PWM Shifting 기반 One-Shunt 전류 검출의 전류 왜곡 보상에 관한 연구 = A Study on Current Distortion Compensation for One-Shunt Current Measurement Under PWM Shifting

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 One-Shunt 기반 전류 측정 시스템에서 발생하는 전류 불검출 문제를 해결하기 위해 PWM Shifting 을 하는 과정에서 추가로 발생하는 전류 왜곡 문제를 해결하기 위한 전류 복원 기법을 제안한다. One-Shunt 방식은 단일 션트 저항만으로 3 상 전류를 간접 측정할 수 있어 구조가 간단하고 비용 절감에 유리하지만, 특정 스위칭 상태에서는 션트를 통해 전류가 흐르지 않아 측정 공백이 발생하며, 이는 전류 왜곡·THD 증가 및 제어 성능 저하로 이어지는 한계를 가진다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 PWM duty 에 따라 rising edge 를 이동시켜 유효 샘플링 시간을 확보하는 PWM Shifting 기법을 적용하였다. 불검출 구간을 줄여 전류의 연속성을 확보할 수 있으나, Shifting 과정에서 전압 벡터 인가 시점이 변하기 때문에 전류의 위상 및 평균값이 실제 전류와 어긋나는 왜곡이 발생한다. 이에 본 연구는 스위칭 상태별 전류 기울기와 유효 시간 정보를 활용한 전류 복원 보상 게인을 도입하여 이러한 왜곡을 보정하였다. 인덕턴스나 역기전력 등 파라미터를 직접 사용하지 않고 실험적으로 도출한 게인을 적용함으로써, 연산 부담을 줄이면서도 실시간 제어 환경에서 충분한 정확도를 확보하였다. 제안한 방법은 센서가 존재하지 않는 구동 환경에서 Sensorless 제어를 적용하고, 이를 기반으로 실험 및 시뮬레이션을 수행하여 검증하였다. 시뮬레이션 및 실부하 실험 결과, 제안된 보상 기법은 PWM Shifting 이후 발생하던 전류 파형의 고주파 리플과 위상 오차를 효과적으로 줄였으며, THD 가 개선되어 전류가 보다 정현파 형태에 근접하는 것을 확인하였다. 또한 Sensorless 기반 속도 추정의 리플이 감소하고, SMO 추정 위치와 실제 위치 사이의 오차가 줄어드는 등 추정 성능 역시 향상되었다. 종합적으로, 본 연구는 One-Shunt 방식의 구조적 한계를 해결하면서도 비용 증가 없이 전류 품질과 제어 정확도를 향상시키는 효과적인 실시간 제어 기법을 제시하였다. 이는 차량용 냉각수 펌프, 전동식 보조장치 등 저비용·고효율이 요구되는 다양한 산업용 모터 시스템에 적용 가능성이 높다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, we propose a compensation method that corrects the phase-current distortion caused by PWM Shifting in a One-Shunt–based sensorless PMSM drive. One-Shunt current measurement is an attractive solution for compact and cost-oriented motor drive systems, as it enables phase-current acquisition using only a single shunt resistor placed in the DC-link. However, current can be measured only when specific voltage vectors are applied; thus, depending on the PWM pattern, non-measurable intervals inevitably occur. To secure measurable sampling windows, PWM Shifting is commonly applied by moving the switching edge without changing the duty ratio. Although this eliminates the blind region, shifting alters the sequence and duration of applied voltage vectors, causing changes in the actual current trajectory. As a result, the reconstructed current deviates from the ideal center-aligned value, degrading sensorless control stability and increasing harmonic distortion.
To address this issue, a simple yet effective current compensation algorithm is introduced. Instead of relying on inductance, back-EMF, or other motor parameters that vary with temperature and operating conditions, the proposed method employs an experimentally tuned gain to reconstruct the average phase current. This reduces computational burden, avoids parametersensitive modeling, and ensures stable real-time implementation. The method utilizes the vectordependent current slope and the shifting time information to correct the distorted current, allowing accurate reconstruction even when PWM edges are significantly displaced.
The proposed approach is validated through both simulation and an automotive coolant-pump test bench designed to emulate real operating conditions. Experimental results demonstrate that the compensated current waveform closely follows the expected sinusoidal profile, and total harmonic distortion (THD) is substantially reduced. Furthermore, torque ripple and speed fluctuation under sensorless control are mitigated, confirming that the proposed method enhances current reconstruction fidelity and improves dynamic performance under various load conditions.
Overall, this work shows that One-Shunt–based drives can achieve high-quality current feedback without additional sensors or complex observers. The proposed compensation technique effectively overcomes the intrinsic distortion caused by PWM Shifting and provides a practical and scalable solution for small, low-cost, and automotive-grade PMSM applications such as electric water pumps, oil pumps, and auxiliary mechatronic actuators. The results indicate that the method can serve as a foundation for future extensions toward higher-speed operation, multi-motor integration, and advanced sensorless algorithms.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 논문의 구성 3
• 제 2장 One-Shunt 저항을 이용한 전류 복원 및 검출 4
• 2.1 전류 측정 방식 4
• 2.2 One-Shunt 기법 개요 및 전류 검출 기법 6
• 2.3 전류 검출 불가 영역 11
• 제 3장 전류 검출 불가 영역에서의 전류 검출 방법 15
• 3.1 전류 검출 불가 영역에서의 전류 복원 기법 15
• 3.2 제안하는 전류 보상 기법 20
• 제 4장 알고리즘 실험 25
• 4.1 MATLAB/Simulink 기반 시뮬레이션 25
• 4.2 실험 구성 및 실험 결과 36
• 5장 결론 43
• 참조논문 44
• ABSTRACT 46