KR100400594B1 - 유도 전동기의 속도 추정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 전동기의 속도 추정 장치에 관한 것으로, 속도 측정 장치를 사용하지 않고 유도 전동기의 자속 및 속도를 추정하여 벡터 제어 시스템으로 2차 저항 추정을 통하여 온도 변화에 따른 속도 오차를 보정할 수 있도록 한 유도 전동기의 속도 추정 장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 기준속도와 추정 속도를 입력 받아 속도를 제어하여 기준 토오크분 전류를 출력하는 속도 제어부와; 기준 자속과 추정 자속을 입력받아 자속을 제어하여 기준 자속분 전류를 출력하는 자속 제어부와; 상기 기준 토오크분 전류와 동기 좌표계의 큐축 전류를 입력 받아 토오크분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 큐축 전압을 출력하는 토오크분 전류 제어부와; 상기 기준 자속분 전류와 동기 좌표계의 디축의 전류를 입력 받아 자속분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 디축 전압을 출력하는 자속분 전류 제어부와; 상기 토오크분 전류 제어부와 자속분 전류 제어부의 출력으로 정지 좌표계상의 디축 전압과 큐축 전압을 출력하는 동기/정지 좌표 변환부와; 상기 정지 좌표계상의 2상 전압을 입력 받아 3상 전압으로 변환하여 출력하는 2/3상 좌표 변환부와; 상기 3상 전압 및 직류 정류 전압으로 유도 전동기를 구동시키는 인버터와; 상기 유도 전동기의 구동시 3상 전류를 검출하고 그 검출된 전류를 2상으로 변환하여 출력하는 3/2상 좌표 변환부와; 상기 3/2상 좌표 변환부의 출력을 입력 받아 동기 좌표계상의 디축 전류와 큐축 전류로 변환하여 출력하는 정지/동기 좌표 변환부와; 상기 정지/동기 좌표 변환부와 3/2상 좌표 변환부 및 상기 동기/정지 좌표 변환부의 출력 및 추정된 2차 저항을 입력 받아 자속, 속도, 자속 각속도 및 1차 저항을 추정하여 출력하는 제1 추정부와; 상기 제1 추정부와 정지/동기 좌표 변환부의 출력을 입력 받아 2차측 저항을 추정하는 제2 추정부로 구성된 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 유도 전동기에 있어서, 속도 및 토크 제어가 필요한 응용분야에서 속도 센서없이 제어가 가능하도록 함에 따라 추가적인 센서 취부로 인하여 발생되어지는 문제점 및 노이즈로 인한 고정밀 제어의 문제점을 해결함과 아울러 벡터제어를 이용함으로써 가격면에서 저렴한 효과가 있다.

Description

유도 전동기의 속도 추정 장치{APPARATUS FOR SPEED PRESUMPTION OF INDUCTION MOTOR}

본 발명은 유도 전동기의 속도 추정 장치에 관한 것으로, 특히 속도 측정 장치를 사용하지 않고 유도 전동기의 자속 및 속도를 추정하여 벡터 제어 시스템으로 2차 저항 추정을 통하여 온도 변화에 따른 속도 오차를 보정할 수 있도록 한 유도 전동기의 속도 추정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 유도 전동기의 속도 추정 장치는 순시 토크 제어에 있어서, 전동기의 속도 정보 또는 자속 정보가 필수적인데 일반적으로 타코 제너레이터나 레졸버 또는 펄스 인코더와 같은 속도 정보 센서나 자속 센서가 필요하나 그 센서들은 취부가 어렵고 설치 환경에 민감하여 노이즈와 같은 환경에 취약할 뿐만 아니라 경제적인 면에서 가격 상승의 원인이 됨으로써, 속도 센서 없는 벡터 제어 방식은 전동기 2차 저항 변화에 대한 속도 오차 보정 없이 속도 및 토크 제어를 하는 것으로, 이와 같은 종래 기술을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 유도 전동기의 속도 추정 장치의 구성을 보인 블록도로써, 이에 도시된 바와같이 기준 속도(w_r ^*)와 실제 속도()의 차이를 출력하는 감산부(11)와; 상기 감산부(11)의 출력 속도를 입력받아 속도를 조절하여 기준 토오크분 전류(i_1β ^*)를 출력하는 속도 제어부(12)와; 상기 기준 토오크분 전류(i_1β ^*)와 기준자속분 전류(i_1α ^*) 및 자속 각속도()를 입력받아 그에 따른 직류 기준 전압(v_1α ^*,v_1β ^*)을 출력하는 전류/전압 지령부(13)와; 상기 전류/전압 지령부(13)의 출력 직류 기준 전압(v_1α ^*,v_1β ^*) 및 자속각()을 입력 받아 2상 교류 전압(v_1d ^*,v_1q ^*)으로 변환하여 출력하는 직류/교류 변환부(14)와; 상기 직류/교류 변환부(14)의 출력을 입력 받아 기준 상전압(v_a ^*,v_b ^*,v_c ^*)으로 변환하는 상전압 변환부(15)와; 상기 기준 상전압(v_a ^*,v_b ^*,v_c ^*)을 입력받아 유도 전동기(IM)를 구동하는 인버터(16)와; 상기 유도 전동기(IM)가 구동되면 그때의 상전류(i_a,i_b,i_c)를 검출하여 그 검출된 전류를 변환하여 출력하는 상전류 변환부(17)와; 상전류 변환부(17)의 출력과 상기 2상 교류 전압(v_1d ^*,v_1q ^*)을 입력 받아 2상 교류 자속()을 추정하는 자속 연산부(18)와; 상기 추정된 자속()과 상기 자속각()을 입력 받아 직류 자속()으로 변환하여 출력하는 교류/직류 변환부(19)와; 상기 직류 자속()과 기준 자속분 전류(i_1α ^*) 및 기준 토오크분 전류(i_1β ^*)를 입력 받아 상기 자속 각속도()를 출력하는 속도 연산부(20)와; 상기자속 각속도()를 입력받아 자속각()을 출력하는 적분기(21)로 구성된것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 기준 속도(w_r ^*)와 기준 자속분 전류(i_1α ^*)가 주어지면 속도 제어부(12)는 감산부(11) 출력을 입력으로 기준 토오크분 전류(i_1β ^*)를 출력하고 전류/전압 지령부(13)에 기준 자속분 전류와 함께 입력 되어 직류 기준 전압(v_1α ^*,v_1β ^*)을 계산하고 계산된 그 직류 기준 전압(v_1α ^*,v_1β ^*)은 직류/교류 변환부(14)에 의해 2상 교류 전압(v_1d ^*,v_1q ^*)으로 변환되고, 그 값은 상전압 변환부(15)에 의해 기준 상전압(v_a ^*,v_b ^*,v_c ^*)으로 변환된다.

이에 따라 변환된 기준 상전압(v_a ^*,v_b ^*,v_c ^*)은 인버터(16)에 의해 유도 전동기(IM)를 구동한다. 이와 같이 전압이 인가되어 상기 유도 전동기(IM)가 구동되면 상전류(i_a,i_b,i_c)를 검출하고 그 검출된 상전류(i_a,i_b,i_c)는 상전류 변환부(17)에 의해 자속 연산부(18)의 입력 신호를 만들고 2상 기준 교류 전압(v_1d ^*,v_1q ^*)과 함께 2상 교류 자속()을 추정하며 교류/직류 변환부(19)에 의해 직류 자속()으로 변환되어 속도 연산부(20)에 기준 토오크분 전류(i_1β ^*) 및 기준 자속분 전류(i_1α ^*)와 함께 입력되어 추정된 자속 각속도() 및 속도()를 추정한다. 상기 추정된 속도()는 감산부(11)에 의해 기준 속도(w_r ^*)와의 오차를 만들어 속도 제어부(12)의 입력으로 사용된다. 또한 추정된 자속 각속도는 적분기(10)를 거쳐 좌표 변환에 필요한 상기 자속각()을 추정한다.

그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 속도 센서 없는 벡터 제어는 장시간 운전에 따른 전동기 1차 저항 및 2차 저항 변화에 의한 저속 영역에서의 안정성 및 추정 속도 오차에 대한 해결 방법이 불가능하기 때문에 정밀한 속도 제어 및 안정성 확보가 어렵다. 또한 정상 상태만을 고려된 것으로 과도 상태에 대한 고려는 전혀 없기 때문에 벡터 제어의 강점인 순시 토크 제어는 할 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 유도 전동기의 속도 센서 없는 벡터 제어를 저속까지 안정하게 제어하고 전동기 2차 저항을 추정하여 속도 오차를 보정하므로 종래 장치 보다도 정밀한 속도 및 토크 제어 할 수 있도록한 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 유도 전동기의 속도 추정 장치를 보인 예시도.

도 2는 본 발명 유도 전동기의 속도 추정 장치를 보인 예시도.

도 3은 도2의 제2 추정부의 구성을 보인 예시도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

21: 속도 제어부 22: 자속 제어부

23: 토오크분 전류 제어부 24: 자속분 전류 제어부

25: 동기/정지 좌표 변환부 26: 2/3상 변환부

27: 인버터 28: 직류 전압 검출부

29: 3/2상 좌표 변환부 30: 정지/동기 좌표 변환부

31: 제1 추정부 32: 제2 추정부

32a: 2차 저항 추정부 32b: 2차 저항 제한부

32c: 저역 통과 필터부 32d: 가산부

32e: 입력 전압 연산부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기준속도와 추정 속도를 입력 받아 속도를 제어하여 기준 토오크분 전류를 출력하는 속도 제어부와; 기준 자속과 추정 자속을 입력받아 자속을 제어하여 기준 자속분 전류를 출력하는 자속 제어부와; 상기 기준 토오크분 전류와 동기 좌표계의 큐축 전류를 입력 받아 토오크분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 큐축 전압을 출력하는 토오크분 전류 제어부와; 상기 기준 자속분 전류와 동기 좌표계의 디축의 전류를 입력 받아 자속분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 디축 전압을 출력하는 자속분 전류 제어부와; 상기 토오크분 전류 제어부와 자속분 전류 제어부의 출력으로 정지 좌표계상의 디축 전압과 큐축 전압을 출력하는 동기/정지 좌표 변환부와; 상기 정지 좌표계상의 2상 전압을 입력 받아 3상 전압으로 변환하여 출력하는 2/3상 좌표 변환부와; 상기 3상 전압에 의해 직류 정류 전압을 3상 전압으로 변환하여 유도 전동기를 구동시키는 인버터와; 상기 유도 전동기의 구동시 3상 전류를 검출하고 그 검출된 전류를 2상으로 변환하여 출력하는 3/2상 좌표 변환부와; 상기 3/2상 좌표 변환부의 출력을 입력 받아 동기 좌표계상의 디축 전류와 큐축 전류로 변환하여 출력하는 정지/동기 좌표 변환부와; 상기 정지/동기 좌표 변환부와 3/2상 좌표 변환부 및 상기 동기/정지 좌표 변환부의 출력 및 추정된 2차 저항을 입력 받아 자속, 속도, 자속 각속도 및 1차 저항을 추정하여 출력하는 제1 추정부와; 상기 제1 추정부와 정지/동기 좌표 변환부의 출력을 입력 받아 2차측 저항을 추정하는 제2 추정부로 구성된 것을 특징으로 한다. 이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명 유도 전동기의 속도 추정 장치를 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 기준속도(w_r ^*)와 추정 속도()를 입력 받아 속도를 제어하여 기준 토오크분 전류()를 출력하는 속도 제어부(21)와; 기준 자속()과 추정 자속()을 입력받아 자속을 제어하여 기준 자속분 전류()를 출력하는 자속 제어부(22)와; 상기 기준 토오크분 전류()와 동기 좌표계의 큐축 전류()를 입력 받아 토오크분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 큐축 전압()을 출력하는 토오크분 전류 제어부(23)와; 상기 기준 자속분 전류()와 동기 좌표계의 디축의 전류()를 입력 받아 자속분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 디축 전압()을 출력하는 자속분 전류 제어부(24)와; 상기 토오크분 전류 제어부(23)와 자속분 전류 제어부(24)의 출력으로 정지 좌표계상의 디축 전압()과 큐축 전압()을 출력하는 동기/정지 좌표 변환부(25)와; 상기 정지 좌표계상의 2상 전압()을 입력 받아 3상 전압(v_as ^*,v_bs ^*,v_cs ^*)으로 변환하여 출력하는 2/3상 좌표 변환부(26)와; 상기 3상 전압(v_as ^*,v_bs ^*,v_cs ^*)에 의해 직류 정류 전압(Vdc)(28)을 3상 전압으로변환하여 유도 전동기(IM)를 구동시키는 인버터(27)와; 상기 유도 전동기(IM)의 구동시 3상 전류()를 검출하고 그 검출된 전류를 2상으로 변환하여 출력하는 3/2상 좌표 변환부(29)와; 상기 3/2상 좌표 변환부(29)의 출력()을 입력 받아 동기 좌표계상의 디축 전류()와 큐축 전류()로 변환하여 출력하는 정지/동기 좌표 변환부(30)와; 상기 정지/동기 좌표 변환부(30)와 3/2상 좌표 변환부(29) 및 상기 동기/정지 좌표 변환부(25)의 출력() 및 추정된 2차 저항()을 입력 받아 자속각(), 속도(), 자속 각속도() 및 1차 저항()을 추정하여 출력하는 제1 추정부(31)와; 상기 제1 추정부(31)와 정지/동기 좌표 변환부(30)의 출력()을 입력 받아 2차측 저항()을 추정하는 제2 추정부(32)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세히 설명한다.

먼저, 기준 속도(w_r ^*)와 추정 속도()가 속도 제어부(21)에 입력되어 기준 토오크분 전류()를 출력하여 토오크분 전류()와 함께 토오크분 전류 제어부(23)에 입력되어 연산되고, 기준 자속()과 추정 자속()이 자속 제어부(22)에 입력되어 기준 자속분 전류()를 출력하여 자속분 전류()와 함께 자속분 전류 제어부(24)에 입력되어 연산된다. 이에 따라 상기 토오크분 전류 제어부(23)와 자속분 전류 제어부(24)의 출력은 동기 좌표계상의 디축 전압과 큐축 전압()을 출력하며 그 출력값()은 제1 추정부(31)의 출력 자속각()과 동기/정지 좌표 변환부(25)에 입력되어 정지 좌표계상의 2상 전압()을 다시 2/3상 변환부(26)를 통하여 3상 전압()으로 변환되며 그 값은 직류 링크 검출 전압(Vdc)과 함께 인버터(27)에 전압 지령하고 그 인버터(27)는 지령 전압에 따라 스위칭하여 유도 전동기(IM)를 구동 시킨다.

한편, 유도 전동기(IM)가 구동되면 3/2상 좌표 변환부(29)는 그 유도 전동기(IM)에 흐르는 3상 전류()를 검출하여 정지 좌표계상의 디축, 큐축의 전류()를 출력하고, 정지/동기 좌표 변환부(30)는 그 출력된 전류와 제1 추정부(31)의 출력인 자속각()을 입력받아 동기 좌표계상의 디축, 큐축의 자속분 전류()를 출력한다. 이에 의해 상기 제1 추정부(31)는 상기 정지/동기 좌표 변환부(30)의 출력 전류()와 상기 3/2상 좌표 변환부(29)의 출력 전류()와 상기 동기/정지 좌표 변환부(25)의 디축, 큐축의 전압() 및 제2 추정부(32)에 의해 추정된 2차측 회전자의 저항()을 입력 받아 추정된 자속각(), 추정된 회전자의 속도(), 추정된 자속 각속도() 및 추정된 1차측 저항()을 출력한다.

상기 제1 추정부(31)의 출력값()은 상기 정지/동기 좌표 변환부(30)의 출력인 동기 좌표계상의 디축, 큐축 전류()와 함께 상기 제2 추정부(32)에 입력된다.

여기서, 도3은 도2의 제2 추정부의 구성을 보인 예시도로서, 상기 2차측 회전자 저항(r_r)에 대한 오프셋과 초기치 2차측 저항값(r_r__init)이 가산기(32d)에 입력되어 2차측 저항값()이 추정된다.

즉, 2차 저항 추정부(32a)는 입력 전압 연산부(32e)에 의해 계산된 디축 전압()과 자속분 기준 전압()을 입력 받아 추정한 상기 2차측 저항값()을 출력하고, 그 출력을 입력 받는 2차 저항 제한부(32b)는 그 2차측 저항값을 일정값으로 제한하여 출력하며 저역 통과 필터부(32c)를 통해 그 2차측 저항에 대한 오프셋(r_r__{limit_offset})을 출력한다.

따라서, 상기 2차측 저항에 대한 오프셋(r_r__{limit_offset})은 상기 초기치 2차측 저항(r_r__init)과 함께 가산부(32d)에 의해 가산되어 2차측 저항값()을 추정한다.

여기서,: 1차측 저항값: 2차측 저항값

: 자기 인덕턴스: 2차측 인덕턴스

: 자속분 전류: 1차측 누설 인덕턴스

: 자속 각속도: 토크분 전류

: 디축의 자속: 2차측 회전 각속도

: 큐축의 자속

상기 수학식(1)은 벡터 제어가 잘 이루어졌을 경우 변수인 상기 자속 각속도()에 의해 출력되는 동기 좌표계 상의 디축 전압()을 나타낸 것이다.

여기서,: 추정된 1차측 저항: 추정된 2차측 저항

: 자기 인덕턴스: 2차측 인덕턴스

: 자속분 전류: 누설 인덕턴스

: 1차측 인덕턴스: 자속 각속도

: 토크분 전류: 추정된 디축의 자속

: 추정된 2차측 회전 각속도: 추정된 큐축의 자속

또한, 상기 수학식(2)는 상기 입력 전압 연산부(32e)의 특성을 나타낸 것으로 상기 제1 추정부의 출력()을 입력 받아 동기 좌표계상의 디축 전압()을 출력한다.

따라서, 본 발명은 유도 전동기의 속도 센서 없는 벡터 제어를 안정하게 제어하고 유도 전동기 2차 저항을 추정하여 속도 오차를 보정함으로써 정밀한 속도 및 토크제어가 가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 유도 전동기에 있어서, 속도 및 토크 제어가 필요한 응용분야에서 속도 센서없이 제어가 가능하도록 함에 따라 추가적인 센서 취부로 인하여 발생되어지는 문제점 및 노이즈로 인한 고정밀 제어의 문제점을 해결함과 아울러 벡터 제어를 이용함으로써 가격면에서 저렴한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 기준속도와 추정 속도를 입력 받아 속도를 제어하여 기준 토오크분 전류를 출력하는 속도 제어부와; 기준 자속과 추정 자속을 입력받아 자속을 제어하여 기준 자속분 전류를 출력하는 자속 제어부와; 상기 기준 토오크분 전류와 동기 좌표계의 큐축 전류를 입력 받아 토오크분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 큐축 전압을 출력하는 토오크분 전류 제어부와; 상기 기준 자속분 전류와 동기 좌표계의 디축의 전류를 입력 받아 자속분 전류를 제어하여 동기 좌표계의 디축 전압을 출력하는 자속분 전류 제어부와; 상기 토오크분 전류 제어부와 자속분 전류 제어부의 출력으로 정지 좌표계상의 디축 전압과 큐축 전압을 출력하는 동기/정지 좌표 변환부와; 상기 정지 좌표계상의 2상 전압을 입력 받아 3상 전압으로 변환하여 출력하는 2/3상 좌표 변환부와; 상기 3상 전압에 의해 직류 정류 전압을 3상 전압으로 변환하여 유도 전동기를 구동시키는 인버터와; 상기 유도 전동기의 구동시 3상 전류를 검출하고 그 검출된 전류를 2상으로 변환하여 출력하는 3/2상 좌표 변환부와; 상기 3/2상 좌표 변환부의 출력을 입력 받아 동기 좌표계상의 디축 전류와 큐축 전류로 변환하여 출력하는 정지/동기 좌표 변환부와; 상기 정지/동기 좌표 변환부와 3/2상 좌표 변환부 및 상기 동기/정지 좌표 변환부의 출력 및 추정된 2차 저항을 입력 받아 자속, 속도, 자속 각속도 및 1차 저항을 추정하여 출력하는 제1 추정부와; 상기 제1 추정부와 정지/동기 좌표 변환부의 출력을 입력 받아 계산한 동기좌표계상의 디축 전압과 자속분 기준전압을 입력받아 2차 저항의 오프셋을 검출하는 2차 저항 오프셋 검출부 및 그 2차 저항 오프셋 검출부의 출력과 초기치 2차 저항값을 가산하여 출력하는 가산기로 구성되어 2차측 저항을 추정하는 제2 추정부로 구성된 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 추정 장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 2차 저항 오프셋 검출부는 2차 저항을 제어하는 2차 저항 추정부와; 상기 2차 저항 추정부의 출력을 입력 받아 2차 저항값을 일정값으로 제한하여 출력하는 2차 저항 제한부와; 그 출력을 저역만 통과시키는 저역 통과 필터부를 구비하여, 2차 저항 기준치와 비교하여 오프셋을 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 추정 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 동기 좌표계상의 디축 전압은 상기 제1 추정부의 출력값과 정지/동기 좌표 변환부의 출력값을 입력 받아 하기의 수학식에 의해 동기 좌표계상의 디축 전압을 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 추정 장치.

   (수학식)

   여기서,: 추정된 1차측 저항: 추정된 2차측 저항

   : 자기 인덕턴스: 2차측 인덕턴스

   : 자속분 전류: 누설 인덕턴스

   : 1차측 인덕턴스: 자속 각속도

   : 토크분 전류: 추정된 디축의 자속

   : 추정된 2차측 회전 각속도: 추정된 큐축의 자속