동기형 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor : SynRM)의

R-2005-7-086

동기형 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor : SynRM)의 센서리스

벡터제어에 관한 연구

Study on The Sensorless Vector Control of Synchronous Reluctance Motor

한밭대학교

산 업 자 원 부

[서식 제Ⅰ-4호]

력산업연구개발사업 최종보고서 제출서

력산업연구개발사업으로 수행한 “동기형 릴럭턴스 동기( Synchronous

Reluctance Motor : SynRM)의 센서리스 벡터제어에 한 연구 ”에 한 연

구개발사업의 최종보고서를 첨부와 같이 제출합니다.

( 리요령 제41조(연구개발사업 결과의 활용)에 따라 최종보고서의 산업

계, 학계, 련 연구기 등으로의 배포에 동의합니다.)

첨부 : 1. 최종보고서(10부) 자문서 2부

2. 완료과제에 한 [주 기 ] 표자의 평가의견서 각 1부

2007. 1. 31.

수행책임자 : 이 호 (인)

주 기 명 : 한밭 학교

산업자원부장 귀하

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제 출 문

산업자원부 장 귀하

이 보고서를 “동기형 릴럭턴스 동기( Synchronous Reluctance Motor : SynRM)의

센서리스 벡터제어에 한 연구”과제의 보고서로 제출합니다.

2007. 1.

주 기 명 : 한밭 학교

수행책임자 : 이 호

연 구 원 : 이 래 화

〃 : 박 민

〃 : 수 진

〃 : 김 홍 석

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요 약 문

Ⅰ. 제목

동기형 릴럭턴스 동기( Synchronous Reluctance Motor : SynRM)의 센서리스 벡터

제어에 한 연구

Ⅱ. 연구개발의 목 필요성

- 동기형 릴럭턴스 동기(Synchronous Reluctance Motor: SynRM)는 역률이 크고,

단 부피당 토크가 유도 동기 보다 월등하다는 장 이 있다. 따라서 省에 지 측

면에서 그 연구의 요성은 상당한 비 이 있다 할 것이다.

- 최근 동기형 릴럭턴스 동기의 개발에 있어 유한요소법을 이용한 특성해석과

그 결과를 기 로 한 최 설계가 이루어졌으며, 이를 통한 고효율 특성을 확보하고, 가 , 산업용으로서 유도 동기를 체할 가능성을 열었다.

- 한 최근 가장 집 되고 있는 부분은 동기형 릴럭턴스 동기의 가장 큰 단

인 철손 토크리 감에 한 설계 제어기법 연구로서 일본 미국 이탈리아

등 선진국에서 활발히 연구가 진행 이고, 가 , 산업분야에 용시키기 해 상당

한 자본이 집 되고 있다.

- 그러나 국내의 이에 한 지원은 미흡한 상태로서 에 지 약차원의 고효율

동기 개발을 해서 그 연구 지원이 시 하다 할 것이다.

- 선행연구를 통해 확보된 설계 기술을 응용, 다양한 시작기(1HP-8HP)를 제작하

다. 사업화를 해서 센서리스 제어기술의 확보가 필요하며, 용량에 따른 다양한

제어특성을 확보함으로서 기타 선진국에 비해 동기형 릴럭턴스 동기의 기술력을

선 함을 본 연구의 목 으로 한다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 범

- 동 유도기, BLDC 동기와의 효율 성능 비교 평가. - 포화 손실을 고려한 제어알고리즘개발 (동특성해석 로그램)

- 동기형 릴럭턴스 동기의 측기 설계를 한 수학 모델링

- 동기 최 제어 시뮬 이션 기법개발

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- 동기 구동시스템 구성

- 센서리스알고리즘 구 신뢰성 평가

Ⅳ. 연구개발결과

본 연구에서는 모터 포화 손실 등 라미터 변동에 무 한 온라인 라미터

정시스템( 측기)을 수학 모델로부터 구 하 다. 시뮬 이션을 통해 측기설계

의 가능성을 확인하 으며, 실험시스템에 구 하여 비교 양호한 응답을 얻었다.

본 연구결과는 SynRM의 상용화를 앞당길 것으로 사료된다.

향후 과제로서는 부하변동에 따른 양호한 응답특성을 가질 수 있도록 시스템 안정

성에 한 연구가 뒤따라야 할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획

- 기술 측면

본 연구과제의 목표인 동기형 릴럭턴스 동기의 센서리스 벡터제어기법 개발은

국내의 여러 모터 응용기업 특히 신제품개발의 능력이 떨어지는 소기업 연구

소에서 기존 동기(유도 동기, BLDC 등)의 체용 고효율 동기로서 높이 평

가받고 있는 동기형 릴럭턴스 동기탑재 제품화시 요한 참고 수단이 될 것으로

단된다.

동기 릴럭턴스 동기 센서리스벡터제어 기술 확보는 용량이 작은 냉장고 ,에어컨

의 압축기의 상품화를 가능 하고, 용량을 확 하여 자동차 업체와 력하여 기

자동차에 활용할 수 있다, 그리고 고속용에 합한 공작기계 산업용 압축기

등에 활용될 것으로 사료된다.

- 경제․산업 측면

․ 고효율의 동기탑재 제품화에 의한 에 지 약 (유도 동기 비 약 3-7 %

고효율 )

․ 가격, 고효율 동기 응용에 따른 가 타 산업에의 효과

․ 산업 가 제품 용에 따른 외 기술력 과시 기술 축

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-과학 측면

․ 동기형 릴럭턴스 동기의 제어 로그램 개발기술 연구기 확립 활용

․ 최 제어 센서리스 알고리즘 개발에 따르는 우수한 과학인력 양성

○ 활용방안

본 연구과제에서 개발하고자 하는 동기형 릴럭턴스 동기의 센서리스벡터제어기

법은 국내의 여러 모터 제조기업 연구소, 학 등에서 체 고효율 동기라 할

수 있는 동기형 릴럭턴스 동기가 포함된 시스템을 개발하는데 기 으로 활용되리

라 사료됨.

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S U M M A R Y

Synchronous Reluctance Motor (SynRMs) attract attention for their advantages. By eliminating permanent magnets, not only material cost is reduced, but also the possibility of large capacity and the improvement of performance against inferior drive conditions are expected. Since the control of SynRMs generally needs to know rotor position, a position sensor has been attached to a motor. However, position sensors have some problems such as cost, reliability, attachment space and complication of cables. For these reasons, position sensorless control has been desired and studied in many institutes. And now, many sensorless control methods have been proposed. Some of them need motor parameters which include stator inductances and stator resistance to estimate rotor position and velocity. Motor parameters are, however, varied by drive conditions. Inductance parameters are varied by motor currents in the domain arising magnetic saturation phenomenon, and stator resistance is varied by the winding temperature. Especially in case of SynRMs, large variation of inductance parameters are caused because SynRMs , which have no fair of demagnetizing, is actively used into the magnetic saturation domain. Since the accuracy of position estimation is decreased according to these variations, there is necessity of dealing with these problems. For reasons mentioned above, various parameter identification methods have been proposed. One group is off-line parameter identification method. These methods measure inductance parameters in advance, considering various drive conditions, and then, measured inductance parameters are brought into tabling or modeling. Inductance parameters measurements are, however, very complicated, especially, when cross-coupling phenomenon is considered. the other stator resistance parameter is also measured in advance. However, since stator resistance is varied by the winding temperature, it is difficult to consider it. On the other hand, on-line parameter identification method have no need to measure motor parameters in advance. Because this identification method is able to identify motor parameters under a drive. However, in the case of sensorless control, on-line parameter identification method have one problem that actual position and velocity are unknown. Therefore unavoidable position estimation error makes the parameter identification error, if motor parameter identification need position and velocity. Of course, the parameter identification error also make position estimation error. As a result, the error-spiral between the position estimation error and the motor parameter identification error decreases the performance of position sensorless control.

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In this paper, a novel on-line parameter identification system is proposed. Of course, there are no necessity if the complicated measurement if motor parameters in advance. Besides, since the proposed system cancels position and velocity terms which are included in the mathematical model, identified parameters are not affected by position estimation error. The position sensorless control of a test SynRM using motor parameters identified with proposed system is realized. And the effectiveness if the proposed system is verified by experimentations.

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CONTENTS

( 문목차)

CHAPTER 1. OVERVIEW OF THIS RESEARCH PROJECT -------11

SECTION 1. Importance of the Development Technology ------------------11

1. Technical aspect -------------------------------------------------11

2. Industrial and Economical aspect ------------------------------------11

3. Political aspect --------------------------------------------------12

CHAPTER 2. CURRENT ISSUES IN THIS FIELD -----------------14

SECTION 1. Related technology and patent in domestic and foreign countries ---14

1. World-wide trendy of this field ------------------------------------14

2. Domestic trendy of this field -------------------------------------15

3. Vulnerability of motor technology ----------------------------------16

4. Research Procedures and Methodologies -----------------------------17

CHAPTER 3. CONTENTS AND RESULTS OF THIS RESEARCH ---18

SECTION 1. Introduction ---------------------------------------------18

SECTION 2. Mathematical Model of SynRM ----------------------------20

SECTION 3. Identification of the Parameter Matrix --------------------22

SECTION 4. Programing for Simulation and Experiment ------------------28

SECTION 5. Design and Manufacture of Control circuit and Drive circuit

for Experiment ------------------------------------------34

1. DSP ---------------------------------------------------------35

2. Control power supply -------------------------------------------38

3. Electric power circuit -------------------------------------------39

SECTION 6. Simulation and Decision of Experiment Results --------------40

SECTION 7. Conclusion ----------------------------------------------50

CHAPTER 4. ACCOMPLISHMENT OF RESEARCH OBJECTIVE

IN RELATED FIELD ---------------------------------51

- 8 -

CHAPTER 5. APPLICATION PLAN OF THE RESEARCH RESULTS -52

SECTION 1. Expected Effect and Application Plan -----------------------52

1. Technical aspect -----------------------------------------------52

2. Industrial and Economical aspect -----------------------------------52

3. Political aspect -------------------------------------------------52

4. Application plan -----------------------------------------------52

CHAPTER 6. OVERSEAS SCIENCE AND TECHNOLOGY

INFORMATION COLLECTED FROM RESEARCH -----53

CHAPTER 7. REFERENCE ------------------------------------------53

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목 차

제 1 장 연구개발과제의 개요 ----------------------------------------11

1 . 개발기술의 요성(필요성) -------------------------------------11

1. 기술 측면 ---------------------------------------------------11

2. 산업ㆍ경제 측면 ---------------------------------------------11

3. 정책 측면 ---------------------------------------------------12

제 2 장 국내외 기술개발 현황 ---------------------------------------14

1 . 국내․외 련기술 특허 황 --------------------------------14

1. 국외 황 ----------------------------------------------------142. 국내 황 ----------------------------------------------------153. 모터 기술상태의 취약성 ------------------------------------16 4. 연구방향 설정 ------------------------------------------------17

제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ---------------------------------18

1 . 서론 ----------------------------------------------------------182 . SynRM의 수학 모델 -----------------------------------------20

3 . 라미터 행렬 의 정 ---------------------------------------224 . 시뮬 이션 실험을 한 로그래 -------------------------285 . 실험을 한 제어회로 구동회로 설계, 제작 ------------------34

1. DSP --------------------------------------------------------------352. 제어 원 ---------------------------------------------------------383. 력회로 ----------------------------------------------------39

6 . 시뮬 이션 실험 결과분석 ----------------------------------407 . 결 론 ---------------------------------------------------------50

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 -----------------------51

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제 5 장 연구개발결과의 활용계획 -----------------------------------52

1 . 기술개발시 상되는 효과 활용방안 ---------------------52

1. 기술 측면 ---------------------------------------------------52

2. 산업ㆍ경제 측면 ---------------------------------------------523. 정책 측면 ---------------------------------------------------524. 활용방안 ----------------------------------------------------52

제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ---------------53

제 7 장 참고문헌 -----------------------------------------------------53

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제 1 장 연구개발과제의 개요

1 . 개발기술의 요성(필요성)

1. 기술 측면

▣ 동기형 릴럭턴스 동기(Synchronous Reluctance Motor: SynRM)는 역률이 크고, 단 부피당 토크가 유도 동기 보다 월등하다는 장 이 있다. 따라서 省에 지 측

면에서 그 연구의 요성은 상당한 비 이 있다 할 것이다.

▣최근 동기형 릴럭턴스 동기의 개발에 있어 유한요소법을 이용한 특성해석과

그 결과를 기 로 한 최 설계가 이루어졌으며, 이를 통한 고효율 특성을 확보하고, 가 , 산업용으로서 유도 동기를 체할 가능성을 열었다.

▣ 한 최근 가장 집 되고 있는 부분은 동기형 릴럭턴스 동기의 가장 큰 단

인 철손 토크리 감에 한 설계 제어기법 연구로서 일본 미국 이탈리

아 등 선진국에서 활발히 연구가 진행 이고, 가 , 산업분야에 용시키기 해 상

당한 자본이 집 되고 있다.

▣그러나 국내의 이에 한 지원은 미흡한 상태로서 에 지 약차원의 고효율

동기 개발을 해서 그 연구 지원이 시 하다 할 것이다.

2. 산업ㆍ경제 측면

▣ 모터는 소형화, 경량화, 고속화, 고기능화, 고효율화, 모듈화와 더불어 렴한 가격

이란 시장의 요구사항에 응하여 업체들의 기술 신이 이루어지고 있다

▣ 최근, 계속된 경기침체에도 불구하고 국내 모터산업의 경우 자동차 가 의 수출

호조 등의 향으로 생산량은 꾸 히 증가하고 있으나 단가의 하락 등으로 생산량의 증

가가 매출증가로는 이어지지 못하고 있으며, 이 과 비교하여 매출실 의 감소를 나타내

는 업체가 2~3배 정도 많아진 것으로 나타났다.

▣ 하지만 디지털화ㆍ정보화ㆍ고 화의 트랜드와 더불어 소형모터 수요증가는 확실

히 견되고 있다. 특히 자동차, 디지털 AV기기 련 등에서의 신규수요와 인터넷 등의

통신인 라의 발 에 따라 직ㆍ간 으로 모터의 수요가 증가할 것으로 견되어진다.

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▣ 국내의 소형 모터 업체도 모터의 응용분야의 다양화 변화 등이 다양하게 개됨

에 따라 자동차, 통신기기, 디지털가 , 컴퓨터 주변기기, 산업 응용 기기 등에서 꾸

히 수요가 확 됨에 따라 소형 모터의 수요 한 진 인 성장이 상된다.

3. 정책 측면

▣매년 실시하는 산업 황 조사의 경우 모터의 생산량은 매년 10~20% 꾸 히 증가하

는 상태이나 단가의 하락 등으로 매출실 이 둔화되고 원자재 동으로 인해 자재가격의

폭등, 국의 가 공세 등으로 이익률이 차 하락하고 있어 고정 모터, 고효율모터, 특수모터로의 개발 생산 환 등 기존의 제품에서 새로운 트랜드의 모터제품으로 패

러다임을 변화해야 할 상황이다.

▣ DC모터, 유도 동기 등 통 인 소형모터의 경우 별다른 기술 근의 어려움은

없으나 고효율모터, 고정 모터 신규 특수모터에 한 각국, 각 업체의 기술보호주의

가 강화됨으로써 일본 등 선진국으로부터의 핵심기술의 기술이 이나 제품 개발 시의 핵

심부품의 공 에 많은 견제를 받고 있다.

▣모터 개발 생산에 필수 인 핵심부품들 에서 정 설계기술, 구동 드라이 IC, Hall센서, 정 베어링 등의 핵심부품에 한 일 의존도가 개선되지 않고 있다.

▣ 핵심 모터의 발굴 개발 필요

- 첨단 정보기기, 정 기기 의료기 산업의 경쟁력 확보를 한 핵심부품 산업으로 육

성 활용

- 정 모터 등 신규 개발 모터에 한 시험 제품 인증을 한 테스트 베드 운

이와같이 기술 , 산업▪경제 , 정책 측면에서의 분석으로부터 악된 고정

모터, 고효율모터, 특수모터로의 개발 생산 환 등 기존의 제품에서 새로운 트랜드

모터 제품으로 패러다임을 변화해야 할 상황에 가장 주목해야할 상이 “동기형릴럭

턴스 동기”이다.

▶ 최근 동기형 릴럭턴스 동기에 한 최 설계 센서리스제어기법 확보를

통한 상용화가 일본 미국 이탈리아 등 선진국에서 활발히 진행 이고, 가 , 산업분

야에 용시키기 해 상당한 자본이 집 되고 있다.

▶ 그러나 국내의 이에 한 심 연구개발은 모 기업을 제외하고 미흡한

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상태로서 에 지 약차원의 고효율 동기 개발을 해서 그 연구 지원이 시

하다 할 것이다.

▶ 선행연구를 통해 확보된 설계 기술을 응용, 다양한 시작기(1HP-8HP)를 제작

하 다. 사업화를 해서 센서리스 제어기술의 확보가 필요하며, 용량에 따른 다양

한 제어특성을 확보함으로서 기타 선진국에 비해 동기형 릴럭턴스 동기의 기술력

을 선 함을 본 연구의 목 으로 한다.

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제 2 장 국내외 기술개발 현황

1 . 국내․외 련기술 특허 황

1. 국외 황

철손이 벡터제어에 미치는 향을 다룬 국외연구 사례로서 E.Levi와 G.O. Garcia는 유도기에서 그 향을 다루고 수정된 제어기를 설계하 으며, Longya Xu는 동기

형 릴럭턴스 동기에서 그 향과 류 측기를 통해 이를 보상한 제어방법을 제

시하 다. 한편 R.E.Betz는 포화와 철손이 최 토크운 이나 최 효율운 , 최 토크

변화율 운 에 미치는 향을 분석 했다. 그러나 의 연구들은 철손에 의해 발생

하는 토크의 비선형 특성을 개선하기 해 보상 알고리즘을 추가하는 방법을 취하

으나 철손 등가 항 측정이 필요하다. 한 Longya Xu의 경우는 실제 토크에 기

여하는 류성분을 얻어내기 해 류 측기를 구성해야 하는 단 을 지니고 있

다.

▶ 특허 황

국가별로는 일본의 출원이 유럽/미국보다 많음

Motor assemblyControl / Drive

Rotor구조Rotor구조

Stator구조Stator구조

조립 구조조립 구조

기술분류별기술분류별

SynRM 제어(Sensorless제어포함)

SynRM 제어(Sensorless제어포함)

Motor core 낱장

주로 Rotor 형상과 제어 관련된 특허들이 많이 출원되고 있음

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Matsushita : rotor 형상 제어

Mitsubishi : 유도 동기형 자기 항 모터

Toshiba : rotor 형상 제어

Hitachi : rotor 형상 제어

Daikin : 조립 구조

2. 국내 황

유도기에 한 철손 보상 알고리즘은 다수 연구되었으나, 동기형 릴럭턴스 동

기에 한 철손 보상 알고리즘 연구는 미흡한 실이다. 동기형 릴럭턴스 동기의

토크왜곡 상을 정량 으로 분석하고, 일정 토크 입력시 자속분 류(d축 류)와 토

크분 류(q축 류)사이의 간섭이 발생토크에 미치는 향이 평균 으로 최소가 되

게 하는 고정자 입력 d, q축 류의 조합을 선정하면 개선된 선형 인 토크특성을

얻을 수 있음을 보인 연구 논문이 발표되었다.

― 연구 황 : - 연구개발 업체 : (주)LG 자

- 학교 : 한밭 학교, 한양 학교 등

▶ 특허 황

국내 특허 출원 50건 ( 98년도 - 05년도)

□ SynRM 련 40건 ( LG 자, 한밭 학교) - 제어 련 : 31건

- 형상 련 : 4건

- 구조 : 4건

- 기타 : 3건

□ 거 /포기 3건

□ SynRM 외 7건

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3. 모터 기술상태의 취약성

SynRM 제어를 한 일반 기반기술은 다음과 같다.

동기형 릴럭턴스 동기의 구동부의 해결해야 할 문제 은, 동기의 고속 회

시 회 자의 치정보를 동기에 입력되는 압, 류를 검출하여 구동시키기

한 구동 알고리즘에 한 기 연구와 철손에 따르는 보상알고리즘 연구 등이 필요

하다. 한 고속 회 시 동기의 동특성에 한 측정 평가 방법에 한 검증에

있어 애로 사항이 상된다.

▯ 센서리스 제어기술 : 고효율․성능 SynRM은 속도 토오크의 정 제어를

해서 자극 치를 정확히 검출할 수 있는 센서가 필요하지만 이러한 센서들은 환

경 응성이 나쁘고 가격 인 면에서 불리하므로 SynRM의 경쟁력을 하시키고 있

다. 따라서 센서리스 제어 기술의 개발은 SynRM 운 의 단 인 센서의 필요성을

극복하면서 효율 성능 감소를 해결할 수 있는 핵심요소기술로서 동기의 제어

기술을 한 단계 발 시키는 근간기술이다.

▯ 고신뢰성 평가기술 : 제어용 SynRM이 동작하기 해서는 구동회로가 필수

이며 따라서 압, 류, 속도, 토오크, 효율, 역률 등의 SynRM 특성을 시험하기

해서는 반드시 구동 회로를 포함하는 성능평가가 이루어져야 한다. 한, 환경을 고

려하는 진동․소음 측정과 기기의 오동작을 유발하는 자 장해 시험(EMI) 등의

내환경 비 평가기술을 통하여 모터의 신뢰성을 평가하는 기술이 필요하다. 이러

한 평가기술의 확보는 재 확산되고 있는 세계 표 화(IEC, MPEG, CDMA 등)에

응할 수 있는 핵심기술이다.

▶토크리 분석 제어알고리즘 개발

→ 제어기가 결합된 압원 해석기법 (본 연구실 보유기술)

▶센서리스 구동부 구성 철손 감 제어 알고리즘에 한 연구 수행

→ 구동부 하드웨어는 본 연구실에서 보유 이며, 알고리즘 개발에 의한 소

트웨어 개발

▶기술 개발의 완성도를 높이기 한 기구설계 제작

▶업체와의 유기 인 정보교환 기술교류를 통한 상용화 기반 확보

- 17 -

4. 연구방향 설정

○ 소형 동기는 기, 자, 정보, 산업기기 등의 핵심 구동부품으로서, 제품의

등 기술 트랜드는 세트기기의 기술 성향에 부합하여 발 하고 있으며, 이

에 따라 소형 동기의 종류 한 세분화, 문화되고 있음.

○ 한, 제품의 경박단소화, 고신뢰성, 고효율화 등에 따라 이들 응용기기의 핵

심 구동원인 소형 정 동기도 에 지가 높은 캠팩트형의 신속한 제품 개발이 요

구되고 있음.

○ 재 기 구동 시스템에서의 에 지 약을 해서는 동기의 고효율 설계

뿐만 아니라 동기 최 효율 운 가변속 운 이 반드시 필요하며, 국내외 자

료를 살펴보면 가 기기, 정보 통신기기의 발 으로 제어용모터의 유율이

증가되는 것으로 악된다.

○ 자부품의 렴화 고성능화에 힘입어 구동회로와 제어회로를 포함한 제

어용 모터(매입형 구자석 동기(BLDC 포함), 스 치드 릴럭턴스모터, 동기형 릴

럭턴스모터 등)가 차세 모터(3세 모터)로 경쟁력을 확보하고 상용화가 속히

이루어지고 있음을 알 수 있다.

따라서 SynRM의 구동시스템 개발방향은 이상으로 종합한 국내외 동기 생산, 기술 황을 분석하여 연구방향을 설정해야 한다.

- 18 -

제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과

1 . 서론

가정용 산업용 동기의 부분은 유도 동기이지만, 특정 응용 분야에서는

이를 체할 새로운 동기의 필요성이 증 되고 있다. 특히, 최근에 인버터가 가

화 되면서 가변속 동기의 용이 가능하게 되어 가변속 동기에 한 연구에 한

층 박차를 가하게 되었다. 이러한 연구 가운데 구자석이 없으며, 소음면에서도 스 치드 릴럭턴스 동기

(SRM)보다 유리한 동기형 릴럭턴스 동기(SynRM)가 각 을 받고 연구되고 있다. 기에 30여년 동안 동기형 릴럭턴스 동기(SynRM)는 효율, 출력 특성으로

크게 실용화되지 못했으나 최근에는 력 자 소자 회로 기술의 발달과 더불어

단 이 보완되면서 많은 심을 받고 있다. 회 자는 권선이 없는 간단한 구조이므

로 고장이 어 신로도가 높아서 장시간 운 이 필요한 곳에 합하며 유지 보수가

용이하다. 한 구자석 형 동기와는 달리 고 강도, 비용의 재질을 사용한

회 자의 제작이 가능하며, 유도 동기에 비해 회 자에 발생되는 손실이 어 기

동과 정지가 빈번한 경우에 유리하다.SynRM은 성층 방법에 따라 축 방향 성층형과, 횡 방향 성층형으로 분류된다. 축

방향 성층형의 경우, 돌극비는 증가하지만 구조가 복잡하고 축에 회 자 철심을 고

정시키는 문제 등 횡 방향 성층형에 비해 제작이 어렵고, 비용이 많이 든다. 이에

비해 횡 방향 성층형에 해당하는, 단편형 SynRM은 제작이 비교 용이하고, 고정자

의 슬롯으로 인해 발생하는 토크 리 을 스큐를 이용해 개선시킬 수 있으며, 축 방

향 성층 못지 않은 높은 돌극비를 갖도록 설계 가능하다는 장 을 갖고 있어 최근

국내외 으로 개발이 활발하다[1]-[18].

SynRM은 d, q축 인덕턴스 차( Ld-Lq)에 비례하여 단 부피 당 토크가 증가하

고, 돌극비인 Ld/Lq에 따라 최 역률이 증가하는 특성을 가진다. 동기 특성에

향을 미치는 변수들은 자속 장벽의 수와 폭, 공극, 슬롯, 립 등이다.

일반 으로 SynRM의 제어는 회 자 치를 인식하는 것이 필요하기 때문에

동기에는 치센서를 부착해야 한다. 그러나 치센서는 비용, 신뢰도, 부착공간과

이블의 복잡함 등과 같은 문제 을 가지고 있다. 이러한 이유로 인해 치 센서

리스 제어가 요구되며, 많은 연구가 수행되어 왔다.재 많은 센서리스 제어방법이 제안되어져왔다. 몇몇 방법은 회 자 치와 속도

를 측정하기 한 고정자 인덕턴스와 고정자 항을 포함하는 동기 라미터를 필

요로 한다. 하지만, 동기 라미터는 구동조건에 의해 변화된다. 인덕턴스 라미터는 자

- 19 -

기포화 상을 발생하는 범 에서 동기 류에 의해 변화된다. 그리고 고정자 항

은 권선 온도에 따라 변화된다. 특히, SynRM의 경우에는 인덕턴스 라미터의 큰 변화가 일어난다. 왜냐하면,

감자의 단 을 가진 SynRM은 자기포화범 안에서 주로 사용되기 때문이다. 치

측정의 정 도는 이러한 변화에 따라 감소되기 때문에, 이러한 문제를 다루는 것이

필요하다. 에서 언 된 이유 때문에 다양한 라미터 정방법 ( off-line 라미터 정

방법)들이 제안되어져 왔다. [25]-[39] 이러한 방법들은 미리 다양한 구동조건을 간주한 인덕턴스 라미터를 측정한

다음에 측정된 인덕턴스 라미터는 테이블화 혹은 모델링된다. 하지만, 특히

cross-coupling 상[30]이 일어날 때 인덕턴스 라미터 측정은 매우 복잡해진다. 고

정자 항 라미터 한 미리 측정된다. 하지만, 고정자 항이 권선온도에 따라 변

화되기 때문에 이것을 고정시켜 간주하는 것은 어렵다. 다른 한편으로, 온-라인 라미터 정방법은 미리 동기 라미터를 측정하는

것을 필요로 하지 않는다. 왜냐하면 이러한 정방법은 구동 하에서 동기 라미

터를 확인하는 것이 가능하기 때문이다. 하지만, 센서리스의 경우에 온-라인 라미터 정방법은 실제 치와 속도가 잘

알려져 있지 않다는 문제를 가지고 있다. 그러므로 만약 동기 라미터 정이

치와 속도를 필요로 한다면, 불가피한 치측정 오차는 라미터 정 오차를 발

생한다. 한, 그 라미터 정오차 한 치측정 오차를 발생한다. 결과 으로, 치측정 오차와 동기 라미터 정오차 사이의 오차-악순환은 치 센서리스

제어의 효율을 감소한다. 본 논문에서는 새로운 온-라인 라미터 정 시스템(Observer : 측기)을 제안

하고 있다. 제안된 시스템은 동기 라미터의 복잡한 측정을 필요로 하지 않을

뿐만 아니라, 제한된 시스템이 수학 모델에 포함 되어있는 치와 속도 사항을

무시할 수 있기 때문에, 라미터는 치측정 오차에 의해 향을 받지 않는다. 제안된 정시스템을 이용하여 시험용 SynRM의 치 센서리스 제어 실험이 수

행되었으며, 실험에 의해 그 제안된 시스템의 효용성이 입증되었다.

- 20 -

2 . SynRM의 수학 모델

그림3.1 SynRM의 좌표계

센서리스 벡터제어를 해 수학 모델을 사용한 좌표계는 그림 3.1과 같이 나타낼

수 있으며, d-q축은 회 좌표축, α-β축은 고정좌표축이다. d-q회 좌표축의 회로방

정식은 식 (3.1)로 나타낼 수 있으며, 등가회로는 그림 3.2와 같다.

(a) d축 등가회로 (b) q축 등가회로

그림 3.2 d-q 등가회로

(3.1)

- 21 -

여기서,

회 좌표상의 압

회 좌표상의 류

고정자 항

d-축의 인덕턴스

q-축의 인덕턴스

미분연산자

기각의 각속도

고정좌표계로 식(3.1)를 변형하면, 식(3.2)가 유도된다.

(3.2)

여기서,

고정좌표상의 압

고정좌표상의 류

╱

╱

식(3.2)를 다시 쓰면, 식(3.3)을 얻게 된다.

(3.3)

식 (3.3)을 이산상태방정식으로 변형하면, 식(3.4)와 같이 된다.

- 22 -

∙

(3.4)

(3.5)

3 . 라미터 행렬 의 정

라미터 정시스템의 첫 번째 단계는 모터의 라미터를 내포하고 있는 라미

터 행렬 을 정하는 것 이다.

식 (3.5)를 다시 쓰면 식 (3.6)과 같으며, 행렬 E, F에 있는 T는 샘 링주기 이다.행렬 E, F는 모터 라미터, 회 자 치, 속도 등으로 구성되어있다.

(3.6)

여기서,

- 23 -

식 (3.6)은 다음과 같이 변형하여 쓸 수 있다.

(3.7)

여기서

행렬은 모터의 류와 압으로 구성되어 있어서 검출 가능한 신호이다. 반면

은 치, 속도, 모터 라미터들로 구성된 미지의 행렬이다. 식(3.7)로부터 은

식(3.8)에 정의된 것처럼 최소자승법을 이용함으로써 정할 수 있다. [39]

다시 말해 을 알고 있으면

(3.8)

식(3.8)을 최소화하는 을 찾을 수 있다.

제안된 시스템은 온라인으로 수행되어야 하기 때문에, 식(3.9)로서 정의된 반복최

소자승법이 라미터 행렬 을 정하기 하여 채택되었다.

(3.9)

과 은, 과 각각의 기값으로 주어진다. 라미터 행렬 은 식(3.9)

로부터 반복 으로 정된다. 본 연구에서는, 은 이고, 은 이다. (는

× 단 행렬이다.)는 Forgetting Factor로 정의한다. 이 Factor의 역할은 운 상태의 변화에 따라

류와 압입력신호의 불필요한 과거 데이터를 지우는 것이다. 일반 으로, 값이 작을수록, 수렴속도가 빨라진다. 본 연구에서는 는 1에서부터

- 24 -

0.99**로 변화시켜가며 시뮬 이션 실험을 행하 다.

식(3.9)와 같이 반복최소자승법을 이용하여 라미터 행렬 을 구한다면, 모터의

회 자 치 는 다음 식 (3.10)으로부터 구할 수 있다.

(3.10)

여기서

로서 회 자 치 는 모터의 라미터가 포화, 철손 등으로 인해 변화하여도 그

것에 향을 받지 않고 정확한 치를 얻을 수 있음을 이론 으로 증명하고 있다.

시뮬 이션 실험시스템에 제안된 알고리즘을 구 하기 해 식(3.9)를 개하면

- 25 -

※

- 26 -

한 (3.7)식을 변형하면,

(3.7)′

여기서

변형된 (3.7)′식에 의해, (3.9)식을 개하면,

∙

∙

- 27 -

※

그림 3.2는 시뮬 이션과 실험에 있어 제안한 측기가 고려된 시스템 블록 선도를

보여 다.

그림 3.2 시스템 블록선도

- 28 -

4 . 시뮬 이션 실험을 한 로그래

/********************************************************************/// SENSORLESS VECTOR CONTROL SCHEME OF SynRM //// HANBAT NATIONAL UNIVERSITY //// MOTOR LOVE LAB. 5/2006 //// FILE NAME: SYNRM9-1.CPP ///********************************************************************/

#include <stdio.h>#include <conio.h>#include <math.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>#include <dos.h>

#define R1 2.82 //STATOR RESISTANCE#define pi 3.141592#define DT 1e-6#define DT1 0.002 //SAMPLLING TIME#define DT2 0.0002#define K_d 0.//(0.0001/Ts) // D-GAIN#define Kp 0.5 // P-GAIN#define Ki 80. // I-GAIN#define H 0.1 // HYSTERISIS BAND WIDTH#define Vdc 380. // DC VOLTAGE#define id1_r 2. // D-AXIS CURRENT REF.#define Ld 0.235 // D-AXIS INDUCTANCE#define Lq 0.05476 // Q-AXIS INDUCTANCE#define J 0.0065 // INERTIA#define iqmax 2.3 // MAXIMUM OF iq CURRENT#define P 4. // Number of poles#define Tsamp 100e-6#define Vdkp 600#define Vdki 6000#define Vqkp 500#define Vqki 8000

double h,j,x,y,a1,a2,a3,a4,t;double Van,Vbn,Vcn,V_d1,V_q1,V_d11,V_q11,V_a1,V_b1,V_c1;double wr,wrpm_r,wrpm;double TORQE_r,TORQE;double ia,ia_r,ib,ib_r,ic,ic_r,iq1_r,id11_r,iq11_r,id11,iq11,id1,iq1;double ID11,IQ11,VD11,VQ11;double P11,P12,P13,P14,P21,P22,P23,P24,P31,P32,P33,P34,P41,P42,P43,P44;double P1,P2,P3,P4,D1,D2,D3,D4,C1,C2,C3,CC,LAMDA;double AA,BB,A11,A12,A21,A22,B11,B12,B21,B22;double ang,w,Ui,ang1,QQ,WW;double wrpm_perr,wrpm_err,wrr;double ta,tb,tc,DEFF;double val_name[13],Lamd1,Lamq1;double id1_err,iq1_err,id1_perr,iq1_perr;double Vd_ref,Vq_ref,Vde_ref,Vqe_ref;double Val,Vbe,Val3,angle1,angle2,Vf;double T1,T2,TSUM,T0,tcal,TIME0,TIME1,TIME2,TIME3 ;double TaON,TbON,TcON,TaOFF,TbOFF,TcOFF ;double VaDC,VbDC,VcDC,L_0,L_1,L_A,L_B,L_AB,LLL ;int SaON,SbON,ScON,SaOFF,SbOFF,ScOFF ;int SWa,SWb,SWc ;int mode,LoopCount,m,OK ;

void monitor(void){

int i;static char *name[] = { "time",

"TORQUE","id1","iq1", "wrpm_r","wrpm","QQ","WW","ang1","ang" , "id11", "iq11","DEFF" };

for(i=0; i<=12; i++) {gotoxy(20,10+i);cprintf("[%d] %-8s : \r\n", i+1, name[i]);

}}

- 29 -

void Value(void){

int i;

for(i=0; i<=12; i++) {gotoxy(35, 10+i);cprintf("%+3.8f ", val_name[i]);

}}

void Val_name(void){

val_name[0] = t;val_name[1] = TORQE;val_name[2] = id1;val_name[3] = iq1;val_name[4] = wrpm_r;val_name[5] = wrpm;val_name[6] = QQ;val_name[7] = WW;val_name[8] = ang1;val_name[9] = ang;val_name[10] = ia;val_name[11] = iq11;val_name[12] = DEFF;

}

void character(void){

gotoxy(20, 8);textcolor(10);cprintf("SIMULATION OF SYNRM USING SVPWM\n");

}

void main(void){

FILE *fp;long int kkh ;

fp=fopen("SYNRM10.prn","w+");clrscr();

P11 = 10000.;P12 = 0.;P13 = 0.;P14 = 0.;P21 = 0.;P22 = 10000.;P23 = 0.;P24 = 0.;P31 = 0.;P32 = 0.;P33 = 10000.;P34 = 0.;P41 = 0.;P42 = 0.;P43 = 0.;P44 = 10000.;

LAMDA = 0.998;id1=0.;iq1=0.;kkh=0.;

for (t=0.,LoopCount=0.;t<=3.6;t+=DT2,LoopCount++){

if(kbhit()){ exit(1); }

if(LoopCount%10==0) { //Speed sampling 0.2msec

if(t >= 0.0 && t <2. ) wrpm_r = 1000. ;

- 30 -

// if(t >= 1. && t <2. ) wrpm_r =-500. ;// if(t >= 2.5 && t <3. ) wrpm_r = 500. ;

/////////////////////////// TORQUE CONTROL //////////////////////////

wrpm_err = wrpm_r - wrpm;

Ui =DT1*wrpm_err ;

iq1_r = iq1_r+Kp*(wrpm_err-wrpm_perr) + Ki*Ui;

if(iq1_r >= iqmax ) iq1_r=iqmax ; if(iq1_r <= -iqmax) iq1_r=-iqmax ;

wrpm_perr = wrpm_err ; OK++ ;

} //end of Speed Control//

//////////////////////// CURRENT CONTROL ////////////////////////////

id1_err =id1_r-id1 ; Vde_ref =Vde_ref+Vdkp*(id1_err-id1_perr)+Vdki*DT2*id1_err ; id1_perr=id1_err ;

iq1_err =iq1_r-iq1 ; Vqe_ref =Vqe_ref+Vqkp*(iq1_err-iq1_perr)+Vqki*DT2*iq1_err ; iq1_perr=iq1_err ;

DEFF = ang1 - ang;

Vd_ref=Vde_ref*cos(ang1)-Vqe_ref*sin(ang1) ; // rotation to stationary Vq_ref=Vde_ref*sin(ang1)+Vqe_ref*cos(ang1) ;

///////////////////////// SPACE VECTOR PWM /////////////////////////

// Mode selection //

Val=Vd_ref ; Vbe=Vq_ref ; Val3=sqrt(3.)*Val ;

if(Vbe>=0.){ mode=2 ;

if(Val3>Vbe) mode=1 ;if(Val3<-Vbe) mode=3 ;

}

if(Vbe<0.){

mode=5 ;if(Val3<Vbe) mode=4 ;if(Val3>-Vbe)mode=6 ;

}

// Calculation of Duration //

angle1=pi*mode/3. ; angle2=pi*(mode-1)/3. ; Vf=sqrt(3.)*Tsamp/Vdc ;

T1=Vf*Val*sin(angle1)-Vf*Vbe*cos(angle1) ; T2=Vf*Vbe*cos(angle2)-Vf*Val*sin(angle2) ;

TSUM=T1+T2 ; T0 =Tsamp-TSUM;

// Overmodulation //

if(T0<0) {T1=T1*Tsamp/TSUM ;T2=T2*Tsamp/TSUM ;T0=0. ;

}

// Calculation of start time //

- 31 -

tcal=t;

TIME0=T0/2.+tcal ; TIME1=TIME0+T1 ; TIME2=TIME1+T2 ; TIME3=TIME0+T2 ;

if(mode==1) {TaON=TIME0 ;TbON=TIME1 ;TcON=TIME2 ;

} if(mode==2) {

TaON=TIME3 ;TbON=TIME0 ;TcON=TIME2 ;

} if(mode==3) {


} if(mode==4) {


} if(mode==5) {


} if(mode==6) {


}

TaOFF=2.*Tsamp-TaON+2.*tcal ; TbOFF=2.*Tsamp-TbON+2.*tcal ; TcOFF=2.*Tsamp-TcON+2.*tcal ;

// Observer Initial Value L_0 = (Ld + Lq)/2.; L_1 = (Ld - Lq)/2.; L_A = L_0 + L_1 * cos(2. * ang) ; L_B = L_0 - L_1 * cos(2.* ang) ; L_AB = L_1 * sin(2.*ang) ;

LLL = ( 1. / (Ld * Lq) ) ;

A11 = LLL * ( R1 * L_B + 2. * wr * L_0 * L_1 * sin( 2.*ang)) ; A12 = LLL * ( R1 * L_AB - 2. * wr * L_1 * (L_0 * cos(2.*ang) - L_1)); A21 = LLL * ( R1 * L_AB - 2. * wr * L_1 * (L_0 * cos(2.*ang) - L_1)); A22 = LLL * ( R1 * L_A - 2. * wr * L_0 * L_1 * sin(2.*ang)) ;

B11 = LLL * L_B; B12 = - LLL * L_AB; B21 = - LLL * L_AB; B22 = LLL * L_A;

//MODELLING OF SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR NO CONSIDERING THE IRON LOSS

//RUNGE-KUTTA METHOD

for(m=0;m<(DT2/DT);m++)

{ t+=DT2/(DT2/DT) ;

if(t>=TaON) SWa=1 ;

if(t>=TaOFF) SWa=0 ;

if(t>=TbON) SWb=1 ;

- 32 -

if(t>=TbOFF) SWb=0 ;

if(t>=TcON) SWc=1 ;

if(t>=TcOFF) SWc=0 ;

VaDC=Vdc*SWa ; VbDC=Vdc*SWb ; VcDC=Vdc*SWc ;

// From line voltage to phase voltage //

Van=(2.*VaDC-VbDC-VcDC)/3 ;Vbn=(2.*VbDC-VaDC-VcDC)/3 ;Vcn=(2.*VcDC-VbDC-VaDC)/3 ;

// 3 phases to 2 phases stationary //

VD11=(2.0/3.0)*(Van - Vbn/2.- Vcn/2.) ;VQ11=(Vbn-Vcn)/sqrt(3.);

// stationary to rotation frame //

V_d1=cos(ang1)*VD11+sin(ang1)*VQ11 ; //stationary to rotationV_q1=-sin(ang1)*VD11+cos(ang1)*VQ11 ;

h=R1/Ld; j=R1/Lq; x=Lq/Ld; y=Ld/Lq;

a1=-h*id1+wr*x*iq1+(1/Ld)*V_d1;a2=-h*(id1+DT*a1)+wr*x*iq1+(1/Ld)*V_d1;

id1+=DT*(a1+a2)/2.;

a1=-j*iq1-wr*y*id1+(1/Lq)*V_q1;a2=-j*(iq1+DT*a1)-wr*y*id1+(1/Lq)*V_q1;

iq1+=DT*(a1+a2)/2.;

Lamd1=Ld*id1;Lamq1=Lq*iq1;

TORQE = 1.5*(P/2)*(Ld-Lq)*id1*iq1;

wr1 += DT*(TORQE/J);ang += DT*wr1; // Encoder Angle

if(ang >= 2.*pi) ang -= 2.*pi ; else if (ang <= -2.*pi) ang += 2.*pi ;

ID11=id1*cos(ang1)-iq1*sin(ang1); //rotation to stationaryIQ11=id1*sin(ang1)+iq1*cos(ang1);

ia=ID11 ;ib=(-ID11+IQ11*sqrt(3.))/2.;ic=-ia-ib;

//Observer

D1 = P11* id11 +P21*iq11 + P31*V_d11 + P41*V_q11;D2 = P12* id11 +P22*iq11 + P32*V_d11 + P42*V_q11;D3 = P13* id11 +P23*iq11 + P33*V_d11 + P43*V_q11;D4 = P14* id11 +P24*iq11 + P34*V_d11 + P44*V_q11;

P1 = P11* id11 +P12*iq11 + P13*V_d11 + P14*V_q11;P2 = P21* id11 +P22*iq11 + P23*V_d11 + P24*V_q11;P3 = P31* id11 +P32*iq11 + P33*V_d11 + P34*V_q11;

- 33 -

P4 = P41* id11 +P42*iq11 + P43*V_d11 + P44*V_q11;

C1 = P11*(id11*id11) + P22*(iq11*iq11) + P33*(V_d11*V_d11) + P44*(V_q11*V_q11);C2 = (P21+P12)*id11*iq11 + (P31+P13)*id11*V_d11 + (P41+P14)*id11*V_q11;C3 = (P32+P23)*iq11*V_d11 + (P42+P24)*iq11*V_q11 + (P43+P34)*V_d11*V_q11;

CC = LAMDA + C1 + C2 + C3;

P11 = (P11 - ( P1 * D1)/CC)/LAMDA;P12 = (P12 - ( P1 * D2)/CC)/LAMDA;P13 = (P13 - ( P1 * D3)/CC)/LAMDA;P14 = (P14 - ( P1 * D4)/CC)/LAMDA;




AA = ID11 - (1.+A11)*id11 - A12*iq11 - B11*V_d11 + B12*V_q11;BB = -A12*id11 + IQ11 - (1.+A22)*iq11 - B21*V_d11 + B22*V_q11;

A11 = 1.+ A11 + P11*AA*id11 + P21*AA*iq11 + P31*AA*V_d11 + P41*AA*V_q11; A12 = A12 + P12*AA*id11 + P22*AA*iq11 + P32*AA*V_d11 + P42*AA*V_q11; A21 = A21 + P11*BB*id11 + P21*BB*iq11 + P31*BB*V_d11 + P41*BB*V_q11; A22 = 1. + A22 + P12*BB*id11 + P22*BB*iq11 + P32*BB*V_d11 + P42*BB*V_q11;

B11 = B11 + P13*AA*id11 + P23*AA*iq11 + P33*AA*V_d11 + P43*AA*V_q11; B12 = B12 + P14*AA*id11 + P24*AA*iq11 + P34*AA*V_d11 + P44*AA*V_q11; B21 = B21 + P13*BB*id11 + P23*BB*iq11 + P33*BB*V_d11 + P43*BB*V_q11; B22 = B22 + P14*BB*id11 + P24*BB*iq11 + P34*BB*V_d11 + P44*BB*V_q11;

WW = B12+B21; QQ = B11-B22; ang1 = 0.5 * atan2(WW,QQ) + pi; //Observer Angle

wr += ( ang1 - ANG ) /DT ; wrpm= wr*60./(pi*P) ;

id11 = ID11; iq11 = IQ11; V_d11 = VD11; V_q11 = VQ11;

ANG = ang1 ;

if(!(kkh%1000))

fprintf(fp,"\n %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f %f", t,TORQE,wrpm_r,wrpm,iq1,id1,ang,ang1,DEFF,ia,ib,ic);

kkh+=1; }

character();monitor();Val_name();Value();

} /* end of for Loop */

}

- 34 -

5 . 실험을 제어회로 구동회로 설계, 제작

본 연구에서 개발한 센서리스 벡터제어 알고리즘을 실험을 통해 구 하기 해

동기 구동 시스템을 개발하 다. 한 알고리즘의 효용성을 검증하기 하여 그

림 5.1과 같은 실험시스템을 구성하여 실험을 수행하 다.

그림 5.1 실험 장치 구성도

본 시스템에서는 32비트 150MIPS의 고속연산기능과 Motor drive기능을 갖춘 TI사의 DSP (Digital Signal Processor) TMS320F2812를 사용하여 입력 압 AC220V, CAN 통신, I/O 겸용 구동 드라이버를 구성하 다.

사용된 DSP의 기본 사양은 표 5.1과 같다.

표 5.1 DSP의 기본 사양

항목 사양정격전압 AC 220±10%전격전류 8 A최대 출력전류 30 A전압가변방식 PWM(Pulse Width Modulation)제동방식 회생제동스위칭 주파수 10kHz

- 35 -

그림 5.2는 본 과제에서 개발한 드라이버로서 주요 구성품은 방열 , 자

기, GATE DRIVER, DC LINK, DSP 부로 구성된다.

그림 5.2 드라이버

다음에 드라이버의 주요 부분에 하여 사양 는 특징에 하여 간략히 기술하

고자 한다.

1. DSP

본 과제에서 개발한 드라이버에 사용한 DSP의 특징을 요약하면 다음과 같다.

■ 고성능 32비트 DSP

-150MHz(6.67 ns) 처리속도

- 압(1.8V Core, 3.3V I/O) 동작

-3.3V Flash Programming 압

-JTAG 지원

-4M 선형Program/Data 공간 리

- 소비 력 동작 모드지원:IDLE, STANDBY, HALT

■ 내부 메모리

-128K x 16 Flash ROM

- 36 -

-1K x 16 OTP ROM

-L0, L1 : 2개의 4K x 16 SARAM

-H0 : 8K x 16 SARAM

-M0, M1 : 2개의 1K x 16 SARAM

-BOOT ROM(4K x 16) : Boot mode, 표 방식 table

-128 bit Security Key/Lock : 불법복제 방지 기능

■ 외부 인터페이스(F2812)

- 체 1M 역까지

-Programmable 웨이트 상태

-Programmable Read/Write Strobe 타이

-3개의 선택 신호

■ 주변 보조 장치

-PLL기능

-Watch Dog 타이머 기능

-45개의 외부 인터럽터

-2조의 Motor 제어 장치 : EVA, EVB

-통신 장치 : SPI, SCI(2개), CAN, McBSP

-A/D 변환기 : 12비트, 16채 , 2채 동시 Sample/Hold, 고속 변환시

간(200ns/60ns)

-범용I/O Port : 최 56개

■ 개발환경

-Ansi C/C++ 지원

-Code Composer Studio IDE, JTAG

-DSP/BIOS

■ 기타

-Package : F2812 : LQFP(176pin)

- 동작온도 : A: -40도~85도, B : -40도~125도

- 37 -

본 과제에서 용한 DSP TMS320F2812의 핀맵 주변회로도는 그림 5.3과 같

다.클럭은 30MHz 크리스탈을 사용하 고, 내부 PLL에서 5배 증가시켜 150MHz로

동작한다. 원 리셋회로는 그림 5.4와 같다.

그림 5.3 DSP TMS320F2812의 핀맵 주변회로도

그림 5.4 원 리셋회로

- 38 -

2. 제어 원

그림 5.5는 드라이버의 컨트롤 IC에 공 되는 원을 생성하는 회로이다.

그림 5.5 컨트롤 IC 공 원 생성회로

- 39 -

3. 력회로

력회로는 다이오드 정류부, DC링크 커패시터, 3상 PWM 인버터부로 이루어지

며 스 칭 소자로는 IGBT모듈로 구성된 SPM을 사용하 다. 스 칭 소자의 암쇼트를 방지하기 해 데드타임을 만들어 주는 회로를 거처

PWM 신호를 발생시켰으며 그 시간은 약 4 μsec정도로 하 다. 로그램은 PC에서

직 다운로딩하여 사용하 다.피드백 신호로는 동기의 3상 류와 엔코더의 각속도의 분값인 θ를 사용 하

다. 한 회 자 1회 당 1024 펄스를 발생시키고 모터의 회 축(shaft)에 직 끼

워 넣을 수 있는 공축(中空軸) 형 엔코더를 사용하 다. 상 류 검출에 사용된 Hall-CT는 ACS750xCA-050 을 사용하 으며, 두 상 류를

압의 형태로 검출하여 A/D 변환기를 거쳐 DSP에서 필요한 디지탈 정보로 사용하

다. 이때 사용된 CT는 50[A] 에서 4.5[V], -50[A]에서 0.5[V]를 출력한다.

- 40 -

6 . 시뮬 이션 실험 결과분석

제안한 치 측시스템은 Forgetting Factor λ에 따라 민감하게 반응하며, λ값을

다양하게 변화시켜가며 시뮬 이션을 수행하 다.

그림 6.1은 λ가 1.0인 경우의 속도응답특성을 보여 다. 그림 6.2 6.3은 이때

의 d-q축 류, 상 류 응답특성을 보여 다.

속도제어기의 이득 비간섭 제어 알고리즘이 로그램 상에 히 잘 구 되

었음을 보여 다.

그림 6.4 6.5는 λ가 1.0인 경우에 있어 측기에서 계산되어지는 치 와

로그램 상에서 엔코더로서 구 된 토크의 분 (각속도), 이를 분한 의

응답특성을 보여 다. 그림 6.6에 상세한 응답특성과 두 치의 오차에 해 나타내

었다.

그림 6.7 6.8을 살펴보면 측기에서 계산된 는 기에 약간의 진동기간을

지나, 실제 치 에 약 0.0425도 정도의 오차를 가지고 수렴하여 동작하고 있음

을 알 수 있다.

그림 6.9는 λ가 0.998인 경우에 있어 측기에서 계산되어지는 치 와 로

그램 상에서 엔코더로서 구 된 토크의 분 (각속도), 이를 분한 의 응답

특성을 보여 다.

이를 보다 상세히 나타낸 그림 6.10에서 볼 수 있는 바와 같이 오차는 0.를 심

으로 진동하는 것으로 악되었다.

그림 6.11은 λ가 0.996인 경우에 있어 측기에서 계산되어지는 치 와 로

그램 상에서 엔코더로서 구 된 토크의 분 (각속도), 이를 분한 의 응답

특성을 보여 다.

수렴성이 상당히 악화되며, 치검출이 거의 불가능하게 됨을 알 수 있다.

이상은 시뮬 이션 결과이며, 시뮬 이션에 있어서는 류 압이 이상 으로

구 된 상황이므로 실험에 본 알고리즘을 구 할 시는 보다 경험 이고, 반복 인

λ값 선정과정이 필요하다.

그림 6.12에서 그림 6.17까지는 1000rpm, 2000rpm, 3000rpm에 있어 각각 속도 응

답특성, 상 류 응답특성, 측기에서 계산되어지는 치 와 엔코더의 의

응답특성을 보여 다. 실험시의 λ값은 0.999를 사용하 다. 응답결과에서 볼 수 있

는 바와 같이 각각의 rpm에서 빠른 수렴을 보임을 알 수 있다. 그러나 약간의 오차

를 수반하여 수렴 응답함을 볼 수 있는데 이는 기 회 자 치 선정(d축)과정을 정

확히 한다면 해결할 수 있으리라 사료된다.

- 41 -

그림 6.1 속도응답특성

그림 6.2 d-q축 류 응답특성

- 42 -

그림 6.3 상 류 응답특성

그림 6.4 Angle 응답특성

- 43 -

그림 6.5 Angle 응답특성

그림 6.6 Angle Angle 오차응답특성

- 44 -

그림 6.7 Angle 오차응답특성

그림 6.8 Angle 오차응답특성

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- 46 -


- 47 -

그림 6.12 속도 상 류응답특성 (1000rpm)

그림 6.13 Angle 응답특성(1000rpm)

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7 . 결 론

본 연구에서는 모터 포화 손실 등 라미터 변동에 무 한 온라인 라미터

정시스템( 측기)를 수학 모델로부터 구 하 다. 시뮬 이션을 통해 측기설계

의 가능성을 확인하 으며, 실험시스템에 구 하여 비교 양호한 응답을 얻었다.

본 연구결과는 SynRM의 상용화를 앞당길 것으로 사료된다.

향후 과제로서는 부하변동에 따른 양호한 응답특성을 가질 수 있도록 시스템 안정

성에 한 연구가 뒤따라야 할 것으로 사료된다.

- 51 -

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

평가의 착안점 자 체 평 가

전동기제어알고리즘기술

본 연구에서는 모터 포화 손실 등 라

미터 변동에 무 한 온라인 라미터 정

시스템( 측기)를 수학 모델로부터 구 하

다. 시뮬 이션을 통해 측기설계의 가

능성을 확인하 으며, 실험시스템에 구 하

여 비교 양호한 응답을 얻었다.

본 연구결과는 SynRM의 상용화를 앞당길

것으로 사료된다.

전동기제어 제반기술

전동기 구동시스템의 소형화를 통해 상용화시 생산단가 저감, SET제품 응용력 향상을 가져왔으며, 제어알고리즘 향상 및 센서리스제어 구현에 적합한 구동시스템을 확보하였다.

전동기 상용화 기술

상기 전동기 센서리스벡터제어 기술의 확보로 SynRM의 상용화 기반기술이 확보되었으며, 차기 연구를 통해 보다 상용화에 다가갈 것으로 사료된다.

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제 5 장 연구개발결과의 활용계획

1 . 기술개발시 상되는 효과 활용방안

1. 기술 측면

본 연구과제의 목표인 동기형 릴럭턴스 동기의 센서리스 벡터제어기법 개발은

국내의 여러 모터 응용기업 특히 신제품개발의 능력이 떨어지는 소기업 연구

소에서 기존 동기(유도 동기, BLDC 등)의 체용 고효율 동기로서 높이 평가

받고 있는 동기형 릴럭턴스 동기탑재 제품화시 요한 참고 수단이 될 것으로

단된다. 동기 릴럭턴스 동기 센서리스벡터제어 기술 확보는 용량이 작은 냉장고 ,에어컨

의 압축기의 상품화를 가능 하고, 용량을 확 하여 자동차 업체와 력하여 기

자동차에 활용할 수 있다, 그리고 고속용에 합한 공작기계 산업용 압축기

등에 활용될 것으로 사료된다. 2. 산업ㆍ경제 측면

․ 고효율의 동기탑재 제품화에 의한 에 지 약 (유도 동기 비 약 3-7 % 고

효율 )․ 가격, 고효율 동기 응용에 따른 가 타 산업에의 효과

․ 산업 가 제품 용에 따른 외 기술력 과시 기술 축

3. 정책 측면

․ 동기형 릴럭턴스 동기의 제어 로그램 개발기술 연구기 확립 활용

․ 최 제어 센서리스 알고리즘 개발에 따르는 우수한 과학인력 양성

4. 활용방안

본 연구과제에서 개발하고자 하는 동기형 릴럭턴스 동기의 센서리스벡터제어기법은 국

내의 여러 모터 제조기업 연구소, 학 등에서 체 고효율 동기라 할 수 있는 동기형

릴럭턴스 동기가 포함된 시스템을 개발하는데 기 으로 활용되리라 사료됨.

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제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보

참고문헌 참조

제 7 장 참고문헌

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주 의

1. 이 보고서는 산업자원부에서 시행한 력산업연구개발사업의 연구보고서입

니다.

2. 이 보고서 내용을 발표하는 때에는 반드시 산업자원부에서 시행한

사업의 연구결과임을 밝 야 합니다.

3. 국가과학기술 기 유지에 필요한 내용은 외 으로 발표 는 공개하여

서는 아니됩니다.

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동기형 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor : SynRM)의