A High-Performance Control System of Reluctance Synchronous Motor with Direct Torque Control

This paper presents an implementation of high-dynamic performance control system of Reluctance Synchronous Motor (RSM) drives for an industrial servo system with direct torque control (DTC). The problems of DTC for high-dynamic performance and maximum efficiency RSM drives are the nonlinear variable flux and inductance due to a saturated stator linkage flux and nonlinear inductance curve with various load currents. The accurate estimation of the stator flux and torque are obtained using stator flux observer of which a saturated inductance Ld and Lq can be compensated by using the adapted neural network from measuring the modulus and angle of the stator current. To obtain fast torque response and maximum torque/current with varying load current, the reference command flux is ensured by imposing Ids=Iqs. This control strategy is proposed to fast response and optimal efficiency for RSM drive. In order to prove rightness of the suggested control algorithm, we have some actual experimental system using 6000 pulse/rev encoder at ±10 and ±1500 rpm. The developed digitally high-performance control system are shown some good response characteristics of control results and high performance features using 1.0kW RSM of which has 2.57 Ld/Lq salient ratio. K ey W ord s : DTC, RSM, Maximum Torque Control, Compensated Stator Flux Observer, Neural Network 正 會 員 : 嶺南理工大學 電氣自動化科 敎授. 工博 接受日字 : 2002年 4月 29日 最終完了 : 2002年 6月 12日 1 . 서 론 최근 급속도로 발전되고 있는 산업분야에서 서보구동용 제 어시스템은 고도의 정밀도와 빠른 응답특성을 갖는 시스템이 필수적이다. 이를 위해 종전에 사용되어온 직류전동기 대신 교류전동기에 벡터제어 이론을 도입한 제어시스템이 여러 분 야에서 많이 적용되고 있다. 벡터제어는 복잡하고 많은 연산 이 요구되므로, 최근에는 제어구조가 디지털 형태로 매우 단 순하면서 벡터제어에서처럼 많은 제어기와 복잡한 연산을 요 구하지 않고, 토크의 동적 특성이 전동기의 정수변화에 영향 이 적으면서 토크와 고정자 자속을 독립적으로 제어 할 수 있는 직접토크제어(DTC, Direct Torque Control) 구동 시스 템에 대한 연구에 관심이 집중되고 있다 [1]-[5] . 고성능 전동기 정밀제어분야는 유도전동기와 동기전동기가 산업용으로 많이 적용되고 있으나, 유도전동기는 복잡한 제 어 알고리즘으로 구현에 어려움이 따르며, 동기전동기는 회 전자에 영구자석을 사용함으로 소형 및 고효율 전동기로 널 리 이용되고 있으나 가격상승과 구조적인 문제점이 대두되고 있다. 이에 따라 회전자에 영구자석을 사용하지 않고 유도전 동기의 형태를 가지면서 자기적 돌극성에 의해 토크가 발생 되는 리럭턴스 동기전동기(RSM, Reluctance Synchronous Motor)가 산업의 발전과 제작기술의 향상으로 RSM의 구동 에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이 전동기의 장점은 공급되는 전압의 주파수에 따라 동기속도로 회전하 며, 회전자에 전류가 흐르지 않으므로 회전자 손실이 적고, 기동을 목적으로 회전자에 도체나 권선이 요구되지 않는 것 이다. 또한 RSM은 저가의 가격으로 쉬운 동기화 속도를 얻 으므로 정밀속도제어가 용이하다는 장점이 있는 반면, 회전 자 설계시 제한된 Ld/Lq 비에 의하여 역율과 출력토크가 낮 은 단점을 가지는 것이 특징이다. 그러나 최근 리럭턴스 비 를 증가시키는 구조의 회전자에 대한 연구로 유도전동기에 버금가는 정도의 역율과 출력토크가 얻어지고 있다. RSM의 직접토크제어는 일반적으로 고정자 쇄교자속의 변 화를 적용하는 방법과 고정자 전류벡터를 적용하여 제어하는 경우로 크게 2가지 방법이 적용되고 있다. 따라서 RSM의 발 생토크는 고정자의 자속벡터 또는 전류벡터와 d-q축의 리럭 턴스 비에 의하여 결정되며, 인덕턴스 Ld와 Lq는 부하의 변 화에 따라 비선형적으로 변화하므로 고정자 자속관측기에 의 하여 자속을 추정할 경우에는 오차에 따른 보다 긴 수렴시간 이 요구되어 토크응답시간을 길게 하는 결점이 있다. 이에 따라 빠른 응답이 요구되는 시스템을 위해서는 부하변화에 따라 철손과 자기회로의 포화를 고려함으로써 토크의 비선형 을 인덕턴스의 순시보상에 의하여 응답특성을 개선 할 수 있 다. RSM의 고정자 자속은 전류에 직접 비례하므로, d-q축 전류를 똑같이 분배함으로써 전동기의 동손이 최소화되어 단 Trans. KIEE. Vol. 51P, No. 2, JUN. 2002 직접토크제어에 의한 리럭턴스 동기전동기의 고성능 제어시스템 69 위 전류당 최대토크를 발생하여 빠른 토크의 응답을 유지하 면서 효율 최대화 운전의 수행을 가능하게 한다. 실 시스템 에서는 동손이외에도 철손이 존재하고, d축 전류가 커짐에 따라 Ld가 철심의 포화에 의해 적어지기 때문에 단위 전류 당 최대토크 발생지점은 부하전류에 따라 변하는 특성을 가 지게 된다. 이에 따라 본 연구에서는 자속관측기에 사용된 인덕턴스를 고정자 전류벡터를 적용하여 부하 전류변화에 따른 Ld 및 Lq를 보상하는 제어 알고리즘을 제시하고, 실제로 측정된 고 정자 자속과 전류곡선을 사용하여 부하변화에 따라 최대토크 를 발생하여 효율이 최대인 지점에서 운전되도록 신경회로망 을 사용하였다. 또한, 고정자 자속의 기준지령 값이 단위 전 류 당 최대토크를 발생하는 값으로 설정되는 직접토크제어에 의한 리럭턴스 동기전동기의 고성능 제어 시스템을 제시하였 다. 제안된 고성능 제어시스템의 타당성을 입증하기 위하여 연구용으로 설계 제작된 회전자의 구조가 멀티 전위 장벽형 으로 리럭턴스비(Ld/Lq)가 2.57을 가진 1.0 kW 리럭턴스 동 기전동기를 적용하여, TMS320C31 DSP 제어기와 IGBT 전 압형 인버터에 의해 구동되는 제어시스템의 실험에서 우수한 응답특성이 얻어짐을 확인하였다.