KR100551572B1 - PMSM controller using an adaptive integral binary observer and cotrol method the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적응 적분 바이너리 관측기를 이용한 영구자석 동기전동기(PMSM) 제어장치 및 그 제어방법을 개시한다.The present invention discloses a permanent magnet synchronous motor (PMSM) control apparatus using an adaptive integral binary observer and a control method thereof.
본 발명의 영구자석 동기전동기 제어장치는, 속도 지령기에서 출력되는 지령속도를 추종하도록 전류지령치를 출력하는 속도 제어기와, 전류지령치와 브러시리스 직류전동기에 흐르는 실제 전류간의 전류오차를 출력하는 전류 제어기와, 전류오차에 대한 스위칭패턴을 결정하고, 결정된 패턴에 의한 전압을 직류전동기에 공급하는 전력변환기와, 직류전동기에 흐르는 전류를 감지하는 전류검출기와, 직류전동기의 회전자의 속도와 위치를 추정하기 위한 바이너리 관측기로 이루어지며, 바이너리 관측기는 전류오차를 적분하여 상기 직류 전동기 회전자의 속도와 위치를 추정하는 적분 스위칭 평면을 갖는다. 이처럼, 실제 전류와 추정 전류의 오차를 적분하여 관측기 영역의 차원을 높여줌으로써, 정상상태 뿐만 아니라 속도가 급변하는 과도상태에서도 전동기의 속도 및 위치를 매우 안정적으로 추정하며, 부항변화에도 견실하게 동작하도록 해준다.The permanent magnet synchronous motor control apparatus of the present invention includes a speed controller for outputting a current command value to follow the command speed output from the speed commander, and a current controller for outputting a current error between the current command value and the actual current flowing to the brushless DC motor. Determine a switching pattern for the current error, estimate a speed and position of the rotor of the DC motor, a power converter for supplying the voltage to the DC motor, a current detector for sensing the current flowing through the DC motor, The binary observer has an integral switching plane for integrating the current error to estimate the speed and position of the rotor of the DC motor. In this way, by integrating the error between the actual current and the estimated current to increase the dimension of the observer area, it is possible to estimate the speed and position of the motor very stably under steady state as well as in the transiently changing speed, and to operate steadily against the cupping change. Do it.
적응 적분 바이너리 관측기Adaptive Integral Binary Observer
Description
도 1은 종래 바이너라 관측기의 구성을 나타내는 구성도.1 is a block diagram showing the configuration of a conventional binar observer.
도 2는 도 1의 바이너리 관측기의 오차궤적(error trajectory)을 보여주는 설명도.FIG. 2 is an explanatory diagram showing an error trajectory of the binary observer of FIG. 1; FIG.
도 3은 본 발명에 따른 제어장치의 구성을 나타내는 구성도.3 is a block diagram showing a configuration of a control device according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 적응 적분 바이너리 관측기의 구성을 나타내는 구성도.4 is a block diagram showing a configuration of an adaptive integral binary observer according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 적응 적분 바이너리 관측기의 위상평면궤적을 나타내는 도면.5 illustrates a phase plane trajectory of an adaptive integral binary observer according to the present invention.
도 6은 적응 슬라이딩 관측기를 사용한 경우, 무부하시 1500[rpm]에서 실제 속도, 추정속도 및 속도 추정오차를 나타내는 파형도.Fig. 6 is a waveform diagram showing actual speed, estimated speed, and speed estimation error at 1500 [rpm] at no load when the adaptive sliding observer is used.
도 7은 본 발명에 따른 적응 적분 바이너리 관측기를 사용한 경우, 무부하시 1500[rpm]에서 실제 속도, 추정속도 및 속도 추정오차를 나타내는 파형도.7 is a waveform diagram showing an actual speed, an estimated speed, and a speed estimation error at 1500 [rpm] at no load when using the adaptive integral binary observer according to the present invention;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 속도 지령기 20 : 속도 제어기10: speed commander 20: speed controller
30 : 전류 제어기 40 : 전력변환기30: current controller 40: power converter
50 : 전류검출기 60 : 바이너리 관측기50: current detector 60: binary observer
61, 63 : 가산기 62 : 적분기61, 63: adder 62: integrator
64 : 보조루프 조정기 65 : 주루프 조정기64: auxiliary loop adjuster 65: main loop adjuster
66 : 이득 조정기66: gain regulator
BLDCM : 브러시리스 직류전동기BLDCM: Brushless DC Motor
본 발명은 바이너리 관측기를 이용한 영구자석 동기전동기(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)의 센서리스 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적응 슬라이딩 관측기와 유사한 형태를 적분 바이너리 관측기에 적용한 적응 적분 바이너리 관측기를 이용한 원통형 영구자석 동기전동기 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensorless control device for a permanent magnet synchronous motor (PMSM) using a binary observer and a control method thereof, and more particularly, to an adaptive integral observer applying a form similar to an adaptive sliding observer. A cylindrical permanent magnet synchronous motor control apparatus using a binary observer and a control method thereof.
원통형 영구자석 동기전동기는 단위 무게당 토오크 비율 및 효율이 다른 전동기에 비해 높다는 장점을 가지고 있어 산업응용분야에 폭넓게 사용되고 있다.Cylindrical permanent magnet synchronous motors are widely used in industrial applications because they have higher torque ratio and efficiency than other motors.
그러나, 원통형 영구자석 동기 전동기는 회전자에 부착되어진 영구자석으로부터 자속을 공급받기 때문에 벡터제어를 위해서는 항상 회전자의 정확한 위치 정보를 알아야 한다.However, since the cylindrical permanent magnet synchronous motor receives magnetic flux from the permanent magnet attached to the rotor, it is necessary to always know the exact position information of the rotor for vector control.
전동기 회전자의 정확한 위치정보를 얻기 위해서 레졸버나 보통 엔코더(Absolute Encoder) 또는 홀소자 등의 자기 센서를 이용한 전자식 위치 검출기가 사용되어지고 있다.In order to obtain accurate position information of the motor rotor, an electronic position detector using a magnetic sensor such as a resolver, an absolute encoder, or a hall element is used.
이러한 위치 검출기는 일반적으로 가격이 고가일 뿐만 아니라 별도의 복잡한 하드웨어가 제어기에 구성되어야 하는 단점이 있다. 또한 진동 및 습도 등의 주위환경에 대한 영향을 많이 받기 때문에 사용환경에 제한을 받는다.Such position detectors are generally expensive and have the disadvantage that separate complex hardware must be configured in the controller. In addition, since it is greatly affected by the surrounding environment such as vibration and humidity, it is restricted in the use environment.
따라서, 원통형 영구자석 동기전동기의 제어상 큰 문제점인 회전자의 위치를 센서를 사용하지 않고 간접적으로 얻고자 하는 센서리스 제어에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이러한 센서리스 제어법 중 제어이론을 이용하여 전동기의 속도 및 회전자의 위치를 추정하는 관측기를 적용한 방법에 관한 연구도 많이 행해지고 있다.Therefore, the research on sensorless control to indirectly obtain the position of the rotor, which is a big problem in the control of cylindrical permanent magnet synchronous motor, without using the sensor is being actively conducted, and using the control theory among the sensorless control methods A lot of studies have been conducted on the application of an observer for estimating the speed of a motor and the position of a rotor.
원통형 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어에 일반적인 선형관측기를 적용한 경우 전체 시스템이 비선형이기 때문에, 적절한 관측기 이득을 얻기가 어렵게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위해 비선형 관측기로서 슬라이딩 모드 이론을 이용한 슬라이딩 모드 관측기가 적용될 수 있다. 하지만 기존의 슬라이딩 모드 관측기는 관측기의 제어 특성상 떨림현상이라는 단점을 가지고 있다.When the general linear observer is applied to the sensorless control of a cylindrical permanent magnet synchronous motor, it is difficult to obtain an appropriate observer gain because the entire system is nonlinear. In order to overcome this disadvantage, the sliding mode observer using the sliding mode theory can be applied as a nonlinear observer. However, the conventional sliding mode observer has a drawback of vibration because of the control characteristics of the observer.
이러한 슬라이딩 모드 관측기의 단점을 해결하기 위한 방법이 다양하게 진행되고 있다. 그 중에서도 슬라이딩 모드 관측기와 같은 장점을 가지면서 떨림현상을 제거할 수 있는 바이너리 이론을 이용한 바이너리 관측기가 제안되었다.There are various methods for solving the disadvantages of the sliding mode observer. Among them, a binary observer using binary theory that has the same advantages as a sliding mode observer and can eliminate vibrations has been proposed.
도 1은 종래 바이너리 관측기의 구성을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a conventional binary observer.
바이너리 관측기는, 브러시리스 직류전동기에 흐르는 실제전류와 상태방정식 으로 부터 얻어지는 추정전류간의 추정오차(σ)를 구하는 가산기(1)와, 상기 가산기(1)에서 구한 추정오차(σ)의 허용범위의 한계영역을 설정하고, 이 설정된 한계영역에 추정오차가 들어가면 이 영역을 벗어나지 않고 머물러 있도록 주 루프 조정기의 이득을 설정하는 보조루프 조정기(2)와, 상기 보조루프 조정기(2)의 출력과 가산기(1)의 추정오차(σ)를 입력으로 하여 연속의 스위칭함수를 출력하는 주 루프 조정기(3)와, 상기 주 루프 조정기(3)에서 출력되는 연속의 스위칭함수의 이득을 조정하여 한계영역내에 들어온 오차궤적이 원점으로 안정적으로 수렴할 수 있도록 하는 이득 조정기(4)를 구비한다.The binary observer includes an adder (1) for obtaining an estimated error (σ) between the actual current flowing through the brushless DC motor and the estimated current obtained from the state equation, and the allowable range of the estimated error (σ) obtained from the adder (1). An auxiliary loop adjuster 2 which sets a limit area and sets the gain of the main loop adjuster so as to remain without leaving this area when the estimated error enters the set limit area; and an output and an adder of the
도 1의 바이너리 관측기는 슬라이딩 모드 관측기의 슬라이딩 모드 평면과 유사한 초평면이 있으며, 이 초평면을 중심으로 영역을 설정하게 된다. 이때, 관측기의 영역을 벗어나지 않도록 관측기의 이득을 설정함으로서 슬라이딩 모드 관측기와 같은 강인성을 갖게 된다. 또한, 바이너리 관측기는 주루프와 보조루프로 구성되어 보조루프는 주루프의 관측기 이득을 유연하게 실시간으로 조정함으로서 연속적인 제어입력을 생성하여 떨림을 저감하는 특징을 가지고 있다.The binary observer of FIG. 1 has a hyperplane similar to the sliding mode plane of the sliding mode observer, and sets an area around the hyperplane. At this time, by setting the gain of the observer so as not to leave the region of the observer, it has the same robustness as the sliding mode observer. In addition, the binary observer is composed of a main loop and a secondary loop, and the secondary loop has a feature of reducing vibration by generating continuous control inputs by flexibly adjusting the observer gain of the main loop in real time.
그러나, 바이너리 관측기의 설정된 영역은 상태 평면상에서 초평면과 평행하도록 설정되어 추정되는 값은 영역에 머무르게 되지만 영으로 수렴할 수 없게 되는 단점이 있다.However, the set area of the binary observer is set to be parallel to the hyperplane on the state plane, so that the estimated value stays in the area but cannot converge to zero.
종래 제안된 바이너리 관측기의 형태는 전동기의 전압방정식만을 이용하며, 고정자 좌표계()에서 원통형 영구자석 동기전동기의 전압방정식은 수학식 1과 같다.In the conventional binary observer type, only the voltage equation of the motor is used, and the stator coordinate system ( In Equation 1), the voltage equation of the cylindrical permanent magnet synchronous motor is shown in
여기에서, From here,
수학식 1에서 시간에 대한 변수로서 전압, 전류 이외에도 위치에 대한 삼각함수와 속도항이 곱해진 형태로 나타나는 역기전력 성분이 있으며, 이로 인해 전체 시스템은 비선형이 된다. 따라서 이를 선형화 시키기 위해 한 제어주기 내에서는 속도가 일정함을 전제로 하여, 측정할 수 있는 전류에 대한 관측을 행하는 바이너리 관측기를 수학식 2와 같이 구성한다.In addition to the voltage and current in
여기에서, From here,
속도 센서리스로 벡터제어를 행하는 경우 전동기의 전류, 전압은 측정 가능한 변수이고, 속도와 위치는 추정해야 하는 변수이므로 바이너리 관측기의 초평면(hyperplane)을 수학식 3과 같이 전류의 추정오차로 정의한다.When vector control is performed by speed sensorless, the current and voltage of the motor are measurable variables, and the speed and position are variables to be estimated. Therefore, the hyperplane of the binary observer is defined as an estimation error of current as shown in Equation (3).
또한, 바이너리 관측기의 경우, 정의되는 한계영역(boundary layer) Gδ를 수학식 4와 같이 설정한다.In addition, in the case of the binary observer, the defined boundary layer G δ is set as in
δ : 상수 (0≤δ〈1)δ: constant (0≤δ <1)
여기서, δ는 Gδ영역의 폭을 나타내는 임의의 설계 파라미터이다. 만약 수학식 4에서 δ를 매우 작게 하면 영역은 슬라이딩 면과 같아지게 되어 슬라이딩 관측기와 같은 특성을 갖게된다.Here, δ is any design parameter representing the width of the G δ area. If δ is very small in
수학식 2의 바이너리 관측기에서 관측기의 스위칭 함수는 연속관성형 보조루프 조정기(Continuous Inertial Auxiliary Loop Coordinate Operator Feedback)를 가지는 바이너리 제어에 의해 수학식 5 및 수학식 6과 같이 정해진다.In the binary observer of
여기에서, α는 상수Where α is a constant
상술된 도 1의 바이너리 관측기의 상태궤적은 도 2에 나타나 있다. 여기서 t0, t1, t2는 각각 |σ|=0, δ/2, δ에 도달하는 시간이다. 바이너리 관측기의 상태궤적은 상태변수가 각 축에 대한 전류의 오차이므로, 상태평면을 상태변수의 2차원 평면에서 나타낼 수 없다. 따라서 도 1에서와 같이 각각의 상태변수에 대해 시간축을 기준으로 상태궤적을 나타내게 된다.The state trace of the binary observer of FIG. 1 described above is shown in FIG. 2. Where t 0 , t 1 , t 2 are the times to reach | σ | = 0, δ / 2 and δ, respectively. The state trace of the binary observer cannot represent the state plane in the two-dimensional plane of the state variable because the state variable is the error of the current for each axis. Accordingly, as shown in FIG. 1, the state trajectory is represented based on the time axis for each state variable.
바이너리 관측기의 이득 k0와 α는 Gδ불변조건(Gδ invariant condition)으로부터 구해진다. 여기서, Gδ불변조건이란 추정오차 σ(t)가 일단 영역 Gδ 내에 들 어가면 그 후로 계속 Gδ 영역을 벗어나지 않고 영역 내에 머물러 있을 조건을 말한다. 이 관계는 기존 슬라이딩 모드 제어에서의 슬라이딩 존재조건(sliding condition)과 유사한 개념을 갖는다.Gain k 0 and α is the binary observer is determined from invariant δ G (G δ invariant condition). Herein, the G δ constant condition refers to a condition in which the estimated error σ (t) once stays in the area G δ without leaving the G δ area thereafter. This relationship has a concept similar to the sliding condition in the existing sliding mode control.
Gδ불변조건을 만족하도록 관측기의 이득 K0와 α를 설계하면, 바이너리 관측기는 슬라이딩 관측기와 같은 강인성을 가지면서도, 슬라이딩 모드에서 발생하는 떨림없이 연속적인 추정값을 갖는 특징을 갖게 된다.By designing the gains K 0 and α of the observer to satisfy the G δ invariant, the binary observer has the same robustness as the sliding observer, but with a continuous estimate without the vibration occurring in the sliding mode.
그러나, 바이너리 관측기는 수학식 4에서와 같이 영역을 설정하게 되면 정상상태에서 영역의 폭이 영으로 수렴할 수 없으므로 추정값 역시 영으로 수렴하는 것을 보장할 수 없다. 만약, 영으로 수렴하는 것을 보장하기 위해 δ의 값을 작게 하여 영역의 폭을 좁게 설정한다면 슬라이딩 모드 관측기와 같아지게 되므로 바이너리 관측기의 장점인 연속적인 추정이득을 얻지 못하게 된다.However, the binary observer cannot guarantee that the estimated value also converges to zero since the width of the region cannot converge to zero in the steady state when the region is set as shown in
따라서, 상술된 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 적응 슬라이딩 관측기와 유사한 형태를 적분 바이너리 관측기에 적용한 적응 적분 바이너리 관측기를 이용하여 영구자석 동기전동기의 성능을 향상시키는데 있다.Accordingly, an object of the present invention to solve the above problem is to improve the performance of a permanent magnet synchronous motor using an adaptive integral binary observer in which a form similar to an adaptive sliding observer is applied to an integral binary observer.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 적응 적분 바이너리 관측기를 이용한 원통형 영구자석 동기전동기 제어장치는, 속도 지령기에서 출력되는 지령속도를 추종하도록 전류지령치를 출력하는 속도 제어기와, 전류지령치와 브러시리스 직 류전동기에 흐르는 실제 전류간의 전류오차를 출력하는 전류 제어기와, 전류오차에 대한 스위칭패턴을 결정하고, 결정된 패턴에 의한 전압을 직류전동기에 공급하는 전력변환기와, 직류전동기에 흐르는 전류를 감지하는 전류검출기와, 직류전동기의 회전자의 속도와 위치를 추정하기 위한 바이너리 관측기로 이루어진 영구자석 동기전동기의 제어장치에 있어서, 바이너리 관측기는 전류오차를 적분하여, 직류 전동기 회전자의 속도와 위치를 추정하는 적분 스위칭 평면을 갖는 것을 특징으로 한다.Cylindrical permanent magnet synchronous motor control apparatus using the adaptive integral binary observer of the present invention for achieving the above object, a speed controller for outputting a current command value to follow the command speed output from the speed commander, current command value and brushless A current controller that outputs the current error between the actual current flowing through the direct current motor, a power converter that determines the switching pattern for the current error, and supplies a voltage according to the determined pattern to the DC motor, and detects the current flowing in the DC motor In the control device of a permanent magnet synchronous motor comprising a current detector and a binary observer for estimating the speed and position of a rotor of a DC motor, the binary observer integrates the current error to estimate the speed and position of the rotor of the DC motor. It is characterized by having an integral switching plane.
본 발명의 적응 적분 바이너리 관측기를 이용한 원통형 영구자석 동기전동기 제어방법은, 브러시리스 직류전동기에 흐르는 실제전류를 검출하는 제 1단계; 브러시리스 직류전동기의 상태방정식으로부터 추정전류를 계산하는 제 2단계; 실제전류와 추정전류의 차인 추정오차를 구하는 제 3단계; 추정오차를 적분하여 추정오차와 가산하고, 그 가산치를 이용하여 적분 스위칭 평면을 갖는 연속의 스위칭함수를 결정하는 제 4단계; 가산치의 허용범위인 한계영역을 설정하는 제 5단계; 추정오차가 한계영역에 들어가면 그 한계영역을 벗어나지 않도록 보조루프 조정기의 이득을 설정하는 제 6단계; 제 6단계에서 이득이 설정된 보조루프 조정기의 출력을 입력으로 하여 스위칭함수를 결정하는 제 7단계; 제 5단계에서 설정된 한계영역에 들어온 추정오차의 궤적이 원점으로 수렴할 수 있도록 스위칭함수의 이득을 조정하는 제 8단계; 및 제 8단계에서 이득이 조정된 스위칭함수로부터 브러시리스 직류전동기의 속도와 위치를 추종하도록 하는 제 9단계를 포함한다.Cylindrical permanent magnet synchronous motor control method using the adaptive integral binary observer of the present invention, the first step of detecting the actual current flowing to the brushless DC motor; A second step of calculating the estimated current from the state equation of the brushless DC motor; A third step of obtaining an estimation error that is a difference between the actual current and the estimated current; A fourth step of integrating the estimated error and adding the estimated error, and determining a continuous switching function having an integrated switching plane using the addition value; A fifth step of setting a limit area which is an allowable range of the addition value; A sixth step of setting a gain of the auxiliary loop adjuster so that the estimated error does not leave the limit region; A seventh step of determining a switching function by inputting the output of the auxiliary loop regulator whose gain is set in the sixth step; An eighth step of adjusting a gain of the switching function so that the trajectory of the estimated error entered in the limit region set in the fifth step may converge to the origin; And a ninth step of following the speed and position of the brushless DC motor from the switching function whose gain is adjusted in the eighth step.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설 명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 적응 적분 바이너리 관측기를 이용한 원통형 영구자석 동기전동기 제어장치의 구성을 나타내는 구성도이다.3 is a block diagram showing the configuration of a cylindrical permanent magnet synchronous motor control apparatus using an adaptive integral binary observer according to the present invention.
도 3의 영구자석 동기전동기 제어장치는, 별도로 설정되어진 지령속도를 출력하는 속도 지령기(10)와, 속도 지령기(10)에서 출력되는 지령속도를 추종하도록 전류지령치를 출력하는 속도 제어기(20)와, 속도 제어기(20)에서 출력되는 전류지령치를 추종하도록 전압을 출력하는 전류 제어기(30)와, 전류 제어기(30)에서 출력되는 전압을 3상 교류전원으로 변환시켜 브러시리스 직류전동기(BLDCM)로 공급하는 전력 변환기(40)와, 브러시리스 직류전동기(BLDCM)에 흐르는 전류를 감지하는 전류검출기(50)와, 전류검출기(50)에서 검출한 전류를 이용하여 모터 회전자의 속도와 위치를 추정하여 추정속도는 속도 제어기(20)로 제공하고, 추정위치는 전류 제어기(30)로 제공하는 추정기인 바이너리 관측기(60)를 구비한다.The permanent magnet synchronous motor controller of FIG. 3 includes a
도 4는 도 3의 바이너리 관측기(60)의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블럭도이다.4 is a block diagram illustrating the configuration of the
도 4의 바이너리 관측기(60)는, 브러시리스 직류전동기에 흐르는 실제전류(i)와 상태방정식으로부터 얻어지는 추정전류()간의 추정오차(E1)를 구하는 제 1 가산기(61)와, 제 1 가산기(61)의 출력(E1)을 적분하는 적분기(62)와, 적분기(62)의 출력과 제 1 가산기(61)의 출력을 가산하는 제 2 가산기(63)와, 제 2 가산기(63)의 출력()에 대한 허용범위의 한계영역을 설정하고, 제 1 가산기(61) 의 출력(E1)이 설정된 한계영역에 들어오면 이 영역을 벗어나지 않고 계속 그 영역내에 머물러 있도록 주루프 조정기의 이득(k1)을 설정하는 보조루프 조정기(64)와, 보조루프 조정기(64)의 출력과 제 1 가산기(61)의 출력(E1)을 입력으로하여 연속의 스위칭함수를 출력하는 주루프 조정기(65)와, 주루프 조정기(65)에서 출력되는 연속의 스위칭함수의 이득을 조정하여 한계영역내에 들어온 오차궤적이 원점으로 안정적으로 수렴할 수 있도록 하는 이득 조정기(66)를 구비한다.The
상술된 구성을 갖는 본 발명의 원통형 영구자석 동기전동기 제어장치 및 바이너리 관측기의 동작과 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The operation and effects of the cylindrical permanent magnet synchronous motor control device and binary observer of the present invention having the above-described configuration will be described in detail as follows.
상술된 종래 바이너리 관측기는 설정되는 관측기의 평면을 원점으로 수렴시키는 것을 보장할 수 없다. 이는 정상상태에서 추정값에 대한 떨림을 줄일 수 있으나, 정상상태 오차가 남을 수 있는 단점을 가지고 있다. 이러한 바이너리 관측기의 단점을 해결하기 위해 본 발명에서는 적분 스위칭 평면을 갖는 바이너리 관측기를 사용한다.The conventional binary observer described above cannot guarantee to converge the plane of the set observer to the origin. This can reduce the trembling of the estimated value in the steady state, but has the disadvantage of leaving a steady state error. In order to solve the disadvantage of the binary observer, the present invention uses a binary observer having an integral switching plane.
* 적분 스위칭 평면을 갖는 바이너리 관측기 * Binary observer with integral switching plane
먼저 바이너리 관측기의 정상상태 성능을 향상시키기 위하여 초평면에 적분항을 추가하였으며, 본 발명의 바이너리 관측기의 초평면은 상술된 바이너리 관측기에서와 같이 전류의 실제값과 추정값을 이용하여 정의한다.First, an integral term is added to the hyperplane in order to improve the steady state performance of the binary observer. The hyperplane of the binary observer of the present invention is defined using the actual value and the estimated value of the current as in the binary observer described above.
본 발명의 적분 스위칭 평면을 갖는 바이너리 관측기에서, 적분 스위칭 평면 는 수학식 7과 같이 정의된다.In the binary observer with the integral switching plane of the present invention, the integral switching plane Is defined as in Equation 7.
여기서,here,
수학식 7은 수학식 3의 초평면과 달리 가산기(61)에 의해 구해진 전류의 오차(e)를 적분하여 초평면의 차원을 높였다. 따라서, 운동방정식만을 사용하는 상술된 종래의 바이너리 관측기와 달리 본 발명의 바이너리 관측기(60)는 도 4와 같이 2차원 평면에서 상태궤적을 나타낼 수 있다.Unlike the hyperplane of
바이너리 관측기(60)에서 정의되는 영역 Gδ을 수학식 8과 같이 정의한다.The region G δ defined in the
수학식 7과 수학식 8로부터 알 수 있듯이 바이너리 관측기(60) 영역의 차원이 높아진 것을 알 수 있으며, 이를 이용하여 관측기(60)의 영역을 원점으로 수렴시킬 수 있다.As can be seen from Equations 7 and 8, it can be seen that the dimension of the region of the
적분스위칭 평면을 갖는 본 발명의 바이너리 관측기(60)의 스위칭 함수를 결 정하는 보조루프 조정기(64)와 주루프 조정기(65)는 연속관성형(COFB)로 각각 수학식 9 내지 수학식 10과 같다.The
여기에서, From here,
본 발명의 적분 스위칭 평면을 갖는 바이너리 관측기(60)도 수학식 2로 표현되므로, 오차방정식은 수학식 11과 같으며, 관측기(60)의 상태궤적은 도 5와 같다.Since the
여기에서, From here,
도 5로부터 오차는 일단 바이너리 관측기(60)의 경계면에 도달한 후, es = 0이 될 때까지 수평축을 따라 수렴해간다.The error from FIG. 5 once reaches the interface of the
본 발명의 적분 스위칭 평면을 갖는 바이너리 관측기(60)의 이득은 영역에 대한 Gδ불변조건으로부터 구할 수 있다. Gδ불변조건은 영역 Gδ의 경계면에서 수학식 12가 만족되어야 한다.The gain of the
수학식 8의 영역 Gδ내에 들어온 가 영역을 벗어나지 않고 계속 영역내에서 머물러 있을 조건은 이득 k1을 적절하게 선택함으로써 확보되어질 수 있다.In the region G δ of Equation 8 Can be ensured by appropriately selecting the gain k 1 .
먼저, 인 경우를 고려한다.first, Consider the case.
이라 가정하고, 수학식 12를 만족하도록 이득 k1을 선택하는 경우, 수학식 13으로부터 이득 k1은 수학식 14와 같다. As if the home and selecting the gain k 1 so as to satisfy the equation (12), the gain k 1 from the equation (13) is equal to the equation (14).
반면에, 인 경우에는 수학식 15와 같은 결과를 얻게 된다.On the other hand, In the case of Equation 15, the result is obtained.
수학식 14와 15로부터, 수학식 16을 얻을 수 있으며,From Equations 14 and 15, Equation 16 can be obtained.
같은 방법으로, 에 대하여 수학식 17이 얻어진다.In the same way, (17) is obtained.
수학식 16과 17로부터, 수학식 18과 같이 k1의 영역을 산출 가능하다.From equations (16) and (17), an area of k 1 can be calculated as shown in equation (18).
보조루프 조정기(64)의 이득 α는 μ(t)가 영역의 경계에서 |μ|≥ 1-h 의 크기를 만족하도록 하는 이득으로 함수 를 이용하여 구한다. 먼저 시스템의 상태가 을 통과하는 시간을 t1, 에서 영역의 경계에 도달하는 시간을 t2라 놓고 수학식 9를 시간에 대해 정리하면,The gain α of the
여기에서,From here,
의 경우에 대해, μ≤ -(1-h)가 되도록 하는 α는 다음과 같이 구할 수 있다. 여기에서, 반증을 위해 μ(t2) > -(1-h)라고 가정하고, t1에서부터 t2 까지 λ(t)를 조사하면, For the case of α, α to be μ ≦ − (1-h) can be obtained as follows. Here, suppose that μ (t 2 )>-(1-h) for falsification, and investigating λ (t) from t 1 to t 2 ,
여기에서,From here,
관측기(60)의 보조루프 조정기(64)의 이득 α가 수학식 19와 같은 부등식을 만족한다고 가정한다.Assume that the gain α of the
수학식 19를 이용하여 수학식 20을 정리하고, 여기에 수학식 21을 대입하면 수학식 22와 같은 결과를 얻을 수 있다.By using Equation 19,
λ의 크기는 위에서 정의한 것에 의하면 영역의 경계 즉, t2 에서 λ(t2) = 1이 되어야 하는데, λ(t2) < 1 이 되어 모순이 되므로 α가 수학식 21을 만족하도록 설정하면 |λ(t2)| ≥ 1-h 의 관계가 항상 성립하게 된다. 의 경우에 대해서도, 수학식 21과 같은 결과를 얻을 수 있다.The magnitude of λ must be defined as defined above, which means that λ (t 2 ) = 1 at the boundary of the region, that is, t 2 , and λ (t 2 ) <1 becomes a contradiction. λ (t 2 ) | The relationship ≥ 1-h is always established. Also in the case of, the same result as in (21) can be obtained.
적응 적분 바이너리 관측기(60)는 운동방정식을 이용하지 않으므로 전동기 회전자의 속도 및 위치 정보를 얻기 위하여, 속도와 위치에 대한 추정식이 필요하다. 본 발명에서는 전동기의 속도를 추정하기 위하여 리아프노프(Lyapunov)함수를 이용한다.Since the adaptive integral
리아프노프 함수를 수학식 23과 같이 설정하고,Set the Lyapunov function as shown in Equation 23,
한 추정주기 내에서 전동기의 속도가 일정하다고 가정하여, 수학식 23을 미분하면, 수학식 24와 같은 결과를 얻을 수 있다.Assuming that the speed of the electric motor is constant within one estimation period, the derivative of Equation 23 can be obtained.
수학식 11을 수학식 24에 대입하면 리아프노프 함수의 미분값은 수학식 25와 같이 쓸 수 있다.Substituting Equation 11 into Equation 24, the derivative of the Lyapunov function can be written as Equation 25.
여기에서, From here,
관측기(60)의 시스템이 안정되기 위해서는 리아프노프 안정도 이론으로부터 V > 0 일 때, < 0 을 만족해야 한다. 따라서, < 0 을 만족하도록 하기 위하여 수학식 25로부터 수학식 26 및 27과 같이 두 개의 식으로 분리된다.In order for the system of
수학식 27이 '0'이 되도록 설정하고 수학식 26의 부등식을 만족하도록 하면, 수학식 23의 리아프노프 함수는 안정하게 된다.If the equation 27 is set to '0' and the inequality of equation 26 is satisfied, the Lyapunov function of equation 23 becomes stable.
수학식 26의 부등식으로부터 k1의 범위는 수학식 28과 같으며, k1은 수학식 28을 모두 만족하도록 설정되어야 하므로 수학식 29의 조건을 만족해야한다.The range of k 1 from the inequality of Equation 26 is the same as Equation 28, and k 1 must satisfy the condition of Equation 29 because k 1 must be set to satisfy all of Equation 28.
수학식 27을 풀어 쓰면 다음과 같이 쓸 수 있으며, 전동기의 속도는 역기전력 및 전류의 정보와 관련이 있음을 알 수 있다.Equation 27 can be written as follows, and it can be seen that the speed of the motor is related to the information of back EMF and current.
수학식 30에서 θr≒ 라 근사하여 정리하면, 수학식 31과 같이 전개된다.Θ r 수학 in equation (30) If the equation is approximated and summarized, it develops as in Equation (31).
수학식 31을 이용하여 회전자의 속도를 추정할 수 있음을 알 수 있으며, 추 정속도를 빠르고 안정적으로 실제속도로 수렴시키기 위해 수학식 31을 비례 적분하여 추정속도를 결정하고 이를 적분하여 추정위치를 산출한다.It can be seen that the speed of the rotor can be estimated using Equation 31, and in order to converge the estimated speed quickly and reliably to the actual speed, Equation 31 is proportionally integrated to determine the estimated speed and integrate the estimated position. Calculate
이상에서와 같은 특성을 갖는 바이너리 관측기를 이용하여 브러시리스 직류전동기의 속도센서리스 제어동작에 적용한 것이 도 3과 같이 설계한 것으로, 이에 대하여 살펴보면 다음과 같다.Application to the speed sensorless control operation of the brushless DC motor using the binary observer having the characteristics as described above is designed as shown in Figure 3, as follows.
속도 지령기(10)에서 별도로 설정되어진 지령속도를 속도 제어기(20)로 제공하면, 속도 제어기(20)는 지령속도를 추종하도록 하는 전류지령치를 전류 제어기(30)로 전달한다.When the command speed set separately from the
그러면 전류 제어기(30)는 속도 제어기(20)에서 전달된 전류지령치와 전류검출기(50)를 통해 검출한 브러시리스 직류전동기(BLDCM)의 실제전류의 오차를 구하여 전력 변환기(40)로 출력한다.Then, the
이에 따라 전력 변환기(40)는 전류 제어기(30)에서 구한 전류오차에 대한 스위칭패턴을 결정하고, 이 결정된 스위칭패턴에 의해 조정된 전압을 브러시리스 직류전동기(BLDCM)로 출력한다.Accordingly, the
이때 바이너리 관측기(60)의 가산기(61)에서 전류검출기(50)에서 검출한 실제전류와 브러시리스 직류전동기의 상태방정식으로부터 계산된 추정전류간의 차(E1)를 계산하여 적분기(62)와 주루프 조정기(65)로 공급한다.At this time, the difference (E 1 ) between the real current detected by the
그러면 적분기(62)는 전류 오차(E1)를 적분하여 초평면의 차원을 높임으로써 도 5와 같이 2차원 평면에서 상태궤적이 나타나게 한다. 가산기(63)는 적분기(62) 의 출력과 가산기(61)의 출력을 가산하여 수학식 7과 같이 차원이 높아진 출력값()을 보조루프 조정기(64)로 출력한다.The
보조루프 조정기(64)는 가산기(63)의 출력()을 이용하여 그 출력값()이 존재해도 되는 한계영역(Gδ)을 설정하고, 이 설정한 영역(Gδ)으로 들어가면 그 후로 계속 정의되는 영역(Gδ)을 벗어나지 않고 영역(Gδ)내에 머물러 있도록 하는 주루프 조정기(65)의 이득을 조정하여 주루프 조정기(65)를 출력한다.The
이에 따라, 주루프 조정기(65)는 보조루프 조정기(64)에서 출력되는 이득(α)이 조정된 스위칭함수()를 생성하여 이득 조정기(66)로 제공한다.Accordingly, the
따라서 이득 조정기(66)는 정의되는 영역(Gδ)내에 들어온 오차궤적이 원점으로 안정적으로 수렴할 수 있도록 주루프 조정기(65)에서 출력되는 스위칭함수()의 이득(K)을 조정하여 출력한다.Therefore, the
이렇게 이득이 조정된 스위칭함수()의 출력으로부터 회전자의 속도 및 위치를 얻는다.This gain-adjusted switching function ( From the output of) we get the speed and position of the rotor.
도 6 및 도 7은 각각 적응 슬라이딩 관측기를 사용한 경우 및 본 발명의 적응 적분 바이너리 관측기(60)를 사용한 경우, 무부하시 1500[rpm]에서 실제 속도(상), 추정속도(중) 및 속도 추정오차(하)를 나타내는 파형도이며, 속도에 대한 종축의 단위는 1000[rpm/div]이다.6 and 7 show the actual velocity (upper), estimated velocity (medium) and velocity estimation error at 1500 [rpm] at no load when the adaptive sliding observer and the adaptive integral
도 6 및 도 7의 파형도에서 모두 양호한 추정성능을 보이고 있음을 알 수 있 다.It can be seen that the waveforms of FIGS. 6 and 7 show good estimation performance.
그러나, 적응 슬라이딩 관측기를 사용하는 경우, 속도 추정오차의 파형에서 볼수 있듯이 속도오차가 크게 발생하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 본 발명의 적응 적분 바이너리 관측기(60)를 사용하는 경우, 추정속도가 실제속도에 빠르게 수렴하는 것을 알 수 있으며, 속도가 정상상태에 이르기 전에 정확하게 속도를 추정하고 있음을 알 수 있다.However, in the case of using the adaptive sliding observer, as shown in the waveform of the speed estimation error, it can be seen that the speed error is large. However, when the adaptive integral
Gδ불변조건에 의해 샘플주기 마다 검출된 전류로 수렴하며, 이때 발생하는 오차와 추정위치를 수학식 31에 대입하고 이를 비례 적분하여 추정속도를 얻는다. 수학식 31은 수학식 23의 리아프노프 함수가 안정할 조건을 만족하며, 이로 인해 도 7의 속도 추정오차가 0으로 수렴하는 것을 알 수 있다.It converges to the current detected at every sample period due to the G δ constant condition. The error and estimated position generated at this time are substituted into Equation 31 and proportionally integrated to obtain an estimated speed. Equation 31 satisfies the condition that the Liafnov function of Equation 23 is stable, and thus, the velocity estimation error of FIG. 7 converges to zero.
이처럼, 본 발명의 적응 적분 바이너리 관측기(60)를 사용하여 전동기를 제어하는 경우, 정상상태에서 속도 추정오차의 감소 및 슬라이딩 관측기의 문제점인 떨림 현상을 해결할 수 있게 된다.As such, when controlling the electric motor using the adaptive integral
상술한 바와같이, 본 발명은 실제 전류와 추정 전류의 오차를 적분하여 관측기 영역의 차원을 높여줌으로써, 정상상태 뿐만 아니라 속도가 급변하는 과도상태에서도 전동기의 속도 및 위치를 매우 안정적으로 추정하며, 부하변화에도 견실하게 동작하도록 해준다.As described above, the present invention increases the dimension of the observer area by integrating the error between the actual current and the estimated current, thereby stably estimating the speed and position of the motor in a steady state as well as in a transient state in which the speed changes rapidly, and load It also works reliably against changes.
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