연료 전지 시스템의 공기 압축기용 초고속 전동기의 초기 위치 추정 및 신호 주입 센서리스 제어 기법에 관한 연구

Abstract

최근 세계 각 나라의 배기가스 규제로 인해 연료 전지 자동차 개발이 활발히 진행되고 있다. 연료 전지 시스템을 위한 공기 압축기용 초고속 전동기는 센서리스 제어 기법을 적용하고 있으며, 초기 기동 시의 역회전을 방지하기 위해, 초기 위치 추정 및 초기 기동 방법이 필요하다. 이를 위해 신호 주입 기반의 센서리스 제어 기법을 적용할 수 있다. 기존 범용 전동기를 대상으로 하는 신호 주입 센서리스 제어 기법들은 주입 신호 주파수에 비해 운전 주파수가 충분히 낮아 신호 처리 과정에서 운전 주파수의 영향을 고려하지 않았다. 반면 초고속 전동기는 모델 기반 센서리스가 어려운 저속 운전 영역에서도 운전 주파수가 고주파 신호의 수 분의 일 수준으로 높아 운전 주파수의 영향을 무시하기 어렵다. 본 논문은 공기 압축기의 단 방향 회전 특성을 이용한 초고속 전동기의 신호 주입 기법 및 신호 처리 기법을 제안한다. 또한, 돌극성이 작은 전동기와 인버터 비선형성의 영향이 큰 전동기 구동 시스템에 적합한 신호 처리 기법과 추정 안정성을 높인 초기 위치 추정 기법을 제안한다. 제안된 방법을 통해 주입 주파수의 약 5 분의 1의 속도까지 신호 주입 센서리스 운전이 가능하다. 제안된 신호 주입 센서리스 제어 기법은 1.1의 돌극비 갖는 PMSM을 이용한 실험으로 유효성을 검증하였다.|Recently, fuel cell vehicle development is actively progressing due to exhaust gas regulations in various countries. A sensorless control algorithm is applied to a super-high-speed motor for an air compressor for a fuel cell system, and in order to prevent reverse rotation at the time of startup, an initial position estimation and startup method are required. For this, a sensorless control algorithm based on signal injection can be applied. Conventional signal injection sensorless control algorithms for general-purpose motors do not consider the effect of rotation speed in signal processing because the rotation speed is sufficiently low compared to the injected signal frequency. On the other hand, for super-high-speed motors, it is difficult to ignore the effect of the rotation speed even in the low-speed where model-based sensorless is difficult. This paper proposes a signal injection and a signal processing technique of a super-high-speed motor using the unidirectional rotation characteristics of an air compressor. In addition, a signal processing technique suitable for a motor with small saliency and a motor drive system with a large influence of inverter nonlinearity and an initial position estimation technique with increased estimation stability were proposed. The proposed method enables stable control with signal injection sensorless up to a speed of about a fifth of the injection frequency. The proposed signal injection sensorless control method was validated by an experiment using PMSM with a saliency ratio of 1.1.