KR100881360B1 - 유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 전동기의 센서리스 벡터제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 센서리스 제어시에 이용되는 트랜지션 행렬의 1차항을 연속적으로 두번 적분함으로써, 고속에서도 회전자 자속과 고정자 전류를 정확히 추정하여 센서리스 벡터제어 성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치에 있어서, 고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 미분 상태 방정식에 적용하고, 그 미분 상태 방정식에 적용되어 출력되는 값을 적분하여 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력하는 전차원 상태 관측기와 고정자 오차 전류 값과 상기 회전자 추정 자속을 입력받아 속도 추정값과 고정자 저항 추정값은 추정하여 상기 전차원 상태관측기로 출력하는 속도/고정자 저항 추정기를 포함하여 구성한다.

Description

유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치 및 방법{A SENSORLESS VECTOR CONTROL APPARATUS AND A SENSORLESS VECTOR CONTROL METHOD FOR A INDUCTION MOTOR}

도 1은 종래 기술의 일 예에 따른 유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치에 대한 구성을 보인 개략도.

도 2는 도 1에 있어서, 전차원 상태 관측기를 사용한 경우의 전류 추정 결과를 보인 파형도.

도 3은 본 발명에 따른 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치에 대한 구성을 보인 개략도.

도 4는 도 3에 있어서, 전차원 상태 관측기를 사용한 경우의 전류 추정 결과를 보인 파형도.

--도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명--

1: 전 차원 상태 관측기 2: 속도/고정자 저항 추정기

3: 유도모터 4,5: 적분기

본 발명은 유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 고속에서도 회전자 자속과 고정자 전류를 정확히 추정하여 센서리스 벡터제어 성능을 향상시킬 수 있도록 한 유도전동기의 센서리스 벡터제어장치 및 방법에 관한 것이다.

속도검출기{통상 로터리 엔코더(Rotary Encoder)로 불리며 전동기 회전 출력 축상에 설치되어 전동기의 회전속도를 검출해 주는 장치}가 없는 센서리스 벡터제어 장치(대표적으로 센서리스 벡터제어 인버터)는 리프트(Lift) 또는 호이스트 (Hoist) 산업분야에서 구동용 유도전동기의 제어장치로서 많은 관심을 얻고 있고 시장도 확대 추세에 있다.

센서리스 벡터 제어 이론, 전차원 관측기를 유도전동기 벡터 제어장치(상용적으로는 벡터제어 인버터)에 적용하여 제어기의 이득(Gain), 각종 제한 값(Limit Value), 기준 값(Reference Value), 전향 보상치(Feed Forward Compensation Value), 정확한 자속과 전류의 추정치를 얻기 위한 관측기 이득행렬(Estimator Gain Matrix), 입력 행렬 요소(Input Matrix Element) 등의 제어 값들을 결정하려면, 제어 대상 유도전동기의 정수들을 알아야 할 필요가 있다. 유도전동기 또는 영구자석 동기 전동기의 등가 회로 정수는 회전자 구속 시험(Locked Rotor Test), 무부하 시험 등을 통하여 구할 수 있으나, 이러한 시험으로 얻은 등가 회로 정수는 전동기의 실제적 운전 상태에서 얻은 값이 아니므로 운전 중 유도 전동기의 제어를 위한 회로 정수로 사용하기에는 오차가 크고 제어신뢰성이 저하된다.

또한 유도전동기의 설계 자료나 성능시험 결과로부터 등가 회로 정수를 구할 수도 있으나 이러한 자료나 시험결과는 사용자 및 유도전동기 벡터 제어장치의 개발 및 제조자 측에서 손쉽게 입수하기 어렵다.

도 1은 종래 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치에 대한 구성을 보인 개략도이다.

도 1에 도시된 바와같이, 종래 유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치는, 고정자 지령 전압(

)과, 상기 고정자 측정전류(

)와 고정자 추정 전류(^i^s _s)간의 오차전류와, 고정자 저항 추정 값을 입력으로 하여 고정자 추정 전류(^i^s _s)과 회전자 추정 자속(^λ^s _r)을 추정하여 제공하는 전 차원 상태 관측기(1)와; 상기 고정자 측정전류(

)로부터 전 차원 상태 관측기(1)로부터 출력된 고정자 추정 전류(^i^s _s)를 감산한 상기 오차전류 값과, 상기 전 차원 상태 관측기(1)가 제공하는 회전자 추정 자속(^λ^s _r)을 근거로 고정자 저항을 추정하여 제공하는 고정자 저항 추정기(2)를 포함한다.

상기 전 차원 상태 관측기(1)는 고정자 전압을 입력으로 하여 회전자 자속과 고정자 전류를 추정한다.

이러한 종래 전 차원 상태 관측기(1)의 동작을 설명한다.

우선, 종래 전 차원 상태 관측기(1)를 마이크로 프로세서에 의해 디지털로 구현하기 위해서 다음 수학식 1과 같이 잘 알려진 행렬 지수 시리즈 전개식(Series Expansion of the matrix exponential)을 사용한다.

[수학식1]

상기 수학식 1에서 T는 샘플링 시간(sampling time)이다.

상기 수학식1은 전차원 상태 관측기(1)를 디지털로 구현하기 위해 필요한 트랜지션(천이) 행렬이고, 일반적으로는 1 차항 까지만 사용하여 디지털식으로 변환 한다.

하기의 수학식2는 상기 수학식 1의 1차 항까지의 트랜지션(Transition) 행렬을 사용하여 차등 방정식(linear differential equation)의 디지털 식으로 표현한 것이다.

[수학식2]

여기서,

이고, 디지탈식으로 구현된 식을 변수 t 대신 n과 n+1의 관계식으로 다시 표현하면 하기의 수학식3과 같다.

[수학식3]

상기 수학식 3의 행렬은 하기의 수학식 4에서 도출된 행렬들이다.

[수학식4]

여기서,

이다. 또한, 여기서 V_s 는 고정자 전압으로서 인버터에서 유도 전동기로 출력되는 출력전압이고,

는 전 차원 상태 관측기가 추정하는 고정자 전류 값이며 i_s 는 변류기와 같은 전류센서에 의해 측정한 고정자 전류 값이고, G는 이득이다. r_s는 유도전동기에 있어서 고정자 저항, σ는 누설계수, Ls는 고정자 인덕턴스이며, τ_r는 회전자 토크(torque), L_m은 상호 인덕턴스, L_s는 고정자 인덕턴스, L_r는 회전자 인덕턴스,

는 추정 회전자 각속도이다.

즉, 종래에는 상기 수학식3과 같이 디지털로 구현된 식을 이용하여 고정자 전류와 회전자 자속을 추정한다.

그러나, 상술한 종래 기술은 전동기 회전 속도를 증가시키게 되면 전류의 추정 성능이 악화되는 문제점이 있다.

도 2는 종래 기술에 따른 전류 추정을 보인 파형도로서, 실제 전류와 추정하는 전류의 오차가 생기는 것을 알 수가 있다.

상기 전류크기의 오차는 전동기 회전 속도를 높이게 되면 점점 그 전류의 크기가 점점 줄어 들어 마치 AC 파형이 아닌 DC 파형과 같이 나타나게 되고, 더 나아가서는 위상차가 발생함과 아울러 전류의 크기를 실제와 반대로 추정하는 결과를 초래한다.

이렇게, 전류의 크기를 실제와 반대로 추정하게 되면 저속에서는 문제가 되지 않을 수 있지만 고속 전동기 운전에서는 커다란 악영향을 미치게 되며, 부하 운 전이 추가되면 전동기 제어가 발산을 하거나, 전동기의 운전제어를 실행하지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 센서리스 제어시에 이용되는 트랜지션 행렬의 1차항을 연속적으로 두번 적분함으로써, 고속에서도 회전자 자속과 고정자 전류를 정확히 추정하여 센서리스 벡터제어 성능을 향상시킬 수 있도록 한 유도전동기의 센서리스 벡터제어장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치는,

유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치에 있어서,

고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 미분 상태 방정식에 적용하고, 그 미분 상태 방정식에 적용되어 출력되는 값을 적분하여 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력하는 전차원 상태 관측기와

고정자 오차 전류 값과 상기 회전자 추정 자속을 입력받아 속도 추정값과 고정자 저항 추정값은 추정하여 상기 전차원 상태관측기로 출력하는 속도/고정자 저항 추정기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명 유도전동기의 센서리스 벡터 제어방법은,

고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 미분 상태 방정식에 적용하는 과정과;

상기 미분 상태 방정식에 적용되어 출력되는 값을 적분하여 고정자 추정 전류와 회전자 추정자속을 출력하는 과정을 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명 유도전동기의 벡터 제어장치 및 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명은 종래 센서리스 제어의 성능을 향상시키기 위하여, 트랜지션(Transition) 행렬의 2차 항까지 사용하여 미분 방정식을 전개한 결과는, 상기 트랜지션 행렬의 1항만을 두 번 적분한 결과와 동일한 것에 착안하였음을 밝혀두는 바이다.

도 3은 본 발명 유도전동기의 벡터 제어장치에 대한 구성을 보인 개략도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 유도모터(3),속도/고정자 저항 추정기(2),전차원상태 관측기(1)를 포함하여 구성한다.

상기 유도모터(3)는 고정자 지령전압에 근거하여 회전하면서 고정자 전류를 발생한다.

상기 속도/고정자 저항 추정기(2)는 고정자 오차 전류 값과 상기 회전자 추정 자속을 입력받아 속도 추정값과 고정자 저항 추정값을 추정하여 상기 전차원 상태관측기(1)로 출력한다.

상기 전차원 상태 관측기(1)는 고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 미분 상태 방정식에 적용하고, 그 미분 상태 방정식에 적용되어 출 력되는 값을 적분하여 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력한다.

상기 전차원 상태관측기(1)는 제1,제2 적분기(4),(5)를 구비한다.

상기 제1 적분기(4)는 고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값에, 상태변수와 모터 파라미터 및 속도정보를 적용하여 적분한다.

상기 제2 적분기(5)는 상기 제1 적분기(4)의 출력을 상태 변수 값에 적용하여 적분하고, 그 적분결과에 따라 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력한다.

이와 같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 속도/고정자 저항 추정기(2)는 고정자 오차 전류 값과 상기 회전자 추정 자속을 입력받아 속도 추정값과 고정자 저항 추정값을 추정하여 전차원 상태 관측기에 인가한다.

이에 따라, 상기 전차원 상태 관측기(1)는 고정자 지령 전압과 상기 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을 미분 상태 방정식에 적용하고, 그 미분 상태 방정식에 적용되어 출력되는 값을 적분하여 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력한다.

즉, 상기 전차원 상태 관측기(1)는, 고정자 지령전압과 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 트랜지션 행렬의 1차 항을 순차적으로 두 번 적분한 상태 관측기 차등방정식에 적용하여 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력하는데, 이를 상세히 설명한다.

우선, 상기 트랜지션 행렬의 2차항까지 사용을 하면

와

는 하기의 수학식 5와 같다.

[수학식5]

상기 수학식 5를 전차원 상태 관측기 차등방정식에 적용하면 하기의 수학식 6과 같다.

[수학식6]

,

여기서, 상기 수학식6을 AT에 대하여 정리하면 하기의 수학식7과 같다.

[수학식7]

여기서, 상기 수학식 7의

로 묶여 있는 항을 보면 트랜지션 행렬의 1차항만을 사용하여 디지털로 변환한 식과 유사하다.

또한, 상기

로 묶여진 괄호 부분을 중간 상태 변수라고 하면 상기 수학식7 또한 트랜지션 행렬의 1차 항까지만을 사용한 것과 같다.

만약, 상기 트랜지션 행령의 1차 항까지 만을 사용한 차등 방정식을 각각 제 1 관측기, 제2 관측기로 가정하고, 그 제1 관측기의 출력 상태 변수를

라고 가정하며, 상기 제1 관측기의 출력 상태 변수를 이용하여 상기 수학식 7을 정리하면 하기의 수학식 8과 같다.

[수학식 8]

상기 수학식 8에서와 같이, 제1 관측기의 출력 값에 제2 관측기 입력으로 들어온 상태 변수 값을 더한 값을 2로 나누고, 그 나눈 값을 제2 관측기의 입력으로 하여 고정자 전류와 회전자 자속을 추정한다.

도 4는 본 발명에 따른 유도전동기의 벡터제어방법이 적용된 경우의 추정된 전류를 보인 파형도로서, 추정 전류가 실제 전류와 거의 정확하게 동일함을 알 수 있다.

즉, 본 발명은 센서리스 제어시에 이용되는 트랜지션 행렬의 1차항을 연속적으로 두번 적분함으로써, 고속에서도 회전자 자속과 고정자 전류를 정확히 추정하도록 한 것이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같은 본 발명은, 센서리스 제어시에 이용되는 트랜지션 행렬의 1차항을 연속적으로 두번 적분함으로써, 고속에서도 회전자 자속과 고정자 전류를 정확히 추정하여 센서리스 벡터제어 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치에 있어서,

   고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 미분 상태 방정식에 적용하고, 그 미분 상태 방정식에 적용되어 출력되는 값을 적분하여 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력하는 전차원 상태 관측기와

   고정자 오차 전류 값과 상기 회전자 추정 자속을 입력받아 속도 추정값과 고정자 저항 추정값은 추정하여 상기 전차원 상태관측기로 출력하는 속도/고정자 저항 추정기를 포함하는 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 전차원 상태 관측기는,

   고정자 지령전압과 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 트랜지션 행렬의 1차항을 순차적으로 두번 적분한 상태 관측기 차등방정식에 적용하여 고정자 추정전류와 회전자 추정자속을 출력하는 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서, 상기 전차원 상태 관측기는,

   고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값에, 상태변수와 모터 파라미터 및 속도정보를 적용하여 적분하는 제1 적분기와;

   상기 제1 적분기의 출력을 상태 변수 값에 적용하여 적분하고, 그 적분결과에 따라 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력하는 제2 적분기를 포함하는 유도전동기의 센서리스 벡터 제어장치.
5. 고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 미분 상태 방정식에 적용하는 과정과;

   상기 미분 상태 방정식에 적용되어 출력되는 값을 적분하여 고정자 추정 전류와 회전자 추정자속을 출력하는 과정을 포함하는 유도전동기의 센서리스 벡터 제어방법.
6. 제5 항에 있어서, 상기 회전자 추정 자속을 출력하는 과정은,

   고정자 지령전압과 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값을, 트랜지션 행렬의 1차항을 순차적으로 두번 적분한 상태 관측기 차등방정식에 적용하여 고정자 추정 전류와 회전자 추정자속을 출력하는 단계를 포함하는 유도전동기의 센서리스 벡터 제어방법.
7. 제6 항에 있어서, 상기 회전자 추정자속을 출력하는 단계는,

   상기 고정자 지령 전압과, 속도 추정값 및 고정자 저항 추정값에, 상태변수와 모터 파라미터 및 속도정보를 적용하여 적분하는 단계와;

   상기 단계에서 적분된 값에 상태 변수 값을 더하여 2로 나누고, 그 나눈값을 적분하여 고정자 추정전류와 회전자 추정 자속을 출력하는 단계를 포함하는 유도전동기의 센서리스 벡터 제어방법.

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