KR100766665B1

KR100766665B1 - 유도 전동기의 속도 추정치 보정 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100766665B1
Application number: KR1020037008083A
Authority: KR
Inventors: 이나즈미마사노부
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2007-10-11
Also published as: EP1345315A1; US20040036441A1; US6909257B2; JP2002186295A; CN1481604B; WO2002050993A1; KR20030061449A; JP3707535B2; EP1345315A4; CN1481604A; TW546907B

Abstract

유도 전동기의 센서리스 벡터 제어에 이용되는 제어 장치의 자속 추정기(7)는, 입력된 α상, β상 각 전압 지령(V_α ^＊, V_β ^＊)과 α상, β상 각 전류 (i_sα, i_sβ)로부터 속도 추정치(ω_rset) 및 위상 추정치(θ_lest)를 연산하여 출력한다. 속도 보정기(8)는 이들의 정보를 입력하고, 위상 추정기의 미분치와 별도 입력된 미끄럼 각속도와의 차를 계산하고 편차(ω'_rest)로 한다. 또한 이 편차로부터 미끄럼 각주파수(ω_s)를 뺀 값의 1차 지연 적분치에 보정 게인을 곱한 것을 보정분으로 하여, 속도 추정치(ω_rest)를 보정함으로써 정확한 속도 추정치(ω" _rest)를 얻는다.

Description

유도 전동기의 속도 추정치 보정 방법 및 그 장치{METHOD FOR CORRECTING ESTIMATE OF SPEED OF INDUCTION MOTOR AND ITS DEVICE}

본 발명은 유도 전동기의 벡터 제어 방법과 그 장치에 관한 것으로, 특히 자속 추정기에 의한 전동기 속도나 그 밖의 정보의 추정 방법을 이용하는 센서리스 벡터 제어 방법과 그 장치에 관한 것이다.

벡터 제어 방법을 실현하기 위해서는 모터의 속도와 위치와의 정보가 필요하지만, 센서리스 벡터 제어 방법에서는 이들의 정보를 얻는 방법으로서 센서를 이용하지 않고, 그 대신에 자속 추정기에 의해 각종 정보를 추정하고 있다.

따라서 종래의 유도 전동기 자속 추정기는 k·T_s초(k는 제어 단계의 순서를 나타내는 정수, T_s는 제어 단계의 주기)의 시점에서 유도 전동기에 공급되는 전류 중 적어도 2상분의 고정자측 전류(예컨대 U상 전류(i_su(K)), V상 전류(i_sv(k))) 및 고정자측 전압(예컨대 U상 전압(V_su(k)), V상 전압(V_sv(k)))을 검출하여, 3상-2상 변환에 의해, 통상 벡터 제어에서 이용되고 있는 정지 좌표계의 α-β축 좌표계에, 상기의 전류, 전압을 좌표 변환하여 각각 k·T_s 초 때의 α상 전류(i_sα(k)), β상 전류(i_sβ(k)), α상 전압 (V_α(k)), β상 전압(V_β(k))을 산출한다.

종래예 1로서, 전학론D, Vo1.III.No.11, p.954-960(1991)에 개시된 유도 전동기의 상태 방정식에서 유도된 자속 추정기의 식(1) 및 속도 추정식(2), 위상 추정식(3)은 다음과 같다. 또 추정치에는 첨자「est」를 붙여, 그것이 추정치인 것을 알 수 있도록 표시하고 있다.

단,

R_s : 고정자 저항 R_r : 로터 저항 L_m : 로터, 고정자 상호 컨덕턴스 L_s : 고정자 자기 인덕턴스 L_r : 로터 자기 인덕턴스

ω_r: 속도 ω_rest: 속도 추정치

g₁, g₂, g₃, g₄: 옵저버 피드백 게인

i_sα: 고정자 α상 전류, i_sβ: 고정자 β상 전류, V_α: 고정자 α상 전류 , V_β: 고정자 β상 전압

i_sαest: 고정자 α상 전류 추정치, i_sβest: 고정자 β상 전류 추정치

φ_rαest: 로터 α상 계자(界磁) 자속 추정치, φ_rβest: 로터 β상 계자 자속 추정치

다음에 이들을 축차형으로 전개한 식을 나타낸다.

위 식에 따라서 동작하는 유도 전동기 제어 회로용의 옵저버를 이용하여, 제어 단계 k의 추정치 등에 의해, 제어 단계 (k+1)의 추정치를 산출한다. 즉, 제어 단계 k의 제어 루프로 추정된 k·T_s초 때의 α상 전류 추정치(i_sαest(k))와 α상 전류(i_sα(k))와의 추정 오차

i_sα(k)-i_sαest(k)

β상 전류 추정치 (i_sβest(k))와 β상 전류 (i_sβ(k))와의 추정 오차

i_sβ(k)-i_sβest(k)

을 이용하여, (k+1)·T_s초일 때 추정치(i_sαest(k+1),i_sβest(k+1),

_rαest(k+1),

_rβest(k+1))를 산출한다.

상술한 바와 같이 종래예 1은 고정자측 전압 (V_α, V_β)를 이용하기 위한 전압 센서를 필요로 한다.

다음으로, 종래예 2로서 일본국 특개평 제7-l23798호 공보에 도시된 유도 전동기의 속도 센서리스 벡터 제어 방식은, 유도 전동기의 실속도치를 추정하는 과정에서의「지연」에 의한 벡터 제어로의 장해를 방지하는 것을 목적으로 하고, 동일 차원 자속 옵저버와 속도 적응 기구로 이루어지는 속도 적응 2차 자속 옵저버에 의해 유도 전동기의 실속도치를 추정하고, 이 실속도 추정치와 속도 지령치와의 비교 오차 신호에 의해서 전류 제어부를 제어하여 벡터 제어를 하는 유도 전동기의 속도 센서리스 벡터 제어 방식이고, 상기 동일 차원 자속 옵저버에 의한 전동기 2차 자속 추정치를 적분하여 전동기의 미끄럼 각주파수 수정치를 얻고, 상기 전류 제어부를 제어하는 미끄럼 각주파수 지령치를 수정한다.

그러나 종래 기술의 유도 전동기 자속 추정기에 있어서는, 상술한 종래예1에서 볼 수 있는 전압 센서를 삭제하여, 비용 삭감을 행하는 것이 강하게 요구되고 있다. 따라서 비용 삭감을 실현하는 하나의 방법으로서, 종래예 2와 같이, α상 전압 실측치(V_α(k)), β상 전압 실측치(V_β(k)) 대신에, α상 전압 지령치(V_α ^＊(k)), β상 전압 지령치(V_β ^＊(k))를 사용하는 것으로 생각할 수 있다. 그러나 이 경우, 전압 지령치와 실제치 간에 오차가 있을 수 있고, 로터 쇄교(鎖交) 자속 추정치(

_rαest,

_rβest)및 속도 추정치(ω_rest)에 오차가 발생하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은, 상술한 바와 같이 종래예의 결점을 해소하여 정밀하게 속도 추정을 할 수 있는 속도 센서를 구비하고 있지 않은, 소위 속도 센서리스 유도 전동기의 속도 추정치 보정 방법과 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 목적을 달성하기 위해서 본 발명은, 종래의 자속 추정기에 의해 얻은 위상 추정치 (θ_lest)와 미끄럼 각속도( ω_s)에 의해 하기의 식을 이용하여

(7)

속도 추정치(ω'_rest)를 구한다. 위상 추정치(θ_lest)와 위상의 실제치(θ_l) 간에 정상적인 추정 오차가 있다 하여도, 미분하면 정상적인 오차는 소거되므로, 식(7)과 같이 위상 추정치(θ_lest)를 미분한 일차 각속도에 미끄럼 각속도(ω_s)를 뺀 값, ω'_rest는 모터의 정확한 속도 추정치가 된다. 이점을 이용하여, 이하에 나타낸 보정을 한다.

(8)

k_p:보정 게인, T_s: 일차 지연시의 정수

위의 식 (ω"_rest)는 실제의 속도(ω_r(k))에 일치한다.

더욱 상세하게 설명하자면, 입력 전압의 오차나 정수 연산의 연산 오차에 의한 속도 추정치(ω_rest)의 어긋남을 보정하기 위해서, 자속 추정기로부터 추정한 로터 쇄교 자속 추정치(φ_rαest, φ_rβest)로부터 식 (6)의 연산으로 구한 위상 추정치 (θ_lest)의 미분치와 미끄럼 주파수 연산에 의해 연산한 미끄럼 각속도(ω_s)와의 차로부터 구한 속도(ω'_rest)와, 속도 추정치(ω_rest)와의 차를 구하여, 과도(過渡)적인 변화를 억제하기 위해 일차 지연 적분기로 적분하고, 속도 추정치(ω_rest)와의 차로부터 식 (8)의 속도 추정치(ω"_rest)를 구한다.

도 1은 본 발명의 유도 전동기의 속도 추정치의 보정 방법의 일 실시 형태가 적용된 유도 전동기의 제어 시스템예의 기능 구성을 도시하는 블록도이다.

다음으로, 본 발명의 실시 형태에 관하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 유도 전동기 자속의 속도 추정치 보정 방법의 일 실시 형태가 적용된 유도 전동기의 제어 시스템 예의 구성을 도시하는 블록도이다.

도 1의 제어 시스템 블록도에 관한 구성과 동작을 설명한다. 또, 본 설명문 중에서는, 전동기의 고정자 상(上)의 좌표계를 α-β축 정지 좌표계로 하고, 일차 자계의 각속도와 동일 각속도로 회전하는 좌표계를 d-q축 회전 좌표로 한다.

외부와 후술하는 속도 보정기(8)로부터 속도 지령(ω_r ^＊)과 속도 추정치(ω"_rest)가 각각 속도 콘트롤러(1)에 입력되고, 속도 콘트롤러(1)는 다음 식

k₁:비례 게인, T₁ : 적분시간

에 의해, 회전 좌표계의 q상 전류 지령(i_q ^＊)을 연산하여 출력한다. q상 전류 콘트롤러(2)는 이 i_q ^＊과 위상 변환기(10)로부터 출력된 q상 전류치(i_q)를 입력하고, 다음 식

k₂:비례 게인, T₂ : 적분시간

에 의해 q상 전압 지령(v_q ^＊)을 연산하여 출력한다. 한편, 외부로부터의 회전 좌표계의 d상 전류 지령(i_d ^＊)과 위상 변화기(10)로부터의 d상 전류치(i_d)가 각각 d상 전류 콘트롤러(3)에 입력되어, d상 전류 콘트롤러(3)는 다음 식

k₃:비례 게인, T₃ : 적분시간

에 의해 d상 전압 지령(v_d ^＊)을 출력한다. 전압 지령( v_q ^＊, v_d ^＊)은 벡터 제어 회로(4)에 입력되고, 벡터 제어 회로(4)는 이들의 전압 지령(v_q ^＊, v_d ^＊) 을 다음 식

을 이용하여 자속 추정기(7)로부터 입력된 위상(θ_lest)에 의해, 정지 좌표계의 α상 전압 지령(v_α ^＊), β상 전압 지령(v_β ^＊)에 각각 환산하여 출력한다. 인버터 회로(5)는 이들의 전압 지령(v_α ^＊, v_β ^＊)에 따라서 유도 전동기(9)를 구동한다. 상변환기(6)는 유도 전동기의 U상 전류(i_su)와 V상 전류(i_sv)를 입력하고, 다음 식,

을 이용하여 정지 좌표계의 α상 전류(i_sα)와 β상 전류(i_sβ)로 변환한다. 자속 추정기(7)는, 이들의 α상 전류(i_sα), β상 전류(i_sβ)와 전압 지령(v_α ^＊, v_β ^＊)를 입력하고, α상, β상 전류 추정치(i_sαest, i_sβest)(도시 생략), 로터 쇄교 자속 추정치(

_rαest,

_rβest)(도시 생략), 및 속도 추정치(ω_rest), 위상 추정치(θ_lest)를 출력한다. 즉 자속 추정기(7)는 상술한 식 (1) 내지 식 (3)을 내장하고 있고, 이들의 식에 의해 이들 정보의 연산을 한다. 위상 변환기(1O)는 위상 추정치(θ_lest)를 이용하여 다음 식

에 의해

α, β상전류(i_sα,i_sβ)를 변환하고, d, q 상 전류치(i_d,i_q)를 각각 출력한다.

상술한 각 요소의 구성과 동작은 종래의 센서리스 벡터 제어로서 공지된 것이다. 따라서 본 실시 형태예에서는, 또한 설치된 속도 보정기(8) 및 미끄럼 주파수 연산기(11)를 이용하여, 자속 추정기(7)로부터 출력되는 속도 추정치(ω_rest)의 보정을 하고, 정확한 속도 추정치(ω"_rest)를 속도 콘트롤러(1)에 공급한다.

즉, 미끄럼 주파수 연산기(11)는 d상 전류 지령(i_d ^＊)와 q상 전류 지령 (i_q ^＊) 을 입력하고, 다음 식

k₄: 환산 계수

에 의해, 미끄럼 각속도(ω_s)를 연산하여 출력한다. 속도 보정기(8)는 자속 추정기(7)로부터 속도 추정치(ω_rest) 및 위상 추정치(θ_lest)를, 그리고 미끄럼 주파수기(11)로부터 미끄럼 각속도(ω_s)를 각각 입력하고, 내장하고 있는 상술한 식 (7) 및 식 (8)을 이용하여 입력된 속도 추정치(ω_rest)의 보정을 행하여, 보다 정확한 속도 추정치(ω")를 연산한다.

본 실시 형태예는 이와 같이, 속도 추정치(ω_rest)에 오차가 발생한 경우라도 보정에 의해, 전동기의 속도 정밀도, 토크 정밀도를 보다 정확하게 유지시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 종래의 센서리스 벡터 제어에 이용되고 있는 자속 추정기에 의해 연산 출력되는 유도 전동기의 속도 추정치에 대하여, 소정의 연산식을 이용하여 보정함으로써, 속도 추정치에 오차가 발생하여도 항상 정확한 속도 추정치를 얻을 수 있어, 유도 전동기의 속도 정밀도, 토크 정밀도를 높일 수 있다.

Claims

유도 전동기에 공급되는 전류 중 적어도 2상분의 고정자측 전류를 검출하여, 정지 좌표계의 α-β축 좌표계로 변환한 α상 전류 및 β상 전류와 α-β축 좌표계로 변환된 전압 지령치를 자속 추정기에 입력하고, 전류 추정치, 2차측 쇄교 자속 추정치, 속도 추정치, 위상 추정치를 추정하는 자속 추정기를 이용하는 유도 전동기의 속도 센서리스 벡터 제어 방법에 있어서,

위상 추정치의 미분치로부터 미끄럼 각속도를 뺀 값에 대한 속도 추정치의 편차에 소정의 보정 계수를 곱한 보정량을 속도 추정치에 더하여, 보정된 속도 추정치를 얻는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 추정치 보정 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 편차는 다음 식

단, ω'_res: 편차

θ_lest: 위상 추정치

ω_s: 미끄럼 각속도

로 나타내고, 상기 보정된 속도 추정치는 다음 식

단, k_p: 보정 게인 T_s: 일차 지연 시정수

ω_rest:속도 추정치

ω"_rest:보정된 속도 추정치

로 나타내는 유도 전동기의 속도 추정치 보정 방법.
유도 전동기에 공급되는 전류 중 적어도 2상분의 고정자측 전류를 검출하고, 정지 좌표계의 α-β축 좌표계로 변환한 α상 전류 및 β상 전류와 α-β축 좌표계로 변환된 전압 지령치를 자속 추정기에 입력하고, 전류 추정치, 2차측 쇄교 자속 추정치, 속도 추정치, 위상 추정치를 추정하는 자속 추정기를 이용하는 유도 전동기의 속도 센서리스 벡터 제어 장치에 있어서,

위상 추정치의 미분치로부터 미끄럼 각속도를 뺀 값에 대한 속도 추정치의 편차에 소정의 보정 계수를 곱한 보정량을 속도 추정치에 더하여, 보정된 속도 추정치를 얻는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 추정치 보정 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 편차는 다음 식

단, ω'_res: 편차

θ_lest:위상 추정치

ω_s:미끄럼 각속도

로 나타내어지고, 상기 보정된 속도 추정치는 다음 식

단, k_p: 보정 게인 T_s: 일차 지연 시정수

ω_rest: 속도 추정치

ω"_rest: 보정된 속도 추정치

로 나타내는 유도 전동기의 속도 추정치 보정 장치.