단일 전류센서를 갖는 매입형 영구자석 동기기의 고주파 신호 주입 기반 센서리스 제어의 성능 향상에 관한 연구

Abstract

매입형 영구자석 동기 전동기는 높은 전력밀도, 빠른 동특성, 그리고 소형화 등의 장점으로 가전제품부터 자동차까지 많은 산업 응용분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 환경과 에너지에 대한 관심이 높아지면서 고효율 소형화 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 위한 동기 전동기의 벡터 제어는 정확한 3상 전류 및 회전자의 위치 정보를 필요로 한다. 일반적으로 3상 전류 정보는 홀 효과(Hall-Effect)를 이용한 적어도 2개 이상의 전류센서를 사용하여 얻게 되며, 회전자의 위치 정보는 엔코더 또는 레졸버와 같은 위치센서를 통해 얻는다. 이러한 센서의 사용은 시스템의 가격 및 부피를 상승시키며, 센서 고장 등과 같은 시스템의 신뢰성을 감소시키는 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위해 DC-link단에 하나의 전류센서만 사용하는 단일 전류센서 제어와 위치센서를 제거한 센서리스 제어 방법이 제안되었다. 최근에는 원가 절감을 최대화하기 위해 센서의 사용을 최소화하는 단일 전류센서를 갖는 구동 시스템에서 센서리스 제어를 적용한 연구들이 진행되고 있다. 그러나, 이러한 방법들의 성능은 단일 전류센서를 갖는 구동 시스템의 특징을 고려하지 않고, 센서리스 제어 방법들을 단순 적용한 수준이기 때문에, 복수의 전류센서를 사용한 기존의 센서리스 제어의 성능보다 열등하다. 본 논문에서는 단일 전류센서를 갖는 구동 시스템에서 적합한 고주파 신호 주입 센서리스 제어 및 제어 성능 향상을 위한 두 가지 방법을 제시한다. 이를 위해 단일 전류센서를 갖는 구동 시스템에서 고주파 신호 주입 센서리스 제어를 전압신호 주입 방법과 전압신호 주입 주파수에 따른 특성을 분석한다. 첫 번째로, 전압신호 주입 방법의 분석을 기반으로 단일 전류센서를 갖는 구동 시스템에 적합한 고주파 신호 주입 센서리스 제어를 제안한다. 제안하는 가변크기의 전압신호 주입 센서리스 제어 방법은 PWM 스위칭 패턴의 변경 없이 유효 전압 벡터의 최소 인가시간을 확보할 수 있으며, 센서리스 제어가 가능하다. 두 번째로, 전압신호 주입 주파수에 따라 전류 재구축 오차를 분석을 기반으로 재구축 오차를 줄이기 위한 예측전류 기반의 상전류 재구축 방법을 제안한다. 제안하는 예측전류 기반의 상전류 재구축 방법은 복수의 전류센서를 갖는 일반적인 동기 전동기의 전류 샘플링 시점의 전류 정보를 예측함으로써 상전류 재구축 오차를 최소화하여 제어 성능을 향상시킨다. 마지막으로, 단일 전류센서를 갖는 구동 시스템에서 고주파 신호 주입 센서리스 제어에서 전압신호 주입 방법과 전압신호 주입 주파수에 따른 특성 분석의 타당성을 확인하기 위해 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 또한 600W급 매입형 영구자석 동기 전동기를 이용하여 제안한 방법들의 유효성을 실험을 통해 검증하였다.