KR101078408B1 - Drive system for surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor(SPIMSM) - Google Patents

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Abstract

본 발명은 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 그 구동 시스템으로, 3상 이상의 짝수개의 다상 전동기가 서로 180도 위상차를 가지는 상(phase)이 존재하는 구조를 갖는 전력반도체 소자의 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor : SPIMSM)와, 상기 SPIMSM 구동에 필요한 DC 전원을 공급하는 DC 전원부와, 상기 SPIMSM의 회전속도를 감지하는 엔코더와, 외부 사용자의 지령신호 및 상기 엔코더에서 감지된 회전속도에 따른 센서신호를 기반으로 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어신호를 입력으로 상기 SPIMSM을 구동시키기 위한 게이트 구동신호를 생성하는 게이트 구동부와, 상기 생성된 게이트 구동신호를 각 전력 반도체소자의 게이트에 선택적으로 스위칭하여 인가하는 스위칭부를 포함하여 구성되는데 있다.The present invention is a drive system of a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor having an independent wiring structure, wherein a power semiconductor having a structure in which three or more even polyphase motors have phases having a phase difference of 180 degrees with each other is present. Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor (SPIMSM) with permanent magnet surface of the device, DC power supply for supplying DC power for driving the SPIMSM, and encoder for sensing the rotational speed of the SPIMSM And a controller for outputting a control signal based on a command signal of an external user and a sensor signal according to a rotation speed detected by the encoder, and a gate driver for generating a gate driving signal for driving the SPIMSM with the control signal. And selectively switching the generated gate driving signal to a gate of each power semiconductor device. It is configured to include a switching unit applied by.

SPMSM, SPIMSM, 전동기 고장진단, 오류 역전파 신경망 알고리즘 SPMSM, SPIMSM, Motor Failure Diagnosis, Error Backpropagation Neural Network Algorithm

Description

독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 그 구동 시스템{Drive system for surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor(SPIMSM)}Drive system for surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor (SPIMSM) for permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor with independent wiring structure

본 발명은 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor : SPIMSM)의 그 구동 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drive system of a Surface Permanent Individual Winding Multi-phase Synchronous Motor (SPIMSM).

생산성의 향상을 위해 생산 공정의 자동화와 고정밀화가 이루어짐에 따라 AC/DC 전동기가 여러 산업에 많이 이용되고 있다. 영구자석 표면 부착형 동기 전동기(Surface Permanent Multi-phase Synchronous Motor : SPMSM)는 회전자(rotor)가 영구자석으로 이루어지고 고정자(stator)가 코어에 권선이 감긴 전기자로 구성되는데, 전동기가 회전하면서 발생하는 역기전력의 모양이 정현파이면 SPMSM, 구형파이 면 BLDC(brushless direct current) 전동기로 구분한다. As automation and high precision of the production process is performed to improve productivity, AC / DC motors are used in many industries. Surface Permanent Multi-phase Synchronous Motor (SPMSM) consists of an armature in which the rotor is made of permanent magnets and the stator is wound around the core. The reverse electromotive force is classified into a sine pie surface SPMSM and a square pie surface BLDC (brushless direct current) motor.

이러한 장비를 유지하고 관리하기 위한 기존의 관리기술은 주로 고장, 파손이 된 후에 수리하거나 교환하는 사후보수가 주를 이루었다. 그러나 설비의 규모가 대형화 및 고기능화 되면서 고장을 미리 예측하여 사전에 보수하는 예지보전이 요구되기 시작했다. 이는 예기치 않은 고장이 전체 또는 일부 프로세스의 마비로 이어질 수 있어 치명적인 사고와 경제손실을 초래할 수 있기 때문이다. 특히, 고정자의 층간단락 고장진단이 매우 중요하다. 왜냐하면 고정자의 층간단락 고장은 과부하에 의하여 전동기의 온도가 높아져 전동기 권선 중 한 상의 권선이 절연의 열화 또는 취약부위로 인해 같은 상의 권선이 서로 단락되어 소손되는 고장으로 각 상의 전류는 불평형을 이루며 고장의 파급이 빠르게 진행되는 편이라 초기에 진단하고 대처하지 않으면 생산저하와 막대한 경제적 손실을 가져오게 된다. Existing management techniques for maintaining and managing such equipment mainly consisted of post-maintenance after repair or replacement after failure or damage. However, as the size of the facility became larger and more functional, predictive maintenance, which predicted failures and repaired them in advance, began to be required. This is because unexpected failures can lead to paralysis of all or part of the process, resulting in fatal accidents and economic losses. In particular, it is very important to diagnose the short circuit failure of the stator. This is because the interlayer short circuit failure of the stator causes the temperature of the motor to increase due to overload, and the windings of one of the motor windings are short-circuited and burned out due to insulation deterioration or weakness. Ripple is so fast that failures to diagnose and respond early can lead to production degradation and enormous economic losses.

이와 같은 이유들로 인해, 시간이 지남에 따라 설비의 규모가 대형화 및 고기능화 되면서 장비의 신뢰성과 안정성이 더욱 중요하게 생각되고 있다. For these reasons, the reliability and stability of equipment becomes more important as the scale of equipment becomes larger and more functional over time.

기존 기기의 고장진단의 방법으로는 전압이나 전류를 이용하는 모델기반 기법과 지식기반 기법이 주류를 이룬다.Model-based and knowledge-based techniques that use voltage or current are the main methods of troubleshooting existing devices.

상기 모델기반 기법은 기기를 포함하는 프로세스의 정확한 모델을 구할 수 있다면 매우 뛰어난 진단 시스템을 구축할 수 있다. 그러나 현장 시스템은 일반적으로 비선형성(non-linearity), 섭동(perturbation), 외란(disturbance) 등을 포함하고 있어서 정확한 모델을 구하기는 쉽지가 않다. The model-based technique can build a very good diagnostic system if an accurate model of the process involving the device can be obtained. However, field systems typically include non-linearity, perturbation, disturbances, etc., making it difficult to obtain accurate models.

상기 지식기반 시스템은 전문가의 지식을 생성규칙(production rule), 프레 임(frame), 객체(object), 명제논리(propositional logic) 등의 일부 또는 전부로 표현한 지식베이스를 기반으로 한다. 이러한 지식기반 기법은 기술자의 지식과 경험의 지식베이스를 기반으로 데이터분석, 상태진단, 작업 스케줄링 분야에 활용이 가능하다. 그러나 이는 기술자의 개인적이고 주관적인 생각에 의해 이루어지는 것으로 정확성에 한계를 가지게 된다. The knowledge-based system is based on a knowledge base that expresses expert knowledge as part or all of production rules, frames, objects, propositional logic, and the like. This knowledge-based technique can be used for data analysis, status diagnosis, and job scheduling based on the knowledge base of technicians and experience. However, this is done by the technician's personal and subjective thinking, which limits the accuracy.

이와 같은 전압이나 전류를 이용한 전동기 고장진단의 장점은 측정의 일관성, 기계 및 전기적 이상 현상의 정밀 계측 및 진동해석 방식보다 비용이 저렴한데 있다. 특히, 기존의 연구에서는 시계열 특성을 가진 측정 데이터의 정확한 분석을 위해 퓨리에 변환(fourier transform), 웨이블릿 변환(wavelet transform) 등 여러 변환기법을 사용하였다. 그러나 전압이나 전류를 이용한 고장진단의 경우 측정 데이터가 시계열 데이터이므로 원 신호로 진단하는 것이 어려우며, 또한 원 신호 또한 이상적이지 않기 때문에 처리를 위해 여러 변환 방법들이 추가로 사용되어야 하는 문제점이 있다.The advantage of such motor fault diagnosis using voltage or current is that it is less expensive than measurement consistency, precision measurement of mechanical and electrical abnormalities, and vibration analysis. In particular, previous studies have used several transformation methods such as Fourier transform and wavelet transform for accurate analysis of measurement data with time series characteristics. However, in case of fault diagnosis using voltage or current, since the measurement data is time series data, it is difficult to diagnose the original signal, and since the original signal is also not ideal, there are problems that several conversion methods must be additionally used for processing.

또한, 기존의 기기 관리기술은 위에서 설명된 내용과 같이 주로 고장, 파손이 된 후에 수리하거나 교환하는 사후보수가 주를 이루고 있어, 설비의 규모가 대형화 및 고기능화 되면서 고장을 미리 예측하여 사전에 보수하는 예지보전이 계속 요구되고 있어, 이에 따른 필요성이 대두되고 있다.In addition, the existing equipment management technology mainly consists of post-maintenance repairing or replacing after failure or damage, as described above. Predictive maintenance continues to be demanded, and thus a need arises.

본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기 및 층간단락 고장을 검출하는 방법으로, 전동기의 마주보는 상의 전압/전류의 합을 이용하여 원 신호의 손실이 최소화된 전문가의 지식베이스를 기반으로 한 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 그 구동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.An embodiment of the present invention has been made to solve the above problems, a method for detecting a permanent magnet surface-attached independent winding multi-phase synchronous motor and interlayer short circuit failure, using the sum of the voltage / current of the opposite phase of the motor The purpose of this invention is to provide a drive system for a permanent magnet surface-mounted, self-winding multiphase synchronous motor with an independent connection structure based on a knowledge base of experts with minimal loss of original signals.

본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은 짝수-다상을 가지는 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor : SPIMSM)에 존재하는 마주보는 상의 역기전력 파형의 위상차 특징을 이용하여 대상 전동기인 SPIMSM에 대한 고장을 검출하는 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 그 구동 시스템을 제공하는데 있다.Another object according to an embodiment of the present invention is to characterize the phase difference characteristics of the opposite phase counter electromotive waveform present in the surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor (SPIMSM) having an even-polyphase. The present invention provides a drive system for a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor having an independent connection structure for detecting a failure of a target motor, SPIMSM.

본 발명의 실시예에 따른 또 다른 목적은 전체 상이 독립 권선으로 제작된 저전류/저용량의 독립제어회로로 구동되는 SPIMSM 및 층간단락 고장을 진단하는 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 그 구동 시스템을 제공하는데 있다.Still another object according to an embodiment of the present invention is a permanent magnet surface-attached independent winding multiphase having an independent connection structure for diagnosing a short-circuit short circuit fault and a SPIMSM driven by a low current / low capacity independent control circuit made of independent windings. It is to provide a driving system of a synchronous motor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템의 특징은 3상 이상의 짝수개의 다상 전동기가 서로 180도 위상차를 가지는 상(phase)이 존재하는 구조를 갖는 전력반도체 소자의 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor : SPIMSM)와, 상기 SPIMSM 구동에 필요한 DC 전원을 공급하는 DC 전원부와, 상기 SPIMSM의 회전속도를 감지하는 엔코더와, 외부 사용자의 지령신호 및 상기 엔코더에서 감지된 회전속도에 따른 센서신호를 기반으로 제어신호를 출력하는 제어부와, 상기 제어신호를 입력으로 상기 SPIMSM을 구동시키기 위한 게이트 구동신호를 생성하는 게이트 구동부와, 상기 생성된 게이트 구동신호를 각 전력 반도체소자의 게이트에 선택적으로 스위칭하여 인가하는 스위칭부를 포함하여 구성되는데 있다.The characteristic of the drive system of the permanent magnet surface-mounted independent winding multi-phase synchronous motor having an independent connection structure according to the present invention for achieving the above object is a phase in which three or more even polyphase motors have a phase difference of 180 degrees from each other. Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor (SPIMSM), and a DC power supply for supplying DC power required to drive the SPIMSM; An encoder for detecting the rotational speed of the SPIMSM, a control unit for outputting a control signal based on a command signal of an external user and a sensor signal according to the rotational speed detected by the encoder, and driving the SPIMSM by inputting the control signal A gate driver for generating a gate driving signal for the power supply; There is composed by including a switch which is selectively switched to the gate of the body element.

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바람직하게 상기 제어부는 벡터제어 기법을 기반으로 좌표변환을 이용해 입력되는 다상의 전류 제어변수 및 엔코더에서 출력되는 회전속도에 따른 센서신호를 기반으로 d-q축 전류신호로 변환하는 d-q축 변환기와, 상기 d-q축 변환기에서 변환된 d-q축 전류신호를 기반으로 d-q축 전압신호로 변환하는 PI 제어기와, 상기 PI 제어기에서 변환된 d-q축 전압신호를 기반으로 다상의 전압 제어변수로 변환하여 상기 게이트 구동부로 출력하는 다상 제어변환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the control unit is a dq-axis converter converting the current signal to the dq-axis based on the sensor signal according to the rotational speed output from the encoder and the multi-phase current control variable input using the coordinate transformation, and the dq A PI controller converting the dq-axis voltage signal based on the dq-axis current signal converted by the axis converter, and converting the multi-phase voltage control variable based on the dq-axis voltage signal converted by the PI controller to output to the gate driver. It characterized in that it comprises a multi-phase control converter.

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이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기 및 그 구동 시스템, 그리고 마주보는 상의 전압/전류를 이용한 층간단락 고장진단 방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor and its driving system having the independent wiring structure according to the present invention, and the interlayer short circuit failure diagnosis method using the opposite phase voltage / current have the following effects. .

첫째, 전동기의 고장진단 기술의 개발과 체계적인 데이터베이스의 구축으로 설비 고장의 조기발견 및 고장 원인의 진단이 가능해진다.First, it is possible to detect the failure of equipment early and diagnose the cause of failure by developing the motor diagnosis technology and constructing a systematic database.

둘째, 고장에 능동적으로 대처할 수 있을 뿐 아니라, 돌발적인 정지로 이어지는 중대 사고를 미연에 방지할 수 있다.Second, it can not only proactively cope with failures but also prevent serious accidents leading to sudden stops.

셋째, 일상의 전동기 운전 상황을 파악하고 고장의 징후를 해석함으로 적절한 보전계획의 수립이 가능해진다.Third, it is possible to establish a proper conservation plan by grasping the daily motor operation and interpreting the signs of failure.

넷째, 운전정지 및 고장에 의한 경제적 손실, 인명손실의 방지 및 최소화를 도모하고 보수 유지비용의 절감을 통한 경제적 이익을 극대화할 수 있다.Fourth, it is possible to prevent and minimize the economic loss and the loss of life due to stoppages and failures and to maximize the economic benefits through the reduction of maintenance costs.

다섯째, 마주보는 상의 전압/전류의 합을 이용하여 원 신호의 손실이 최소화된 고장진단이 가능하므로 기기의 보다 정확하고 빠른 진단이 가능하다. Fifth, it is possible to diagnose the device more accurately and quickly by using the sum of the voltage / current of the opposite phases to minimize the loss of the original signal.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Referring to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a drive system of a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor having an independent connection structure according to the present invention will be described. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be embodied in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM: surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor)의 구동 시스템을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram illustrating a driving system of a surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor (SPIMSM) according to an embodiment of the present invention.

도 1과 같이, 구동 시스템은 3상 이상의 짝수개의 다상 전동기가 서로 180도 위상차를 가지는 상(phase)이 존재하는 구조를 갖는 전력반도체 소자의 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor : SPIMSM)(300)와, SPIMSM(300) 구동에 필요한 DC 전원을 공급하는 DC 전원부(100)와, 상기 SPIMSM(300)의 회전속도를 감지하는 엔코더(600)와, 외부 사용자의 지령신호 및 상기 엔코더(600)에서 감지된 회전속도에 따른 센서신호를 기반으로 제어신호를 출력하는 제어부(500)와, 상기 제어신호를 입력으로 상기 SPIMSM(300)을 구동시키기 위한 게이트 구동신호를 생성하는 게이트 구동부(400)와, 상기 생성된 게이트 구동신호를 각 전력 반도체소자의 게이트에 선택적으로 스위칭하여 인가하는 스위칭부(200)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the driving system is a surface permanent magnet multi-phase synchronous motor of a permanent magnet surface of a power semiconductor device having a structure in which three or more even multiphase motors have a phase difference of 180 degrees from each other. Winding Multi-phase Synchronous Motor (SPIMSM) 300, DC power supply unit 100 for supplying the DC power required to drive the SPIMSM 300, the encoder 600 for sensing the rotational speed of the SPIMSM 300, A control unit 500 for outputting a control signal based on a command signal of an external user and a sensor signal according to a rotation speed detected by the encoder 600, and a gate for driving the SPIMSM 300 with the control signal as an input. The gate driver 400 generates a driving signal, and the switching unit 200 selectively switches and applies the generated gate driving signal to a gate of each power semiconductor device.

이와 같이 구성된 SPIMSM(300) 구동 시스템은 엔코더(600)에서 SPIMSM(300)의 회전속도가 감지되어 제어부(500)로 센서신호가 전달되고, 제어부(500)는 상기 전달되는 센서신호와 외부 사용자의 지령신호(wr)를 기반으로 사용자가 원하는 속도로 상기 SPIMSM(300)가 회전되도록 제어신호를 출력한다. The SPIMSM 300 driving system configured as described above detects the rotational speed of the SPIMSM 300 in the encoder 600 and transmits the sensor signal to the controller 500, and the controller 500 controls the sensor signal and the external user. The control signal is output such that the SPIMSM 300 is rotated at a speed desired by the user based on the command signal w r .

도 2 는 도 1의 스위칭부와 SPIMSM의 연결 구조를 상세히 나타낸 회로도로서, 일실시예로서 독립 6상 SPIMSM을 제어하는데 필요한 인버터 스위칭 소자의 연결 구조를 도시한 것이다. FIG. 2 is a circuit diagram illustrating the connection structure of the switching unit and the SPIMSM of FIG. 1 in detail. FIG. 2 illustrates an example of a connection structure of an inverter switching element required to control an independent six-phase SPIMSM.

도 2와 같이, 스위칭부(200)는 독립적인 다수 개의 스위칭 소자(Q1~Q4)로 이루어진 풀-브릿지(full-bridge) 회로의 인버터 구조로 구성된다. 그리고 각각의 스 위칭 소자(Q1~Q4)는 전력용 반도체인 IGBT, MOSFET, FET 등이 널리 사용된다. 참고로 도 2는 독립 6상 영구자석 표면 부착형으로 스위칭 소자가 총 24개(H-bridge 6개 * 각 bridge당 스위칭 소자 4개)로 구성되지만, 상(phase)에 따라 스위칭 소자의 개수는 변경될 것이다.As shown in FIG. 2, the switching unit 200 is configured as an inverter structure of a full-bridge circuit including a plurality of independent switching elements Q1 to Q4. Each switching element Q1 to Q4 is widely used for power semiconductors such as IGBTs, MOSFETs, and FETs. For reference, FIG. 2 is an independent six-phase permanent magnet surface-attached type and is composed of a total of 24 switching elements (6 H-bridges * 4 switching elements for each bridge), but the number of switching elements is changed according to phases. Will change.

그리고 A상은 H브리지에서 각 스위칭소자(Q1~Q4)가 A1+, A1-, A2+, A2- 구동신호에 따라 각각 제어된다. B상은 H브리지에서 각 스위칭소자(Q1~Q4)가 B1+, B1-, B2+, B2- 구동신호에 따라 제어된다. C상은 H브리지에서 각 스위칭 소자(Q1~Q4)가 C1+, C1-, C2+, C2- 구동신호에 따라 제어된다. D상은 H브리지에서 각 스위칭 소자(Q1~Q4)가 D1+, D1-, D2+, D2- 구동신호에 따라 제어된다. E상은 H브리지에서 각 스위칭 소자(Q1~Q4)가 E1+, E1-, E2+, E2- 구동신호에 따라 제어된다. F상은 H브리지에서 각 스위칭 소자(Q1~Q4)가 F1+, F1-, F2+, F2- 구동신호에 따라 제어된다. In the A-phase, each switching element Q1 to Q4 is controlled in accordance with the driving signals A1 +, A1-, A2 +, and A2- in the H bridge. In the B-phase, each switching element Q1 to Q4 in the H bridge is controlled according to the B1 +, B1-, B2 +, and B2- driving signals. In the C phase, each switching element Q1 to Q4 is controlled in accordance with the C1 +, C1-, C2 +, and C2- driving signals in the H bridge. In the D-phase, each of the switching elements Q1 to Q4 in the H bridge is controlled according to driving signals D1 +, D1-, D2 +, and D2-. In the E-phase, each switching element Q1 to Q4 is controlled in accordance with the driving signals E1 +, E1-, E2 +, and E2- in the H bridge. In the F-phase, each of the switching elements Q1 to Q4 in the H bridge is controlled according to the F1 +, F1-, F2 +, and F2- driving signals.

이와 같은 구조에서 SPIMSM(300)의 제어는 게이트 구동부(400)에서 출력되는 각 스위칭 소자(Q1~Q4)들을 온/오프 스위칭하기 위한 게이트 구동신호를 통해 이루어진다. In this structure, the control of the SPIMSM 300 is performed through a gate driving signal for switching on / off each of the switching elements Q1 to Q4 output from the gate driver 400.

한편, 상기 스위칭 소자 구조인 H 브리지를 구동함에 있어서, Q1-Q4, Q2-Q3으로 짝을 지어 동시에 온/오프하는 스위칭 방법인 양극성 스위칭 방법(bipolar switching)과, 각각의 스위치를 따로 온/오프하여 환류구간을 만들어 스위칭하는 방법인 단극성 스위칭 방법(unipolar switching)으로 나눠질 수 있다. 도 2에서는 상기 단극성 스위칭방법이 도시되어 있으며, 양극성 스위칭방법은 정류(commutation) 구간에서의 특성이 단극성 스위칭 방법에 비해 우수하지만, 전압 의 극성이 양극에서 음극으로 변동됨에 따라 단극성 스위칭 방법에 비해 전압충격에 따른 스트레스(stress)가 증가하고, 전류 리플(ripple)이 크다는 단점이 있다.On the other hand, in driving the H bridge which is the switching element structure, a bipolar switching method, which is a switching method of simultaneously switching on / off by pairing with Q1-Q4 and Q2-Q3, and each switch on / off separately It can be divided into unipolar switching method, which is a method of making and switching a reflux section. In FIG. 2, the unipolar switching method is illustrated. In the bipolar switching method, the characteristics in the commutation section are superior to the unipolar switching method, but as the polarity of the voltage varies from the positive electrode to the negative electrode, the unipolar switching method is illustrated. Compared with this, stress due to voltage shock is increased and current ripple is large.

도 3 은 도 1의 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM)의 구조를 나타낸 구성도이다.3 is a block diagram showing the structure of the permanent magnet surface-mounted independent winding multi-phase synchronous motor (SPIMSM) of FIG.

도 3과 같이, SPIMSM(300)은 영구자석으로 이루어진 회전자(rotor)(320)와, 상기 회전자(320)의 내부에 위치하여 돌극치(teeth) 및 슬롯(slot)의 연속적인 배열에 코일이 권선된 구조로 이루어진 고정자(stator)로 구성되며, 3상 이상의 짝수개의 다상 전동기가 각각 서로 180도 위상차를 가지는 상(phase)이 존재하는 구조로 구성된다. 이때 고정자(stator)(310)는 회전자(320)를 제외한 모든 영역을 말한다.As shown in FIG. 3, the SPIMSM 300 includes a rotor 320 made of permanent magnets and a rotor 320 disposed in the rotor 320 in a continuous arrangement of teeth and slots. It is composed of a stator composed of a coil winding structure, and a three-phase or more even number of polyphase motors each have a phase in which phases each having a 180 degree phase difference exist. At this time, the stator 310 refers to all regions except the rotor 320.

이때, 회전자(rotor)의 외부에 위치하는 것을 외부 회전자(outer rotor) 구조라 하고, 회전자(rotor)가 고정자(stator)의 내부에 위치하는 것을 내부 회전자(inner rotor) 구조라 한다. 도 3은 외부 회전자의 구조로서, 도 3을 참조하여 설명하면, 상기 고정자(stator)(310)는 36개의 돌극치와 36개의 슬롯으로 이루어지고, 36개의 돌극치는 임의로 A, B, C, D, E, F 상 순으로 각각 6개의 돌극치에 코일이 감긴 집중권으로 권선되어 있고, 각 상은 직렬로 권선되어 있다. 이때, 고정자(310)내 A~F상은 6상을 규칙적으로 배치하여 제작되었고, A상 내에 저장성분은 R1, B상 내에 저장성분은 R2, C상 내에 저장성분은 R3, D상 내에 저장성분은 R4, E상 내에 저장성분은 R5, F상 내에 저장성분은 R6으로 정의한다. 각 상의 저항인 R1~R6 은 간략히 전기회로도로 표현하면 오른편에 표시된 회로도와 갔다. 따라서 이와 같은 직렬 결선의 경우 6개의 저항성분(R1 ,R2 ,R3, R4, R5, R6)이 직렬로 연결된 형태로 이루어져있다.
하지만 독립 3상의 경우의 저항성분은 독립 6상의 저항성분이 2배가 되어 상대적으로 저항이 크고, 이에 따라 구동전류가 제한되어 고속 구동이 어려운 문제점이 있다. 즉, 손실은

Figure 112011028140517-pat00001
에 비례하는 형태로 발생하는데, 개개의 상을 구성하고 있는 코일의 저항값이 높은 3상 전동기는 그 저항 손실 역시 높아 고효율의 운전이 불가능하다.At this time, the outer rotor structure is located outside the rotor, and the rotor is located inside the stator, the inner rotor structure is called. FIG. 3 is a structure of an external rotor. Referring to FIG. 3, the stator 310 includes 36 salient teeth and 36 slots, and 36 salient teeth are arbitrarily A, B, and C. The windings are wound in a concentrated zone in which coils are wound around six salient poles in the order of phases D, E, and F, and each phase is wound in series. At this time, the phases A to F in the stator 310 are manufactured by arranging six phases regularly, the storage components in the A phase R 1 , the storage components in the B phase R 2 , the storage components in the C phase R 3 , D phase The storage component in R 4 is defined as R 4 , and the storage component in R 5 is defined as R 6 . The resistance of each phase, R 1 to R 6, went briefly to the schematic shown on the right. Therefore, in the case of such series connection, six resistance components (R1, R2, R3, R4, R5, R6) are formed in series.
However, in the case of the independent three-phase resistance component, the resistance component of the six independent phases is doubled so that the resistance is large, and thus the driving current is limited, thereby making it difficult to drive at high speed. In other words, the loss
Figure 112011028140517-pat00001
It occurs in the form of proportional to the three-phase motor with high resistance value of the coil constituting the individual phase, the resistance loss is also high, high efficiency operation is impossible.

도 4 는 BLDC 전동기와 본 발명에 사용된 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM)의 입력 파형과 역기전력을 나타낸 타이밍도이다, 본 명세서에서는 SPIMSM에 한정하여 설명한다.4 is a timing diagram showing input waveforms and counter electromotive force of a BLDC motor and a permanent magnet surface-mounted independent winding polyphase synchronous motor (SPIMSM) used in the present invention.

일반적인 영구자석 표면 부착형 동기 전동기(SPMSM)는 회전자(rotor)(320)가 영구자석으로 이루어지고, 고정자(stator)(310)가 코어에 권선이 감긴 전기자로 구성되는데, 전동기가 회전하면서 발생하는 역기전력의 모양이 정현파이면 SPMSM, 구형파이면 BLDC로 구분한다. 도 4의 (a)는 BLDC에 대한 파형이며, 도 4의 (b)는 SPIMSM에 대한 파형이다. 본 명세서의 전동기는 SPIMSM으로서 역기전력이 정현파이고 고정자(stator)에 감겨있는 권선의 입력 전류역시 정현파 전류가 입력되어 구동된다.In general, the permanent magnet surface-type synchronous motor (SPMSM) is composed of a rotor (rotator) 320 is made of a permanent magnet, the stator (310) consists of an armature wound around the core, which occurs as the motor rotates If the back EMF is a sinusoidal pie, SPMSM and spherical pie are divided into BLDC. Figure 4 (a) is a waveform for the BLDC, Figure 4 (b) is a waveform for the SPIMSM. The motor of the present specification is a SPIMSM, in which a counter electromotive force is a sine wave and an input current of a winding wound around a stator is also driven by a sinusoidal current.

도 5 는 도 1의 제어부의 구조를 보다 상세히 나타낸 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템의 블록도이다.5 is a block diagram of a drive system of a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor showing the structure of the controller of FIG. 1 in more detail.

도 5와 같이, 제어부(500)는 벡터제어 기법을 기반으로 좌표변환을 이용해 입력되는 다상의 전류 제어변수(iabcdefs) 및 엔코더(600)에서 출력되는 회전속도에 따른 센서신호(θr)를 입력받아, d-q축 변환기(520)를 통해 d-q축 전류신호로 변환하여 d축 제어기(PI제어기)(511)와 q축 제어기(PI제어기)(512) 2개의 제어기를 이용하여 변환된 d-q축 전압신호(

Figure 112009068947074-pat00002
)(
Figure 112009068947074-pat00003
)를 다상 제어변환기(530)를 통해 다상의 제어변수(
Figure 112009068947074-pat00004
)로 출력한다. 그러면, 게이트 구동부(400)는 상 기 제어부(500)내의 다상 제어변환기(530)에서 출력되는 다상의 전압 제어변수(
Figure 112009068947074-pat00005
)를 입력받아 전력반도체 소자를 구동하기 위한 게이트 구동신호를 생성하여 스위칭부(200)의 각 전력 반도체소자의 게이트에 게이트 구동신호를 인가하여 SPIMSM(300)의 구동을 제어하게 된다.As shown in FIG. 5, the control unit 500 may output a multiphase current control variable i abcdefs inputted using coordinate transformation based on a vector control technique and a sensor signal θ r according to a rotation speed output from the encoder 600. The input dq-axis voltage is converted using the two controllers of the d-axis controller (PI controller) 511 and the q-axis controller (PI controller) 512 by converting the signal into a dq-axis current signal through the dq-axis converter 520. signal(
Figure 112009068947074-pat00002
) (
Figure 112009068947074-pat00003
) Through the multiphase control converter 530
Figure 112009068947074-pat00004
) Then, the gate driver 400 is a multi-phase voltage control variable (output from the multi-phase control converter 530 in the control unit 500 (
Figure 112009068947074-pat00005
) To generate a gate driving signal for driving the power semiconductor device to apply the gate driving signal to the gate of each power semiconductor device of the switching unit 200 to control the driving of the SPIMSM 300.

이처럼, 상기 제어부(500)는 좌표변환을 이용한 벡터 제어기법을 사용하는데, 본 발명에서 제안한 좌표변환을 이용한 벡터제어 기법은 기존 산업계 전발에 걸쳐 널리 사용되고 있는 3상 Y결선 일반적인 영구자석 부착형 동기 전동기(PMSM)의 제어기법과 동일하게 최종 제어기법으로 응용할 수 있다.As such, the control unit 500 uses a vector control method using coordinate transformation. The vector control technique using coordinate transformation proposed by the present invention is a three-phase Y-connected general permanent magnet attached synchronous motor widely used throughout the existing industrial development. It can be applied to the final control method in the same way as the control method of (PMSM).

상기 좌표변환은 벡터 제어 과정에 있어서 필수적인 사항으로서, 전동기(300)가 정지하고 있는 경우를 제외하고는 수학식 1과 같은 전동기 고정자(stator)(310)의 전압 방정식에서와 같이 교류 전동기의 전기적 모델은 시변 계수를 갖는 미분 방정식(time varying differential equation)으로 표현된다. 그러나 이러한 시변 계수를 갖는 미분 방정식의 해석은 쉽지 않기 때문에 전기적 모델을 시불변 계수를 갖는 미분 방정식으로 전환하여 해석 및 제어를 간략화한다.The coordinate transformation is essential in the vector control process, except for the case in which the motor 300 is stopped, the electrical model of the AC motor as in the voltage equation of the motor stator 310 shown in Equation 1 below. Is expressed as a time varying differential equation. However, the interpretation of differential equations with time-varying coefficients is not easy, so the electrical model is converted to differential equations with time-invariant coefficients to simplify the analysis and control.

Figure 112009068947074-pat00006
Figure 112009068947074-pat00006

상기 수학식 1 은 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM)의 고정자 전압 방정식이며,x는 a, b, c, d, f 이고, ex는 각상의 역기전력이다. 이때, 자기 및 상호 인덕턴스를 동기 인덕턴스 L로 정의한다.Equation 1 is a stator voltage equation of a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor (SPIMSM), x is a, b, c, d, f, and e x is the counter electromotive force of each phase. At this time, the magnetic and mutual inductance is defined as the synchronous inductance L.

영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM) 역시 산업 전반에 걸쳐 널리 사용되고 있는 3상 PMSM과 동일하게 복소수 공간 벡터 수식으로 간단하게 분석될 수 있고, 6상 공간벡터 정의 식은 다음 수학식 2와 같다. Permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motors (SPIMSM) can also be analyzed simply by complex spatial vector equations, as well as three-phase PMSMs, which are widely used throughout the industry. same.

Figure 112009068947074-pat00007
Figure 112009068947074-pat00007

이때, a, c, e상과 d, f, b상은 180도 위상차를 가지는 3상 전압 벡터로 볼 수 있기 때문에 영상분은 다음 수학식 3과 같이 정의 한다. At this time, since the a, c, e phase and the d, f, b phase can be viewed as a three-phase voltage vector having a 180 degree phase difference, the image is defined as in Equation 3 below.

Figure 112009068947074-pat00008
Figure 112009068947074-pat00008

도 6 은 복소수 공간 벡터를 이용한 좌표변환 시 실수축을

Figure 112009068947074-pat00009
축, 허수축을
Figure 112009068947074-pat00010
축이라고 했을 때
Figure 112009068947074-pat00011
축 정지좌표계와 6상 정지 좌표계를 나타낸 그래프이다.6 shows a real axis in coordinate transformation using a complex space vector.
Figure 112009068947074-pat00009
Axis, imaginary axis
Figure 112009068947074-pat00010
When we say axis
Figure 112009068947074-pat00011
This graph shows the axis stop coordinate system and the 6-phase stop coordinate system.

Figure 112009068947074-pat00012
축 성분은
Figure 112009068947074-pat00013
축과
Figure 112009068947074-pat00014
축의 3차원 공간상에서 서로 직교하는 축이다. 전동기(300)에서 기계적 출력 발생에 기여하는 항은
Figure 112009068947074-pat00015
Figure 112009068947074-pat00016
축 성분이고
Figure 112009068947074-pat00017
축 성분은 손실에만 나타난다.
Figure 112009068947074-pat00012
Axis component is
Figure 112009068947074-pat00013
Axis
Figure 112009068947074-pat00014
These axes are orthogonal to each other in the three-dimensional space of the axes. The term contributing to the generation of mechanical output in the motor 300 is
Figure 112009068947074-pat00015
Wow
Figure 112009068947074-pat00016
Is the axis component
Figure 112009068947074-pat00017
Axial components appear only at loss.

이어 상기 수학식 2 에서 1/3은 d-q변환 전/후의 실효값을 같게 해주는 계수다. 따라서 수학식 2를 실수부와 허수부로 나누어 정리하면 다음 수학식 4와 같다.Next, 1/3 in Equation 2 is a coefficient that equals the effective value before and after the d-q conversion. Therefore, when Equation 2 is divided into a real part and an imaginary part, the following Equation 4 is obtained.

Figure 112009068947074-pat00018
Figure 112009068947074-pat00018

수학식 4와 같이, 실수부와 허수부를 가지는

Figure 112009068947074-pat00019
를 복소수 공간벡터
Figure 112009068947074-pat00020
축과
Figure 112009068947074-pat00021
축 행렬로 표현한다면,
Figure 112009068947074-pat00022
축과
Figure 112009068947074-pat00023
축 성분은 수학식 5와 같이 변환 행렬 T(θ)를 θ가 0일 때의 변환행렬 T(0)를 이용하여 나타낼 수 있다.Like Equation 4, the real part and the imaginary part
Figure 112009068947074-pat00019
Complex space vector
Figure 112009068947074-pat00020
Axis
Figure 112009068947074-pat00021
Expressed in the axis matrix,
Figure 112009068947074-pat00022
Axis
Figure 112009068947074-pat00023
The axis component can be expressed by using the transformation matrix T (0) when θ is 0 as shown in equation (5).

Figure 112009068947074-pat00024
Figure 112009068947074-pat00024

이때, 6상 좌표계의 변수를 임의의 각속도 ω로 회전하는

Figure 112009068947074-pat00025
축 회전좌표계 변수로의 변환은 T(θ)를 이용하여 바로 변환할 수 있지만, 벡터 제어 시에는 간편한 변환을 위해서 정지 좌표계의
Figure 112009068947074-pat00026
축 변수로부터 수학식 6과 같이 회전 행렬을 이용하여 변환한다.At this time, the variable of the six-phase coordinate system is rotated at an arbitrary angular velocity ω
Figure 112009068947074-pat00025
The transformation to the axis coordinate system variable can be converted directly using T (θ) .However, in case of vector control,
Figure 112009068947074-pat00026
It converts from the axis variable using a rotation matrix as shown in Equation 6.

Figure 112009068947074-pat00027
Figure 112009068947074-pat00027

또한, 6상 좌표계의 변수를 임의의 각속도 ω로 회전하는

Figure 112009068947074-pat00028
축 회전 좌표계 변수로의 변환은 T(θ)를 이용하여 바로 변환할 수 있지만, 벡터 제어 시에는 간편한 변환을 위해서 정지 좌표계의
Figure 112009068947074-pat00029
축 변수로부터 수학식 6과 같이 회전행렬을 이용하여 변환한다. 도 7 은 정지 좌표계와 회전 좌표계를 표현한 그래프로서, 3상과 6상 모두 동일하다.In addition, the variable of the six-phase coordinate system is rotated at an arbitrary angular velocity ω
Figure 112009068947074-pat00028
The conversion to the axis rotation coordinate system variable can be directly converted using T (θ).
Figure 112009068947074-pat00029
Convert from the axis variable using a rotation matrix as shown in equation (6). 7 is a graph representing a stationary coordinate system and a rotational coordinate system, in which all three phases and six phases are the same.

따라서

Figure 112009068947074-pat00030
축 회전좌표계에서 6상 정지좌표계의 변환은 위의 과정을 반대로 수행함으로서 얻어질 수 있는데, 다음 수학식 7은
Figure 112009068947074-pat00031
축 회전좌표계를
Figure 112009068947074-pat00032
축 정지좌표계로의 변환을 나타내고, 다음 수학식 8, 수학식 9는
Figure 112009068947074-pat00033
축 정지좌표계를 6상 고정 좌표계로의 변환을 나타내고 있다.therefore
Figure 112009068947074-pat00030
The conversion of the 6-phase stationary coordinate system in the axis rotation coordinate system can be obtained by performing the above process in reverse.
Figure 112009068947074-pat00031
Axis rotation coordinate system
Figure 112009068947074-pat00032
Indicate the conversion to the axis stop coordinate system, the following equation (8), (9)
Figure 112009068947074-pat00033
The conversion of the axis stop coordinate system to a six-phase fixed coordinate system is shown.

Figure 112009068947074-pat00034
Figure 112009068947074-pat00034

Figure 112009068947074-pat00035
Figure 112009068947074-pat00035

Figure 112009068947074-pat00036
Figure 112009068947074-pat00036

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기에서 마주보는 상의 전압/전류를 이용한 층간단락 고장진단 방법을 설명하면 다음과 같다. Interlayer short circuit failure diagnosis method using the phase voltage / current facing each other in the permanent magnet surface-mounted independent winding multi-phase synchronous motor having an independent connection structure according to the present invention having such a configuration as follows.

도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 층간단락 고장진단 방법을 설명하기 위한 상태도이다.FIG. 8 is a state diagram illustrating a method for diagnosing an interlayer short circuit failure of a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor having an independent connection structure according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8과 같이, 정상상태의 상(phase)과 마주보는 상(phase)의 전압/전류의 신호를 홀센서로 계측하여 2입력 1출력의 오류 역전파 신경망 알고리즘(back propagation neural network algorithm)으로 정상상태를 학습을 시킨 후 나온 결과 값과 현재의 신호를 비교하여 정상상태와 고장상태를 판별하는 과정을 수행한다.As shown in FIG. 8, a signal of a phase voltage / current facing a phase in a steady state is measured by a Hall sensor, and is normal by an error back propagation neural network algorithm of two inputs and one output. After learning the state, compare the result value with the present signal to determine the normal state and fault condition.

도 9(a) 내지 도 9(e)는 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM)에서 마주보는 상(120도, 300도)의 층간단락 고장이 발생한 역기전력 파 형의 변화를 나타낸 그래프이다.9 (a) to 9 (e) are graphs showing a change in back EMF waveforms in which an interlayer short circuit failure occurs in phases (120 degrees and 300 degrees) facing each other in a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor (SPIMSM). to be.

도 9(a)는 120도 상의 전류 파형을 나타낸 그래프이고, 도 9(b)는 300도 상의 전류 파형을 나타낸 그래프로서, 마주보는 두 상(120도, 300도)의 전압/전류 합은 도 9(c)와 같이 층간단락 고장이 발생한 시점(A) 이후부터 불평형된 역기전력 파형이 계측된다. 도 9(d)는 마주보는 두 상(120도, 300도)의 전압/전류 합을 하나의 그래프로 표시한 그래프이고, 도 9(e)는 불평형된 역기전력 파형을 보다 확대하여 표시한 그래프이다.9 (a) is a graph showing a current waveform on 120 degrees, and FIG. 9 (b) is a graph showing a current waveform on 300 degrees, and the voltage / current sum of two opposite phases (120 degrees and 300 degrees) is shown in FIG. As shown in 9 (c), an unbalanced back EMF waveform is measured from the time point A after the occurrence of the interlayer short fault. 9 (d) is a graph showing the voltage / current sum of two phases (120 degrees and 300 degrees) facing each other in one graph, and FIG. 9 (e) is a graph showing an enlarged scale of the unbalanced counter electromotive force waveform. .

이처럼 마주보는 상(120도, 300도)의 층간단락 고장이 발생하게 되면, 도 9(c)의 후반부 또는 도 9(e)와 같이 불평형된 역기전력 파형이 발생되게 되므로, 마주보는 상(A)(B)의 전압/전류의 합이 0인 경우에는 정상상태로, 불평형된 역기전력 파형이 발생되면 고장상태로 판별한다.When the interlayer short circuit failure of the opposite phase (120 degrees, 300 degrees) occurs, an unbalanced counter electromotive force waveform is generated as shown in the latter part of FIG. 9 (c) or FIG. 9 (e). If the sum of voltage and current in (B) is 0, it is in a normal state. If an unbalanced back EMF waveform is generated, it is determined as a fault state.

도면을 참조하여 정상상태와 고장상태의 판별과정을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the drawings the process of discriminating between normal and fault conditions in more detail as follows.

본 발명의 목적은 설비의 규모가 대형화 및 고기능화 되면서 고장 발생 여부, 고장의 원인을 규명하는데, 고장을 미리 예측하여 사전에 보수하는 예지보전을 수행하기 위한 방법 중에 하나이다. 전압이나 전류를 이용한 고장진단의 경우 측정 데이터가 시계열 데이터이므로 원 신호로 진단하는 것이 어려우며 원 신호 또한 이상적이지 않기 때문에 처리를 위해 변환과 같은 방법들이 사용되고 있다. An object of the present invention is to determine whether a failure occurs and the cause of the failure as the size of the facility becomes larger and more functional, and is one of the methods for performing predictive maintenance to predict and repair the failure in advance. In the case of fault diagnosis using voltage or current, since the measurement data is time series data, it is difficult to diagnose the original signal, and since the original signal is also not ideal, methods such as conversion are used for processing.

일반적인 전동기의 회전원리는 축에 자석을 고정시켜서 자유로이 회전할 수 있도록 하고 N극을 회전시키면 축에 붙어 있는 자석의 S극이 밖에서 회전하고 있는 N극에 흡인되어 N극을 따라서 회전하기 때문에 축이 회전하는 원리를 가진다. 각 상의 코일은 등 간격으로 배치되며, 그 축의 중심에 막대자석을 놓고 돌리면 자석의 N극이 하나의 코일에 접근함에 따라 전압이 서서히 증가하여 코일의 중심에 올 때 코일에 최고의 전압이 유기되며 자석이 중심에서 멀어지면 유기되는 전압은 점점 작아진다.In general, the rotation principle of the motor is to fix the magnet to the shaft so that it can rotate freely. When the N pole is rotated, the S pole of the magnet attached to the shaft is attracted to the rotating N pole and rotates along the N pole. It has a principle of rotation. The coils of each phase are arranged at equal intervals, and when the bar magnet is placed at the center of its axis and turned, the voltage gradually increases as the N pole of the magnet approaches one coil, and the highest voltage is induced in the coil when it comes to the center of the coil. As you move away from this center, the induced voltage becomes smaller.

이 원리로 다른 상의 코일에 발생하는 전압은 동일한 형상으로 시간적 간격만 다르게 즉, 전동기는 위상차를 가지고 상회전을 하게 된다.In this principle, the voltages generated in the coils of the different phases have the same shape, and only the time intervals are different, that is, the motor rotates in phase with phase difference.

따라서 다상 전동기의 전압을

Figure 112009068947074-pat00037
, 다상 전동기의 순시 전류를
Figure 112009068947074-pat00038
, 주파수를
Figure 112009068947074-pat00039
, 상의 개수를
Figure 112009068947074-pat00040
,
Figure 112009068947074-pat00041
이라 할 때, 전압의 위상차(E) 및 전류의 위상차(I)는 다음 수학식 10으로 표현된다.Therefore, the voltage of the polyphase motor
Figure 112009068947074-pat00037
Instantaneous current of polyphase motor
Figure 112009068947074-pat00038
Frequency
Figure 112009068947074-pat00039
, The number of tops
Figure 112009068947074-pat00040
,
Figure 112009068947074-pat00041
In this case, the phase difference E of the voltage and the phase difference I of the current are represented by the following equation (10).

Figure 112009068947074-pat00042
Figure 112009068947074-pat00042

Figure 112009068947074-pat00043
Figure 112009068947074-pat00043

상기 수학식 10과 같이 전압, 전류의 위상차가 형성하게 되면, 짝수개의 상을 가지는 전동기의 경우는 반드시 마주보는 상을 가지게 됨을 알 수 있다. 상기 원리를 이용하면 이상적인 경우에 고장이 일어나지 않은 전동기의 서로 마주보는 상의 전압/전류의 합은 위상이 대칭되므로 0이 되며 반대로 고장이 일어난 상과 마 주보는 상의 전압/전류 합은 불평형이 일어나게 된다. When the phase difference between the voltage and the current is formed as shown in Equation 10, it can be seen that the motor having an even number of phases has an opposite phase. Using the above principle, in the ideal case, the sum of voltages / currents facing each other in a motor that does not fail is zero because the phases are symmetrical, whereas the sum of voltages / currents in the opposite phases with the failed phase is unbalanced. .

그리고 마주보는 상의 전압/전류 합을 통해 계측한 데이터를 2입력(서로 마주보는 상의 전압/전류) 1출력(정상상태의 유무)의 오류 역전파 신경망 알고리즘(back propagation neural network algorithm)을 이용하여 학습시킨다. The data measured through the voltage / current sum of the opposite phases is learned using the error back propagation neural network algorithm with 2 inputs (voltage / current facing each other) and 1 output (with or without steady state). Let's do it.

상기 오류 역전파 알고리즘은 짝수개의 다상 전동기의 경우 마주보는 상이 반드시 있기 때문에 각각의 데이터를 학습시키고, 마주보는 상들의 정상상태를 규정하기 위한 알고리즘으로서, 도 10에서 2입력 1출력의 오류 역전파 신경망 알고리즘(back propagation neural network algorithm)의 구조를 도식적으로 나타내고 있다.The error backpropagation algorithm is an algorithm for learning each data and defining the steady state of the opposing phases in the case of an even number of multiphase motors. In FIG. 10, the error backpropagation neural network is shown. The structure of the back propagation neural network algorithm is shown schematically.

이와 같은 상기 오류 역전파 알고리즘을 이용한 신경망의 학습은 크게 3 단계로 이루어진다. The neural network learning using the error backpropagation algorithm consists of three steps.

먼저, 1 단계로는 다음 수학식 11을 참조하여 학습 입력 패턴을 신경망에 입력하여 출력을 구한다.First, in step 1, a learning input pattern is input to a neural network with reference to Equation 11 to obtain an output.

Figure 112009068947074-pat00044
Figure 112009068947074-pat00044

이때, v, w 는 작은 랜덤 값, p는 학습 패턴 쌍의 개수이고, k의 초기값은 1이고, k가 p가 될 때 까지 출력을 계산한다.In this case, v and w are small random values, p is the number of pairs of learning patterns, the initial value of k is 1, and the output is calculated until k becomes p.

이어, 2 단계는 다음 수학식 12를 참조하여 출력과 목표치의 차이 즉, 오차를 구한다.Next, in step 2, the difference between the output value and the target value, that is, the error, is obtained by referring to Equation 12 below.

Figure 112009068947074-pat00045
Figure 112009068947074-pat00045

마지막으로, 3 단계는 다음 수학식 13을 참조하여 오차값을 역방향으로 전파시키면서 출력층의 연결강도 및 은닉층의 연결강도를 변경한다.Finally, step 3 changes the connection strength of the output layer and the connection strength of the hidden layer while propagating the error value in the reverse direction with reference to Equation (13).

Figure 112009068947074-pat00046
Figure 112009068947074-pat00046

이처럼 3 단계가 모두 끝나면, 다시 1 단계로 가서 반복하는 과정을 수행하여 오차를 줄인다. When all three steps are completed, go back to step 1 and repeat the process to reduce the error.

그리고 오차가 현저히 줄어 학습이 완료되면, 학습된 신호를 현재의 신호와 비교하고 이 차이를 이용해 다상 전동기의 고장의 유무를 진단하게 된다.When the learning is completed because the error is significantly reduced, the learned signal is compared with the current signal and the difference is used to diagnose the failure of the polyphase motor.

이처럼 상기 오류 역전파 신경망 알고리즘은 수집된 데이터로부터 반복적인 학습과정을 거쳐 데이터에 내재 되어있는 패턴을 찾아내는 모델링 기법으로써 입력층, 은닉층, 출력층으로 구성되어 있으며 각각의 뉴런에 마디를 연결하는 강도(weight)값을 지정하여 모델을 설정하고 반복 학습하여 실제 값과 오차가 최소화 된 결과를 출력하게 된다. 이러한 오류 역전파 신경망 알고리즘은 이산형, 연속형 변수 모두 사용 가능하며 기법을 적용할 수 있는 영역이 폭넓으며 상용화된 데이터 마이닝 제품이 많으며 제품 선택의 폭이 넓은 장점이 있다.The error back propagation neural network algorithm is a modeling technique that finds patterns inherent in data through iterative learning process from collected data. It consists of input layer, hidden layer, and output layer, and connects nodes to each neuron. Set the model by specifying the value and repeat the training to output the result with the minimum of actual value and error. The error back propagation neural network algorithm can use both discrete and continuous variables, has a wide range of application methods, many commercial data mining products, and a wide range of product choices.

한편, 본 발명에 따른 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor : SPIMSM)의 구조는 각 상이 독립된 형태로 3상 이상의 다상 구조를 가진다. On the other hand, the structure of the permanent magnet surface-mounted independent winding multi-phase synchronous motor (SPIMSM) according to the present invention has a three-phase or more multi-phase structure in each phase is independent form.

시스템의 대용량화 되면서 각 상에 입력하는 전류의 용량도 커지나 전류의 제곱에 비례하게 손실이 증가하며, 전동기를 구동하기 위한 스위칭 소자의 가격 역 시 증가하게 되지만, 이러한 높은 전류를 여러 개의 상으로 분산시킴으로써 전체출력은 높이고, 한 상당 부담하는 전류의 크기를 줄여줌으로서 손실이 줄어들게 되고, 회로병렬이나 소자 병렬 등의 복잡한 구조가 불필하게 되며, 3상의 경우 한상이 고장나게 되면 전력각이 90도가 넘게 되면서 전동기의 운전이 정지한다. As the capacity of the system increases, the amount of current input to each phase also increases, but the loss increases in proportion to the square of the current, and the price of the switching element for driving the motor also increases, but by distributing such a high current into multiple phases. The overall output is increased, and the loss is reduced by reducing the amount of current, and complex structures such as circuit parallelism and device parallelism are unnecessary, and in the case of three phases, when the one phase fails, the power angle exceeds 90 degrees. The motor stops running.

하지만 본 발명과 같이 전동기가 3상(phase) 이상의 다상의 경우, 한 상을 손실하여도 90도 이내의 전력각이 존재하므로 전동기가 정지하지 않고 지속적인 운전이 가능하여 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한 독립상의 경우 스위칭소자의 고장으로 인하여 전동기의 이상동작을 발생시킬 경우 고장난 상(phase)의 스위칭 소자만을 독립적으로 분리 및 교체가 가능하다. 마지막으로 상(phase)의 수를 짝수로 제작하게 되면 서로 180도 위상 차이를 가지는 상이 존재하게 되므로 전동기의 권선고장의 위치를 간편하게 판별할 수 있다.However, as in the present invention, in the case of a multiphase motor having three or more phases, even if one phase is lost, a power angle within 90 degrees exists so that the motor can be continuously operated without stopping and reliability can be ensured. In addition, in the case of an independent phase, if an abnormal operation of the motor occurs due to a failure of the switching element, only the switching element of the failed phase can be separated and replaced independently. Finally, if the number of phases is made even, the phases having a phase difference of 180 degrees exist with each other, and thus the location of winding failure of the motor can be easily determined.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. Although the technical spirit of the present invention described above has been described in detail in a preferred embodiment, it should be noted that the above-described embodiment is for the purpose of description and not of limitation. In addition, those skilled in the art will understand that various embodiments are possible within the scope of the technical idea of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM: surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor)의 구동 시스템을 나타낸 블록도1 is a block diagram showing a driving system of a surface permanent individual winding multi-phase synchronous motor (SPIMSM) according to an embodiment of the present invention.

도 2 는 도 1의 스위칭부와 SPIMSM의 연결 구조를 상세히 나타낸 회로도FIG. 2 is a circuit diagram illustrating in detail the connection structure of the switching unit and the SPIMSM of FIG.

도 3 은 도 1의 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM)의 구조를 나타낸 구성도3 is a block diagram showing the structure of the permanent magnet surface-mounted independent winding multi-phase synchronous motor (SPIMSM) of FIG.

도 4 는 BLDC 전동기와 본 발명에 사용된 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(SPIMSM)의 입력 파형과 역기전력을 나타낸 타이밍도4 is a timing diagram showing input waveforms and counter electromotive force of a BLDC motor and a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor (SPIMSM) used in the present invention.

도 5 는 도 1의 제어부의 구조를 보다 상세히 나타낸 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템의 블록도5 is a block diagram of a drive system of a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor showing the structure of the controller of FIG. 1 in more detail.

도 6 은 복소수 공간 벡터를 이용한 좌표변환 시 실수축을

Figure 112009068947074-pat00054
축, 허수축을
Figure 112009068947074-pat00055
축이라고 했을 때
Figure 112009068947074-pat00056
축 정지좌표계와 6상 정지 좌표계를 나타낸 그래프6 shows a real axis in coordinate transformation using a complex space vector.
Figure 112009068947074-pat00054
Axis, imaginary axis
Figure 112009068947074-pat00055
When we say axis
Figure 112009068947074-pat00056
Graph showing axis stop coordinate system and 6-phase stop coordinate system

도 7 은 정지 좌표계와 회전 좌표계를 표현한 그래프7 is a graph representing a stationary coordinate system and a rotational coordinate system.

도 8 은 본 발명의 실시예에 따른 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 층간단락 고장진단 방법을 설명하기 위한 상태도8 is a state diagram for explaining the method for diagnosing the short circuit breakdown of a permanent magnet surface-mounted independent winding multiphase synchronous motor having an independent wiring structure according to an embodiment of the present invention.

도 9(a) 내지 9(e)는 SPIMSM에서 마주보는 상의 층간단락 고장이 발생한 역기전력 파형의 변화를 나타낸 그래프9 (a) to 9 (e) are graphs showing changes in the back EMF waveform in which an interlayer short fault occurs in a phase faced by the SPIMSM.

도 10 은 본 발명의 전동기의 고장 진단시 사용되는 오류 역전파 신경망 알고리즘의 구조를 도식적으로 나타낸다.Fig. 10 schematically shows the structure of the error backpropagation neural network algorithm used in the fault diagnosis of the motor of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS

100 : DC 전원부 200 : 스위칭부100: DC power supply unit 200: switching unit

300 : SPIMSM 310 : 고정자300: SPIMSM 310: stator

320 : 회전자 400 : 게이트 구동부320: rotor 400: gate driving unit

500 : 제어부 511, 512 : PI 제어기500: control unit 511, 512: PI controller

520 : d-q축 변환기 530 : 다상 제어변환기520: d-q axis converter 530: multi-phase control converter

600 : 엔코더600: encoder

Claims (10)

삭제delete 삭제delete 3상 이상의 짝수개의 다상 전동기가 서로 180도 위상차를 가지는 상(phase)이 존재하는 구조를 갖는 전력반도체 소자의 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기(Surface Permanent Individual winding Multi-phase Synchronous Motor : SPIMSM)와,Surface Permanent Individual Winding Multi-phase Synchronous Motor: Permanent Magnet Surface Attachment of Power Semiconductor Device with Three-Phase or More Even-Phase Multi-Phase Motors )Wow, 상기 SPIMSM 구동에 필요한 DC 전원을 공급하는 DC 전원부와, A DC power supply unit supplying DC power required for driving the SPIMSM; 상기 SPIMSM의 회전속도를 감지하는 엔코더와,An encoder for detecting the rotational speed of the SPIMSM; 외부 사용자의 지령신호 및 상기 엔코더에서 감지된 회전속도에 따른 센서신 호를 기반으로 제어신호를 출력하는 제어부와,A control unit for outputting a control signal based on a command signal of an external user and a sensor signal according to the rotation speed detected by the encoder; 상기 제어신호를 입력으로 상기 SPIMSM을 구동시키기 위한 게이트 구동신호를 생성하는 게이트 구동부와,A gate driver configured to generate a gate driving signal for driving the SPIMSM with the control signal as an input; 상기 생성된 게이트 구동신호를 각 전력 반도체소자의 게이트에 선택적으로 스위칭하여 인가하는 스위칭부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템.And a switching unit for selectively switching and applying the generated gate driving signal to the gates of the respective power semiconductor devices. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 스위칭부는 독립적인 다수 개의 스위칭 소자로 이루어진 풀-브릿지(full-bridge) 회로의 인버터 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템.The switching unit is a drive system of a permanent magnet surface mount type independent winding multi-phase synchronous motor having an independent connection structure, characterized in that the inverter structure of a full-bridge circuit consisting of a plurality of independent switching elements. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 SPIMSM은 영구자석으로 이루어진 회전자(rotor)와,The SPIMSM is a rotor (rotor) made of a permanent magnet, 돌극치(teeth) 및 슬롯(slot)의 연속적인 배열에 코일이 권선된 구조로 이루어진 고정자(stator)로 구성되며, 상기 다상 전동기의 각 상은 직렬로 권선되어 있는 것을 특징으로 하는 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템. It consists of a stator composed of a structure in which coils are wound in a continuous arrangement of teeth and slots, and each phase of the multiphase motor has an independent connection structure, characterized in that it is wound in series. Drive system for independent winding multi-phase synchronous motor with permanent magnet surface. 제 3 항에 있어서, 상기 제어부는 The method of claim 3, wherein the control unit 벡터제어 기법을 기반으로 좌표변환을 이용해 입력되는 다상의 전류 제어변수 및 엔코더에서 출력되는 회전속도에 따른 센서신호를 기반으로 d-q축 전류신호로 변환하는 d-q축 변환기와,A d-q-axis converter that converts a multi-phase current control variable input using coordinate transformation based on a vector control technique and a d-q-axis current signal based on a sensor signal according to the rotational speed output from the encoder; 상기 d-q축 변환기에서 변환된 d-q축 전류신호를 기반으로 d-q축 전압신호로 변환하는 PI 제어기와,A PI controller converting the d-q axis voltage signal based on the d-q axis current signal converted by the d-q axis converter; 상기 PI 제어기에서 변환된 d-q축 전압신호를 기반으로 다상의 전압 제어변수로 변환하여 상기 게이트 구동부로 출력하는 다상 제어변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 독립결선 구조를 가진 영구자석 표면 부착형 독립권선 다상 동기 전동기의 구동 시스템. Permanent magnet surface-attached independent winding polyphase with an independent connection structure, characterized in that it comprises a multi-phase control converter for converting the multi-phase voltage control variable on the basis of the dq-axis voltage signal converted by the PI controller to output to the gate driver Drive system of synchronous motor. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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