KR100763049B1 - 인코더를 사용하지 않고 엘리베이터에서의 영구 자석 동기모터를 작동하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 영구 자석 동기 모터는 각각 d-전류 피드백 루프와 q-전류 피드백 루프에 따른 d-축 전류 및 q-축 전류를 사용하여 제어된다. 모터의 속도 및 위치는 제1 신호를 d-축 전류에 주입하고 q-전류 피드백 루프 내에서의 응답을 관측함으로써 결정된다. q-전류 피드백 신호의 일부는 제1 신호와 90도 위상차가 있는 제2 신호로 복조된다. 복조된 신호는 바람직하게는 옵저버 제어기에 의해 수신되기 이전에 저역 필터를 통해 전송된다. 옵저버 제어기는 d-전류 피드백 신호를 변형하는데 사용되는 위치 추정값과 q-축 전류를 변형하는데 사용되는 속도 추정값을 출력한다.
피드백 신호, 피드백 루프, 영구 자석, 동기 모터, 인덕턴스

Description

인코더를 사용하지 않고 엘리베이터에서의 영구 자석 동기 모터를 작동하기 위한 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR ENCODERLESS OPERATION OF A PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR IN AN ELEVATOR}
본 발명은 엘리베이터 모터의 위치를 감지하는 기술분야에 관한 것으로서, 특히 인코더를 사용하지 않고 모터의 위치를 감지하는 기술분야에 관한 것이다.
동작 제어 산업(motion control industry)에서는 어떠한 기계적 위치 또는 속도 센서도 사용하지 않는 AC 구동에 대해 상당한 관심을 기울여 왔다. 이러한 작동 모드를 통상 무센서 제어라고 부른다. 샤프트 센서는 값이 비싸고, 취약하며, 부수적으로 케이블 공사를 필요로 하기 때문에, 동작 제어 구성으로부터 샤프트 센서를 제거하는 것은 비용을 감소시키면서 전반적으로 신뢰성을 향상시키는 결과를 가져온다.
인가된 스테이터 파형, 통상적으로는 전압이 로터 위치와 동등한 위상을 갖기만 한다면, 동기 AC 모터는 원하는 토크 생성을 이룰 수 있다. 따라서, 로터 위치의 파악은 엘리베이터 구동의 원활한 작동을 위해서는 필수적이다.
본 발명은 모터의 위치를 결정하기 위해 영구 자석 동기 모터(PMSM)의 특성을 이용한다. 전기 모터는 전자기학의 2가지 기본 원리를 따른다. 첫째는, 전류 가 도선을 통과할 때마다, 도선의 주위에는 전류의 양에 비례하는 세기를 갖는 전자기장이 생성되고, 둘째는 도선이 자기장을 통해 이동할 때마다, 자기장의 세기와, 도선의 크기와, 도선이 자기장을 통해 이동하는 속도 및 거리에 따라 전류가 도선에 발생된다.
PMSM 모터는 스테이터라고 부르는 고정부와, 로터라고 부르는 회전부를 포함하는 AC 모터이다. 스테이터 내의 권선 및 남과 북의 자극은, 권선으로 유도되는 AC 전류가 스테이터의 둘레를 회전하는 자기장을 만들도록 배열된다. 이러한 회전 자기장은 이어서 로터에 전류를 유도한다. 유도 로터 전류는 회전 스테이터 장을 따르는 자기장을 생성하여, 축에 부착된 로터가 회전하도록 만든다. 자기장의 회전 속도를 모터의 동기 속도라고 부른다. 로터 전자석은 회전 스테이터 자기장을 따라 잡으려 하지만, 스테이터와의 정렬에 접근함에 따라, 회전 자기장은 더 이상 로터 컨덕터와 교차하지 않게 되어서, 유도 전류는 감소하고 로터 장도 감소한다. 로터는 이어서 서행하여 스테이터의 회전 자기장의 속도 아래로 "슬립(slip)"한다. 로터가 서행함에 따라, 보다 많은 컨덕터들이 회전 자기장에 의해 교차되어, 로터 전류 및 장이 다시 증가되도록 만들어서, 스테이터 장에 대한 추적을 재개한다. 정상 상태의 동기 모터는 인가된 AC 전압의 주파수에 따라 거의 일정한 속도로 운행하는 경향이 있다. AC 모터 토크는 인가된 AC 전압의 진폭과 위상의 함수이다.
동기 모터의 로터 위치를 신속하고 신뢰성 있게 결정하는 시도들이 있어 왔다. 티. 아이하라(T. Aihara), 에이. 토바(A. Toba), 티. 야나세(T. Yanase), 에이. 마시모(A. Mashimo) 및 케이. 엔도(K. Endo)는, IEEE Trans. 파워 일렉트로닉 스, 14(10), 1999, pp.202-208, "제로 속도 작동시 철극형자극 동기 모터의 무센서 토크 제어"에서 PMSM의 카운터 기전력을 사용하는 위치 및 속도 무센서 제어를 개시하고 있다. 전압 신호는 d-축으로 주입되고, q-전류의 응답을 관측한다. 프로세싱은 고속 푸리에 변환(FFT)으로 수행된다.
엠. 제이. 콜리(M. J. Corley) 및 알. 디. 로렌츠(R. D. Lorenz)는, IEEE IAS 연례 회의, 1996, pp.36-41, "정지 및 고속시 PMSM에 대한 로터 위치 및 속도 추정"에서 양 축에 탐침 전압 신호들(그러나, 종이에 q-축으로 라벨링된 d-축에서 우세함)을 추가하는 것을 개시하고 있고, q-전류는 이후 위치 결정을 위해 사용된다. 알고리즘은 정상 상태 오프셋을 보여 준다.
"AC 기계용 구동부의 무변환기 위치 및 속도 추정 방법 및 장치"를 발명의 명칭으로 하는 [잔센(Jansen) 등에게 허여된] 미국 특허 제5,585,709호 및 제5,565,752호는 모터의 스테이터 권선의 기본 구동 주파수로 고주파수 신호를 주입하는 것을 개시하고 있다.
"인덕션 기계의 무센서 속도 제어를 위한 시스템"을 발명의 명칭으로 하는 (잔센에게 허여된) 미국 특허 제6,137,258호는 인덕션 기계용 로터 위치를 예측하기 위해 2차 장치인 돌극형 트래커(saliency tracker)를 개시한다.
"인덕션 기계용 구동부의 무변환기 플럭스 추정을 위한 방법 및 장치"를 발명의 명칭으로 하는 (잔센 등에게 허여된) 미국 특허 제5,559,419호와 "노치 필터를 구비한 개선된 모터 전류 제어기를 갖는 전기 보조 조향 시스템"을 발명의 명칭으로 하는 EP 0 943 527 A2호는 노치 필터의 사용을 개시한다.
제이. 엠. 김(J. M. Kim), 에스. 제이. 강(S. J. Kang) 및 에스. 케이. 설(S.K. Sul)은, 응용 파워 일렉트로닉스 회의, 1997. pp. 743-748, "샤프트 센서가 없는 내부 PMSM의 벡터 제어"에서 q-축으로 탐침 전류 신호를 주입함으로써 스위칭 패턴이 변형되고, 위치 에러를 평가하도록 전압 응답이 처리되는 제어 방법을 개시하고 있다. 이는 주입된 주파수가 전류 조절기의 대역폭 내에 존재해야만 한다는 것을 의미한다.
"고주파수 신호 주입에 의한 인덕션 기계의 무센서 장 배향 제어 방법"을 발 명의 명칭으로 하는 [설(Sul) 등에게 허여된] 미국 특허 제5,886,498호는 동기식으로 회전하는 기준 프레임에서의 요동 고주파수 신호를 기본 스테이터 주파수에 주입하는 것을 개시하고 있다.
"전기적 각도 검출 장치 및 이를 사용하는 동기 모터의 구동 시스템"을 발명의 명칭으로 하는 [가와바따(Kawabata) 등에게 허여된] 미국 특허 제5,608,300호와, "모터 제어 장치 및 모터 제어 방법"을 발명의 명칭으로 하는 [야마다(Yamada) 등에게 허여된] 미국 특허 제5,952,810호는 계단 신호와 사인 곡선 신호 모두가 모터에 주입되는 경우를 고려하고 있다. 사인 곡선 주입의 경우에서, 응답의 중요부를 구하기 위해 대역 필터가 사용된다. 이들 개시는 로터의 초기 위치 검출에 집중된다.
"영구 자석 동기 모터의 무센서 제어 시스템 및 방법"을 발명의 명칭으로 하는 [Sakakibara(사까끼바라) 등에게 허여된] 미국 특허 제5,903,128호는 시스템 응답으로부터 위치가 추정될 수 있도록 공급 전압을 변형하는 것을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 변형은 매우 단순하여(1개 또는 2개의 펄스), 제한적인 성능을 유발하기 싶다.
간단히 기술하면, 영구 자석 동기 모터는 각각의 d-전류와 q-전류 피드백 루프와 함께 d-축 전류와 q-축 전류를 사용하여 제어된다. 이하에서 상세히 기술하는 본 발명의 일 실시예에서, 모터의 위치와 속도는 d-축 전류로 제1 신호를 주입하고 q-전류 피드백 루프의 응답을 관측함으로써 결정된다. q-전류 피드백 신호의 일부는 제1 신호와 90도 위상차가 있는 제2 신호로 복조된다. 복조된 신호는 바람직하게는 옵저버 제어기에 의해 수신되기 전에 저역 필터를 통해 전송된다. 옵저 버 제어기는 d-축 전류 피드백 신호를 변형하는데 사용되는 위치 추정값과 q-축 전류를 변형하는데 사용되는 속도 추정값을 출력한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 영구 자석 동기 모터의 속도와 위치를 결정하기 위한 장치는 d-전류 피드백 루프를 포함하고 모터에 d-축 전류를 제공하기 위한 d-축 전류 수단, q-전류 피드백 루프를 포함하고 모터에 q-축 전류를 제공하기 위한 q-축 전류 수단, d-축 전류 수단으로 제1 신호를 주입하기 위한 수단, 모터의 추정 위치를 결정하기 위해 주입된 제1 신호에 응답하여 전류 피드백을 측정하기 위한 위치 추정 수단, 모터의 추정 위치를 결정하기 위해 주입된 제1 신호에 응답하여 전류 피드백을 측정하기 위한 속도 추정 수단을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 영구 자석 동기 모터의 속도와 위치를 결정하기 위한 방법은 (a) d-전류 피드백 루프를 제공하는 단계를 포함하면서 모터에 d-축 전류를 제공하는 단계와, (b) q-전류 피드백 루프를 제공하는 단계를 포함하면서 모터에 q-축 전류를 제공하는 단계와, (c) 제1 신호를 d-전류 피드백 루프의 외부의 d-축 전류로 주입하는 단계와, (d) 모터의 추정 위치를 결정하기 위해 주입된 제1 신호에 응답하여 전류 피드백을 측정하는 단계와, (e) 모터의 추정 속도를 결정하기 위해 주입된 제1 신호에 응답하여 전류 피드백을 측정하는 단계를 포함한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 사용된 옵저버 제어기를 도시하는 도면이다.
도2는 본 발명의 인코더가 없는 구동의 일 실시예를 위한 제어 회로를 도시 하는 도면이다.
도3은 기준 속도와 비교하여 본 발명을 사용하여 얻어진 속도 추정값을 도시하는 도면이다.
도4a는 본 발명에 따른 제어 회로의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도4b는 본 발명에 따른 제어 회로의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도5a는 본 발명에 따른 제어 회로의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
도5b는 본 발명에 따른 제어 회로의 다른 실시예를 도시하는 도면이다.
기계에 대한 모델링 가정은 표준적인 것이며, 자기 선형성, 극과 위상의 기하학적 대칭, 코깅(cogging) 토크의 부존재, 모두 우함수인 조화파(harmonic)(공간적으로)를 갖는 상호 인덕턴스 및 자체 인덕턴스를 포함한다. 가장 높은 조화파를 포함하는 것은 영구 자석에 의해 플럭스의 벡터를 복잡하게 하므로, 여기서는 DC와 제2 조화파 성분만을 가정한다. 이러한 가정하에서, 추정된 동기 프레임에 기계의 전기적 서브시스템을 위한 모델을 기술하기로 한다. LΣ는 d-축 및 q-축 인덕턴스의 평균이고, L△는 d-축 및 q-축 인덕턴스의 미분일 때, LΣ= (Ld+Lq )/2 이고, L△= (Ld-Lq)/2라 한다. (
Figure 112003014943165-pct00001
와 같은) "삿갓"을 갖는 양은 (
Figure 112003014943165-pct00002
의) 추정값을 나타내고, "틸데"를 갖는 양은 에러, 예컨대,
Figure 112003014943165-pct00003
를 나타낸다. 전기적 서브시스템에 대해,
Figure 112003014943165-pct00004
Figure 112003014943165-pct00005
Figure 112003014943165-pct00006
식(1)
이고, (관성 모멘트 H와 극쌍 P를 갖는) 기계적 서브시스템에 대해,
Figure 112003014943165-pct00007
일 때,
Figure 112003014943165-pct00008
식(2)
로 기술할 수 있다.
기계적 서브시스템은 이러한 목적을 위해서는 너무 느리므로, 전기적 서브시스템만이 파라미터 추정에 사용되는 경우를 고려한다. 대체로, 전기적 양(전압 및 전류)을 측정하고, (예컨대, 상태 필터 또는 다른 밴드 제한 미분을 사용하여) 도함수를 위한 양호한 근사값을 얻도록 신호를 처리하고, (예컨대, 최소 자승법을 사용하여) 미지의 파라미터를 추정하는, 표준 추정 추론법을 사용하여 주로 식(1)로부터 미지의 양(위치 및 전기적 파라미터)을 알 수 있다. 주된 논점은 여자(excitation)의 영속성, 즉 추정을 가능하게 할 만큼 신호가 충분하게 (정규 작동에서) 변화되어야 한다는 것이다. 그러나, 이러한 조건은 실제에서는 통상 만족되지 않으며, 우리는 에너지 효율적인 작동을 유지하면서 추정 가능한 전압 및 전류를 변형시키는 것을 중요시한다. 직면한 문제는 입력 설계들 중 하나, 즉 위치(
Figure 112003014943165-pct00009
) 및 전기적 파라미터(R, LΣ, LΔ)가 제시된 식으로부터 신뢰성 있게 추정될 수 있도록
Figure 112003014943165-pct00010
및
Figure 112003014943165-pct00011
를 무엇으로 선택해야 하는가 이다. 이러한 "주입"은 저 (DC) 주파에서 발생하는 에너지 변환에 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 일 실시예는 기존의 모터 제어 명령에
Figure 112003014943165-pct00012
의 형태의 전압 신호를 첨가한다. 바람직한 실시예는
Figure 112003014943165-pct00013
의 전압 신호, 즉 Vd sin (ωit) = 0인 전압 신호를 첨가한다. 위치 에러가 없는 (
Figure 112003014943165-pct00014
= 0) 경우에, 토크 생성 전류의 변화는 없다(
Figure 112003014943165-pct00015
). 실제로, 주입된 주파수(ωi)는 800 내지 850 Hz의 범위를 갖는다. 통상의 엘리베이터 구동의 작동 범위에 대해서, 식(1)의 마지막 항인 역 기전력 항은 주입된 주파수(ωi)에서 무시할 수 있는 값을 갖는다. 식(1)로부터, 주입된 주파수에서의 전류는 이하의 식을 만족한다.
Figure 112003014943165-pct00016
식(3)
여기서, 행렬의 인자들은 다음과 같다.
Figure 112003014943165-pct00017
추정 개요에 있어서, 이제 위치 에러는 L21 항에서 유도될 수 있다. L21의 허수 성분의 계산은 고속 작동 영역에 의존하는 속도의 영향을 최소화할 수 있게 한다. 저항은 실제로 분모에 위상을 추가하는 중요한 영향을 미치는데, 이는 추정을 어렵게 할 수 있다. 그러나, 주입된 주파수는 ωi를 포함하는 항이 모든 식에서 중요하도록 선택될 수 있다. 또한, 통상적인 지연은 기대되는 작동점에 대해 계산되어 후에 보상될 수 있다. 실험에서, 신호 대 노이즈 비를 개선하기에 충분히 높은 주파수(
Figure 112003014943165-pct00018
)를 사용한다.
전압 예측(feed-forward) 신호가 d-축(d = 직축 또는 자화축)에 주입되어, 그 후에 d-축에서의 신호의 위상 및 주입된 신호 주파수에서의 q-축(q = 가로축 또는 토크축)에서의 신호 수준이 전류 조절기에서 피드백되는 전류에 의해 변화된다. 이러한 주입된 신호의 왜곡(distortion)을 방지하기 위해, 충분한 폭의 노치 필터가 예측 전압을 주입하기 전에 사용된다. 또한, 추정된 프레임 q-축 피드백 전류는 주입된 주파수에서의 위치 에러 정보를 포함한다. 이러한 에러를 효과적으로 0으로 구동하는 하나의 방법은 옵저버를 사용하는 것이다.
도1을 참조하면, 옵저버 제어기(10)는 위치에서의 에러인 입력[
Figure 112003014943165-pct00019
(
Figure 112003014943165-pct00020
)]을 갖는 것으로 도시된다. 입력(
Figure 112003014943165-pct00021
)은 증폭기(12)에 의해 증폭되어 적분기(14)와 증폭기(16)를 통해 분리되어 통과된다. 증폭기(16)와 적분기(14)의 출력은 도면 부호 18에서 결합된다. 도면 부호 18의 출력은 적분기(20)를 통과하여 적분기(24)를 통과하기 전에 증폭기(16)의 출력과 도면 부호 22에서 결합된다. 적분기(24)의 출력은 위치 추정값(
Figure 112003014943165-pct00022
)이고, 주파수 추정값(
Figure 112003014943165-pct00023
)은 적분기(20)의 출력으로부터 얻어진다. 옵저버는 종래 기술의 인코더를 대체한다. 옵저버는 위치 추정값(
Figure 112003014943165-pct00024
)을 변화시켜서, 그 입력에서의 위치 에러 신호가 0이 되도록, 즉 추정된 로터 위치가 실제 로터 위치에 인접하게 이동되도록 한다. 옵저버는 모터 샤프트의 위치 및 속도를 추정(관측)하고, 엘리베이터 동작 요구치와 전자적 수단에 의한 전력 변환에 의해 공급된 것 사이의 토크 부정합량을 추정(관측)한다. 이러한 옵저버는 동일한 목적으로 설계된 다른 옵저버와는 상이하다. KP, KI 및 β의 선택은 특성 다항식 s3 + βs2 +Kp s + Ki의 동역학적 요구 조건을 만족시키도록 이루어진다. KP는 시스템의 비례상수이고, KI는 시스템의 적분상수이다. 이러한 경우에, 극 위치 방법을 사용하여 모든 극이 20 rad/sec으로 위치되도록 선택한다. 초기에 무센서 제어 알고리즘의 초기화에 요구되는 정보는, 예컨대 이전에 모든 엘리베이터 브레이크의 상승에 사용된 (가와바따 등에게 허여된) 미국 특허 제5,608,300호 또는 (야마다 등에게 허여된) 미국 특허 제5,952,810호에 기재된 알고리즘들 중 하나와 같은 초기 분리 위치 검출 알고리즘에서 얻어진다.
도2를 참조하면, 본 발명의 인코더가 없는 구동의 일 실시예에 대한 제어 회로(30)가 도시된다. 영구 자석 동기 모터(32)는 PWM(펄스 폭 변조; pulse width modulation) 인버터(34)의 출력에 의해 제어된다. 모터(32)는 실제 위치(θ) 및 실제 속도(ω)를 출력한다. 전류 센서(36, 38, 40)는 PWM 인버터(24)의 출력을 감 지하고, 그들의 출력은 측정 신호가 고정 프레임에서 3상으로부터 2상으로 전환되는 3/2 변환 블록(42)에서 통상적으로 소프트웨어에 의해 전환된다. 2상 신호에는, 동기 프레임 변환 블록(44)에 고정된 동기 변환 행렬이 곱해진다. 옵저버 제어기(10)로부터의 출력(
Figure 112003014943165-pct00025
)은 변환 행렬에 입력된다. 블록(44)으로부터의 d-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00026
)은 가산 접합(46)에서 기준 d-전류(
Figure 112003014943165-pct00027
)로부터 공제되어 d-축 전류 조절기(58)와 ωi를 제거하는 노치 필터(60)를 통과한다. 노치 필터(60)의 출력은, PWM 컨버터(34)가 이해할 수 있도록 신호가 변환되는 고정 프레임 변환 블록(64)과 동기되기 전에 가산 접합(62)에서 주입 전압[Vd cos(ωit)]과 함께 주입된다.
옵저버 제어기(10)로부터의 주파수 추정값(
Figure 112003014943165-pct00028
)은 가산 접합(50)에서 기준 주파수(ωref)로부터 공제된다. 출력은 비례 적분 제어기(52)로 전송된다. 블록(44)으로부터의 q-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00029
)은, q-축 전류 조절기(54)에 진입하기 전에 가산 접합(48)에서 비례 적분 제어기(52)의 출력으로부터 공제된다. 조절기(54)의 출력은 ωi를 제거하는 노치 필터(56)를 통과한다. 노치 필터(56)의 출력은 고정 프레임 변환 블록(64)으로 보내지고, 여기서 PWM 컨버터(34)가 이해할 수 있도록 신호가 변환된다.
주입된 신호[Vd cos(ωit)]와 90도 위상차가 있는 복조 신호[sin(ωit)]는 저역 필터(68)를 통과하기 전에 도면 부호 66에서 q-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00030
)과 결합된다. 저 역 필터(68)로부터의 신호는 옵저버(10)에 대한 입력값(
Figure 112003014943165-pct00031
)이다.
도3을 참조하면, 본 발명을 사용하여 얻어진 속도 추정값은 추적하고자 하는 기준 속도와 비교된다. 본 발명을 사용하여 얻어진 속도 추정값은 인코더를 사용한 속도 추정값과 거의 동일하다.
도1 및 도2의 회로를 검토하면, 위치(θ)는 전기적 파라미터(부하에 기초한 인덕턴스)보다 훨씬 빠르게 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서, 가장 빠른 블록에서 기계적 파라미터, 즉 위치가 추정되는 한편, 전기적 파라미터(가능하다면 속도도)는 더 느린 속도로 추정하는 다단계 추정 절차에 이르게 된다. 또한, 전기적 파라미터(위치를 아는데 필요함)의 추정은 선형 문제임에 유의하여야 한다. 부가적인 실시예는, (1) 음향 노이즈 감소를 위한 랜덤 성분을 가질 수도 있는 시변(ωi), (2) 추정 문제의 조절을 향상시키기 위한 하나 이상의 주파수(ωi)에서의 주입, 및 (3) 추정 문제의 조절을 향상시키기 위한 양 축(즉,
Figure 112003014943165-pct00032
)에서의 주입을 포함한다. 전기적 서브시스템을 모델링하는데 정상 관계를 사용하고 있기 때문에, 주입 주파수(ωi)는 ωi의 몇몇 사이클(예컨대, 10)에 대한 고정값 부근에서 유지되어야 한다는 것에 유의해야 한다.
신호를 주입하는 목적은, 순음이라기보다는 노이즈에 가까운 주입된 신호의 주파수 스펙트럼을 전개함으로써 고객 및/또는 사용자에 대한 방해를 감소시키고자 하는데 있다. ωi0 + sin(ωt)와 같은 시변 신호는 도2에서 모든 경우의 ωi를 선택적으로 대체한다. 주파수의 제 1 dc 항은 일정하지만, 사인 곡선 부분은 느리게 변하는 신호이다. 이에 따라, 주입된 신호가 음조라기보다는 노이즈로 들리도록 하는 효과를 갖는다.
도4a 및 도4b를 참조하면, 두 개의 주파수[Vd1 cos(ωi1t) + Vd2 cos(ω i2t)]는 가산 접합(62)에서 선택적으로 주입된다. 이로 인해 피드백 루프의 변화가 필요하며, 여기서 복조 신호[sin(ωi1t) 및 sin(ωi2t)]는 저역 필터(68)를 통과하기 전에 도면 부호 72 및 도면 부호 74에서 q-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00033
)과 개별적으로 결합된다. 추가의 주파수가 유사한 방식으로 주입될 수도 있다.
도5a 및 도5b를 참조하면, 양 축으로 신호를 주입하는 것이 LPF 블록 후에 얻어진 신호의 신호 대 노이즈 비를 개선할 목적으로 그리고 모터의 모든 인덕턴스 성분을 추정하도록 수행된다. 인덕턴스 성분(L11, L12, L21, L22 )은 식(3)에서 설명된다. L11 및 L22는 d-축 및 q-축의 인덕턴스를 결정할 수 있는 반면에, L12 및 L21은 제어기 옵저버(10)를 구동하기 위해 필요한 에러 신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 이들(L11 및 L22) 인덕턴스는 전류 조절기의 설계와 무센서 작동을 통한 추정의 품질을 결정하기 위해 사용될 수도 있다. 가산 접합(62)에서 전압[Vd cos(ωidt)]을 d-축으로 주입하는 것 외에, 추가적인 주입 전압[Vq sin(ωiqt)]이 가산 접합(76)에서 q-축에 주입된다. 2개의 주입 주파수는 동일하거나 또는 다를 수 있다.
피드백 루프에서 필요한 변화가 도5b에 도시된다. 축 전류(Id 및 Iq) 모두가 처리된다. 복조 신호[sin(ωidt) 및 cos(ωiqt)]는 저역 필터(68)를 통과하기 전에 가산 접합(86)에서 더해지기 전에 각각 도면 부호 78에서 q-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00034
)과, 도면 부호 80에서 d-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00035
)과 결합된다. 또한, 복조 신호[sin(ωidt) 및 cos(ωiqt)]는 블록(90)에서 LΔ를 결정하는데 사용하기 위해 가산 접합(88)에서 공제되기 전에 각각 도면 부호 82에서 q-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00036
)과, 도면 부호 84에서 d-전류 피드백(
Figure 112003014943165-pct00037
)과 결합된다. LΔ를 결정하는 것은 본 발명의 방법이 사용하기에 여전히 신뢰적인지에 대한 정보를 제공한다. 이것은 모터에 부하가 걸릴 때 로터 철이 포화되고 추정의 품질에 좋지 않은 LΔ가 0에 가까워지기 때문에 바람직하다. 따라서, LΔ를 모니터링 하는 것은 본 발명의 방법이 신뢰성 있게 사용될 수 있는 범위를 결정한다.
우리는 이하의 특성이 유일한 것으로 믿는다: (1) 추정의 다단계 특성(빠른 루프 내의 위치, 느린 루프 내의 전기적 파라미터), (2) 전기적 파라미터들은 작동 중 변화가 감소되는 기계적 파라미터에 대한 의존도와 같이 주 구동 제어기에 유용할 수 있으며, 또한 추정기(estimator) 자체에 유용할 수 있다. (3) 하나 이상의 주파수의 주입, (4) 시변 주파수, 선택적으로는 랜덤 성분의 주입, (5) 2개의 축으로의 개별 신호, 선택적으로는 다른 주파수의 주입.
종래 기술과는 달리, 주입 필터의 필터링은 노치 필터(56, 60)에서 발생하며 피드백 루프에서는 발생하지 않는다. 이것은 주입 주파수 부근의 몇몇 분광 내용을 갖는 명령 신호의 경우 중요한 차이점이다. 추정 프로세스를 잠재적으로 퇴보시키는 이러한 신호 성분은 노치 필터들에 의해 제거된다.
본 발명이 양호한 특정 실시예와 첨부된 도면들을 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 양호한 특정 실시예에 제한되지 않으며 다양한 변형 등이 후속하는 청구항에 정의된 본 발명의 범주 내에서 이루어 질 수 있다는 것은 본 기술 분야의 숙련자들에게 이해될 것이다.

Claims (24)

  1. 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치를 결정하기 위한 장치이며,
    d-전류 피드백 루프를 가지며, 모터에 d-축 전류를 제공하는 d-축 전류 수단과,
    q-전류 피드백 루프를 가지며, 모터에 q-축 전류를 제공하는 q-축 전류 수단과,
    상기 d-축 전류 수단으로 제1 신호를 주입하기 위한 수단과,
    상기 주입된 제1 신호에 응답하여 전류 피드백을 측정하여 모터의 추정 위치를 결정하는 3차 위치 추정 수단과, 상기 주입된 제1 신호에 응답하여 전류 피드백을 측정하여 모터의 추정 속도를 결정하는 속도 추정 수단을 갖는 옵저버 제어기를 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    모터를 제어하는 3상 제어 신호에서 전류를 감지하는 감지 수단과,
    상기 감지된 전류를 2상 고정 프레임 신호로 변환하는 제1 변환 수단과,
    상기 고정 프레임 신호를 동기 프레임 신호로 변환하는 제2 변환 수단을 더 포함하며,
    상기 옵저버 제어기는 상기 q-전류 피드백 루프로부터의 입력을 수신하고 제2 변환 수단에 위치 추정값을 제공하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 옵저버 제어기는 상기 q-전류 피드백 루프로부터의 입력을 수신하고 상기 q-축 전류 수단에 속도 추정값을 제공하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    모터를 제어하는 3상 제어 신호에서 전류를 감지하는 감지 수단과,
    상기 감지된 전류를 2상 고정 프레임 신호로 변환하는 제1 변환 수단과,
    상기 고정 프레임 신호를 동기 프레임 신호로 변환하는 제2 변환 수단을 더 포함하며,
    상기 옵저버 제어기는 제2 변환 수단에 위치 추정값을 제공하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 q-전류 피드백 루프로부터 상기 옵저버 제어기로의 상기 입력이 상기 옵저버 제어기로 진입하기 전에 제2 신호로 복조되는 제1 복조 수단을 더 포함하며, 상기 제2 신호는 상기 제1 신호와 90도 위상차가 있는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 q-전류 피드백 루프로부터 상기 옵저버 제어기로의 상기 복조된 입력은 상기 옵저버 제어기로 진입하기 전에 저역 필터를 통과하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 d-축 전류 수단은 상기 제1 신호의 주파수에서 제1 노치 필터를 가지며, 상기 q-축 전류 수단은 상기 제1 신호의 상기 주파수에서 제2 노치 필터를 가지며, 상기 제1 노치 필터는 상기 d-전류 피드백 루프를 제외하고 위치되며, 상기 제2 노치 필터는 상기 q-전류 피드백 루프를 제외하고 위치되는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제1 신호는 시변 주파수를 갖는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 d-축 전류 수단으로 제3 신호를 주입하는 수단과,
    상기 q-전류 피드백 루프를 제4 신호로 복조하는 제2 복조 수단과,
    상기 제1 및 제2 복조 수단으로부터의 출력을 가산하며 그 출력을 상기 옵저버 제어기로 전송하는 가산 수단을 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 q-축 전류 수단으로 제3 신호를 주입하는 수단과,
    상기 d-전류 피드백 루프를 제4 신호로 복조하는 제2 복조 수단과,
    상기 제1 및 제2 복조 수단으로부터의 출력을 가산하며 그 출력을 상기 옵저버 제어기로 전송하는 가산 수단을 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 q-전류 피드백 루프를 상기 제4 신호로 복조하는 제3 복조 수단과,
    상기 d-전류 피드백 루프를 제2 신호로 복조하는 제4 복조 수단과,
    상기 제3 복조 수단의 출력에서 상기 제4 복조 수단의 출력을 공제하는 제2 가산 수단과,
    상기 제2 가산 수단으로부터의 출력에 응답하여 상기 d-축 전류 수단과 상기 q-축 전류 수단의 미분 인덕턴스에 대한 값을 결정하는 수단을 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 옵저버 제어기는 상기 입력을 수신하고 제1, 제2 및 제3 분기부에서 상기 입력을 처리하며,
    상기 제1 분기부의 제1 부분은 상기 입력 신호를 제1 상수만큼 증폭하고,
    상기 제2 분기부는 제2 상수를 사용하여 상기 입력 신호를 적분하고,
    상기 제2 분기부의 출력과 상기 제1 부분의 출력은 상기 제1 분기부의 제2 부분에서 제1 결합 신호로 결합되고,
    상기 속도 추정값이 취해지는 적분된 제1 결합 신호를 생성하도록 상기 제1 결합 신호가 적분되고,
    상기 제3 분기부는 상기 입력 신호를 제3 상수만큼 증폭시키고,
    상기 제3 분기부의 출력과 상기 적분된 제1 결합 신호는 제1 분기부의 제3 부분에서 결합되어 제2 결합 신호를 생성하며,
    상기 제2 결합 신호는 적분되어 위치 추정값을 생성하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 장치.
  13. 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치를 결정하는 방법이며,
    d-전류 피드백 루프를 제공하는 단계를 가지며, 모터에 d-축 전류를 제공하는 단계와,
    q-전류 피드백 루프를 제공하는 단계를 가지며, 모터에 q-축 전류를 제공하는 단계와,
    제1 신호를 d-전류 피드백 루프 외부의 상기 d-축 전류로 주입하는 단계와,
    상기 주입된 제1 신호에 응답하여 전류 피드백을 측정하는 단계와,
    상기 전류 피드백에 응답하여 3차 옵저버를 사용하여 모터의 위치를 추정하여 모터의 추정 위치를 결정하는 단계와,
    상기 전류 피드백에 응답하여 모터의 추정 속도를 결정하는 단계를 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    모터를 제어하는 3상 제어 신호에서 전류를 감지하는 단계와,
    상기 감지된 전류를 2상 고정 프레임 신호로 변환하는 단계와,
    상기 고정 프레임 신호를 동기 프레임 신호로 변환하는 단계와,
    상기 q-전류 피드백 루프로부터의 입력을 수신하며 고정 프레임 신호를 동기 프레임 신호로 변환하는 단계에서 사용하기 위한 위치 추정값을 제공하는 단계를 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 q-전류 피드백 루프로부터의 입력을 수신하는 단계와,
    상기 q-전류 피드백 루프로부터의 상기 입력에 기초하여 속도 추정값을 제공하는 단계와,
    상기 q-축 전류를 제공하는 단계에서 사용될 기준 주파수와 상기 속도 추정값을 결합하는 단계를 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    모터를 제어하는 3상 제어 신호에서 전류를 감지하는 단계와,
    상기 감지된 전류를 2상 고정 프레임 신호로 변환하는 단계와,
    상기 고정 프레임 신호를 동기 프레임 신호로 변환하는 단계와,
    상기 q-전류 피드백 루프로부터의 입력에 기초하여 상기 고정 프레임 신호를 동기 프레임 신호로 변환하는 단계에서 사용되도록 위치 추정값을 제공하는 단계를 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 속도 추정값 및 상기 위치 추정값을 결정하기 위해 상기 q-전류 피드백 루프로부터의 상기 입력을 사용하기 전에 q-전류 피드백을 제2 신호로 복조하는 단계를 더 포함하며, 상기 제2 신호는 상기 제1 신호와 90도 위상차가 있는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 속도 추정값 및 상기 위치 추정값을 결정하기 위해 상기 q-전류 피드백 루프로부터의 상기 입력을 사용하기 전에 상기 복조된 q-전류 피드백을 저역 필터에 통과시키는 단계를 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 d-축 전류를 제공하는 단계는 상기 제1 신호의 주파수를 필터링하는 단계를 포함하고, 상기 q-축 전류를 제공하는 단계는 상기 제1 신호의 주파수를 필터링하는 단계를 포함하고, 상기 제1 신호의 주파수를 필터링하는 단계들은 상기 d-전류 피드백 루프 및 상기 q-전류 피드백 루프를 제외하고 수행되는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제1 신호는 시변 주파수를 갖는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제3 신호를 상기 d-축 전류에 주입하는 단계와,
    상기 q-전류 피드백 루프를 제4 신호로 복조하는 단계와,
    상기 제2 및 제4 신호로 복조하는 단계로부터의 출력을 가산하는 단계와,
    상기 가산하는 단계의 출력을 상기 옵저버 제어기로 전송하는 단계를 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    제3 신호를 상기 q-축 전류에 주입하는 단계와,
    상기 d-전류 피드백 루프를 제4 신호로 복조하는 단계와,
    상기 제2 및 제4 신호로 복조하는 단계로부터 출력을 가산하는 단계와,
    상기 가산하는 단계의 출력을 상기 옵저버 제어기로 전송하는 단계를 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 q-전류 피드백 루프를 상기 제4 신호로 복조하는 단계와,
    상기 d-전류 피드백 루프를 상기 제2 신호로 복조하는 단계와,
    상기 제4 신호로 복조하는 단계의 출력에서 상기 제2 신호를 복조하는 단계의 출력을 공제하는 단계와,
    이전 단계에 기초하여 상기 d-축 전류와 상기 q-축 전류의 미분 인덕턴스에 대한 값을 결정하는 단계를 더 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 속도 추정값 및 상기 위치 추정값을 제공하는 단계는,
    상기 입력을 수신하여 제1, 제2 및 제3 분기부에서 상기 입력을 처리하는 단계와,
    상기 제1 분기부의 제1 부분에서 상기 입력 신호를 제1 상수만큼 증폭시키는 단계와,
    상기 제2 분기부에서 제2 상수를 사용하여 상기 입력 신호를 적분하는 단계와,
    상기 제2 분기부의 출력과 상기 제1 부분의 출력을 상기 제1 분기부의 제2 부분에서의 제1 결합 신호로 결합하는 단계와,
    상기 제1 결합 신호를 적분하여 상기 속도 추정값이 취해지는 적분된 제1 결합 신호를 생성하는 단계와,
    상기 제3 분기부에서 상기 입력 신호를 제3 상수만큼 증폭시키는 단계와,
    상기 제1 분기부의 제3 부분에서 상기 제3 분기부의 출력과 상기 적분된 제1 결합 신호를 결합하여 제2 결합 신호를 생성하는 단계와,
    상기 위치 추정값을 생성하도록 상기 제2 결합 신호를 적분하는 단계를 포함하는 영구 자석 동기 모터의 속도 및 위치 결정 방법.
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