Journal of IKEEE (전기전자학회논문지)

Institute of Korean Electrical and Electronics Engineers (한국전기전자학회)
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Initial Rotor Position Detection of Single-phase Permanent Magnet Synchronous Motor using Offset Voltage

옵셋 전압을 이용한 단상 영구자석 동기 전동기의 초기 회전자 위치 검출

  • Hwang, Seon-Hwan (Dept. of Electrical Engineering, Kyungnam University) ;
  • Seo, Sung-Woo (Dept. of Electrical Engineering, Kyungnam University) ;
  • Jung, Tae-Uk (Dept. of Electrical Engineering, Kyungnam University)
  • Received : 2019.06.04
  • Accepted : 2019.06.13
  • Published : 2019.06.30
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Abstract

This paper propose an initial rotor position detection method for sensorless operation of a single-phase permanent magnet synchronous motor(SP-PMSM) with asymmetric air-gap. In general, the sensorless control based on back-emf estimation is difficult to estimate the back-emf at the zero and low speed regions. For this reason, an open loop start-up technique is indispensable, and it is also necessary to detect the initial position of the rotor in order to rotate in a certain direction. In this paper, we propose a method to detect rotor polarity by adding offset voltage to high frequency voltage signal based on the magnetic characteristics of SP-PMSM. The validity and usefulness of the proposed algorithm are verified through several experimental results.

본 논문에서는 비대칭 공극을 갖는 단상 영구자석 동기 전동기의 센서리스 운전을 위한 초기 회전자 위치 검출 알고리즘을 제안한다. 일반적인 센서리스 운전 기법 중 역기전력 기반의 센서리스 제어는 영속 및 저속운전에서 역기전력 정보를 추정하기 어렵다. 이를 위해 오픈 루프 기동 기법이 필수적으로 요구되고 일정한 방향으로의 회전을 위해서는 회전자의 초기 위치 검출이 반드시 필요하다. 본 논문에서는 단상 영구자석 동기 전동기의 자기적 특성을 이용하여 고주파 전압 주입 신호에 옵셋 전압을 추가하여 회전자 자극을 검출하는 기법을 제안한다. 다수의 실험 결과를 통하여 제안된 알고리즘의 유효성과 유용성을 검증하였다.

Keywords

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Fig. 1. Equivalent circuit with single-phase full bridge inverter and SP-PMSM. 그림 1. SP-PMSM과 단상 풀 브리지 인버터의 등가 회로

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Fig. 2. Linear and saturation regions of λ – i characteristics in air gap, (a) Before offset voltage, (b) After offset voltage. 그림 2. 공극 내 λ – i 특성의 선형 및 포화영역, (a) 옵셋 전압 인가 전, (b) 옵셋 전압 인가 후

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Fig. 3. Detection of a rotor pole in a SP-PMSM when injecting high frequency voltage, (a) Phase current at north pole, (b) Phase current at south pole. 그림 3. 고주파 전압 주입 시 SP-PMSM에서의 회전자 자극 검출, (a) N극에서의 상전류, (b) S극에서의 상전류

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Fig. 4. Detection of a rotor pole in a SP-PMSM when injecting high frequency voltage and offset voltage, (a) Phase current at north pole, (b) Phase current at south pole. 그림 4. 고주파 전압 및 옵셋 전압 주입 시 SP-PMSM에서 의 회전자 자극 검출, (a) N극에서의 상전류, (b) S 극에서의 상전류

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Fig. 5. A block diagram of the initial rotor pole detection algorithm. 그림 5. 초기 회전자 자극 검출 알고리즘 블록도

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Fig. 6. Experimental set-up. 그림 6. 실험장치

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Fig. 7. Experimental waveforms of north and south pole detection, (a) North pole detection and corresponding signal, (b) South pole detection and corresponding signal. 그림 7. N극 및 S극 자극 검출 실험파형, (a) N극 검출 및 관련 신호l, (b) S극 검출 및 관련 신호

Table 1. Parameters of a single-phase PMSM. and driving system. 표 1. SP-PMSM 및 구동 시스템의 파라미터

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