The drive and control techniques of the PM synchronous motor for applying the high performance drive system are presented. There exist some problems and limitations in the PM synchronous motor drive system. One of the most serious problems is related to the hardware of the PWM inverter and the other is disturbance problem caused by the harmonics in the linkage flux and the load variations. Therefore, in this dissertation, main topics are solutions of the problems above mentioned for high performance drive system of the PM synchronous motor.
In a PWM voltage source inverter, since a switching device has finite switching times, a dead time should be inserted in a PWM switching signal in order to prevent the simultaneous conduction of two switching devices in each leg of the inverter. Since both switching devices in each leg are off during the dead time, the output voltage is dependent on the direction of an output current. These cause a distortion of the inverter output voltage, which is called as `dead-time effect`. The distortion of the inverter output voltage affects machine currents, which results in a phase current distortion, torque pulsations, and degradations of control performance. Moreover, the dead-time effect including effect of switching time is varied with operating conditions such as DC link voltage and currents.
In order to compensate the dead-time effect, three on-line dead-time compensation methods using simple disturbance observer or time delay control are proposed. The dead-time effect can be considered as voltage disturbance of the inverter and the voltage disturbance is estimated by using proposed methods and fed to voltage commands.
The second problem is about the disturbance torque which is generated from internal and external sources. The internal disturbance torque is due to the non-ideal characteristics of the flux density distribution of a PM rotor. The external disturbance torque is caused by the load torque and load parameter variations. In order to deal with these problems, the general characteristics of the PM synchronous motor are investigated and its mathematical modeling is derived and a new mechanical modeling of the motor and load system is represented. The dynamic behavior of the motor in this model does not depend on the developed torque but depend on the difference between the developed torque and the equivalent disturbance torque, which is referred to as an accelerating torque. If the accelerating torque is perfectly controlled in an inner control loop, the speed dynamics of the motor is independent of the internal and external disturbances and the speed controller can be simply designed. However, it is difficult to obtain the information on the inaccessible accelerating torque. Since the measuring system of this torque is very expensive and bulky, it cannot be easily employed in the industrial drive system.
Therefore, simple estimation and control scheme of the accelerating torque are presented. The linkage flux of a motor is estimated by using the full order observer and the developed torque is calculated by using the estimated linkage flux and measured currents. The equivalent disturbance torque which includes the load torque and load parameter variations is estimated by the reduced order observer. Then, the accelerating torque is controlled by the torque controller employing a PI controller with back EMF compensation.
The proposed methods are applied to a PM synchronous motor drive system and implemented in a digital manner using a digital signal processor TMS320C31. The simulations and experiments are carried out for this system to show the effectiveness of the proposed methods and the performance is compared with that of the conventional control scheme
최근 반도체 소자기술의 급속한 발전과 전력전자의 발전으로 인해 거의 모든 정밀제어 기기 및 산업 자동화 기기분야에서 영구자석형 동기전동기가 직류전동기를 대체하고 있다. 영구자석형 동기전동기는 같은 출력용량의 직류전동기에 비해 높은 전력밀도, 높은 관성치 대 토크 비 및 고 효율 등의 장점을 가지고 있다. 또한, 영구자석형 동기전동기는 비선형 특성과 자체의 커플링 문제를 가지고 있지만 생성토크를 직접 제어하기위한 자속 기준 제어기법이 적용되고 고속의 디지털 신호처리 소자를 기반으로 한 디지털형의 구동시스템의 개발로 이러한 문제가 해결되었다.
전압원 인버터에서 스위칭 소자가 비이상적인 스위칭 시간을 가지고 있어 스위칭 소자의 구동 신호에 데드타임을 삽입하여 동상의 스위칭 소자들이 동시에 켜짐을 방지한다. 그러나, 데드타임으로 인해 인버터의 출력전압의 왜곡이 발생하는 데드타임 효과가 나타난다. 데드타임 효과는 전동기의 전류에 영향을 주어 전동기에서 생성되는 토크에 맥동이 발생하여 제어성능의 전반적인 감소를 유발한다. 이러한 데드타임 효과를 보상하기위한 많은 방법들이 제안되었으나 과거의 방법들은 대부분 추가적인 하드웨어나 실험 결과을 요구하고 있고 오프라인 형태로 구현이 되어있어 구동 조건에 따른 영향을 완벽히 보상하지 못한다. 따라서, 본 논문에서는 온라인 형태의 데드타임 보상 기법들이 제안된다. 제안된 방법들은 추가적인 하드웨어나 실험결과 등을 필요로 하지않는 장점 또한 가지고 있다. 제안된 방법들은 간단한 상태 추정기나 시간지연 제어 기법을 이용하여 데드타임 효과로 발생되는 외란 전압을 추정하고, 추정된 외란전압을 원래의 전압명령에 더해주어 데드타임 효과를 보상한다.
한편, 영구자석형 동기전동기의 속도제어에서는 두 가지의 외란 토크가 발생한다. 한가지는 전동기의 자속이 완전한 정현파 형태로 분포되지 않아서 발생하는 내부적인 외란 토크이고, 또 한가지는 전동기에 인가되는 부하와 부하 파라메터들의 변동으로 인한 외란 토크이다. 이러한 외란 토크를 한꺼번에 다루기 위해 본 논문에서는 가속 토크 궤환 기법을 이용한 속도제어기를 제안한다. 가속 토크란 전동기에서 발생하는 토크와 외란 토크의 차이를 말하는 것으로 전동기 가속에 직접 영양을 주는 토크를 말한다. 가속 토크들을 직접 측정하기 하기위해서는 크고 비싼 장비들이 필요하기 때문에 간단한 추정기법을 이용하여 가속 토크를 추정하였다.
제안된 방법들은 디지털 신호처리소자 TMS320C31을 이용한 전동기 구동 시스템에 소프트웨어로 구현이 되었고, 시뮬레이션과 실험을 통하여 그 효용성이 검증된다.
