Recently, the AC motor substitutes for DC motor in various fields. There is a significant difference between AC motor and DC motor. The DC motor has brush, but there is no brush in AC motor. Because of no brush structure, the AC motor has good characteristics in comparison with DC motor like good power to weight ratio, no maintenance problem and rugged structure. However, to control the AC motor like DC motor, the FOC (field oriented control) is needed. And, the performance of FOC is related to the accuracy of position information.
As a matter of fact, the choice of angular position and speed sensors and the consequent choice of the related signal conditioning circuit is not much influenced by electrical drive. However, the influence of the above mentioned sensor’s cost grows up in percentage with respect to the electrical drive comprehensive cost, when the rated power of electrical transmission between sensor and control system can be submitted to Electro-Magnetic Interference (EMI) coming from external sources, producing an error in measurement that may be significant for feedback control.
The sensorless drive has been popular for the AC motor drive. The advantages of sensorless drive are easy implementation and low-cost by removing position feedback. Moreover, there is no fault when the position sensor is misaligned with motor shaft in the production process. The sensorless algorithm substitutes for the role of position sensor. In other words, the role of sensorless drive is to remove the position sensor and to stabilize the torque of motor. However, the sensorless drive needs more calculation power and has a poor speed response in comparison with the sensored drive. Recently, because the calculation power of digital signal processor is extremely upgraded, it is help to customize the sensorless control chiefly.
This dissertation proposes a simple position observer based on the instantaneous power and a tuning procedure for the proposed observer in driving the surface mounted permanent magnet synchronous motor. In the instantaneous power of a three phase system, the imaginary and real powers have the information related to the position and velocity. Using the instantaneous power, the difference between real rotor position and estimated rotor position is calculated. For easy design, gain parameters are described as a bandwidth of position observer. The proper bandwidth is expressed in terms of the desired load transient response, system inertia and permitted acceleration range. Also, the sensitivity of phase resistance and inductance is analyzed. The described mathematical results show the necessity of accurate parameter information. Simulation and experimental results show the validity of the proposed design method and analysis.
예전부터 모터는 전기 에너지를 기계에너지로 바꾸는 중요한 연결점 역할을 해왔다. 그 중에서 직류 모터는 우수한 토크 성능을 바탕으로 고성능 토크 제어가 필요한 여러 분야에서 사용되어 왔다. 그에 반해, 인덕션 모터는 고용량에서는 효율이 우수하지만, 초기 기동토크가 나쁜 단점이 있었다. 근래 들어 동기 전동기에 관한 연구가 활발해지면서, 그 간의 직류기의 역할을 동기 전동기들이 대체하기 시작했으면, 그 중에서도 특히 영구 자석형 동기 전동기는 파워 밀도가 높고, 크기 면에서 유리하여 여러 분야에서 많이 쓰이고 있다.
영구자석형 동기 전동기로 직류기처럼 좋은 토크 성능을 얻기 위해서는 자속 기준 제어를 해야 한다. 또한 자속 기준 제어의 성능은 위치성능의 정확도와 밀접한 관련을 갖고 있다. 또한, 동기 전동기는 위치 신호를 이용해야 안정적인 정속 운전을 할 수 있다.
모터의 위치센서의 종류에는 크게 세가지가 있다. 홀센서는 가격이 저렴하고, 크기가 작은 장점이 있으나, 위치 신호의 정밀도가 매우 낮고 온도에 민감한 단점이 있다. 엔코더의 경우에는 성능도 가격에 따라 다양한 장점이 있으나, 마찬가지로 온도/습도에 민감한 문제점이 있다. 레졸버는 환경변화에 강인한 장점과 성능이 우수한 장점이 있으나, 가격이 매우 비싸기 때문에, 군용이나 항공우주 같은 특수 분야에 주로 쓰인다.
센서리스 제어는 이와 같은 위치센서의 역할을 제어로 대신 함으로서 시스템의 크기, 가격 측면에서 유리해지는 방식이다. 기존 센서를 사용한 제어방식은 위치 센서의 크기, 위치센서와 제어보드와의 케이블 연결, 위치신호 해석을 위한 부가적인 전기회로 등으로 인해 크기/가격 측면에서 여러모로 소비되고 있다. 센서리스 제어는 이와 같이 가시적인 장점을 가지기도 하지만, 알고리즘의 복잡성과 센서리스 제어 추가로 인한 성능 감소로 인한 단점을 가진다.
본 논문에서는 기존의 복잡한 센서리스 제어방식을 단순화한 새로운 방식의 센서리스 제어방식을 제안하고, 제안한 센서리스 제어기의 특성을 해석하여, 디자인 방법을 제안한다. 제안한 방식은 3상 순시전력 정보를 기반으로 한다. 3상 순시전력은 시스템에서 측정 가능한 파라미터이고, 단순한 계산을 통해, 위치 오차 성분을 계산한다. 계산된 위치 오차를 사용해 센서리스 제어 알고리즘을 구성한다. 일반적으로 센서리스 제어기는 설계가 쉽지 않다.
일반적인 제어기는 제어기의 안정적인 성능의 기준으로 위상 마진이나 이득 마진을 이용해 설계된다. 하지만, 센서리스 제어기는 그 외에 시스템의 안정도에 큰 영향을 미치는 또 다른 요소를 가지고 있다. 센서리스 제어기에서는 가속 파라미터가 시스템의 외란으로 보이게 된다. 갑작스런 가속 성분이 나타났을 때, 센서리스 제어기는 위치 오차를 줄이면서 제어하게 되는데, 이때 최대 위치 오차가 45°에 도달하면, 시스템의 토크는 70%까지 줄어들게 된다. 즉, 위치 오차가 너무 크게 발생하게 되면, 시스템에서는 토크 제어기에 의해 전류 명령이 다시 커지게 되어, 과도상태에서 시스템이 불안정해지게 될 수 있다. 이 점을 고려하여, 이 논문에서는 정격 가속 범위와 최대 위치 오차 개념을 도입하여, 이 두 파라미터로 부터 센서리스 시스템의 이득을 설계하는 방식을 제안하였다. 제안한 방식은 과도 상태의 특성으로부터 제어기가 설계되기 때문에, 기존의 위상 마진과 이득 마진만을 이용한 방식에 비해, 더 안정적으로 실용적인 접근방법이다. 제안된 방식은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었다.
