KR101223444B1 - Operating Control method of Sensorless Permanent Magnet Synchronous motor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 센서리스 영구자석 동기모터의 구동제어방법에 관한 것으로, 센서리스 영구자석 동기모터 기동 시 저부하에서 기동전류를 최소화하기 위해 모델에 따라 위치,속도 추정을 실제 부하의 크기에 따라 관성계수와 토크 가속을 가변하는 방법을 제공함으로써, 필요 이상으로 토크 인가에 따른 기동 전류가 증가를 억제할 뿐만 아니라, 기동 전류 최소화에 의한 인버터에 발생되는 열 증가를 방지함으로써, 지속적인 운전이 불가능할 경우를 미연에 방지하는 효과가 있다.The present invention relates to a drive control method of a sensorless permanent magnet synchronous motor, and to estimate the position and velocity according to a model in order to minimize the starting current at low load when the sensorless permanent magnet synchronous motor starts. By providing a method of varying the torque acceleration and torque, it is possible not only to suppress the increase of the starting current due to torque application more than necessary, but also to prevent the increase of heat generated in the inverter by minimizing the starting current, thereby preventing the continuous operation. It is effective in preventing.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 영구자석 전동기의 구성을 간략하게 보인 블록도.1 is a block diagram schematically showing the configuration of a sensorless permanent magnet motor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에서 벡터 전류 제어기의 구성을 간략하게 보인 블록도.FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating the configuration of the vector current controller in FIG. 1. FIG.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 초기 구동 시 저부하에서 기동전류를 최소화하는 과정을 보인 흐름도.3 is a flowchart illustrating a process of minimizing starting current at low load during initial driving of a motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 부하별 관성계수와 토크 가속도를 보인 표.4 is a table showing a load inertia coefficient and torque acceleration according to an embodiment of the present invention.
도 5는 도 1의 혼합기에서 이용하는 크로스오버 함수를 보인 그래프.5 is a graph showing a crossover function used in the mixer of FIG.
도 6은 도 1의 혼합기에서 크로스오버 함수를 이용한 혼합과정을 보인 예시도.6 is an exemplary view illustrating a mixing process using a crossover function in the mixer of FIG. 1.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*Description of the Related Art [0002]
100 : 센서리스 영구자석 동기모터 110 : 전류 추정기100: sensorless permanent magnet synchronous motor 110: current estimator
120,130 : 제1,2 속도/위치 추정기 140 : 혼합기120,130: first and second speed / position estimator 140: mixer
150 : 속도제어기 160 : 전류지령 변환기150: speed controller 160: current command converter
170 : 벡터 전류 제어기 180 : 인버터170: vector current controller 180: inverter
본 발명은 센서리스 영구자석 동기모터의 구동제어방법에 관한 것으로, 특히 센서리스 영구자석 동기모터 기동 시 저부하에서 기동전류를 최소화하기 위해 모델에 따라 위치,속도 추정을 부하의 크기에 따라 관성계수와 토크 가속을 가변하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a drive control method of a sensorless permanent magnet synchronous motor. In particular, in order to minimize starting current at low load when starting a sensorless permanent magnet synchronous motor, the inertia coefficient is estimated according to the size of the load according to the model. And a method for varying torque acceleration.
일반적으로, 세탁기 등에 적용되는 센서리스 영구자석 동기모터를 이용하여 세탁조 등을 회전시키는 경우, 일정한 속도로 운전되는 정상상태 영역은 거의 없고 가속 및 감속운전을 반복함으로, 안정한 운전을 위해서는 센서리스 영구자석 동기모터가 정/역 회전을 할 때, 가/감속 운전특성이 양호해야 한다. 이러한 센서리스 제어에서는 정/역 구간의 저속운전 및 가/감속시의 회전자 위치검출 및 제어성능이 중요하다. In general, in the case of rotating a washing tank using a sensorless permanent magnet synchronous motor applied to a washing machine, there is almost no steady state region that operates at a constant speed, and the acceleration and deceleration are repeated, so that the sensorless permanent magnet is operated for stable operation. When the synchronous motor makes forward / reverse rotation, the acceleration / deceleration operation characteristics should be good. In such sensorless control, the rotor position detection and control performance during low speed operation and acceleration / deceleration of the forward / reverse sections are important.
따라서, 종래에는 가상의 q축 및 d축을 설정하여 실제 시스템의 상전류를 가상의 축으로 축변환하여 관측기내의 모델식에 의한 전류와 비교하여 각 축의 전류오차로부터 관측기의 회전자 위치와 속도가 실제 시스템의 위치와 속도를 추종하도록 한다.Therefore, the rotor position and the speed of the observer are determined from the current error of each axis by comparing the current according to the model formula in the observer by axially converting the phase current of the actual system to the virtual axis by setting the virtual q axis and the d axis. Follow the position and speed of.
하지만, 이러한 센서리스 영구자석 동기모터에 대한 센서리스 제어는 모터 기동 후 일정속도 이상일 때 비로소 수행되게 되는데, 이는 센서리스 영구자석 동기모터의 역기전력은 속도가 낮아짐에 따라 품질(quality)이 저하되어 회전자 위치 와 속도를 추정하는 데 어려움이 있기 때문이다. However, the sensorless control of the sensorless permanent magnet synchronous motor is performed only after a certain speed after the motor is started. This is because the back electromotive force of the sensorless permanent magnet synchronous motor is deteriorated as the speed decreases. This is because it is difficult to estimate the electronic position and velocity.
이에 따라, 종래에는 센서리스 영구자석 동기모터의 초기 기동 시, 회전자의 위치에 상응하는 전류를 제공하여 그에 합당한 모터 토크량을 발생시켜야 함에도 불구하고, 회전자의 위치와 속도를 알 수 없기 때문에 회전자의 위치와 속도에 관계없이 최고 부하를 기준으로 전류를 제공하게 된다.Thus, although the sensor-less permanent magnet synchronous motor is required to provide a current corresponding to the position of the rotor at the initial start-up and generate a proper amount of motor torque, the position and speed of the rotor are not known. Regardless of the rotor's position and speed, it will provide current based on peak load.
그러므로, 종래에는 센서리스 영구자석 동기모터의 초기 기동 시 저부하에서는 관성계수가 실제 부하와 같지 않아 불필요한 토크를 필요로 하게 되고, 이에 따라 필요 이상으로 토크가 인가되어 기동 전류가 증가할 뿐만 아니라, 기동 전류가 증가하면 인버터에 발생되는 열도 증가하여 지속적인 운전이 불가능할 우려가 있었다. Therefore, in the past, when the sensorless permanent magnet synchronous motor is initially started, at low loads, the inertia coefficient is not the same as the actual load, and unnecessary torque is required. Accordingly, torque is applied more than necessary to increase the starting current, and also the starting current. Increasing the increase in the heat generated by the inverter also could not be continued operation.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 센서리스 영구자석 동기모터 기동 시 저부하에서 기동전류를 최소화하기 위해 모델에 따라 위치,속도 추정을 부하의 크기에 따라 관성계수와 토크 가속을 가변하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been devised to solve the above-mentioned problems. In order to minimize the starting current at the low load when starting the sensorless permanent magnet synchronous motor, the position and velocity estimation is determined according to the model according to the size of the load. Its purpose is to provide a method for varying number and torque acceleration.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 센서리스 영구자석 동기모터의 구동제어방법은, 세탁조를 회전시키는 센서리스 영구자석 동기모터를 구비한 세탁기에 있어서, 상기 센서리스 영구자석 동기모터의 초기 기동 시, 부하의 크기를 감지 하고, 이 감지한 부하에 따른 기 설정한 관성계수와 토크 가속도로부터 회전자의 위치를 추정한 후, 추정된 회전자의 위치를 기반으로 상기 센서리스 영구자석 동기모터를 기동시키는 것을 특징으로 한다. The drive control method of the sensorless permanent magnet synchronous motor of the present invention for achieving the above object, in the washing machine provided with a sensorless permanent magnet synchronous motor for rotating the washing tank, at the time of initial startup of the sensorless permanent magnet synchronous motor, After detecting the magnitude of the load, estimating the position of the rotor from the preset inertia coefficient and torque acceleration according to the detected load, and starting the sensorless permanent magnet synchronous motor based on the estimated rotor position It is characterized by.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 동작과정을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, an operation process according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에 도시된 바와 같이 3상 전압을 공급하기 위한 전압소스 인버터(180), 상전압 인가에 따른 전류추정기(110), 모터모델을 기반으로 추정한 제1 속도/위치 추정기(120), 기계모델을 기반으로 추정한 제2 속도/위치 추정기(130), 상기 모터모델과 기계모델로 각각 추정한 위치/속도를 혼합하는 크로스오버 함수를 가진 혼합기(140), 측정된 또는 추정된 속도와 지령을 비교하여 토오크 지령을 발생하는 속도제어기(150), 토오크 지령을 전류 지령으로 변환하는 전류지령 변환기(160) 및 지령 전류와 추정 및 측정한 전류와 비교하여 전압을 발생하는 백터 전류 제어기(170)로 구성된다.As shown in FIG. 1, a
상기 전류 추정기(110)는 여러 가지 형태로 구성될 수 있는데, 첫 번째로 모터의 3상에 세 개의 전류 변환기나 직렬의 션트(shunt) 저항을 이용하여 삼상 전류를 직접 검출하는 형태와, 두 번째로 두 개의 전류 변환기나 직렬의 션트 저항으로 두 상의 전류 검출 후 나머지 한 상은 2상 전류값으로 구하는 형태 및 세 번째로 직류 버스(bus)측의 하나의 직렬 션트 저항이나 인버터의 아래쪽 스위치들과 접지사이에 직렬로 두 개 혹은 세 개의 션트 저항으로 3상 전류를 재구성하여(current reconstruction) 추정하는 형태로 구성된다. The
상기 벡터 전류 제어기(170)는 도 2에 도시한 바와 같이 측정 및 추정한 삼상 전류를 정지좌표계로 변환하는 제1 좌표변환기(171), 추정 위치로부터 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 제2 좌표변환기(172), 회전좌표계의 d-축, q-축 전류와 지령 전류를 비교하여 전압을 발생하는 전류 제어기(173), 회전좌표계 전압을 정지좌표계로 변환하는 제3 좌표변환기(174), 정지좌표계 전압을 3상 전압으로 발생하는 펄스폭 변조(PWM) 발생기(175)로 구성한다. As shown in FIG. 2, the vector
이와 같이 구성한 본 발명의 실시예에 따른 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation process according to an embodiment of the present invention configured as described above are as follows.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 영구자석 동기모터(100) 초기 구동 시 저부하에서 기동전류를 최소화하는 과정을 보인 흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 먼저 부하별 관성계수 및 토크 가속도를 설정한 후 동기모터의 초기 구동이 감지되면 제2 속도/위치 추정기(130)는 부하의 크기를 감지한다(S300 ~ S320).3 is a flowchart illustrating a process of minimizing starting current at low load during initial driving of the sensorless permanent magnet
이때, 부하의 크기를 감지하는 방법으로는, 일정 구간을 가속하여 목표속도에 도달할 때의 회전좌표계의 q축 전류를 측정하여 부하의 크기를 감지하는 방법을 이용하는데, 예를 들어 70 rpm으로 구동하다가 50 rpm/sec의 가속도로 105 rpm까지 가속할 때 필요한 q축 전류(토크)를 측정하여 부하를 판단한다. 즉 부하의 크기가 클수록 가속하기 위한 q축 전류가 많이 필요하게 된다.At this time, as a method of detecting the size of the load, a method of detecting the size of the load by measuring the q-axis current of the rotary coordinate system when the target section is accelerated to reach a target speed, for example, at 70 rpm The load is determined by measuring the q-axis current (torque) required for driving and accelerating to 105 rpm with an acceleration of 50 rpm / sec. In other words, the larger the load, the more q-axis current is required to accelerate.
또한, 부하 크기 감지를 위한 다른 방법으로는, 특정속도에서 회전좌표계의 임의의 q축 전류를 인가하여 목표속도에 도달하는 시간을 측정하여 부하의 크기를 감지하는 방법을 이용하는데, 예를 들어 70 rpm으로 구동하다가 q축 전류(토크) 1A를 인가하면 동기모터에 토크가 인가되어 가속을 하게 되며, 이때 105 rpm까지 도달하는 시간을 측정하여 부하의 크기를 판단한다. 즉 부하의 크기가 클수록 105 rpm까지 가속하는 시간이 많이 필요하게 된다.In addition, as another method for detecting the load size, a method of detecting the size of the load by applying an arbitrary q-axis current of the rotary coordinate system at a specific speed and measuring the time to reach the target speed, for example, 70 When driving at rpm and applying q-axis current (torque) of 1A, torque is applied to the synchronous motor to accelerate. At this time, the magnitude of the load is determined by measuring the time to reach 105 rpm. That is, the larger the load, the more time is required to accelerate to 105 rpm.
상기 단계(S320)에서 감지한 부하의 크기에 따라 도 4에 도시한 표를 이용하여 설정한 관성계수와 토크 가속도로부터 회전자의 위치를 추정한 다음 혼합기(140)로 출력한다(S330).The position of the rotor is estimated from the inertia coefficient and torque acceleration set using the table shown in FIG. 4 according to the magnitude of the load sensed in step S320 and then output to the mixer 140 (S330).
이후, 상기 혼합기(140)는 도 5에 도시한 크로스오버 함수를 이용하여 도 6에 도시한 바와 같이 상시 제1,2 속도/위치 추정기(120, 130)로부터 각각 입력되는 추정 속도값(^ωr_hsd, ^ωr_mech)과 추정 위치값(^θr_hsd, ^θr_mech)을 크로스오버 함수로 혼합하여 추정 속도는 속도제어기(150)로, 추정 위치는 벡터전류 제어기(170)로 각각 출력한다. 상기 도 5에서 ωL은 크로스오버 함수의 시작을 나타내는 속도의 최소값이고, ωH은 크로스오버 함수의 끝을 나타내는 속도의 최대값이며, x축은 동기 가속 시 기계모델의 속도정보이고, y축은 가중치이다.Thereafter, the
상기 벡터제어기(170)는 상기 추정 위치값과 전류지령 변환기(160)의 입력을 통해 모터 전류를 결정하여 결정된 모터전류를 인버터(180)로 출력한다(S340 ~ S350).The
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 센서리스 영구자석 동기모터의 구동제어방법은, 센서리스 영구자석 동기모터 초기 기동 시 속도, 위치 정보를 추정할 때 실제 부하에 따른 관성계수와 토크 가속도를 이용함으로써, 필요 이상으로 토크 인가에 따른 기동 전류가 증가를 억제할 뿐만 아니라, 기동 전류 최소화에 의한 인버터에 발생되는 열 증가를 방지함으로써, 지속적인 운전이 불가능할 경우를 미연에 방지하는 효과가 있다.As described above, the drive control method of the sensorless permanent magnet synchronous motor of the present invention is required by using the inertia coefficient and torque acceleration according to the actual load when estimating the speed and position information at the initial startup of the sensorless permanent magnet synchronous motor. As described above, not only the start current due to torque application is suppressed, but also the heat increase generated in the inverter by minimizing the start current is prevented, thereby preventing the case where continuous operation is impossible.
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