고성능 영구자석 동기 전동기 구동을 위해서는 토크 성분 전류와 자속 성분 전류를 각각 순시적으로 제어할 수 있어야 하며, 이 경우 회전자 영구자석 자속 위치를 기준으로 벡터 제어를 수행해야 하기 때문에 영구자석 자속의 위치 정보가 필수적이다. 영구자석 동기 전동기의 경우 영구자석 자속 위치가 곧 회전자 위치이기 때문에 회전자 위치 검출기를 사용하여 영구자석 자속 위치를 곧바로 얻을 수 있다. 하지만 회전자 위치 검출기는 구동 시스템의 가격 상승, 부피 증가, 신뢰성 저하와 같은 문제를 발생시키기 때문에, 위치 검출기 사용 없이 회전자 위치를 추정할 수 있는 ‘센서리스 제어 방법’에 관한 연구가 진행되어 왔다.
센서리스 제어 방법 중 상태 관측기를 이용하는 방법은 전동기 구동 시스템에 부가적인 전압 신호를 주입하지 않아도 되므로 시스템의 효율 측면이나 신뢰성 측면에서 유리하고, 전동기의 수학적 모델을 기반으로 하기 때문에 직관적으로 회전자 위치를 추정할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 전동기의 운전 상황에 따라 제정수가 변동할 경우 상태 관측기의 추정 성능이 저하되기 때문에 결국 센서리스 벡터 제어의 성능이 저하된다. 기존 상태 관측기 기반 센서리스 제어 방법에서는 전동기의 운전 상황에 따른 제정수 변동을 고려하지 않았거나, 제정수 변동 상황에서 센서리스 제어만 안정적인 수행되도록 관측기를 설계할 뿐 이를 능동적으로 해결할 수 있는 방법에 대해서는 연구하지 않았다. 이 경우 센서리스 제어는 안정적으로 수행되더라도 변동하는 제정수 값을 정확히 알지 못하기 때문에 관측기와 제어기의 설계 대역폭이 가변될 수 있고 센서리스 벡터 제어 성능이 저하될 수 있다. 또한 제정수 변동 상황에서 기존 상태 관측기를 안정적으로 동작시키기 위해서는 각 전동기 운전 상황에 따른 안정도 분석이 수행되어야 하는데, 이 과정이 매우 번거롭고 관측기의 설계를 까다롭게 한다.
본 논문에서는 고정자 전류에 의해 발생되는 자속과 회전자 영구자석에 의해 발생되는 자속을 각각 추정하는 적응형 상태 관측기를 제안한다. 추정한 고정자 전류에 의한 자속을 기반으로 전동기 운전 상황에 따른 고정자 인덕턴스 변동에 대해 대응하고, 추정한 회전자 영구자석 자속을 기반으로 회전자 회전 속도와 위치를 추정한다. 이에 따라 전동기의 제정수 변동 상황에서도 강인한 관측기 추정 성능을 유지할 수 있고, 관측기 대역폭이 운전 상황에 따라 변동하지 않으므로 센서리스 벡터 제어의 높은 성능을 유지할 수 있다.
또한 추정 회전자 좌표계에서 제안하는 자속 관측기에 전향 보상을 적용하여 두 자속 벡터 상태간 상호 간섭 성분을 제거하고 4차 관측기 시스템을 2개의 2차 관측기 시스템으로 나누어 설계하는 방법을 제시한다. 이에 따라 제안하는 자속 관측기의 설계 방법과 안정도 분석이 매우 간단해진다. 제안하는 자속 관측기에 적용된 전향 보상은 추정 회전자 위치가 실제 회전자 위치와 일치할 경우 전동기의 dq축 상호 간섭 성분을 제거하기 때문에 기존 위치 검출기 기반 전동기 구동 시스템에서 가졌던 전향 보상을 통한 제어 성능 개선의 이점 또한 유지할 수 있다.
더 나아가 실제 시스템에서 발생하는 인버터의 비선형성, 전류 센서의 측정 오차, 디지털 제어기의 샘플링 지연과 같은 비이상적인 문제를 복합적으로 극복하기 위해 보상 방법을 모색하고 이를 기반으로 제안하는 자속 관측기의 추정 성능을 향상시킨다. 최종적으로 제안하는 자속 관측기 기반 센서리스 제어와 비선형성 보상 방법에 대한 효용성은 매입형 영구자석 동기 전동기를 대상으로 수행한 시뮬레이션 및 실험 결과를 바탕으로 입증한다.

For sensorless permanent magnet synchronous motor drives, this paper proposes an adaptive state observer estimating two stator flux components: one is derived from the stator current (stator flux) and the other is derived from the permanent magnet of rotor (rotor flux). The stator inductance variations depending on the motor operating condition are compensated based on the estimated stator flux, whereas the rotor speed and position are estimated based on the estimated rotor flux. Therefore, the proposed flux observer-based sensorless control is robust against the parameter variations.
In addition, the feedforward compensation in estimated rotor coordinates is applied to both the actual motor and observer systems to eliminate the cross-coupling component between the stator flux and rotor flux. As a result, the fourth-order observer system can be divided into two second-order systems, and the design method and stability analysis become very simple compared with the conventional observers. When the estimated rotor position error becomes zero, the feedforward compensation in estimated rotor coordinates eliminates the cross-coupling component of the actual motor system, which improves the performance of current control.
Furthermore, to improve the estimation performance of the proposed flux observer in the actual motor drive system, the compensation method simultaneously considering the practical issues, such as inverter nonlinearity, measurement error of current sensor, and sampling delay of digital controller, is proposed. Finally, the effectiveness of the proposed flux observer and sensorless control method is verified based on the simulation and experimental results.