전류 센서 스케일 오차를 고려한 저속 저부하 조건에서의 인버터 비선형성 보상기법 = Inverter Nonlinearity Compensation Method Considering Current Sensor Scale Errors Under Low-Speed and Light-Load Conditions

국문 초록 (Abstract)

3상 전압형 인버터는 교류 전동기 구동 시스템에서 가장 널리 사용되는 전력변환기로 전동기의 안정적인 동작을 위해 높은 제어 정밀도와 안정성이 요구된다. 그러나 실제 인버터는 데드타임, 스위치 온·오프 지연, 스위치 전압 강하 및 기생 커패시턴스에 의한 비선형성이 존재하며 이는 출력 전압의 왜곡과 토크 맥동을 유발하는 주요 원인이 된다. 기존 연구에서는 다양한 비선형성 보상 기법이 제안되었으나 저속·저부하 영역에서는 역기전력의 크기가 작아 전류 왜곡의 영향을 크게 받기 때문에 보상 전압이 과도하거나 부족하게 출력되어 오히려 왜곡이 심화되는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 인버터 비선형성 보상 기법을 제안함으로써 저속·저부하 조건에서도 안정적인 보상 특성을 확보하였다. 또한 본 연구에서는 인버터 비선형성 보상 과정에서 전류 센서 스케일 오차 문제를 고려하여 분석하였다. 전류 센서는 주변 온도 변화나 전자 부품 특성 변화 등 다양한 요인으로 인해 상별로 서로 다른 스케일 오차를 가질 수 있으며, 본 논문에서는 이러한 스케일 오차가 실제 인버터 비선형성 보상 성능에 미치는 영향을 실험적으로 확인하고 스케일 오차 보상 이후 상별 보상 계수가 비선형성 보상 모델의 파라미터에 미치는 변화를 분석하였다. 본 논문의 타당성은 1.1 kW급 표면 부착형 영구자석 동기전동기를 대상으로 한 실험을 통해 검증되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A three-phase two-level voltage-source inverter is the most widely adopted power conversion topology in AC motor drive systems, where high control accuracy and stability are essential for reliable operation. However, practical inverters inherently exhibit nonlinear behaviors such as dead time, switching delays, semiconductor voltage drops, and parasitic capacitance effects, which distort the output voltage and generate torque ripple, thereby degrading overall drive system performance. Although various compensation methods have been proposed to mitigate inverter nonlinearity, their effectiveness deteriorates in low-speed and light-load regions due to insufficient back-electromotive force (EMF), making the output current more susceptible to distortion. Existing nonlinear compensation techniques often rely on feedback-based voltage synthesis, but under low-speed and light-load conditions, the feedback current becomes significantly distorted, causing the compensated voltage to be either overestimated or underestimated and ultimately worsening inverter nonlinearity. To address this limitation, this study proposes a new inverter voltage distortion compensation strategy that calculates the compensation voltage using reference currents instead of measured feedback currents, thereby improving robustness in low-speed and low-load conditions. In addition, this study investigates the influence of current sensor scale errors on the inverter nonlinearity compensation process, as phase current sensors generally exhibit different scale factors due to variations in ambient temperature, electronic component characteristics, and long-term drift. The study experimentally identifies how scale errors affect compensation performance and analyzes how phase-wise compensated scale factors influence the estimated parameters of nonlinear inverter models. The validity of the proposed method is verified through experiments using a 1-kW surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM), and the results demonstrate that the proposed approach improves compensation accuracy in low-speed and light-load conditions while maintaining consistent nonlinear compensation performance even in the presence of phase-dependent current sensor scale errors.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 논문 구성 3
• 제2장 인버터 비선형성의 요인 및 영향 4
• 2.1 PMSM 구조 및 벡터 제어 4
• 2.2 3상 인버터의 동작 원리 6
• 2.3 인버터 비선형성의 요인 12
• 2.4 인버터 비선형성에 의한 영향 26
• 2.5 전류 센서의 스케일 오차에 의한 영향 28
• 제3장 기존의 인버터 비선형성 보상기법 32
• 3.1 인버터 비선형성에 의한 전압 모델링 32
• 3.2 기존의 인버터 비선형성 보상기법 36
• 제4장 제안하는 인버터 비선형성 보상기법 56
• 4.1 저속 저부하 조건에서 기존 보상기법의 한계 56
• 4.2 피드백 전류 기반 보상 시 문제점 58
• 4.3 기준 전류를 이용한 비선형성 보상기법 66
• 제5장 실험 결과 74
• 5.1 실험 구성 74
• 5.2 제안하는 기법의 실험 결과 78
• 제6장 결론 88