In the electromechanical systems requiring the high dynamic performances, the electrical machine should provide a controlled torque over the entire operating range. Because the induction machine is nonlinear and has the inherent coupling problem, it is difficult to directly control the developed torque and to ensure the system stability over the entire operating range by using the scalar control methods. These difficulties can be overcome by employing the field oriented control. The principle of the field oriented control is that the orthogonal spatial angle between the field flux axis and the magnetomotive force axis is maintained without regard to the motor speed, which is called the field orientation. If the field orientation is correctly achieved, the torque is directly controlled by the torque producing component of the stator currents similar to the case of the machine.
The position of the rotor fluxes in the air gap is required to achieve the field orientation in the induction machine. Therefore, the performance of the field oriented control is entirely dependent upon how correctly the rotor flux position is derived. Unfortunately, the rotor fluxes are inaccessible and thus the rotor flux observer is indispensable to realize the field oriented control in the induction machine drive system. Because the machine parameters may be changed with temperature and flux level, it is required that the rotor flux observer has the characteristics such as the fast convergence rate, the robustness against the parameter variations and the good estimation over the wide operating range.
In this dissertation, a variable structure observer for the mismatched uncertain dynamical systems is proposed to improve the estimation error due to the mismatched uncertainties and the proposed method is applied to the design of the full order flux observer for the induction machine. In addition. the two types of the reduced order observer for the rotor flux estimation are suggested to satisfy the above mentioned requirements. One is developed by integrating the predicted errors between the measured and the estimated stator voltages and the other is developed by using the Lyapunov stability theorem. The parameter variation effects are also investigated. If the field orientation is achieved, the torque response is directly influenced by the control of the three-phase stator currents. A new predictive current control technique is also proposed to eliminate the offset current and the inherent phase delay of the conventional predictive control.
고성능을 요구하는 전동기 구동 시스템에서 대상전동기는 전동작 영역에서 제어된 토오크를 발생해야 된다. 유도전동기는 비선형이고 각 상간에 간섭 문제를 갖고 있기 때문에 발생 토오크를 직접 제어하기 어렵다. 또한 기존의 스칼라 제어 방식으로 구동계의 안정도를 보장하기 어렵다. 이러한 문제점들은 자속 기준 제어를 이용하여 해결할 수 있다. 자속 기준 제어의 목적은 자계축과 토오크를 발생하는 MMF축간의 공간각을 전동기 속도에 관계없이 항상 직각이 되도록 유지하는데 있다. 만일 자속 기준 제어기 올바르게 이루어진다면 발생 토오크는 직류 전동기의 경우와 마찬가지로 고정자 전류의 토오크 발생성분에 의해 직접 제어가 된다.
유도 전동기에서 자속 기준 제어를 얻기 위해서는 공극에서 회전자 자속기 위치가 필요하다. 따라서, 자속 기준 제어의 성능은 회전자 자속의 위치를 얼마나 정확하게 얻느냐에 달려 있다. 하지만, 회전자 자속은 실제로 측정할 수 없으므로 유도 전동기 구동계에서 자속 기준 제어를 실현하기 위해서는 회전자 관측기가 필요하다, 전동기의 파라미터는 주위 온도와 자속의 크기에 따라 변하기 때문에 빠른 오차 수렴율, 파라미터 변화에 대한 강인성과 전 동작 영역에서 회전자 자속의 정확한 추정등의 특성을 갖는 회전자 자속 관측기가 요구된다.
본 논문에서는 이러한 목표를 달성하기 위하여 유도 전동기에 알맞는 가변구조 관측기를 제안하여, 이를 회전자 자속 관측기 설계에 적용한다. 제안된 가변 구조 관측기를 이용하여 전동기 파라미터 변화에 의해 발생된 관측 오차를 크게 줄일 수 있으며, 오차 수렴율을 빠르게 할 수 있다. 또한 실제 하드웨어 구현이 간단한 두 가지 형태의 회전자 자속 관측기가 제안된다. 여기서 고정자 전압은 회전자 자속 상태 방정식의 출력식으로 이용하여 하나는 고정자 전압 오차를 적분하여 설계되고 다른 하나는 Lyapunov 안정이론을 이용하여 설계되고 이를 시뮬레이션 및 실험을 통해 검증한다. 자속 기준 제어가 정확하게 이루어지면 발생 토오크는 고정자 전류에 의해 직접 제어된다. 따라서 기존의 예측(prediction) 전류 제어 방식이 갖고 있는 offset 전류 및 상 지연 문제를 해결하기 위해 새로운 방식의 예측 전류 제어 방식이 제안 된다.
