KR20030022607A

KR20030022607A - 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측기의 오프셋 제거방법

Info

Publication number: KR20030022607A
Application number: KR1020010055945A
Authority: KR
Inventors: 이경훈; 원준희
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-03-17
Also published as: KR100425729B1

Abstract

본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측기의 오프셋 제거방법에 관한 것으로, 상태 추정 방정식을 적용하여 자속을 추정하고 전류와 그 추정 자속으로부터 직접 보정값을 구할 수 있도록 한 동기 릴럭턴스 모터의 자속 추정기의 오프셋 제거방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 센서리스 제어시 자속 관측부를 사용하여 자속을 추정할 경우, 정지 좌표계의 유기 전압 성분과 자속 및 전류 성분을 파라미터로하여 그 유기 전압에 포함된 고조파 및 직류 오프셋를 구하여 그 고조파 및 직류 오프셋을 보상하여 상기 자속을 추정 및 관측 하도록 이루어 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 속도 센서리스 제어시 전압과 전류에 포함된 고조파 및 직류 오프셋을 보상하여 토크에 리플 발생과 위치 오차에 발진발생으로 인한 정상 상태 불안정등을 효과적으로 극복할 수 있다. 따라서, 상태 방정식을 적용한 유기전압의 고조파 및 직류 오프셋값 선정방식은 정밀한 제어구성이 가능하고, 하드웨어의 변경이나 소자의 특성변경에도 강인한 제어성능을 발휘할 수 있도록 한 효과가 있다.

Description

동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측기의 오프셋 제거방법{METHOD FOR ELIMINATION OF OFFSET IN FLUX OBSERVER USED SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR}

본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측기의 오프셋 제거방법에 관한 것으로, 특히 상태 추정 방정식을 적용하여 자속을 추정하고 전류와 그 추정 자속으로부터 직접 보정값을 구할 수 있도록 한 동기 릴럭턴스 모터의 자속 추정기의 오프셋 제거방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 구조를 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 회전자(rotor)와 고정자(stator)로 나뉘며, 자속의 세기에 따라 디축(d-axis)과 큐축(q-axis)으로 나뉘어 진다. 여기서, 상기 디축은 자속의 세기가 크고, 큐축은 자속의 세기가 약한 축을 나타낸다.

일반적으로, 자속 관측부는 동기 릴럭턴스 모터의 센서리스 제어를 위해 사용되어 전압과 전류를 통해 관측한 자속값을 출력하여 실제 상기 동기 릴럭턴스 모터의 회전속도를 정밀하게 제어하기 위한 것으로, 이와 같은 종래 기술을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 종래 동기 릴럭턴스 모터의 자속 추정방법이 적용되는 장치의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 정지 좌표계의 전압과 상저항을 비교하여 그에 따른 오차를 유기전압으로 출력하는 제1 비교부(21)와; 상기 유기전압()의 오프셋 교정값과 상기 유기전압()을 가산하여 게인과 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제2 비교부(22)와; 상기 제2 비교부(22)의 출력을 적분하여 고정 좌표계의 관측된 자속을 출력하는 적분기(23)와; 상기 적분기(23)의 출력 자속을 동기좌표계의 자속으로 변환시키는 제1 정지/동기 좌표 변환부(24)와; 정지 좌표계의 전류를 동기 좌표계의 전류로 변환하는 제2 정지/동기 좌표 변환부(27)와; 상기 제2 정지/동기 좌표 변환부(27)의 출력 전류에 대한 추정된 자속을 출력하는 자속 변환부(28)와; 상기 자속 변환부(28)의 출력을 정지 좌표계의 추정된 자속으로 변환하여 출력하는 동기/정지 좌표 변환부(29)와; 상기 적분기(23)와 동기/정지 좌표 변환부(29)의 출력을 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제3 비교부(25)와; 상기 오차가 '0'이 되는 게인을 출력하는 게인 발생부(26)로 구성된 것으로 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

동기 릴럭턴스 모터의 속도 센서리스 제어를 할 경우, 기본적으로 사용되게 되는 것이 자속 관측부로서, 기본 개념은 추정한 자속()과 관측된 자속()이 서로 같아지도록 즉, 두 자속의 오차가 '0'에 수렴해 가도록 게인을 제2 비교부(22)로 피드백시켜 출력하여 회전자의 위치를 찾아가는 것이다.

펄스폭 변조(PWM)출력측의 전압을 적분하여 구한 관측 자속()과 추정 자속()이 같게되는 게인을 구하고 이를 바탕으로 위치 추정수식에서 두 입력(,)을 이용하여 회전자의 회전각(θ)을 추정해 내는 자속 관측부이다.

그리고, 상기 자속 관측부의 출력 변수는 위치 추정수식에 의해 각각 회전자의 위치 정보인 cos, sin를 추정해내며, 상기 위치정보를 이용하여 정지/동기 좌표계의 변환식에 사용하게 된다.

아래의 수학식(1)은 상기 자속 관측부의 출력 변수를 이용하여 회전자 위치 정보를 추정해낸다.

여기서,는 추정된 회전자의 회전각을 나타내고,는 동기 좌표계의 자속을 나타내며는 정지 좌표계의 자속을 각각 나타낸다.

상기 자속 관측부는 도 3의 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측부의 특성을 보인 파형도와 같이, 전류의 증가에 따라 비례하여 같이 증가하게 된다.

즉, 상기 자속 관측부는 마그네틱 모델링에서 미리 구한 전류에 대한 자속을 출력하게 된다.

제2 정지/동기 좌표 변환부(27)에서 센싱한 전류로부터 추정된 자속을 구할경우, 미리 정한 전류대 자속값을 읽어 출력하며 그 출력은 동기/정지 좌표 변환부(29)를 통해 추정된 정지 좌표계의 자속을 출력하게 된다.

이때, 관측된 자속()은 상기 유기 전압을 적분하여 구하게 되는데 보통 전류를 피드백하는 경우에 유기 전압에는 기본적으로 오프셋이 포함되어 있으므로 이를 여러번의 실험을 통해 구하고 그 값으로 교정하는 방식을 취한다.

이로 인해 상기 관측된 자속()은 아래의 수학식(2)와 같이 표현된다.

여기서, s는 미분 연산자, g는 게인,는 정지 좌표계의 전압,는 고정자 저항,는 정지 좌표계의 전류,는 정지 좌표계의 자속을 의미한다.

따라서, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 드라이버에 소자들의 특성이 변경된다거나 하드웨어가 수정될 경우 다시 반복 실험을 통해 적절한 보상값을 찾아서 교정을 해 주어야 하므로 번거로움이 있고 제어의 효율성 및 정밀도가 떨어진다.

그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 기술은 자속 관측부에서 유기전압을 전류와 전압의 방정식으로 구한 경우 전류 피드백에 오차나 오프셋이 존재하는데 만약 보상하지 않을 경우 위치 오차에 진동이 발생하게 되어 적절한 제어가 이루어 지지 않는다.

따라서 자속 관측부에서 유기전압을 구하는 과정에서 센싱한 전압과 전류에 내포된 고조파 및 직류 오프셋을 보상하기 위한 값을 반복적인 실험을 통해 구해지므로 보상값이 적절하지 못할 경우 위치 오차성분은 커지게 되며 토크에 리플을 발생하게 하고 정상상태에서 속도에도 악영향을 미친다. 즉, 제어의 효율성 및 정밀도가 감소하는 문제점이 생긴다.

또한 시스템의 하드웨어적인 특성이 바뀌거나 전압과 전류를 센싱하는 부분의 소자특성이 달라질 경우 선정한 직류 오프셋의 보정값을 변경해야 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 상태 추정 방정식을 적용하여 전류와 추정 자속으로부터 직접 상기 보정값을 구할 수 있도록 한 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측기의 오프셋 제거방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 구조를 보인 예시도.

도 2는 종래 동기 릴럭턴스 모터의 자속 추정방법이 적용되는 장치의 구성을 보인 예시도.

도 3은 일반적인 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측부의 특성을 보인 파형도

도 4는 본 발명 동기 릴럭턴스 모터의 자속 추정방법이 적용되는 자속 관측부의 구성을 보인 예시도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

21: 제1 비교부 23: 적분기

24: 제1 정지/동기 좌표 변환부 25: 제3 비교부

26: 게인 발생부 27: 제2 정지/동기 좌표 변환부

28: 자속 변환부 29: 동기/정지 좌표 변환부

41: 제2 비교부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 센서리스 제어시 자속 관측부를 사용하여 자속을 추정할 경우, 정지 좌표계의 유기 전압 성분과 자속 및 전류 성분을 파라미터로하여 그 유기 전압에 포함된 고조파 및 직류 오프셋를 구하여 그 고조파 및 직류 오프셋을 보상하여 상기 자속을 추정 및 관측 하도록 이루어 것으로, 이와 같이 이루어진 본 발명의 동작 및 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 종래의 자속 관측부와 동일한 구조이지만 유기 전압에 포함되어 있는 기본파 이외의 성분을 추출하도록 한다.

일반적으로 센싱 전류와 전압에는 '0'이 아닌 오프셋이 존재하게 되고, 검출된 전류는 완전한 정현파가 아니므로 고조파 성분을 내포하게 된다.

상기 고조파 성분 및 직류 오프셋을 보상하기 위한 자속 관측부의 구성은 종래와 유사하다. 다만 상기 오프셋과 고조파 성분을 보상하기 위한 보상 과정에 차이가 있다.

도 4는 본 발명 동기 릴럭턴스 모터의 자속 추정방법이 적용되는 자속 관측부의 구성을 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 정지 좌표계의 전압과 상저항을 비교하여 그에 따른 오차를 유기전압으로 출력하는 제1 비교부(21)와; 상기 유기전압의 고조파 및 오프셋 보정치와 게인을 상기 유기전압과 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제2 비교부(41)와; 상기 제2 비교부(41)의 출력을 적분하여 고정 좌표계의 관측된 자속을 출력하는 적분기(23)와; 상기 적분기(23)의 출력 자속을 동기좌표계의 자속으로 변환시키는 제1 정지/동기 좌표 변환부(24)와; 정지 좌표계의 전류를 동기 좌표계의 전류로 변환하는 제2 정지/동기 좌표 변환부(27)와; 상기 제2 정지/동기 좌표 변환부(27)의 출력 전류에 대한 추정된 자속을 출력하는 자속 변환부(28)와; 상기 자속 변환부(28)의 출력을 정지 좌표계의 추정된 자속으로 변환하여 출력하는 동기/정지 좌표 변환부(29)와; 상기 적분기(23)와 동기/정지 좌표 변환부(29)의 출력을 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제3 비교부(25)와; 상기 오차가 '0'이 되는 게인을 출력하는 게인 발생부(26)로 구성된다.

아래의 수학식(3)은 제1 비교부(21)의 출력 유기전압을 식으로 표현한 것이다.

여기서,는 정지 좌표계로 나타낸 유기전압의 기본파 성분,는 정지 좌표계로 나타낸 유기전압의 고조파 및 직류 오프셋 성분을 나타내고,는 정지좌표계의 전압,는 정지좌표계의 전류를 나타낸다.

즉, 센싱한 전압과 전류로부터 구한 상기 유기 전압()에서 유기전압의 고조파 성분 및 직류 오프셋을 제거한 성분을 빼면 기본파 성분의 유기전압만 남는다.

이는 이상적인 경우의 유기전압이므로 그 값을 입력받는 적분기(23)에의해 적분되어 관측한 자속()을 구하게 되면 상기 자속 관측부의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

아래의 수학식(4),(5)와 같이 동기 릴럭턴스 모터의 전압 방정식과 자속 방정식은 다음과 같다.

여기서, 상기는 정지 좌표계의 전압을 나타내고,는 정지 좌표계의 전류, P는 미분 연산자를 의미한다.

여기서,는 동기 좌표계의 인덕턴스값,는 자속의 전기각을 의미한다.

또한, 상기 수학식(5)에서를이라 하고, 정지좌표계의 자속을 1차 미분항으로 나타내면 아래의 수학식(6)과 같이 표현되고, 이를 조합한 상태 방정식은 수학식(7)이 된다.

여기서,는 정지 좌표계로 나타낸 유기 전압의 기본파 성분,는 회전자의 기계각속도을 의미하며,는 회전자의 전기각속도를 나타낸다.

상기 수학식(7)의 좌항은 모두 1차 미분항이며 R은 상저항을 나타내고, L은 마그네틱 모델링을 통해 구한 인덕턴스값이고,은 추정한 회전자의 전기적 각속도의 제곱을 의미한다.

그런데 상기 수학식(7)의 유기전압은 상기 수학식(6)과 같이 정의되어 있는 반면에 상기 제1 비교부(21)를 통해 출력되는 상기 유기전압은 아래의 수학식(8)과 같이 표현할 수 있다.

즉, 정지 좌표계의 기본파 전류와 직류 성분를 더한 정지 좌표계의 전류()로 분리하여 생각하면 결국가 되므로 상기 수학식(8)의 상기 유기전압과 수학식(6)의 유기전압은 결국 같은 개념으로 생각할 수 있다.

따라서, 상기 수학식(7)에서 구한 상기 정지 좌표계로 나타낸 상기 유기전압의 고조파 및 직류 오프셋 성분을 상기 제1 비교부(21)의 보정값으로 사용한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 속도 센서리스 제어시 전압과 전류에 포함된 고조파 및 직류 오프셋을 보상하여 토크에 리플 발생과 위치 오차에 발진발생으로 인한 정상 상태 불안정등을 효과적으로 극복할 수 있다.

따라서, 상태 방정식을 적용한 유기전압의 고조파 및 직류 오프셋값 선정방식은 정밀한 제어구성이 가능하고, 하드웨어의 변경이나 소자의 특성변경에도 강인한 제어성능을 발휘할 수 있도록 한 효과가 있다.

Claims

동기 릴럭턴스 모터의 회전 속도 센서리스 제어시 자속 관측부를 사용하여 자속을 추정할 경우, 정지 좌표계의 유기 전압 성분과 자속 및 전류 성분을 파라미터로하여 그 유기 전압에 포함된 고조파 및 직류 오프셋를 구하여 그 고조파 및 직류 오프셋을 보상하여 상기 자속을 추정 및 관측 하도록 이루어 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측기의 오프셋 제거방법.
제1 항에 있어서, 상기 자속 관측부는 하기의 파라미터 수학식을 이용하여 유기전압에 포함된 고조파 및 직류 오프셋을 보상하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 자속 관측기의 오프셋 제거방법.

(수학식7)

여기서, 좌항은 모두 1차 미분항이며 R은 상저항을 나타내고, L은 마그네틱 모델링을 통해 구한 인덕턴스값이고,은 추정한 회전자 전기적 각속도의 제곱을 의미한다.