이중 삼상 영구 자석 동기 전동기의 고조파 전류 제어기 설계

Abstract

이중 삼상 전동기는 고정자 권선이 두 개의 삼상 권선으로 이루어진 구조의 전동기를 의미하며, 높은 토크 밀도 및 내결함성의 장점으로 선박/항공기 및 차량의 견인 전동기로 검토된다. 이때 두 고정자 권선 간에 위상차가 존재하는 경우 토크 맥동이 상쇄되고 추가적인 토크 출력 상승의 효과를 얻을 수 있어 이에 관한 많은 연구가 진행되었다. 위상차가 존재하는 이중 삼상 전동기의 경우, 6 고조파 자속으로 인한 6 고조파 전류가 발생하게 되며 공진 제어기 및 다중 동기 좌표계 상의 비례 적분 제어기를 통한 이중 삼상 전동기의 6 고조파 전류 저감에 관한 많은 선행 연구들이 수행되었다. 하지만 기존 연구의 고조파 전류 제어기는 안정도와 동특성 문제를 가지고 있어 본 연구에서는 이를 해결할 수 있는 전류 제어기의 이득 설정 방법에 관해 연구한다. 이때 제안하는 고조파 전류 제어기의 형태는 추가적인 필터가 없는 다중 동기 좌표계 상의 적분 제어기이다. 제어기의 이득 설정에 앞서 유한 요소 해석을 통한 이중 삼상 영구 자석 동기 전동기의 비이상적 특성에 대해 분석하며 이를 통해 일반적으로 알려진 바와 달리 대상 전동기의 vector space decomposition (VSD) 모델링 상의 인덕턴스에 돌극성이 존재함을 규명하였다. 본 연구에서는 제안하는 고조파 전류 제어기에 적절한 이득 설정 방법을 이산 시간 또는 연속 시간 제어 및 전동기 모델의 돌극성 유무를 모두 고려하여 네 가지 경우에 대해 나누어 설명한다. 각 경우에 대해 이상적인 고조파 전류 제어기가 만족해야 하는 개루프 응답을 구하고, 이러한 응답을 가지도록 하는 전류 제어기 이득을 연립 방정식을 통해 구한다. 제안하는 제어기 이득을 사용한 고조파 전류 제어기는 6 고조파 전류 저감과 12 고조파 전류 제어를 통한 토크 맥동 저감 두 가지 주제에 대해 실험적으로 검증되었으며, 다양한 부하, 속도 조건에서 기존 제어기와 달리 안정하고 원하는 제어 동특성을 가짐을 확인하였다.

A dual three-phase motor, comprising two stator windings with a phase difference, is widely used as a traction motor in ships, aircraft, and vehicles due to its high torque density and fault tolerance. Extensive research has focused on this motor type, owing to its low torque ripple and high torque density. In the case of a dual three-phase motor with a phase difference, a 6th order harmonic current is induced due to non-ideal harmonic flux. Therefore, there is much research on harmonic current regulation using resonance controllers and proportional integral controllers on a multi-synchronous reference frame. However, such a controller exhibits instability, and the dynamic characteristics of the harmonic current controllers are suboptimal. To address these issues, this study investigates a novel method for designing the gain of the proposed harmonic current regulator, which is composed of an integral controller implemented on a multi-synchronous reference frame without an additional filter. Before determining the controller gain, the non-ideal characteristics of a dual three-phase permanent magnet synchronous motor are investigated by using finite element analysis (FEA). The analysis reveals the presence of inductance saliency in the target motor with the vector space decomposition (VSD) modeling. This research provides a comprehensive explanation of the gain design method suitable for the proposed harmonic current controller, considering discrete-time or continuous-time control and the presence or absence of inductance saliency. For each case, the ideal frequency response of the open-loop transfer function is determined, and the corresponding current controller gain is calculated by solving simultaneous equations. In the experimental setup, 6th harmonic current reduction and the 12th harmonic current control for torque ripple reduction are conducted to verify the proposed harmonic current regulator design method. The results verify the effectiveness of the proposed design method under various torque and speed conditions.