자속 포화 모델을 사용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 확장 역기전력 기반 센서리스 제어 = Sensorless Control of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Based on Extended Back Electromotive Force Using a Flux Saturation Model

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 자속 포화를 고려한 확장 역기전력 기반 센서리스 제어 알고리즘을 제안한다. IPMSM은 고효율, 고출력 밀도 등의 특성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있으며, 이에 따라 더 정교하고 효율적인 제어 기법이 요구되고 있다. 기존 센서리스 제어 알고리즘은 선형 인덕턴스 모델을 기반으로 연구되었으나, 이러한 모델은 자속 포화 현상을 반영하지 않아 실제 플랜트를 적절히 표현하지 못하여 제어 성능이 저하될 가능성이 있다.
이를 해결하기 위해 본 논문에서는 자속 포화를 고려한 전동기 모델링 기법을 적용하였다. 이 모델은 자기 포화(Self-Saturation)와 상호 포화(Cross-Saturation)를 모두 반영하여 전류와 자속의 비선형적인 관계를 적절히 표현한다. 자속 포화를 반영하기 위해서, 정지 상태에서 전동기 데이터를 수집하고 이를 바탕으로 포화 모델의 제정수를 추정하는 정지형 제정수 추정 기법을 활용하였다. 데이터 수집 과정에서 전동기의 회전을 방지하기 위한 회전 저감 기법, 히스테리시스 제어, 그리고 입력 전압 크기 선정 방법을 설명하였다. 이로써 정확한 실험 데이터를 확보하여 모델의 신뢰성을 높였다.
자속 포화 모델을 바탕으로 자속 포화를 고려한 확장 역기전력(Extended Back Electromotive Force) 기반의 센서리스 제어 알고리즘을 제안한다. 확장 역기전력 모델을 이용하여, 돌극성과 추정 각 오차에 의해 발생하는 복잡한 수식을 간략하게 표현할 수 있다. 이를 통해 회전자 각(position) 및 속도(speed)를 간단한 계산과 구현 방법으로 추정할 수 있다. 기존의 선형 모델 기반 센서리스 알고리즘과 비교하여, 제안된 센서리스 제어 기법은 자속 포화에 의한 비선형성을 반영하여 제어 성능이 향상되었다.
본 논문에서 제안된 알고리즘의 유효성은 실험을 통해 검증되었다. 실험에서는 정지 상태 데이터 수집을 기반으로 한 정지형 제정수 추정과 자속 포화를 반영한 확장 역기전력 기반 센서리스 제어 알고리즘의 동작을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 １
• 1.1 연구의 배경 １
• 1.2 연구의 목적 ２
• 1.3 논문의 구성 ４
• 제 2 장 매입형 영구자석 동기 전동기 ６
• 2.1 동기 전동기 ６
• 2.2 매입형 영구자석 동기 전동기의 모델링 ８
• 2.3 좌표계에 따른 모델링 １１
• 2.3.1 좌표 변환 １２
• 2.3.2 정지 좌표계 모델링 １７
• 2.3.3 회전자 좌표계 모델링 ２０
• 2.3.4 추정 회전자 좌표계 모델링 ２１
• 2.4 동기 전동기의 자속 포화 ２２
• 2.4.1 자속 포화 현상 ２２
• 2.4.2 자속 포화를 고려한 모델링 ２５
• 제 3 장 자속 포화를 고려한 전동기 제어 ２８
• 3.1 다항 함수 자속 포화 모델 ２８
• 3.2 아크탄젠트 함수 자속 포화 모델 ３０
• 3.3 자속 포화 모델의 정지형 제정수 추정 기법 ３１
• 3.3.1 히스테리시스 제어 ３２
• 3.3.2 주입 전압 선정 방법 ３４
• 3.3.3 전동기 회전 저감 기법 ３９
• 3.3.4 최소 제곱 회귀 분석 ４５
• 3.4 자속 포화를 고려한 전류 제어기 ５５
• 제 4 장 자속 포화를 고려한 확장 역기전력 기반 센
• 서리스 제어 ５８
• 4.1 기존 확장 역기전력 기반 센서리스 제어 알고리즘 ５８
• 4.2 제안하는 자속 포화를 고려한 확장 역기전력 기반 센
• 서리스 제어 알고리즘 ６４
• 4.3 자속 및 인덕턴스 모델 ７１
• 4.4 위치 및 속도 추정 ７３
• 4.5 초기 기동 ７５
• 제 5 장 실험 결과 ８０
• 5.1 실험 세트 ８０
• 5.2 정지형 제정수 추정 실험 ８２
• 5.3 센서리스 제어 모의 실험 ８４
• 5.4 센서리스 제어 실험 ９１
• 제 6 장 결론 １００
• Reference １０１
• Abstract １０５
• 감사의 글 １０７