The permanent magnet synchronous motor is increasingly being used in home appliances, robotic drives, machine tools, pump and blower systems, and locomotive drives because of its high torque, compactness, and high efficiency. The PMSM is inherently electronically controlled and requires rotor position information for proper drives. However, the problems of the space, cost, and reliability of rotor position sensors have motivated research in the area of position sensorless PMSM drives.
Numerous rotor position sensorless control techniques have been proposed for PMSM drives, but most rely directly or indirectly on the estimation of the rotor flux linkage vector. In this dissertation, the basic principle of flux-observer-based rotor position estimation method of PMSM is briefly described, and the problems of this method are presented.
The performance of this method is poor due to the offsets caused by a pure integrator which is used to calculate the rotor flux linkage vector. The integrator amplifies any dc offset or error in the voltages, currents, and resistances until saturation is reached. Therefore, a high pass filter is applied to the result of the integration to eliminate offsets. However, the filter introduces severe phase delay and amplitude errors at frequencies around its corner frequency.
The offsets problem is more severe at low speed region, because there is more error in the voltages to be integrated. The error of voltages is caused by the imperfection of PWM VSI, namely voltage distortion. If voltage distortion is corrected by a compensation method, the offsets could be reduced so that the phase delay problem introduced by the filter could also be reduced.
In this dissertation, real on-line voltage distortion observation methods are proposed. Firstly, the voltage distortions from the blanking time, inherent characteristics of the power devices 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.
To prove effectiveness of the voltage distortion compensation method to the reduction of offsets caused by an integrator, feed forward compensation for the voltage distortion is carried out in a PI decoupled current controller. In the results of experiments related to the voltage distortions can be observed and compensated accurately. The proposed method are applied to PM synchronous motor drive system and implemented in a digital manner using a digital signal processor (DSP) TMS320C31.
영구자석 동기전동기는 공작기계나 산업용 로봇 등의 광범위한 구동영역에서 직류전동기를 대체해가고 있다. 영구자석 동기전동기를 사용함으로써 브러시와 정류자로 인한 직류전동기의 단점을 피할 수 있게 되었다. 더구나 같은 용량의 직류전동기에 비해 높은 전력밀도, 높은 토크 대 관성비, 고효율 등의 우수한 특성을 가지고 있다.
영구자석 동기전동기의 원활한 전류와 전류제어를 위해서는 위치센서의 사용이 불가결하다. 그러나 대부분의 센서와 관련회로는 온도, 노이즈 등에 민감하여 전동기의 성능을 제한하게 된다. 게다가 이러한 센서의 사용으로 시스템의 부피, 무게, 비용이 증가하게 되고 전체시스템이 복잡하게 된다. 어떤 경우에는 센서를 장착할 수 없는 경우도 있게 된다. 이러한 배경으로 센서 없는 구동방법이 각광을 받게 되었다.
영구자석 동기전동기의 많은 센서 없는 제어 방법들이 연구되어 왔지만, 대부분이 직간접적으로 회전자의 자속(flux)을 예측하는 방법을 이용하고 있다. 본 논문에서는 회전자의 자속을 이용하여 위치를 예측하는 방법에 대하여 살펴보고 그 방법이 갖고 있는 문제점에 대해서도 살펴보았다.
회전자의 자속을 예측하여 위치를 추정하는 이 방법은 적분기에 의하여 발생하는 옵셋(offset) 문제로 인해 회전자 추정 위치에 오차가 발생하게 된다. 이러한 옵셋 문제를 해결하기 위해 고주파 통과 필터(High Pass Filter)를 사용하지만, 필터에 의한 위상지연이 발생하는 문제점이 있다.
이 옵셋 문제는 저속영역에서 전압 오차 때문에 더 심각해진다. 펄스 폭 변조 전압원 인버터는 전압 명령과 전동기에 인가된 실제 전압 간, 전압 왜곡 또는 비선형 이득이 존재한다. 자속을 추정하는데 사용되는 전압 명령과 실제 전압간의 차이 때문에 적분기 내의 전압 오차는 커지게 되고, 옵셋 역시 커지게 되어 위상지연이 더욱 커지게 된다. 결국, 정확한 회전자의 위치를 추정하기 위해서는 위상지연을 줄여야 하며, 이는 옵셋을 줄임으로써 해결할 수 있다.
전압 왜곡의 원인은 부분적으로 인버터의 단락을 방지하기 위해 인위적으로 인가한 블랭킹 타임(blanking time)에 기인한다. 여기서, 블랭킹 타임은 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.
본 논문에서는 별도의 감지 회로나, 위상 지연 없이 전압 왜곡을 실시간으로 감지하는 방법을 제안하고자 한다. 먼저, 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.
이렇게 제안된 전압 왜곡 관측기의 자속 추정에서의 유용성을 확인하기 위하여, 전류 제어기에 전압 왜곡을 보상하므로, 그 보상 효과를 확인하였다. 이를 확인하기 위한 실험을 실시하였고, 이 실험의 결과 전압 왜곡이 잘 관측되고 보상됨을 확인하였으며, 결과적으로 위상지연을 최소화하여 보다 정확한 회전자의 위치를 추정할 수 있음을 확인하였다. 제안된 전압 왜곡 관측기는 영구자석 동기전동기 구동 시스템에서 디지털 시그널 프로세서인 TMS320C31을 사용하여 디지털 방식으로 구현되고 실험되었다.
