KR100425738B1 - Method for sensorless rotary velocity control of synchronous reluctance motor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어방법에 관한 것으로, 특히 한주기 동안의 전류 평균값을 이용해 전류의 직류 오프셋을 제거하여 회전자의 추정 위치나 추정 회전 속도의 오차를 감소시켜 정밀성을 향상시킬 수 있도록 한 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 자속을 관측하여 속도를 제어함에 있어서, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 검출된 전류의 오프셋 성분을 제거하는 제1 단계와; 상기 오프셋 성분이 제거된 전류에 따른 회전자의 추정 위치와 추정 회전속도를 출력하는 제2 단계와; 상기 회전자의 추정 위치 및 추정 회전속도로 오차를 감소시켜 제어하는 제 3 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for controlling the sensorless speed of a synchronous reluctance motor. In particular, the DC offset of the current is removed by using a current average value during one cycle to reduce the error of the estimated position of the rotor or the estimated rotation speed, thereby improving accuracy. A sensorless speed control method of a synchronous reluctance motor is provided. To this end, the present invention includes the steps of: removing the offset component of the detected current of the synchronous reluctance motor in controlling the speed by observing the magnetic flux of the synchronous reluctance motor; Outputting an estimated position and estimated rotational speed of the rotor according to the current from which the offset component is removed; And a third step of controlling the error by reducing the estimated position and the estimated rotation speed of the rotor.
Description
본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어방법에 관한 것으로, 특히 한주기 동안의 전류 평균값을 이용해 전류의 직류 오프셋을 제거하여 회전자의 추정 위치나 추정 회전 속도의 오차를 감소시켜 정밀성을 향상시킬 수 있도록 한 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for controlling the sensorless speed of a synchronous reluctance motor. In particular, the DC offset of the current is removed by using a current average value during one cycle to reduce the error of the estimated position of the rotor or the estimated rotation speed, thereby improving accuracy. A sensorless speed control method of a synchronous reluctance motor is provided.
일반적으로, 동기 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치는 순시 토크 제어에 있어서, 모터의 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 한다.In general, the speed control device of a synchronous reluctance motor requires speed information or magnetic flux information of the instantaneous torque control. Generally, a speed information sensor or a flux sensor such as a taco generator, resolver, or pulse encoder is required. As sensors are difficult to mount and sensitive to the installation environment, they are not only susceptible to noise-like environments, but also economically cause the price to rise. Therefore, the vector control method without the speed sensor is used for speed and compensation without the speed error correction of the secondary resistance change of the motor. Torque control
도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 구조를 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 회전자(rotor)와 고정자(stator)로 나뉘며, 자속의 세기에 따라 디축(d-axis)과 큐축(q-axis)으로 나뉘어 진다.FIG. 1 is an exemplary view showing a structure of a general synchronous reluctance motor, and is divided into a rotor and a stator as shown in the drawing. The d-axis and the cue-axis (q-) according to the strength of magnetic flux are shown in FIG. axis).
이러한 동기릴럭턴스 모터의 속도를 제어하기 위해서는 반드시 회전자의 위치를 알아야 한다. 그래서 엔코더와 같은 회전자 위치 검출기로서 회전자의 위치를 직접 검출할 수 있으나 냉장고, 에어컨의 압축기와 같은 곳에는 검출기를 취부하기가 어렵기 때문에 회전자 위치 검출기를 사용치 않는 센서리스 제어방식이 사용되고 있고, 이와 같은 종래의 기술을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.In order to control the speed of the synchronous reluctance motor, the position of the rotor must be known. Therefore, the position of the rotor can be directly detected as a rotor position detector such as an encoder, but the sensorless control method without the rotor position detector is used because it is difficult to mount the detector in a compressor or air conditioner compressor. This conventional technique will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2는 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어장치를 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 검출한 동기 릴럭턴스 모터의 전압, 전류 및 추정된 회전자위치를 입력받아 자속을 관측 및 추정하는 자속 관측부(21)와; 상기 관측 및 추정된 자속을 입력받아 소정 연산하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 회전자 위치/속도 추정부(22)로 구성된다.2 is an exemplary view illustrating a sensorless speed control apparatus of a conventional synchronous reluctance motor. As shown in FIG. 2, the magnetic flux is observed and estimated by receiving a voltage, a current, and an estimated rotor position of the detected synchronous reluctance motor. A magnetic flux observation unit 21; The rotor position / speed estimator 22 is configured to receive the observed and estimated magnetic flux and calculate a predetermined position to estimate the position and speed of the rotor.
먼저, 상기 자속 관측부(21)는 도 3에 도시된 바와 같다.First, the magnetic flux observer 21 is as shown in FIG. 3.
정지 좌표계의 전압과 전류와 상저항의 곱에 의하여 얻어진 전압을 비교하여 그에 따른 오차를 유기전압으로 출력하는 제1 비교부(31)와; 상기 유기전압()을 게인과 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제2 비교부(32)와; 상기 제2 비교부(32)의 출력을 적분하여 고정 좌표계의 관측된 자속을 출력하는 적분기(33)와; 상기 적분기(33)의 출력 자속을 동기좌표계의 자속으로 변환시키는 제1 정지/동기 좌표 변환부(34)와; 정지 좌표계의 전류를 동기 좌표계의 전류로 변환하는 제2 정지/동기 좌표 변환부(37)와; 상기 제2 정지/동기 좌표 변환부(37)의 출력 전류에 대한 추정된 자속을 출력하는 자속 변환부(38)와; 상기 자속 변환부(38)의 출력을 정지 좌표계의 추정된 자속으로 변환하여 출력하는 동기/정지 좌표 변환부(39)와; 상기 적분기(33)와 동기/정지 좌표 변환부(39)의 출력을 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제3 비교부(35)와; 상기 오차가 '0'이 되는 게인을 출력하는 게인 발생부(36)로 구성된다.A first comparator 31 for comparing the voltage obtained by the product of the stationary coordinate system with the product of the current and the phase resistance and outputting an error thereof as an induced voltage; The induced voltage A second comparison unit 32 for comparing the gain with the gain and outputting an error according thereto; An integrator (33) for integrating the output of the second comparator (32) to output the observed magnetic flux of the fixed coordinate system; A first stop / synchronous coordinate converter 34 for converting the output magnetic flux of the integrator 33 into the magnetic flux of the synchronous coordinate system; A second stop / synchronous coordinate conversion unit 37 for converting a current in the still coordinate system into a current in the synchronous coordinate system; A magnetic flux converter 38 for outputting an estimated magnetic flux for the output current of the second stop / synchronous coordinate converter 37; A synchronization / stop coordinate converter 39 for converting and outputting the output of the magnetic flux converter 38 into the estimated magnetic flux of the stop coordinate system; A third comparator 35 for comparing the integrator 33 and the output of the sync / stop coordinate converter 39 and outputting an error according thereto; And a gain generator 36 for outputting a gain of which the error is '0'.
상기 자속 관측부(21)는 검출된 전압, 전류와 추정된 자속으로부터 아래의수학식(1)과 같이 관측 자속을 구한다.The magnetic flux observer 21 obtains the observed magnetic flux from the detected voltage and current and the estimated magnetic flux as shown in Equation (1) below.
여기서,는 정지 좌표계의 관측 자속, S는 미분 연산자, g는 게인,는 상저항,는 정지 좌표계의 전류,는 정지 좌표계의 추정 자속을 나타낸다.here, Is the magnetic flux observed in the static coordinate system, S is the derivative operator, g is the gain, Is phase resistance, Is the current in the static coordinate system, Denotes the estimated magnetic flux of the static coordinate system.
상기 자속들로부터 회전자 위치 추정부(22)는 수학식(2)와 같이 상기 회전자의 위치를 산출해낸다.From the magnetic fluxes, the rotor position estimator 22 calculates the position of the rotor as shown in equation (2).
이에 의해, 회전자 위치/속도 추정부(22)는 자속 관측부(21)의 출력에 따라 아래의 수학식(3)을 사용하여 상기 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도를 추정한다.As a result, the rotor position / speed estimator 22 estimates the rotational speed of the synchronous reluctance motor using Equation (3) below according to the output of the magnetic flux observer 21.
여기서,는 k번째 회전자 위치,은 k-1번째 회전자 위치는 주기를 나타낸다.here, Is the k-th rotor position, Is the k-1 th rotor position Indicates a cycle.
또한, 상기 수학식(2)는 사용자 정의식으로 도 4의 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어를 위한 벡터도로부터 아래의 수학식(4)와 같이 나타낼 수 있고, 그 수학식(4)에 의해 아래의 수학식(5)를 통해 sinθ와 cosθ가 유도된다.Further, Equation (2) can be expressed as Equation (4) below from a vector diagram for sensorless control of the synchronous reluctance motor of FIG. 4 by a user-defined equation, and by Equation (4) The sinθ and cosθ are derived through Equation (5).
θ는 디축과 알파축간 위상차를 나타내고, δ는 자속과 디축간의 위상차를 나타낸다.θ represents the phase difference between the di-axis and the alpha axis, and δ represents the phase difference between the magnetic flux and the di-axis.
그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 자속으로부터 회전자의 위치를 추정하는 종래의 센서리스 방식에서 사용되는 자속 관측기는 전류 센서나 오피엠프등의 오프셋과 스위칭 데드타임등에 의해 검출된 전류에 직류 오프셋이 포함되는 경우를 고려치 않았다.However, in the conventional apparatus operating as described above, the magnetic flux observer used in the conventional sensorless method of estimating the position of the rotor from the magnetic flux has a direct current offset to the current detected by the offset of the current sensor or op amp and the switching dead time. This did not take into account the case.
그로인해 전류에 직류 오프셋(dc offset)이 포함될 경우 추정 자속에는 직류 오프셋, 관측 자속에는 교류 성분의 오차가 포함되게 되어 결과적으로 회전자의 추정 위치나 추정 회전속도에 또한 오차가 발생하게 되어 센서리스 속도 제어의 정밀성이 감소하는 문제점이 있었다.As a result, when the current includes a DC offset, the estimated flux includes a DC offset and the observed flux includes an AC component error. As a result, an error occurs in the estimated position or estimated rotation speed of the rotor. There was a problem that the precision of the speed control is reduced.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 한주기 동안의 전류 평균값을 이용해 전류 센서나 오피엠프등의 오프셋과 스위칭 데드 타임등으로 인해 발생되는 전류의 직류 오프셋을 제거하는 방식을 포함한 새로운 자속 관측기를 이용해 종래의 센서리스 방식에서 전류의 직류 오프셋으로 인해 야기되었던 회전자의 추정 위치나 추정 회전속도의 오차를 감소시킴으로써 센서리스 속도 제어의 정밀성 및 안정성을 향상 시킬 수 있도록 한 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and using a current average value for one cycle to remove the DC offset of the current caused by the offset of the current sensor or op amp and switching dead time, etc. Synchronization to improve the precision and stability of the sensorless speed control by reducing the error of the estimated position of the rotor or the estimated rotation speed caused by the DC offset of the current in the conventional sensorless method using the new flux observer It is an object of the present invention to provide a sensorless speed control method of a reluctance motor.
도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 구조를 보인 예시도.1 is an exemplary view showing a structure of a general synchronous reluctance motor.
도 2는 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어장치를 보인 예시도.Figure 2 is an exemplary view showing a sensorless speed control device of a conventional synchronous reluctance motor.
도 3은 도 2의 자속관측부의 장치적 구성을 보인 예시도.3 is an exemplary view showing a device configuration of the magnetic flux observation unit of FIG.
도 4는 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어를 위한 벡터도.4 is a vector diagram for sensorless control of a typical synchronous reluctance motor.
도 5는 본 발명 자속관측부의 구성을 보인 예시도.5 is an exemplary view showing a configuration of the present invention magnetic flux observation unit.
도 6는 본 발명 오프셋 제거부의 전류 파형도.Figure 6 is a current waveform diagram of the offset remover of the present invention.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for main parts of drawing ***
30: 오프셋 제거부 31: 제1 비교부30: offset remover 31: first comparator
32: 제2 비교부 33: 적분기32: second comparator 33: integrator
34: 제1 정지/동기 좌표 변환부 35: 제3 비교부34: first stop / synchronous coordinate conversion unit 35: third comparison unit
36: 게인 발생부 37: 제2 정지/동기 좌표 변환부36: gain generator 37: second stop / synchronous coordinate converter
38: 자속 변환부 39: 동기/정지 좌표 변환부38: flux converter 39: sync / stop coordinate converter
100: 자속 관측부100: magnetic flux observer
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 동기 릴럭턴스 모터의 자속을 관측하여 속도를 제어함에 있어서, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 검출된 전류의 오프셋 성분을 제거하는 제1 단계와; 상기 오프셋 성분이 제거된 전류에 따른 회전자의 추정 위치와 추정 회전속도를 출력하는 제2 단계와; 상기 회전자의 추정 위치 및 추정 회전속도로 오차를 감소시켜 제어하는 제 3 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object comprises the steps of: removing the offset component of the detected current of the synchronous reluctance motor in controlling the speed by observing the magnetic flux of the synchronous reluctance motor; Outputting an estimated position and estimated rotational speed of the rotor according to the current from which the offset component is removed; And a third step of controlling the error by reducing the estimated position and the estimated rotation speed of the rotor.
이하, 본 발명에 의한 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어방법에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the operation and effect of the sensorless speed control method of the synchronous reluctance motor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 5는 본 발명 자속관측부의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와같이 직류 오프셋이 제거된 정지 좌표계의 전류를 출력하는 오프셋 제거부(30)와; 상기 오프셋 제거부(30)의 출력전류와 상저항을 곱하여 얻은 전압과 정지 좌표계의 전압을 비교하여 그에 다른 오차를 유기전압으로 출력하는 제1 비교부(31)와; 상기 유기전압()을 게인과 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제2 비교부(32)와; 상기 제2 비교부(32)의 출력을 적분하여 고정 좌표계의 관측된 자속을 출력하는 적분기(33)와; 상기 적분기(33)의 출력 자속을 동기좌표계의 자속으로 변환시키는 제1 정지/동기 좌표 변환부(34)와; 상기 오프셋 제거부(30)의 정지 좌표계의 출력전류를 동기 좌표계의 전류로 변환하는 제2 정지/동기 좌표 변환부(37)와; 상기 제2 정지/동기 좌표 변환부(37)의 출력 전류에 대한 추정된 자속을 출력하는 자속 변환부(38)와; 상기 자속 변환부(38)의 출력을 정지 좌표계의 추정된 자속으로 변환하여 출력하는 동기/정지 좌표 변환부(39)와; 상기 적분기(33)와 동기/정지 좌표 변환부(39)의 출력을 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제3 비교부(35)와; 상기 오차가 '0'이 되는 게인을 출력하는 게인 발생부(36)로 구성된다.5 is an exemplary view showing the configuration of the magnetic flux measuring unit of the present invention, and as shown therein, an offset removing unit 30 for outputting a current of a static coordinate system from which a DC offset is removed; A first comparator 31 which compares the voltage obtained by multiplying the output current of the offset remover 30 by the phase resistance and the voltage of the static coordinate system and outputs another error as an induced voltage; The induced voltage A second comparison unit 32 for comparing the gain with the gain and outputting an error according thereto; An integrator (33) for integrating the output of the second comparator (32) to output the observed magnetic flux of the fixed coordinate system; A first stop / synchronous coordinate converter 34 for converting the output magnetic flux of the integrator 33 into the magnetic flux of the synchronous coordinate system; A second stop / synchronous coordinate converter 37 for converting an output current of the still coordinate system of the offset remover 30 into a current of a synchronous coordinate system; A magnetic flux converter 38 for outputting an estimated magnetic flux for the output current of the second stop / synchronous coordinate converter 37; A synchronization / stop coordinate converter 39 for converting and outputting the output of the magnetic flux converter 38 into the estimated magnetic flux of the stop coordinate system; A third comparator 35 for comparing the integrator 33 and the output of the sync / stop coordinate converter 39 and outputting an error according thereto; And a gain generator 36 for outputting a gain of which the error is '0'.
본 발명의 동작 설명중 자속관측부를 제외한 장치적인 구성 및 동작은 종래와 동일하다.In the description of the operation of the present invention, the device configuration and operation except for the magnetic flux observation portion are the same as in the prior art.
이에 따라, 종래와 동일한 구성의 동작 및 작용설명은 본 발명의 요지를 흐릴 수 있으므로 상기 자속관측부(100)를 제외한 구성의 동작 설명은 생략하기로 한다.Accordingly, the description of the operation and operation of the same configuration as in the related art may obscure the gist of the present invention, and thus description of the operation of the configuration except for the magnetic flux observation unit 100 will be omitted.
먼저, 본 발명의 자속 관측부(100)는 한 주기 동안의 전류 평균값을 이용하여 전류에 포함된 직류 오프셋을 제거한 후 관측 속도와 추정 속도를 발생시킴으로써, 상기 직류 오프셋으로 인한 추정 회전 속도()의 정밀성 감소 문제를 해소하였다.First, the magnetic flux observer 100 of the present invention removes the DC offset included in the current by using the average value of the current for one period, and then generates the observation speed and the estimated speed. Solves the problem of reduced precision.
즉, 검출된 전류를 한주기 동안 적분하여 평균한 결과값인 직류 오프셋 전류()를 발생시키고, 상기 검출된 전류()에서 상기 직류 오프셋전류()를 빼서 직류 오프셋(dc offset)이 제거된 전류()를 발생시킨다.That is, the DC offset current (the result obtained by integrating and averaging the detected currents for one period) ) And the detected current ( In the DC offset current ( Current with the dc offset removed by subtracting ).
일반적인 저역 통과 필터(LPF)로는 동기 릴럭턴스 모터의 가변속 제어에 의한 전류 주파수의 가변으로 인해 컷오프 주파수(cut off frequency)의 설정이 어려워 전류 센서나 오피엠프등의 오프셋과 스위칭 데드 타임등으로 인해 발생되는 전류의 직류 오프셋(dc offset)을 제거하기가 어렵다.In general low pass filter (LPF), it is difficult to set the cut off frequency due to the change of the current frequency by the variable speed control of the synchronous reluctance motor. It is difficult to remove the dc offset of the current.
이러한 상기 직류 오프셋(dc offset)을 제거하기 위한 오프셋 제거부(30)의 원리는 도 6에 도시된 본 발명 오프셋 제거부의 전류 파형도를 통해 설명하면 다음과 같다.The principle of the offset remover 30 for removing the DC offset will be described with reference to the current waveform diagram of the offset remover of the present invention shown in FIG. 6.
a와 같이 검출된 전류에 직류 오프셋이 포함되지 않은 정상적인 교류 파형일 경우에는 전기적으로 한 주기 동안을 평균하게 되면 그 값이 0이 되어지고, b와 같이 검출된 전류에 C만큼의 직류 오프셋이 포함되었을 경우는 한 주기 동안의 전류 평균값이 C가 된다.In the case of a normal AC waveform that does not include a DC offset in the detected current as in a, if the average of one period is electrically conducted, the value becomes 0, and the detected current as in B includes a DC offset as much as C. In this case, the average current value for one cycle becomes C.
주기(T)는 전기적 한주기를 나타내며 센서리스 기법으로 추정된 추정 회전 속도()를 통해서 구해진다.The period T represents one period of electrical power and the estimated rotational speed estimated by the sensorless method ( Is obtained through
따라서, 본 발명은 이와같은 원리를 이용해 검출된 전류()에서, 전류를 전기적으로 한 주기동안 적분하여 구한 평균값()을 빼서 전류에 포함된 직류 오프셋을 제거함으로써 전류에 포함된 직류 오프셋에 의해 야기되어질 수 있는 회전자의 추정위치와 추정 회전 속도의 오차를 감소시켜 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도 제어의 정밀성을 향상시켰다.Therefore, the present invention uses this principle to detect the current ( ) Is the average value obtained by integrating the current electrically for one period ( By removing the DC offset included in the current by subtracting), the precision of the sensorless speed control of the synchronous reluctance motor can be reduced by reducing the error between the estimated position of the rotor and the estimated rotational speed which can be caused by the DC offset included in the current. Improved.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 한주기 동안의 전류 평균값을 이용해 전류 센서나 오피엠프등의 오프셋과 스위칭 데드 타임등으로 인해 발생되는 전류의 직류 오프셋(dc offset)을 제거하는 방식을 포함한 새로운 자속 관측기를 이용해 종래의 센서리스 방식에서 전류의 직류 오프셋으로 인해 야기되었던 회전자의 추정 위치나 추정 회전속도의 오차를 감소시킴으로써 센서리스 속도 제어의 정밀성을 향상 시킬 수 있는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention uses a current average value for one cycle to include a new magnetic flux including a method of removing a DC offset of a current generated by an offset of a current sensor or an op amp, and a switching dead time. By using an observer, it is possible to improve the precision of sensorless speed control by reducing the error of the estimated position of the rotor or the estimated rotation speed caused by the DC offset of the current in the conventional sensorless method.
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| Publication number | Publication date |
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