저전압 대전류 매입형 영구자석 동기전동기의 뉴튼-랩슨법을 이용한 약계자 제어

Abstract

본 논문은 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)의 파라미터 추정을 이용한 최대출력 제어에 관한 내용으로 전기스쿠터(E-Scooter) 시스템에 사용되는 전동기의 제어 방법에 대하여 연구하였다. 기존의 약계자 제어방식에서 최대출력 제어를 위한 기준 지령전류를 산출할 때 공통적인 가정은 고정자 저항성분을 무시함으로써 고정자 저항에 의한 전압강하를 고려하지 않는 것이었다. 고정자 저항을 고려하지 못한 이유는 기준 지령전류를 산출하는데 있어 4차 연립방정식을 풀어야 됨으로써 매우 복잡한 수식과정을 거쳐야한다. 또한, 전동기의 정격전압이 높은 경우는 기저속도이상에서 고정자 저항에 의한 전압강하보다 역기전력이 상대적으로 더 크기 때문에 고정자 저항에 의한 전압을 무시해도 약계자 제어에 있어서 문제가 없다. 그러나 전기스쿠터에 사용되는 전동기는 낮은 배터리 전압으로 구동함으로 인하여 정격전압이 낮고 전류가 크기 때문에 고정자 저항에 의한 전압강하를 고려해 주어야 한다. 만약 낮은 정격전압으로 구동하는 전동기에서 고정자 저항을 무시하고 기준 지령전류를 산출할 경우 전동기의 동작점이 잘 못되어 구동 전압이 부족하게 되는 원인이 된다. 그 결과 전동기는 과변조 영역에서 동작하게 되어 PWM 출력을 선형적으로 제어할 수 없게 되고 출력토크는 매우 많은 토크리플이 발생하게 된다. 특히 전기스쿠터가 경사면을 오를 경우, 잘못된 전류 지령은 최악의 상황으로 전동기가 정지하는 경우가 발생할 수도 있으므로 심각한 사고로 이어질 수 있다. 그러므로 낮은 정격전압으로 구동하는 전동기의 경우 고정자 저항을 고려한 약계자 제어가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존의 정토크 영역과 정출력 영역에서의 제어에 관한 연구를 검토하고, 이를 토대로 본 연구 대상인 저전압 대전류 전동기에 적용할 수 있는 가능성을 분석하였다. 또한, 고정자 저항을 고려한 최대출력제어를 위한 기준 지령전류를 수치 해석적 방법을 통하여 구하였으며, 전동기의 기기정수들 중에서 고정자 저항의 변동이 전동기의 최대출력제어 동작점에 미치는 영향을 분석하고 고정자 저항을 최소자승법으로 실시간 추정하여 제어기에 반영하였다. 최대출력 제어를 위해 제안한 알고리즘이 약계자 운전영역에서 과변조되지 않으며 토크 리플발생을 억제하는 것을 검증하기 위하여 컴퓨터 모의실험을 실시하였으며, 전기스쿠터용 3.8kW급 매입형 영구자석 동기 전동기와 이를 제어하기 위한 구동장치를 설계 및 제작하여 제안한 제어 알고리즘의 유효성을 검증하였다.