[논문]영구자석 동기전동기의 확장 역기전력 기반 센서리스 제어와 자속기반 센서리스 제어의 파라미터 오차의 영향 분석

박완서; 조관열; 김학원

doi:10.5762/kais.2019.20.3.8

초록
AI-Helper

영구자석 동기전동기는 벡터제어를 통해 우수한 효율로 다양한 산업분야에 적용되고 있다. 영구자석 동기전동기의 벡터제어를 위한 회전자 위치정보는 회전자 위치센서 또는 회전자 위치 추정기를 이용하여 검출한다. 회전자 위치추정기를 이용한 센서리스 제어로 가장 많이 적용되고 있는 모델기반 센서리스 제어는 역기전력기반의 센서리스 제어와 영구자석의 자속기반 센서리스 제어로 구분할 수 있다. 역기전력 기반의 센서리스 제어는 역기전력이 속도에 비례하므로 저속에서 회전자의 위치 추정성능이 떨어지는 단점이 있다. 자속기반 센서리스 제어의 경우 회전자 위치추정을 위한 영구자석의 자속의 크기는 속도에 관계없이 일정하기 때문에 넓은 속도 영역에서 회전자의 위치 추정성능이 우수하다. 하지만 모델기반 센서리스 제어는 영구자석 동기전동기의 수학적 모델을 이용하기 때문에 전동기 상수의 변화에 따라 회전자 위치 추정 성능이 영향을 받는다. 본 논문에서는 두 가지 모델기반 센서리스 제어 방법에 대해 고정자 저항 및 인덕턴스의 전동기 상수 오차가 -30% ~ 30%로 변동하였을 때 역기전력 추정 성능, 자속 추정 성능, 회전자의 위치추정 성능을 이론적으로 비교, 분석하고 모의해석 및 실험으로 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The PM synchronous motor drives with vector control have been applied to wide fields of industry applications due to its high efficiency. The rotor position information for vector control of a PM synchronous motor is detected from the rotor position sensors or rotor position estimators. The sensorle...

The PM synchronous motor drives with vector control have been applied to wide fields of industry applications due to its high efficiency. The rotor position information for vector control of a PM synchronous motor is detected from the rotor position sensors or rotor position estimators. The sensorless control based on the mathematical model of PM synchronous motor is generally used and it can be classified into back EMF -based sensorless control and magnet flux-based sensorless control. The rotor position estimating performance of the back EMF-based sensorless control is deteriorated at low speeds since the magnitude of back EMF is proportional to the motor speed. The magnitude of the magnet flux for estimating rotor position in the flux-based sensorless control is independent on the motor speed so that the estimating performance is excellent for wide speed ranges. However, the estimation performance of the model-based sensorless control may be influenced by the motor parameter variation since the rotor position estimator uses the mathematical model of the PM synchronous motor. In this paper, the rotor position estimation performance for the back EMF based- and flux-based sensorless controls is analyzed theoretically and is compared through the simulation and experiment when the motor parameters including stator resistance and inductance are varied.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Estimated δ axis back-EMF for R variation
그림 Fig. 2. Estimated δ axis back-EMF for L variation
그림 Fig. 3. Magnet flux estimator with HPF
그림 Fig. 4. Error of Estimated back EMF according to parameter variation
그림 Fig. 5. Error of Estimated magnet flux according to parameter variation
표 Table 1. Motor parameters
그림 Fig. 6. Error of estimated rotor position for back EMF estimator according to parameter variation
그림 Fig. 7. Error of estimated rotor position for magnet flux estimator according to parameter variation
그림 Fig. 8. Experiment set
그림 Fig. 9. Estimated back EMF and real and estimated rotor position at 300rpm
그림 Fig. 10. Estimated back EMF and real and estimated rotor position at 1,800rpm
그림 Fig. 11. Estimated rotor position error at 300rpm
그림 Fig. 13. Position error when resistance error occurs
그림 Fig. 12. Estimated rotor position error at 1,800rpm
그림 Fig. 14. Position error when inductance error occurs

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 속도가 증가함에 따라 부하가 증가하는 팬 타입의 표면부착형 영구자석동기전동기의 파라미터 변화에 대하여 확장 역기전력 기반 센서리스 제어와 자속 기반 센서리스 제어의 회전자 위치추정 특성을 비교, 분석하고 시뮬레이션을 통하여 검증한다.

가설 설정

속도가 증가함에 따라 부하가 증가하는 팬 부하에서 전류의 크기는 속도에 제곱에 비례하므로 R_s 오차의 영향은 속도가 증가할수록 선형적으로 증가하게 된다. 고정자 인덕턴스 L의 변화에 따른 추정자속의 오차는 전류의 크기에 비례하므로 속도가 증가할수록 증가하게 된다.

제안 방법

본 논문에서는 표면부착형 영구자석 동기전동기의 모델 기반 센서리스 제어 중 확장 역기전력 기반 센서리스 제어와 자속 기반 센서리스 제어에 대하여 전동기의 파라미터 변화 시 회전자 위치검출 특성을 비교분석하였다. 모델 기반 센서리스 제어는 전동기의 모델을 사용하여 위치를 추정하기 때문에 전동기의 파라미터가 변동되면 위치 추정의 문제를 초래할 수 있다.

대상 데이터

시뮬레이션에 사용한 모터의 파라미터는 Table 1에 나타난 바와 같이 속도가 증가할수록 부하가 증가하는 팬 모터용 SPM 타입의 PMSM을 사용하였다.

성능/효과

모델 기반 센서리스 제어는 전동기의 모델을 사용하여 위치를 추정하기 때문에 전동기의 파라미터가 변동되면 위치 추정의 문제를 초래할 수 있다. 따라서 파라미터 변동에 대한 분석을 한 결과 저항 오차에 대해서는 저속에서 약 0.8° 정도로 영향이 크고, 고속에서는 약 0.2° 정도로 영향이 적은 것을 알 수 있었고, 인덕턴스에 대해서는 저속에서 약 0.2° 정도로 영향이 작고, 고속으로 갈수록 약 0.7° 정도로 영향이 커지는 것을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다.
1은 식 (4)에서 고정자 저항 R 값의 오차가 없을 때와 –30% ~ +30% 오차가 발생했을 경우에 대한 보드선도(Bode plot)을 나타낸다. 보드선도로부터 고정자 저항 오차에 대해서 추정 역기전력의 오차는 저속에서 영향이 더 크게 나타나고, 고정자 저항의 오차가 증가할수록 추정 역기전력의 오차도 커지는 것을 알 수 있다.

후속연구

따라서 센서리스 제어 알고리즘을 선택하기에 앞서 파라미터 변동에 대한 강인함은 두 알고리즘이 비슷하므로 구동속도나 구동환경 등 다른 요인을 비교할 필요가 있다. 본 논문에서는 부하가 증가하는 시스템의 경우만 비교 하였으므로 향후 부하가 일정한 시스템, 저항값이 큰 시스템 등의 다양한 시스템에 대해서 비교 분석 할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확장 역기전력 기반 센서리스 제어와 자속 기반 센서리스 제어에서 비슷하게 나오는 것은?	또한 본 논문에 사용된 전동기의 저항값이 매우 작기 때문에 저항오차에 대한 위치오차가 작게 나타났지만, 저항값이 큰 시스템에서는 저항오차에 대한 영향이 더 크게 나타날 것이라고 예상할 수 있다. 또한 파라미터 오차에 대한 영향은 두 가지 센서리스 제어 밥법이 비슷하게 나오는 것을 알 수 있다. 따라서 센서리스 제어 알고리즘을 선택하기에 앞서 파라미터 변동에 대한 강인함은 두 알고리즘이 비슷하므로 구동속도나 구동환경 등 다른 요인을 비교할 필요가 있다.
	전동기 모델기반의 센서리스 제어란?	기존에는 레졸버, 홀센서 및 엔코더 등의 회전자 위치검출 센서를 이용하여 회전자의 위치정보를 검출하였으나 위치센서 추가로 인한 비용상승, 취부오차 등의 단점을 보완하기 위하여 회전자 위치센서를 사용하지 않는 센서리스 제어가 많은 산업분야에서 적용되고 있다. 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어로 가장 많이 적용되고 있는 전동기 모델기반의 센서리스 제어는 전동기의 수학적 모델식을 이용하여 역기전력 또는 영구자석의 자속으로부터 회전자의 위치정보를 추정한다[1-3]. 그러나 전동기 모델 기반의 센서리스 제어는 전동기 모델의 파라미터가 변하면 역기전력 또는 영구자석의 자속추정에 오차가 발생함으로써 회전자 위치 추정에 문제가 될 수 있다[4].
	역기전력 기반의 센서리스 제어의 단점은?	자속기반 센서리스 제어의 경우 회전자 위치추정을 위한 영구자석의 자속의 크기는 속도에 관계없이 일정하기 때문에 넓은 속도 영역에서 회전자의 위치 추정성능이 우수하다. 하지만 모델기반 센서리스 제어는 영구자석 동기전동기의 수학적 모델을 이용하기 때문에 전동기 상수의 변화에 따라 회전자 위치 추정 성능이 영향을 받는다. 본 논문에서는 두 가지 모델기반 센서리스 제어 방법에 대해 고정자 저항 및 인덕턴스의 전동기 상수 오차가 -30% ~ 30%로 변동하였을 때 역기전력 추정 성능, 자속 추정 성능, 회전자의 위치추정 성능을 이론적으로 비교, 분석하고 모의해석 및 실험으로 검증하였다.

참고문헌 (5)

S. Morimoto, K. Kawamoto, M. Sanada, and Y. Takeda, "Sensorless control strategy for salient pole PMSM based on extended EMF in rotating reference frame," IEEE Trans. on Industry Applications, Vol. 38, No. 4, 1054-1061, Aug. 2002. DOI: https://doi.org/10.1109/tia.2002.800777

상세보기
I. Boldea, M. C. Paicu and G. Andreescu, "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sept. 2008. DOI: https://doi.org/10.1109/tpel.2008.2002394

상세보기
H. S. Lee, K. Y. Cho and H. W. Kim, "Sensorless control algorithm of a surface mounted PM synchronous motor under naturally rotating by load," Transactions of Korean Institute of Power Electronics(KIPE), Vol. 23, No. 1, pp. 16-23, Feb. 2018.
K. W. Lee and J. I. Ha, "Evaluation of back-EMF estimators for sensorless control of permanent magnet synchronous motors," Journal of Power Electronics, Vol. 12, pp. 604-614, July 2012. DOI: https://doi.org/10.6113/jpe.2012.12.4.604

원문보기 상세보기
H. J. Kim, K. Y. Cho, H. W. Kim and K. W. Lee, "Eliminating method of estimated magnetic flux offset in flux based sensorless control algorithm of surface mounted PM synchronous motor," Transactions of Korean Institute of Power Electronics(KIPE), Vol. 23, No. 1, pp. 16-23, Jun. 2017.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (15)

표/그림 (15)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (15) 모든 표/그림 보기

표/그림 (15) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (5)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

초록
AI-Helper

표/그림 (15)

표/그림 (15)

AI 본문요약
AI-Helper