가속도 관측기에 기반한 철도차량 구동용 IPMSM의 가속구간에서의 새로운 속도 제어 기법 연구

Abstract

운송 시스템의 전기 화는 전 세계적으로 새로운 시장으로 부상하고 있다. EV뿐만 아니라, 철도 시스템은 최근 몇 년간 전기 견인시스템을 채택하고 있습니다. 요구되는 에너지 관점에서, 철도 시스템은 운송 분야에서 에너지 사용의 많은 부분을 차지하게 될 것이다. 따라서 전기로 견인되는 철도시스템의 에너지 효율은 설계자가 견인 모터 및 제어 시스템을 개발하는데 있어 가장 중요한 요소 중 하나가 될 것이다. 본 논문의 핵심은 열차의 가속 기간이 초 단위가 아니라 몇 분이 걸린다는 사실에서 기인하였고, 이 가속 구간에서의 전반적인 성능이 무시할 수 없다는 가정하에서 연구를 시작하였다.

본 논문은 IPMSM을 위한 속도 제어 기법에 대한 새로운 접근법을 소개한다. 기존 방식은 위치, 속도 및 전류 제어의 3 중 폐 루프 (closed loops)로 구성된다. 제안하는 제어 기법은 위치 및 속도 제어기를 가속도 제어기로 대체하여 가속 구간 동안 시스템 측면에서의 성능을 기존의 속도 제어 방식과 비교하게 되는데 가속도 지령 값과 상태관측기로부터 구한 추정된 모터의 실제 가속도 값을 적용한 PI 제어기를 통해 가속지령을 추정하도록 한다.

제안 된 제어 방식은 MATLAB / Simulink 환경에서 모델링하여 가속 제어 성능 및 전류소비량 관점에서 시스템을 분석하였다. 분석 결과, 제안 된 제어 기법은 기존 제어법과 비교하여 동등한 속도 추정 성능을 보임과 동시에 에너지사용(전류) 측면에서 더 높은 효율을 보였으며 제어기의 주파수 및 대역폭 등 디지털 제어변수들에 조정하여 효율을 극대화 할 수 있음을 확인하였다.