상호 인덕턴스 추정을 통한 계자 권선형 동기 전동기의 계자 전류 리플 저감에 대한 연구 = A Study on the FIeld Current Ripple Reduction of Wound Field Synchronous Motor by Estimating Mutual Inductance

국문 초록 (Abstract)

현재 전기 동력 자동차에 사용되는 구동용 전동기의 대부분은 영구자석형 동기 전동기이다. 하지만 최근 세계 희토류 시장의 90%이상을 차지하고 있는 중국의 자원 무기화 전략으로 인한 가격 상승과 수급 문제와 희토류 생산 과정에서의 환경 오염으로 인해 비영구자석형 전동기에 대한 관심이 높아지고 있다. 비영구자석형 전동기에는 유도 전동기와 계자 권선형 동기 전동기가 대표적이다. 그 중에서도 계자 권선형 동기 전동기는 높은 전력 밀도와 좋은 고속 운전 특성을 갖고 있기 때문에 전기 동력 자동차의 구동용 전동기로 채택되고 있다. 고속 운전시에 전압 여유 확보를 위해 음의 방향으로 d축 전류를 인가시키는 약자속 제어 외에도 계자 권선형 동기 전동기는 계자 자속을 계자 전류를 통해 제어할 수 있어 고속 운전에 유리하다.
하지만 계자 권선형 동기 전동기는 고정자 d축과 계자 측이 모두 자속 발생 축으로 서로 커플링 되어있어 d축 쇄교 자속의 변화가 계자 전류에 리플을 야기할 수 있다는 단점이 존재한다. 이를 극복하기 위해 전향 보상 방식의 계자 전류 리플 저감 기법이 연구되어왔다. 해당 기법을 적용하기 위해 상호 인덕턴스 검출이 필수적인데, 현재는 전압 방정식을 이용한 계산 방식이 적용되고 있다. 하지만 이러한 방식은 자속 포화, 온도 변화와 같은 구동 조건 및 실험 환경 변화 등을 고려하지 못한다는 한계가 존재한다.
본 논문에서는 슬라이딩 모드 관측기 기반의 인덕턴스 추정 방식을 제안한다. 슬라이딩 모드 제어는 시스템 상태 변수의 불확실성과 외란에 강인한 비선형 제어 방식이다. 영전류 제어 조건에서 상호 인덕턴스를 추정하는 기존의 방법과는 달리 제안하는 방법은 구동 조건과 파라미터 변동을 고려한 상호 인덕턴스 성분을 추정할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 방법에 대한 검증을 위해 Matlab/Simulink 기반 시뮬레이션을 통해 기존의 방식과의 성능을 비교 분석하였고, 실제 실험을 통해 실효성을 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Currently, most of the driving motors used in electric-powered vehicles are permanent magnet-type
synchronous motors. However, interest in non-permanent magnet-type motors has recently increased
due to rising prices, supply and demand problems, and environmental pollution in the process of rare
earth production due to China's resource weaponization strategy, which accounts for more than 90%
of the world's rare earth market. For non-permanent magnet type motors, induction motors and fieldwinding synchronous motors are typical. Among them, field-winding synchronous motors are adopted
as driving motors for electric-powered vehicles because of their high power density and good highspeed driving characteristics. In addition to weak speed control that applies a d-axis current in the
negative direction to secure voltage margin during high-speed operation, a field-winding synchronous
motor can control the field speed through a field current, which is advantageous for high-speed
operation.
However, the field-winding synchronous motor has the disadvantage that the change in the d-axis
chain bridge speed can cause ripple in the field current because both the stator d-axis and the field
side are coupled to each other as a magnetic flux generation axis. To overcome this, a field current
ripple reduction technique of a forward-looking compensation method has been studied. Mutual
inductance detection is essential to apply the technique, and currently, a calculation method using a
voltage equation is applied. However, this method has limitations in that it does not take into account
driving conditions such as magnetic flux saturation, temperature changes, and changes in the
experimental environment.
In this paper, we propose a sliding mode observer-based inductance estimation method. Sliding mode
control is a nonlinear control method that is resistant to uncertainty and disturbance in system state
variables. Unlike conventional methods of estimating mutual inductance under zero current control
conditions, the proposed method can estimate mutual inductance components taking into account
driving conditions and parameter fluctuations. To verify the method proposed in this paper, the
performance was compared and analyzed with the existing method through Matlab/Simulink-based
simulation, and the effectiveness was verified through actual experiments.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 논문의 구성 2
• 제2장 계자 권선형 동기 전동기(WFSM) 3
• 2.1 계자 권선형 동기 전동기의 특징 3
• 2.2 계자 권선형 동기 전동기의 모델링 6
• 2.3 계자 권선형 동기 전동기의 제어 특성 9
• 2.3.1 WFSM 제어 시 문제점 9
• 2.3.2 전향 보상을 통한 계자 전류 리플 저감 기법 11
• 2.3.3 기존의 WFSM 인덕턴스 추정 방법 13
• 제3장 슬라이딩 모드 제어 15
• 3.1 슬라이딩 모드 제어 15
• 3.1.1 슬라이딩 모드 제어 이론 15
• 3.1.2 Lyapunov Stability 분석 19
• 제4장 제안하는 상호 인덕턴스 추정 방법 23
• 4.1 슬라이딩 모드 관측기 기반 상호 인덕턴스 추정 방법 23
• 4.1.1 슬라이딩 모드 상호 인덕턴스 관측기 24
• 4.1.2 슬라이딩 모드 q축 인덕턴스 관측기 25
• 4.1.3 슬라이딩 모드 d축 인덕턴스 관측기 25
• 4.2 슬라이딩 모드 인덕턴스 관측기 안정도 판별 26
• 제5장 시뮬레이션 결과 31
• 5.1 Matlab/Simulink를 이용한 시뮬레이션 31
• 5.1.1 시뮬레이션을 통한 WFSM 전류 파형 측정 34
• 5.1.2 구동 조건에 따른 상호 인덕턴스 추정 값 비교 36
• 5.1.3 상호 인덕턴스 추정 방식에 따른 THD 비교 36
• 제6장 결론 45
• 참고문헌 46
• ABSTRACT 48