[논문]저속 센서리스 제어의 역기전력 추정 성능 향상을 위한 모터 파라미터 추정과 전압 오차의 개선

김경훈; 윤철; 조내수; 장민호; 권우현

doi:10.5370/kiee.2018.67.5.635

[국내논문] 저속 센서리스 제어의 역기전력 추정 성능 향상을 위한 모터 파라미터 추정과 전압 오차의 개선
Identification of Motor Parameters and Improvement of Voltage Error for Improvement of Back-emf Estimation in Sensorless Control of Low Speed Operation 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.5, 2018년, pp.635 - 643

김경훈 (School of Electronics Engineering, Kyung-pook National University) , 윤철 (Development Center, Control Technology, Control Technology Team 3, Doosan Machine Tools) , 조내수 (Dept. of Electronics & Data Communication, Keimyung College University) , 장민호 (H&A Control R&D Lab., LG Electronics) , 권우현 (School of Electronics Engineering, Kyung-pook National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper propose a method to identify the motor parameters and improve input voltage error which affect the low speed position error of the back-emf(back electromotive force) based sensorless algorithm and to secure the operation reliability and stability even in the case where the load fluctuation is severe and the start and low speed operation frequently occurs. In the model-based observer used in this paper, stator resistance, inductance, and input voltage are particularly influential factors on low speed performance. Stator resistance can cause resistance value fluctuation which may occur in mass production process, and fluctuation of resistance value due to heat generated during operation. The inductance is influenced by the fluctuation due to the manufacturing dispersion and at a low speed where the change of the current is severe. In order to find stator resistance and inductance which have different initial values and fluctuate during operation and have a large influence on sensorless performance at low speed, they are commonly measured through 2-point calculation method by 2-step align current injection. The effect of voltage error is minimized by offsetting the voltage error. In addition, when the command voltage is used, it is difficult to estimate the back-emf due to the relatively large distortion voltage due to the dead time and the voltage drop of the power device. In this paper, we propose a simple circuit and method to detect the voltage by measuring the PWM(Pulse Width Modulation) pulse width and compensate the voltage drop of the power device with the table, thereby minimizing the position error due to the exact estimation of the back-emf at low speed. The suitability of the proposed algorithm is verified through experiment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

또한 기동과 저속영역에서는 역기전력 정보가 매우 작으며, 이때 지령전압을 그냥 사용할 경우에는 데드타임과 전력소자의 전압강하에 의한 왜곡전압이 상대적으로 커서 역기전력 정보를 정밀 추정하기는 불가능하다. 따라서 출력 PWM 펄스폭을 직접 측정하여 전압을 검출하는 방식과 이를 구현할 수 있는 단순한 회로를 제안하며, 또 전류에 따른 전력소자의 전압강하는 테이블로 보상해줌으로써 센서리스 제어기의 입력 정보의 정확성을 높여 기동과 저속영역에서 역기전력 정보 추정과 그로 인한 위치오차를 최소화하고자 한다. 제안된 알고리즘의 적절성은 실험을 통해 검증한다.
본 논문에서는 역기전력 관측기 기반 센서리스 알고리즘의 저속 운전에 영향을 주는 전동기 파라미터와 입력전압 오차를 최소로 하는 방법을 제안하여 역기전력을 좀 더 정확히 추정하고 이를 통해 기동과 저속 운전이 빈번하고 부하변동이 심한 환경에서도 운전 신뢰성 및 안정성을 높이고자 한다. 관측기에 사용되는 모터 파라미터와 관측기로 입력되는 정보들의 정확도가 중요한데 특히 저속 성능에 영향을 많이 주는 요소로 고정자 저항, 인덕턴스, 입력전압이 있다.
본 논문에서는 역기전력 관측기 기반 센서리스 알고리즘의 저속 운전에 영향을 주는 전동기 파라미터와 전압 오차를 최소로 하는 방법을 제안하였으며, 드럼세탁기와 같은 정역기동과 저속 운전이 빈번하고 부하변동이 심한 환경에서도 운전 신뢰성 및 안정성을 높이고자 하였다. 센서리스 운전에서는 관측기에 사용되는 모터 파라미터와 관측기로 입력되는 정보들의 정확도가 중요한데 특히 저속 성능에 영향을 많이 주는 요소로 고정자 저항, 인덕턴스, 입력전압이 있다.
따라서 역기전력으로부터 계산된 위치정보는 상태 필터나 기계 시스템을 이용한 회전자각 관측기를 이용하여 고주파 잡음이 제거된 각을 제어에 사용하는 것이 일반적이다. 본 논문에서는 회전자각 관측기를 이용하여 고주파 잡음을 제거하고자 한다.

제안 방법

또 센서리스 알고리즘은 궤환형 역기전력 관측기 및 궤환형 회전자각 관측기를 적용하였고, 전동기 입력전압 측정은 캡쳐 기능을 이용한 극전압 펄스 폭 측정 방식과 IGBT와 다이오드의 전압강하를 보상하기 위해 테이블을 사용한다. 그리고 전동기 파라미터 측정은 운전 직전 2단 전류 주입 동작에 의해 저항과 인덕턴스를 측정한다. 기동은 2단 전류 주입 이후 오픈루프 제어없이 바로 속도제어를 수행한다.
따라서 저속에서의 정밀도 향상을 위해서 전압강하에 대한 보상을 추가하였다. 즉 IGBT와 다이오드의 데이터시트에서 전류 크기에 따른 전압강하를 테이블로 구성하고 각각 도통되는 구간의 전류에 따라 전압강하 보상분을 계산한다.
속도제어기는 적분 비례 제어기이고, 전류제어기는 비례 적분 제어기이며, PWM 방식은 공간벡터 PWM 방식을 적용한다. 또 센서리스 알고리즘은 궤환형 역기전력 관측기 및 궤환형 회전자각 관측기를 적용하였고, 전동기 입력전압 측정은 캡쳐 기능을 이용한 극전압 펄스 폭 측정 방식과 IGBT와 다이오드의 전압강하를 보상하기 위해 테이블을 사용한다. 그리고 전동기 파라미터 측정은 운전 직전 2단 전류 주입 동작에 의해 저항과 인덕턴스를 측정한다.
이렇듯 초기값이 다르고 운전 중에도 변동이 되어 센서기리스 성능에 큰 영향을 미치는 고정자 저항과 인덕턱스를 알아내기 위해 2단 전류주입을 통해 각 단에 공통적으로 존재하는 전압 오차를 2-point 연산방식으로 상쇄시켜 전압오차에 의한 영향을 최소화했다. 또 전동기에 인가되는 전압을 측정하기 위해 출력 PWM 펄스폭을 마이크로 컴퓨터에 내장된 회로만을 이용하여 간단히 측정하는 방식을 제안하였으며, 인버터에 내장된 전력소자의 전압강하분을 전류 크기에 따른 테이블로 보상해줌으로써 변동하는 입력 전원에 대해서도 전동기 파라미터와 계측정보의 정확성을 높여 기동시와 저속영역에서 역기전력추정 정밀도를 높혀 센서리스의 위치오차를 최소화하였다.
따라서 전동기가 낮은 속도라도 회전만 한다면 상대적으로 어느 정도의 역기전력을 얻을 수 있다. 또한 운전 특성상 빠른 동특성을 요구하지 않는다는 시스템의 특성에 착안하여 역기전력 관측기를 이용한 센서리스 제어 방법을 적용하고자 한다.
본 논문에서 제안하는 출력 PWM 펄스폭을 직접 측정하여 전압을 검출하는 방식은 마이크로 컴퓨터에 내장되어 있는 펄스폭을 측정하는 캡쳐(capture) 기능을 이용하여 인버터 PWM 펄스폭을 측정하고 스위칭 주기 동안 평균전압을 계산하는 방식이며, 이 방식은 별도의 복잡한 회로가 요구되지 않아 회로가 단순하고 가격 면에서도 저렴하다. 그림 3은 캡쳐 기능을 활용하기 위한 회로이다.
본 논문에서는 고유 값을 켤레 복소수 형태의 이중 극점들로 선정하여 #의 계수와 특성 방정식 det[sI-(Â-KC)]=0의 계수를 비교하여 이득 행렬의 성분을 구하였다.
그림 13은 제안된 역기전력 관측기의 제어 신뢰성을 확인하기 위한 목적으로 부하변동 시 저속 센서리스 성능을 평가하기 위한 운전 파형이다. 부하변동은 15%, 30%, 60%에 해당하는 세탁물을 넣은 후 각각의 부하에 해당하는 물의 양을 넣고 물과 혼합된 세탁물이 낙차가 발생하는 46rpm의 속도로 기동 및 유지하는 조건으로 실험하였으며, 최대 부하토크는 기동 후 세탁물이 기계 간으로 90도 부근에서 발생한다. 여기서 60% 조건은 물이 추가된 세탁 조건일 때는 기동 시에 부하토크가 최대로 발생하는 부하량을 의미하며 그 이상일 경우에는 오히려 부하토크가 작아지는 특징을 갖고 있다.
실험에 사용된 모터는 드럼세탁기에 사용되는 외전형 표면부착형 영구자석 동기전동기이며 전동기 파라미터는 표 1과 같다. 실제 회전자 위치와 추정 위치를 비교하기 위해 1000PPR(Pulse Per Revolution) 인코더를 4체배하여 사용하였다. 그림 6에는 사용된 엔코더가 조립된 전동기와 제어기가 탑재된 보드를 보여주고 있다.
여기서 위치 관측기 이득 행렬 M은 3 x 1 행렬로 본 논문에서는 이득 행렬 M의 설정방법도 앞서 설명한 역기전력 상태 관측기 이득 행렬 K설정과 유사하게, 고유 값을 세 개의 극점들로 선정하여 (s-λ1)(s-λ2)(s-λ3)=0의 계수와 오차의 특성 방정식 det[sI-(Â-KC)]=0의 계수를 비교하여 이득 행렬의 성분을 구하였다.
이렇듯 초기값이 다르고 운전 중에도 변동이 되어 센서기리스 성능에 큰 영향을 미치는 고정자 저항과 인덕턱스를 알아내기 위해 2단 전류주입을 통해 각 단에 공통적으로 존재하는 전압 오차를 2-point 연산방식으로 상쇄시켜 전압오차에 의한 영향을 최소화했다. 또 전동기에 인가되는 전압을 측정하기 위해 출력 PWM 펄스폭을 마이크로 컴퓨터에 내장된 회로만을 이용하여 간단히 측정하는 방식을 제안하였으며, 인버터에 내장된 전력소자의 전압강하분을 전류 크기에 따른 테이블로 보상해줌으로써 변동하는 입력 전원에 대해서도 전동기 파라미터와 계측정보의 정확성을 높여 기동시와 저속영역에서 역기전력추정 정밀도를 높혀 센서리스의 위치오차를 최소화하였다.
고정자 저항은 대량제조 과정에서 불가피하게 발생할 수 있는 저항값 산포와 운전 중 발생하는 열로 인한 저항값 변동이 발생 할 수 있고, 인덕턴스도 제조산포로 인한 변동이 발생할 뿐만 아니라 전류의 변화가 심한 저속에서 그 영향이 크다. 이렇듯 초기값이 다르고 운전 중에도 변동하여 저속에서 센서리스 성능에 큰 영향을 미치는 고정자 저항과 인덕턴스를 알아내기 위해 2단 정렬을 통해 각 단에 공통적으로 존재하는 전압 오차를 2-point 연산방식으로 상쇄시켜 전압오차에 의한 영향을 최소화하고자 한다. 또한 기동과 저속영역에서는 역기전력 정보가 매우 작으며, 이때 지령전압을 그냥 사용할 경우에는 데드타임과 전력소자의 전압강하에 의한 왜곡전압이 상대적으로 커서 역기전력 정보를 정밀 추정하기는 불가능하다.
제안한 방법은 그림 1과 같이 2단에 걸쳐 정렬 동작을 하기 위해 전류를 인가하고 식 (9)와 같이 계산을 하면 각 단계의 정렬 동작 시 공통적으로 존재하는 인버터 전압오차가 상쇄되어 인버터 전압오차가 제거된 고정자 저항을 간단히 알 수 있다. 이러한 2단 정렬 방법은 드럼세탁기와 같이 일정 시간 정회전 후 완전 정지상태가 존재하고 이후 일정 시간 역회전을 한 후 또 다시 완전 정지상태가 되고 또 이런 상태가 계속 반복하게 되므로 적용이 용이하다.
따라서 저속에서의 정밀도 향상을 위해서 전압강하에 대한 보상을 추가하였다. 즉 IGBT와 다이오드의 데이터시트에서 전류 크기에 따른 전압강하를 테이블로 구성하고 각각 도통되는 구간의 전류에 따라 전압강하 보상분을 계산한다. 전압강하 보상분은 식 (14)와 같다.

대상 데이터

본 논문에서 사용하는 전력소자(PS21964-s)는 도통 시 0.5~1V의 전압 강하가 발생하며, 이는 약 2.7rpm의 속도로 운전될 때의 역기전력 전압 크기와 같다. 하지만, 소자의 전압강하는 캡처 기능을 이용하여 측정하지 못하는 전압이며, 따라서 계산된 전압을 관측기의 입력으로 사용하면 2.
그림 6에는 사용된 엔코더가 조립된 전동기와 제어기가 탑재된 보드를 보여주고 있다. 실험 시스템은 표 1의 모터가 적용된 드럼세탁기, 제어기 보드, D/A 컨버터 보드, 오실로스코프로 구성되어 있다.
스위칭 주파수는 15kHz이며 데드타임은 2μs이다. 실험에 사용된 모터는 드럼세탁기에 사용되는 외전형 표면부착형 영구자석 동기전동기이며 전동기 파라미터는 표 1과 같다. 실제 회전자 위치와 추정 위치를 비교하기 위해 1000PPR(Pulse Per Revolution) 인코더를 4체배하여 사용하였다.

데이터처리

따라서 출력 PWM 펄스폭을 직접 측정하여 전압을 검출하는 방식과 이를 구현할 수 있는 단순한 회로를 제안하며, 또 전류에 따른 전력소자의 전압강하는 테이블로 보상해줌으로써 센서리스 제어기의 입력 정보의 정확성을 높여 기동과 저속영역에서 역기전력 정보 추정과 그로 인한 위치오차를 최소화하고자 한다. 제안된 알고리즘의 적절성은 실험을 통해 검증한다.

이론/모형

본 논문에서는 고정자 저항을 측정하기 위해 초기위치 정렬 과정을 이용한다. 전동기가 움직이지 않도록 토크가 발생하는 q축 전류는 0으로 하고 d축에만 전류를 인가하여 정렬 동작을 수행하면서 동시에 이 과정에서 얻어지는 전압과 전류의 비로 간단히 고정자 저항을 측정할 수 있다.
본론에서 검토되었던 센서리스 구동 알고리즘의 실험을 위한 전체적인 제어 블록도는 그림 5와 같다. 속도제어기는 적분 비례 제어기이고, 전류제어기는 비례 적분 제어기이며, PWM 방식은 공간벡터 PWM 방식을 적용한다. 또 센서리스 알고리즘은 궤환형 역기전력 관측기 및 궤환형 회전자각 관측기를 적용하였고, 전동기 입력전압 측정은 캡쳐 기능을 이용한 극전압 펄스 폭 측정 방식과 IGBT와 다이오드의 전압강하를 보상하기 위해 테이블을 사용한다.

성능/효과

17rad 정도를 나타내었다. 따라서 제안된 제어기는 세탁물과 물이 혼합되어 부하변동이 심하게 발생하더라도 안정된 센서리스 동작을 확인할 수 있었다.
이로써 기동과 저속 운전이 빈번하고 부하변동이 심한 환경에서도 센서리스 운전 성능을 향상시킴으로서 가격과 신뢰성에 민감한 가전분야에도 센서리스 제어 응용범위를 넓히는데 기여할 수 있었다. 실험을 통해 개선된 전동기 역기전력 관측기의 타당성과 부하 별 센서리스 운전 신뢰성이 개선됨을 보였다.
이로써 기동과 저속 운전이 빈번하고 부하변동이 심한 환경에서도 센서리스 운전 성능을 향상시킴으로서 가격과 신뢰성에 민감한 가전분야에도 센서리스 제어 응용범위를 넓히는데 기여할 수 있었다. 실험을 통해 개선된 전동기 역기전력 관측기의 타당성과 부하 별 센서리스 운전 신뢰성이 개선됨을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해상도가 낮은 센서의 문제점은?	한편 드럼세탁기와 같은 가전분야 전동기에서도 고성능과 에너지 효율 등으로 센서리스 제어에 대한 요구가 커지고 있다. 일반적으로 드럼세탁기에는 해상도가 낮은 센서를 사용하여 회전자 위치를 감지하고 있는데, 이러한 센서는 모터에 치부하는 과정에서 조립편차로 인해 토크맥동을 일으킬 수 있고 또한 홀센서 2개로 회전자 위치를 판단하려다 보니 불연속 구간이 생겨 전류 리플에 의한 토크맥동과 전자기 소음이 발생할 수 있다. 따라서 이러한 해상도가 낮은 센서를 사용하는 환경에서 발생할 수 있는 불연속 구간 존재로 인한 제어특성을 개선하기 위해 다수의 연구가 시도되기도 했다[1-3].
	고정자 저항과 인덕턴스가 저속에서 센서리스 성능에 큰 영향을 끼치는 이유는?	관측기에 사용되는 모터 파라미터와 관측기로 입력되는 정보들의 정확도가 중요한데 특히 저속 성능에 영향을 많이 주는 요소로 고정자 저항, 인덕턴스, 입력전압이 있다. 고정자 저항은 대량제조 과정에서 불가피하게 발생할 수 있는 저항값 산포와 운전 중 발생하는 열로 인한 저항값 변동이 발생 할 수 있고, 인덕턴스도 제조산포로 인한 변동이 발생할 뿐만 아니라 전류의 변화가 심한 저속에서 그 영향이 크다. 이렇듯 초기값이 다르고 운전 중에도 변동하여 저속에서 센서리스 성능에 큰 영향을 미치는 고정자 저항과 인덕턴스를 알아내기 위해 2단 정렬을 통해 각 단에 공통적으로 존재하는 전압 오차를 2-point 연산방식으로 상쇄시켜 전압오차에 의한 영향을 최소화하고자 한다.
	센서리스 제어기의 위치오차를 최소화하려면?	또한 기동과 저속영역에서는 역기전력정보가 매우 작으며, 이때 지령전압을 그냥 사용할 경우에는 데드타임과 전력소자의 전압강하에 의한 왜곡전압이 상대적으로 커서 역기전력 정보를 정밀 추정하기는 불가능하다. 따라서 출력 PWM 펄스폭을 직접 측정하여 전압을 검출하는 방식과 이를 구현할 수 있는 단순한 회로를 제안하며, 또 전류에 따른 전력 소자의 전압강하는 테이블로 보상해줌으로써 센서리스 제어기의 입력 정보의 정확성을 높여 기동과 저속영역에서 역기전력 정보 추정과 그로 인한 위치오차를 최소화하고자 한다. 제안된 알고리즘의 적절성은 실험을 통해 검증한다.

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상세보기
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Yukinori Inoue, Koji Yamada, Shigeo Morimoto, and Masayuki Sanada, "Effectiveness of Voltage Error Compensation and Parameter Identification for Model-Based Sensorless Control of IPMSM," IEEE Transactions on Industry applications, vol. 45, no. 1, pp. 213-221, Jan./Feb. 2009.

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Seung-Ki Sul, Control of electric machine drive systems, HONG REUNG Science Press, 2007.
Jae-Suk Kim and Seung-Ki Sul, "Influence of Resistance Error to the Bandwidth of Back-EMF Estimation based SMPMSM Sensorless Drives," Trans. KIPE., vol. 21, no. 5, Oct. 2016.

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용어 설명 출처 목록 (6)

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