KR100451227B1 - 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법에 관한 것으로, 특히 기동시 회전자의 위치를 정확히 파악하여 초기에 높은 부하가 걸려있더라도 정상적인 기동이 가능할 수 있도록 한 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 자속관측기를 통해 관측된 자속을 이용하는 고속용 센서리스 방식과 신호 주입을 이용하는 저속용 센서리스 방식을 혼용하는 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어에 있어서, 상기 동기릴럭턴스모터의 초기 기동시에 추정된 회전자속도를 '0'으로하여 관측된 회전자 속도만을 출력하여 기동시의 속도를 제어하는 제1 단계와; 상기 동기릴럭턴스모터의 기동 후 저속구간에서 상기 추정된 회전자 속도의 가중치를 증가시켜 저속구간의 속도를 제어하는 제2 단계와; 상기 동기릴럭턴스모터의 저속구간 후 상기 관측된 회전자 속도의 가중치를 줄이고, 그 동기릴럭턴스모터의 고속구간에서 상기 추정된 회전자 속도만을 출력하여 고속구간의 속도를 제어하는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법{METHOD FOR SENSORLESS ROTARY VELOCITY CONTROL OF SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR}

본 발명은 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법에 관한 것으로, 특히 기동시 회전자의 위치를 정확히 파악하여 초기에 높은 부하가 걸려있더라도 정상적인 기동이 가능할 수 있도록 한 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 구조를 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 회전자(rotor)와 고정자(stator)로 나뉘며, 회전자의 위치에 따라 디축(d-axis)과 큐축(q-axis)으로 나뉘어 진다.

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.

도 2는 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어장치를 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 검출한 동기 릴럭턴스 모터의 전압 및 전류를 입력받아 자속을 관측 및 추정하는 자속 관측부(21)와; 상기 관측 및 추정된 자속을 입력받아 소정 연산하여 회전자의 위치를 추정하는 회전자 위치 추정부(22)와; 상기 회전자 위치 추정부(22)의 출력에 따른 회전 속도를 소정 연산하여 출력하는 회전 속도 추정부(23)와; 상기 관측 및 추정된 자속을 비교하여 얻은 자속 오차를 이용하여 회전자의 위치오차와 비례하는 직류값을 출력하는 자속 오차 연산부(24)와; 상기 자속 오차 연산부(24)의 출력을 비례적분하는 피아이 제어부(25)와; 상기 피아이 제어부(25)와 회전 속도 추정부(23)의 출력을 가산하여 관측된 회전 속도를 출력하는 가산부(26)와; 상기 회전 속도를 적분하여 회전자 위치를 추정하는 적분기(27)와; 상기 추정된 회전자 위치를 사인, 코사인으로 연산하여 출력하는 연산부(28)와; 상기 연산부(28)의 출력 또는 상기 회전자 위치 추정부(22)의 출력을 선택하여 스위칭 하는 스위칭부(29)와; 상기 스위칭부(29)의 출력을 동기 또는 정지 좌표계로 변환하여 상기 자속 관측부(21)로 출력하는 좌표 변환부(34)로 구성된다.

또한, 상기 자속 오차 연산부(24)는 상기 자속 관측부(21)의 추정된 자속과 관측 자속을 비교하여 오차를 출력하는 자속 오차 연산기(24a)와; 상기 자속 오차 연산기(24a)의 출력 자속의 고역 주파수만을 통과시키는 고역 통과 필터부(24b)와; 상기 고역 통과 필터부(24b)의 출력을 복조하여 출력하는 복조부(24c)와; 상기 복조부(24c)의 출력에 이득을 곱하는 이득부(24d)와; 상기 이득부(22d)의 출력 자속에 따른 회전자 위치 오차의 저역 주파수만을 통과시키는 저역 통과 필터부(24e)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 자속 관측부(21)는 검출된 전압, 전류와 추정된 자속으로부터 아래의 수학식(1)과 같이 관측 자속을 구한다.

여기서,는 정지 좌표계의 관측 자속, S는 미분 연산자, g는 게인을,는 상저항,는 정지 좌표계의 전류,는 정지 좌표계의 추정 자속을 나타낸다.

상기 자속들로부터 회전자 위치 추정부(22)는 수학식(2)와 같이 상기 회전자의 위치를 산출해낸다.

이에 의해, 회전속도 추정부(23)는 상기 회전자 위치 추정부(22)의 출력에 따라 아래의 수학식(3)을 사용하여 상기 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도를 추정한다.

여기서,는 k번째 회전자 위치,은 k-1번째 회전자 위치는 주기를 나타낸다.

또한, 상기 수학식(2)는 사용자 정의식으로 도 3의 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.

θ는 디축과 알파축간 위상차를 나타내고, δ는 자속과 디축간의 위상차를 나타낸다.

하지만 이러한 센서리스 방식에서는 유기 전압을 적분하여 자속을 추정하므로 전압이 작은 저속영역에서는 회전자의 위치를 추정하는데에 어려움이 있다.

이러한 이유로 저속 영역 제어부(24)를 두어 아래의 수학식(6)와 같이 회전자의 위치 오차(θ-)와가 서로 비례관계에 있다는 원리를 이용하여 회전자의 위치 오차()를 출력한다.

여기서,는 관측된 디축 자속분의 오차를 나타낸다.

상기 회전자의 위치 오차()를 피아이 제어부(25)에서는 회전자의속도()로 출력한다.

이러한, 상기 회전자위치 추정부(22)의 출력과 연산부(28)의 출력은 연산()하는 회전자 위치 오차 연산부(30)를 통해 연산된후 소정 게인(h)을 곱하여 비교부(32)로 입력된다.

이는 저속과 고속의 중첩 영역에서 과도상태를 안정시키기 위함이다.

이에, 상기 비교부(32)는 상기 회전속도 추정부(23)의 추정된 회전자속도()에 상기 회전자 위치 연산부(30)에 상기 게인(h)을 곱한 회전자 속도를 감산하여 그에따른 결과값에 적당한 비율을 곱하는 속도제어부(33)에 의해 'η=0.8+(1-y)*0.2' 값으로 조합한후 추정된 속도()를 출력한다.

이에 따라, 상기 피아이 제어부(25)의 출력()과 상기 추정 속도()는 가산기(26)를 통해 가산되어 관측된 회전자 속도()를 출력하며 그 회전자 속도()는 적분기(27)를 통해 적분되어 추정된 회전자의 위치()를 출력하며, 상기 연산부(28)를 통해 회전자의 위치 정보인를 출력한다.

이러한, 센서리스 제어로 기동하는 방식은 도 4와 같다.

즉, 모드1(Mode1)은 엔코더를 취부하고 프로그램을 실행할 경우에 그 엔코더 펄스만 계산하는 부분이고, P1시점에서 전체 제어루틴을 실행하게 된다.

이러한 상기 P1시점에서부터 회전자의 초기 위치를 파악하기 위하여 트래킹 루프(Tracking loop)제어는 시작되며 이때 상기 회전자의 위치를 완전히 추정하기 전까지는 그 회전자의 토크 성분이 없도록 강제로와를 '0'으로 셋팅하였다.

따라서, 모드2(Mode2)구간에서 상기 회전자는 홀딩(holding)상태가 되고, P2전까지 회전자의 위치를 파악하게 된다.

또한, 상기 모드2(Mode2)구간에서는 큐(q)축에 전류가 인가되지는 않지만 디(d)축 자속성분이 증가하므로 코일은 여자되고 있으므로 전류가 약간 흐르게 된다.

이는 도 3의 엔코더를 취부하여 회전자의 정확한 위치 신호를 알고 있을때 기동한 결과를 나타낸 파형도의 U상전류 파형에서 확인할 수 있다. 상기 P2부터는 상기 큐(q)축 전류가 증가하기 시작하며 어느 전류이상이 되면 상기 모드2(Mode2)구간에서 파악한 위치 정보를 바탕으로 전압이 가해져 기동토크를 내게 되고 모터는 회전하기 시작한다. 그리고 모드3(Mode3)구간부터 속도 레퍼런스 추종이 시작되며, P3이후 토크성분은 정상상태가 되고 속도 제어가 이루어진다.

이에 의해, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 저속 영역시의 속도 제어는 스위치부(29)의 스위치가 연산부(28)측으로 스위칭되어, 상기가 선택되고, 그는 좌표 변환부(34)를 통해 동기 혹은 정지 좌표계로 변환한다.

이와는 반대로, 고속 영역에서는 상기 자속 관측부(21)로부터 구해진 sin, cos로서 상기 동기 릴럭턴스 모터의 회전자 위치를 추정하는 방식을 사용하며 이때, 상기 스위치부(29)는 회전자 위치 추정부(22)측으로 절환되고, 고속 영역시 상기 동기 릴럭턴스 모터의 회전자 위치를 추정한다.

상기와 같은 과정에 의한 엔코더를 사용한 실험결과는 도 3에 도시된 바와같이 기동 성공률이 100%에 달했고, 기동시 과도상태나 초기 위치 측정 또한 안정적이므로 신뢰성이 확보 되었다. 또한 기본적으로 상기 엔코더에서 회전자 위치를 파악하기 때문에 전체 제어 블록에 사용되는 회전자 위치 정보인 θ가 정확하기 때문에 기동에 문제가 없었다.

그러나, 종래 센서리스 방식은 기동시와 저속 제어경우를 구분하지 않고 하나의 제어 알고리즘을 사용하여 기동시 높은 부하가 걸려 있으면 정상적인 기동이 보장되지 않는 문제점이 있었다.

즉, 도 5와 같이 모드3(Mode3)구간에서 속도제어부(33)에 의해 구해진 추정된 속도()의 펄스성 노이즈로 인하여 그 구간에서 구한 회전자 위치정보() 가 실제값과 오차를 갖게 되므로 실험 결과상 약 20~30% 가량 기동 실패율을 갖게 되어 도 5에 도시한 바와 같이 역회전이 발생하게 되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로,

저속구간과 고속구간에 따라 위치 추정 방식이 다른 센서리스 제어방법에 있어서, 추정된 회전자 속도를 기동시와 저속구간 그리고 고속구간으로 나눠 기동시에는 그 추정된 회전자 속도를 '0'으로 하여 초기기동시에는 관측된 자속만을 이용하고, 저속구간에서는 속도의 증가로 인해 상기 추정된 회전자 속도의 가중치를 증가하면서 응답성을 빠르게 함으로써, 기동시 회전자의 위치를 정확히 파악하여 초기에 높은 부하가 걸려 있더라도 정상적인 기동이 가능하도록 하며, 기동시 초기 역회전이나 기동 실패와 같은 현상을 없앨수 있도록 한 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 구조를 보인 예시도.

도 2는 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어장치를 보인 예시도.

도 3은 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어장치에 엔코더 취부시 기동특성을 보인 예시도.

도 4는 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 기동방식을 보인 예시도.

도 5는 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 기동시 기동특성을 보인 예시도.

도 6은 도 9에 있어서, 속도제어부에 의해 동기릴럭턴스 모터의 회전자 속도에 따른 구간을 보인 예시도.

도 7은 본 발명 동기 릴럭턴스 모터의 속도제어방법으로 기동한 경우의 예시도.

도 8은 본 발명 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어장치에 엔코더 취부시 기동특성을 보인 예시도.

도 9는 본 발명 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법이 적용되는 장치의 구성을 보인 예시도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

23: 회전속도 추정부 25: 피아이 제어부

26: 가산기 27: 적분기

28: 연산부 32: 비교기

91: 속도 제어부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 자속관측기를 통해 관측된 자속을 이용하는 고속용 센서리스 방식과 신호 주입을 이용하는 저속용 센서리스 방식을 혼용하는 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어에 있어서, 상기 동기릴럭턴스모터의 초기 기동시에 추정된 회전자속도를 '0'으로하여 관측된 회전자 속도만을 출력하여 기동시의 속도를 제어하는 제1 단계와; 상기 동기릴럭턴스모터의 기동 후 저속구간에서 상기 추정된 회전자 속도의 가중치를 증가시켜 저속구간의 속도를 제어하는 제2 단계와; 상기 동기릴럭턴스모터의 저속구간 후 상기 관측된 회전자 속도의 가중치를 줄이고, 그 동기릴럭턴스모터의 고속구간에서 상기 추정된 회전자 속도만을 출력하여 고속구간의 속도를 제어하는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법이 적용되는 장치에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어장치는 속도제어부(91)를 제외하고는 장치적인 구성이 종래와 동일하므로 상세히 동작과정을 설명하는것은 본발명의 요지를 흐릴수 있으므로 가급적 생략한다.

본 발명은 종래 과도 상태의 안정성을 고려하여 저속 제어 루프에 고속 영역의 속도 추정치()를 삽입하였으나, 기동할 경우 그 속도 추정치()도 추정값이 되므로 펄스성 노이즈 성분이 포함되며, 그로인해 회전자의 위치()가 실제값과 오차를 갖게되어 기동을 실패할 수 있었던 부분을 제거한다.

즉, 회전속도 추정부(23)통해 출력되는 추정된 회전자 속도()와 트래킹 루프(Tracking loop)를 통해 피드백되어 출력되는 회전자 속도를 비교부(32)를 통해 감산하여 그에 따른 오차를 출력한다.

이때, 상기 비교부(32)의 출력은 속도제어부(91)로 입력되어 상기 입력되는 관측 회전자 속도()(기동시, 저속구간, 고속구간)에 따라 제어를 다르게 하여 출력한다.

도 6과 같이 동기릴럭턴스 모터의 회전자 속도에 따라 구간을 나눠 함수화하였다.

즉, f1은 초기 기동구간으로서, 상기 추정된 회전자 속도()를 '0'으로 하여 저속에서는 사용하지 않는다. 다만 트래킹 루프(Tracking loop)에 의한 관측된 회전자 속도()만을 사용하여 회전자의 위치를 추정한다.

또한, f2는 일정한 기울기를 가지면서 속도가 증가하는 구간으로서 속도의 증가와 더불어 응답성을 개선하기 위해 상기 추정된 회전자 속도()의 가중치를 증가시킨다.

또한, f3은 일정 동기릴럭턴스 모터속도에서 상기 관측된 회전자 속도()의 신호주입을 줄이기 직전까지의 구간을 나타낸다.

또한, f4는 상기 관측된 회전자 속도()의 영향을 줄이고, f5는 고속 속도 제어영역구간으로 상기 추정된 회전자 속도()만을 사용하며 이때부터는 트래킹 루프(Tracking loop)는 사용되지 않으며 도 2의 회전자 위치 추정부(22)와 회전속도 추정부(23)를 이용하여 센서리스 속도 제어를 한다.

상기한 바와 같이, 각 속도별 속도제어를 함수화하여 기동한 경우 기동특성은 도 7과 같으며 이는 도 8의 엔코더를 취부한 경우와 비교하여 거의 같은 기동특성임을 알 수 있다.

이에 의해, 본 발명 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법은 기동시 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 추정된 회전자 속도를 기동시와 저속구간 그리고 고속구간으로 나눠, 기동시에는 그 추정된 회전자 속도를 '0'으로 하여 초기기동시에는 관측된 자속만을 이용하고, 저속구간에서는 속도의 증가로 인해 상기 추정된 회전자 속도의 가중치를 증가하면서 응답성을 빠르게 함으로써, 기동시 회전자의 위치를 정확히 파악하여 초기에 높은 부하가 걸려 있더라도 정상적인 기동이 가능하도록 하며, 기동시 초기 역회전이나 기동 실패와 같은 현상을 방지할수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 자속관측기를 통해 관측된 자속을 이용하는 고속용 센서리스 방식과 신호 주입을 이용하는 저속용 센서리스 방식을 혼용하는 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어에 있어서, 상기 동기릴럭턴스모터의 초기 기동시에 추정된 회전자속도를 '0'으로하여 관측된 회전자 속도만을 출력하여 기동시의 속도를 제어하는 제1 단계와; 상기 동기릴럭턴스모터의 기동 후 저속구간에서 상기 추정된 회전자 속도의 가중치를 증가시켜 저속구간의 속도를 제어하는 제2 단계와; 상기 동기릴럭턴스모터의 저속구간 후 상기 관측된 회전자 속도의 가중치를 줄이고, 그 동기릴럭턴스모터의 고속구간에서 상기 추정된 회전자 속도만을 출력하여 고속구간의 속도를 제어하는 제3 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 동기릴럭턴스 모터의 센서리스 속도제어방법.