Analysis of influence of parameter error for extended EMF based sensorless control and flux based sensorless control of PM synchronous motor

영구자석 동기전동기의 확장 역기전력 기반 센서리스 제어와 자속기반 센서리스 제어의 파라미터 오차의 영향 분석

Abstract

The PM synchronous motor drives with vector control have been applied to wide fields of industry applications due to its high efficiency. The rotor position information for vector control of a PM synchronous motor is detected from the rotor position sensors or rotor position estimators. The sensorless control based on the mathematical model of PM synchronous motor is generally used and it can be classified into back EMF -based sensorless control and magnet flux-based sensorless control. The rotor position estimating performance of the back EMF-based sensorless control is deteriorated at low speeds since the magnitude of back EMF is proportional to the motor speed. The magnitude of the magnet flux for estimating rotor position in the flux-based sensorless control is independent on the motor speed so that the estimating performance is excellent for wide speed ranges. However, the estimation performance of the model-based sensorless control may be influenced by the motor parameter variation since the rotor position estimator uses the mathematical model of the PM synchronous motor. In this paper, the rotor position estimation performance for the back EMF based- and flux-based sensorless controls is analyzed theoretically and is compared through the simulation and experiment when the motor parameters including stator resistance and inductance are varied.

영구자석 동기전동기는 벡터제어를 통해 우수한 효율로 다양한 산업분야에 적용되고 있다. 영구자석 동기전동기의 벡터제어를 위한 회전자 위치정보는 회전자 위치센서 또는 회전자 위치 추정기를 이용하여 검출한다. 회전자 위치추정기를 이용한 센서리스 제어로 가장 많이 적용되고 있는 모델기반 센서리스 제어는 역기전력기반의 센서리스 제어와 영구자석의 자속기반 센서리스 제어로 구분할 수 있다. 역기전력 기반의 센서리스 제어는 역기전력이 속도에 비례하므로 저속에서 회전자의 위치 추정성능이 떨어지는 단점이 있다. 자속기반 센서리스 제어의 경우 회전자 위치추정을 위한 영구자석의 자속의 크기는 속도에 관계없이 일정하기 때문에 넓은 속도 영역에서 회전자의 위치 추정성능이 우수하다. 하지만 모델기반 센서리스 제어는 영구자석 동기전동기의 수학적 모델을 이용하기 때문에 전동기 상수의 변화에 따라 회전자 위치 추정 성능이 영향을 받는다. 본 논문에서는 두 가지 모델기반 센서리스 제어 방법에 대해 고정자 저항 및 인덕턴스의 전동기 상수 오차가 -30% ~ 30%로 변동하였을 때 역기전력 추정 성능, 자속 추정 성능, 회전자의 위치추정 성능을 이론적으로 비교, 분석하고 모의해석 및 실험으로 검증하였다.

Fig. 1. Estimated δ axis back-EMF for R variation

Fig. 2. Estimated δ axis back-EMF for L variation

Fig. 3. Magnet flux estimator with HPF

Fig. 4. Error of Estimated back EMF according to parameter variation

Fig. 5. Error of Estimated magnet flux according to parameter variation

Fig. 6. Error of estimated rotor position for back EMF estimator according to parameter variation

Fig. 7. Error of estimated rotor position for magnet flux estimator according to parameter variation

Fig. 8. Experiment set

Fig. 9. Estimated back EMF and real and estimated rotor position at 300rpm

Fig. 10. Estimated back EMF and real and estimated rotor position at 1,800rpm

Fig. 11. Estimated rotor position error at 300rpm

Fig. 13. Position error when resistance error occurs

Fig. 12. Estimated rotor position error at 1,800rpm

Fig. 14. Position error when inductance error occurs

Table 1. Motor parameters