KR102017806B1 - Extended Luenberger-Sliding Mode Observer Capable of Estimating Rotor flux and Rotor Resistance for Three Phase Induction Motor - Google Patents

Extended Luenberger-Sliding Mode Observer Capable of Estimating Rotor flux and Rotor Resistance for Three Phase Induction Motor

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KR102017806B1
KR102017806B1 KR1020170179865A KR20170179865A KR102017806B1 KR 102017806 B1 KR102017806 B1 KR 102017806B1 KR 1020170179865 A KR1020170179865 A KR 1020170179865A KR 20170179865 A KR20170179865 A KR 20170179865A KR 102017806 B1 KR102017806 B1 KR 102017806B1
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고재수
이강수
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(주)유진에코씨엘
서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

3상 유도 전동기의 제어 정밀도는 로터 저항 및 로터 플러스와 같은 감지할 수 없는 모터 파라미터 값을 얻고 추정하는 데 크게 달려 있다. 본 발명에서는 적응 방법(adaptation method)에 따라 로터 자속과 로터 저항을 추정하여 컨트롤러 모델에서 모터 파라미터 부정합(motor parameter mismatch)에 의해 야기되는 오차를 보상하는 ELSMO(Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)를 제안한다. 모터 파라미터 부정합은 동작시에 온도 변화에 기인한 저항 변화에 의해 주로 야기되며, 실시간으로 바로 잡아야 된다. 로터 저항 추정은 리아프노프 안정 이론(Lyapunov stability theory)에 근거하고 있으며 좀더 정확한 전류/플럭스/저항 추정을 위해 ELSMO에 피드백된다.The control precision of a three-phase induction motor depends largely on obtaining and estimating undetectable motor parameter values such as rotor resistance and rotor plus. The present invention proposes an Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO) that compensates for errors caused by motor parameter mismatch in a controller model by estimating rotor flux and rotor resistance according to an adaptation method. . Motor parameter mismatches are mainly caused by resistance changes due to temperature changes in operation and must be corrected in real time. Rotor resistance estimation is based on the Lyapunov stability theory and fed back to the ELSMO for more accurate current / flux / resistance estimation.

Description

3상 유도 전동기용 로터 자속 및 로터 저항의 추정이 가능한 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버{Extended Luenberger-Sliding Mode Observer Capable of Estimating Rotor flux and Rotor Resistance for Three Phase Induction Motor}Extended Luenberger-Sliding Mode Observer Capable of Estimating Rotor flux and Rotor Resistance for Three Phase Induction Motor}

본 발명은 3상 유도 전동기 제어에 관한 것으로, 특히 3상 유도 전동기용 로터 자속 및 로터 저항의 추정이 가능한 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO: Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)에 관한 것이다. The present invention relates to three-phase induction motor control, and more particularly, to an Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO) capable of estimating rotor flux and rotor resistance for three-phase induction motors.

3상 유도 전동기는 가격, 단순함, 효율 및 신뢰성 측면에서 광범위한 산업에 적용되고 있다. Three-phase induction motors are applied in a wide range of industries in terms of price, simplicity, efficiency and reliability.

일반적으로 벡터 제어는 유도 전동기의 출력 토크를 고속으로 제어하기 위한 하나의 방식으로 해서 산업분야에서 널리 채용되고 있다. In general, vector control is widely adopted in the industry as one method for controlling the output torque of an induction motor at high speed.

벡터 제어는 전원이 동기해서 회전하는 직교 2축의 회전좌표계로, 그 한쪽의 2차 지속방향으로 취한, d-q 좌표계라 불리는 좌표계의 벡터로서 3상 유도 전동기의 전류나 자속을 표현해서 유도 전동기의 토크와 2차 자속을 독립적으로 제어한다.Vector control is an orthogonal biaxial rotational coordinate system in which the power supply rotates synchronously and is a vector of a coordinate system called dq coordinate system taken in one of the secondary continuous directions. Independently control secondary flux.

근래에 전기 자동차에 대한 어플리케이션에서는 3상 유도 전동기의 정밀 제어가 요구되고 있으며, 로터 자속(rotor flux) 및 로터 저항(rotor resistance)과 같은 파라미터 값은 정확하게 측정되어야 한다. 만약, 그렇지 않으면 스테이터 전류 및 로터 자속 성분이 잘못 측정되며, 그 결과 대부분의 경우에 3상 유도 전동기는 증속 구동 제어가 이루어진다.Recently, applications for electric vehicles require precise control of three-phase induction motors, and parameter values such as rotor flux and rotor resistance must be measured accurately. If not, the stator current and rotor magnetic flux component are incorrectly measured, and as a result, in most cases the three-phase induction motor is subjected to speed drive control.

특히, 부정확하게 측정된 로터 저항은 하기의 4가지 중요한 현상을 야기한다:In particular, incorrectly measured rotor resistance causes four important phenomena:

1) 더 많은 스테이터 전류가 요구된다.1) More stator current is required.

2) 플럭스 레벨이 부정확하다.2) The flux level is incorrect.

3) 정상상태 전류/플럭스 값이 명령된 값과 차이가 난다.3) The steady state current / flux value differs from the commanded value.

4) 토크 응답이 즉각적이지 않는다.4) The torque response is not immediate.

따라서, 이들 문제는 실시간으로 가능한 한 정확하게 로터 저항을 측정하여 콘트롤러 유닛에 그것을 적응시킴에 의해 해결되어야 한다.Therefore, these problems must be solved by measuring the rotor resistance as accurately as possible in real time and adapting it to the controller unit.

: 한국 공개특허공보 제10-2012-0041794호: Korean Laid-Open Patent Publication No. 10-2012-0041794

본 발명의 목적은 3상 유도 전동기용 로터 자속 및 로터 저항의 추정이 가능한 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO: Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)를 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide an Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO) capable of estimating rotor flux and rotor resistance for three-phase induction motors.

본 발명의 다른 목적은 3상 유도 전동기 구동시에 파라미터 가변 조건에 따라 추정된 스테이터 전류와 로터 자속 성분을 보상하도록 파라미터 적응 유닛(parameter adaptation unit)을 갖는 ELSMO를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide an ELSMO having a parameter adaptation unit for compensating the stator current and rotor magnetic flux components estimated according to parameter varying conditions when driving a three-phase induction motor.

본 발명의 또 다른 목적은 적응 방법(adaptation method)에 따라 로터 자속과 로터 저항을 추정하여 컨트롤러 모델에서 모터 파라미터 부정합(motor parameter mismatch)에 의해 야기되는 오차를 보상하는 ELSMO를 제공하는 데 있다. It is still another object of the present invention to provide an ELSMO that compensates for errors caused by motor parameter mismatch in a controller model by estimating rotor flux and rotor resistance according to an adaptation method.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 입력변수()에 응답하여 PWM 구동신호를 발생하는 벡터 컨트롤러에 의해 구동제어되는 유도 전동기 모델에서 로터 저항 추정치를 구할 수 있는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO)로서, 상기 입력변수()와 입력 행렬(B)의 승산을 수행하는 입력 행렬 계산 유닛; 상기 유도 전동기 모델로부터 측정된 스테이터 전류()와 스테이터 전류 추정치()를 비교하여 상태 추정 오차()를 산출하는 비교기 유닛; 상태변수 추정치()와 상기 상태 추정 오차()를 받아서 로터 저항 추정치()를 산출하는 로터 저항 보상/적응 유닛; 상기 상태변수 추정치()와 로터 저항 추정치()를 받아서 시스템 행렬 추정치()와의 승산을 수행하는 루엔버거 옵저버의 시스템 추정치 행렬 계산 유닛; 상기 상태 추정 오차()를 받아서 루엔버거 이득 행렬(L)과 슬라이딩-모드 이득 행렬(K)을 보상하도록 루엔버거 옵저버 항()에 슬라이딩-모드 항()이 부가된 출력을 생성하는 루엔버거 옵저버의 L 행렬 계산 유닛; 상기 입력 행렬 계산 유닛, 시스템 추정치 행렬 계산 유닛 및 L 행렬 계산 유닛의 출력을 가산하여 상태변수 추정치의 미분값()을 산출하는 가산기 유닛; 상기 상태변수 추정치의 미분값()을 적분하여 상태변수 추정치()를 산출하는 적분기 유닛; 및 상기 상태변수 추정치()를 받아서 출력 행렬(C)과 승산을 수행하여 스테이터 전류 추정치()를 산출하는 루엔버거 옵저버(LO)의 출력 행렬 계산 유닛;을 포함하며, 상기 , B, C 및 는 하기와 같이 정의되는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an input variable ( An extended Luenberger-sliding mode observer (ELSMO) for obtaining rotor resistance estimates in an induction motor model driven and controlled by a vector controller that generates a PWM drive signal in response to An input matrix calculation unit for performing multiplication of the input matrix B with < RTI ID = 0.0 > The stator current measured from the induction motor model ) And stator current estimates ( ) To compare the state estimation error ( A comparator unit for calculating; State variable estimates ( ) And the state estimation error ( ) And the rotor resistance estimate ( A rotor resistance compensation / adaptation unit for calculating; The state variable estimate ( ) And rotor resistance estimates ( ) And the system matrix estimate ( A system estimate matrix calculation unit of a Luenberger observer that performs multiplication with < RTI ID = 0.0 > The state estimation error ( ) To compensate for the Luenberger gain matrix (L) and the sliding-mode gain matrix (K). Sliding-mode term on) A L matrix computation unit of a Luenberger observer to generate an output to which < RTI ID = 0.0 > Add the outputs of the input matrix calculation unit, the system estimate matrix calculation unit and the L matrix calculation unit to obtain the derivative of the state variable estimate ( An adder unit for calculating; Derivative of the state variable estimate ( ) To integrate the state variable estimates ( An integrator unit for calculating; And the state variable estimate ( ) And multiply by the output matrix (C) to estimate the stator current ( And an output matrix calculation unit of a Luenberger observer (LO) for calculating , B, C and Provides an extended Luenberger-sliding mode observer defined as follows.

, ,

, ,

, ,

, ,

여기서, Rs와 Rr은 스테이터 저항과 로터 저항이며, Ls, Lr 및 Lm은 각각 스테이터 인덕턴스, 로터 인덕턴스 및 상호 인덕턴스이고, , 는 로터 각속도이며, usd 및 usq는 각각 스테이터 전압(d-축) 및 스테이터 전압(q-축)이고, χ는 상태변수로서 다음과 같이 표시되고, Where R s and R r are stator and rotor resistances, L s , L r and L m are stator inductance, rotor inductance and mutual inductance, respectively. , Is the rotor angular velocity, u sd and u sq are the stator voltage (d-axis) and stator voltage (q-axis), respectively, and χ is the state variable as

여기서, isd, isq, λrd, λrq는 각각 스테이터 전류(d-축), 스테이터 전류(q-축), 로터 자속(d-축), 로터 자속(q-축)이다.I sd , i sq , λ rd and λ rq are the stator current (d-axis), stator current (q-axis), rotor magnetic flux (d-axis) and rotor magnetic flux (q-axis), respectively.

3상 유도 전동기의 제어 정밀도는 로터 저항 및 로터 플러스와 같은 감지할 수 없는 모터 파라미터 값을 얻고 추정하는 데 크게 달려 있다. 본 발명에서는 적응 방법(adaptation method)에 따라 로터 자속과 로터 저항을 추정하여 컨트롤러 모델에서 모터 파라미터 부정합(motor parameter mismatch)에 의해 야기되는 오차를 보상할 수 있다.The control precision of a three-phase induction motor depends largely on obtaining and estimating undetectable motor parameter values such as rotor resistance and rotor plus. In the present invention, the rotor flux and the rotor resistance may be estimated according to an adaptation method to compensate for an error caused by motor parameter mismatch in the controller model.

모터 파라미터 부정합은 동작시에 온도 변화에 기인한 저항 변화에 의해 주로 야기되며, 실시간으로 바로 잡아야 된다. 로터 저항 추정은 리아프노프 안정 이론(Lyapunov stability theory)에 근거하고 있으며 좀더 정확한 전류/플럭스/저항 추정을 위해 ELSMO에 피드백된다.Motor parameter mismatches are mainly caused by resistance changes due to temperature changes in operation and must be corrected in real time. Rotor resistance estimation is based on the Lyapunov stability theory and fed back to the ELSMO for more accurate current / flux / resistance estimation.

본 발명에서는 3상 유도 전동기 구동시에 파라미터 가변 조건에 따라 추정된 스테이터 전류와 로터 자속 성분을 보상하도록 파라미터 적응 유닛을 갖는다. The present invention has a parameter adaptation unit for compensating the stator current and rotor magnetic flux components estimated according to parameter variable conditions when driving a three-phase induction motor.

본 발명에서는 파라미터 변화에 의해 야기되는 스테이터 전류, 플럭스 및 속도에 대한 오차를 보상함에 의해 고효율로 고속 동적 응답을 요구하는 3상 유도 전동기 제어를 만족시킬 수 있다. In the present invention, the three-phase induction motor control requiring high speed dynamic response with high efficiency can be satisfied by compensating for the stator current, flux, and speed caused by the parameter change.

루엔버거 이득 행렬은 극(pole) 배치의 시행착오법으로 최적화되며 슬라이딩 이득 행렬은 컨트롤러가 본 발명의 매개 변수 변형에 견고하도록 설정된다. ELSMO는 적절한 이득 행렬을 사용하여 정확한 로터 자속 및 로터 저항 추정(치)을 제공한다.The Luenberger gain matrix is optimized with trial and error method of pole placement and the sliding gain matrix is set so that the controller is robust to the parametric variations of the present invention. ELSMO uses an appropriate gain matrix to provide accurate rotor flux and rotor resistance estimates.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 유도 전동기 제어장치에 이용되는 LSMO 모델을 나타내는 개략 블록도이다.
도 2는 본 발명의 ELSMO 모델에 이용되는 루엔버거 옵저버(LO)를 구비한 상태 추정 오차 모델을 나타내는 개략 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 적응 로터 저항을 갖는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO: Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)를 나타내는 개략 블록도이다.
도 4는 극이 -1000, -300, -300, -1000인 경우 응답 시간을 나타내는 타이밍도이다.
도 5는 샘플링 시간이 응답 시간보다 길 때 측정된 스테이터 전류와 추정된 스테이터 전류 간의 오차를 나타낸 타이밍도이다.
도 6은 측정 스테이터 전류와 추정 스테이터 전류 d-축을 나타내는 타이밍도이다.
도 7은 측정 스테이터 전류와 추정 스테이터 전류 q-축을 나타내는 타이밍도이다.
도 8은 정해진 로터 자속 및 추정 로터 자속 d-축을 나타내는 타이밍도이다.
도 9는 정해진 로터 자속 및 추정 로터 자속 q-축을 나타내는 타이밍도이다.
도 10은 로터 저항 추정에 미치는 영향을 보여주기 위해 유도 전동기 모델에 적용된 초저속 및 제로 속도를 포함하는 동적 속도 기준(Dynamic speed reference)을 나타낸다.
도 11은 도 10에 주어진 동적 속도 기준에 따른 시간의 함수로서 로터 저항 추정을 도시한다.
1 is a schematic block diagram showing an LSMO model used in a three-phase induction motor control apparatus according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a schematic block diagram showing a state estimation error model with a Luenberger observer (LO) used in the ELSMO model of the present invention.
3 is a schematic block diagram illustrating an Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO) with an adaptive rotor resistor in accordance with the present invention.
4 is a timing diagram illustrating a response time when the poles are -1000, -300, -300, and -1000.
5 is a timing diagram illustrating an error between the measured stator current and the estimated stator current when the sampling time is longer than the response time.
6 is a timing diagram showing the measured stator current and the estimated stator current d-axis.
7 is a timing diagram showing the measured stator current and the estimated stator current q-axis.
8 is a timing diagram illustrating a given rotor flux and estimated rotor flux d-axis.
9 is a timing diagram illustrating a given rotor flux and estimated rotor flux q-axis.
FIG. 10 shows a dynamic speed reference including ultra low speed and zero speed applied to an induction motor model to show the effect on rotor resistance estimation.
FIG. 11 shows the rotor resistance estimate as a function of time according to the dynamic speed reference given in FIG. 10.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the size or shape of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, terms that are specifically defined in consideration of the configuration and operation of the present invention may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Definitions of these terms should be made based on the contents throughout the specification.

선형 시스템의 상태(state)를 관측하기 위하여 옵저버(observer)를 사용하고 있다. 일반적인 제어 시스템의 경우 그 시스템의 모든 상태를 알기는 쉽지 않다. 대부분 상태의 일부분만을 직접 혹은 간접적으로 측정하고, 그 측정부분으로부터 전체 상태를 관측하는 알고리즘을 옵저버(observer)라고 한다. 가장 대표적인 관측기로는 칼만 필터(KF: Kalman Filter)와 루엔버거 옵저버(LO: Luenberger Observer)가 있다.Observers are used to observe the state of a linear system. In a typical control system, it is not easy to know all the states of the system. In most cases, an algorithm that measures only part of a state directly or indirectly and observes the entire state from that part is called an observer. The most common observers are the Kalman Filter (KF) and the Luenberger Observer (LO).

루엔버거 옵저버는 선형 시스템을 위한 것이며, 비선형 시스템은 확장 루엔버거 옵저버(ELO: Extended Luenberger Observer)를 사용한다. 비선형 시스템에 사용되는 확장 루엔버거 옵저버(ELO)의 기본적인 아이디어는 비선형 시스템을 선형화시킨 후, 선형화 시스템에 대하여 루엔버거 옵저버의 알고리즘을 적용할 수 있다.
The Luenberger Observer is for linear systems and nonlinear systems use Extended Luenberger Observer (ELO). The basic idea of an extended Luoenberger observer (ELO) used in a nonlinear system is to linearize the nonlinear system and then apply the Luuenberger observer's algorithm to the linearization system.

Ⅰ. 범용 유도 전동기 모델(General Induction Motor Model)I. General Induction Motor Model

우선, 3상 유도 전동기의 상태-공간 모델(state-space model)을 유도하면 다음과 같다.First, a state-space model of a three-phase induction motor is derived as follows.

유도 전동기는 하기 수학식 1 내지 수학식 4로 표현될 수 있다:Induction motors can be represented by the following equations (1) to (4):

여기서, isd, isq, λrd, λrq, usd 및 usq는 각각 스테이터 전류(d-축), 스테이터 전류(q-축), 로터 자속(d-축), 로터 자속(q-축), 스테이터 전압(d-축) 및 스테이터 전압(q-축)이다. Rs와 Rr은 스테이터 저항과 로터 저항이다. 스테이터 좌표에서, 수학식 1과 수학식 2는 스테이터 벡터 미분 방정식이고, 수학식 3과 수학식 4는 로터 벡터 미분 방정식이다.Where i sd , i sq , λ rd , λ rq , u sd and u sq are the stator current (d-axis), stator current (q-axis), rotor flux (d-axis), rotor flux (q- Axis), stator voltage (d-axis) and stator voltage (q-axis). R s and R r are the stator and rotor resistances. In stator coordinates, Equations 1 and 2 are stator vector differential equations, and Equations 3 and 4 are rotor vector differential equations.

스테이터 전류와 로터 자속은 3상 유도 전동기의 상태-공간 모델(state-space model)에서 메인 상태-공간 변수로서 고려될 것이다.The stator current and rotor flux will be considered as the main state-space variable in the state-space model of a three-phase induction motor.

여기서, λs, λr, Ls, Lr 및 Lm은 각각 스테이터 플럭스, 로터 자속, 스테이터 인덕턴스, 로터 인덕턴스 및 상호 인덕턴스이다. 수학식 5와 수학식 6에 기초하여 로터 전류와 스테이터 플럭스는 하기 수학식 7 및 수학식 8과 같이 다시 정리될 수 있다.Here, λ s , λ r , L s , L r and L m are stator flux, rotor flux, stator inductance, rotor inductance and mutual inductance, respectively. Based on Equations 5 and 6, the rotor current and stator flux may be rearranged as shown in Equations 7 and 8 below.

여기서, 이고, 이다.here, ego, to be.

수학식 7과 수학식 8을 각각 수학식 1 내지 수학식 4에 대입하면, 하기 수학식 9 내지 수학식 11이 얻어진다.Substituting Equations 7 and 8 into Equations 1 through 4, respectively, the following Equations 9 to 11 are obtained.

여기서, 는 로터 각속도이다. 수학식 10과 수학식 11을 수학식 9에 대입하여 다시 정리하면 하기 수학식 12 내지 수학식 15와 같다.here, Is the rotor angular velocity. Substituting the equations (10) and (11) into equations (9), the equations (12) to (15) are shown.

상기 수학식 12 내지 수학식 15는 3상 유도 전동기의 상태-공간 모델을 나타낸다.
Equations 12 to 15 represent state-space models of the three-phase induction motor.

Ⅱ. 확장 루엔버거 옵저버(ELO: Extended Luenberger Observer)Ⅱ. Extended Luenberger Observer (ELO)

유도 전동기의 파라미터를 추정하도록 다양한 종류의 알고리즘이 발표되고 개발되어 왔다. 그들 중에 확장형 칼만 필터(EKF; Extended Kalman Filter)와 루엔버거 옵저버(LO; Luenberger Observer)가 단순함과 정밀도를 위해 널리 사용되는 알고리즘이다. 그러나, 이들 2 알고리즘은 정확한 결과를 얻기 위하여 시행착오 프로세스(trial and error process)를 고려해야한다. Various kinds of algorithms have been published and developed to estimate the parameters of induction motors. Among them, the Extended Kalman Filter (EKF) and the Luenberger Observer (LO) are widely used algorithms for simplicity and precision. However, these two algorithms must consider a trial and error process to obtain accurate results.

상기한 점을 고려하여 본 발명에서는 도 3에 도시된 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO; Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)를 제안한다. ELSMO는 비선형 폼(non-linearized form)의 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(Luenberger-Sliding mode observer)의 선형화 폼(linearized form)이다.In view of the above, the present invention proposes an Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO) shown in FIG. 3. ELSMO is a linearized form of the Luenberger-Sliding mode observer in a non-linearized form.

루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(LSMO)의 일반 디자인은 3상 유도 전동기의 상태-공간 모델에 기초를 두고 있다. 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(LSMO)는 추정값이 2개의 추정값과 측정값 사이의 오차를 얻기 위하여 측정값과 비교되는 폐-루프 옵저버이다. The general design of the Luenberger-Sliding Mode Observer (LSMO) is based on the state-space model of three-phase induction motors. The Luenberger-Sliding Mode Observer (LSMO) is a closed-loop observer in which an estimate is compared with a measurement to obtain an error between two estimates and a measurement.

측정 변수는 이 알고리즘의 기준이므로 측정 변수의 정확도에 크게 영향을 받는 성능을 더 좋게 보여주도록 이 오차는 피드백 정정을 위해 루엔버거 이득과 슬라이딩 모드 이득과 곱셈이 이루어진다. 더욱이, LO나 ELSMO와 같은 폐-루프 옵저버는 제로 속도를 포함하는 광범위한 동작 속도 범위를 가진다.Since the measurement variable is the basis of this algorithm, this error is multiplied by the Luenberger gain and sliding mode gain to correct the feedback to better show the performance which is greatly affected by the accuracy of the measurement variable. Moreover, closed-loop observers such as LO and ELSMO have a wide range of operating speeds, including zero speed.

고정 기준 좌표계에서 유도 전동기의 상태 방정식은 다음 수학식 16과 같다.In the fixed reference coordinate system, the state equation of the induction motor is expressed by Equation 16 below.

여기서, 이면, here, If,

, , , ,

, ,

이다. to be.

여기서, A 및 B 행렬은 유도 전동기 모델인 수학식 12 내지 수학식 15의 방정식으로부터 제공되며, x, us 및 ys는 각각 상태 변수, 입력 변수 및 출력 변수이다. 이 경우, 출력 변수(ys)는 측정 가능한 스테이터 전류이다.Here, the A and B matrices are provided from the equations of the induction motor models (12) to (15), where x, u s and y s are state variables, input variables and output variables, respectively. In this case, the output variable y s is the measurable stator current.

루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(LSMO)는 다음 수학식 17과 같이 스테이터 전류와 로터 자속을 추정하도록 디자인되어 있다.The Luenberger-Sliding Mode Observer (LSMO) is designed to estimate the stator current and rotor flux as shown in Equation 17 below.

여기서, 이고,here, ego,

여기서, Λ는 추정값을 나타낸다. 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(LSMO)는 도 1에 도시된 바와 같이, Simulink로 표현될 수 있다.Here, Λ represents an estimated value. The Luenberger-Sliding Mode Observer (LSMO) may be represented by Simulink, as shown in FIG. 1.

도 1을 참고하면, 유도 전동기 모델(15)은 입력변수()(11)에 응답하여 PWM 구동신호를 발생하는 벡터 컨트롤러(13)에 의해 구동제어된다.Referring to Figure 1, the induction motor model 15 is an input variable ( Drive control by the vector controller 13 which generates a PWM drive signal in response to " 11 ".

루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(LSMO)는 상기 입력변수()(11)와 입력 행렬(B)의 승산을 수행하는 입력 행렬 계산 유닛(21); 상기 유도 전동기 모델(15)로부터 측정된 스테이터 전류()와 스테이터 전류 추정치()를 비교하여 상태 추정 오차()를 산출하는 비교기 유닛(25); 상기 상태변수 추정치()를 받아서 시스템 행렬(A)과의 승산을 수행하는 루엔버거 옵저버의 시스템 행렬 계산 유닛(26); 상기 상태 추정 오차()를 받아서 루엔버거 이득 행렬(L)과 슬라이딩-모드 이득 행렬(K)을 보상하도록 루엔버거 옵저버 항()에 슬라이딩-모드 항()이 부가된 출력을 생성하는 루엔버거 옵저버의 L 행렬 계산 유닛(27); 상기 입력 행렬 계산 유닛(21), 시스템 행렬 계산 유닛(26) 및 L 행렬 계산 유닛(27)의 출력을 가산하여 상태변수 추정치의 미분값()을 산출하는 가산기 유닛(22); 상기 상태변수 추정치의 미분값()을 적분하여 상태변수 추정치()를 산출하는 적분기 유닛(23); 및 상기 상태변수 추정치()를 받아서 출력 행렬(C)과 승산을 수행하여 스테이터 전류 추정치()를 산출하는 루엔버거 옵저버의 출력 행렬 계산 유닛(24);을 포함한다.The Luenberger-Sliding Mode Observer (LSMO) is an input variable ( An input matrix calculation unit 21 for performing multiplication of 11 with the input matrix B; The stator current measured from the induction motor model 15 ( ) And stator current estimates ( ) To compare the state estimation error ( A comparator unit 25 for calculating); The state variable estimate ( A system matrix calculation unit 26 of a Luenberger observer for receiving multiplication with the system matrix A; The state estimation error ( ) To compensate for the Luenberger gain matrix (L) and the sliding-mode gain matrix (K). Sliding-mode term on) A L matrix calculation unit 27 of a Luenberger observer for generating an output with < RTI ID = 0.0 > By adding the outputs of the input matrix calculation unit 21, the system matrix calculation unit 26 and the L matrix calculation unit 27, the derivative value of the state variable estimate ( An adder unit 22 for calculating; Derivative of the state variable estimate ( ) To integrate the state variable estimates ( An integrator unit 23 that calculates. And the state variable estimate ( ) And multiply by the output matrix (C) to estimate the stator current ( It includes; output matrix calculation unit 24 of the Luenberger observer to calculate a).

루엔버거 옵저버 항()과 슬라이딩-모드 항()이 부가되었고, 여기서 L 및 K는 루엔버거 이득 행렬과 슬라이딩-모드 이득 행렬이다. 루엔버거 옵저버 항은 보상에 의해 추정값을 정정하며 슬라이딩-모드 항은 옵저버의 강건성(robustness)을 제어한다.
Rouenburger Observer ) And sliding-mode terms ( ) Is added, where L and K are the Luenberger gain matrix and the sliding-mode gain matrix. The Luenberger observer terms correct the estimate by compensation and the sliding-mode terms control the robustness of the observer.

Ⅲ. 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO; Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)III. Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO)

Ad, Bd, Cd가 시-불변인한 선형 이산 유도 전동기 모델(linear discretized induction motor model)은 하기 수학식 18 및 수학식 19로 표현될 수 있다.A linear discretized induction motor model in which A d , B d , and C d are time-invariant may be represented by Equations 18 and 19 below.

여기서, , , 이고, T는 샘플링 시간이다.here, , , And T is the sampling time.

그러나, 의 비선형성으로 인하여 유도 전동기는 비선형 시스템이며 하기 수학식 20과 같이 표현될 수 있다.But, Due to the nonlinearity of the induction motor is a nonlinear system can be expressed as shown in Equation 20 below.

확장 루엔버거 옵저버(ELO)는 최적 추정의 근사값을 제공한다. 비선형의 유도 전동기 모델은 마지막 상태 추정값 주변의 비선형 유도 전동기 모델을 선형화함에 의해 근접될 수 있다. 이러한 근사치의 유효화를 위해 이러한 선형화 작업은 비선형 모델과 매우 근사해야 한다. 비선형 유도 전동기 모델의 선형 유도 전동기 모델로 변형은 다음과 같이 이루어질 수 있다.The Extended Luenberger Observer (ELO) provides an approximation of the best estimate. The nonlinear induction motor model can be approximated by linearizing the nonlinear induction motor model around the last state estimate. In order to validate these approximations, these linearizations should be very close to nonlinear models. The transformation to the linear induction motor model of the nonlinear induction motor model can be made as follows.

에서 주변의 비선형 시스템 다이내믹스(system dynamics)의 선형화는 하기 수학식 21과 같다. in The linearization of the surrounding nonlinear system dynamics is expressed by Equation 21 below.

선형화를 한 경우, 시스템 다이내믹스는 하기 수학식 22와 같이 쓰여질 수 있다.In the case of linearization, system dynamics may be written as Equation 22 below.

수학식 22의 응축된 형태는 하기 수학식 23가 같이 표현될 수 있다.The condensed form of Equation 22 may be expressed as Equation 23 below.

여기서, 이다.here, to be.

상기 수학식 18과 수학식 23은 서로 동일해야 하므로, 그 결과 이다.
Since Equation 18 and Equation 23 should be identical to each other, as a result to be.

Ⅳ. 루엔버거 이득 설계Ⅳ. Luenberger Gain Design

루엔버거 옵저버(LO)는 상태 변수(x(0))의 초기값에 대해 시간이 지남에 따라 오차가 "0"으로 줄어들도록 하기 수학식 24 및 수학식 25와 같이 설계된다.The Luenberger observer LO is designed as in Equation 24 and Equation 25 below so that the error decreases to "0" over time with respect to the initial value of the state variable x (0).

수학식 25에서 수학식 24를 빼면, 오차 방정식은 하기 수학식 26 내지 수학식 31의 상태 방정식으로 표시될 수 있다.Subtracting Equation 24 from Equation 25, the error equation may be represented by the state equations of Equations 26 to 31 below.

상태 추정 오차의 다이내믹스는 하기 수학식 32와 같이 표현될 수 있다.The dynamics of the state estimation error can be expressed as Equation 32 below.

여기서, 이다.here, to be.

이 경우, Matlab의 Lsim 명령은 초기 오차(error)가 "0"으로 수렴되는지 여부를 확인하는 데 사용된다. 만약 그렇다면 수렴시간이 얻어질 수 있다. 입력 변수는 이 결정에 영향을 미치지 않는다는 점에 유의하여야 한다. Lsim의 명령은 하기와 같이 표현된다:In this case, Matlab's Lsim command is used to check whether the initial error converges to "0". If so, convergence time can be obtained. Note that the input variables do not affect this decision. The command in Lsim is expressed as follows:

여기서, 초기 오차값이다.here, Initial error value.

Lsim 명령에 사용된 초기값은 상수 DC로 간주된다. 그러나 실제 모터 작동 중에 측정된 출력 변수는 샘플링 시간 동안만 일정한 것으로 간주된다. 측정된 출력 변수와 추정된 출력 변수 사이의 오차(error)는 주어진 샘플링에서 "0"에 도달해야 한다. 오차(error)가 "0"에 가까워지는 최대 응답 시간은 샘플링 시간이며 Lsim 명령을 사용하여 확인할 수 있다. 따라서, 루엔버거 이득(L)을 선택하고 Lsim 명령을 사용하여 응답 시간이 샘플링 시간에 있는지 확인한다. 그렇지 않으면 오차는 "0"이 되지 않는다.The initial value used in the Lsim command is assumed to be a constant DC. However, the output variable measured during actual motor operation is considered constant only during the sampling time. The error between the measured output variable and the estimated output variable should reach "0" for a given sampling. The maximum response time for which the error approaches "0" is the sampling time and can be checked using the Lsim command. Therefore, select the Luenberger gain (L) and use the Lsim command to verify that the response time is at the sampling time. Otherwise the error will not be "0".

수학식 21을 라플라스 변환하면 하기 수학식 33 및 수학식 34로 표현된다.Laplace transform of Equation 21 is represented by Equations 33 and 34 below.

여기서, here,

이다.to be.

A-L*C의 고유치는 det[Is-(A-LC)]로 구할 수 있으며 선택한 극(pole)과 같아야 한다. 따라서 루엔버거 이득 행렬(L)은 위의 방정식에 의해 계산된다.The eigenvalue of A-L * C can be found as det [Is- (A-LC)] and must be equal to the selected pole. Therefore, the Luenberger gain matrix L is calculated by the above equation.

루엔버거 이득 행렬(L)은 극 배치에 의해 설계되고, 극의 수는 상태 변수의 수와 같아야 한다. 이 경우 4개의 극을 다른 위치에 배치해야 한다. L 행렬을 결정하는 한 가지 간단한 방법은 다음과 같이 Matlab에서 'PLACE' 명령을 사용하는 것이다:The Luenberger gain matrix L is designed by pole placement and the number of poles should be equal to the number of state variables. In this case, the four poles must be placed in different positions. One simple way to determine the L matrix is to use the 'PLACE' command in Matlab as follows:

여기서, p1, p2, p3 및 p4는 4개의 배치된 극이다.Wherein p1, p2, p3 and p4 are four arranged poles.

이 경우, 2개의 스테이터 전류 성분이 측정되므로, 옵저버 이득 행렬은 하기와 같이 표현되며 4x2의 크기를 가진다:In this case, since the two stator current components are measured, the observer gain matrix is expressed as follows and has a size of 4 × 2:

극은 (A-LC)가 점근적으로 안정하도록 옵저버 이득 행렬(L)을 얻기 위해 시행 착오에 의해 배치된다.
The pole is arranged by trial and error to obtain the observer gain matrix L such that (A-LC) is asymptotically stable.

Ⅴ. 적응 로터 저항 추정Ⅴ. Adaptive Rotor Resistance Estimation

본 발명에서는 로터 저항 추정에 중점을 두었다. 3상 유도 전동기 작동 중에 온도 변화가 발생하여 로터 저항이 달라질 수 있다. 이 경우, 로터 저항은 추정된 로터 저항이 3상 유도 전동기의 상태 공간 모델 방정식으로 피드백되는 옵저버의 알려지지 않은 매개 변수로 취급된다.The present invention focused on the rotor resistance estimation. During the operation of a three-phase induction motor, a change in temperature can cause the rotor resistance to vary. In this case, the rotor resistance is treated as an unknown parameter of the observer whose estimated rotor resistance is fed back to the state-space model equation of the three-phase induction motor.

추정된 스테이터 전류와 로터 자속은 로터 저항 추정에 사용된다. 로터 저항을 추정하기 위한 조건을 찾기 위해 측정된 스테이터 전류와 추정된 스테이터 전류 간의 오차(error)가 필요하다. 이것은 다음과 같이 수학식 16에서 수학식 17을 뺀 값으로 계산할 수 있다.The estimated stator current and rotor flux are used to estimate rotor resistance. In order to find the conditions for estimating the rotor resistance, an error between the measured stator current and the estimated stator current is required. This may be calculated by subtracting Equation 17 from Equation 16 as follows.

여기서, ,, , 이다.here, , , , to be.

로터 저항 추정은 하기 수학식 39에 도시된 리아프노프(Lyapunov)의 함수를 사용하여 표현된다.The rotor resistance estimate is expressed using the function of Lyapunov, shown in equation 39 below.

여기서 α는 양의 상수이다. 추정된 로터 저항이 실제 로터 저항(Rr)과 같고 오차(e)가 제로가 되어 상기 함수가 제로와 같아진다. V의 시간 미분은 하기 수학식 40 및 수학식 41로 얻어진다.Where α is a positive constant. The estimated rotor resistance is equal to the actual rotor resistance Rr and the error e becomes zero so that the function is equal to zero. The time derivative of V is obtained by the following equations (40) and (41).

여기서, here,

이며, 하기 수학식 42로 표현될 수 있다.It may be represented by the following equation (42).

여기서, 이다.here, to be.

은 상기와 같이 하기 수학식 43으로 얻어진다. Is obtained by the following equation (43) as above.

리아프노프(Lyapunov) 함수의 미분은 수학식 41에 수학식 42와 수학식 43을 대입하면 다음 수학식 44와 같이 나타낼 수 있다.The derivative of the Lyapunov function can be expressed as Equation 44 by substituting Equation 42 and Equation 43 into Equation 41.

오차가 "0"이 아니면 V는 점근 안정성을 위해 감소해야 한다. 수학식 44의 첫 번째 항은 항상 음의 값을 가지며 리아프노프 함수의 도함수는 음의 값을 가지므로 두 번째 항과 세 번째 항의 합은 위의 조건을 만족하기 위해 "0"이다. 위에서 주어진 조건 하에서 로터 저항 추정 방정식은 다음 수학식 45와 같이 유도된다.If the error is not "0", V must be reduced for asymptotic stability. The first term in Equation 44 always has a negative value, and the derivative of the Lyapunov function has a negative value, so the sum of the second term and the third term is "0" to satisfy the above condition. Under the conditions given above, the rotor resistance estimation equation is derived as in Equation 45 below.

도 3은 본 발명에 따른 3상 유도 전동기에서 적응 로터 저항을 갖는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO: Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)를 나타내는 개략 블록도이다.3 is a schematic block diagram showing an Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO) with an adaptive rotor resistance in a three-phase induction motor according to the present invention.

도 3을 참고하면, 유도 전동기 모델(15)은 입력변수()(11)에 응답하여 PWM 구동신호를 발생하는 벡터 컨트롤러(13)에 의해 구동제어된다.Referring to FIG. 3, the induction motor model 15 has an input variable ( Drive control by the vector controller 13 which generates a PWM drive signal in response to " 11 ".

본 발명의 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO)는 유도 전동기 모델(15)에서 로터 저항 추정치를 구할 수 있는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO)로서, 상기 입력변수()(11)와 입력 행렬(B)의 승산을 수행하는 입력행렬 계산유닛(21); 상기 유도 전동기 모델(15)로부터 측정된 스테이터 전류()와 스테이터 전류 추정치()를 비교하여 상태 추정 오차()를 산출하는 비교기 유닛(25); 상태변수 추정치()와 상기 상태 추정 오차()를 받아서 로터 저항 추정치()를 산출하는 로터 저항 보상/적응 유닛(28); 상기 상태변수 추정치()와 로터 저항 추정치()를 받아서 시스템 행렬 추정치()와의 승산을 수행하는 루엔버거 옵저버의 시스템 추정치 행렬 계산유닛(29); 상기 상태 추정 오차()를 받아서 루엔버거 이득 행렬(L)과 슬라이딩-모드 이득 행렬(K)을 보상하도록 루엔버거 옵저버 항()에 슬라이딩-모드 항()이 부가된 출력을 생성하는 루엔버거 옵저버의 L 행렬 계산유닛(27); 상기 입력행렬 계산유닛(21), 시스템 추정치 행렬 계산유닛(29) 및 L 행렬 계산유닛(27)의 출력을 가산하여 상태변수 추정치의 미분값()을 산출하는 가산기 유닛(22); 상기 상태변수 추정치의 미분값()을 적분하여 상태변수 추정치()를 산출하는 적분기 유닛(23); 및 상기 상태변수 추정치()를 받아서 출력 행렬(C)과 승산을 수행하여 스테이터 전류 추정치()를 산출하는 루엔버거 옵저버(LO)의 출력행렬 계산유닛(24);을 포함한다.The extended luanger-sliding mode observer (ELSMO) of the present invention is an extended luenberger-sliding mode observer (ELSMO) for obtaining a rotor resistance estimate in an induction motor model 15. An input matrix calculation unit 21 for performing multiplication of 11) with the input matrix B; The stator current measured from the induction motor model 15 ( ) And stator current estimates ( ) To compare the state estimation error ( A comparator unit 25 for calculating); State variable estimates ( ) And the state estimation error ( ) And the rotor resistance estimate ( A rotor resistance compensation / adaptation unit 28 that yields The state variable estimate ( ) And rotor resistance estimates ( ) And the system matrix estimate ( A system estimate matrix calculation unit 29 of the Luenberger observer which performs multiplication with < RTI ID = 0.0 > The state estimation error ( ) To compensate for the Luenberger gain matrix (L) and the sliding-mode gain matrix (K). Sliding-mode term on) A L matrix calculation unit 27 of a Luenberger observer for generating an output to which i) is added; The derivatives of the state variable estimates are added by adding the outputs of the input matrix calculation unit 21, the system estimate matrix calculation unit 29 and the L matrix calculation unit 27. An adder unit 22 for calculating; Derivative of the state variable estimate ( ) To integrate the state variable estimates ( An integrator unit 23 that calculates. And the state variable estimate ( ) And multiply by the output matrix (C) to estimate the stator current ( It includes ;; output matrix calculation unit 24 of the Luenberger observer (LO) for calculating a).

본 발명에서는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO; Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)를 제안한다. ELSMO는 비선형 폼(non-linearized form)의 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(Luenberger-Sliding mode observer)의 선형화 폼(linearized form)이다.The present invention proposes an Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO). ELSMO is a linearized form of the Luenberger-Sliding mode observer in a non-linearized form.

확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO; Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)에서 추정된 스테이터 전류(d-q 축)는 측정된 스테이터 전류(d-q 축)와 비교되어야 하며 이들 사이의 오차는 피드백되고 루엔버거 이득 및 슬라이딩 이득 행렬에 의해 곱해진다. In the Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO), the estimated stator current (dq axis) should be compared with the measured stator current (dq axis), and the error between them is fed back and the Luenberger gain and Multiply by the sliding gain matrix.

리아프노프(Lyapunov)의 이론과 수학식 45에 기초하여, 세 가지 상태 변수, 즉, 스테이터 전류(), 로터 자속(λr) 및 로터 저항(Rr)이 상호 관련되어 있다. 추정된 로터 저항()의 정확도는 특히 로터 자속(λr) 및 스테이터 전류()의 상태 변수(χ)의 정확한 추정에 크게 의존한다. 또한, 추정된 상태 변수()의 정확도는 정확하게 추정된 로터 저항()에 의존한다. 따라서 로터 저항(Rr), 로터 자속(λr) 및 스테이터 전류()의 정확한 추정이 동시에 얻어져야 한다.Based on Lyapunov's theory and equation (45), three state variables, stator currents ( ), The rotor magnetic flux λ r and the rotor resistance Rr are correlated with each other. Estimated rotor resistance ( ), Especially the rotor flux (λ r ) and stator current ( Depends heavily on the exact estimation of the state variable In addition, the estimated state variable ( Accuracy of the rotor Depends on Therefore, rotor resistance (Rr), rotor magnetic flux (λ r ) and stator current ( Accurate estimates of) must be obtained simultaneously.

이상을 달성하기 위해, 로터 저항 보상/적응 유닛(28)은 루엔버거 옵저버(Luenberger observer)의 "A" 및 "L" 행렬 계산유닛(29,27)에 실시간으로 적용된다. To achieve this, the rotor resistance compensation / adaptation unit 28 is applied in real time to the " A " and " L " matrix calculation units 29 and 27 of the Luenberger observer.

따라서, 추정된 로터 저항 적응을 갖는 제안된 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO; Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)가 얻어진다. 루엔버거 이득 행렬은 극(pole) 배치의 시행착오법으로 최적화되며 슬라이딩 이득 행렬은 컨트롤러가 본 발명의 매개 변수 변형에 견고하도록 설정된다. ELSMO는 적절한 이득 행렬을 사용하여 정확한 로터 자속 및 로터 저항 추정치를 제공한다.
Thus, a proposed Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO) with estimated rotor resistance adaptation is obtained. The Luenberger gain matrix is optimized with the trial and error method of pole placement and the sliding gain matrix is set so that the controller is robust to the parametric variations of the present invention. ELSMO uses an appropriate gain matrix to provide accurate rotor flux and rotor resistance estimates.

이하에 도 3에 도시된 본 발명에 따른 ELSMO 컨트롤러 알고리즘의 성능을 확인하기 위하여 표 1에 표시된 모터 파라미터(parameter)를 기반으로 하여 ELSMO 컨트롤러 알고리즘의 시뮬레이션을 실시하였다.In order to confirm the performance of the ELSMO controller algorithm according to the present invention shown in Figure 3 below, the simulation of the ELSMO controller algorithm based on the motor parameters shown in Table 1.

3상 유도 전동기 모델의 파라미터Parameters of Three Phase Induction Motor Models 기호sign 파라미터parameter value RsRs 스테이터 저항(Ω)Stator Resistance (Ω) 0.0870.087 RrRr 로터 저항(Ω)Rotor Resistance (Ω) 0.2280.228 LsLs 스테이터 인덕턴스(H)Stator Inductance (H) 0.038270.03827 LrLr 로터 인덕턴스(H)Rotor inductance (H) 0.038270.03827 LmLm 상호 인덕턴스(H)Mutual inductance (H) 0.037470.03747 PP 극 쌍수Pole double 22

도 4는 극(pole)이 -1000, -300, -300, -1000인 경우 응답 시간을 나타내는 타이밍도이다.4 is a timing diagram illustrating a response time when the poles are -1000, -300, -300, and -1000.

Lsim 명령을 사용하면 측정값과 추정값 사이의 오차(error)에 대한 응답 시간이 "0"으로 수렴된다. 그러나 응답 시간은 극(pole) 배치에 크게 의존한다. 도 4에서 극이 -1000, -300, -300, -1000인 경우 오차가 "0"에 도달하는 데 필요한 시간은 0.02초이다. 극은 왼쪽에 배치되어야 하고 크기는 응답 시간을 줄이기에 충분해야한다.Using the Lsim command, the response time for an error between the measured value and the estimated value converges to "0". However, the response time is highly dependent on the pole placement. In FIG. 4, when the poles are -1000, -300, -300, and -1000, the time required for the error to reach "0" is 0.02 seconds. The pole should be placed on the left and the size should be sufficient to reduce the response time.

도 5는 샘플링 시간이 응답 시간보다 길 때 측정된 스테이터 전류와 추정된 스테이터 전류 간의 오차를 나타낸 타이밍도이다.5 is a timing diagram illustrating an error between the measured stator current and the estimated stator current when the sampling time is longer than the response time.

응답 시간보다 큰 샘플링 시간의 경우에만, 측정된 스테이터 전류와 추정된 스테이터 전류 간의 오차는 "0"이 되고, 그렇지 않으면 발산하며 결코 "0"에 도달하지 못한다. 따라서 샘플링 시간은 응답 시간보다 커야한다. 응답 시간은 초기 오차가 "0"에 도달하는 기간으로 정의된다. 따라서, 본 실험에서는 0.02초의 샘플링 시간이 도 4의 응답 시간을 기준으로 선택된다. 도 5에서 샘플링 시간이 응답 시간보다 길 때 측정된 스테이터 전류와 추정된 스테이터 전류 간의 오차가 표시된다.Only for sampling times greater than the response time, the error between the measured stator current and the estimated stator current becomes "0", otherwise diverges and never reaches "0". Therefore, the sampling time must be larger than the response time. The response time is defined as the period during which the initial error reaches "0". Therefore, in this experiment, a sampling time of 0.02 seconds is selected based on the response time of FIG. In FIG. 5, the error between the measured stator current and the estimated stator current when the sampling time is longer than the response time is indicated.

확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO; Extended Luenberger-Sliding Mode Observer)에서 추정된 스테이터 전류(d-q 축)은 측정된 스테이터 전류(d-q 축)과 비교되어야 하며 이들 사이의 오차는 피드백되고 루엔버거 이득 및 슬라이딩 이득 행렬에 의해 곱해진다. In the Extended Luenberger-Sliding Mode Observer (ELSMO), the estimated stator current (dq axis) should be compared with the measured stator current (dq axis), and the error between them is fed back and the Luenberger gain and Multiply by the sliding gain matrix.

도 6은 측정 스테이터 전류와 추정 스테이터 전류(d-축)를 나타내는 타이밍도이고, 도 7은 측정 스테이터 전류와 추정 스테이터 전류(q-축)를 나타내는 타이밍도이다.FIG. 6 is a timing diagram showing the measured stator current and the estimated stator current (d-axis), and FIG. 7 is a timing diagram showing the measured stator current and the estimated stator current (q-axis).

도 6 및 도 7에는, 추정 및 측정된 스테이터 전류(d-q 축) 파형이 비교 도시되어 있다. 2.7초가 지나면 오차는 거의 "0"으로 줄어든다. 도 5에 도시된 측정 및 추정 스테이터 전류들 사이의 오차값은 스테이터 전류 그 자체와 비교하여 작기 때문에, 측정 및 추정 스테이터 전류들(d-q 축)이 도 6 및 7에 서로 중첩하여 도시되어 있다.6 and 7 show a comparison of the estimated and measured stator current (d-q axis) waveforms. After 2.7 seconds, the error is reduced to almost zero. Since the error value between the measured and estimated stator currents shown in FIG. 5 is small compared to the stator current itself, the measured and estimated stator currents (d-q axis) are shown overlapping each other in FIGS. 6 and 7.

도 8은 정해진 로터 자속 및 추정 로터 자속(d-축)을 나타내는 타이밍도이고, 도 9는 정해진 로터 자속 및 추정 로터 자속(q-축)을 나타내는 타이밍도이다.FIG. 8 is a timing diagram showing the determined rotor flux and the estimated rotor flux (d-axis), and FIG. 9 is a timing diagram showing the determined rotor flux and the estimated rotor flux (q-axis).

도 8과 도 9에서 추정 로터 자속(d-q 축) 파형은 Simulink 유도 전동기 모델에 의해 제공된 로터 자속(d-q 축) 파형과 비교되어 나타내었다. Simulink 유도 전동기 모델은 상태-공간 유도 전동기 모델을 기반으로 하며 본 발명의 추정은 ELSMO를 기반으로 한다. 2.7초 후에 오차는 무시할 수 있는 것으로 관찰된다. 로터 자속(d-q 축)의 정확한 추정은 로터 저항을 추정하는데 매우 중요하다.
8 and 9 the estimated rotor flux (dq axis) waveforms are shown in comparison with the rotor flux (dq axis) waveforms provided by the Simulink induction motor model. The Simulink induction motor model is based on the state-space induction motor model and the estimation of the present invention is based on ELSMO. After 2.7 seconds the error is observed to be negligible. Accurate estimation of rotor flux (dq axis) is very important for estimating rotor resistance.

리아프노프(Lyapunov)의 이론과 수학식 45에 기초하여, 세 가지 상태 변수, 즉, 스테이터 전류, 로터 자속 및 로터 저항이 상호 관련되어 있다. 추정된 로터 저항의 정확도는 특히 로터 자속 및 스테이터 전류의 상태 변수의 정확한 추정에 크게 의존한다. 다른 한편으로, 추정된 상태 변수의 정확도는 정확한 추정된 로터 저항에 의존한다. 따라서 로터 저항, 플럭스 및 스테이터 전류의 정확한 추정이 동시에 얻어져야 한다.Based on Lyapunov's theory and equation 45, three state variables, stator current, rotor flux and rotor resistance, are interrelated. The accuracy of the estimated rotor resistance depends in particular on the accurate estimation of the state variables of the rotor flux and the stator current. On the other hand, the accuracy of the estimated state variable depends on the correct estimated rotor resistance. Therefore, accurate estimates of rotor resistance, flux and stator current must be obtained simultaneously.

이상을 달성하기 위해, 로터 저항 보상/적응 유닛(28)은 루엔버거 옵저버(Luenberger observer)의 "A" 및 "L" 행렬 계산 유닛(29,27)에 실시간으로 적용된다. In order to achieve the above, the rotor resistance compensation / adaptation unit 28 is applied in real time to the "A" and "L" matrix calculation units 29 and 27 of the Luenberger observer.

도 10은 로터 저항 추정에 미치는 영향을 보여주기 위해 유도 전동기 모델에 적용된 초 저속 및 제로 속도를 포함하는 동적 속도 기준(Dynamic speed reference)을 나타낸다. FIG. 10 shows a dynamic speed reference including ultra-low speed and zero speed applied to an induction motor model to show the effect on rotor resistance estimation.

도 11은 도 10에 주어진 동적 속도 기준에 따른 시간의 함수로서 로터 저항 추정(로터 저항 = 0.228Ω인 경우)을 도시한다.FIG. 11 shows the rotor resistance estimate (if rotor resistance = 0.228Ω) as a function of time according to the dynamic speed reference given in FIG. 10.

추정된 로터 저항값은 변화하는 속도에서도 Simulink 유도 전동기 모델에서 설정된 로터 저항값에 따라잡아 안정화된다. 그러나 추정된 로터 저항의 크기에는 약간의 차이가 있다. 속도가 제로 속도에 도달하면, 추정된 로터 저항의 크기는 약간 떨어지는 경향이 있다.The estimated rotor resistance is stabilized by catching the rotor resistance set in the Simulink induction motor model even at varying speeds. However, there is a slight difference in the magnitude of the estimated rotor resistance. When the speed reaches zero speed, the estimated rotor resistance tends to fall slightly.

본 발명의 로터 자속 및 로터 저항의 추정이 가능한 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO)는 3상 유도 전동기의 제어에 적용된다. The extended Luanger-Sliding Mode Observer (ELSMO), which is capable of estimating rotor flux and rotor resistance of the present invention, is applied to the control of a three-phase induction motor.

11: 입력변수 13: 벡터 컨트롤러
15: 유도 전동기 모델 21: 입력행렬 계산유닛
22: 가산기 유닛 23; 적분기 유닛
24: 출력행렬 계산유닛 25: 비교기 유닛
26: 시스템 행렬 계산유닛 27: L 행렬 계산유닛
28: 로터 저항 보상/적응 유닛 29: 시스템 추정치 행렬 계산유닛
11: input variable 13: vector controller
15: induction motor model 21: input matrix calculation unit
22: adder unit 23; Integrator Unit
24: output matrix calculation unit 25: comparator unit
26: system matrix calculation unit 27: L matrix calculation unit
28: rotor resistance compensation / adaptation unit 29: system estimate matrix calculation unit

Claims (5)

입력변수()에 응답하여 PWM 구동신호를 발생하는 벡터 컨트롤러에 의해 구동제어되는 유도 전동기 모델에서 로터 저항 추정치를 구할 수 있는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버(ELSMO)로서,
상기 입력변수()와 입력 행렬(B)의 승산을 수행하는 입력 행렬 계산 유닛;
상기 유도 전동기 모델로부터 측정된 스테이터 전류()와 스테이터 전류 추정치()를 비교하여 상태 추정 오차()를 산출하는 비교기 유닛;
상태변수 추정치()와 상기 상태 추정 오차()를 받아서 로터 저항 추정치()를 산출하는 로터 저항 보상/적응 유닛;
상기 상태변수 추정치()와 로터 저항 추정치()를 받아서 시스템 행렬 추정치()와의 승산을 수행하는 루엔버거 옵저버의 시스템 추정치 행렬 계산 유닛;
상기 상태 추정 오차()를 받아서 루엔버거 이득 행렬(L)과 슬라이딩-모드 이득 행렬(K)을 보상하도록 루엔버거 옵저버 항()에 슬라이딩-모드 항()이 부가된 출력을 생성하는 루엔버거 옵저버의 L 행렬 계산 유닛;
상기 입력 행렬 계산 유닛, 시스템 추정치 행렬 계산 유닛 및 L 행렬 계산 유닛의 출력을 가산하여 상태변수 추정치의 미분값()을 산출하는 가산기 유닛;
상기 상태변수 추정치의 미분값()을 적분하여 상태변수 추정치()를 산출하는 적분기 유닛; 및
상기 상태변수 추정치()를 받아서 출력 행렬(C)과 승산을 수행하여 스테이터 전류 추정치()를 산출하는 루엔버거 옵저버(LO)의 출력 행렬 계산 유닛;을 포함하며,
상기 , B, C 및 는 하기와 같이 정의되는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버.
,
,
,
,
여기서, Rs와 Rr은 스테이터 저항과 로터 저항이며, Ls, Lr 및 Lm은 각각 스테이터 인덕턴스, 로터 인덕턴스 및 상호 인덕턴스이고, , 는 로터 각속도이며, usd 및 usq는 각각 스테이터 전압(d-축) 및 스테이터 전압(q-축)이고, χ는 상태변수로서 다음과 같이 표시되고,

여기서, isd, isq, λrd, λrq는 각각 스테이터 전류(d-축), 스테이터 전류(q-축), 로터 자속(d-축), 로터 자속(q-축)이다.
Input variable ( Is an extended Luenberger-sliding mode observer (ELSMO) capable of obtaining rotor resistance estimates from an induction motor model driven and controlled by a vector controller that generates a PWM drive signal in response to
The input variable ( An input matrix calculation unit for performing multiplication of the input matrix B with < RTI ID = 0.0 >
The stator current measured from the induction motor model ) And stator current estimates ( ) To compare the state estimation error ( A comparator unit for calculating;
State variable estimates ( ) And the state estimation error ( ) And the rotor resistance estimate ( A rotor resistance compensation / adaptation unit for calculating;
The state variable estimate ( ) And rotor resistance estimates ( ) And the system matrix estimate ( A system estimate matrix calculation unit of the Luenberger observer that performs multiplication with < RTI ID = 0.0 >
The state estimation error ( ) To compensate for the Luenberger gain matrix (L) and the sliding-mode gain matrix (K). Sliding-mode term on) A L matrix computation unit of a Luenberger observer to generate an output to which < RTI ID = 0.0 >
By adding the outputs of the input matrix calculation unit, the system estimate matrix calculation unit and the L matrix calculation unit, the derivative of the state variable estimate ( An adder unit for calculating;
Derivative of the state variable estimate ( ) To integrate the state variable estimates ( An integrator unit for calculating; And
The state variable estimate ( ) And multiply by the output matrix (C) to estimate the stator current ( It includes; output matrix calculation unit of the Luenberger observer (LO) to calculate
remind , B, C and Is an extended Luenberger-sliding mode observer defined as follows.
,
,
,
,
Where R s and R r are stator and rotor resistances, L s , L r and L m are stator inductance, rotor inductance and mutual inductance, respectively. , Is the rotor angular velocity, u sd and u sq are the stator voltage (d-axis) and stator voltage (q-axis), respectively, and χ is the state variable as

I sd , i sq , λ rd and λ rq are the stator current (d-axis), stator current (q-axis), rotor magnetic flux (d-axis) and rotor magnetic flux (q-axis), respectively.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 로터 저항 추정치()는 하기 수학식으로부터 구하는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버.

여기서, α는 양의 상수이고, , 이다.
The method of claim 1,
The rotor resistance estimate ( ) Is an extended Luenberger-sliding mode observer obtained from the following equation.

Where α is a positive constant, , to be.
제1항에 있어서,
상기 루엔버거 옵저버 항()은 보상에 의해 추정값을 정정하며, 슬라이딩-모드 항()은 옵저버의 강건성(robustness)을 제어하는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버.
The method of claim 1,
The Luenberger Observer term ( ) Corrects the estimate by compensation, and the sliding-mode term ( ) Is an extended Luenberger-sliding mode observer that controls the robustness of the observer.
제1항에 있어서,
상기 루엔버거 이득 행렬(L)은 극(pole) 배치의 시행착오법으로 최적화되며, 슬라이딩 이득 행렬(K)은 컨트롤러가 매개 변수 변형에 견고하도록 설정되는 확장형 루엔버거-슬라이딩 모드 옵저버.
The method of claim 1,
The Luenberger gain matrix (L) is optimized with a trial and error method of pole placement, and the sliding gain matrix (K) is set such that the controller is robust to parameter deformation.
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