KR102469648B1 - Control method for permanent magnet synchronous motor having double rotors structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고정자와 내측 회전자 사이에 자극편으로 구성된 외측 회전자가 위치하며 고정자의 내측에는 영구자석 링이 배치되는 PDD(Pseudo Direct Drive) 타입의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기를 제어하는 방법에 관한 것으로서, 하나의 속도 센서만을 이용하여 내측 회전자의 속도를 측정하고 센서리스 로직을 통해 외측 회전자의 속도를 추정한 결과를 이용하여 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동을 억제할 수 있는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 관한 것이다.The present invention controls a permanent magnet synchronous motor having a PDD (Pseudo Direct Drive) type dual rotor structure in which an outer rotor composed of pole pieces is positioned between the stator and the inner rotor and a permanent magnet ring is disposed inside the stator. A method for measuring the speed of an inner rotor using only one speed sensor and suppressing speed and torque vibration in a transient state using a result of estimating the speed of an outer rotor through sensorless logic It relates to a control method of a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure.
일반적으로 철도 차량용 구동 시스템은 동력원으로서 영구자석 동기 전동기를 사용하고 있다. 종래에는 단일 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기가 사용되었지만, 최근 들어 동력 전달 효율을 높이기 위해 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기를 적용하려는 시도가 증가하고 있다.In general, a driving system for a railway vehicle uses a permanent magnet synchronous motor as a power source. Conventionally, a permanent magnet synchronous motor having a single rotor structure has been used, but recently, attempts to apply a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure have been increasing in order to increase power transmission efficiency.
마그네틱 기어와 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)이 결합된 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기는 기존 영구자석에 비해 작은 공간을 차지하면서도 높은 토크 출력을 가진다.A permanent magnet synchronous motor with a dual rotor structure in which a magnetic gear and PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) are combined has high torque output while occupying a smaller space than conventional permanent magnets.
도 1은 종래 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기를 예시한 분해사시도이다. 도 1을 참조하면, 이중 회전자 영구자석 동기 전동기는 최외곽에 고정자(100)가 위치하며, 가장 내측에는 영구자석(310)을 포함한 내측 회전자(300)가 위치한다. 고정자(100)에 구비된 슬롯(110)에는 코일(120)이 권취된다. 고정자(100)와 내측 회전자(300) 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자(200)가 위치한다.1 is an exploded perspective view illustrating a permanent magnet synchronous motor of a conventional dual rotor structure. Referring to FIG. 1 , in the dual rotor permanent magnet synchronous motor, the
도시된 이중 회전자 영구자석 전동기는 자속 변조효과를 발생시키기 위하여 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200)의 극쌍수를 동일하게 설계해야 한다. 그럼에도 불구하고 고정자(100)에서 발생한 토크가 각 회전자의 극수비에 따라 동시에 병렬로 전달됨에 따라, 전동기의 속도를 제어할 때 부하 토크의 변동에 의해 어느 하나의 회전자 속도 변동이 다른 회전자에 영향을 미치게 된다. 즉, 종래 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기의 속도 제어는 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200)의 상대속도 제어를 의미한다. 이로 인해 전동기 제어 시에 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동이 발생되는 문제가 있다.In the illustrated double rotor permanent magnet motor, the number of pole pairs of the
본 발명은 영구자석 링을 포함하는 이중 회전자 구조 영구자석 동기 전동기를 안정적으로 제어하기 위한 방법에 관한 것으로서, 고정자의 토크가 내측 회전자와 외측 회전자에 전달되면서 불가피하게 발생되는 자기적 간섭성분을 전향 보상으로 상쇄시킴으로써, 철도차량에서 부하변동으로 공진이 발생되는 현상을 억제하여 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동을 최소화 할 수 있도록 한 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention relates to a method for stably controlling a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure including a permanent magnet ring, and magnetic interference components inevitably generated while torque of a stator is transmitted to an inner rotor and an outer rotor. Provides a control method of a permanent magnet synchronous motor with a dual rotor structure that minimizes speed and torque vibration in a transient state by suppressing a phenomenon in which resonance occurs due to a load change in a railway vehicle by offsetting with forward compensation. has its purpose.
본 발명의 일실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 최외곽에 고정자가 위치하며, 가장 내측에는 내측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 내측 회전자 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자가 위치하며, 상기 고정자와 상기 외측 회전자 사이에는 영구자석 링이 위치하는 동기 전동기의 속도를 제어하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 있어서, (a) 상기 내측 회전자의 현재 속도를 측정하는 단계; (b) 상기 외측 회전자의 현재 속도를 추정하는 단계; (c) 상기 단계(a) 및 상기 단계(b)의 측정 결과를 이용하여 고정자에서 발생한 토크가 상기 내측 회전자 및 상기 외측 회전자에 대하여 발생시키는 자기적 간섭성분을 연산하는 단계; 및 (d) 상기 고정자의 토크 지령에 상기 자기적 간섭성분을 전향 보상하여 상쇄시키는 단계를 포함한다.In the control method of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure according to an embodiment of the present invention, a stator is located on the outermost side, an inner rotor is located on the innermost side, and a magnetic pole is located between the stator and the inner rotor. In the control method of a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure for controlling the speed of a synchronous motor in which an outer rotor composed of one piece is positioned and a permanent magnet ring is positioned between the stator and the outer rotor, (a) ) measuring the current speed of the inner rotor; (b) estimating the current speed of the outer rotor; (c) calculating a magnetic interference component generated by torque generated in the stator with respect to the inner rotor and the outer rotor using the measurement results of steps (a) and (b); and (d) forward-compensating and canceling the magnetic interference component in response to the torque command of the stator.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 단계(c)는 아래의 수학식 11을 통해 상기 자기적 간섭성분을 연산한다.In the method for controlling a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure according to another embodiment of the present invention, in the step (c), the magnetic interference component is calculated through
[수학식 11][Equation 11]
여기서 은 상기 자기적 간섭성분이고, 은 상기 내측 회전자의 극쌍수이고, 은 상기 외측 회전자의 극쌍수이고, 는 상기 내측 회전자에서 상기 외측 회전자로 전달할 수 있는 최대 토크이고, 는 상기 내측 회전자와 상기 외측 회전자의 전기각 차이이다.here is the magnetic interference component, is the number of pole pairs of the inner rotor, is the number of pole pairs of the outer rotor, Is the maximum torque that can be transmitted from the inner rotor to the outer rotor, Is the difference in electrical angle between the inner rotor and the outer rotor.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 단계(d)는, (d-1) 상기 내측 회전자에 대한 속도 지령으로부터 상기 내측 회전자의 현재 속도를 감산하는 단계; (d-2) 상기 단계(c-1)의 결과를 비례적분하여 상기 고정자의 토크 지령을 생성하는 단계; 및 (d-3) 상기 고정자의 토크 지령에서 상기 자기적 간섭성분을 감산하여 상기 고정자의 토크 지령을 전향 보상하는 단계를 포함한다.In the control method of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure according to another embodiment of the present invention, the step (d) is, (d-1) of the inner rotor from the speed command for the inner rotor subtracting the current speed; (d-2) generating a torque command for the stator by proportionally integrating the result of step (c-1); and (d-3) forward-compensating the torque command of the stator by subtracting the magnetic interference component from the torque command of the stator.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 단계(b)는 센서리스 로직을 통해 상기 외측 회전자의 현재 속도를 추정한다.In the control method of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure according to another embodiment of the present invention, the step (b) estimates the current speed of the outer rotor through sensorless logic.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은, 상기 단계(b)는, (b-1) 상기 고정자에 권취된 코일에 추정 전류를 인가하여 상기 동기 전동기를 강제 기동하는 단계; (b-2) 상기 코일의 각 상의 합성 기전력을 추정하는 단계; 및 (b-3) 상기 합성 기전력을 이용하여 상기 외측 회전자의 위치 오차를 추정하는 단계; 및 (b-4) 상기 위치 오차에 기반하여 상기 외측 회전자의 속도를 추정하는 단계를 포함한다.In the control method of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure according to another embodiment of the present invention, the step (b) is performed by applying an estimated current to a coil wound around the stator in step (b-1) to perform the synchronous operation. Forcibly starting the motor; (b-2) estimating the combined electromotive force of each phase of the coil; and (b-3) estimating a position error of the outer rotor using the combined electromotive force; and (b-4) estimating the speed of the outer rotor based on the position error.
본 발명의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법에 따르면, 영구자석 링을 포함하는 이중 회전자 구조 영구자석 동기 전동기에 대하여 내측 회전자의 현재 속도만을 측정하여도 이 측정값을 이용하여 두 회전자에 가해지는 자기적 간섭성분을 전향 보상으로 상쇄시킬 수 있고, 철도차량에서 부하변동으로 공진이 발생되는 현상을 억제하여 과도 상태에서의 속도 및 토크 진동을 최소화 할 수 있으며, 전동기의 제어계 구성을 간소화 할 수 있고, 철도차량의 안정성, 내구성 및 승차감을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the control method of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure of the present invention, even if only the current speed of the inner rotor is measured for the permanent magnet synchronous motor with a dual rotor structure including a permanent magnet ring, the measured value is used. Thus, the magnetic interference component applied to the two rotors can be offset by forward compensation, and the phenomenon of resonance caused by the load change in the railway vehicle can be suppressed to minimize the speed and torque vibration in the transient state. It is possible to simplify the configuration of the control system, and there is an effect of improving the stability, durability and riding comfort of the railway vehicle.
도 1은 도 1은 종래 이중 회전자 구조의 영구자석 동기 전동기를 예시한 분해사시도,
도 2는 PDD 타입의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기를 예시한 단면도,
도 3은 도 2의 동기 전동기를 마그네틱 스프링을 적용하여 기계적으로 모델링한 블록도,
도 4는 도 3의 모델링과 수학식 1을 이용하여 본 발명에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 과정을 모델링한 블록도,
도 5는 본 발명에 따른 전향보상을 적용하기 전의 속도 제어기 블록도,
도 6은 본 발명에 따라 전향보상을 적용한 후의 속도 제어기 블록도,
도 7은 도 6의 속도 제어 방식에 따라 도 4의 모델을 간소화 한 블록도,
도 8은 본 발명에 따른 전향보상을 적용하기 전의 모의해석 결과를 보인 파형도, 및
도 9는 본 발명에 따라 전향보상을 적용한 후의 모의해석 결과를 보인 파형도이다. 1 is an exploded perspective view illustrating a permanent magnet synchronous motor of a conventional dual rotor structure;
2 is a cross-sectional view illustrating a permanent magnet synchronous motor having a PDD type double rotor structure;
3 is a block diagram mechanically modeling the synchronous motor of FIG. 2 by applying a magnetic spring;
4 is a block diagram modeling a control process of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure according to the present invention using the modeling of FIG. 3 and
5 is a speed controller block diagram before applying forward compensation according to the present invention;
6 is a speed controller block diagram after applying forward compensation according to the present invention;
7 is a block diagram simplifying the model of FIG. 4 according to the speed control method of FIG. 6;
8 is a waveform diagram showing simulation analysis results before applying forward compensation according to the present invention; and
9 is a waveform diagram showing simulation analysis results after applying forward compensation according to the present invention.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, specific embodiments according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.Parts having similar configurations and operations are given the same reference numerals throughout the specification. In addition, the drawings accompanying the present invention are for convenience of description, and the shape and relative scale may be exaggerated or omitted.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In describing the embodiments in detail, redundant descriptions or descriptions of obvious technologies in the art are omitted. In addition, when a certain part "includes" another component in the following description, this means that it may further include components other than the described components unless otherwise stated.
또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.In addition, terms such as "~ unit", "~ group", and "~ module" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software. can In addition, when a part is said to be electrically connected to another part, this includes not only the case where it is directly connected but also the case where it is connected with another component interposed therebetween.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.Terms including ordinal numbers, such as first and second, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a second element may be termed a first element, and similarly, a first element may be termed a second element, without departing from the scope of the present invention.
본 발명의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법은 배경기술로서 예시된 마그네틱 커플링 타입1의 동기 전동기가 아닌 마그네틱 커플링 타입2의 이중 회전자 영구자석 동기 전동기(DR-PMSM, Dual-Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor), 예컨대 PDD(Pseudo Direct Drive) 타입의 DR-PMSM을 대상으로 하는 제어 방법이다. 본 발명에 대하여 상세하게 설명하기에 앞서 PDD 타입의 DR-PMSM 구조에 대하여 도 2를 참조하여 간략하게 설명한다.The control method of a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure of the present invention is a
도 2는 PDD 타입의 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기를 예시한 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제어 대상인 DR-PMSM은 최외곽에 고정자(100)가 위치하며, 가장 내측에는 영구자석(310)을 포함한 내측 회전자(300)가 위치한다. 고정자(100)에 구비된 슬롯(110)에는 코일(120)이 권취된다. 고정자(100)와 내측 회전자(300) 사이에는 자극편으로 구성되는 외측 회전자(200)가 위치한다. 여기까지는 마그네틱 커플링 타입1의 DR-PMSM과 동일하다. 다른 점은, 고정자(100)와 외측 회전자(200) 사이에는 영구자석 링(210)이 위치한다는 것이다.2 is a cross-sectional view illustrating a permanent magnet synchronous motor having a PDD type dual rotor structure. Referring to FIG. 2 , in the DR-PMSM to be controlled, the
도 2에 예시된 마그네틱 커플링 타입2의 동기 전동기는 고정자(100)의 극쌍수와 내측 회전자(300)의 극쌍수를 동일하게 설계하여 고정자(100)에서 발생하는 회전자계와 내측 회전자(300)가 동기 회전할 수 있다. 이때 내측 회전자(300)의 자속이 자극편을 통해 변조된다. 변조된 자속은 영구자석 링(210)과 동기화 될 수 있는 고조파 성분에 대해 상호작용하게 된다. 영구자석 링(210)은 고정되어 있으며 내측 회전자(300)가 회전하게 되면 변조된 자속의 고조파를 동기시키기 위해 외측 회전자(200)가 회전한다.The
마그네틱 커플링 타입2의 동기 전동기는 영구자석 링(210)에 의해 배경기술에서 예시한 마그네틱 커플링 타입1의 동기 전동기에 비해 역률이 좋고, 자속 변조 효과를 이용하는 변조장치들에 비해 효율과 출력이 높은 장점이 있다.The
도 3은 도 2의 동기 전동기를 마그네틱 스프링을 적용하여 기계적으로 모델링한 블록도이다. 도 3을 참조하면, 영구자석 링(210)이 부가된 DR-PMSM의 회전원리를 마그네틱 스프링이 부가된 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200)간 토크 전달 모델로 나타낼 수 있다. 도면부호 400은 동기 전동기에 연결된 부하이다.FIG. 3 is a block diagram mechanically modeling the synchronous motor of FIG. 2 by applying a magnetic spring. Referring to FIG. 3 , the rotation principle of the DR-PMSM to which the
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2][Equation 2]
수학식 1은 마그네틱 스프링의 토크 전달특성을 나타내며, 수학식 2는 수학식 1에서 전기각 차이를 나타낸다. 여기서, 은 외측 회전자의 토크이고, 는 내측 회전자에서 외측 회전자로 전달할 수 있는 최대 토크이고, 는 내측 회전자와 외측 회전자의 전기각 차이이고, 은 내측 회전자의 극쌍수이고, 은 내측 회전자의 속도이고, 은 외측 회전자의 극쌍수이고, 은 외측 회전자의 속도이다.
수학식 1과 수학식 2를 통해 마그네틱 스프링의 토크 전달 특성은 내측 회전자와 외측 회전자의 전기각 차에 의해 결정됨을 알 수 있다.It can be seen from
도 4는 도 3의 모델링과 수학식 1을 이용하여 본 발명에 따른 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 과정을 모델링한 블록도이다.4 is a block diagram modeling a control process of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure according to the present invention using the modeling of FIG. 3 and
도 4를 참조하면, 전류 지령()에 제어 상수(, 410)를 승산하여 고정자(100)에 대한 토크 지령()이 출력된다. 감산부(420)는 토크 지령()에서 후술하는 자기적 간섭성분()을 감산하며, 내측 회전자 전달요소(430)를 통해 내측 회전자의 속도()가 결정된다. 내측 회전자 전달요소(430)의 전달함수는 관성모멘트()를 미분한 값과 마찰계수()의 합의 역수로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4, the current command ( ) to the control constant ( , 410) to obtain a torque command for the stator 100 ( ) is output. The
감산부(450)는 내측 회전자의 속도()에 내측 회전자의 극쌍수(, 440)를 승산한 값에서 외측 회전자의 속도()에 외측 회전자의 극쌍수(, 500)를 승산한 값을 감산한다. 이 감산 결과에 토크 상수 전달요소(460)의 전달함수를 승산한 경과 외측 회전자의 토크 지령()이 출력된다. 토크 상수 전달요소(460)에서 는 마그네틱 스프링으로 표현되는 회전자간 토크 전달 제어 상수를 나타내며, 는 라플라스 연산자를 나타낸다. 외측 회전자의 토크 지령()에 내측 회전자와 외측 회전자의 극쌍수 비(, 470)를 승산한 값이 피드백 제어의 오차 연산을 위해 제공된다.The
감산부(480)는 외측 회전자의 토크 지령()에서 부하 토크()를 감산하고, 그 결과가 외측 회전자 전달요소(490)를 통해 출력되어 외측 회전자의 속도()가 결정된다. 외측 회전자 전달요소(490)의 전달함수는 관성모멘트()를 미분한 값과 마찰계수()의 합의 역수로 나타낼 수 있다.The
이때, 고정자 토크()를 지령으로 하여 내측 회전자(300)가 회전될 때, 도 3의 모델에서 마그네틱 스프링이 비틀어지면서 외측 회전자(200)로 토크가 전달된다. 이와 동시에 마그네틱 스프링의 비틀림 토크가 내측 회전자(300)에도 되돌아오는 자기적 간섭성분이 발생한다.At this time, the stator torque ( ) as a command, when the
도시한 바와 같이 마그네틱 스프링을 이용하여 내측 회전자(300)와 외측 회전자(200) 사이의 토크 전달 과정을 모델링할 경우, 마그네틱 스프링의 비선형적인 Sin 성분과 자기적 간섭성분에 의해 공진점이 발생하게 된다. 공진점은 도 4에 예시된 모델링의 전달함수를 통해 확인할 수 있다.As shown, when modeling the torque transmission process between the
[수학식 3][Equation 3]
[수학식 4][Equation 4]
수학식 3과 수학식 4는 각각 고정자 토크와 부하 토크에 대한 내측 회전자 속도와 외측 회전자 속도의 전달함수를 나타낸다. 위 두 식을 중첩의 원리를 이용하여 에 대한 각 회전자 속도의 전달함수로 나타내면 다음의 수학식 5 및 6으로 나타낼 수 있다.
[수학식 5][Equation 5]
[수학식 6][Equation 6]
즉, 고정자에서 발생한 토크에 대한 내측 회전자 속도의 전달함수인 수학식 5에는 영점(Zero)이 존재하며, 외측 회전자 속도의 전달함수인 수학식 6에서는 영점(Zero)이 없는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 영점(Zero)은 반공진점을 나타내며 이는 내측 회전자를 회전시킬 수 없는 주파수 대역이 존재한다는 것을 의미한다. 이는 운전 특성을 저하하는 요소로 제어기 대역폭 선정 시 해당 영역을 피해서 설계할 필요가 있다.That is, there is a zero in
수학식 5와 6의 극점(Pole)은 공진 주파수를 의미하며, 내측과 외측에서 발생하는 공진주파수가 동일한 것을 확인할 수 있다. 수학식 5와 6의 영점(Zero)과 극점(Pole)을 통해 반공진 주파수와 공진 주파수를 수식으로 나타내면 다음의 수학식 7과 8로 나타낼 수 있다.The poles of
[수학식 7][Equation 7]
[수학식 8][Equation 8]
여기서, 는 상기한 반공진 주파수이고, 은 상기한 공진 주파수이다. 수학식 7과 8을 통해 반공진 주파수와 공진 주파수는 와 각 회전자의 관성모멘트에 영향을 받는 것을 알 수 있다. 특히 부하의 영향으로 외측 회전자의 관성모멘트가 증가할 경우 공진 주파수는 낮은 주파수로 이동할 것임을 알 수 있다.here, is the anti-resonance frequency described above, is the above resonant frequency. Through
수학식 3과 4에서 의 전달함수를 구한 것과 같이 중첩의 원리를 이용하여 부하토크 에 대한 각 회전자 속도의 전달함수를 도출할 수 있다. 도출된 전달함수는 수학식 9와 10으로 나타낼 수 있다.In
[수학식 9][Equation 9]
[수학식 10][Equation 10]
수학식 9와 10을 통해 와 마찬가지로 부하 토크()의 변동으로 각 회전자에 공진이 발생하는 것을 알 수 있다. 철도차량에서 부하변동으로 공진이 발생할 경우 차량에 떨림이 발생하고 철도차량의 안정성, 내구성 및 승차감에 문제를 발생하므로 반드시 해결되어야 하는 문제이다.Through
본 발명에서는 공진 현상을 감소시키기 위해 전향적 토크 보상 제어를 실시한다. 도 4를 참조하면, 부하 토크()가 감산부(480), 외측 회전자 전달요소(490), 감산부(450), 토크 상수 전달요소(460), 감산부(420)를 거쳐 내측 회전자 전달요소(430)에 이르는 것을 확인할 수 있다. 즉, 부하 토크의 변화가 내측 회전자에 영향을 미치므로, 마그네틱 스프링에 의해 발생한 공진이 상단의 폐루프를 통해 내측 회전자(300)에 간섭을 준다. 이러한 자기적 간섭성분은 고정자(100)의 토크가 내측 회전자를 제어하는데 방해 요소가 되므로 상쇄시킬 필요가 있다.In the present invention, forward torque compensation control is performed to reduce the resonance phenomenon. Referring to FIG. 4, the load torque ( ) reaches the inner
[수학식 11][Equation 11]
수학식 11을 통해 자기적 간섭성분을 계산할 수 있다. 여기서 , , 는 전동기의 파라미터이며 운전중 변하지 않는다고 가정한다. 는 수학식 2에서와 같이 내측 회전자와 외측 회전자의 속도에 의해 결정된다. 따라서 내측 회전자와 외측 회전자의 속도를 알 수 있다면 자기적 간섭성분을 계산할 수 있다.The magnetic interference component can be calculated through
도 5는 수학식 11의 자기적 간섭성분을 고려하지 않은 즉, 전향보상을 적용하기 전의 속도 제어기 블록도이다. 도 6은 자기적 간섭성분을 고려한 즉, 전향보상을 적용한 후의 속도 제어기 블록도이다.5 is a speed controller block diagram without considering the magnetic interference component of
도 5를 참조하면, 제1 감산기(510)는 내측 회전자에 대한 속도 지령()에서 내측 회전자의 현재 속도()를 감산하여 오차를 연산한다. 속도 제어기(520)는 오차 검출 결과를 비례적분하여 고정자의 토크 지령()을 생성한다. 이와 같은 일반적인 속도 제어를 실시할 경우 도 4에 도시된 바와 같이 자기적 간섭성분이 내측 회전자의 제어에 영향을 미치게 되며, 후술하는 모의해석 결과에서와 같이 부하 변동 시에 속도의 오버슈트나 진동이 발생될 수 있다.Referring to FIG. 5, the
도 6을 참조하면, 도 5와 비교하여, 제2 감산기(530)가 고정자의 토크 지령()에서 수학식 11을 통해 연산된 자기적 간섭성분()을 감산하여 토크 지령을 전향 보상하고 있다. 여기서, 내측 회전자의 속도는 센서를 통해서 측정하고, 외측 회전자의 속도는 센서리스 로직을 통해 추정한 후, 두 회전자의 전기각 차이로부터 자기적 간섭성분()을 연산하고, 이를 속도 제어기(520)의 출력측에 보상함으로써, 자기적 간섭성분을 상쇄될 수 있게 된다. 외측 회전자의 속도를 추정하는 것은 통상 알려진 다양한 센서리스 로직을 통해 달성될 수 있다.Referring to FIG. 6 , compared to FIG. 5 , the
예를 들어, 고정자에 권취된 코일에 추정 전류를 인가하여 동기 전동기를 강제 기동한다. 그리고 코일의 각 상의 합성 기전력을 추정한다. 합성 기전력의 추정 결과로부터 외측 회전자의 초기 위치에 대한 위치 오차를 추정할 수 있다. 마지막으로 위치 오차에 기반하여 외측 회전자의 속도를 추정한다.For example, a synchronous motor is forcibly started by applying an estimated current to a coil wound around a stator. Then, the combined electromotive force of each phase of the coil is estimated. The position error of the initial position of the outer rotor can be estimated from the estimation result of the combined electromotive force. Finally, the speed of the outer rotor is estimated based on the position error.
도 7은 도 6의 속도 제어 방식에 따라 도 4의 제어 모델을 간소화 한 블록도이다. 즉, 도 6과 같은 전향 보상에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 이중 회전자 영구자석 동기 전동기의 모델링에서 상단의 루프를 제거하여 모델링을 간소화 할 수 있다. 자기적 간섭성분이 생략될 경우 고정자 토크()와 내측 회전자 속도()의 전달함수는 1차식으로 나타낼 수 있으며, 1차 선형제어기인 PI 제어기를 이용하여 쉽게 제어할 수 있게 된다.FIG. 7 is a simplified block diagram of the control model of FIG. 4 according to the speed control method of FIG. 6 . That is, modeling of the dual rotor permanent magnet synchronous motor can be simplified by removing the upper loop in the modeling of the dual rotor permanent magnet synchronous motor as shown in FIG. 7 according to forward compensation as shown in FIG. 6 . If the magnetic interference component is omitted, the stator torque ( ) and the inner rotor speed ( ) can be expressed as a first-order equation, and can be easily controlled using a PI controller, which is a first-order linear controller.
도 8은 도 5와 같이 전향보상을 적용하기 전의 모의해석 결과를 보인 파형도이며, 도 9는 도 6과 같이 전향보상을 적용한 후의 모의해석 결과를 보인 파형도이다. 두 가지 모의해석에서 모두 동일한 1kw급 마그네틱 커플링 타입2의 DR-PMSM을 대상으로 하였으며, 전동기의 각 파라미터는 아래의 표 1과 같이 적용하였다.8 is a waveform diagram showing simulation analysis results before applying forward compensation as shown in FIG. 5, and FIG. 9 is a waveform diagram showing simulation analysis results after applying forward compensation as shown in FIG. In both simulation analyses, DR-PMSM of the same 1kw class
[표 1][Table 1]
스위칭 주파수는 8kHz로 선정하였으며, 전류 제어기의 대역폭은 스위칭 주파수의 1/25인 320kHz로 선정하였다.The switching frequency was selected as 8 kHz, and the bandwidth of the current controller was selected as 320 kHz, which is 1/25 of the switching frequency.
도 8을 참조하면, 외측 회전자의 속도는 부하가 변동하는 0초, 2초, 5초에서 각각 1-2초간 진동이 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 9를 참조하면, 전향보상을 실시할 경우 동일한 조건에서 부하 변동시에도 외측 회전자 속도의 오버슈트(overshoot)가 크게 경감하였으며 진동 또한 빠르게 소멸하는 것을 확인할 수 있었다.Referring to FIG. 8 , it was confirmed that the speed of the outer rotor was maintained for 1-2 seconds at 0 seconds, 2 seconds, and 5 seconds when the load fluctuated. On the other hand, referring to FIG. 9 , when forward compensation is performed, it can be seen that the overshoot of the outer rotor speed is greatly reduced and the vibration also quickly disappears even when the load changes under the same conditions.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.The invention disclosed above is capable of various modifications within a range that does not impair the basic idea. That is, all of the above embodiments should be interpreted as illustrative and not limited. Therefore, the protection scope of the present invention should be determined according to the appended claims, not the above-described embodiments, and when the elements defined in the appended claims are replaced with equivalents, it should be regarded as belonging to the protection scope of the present invention.
100 : 고정자 110 : 슬롯
120 : 코일 200 : 외측 회전자
210 : 영구자석 링 300 : 내측 회전자
310 : 영구자석 400 : 부하
510 : 제1 감산기 520 : 속도 제어기
530 : 제2 감산기100: stator 110: slot
120: coil 200: outer rotor
210: permanent magnet ring 300: inner rotor
310: permanent magnet 400: load
510: first subtractor 520: speed controller
530: second subtractor
Claims (5)
(a) 상기 내측 회전자의 현재 속도를 측정하는 단계;
(b) 상기 외측 회전자의 현재 속도를 추정하는 단계;
(c) 상기 단계(a) 및 상기 단계(b)의 측정 결과와 아래의 수학식 11을 이용하여 고정자에서 발생한 토크가 상기 내측 회전자 및 상기 외측 회전자에 대하여 발생시키는 자기적 간섭성분을 연산하는 단계; 및
(d) 상기 고정자의 토크 지령에 상기 자기적 간섭성분을 전향 보상하여 상쇄시키는 단계
를 포함하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
[수학식 11]
여기서 은 상기 자기적 간섭성분이고, 은 상기 내측 회전자의 극쌍수이고, 은 상기 외측 회전자의 극쌍수이고, 는 상기 내측 회전자에서 상기 외측 회전자로 전달할 수 있는 최대 토크이고, 는 상기 내측 회전자와 상기 외측 회전자의 전기각 차이이다.
A stator is located on the outermost side, an inner rotor is located on the innermost side, an outer rotor composed of pole pieces is located between the stator and the inner rotor, and a permanent magnet ring is positioned between the stator and the outer rotor. In the control method of a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure for controlling the speed of a synchronous motor located,
(a) measuring the current speed of the inner rotor;
(b) estimating the current speed of the outer rotor;
(c) Calculate the magnetic interference component generated by the torque generated in the stator with respect to the inner rotor and the outer rotor using the measurement results of steps (a) and (b) and Equation 11 below. doing; and
(d) forward-compensating and canceling the magnetic interference component in response to the torque command of the stator
Control method of a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure comprising a.
[Equation 11]
here is the magnetic interference component, is the number of pole pairs of the inner rotor, is the number of pole pairs of the outer rotor, Is the maximum torque that can be transmitted from the inner rotor to the outer rotor, Is the difference in electrical angle between the inner rotor and the outer rotor.
상기 단계(d)는,
(d-1) 상기 내측 회전자에 대한 속도 지령으로부터 상기 내측 회전자의 현재 속도를 감산하는 단계;
(d-2) 상기 단계(c-1)의 결과를 비례적분하여 상기 고정자의 토크 지령을 생성하는 단계; 및
(d-3) 상기 고정자의 토크 지령에서 상기 자기적 간섭성분을 감산하여 상기 고정자의 토크 지령을 전향 보상하는 단계
를 포함하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
According to claim 1,
In the step (d),
(d-1) subtracting the current speed of the inner rotor from the speed command for the inner rotor;
(d-2) generating a torque command for the stator by proportionally integrating the result of step (c-1); and
(d-3) forward-compensating the torque command of the stator by subtracting the magnetic interference component from the torque command of the stator
Control method of a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure comprising a.
상기 단계(b)는 센서리스 로직을 통해 상기 외측 회전자의 현재 속도를 추정하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.
According to claim 1 or 3,
The step (b) is a control method of a permanent magnet synchronous motor having a dual rotor structure for estimating the current speed of the outer rotor through sensorless logic.
상기 단계(b)는,
(b-1) 상기 고정자에 권취된 코일에 추정 전류를 인가하여 상기 동기 전동기를 강제 기동하는 단계;
(b-2) 상기 코일의 각 상의 합성 기전력을 추정하는 단계; 및
(b-3) 상기 합성 기전력을 이용하여 상기 외측 회전자의 위치 오차를 추정하는 단계; 및
(b-4) 상기 위치 오차에 기반하여 상기 외측 회전자의 속도를 추정하는 단계
를 포함하는 이중 회전자 구조를 갖는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법.According to claim 4,
In the step (b),
(b-1) forcibly starting the synchronous motor by applying an estimated current to a coil wound around the stator;
(b-2) estimating the combined electromotive force of each phase of the coil; and
(b-3) estimating a position error of the outer rotor using the combined electromotive force; and
(b-4) estimating the speed of the outer rotor based on the position error
Control method of a permanent magnet synchronous motor having a double rotor structure comprising a.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102687110B1 (en) * | 2023-12-22 | 2024-07-22 | 주식회사 브이씨텍 | Slip prevention method for permanent magnet synchronous motor having double rotors structure |
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KR20060022376A (en) | 2004-09-07 | 2006-03-10 | 엘지이노텍 주식회사 | Dual rotor motor |
KR20210059235A (en) | 2019-11-15 | 2021-05-25 | 한국교통대학교산학협력단 | Application of ring for securing torsional stiffness in the pole-piece of dual-rotor-structured synchronous motor |
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- 2021-12-16 KR KR1020210180708A patent/KR102469648B1/en active IP Right Grant
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