일반기술

회전좌표계에서 순시무효전력을 이용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어 장치

일반적으로, 최근 고정밀 속응제어가 요구되는 산업용 기기의 구동을 위한 서보운전용의 전동기로 직류전동기 대신 교류전동기의 사용이 증대되고 있다. 서보운전용의 직류전동기는 전기자 전류를 독립적으로 제어할 수 있어, 전동기의 토크 제어와 속도 제어가 용이한 장점을 갖고 있다. 그러나, 직류전동기를 사용한 서보 시스템에서는 브러쉬 및 정류자편의 기계적 마모에 따른 유지, 보수가 필요하며, 정류자의 정류한계로 인한 고속화, 고압화의 제약과 같은 단점을 가진다. 한편, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)는 회전자의 동손에 의한 발열이 없어 높은 신뢰성을 갖고 있으며, 또한 고정된 전기자 철심의 철손과 전기자 권선의 동손에 의한 발열만이 존재하므로, 단위무게당 토크 비율 및 효율이 다른 전동기에 비해 높다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 이와 같은 영구자석 동기전동기는 회전자에 부착된 영구자속으로부터 자속을 공급받기 때문에 이를 제어하기 위해서는 항상 회전자의 정확한 위치를 알아야 하므로, 레졸버, 절대 엔코더, 홀 소자 등의 자기센서를 이용한 전자식 위치검출기가 반드시 필요하게 된다. 그러나, 이러한 위치 검출기는 일반적으로 가격이 고가일 뿐만 아니라, 별도의 복잡한 하드웨어가 제어기에 구성되어야 한다는 단점이 있다. 또한, 상기 위치 검출기에 사용되는 센서는 진동 및 습도 등의 주위 환경에 대해 많은 영향을 받기 때문에 사용에 제한을 가지며, 센서를 전동기 축에 장착하여야 하기 때문에 전동기의 크기 증대 및 가공성의 저하와 같은 구조적 문제점이 야기된다. 상기 문제점들을 해결하기 위한, 전동기의 속도추정을 위해 전동기의 회전좌표계를 중심으로 한 전압 방정식과 순시 무효전력만을 사용하는 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어장치를 제공한다.영구자석 동기전동기의 위치 검출을 위한 센서가 필요하지 않으며, 동기전동기의 전압방정식으로부터 추정 속도를 산출하고 이로부터 회전자 좌표계의 순시무효전력과 실제 무효전력간의 차이를 보정값을 포함하여 산출하며 보정값에 대응하도록 동기전동기의 제어를 수행할 수 있어 전동기의 기계적 방정식에서 발생하는 메카니즘 오류를 방지할 수 있다. 영구자석 동기전동기의 위치 검출을 위한 센서가 불필요함에 따라 동기전동기의 생산단가를 저하시키는 효과가 있다.가전기기, OA기기, 산업용 기기, 자동차 등에 응용되는 소형정밀모터의 세계 시장규모는 2002년에 약 60억대 규모에 이르며, 동기전동기는 3,200여대에 달하고 있다. 한편, 국내 수요는 40여만대 정도로 15만여대만 국내에서 생산, 공급되고 있다. 국내 소형정밀모터의 시장은 최근 정보통신, 게임기 시장의 대폭적인 확대됨에 따라 국내 시장도 더욱 성장할 것으로 전망된다.