A pulse width modulated (PWM) voltage source inverter (VSI) is generally used to control a rotating machine. In the PWM VSI, there are voltage distortions or nonlinear gain between a voltage reference and a voltage applied to motor. These voltage distortions affect the machine performances such as current distortions, torque pulsations, instabilities of control system, and degradation of control performance. These voltage distortions are partly caused by the blanking time which is inevitable to prevent the shoot-through phenomenon. The other reasons are the inherent characteristics of the switching devices such as voltage drops, turn on/off time, and output voltage transition time. These non-ideal characteristics of the devices vary with the operating conditions such as the temperature, DC bus voltage, and phase current level.
Generally, the blanking time is a small delay time in the gate signal of the turning-on devices, in order to avoid a shoot through phenomena. Therefore, the blanking time is a known value by the microprocessor or digital signal processor in which control signals are processed and calculated. However, the DC bus voltage error and non-ideal characteristics of power devices such as'the voltage drops, turn-on/off time, and output voltage transition time are not known.
Up to now, various estimation methods using off-line manner have been proposed. These methods with off-line compensation, however, are difficult to compensate perfectly the time varying voltage distortion using these methods with off-line experiments. In some papers, on-line observing methods for the voltage distortion have been proposed.
In these methods, expensive sensing hardware circuits are necessary or a phase delay exists between the real distortion voltage and the observed voltage, which originates from a low-pass filter of the observer. In this dissertation, real on-time voltage distortion observation methods without the phase delay and without any hardware circuit are proposed. Firstly, to obtain some insights to overcome these problems, the voltage distortions from the blanking time, inherent characteristics of the power devices, and DC bus measuring errors are analyzed in detail. By this analysis, a new on-line estimation method is proposed. This on-line voltage distortion observer is based on time delay control technique and use the newly defined intermediate parameter which is defined in the analysis. By low pass filtering in the estimated intermediate parameter, the observed voltage distortion which is calculated using this estimated intermediate parameter does not have the phase delay problem. As another solution, the voltage distortion observer using adaptive control theory is proposed. Although the first proposed method using time delay control requires accurate electrical motor parameters, the proposed method using adaptive control theory does not require accurate motor parameters.
To prove effectiveness of the proposed voltage distortion observer, feed forward compensation for the voltage distortion is carried out in a PI decoupled current controller. In results of simulations and experiments related to the voltage distortion observer with the current controller, it is proved that the voltage distortions can be observed and compensated accurately. The proposed methods are applied to PM synchronous motor drive system and implemented in a digital manner using a digital signal processor (DSP) TMS320C31.
일반적으로 펄스 폭 변조 전압원 인버터는 교류 전동기를 구동, 제어하기 위하여 사용된다. 이 펄스 폭 변조 전압원 인버터는 전압 명령과 전동기에 인가된 실제 전압 간, 전압 왜곡 또는 비선형 이득이 존재한다. 이 전압 왜곡은 전류 왜곡 및 토크 맥동을 유발하고, 제어 성능 및 저속에서 전동기 구동 시스템의 안정성을 떨어뜨린다. 전압 왜곡의 원인은 부분적으로 인버터의 단락을 방지하기 위해 인위적으로 인가한 블랭킹타임(blanking time)에 기인한다. 여기서, 블랭킹타임은 전력용 반도체의 스위칭 지연에 의해 발생할 수 있는 단락을 방지하기 위해, 점호되는 스위치의 게이트(gate) 구동 신호에 일정 시간 구동 신호에 준 지연 시간을 의미한다. 또 다른 전압 왜곡의 원인으로는 전력용 반도체 소자의 전압 강하, 점호 및 소호 지연 등 반도체 소자의 고유 특성에 기인한다. 이들 특성은 전력용 반도체 소자의 동작 온도, 부하 전류, 직류 링크 전압 등에 의하여 변화한다.
일반적으로 블랭킹타임은 제어 연산을 행하는 마이크로 프로세서 혹은 디지털 시그널 프로세서가 이미 알고 있는 값이다. 그러나 전력용 반도체의 고유 특성에 기인한 전압 강하, 점호 및 소호 지연은 임의의 값으로 그 값을 알기 어렵고, 정확한 보상 또한 쉽지 않다. 이를 해결하기 위해, 지금까지 여러 가지 전압 왜곡 관측기들이 제안된 바 있다. 그러나 이들 방법들은 오프라인 방식들이 대부분이었으며, 오프라인 방식으로 시변성을 갖는 전압 왜곡의 완전한 보상은 쉽지 않았다. 최근, 이러한 문제를 해결하기 위해 전압 왜곡을 실시간으로 관측하는 방법이 제안된 바 있다. 이 들 방안 중, 한 가지는 전력용 반도체 소자의 점호 및 소호 지연을 감지하는 회로를 사용하는 방안이며, 또 다른 것으로 전압 왜곡을 왜란 관측기로 관측하는 방안이다. 왜란 관측기로 전압 왜곡을 관측하는 방법은, 별도의 하드웨어 추가 없이 실시간으로 전압 왜곡을 관측할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 이 방법은 왜란 관측 시 발생되는 전류 신호의 잡음을 제거하기 위하여 저역 통과 필터를 사용하게 되는데, 저역 통과 필터로 인하여 관측된 전압 왜곡에 위상 지연이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
본 논문에서는 별도의 감지 회로나, 위상 지연 없이 전압 왜곡을 실시간으로 감지하는 방안을 제안하고자 한다. 첫째, 왜란 관측기로 전압 왜곡을 관측하기 위해, 전압 왜곡의 특성을 자세히 해석하였다. 그리고 이 해석을 바탕으로 새로운 전압 왜곡 관측기를 제안하였다. 이 전압 왜곡 관측기는 해석에서 얻은 특정 매개 파라미터를 이용하여 간접적으로 전압 왜곡을 관측한다. 또한 이 매개 파라미터의 관측에 있어서, 시 지연 제어 관측 기법을 기반으로 전압 왜곡을 관측한다. 시간적으로 천천히 변화하는 이 매개 파라미터에 저역 통과 필터를 적용하여 매개 파라미터를 관측하고, 전압 왜곡은 이 매개 파라미터를 사용하여 계산하여 기존의 위상 지연 문제를 해결하였다. 그리고, 또 다른 전압 왜곡 관측기로 적응 제어 이론을 적용한 전압 왜곡 관측기를 제안하였다. 비록 시 지연 제어기법을 이용한 전압 왜곡 관측기는 정확한 전동기의 파라미터를 요구하지만, 적응 제어 이론을 이용한 전압 왜곡 관측기는 전동기의 파라미터 오차가 존재하더라도 전압 왜곡을 관측할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이렇게 제안된 전압 왜곡 관측기의 유용성을 확인하기 위하여, 전류 제어기에 전압 왜곡을 보상하므로, 그 보상 효과를 확인하였다. 이를 확인하기 위한 모의 실험 및 실험을 실시하였고, 이 실험의 결과 전압 왜곡이 잘 관측되고 보상됨을 확인하였으며, 그 유용성을 증명하였다. 제안된 전압 왜곡 관측기들은 영구자석 동기 전동기 구동 시스템에서 디지털 시그널 프로세서인 TMS320C31을 사용하여 디지털 방식으로 구현되고 실험되었다. 본 논문에서 제안된 전압 왜곡 관측 기법은 향후 전압 왜곡을 고려한 전동기의 저항, 총 자속 쇄교 등 전동기 파라미터의 정밀한 관측에 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
