필드 방향 제어는 무엇인가요?

필드 지향 제어란?

필드 지향 제어 정의

필드 지향 제어는 DC 모터와 유사하게 토크와 자기 유속을 독립적으로 제어하여 AC 유도 모터를 관리하는 고급 기술입니다.

필드 지향 제어의 작동 원리

필드 지향 제어는 벡터로 표현된 스태터 전류를 제어하는 것으로 구성됩니다. 이 제어는 시간과 속도에 따라 변하는 3상 시스템을 시간 불변의 2축 (d 및 q 축) 시스템으로 변환하는 투영을 기반으로 합니다.

 이러한 변환과 투영은 DC 기계 제어 구조와 유사한 구조를 생성합니다. FOC 기계는 두 개의 상수를 입력 참조로 필요로 합니다: 토크 구성 요소 (q 좌표와 일치)와 플럭스 구성 요소 (d 좌표와 일치).

AC 모터의 3상 전압, 전류 및 플럭스는 복소 공간 벡터로 분석할 수 있습니다. 만약 ia, ib, ic가 스태터 단계의 순간 전류라면, 스태터 전류 벡터는 다음과 같이 정의됩니다:

여기서 (a, b, c)는 3상 시스템의 축입니다.이 전류 공간 벡터는 3상 사인파 시스템을 나타냅니다. 이를 2개의 시간 불변 좌표 시스템으로 변환해야 합니다. 이 변환은 두 단계로 나눌 수 있습니다:

(a, b, c) → (α, β) (클라크 변환), 이는 두 좌표 시간 변동 시스템의 출력을 제공합니다.

(a, β) → (d, q) (파크 변환), 이는 두 좌표 시간 불변 시스템의 출력을 제공합니다.

(a, b, c) → (α, β) 투영 (클라크 변환)시간에 따라 a, b, c 축을 따라 변하는 3상 양 (전압 또는 전류)은 다음 변환 행렬을 사용하여 시간에 따라 α 및 β 축을 따라 변하는 2상 양 (전압 또는 전류)로 수학적으로 변환할 수 있습니다:

a 축과 α 축이 같은 방향이고 β는 그들과 직교하다고 가정하면, 다음과 같은 벡터 도표를 얻습니다:

위의 투영은 3상 시스템을 (α, β) 2차원 직교 시스템으로 변환합니다:

그러나 이러한 2상 (α, β) 전류는 여전히 시간과 속도에 의존합니다.(α, β) → (d.q) 투영 (파크 변환)이는 FOC에서 가장 중요한 변환입니다. 실제로 이 투영은 2상 고정 직교 시스템 (α, β)을 d, q 회전 참조 시스템으로 변환합니다. 변환 행렬은 다음과 같습니다:

여기서 θ는 회전 및 고정 좌표 시스템 사이의 각도입니다.

만약 d 축이 로터 플럭스와 일치한다고 가정하면, 그림 2는 두 참조 프레임 간의 현재 벡터 관계를 보여줍니다:

여기서 θ는 로터 플럭스 위치입니다. 현재 벡터의 토크 및 플럭스 구성 요소는 다음 방정식으로 결정됩니다:

이 구성 요소들은 현재 벡터 (α, β) 구성 요소와 로터 플럭스 위치에 따라 달라집니다. 정확한 로터 플럭스 위치를 알면 위의 방정식을 통해 d, q 구성 요소를 쉽게 계산할 수 있습니다. 이 순간, 토크는 플럭스 구성 요소 (isd)와 토크 구성 요소 (isq)가 이제 독립적이므로 직접 제어할 수 있습니다.

필드 지향 제어 기본 모듈

스태터 단상 전류가 측정됩니다. 이러한 측정된 전류는 클라크 변환 블록에 입력됩니다. 이 투영의 출력은 isα 및 isβ로 명명됩니다. 이 두 전류 구성 요소는 파크 변환 블록으로 들어가 d, q 참조 프레임의 전류를 제공합니다. 

isd 및 isq 구성 요소는 참조 값인 isdref (플럭스 참조) 및 isqref (토크 참조)와 대조됩니다. 이 순간, 제어 구조는 플럭스 참조를 변경하고 로터 플럭스 위치를 추적함으로써 동기 또는 유도 기계를 모두 제어할 수 있는 장점이 있습니다. PMSM의 경우 로터 플럭스는 자석에 의해 고정되어 있으므로 하나를 만들 필요가 없습니다. 

따라서 PMSM을 제어할 때, isdref는 0이어야 합니다. 유도 모터는 작동하기 위해 로터 플럭스 생성이 필요하므로 플럭스 참조는 0이 아니어야 합니다. 이는 "전통적인" 제어 구조의 주요 단점 중 하나인 비동기에서 동기 구동으로의 이동성을 쉽게 제거합니다. 

PI 컨트롤러의 출력은 Vsdref 및 Vsqref입니다. 이들은 역 파크 변환 블록에 적용됩니다. 이 투영의 출력인 Vsαref 및 Vsβref는 공간 벡터 펄스 폭 변조 (SVPWM) 알고리즘 블록에 입력됩니다. 이 블록의 출력은 인버터를 구동하는 신호를 제공합니다. 여기서 파크 및 역 파크 변환은 로터 플럭스 위치가 필요합니다. 따라서 로터 플럭스 위치는 FOC의 핵심입니다.

로터 플럭스 위치의 평가는 동기 또는 유도 모터를 고려할 때 다릅니다.동기 모터의 경우, 로터 속도는 로터 플럭스 속도와 같습니다. 그러면 로터 플럭스 위치는 위치 센서 또는 로터 속도의 적분으로 직접 결정됩니다.

유도 모터의 경우, 슬립 때문에 로터 속도는 로터 플럭스 속도와 같지 않습니다. 따라서 특정 방법을 사용하여 로터 플럭스 위치 (θ)를 평가합니다. 이 방법은 d, q 회전 참조 프레임에서 유도 모터 모델의 두 방정식을 필요로 하는 전류 모델을 활용합니다.

간단화된 간접 FOC 블록 다이어그램

필드 지향 제어의 분류

유도 모터 구동을 위한 FOC는 크게 간접 FOC와 직접 FOC 방식으로 분류할 수 있습니다. DFOC 전략에서는 로터 플럭스 벡터가 에어갭에 장착된 플럭스 센서를 통해 측정되거나 전기 기계 매개변수를 기반으로 하는 전압 방정식을 사용하여 측정됩니다.

 하지만 IFOC의 경우 로터 플럭스 벡터는 필드 지향 제어 방정식 (전류 모델)을 사용하여 추정되며 로터 속도 측정이 필요합니다. 두 방식 중 IFOC는 폐루프 모드에서 0부터 고속 필드 약화까지 모든 속도 범위에서 쉽게 작동할 수 있어 더 일반적으로 사용됩니다.

필드 지향 제어의 장점

• 향상된 토크 응답.

• 낮은 주파수 및 낮은 속도에서의 토크 제어.

• 동적 속도 정확성.

• 모터 크기, 비용 및 전력 소비 감소.

• 네 쿼드런트 작동.

• 단기 과부하 능력.