역기전력 추정기를 이용한 전류모델기반의 표면부착형 영구자석 동기전동기 센서리스 벡터제어 = Current model based sensorless vector control for SPMSM using a back electro motive force estimator

국문 초록 (Abstract)

모든 속도 영역에서 안정적으로 사용할 수 있는 센서리스 방법이 없으므로, 속도 영역에 따라 센서리스 방법이 달라지며 이를 위한 알고리즘이 추가되어야 한다. 또한 센서리스 제어를 위해서는 정확한 전동기 상수가 필요한데, 비록 전기적 상수들은 그 변동이 작지만, 기계적 상수들은 부하의 상태에 따라서 변하므로 그 변동이 크다.
따라서 전동기의 기계적 방정식을 이용한 센서리스 제어 방법은 상수 추정 알고리즘이 추가되어야 하므로 어렵다. 뿐만 아니라, 운전 상태에 따라 변동되는 상수들이 많으면 많을수록 센서리스 제어는 어려워진다.
전류 모델을 이용한 센서리스 제어 방법은 속도와 부하에 따라 가변시켜야 하는 역기전력 상수를 사용한다. 한편, 역기전력 추정기를 이용한 회전자의 위치 추정은 아크탄젠트 함수를 사용하기 때문에 DSP에서의 연산속도가 느려지고, 시정수를 갖는 필터를 사용하므로 실제 위치와 추정 위치 사이에 오차가 발생한다.
본 논문에서 제안한 센서리스 방법은 SPMSM의 저속과 고속 영역에서 절환이 필요 없고 부하에 강인하다. 이를 위하여 기존의 전류 모델 기반의 센서리스 제어방법에서 역기전력을 추정할 수 있는 제어 알고리즘을 추가하였다.
따라서 제안된 방법은 전류 변동에 대해 직접적으로 위치를 추정하므로 필터 시정수에 의한 오차가 없다. 뿐만 아니라, 역기전력 추정 상수가 필요 없기 때문에 사용이 편리하다. 본 논문은 역기전력 추정기를 이용한 전류모델 기반의 SPMSM 센서리스 벡터제어를 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안된 알고리즘의 효용성을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The reason that there are no sensorless method which can be used in whole speed region, the sensorless method should be changed according to the motor speed. Therefore, it should be implemented for algorithm adding to this method in specific speed region.
Besides, the correct parameters of motor are needed for sensorless control, however, these parameters are varied by the operating condition. The variation of electrical parameter is comparatively small. However, because the mechanical parameters are affected by the load condition, its variation is larger than electrical parameter.
Therefore, the sensorless method using the mechanical equation is difficult to determine the parameter, and the parameters estimation algorithm should be implemented. Moreover, if the parameter which is varied by the operating condition exists more and more in sensorless method, the algorithm is more difficult to control.
The sensorless method which uses the current model of PMSM needs parameters to be varied by the motor speed and load torque. On the other hands, the sensorless method which uses the back-EMF estimator needs the arctan function. Therefore, the DSP processing speed is decreased because of its calculation complexity. In addition, because the filter which has the time constant is used, the error is occurred between the real and the estimated rotor position.
The proposed sensorless method is robust for load torque and does not need the transition method from low speed to high speed. For these characteristics, back-EMF estimation algorithm is implemented on conventional current model based sensorless control method.
Therefore, because the proposed method estimates the rotor position by the current variation, the error by the filter time constant does not exist. Moreover, because the back-EMF coefficient does not have to be determined, the proposed sensorless method is more convenient to use. The simulation and experimental results provided in this dissertation are proved the performance and feasibility of the current model based sensorless vector control for SPMSM using a back-EMF estimator.

목차 (Table of Contents)

• 제1장. 서론 = 1
• 1.1. 영구자석 동기 전동기의 개요 = 1
• 1.2. 센서리스 제어의 필요성 = 2
• 1.3. 벡터제어의 필요성 = 4
• 1.4. 연구의 목적 = 5
• 1.5. 논문의 구성 = 5
• 제2장. 표면부착형 영구자석 동기전동기의 수학적 모델링과 공간벡터 변조 기법 = 6
• 2.1. 표면부착형 영구자석 동기전동기의 수학적 모델링 = 6
• 가. 표면부착형 영구자석 동기전동기 해석모델 = 6
• 나. 표면부착형 영구자석 동기전동기의 d-q변환 모델 = 10
• 2.2. 표면부착형 영구자석 동기전동기의 등가회로와 토오크 = 14
• 2.3. 공간벡터변조 기법과 벡터제어 = 17
• 가. 공간벡터변조 기법 = 17
• 나. 벡터제어 = 29
• 제3장. 기존의 센서리스 제어방법 = 32
• 3.1. 역기전력을 이용한 방법 = 32
• 3.2. 전류 모델 기반의 센서리스 제어 방법 = 34
• 3.3. MRAS를 이용한 방법 = 38
• 제4장. 역기전력 추정기를 이용한 전류모델 기반의 위치추정 = 42
• 4.1. 돌극성 역기전력 추정기 = 42
• 4.2. 역기전력 추정기의 전류 모델 적용 = 45
• 제5장. 시뮬레이션 및 실험 = 54
• 5.1. 시뮬레이션 = 54
• 가. 45[rpm]에서의 센서리스 제어 시뮬레이션 = 56
• 나. 300[rpm]에서의 센서리스 제어 시뮬레이션 = 63
• 5.2. 실험 = 70
• 가. 기동 특성 = 74
• 나. 중·고속 영역 구동 = 78
• 다. 저속 영역 구동 = 84
• 제6장. 결론 = 89
• 참고문헌 = 91
• ABSTRACT = 94