 리아프노프 안정도이론에 근거하여 증명해 보이고, 설계된 제어기가 만족할 만한 추종성능을 가짐을 시뮬레이션으로 입증해 보였다. 또한, 제안된 제어기는 d축 기준전류를 임의 값에 대한 제어가 가능하도록 설계하였고, 공극의 유효자속을 줄이는 제어가 가능함을 보일 수 있었다. 그리고 기존 PI제어기의 속도, 전류제어에 요구되는 6가지 제어이득을 두 가지 제어이득으로 줄여 손쉽게 제어성능을 달성함을 보일 수 있었다. 그 결과 속도상태의 정상상태 오차는 0.1[%]이내이며 약 0.2초 이내에 외란을 극복하여 점근적인 안정한 제어기임을 확인 할 수 있다.
	토크를 직접적으로 제어하기 위하여 토크의 계측을 할시 발생하는 단점은?	전동기의 속도제어를 위해서는 모터축의 속도를 계측하여 요구되는 토크를 계산하고 그 값을 전기적으로 발생하는 방법으로 전류제어기를 구성한다. 토크를 직접적으로 제어하기 위해서는 토크의 계측이 필요한데 이는 손쉽게 제어기를 구성하기에 어렵고, 계측에 드는 비용이 증가하는 단점이 있어서 전류 제어함으로 간접적으로 토크를 제어하는 방법을 많이 구현한다[1-9].

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