KR102443690B1 - Mtpa control method of permanent magnet synchronous motor using optimization technique - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법은, 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하는 단계, 측정된 전류(IS)를 이용하여 동손(Copper Loss)(Pcu)을 계산하는 단계, 계산된 동손을 이용하여 보정 팩터(Q)를 정의하는 단계 및 산출된 보정 팩터(Q)를 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)에 적용하여 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 전동기의 제정수나 회전자 위치 측정을 위한 레졸버 신호에 오차가 발생하는 상황에서도, 모든 운전 조건에서 짧은 시간 내에 동손이 최소가 되는 최적 전류 각을 추종할 수 있다.
MTPA control method of a permanent magnet synchronous motor using an optimization technique according to an embodiment of the present invention, the step of measuring the current (I s ) supplied to the stator (stator), copper loss using the measured current (I S ) Calculating (Copper Loss)(P cu ), defining a correction factor (Q) using the calculated copper loss, and applying the calculated correction factor (Q) to a Gradient Descent Algorithm and following the instruction β MTPA .
According to the present invention, it is possible to follow the optimum current angle at which copper loss is minimized within a short time under all operating conditions even in a situation where an error occurs in the resolver signal for measuring the constant number of the motor or the rotor position.

Figure R1020200034392
Figure R1020200034392

Description

최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법{MTPA CONTROL METHOD OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR USING OPTIMIZATION TECHNIQUE}MTPA control method of permanent magnet synchronous motor using optimization technique

본 발명은 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는 영구자석 동기 전동기의 손실 중 가장 큰 비중을 차지하는 동손을 최소화할 수 있는 최적 전류 각을 고정자 전류의 크기 정보만으로 빠르고 간단하게 추종할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. The present invention relates to a method for controlling MTPA of a permanent magnet synchronous motor using an optimization technique. More specifically, it is to provide a method for quickly and simply tracking the optimum current angle that can minimize copper loss, which accounts for the largest portion of losses in permanent magnet synchronous motors, only with information on the magnitude of the stator current.

영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)는 높은 효율과 출력 밀도, 우수한 동특성으로 인해 다양한 전동기 구동 분야에 사용된다. Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) is used in various motor driving fields due to its high efficiency, power density and excellent dynamic characteristics.

환경 보호 및 에너지 자원 고갈에 대한 관심이 증가함에 따라, 영구자석 동기 전동기를 고효율로 운전시키기 위한 기술이 개발되고 있으며, 영구자석 전동기의 손실 중 가장 큰 비중을 차지하는 동손을 최소화하기 위한 각종 MTPA 제어 방법이 개발되고 있다. As interest in environmental protection and energy resource depletion increases, technologies for operating permanent magnet synchronous motors with high efficiency are being developed, and various MTPA control methods to minimize copper loss, which accounts for the largest proportion of losses in permanent magnet motors. this is being developed

통상적으로 MTPA 제어를 수행하기 위해서는 요구되는 출력 토크에 대한 전류 지령을 수학적 모델로부터 도출하는데, 이러한 방식은 고정자 인덕턴스나 영구자석의 자속과 같은 제정수에 대한 정보가 요구되는 단점이 있다. 구체적으로, 전동기의 제정수는 전동기 부하와 동작 온도에 따라 변동하기 때문에 정확한 MTPA 제어를 수행하지 못할 가능성이 크며, MTPA 제어를 위한 정확한 전류 지령을 얻었다 하더라도 회전자 위치 측정을 위한 레졸버 신호에 옵셋(Offset)이 존재하는 경우, 실제 전동기에 흐르는 전류는 MTPA 제어를 위한 전류 지령과 오차가 발생할 수 있다. In general, in order to perform MTPA control, a current command for a required output torque is derived from a mathematical model, but this method has a disadvantage in that information on constitutive numbers such as stator inductance or permanent magnet magnetic flux is required. Specifically, since the integral number of the motor fluctuates depending on the motor load and operating temperature, there is a high possibility that accurate MTPA control cannot be performed. If (Offset) exists, the current flowing to the actual motor may have an error with the current command for MTPA control.

이러한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 크게 세 가지 종류의 방법이 제시되었다. 1) 정확한 MTPA 제어를 수행하기 위해 전동기의 인덕턴스를 실시간으로 추정함으로써, 고정자 인덕턴스의 변동을 알아내는 방법, 2)고주파 신호를 주입함으로써, 전동기의 제정수 정보를 사용하지 않고 MTPA 운전점을 찾아내는 방법, 3) 설정한 목적 함수가 최대 혹은 최소가 되도록 제어 물리량을 점진적으로 조정하는 방법.In order to solve this problem, three types of methods have been proposed in the prior art. 1) A method to find out fluctuations in stator inductance by estimating the inductance of a motor in real time to perform accurate MTPA control, 2) A method to find out the MTPA operating point without using the coordinator information of the motor by injecting a high-frequency signal , 3) A method of gradually adjusting the control physical quantity so that the set objective function becomes the maximum or minimum.

첫 번째 방법의 경우, 자속 추정 기반으로 인덕턴스를 추정하게 되는데, 이는 고정자 저항과 영구자석의 자속 오차에 취약하고, 전압 모델을 기반으로 하기 때문에 인버터의 비선형성에 의한 전압 왜곡으로 인해 정확성이 저하된다는 문제점이 있다.In the case of the first method, the inductance is estimated based on the magnetic flux estimation, which is vulnerable to the magnetic flux error of the stator resistance and the permanent magnet, and because it is based on the voltage model, the accuracy is lowered due to the voltage distortion caused by the nonlinearity of the inverter. There is this.

두 번째 방법의 경우, 전류 각에 고주파 신호를 주입하고, 주입된 신호에 대한 토크 크기 변화 정보를 간접적으로 추출하여 MTPA 운전점을 추정하게 되는데, 이는 주입된 고주파 신호로 인한 토크 리플에 의해 제어 성능이 저하된다는 문제점이 있다. 또한, 실제 신호를 주입하는 대신 가상의 고주파 신호를 이용하는 방법이 있으나, 토크를 계산하기 위해 고정자 저항에 대한 정보가 요구되며, 전류 제어기 출력인 전압 지령을 이용하기 때문에, 인버터의 비선형성으로 인한 전압 왜곡 영향으로 정확한 MTPA 제어를 수행하는데 있어 한계가 있다.In the second method, the MTPA operating point is estimated by injecting a high-frequency signal into the current angle and indirectly extracting the torque magnitude change information for the injected signal, which is controlled by the torque ripple caused by the injected high-frequency signal. There is a problem that this is lowered. In addition, there is a method of using a virtual high-frequency signal instead of injecting an actual signal, but information about the stator resistance is required to calculate the torque, and since the voltage command, which is the output of the current controller, is used, the voltage due to the nonlinearity of the inverter There is a limit in performing accurate MTPA control due to distortion effects.

세 번째 방법의 경우, 일정한 크기로 전류 각 지령을 조정하기 때문에 MTPA 운전점을 추종하는데 오랜 시간이 소요되며, 추종 시간 또한 운전 조건에 따라 달라지는 문제점이 있다. 또한, 회전자 속도에 존재하는 고주파 성분의 크기로부터 간접적으로 토크의 크기 정보를 얻어, 토크의 크기와 고정자 전류 크기의 비율을 이용하는 방법이 있으나, 주입된 고주파 신호에 의해 토크 리플이 발생하여 제어 성능이 저하된다는 문제점이 있다. In the third method, it takes a long time to follow the MTPA operating point because each current command is adjusted to a certain size, and there is a problem that the tracking time also varies depending on the operating conditions. In addition, there is a method of obtaining torque magnitude information indirectly from the magnitude of the high frequency component present in the rotor speed and using the ratio of the torque magnitude and the stator current magnitude, but torque ripple is generated by the injected high frequency signal to control performance. There is a problem that this is lowered.

이에, 본 발명에서는 종래의 문제점들을 보완하고, 고정자 전류의 크기 정보만을 이용하여, 전동기의 제정수나 레졸버 신호의 오차에 영향 받지 않고, 모든 운전 조건에서 동손이 최소가 되는 최적 전류각을 추종할 수 있는 방법을 제안한다.Therefore, in the present invention, it is possible to supplement the conventional problems and follow the optimal current angle that minimizes copper loss in all operating conditions without being affected by the constant number of the motor or the error of the resolver signal using only the magnitude information of the stator current. suggest a way to

한국등록특허 제10-1693424호(2016.12.30.)Korean Patent Registration No. 10-1693424 (2016.12.30.)

본 발명의 목적은 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)을 응용하여 동손이 최소가 되는 최적 전류 각을 고정자 전류의 크기만으로 구할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for obtaining an optimal current angle with a minimum copper loss using only the magnitude of a stator current by applying a gradient descent algorithm.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법은, 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하는 단계, 측정된 전류(Is)를 이용하여 동손(Copper Loss)(Pcu)을 계산하는 단계, 계산된 동손을 이용하여 보정 팩터(Q)를 정의하는 단계 및 산출된 보정 팩터(Q)를 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)에 적용하여 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 단계를 포함한다.An MTPA control method of a permanent magnet synchronous motor using an optimization technique according to an embodiment of the present invention includes measuring a current Is supplied to a stator, and using the measured current Is Loss) (Pcu), defining a correction factor (Q) by using the calculated copper loss, and applying the calculated correction factor (Q) to a gradient descent algorithm (Gradient Descent Algorithm) MTPA ).

일 실시 예에 따르면, 상기 동손(Pcu)을 계산하는 단계는, 하기 [수학식 1]에 따라 상기 동손(Pcu)을 할 수 있다.According to an embodiment, the calculating of the copper loss Pcu may include the copper loss Pcu according to Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020029589739-pat00001
Figure 112020029589739-pat00001

여기서, Is는 고정자에 공급되는 전류, Rs는 고정자 저항.where I s is the current supplied to the stator and R s is the stator resistance.

일 실시 예에 따르면, 상기 동손(Pcu)을 계산하는 단계는, 상기 동손(Pcu)을 상기 경사 하강법을 적용하기 위한 목적 함수로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment, calculating the copper loss Pcu may include setting the copper loss Pcu as an objective function for applying the gradient descent method.

일 실시 예에 따르면, 상기 보정 팩터(Q)를 정의하는 단계는, 현재 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk) 대비 이전 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk-1)의 비율을 기초로, 하기 [수학식 2]에 따라 상기 보정 팩터(Q)를 정의할 수 있다.According to an embodiment, the defining of the correction factor (Q) may include, based on a ratio of copper loss (Pcu k ) calculated in the current control period to copper loss (Pcu k-1 ) calculated in the previous control period, The correction factor (Q) may be defined according to [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020029589739-pat00002
Figure 112020029589739-pat00002

여기서, Pcuk - 1는 이전 제어 주기에 계산된 동손, Pcuk는 현재 제어 주기에 계산된 동손, βk - 1는 이전 주기의 전류 각 지령, βk는 현재 주기의 전류 각 지령.Here, Pcu k - 1 is the copper loss calculated in the previous control period, Pcu k is the copper loss calculated in the current control period, β k - 1 is the current angular reference in the previous period, and β k is the current angular reference in the current period.

일 실시 예에 따르면, 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 단계는, 상기 보정 팩터(Q)를 정의한 [수학식 2]를 이용하여, 전류 각 지령(β*)의 변화 관계식을 하기 [수학식 3]에 따라 재정의한 후, 전류 각 지령(βMTPA)을 추종할 수 있다.According to an embodiment, in the step of following the current angular command β MTPA , the change relation of the current angular command β * using [Equation 2] defining the correction factor Q is expressed in the following [Mathematics] After redefining according to Equation 3], each current command (β MTPA ) can be followed.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020029589739-pat00003
Figure 112020029589739-pat00003

여기서, ρ는 전류 각 지령의 변동 폭을 조절하는 파라미터.Here, ρ is a parameter that controls the variation width of each current command.

일 실시 예에 따르면, 상기 전류 각 지령(β*)을 변화시키는 단계는, 상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하는지 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, changing the current angular command β * may further include determining whether the correction factor Q converges to zero.

일 실시 예에 따르면, 상기 판단하는 단계는, 판단 결과, 상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하지 않는 경우, 상기 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하는 단계로 되돌아갈 수 있다.According to an embodiment, the determining may return to the step of measuring the current I s supplied to the stator when the correction factor Q does not converge to zero as a result of the determination. have.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 고정자에 공급되는 전류 값을 이용하여, 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치로서, 상기 영구자석 동기 전동기 구동용 인버터 및 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는, 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하고, 측정된 전류(Is)를 이용하여 동손(Copper Loss)(Pcu)을 계산하며, 계산된 동손을 이용하여 보정 팩터(Q)를 정의하고, 산출된 보정 팩터(Q)를 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)에 적용하여 전류 각 지령(βMTPA)을 추종한다.An MTPA control device for a permanent magnet synchronous motor that follows each current command (β MTPA ) by using a current value supplied to a stator according to another embodiment of the present invention, comprising an inverter and a processor for driving the permanent magnet synchronous motor However, the processor measures a current Is supplied to the stator, calculates a copper loss (Pcu) using the measured current Is, and a correction factor using the calculated copper loss (Q) is defined, and the calculated correction factor (Q) is applied to the gradient descent algorithm to follow the current angular command (β MTPA ).

일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 하기 [수학식 1]에 따라 상기 동손(Pcu)을 계산할 수 있다.According to an embodiment, the processor may calculate the copper loss Pcu according to Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020029589739-pat00004
Figure 112020029589739-pat00004

여기서, Is는 고정자에 공급되는 전류, Rs는 고정자 저항.where I s is the current supplied to the stator and R s is the stator resistance.

일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 동손(Pcu)을 상기 경사 하강법을 적용하기 위한 목적 함수로 설정할 수 있다.According to an embodiment, the processor may set the copper loss Pcu as an objective function for applying the gradient descent method.

일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 현재 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk) 대비 이전 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk-1)의 비율을 기초로, 하기 [수학식 2]에 따라 상기 보정 팩터(Q)를 정의할 수 있다.According to an embodiment, the processor, based on the ratio of copper loss (Pcu k ) calculated in the current control period to copper loss (Pcu k-1 ) calculated in the previous control period, according to the following [Equation 2] A correction factor (Q) can be defined.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020029589739-pat00005
Figure 112020029589739-pat00005

여기서, Pcuk - 1는 이전 제어 주기에 계산된 동손, Pcuk는 현재 제어 주기에 계산된 동손, βk - 1는 이전 주기의 전류 각 지령, βk는 현재 주기의 전류 각 지령.Here, Pcu k - 1 is the copper loss calculated in the previous control period, Pcu k is the copper loss calculated in the current control period, β k - 1 is the current angular reference in the previous period, and β k is the current angular reference in the current period.

일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 보정 팩터(Q)를 정의한 [수학식 2]를 이용하여, 전류 각 지령(β*)의 변화 관계식을 하기 [수학식 3]에 따라 재정의한 후, 전류 각 지령(βMTPA)을 추종할 수 있다.According to an embodiment, the processor, using [Equation 2] defining the correction factor (Q), redefines the change relational expression of each current command (β * ) according to the following [Equation 3], Current angular command (β MTPA ) can be followed.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020029589739-pat00006
Figure 112020029589739-pat00006

여기서, ρ는 전류 각 지령의 변동 폭을 조절하는 파라미터.Here, ρ is a parameter that controls the variation width of each current command.

일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하는지 판단할 수 있다.According to an embodiment, the processor may determine whether the correction factor Q converges to zero.

일 실시 예에 따르면, 상기 프로세서는, 판단 결과, 상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하지 않는 경우, 상기 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 재측정하고, 전류 각 지령(βMTPA)을 재추종할 수 있다.According to an embodiment, the processor re-measures the current I s supplied to the stator when the correction factor Q does not converge to 0 as a result of the determination, and each current command β MTPA ) can be re-followed.

본 발명에 의하면, 고정자 전류 크기만을 이용하여 최적 전류 각을 추종할 수 있다.According to the present invention, the optimum current angle can be tracked using only the magnitude of the stator current.

본 발명에 의하면, 전동기의 제정수나 회전자 위치 측정을 위한 레졸버 신호에 오차가 발생하는 상황에서도, 모든 운전 조건에서 짧은 시간 내에 동손이 최소가 되는 최적 전류 각을 추종할 수 있다.According to the present invention, it is possible to follow the optimum current angle at which copper loss is minimized within a short time under all operating conditions even in a situation where an error occurs in the resolver signal for measuring the constant number of the motor or the rotor position.

본 발명에 의하면, 이전 제어 주기에 계산된 동손과 현재 제어 주기에 계산된 동손의 비를 기반으로 일정한 Gradient를 가지기 위한 Q특성을 획득하고, 이에 맞게 전류 각 지령을 경사 하강법에 따라 점진적으로 조정하여, 최종적으로 추종한 전류 각 지령이 목적 함수의 부하에 따라 달라지지 않고 정확할 수 있다. According to the present invention, the Q characteristic to have a constant gradient is acquired based on the ratio of copper loss calculated in the previous control period to the copper loss calculated in the current control period, and each current command is gradually adjusted according to the gradient descent method accordingly. Accordingly, each command of the finally followed current may be accurate without changing depending on the load of the objective function.

본 발명에 의하면, 전기 자동차, 철도 차량 등을 포함하는 견인 전동기 분야 또는 에어컨, 세탁기 등의 전동기 분야에서 동손을 최소화하는 효율적인 운전이 가능할 수 있다.According to the present invention, it may be possible to efficiently drive to minimize copper loss in the field of traction motors including electric vehicles and railway vehicles, or in the fields of electric motors such as air conditioners and washing machines.

본 발명에 의하면, 제한된 에너지원을 사용하는 전동기 구동 분야에서 동손의 최소화에 따라 구동 효율이 향상됨으로써, 배터리의 1회 충전 시 사용 기간을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, since the driving efficiency is improved by minimizing copper loss in the field of driving a motor using a limited energy source, it is possible to improve the period of use during one charge of the battery.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템에 적용될 경사 하강법의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템에서 목적 함수인 동손(Pcu)의 추종 성능이 변화하는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템에서 부하 조건에 따른 동손(Pcu)의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템이 수정된 경사 하강법을 이용하여 동손(Pcu)의 추종 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 종래 제정수 오차가 존재하는 상황에서 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 종래 레졸버 신호에 옵셋이 존재하는 상황에서 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 PMSM 속도 제어 시스템에서 MTPA 제어 방법을 이용한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 각각 서로 다른 조건의 IPMSM 시스템에서 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용한 결과를 나타낸 도면이다.
1 is a diagram showing the configuration of a PMSM speed control system according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a flow of an MTPA control method of a permanent magnet synchronous motor using an optimization technique according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the principle of the gradient descent method to be applied to the PMSM speed control system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a case in which the tracking performance of the copper loss (Pcu), which is an objective function, is changed in the PMSM speed control system according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a change in copper loss (Pcu) according to a load condition in the PMSM speed control system according to an embodiment of the present invention.
6A and 6B are diagrams for explaining the tracking performance of the copper loss (Pcu) using the modified gradient descent method of the PMSM speed control system according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing a result of applying the MTPA control method of the present invention in a situation in which a conventional constitutive error exists.
8 is a diagram illustrating a result of applying the MTPA control method of the present invention in a situation where an offset exists in a conventional resolver signal.
9 is a view showing a result of using the MTPA control method in the PMSM speed control system of the present invention.
10 and 11 are diagrams showing results of applying the MTPA control method of the present invention in an IPMSM system under different conditions, respectively.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numerals refer to like elements throughout.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless clearly defined in particular. The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural, unless specifically stated otherwise in the phrase.

본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계 및/또는 동작은 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.As used herein, “comprises” and/or “comprising” refers to a referenced component, step and/or action indicating the presence or addition of one or more other components, steps and/or actions. do not exclude

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템(1000)의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법의 흐름을 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a PMSM speed control system 1000 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a flow of an MTPA control method of a permanent magnet synchronous motor using an optimization technique according to an embodiment of the present invention. is a diagram showing

도 1을 참조하면, PMSM 속도 제어 시스템(1000)은 영구자석 동기 전동기(100) 및 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치(200)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the PMSM speed control system 1000 may include a permanent magnet synchronous motor 100 and an MTPA control device 200 of the permanent magnet synchronous motor.

영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치(200)는 고정자에 공급되는 전류 값 및 새롭게 응용시킨 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)을 이용하여 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 구하고, 그에 맞게 영구자석 동기 전동기(100)를 제어할 수 있으며, 이를 위해 인버터(210)와 프로세서(220)를 포함할 수 있다.The MTPA control device 200 of the permanent magnet synchronous motor uses the current value supplied to the stator and the newly applied Gradient Descent Algorithm to obtain the optimal current angular command (β MTPA ), and accordingly, the permanent magnet synchronization The motor 100 may be controlled, and for this purpose, an inverter 210 and a processor 220 may be included.

영구자석 동기 전동기(100)와 연결된 영구자석 동기 전동기용 인버터(210)는 실시 예에 따라, PWM(Pulse Width Modulation) 인버터일 수 있다.The inverter 210 for a permanent magnet synchronous motor connected to the permanent magnet synchronous motor 100 may be a pulse width modulation (PWM) inverter according to an embodiment.

프로세서(220)는 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque) 성분을 효율적으로 출력해야 하는 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)(매입형 PMSM)에서 동손이 최소가 되도록 하는 d축과 q축 전류(ids r)(iqs r)를 선택하여 이를 전류 지령으로 사용할 수 있다.The processor 220 is a d-axis and q-axis current (i ds r ) to minimize copper loss in an IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) (embedded PMSM) that must efficiently output a reluctance torque component. You can select (i qs r ) to use it as a current reference.

이하, 도 2를 참조하여, MTPA 제어 장치(200)의 프로세서(220)가 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to FIG. 2 , a method in which the processor 220 of the MTPA control device 200 follows the optimal current angular command β MTPA will be described.

도 2를 참조하면, 프로세서(220)는 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정한다(S110). 여기서, 전류(Is)는 동일한 크기의 토크를 출력하는 d축과 q축의 전류(ids r)(iqs r)의 조합으로 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 2 , the processor 220 measures the current Is supplied to the stator ( S110 ). Here, the current Is may be formed of a combination of the d-axis and q-axis currents i ds r (i qs r ) that output the same magnitude of torque.

S110 단계 이후, 프로세서(220)는 측정된 전류(Is)를 이용하여 동손(Copper Loss)(Pcu)을 계산한다(S120). 구체적으로, d축과 q축 전류에 의한 동손(Pcu)는 하기 [수학식 1]과 같이 고정자 전류 크기(Is)의 제곱에 비례할 수 있다.After step S110, the processor 220 calculates a copper loss (Pcu) using the measured current Is ( S120 ). Specifically, the copper loss (Pcu) due to the d-axis and q-axis current may be proportional to the square of the magnitude of the stator current Is as shown in Equation 1 below.

Figure 112020029589739-pat00007
Figure 112020029589739-pat00007

여기서, Is는 고정자에 공급되는 전류, Rs는 고정자 저항.where I s is the current supplied to the stator and R s is the stator resistance.

한편, PMSM의 출력 토크 지령(Te *)에 대한 고정자 전류의 크기(Is)는 전류 각(b)의 함수인 바, 동손(Pcu) 역시 전류 각(b)에 따라 달라질 수 있다. 일반적으로, 동손(Pcu)이 최소가 되는 전류 각(b)을 하기 [수학식 2]와 같이 구하지만, 본 발명에서는 전류 각(b)을 구하는 시간을 단축시키고, 최종 추종된 각이 오차에 영향을 받지 않도록 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)을 응용하여 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 구할 수 있다. Meanwhile, the magnitude (Is) of the stator current with respect to the output torque command (T e * ) of the PMSM is a function of the current angle (b), and the copper loss (Pcu) may also vary according to the current angle (b). In general, the current angle (b) at which the copper loss (Pcu) is minimized is obtained as shown in [Equation 2], but in the present invention, the time to obtain the current angle (b) is shortened, and the final followed angle is the error. The optimal current angle reference (β MTPA ) can be obtained by applying the gradient descent algorithm so as not to be affected.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템(1000)에 적용될 경사 하강법의 원리를 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for explaining the principle of the gradient descent method to be applied to the PMSM speed control system 1000 according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 경사 하강법은 목적 함수(f(x))의 극소점을 찾기 위해 [수학식 2]와 같이 f(x)의 반대 방향(값이 감소하는 방향)으로 그 경사(gradient) 크기에 비례하는 만큼 이동할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the gradient descent method is performed in the opposite direction to f(x) (the direction in which the value decreases) as in [Equation 2] to find the minimum of the objective function f(x). ) can move in proportion to its size.

Figure 112020029589739-pat00008
Figure 112020029589739-pat00008

f(x)의 극소점을 추종하는 과정에서 x가 일정한 크기만큼 이동할 경우, 이동 거리에 비례하게 추종 시간이 증가하지만, [수학식 2]와 같은 경사 하강법을 사용할 경우, 경사(gradient) 크기에 비례하는 만큼 이동하기 때문에 추종 시간을 단축시킬 수 있다. If x moves by a certain amount in the process of following the minimum point of f(x), the tracking time increases in proportion to the moving distance, but when using the gradient descent method as in [Equation 2], the gradient size Since it moves in proportion to , the tracking time can be shortened.

그에 따라, 프로세서(220)는 S120 단계에서 [수학식 1]과 같이 계산된 동손(Pcu)을 경사 하강법을 적용하기 위한 목적 함수로 설정할 수 있으며, 본 발명에서는 후술할 경사 하강법의 문제점을 보완한, 새롭게 정의된 경사 하강법을 이용하여 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 추종할 수 있다. Accordingly, the processor 220 may set the copper loss Pcu calculated as in [Equation 1] in step S120 as an objective function for applying the gradient descent method. It is possible to follow the optimal current angular command (β MTPA ) by using the newly defined gradient descent method.

이를 설명하기에 앞서, 경사 하강법은 하기 [수학식 3]과 같이 경사, 즉 기울기가 0이 되어 다음 주기의 전류 각 지령(βk +1 *)이 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 동일한 값을 가지는 지점(동손(Pcu)이 최소가 되는 지점)을 추종하는 방식으로 진행된다.Before explaining this, the gradient descent method is as in [Equation 3] below, the slope, that is, the slope becomes 0, so that each current command (β k +1 * ) of the next period is each current command (β k * ) of the current period. ) is followed by a point having the same value (a point at which copper loss (Pcu) is the minimum).

Figure 112020029589739-pat00009
Figure 112020029589739-pat00009

여기서, ρ는 전류 각 지령의 변동 폭을 조절하는 파라미터로서, 스텝 사이즈(step size)라고 할 수 있다. 목적 함수인 동손(Pcu)은 전류(Is)의 제곱과 비례하는 연속적인 2차 함수인 바, 상기 [수학식 3]을 이산화하여 하기 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.Here, ρ is a parameter for controlling the variation width of each current command, and may be referred to as a step size. The objective function, copper loss (Pcu), is a continuous quadratic function proportional to the square of the current (Is), and can be expressed as in [Equation 4] below by discretizing [Equation 3].

Figure 112020029589739-pat00010
Figure 112020029589739-pat00010

이 때, [수학식 4]를 통해 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 경우, 추종 성능(소요 시간, 정확도)은 변동 폭을 조절하는 파라미터(ρ)에 의해 결정되는데, 이 파라미터(ρ)를 적절하게 선정하지 않을 경우 추종 성능이 저하될 수 있다. At this time, in the case of following the optimal current angular command (β MTPA ) through [Equation 4], the tracking performance (required time, accuracy) is determined by the parameter (ρ) controlling the fluctuation range, this parameter ( If ρ) is not properly selected, the tracking performance may be degraded.

예를 들어, 파라미터(ρ)를 작은 값으로 선정하는 경우 Δβ의 크기가 작아지기 때문에, 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 최적의 전류 각 지령(βMTPA)으로 수렴하기까지 오랜 시간이 소요되며, 기울기의 크기가 작은 구간에서 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 최적의 전류 각 지령(βMTPA)으로 수렴하기도 전에 Δβ의 크기가 0에 매우 가까운 작은 값을 가지게 되어 추종이 종료될 수 있다. For example, when the parameter (ρ) is selected as a small value, since the magnitude of Δβ becomes small, it takes a long time for the current angular reference (β k * ) of the current period to converge to the optimal current angular reference (β MTPA ). In the section where the slope is small, the magnitude of Δβ has a very small value close to 0 before the current angular command (β k * ) of the current cycle converges to the optimal current angular command (β MTPA ). This may end.

반대로, 파라미터(ρ)를 큰 값으로 선정하는 경우, 추종 초기에 기울기가 매우 커지기 때문에 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 진동을 하거나 발산하는 문제가 발생할 수 있다. 그에 따라, 파라미터(ρ)의 값을 적절하게 선정하는 것이 중요하지만, 동손(Pcu)이 부하 조건에 따라 기울기 값이 달라질 수 있다. Conversely, when the parameter (ρ) is selected as a large value, since the slope is very large at the beginning of the tracking, a problem in which each current command (β k * ) of the current period vibrates or diverges may occur. Accordingly, it is important to appropriately select the value of the parameter ρ, but the value of the slope of the copper loss Pcu may vary depending on the load condition.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템(1000)에서 목적 함수인 동손(Pcu)의 추종 성능이 변화하는 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템(1000)에서 부하 조건에 따른 동손(Pcu)의 변화를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a diagram for explaining a case in which tracking performance of an objective function, Pcu, is changed in the PMSM speed control system 1000 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an embodiment of the present invention. A diagram for explaining a change in copper loss (Pcu) according to a load condition in the PMSM speed control system 1000 according to FIG.

도 4의 (a), (b)를 참조하면, 부하 조건이 각각 100%, 50%이고, 초기 전류 각 지령이 90°, 동일한 파라미터(ρ=1.2x10-5)일 때, 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는데 소요되는 시간이 다음과 같이 상이할 수 있다.Referring to (a) and (b) of FIG. 4 , when the load conditions are 100% and 50%, respectively, the initial current angle command is 90°, and the same parameter (ρ=1.2x10 -5 ), the optimal current angle The time required to follow the instruction β MTPA may be different as follows.

구체적으로, (a)는 100% 부하 조건에서 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 90°에서 최종 값인 120.9°로 조정되기 까지 0.285초가 소요되어 짧은 시간 내에 동손(Pcu)이 최소가 되는 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 구할 수 있지만, (b)는 50% 부하 조건에서 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 90°에서 최종 값인 113.6°로 조정되기 까지 1.193초가 소요된다. Specifically, (a) shows that under the 100% load condition, it takes 0.285 seconds for the current angular command (β k * ) of the current cycle to be adjusted from 90° to the final value of 120.9°, which minimizes copper loss (Pcu) within a short time. Although the optimal current angular reference (β MTPA ) can be obtained, in (b) it takes 1.193 seconds for the current angular reference (β k * ) of the current cycle to be adjusted from 90° to the final value of 113.6° under the 50% load condition. .

즉, 50% 부하의 경우, 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 최적의 전류 각 지령(βMTPA)까지 조정되어야 하는 크기(세로 축의 Current Angle)가 작음에도 최종적으로 전류 각을 추종하기까지 더 긴 시간이 소요되며, 최적의 전류 각 지령(βMTPA)에 도달하기 전에 추종이 종료되어 정확한 값을 구할 수가 없다. That is, in the case of 50% load, the current angle reference (β k * ) of the current cycle must be adjusted up to the optimal current angle reference (β MTPA ) to finally follow the current angle even though the size (current angle of the vertical axis) is small. It takes longer time, and the tracking is terminated before reaching the optimal current angular reference (β MTPA ), and an accurate value cannot be obtained.

즉, 도 5와 같이, 전류 각 지령(β)-동손(Pcu) 그래프에서 부하가 클 수록 동일한 Δβ에서 그 기울기가 커지며, 추종 속도가 빨라질 수 있다. That is, as shown in FIG. 5 , as the load increases in the current command (β)-copper loss (Pcu) graph, the slope increases at the same Δβ, and the tracking speed can be increased.

다시 도 2를 참조하여 설명하도록 한다. It will be described again with reference to FIG. 2 .

S120 단계 이후, 프로세서(220)는 부하 조건에 관계 없이 일정한 기울기를 사용하기 위해, 즉, 상술한 종래의 경사 하강법의 문제점을 보완하기 위해, 동손(Pcu)을 이용하여 보정 팩터(Q)를 정의한다(S130). 구체적으로, 프로세서(220)는 현재 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk) 대비 이전 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk-1)의 비율을 기초로, 하기 [수학식 5]에 따라 보정 팩터(Q)를 정의할 수 있다.After step S120, the processor 220 calculates the correction factor Q using copper loss Pcu to use a constant slope regardless of the load condition, that is, to compensate for the problem of the conventional gradient descent method described above. Define (S130). Specifically, the processor 220 based on the ratio of the copper loss (Pcu k ) calculated in the current control period to the copper loss (Pcu k-1 ) calculated in the previous control period, according to the following [Equation 5], the correction factor ( Q) can be defined.

Figure 112020029589739-pat00011
Figure 112020029589739-pat00011

여기서, Pcuk - 1는 이전 제어 주기에 계산된 동손, Pcuk는 현재 제어 주기에 계산된 동손, βk - 1는 이전 주기의 전류 각 지령, βk는 현재 주기의 전류 각 지령을 의미한다. Here, Pcu k - 1 is the copper loss calculated in the previous control period, Pcu k is the copper loss calculated in the current control period, β k - 1 is the current reference in the previous period, and β k is the current reference in the current period. .

프로세서(220)는 동손(Pcu)이 최소가 되는 지점을 구할 수 있는 [수학식 4]에 S130 단계에서 정의한 보정 팩터(Q)를 대입하여, 경사 하강법을 하기 [수학식 6]과 같이 재정의할 수 있다. The processor 220 substitutes the correction factor (Q) defined in step S130 to [Equation 4] at which the copper loss (Pcu) can be obtained the minimum point, and redefines the gradient descent method as shown in [Equation 6] below. can do.

Figure 112020029589739-pat00012
Figure 112020029589739-pat00012

여기서, Pcuk - 1와 Pcuk의 비율은 동손(Pcu)이 감소하는 경우에 1 이상의 값을 가지기 때문에, 이를 이용하여 보정 팩터(Q)의 양(+)/음(-) 부호를 결정할 수 있다. 예를 들어, 보정 팩터(Q)는 전류 각 지령(βk *)이 증가 시, 동손(Pcu)이 감소하는 하는 경우에는 양(+)의 값을 가지며, 전류 각 지령(βk *)이 증가 시, 동손(Pcu)이 감소하는 하는 경우에는 음(-)의 값을 가질 수 있다. Here, since the ratio of Pcu k - 1 and Pcu k has a value of 1 or more when copper loss (Pcu) decreases, the positive (+)/negative (-) sign of the correction factor (Q) can be determined using this have. For example, the correction factor Q has a positive value when the current angular command (β k * ) increases and the copper loss (Pcu) decreases, and the current angular command (β k * ) is When increasing, when copper loss (Pcu) decreases, it may have a negative (-) value.

현재 주기의 전류 각 지령(βk*)을 정외된 보정 팩터(Q)에 따라 [수학식 6]과 같이 변화시킬 경우, 동손(Pcu)의 변화 정도가 비율로 나타나 기 때문에, [수학식 3]에서 표현된 ∂Pcu/∂β와 달리 부하에 따른 오차가 발생하지 않고, 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 추종할 수 있다. When changing each current command (β k *) of the current period as in [Equation 6] according to the defined correction factor (Q), since the degree of change in copper loss (Pcu) is expressed as a ratio, [Equation 3 Unlike ∂Pcu/ ∂β expressed in [

또한, 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)과 최적의 전류 각 지령(βMTPA)의 차이가 클수록 동손(Pcu)의 변동률이 커지게 되고, Pcuk - 1와 Pcuk의 비율의 비가 커지므로, 보정 팩터(Q)는 큰 값을 가질 수 있다. 즉, [수학식 6]의 Δβ의 크기는 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)과 최적의 전류 각 지령(βMTPA)의 차이가 클수록 커지게 되어, [수학식 6]을 이용하여 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 경우, 추종 속도를 향상시킬 수 있다. In addition, as the difference between the current angular command (β k * ) and the optimal current angular command (β MTPA ) of the current period is larger, the rate of change in copper loss (Pcu) increases, and the ratio of Pcu k - 1 to Pcu k increases. Therefore, the correction factor Q may have a large value. That is, the magnitude of Δβ in [Equation 6] becomes larger as the difference between the current angular command (β k * ) and the optimal current angular command (β MTPA ) of the current period increases, and is optimal using [Equation 6]. In the case of following each current command β MTPA of , the tracking speed can be improved.

S130 단계 이후, 프로세서(220)는 산출된 보정 팩터(Q)를 경사 하강법에 적용하여 전류 각 지령(βMTPA)을 추종한다(S140). 구체적으로, 프로세서(220)는 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하는지 판단할 수 있으며(S150), 만약, 보정 팩터(Q)가 0에 수렴할 경우, 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 최적의 전류 각 지령(βMTPA)인 것으로 이해될 수 있다.After step S130 , the processor 220 applies the calculated correction factor Q to the gradient descent method to follow the current angular command β MTPA ( S140 ). Specifically, the processor 220 may determine whether the correction factor (Q) converges to 0 (S150), and if the correction factor (Q) converges to 0, each current command (β k * ) can be understood as the optimal current angular reference (β MTPA ).

S150 단계에서, 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하지 않는 경우, 프로세서(220)는 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하는 S110 단계로 되돌아 갈 수 있으며, 목적 함수인 동손(Pcu)을 다시 계산할 수 있다. In step S150, if the correction factor Q does not converge to 0, the processor 220 may return to step S110 of measuring the current Is supplied to the stator, and the objective function copper loss (Pcu) ) can be recalculated.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PMSM 속도 제어 시스템(1000)이 수정된 경사 하강법을 이용하여 동손(Pcu)의 추종 성능을 설명하기 위한 도면이다.6A and 6B are diagrams for explaining the tracking performance of the copper loss (Pcu) using the modified gradient descent method of the PMSM speed control system 1000 according to an embodiment of the present invention.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 부하 조건이 각각 100%, 50%이고, 초기 전류 각 지령이 90°, 동일한 파라미터(ρ=1.2x10-5)일 때, 전류 각 지령(βk *)의 변화가 다음과 같이 나타날 수 있다. 6A and 6B, when the load conditions are 100% and 50%, respectively, the initial current angular command is 90°, and the same parameter (ρ=1.2x10 -5 ), the current angular command (β k * ) Changes may appear as follows:

구체적으로, 도 6a는 100% 부하 조건에서 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 90°에서 최종 값인 120.9°로 조정되기까지 0.221초가 소요되었으며, 도 6b는 50% 부하 조건에서 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 90°에서 최종 값인 114.3°로 조정되기까지 0.213초가 소요된다. Specifically, in Fig. 6a, it took 0.221 seconds for the current angular command (β k * ) of the current cycle to be adjusted from 90° to the final value of 120.9° in the 100% load condition, and Fig. 6b shows the current cycle in the 50% load condition. It takes 0.213 seconds for the current angle reference (β k * ) to be adjusted from 90° to the final value of 114.3°.

즉, 본 발명의 수정된 경사 하강법을 이용하여 부하 조건이 달라졌음에도 짧은 시간 내에 동손(Pcu)이 최소가 되는 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 구할 수 있다.That is, by using the modified gradient descent method of the present invention, it is possible to obtain the optimal current angular command (β MTPA ) that minimizes copper loss (Pcu) within a short time even when the load conditions are changed.

또한, [수학식 5]에서 보정 팩터(Q)는 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)과 최적의 전류 각 지령(βMTPA)의 차이가 클수록 큰 값을 가지기 때문에, 현재 주기의 전류 각 지령(βk *)이 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 구하기 위해 조정되어야 하는 크기가 (a)의 경우 (b) 보다 크지만, 추종 시간에는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 다시 말해서, 보정 팩터(Q)를 반영함으로써, 모든 부하 조건에서 거의 균등한 추종 성능을 보장할 수 있다.In addition, in [Equation 5], the correction factor (Q) has a larger value as the difference between the current angular command (β k * ) and the optimal current angular command (β MTPA ) of the current period is greater. It can be seen that the magnitude of the reference (β k * ) to be adjusted to obtain the optimal current angular reference (β MTPA ) is larger than that of (a) in (b), but there is no significant difference in the follow-up time. In other words, by reflecting the correction factor Q, it is possible to ensure almost equal tracking performance in all load conditions.

지금까지 본 발명의 PMSM 속도 제어 시스템(1000) 및 이를 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법에 대하여 설명하였다. 본 발명에 따르면, 고정자 전류의 크기 정보만을 이용하여 MPTA 제어를 위한 최적의 전류 각 지령(βMTPA)을 결정할 수 있어, PMSM의 제정수 오차 또는 회전자 위치 옵셋(offset)에 의한 영향을 받지 않고 정확한 제어를 할 수 있다.So far, the PMSM speed control system 1000 of the present invention and the MTPA control method of a permanent magnet synchronous motor using the same have been described. According to the present invention, it is possible to determine the optimal current angular command (β MTPA ) for MPTA control using only the magnitude information of the stator current, so that it is not affected by the constitutive error of PMSM or the rotor position offset. Precise control can be achieved.

이하에서는, 기존의 MTPA 제어 방법에서 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용할 경우에 나타나는 변화된 실험 결과에 대해 설명하도록 하며, 이를 통해 본 발명의 효용성을 검증하도록 한다.Hereinafter, changed experimental results appearing when the MTPA control method of the present invention is applied to the existing MTPA control method will be described, thereby verifying the effectiveness of the present invention.

도 7은 종래 제정수 오차가 존재하는 상황에서 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용한 결과를 나타낸 도면이고, 도 8은 종래 레졸버 신호에 옵셋이 존재하는 상황에서 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용한 결과를 나타낸 도면이며, 도 9는 본 발명의 PMSM 속도 제어 시스템(1000)에서 MTPA 제어 방법을 이용한 결과를 나타낸 도면이다. 7 is a view showing the result of applying the MTPA control method of the present invention in a situation where there is a conventional constitutive error, and FIG. 8 is a result of applying the MTPA control method of the present invention in a situation where an offset exists in the conventional resolver signal. 9 is a view showing the result of using the MTPA control method in the PMSM speed control system 1000 of the present invention.

도 7 내지 도 9를 설명하기에 앞서, 효용성을 검증하기 위한 시뮬레이션은 Matlab/Simulink를 이용하여 수행되었다. 하기 [표 1]은 시뮬레이션에 사용된 210kW IPMSM의 제정수를 의미하며, 하기 [표 2]는 시뮬레이션에 사용된 800W IPMSM의 제정수를 의미한다. 또한, 스위칭 주파수는 210kW IPMSM에 대해 2kHz, 800W IPMSM에 대해 5kHz를 적용하였다. Before describing FIGS. 7 to 9 , a simulation for verifying effectiveness was performed using Matlab/Simulink. [Table 1] below means the constitutive number of 210 kW IPMSM used in the simulation, and [Table 2] below means the constitutive number of the 800W IPMSM used in the simulation. In addition, the switching frequency was applied to 2kHz for 210kW IPMSM and 5kHz for 800W IPMSM.

ParameterParameter ValueValue ParameterParameter ValueValue Prated rated 210kW210kW PP 6poles6poles Trated T rated 1925N*m1925N*m Rs R s 32.42mΩ32.42mΩ Irated I rated 335A(peak)335A (peak) Lds L ds 2.49mH2.49mH Vrated V rated 1500V1500V Lqs L qs 5.56mH5.56mH ωrated ω rated 1000r/min1000r/min φf φ f 0.9595Wb0.9595Wb

ParameterParameter ValueValue ParameterParameter ValueValue Prated rated 800kW800kW PP 8poles8poles Trated T rated 3.18N*m3.18N*m Rs R s 1.8mΩ1.8mΩ Irated I rated 4A(peak)4A(peak) Lds L ds 7.8mH7.8mH Vrated V rated 220V220V Lqs L qs 14.5mH14.5mH ωrated ω rated 1000r/min1000r/min φf φ f 0.13Wb0.13 Wb

도 7을 참조하면, 210kW IPMSM, 속도 500r/min, 50% 부하 조건에서, 제정수 오차가 존재하여, q축 인덕턴스가

Figure 112020029589739-pat00013
와 같이 변동된 경우(
Figure 112020029589739-pat00014
는 PMSM 시스템(1000)의 제어기가 인지하고 있는 q축 인덕턴스), 초기에 전류 각 지령(βk *)이 103.1°에서 운전 중인 것을 알 수 있다. 여기서, 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용할 경우, 약 0.125초 후에 114.8°로 조정되고, 이로 인해 고정자 전류의 크기(Is)가 199.9A에서 194.7A로 감소하고, 동손(Pcu)는 1295W에서 1229W로 감소함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7 , at 210 kW IPMSM, speed 500 r/min, and 50% load condition, there is a quadrature error, so that the q-axis inductance is
Figure 112020029589739-pat00013
If it is changed like (
Figure 112020029589739-pat00014
is the q-axis inductance recognized by the controller of the PMSM system 1000), it can be seen that the initial current angle command (β k * ) is operating at 103.1°. Here, when the MTPA control method of the present invention is applied, it is adjusted to 114.8° after about 0.125 seconds, whereby the magnitude (Is) of the stator current is reduced from 199.9A to 194.7A, and the copper loss (Pcu) is from 1295W to 1229W can be seen to decrease.

도 8을 참조하면, 210kW IPMSM, 속도 1000r/min, 100% 부하 조건에서, 회전자 위치 측정을 위해 설치된 레졸버 신호에 옵셋(offset)이 존재하여, 회전자의 위치가

Figure 112020029589739-pat00015
와 같이 변동된 경우(
Figure 112020029589739-pat00016
는 PMSM 시스템(1000)의 제어기가 인지하고 있는 회전자 위치), 초기에 전류 각 지령(βk *)이 120.9°에서 운전 중인 것을 알 수 있다. 여기서, 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용할 경우, 약 0.123초 후에 110.4°로 조정되고, 이로 인해 고정자 전류의 크기(Is)가 343.3A에서 335.2A로 감소하고, 동손(Pcu)는 3823W에서 3642W로 감소함을 확인할 수 있다.8, at 210kW IPMSM, speed 1000r/min, 100% load condition, there is an offset in the resolver signal installed for measuring the rotor position, so that the position of the rotor is
Figure 112020029589739-pat00015
If it is changed like (
Figure 112020029589739-pat00016
is the rotor position recognized by the controller of the PMSM system 1000), it can be seen that the current angular command (β k * ) is being operated at 120.9° initially. Here, when the MTPA control method of the present invention is applied, it is adjusted to 110.4° after about 0.123 seconds, whereby the magnitude (Is) of the stator current is reduced from 343.3A to 335.2A, and the copper loss (Pcu) is 3823W to 3642W can be seen to decrease.

도 9를 참조하면, 800W IPMSM, 속도 2000r/min, 100% 부하 조건에서, 초기에 전류 각 지령(βinit)가 90°, 즉 d축 전류를 0제어하는 것을 알 수 있다. 여기서, 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용할 경우, 약 0.123초 후에 101°로 조정되고, 이로 인해 고정자 전류의 크기(Is)가 4.077A에서 3.996A로 감소하고, 동손(Pcu)는 41.55W에서 39.92W로 감소함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9 , it can be seen that, in the 800W IPMSM, speed 2000r/min, and 100% load condition, the current angular command β init initially controls 90°, that is, the d-axis current is 0. Here, when the MTPA control method of the present invention is applied, it is adjusted to 101° after about 0.123 seconds, whereby the magnitude (Is) of the stator current is reduced from 4.077A to 3.996A, and the copper loss (Pcu) is at 41.55W. It can be confirmed that the decrease to 39.92W.

이하에서는, 디지털 제어기를 사용한 IPMSM 구동 시스템의 실험 결과로 본 발명의 타당성을 설명하도록 한다. 실험에 사용된 800W IPMSM의 사양은 [표 2]와 동일하며, 인버터의 스위칭 주파수는 5kHz이다.Hereinafter, the feasibility of the present invention will be explained based on the experimental results of the IPMSM driving system using the digital controller. The specifications of the 800W IPMSM used in the experiment are the same as in [Table 2], and the switching frequency of the inverter is 5kHz.

도 10 및 도 11은 각각 서로 다른 조건의 IPMSM 시스템에서 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용한 결과를 나타낸 도면이다.10 and 11 are diagrams showing results of applying the MTPA control method of the present invention in an IPMSM system under different conditions, respectively.

도 10과 도 11 모두 초기 전류 각 지령이 90°, 즉 d축 전류를 0으로 제어하는 과정에서, 본 발명의 MTPA를 제어 방법을 이용한 경우에 계산된 토크(

Figure 112020029589739-pat00017
), 회전자 속도(
Figure 112020029589739-pat00018
), 고정자 전류의 크기(Is) 및 전류 각 지령(β*)을 나타낸다.10 and 11, the torque (
Figure 112020029589739-pat00017
), rotor speed (
Figure 112020029589739-pat00018
), the magnitude of the stator current (Is), and the current command (β * ).

도 10을 참조하면, 속도 1000r/min, 75% 부하 조건에서, 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용할 경우, 전류 각 지령(β*)이 90°에서 98.2°로 0.125초만에 조정되었으며, 전류 각 지령(β*)이 조정됨에 따라, 고정자 전류의 크기(Is)가 감소함을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 10, when the MTPA control method of the present invention is applied at a speed of 1000r/min and a load condition of 75%, the current angle command (β * ) was adjusted from 90° to 98.2° in 0.125 seconds, and the current angle As the command (β * ) is adjusted, it can be seen that the magnitude (Is) of the stator current decreases.

도 11을 참조하면, 속도 2000r/min, 100% 부하 조건에서, 본 발명의 MTPA 제어 방법을 적용할 경우, 전류 각 지령(β*)이 90°에서 101.6°로 0.125초만에 조정되었으며, 전류 각 지령(β*)이 조정됨에 따라, 고정자 전류의 크기(Is)가 감소함을 확인할 수 있다.11, when the MTPA control method of the present invention is applied at a speed of 2000r/min and a 100% load condition, the current angle command (β * ) was adjusted from 90° to 101.6° in 0.125 seconds, and the current angle As the command (β * ) is adjusted, it can be seen that the magnitude (Is) of the stator current decreases.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can realize that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

1000: PMSM 속도 제어 시스템
100: 영구자석 동기 전동기, PMSM
200: MTPA 제어 장치
210: 인버터
220: 프로세서
1000: PMSM speed control system
100: permanent magnet synchronous motor, PMSM
200: MTPA control device
210: inverter
220: processor

Claims (14)

고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하는 단계;
측정된 전류(Is)를 이용하여 동손(Copper Loss)(Pcu)을 계산하는 단계;
계산된 동손을 이용하여 보정 팩터(Q)를 정의하는 단계; 및
산출된 보정 팩터(Q)를 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)에 적용하여 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 단계;
를 포함하며,
상기 동손(Pcu)을 계산하는 단계는,
하기 [수학식 1]에 따라 동손(Pcu)을 계산하고,
[수학식 1]
Figure 112022039027818-pat00037

(여기서, Is는 고정자에 공급되는 전류, Rs는 고정자 저항)
계산된 동손(Pcu)을 상기 경사 하강법을 적용하기 위한 목적 함수로 설정하는 단계를 포함하며,
상기 보정 팩터(Q)를 정의하는 단계는,
현재 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk) 대비 이전 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk-1)의 비율을 기초로, 하기 [수학식 2]에 따라 상기 보정 팩터(Q)를 정의하는, 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법.
[수학식 2]
Figure 112022039027818-pat00038

(여기서, Pcuk-1는 이전 제어 주기에 계산된 동손, Pcuk는 현재 제어 주기에 계산된 동손, βk-1는 이전 주기의 전류 각 지령, βk는 현재 주기의 전류 각 지령)
Measuring the current (Is) supplied to the stator (stator);
calculating copper loss (Pcu) using the measured current (Is);
defining a correction factor (Q) using the calculated copper loss; and
applying the calculated correction factor (Q) to the gradient descent algorithm to follow the current angular command (β MTPA );
includes,
The step of calculating the copper loss (Pcu),
Calculate the copper loss (Pcu) according to the following [Equation 1],
[Equation 1]
Figure 112022039027818-pat00037

(where I s is the current supplied to the stator, R s is the stator resistance)
Setting the calculated copper loss (Pcu) as an objective function for applying the gradient descent method,
The step of defining the correction factor (Q) is,
Based on the ratio of the copper loss (Pcu k ) calculated in the current control period to the copper loss (Pcu k-1 ) calculated in the previous control period, the correction factor (Q) is defined according to the following [Equation 2], optimization MTPA control method of permanent magnet synchronous motor using technique.
[Equation 2]
Figure 112022039027818-pat00038

(Where Pcu k-1 is the copper loss calculated in the previous control period, Pcu k is the copper loss calculated in the current control period, β k-1 is the current reference in the previous period, and β k is the current reference in the current period)
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 단계는,
상기 보정 팩터(Q)를 정의한 [수학식 2]를 이용하여, 전류 각 지령(β*)의 변화 관계식을 하기 [수학식 3]에 따라 재정의한 후, 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는, 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법.
[수학식 3]
Figure 112022039027818-pat00021

(여기서, ρ는 전류 각 지령의 변동 폭을 조절하는 파라미터)
According to claim 1,
The step of following each current command (β MTPA ) is,
Using [Equation 2] defining the correction factor (Q), the change relational expression of each current command (β * ) is redefined according to the following [Equation 3], and then each current command (β MTPA ) is followed. , MTPA control method of permanent magnet synchronous motor using optimization technique.
[Equation 3]
Figure 112022039027818-pat00021

(here, ρ is a parameter that adjusts the variation width of each current command)
제5항에 있어서,
상기 전류 각 지령(β*)을 변화시키는 단계는,
상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하는지 판단하는 단계; 를 더 포함하는 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법.
6. The method of claim 5,
The step of changing each current command (β * ) is,
determining whether the correction factor (Q) converges to zero; MTPA control method of a permanent magnet synchronous motor using an optimization technique further comprising a.
제6항에 있어서,
상기 판단하는 단계는,
판단 결과, 상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하지 않는 경우, 상기 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하는 단계로 되돌아가는, 최적화 기법을 이용한 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 방법.
7. The method of claim 6,
The determining step is
As a result of the determination, if the correction factor (Q) does not converge to 0, returning to the step of measuring the current (I s ) supplied to the stator (stator) MTPA control method of a permanent magnet synchronous motor using an optimization technique .
고정자에 공급되는 전류 값을 이용하여, 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치로서,
상기 영구자석 동기 전동기 구동용 인버터 및 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는,
고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 측정하고, 측정된 전류(Is)를 이용하여 동손(Copper Loss)(Pcu)을 계산하며, 계산된 동손을 이용하여 보정 팩터(Q)를 정의하고, 산출된 보정 팩터(Q)를 경사 하강법(Gradient Descent Algorithm)에 적용하여 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하도록 동작하되,
하기 [수학식 1]에 따라 상기 동손(Pcu)을 계산하고,
[수학식 1]
Figure 112022039027818-pat00039

(여기서, Is는 고정자에 공급되는 전류, Rs는 고정자 저항)
계산된 동손(Pcu)을 상기 경사 하강법을 적용하기 위한 목적 함수로 설정하며,
현재 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk) 대비 이전 제어 주기에서 계산된 동손(Pcuk-1)의 비율을 기초로, 하기 [수학식 2]에 따라 상기 보정 팩터(Q)를 정의하는, 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치.
[수학식 2]
Figure 112022039027818-pat00040

(여기서, Pcuk-1는 이전 제어 주기에 계산된 동손, Pcuk는 현재 제어 주기에 계산된 동손, βk-1는 이전 주기의 전류 각 지령, βk는 현재 주기의 전류 각 지령)
An MTPA control device for a permanent magnet synchronous motor that follows each current command (β MTPA ) using a current value supplied to a stator, comprising:
Including an inverter and a processor for driving the permanent magnet synchronous motor,
The processor is
Measure the current (Is) supplied to the stator, calculate the copper loss (Pcu) using the measured current (Is), define a correction factor (Q) using the calculated copper loss, , The calculated correction factor (Q) is applied to the gradient descent algorithm to follow the current angular command (β MTPA ),
Calculate the copper loss (Pcu) according to the following [Equation 1],
[Equation 1]
Figure 112022039027818-pat00039

(where I s is the current supplied to the stator, R s is the stator resistance)
Set the calculated copper loss (Pcu) as an objective function for applying the gradient descent method,
Based on the ratio of the copper loss (Pcu k ) calculated in the current control period to the copper loss (Pcu k-1 ) calculated in the previous control period, the correction factor (Q) is defined according to the following [Equation 2] MTPA control unit for magnet synchronous motors.
[Equation 2]
Figure 112022039027818-pat00040

(Where Pcu k-1 is the copper loss calculated in the previous control period, Pcu k is the copper loss calculated in the current control period, β k-1 is the current reference in the previous period, and β k is the current reference in the current period)
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제8항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 보정 팩터(Q)를 정의한 [수학식 2]를 이용하여, 전류 각 지령(β*)의 변화 관계식을 하기 [수학식 3]에 따라 재정의한 후, 전류 각 지령(βMTPA)을 추종하는, 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치.
[수학식 3]
Figure 112022039027818-pat00024

여기서, ρ는 전류 각 지령의 변동 폭을 조절하는 파라미터.
9. The method of claim 8,
The processor is
Using [Equation 2] defining the correction factor (Q), the change relational expression of each current command (β * ) is redefined according to the following [Equation 3], and then each current command (β MTPA ) is followed. , MTPA control device for permanent magnet synchronous motors.
[Equation 3]
Figure 112022039027818-pat00024

Here, ρ is a parameter that controls the variation width of each current command.
제12항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하는지 판단하는, 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치.
13. The method of claim 12,
The processor is
MTPA control apparatus of a permanent magnet synchronous motor, which determines whether the correction factor (Q) converges to zero.
제13항에 있어서,
상기 프로세서는,
판단 결과, 상기 보정 팩터(Q)가 0에 수렴하지 않는 경우, 상기 고정자(stator)에 공급되는 전류(Is)를 재측정하고, 전류 각 지령(βMTPA)을 재추종하는, 영구자석 동기 전동기의 MTPA 제어 장치.
14. The method of claim 13,
The processor is
As a result of the determination, when the correction factor (Q) does not converge to 0, the current (I s ) supplied to the stator (stator) is re-measured, and each current command (β MTPA ) is re-followed, permanent magnet synchronization MTPA control unit for electric motors.
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Maximum Efficiency Control of PMSM Drives Considering System Lossed Using Gradient Descent Algorithm Based on DC Power Measurement, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol.33, No.4, Dec., 2018. 1부.*
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