KR102228441B1 - 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템 및 방법이 제공된다. 이는 전동기로 인가된 전류 및 전압을 피드백 받아서
Figure 112018060993741-pat00202
축과
Figure 112018060993741-pat00203
축에 대한 추정 확장 유기전력(
Figure 112018060993741-pat00204
,
Figure 112018060993741-pat00205
)을 각각 구한다. 추정 확장 유기전력(
Figure 112018060993741-pat00206
,
Figure 112018060993741-pat00207
)을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정한다. 기존 기준 속도와 추정된 속도를 이용하여 기준 토크인 토크 제어 신호를 발생하고, 토크 제어 신호에 따른 단위전류당 최대 토크를 발생하는 기준 전류인 전류 제어 신호를 발생한다. 추정 확장 유기전력
Figure 112018060993741-pat00208
,
Figure 112018060993741-pat00209
는 각각의 관측기에서 산출한다.

Description

영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템 및 방법{SENSORLESS CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 전동기의 센서리스 제어 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)의 센서리스 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)은 토크를 발생시키는 계자 자속으로 영구자석을 이용하기 때문에 다른 교류 전동기에 비해 높은 출력 토크를 가지며 효율이 뛰어나다. 영구자석 배치에 따라 회전자 표면에 영구자석을 부착한 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)과 회전자 내부에 영구자석을 위치시킨 IPMSM으로 나뉜다. SPMSM은 전동기에 이상적인 정현파 전류를 인가하면 토크 리플이 없는 이상적인 토크를 발생시킬 수 있으나 영구자석이 회전자 표면에 부착되기 때문에 유효공극이 크며, 원심력에 의한 영구자석의 비산으로 인하여 고속운전에 문제가 있다. IPMSM은 영구자석이 회전자 내부에 위치하여 d상 인덕턴스와 q상 인덕턴스의 차이가 있는 돌극성을 가지게 된다. IPMSM은 마그네틱 토크와 돌극성으로 인한 릴럭턴스 토크를 이용하여 적은 체적에서도 높은 토크밀도를 가지며 광범위한 영역에서 운전이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 가전용에서 산업용에 이르기까지 여러 영역에서 응용되고 있으며 이에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.
영구자석 동기 전동기(PMSM)의 운전을 위해서 회전자의 위치 정보가 요구되므로 이를 얻기 위해 레졸버나 절대엔코더 등의 센서장치가 필요하다. 하지만 전체 시스템의 설계가 복잡해지고 비용이 증가하며, 생산시간이 증가하고 센서장치가 주변 환경의 변화에 따라 영향을 받는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 센서를 사용하는 대신 회전자의 위치 정보와 속도 정보를 얻기 위한 센서리스(sensorless) 제어 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
산업현장에서 사용되는 다양한 센서리스 제어 방법 중에서 확장 유기전력(EEMF:Extended Electromotive Force)을 기반으로 하는 센서리스 제어 방법이 있다. 이는 전동기를 회전시킬 때 발생하는 역기전력 성분에 포함된 회전자 각의 오차 성분을 사용하여 회전자의 위치를 추정하는 방법이다.
그런데 기존의 확장 유기전력을 기반으로 하는 센서리스 제어 방법은 리컨스트럭션(reconstruction)을 통한 확장 유기전력을 추정이었으며, 이는 불확실한 파라미터나 주변 환경에 따른 변화가 있을 시 계산 오차에 대한 보상이 되지 않는다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로서, 추정 확장 유기전력
Figure 112018060993741-pat00001
와
Figure 112018060993741-pat00002
를 각각 구하여 연산 속도가 개선되고 정밀한 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템을 제공한다.
본 발명은 전기자 전류에 대하여 가장 효율적인 토크를 발생시키는 MTPA(Maximum Torqueper Ampere) 제어를 사용하는 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한 상술한 개선된 시스템에 적용되는 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 방법을 제공한다.
본 발명은 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템을 제공하며, 이는: 상기 전동기로 인가되는 전류 및 전압을 이용하여 확장 유기전력을 추정하는 확장 유기전력 관측기; 추정된 확장 유기전력을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 위치 및 속도 추정기; 추정된 속도를 이용하여 기준 토크인 토크 제어 신호를 출력하는 속도 제어기; 상기 토크 제어 신호에 따른 단위전류당 최대 토크를 발생하는 기준 전류인 전류 제어 신호를 출력하는 MTPA 블록; 및 상기 전류 제어 신호에 따른 전압 제어 신호를 발생하는 전류 제어기;를 포함한다.
상기 확장 유기전력 관측기는
Figure 112018060993741-pat00003
축과
Figure 112018060993741-pat00004
축에 대한 추정 확장 유기전력(
Figure 112018060993741-pat00005
,
Figure 112018060993741-pat00006
)을 각각 산출하는 제1 관측기와 제2 관측기를 포함한다.
상기 제1 관측기와 상기 제2 관측기는 각각 다음식,
Figure 112018060993741-pat00007
과
Figure 112018060993741-pat00008
에 따르고,
여기서,
Figure 112018060993741-pat00009
: 고정자 저항,
Figure 112018060993741-pat00010
,
Figure 112018060993741-pat00011
:
Figure 112018060993741-pat00012
-
Figure 112018060993741-pat00013
축상 고정자 전류,
Figure 112018060993741-pat00014
: d-q상 인덕턴스,
Figure 112018060993741-pat00015
Figure 112018060993741-pat00016
: 확장 유기전력을 추정하는 관측기의 이득을 각각 나타낸다.
상기 위치 및 속도 추정기는 다음식
Figure 112018060993741-pat00017
에 따라 회전자의 추정 위치 오차(
Figure 112018060993741-pat00018
)를 산출한 후,
추정 위치 오차(
Figure 112018060993741-pat00019
)가 0이 되도록 보상하여 회전자의 추정 위치(
Figure 112018060993741-pat00020
)와 추정 속도(
Figure 112018060993741-pat00021
)를 산출한다.
본 발명에 따르면, 영구자석 동기 전동기에 대한 센서리스 제어 시스템과 방법이 제공된다. 여기서는 전동기를 효율적으로 제어하고 센서 없이 운전하기 위해 단위 전류당 최대 토크를 낼 수 있는 MTPA 제어 방식을 사용한다. 또한, 상태 공간 방정식을 통한 확장 유기전력(EEMF) 관측기를 설계하여 그를 통해 추정한 EEMF를 통해 회전자 위치를 추정한다. 특히,
Figure 112018060993741-pat00022
축과
Figure 112018060993741-pat00023
축에 대한 유기전력을 각각 추정 산출하는 2개의 관측기를 사용하여 연산 속도가 빠르고 정밀한 제어가 가능하다. 기존의 리컨스트럭션을 이용한 EEMF 추정 방식과 본 발명의 EEMF 관측기를 통한 EEMF 추정 방식을 시뮬레이션을 이용해 비교한 결과, 본 발명의 관측기를 이용한 센서리스 운전에서 리플 저감과 함께 회전자의 속도제어 및 위치 추정에서 더 강인하고 정밀함을 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 센서리스 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기와 위치 및 속도 추정기의 동작 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 시스템에 채용되는 MTPA 블록에서의 MTPA 추적 곡선을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 시스템이 적용되는 IPMSM의 공간 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 시스템에 채용되는 위치 및 속도 추정기에서의 회전자 위치각과 회전자 속도 추정 등가 블록도이다.
도 7은 기존 리컨스트럭션을 통한 EEMF 추정 방식으로 설계한 비교예의 IPMSM 센서리스 속도제어 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 IPMSM 센서리스 속도제어 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 IPMSM 파라미터 10% 변동 시 비교예의 리컨스트럭션 방식을 사용한 센서리스 운전의 테스트 결과이다.
도 10은 IPMSM 파라미터 10% 변동 시 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 센서리스 운전의 테스트 결과를 각각 나타낸다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명은 IPMSM 상태 공간 방정식을 이용한 관측기 설계를 통하여 추정 확장 유기전력
Figure 112018060993741-pat00024
와
Figure 112018060993741-pat00025
을 각각 구하는 제1 관측기와 제2 관측기를 포함한다. 확장 유기전력 기반의 센서리스 제어는 전동기를 회전시킬 때 발생하는 역기전력 성분에 포함된 회전자 각의 오차 성분을 사용하여 회전자의 위치를 추정한다. 본 발명에서
Figure 112018060993741-pat00026
와
Figure 112018060993741-pat00027
을 두 개의 관측기로 나누어 추정하여 전차원 상태 관측기보다 적은 차수의 이득행렬을 사용할 수 있어서 연산 속도가 개선된다. 또한, 본 발명에서의 확장 유기전력 관측기의 사용은 기존의 리컨스트럭션을 통한 확장 유기전력 추정 방법이 가지는 불확실한 파라미터나 주변 환경에 따른 변화가 있을 때 계산 오차에 대한 보상이 되지 않는 문제를 보완하여, 더 정밀하게 회전자의 위치와 속도를 추정할 수 있도록 한다. 본 발명은 또한 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 효율적으로 사용하기 위해 단위전류당 최대 토크를 발생하는 MTPA(Maximum Torque per Ampere) 제어를 채택한다. MTPA 운전점을 찾아 d상, q상의 전류 지령치로 제어를 하게 되면
Figure 112018060993741-pat00028
제어에 비하여 동일 토크를 발생시킬 때 전류를 적게 소모하고, 그 차이는 원하는 토크가 클수록 증가한다. 이러한 MTPA 제어를 사용하는 본 발명의 제어 방법은 저속 내지 중속에서의 제어에 바람직하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 센서리스 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 2는 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기를 나타내는 블록도이다. 도 3은 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기와 위치 및 속도 추정기의 동작 과정을 나타낸 도면이다.
도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 센서리스 제어 시스템은 전동기(IPMSM)(M)는 속도 제어기(10)와, MTPA 블록(20)과, 전류 제어기(30)와, 확장 유기전력을 추정하는 확장 유기전력 관측기(40)와, 위치 및 속도 추정기(50)를 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템은 또한 제1 벡터 로테이터(60), 제2 벡터 로테이터(70) 및 PWM 인버터(80)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제어 시스템에서, 전동기(M)의 동작 개시를 위해 속도 제어기(10)로 기준 속도(
Figure 112018060993741-pat00029
)가 입력되면, 속도 제어기(10)는 기준 속도(
Figure 112018060993741-pat00030
)에 해당하는 기준 토크(
Figure 112018060993741-pat00031
)를 출력한다. MTPA 블록(20)은 기준 토크(
Figure 112018060993741-pat00032
)가 입력되면 단위전류당 최대 토크 전류쌍을 계산하여 d 및 q상 전류 제어 신호(기준 전류
Figure 112018060993741-pat00033
,
Figure 112018060993741-pat00034
)를 출력한다. 전류 제어기(30)는 입력된 기준 전류(
Figure 112018060993741-pat00035
,
Figure 112018060993741-pat00036
)에 해당하는 기준 전압(
Figure 112018060993741-pat00037
,
Figure 112018060993741-pat00038
)을 출력한다. 제1 벡터 로테이터(60)는 전류 제어기(30)의 기준 전압(
Figure 112018060993741-pat00039
,
Figure 112018060993741-pat00040
)을 a, b, c 3상으로 변환하여 출력하고, PWM 인버터(80)는 출력된 3상 전압을 전동기(M)에 인가하여 기준 속도로 회전하도록 한다.
속도 제어를 위해, 확장 유기전력 관측기(40)는 전동기(M)로 인가되는 전류와 전압을 피드백 받아서 확장 유기전력을 추정한다. 추정 확장 유기전력은 각각
Figure 112018060993741-pat00041
,
Figure 112018060993741-pat00042
로 나타내며, 이들은 제1 관측기(41)과 제2 관측기(42)에서 각각 구한다. 또한, 피드백 받은 전류(
Figure 112018060993741-pat00043
,
Figure 112018060993741-pat00044
)와 전압(
Figure 112018060993741-pat00045
,
Figure 112018060993741-pat00046
)은 벡터 로테이터(60 또는 70)을 통해
Figure 112018060993741-pat00047
,
Figure 112018060993741-pat00048
와
Figure 112018060993741-pat00049
,
Figure 112018060993741-pat00050
로 변환되어 확장 유기전력 관측기(40)으로 입력될 수 있다. 도 2의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같은, 확장 유기전력 관측기(40)의 제1 관측기(41)과 제2 관측기(42)는 각각 추정 확장 유기전력
Figure 112018060993741-pat00051
와
Figure 112018060993741-pat00052
을 각각 구하여 위치 및 속도 추정기(50)으로 출력한다.
위치 및 속도 추정기(50)는 추정 확장 유기전력(
Figure 112018060993741-pat00053
,
Figure 112018060993741-pat00054
)을 입력받아 회전자의 추정 위치 오차(
Figure 112018060993741-pat00055
)를 산출하고, 추정 위치 오차(
Figure 112018060993741-pat00056
)로 추정 속도를 보정함으로써 추정 회전자 위치(
Figure 112018060993741-pat00057
)와 속도(
Figure 112018060993741-pat00058
)를 산출하고, 추정 속도(
Figure 112018060993741-pat00059
)를 속도 제어기(10)와 전류 제어기(30)로 입력한다. PI제어기를 구비하는 속도 제어기(10)는 입력된 추정 속도(
Figure 112018060993741-pat00060
)와 기준 속도(
Figure 112018060993741-pat00061
)를 감안하여 새로운 기준 토크(
Figure 112018060993741-pat00062
)를 산출하여 MTPA 블록(20)으로 입력하고, 그 이하의 과정은 상술한 바와 같다.
특히, 본 발명의 시스템에서는 추정 확장 유기전력
Figure 112018060993741-pat00063
와
Figure 112018060993741-pat00064
를 각각 구하는
Figure 112018060993741-pat00065
추정 관측기(제1 관측기)와
Figure 112018060993741-pat00066
추정 관측기(제2 관측기)를 포함하며, 이렇게 2개의 관측기로 나누어 추정하여 전차원 상태 관측기보다 적은 차수의 이득행렬을 사용할 수 있다는 장점을 가진다.
이하에서는 본 발명의 시스템 및 방법에 적용되는 알고리즘들을 구체적으로 설명한다.
[MTPA 제어]
도 4는 본 발명의 시스템에 채용되는 MTPA 블록에서의 MTPA 추적 곡선을 나타내는 도면이다.
PMSM에서의 토크 방정식은 아래 식 (1)과 같다.
Figure 112018060993741-pat00067
(1)
이때,
Figure 112018060993741-pat00068
는 전동기 출력 토크, P는 회전자 극의 쌍 수,
Figure 112018060993741-pat00069
수는 영구자석 쇄교 자속,
Figure 112018060993741-pat00070
는 d상 전류와 q상 전류의 벡터적 합,
Figure 112018060993741-pat00071
,
Figure 112018060993741-pat00072
는 d, q축 인덕턴스,
Figure 112018060993741-pat00073
는 전류 위상각을 의미한다.
IPMSM 운전에 있어 정격에 따른 전압 및 전류의 제한이 있으므로 d, q상 전압, 전류에 대한 최대 전압 전류에 대한 식은 다음과 같다.
Figure 112018060993741-pat00074
(2)
Figure 112018060993741-pat00075
(3)
Figure 112018060993741-pat00076
(4)
여기서
Figure 112018060993741-pat00077
와
Figure 112018060993741-pat00078
는 전기자 전류와 전압을 의미하고
Figure 112018060993741-pat00079
,
Figure 112018060993741-pat00080
는 d, q상 전류,
Figure 112018060993741-pat00081
와
Figure 112018060993741-pat00082
는 d, q상 전압,
Figure 112018060993741-pat00083
,
Figure 112018060993741-pat00084
은 각각 전류와 전압의 제한하는 값을 의미한다. 식 (4)는 식 (3)을 유기전압의 제한으로 치환한 것이며
Figure 112018060993741-pat00085
는 유기전압,
Figure 112018060993741-pat00086
는 각속도,
Figure 112018060993741-pat00087
는 계자 자속,
Figure 112018060993741-pat00088
은 유기전압의 제한하는 값이다.
식 (1), (2), (4)로부터 토크, 전압 제한 타원, 전류 제한 원을 도 4와 같이 나타낼 수 있다. 전류 제한 원과, 일정한 토크를 만드는 d, q상 전류 곡선과의 교점이 MTPA 운전점이다. d, q상 전류 곡선은
Figure 112018060993741-pat00089
과
Figure 112018060993741-pat00090
다음 식들을 통해 얻을 수 있다.
Figure 112018060993741-pat00091
(5)
Figure 112018060993741-pat00092
(6)
식 (5)와 (6)을 통해 토크 지령치에 따라 d, q상 전류 지령치
Figure 112018060993741-pat00093
과
Figure 112018060993741-pat00094
를 얻을 수 있다. 순시 토크를 제어하려면 기준 토크를 발생시키면서 전류 벡터의 크기를 최소화하는 전류쌍을 실시간으로 계산하여야 한다. 그러나
Figure 112018060993741-pat00095
,
Figure 112018060993741-pat00096
는 운전 조건에 따라 크게 변하고 특히
Figure 112018060993741-pat00097
는 전류 크기에 따라 그 값이 수십에서 수백%까지 바뀌므로 실시간으로 해를 구하여 제어에 이용하기는 어렵다. 그러므로 전류쌍을 미리 참조표(Look-up Table)에 저장한 후, 토크 지령에 따라 참조표를 통해 실제 전류가 참조표의 전류를 따라 가도록 제어할 수 있다. 연산 속도의 개선을 위해 본 발명에서는 실시간 수치 해석 대신 Look-up Table 방식을 적용하여 시뮬레이션하였다.
[IPMSM 모델]
도 5는 IPMSM의 공간 벡터도를 보여준다. α-β 좌표계는 고정자 권선에 의한 2축 고정 좌표계를 의미한다. d-q 좌표계는 동기 회전 좌표계이며, 자속의 발생 방향이 d축이며 d축보다 전기적으로 90°앞선 방향을 q축이라 한다. d-q축 모델링은 실제 모터 속도의 정보를 이용한 것이다. 하지만 센서리스 속도제어를 할 경우 위의 d-q축으로 모델링한 식은 사용하기 어렵다. 그러므로 d-q축과
Figure 112018060993741-pat00098
만큼 각도 오차를 가진
Figure 112018060993741-pat00099
축을 이용한다.
IPMSM의 d-q 좌표계에서의 전압방정식은 다음과 같다.
Figure 112018060993741-pat00100
(7)
여기서,
Figure 112018060993741-pat00101
: d-q상 고정자 전류
Figure 112018060993741-pat00102
: d-q상 고정자 전압
Figure 112018060993741-pat00103
: 회전자 전기각속도
Figure 112018060993741-pat00104
: 고정자 저항
Figure 112018060993741-pat00105
: 영구자석에 의한 자속
Figure 112018060993741-pat00106
,
Figure 112018060993741-pat00107
: d-q상 인덕턴스
p : 미분 연산자
식 (7)의 d-q 좌표계에서의 전압방정식을 식 (8)와 같이 바꾸어 쓸 수 있다. 식 (8)의 두 번째 항인 열벡터를 EEMF라 한다.
Figure 112018060993741-pat00108
(8)
Figure 112018060993741-pat00109
(9)
Figure 112018060993741-pat00110
좌표계에서의 전압방정식 (10)을 통해 회전자의 위치를 추정하게 되며 d-q 좌표계에서의 전압방정식 (8)을
Figure 112018060993741-pat00111
좌표계로 변환하면 식 (10)과 같다.
Figure 112018060993741-pat00112
(10)
Figure 112018060993741-pat00113
(11)
이 수학적 모델은 SPMSM(
Figure 112018060993741-pat00114
=
Figure 112018060993741-pat00115
), IPMSM(
Figure 112018060993741-pat00116
<
Figure 112018060993741-pat00117
)와 동기 릴럭턴스 모터(
Figure 112018060993741-pat00118
=0)에서도 사용될 수 있으며 근사화가 필요가 없다. 또한, 위치각 오차
Figure 112018060993741-pat00119
에 대한 정보를 포함하고 있으므로 이를 이용하여 회전자 위치를 추정하여 센서리스 운전에 사용할 수 있다.
[확장 유기전력 추정 알고리즘]
식 (10)으로부터 EEMF의 시간에 대한 미분값이 0이라고 가정하면 다음과 같은 상태 공간 방정식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112018060993741-pat00120
(12)
Figure 112018060993741-pat00121
(13)
이때,
Figure 112018060993741-pat00122
(14)
Figure 112018060993741-pat00123
(15)
위와 같은 상태 방정식을 통해 EEMF를 추정할 수 있다.
IPMSM 상태 공간 방정식인 식 (12), (13)을 이용한 관측기 설계를 통하여 EEMF를 추정하는 알고리즘이 도출될 수 있다. 제1 및 제2 관측기는 각각 식 (16), (17) 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018060993741-pat00124
(16)
Figure 112018060993741-pat00125
(17)
도 3의 (a)와 (b)는
Figure 112018060993741-pat00126
과
Figure 112018060993741-pat00127
을 추정하는 제1 및 제2 관측기(41, 42)에 대한 블록도이다.
Figure 112018060993741-pat00128
,
Figure 112018060993741-pat00129
는 EEMF
Figure 112018060993741-pat00130
을 추정하는 관측기의 이득으로
Figure 112018060993741-pat00131
,
Figure 112018060993741-pat00132
는 Ackermann’s formula를 통해 구할 수 있다.
Figure 112018060993741-pat00133
도
Figure 112018060993741-pat00134
와 같은 방식으로 추정한다. 관측기의 입력은 식 (14), (15)의 전압과 피드백 받은 전류이고 출력을 통해 EEMF를 추정한다.
이와 같은 EEMF 관측기의 사용은 기존 방식에서 이용되는 리컨스트럭션의 단점인 불확실한 파라미터나 주변 환경에 따른 변화가 있을 시 계산 오차에 대한 보상이 되지 않아 강인하고 정밀한 제어가 되지 않는 점을 보완할 수 있다. 따라서 더 정밀하게 회전자 위치와 속도를 추정할 수 있다.
[위치 및 속도 추정 알고리즘]
추정 위치 오차는 아래의 식 (18)에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112018060993741-pat00135
(18)
추정 속도
Figure 112018060993741-pat00136
와 추정 회전자 위치
Figure 112018060993741-pat00137
는 추정 위치 오차
Figure 112018060993741-pat00138
가 0이 되도록 PI 보상기인
Figure 112018060993741-pat00139
를 통해 보상된다. 도 6은 본 발명의 시스템에 채용되는 위치 및 속도 추정기에서의 회전자 위치각과 회전자 속도 추정 등가 블록도이다.
이때의 과정은 도 6과 같다. 고유 주파수
Figure 112018060993741-pat00140
과 감쇠율
Figure 112018060993741-pat00141
을 도 6의 피드백 시스템에 적용하면, PI 보상기의 이득은
Figure 112018060993741-pat00142
,
Figure 112018060993741-pat00143
이 되며 추정 위치
Figure 112018060993741-pat00144
와 추정 속도
Figure 112018060993741-pat00145
는 같은 전달함수를 가진다.
[테스트]
MATLAB Simulink를 이용하여 본 발명과 기존의 리컨스트럭션을 이용하는 비교예에 대한 테스트를 구현하였다. 35kW IPMSM 모델을 사용하였으며 제안한 관측기의 샘플링 주기는 0.01[ms]로 하였다. 시뮬레이션에 사용된 IPMSM의 파라미터는 표 1과 같다.
Parameter Value Unit
Number of pole pairs 4 -
Rated Speed 3000
Figure 112018060993741-pat00146
Rated Torque 111
Figure 112018060993741-pat00147
Rated Power 35
Figure 112018060993741-pat00148
Armature resistance
Figure 112018060993741-pat00149
 0.05
Figure 112018060993741-pat00150
Magnet flux-linkage
Figure 112018060993741-pat00151
 0.192
Figure 112018060993741-pat00152
d-axis inductance
Figure 112018060993741-pat00153
 0.6033
Figure 112018060993741-pat00154
q-axis inductance
Figure 112018060993741-pat00155
 0.6668
Figure 112018060993741-pat00156
Inertia J 0.0011
Figure 112018060993741-pat00157
Viscous Friction
Figure 112018060993741-pat00158
 0.01889
Figure 112018060993741-pat00159
도 7은 기존 리컨스트럭션을 통한 EEMF 추정 방식으로 설계한 비교예의 IPMSM 센서리스 속도제어 시뮬레이션 결과이다. 도 8은 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 시뮬레이션 결과이다. 속도 지령치를 1800[rpm]으로 하였을 때, 두 가지 방식 모두 속도 제어가 되었으며 0.2[s]내에 지령 속도로 회전하였다. 하지만 도 7-(b)와 도 8-(b)를 통해, 리컨스트럭션 방식보다 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 IPMSM 운전에서 회전자 추정 속도의 오차 및 리플이 적음을 확인할 수 있다. 또한, 도 7-(d)와 도 8-(d)의 비교를 통해 제안한 EEMF 관측기를 사용한 센서리스 속도제어에서 회전자 위치를 더 정밀하게 추정함을 확인할 수 있다. 도 9와 10은 IPMSM 파라미터 10% 변동 시 비교예의 리컨스트럭션 방식과 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 센서리스 운전의 테스트 결과를 나타낸다. IPMSM 파라미터가 10% 변동 시에 리컨스트럭터를 통한 추정 방식(비교예)와 본 발명의 EEMF 관측기를 통한 속도 및 위치 추정 결과를 비교하였다. 파라미터 변동이 있으면 IPMSM 전압 방정식의 재구성을 통한 기존의 EEMF 추정방식은 지령치에 도달하는 속도가 더 느려질 뿐 아니라 리플과 오차가 매우 증가하였다. 하지만 본 발명에 채용된 EEMF 추정 방식은 도 10에서 볼 수 있듯 오차 및 리플이 적어 파라미터 변동 시에도 더 강인하고 정밀함을 확인할 수 있다.
본 발명은 IPMSM을 효율적으로 제어하고 센서 없이 운전하기 위해 단위 전류당 최대 토크를 낼 수 있는 MTPA 제어 방식을 사용하면서, 상태 공간 방정식을 통한 EEMF 관측기를 설계하여 추정한 EEMF를 통해 회전자 위치를 추정하는 IPMSM 센서리스 제어 알고리즘을 제안한다. IPMSM 센서리스 운전에 있어 기존의 리컨스트럭션을 이용한 EEMF 추정 방식과 본 발명의 EEMF 관측기를 통한 EEMF 추정 방식을 시뮬레이션을 이용해 비교한 결과, 본 발명의 관측기를 이용한 센서리스 운전에서 리플 저감과 함께 회전자의 속도제어 및 위치 추정에서 더 강인하고 정밀함을 확인하였다. 또한, IPMSM 파라미터 10% 변동 시 제안한 센서리스 운전에서는 그 성능이 현저하게 개선되었다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
10: 속도 제어기, 20: MTPA 블록, 30: 전류 제어기, 40: 확장 유기전력 관측기, 41: 제1 관측기, 42: 제2 관측기, 50: 위치 및 속도 추정기, 60: 제1 벡터 로테이터, 70: 제2 벡터 로테이터, 80: PWM 인버터, M: 전동기

Claims (7)

  1. 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템으로서:
    상기 전동기로 인가되는 전류 및 전압을 이용하여 확장 유기전력을 추정하는 확장 유기전력 관측기;
    추정된 확장 유기전력을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 위치 및 속도 추정기;
    추정된 속도를 이용하여 기준 토크인 토크 제어 신호를 출력하는 속도 제어기;
    상기 토크 제어 신호에 따른 단위전류당 최대 토크를 발생하는 기준 전류인 전류 제어 신호를 출력하는 MTPA 블록; 및
    상기 전류 제어 신호에 따른 전압 제어 신호를 발생하는 전류 제어기를 포함하고,
    상기 확장 유기전력 관측기는
    Figure 112020134612339-pat00220
    축과
    Figure 112020134612339-pat00221
    축에 대한 추정 확장 유기전력(
    Figure 112020134612339-pat00222
    ,
    Figure 112020134612339-pat00223
    )을 각각 산출하는 제1 관측기와 제2 관측기를 포함하는 것인 전동기의 센서리스 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 관측기와 상기 제2 관측기는 각각 다음식,
    Figure 112020134612339-pat00164
    과
    Figure 112020134612339-pat00165
    에 따르고,
    여기서,
    Figure 112020134612339-pat00166
    : 고정자 저항,
    Figure 112020134612339-pat00167
    ,
    Figure 112020134612339-pat00168
    :
    Figure 112020134612339-pat00169
    -
    Figure 112020134612339-pat00170
    축상 고정자 전류,
    Figure 112020134612339-pat00171
    : d-q상 인덕턴스,
    Figure 112020134612339-pat00172

    Figure 112020134612339-pat00173
    : 확장 유기전력을 추정하는 관측기의 이득을 각각 나타내는 것인 전동기의 센서리스 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 위치 및 속도 추정기는 다음식
    Figure 112020134612339-pat00174

    에 따라 회전자의 추정 위치 오차(
    Figure 112020134612339-pat00175
    )를 산출한 후,
    추정 위치 오차(
    Figure 112020134612339-pat00176
    )가 0이 되도록 보상하여 회전자의 추정 위치(
    Figure 112020134612339-pat00177
    )와 추정 속도(
    Figure 112020134612339-pat00178
    )를 산출하는 것인 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템.
  5. 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 방법으로서:
    상기 전동기로 인가된 전류 및 전압을 피드백 받아서
    Figure 112020134612339-pat00179
    축과
    Figure 112020134612339-pat00180
    축에 대한 추정 확장 유기전력(
    Figure 112020134612339-pat00181
    ,
    Figure 112020134612339-pat00182
    )을 각각 구하는 단계;
    상기 추정 확장 유기전력(
    Figure 112020134612339-pat00183
    ,
    Figure 112020134612339-pat00184
    )을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 단계;
    기준 속도와 추정된 속도를 이용하여 기준 토크인 토크 제어 신호를 발생하는 단계; 및
    상기 토크 제어 신호에 따른 단위전류당 최대 토크를 발생하는 기준 전류인 전류 제어 신호를 발생하는 단계를 포함하고,
    상기 추정 확장 유기전력(
    Figure 112020134612339-pat00224
    ,
    Figure 112020134612339-pat00225
    )을 구하는 단계에서,
    상기 추정 확장 유기전력(
    Figure 112020134612339-pat00226
    ,
    Figure 112020134612339-pat00227
    )은 제1 관측기 및 제2 관측기에 의해 각각 산출되는 것인 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 추정 확장 유기전력(
    Figure 112018060993741-pat00185
    ,
    Figure 112018060993741-pat00186
    )은 각각 다음식
    Figure 112018060993741-pat00187
    과
    Figure 112018060993741-pat00188
    에 따르고,
    여기서,
    Figure 112018060993741-pat00189
    : 고정자 저항,
    Figure 112018060993741-pat00190
    ,
    Figure 112018060993741-pat00191
    :
    Figure 112018060993741-pat00192
    -
    Figure 112018060993741-pat00193
    축상 고정자 전류,
    Figure 112018060993741-pat00194
    : d-q상 인덕턴스,
    Figure 112018060993741-pat00195

    Figure 112018060993741-pat00196
    : 확장 유기전력을 추정하는 관측기의 이득을 각각 나타내는 것인 전동기의 센서리스 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 단계는 다음식
    Figure 112018060993741-pat00197

    에 따라 회전자의 추정 위치 오차(
    Figure 112018060993741-pat00198
    )를 산출한 후,
    추정 위치 오차(
    Figure 112018060993741-pat00199
    )가 0이 되도록 보상하여 회전자의 추정 위치(
    Figure 112018060993741-pat00200
    )와 추정 속도(
    Figure 112018060993741-pat00201
    )를 산출하는 것인 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 방법.
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