KR20020007050A - Method and System for Sensorless Field Orientation Control of AC Motor - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method and system for controlling a field orientation of an AC motor is provided to control a sensorless AC motor by using a high frequency signal, and ensure a superior control function regardless of a load condition. CONSTITUTION: A controlling system of a sensorless AC motor includes a position controller(10), a speed controller(20), a compensator(30), a current controller, a field orientation controller, and a position and speed interpolator(140). The current controller includes a PI controller(40), a low pass filter(50), an axis transformer(60), an inverter(70), and an axis transformer(80). The field orientation controller includes an axis transformer(90), a band pass filter(100), a pre-processor(110), a correction controller(120) and an integrator(130).

Description

교류 전동기의 자속 기준 제어 방법 및 시스템{Method and System for Sensorless Field Orientation Control of AC Motor}Magnetic flux reference control method and system for AC motors {Method and System for Sensorless Field Orientation Control of AC Motor}

이 발명은 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 특히 고주파 영역에서 교류 전동기의 돌극성을 이용하여 교류 전동기를 제어하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법 및 제어 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a magnetic flux reference control method and system for an AC motor, and more particularly, to a magnetic flux reference control method and control system for an AC motor that controls an AC motor using the polarity of the AC motor in a high frequency region.

교류 전동기는 직류 전동기에 비해 브러쉬와 정류자편의 기계적 마모로 인한 유지 및 보수의 문제가 없는 장점으로 인해 최근 고성능 제어가 요구되는 산업계의 다양한 분야에서 이용이 증가하고 있다.AC motors have been recently used in various fields of the industry that require high performance control due to the advantages of maintenance and repair due to the mechanical wear of the brush and commutator pieces compared to the DC motor.

이러한 교류 전동기는 자속의 위치를 알아야 회전자의 위치와 속도를 제어할 수 있는데, 이 회전자의 위치와 속도를 제어하기 위하여 종래에 회전식 엔코더와 같은 회전자 위치 및 속도 검출 센서를 사용하였다.The AC motor can control the position and speed of the rotor only by knowing the position of the magnetic flux. In order to control the position and the speed of the rotor, a rotor position and speed detection sensor such as a rotary encoder has been conventionally used.

그러나, 이러한 회전자 위치 및 속도 검출 센서를 사용하는 방법은 회전자 위치 및 속도 검출 센서를 설치하기 위한 비용으로 인해 교류 전동기 시스템의 가격이 상승하고, 또한 검출 센서로부터 출력되는 신호를 제어에 이용되는 신호로 변환하여 사용하는데 이로 인해 제어 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다. 또한, 이러한 검출 센서에서 출력되는 신호는 전자적 잡음(Electromagnetic Noise)에 취약한데, 고주파가 가해지는 교류 전동기 환경하에서 검출기 검출신호가 잘못된 정보를 제공함으로 인해 교류 전동기 시스템의 제어가 힘든 문제점이 있었다.However, the method of using such a rotor position and speed detection sensor increases the price of the AC motor system due to the cost for installing the rotor position and speed detection sensor, and is also used to control the signal output from the detection sensor. There is a problem in that the control system is complicated because of the conversion to a signal. In addition, the signal output from the detection sensor is vulnerable to the electromagnetic noise (Electromagnetic Noise), there is a problem that the control of the AC motor system is difficult because the detector detection signal provides wrong information in the AC motor environment to which high frequency is applied.

이러한 회전자 위치 및 속도 검출 센서를 이용하는 방법이 위와 같은 문제점들이 있기 때문에, 근래 위치 및 속도 검출 센서 등이 없이 자속의 위치를 찾아내는 센서리스 제어 방식이 연구되어 왔다.Since the method using the rotor position and the speed detection sensor has the above problems, a sensorless control method for finding the position of the magnetic flux without the position and the speed detection sensor has been studied in recent years.

이러한 센서리스 제어 방식은 크게 두 종류로 분류할 수 있는데, 역기전력을 이용하는 방법과 자기적 돌극성을 이용하는 방법이 있다. 역기전력을 이용하는 중속 또는 고속에서 좋은 결과를 나타내지만, 역기전력의 크기가 회전자의 속도에 비례하기 때문에 상대적으로 전압 외란이 큰 저속 영역에서는 그 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다. 그리고, 종래의 돌극성을 이용하는 방법은 샘플링 주기 중에 전압신호를 입력하는 방법, 회전하는 고주파 신호를 이용하는 방법 등이 사용되었는데, 이러한 방법 역시 여전히 회전자 위치 및 속도 제어에 어려움이 있다.Such sensorless control methods can be broadly classified into two types, namely, a method using back electromotive force and a method using magnetic salience. Although good results are obtained at medium speed or high speed using the counter electromotive force, there is a problem in that reliability is low in a low speed region where voltage disturbance is large because the magnitude of the counter electromotive force is proportional to the speed of the rotor. In addition, the conventional method of using the polarity has been used a method of inputting a voltage signal during the sampling period, a method using a rotating high frequency signal, such a method still has difficulty in controlling the rotor position and speed.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고주파 신호를 이용하여 센서 없는 교류 전동기를 제어하는 교류 전동기 제어 방법 및 제어 시스템을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, it is an object of the present invention to provide an AC motor control method and control system for controlling a sensor-less AC motor using a high frequency signal.

본 발명의 다른 목적은 제어축의 전류를 제어하여 교류 전동기를 제어하여 부하 조건에 관계없이 우수한 제어성능을 갖는 교류 전동기 제어 방법 및 제어 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an AC motor control method and control system having excellent control performance regardless of load conditions by controlling the AC motor by controlling the current of the control shaft.

도1은 교류 전동기의 d축 전류와 q축 전류에 따른 단위전류 당 토크 크기 변화를 도시한 것이다.Figure 1 shows the change in torque magnitude per unit current according to the d-axis current and q-axis current of the AC motor.

도2는 단위전류 당 최대 토크를 나타내는 q축 전류에 따른 d축 전류의 크기의 변화를 도시한 것이다.Figure 2 shows the change in the magnitude of the d-axis current according to the q-axis current representing the maximum torque per unit current.

도3은 위의 수학식4에 따른 매입형 영구 자석 전동기(IPMM)의 무부하 조건에서 회전자의 위치에 따른 단자 임피던스를 도시한 것이다.Figure 3 shows the terminal impedance according to the position of the rotor in the no-load condition of the embedded permanent magnet motor (IPMM) according to the above equation (4).

도4는 d축 전류와 q축 전류에 따른 고주파 임피던스의 평균치(Zha)의 변화를 도시한 것이다.4 shows the change of the average value Zha of the high frequency impedance according to the d-axis current and the q-axis current.

도5는 d축 전류와 q축 전류에 따른 고주파 임피던스의 피크치(Zhp)의 변화를 도시한 것이다.5 shows the change of the peak value Zhp of the high frequency impedance according to the d-axis current and the q-axis current.

도6은 부하토크에 따른 최소 고주파 임피던스시의 각()의 변화를 도시한 것이다.6 shows the angle at the minimum high frequency impedance according to the load torque ( ) Shows the change.

도7은 동기 좌표계에서의 추정 자속축과 측정축을 도시한 것이다.7 shows the estimated flux axis and measurement axis in the synchronous coordinate system.

도8은 본 발명의 실시예의 센서리스 교류 전동기 제어 시스템을 도시한 것이다.Figure 8 illustrates a sensorless AC motor control system in an embodiment of the present invention.

도9은 일정 전압 주입시의 d축 전류 전처리기를 도시한 것이다.Fig. 9 shows the d-axis current preprocessor at constant voltage injection.

도10은 일정 전압 주입시의 q축 전류 전처리기를 도시한 것이다.Fig. 10 shows the q-axis current preprocessor at constant voltage injection.

본 발명의 교류 전동기의 센서리스 제어 방법은 동기 좌표계에서 추정 제어축을 설정하고, 상기 추정 자속축에 맥동하는 고주파 신호를 인가하고, 인가된 고주파 신호에 의한 나타나는 동기 좌표계의 신호 측정축에서의 임피던스와 동기 좌표계의 신호 측정축에 직교하는 축에서의 임피던스 차이를 이용하여 제어축을 구하고, 상기 제어축을 기초로 회전자의 위치와 속도를 구한다.The sensorless control method of the AC motor of the present invention sets an estimated control axis in a synchronous coordinate system, applies a pulsating high frequency signal to the estimated magnetic flux axis, and applies an impedance in a signal measuring axis of the synchronous coordinate system indicated by the applied high frequency signal. The control axis is obtained using the impedance difference in the axis orthogonal to the signal measurement axis of the synchronous coordinate system, and the position and speed of the rotor are obtained based on the control axis.

상기 제어축을 구하는 것은 실제 자속축과 추정 자속축 사이의 오차에 따라서 나타나는 임피던스 크기의 돌극성을 이용하는 것이 바람직하며,It is preferable to use the polarity of the magnitude of the impedance that is obtained according to the error between the actual magnetic flux axis and the estimated magnetic flux axis to obtain the control axis.

상기 자속축을 구하는 것은 상기 추정 측정축 위에서 맥동하는 신호의 성분을 서로 직교하는 두 측정축의 성분들로 분리하고, 두 측정축 위의 성분들의 측정값으로부터 상기 두 측정축에서의 모터 임피던스를 계산하는 것이 바람직하다.Obtaining the magnetic flux axis separates the components of the pulsating signal on the estimated measurement axis into components of two measurement axes orthogonal to each other, and calculates the motor impedance in the two measurement axes from the measured values of the components on the two measurement axes. desirable.

상기 계산된 두 측정축에서의 모터 임피던스의 차이를 이용하여 자속축을 결정할 수 있다.The magnetic flux axis may be determined using the difference between the motor impedances of the two measurement axes.

상기 두 측정축위의 성분들은 상기 추정 자속축으로부터 π/4만큼 위상이 앞서는 제1측정축과 상기 추정 자속축으로부터 π/4만큼 위상이 뒤지는 제2측정축으로 구성되는 것이 바람직하다.Preferably, the components on the two measurement axes comprise a first measurement axis that is out of phase by π / 4 from the estimated magnetic flux axis and a second measurement axis that is out of phase by π / 4 from the estimated magnetic flux axis.

상기 두 축정축의 성분들이 상기한 제1측정축과 제2측정축으로 구성되는 경우, 계산된 두 측정축에서의 모터 임피던스의 차이가 최소가 되도록 하는 추정 자속축의 위치를 자속축으로 결정하는 것이 바람직하다.When the components of the two axis axes are composed of the first and second measurement axes described above, it is preferable to determine the position of the estimated magnetic flux axis to minimize the difference between the motor impedances of the two measured axes. Do.

동기 좌표계의 추정 자속축에 주입되는 상기 맥동하는 고주파 신호는 전압 입력 신호이고, 이 경우 상기 두 측정축의 측정값은 전류인 것이 바람직하다.The pulsating high frequency signal injected into the estimated magnetic flux axis of the synchronous coordinate system is a voltage input signal, and in this case, the measured values of the two measuring axes are preferably current.

본 발명의 교류 전동기의 자속 기준 제어 시스템은 상기 교류 전동기에 일정한 고주파 전압이 입력되도록 제어하는 전류 제어부, 상기 교류 전동기의 출력 전류를 입력받고, 입력된 교류 전동기의 출력 전류를 추정 자속축과 추정 자속축에 수직인 축 성분으로 분리하고, 추정 자속축 전류 성분과 추정 자속축에 수직인 축 전류 성분의 오차를 이용해 실제 자속축의 위치와 속도를 구하는 자속 기준 제어부를 포함한다.The magnetic flux reference control system of the AC motor of the present invention receives a current controller for controlling a constant high frequency voltage to be input to the AC motor, and receives the output current of the AC motor, and estimates the output current of the input AC motor by the estimated magnetic flux axis and the estimated magnetic flux. And a magnetic flux reference control unit that separates an axis component perpendicular to an axis and obtains a position and a velocity of an actual magnetic axis by using an error between the estimated magnetic flux axis current component and the axis current component perpendicular to the estimated magnetic flux axis.

상기 자속 기준부에서 구한 실제 자속축의 위치와 속도를 입력받아 교류 전동기의 회전자의 위치와 속도를 제어하는 위치 속도 제어기를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a position speed controller configured to control the position and the speed of the rotor of the AC motor by receiving the position and the speed of the actual magnetic flux shaft obtained from the magnetic flux reference unit.

상기 자속 기준 제어부는 상기 교류 전동기의 출력전류를 입력받아 정지 좌표계에서 동기 좌표계로 변환하고, 상기 출력 전류를 추정 자속축에π/4만큼 위상이 뒤진 축과 추정 자속축에π/4만큼 위상이 앞선 축 성분으로 분리하는 축 변환기, 상기 축 변환기의 출력 전류 성분의 특정 주파수 대역 성분을 필터링하는 밴드 패스 필터, 상기 밴드 패스 필터의 출력값을 입력받아 회전자의 속도를 구하는 수정 제어기, 상기 수정 제어기의 실제 회전자 속도를 입력받아 회전자의 위치를 구하는 적분기를 포함한다.The field-oriented control member is converted into an output synchronization coordinate system in the still coordinate system receives the current and the phase by π / 4 behind the output estimate the current flux shaft axis and the estimated phase to the magnetic flux axis π / 4 as long as the alternating current motor A shaft converter separating the preceding shaft component, a band pass filter for filtering a specific frequency band component of the output current component of the shaft converter, a correction controller for obtaining the speed of the rotor by receiving the output value of the band pass filter, It includes an integrator that receives the actual rotor speed and finds the position of the rotor.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 실시예는 교류 전동기의 자속축(d축)과 자속축에 수직인 축(q축)의 임피던스의 차이를 이용하여 전동기를 제어하는데, 이하에서 자속축과 자속축에 수직인 축의 임피던스 차이에 대해 설명한다.In this embodiment, the motor is controlled using the difference between the impedance of the magnetic flux axis (d axis) of the AC motor and the axis (q axis) perpendicular to the magnetic flux axis. Hereinafter, the impedance difference between the magnetic flux axis and the axis perpendicular to the magnetic flux axis will be described. Explain.

먼저, 교류 전동기가 고효율을 내도록 제어하는 원리에 대해 설명한다.First, the principle of controlling an AC motor to produce high efficiency is demonstrated.

교류 전동기의 토크는 아래의 수학식 1과 같다.The torque of the AC motor is shown in Equation 1 below.

Ld: d축 인덕턴스 성분, Lq : q축 인덕턴스 성분, id: d축 전류, iq: q축 전류, P: Pole 수Ld: d-axis inductance component, Lq: q-axis inductance component, id: d-axis current, iq: q-axis current, P: number of poles

이상적인 경우는 수학식 1과 같이 교류 전동기의 토크가 출력된다.In an ideal case, the torque of the AC motor is output as in Equation (1).

도1은 교류 전동기의 d축 전류와 q축 전류에 따른 단위전류 당 토크 크기 변화를 도시한 것이다.Figure 1 shows the change in torque magnitude per unit current according to the d-axis current and q-axis current of the AC motor.

도1에 도시된 바와 같이, 실제 교류 전동기의 단위전류 당 토크는 나타난다.As shown in Fig. 1, the torque per unit current of the actual AC motor is shown.

도2는 단위전류 당 최대 토크를 나타내는 q축 전류에 따른 d축 전류의 크기의 변화를 도시한 것이다.Figure 2 shows the change in the magnitude of the d-axis current according to the q-axis current representing the maximum torque per unit current.

도2는 도1의 최대 토크를 발생시키는 곡면의 Id축과 Iq축 방향의 정사영 그래프이다.FIG. 2 is an orthogonal graph in the direction of the Id axis and the Iq axis of the curved surface generating the maximum torque of FIG.

교류 전동기의 효율을 높이기 위해서는 단위 전류당 최대 토크를 발생시켜야 한다. 따라서, 도2에 도시된 그래프에 따라 d축 전류를 제어하면 교류 전동기의 효율이 높게 제어할 수 있다.To increase the efficiency of AC motors, the maximum torque per unit current must be generated. Therefore, by controlling the d-axis current according to the graph shown in FIG. 2, the efficiency of the AC motor can be controlled to be high.

이하에서 교류 전동기의 돌극성을 교류 전동기의 전압식을 이용해 설명한다.Hereinafter, the polarity of the AC motor will be described using the voltage expression of the AC motor.

수학식2는 교류 전동기의 정지자 단자 전압을 나타낸 식이다.Equation 2 is a formula showing the voltage of the terminal terminal of the AC motor.

vd=d축 단자 전압, vq=q축 단자 전압, Ld=d축 인덕턴스, Lq=q축 인덕턴스, p=시정수(time constant), id=d축 전류, iq=q축 전류,Ke=비례상수,회전자 각속도vd = d-axis terminal voltage, vq = q-axis terminal voltage, Ld = d-axis inductance, Lq = q-axis inductance, p = time constant, id = d-axis current, iq = q-axis current, Ke = proportional a constant, Rotor angular velocity

여기서, 영 또는 낮은 주파수 동작 영역에서 속도에 따른 전압 성분은 매우 작기 때문에 무시할 수 있고(즉,), 이 경우 고주파 중첩 신호가 인가된다면 고주파 영역에서의 임피던스는 아래의 수학식 3과 같이 된다.Here, the voltage component with speed in the zero or low frequency operating region is very small and therefore can be ignored (i.e., In this case, if a high frequency superposition signal is applied, the impedance in the high frequency region is expressed by Equation 3 below.

Zdh=동기 좌표계 d축 임피던스, Zqh=동기 좌표계 q축 임피던스Zdh = synchronous coordinate system d-axis impedance, Zqh = synchronous coordinate system q-axis impedance

동기 릴럭턴스 전동기(SYnchronous Reluctance Machine, SYRM), 매입형 영구자석 전동기(Interior Permanent Magnet Machine, IPMM)과 같은 형상에 의해 돌극성을 가지는 교류전동기나 IM, SMPMM과 같은 생성된 자속에 의해 돌극성이 나타나는 교류전동기는 d축에서의 고주파 임피던스와 q축에서의 고주파 임피던스는 수학식 3과 같이 서로 다른 값을 가진다.The polarity is generated by alternating currents such as synchronous reluctance machines (SYRMs) and embedded permanent magnet machines (IPMMs), or magnetic fluxes such as IM and SMPMMs. The appearing AC motor has a high frequency impedance in the d-axis and a high frequency impedance in the q-axis as shown in Equation 3 below.

정지 좌표계에서의 임의의 각에 대한 전동기 고정자의 고주파 임피던스는 동기 좌표계 d축 임피던스와 동기 좌표계 q축 임피던스의 차에 해당하는데, 수학식 3으로부터 유도될 수 있으며 수학식 4와 같다.The high-frequency impedance of the motor stator for any angle in the stationary coordinate system corresponds to the difference between the synchronous coordinate system d-axis impedance and the synchronous coordinate system q-axis impedance, which can be derived from Equation 3 and is given by Equation 4.

Zha=고주파 임피던스의 평균값, Zhp=고주파 임피던스의 피크치,최소 고주파 임피던스시의 각,회전자 위치Zha = average value of high frequency impedance, Zhp = peak value of high frequency impedance, Angle at minimum high frequency impedance, Rotor position

도3은 위의 수학식4에 따른 매입형 영구 자석 전동기(IPMM)의 무부하 조건에서 회전자의 위치에 따른 단자 임피던스를 도시한 것이다.Figure 3 shows the terminal impedance according to the position of the rotor in the no-load condition of the embedded permanent magnet motor (IPMM) according to the above equation (4).

도3에 도시된 바와 같이, 주파수가 증가함에 따라 수학식 4의 임피던스의 차는 증가한다.As shown in Fig. 3, as the frequency increases, the difference in impedance in Equation 4 increases.

도4는 d축 전류와 q축 전류에 따른 고주파 임피던스의 평균치(Zha)의 변화를 도시한 것이다.4 shows the change of the average value Zha of the high frequency impedance according to the d-axis current and the q-axis current.

도5는 d축 전류와 q축 전류에 따른 고주파 임피던스의 피크치(Zhp)의 변화를 도시한 것이다.5 shows the change of the peak value Zhp of the high frequency impedance according to the d-axis current and the q-axis current.

도6은 부하토크에 따른 최소 고주파 임피던스시의 각()의 변화를 도시한 것이다.6 shows the angle at the minimum high frequency impedance according to the load torque ( ) Shows the change.

도4에 도시된 바와 같이, 고주파 임피던스의 평균치는 고정자 전류가 증가함에 따라 낮아지고, 도5에 도시된 바와 같이 고주파 임피던스의 피크치는 부하전류가 증가함에 따라 감소하는데, 이는 자기 포화 때문이다. 도6에 도시된 바와 같이최소 고주파 임피던스시의 각()은 정지자 전류의 변화에 따라 약간 이동하는데, 이는 자기 포화로 인한 것이다.As shown in Fig. 4, the average value of the high frequency impedance decreases as the stator current increases, and as shown in Fig. 5, the peak value of the high frequency impedance decreases as the load current increases, because of the magnetic saturation. As shown in Fig. 6, the angle at the minimum ) Moves slightly with the change in the stator current, due to magnetic saturation.

이하에서, 이러한 돌극성을 이용하여 전동기 위치 및 속도를 제어하기 위한 자속축의 위치를 찾는 본 발명의 원리에 대해 설명한다.Hereinafter, the principle of the present invention to find the position of the magnetic flux axis for controlling the motor position and speed using this salient polarity will be described.

고주파 영역에서 회전 자속축의 임피던스가 회전 자속축에 수직축에서의 임피던스보다 크고, 임피던스가 고주파 신호를 주입하는 위치에 따른 돌극성을 가지므로,θ가 0일 때, 즉 회전 자속축에 고주파 신호를 인가하는 경우 회전 자속축에서의 임피던스가 최대가 된다는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 고주파 신호를 주입하는 축에서 측정되는 임피던스의 크기가 최대가 되도록 고주파 신호를 주입하는 축의 위치가 바로 회전 자속축이 된다. 따라서, 임의의 위치θ를 추정 자속축으로 설정하고 그 추정 자속축에 고주파 신호를 주입하고, 추정 자속축에서의 임피던스를 측정하고, 추정 자속축을 변화시켜가며 추정 자속축에서의 임피던스의 크기가 최대로 되도록하는 추정 자속축의 위치를 찾아서 그 위치를 자속의 위치로 결정한다.In the rotation of the impedance rotating magnetic flux axis in the high frequency range magnetic flux axis is greater than the impedance of the vertical axis, since the impedance of the salient-pole according to the position of injecting a high frequency signal, when θ is 0, that is, rotating magnetic flux axis is a high-frequency signal In this case, it can be seen that the impedance in the rotating magnetic flux shaft is maximum. In other words, the position of the axis for injecting the high frequency signal becomes the rotating magnetic flux axis so that the magnitude of the impedance measured at the axis for injecting the high frequency signal is maximized. Therefore, the arbitrary position θ is set as the estimated magnetic flux axis, the high frequency signal is injected into the estimated magnetic flux axis, the impedance at the estimated magnetic flux axis is measured, the estimated magnetic flux axis is changed, and the magnitude of the impedance at the estimated magnetic flux axis is maximum. Find the position of the estimated magnetic flux axis, and determine the position as the position of the magnetic flux.

추정 자속축에서의 임피던스의 크기가 최대일 때, 추정 자속축으로부터π/4만큼 떨어져 있는 두 성분들의 크기는 동일한 것이므로, 본 실시예는 추정 자속축의 위치를 찾는 알고리즘을 간단히 하기 위해 추정 자속축을 설정한 후 추정 자속축의 성분을 추정 자속축으로부터π/4만큼 떨어져 있는 두 측정축 성분들로 분리하고, 두 측정축 성분의 임피던스가 동일 추정 자속축의 위치를 찾는다. 즉, 상기 두 측정축 성분의 임피던스가 동일하면 추정 자속축의 임피던스가 최대인 것이고,추정 자속축의 임피던스가 최대이면 실제 자속축을 제대로 찾은 것이다.When the magnitude of the impedance in the estimated magnetic flux axis is maximum, since the two components spaced π / 4 from the estimated magnetic flux axis are the same, the present embodiment sets the estimated magnetic flux axis to simplify the algorithm for finding the position of the estimated magnetic flux axis. Then, the component of the estimated magnetic flux axis is separated into two measuring axis components separated by π / 4 from the estimated magnetic flux axis, and the positions of the estimated magnetic flux axes having the same impedance of the two measuring axis components are found. That is, if the impedances of the two measurement axis components are the same, the impedance of the estimated magnetic flux axis is maximum, and if the impedance of the estimated magnetic flux axis is maximum, the actual magnetic flux axis is correctly found.

도7은 동기 좌표계에서의 추정 자속축과 측정축을 도시한 것이다.7 shows the estimated flux axis and measurement axis in the synchronous coordinate system.

도7에 도시된 바와 같이, 추정 자속축에 주입된 맥동하는 고주파 신호를 추정 자속축으로부터 각각π/4만큼 떨어져 있고, 서로 직교하는 두 측정축,의 성분들로 분리한다. 측정을 위한축은 추정 자속축보다π/4만큼 위상이 앞서고축은 추정 자속축보다π/4 만큼 위상이 뒤진다.As shown in FIG. 7, two pulsating high frequency signals injected into the estimated magnetic flux axes are spaced by π / 4 from the estimated magnetic flux axes, and are orthogonal to each other, Separate into components. For measurement The axis is out of phase by the estimated flux axis by π / 4 The axis is out of phase by π / 4 than the estimated flux axis.

만약, 회전자의 실제 자속축과 추정 자속축이 일치한다면,축 위에서 측정된 신호와축 위에서 측정된 신호가 동일하지만, 회전자의 실제 자속축과 추정 자속축이 일치하지 않는다면, 두 측정축에서 측정된 신호들이 서로 다르다.If the actual flux axis of the rotor and the estimated flux axis coincide, Signal measured on the axis, If the signals measured on the axes are the same, but the actual flux axis of the rotor and the estimated flux axis do not coincide, the signals measured on the two measuring axes are different.

이상과 같은 실제 자속축을 찾는 원리를 이용하여 교류 전동기를 제어하는 시스템에 대해 이하에서 설명한다.A system for controlling an AC motor by using the principle of finding an actual magnetic flux axis as described above will be described below.

도8은 본 발명의 실시예의 센서리스 교류 전동기 제어 시스템을 도시한 것이다.Figure 8 illustrates a sensorless AC motor control system in an embodiment of the present invention.

도8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 센서리스 교류 전동기 제어 시스템은 위치 제어기(10), 속도 제어기(20), 보상기(30), 전류 제어부(CC, current controller), 자속 기준 제어부(field orientation controller, FOC), 위치 및 속도 보간기(140)를 포함한다.As shown in FIG. 8, the sensorless AC motor control system of the embodiment of the present invention includes a position controller 10, a speed controller 20, a compensator 30, a current controller (CC), a magnetic flux reference controller ( field orientation controller (FOC), position and velocity interpolators 140.

전류 제어부는 PI 제어기(40), 로우 패스 필터(LPF, 50), 축변환기(60), 인버터(70), 축변환기(80)를 포함하며, 자속 기준 제어부(FOC)는 축변환기(90), 밴드패스 필터(100), 전처리기(110), 수정 제어기(120), 적분기(130)를 포함한다.The current controller includes a PI controller 40, a low pass filter (LPF, 50), an axis converter 60, an inverter 70, and an axis converter 80, and the flux reference controller FOC is an axis converter 90. , Bandpass filter 100, preprocessor 110, crystal controller 120, integrator 130.

이하에서, 본 발명의 실시예의 센서리스 교류 전동기 제어 방법을 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a sensorless AC motor control method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

먼저, 연산자(A1)는 회전자 위치 지령값()을 추정 회전자 위치값()을 빼고, 그 차를 위치 제어기(10)에 입력한다. 위치 제어기(10)는 회전자의 속도 지령값()을 구한다. 그리고, 연산자(A2)는 속도 지령값()에 추정 회전자 속도()를 빼고, 그 차를 속도 제어기(20)에 입력한다. 속도 제어기(20)는 q축 전류의 기준값()을 계산해서 출력한다. 멀티플렉서(MUX)는 보상기(30)가 지정한 d축 전류의 기준값()와 q축 전류의 기준값()을 멀티플렉싱하고, 그 결과값인 d축 q축 합성 전류 기준값()을 출력한다.First, the operator (A1) is the rotor position command value ( ) Is estimated rotor position value ( ), And input the difference to the position controller 10. The position controller 10 is a speed command value of the rotor ( ) And the operator A2 is the speed command value ( Estimated rotor speed () ), And input the difference to the speed controller 20. The speed controller 20 has a reference value of q-axis current ( Calculate) and print it. The multiplexer (MUX) is a reference value of the d-axis current designated by the compensator 30 ( ) And the reference value of q-axis current ( ), And the resulting d-axis q-axis composite current reference value ( )

전류 제어부(CC)는 교류 전동기의 고정자에 원하는 일정치의 전류값이 입력되도록 제어하는데, 이하에서 상세히 설명한다.The current control unit CC controls the input of a desired current value to the stator of the AC motor, which will be described in detail below.

연산자(A3)는 d축 q축 합성 전류 기준값()과 교류 전동기의 궤환 d축 q축 합성 전류값()의 차를 구하고, 그 차를 PI 제어기(40)에 입력한다. PI 제어기(40)는 입력값을 기초로 d축 q축 기준 전압 입력값()를 출력한다. 연산기(A4)는 d축 q축 기준 전압 입력값()과 d축에 입력되는 고주파 전압값()을 더하고, 이를 축변환기(60)에 입력한다. 축변환기(60)는 입력값을 동기 좌표계에서 정지 좌표계로 축변환하여 출력한다. 인버터(70)는 축변환된 교류 전동기 입력 전압값을 적절히 변환하여 교류 전동기 고정자에 입력한다.Operator (A3) is the d-axis q-axis composite current reference value ( ) And feedback d-axis q-axis composite current value of AC motor ( Is obtained, and the difference is input to the PI controller 40. PI controller 40 is based on the input value of the d-axis q-axis reference voltage input value ( ) The calculator A4 uses the d-axis q-axis reference voltage input value ( ) And the high frequency voltage value input to the d-axis ( ) And input it to the axis converter 60. The axis converter 60 converts the input value from the synchronous coordinate system to the stationary coordinate system and outputs it. The inverter 70 appropriately converts the AC motor input voltage value which has been converted, and inputs it to the AC motor stator.

교류 전동기의 출력 전류()를 센싱하고, 이를 축변환기(80)는 정지 좌표계에서 동기 좌표계로 변환한다. 동기 좌표계로 변환된 전류는 로우패스 필터 (LPF, 50)를 통과하여 리플(ripple) 성분을 제거한 교류 전동기의 궤환 d축 q축 합성 전류값()을 위에서 설명한 바와 같이 연산기(A3)에 입력하여 일정한 전류가 교류 전동기에 입력될 수 있도록 제어한다.Output current of AC motor ( ), And the axis translator 80 converts the static coordinate system into a synchronous coordinate system. The current converted to the synchronous coordinate system is passed through the low pass filter (LPF, 50) to remove the ripple component. ) Is input to the calculator A3 to control the constant current to be input to the AC motor.

한편, 교류 전동기의 출력 전류()를 센싱하여 자속 기준 제어부(FOC)가 회전자의 위치와 회전자의 속도값을 구한다.On the other hand, the output current of the AC motor ( ), The flux reference control unit (FOC) obtains the rotor position and the rotor speed value.

이하에서 자속 기준 제어부의 동작에 대해 설명한다.Hereinafter, the operation of the magnetic flux reference controller will be described.

축변환기(90)는 교류 전동기의 출력 전류()를 입력받아 정지 좌표계를 동기 좌표계로 변환하고, 교류 전동기의 출력 전류()를동기 좌표계의 측정축보다만큼 위상이 앞선 축의 성분과 뒤진 축의 성분으로 분리하여 나눈다. 축 변환된 전류 성분을 밴드 패스 필터(BPF, 100)를 통해 필터링하여 원하는 특정 고주파 대역의 전류 성분()를 구하고, 전처리기(110)는 그 전류 성분을 이용해 d축 전류 성분의 제곱값()과 q축 전류 성분의 제곱값()을 구한다.Axis converter 90 is the output current of the AC motor ( ), The stop coordinate system is converted into a synchronous coordinate system, and the output current of the AC motor ( ) Than the measuring axis of the synchronous coordinate system. The phase is divided into components of the axis ahead and components of the axis backward. Axial-converted current components are filtered through a band pass filter (BPF) 100 so that the current components in a particular high frequency band desired ( ), And the preprocessor 110 uses the current component to calculate the square value of the d-axis current component ( ) And the square of the q-axis current component ( )

도9은 일정 전압 주입시의 d축 전류 전처리기를 도시한 것이다.Fig. 9 shows the d-axis current preprocessor at constant voltage injection.

도10은 일정 전압 주입시의 q축 전류 전처리기를 도시한 것이다.Fig. 10 shows the q-axis current preprocessor at constant voltage injection.

수정 제어기(120)는 d축 전류 성분 제곱값()과 q축 전류 성분의 제곱값()을 이용해 실제 회전자 자속축의 위치()를 구하는데, 이하에서 수정 제어기의 동작원리에 대해 설명한다.The correction controller 120 calculates the square value of the d-axis current component ( ) And the square of the q-axis current component ( ) Position of the actual rotor flux The operation principle of the correction controller will be described below.

수정 제어기(120)의 입력은 아래의 수학식 5와 같다.The input of the correction controller 120 is shown in Equation 5 below.

여기서, 추정 오차가 작은 범위에 있다면(즉,) 수학식 5는 아래의 수학식 6과 같이 근사화할 수 있다.Here, if the estimation error is in a small range (i.e. Equation 5 can be approximated as Equation 6 below.

임피던스가 최소인 각는 고정자 전류에 의해 이동하는데, 이 각의 보상이 이루어질 때 실제 회전자 자속에 대한 추정 회전자 자속의 주파수 응답 특성은 아래의 수학식 7과 같이 된다.Angle with minimum impedance Is moved by the stator current. When this angle is compensated, the frequency response characteristic of the estimated rotor flux with respect to the actual rotor flux is expressed by Equation 7 below.

이때, 수정 제어기의 식은 아래의 수학식 8과 같다.At this time, the equation of the correction controller is shown in Equation 8 below.

위와 같은 원리에 의해 수정 제어기는 회전자 자속의 속도()를 출력한다.By the same principle as above, the correction controller uses the speed of rotor flux ( )

적분기(130)는 회전자 자속의 속도()를 적분하여 회전자 자속의 위치()를 구한다. 이로써 자속 기준 제어부(FOC)는 모터의 출력 전류를 이용하여 회전자 자속의 속도()와 위치()를 구할 수 있다.Integrator 130 is the speed of the rotor flux ( ) By integrating the position of the rotor flux ( ) Thus, the flux reference control unit (FOC) uses the output current of the motor to determine the speed of the rotor magnetic flux ( ) And location ( ) Can be obtained.

연산기(A5)는의 관계를 이용해 추정 회전자 위치()를 구한다.The calculator A5 Estimated rotor position using )

위치 속도 에스터메이터(Position and Speed Estimater, 140)는 자속 기준 제어부(FOC)에서 구한 회전자 자속의 속도와 위치를 유도 전동기의 경우 슬립 (slip), 잡음 등을 고려한 값을 보상하여 연산자(A1, A2)로 궤환 입력시켜 위치 제어와 속도 제어에 이용한다.The position and speed estimator 140 compensates for the speed and position of the rotor magnetic flux obtained from the flux reference controller (FOC) by taking into account slip and noise in induction motors. It is fed back to A2) and used for position control and speed control.

이상에서 설명한 것은 본 발명의 실시예에 지나지 않으며, 본 발명의 기술적 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경이 가능하다. 특히, 본 실시예에서 고주파 전압을 입력하는 방법에 대해 설명하였으나 고주파 전류를 입력하여 교류전동기를 제어할 수 있다.What has been described above is only an embodiment of the present invention, and various changes can be made without departing from the technical scope of the present invention. In particular, in the present embodiment, a method of inputting a high frequency voltage is described, but the AC motor can be controlled by inputting a high frequency current.

본 발명에 의한 고주파 신호를 이용하여 센서 없는 교류 전동기를 제어하는 교류 전동기 제어 방법 및 시스템에 의하면, 제어축의 전류를 제어하여 교류 전동기를 제어하여 부하 조건에 관계없이 제어 성능을 갖도록 할 수 있다.According to the AC motor control method and system for controlling a sensorless AC motor by using the high frequency signal according to the present invention, it is possible to control the AC motor by controlling the current of the control shaft so as to have control performance regardless of the load condition.

Claims (12)

교류 전동기의 자속 기준 제어 방법에 있어서,In the magnetic flux reference control method of the AC motor, 동기 좌표계에서 추정 자속축을 설정하는 제1단계;A first step of setting the estimated magnetic flux axis in the synchronous coordinate system; 상기 추정 자속축에 맥동하는 고주파 신호를 인가하는 제2단계;Applying a high frequency signal pulsating to the estimated magnetic flux axis; 인가된 고주파 신호에 의한 나타나는 동기 좌표계의 상기 추정 자속축에서의 임피던스와 동기 좌표계의 상기 추정 자속축에 직교하는 축에서의 임피던스 차이를 이용하여 자속축을 구하는 제3단계; 및A third step of obtaining a magnetic flux axis by using an impedance difference in the estimated magnetic flux axis of the synchronous coordinate system indicated by the applied high frequency signal and an impedance difference in an axis orthogonal to the estimated magnetic flux axis of the synchronous coordinate system; And 상기 자속축을 기초로 회전자의 위치와 속도를 구하는 제4단계를 포함하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.And a fourth step of obtaining a position and a speed of the rotor based on the magnetic flux shaft. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 자속축을 구하는 제3단계는, 실제 자속축과 추정 자속축 사이의 오차에 따라서 나타나는 임피던스 크기의 돌극성을 이용하는 것임을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.The third step of obtaining the magnetic flux axis, the magnetic flux reference control method of the AC motor, characterized in that to use the polarity of the impedance magnitude appearing according to the error between the actual magnetic flux axis and the estimated magnetic flux axis. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 자속축을 구하는 제3단계는 상기 추정 자속축위에서 맥동하는 신호의 성분을 서로 직교하는 두 측정축의 성분들로 분리하고, 두 측정축 위의 성분들의 측정값으로부터 상기 두 측정축에서의 모터 임피던스를 계산하는 과정; 및The third step of obtaining the magnetic flux axis separates the components of the signal pulsating on the estimated magnetic flux axis into components of two measurement axes orthogonal to each other, and calculates the motor impedance of the two measurement axes from the measured values of the components on the two measurement axes. Process of calculation; And 상기 계산된 두 측정축에서의 모터 임피던스의 차이를 이용하여 자속축을 결정하는 과정을 포함하는 것임을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.The magnetic flux reference control method of the AC motor, characterized in that it comprises the step of determining the magnetic flux axis by using the difference in the motor impedance in the two measurement axes. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 두 측정축위의 성분들은 상기 추정 자속축으로부터 π/4만큼 위상이 앞서는 제1측정축과 상기 추정 자속축으로부터 π/4만큼 위상이 뒤지는 제2측정축으로 구성되는 것임을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.The components on the two measuring axes are composed of a first measuring axis that is out of phase by π / 4 from the estimated magnetic flux axis and a second measuring axis that is out of phase by π / 4 from the estimated magnetic flux axis. How to control the flux reference. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 두 축정축의 성분들이 상기한 제1측정축과 제2측정축으로 구성되는 경우, 계산된 두 측정축에서의 모터 임피던스의 차이가 최소가 되도록 하는 추정 자속축의 위치를 자속축으로 결정하는 것임을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.When the components of the two axis axes consist of the first and second measurement axes, the position of the estimated magnetic flux axis that minimizes the difference between the motor impedances of the calculated two measurement axes is determined as the magnetic flux axis. Magnetic flux reference control method of AC motor. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 동기 좌표계의 추정 자속축에 주입되는 상기 맥동하는 고주파 신호는 전압 입력 신호이고, 이 경우 상기 두 측정축의 측정값은 전류인 것임을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.The pulsating high frequency signal injected into the estimated magnetic flux axis of the synchronous coordinate system is a voltage input signal, and in this case, the measured values of the two measuring axes are currents. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 동기 좌표계의 추정 자속축에 주입되는 상기 맥동하는 고주파 신호가 전압 입력 신호일 때, 각 측정축의 측정값인 전류,의 제곱과의 제곱의 차이는 각 측정 축에서 측정된 어드미턴스에 비례하므로, 각 측정축의 측정값인 전류값의 제곱의 차이를 최소가 되도록 하는 추정 자속축의 위치를 자속축으로 결정하는 것임을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.When the pulsating high frequency signal injected into the estimated magnetic flux axis of the synchronous coordinate system is a voltage input signal, a current which is a measured value of each measuring axis, Squared with Since the difference in the square of is proportional to the admittance measured in each measurement axis, the position of the estimated magnetic flux axis that minimizes the difference in the square of the current value, which is the measured value of each measurement axis, is determined by the magnetic flux axis. How to control the flux reference. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 동기 좌표계의 추정 자속축에 주입되는 상기 맥동하는 고주파 신호는 전류 입력 신호이고, 이 경우 상기 두 측정축의 측정값은 전압인 것임을 특징으로 하는 것임을 특징으로 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.The pulsating high frequency signal injected into the estimated magnetic flux axis of the synchronous coordinate system is a current input signal, and in this case, the measured values of the two measuring axes are voltages. 제8항에 있어서,The method of claim 8, 동기 좌표계의 추정 자속축에 주입되는 상기 맥동하는 고주파 신호가 전류 입력 신호일 때, 각 측정축의 측정값인 전압,의 제곱과의 제곱의 차이를 최소가 되도록 하는 추정 자속축의 위치를 자속축으로 결정하는 것임을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 방법.When the pulsating high frequency signal injected into the estimated magnetic flux axis of the synchronous coordinate system is a current input signal, a voltage that is a measured value of each measuring axis, Squared with The magnetic flux reference control method of an AC motor, characterized in that for determining the position of the estimated magnetic flux axis to minimize the difference in the square of. 교류 전동기를 제어하는 교류 전동기 제어 시스템에서,In the AC motor control system, which controls the AC motor, 상기 교류 전동기에 일정한 고주파 전압이 입력되도록 제어하는 전류 제어부;A current control unit controlling a high frequency voltage to be input to the AC motor; 상기 교류 전동기의 출력 전류를 입력받고, 입력된 교류 전동기의 출력 전류를 추정 자속축과 추정 자속축에 수직인 축 성분으로 분리하고, 추정 자속축 전류 성분과 추정 자속축에 수직인 축 전류 성분의 오차를 이용해 실제 자속축의 위치와 속도를 구하는 자속 기준 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 시스템.The output current of the AC motor is input, and the output current of the input AC motor is separated into an estimated magnetic flux axis and an axis component perpendicular to the estimated magnetic flux axis, and the estimated flux axis current component and an axis current component perpendicular to the estimated magnetic flux axis The magnetic flux reference control system of an AC motor, characterized in that it comprises a magnetic flux reference control unit for calculating the position and the speed of the actual magnetic flux axis using the error. 제10항에서,In claim 10, 상기 자속 기준 제어부에서 구한 실제 자속축의 위치와 속도를 입력받아 교류 전동기의 회전자의 위치와 속도를 제어하는 위치 속도 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 시스템.And a position speed controller configured to control the position and the speed of the rotor of the AC motor by receiving the position and the speed of the actual magnetic flux shaft obtained from the magnetic flux reference controller. 제10항에서,In claim 10, 상기 자속 기준 제어부는,The magnetic flux reference control unit, 상기 교류 전동기의 출력전류를 입력받아 정지 좌표계에서 동기 좌표계로 변환하고, 상기 출력 전류를 추정 자속축에π/4만큼 위상이 뒤진 축과 추정 자속축에π/4만큼 위상이 앞선 축 성분으로 분리하는 축 변환기,The output current of the AC motor is received and converted from the stationary coordinate system to the synchronous coordinate system, and the output current is separated into an axis whose phase is π / 4 behind the estimated magnetic flux axis and an axis component whose phase is π / 4 ahead of the estimated magnetic flux axis. Axial converter, 상기 축 변환기의 출력 전류 성분의 특정 주파수 대역 성분을 필터링하는 밴드 패스 필터;A band pass filter for filtering a specific frequency band component of the output current component of the axial converter; 상기 밴드 패스 필터의 출력값을 입력받아 회전자의 속도를 구하는 수정 제어기;A correction controller configured to obtain a speed of the rotor by receiving the output value of the band pass filter; 상기 수정 제어기의 실제 회전자 속도를 입력받아 회전자의 위치를 구하는 적분기를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 자속 기준 제어 시스템.And an integrator for inputting the actual rotor speed of the correction controller to obtain the position of the rotor.
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