개방고장조건에서 다상 BLDC 모터의 다차 고조파를 고려한 토크 리플 저감 방법 = Torque Ripple Reduction Method Considering Multi-Harmonics of Multi-Phase BLDC Motor under Open-Circuit Fault

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 독립 12상 BLDC 모터의 단상 개방 고장 조건에서 토크의 4차 고조파를 소거하면서 2차 고조파를 부분적으로 보상하는 제어 방법을 제안한다.
전 세계적인 탄소 감축 요구에 부응하기 위한 전기 추진 시스템으로 전환은 불가피한 현실로 대용량 선박, 군용 잠수함 역시 마찬가지다. 군용 잠수함은 적의 탐지 체계에 포착되지 않는 은폐성이 중요한데, 추진 시스템에서 고장이 발생하면 함정의 작전 역량과 생존 가능성이 저해되기 때문에 고장 조건에서도 소음을 유발하는 토크 리플을 억제하는 고장 허용 제어가 필요하다. 기존 고장 허용 제어는 토크 리플을 유발하는 토크 고조파 중 가장 크기가 큰 2차 고조파를 줄이는 데 집중했다. 그러나 4차 고조파와 같은 다른 차수의 고조파 대역에서 기계적인 구조로 인해 소음이 증폭되는 경우를 고려하지 않았다는 맹점이 있다. 따라서 본 논문에서는 전류 제어가 토크 고조파에 미치는 영향을 분석, 이를 기반으로 토크 4차 고조파를 소거하면서 토크 2차 고조파를 부분적으로 보상하는 제어 방법을 제안한다. HIL 실험 결과 제안하는 방법을 통해 토크 4차 고조파를 95% 줄이는 동시에 토크 2차 고조파를 48% 줄인 것을 확인했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper proposes a new fault-tolerant control method for an independent 12-phase BLDC motor drive under single phase open circuit fault conditions to minimize the 4th order harmonic component of torque ripple and partially reward 2nd order harmonic torque.
In order to meet the global demand for carbon reduction, transition to high capacity electric propulsion system is inevitable, and military submarines are no exception. Due to nature of its purpose military submarine prioritize low profile operation to ensure tactical capability and survival. But failures in motor drive system can compromise stealth capability, thus torque ripple minimizing fault-tolerant control method is required. Conventional control method focuses on reducing 2nd order harmonic component. While this method is effective in reducing overall ripple, but does not consider unconsidered harmonic component, such as 4th order harmonic, causing resonance. This paper proposes an optimal 4th order harmonic torque reduction method based on analysis of how current control affects harmonic components of output torque. HIL experiment results show that proposed method has reduced 4th order harmonic component by 95% while conventional method only shows 17% reduction.

목차 (Table of Contents)

• List of figures iii
• List of Tables vi
• Nomenclature vii
• Abstract x
• 1. Introduction 1
• 2. Independent 12-Phase BLDC Motor Drive 4
• 2.1 Characteristics of Multi-Phase BLDC Motor 4
• 2.2 Mathematical Model of 12-Phase BLDC Motor Drive 6
• 2.3 Existing Research on Multi-Phase Motor FTC 12
• 3.Proposed Control Method 20
• 3.1 Calculation of Control Angle and Magnitude for 4th Harmonic Torque Reduction 22
• 3.2 Affects of 4th Order Harmonic Reduction Current Control on 2nd Order Harmonics 30
• 3.3 4th Order Harmonic Reduction FTC Regarding 2nd Order Harmonic 33
• 4. Verification and Comparison of Control Methods 38
• 4.1 HIL Configuration and Specification 38
• 4.2 HIL Verification Results 42
• 5. Conclusion 48
• Appendix
• A. HIL Model Configuration of 12-phase BLDC Drive System Component and Overall Control Block Diagram 49
• B. Results of Alternative Control Methods Applied on BCKL phases 53
• C. Mathematical Representation of 2nd and 4th Order Harmonic Torque 58
• References 60
• 요약(국문초록) 67