약계자 제어란?

약계자 또는 약자속은 토크를 감소하는 대신 전기 모터의 속도를 정격 이상으로 높이는 기법입니다. 약계자는 자동화 응용 분야의 모터 제어와 전기 자동차 및 기관차용 견인 모터 제어에서 토크 감소가 허용 가능할 때 더 높은 모터 속도를 달성하기 위해 사용됩니다.

PMSM(영구자석 동기모터)은 높은 출력 밀도, 높은 속도 및 빠른 동적 응답 때문에 이러한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 PMSM의 속도는 고정자 단자 전압이 인버터 출력 제한에 도달할 경우 제한됩니다. 따라서 PMSM에는 축의 속도를 설계 정격 이상으로 높이기 위해 약계자가 필요합니다. 더 높은 모터 속도를 달성하는 한 가지 방법은 인버터 전력 전자 조절을 통해 고정자의 d축 및 q축 전류를 조작해서 회전자 자석에 의해 생성되는 자기 공극 자속을 상쇄하는 것입니다.

약계자 제어는 영구자석 \(\lambda_{pm}\)과 연관된 공극 쇄교 자속의 영향을 줄여서 결과로 나타나는 d축 자속 \(\lambda_{d}\)를 감소시키는 작업을 수반합니다. 이를 위해서는 아래의 그림 1처럼 PMSM의 고정자 d축 전류의 성분을 음의 방향으로 자화시킵니다.

그림 2의 토크 속도 특성 곡선은 모터의 역기전력(고정자 전압)이 모터 속도에 비례하여 증가함을 보여줍니다. 이러한 거동은 FOC(자속기준제어)가 모터 조절 방법으로 허용되는 PMSM의 일정 토크 영역에서 발생합니다. 그러나 속도가 계속 상승하면 인가 전압이 최대치에 도달하고 역기전력 전압이 인가 전압을 초과하면서 모터의 가속을 막게 됩니다. 모터 속도를 기본 속도 이상으로 높이기 위해 토크와 모터 속도를 곱한 값인 일정 출력 전력을 유지하면서 약계자 모드가 사용됩니다. 약계자 도중에 모터는 최대 가용 전압에서 더 빠르게 회전할 수 있으나 그 대신 최대 토크는 감소합니다.

그림 3은 약계자 제어 영역을 고정자 전류(i_d, i_q) 평면 왼쪽에 있는 전압 제한 타원과 전류 제한 원의 교차 영역으로 보여줍니다.

약계자를 이해하기 위해 약계자 영역 OABC를 경계로 하는 궤적을 사용하여 전류 벡터 궤적의 값을 계산할 수 있습니다. OA상에 있는 궤적 I은 MTPA(암페어당 최대 토크) 곡선이며, MTPA는 OA 곡선과 일치하도록 전류 벡터 궤적을 조작하여 달성할 수 있습니다. 궤적 II는 A에서 B까지 전류 제한 원을 따릅니다. 전류 제한은 DC 버스와 전력 전자의 제약 조건에 의해 정의됩니다. 궤적 III은 MTPV(볼트당 최대 토크) 곡선인 BC를 따라가는 깊은 약계자를 나타냅니다. MTPV 동작 중에 모터는 (DC 버스에 의해 경계가 정해지는)전압 제약 조건 타원 내에서 허용되는 최대 속도와 토크를 생성합니다. 최적화된 약계자 궤적 또는 동작점은 토크 과도 응답과 무관하게 항상 회색 영역 내에 위치합니다.

그림 4는 Simulink^®의 PMSM 약계자 제어에 대한 시스템 수준 블록 다이어그램을 보여줍니다. 외부 속도 제어 루프는 MTPA 약계자 제어 블록을 위한 입력값으로서 토크 명령을 생성합니다. 내부 전류 루프는 Clarke 및 Park 변환과 공간 벡터 생성기로 구성됩니다.

Motor Control Blockset™은 약계자 제어를 보여주는 참조 예제와 Simulink를 사용한 약계자 제어를 구현할 수 있도록 코드 생성 배포를 지원합니다.

모터 제어 알고리즘의 설계 및 구현 방법에 대해 더 자세히 알아보려면 Motor Control Blockset 및 Simscape Electrical™을 참조하십시오.