전기자동차 모터 기술 약계자 제어의 활용 과 최적 운전점 찾기

1.IPMSM을 사용하고 제어해야 하는 이유

이전 글에서 우리는 전기차 구동모터에서 IPMSM을 사용한다는 사실을 알게되었다.

 

  간단히 말해 장점으로 효율과 출력밀도가 우수하고, 회전자 구조가 간단하며 효율이 높지만 이에 대해 계자자속 양조절을 하는 것이 매우 어렵기에 이를 제어하는 방식 또한 따라서 발전해 왔다..

 

   사실 모터를 제어하는 기술의 경우 주요 파라미터가 역기전력에 기반하므로 이 글을 읽기 전 역기전력 기본이론에 대하여 필자가 다른 글이나 타인이 다른 글을 읽어보고 아래글을 읽는 것을 추천하는 바이다.

 

그럼 역기전력을 알고 있다고 생각하고 이야기를 시작해 보자

 

전기차용 구동모터 IPMSM에 대한 분석

 

 2.D-Q변환의 활용

 

우선 자세하게 들어가기 전D-Q변환이란 모터를 제어하기 위한 하나의 툴로 이를 자세히 다루면 너무 복잡해지니

이론은 아래글을 참조해 주기를 바라며 결론만 놓고 말한다면 모터의 삼각함수를 변환시켜 11차 함수형태로 제어하는 모터의 해석방법이다 정도의 이해를 가지고 아래서 이야기를 진행해 보자

 

3.IPMSM에서의 D-Q변환의 활용

 

 사실 PM에서는 N극과 SS극의 중심축을 d-축 그리고 N극과 S극의 경계선을 지나는 축을q-축이라 칭하는데 여기서 중요한 지점은d-축과 q-축이 전기적각으로 90도를 이루며 회전한다는 것이다..

  IPMSM의 특성에서 다루었듯, 단위전류당 최대의 토크를 얻기 위해서는 부하각을 90도로 만들어야 한다. 는. 사실을 다뤘었는다, 이를 단순하게 생각해 보면  회전자게와 영구자석의 전기각을 90도 차이 나도록 전류를 제어해야 하는데 회전자계 자체를 q-축에 정렬한다면 꽤나 효율적인 방식으로 제어할 수 있다..

 

  하지만 이전글에서 다루었듯이 IPMSM에서는 릴럭턴스토크를 얻기 위해 의도적으로 전진각 제어를 해야만 한다라고 설명했었다 두 개를 모두 고려해야 하고 힘의 방향이므로 당연히 벡터적인 합성으로 다루여야 하며 

90도라는 최적점을 넘겨서 제어하기에 전진각 제어를 하면 PM의 자력이 약해지므로 Magnetic 토크는 감소하게  된다 그러나 릴럭턴스 토크를 최대점에서 활용하기 오히려 전체 토크량이 증가하므로 아래와 같은 그프와 같은 마그네틱 토크를 제어한다는 점에서는 상당히 흥미로운 관점이다.

 

 

4. 그래서 약계자 제어가 뭔데?

 위에서 설명한 대로 Id Id에서의 각도변환에 의해 PM의 자력이 약해진다면 어떠한 상황이 나올까? 사실 기계적으로는 역기전류적으로 해석해 본다면 사실상 기계의 특성이 변한 것과 동일하기에 상수는 고정이지만 우리는 역기전력을 변동하는듯한 효과를 낼 수 있다는 게 가장 중요한 결론이다.

 

 

  이를 직관적으로 접근하면 N-T 커브에서 역기전력 상수 kE kE와 토크 상수 kT 가  감소하는 것과 같은 효과이므로 최고 속도 영역이 더 넓어지게 된다.  즉, "전진각을 주게 되면 d-축 전류 Id 가 PM의 자력을 약하게 하여 속도 범위는 증가하게 된다."가 약계자 제어의 정의라고 볼 수 있겠다..

 

 

6. 약계자 제어의 활용과 효율운전

  사실 효율맵을 여러 개 찍어내서 가장 효율적인 운전점을 찾아낸다.라고. 말을 하면 간단하지만

 이를 만들어내는데 중간과정은 수식적으로 너무 복잡하고 고통스럽다(과정은 나중에 세세히 다뤄보겠다) 단순하게 접근한다면 전기차용 구동모터를 제어하는 데 있어서 감소시키는 게 끝 아니야? 말할수도있지만, 여기서 구동모터의 효율을 높이기 위해 연비와 전비가라는 파라미터를 최대한 높여야만 한다 하지만 구동모터의 경우 속도-토크가 시시각각 변화하므로 어떤 동작점에서도 가장  높은 효율을 뽑아내야 하는 과제가 있다.

 결론적으로 어떠한 운 점마다 최적제어를 해야 하고 그걸 인버터에 전달해서 최적제어를 하기 위한 기술이다 정도의 접근 방식으로 이해하면 조금 쉽게는 접근할 수 있을 것이다..

 

 

마무리로 이번 약게자제어를 공부하며 많은 데이터를 참고한 소장 H An 님에게 감사인사를 전하며 약계자 제어 편을 마친다.