KR100504873B1 - 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 제어장치에 관한 것으로, 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어시에 발생하는 직류 오프셋값을 제거하여 추정되는 회전속도의 오차를 감소시킴으로써, 센서리스 제어의 정밀성을 향상시키도록 한 동기릴럭턴스모터의 회전속도 제어장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 동기릴럭턴스 모터의 속도제어장치에 있어서, 오차를 보상하기 위한 기준 자속분 전류 및 토오크분 전류를 동기 좌표계의 기준 자속분 전압() 및 토오크분 전압()으로 각기 출력하는 제2,제3 PI제어부와; 상기 제2,제3 PI제어부에서 출력되는 동기좌표계의 기준 자속분 전압() 및 기준 토오크분 전압()을 정지 좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()으로 출력하는 동기/정지 좌표변환부와; 상기 동기/정지 좌표 변환부에서 출력되는 고정좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압(

Description

동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 제어장치{APPARATUS FOR ROTARY VELOCITY CONTROL OF SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR}
본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 제어장치에 관한 것으로, 특히 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어시에 발생하는 직류 오프셋값을 제거하여 추정되는 회전속도의 오차를 감소시킴으로써, 센서리스 제어의 정밀성을 향상시키도록 한 동기릴럭턴스모터의 회전속도 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 동기 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치는 순시 토크 제어에 있어서, 모터의 속도 정보 또는 자속 정보가 필수적인데 일반적으로 홀 센서나 레졸버 또는 엔코더와 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 모터의 회전자 저항 변화에 대한 속도 오차 보정 없이 속도 및 토크 제어를 하게된다.
도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 각각의 축을 보인 예시도로서, 이에 도시된 바와 같이 고정자측인 3상의 축(U, V, W axis)은 각각 120도의 위상차를 가지고 있으며, 알파, 베타축(α, βaxis)은 정지 좌표계축을 의미하며, 디축 및 큐축(d, q axis)은 동기축을 의미한다.
또한, 회전자의 위치()는 유(U)축을 기준으로 상기 디축(d axis)과의 위상차를 나타낸 각도가 된다. 이와같은 종래 기술을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 종래 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 제어장치의 구성을 보인 블록도로써, 이에 도시된 바와같이 기준 속도(wm *)와 추정 속도(wm)를 비교하여 오차를 출력하는 제1 감산부(31)와; 상기 오차를 보상하기 위한 기준 토오크분 전류와 실제 토오크분 전류를 비교하여 오차를 출력하는 제2 감산부(34)와; 상기 기준 자속분 전류와 실제 자속분 전류를 비교하여 오차를 출력하는 제3 감산부(33)와; 상기 제2, 제3 감산부(34, 33)의 출력을 입력받아 오차를 보상하기 위한 기준 자속분 전류 및 토오크분 전류를 고정 좌표계의 기준 자속분 전압() 및 토오크분 전압()으로 출력하는 제2,제3 PI제어부(35)(36)와; 상기 제2,제3 PI제어부 (35),(36)에서 출력되는 동기좌표계의 기준 자속분 전압() 및 토오크 전압()을 정지좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()으로 출력하는 동기/정지 좌표변환부(37)와; 상기 동기/정지 좌표 변환부(37)에서 출력되는 고정좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()을 고정좌표계의 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환하여 인버터부(39)에 인가하는 정지/3상좌표 변 환 부(38)와; 동기 릴럭턴스 모터 (SynRM)의 회전시 검출되는 3상 전류를 정지 좌표계의 알파.베타축 전류로 변환시켜 출력하는 3상/정지 좌표변환부(40)와; 상기 정지 좌표계의 알파,베타축 전류를 회전 좌표계로 변환시켜 상기 실제 토오크분 전류() 및 자속분 전류()로 출력하는 정지/동기 좌표 변환부(41)와; 상기 동기/정지 좌표 변환부(37)의 출력과 정지좌표계의 알파.베타축 전류 및 기준 속도 ()를 입력받아 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 속도/위치 추정 연산부(42)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 종래장치의 동작을 설명한다.
먼저, 속도/위치 추정 연산부(42)에서 출력된 동기 릴럭턴스 모터(SynRM)의 회전자 추정 속도(wm)는 제1 감산부(31)의 반전 단자로 입력되고, 기준 속도()는 그 제1 감산부(31)의 비반전 단자로 입력된다.
이에 의해, 제1 피아이(PI)제어부(32)는 제1 감산부(31)에서 상기 추정 속도(wm)와 기준 속도()가 비교된 오차값을 입력받아 그 오차값을 보상하여 기준 토오크분 전류()를 출력한다.
상기 기준 토오크분 전류()는 정지/동기 좌표 변환부(41)의 출력 전류중 실제 토오크분 전류()와 함께 제3 감산부(33)에 입력되어 비교된후 출력된다.
이때, 상기 제3 감산부(33)는 그 비교된 오차를 제3 피아이(PI)제어부(36)로 출력하고, 그 제3 피아이제어부(36)는 그 비교된 오차를 보상하기 위한 기준 토오크분 전류에 대한 기준 토오크분 전압()을 동기/정지 좌표 변환부(37)로 출력한다.
또한, 제2 감산부(34)는 기준 자속분 전류()와 상기 정지/동기 좌표 변환부(41)의 출력인 실제 자속분 전류()를 비교하여 그에 따른 오차를 제2 피아이(PI)제어부(35)로 출력한다.
이에 따라 상기 제2 피아이제어부(35)는 상기 제2 감산부(34)에서 비교한 오차를 보상하기 위한 기준 자속분 전류의 기준 자속분 전압()을 출력하고, 상기 제1 피아이제어부(32)의 출력인 기준 토오크분 전류()는 상기 정지/동기 좌표 변환부(41)의 출력인 실제 토오크분 전류()와 비교된다.
이에 의해, 제3 피아이제어부(16)는 그 비교된 오차를 보상하기 위한 기준 토오크분 전류의 기준 토오크분 전압()을 동기/정지 좌표 변환부(37)로 출력한다.
이때, 상기 제2 피아이제어부(35)의 출력인 상기 기준 자속분 전압() 및 속도/위치 추정 연산부(42)의 출력 또한 상기 동기/정지 좌표 변환부(37)에 입력된다.
상기 동기/정지 좌표 변환부(37)의 출력인 고정좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()이 정지/3상좌표변환부(38)에서 고정좌표계의 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환되고, 그 3상 전압을 입력받는 인버터부(39)에 의해 회전하는 동기 릴럭턴스 모터(SynRM)의 검출된 3상 전류는 3상/정지 좌표변환부(40)로 입력되어 고정좌표계의 자속분 전류() 및 토오크분 전류()를 출력한다.
이에 의해, 상기 고정좌표계의 기준 알파축,베타축 전류()와 기준 알파축,베타축 전압() 및 기준 속도(wm *)는 상기 속도/위치 추정 연산부(42)로 입력되어 회전자의 위치에 해당하는 사인, 코사인값(sinθ, cosθ) 및 회전자의 추정 속도()로 출력된다.
그러나, 상술한 종래 동기릴럭턴스 모터의 속도제어장치는, 3상 불평형 발생으로 인하여, 각 상전류에 직류오프셋이 포함되는 경우를 고려하지 않으므로, 모터 스테이터의 삼상의 상저항과 상 인덕턴스 차이로 인하여 3상 불균형이 발생하는 경우에, 각 상전류에 직류오프셋이 포함되므로 상전류와 상관관계에 있는 추정자속에도 직류오프셋이 포함되어 추정회전속도 및 회전자 추정위치에 오차가 발생하여 센서리스 제어의 정밀성이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기위하여 창안한 것으로, 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어시에 발생하는 직류오프셋을 제거하여 추정되는 회전속도의 오차를 감소시킴으로써, 센서리스 제어의 정밀성을 향상시키도록 한 동기릴럭턴스모터의 회전 속도 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 동기릴럭턴스 모터의 속도제어장치에 있어서,오차를 보상하기 위한 기준 자속분 전류 및 토오크분 전류를 동기 좌표계의 기준 자속분 전압() 및 토오크분 전압()으로 각기 출력하는 제2,제3 PI제어부와; 상기 제2,제3 PI제어부에서 출력되는 동기좌표계의 기준 자속분 전압() 및 기준 토오크분 전압()을 정지 좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()으로 출력하는 동기/정지 좌표변환부와; 상기 동기/정지 좌표 변환부에서 출력되는 고정좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()을 고정좌표계의 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환하여 인버터부에 인가하는 정지/3상 좌표변환부와; 각 상에 흐르는 상전류를 한주기 동안 평균하여, 각 상전류에 포함된 직류오프셋값을 연산하는 직류 오프셋 연산부와;상기 직류 오프셋 연산부의 직류오프셋에, 각상의 해당 상저항값을 승산하는 승산기와;상기 정지/3상 좌표변환부에서 출력되는 각 상전압에서, 상기 승산기에서 출력되는 승산값을 감산하여 직류오프셋을 제거하는 감산기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
삭제
이하, 본 발명에 대한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 제어 장치에 대한 구성을 보인 블록도로써, 이에 도시된 바와 같이 기준 속도(wm *)와 추정 속도(wm)를 비교하여 오차를 출력하는 제1 감산부(31)와; 상기 오차를 보상하기 위한 기준 토오크분 전류와 실제 토오크분 전류를 비교하여 오차를 출력하는 제2 감산부(34)와; 상기 기준 자속분 전류와 실제 자속분 전류를 비교하여 오차를 출력하는 제3 감산부(33)와; 상기 제2, 제3 감산부(34, 33)의 출력을 입력받아 오차를 보상하기 위한 기준 자속분 전류 및 토오크분 전류를 고정 좌표계의 기준 자속분 전압() 및 토오크분 전압()으로 출력하는 제2,제3 PI제어부(35)(36)와; 상기 제2,제3 PI제어부 (35),(36)에서 출력되는 동기좌표계의 기준 자속분 전압() 및 토오크 전압()을 정지좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()으로 출력하는 동기/정지 좌표변환부(37)와; 상기 동기/정지 좌표 변환부(37)에서 출력되는 고정좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()을 고정좌표계의 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환하여 인버터부(39)에 인가하는 정지/3상좌표 변 환 부(38)와; 상기 정지/3상좌표변환부(38)에서 출력되는 3상 전압에서, 모터의 각상에 흐르는 상전류(Iu,Iv,Iw)와 상저항(R)의 승산값을 감산하여 직류오프셋을 제거하는 3상 불평형보상기(100)와; 동기 릴럭턴스 모터(SynRM)의 회전시 발생하는 3상 전류를 정지좌표계의 알파.베타축 전류로 출력하는 3상/정지좌표변환부(40)와; 상기 정지좌표계의 알파,베타축 전류(Iu,Iw)를 회전 좌표계로 변환시켜 상기 실제 토오크분 전류() 및 자속분 전류()로 출력하는 정지/동기 좌표 변환부(41)와; 상기 동기 /정지 좌표 변환부(41)의 출력과 고정좌표계의 알파,베타축 전류(Iu,Iw) 및 기준 속도()를 입력받아 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 속도/위치 추정 연산부(42)로 구성한다.
상기 3상불평형보상기(100)는, 도4에 도시한 바와같이, 각상에 흐르는 상전류(Iu,Iv,Iw)를 한주기 동안 평균하여, 각 상전류(Iu,Iv,Iw)에 포함된 직류오프셋을 연산하는 직류오프셋연산부(101)와; 상기 직류오프셋연산부(101)의 직류오프셋에, 각상의 해당 상저항(R)값을 승산하는 승산기(102)와; 상기 각상의 상전압(Vas, Vbs, Vcs)에서, 상기 승산기(102)에서 출력되는 승산값을 감산하는 감산기(103)로 구성하며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.
먼저, 3상 평형시 동기릴럭턴스 모터의 전압/전류 방정식은, 하기의 수학식1과 같다.
그리고, 도5와 같이 3상 불평형 발생으로, U상 전류에 'A'만큼의 직류오프셋이 포함되면, 전류와 비례 관계에 있는 자속에 또한 'B'만큼의 직류오프셋이 포함되게 되어, 상기 수학식 1과 같은 전압/전류 방정식은, 하기의 수학식2와 같이 된다.
이때, 상기 수학식2에서, 자속항은 미분항이므로 상수 'B'를 미분하면 '0'이되어 상기 수학식2는, 하기의 수학식3이 된다.
따라서, 모터에 인가되는 전압()으로부터 전류의 직류오프셋 성분을 포함하고 있는 ''을 감산함으로써 전류에 포함된 직류오프셋 성분을 제거할 수 있는데, 본 발명은 이와같은 원리를 이용하여 착안하였음을 밝혀두는 바이다.
우선, 속도/위치 추정 연산부(42)에서 출력된 동기 릴럭턴스 모터(SynRM)의 회전자 추정 속도(wm)는 제1 감산부(31)의 반전 단자로 입력되고, 기준 속도()는 그 제1 감산부(31)의 비반전 단자로 입력된다.
이에 의해, 제1 피아이(PI)제어부(32)는 제1 감산부(31)에서 상기 추정 속도 (wm)와 기준 속도()가 비교된 오차값을 입력받아 그 오차값을 보상하여 기준 토오크분 전류()를 출력한다.
상기 기준 토오크분 전류()는 정지/동기 좌표 변환부(41)의 출력 전류중 실제 토오크분 전류()와 함께 제3 감산부(33)에 입력되어 비교된후 출력된다.
이때, 상기 제3 감산부(33)는 그 비교된 오차를 제3 피아이(PI)제어부(36)로 출력하고, 그 제3 피아이제어부(36)는 그 비교된 오차를 보상하기 위한 기준 토오크분 전류에 대한 기준 토오크분 전압()을 동기/정지 좌표 변환부(37)로 출력한다.
또한, 제2 감산부(34)는 기준 자속분 전류()와 상기 정지/동기 좌표 변환부(41)의 출력인 실제 자속분 전류()를 비교하여 그에 따른 오차를 제2 피아이 (PI)제어부(35)로 출력한다.
이에 따라 상기 제2 피아이제어부(35)는 상기 제2 감산부(34)에서 비교한 오차를 보상하기 위한 기준 자속분 전류의 기준 자속분 전압()을 출력하고, 상기 제1 피아이제어부(32)의 출력인 기준 토오크분 전류()는 상기 정지/동기 좌표 변환부(41)의 출력인 실제 토오크분 전류()와 비교된다.
이에 의해, 제3 피아이제어부(16)는 그 비교된 오차를 보상하기 위한 기준 토오크분 전류의 기준 토오크분 전압()을 동기/정지 좌표 변환부(37)로 출력한다.
이때, 상기 제2 피아이제어부(35)의 출력인 상기 기준 자속분 전압() 및 속도/위치 추정 연산부(42)의 출력 또한 상기 동기/정지 좌표 변환부(37)에 입력된다.
상기 동기/정지 좌표 변환부(37)는 상기 기준 자속분 전류() 및 토오크분 전압을 고정 좌표계의 기준 알파축 전압() 및 베타축 전압()으로 변환하여 저정지/3상 좌표변환부(38)에 출력하고, 상기 정지/3상좌표변환부(38)는 상기 동기/정지좌표변환부(37)의 출력인 고정좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()을 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환하여 3상 불평형보상기(100)에 인가한다.
이에 따라, 상기 3상 불평형보상기(100)는, 3상 전압발생부(38)에서 출력되는 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)에서, 모터의 각상에 흐르는 상전류(Iu,Iv,Iw)에 포함된 직류오프셋성분을 제거하여 그에 따른 3상 전압(Vu,Vv,Vw)을 인버터부(39)에 인가한다
즉, 3상 불평형보상기(100)의 직류오프셋연산부(101)는, 모터의 각상에 흐르는 상전류(Iu,Iv,Iw)를 한주기 동안 평균하여, 각 상전류(Iu,Iv,Iw)에 포함된 직류오프셋을 연산하고, 승산기(102)는 상기 직류오프셋연산부(101)의 직류오프셋에, 각상의 해당 상저항(R)값을 승산하여 감산기(103)에 인가하고, 이에 의해 감산기 (103)는 3상전압발생부(38)에서 출력되는 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)에서 상기 승산기(102)의 승산값을 감산하여 3상 불평형이 보상된 3상 전압(Vu,Vv,Vw)을 인버터부 (39)에 인가한다.
이후, 3상/정지 좌표변환부(40)는 상기 인버터부(39)에서 동기릴럭턴스모터에 인가되는 3상 전류를 입력받아 고정 좌표계의 알파축 전류() 및 베타축 전류()를 출력한다.
이에 의해, 상기 고정좌표계의 알파, 베타축 전류()와 기준 알파축, 베타축 전압() 및 기준 속도(wm *)는 상기 속도/위치 추정 연산부(42)로 입력되어 회전자의 위치에 해당하는 사인, 코사인값(sinθ, cosθ) 및 회전자의 추정 속도 ()로 출력된다.
다시 말해서, 본 발명은, 3상 불평형 발생시, 각 상전류에 포함된 직류오프셋성분을 한주기 동안을 평균하여 구한 다음, 그 평균값에 상저항값을 승산하고, 각 상전압에서 상기 승산값을 감산하여 직류오프셋을 제거함으로써,3상 불평형으로 인하여 야기되는 회전자의 추정위치와 추정회전속도의 오차를 감소시켜 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어의 정밀성을 향상시킨다.
상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 3상 불평형 발생시, 각 상전류에 포함된 직류오프셋성분을 한주기 동안을 평균하여 구한 다음, 그 평균값에 상저항값을 승산하고, 각 상전압에서 상기 승산값을 감산하여 직류오프셋을 제거함으로써,3상 불평형으로 인하여 야기되는 회전자의 추정위치와 추정회전속도의 오차를 감소시켜 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어의 정밀성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 각각의 축을 보인 예시도.
도 2는 종래 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 제어장치의 구성을 보인 블록도.
도 3은 본 발명 동기 릴럭턴스 모터의 회전속도 제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.
도 4는 도3에 있어서, 3상 불평형보상기의 구성을 보인 블록도.
도5는 3상 평형 및 3상 불평형시의 전류 파형도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
31: 제1 감산부 32, 35, 36: 제1, 제2, 제3 피아이 제어부
33: 제3 감산부 34: 제2 감산부
37: 동기/정지 좌표 변환부 38: 3상 전압 발생부
39: 인버터부 40: 2상 전류 발생부
41: 정지/동기 좌표 변환부 42: 속도/위치 추정 연산부
100:3상 불평형보상기

Claims (2)

  1. 동기릴럭턴스 모터의 속도제어장치에 있어서,
    오차를 보상하기 위한 기준 자속분 전류 및 토오크분 전류를 동기 좌표계의 기준 자속분 전압() 및 토오크분 전압()으로 각기 출력하는 제2,제3 PI제어부와;
    상기 제2,제3 PI제어부에서 출력되는 동기좌표계의 기준 자속분 전압() 및 기준 토오크분 전압()을 정지 좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()으로 출력하는 동기/정지 좌표변환부와;
    상기 동기/정지 좌표 변환부에서 출력되는 고정좌표계의 기준 알파축 전압() 및 기준 베타축 전압()을 고정좌표계의 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환하여 인버터부에 인가하는 정지/3상 좌표변환부와;
    각 상에 흐르는 상전류를 한주기 동안 평균하여, 각 상전류에 포함된 직류오프셋값을 연산하는 직류 오프셋 연산부와;
    상기 직류 오프셋 연산부의 직류오프셋에, 각상의 해당 상저항값을 승산하는 승산기와;
    상기 정지/3상 좌표변환부에서 출력되는 각 상전압에서, 상기 승산기에서 출력되는 승산값을 감산하여 직류오프셋을 제거하는 감산기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 속도제어장치.
  2. 삭제
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