맥동 전압 주입을 이용한 위치 센서 없는 매입형 영구자석 동기 전동기의 MTPA 추종 제어

Abstract

최근 전동기의 소형화와 출력 밀도 증가 추세에 따라 자기 포화도가 높은 매입형 영구자석 동기전동기(Interior permanent-magnet synchronous motor, IPMSM)가 개발되고 있다. IPMSM은 기저 속도(Base speed) 이하 영역 구동 시, 효율 및 최대 토크 측면에서 이점을 가지는 단위 전류 당 최대 토크 운전(Maximum torque per Ampere, MTPA)으로 동작한다. 그러므로, 자기 포화 상황에서도 높은 효율 및 출력 토크를 유지할 수 있는 실시간 MTPA 추종 운전의 필요성이 증대되고 있다. 본 논문에서는 IPMSM의 자속 모델 기반 MTPA 기술을 바탕으로 위치 센서가 없는 IPMSM에 대해서 실시간 MTPA 추종 운전을 수행한다. 제안하는 실시간 MTPA 추종 운전은 전압 정보를 통한 고정자 자속 추정 가능 여부에 따라, 중고속 영역과 저속 영역 알고리즘으로 나누어 구성된다. 중고속 영역 MTPA 추종 운전에 앞서, 본 논문에서는 임의의 좌표계에서 MTPA 운전점을 판별할 수 있는 MTPA 조건식을 제시한다. 이를 토대로 회전자 위치에 상관 없이 MTPA 운전점을 판별할 수 있는 추정 MTPA 좌표계를 제안하고 제안된 좌표계에서의 MTPA 조건을 유도한다. 추정 MTPA 좌표계의 도입을 통해 MTPA 운전점 판단에 필요한 동적 인덕턴스 정보를 4개에서 1개로 줄일 수 있다. 간소화된 MTPA 조건식을 바탕으로 중고속 영역 MTPA 추종 알고리즘을 제안한다. 제안하는 중고속 영역 알고리즘은 고정자 전압 정보에 기반한 자속 추정기, 동적 인덕턴스 추정기, MTPA 운전점 추종기로 구성된다. 본 논문에서는 고정자 자속을 추정하기 위해 주파수 적응형 자속 추정기(Frequency adaptive flux observer, FAO)를 채택했으며, FAO의 이산 시간 구현 시 발생할 수 있는 오차를 분석하여, 이산화 오류(Discretization error)에 강인한 FAO의 이산 시간 구현 방법을 제안한다. 그리고 단일 맥동 전압 주입을 통해 MTPA 조건식 계산에 필요한 동적 인덕턴스를 계산한다. 이 때, 정확한 동적 인덕턴스 추정을 위한 주입 전압각 제어기를 제안한다. 제안하는 중고속 영역 알고리즘은 운전점에 따른 인덕턴스 및 자속 참조표를 필요로 하지 않으며, 위치 센서가 부착되지 않은 IPMSM에서도 실시간으로 MTPA 운전점을 추종할 수 있다. 기울어진 맥동 전압 주입에 기반한 저속 영역 MTPA 추종 운전 알고리즘을 제안한다. 제안하는 저속 영역 알고리즘은 자속 추정기 대신 중고속 MTPA 추종 시 얻어진 인덕턴스 및 자속 정보를 바탕으로 주입 전압각을 결정하여 저속 영역에서 MTPA 운전점을 추종한다. 또한, 제안하는 저속 영역 MTPA 추종 운전의 수렴성을 보장하기 위해 IPMSM이 가져야하는 충분 조건을 제시한다. 제안하는 MTPA 추종 알고리즘은 자기 포화로 인한 제정수 변동 상황에서도 정확하게 MTPA 운전점을 추종할 수 있다. 150 kW 급 전기 자동차 견인용 IPMSM에서 최대 토크까지 제안하는 MTPA 추종 알고리즘이 성공적으로 동작하는 것을 실험적으로 검증한다.

As the torque density of the interior permanent-magnet synchronous motors(IPMSMs) gets higher, the more magnetically saturated IPMSM is being developed. Below the base speed, maximum torque per Ampere(MTPA) operation is required for the high efficiency and the maximum torque capability of IPMSM. Therefore, an online MTPA tracking operation considering the magnetic saturation is required. This dissertation presents an online MTPA tracking algorithm based on the flux model of IPMSM, which can be applied to the sensorless condition. The proposed algorithm consists of two sub-algorithms; one is for the mid-and high-speed region where the stator flux can be observed from the stator voltage, and the other is for the low-speed region. Prior to the algorithm for the mid-and high-speeds, an MTPA criterion is formulated at an arbitrary reference frame. Furthermore, the estimated MTPA reference frame(EMRF) is proposed, and the MTPA criterion on that frame is derived. On the EMRF, the MTPA condition can be assessed without the rotor position information. Moreover, the proposed MTPA criterion at the EMRF requires only one inductance information, while the conventional criterion at the rotor reference frame is formulated with four inductance information. Based on the simplified MTPA criterion, an MTPA tracking algorithm for mid-and high-speeds is proposed. The proposed method comprises a flux estimator based on the stator voltage observation, a dynamic inductance estimator based on the pulsating voltage injection, and an MTPA point tracking controller. This dissertation adopts the frequency-adaptive flux observer(FAO) to estimate the stator flux information. The discretization error of the conventional implementation of FAO is analyzed. Based on the analysis, an FAOs implementation at the synchronous reference frame, robust to the discretization error, is proposed. The dynamic inductance estimator calculates the d-axis inductance at the EMRF based on the pulsating voltage signal injection. To enhance the estimation accuracy, the injection voltage vector is dynamically changed by an injection voltage controller. The proposed mid- and high-speed algorithm does not need the preset inductance/flux look-up table and is applicable to the sensorless IPMSMs. This dissertation proposes an MTPA tracking algorithm for the low-speeds based on the tilted pulsating voltage signal injection. Instead of the real-time flux estimator, the proposed low-speed algorithm utilizes the inductance and flux information obtained in the mid-and high-speed operation, which determines the direction of the injected voltage vector. This dissertation presents a sufficient condition of IPMSM for the stable operation of the proposed low-speed algorithm. The proposed MTPA tracking algorithm can accurately calculate the MTPA operating point even under the parameter variation induced by the magnetic saturation. The performance of the proposed MTPA tracking algorithm is verified with a 150 kW-rated IPMSM for EV application.