KR101619567B1 - 유도전동기의 파라미터 추정장치 - Google Patents

유도전동기의 파라미터 추정장치 Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage

Abstract

유도전동기의 파라미터 추정장치가 개시된다. 본 발명의 추정장치는, 전류제어부의 출력과 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류를 수신하여, 회전자 저항의 오차를 판별하고, 출력되는 회전자 저항과 공칭 회전자 저항의 오차를 구하여 이로부터 고정자 저항을 연산한다.

Description

유도전동기의 파라미터 추정장치{APPARATUS FOR ESTIMATING PARAMETERS IN INDUCTION MACHINE}
본 발명은 유도전동기의 파라미터를 실시간으로 추정하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 범용 인버터는 3상 전동기의 구동에 주로 이용되는데, 특히 유도전동기를 이용한 가변속(variable speed) 운전 분야, 권상(hoist) 부하, 전기 자동차의 견인용(traction) 부하에 주로 사용된다.
유도 전동기의 파라미터 중에서 고정자 저항(stator resistance)과 회전자 저항(rotor resistance)은 부하변동에 따라 전동기 내부에 온도가 변화하면 그 값이 변화한다. 유도 전동기 구동방법으로 주로 사용되는 벡터제어는 전동기 파라미터에 대한 의존도가 크기 때문에 회전자 저항의 변동은 제어 성능 저하를 초래하는 문제점이 있다. 이를 도면을 참조로 설명해본다.
도 1은 종래의 유도전동기 제어시스템의 구성도이다.
속도제어부(110)는 회전자 속도지령과 실제 회전자 속도를 수신하여, 동기좌표계 상의 q축 전류지령을 출력한다. 전류제어부(120)는 동기좌표계 상의 d, q축 전류지령과 실제 전류로부터 동기좌표계 상의 d, q축전압을 출력한다.
변환부1(130)은 전류제어부(120)의 출력전압을 정지좌표계상의 전압으로 변환하고, 변환부2(140)는 전류센서(190a, 190b, 190c)가 측정한 유도전동기(160)의 상전류를 동기좌표계상의 d, q축전류로 변환한다.
인버터(150)는 유도전동기(160)에 전압을 인가하고, 회전자 위치검출부(170)는 유도전동기(160)의 회전자 속도를 측정한다. 또한, 자속각 계산부(180)는 회전자 위치검출부(170)에서 측정한 회전자 속도와 동기좌표계상의 d, q축전류를 이용하여 자속각을 계산하는데, 동기좌표계상의 d축전류는 d축전류지령으로 대체될 수 있다.
도 2는 도 1의 속도제어부의 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 속도제어부(110)는 지령속도(speed reference)와 실제 속도(feedback spped)의 차를 비례적분 제어기(111a, 111b)를 이용하여 q축전류지령으로 출력한다. 제한기(112)는 속도제어부(110)의 출력을 제한하며, 이득부(113)는, 제한기(112)가 동작할 때 적분기(111b)의 발산을 방지하기 위한 안티-와인드업(anti-windup) 이득을 제공한다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전류제어부의 상세 구성도로서, 도 3a는 동기좌표계상의 d축 전류제어부의 구성이고, 도 3b는 동기좌표계상의 q축 전류제어부의 구성이다. 도면에 도시된 바와 같이, d, q축 전류제어부는, 동기좌표계상의 d, q축전류를 각각 제어하기 위하여 비례적분 형태의 제어기(121a, 121b, 124a, 124b)와 전향보상(feed-forward)으로 구성된다.
전향보상부(122, 125)는 유도전동기의 모델링에 따라 다양하게 구성이 가능하며, 이득부(123, 126)는 전류제어부의 출력이 인버터가 합성할 수 있는 전압의 크기를 벗어나는 경우 적분제어기(121b, 124b)의 발산을 막기위한 안티-와인드업 이득을 제공한다.
위와 같은 종래의 유도전동기 제어장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 1의 변환부1(130)는 전류제어부(120)의 출력인 동기좌표계상의 전압을 정지좌표계상의 전압으로 변환하며, 다음과 같이 정의된다.
Figure 112012092178138-pat00001
Figure 112012092178138-pat00002
변환부2(140)는 전류센서(190a, 190b, 190c)로부터 측정한 유도전동기(160)의 상전류로부터 동기좌표계상의 d, q축 전류를 구하며, 이는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112012092178138-pat00003
Figure 112012092178138-pat00004
Figure 112012092178138-pat00005
Figure 112012092178138-pat00006
자속각 계산부(180)는 변환부1(130)과 변환부2(140)의 각변환을 위해 필요한 자속각을 구하는데, 간접벡터제어를 수행하는 경우에는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112012092178138-pat00007
Figure 112012092178138-pat00008
Figure 112012092178138-pat00009
이때, ωsl은 슬립주파수이고, Lr은 회전자 인덕턴스, Rr은 회전자 저항, P는 극수를 나타낸다.
그러나, 간접벡터제어를 수행하는 경우, 수학식 7를 이용하여 슬립주파수를 구하는데 있어 회전자 저항이 요구되는데, 도 1의 종래의 유도전동기 제어장치에서는, 실시간으로 파라미터를 추정하지 않아 파라미터의 변동에 취약한 문제점이 있다. 특히, 유도전동기(160)의 회전자 저항은 유도전동기(160)의 온도변화에 따라 그 값이 변동하는데, 전동기의 온도는 부하변동에 따라 그 영향이 나타난다. 이와 같은 환경에서 발생하는 고정자 저항의 오차는 전류제어의 성능을 저하하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 유도전동기의 파라미터 변동을 실시간으로 추정하여 벡터제어 성능을 향상하는 유도전동기의 파라미터 추정장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, d, q축 전류지령과 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류로부터 동기좌표계상의 d, q축 전압을 출력하는 전류제어부와, 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류와 상기 유도전동기의 회전자 속도를 이용하여 회전자의 자속각을 계산하는 자속각 계산부를 구비하는 유도전동기의 제어시스템에서, 상기 유도전동기의 파라미터를 추정하는 본 발명의 일실시예의 추정장치는, 상기 전류제어부의 출력과 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류를 수신하여, 회전자 저항의 오차를 판별하는 상태추정기; 상기 상태추정기로부터 출력되는 회전자 저항과 공칭 회전자 저항의 오차를 구하는 적분제어기; 및 상기 적분제어기의 출력으로부터 고정자 저항을 연산하는 연산부를 포함하고, 상기 연산부는
Figure 112012092178138-pat00010
에 의해 고정자 저항을 연산하며, 상기 적분제어기의 출력은 상기 전류제어부 및 상기 자속각 계산부에 갱신되고, 이때, Rs는 고정자 저항,
Figure 112012092178138-pat00011
임,
Figure 112012092178138-pat00012
는 동기좌표계 상의 d축전류일 수 있다.
또한, 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, d, q축 전류지령과 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류로부터 동기좌표계상의 d, q축 전압을 출력하는 전류제어부와, 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류와 상기 유도전동기의 회전자 속도를 이용하여 회전자의 자속각을 계산하는 자속각 계산부를 구비하는 유도전동기의 제어시스템에서, 상기 유도전동기의 파라미터를 추정하는 본 발명의 일실시예의 추정장치는, 상기 전류제어부의 출력과 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류를 수신하여, 회전자 저항의 오차를 판별하는 상태추정기; 상기 상태추정기로부터 출력되는 회전자 저항과 공칭 회전자 저항의 오차를 구하는 적분제어기; 및 상기 적분제어기의 출력으로부터 고정자 저항을 연산하는 연산부를 포함하고, 상기 연산부는
Figure 112012092178138-pat00013
에 의해 고정자 저항을 연산하며, 상기 적분제어기의 출력은 상기 전류제어부 및 상기 자속각 계산부에 갱신되고, 이때,
Figure 112012092178138-pat00014
,
Figure 112012092178138-pat00015
는 동기좌표계 상의 d축전류일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 플래그 입력에 따라, 회전자 저항을 추정할 것인지 여부를 스위칭하는 스위치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 회전자 저항의 오차는,
Figure 112015116111955-pat00016
에 의해 연산할 수 있으며, 이때, ΔTr은 회전자 저항을 회전자 임피던스로 나눈 값의 역수일 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 회전자 저항의 오차가 실질적으로 0이 될 때까지 상기 적분제어기가 동작할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 유도전동기의 슬립주파수는,
Figure 112012092178138-pat00017
에 의해 연산될 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 유도전동기의 제어 시스템에서 실시간으로 유도전동기의 파라미터를 추정하여 이를 제어에 반영함으로써, 벡터제어의 성능을 향상하도록 하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 유도전동기 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 속도제어부의 상세 구성도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 전류제어부의 상세 구성도이다.
도 4는 본 발명이 적용되는 유도전동기 제어 시스템의 일실시예 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 추정장치의 일실시예 구성도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명이 적용되는 유도전동기 제어 시스템의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 유도전동기 제어 시스템은, 유도전동기(160)를 제어하기 위한 것으로서, 속도제어부(110), 전류제어부(120), 변환부1(130), 변환부2(140), 인버터(150), 회전자 위치 검출부(170), 자속각 계산부(180) 및 본 발명의 추정장치(10)를 포함한다. 본 발명의 추정장치(10) 외의 구성요소에 대해서는, 도 1을 참조로 설명한 바와 같다 할 것이므로, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 추정장치(10)는, 동기좌표계상의 d, q축전류와 전류제어부(120)의 출력전압을 수신하여, 회전자 저항의 오차를 출력한다. 추정된 회전자 저항의 오차는 전류제어부(120)와 자속각 계산부(180)에 갱신된다.
도 5는 본 발명에 따른 추정장치의 일실시예 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 추정장치(10)는, 상태추정기(11), 스위치(12) 및 적분제어기(13)를 포함한다.
상태추정기(11)는, 도 3a 및 도 3b에서 설명한 d, q축 전류제어부(120)의 출력전압과 궤환전류(즉, 변환부2(140)의 출력인 d, q축 전류)로부터 회전자 저항의 오차를 판별한다.
스위치(12)는 실시간 회전자 저항을 추정하기 위한 플래그(flag)에 의해 동작한다. 즉, 플래그 입력에 따라, 회전자 저항을 추정할 것인지 여부가 결정된다. 플래그 입력은, 상위 제어 시스템(도시되지 않음)에서 수신할 수 있다.
적분제어기(13)는 상기 상태추정기(11)로부터 출력되는 실제 회전자 저항과 공칭(nominal) 회전자 저항의 오차를 구한다.
이하에서는, 본 발명의 추정장치(10)의 상세 동작을 설명하기로 한다.
일반적인 좌표계상에서 유도전동기(160)의 전압방정식은 수학식 10 내지 수학식 13과 같으며, 자속식은 다음 수학식 14 내지 수학식 17과 같다.
Figure 112012092178138-pat00018
Figure 112012092178138-pat00019
Figure 112012092178138-pat00020
Figure 112012092178138-pat00021
Figure 112012092178138-pat00022
Figure 112012092178138-pat00023
Figure 112012092178138-pat00024
Figure 112012092178138-pat00025
위 수학식 10 내지 수학식 17로부터, 동기좌표계상에서 유도전동기(160)의 전압방정식은 수학식 18 내지 수학식 21과 같으며, 자속식은 수학식 22 내지 수학식 25와 같다.
Figure 112012092178138-pat00026
Figure 112012092178138-pat00027
Figure 112015116111955-pat00076
Figure 112015116111955-pat00077
Figure 112012092178138-pat00030
Figure 112012092178138-pat00031
Figure 112012092178138-pat00032
Figure 112012092178138-pat00033
회전자 자속과 회전자 전류를 이용하여 고정자 자속을 표현하면 다음과 같다.
Figure 112012092178138-pat00034
Figure 112012092178138-pat00035
위의 수학식들로부터, 회전자의 전압방정식을 정리하면 다음과 같다.
Figure 112012092178138-pat00036
Figure 112012092178138-pat00037
또한, 유도전동기(160)의 고정자 측의 동기좌표계상의 d, q축 전압방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012092178138-pat00038
Figure 112012092178138-pat00039
또한, 간접벡터제어를 수행하고 있고, 정상상태에서 전류제어가 수행되고 있을 때, 전류제어부(120)의 출력은 각각 다음과 같다.
Figure 112012092178138-pat00040
Figure 112012092178138-pat00041
이때, 전향보상(feed-forward) 항은 다음과 같이 정의된다.
Figure 112012092178138-pat00042
Figure 112012092178138-pat00043
Figure 112012092178138-pat00044
Figure 112012092178138-pat00045
만약, 전류제어부(120)의 전류제어가 원활하게 수행된다면, 다음의 조건을 만족한다.
Figure 112012092178138-pat00046
Figure 112012092178138-pat00047
이때, 인덕턴스가 정확한 경우에, d, q축 전류제어부가 정상상태에서 담당하는 전압은 다음과 같다.
Figure 112012092178138-pat00048
Figure 112012092178138-pat00049
위의 수학식 40 및 수학식 41을 정리하면 다음과 같다.
Figure 112012092178138-pat00050
Figure 112012092178138-pat00051
이때, ΔTr은 회전자 저항을 회전자 임피던스로 나눈 값의 역수이다. 위 수학식에서 다음과 같이 치환한다.
Figure 112012092178138-pat00052
Figure 112012092178138-pat00053
위 수학식 44 및 수학식 45를 이용하여 수학식 42 및 수학식 43의 연립방정식을 계산하면, 다음과 같은 회전자 저항의 오차를 구할 수 있다.
Figure 112012092178138-pat00054
수학식 46과 같이 연산된 값이 영(zero)이 될 때까지 도 5의 적분제어기(13)가 동작하고, 추정된 회전자 저항의 오차는 수학식 35 및 수학식 37의 전향보상과 수학식 7의 슬립주파수 계산에 연속적으로 업데이트되어, 수학식 47와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112012092178138-pat00055
고정자 저항은 수학식 46의 결과를 이용하여 구할 수 있다. 도 5의 적분제어기(13)의 출력인
Figure 112012092178138-pat00056
는
Figure 112012092178138-pat00057
이 0이 되면 일정한 값으로 수렴하고, 이때 수학식 42 및 수학식 43은 다음과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112012092178138-pat00058
Figure 112012092178138-pat00059
따라서, 고정자 저항은, 다음의 수학식 50 또는 수학식 51을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112012092178138-pat00060
Figure 112012092178138-pat00061
위와 같이, 유도전동기(160)의 회전자 저항 및 고정자 저항의 실시간 추정은, 전류제어부(120)의 전향보상과 전류제어부(120)의 적분기의 출력전압을 이용하여 달성될 수 있다. 추정된 회전자 저항과 고정자 저항은, 유도전동기의 제어 시스템에서 가장 빠른 동특성을 갖는 전류제어부의 제어 대역폭에 의해서 그 성능이 결정되기 때문에, 동특성이 매우 빠르고, 간단하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
11: 상태추정기 12: 스위치
13: 적분제어기

Claims (6)

  1. d, q축 전류지령과 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류로부터 동기좌표계상의 d, q축 전압을 출력하는 전류제어부와, 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류와 상기 유도전동기의 회전자 속도를 이용하여 회전자의 자속각을 계산하는 자속각 계산부를 구비하는 유도전동기의 제어시스템에서, 상기 유도전동기의 파라미터를 추정하는 추정장치에 있어서,
    상기 전류제어부의 출력과 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류를 수신하여, 회전자 저항의 오차를 판별하는 상태추정기;
    상기 상태추정기로부터 출력되는 회전자 저항과 공칭 회전자 저항의 오차를 구하는 적분제어기; 및
    상기 적분제어기의 출력으로부터 고정자 저항을 연산하는 연산부를 포함하고,
    상기 적분제어기는,
    상기 상태추정기로부터 출력되는 회전자 저항과 공칭 회전자 저항의 차에 대하여, 전달함수
    Figure 112015116111955-pat00078
    에 따른 비례 적분 제어(Proportional Integral Control)를 수행하고, 그 결과값을 출력하고, 여기서,
    Figure 112015116111955-pat00079
    는 상기 적분제어기를 동작시키는 플래그(Flag)에 대응하는 비례이득값이고,
    상기 연산부는 다음 식에 의해 고정자 저항을 연산하며, 상기 적분제어기의 출력은 상기 전류제어부 및 상기 자속각 계산부에 갱신되는 추정장치.
    Figure 112015116111955-pat00080

    (단, Rs는 고정자 저항,
    Figure 112015116111955-pat00081
    임,
    Figure 112015116111955-pat00082
    는 동기좌표계 상의 d축전류이고,
    Figure 112015116111955-pat00083
    는 상기 적분제어기의 비례이득값이고,
    Figure 112015116111955-pat00084
    는 라플라스 연산자이고,
    Figure 112015116111955-pat00085
    는 동기좌표계 상의 d축 전류(
    Figure 112015116111955-pat00086
    )의 공액복소수임)
  2. d, q축 전류지령과 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류로부터 동기좌표계상의 d, q축 전압을 출력하는 전류제어부와, 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류와 상기 유도전동기의 회전자 속도를 이용하여 회전자의 자속각을 계산하는 자속각 계산부를 구비하는 유도전동기의 제어시스템에서, 상기 유도전동기의 파라미터를 추정하는 추정장치에 있어서,
    상기 전류제어부의 출력과 상기 유도전동기에 인가되는 동기좌표계상의 d, q축 전류를 수신하여, 회전자 저항의 오차를 판별하는 상태추정기;
    상기 상태추정기로부터 출력되는 회전자 저항과 공칭 회전자 저항의 오차를 구하는 적분제어기; 및
    상기 적분제어기의 출력으로부터 고정자 저항을 연산하는 연산부를 포함하고,
    상기 적분제어기는,
    상기 상태추정기로부터 출력되는 회전자 저항과 공칭 회전자 저항의 차에 대하여, 전달함수
    Figure 112015116111955-pat00087
    에 따른 비례 적분 제어(Proportional Integral Control)를 수행하고, 그 결과값을 출력하고, 여기서,
    Figure 112015116111955-pat00088
    는 상기 적분제어기를 동작시키는 플래그(Flag)에 대응하는 비례이득값이고,
    상기 연산부는 다음 식에 의해 고정자 저항을 연산하며, 상기 적분제어기의 출력은 상기 전류제어부 및 상기 자속각 계산부에 갱신되는 추정장치.
    Figure 112015116111955-pat00089

    (단,
    Figure 112015116111955-pat00090
    ,
    Figure 112015116111955-pat00091
    는 동기좌표계 상의 q축전류이고,
    Figure 112015116111955-pat00092
    는 상기 적분제어기의 비례이득값이고,
    Figure 112015116111955-pat00093
    는 라플라스 연산자이고,
    Figure 112015116111955-pat00094
    는 동기좌표계 상의 q축 전류(
    Figure 112015116111955-pat00095
    )의 공액복소수임)
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플래그 입력에 따라, 회전자 저항을 추정할 것인지 여부를 스위칭하는 스위치를 더 포함하는 추정장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자 저항의 오차는, 다음 식에 의해 연산하는 추정장치.
    Figure 112015116111955-pat00096

    (이때, ΔTr은 회전자 저항을 회전자 임피던스로 나눈 값의 역수이고,
    Figure 112015116111955-pat00097
    는 회전자 저항의 오차이고,
    Figure 112015116111955-pat00098
    는 회전자 인덕턴스이고,
    Figure 112015116111955-pat00099
    는 고정자 인덕턴스이고,
    Figure 112015116111955-pat00100
    는 누설계수이고, 누설계수는
    Figure 112015116111955-pat00101
    이며,
    Figure 112015116111955-pat00102
    은 자화 인덕턴스임)
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전자 저항의 오차가 0이 될 때까지 상기 적분제어기가 동작하는 추정장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유도전동기의 슬립주파수는, 다음 식에 의해 연산되는 추정장치.
    Figure 112012092178138-pat00069
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