적응형 전압궤환 및 약자속 증분튜닝 하이브리드 제어기를 적용한 AC전동기의 고속운전 제어기법 연구 = A Study on the High-Speed Drive Control Method of AC Motors Applying a Hybrid Controller of Adaptive Voltage Feedback and Incremental Flux-Weakening Tuning

국문 초록 (Abstract)

최근 전기 에너지를 이용하여 추진력을 얻을 수 있는 것으로는 엔진을 대신하여 전동기로 대부분 대체되고 있는 실정이다. 이러한 추진시스템에 사용되는 전동기는 유도전동기와 동기전동기, 특히 영구자석형 동기전동기（PMSM） 등 주로 AC 전동기가 주로 사용되고 있다.
이러한 다양한 AC 전동기들은 필요에 따라 정격속도 이상의 고속 운전 능력을 수행해야 하는데 PMSM의 경우 자속 방향과 반대 방향으로 자속을 발생시켜 공극의 유효 자속 크기를 줄여주는 약자속 제어（Flux-weakening Control）를 사용하여 고속 운전을 가능하게 한다. 그러나 이의 방법은 회전자 속도에 반비례하여 자속 성분 전류를 감소시키는 방안을 사용하지만 벡터 제어에 필요한 여유 전압이 정확히 확보되지 않는 단점이 존재한다. 이에 따라 정확한 벡터 제어가 이루어지지 않으며 결과적으로 전동기의 구동이 어려워질 수 있다.
이러한 단점을 개선하는 방법으로는 전동기를 구동하기에 가장 적절한 전류점을 찾아 속도를 제어하는 방식이 있으나 전동기 정수의 변동에 민감한 특징으로 인하여 정수들의 정확한 정보들을 필요로 하며 자화 인덕턴스의 변동 특성을 고려할 필요가 있어 제어 설계가 복잡 난해하다는 단점이 있다.
본 논문에서는 고속운전 영역에서 전압궤환 약자속 제어 방식으로써 전동기의 정수들을 사용하지 않아 외부 변동에 강인하며 제어 설계가 간단하다는 장점이 있는 즉, 전동기에 인가되는 전압을 간접적으로 계산하는 간접 전압궤환 약자속 제어 방식을 사용하면서 전압제어 오차를 줄이는 적응형 전압궤환 기반의 약자속 제어 방식을 새롭게 제안한다. 이는 기존에 사용된 전압 지령과 전동기에 유입되는 전압 사이에 발생하는 오차를 개선하는 방안으로 전동기의 전압 지령과 전압 사이의 오차가 발생하는 요인을 수식적 모델링으로 도출하고, 시뮬레이션 및 실험을 통해 문제점 도출에 따른 적응형 전압궤환 기반의 약자속 제어 방식을 제안하고 그 효과를 검증하였다.
실험을 통하여 제안하는 적응형 전압궤환방식의 약자속 제어를 적용하는 경우 궤환전압 오차를 보상하고 감소시켜서 동일 토크 조건의 약자속 제어 영역에서 사용되는 전류를 상당히 감소시켜 결과적으로 전동기의 동손을 줄일 수 있다는 가능성을 확인하였다.
또한 본 논문에서는 영구자석 동기 전동기（PMSM）의 고속운전 영역에서 약자속 제어 성능 강화를 위하여 약자속 증분튜닝 제어기 설계기법을 새롭게 제안하였다. 약자속 제어에 사용될 수 있는 일반적인 고정 증분형 제어기법의 문제점을 도출하였고 이의 문제점을 개선할 수 있는 약자속 증분튜닝 제어기법을 새롭게 제안하였다. 이는 증분형 제어기를 전압궤환 기반 약자속 제어에 적용하여 피드백 오차의 최소화 및 약자속 전류지령을 최적으로 튜닝된 가변형 증분 제어기를 사용토록하여 고정적인 상수를 사용하는 것이 아닌 전동기의 파라미터와 가속도를 이용하여 적절한 상수를 적정 계산할 수 있는 방안을 새롭게 제시한 방법이다.
제안된 약자속 증분튜닝 제어기의 우수성을 검증하기 위하여 모의실험과 실증 실험을 진행하였으며, 제안된 증분튜닝 제어기는 일반적인 고정 증분형 제어기에 비해 속도 오버슈트를 상당히 줄일 수 있었으며 지령 속도 도달시간을 상당히 줄이고 정상상태의 전류 리플을 동시에 감소시킴을 확인할 수 있었다.
따라서 제안된 적응형 전압궤환 기반의 약자속 제어기법을 적용하여 LPF 구성에 따른 감쇠전압의 보상을 통한 AC 전동기의 고속운전의 성능을 안정시킬 수 있다는 것과 가속에 따른 약자속 증분튜닝 제어기법을 도입하여 속도의 오버슈트와 속도 도달 시간의 개선 및 전류리플 등의 개선 효과를 입증하였다. 이러한 제어기법의 도입은 가속도의 요구가 빈번한 전기자동차의 고속운전 제어에 활용 가치가 매우 높으리라 예상되며, 가속도의 변화가 빈번하지 않는 고속 철도차량에서도 안정된 제어 응답성을 얻기 위한 AC 전동기의 제어 효과에도 충분히 적용 가능성이 높다고 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경과 필요성 1
• 1.2 연구의 내용과 구성 5
• 제2장 AC전동기의 약자속 제어기법에 대한 고찰 10
• 2.1 AC전동기의 고속운전과 약자속 제어의 필요성 10
• 2.2 약자속 제어 기법의 분류 11
• 2.3 Feedforward（Model Based） 약자속 제어 기법 12
• 2.4 Feedback（전압궤환） 약자속 제어 기법 14
• 2.5 적응형 전압 궤환 제어기 및 레귤레이터 튜닝 기법 16
• 2.6 Hybrid 약자속 제어 기법 및 최근 동향 18
• 2.7 기존 약자속 제어의 한계점 및 해결방안 19
• 2.8 약자속 제어（Flux-weakening Control） 알고리즘의 도입 21
• 2.9 일정 토크 영역에서의 속도제어 특성 23
• 2.10 일정 출력 영역에서의 속도제어 특성 28
• 2.11 전압궤환을 이용한 약자속 제어 31
• 제3장 적응 전압궤환 기반의 약자속 제어를 통한 고속운전 알고리즘의 제안과 검증 33
• 3.1 전압궤환 기반 약자속 제어 알고리즘 33
• 3.2 최종 출력 데이터 적용 36
• 3.3 Low Pass Filter의 적용 40
• 3.4 감쇠비 보상의 적용 44
• 3.5 적응 전압궤환 기반 약자속 제어의 적용 유무에 따른 모의실험 및 하드웨어 실험 49
• 3.6 모의실험 및 하드웨어 실험의 결과 비교 분석 85
• 제4장 약자속 증분튜닝 제어기를 적용한 고속운전 알고리즘의 제안과 검증 87
• 4.1 일반적인 고정 증분형 제어기를 적용한 약자속 제어 87
• 4.2 고정 증분형 제어기를 적용한 약자속 제어기법의 문제점 분석 90
• 4.3 제안하는 약자속 증분튜닝 제어기의 결과식 도출 104
• 4.4 제안하는 약자속 증분튜닝 제어기를 적용한 실험 검증 115
• 4.5 제안된 약자속 증분튜닝 제어기의 적용 유·무에 따른 실험결과의 비교·분석 123
• 제5장 적응 전압궤환 기반 및 약자속 증분튜닝에 기반한 다변 가속도 고속운전 종합실험과 검증 126
• 5.1 가속도 변화와 변화에 따른 전류 변화 실험 126
• 5.2 가속도 변화와 변화에 따른 결과의 비교·분석 143
• 제6장 결 론 154
• 6.1 연구의 배경과 목표 154
• 6.2 적응 전압궤환 기반 약자속 제어의 제안과 성과 154
• 6.3 약자속 증분튜닝 제어기의 제안과 성과 156
• 6.4 연구성과 및 향후 연구 방향 158
• 참 고 문 헌 159
• ABSTRACT 169