파라미터 변동을 고려한 표면부착형 영구자석 동기전동기의 정밀 토크제어에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 표면부착형 영구자석 동기전동기(SPMSM)를 대상으로 하여 약자속 구간에서의 제어 시에 토크와 출력에 영향을 주는 전동기 파라미터의 변동 특성에 대하여 연구하였다. 현재 영구자석 동기전동기는 고토크, 고출력을 가지고 있어 전동기 응용 분야에서 많은 관심 대상이 되고 있는 전동기이다. 이 영구자석 동기전동기 중 하나인 SPMSM은 표면에 영구자석이 부착되는 구조를 가지고 있어 매입형 영구자석 전동기(IPMSM)보다 유효 공극이 크고 인덕턴스 값이 작게 나타나는 특징을 가지고 있다. 이런 이유로 인해 넓은 출력과 속도 영역이 필요한 분야에서는 주로 IPMSM이 사용되어 왔다. 그러나 근래에는 권선방법의 연구와 공극의 최소화 등을 통하여 SPMSM에 대한 약자속 영역에서의 토크와 속도에 대한 성능 개선이 이루어지고 있다. 전기 운송 수단이나 세탁기와 같이 순간적으로 큰 토크가 필요하고 넓은 운전 속도 영역을 요구하는 전동기 응용분야에서는 이에 대한 적절한 제어방법이 필요하다. 이렇듯 큰 전류가 단 시간 내에 흐르게 되는 순시 정격 구간 내와 약자속 영역에서의 제어는 반드시 파라미터에 대한 적절한 적용 및 비선형성을 고려해 주어야 정확한 토크제어를 할 수가 있게 된다. DC link 전압에 비해 고정자 저항에 발생하는 전압강하가 클 경우 제어 지령 전류가 실제 사용 가능한 범위를 넘어서서 계산이 되게 된다. 이는 잘못된 동작점으로 운전하게 되어 출력의 저하 및 토크 리플의 발생 등 여러 문제점을 발생시킨다. SPMSM은 비돌극 특성을 가지고 있어 보통의 경우 d, q축 인덕턴스가 같은 값을 가지고 있다. 이와 같이 토크가 q축 전류에만 비례하는 특성을 이용하면 정토크 영역에서는 제어가 매우 간단하게 이루어 질 수 있다. d축 전류를 영으로 하는 제어는 SPMSM에서와 같은 전동기에서는 제어방법 자체가 간단하여 쉽게 수행될 수 있으나 돌극성으로 인하여 인덕턴스 차이가 크게 발생하는 IPMSM과 같은 전동기에서는 토크제어가 불안정하게 되어 진동과 소음을 발생하게 된다. 최근의 여러 연구에서는 일부 SPMSM에서도 자기포화로 인한 돌극성이 존재하고 있으며 이에 따른 d, q축 인덕턴스 차로 인한 릴럭턴스 토크의 이용에 대해 발표를 하고 있다. 이러한 인덕턴스의 차이는 전동기의 출력 토크 크기와 리플에 영향을 주게 되며 정밀제어를 위해서는 이러한 자기포화 인한 d, q축 인덕턴스 차이와 비선형 특성을 고려해야 하는 것이 필요하다. 그러므로 자기포화로 인한 인덕턴스의 비선형 특성을 무시한 제어방법으로는 고성능, 고정밀 토크제어가 어려울 수 밖에 없다. 본 연구에서는 SPMSM의 고정자 저항과 인덕턴스를 포함한 전류 지령에 대해 간단하게 수식화 하였으며 인덕턴스의 비선형 특성을 고려한 전류 지령치 계산을 위해 보간법과 수치해석법을 사용하였다. 기존의 인덕턴스 변화를 고려하지 않은 방법과 비교 검토하고 제안된 방법의 제어와 효율성에 대해 입증하였다. 이를 위해 컴퓨터 모의실험과 250W급 SPMSM 구동제어기를 제작하여 제어 알고리즘의 유효성을 확인하였다.