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유도전동기의 저속 센서리스 제어에 관한 연구. 저속영역 유도전동기의 센서리스 제어에 관한 연구.

서 론

연구배경 및 동향

연구 목적

즉, 이는 제어되는 유도 전동기와 동일한 전기적 매개변수를 갖는 수학적 모델입니다. 양쪽의 전압과 전류를 동일하게 제어함으로써 유도 전동기의 회전자 속도는 모델의 속도 명령값에 가까워집니다.

논문의 구성

4장에서는 유도전동기 센서리스 속도 제어 방법에 대해 설명합니다. 5장에서는 본 논문에서 제안하는 센서리스 속도 제어 방법에 대해 설명한다.

유도전동기 제어방법

직접토크제어

직접토크제어 알고리즘
직접토크제어의 기본 개념과 이론

즉, 고정자 자속은 고정자 전압 벡터 Vs와 동일한 방향으로 이동한다. 히스테리시스 대역 내에서 이동 벡터의 선택에 따라 회전하는 자속의 경로를 보여줍니다.

Fig. 2.1 Control block diagram for direct torque control.

벡터제어

직접벡터제어
간접벡터제어

또한, 위의 식으로부터 회전자의 자속각은 다음과 같이 구해진다. 지금까지 유도 전동기의 벡터 제어에서 회전자 전압과 회전자 자속 결합에 대해 살펴보았습니다.

Fig. 2.4 Vector diagram for indirect vector control.

AFE 정류기와 Inverter 전류 제어 방식

히스테리시스 제어

이러한 히스테리시스 제어 동작에 의해 각 상의 고장 전류가 로 제한되므로 실제 전류 벡터 는 스위칭 선로에 의해 형성된 육각형 내에서만 이동할 것임을 예측할 수 있다. 그러나 히스테리시스 제어기는 본질적으로 아날로그 제어기이며, 스위칭 주파수가 일정하지 않다는 단점으로 인해 그 사용이 제한된다.

Fig. 3.1 Operating principles of hysteresis controller.

삼각파 비교 전류 제어

SPWM 기법의 또 다른 장점은 각 샘플별로 변조를 수행하기 때문에 동적 특성이 우수하다는 점이다. 이 경우 보상기의 이득을 높여서 이 오차를 개선할 수 있으나, 동시에 실제 측정 신호에 포함된 잡음이 증폭되는 등의 문제로 인해 현실적으로 이득을 높이는 것은 어렵다. a) 기준 전류와 출력 전류 (b) 전류 오차 그림.

Fig. 3.4 Voltage modulation area in SPWM.

공간 벡터 변조 기법의 원리
대칭 공간 벡터 변조 방식

이 제로 전압 벡터를 사용하면 변조 성능에 매우 중요한 영향을 미칩니다. 극저속 영역에서는 모터의 속도 제어 및 입출력 전류 특성이 양호함을 알 수 있다. a)는 저속 영역에서 순간 역방향 운전 중에도 속도 명령에 따라 모터 속도가 안정적으로 제어되는 것을 보여주는 속도 그래프이다.

Fig. 3.6 Space vector expressed in a complex number plane.

공간 벡터 변조 패턴

속도추정기에 의한 방식

전류와 추정된 자속으로부터 속도 정보를 얻고 확인하는 방법의 일반적인 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 또한, 회전자 속도는 다음의 유도 전동기 전압 방정식과 자속 방정식으로부터 직접 구할 수 있습니다.

모델기준적응제어에 의한 방식

각 모델의 회전자 속도를 비교한 결과, 회전자 속도는 오차가 있는 것으로 추정될 수 있습니다. 참조 모델과 적응 모델을 기반으로 한 회전자 전류는 다음 식으로 구할 수 있다.

Fig. 4.2 The block diagram of the speed estimation for model reference adaptive control.

신경회로망을 이용한 방식

신경망의 구조는 생물학적 뉴런처럼 다양한 방식으로 연결된 단순한 처리 요소들로 구성됩니다. 신경망을 이용하면 별도의 수학적 모델 없이 비선형 다변수 입력과 다변수 출력을 갖는 유도 전동기를 근사화할 수 있으며 이를 제어 시스템에 적용할 수 있다.

Fig. 4.3 Structure of artificial neuron.

고주파 신호주입을 이용한 방식

속도 제어 특성, 부하 특성도 좋고, 파라미터 변경에도 강인함을 갖고 있습니다. 고주파 신호 주입을 이용한 방식에서는 정격 속도의 약 1[%] 정도의 저속까지 제어가 가능합니다.

Fig. 4.6는 추정 자속 d 축 위에 고주파 맥동 신호가 주입되는 것을 도 시하고 있다. 고주파 주입신호의 응답은 d m 과 q m 의 두 직교축에서 측 정되며, 만약 추정 자속 축과 실제 자속 축이 일치하지 않는다면 d m 과 q m 의 두 직교축에서 측정된 고주파 신호는 임피던스 차이 즉 유도전동 기의 돌극성으로 인하여 다른 값을 나타낸다

칼만필터를 이용한 방식

고정자 전류, 회전자 전류 및 회전자 속도를 추정하기 위한 칼만 필터 방정식은 다음과 같습니다. 칼만필터를 이용하여 유도전동기를 제어할 경우 안정된 저속 운전범위는 정격속도의 약 1.5[%] 정도이다.

Fig. 4.8 Speed estimation block diagram using Kalman filter.

슬롯고조파 분석을 이용한 방식

즉, 고정자 전압이나 전류를 이용하여 슬롯의 고조파 주파수를 계산함으로써 속도 정보를 얻을 수 있다. 필터를 통과하는 고정자 전압 또는 전류를 사용하여 회전자 슬롯 고조파의 주파수를 찾습니다.

상태궤환 선형화 기법을 이용한 방식

상태-피드백 선형화 기법을 이용하여 사용할 수 있는 저속 동작 범위는 정격 속도의 약 5[%] 정도이며, 저속 부하 특성은 센서가 없는 다른 제어 방법에 비해 현저한 성능 저하를 나타냅니다. 그러나 정격속도 이상의 고속운전영역에서는 속도응답 및 부하특성이 저속영역에 비해 향상된 결과를 나타냅니다.

Fig. 4.10을 보면 유도전동기의 자속 및 속도 제어가 각각 독립하여 제 어 가능함을 알 수 있다.

유도전동기 센서리스 속도제어 방식 비교

슬롯고조파해석방식의 경우 부하 및 속도에 관계없이 약 1[%] 정도의 정상오차가 발생하며, 동작이 가능한 저속범위는 정격속도의 약 5[%] 정도이다. 센서리스 알고리즘 동작, 저속범위 가능.

Table 4.1은 유도전동기의 센서리스 속도제어 방식에 따른 안정된 저속 운전범위를 나타내었다.

제안하는 전류오차보상에 의한 센서리스 속도제어

이론적 배경

실제 유도전동기의 고정자 전압과 수학적 모델이 동일하므로, 양쪽의 고정자 전류가 동일할 경우 모터의 회전자 속도는 수학적 모델의 입력인 속도 설정값과 동일하게 됩니다. . . 실제 유도 전동기의 토크 생성.

Fig. 5.1 Input and output variables of induction motor.

제어 알고리즘 및 특징

전류 오차 보상을 이용한 유도 전동기의 센서리스 속도 제어 시스템의 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다. 기존 유도 전동기의 무센서 속도 제어 방식은 대부분 고속 영역에서 추정이 용이하고 정확도가 높아 원활한 제어를 기대할 수 있다.

Fig. 5.4 The block diagram of the proposed system.

속도검출기가 있는 유도전동기 속도제어

제안하는 센서리스 유도전동기 속도제어

낮은 rpm에서 속도 및 입출력 전류 특성이 우수함을 알 수 있다.

Fig. 6.11은 5[N-m]의 부하가 가해진 상황에서 0[rpm]에서 200[rpm]으로 계단상의 속도지령을 가했을 경우이다. (a)는 전동기 속도의 변화를 나타 내고, (b)는 입력단의 상전류 파형이다

시뮬레이션 결과 검토

실험장치의 구성과 실험결과

전력변환시스템의 제어회로 구성

마이크로프로세서
인터페이스
게이트 드라이브
부하 인가 장치

SVPWM 제어를 위해서는 DC 링크 위상의 DC 전압 크기를 알아야 합니다. 위의 문제를 해결하기 위해 본 실험에서는 저항분배기를 이용한 차동증폭회로를 이용하여 전압을 측정하였다.

실험결과 및 검토

실험 결과에서 알 수 있듯이, 극히 낮은 속도 범위에서도 속도 및 각 전류의 제어가 잘 되는 것을 알 수 있다. 극저속 영역에서도 모터의 속도가 안정적으로 제어되는 것을 확인할 수 있다.