유도전동기 벡터제어 인버터에서의 전류측정 및 속도측정 방법 개선 :Improving speed and current sensing methods in vector-controlled inverter of induction motor

김지훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김지훈 (공주대학교, 공주대학교 대학원)

지도교수: 윤덕용

발행연도: 2014

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2014

유도전동기용 벡터제어 인버터에서 전류측정 오차의 실시간 보상 방법

김지훈 , 윤덕용 한국산학기술학회 논문지 2014.03 학술저널

유도전동기 벡터제어 인버터에서의 전류측정 및 속도측정 방법 개선

김지훈 전기전자제어공학과 2014.01 학위논문

2013

유도전동기용 벡터제어 인버터에서 상전류 측정오차의 실시간 보상방법

김지훈 , 김동기 , 윤덕용 대한전기학회 학술대회 논문집 2013.10 학술대회자료

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오늘날 마이크로프로세서 및 전력용 반도체의 발전으로 인하여 서보제어 시스템에 교류전동기를 사용하는 것은 매우 보편적인 일이 되었다. 현재 교류전동기 가변속 제어 시스템에는 타여자 직류전동기와 유사한 제어성능을 나타내는 벡터제어(Vector control) 방식이 가장 널리 사용되고 있다.
교류전동기의 속도제어를 위해서는 순시 토크제어가 필요하며, 이와 같이 토크를 제어하려면 실시간으로 전동기의 입력전류를 측정해야한다. 또한 간접벡터제어 방식을 사용하는 오늘날의 모든 벡터제어 인버터에서는 속도제어를 위해서는 물론이고 벡터제어 알고리즘을 적용하는데 필요한 자속각을 계산하기 위하여 전동기의 회전속도 측정이 필수적으로 요구된다. 벡터제어 인버터에서의 성능은 이 2가지의 데이터를 얼마나 정확하게 측정하느냐에 따라 좌우된다.
전동기의 입력전류는 전통적으로 2개의 홀전류센서를 사용하여 측정하고 나머지 한 상의 전류는 이로부터 계산하여 사용한다. 대부분 전류센서의 아날로그 출력신호는 증폭회로로 증폭되고 A/D 컨버터를 통하여 디지털 값으로 변환하는데, 이러한 증폭회로 및 A/D 컨버터를 거치는 과정에서 오프셋 오차 및 변환이득 오차가 포함될 수 있다. 전류를 측정하는데 있어서 이러한 오차가 포함된다면 벡터제어 인버터를 사용하여 유도전동기를 운전할 때 토크리플이 발생한다.[1]
회전속도 측정장치는 레졸버, 타코 제너레이터 등과 같은 아날로그 센서방식과 로터리 엔코더와 같은 디지털 센서방식으로 나눌 수 있는데, 오늘날에는 대부분 디지털 제어방식의 로터리 엔코더가 널리 사용되고 있다. 로터리 엔코더에서는 속도정보가 구형파의 펄스 형태로 출력되며,[2] 마이크로컨트롤러가 타이머/카운터를 사용하여 이를 계수하고 회전속도로 계산한다. 이와 같이 로터리 엔코더의 펄스로부터 전동기의 회전속도를 측정하는 방법에는 M 방식, T 방식, M/T 방식이 있으며, 이중에서 M/T 방식이 가장 정밀한 속도측정이 가능하다.[3]
본 논문에서는 벡터제어 성능을 향상시키기 위하여 전류측정 과정에서 발생하는 변환이득의 오차를 운전 중에 실시간으로 보상하는 새로운 방법을 제안하고, 이 방법의 유효성을 컴퓨터 시뮬레이션과 벡터제어 인버터 실험으로 확인한다. 또한 전동기의 회전속도 측정방법으로 M/T 방식을 사용하며, 추가적인 하드웨어를 사용하지 않고 Cortex-M4 마이크로컨트롤러에 내장된 타이머를 이용하여 구현한다.

본 논문의 구성은 다음과 같다.
제Ⅰ장은 서론으로서 벡터제어에 사용되는 전동기의 입력전류 및 속도측정에 대해 개괄적으로 설명하고 본 논문의 연구 배경에 대해서 서술하였다.
제Ⅱ장에서는 유도전동기를 수학적으로 모델링하고 벡터제어 알고리즘에 관하여 정리한다.
제Ⅲ장에서는 전류측정 오차에 의한 영향을 수학적으로 해석하고, 전류측정의 이득 오차를 보상하기 위한 새로운 방법을 제안하며, 이 방법의 유효성을 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험을 통하여 확인한다.
제Ⅳ장에서는 속도측정에 사용되는 M 방식, T 방식, M/T 방식을 비교 설명하고, Cortex-M4 마이크로컨트롤러를 사용하여 이를 구현하며, M/T 방식과 M 방식을 비교하는 실험을 통하여 M/T 방식의 우수성을 확인한다.
제Ⅴ장에서는 결론을 요약한다.

This paper is focusing on the ways to measure control input information used in vector-controlled inverter-driven induction motor control system. The control input information includes the measurement of induction motor phase currents and the measurement of induction motor rotational speed. The effect of phase current errors on the output torque of an induction motor, how to compensate for these errors to eliminate torque ripples of the induction motor, and a easy realization method of rotational speed measurement have been studied to get better accuracy.
The current measurement circuits such as current sensor, analog amplifier and A/D converter implies the offset error and transducer gain error when they are used to measure induction motor phase currents. These errors cause a few ripples to output torque of induction motor which is driven by vector-controled inverter. This paper showed that the induction motor output torque is composed with the torque without error, DC-type error torque and error torques with fundamental-frequency ripple and double-frequency ripple.
Many studies to remove the effects of offset error and transducer gain error in AC motor control system have been performed. However, because traditional compensation methods use the control values which are measured prior to inverter startup, it can not solve the error problems exactly when offset error and transducer gain error are changed by the temperature change in inverter operation. This paper proposes a novel compensation control algorithm which remove the torque ripples by transducer gain error in real-time operation. To verify the proposed method, computer simulation and experimentation were carried out. They were applied to vector-controlled inverter for 3-phase induction motor of 200[W]. The simulation and experimental results show that the proposed method eliminate the torque ripples by transducer gain error.
This paper explains the theoretical principles and features of three methods(M method, T method, and M/T method) for measuring motor speed. Of these methods, M/T method which can get more accurate speed value over the wide range of speed is realized only by software algorithm using ARM Cortex-M4 type microcontroller STM32F407VET6. This speed measurement method was applied to the vector-controlled inverter for 3 phase induction motor of 200[W] which uses a rotary encoder with 200 pulses per revolution. This test result was compared with M method, and showed more excellent accuracy than the M method.

목 차---------------------------------------------- i
기호 및 약어------------------------------------------- vi
Ⅰ. 서 론--------------------------------------------- 1
Ⅱ. 유도전동기의 모델링 및 벡터제어--------------------- 3
1. 유도전동기의 수학적 모델링-------------------------- 3
1)고정좌표계에서의 모델링---------------------------- 3
2)동기회전좌표계의 모델링---------------------------- 8
2. 유도전동기 벡터제어-------------------------------- 11
III. 전류측정 정밀도 향상-------------------------------- 17
1.전류측정 오차에 의한 영향--------------------------- 17
1) 오프셋 오차에 의한 영향--------------------------- 18
2) 변환이득 오차에 의한 영향------------------------- 21
2. 전류측정 오차의 보상 방법-------------------------- 24
1) 전통적인 보상 방법 ------------------------------- 24
2) 제안된 실시간 보상 방법--------------------------- 26
3. 컴퓨터 시뮬레이션 -------------------------------- 31
4. 실험 결과----------------------------------------- 37
Ⅳ. 속도측정 정밀도 향상 ------------------------------ 41
1. M 방식과 T 방식의 속도측정------------------------- 41
2. M/T 방식의 속도측정------------------------------ 44
3. Cortex-M4를 이용한 M/T 방식의 구현--------------- 47
1) STM32F407VET6 마이크로컨트롤러의 특징---------- 47
2) M/T 방식의 속도측정 알고리즘--------------------- 48
3) M 방식과 M/T 방식의 속도측정 특성 실험----------- 49
Ⅴ. 결 론-------------------------------------------- 51
참고문헌---------------------------------------------- 53
Abstract---------------------------------------------- 55
감사의 말씀------------------------------------------- 57

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