PMSM 자속기반 센서리스의 추정자속 DC offset 제거 기법 = Eliminating Method of Estimated Magnetic Flux DC offset in Flux based Sensorless Control of PMSM

국문 초록 (Abstract)

영구자석 동기전동기의 순시토크 제어(Field Oriented Control)는 회전자 위치 정보를 통해 이루어진다. 회전자 위치 정보를 얻기 위해 레졸버, 절대형 엔코더 및 홀센서를 이용할 수 있다. 하지만 재료비 절감 및 취부 공간을 축소하기 위해 수년간 센서리스 제어가 연구되어 왔다. 센서리스 제어 방법 중에서 쇄교자속 기반 센서리스 제어는 저속에서 위치 추정 특성이 우수해 낮은 운전 영역을 가지는 응용에 많이 쓰인다. 자속 추정은 계측된 3상전류와 전압지령을 통해 이루어진다. 하지만 계측된 전류가 ADC를 통해 변환되는 과정에서 DC offset이 발생한다. 이는 자속 추정기 내부에 존재하는 적분기로 인해 Drift가 되며, 자속 추정 성능을 저하시킨다.

이를 해결하기 위해 초기기동을 고려한 낮은 차단주파수를 갖는 HPF(High Pass Filter)를 적용한 방법이 연구되었다. 하지만 낮은 차단주파수를 갖는 HPF는 시정수가 크기 때문에 고속에서 추정 성능이 저하되는 문제점을 가지고 있다. 반면 차단주파수를 높이게 되면, 저속에서 추정된 자속의 위상이 앞서게 되어 기동이 실패하는 경우가 발생한다.

본 논문에서는 HPF의 차단주파수를 운전주파수와 일정 비율로 동기화 하여 상승시킴으로써 HPF의 시정수를 줄이는 자속 기반 센서리스 제어 알고리듬은 제안한다. 그리고 제안하는 위상 보상 알고리듬은 HPF의 사용으로 인해 발생하는 위상 앞섬을 감소시킨다.

제안하는 방법의 성능은 Matlab/Simulink를 이용한 모의해석과 실험을 통해 검증되었다. 실험을 위해 드럼세탁기용 48 Pole 표면부착형 영구자석 동기전동기가 사용되었다. 실험 결과 제안된 방법은 기존의 방법과 비교하여 고속에서 쇄교자속과 회전자 위치 추정 성능이 향상되었고 위상 보상 알고리듬을 통해 위상 앞섬이 7.5°에서 1.5° 미만으로 감소된 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The field-oriented control of the permanent magnet synchronous motor is achieved through rotor position information. Sensors including resolver, absolute encoders, and hall sensors can be used to obtain rotor position information. However, sensorless control without rotor position sensors has been studied for many years to reduce the material cost and installation space. Among the sensorless control methods, the flux linkage based sensorless control is widely used in applications with low speed operating range because of excellent position estimation characteristics at low speeds. The magnetic flux estimation is carried out through the measured three-phase current and voltage command. However, the DC offset occurs during the conversion of the measured current through the ADC. This leads to drift due to the internal integrator in the magnet flux estimator, which degrades the performance of estimating magnet flux.
In order to solve this problem, a method using a high pass filter (HPF) with a low cutoff frequency considering the initial starting performance has been studied. However, the HPF with low cutoff frequency has a problem that the estimation performance is degraded at high speed because of the large time constant. On the other hand, if the cut-off frequency is increased, the start-up may fail due to the phase lead of the estimated magnet flux at low speed.

This paper proposes a flux based sensorless method to reduce the time constant of the filter by synchronizing the cutoff frequency of the HPF to the operating frequency of the rotor at a certain rate. The proposed phase compensation algorithm also reduces the phase lead of the estimated magnet flux caused by the HPF.

The performance of the proposed method is verified by experiments and simulation with Matlab/Simulink. The 48 pole, surface mount PM synchronous motor for the drum washer was used for the experiment. Experimental results show that the proposed method improves the estimating performance for magnet flux and rotor position at high speeds compared with the conventional method and that the phase lead is reduced from 7.5 ° to less than 1.5 ° through the phase compensation algorithm.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 논문의 구성 3
• Ⅱ. 영구자석 동기전동기 모델링 4
• 2.1 영구자석 동기전동기의 abc축 모델 4
• 2.2 좌표변환 10
• 2.3 dq축 고정자 전압 방정식 12
• 2.4 벡터제어 15
• Ⅲ. 자속기반 센서리스 제어 16
• 3.1 자속기반 센서리스 제어 원리 16
• 3.2 기존 자속기반 센서리스 제어 19
• 3.2.1 PLL(Phase locked Loop) 19
• 3.2.2 초기기동 알고리듬 20
• 3.2.3 HPF 차단주파수 선정 방법 22
• 3.2.4 기존 자속 기반 센서리스 제어 문제점 24
• 3.3 제안하는 자속 기반 센서리스 제어 27
• 3.3.1 가변 차단주파수를 갖는 HPF 28
• 3.3.2 위상보상 알고리듬 30
• Ⅳ. 모의해석 33
• 4.1 추정된 자속 DC offset 제거 34
• 4.2 제안하는 위상 보상 알고리듬 35
• 4.3 추정 자속 및 위상 오차 37
• Ⅴ. 실험결과 및 검토 44
• 5.1 실험 44
• 5.2 홀센서 오차 45
• 5.2.1 홀센서 취부 오차 45
• 5.2.2 홀센서 연산 오차 47
• 5.3 자속 추정 성능 비교 48
• 5.4 위상 보상 알고리듬 54
• 5.5 위상 오차 55
• 5.6 제안하는 방법의 제어 특성 59
• Ⅵ. 결론 65
• 참고문헌 66
• Abstract 69
• 감사의 글 71