KR101184453B1

KR101184453B1 - 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어장치

Info

Publication number: KR101184453B1
Application number: KR1020050125511A
Authority: KR
Inventors: 이준환; 이광운
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-12-19
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2012-09-20
Also published as: KR20070064910A

Abstract

제1실시 예의 발명에서는 속도 보정치에 의해 속도 추정게인을 보정하고, 보정한 속도 추정게인을 이용하여 추정한 속도 추정치가 변화하고, 이에 따라 위치 오차가 0이 되도록 하며, 이에 따라 속도 오차도 0이 되도록 동작한다.

제2실시 예의 발명에서는 위치 보정치에 의해 위치 추정게인을 보정하고, 보정한 위치 추정게인을 이용하여 추정한 위치 추정치가 변화하고, 이에 따라 속도 오차가 0이 되도록 하며, 이에 따라 위치 오차도 0이 되도록 동작한다.

Description

영구자석형 동기모터의 센서리스 제어장치{SENSORLESS CONTROL APPARATUS FOR SYNCHRONOUS MOTOR}

도 1은 일반적인 영구자석형 동기모터의 제어 블록도이다.

도 2는 기존의 영구자석형 동기 모터의 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어 장치의 속도위치 추정기의 상세 구성도이다.

도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어 장치의 속도위치 추정기의 상세 구성도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

10 : 속도명령 발생기

60 : 동기모터

80 : 속도위치 추정기

본 발명은 위치추정 게인과 속도추정 게인 중 어느 하나를 보정함으로써 회전자의 위치 및 속도를 추정할 수 있는 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어장치 에 관한 것이다.

일반적인 영구자석형 동기모터의 제어장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 속도명령 발생기(10), 속도명령 발생기의 속도 명령과 속도 추정치에 따라 전류 명령을 출력하는 속도제어기(20), 속도 제어기의 전류 명령에 따라 전압을 출력하는 전류제어기(30), 전류제어기의 출력을 동기 모터에 인가하기 위한 전압으로 좌표 변환하여 출력하는 전압좌표 변환기(40), 좌표 변환한 전압에 따라 모터 구동을 위한 전류를 영구자석형 동기모터(60)에 인가하는 인버터(50), 영구자석형 동기 모터에 인가하며 도시하지 않는 전류검출기에 의해 검출된 전류를 좌표 변환하는 전류좌표 변환기(70), 전류좌표 변환기(70)에서 출력하는 전류치와 전류제어기(30)에서 출력하는 전압치를 사용해서 동기 모터의 속도 및 위치를 추정하여 속도 추정치를 속도제어기에 제공하고 위치 추정치를 전류좌표 변환기에 제공하는 속도위치 추정기(80)를 포함한다.

센서리스 제어에 따라 모터 운전 시 속도 오차와 위치 오차를 줄이기 위해서 속도위치 추정기(80)에서 속도 추정치와 위치 추정치를 정확하게 추정하는 것이 요구된다.

한국 공개 특허 10-2004-0041222호 (영구자석형 동기모터의 센서리스 제어방법)에는 회전자의 위치 추정게인과 역기전력 추정게인(이하 속도 추정게인이라 한다)을 가변되도록 사용하는 기술 내용을 개시하고 있다.

이 문헌에 따르면, 추정하는 회전자의 위치는 실제의 동기 회전 좌표계와는 다른 위치에 있는 γ-δ 축이라고 가정하고 이때 Δθ가 충분히 작다고 가정한 다 음 그로부터 유도되는 속도 추정게인(Ke)과 회전자 위치 추정게인(Kθ)을 고정된 상수값으로 사용할 경우에 회전자의 위치 검출 오차가 커지게 되는 문제를 해결하기 위하여, 속도 추정게인 패턴과 위치 추정게인 패턴을 이용하고 있다.

첫째, 이 문헌에서는, 부하의 크기를 검출하여 그 부하의 크기에 따라 속도 추정게인 패턴을 선택하고, 그 속도 추정게인의 패턴에서 회전자의 속도에 따라 회전자의 속도 추정게인을 결정하여 회전자의 위치를 추정한다. 여기서 속도 추정게인의 패턴은 도 2a와 같이 부하가 클수록 속도 추정게인의 크기가 작다. 다시 말해, 속도 추정게인(Ke)과 회전자 위치 추정게인(Kθ)의 변화를 속도(역기전력) 상수로 정의하고 있으며, 이 속도 상수를 부하의 크기에 따라 변화하도록 테이블(look-up table)화 하여 게인을 보정한다.

둘째, 이 문헌에서는, 모터의 속도를 검출하고 그 모터 속도에 따라 회전자 위치 추정게인 패턴과 속도 추정게인 패턴 중 적어도 하나의 패턴을 선택하고, 선택된 적어도 하나의 패턴에서 회전자의 속도에 따라 위치 추정게인 및 속도 추정게인 중 적어도 하나를 결정하고 그 결정된 적어도 하나의 추정게인을 이용하여 회전자의 위치를 추정한다. 여기서 위치 추정게인의 패턴은 도 2b와 같이 일정속도 이하의 영역에서 회전자의 속도가 증가함에 따라 위치 추정게인이 감소한다. 다시 말해, 모터의 운전 시 센서리스 추정 알고리즘에 의해 발생하는 속도 정보를 이용하여 속도 상수의 값을 연산하고 이 값을 센서리스 추정 알고리즘의 회전자 위치를 추정하는 장치의 게인을 조절함으로써 회전자의 위치를 보정한다.

상술한 기존의 센서리스 제어방법에서는 속도 상수의 조정에만 의존하여 회 전자의 위치를 추정하는 게인의 값을 변화한다.

그러나 실제 모터 운전에서는 부하 전류의 크기 및 운전 속도 등의 운전 조건에 따라 모터 내부의 파라미터들이 변하게 되는데, 이때 모터 내부의 파라미터들은 속도 상수 이외에 모터의 저항, 인덕턴스를 포함하고 이 파라미터들은 모터 운전에 따라 초기값과 다르게 된다. 특히 센서리스 벡터 제어에서 모터 파라미터를 정확하게 추정하는 것이 중요하고 모터 운전의 성능에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 실제로 센서리스 제어방법의 추정기는 제어기 내에 모터의 모델을 구성하는 방식으로 제어기 내의 모델의 정확성에 따라 추정게인이 달라지게 된다. 따라서 종래기술에서와 같이 게인의 조정을 속도 상수에만 의존해서 보정하는 방식을 적용할 경우 모터의 인덕턴스, 저항에 의한 변화 성분을 충분히 반영하지 못하기 때문에 모터 운전의 불안정을 초래하는 요인이 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 기술을 감안하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 위치 추정게인과 속도 추정게인 중 어느 하나를 대상으로 위치 오차 또는 속도 오차에 따라 보정함으로써 회전자의 속도와 위치에 대한 검출 오차를 최소화하여 모터를 안정되게 동작할 수 있는 영구자석형 동기 모터의 센서리스 제어장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 회전자의 속도 추정치와 위치 추정치를 출력하는 속도위치 추정기를 구비하는 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어장 치에 있어서, 상기 속도위치 추정기는, 상기 회전자의 위치 오차를 이용하여 회전자의 속도 추정게인을 보정하기 위한 속도 보정치를 생성하기 위한 속도 추정게인 보정치 생성기를 구비하고, 상기 속도 보정치에 따라 상기 회전자의 속도 오차에 대응하는 속도 추정 게인을 보정하고, 보정한 속도 추정게인과 상기 회전자의 위치 오차에 대응하는 위치 추정게인을 이용하여 상기 속도 추정치 및 위치 추정치를 추정하는 것을 특징으로 한다.

상기 속도 추정게인 보정치 생성기는 기준값에서 상기 회전자의 위치오차를 감산하여 출력하는 감산기와 상기 감산기의 출력을 비례 적분하여 상기 속도 보정치를 출력하는 비례적분기를 포함한다.

상기 기준값은 상기 위치 오차를 제거하기 위하여 0으로 설정한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 회전자의 속도 추정치와 위치 추정치를 출력하는 속도위치 추정기를 구비하는 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어장치에 있어서, 상기 속도위치 추정기는, 상기 회전자의 속도 오차를 이용하여 회전자의 위치 추정게인을 보정하기 위한 위치 보정치를 생성하기 위한 위치 추정게인 보정치 생성기를 구비하고, 상기 위치 보정치에 따라 상기 회전자의 위치 오차에 대응하는 위치 추정 게인을 보정하고, 보정한 위치 추정게인과 상기 회전자의 속도 오차에 대응하는 속도 추정게인을 이용하여 상기 속도 추정치 및 위치 추정치를 추정하는 것을 특징으로 한다.

상기 위치 추정게인 보정치 생성기는 기준값에서 상기 회전자의 속도 오차를 감산하여 출력하는 감산기와 상기 감산기의 출력을 비례 적분하여 상기 위치 보정 치를 출력하는 비례적분기를 포함한다.

상기 기준값은 상기 속도 오차를 제거하기 위하여 0으로 설정한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 따라 설명한다.

본 발명은 일반적인 영구자석형 동기 모터에 적용하는 도 1의 구성을 기본적으로 구비하며, 이에 대한 구성은 간략하게 설명한다. 다만, 속도위치 추정기에 대한 기능과 세부적인 구성에 대해서는 첨부 도면에 따라 설명한다.

도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어 장치의 구성도로서, 추정하는 회전자의 위치는 실제의 동기 회전 좌표계와는 다른 위치에 있는 γ-δ 축이고 Δθ가 충분히 작다고 가정한 다음 그로부터 유도되는 속도 추정게인(Ke)과 회전자 위치 추정게인(Kθ)을 사용하여 속도 추정치와 위치 추정치를 출력하는 구성은 기존과 같다.

제1실시 예의 발명에 따른 속도위치 추정기(80A)는, 전류 제어기(30)의 출력 전압(Vγ)(Vδ)과 전류좌표 변환기(70)의 출력 전류(iγ)(iδ) 및 속도 추정치를 각각 입력받는 γ축 전류 추정기(81) 및 δ축 전류 추정기(82)를 구비한다.

γ축 전류 추정기(81)는 γ축 전류(iγ), δ축 전류(iδ), γ축 전압(Vγ), 속도 추정치를 이용하여 γ축 추정 전류(iγM)를 출력한다. 제1감산기(83)는 γ축 전류(iγ)에서 γ축 추정 전류(iγM)를 감산하여 회전자 위치 오차(Δiγ)를 출력한다.

δ축 전류 추정기(82)는 γ축 전류(iγ), δ축 전류(iδ), δ축 전압(Vδ), 속도 추정치를 이용하여 δ축 추정 전류(iδM)를 출력한다. 제2감산기(84)는 δ축 전류(iδ)에서 δ축 추정 전류(iδM)를 감산하여 회전자 속도 오차(Δiδ)를 출력한다.

위치 추정게인 곱셈기(85)는 회전자 위치 오차(Δiγ)에 위치 추정게인(Kθ)을 곱셈 연산한 후 가산기(88)에 출력한다. 여기서 위치 추정게인(Kθ)은 회전자 위치 오차(Δiγ)의 크기에 따라 미리 정해져 있다.

속도 추정게인 곱셈기(86)는 속도 추정게인 보정치 생성기(89)로부터 제공받은 속도 보정치(Va)를 이용하여 속도 추정게인(Ke)을 보정하고, 제2감산기(84)로부터 제공받은 회전자 속도 오차(Δiδ)와 보정한 속도 추정게인(Ke)을 곱셈 연산한 후 곱셈기(87)에 출력한다. 이때, 속도 추정게인(Ke)은 회전자 속도 오차(Δiδ)의 크기에 따라 미리 정해져 있다.

속도 추정게인 보정치 생성기(89)는 기준값에서 속도 오차(Δiδ)를 감산하는 제3감산기(89-1)와 제3감산기(89-1)의 출력을 비례 적분하여 속도 보정치(Va)를 출력하는 제1비례적분기(91-2)를 구비한다. 여기서 기준값은 회전자 위치 오차를 제거하기 위하여 "0"으로 설정하며, 속도 보정치(Va)는 회전자 위치 오차를 0으로 만드는데 필요한 크기의 값으로서 속도 추정게인 곱셈기(86)에 제공된다.

곱셈기(87)은 속도 추정게인 곱셈기(86)의 출력에 설정된 상수(1/Ke)를 곱셈 연산한 후 가산기(88)에 출력한다.

가산기(88)는 위치 추정게인 곱셈기(85)의 출력과 곱셈기(87)의 출력을 더하여 속도 추정치를 연산하고, 이 속도 추정치를 γ축 전류 추정기(81), δ축 전류 추정기(82), 적분기(90), 및 속도 제어기(20)에 각각 제공한다.

적분기(90)는 속도 추정치를 적분하여 위치 추정치를 연산하고, 이 위치 추정치를 전류좌표 변환기(70)에 제공한다.

제1실시 예에서는 속도 보정치에 의해 속도 추정게인을 보정하고, 보정한 속도 추정게인을 이용하여 추정한 속도 추정치가 변화하고, 이에 따라 위치 오차가 0이 되도록 하며, 이에 따라 속도 오차도 0이 되도록 동작한다.

도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어 장치의 속도위치 추정기의 상세 구성도로서, 추정하는 회전자의 위치는 실제의 동기 회전 좌표계와는 다른 위치에 있는 γ-δ 축이고 Δθ가 충분히 작다고 가정한 다음 그로부터 유도되는 속도 추정게인(Ke)과 회전자 위치 추정게인(Kθ)을 사용하여 속도 추정치와 위치 추정치를 출력하는 구성은 기존과 같다.

제2실시 예의 발명에 따른 속도위치 추정기(80B)는, 전류 제어기(30)의 출력 전압(Vγ)(Vδ)과 전류좌표 변환기(70)의 출력 전류(iγ)(iδ) 및 속도 추정치를 각각 입력받는 γ축 전류 추정기(81) 및 δ축 전류 추정기(82)를 구비한다.

δ축 전류 추정기(82)는 γ축 전류(iγ), δ축 전류(iδ), δ축 전압(Vδ), 속도 추정치를 이용하여 δ축 추정 전류(iδM)를 출력한다. 제2감산기(84)는 δ축 전류(iδ)에서 δ축 추정 전류(iδM)를 감산하여 회전자 속도 오차(Δiδ)를 출력 한다.

위치 추정게인 곱셈기(85)는 위치 추정게인 보정치 생성기(91)로부터 제공받은 위치 보정치(Vb)를 이용하여 위치 추정게인(Kθ)을 보정하고, 제1감산기(83)로부터 제공받은 회전자 위치 오차(Δiγ)에 보정한 위치 추정게인(Kθ)을 곱셈 연산한 후 가산기(88)에 출력한다. 여기서 위치 추정게인(Kθ)은 회전자 위치 오차(Δiγ)의 크기에 따라 미리 정해져 있다.

속도 추정게인 곱셈기(86)는 제2감산기(84)로부터 제공받은 회전자 속도 오차(Δiδ)와 속도 추정게인(Ke)을 곱셈 연산한 후 곱셈기(87)에 출력한다. 이때, 속도 추정게인(Ke)은 회전자 속도 오차(Δiδ)의 크기에 따라 미리 정해져 있다.

위치 추정게인 보정치 생성기(91)는 기준값에서 위치 오차(Δiγ)를 감산하는 제4감산기(91-1)와 제4감산기(91-1)의 출력을 비례 적분하여 위치 보정치(Vb)를 출력하는 제2비례적분기(91-2)를 구비한다. 여기서 기준값은 회전자 속도 오차를 제거하기 위하여 "0"으로 설정하며, 위치 보정치(Vb)는 회전자 속도 오차를 0으로 만드는데 필요한 크기의 값으로서 위치 추정게인 곱셈기(85)에 제공된다.

적분기(90)는 속도 추정치를 적분하여 위치 추정치를 연산하고, 이 위치 추 정치를 전류좌표 변환기(70)에 제공한다.

이상과 같이 본 발명은 속도 추정게인과 위치 추정게인을 고정시키거나 테이블을 이용하는 방식과 같이 인위적으로 추정게인을 결정하는 것이 아니라 속도 및 가감속의 크기에 관계없이 회전자의 위치 오차를 이용하여 회전자의 속도 추정게인을 보정하거나 회전자의 속도 오차를 이용하여 회전자의 위치 추정게인을 보정함으로써 회전자의 위치 오차 및 속도 오차를 최소화 할 수 있어서, 모터의 인덕턴스와 저항의 변화에 강인한 제어기를 제공할 수 있으며, 모터 운전의 전체 영역에서 안정된 동작을 수행하고, 운전 속도를 정확하게 추정하여 제어할 수 있다.

Claims

회전자의 속도 추정치와 위치 추정치를 출력하는 속도위치 추정기를 구비하는 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어장치에 있어서,

상기 속도위치 추정기는,

상기 회전자의 위치 오차를 이용하여 속도 보정치를 생성하는 속도 추정 게인 보정치 생성기를 구비하고, 상기 회전자의 위치 오차에 대응하는 위치 추정 게인 및 상기 회전자의 속도 오차에 대응하는 속도 추정 게인을 연산하고, 상기 생성된 속도 보정치를 이용하여 상기 연산된 속도 추정 게인을 보정하고, 상기 보정된 속도 추정 게인과 상기 연산된 위치 추정 게인을 이용하여 상기 속도 추정치 및 위치 추정치를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 모터의 센서리스 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 속도 추정게인 보정치 생성기는 기준값에서 상기 회전자의 위치오차를 감산하여 출력하는 감산기와 상기 감산기의 출력을 비례 적분하여 상기 속도 보정치를 출력하는 비례적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 모터의 센서리스 제어장치.
제2항에 있어서, 상기 기준값은 상기 위치 오차를 제거하기 위하여 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 모터의 센서리스 제어장치.
회전자의 속도 추정치와 위치 추정치를 출력하는 속도위치 추정기를 구비하는 영구자석형 동기모터의 센서리스 제어장치에 있어서,

상기 속도위치 추정기는,

상기 회전자의 속도 오차를 이용하여 위치 보정치를 생성하는 위치 추정 게인 보정치 생성기를 구비하고, 상기 회전자의 위치 오차에 대응하는 위치 추정 게인 및 상기 회전자의 속도 오차에 대응하는 속도 추정 게인을 연산하고, 상기 생성된 위치 보정치를 이용하여 상기 연산된 위치 추정 게인을 보정하고, 상기 보정된 위치 추정 게인과 상기 연산된 속도 추정 게인을 이용하여 상기 속도 추정치 및 위치 추정치를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 모터의 센서리스 제어장치.
제4항에 있어서, 상기 위치 추정게인 보정치 생성기는 기준값에서 상기 회전자의 속도 오차를 감산하여 출력하는 감산기와 상기 감산기의 출력을 비례 적분하여 상기 위치 보정치를 출력하는 비례적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 모터의 센서리스 제어장치.
제5항에 있어서, 상기 기준값은 상기 속도 오차를 제거하기 위하여 0으로 설정하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 모터의 센서리스 제어장치.