영구자석 동기전동기의 센서리스 전환 시 부하를 고려한 안정된 전환 알고리즘 = Stable Sensorless Transition Algorithm of PM Synchronous Motor by Considering Load Torque

국문 초록 (Abstract)

공조 시스템의 압축기용 영구자석 동기전동기는 일반적으로 역기전력을 관측하여 회전자 속도와 위치를 추정하는 확장 역기전력 기반 센서리스 추정기를 사용한다. 영속 및 저속의 영역에서는 역기전력의 크기가 작기 때문에 센서리스 전환 속도까지 초기기동 알고리즘이 요구되어 진다. 개루프 제어를 통한 초기기동은 속도 제어기 없이 회전자 속도 및 위치의 명령을 기반으로 I-F (전류-주파수) 제어에 의해 수행된다. 폐루프 센서리스 제어의 속도 제어는 관측된 회전자 속도에 의해 시작되고 3상 전압 및 전류의 d-q축 변환은 관측된 회전자 위치에 의해 이루어진다. 센서리스 전환 시의 속도와 토크의 변동은 부하 조건과 속도 제어기 및 d-q축 전류 제어기 적분기의 초기 값에 따라 달라지며 이러한 요인에 대한 알맞지 못한 보상은 큰 속도 변동으로 이어져 전환 실패를 야기할 수 있다.

본 논문에서는 개루프 제어를 통한 초기기동으로부터 센서리스 제어로의 전환 알고리즘을 제안한다. 모든 부하 조건에서 폐루프 센서리스 제어 전환 시 속도 변동을 줄이기 위해 속도 제어기와 전류 제어기의 적분기 초기 값은 추정 부하 토크와 추정된 회전자 속도 및 위치에 의해 변환되어진 d-q축 전압을 바탕으로 보상된다. 또한, 추정 토크를 기반으로 한 d-q축 전류 궤적을 제어하여 전환구간에서의 토크를 일정하게 유지하였다. 제안된 전환 알고리즘의 효과는 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The extended EMF estimator is generally used to estimate the rotor speed and rotor position by observing the back emf of PM synchronous motor for compressors of HVAC(Heating, ventilation, and air-conditioning). The magnitude of back emf at zero and low speeds is small so that the initial starting algorithm is required to switch to the closed loop sensorless control from initial open loop starting. The open loop starting is performed by I-F control based on the predetermined rotor speed and rotor position commands without speed control. In the closed loop sensorless control, the speed control is initially started by estimated rotor speed and the d-q transformation for three phase voltages and currents is based on the estimated rotor position. The speed and torque fluctuations in the transition mode depend on the load condition, the initial value of the integrators of PI speed controller and PI d-q current controller, therefore, the mismatched compensation for those factors may cause transition failure due to large speed fluctuation.

In this paper, the transition algorithm from open loop starting to closed loop sensorless control is presented. To reduce the speed fluctuation in the transition mode at any load condition, the initial value of the integrators of the speed controller and current controller is compensated by based on the estimated load torque and the d-q voltages transformed by estimated rotor speed and rotor position. Also, the d-q current trajectory based on the estimated load torque is controlled to make the generated torque remain constant in the transition mode. The effectiveness of the proposed transition algorithm is verified through simulation and experiment.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 논문의 구성 3
• Ⅱ. 영구자석 동기전동기 모델링 4
• 2.1 매입형 영구자석 동기전동기의 abc축 모델링 4
• 2.2 d-q축 좌표 변환 12
• 2.3 매입형 영구자석 동기전동기의 d-q축 모델링 14
• Ⅲ. 센서리스 제어 알고리즘 18
• 3.1 확장 역기전력 기반 센서리스 제어 18
• Ⅳ. 센서리스 전환 알고리즘 21
• 4.1 I-F (전류-주파수) 제어 21
• 4.2 전류 제어기 적분기 초기 값 보상 25
• 4.3 동일 토크 곡선을 따른 d-q축 전류 명령 궤적 제어 27
• 4.4 속도 제어기 적분기 초기 값 보상 29
• Ⅴ. 모의해석 31
• 5.1 모의해석 구성 31
• 5.2 확장 역기전력 기반 센서리스 제어 모의해석 33
• 5.3 (I-F) 전류-주파수 제어 모의해석 35
• 5.4 센서리스 제어 전환 모의해석 38
• Ⅵ. 실험 47
• 6.1 실험 구성 47
• 6.2 확장 역기전력 기반 센서리스 제어 실험 48
• 6.3 I-F (전류-주파수) 제어 실험 53
• 6.4 센서리스 전환 알고리즘 실험 59
• Ⅶ. 결론 67
• 참고문헌 68
• Abstract 71