영구자석 동기전동기의 회전자 온도 변화에 대한 토크 보상 제어기법 연구

Abstract

본 논문은 영구자석 동기전동기(PMSM)의 회전자 영구자석 온도 변화에 따른 전동기 제어특성 변화에 대응하기 위해 온라인 파라미터 추정기법을 이용한 토크 보상 제어방법에 대한 연구이다. 영구자석 동기전동기는 고효율 운전 및 고출력 밀도 특성을 갖고 있어 차량용 전동기로 많이 이용되고 있다. 영구자석 동기전동기가 차량이라는 응용분야에 적합하도록 고토크화, 고속화 및 소형화 등의 발전 방향을 지향하면서 전동기 내에서 발생되는 열에 의한 문제가 보고되고 있다. 지속적인 피드백이 가능한 고정자 온도에 비해 측정불가한 회전자 온도에 의한 영향은 특히 영구자석 동기전동기의 제어 시 고려하기가 쉽지 않다. 본 논문에서는 영구자석 동기전동기 내에서 발생된 열에 의해 회전자 온도가 변화함에 따라 영구자석 동기전동기의 출력 특성이 저하되는 것을 보상하는 토크 제어기법을 목표로 하였다. 영구자석 동기전동기의 일반 이론 및 제어기법을 정리하였으며, 회전자 온도변화에 따른 영구자석 특성 변화의 영향을 고찰하고, 이를 통해 회전자 온도의 변화를 전동기 제어 시 반영하기 위해 전동기 파라미터에 대한 추정이 필요함을 밝혔다. 전동기 파라미터를 온라인 추정하기 위한 기법을 제시하였으며 파라미터 추정기 간의 연관관계를 고려해 추정 성능에 대한 신뢰도를 높였다. 파라미터 추정기의 성능은 시뮬레이션을 통해 검증되었으며 추정된 파라미터 정보를 활용하여 회전자 온도 변화를 반영하는 영구자석 동기전동기의 최대 출력 제어에 기반을 둔 토크 보상 제어기법을 제안하였다. 제안된 영구자석 동기전동기의 토크 보상 제어기법에 대해 750W 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)의 다이나모 세트에서의 실험을 통해 타당성을 검증하였으며, 실험 대상 전동기의 회전자 온도를 외부에서 강제적으로 상승시켜 가며 회전자 온도를 변화시켰을 때, 전동기의 특성이 제안된 토크 제어기법을 통해 보상됨을 확인하였다.