[한마 논문] 영구자석 동기전동기의 데드 타임 보상에 의한 센서리스 구동 성능 개선에 관한 연구

  본 논문에서는 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어를 위한 자속 기반 회전자 위치 추정 알고리듬과 데드 타임 보상 기법을 제안한다. 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 고성능 벡터 제어 실현을 위해서는 전동기 회전자의 정확한 위치 정보를 필요로 하고 데드 타임 효과로 인하여 나타나는 인버터의 비선형적 특성이 보상되어야 한다.

  일반적으로 전동기의 회전자 위치 정보는 레졸버, 엔코더, 그리고 홀센서 등과 같은 위치 센서를 전동기 축 또는 전동기 내부에 부착하여 얻을 수 있으나, 대다수의 응용에 있어 공간과 무게의 제한, 신뢰성의 문제 또는 조립의 문제로 인하여 위치 센서의 사용이 제한된다. 따라서 회전자 위치 센서 없이 전동기의 고정자 전압 및 전류 정보를 이용하여 회전자 위치를 추정하는 센서리스 알고리듬이 제안되었다. 그러나 대부분의 방식들은 저속 운전은 제한적이며 역기전력의 적분을 이용하는 방식은 적분 드리프트와 같은 문제들을 가지고 있다.

  한편, 전압형 인버터에서의 데드 타임은 인버터 동상의 스위치가 동시에 턴 온 되는 단락 사고의 방지를 위해 필수적으로 주어져야 하는 시간 지연이다. 그러나 데드 타임은 전동기 드라이브 시스템의 하드웨어 구성과 운전 조건에 따라 변하는 요소인 스위칭 턴 온, 턴 오프 시간 지연 등의 요소들과 함께 인버터의 비선형적 특성을 유발시킨다. 이러한 데드 타임 효과를 보상할 수 있는 많은 방법들이 제안되었으나, 대부분 전동기 상전류의 극성에 의존하여 보상되거나 실험적 데이터를 기반으로 보상되어 어려운 문제가 있다.

  본 논문에서는 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 고성능 벡터 제어 실현과 센서리스 속도제어를 위해 자속 기반 센서리스 제어 알고리듬과 데드 타임 효과 보상 알고리듬을 제안하였다. 센서리스 속도 제어를 위해 자속 기반의 알고리듬을 이용하여 회전자 위치를 추정하였다. 자속 기반 회전자 위치 추정기는 적분기에 의해 제어기 포화 현상이 일어날 가능성이 있으며 이를 방지하기 위한 고역통과 필터가 필요하다. 그러나 고역통과 필터로 인한 위상 앞섬이 발생하게 되고 이는 저속 영역의 제어 특성을 악화시킨다.

  본 연구에서는 내부 비례-적분 피드백 제어를 통하여 적분기에 의한 포화 현상을 제거하였다. 또한 저속 영역에서 영향이 큰 데드 타임에 의한 회전자 위치 오차를 분석하고 회전자 위치 관측기에 입력으로 사용되는 지령 전압을 보상하기 위해 출력 전류의 맥동을 분석하여 맥동 성분을 전향 보상하는 기법을 제안하였다. 제안된 표면 부착형 영구자석 동기전동기의 데드 타임 보상 제어 기법을 검증하기 위하여 160[W]급 세탁기용 표면 부착형 영구자석 동기전동기를 실험 대상으로 다양한 조건에서 시뮬레이션 및 실험을 통해 그 유효성을 검증하였다.

박창석(공학박사·첨단공학 전공)