적응시스템형 상태관측기와 가변 직류 링크전압을 이용한 센서리스 유동전동기의 성능개선 = Improved performance of sensorless induction motor using adaptive state observer and variable DC link voltage

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 유도전동기의 센서리스 운전성능에 영향을 미치는 전압원 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 인버터의 출력전압에 대한 오차의 원인을 분석하고 전동기의 전 운전영역에서 지령전압에 대한 인버터 출력전압의 오차 및 상전류의 리플이 감소되도록 운전되는 가변 직류 링크전압 인버터 시스템을 적용한다. 본 논문에서 적용하는 가변 직류 링크전압 인버터 시스템은 센서리스 제어기에서 요구하는 속도 및 부하상태에 따라서 직류 링크전압의 크기를 능동적으로 제어하는 시스템이다. 즉, 지령전압의 크기가 작아지는 저속운전영역에서는 직류 링크전압을 감소시키고, 고속 및 부하운전시에는 과변조 및 과도응답특성을 고려하여 직류 링크전압을 상승하도록 제어한다. 따라서 작은 지령전압의 경우에도 한 샘플링 구간 내에서 전압원 SVPWM 인버터의 유효전압벡터 인가시간이 고정된 직류 링크전압을 사용하는 경우와 비교하여 증가하므로 인가시간의 오차와 데드타임에 의한 영향 그리고 인버터 출력전압의 오차와 전류리플이 감소되고 유도전동기의 저속운전성능을 크게 개선할 수 있다.
최근, 여러 가지 문제점 등의 이유로 자속 및 속도센서를 사용하지 않는 벡터제어에 대한 연구가 지속되어 왔으며 특히, 속도를 측정하지 않고 속도제어를 구현하는 센서리스 방식에 관한 많은 연구결과가 발표되었는데 이들은 회전자의 속도정보를 구하기 위해 여러 가지 알고리즘을 사용하여 속도를 추정 및 보상하였다. 이 중에서도 특히, 상태관측기를 사용하는 방식은 유도전동기의 전 운전범위에서 대체적으로 양호한 성능을 보이고 과도응답특성이 우수한 것으로 알려져 있다. 이 방식에서의 속도추정은 관측기에 의해 추정된 회전자자속과 측정된 고정자전류를 이용하여 속도를 직접 계산하는 방법과 추정된 자속과 전류오차를 이용하여 PI제어기를 통해 구현하는 방법이 있다. 이 중 속도추정의 속도를 증가시키기 위하여 PI제어기를 활용한 방법이 일반적이다. 그러나 이러한 방법에 의한 속도추정은 과도상태시 오버슈터나 채터링을 발생시키는 문제점을 안고 있고 저속영역에서의 운전성능과 파라메타 변동에 대한 강인성에는 한계를 지니고 있다. 그래서 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 일반적인 상태관측기 방식에서 종래에 사용하던 속도추정 방법과는 다르게 관측기의 자속과 회전자 전류모델에서의 자속을 비교하고 그 오차를 적응 메커니즘에 적용하여 속도를 추정하는 새로운 적응시스템형 상태관측기 방식을 제안한다. 즉, 본 방식은 상태관측기가 가진 전 운전영역에서의 양호한 운전성능과 속응성 그리고 회전자 전류모델이 가진 저속운전영역에서의 우수한 성능을 동시에 지니게 되어 종래의 일반적인 상태관측기 방식에서의 속도추정 성능을 크게 개선할 수 있다.
본 논문에서 제안한 제어 알고리즘의 이론적 배경 및 타당성을 기술하고 이를 실현하기 위해 구동시스템을 제작한 후 시뮬레이션 및 실험을 통해 제안된 속도추정 방식의 성능을 검증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, the cause of output voltage error in SVPWM-VSI(Space Vector Pulse Width Modulation of Voltage Source Inverter) is analyzed which affects the performance of a sensorless induction motor drive and a variable DC link voltage inverter system is applied to a conventional one for reducing that error and the current ripple in the overall operation range of an induction motor drive. This inverter system controls the magnitude of a DC link voltage actively according to the speed and load conditions of an induction motor, therefore in spite of a small command voltage of low speed range, the width of effective voltage vector in a gate signal is increased and the output voltage error of the inverter is decreased when compared with a fixed DC link voltage inverter system.
To verify the reduction of output voltage error and the improvement of the performance of a sensorless induction motor drive in the low speed range especially, this inverter system is applied to a general state observer method.
Recently, sensorless induction motor drives have been studied due to several advantages and various sensorless algorithms for an induction motor drive have been proposed. Especially, in a method using the state observer of them, there are two ways to estimate the speed of rotor such as direct calculation using the estimated flux and measured current or PI controller using the estimated flux and current error. And the last is general to speed up of a estimated speed and has merits such as comparatively excellent performance and speed response. But it also has drawbacks such as the overshoot and chattering in the transient region, the poor performance in the low speed range and the weak robustness against parameters variations.
In this paper, an adaptive state observer method which estimates the speed of rotor is proposed to overcome those drawbacks that a general state observer has. This method compares the flux of state observer with the one of the rotor current model and then the estimated rotor speed is obtained by applying the error of them through the adaptive mechanism.
The proposed algorithm is verified through simulation and experimental results.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구배경 = 1
• 1.2 연구내용 = 8
• 1.3 논문의 구성 = 11
• 제2장 유도전동기의 수학적 모델링 = 12
• 2.1 실축순시 전압방정식 = 12
• 2.2 고정 및 동기회전 좌표계의 전압방정식 = 15
• 2.3 유도전동기의 출력 및 토크 = 21
• 제3장 유도전동기의 벡터제어 = 24
• 3.1 직접벡터제어 = 25
• 3.1.1 고정자회로의 전압모델 = 26
• 3.1.2 회전자회로의 전류모델 = 27
• 3.2 간접벡터제어 = 28
• 제4장 가변 직류 링크전압 구조의 SVPWM 인버터 시스템 = 34
• 4.1 전압원 SVPWM 인버터에 대한 고찰 = 34
• 4.2 가변 직류 링크전압 인버터 시스템의 필요성 = 42
• 4.3 가변 직류 링크전압 인버터 시스템의 설계 = 50
• 제5장 유도전동기의 센서리스 속도제어 = 52
• 5.1 일반적인 상태관측기에 의한 속도추정 = 52
• 5.2 일반적인 MRAS에 의한 속도추정 = 56
• 5.3 적응시스템형 상태관측기에 의한 속도추정 = 59
• 제6장 시뮬레이션 결과 및 검토 = 62
• 6.1 시뮬레이션 환경 = 62
• 6.2 가변 직류 링크전압 인버터 구조의 상태관측기 시뮬레이션 = 65
• 6.3 적응시스템형 상태관측기의 시뮬레이션 = 76
• 제7장 실험결과 및 검토 = 94
• 7.1 실험 환경 = 94
• 7.2 가변 직류 링크전압 인버터 구조의 상태관측기 실험결과 = 97
• 7.3 적응시스템형 상태관측기의 실험결과 = 111
• 제8장 결론 = 129
• 참고 문헌 = 133
• Abstract = 142