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표제지
목차
기호 및 약어 9
국문요약 10
I. 서론 12
1.1. 연구배경 및 필요성 12
1.2. 연구 목적 14
1.3. 논문의 구성 15
II. 영구자석형 동기전동기의 벡터제어를 위한 좌표변환 및 모델링 16
2.1. 영구자석형 동기전동기의 분류 및 특징 16
2.2. 벡터제어를 위한 d-q 좌표변환 18
2.3. d-q 좌표계상에서 IPMSM의 수학적 Modeling 22
III. 전류제어기 설계 26
3.1. d-q 좌표계 상에서 PI 전류 제어기 설계 26
3.2. 전향보상 제어기 설계 28
3.3. 안티-와인드업(Anti-Windup) 제어기 설계 30
IV. 속도관측기 설계 32
4.1. 전차원 관측기 이론 32
4.1.1. 개루프(Open-Loop) 관측기 32
4.1.2. 폐루프(Closed-Loop) 관측기 34
4.2. 전차원 관측기를 이용한 속도관측기 35
4.3. 파라미터 오차의 영향 37
4.4. 비례이득 선정 39
4.4.1. 3중근(Triple_Root) 설계법 40
4.4.2. 3차 제어 시스템(3rd order control system) 43
4.4.3. 최종 값 정리를 이용한 계수 선정 47
4.5. 속도관측기 시뮬레이션 52
4.5.1. RDC분해능 시뮬레이션 54
4.5.2. 고조파노이즈 시뮬레이션 57
4.5.3. 전기각 추종 성능 시뮬레이션 61
V. 속도관측기 실험 70
5.1. 속도관측기의 디지털 구현 70
5.2. 실험 조건 72
5.3. 실험 결과 74
5.3.1. 필터역할 확인 실험 74
5.3.2. 속도 리플 실험 78
5.3.3. 전류 파형 주파수 분석 80
VI. 결론 90
참고문헌 91
Abstract 92
표[4-1] ξ값에 따른 관측기 공진 및 대역폭 50
표[4-2] 전기각 최댓값 및 최솟값 58
표[5-1] 실험 IPMSM Parameter 73
표[5-2] 실험 인버터 Parameter 73
표[5-3] 구동rpm, 노이즈 주파수 별 속도 리플율 비교 79
그림[2-1] 동기전동기 단면도 16
그림[2-2] 동기전동기 간략도 18
그림[2-3] Clark 좌표 변환 20
그림[2-4] Park 좌표 변환 21
그림[2-5] 벡터제어를 위한 좌표변환 흐름도 21
그림[2-6] 전동기의 PI 전류제어 시스템 22
그림[2-7] d-q축 전압 등가회로 24
그림[3-1] PI제어기를 이용한 전류제어 블록 다이어그램 26
그림[3-2] 대역폭에 따른 전류제어기 응답 27
그림[3-3] 전향보상 성분이 포함된 PI 전류 제어기 28
그림[3-4] 전향보상이 없는 전류 제어기의 모터 운전 주파수 별 응답 28
그림[3-5] 전향보상한 전류 제어기의 모터 운전 주파수 별 응답 29
그림[3-6] Anti-Windup이 추가된 PI 전류제어기 30
그림[3-7] Anti-Windup 제어기 여부에 따른 적분기 누적현상 31
그림[4-1] 개루프 관측기 32
그림[4-2] 폐루프 관측기 34
그림[4-3] 속도관측기 블록 다이어그램 36
그림[4-4] Ĵ 오차에 따른 관측기 bode plot 37
그림[4-5] B 오차에 따른 관측기 bode plot(이미지참조) 38
그림[4-6] 제안된 속도관측기 블록 다이어그램 39
그림[4-7] 3중근으로 설계한 속도관측기 bode plot 42
그림[4-8] ωn에 따른 속도관측기 bode plot(이미지참조) 44
그림[4-9] ξ에 따른 속도관측기 bode plot 45
그림[4-10] α에 따른 속도관측기 bode plot 46
그림[4-11] ξ에 따른 bode-plot 50
그림[4-12] IPMSM 시뮬레이션 블록 52
그림[4-13] 속도관측기 Matlab 시뮬레이션 53
그림[4-14] 실제 전기각과 RDC전기각 비교 55
그림[4-15] 실제 전기각, RDC전기각, 관측기 추정각 55
그림[4-16] 노이즈 및 주파수 분석 결과 57
그림[4-17] 노이즈 신호 및 관측기 추정 신호 58
그림[4-18] 노이즈 신호 및 관측기 추정 신호의 주파수 분석과 관측기 대역폭 58
그림[4-19] 1㎑대역폭 전기각 추종 59
그림[4-20] 대역폭에 따른 추정 전기각 59
그림[4-21] 대역폭에 따른 추정 전기각 확대 60
그림[4-22] 등속도 구동 시 전기각 추종 성능 62
그림[4-23] 등가속도 구동 시 전기각 추종 성능 64
그림[4-24] 등가가속도 시 전기각 최대오차 66
그림[4-25] 시뮬레이션 속도 67
그림[4-26] 극심한 속도 변경 시 전기각 추종성능 68
그림[5-1] 이산시간 속도관측기 71
그림[5-2] 실험장비 구성 72
그림[5-3] 주입 노이즈 주파수별 관측기 응답 74
그림[5-4] 주입 펄스 주파수 별 주파수 분석 결과 76
그림[5-5] 속도리플 실험 데이터 78
그림[5-6] 역기전력 파형 @ 500rpm 80
그림[5-7] 노이즈가 주입되지 않은 전류 파형 및 주파수 분석 결과 81
그림[5-8] 1㎑ 노이즈 주입 전류 파형 및 주파수 분석 결과 83
그림[5-9] 2㎑ 노이즈 주입 전류 파형 및 FFT 결과 85
그림[5-10] 4㎑ 노이즈 주입 전류 파형 및 FFT 결과 87
그림[5-11] 8㎐ 노이즈 주입 전류 파형 및 FFT 결과 89
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최근 환경에 대한 규제가 강력해지면서, 완성차 업체는 차량의 연비 향상을 위해 다양한 연구를 수행하고 있다. 그중 화석연료로부터 동력을 얻는 엔진을 대체하여 전기모터를 사용하는 EV에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 아직 기존의 내연기관 자동차에 비해 EV의 가격이 높기 때문에 하이브리드 EV가 주로 상용화 되고 있다.
하이브리드 EV의 핵심 부품인 ISG(Integrated Starter & Generator, 시동발전기)는 회전자에 코일을 이용하여 가격을 저감할 수 있는 WRSM(Wounded Rotor Synchronous Motor)과 회전자에 영구자석을 이용하여 무게 비출력과 효율을 높인 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)이 주로 사용된다. PMSM중에서도 구조적으로 강인하여 고속회전이 가능하고, 영구자석 토크 및 자석의 돌극비를 이용한 리럭턴스 토크를 이용할 수 있는 IPMSM(Interior PMSM)이 주로 사용되고 있다.
PMSM 및 WRSM을 제어하기 위해 벡터제어가 사용된다. 벡터제어의 핵심은 전동기 회전자의 위치를 파악하는데 있다. 회전자 위치를 정확히 파악하지 못하면, 모터의 효율 저하는 물론, 모터링 구간에서 발전하거나 혹은 반대의 경우가 발생할 수 있다.
회전자의 위치를 파악하기 위해 주로 Encoder, MR sensor, Resolver등이 사용된다. Encoder는 초기 절대위치를 파악하기 어려워 자동차분야에선 주로 사용하지 않는다. MR sensor와 Resolver는 둘 다 절대위치 파악이 가능하다. 하지만 RDC(Resolver to Digital Converter) 및 여자신호 발생을 위한 추가적인 회로가 필요함에도 불구하고, 기계적 강인함을 이유로 차량 구동 분야에서는 주로 Resolver를 이용한다.
Resolver를 이용할 경우 센서에서 보내는 전압 신호가 RDC를 거친 후 그 결과가 MCU(Micro Controller Unit)에 입력되면, 위치센서 신호처리 알고리즘을 통해 위치를 검출하게 된다. 하지만 차량의 전장부품의 비중이 높아지고 배터리 전압이 높아지면서 차량내 전기적 노이즈가 증가하게 되었다. 이러한 노이즈는 센서의 전기적 신호선에 주입되어 정확하지 않은 센서 신호를 만들게 되고, 이는 벡터제어에 필요한 회전자 위치 검출의 정밀도를 저하시킨다. 또한 RDC에는 분해능 한계가 있기 때문에, 정확한 위치신호를 입력받아도 그이상의 정밀도를 기대할 수 없다[1].
본 논문에서는 속도관측기를 이용하여 회전자 전기각을 연산하고, 원 신호와 속도관측기에서 연산한 신호를 이용한 전류에 각각 푸리에 트랜스폼을 취하여 주파수 특성을 분석한다. 또한 차량용 ISG는 벨트를 통해 차량 엔진축과 연결되어있는데, 차량이 고속에서 구동하게 될 경우 벨트가 떨리게 되고 이는 모터 입장에서 부하토크가 순시적으로 변하는 것이 된다. 이렇게 될 경우 모터 입장에서 가가속도 구동 상황이 발생된 것으로, 극심한 속도의 변화가 발생하게 된다. 기존에 제안된 2차 제어 시스템의 관측기는 이러한 가가속도 상황에서 회전자 위치를 추종할 수 없기 때문에, 3차 제어 시스템의 관측기가 필요하다. 본 논문에서는 기존에 속도제어시스템 용으로 제안된 Luenberger 전차원 속도 관측기를 전류제어 시스템에 맞게 수정한다. 관측기 설계의 기준은 가가속도 상황에서 허용 오차를 제한하고, 적절한 정상상태 수렴 속도와 노이즈저감 성능을 갖도록 대역폭을 설계한다. 계산된 대역폭을 기준으로 시뮬레이션을 통해 성능을 검증하고, 나아가 DSP(Digital Signal Processor)를 통해 실제 성능을 검증한다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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