A new hardware optimized predictive current controller is presented. As a driver for the PM synchronous motor, fully digitized controller is applied in the inverter nowadays. The fully digitized controller has lots of advantages such as easy to adopt a new or corrective control methods, high communicative, high immunity against noise. But it has disadvantages also. The major demerit of the controller is calculation delay. The system delay causes loss of system stability and different result from ideal one especially in transient state and in noisy environments. To avoid the sampling noise in analog to digital converter and safe loading the switching duty to the digital comparator, two-step delay in the controller is inevitable. In an application such as high-speed operation for multiple-pole PM synchronous motor, the sampling time of the controller is not much smaller than electrical fundamental frequency of the motor. The two-step delay in a current controller causes significant phase delay.
For the high controllability of the output voltage, pulse width modulated inverter system is used in general. Inverter has to have dead-time to avoid shoot-through of the dc-link. The dead time causes phase voltage distortion of the inverter output voltage and also makes current distortion. This current distortion makes torque ripple, acoustic noise, and increasing power loss.
In order to overcome the problem of the calculation delay, a two-step predictive current controller is proposed in this dissertation. The proposed control method has also demerits of the conventional predictive current control methods what are no immunity to the parameter uncertainties. To minimize the effects of the defects of the proposed method a parameter estimator is added.
To apply the proposed current control method in VSI with PWM, output voltage distortion, position data retardation, and output voltage limitation should be considered. Because of the predictive characteristic of the proposed current controller feed forward type or predictive type dead-time compensator is need.
In this dissertation predictive type dead-time compensator is adopted. To show that the effectiveness and better performance of the proposed control method the simulations and experiments are carried out with 750W PMSM and its drive system. To avoid the demerits of the proposed current controller a discrete type magnetic flux estimator is also presented.
반도체 기술과 고성능 자석의 제작 기술의 발달로 전동기 구동 방법은 비약적인 발전을 이루어 왔다. 특히 최근 들어 희토류 자석 제작 기술의 발달로 고전력 밀도의 영구 자석형 전동기의 제작이 이루어 졌다. 반도체 기술의 발달은 스위칭 소자의 고속 스위칭 및 발열 저감의 결과를 가져왔으며 특히 고속 계산이 가능한 DSP (Digital Signal Processor)의 가격을 낮출 수 있도록 하였다. 이러한 배경으로 이론적으로만 연구되었거나 실현이 불가능해 보였던 전동기 제어 이론들이 구현 가능하게 되었다.
그러함에도 불구하고 산업용, 군용, 가정용 그리고 차량용 영구 자석형 동기 전동기(PMSM)의 전류제어는 궤환형 PI 전류제어기나 히스테리시스 전류제어기 또는 예측형 전류 제어기가 가장 많이 쓰이고 있다.
DSP를 이용한 완전 이산화 제어기로 PMSM 구동용 전류 제어기를 구현할 때 피할 수 없는 현상은 계산 시간만큼의 제어 명령의 인가 지연이 생긴다는 것이다. 이 때문에 궤환형 PI 제어기는 이득 값의 크기를 원하는 대로 크게 할 수 없으며 히스테리시스 전류 제어기는 히스테리시스존의 크기를 설계값 보다 크게 예상 해야 한다. 특히 예측형 전류 제어기는 전압 명령의 계산 시간동안의 전류 움직임에 대한 예측 또는 보상이 필요하다.
본 논문에서는 일반적으로 사용하고 있는 균일 주기 제어 방식을 이용한 PMSM 전류제어기에 예측형 전류 제어기를 적용할 경우 피할 수 없는 계산 시간의 지연을 고려한 새로운 예측형 전류 제어기를 제안 하였다.
균일 주기 전류 제어의 경우 제어 명령 인가 주기를 균일하게 하기위해 전류 측정 한 주기 후에 인가하고 이에 의한 제어 결과는 두 주기후에 측정할 수 있다. 지금까지의 예측형 전류 제어의 경우 계산 하는 중의 지연을 보상하기 위한 여러 가지 방법이 제의 되었으나 제한적인 경우를 제외하고는 대부분 큰 과도 오차를 보이고있다. 처음 전류 측정 후 전류 제어 명령 전압을 계산하는 중에 인가되고 있는 전압에 의한 전류의 동작을 예측하여 다음 전압 명령을 계산 한 예측형 전류 방식을 제안하였다.
실제 시스템에 적용하는데 있어서 일반적인 예측형 전류 제어기가 가지는 단점인 제어기와 전동기의 변수를 부정확하게 알 경우 발생하는 전류 오차를 보상하기위해 여러가지 보상기가 추가 되었다. 전동기 구동용 인버터의 데드타임에 의한 출력 전압의 왜곡 보상기와 계산 전압의 인가시까지 지연시간동안 전동기 회전자의 회전 각 보상기가 추가 되었다. 전동기의 파라메터 중 전류 값에 가장 영향이 큰 전동기의 쇄교 자속량을 추정하는 추정기를 추가 하였다.
인버터의 왜곡 보상기와 전동기의 파라메타의 추정기가 추가된 제안된 전류 제어기는 가상 실험과 실제 실험에 의해 적용 가능성과 성능의 우수성을 보였다. 전류 명령의 제한이 없는 경우 상태에 두 주기후에 전류 명령에 실제 전류에 도달함을 볼 수 있다. 빠른 응답특성을 필요로 하는 전류 제어기에 추정기가 부가된 제안한 전류 제어방법의 적용이 가능하리라 예상된다.
