KR102492695B1 - 가청소음 저감을 위한 ｉｐｍｓｍ의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 영구자석 동기전동기 제어를 위하여 토크 및 속도의 리플 주파수를 주입신호 주파수의 2배로 상승시켜 신호주입 센서리스 제어의 정밀성을 높일 수 있도록 한 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 각 축의 지령 전류(
)(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 이용하여 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생하는 전류 제어기(Current Controller);각 축의 지령 전압(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 입력으로 주입신호(
)(
)를 생성하는 신호주입기(Signal Injector);주입신호(
)(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 지령 제어 전압(
)(
)을 생성하는 제 1,2 지령 제어 전압 산출부;회전자 위치(
)를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환하는 지령전압 변환부;지령전압 변환부의 3상의 지령전압 (
)(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM을 구동하는 PWM 구동 제어부;를 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 매입형 영구자석 동기전동기 제어에 관한 것으로, 구체적으로 토크 및 속도의 리플 주파수를 주입신호 주파수의 2배로 상승시켜 신호주입 센서리스 제어의 정밀성을 높일 수 있도록 한 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
전동기의 고효율과 고성능을 요구하는 분야에서 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이 각광받고 있다.
특히 전기자동차와 같은 모빌리티 분야에서 IPMSM을 활발히 적용시키는 추세이다. 모빌리티 분야의 특성상 구동 시스템의 크기와 무게를 줄이는 것이 핵심이다. 그러한 해답으로 회전자 센서가 없는 센서리스 제어 방법의 연구가 활발히 이루어지고 있다.
정지상태부터 고속까지 모든 속도 영역에서 제어가 가능한 신호 주입 방법 기반 센서리스 제어는 모빌리티에서의 IPMSM 구동에 적합하다.
이와 같이 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)를 고주파 신호를 주입하여 위치센서 없이 구동하는 '신호주입 센서리스 제어'에서 대표적으로 나타나는 문제 중 하나는 주입신호로 인한 가청소음 발생이다.
즉, 종래 기술의 신호주입 센서리스 제어는 직접적으로 전동기 구동에 관여하는 지령전압 외에 굉장히 빠른 고주파 전압 신호를 주입하여 전동기 구동엔 최대한 영향을 주지 않으면서 주입신호로 인해 변하는 작은 전류 리플을 계산함으로써 회전자 위치를 추정한다.
이때 주입신호의 크기가 클수록 전류 리플 검출이 용이해 더 신뢰성 높은 추정위치를 얻을 수 있다.
하지만 큰 주입신호는 전동기 구동에 영향을 주어 정밀한 제어가 불가능하게 만든다. 대표적으로 토크의 고조파를 악화시키고 불쾌한 소음을 유발한다.
이와 같은 이유로 정지 상태부터 고속까지 속도 전범위에 걸쳐 동작이 가능하다는 주입신호 센서리스 방법의 장점에도 불구하고 정밀한 제어나 정숙함을 요구하는 분야에선 아직 적용이 원활히 이루어지지 못하고 있다.
따라서, 실시간으로 높은 회전자 위치 추정 성능을 얻으며 토크 및 속도의 리플을 현저히 감소시켜 주입신호로 인한 가청소음 발생 문제를 해결하기 위한 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 영구자석 동기전동기 제어 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 토크 및 속도의 리플 주파수를 주입신호 주파수의 2배로 상승시켜 신호주입 센서리스 제어의 정밀성을 높일 수 있도록 한 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실시간으로 높은 회전자 위치 추정 성능을 얻으며 토크 및 속도의 리플을 현저히 감소시켜 주입신호로 인한 가청소음 발생 문제를 해결할 수 있도록 한 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 소음을 가청범위(16Hz~20kHz)를 넘김으로써 가청소음을 저감하고, 주입 신호의 크기와 상관이 없기 때문에 선형 변조 가능범위 내에서 최대 신호까지 주입할 수 있도록 한 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 영구자석 동기전동기 제어 정밀성을 높이고, 주입신호로 인한 가청소음 발생 문제를 해결하여 모빌리티와 같은 넓은 운전 범위를 가진 IPMSM 구동이 필요한 분야에 센서리스 제어의 적용성을 높일 수 있도록 한 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어시에 운영자가 진폭 값을 고려할 필요가 없이 실시간으로 최적화된 진폭 값이 반영하여 회전자 위치 추정 성능을 향상시키면서 토크 및 속도 리플을 저감할 수 있도록 한 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치는 각 축의 지령 전류(
)(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 이용하여 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생하는 전류 제어기(Current Controller);각 축의 지령 전압(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 입력으로 주입신호(
)(
)를 생성하는 신호주입기(Signal Injector);주입신호(
)(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 지령 제어 전압(
)(
)을 생성하는 제 1,2 지령 제어 전압 산출부;회전자 위치(
)를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환하는 지령전압 변환부;지령전압 변환부의 3상의 지령전압 (
)(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM을 구동하는 PWM 구동 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법은 각 축의 지령 전류(
)(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 이용하여 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생하는 지령전압 발생 단계;각 축의 지령 전압(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 입력으로 주입신호(
)(
)를 생성하는 주입신호 생성단계;주입신호(
)(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 지령 제어 전압(
)(
)을 생성하는 지령 제어 전압 산출 단계;회전자 위치(
)를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환하는 지령전압 변환 단계;지령전압 변환부의 3상의 지령전압 (
)(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM을 구동하는 PWM 구동 제어 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 토크 및 속도의 리플 주파수를 주입신호 주파수의 2배로 상승시켜 신호주입 센서리스 제어의 정밀성을 높일 수 있도록 한다.
둘째, 실시간으로 높은 회전자 위치 추정 성능을 얻으며 토크 및 속도의 리플을 현저히 감소시켜 주입신호로 인한 가청소음 발생 문제를 해결할 수 있다.
셋째, 소음을 가청범위(16Hz~20kHz)를 넘김으로써 가청소음을 저감하고, 주입 신호의 크기와 상관이 없기 때문에 선형 변조 가능범위 내에서 최대 신호까지 주입할 수 있도록 한다.
넷째, 영구자석 동기전동기 제어 정밀성을 높이고, 주입신호로 인한 가청소음 발생 문제를 해결하여 모빌리티와 같은 넓은 운전 범위를 가진 IPMSM 구동이 필요한 분야에 센서리스 제어의 적용성을 높일 수 있도록 한다.
다섯째, IPMSM의 신호주입 센서리스 제어시에 운영자가 진폭 값을 고려할 필요가 없이 실시간으로 최적화된 진폭 값이 반영하여 회전자 위치 추정 성능을 향상시키면서 토크 및 속도 리플을 저감할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치의 회로 구성도
도 2는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 3은 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 토크 파형 분석 결과 그래프
도 4는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 회전자 위치 오차 비교 결과 그래프
도 5는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 토크 및 속도 고조파 비교 결과 그래프
도 2는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 3은 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 토크 파형 분석 결과 그래프
도 4는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 회전자 위치 오차 비교 결과 그래프
도 5는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 토크 및 속도 고조파 비교 결과 그래프
이하, 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치의 회로 구성도이다.
본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법은 토크 및 속도의 리플 주파수를 주입신호 주파수의 2배로 상승시켜 신호주입 센서리스 제어의 정밀성을 높일 수 있도록 한 것으로, 실시간으로 높은 회전자 위치 추정 성능을 얻으며 토크 및 속도의 리플을 현저히 감소시켜 주입신호로 인한 가청소음 발생 문제를 해결할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치는 도 1에서와 같이, 각 축의 지령 전류(
)(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 이용하여 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생하는 전류 제어기(Current Controller)(10)와, 각 축의 지령 전압(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 입력으로 주입신호(
)(
)를 생성하는 신호주입기(Signal Injector)(20)와, 주입신호(
)(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 지령 제어 전압(
)(
)을 생성하는 제 1,2 지령 제어 전압 산출부(30a)(30b)와, 회전자 위치(
)를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환하는 지령전압 변환부(60)와, 지령전압 변환부(60)의 3상의 지령전압 (
)(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM(80)을 구동하는 PWM 구동 제어부(70)를 포함한다.
여기서, 신호주입기(Signal Injector)(20)는 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)을 통해 PWM 한 주기 동안 다음 주입될 각 축의 주입 신호 진폭(
)(
)를 계산하고, 각 축마다 PWM 한 주기 동안 첫 반주기는 (
)(
)로 발생하고, 나머지 반주기는 (
)(
)로 발생시켜 주입신호(
)(
)를 생성한다.
그리고 주입신호(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)를 통해 회전자 위치 오차(
)를 추출하는 위치 오차 추출부(40)와, 회전자 위치(
)를 추정하는 추정기(Estimator)(50)를 더 포함한다.
그리고 회전자 위치(
)를 통해 측정된 3상의 전류 (
)(
)(
)를 (
)(
)로 변환하고 전류 제어기(10)의 피드백으로 입력하는 피드백 입력부(90)를 더 포함한다.
본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치의 가변 진폭 신호 주입 과정을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치의 가변 진폭 신호 주입 과정을 설명하면 다음과 같다.
삭제
각 축의 지령 전류(
)(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 통해 전류 제어기(Current Controller)(10)는 원하는 전동기의 움직임을 위한 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생한다.
그리고 각 축의 지령 전압(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 신호주입기(20)에서 입력받아, 수학식 1,2의 연립방정식의 해를 구하는 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)을 통해 PWM 한 주기 동안 다음 주입될 각 축의 주입 신호 진폭(
)(
)를 계산한다.
여기서, P와
, 
, 
는 각각 전동기의 폴(Pole) 개수와 d축, q축 고정자 인덕턴스, PWM 반주기를 의미하며, 
와 M은 PWM의 최대 변조 지수와 안정성을 위한 마진(Margin)이다.
각 축마다 PWM 한 주기 동안 첫 반주기는 (
)(
)로 발생하고, 나머지 반주기는 (
)(
)로 발생시켜 주입신호(
)(
)를 발생시킨다.
여기서, P와
각 축마다 PWM 한 주기 동안 첫 반주기는 (
주입신호(
)(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 (
)(
)를 만든다
Demodulation Process에서 주입신호(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)를 통해 아래의 식을 계산하여 회전자 위치 오차(
)를 추출한다.
Luenberger Observer나 Second Order State Filter와 같은 추정기(Estimator)를 통해 회전자 위치(
)를 추정한다.
삭제
회전자 위치(
)를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환한다.
3상의 지령전압 (
)(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM을 구동한다.
회전자 위치(
)를 통해 측정된 3상의 전류 (
)(
)(
)를 (
)(
)로 변환한다.
(
)(
)를 전류 제어기의 피드백으로 입력한다.
이와 같은 동작을 하는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법은 각 축의 지령 전류(
)(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 통해 전류 제어기(Current Controller)는 원하는 전동기의 움직임을 위한 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생 단계(S201)와, 각 축의 지령 전압(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 신호주입기에서 입력받아, 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)을 통해 PWM 한 주기 동안 다음 주입될 각 축의 주입 신호 진폭(
)(
)를 계산을 하는 단계(S202)와, 각 축마다 PWM 한 주기 동안 첫 반주기는 (
)(
)로 발생하고, 나머지 반주기는 (
)(
)로 발생시켜 주입신호(
)(
)를 생성하는 단계(S203)와, 주입신호(
)(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 (
)(
)를 생성하는 단계(S204)와, 주입신호(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)를 통해 회전자 위치 오차(
)를 추출하고 추정기(Estimator)를 통해 회전자 위치(
)를 추정하는 단계(S205)와, 회전자 위치(
)를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환하고, 3상의 지령전압 (
)(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM을 구동하는 단계(S206)와, 회전자 위치(
)를 통해 측정된 3상의 전류 (
)(
)(
)를 (
)(
)로 변환하고 전류 제어기의 피드백으로 입력하는 단계(S207)를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 토크 파형 분석 결과 그래프이다.
도 3에서 종래 기술의 방법은 토크의 주기가 PWM 주기와 거의 동일한 것을 볼 수 있다. 이는 토크 리플의 fundamental 주파수가 PWM 주파수와 동일함을 의미한다.
반면, 본 발명에서 제안된 방법은 PWM 주기 절반에서 리플이 0이 되기 때문에 토크의 주기가 PWM 주기의 2배와 가까워져 토크 리플의 fundamental 주파수를 기존 방법보다 2배로 올릴 수 있다.
수학식 1은 주입신호에 의한 토크 리플 값을 0으로 만듦을 의미한다.
그 유도 과정은 다음과 같다. IPMSM의 전류와 토크 관계식으로 전류 리플에 의한 토크 리플을 다음과 같이 계산할 수 있다.
이와 같은 동작을 하는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법은 각 축의 지령 전류(
도 3은 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 의한 토크 파형 분석 결과 그래프이다.
도 3에서 종래 기술의 방법은 토크의 주기가 PWM 주기와 거의 동일한 것을 볼 수 있다. 이는 토크 리플의 fundamental 주파수가 PWM 주파수와 동일함을 의미한다.
반면, 본 발명에서 제안된 방법은 PWM 주기 절반에서 리플이 0이 되기 때문에 토크의 주기가 PWM 주기의 2배와 가까워져 토크 리플의 fundamental 주파수를 기존 방법보다 2배로 올릴 수 있다.
수학식 1은 주입신호에 의한 토크 리플 값을 0으로 만듦을 의미한다.
그 유도 과정은 다음과 같다. IPMSM의 전류와 토크 관계식으로 전류 리플에 의한 토크 리플을 다음과 같이 계산할 수 있다.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
이때 주입신호에 따른 전류 리플은 수학식 5와 같이 근사할 수 있으므로, 식 수학식 5를 수학식 4에 대입하여 수학식 1을 유도할 수 있다.
수학식 2는 주입신호 때문에 과변조 되지 않도록 주입신호의 크기를 제한함을 의미한다. 그 유도 과정은 다음과 같다.
주입된 신호가 더해진 지령전압 (
)(
)은 dq-abc 변환에 의해 다음과 같이 표현할 수 있다.
주입된 신호가 더해진 지령전압 (
삭제
결과적으로 삼상 전압의 최대값은 다음과 같다.
과변조를 피하기 위해 신호가 주입된 삼상 전압은 반드시 PWM 방법의 최대 변조 지수 
를 넘지 않아야 한다.
삭제
수학식 2는 수학식 9의 양변을 제곱하고, 변조지수에 적절한 여유를 두기 위해 M만큼 뺌 형태로서 주입신호로 인한 안정성을 높이는 동시에 정확성을 향상시킨다.
수학식 3은 주입신호(
)(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)를 통해 회전자 위치 오차(
)를 추출하기 위한 식이다.
그 유도 과정은 다음과 같다. 실제dq축의 전류 변화는 주입신호와 다음과 같은 관계를 갖는다.
이 식을 추정된 좌표계로 변환하여 표현하면 다음과 같다.
만약, 회전자 위치 오차(
)가 충분히 작아 
과 
이라 가정하면 수학식 11을 회전자 위치 오차(
)로 정리하여 수학식 3을 유도할 수 있다.
삭제
일반적으로 PWM 주파수가 10kHz 정도인 반면에 DSP의 연산속도는 약 200MHz인데다가, 해당 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)의 계산 결과가 보통 10회 이내의 iteration만에 나오기 때문에 전동기 구동 동안 충분히 안정적으로 연산 가능하다.
종래 기술의 경우에는 주입 신호의 진폭이 제한되고, 실시간으로 진폭 값을 변동하지 못하고, 주입 신호의 크기에 따라 위치 추정의 정확도와 토크 및 속도 리플의 크기가 trade off 관계를 갖는다.
이에 비하여, 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 따른 가변 진폭 신호 주입 방법의 장점은 다음과 같다.
운영자가 진폭 값을 고려할 필요가 없고, 실시간으로 최적화된 진폭 값이 반영되도록 하고, 회전자 위치 추정 성능을 향상시키면서 토크 및 속도 리플을 저감할 수 있다.
종래 기술의 경우에는 주입 신호의 진폭이 제한되고, 실시간으로 진폭 값을 변동하지 못하고, 주입 신호의 크기에 따라 위치 추정의 정확도와 토크 및 속도 리플의 크기가 trade off 관계를 갖는다.
이에 비하여, 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법에 따른 가변 진폭 신호 주입 방법의 장점은 다음과 같다.
운영자가 진폭 값을 고려할 필요가 없고, 실시간으로 최적화된 진폭 값이 반영되도록 하고, 회전자 위치 추정 성능을 향상시키면서 토크 및 속도 리플을 저감할 수 있다.
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종래 기술의 신호 주입 방법은 고정된 진폭을 갖는 구형파를 사용한다. 따라서 한 번 결정된 진폭이 모든 전동기 동작 범위에 사용되게 된다. 주입 신호의 진폭을 전동기 운영동안 과변조 되지 않은 적당한 값으로 운영자가 임의로 선정한다.
만약, 주입 신호의 진폭을 너무 크게 할 경우 토크와 속도의 리플이 심해져 정밀한 제어가 불가능해지고 가청소음을 유발할 수 있다. 반대로 진폭이 너무 작을 경우 추정되는 회전자 위치의 신뢰성이 떨어지게 된다.
만약, 주입 신호의 진폭을 너무 크게 할 경우 토크와 속도의 리플이 심해져 정밀한 제어가 불가능해지고 가청소음을 유발할 수 있다. 반대로 진폭이 너무 작을 경우 추정되는 회전자 위치의 신뢰성이 떨어지게 된다.
이에 비하여 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법은 회전자 위치 추정의 정확도를 높이면서 토크 및 속도의 리플 고조파 성분을 PWM 주파수 2배 범위로 높임으로써 정밀성 및 가청소음 저감 효과의 장점을 갖는다.
성능 검증을 위해 105V와 55V의 신호가 주입된 기존 방법의 결과들과 제안한 방법의 결과를 비교하였다.
도 3에서 105V의 신호가 주입된 기존 방법과 제안한 방법의 추정 오차가 거의 비슷하지만 도 4에서 기존 방법보다 제안된 방법의 가청 주파수(16Hz~20kHz) 내 고조파 성분이 현저히 적음을 알 수 있다. 또한 도 4에서 55V의 신호가 주입된 기존 방법과 제안한 방법의 가청 주파수 내 고조파 성분이 비슷하지만, 도 3에서 기존 방법의 추정 오차가 훨씬 큼을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법은 토크 및 속도의 리플 주파수를 주입신호 주파수의 2배로 상승시켜 신호주입 센서리스 제어의 정밀성을 높일 수 있도록 한 것으로, 실시간으로 높은 회전자 위치 추정 성능을 얻으며 토크 및 속도의 리플을 현저히 감소시켜 주입신호로 인한 가청소음 발생 문제를 해결할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 전류 제어기
20. 신호주입기
30a.30b. 제 1,2 지령 제어 전압 산출부
40. 위치오차 추출부
50. 추정기
60. 지령전압 변환부
70. PWM 구동 제어부
80. IPMSM
90. 피드백 입력부
20. 신호주입기
30a.30b. 제 1,2 지령 제어 전압 산출부
40. 위치오차 추출부
50. 추정기
60. 지령전압 변환부
70. PWM 구동 제어부
80. IPMSM
90. 피드백 입력부
Claims (6)
- 각 축의 지령 전류()(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 이용하여 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생하는 전류 제어기(Current Controller);
각 축의 지령 전압()(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 입력으로 주입신호(
)(
)를 생성하는 신호주입기(Signal Injector);
주입신호()(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 지령 제어 전압(
)(
)을 생성하는 제 1,2 지령 제어 전압 산출부;
회전자 위치()를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환하는 지령전압 변환부;
지령전압 변환부의 3상의 지령전압 ()(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM을 구동하는 PWM 구동 제어부;를 포함하고,
신호주입기(Signal Injector)는 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)을 통해 PWM 한 주기 동안 다음 주입될 각 축의 주입 신호 진폭()(
)를 계산하고, 각 축마다 PWM 한 주기 동안 첫 반주기는 (
)(
)로 발생하고, 나머지 반주기는 (
)(
)로 발생시켜 주입신호(
)(
)를 생성하고,
신호주입기(Signal Injector)는 주입신호 생성단계에서,
두 식의 연립방정식의 해를 구하는 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)을 통해 PWM 한 주기 동안 다음 주입될 각 축의 주입 신호 진폭()(
)를 계산하고,
여기서, P와,
,
는 각각 전동기의 폴(Pole) 개수와 d축, q축 고정자 인덕턴스, PWM 반주기를 의미하며,
와 M은 PWM의 최대 변조 지수와 안정성을 위한 마진(Margin)인 것을 특징으로 하는 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 주입신호()(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)를 통해 회전자 위치 오차(
)를 추출하는 위치 오차 추출부와, 회전자 위치(
)를 추정하는 추정기(Estimator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 회전자 위치()를 통해 측정된 3상의 전류 (
)(
)(
)를 (
)(
)로 변환하고 전류 제어기의 피드백으로 입력하는 피드백 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치.
- 각 축의 지령 전류()(
)와 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 이용하여 각 축의 지령 전압(
)(
)을 발생하는 지령전압 발생 단계;
각 축의 지령 전압()(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)(
)를 입력으로 주입신호(
)(
)를 생성하는 주입신호 생성단계;
주입신호()(
)를 각각 각 축의 지령 전압(
)(
)에 더해주어 지령 제어 전압(
)(
)을 생성하는 지령 제어 전압 산출 단계;
회전자 위치()를 통해 지령전압 (
)(
)를 3상의 지령전압 (
)(
)(
)으로 변환하는 지령전압 변환 단계;
지령전압 변환부의 3상의 지령전압 ()(
)(
)을 지령으로 PWM을 통해 IPMSM을 구동하는 PWM 구동 제어 단계;를 포함하고,
주입신호 생성단계에서, 신호주입기(Signal Injector)가 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)을 통해 PWM 한 주기 동안 다음 주입될 각 축의 주입 신호 진폭()(
)를 계산하고, 각 축마다 PWM 한 주기 동안 첫 반주기는 (
)(
)로 발생하고, 나머지 반주기는 (
)(
)로 발생시켜 주입신호(
)(
)를 생성하고,
주입신호 생성단계에서,
두 식의 연립방정식의 해를 구하는 뉴턴-랩슨법(Newton-Raphson method)을 통해 PWM 한 주기 동안 다음 주입될 각 축의 주입 신호 진폭()(
)를 계산하고,
여기서, P와,
,
는 각각 전동기의 폴(Pole) 개수와 d축, q축 고정자 인덕턴스, PWM 반주기를 의미하며,
와 M은 PWM의 최대 변조 지수와 안정성을 위한 마진(Margin)인 것을 특징으로 하는 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법.
- 제 4 항에 있어서, 주입신호()(
), 각 축의 실제 측정 전류(
)를 통해 회전자 위치 오차(
)를 추출하는 위치 오차 추출 단계와, 회전자 위치(
)를 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법.
- 제 4 항에 있어서, 회전자 위치()를 통해 측정된 3상의 전류 (
)(
)(
)를 (
)(
)로 변환하고 전류 제어기의 피드백으로 입력하는 피드백 입력 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가청소음 저감을 위한 IPMSM의 신호주입 센서리스 제어를 위한 방법.
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| KR1020200097559A KR102492695B1 (ko) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | 가청소음 저감을 위한 ｉｐｍｓｍ의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법 |
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| KR1020200097559A KR102492695B1 (ko) | 2020-08-04 | 2020-08-04 | 가청소음 저감을 위한 ｉｐｍｓｍ의 신호주입 센서리스 제어를 위한 장치 및 방법 |
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|---|---|---|---|---|
| JP4602958B2 (ja) | 2006-10-04 | 2010-12-22 | 三菱電機株式会社 | 永久磁石型モータ及び密閉型圧縮機及びファンモータ |
| RU2470453C1 (ru) * | 2009-03-25 | 2012-12-20 | Мицубиси Электрик Корпорейшн | Устройство управления для электрической вращающейся машины |
| KR101709475B1 (ko) | 2015-02-02 | 2017-03-08 | 엘지전자 주식회사 | 모터구동장치, 및 이를 구비하는 세탁물 처리기기 |
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- 2020-08-04 KR KR1020200097559A patent/KR102492695B1/ko active IP Right Grant
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