7상 BLDC 전동기의 고속운전 영역 확장을 위해 PI 전류 제어기의 안티 와인드업 출력 전압을 이용한 안정 운전 영역 내의 자동 진상각 제어 알고리즘 :

이재원

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이재원 (부산대학교, 부산대학교 대학원)

지도교수: 김장목

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2018

7상 BLDC 전동기의 고속운전 영역 확장을 위해 PI 전류 제어기의 안티 와인드업 출력 전압을 이용한 안정 운전 영역 내의 자동 진상각 제어 알고리즘

이재원 전기전자컴퓨터공학과 2018.01 학위논문

2017

7상 BLDC 전동기의 고속 운전 영역 확장을 위해 PI 전류 제어기의 안티 와인드업 출력 전압을 이용한 자동 진상각 알고리즘

이재원 , 김형진 , 마재성 외 2명 전력전자학회 학술대회 논문집 2017.11 학술대회자료

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본 논문은 7상 브러시리스 전동기의 고속운전 영역 제어를 위한 자동 진상각 제어 알고리즘을 제안하였다. 7상 브러시리스 전동기는 상 권선과 홀 센서가 전기각 2π/7로 배치되어 있고, 전류센서를 통해 7개의 상전류를 측정 할 수 있다. 측정된 상전류와 전류 지령 7개가 각각의 PI 전류 제어기로 입력되고, 7개의 전압 지령을 홀 센서를 통해 획득한 회전자의 위치에 맞게 고정자 권선에 전압 인가를 위해 게이팅 신호를 인버터 시스템에 인가함으로써 전동기를 구동하게 된다. 사다리꼴 형태의 역기전력과 준 구형파 형태의 상전류를 갖는 7상 브러시리스 전동기 제어 방식은 전동기의 고속운전 시, 역기전력 상승으로 인해 유효 전압이 부족해지고, 상 권선의 리액턴스 성분 증가로 역기전력의 위상에 대해 전류 지연이 발생한다. 이로 인하여 전동기의 발생 토크가 감소하며 속도 제어 성능이 크게 떨어지는 문제를 야기하게 된다. 하지만 역기전력의 위상에 대하여 상전류의 위상을 진상으로 제어하는 진상각 제어 방식을 이용하면 전류 지연 보상을 통해 고속운전 영역 시, 부족한 유효 전압 보상과 토크 맥동을 감소시킬 수 있다. 기존의 진상각 제어 방식은 속도 영역에 관하여 반복적인 실험으로 획득한 Look-Up Table을 이용한 제어 방식과 브러시리스 전동기 위치 센서 출력단에 하드웨어 적으로 진상 보상기를 설치하여 전류 지연을 보상하는 진상각 인가하는 방식이 있다. 본 논문은 7상 브러시리스 전동기의 고속운전을 위하여 자동 진상각 제어 방식을 제안하였다. 제안한 자동 진상각 제어 방식은 유효전압 부족 시, 전류 제어기에서 발생되는 안티 와인드업 출력 전압을 인가 진상각으로 획득 가능한 전압여유와 비교하여 피드백 제어를 하였다. 또한 최대 출력 운전 및 과도한 진상각 인가를 제한하기 위하여 전압 방정식으로부터 유도된 진상각 리미터를 제안하였다. 제안한 진상각 리미터는 고속 영역에서 전동기 제어가 불안정하게 되는 것을 방지한다. 제안한 알고리즘의 유용성은 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 타당함을 검증하였다.

This paper proposes the automatic advanced angle algorithm for high speed operation control of 7-phase brushless motor. 7-phase brushless motor has phase windings arranged at an electric angle of 2π / 7, and 7 measured phase currents and current commands are input to the respective PI current controllers. In order to apply the voltage to the stator winding according to the position of the rotor obtained through the Hall sensor, the gating signal is applied to the inverter system to drive the motor. When the 7-phase brushless motor with trapezoidal back-electromotive force and quasi-square-shaped phase current is operated at high speed, the effective voltage becomes insufficient due to the increase of the back-electromotive force. As the reactance component of the phase winding increases, a current delay occurs with respect to the angle of the back-electromotive force and the generated torque decreases. And a problem that the speed control performance is greatly deteriorated due to insufficient effective voltage. However, the advanced angle method can control the angle of the phase current with respect to the angle of the back-electromotive force. By using the advanced angle method, it is possible to reduce the effective voltage compensation and the torque pulsation in the high-speed operation control. In the conventional advanced angle method, the advanced angle is applied the look-up table obtained by the repeated experiment about the speed region and the angle compensator is installed at the output terminal of the brushless motor position sensor.
This paper automatically applies the advanced angle for securing the effective control voltage by using the anti-windup output voltage of the current controller caused by insufficient control voltage in the high speed operation control of 7 phase brushless motor. also, the advanced angle limiter can be set using the voltage equation. this prevents an excessive advanced angle from being applied and making the motor control stable. usefulness of the proposed algorithm was verified that valid through computer simulations and experiments.

#BLDCM #High-speed motor control #Advanced angle control #Current delay

1. 서 론 1
1.1 연구의 배경과 목적 1
2. 7상 브러시리스 전동기 구동 시스템 해석 3
2.1 7상 브러시리스 전동기의 드라이브 시스템 3
2.2 7상 브러시리스 전동기의 구조 4
2.3 7상 브러시리스 전동기의 수학적 모델 5
2.4 7상 브러시리스 전동기 구동 시스템의 제어 방식 9
3. 기존 브러시리스 전동기의 진상각 제어 방법 16
3.1 브러시리스 전동기의 진상각 제어 방법 16
3.2 최적 효율을 위한 룩업 테이블 제어 방법 17
3.3 일정 출력 운전을 위한 룩업 테이블 제어 방법 19
3.4 안티 와인드업 궤환 전압을 이용한 진상각 제어 방법 20
4. 제안된 7상 브러시리스 전동기의 자동 진상각 제어 방법 23
4.1 전류 제어기의 안티 와인드업 출력 전압 23
4.2 7상 브러시리스 전동기의 전압여유 24
4.3 7상 브러시리스 전동기의 인가 전류 해석 28
4.4 안정 운전 영역을 위한 인가 진상각 제한 방법 32
4.5 제안된 7상 브러시리스 전동기의 자동 진상각 제어 방법 34
5. MATLAB 시뮬레이션 35
5.1 시뮬레이션 구성 35
5.2 시뮬레이션 결과 38
6. 실험 결과 및 검토 62
6.1 시스템 구성 62
6.2 실험 결과 64
7. 결 론 85
8. 참 고 문 헌 86

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