모터 제어를 위한 SVM(공간 벡터 변조)

공간 벡터 펄스 폭 변조를 사용하여 AC 모터를 제어하기 위한 알고리즘을 구현할 수 있습니다.

SVM(공간 벡터 변조)은 유도 모터 및 PMSM(영구자석 동기모터)을 위한 자속기준제어에서 일반적으로 사용되는 기법입니다. 공간 벡터 변조는 인버터의 스위치를 제어하기 위한 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 역할을 하며, 이를 통해 원하는 속도 또는 토크로 모터를 구동하는 데 필요한 변조된 전압을 생성할 수 있습니다. 공간 벡터 변조는 SVPWM(공간 벡터 펄스 폭 변조)이라고도 합니다. MATLAB®Simulink®를 사용하여 모터 제어 응용 분야에서 공간 벡터 변조 기법을 구현하거나 미리 구축된 SVM 라이브러리를 활용할 수 있습니다.

SVM의 목표

다음 등가 회로를 통해 6개의 스위치가 있는 3상 인버터에서의 모터 제어를 위한 공간 벡터 변조의 개념을 살펴볼 수 있습니다. 여기에는 8개의 유효한 스위칭 구성이 있습니다.

모터의 고정자 권선에 연결된 3상 인버터 회로.
* S2, S4, S6 스위치의 상태는 각각 S1, S3, S5와 상보적으로 동작합니다.

각 스위칭 구성에 따라 모터 단자에 적용되는 특정 전압이 생성됩니다. 전압은 기본 공간 벡터이며 공간 벡터 육각형으로 크기와 방향을 나타냅니다.

기본 벡터 U1~U8을 갖는 공간 벡터 육각형.

모터의 고정자 권선에 연결된 3상 인버터 회로.

기본 공간 벡터(방향)와 영벡터(크기)에 해당하는 스위칭 상태가 결합되어 공간 벡터 육각형 내의 모든 위치에서 모든 크기의 전압 벡터 근사치를 구할 수 있습니다. 예를 들어 모든 PWM(펄스 폭 변조) 기간에 대한 기준 벡터 ‘Uref’의 평균은 지정된 기간 동안 인접한 두 공간 벡터(그림에서 U3 및 U4), 나머지 기간 동안 영벡터(U7 또는 U8)의 스위칭 시퀀스를 사용하여 계산됩니다.

스위칭 시퀀스를 제어하고 그 결과 펄스의 온(ON) 지속 시간을 제어함으로써 모든 PWM 기간에 대해 다양한 크기와 방향을 가진 전압 벡터를 얻을 수 있습니다. 공간 벡터 변조 기법의 목표는 모든 PWM 기간에 대해 기준 전압 벡터에 해당하는 스위칭 시퀀스를 생성하여 지속적으로 회전하는 공간 벡터를 얻는 것입니다.

회전하는 기준 공간 벡터의 보기.

SVM의 작동

공간 벡터 변조 기법은 기준 전압 벡터에서 작동하면서 매 PWM 기간마다 인버터에 대한 적절한 게이트 신호를 생성하며, 그 목표는 지속적으로 회전하는 공간 벡터를 얻는 것입니다.

공간 벡터 변조를 이용하는 자속기준제어 아키텍처의 보기.

이 블록 다이어그램은 공간 벡터 변조 워크플로의 한 예를 보여줍니다.

SVM 알고리즘은 전압 벡터를 입력 기준으로 사용하여 모든 PWM 기간에 대해 다음을 수행합니다.

  • 기준 전압 벡터에 따라 온 및 오프 게이팅 시간 계산
  • 게이팅 시간을 사용하여 쌍봉 변조 파형 생성
  • 게이팅 시간을 사용하여 인버터 스위치에 대한 적절한 게이트 펄스 생성

SVM 알고리즘에 의해 생성된 공간 벡터 변조 전압 신호.

생성되는 쌍봉 변조파는 가용 DC 버스 전압을 최대한 활용하는 특성을 갖습니다. 이는 SPWM(정현파 펄스 폭 변조) 기법에 비해 더 우수한 정격 전압 출력을 제공합니다.

변조파와 반송파의 비교 결과로 생성되는 게이트 펄스.

생성된 게이트 신호를 3상 인버터의 스위치에 적용하여 원하는 속도 또는 토크로 모터를 구동할 수 있습니다.

PWM 하드웨어 지원

Arduino®, Raspberry Pi™ 및 TI 보드와 같은 하드웨어 보드는 변조 파형을 수신하여 전력 인버터를 구동하기 위한 게이트 펄스를 생성합니다.

TI 하드웨어에서 SVM을 이용한 자속기준제어 구현에 대해 자세히 알아보려면 Simulink를 이용한 PMSM의 자속기준제어 3편: 배포 (4:52) 비디오를 참조하십시오.

PWM 기법을 사용하는 모터 제어 알고리즘은 일반적으로 설계 요구사항에 따라 몇 kHz 정도는 더 높은 주파수에서 실행해야 합니다. 비용이 많이 드는 하드웨어 테스트에 들어가기에 앞서 제어 아키텍처의 정확도를 조기에 평가하는 것이 중요합니다. 이러한 접근법 중 하나는 시뮬레이션 환경을 사용하는 것입니다. 예를 들어 Simulink를 사용하면 모델링된 모터를 대상으로 공간 벡터 변조와 같은 펄스 폭 변조 기법을 포함한 제어 아키텍처를 시뮬레이션 및 검증하고 조기 단계에서 오류를 바로잡을 수 있습니다.

Simulink에서 SVM을 사용하려면 Space Vector Generator 블록을 참조하십시오.

모터 제어 알고리즘의 설계 및 구현 방법에 대해 더 자세히 알아보려면 Motor Control BlocksetSimscape Electrical을 참조하십시오.

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