DC-link 전압 변동을 고려한 영구자석 동기전동기 토크 제어 성능 향상에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

최근에 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor : PMSM) 구동 시스템은 효율성과 견인력 향상을 위해 자주 차량에 채택되었다. 일반적으로 전기자동차에 사용되는 견인 전동기의 경우, Look-up 테이블(LUT) 기반의 전류지령 제어를 통한 PMSM 구동 방법이 널리 사용된다.
LUT는 속도-토크 또는 자속-토크 LUT가 주로 사용되며 테이블의 데이타는 전동기 파라미터를 고려하기 위해 실험을 통해 얻는다. 속도-토크 2차원 Look-up 테이블(2D-LUT) 기반의 제어 방법은 단순한 제어 알고리즘과 비교적 쉽게 LUT를 만들 수 있다는 장점을 가진다. 그러나 이러한 방법은 DC-link 전압 변동에 대한 고려가 불가능한데, DC-link 전압의 크기에 따라 전동기의 제어 가능 영역을 제한하며 안정적인 제어를 위해 최소 DC-link 전압으로 2D-LUT를 작성할 경우 실제 DC-link 전압에 대한 출력을 반영하지 못한다. 이런 이유로 속도-토크 2D-LUT제어 방법은 제어할 수 있는 출력이이 최소한의 DC-link 전압이 발생할 수 있는 출력으로 감소한다. 이러한 문제를 극복하기 위해서, 자속-토크 2D-LUT 기반의 제어 방법이 전기차량 응용분야의 PMSM 드라이브에 널리 사용된다. 비록 이 방법은 자속 추정기와 더 복잡한 LUT 작성 방법을 필요로 하지만 DC-link 전압 변동을 자동적으로 반영하기 때문에 제어 가능한 출력을 확장시킬 수 있다.
자속-토크 2D-LUT 기반의 제어 방법은 토크 제어시 DC-link 전압 변동을 고려하지 않아도 되는 장점을 가지고 있지만, 속도 정보가 직접적으로 토크발생에 영향을 주지 못하는 문제점이 있다. 기본적으로, 자속 데이터는 속도와 전압을 나눈 값이기 때문에, 이 두 데이터가 복합적으로 자속에 영향을 미친다. 전기적으로 토크 발생은 모터의 속도에 의해 영향을 받지 않으며 전류에 의한 영향을 받는다. 그렇기 때문에 자속-토크 2D-LUT 기반의 제어 방법은 전기적 토크에 의한 영향만 고려하며 기계적 토크 전달은 고려를 하지 못한다. 한 례로, 하나의 자속 데이터는 가변되는 DC-link 전압상태에서 여러 속도 데이터를 반영하기 때문에 가변 DC-link 전압이 토크 출력에 영향을 주는 문제점이 발생한다.
그러나 기계적 관점에서 부하에 전달되는 토크는 속도에 따라 가변하며 DC-link 전압의 영향을 받지 않는다. 전동기와 부하 사이에는 부하에 토크를 전달하는 축이 존재하는데, 이 축에서 속도에 비례하는 기계적 에너지를 소실하게 된다. 전동기 속도는 토크 제어에 직접적으로 영향을 주지 않으므로 이러한 마찰 토크는 자속-토크 2D-LUT 기반의 제어 방법으로 보상이 불가능하다.
본 논문은 DC-link 전압 변동과 마찰토크를 고려한 PMSM의 토크 제어방법에 대해 제안한다. 간단한 LUT 구성과 마찰 토크를 보상하기 위해 제안된 기법은 속도-토크 테이블 기반의 토크 제어 기법을 사용한다. 앞에서 설명하였듯, 이러한 방법은 DC-link 전압 변동 조건을 반영하지 못하는 문제가 있다. 따라서 본 논문은 두 가지 범주에서 제안된 알고리즘을 설명한다. 먼저, 속도-토크 2D-LUT를 이용하면서도 DC-link 전압 변동을 고려할 수 있는 방법에 대해 설명한다. 두 번째로, DC-link 전압 변동을 고려한 마찰토크 보상 기법에 대해 설명한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구배경 1
• 1. 배터리 전압가변 2
• 2. 기존의 전기자동차 구동용 인버터 제어방법 8
• 제 2 절 연구내용 및 구성 10
• 제 2 장 영구자석형 동기전동기 모델링 및 벡터제어 13
• 제 1 절 영구자석 동기전동기 모델링 13
• 1. 영구자석형 동기전동기 구조 13
• 2. 매입형 영구자석 동기전동기 모델링 14
• 3. 전동기의 기계 모델 및 마찰 토크 정의 26
• 제 2 절 전기자동차용 영구자석 동기전동기 벡터제어 30
• 1. 벡터제어 블록도 30
• 2. 제어기 외란의 영향 33
• 제 3 장 영구자석 동기전동기 토크의 dq축 전류변환 42
• 제 1 절 영구자석 동기전동기의 제정수에 따른 출력 영역 42
• 1. 정토크 영역 52
• 2. 약계자 1 영역 55
• 3. 약계자 2 영역 59
• 제 2 절 파라미터 가변을 고려한 구동 영역별 dq축 전류 획득 방법 66
• 1. 정토크 영역 69
• 2. 약계자 영역 71
• 3. MTPF 영역 및 제어 경계 75
• 제 4 장 DC-link 전압 변동을 고려한 제어 기법 79
• 제 1 절 DC-link 전압변동을 고려한 약계자 제어 기법 80
• 1. DC-link 전압변동에 따른 약계자 제어 문제 80
• 2. 기존의 제어 기법 87
• 3. 제안된 속도 정규화 블록도 90
• 제 2 절 DC-link 전압 변동에 의한 마찰토크 오차 보상 방법 116
• 1. DC-link 전압변동에 따른 마찰토크 오차 문제 116
• 2. 기존의 마찰토크 보상방법 121
• 3. 제안된 마찰토크 오차 보상 방법 124
• 제 5 장 시뮬레이션 131
• 제 1 절 벡터제어 시뮬레이션 132
• 제 2 절 Look-up 테이블 전류맵 작성 시뮬레이션 136
• 제 3 절 DC-link 전압 변동 시뮬레이션 144
• 제 4 절 마찰 토크 보상 148
• 제 6 장 실험 세트 구성 및 실험 152
• 제 1 절 실험세트 구성 152
• 제 2 절 실험 결과 154
• 1. 기본 토크 제어 실험 155
• 2. DC-link 전압 변동 제어 실험 161
• 3. 마찰토크 오차 보상 실험 169
• 4. 자속-토크 2D-LUT 제어 기법과 제안된 제어기법과의 과도 상태 비교 173
• 5. 실험 결과 고찰 179
• 제 7 장 결론 181
• 참 고 문 헌 184
• ABSTRACT 193