This paper presents a comparative study of position sensorless control schemes based on back-electromotive force (back-EMF) estimation in permanent magnet synchronous motors (PMSM). The characteristics of the estimated back-EMF signals are analyzed using various mathematical models of a PMSM. The transfer functions of the estimators, based on the extended EMF model in the rotor reference frame, are derived to show their similarity. They are then used for the analysis of the effects of both the motor parameter variations and the voltage errors due to inverter nonlinearity on the accuracy of the back-EMF estimation. The differences between a phase-locked-loop (PLL) type estimator and a Luenberger observer type estimator, generally used for extracting rotor speed and position information from estimated back-EMF signals, are also examined. An experimental study with a 250-W interior-permanent-magnet machine has been performed to validate the analyses.
This paper proposes an estimation method of back emf for the sensorless controlled high speed PMSM drive in turbo compressors with air bearings. The back emf of PMSM motor varies due to the temperature variation, which deteriorates the control performance of sensorless controlled PMSM drives. The proposed method is based on the current model of the PMSM motor. The simulation results show that the proposed method estimates the back emf of sensorless controlled PMSM drives with reasonable accuracy for parameter adaptation.
This paper analyzes the effect of resistance error to the performance of sensorless drive system of surface-mounted permanent magnet synchronous machine (SMPMSM) based on the back-EMF observer. The analysis shows that the bandwidth of the entire sensorless drive system decreased in the low-speed region when using smaller resistance value than the actual one in the back-EMF observer. Even if the back-EMF observer invokes estimation error, the entire sensorless drive system does not make any steady-state position error. These characteristics may have positive effects such as extension of the low speed limit that goes further down in the sensorless drive. The validity of the analysis is verified by the experimental setup comprising the MG set.
The current model based sensorless method has many benefits that it can be robust control for large load torque. However, this method should determine a coefficient of back electro motive force(back-emf). This coefficient is varied by load torque and speed. Also, the coefficient determining equation is not exist, so it is determined only by experiment. On the other hands, using only back-emf estimatior method can not drive in low speed area and it has weakness in load variation. For these problems, this paper suggests the hybrid sensorless method that mixes the back-emf estimator regarding saliency and the current based sensorless model. This estimator offers not only non-necessary coefficient for current sensorless model, but also wide speed area operating in no specific transition method.
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.
산업용 기기 및 가정용 기기 분야에서 서보 전동기 이용의 급부상으로 인하여 PMSM의 센서리스 제어에 대한 연구가 활발히 연구되고 있다. 센서리스 제어시 그 기초가 되는 것은 역기전력 항이다. 일반적인 센서리스 제어는 역기전력을 추정하고 그 역기전력을 적분하는 형태를 취하여 회전자의 위치를 추정하고 있다. 이 방식에서 두 좌표축의 역기전력 항을 구하기 위해서는 역기전력의 크기와 회전자 위치가 서로 직접적으로 연관되어 있어 두 파라미터를 동시에 정확하게 추정하기는 쉽지 않다. 따라서 본 논문에서는 PMSM의 구동을 위해 필수적인 회전자의 위치 각을 역기전력의 크기의 변수를 사용하지 않는 정규화한 역기전력 항으로 구하는 방법을 제안한다. 또한 실험을 통하여 그 타당성을 입증하였다.
A sensorless motor control scheme with conventional back-Electro Motive Force (EMF) sensing based on zero crossing point (ZCP) detection has been widely used in various applications. However, there are several problems with the conventional method for effectively driving sensorless brushless motors. For example, a phase mismatch of 30 degrees occurs between the ZCP and commutation time. Additionally, most of the motor speed/current controls are achieved based on a pulse width modulation (PWM) method, which generates significant noise that distracts the back-EMF sensing. Due to the PWM switching, the ZCP is not deterministic, and thus the efficiency of the motor is reduced because the phase transition points become uncertain. Moreover, the motor driving performance is degraded at a low speed range due to the effect of PWM noise. To solve these problems, an improved back-EMF detection method based on a differential line method is proposed in this paper. In addition, the proposed sensorless BLDC driver addresses the problems by using a variable voltage driver generated from a buck converter. The variable voltage driver does not generate the PWM switching noise. Consequently, the proposed sensorless motor driver improves 1) the signal-to-noise ratio of back-EMF, 2) the operation range of a BLDC motor, and 3) the torque characteristics. The proposed sensorless motor driver is verified through simulations and experiments.
This paper propose a sensorless control system of IPMSM with a adaptive back-EMF estimator and improved instantaneous reactive power compensator. A saliency-based back-EMF is estimated by using the adaptive algorithm. The estimated back-EMF is inputted to the phase locked loop(PLL) and the improved instantaneous reactive power(IRP) compensator for estimating the position/speed of the rotor and compensating the error components between the estimated and the actual position, respectively. The stability of the proposed system is achieved through Popov's hyper stability criteria. The validity of proposed algorithm is verified by the simulations and experiments.
This paper presents a simplified analysis on the rotor position detection error in sensorless interior permanent magnet brushless DC motor (BLDCM) drives, wherein terminal voltage sensing based on the back-electromotive force (back-EMF) zero-crossing point detecting circuitry is employed. The effect of a rotor saliency on the back-EMF's zero-crossing point detection is analyzed using the extended EMF-based voltage equation of the interior permanent BLDCM in a stationary reference frame, and thus the overall analysis is considerably simplified compared to the conventional one. Simulation results are provided to verify the effectiveness of the proposed method.
An inverter output power control based power factor correction (PFC) strategy is being extensively used for permanent magnet synchronous motor (PMSM) drives in appliances because such a strategy can considerably reduce the cost and size of the inverter. In this strategy, PFC circuits are removed and large electrolytic DC-link capacitors are replaced with small film capacitors. In this application, the PMSM d-q axes currents are controlled to produce ripples, the frequency of which is twice that of the AC main voltage, to obtain a high power factor at the AC mains. This process indicates that the PMSM operates under periodic magnetic saturation conditions. This paper proposes a back electromotive-force (back-EMF) estimator for the high-speed sensorless control of PMSM operating under periodic magnetic saturation conditions. The transfer function of the back-EMF estimator is analyzed to examine the effect of the periodic magnetic saturation on the accuracy of the estimated rotor position. A simple compensation method for the estimated position errors caused by the periodic magnetic saturation is also proposed in this paper. The effectiveness of the proposed method is experimentally verified with the use of a PMSM drive for a vacuum cleaner centrifugal fan, wherein the maximum operating speed reaches 30,000 rpm.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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