[논문]EEMF 기반 센서리스 영구자석 동기전동기 구동 시스템의 구동 재개 방법

이영재; 박영수; 이교범

doi:10.6113/tkpe.2019.24.2.127

EEMF 기반 센서리스 영구자석 동기전동기 구동 시스템의 구동 재개 방법
Restarting Method for EEMF Based Sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor Drive Systems 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.24 no.2, 2019년, pp.127 - 133

이영재 (Dept. of Electrical & Computer Engineering, Ajou Univ.) , 박영수 (Dept. of Electrical & Computer Engineering, Ajou Univ.) , 이교범 (Dept. of Electrical & Computer Engineering, Ajou Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a restarting method for extended electromotive force (EEMF)-based sensorless permanent magnet synchronous motor (PMSM) drive systems. The sensorless PMSM drive systems generally estimate the rotor speed and angle based on EEMF. However, if the inverter is stopped while the PMSM is rotating, the initial rotor speed and angle are required for restart. Therefore, the proposed restarting method estimates the initial rotor speed and angle using the short-circuit current generated by applying zero voltage vector from the inverter. The validity of the proposed method is verified by simulation and experimental results.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Space vector diagram of PMSM.
그림 Fig. 2. Block diagram of the least order observer for estimating e_γ^est.
그림 Fig. 3. Block diagram of estimating rotor speed and angle.
그림 Fig. 4. Control block diagram of sensorless PMSM drive system.
그림 Fig. 5. Short-circuit current vectors generated by (a) first and (b) second zero vector.
그림 Fig. 6. Simulation results of EEMF based sensorless PMSM drive system.
그림 Fig. 7. Simulation results of proposed restarting method for EEMF based sensorless PMSM drive system.
표 TABLE I PMSM PARAMETERS
그림 Fig. 8. Experimental set.
그림 Fig. 9. Experimental results of EEMF based sensorless PMSM drive system.
그림 Fig. 10. Experimental results of proposed restarting method for EEMF based sensorless PMSM drive system.
그림 Fig. 11. Experimental results of initial rotor speed and angle estimated by using the proposed restarting method.

AI 본문요약
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문제 정의

으로 구분된다. 본 논문에서는 PMSM의 확장 역기전력(Extended electromotive force, EEMF) 기반의 센서리스 PMSM 구동 시스템을 다루며, 회전좌표계 내에서 PMSM의 수학적인 모델링 및 EEMF를 통해 회전자의 속도와 위치각을 추정한다. 또한, 최소차원 관측기를 사용하여 회전자 속도와 위치각을 추정하므로 다른 센서리스 제어 방법과 비교하여 구현이 간단한 장점이 있다^[10],[11].
본 논문은 센서리스 PMSM 구동 시스템에서 인버터의 동작이 중단된 경우에 구동을 재개하는 방법을 제안 하였다. 제안하는 구동 재개 방법은 인버터의 영전압 벡터를 통해 발생된 단락 전류 벡터를 이용하며, PMSM 회전자의 초기 속도 및 위치각 정보를 추정한다.

제안 방법

센서리스 PMSM 구동 시스템의 제어 블록도는 그림 4와 같다. EEMF 기반 센서리스 제어 방법을 통해 PMSM 회전자의 속도와 위치각을 추정하며, 이를 이용 하여 PMSM의 속도 제어 및 고정 좌표계 전압과 전류의 회전 좌표계로의 좌표 변환을 수행한다. 속도 제어기의 출력은 회전 좌표계 d_e-q_e축 지령 전류(i_dqe^ref)이며,이를 통해 PMSM의 출력 전류를 제어한다.
PSIM 시뮬레이션을 통해 본 논문에서 제안하는 센서리스 PMSM 구동 시스템을 위한 구동 재개 방법의 타당성을 검증하였다. PMSM 구동 시스템은 2-레벨 인버터를 사용하였으며, 스위칭 주파수는 10 kHz로 선정하였다. PMSM의 파라미터는 표 1과 같다.
제안하는 구동 재개 방법은 인버터의 영전압 벡터를 통해 발생된 단락 전류 벡터를 이용하며, PMSM 회전자의 초기 속도 및 위치각 정보를 추정한다. 또한, 제안하는 구동 재개 방법으로 추정된 정보는 EEMF 기반 센서리스 제어 방법의 전향보상 성분에 적용되어 센서리스 PMSM 구동 시스템의 구동 재개를 수행한다. 제안하는 방법의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.
마지막으로, ωe를 EEMF 기반 센서리스 제어의 전향보상 성분에 적용하며, PMSM 구동 시스템의 구동을 재개한다.
이 연구되었으나, 이는 영전압 벡터를 여러 번 인가하므로 구현이 복잡한 단점이 있다. 본 논문에서는 EEMF 기반 센서리스 PMSM 구동 시스템의 구동 재개 방법을 제안하였으며, 두 번의 영전압 벡터만을 이용하므로 구현이 간단하다. 인버터의 동작이 중단된 경우에 PMSM 의 회전자의 초기 속도 및 위치각은 영전압 벡터를 인가하여 발생되는 단락 전류 벡터를 통해 추정한다.
이러한 단락 전류는 회전자의 속도 및 위치각 정보를 포함하고 있으므로 이를 통해 PMSM의 구동 재개를 위한 회전자의 초기 속도 및 위치각 정보를 추정할 수 있다. 본 논문에서는 두 번의 영전압 벡터를 인가하여 발생된 단락 전류를 통해 회전자의 초기 속도 및 위치각 정보를 추정하고, 이를 센서리스 PMSM 구동 시스템의 구동 재개를 위해 사용한다.
이 때, PMSM의 3상 출력 전류(i_a,i_b,i_c)는 0이 되어 ω는 감소하며, ω^est와 θ^est는 추정되지 않는다. 센서리스 PMSM 구동 시스템의 구동 재개를 위해 0.7초에 제안하는 구동 재개 방법을 사용한다. 인버터는 제어 주기 T_s동안 영전압 벡터를 인가한다.
본 논문은 센서리스 PMSM 구동 시스템에서 인버터의 동작이 중단된 경우에 구동을 재개하는 방법을 제안 하였다. 제안하는 구동 재개 방법은 인버터의 영전압 벡터를 통해 발생된 단락 전류 벡터를 이용하며, PMSM 회전자의 초기 속도 및 위치각 정보를 추정한다. 또한, 제안하는 구동 재개 방법으로 추정된 정보는 EEMF 기반 센서리스 제어 방법의 전향보상 성분에 적용되어 센서리스 PMSM 구동 시스템의 구동 재개를 수행한다.

대상 데이터

본 논문에서 제안하는 구동 재개 방법의 타당성을 검증하기 위해 그림 8에 나타낸 실험 세트를 이용하여 실험을 진행하였다. 실험 세트는 2-레벨 인버터, PMSM, 부하 모터인 3상 유도 전동기로 구성되며, 2-레벨 인버터는 TMS320F28335 디지털 신호 장치(DSP, Digital signal processor)를 통해 구동된다. PMSM의 파라미터는 표 1과 같으며, 직류단 전압은 400 V로 설정하였다.

데이터처리

또한, 제안하는 구동 재개 방법으로 추정된 정보는 EEMF 기반 센서리스 제어 방법의 전향보상 성분에 적용되어 센서리스 PMSM 구동 시스템의 구동 재개를 수행한다. 제안하는 방법의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.
또한, 추정된 회전자의 초기 속도 및 위치각 정보를 이용 하여 시스템의 구동 재개가 가능하다. 제안한 구동 재개 방법의 타당성은 5 kW급 PMSM을 이용한 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

이론/모형

11. Experimental results of initial rotor speed and angle estimated by using the proposed restarting method.

성능/효과

PSIM 시뮬레이션을 통해 본 논문에서 제안하는 센서리스 PMSM 구동 시스템을 위한 구동 재개 방법의 타당성을 검증하였다. PMSM 구동 시스템은 2-레벨 인버터를 사용하였으며, 스위칭 주파수는 10 kHz로 선정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PMSM의 정확한 벡터 제어를 위하여 필요한 것은 무엇인가?	영구자석 동기전동기(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)는 소형, 경량화, 고효율 등의 장점이 있 으므로, 최근 다양한 전동기 구동 분야에서 사용되고 있다[1]-[3] . PMSM의 정확한 벡터 제어를 위해서는 회전자의 속도와 위치각 정보가 필요하며, 이를 얻기 위해서는 일반적으로 엔코더나 레졸버 등의 센서를 사용한다. 하지만, 회전자의 속도 및 위치각 정보를 얻기 위한 센서는 시스템의 부피를 증가시키며, 유지보수가 어렵고, 노이즈나 외란에 취약한 단점이 있다.
	영구자석 동기전동기의 장점과, 사용분야는?	영구자석 동기전동기(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)는 소형, 경량화, 고효율 등의 장점이 있 으므로, 최근 다양한 전동기 구동 분야에서 사용되고 있다[1]-[3] . PMSM의 정확한 벡터 제어를 위해서는 회전자의 속도와 위치각 정보가 필요하며, 이를 얻기 위해서는 일반적으로 엔코더나 레졸버 등의 센서를 사용한다.
	최근, 센서를 사용하지 않고 PMSM을 구동하는 다양한 연구가 실시되는 배경은 무엇인가?	PMSM의 정확한 벡터 제어를 위해서는 회전자의 속도와 위치각 정보가 필요하며, 이를 얻기 위해서는 일반적으로 엔코더나 레졸버 등의 센서를 사용한다. 하지만, 회전자의 속도 및 위치각 정보를 얻기 위한 센서는 시스템의 부피를 증가시키며, 유지보수가 어렵고, 노이즈나 외란에 취약한 단점이 있다. 따라서, 최근에는 센서를 사용하지 않고 PMSM을 구동하는 다양한 센서리스 제어 방법이 연구되고 있다[4],[5].

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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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