KR101122673B1 - Method for speed control of ac motor using the radial basis function network observer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 RBFN(Radial Basis Function Network) 관측기를 이용한 유도 전동기의 지능형 속도 제어 시스템에 대한 것으로, 기존 적분비례 또는 비례적분 제어 시스템 설계 방법에 있어서의 문제점인 모델의 불확실성과 이에 따라 시스템이 오차에 민감하게 반응하는 것을 극복하여, 강인한 고성능, 저가의 유도전동기 서보시스템을 구축하기 위한 것이다. 실제적인 유도 전동기 시스템에 있어서 시스템 고유의 불확실성이 반드시 존재하게 된다. 이러한 파라미터의 불확실성이나, 외란, 설계에 포함되지 않은 동역학적인 요인과 같은 시스템 고유의 불확실성을 극복하기 위하여, 본 발명에서는 RBFN이 고유의 불확실성을 근사하기 위한 불확실성 관측기로서 사용되었고, 시스템의 구조적인 오차를 보상하기 위한 RBFN 내의 많은 수의 규칙과 추가적인 갱신 파라미터들 대신에 부가적인 강인제어항이 추가되었다. 이에 따라 전체 폐루프 시스템에서 속도 센서 없는 유도 전동기가 리아프노프 안정도를 갖도록 설계되었다. 따라서 본 발명은 속도 센서가 없는 중저가의 유도 전동기가 내재된 고유의 불확실성을 극복하여 입력에 대한 출력의 오차를 줄이고 동작하도록 한다.

Figure R1020050008384

유도전동기, RBFN(Radial Basis Function Network), 속도제어 시스템, 불확실성 관측기, 적응제어, 리아프노프 안정도, 직접 토크제어(DTC)

The present invention relates to an intelligent speed control system of an induction motor using a radial basis function network (RBFN) observer. It is to build a robust high performance, low cost induction motor servo system. In practical induction motor systems, system-specific uncertainties necessarily exist. In order to overcome the inherent uncertainties of these parameters, such as disturbances and dynamic factors not included in the design, in the present invention, RBFN was used as an uncertainty observer to approximate the inherent uncertainty, and the structural error of the system An additional robust control term has been added in place of the large number of rules and additional update parameters in the RBFN to compensate for this problem. Therefore, the induction motor without speed sensor is designed to have Lyapunov stability in the whole closed loop system. Accordingly, the present invention overcomes the inherent uncertainty inherent in low and low cost induction motors without a speed sensor to reduce the error of the output to the input.

Figure R1020050008384

Induction Motor, Radial Basis Function Network (RBFN), Speed Control System, Uncertainty Observer, Adaptive Control, Liafnov Stability, Direct Torque Control (DTC)

Description

방사형 기저 함수 네트워크 관측기를 이용한 유도 전동기의 속도 제어 방법{METHOD FOR SPEED CONTROL OF AC MOTOR USING THE RADIAL BASIS FUNCTION NETWORK OBSERVER} METHOD FOR SPEED CONTROL OF AC MOTOR USING THE RADIAL BASIS FUNCTION NETWORK OBSERVER}             

도 1은 일반적인 RBFN 불확실 관측기의 구조를 나타낸 도면.1 illustrates the structure of a typical RBFN uncertainty observer.

도 2는 3-레벨 인버터 시스템을 위한 기본적인 직접토크제어 시스템의 블록 구조를 나타낸 도면.2 is a block diagram of a basic direct torque control system for a three-level inverter system.

도 3은 일반적인 직접토크제어 시스템의 간략화된 구조를 나타낸 도면.3 shows a simplified structure of a general direct torque control system.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 전동기 제어 시스템을 구현하기 위한 블록선도를 나타낸 도면. 4 is a block diagram for implementing an induction motor control system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 전동기 제어시스템의 전체 블록구조를 나타낸 도면.5 is a block diagram showing the overall block structure of the induction motor control system according to a preferred embodiment of the present invention.

도 6은 종래의 IP제어기를 이용한 유도전동기에서의 제어결과를 나타낸 도면. 6 is a view showing a control result in an induction motor using a conventional IP controller.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 RBFN을 이용한 유도전동기에서의 제어결과를 나타낸 도면.7 is a view showing a control result in an induction motor using another RBFN in a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 유도 전동기에 관한 것으로 특히, 방사형 기저 함수 네트워크(Radial Basis Function Network, 이하‘RBFN’이라 칭함)를 동작 오차 관측기로 이용하여 유도전동기를 효과적으로 제어하기 위한 것이다. The present invention relates to an induction motor, and more particularly, to effectively control an induction motor using a radial basis function network (hereinafter referred to as 'RBFN') as an operation error observer.

유도 전동기의 속도 센서없는 서보 제어 시스템 구축시, 적당한 가정을 이용하면 전동기의 기계방적식을 이용한 비례적분, 적분비례 설계방법만으로도 원하는 성능을 갖는 속도 제어루프를 비교적 간단하게 설계할 수 있다. 하지만 이와 같이 간단한 접근방법으로는 모델 파라미터의 불확실성 및 미지의 부하조건에 따라서 민감한 특성을 보이는 단점이 있다. 또한 실제의 속도 센서가 구비되지 않은 유도전동기 시스템에서는 속도 추정 오차는 반드시 존재하기 때문에, 발생하는 오차에 대한 영향 분석은 전체 폐루프 제어시스템에서의 안정도 해석관점에서 반드시 고려되어야 할 사항이다. When constructing a servo control system without a speed sensor of an induction motor, if a proper assumption is used, a speed control loop having a desired performance can be designed relatively simply using only the proportional integral and integral proportional design method using the mechanical equation of the motor. However, this simple approach has the disadvantage of showing sensitive characteristics depending on the uncertainty of the model parameters and unknown load conditions. In addition, in the induction motor system without the actual speed sensor, the speed estimation error is necessarily present. Therefore, the effect analysis on the generated error must be considered in the stability analysis viewpoint of the entire closed loop control system.

제어 시스템 고유의 불확실성에 대한 정확한 수학적 모델링이 가능하다면 제어기 및 추정기에 대한 강인제어 특성을 얻을 수 있겠지만 이 또한 불확실성의 불특정 및 강한 비선형성으로 인해 정확한 모델링 정보를 얻기가 쉽지 않다. 따라서 최근 적응퍼지로직, 퍼지신경망, 회기퍼지신경망 등과 같은 여러 종류의 지능형 접근 방법들이 고출력의 유도 전동기 제어에 활발히 이용되고 있다. If accurate mathematical modeling of the inherent uncertainty of the control system is possible, robust control characteristics of the controller and estimator can be obtained, but it is also difficult to obtain accurate modeling information due to the uncertainty and the strong nonlinearity of the uncertainty. Therefore, recently, various types of intelligent approaches such as adaptive purge logic, fuzzy neural network, recurrent purge neural network, and the like have been actively used for high power induction motor control.

그 일례로서 R.J Wai는 시스템 공유의 불확실성의 온라인 추정을 위해 회기 퍼지 신경망을 응용하였으며 유도 전동기의 속도 제어기 설계문제에 적용하여 적분비례 방식의 속도 제어기보다 더 나은 제어 성능을 얻을 수 있었다. 하지만 사용된 회기 퍼지 신경망의 복잡한 구조 및 많은 수의 파라미터 및 설계상수는 계산상의 복잡성을 유발하였다. 더욱이, 제어기 설계시 시스템 동특성에 대한 정확한 직관을 필요로 하며, 시스템 설계자의 시행착오를 거쳐 설정되는 미지의 유계 파라미터는 설계를 더욱 어렵게 하였다. B.K Bose에 의해 시행된 다른 연구에서는 속도 및 토크 제어기 설계를 위해 간단한 정적 퍼지로직을 사용했다. 하지만 사용된 퍼지로직의 정적 매핑으로 인해, 시스템의 환경변화에 적응적으로 대처할 수 있는 능력이 없으며 따라서 강인성 및 안정도를 보장할 수 없었다. 더욱이 정적 퍼지시스템 설계를 위해서는 전문가의 지식을 필요로 하며 따라서 효과적인 제어기 설계를 위해서는 제어대상 시스템에 대한 정확한 지식이 요구된다.As an example, R.J Wai applied a recurrent fuzzy neural network for on-line estimation of system sharing uncertainty, and applied to speed controller design problem of induction motor, and obtained better control performance than integrative speed controller. However, the complex structure and large number of parameters and design constants of the recurrent fuzzy neural networks used caused computational complexity. Moreover, the design of the controller requires accurate intuition of the system dynamics, and the unknown parameter set through trial and error of the system designer makes the design more difficult. In another study conducted by B.K Bose, a simple static fuzzy logic was used to design the speed and torque controllers. However, due to the static mapping of the fuzzy logic used, there is no ability to adapt adaptively to changes in the environment of the system and thus cannot guarantee robustness and stability. Moreover, designing a static fuzzy system requires expert knowledge, and therefore, accurate knowledge of the system under control is required for effective controller design.

상기된 바와 같이 동작하는 종래의 비례적분(PI:proposition and integration) 또는 적분비례(IP:integration and proposition) 기술에 의한 유도전동기의 제어에 있어서는, 전자기 에너지에서 기계 에너지로의 변환과정에서 피할 수 없는 모델의 비선형성(5차 비선형 미분 방정식)과, 다변수 시스템(입력 변수들인 다수의 전류와 출력 변수들인 토크, 속도 그리고 자속)이면서, 변화하는 시스템 파라미터(동작 온도에 따라 심각하게 영향을 받는 회전자 저항, 마찰 계수 그리고 자속의 크기에 의존하는 인덕턴스)로 인하여 알 수 없는 부하토크가 발생하며, 모 델링 되지 않는 시스템의 가변동되는 특성과 부분적인 상태 변수 측정(측정할 수 없는 회전자 자속이 존재) 에 문제점이 있으며, 지능형 제어 시스템에 의한 유도 전동기 제어에 있어서는, 퍼지 신경망 또는 다른 지능형 제어 알고리즘은 복잡하며, 시스템 설계를 위해 정확한 전문가의 지식이 요구되는 등의 문제점이 있었다.In the control of the induction motor by the conventional PI and PI technique, which is operated as described above, it is unavoidable in the process of converting electromagnetic energy into mechanical energy. Nonlinearity of the model (5th order nonlinear differential equations) and multivariable system (multiple currents as input variables and torques, velocity and flux as output variables), as well as changing system parameters (severely affected by operating temperature) Unknown load torque is caused by electronic resistance, coefficient of friction and inductance depending on the magnitude of the magnetic flux, and the variable behavior of the non-modeled system and the measurement of partial state variables (measurable rotor flux Present), and in the induction motor control by the intelligent control system, fuzzy neural network or other intelligent The type control algorithm is complicated and requires accurate expert knowledge for system design.

따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은, 기존의 높은 가격대의 고성능 유도 전동기가 갖는 이점을 가진 중저가의 유도 전동기 시스템을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention, which was devised to solve the problems of the prior art operating as described above, is to provide a low-cost induction motor system having the advantages of the existing high priced high-performance induction motor.

본 발명의 다른 목적은, 중저가의 속도 센서가 탑재되지 않은 유도전동기의 제어에 있어서 시스템의 불확실성을 극복하고 안정적인 시스템 운용을 위하여 RBFN을 동작 오차 관측기로 이용하여 비선형 특성을 보이는 유도 전동기를 효과적으로 제어하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to effectively control an induction motor that exhibits nonlinear characteristics by using RBFN as an operation error observer for overcoming system uncertainty in controlling a induction motor that is not equipped with a low-cost speed sensor and for stable system operation. It is for.

본 발명의 또 다른 목적은, RBFN을 근사화기로 이용하여 알지 못하는 상태 및 불확실성에 대한 모델링과, 이에 따라 고전적인 제어 기법으로 접근이 불가능한 강한 비선형성을 가진 유도전동기 시스템에 있어서 강인한 속도 제어기를 구현하는 것이다.Another object of the present invention is to use RBFN as an approximator to model unknown states and uncertainties, and to implement robust speed controllers in induction motor systems with strong nonlinearity that are inaccessible by classical control techniques. will be.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 실시예는, 방사형 기저 함수 네트워크 관측기를 이용한 유도 전동기의 속도 제어 방법에 있어서, 입력되는 토크값을 강건하고 안정된 속도 제어기와 토크 비교기를 통해 값을 비교 하며, 입력값과의 오차를 보상하는 과정과, 입력되는 자속값을 자속 비교기에서 비교하는 과정과, 상기 토크비교기와 자속 비교기들로부터 출력된 값들을 스위칭 로직발생기를 통해 게이팅 신호를 발생하여 3-레벨 인버터와 적응 관측기로 전달하는 과정과, 상기 3-레벨 인버터는 인버터 값을 출력하여 적응 관측기로 전달하여 입력값의 근사값을 출력하고, 상기 인버터 값을 통하여 유도 전동기를 제어하는 과정을 특징으로 한다.
In order to achieve the above object, an embodiment of the present invention provides a method of controlling a speed of an induction motor using a radial basis function network observer, wherein the input torque value is obtained through a robust and stable speed controller and a torque comparator. Comparing the, and the process of compensating for the error with the input value, the process of comparing the input magnetic flux value in the magnetic flux comparator, and generating a gating signal from the torque comparator and the output values from the magnetic flux comparators Transferring the three-level inverter to the adaptive observer; and outputting the inverter value to the adaptive observer, outputting an approximation of the input value, and controlling the induction motor through the inverter value. It is done.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. Hereinafter, the operating principle of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily flow the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intentions or customs of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

도 1은 일반적인 RBFN 불확실 관측기의 구조를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the structure of a typical RBFN uncertainty observer.

RBFN는 instar-outstar 모델의 설계도구이며, 입력(110), 출력(130) 그리고 표준화된 가우시안 활성화 함수(Gaussian activation function)들의 은닉층(120)(Hidden Layer)으로 구성되어 있다. RBFN 은 부분적으로 동조되고, 중복적으로 받아들이는 층 구조를 기초로 한다. 한 개의 입력(110)과 출력(130), 한 개의 은닉 층(120)으로 구성된 단순한 타입의 RBFN의 개략적인 구조는 상기 도1에 도시되어 있다. RBFN is a design tool for the instar-outstar model and consists of an input layer 110, an output 130, and a hidden layer 120 of standardized Gaussian activation functions. RBFN is based on a partially tuned, redundantly accepted layer structure. A schematic structure of a simple type of RBFN consisting of one input 110, one output 130, and one hidden layer 120 is shown in FIG. 1.

상기 입력(110)으로부터 전달되는 변수 값들의 선형 결합을 은닉층(120)에서 비선형 함수로 처리하여 출력(130)으로 전달하여 값을 출력한다. 여기서 RBFN의 은닉층(120) 노드들은 가우시안 활성화 함수들을 (수학식1)에서 보여주는 것처럼 표준화시킨다.The linear combination of the variable values transmitted from the input 110 is processed by the non-linear function in the hidden layer 120 and transferred to the output 130 to output the value. Here, the hidden layer 120 nodes of the RBFN normalize the Gaussian activation functions as shown in Equation (1).

Figure 112005005552983-pat00001
Figure 112005005552983-pat00001

x 는 입력벡터,

Figure 112005005552983-pat00002
는 중심,
Figure 112005005552983-pat00003
는 q번째 가우시안 함수의 폭.x is the input vector,
Figure 112005005552983-pat00002
Is the center,
Figure 112005005552983-pat00003
Is the width of the qth Gaussian function.

각각의 q번째 숨겨진 노드에 대해서, 그것의 수용필드(receptive field),

Figure 112005005552983-pat00004
Figure 112005005552983-pat00005
로 중심화된 층이다. 그리고
Figure 112005005552983-pat00006
는 q번째 가우시안 함수의 변화이다. 그러므로 은닉층 노드q는 입력 벡터들에게
Figure 112005005552983-pat00007
와 비슷한, 큰 응답 값을 준다. RBFN의 출력은 단순하게 은닉층 노드출력의 가중화된 합이다. 그리고 본 발명에서 은닉층 출력 선형 조합의 단순한 형태를 이용하여 RBFN을 불확실 관측기로서 사용한다. (수학식 2)는 이러한 은닉층 출력의 선형 조합을 보이고 있다.For each q th hidden node, its receptive field,
Figure 112005005552983-pat00004
silver
Figure 112005005552983-pat00005
As the centered layer. And
Figure 112005005552983-pat00006
Is the change of the qth Gaussian function. Therefore, the hidden layer node q
Figure 112005005552983-pat00007
Similarly, it gives a large response. The output of the RBFN is simply the weighted sum of the hidden layer node outputs. In the present invention, RBFN is used as an uncertain observer using a simple form of hidden layer output linear combination. Equation (2) shows a linear combination of these hidden layer outputs.

Figure 112005005552983-pat00008
Figure 112005005552983-pat00008

Figure 112005005552983-pat00009
는 i번째 노드와 RBFN 출력 사이의 가중치이다. 그리고
Figure 112005005552983-pat00010
Figure 112005005552983-pat00011
's의 벡터이다.
Figure 112005005552983-pat00009
Is the weight between the i th node and the RBFN output. And
Figure 112005005552983-pat00010
silver
Figure 112005005552983-pat00011
is the vector of 's.

도 2는 3-레벨 인버터 시스템을 위한 기본적인 직접토크제어(DTC:Direct Torque Control) 시스템의 구조를 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating the structure of a basic direct torque control (DTC) system for a three-level inverter system.

상기 도 2의 유도 전동기 DTC 시스템은 적분 비례(IP) 제어기(205), 토크 비교기(210)와 자속 비교기(215), 스위칭 로직 발생기(220), 적응 관측기(225) 그리고 3레벨 인버터 시스템(230)을 포함하고 있다. The induction motor DTC system of FIG. 2 includes an integral proportional (IP) controller 205, a torque comparator 210 and a flux comparator 215, a switching logic generator 220, an adaptive observer 225, and a three-level inverter system 230. ) Is included.

토크값은 IP제어기(210)를 거쳐 적응 관측기(225)로부터 나온 값과 감산하여 토크 비교기(210)에서 값을 비교한다. 여기서 IP 제어기(210)는 PI제어와 제로(0) 정상상태 오차에 비해서 단계추적 응답이 무시 할 정도로 작은 오버슈트(overshoot)을 가지며 좋은 조정 특성을 갖는다. 또한 자속값은 적응 관측기(225)로부터 나온 값과 감산하여 자속 비교기(215)에서 값을 비교하여, 상기 비교기(210 내지 215)들로부터 출력된 값들은 스위칭 로직발생기(220)를 통해 게이팅 신호(Gating signal)가 발생하고, 상기 게이팅 신호는 3-레벨 인버터(230)와 적응 관측기(225)로 전달된다. 상기 3-레벨 인버터(230)는 게이팅 신호값에 따라 유도 전동 기(235)를 제어하게 된다. 상기 적응 관측기(225)로 전달된 게이팅 신호와 3-레벨 인버터(230)의 출력값들로부터 관측값을 생성, 출력하여 입력되는 토크값과 자속값에 감산하고, 스위칭 로직 발생기(220)로 값을 전달한다. The torque value is subtracted from the value from the adaptive observer 225 via the IP controller 210 to compare the value in the torque comparator 210. Here, the IP controller 210 has an overshoot that is small so that the step tracking response is negligible compared to the PI control and the zero steady state error and has good adjustment characteristics. In addition, the magnetic flux value is subtracted from the value from the adaptive observer 225 to compare the value in the magnetic flux comparator 215, the values output from the comparators (210 to 215) through the switching logic generator 220 through the gating signal ( Gating signal is generated, and the gating signal is transmitted to the three-level inverter 230 and the adaptive observer 225. The three-level inverter 230 controls the induction motor 235 according to the gating signal value. The observation value is generated and output from the gating signal transmitted to the adaptive observer 225 and the output values of the three-level inverter 230, subtracted from the input torque value and the magnetic flux value, and the value is converted to the switching logic generator 220. To pass.

상기 도2에서 RBFN 불확실성 관측기를 가지는 IP 제어기(210)를 이용하여 속도 제어 루프를 안정하게 하고, 요구된 제어 성능을 얻기 위해 제어기의 파라미터 Ki, Kp를 유도 할 수 있도록 설계 되었다. 회전자(Rotor)의 속도, 플럭스(Flux)와 토크 측정과 구성요소들의 조절(Regulation)이 완벽하게 동작하도록 몇 가지 적당한 가정들을 초기(Nominal)모델 동역학에 적용하면, DTC 시스템의 구조도는 도 3과 같이 간략하게 표현될 수 있다. In FIG. 2, an IP controller 210 having an RBFN uncertainty observer is used to stabilize the speed control loop and to induce the parameters Ki and Kp of the controller to obtain the required control performance. Applying some reasonable assumptions to the nominal model dynamics to ensure that rotor speed, flux and torque measurements and regulation of components work perfectly, the schematic diagram of the DTC system is shown in FIG. It can be expressed briefly as follows.

도 3은 일반적인 직접토크제어 시스템의 간략화된 구조도를 나타낸 도면이다.3 is a schematic structural diagram of a general direct torque control system.

토크값은 IP제어기(305)를 통해 출력된 값은 토크 상수 K(310)를 거치게 되고, T외란값을 합산하여 게이팅 신호를 생성하여 3레벨 인버터인

Figure 112005005552983-pat00012
(315)를 통해 적응 토크값을 출력하여 입력 토크값과 감산한다. The torque value is output through the IP controller 305 is passed through the torque constant K (310), the T disturbance value by adding a gating signal to generate a three-level inverter
Figure 112005005552983-pat00012
The adaptive torque value is outputted through 315 and subtracted from the input torque value.

상기 시스템의 제어목적은 페루프 시스템의 모든 신호들이 특정 영역 안에 존재 되어야 한다는 제약조건을 갖는 고유한 불확실성 하에서 주어진 한정된 속도

Figure 112005005552983-pat00013
Figure 112005005552983-pat00014
가 따라가도록 하는 것이다. The control objective of the system is a limited speed given under inherent uncertainty with the constraint that all signals in the Peruvian system must be in a specific area.
Figure 112005005552983-pat00013
To
Figure 112005005552983-pat00014
To follow.

상기 도 3에서 다음의 (수학식 3)으로 간단한 기계적 모델 방정식을 얻을 수 있다.In FIG. 3, a simple mechanical model equation can be obtained by the following Equation 3.

Figure 112005005552983-pat00015
Figure 112005005552983-pat00015

그리고 상기 (수학식 3)은 적정 변수 형태로 쓸 수 있다.Equation (3) can be written in the form of appropriate variables.

Figure 112005005552983-pat00016
Figure 112005005552983-pat00016

상기 (수학식 4)에서는 초기값으로 표현되었지만 대부분의 실제 경우에 유도전동기 모델에 고유 불확실성이 반드시 존재한다. 그래서 고유 불확실성을 상기 (수학식 4) 에 포함시키는 것이 타당하며 이 결과 (수학식 5)가 얻어진다.Although expressed as an initial value in Equation (4), inherent uncertainty exists in the induction motor model in most practical cases. It is therefore reasonable to include the inherent uncertainty in Equation 4 above, and this results in Equation 5 being obtained.

Figure 112005005552983-pat00017
Figure 112005005552983-pat00017

여기서,

Figure 112005005552983-pat00018
Figure 112005005552983-pat00019
의 모델링 에러,
Figure 112005005552983-pat00020
는 제어 입력
Figure 112005005552983-pat00021
는 모델링되지 않은 불확실성이다. here,
Figure 112005005552983-pat00018
Is
Figure 112005005552983-pat00019
Modeling error,
Figure 112005005552983-pat00020
Control input
Figure 112005005552983-pat00021
Is the unmodeled uncertainty.

상기 (수학식 5)는 (수학식 6)의 형태로 다시 표현 될 수 있다. Equation 5 may be expressed again in the form of Equation 6.

Figure 112005005552983-pat00022
Figure 112005005552983-pat00022

만약 정확한 고유 불확실성(

Figure 112005005552983-pat00023
)을 안다면, 상기 (수학식 6)에서 표현된 폐루프 시스템에 대한 완벽한 제어 입력이 점근적으로 안정해짐을 (수학식 7)과 같이 계산 할 수 있다. If the exact inherent uncertainty (
Figure 112005005552983-pat00023
), It can be calculated as Equation (7) that the complete control input to the closed loop system represented by Equation (6) becomes asymptotically stable.

Figure 112005005552983-pat00024
Figure 112005005552983-pat00024

여기서

Figure 112005005552983-pat00025
는 시스템을 안정화시키기 위해 설계된 상수이다.here
Figure 112005005552983-pat00025
Is a constant designed to stabilize the system.

상기 (수학식 7)을 상기 (수학식 6)에 대입하면 다음 (수학식 8)과 같이 에러역학 조건이 얻어진다.Substituting Equation 7 into Equation 6, an error dynamic condition is obtained as shown in Equation 8 below.

Figure 112005005552983-pat00026
Figure 112005005552983-pat00026

상기 (수학식 8)은 상기 (수학식 7)에서 표현된 제어 입력이 적당한 설계 상 수 Kx를 가지고 전체 페루프 시스템이 안정해지도록 유도함을 의미한다. 즉,

Figure 112005005552983-pat00027
이다. Equation (8) means that the control input represented by Equation (7) induces the entire Perup system to be stable with an appropriate design constant Kx. In other words,
Figure 112005005552983-pat00027
to be.

RBFN을 사용하는 센서가 없는 속도제어에서, 센싱값을 대신해서 예측된 회전자속도는 제어신호를 발생시키기 위해 피드백 된다. 예측된 속도를 이용하여, 상태방정식 (수학식 6)은 (수학식 9)로 다시 쓸 수 있다.In sensorless speed control using RBFN, the predicted rotor speed is fed back to generate a control signal instead of the sensing value. Using the predicted velocity, the state equation (Equation 6) can be rewritten as (Equation 9).

Figure 112005005552983-pat00028
Figure 112005005552983-pat00028

여기서,

Figure 112005005552983-pat00029
그리고
Figure 112005005552983-pat00030
는 전체 제어 입력이다.here,
Figure 112005005552983-pat00029
And
Figure 112005005552983-pat00030
Is the full control input.

대부분의 제어 시스템의 경우에서 예측된 속도와 실제 속도는 같다고 가정된다. 그러나 실제시스템에서 예측 에러는 존재하게 된다. 속도 측정기에 의해 측정된 회전자속도 에러

Figure 112005005552983-pat00031
와 알려지지 않은 회전자속도 에러
Figure 112005005552983-pat00032
는 (수학식 10)과 같이 정의된다.For most control systems it is assumed that the predicted speed and the actual speed are the same. However, in real systems, prediction errors exist. Rotor speed error measured by speed meter
Figure 112005005552983-pat00031
And unknown rotor speed error
Figure 112005005552983-pat00032
Is defined as (10).

Figure 112005005552983-pat00033
Figure 112005005552983-pat00033

여기서,

Figure 112005005552983-pat00034
Figure 112005005552983-pat00035
는 급격히 감소하는 예상에러다.here,
Figure 112005005552983-pat00034
Wow
Figure 112005005552983-pat00035
Is an unexpected decline.

상기

Figure 112005005552983-pat00036
와 전체 불확실성을 나타내는 변수에 대한 가정이 (수학식 11)과 같이 얻어진다.remind
Figure 112005005552983-pat00036
And assumptions about the variables representing the total uncertainty are obtained as shown in Equation (11).

Figure 112005005552983-pat00037
Figure 112005005552983-pat00037

여기서,

Figure 112005005552983-pat00038
는 유한한 양의 상수이다,
Figure 112005005552983-pat00039
,
Figure 112005005552983-pat00040
은 전체 불확실성으로 최적화되고 유도되었다.
Figure 112005005552983-pat00041
은 유한한 양의 상수이다.here,
Figure 112005005552983-pat00038
Is a finite positive constant,
Figure 112005005552983-pat00039
,
Figure 112005005552983-pat00040
Is optimized and derived from the overall uncertainty.
Figure 112005005552983-pat00041
Is a finite positive constant.

DTC 기계 구조는 변수들에 변동에 대해 증가하는 강인성과 함께 빠른 토크 응답을 얻을 수 있게 해준다. 게다가, 고전압 응용에서 3-레벨 인버터 시스템을 위한 스위칭 전압 선정과 토크리플 감소 알고리즘을 이용하여 낮은 속도영역에서의 큰 토크 변동과 유출 소자 문제를 확실하게 해결할 수 있다. 그러나 파라메타의 불확실성, 외부 부하 장애와 모델화되지 않은 기계적 역학문제 등의 닫혀진 전체 시스템 고유의 불확실성에 의해서 속도제어 동작은 여전히 영향을 받는다.The DTC machine structure allows for fast torque response with increasing robustness to variations in variables. In addition, switching voltage selection and torque ripple reduction algorithms for three-level inverter systems in high voltage applications can reliably solve large torque fluctuations and leakage element problems in the low speed range. However, the speed control behavior is still influenced by closed system-specific uncertainties, such as parameter uncertainties, external load disturbances and unmodeled mechanical dynamics problems.

그러므로 알려지지 않은 불확실성

Figure 112005005552983-pat00042
을 RBFN의 출력
Figure 112005005552983-pat00043
으로 바꾸고, 근사화 방법을 이용해서, 모든 신호들은 한결같이 일정하다는 가정 하에서 RBFN의 변수들과 일정한 상수들을 조정할 적절한 법칙과 추적 에러를 0으로 만들기 위한 제 어 법칙들을 유도 할 수 있다.Unknown uncertainty
Figure 112005005552983-pat00042
Output of RBFN
Figure 112005005552983-pat00043
By using the approximation method, we can derive the appropriate law to adjust the RBFN's variables and constants, and the control laws to zero the tracking error, assuming all signals are uniformly constant.

RBFN,

Figure 112005005552983-pat00044
의 출력을 이용해서 (수학식 9)의 역방향 힘의 제어 입력을 (수학식 12)와 같이 표현될 수 있다.RBFN,
Figure 112005005552983-pat00044
Using the output of Equation 9, the control input of the reverse force of Equation 9 can be expressed as Equation 12.

Figure 112005005552983-pat00045
Figure 112005005552983-pat00045

만약 보편적인 해결방법이 알려지지 않은 불확실성을 완벽하게 알아낸다면, 예를 들어

Figure 112005005552983-pat00046
라면, 상기 (수학식 12)의 제어 입력은 전체 시스템을 점근적으로 안정화 시킬 수 있다.If a universal solution completely uncovers an unknown uncertainty, for example
Figure 112005005552983-pat00046
In this case, the control input of Equation 12 may stabilize the whole system gradually.

그러나, 실제의 경우에는 구조적 오차는 불가피하다. 그래서 추가적인 보상 제어가 요구된다.In practice, however, structural errors are inevitable. So additional compensation control is required.

Figure 112005005552983-pat00047
Figure 112005005552983-pat00047

여기서,

Figure 112005005552983-pat00048
는 W를 위한 상수 집합,
Figure 112005005552983-pat00049
설계자에 의해 구체화된 양의 상수. 그리고
Figure 112005005552983-pat00050
Figure 112005005552983-pat00051
과 같은 특정 제어가 가능한 영역이다.here,
Figure 112005005552983-pat00048
Is a set of constants for W,
Figure 112005005552983-pat00049
Positive constant specified by the designer. And
Figure 112005005552983-pat00050
Is
Figure 112005005552983-pat00051
This is an area where specific control is possible.

전체제어 입력을

Figure 112005005552983-pat00052
을 포함한
Figure 112005005552983-pat00053
로 나타내면 (수학식 14)와 같다.Full control input
Figure 112005005552983-pat00052
Including
Figure 112005005552983-pat00053
It is represented by Equation (14).

Figure 112005005552983-pat00054
Figure 112005005552983-pat00054

여기서,

Figure 112005005552983-pat00055
는 상기 (수학식 12)에서 결정되어진다. 그리고
Figure 112005005552983-pat00056
는 RBFN의 구조적 오차를 보상하기 위한 추가 제어 입력이다.here,
Figure 112005005552983-pat00055
Is determined by Equation (12). And
Figure 112005005552983-pat00056
Is an additional control input to compensate for the structural error of the RBFN.

또한 RBFN의 가중치 W를 위한 추가적인 법칙을 결정한다. 그리고 상수

Figure 112005005552983-pat00057
은 (수학식 15)와 같이 예측 할 수 있다.We also determine additional rules for the weight W of RBFN. And constant
Figure 112005005552983-pat00057
Can be predicted as (Equation 15).

Figure 112005005552983-pat00058
Figure 112005005552983-pat00058

상기 (수학식 15)에서 폐루프 시스템에 연관된 추적에러와 다른 신호들은 최종적으로 통합된다.In Equation 15, the tracking error and other signals related to the closed loop system are finally integrated.

알려지지 않은 상수 제한,

Figure 112005005552983-pat00059
을 위한 적합한 법칙의 유도와 보상을 위한 제어 입력,
Figure 112005005552983-pat00060
를 위한 적응 규칙을 도출하기 위해 리아프노프(Lyapunov) 함수를 (수학식 16)로 정의 한다.Unknown constant limits,
Figure 112005005552983-pat00059
Control input for derivation and compensation of suitable law for
Figure 112005005552983-pat00060
In order to derive the adaptation rule for, Lyapunov function is defined as (Equation 16).

Figure 112005005552983-pat00061
Figure 112005005552983-pat00061

상기 (수학식 16)에서,

Figure 112005005552983-pat00062
는 미지의 값이므로 다음의 (수학식 17)이 요구된다.In Equation 16,
Figure 112005005552983-pat00062
Since is an unknown value, the following Equation 17 is required.

Figure 112005005552983-pat00063
Figure 112005005552983-pat00063

상기 (수학식 17)의 시간 미분은 (수학식 18)과 같이 나타내어진다. The time derivative of Equation 17 is expressed as Equation 18.

Figure 112005005552983-pat00064
Figure 112005005552983-pat00064

Figure 112005005552983-pat00065
라 하고, 리아프노프 방정식의 시간 미분을 취하면 (수학식 19)와 같다.
Figure 112005005552983-pat00065
If we take the time derivative of the Liafnov equation, we get

Figure 112005005552983-pat00066
Figure 112005005552983-pat00066

그리고, 상기 (수학식 14)와 상기 (수학식 15)로부터, 다음의 식을 유도 할 수 있다. Then, the following equation can be derived from Equation 14 and Equation 15.

Figure 112005005552983-pat00067
Figure 112005005552983-pat00067

그리고,

Figure 112005005552983-pat00068
의 시간 도 함수(Time derivative)는 (수학식 21)과 같이 나타낼 수 있다.And,
Figure 112005005552983-pat00068
The time derivative of can be expressed as (Equation 21).

Figure 112005005552983-pat00069
Figure 112005005552983-pat00069

상수

Figure 112005005552983-pat00070
Figure 112005005552983-pat00071
는 다음의 (수학식 22)와 같이 정의된다.a constant
Figure 112005005552983-pat00070
Wow
Figure 112005005552983-pat00071
Is defined as Equation 22 below.

Figure 112005005552983-pat00072
Figure 112005005552983-pat00072

(수학식 20)과 리아프노프의 직접적인 방법으로부터,

Figure 112005005552983-pat00073
,
Figure 112005005552983-pat00074
, 과
Figure 112005005552983-pat00075
을 위한 상하한(upper bounds)은 (수학식 23)과 같이 유도될 수 있다.(20) and the direct method of Liafnov,
Figure 112005005552983-pat00073
,
Figure 112005005552983-pat00074
, And
Figure 112005005552983-pat00075
The upper bounds for may be derived as shown in Equation 23.

Figure 112005005552983-pat00076
Figure 112005005552983-pat00076

이것은 모든 신호가 유계화(Unified Ultimately Bounded)됨을 나타낸다. This indicates that all signals are Unified Ultimately Bounded.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 전동기 제어시스템의 전체 블록구조를 나타낸 도면이다.5 is a view showing the entire block structure of the induction motor control system according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 도 5의 유도 전동기 DTC 시스템은 강건하고 안정된 속도 제어기(Robust Stable Speed Controller)(505), 토크 비교기(210), 자속 비교기(215), 스위칭 로직 발생기(220), 적응 관측기(225) 그리고 3-레벨 인버터 시스템(230)을 포함하고 있다. The induction motor DTC system of FIG. 5 includes a robust and stable speed controller 505, a torque comparator 210, a flux comparator 215, a switching logic generator 220, an adaptive observer 225, and 3. A level inverter system 230.

여기서 속도 제어기(505)에는 3-레벨 인버터 시스템을 위한 토크 변동 감소와 전압 벡터 선택의 알고리즘 및 상용적으로 선호되는 Kubota에 의해 제안된 속도 추정을 위한 적응 관측 개념을 이용하여 유도 전동기(235)의 토크를 결정한다.
이를 위해, 속도 제어기(505)는 방사형 기저 함수 네트워크 관측기(RBFN observer), 적응 법칙(adaptive laws) 제어 블록, 속도 제어(speed controller) 블록 및 합산기를 포함한다.
방사형 기저 함수 네트워크 관측기는 토크 제어값(ex)을 입력 받는다. 이때, 토크 제어값은 유도 전동기(235)의 속도를 제어하기 위한 입력값(ωr_ref)에서 적응 관측기로부터 입력 받은 제1 궤환값(

Figure 112011056172513-pat00087
)을 감산한 값이다. 방사형 기저 함수 네트워크 관측기는 토크 제어값(ex)을 이용하여 가중 제어값((1-z-1)W) 및 상수 제한 제어값((1-z-1)ζ)을 생성한다. 방사형 기저 함수 네트워크 관측기는 생성한 가중 제어값((1-z-1)W) 및 상수 제한 제어값((1-z-1)ζ)을 적응 법칙 제어 블록으로 출력한다.
방사형 기저 함수 네트워크 관측기는 적응 법칙 제어 블록으로부터 가중치(W) 및 상수 제한값(ζ)을 입력 받는다. 방사형 기저 함수 네트워크 관측기는 입력 받은 가중치(W) 및 상수 제한값(ζ)을 이용하여 함수 출력값(ε)을 생성한다. 방사형 기저 함수 네트워크 관측기는 생성한 함수 출력값(ε)을 속도 제어 블록으로 출력한다.
적응 법칙 제어 블록은 방사형 기저 함수 네트워크 관측기로부터 가중 제어값((1-z-1)W) 및 상수 제한 제어값((1-z-1)ζ)을 입력 받는다. 또한, 적응 법칙 제어 블록은 함수 제어값(e, σ1, σ2)을 입력 받는다. 적응 법칙 제어 블록은 함수 제어값(e, σ1, σ2), 방사형 기저 함수 네트워크 관측기로부터 입력 받은 가중 제어값((1-z-1)W) 및 상수 제한 제어값((1-z-1)ζ)을 이용하여 가중치(W). 상수 제한값(ζ) 및 오차 보상 제어 입력값(Up)을 생성한다. 적응 법칙 제어 블록은 생성한 가중치(W) 및 상수 제한값(ζ)을 방사형 기저 함수 네트워크 관측기로 출력한다. 적응 법칙 제어 블록은 생성한 오차 보상 제어 입력값(Up)을 합산기로 출력한다.
속도 제어 블록은 토크 제어값(ex)을 입력 받고, 방사형 기저 함수 네트워크 관측기로부터 함수 출력값(ε)을 입력 받는다. 속도 제어 블록은 입력 받은 토크 제어값(ex)과 함수 출력값을 이용하여 역방향 힘 제어 입력값(Un)을 생성한다. 속도 제어 블록은 생성한 역방향 힘 제어 입력값(Un)을 합산기로 출력한다.Here, the speed controller 505 uses an algorithm of torque reduction and voltage vector selection for a three-level inverter system and an adaptive observation concept for speed estimation proposed by Kubota, which is commercially preferred. Determine the torque.
To this end, the speed controller 505 includes a radial basis function network observer (RBFN observer), adaptive laws control block, speed controller block and summer.
The radial basis function network observer receives the torque control value e x . At this time, the torque control value is the first feedback value (inputted from the adaptive observer at the input value ω r_ref ) for controlling the speed of the induction motor 235 (
Figure 112011056172513-pat00087
) Is subtracted. The radial basis function network observer uses the torque control value e x to generate a weighted control value ((1-z −1 ) W) and a constant limit control value ((1-z −1 ) ζ). The radial basis function network observer outputs the generated weighting control value ((1-z -1 ) W) and the constant limiting control value ((1-z -1 ) ζ) to the adaptive law control block.
The radial basis function network observer receives a weight (W) and a constant limit (ζ) from the adaptive law control block. The radial basis function network observer generates a function output value ε using the input weight W and the constant limit value ζ. The radial basis function network observer outputs the generated function output value epsilon to the speed control block.
The adaptive law control block receives a weighted control value ((1-z -1 ) W) and a constant limiting control value ((1-z -1 ) ζ) from the radial basis function network observer. In addition, the adaptive law control block receives the function control values e, σ 1 , and σ 2 . The adaptive law control block consists of a function control value (e, σ 1 , σ 2 ), a weighted control value ((1-z -1 ) W) input from a radial basis function network observer, and a constant limit control value ((1-z- ). 1 ) ζ) using the weight (W). A constant limit value ζ and an error compensation control input value U p are generated. The adaptive law control block outputs the generated weight W and the constant limit ζ to the radial basis function network observer. The adaptive law control block outputs the generated error compensation control input value U p to a summer.
The speed control block receives a torque control value e x and a function output value ε from the radial basis function network observer. The speed control block generates the reverse force control input value U n by using the received torque control value e x and the function output value. The speed control block outputs the generated reverse force control input value U n to the summer.

합산기는 속도 제어 블록으로부터 역방향 힘 제어 입력값(Un)을 입력 받고, 적응 법칙 제어 블록으로부터 오차 보상 제어 입력값(Up)을 입력 받는다. 합산기는 입력받은 역방향 힘 제어 입력값(Un)과 오차 보상 제어 입력값(Up)을 합산하여 토크값을 생성한다. 합산기는 생성한 토크값을 토크 비교기(210)로 출력한다.
토크값은 속도 제어기(505)로의 입력과 출력 전에 적응 관측기(225)로부터 나온 값과 감산하고 상기 토크 비교기(210)를 통해 값을 비교하며, 입력값과의 오차를 보상한다. 즉, 토크 비교기(210)는 속도 제어기의 합산기로부터 출력된 토크값에서 제3 궤환값(

Figure 112011056172513-pat00088
)을 감산한 토크값을 입력 받는다. 토크 비교기(210)는 토크값과 토크 기준값을 비교하여 토크 비교값을 생성한다. 토크 비교기(210)는 생성한 토크 비교값을 스위칭 로직발생기(220)로 출력한다.
또한 자속값은 적응 관측기(225)로부터 나온 값과 감산하여 자속 비교기(215)에서 값을 비교하여, 상기 비교기(210 내지 215)들로부터 출력된 값들을 스위칭 로직발생기(220)를 통해 게이팅 신호(Gating signal)를 발생시킨다. 상기 게이팅 신호는 3-레벨 인버터(230)와 적응 관측기(225)로 전달된다. 다시 말하면, 자속 비교기(215)는 자속값을 입력 받는다. 이때, 자속값은 자속 비교기(215)로 입력 되는 자속 제어값(
Figure 112011056172513-pat00089
)에서 적응 관측기(225)로부터 입력 받은 제2 궤환값(
Figure 112011056172513-pat00090
)을 감산한 값이다. 자속 비교기(215)는 자속값과 자속 기준값을 비교하여 자속 비교값을 생성한다. 자속 비교기(215)는 생성한 자속 비교값을 스위칭 로직발생기(220)로 출력한다.
스위칭 로직발생기(220)는 토크 비교기(210)로부터 토크 비교값을 입력 받고, 자속 비교기(215)로부터 자속 비교값을 입력받는다. 스위칭 로직발생기(220)는 토크 비교값과 자속 비교값을 이용하여 게이팅 신호(Gating signal)을 생성한다. 스위칭 로직발생기(220)는 게이팅 신호를 3-레벨 인버터(230)로 출력한다.
상기 3-레벨 인버터(230)는 게이팅 신호값에 따라 유도 전동기(235)를 제어하게 된다. 즉, 3-레벨 인버터(230)는 게이팅 신호값을 이용하여 유도 전동기(235)를 제어하기 위한 전류 제어값을 생성한다. 3-레벨 인버터(230)는 전류 제어값을 이용하여 유도 전동기(235)를 제어한다.
상기 적응 관측기(225)로 전달된 게이팅 신호와 3-레벨 인버터(230)의 출력값들로부터 관측값을 생성, 출력하여 입력되는 토크값과 자속값에 감산하여 시스템의 구조적인 오차를 보상하게 된다. 즉, 적응 관측기(225)는 게이팅 신호를 통해 연산한 인버터 전압값(Vqs, Vds)을 입력 받는다. 적응 관측기(225)는 전류 제어값을 통해 연산한 인버터 전류값(Iqs, Ids)을 입력 받는다. 적응 관측기(225)는 입력 받은 인버터 전압값(Vqs, Vds) 및 인버터 전류값(Iqs, Ids)을 이용하여 제1 궤환값(
Figure 112011056172513-pat00091
), 제2 궤환값(
Figure 112011056172513-pat00092
) 및 제3 궤환값(
Figure 112011056172513-pat00093
)을 생성한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도 전동기 제어 시스템을 구현하기 위한 블록선도를 나타낸 도면이다.The summer receives the reverse force control input value U n from the speed control block and the error compensation control input value U p from the adaptive law control block. The summer generates a torque value by summing the received reverse force control input value U n and the error compensation control input value U p . The summer outputs the generated torque value to the torque comparator 210.
The torque value is subtracted from the value from the adaptive observer 225 before input and output to the speed controller 505 and compared through the torque comparator 210 to compensate for the error with the input value. That is, the torque comparator 210 has a third feedback value (a) in the torque value output from the summer of the speed controller.
Figure 112011056172513-pat00088
Input the torque value after subtracting). The torque comparator 210 generates a torque comparison value by comparing the torque value with the torque reference value. The torque comparator 210 outputs the generated torque comparison value to the switching logic generator 220.
In addition, the magnetic flux value is subtracted from the value from the adaptive observer 225 to compare the value in the magnetic flux comparator 215, the value output from the comparators 210 to 215 through the switching logic generator 220 gating signal ( Generate a gating signal. The gating signal is passed to a three-level inverter 230 and an adaptive observer 225. In other words, the magnetic flux comparator 215 receives the magnetic flux value. At this time, the magnetic flux value is a magnetic flux control value input to the magnetic flux comparator 215 (
Figure 112011056172513-pat00089
), The second feedback value () received from the adaptive observer 225
Figure 112011056172513-pat00090
) Is subtracted. The magnetic flux comparator 215 compares the magnetic flux value with the magnetic flux reference value to generate a magnetic flux comparison value. The magnetic flux comparator 215 outputs the generated magnetic flux comparison value to the switching logic generator 220.
The switching logic generator 220 receives a torque comparison value from the torque comparator 210 and receives a magnetic flux comparison value from the magnetic flux comparator 215. The switching logic generator 220 generates a gating signal using the torque comparison value and the magnetic flux comparison value. The switching logic generator 220 outputs the gating signal to the three-level inverter 230.
The three-level inverter 230 controls the induction motor 235 according to the gating signal value. That is, the three-level inverter 230 generates a current control value for controlling the induction motor 235 using the gating signal value. The three-level inverter 230 controls the induction motor 235 using the current control value.
An observation value is generated and output from the gating signal transmitted to the adaptive observer 225 and the output values of the three-level inverter 230 to compensate for the structural error of the system by subtracting the input torque value and the magnetic flux value. That is, the adaptive observer 225 receives the inverter voltage values V qs and V ds calculated through the gating signal. The adaptive observer 225 receives the inverter current values I qs and I ds calculated through the current control values. The adaptive observer 225 uses the input inverter voltage values V qs and V ds and the inverter current values I qs and I ds to determine the first feedback value (
Figure 112011056172513-pat00091
), The second feedback value (
Figure 112011056172513-pat00092
) And the third feedback value (
Figure 112011056172513-pat00093
).
4 is a block diagram for implementing an induction motor control system according to a preferred embodiment of the present invention.

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상기 도 4는 제어 시스템의 구현에 있어서 DS1003 제어보드(410, 415, 420)에 기초한 구현 방법으로서 3-레벨 인버터 시스템과 속도 제어를 위한 자속관측기가 장착된 주제어기판을 포함하는 개략적인 다이어그램을 나타내고 있다. 전동기 속도 제어 소프트웨어가 설치된 PC에는 DS1003 제어보드(410, 415, 420)가 구비되어 있으며, 상기 DS1003 제어보드(410, 415, 420)에는 제어역할을 하는 TMS320C40(410)과 아날로그 디지털 컨버터(415)와 디지털 입출력 포트(420)로 구성된다. PC로부터 입력된 명령은 상기 TMS320C40(410)로부터 제어값을 산출하여 상기 디지털 입출력 포트(420)에서 출력된 값은 게이트 펄스생성기(Gate Pulse Generator)(425)를 거치며, 펄스를 생성하고 게이트 드라이브(Gate Drive)(430)를 통해, 3-레벨 인버터 시스템과 연결되어 유도전동기(435)를 제어하게 된다. 상기 3-레벨 시스템에서 출력된 값들은 아날로그 디지털 컨버터(415)로 전송되어, 디지털로 변환되고, TMS320C40(410)을 통해 시스템의 구조적인 오차를 보상하는 과정을 거치게 된다. 4 is a schematic diagram of a control system based on the DS1003 control boards 410, 415, and 420 in an implementation of a control system, including a three-level inverter system and a main controller board equipped with a magnetic flux observer for speed control. have. The PC installed with the motor speed control software is provided with a DS1003 control board (410, 415, 420), the DS1003 control board (410, 415, 420) is a TMS320C40 (410) and an analog-to-digital converter (415) that acts as a control And a digital input / output port 420. The command input from the PC calculates a control value from the TMS320C40 410, and the value output from the digital input / output port 420 passes through a gate pulse generator 425 to generate a pulse and generate a gate drive ( Gate drive 430 is connected to the three-level inverter system to control the induction motor 435. The values output from the three-level system are transmitted to the analog-to-digital converter 415, converted to digital, and compensated for structural errors of the system through the TMS320C40 (410).

도 6은 종래의 IP제어기를 이용한 유도전동기에서의 제어결과를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 RBFN을 이용한 유도전동기에서의 제어결과를 나타낸 도면이다. 6 is a view showing a control result in an induction motor using a conventional IP controller, Figure 7 is a view showing a control result in an induction motor using RBFN according to a preferred embodiment of the present invention.

상기 도 6은 상기 도 4와 같이 3-레벌 인터버 시스템과 속도 제어를 위한 자 속 관측기가 장착된 주제어기판을 포함하는 속도제어 시스템에서의 개략적인 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다. FIG. 6 illustrates a schematic simulation result of a speed control system including a main controller substrate equipped with a three-leval interleaver system and a magnetic flux observer for speed control as shown in FIG. 4.

여기서 사용된 유도 전동기는 3상의 220Vac와 1740rpm의 정격 속도를 가지며, 제안된 접근 방안의 상대적인 결과를 보이기 위해, 부하의 외란을 포함하는 비정상적인 조건이 사용되었다. 테스트에 사용된 조건은

Figure 112005005552983-pat00077
J= 4.0 x J,
Figure 112005005552983-pat00078
B= 4.0 x B, Tl=8로서 J는 관성계수, B는 점성 마찰 계수이며, Tl은 외부 부하의 토크를 의미한다. 토크 변동 감소 알고리즘과 제안된 RBFN 속도 제어기를 위해 제어 주기의 샘플링시간은 200
Figure 112005005552983-pat00079
s로 맞춰졌다. 제안된 알고리즘이 고출력 유도 전동기 DTC 시스템을 위한 것이기 때문에, 교대 주파수는 500Hz~1.0kHz 사이의 값으로 유지되었다. 그리고 제안된 RBFN제어기의 효과를 보이기 위해, RBFN 관측기가 없는 공칭 제어 입력에 의한 상대적인 결과와, 세밀하게 조정된 IP 제어를 사용한다. 상기 도 6내지 도 7은 희망 속도 500rpm에서의 회전 속도(speed), 상전류(Lqs)와 제어 입력(Control Input)이 제시되었다. 이 경우에는 불확실성이 없으므로, 성능 추적을 통한 시뮬레이션 결과는 효과적인 추적 성능을 보여주고 있다. 그러나 2.5초에 파라미터 변화와 급격한 외란이 일어났을 경우, 도 7은 도 6과 비교하여 더 강인한 성능을 보여준다. 상기 도 6은 2.5초에서 IP제어가 약 1.5초 정도 걸리는데 비해, RBFN제어기를 통한 제어는 약 0.2초가 걸린다. 또한 RBFN에 비해 IP제어기는 오차의 변동과 함께 더 큰 추적 오차를 보여준다. The induction motor used here has a rated speed of 220Vac and 1740rpm in three phases, and to show the relative results of the proposed approach, an abnormal condition including disturbance of the load was used. The conditions used for testing
Figure 112005005552983-pat00077
J = 4.0 x J,
Figure 112005005552983-pat00078
B = 4.0 x B, Tl = 8, where J is the inertia coefficient, B is the viscous friction coefficient, and Tl is the torque of the external load. For the torque fluctuation reduction algorithm and the proposed RBFN speed controller, the sampling time of the control period is 200
Figure 112005005552983-pat00079
set to s Since the proposed algorithm is for high power induction motor DTC systems, the alternating frequency was maintained between 500Hz and 1.0kHz. And to show the effectiveness of the proposed RBFN controller, we use the relative results of the nominal control input without the RBFN observer and the finely tuned IP control. 6 to 7 show a rotation speed, a phase current Lqs, and a control input at a desired speed of 500 rpm. Since there is no uncertainty in this case, the simulation results from the performance tracking show effective tracking performance. However, when a parameter change and a sudden disturbance occurs in 2.5 seconds, Figure 7 shows a more robust performance compared to Figure 6. In FIG. 6, the IP control takes about 1.5 seconds in 2.5 seconds, whereas the control through the RBFN controller takes about 0.2 seconds. In addition, compared to RBFN, IP controller shows greater tracking error with variation of error.

상기와 같은 시뮬레이션 결과에서는, 3-레벨 인버터를 포함한 전체적인 DTC 시스템이 도 4에서 보여진 간단한 DC전동기에 의해 근사되어 있기 때문에, 근사오차와 미지의 불확실성은 피할 수 없고, 성능에 영향을 미치게 된다. 그러나 시뮬레이션 단계에서는 설계된 AC 전동기가 기계적인 파라미터들에 의해 계산되는 IP 제어 이득과 함께 사용되기 때문에, 변동은 일어나지 않는다. 이러한 결과를 통해, 실현 가능성과 강인하고 안정적인 특성이 확인되며, 제안된 RBFN제어기는 상용적인 IP제어기 구조에 비해, 심지어 내재적인 추적 오차가 심하게 인가되어 있다고 하더라도 상대적으로 작은 추적 오차를 보인다.In the above simulation results, since the overall DTC system including the three-level inverter is approximated by the simple DC motor shown in Fig. 4, the approximation error and the unknown uncertainty are inevitable and affect the performance. However, in the simulation phase, no change occurs because the designed AC motor is used with the IP control gain calculated by the mechanical parameters. Through these results, the feasibility, robust and stable characteristics are confirmed, and the proposed RBFN controller shows a relatively small tracking error even if the inherent tracking error is severely applied, compared to the conventional IP controller structure.

본 발명에서는 3-레벨 유도 전동기의 직접 토크 제어 시스템에서(DTC)의 실시예를 보여주는 것으로, 본 발명에 구현된 시스템에 국한되지 않고 벡터 제어나 PM전동기와 같은 여러 종류의 제어기나 전동기 시스템의 구현도 가능하다. The present invention shows an embodiment of a direct torque control system (DTC) of a three-level induction motor, and is not limited to the system implemented in the present invention, but implements various types of controllers or motor systems such as vector control or PM motors. It is also possible.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of various modifications within the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined not only by the scope of the following claims, but also by those equivalent to the scope of the claims.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발 명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.In the present invention operating as described in detail above, the effects obtained by the representative of the disclosed invention are briefly described as follows.

본 발명은, 속도 센서가 없는 유도 전동기 제어 시스템에서 RBFN를 관측기로 사용하여 시스템 고유의 불확실성을 근사시키고 오차를 추정하며, 이러한 속도 추정 오차의 영향을 고려하여 3-레벨 유도 전동기의 직접 토크 제어 시스템에서(DTC) 전체 제어 시스템의 안정성을 가진다.The present invention uses RBFN as an observer in an induction motor control system without a speed sensor to approximate the inherent uncertainty and estimates the error, and considering the influence of the speed estimation error, a direct torque control system of a three-level induction motor (DTC) has the stability of the entire control system.

또한 기존의 높은 가격대의 고성능 유도 전동기가 갖는 이점을 가진 중저가의 유도 전동기 시스템에 제공하여, 지금까지 주로 이론에만 머물러 왔던 진보된 신경회로망에 의한 제어기법을 실제 산업 현장에서 널리 사용되고 있는 유도 전동기에 적용하여 전동기 제어 관련 산업에 큰 도움이 될 수 있다.In addition, by providing the inexpensive induction motor system with the advantages of the existing high priced high-performance induction motor, the advanced neural network control method, which has remained mainly in theory until now, is applied to the induction motor widely used in the actual industrial field. This can be of great help to the motor control industry.

Claims (4)

방사형 기저 함수 네트워크 관측기를 이용한 유도 전동기의 속도 제어 방법에 있어서, In the speed control method of an induction motor using a radial basis function network observer, 토크 제어값을 이용하여 유도 전동기의 속도를 제어하기 위한 토크값을 생성하는 과정과,Generating a torque value for controlling the speed of the induction motor using the torque control value; 상기 속도 제어에 의해 출력되는 토크값과 토크 기준값을 비교하여 토크 비교값을 생성하고, 자속값과 자속 기준값을 비교하여 자속 비교값을 생성하는 과정과,Generating a torque comparison value by comparing the torque value output by the speed control with the torque reference value, and generating a magnetic flux comparison value by comparing the magnetic flux value and the magnetic flux reference value; 상기 토크 비교값과 상기 자속 비교값을 입력으로 하여 게이팅 신호를 생성하는 과정과,Generating a gating signal by inputting the torque comparison value and the magnetic flux comparison value; 상기 게이팅 신호에 의해 상기 유도 전동기를 제어하기 위한 전류 제어값을 생성하는 과정과,Generating a current control value for controlling the induction motor by the gating signal; 상기 게이팅 신호와 상기 전류 제어값을 이용하여 제1 궤환값, 제2 궤환값 및 제3 궤환값을 생성하는 과정을 포함하되,Generating a first feedback value, a second feedback value, and a third feedback value by using the gating signal and the current control value; 여기서, 상기 토크 제어값은 상기 속도를 제어하기 위한 입력값에서 상기 제1 궤환값을 감산한 값이며, 상기 자속값은 자속 제어값에서 상기 제2 궤환값을 감산한 값이고, 상기 토크 비교값을 생성하기 위해 입력되는 토크값은 상기 속도 제어에 의해 출력되는 토크값에서 상기 제3 궤환값을 감산한 값이며, Here, the torque control value is a value obtained by subtracting the first feedback value from an input value for controlling the speed, and the magnetic flux value is a value obtained by subtracting the second feedback value from a magnetic flux control value, and the torque comparison value. The torque value input to generate the value is a value obtained by subtracting the third feedback value from the torque value output by the speed control, 상기 속도를 제어하는 과정은,The process of controlling the speed, 상기 토크 제어값을 이용하여 가중 제어값 및 상수 제한 제어값을 생성하는 과정과,Generating a weighted control value and a constant limit control value using the torque control value; 상기 가중 제어값, 상수 제한 제어값 및 외부로부터 입력된 함수 제어값을 이용하여 적응 법칙을 통해 가중치, 상수 제한값 및 오차 보상 제어 입력값을 생성하는 과정과,Generating a weight, a constant limit value, and an error compensation control input value through an adaptive law using the weighted control value, the constant limit control value, and a function control value input from the outside; 상기 가중치와 상기 상수 제한값을 이용하여 함수 출력값을 생성하는 과정과,Generating a function output value using the weight and the constant limit value; 상기 토크 제어값과 상기 함수 출력값을 이용하여 역방향 힘 제어 입력값을 생성하는 과정과,Generating a reverse force control input value using the torque control value and the function output value; 상기 오차 보상 제어 입력값과 상기 역방향 힘 제어 입력값을 합산하여 상기 토크값을 생성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 방사형 기저 함수 네트워크 관측기를 이용한 유도 전동기의 속도 제어 방법.And generating the torque value by adding the error compensation control input value and the reverse force control input value to generate a torque value. 방사형 기저 함수 네트워크 관측기를 이용한 유도 전동기의 속도 제어 장치에 있어서,In the speed control apparatus of an induction motor using a radial basis function network observer, 토크 제어값을 이용하여 유도 전동기의 속도를 제어하기 위한 토크값을 생성하는 속도 제어기와,A speed controller for generating a torque value for controlling the speed of the induction motor by using the torque control value; 상기 속도 제어에 의해 출력되는 토크값과 토크 기준값을 비교하여 토크 비교값을 생성하는 토크 비교기와,A torque comparator for generating a torque comparison value by comparing the torque value output by the speed control with the torque reference value; 자속값과 자속 기준값을 비교하여 자속 비교값을 생성하는 자속 비교기와,A magnetic flux comparator for generating a magnetic flux comparison value by comparing the magnetic flux value with the magnetic flux reference value, 상기 토크 비교값과 상기 자속 비교값을 입력으로 하여 게이팅 신호를 생성하는 스위칭 로직발생기와,A switching logic generator configured to generate a gating signal by inputting the torque comparison value and the magnetic flux comparison value; 상기 게이팅 신호에 의해 상기 유도 전동기를 제어하기 위한 전류 제어값을 생성하는 3-레벨 인버터와,A three-level inverter for generating a current control value for controlling the induction motor by the gating signal; 상기 게이팅 신호와 상기 전류 제어값을 이용하여 제1 궤환값, 제2 궤환값 및 제3 궤환값을 생성하는 적응 관측기를 포함하되,Including an adaptive observer for generating a first feedback value, a second feedback value and a third feedback value using the gating signal and the current control value, 여기서, 상기 토크 제어값은 상기 속도를 제어하기 위해 상기 속도 제어기로 입력되는 입력값에서 상기 제1 궤환값을 감산한 값이며, 상기 자속값은 상기 자속 비교기로 입력되는 자속 제어값에서 상기 제2 궤환값을 감산한 값이고, 상기 스위칭 로직발생기로 입력되는 토크값은 상기 속도 제어기에서 출력되는 토크값에서 상기 제3 궤환값을 감산한 값이며, Here, the torque control value is a value obtained by subtracting the first feedback value from an input value input to the speed controller to control the speed, and the magnetic flux value is the second control value from the magnetic flux control value input to the magnetic flux comparator. A value obtained by subtracting the feedback value, the torque value input to the switching logic generator is a value obtained by subtracting the third feedback value from the torque value output from the speed controller, 상기 속도 제어기는,The speed controller, 상기 토크 제어값을 이용하여 가중 제어값 및 상수 제한 제어값을 생성하고, 가중치 및 상수 제한값을 이용하여 함수 출력값을 생성하는 방사형 기저 함수 네트워크 관측기와,A radial basis function network observer generating a weighted control value and a constant limiting control value using the torque control value, and generating a function output value using the weight and the constant limiting value; 상기 방사형 기저 함수 네트워크 관측기로부터 상기 가중 제어값 및 상기 상수 제한 제어값을 입력 받고, 상기 가중 제어값, 상기 상수 제한 제어값 및 외부로부터 입력된 함수 제어값을 이용하여 적응 법칙을 통해 상기 가중치, 상기 상수 제한값 및 오차 보상 제어 입력값을 생성하는 적응 법칙 제어 블록과,Receiving the weighted control value and the constant limiting control value from the radial basis function network observer, and using the weighted control value, the constant limiting control value, and a function control value input from the outside, the weight, An adaptive law control block for generating constant limit and error compensation control inputs; 상기 방사형 기저 함수 네트워크 관측기로부터 함수 출력값을 입력 받고, 상기 토크 제어값과 상기 함수 출력값을 이용하여 역방향 힘 제어 입력값을 생성하는 속도 제어 블록과,A speed control block receiving a function output value from the radial basis function network observer and generating a reverse force control input value using the torque control value and the function output value; 상기 적응 법칙 제어 블록으로부터 입력 받은 오차 보상 제어 입력값과 상기 속도 제어 블록으로부터 입력 받은 역방향 힘 제어 입력값을 합산하여 상기 토크값을 생성하고, 상기 생성한 토크값을 상기 토크 비교기로 출력하는 합산기를 포함함을 특징으로 하는 방사형 기저 함수 네트워크 관측기를 이용한 유도 전동기의 속도 제어 장치.An adder for generating the torque value by summing the error compensation control input value input from the adaptive law control block and the reverse force control input value input from the speed control block, and outputting the generated torque value to the torque comparator. Speed control device of induction motor using a radial basis function network observer, characterized in that it comprises a. 삭제delete 삭제delete
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