KR102323120B1 - Method for controlling velocity for ipmsm based disturbance observer, recording medium and device for performing the method - Google Patents

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Abstract

영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법은, 영구자석 동기전동기의 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가지는 모터 모델의 역함수를 기초로 외란 관측기를 구성하는 단계; 외란의 주파수를 기초로 상기 외란 관측기의 게인을 설정하는 단계; 상기 영구자석 동기전동기의 구동 중 보조 변수 동역학 수식을 통해 상기 외란 관측기로부터 i번째 보조 상태변수를 계산하는 단계; 상기 i번째 보조 상태변수를 이용하여 i번째 상태변수의 외란 추정치를 도출하는 단계; 및 상기 i번째 상태변수의 외란 추정치를 이용하여 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 모터 모델의 역모델로 구축한 외란 관측부의 보조 변수를 통하여 측정값의 미분을 이용하지 않아 측정 노이즈의 영향이 낮으며, 비선형 댐핑 이득 기법을 이용하여 외란이 인가 되었을 때 속도 제어 루프에 외란의 영향을 줄일 수 있다.A speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor comprises: constructing a disturbance observer based on an inverse function of a motor model having i (where i is a natural number) state variables of a permanent magnet synchronous motor; setting a gain of the disturbance observer based on the frequency of the disturbance; calculating an i-th auxiliary state variable from the disturbance observer through an auxiliary variable dynamics equation during driving of the permanent magnet synchronous motor; deriving a disturbance estimate of the i-th state variable using the i-th auxiliary state variable; and controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor by using the disturbance estimate of the i-th state variable. Accordingly, the influence of measurement noise is low because the differential of the measured value is not used through the auxiliary variable of the disturbance observation unit built as an inverse model of the motor model. It can reduce the impact of disturbance.

Description

영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{METHOD FOR CONTROLLING VELOCITY FOR IPMSM BASED DISTURBANCE OBSERVER, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}Method for controlling speed based on disturbance observer for permanent magnet synchronous motor, recording medium and apparatus for performing the same

본 발명은 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)에서 외란에 대한 강인성을 증가시키기 위한 모델 기반 IPMSM 외란 관측기와 속도 제어기 설계를 제공하는 것이다.The present invention relates to a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor, a recording medium and an apparatus for performing the same, and more particularly, in an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM). To provide a model-based IPMSM disturbance observer and velocity controller design to increase the robustness against disturbance.

IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, 매입형 영구자석 동기전동기)의 토크는 영구자석의 토크 성분과 더불어 릴럭턴스 토크가 함께 발생한다. 이러한 릴럭턴스 성분을 사용하기 때문에 q축 전류만을 이용해 토크를 내는 SPMSM과는 다르게, IPMSM은 토크를 발생시키기 위해서 q축, d축 전류 성분을 모두 이용한다.In the torque of IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor), the reluctance torque is generated together with the torque component of the permanent magnet. Unlike SPMSM, which uses only q-axis current to generate torque because such a reluctance component is used, IPMSM uses both q-axis and d-axis current components to generate torque.

IPMSM에서는 내부의 파라메터의 변화나 외부에서 영향을 미치는 잡음에 의하여 모델의 특성이 변화되어 기존의 제어기 성능에 부정적인 영향을 미치는 경우가 있다.In IPMSM, there are cases where the characteristics of the model are changed due to changes in internal parameters or noise affecting the outside, which has a negative effect on the performance of the existing controller.

PMSM의 경우 다양한 목적으로 사용되는데 속도 제어 및 토크 제어를 위해서 다양한 PI 제어기법들이 제작되었다. 영구자석이 회전하면서 스테이터에 유도되는 자속과 전류가 상호작용을 하면서 역기전력에 비선형성을 나타내기도 한다.PMSM is used for various purposes, and various PI control methods have been prepared for speed control and torque control. As the permanent magnet rotates, the magnetic flux induced in the stator interacts with the current, resulting in nonlinearity in the back electromotive force.

또한, 모터의 온도변화에 따른 스테이터 내부의 저항 및 인덕턴스 변화가 나타난다. 이러한 내부의 파라메터 변화 및 외부 요인에 의한 시스템 특성이 바뀌었을 때를 외란이라 하며, 이로 인하여 시스템의 안정도를 잃어 버릴 수 있는 문제가 있다. In addition, resistance and inductance changes within the stator according to the temperature change of the motor appear. When the system characteristics are changed by such internal parameter changes and external factors, it is called disturbance, and there is a problem that the stability of the system may be lost due to this.

또한, 로드 토크 및 모터 인버터 단의 저항 성분, 인덕턴스 성분 및 커패시턴스 성분들이 생성되면 외부 외란이 적용되어 이 또한 시스템의 안정도에 영향을 미친다.In addition, when the load torque and resistance component, inductance component, and capacitance component of the motor inverter stage are generated, external disturbance is applied, which also affects the stability of the system.

이러한 단점을 보완하기 위해 외란 보상을 위하여 룩 업 테이블(Look up table)을 이용한 기법이 사용되었다. 그러나, 룩 업 테이블 기법의 경우 다양한 경우의 수에 따른 모든 실험적인 데이터를 얻어야 하므로 시간 및 인력의 소모가 매우 크다. To compensate for this drawback, a technique using a look-up table was used for disturbance compensation. However, in the case of the lookup table technique, since all experimental data according to the number of various cases must be obtained, time and manpower consumption are very large.

한편, 일반적인 외란 보상기의 경우 각 신호의 미분 값이 필요하기 때문에 고주파 노이즈가 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위하여 저주파 통과 필터를 추가적으로 설계하는 경우도 있다.On the other hand, in the case of a general disturbance compensator, since a differential value of each signal is required, there is a problem in that high-frequency noise is generated. In order to compensate for this problem, a low-pass filter is additionally designed in some cases.

또한, 외란을 보상한 후에도 보상되지 않은 성분을 기존제어기로 억제할 때 고정된 이득으로 인한 섭동효과가 전체 시스템 루프에 영향을 미치는 문제점이 발생한다.In addition, even after compensating for disturbance, when the non-compensated component is suppressed by the existing controller, there is a problem that the perturbation effect due to the fixed gain affects the entire system loop.

KR 0491665 B1KR 0491665 B1 KR 2019-0064832 AKR 2019-0064832 A US 6825637 B1US 6825637 B1

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 외란에 따라 현재의 외란 추정치를 생성하여 보상하는 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor that generates and compensates a current disturbance estimate according to disturbance.

본 발명의 다른 목적은 상기 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a recording medium in which a computer program for performing a speed control method based on the disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor is recorded.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus for performing a speed control method based on the disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법은, 영구자석 동기전동기의 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가지는 모터 모델의 역함수를 기초로 외란 관측기를 구성하는 단계; 외란의 주파수를 기초로 상기 외란 관측기의 게인을 설정하는 단계; 상기 영구자석 동기전동기의 구동 중 보조 변수 동역학 수식을 통해 상기 외란 관측기로부터 i번째 보조 상태변수를 계산하는 단계; 상기 i번째 보조 상태변수를 이용하여 i번째 상태변수의 외란 추정치를 도출하는 단계; 및 상기 i번째 상태변수의 외란 추정치를 이용하여 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계를 포함한다.A speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment for realizing the object of the present invention is a motor having i (here, i is a natural number) state variables of the permanent magnet synchronous motor. constructing a disturbance observer based on the inverse function of the model; setting a gain of the disturbance observer based on the frequency of the disturbance; calculating an i-th auxiliary state variable from the disturbance observer through an auxiliary variable dynamics equation during driving of the permanent magnet synchronous motor; deriving a disturbance estimate of the i-th state variable using the i-th auxiliary state variable; and controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor by using the disturbance estimate of the i-th state variable.

본 발명의 실시예에서, 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는, 외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 영구자석 동기전동기의 속도 정보를 비교하여 속도 오차를 연산하는 단계; 및 상기 속도 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 속도 추정치를 기초로 전류 지령을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the controlling of the speed of the permanent magnet synchronous motor includes: calculating a speed error by comparing a speed command received from the outside with speed information of the permanent magnet synchronous motor; and outputting a current command based on the velocity error and a velocity estimate of the disturbance received from the disturbance observer.

본 발명의 실시예에서, 상기 전류 지령은 외란의 영향을 제거하는 항과 비선형 댐핑 함수를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the current command may include a term for removing the influence of disturbance and a nonlinear damping function.

본 발명의 실시예에서, 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는, 상기 영구자석 동기전동기의 전류 정보 및 위치 정보와 상기 전류 지령을 비교하여 전류 오차를 연산하는 단계; 및 상기 전류 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 전류 추정치를 기초로 상기 영구자석 동기전동기를 제어하는 전압 지령을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the controlling of the speed of the permanent magnet synchronous motor includes: calculating a current error by comparing the current information and position information of the permanent magnet synchronous motor with the current command; and outputting a voltage command for controlling the permanent magnet synchronous motor based on the current error and the current estimate of the disturbance received from the disturbance observer.

본 발명의 실시예에서, 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는, 상기 전압 지령을 상기 영구자석 동기전동기에 인가되는 입력 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor may further include converting the voltage command into an input signal applied to the permanent magnet synchronous motor.

본 발명의 실시예에서, 상기 모터 모델은 속도, d축 전류 및 q축 전류의 상태변수로 구성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the motor model may be composed of state variables of speed, d-axis current, and q-axis current.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다. A computer program for performing a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor is recorded in a computer-readable storage medium according to an embodiment for realizing another object of the present invention.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치는, 영구자석 동기전동기의 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가지는 모터 모델의 역함수 및 외란의 주파수를 기초로 게인이 설정되며, 상기 영구자석 동기전동기의 구동 중 보조 변수 동역학 수식을 통해 i번째 보조 상태변수를 계산하여 i번째 상태변수의 외란 추정치를 도출하는 외란 관측기; 외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란 추정치로부터 전류 지령을 출력하는 제1 제어기; 및 상기 제1 제어기로부터 전달받는 전류 지령과 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란 추정치로부터 상기 영구자석 동기전동기를 제어하는 전압을 출력하는 제2 제어기;를 포함한다.A speed control device based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment for realizing another object of the present invention, i (here, i is a natural number) state variables of the permanent magnet synchronous motor The gain is set based on the inverse function of the motor model and the frequency of the disturbance, and the disturbance that derives the disturbance estimate of the i-th state variable by calculating the i-th auxiliary state variable through the auxiliary variable dynamics equation during operation of the permanent magnet synchronous motor observer; a first controller for outputting a current command from the speed command received from the outside and the disturbance estimate received from the disturbance observer; and a second controller configured to output a voltage for controlling the permanent magnet synchronous motor from the current command received from the first controller and the disturbance estimate received from the disturbance observer.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 제어기는, 외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 영구자석 동기전동기의 속도 정보를 비교하여 속도 오차를 연산하고, 상기 속도 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 속도 추정치를 기초로 전류 지령을 출력할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first controller calculates a speed error by comparing the speed command received from the outside and speed information of the permanent magnet synchronous motor, and the speed error and the speed of the disturbance received from the disturbance observer. A current reference can be output based on the estimate.

본 발명의 실시예에서, 상기 전류 지령은 외란의 영향을 제거하는 항과 비선형 댐핑 함수를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the current command may include a term for removing the influence of disturbance and a nonlinear damping function.

본 발명의 실시예에서, 상기 제2 제어기는, 상기 영구자석 동기전동기의 전류 정보 및 위치 정보와 상기 제1 제어기로부터 출력되는 전류 지령을 비교하여 전류 오차를 연산하고, 상기 전류 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 전류 추정치를 기초로 상기 영구자석 동기전동기를 제어하는 전압 지령을 출력할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the second controller calculates a current error by comparing the current information and position information of the permanent magnet synchronous motor with a current command output from the first controller, and the current error and the disturbance observer A voltage command for controlling the permanent magnet synchronous motor may be output based on the estimated current of the disturbance received from the .

본 발명의 실시예에서, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치는, 상기 제2 제어기로부터 전달받는 전압을 상기 영구자석 동기전동기에 인가되는 입력 신호로 변환하는 인버터를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the speed control device based on the disturbance observer for the permanent magnet synchronous motor may further include an inverter converting the voltage received from the second controller into an input signal applied to the permanent magnet synchronous motor. can

본 발명의 실시예에서, 상기 모터 모델은 속도, d축 전류 및 q축 전류의 상태변수로 구성될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the motor model may be composed of state variables of speed, d-axis current, and q-axis current.

이와 같은 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법에 따르면, 설계 단계에서 주파수 해석을 통해 모터 모델에 대한 역모델로 구축한 외란 관측부의 게인을 설정함으로써 튜닝인자를 줄일 수 있으며, 보조 상태변수를 통하여 측정값의 미분을 이용하지 않아 측정 노이즈의 영향이 낮다.According to the speed control method based on the disturbance observer for permanent magnet synchronous motors, the tuning factor can be reduced by setting the gain of the disturbance observer built as an inverse model to the motor model through frequency analysis at the design stage, and The influence of measurement noise is low because the differential of the measured value is not used through the state variable.

또한, 비선형 댐핑 이득 기법을 이용하여 외란이 인가 되었을 때 속도 제어 루프에 외란의 영향을 줄일 수 있으며, 모터의 속도 제어가 필요한 시스템에 연동될 때 모터의 작동 안정성이 보장된 상태에서 제어 응답성이 향상된다.In addition, it is possible to reduce the effect of disturbance on the speed control loop when the disturbance is applied by using the nonlinear damping gain technique, and when the motor speed control is interlocked with the system, the control response is improved while the operation stability of the motor is ensured. is improved

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 외란 관측기의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 도 3의 영구자석 동기전동기의 속도를 제어 방법에 대한 상세 흐름도이다.
1 is a block diagram of a speed control device based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of the disturbance observer of FIG. 1 .
3 is a flowchart of a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention.
4 is a detailed flowchart of a method for controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor of FIG. 3 .

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0023] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치의 블록도이다. 도 2는 도 1의 외란 관측기에 대한 개념도이다.1 is a block diagram of a speed control device based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a conceptual diagram of the disturbance observer of FIG. 1 .

본 발명에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치(1, 이하 IPMSM 속도 제어 장치)는 가상의 보조 상태변수를 이용하여 일반적인 외란 관측기와는 다르게 각 센싱값의 미분값을 사용하지 않고 현재 값만 사용하기 때문에 노이즈에 오염이 적은 관측기 값을 얻을 수 있다. The speed control device (hereinafter referred to as IPMSM speed control device) based on the disturbance observer for permanent magnet synchronous motor according to the present invention uses a virtual auxiliary state variable to use the differential value of each sensing value differently from the general disturbance observer. Since only the current value is used instead of not, it is possible to obtain an observer value with less noise pollution.

또한, 관측된 외란을 이용하여 비선형 감쇠 이득을 통해 제어 입력을 설계함에 따라 외란에 매우 강인하게 영구자석 동기전동기의 속도를 제어할 수 있다.In addition, by designing a control input through a nonlinear damping gain using the observed disturbance, it is possible to control the speed of the permanent magnet synchronous motor very robustly to the disturbance.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 IPMSM 속도 제어 장치(1)는 영구자석 동기전동기(70, 이하 IPMSM)의 속도를 제어하기 위해, 외란 관측기(90), 제1 제어기(10) 및 제2 제어기(30)를 포함한다. 상기 외란 관측기(90), 상기 제1 제어기(10) 및 상기 제2 제어기(30)는 상기 IPMSM(70)의 속도를 제어하기 위한 제어 루프(loop)를 형성한다.1, the IPMSM speed control device 1 according to the present invention includes a disturbance observer 90, a first controller 10 and a second to control the speed of a permanent magnet synchronous motor 70 (hereinafter referred to as IPMSM). a controller 30 . The disturbance observer 90 , the first controller 10 and the second controller 30 form a control loop for controlling the speed of the IPMSM 70 .

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따라 상기 IPMSM 속도 제어 장치(1)는 인버터(미도시)를 더 포함할 수 있다.In addition, according to another embodiment of the present invention, the IPMSM speed control device 1 may further include an inverter (not shown).

본 발명의 상기 IPMSM 속도 제어 장치(1)는 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 외란 관측기(90), 상기 제1 제어기(10), 상기 제2 제어기(30) 및 상기 인버터(미도시)의 구성은 상기 IPMSM 속도 제어 장치(1)에서 실행되는 상기 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어를 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다. In the IPMSM speed control device 1 of the present invention, software (application) for performing speed control based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor may be installed and executed, and the disturbance observer 90, the first The configuration of the controller 10, the second controller 30 and the inverter (not shown) is configured to perform speed control based on the disturbance observer for the permanent magnet synchronous motor executed in the IPMSM speed control device 1 . can be controlled by software for

상기 IPMSM 속도 제어 장치(1)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 외란 관측기(90), 상기 제1 제어기(10), 상기 제2 제어기(30) 및 상기 인버터(미도시)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.The IPMSM speed control device 1 may be a separate terminal or a part of a module of the terminal. In addition, the disturbance observer 90 , the first controller 10 , the second controller 30 , and the inverter (not shown) may be configured as an integrated module or may include one or more modules. However, on the contrary, each configuration may be formed of a separate module.

상기 IPMSM 속도 제어 장치(1)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 IPMSM 속도 제어 장치(1)는, 서버(server) 또는 엔진(engine) 형태일 수 있으며, 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. The IPMSM speed control device 1 may be movable or fixed. The IPMSM speed control apparatus 1 may be in the form of a server or an engine, and may be a device, an application, a terminal, a user equipment (UE), or a mobile station (MS). , a wireless device, a handheld device, and the like.

상기 장치(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 상기 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제 및 윈도우 계열, 리눅스 계열, 유닉스 계열, MAC, AIX, HP-UX 등 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.The device 10 may execute or manufacture various software based on an operating system (OS), that is, the system. The operating system is a system program for software to use the hardware of the device, and is a mobile computer operating system such as Android OS, iOS, Windows Mobile OS, Bada OS, Symbian OS, Blackberry OS, and Windows series, Linux series, Unix series, It can include all computer operating systems such as MAC, AIX, and HP-UX.

상기 외란 관측기(90)는 상기 IPMSM(70)의 모터 모델에 대한 역함수를 통하여 설계될 수 있다. 상기 외란 관측기(90)는 설계 단계에서 외란의 주파수를 기초로 게인이 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 게인은 외란의 최대 주파수보다 크게 설정될 수 있다.The disturbance observer 90 may be designed through an inverse function of the motor model of the IPMSM 70 . The gain of the disturbance observer 90 may be set based on the frequency of the disturbance in the design stage. For example, the gain may be set to be greater than the maximum frequency of the disturbance.

일반적인 관측기는 상태 변수를 추종하지만 본 발명에 따른 외란 관측기(90)는 상기 IPMSM(70)의 외란을 관측한다. 또한, 상기 IPMSM(70)의 모터 구동 중 실시간으로 파라메터 변화 혹은 시스템의 외란이 발생하였을 때 발생된 외란을 추종하여 보상한다. A general observer tracks the state variable, but the disturbance observer 90 according to the present invention observes the disturbance of the IPMSM 70 . In addition, when a parameter change or system disturbance occurs in real time while the motor of the IPMSM 70 is driven, the disturbance generated is followed and compensated.

따라서, 상기 외란 관측기(90)는 상기 IPMSM(70)이 적용된 전체 시스템의 안정성을 보장하는 동시에 속도 제어루프에 적용되어 속도 추종 성능을 향상시키는 제어기이다.Accordingly, the disturbance observer 90 is a controller that guarantees the stability of the entire system to which the IPMSM 70 is applied and is applied to the speed control loop to improve the speed tracking performance.

상기 외란 관측기(90)는 IPMSM(70)의 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가지는 모터 모델의 역함수를 기초로 구성되며, 예를 들어, 상기 모터 모델은 속도, d축 및 q축의 전류의 상태변수로 구성된다. IPMSM(70)의 동역학식은 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.The disturbance observer 90 is configured based on the inverse function of a motor model having i (here, i is a natural number) state variables of the IPMSM 70, for example, the motor model is It consists of state variables of current. The dynamic equation of the IPMSM 70 may be defined by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019105543271-pat00001
Figure 112019105543271-pat00001

여기서,

Figure 112019105543271-pat00002
는 속도,
Figure 112019105543271-pat00003
는 d축 전류,
Figure 112019105543271-pat00004
는 q축 전류를 나타내고, 이 경우
Figure 112019105543271-pat00005
Figure 112019105543271-pat00006
,
Figure 112019105543271-pat00007
,
Figure 112019105543271-pat00008
로 정의될 수 있다.here,
Figure 112019105543271-pat00002
is the speed,
Figure 112019105543271-pat00003
is the d-axis current,
Figure 112019105543271-pat00004
represents the q-axis current, in this case
Figure 112019105543271-pat00005
Is
Figure 112019105543271-pat00006
,
Figure 112019105543271-pat00007
,
Figure 112019105543271-pat00008
can be defined as

또한,

Figure 112019105543271-pat00009
는 점성마찰 계수,
Figure 112019105543271-pat00010
은 권선 저항,
Figure 112019105543271-pat00011
는 속도 지령,
Figure 112019105543271-pat00012
는 토크 지령,
Figure 112019105543271-pat00013
은 토크 상수,
Figure 112019105543271-pat00014
는 역기전력 상수,
Figure 112019105543271-pat00015
는 d축 인덕턴스,
Figure 112019105543271-pat00016
는 q축 인덕턴스,
Figure 112019105543271-pat00017
는 d축 전압,
Figure 112019105543271-pat00018
는 q축 전압,
Figure 112019105543271-pat00019
는 i번째 상태변수의 외란으로 정의된다.In addition,
Figure 112019105543271-pat00009
is the coefficient of viscous friction,
Figure 112019105543271-pat00010
silver winding resistance,
Figure 112019105543271-pat00011
is the speed command,
Figure 112019105543271-pat00012
is the torque command,
Figure 112019105543271-pat00013
is the torque constant,
Figure 112019105543271-pat00014
is the back electromotive force constant,
Figure 112019105543271-pat00015
is the d-axis inductance,
Figure 112019105543271-pat00016
is the q-axis inductance,
Figure 112019105543271-pat00017
is the d-axis voltage,
Figure 112019105543271-pat00018
is the q-axis voltage,
Figure 112019105543271-pat00019
is defined as the disturbance of the i-th state variable.

상기 수학식 1로부터 아래의 수학식 2와 같이 상기 IPMSM(70)의 외란을 정의할 수 있다.From Equation 1 above, the disturbance of the IPMSM 70 can be defined as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019105543271-pat00020
Figure 112019105543271-pat00020

상기 수학식 2의 역함수로부터 상기 외란 관측기(90)의 모델이 다음의 수학식 3과 같이 정의된다. From the inverse function of Equation 2, the model of the disturbance observer 90 is defined as Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019105543271-pat00021
Figure 112019105543271-pat00021

여기서,

Figure 112019105543271-pat00022
는 i번째 상태변수의 외란 추정치를 나타내고,
Figure 112019105543271-pat00023
는 i번째 상태변수의 외란 추정 오차를 나타낸다.here,
Figure 112019105543271-pat00022
represents the disturbance estimate of the i-th state variable,
Figure 112019105543271-pat00023
represents the disturbance estimation error of the i-th state variable.

일반적으로 외란은 파라메터의 불확실성과 외부 조건들이다. 전동기와 구동계의 속도, 전류, 전압과 같은 물리적인 최대 한계치가 있기 때문에 대부분의 파라메터 불확실성과 상태 변수의 곱으로 이루어진 외란들은 최대값이 정해져 있다. In general, disturbances are parameter uncertainties and external conditions. Since there are physical maximum limits such as speed, current, and voltage of the motor and drive system, most disturbances made up of the product of parameter uncertainty and state variables have a maximum value.

외란의 한정적인 변화량을 빠르게 추정하기 위하여 높은 이득이 필요하게 된다. 다시 말해, 위의 수학식 3으로 외란 추종기를 설계하면 빠른 응답 특성을 확보하기 위해

Figure 112019105543271-pat00024
을 크게 정한다. 또한, 외란 관측기의 동역학은 각 상태변수의 미분을 포함하고 있기 때문에 측정 잡음이 높은
Figure 112019105543271-pat00025
에 의해 증폭된다.A high gain is required to quickly estimate the limited amount of change in disturbance. In other words, if the disturbance follower is designed with Equation 3 above, in order to secure a fast response characteristic,
Figure 112019105543271-pat00024
set large In addition, since the dynamics of the disturbance observer includes the differentiation of each state variable, the measurement noise is high.
Figure 112019105543271-pat00025
is amplified by

이에, 본 발명에서는 모터 모델에 대한 역함수를 통하여 외란 관측기(90)를 구성하고, 구성된 외란 관측기(90)와 모터 모델을 이용하여 보조 상태변수를 설정하여 측정값의 미분을 사용하지 않는 새로운 연산식을 구성한다. Accordingly, in the present invention, the disturbance observer 90 is configured through the inverse function of the motor model, and the auxiliary state variable is set using the configured disturbance observer 90 and the motor model. make up

도 2를 참조하면, 상기 외란 관측기(90)는 상기 IPMSM(70)의 구동 중 보조 변수 동역학 수식을 통해 i번째 보조 상태변수를 계산하여 i번째 상태변수의 외란 추정치를 도출한다.Referring to FIG. 2 , the disturbance observer 90 derives an estimate of the disturbance of the ith state variable by calculating the i-th auxiliary state variable through the auxiliary variable dynamics equation while the IPMSM 70 is being driven.

상기 제1 제어기(10)는 외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 외란 관측기(90)로부터 전달받는 외란 추정치로부터 전류 지령을 출력한다. The first controller 10 outputs a current command from the speed command received from the outside and the disturbance estimate received from the disturbance observer 90 .

구체적으로, 상기 제1 제어기(10)는 외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 IPMSM(70)의 속도 정보를 비교하여 속도 오차를 연산하고, 상기 속도 오차와 상기 외란 관측기(90)로부터 전달받는 외란의 속도 추정치를 기초로 전류 지령을 출력한다.Specifically, the first controller 10 calculates a speed error by comparing the speed command received from the outside with the speed information of the IPMSM 70 , and calculates the speed error and the disturbance received from the disturbance observer 90 . Outputs a current reference based on the speed estimate.

상기 제2 제어기(30)는 상기 제1 제어기(10)로부터 전달받는 전류 지령과 상기 외란 관측기(90)로부터 전달받는 외란 상기 IPMSM(70)를 제어하는 전압을 출력한다.The second controller 30 outputs a current command received from the first controller 10 and a voltage for controlling the disturbance received from the disturbance observer 90 , the IPMSM 70 .

구체적으로, 상기 제2 제어기(30)는 상기 IPMSM(70)의 전류 정보 및 위치 정보와 상기 제1 제어기(10)로부터 출력되는 전류 지령을 비교하여 전류 오차를 연산하고, 상기 전류 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 전류 추정치를 기초로 상기 IPMSM(70)를 제어하는 전압 지령을 출력한다.Specifically, the second controller 30 compares the current information and location information of the IPMSM 70 with the current command output from the first controller 10 to calculate a current error, and the current error and the disturbance A voltage command for controlling the IPMSM 70 is output based on the current estimate of the disturbance received from the observer.

상기 인버터(미도시)는 상기 제2 제어기(30)로부터 전달받는 전압을 상기 IPMSM(70)에 인가되는 입력 신호로 변환한다.The inverter (not shown) converts the voltage received from the second controller 30 into an input signal applied to the IPMSM 70 .

이하에서는 상기 외란 관측기(90), 상기 제1 제어기(10) 및 상기 제2 제어기(30)의 루프 제어 방법을 수학식들과 함께 설명한다.Hereinafter, a loop control method of the disturbance observer 90 , the first controller 10 , and the second controller 30 will be described together with equations.

아래의 수학식 4는 본 발명이 제안하는 가상 변수로 사용되는 보조 상태변수를 정의하고, 수학식 5는 본 발명에서 새롭게 제안된 보조 상태변수의 동역학을 정의한다.Equation 4 below defines the auxiliary state variable used as a virtual variable proposed by the present invention, and Equation 5 defines the dynamics of the auxiliary state variable newly proposed in the present invention.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019105543271-pat00026
Figure 112019105543271-pat00026

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112019105543271-pat00027
Figure 112019105543271-pat00027

여기서,

Figure 112019105543271-pat00028
는 i번째 보조 상태변수,
Figure 112019105543271-pat00029
는 i번째 보조 상태변수의 외란 관측기에 대한 이득을 나타낸다. here,
Figure 112019105543271-pat00028
is the i-th auxiliary state variable,
Figure 112019105543271-pat00029
is the gain of the i-th auxiliary state variable to the disturbance observer.

이와 같이, 선형변환으로 유도된 보조 상태변수 동역학 식은 상태변수의 미분이 존재 하지 않기 때문에 측정 잡음이

Figure 112019105543271-pat00030
의 곱에 의한 증폭이 발생하지 않는다.As such, the dynamic equation of the auxiliary state variable induced by the linear transformation does not exist, so the measurement noise is
Figure 112019105543271-pat00030
No amplification by the product of

한편, 각 상태 변수에 대한 추종 오차에 대한 정의는 다음의 수학식 6과 같다.Meanwhile, the definition of the tracking error for each state variable is as shown in Equation 6 below.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019105543271-pat00031
Figure 112019105543271-pat00031

여기서,

Figure 112019105543271-pat00032
는 i번째 상태 변수의 추종 오차,
Figure 112019105543271-pat00033
는 d축 전류 지령,
Figure 112019105543271-pat00034
는 q축 전류 지령을 나타낸다.here,
Figure 112019105543271-pat00032
is the tracking error of the i-th state variable,
Figure 112019105543271-pat00033
is the d-axis current command,
Figure 112019105543271-pat00034
represents the q-axis current command.

추종 오차의 시간에 대한 미분 방정식을 전개하면 다음과 같은 수학식 7이 도출된다.When the differential equation of the tracking error with respect to time is developed, the following Equation 7 is derived.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019105543271-pat00035
Figure 112019105543271-pat00035

이를 통해, 상기 제1 제어기(10)의 토크 지령과 상기 제2 제어기(30)의 속도 지령이 아래의 수학식 8과 같이 생성된다. Through this, the torque command of the first controller 10 and the speed command of the second controller 30 are generated as shown in Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112019105543271-pat00036
Figure 112019105543271-pat00036

여기서,

Figure 112019105543271-pat00037
Figure 112019105543271-pat00038
항의 비선형 댐핑 게인의 댐핑항,
Figure 112019105543271-pat00039
는 i 번째 제어기의 이득을 나타낸다.here,
Figure 112019105543271-pat00037
Is
Figure 112019105543271-pat00038
The damping term of the nonlinear damping gain of the term,
Figure 112019105543271-pat00039
is the gain of the i-th controller.

상기 제1 제어기(10)는 속도 제어기 역할을 하며, 토크 지령을 생성하고 속도 외란을 보상한다. 상기 토크 지령은 전류 지령으로 변환될 수 있다. 상기 제2 제어기(30)는 전류 제어기 역할을 하며 전류 외란을 보상하며 전류 오차를 줄임으로써 속도 오차를 안정화한다.The first controller 10 acts as a speed controller, generates a torque command and compensates for speed disturbances. The torque command may be converted into a current command. The second controller 30 serves as a current controller and stabilizes the speed error by compensating for the current disturbance and reducing the current error.

본 발명에서 제안된 외란 관측기(90)는 간단히 외란의 최대 주파수를 계산함으로써 쉽게 이득을 설정할 수 있다. 습득한 이득을 이용하여 속도 제어루프에 비선형 댐핑 함수를 적용한 제어기를 사용하여 강인성을 증가시킨다.The disturbance observer 90 proposed in the present invention can easily set the gain by simply calculating the maximum frequency of the disturbance. By using the acquired gain, the robustness is increased by using a controller that applies a nonlinear damping function to the speed control loop.

다시 말해, 추정된 외란을 사용하여 설계된 제어 입력(-

Figure 112019105543271-pat00040
부분)이 외란의 효과를 제거함으로 제어성능이 개선된다. In other words, the control input (-
Figure 112019105543271-pat00040
part), the control performance is improved by removing the effect of disturbance.

토크 지령은 외란을 제거해주는 수식(-

Figure 112019105543271-pat00041
부분)과 비선형 댐핑 게인(
Figure 112019105543271-pat00042
)으로 구성되었다.
Figure 112019105543271-pat00043
이 커지는 만큼 제어 이득이 커지므로 과도응답 구간에서 빠른 응답 특성을 가지게 한다. 또한, 비선형 댐핑 게인 내에
Figure 112019105543271-pat00044
를 이용하여 외란이 없을 때에도 최소한의 제어 효과를 유지할 수 있도록 설계되었다.The torque command is a formula that eliminates disturbance (-
Figure 112019105543271-pat00041
partial) and nonlinear damping gain (
Figure 112019105543271-pat00042
) is composed of
Figure 112019105543271-pat00043
As the control gain increases, it has a fast response characteristic in the transient response section. Also, within the nonlinear damping gain
Figure 112019105543271-pat00044
It is designed to maintain the minimum control effect even when there is no disturbance.

이러한, 비선형 제어를 통해 외란 및 전류에 대한 추정 오차 및 속도 추정 오차를 줄일 수 있다.Through such non-linear control, it is possible to reduce the estimation error and velocity estimation error for disturbance and current.

본 발명에서 제안된 상기 외란 관측기(90)와 속도 제어기(제1 제어기(10))를 통해, 첫째, 모터 모델에 대한 역모델로 구축된 외란 관측부(90)에서 주파수 해석을 통한 제어기 게인을 설정함으로써 튜닝인자를 줄일 수 있다. Through the disturbance observer 90 and the speed controller (first controller 10) proposed in the present invention, first, the controller gain through frequency analysis in the disturbance observer 90 constructed as an inverse model for the motor model By setting it, the tuning factor can be reduced.

둘째, 본 발명으로 모터 모델의 역모델로 구축한 외란 관측부(90)의 보조 상태변수를 통하여 측정값의 미분을 이용하지 않아 측정 노이즈의 영향이 낮다.Second, the influence of measurement noise is low because the differential of the measured value is not used through the auxiliary state variable of the disturbance observation unit 90 constructed as an inverse model of the motor model according to the present invention.

셋째, 비선형 댐핑 이득 기법을 이용하여 외란이 인가 되었을 때 속도 제어 루프에 외란의 영향을 줄일 수 있도록 설계하였다.Third, it is designed to reduce the effect of disturbance on the speed control loop when disturbance is applied using the nonlinear damping gain technique.

넷째, 본 발명을 모터의 속도 제어가 필요한 시스템에 연동하면 모터의 작동 안정성이 보장된 상태에서 제어 응답성의 향상을 얻을 수 있다.Fourth, if the present invention is linked to a system requiring motor speed control, control responsiveness can be improved in a state in which operation stability of the motor is guaranteed.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법의 흐름도이다. 도 4는 도 3의 영구자석 동기전동기의 속도를 제어 방법에 대한 상세 흐름도이다.3 is a flowchart of a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention. 4 is a detailed flowchart of a method for controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor of FIG. 3 .

본 발명에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법은 가상의 보조 상태변수를 이용하여 일반적인 외란 관측기와는 다르게 각 센싱값의 미분값을 사용하지 않고 현재 값만 사용하기 때문에 노이즈에 오염이 적은 관측기 값을 얻을 수 있다. The speed control method based on the disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to the present invention uses a virtual auxiliary state variable to reduce noise because it does not use the differential value of each sensing value and uses only the current value, unlike the general disturbance observer. Observer values with less pollution can be obtained.

또한, 관측된 외란을 이용하여 비선형 감쇠 이득을 통해 제어 입력을 설계함에 따라 외란에 매우 강인하게 영구자석 동기전동기의 속도를 제어할 수 있다.In addition, by designing a control input through a nonlinear damping gain using the observed disturbance, it is possible to control the speed of the permanent magnet synchronous motor very robustly to the disturbance.

본 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법은, 도 1의 IPMSM 속도 제어 장치(1)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. The speed control method based on the disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor according to the present embodiment may be performed in substantially the same configuration as the IPMSM speed control device 1 of FIG. 1 .

따라서, 도 1의 IPMSM 속도 제어 장치(1)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. 또한, 본 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법은 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.Accordingly, the same components as those of the IPMSM speed control device 1 of FIG. 1 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted. In addition, the speed control method based on the disturbance observer for the permanent magnet synchronous motor according to the present embodiment may be executed by software (application) for performing speed control based on the disturbance observer for the permanent magnet synchronous motor.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법은, 영구자석 동기전동기의 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가지는 모터 모델의 역함수를 기초로 외란 관측기를 구성한다(단계 S1). 3, the speed control method based on the disturbance observer for the permanent magnet synchronous motor according to the present embodiment is the inverse function of the motor model having i (here, i is a natural number) state variables of the permanent magnet synchronous motor. A disturbance observer is constructed as the basis (step S1).

본 발명에서는 모터 구동 중 실시간으로 파라메터 변화 혹은 시스템의 외란이 발생하였을 때 발생된 외란을 추종하여 보상한다. 따라서, 영구자석 동기전동기가 적용된 전체 시스템의 안정성을 보장하는 동시에 속도 제어루프에 적용되어 속도 추종 성능을 향상시킬 수 있다.In the present invention, when a parameter change or system disturbance occurs in real time while driving the motor, the disturbance generated is followed and compensated. Therefore, while ensuring the stability of the entire system to which the permanent magnet synchronous motor is applied, it can be applied to the speed control loop to improve the speed tracking performance.

상기 모터 모델은 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가질 수 있으며, 상기 모터 모델은 속도, d축 전류 및 q축 전류의 상태변수로 구성될 수 있다.The motor model may have i (here, i is a natural number) number of state variables, and the motor model may include state variables of speed, d-axis current, and q-axis current.

구성된 상기 외란 관측기는 외란의 주파수를 기초로 상기 외란 관측기의 게인이 설정될 수 있다(단계 S2). 예를 들어, 상기 게인은 외란의 최대 주파수보다 크게 설정될 수 있다.In the configured disturbance observer, a gain of the disturbance observer may be set based on the frequency of the disturbance (step S2). For example, the gain may be set to be greater than the maximum frequency of the disturbance.

상기 영구자석 동기전동기의 구동 중 보조 변수 동역학 수식을 통해 상기 외란 관측기로부터 i번째 보조 상태변수를 계산하고(단계 S3), 이를 통해 i번째 상태변수의 외란 추정치를 도출한다(단계 S4).During operation of the permanent magnet synchronous motor, the i-th auxiliary state variable is calculated from the disturbance observer through the dynamic equation of the auxiliary variable (step S3), and an estimate of the disturbance of the i-th state variable is derived through this (step S4).

본 발명에서는 보조 상태변수를 설정하여 측정값의 미분을 사용하지 않는 새로운 연산식을 구성하여, 측정 노이즈의 영향을 줄일 수 있다.In the present invention, the influence of measurement noise can be reduced by configuring a new arithmetic expression that does not use the differentiation of the measured value by setting the auxiliary state variable.

상기 i번째 상태변수의 외란 추정치를 이용하여 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어한다(단계 S5). 이 경우, 외란의 영향을 제거하는 항과 비선형 댐핑 함수를 적용한 토크 지령을 도출할 수 있다. 상기 토크 지령은 속도 외란을 보상하고, 상기 토크 지령은 전류 지령으로 변환될 수 있다.The speed of the permanent magnet synchronous motor is controlled using the disturbance estimate of the i-th state variable (step S5). In this case, it is possible to derive a torque command to which a term that removes the influence of disturbance and a nonlinear damping function is applied. The torque command may compensate for a speed disturbance, and the torque command may be converted into a current command.

도 4를 참조하면, 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는, 외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 영구자석 동기전동기의 속도 정보를 비교하여 속도 오차를 연산하고(단계 S51), 상기 속도 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 속도 추정치를 기초로 전류 지령을 출력한다(단계 S52). Referring to FIG. 4 , the step of controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor includes calculating a speed error by comparing a speed command received from the outside with speed information of the permanent magnet synchronous motor (step S51), and the speed error and a current command based on the estimated disturbance velocity received from the disturbance observer (step S52).

또한, 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는, 상기 영구자석 동기전동기의 전류 정보 및 위치 정보와 상기 전류 지령을 비교하여 전류 오차를 연산하고(단계 S53), 상기 전류 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 전류 추정치를 기초로 상기 영구자석 동기전동기를 제어하는 전압 지령을 출력한다(단계 S54).In addition, the step of controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor comprises calculating a current error by comparing the current information and position information of the permanent magnet synchronous motor with the current command (step S53), and the current error and the disturbance observer A voltage command for controlling the permanent magnet synchronous motor is output based on the estimated current of the disturbance received from the S54 (step S54).

상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는, 상기 전압 지령을 상기 영구자석 동기전동기에 인가되는 입력 신호로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.The controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor may further include converting the voltage command into an input signal applied to the permanent magnet synchronous motor.

수학식 8과 같이, 추정된 외란을 사용하여 설계된 제어 입력(-

Figure 112019105543271-pat00045
부분)이 외란의 효과를 제거함으로 제어성능이 개선된다. As shown in Equation 8, a control input designed using the estimated disturbance (-
Figure 112019105543271-pat00045
part), the control performance is improved by removing the effect of disturbance.

토크 지령은 외란을 제거해주는 수식(-

Figure 112019105543271-pat00046
부분)과 비선형 댐핑 게인(
Figure 112019105543271-pat00047
)으로 구성되었다.
Figure 112019105543271-pat00048
이 커지는 만큼 제어 이득이 커지므로 과도응답 구간에서 빠른 응답 특성을 가지게 한다. 또한, 비선형 댐핑 게인 내에
Figure 112019105543271-pat00049
를 이용하여 외란이 없을 때에도 최소한의 제어 효과를 유지할 수 있도록 설계되었다.The torque command is a formula that eliminates disturbance (-
Figure 112019105543271-pat00046
partial) and nonlinear damping gain (
Figure 112019105543271-pat00047
) is composed of
Figure 112019105543271-pat00048
As the control gain increases, it has a fast response characteristic in the transient response section. Also, within the nonlinear damping gain
Figure 112019105543271-pat00049
It is designed to maintain the minimum control effect even when there is no disturbance.

이와 같은 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법에 따르면, 모터 모델에 대한 역모델로 구축한 외란 관측부에서 주파수 해석을 통한 제어기 게인을 설정함으로써 튜닝인자를 줄일 수 있으며, 보조 상태변수를 통하여 측정값의 미분을 이용하지 않아 측정 노이즈의 영향이 낮다.According to the speed control method based on the disturbance observer for permanent magnet synchronous motors, the tuning factor can be reduced by setting the controller gain through frequency analysis in the disturbance observation unit built as an inverse model for the motor model, and the auxiliary state The influence of measurement noise is low because the differential of the measurement value is not used through the variable.

또한, 비선형 댐핑 이득 기법을 이용하여 외란이 인가 되었을 때 속도 제어 루프에 외란의 영향을 줄일 수 있으며, 모터의 속도 제어가 필요한 시스템에 연동될 때 모터의 작동 안정성이 보장된 상태에서 제어 응답성이 향상된다.In addition, it is possible to reduce the influence of the disturbance on the speed control loop when the disturbance is applied by using the nonlinear damping gain technique. is improved

이와 같은, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. Such a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that may be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The program instructions recorded on the computer-readable recording medium are specially designed and configured for the present invention, and may be known and available to those skilled in the computer software field.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Examples of the computer-readable recording medium include hard disks, magnetic media such as floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magneto-optical media such as floppy disks. media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below You will understand.

본 발명은 상태 변수를 추종하는 일반적인 관측기와 달리 외란을 관측하는 외란 관측기를 기반으로 하여 모터 구동 중 실시간으로 파라메터 변화 혹은 시스템의 외란이 발생하였을 때 외란을 추종하여 보상한다. 따라서, 안정성을 보장하는 동시에 속도 제어루프에 적용되어 속도 추종 성능을 향상시키는 제어기를 제공하여 영구자석 동기전동기를 적용하는 시스템에 유용하게 적용할 수 있다.Unlike general observers that follow state variables, the present invention tracks and compensates disturbances when parameter changes or system disturbances occur in real time during motor operation based on disturbance observers that observe disturbances. Therefore, it is possible to provide a controller that guarantees stability and improves the speed tracking performance by being applied to the speed control loop, so that it can be usefully applied to a system applying a permanent magnet synchronous motor.

1: IPMSM 속도 제어 장치
10: 제1 제어기
30: 제2 제어기
90: 외란 관측기
70: 영구자석 동기전동기
1: IPMSM speed control unit
10: first controller
30: second controller
90: disturbance observer
70: permanent magnet synchronous motor

Claims (13)

영구자석 동기전동기의 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가지는 모터 모델의 역함수를 기초로 외란 관측기를 구성하는 단계;
외란의 주파수를 기초로 상기 외란 관측기의 게인을 설정하는 단계;
상기 영구자석 동기전동기의 구동 중 보조 변수 동역학 수식을 통해 상기 외란 관측기로부터 i번째 보조 상태변수를 계산하는 단계;
상기 i번째 보조 상태변수를 이용하여 i번째 상태변수의 외란 추정치를 도출하는 단계; 및
상기 i번째 상태변수의 외란 추정치를 이용하여 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는,
외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 영구자석 동기전동기의 속도 정보를 비교하여 속도 오차를 연산하는 단계; 및
상기 속도 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 속도 추정치를 기초로 전류 지령을 출력하는 단계를 포함하고,
상기 전류 지령은 외란의 영향을 제거하는 항과 비선형 댐핑 함수를 포함하는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법
constructing a disturbance observer based on an inverse function of a motor model having i (where i is a natural number) state variables of a permanent magnet synchronous motor;
setting a gain of the disturbance observer based on the frequency of the disturbance;
calculating an i-th auxiliary state variable from the disturbance observer through an auxiliary variable dynamics equation during driving of the permanent magnet synchronous motor;
deriving a disturbance estimate of the i-th state variable using the i-th auxiliary state variable; and
Controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor using the disturbance estimate of the i-th state variable,
The step of controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor comprises:
calculating a speed error by comparing a speed command received from the outside with speed information of the permanent magnet synchronous motor; and
Outputting a current command based on the velocity error and the velocity estimate of the disturbance received from the disturbance observer,
The current command is a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor, including a term for removing the influence of disturbance and a nonlinear damping function
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는,
상기 영구자석 동기전동기의 전류 정보 및 위치 정보와 상기 전류 지령을 비교하여 전류 오차를 연산하는 단계; 및
상기 전류 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 전류 추정치를 기초로 상기 영구자석 동기전동기를 제어하는 전압 지령을 출력하는 단계를 더 포함하는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법.
The method of claim 1, wherein controlling the speed of the permanent magnet synchronous motor comprises:
calculating a current error by comparing the current information and position information of the permanent magnet synchronous motor with the current command; and
The speed control method based on the disturbance observer for permanent magnet synchronous motor, further comprising outputting a voltage command for controlling the permanent magnet synchronous motor based on the current error and the current estimate of the disturbance received from the disturbance observer. .
제4항에 있어서, 상기 영구자석 동기전동기의 속도를 제어하는 단계는,
상기 전압 지령을 상기 영구자석 동기전동기에 인가되는 입력 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법.
5. The method of claim 4, wherein the controlling of the speed of the permanent magnet synchronous motor comprises:
Further comprising the step of converting the voltage command into an input signal applied to the permanent magnet synchronous motor, a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor.
제1항에 있어서,
상기 모터 모델은 속도, d축 전류 및 q축 전류의 상태변수로 구성되는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법.
According to claim 1,
The motor model is a speed control method based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor, which consists of state variables of speed, d-axis current and q-axis current.
제1항 및 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된,
상기 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체.
The method according to any one of claims 1 and 4 to 6,
A computer-readable storage medium having recorded thereon a computer program for performing a speed control method based on the disturbance observer for the permanent magnet synchronous motor.
영구자석 동기전동기의 i(여기서, i는 자연수)개의 상태변수를 가지는 모터 모델의 역함수 및 외란의 주파수를 기초로 게인이 설정되며, 상기 영구자석 동기전동기의 구동 중 보조 변수 동역학 수식을 통해 i번째 보조 상태변수를 계산하여 i번째 상태변수의 외란 추정치를 도출하는 외란 관측기;
외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란 추정치로부터 전류 지령을 출력하는 제1 제어기; 및
상기 제1 제어기로부터 전달받는 전류 지령과 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란 추정치로부터 상기 영구자석 동기전동기를 제어하는 전압을 출력하는 제2 제어기;를 포함하고
상기 제1 제어기는,
외부로부터 전달받는 속도 지령과 상기 영구자석 동기전동기의 속도 정보를 비교하여 속도 오차를 연산하고,
상기 속도 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 속도 추정치를 기초로 전류 지령을 출력하고,
상기 전류 지령은 외란의 영향을 제거하는 항과 비선형 댐핑 함수를 포함하는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치.
The gain is set based on the frequency of disturbance and the inverse function of the motor model having i (here, i is a natural number) state variables of the permanent magnet synchronous motor. a disturbance observer for calculating an auxiliary state variable to derive a disturbance estimate of the i-th state variable;
a first controller for outputting a current command from the speed command received from the outside and the disturbance estimate received from the disturbance observer; and
a second controller for outputting a voltage for controlling the permanent magnet synchronous motor from the current command received from the first controller and the disturbance estimate received from the disturbance observer; and
The first controller,
Comparing the speed command received from the outside and the speed information of the permanent magnet synchronous motor to calculate the speed error,
Outputs a current command based on the velocity error and the velocity estimate of the disturbance received from the disturbance observer,
A speed control device based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor, wherein the current command includes a term for removing the influence of the disturbance and a nonlinear damping function.
삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서, 상기 제2 제어기는,
상기 영구자석 동기전동기의 전류 정보 및 위치 정보와 상기 제1 제어기로부터 출력되는 전류 지령을 비교하여 전류 오차를 연산하고,
상기 전류 오차와 상기 외란 관측기로부터 전달받는 외란의 전류 추정치를 기초로 상기 영구자석 동기전동기를 제어하는 전압 지령을 출력하는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치.
The method of claim 8, wherein the second controller,
Comparing the current information and position information of the permanent magnet synchronous motor with the current command output from the first controller to calculate a current error,
A speed control device based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor that outputs a voltage command for controlling the permanent magnet synchronous motor based on the current error and the current estimate of the disturbance received from the disturbance observer.
제8항에 있어서,
상기 제2 제어기로부터 전달받는 전압을 상기 영구자석 동기전동기에 인가되는 입력 신호로 변환하는 인버터를 더 포함하는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치.
9. The method of claim 8,
A speed control device based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor, further comprising an inverter converting the voltage received from the second controller into an input signal applied to the permanent magnet synchronous motor.
제8항에 있어서,
상기 모터 모델은 속도, d축 전류 및 q축 전류의 상태변수로 구성되는, 영구자석 동기전동기용 외란 관측기를 기반으로 하는 속도 제어 장치.
9. The method of claim 8,
The motor model is a speed control device based on a disturbance observer for a permanent magnet synchronous motor, which consists of state variables of speed, d-axis current and q-axis current.
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