KR100319374B1 - Torque Control Method of Embedded Permanent Magnet Motor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법에 관한 것으로, 종래 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법은 각 축에대한 자속분포를 정현파로 가정하고, 이에 대한 전류명령을 발생시킴으로써, 토오크 리플을 발생시켜 정밀한 제어를 할 수 없는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 회전자의 위치를 검출하고, 그 회전자를 구동하는 전류명령을 검출하여 그 회전자 위치와 전류명령을 특정한 함수에 대입하고, 그 대입의 결과를 이용하여 새로운 전류명령을 생성하여 회전자를 제어하는 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법에 있어서, 상기 특정한 함수는 자속분포를 정현파로 가정하지 않고, 자속분포가 가질 수 있는 모든 형태를 고려하여 설정한 함수를 사용함으로써, 보다 정밀하게 토오크를 제어하는 효과가 있다.The present invention relates to a torque control method for an embedded permanent magnet motor, and the conventional torque control method for an embedded permanent magnet motor assumes a magnetic flux distribution for each axis as a sinusoidal wave and generates a current command for the torque ripple. There was a problem that can not be generated precise control. In view of the above problems, the present invention detects the position of the rotor, detects the current command to drive the rotor, substitutes the rotor position and the current command into a specific function, and uses the result of the substitution to generate a new current. In the torque control method of an embedded permanent magnet motor that generates a command to control a rotor, the specific function uses a function set in consideration of all forms of the magnetic flux distribution without assuming that the magnetic flux distribution is a sinusoidal wave. By doing so, there is an effect of more precisely controlling the torque.
Description
본 발명은 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법에 관한 것으로, 특히일반적인 역기전력을 사용하여 토오크를 제어하여 토오크 리플을 제거하여 보다 정밀한 토오크를 제어할 수 있는 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a torque control method of an embedded permanent magnet motor, and more particularly, to a torque control method of an embedded permanent magnet motor capable of controlling torque by removing torque ripple by controlling torque using a general counter electromotive force. will be.
일반적으로, 매입형 영구자석(interior permanet magnet) 전동기는 회전자의 표면에 자석을 부착하여 자장을 형성하는 표면부착형 영구자석(surface mounted permanent) 전동기와는 다르게 회전자 속에 자석이 내장되어 있어 고속회전시 발생되는 자석의 비산현상을 구조적으로 방지하고 있어 고속구동용으로 많이 사용하고 있다. 이와 같은 매입형 영구자석 전동기는 회전자 내부에 자석이 매입되므로 회전자의 자극은 돌극성이 되고, 회전시 자기저항의 변화로 인하여 배리어블 리럭턴스 (variable reluctance) 토오크 성분이 생기게 되므로, 표면부착형 영구자석 전동기에 비해 동일한 용량의 자석으로 더 많은 토오크를 발생시킬 수 있는 장점이 있으며, 이와 같은 매입형 영구자석 전동기의 동작을 제어하는 종래 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.In general, an interior permanet magnet motor has a high speed because the magnet is embedded in the rotor, unlike a surface mounted permanent motor, in which a magnet is attached to a surface of a rotor to form a magnetic field. It is structurally prevented from scattering of magnets generated during rotation, so it is widely used for high speed driving. Since the embedded permanent magnet motor has magnets embedded in the rotor, the magnetic poles of the rotor become polarized, and the variable reluctance torque component is generated due to the change of the magnetic resistance during rotation. Compared to the type permanent magnet motor, there is an advantage of generating more torque with a magnet having the same capacity, and the torque control method of the conventional embedded type permanent magnet motor controlling the operation of the embedded permanent magnet motor will be described in detail as follows. Same as
종래 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법은 역기전력을 정현파로 가정하고, 이때 발생하는 토오크 리플을 제거하여 매입형 영구자석 전동기의 동작을 제어한다.In the conventional torque control method of the embedded permanent magnet motor, the counter electromotive force is assumed to be a sine wave, and the torque ripple generated at this time is removed to control the operation of the embedded permanent magnet motor.
즉, 자속의 분포가 정현파인 것으로 가정하고, 아래의 식1과 같은 동적방정식을 사용하여 토오크를 제어하게 된다.In other words, it is assumed that the magnetic flux distribution is sinusoidal, and torque is controlled by using a dynamic equation as shown in Equation 1 below.
Te=KTφdiq+(Ld-Lq)idiq------------------ <1>Te = K T φ d i q + (L d -L q ) i d i q ------------------ <1>
여기서 KT는 토오크 상수이며, Ld,Lq는 각각 d축과 q축의 인덕턴스를 나태낸다.Where K T is the torque constant, and L d and L q represent the inductances of the d and q axes, respectively.
또한, 정현파의 형태로 자속의 분포를 가정했으므로, 상기 자속분포함수 φd는 상수가된다.In addition, since the distribution of magnetic flux is assumed in the form of a sine wave, the magnetic flux distribution function φ d becomes a constant.
이와 같이 정형화된 식을 이용하여 지금까지는 토오크를 제어하였으며, 그 대표적인 예로는 전류위상각을 이용한 방법이다.Thus, the torque has been controlled so far by using the formula, and a representative example thereof is a method using a current phase angle.
상기 전류위상각을 이용한 토오크 제어방법은 전류위상각(β)을 정의하여, 상기 식1을 변형하여 전류명령을 얻었으며, 이때의 변형된 식을 아래의 식2에 나타내었다.In the torque control method using the current phase angle, the current phase angle β is defined, and the current command is obtained by modifying Equation 1, and the modified equation is shown in Equation 2 below.
상기 ia는이며, 상기 전류위상각 β는 q축과 ia사이의 각이다.I a is And the current phase angle β is an angle between the q-axis and i a .
상기 식2는 발생토오크가 전류의 위상각인 β로 매개변수화되어 있음을 알 수 있으며, 그 β값을 제어목적을 달성할 수 있는 값으로 선택할 수 있다. 그리고, 이 식은 토오크 발생시 리플이 없도록 토오크 명령을 생성시킬 수 있다. 즉, 자속분포함수 Φd가 상수이므로 전류명령을 상수로 발생시키기만 하면 리플없는 토오크 명령이 가능하게 된다.Equation 2 shows that the generated torque is parameterized by β, which is the phase angle of the current, and the β value may be selected as a value capable of achieving the control purpose. And this formula can generate torque command so that there is no ripple when torque is generated. That is, since the flux distribution function Φ d is a constant, a ripple-free torque command can be obtained simply by generating a current command as a constant.
그러나, 상기한 바와 같이 종래 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법은 정현파가 아닌 전동기의 자속분포를 정현파로 가정하고, 이를 이용하여 토오크 리플을 제거하는 토오크 명령을 발생시켜, 정밀한 토오크를 제어할 수 없는 문제점이 있었다.However, as described above, in the conventional torque control method of the embedded permanent magnet motor, it is assumed that the magnetic flux distribution of the motor is not a sinusoidal wave as a sine wave, and by using this, a torque command for removing the torque ripple can be generated to control precise torque. There was no problem.
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 일반적인 자속분포를 갖는 모든 경우에 대응하는 함수를 정의하고, 그 값을 이용하여 토오크 리플을 제거함으로써 보다 정밀한 토오크 제어를 할 수 있는 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.In view of the above problems, the present invention defines a function corresponding to all cases having a general magnetic flux distribution, and by using the value to remove torque ripple, the torque control method of the embedded permanent magnet motor capable of more precise torque control The purpose is to provide.
도1은 본 발명 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법을 적용한 전동기 제어회로도.1 is a motor control circuit diagram to which the torque control method of the present invention embedded permanent magnet motor is applied.
도2는 실험에 사용된 매입형 영구자석 전동기의 규격표를 도시한 도.Figure 2 is a diagram showing the specification table of the embedded permanent magnet motor used in the experiment.
도3 및 도4는 토오크명령이 각각 1Nm, 7Nm일 때 자유함수를 이용한 경우와 자유함수를 이용하지 않은 경우의 A상의 전류명령을 비교도시한 그래프도.3 and 4 are graphs showing the comparison of the current command in phase A when the free function is used and the free function is not used when the torque commands are 1 Nm and 7 Nm, respectively.
도5는 토오크 명령을 변화시켜 자유함수를 사용한 경우에 대한 자유함수를 사용하지 않은 경우의 비를 표시한 그래프도.Fig. 5 is a graph showing the ratio of the case where the free function is not used to the case where the torque command is changed to use the free function.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ***
1:전류명령발생부 2,3:감산부1: current command generator 2, 3: subtractor
4:전류제어부 5:변환부4: current control section 5: conversion section
6:인버터 7:전동기6: inverter 7: electric motor
8:검출변환부 9:자유함수 선택부8: Detection converter 9: Free function selector
상기와 같은 목적은 회전자의 위치를 검출하고, 그 회전자를 구동하는 전류명령을 검출하여 그 회전자 위치와 전류명령을 자유함수에 대입하고, 그 대입의 결과를 이용하여 새로운 전류명령을 생성하여 회전자를 제어하는 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법에 있어서, 상기 자유함수는 자속분포를 정현파로 가정하지 않고, 자속분포가 가질 수 있는 모든 형태를 고려하여 설정한 함수를 사용함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The above object is to detect the position of the rotor, detect the current command to drive the rotor, substitute the rotor position and current command into the free function, and generate a new current command using the result of the substitution. In the torque control method of an embedded permanent magnet motor for controlling a rotor by using the torque control function, the free function is achieved by using a function set in consideration of all forms of the magnetic flux distribution without assuming that the magnetic flux distribution is a sinusoidal wave. When described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention as follows.
도1은 본 발명에 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법을 적용한 전동기 제어회로의 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 토오크(τ)와 자유함수(h)를 입력받아 전류명령(id *,iq *)을 발생시키는 전류명령발생부(1)와; 상기 전류명령발생부(1)의 전류명령과 검출된 전류명령(id,iq)의 차를 출력하는 감산부(2,3)와; 상기 감산부(2,3)의 출력신호를 입력받아 전류제어신호(Vd,Vq)를 출력하는 전류제어부(4)와; 상기 전류제어부(4)의 전류제어신호(Vd,Vq)를 3상의 전류제어신호(Va,Vb,Vc)로 변환하여 출력하는 변환부(5)와; 상기 3상의 전류제어신호(Va,Vb,Vc)에 따라 매입형 영구자석 전동기(7)의 동작을 제어하는 인버터(6)와; 상기 인버터(6)에서 상기 매입형 영구자석 전동기(7)로 인가되는 구동신호를 검출하여, 이를 검출된 전류명령(id,iq)으로 변환하는 검출변환부(8)와; 상기 매입형 영구자석 전동기(7)에서 전기각(θ)을 검출하여 입력되는 상기 토오크(τ)에 따라 적당한 자유함수(h)의 형태를 선택하여 출력하는 자유함수 선택부(9)로 구성된다.1 is a block diagram of a motor control circuit to which the torque control method of an embedded permanent magnet motor is applied to the present invention. As shown in FIG. 1, the torque command τ and the free function h are inputted to receive a current command i d * , a current command generator 1 for generating i q * ); A subtractor (2, 3) for outputting a difference between the current command of the current command generator (1) and the detected current command (i d , i q ); A current control unit 4 which receives the output signals of the subtraction units 2 and 3 and outputs current control signals Vd and Vq; A converter (5) for converting the current control signals (Vd, Vq) of the current controller (4) into three-phase current control signals (Va, Vb, Vc) and outputting them; An inverter (6) for controlling the operation of the embedded permanent magnet motor (7) in accordance with the three-phase current control signals (Va, Vb, Vc); A detection converter (8) which detects a drive signal applied from the inverter (6) to the embedded permanent magnet motor (7) and converts it into a detected current command (i d , i q ); And a free function selector (9) which selects and outputs a suitable free function (h) in accordance with the torque (τ) input by detecting the electric angle (θ) in the embedded permanent magnet motor (7). .
이와 같은 구성에서는 일반적인 자속분포를 고려하여 각 분포에 대한 변수를 포함하는 함수를 자유함수(h)로 정의하고, 검출결과에 따라 그 자유함수(h)의 변수의 값을 지정하여 그 결과를 이용하여 토오크를 제어하는 것으로, 이를 좀 더 상세히 설명한다.In such a configuration, a function including a variable for each distribution is defined as a free function (h) in consideration of the general magnetic flux distribution, and the value of the variable of the free function (h) is designated according to a detection result and used as a result. By controlling the torque, it will be described in more detail.
먼저, 매입형 영구자석 전동기의 토오크 발생을 정확히 하기 위하여 자속분포가 정현파가 아닌 일반적인 형태의 자속분포로 생각하면, 3상에 대한 자속분포 (Φa(θ),Φb(θ),Φc(θ))를 동기 d-q좌표계로 변환시킨 자속분포(Φd(θ),Φq(θ))는 아래의 식 3과 같이 나타낼 수 있다. 이때 일반적인 형태의 자속분포의 실례는 완만한 사다리꼴이나 사각파 형태인 것이 대표적이다.First, in order to accurately generate torque in the embedded permanent magnet motor, if the magnetic flux distribution is not a sinusoidal wave but a general magnetic flux distribution, the magnetic flux distributions for three phases (Φ a (θ), Φ b (θ), Φ c ) The magnetic flux distribution (Φ d (θ), Φ q (θ)) obtained by converting (θ)) into the synchronous dq coordinate system can be expressed by Equation 3 below. At this time, an example of a general magnetic flux distribution is typically a gentle trapezoid or square wave.
보통 영구 자석형 전동기에서 설계과정에서는 자속 분포가 반드시 정현적인형태만을 가진다는 가정에서 출발한다. 그렇지만, 영구 자석형 전동기의 자속 분포를 실제로 측정하여 보면 완벽한 정현적인 분포를 갖기 않고 형태가 왜곡되는 현상을 나타내게 된다. 여기서 왜곡되는 현상의 정도에 따라서 전동기의 설계가 잘 되었는지 아니면 잘 되지 않았는지를 판단할 수 있다. 또는 전동기의 설계자가 의도적으로 자속 분포를 정현파가 아닌 다른 형태 예를 들면 사다리꼴과 같은 특정한 형태로 만들 수가 있는 것이다.Usually in the design of permanent magnet motors, the design process starts with the assumption that the flux distribution must be sinusoidal. However, if the magnetic flux distribution of the permanent magnet type motor is actually measured, the shape may be distorted without having a perfect sine distribution. In this case, it is possible to determine whether the motor is well designed or not according to the degree of distortion. Alternatively, the designer of an electric motor may intentionally make the magnetic flux distribution different from a sinusoidal shape such as a trapezoid.
일단 자속 분포의 형태가 어떤 형태를 갖더라도 전동기가 결정되면 자속 분포는 측정하여 얻을 수 있다. 기존의 제어 기술들은 이 자속 분포가 정현적인 경우에만 적용할 수 있으나 자속 분포가 정현적인 형태가 아닌 경우에는 적용할 수 없거나, 적용을 하더라도 반드시 전동기의 발생토크에 리플을 동반하게 된다. 본 발명에서 제안하는 방법은 자속 분포가 정현적인 아닌 경우에 적용 하여도 발생토크에 리플이 발생하지 않게 하는 것이다.Once the motor has been determined, no matter what shape the flux distribution has, the flux distribution can be measured and obtained. Existing control techniques can be applied only when the magnetic flux distribution is sinusoidal, but not when the magnetic flux distribution is not sinusoidal, or even if applied, the ripple will occur with the generated torque of the motor. The method proposed in the present invention is such that ripple does not occur in the generated torque even when the magnetic flux distribution is not sinusoidal.
여기서 상기 θ는 전기각을 나타내며, 일반적인 역기전력을 갖는 매입형 영구자석 전동기의 발생 토오크식은 아래의 식4와 같이 정의 된다.Where θ represents the electric angle, and the generated torque formula of the embedded permanent magnet motor having a general counter electromotive force is defined as Equation 4 below.
이와 같은 상태에서 종래와 같이 자속분포가 정현파 형태인 것으로 가정하면Φd(θ),Φq(θ)는 각각 1과 0의 값을 갖게 되지만, 정현파 형태가 아닌 일반적인 값, 즉 실질적인 값을 갖는 다고 가정하면, 상기 Φd(θ),Φq(θ)는 각각 0에서 1사이의 값을 갖게 된다.In this state, assuming that the magnetic flux distribution is sinusoidal as in the prior art, Φ d (θ) and Φ q (θ) have values of 1 and 0, respectively. Assume that φ d (θ) and Φ q (θ) have a value between 0 and 1, respectively.
이와 같은 사실에서 전동기 고정자의 전류제한은 아래의 식5와 같이 한정된다.In this fact, the current limit of the motor stator is defined as in Equation 5 below.
그리고, 상기 상수인 Imd는 아래의 식6을 만족하는 값이여야 한다.The constant Imd should be a value satisfying Equation 6 below.
또한, 상기 전류명령발생부(1)의 출력인 전류명령(id *,iq *)값에 따라 검출된 전류명령(id,iq)은 잘 추종하여 거의 동일한 값이며, 이에 따라 토오크 명령이 주어지고 회전자의 위치(θ)를 검출한 결과에 따라 모든 상황에 적용할 수 있는 전류명령은 다음의 식7 및 식8과 같이 나타낼 수 있다.Further, the current command generating unit (1) outputs a current command for an (i d *, i q *) value of the current command (i d, i q) detected in accordance with the will to well follow substantially the same value, whereby the torque in accordance with According to the command given and the result of detecting the position of the rotor θ, the current command applicable to all situations can be expressed by the following equations (7) and (8).
여기서 함수 h는 다음과 같은 성질을 만족하는 값으로, 변수의 값을 자유롭게 선택함이 가능하기 때문에 특별히 자유함수라는 표현을 쓰며, 토오크의 리플을 제거하는 전류명령은 무수히 많이 존재할 수 있는 것으로, 이를 자유함수를 통해표현하였다. 즉, 자유함수는 모든 자속분포를 고려한 함수이며, 자유함수는 아래의 식9 내지 식12에 표현한 바와 같이 선택되어 질 수 있다.The function h is a value that satisfies the following property, and since it is possible to freely select the value of the variable, it is expressed as a special function, and there can be numerous current commands that remove torque ripple. Expressed through a free function. That is, the free function is a function considering all magnetic flux distributions, and the free function can be selected as expressed in Equations 9 to 12 below.
이때, 상기 Γ(τ,θ)는의 값을 갖는다.In this case, the Γ (τ, θ) is Has the value of.
이와 같이 정의 되는 자유함수(h)를 이용할 경우 각 상의 자속분포를 가지고 계산된 d축과 q축의 자속분포와, 전동기 회전자 위치(θ)와 토오크(τ)에 의해 최적화된 값으로 선택되어지며, 선택된 자유함수는 일반적인 선형제어기에서 나오는 토오크명령을 리플없이 전동기의 토오크로 발생시킬 수 있다. 또한 전류명령(i*)은 자유함수로 매개변수화되었기 때문에 전동기 발생 토오크를 선형화할 수 있을 뿐만 아니라 다른 제어목적을 만족시킬 수 있도록 선택할 수 있다. 다른 제어목적이라함은 구체적으로 전동기의 동손을 최소화하는데 이용하거나 고속동작에서 구동되는 약계자 제어알고리즘에 응용할 수 있다.In case of using the free function (h) defined in this way, the magnetic flux distribution of the d-axis and q-axis calculated with the magnetic flux distribution of each phase is selected to be optimized by the rotor position (θ) and the torque (τ). In addition, the selected free function can generate torque command from the general linear controller to the torque of the motor without ripple. In addition, since the current command (i * ) is parameterized as a free function, not only can the motor generated torque be linearized, but it can also be selected to satisfy other control purposes. The other control purpose is specifically used to minimize the copper loss of the motor or can be applied to the field weakening control algorithm driven in high speed operation.
예를 들어 동손을 최소화하는 자유함수(h=h*)를 구하여 제어하는 방법과 자유함수(h=0)를 사용하는 경우에 대해 각각 전류명령과 동손을 비교해 본다. 도2는 특정한 매입형 영구자석 전동기의 규격표로서, 이에 도시한 바와 같은 규격의 전동기가 정현파 역기전력을 갖는다고 가정하면 자속분포 Φd(θ),Φq(θ)는 각각 1과 0의 값을 갖는다.For example, compare the current command and the copper loss for the control method by obtaining the free function (h = h * ) to minimize the copper loss and the case of using the free function (h = 0). Fig. 2 is a specification table of a specific embedded permanent magnet motor, and assuming that an electric motor of the standard as shown in this figure has a sinusoidal counter electromotive force, the magnetic flux distributions Φ d (θ) and Φ q (θ) are values of 1 and 0, respectively. Have
도3과 도4는 각각 토오크명령이 각각 1Nm, 7Nm일 때 자유함수를 이용한 경우와 자유함수를 이용하지 않은 경우의 A상의 전류명령을 비교도시한 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 자유함수를 구하여 토오크를 제어하는 경우, 자유함수를 구하지 않고 토오크를 제어하는 경우에 비해 1Nm에서는 1%, 7Nm에서는 36% 감소한 것을 알 수 있다. 즉, 역기전력을 정현파로 가정한 경우에비해 일반적인 역기전력의 형태를 정의하고 추출된 값에 따라 선택되어진 함수에 의해 제어하는 경우 토오크 리플이 줄어듬을 알 수 있다.3 and 4 are graphs showing current commands in phase A when the free command is used and the free function is not used when the torque commands are 1 Nm and 7 Nm, respectively. It can be seen that when the torque is controlled to obtain a torque control, the torque is reduced by 1% at 1 Nm and 36% at 7 Nm, compared to the case of controlling the torque without obtaining a free function. That is, the torque ripple is reduced when the normal electromotive force is defined and controlled by a function selected based on the extracted value, compared to the case where the counter electromotive force is assumed to be a sine wave.
또한, 도5는 토오크 명령을 변화시켜 자유함수를 사용한 경우에 대한 자유함수를 사용하지 않은 경우의 비를 표시한 그래프도로서, 이에 도시한 바와 같이 토오크 명령이 커짐에 따라 동손의 비가 점차로 커지는 것을 볼 수 있다.5 is a graph showing the ratio of the case where the free function is not used to the case of using the free function by changing the torque command. As shown in FIG. 5, the ratio of the copper loss gradually increases as the torque command increases. can see.
상기한 바와 같이 본 발명 매입형 영구자석 전동기의 토오크 제어방법은 자속분포를 정현파로 가정하지 않고 그 자속분포가 가질 수 있는 모든 형태를 만족하는 함수를 구하고, 전동기의 제어전류와 전동기의 회전자위치에 따라 적당한 함수를 선택하여, 그 선택된 함수를 사용하여 토오크를 제어함으로써, 토오크 리플을 제거하여 보다 정밀한 제어를 할 수 있는 효과가 있다.As described above, the torque control method of the embedded permanent magnet motor of the present invention obtains a function that satisfies all forms of the magnetic flux distribution without assuming that the magnetic flux distribution is a sinusoidal wave, and the control current of the motor and the rotor position of the motor. By selecting an appropriate function according to the method, and controlling the torque by using the selected function, the torque ripple can be eliminated and more precise control can be performed.
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