KR101394556B1 - Apparatus and method for rotor position sensor fault detection of permanent magnet synchronous motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 영구자석 동기전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관측기에서 추정된 결과와 실제 측정값의 차이를 미리 설정된 임계값(threshold)과 비교하여 고장 여부를 판별하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a permanent magnet synchronous motor, and more particularly, to a permanent magnet synchronous motor in which a rotor position of a permanent magnet synchronous motor for discriminating a failure by comparing a difference between an estimated result and an actual measured value with a predetermined threshold, The present invention relates to an apparatus and method for detecting a sensor failure.
영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous motor; 이하, PMSM이라 한다)는 직류모터와는 반대로 고정자가 권선이고 회전자는 자석으로 되어 있는 전동기를 말하는 것으로, 고정자에 교류를 인가하여 회전자계를 만들어주면 회전자가 이를 따라 회전하는 원리로 동작한다.Permanent magnet synchronous motor (hereinafter referred to as PMSM) is a motor in which a stator is a winding and a rotor is a magnet, as opposed to a direct current motor. When an alternating current is applied to a stator to produce a rotating system, And operates in accordance with the principle of rotation.
이와 같은 PMSM의 제어를 위해 회전자의 위치 정보는 필수적이다. 위치센서의 위상 변동(phase shift) 고장은 그 크기가 작더라도 시스템 성능 저하를 초래할 뿐만 아니라, 과전류를 발생시켜 2차 고장의 원인이 된다.In order to control the PMSM, the position information of the rotor is essential. A phase shift failure of the position sensor causes a deterioration of the system performance even if the size is small, and causes a secondary fault by generating an overcurrent.
대한민국 등록특허공보 제10-0905022호(등록일자 2009년06월22일)에는 속도 센서를 갖는 영구자석 동기 전동기용 인버터에 있어서 노이즈에 의한 상기 속도 센서의 펄스 신호중 오류발생에 따라 전동기의 자속각(위치) 검출의 오류가 발생한 것을 검출할 수 있는 속도 센서를 갖는 영구자석 동기 전동기용 인버터가 개시되어 있다.In Korean Patent Registration No. 10-0905022 (registered Jun. 22, 2009), in an inverter for a permanent magnet synchronous motor having a speed sensor, an error occurs in the pulse signal of the speed sensor due to noise, Position detecting means for detecting the occurrence of an error in the detection of the position of the permanent magnet synchronous motor.
개시된 종래기술에 따른 고장 검출 장치는, 속도센서로부터의 펄스 신호를 누적하여 얻는 영구자석 동기 전동기의 고정자와 회전자 사이의 순시 자속각과, 시간변화에 따른 순시 자속각의 증감분 연산에 의해 얻는 영구자석 동기 전동기의 속도를 다시 적분하여 얻는 평균 자속각을 이용해서 순시 자속각과 평균 자속각의 차이 값을 얻고, 이 차이 값과 미리 설정된 기준 자속각 차이 값을 비교하고, 상기 차이값이 상기 기준 자속각 차이 값을 초과하는 경우 초과한 시간을 측정하여 미리 설정한 기준 허용시간을 초과하면 고장으로 결정하고 이를 표시하는 고장신호를 발생시킨다.The failure detecting apparatus according to the related art discloses a permanent magnet synchronous motor which accumulates pulse signals from a speed sensor and detects an instantaneous magnetic flux angle between the stator and the rotor of the permanent magnet synchronous motor, A difference value between the instantaneous magnetic flux angle and the mean magnetic flux angle is obtained by using an average magnetic flux angle obtained by re-integrating the speed of the synchronous motor, and the difference value is compared with a preset reference magnetic flux angle difference value, When the difference value is exceeded, the excess time is measured, and if it exceeds the preset reference allowable time, it is determined as a failure and a failure signal indicating the failure is generated.
그러나 이러한 종래기술에 따른 고장 검출 장치는, 왜란의 형태나 크기를 정확히 고려하기 힘들기 때문에 그 오차에 의하여 오검출(faulse alarm) 및 미검출(missing alarm)이 발생하여 정확하게 고장을 판단하기 어려운 문제점이 있다.
However, in the conventional fault detection apparatus, it is difficult to precisely determine the shape and size of the disturbance, so that faults and missed alarms occur due to the errors, .
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, PMSM의 회전자 위치센서의 위상 변동 고장을 검출하되, 적응 임계값(adaptive threshold)을 적용하여 잔차(residual)값의 크기에 따라 고장 여부를 판별함으로써 왜란이나 모델링 오차에 의한 오검출 및 미검출을 최소화하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치 및 그 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention overcomes the problems of the prior art described above by detecting the phase change failure of the rotor position sensor of the PMSM and applying an adaptive threshold to determine whether the failure has occurred according to the magnitude of the residual value. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a rotor position sensor failure detecting device and method thereof for a permanent magnet synchronous motor that minimizes erroneous detection and undetectable errors caused by disturbances or modeling errors.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 전동기의 전압, 전류 및 속도 정보를 입력받아 전동기의 위치를 추정하는 위치 추정부; 위치 센서로부터 상기 전동기의 실제 위치를 검출하는 실제 위치 검출부; 상기 추정값과 실제 위치값의 차이로부터 잔차를 산출하는 잔차 산출부; 전동기의 운전조건에 따라 적응 임계값을 산출하는 적응 임계값 산출부; 및 상기 잔차와 상기 적응 임계값을 비교하여 전동기의 고장 여부를 판단하는 고장 판단부를 포함하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an electric vehicle including: a position estimating unit that receives voltage, current, and speed information of an electric motor and estimates a position of the electric motor; An actual position detector for detecting an actual position of the electric motor from the position sensor; A residual calculating section for calculating a residual from the difference between the estimated value and the actual position value; An adaptive threshold value calculation unit for calculating an adaptive threshold value according to an operation condition of the electric motor; And a failure determination unit for comparing the residual and the adaptive threshold value to determine whether the electric motor is in failure or not. The present invention also provides a rotor position sensor failure detection apparatus for the permanent magnet synchronous motor.
상기 위치 추정부는 회전자의 자속 추정을 위한 루엔버거 관측기를 포함할 수 있다. 상기 루엔버거 관측기는 PMSM 전압 방정식을 사용하여 상기 전동기의 위치를 추정할 수 있다.The position estimating unit may include a Luenberger observer for estimating the magnetic flux of the rotor. The Luenberger observer can estimate the position of the motor using the PMSM voltage equation.
상기 적응 임계값 산출부는 다음의 수학식에 의하여 상기 적응 임계값을 산출하는 것이 바람직하다.The adaptive threshold value calculation unit may calculate the adaptive threshold value by the following equation.
[수학식][Mathematical Expression]
또한, 본 발명은, 전동기의 전압, 전류 및 속도 정보를 입력받아 전동기의 위치를 추정하는 위치 추정 단계; 위치 센서로부터 상기 전동기의 실제 위치를 검출하는 실제 위치 검출 단계; 상기 추정값과 실제 위치값의 차이로부터 잔차를 산출하는 잔차 산출 단계; 전동기의 운전조건에 따라 적응 임계값을 산출하는 적응 임계값 산출 단계; 및 상기 잔차와 상기 적응 임계값을 비교하여 전동기의 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계를 포함하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method for estimating a position of a motor, the method comprising: a position estimating step of estimating a position of an electric motor based on voltage, current, and speed information of the electric motor; An actual position detecting step of detecting an actual position of the electric motor from a position sensor; A residual calculating step of calculating a residual from the difference between the estimated value and the actual position value; An adaptive threshold value calculation step of calculating an adaptive threshold value according to an operation condition of the electric motor; And a failure determination step of comparing the residual and the adaptive threshold value to determine whether the motor is faulty. The present invention also provides a rotor position sensor failure detection method for a permanent magnet synchronous motor.
상기 위치 추정 단계는 회전자의 자속 추정을 위한 루엔버거 관측기를 포함할 수 있다. 상기 루엔버거 관측기는 PMSM 전압 방정식을 사용하여 상기 전동기의 위치를 추정할 수 있다.
The position estimating step may include a Luenberger observer for magnetic flux estimation of the rotor. The Luenberger observer can estimate the position of the motor using the PMSM voltage equation.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치 및 그 방법에 의하면, PMSM의 회전자 위치센서의 위상 변동 고장을 검출하되, 적응 임계값(adaptive threshold)을 적용하여 잔차(residual)값의 크기에 따라 고장 여부를 판별함으로써 왜란이나 모델링 오차에 의한 오검출 및 미검출을 최소화하는 효과가 있다.
According to the rotor position sensor failure detecting apparatus and method of the permanent magnet synchronous motor of the present invention configured as described above, the phase change failure of the rotor position sensor of the PMSM is detected, and an adaptive threshold is applied It is possible to minimize erroneous detection and non-detection due to disturbance or modeling error by determining whether or not a failure has occurred according to the magnitude of the residual value.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치를 나타낸 제어 블록도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법을 나타낸 제어 흐름도.
도 3은 본 발명에 따른 루엔버거 관측기를 포함하는 위치 추정부를 나타낸 제어 블록도.
도 4는 상수 이득을 가지는 관측기의 근 궤적을 나타낸 그래프.
도 5는 이득 스케줄링을 통한 관측기의 근궤적을 나타낸 그래프.
도 6은 관측기 성능 해석을 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.
도 7은 관측기 성능 해석을 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.
도 8은 추정오차를 나타낸 그래프.
도 9는 정상시 잔차 분포 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프.
도 10은 임계값 결정에 따른 검출 가능 영역을 나타낸 그래프.
도 11 및 도 12는 적응 임계값에 따른 검출 가능 영역을 나타낸 그래프이다.1 is a control block diagram showing a rotor position sensor failure detecting apparatus of a permanent magnet synchronous motor according to a preferred embodiment of the present invention.
BACKGROUND OF THE
3 is a control block diagram illustrating a position estimator including a Luenberger observer according to the present invention.
4 is a graph showing a root locus of an observer having a constant gain.
5 is a graph showing a root locus of an observer through gain scheduling;
6 is a graph showing simulation results for observer performance analysis.
7 is a graph showing simulation results for observer performance analysis.
8 is a graph showing an estimation error;
FIG. 9 is a graph showing a simulation result of a normal time residual distribution. FIG.
10 is a graph showing a detectable area according to a threshold value determination;
11 and 12 are graphs showing a detectable region according to an adaptive threshold value.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치를 나타낸 제어 블록도이다.1 is a control block diagram showing a rotor position sensor failure detecting apparatus of a permanent magnet synchronous motor according to a preferred embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치는, 위치 추정부(100), 실제 위치 검출부(200), 잔차 산출부(300), 적응 임계값 산출부(400) 및 고장 판단부(500)를 포함한다.The apparatus for detecting a rotor position sensor of a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention includes a
위치 추정부(100)는 전동기의 전압, 전류 및 속도 정보를 입력받아 전동기의 위치를 추정한다.The
이를 위하여, 상기 위치 추정부(100)는 회전자의 자속 추정을 위한 루엔버거 관측기를 포함하며, 상기 루엔버거 관측기는 PMSM 전압 방정식을 사용하여 상기 전동기의 위치를 추정하는 것이 바람직하다.For this purpose, the
실제 위치 검출부(200)는 위치 센서로부터 상기 전동기의 실제 위치를 검출한다.The actual
잔차 산출부(300)는 상기 추정값과 실제 위치값의 차이로부터 잔차를 산출한다.The residual calculating
적응 임계값 산출부(400)는 전동기의 운전조건에 따라 적응 임계값을 산출한다.The adaptive threshold
고장 판단부(500)는 상기 잔차와 상기 적응 임계값을 비교하여 전동기의 정확한 고장 여부를 판단한다.The
또한, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법을 나타낸 제어 흐름도이다.2 is a control flowchart illustrating a rotor position sensor failure detection method of a permanent magnet synchronous motor according to a preferred embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법은, 먼저 전동기의 전압, 전류 및 속도 정보를 입력받아 전동기의 위치를 추정하는 위치 추정 단계(S10); 위치 센서로부터 상기 전동기의 실제 위치를 검출하는 실제 위치 검출 단계(S20); 상기 추정값과 실제 위치값의 차이로부터 잔차를 산출하는 잔차 산출 단계(S30); 전동기의 운전조건에 따라 적응 임계값을 산출하는 적응 임계값 산출 단계(S40) 및 상기 잔차와 상기 적응 임계값을 비교하여 전동기의 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계(S50)를 포함한다.As shown in the figure, a method of detecting a rotor position sensor failure of a permanent magnet synchronous motor according to a preferred embodiment of the present invention includes a position estimation step of estimating a position of an electric motor by receiving voltage, current and speed information of an electric motor S10); An actual position detecting step (S20) of detecting an actual position of the electric motor from a position sensor; A residual calculating step (S30) of calculating a residual from a difference between the estimated value and an actual position value; An adaptive threshold value calculation step (S40) of calculating an adaptive threshold value according to an operation condition of the electric motor; and a failure determination step (S50) of comparing the residual and the adaptive threshold value to determine whether the electric motor is faulty.
이때, 상기 고장 판단 단계(S50)에서는 상기 잔차가 상기 적응 임계값을 초과할 경우 상기 전동기의 고장을 판단할 수 있다.At this time, in the failure determination step S50, if the residual exceeds the adaptation threshold value, the failure of the electric motor can be determined.
상기 위치 추정 단계(S10)는 회전자의 자속 추정을 위한 루엔버거 관측기를 포함하며, 상기 루엔버거 관측기는 PMSM 전압 방정식을 사용하여 상기 전동기의 위치를 추정하는 것이 바람직하다.Preferably, the position estimation step S10 includes a Luenberger observer for estimating the magnetic flux of the rotor, and the Luenberger observer estimates the position of the motor using the PMSM voltage equation.
상기 적응 임계값 산출 단계(S40)는 후술할 수학식에 의하여 적응 임계값을 산출하는 것이 바람직하며, 이에 대한 세세한 설명은 이하에 첨부된 수학식을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.The adaptive threshold value calculation step S40 preferably calculates the adaptive threshold value according to the following equation, and a detailed description thereof will be described in more detail with reference to the following equations.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치 및 방법에 있어서, 상기 적응 임계값을 산출하는 과정을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.As described above, in the apparatus and method for detecting the rotor position sensor of the permanent magnet synchronous motor according to the preferred embodiment of the present invention, the process of calculating the adaptive threshold value will be described in more detail.
먼저, 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 회전자 자속 추정을 위한 루엔버거 관측기를 포함하는 위치 추정부(Position estimator)(100)는 전동기의 전압, 전류 및 속도 정보를 입력받아 PMSM 전압 방정식 모델을 기본으로 하여 전동기의 위치를 추정한다. 이렇게 추정된 위치와 실제 위치 센서의 출력을 서로 비교하여 그 차이로부터 잔차를 생성하게 된다. 이 잔차가 설정된 임계값 이상이면, 위치센서 고장 여부를 판단할 수 있다. 이때 적응 임계값 산출부(Threshold Adaptor)(400)는 검출 가능 영역을 넓히기 위해 운전 조건에 따라 임계값이 가변하도록 설정한다. 최종적으로 고장 판단부(Decision Making)(500)에 의해 검출 가능 영역 내에서 잔차와 적응 임계값을 비교함으로써 검출 결과를 얻을 수 있다. As shown in the figure, the
상술한 바와 같이, 상기 운전 조건에 따라 임계값이 가변하도록 설정하는 위한 과정을 설명하면 다음과 같다.As described above, a process for setting the threshold value to be variable according to the operation condition will be described as follows.
이때, 검출 가능 영역을 넓히기 위해 운전 조건에 따라 임계값이 가변하도록 설정하기 위해서는, 먼저 관측기의 구조 및 잔차의 정의가 필요하다.
At this time, in order to set the threshold value to be variable according to the operation condition in order to widen the detectable region, the structure of the observer and the definition of the residual are required first.
[관측기 구조 및 잔차의 정의][Definition of observer structure and residuals]
2상 고정 좌표계(stationary reference frame)에서 표현된 PMSM의 전압 방정식은 다음의 수학식 1과 같이 표현된다. 또한, 이를 다시 상태 공간 모델로 표현하면 수학식 2와 같다.The voltage equation of the PMSM expressed in the two-phase stationary reference frame is expressed by the following equation (1). The state space model can be expressed as Equation (2).
상기 수학식 2를 이용하여 회전자 쇄교 자속을 추정하기 위한 루엔버거 관측기를 다음과 같이 구성할 수 있다.The Luenberger observer for estimating the rotor flux linkage using Equation (2) can be constructed as follows.
여기서, G는 관측기 이득 행렬이며,
도 3은 본 발명에 따른 루엔버거 관측기를 포함하는 위치 추정부를 나타낸 제어 블록도이다.3 is a control block diagram illustrating a position estimator including a Luenberger observer according to the present invention.
추정된 
추정 위치와 검출 위치와의 차이로부터 위치 센서 고장 검출을 위한 잔차는 다음의 수학식 5와 같이 정의할 수 있다.The residual for the position sensor failure detection from the difference between the estimated position and the detected position can be defined as the following equation (5).
[극배치 기법을 통한 관측기 이득 설정][Observer gain setting by pole placement technique]
상기 수학식 2로 주어진 PMSM 모델에서, 개루프(open loop) 고유치(eigenvalue), 
이득 행렬, G 에 의해 관측기의 고유치는 다음의 수학식 7과 같이 결정된다.The eigenvalue of the observer by the gain matrix, G, is determined as: < EMI ID = 7.0 >
관측기의 고유치(eigenvalue), λ는 실수 부(Re) 와 허수 부(Im)로 나누어 표현하면 다음의 수학식 8과 같다. The eigenvalue of the observer, λ, can be expressed by the following equation (8) if divided into a real part Re and an imaginary part Im.
도 4는 상수 이득을 가지는 관측기의 근 궤적을 나타낸 그래프로서, 도시된 바와 같이 G의 원소인 
λ1λ2는 ω가 증가함에 따라 허수 축으로부터 멀어 지게 되고, λ3λ4는 허수 축에 가까워진다. 따라서, ω에 따른 이득 스케줄링이 필요하다.λ 1 λ 2 moves away from the imaginary axis as ω increases, and λ 3 λ 4 approaches the imaginary axis. Therefore, gain scheduling according to? Is needed.
고유치의 실수 부의 크기 결정에는 trade-off 관계가 있다. 고유치의 실수 부를 음으로 크게 할수록 관측기 오차의 수렴 속도는 빨라진다. 하지만, 이값을 너무 크게 하면 시스템 노이즈에 의한 영향을 크게 받게 되어, 관측기 성능을 저하 또는 불안정하게 된다. There is a trade-off relationship in determining the size of the real part of the eigenvalue. The larger the real part of the eigenvalue is, the faster the convergence speed of the observer error is. However, if this value is made too large, the influence of the system noise is greatly affected, and the performance of the observer is deteriorated or unstable.
고유치의 실수 부가 결정되었다면, 허수 부는 감쇠 특성(damping characteristic)을 결정하게 된다. 2차 시스템의 특성 방정식과 비교하여 결정할 수 있다.If the real part of the eigenvalue is determined, the imaginary part determines the damping characteristic. Can be determined by comparing with the characteristic equation of the secondary system.
상기 수학식 9에서 "ζ=0.75~0.8" 정도를 갖게 하는 것이 비교적 작은 오버 슈트 및 빠른 응답성을 확보할 수 있다. 이 감쇠율을 확보하기 위해서는 실수 부에 대한 허수 부의 비를 1/2로 한다면 얻을 수 있다. In the above equation (9), it is possible to secure a relatively small overshoot and quick response by having "ζ = 0.75 to 0.8". If the ratio of the imaginary part to the real part is 1/2, it is possible to obtain the attenuation factor.
따라서 최종적으로 이득 스케줄링을 통한 관측기의 근궤적을 그려보면 도 5에 도시된 바와 같다. Therefore, the root locus of the observer through the gain scheduling is finally shown in FIG.
특정 위치에 고유치를 두기 위한 관측기 이득 행렬, G는 다음의 수학식 10과 같이 구할 수 있다.The observer gain matrix, G, for placing the eigenvalues at a particular location can be found as: < EMI ID = 10.0 >
도 6은 관측기 성능 해석을 위한 시뮬레이션 결과로서, 관측기 입력을 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing an observer input as a simulation result for analyzing the performance of an observer.
도 7은 관측기 성능 해석을 위한 시뮬레이션 결과로서, (a)추정 결과, (b)상수 이득, (c) 
또한, 도 8은 추정오차를 나타낸 그래프로서, (a)상수 이득, (b)
본 발명의 일 실시예에 따라 설계된 관측기의 성능을 평가하기 위한 시뮬레이션을 상기 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 수행하였다. 도 6은 운전 조건 및 관측기 입력 신호를 보여준다. 부하 토크는 0.5N로 동일하게 인가하고, 전동기 속도 지령치를 500, 1500, 3000rpm으로 스텝으로 증가 시켰을 때, 전압 및 전류를 각각 (b), (c)에서 보여준다. Simulations for evaluating the performance of an observer designed according to one embodiment of the present invention were performed as shown in FIGS. 6 to 8 above. Figure 6 shows the operating conditions and the observer input signal. The voltage and current are shown in (b) and (c), respectively, when the load torque is 0.5 N and the motor speed command is increased stepwise to 500, 1500, and 3000 rpm, respectively.
도 7의 (a)는 도 6과 같은 조건에서 관측기가 추정한 
도 7의 (b), (c) 그리고 (d)는 각각 이득 행렬, G의 설정 방법에 따라 일정 이득, λ1과 λ2의 실수부를 전동기 속도의 5배, 즉
일정 이득으로 한 경우 고속으로 갈수록 오차가 증가함을 알 수 있다. 또한, 이득을 너무 크게 하면 천이 상태 때 큰 오버슈트가 발생하는 것을 확인할 수 있다. It can be seen that the error increases with the constant gain. Also, if the gain is excessively large, it can be confirmed that a large overshoot occurs in the transition state.
따라서 본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 다음의 수학식 11의 두 관계를 유지하도록 이득 스케줄링을 수행하였다. Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, gain scheduling is performed so as to maintain the following two relations of Equation (11).
[잔차 분포 해석][Residual distribution analysis]
수학식 5와 같이 정의된 잔차의 한도 확인(Limit checking)으로 위치 센서 고장을 검출할 수 있다. 이상적으로, 정상 시에 잔차는 0이다. 하지만, 측정 오차 및 파라미터 변동에 의해 관측기는 위치 추정 오차를 야기하게 된다. 따라서 비록 위치센서 고장은 발생하지 않았지만, 0이 아닌 잔차를 갖게 된다.
The position sensor failure can be detected by the limit checking of the residual defined by Equation (5). Ideally, the residual at normal time is zero. However, due to the measurement error and the parameter variation, the observer causes a position estimation error. Thus, although the position sensor failure has not occurred, it has non-zero residuals.
[속도 추정 오차에 대한 강인성 분석][Analysis of robustness against speed estimation error]
추정 또는 측정된 전동기 각속도,
이에 따른 관측기 오차를 정리하면 다음의 수학식 14와 같다. The observer errors are summarized in Equation (14).
또한, 전동기의 이상이 없다면, 각 상태(state)의 값은 다음의 수학식 15와 같은 형태를 가지게 된다. Further, if there is no abnormality of the electric motor, the value of each state has the following formula (15).
상기 수학식 15에서 초기치는 0으로 두고, 라플라스 변환하면 다음의 수학식 16과 같다. In Equation (15), the initial value is set to 0, and the Laplace transform is performed.
따라서 최종적으로 정리하면 다음의 수학식 18과 같다. Therefore, the final result is as shown in Equation 18 below.
상기 수학식 18에서, 3번째 항을 다시 쓰면 다음의 수학식 19와 같다.In Equation (18), if the third term is rewritten, the following Equation (19) is obtained.
상기 수학식 19에서, 1, 2번 항은 특정 시간 후에 0으로 수렴하고, 라플라스 역 변환하면, 정상 상태(steady-state)에서의 오차는 다음의 수학식 20과 같다. In Equation (19), the
상기 수학식 18의 4번째 항도 3번째 항을 다시 쓴 것과 같은 방법을 적용하면 다음의 수학식 21, 22와 같다. Equations (21) and (22) are obtained by applying the same method as that of the fourth item of Equation (18) and the third item is rewritten.
이를 다시 정리하면 다음의 수학식 23과 같다.This can be summarized as Equation 23 below.
최종적으로 추정된 위치는 실제 위치에 비해 다음의 수학식 24와 같이 오차를 가지게 된다. The finally estimated position has an error as shown in the following Equation 24, compared to the actual position.
가져갈 수 있다. 이는 앞에서 설계한 속도에 따른 가변 극배치 기법의 유용성을 부각시키는 결과이다.
You can take it. This is the result of highlighting the usefulness of the variable pole placement method according to the speed designed above.
[저항 및 인덕턴스 오차에 대한 강인성 분석][Analysis of robustness against resistance and inductance error]
속도 오차와 마찬가지 방법으로 저항 오차에 대해 관측기를 표현하면, 다음의 수학식 25 내지 28과 같다. Expressing the observer for the resistance error in the same manner as the velocity error is expressed by the following equations (25) to (28).
따라서, 최종적으로 추정된 위치는 실제 위치에 비해 오차를 가지게 된다. Therefore, the finally estimated position has an error relative to the actual position.
또한, 인덕턴스 오차에 대해 관측기를 표현하면, 다음의 수학식 29 내지 32와 같다.The observer for the inductance error is expressed by the following equations (29) to (32).
[전압 지령치 사용에 따른 전압 오차에 대한 강인석 분석][Analysis of the Voltage Error by Voltage Setpoint Using Robustness]
입력 전압 오차를 포함하는 관측기와 그 추정 오차를 다음의 수학식 33과 같이 표현할 수 있다. The observer including the input voltage error and the estimation error thereof can be expressed by the following equation (33).
이를 라플라스 변환하면 다음의 수학식 34 내지 35와 같다. This Laplace transform is expressed by the following equations (34) to (35).
[저항 오차의 발생][Occurrence of resistance error]
전동기의 고정자 권선은 동선으로 이루어져 있다. 이러한 동선의 저항은 온도에 따라 변화하며, 일반적으로 0.32%/℃ 의 온도 계수 
The stator windings of the motor are made of copper wire. The resistance of these copper wires varies with temperature and is usually 0.32% / ° C.
[인덕턴스 오차의 발생][Inductance Error Occurrence]
관측기에서 상인덕턴스는 상수로 다루었지만, 실제로 수학식 37과 같이 위치에 따라 변화는 값을 가지게 된다.In the observer, the phase inductance is treated as a constant, but in practice, the change depends on the position as shown in equation (37).
따라서, 제안한 관측기는 ±LB의 인덕턴스 오차를 가질 수 있다. Therefore, the proposed observer can have an inductance error of ± L B.
LA LB와 회전 좌표축(rotational reference frame)에서 Ld Lq의 관계는 다음의 수학식 38과 같다.The relationship between L A L B and L d L q in a rotational reference frame is shown in Equation 38 below.
따라서, 모터 설계치가 Ld Lq의 값으로 주어진다면, LB를 즉 인턱턴스 오차를 다음의 수학식 39와 같이 구할 수 있다.Therefore, if the motor design value is given by the value of L d L q , L B , that is, the inductance error can be obtained by the following equation (39).
기본적으로, 제안한 관측기의 사용이 적합하려면, 이값이 비교적 작은, 즉 돌극성이 비교적 작은 모터이어야 한다.
Basically, for the use of the proposed observer to be suitable, this value should be a relatively small motor, that is, a motor with a relatively small polarity.
[전압 오차의 발생] [Generation of Voltage Error]
전압 값은 측정치가 아닌 전압 지령치를 사용하게 된다. 하지만, 인버터의 비이상적(non-ideal) 스위칭 특성에 의해 실제 인버터의 전압 출력과 제어기의 전압 지령치와는 차이가 발생하게 된다. 이러한 비이상적 스위칭 동작에 의한 전압 차이를 간단히 표현하면 다음의 수학식 40과 같다.The voltage value uses the voltage setpoint, not the measured value. However, due to the non-ideal switching characteristic of the inverter, the difference between the voltage output of the actual inverter and the voltage command value of the controller occurs. The voltage difference due to the non-ideal switching operation can be simply expressed by the following equation (40).
앞서 설명한 입력 및 파라미터의 오차 조건과 다음의 표1의 파라미터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하고, 각 동작 조건에 따른 잔차의 분포를 살펴본 결과는 도 9와 같다. The simulation was performed using the error conditions of the input and parameters described above and the parameters shown in Table 1 below, and the distribution of the residuals according to the respective operating conditions was examined.
도 9는 정상시 잔차 분포 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프로서, 도 9에 도시된 바와 같이, 입력 측정 오차나 파라미터 변동에 의해 관측기의 추정 오차가 발생하고 이 결과로 고장이 발생하지 않더라도 잔차가 존재함을 알 수 있다. 또한, 그 잔차는 전동기 속도나 부하의 크기, 즉 전류의 크기에 따라 바뀌며, 500rpm 이하의 저속에서 그 영향이 매우 커짐을 알 수 있다. 이는 앞의 해석결과가 타당함을 보여 준다.
FIG. 9 is a graph showing the simulation result of the normal time residual distribution. As shown in FIG. 9, when an estimation error of an observer occurs due to an input measurement error or a parameter change, and the result is a residual, Able to know. In addition, the residual varies depending on the motor speed and the magnitude of the load, that is, the magnitude of the current, and the influence is remarkably increased at a low speed of 500 rpm or less. This shows the validity of the previous analysis.
[적응 입계값의 결정][Determination of adaptive threshold value]
전술한 결과와 같이 본 발명의 검출 방법은 정상 시에서도 동작 조건에 따라 0이 아닌 잔차를 가지게 된다. 이는 잔차의 한도 확인을 위한 임계값의 결정을 어렵게 만든다. As described above, the detection method of the present invention has a non-zero residual depending on operating conditions even at normal times. This makes it difficult to determine the threshold value for determining the limit of the residuals.
도 10은 임계값 결정에 따른 검출 가능 영역을 나타낸 그래프로서, 만약 도 10의 (a)와 같이 임계값을 선정한다면, 작은 위치 센서 고장도 잘 검출할 수 있지만, 저속 영역에서의 검출은 포기해야 한다. 반대로, (b) 와 같은 경우에는, 비교적 저속 영역까지 검출이 가능하지만, 고장의 크기가 큰 경우만 검출 가능할 것이다.FIG. 10 is a graph showing a detectable area according to a threshold value determination. If a threshold value is selected as shown in FIG. 10 (a), a small position sensor failure can be detected well. However, detection in a low- do. Conversely, in the case of (b), detection is possible up to a relatively low speed range, but detection is possible only when the size of the fault is large.
도 11 및 도 12는 적응 임계값에 따른 검출 가능 영역을 나타낸 그래프로서, 상기 도 10의 문제를 해결하기 위해 도 11과 같이 속도와 전류의 크기에 따라 적응 임계 값을 적용한다면, 검출 가능 영역을 크게 가져갈 수 있다.11 and 12 are graphs showing a detectable region according to the adaptive threshold value. In order to solve the problem of FIG. 10, if an adaptive threshold value is applied according to the speed and current magnitude as shown in FIG. 11, You can take it big.
앞의 강인성 해석 결과에 의해 위치 추정기가 가질 수 있는 최대 오차는 다음의 수학식 41과 같은 범위를 가질 수 있다.The maximum error that the position estimator can have by the robustness analysis result can be expressed by the following equation (41).
이 최대 오차를 가지고 적응 임계값을 다음의 수학식 42와 같이 결정한다. 초기 b은 
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치 및 그 방법에 의하면, PMSM의 회전자 위치센서의 위상 변동 고장을 검출하되, 적응 임계값을 적용하여 잔차값의 크기에 따라 고장 여부를 판별함으로써 왜란이나 모델링 오차에 의한 오검출 및 미검출을 최소화할 수 있다.Thus, according to the rotor position sensor failure detecting apparatus and method of the permanent magnet synchronous motor of the present invention configured as described above, the phase change failure of the rotor position sensor of the PMSM is detected, and the adaptive threshold value is applied, It is possible to minimize the erroneous detection and the undetected by the erroneous detection or the modeling error.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.The embodiments of the present invention described in the present specification and the configurations shown in the drawings relate to the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to encompass all of the technical ideas of the present invention so that various equivalents It should be understood that water and variations may be present. Therefore, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. , Such changes shall be within the scope of the claims set forth in the claims.
100 : 위치 추정부
200 : 실제 위치 검출부
300 : 잔차 산출부
400 : 적응 임계값 산출부
500 : 고장 판단부
200: actual position detector
300: Residual calculation unit
400: adaptation threshold value calculation unit
500: Fault determination unit
Claims (8)
위치 센서로부터 상기 전동기의 실제 위치를 검출하는 실제 위치 검출부;
상기 위치 추정부에서 추정된 전동기의 위치 추정값과 상기 실제 위치 검출부에서 검출된 실제 위치값의 차이로부터 잔차를 산출하는 잔차 산출부;
전동기의 운전조건에 따라 적응 임계값을 산출하는 적응 임계값 산출부; 및
상기 잔차와 상기 적응 임계값을 비교하여 전동기의 고장 여부를 판단하는 고장 판단부를 포함하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치.A position estimator for receiving the voltage, current and speed information of the electric motor and estimating the position of the electric motor;
An actual position detector for detecting an actual position of the electric motor from the position sensor;
A residual calculation unit for calculating a residual from a difference between a position estimation value of the electric motor estimated by the position estimation unit and an actual position value detected by the actual position detection unit;
An adaptive threshold value calculation unit for calculating an adaptive threshold value according to an operation condition of the electric motor; And
And a failure determination unit for comparing the residual and the adaptive threshold value to determine whether the electric motor is faulty.
상기 위치 추정부는;
회전자의 자속 추정을 위한 루엔버거 관측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치.The method according to claim 1,
Wherein the position estimator comprises:
And a Luenberger observer for estimating the magnetic flux of the rotor. The rotor position sensor failure detector of the permanent magnet synchronous motor.
상기 루엔버거 관측기는;
PMSM 전압 방정식을 사용하여 상기 전동기의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치.3. The method of claim 2,
The Luenberger observer comprising:
Wherein the position of the electric motor is estimated using the PMSM voltage equation.
상기 적응 임계값 산출부는;
다음의 수학식에 의하여 상기 적응 임계값을 산출하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 장치.
[수학식]
상기 수학식에서, h는 임계값,
The method according to claim 1,
Wherein the adaptive threshold value calculation unit comprises:
Wherein the adaptive threshold value is calculated by the following equation: < EMI ID = 1.0 >
[Mathematical Expression]
In the above equation, h is a threshold value,
위치 센서로부터 상기 전동기의 실제 위치를 검출하는 실제 위치 검출 단계;
상기 위치 추정 단계에서 추정된 전동기의 위치 추정값과 상기 실제 위치 검출 단계에서 검출된 실제 위치값의 차이로부터 잔차를 산출하는 잔차 산출 단계;
전동기의 운전조건에 따라 적응 임계값을 산출하는 적응 임계값 산출 단계; 및
상기 잔차와 상기 적응 임계값을 비교하여 전동기의 고장 여부를 판단하는 고장 판단 단계를 포함하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법.A position estimation step of receiving the voltage, current and speed information of the electric motor and estimating the position of the electric motor;
An actual position detecting step of detecting an actual position of the electric motor from a position sensor;
A residual calculation step of calculating a residual from a difference between a position estimation value of the motor estimated in the position estimation step and an actual position value detected in the actual position detection step;
An adaptive threshold value calculation step of calculating an adaptive threshold value according to an operation condition of the electric motor; And
And determining a failure of the electric motor by comparing the residual and the adaptive threshold to determine a failure of the rotor position sensor of the permanent magnet synchronous motor.
상기 위치 추정 단계는;
회전자의 자속 추정을 위한 루엔버거 관측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법.6. The method of claim 5,
The position estimating step comprises:
And a Luenberger observer for estimating the magnetic flux of the rotor. The rotor position sensor failure detecting method of the permanent magnet synchronous motor according to claim 1,
상기 루엔버거 관측기는;
PMSM 전압 방정식을 사용하여 상기 전동기의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법.The method according to claim 6,
The Luenberger observer comprising:
Wherein the position of the electric motor is estimated using the PMSM voltage equation.
상기 적응 임계값 산출 단계는;
다음의 수학식에 의하여 상기 적응 임계값을 산출하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 회전자 위치센서 고장검출 방법.
[수학식]
상기 수학식에서, h는 임계값,
Wherein the adaptive threshold value calculation step comprises:
Wherein the adaptive threshold value is calculated by the following equation: < EMI ID = 1.0 >
[Mathematical Expression]
In the above equation, h is a threshold value,
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