학술논문
전기자동차 및 하이브리드 자동차용 이중3상 동기전동기의 벡터제어기법 연구 / A Study on Vector Control Strategy of Dual Three-Phase Synchronous Machine for EV and HEV
Document Type
Dissertation/ Thesis
Source
Subject
Language
English
Abstract
Due to the advantages of low-voltage high-power, less torque ripple, and excellent fault tolerance ability, the multi-phase motor drive system is essentially capable of meeting the requirement of high-power electric drive system for the practical application. In the past, the multi-phase motor was widely used in the military purpose, high-reliability requirement and high-power applications such as aerospace and ship propulsion.The dual three-phase synchronous machine is a symmetric twelve-phase system according to the stator winding structure, an asymmetric six-phase system according to the control circuit. It is because of this winding configuration, the k=6n±1(n=1, 3, 5,⋯) order air-gap flux harmonics of the three-phase were eliminated. Therefore, the copper losses produced by these harmonics as well as torque harmonics were eliminated. These advantages make the dual three-phase synchronous machine have the best prospect. In the last few years, the dual three-phase synchronous machine has been gradually employed in the automobile component such as Electric Power Steering (EPS), Integrated-Starter-Generator (ISG), Belt-Stator-Generator (BSG), alternator and so on. However, there are many technical issues still existed in reality as an emerging technology, which is worth much research and discussion. Hence, this paper considers a 30° shift Y-connection dual three-phase synchronous machine as a study object. Several major issues of the dual three-phase synchronous machine drive system were comprehensively studied. It is of benefit for improving the motor performance and practical applications. Firstly, this paper deduced the self-inductance and mutual inductance of the dual three-phase permanent magnet synchronous machine (PMSM) by two-reaction theory. And the mathematical models were deduced based on different reference frame transformation of the double d-q and vector space decomposition (VSD) coordinate, respectively. Accordingly, the vector control based on the double d-q model is equivalent to control the two three-phase machines, whereas the VSD model has six-dimension vectors in three sub-planes that orthogonal to each other. According to the VSD analysis, the current in the fundamental wave sub-plane is the only one have the contribution to the electromechanical torque, and the currents in the other two sub-planes are non-participate in the energy conversion. However, the current in the z1-z2 sub-plane has the effect on the harmonics, and the current in the o1-o2 sub-plane is zero due to the separated neutral point. Therefore, the four-dimension current can be used for the vector control. This paper extensively introduce the internal relation between two kinds of the vector control strategy based on the different model. The theoretical difference is that the vector control based on VSD model could directly and effectively control the harmonic current component in the z1-z2 sub-plane what is irrelevant to electromechanical energy conversion. Afterwards, this paper has an in-depth analysis of the pulse width modulation (PWM) scheme for the dual three-phase machine based on the VSD model because of its good control degree of freedom. The conventional two-vector space vector PWM (SVPWM) has the better DC-link voltage utilization but the injected harmonic voltage is too high. The four-vector SVPWM only could be used for the sinusoidal voltage that restricts its modulation range. To address this issue, this study extended the four-vector SVPWM to the over-modulation region to acquire the identical modulation range to the two-vector SVPWM scheme and meanwhile reduced the injected harmonic voltages and currents. However, the four-vector SVPWM is very complicated and the PWM waveforms of the six-phase voltage source inverter (VSI) are asymmetric, which make the implementation more difficult in a microprocessor and the switch losses are large as well. Consequently, a new PWM modulation scheme is proposed based on analyzing the injected harmonics in the z1-z2 sub-plane to enhance the voltage utilization. Due to the flexible control features of the VSD model, a three-stage vector control strategy is proposed corresponding to the different modulation regions. It consists of the sinusoidal current modulation region, the sinusoidal voltage modulation region, and the non-sinusoidal voltage region. The first region is linear modulation region where the four-dimension current control is employed, and the two-dimension current control strategy is employed in the other two regions to achieve the improvement of DC-link voltage utilization. In addition, the VSD technique has the insufficient control of the harmonic current component in the z1-z2 sub-plane. This paper proposes a Proportional-Integral-Resonant (PI-R) controller that can directly and effectively control the larger magnitude of the harmonic current in the z1-z2 sub-plane. Consequently, the stator harmonic currents can be effectively suppressed to reduce the system losses. Eventually, a dual three-phase IPMSM used for EPS application is employed to verify the present algorithms. The experiment results show a good agreement with the analysis and the effectiveness and feasibility are demonstrated.
다상 전동기 드라이브 시스템은 낮은 토크 리플과 탁월한 고장 방지 능력으로 군사용, 항공 우주 및 선박 추진 등과 같은 고신뢰성을 요구하는 응용 분야에서 널리 사용된다. 이중 3상 동기 전동기 (PMSM)는 고정자 권선의 구조에 따라 6상 또는 12상 시스템으로 나눌 수 있다. 이러한 고정자 권선 구조를 가지는 동기 전동기는 k = 6n ± 1 (n = 1, 3, 5, ⋯) 차수의 고조파 성분이 제거되며, 토크 리플과 동손이 작다는 장점을 가진다. 이러한 장점으로 현재 자동차 분야에서는 이중 3상 동기 전동기가 각광 받고 있으며, Electric Power Steering (EPS), Integrated-Starter-Generator (ISG), Belt-Stator-Generator (BSG) 등과 같은 부품에 적용되고 있는 사례가 증가하고 있다. 이를 위해 여러 연구가 진행되고 있지만, 여전히 많은 기술적 한계를 지니고 있다. 따라서 본 논문에서는 30도 위상차를 가지는 Y결선의 이중 3상 동기 전동기의 몇 가지 주요 쟁점을 분석하여 최적의 제어 방법을 중심으로 연구하였으며, 이를 통해 전동기의 제어 성능을 향상시킬 수 있는 실용적인 적용 방법을 제안하였다. 먼저 본 논문에서 소개하는 두 종류의 벡터 제어 전략 사이의 관계를 증명하기 위해 Two-reaction 이론에 의한 이중 3상 동기 전동기의 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 도출하고, 이중 d-q 및 Vector Space Decomposition(VSD) 좌표의 서로 다른 참조 프레임 변환을 기반으로 전동기 수학적 모델을 도출하였다. 이중 d-q 모델에 기초한 벡터 제어는 2개의 3상 전동기를 제어하는 것과 동일하지만, VSD 모델은 서로 직교하는 3개의 서브 평면에 6차원 벡터를 갖는다. VSD 모델 분석을 통해 토크에 영향을 미치는 전류(α-β)와 고조파에 영향을 미치는 전류(z1-z2)를 벡터 제어에 사용함으로써 고조파 전류를 직접 및 효과적으로 제어 할 수 있다. 또한 VSD 모델을 기반으로 하는 이중 3상 시스템에 대한 펄스 폭 변조 (PWM) 방식에 대한 심층 분석을 하였다. 기존의 2개의 공간 벡터 전압 변조 방식(SVPWM)은 DC 링크 전압 이용률을 높여주지만 상전압의 고조파 비율이 높아진다는 단점이 있고, 4개의 공간 벡터 전압 변조 방식은 정현파 전압 변조만 가능하므로 전압 이용률이 낮다는 단점이 있다. 본 논문에서는 기존 2개의 공간 벡터 전압 변조 방식과 동일한 변조 범위를 얻을 수 있는 개선된 4개의 공간 벡터 전압 변조 방식을 제안하였으며, 이를 통해 전압과 전류의 고조파를 줄이는 결과를 얻었다. 그러나 이 전압 변조 방식을 이용한 6상 전압원 인버터 (VSI)의 PWM 파형은 비대칭이므로 마이크로 프로세서에서 구현이 어렵고 스위치 손실이 크다. 따라서 z1-z2에 주입 된 고조파를 분석하여 전압 이용률을 향상시키는 새로운 PWM 변조 기법과 VSD 모델의 유연한 제어 기능으로 인해 서로 다른 변조 영역(사인파 전류 변조 영역, 정현파 전압 변조 영역, 비 사인파 전압 영역) 에 해당하는 3단계 벡터 제어 전략을 제안 한다. 3단계 중에서 제 1영역은 선형 변조 영역으로 4차원 전류 제어를 사용하고, 다른 2개의 영역에서는 DC링크 전압 이용률을 개선하기 위해 2차원 전류 제어 기법을 사용한다. 또한 z1-z2 평면에서 고조파 전류 제어 성능을 개선 하기 위해 비례 적분 공진(PI-R) 제어 기법을 적용하여 시스템의 손실을 감소 시켰다. 본 논문에서 제안한 알고리즘은 EPS용 이중 3상 동기 전동기에 적용하여 실현 가능성을 입증하였다.
다상 전동기 드라이브 시스템은 낮은 토크 리플과 탁월한 고장 방지 능력으로 군사용, 항공 우주 및 선박 추진 등과 같은 고신뢰성을 요구하는 응용 분야에서 널리 사용된다. 이중 3상 동기 전동기 (PMSM)는 고정자 권선의 구조에 따라 6상 또는 12상 시스템으로 나눌 수 있다. 이러한 고정자 권선 구조를 가지는 동기 전동기는 k = 6n ± 1 (n = 1, 3, 5, ⋯) 차수의 고조파 성분이 제거되며, 토크 리플과 동손이 작다는 장점을 가진다. 이러한 장점으로 현재 자동차 분야에서는 이중 3상 동기 전동기가 각광 받고 있으며, Electric Power Steering (EPS), Integrated-Starter-Generator (ISG), Belt-Stator-Generator (BSG) 등과 같은 부품에 적용되고 있는 사례가 증가하고 있다. 이를 위해 여러 연구가 진행되고 있지만, 여전히 많은 기술적 한계를 지니고 있다. 따라서 본 논문에서는 30도 위상차를 가지는 Y결선의 이중 3상 동기 전동기의 몇 가지 주요 쟁점을 분석하여 최적의 제어 방법을 중심으로 연구하였으며, 이를 통해 전동기의 제어 성능을 향상시킬 수 있는 실용적인 적용 방법을 제안하였다. 먼저 본 논문에서 소개하는 두 종류의 벡터 제어 전략 사이의 관계를 증명하기 위해 Two-reaction 이론에 의한 이중 3상 동기 전동기의 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 도출하고, 이중 d-q 및 Vector Space Decomposition(VSD) 좌표의 서로 다른 참조 프레임 변환을 기반으로 전동기 수학적 모델을 도출하였다. 이중 d-q 모델에 기초한 벡터 제어는 2개의 3상 전동기를 제어하는 것과 동일하지만, VSD 모델은 서로 직교하는 3개의 서브 평면에 6차원 벡터를 갖는다. VSD 모델 분석을 통해 토크에 영향을 미치는 전류(α-β)와 고조파에 영향을 미치는 전류(z1-z2)를 벡터 제어에 사용함으로써 고조파 전류를 직접 및 효과적으로 제어 할 수 있다. 또한 VSD 모델을 기반으로 하는 이중 3상 시스템에 대한 펄스 폭 변조 (PWM) 방식에 대한 심층 분석을 하였다. 기존의 2개의 공간 벡터 전압 변조 방식(SVPWM)은 DC 링크 전압 이용률을 높여주지만 상전압의 고조파 비율이 높아진다는 단점이 있고, 4개의 공간 벡터 전압 변조 방식은 정현파 전압 변조만 가능하므로 전압 이용률이 낮다는 단점이 있다. 본 논문에서는 기존 2개의 공간 벡터 전압 변조 방식과 동일한 변조 범위를 얻을 수 있는 개선된 4개의 공간 벡터 전압 변조 방식을 제안하였으며, 이를 통해 전압과 전류의 고조파를 줄이는 결과를 얻었다. 그러나 이 전압 변조 방식을 이용한 6상 전압원 인버터 (VSI)의 PWM 파형은 비대칭이므로 마이크로 프로세서에서 구현이 어렵고 스위치 손실이 크다. 따라서 z1-z2에 주입 된 고조파를 분석하여 전압 이용률을 향상시키는 새로운 PWM 변조 기법과 VSD 모델의 유연한 제어 기능으로 인해 서로 다른 변조 영역(사인파 전류 변조 영역, 정현파 전압 변조 영역, 비 사인파 전압 영역) 에 해당하는 3단계 벡터 제어 전략을 제안 한다. 3단계 중에서 제 1영역은 선형 변조 영역으로 4차원 전류 제어를 사용하고, 다른 2개의 영역에서는 DC링크 전압 이용률을 개선하기 위해 2차원 전류 제어 기법을 사용한다. 또한 z1-z2 평면에서 고조파 전류 제어 성능을 개선 하기 위해 비례 적분 공진(PI-R) 제어 기법을 적용하여 시스템의 손실을 감소 시켰다. 본 논문에서 제안한 알고리즘은 EPS용 이중 3상 동기 전동기에 적용하여 실현 가능성을 입증하였다.