구형파 신호 주입 센서리스 제어에 대해 자속 포화 모델을 이용한 토크 리플 최소화

Abstract

본 논문에서는 구형파 전압 신호 주입으로 인해 발생하는 토크 맥동을 저감하기 위한 새로운 구형파 신호 주입 기반의 센서리스 제어 기법을 제안한다. 교류 전동기의 센서리스 제어 기법은 시스템의 가격 및 부피 감소, 시스템 구성의 단순화, 시스템 신뢰성 증가와 같은 장점들로 인해 적용 범위가 늘어나고 있다. 보통 영속 및 극 저속에서 토크 제어가 가능한 신호 주입 기반의 센서리스 제어 기법이 사용된다. 신호 주입 기반의 센서리스 제어 기법은 추가적인 전압 신호를 주입하고, 유기된 전류를 신호 처리하여 회전자 위치를 추정한다. 그 과정에서 추가적인 전압 신호 주입으로 인해 전동기에 토크 맥동이 발생한 다. 이로 인해 속도 맥동이 발생하고 소음이 발생한다. 신호 주입 기반의 센서리스 제어 기법은 위와 같은 이유로 사용자가 전동기 구동 시스템에 가까이 접근하는 적용 분야에 한계가 있다. 최근 신호 주입으로 인해 발생하는 토크 맥동을 저감하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 또한, 자속 포화 전동기의 자속 포화 모델 추정 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서 제안하는 토크 맥동 저감 방법은 추정한 자속 포화 모델(Flux saturation model)을 이용하여 토크 맥동을 계산한다. 계산된 토크 맥동을 입력으로 사용하고 토크 맥동을 영으로 만드는 토크 맥동 저감 제어기를 제안한다. 토크 맥동 저감 제어기는 주입 전압의 위상 각을 결정한다. 또한 신호 주입 기반의 센서리스 제어 추정 성능을 저하시키지 않는 새로운 신호 처리 방법을 제안한다. 이를 통해 신호 주입 기반 센서리스 제어 기법의 적용 분야를 확대할 수 있다. 제안된 고주파 토크 맥동 저감 신호 주입 기반의 센서리스 제어 기법의 타당성을 검증하기 위해 11 kW 범용 IPMSM(Interior mounted Permanent Magnet Synchronous Machine)에서 실험 검증하였다.|This paper proposes a new technique for removing high frequency torque ripple components generated by the injection of square wave signals. The sensorless control method of an AC motor has advantages such as reduction in system cost and volume, simplification of system configuration, and increase in system reliability. To use the sensorless control method at zero/low speed, a signal injection sensorless control method is required. The signal injection sensorless technique is largely divided into sinusoidal voltage signal injection and square wave voltage signal injection. To increase the control dynamic characteristics and accuracy of the sensorless control technique, a square wave signal injection sensorless control technique is used. However, since the signal injection sensorless control method injects an additional voltage signal, high frequency torque is induced. This causes velocity pulsations, which in turn degrades the control performance. Also, noise is generated due to high frequency torque ripple. Despite the many advantages listed above, the square wave signal injection sensorless control method is not used due to induced high frequency torque ripple. Recently, studies have been conducted to reduce high frequency torque ripple caused by signal injection. The conventional method makes the phase of the high frequency current vector horizontal to a constant torque curve in the current plane of the Synchronous Rotating Reference frame. The high frequency torque ripple component is reduced compared to when injected into the estimated d-axis but is not completely removed. In addition, the sensorless estimation performance is deteriorated using the signal processing method proposed in the existing method. In this paper, the high frequency torque ripple component is accurately calculated using the magnetic flux saturation model. In addition, a high-frequency torque ripple controller that zeroes the high-frequency torque ripple component is proposed. It also proposes a new signal processing method that does not degrade the signal injection sensorless estimation performance. IPMSM was experimented and verified to verify the validity of the proposed signal injection sensorless control method for reducing high frequency torque ripple.