KR19990015353A - Magnetic flux reference vector control method of induction motor by high frequency current injection - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고주파 전류 주입에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 고주파 전류 주입으로 인하여 생기는 토오크의 리플을 최소화하는 방향으로 제어하는 것임을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 방법은 정확한 자속 정보를 필요로 하지 않기 때문에 인버터의 출력 주파수가 0.5Hz 정도인 저속에서도 벡터 제어 및 속도 제어를 원할하게 수행하며, 고정자 저항 이외의 어떤 다른 전동기 정수에도 관계없이 제어를 수행하므로 전동기 정수 변동에 매우 강인한 장점이 있다.The present invention relates to a method of controlling a magnetic flux reference vector of an induction motor by high frequency current injection, and in particular, to control the torque ripple caused by high frequency current injection. Since the method according to the present invention does not require accurate magnetic flux information, vector control and speed control are smoothly performed even at a low speed with an inverter output frequency of about 0.5 Hz, and control is performed regardless of any motor constant other than the stator resistance. It has the advantage of being very robust against fluctuations in motor constants.

Description

고주파 전류 주입에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법Magnetic flux reference vector control method of induction motor by high frequency current injection

본 발명은 고주파 전류 주입에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 고주파 전류 주입으로 인하여 생기는 토오크의 리플을 최소화하는 방향으로 제어하는 것임을 특징으로 한다.The present invention relates to a method of controlling a magnetic flux reference vector of an induction motor by high frequency current injection, and in particular, to control the torque ripple caused by high frequency current injection.

유도 전동기는 직류 전동기에 비하여 구조가 간단하고, 견고하기 때문에 유지 및 보수 측면에서 대단히 유리한 반면, 가변속 구동의 관점에서 보면 유도 전동기는 정속 운전용의 전동기이므로 입력 주파수의 변환 없이는 속도 제어가 지극히 어려운 단점이 있어서 그 응용 범위가 제한되어져 왔다.Induction motors are very advantageous in terms of maintenance and repair because they are simpler and more robust than DC motors.However, from the viewpoint of variable speed driving, induction motors are motors for constant speed operation, which makes speed control extremely difficult without changing the input frequency. As a result, its application range has been limited.

따라서, 유도 전동기는 오랫동안 산업용으로 사용되어져 왔지만, 50년대 이전까지는 제어상의 난점 때문에 주로 정속 운전용으로 사용되어 왔고, 가변속 운전이 요구되는 곳이나, 서보 운전과 같이 적응 제어를 요구하는 곳에는 거의 대부분 직류 전동기가 사용되어져 왔다. 60년대 말 벡터 제어 이론이 발표되고, 이와 아울러 고속의 전력용 반도체 소자의 개발과 고성능의 마이크로프로세서의 발달로 유도 전동기의 가변속 운전이 가능하게 되었을 뿐만 아니라, 유도 전동기의 운전 특성을 직류 전동기 이상의 수준으로 제어할 수 있게 되었고, 이에 따라 유도 전동기가 직류 전동기의 응용 범위를 대체해 나가게 되었다.Therefore, induction motors have been used for industrial purposes for a long time, but until the 50's, they were mainly used for constant speed operation due to control difficulties, and almost all of the places where variable speed operation is required or where adaptive control is required such as servo operation. DC motors have been used. In the late sixties, vector control theory was announced, and the development of high-speed power semiconductor devices and the development of high-performance microprocessors enabled not only variable speed operation of induction motors, but also the characteristics of induction motors above DC motors. Induction motors replace the application range of DC motors.

유도 전동기의 벡터 제어를 수행하기 위하여는 속도 정보, 혹은 자속 정보가 필수적인데, 일반적으로 속도 정보를 얻기 위해서는 타코 제네레이터(Tacho generator)나 레졸버(Resolver) 혹은 펄스 인코더(Pulse Encoder)와 같은 센서, 자속 정보를 얻기 위해서는 서칭 코일(Searching coil)과 같은 센서 등이 필요하다. 그런데, 이러한 센서들은 유도 전동기의 운전에 여러 가지 문제를 일으키고, 적용에 제한을 가하게 된다. 우선 전동기와의 커플링이 어렵고, 설치 환경에 민감하여 신뢰성을 떨어뜨리며 경제적인 면에서 가격이 상승하는 원인이 된다. 즉, 이러한 센서들로 인하여 유도 전동기의 장점이라고 할 수 있는 환경 조건이나, 신뢰성, 경제적인 이점들이 사라지게 된다. 또한, 전동기가 인버터와 멀리 떨어져 있는 경우에는 신호 전달의 어려움이 생기고, 잡음에 약한 문제점 등이 생기게 되어 안정 운전에 영향을 미친다.In order to perform vector control of an induction motor, speed information or magnetic flux information is essential. Generally, to obtain speed information, a sensor such as a tacho generator, a resolver, or a pulse encoder, In order to obtain the magnetic flux information, a sensor such as a searching coil is required. However, these sensors cause various problems in the operation of the induction motor, and limit the application. First of all, the coupling with the motor is difficult, and it is sensitive to the installation environment, which reduces the reliability and economically causes the price to rise. In other words, these sensors eliminate environmental conditions, reliability and economic advantages, which are advantages of induction motors. In addition, when the motor is far away from the inverter, difficulty in signal transmission occurs, and a problem such as a weak noise occurs, which affects stable operation.

상기한 이유로 유도 전동기에 별도의 센서를 부착하지 않고 전압, 전류 정보만을 이용하여 속도 정보나 자속 정보를 추정하여 벡터 제어를 수행하려는 센서리스 벡터 제어에 관한 많은 연구들이 이루어져 왔다. 그 대표적인 방법으로는 자속을 추정하여 직접 각도 정보를 구하여 벡터 제어를 하는 방법, MRAS(Model Reference Adaptive System)를 이용하는 방법과 EKF(Extended Kalman Filter)를 이용하는 방법 등이 있다.For this reason, many studies have been made on sensorless vector control to estimate the speed information or the magnetic flux information using only voltage and current information without attaching a separate sensor to the induction motor. Typical methods include estimating magnetic flux to obtain direct angle information, vector control, MRAS (Model Reference Adaptive System), and EKF (Extended Kalman Filter).

그러나, 상기한 종래의 방법들은 저속 운전의 경우, 얻을 수 있는 제한된 정보인 전압, 전류의 크기가 작아서 잘 작동하지 않는 점과, 전동기의 기본 수식을 이용해야 하기 때문에 전동기 정수의 변동에 매우 취약하다. 이러한 문제점으로 인하여 센서리스 벡터 제어기는 제한된 범위에서만 사용되고 있다.However, the above-mentioned conventional methods are very vulnerable to fluctuations in the motor constants because of the limited information that can be obtained in the low-speed operation, because they do not work well due to the small size of the voltage and current, and the basic formula of the motor must be used. . Due to these problems, sensorless vector controllers are used only in limited ranges.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 방법들의 단점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 고주파 전류의 주입에 의하여 나타나는 토오크 리플을 이용하여 자속 정보를 추정할 때 크기의 오차에는 무관하며, 단지 위상의 정확도에만 의존하는 유도 전동기의 직접 벡터 제어 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention is to solve the disadvantages of the conventional methods as described above, the present invention is independent of the size error when estimating the magnetic flux information by using the torque ripple caused by the injection of high-frequency current, only phase To provide a direct vector control method of an induction motor that depends only on the accuracy of.

본 발명의 또 다른 목적은 유도 전동기의 정수 변동에 둔감하여 안정성 있는 제어를 수행할 수 있는 유도 전동기의 직접 벡터 제어 방법을 제공하는데 있다.Still another object of the present invention is to provide a direct vector control method of an induction motor capable of performing stable control insensitive to constant fluctuations of an induction motor.

본 발명의 또 다른 목적은 고주파 전류를 주입하여 저속에서도 전압 정보가 크게 하여 출력 전압의 왜곡 현상을 줄여서 노이즈에 강한 유도 전동기의 직접 벡터 제어 방법을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a direct vector control method of an induction motor that is resistant to noise by injecting high frequency current and increasing voltage information at low speed to reduce distortion of the output voltage.

도1은 dq좌표계에서 실제각과 제어각의 오차를 나타낸 도면,1 is a view showing the error between the actual angle and the control angle in the dq coordinate system,

도2는 유도 전동기의 d축 등가회로도,2 is an equivalent circuit diagram of an d-axis of an induction motor;

도3은 본 발명에 의한 유도 전동기의 직접 벡터 제어 방법을 수행하기 위한 실험 장치의 블록도,3 is a block diagram of an experimental apparatus for performing a direct vector control method of an induction motor according to the present invention;

도4는 -30rpm에서 30rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 도면,4 is a diagram of the forward and reverse rotation waveform at -30 rpm at 30 rpm no load,

도5는 -30rpm에서 30rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 도면,5 is a diagram of a forward and backward rotation waveform at -30 rpm at 30 rpm no load,

도6은 -30rpm에서 30rpm 반부하에서의 정역 회전 파형의 도면,6 is a diagram of the forward and reverse waveforms at -30 rpm and 30 rpm half load,

도7은 -50rpm에서 50rpm 반부하에서의 정역 회전 파형의 도면,7 is a diagram of the forward and reverse waveforms at -50 rpm to 50 rpm half load,

도8은 -30rpm에서 30rpm 전부하에서의 정역 회전 파형의 도면,8 is a diagram of a forward and backward rotation waveform at -30 rpm to 30 rpm full load,

도9은 -50rpm에서 50rpm 전부하에서의 정역 회전 파형의 도면,9 is a diagram of the forward and backward rotation waveform at -50 rpm to 50 rpm full load,

도10은 토오크분 전류와 토오크와의 상관관계를 보여주는 도면,10 is a view showing a correlation between a torque current and torque;

도11는 18rpm에서 -18rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 도면,11 is a diagram of the forward and reverse rotational waveform at -18 rpm no load at 18 rpm;

도12은 18rpm에서 -18rpm 반부하에서의 정역 회전 파형의 도면,12 is a diagram of the forward and reverse waveforms at -18 rpm half load at 18 rpm;

도13는 30rpm에서 -30rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 도면,13 is a diagram of the forward and reverse rotation waveform at -30 rpm no load at 30 rpm;

도14은 30rpm에서 -30rpm 반부하에서의 정역 회전 파형의 도면,14 is a diagram of the forward and reverse waveforms at -30 rpm half load at 30 rpm;

도15는 500rpm에서 -500rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 도면,15 is a diagram of the forward and reverse rotation waveform at -500 rpm no load at 500 rpm;

도16은 500rpm에서 -500rpm 전부하에서의 정역 회전 파형의 도면,Fig. 16 is a diagram of the forward and backward rotation waveform at -500 rpm full load at 500 rpm;

도17은 30rpm 정속 운전시의 정격의 3/4 부하 특성을 나타낸 도면이다.Fig. 17 is a diagram showing the 3/4 load characteristic of the rating in the 30 rpm constant speed operation.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법은, 동기 좌표계의 d축에 고주파의 정현파 전류를 인가하는 단계; 상기 단계에서 인가된 전류에 의하여 발생되는 토오크 리플을 구하는 단계; 및 상기 단계에서 얻어진 토오크 리플을 줄이는 방향으로 제어각을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the magnetic flux reference vector control method of the induction motor according to the present invention comprises the steps of: applying a high frequency sinusoidal current to the d-axis of the synchronous coordinate system; Obtaining a torque ripple generated by the current applied in the step; And changing the control angle in a direction of reducing the torque ripple obtained in the step.

상기한 본 발명에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법에서, 토오크 리플을 줄이는 방향으로 제어각을 변경하는 상기한 단계는, 토오크 리플로부터 구해지는 제어각과 실제 전동기의 자속각의 오차인 Δθ를 줄임에 의하여 수행될 수 있다.In the magnetic flux reference vector control method of the induction motor according to the present invention described above, the step of changing the control angle in the direction of reducing the torque ripple reduces the error Δθ which is an error between the control angle obtained from the torque ripple and the magnetic flux angle of the actual motor. It can be performed by.

상기한 본 발명에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법에서, 토오크 리플을 구하는 상기 단계는, 유도 전동기의 자속을 추정하여 토오크를 구한 후 고역 통과 필터를 거쳐서 토오크 리플을 구함에 의하여 수행될 수 있다.In the method of controlling the magnetic flux reference vector of the induction motor according to the present invention, the step of obtaining the torque ripple may be performed by estimating the magnetic flux of the induction motor to obtain the torque and then obtaining the torque ripple through the high pass filter. .

상기한 본 발명에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법에서, 유도 전동기의 자속을 추정하는 상기 단계는, 시정수와 유도 전동기의 회전자 시정수와 동일한 1차 지연 필터를 사용하여 구할 수도 있다.In the above-described method of controlling the magnetic flux reference vector of the induction motor according to the present invention, the step of estimating the magnetic flux of the induction motor may be obtained using a first delay filter equal to the time constant and the rotor time constant of the induction motor.

상기한 본 발명에 의한 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법에서, 유도 전동기의 자속을 추정하는 상기 단계는, 저속에서의 자속 추정의 특성을 개선하기 위하여 자속 지령치를 저역통과 필터를 거치게 하여 측정치와 더하는 방법을 사용할 수도 있다.In the magnetic flux reference vector control method of the induction motor according to the present invention described above, the step of estimating the magnetic flux of the induction motor includes adding a magnetic flux command value through a low pass filter to a measured value in order to improve the characteristics of the magnetic flux estimation at a low speed. You can also use the method.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 유도 전동기의 자속 기준 제어 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the magnetic flux reference control method of the induction motor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 고주파 전류 주입시 나타나는 토오크 리플을 설명한다.First, the torque ripple that appears during high frequency current injection will be described.

일반적인 유도 전동기의 토오크 방정식은 다음의 수학식 1과 같다.The torque equation of a general induction motor is shown in Equation 1 below.

상기 수학식 1에서, P는 유도 전동기의 극수이고, Lm은 전동기 자화 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스를 각각 나타내고, λdr e, λqr e는 d-q축 회전자 자속(동기 좌표계)를, λdr s, λqr s는 d-q축 회전자 자속(정지 좌표계)를 각각 나타내고, ids e, iqs e는 d-q축 고정자 전류(동기 좌표계), ids s, iqs s는 d-q축 고정자 전류(정지 좌표계)를 각각 나타낸다.In Equation 1, P is the number of poles of the induction motor, L m represents the motor magnetization inductance, L r represents the rotor inductance, respectively λ dr e , λ qr e represents the dq axis rotor magnetic flux (synchronous coordinate system), λ dr s and λ qr s denote the dq-axis rotor flux (stop coordinate system), respectively, i ds e and i qs e denote the dq-axis stator current (synchronous coordinate system), i ds s and i qs s denote the dq-axis stator current (Static coordinate system) is shown respectively.

회전자 자속 기준 벡터 제어를 수행하는 경우, q축 회전자 자속 λqr e는 0이 되므로 상기 수학식 1은 다음의 수학식 2와 같이 나타내어 진다.In the case of performing the rotor flux reference vector control, the q-axis rotor flux λ qr e becomes 0, so that Equation 1 is expressed as Equation 2 below.

동기 좌표계 d축 회전자 자속과 d축 고정자 전류 사이에는 다음의 수학식 3과 같은 1차 지연의 관계가 있다.There is a first-order delay relationship shown in Equation 3 below between the d-axis rotor flux and the d-axis stator current in the synchronous coordinate system.

상기 수학식 3에서 Tr은 회전자 시정수이다.In Equation 3, T r is the rotor time constant.

상기 수학식 3에서 보이는 바와 같이, 직류 전류가 인가되는 일반적인 경우에는 단지 지연 현상만 생기지만, 교류 전류가 인가되는 경우에는 지연 현상 뿐만 아니라, 크기의 감쇄 현상도 나타난다. 다음의 수학식 4는 상기 수학식 3의 크기에 대한 주파수 특성을 나타낸 것이다.As shown in Equation 3, in the general case in which a DC current is applied, only a delay occurs, but in the case where an alternating current is applied, not only a delay but also a decay of magnitude appears. Equation 4 below shows frequency characteristics for the magnitude of Equation 3.

만약, 다음의 수학식 5와 같이 d축에 고주파 정현파 전류를 주입하면, 상기 수학식 4에서 보이는 바와 같이, 회전자 자속에 나타나는 고주파 전류에 의한 영향은 거의 무시할 만하고, 주입되는 전류의 주파수가 높을수록 자속에 미치는 영향은 작아지게 된다.If the high frequency sinusoidal current is injected to the d-axis as shown in Equation 5 below, as shown in Equation 4, the effect of the high frequency current appearing on the rotor flux is almost negligible, and the frequency of the injected current is high. The smaller the influence on the magnetic flux.

또한, 상기 수학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류가 비간섭 제어(decoupleing control)되고 있고, 완벽한 벡터 제어가 수행되고 있으면 토오크에도 고주파 전류에 의한 영향이 나타나지 않는다.Also, as can be seen from Equation 2, when the current is decoupled control and perfect vector control is performed, the influence of the high frequency current does not appear in the torque.

도1은 dq좌표계에서 실제각과 제어각의 오차를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the error between the actual angle and the control angle in the dq coordinate system.

도1에 도시되어 있는 바와 같이, 제어하고 있는 각과 실제 전동기의 자속각이 Δθ만큼의 오차를 가지고 있다면, λqr e가 0이 되지 않고 λsinΔθ가 되므로 주입된 전류에 의하여 토오크에 리플이 생기게 된다.As shown in Fig. 1, if the angle being controlled and the magnetic flux angle of the actual motor have an error of Δθ, λ qr e is not 0 but λsinΔθ, which causes ripple in torque due to the injected current.

그러므로, 토오크 리플을 줄이는 방향으로 제어각을 변경시킬 수 있으면 정확한 벡터 제어를 수행할 수 있다. 토오크 리플은 다음의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, if the control angle can be changed in the direction of reducing the torque ripple, accurate vector control can be performed. The torque ripple may be expressed as in Equation 6 below.

상기 수학식 6에서 λ는 이고, Δθ는 실제각과 제어각과의 오차를 나타낸다. 상기 수학식 6으로부터 각도 오차 Δθ를 쉽게 얻기 위하여, 상기 수학식 6의 양변에 고주파 전류분 를 곱하여 다음의 수학식 7을 얻는다.[Lambda] in Equation 6 Is the error between the actual angle and the control angle. In order to easily obtain the angle error Δθ from Equation 6, a high frequency current component is provided at both sides of Equation 6 Multiply by to obtain the following equation (7).

상기 수학식 7은 직류 성분과 고주파의 2배의 주파수를 가지는 성분으로 구성되어 있으므로, 저역 통과 필터를 이용하여 직류 성분만을 추출하면 각도 오차 Δθ를 다음의 수학식 8과 같이 구할 수 있다.Since Equation 7 is composed of a DC component and a component having a frequency twice the high frequency, the angle error Δθ can be obtained as shown in Equation 8 below by extracting only the DC component using a low pass filter.

상기 수학식 8에서, LP는 저역통과필터의 출력을 나타낸다.In Equation 8, LP represents the output of the low pass filter.

만약, Δθ가 작은 경우에 Δθ는 sinΔθ와 거의 같다고 볼 수 있으므로, 삼각함수 계산없이 각도 오차를 구할 수 있다. 이 경우 제어각은 다음의 수학식 9와 같이 갱신된다.If Δθ is small, Δθ may be almost equal to sinΔθ, and thus an angle error may be obtained without calculating a trigonometric function. In this case, the control angle is updated as in Equation 9 below.

θ[n]=θ[n-1]+Δθθ [n] = θ [n-1] + Δθ

그러나, 전동기 정수의 변동이나 필터의 특성, 측정의 오차 등 여러 가지 요인들로 인하여 계산된 각도 오차를 벡터 제어에 직접 적용하는 것은 무리이므로 실제 적용시에는 PI 제어기를 사용하여 이러한 불확실한 요인들에 대한 영향을 감소시켜 원할한 제어를 수행하도록 한다.However, it is unreasonable to apply the calculated angular error directly to vector control due to various factors such as fluctuations in motor constants, filter characteristics, measurement errors, etc. Reduce the impact to ensure smooth control.

이제 토오크 리플을 추정하는 것에 대하여 설명한다.Now, estimating torque ripple will be described.

본 발명에서는 토오크를 추정하고, 추정된 토오크에 고역 통과 필터를 사용하여 토오크 리플을 얻는다. 상기 수학식 1로부터 정지 좌표계의 수식으로 구한 토오크는 동기 좌표계의 수식으로 구한 것과 일치하므로, 본 명세서에서는 계산이 용이한 정지 좌표계 수식을 이용하였다.In the present invention, torque is estimated, and torque ripple is obtained by using a high pass filter for the estimated torque. Since the torque obtained by the equation of the still coordinate system from Equation 1 is the same as that obtained by the equation of the synchronous coordinate system, the equation of the static coordinate system that is easy to calculate is used in the present specification.

토오크를 구하기 위하여는 먼저, 자속을 추정하여야 한다. 자속은 다음의 수학식 10과 같이 전원 전압에서 고정자 저항에 의한 전압 강하를 뺀 값을 적분하여 구한다.In order to find the torque, the flux must first be estimated. The magnetic flux is obtained by integrating the value obtained by subtracting the voltage drop caused by the stator resistance from the power supply voltage as shown in Equation 10 below.

상기 수학식 10에서, Lσ는 고정자 순시 인덕턴스로서, 전동기의 모델에 따라서 결정되는 값이다.In Equation 10, L σ is a stator instantaneous inductance and is a value determined according to the model of the motor.

그러나, 순수 적분은 측정값의 옵셋이 있는 경우에 발산하는 문제가 있기 때문에 구현이 불가능하므로 다음의 수학식 11과 같이 1차 지연 필터를 사용하여 구한다.However, since the pure integral cannot be implemented because there is a problem of diverging when there is an offset of the measured value, it is obtained using a first order delay filter as shown in Equation 11 below.

일반적으로, 상기 수학식 11에서 1차 지연 필터의 시정수는 전동기의 회전자 시정수와 동일하게 둔다. 이러한 과정에서 자속의 추정치는 실제의 자속과 위상 지연이 생기고 크기도 달라지게 되며 이러한 차이는 저속일수록 더욱 심해진다. 따라서, 자속을 실제값과 보다 근사하게 구하기 위하여 본 발명에서는 자속 지령치를 저역통과 필터를 거치게 하여 측정치와 더하는 방법을 사용한다. 인버터의 출력 주파수가 1차 지연 필터의 주파수보다 작은 곳에서는 자속 지령치의 값을 이용하고, 인버터의 출력 주파수가 1차 지연 필터의 주파수보다 큰 곳에서는 측정치를 이용한다. 이러한 방법에 의한 자속 추정값을 다음의 수학식 12에 나타내었다.In general, in Equation 11, the time constant of the first order delay filter is set equal to the rotor time constant of the motor. In this process, the estimate of the magnetic flux results in the actual magnetic flux, phase delay, and magnitude, and the difference becomes more severe at lower speeds. Therefore, in order to obtain the magnetic flux closer to the actual value, the present invention uses a method of adding the magnetic flux command value to the measured value through a low pass filter. The magnetic flux command value is used where the inverter output frequency is smaller than the frequency of the primary delay filter, and the measured value is used where the inverter output frequency is larger than the frequency of the primary delay filter. The magnetic flux estimate by this method is shown in Equation 12 below.

상기 수학식 12에서, λqdr s*는 회전자 자속의 지령치이고, 상기 수학식 12에서 사용되는 저역통과 필터의 시정수는 1차 지연 필터의 시정수와 동일하게 한다.In Equation 12, λ qdr s * is a command value of the rotor flux, and the time constant of the low pass filter used in Equation 12 is equal to the time constant of the first-order delay filter.

상기 수학식 12에 나타난 자속 추정값을 이용하면, 추정 토오크 및 토오크 리플을 다음의 수학식 13과 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.By using the magnetic flux estimate value shown in Equation 12, the estimated torque and torque ripple can be expressed as Equation 13 and Equation 14 below.

한편, 상기 수학식 10에서 Lσ는 전동기 모델에 따라서 결정되는 값이나, 고주파 전류를 주입함에 의하여 Lσ를 정확하게 구하여 자속 추정의 정확도를 더욱 높일 수 있다.On the other hand, in the equation 10 Lσ may further increase the accuracy of the flux estimate calculated accurately L σ by injection as a value, or a high-frequency current that is determined by the motor model.

도2는 유도 전동기의 d축 등가회로도이다.2 is an d-axis equivalent circuit diagram of an induction motor.

도2에서 보이는 바와 같이, 유도 전동기의 d축 등가회로에서, 고정자 전류의 고주파 성분은 여자 인덕턴스로는 거의 흐르지 않고, 대부분이 회전자 쪽으로 흐르게 된다. 이러한 가정하에 다음의 수학식 15와 같은 전압 방정식이 성립한다.As shown in Fig. 2, in the d-axis equivalent circuit of the induction motor, the high frequency component of the stator current hardly flows into the excitation inductance, and most of it flows toward the rotor. Under this assumption, a voltage equation such as the following equation (15) holds.

상기 수학식 15에서, Lls는 고정자 누설 인덕턴스, Llr은 회전자 누설 인덕턴스를 각각 나타낸다.In Equation 15, L ls denotes a stator leakage inductance, and L lr denotes a rotor leakage inductance.

또한, 일반적으로 다음의 수학식 16과 같은 식이 성립한다.In general, the following equation (16) holds.

상기 수학식 15에서, 주입하는 고주파 전류의 주파수가 매우 크기 때문에 저항에 의한 전압 강하보다는 누설 인덕턴스의 전압 강하가 휠씬 크다. 따라서, 저항값이 어느 정도 변화하더라도 Lσ를 추정하는데는 크게 영향을 미치지 못한다.In Equation 15, since the frequency of the injected high frequency current is very large, the voltage drop of the leakage inductance is much larger than that of the resistor. Therefore, even if the resistance value changes to some extent, it does not significantly affect the estimation of L σ .

상기 수학식 15의 양변을 정리하여 제곱하면 다음의 수학식 17과 같다.If both sides of Equation 15 are summed up and squared, the following Equation 17 is obtained.

저역통과 필터를 사용하여 직류분만을 추출하면 다음의 수학식 18에서 나타난 바와 같이 Lσ를 추정할 수 있다.By extracting the DC distribution using the lowpass filter, L σ can be estimated as shown in Equation 18 below.

상기한 바와 같은 방법에 의하여 추정된 Lσ를 전동기 상수 측정치와 비교해 보았을 때 큰 차이가 없었다. 또한, 이와 같은 방법은 기본적인 전압, 전류의 값 만을 이용하고, 측정되는 값 자체가 크기 때문에 비교적 정확하게 온라인으로 추정이 가능한 장점이 있다.There was no significant difference when comparing L σ estimated by the method as described above with the measurement of the motor constant. In addition, this method uses only basic voltage and current values, and since the measured value itself is large, there is an advantage that it can be estimated online relatively accurately.

이제 속도 제어를 위하여 속도 정보를 추정하는 것을 설명한다.It is now described to estimate speed information for speed control.

속도의 추정은 개념적으로 다음의 수학식 19와 같이, 각도의 미분으로 구해질 수 있다. 일반적으로, 미분의 구현은 노이즈에 대한 민감성으로 인하여 어렵다. 그러나, 전동기의 속도는 순간적으로 변화할 수 없으므로 적절한 저역통과 필터를 사용하여 안정된 속도 정보를 얻을 수 있다.The estimation of the velocity can be conceptually obtained as the derivative of the angle, as shown in Equation 19 below. In general, the implementation of the derivative is difficult due to the sensitivity to noise. However, since the speed of the motor cannot change instantaneously, stable speed information can be obtained by using an appropriate lowpass filter.

상기 수학식 19에서 ωe는 동기 회전 각속도를 나타낸다.In Equation 19, ω e represents a synchronous rotational angular velocity.

각도를 계산하는 제어 주기가 작을 경우, 상기 수학식 19는 다음의 수학식 20에서 보이는 바와 같이, 이산 모델로 변환할 수 있다.When the control period for calculating the angle is small, Equation 19 may be converted into a discrete model, as shown in Equation 20 below.

상기 수학식 20에서, Tsamp는 전류 제어기의 샘플링 주기이다.In Equation 20, T samp is a sampling period of the current controller.

회전자의 속도는 출력 주파수에서 슬립 주파수를 뺀 값으로 주어진다.The speed of the rotor is given by the output frequency minus the slip frequency.

한편, 벡터 제어시 슬립은 다음의 수학식 21과 같이 주어진다.On the other hand, the slip in the vector control is given by the following equation (21).

상기 수학식 21에서, ωsl은 슬립 각속도를 나타낸다.In Equation 21, ω sl represents a slip angular velocity.

본 발명에서 d축 회전자 자속을 추정하기는 하지만, 이 추정치의 크기는 정격 속도의 1/10 이하의 저속에서는 실제 자속과 정확히 일치하지는 않으므로, 이 자속 추정치를 이용하여 슬립을 계산하는 것은 부적합하다. 따라서, 슬립의 추정은 정격 여자 전류를 변환시키지 않고 전류 제어가 정밀하게 이루어진다는 가정하에서 슬립 지령치를 바로 슬립 주파수로 이용하였다. 슬립 지령치는 다음의 수학식 22과 같고, 추정 속도는 다음의 수학식 23과 같다.Although the d-axis rotor flux is estimated in the present invention, the magnitude of this estimate does not exactly match the actual magnetic flux at low speeds of 1/10 or less of the rated speed, so it is inappropriate to calculate slip using this flux estimate. . Therefore, the slip estimate was used as the slip frequency directly on the assumption that the current control is precisely performed without converting the rated exciting current. The slip command value is shown in the following equation (22), and the estimated speed is shown in the following equation (23).

실시예Example

도3은 본 발명에 의한 유도 전동기의 직접 벡터 제어 방법을 수행하기 위한 실험 장치의 블록도이다. 도3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 유도 전동기의 직접 벡터 제어 방법을 수행하기 위한 실험 장치는 크게 제어용 보드와 인버터 그리고 전동기와 부하용 발전기로 구성된다. 제어기는 기본적으로 전류 제어기, 자속 추정기, 토오크 리플 추정기와 벡터 제어기로 구성되어져 있고, 부가적으로 속도 제어기와 Lσ추정기가 포함된다.3 is a block diagram of an experimental apparatus for performing a direct vector control method of an induction motor according to the present invention. As shown in FIG. 3, an experimental apparatus for performing a direct vector control method of an induction motor according to the present invention is largely composed of a control board, an inverter, a motor, and a load generator. The controller basically consists of current controller, flux estimator, torque ripple estimator and vector controller, and additionally includes speed controller and L σ estimator.

수백 Hz의 고주파 전류를 정확하게 제어하기 위하여 고성능 전류 제어기가 필수적이다. 전류 제어기로는 역기전력의 전향 보상이 포함된 동기 좌표계의 PI제어기를 사용하였는데, 이 제어기는 히스테리시스 제어기나 예측 제어기에 비하여 안정도 및 제어 성능이 우수하고, 구현이 용이한 장점이 있다. 전류 제어기의 제어 주기는 100μsec로 하여 5kHz의 스위칭 주파수로 PWM하였고, PWM 방법으로는 공간 벡터법을 이용하였다. 공간 벡터법은 삼각파 비교법에 비하여 사용할 수 있는 전압이 더 크고 과도 상태 특성이 더 좋으며, 전류 리플이 더 작은 이점이 있다. 벡터 제어기도 구현이 간단한 PI제어기로 구성하였으며, 속도 제어기도 역시 PI제어기를 사용하였다. 이러한 모든 제어기는 소프트웨어로 구성되어 수정이 용이하고 구현이 간단한 장점이 있다.A high performance current controller is essential to accurately control high frequency currents of hundreds of Hz. As a current controller, a PI controller of a synchronous coordinate system including forward electromotive force compensation is used. The controller has superior stability and control performance and is easier to implement than a hysteresis controller or a predictive controller. The control period of the current controller was PWM with a switching frequency of 5 kHz with 100 μsec. The space vector method was used as the PWM method. The space vector method has the advantages of greater usable voltage, better transient characteristics, and smaller current ripple than the triangular wave comparison method. The vector controller is also composed of a simple PI controller, and the speed controller is also a PI controller. All these controllers have the advantage of being easy to modify and simple to implement in software.

제어용 마이크로프로세서는 TI사의 TMS320C30을 이용하여 모든 제어기를 소프트웨어로 구성하였다. 이 프로세서의 사양은 다음과 같다.The control microprocessor uses TI's TMS320C30 to configure all the controllers in software. The specifications of this processor are as follows.

·초고속 연산(60㎱ single cycle instruction) 16.7MIPS, 33.3MFLPOSUltra fast operation (60㎱ single cycle instruction) 16.7MIPS, 33.3MFLPOS

·4K × 32비트 고속 ROM 내장Built-in 4K × 32-bit high speed ROM

·2K × 32비트 고속 RAM 내장Built-in 2K x 32-bit high speed RAM

·32비트 데이터 버스, 24비트 어드레스 버스32-bit data bus, 24-bit address bus

·40/32비트 부동 소수점/정수 곱셈기 내장Built-in 40 / 32-bit floating point / integer multiplier

·DMA 직렬 I/O, 32비트 타이머 내장Built-in DMA serial I / O, 32-bit timer

제어용 보드에는 그 외에 32K×32 비트 EPROM과 256K× 32 비트 고속 SRAM을 장착하였고, 상 전류 및 직류 링크전압을 읽기 위한 12비트 A/D컨버터, 내부 변수를 출력하기 위한 D/A컨버터와 사용자의 지령치 변경을 받기 위하여 IBM PC와의 통신을 수행하는 RS232C 직렬 포트등이 있다. 그리고, 모든 디지털 회로는 EPLD(Erasable Programmable Logic Device)를 이용하여 구조를 간단히 하고 신뢰성을 높였다.The control board is equipped with 32K × 32bit EPROM and 256K × 32bit high speed SRAM, 12bit A / D converter for reading phase current and DC link voltage, D / A converter for outputting internal variables and user's There is an RS232C serial port that communicates with the IBM PC to receive setpoint changes. All digital circuits use EPLD (Erasable Programmable Logic Device) to simplify the structure and increase the reliability.

인버터로는 600V 75A IPM 모듈을 이용한 전압형 IGBT 인버터를 사용하였다. IPM 모듈은 3쌍의 스위칭 소자와 별도로 회생 제동용 스위치를 제공하고, 내부에 게이팅 보드까지 내장하고 있으며, 사고시 고장 신호를 내보내 주는 기능까지 있다.As the inverter, voltage type IGBT inverter using 600V 75A IPM module was used. In addition to the three pairs of switching elements, the IPM module provides a regenerative braking switch, an internal gating board, and even a fault signal in case of an accident.

전동기는 5마력 4극 3상 농형 유도 전동기를 사용하였고, 부하로는 직류 전동기를 사용하였다. 두 가지의 유도 전동기를 사용하였는데, 제1유도전동기는 다이나모터가 장착된 실험 세트로서 정역 회전 실험에 사용하였고, 제2유도전동기는 주파 장치로서 직류 발전기가 연결되어 있는 세트로서, 고정자 저항의 변화에 대한 제어 특성 실험에 사용하였다.The motor used was a 5-horsepower 4-pole three-phase squirrel cage induction motor, and a direct current motor was used as a load. Two induction motors were used. The first induction motor was a test set equipped with a dynamo motor and used in the forward and reverse rotation experiments. The second induction motor was a set with a direct current generator connected as a frequency device. It was used for the control characteristic experiment for.

본 발명의 실시예에서 사용된 두 전동기들의 사양이 다음의 표1에 나타나 있다.Specifications of the two motors used in the embodiment of the present invention are shown in Table 1 below.

제1유도전동기1st induction motor 제2유도전동기2nd induction motor 5hp, 220V, 4poles 50Hz5hp, 220V, 4poles 50Hz 5hp, 220V, 4poles 60Hz5hp, 220V, 4poles 60Hz Rs: 0.55Ω Rr: 0.3787ΩLls: 2.1mH Llr: 2.1mH Lm: 59mHR s : 0.55Ω R r : 0.3787ΩL ls : 2.1mH L lr : 2.1mH L m : 59mH Rs: 0.27Ω Rr: 0.223ΩLls: 1.3mH Llr: 1.3mH Lm: 33mHR s : 0.27Ω R r : 0.223Ω L ls : 1.3mH L lr : 1.3mH L m : 33mH

제1실시예First embodiment

제1유도전동기에 대하여 30rpm과 50rpm에서의 무부하, 반부하 및 전부하에서의 정역 회전 실험을 수행하였고, 또한 정지 상태 및 여러 속도 범위에서의 토오크와 토오크분 전류와의 상관 관계를 알아보았다. 실험 결과는 도4 내지 도9과 같다.Forward and reverse rotation experiments were performed at no load, half load, and full load at 30 rpm and 50 rpm for the first induction motor, and the correlation between torque and torque component current at the stationary state and various speed ranges was also investigated. Experimental results are shown in FIGS. 4 to 9.

도4는 -30rpm에서 30rpm 무부하에서의 정역 회전 파형을, 도5는 -30rpm에서 30rpm 무부하에서의 정역 회전 파형을, 도6은 -30rpm에서 30rpm 반부하에서의 정역 회전 파형을, 도7은 -50rpm에서 50rpm 반부하에서의 정역 회전 파형을, 도8은 -30rpm에서 30rpm 전부하에서의 정역 회전 파형을, 도9은 -50rpm에서 50rpm 전부하에서의 정역 회전 파형을 각각 나타낸다. 도4 내지 도9의 각 도에서, 는 추정각도의 파형을, 은 추정 속도의 파형을, ωrpm은 실제 속도의 파형을, 은 제어 변수의 파형을 각각 나타낸다. 도4 내지 도9에 나타나 있는 결과를 보면, 본 발명에 의한 방법으로 제어한 특성이 매우 우수하며, 어떠한 부하 조건에서도 속도 제어 및 벡터 제어가 안정적으로 수행되고 있음을 알 수 있다.Figure 4 shows the forward and reverse waveform at 30 rpm no load at -30 rpm, Figure 5 is the forward and reverse waveform at 30 rpm no load at -30 rpm, Figure 6 is the forward and reverse waveform at 30 rpm half load at -30 rpm, Figure 7 at -50 rpm A forward rotation waveform at 50 rpm half load, FIG. 8 shows a forward rotation waveform at 30 rpm full load at -30 rpm, and FIG. 9 shows a forward rotation waveform at 50 rpm full load at -50 rpm, respectively. In each of Figures 4-9, Is the waveform of the estimated angle, Is the waveform of estimated velocity, ω rpm is the waveform of actual velocity, Denotes the waveform of the control variable, respectively. From the results shown in Figures 4 to 9, it can be seen that the characteristics controlled by the method according to the present invention are very excellent, and that the speed control and the vector control are stably performed under any load conditions.

도10은 토오크분 전류와 토오크와의 상관관계를 보여주는 도면이다. 토오크분 전류와 토오크와의 상관관계로부터 벡터 제어의 기본적인 특성인 토오크분 전류에 대한 출력 토오크의 선형성을 알 수 있는데, 토오크와 토오크분 전류가 원점에 지나는 직선에 가까울수록 벡터 제어가 완벽하게 수행되는 것임을 나타낸다. 도10을 보면, 본 발명에 의한 제어 방법이 다양한 속도 범위에서 비교적 잘 동작함을 알 수 있다.Fig. 10 is a diagram showing a correlation between torque current and torque. From the correlation between torque component current and torque, we can see the linearity of the output torque with respect to torque component current, which is the basic characteristic of vector control. The closer the torque and torque component current is to the straight line passing through the origin, the more perfect the vector control is. It is indicated. 10, it can be seen that the control method according to the present invention operates relatively well at various speed ranges.

제2실시예Second embodiment

제2유도전동기에 대하여 정격 속도의 1/100의 저속에서의 운전 특성 및 일반적인 속도에서의 운전 특성을 조사하였다. 또한, 정상 운전 중 부하의 변동에 대한 제어 특성을 실험하였다.The operating characteristics at the low speed of 1/100 of the rated speed and the operating characteristics at the general speed were investigated for the second induction motor. In addition, the control characteristics of the load variation during normal operation were tested.

도11는 18rpm에서 -18rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 결과를, 도12은 18rpm에서 -18rpm 반부하에서의 정역 회전 파형의 결과를 각각 나타낸다.Fig. 11 shows the results of the forward and backward waveforms at -18 rpm no load at 18 rpm, and Fig. 12 shows the results of the forward and backward waveforms at -18 rpm half load at 18 rpm.

도13는 30rpm에서 -30rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 결과를, 도14은 30rpm에서 -30rpm 반부하에서의 정역 회전 파형의 결과를 각각 나타낸다.Fig. 13 shows the results of the forward and backward waveforms at -30 rpm no load at 30 rpm, and Fig. 14 shows the results of the forward and backward waveforms at -30 rpm half load at 30 rpm.

도15는 500rpm에서 -500rpm 무부하에서의 정역 회전 파형의 결과를, 도16은 500rpm에서 -500rpm 전부하에서의 정역 회전 파형의 결과를 각각 나타낸다.Fig. 15 shows the results of the forward and backward waveforms at -500 rpm no load at 500 rpm, and Fig. 16 shows the results of the forward and backward waveforms at -500 rpm full load at 500 rpm.

도11 내지 도16의 각 도에서, 는 추정각도의 파형을, 은 추정 속도의 파형을, ωrpm은 실제 속도의 파형을, ias는 상 전류의 파형을 각각 나타낸다.In each of Figs. 11-16, Is the waveform of the estimated angle, Denotes a waveform of estimated velocity, ω rpm denotes a waveform of actual velocity, and i as denotes a waveform of phase current, respectively.

상기 도11 내지 도16에 나타난 결과로부터 본 발명에 의한 제어 방법이 부하 변동에 매우 강인하며, 다양한 속도 범위에서 좋은 특성을 가지는 것임을 알 수 있다.It can be seen from the results shown in FIGS. 11 to 16 that the control method according to the present invention is very robust to load variation and has good characteristics in various speed ranges.

도17은 30rpm 정속 운전시의 정격의 3/4 부하 특성을 나타낸 것으로서, 도17에서, 은 추정 속도의 파형을, ωrpm은 실제 속도의 파형을, Iqs e*는 토오크분 전류의 파형, Iqs e는 토오크분 전류 지령치의 파형을 각각 나타낸다.Fig. 17 shows the 3/4 load characteristic of the rating at 30 rpm constant speed operation. Denotes a waveform of estimated speed, ω rpm denotes a waveform of actual velocity, I qs e * denotes a waveform of torque-minute current, and I qs e denotes a waveform of torque-minute current command value.

도17에서 보이는 바와 같이, 정속 운전 중 부하의 변동에 대한 특성은 정격의 3/4 부하에 대해서 약 10rpm 정도의 변동이 생기며 약 1초 정도 후에 원래 속도로 회복되었다.As shown in Fig. 17, the characteristic of the load fluctuation during the constant speed operation was about 10 rpm for the 3/4 load of the rating, and returned to the original speed after about 1 second.

본 발명에 의한 제어 방법으로 무부하에서 0rpm의 제어는 불가능하지만, 제어가 발산하는 것이 아니기 때문에 다시 제어 가능한 속도 범위에 들어오게 되면 원래의 제어 성능을 나타낼 수 있다.In the control method according to the present invention, it is impossible to control 0 rpm at no load, but since the control is not divergent, the original control performance may be exhibited when the control speed is brought back into the controllable speed range.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 방법은 고주파 전류 주입으로 인하여 생기는 토오크의 리플을 최소화하는 방향으로 제어함으로 벡터 제어를 가능하게 하였고, 이로부터 속도의 추정도 가능하다. 본 발명에 의한 방법은 정확한 자속 정보를 필요호 하지 않기 때문에 인버터의 출력 주파수가 0.5Hz 정도인 저속에서도 벡터 제어 및 속도 제어를 원할하게 수행하며, 고정자 저항 이외의 어떤 다른 전동기 정수에도 관계없이 제어를 수행하므로 전동기 정수 변동에 매우 강인한 장점이 있다.As described above, the method according to the present invention enables the vector control by controlling in the direction of minimizing the ripple of the torque generated by the high-frequency current injection, from which it is possible to estimate the speed. Since the method according to the present invention does not require accurate magnetic flux information, vector control and speed control are smoothly performed even at a low speed with an inverter output frequency of about 0.5 Hz. It has the advantage of being very robust against fluctuations in motor constants.

Claims (5)

유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법에 있어서,In the magnetic flux reference vector control method of an induction motor, 동기 좌표계 d축에 고주파의 정현파 전류를 인가하는 단계;Applying a high frequency sinusoidal current to the d-axis of the synchronous coordinate system; 상기 단계에서 인가된 전류에 의하여 발생되는 토오크 리플을 구하는 단계; 및Obtaining a torque ripple generated by the current applied in the step; And 상기 단계에서 얻어진 토오크 리플을 줄이는 방향으로 제어각을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법.And changing the control angle in a direction of reducing the torque ripple obtained in the step. 제1항에 있어서, 토오크 리플을 줄이는 방향으로 제어각을 변경하는 상기 단계는, 토오크 리플로부터 구해지는 제어각과 실제 전동기의 자속각의 오차인 Δθ를 줄임에 의하여 수행되는 것임을 특징으로 하는 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법.The induction motor according to claim 1, wherein the step of changing the control angle in the direction of reducing the torque ripple is performed by reducing Δθ, which is an error between the control angle obtained from the torque ripple and the magnetic flux angle of the actual motor. Magnetic flux reference vector control method. 제1항에 있어서, 토오크 리플을 구하는 상기 단계는, 유도 전동기의 자속을 추정하여 토오크를 구한 후 고역 통과 필터를 거쳐서 토오크 리플을 구함에 의하여 수행되는 것임을 특징으로 하는 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법.The method of controlling a magnetic flux reference vector of an induction motor according to claim 1, wherein the step of obtaining the torque ripple is performed by estimating the magnetic flux of the induction motor to obtain the torque and then obtaining the torque ripple through a high pass filter. . 제3항에 있어서, 유도 전동기의 자속을 추정하는 상기 단계는, 시정수와 유도 전동기의 회전자 시정수와 동일한 1차 지연 필터를 사용하여 수행되는 것임을 특징으로 하는 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법.The method of controlling a magnetic flux reference vector of an induction motor according to claim 3, wherein the step of estimating the magnetic flux of the induction motor is performed using a first delay filter equal to the time constant and the rotor time constant of the induction motor. . 제3항에 있어서, 유도 전동기의 자속을 추정하는 상기 단계는, 저속에서의 자속 추정의 특성을 개선하기 위하여 자속 지령치를 저역통과 필터를 거치게 하여 측정치와 더하는 방법을 사용하는 것임을 특징으로 하는 유도 전동기의 자속 기준 벡터 제어 방법.The induction motor according to claim 3, wherein the step of estimating the magnetic flux of the induction motor uses a method of adding a magnetic flux command value through a low pass filter and adding the measured value to improve the characteristics of the magnetic flux estimation at a low speed. Control method of magnetic flux reference vector.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100459470B1 (en) * 1998-02-14 2005-05-03 엘지산전 주식회사 Speed Sensorless Vector Controller Using High Frequency Injection in Induction Motors

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