[eBook] DC, AC, BLDC 모터제어(4판)

1.1 전동기의 기본 원리

1.2 전동기의 연속 토크 발생 조건

  1.2.1 자계 에너지 (Magnetic Energy)

  1.2.2 직선 운동 기계

  1.2.3 회전 기계 (Rotating Machine)

1.3 부하 시스템의 모델링 (Modeling)

  1.3.1 부하 시스템의 운동 방정식

  1.3.2 전동기의 운전 영역

1.4 전동기 구동 시스템의 구성






2장 직류 전동기의 토크 제어

2.1 직류 전동기의 구성

2.2 직류 전동기의 모델링

2.3 직류 전동기의 정상상태 특성

  2.3.1 전기자 전압 제어 (Armature Voltage Control)

  2.3.2 계자 자속 제어 (Field Control)

2.4 직류 전동기의 과도상태 특성

2.5 전동기의 제어 시스템

  2.5.1 제어계의 구성

  2.5.2 제어계의 설계

2.6 직류 전동기의 전류 제어기 설계

  2.6.1 비례 전류 제어기 (P Current Controller)

  2.6.3 Anti-Windup 제어기

2.7 직류 전동기의 속도 제어기 설계

  2.7.1 비례 적분(PI) 속도 제어기

  2.7.2 IP (Integral and Proportional) 제어기

2.8 직류 전동기의 구동을 위한 전력 변환 장치

2.9 영구자석 직류 전동기의 시뮬레이션：Matlab Simulink

  2.9.1 영구자석 직류 전동기와 기계 시스템

  2.9.2 비례 전류 제어기∙

  2.9.3 비례 적분 전류 제어기

  2.9.4 비례 적분 속도 제어기

  2.9.5 4상한 초퍼 (Chopper)






3장 교류 전동기

3.1 유도 전동기 (Induction Machines)

  3.1.1 구조적 특성

  3.1.2 유도 전동기의 회전 원리

  3.1.3 유도 전동기의 등가회로

  3.1.4 유도 전동기의 특성

  3.1.5 유도 전동기의 정수 측정

  3.1.6 유도 전동기의 속도 제어

3.2 동기 전동기 (Synchronous Machines)

  3.2.1 원통형 동기 전동기

  3.2.2 돌극형(Salient Pole) 동기 전동기

  3.2.3 동기 전동기의 기동






4장 좌표 변환

4.1 좌표 변환 (Reference Frame Transformation)

4.2 행렬(Matrix)식을 이용한 좌표 변환

  4.2.1 abc 좌표계 변수의 정지 좌표계 d-q축 변수로의 변환

  4.2.2 정지 좌표계 변수의 회전 좌표계 변수로의 변환

4.3 복소수(Complex Number) 벡터를 이용한 좌표 변환

4.4 유도 전동기의 모델링∙

  4.4.1 고정자 권선의 쇄교 자속

  4.4.2 회전자 권선의 쇄교 자속

4.5 유도 전동기의 d-q축 모델

  4.5.1 임의의 각속도 w 로 회전하는 dw-qw 축에서의 전압 방정식

  4.5.2 임의의 각속도 w 로 회전하는 dw-qw 축에서의 쇄교 자속식

  4.5.3 d-q축 좌표계에서 표현된 유도 전동기의 출력 토크

4.6 영구자석 동기 전동기의 d-q축 모델

  4.6.1 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)

  4.6.2 d-q축 좌표계에서 IPMSM의 전압 방정식

  4.6.3 표면 부착형 영구자석 동기 전동기(SPMSM)






5장 교류 전동기의 벡터제어

5.1 전동기의 순시 토크 제어 조건

5.2 유도 전동기의 벡터 제어

  5.2.1 유도 전동기의 순시 토크 제어

  5.2.2 회전자 자속 기준 직접 벡터 제어

  5.2.3 회전자 자속 기준 간접 벡터 제어

  5.2.4 간접 벡터 제어 방식에서의 Detuning 현상

5.3 유도 전동기의 자속 추정 (Flux Estimation)

  5.3.1 고정자 회로의 전압 방정식을 이용한 쇄교 자속 추정 : 전압 모델

  5.3.2 회전자 회로의 전압 방정식을 이용한 쇄교 자속 추정 : 전류 모델

  5.3.3 전압 모델과 전류 모델을 동시에 사용한 쇄교 자속 추정 기법

5.4 유도 전동기의 자속 제어기

  5.4.1 비례 적분(PI) 자속 제어기

5.5 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어






6장 교류 전동기의 전류 제어기 설계

6.1 히스테리시스 제어기 (Hysteresis Regulator)

6.2 삼각파 비교 전류 제어기 (Ramp Comparison Current Regulator)

6.3 d-q축 전류 제어기

  6.3.1 d-q축 정지 좌표계 (Stationary Reference Frame) 비례 적분 전류 제어기

  6.3.2 d-q축 동기 좌표계 (Synchronous Reference Frame) 비례 적분 전류 제어기

  6.3.3 역기전력 전향보상

  6.3.4 동기 좌표계 복소 벡터 비례 적분 제어기






7장 PWM 인버터 

7.1 인버터 (Inverter)

  7.1.1 단상 인버터 (Single-Phase Inverter)

  7.1.2 3상 구형파 인버터 (Six Step Inverter)

7.2 PWM 인버터 (Inverter)

  7.2.1 최적 전압 변조 방식 (Optimal Voltage Modulation)

  7.2.2 삼각파 비교 전압 변조 방식 (Sinusoidal PWM, SPWM)

  7.2.3 3차 고조파 주입 전압 변조 방식 (Third harmonic PWM, THPWM)

  7.2.4 공간 벡터 전압 변조(Space Vector PWM) 방식

7.3 불연속 전압 변조 방식 (Discontinuous PWM)

7.4 옵셋 전압을 이용한 전압 변조 방식

7.5 과변조 (Overmodulation)

  7.5.1 과변조 기법(Overmodulation Method)의 종류

  7.5.2 동적 과변조 기법

  7.5.3 정적 과변조 기법

7.6 데드 타임 (Dead Time)

  7.6.1 데드 타임 보상

7.7 PWM 인버터에서의 상전류 측정






8장 교류 전동기의 고속 운전

8.1 유도 전동기의 속도 영역

8.2 유도 전동기의 약계자 (Field Weakening) 제어

  8.2.1 전압과 전류 제한 조건

  8.2.2 최대 토크 발생을 위한 약계자 제어 기법

8.3 매입형 영구자석 전동기의 약자속 제어






9장 속도 측정 및 추정

9.1 속도 및 위치 센서

  9.1.1 레졸버 (Resolver)

  9.1.2 엔코더 (Encoder)

9.2 증분형 엔코더를 이용한 속도 측정 방법

  9.2.1 M 방식

  9.2.2 T 방식

  9.2.3 M/T 방식

9.3 센서리스 (Sensorless) 제어

  9.3.1 센서리스 기법의 종류






10장 BLDC 전동기

10.1 BLDC 전동기의 구조

  10.1.1 BLDC 전동기와 영구자석 동기 전동기의 비교

  10.1.2 BLDC 전동기의 종류

10.2 BLDC 전동기의 구동 원리

10.3 BLDC 전동기의 전압 방정식

10.4 BLDC 전동기의 제어

  10.4.1 속도 제어 (Speed Control)

10.5 BLDC 전동기의 센서리스(Sensorless) 제어

전동기(Electric Motor)는 현대 사회에 가장 중요한 기계적 원동력을 제공하고 있으며, 그 사용이 크게 증가하고 있다. 전동기 구동시스템은 현재 가전 기기, 사무용 기기로부터 고속전철, 전동차나 자동차에 이르기까지 우리 생활의 편리함을 뒷받침해주는 임베디드(Embedded) 시스템의 역할을 하고 있다. 고전적인 디젤 또는 가솔린 기관, 유압 등의 장치들을 이용한 많은 기계 시스템들이 현재 환경 친화적이며 제어가 용이한 전동기 구동시스템으로 대치되고 있다. 이러한 시스템들의 안정적이고 효과적인 제어를 위해서는 전동기의 고성능 제어가 필수적이다.

현재 널리 사용되고 있는 전동기로는 DC 전동기와 영구자석 동기 전동기 및 유도 전동기의 AC 전동기, BLDC 전동기 등이 있다. 이러한 전동기들의 고성능 제어를 위해서는 전동기 자체의 기본원리, 기초 제어이론 및 전력전자 분야 등의 내용을 기반으로 한 여러 구동기술들이 필요하다. 이 책에서는 이러한 이론적인 내용들을 종합적으로 알기 쉽게 설명하려 하였고, 또한 이들 시스템에 대해 Matlab/Simulink를 이용하여 시뮬레이션 하는 방법에 대해서도 일부 설명하였다.

본 책의 구성은 다음과 같다. 먼저 1장에서는 전동기의 기본회전 원리를 통하여 전동기의 기초적인 내용을 이해하게 하였다. 다음으로 2장에서는 제어용 전동기로 널리 사용되어온 DC 전동기의 고성능 제어를 위한 순시 토크 제어기법에 대해 기술하였고, 이에 필요한 전류 제어기와 속도 제어기의 설계 및 이를 구동하는 전력 변환 장치에 대해 설명하였다. 3장 이후는 AC 전동기 구동에 대한 내용으로 우선 AC 전동기 자체의 기본원리를 기술하였으며, 다음으로 AC 전동기의 고성능 제어를 위해 현재 많은 산업 분야에서 적용하고 있는 벡터 제어 기법에 대한 이론을 개념적으로 알기 쉽게 설명하였다. 여기에 추가적으로 AC 전동기 구동에 필요한 PWM 인버터, 고속 운전 분야에 필요한 약계자 제어방법, 센서리스 제어기법 등에 대해 기술하였다. 마지막으로 고전적인 전동기는 아니지만 비교적 구동이 간단하여 널리 사용되고 있는 BLDC 전동기에 대한 내용이 추가되었다.

끝으로 그동안 오타 교정과 내용 보강 등으로 이 개정판이 나오는데 도움을 준 많은 분들께 감사의 말씀을 전합니다.

“IT처럼 화려하게 우리의 주변에 나타나지는 않지만 우리의 편리한 생활에 동력이 되는 전동기를 다루는 많은 엔지니어들이 이 책을 통해 그 제어방법을 보다 쉽게 이해하는데 도움이 되었으면 하는 것이 저자의 바람입니다.”

2014년 2월

저자 김 상 훈