Speed Controller Transition Method for I-F Operation and Sensorless Operation of Permanent Magnet Synchronous Motor

영구자석 동기 전동기의 I-F 구동과 센서리스 구동을 위한 속도 제어 절환 기법

Abstract

Permanent Magnet Synchronous Motors(PMSMs) have a wider range of applications due to their high output density and high efficiency. PMSMs are used not only in high-power density, high-performance motor-driven systems such as vehicle and robots, but also in systems where cost-cutting is very important, such as washing machines, air conditioners and refrigerators. To reduce costs, position sensorless control is required, which is generally difficult to be used under conditions of starting the motor. Thus, the I-F speed control that rotates the current vector at any speed in the starting procedure should be used at first, and then the sensorless speed control could be applied after PMSM rotates above a certain speed. Speed control performance in I-F speed control and sensorless speed control is very important. And more speed control performance should be maintained even in the transient in which the two control techniques are changed. In this paper, the speed controller transition method from I-F speed control to sensorless speed control of permanent magnet synchronous motor is proposed. Experiments were carried out on the washing machine drive system to verify the performance of the proposed technique.

영구자석 동기 전동기는 출력 밀도가 높고 효율이 높다는 장점 때문에 적용 범위가 넓어지고 있다. 자동차나 로봇과 같은 고전력밀도, 고성능 전동기 구동 시스템뿐만 아니라 세탁기, 에어컨, 냉장고와 같은 비용 절감이 매우 중요한 시스템에도 영구자석 동기 전동기가 사용되고 있다. 비용 절감을 위해 회전자 위치 센서를 제거하는 센서리스 제어가 필요한데, 일반적으로 센서리스 제어는 전동기를 기동하는 조건에서는 사용하기 어렵다. 따라서 초기 기동에서는 전류 벡터를 임의의 속도로 회전시키는 I-F 속도 제어를 사용하고, 특정 속도 이상이 되면 센서리스 속도 제어로 절환해야 한다. I-F 속도 제어와 센서리스 속도 제어에서의 속도 제어 성능도 중요하지만 두 제어 기법이 절환되는 과도 상태에서도 속도 제어 성능을 유지해야 한다. 본 논문에서는 영구자석 동기 전동기의 센서리스 속도 제어를 위해 I-F 속도 제어에서 센서리스 속도 제어로의 절환 기법을 제안한다. 제안된 기법의 성능을 확인하기 위해 세탁기 구동 시스템에서 실험을 수행하였다.

Fig. 1. Block diagrma of I-F speed control method. 그림 1. I-F 속도 제어 기법의 블록도.

Fig. 2. Relations of stationary / rotor synchronous / I-F synchronous reference frames. 그림 2. 정지 좌표계, 회전자 동기 좌표계와 I-F 좌표계의 관계

Fig. 3. Relationship between synchronous current plane and I-F current plane according to load condition. 그림 3. 부하조건에 따른 동기 좌표계 전류 평면과 I-F 전류 평면의 관계

Fig. 4. Position error extraction and position and speed estimator based on current model. 그림 4. 전류 모델 기반 회전자 위치 추출 및 위치/속도 추정기

Fig. 5. Rotor angle, I-F angle, synchronous angle. and transit angle for transition period. 그림 5. 절환 구간에서 회전자 위치, I-F 회전각, 동기각 그리고 과도 각오차.

Fig. 6. Control block diagram of I-F speed control, sensorless speed control and transition method. 그림 6. I-F 속도 제어기, 센서리스 속도 제어기와 절환 방법을 구현한 전체 제어 블록도

Fig. 7. Experimental setup to verify the feasibility of speed controller transition method. 그림 7. 절환 기법 성능 확인을 위한 실험 세트

Fig. 8. Comparison of speed response and current modification during transition by the proposed transition method (No load condition). 그림 8. 제안된 절환 방법에 따른 절환 과정에서의 속도 반응 및 토크축 전류 반응(무부하 조건)

Fig. 9. Current response according to the light/heavy load. 그림 9. 경부하 및 중부하 조건에서 제안된 방법의 과도 전류 지령 변화

Table 1. Specification of washing machine drive system with PMSM. 표 1. 영구자석 동기 전동기 구동 시스템 사양