고주파 전류 맥동 크기 제어를 통한 신호 주입 센서리스 방법의 주입 전압 왜곡 억제

Abstract

교류 전동기의 센서리스 제어 기술의 발달로 위치 센서를 사용하지 않고 회전자의 위치를 정확하게 추정할 수 있게 되었다. 특히 저속 및 영속에서는 전동기의 돌극성을 바탕으로 추가적인 전압 신호를 주입하여 회전자의 위치를 추정하는 신호 주입 센서리스 제어가 널리 이용되고 있다. 여러 신호 주입 센서리스 제어 방법 중 본 연구의 대상이 되는 구형파 전압 주입 센서리스 제어는 속도 제어 대역폭 및 위치 제어 대역폭을 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 추가적인 신호 전압 주입은 가청 소음 발생, 전압 마진 감소, 전류 맥동에 의한 동손 및 철손 증가와 같은 문제점을 가지고 있다. 이와 같은 문제점은 주입 전압의 크기를 감소시킨다면 완화시킬 수는 있다. 하지만 신호 주입 센서리스 제어 시, 인버터 비선형성으로 생성된 위치 추정에 영향을 끼치는 잡음(noise, 노이즈) 성분의 영향은 낮은 전압 주입 시에 더욱 커지기 때문에 주입 전압의 크기를 특정한 크기 이하로 감소시킬 수 없다. 이 때문에 신호 주입 센서리스 제어 상황에서 인버터 비선형성을 보상하기 위한 여러 방법들이 연구되었다. 그러나 기존의 연구들은 주로 수백 Hz의 정현파 주입 센서리스 제어 상황에 초점을 맞추었으므로 주입 주파수가 수 kHz에 이르는 구형파 전압 주입 센서리스 제어에 적용하기 어렵다. 본 논문에서는 구형파 전압 주입 센서리스 제어 시, 인버터 비선형성이 위치 추정 성능에 미치는 영향을 분석하여 위치 추정 성능을 향상시킬 수 있는 전압 주입 기법을 제안한다. 기존의 고정된 전압을 주입하는 방법과는 다르게 d축 전류 맥동의 크기를 일정하게 제어하기 위하여 주입 전압을 조절한다. 이로 인하여 기존의 전압 주입 방법과 비교할 때 동일 전류 맥동 대비 위치 추정 정보의 질을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 운전 조건과 관계없이 일정한 일정한 크기의 d축 전류 맥동을 얻을 수 있다. 따라서 기존의 방법보다 더 작은 전압을 주입하여서도 동일한 위치 추정 성능을 얻을 수 있다. 시뮬레이션 및 실험을 통하여 제안된 방법의 유효성을 검증하였다.