6상 영구자석 동기전동기의 고조파 전압주입 기반 센서리스 제어의 토크맥동 저감 = Torque ripple reduction in sensorless control of six-phase PMSM based on harmonic voltage injection

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 6상 영구자석 동기전동기(PMSM)의 저속 및 정지 영역에서 적용 가능한 고조파 전압 주입 기반 센서리스 위치추정 기법을 제안한다. 기존 고조파 전압 주입 방식은 회전자 위치 추정은 가능하나, 주입 전압에 의해 발생하는 고조파 전류가 토크 생성에 관여함으로써 토크 맥동을 유발하거나, 전류 검출 지연에 민감하여 위치 추정 오차가 증가하는 한계를 가진다.

이를 해결하기 위해 본 논문에서는 6상 PMSM의 벡터공간분해(Vector Space Decomposition, VSD) 특성을 이용하여, 고조파 전류가 기본파 공간이 아닌 고조파 공간에만 유도되도록 하는 새로운 전압 주입 방식을 제안한다. 제안하는 방법에서는 고조파 공간 정지좌표계 전류가 회전자 위치에 따라 cosine 및 sine 성분으로 분리되어 나타나므로, 기존 3상 PMSM에서 널리 사용되는 복조 및 PLL 기반 위치추정 알고리즘을 그대로 적용할 수 있다. 이로 인해 추가적인 대역통과필터 없이도 안정적인 위치 추정이 가능하며, 전류 검출 지연에 대한 민감도 또한 크게 감소한다.
모의해석 결과, 제안하는 방법은 고조파 전류가 고조파 공간에만 유도되어 주입 전압에 의한 토크 맥동이 효과적으로 억제됨을 확인하였다. 토크 FFT 분석 결과, 주입 주파수 성분은 DC 대비 약 0.01% 수준으로 감소하였으며, 회전자 위치 추정 오차는 약 0.4°로 매우 우수한 정확도를 보였다. 또한 고조파 전류는 cosine 및 sine 형태로 명확히 분리되어 복조가 용이함을 확인하였다.

실험 결과 또한 모의해석과 잘 일치하였다. 제안하는 방법은 실제 6상 PMSM 구동 시스템에서 안정적으로 동작하였으며, 회전자 위치 추정 오차는 약 0.4° 수준으로 유지되었다. 반면, 기존 방법은 주입 전압에 의한 토크 맥동이 발생하였고, 직교적 방법은 전류 검출 지연으로 인해 최대 약 18°의 위치 추정 오차가 발생하였다. 실험을 통해 제안하는 방법이 토크 맥동 억제와 위치 추정 정확도 측면에서 우수함을 검증하였다.

따라서 본 논문에서 제안한 고조파 전압 주입 기반 센서리스 제어 기법은 6상 PMSM에서 토크 맥동을 효과적으로 제거하면서도 높은 위치 추정 성능을 동시에 달성할 수 있는 실용적인 방법으로, 향후 전기차, 항공 모빌리티 및 고신뢰성 산업용 구동 시스템에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation proposes a high-frequency voltage injection–based sensorless position estimation method for six-phase permanent magnet synchronous motors (PMSMs), applicable to low-speed and standstill operating regions. Conventional voltage injection–based methods can estimate rotor position; however, the injected high-frequency current often contributes to torque production, resulting in undesirable torque ripple. In addition, some existing approaches are highly sensitive to current measurement delay, which leads to significant position estimation errors in practical implementations.
To overcome these limitations, this study proposes a novel voltage injection scheme that exploits the vector space decomposition (VSD) characteristics of six-phase PMSMs. By appropriately designing the injected voltages, the resulting high-frequency currents are confined exclusively to the harmonic subspace rather than the fundamental subspace. Consequently, torque-producing current components are not affected, and torque ripple caused by voltage injection is inherently eliminated.
In the proposed method, the stationary-frame currents in the harmonic subspace are separated into cosine- and sine-related components with respect to the rotor position. This property enables the direct application of conventional demodulation and phase-locked loop (PLL)–based position estimation algorithms widely used in three-phase PMSMs. As a result, accurate rotor position estimation can be achieved without the use of band-pass filters, and the method exhibits strong robustness against current sensing delay.
Simulation results demonstrate that the injected high-frequency currents appear only in the harmonic subspace, effectively suppressing torque ripple caused by voltage injection. Torque FFT analysis shows that the harmonic component at the injection frequency is reduced to approximately 0.01% of the DC torque component. The rotor position estimation error is approximately 0.4°, confirming high estimation accuracy. The demodulated currents clearly exhibit clean cosine and sine waveforms, facilitating reliable position estimation.
Experimental results further validate the proposed approach under practical operating conditions. The proposed method achieves stable operation with a rotor position error of approximately 0.4°, showing close agreement with simulation results. In contrast, the conventional method exhibits torque ripple due to injected voltage, while the orthogonal injection method suffers from large position estimation errors of up to 18° owing to current sensing delay. These results confirm that the proposed method simultaneously suppresses torque ripple and achieves accurate rotor position estimation.
In conclusion, the proposed high-frequency voltage injection–based sensorless control method provides an effective and practical solution for six-phase PMSMs by combining high position estimation accuracy with inherent torque ripple suppression. The proposed approach is expected to be highly suitable for high-reliability and high-power applications such as electric vehicles, aerospace systems, and industrial drive systems.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 필요성 1
• 1.2 논문의 구성 12
• Ⅱ. 6상 PMSM의 제어 알고리즘 14
• 2.1 6상 PMSM의 수학적 모델링 16
• 2.2 6상 PMSM의 벡터공간 분해(VSD) 제어 24
• Ⅲ. 6상 PMSM의 전압주입 센서리스 제어 35
• 3.1 기존 3상 PMSM의 전압주입 방법 35
• 3.2 제안하는 전압주입 방법 40
• 3.3 제안하는 방법의 특징 50
• Ⅳ. 모의해석 63
• 4.1 모의해석 구성 63
• 4.2 6상 PMSM의 VSD제어 모의해석 65
• 4.3 제안하는 방법의 위치추정 특성 70
• 4.4 제안하는 방법의 특징 77
• Ⅴ. 실험 89
• 5.1 실험 구성 89
• 5.2 실험 결과 90
• Ⅵ. 결론 103