KR101861023B1 - Torque controlling apparatus and method of induction motors based on model predictive control - Google Patents
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Abstract
Description
모델예측제어 기반의 토크 제어 장치에 연관되고, 보다 구체적으로는 복수의 동작 구간에서 유도 전동기의 출력 토크를 효율적으로 제어하는 제어 장치 및 방법에 연관된다.And more particularly to a control apparatus and method for efficiently controlling an output torque of an induction motor in a plurality of operation periods.
모델예측제어 기반의 제어 방법(MPC: Model Predictive Control)은 오늘날 전력 제어 분야에서 널리 이용되고 있는 방식이다. 주요 제어 방법으로는 크게 유한 제어 집합 기반의 제어 방법(FCS-MPC: Finite Control Set-MPC) 및 연속 제어 집합 기반의 제어 방법(CCS-MPC: Continuous Control Set-MPC)이 존재한다. 구체적으로, 유한 제어 집합 기반의 제어 방법은 인버터의 스위칭 상태에 따라 비용함수를 계산하는 방식으로 구현될 수 있다.Model Predictive Control (MPC) is a widely used method in the field of power control today. As the main control methods, there are a finite control set-based control method (FCS-MPC) and a continuous control set-based control method (CCS-MPC). Specifically, the finite control set based control method can be implemented by calculating the cost function according to the switching state of the inverter.
종래의 제어 방법으로는 고정된 시간 주기 내에서 미리 정의된 다섯 개의 입력제어벡터 중의 하나를 계속 사용하여 유도 전동기의 동작을 제어하는 방식이 존재한다. 위와 같은 종래 방식은, 샘플링 시간 동안에 계산된 최적의 입력전압벡터가 다음 샘플링 주기에 적용되는 방식으로 구현될 수 있다. 위와 같은 방식은 토크 및 전류의 리플 현상이 크게 발생할 수도 있다. 따라서, 보다 정밀한 제어를 위해 짧은 샘플링 시간이 필요하고, 그에 따라 높은 스위칭 주파수를 요구한다.In the conventional control method, there is a method of controlling the operation of the induction motor by continuously using one of five predefined input control vectors within a fixed time period. The conventional method as described above can be implemented in such a manner that the optimal input voltage vector calculated during the sampling time is applied to the next sampling period. Such a method may cause a large ripple phenomenon of torque and current. Therefore, a shorter sampling time is required for more precise control, and thus a higher switching frequency is required.
일측에 따르면, 유도 전동기의 토크 제어 장치가 제공된다. 상기 토크 제어 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서에 의해 적어도 일시적으로 구현되는 상기 유도 전동기가 동작하는 속도에 따라 복수의 동작 구간을 판단하는 판단부; 및 상기 복수의 동작 구간 각각에 따라 주어진 기준 토크 Te *에 기초하여 수학식 12와 같이 정의되는 기준 상태 동작 구간을 다르게 계산하여 토크를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 수학식 12는,According to one aspect, a torque control device for an induction motor is provided. Wherein the torque control device includes a processor, the determination unit determining a plurality of operation periods according to a speed at which the induction motor is at least temporarily implemented by the processor; And a control unit for controlling the torque by calculating a reference state operation interval defined by Equation (12) differently based on a given reference torque T e * according to each of the plurality of operation periods,
이고, x*는 기준 토크 Te * 및 기준 자속 λ*로 정의되는 기준 상태이고, i* ds는 d축 고정자 전류의 기준값, i* qs는 q축 고정자 전류의 기준값, λ* dr은 d축 회전자 자속의 기준값 및 λ* qr은 q축 회전자 자속의 기준값, Lr은 회전자 인덕턴스, Lm은 유도 전동기의 상호 인덕턴스 및 P는 유도 전동기 내의 폴의 개수를 나타내는 것을 특징으로 하고, And, x * is the reference torque T e * and the reference magnetic flux and the reference state is defined as λ *, i * ds is the reference value of the reference value, i * qs is the q-axis stator currents of the d-axis stator currents, λ * dr is the d-axis L r is the rotor inductance, L m is the mutual inductance of the induction motor, and P is the number of poles in the induction motor. The reference value of the rotor flux ,? * Qr is the reference value of the q-axis rotor flux,
상기 제어부는 상기 기준 상태 동작 구간에 따라 수학식 47과 같이 정의되는 보정된 코스트 인덱스를 J(k)를 계산하고, 상기 수학식 47은,The controller calculates a corrected cost index J (k) defined by Equation (47) according to the reference state operation period, and Equation (47)
이고, 상기 제어부는 수학식 48과 같이 코스트 인덱스를 제어 입력 u[k]에 관한 수식으로 계산하고, W는 웨이트(weight)에 관한 정치 행렬(positive definite matrix)을 나타내고, 상기 수학식 48은,And the controller calculates a cost index by a formula relating to a control input u [k], where W represents a positive definite matrix with respect to a weight as shown in equation (48)
이고, uuc *(k)를 상기 수학식 48에서 정의되는 코스트 인덱스 J(k)의 제한되지 않은 최적 값으로 정의하고, 상기 uuc *(k)는 조건을 만족하는 수학식 49를 상기 제어 입력의 최적 값으로서 계산하고, 상기 수학식 49는, And, uc * u (k) to, and defined as above, but not limited to the optimum value of the cost index, J (k) defined in equation 48 above uc * u (k) is (49) satisfying the condition is calculated as the optimal value of the control input, and the equation (49)
인 것을 특징으로 하고,.
상기 웨이트에 관한 정치 행렬 W는 상기 코스트 인덱스가 의 조건으로서 단조 감소하도록 안정도가 보장되도록 의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.The fixed matrix W about the weights is a matrix in which the cost index So that stability is ensured such that monotonous reduction is achieved. As shown in FIG.
일실시예에 따르면, 상기 제어부는 제1 동작 구간에서 Maximum Torque per Ampere(MTPA) 운전이 될 수 있도록 상기 유도 전동기의 기준 자속 λ*의 크기를 증가시켜 기준 토크 Te *의 크기를 증가시키고, 제2 동작 구간에서는 입력포화 현상을 피하기 위하여 상기 유도 전동기의 슬립 속도(slip speed)를 증가시켜 상기 기준 토크 Te *의 크기를 증가시키고, 제3 동작 구간에서는 유도 전동기의 전류 및 전압의 최대치가 초과되지 않도록 상기 기준 토크 Te *의 최대 출력 크기를 제한할 수 있다.According to one embodiment, the controller increases the magnitude of the reference torque T e * by increasing the magnitude of the reference magnetic flux? * Of the induction motor so as to be the maximum torque per ampere (MTPA) operation in the first operation period, In the second operation period, the slip speed of the induction motor is increased to increase the magnitude of the reference torque T e * in order to avoid the input saturation phenomenon. In the third operation period, the maximum value of the current and voltage of the induction motor is It is possible to limit the maximum output size of the reference torque T e * so that it is not exceeded.
다른 일실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 동작 구간에서 기준 자속 λ*(k)의 크기를 수학식 20에 따라 제어하는 것을 특징으로 하고,According to another embodiment of the present invention, the controller controls the magnitude of the reference flux? * (K) in the first operation period according to Equation (20)
상기 수학식 20은,In Equation (20)
이고, η는 0 보다 크고 1보다 작거나 같은 설계변수 이며, 동작 영역에 따라 다르게 설정될 수 있다. 또한, 임의의 제어 상수, p는 상기 유도 전동기 내의 폴(pole)의 개수, Lr은 상기 유도 전동기의 회전자 인덕턴스의 크기, Te *(k)는 기준 토크의 크기를 나타내고, KMTPA는 상기 유도 전동기의 고정자에 관한 d축 전류 및 q축 전류의 비율을 나타낼 수 있다. Is a design variable greater than 0 and less than or equal to 1, and may be set differently depending on the operating region. In addition, any of the control constants, p is the number of poles (pole) in the induction motor, L r is the size of the rotor inductance of the induction motor, T e * (k) denotes a size of a reference torque, K MTPA is And the ratio of the d-axis current and the q-axis current with respect to the stator of the induction motor.
또 다른 일실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제1 동작 구간에서 최대효율을 얻기 위해 η=1로 설정되고, 수학식 19에 따라 KMTPA를 결정하고,According to yet another embodiment, the control unit is set to eta = 1 to obtain maximum efficiency in the first operating period, determines K MTPA according to equation (19)
상기 수학식 19는,In Equation (19)
이고, Rr은 상기 유도 전동기의 회전자 저항의 크기, RS는 상기 유도 전동기의 고정자 저항의 크기, Lm은 상기 유도 전동기의 유도 인덕턴스의 크기를 나타낼 수 있다. R r is the magnitude of the rotor resistance of the induction motor, R S is the magnitude of the stator resistance of the induction motor, and L m is the magnitude of the induced inductance of the induction motor.
또 다른 일실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제2 동작 구간에서 상기 슬립 속도 ωsl *의 크기를 수학식 22에 따라 제어하고, 기준 자속 λ*(k)이 포화된 경우에 타겟 토크의 크기를 증가시키고,According to another embodiment, the control unit controls the magnitude of the slip speed? Sl * in the second operation period according to Equation (22), and when the reference magnetic flux? * (K) is saturated, the magnitude of the target torque Lt; / RTI >
상기 수학식 22는, 로 설정되고,Equation (22) Lt; / RTI >
이고, τr는 회전자 시간 상수, p는 상기 유도 전동기 내의 폴(pole)의 개수, Lr은 상기 유도 전동기의 회전자 인덕턴스의 크기, Te *(k)는 기준 토크의 크기를 나타낼 수 있다. Where r is the rotor time constant, p is the number of poles in the induction motor, L r is the magnitude of the rotor inductance of the induction motor, and T e * (k) have.
또 다른 일실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 제3 동작 구간에서 상기 타겟 토크의 최대 출력 크기 T* e_max를 수학식 36에 따라 제어하고,According to another embodiment, the control unit controls the maximum output magnitude T * e_max of the target torque in the third operation period according to the equation (36)
상기 수학식 36은,In Equation (36)
이고, p는 상기 유도 전동기 내의 폴(pole)의 개수, Lm은 상기 유도 전동기의 유도 인덕턴스의 크기, Lr은 상기 유도 전동기의 회전자 인덕턴스의 크기, ids *는 상기 유도 전동기의 회전자에 관한 d축 전류, iqs *는 상기 유도 전동기의 고정자에 관한 q축 전류를 나타낼 수 있다. 상기 제3 동작 구간에서 사용되는 전류 설정치는 모터의 최대 전류치에 따라 제한될 수 있다. And, p is the number of poles (pole) in the induction motor, L m is the size of the induced inductance of the induction motor, L r is the size, i ds * of the rotor inductance of the induction motor rotor of the induction motor d-axis current on, i qs * may represent a q-axis current on the stator of the induction motor. The current set value used in the third operation period may be limited according to the maximum current value of the motor.
또 다른 일실시예에 따르면, 상기 판단부는 상기 유도 전동기가 동작하는 속도에 따라 자속이 증가하여 타겟 토크를 증가시키는 제1 동작 구간, 슬립 속도가 증가하여 타겟 토크를 증가시키는 제2 동작 구간 및 제한된 제어 영역에서 동작하도록 최대 토크 출력이 제한되는 제3 동작 구간으로 복수의 동작 구간을 분리할 수 있다.According to another embodiment, the determination unit may include a first operation period in which the magnetic flux increases and the target torque is increased according to the speed at which the induction motor operates, a second operation period in which the slip speed increases and the target torque is increased, A plurality of operation sections can be separated into a third operation section in which the maximum torque output is limited so as to operate in the control region.
다른 일측에 따르면, 유도 전동기의 토크 제어 방법이 제공된다. 상기 토크 제어 방법은 상기 유도 전동기가 동작하는 속도에 따라 복수의 동작 구간을 판단하는 단계, 상기 유도 전동기의 기준 자속의 크기를 증가시켜 타겟 토크의 크기를 증가시키는 단계, 상기 유도 전동기의 슬립 속도(slip speed)를 증가시켜 상기 타겟 토크의 크기를 증가시키는 단계 및 상기 유도 전동기의 전류 및 전압에 대응하는 상기 타겟 토크의 최대 출력 크기를 제한하는 단계를 포함할 수 있다.According to another aspect, a torque control method of an induction motor is provided. The torque control method includes: determining a plurality of operation periods according to a speed at which the induction motor operates; increasing a magnitude of a target torque by increasing a magnitude of a reference magnetic flux of the induction motor; slip speed to increase the magnitude of the target torque and limiting the maximum output magnitude of the target torque corresponding to the current and voltage of the induction motor.
도 1은 일실시예에 따른 유도 전동기의 토크 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 상기 유도 전동기의 토크 제어 방법을 보다 구체적으로 도시하는 흐름도이다.
도 3a는 제한된 영역 내에서 입력 제어 전압이 선택되는 예시도를 도시한다.
도 3b는 제한 없는 영역에서 입력 제어 전압이 선택되는 예시도를 도시한다.
도 4는 일실시예에 따른 토크 제어 장치와 유도 전동기를 설명하는 제어 블록도이다.
도 5는 일실시예에 따른 제어 방법이 적용된 유도 전동기의 토크/속도 특성 그래프를 도시한다.1 is a flowchart showing a torque control method of an induction motor according to an embodiment.
2 is a flowchart showing the torque control method of the induction motor in more detail.
Figure 3A shows an exemplary diagram in which the input control voltage is selected within a limited area.
3B shows an example in which the input control voltage is selected in the unrestricted area.
4 is a control block diagram illustrating the induction motor and the torque control device according to one embodiment.
FIG. 5 shows a torque / speed characteristic graph of an induction motor to which a control method according to an embodiment is applied.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Specific structural or functional descriptions of embodiments are set forth for illustration purposes only and may be embodied with various changes and modifications. Accordingly, the embodiments are not intended to be limited to the particular forms disclosed, and the scope of the present disclosure includes changes, equivalents, or alternatives included in the technical idea.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.The terms first or second, etc. may be used to describe various elements, but such terms should be interpreted solely for the purpose of distinguishing one element from another. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결 되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, although other elements may be present in between.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms " comprises ", or " having ", and the like, are used to specify one or more of the described features, numbers, steps, operations, elements, But do not preclude the presence or addition of steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.
도 1은 일실시예에 따른 유도 전동기의 토크 제어 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 1을 참고하면, 토크 제어 방법은 유도 전동기가 동작하는 속도에 따라 복수의 동작 구간을 각각 판단하는 단계(110) 및 복수의 동작 구간 각각에 따라 기준 토크에 기초하여 기준 상태 동작 구간을 다르게 계산하는 단계(120)를 포함할 수 있다. 동기된 프레임(synchronous frame) 내에서 유도 전동기에 포함되는 고정자(stator) 및 회전자(rotor)의 전압에 관한 일반적인 방정식은 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 정리될 수 있다.1 is a flowchart showing a torque control method of an induction motor according to an embodiment. Referring to FIG. 1, the torque control method includes a
상기 수학식 1 및 상기 수학식 2에서 Rs는 유도 전동기의 고정자 저항 크기, Rr은 유도 전동기의 회전자 저항 크기, Ls는 고정자 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스, Lm은 유도 전동기의 상호 인덕턴스, ωe는 고정자 전류의 각속도(rotational speed), ωr은 회전자 전류의 각속도, udqs는 고정자에 관한 제어 입력을 각각 나타낼 수 있다. 또한, 고정자의 자속 쇄교수(flux linkage) λdqs 및 회전자의 자속 쇄교수 λdqr는 아래의 수학식 3 및 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.Where R s is the magnitude of the stator resistance of the induction motor, R r is the magnitude of the rotor resistance of the induction motor, L s is the stator inductance, L r is the rotor inductance, and L m is the inductance of the induction motor Mutual inductance, ω e is the rotational speed of the stator current, ω r is the angular velocity of the rotor current, and u dqs is the control input for the stator, respectively. In addition, the flux linkage of the stator professor (flux linkage) flux linkage λ Professor dqs and rotor dqr λ can be expressed as equations (3) and (4) below.
위와 같이 기재된 수학식 1 내지 수학식 4에 기초하여, d축 및 q축 각각에 상응하는 고정자 전류 및 회전자 자속을 네 개의 내부 변수(internal variables)로 이용하고, 고정자의 전압 벡터를 두 개의 입력으로 이용하여 전동기의 동작을 나타내는 것이 가능하다. 보다 구체적으로, 본 실시예에서 설명되는 토크 제어 장치는 상기 수학식 1 및 상기 수학식 2에서 정의되는 고정자의 자속 쇄교수 λdqs 및 회전자의 자속 쇄교수 λdqr를 상태 변수로서 이용하여 아래의 수학식 5와 같이 상태 공간(state space)에서 정의되는 수학식 5를 계산할 수 있다.Based on the equations (1) to (4) described above, the stator current and rotor flux corresponding to each of the d-axis and the q-axis are used as four internal variables, It is possible to indicate the operation of the electric motor. More specifically, the torque control device that is described in this embodiment is below using the flux linkage Professor λ dqs and flux linkage, Professor of the rotor λ dqr of the stator, which is defined by Equation (1) and Equation (2) as a state variable, (5) defined in the state space as shown in Equation (5).
상기 수학식 5에서 x(t)는 [ids iqs λdr λqr]T로 정의되는 네 개의 내부 변수를 나타내고, u(t)는 [vds vqs]T로 정의되는 두 개의 제어 입력을 나타낼 수 있다. 상기 수학식 5에서 이용되는 행렬식 Ac 및 Bc는 아래의 수학식 6과 같이 계산될 수 있다.In Equation 5 x (t) is a [i ds i qs λ dr λ qr] shows four internal variables are defined as T, u (t) is [v ds v qs] Two control input is defined as T Lt; / RTI > The matrixes A c and B c used in Equation (5) can be calculated as Equation (6) below.
상기 수학식 6에서 α는 Ls -Lm 2/Lr로서 고정자의 과도 인덕턴스(transient inductance)를 나타내고, β는 Lm/Lr는 회전자의 커플링 인자(coupling factor)을 나타낼 수 있다. 상기 수학식 6에서 행렬식 Ac는 기계적인 각속도 ωr의 순간적인 값에 의존한다는 것을 알 수 있다. 따라서 모든 샘플링 구간에서 새로운 각속도 ωr가 획득된 경우, 이산 시간 변화 모델(discrete time-varying model)은 새롭게 업데이트 될 수 있다.In Equation (6), α is the transient inductance of the stator as L s - L m 2 / L r , and β is the coupling factor of the rotor, L m / L r . In the above equation (6), it can be seen that the matrix A c depends on the instantaneous value of the mechanical angular velocity r . Therefore, when a new angular velocity? R is obtained in all the sampling intervals, the discrete time-varying model can be newly updated.
오일러 방법(Euler Method)을 이용하여, 샘플링 주기 h에 따라 상기 수학식 5로부터 획득된 유도 전동기의 이산 상태 공간 모델은 아래의 수학식 7과 같이 정리될 수 있다.Using the Euler method, the discrete state space model of the induction motor obtained from Equation (5) according to the sampling period h can be summarized as Equation (7) below.
A는 로 정의되는 4행 4열의 행렬로 정의될 수 있다. B는 Bch로 정의되는 2행 1열의 행렬로 정의될 수 있다. 또한, 상기 수학식 7에서 x[k]는 [ids iqs λdr λqr]T로 정의되는 네 개의 내부 변수를 나타내고 u[k]는 [vds vqs]T로 정의되는 두 개의 제어 입력을 나타낼 수 있다. 또한, 토크 제어 장치는 고정자의 전류, 회전자의 자속 및 유도 전동기 내의 폴(pole)의 개수 P에 관하여 정의된 유도 전동기의 전자기적 토크(electromagnetic torque)의 크기를 아래의 수학식 8과 같이 정의할 수 있다.A is And a matrix of 4 rows and 4 columns defined by the matrix. B can be defined as a matrix of two rows and one column defined by B c h. In Equation (7), x [k] represents four internal variables defined by [i ds i qs λ dr λ qr ] T and u [k] represents two internal variables defined by [v ds v qs ] T Input. The torque control device also defines the magnitude of the electromagnetic torque of the induction motor defined with respect to the current of the stator, the flux of the rotor, and the number P of poles in the induction motor, can do.
제어 입력 u[k]는 공간 벡터의 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)를 이용하여 3상 2레벨 전압 소스 인버터를 이용하여 생성될 수 있다. 또한, 제어 입력 u[k]는 아래의 수학식 9와 같이 연속적인 신호로서 제한될 수 있다.The control input u [k] may be generated using a three-phase, two-level voltage source inverter using pulse width modulation (PWM) of the space vector. Further, the control input u [k] may be limited to a continuous signal as shown in Equation (9) below.
도 2는 상기 유도 전동기의 토크 제어 방법을 보다 구체적으로 도시하는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 유도 전동기의 토크 제어 방법은 유도 전동기의 Maximum Torque per Ampere(MTPA) 운전이 될 수 있도록 기준 자속 λ*의 크기를 증가시켜 기준 토크 Te *의 크기를 증가시키는 단계(210), 입력포화 현상을 피하기 위하여 상기 유도 전동기의 슬립 속도를 증가시켜 상기 기준 토크 Te *의 크기를 증가시키는 단계(220) 및 상기 유도 전동기의 전류 및 전압의 최대치가 초과되지 않도록 상기 기준 토크 Te *의 최대 출력 크기를 제한하는 단계(230)를 포함할 수 있다.2 is a flowchart showing the torque control method of the induction motor in more detail. Referring to FIG. 2, the torque control method of the induction motor includes a
단계(210)에서 토크 제어 장치는 Maximum Torque per Ampere(MTPA) 운전이 될 수 있도록 유도 전동기의 토크 제어를 위한 각각의 시간 단계에서의 기준 토크 Te *(k)가 주어진 경우에서 상기 기준 토크 Te *(k)에 대응하는 적절한 기준 상태 x*(Te *(k))를 계산할 수 있다. 보다 구체적으로, 유도 전동기를 제어하는 기준 상태 x*는 고정자 전류 idqs 및 회전자 자속 λdqr을 포함할 수 있다. 회전자 자속은 동기화된 각속도 ωe에 따라 회전할 수 있다. 또한, 회전자의 회전각 θe는 동기화된 각속도 ωe에 대응하여 변화될 수 있다. 상기 수학식 1 및 상기 수학식 2에서 이용되는 d축 및 q축 프레임의 회전은 회전자의 자속에 기초할 수 있다. 다시 말하여, 회전자 자속의 위치는 d축에 기초하여 제공될 수 있다. 간접적인 벡터 제어(indirect Field Oriented Control) 원리에 기초하는 경우, 회전자 자속의 d축(direct axis) 성분은 기준 회전자 자속 값과 동일한 방향(λ* dr=λ*)이 되고, 회전자 자속의 q축 성분(quadrature component)은 0이 될 것이다.(λ* qr=0) 기준 회전자 자속 값 의 선택에 관하여는 암페어 당 토크 비율(torque per ampere ratio)과 함께 설명될 수 있다. 유도 전동기의 정상 상태(steady state)의 경우, 고정자 전류는 회전자 자속에 연관될 수 있다.(λdr=Lmids) 토크 제어 장치는 단계(210)에서 d축 고정자 전류의 기준값을 아래의 수학식 10과 같이 계산할 수 있다.In
간접적인 벡터 제어(indirect Field Oriented Control) 원리를 고려할 때, q축 방향의 고정자 전류의 기준 값은 기준 토크 및 기준 자속에 기초하여 아래의 수학식 11과 같이 계산될 수 있다.Considering the indirect field oriented control principle, the reference value of the stator current in the q-axis direction can be calculated according to the following Equation 11 based on the reference torque and the reference magnetic flux.
상기 수학식 10 및 상기 수학식 11에 기초하여, 토크 제어 장치는 기준 토크 Te * 및 기준 자속 λ*을 포함하는 기준 상태를 아래의 수학식 12와 같이 계산할 수 있다. 보다 구체적으로, 기준 토크 Te *는 유도 전동기의 제어를 위해 입력되는 값을 나타낼 수 있다. 또한, 대응하는 회전자 자속의 기준 자속 λ*은 암페어 당 최대 토크(MTPA: Maximum Torque Per Ampere), 자속 제한(flux-limited) 및 필드 약화 제어 기법(FWC: Field Weakening Control)에 따라 획득될 수 있다. 위와 같이 획득된 기준 토크 Te * 및 기준 자속 λ*은 모델예측제어 기반의 본 실시예의 토크 제어 장치의 기준 값들로서 이용될 수 있다.Based on Equation (10) and Equation (11), the torque control device can calculate the reference state including the reference torque T e * and the reference magnetic flux? * As Equation (12) below. More specifically, the reference torque T e * may represent a value input for control of the induction motor. In addition, the reference flux? * Of the corresponding rotor flux can be obtained according to the Maximum Torque Per Ampere (MTPA), flux-limited and field weakening control (FWC) have. The reference torque T e * and the reference flux? * Obtained as described above can be used as reference values of the torque control device of the present embodiment based on the model predictive control.
본 실시예를 따르는 토크 제어 장치는 유도 전동기에 관한 복수의 동작 모드 각각에 따라 상기 수학식 12와 같이 정의되는 기준 상태를 서로 다른 조건에 기초하여 계산할 수 있다. 보다 구체적으로, 토크 제어 장치는 기준 상태에 포함되는 기준 토크 Te * 및 기준 자속 λ*를 유도 전동기의 복수의 동작 모드 각각에 따라 서로 다르게 계산할 수 있다. 이하의 설명에서는 유도 전동기의 각각의 동작 구간에 따라 서로 다른 기준 토크 Te * 또는 기준 자속 λ*이 계산되는 방법에 대해 자세하게 기재한다.The torque control apparatus according to the present embodiment can calculate the reference state defined by Equation (12) on the basis of different conditions according to each of the plurality of operation modes related to the induction motor. More specifically, the torque control device can calculate the reference torque T e * and the reference magnetic flux? * Included in the reference state differently according to each of the plurality of operation modes of the induction motor. In the following description, how the different reference torque T e * or the reference magnetic flux [lambda] * is calculated according to each operation period of the induction motor will be described in detail.
앞서 기재한 바와 같이 정상 상태에서 회전자의 자속 쇄교수 λr은 d축 방향으로 정렬될 수 있다.(λdr=λr, λqr=0) 그에 따라, d축 방향의 회전자 자속은 λdr=Lmids 및 회전자 전류는 idr=0와 같이 각각 설정될 수 있다. d축 전류 및 q축 전류에 관하여 정리되는 고정자 및 회전자의 저항 손실은 아래의 수학식 13과 같이 계산될 수 있다.As described above, in the steady state, the magnetic flux professor λ r of the rotor can be aligned in the d-axis direction (λ dr = λ r , λ qr = 0) dr = L m i ds and rotor current can be respectively set as i dr = 0. The resistance loss of the stator and the rotor, which are summarized with respect to the d-axis current and the q-axis current, can be calculated as shown in the following equation (13).
유도 전동기의 출력 토크 Te 및 회전자의 각속도 ωe가 제한된 정상 상태에서 회전자의 자속에 대해 저항 손실이 최소가 되도록 하는 조건은 아래의 수학식 14와 같이 계산될 수 있다.The condition for minimizing the resistance loss with respect to the magnetic flux of the rotor in the steady state in which the output torque T e of the induction motor and the angular velocity ω e of the rotor are limited can be calculated as shown in Equation 14 below.
상기 수학식 14를 이용하여, 토크 제어 장치는 아래의 수학식 15를 계산할 수 있다.Using Equation (14), the torque control device can calculate Equation (15) below.
전자기적 토크 Te가 상수 값인 경우에, 토크 제어 장치는 를 계산해낼 수 있다. 그에 따라, 아래의 수학식 16과 같이 정의되는 전자기적 토크 Te를 고정자의 d축 전류 ids로 미분하면 아래의 수학식 17이 획득될 수 있다.When the electromagnetic torque T e is a constant value, the torque control device Can be calculated. Accordingly, the following equation (17) can be obtained by differentiating the electromagnetic torque T e defined by the following equation (16) by the d-axis current i ds of the stator.
앞서 계산된 상기 수학식 15 및 상기 수학식 17에 기초하여, 토크 제어 장치는 유도 전동기의 저항 손실을 최소로 하는 고정자 전류에 관한 조건을 아래의 수학식 18과 같이 계산할 수 있다.Based on the equations (15) and (17) calculated above, the torque control apparatus can calculate the condition related to the stator current that minimizes the resistance loss of the induction motor as shown in the following equation (18).
상기 수학식 18에서 KMTPA는 전류 성분 사이의 비율을 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 최대효율을 얻기 위해 설계변수 η는 1로 설정되고, KMTPA는 아래의 수학식 19과 같이 정리될 수 있다.In Equation (18), K MTPA can represent a ratio between current components. More specifically, in order to obtain maximum efficiency, the design parameter? Is set to 1, and K MTPA can be summarized as shown in Equation 19 below.
본 실시예의 토크 제어 장치는 기준 토크 λ*(k)가 미리 주어진 경우에, 상기 수학식 12에 포함되는 기준 상태의 d축 방향 및 q축 방향의 고정자 전류 i* ds 및 i* qs가 상기 수학식 18을 만족하도록 결정하여 암페어 당 최대 토크 출력 조건을 구현할 수 있다. 상기 수학식 18에서 주어지는 암페어 당 최대 토크 출력 조건에 기초하여, MTPA 동작에 대응하는 자속 기준 값을 아래의 수학식 20과 같이 계산해낼 수 있다.Example torque control device of the present embodiment based on torque λ * (k) is the case previously, given the mathematical reference state of the d-axis direction and the q-axis stator currents included in the formula 12 i * ds and i * qs is the mathematical It is possible to determine the maximum torque output condition per ampere to be determined to satisfy Eq. 18. The flux reference value corresponding to the MTPA operation can be calculated according to the following equation (20) based on the maximum torque output condition per ampere given in Equation (18).
상기 수학식 20에서 η는 0보다 크고, 1보다 작거나 같은 설계변수를 나타내고, 유도 전동기의 동작 영역에 따라 다르게 설정될 수 있고, 암페어 당 토크 비율에 기초하여 제어 알고리즘을 구현하기 위해 결정되는 상수를 나타낼 수 있다. 단계(210)에서, 토크 제어 장치는 η가 1로 지정된 상태의 기준 상태를 계산해낼 수 있다.In the above equation (20),? Represents a design variable that is greater than 0 and less than or equal to 1, can be set differently depending on the operating region of the induction motor, and is a constant determined to implement the control algorithm based on the torque ratio per ampere Lt; / RTI > In
단계(220)에서, 토크 제어 장치는 입력포화 현상을 피하기 위하여 상기 유도 전동기의 슬립 속도를 증가시켜 상기 기준 토크의 크기를 증가시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 단계(220)는 상기 유도 전동기가 제한된 자속으로 동작하는 자속 제한 영역(flux limited region)에 관한 제어 방법을 나타낼 수 있다. 자속 제한 영역에서, 토크 제어 장치는 제한된 제어 입력 때문에 발생할 수 있는 타겟 토크의 포화를 방지하기 위해, 자속 레벨에 따라 η의 크기를 조정할 수 있다. 단계(220)에서 토크 제어 장치는 유도 전동기의 요청된 슬립 속도(slip speed) ωsl *를 아래의 수학식 21과 같이 계산해낼 수 있다.In
상기 수학식 21에서, τr은 회전자의 시간 상수(time constant)를 나타내고, Lr/Rr로 정의될 수 있다. 토크 제어 장치는 상기 수학식 21 및 상기 수학식 12를 이용하여 자속 제한 영역에 상응하는 자속 기준 값을 아래의 수학식 22와 같이 계산할 수 있다.In Equation 21, r τ represents a time constant (time constant) of the rotor, can be defined as L r / R r. The torque control apparatus can calculate the magnetic flux reference value corresponding to the magnetic flux restriction region using Equation (21) and Equation (12) as Equation (22) below.
상기 수학식 22에서 로 설정될 수 있다. 또한, 상기 수학식 20 및 상기 수학식 21을 비교하여, 토크 제어 장치는 η에 관한 수학식 23을 아래와 같이 계산해낼 수 있다.In Equation (22) Lt; / RTI > Also, by comparing Equation (20) and Equation (21), the torque control apparatus can calculate Equation (23) regarding? As follows.
단계(210)에서 설명된 것과 같이, 암페어 당 최대 토크 조건에서 η는 1로 설정될 수 있다. 그에 따라, 상기 수학식 23에 η=1을 대입하여 최적의 슬립 속도에 관한 수학식 24가 아래와 같이 정리될 수 있다.As described in
본 실시예에서 특정 입력 토크에 대해 고정자 전류를 최소로 유지하기 위해서는 유도 전동기가 고정된 슬립 속도로 동작해야 할 것이다. 다시 말하여, 상기 암페어 당 최대 토크 조건에서 고정된 슬립 속도는 회전자의 시간 상수 및 KMTPA의 곱의 역수(inverse)로 정의될 수 있다.In this embodiment, the induction motor must operate at a fixed slip speed in order to keep the stator current to a minimum for a specific input torque. In other words, the fixed slip rate at the maximum torque condition per ampere can be defined as the inverse of the product of the time constant of the rotor and K MTPA .
그러나, 자속 제한 영역에서 토크 제어 장치는 기준 토크 Te *가 증가함에 따라 슬립 속도를 증가시킬 수 있다. 마찬가지로, 상기 슬립 속도가 증가함에 따라 η는 감소하게 될 것이다. 위와 같이 슬립 속도가 증가되지 않는 경우에는 전압 벡터에 관한 입력 제한 때문에 출력 토크는 원하는 크기만큼 유지될 수 없을 것이다.However, in the magnetic flux confined region, the torque control device can increase the slip speed as the reference torque T e * increases. Likewise, as the slip speed increases, eta will decrease. If the slip speed is not increased as described above, the output torque will not be maintained to the desired magnitude due to the input limit on the voltage vector.
원하는 슬립 속도가 토크 제어 장치에 의해 지정된 경우에, 상기 수학식 23에 따라 자속 제한 영역 내에서 η는 아래의 수학식 25와 같이 선택될 수 있다.In the case where the desired slip speed is designated by the torque control device,? May be selected in the magnetic flux limiting region according to Equation (23) as shown in the following Equation (25).
상기 수학식 25에서 L은 을 나타내고, C는 을 나타낼 수 있다.In the above equation (25), L , And C represents Lt; / RTI >
단계(230)에서 토크 제어 장치는 상기 유도 전동기의 전류 및 전압의 최대치가 초과되지 않도록 상기 기준 토크의 최대 출력 크기를 제한할 수 있다. 필드 약화 영역(field weakening region)에서 유도 전동기의 정격 토크(rated torque)는 그대로 출력될 수 없을 것이다. 따라서, 유도 전동기의 구동 속도에 대응하는 최대 출력 토크에 따라 토크 제어 장치가 이용하는 기준 토크의 크기 또한 조정될 필요가 존재할 것이다. 상기 필드 약화 영역에서 토크 제어 장치는 d축 방향의 전류 성분 ids e 및 q축 방향의 전류 성분 iqs e을 감소시키고, 약화시키는 방식으로 벡터 제어 기반의 토크 제어를 수행할 수 있다.In
유도 전동기의 구동 속도가 증가함에 따라, 고정자의 전압 및 전류 또한 정격 전압 및 정격 전류에 각각 가까워질 수 있다. 고정자의 전압의 최대값 Vsmax은 사용 가능한 직류(Direct Current) 연결 전압 Vdc에 의해 결정될 수 있다. 이 경우에, 펄스 폭 변조 방식에 기반한 두 개의 제어 전압 성분 vds 및 vqs는 아래의 수학식 26에 기초하여 결정될 수 있다.As the drive speed of the induction motor increases, the voltage and current of the stator can also approach the rated voltage and the rated current, respectively. The maximum value V smax of the stator voltage can be determined by the available direct current connection voltage V dc . In this case, the two control voltage components v ds and v qs based on the pulse width modulation scheme can be determined based on the following equation (26).
상기 수학식 26에서, Vsmax은 로 제한될 수 있다. 토크 제어 장치는 고정자의 저항 값 Rs를 고려하여 상기 수학식 26의 정확성을 높일 수 있다. 정상 상태에서 고정자의 d축 전압은 아래의 수학식 27과 같이 정의될 수 있다.In the above equation (26), V smax is Lt; / RTI > Torque control apparatus can improve the accuracy of the equation 26 in consideration of the resistance value R s of the stator. The d-axis voltage of the stator in the steady state can be defined as: < EMI ID = 27.0 >
벡터 제어 방식에서, 회전자의 q축 자속이 0이기 때문에 회전자의 q축 전류는 아래의 수학식 28과 같이 계산될 수 있다.In the vector control method, since the q-axis magnetic flux of the rotor is 0, the q-axis current of the rotor can be calculated as shown in Equation 28 below.
또한, 상기 수학식 28을 이용하면, 고정자의 d축 전압에 관한 관계식은 아래의 수학식 29와 같이 정리될 수 있다.Further, by using Equation (28), the relational expression regarding the d-axis voltage of the stator can be summarized as Equation (29) below.
마찬가지로 벡터 제어 방식에서, 회전자의 q축 자속 및 회전자의 d축 전류가 0이기 때문에, 고정자의 q축 전압은 아래의 수학식 30과 같이 정리될 수 있다.Similarly, in the vector control method, since the q-axis flux of the rotor and the d-axis current of the rotor are 0, the q-axis voltage of the stator can be summarized as shown in Equation 30 below.
토크 제어 장치는 수학식 30에 기초하여 상기 수학식 26을 아래의 수학식 31과 같이 계산할 수 있다.The torque control apparatus can calculate the equation (26) as shown in the following equation (31) based on the equation (30).
상기 수학식 31에서 α는 Ls-(Lm 2/Lr)을 나타낼 수 있다. 토크 제어 장치는 상기 수학식 31에서 도시되는 부등식에서 양 변을 Ls 2ωe 2으로 나누어 아래의 수학식 32를 계산할 수 있다.In Equation (31),? Can represent L s- (L m 2 / L r ). The torque control device can calculate the following equation (32) by dividing both sides in the inequality shown in the above equation (31) by L s 2 ω e 2 .
상기 수학식 32에서 Ismax 2은 ids 2+iqs 2을 나타내고, σ는 유도 전동기의 전체 누설 인자를 나타내고, 수식으로는 1-Lm 2/(LsLr)로 정의될 수 있다. 다만, 유도 전동기의 구동 속도가 소정의 임계치를 초과하는 경우에, 상기 수학식 32의 가장 오른쪽 항은 상기 구동 속도의 역수에 비례하기 때문에 생략될 수 있다. Ls-α가 매우 작은 값으로 수렴하기 때문에 상기 수학식 32는 아래의 수학식 33과 같은 타원의 방정식으로 수정될 수 있다.In Equation 32, I smax 2 represents i ds 2 + i qs 2 , and σ represents the total leakage factor of the induction motor, and may be defined as 1-L m 2 / (L s L r ) . However, when the driving speed of the induction motor exceeds a predetermined threshold value, the rightmost term of Equation (32) may be omitted because it is proportional to the reciprocal of the driving speed. Since L s- alpha converges to a very small value, the above equation (32) can be modified to an equation of an ellipse expressed by the following equation (33).
상기 수학식 33으로 정의되는 타원은 고정자의 전압 최대값 Vsmax에 기반하여 결정되는 정상 상태 전류 ids 및 iqs에 관한 최대 제한을 나타낼 수 있다.The ellipse defined by equation (33) may represent the maximum limit for the steady state currents i ds and i qs determined based on the voltage maximum value V smax of the stator.
한편, 필드 약화 영역에서, 고정자의 d축 방향 및 q축 방향의 전류 성분은 아래의 수학식 34를 만족할 필요가 존재한다.On the other hand, in the field weakening region, the current components in the d-axis direction and the q-axis direction of the stator need to satisfy the following expression (34).
상기 Ismax는 인버터의 전류 정격 및 기계 열적 정격에 의해 결정되는 고정자의 전류 최대값을 나타낼 수 있다. 그러나, 필드 약화 영역에서 기준 자속 λ*에 기반하여 결정되는 상태 전류 ids * 및 iqs *는 상기 수학식 33 및 상기 수학식 34의 조건을 만족할 수 없을 것이다. 따라서, 토크 제어 장치는 주어진 동작 주파수에서 상기 수학식 33에 의해 정의되는 전압 제한 타원 및 상기 수학식 34에 의해 정의되는 전류 제한 타원의 교차 영역에서 상기 수학식 12로 정의되는 기준 상태값들을 각각 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 필드 약화 영역에서 토크 제어 장치는 아래의 수학식 35와 같이 네 개의 기준 상태를 계산하여 토크 제어에 이용할 수 있다.The I smax may represent the maximum value of the stator current determined by the current rating and mechanical thermal rating of the inverter. However, the state currents i ds * and i qs * determined on the basis of the reference flux? * In the field weakening region may not satisfy the condition of the above Expression (33) and (34). Thus, the torque control device determines the reference state values defined by Equation (12) at the intersection of the voltage-constrained ellipse defined by Equation (33) and the current constrained ellipse defined by Equation (34) at a given operating frequency . More specifically, in the field weakening region, the torque control apparatus can calculate four reference states as shown in the following Equation (35) and use it for torque control.
상기 수학식 35에서 결정된 것과 같이, 기준 전류 ids *는 기준 토크 Te *와 관계없이 유도 전동기의 각속도 ωe에 의해 결정될 수 있다. 반면에, 기준 전류 iqs *는 기준 토크 Te *에 의해 결정될 수 있다. 상기 수학식 8에서 정의되는 기준 토크 Te *에 관한 수식을 이용하여, 단계(230)에서 토크 제어 장치는 전류 제한 조건 및 전압 제한 조건을 모두 만족하는 타겟 토크의 최대 출력값을 아래의 수학식 36과 같이 계산해낼 수 있다.As determined in the above equation (35), the reference current i ds * can be determined by the angular speed? E of the induction motor regardless of the reference torque T e * . On the other hand, the reference current i qs * can be determined by the reference torque T e * . Using the equation relating to the reference torque T e * defined in Equation (8), in
상기 수학식 35에서 결정된 기준 전류 ids *는 유도 전동기의 특정 구동 속도에서 토크 값을 결정하는데 이용될 수 있다. 다만, 토크 제어 장치에 의해 출력되는 타겟 토크가 필드 약화 영역에서 제어되는 경우에, 기준 토크 Te *는 상기 수학식 36에 의한 최대값에 의해 제한될 수 있다. 또한, 상기 전류 설정치는 모터의 최대 전류치에 따라 제한될 수 있다. 이 경우에, 수정된 기준 토크 Tefw *는 아래의 수학식 37과 같이 제어될 수 있다.The reference current i ds * determined in Equation (35) can be used to determine the torque value at a specific driving speed of the induction motor. However, when the target torque outputted by the torque control device is controlled in the field weakening region, the reference torque T e * can be limited by the maximum value according to the above-mentioned equation (36). In addition, the current set value may be limited according to the maximum current value of the motor. In this case, the corrected reference torque T efw * can be controlled as shown in Equation 37 below.
상기 수학식 37에서 정의되는 수정된 기준 토크 Tefw *의 슬립 속도는 아래의 수학식 38과 같이 정의될 수 있고, 각속도 ωe는 아래의 수학식 39와 같이 계산될 수 있다.The slip speed of the modified reference torque T efw * defined in Equation (37) can be defined as Equation (38) below, and the angular velocity ω e can be calculated as Equation (39) below.
도 3a는 제한된 영역 내에서 입력 제어 전압이 선택되는 예시도를 도시한다. 본 실시예의 토크 제어 장치는 주어진 기준 상태 x*에서 아래의 수학식 40과 같은 상태 추적을 위한 방정식을 계산할 수 있다.Figure 3A shows an exemplary diagram in which the input control voltage is selected within a limited area. The torque control apparatus of the present embodiment can calculate an equation for tracking the state as shown in the following Equation 40 at a given reference state x * .
상기 수학식 40은 오일러 방법에 관한 상기 수학식 7 및 입력 제한에 관한 상기 수학식 9에 종속될 수 있다. 본 실시예에서 토크 제어 장치는 이산 시간 시스템에서 다른 어떤 수치적 계산 방식이 없이 코스트 인덱스를 최소화하는 것에 기초하여 상태 추적 문제를 해결할 수 있다. 위와 같은 목적에 따라, 한 단계 앞선(one step ahead) 예측된 에러 상태는 아래의 수학식 41과 같이 계산될 수 있다.Equation (40) may be dependent on Equation (7) for the Euler method and Equation (9) for input constraints. The torque control apparatus in this embodiment can solve the state tracking problem based on minimizing the cost index without any other numerical calculation method in the discrete time system. For this purpose, the predicted error state one step ahead can be calculated as shown in Equation 41 below.
상기 수학식 41에서 정의되는 예측된 에러 상태 ex[k+1|k]를 이용하고, 상기 수학식 11의 기준 상태 x*(Te *,λ*)에 기초하는 경우에, 토크 제어 장치는 본 실시예에서 제안되는 제어 시스템에 관한 코스트 인덱스를 아래의 수학식 42와 같이 계산할 수 있다., Using the predicted error state e x [k + 1 | k] defined in Equation 41 and based on the reference state x * (T e * ,? * ) In Equation 11, The cost index for the control system proposed in the present embodiment can be calculated by Equation (42) below.
상기 수학식 42에서 W는 웨이트(weight)에 관한 정치 행렬(positive definite matrix)을 나타내고, x[k+1|k]는 시간 k에서 이용 가능한 데이터에 기반한 x[k+1]의 예측값을 나타낼 수 있다. 상기 웨이트에 관한 정치 행렬 W는 상기 코스트 인덱스가 의 조건으로서 단조 감소하도록 안정도가 보장되도록 의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다. 이러한 코스트는 다음 시간 단계에서의 예측된 상태 에러를 악화시킬 수 있을 것이다. 웨이트 함수 W를 선택하는 것은 상태 추적 성능 및 시스템의 안정성을 향상시키는데 중요한 인자가 될 수 있다. 선형 행렬 부등식(LMI: Linear Matrix Inequality)에 기반한 최적화 기술은 최적의 W를 결정하는데 이용될 수 있다. 토크 제어 장치는 아래의 수학식 43과 같이 입력이 제한된 최적화 문제에 관한 수식을 계산할 수 있다.Where W represents a positive definite matrix with respect to weight and x [k + 1 | k] represents a predicted value of x [k + 1] based on available data at time k . The fixed matrix W about the weights is a matrix in which the cost index So that stability is ensured such that monotonous reduction is achieved. As shown in FIG. Such a cost may worsen the predicted state error at the next time step. Selecting the weight function W may be an important factor in improving the state tracking performance and the stability of the system. Optimization techniques based on Linear Matrix Inequality (LMI) can be used to determine the optimal W. The torque control device can calculate the equation concerning the optimization problem whose input is limited as shown in the following equation (43).
상기 수학식 43은 오일러 방법에 관한 상기 수학식 7 및 입력 제한에 관한 상기 수학식 9에 종속될 수 있다. 상기 수학식 41 내에 포함되는 u(k)의 제어는 k+1의 시간 단계에서의 예측된 상태 추적 에러에 관한 코스트 인덱스 J(k)를 최소화하도록 k의 시간 단계에서 인버터에 적용될 수 있다. 그러나, 현실적인 어플리케이션 내에서는 토크 제어 장치의 계산 시간 또는 변조 방식(modulation mechanism)에 의한 시간 지연이 존재할 수 있다. 다시 말하여, k의 시간 단계에서 계산된 제어 입력이 실질적으로는 k+1의 시간 단계에서 인버터에 적용될 수 있다. 이러한 시간 지연은 토크 제어 장치의 제어 성능을 악화시키는 인자가 될 수 있고, 토크 제어 장치는 그런 효과를 보상할 필요가 존재한다.Equation (43) may be dependent on Equation (7) for the Euler method and Equation (9) for input constraint. The control of u (k) included in equation (41) may be applied to the inverter at a time step of k to minimize the cost index J (k) for the predicted state tracking error at time step k + 1. However, in practical applications, there may be a time delay due to the calculation time or modulation mechanism of the torque control device. In other words, the control input calculated at the time step of k can be applied to the inverter substantially at time step k + 1. Such a time delay may be a factor deteriorating the control performance of the torque control device, and the torque control device needs to compensate for such an effect.
상기 수학식 7에서부터, 예측된 상태 모델 x[k+2|k]은 아래의 수학식 44와 같이 계산될 수 있다.From the above Equation (7), the predicted state model x [k + 2 | k] can be calculated as Equation (44) below.
토크 제어 장치는 상기 수학식 42에 기초하여 코스트 인덱스를 아래의 수학식 45와 같이 수정할 수 있다.The torque controller can modify the cost index according to Equation (42) as shown in Equation (45) below.
토크 제어 장치는 정상 상태 추적 에러를 야기시키는 불확실성(uncertainties) 때문에 상기 수학식 11에서 정의되는 기준 상태를 수정할 필요가 존재한다. 정상 상태 추적 에러가 발생하는 것을 방지하기 위해, 추적 에러를 적분하는 방식으로 아래의 수학식 46과 같이 기준 상태가 계산될 수 있다.There is a need to modify the reference state defined in Equation (11) because of the uncertainties causing the steady state tracking error. In order to prevent the steady state tracking error from occurring, the reference state can be calculated by integrating the tracking error as shown in Equation 46 below.
상기 수학식 46에서 추적 에러 es[k]는 es[k-1]+(x*(Te *,λ*) - x[k])를 나타내고, Ks는 유도 전동기의 시스템 내에 정의되는 이득값을 나타낼 수 있다. 상기 수학식 46으로부터 계산된 보정된 기준 상태 xs *[k]는 상기 수학식 45에 포함되는 기준 상태를 대체할 수 있다. 토크 제어 장치는 상기 대체(substitution)으로부터 아래의 수학식 47과 같은 보정된 코스트 인덱스를 계산해낼 수 있다.The tracking error e s [k] in Equation 46 represents e s [k-1] + (x * (T e * , λ * ) - x [k]) and K s is defined in the system of the induction motor Can be expressed as a gain value. The corrected reference state x s * [k] calculated from the above equation (46) can replace the reference state included in the above equation (45). The torque control device can calculate the corrected cost index from the substitution as shown in Equation (47) below.
최적화(optimization)를 구현하기 위해, 상기 수학식 47에서 정의되는 코스트 인덱스는 아래의 수학식 48과 같이 제어 입력 u[k]에 관한 수식 형태로 계산될 수 있다.To implement optimization, the cost index defined in Equation (47) can be calculated in the form of an equation with respect to the control input u [k] as shown in Equation (48) below.
uuc *(k)를 상기 수학식 48에서 정의되는 코스트 인덱스 J(k)의 제한되지 않은 최적 값으로 정의한 경우에, 상기 uuc *(k)는 조건을 만족하는 값을 구하는 방식으로 최적화될 수 있다. 최적화된 uuc *(k)는 아래의 수학식 49와 같이 계산될 수 있다.u uc * (k) is defined as an unlimited optimal value of the cost index J (k) defined in Equation (48), u uc * Can be optimized in such a manner that a value satisfying the condition is obtained. The optimized u uc * (k) can be calculated as shown in Equation 49 below.
상기 수학식 49로부터 정의되는 최적화 문제에서 계산된 최적값 uuc *(k)는 의 제한 조건이 존재하는 경우에, 제한 없는(unconstraint) uuc *(k)와 동일하게 계산될 수 있다. 제한 조건 내에서 계산된 최적값 uuc *(k)는 도 3a의 실시예를 통해 도시된다.The optimal value u uc * (k) calculated in the optimization problem defined by the above equation (49) Can be computed the same as unconstraint u uc * (k) if there is a constraint of u uc * (k). The calculated optimal value u uc * (k) within the constraint is illustrated through the embodiment of Figure 3a.
도 3b는 제한 없는 영역에서 입력 제어 전압이 선택되는 예시도를 도시한다. 토크 제어 장치는 도 3a에서 설명된 실시예와 다르게 조건을 만족하는 경우에 대해 최적값을 계산할 수 있다. 상기 수학식 9를 만족하는 구현 가능한 입력 집합의 범위는 도 3a 및 도 3b에 도시되는 d축 및 q축 상의 원으로 도시될 수 있다.3B shows an example in which the input control voltage is selected in the unrestricted area. The torque control device is different from the embodiment described in FIG. 3A The optimum value can be calculated for the case where the condition is satisfied. The range of the input set that can be implemented satisfying Equation (9) can be shown as a circle on the d-axis and the q-axis shown in Figs. 3A and 3B.
웨이트(weight)에 관한 정치 행렬 W가 아래의 수학식 50을 만족하도록 선택된 경우가 존재할 수 있다.There may be a case where the static matrix W for the weight is selected to satisfy the following expression (50).
이 경우에, 코스트 함수의 모든 값에 대한 제어 전압의 레벨 집합(level set)은 도 3b에서 도시된 원으로 도시될 수 있다. 그에 따라, uc *(k)는 J(k)의 레벨 집합에 관한 상기 원의 경계(boundary) 상의 접점(tangential point)에 존재하게 될 것이다. 토크 제어 장치는 u(k)=0인 점에서부터 uuc *(k)를 연결하는 직선과 구현 가능한 입력 영역의 경계의 교차점을 계산하는 방식으로서 uc *(k)의 선택된 집합을 결정할 수 있다. 그러므로, 본 실시예에서 제공하는 모델예측제어 기반의 토크 제어 장치는 uc *(k)를 아래의 수학식 51과 같이 결정할 수 있다.In this case, the level set of the control voltage for all values of the cost function can be shown in the circles shown in FIG. 3B. Thus u c * (k) will be at the tangential point on the boundary of the circle with respect to the set of levels of J (k). Torque control device may determine a set of selected of u (k) = a, from 0 point u uc * method to calculate the boundary crossing of the straight line and the possible implementation of the input area to connect (k) u c * (k ) . Therefore, the model predictive control based torque control apparatus provided in the present embodiment can determine u c * (k) as shown in the following equation (51).
도 4는 일실시예에 따른 토크 제어 장치와 유도 전동기를 설명하는 제어 블록도이다. 도 4를 참조하면, 유도 전동기(IM: Inductive Motors)(410)의 출력 토크를 제어하는 토크 제어 장치(420)의 블록도가 도시된다. 본 실시예에 따른 토크 제어 장치(420)는 유도 전동기(410)의 기준 자속의 크기를 증가시켜 타겟 토크의 크기를 증가시키는 제1 동작 구간, 유도 전동기(410)의 슬립 속도를 증가시켜 상기 타겟 토크의 크기를 증가시키는 제2 동작 구간 및 유도 전동기의 제한 전류 및 전압에 대응하도록 상기 타겟 토크의 최대 출력 크기를 제한하는 제3 동작 구간에 따라 타겟 토크를 제어할 수 있다. 각각의 동작 구간에 상응하는 타겟 토크의 제어 과정에 관하여는 앞서 기재한 토크 제어 장치에 관한 설명이 그대로 적용될 수 있어 중복되는 설명은 생략하기로 한다.4 is a control block diagram illustrating the induction motor and the torque control device according to one embodiment. Referring to FIG. 4, a block diagram of a
아래의 표 1에는 유도 전동기(410)를 제어하는 토크 제어 장치(420)에 설정된 복수의 파라미터에 관한 실시예가 도시된다.Table 1 below shows an example of a plurality of parameters set in the
도 5는 일실시예에 따른 제어 방법이 적용된 유도 전동기의 토크/속도 특성 그래프를 도시한다. 도 5를 참조하면, 최대 출력 토크의 제한을 나타내는 제1 그래프(510) 및 유도 전동기의 동작 모드에 따라 정의되는 제1 기준 토크(521) 및 제2 기준 토크(522)가 도시된다.FIG. 5 shows a torque / speed characteristic graph of an induction motor to which a control method according to an embodiment is applied. Referring to FIG. 5, a
토크 제어 장치는 유도 전동기의 전체 속도 구간을 세 개의 영역(531, 532, 533)으로 분리할 수 있다. 보다 구체적으로, 낮은 속도 구간에서는 자속이 증가함에 따라 기준 자속 Te *가 증가하는 제1 영역(531)이 정의될 수 있다. 또한, 제1 영역(531) 이상으로 유도 전동기의 속도가 증가하는 경우에 자속 제한 영역이 제2 영역(532)으로서 정의될 수 있다. 제1 영역(531) 및 제2 영역(532)의 경계선을 정의하는 브레이크 포인트 토크 경계(break-point torque bounds)(550)는 미리 저장된 룩-업 테이블에 기초하여 구현될 수 있다. 또한, 유도 전동기의 기본 속도(base speed)가 1740rpm(560)을 초과하는 경우에는 제3 영역(533)으로서 필드 약화 구간이 정의될 수 있다. 유도 전동기는 제1 입력 기준 토크(521)를 15Nm으로 설정하고, 출력 속도를 3000rpm까지 높일 수 있다. 다만, 결선된 로드의 정격 전류가 14.2A로 제한되고, 최대 공급 전압이 260V(450Vdc)로 제한되기 때문에 자속이 약해지게 되고, 유도 전동기는 제2 입력 기준 토크(522)를 10.5Nm으로 재설정할 수 있다.The torque control device can separate the entire speed section of the induction motor into three
또한, 토크 제어 장치는 유도 전동기의 구동 속도에 따라 고정 토크 영역(541) 및 고정 파워 영역(542)으로 동작 구간을 분리해낼 수 있다.Also, the torque control device can separate the operation section from the fixed
본 실시예에 따른 토크 제어 장치는 유도 전동기에 제공되는 정격 전류 및 정격 전압에 기초하여, 세 가지 동작 구간을 미리 계산할 수 있다. 또한, 토크 제어 장치는 유도 전동기의 구동 속도에 대응하여 상기 세 가지 동작 구간의 각각의 경계값을 미리 계산할 수 있다. 그에 따라 유도 전동기의 제어에 있어서 보다 안정적이고 정확한 제어가 가능하도록 구현할 수 있다.The torque control apparatus according to the present embodiment can calculate three operation periods in advance based on the rated current and the rated voltage provided to the induction motor. Further, the torque control device can calculate the respective boundary values of the three operation sections in advance in accordance with the driving speed of the induction motor. Accordingly, it is possible to realize more stable and accurate control in the control of the induction motor.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with reference to the drawings, various technical modifications and variations may be applied to those skilled in the art. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.
Claims (5)
프로세서를 포함하고, 상기 프로세서에 의해 구현되는 판단부 및 상기 프로세서에 의해 구현되는 제어부를 포함하고,
상기 판단부는 상기 유도 전동기가 동작하는 속도에 따라 복수의 동작 구간을 판단하고,
상기 제어부는 상기 복수의 동작 구간 각각에 따라 주어진 기준 토크 Te *에 기초하여 수학식 12와 같이 정의되는 기준 상태 x*를 상기 유도 전동기에 관한 동작 구간 각각에 따라 서로 다른 조건에 기초하여 계산하여 타겟 토크를 제어하고,
상기 수학식 12는,
이고, x*는 기준 토크 Te * 및 기준 자속 λ*로 정의되는 기준 상태이고, i* ds는 d축 고정자 전류의 기준값, i* qs는 q축 고정자 전류의 기준값, λ* dr은 d축 회전자 자속의 기준값 및 λ* qr은 q축 회전자 자속의 기준값, Lr은 회전자 인덕턴스, Lm은 유도 전동기의 상호 인덕턴스 및 P는 유도 전동기 내의 폴의 개수를 나타내고,
상기 제어부는 상기 서로 다른 조건으로서,
제1 동작 구간에서 Maximum Torque per Ampere(MTPA) 운전이 될 수 있도록 상기 유도 전동기의 기준 자속 λ*의 크기를 증가시켜 기준 토크 Te *의 크기를 증가시키고,
제2 동작 구간에서는 입력포화 현상을 피하기 위하여 상기 유도 전동기의 슬립 속도(slip speed)를 증가시켜 상기 기준 토크 Te *의 크기를 증가시키고,
제3 동작 구간에서 유도 전동기의 전류 및 전압의 최대치가 초과되지 않도록 상기 기준 토크 Te *의 최대 출력 크기를 제한하고,
상기 제어부는 상기 기준 상태에 따라 수학식 47과 같이 정의되는 보정된 코스트 인덱스를 J(k)를 계산하고, 상기 수학식 47은,
이고, 상기 제어부는 수학식 48과 같이 코스트 인덱스를 제어 입력 u[k]에 관한 수식으로 계산하고, W는 웨이트(weight)에 관한 정치 행렬(positive definite matrix)을 나타내고, 상기 수학식 48은,
이고, uuc *(k)를 상기 수학식 48에서 정의되는 코스트 인덱스 J(k)의 최적 값으로 정의하고, 상기 uuc *(k)는 조건을 만족하는 수학식 49를 상기 제어 입력의 최적 값으로서 계산하고, 상기 수학식 49는,
인 것을 특징으로 하고,
상기 수학식 48 및 상기 수학식 49에서, A는 로 정의되는 4행 4열의 행렬이고, B는 Bch로 정의되는 2행 1열의 행렬이고, h는 유도 전동기의 샘플링 주기이고,
Ac 및 Bc는 수학식 6과 같이 정의되고,
상기 수학식 6은,
이고, 상기 수학식 6에서 Rs는 유도 전동기의 고정자 저항 크기, Rr은 유도 전동기의 회전자 저항 크기, Lr은 회전자 인덕턴스, ωe는 고정자 전류의 각속도(rotational speed), ωr은 회전자 전류의 각속도이고, α는 Ls-Lm 2/Lr로서 고정자의 과도 인덕턴스(transient inductance)를 나타내고, β는 Lm/Lr로서 회전자의 커플링 인자(coupling factor)이고, Ls는 고정자 인덕턴스, Lm은 유도 전동기의 상호 인덕턴스를 나타내고,
상기 제어부는 상기 계산된 최적 값 uuc *(k)을 이용하여 수학식 51에 따라 제어 입력 uc *(k)를 결정하고,
상기 수학식 51은,
이고, Vsmax는 고정자의 전압의 최대값을 나타내고,
상기 웨이트에 관한 정치 행렬 W는 상기 코스트 인덱스가 의 조건으로서 단조 감소하도록 안정도가 보장되도록 의 조건을 만족하도록 설정되는 토크 제어 장치.A torque control apparatus for an induction motor,
A processor comprising: a determination unit implemented by the processor; and a control unit implemented by the processor,
Wherein the determination unit determines a plurality of operation periods according to a speed at which the induction motor operates,
The control unit calculates a reference state x * defined by Equation (12) on the basis of a given reference torque T e * according to each of the plurality of operation periods on the basis of different conditions according to each operation period of the induction motor The target torque is controlled,
Equation (12)
And, x * is the reference torque T e * and the reference magnetic flux and the reference state is defined as λ *, i * ds is the reference value of the reference value, i * qs is the q-axis stator currents of the d-axis stator currents, λ * dr is the d-axis L r is the inductance of the rotor, L m is the mutual inductance of the induction motor, and P is the number of poles in the induction motor. The reference value of the rotor flux, λ * qr is the reference value of the q-
The control unit, as the different condition,
The magnitude of the reference torque T e * is increased by increasing the magnitude of the reference magnetic flux? * Of the induction motor so as to become the maximum torque per ampere (MTPA) operation in the first operation period,
The slip speed of the induction motor is increased to avoid the input saturation phenomenon in the second operation period to increase the magnitude of the reference torque T e *
The maximum output size of the reference torque T e * is limited so that the maximum value of the current and voltage of the induction motor is not exceeded in the third operation period,
The controller calculates a corrected cost index J (k) defined by Equation (47) according to the reference state, and Equation (47)
And the controller calculates a cost index by a formula relating to a control input u [k], where W represents a positive definite matrix with respect to a weight as shown in equation (48)
And, uc * u (k) to, and to define the optimum values of cost index J (k) defined in equation 48 above uc * u (k) is (49) satisfying the condition is calculated as the optimal value of the control input, and the equation (49)
.
In the above equations (48) and (49), A represents B is a matrix of 2 rows and 1 column defined by B c h, h is a sampling period of the induction motor,
A c and B c are defined as shown in Equation (6)
Equation (6)
And wherein the stator of the R s are an induction motor in the equation (6) resistance size, R r is of the induction motor rotor resistance size, L r is the rotor inductance, ω e is the angular velocity (rotational speed), ω r of the stator current, Α is the angular velocity of the rotor current, α is the transient inductance of the stator as L s -L m 2 / L r , β is the coupling factor of the rotor as L m / L r , L s is the stator inductance, L m is the mutual inductance of the induction motor,
The controller determines the control input u c * (k) according to equation (51) using the calculated optimum value u uc * (k)
In Equation (51)
V smax represents the maximum value of the voltage of the stator,
The fixed matrix W about the weights is a matrix in which the cost index So that stability is ensured such that monotonous reduction is achieved. Is satisfied. ≪ / RTI >
상기 제어부는 상기 제1 동작 구간에서 기준 자속 λ*(k)의 크기를 수학식 20에 따라 제어하는 것을 특징으로 하고,
상기 수학식 20은,
이고, η는 0 보다 크고 1보다 작거나 같은 설계 변수이며, 상기 동작 구간에 따라 다르게 설정되고, p는 상기 유도 전동기 내의 폴(pole)의 개수, Lr은 상기 유도 전동기의 회전자 인덕턴스의 크기, Te *(k)는 기준 토크의 크기를 나타내고, KMTPA는 상기 유도 전동기의 고정자에 관한 d축 전류 및 q축 전류의 비율을 나타내는 토크 제어 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the control unit controls the magnitude of the reference flux? * (K) in the first operation period according to Equation (20)
In Equation (20)
Where p is the number of poles in the induction motor, L r is the magnitude of the rotor inductance of the induction motor, < RTI ID = 0.0 > , T e * (k) denotes the magnitude of the reference torque, and K MTPA denotes the ratio of the d-axis current and the q-axis current with respect to the stator of the induction motor.
상기 제어부는 상기 제1 동작 구간에서 최대효율을 얻기 위해 η=1로 설정되고 수학식 19에 따라 KMTPA를 결정하고,
상기 수학식 19는,
이고, Rr은 상기 유도 전동기의 회전자 저항의 크기, RS는 상기 유도 전동기의 고정자 저항의 크기, Lm은 상기 유도 전동기의 유도 인덕턴스의 크기를 나타내는 토크 제어 장치.
3. The method of claim 2,
The control unit sets k = 1 to obtain maximum efficiency in the first operation period and determines K MTPA according to the equation (19)
In Equation (19)
And, R r is the torque control unit indicating the amount of inductance of the induction rotor resistance size, R S is the size of the stator resistance of the induction motor, L m is the induction motor of the induction motor.
상기 제어부는 상기 제2 동작 구간에서 상기 슬립 속도 ωsl *의 크기를 수학식 22에 따라 제어하고, 기준 자속 λ*(k)이 포화된 경우에 타겟 토크의 크기를 증가시키고,
상기 수학식 22는, 로 설정되고
이고, τr는 회전자 시간 상수, p는 상기 유도 전동기 내의 폴(pole)의 개수, Lr은 상기 유도 전동기의 회전자 인덕턴스의 크기, Te *(k)는 기준 토크의 크기를 나타내는 토크 제어 장치.
The method according to claim 1,
The control unit controls the magnitude of the slip speed? Sl * in the second operation period according to Equation (22), increases the magnitude of the target torque when the reference flux? * (K) is saturated,
Equation (22) Is set to
( R) is the rotor time constant, p is the number of poles in the induction motor, L r is the magnitude of the rotor inductance of the induction motor, T e * (k) controller.
상기 제어부는 상기 제3 동작 구간에서 상기 타겟 토크의 최대 출력 크기 T* e_max를 수학식 36에 따라 제어하고,
상기 수학식 36는,이고, p는 상기 유도 전동기 내의 폴(pole)의 개수, Lm은 상기 유도 전동기의 유도 인덕턴스의 크기, Lr은 상기 유도 전동기의 회전자 인덕턴스의 크기, ids *는 상기 유도 전동기의 회전자에 관한 d축 전류, iqs *는 상기 유도 전동기의 고정자에 관한 q축 전류를 나타내고, 전류 설정치는 모터의 최대 전류치에 따라 제한되는 토크 제어 장치.The method according to claim 1,
The control unit controls the maximum output size T * e_max of the target torque in the third operation period according to the equation (36)
In Equation (36) And, p is the number of poles (pole) in the induction motor, L m is the size of the induced inductance of the induction motor, L r is the size, i ds * of the rotor inductance of the induction motor rotor of the induction motor d-axis current, i * qs is a torque control device that represents a q-axis current on the stator of the induction motor, limited by the maximum current value of the current value is set on the motor.
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Cited By (2)
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CN108900119A (en) * | 2018-07-25 | 2018-11-27 | 吉林大学 | Permanent magnet synchronous motor model predictive control method based on dead time effect |
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Non-Patent Citations (2)
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