[논문]V/f 스칼라 제어 영구자석 동기 전동기의 안정적 초기 구동 기법

김현성; 이상민; 이기복

doi:10.6113/tkpe.2020.25.5.395

V/f 스칼라 제어 영구자석 동기 전동기의 안정적 초기 구동 기법
A Stable Startup Method of V/f Scalar Controlled Permanent Magnet Synchronous Motors 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.25 no.5, 2020년, pp.395 - 403

김현성 (Dept. of Mechatronics Engineering, Incheon Nat'l University) , 이상민 (Dept. of Mechatronics Engineering, Incheon Nat'l University) , 이기복 (Dept. of Mechatronics Engineering, Incheon Nat'l University)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a stable start-up strategy for v/f scalar-controlled permanent magnet synchronous motors (PMSMs). The v/f-controlled PMSMs easily lose synchronism under low-speed conditions if an insufficient stator voltage is applied to the machine due to errors in measured motor parameters and inverter nonlinearity, such as inverter dead time and on-state voltage drop. The proposed method adopts the I/f control method to ensure a stable start at low speeds and then switches to the v/f control method at medium speeds. A smooth transition method from I/f control to v/f control is proposed to minimize the oscillation of the stator current and rotor speed during transition. Moreover, the stability of the I/f and v/f control methods is analyzed using a small-signal model. Simulation and experimental results are provided to verify the performance of the proposed control strategy.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Steady-state vector diagram of the V/f controlled PMSM.
그림 Fig. 2. (a) Eigenvalue plot of the open-loop V/f controlled SPMSM under no load, (b) Rotor poles of the open-loop V/f controlled SPMSM under different load conditions.
표 TABLE I TEST SPMSM PARAMETERS
그림 Fig. 4. Loss of synchronism (LOS) of SPMSM in under-voltage condition (V/f ratio=0.49 [pu]).
그림 Fig. 5. Steady-state vector diagram of the I/f controlled PMSM.
그림 Fig. 3. Rotor poles of the closed-loop V/f controlled SPMSM under different load conditions.
그림 Fig. 6. Torque characteristic curves of the open-loop I/f controlled SPMSM under different current commands.
그림 Fig. 7. Rotor poles of the I/f controlled SPMSM under different load conditions.
그림 Fig. 8. Vector diagram to align voltage phase for transition from I/f to V/f control.
그림 Fig. 9. Transition from I/f to V/f control by step in steady-state under no load. (a) Rotor speed, (b) The magnitude of the stator voltage command and the stator current, (c) d-q axis currents.
그림 Fig. 10. Block diagram of the voltage magnitude compensation during the transition from I/f to V/f control.
그림 Fig. 11. Transition from I/f to V/f control by voltage compensation in steady-state under no load. (a) Rotor speed, (b) The magnitude of the stator voltage command and the stator current, (c) d-q axis currents.
그림 Fig. 12. Complete control scheme of transition from I/f to V/f control for PMSM.
그림 Fig. 13. Transition from I/f to V/f control with the voltage compensation under the constant speed and the no load. Rotor speed (green line), d-axis current (orange line), q-axis current (purple line), and stator voltage (cyan line).
그림 Fig. 14. Transition from I/f to V/f control with the voltage compensation under the constant speed and the full load. Rotor speed (green line), d-axis current (orange line), q-axis current (purple line), and stator voltage (cyan line).
그림 Fig. 15. Transition from I/f to V/f control with the voltage compensation in transient-state under the no load. Rotor speed (green line), d-axis current (orange line), q-axis current (purple line), and stator voltage (cyan line).
그림 Fig. 16. Transition from I/f to V/f control with the voltage compensation in transient-state under the full load. Rotor speed (green line), d-axis current (orange line), q-axis current (purple line), and stator voltage (cyan line).

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 PMSM의 V/f 제어 시 초기 구동 중에 전압 부족으로 인해 발생할 수 있는 탈조를 방지하기 위한 방안으로 I/f 제어를 사용한다. 그림 5는 PMSM의 I/f 제어 시 정상상태 벡터도이며, 전압을 γ축에 지령하던 V/f 제어와 달리 전류를 γ축에 지령한다.
본 논문에서는 소신호 분석(Small signal analysis)을 이용하여 V/f 제어와 I/f 제어의 안정도를 분석한다. 이를 통해 고정자 전류의 변동 성분을 이용한 V/f 제어의 안정화 루프 이득(Gain) 설계와 I/f 제어의 P, I 이득 설계 방법을 제안한다.
본 논문에서는 스칼라 제어를 이용한 PMSM의 안정적인 초기 구동을 위해 I/f 제어를 이용하여 구동 후 V/f 제어로의 전환 기법을 제안하였다. 소신호 분석을 통해 I/f 제어가 전 속도 영역에서 안정하다는 것을 증명하였으며, V/f 제어로의 전환 시 추가적인 전압 보상을 통해 부드러운 전환을 가능하게 하였다.
로 부드럽게 감소시킬 필요가 있다. 본 논문에서는 전환 시점에서 전압 보상 성분 V_comp를 이용한 부드러운 전환 방법을 제안한다.

제안 방법

본 논문에서는 전압 변동에 따른 모터의 불안정성을 방지하기 위해 전압 보상 시간 t_c를 모터의 전기 시정수(L_s/R_s=0.04s)의 5배인 0.2초로 설정한다.
따라서 지령 전류의 크기는 부하 토크와 초기 구동 시 속도의 기울기를 고려하여 적절하게 선정해야 한다^[13],[14]. 본 논문에서는 정격 전류를 지령하고, 영속에서부터 정격 속도까지의 초기 구동 시간은 2초로 선정한다.
일반적으로 V/f 또는 I/f 스칼라 제어는 회전자의 위치 정보를 필요로 하지 않기 때문에 d-q축 전류를 확인할 수 없다. 이 실험에서는 제안된 방법의 성능을 검증하기 위한 목적으로 속도 센서를 이용하여 회전자의 위치를 알아내고 d-q축 전류를 계산하여 나타내었다.
본 논문에서는 소신호 분석(Small signal analysis)을 이용하여 V/f 제어와 I/f 제어의 안정도를 분석한다. 이를 통해 고정자 전류의 변동 성분을 이용한 V/f 제어의 안정화 루프 이득(Gain) 설계와 I/f 제어의 P, I 이득 설계 방법을 제안한다. 또한, I/f 제어에서 V/f 제어로의 전환 시 발생할 수 있는 전류 및 토크 리플(Ripple)을 최소화하기 위한 전환 방법을 제안하며, 3kW급 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)를 이용해 실험하여 제안한 방법의 타당성을 증명한다.

대상 데이터

제안된 전환 방법의 타당성을 증명하기 위해 표 1의 제정수를 가진 3kW급 SPMSM을 이용한 실험을 진행하였다. 일반적으로 V/f 또는 I/f 스칼라 제어는 회전자의 위치 정보를 필요로 하지 않기 때문에 d-q축 전류를 확인할 수 없다.

이론/모형

I/f 제어 시 γ-δ축 PI 제어기의 이득은 극점-영점 제거 기법(Pole-zero cancellation method)을 통해 선정하였으며, 제어기의 대역폭 ωcc는 스위칭 주파수의 1/10로 선정하였다.
본 논문에서는 입력 전력이 아닌 고정자 전류를 이용해 속도 보상 성분을 인가하는 방법^[2]을 이용한다.

성능/효과

소신호 분석을 통해 I/f 제어가 전 속도 영역에서 안정하다는 것을 증명하였으며, V/f 제어로의 전환 시 추가적인 전압 보상을 통해 부드러운 전환을 가능하게 하였다. 3kW급 SPMSM을 이용하여 실험을 시행하였으며, 제안한 전환 기법의 타당성을 증명하였다.
이를 통해 고정자 전류의 변동 성분을 이용한 V/f 제어의 안정화 루프 이득(Gain) 설계와 I/f 제어의 P, I 이득 설계 방법을 제안한다. 또한, I/f 제어에서 V/f 제어로의 전환 시 발생할 수 있는 전류 및 토크 리플(Ripple)을 최소화하기 위한 전환 방법을 제안하며, 3kW급 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)를 이용해 실험하여 제안한 방법의 타당성을 증명한다.
본 논문에서는 스칼라 제어를 이용한 PMSM의 안정적인 초기 구동을 위해 I/f 제어를 이용하여 구동 후 V/f 제어로의 전환 기법을 제안하였다. 소신호 분석을 통해 I/f 제어가 전 속도 영역에서 안정하다는 것을 증명하였으며, V/f 제어로의 전환 시 추가적인 전압 보상을 통해 부드러운 전환을 가능하게 하였다. 3kW급 SPMSM을 이용하여 실험을 시행하였으며, 제안한 전환 기법의 타당성을 증명하였다.
부하가 증가함에 따라 q축 전류(#)가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이후 1000rpm까지 I/f 제어를 이용한 초기 구동 후 정상 상태에서 V/f 제어로 전환시키며, 큰 전류 리플 없이 V/f 제어로 전환되는 것을 확인할 수 있다.

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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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