Permanent magnet (PM) synchronous motors have been gradually replacing DC motors in a wide range of drive applications such as machine tools and industrial robots. The advantage of using a PM synchronous motor is that many drawbacks caused by the brushes and commutators of a DC motor can be eliminated. Furthermore, the PM synchronous motor has the high power density, large torque to inertia ratio, and high efficiency as compared with a DC motor having the same output rating. The PM synchronous motor, however, has the nonlinear characteristics and inherent coupling problem. Therefore, to directly control the developed torque, the field-oriented control is usually employed. With the recent advancements in general purpose microprocessors and digital signal processors (DSPs), the field-oriented control has made the PM synchronous motor drives possible for the high performance applications where traditionally only the DC motor drives were applied. With the high performance field-oriented control system, the torque and flux producing components of the stator current are decoupled so that the independent torque and flux controls are possible as in DC motors. Thus, a high quality control of the stator current vector is essential for the successful implementation of the field-oriented control since the current controller has a direct influence on the drive performance.
The current control schemes for a voltage source inverter-fed PM synchronous motor drive can be classified as the hysteresis control, ramp comparison control, synchronous frame proportional-integral (PI) control, and predictive control. Among them, the predictive control is known to give a superior performance. This control scheme, however, requires the informations on the machine parameters and operating conditions with the sufficient accuracy, and cannot give a satisfactory response under the parameter mismatch. To overcome such a limitation, an improved digital current control technique of a PM synchronous motor with a simple feedforward disturbance compensation scheme is proposed. In the proposed control scheme, the disturbances caused by the parameter variations will be estimated by using a disturbance observer theory and used for the computation of the reference voltages by a feedforward control. Thus, the steady-state control performance can be significantly improved with a relatively simple control algorithm, while retaining the good characteristics of the predictive control.
Generally, the final goal of the PM synchronous motor drive systems is to control the speed or position. As mentioned earlier, the PM synchronous motor is coupled nonlinear system. In most speed controller designs using PM synchronous motors, the electrical dynamics are often neglected because the electrical dynamics are inherently faster than the associated mechanical dynamics. By neglecting the electrical dynamics, the current is usually considered as a control input, and the speed controller is designed based on the first-order linearized model. This results in the cascaded control structure where the inner-loop current control and the outer-loop speed control schemes are separately designed. Thus, it is more efficient to directly design the speed controller without using a separate inner-loop current regulator. The effective approach to cope with this limitation is to directly design the speed controller considering the whole nonlinear motor dynamics. For a controller design of a nonlinear system, one effective approach is a state feedback linearization technique. By using this technique, the nonlinear motor model can be effectively linearized in Brunovski canonical form, and the desired speed dynamics can be obtained based on the linearized model. This control technique, however, gives an undesirable output performance under the mismatch of the system parameters and load conditions caused by the incomplete linearization. To guarantee the robust speed response under the parameter variations, a robust speed control scheme for a PM synchronous motor using an adaptive input-output linearization technique is proposed. In the proposed scheme, the disturbance torque and flux linkage will be estimated by a model reference adaptive system (MRAS) technique and the adaptation laws are derived by the Popov's hyperstability theory and positivity concept. Since the adaptation law for the disturbance torque estimation has the characteristics of the disturbance observer, the speed control performance is not affected by the load torque and the variation of the motor and mechanical parameters.
The proposed control schemes are implemented by the software of DSP TMS320C30 for a PM synchronous motor driven by a three-phase voltage-fed PWM inverter and the effectiveness is verified through the comparative simulations and experiments.
최근에 영구자석형 동기 전동기가 정밀 제어 및 산업용 로봇과 같은 구동부에 꾸준히 직류 전동기를 대체해 오고 있다. 영구자석형 동기 전동기는 같은 출력 용량의 직류 전동기에 비해 높은 전력밀도, 단위관성 당 큰 토오크 및 고 효율을 가지고 있다. 그러나, 영구자석형 동기 전동기는 비선형 특성과 자체의 커플링 문제를 가지고 있다. 따라서, 생성 토오크를 직접 제어하기 위해 자속 기준 제어가 사용된다. 최근의 범용 마이크로 프로세서 및 디지털 신호 처리 소자의 급속한 발전에 힘입어, 자속 기준 제어는 영구자석형 동기 전동기 구동을 종례에는 단지 직류 전동기 구동 시스템만을 적용할 수 있었던 고성능 구동 분야에 적용할 수 있도록 하였다. 자속 기준 제어를 이용하면, 고정자 전류의 토오크 성분과 자속 성분의 전류가 분리되어 독립적인 토오크 및 자속 제어가 직류 전동기에서처럼 가능하다. 따라서, 전류 제어는 구동 성능에 직접적인 영향을 끼치게 되며, 고정자 전류 벡터의 정밀 제어는 자속 기준 제어의 구현을 위해 대단히 중요하다.
전압원 인버터로 구동되는 영구자석형 동기 전동기의 전류 제어 방식에는 히스테리시스 제어, 삼각파 비교 제어, 동기 기준축 전류 제어 및 예측형 기법이 있다. 하지만, 이러한 제어 기법들은 여러가지 문제점들로 인하여 고성능 구동 시스템에 적용될 수 없다. 최근에 역기전력에 무관한 전류 제어 및 적분기를 가진 상태 궤환 제어 등이 제안되었지만 제어기 설계가 너무 복잡해지는 단점이 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 간단한 전향 외란 보상을 갖는 전류 제어가 제안된다. 파라미터의 변화에 의한 외란 성분은 속도 및 전류의 함수로 나타나며, 전향 보상되는 외란 성분은 외란 관측기에의해 추정된다.
일반적으로, 전동기 구동의 최종 목적은 속도나 위치를 제어하는 것이다. 영구자석형 동기 전동기를 사용한 대부분의 속도 제어기 설계에서 고정자의 전기적 다이나믹스는 무시된 채 기계적 다이나믹스 만을 이용하여 설계된다. 이러한 제어기 설계는 이상적인 전류 제어 성능에 대한 가정을 요구하지만, 실제의 전동기 구동 시스템은 그에 부합하지 못한다. 또한 이러한 설계 기법은 속도 제어기 설계외에도 전류 제어기를 따로 설계해야만 하는 단점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 궤환 선형화 기법이 제안된다. 궤환 선형화 기법을 사용하여 비선형의 전동기 모델은 선형화되어 직접적으로 속도를 제어할 수 있다. 하지만, 이러한 제어 기법은 파라미터 및 부하 조건에 대한 정확한 정보를 요구한다. 파라미터의 변화 및 미지의 부하 조건 하에서 강인한 응답을 얻기 위해 모델 기준 적응 제어 기법이 사용된다. 전체의 제어 알고리즘이 디지털 신호 처리 소자 TMS320C30의 어셈블리에 의해 구현되며, 제안된 방식의 유용성이 비교 시뮬레이션 및 실험을 통해 입증된다.
