Sensorless Control for Wound-Field Synchronous Machine Based on Signal Injection to The Field Winding

Abstract

A sensorless algorithm was developed for Wound-Field Synchronous Motors(WSM). It is different from the techniques for Permanent Magnet Synchronous Machines(PMSM) to inject a carrier signal to the field (rotor) winding. The relation between the angle estimation error and the rectified high frequency signal was derived straightforwardly with cross coupling inductances. And we develop compensation method for cross-coupling effect, and imply several advantages of proposed method in comparison with signal injection to stator winding. This method is much robust against magnetic saturation because it is not depend on saliency of rotor. Furthermore, proposed method does not need to check polarity at standstill. The experiments and simulations were performed to demonstrate improvement of compensation of cross coupling, robustness against magnetic saturation, and full load operation. We obtained accurate estimated position angle.

현재 영구자석에서 사용되는 희토류의 가격은 경제 외적인 상황에 따라 가격의 변동이 심하게 되고 있고 현재 가격 또한 매우 비싸다. 권선형 동기모터에는 영구자석 대신에 회전자 권선에 전류를 흘려 회전자 자계를 만들어 내기 때문에 영구자석을 사용하지 않아도 되는 큰 강점을 가지고 있다. 때문에 권선형 동기모터를 전기자동차 추진모터로 사용되고 있으며 경량화, 저가화를 위한 연구가 계속 되고 있다. 고성능 교류 전동기를 제어하기 위해서 벡터제어를 사용하고 있다. 벡터제어를 하기 위해서는 정확한 회전자(rotor)의 위치 정보가 필요하다. 정확한 회전자의 위치 정보를 위해서 회전자의 위치 센서나 속도 센서가 필수적이다. 그러나 센서를 사용하는 경우에는 가격적, 공간적 등에 다양한 문제점이 발생 할 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 위치 센서를 사용하지 않고 센서리스(sensorless)제어에 대해서 많은 연구가 진행 되고 있으며, 현재 가전, 자동차, 산업용 모터 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 기존 센서리스 알고리즘은 크게 역기전력(Back-EMF)기반의 방법과 신호주입(Signal Injection)으로 크게 나눌 수 있다. 그러나 역기전력 기반의 센서리스 알고리즘은 모터가 저속이나 정지하고 있을 때 각도 정보를 알아 올 수 없다. 또한 기존 신호주입 방법은 주로 고정자(Stator)에서 신호를 주입하여 돌극성(Saliency)기반으로 회전자의 각도 정보를 얻어온다. 신호주입 방법을 사용하면 모터가 저속이나 정지 하고 있을 때에도 각도를 정확히 알 수 있다. 그러나 고정자 전류의 따라서 모터의 코어에서 자기포화(magnetic saturation)와 교차결합(Cross coupling) 현상이 발생하게 되고, 이 현상은 d상 q상 인덕턴스가 변화 하게 만든다. 이러한 현상들은 회전자(Rotor)의 돌극성에 영향을 주게 되고, 신호주입 센서리스를 통하여 전류제어가 가능한 운영영역(operation region)이 작아지게 된다. 또한 교차결합 현상은 d축과 q축 사이에 상호인덕턴스(mutual inductance)를 만들게 되고 이 값들은 신호주입 센서리스에 각도오차를 만들게 된다. 본 논문에 권선형 동기모터에 있는 회자자 권선에 high frequency 신호를 주입하여 센서리스 제어 방법을 제시한다. 회전자(권선)에 신호 주입 센서리스에서 생기는 새로운 교차결합 항을 유도하고, 교차결합에 의한 각도에러를 보상하는 방법을 제안하였다. 또한 제안된 알고리즘은 고정자와 회전자의 상호 인덕턴스를 이용하는 센서리스 제어 방법이므로 부하(load) 변화에 따른 자기포화 현상에 더 강인한 특성을 가지게 된다. 전류에 따른 고정자와 회전자의 상호 인덕턴스 변화(Lmf)를 통하여 제안된 알고리즘의 자기포화 현상에 강인한 특성을 보였다. 더불어 제안된 방법은 절대각을 얻을 수 있으며 초기 극성(polarity) 체크 알고리즘 필요하지 않는다. 최대 부하에서 영속 및 저속에서 실험과 시뮬레이션을 통하여 제안된 알고리즘을 증명하였다.