맥동 전압 주입과 가상 역기전력을 이용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 전 속도 영역 센서리스 운전

Abstract

본 논문에서는 맥동 전압 주입과 가상 역기전력을 이용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 전 속도 영역 운전이 가능한 센서리스 제어 기법을 제안한다. 매입형 영구자석 동기 전동기의 센서리스 운전은 속도에 따라 다른 기법을 사용한다. 중/고속에서는 역기전력 신호를 통해 회전자 위치를 추정하는 역기전력 기반 센서리스 제어를, 영속 및 저속에서는 자기적 돌극성을 이용해 회전자 위치를 추정하며 이를 위해 고주파 전압을 주입하는 신호 주입 센서리스 제어를 사용한다. 따라서 이 두 알고리즘을 사용하는 경우, 전 속도 영역의 센서리스 운전을 위해서는 알고리즘을 절환하는 기법이 추가로 필요해져 시스템의 복잡도를 증가시킨다. 이러한 절환 절차를 제거하기 위해, 제안하는 알고리즘은 전류 응답 신호와 역기전력 신호를 통합한다. 수정된 전동기의 모델링을 토대로 고주파 전류 응답 신호를 포함한 가상 역기전력 신호를 이용하여 회전자 위치를 추정한다. 가상 역기전력 신호에는 회전자 위치 오차 정보가 주파수 정보와 함께 내재하고 있어, 이를 주파수별로 분리하여 신호 처리를 통해 간단한 신호로 수정한 후 회전자 위치를 추정한다. 기존 절환 알고리즘과의 이론적인 비교를 위해, 제안 알고리즘을 기존의 절환 알고리즘으로 해석하여 어떤 특징을 가지는지 분석하였다. 본 연구에서 제안하는 알고리즘은 가중치 및 절환 구간의 설정이 필요없으며 절환 절차를 거치지 않아 센서리스 알고리즘 간의 절환이 필요한 기존 방법보다 구현이 간단하다. 제안하는 알고리즘의 운전 특성은 1.7 kW 매입형 영구자석 동기 전동기에 대한 시뮬레이션과 실험을 통해 검증하였다.

This paper proposes an entire speed range sensorless control method of an interior permanent-magnet synchronous motor (IPMSM) using pulsating voltage injection and virtual back electromotive force (BEMF). Sensorless control of IPMSM uses different method depending on the speed. At medium/high speed, BEMF-based sensorless control is used to estimate the rotor position through BEMF signal, and at zero/low speed, signal injection sensorless control that injects high frequency voltage signal to estimates the rotor position using magnetic saliency is used. Therefore, when these two algorithms are used, entire speed range sensorless control requires additional switching algorithm method, increasing the complexity of the system. The proposed algorithm integrates the current response signal and BEMF signal to eliminate this switching procedure. The rotor position is estimated using virtual BEMF signal including the high frequency current response signal based on modified modeling of motor. Since the rotor position error information is inherent in the virtual BEMF signal along with frequency information, the rotor position is estimated by seperating virtual BEMF signal by frequency and modifed into a simple signal through signal processing. The proposed method is interpreted as the existing switching algorithm and analyzed for comparison with existing switching algorithm. The proposed algorithm in this research is simpler to implement than the existing method that requires switching sensorless algorithm, since it does not require the setting of weighting factors, switching speed range and switching procedure. The proposed algorithm are verified by simulation and experimental results with 1.7 kW IPMSM.