The induction machine drive system can be characterized as a multi-input multi-output system, which is complicated by the fact that it is highly coupled and nonlinear. Because the system is nonlinear, the system poles are changed by the operating point so that it is difficult to ensure that the system is stable over the entire operating range by using the scalar control methods. Also, the dynamic performance of the induction machine can not be easily improved by using the relation of control variables, for example, the profile between voltage or current and frequency.
The foregoing limitation can be overcome by applying a field oriented control method. In the field oriented control system, the current components controlling the rotor flux and torque are decoupled so that the independent rotor flux and torque controls are possible as in a separately excited DC machine. Therefore, the current controller has direct influence on the drive performance and its design requires particular considerations. The basic requirements are the fast dynamic response during the transient state, the optimal switching pattern and lower current ripple in the steady state, and the stable performance under the variations of load parameters and operating conditions. To satisfy the above mentioned requirements, several current controllers with the input voltage feedback are proposed in chapter III.
In this dissertation, the indirect field oriented control method in which the rotor flux is estimated from the stator voltage, current, and excitation frequency is used. This method is based on the slip frequency control, where a slip calculator is used to establish the rotor flux angle with respect to the stator MMF. If the rotor time constant used in setting the slip frequency is incorrect, the machine performance from the viewpoint of flux and loss is degraded. There are two detuning effects. One is a steady state operation with the incorrect values of flux and slip. Another is a transient response to a torque command which involves the flux and torque change and exhibits the second order system response. The influence of detuning on the transient response can be generally handled by the appropriate design of an outer loop. The steady state flux and slip errors caused by detuning are more serious since they lead to the additional machine losses and the reduction of peak torque capability. A new flux and torque controller with the machine parameter estimation algorithm is proposed in chapter IV. This algorithm is based on the direct decomposition into d-q current components controlling the rotor flux and torque, where d-axis is aligned with the actual rotor flux.
Since the machine parameter in the new flux and torque controller is estimated after reaching the steady state, if the magnetic core is once saturated, it is difficult to expect the fast flux and torque responses. Therefore, a new flux and speed controller is proposed in chapter V so that the actual rotor flux and speed follow those commanded values by the direct decoupling concept, where the instantaneous actual rotor flux is estimated from the integration of stator voltage and current. If the rotor flux reaches the steady state, the correct rotor parameter is obtained and the proper field orientation can be guaranteed regardless of the variation of machine parameters.
유도 전동기 구동 시스템은 고간섭일 뿐 아니라 비선형인 다입력 다출력 시스템으로 특징지어진다. 이러한 비선형 시스템의 극은 동작점에 따라 변하므로 상수제어 방법들로서는 전 영역에서 시스템을 안정화시키는 것이 어렵다. 또한 제어변수들( 전압 또는 전류와 주파수 ) 간의 일정한 관계를 주어서는 유도 전동기의 동적 성능이 쉽게 좋아지지 않는다.
앞에서 언급한 단점들은 자속 기준 제어 방법을 적용해서 극복할 수 있다. 자속 기준 제어 시스템에서는 회전자 자속 및 토오크를 제어하는 전류 성분들에의해, 타 여자 직류 전동기와 같이, 회전자 자속 및 토오크를 각각 독립적으로 제어할 수 있다. 전류 제어가 구동 성능에 직접 영향을 주므로 전류 제어기 설계시 기본적으로 갖추어야할 특성은 과도 상태에서 빠른 동적 응답, 정상 상태에서 최적 스위칭 패턴과 저 전류 맥동, 부하 변수 및 동작 조건 변화에 강인한 안정 성능등이다. 이러한 특성을 갖추기위해 입력 전압 궤환을 이용한 여러가지 전류 제어기가 3장에서 제안되었고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 제안된 제어기의 유용성을 보였다.
이 논문에서는 고정자 전압, 전류, 여자 주파수로 부터 회전자 자속을 예측하는 간접 자속 기준 제어 방식이 사용되었다. 이 방식은 기본적으로 슬립 주파수 제어 방식이고, 회전자 자속을 고정자 기자력에 일치되게하는 슬립 계산자를 가진다. 슬립 주파수를 설정할시 사용된 회전자 시정수가 부정확하면 자속 및 손실의 관점에서 전동기 성능은 떨어지게 된다. 이런 간접 자속 기준 제어 방식은 크게 두가지 오동조 효과가 있다. 하나는 부정확한 슬립으로 인한 정상 상태 동작이고, 나머지는 주어진 토오크 명령에 따른 과도 응답에서 나타난다. 과도 응답시 오동조로 인한 영향은 일반적으로 외부 루프를 적적히 설계함으로써 제어할 수 있다. 그러나 정상 상태 동작시 오동조가 일어나면 불 필요한 전동기 손실이 많아지고, 첨두 토오크 능력이 감소되므로 오동조로 인한 정상 상태 자속 및 슬립 오차는 심각하다. 위의 단점을 극복하기 위한 전동기 변수 추정을 가진 새로운 자속 및 토오크 제어기가 4장에서 제안되었다. 이 제안된 알고리즘은 d축이 회전자 자속축에 일치되도록 회전자 자속 및 토오크를 제어하는 d-q 전류 성분들로 직접 분해하는 개념으로 설계되었다.
앞장에서 설계된 자속 및 토오크 제어기는 회전자 자속이 정상 상태에 도달한 후 전동기 변수가 추정되므로, 일단 전동기가 과여자되면, 빠른 속도 및 토오크 응답을 기대하기 어렵다. 그러므로 실제 회전자 자속 및 속도가 각각 독립적으로 제어가 가능하도록 직접 비간섭 개념에 의해 새로운 자속 및 속도 제어기가 제안 되었다. 제안된 제어기는 고정자 전압의 적분치 및 고정자 전류로 부터 추정된 회전자 자속의 순시치에 의해 직접적으로 전체 시스템이 비간섭 되도록 설계되었다. 이러한 자속 및 속도 제어기에서는 회전자 자속이 정상 상태에 도달하게 되면 앞장에서 설계된 전동기 변수 추정 방식에 의해 정확한 회전자 변수가 얻어지므로, 전동지 변수가 변하더라도 적절한 자속 기준이 보장된다.
