센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법 document_id A220623013745

본 발명은 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어에 관한 것으로, 특히 센서가 없는 영구자석 동기모터를 기동시킬 때 기동실패를 최소화하는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법에 관한 것이다. 통상, 영구자석 동기모터의 고정자(stator)는 코일에 전류를 흘려 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. 영구자석 동기모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 영구자석 동기모터의 연속적인 회전자계의 형성이 필요하며, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상 코일에 흐르는 전류의 전환(commutation)을 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 전환을 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다. 여기서 전환이란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다. 이러한 영구자석 동기모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치 검출을 위해 홀센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver) 소자, 엔코더(encoder)와 같은 위치검출센서를 이용하였다. 이러한 위치검출센서는 제조 원가가 비싸고, 압축기의 경우 압축기 내부의 온도 등 환경적인 문제로 인하여 영구자석 동기모터에 사용할 수 없기 때문에 영구자석 동기모터의 전압, 전류정보 등을 이용하여 회전자의 위치를 간접적으로 검출하는 센서리스(sensorless) 제어방식이 모색되었다. 이러한 센서리스 영구자석 동기모터는 센서가 없어 회전자의 초기위치를 알 수 없기 때문에 강제적인 기동방법을 택하고 있다. 센서가 없이 영구자석 동기모터를 구동하기 위해서는 도 1의 강제 정렬구간처럼 전기각 0도로 d-축 전류를 공급하여 모터를 강제 정렬시키고, 일정시간이 지나면 도 2의 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 이용하여 강제 기동을 시킨다. 이후 전기모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보와 크로스오버 함수를 통해 혼합하여 기동한 후, 센서리스 구간으로 전환하여 모터를 구동시킨다. 그런데, 이러한 센서리스 영구자석 동기모터는 부하가 크게 변동하는 조건에서는 강제 정렬 수행 시 부하의 변동에 의해서 모터의 강제 정렬이 정확히 이루어지지 않아 강제 정렬 후 강제 기동 시 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 이용하여 모터를 기동할 때 실제와 값이 맞지 않아 기동 실패의 가능성이 크다. 즉, 도 1과 같이 d-축 전류를 바로 인가하면 모터가 흔들리게 되어 모터 부하에 따라 강제 정렬하는 시간이 늘어날 수 있으며, 강제 기동 시 d-축 전류를 바로 '0'으로 인가하면 모터의 부하가 클 경우에는 강제 정렬시킨 위치에서 움직일 수 있다. 이렇게 강제 정렬 후 모터가 움직이면 강제 기동이 실패하게 된다. 또한, 강제 기동이 성공한 후에는 전기모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보와 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 크로스오버 함수로 혼합하여 사용하는데, 이때 혼합하는 위치가 속도 지령치로 되어 있기 때문에 실제 속도와 속도 지령치가 항상 같지 않아 기동에 실패할 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 종래 센서리스 영구자석 동기모터를 기동할 때의 실험 파형을 도 3에 도시하였다. 도 3은 강제 정렬 시 d-축 지령치가 바로 인가될 때의 A상 전류와 강제 기동 시 d-축 지령치를 바로 '0'으로 인가할 때의 A상 전류의 실험 파형을 나타낸 것으로, 도 3에서 보듯이, 강제 정렬 시 모터 축이 크게 흔들리고, 강제 기동 시 부하가 클 경우 순간적으로 모터 축이 흔들려 기동에 실패할 수 있음을 알 수 있다.