저감차수 확장 칼만 필터에 의한 PMSM 센서리스 제어

Abstract

본 논문에서는 영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)의 센서리스 제어를 위해 최적 전차수 추정기로 알려진 확장 칼만 필터(Extended Kalman Filter, EKF)를 저감 차수(reduced-order) 형태로 구성하여 연산 시간을 줄였으며, 간단하게 구현할 수 있는 방법을 제안하였다. 또한, 전동기가 정지상태에서 초기 회전자 위치 정보를 얻기 위한 개선된 위치 검출 방법을 제안하여 PMSM의 센서리스 제어 성능을 전 속도 영역에서 확보하고자 한다. PMSM의 회전자 구조에 따라 분류되는 표면부착형 영구자석 동기전동기(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)와 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM) 에 공통적으로 적용하기 위해 확장 유기전력(Extended EMF, EEMF)을 도입하여 시스템 모델을 유도하여 제안한 센서리스 제어 기법을 두 종류의 전동기에 모두 적용할 수 있도록 하였다. PMSM의 센서리스 제어를 위해 사용되는 고정자 기준의 전류모델에서 상호 관련 항을 추정된 값으로 입력 보상하도록 하여 상호 비간섭인 독립적인 시스템 모델을 구성하였다. 두 전류에 대한 독립적인 모델을 매 연산마다 교번하여 사용함으로써 추정에 대한 안정적인 성능을 확보할 수 있으며, 시스템 모델을 최소 차수 모델로 이용할 수 있다. 저감 차수로 구성된 시스템 모델을 이용하여 EKF에 적용하였을 경우, 알고리즘 구현에 사용되는 행렬의 차수가 줄어들어 행렬 연산에 소요되는 시간을 단축할 수 있으며, 간단하게 구성할 수 있다. EKF를 구현하기 위해 필요한 시스템 잡음의 선정을 위해 전 차수 모델과 저감 차수 모델에 대한 공분산 행렬의 변화를 분석하여 적절한 값을 선택하였다. 제안된 저감 차수 EKF를 이용한 센서리스 제어 기법은 연산 시간을 줄이면서도, 정확한 회전자의 위치 정보를 얻을 수 있다. 저가의 디지털 신호 처리기를 이용한 시스템에도 EKF를 적용할 수 있으며, 전체 제어 주기를 단축하여 제어 성능을 향상 시키거나, 다른 기능을 위한 프로그램을 부담 없이 동시에 적용할 수 있다. 또한, 제안된 초기 회전자 위치 검출 방법은 센서리스 제어의 기동 시 위치 정보로 활용함으로써 센서리스 제어의 초기 기동에 대한 신뢰성을 높일 수 있다. 제안한 저감 차수 EKF를 이용한 센서리스 제어 방법과 초기 회전자 위치 검출 방법은 시뮬레이션과 실험을 수행하여 결과를 검토함으로써 제안된 센서리스 제어 방법에 대한 우수한 성능을 검증하였다. 또한, 행렬 구조에 따른 EKF의 연산시간과 센서리스 제어의 성능 비교를 통해서 저감 차수 모델로 구성하여 적용한 EKF의 실제 시스템 적용에 대한 가능성을 확인하였다.