전동기는 현대 사회에서 가장 중요한 동력원으로 산업 분야와 생활 가전 분야 등 많은 분야에 사용되고 있다. 전동기는 직류전동기와 교류전동기로 분류되고, 교류전동기는 다시 유도전동기와 동기전동기로 분류된다. 이 중 유도전동기는 구조적으로 강인하며 경제적인 장점이 있어 널리 이용되고 있다. 특히, 유도전동기는 우리나라 전력 사용량의 절반 가까이 점유하기 때문에 유도전동기의 구동 기술의 중요성은 더욱 부각된다. 전력전자 기술이 부족한 과거에는 오직 직류전동기의 순시 토크 제어의 용이성 때문에 직류전동기가 많이 이용되었다. 하지만 직류전동기는 브러시와 정류자의 마찰로 인하여 정기적인 보수가 필요한 단점이 있다.
전력용 반도체 분야에 대한 전력전자 발전으로 가변 주파수와 가변 전압이 가능한 인버터가 등장하고, 마이크로프로세서 분야가 발달하면서 동시에 이론적으로 벡터 제어(또는 자속 기준 제어) 이론이 등장하여 교류전동기의 순시 토크 제어가 가능해졌다. 그래서 순시 토크 제어가 필요한 로봇, CNC 공작기계, 엘리베이터 등의 전동기의 정밀 구동에 유도전동기의 벡터 제어가 많이 이용되고 있다. 벡터 제어는 자속분 전류와 토크분 전류를 공간적으로 직교가 되도록 하여 토크분 전류로 토크를 순시적으로 제어하는 기법이다. 벡터 제어는 간접 벡터 제어와 직접 벡터 제어로 나눌 수 있다. 이 중 간접 벡터 제어는 유도전동기의 자속분 전류와 토크분 전류의 비율이 조절되도록 슬립 각속도를 제어함으로써 간접적으로 자속과 토크를 제어하는 방법이다. 그러나 간접 벡터 제어는 회전자 자속의 정보가 요구되지 않기 때문에 구현이 간단한 장점이 있지만 전동기의 파라미터에 민감하기 때문에 제어의 불확실성이 높다. 한편, 직접 벡터 제어는 회전자 자속 기준 제어와 고정자 자속 기준 제어 그리고 공극 자속 기준 제어로 나눌 수 있다. 이 중 회전자 자속 기준 제어가 수식 전개 및 제어가 간단하여 주로 사용되고 있다. 자속의 정보를 얻는 방법은 직접적으로 측정하거나 계산을 통해 추정을 하는 방법이 있다. 자속의 직접적인 측정을 위한 전동기 내부에 홀 센서를 설치하는 방법은 온도와 기계적 요소에 민감하고 원가 상승의 원인이 된다. 그러므로 전동기의 지배방정식을 이용한 자속 관측기를 통해 회전자 자속을 추정하는 방식이 주로 사용된다. 전동기의 벡터 제어를 위한 자속 관측기에 대한 연구가 오랫동안 되어왔다. 대표적인 방법으로 전압 모델과 전류 모델, 그리고 전차원 상태 관측기를 이용하는 방법이 있다. 전압 모델은 회전자 파라미터의 오차에 강인하나 역기전력이 낮고 노이즈의 영향이 큰 저속 영역에서는 불리하다. 가장 큰 문제는 전압의 옵셋 성분 때문에 순수 적분이 불가능하여 구현이 어렵다. 반면 전류 모델은 옵셋 전압에는 영향이 없으나 회전자 파라미터 오차에 민감하다. 전압 모델과 전류 모델을 혼합한 고피나스 자속 관측기가 등장하였다. 하지만 전동기의 파라미터의 오차가 있을 경우, 고피나스 자속 관측기는 특성 함수의 성질로 인해 중속 영역에서 오히려 전류 모델보다 자속 오차가 더 크다. 뿐만 아니라 전 속도 영역에서 회전자 파라미터 오차에 민감한 전류 모델을 이용하므로 오차는 더 커진다. 그러므로 역기전력이 낮은 저속 영역을 제외한 전 속도 영역에서 전압 모델을 사용하는 것이 이상적이다. 전압 모델을 구현하기 위해 순수 적분을 저역 통과 필터로 대체하여 구현하는 방법이 있다. 하지만 필터를 거친 신호는 크기와 위상이 달라지기 때문에 보상하기 위한 알고리즘이 추가로 필요하다. 다른 방법으로 프로그래머블 저역 통과 필터로 구현하는 방법 등 순수 적분을 대체하기 위한 여러가지 알고리즘이 제안되었다.
본 논문에서는 옵셋 전압에 영향이 없는 전압 모델 자속 관측기를 구현하는 새로운 방식을 제안한다. 그 방법으로 기존의 고피나스 자속 관측기를 이용하고, 특성 함수의 해석을 통해 이를 구현하였다.
본 논문은 다음과 같이 구성되어 있다. 제 1장에서는 서론을 기술하였고, 제 2장에서는 좌표 변환과 유도전동기의 모델링에 대해 설명하고, 제 3장에서는 유도전동기의 벡터 제어에 대해서 기술한다. 제 4장에서는 기존의 자속 관측기를 소개하고 이의 문제점을 분석한다. 그리고 제안하는 자속 관측기를 제시하였다. 제 5장에서는 시뮬레이션과 실험을 통해 제안하는 자속 관측기를 검증하고, 제 6장에서 결론을 도출하였다.

Motors have been used in various industrial fields as the most important power source in modern society. Especially, induction motors have often been used in precise operation of position and speed control. That is because instantaneous torque control of ac motors has been possible since the emerge of vector control theory and those possess both their high durability and efficiency. Flux observers are mostly used to estimate rotor flux of induction motor because installing an inner sensor has disadvantage for economical and mechanical aspects. Thus, accurate estimation of flux is very important to implement direct vector control well. There are voltage model, current model, and the Gopinath flux observer among typically used flux observers. If there is the error of rotor parameters such as rotor resistance and mutual inductance, the well-used Gopinath flux observer shows inferior performance specially in mid-speed region than the current model flux observer. It is because the Gopinath flux observer is more dependent those parameters than the current model because of the property of its characteristic function. Meanwhile, the voltage model shows superb performance because that observer is quite robust with respect to the error of rotor parameters. However, it is difficult to realize pure integration calculation included in voltage model because of the effect of offset voltage which occurs by PWM inverter and others.
This paper proposes realization of the voltage model flux observer based on the conventional Gopinath flux observer and by analyzing of its characteristic function.