KR101258087B1

KR101258087B1 - 모터의 고속운전 제어 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR101258087B1
Application number: KR1020060040188A
Authority: KR
Inventors: 이길수; 이경훈; 정달호
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-05-03
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2013-04-25
Also published as: CN101087120A; KR20070107539A; US7501776B2; EP1852967A1; DE602007005533D1; US20070257626A1; CN101087120B; EP1852967B1

Abstract

본 발명은 모터의고속운전 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 3상좌표 전압 및 전류를 입력받아 정지좌표 고정자 전압 및 전류로 변환하여 출력하는 좌표변환기; 상기 변환된 정지좌표 전류 및 전압을 입력받아 고정자 자속을 관측하여 출력하는 자속 관측기; 상기 검출된 고정자 전류 및 상기 관측된 고정자의 자속을 입력받아 회전자 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정기; 및 상기 추정된 회전자의 위치를 입력받아 회전자 속도를 추정하여 출력하는 속도 추정기;를 포함하여 구성되어, 검출된 고정자의 전압 및 전류를 입력받아 동기좌표계 자속을 구한 후, 부가적인 PI 레귤레이터없이 상기 자속값을 이용하여 위치를 추정하여, 상기 추정된 회전자의 위치값을 이용하여 회전자의 속도를 쉽게 추정할 수 있으므로, PI 레귤레이터의 이득 조정을 위한 부가적인 작업이 불필요하므로 재료비를 절감하고 아울러 사용자의 편의를 도모하는 모터의고속운전 제어장치 및 그 방법을 제공한다.

Description

모터의 고속운전 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING HIGH SPEED DRIVING OF SENSORLESS PERMANENT MAGNET SYNCHORONOUS MORTOR}

도1은 종래의 PI 제어기를 이용한 센서리스 PMSM의 고속운전 제어장치를 나타낸 회로도이다.

도2은 본 발명에 따른 PI 제어기를 이용하지 않은 센서리스 PMSM의 고속운전 제어장치를 나타낸 블록도이다.

도3은 본 발명에 따른 센서리스 PMSM의 고속운전 제어방법을 나타낸 논리도이다.

도4는 본 발명에 따른 센서리스 PMSM의 고속운전 제어시, 위치 및 속도의 추종 결과를 나타낸 추종 결과도이다.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

210 : 좌표 변화기 220 : 자속 관측기

230 : 위치 추정기 231 : 제1행렬 산출부

232 : 제2행렬 산출부 233 : 회전자 위치 산출부

240 : 속도 추정기 241 : 제1위치 산출부

242 : 제2위치 산출부 243 : 회전자 속도 산출부

본 발명은 모터의고속운전 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터 회전자의 위치와 속도를 PI 레귤에이터없이 추정함으로써, PI 레귤레이터의 이득조정으로 인한 사용자의 불편을 제거하고 아울러 모터 회전자의 위치 및 속도 제어의 신뢰성을 확보할 수 있는 모터의고속운전 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.

영구자석 동기모터(PMSM, Permanent Magnet Sychronous)의 센서리스 벡터 제어를 위해서는 회전자의 위치와 속도가 반드시 추정되어야 한다. 회전자의 위치는 상변환(Reference Frame Transform)에 필요한 정보이며, 회전자의 속도는 속도제어에 필요한 정보이다.

상기 회전자의 속도 및 위치 정보를 추정하기 위하여, 종래기술에 따른 회전자의 위치 및 속도 추정기는 정지좌표 전압 및 전류를 동기좌표계 전압 및 전류로 변환하는 좌표 변환기(110)와; 상기 좌표변환된 전압 및 전류를 입력받아 위치 에러를 산출하여 출력하는 EEMF 추정기(120)와; 상기 산출된 위치에러를 이용하여 회전자의 속도를 추정하는 PI 레귤레이터(131)와; 상기 추정된 회전자의 속도를 적분하여 회전자의 위치를 추정하는 적분기(132)로 구성된다.

종래기술은 측정된 고정좌표 전류(

)와 전압(

)을 이용하여 실제 회전 자의 위치(

)와 추정된 회전자의 위치(

) 간의 오차정보(

)를 제공해주는 EEMF(Extended Electromotive Force,

)를 추정한 후, 그 추정된 EEMF가 0으로 수렴하도록 PLL(Phase Locked Loop)를 이용하여 벡터 제어에 필요한 회전자의 위치(

)와 속도(

)를 추정하였다.

도1은 종래 PI 레귤레이터를 포함하는 센서리스 PMSM의 고속운전 제어장치로서, 상기 PLL은 도 1에 도시된 바와 같이, PI 레귤레이터와 적분기로 구성되어 있고 상기 PI 레귤레이터(131)의 출력은 회전자의 추정 속도(

)이고, 적분기(132)의 출력은 회전자의 추정 위치(

)가 된다.

PLL을 이용하는 종래기술은 PI 레귤레이터(131)를 통해 회전자의 위치와 속도가 추정되기 때문에 회전자 위치와 속도의 추정성능이 PI 레귤레이터 이득에 크게 의존한다. 즉, PI 레귤레이터(131)의 대역폭(Bandwidth)이 너무 작으면 고속운전시, 회전자의 추정 위치가 실제 위치에서 탈조될 수 있다.

따라서, 종래 기술은 PI 이득 조정 작업이 부가적으로 필요하고 이는 많은 시험을 통해 조정되어야 하는 어려움이 존재하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, PI 레귤레이터를 이용하지 않으므로, 수많은 반복적인 시험을 통해 조정할 제어 파라메타가 없는 모터의고속운전 제어 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 또 다른 목적은 PI 레귤레이터의 이득 조정과 무관하게 저속에서 고속에 이르는 전 모터의 운전영역에서 균등한 모터 회전자의 위치 및 속도 추정 성능 제공하는 것이다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터의고속운전 제어장치는 3상좌표 전압 및 전류를 입력받아 정지좌표 고정자 전압 및 전류로 변환하여 출력하는 좌표변환기; 상기 변환된 정지좌표 전류 및 전압을 입력받아 고정자 자속을 관측하여 출력하는 자속 관측기; 상기 검출된 고정자 전류 및 상기 관측된 고정자의 자속을 입력받아 회전자 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정기; 및 상기 추정된 회전자의 위치를 입력받아 회전자 속도를 추정하여 출력하는 속도 추정기를 포함하여 구성된다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 동기모터의 고속운전 제어방법은 3상좌표 전압 및 전류를 입력받아 정지좌표 고정자 전압 및 전류로 변환하여 출력하는 과정; 상기 변환된 정지좌표 전류 및 전압을 입력받아 고정자 자속을 관측하여 출력하는 과정; 상기 검출된 고정자 전류 및 상기 관측된 고정자의 자속을 입력받아 회전자 위치를 추정하여 출력하는 과정; 및 상기 추정된 회전자의 위치를 입력받아 회전자 속도를 추정하여 출력하는 과정을 포함하여 이루어진다.

도2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모터의고속운전 제어장치는 3상좌표 전압 및 전류를 입력받아 정지좌표 고정자 전압 및 전류로 변환하여 출 력하는 좌표변환기(210); 상기 변환된 정지좌표 전류 및 전압을 입력받아 고정자 자속을 관측하여 출력하는 자속 관측기(220); 상기 검출된 고정자 전류 및 상기 관측된 고정자의 자속을 입력받아 회전자 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정기(230); 및 상기 추정된 회전자의 위치를 입력받아 회전자 속도를 추정하여 출력하는 속도 추정기(240)를 포함하여 구성된다.

상기 자속 관측기(220)는 상기 관측된 고정자 자속의 미분값, 상기 측정된 고정자 전압, 음의 상저항 값과 상기 검출된 고정자 전류 값을 승산한 값, 음의 차단주파수와 상기 관측된 자속을 승산한 값으로 이루어진 상태방정식을 이용하여 상기 고정자 자속을 관측한다.

상기 위치 추정기(230)는 동기모터의 D축 인덕턴스에서 L축 인덕턴스를 감산한 값에 D축 지령전류를 승산한 값, 상기 고정자 자속 및 상기 음의 고정자 자속으로 이루어진 4행4열의 행렬을 산출하는 제1행렬 산출부(231); 상기 추정된 고정자 자속, 및 상기 음의 L축 인덕턴스와 상기 검출된 고정자 전류를 승산한 값으로 이루어진 2행2열의 행렬을 산출하는 제2행렬 산출부(232); 및 상기 산출된 제1행렬과 제2행렬을 승산하여 산출된 중간행렬을 상기 중간행렬값으로 제산하여 회전자의 위치의 정/여현값을 산출하는 회전자 위치 산출부(233)를 포함하여 구성된다.

상기 속도 추정기(240)는 상기 추정된 회전자 위치의 현단계 정현값과 직전단계 여현값을 승산한 값을 산출하는 제1위치 산출부(241); 상기 추정된 회전자 위치의 현단계 여현값과 직전단계 정현값을 승산한 값을 산출하는 제2위치 산출부(242); 및 상기 산출된 제1위치 값에 제2위치 값을 감산하고, 그 감산된 값을 샘 플링 주기로 제산하여 회전자의 속도를 산출하는 속도 산출부(243)를 포함하여 구성된다.

도3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 동기모터의 고속운전 제어방법은 3상좌표 전압 및 전류를 입력받아 정지좌표 고정자 전압 및 전류로 변환하여 출력하는 과정(310); 상기 변환된 정지좌표 전류 및 전압을 입력받아 고정자 자속을 관측하여 출력하는 과정(320); 상기 검출된 고정자 전류 및 상기 관측된 고정자의 자속을 입력받아 회전자 위치를 추정하여 출력하는 과정(330); 및 상기 추정된 회전자의 위치를 입력받아 회전자 속도를 추정하여 출력하는 과정(340)을 포함하여 이루어진다.

상기 자속을 관측하는 과정(320)은 상기 관측된 고정자 자속의 미분값, 상기 측정된 고정자 전압, 음의 상저항 값과 상기 검출된 고정자 전류 값을 승산한 값, 음의 차단주파수와 상기 관측된 자속을 승산한 값으로 이루어진 상태방정식을 이용하여 상기 고정자의 자속을 관측하는 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 위치를 추정하는 과정(330)은 동기모터의 D축 인덕턴스에서 L축 인덕턴스를 감산한 값에 D축 지령전류값을 승산한 값, 상기 고정자 자속, 및 상기 음의 고정자 자속으로 이루어진 4행4열의 제1행렬을 산출하는 단계(331); 상기 추정된 고정자 자속, 및 상기 음의 L축 인덕턴스와 상기 검출된 고정자 전류를 승산한 값으로 이루어진 2행2열의 제2행렬을 산출하는 단계(332); 상기 산출된 제1행렬과 제2행렬을 승산하여 산출된 중간행렬을 상기 중간행렬값으로 제산하여 회전자 위치의 정/여현값을 산출하는 단계(333)를 포함하여 이루어진다.

상기 속도를 추정하는 과정(340)은 상기 고정자의 현 위치의 정현값과 직전 위치의 여현값을 승산한 값을 산출하는 제1위치를 산출하는 단계(341); 상기 고정자의 현 위치의 여현값과 직전 위치의 정현값을 승산한 값을 산출하는 제2위치를 산출하는 단계(342); 및 상기 산출된 제1위치 값에 제2위치 값을 감산하여, 그 감산된 값을 샘플링 주기로 제산하여 회전자의 속도를 추정하는 단계(343)를 포함하여 이루어진다.

상기 제안된 본 발명에 따른 동기모터의 고속운전 제어방법은 종래기술에서 요구되는 모터의 전류 및 전압과 모터 파라미터의 동일한 정보를 이용하지만, PI 레귤에이터를 사용하지 않기 위해서 동기모터의 정지좌표계 모델로부터 직접 위치를 계산해 낸다.

상기 제안된 본 발명은 기입력된 모터 파라미터, D축 전류지령, 정지좌표계의 자속 그리고 측정 전류를 이용하여 상기 회전자의 위치를 PI 레귤레이터 없이 실시간으로 계산해내는 것이 가능하다는 것이다.

여기서 모터 파라미터, D축 전류 지령 그리고 측정 전류는 알고 있는 값들이므로, 고정자의 자속은 동기 좌표계의 자속은 통상적으로 사용되고 있는 자속 관측기(Flux Observer)를 적용하면 쉽게 추정된다.

상기 고정자의 자속을 추정시, 차단주파수(g)는 DC 오프셋을 제거하기 위한 제어 파라메타이며, 고역통과 필터의 차단 주파수를 의미하므로, 주파수 분석을 통해 쉽게 지정될 수 있다. 전압과 전류는 측정하고 있는 정보이므로, 이로부터 정지좌표계의 자속이 계산된다.

정리하면 동기좌표계 자속 값을 구한 후, 그 결과 값을 적용하면 부가적인 PI 레귤레이터없이 위치를 추정할 수 있으며, 추정된 회전자의 위치값을 이용하여 회전자의 속도를 쉽게 추정할 수 있다.

도4(a)에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 동기모터의 고속운전 제어방법은 마그네틱 모델을 선형 근사하여 위치를 추종한 결과로써, Q축 인덕턴스의 경우 D축에 비해 낮은 포화현상으로 무시하더라도 운전점과 3개의 개수만을 통해 실시간으로 모터 파라미터를 구할 수 있음을 보여준다.

이는 도4(b)에 도시된 PI 레귤레이터를 이용한 종래기술에 따른 추종 결과와도 차이가 없음을 보여준다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절히 변경 가능한 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 종래기술에서 사용되는 PI 레귤레이터를 이용하지 않는 정지좌표 전류 및 상기 관측된 고정자의 자속을 입력받아 회전자의 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정기를 제안하여, PI 레귤레이터의 사용에 따른 PI 레귤레이터의 이득 조정(Gain Tuning)을 위한 부가적인 작업이 불필요하므로 재료비를 절감하고 아울러 사용자의 편의를 도모하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 PI 레귤레이터의 사용에 따른 PI 레귤레이터의 이득 조정(Gain Tuning)이 불필용하므로, 회전자의 위치 및 속도 추정 성능이 PI 레률레이 터의 이득에 무관하게 되어 전속도 영역에서 견실한 위치와 속도 추정 성능을 보이는 효과가 있다.

Claims

3상좌표 전압 및 전류를 입력받아 정지좌표 전압 및 전류로 변환하여 출력하는 좌표변환기;

상기 변환된 정지좌표 전류 및 전압을 입력받아 고정자 자속을 관측하여 출력하는 자속 관측기;

상기 변환된 정지좌표 전류 및 상기 관측된 고정자의 자속을 입력받아 회전자의 위치를 추정하여 출력하는 위치 추정기; 및

상기 추정된 회전자의 위치를 입력받아 회전자의 속도를 추정하여 출력하는 속도 추정기;를 포함하고,

상기 자속 관측기는,

상기 관측된 고정자 자속의 미분값, 고정자 전압, 음의 상저항 값과 고정자 전류 값을 승산한 값, 및 음의 차단주파수와 상기 관측된 고정자 자속을 승산한 값으로 이루어진 상태방정식을 이용하여 상기 고정자 자속을 관측하여 출력하는 것을 특징으로 하는,

모터의 고속운전 제어장치.
삭제
제1항에 있어서,

상기 위치 추정기는,

동기모터의 D축 인덕턴스에서 L축 인덕턴스를 감산한 값에 D축 지령전류를 승산한 값, 상기 고정자 자속 및 음의 고정자 자속으로 이루어진 4행4열의 행렬을 산출하는 제1행렬 산출부;

상기 고정자 자속, 및 음의 L축 인덕턴스와 고정자 전류를 승산한 값으로 이루어진 2행2열의 행렬을 산출하는 제2행렬 산출부; 및

상기 산출된 제1행렬과 제2행렬을 승산하여 산출된 중간행렬을 중간행렬값으로 제산하여 회전자 위치의 정/여현값을 산출하는 회전자 위치 산출부를 포함하여 이루어지는,

모터의 고속운전 제어 장치.
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 속도 추정기는,

상기 추정된 회전자 위치의 현단계 정현값과 직전단계 여현값을 승산한 값을 산출하는 제1위치 산출부;

상기 추정된 회전자 위치의 현단계 여현값과 직전단계 정현값을 승산한 값을 산출하는 제2위치 산출부; 및

상기 산출된 제1위치 값에 제2위치 값을 감산하고, 그 감산된 값을 샘플링 주기로 제산하여 회전자의 속도를 산출하는 속도 산출부를 포함하여 이루어지는,

모터의 고속운전 제어 장치.
3상좌표 전류 및 전압을 입력받아 정지좌표 전류 및 전압으로 변환하는 과정과;

상기 변환된 정지좌표 전류 및 전압을 입력받아 고정자 자속을 관측하여 출력하는 과정과;

고정자 전류 및 상기 관측된 고정자 자속을 입력받아 회전자 위치를 추정하여 출력하는 과정; 및

상기 추정된 회전자의 위치를 입력받아 회전자 속도를 추정하여 출력하는 과정을 포함하고,

상기 고정자 자속을 관측하여 출력하는 과정은,

상기 관측된 고정자 자속의 미분값, 고정자 전압, 음의 상저항 값과 고정자 전류 값을 승산한 값, 및 음의 차단주파수와 상기 관측된 고정자 자속을 승산한 값으로 이루어진 상태방정식을 이용하여 상기 고정자 자속을 관측하는 단계를 포함하여 이루어지는,

모터의 고속운전 제어방법.
삭제
제5항에 있어서,

상기 회전자 위치를 추정하여 출력하는 과정은,

동기모터의 D축 인덕턴스에서 L축 인덕턴스를 감산한 값에 D축 지령전류값을 승산한 값, 상기 고정자 자속, 및 음의 고정자 자속으로 이루어진 4행4열의 제1행렬을 산출하는 단계;

상기 고정자 자속, 및 음의 L축 인덕턴스와 고정자 전류를 승산한 값으로 이루어진 2행2열의 제2행렬을 산출하는 단계;

상기 산출된 제1행렬과 제2행렬을 승산하여 산출된 중간행렬을 중간행렬값으로 제산하여 회전자 위치의 정/여현값을 산출하는 단계를 포함하여 이루어지는,

모터의 고속운전 제어방법.
제5항 또는 제7항에 있어서,

상기 회전자 속도를 추정하여 출력하는 과정은,

상기 고정자의 현 위치의 정현값과 직전 위치의 여현값을 승산한 값을 산출하는 제1위치를 산출하는 단계;

상기 고정자의 현 위치의 여현값과 직전 위치의 정현값을 승산한 값을 산출하는 제2위치를 산출하는 단계; 및

상기 산출된 제1위치 값에 제2위치 값을 감산하여, 그 감산된 값을 샘플링 주기로 제산하여 회전자의 속도를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는,

모터의 고속운전 제어방법.