KR100561733B1 - A sensorless control method of permanent magnet synchronous motor using an instantaneous reactive power - Google Patents
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Abstract
순시무효전력을 이용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어방법이 개시된다. 본 발명에 따르면, a) 동기전동기의 고정자 저항(Rs), 고정자 인덕턴스(Ls), 역기전력 상수(KE) 및 동기전동기로 입력되는 선전류(is), 전압(Vs)을 포함하는 초기입력 값을 제공받는 단계; b) 초기입력 값과 동기전동기의 전압방정식에 기초하여, 추정전류 방정식을 산출하는 단계; c) 초기입력 값과 동기전동기의 전압방정식에 기초하여, 보상값 C를 포함하는 추정속도 방정식을 산출하는 단계; d) 선전류(is) 및 추정 역기전력(Es)의 외적벡터에 의한 실제 무효전력과, 추정전류(i's) 및 추정 역기전력(Es)의 외적벡터에 의한 추정 무효전력을 산출하는 단계; e) 실제 무효전력과 추정 무효전력의 오차범위를 '0'으로 도달시킴으로 가정하여 보상값 C를 설정하는 단계; f) 상기 과정을 반복하여 보상값 C 및 추정전류(i's)를 설정하는 단계로 이루어져, 고정자 좌표계로부터 순시 무효전력을 산출하고, 동기전동기의 전압방정식으로부터 추정 속도를 산출토록 하여 전동기의 기계적 방정식에서 발생하는 메카니즘 오류를 방지할 수 있는 효과를 얻는다.A sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor using instantaneous reactive power is disclosed. According to the present invention, a) an initial input value including a stator resistance (Rs), a stator inductance (Ls), a back EMF constant (K E ), and a line current (is) and a voltage (Vs) input to the synchronous motor. Receiving a step; b) calculating an estimated current equation based on the initial input value and the voltage equation of the synchronous motor; c) calculating an estimated speed equation including a compensation value C based on the initial input value and the voltage equation of the synchronous motor; d) calculating the actual reactive power by the cross product of the line current is and the estimated counter electromotive force Es, and the estimated reactive power by the cross vector of the estimated current i's and the estimated counter electromotive force Es; e) setting a compensation value C assuming that an error range between the actual reactive power and the estimated reactive power reaches '0'; f) repeating the above steps to set the compensation value C and the estimated current (i's), calculating instantaneous reactive power from the stator coordinate system, and calculating the estimated speed from the voltage equation of the synchronous motor. The effect can be prevented from occurring mechanism errors.
영구자석, 동기전동기, 고정자 좌표계, 센서리스, 무효전력, 추정 무효전력Permanent magnet, synchronous motor, stator coordinate system, sensorless, reactive power, estimated reactive power
Description
도 1은 동기전동기의 수학적 모델을 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram illustrating a mathematical model of a synchronous motor.
도 2는 본 발명에 따른 디에스피(DSP)의 주요 산술기능을 설명하기 위한 구성도이다.Figure 2 is a block diagram for explaining the main arithmetic function of the DSP according to the present invention.
도 3은 본 발명의 주요동작을 설명하기 위한 플로우챠트이다.3 is a flowchart for explaining the main operation of the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 선전류 및 추정 전류의 오차를 설명하기 위한 좌표계이다.4 is a coordinate system for explaining the error between the line current and the estimated current according to the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 동기전동기의 센서리스 제어를 설명하기 위한 구성도이다.5 is a configuration diagram for explaining sensorless control of a synchronous motor according to the present invention.
도 6a, 6b는 본 발명의 실험상태를 나타낸 그래프이다.6a and 6b are graphs showing experimental conditions of the present invention.
<주요도면에 대한 부호의 설명><Description of Symbols for Main Drawings>
201 : 전류 관측부 203 : 속도추정 산출부201: current observer 203: speed estimation calculator
205 : 실제 무효전력 산출부 207 : 추정 무효전력 산출부205: actual reactive power calculator 207: estimated reactive power calculator
209 : 속도오차 보상부 401 : 센서리스 제어장치209: speed error compensation unit 401: sensorless control device
403 : 디에스피(DSP) 417 : 디씨 링크부403: DSP 417: DC link unit
419 : 3상 인버터 421 : 동기 전동기419: three-phase inverter 421: synchronous motor
본 발명은 동기전동기의 센서리스(Sensorless) 제어에 관한 것으로, 보다 상세히는 동기전동기의 순시 무효전력 오차를 이용하여 추정속도를 산출함으로써 동기전동기의 구동 안정성을 확보하기 위한 순시무효전력을 이용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to sensorless control of a synchronous motor, and more particularly, a permanent magnet using instantaneous reactive power to secure driving stability of a synchronous motor by calculating an estimated speed using an instantaneous reactive power error of the synchronous motor. A sensorless control method for a synchronous motor.
일반적으로, 최근 고정밀 속응제어가 요구되는 산업용 기기의 구동을 위한 서보운전용의 전동기로 직류전동기 대신 교류전동기의 사용이 증대되고 있다. 서보운전용의 직류전동기는 전기자 전류를 독립적으로 제어할 수 있어, 전동기의 토크 제어와 속도제어가 용이한 장점을 갖고 있다. 그러나, 직류전동기를 사용한 서보 시스템에서는 브러쉬 및 정류자편의 기계적 마모에 따른 유지, 보수가 필요하며, 정류자의 정류한계로 인한 고속화, 고압화의 제약과 같은 단점을 가진다.In general, the use of an AC motor instead of a DC motor is increasing as a servo driving motor for driving an industrial device requiring high precision speed response control. The DC motor for servo operation can independently control the armature current, which has the advantage of easy torque control and speed control of the motor. However, the servo system using a DC motor requires maintenance and repair due to mechanical wear of the brush and the commutator, and has disadvantages such as high speed and high pressure due to the commutation limit of the commutator.
표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)는 회전자의 동손에 의한 발열이 없어 높은 신뢰성을 갖고 있으며, 또한 고정된 전기자 철심의 철손과 전기자 권선의 동손에 의한 발열만이 존재하므로, 단위무게당 토크 비율 및 효율이 다른 전동기에 비해 높다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 이와 같은 영구자석 동기전동기는 회전자에 부착된 영구자석으로부터 자속을 공급받기 때문에 이를 제어하기 위해서는 항상 회전자의 정확한 위치 를 알아야 하므로, 레졸버(Resolver), 절대 엔코더(Absolute Encoder), 홀 소자 등의 자기센서를 이용한 전자식 위치검출기가 반드시 필요하게 된다. 그러나, 이러한 위치검출기는 일반적으로 가격이 고가일 뿐만 아니라, 별도의 복잡한 하드웨어가 제어기에 구성되어야 하는 단점이 있다.Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor has high reliability because there is no heat generated by rotor copper loss, and only heat generated by iron loss of fixed armature core and copper winding of armature winding exists. In addition, it has the advantage of higher torque ratio and efficiency than other motors. However, since the permanent magnet synchronous motor receives the magnetic flux from the permanent magnet attached to the rotor, it is necessary to always know the exact position of the rotor in order to control it. Therefore, resolver, absolute encoder, and hole An electronic position detector using a magnetic sensor such as an element is essential. However, these position detectors are not only expensive in general, but also have a disadvantage in that separate complicated hardware must be configured in the controller.
또한, 상기 위치검출기에 사용되는 센서는 진동 및 습도 등의 주위환경에 대해 많은 영향을 받기 때문에 사용에 제한을 가지며, 센서를 전동기 축에 장착하여야 하기 때문에 전동기의 크기 증대 및 가공성의 저하와 같은 구조적 문제점이 야기된다.In addition, the sensor used in the position detector is limited to use because it is greatly affected by the surrounding environment, such as vibration and humidity, and because the sensor must be mounted on the motor shaft, such as increase in size of the motor and deterioration of processability The problem is caused.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 전동기의 속도추정을 위해 전동기의 전압방정식과 순시 무효전력만을 사용함으로써 기계적 방정식의 오차 및 오류에 영향을 받지 않고 전동기의 안정적 구동을 수행할 수 있는 순시무효전력을 이용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어방법을 제공함에 있다.
The present invention was created to solve the above problems, and an object of the present invention is to use the voltage equation and instantaneous reactive power of the motor to estimate the speed of the motor. The present invention provides a sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor using instantaneous reactive power capable of driving.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 순시무효전력을 이용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어방법은, 동기전동기의 센서리스(Sensorless) 제어방법에 있어서, a) 상기 동기전동기의 고정자 저항(RS), 고정자 인덕턴스(LS), 역기전력 상수(KE) 및 상기 동기전동기로 입력되는 선전류(iS), 전압(VS)을 포함하는 초기입력 값을 제공받는 단계;Sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor using instantaneous reactive power according to the present invention for achieving the above object, in the sensorless control method of a synchronous motor, a) stator resistance (R S ) of the synchronous motor Receiving an initial input value including a stator inductance L S , a counter electromotive force constant K E , and a line current i S and a voltage V S input to the synchronous motor;
b) 상기 초기입력 값과 동기전동기의 전압방정식에 기초하여, 상기 동기전동기의 추정 전류를 산출하는 단계;b) calculating an estimated current of the synchronous motor based on the initial input value and the voltage equation of the synchronous motor;
c) 상기 초기입력 값과 동기전동기의 전압방정식에 기초하여, 상기 동기전동기의 추정 회전자 속도를 보상값 C를 포함하여 산출하는 단계;c) calculating an estimated rotor speed of the synchronous motor including a compensation value C based on the initial input value and the voltage equation of the synchronous motor;
d) 상기 선전류(iS) 및 추정 역기전력(ES)의 외적벡터에 의한 실제 무효전력 및 상기 추정전류 방정식에 의한 추정전류(i'S) 및 상기 추정 역기전력(ES)의 외적벡터에 의한 추정 무효전력을 산출하는 단계;d) the actual reactive power by the cross product of the line current (i S ) and the estimated back electromotive force (E S ) and the estimated current (i ' S ) by the estimated current equation and the cross product of the estimated back electromotive force (E S ) Calculating an estimated reactive power by
e) 상기 실제 무효전력과 상기 추정 무효전력 사이의 오차를 산출하고, 산출된 오차가 '0'으로 수형하도록 상기 보상값 C를 설정하는 단계;e) calculating an error between the actual reactive power and the estimated reactive power, and setting the compensation value C such that the calculated error is modified to '0';
f) 상기 보상값 C에 기초하여 상기 추정전류(i'S)를 설정한 후, 상기 실제 무효전력과 상기 추정 무효전력의 오차가 '0'이 되도록 상기 c) 단계로 피드백하여 해당 과정을 반복하는 단계;f) setting the estimated current i ' S based on the compensation value C, and feeding back to step c) so that an error between the actual reactive power and the estimated reactive power becomes'0' and repeating the process. Doing;
g) 상기 실제 무효전력과 상기 추정 무효전력의 오차가 '0'이 될 때의 상기 보상값 C 및 상기 추정전류(i'S)에 기초하여 상기 동기전동기의 추정속도, 추정 위치를 결정하는 단계; 및g) determining an estimated speed and an estimated position of the synchronous motor based on the compensation value C and the estimated current i ' S when the error between the actual reactive power and the estimated reactive power becomes'0'.; And
h) 상기 추정속도 및 추정위치를 이용하여 상기 동기전동기의 제어를 수행하 는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.h) controlling the synchronous motor by using the estimated speed and the estimated position.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 동기전동기의 수학적 모델을 나타낸 구성도이다.Preferred embodiments of the present invention having such features will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram showing a mathematical model of a synchronous motor for explaining the present invention.
도시된 바와 같이, 동기전동기는 3상 원통형 영구자석 동기전동기이며, 고정자의 권취 코일에 대한 수학적 모델로서 저항 및 코일을 도시하고 있다. 저항(Rs)은 권취 코일의 권선저항을 나타내고, 코일(Ls)은 코일의 인덕턴스를 나타낸다. 본 발명은 이러한 고정자 중심의 좌표로부터 상기 동기전동기의 속도 및 위치추정을 수행할 것이다.As shown, the synchronous motor is a three-phase cylindrical permanent magnet synchronous motor, showing resistance and coil as a mathematical model for the winding coil of the stator. The resistance Rs represents the winding resistance of the winding coil, and the coil Ls represents the inductance of the coil. The present invention will perform the speed and position estimation of the synchronous motor from the coordinates of this stator center.
도 2는 동기전동기의 순시무효전력을 이용한 속도 및 위치추정을 설명하기 위한 구성도이다. 도시된 전류 관측부(201)는 3상 입력전원으로부터 각 상(Phase : X,Y,Z 중 두 개의 위상 - 나머지 하나의 상은 두 개의 위상으로부터 산출한다)의 실제 전류 값을 입력받아 고정자 좌표의 D축(D-AXIS) 전류와, Q축(Q-AXIS) 전류를 산출한다. 속도추정 산출부(203)는 현재 공급되는 D축(D-AXIS) 전류/전압과, Q축(Q-AXIS) 전류/전압을 통해 동기전동기의 산술적 구동속도를 추정한다.2 is a block diagram illustrating a speed and position estimation using instantaneous reactive power of a synchronous motor. The illustrated
실제 무효전력 산출부(205) 및 추정 무효전력 산출부(207)는 측정된 실제전류와 상기 전류 관측부(201)로부터 추정되고, 추정전류를 이용하여 실제 무효전력과 추정 무효전류를 산출한다. 속도오차 보상부(209)는 상기 실제 무효전력 산출부(205) 및 추정 무효전력 산출부(207)의 결과 값에 기초하여 무효전력 오차를 산출하고, 무효전력 오차가 '0'으로 수형하도록 속도오차에 대한 보상값을 결정한다. 속도오차 보상은 속도추정 산출부(203)로 피드백하여 속도추정 값을 보정함과 더불어, 속도추정 값 보정에 대응하는 상기 전류 관측부(201)의 보정을 수행한다.The actual reactive
상기 전류 관측부(201)의 보정 값은 다시 추정 무효전력 산출부(207)로 피드백되어 속도오차에 대한 보상이 또 다시 이루어져, 추정 속도오차를 지속적으로 줄여 나간다.The correction value of the
이하, 각 모듈에 대한 수학적 산출 방법을 도 3를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, a mathematical calculation method for each module will be described with reference to FIG. 3.
먼저, S301단계로 진입하여 동기전동기의 초기 파라미터 값과 수학적 모델에 대한 초기값을 설정한다. 상기 초기 파라미터는 고정자 저항(RS), 고정자 인덕턴스(LS), 역기전력 상수(KE) 등으로, 최초 동기전동기의 제조시 제공되는 파라미터이다. 또한 상기 수학적 모델의 초기값은 이하 설명될 보정값 C에 대한 초기값으로 '0'이 설정된다.First, the process proceeds to step S301 to set the initial parameter value of the synchronous motor and the initial value for the mathematical model. The initial parameters are stator resistance (R S ), stator inductance (L S ), back EMF constant (K E ), etc., which are parameters provided in the manufacture of the initial synchronous motor. In addition, the initial value of the mathematical model is set to '0' as the initial value for the correction value C to be described below.
S303 단계에서, 상기 전류 관측부(201)는 동기전동기에 입력되는 실제 전류량(is) 및 전압(Vs)에 근거하여 고정자 좌표계를 기준으로 한 D축 및 Q축전류 및 전압을 산출하는데, 여기서는 다음의 수학식 1이 이용될 수 있다.In step S303, the
( 여기서, VSD : 고정자 좌표계의 D축으로 인가되는 전압, VSQ : 고정자 좌표계의 Q축으로 인가되는 전압, RS : 고정자 저항, LS : 고정자 인덕턴스, iSD : D축 전류, iSQ : Q축 전류, ESD : D축 역기전력, ESQ : Q축 역기전력 이다) (V SD : voltage applied to the D axis of the stator coordinate system, V SQ : voltage applied to the Q axis of the stator coordinate system, R S : stator resistance, L S : stator inductance, i SD : D axis current, i SQ : Q-axis current, E SD : D-axis counter electromotive force, E SQ : Q-axis counter electromotive force)
상기 고정자 좌표계의 D축으로 인가되는 전압 VSD 및 고정자 좌표계의 Q축으로 인가되는 전압 VSQ는 각각의 D축 역기전력(ESD) 및 Q축 역기전력(ESQ)를 보유하고 있으며, 상기 수학식 1로부터 전류 변화량을 산출하면 수학식 2와 같다.The voltage V SD applied to the D-axis of the stator coordinate system and the voltage V SQ applied to the Q-axis of the stator coordinate system have respective D-axis counter electromotive force (E SD ) and Q-axis counter electromotive force (E SQ ). When the current change amount is calculated from 1, it is shown in Equation 2.
로 표현된다. 여기서 Blank( °또는 .)는 미분자를 의미하며, KE는 역기전력 상수이며, 상기 ωr은 회전자의 각속도이고, θr은 회전자의 회전 각도이다. 이로부터 S305 단계를 통해 D축 및 Q축의 추정 전류량를 산출하면 수학식 3과 같이 표현된다. It is expressed as Here, Blank (° or . ) Means a fine molecule, K E is a counter electromotive force constant, ω r is the angular velocity of the rotor, θ r is the rotation angle of the rotor. When the estimated current amounts of the D-axis and the Q-axis are calculated from the step S305, Equation 3 is expressed.
이상의 수학식은 동기전동기로 공급되는 전류 변화량을 나타낸 것으로 상기 전류 관측부(201)에서 상기 수학식 3에 기초한 산술을 이행한다. 이러한 산술은 공급 전류량의 오차를 감안하지 않은 것이다. 한편, 상기 속도추정 산출부(203)는 상기 수학식 3에서 기술된 각속도(ωr) 즉, 보정되지 않은 전류 관측부(201)의 검출결과에 기초하여 동기전동기의 회전 속도를 산출(추정)한다. S307 단계를 거쳐, 상기 수학식 3의 D축 추정전류 방정식과 Q축 추정전류 방정식으로 각각 -sinθr과 cosθr을 곱하여 각속도(ωr)를 산출하면 수학식 4와 같다.The above equation shows the amount of current change supplied to the synchronous motor, and the
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와 같으며, 상기 p는 미분연산자이다.And p is a differential operator.
수학식 4에 기술된 산술식은 동기전동기의 회전자 속도를 나타내는 것으로, 전동기의 파라미터 계측시나 선전류 및 입력전압 검출시 발생하는 오차를 감안하여 상기 수학식에 보정값(C)를 보정한 후, 이를 추정속도 ωr' 로 설정한다. 따라서, 전동기의 추정속도 ωr' 는 수학식 5와 같다.The arithmetic equation described in Equation 4 represents the rotor speed of the synchronous motor, and after correcting the correction value C in the above equation in consideration of an error occurring when measuring the parameter of the motor or detecting the line current and the input voltage, Set this to the estimated speed ω r '. Therefore, the estimated speed ω r 'of the motor is expressed by Equation 5.
상기 수학식 5의 ωr' 는 추정 각속도이고, θr는 추정 위치 또는 회전각이다. 이와 같이, 상기 속도추정 산출부(203)를 통해 속도추정 값을 산출하기 위해서는 상기 보정값(C)를 산출해야 하며, 이는 속도오차 보상부(209)를 통해 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 실제 무효전력 산출부(205) 및 추정 무효전력 산출부(207)로부터 산출된 결과값에 기초하여 상기 속도오차 보상부(209)에 의한 보정값(C)을 산출한다.Ω r 'in Equation 5 is an estimated angular velocity, and θ r is an estimated position or rotation angle. As described above, in order to calculate the speed estimating value through the speed
먼저 S309 단계를 통해, 역기전력(Es) 및 선전류(is)로부터 무효전력(qm)을 구하면, 수학식 6과 같다.First, through step S309, the reactive power q m is obtained from the counter electromotive force E s and the line current i s .
여기서, here,
(상기 E'S는 추정 역기전력으로, 실제 무효전력(qm)에 추정 역기전력이 사용됨은 추정 역기전력에 포함되는 추정 속도에 대한 방정식을 추출하기 위한 것이다.)(E ' S is an estimated back electromotive force, and the use of the estimated back electromotive force for the actual reactive power q m is for extracting an equation for an estimated speed included in the estimated back electromotive force.)
그리고, 상기 무효전력(qm)에 대한 추정 전류 is' 값이 실제 전류 is 값 보다 Δθr 만큼 벗어나 있다면, 이 때의 추정 무효전력(qm')의 위상은 상기 무효전력(qm)에 비해 Δθr 만큼 회전된 것으로 간주된다. 이를 기초로 S311 단계에서 추정 무효전력을 산출할 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 추정 전류 is' 값이 실제 전류 is 값 보다 Δθr 회전 이동한 것으로, 상기 추정 무효전력(qm ')은 수학식 7과 같이 표현된다.If the estimated current i s ′ with respect to the reactive power q m is out of the actual current i s value by Δθ r , the phase of the estimated reactive power q m ′ at this time is the reactive power q m. Is rotated by Δθ r relative to). Based on this, the estimated reactive power can be calculated in step S311. That is, as shown in FIG. 4, the estimated current i s ′ is rotated by Δθ r more than the actual current i s value, and the estimated reactive power q m ′ is expressed by Equation 7 below.
이와 같이, 상기 실제 무효전력 산출부(205)와 추정 무효전력 산출부(207)로부터 산출되는 상기 무효전력(qm)과 추정 무효전력(qm')은 Δθr 만큼의 오차를 가지고 있으며, 속도오차 보상부(209)는 이러한 상기 무효전력(qm)과 추정 무효전력 (qm')간 오차산출을 위해 상기 수학식 7에 대한 근사값을 적용한다. 즉, 상기 각속도(ωr)가 '0'이 아님으로 간주하고, 상기 Δθr값을 '0'으로 근접시킬 때 추정 무효전력을 추출한다. 이는 수학식 8과 같다.As described above, the reactive power q m and the estimated reactive power q m ′ calculated by the actual
여기서 일 경우, S313 단계에서 무효전력의 오차는, 이다.
이때, 하기의 조건식,here If, in step S313 the error of reactive power, to be.
At this time, the following conditional expression,
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을 만족하는 비례 이득 Kcp를 결정하고, S315 단계를 거쳐, 안정적 보상이 이루어지도록 적분이득을 부가하여 수학식 9와 같이 상기 보상값 C를 결정한다. 즉, 상기 조건식을 이용하여 Kcp를 판별하고 특별한 절대치의 기준이 아니라 안정성을 만족하는 범위내에서 안정적인 보상이 이루어지도록 적분 이득을 부가형 C를 결정한다. To determine the proportional gain Kcp to satisfy, and through the S315 step, the integral gain is added to ensure a stable compensation to determine the compensation value C as shown in Equation (9). That is, Kcp is determined using the conditional expression, and the integrated gain additional C is determined so that stable compensation is achieved within a range that satisfies stability rather than a specific absolute value criterion.
(여기서, 상기 Kci/p는 적분이득이고, p는 미분연산자이다.) 상기 속도오차 보상부(209)는 상기 보상값 C를 산출한 후, 상기 속도추정 산출부(203)로 보상값 C를 제공하며, 속도추정 산출부(203)는 상기 보상값 C에 기초하여 동기전동기의 추정 속도를 상기 수학식 5에 따라 산출한다. 상기 속도추정 산출부(203)는 산출된 추정속도 ωr' 정보를 상기 전류 관측부(201), 실제 무효전력 산출부(205) 및 추정 무효전력 산출부(207)로 제공한다.(Kci / p is integral gain and p is a differential operator.) The
S317에서, 상기 전류 관측부(201)는 기 산출된 추정속도 ωr'를 상기 수학식 3의 전압 방정식에 대입한 후, 수학식 10에 의해 동기전동기의 추정 전류를 구한다.In S317, the current observing
여기서 상기 추정 전류(i'SD, i'SQ)와 수학식 3의 전압방정식을 통해 오차방정식(eSD, eSQ)을 추출하면 수학식 11과 같다.Here, the error equations (e SD and e SQ ) are extracted through the estimated currents (i ' SD , i' SQ ) and the voltage equation of Equation (3).
여기서, Blank( °)는 미분자이다.
Here, Blank (°) is the fine molecule.
아울러, 상기 수학식 11에서 안정성을 확보하기 위하여 를 만족하도록 k1, k2를 설정한다. 상기에서 특정한 k1, k2를 선택하는 것이 아니라 극배치 기법에 의하여 안정성을 확보하는 범위 내에서 선택하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 k1eSD 및 k2eSQ는 추정전류와 실제 전류의 감산으로 인해 오차를 보정하기 위한 상수이다. 여기서 상기 수학식 8의 조건에 따라 △θr을 '0'에 근접시킬 경우, S319 단계에서 실제 무효전력과 추정 무효전력의 오차가 '0'에 근접하도록 상기 과정을 반복하는 것으로, 결국 상기 수학식 11의 파라메타는, In addition, to ensure the stability in the equation (11) Set k 1 and k 2 to satisfy. Rather than selecting specific k 1 and k 2 above, it is preferable to select within the range to ensure stability by the pole placement technique.
K 1 e SD and k 2 e SQ are constants for correcting errors due to subtraction of the estimated current and the actual current. In this case, when Δθ r approaches '0' according to the condition of Equation 8, the process is repeated so that an error between the actual reactive power and the estimated reactive power approaches '0' in step S319. The parameter of formula 11 is
및 가 '0'으로 수렴하며, 상기의 오차방정식은 수학식 12로 표현된다. And Is converged to '0', and the error equation is represented by Equation 12.
이 때, 상기 k1, k2는 상기 오차방정식을 '0'으로 수렴시킬 수 있도록 안정화시키기 위한 값으로 설정되어야 하며, 이는 추정속도(ω'r)의 보상값 C에 대응하는 추정전류와 실제전류와의 오차에 대한 상수값이 된다. 이와 같이 결정되는, 추정속도(ω'r)와, 추정 전류값이 실제 속도(ωr) 및 실제 전류값과 동일하도록 제어할 수 있으며, 또한 동기전동기의 설정된 속도값에 도달하기 위한 제어패턴이 요구될 경우, 상기 과정의 반복을 통해 설정된 속도 및 전류값에 도달시킬 수 있다.At this time, the estimated current and the actual current which corresponds to the k1, k2 is a compensating value C of to be set to a value, which is estimated velocity (ω 'r) to stabilize so as to converge the error equation to zero and It is a constant value for the error of. The estimated speed ω ' r and the estimated current value determined in this way can be controlled to be equal to the actual speed ω r and the actual current value, and a control pattern for reaching the set speed value of the synchronous motor If required, the set speed and current values can be reached by repeating the above process.
이상의 산출식에 기초하여 본 발명의 제어 시스템을 실시예로 설명하면 다음과 같다.The control system of the present invention will be described as an example based on the above calculation formula.
도 5는 본 발명에 따른 동기전동기의 센서리스 제어를 위한 시스템을 나타낸 구성도이다. 도시된 바와 같이, 3상전원은 3상 정류기(515) 및 디씨 링크부(517)를 거쳐 안정적인 디씨(DC) 전원이 3상 인버터(519)로 공급되도록 하며, 상기 3상 인버터(519)는 동기전동기(521:PMSM)와 접속된다. 센서리스 제어장치(501)는 디씨 링크부(517)로부터 무효전력을 검출하며, 동기전동기(521)로 입력되는 3상(Phase) 전 원의 일부(최소 2상)로부터 전류량을 검출한다.5 is a block diagram showing a system for sensorless control of a synchronous motor according to the present invention. As shown, the three-phase power source is supplied to the three-
상기 센서리스 제어장치(501)는 상기 디씨 링크부(517)로부터 전압을 검출하고, 동기전동기(521)의 입력전류를 검출하여 이를 디지털 신호로 변환시키기 위한 AD 컨버터(511), 입력신호에 대응하는 입력결과에 따라 동기전동기(521)의 입력전원을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 디에스피(503:DSP), 상기 제어신호에 응답하여 3상 인버터(519)의 구동신호 및 전류량을 공급하기 위한 게이트 제어부(505) 및 게이트 제어부(505)의 출력신호에 대응하여 상기 3상 인버터(519)를 구동하기 위한 게이트 드라이버(507)로 구성된다.The
미설명된 동기전동기의 부하장치(523: Dynamometer), 동기전동기의 부하장치 컨트롤러(525: Dynamometer Controller) 및 오실로스코프(527)는 센서리스 제어장치 (501)의 테스트용 실험장치이다.The non-described synchronous motor load device 523 (Dynamometer), the synchronous motor load device controller 525 (Dynamometer Controller) and the
상기 디씨 링크부(517)는 3상 인버터(519)의 입력전원선과 병렬접속되며, 450V, 4700㎌의 전해 캐패시터를 사용하였으며, 상기 디에스피(503)는 디씨 링크부(517)의 출력전압을 160㎲ 단위로 입력받고 있다. 상기 3상 인버터(519)는 IGBT 모듈을 사용하며 3상 VSI의 전력회로를 사용한다. 상기 동기전동기(521)는 1.8kW의 정격용량과 5.88Nㆍm의 정격토크, 3000rpm의 정격속도를 갖는 8극 전동기이며, 고정자 저항은 0.22Ω이고, 고정자 인덕턴스는 0.88mH, 역기전력 상수는 0.0522V/r/min이고, 관성계수는 18.6×10-4kg㎡이다.The
상기 AD 컨버터(511)는 동기전동기(521)로 공급되는 실제 전류량을 입력받아 디지트화된 신호로 DSP(Digital Signal Proccessor:503)로 제공한다. 그리고 디에스피(503)는 상기 동기전동기의 고정자 저항(Rs), 인덕턴스(Ls), 역기전력 상수(K
E) 및 DC 링크부(517)의 검출전압(VS) 등의 정보와 상기 수학식 4 및 수학식 5에 기초하여 실제 속도 및 추정속도를 산출한다. 여기서 상기 추정속도는 보상값 C를 보유하고 있으며, 상기 DSP(503)는 상기 보상값 C를 산출하기 위해 수학식 6 및 수학식 7에 근거하여 실제 무효전력과 추정 무효전력을 산출하며, 무효전력의 오차를 산출한다.The
무효전력의 오차는 수학식 8에 기초하며, 실제 무효전력과와 추정 무효전력과의 위상차이에 비례적분한 보상값 C를 수학식 9와 같이 산출한다. 보상값 C는 추정속도에 대한 보상으로, 보상값 C가 가미된 추정속도 정보를 DA 컨버터(509)를 통해 오실로스코프(527)로 도시할 경우, 도 6a와 같이 (b)의 추정속도를 산출하며 (a)는 실제속도로서 50rpm에서 -50rpm으로 속도변화를 나타내고 있다. 따라서, 디에스피(503)의 보상값 C를 통한 추정속도 변화는 실제속도 변화와 극히 동일하게 나타남을 알 수 있다.The error of the reactive power is based on Equation 8, and a compensation value C proportional to the phase difference between the actual reactive power and the estimated reactive power is calculated as Equation 9. The compensation value C is a compensation for the estimated speed. When the estimated speed information including the compensation value C is shown to the
또한, 상기 DSP(503)는 선전류에 의한 실제 전류값을 입력받고, 상기 고정자 정보(저항, 인덕턴스), 역기전력 상수 및 DC 링크부(517)의 실제 전압입력값에 기초하여 수학식 10에 따른 추정 전류를 산출하며, 수학식 11로부터 실제 전류와 추정전류의 차이를 산출한다. 이와 같이 산출된 오차방정식은 상수값 k1, k2를 보유함에 따라, 수학식 12로부터 상기 상수값 k1, k2을 산출하여 추정 전류값 i'S를 유추한 다.In addition, the
상기 추정 전류값 i'S는 선전류와 역기전력의 외적벡터로 정의되는 추정 무효전력을 수학식 6에 따라 산출할 수 있으며, 산출결과에 대한 실험적 근거로서 도 6b를 도시하며 이는 실제 무효전력(a)에 대한 추정 무효전력(b)을 나타낸다.The estimated current value i ' S may calculate an estimated reactive power defined by the cross product of line current and counter electromotive force according to Equation 6, and as shown in FIG. 6B as an experimental basis for the calculation result, the actual reactive power (a ) Represents an estimated reactive power (b) for.
따라서, DSP(503)의 동기전동기로 입력되는 전류/전압의 변화 또는 동기전동기로 가압되는 외력의 변화에 따른 전류/전압의 변화에 대응하여 소정의 산술식에 따른 추정 전력 및 추정 속도를 산출함에 따라, 센서가 가미되지 않은 동기전동기를 제어할 수 있게 된다. DSP(503)는 이와 같은 추정 전류, 추정 속도에 대응하는 전류 및 전압을 게이트 제어부(505)로 제공하며, 게이트 제어부(505)는 게이트 드라이버(507)를 통해 3상 인버터(519)로 해당 전류/전압을 공급하므로서, 요구하는 동기전동기의 속도제어 또는 토크제어, 회전각 제어 등을 수행한다.Therefore, the estimated power and the estimated speed according to a predetermined arithmetic expression are calculated in response to the change of the current / voltage according to the change of the current / voltage input to the synchronous motor of the
또한, 이와 같은 동기전동기의 제어는 상기 디에스피(503)의 입력포트로 동기전동기의 제어조건 예컨대, 회전수, 회전위치, 토크 등의 정보를 입력할 수 있도록 하여 외부조건에 따른 모터제어를 수행할 수 있다.In addition, the control of the synchronous motor can input the control conditions of the synchronous motor, for example, the rotation speed, rotation position, torque, etc. to the input port of the
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 순시무효전력을 이용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어방법을 나타낸 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자 라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is just one embodiment showing the sensorless control method of the permanent magnet synchronous motor using instantaneous reactive power according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, in the following claims As claimed, any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.
본 발명에서 설명되는 순시무효전력을 이용한 영구자석 동기전동기의 센서리스 제어방법은 영구자석 동기전동기의 위치 검출을 위한 센서가 불필요함에 따라 동기전동기의 생산단가를 저하시키는 효과를 갖고 있으며, 고정자 좌표계로부터 순시 무효전력을 산출하고, 동기전동기의 전압방정식으로부터 추정 속도를 산출토록 하여 전동기의 기계적 방정식에서 발생하는 메카니즘 오류를 방지할 수 있는 효과를 얻는다.The sensorless control method of the permanent magnet synchronous motor using instantaneous reactive power described in the present invention has an effect of lowering the production cost of the synchronous motor as a sensor for detecting the position of the permanent magnet synchronous motor is unnecessary, and from the stator coordinate system. The instantaneous reactive power is calculated, and the estimated speed is calculated from the voltage equation of the synchronous motor, thereby obtaining the effect of preventing mechanism errors occurring in the mechanical equations of the motor.
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