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센서리스 위치오차보상기능을 가지고 있는 공기압축기 구동용 영구자석 동기모터의 센서리스 속도제어
Sensorless Speed Control of PMSM for Driving Air Compressor with Position Error Compensator 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.3, 2018년, pp.104 - 111  

김윤현 (한밭대학교 전기공학과) ,  김솔 (유한대학교 전기공학과)

초록
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본 논문은 무급유식 공기 압축기가 널리 확산됨에 따라 영구자석형 동기 모터를 이용한 고효율 공기 압축기의 센서리스 제어에 관한 논문이다. 공기 압축기는 특성상 위치 센서를 설치하기 어려운 문제를 가지고 있다. 영구자석형 동기모터를 가변속 제어하기 위해서는 회전자의 위치를 파악하기 위한 위치센서가 필수적이다. 따라서 영구자석형 동기모터를 압축기에 활용하기 위해서는 센서리스제어가 필수적이다. 센서리스제어 방식으로 널리 사용되고 있는 역기전력을 통한 위치추정방식은 정지좌표계의 사용으로 인한 위상지연으로 인한 위치오차가 발생하게 되거나, 동기좌표계의 사용으로 인한 과도상태에서 추정역기전력이 오차를 포함하여 발산의 문제 등이 발생되는 문제가 있다. 따라서 본 논문에서는 회전각 추적 관측기를 사용하여 위치와 속도를 추정하고 외란 관측기를 통하여 속도의 리플을 저감시키는 방안을 제시하였다. 프리스케일사의 MPU를 이용하여 실험장치를 구성하고 구현실험을 통하여 제안한 알고리즘의 타당성을 검토하였다. 일정 시점에서 위치오차를 강제로 주더라도 위치보정 값이 위치오차 값을 찾아가며 추정위치가 실제 벡터 위치로 수렴해감을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The sensorless control of high efficiency air compressors using a permanent magnet type synchronous motor as an oil-free air compressor is quite common. However, due to the nature of the air compressor, it is difficult to install a position sensor. In order to control the permanent magnet type synch...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 정지좌표계와 동기좌표계의 상태관측기의 각 장단점을 서로 보완할 수 있는 d축, q축의 역기전력 추정기반의 PMSM 가변속 센서리스 제어를 제안하고자 한다. 또한 추정한 역기전력을 기반으로 ATO(Angle Tracking Observer)를 사용하여 위치와 속도를 추정하였으며, 회전자의 위치 및 속도 정보를 추출할 경우 속도리플의 저감을 위해서 외란관측기를 사용하였다.
  • 그러나 이 HPF는 위치의 추정과정에서 차단주파수 설정 값에 의해 속도에 따른 다른 위상오차를 발생시킬 수 있다. 본 논문에서는 위의 오차를 필터의 영향을 덜 받는 동기좌표계 상태관측기로 보상하고자 한다.
  • 본 논문에서는 정지좌표계와 동기좌표계의 상태관측기의 각 장단점을 서로 보완할 수 있는 d축, q축의 역기전력 추정기반의 PMSM 가변속 센서리스 제어를 제안하였다. 정지좌표계상의 전류와 전압 지령치를 기반으로 정지좌표계의 역기전력 상태 관측기를 통해, d축 q축의 역기전력을 추정하여, ATO PLL을 이용하여 위치와 속도를 추종하였으며, 다시 이 값을 동기좌표계의 역기전력 상태 관측기를 이용하여 오차를 보상한 새로운 최종 위치 θ를 추정하였다.
  • 또한 추정한 역기전력을 기반으로 ATO(Angle Tracking Observer)를 사용하여 위치와 속도를 추정하였으며, 회전자의 위치 및 속도 정보를 추출할 경우 속도리플의 저감을 위해서 외란관측기를 사용하였다. 본 연구에서 제안된 센서리스 제어이론은 무급유식 공기압축기에 적용하였으며, 여러 실험을 통해 성능 결과를 분석하여 제안한 PMSM의 센서리스 속도제어가 공기압축기 응용이 가능함을 확인 하고자 한다.
  • 현재의 센서리스 제어는 초기 기동이 문제로 대두되고 있다. 초기 기동을 위한 초기 위치 추정을 위해서는 고조파 삽입법, 돌극 구조의 정보 등이 필요로 하나 본 논문에서는 초기 기동을 고려하지 않고 정상속도에서의 센서리스의 안정화에 연구의 목적을 두었으며, 따라서 초기 기동은 저속으로 직입기동을 하여 모터의 Vdss, Vqss, Idss, Iqss와 모터 파라미터의 값을 측정하여 회전자의 위치와 속도를 추종하고 추정한 위치와 속도로 센서리스 구동을 할 수 있도록 초기기동 패턴을 만들었다. 초기기동의 패턴은 처음 3초간은 모터의 정렬을 하고, 이후 2초간 100 RPM까지 직입 가속을 한다.

가설 설정

  • 여기서 K1과 K2는 게인 상수이고, Îdqs, Êdqs는 각각 전류와 역기전력의 추정상태 값이고 저항과 인덕턴스 추정치는 실제 값과 동일한 것으로 고려하여 파라미터 변동의 영향은 본 논문에서는 고려하지 않았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
무급유식 공기압축기가 무엇인가 무급유식 공기압축기는 내부에 윤활을 필요로 하지 않기 때문에 압축 공기 중에 유분이 포함 되지 않고 깨끗한 공기를 얻을 수 있는 공기압축기로 친환경적인 산업 개발을 추구하는 사회적 분위기에 맞추어 공기 압축기는 오일식에서 무급유식으로의 전환이 증가하고 있다. 또한 간단한 유지 보수, 저진동, 고안전성, 고수명 및 에너지 절감형 그리고 인체에 무해하다는 장점으로 식품음료와 섬유, 반도체 분야 등 친환경 제조분야에 오일을대체하여 물을 사용한 무급유식 공기 압축기의 시장이 점차 확대 되고 있으며, 이러한 상황에서 무급유식 공기압축기의 전력 절감과 효율 향상에 대한 연구도 중요시되고 있다.
무급유식 공기압축기의 장점은? 무급유식 공기압축기는 내부에 윤활을 필요로 하지 않기 때문에 압축 공기 중에 유분이 포함 되지 않고 깨끗한 공기를 얻을 수 있는 공기압축기로 친환경적인 산업 개발을 추구하는 사회적 분위기에 맞추어 공기 압축기는 오일식에서 무급유식으로의 전환이 증가하고 있다. 또한 간단한 유지 보수, 저진동, 고안전성, 고수명 및 에너지 절감형 그리고 인체에 무해하다는 장점으로 식품음료와 섬유, 반도체 분야 등 친환경 제조분야에 오일을대체하여 물을 사용한 무급유식 공기 압축기의 시장이 점차 확대 되고 있으며, 이러한 상황에서 무급유식 공기압축기의 전력 절감과 효율 향상에 대한 연구도 중요시되고 있다.
영구자석 동기모터의 센서리스제어의 작동방식은? 영구자석 동기모터의 센서리스제어는 전동기의 전압방정식을 기반으로 하는 수학적 모델을 이용하여 역기전력 또는 자속을 직접 추정하거나 관측기를 사용하여 추정하고, 추정된 역기전력으로부터 회전자 위치 및 속도를 추정하는 것이 일반적이다[4]. 영구자석 동기모터의 전압방정식은 정지좌표계 모델과 동기좌표계 모델로 표현할 수 있으며 정지좌표계 모델을 사용하는 경우 역기전력으로부터 회전자 위치정보를 직접적으로 얻을 수 있으나 저역통과필터 등의 영향으로 역기전력 추정기의 위상지연으로 인해 속도가 증가할수록 실제 역기전력과 추정 역기전력 사이의 위상차가 증가하여 회전자 추정 위치의 오차가 증가하게 되는 문제점이 있다[5].
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참고문헌 (6)

  1. Moo-Yeon Lee, Jong-Phil Won, Dong-Yeon Lee, Chung-Won Cho, "Study on the Performance Characteristics of the Roof Mounted Electrical Air Conditioning System Using Inverter Scroll Compressor", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 12, no. 10 pp. 4308-4313, 2011. DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2011.12.10.4308 

  2. Yong-Seok Lee, Jun-Keun Ji, "Vector Control of SPMSM Using MATLAB/SIMULINK & dSPACE 1104 System", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 9, no. 2, pp. 317-326, 2008. DOI: http://doi.org/10.5762/KAIS.2008.9.2.317 

  3. Bon Ho Bae, Seung Ki Sul, Jeong Hyeck Kwon, Ji Seob Byeon, "Implementation of sensorless vector control for super high speed PMSM of turbo compressor", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 39, no. 3, pp. 811-818, 2003. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2003.810658 

  4. K.-W. Lee, and J. Ha, "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnent Synchronous Motor", Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 605-615, Jul. 2012. DOI: https://doi.org/10.6113/JPE.2012.12.4.604 

  5. S. Bolognani, and R. Petrella, R. Petrella, "Design Issuse and estimation errors analysis of back-EMF-based position and speed observer for SPM synchrnous motor", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics., vol. 2, no. 2, pp. 159-170, 2014. DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2013.2296974 

  6. B. N-Mobaraken, F. M-Tabar, F-M Sargos, "Back EMF Estimation-Based Sensorless Control of PMSM: Robustness With Respect to Measurement Errors and Inverter Irregularities", IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 43, no. 2, pp. 485-494, 2007. DOI: https://doi.org/10.1109/TIA.2006.889826 

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