과도상태에서 IPMSM의 동력학을 고려한 MTPA/FWC/MTPV 제어

Abstract

본 논문은 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 약 자속 제어(Flux Weakening Control) 영역에서 정상 상태 (Steady State)와 과도 상태 (Transient State)를 비교하여 그 차이점을 서술하였다. IPMSM은 속도의 변화에 따라 단위 전류 당 최대 토크(Maximum Torque Per Ampere, MTPA) 제어 영역, 약 계자 제어(Field Weakening Control, FWC) 영역과 단위 전압 당 최대 토크(Maximum Torque Per Voltage, MTPV) 제어 영역 등 세 영역으로 나누어 고려하였다. IPMSM의 MTPA 운전 영역과 FWC/MTPV 운전 영역의 경계가 되는 기저 속도(Base Speed) 는 전압 제한 식에 의한 타원형, 전류 제한 식에 의한 원형과 토크 곡선이 접하는 지점을 지나는 속도가 된다. 기저 속도 이하의 일정 토크 영역(Constant Torque Region) 에서는 주어진 출력 토크 지령에 대해 동손을 최소화하기 위해 MTPA 제어 영역에서 운전하고 최적의 D와 Q축 전류 지령을 계산한다. 기저 속도를 초과하는 일정 출력 영역(Constant Power Region)에서는 고속 운전을 위한 약 자속 제어를 실시한다. 약 자속 제어에서 FWC와 MTPV 제어 영역은 전압 방정식과 전압 제한 식에 의해 나타나는 타원형의 중심점 위치에 따라 결정된다. 타원형의 중심이 원형의 외부 또는 윤곽선 위에 있을 때, D와 Q축 전류 지령은 원형의 원주를 따라 제어된다. 타원형의 중심이 원형의 내부에 있을 때, 최대 출력 토크에 대한 D와 Q축 전류 지령은 타원형의 윤곽선 위에 존재하고, 원형의 내부에서 타원형의 중심점으로 수렴하는 방법으로 제어된다. MTPA/FWC/MTPV 각 제어 영역에서의 D와 Q축 전류 지령은 수치 해석적인 방법에 따라 계산하여 그 해를 구한다. FWC 영역의 D와 Q축 전류 지령은 전압 방정식과 전압 제한 식에 의해 나타나는 타원형과 전류 제한으로 나타나는 원형의 교점에 의해 결정된다. MTPV 영역의 D와 Q축 전류 지령은 타원형의 윤곽선 위에 최대 토크 지점을 찾고, 원형의 내부에서 전압 제한 조건에 의해 동작하는 것이 원형의 원주를 따라 제어되는 것보다 같은 토크에서 작은 전류를 발생한다. 약 자속 제어 영역의 정상 상태와 과도 상태는 전압 방정식을 구성하는 요소에 의해 차이가 발생한다. 정상 상태에서는 기저 속도를 초과하는 고속 영역에서 전압 강하에 의한 저항과 과도 전류를 무시하여 전압 방정식이 구성된다. 이는 중심점이 D축에 있고, D축을 장축, Q축을 단축으로 하는 타원형이 D와 Q 평면상에 나타난다. 본 논문에서 제안하는 과도 상태에서 약 자속 제어 영역에서는 정상 상태와는 달리 저항과 과도 전류를 포함한 전압 방정식이 구성된다. 과도 상태에서의 해석은 정상 상태와 비교하여 회전각이 형성되어 기울어진 타원의 형태로 나타난다. 타원의 중심점은 제3사분면에 위치하고 전동기가 동작하는 동안 타원의 중심점과 윤곽선이 D와 Q 평면상에 끊임없이 변화한다는 것을 관찰할 수 있다. 본 논문에서 제시하는 과도 상태에서의 MTPA/FWC/MTPV 제어 영역을 검증하기 위해 MATLAB/Simulink 기능을 활용하여 시뮬레이션을 진행하였다. | The Interior Permanent Magnet Synchronous Motor(IPMSM) is frequently utilized in the automotive industry as a traction motor for electric vehicle (EV) because it has a wide variety speed range from constant torque region to constant power region controlled in the flux weakening control. In the flux weakening control region, a lot of papers for MTPA/FWC/MTPV control usually have been considered in the steady state. However, it has a limitation that the transient state is not considered even though the transient state is frequently occurred while the operation of the accelerator and the braking of electric vehicle is frequently generated. Therefore, it is essential for electric vehicle to research for the transient state of the MTPA/FWC/MTPV control region. The MTPA/FWC/MTPV control in the transient state is analyzed in this paper in order to solve this limitation. The remarkable difference between in the steady state and in the transient state is the change of operation region between circle from current limits and ellipse from voltage limits due to the shape of the contour of ellipse. In order to complement the limitation of steady state, it is interpreted the shape of ellipse in which the transient current and resistance is included. To sum up, this paper represents how to operate the flux weakening control in the transient state when the resistance and transient current are considered.