KR102262010B1 - 전류벡터에 기반한 속도 센서리스 모터 제어 시스템 및 풍력 발전 시스템 - Google Patents

전류벡터에 기반한 속도 센서리스 모터 제어 시스템 및 풍력 발전 시스템 Download PDF

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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    • H02P21/32Determining the initial rotor position

Abstract

본 발명은 전류벡터에 기반한 속도 센서리스 모터 제어 시스템 및 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 속도 센서리스 모터 구동 시스템으로서, 상기 모터에 인가할 고정자 전류의 크기 지령치를 생성하는 전류 크기 지령치 생성부, 3상 교류 모터에 인가되는 3상 전류들 중 적어도 두 개의 상 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 측정된 상 전류를 기초로 고정자 전류 벡터의 크기와 위상을 산출하는 전류 벡터 산출부, 상기 고정자 전류 벡터의 위상에 기초한 정보를 기초로 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하는 각속도 추정부, 상기 고정자 전류 크기 지령치와 상기 고정자 전류 벡터의 크기를 기초로 상기 모터의 고정자 전류를 제어하는 전류 제어기, 상기 전류 제어기 출력과 상기 고정자 전류 벡터의 위상을 기초로 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 모터 회전자의 속도 또는 위치에 대한 센서 없이, 모터에 인가되는 전류 측정만으로, 간단하고, 정확하게 모터의 회전자 속도를 추정할 수 있는 효과가 있다.

Description

전류벡터에 기반한 속도 센서리스 모터 제어 시스템 및 풍력 발전 시스템 {Speed sensorless motor control system and wind power generation system based on the current vector}
본 발명은 전류벡터에 기반한 속도 센서리스 모터 제어 시스템 및 풍력 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영구 자석 동기 모터 제어 시스템에 있어서 고정자 전류 벡터를 이용한 속도 센서리스 모터 제어 기법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시 예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
영구 자석 동기 발전기용 속도 센서리스 모터 제어에 있어서, 종래의 방법은 (1) 역기전력 기반 방법과 (2) 자속 기반 방법으로 나눌 수 있다. 역기전력 기반 방법으로서 (1-1) 개루프 계산방법, (1-2) 외란 추정기, (1-3) 슬라이딩 모드 추정기, (1-4) 확장 칼만 필터 또는 뉴럴넷을 이용한 방법 등이 있으나, (1-1) 개루프 계산 방법이나 (1-2) 외란 추정기를 이용한 방법은 인버터의 비선형성과 측정 노이즈에 의해 추정 성능에 영향을 받는 문제점이 있고, (1-3) 슬라이딩 모드 추정기를 이용한 방법은 불연속 스위치 제어로 인한 채터링 현상으로 진동(oscillating) 추정 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있으며, (1-4) 확장 칼만 필터 등을 이용하는 방법은 알고리즘의 구조 및 설계가 복잡해서 고성능 DSP가 필요한 문제점이 있다. 자속 기반 방법은 플럭스를 얻기 위해서는 역기전력을 적분해야 하는데, 적분에 대한 초기값, DC옵셋 등의 현실적인 문제점이 있고, 인버터의 비선형성(데드타임 등), 파라미터 변동, 측정 노이즈로 인하여 역기전력 추정 및 고정자 자속 계산이 일반적으로 오염되어, 회전자 위치 추정 오류, 속도 추정 정밀도가 저하가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은, 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간단하고, 정확하게 모터의 회전자 속도를 추정하되, 동작온도에 따라 넓은 범위에서 변화할 수 있는 모터의 고정자 저항에 대한 정보를 이용하지 않음으로 인해 파라미터 불확실성에 대한 강인한 특성을 갖는 영구 자속 동기 모터의 속도 센서리스 제어 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 속도 센서리스 모터 구동 시스템으로서, 상기 모터에 인가할 고정자 전류의 크기 지령치를 생성하는 전류 크기 지령치 생성부, 3상 교류 모터에 인가되는 3상 전류들 중 적어도 두 개의 상 전류를 측정하는 전류 측정부, 상기 측정된 상 전류를 기초로 고정자 전류 벡터의 크기와 위상을 산출하는 전류 벡터 산출부, 상기 고정자 전류 벡터의 위상에 기초한 정보를 기초로 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하는 각속도 추정부, 상기 고정자 전류 크기 지령치와 상기 고정자 전류 벡터의 크기를 기초로 상기 모터의 고정자 전류를 제어하는 전류 제어기, 상기 전류 제어기 출력과 상기 고정자 전류 벡터의 위상을 기초로 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템을 제공한다.
상기 각속도 추정부는, 상기 고정자 전류 벡터의 위상에 기초한 신호를 입력신호로 받고, 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하되, 상기 입력 신호를 수신하고, 상기 입력 신호와 위상은 동기되고 주파수는 n배인 고주파 신호를 생성하는 주파수 증배기(frequency multiplier), 상기 주파수 증배기의 출력 신호를 입력 받고, 입력 받은 신호의 각주파수를 산출하여, 추정 각주파수를 출력하는 주파수 추정부, 및 상기 추정 각주파수를 n으로 나누어, 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하는 주파수 분주기(frequency demultiplier)를 포함하고, 여기서, n≥1 인 것이 일반적이며, n≥8 인 것이 더욱 바람직하다
상기 주파수 추정부는, 제 1 내지 p 필터부 및 제 1 내지 q 주파수 추적부를 포함하고, 상기 제 1 내지 p 필터부는 각각 소정의 입력 신호 및 각주파수를 입력 받고, 상기 입력 신호에 기초한 제 1 출력 신호, 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호를 출력하고, 상기 제 1 내지 q 주파수 추적부는 각각 상기 제 1 내지 p 필터부 중 어느 한 필터부의 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호를 입력 받고, 각주파수를 출력하며, 여기서, p≥q≥1 인 것이 바람직하다.
상기 제 1 내지 p 필터부 중 어느 하나인 제 i 필터부는, 상기 제 i 필터부의 입력 신호와 상기 제 i 필터부의 제 1 출력 신호간 차이인 상기 제 1 오차 신호를 생성하는 제 1 오차 신호 생성부, 상기 제 1 오차 신호에 소정의 제 1 게인(k)를 곱하는 제 1 곱셈부, 상기 제 1 곱셈부의 출력 신호와 상기 제 i 필터부의 제 2 출력 신호의 차이인 제 2 오차 신호를 생성하는 제 2 오차 신호 생성부, 상기 제 2 오차 신호와 상기 제 i 필터부 입력인 각주파수를 곱하는 제 2 곱셈부, 상기 제 2 곱셈부의 출력 신호를 적분하여 상기 제 1 출력 신호를 생성하는 제 1 적분기, 상기 제 1 적분기의 출력 신호를 적분하는 제 2 적분기, 및 상기 제 2 적분기의 출력 신호에 상기 제 i 필터부 입력인 각주파수를 곱하여 상기 제 2 출력 신호를 생성하는 제 3 곱셈부를 포함하며, 여기서, p≥i≥1 인 것이 바람직하다.
상기 제 1 내지 q 주파수 추적부 중 어느 하나인 상기 제 j 주파수 추적부는, 상기 제 j 주파수 추적부의 입력인 상기 제 1 오차 신호와 상기 제 2 출력 신호를 곱하는 제 4 곱셈부, 상기 제 4 곱셈부의 출력 신호에 소정의 제 2 게인(γ)를 곱하는 제 5 곱셈부, 및 상기 제 5 곱셈부의 출력을 적분하여 상기 각주파수를 산출하는 제 3 적분기를 포함하며, 여기서, q≥j≥1 인 것이 바람직하다.
상기 p=1 이고, 상기 q=1 이며, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 1 필터부에 입력 되고, 상기 제 1 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 1 주파수 추적부에 입력되는 것이 바람직하다.
상기 p=2 이고, 상기 q=1 이며, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 1 필터부에 입력 되고, 상기 제 1 필터부가 출력하는 제 1 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 2 필터부에 입력 되며, 상기 제 2 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 1 주파수 추적부에 입력되는 것이 바람직하다.
상기 p=3 이고, 상기 q=2 이며, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 제 2 필터부의 제 1 출력 신호의 차이 신호와 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 제 1 필터부에 입력 되고, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 필터부의 제 1 출력 신호의 차이 신호와 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수에 소정의 게인(h)이 곱해진 증배된 각주파수가 제 2 필터부에 입력 되며, 상기 제 1 필터부가 출력하는 제 1 출력 신호와 제 2 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 3 필터부에 입력 되며, 상기 제 3 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 2 주파수 추적부에 입력되는 것이 바람직하다.
상기 h=5 인 것이 바람직하다.
상기 전류 측정부는, 상기 측정된 상전류를 소정의 주파수 대역만 통과시키는 밴드 패스 필터를 더 포함하고, 상기 밴드 패스 필터의 대역 통과 주파수는 상기 각속도 추정부의 출력인 상기 모터 회전자 추정 각속도에 기초하여 설정되는 것이 바람직하다.
상기 전류 제어기는, 상기 고정자 전류 크기 지령치(Is*)와 상기 고정자 전류 벡터의 크기(Is)의 오차에 대하여 비례 제어기, 적분 제어기, 및 미분 제어기 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 전압지령 연산부는, 상기 전류 제어기 출력에 상기 모터 회전자 추정 각속도와 상기 모터의 회전자 자속을 곱한 값을 더해서 동기좌표계 q상 전압 지령을 생성하고, 상기 모터 회전자 추정 각속도, 상기 모터의 q상 인덕턴스 및 상기 상기 고정자 전류 벡터의 크기(Is)를 곱하여 동기좌표계 d상 전압 지령을 생성하며, 상기 고정자 전류 벡터의 위상 정보를 이용하여 상기 동기좌표계 d상 및 q상 전압 지령을 정지좌표계의 3상 전압 지령으로 변환하여 상기 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명은, 속도 센서리스 모터 구동 시스템을 포함하고, 상기 모터는 영구 자석 동기 발전기인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템을 제공한다.
이하, 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 모터 회전자의 속도 또는 위치에 대한 센서 없이, 모터에 인가되는 전류 측정만으로, 간단하고, 정확하게 모터의 회전자 속도를 추정할 수 있는 효과가 있다.
(2) 전류 벡터의 위상과 전류 제어기 동기좌표계의 위상을 일치시킴으로써 전류 벡터 크기만을 하나의 전류제어기로 모터(또는 발전기)의 토크를 제어할 수 있는 효과가 있다.
(3) 모터의 동작온도에 따라 예측 불가능하게 넓은 범위에서 변화할 수 있는 모터의 고정자 저항에 대한 정보를 이용하지 않음으로 인해 파라미터 불확실성에 대하여 강인한 특성을 나타내는 효과가 있다.
도 1은 종래의 풍력 발전 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에서 제안된 속도 센서리스 모터 구동 시스템의 실시예를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명에서 제안된 각속도 추정부의 제 1 실시예를 도시한 것이다.
도 3b는 본 발명에서 제안된 각속도 추정부의 제 2 실시예를 도시한 것이다.
도 3c는 본 발명에서 제안된 각속도 추정부의 제 3 실시예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에서 제안된 속도 센서리스 모터 구동 시스템을 이용한 풍력 발전 시스템의 실시예를 도시한 것이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ~사이에와 바로 ~사이에 또는 ~에 인접하는과 ~에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 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. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 종래 풍력 발전 시스템에서 영구 자석 동기 발전기의 종래 센서리스 FOC(Field-Oriented control) 방법을 나타내었다. 여기서, MPPT(maximum power point tracking) 제어를 위해서는 모터의 회전자 속도 정보가 반드시 필요하다. 종래의 센서리스 FOC는 동기좌표계에서 외부루프에 속도 제어기, 내부루프에 2개의 전류제어기를 구비한다. q상 전류 지령치는 MPPT제어기에 의해서 결정되고, d상 전류 지령치는 0으로 설정될 수 있다.
도 2는 본 발명의 속도 센서리스 모터 구동 시스템을 나타낸다. 도 2 에 나타낸 바와 같이, 본 발명은, 속도 센서리스 모터 구동 시스템으로서, 상기 모터에 인가할 고정자 전류의 크기 지령치(Is*)를 생성하는 전류 크기 지령치 생성부(1100), 3상 교류 모터에 인가되는 3상 전류들 중 적어도 두 개의 상 전류를 측정하는 전류 측정부(1200), 상기 측정된 상 전류를 기초로 고정자 전류 벡터의 크기(Is)와 위상 정보를 산출하는 전류 벡터 산출부(1300), 상기 고정자 전류 벡터의 위상에 기초한 정보를 기초로 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하는 각속도 추정부(1400), 상기 고정자 전류 크기 지령치(Is*)와 상기 고정자 전류 벡터의 크기(Is)를 기초로 상기 모터의 고정자 전류를 제어하는 전류 제어기(1500), 상기 전류 제어기 출력과 상기 고정자 전류 벡터의 위상을 기초로 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 연산부(1600)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 전류 크기 지령치 생성부(1100)는 MPPT제어의 출력인 토크 지령치로부터 전류의 크기를 설정할 수 있다.
전류 측정부(1200)은 복수의 상 전류를 측정하고, 이를 기초로 정지좌표계(αβ)상의 전류 벡터(iα’, iβ’)를 출력할 수 있다. 전류 벡터 산출부는 전류 벡터의 크기와 위상 정보를 출력하는데, 위상 정보는
Figure 112019019347075-pat00001
,
Figure 112019019347075-pat00002
,및
Figure 112019019347075-pat00003
중 적어도 하나일 수 있다. 다만, 도 2에 나타낸 바와 같이
Figure 112019019347075-pat00004
성분을 이용하면, 별도로 부가적인 계산을 할 필요가 없는 점에서 계산량을 줄이고, 상대적으로 저가의 CPU를 이용할 수 있는 가능성을 높이는 효과가 있다.
상기 각속도 추정부는, 상기 고정자 전류 벡터의 위상에 기초한 신호를 입력신호로 받고, 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하되, 상기 입력 신호를 수신하고, 상기 입력 신호와 위상은 동기되고 주파수는 n배인 고주파 신호를 생성하는 주파수 증배기(frequency multiplier), 상기 주파수 증배기의 출력 신호를 입력 받고, 입력 받은 신호의 각주파수를 산출하여, 추정 각주파수를 출력하는 주파수 추정부, 및 상기 추정 각주파수를 n으로 나누어, 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하는 주파수 분주기(frequency demultiplier)를 포함하고, 여기서, n≥1 인 것이 일반적이며, n≥8 인 것이 더욱 바람직하다
이러한 특징으로 인하여, 모터의 동작온도에 따라 예측불가능하게 넓은 범위에서 변화할 수 있는 모터의 고정자 저항에 대한 정보를 이용하지 않음으로 인해 파라미터 불확실성에 대하여 강인한 특성을 나타내는 효과가 있다. 또한, 주파수 증배기와 분주기를 사용함으로써 주파수 추정부의 응답속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하는 주파수 추정부(1420)에 대하여 자세히 설명한다. 도 3a 내지 3c는 각각 주파수 추정부의 제 1 내지 3 실시예를 나타내었다.
도 3a 내지 3c에 나타낸 바와 같이, 상기 주파수 추정부는, 제 1 내지 p 필터부(1421-1~p) 및 제 1 내지 q 주파수 추적부(1422-1~q)를 포함하고, 상기 제 1 내지 p 필터부는 각각 소정의 입력 신호 및 각주파수를 입력 받고, 상기 입력 신호에 기초한 제 1 출력 신호, 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호를 출력하고, 상기 제 1 내지 q 주파수 추적부는 각각 상기 제 1 내지 p 필터부 중 어느 한 필터부의 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호를 입력 받고, 제 1 오차신호를 주파수 추적부의 이득을 곱하여 적분함으로써 각주파수를 출력한다. 여기서, 주파수 추적부의 이득은 주파수 추적부의 특성방정식을 통해 얻을 수 있다. 수학식1의 분모에 해당하는 특성방정식과 수학식2를 같다고 두면 수학식3을 얻을 수 있다. 여기서
Figure 112019019347075-pat00005
인 것을 특징으로 한다. 여기서, p≥q≥1 인 것을 특징으로 할 수 있다.
[수학식1]
Figure 112019019347075-pat00006
[수학식2]
Figure 112019019347075-pat00007
[수학식3]
Figure 112019019347075-pat00008
상기 제 1 내지 p 필터부 중 어느 하나인 제 i 필터부는, 상기 제 i 필터부의 입력 신호와 상기 제 i 필터부의 제 1 출력 신호간 차이인 상기 제 1 오차 신호를 생성하는 제 1 오차 신호 생성부, 상기 제 1 오차 신호에 소정의 제 1 게인(k)를 곱하는 제 1 곱셈부, 상기 제 1 곱셈부의 출력 신호와 상기 제 i 필터부의 제 2 출력 신호의 차이인 제 2 오차 신호를 생성하는 제 2 오차 신호 생성부, 상기 제 2 오차 신호와 상기 제 i 필터부 입력인 각주파수를 곱하는 제 2 곱셈부, 상기 제 2 곱셈부의 출력 신호를 적분하여 상기 제 1 출력 신호를 생성하는 제 1 적분기, 상기 제 1 적분기의 출력 신호를 적분하는 제 2 적분기, 및 상기 제 2 적분기의 출력 신호에 상기 제 i 필터부 입력인 각주파수를 곱하여 상기 제 2 출력 신호를 생성하는 제 3 곱셈부를 포함하며, 여기서, p≥i≥1 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제 1 내지 q 주파수 추적부 중 어느 하나인 상기 제 j 주파수 추적부는, 상기 제 j 주파수 추적부의 입력인 상기 제 1 오차 신호와 상기 제 2 출력 신호를 곱하는 제 4 곱셈부, 상기 제 4 곱셈부의 출력 신호에 소정의 제 2 게인(γ)를 곱하는 제 5 곱셈부, 및 상기 제 5 곱셈부의 출력을 적분하여 상기 각주파수를 산출하는 제 3 적분기를 포함하며, 여기서, q≥j≥1 인 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 전류 측정에서 노이즈와 dc옵셋을 필터링 할 수 있는 효과가 있다. 또한 회전자 속도를 PLL이 아닌 주파수 추적부(FLL)를 이용함으로써 보다 위상에 영향을 받지 않고 바로 주파수를 추적하고 주파수로부터 모터의 회전자 속도를 산출하는 점에서 장점이 있다.
[제 1 실시예]
도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 p=1 이고, 상기 q=1 이며, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 1 필터부에 입력 되고, 상기 제 1 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 1 주파수 추적부에 입력되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 간단하게 주파수 추정부를 구현할 수 있는 효과가 있다.
[제 2 실시예]
도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 p=2 이고, 상기 q=1 이며, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 1 필터부에 입력 되고, 상기 제 1 필터부가 출력하는 제 1 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 2 필터부에 입력 되며, 상기 제 2 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 1 주파수 추적부에 입력되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서 제 1 필터부는 밴드 패스 필터 역할을 제 2 필터부는 제 1 주파수 추적부와 결합하여 각주파수를 추적함을 알 수 있다.
이러한 특징으로 인하여, 필터 차수를 증가시켜 고조파 성분을 제거하는 성능을 향상시키는 효과가 있다.
[제 3 실시예]
도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 p=3 이고, 상기 q=2 이며, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 제 2 필터부의 제 1 출력 신호의 차이 신호와 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 제 1 필터부에 입력 되고, 상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 필터부의 제 1 출력 신호의 차이 신호와 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수에 소정의 게인(h)이 곱해진 증배된 각주파수가 제 2 필터부에 입력 되며, 상기 제 1 필터부가 출력하는 제 1 출력 신호와 제 2 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 3 필터부에 입력 되며, 상기 제 3 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 2 주파수 추적부에 입력되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 h=5 인 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 제 1, 2 필터부는 병렬로 연결되어 각각 기본파 성분과 5차 고조파 성분을 추출하고, 추출된 5차 고조파 성분을 제 1 필터부 입력에서 감산함으로써 고조파에 의한 영향을 더욱 줄일 수 있는 효과가 있다. 5차 고조파는 고조파 전류 중에서 가장 많은 부분을 차지하는 점에서 이러한 특징으로 인하여, 고조파 영향을 더욱 효과적으로 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 전류 측정부는, 상기 측정된 상전류를 소정의 주파수 대역만 통과시키는 밴드 패스 필터를 더 포함하고, 상기 밴드 패스 필터의 대역 통과 주파수는 상기 각속도 추정부의 출력인 상기 모터 회전자 추정 각속도에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전류 제어기는, 상기 고정자 전류 크기 지령치(Is*)와 상기 고정자 전류 벡터의 크기(Is)의 오차에 대하여 비례 제어기, 적분 제어기, 및 미분 제어기 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 전압지령연산부는, 상기 전류 제어기 출력에 상기 모터 회전자 추정 각속도와 상기 모터의 회전자 자속을 곱한 값을 더해서 동기좌표계 q상 전압 지령을 생성하고, 상기 모터 회전자 추정 각속도, 상기 모터의 q상 인덕턴스 및 상기 상기 고정자 전류 벡터의 크기(Is)를 곱하여 동기좌표계 d상 전압 지령을 생성하며, 상기 고정자 전류 벡터의 위상 정보를 이용하여 상기 동기좌표계 d상 및 q상 전압 지령을 정지좌표계의 3상 전압 지령으로 변환하여 상기 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명은, 속도 센서리스 모터 구동 시스템을 포함하고, 상기 모터는 영구 자석 동기 발전기인 것을 특징으로 할 수 있다.
1000 : 속도 센서리스 모터 구동 시스템
1100 : 전류 크기 지령치 생성부
1200 : 전류 측정부
1211, 1212 : 밴드 패스 필터
1300 : 전류 벡터 산출부
1400 : 각속도 추정부
1410 : 주파수 증배기
1420 : 주파수 추정부
1430 : 주파수 분주기
1500 : 전류 제어기
1600 : 전압 지령 연산부
1610 : dq/abc(동기/3상) 좌표 변환기

Claims (10)

  1. 속도 센서리스 모터 구동 시스템으로서,
    상기 모터에 인가할 고정자 전류의 크기 지령치(Is*)를 생성하는 전류 크기 지령치 생성부(1100),
    3상 교류 모터에 인가되는 3상 전류들 중 적어도 두 개의 상 전류를 측정하는 전류 측정부(1200),
    상기 측정된 상 전류를 기초로 고정자 전류 벡터의 크기(Is)와 위상 정보를 산출하는 전류 벡터 산출부(1300),
    상기 고정자 전류 벡터의 위상에 기초한 정보를 기초로 상기 모터의 회전자 추정 각속도를 산출하는 각속도 추정부(1400),
    상기 고정자 전류 크기 지령치(Is*)와 상기 고정자 전류 벡터의 크기(Is)를 기초로 상기 모터의 고정자 전류를 제어하는 전류 제어기(1500),
    상기 전류 제어기의 출력과 상기 고정자 전류 벡터의 위상을 기초로 모터에 인가할 전압 지령치를 생성하는 전압 지령 연산부(1600)를 포함하며,
    상기 각속도 추정부는,
    상기 고정자 전류 벡터의 위상에 기초한 신호를 입력신호로 받고, 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하되,
    상기 입력 신호를 수신하고, 상기 입력 신호와 위상은 동기되고 주파수는 n배인 고주파 신호를 생성하는 주파수 증배기(frequency multiplier),
    상기 주파수 증배기의 출력 신호를 입력 받고, 입력 받은 신호의 각주파수를 산출하여, 추정 각주파수를 출력하는 주파수 추정부, 및
    상기 추정 각주파수를 n으로 나누어, 상기 모터 회전자 추정 각속도를 산출하는 주파수 분주기(frequency demultiplier)를 포함하고,
    여기서, n≥1 인 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    n≥8 인 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 주파수 추정부는,
    제 1 내지 p 필터부 및 제 1 내지 q 주파수 추적부를 포함하고,
    상기 제 1 내지 p 필터부는 각각 소정의 입력 신호 및 각주파수를 입력 받고, 상기 입력 신호에 기초한 제 1 출력 신호, 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호를 출력하고,
    상기 제 1 내지 q 주파수 추적부는 각각 상기 제 1 내지 p 필터부 중 어느 한 필터부의 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호를 입력 받고, 각주파수를 출력하며,
    여기서, p≥q≥1 인 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 p 필터부 중 어느 하나인 제 i 필터부는,
    상기 제 i 필터부의 입력 신호와 상기 제 i 필터부의 제 1 출력 신호간 차이인 상기 제 1 오차 신호를 생성하는 제 1 오차 신호 생성부,
    상기 제 1 오차 신호에 소정의 제 1 게인(k)를 곱하는 제 1 곱셈부,
    상기 제 1 곱셈부의 출력 신호와 상기 제 i 필터부의 제 2 출력 신호의 차이인 제 2 오차 신호를 생성하는 제 2 오차 신호 생성부,
    상기 제 2 오차 신호와 상기 제 i 필터부 입력인 각주파수를 곱하는 제 2 곱셈부,
    상기 제 2 곱셈부의 출력 신호를 적분하여 상기 제 1 출력 신호를 생성하는 제 1 적분기,
    상기 제 1 적분기의 출력 신호를 적분하는 제 2 적분기, 및
    상기 제 2 적분기의 출력 신호에 상기 제 i 필터부 입력인 각주파수를 곱하여 상기 제 2 출력 신호를 생성하는 제 3 곱셈부를 포함하며,
    여기서, p≥i≥1 인 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 q 주파수 추적부 중 어느 하나인 상기 제 j 주파수 추적부는,
    상기 제 j 주파수 추적부의 입력인 상기 제 1 오차 신호와 상기 제 2 출력 신호를 곱하는 제 4 곱셈부,
    상기 제 4 곱셈부의 출력 신호에 소정의 제 2 게인(γ)를 곱하는 제 5 곱셈부, 및
    상기 제 5 곱셈부의 출력을 적분하여 상기 각주파수를 산출하는 제 3 적분기를 포함하며,
    여기서, q≥j≥1 인 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 p=1 이고, 상기 q=1 이며,
    상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 1 필터부에 입력 되고,
    상기 제 1 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 1 주파수 추적부에 입력되는 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 p=2 이고, 상기 q=1 이며,
    상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 1 필터부에 입력 되고,
    상기 제 1 필터부가 출력하는 제 1 출력 신호와 상기 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 2 필터부에 입력 되며,
    상기 제 2 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 1 주파수 추적부에 입력되는 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 p=3 이고, 상기 q=2 이며,
    상기 주파수 증배기의 출력 신호와 제 2 필터부의 제 1 출력 신호의 차이 신호와 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 제 1 필터부에 입력 되고,
    상기 주파수 증배기의 출력 신호와 상기 제 1 필터부의 제 1 출력 신호의 차이 신호와 제 1 주파수 추적부가 출력하는 각주파수에 소정의 게인(h)이 곱해진 증배된 각주파수가 제 2 필터부에 입력 되며,
    상기 제 1 필터부가 출력하는 제 1 출력 신호와 제 2 주파수 추적부가 출력하는 각주파수가 상기 제 3 필터부에 입력 되며,
    상기 제 3 필터부가 출력하는 제 2 출력 신호 및 제 1 오차 신호가 상기 제 2 주파수 추적부에 입력되는 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
  10. 제 1 항, 제 3 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 측정부는,
    상기 측정된 상전류를 소정의 주파수 대역만 통과시키는 밴드 패스 필터를 더 포함하고,
    상기 밴드 패스 필터의 대역 통과 주파수는 상기 각속도 추정부의 출력인 상기 모터 회전자 추정 각속도에 기초하여 설정되는 것
    을 특징으로 하는 속도 센서리스 모터 구동 시스템.
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