KR100741709B1 - 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법 및장치 - Google Patents

Abstract

센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법 및 장치가 개시된다. 이 장치는 동기 릴럭턴스 모터로 인가되는 3상 전압을 응답전류값으로 변환하는 응답전류변환부, 상기 응답전류변환부를 통해 변환된 응답전류로부터 모터 특성에 무관한 위치오차 계산식에 따라 모터의 위치와 속도를 추정하는 위치속도추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 센서가 구비되지 않은 동기 릴럭턴스 모터 기동시의 위치오차 계산방법 및 장치에 있어서, 모터 상수와 관계없는 위치오차를 구함으로써, 비례적분제어기의 파라미터값을 조정한 후에 다른 스펙(Spec)의 동기 릴럭턴스 모터에 사용하는 경우에도 비례적분제어기의 파라미터값을 변경하지 않고 사용할 수 있는 효과가 있다.

Description

센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법 및 장치{ Position error calculating method in running sensorless motor and apparatus for the same }

도 1은 종래의 센서리스 모터의 기동방법을 나타내는 블록도이다.

도 2는 종래의 위치,속도 추정기의 상세한 구성을 포함한 블록도이다.

도 3은 본 발명에 의한 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산장치를 나타내는 블록도이다.

도 4는 본 발명에 의한 응답전류변환부의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다.

도 5는 본 발명에 의한 위치속도추정부의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다.

도 6은 본 발명에 의한 위치무관성분제거부의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다.

도 7은 본 발명에 의한 궤환부의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다.

도 8은 본 발명에 의한 본 발명에 의한 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 모터 기동시 위치오차 계산 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 센서가 부착되지 않은 동기 릴럭턴스 모터 기동시 모터 상수에 의존하지 않는 위치오차를 계산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

동기 릴럭턴스 모터란 회전자와 고정자의 구동원이 동기화된 모터로서 고정자에 전류가 유입되는 경우 상기 회전자에 형성되는 저항이 최소가 되도록 상기 회전자가 회전하는 모터를 의미한다. 특히, 상기와 같은 동기 릴럭턴스 모터를 구동시키기 위해서는 그 회전자의 위치를 항상 알고 있어야 하는데 최근 들어서는 센서없이 상기 회전자의 위치를 파악하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어시스템의 사용이 크게 증가하고 있다.

즉, 센서없이 상기 회전자의 위치를 파악하는 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어시스템은 상기 모터로 유입되는 전압, 전류 및 그에 따라 상기 모터에 형성되는 자속 등을 측정하여 상기 동기 릴럭턴스 모터를 구성하는 회전자의 속도나 회전각을 파악하는 제1 방식을 사용하고 있다.

그러나 모터가 기동시 또는 저속 구동시 상기 자속측정기에서 전압 추정시 문제가 발생하며 이에 따라 상기 추정속도와 추정회전각은 상기 회전자의 실제 속 도 및 회전각과 상당한 차이를 가지게 된다는 문제점이 있다.

따라서, 모터 기동 또는 저속 구동 시에는 상기 자속측정기로 추가적인 신호를 주입함으로써 상기 오차의 발생을 방지하는 제2방식이 상기 제1 방식과 병행되어 사용되고 있다.

도 1은 종래의 센서리스 모터의 기동방법을 나타내는 블록도이다. 상기 전압 주입기(100)는 위치 추정을 위한 여기 신호인 주입 전압을 발생한다. 발생된 주입 전압은 제어 전압과 더해져 공간벡터변조(Space Vector Modulation) 방식을 통해 실제로 구현되어 동기 릴럭턴스 모터에 인가된다. 공간벡터변조를 통한 전압이 동기 릴럭턴스 모터에 인가되면 동기 릴럭턴스 모터는 전류를 출력한다. 동기 릴럭턴스 모터의 출력 전류는 주입 전압에 대한 응답 전류와 제어 전압에 대한 응답 전류로 구성된다. 전자는 위치 추정에 필요한 전류성분이고, 후자는 전류의 궤환 제어에 필요한 전류성분이다.

상기 출력전류에 노치필터(Notch Filter)(110)를 적용하여 출력 전류를 궤환제어에 사용하고, 출력전류에 밴드패스필터(Bandpass Filter)(120)를 적용하여 출력전류를 위치추정에 사용한다. 상기 위치,속도 추정기(130)에서 밴드패스필터의 출력전류를 이용하여 속도와 위치를 추정하고 이를 벡터 제어에 활용하여 동기 릴럭턴스 모터를 기동시킨다.

도 2는 위치,속도 추정기의 상세한 구성을 포함한 블록도이다. 상기 위치,속도 추정기는 출력전류로부터 위치와 무관한 성분을 제거하는 부(200)와 위치,오차계산기(210), PI제어기(220)로 이루어진다.

상기 위치,오차계산기(200)는 위치와 관계된 항으로부터 추정된 위치와 실제 위치간의 오차를 구한다. 종래의 방식에서 위치 오차를 계산하면 위치 오차는 다음의 수학식과 같이 유도된다.

학식1을 살펴보면 sin함수의 계수가 모터상수(

,

는 인덕턱스)에 의존하는 형태라는 것을 확인할 수 있다. 따라서 모터 스펙(Spec)이 달라지면동일한 위치 오차에 대해서도 다른 크기의 위치 오차가 계산된다. 따라서 PI제어기의 PI 이득(gain)을 재조정해야하는 문제점이 발생한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 센서가 구비되지 않은 동기 릴럭턴스 모터의 기동시 위치오차의 계산에 있어서 최초에 비례적분제어기의 파라미터값을 조정한 후에 다른 스펙(Spec)의 동기 릴럭턴스 모터에 사용하는 경우에도 비례적분제어기의 파라미터값을 변경하지 않고 사용할 수 있도록 하기 위하여, 모터 상수와 관계없는 위치오차를 계산하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한, 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치는 동기 릴럭턴스 모터로 인가되는 3상 전압을 응답전류값으로 변환하는 응답전류변환부, 상기 응답전류변환부를 통해 변환된 응답전류로부터 모터 특성에 무관한 위치오차 계산식에 따라 모터의 위치와 속도를 추정하는 위치속도추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한, 센서가 부착되지 않은 모터의 기동시 위치오차 계산 방법은 동기 릴럭턴스 모터로 인가되는 3상 전압을 응답전류값으로 변환하는 단계, 상기 변환된 응답전류로부터 모터 특성에 무관한 위치오차 계산식에 따라 모터의 위치와 속도를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 센서가 부착되지 않은 모터의 기동시 위치오차 계산 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산장치를 나타내는 블록도이다. 도시된 바에 따른 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치는 응답전류변환부(300), 위치속도추정부(310)를 포함하여 이루어진다.

상기 응답전류변환부(300)는 동기 릴럭턴스 모터로 인가되는 3상 전압을 응답전류값으로 변환한다. 도 4는 상기 응답전류변환부(300)의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다. 도 4를 참조하면, 상기 응답전류변환부(300)는 3상/2상전류변환부(400), 밴드패스필터부(410)를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

상기 3상/2상전류변환부(400)는 상기 모터로 유입되는 3상 전압을 2상전류로 변환한다. 3상 전압이 동기릴럭턴스 모터에 인가되면 상기 3상/2상전류변환부(400)는 2상 전류를 출력하는데, 상기 출력전류는 주입전압에 대한 응답전류와 제어전압에 대한 응답전류로 구성된다. 주입전압에 대한 응답전류가 위치추정에 사용된다.

상기 밴드패스필터부(410)는 상기 변환된 2상전류를 밴드패스(Bandpass) 필터링하여 상기 응답전류로서 출력한다. 상기 3상/2상전류변환부(400)에서 출력된 2상전류중 주입전압에 대한 응답전류성분이 위치추정에 사용되므로, 상기 주입전압에 대한 응답전류성분을 추출하기 위하여 상기 2상전류를 밴드패스필터링 하여 주입전압의 주파수 성분을 추출한다.

상기 위치속도추정부(310)는 상기 응답전류변환부(300)를 통해 변환된 응답전류로부터 모터 특성에 무관한 위치오차 계산식에 따라 모터의 위치와 속도를 추정한다. 도 5는 위치속도추정부(310)의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다. 도 5를 참조하면, 상기 위치속도추정부(310)는 위치무관성분제거부(500), 위치오차계산부(510), 궤환부(520)를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

상기 위치무관성분제거부(500)는 상기 응답전류로부터 위치와 관계없는 전류성분을 제거하고, 위치와 관계된 전류성분만을 출력한다. 도 6은 상기 위치무관성분제거부(500)의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다. 도 6을 참조하면, 상기 위치무관성분제거부(500)는 고정/회전좌표변환부(600), 하이패스필터부(610), 회전/고정좌표변환부(620)를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

상기 고정/회전좌표변환부(600)는 상기 응답전류를 고정좌표계에서 회전좌표계로 변환한다.

상기 하이패스필터부(610)는 상기 회전좌표계로 변환된 전류를 하이패스필터링하여 출력한다.

상기 회전/고정좌표변환부(620)는 상기 하이패스필터링된 전류를 회전좌표계에서 고정좌표계로 변환하여 상기 위치와 관계된 전류성분으로서 출력한다.

상기 위치오차계산부(510)는 상기 위치와 관계된 전류성분에서 추정된 위치와 실제 위치간의 오차를 계산한다. 상기 위치오차계산부(510)는 다음 수학식을 통해 위치 오차를 계산한다.

여기서, e는 위치 오차를 나타내고,

는 실제위치,

는 추정위치를 나타낸다. 종래의 위치 오차 계산 방법을 사용하는 경우 sin함수의 계수가 모터 상수에 의존하게 되므로 모터의 스펙(Spec)이 변경되면 비례적분제어기의 파라미터를 재조정해야만 했다. 그러나 상기 위치오차계산부(510)에서는 모터상수에 관계없이 sin함수의 계수가 1로 유도되므로 모터의 스펙(Spec)이 변경되더라도 비례적분제어기의 파라미터를 재조정하지 않고 사용할 수 있다.

상기 궤환부(520)는 상기 추정 위치를 갱신하여 상기 계산된 위치 오차를 감소시킨다. 도 7은 상기 궤환부(520)의 보다 상세한 구성을 포함한 블록도이다. 도 7을 참조하면 상기 궤환부(520)는 비례적분제어기(700), 적분기(710)를 포함하여 이루어짐이 바람직하다.

상기 비례적분제어기(700)는 상기 위치 오차를 감소시키는 방향으로 추정속도의 크기를 결정한다. 상기 계산된 위치오차를 0으로 수렴시키는 방향으로 추정위치를 갱신하기 위하여 상기 비례적분제어기(700)가 사용된다. 상기 비례적분제어기는 추정속도를 출력한다. 추정속도는 속도제어를 위해 궤환되어 사용될 수도 있다.

상기 적분기(710)는 상기 추정속도를 적분하여 추정위치를 출력한다. 상기 비례적분제어기(700)에서 추정속도가 출력되므로 최종적인 추정위치는 상기 추정속도를 상기 적분기(710)에서 적분하여 구한다. 상기 적분기(710)에서 출력된 추정위치는 다음 샘플링 주기에서 상기 위치오차계산부(510)로 궤환되어 입력되어 위치오차를 계산하는 데 사용된다.

도 8은 본 발명에 의한 본 발명에 의한 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 발명에 의한 본 발명에 의한 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법을 도 3 내지 도7과 결부시켜 설명하기로 한다.

도 8을 참조하면, 3상/2상 전류변환부(400)는 모터로 유입되는 3상전압을 2상전류로 변환시키고(800단계), 밴드패스필터부(410)에서는 변환된 2상전류를 밴드패스필터링하여 응답전류를 구한다(810단계). 모터 특성에 무관한 위치 오차계산식 에 따라 위치와 속도를 추정하기 위하여 위치무관제거부(500)는 상기 응답전류에서 위치무관성분을 제거하고 위치관계 전류성분만 출력한다(820단계). 위치오차계산부(510)는 상기 위치와 관계된 전류성분에서 추정된 위치와 실제 위치간의 오차를 계산한다(830단계). 이때 위치오차의 계산식이 모터상수와 무관한 상수로서 유도되므로 비례적분제어기(700)기를 사용하는 경우에도 제어파라미터를 재조정하지 않고 사용할 수 있다.

궤환부(520)에서는 계산된 위치오차를 0으로 수렴시키는 방향으로 추정위치를 갱신한다(840단계). 궤환부(520)를 거쳐 상기 위치오차가 0으로 수렴될 때가지 상기 과정이 반복된다.

이러한 본원 발명인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 센서가 구비되지 않은 동기 릴럭턴스 모터 기동시의 위치오차 계산방법 및 장치에 있어서, 모터 상수와 관계없는 위치오차를 구함으로써, 비례적분제어기의 파라미터값을 조정한 후에 다른 스펙(Spec)의 동기 릴럭턴스 모터에 사용하는 경우에도 비례적분제어기의 파라미터 값을 변경하지 않고 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 동기 릴럭턴스 모터로 인가되는 3상 전압을 응답전류값으로 변환하는 응답전류변환부; 및

   상기 응답전류변환부를 통해 변환된 응답전류로부터 모터 특성에 무관한 위치오차 계산식에 따라 모터의 위치와 속도를 추정하는 위치속도추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 위치속도추정부는

   상기 응답전류로부터 모터의 위치와 관계없는 전류성분을 제거하고, 위치와 관계된 전류성분만을 출력하는 위치무관성분제거부;

   상기 모터의 위치와 관계된 전류성분에서 추정된 위치와 실제 위치간의 오차를 계산하는 위치오차계산부; 및

   상기 추정 위치를 갱신하여 상기 계산된 위치 오차를 감소시키는 궤환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치.
3. 제 2항에 있어서 상기 위치오차계산부는

   다음 식을 통해 위치 오차를 계산하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치.

   

   ( 여기서, e는 상기 위치 오차를 나타내고,

   

   는 실제위치,

   

   는 추정위치를 나타낸다.)
4. 제 2항에 있어서 상기 궤환부는

   상기 위치 오차를 감소시키는 방향으로 추정속도의 크기를 결정하는 비례적분제어기;

   상기 추정속도를 적분하여 추정위치를 출력하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 하고,

   상기 적분기에서 출력된 추정위치는 상기 위치오차계산부로 궤환되어 입력되는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치.
5. 제 1항에 있어서 상기 응답전류변환부는

   상기 모터로 유입되는 3상 전압을 2상전류로 변환하는 3상/2상전류변환부; 및

   상기 변환된 2상전류를 밴드패스(Bandpass) 필터링하여 상기 응답전류로서 출력하는 밴드패스필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치.
6. 제 2항에 있어서 상기 위치무관성분제거부는

   상기 응답전류를 고정좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 고정/회전좌표변환부;

   상기 회전좌표계로 변환된 전류를 하이패스필터링하는 하이패스필터부;

   상기 하이패스필터링된 전류를 회전좌표계에서 고정좌표계로 변환하여 상기 모터의 위치와 관계된 전류성분으로서 출력하는 회전/고정좌표변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 장치.
7. 동기 릴럭턴스 모터로 인가되는 3상 전압을 응답전류값으로 변환하는 단계;

   상기 변환된 응답전류로부터 모터 특성에 무관한 위치오차 계산식에 따라 모터의 위치와 속도를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 위치와 속도를 추정하는 단계는

   상기 응답전류로부터 상기 모터의 위치와 관계없는 전류성분을 제거하고, 위치와 관계된 전류성분만을 출력하는 위치무관성분제거 단계;

   상기 모터의 위치와 관계된 전류성분에서 추정된 위치와 실제 위치간의 오차를 계산하는 단계; 및

   상기 추정 위치를 갱신하여 상기 계산된 위치 오차를 감소시키는 궤환단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법.
9. 제 8항에 있어서 상기 위치 오차를 계산하는 단계는

   다음 식을 통해 위치 오차를 계산하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법.

   

   ( 여기서, e는 상기 위치 오차를 나타내고,

   

   는 실제위치,

   

   는 추정위치를 나타낸다.)
10. 제 8항에 있어서 상기 궤환단계는

    상기 위치 오차를 감소시키는 방향으로 추정속도의 크기를 결정하는 비례적분제어단계;

    상기 추정속도를 적분하여 추정위치를 출력하는 적분단계를 포함하는 것을 특징으로 하고,

    상기 위치 오차를 계산하는 단계에서 사용되는 추정위치가 상기 적분단계에서 출력된 추정위치로 갱신되는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법.
11. 제 7항에 있어서 상기 응답전류값으로 변환하는 단계는

    상기 모터로 유입되는 3상 전압을 2상전류로 변환하는 단계; 및

    상기 변환된 2상전류를 밴드패스(Bandpass) 필터링하여 상기 응답전류로서 출력하는 밴드패스필터링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법.
12. 제 8항에 있어서 상기 위치무관성분제거 단계는

    상기 응답전류를 고정좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 단계;

    상기 회전좌표계로 변환된 전류를 하이패스필터링하는 단계;

    상기 하이패스필터링된 전류를 회전좌표계에서 고정좌표계로 변환하여 상기 모터의 위치와 관계된 전류성분으로서 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서가 부착되지 않은 모터 기동시 위치오차 계산 방법.

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