[논문]단상 영구자석 동기 전동기의 가상 dq축 기반 초기 회전자 자극 검출

서승우; 황선환; 이기창

doi:10.7471/ikeee.2020.24.4.1004

초록
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본 논문은 단상 영구자석 동기전동기의 초기 회전자 자극 검출 기법을 제안한다. 대상 전동기는 저속 및 정지 상태에서 역기전력을 기반으로 위치 정보를 얻을 수 없다. 따라서 초기 개루프 기동이 필요하며 이 과정에서 저 전류 및 소프트 기동을 위한 초기 회전자 위치 정보가 필요하다. 제안하는 초기 회전자 자극 검출 알고리즘의 경우 비대칭 공극의 영향 및 영구자석 자속의 영향을 고려하였으며, 고주파 전압 신호 주입을 기반으로 정확한 검출을 위한 오프셋 전압을 이용하였다. 이때 고주파 전압 신호로부터 유도된 고주파 전류의 경우 가상의 dq축을 이용하여 유도된 전류의 최댓값 취득을 통해 회전자 영구자석 자극을 판별한다. 본 논문에서는 센서리스 운전의 저전류 및 소프트 기동을 위해 제안된 초기 회전자 자극 검출 알고리즘을 홀센서 신호를 근거로 효용성 및 타당성을 다수의 실험을 통해 검증하였다.

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This paper proposes an initial rotor magnetic pole detection method for single-phase permanent magnet synchronous motors. The target motor cannot obtain position information based on the back emf in the low speed and stop state. Therefore, an open loop starting process is required, and in this proce...

This paper proposes an initial rotor magnetic pole detection method for single-phase permanent magnet synchronous motors. The target motor cannot obtain position information based on the back emf in the low speed and stop state. Therefore, an open loop starting process is required, and in this process, initial rotor position information for low current and soft start is need. The proposed initial rotor magnetic pole detection algorithm considers the effect of asymmetric air- gap and magnetic flux. In addition, the high-frequency voltage signal injection and the offset voltage for accurate detection is used. As a result, the permanent magnet poles are is determined by acquiring the maximum value of the induced current using the virtual dq-axis.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Partial saturation due to rotor magnetic flux. (a) Demagnetization by rotor magnetic flux, (b) Saturation by rotor magnetic flux. 그림 1. 회전자 자속으로 인한 부분 포화. (a) 회전자 자속에 의한 감자, (b) 회전자 자속에 의한 포화
그림 Fig. 2. Equivalent circuit with full bridge inverter of Single-Phase PMSM. 그림 2. 단상 영구자석 동기 전동기의 풀 브리지 인버터 및 등가 회로
그림 Fig. 3. Induction current according to rotor polarity. 그림 3. 회전자 자극에 따른 유도 전류
그림 Fig. 4. Linear and saturation regions of λ - i characteristics in air-gap. (a) Without DC bias, (b) With DC bias. 그림 4. 공극에서의 선형 및 포화 영역 λ - i 특성
그림 Fig. 5. Induced current through high-frequency voltage signal injection with DC bias. 그림.5. DC 바이어스 및 고주파 전압 신호 주입을 통해 유도된 전류
그림 Fig. 6. Proposed rotor polarity detection block diagram. 그림 6. 제안된 회전자 자극 검출 블록도
그림 Fig. 7. Experimental setup of single-phase permanent magnet synchronous motor. 그림 7. 단상 영구자석 동기전동기의 실험장치
그림 Fig. 8. Hall sensor and induced current information when the offset voltage is '0[V]'. 그림 8. 옵셋 전압이 '0[V]'인 경우 홀센서 및 유도된 전류정보
표 Table 1. Parameters of a single-phase permanent magnet synchronous motor and inverter. 표 1. 단상 영구자석 동기전동기 및 인버터 사양
그림 Fig. 9. Detection of polarity information verified by hall sensor signals. 그림 9. 홀 센서 신호에 근거한 극성 검출

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 단상 영구자석 동기 전동기의 역기전 력 측정이 제한적인 정지 상태에서 초기 회전자 자 극 검출 알고리즘을 제안한다. 초기 회전자 자극 검출을 통한 회전자 위치정보를 습득하여 Openloop 초기 기동의 저전류 및 소프트 스타팅 동작을 실현 가능하게 된다.
그러나 센서리스 제어의 일 반적 문제로 영속 및 저속에서 위치정보 취득의 어 려움이 존재한다[4], [5]. 본 논문의 경우 단상 PMSM 의 초기 회전자 자극 검출 기법을 제안한다. 이는 안정적인 초기 구동을 위해 초기 회전자 위치 검출 을 통해 정방향 구동 및 낮은 전류를 통해 정렬을 실현한다.

가설 설정

이러한 부분적 포화는 일반적인 고정자 포화 효과와 동일하게 작용하며 포화 효과는 고정 자 인덕턴스의 감소를 야기한다[6], [7]. 이때 그림 1 (a)와 같이 회전자 영구자석 위치에 따른 극성의 영향으로 증자 작용이 발생하는 경우 언급된 부분 포화 현상이 발생되며, 그림 1 (b)와 같이 회전자 영구자석의 극성의 영향으로 감자작용이 발생하는 경우 포화는 발생하지 않는다.

제안 방법

그림 6은 제안된 초기회전자 자극 검출 기법의 전체 블록다이어그램이다. 고주파 전입 신호 주입 기법을 기반으로 옵셋 전압을 추가로 인가하여 회 전자 자극을 검출하기 위해 유도된 전류를 전역통 과필터(All Pass Filter, APF)를 통하여   위상차 를 가지는 q축을 생성한 가상의 d-q축을 통해 얻은 최댓값 크기를 통해 회전자 자극 판단을 한다. 또한 측정된 전류 값의 경우 저역통과필터(Low Pass Filter, LPF)를 통해 DC offset 성분을 제거한 뒤 피드백 하여 전류제어를 한다.
초기 회전자 자극 검출을 통한 회전자 위치정보를 습득하여 Openloop 초기 기동의 저전류 및 소프트 스타팅 동작을 실현 가능하게 된다. 제안된 방법은 고주파 전압 신호 주입을 기반 하여 회전자 영구자석 자속 영향을 통해 자극 정보를 담고 있는 전류를 유도한다. 이때 가상의 d-q축 기법을 적용하여 유도된 전류 의 크기를 판단하여 회전자의 자극 위치정보를 얻 는다
이는 안정적인 초기 구동을 위해 초기 회전자 위치 검출 을 통해 정방향 구동 및 낮은 전류를 통해 정렬을 실현한다. 제안한 방법은 고주파 전압 주입 기법을 기반으로 비대칭 공극 및 단상 PMSM 영구자석 회전자 자속의 영향을 고려하여 가상의 dq축 모델을 이용한 고정자 전류의 크기를 관찰을 통해 초기 회전자 자극을 검출한다. 제안된 방법은 다수의 실험을 통해 타당성을 검증하였다.

데이터처리

제안한 방법은 고주파 전압 주입 기법을 기반으로 비대칭 공극 및 단상 PMSM 영구자석 회전자 자속의 영향을 고려하여 가상의 dq축 모델을 이용한 고정자 전류의 크기를 관찰을 통해 초기 회전자 자극을 검출한다. 제안된 방법은 다수의 실험을 통해 타당성을 검증하였다.

이론/모형

제안된 방법은 고주파 전압 신호 주입을 기반 하여 회전자 영구자석 자속 영향을 통해 자극 정보를 담고 있는 전류를 유도한다. 이때 가상의 d-q축 기법을 적용하여 유도된 전류 의 크기를 판단하여 회전자의 자극 위치정보를 얻 는다

참고문헌 (7)

F. Muhamamed, and K. R. Rajagopal, "A novel air-gap profile of single-phase permanent-magnet brushless DC motor for starting torque improvement and cogging torque reduction," IEEE Trans. on Magnetics, vol.46, pp.3928-3932, 2010. DOI: 10.1109/TMAG.2010.2057514

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K. Byung-Il, Y. Byoung-Yull, P. Seung-Chan and J. Young-Sun, "Novel topology of unequal air gap in a single-phase brushless DC motor," IEEE Trans. on Magnetics, vol.37, pp.3723-3726, 2001. DOI: 10.1109/20.952699

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C. Chiu, Y. Chen and W. Jhang, "Properties of cogging torque, starting torque, and electrical circuits for the single-phase brushless DC motor," IEEE Trans. on Magnetics, vol.44, no.10, pp. 2317-2323, 2008.

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L. Ying and N. Ertugrul, "A starting strategy for a robust position sensorless technique in non-salient PM AC motor drives," IEEE Power Electronics and Motion Control Conf.(IPEMC), vol.2, pp. 1028-1032, 2004.
J. Shao, D. Nolan and T. Hopkins, "A novel direct back EMF detection for sensorless brushless DC (BLDC) motor drives," IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), vol.1, pp.300-305, 2002. DOI: 10.1109/APEC.2002.989224
H. Ohta, T. Sato, I. Masugane and K. Matsuse, "Rotor pole discrimination and simple starting method of new single-phase PM motor without position sensor," IPEMC 2000. Third International Power Electronics and Motion Control Conference, 2000. DOI: 10.1109/IPEMC.2000.884563
Y. Lai, F. Shyu and S. Tseng, "New initial position detection technique for three-phase brushless DC motor without position and current sensors," IEEE Trans. on Ind. Appl., vol.39, pp. 485-491, 2003. DOI: 10.1109/TIA.2003.809450

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