반송파에 기반한 신호 주입 센서리스 운전에서 위치 추정 오차에 대한 분석

Abstract

본 논문에서는 매입형 영구자석 전동기에서 맥동하는 구형파 신호 주입 센서리스 운전 시 주입하는 신호의 주파수에 따라 위치 추정 성능이 달라지는 원인에 대해 분석한다. 위치 추정 성능에 영향을 미치는 요인으로써 인덕턴스의 공간 고조파와 인버터의 비이상적인 특성에 의한 전압 왜곡의 영향을 살펴본다. 인덕턴스의 공간 고조파의 경우 전동기의 기계적인 특성에 의해 결정되는 값이므로 제어 방법에 영향을 받지 않는다. 따라서, 본 논문에서는 주입하는 신호의 주파수에 따라 인버터의 비이상적인 특성이 위치 추정 성능에 미치는 영향이 어떻게 변화하는지에 초점을 맞춘다. 인버터의 전압 왜곡은 스위칭 순간의 전류에 의해 결정되기 때문에, 각 조건에서 스위칭 순간의 전류가 어떻게 변화하는지를 살펴봄으로써 위치 추정 오차의 형태를 분석한다. 분석 결과, 무부하 조건에서 스위칭 순간의 전류는 주입하는 신호의 주파수와 관계 없이 역상분 2고조파의 형태로 나타난다. 이 구간에서 전압 왜곡은 스위칭 순간의 전류와 비례하기 때문에 전압 왜곡 또한 역상분 2고조파의 형태로 나타난다. 따라서 추정된 회전자와 동기된 좌표계에서 전압 왜곡은 3고조파가 된다. 위치 추정 오차는 전압 왜곡과 주입하는 전압에 의해 결정되는데 스위칭 주파수의 신호를 주입하는 경우에는 신호 주입 주기 내에서 위치 추정 오차가 서로 상쇄되지 않는다. 따라서, 전압 왜곡과 같이 3고조파의 위치 추정 오차를 갖는다. 반면, 반스위칭 주파수의 신호를 주입하는 경우에는 신호 주입 주기 내에서 전압 왜곡으로 인한 위치 추정 오차가 서로 상쇄되고 공간 고조파에 의한 영향으로 인한 6고조파의 형태가 된다. 부하가 증가하면 스위칭 전류는 주입하는 전압보다는 부하 전류에 더 큰 영향을 받는다. 즉, 인버터의 특성보다는 전동기의 고유한 특성에 의한 영향이 우세하게 나타나며, 위치 추정 오차는 6고조파의 형태를 갖는다. 각 운전 조건에서 스위칭 순간의 전류와 그로 인한 위치 추정 오차에 대한 분석의 타당성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.