KR102439814B1 - Motor Speed Estimation Apparatus and Motor Speed Estimation Method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전동기의 속도 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전동기 속도 추정 장치는 전동기에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부; 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부; 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함한다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a speed of an electric motor, and the apparatus for estimating a speed of an electric motor according to the present invention includes: a voltage obtaining unit for obtaining a voltage input to an electric motor; a signal processing unit that converts the acquired voltage into a waveform for magnetic flux; a low-pass filter that passes the converted magnetic flux waveform as an input signal; and an estimator for estimating the speed of the motor by using a reduction rate of a waveform size of an output signal after passing through the low pass filter with respect to an input signal before passing through the low pass filter.
Description
본 발명은 전동기의 속도 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for estimating the speed of an electric motor.
가스터빈 등의 발전기가 최초 기동시 전동기로서 기능 할 때 전동기의 속도/토크 제어를 위해 정지형 주파수 컨버터(SFC: Static Frequency Converter)와 같은 전동기 구동장치를 사용하게 된다. 전동기의 속도 제어 성능을 확보하기 위해서는 전동기의 회전 속도 정보가 필수적으로 요구되며, 이를 위해, 회전자의 위치 검출기 또는 속도 검출기가 필수적으로 요구된다. 하지만, 가스터빈 발전기와 같은 시스템의 경우 열악한 환경 조건, 전동기 축 방향 길이 증가에 따른 진동, 지속적인 센서의 유지 보수 등의 문제로 인해 위치 검출기나 속도 검출기의 사용이 제한된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 위치 검출기나 속도 검출기가 없는 제어 즉 센서리스(sensorless) 제어에 대한 연구가 진행되고 있다. When a generator such as a gas turbine functions as a motor at the initial start-up, a motor driving device such as a static frequency converter (SFC) is used to control the speed/torque of the motor. In order to secure the speed control performance of the motor, rotation speed information of the motor is essential, and for this purpose, a position detector or a speed detector of the rotor is essentially required. However, in the case of a system such as a gas turbine generator, the use of a position detector or a speed detector is limited due to problems such as poor environmental conditions, vibration due to an increase in the axial length of the motor, and continuous sensor maintenance. In order to solve such a problem, research on a control without a position detector or a speed detector, that is, a sensorless control, is being conducted.
종래의 전동기의 센서리스 제어 방식은 주로 전동기 모델 기반의 전압모델을 이용하는 방식, 상태 추정기를 사용하는 방식, 모델기준 제어기를 사용하는 방식 등이 있다. 이러한 방식은 전동기의 제정수를 이용해 역기전력을 추정하는 방식으로, 역기전력이 측정잡음 또는 인버터에 의해 발생하는 전압 오차를 무시할 만큼 커졌을 때 즉 전동기의 운전 속도가 상승하였을 때는 비교적 좋은 성능을 얻을 수 있지만, 전동기의 운전 속도가 낮을 때에는 좋은 성능을 얻기 어렵다. 또한, 종래의 전동기 센서리스 제어 방식의 근본적인 문제점은 전동기 제정수에 대한 의존성이 크다는 것이다. 일반적으로 전동기의 경우 제작사가 전동기 제정수에 대한 정보를 제공하더라도 신뢰성을 기대하기가 어려우며, 특히 전동기의 제정수는 온도에 따라 변동을 하기 때문에 운전 환경이 열악할수록 전동기 제정수에 대한 신뢰성은 더욱 떨어지게 된다. 추가적으로 종래의 전동기의 센서리스 제어 방법은 속도 추정을 위해 유도전압 관측기와 같은 제어기의 이득(Gain)을 전동기의 특성에 따라 선정을 해주어야 하는 불편함을 가지고 있다. Conventional sensorless control methods of motors include a method using a voltage model based on a motor model, a method using a state estimator, a method using a model reference controller, and the like. This method is a method of estimating the back EMF using the constitutive number of the motor. When the back EMF is large enough to ignore the measurement noise or the voltage error caused by the inverter, that is, when the operating speed of the motor is increased, relatively good performance can be obtained. When the operating speed of the motor is low, it is difficult to obtain good performance. In addition, a fundamental problem of the conventional motor sensorless control method is that it has a large dependence on the motor enactment number. In general, in the case of motors, it is difficult to expect reliability even if the manufacturer provides information on the motor enactment number. do. Additionally, the conventional sensorless control method of a motor has the inconvenience of having to select a gain of a controller such as an induced voltage observer according to the characteristics of the motor for speed estimation.
이에 따라, 종래의 전동기의 센서리스 제어 방식은 전동기의 제정수 오차뿐만 아니라 제어기의 이득 선정에 대한 어려움을 가지고 있기 때문에 전동기 속도 추정시 신뢰성이 크게 떨어지는 문제점을 가지고 있다.Accordingly, the conventional sensorless control method of the motor has a problem in that reliability is greatly reduced when estimating the speed of the motor because it has difficulty in selecting a gain of the controller as well as an error in the constitutive number of the motor.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 속도 추정이 가능한 전동기 속도 추정 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus and method for estimating the speed of a motor capable of estimating the speed of the motor using the filter characteristics of the low-pass filter.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 추정 장치는 전동기에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부; 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부; 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함한다.In order to solve the above technical problem, the motor speed estimation apparatus according to an embodiment of the present invention is a voltage acquisition unit for acquiring a voltage input to the motor; a signal processing unit that converts the acquired voltage into a waveform for magnetic flux; a low-pass filter that passes the converted magnetic flux waveform as an input signal; and an estimator for estimating the speed of the motor by using a reduction rate of a waveform size of an output signal after passing through the low pass filter with respect to an input signal before passing through the low pass filter.
신호 처리부는, 일례로, 전동기에 입력되는 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 DQ 변환부 및 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 자속 연산부를 구비한다.The signal processing unit includes, for example, a DQ conversion unit for converting a three-phase voltage input to the motor to a stationary coordinate system voltage by DQ conversion, and a magnetic flux calculating unit for calculating a stationary coordinate system magnetic flux by integrating the stationary coordinate system voltage.
추정부는, 일례로, 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 크기 계산부를 구비한다.The estimator includes, for example, a magnitude calculator for calculating the magnitude of the waveform before and after passage of the low-pass filter with respect to the static magnetic flux, respectively.
또한, 추정부는 상기 감소율과, 미리 설정된 전동기별 특성에 따른 축척 계수(Scale Factor)를 곱하여 전동기 속도를 추정할 수 있다.In addition, the estimator may estimate the motor speed by multiplying the reduction rate by a scale factor according to a preset characteristic for each motor.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전동기 속도 추정 방법은, 전동기에 입력되는 3상 전압을 취득하는 단계; 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 단계; 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 단계; 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 단계; 및 로우 패스 필터의 통과 전/후의 계산된 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 단계를 포함한다.Motor speed estimation method according to another embodiment of the present invention, the step of obtaining a three-phase voltage input to the motor; converting the three-phase voltage to a stationary coordinate system voltage by DQ conversion; calculating the stationary coordinate system magnetic flux by integrating the stationary coordinate system voltage; calculating magnitudes of waveforms before and after passage of the low-pass filter with respect to the stationary coordinate system magnetic flux, respectively; and estimating the speed of the motor by using the calculated reduction rate of the waveform size before and after the low-pass filter passes.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동기 속도 제어 시스템은, 외부 전원으로부터 전원을 입력받아 전동기를 구동하는 전동기 구동부; 전동기에 입력되는 전압을 입력신호로서 취득하여 전동기의 속도를 추정하는 속도 추정부; 및 전동기의 구동 속도를 제어하기 위해, 추정된 전동기의 속도 정보를 이용하여, 전동기 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다. In addition, the motor speed control system according to another embodiment of the present invention, a motor driving unit for driving the motor by receiving power from an external power source; a speed estimator for estimating the speed of the motor by acquiring a voltage input to the motor as an input signal; and a control unit for controlling the motor driving unit by using the estimated motor speed information to control the driving speed of the motor.
이때, 속도 추정부는, 일례로, 전동기에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부; 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부; 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함한다. At this time, the speed estimating unit, for example, a voltage acquisition unit for acquiring a voltage input to the electric motor; a signal processing unit that converts the acquired voltage into a waveform for magnetic flux; a low-pass filter that passes the converted magnetic flux waveform as an input signal; and an estimator for estimating the speed of the motor by using a reduction rate of a waveform size of an output signal after passing through the low pass filter with respect to an input signal before passing through the low pass filter.
본 발명에 의하면, 전동기 속도 추정시, 전동기의 제정수 정보를 사용하지 않으며, 또한, 제어기의 이득 선정이 필요없이, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 신뢰성 있는 속도 추정이 가능하다.According to the present invention, when estimating the speed of the motor, it is possible to reliably estimate the speed of the motor by using the filter characteristics of the low-pass filter without using the coefficient information of the motor and without the need to select a gain of the controller.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 추정 장치 및 구동 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 로우 패스 필터의 필터 특성을 설명하기 위한 도로서, (a)는 로우 패스 필터 통과 전의 입력 신호를 나타내는 그래프이고, (b)는 로우 패스 필터 통과 후의 출력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 3은 입력신호의 주파수에 대한 크기 및 위상각을 나타내는 로우 패스 필터의 보드 선도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 다른 전동기 속도 추정 방법의 순서도를 나타낸다.
도 5는 로우 패스 필터를 이용한 속도 추정 원리를 설명하기 위한 도로서, (a)는 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호 파형과 전동기 속도를 나타내며, (b)는 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호 파형과 전동기 속도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 전동기 속도에 따른 자속 파형의 주파수 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 로우 패스 필터 통과 전/후의 파형 크기를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 시간에 따른 전동기의 실제 속도와 추정 속도를 비교하기 위한 그래프이다. 1 is a configuration diagram for explaining an apparatus for estimating a speed of an electric motor and a driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a road for explaining the filter characteristics of the low-pass filter. (a) is a graph showing an input signal before passing the low-pass filter, (b) is a graph showing the output signal after passing the low-pass filter.
3 is a Bode diagram of a low-pass filter showing magnitude and phase angle with respect to frequency of an input signal.
4 is a flowchart of a method for estimating a motor speed according to an embodiment of the present invention.
5 is a road for explaining the speed estimation principle using the low-pass filter, (a) shows the input signal waveform and the motor speed before passing the low-pass filter, (b) is the output signal waveform and the motor after passing the low-pass filter indicates speed.
6 is a block diagram showing the configuration of an electric motor speed control system according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph for explaining the frequency change of the magnetic flux waveform according to the motor speed.
8 is a graph for explaining the waveform size before/after passing the low-pass filter.
9 is a graph for comparing the actual speed and the estimated speed of the electric motor according to time.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Since the present invention can apply various transformations and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It is to be understood that this does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. do it with
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 추정 장치 및 구동 장치를 설명하기 위한 구성도이다. 1 is a configuration diagram for explaining an apparatus for estimating a speed of an electric motor and a driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기 속도 추정 장치(100)는 전압 취득부(110), 신호 처리부(120), 로우패스필터(130) 및 추정부(140)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1 , the
먼저, 전압 취득부(110)는 전동기(10)에 입력되는 전압을 취득하는 구성이다. First, the
이때, 전동기(10)는 동기 전동기로서 가스터빈 발전기 등에 이용되는 3상 대형 전동기일 수 있다. 이러한 전동기의 회전 속도(N)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. In this case, the
여기서, f는 입력신호의 주파수를 의미하고, P는 전동기의 극수를 의미한다. Here, f means the frequency of the input signal, and P means the number of poles of the motor.
즉, 전동기의 회전 속도는 입력신호의 주파수에 따라 변화하는 것이다. 예를 들면, 전동기의 입력신호의 주파수가 증가한다는 것은 전동기의 회전속도가 증가하는 것을 의미한다. That is, the rotation speed of the motor changes according to the frequency of the input signal. For example, the increase in the frequency of the input signal of the motor means that the rotation speed of the motor increases.
신호 처리부(120)는 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 처리부이다. 일례로, 신호 처리부(120)는, 전동기(10)에 입력되는 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 DQ 변환부(123)와, 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 자속 연산부(126)를 구비할 수 있다. 여기서, 전압 정보를 자속으로 변경하는 이유는 저속에서는 전압 정보의 크기가 작기 때문에 적분을 통해 전압 정보 크기를 키워 저속에서도 크기의 변화를 감지하기 위한 것이다. The
로우 패스 필터(130)는 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 구성이다. The low-
일반적으로, 로우 패스 필터는 미리 설정된 특정 주파수 이하의 주파수 신호만을 통과시키는 필터로서 입/출력 신호의 급격한 변화를 막기 위한 용도로 이용된다. In general, a low-pass filter is a filter that passes only a frequency signal below a preset specific frequency, and is used to prevent a sudden change in an input/output signal.
또한, 로우 패스 필터는, 도 2에 도시된 바와 같이, 입력신호의 주파수에 따라 출력 신호의 크기(Magnitude)가 변화하는 고유한 필터 특성을 갖는다. 구체적으로는 주파수 도메인에서 차단 주파수 미만의 주파수를 갖는 성분은 통과시키고 차단 주파수 이상의 주파수를 갖는 성분은 차단하게 된다. 그리고 이러한 특성을 시간 도메인에서 살펴보게 되면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호가 일정한 크기를 가지며 시간에 따라 주파수가 증가할 때, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호는 크기가 감소하게 되는 것을 확인할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 2 , the low-pass filter has a unique filter characteristic in which the magnitude of the output signal changes according to the frequency of the input signal. Specifically, in the frequency domain, a component having a frequency less than the cutoff frequency is passed and a component having a frequency greater than the cutoff frequency is blocked. And looking at these characteristics in the time domain, as shown in Fig. 3(a), when the input signal before passing the low-pass filter has a constant magnitude and the frequency increases with time, it is shown in Fig. 3(b) As shown above, it can be seen that the output signal after passing through the low-pass filter is reduced in magnitude.
본 발명에서는 전동기의 속도(즉, 회전속도)를 추정하는 데에 있어서, 입력신호의 주파수에 따라 출력신호의 크기를 변화시키는 로우 패스 필터의 고유한 필터 특성을 이용한다.In the present invention, in estimating the speed (ie, rotational speed) of the motor, the unique filter characteristic of the low-pass filter that changes the magnitude of the output signal according to the frequency of the input signal is used.
이어서, 추정부(140)는 로우 패스 필터(130) 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터(130) 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기(10)의 속도를 추정하는 구성이다. 일례로, 추정부(140)는, 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 크기 계산부(145)를 구비할 수 있다.Next, the
또한, 추정부(140)는, 상기 파형 크기의 감소율과, 미리 설정된 전동기별 특성에 따른 축척 계수(Scale Factor)를 곱하여 전동기 속도를 보다 정확히 추정할 수 있다.In addition, the
한편, 전동기 구동장치(50)는 외부 전원으로부터 전원을 입력받아 전동기를 구동하는 구성으로서, 컨버터(51), 리액터(53) 및 인버터(55)를 구비하여 입력신호의 주파수를 변화시켜 전동기의 속도를 제어한다. 전동기 구동장치(50)는 공지된 구성이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. On the other hand, the
이어서, 도 4를 이용하여 본 발명에 따른 전동기 속도 추정 방법을 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 다른 전동기 속도 추정 방법의 순서도를 나타낸다. Next, a method for estimating the motor speed according to the present invention will be described with reference to FIG. 4 . 4 is a flowchart of a method for estimating a motor speed according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기 속도 추정 방법은, 먼저, 전압 취득부(110)를 통해 전동기에 입력되는 3상 전압을 취득한다(S10). As shown in FIG. 4 , the motor speed estimation method according to the present invention acquires a three-phase voltage input to the motor through the voltage acquisition unit 110 ( S10 ).
이어서, 신호 처리부의 DQ 변환부(123)가 취득된 전동기 측 3상 전압(Va, Vb, Vc)을 DQ 변환하여 수학식 2와 같은 정지좌표계 전압(Vα, Vβ)으로 변환한다(S20). 이때, 정지좌표계 전압으로 변환하는 이유는 연산이 용이하도록 하기 위한 것이다.Next, the
이어서, 정지좌표계 전압을 적분하여 수학식 3과 같은 정지좌표계 자속(λα, λβ)을 계산한다(S30). 여기서, 입력 신호의 왜란 저감을 위해 정지좌표계 전압을 적분한다. 전동기의 전압을 적분하게 되면 자속의 물리량으로 표현이 가능하다. 물론, 수학식 3과 같이 단순적분을 수행하게 되면 옵셋(Offset)이 발생하게 되지만 본 발명에서 중요한 부분은 신호의 주파수이므로 무시가 가능하다.Next, the stationary coordinate system voltage is integrated to calculate the stationary coordinate system magnetic flux (λ α , λ β ) as in Equation 3 (S30). Here, the stationary coordinate system voltage is integrated in order to reduce the disturbance of the input signal. If the voltage of the motor is integrated, it can be expressed as a physical quantity of the magnetic flux. Of course, when simple integration is performed as in
이어서, 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 수학식 4와 같이 각각 계산한다(S40).Next, the magnitude of the waveform before and after the passage of the low-pass filter with respect to the static magnetic flux is calculated as in Equation 4 (S40).
여기서, Magnitude필터전은, 로우 패스 필터 통과 전의 입력 신호(즉, 자속 파형)의 크기이며, Magnitude필터후는, 로우 패스 필터 통과 후의 출력 신호(즉, 자속 파형)의 크기이다. 또한, λαFilter 및 λβFilter는 로우 패스 필터 통과 후의 정지좌표계 자속이다. Here, before the magnitude filter is the magnitude of the input signal (ie, magnetic flux waveform) before the low-pass filter passes, and after the magnitude filter is the magnitude of the output signal (ie, the magnetic flux waveform) after passing the low-pass filter. Also, λ αFilter and λ βFilter is the low pass filter It is the stationary coordinate system magnetic flux.
이어서, 로우 패스 필터의 통과 전/후의 계산된 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정한다. 여기서, 상기 파형 크기의 감소율은 수학식 5와 같이 계산할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 입력신호의 주파수가 큰 경우, 즉 전동기의 회전속도가 빠른 경우에는 감소율이 상대적으로 크게 되고, 입력신호의 주파수가 작은 경우, 즉 전동기의 회전속도가 느린 경우에는 감소율이 상대적으로 작게 된다. Then, the speed of the motor is estimated by using the calculated reduction rate of the waveform size before and after the low-pass filter passes. Here, the reduction rate of the waveform size can be calculated as in Equation (5). As described above, when the frequency of the input signal is large, that is, when the rotation speed of the motor is high, the reduction rate is relatively large, and when the frequency of the input signal is small, that is, when the rotation speed of the motor is slow, the reduction rate is relatively becomes small
여기서, 감소율은, 도 5의 (b)에서와 같이, 전동기 속도 그래프의 기울기와 대략 동일하다. 따라서, 본 발명에 의하면, 상기 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정할 수 있다.Here, the reduction rate is approximately the same as the slope of the motor speed graph, as in FIG. 5(b). Therefore, according to the present invention, the speed of the electric motor can be estimated by using the decrease rate.
다만, 전동기의 정격 속도는 전동기 극수와 같은 구조에 따라 전동기 별로 상이하기 때문에, 상기 감소율은 전동기 속도 그래프의 기울기와 미소한 오차가 발생할 수 있다. 이에 따라, 보다 정확한 전동기 속도를 연산하기 위해서는 전동기 정격속도에 맞는 스케일 팩터(Scale Factor: SF)를 곱해 주어야 한다. 스케일 팩터는 전동기 극수, 시스템의 관성, 전동기의 제정수(예로써, 저항, 인덕턴스 등) 등의 전동기 특성이 반영된 미리 설정된 값이다. 따라서, 보다 정확한 전동기의 정격 속도(ωrpm)는 수학식 6과 같이 계산할 수 있다. However, since the rated speed of the motor is different for each motor according to a structure such as the number of poles of the motor, the reduction rate may have a slight error with the slope of the motor speed graph. Accordingly, in order to calculate a more accurate motor speed, it is necessary to multiply a scale factor (SF) suitable for the rated speed of the motor. The scale factor is a preset value in which motor characteristics such as the number of poles of the motor, the inertia of the system, and the constitutive number of the motor (eg, resistance, inductance, etc.) are reflected. Therefore, a more accurate rated speed (ω rpm ) of the motor can be calculated as in Equation (6).
이와 같은, 본 발명에 의하면, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 신뢰성 있는 속도 추정이 가능하므로, 종래와 같이 별도의 전동기의 제정수 정보를 이용할 필요가 없으며, 또한, 별도의 제어기의 이득 선정이 필요없다. 뿐만 아니라, 본 발명은 비교적 취득이 용이한 전동기 전압정보만을 이용하기 때문에 강인한 제어 특성을 가질 수 있다. As described above, according to the present invention, since reliable speed estimation of the motor is possible using the filter characteristics of the low-pass filter, there is no need to use the coefficient information of a separate motor as in the prior art, and also, the gain of a separate controller No selection required In addition, since the present invention uses only motor voltage information that is relatively easy to acquire, it can have strong control characteristics.
이어서, 도 6을 이용하여 본 발명에 따른 전동기 속도 제어 시스템을 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. Next, the motor speed control system according to the present invention will be described with reference to FIG. 6 . 6 is a block diagram showing the configuration of an electric motor speed control system according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 전동기 속도 제어 시스템은 크게 전동기 구동부(210), 속도 추정부(220) 및 제어부(230)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 6 , the motor speed control system may largely include a
전동기 구동부(210)는 외부 전원(30)으로부터 전원을 입력받아 전동기(10)를 구동하는 구성으로서, 컨버터(51), 리액터(53) 및 인버터(55)를 구비하여 입력신호의 주파수를 변화시켜 전동기의 속도를 제어한다. 전동기 구동부(210)는 도 1의 전동기 구동장치(50)에 대응하는 구성이다.The
속도 추정부(220)는 전동기에 입력되는 전압을 입력신호로서 취득하여 전동기의 속도를 추정하는 구성이다. 일례로, 속도 추정부(220)는, 도 1의 속도 추정 장치(100)와 같이, 전동기(10)에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부(110)와, 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부(120)와, 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터(130)와, 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 추정부(140)를 포함할 수 있다. The
이어서, 제어부(230)는 전동기의 구동 속도를 제어하기 위해, 속도 추정부(220)에서 추정된 전동기의 속도 정보를 이용하여, 전동기 구동부(210)를 제어한다. Next, the
이와 같은 본 발명에 따른 전동기 속도 제어 시스템에 의하면, 속도 추정된 전동기의 회전 속도 정보를 피드백 정보로서 이용함으로써, 전동기의 속도를 효과적으로 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 전동기 속도 추정시, 전동기의 제정수 정보를 사용하지 않으며, 또한, 제어기의 이득 선정이 필요없이, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 신뢰성 있는 속도 추정이 가능하다.According to the motor speed control system according to the present invention as described above, the speed of the motor can be effectively controlled by using the speed-estimated rotation speed information of the motor as feedback information. In addition, when estimating the speed of the motor, it is possible to reliably estimate the speed of the motor by using the filter characteristics of the low-pass filter without using the coefficient information of the motor and without the need to select a gain of the controller.
이어서, 도 7 내지 도 9를 이용하여, 본 발명에 따른 전동기의 속도 추정 결과를 설명하기로 한다. 도 7은 전동기 속도에 따른 자속 파형의 주파수 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 8은 로우 패스 필터 통과 전/후의 파형 크기를 설명하기 위한 그래프이다. 도 9는 시간에 따른 전동기의 실제 속도와 추정 속도를 비교하기 위한 그래프이다. Next, a speed estimation result of an electric motor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 9 . 7 is a graph for explaining the frequency change of the magnetic flux waveform according to the motor speed. 8 is a graph for explaining the waveform size before/after passing the low-pass filter. 9 is a graph for comparing the actual speed and the estimated speed of the electric motor according to time.
먼저, 도 7에서와 같이, 전동기의 속도가 증가함에 따라 입력신호로서 자속(즉 전압) 파형의 주파수가 증가한다. 즉, 전동기의 회전 속도와 자속(즉, 전압)의 주파수는 비례관계임을 알 수 있다. First, as in FIG. 7 , as the speed of the motor increases, the frequency of the magnetic flux (ie, voltage) waveform as an input signal increases. That is, it can be seen that the rotational speed of the motor and the frequency of magnetic flux (ie, voltage) are proportional.
이어서, 도 8에서와 같이, 로우 패스 필터를 통과하기 전의 입력 파형(즉, 정지좌표계의 자속)(Magnitude 파형)은 크기가 일정하다. 또한, 로우 패스 필터를 통과한 출력 파형(Magnitude LPF 파형)은 주파수가 증가함에 따라 크기가 감소한다. 이에 따라, 로우 패스 필터 통과 전의 입력 신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력 신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여 전동기의 속도를 추정하게 된다.Subsequently, as shown in FIG. 8 , the input waveform (ie, magnetic flux in the stationary coordinate system) (Magnitude waveform) before passing through the low-pass filter has a constant magnitude. In addition, the output waveform (magnitude LPF waveform) that has passed through the low-pass filter decreases in magnitude as the frequency increases. Accordingly, the speed of the motor is estimated by using the reduction rate of the waveform size of the output signal after passing the low pass filter with respect to the input signal before passing through the low pass filter.
이와 같이, 전동기의 속도를 추정한 결과, 도 9에서와 같이, 추정 속도가 실제 속도와 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. As a result of estimating the speed of the motor in this way, as shown in FIG. 9 , it was possible to obtain a result in which the estimated speed was very similar to the actual speed.
본 발명에 따른 전동기 속도 추정 장치 및 방법은 가스터빈 등의 발전기가 최초 기동시 전동기로서 기능 할 때 전동기의 속도를 추정하는 기술에 이용될 수 있다. The apparatus and method for estimating motor speed according to the present invention can be used in a technique for estimating the speed of an electric motor when a generator such as a gas turbine functions as a motor at the time of initial start-up.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications and variations will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.
10: 전동기 30: 전원
50: 전동기 구동장치 100: 속도 추정 장치
110: 전압 취득부 120: 신호 처리부
123: DQ 변환부 126: 자속 연산부
130: 로우 패스 필터 140: 추정부
145: 크기 계산부10: electric motor 30: power
50: motor drive device 100: speed estimation device
110: voltage acquisition unit 120: signal processing unit
123: DQ conversion unit 126: magnetic flux calculating unit
130: low pass filter 140: estimator
145: size calculator
Claims (7)
취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부;
변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터;
상기 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 상기 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 상기 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함하며,
상기 신호 처리부는,
상기 전동기에 입력되는 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 DQ 변환부; 및
상기 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 자속 연산부를 포함하고,
상기 추정부는,
상기 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 크기 계산부를 포함하는 전동기 속도 추정 장치.a voltage acquisition unit for acquiring a voltage input to the motor;
a signal processing unit that converts the acquired voltage into a waveform for magnetic flux;
a low-pass filter that passes the converted magnetic flux waveform as an input signal;
and an estimator for estimating the speed of the motor by using a reduction rate of a waveform size of an output signal after passing through the low pass filter with respect to an input signal before passing through the low pass filter,
The signal processing unit,
a DQ converter for converting the three-phase voltage input to the motor into a stationary coordinate system voltage by DQ conversion; and
and a magnetic flux calculating unit for calculating the stationary coordinate system magnetic flux by integrating the stationary coordinate system voltage,
The estimator is
and a magnitude calculator for respectively calculating magnitudes of waveforms before and after passage of the low-pass filter with respect to the stationary coordinate system magnetic flux.
상기 추정부는 상기 감소율과, 미리 설정된 전동기별 특성에 따른 축척 계수(Scale Factor)를 곱하여 전동기 속도를 추정하는 것인 전동기 속도 추정 장치.The method according to claim 1,
The estimator is an apparatus for estimating a motor speed by multiplying the reduction rate by a scale factor according to a preset characteristic of each motor to estimate the motor speed.
상기 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 단계;
상기 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 단계;
상기 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 단계; 및
상기 로우 패스 필터의 통과 전/후의 계산된 파형 크기의 감소율을 이용하여, 상기 전동기의 속도를 추정하는 단계를 포함하는 전동기 속도 추정 방법.obtaining a three-phase voltage input to the electric motor;
converting the three-phase voltage to a stationary coordinate system voltage by DQ conversion;
calculating the stationary coordinate system magnetic flux by integrating the stationary coordinate system voltage;
calculating magnitudes of waveforms before and after passage of a low-pass filter with respect to the stationary coordinate system magnetic flux, respectively; and
and estimating the speed of the motor by using the calculated reduction rate of the waveform size before and after the low-pass filter passes.
상기 전동기에 입력되는 전압을 입력신호로서 취득하여 전동기의 속도를 추정하는 속도 추정부; 및
상기 전동기의 구동 속도를 제어하기 위해, 상기 추정된 전동기의 속도 정보를 이용하여, 전동기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 속도 추정부는,
전동기에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부;
취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부;
변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및
상기 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 상기 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 상기 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함하고,
상기 신호 처리부는,
상기 전동기에 입력되는 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 DQ 변환부; 및
상기 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 자속 연산부를 포함하고,
상기 추정부는,
상기 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 크기 계산부를 포함하는 전동기 속도 제어 시스템.a motor driving unit that receives power from an external power source and drives the motor;
a speed estimator for estimating the speed of the motor by acquiring a voltage input to the motor as an input signal; and
In order to control the driving speed of the motor, by using the estimated speed information of the motor, comprising a control unit for controlling the motor driving unit,
The speed estimation unit,
a voltage acquisition unit for acquiring a voltage input to the motor;
a signal processing unit that converts the acquired voltage into a waveform for magnetic flux;
a low-pass filter that passes the converted magnetic flux waveform as an input signal; and
and an estimator for estimating the speed of the motor by using a reduction rate of a waveform size of an output signal after passing through the low pass filter with respect to an input signal before passing through the low pass filter,
The signal processing unit,
a DQ converter for converting the three-phase voltage input to the motor into a stationary coordinate system voltage by DQ conversion; and
and a magnetic flux calculating unit for calculating the stationary coordinate system magnetic flux by integrating the stationary coordinate system voltage,
The estimator is
Motor speed control system including a magnitude calculator for calculating the magnitude of the waveform before and after passage of the low-pass filter with respect to the stationary coordinate system magnetic flux, respectively.
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