KR20100068866A - Sensorless control method of permanent magnet synchronous motor - Google Patents

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KR20100068866A KR1020080127367A KR20080127367A KR20100068866A KR 20100068866 A KR20100068866 A KR 20100068866A KR 1020080127367 A KR1020080127367 A KR 1020080127367A KR 20080127367 A KR20080127367 A KR 20080127367A KR 20100068866 A KR20100068866 A KR 20100068866A
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Abstract

PURPOSE: A method for sensorless control of the permanent magnet type synchronous motor is provided to use the sensorless algorithm applying the repetition adaptation sliding mode observation plane. The rotor electrical angle and electrical angle speed of the permanent magnet type synchronous motor are decided. CONSTITUTION: The input voltage from the inverter(11) is applied and the stator current actually obtains. The estimated current value calculates in the repetition adaptation sliding mode observation plane(21) on the fixed state equation. Error when estimated current value is compared with actual current value obtains. The rotator angle pitches by using the control input value of the observation plane of the final obtaining through the observation plane.

Description

영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법{Sensorless control method of permanent magnet synchronous motor}Sensorless control method of permanent magnet synchronous motor

본 발명은 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 적용한 센서리스 알고리즘을 이용하여 영구자석형 동기 전동기의 회전자 전기각 및 전기각속도를 결정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor, and more particularly, to determine rotor electric angle and electric angular velocity of a permanent magnet synchronous motor using a sensorless algorithm using a repetitive adaptive sliding mode observer. It is about a method.

최근 산업계에서는 수만 rpm 이상의 운전범위를 가지는 고속전동기를 적용한 다양한 응용제품들이 개발 또는 상용품화되고 있다. 대표적인 예로 영구자석형 동기 전동기를 적용한 마이크로 터빈발전기, 터보블로워, 연료전지용 공기압축기, 고속가공기용 전동기 등이 있다. Recently, various applications using high-speed motors with operating ranges of tens of thousands of rpm or more have been developed or commercialized. Typical examples include a micro turbine generator using a permanent magnet synchronous motor, a turbo blower, an air compressor for a fuel cell, and an electric motor for a high speed processing machine.

고속전동기의 구동용으로 많이 적용되고 있는 영구자석형 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)에서는 정확한 토크 제어를 위해서 회전자의 위치를 정확히 알아야만 한다. Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), which is widely used for driving high-speed motors, needs to know the rotor position accurately for accurate torque control.

이를 위해 회전자에 엔코더 또는 리졸버(resolver)를 부착하여 실시간으로 회전각 및 속도를 측정한 뒤 벡터 제어 알고리즘에 반영하여 토크 및 속도 제어를 수행하고 있다. To this end, an encoder or resolver is attached to the rotor to measure the rotation angle and speed in real time, and then the torque and speed control is performed by reflecting it in a vector control algorithm.

그러나, 회전자의 회전각 측정을 위해 센서를 부착하는 경우에는 사용환경에 따라 센서의 설치가 어렵거나 오동작의 원인이 되는 문제가 있다. However, when the sensor is attached to measure the rotation angle of the rotor, there is a problem that the installation of the sensor is difficult or cause a malfunction depending on the use environment.

특히, 수만 rpm의 고속전동기의 경우에 적절한 센서가 없거나 고가의 센서를 부착하여야 하는 단점이 있어 고속전동기를 적용한 시스템의 구현에 많은 어려움이 있는 것이 사실이다. In particular, in the case of a high speed motor of tens of thousands of rpm, there is a disadvantage that there is no suitable sensor or an expensive sensor is attached.

이러한 문제점을 해결하기 위해 속도 및 위치를 측정하는 센서 없이 회전자의 위치 및 속도를 실시간으로 연산이 가능한 다양한 센서리스 알고리즘이 제안되었으며, 이에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.In order to solve this problem, various sensorless algorithms capable of calculating the position and speed of the rotor in real time without sensors for measuring the speed and position have been proposed, and many studies have been conducted.

영구자석형 동기 전동기(PMSM)의 회전각 추정을 위한 센서리스 알고리즘에 대해서 동기 전동기의 회로 방정식을 이용하여 역기전력을 추정하여 회전자의 위치를 구하는 연구가 진행되고 있다. The sensorless algorithm for the rotation angle estimation of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) has been studied to estimate the rotor electromotive force by using the circuit equation of the synchronous motor to find the position of the rotor.

또한 상태 추정기를 이용한 알고리즘, 칼만 필터를 이용한 알고리즘 등이 제안되었으나, 지금까지 제안된 방법으로는 정확한 전동기의 파라미터를 구하기가 어렵고, 실제 구동시 운전 조건에 따라 파라미터의 변동으로 정확한 회전자의 위치 추정이 어려운 문제점이 있다.In addition, algorithms using state estimators and algorithms using Kalman filters have been proposed, but it is difficult to obtain accurate motor parameters with the proposed method. There is this difficult problem.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 발명한 것으로서, 별도의 측정 센서 없이 회전자 위치 및 속도를 실시간으로 정확히 연산할 수 있는 센서리스 알고리즘을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a sensorless algorithm capable of accurately calculating rotor position and speed in real time without a separate measuring sensor.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention,

영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어를 위하여 회전자의 전기각 및 전기각속도를 결정하기 위한 과정으로서,A process for determining the electric angle and angular velocity of a rotor for sensorless control of a permanent magnet synchronous motor.

a) 인버터로부터의 입력 전압 vs가 인가되어 실제 고정자 전류 is가 구해지는 단계와; b) 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기에 설정된 상태 방정식을 토대로 추정 전류값

Figure 112008086146265-PAT00001
를 산출하여 구하는 단계와; c) 추정 전류값
Figure 112008086146265-PAT00002
를 실제 전류값 is와 비교하여 오차를 구하고, 하기 식(E1)에 의해 관측기의 제어 입력인 zs를 구하는 단계와; d) 상기 b) ~ c) 단계를 반복하여 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 상기 관측기를 통해 구해진 최종의 zs를 이용해 회전자 각도
Figure 112008086146265-PAT00003
를 결정하고, 구해진 회전자 각도를 미분하여 회전자의 전기각속도
Figure 112008086146265-PAT00004
를 결정하는 단계;를 포함하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법을 제 공한다.a) applying an input voltage v s from the inverter to obtain an actual stator current i s ; b) Estimated current values based on the state equations set in the iterative adaptive sliding mode observer.
Figure 112008086146265-PAT00001
Calculating and obtaining; c) estimated current value
Figure 112008086146265-PAT00002
Calculating an error by comparing the current to the actual current value i s, and obtaining z s , which is a control input of the observer, by the following equation (E1); d) If the current estimated by the observer converges within a certain error range by repeating steps b) to c), the rotor angle is obtained by using the final z s obtained through the observer.
Figure 112008086146265-PAT00003
And the electric angular velocity of the rotor by differentiating the obtained rotor angle
Figure 112008086146265-PAT00004
It provides a sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor comprising a.

식(E1) : Formula (E1):

Figure 112008086146265-PAT00005
Figure 112008086146265-PAT00005

여기서,

Figure 112008086146265-PAT00006
는 하기 식(E2)로 정의되고, K는 상기 관측기의 피드백 게인 값임. 하기 식(E2)에서 Elim은 오차 설정치임.here,
Figure 112008086146265-PAT00006
Is defined by the following equation (E2), and K is the feedback gain value of the observer. In the following equation (E2), E lim is the error setting value.

식(E2) :Formula (E2):

Figure 112008086146265-PAT00007
Figure 112008086146265-PAT00007

이때, 상기 영구자석형 동기 전동기의 전류에 대한 상태 방정식이 하기 식(E3)일 때 상기 관측기의 전류 추정을 위한 상태 방정식은 하기 식(E4)로 정의되는 것을 특징으로 한다.At this time, when the state equation for the current of the permanent magnet synchronous motor is the following equation (E3) is characterized in that the state equation for the current estimation of the observer is defined by the following equation (E4).

식(E3) : Formula (E3):

Figure 112008086146265-PAT00008
Figure 112008086146265-PAT00008

여기서, here,

Figure 112008086146265-PAT00009
이고,
Figure 112008086146265-PAT00009
ego,

es는 역기전력, Ke는 역기전력 상수, ωr은 회전자의 전기각속도임.e s is the counter electromotive force, K e is the counter electromotive force constant, and ω r is the electric angular velocity of the rotor.

식(E4) : Formula (E4):

Figure 112008086146265-PAT00010
Figure 112008086146265-PAT00010

또한 상기 d) 단계에서, Also in step d),

상기 회전자 각도는 관측기를 통해 구해지는 zs의 전압 정보를 이용해 하기 식(E5)에서 두 역기전력 성분의 아크탄젠트를 구하여 계산되는 것을 특징으로 한다.The rotor angle is calculated by obtaining the arc tangent of the two counter electromotive force components in the following equation (E5) using the voltage information of z s obtained through the observer.

식(E5) : Formula (E5):

Figure 112008086146265-PAT00011
Figure 112008086146265-PAT00011

여기서,

Figure 112008086146265-PAT00012
Figure 112008086146265-PAT00013
, 즉 저역통과필터(Low Pass Filter)를 통과하여 노이즈를 저감시키면서 발생하는 위상지연의 보상값임. here,
Figure 112008086146265-PAT00012
Is
Figure 112008086146265-PAT00013
That is, it is the compensation value of the phase delay that occurs while reducing the noise passing through the low pass filter.

또한 상기 피드백 게인 K는

Figure 112008086146265-PAT00014
로 설정되어 zs로부터 추정된 회전자 전기각속도
Figure 112008086146265-PAT00015
의 절대값에 비례하는 값을 가지며, 상기 식의 k, k0는 양의 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.In addition, the feedback gain K is
Figure 112008086146265-PAT00014
Rotor electric angular velocity estimated from z s
Figure 112008086146265-PAT00015
It has a value proportional to the absolute value of, wherein k, k 0 of the formula is characterized in that it is set to a positive value.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 영구자석형 동기 전동기의 회전자 위치 및 속도를 결정하기 위한 과정에서 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 통해 전류를 추정하여 구한 뒤 이 추정 전류를 실제 전류와 비교하여 오차를 구하고, 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 관측기를 통해 구해진 zs를 이용해 회전자 각도 및 전기각속도를 결정하도록 함으로써, 별도의 측정 센서 없이 회전자 위치 및 속도를 실시간으로 정확히 연산할 수 있는 센서리스 알고리즘의 구현이 가능해진다.Accordingly, according to the present invention, in the process for determining the rotor position and speed of the permanent magnet type synchronous motor, the current is estimated through an iterative adaptive sliding mode observer, and the error is obtained by comparing the estimated current with the actual current. When the current estimated by the observer converges within a certain error range, the rotor angle and electric angular velocity are determined using z s obtained through the observer, so that the rotor position and speed can be accurately calculated in real time without a separate measuring sensor. It is possible to implement a sensorless algorithm.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에서는 영구자석형 동기 전동기(PMSM)의 센서리스 제어를 위해 슬라이딩 모드 관측기를 적용한 센서리스 알고리즘이 제시되고, 초기 기동 및 정격속도 에서의 운전상태를 비교 검토한다. In the present invention, a sensorless algorithm applying a sliding mode observer for sensorless control of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) is proposed, and the operation state at the initial start and rated speed is compared and examined.

상기 슬라이딩 모드 관측기는 파라미터 변동이나 외란에 강한 특성을 가지지만 채터링에 의한 회전각 추정시 오차를 유발하여 적용에 어려운 점이 있다. 이를 위해서 경계층을 설정하고 경계층 내에서는 선형함수를 두어 리플을 저감시켰다. Although the sliding mode observer has a strong characteristic against parameter fluctuations and disturbances, the sliding mode observer causes an error in estimating the rotation angle by chattering, which is difficult to apply. For this purpose, the boundary layer is set and the linear function is placed in the boundary layer to reduce the ripple.

또한 역기전력의 추종 속도를 개선하기 위해서 슬라이딩 모드 관측기를 반복 실행하여 PWM 주기동안 추정한 역기전력의 오차를 최소화하고, 이로써 다음 주기 연산에 오차가 누적되면서 채터링을 일으키는 문제점을 개선하여 측정 오차를 최소화한다.In addition, to improve the tracking speed of the counter electromotive force, the sliding mode observer is repeatedly executed to minimize the error of the counter electromotive force estimated during the PWM cycle, thereby minimizing the measurement error by improving the problem of chattering as the error accumulates in the next cycle operation. .

지금까지 수만 rpm 이상의 고속 영구자석형 동기 전동기를 구동하기 위해서는 저가의 홀센서를 이용하여 속도를 구하고 회전자의 위치 정보를 구하거나, 수천 rpm 까지 v/f 운전을 하여 기동을 한 후 속도 및 위치 센서리스 운전을 구현하였다. Until now, in order to drive high speed permanent magnet synchronous motor of more than tens of thousands of rpm, it is possible to find out the speed by using low-cost Hall sensor and obtain the position information of the rotor, or start up by running v / f up to several thousand rpm. Sensorless operation is implemented.

그러나, 이 경우에는 초기 기동시에 큰 전류가 인가될 수 있고, 기동시 회전자 및 부하 상황에 따라 기동 실패의 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 초기 기동에서부터 정격속도까지 전 영역을 속도 및 위치 센서가 없이 실행되는 운전 센서리스 알고리즘에 대하여 기술한다. However, in this case, a large current can be applied at the time of initial start-up, and there is a fear of start-up failure depending on the rotor and load conditions at start-up. In order to solve this problem, we describe a driving sensorless algorithm that runs from the initial start to the rated speed without the speed and position sensors.

본 발명에서는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어를 위하여 회전자의 전기각(

Figure 112008086146265-PAT00016
) 및 전기각속도(
Figure 112008086146265-PAT00017
)를 결정하기 위한 과정으로서, a) 인버터로부터의 입력 전압 vs가 인가되어 실제 고정자 전류 is가 구해지는 단계와; b) 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기에 설정된 상태 방정식을 토대로 추정 전류값
Figure 112008086146265-PAT00018
를 산출하여 구하는 단계와; c) 추정 전류값
Figure 112008086146265-PAT00019
를 실제 전류값 is와 비교하여 오차를 구하고, 하기 수학식 7에 의해 관측기의 제어 입력인 zs를 구하는 단계와; d) 상기 b) ~ c) 단계를 반복하여 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 상기 관측기를 통해 구해진 최종의 zs를 이용해 회전자 각도를 결정하고, 구해진 회전자 각도를 미분하여 회전자의 전기각속도를 결정하는 단계;가 진행된다.In the present invention, the electric angle of the rotor for the sensorless control of the permanent magnet synchronous motor (
Figure 112008086146265-PAT00016
) And electric angular velocity (
Figure 112008086146265-PAT00017
A process for determining an actual stator current i s by applying an input voltage v s from the inverter; b) Estimated current values based on the state equations set in the iterative adaptive sliding mode observer.
Figure 112008086146265-PAT00018
Calculating and obtaining; c) estimated current value
Figure 112008086146265-PAT00019
Calculating an error by comparing the current with the actual current value i s, and obtaining z s which is a control input of the observer by Equation 7 below; d) If the current estimated by the observer converges within a certain error range by repeating steps b) to c), the rotor angle is determined using the final z s obtained through the observer, and the obtained rotor angle is differentiated. Determining the electric angular velocity of the rotor.

이하, 상기한 본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 좀더 구체적으로 설명하면, 도 1은 영구자석형 동기 전동기의 좌표계를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 나타낸 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 포함하는 전동기 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for the present invention in more detail, Figure 1 is a view showing the coordinate system of the permanent magnet synchronous motor, Figure 2 is a block showing a repeat adaptive sliding mode observer according to the present invention 3 is a block diagram showing the overall configuration of a motor control system including a repeat adaptive sliding mode observer according to the present invention.

우선, 영구자석형 동기 전동기의 2상 동기 좌표계에서 전압 방정식은 다음과 같다. 하기 수학식 1과 수학식 2는 고정자 기준 동기 좌표계의 전압 방정식이다.First, the voltage equation in the two-phase synchronous coordinate system of the permanent magnet synchronous motor is as follows. Equations 1 and 2 are voltage equations of a stator reference sync coordinate system.

Figure 112008086146265-PAT00020
Figure 112008086146265-PAT00020

상기 수학식 1은 d축의 전압 방정식이며, vds는 d축 전압을, Rs=Ra는 고정자 권선저항을, ids는 d축 전류를 각각 나타내며,

Figure 112008086146265-PAT00021
는 고정자 자기 인덕턴스를, ωr은 회전자의 각속도(전기각속도)를, iqs는 q축 전류를 각각 나타낸다. Equation 1 is a voltage equation of the d-axis, v ds represents the d-axis voltage, R s = R a represents the stator winding resistance, i ds represents the d-axis current,
Figure 112008086146265-PAT00021
Is the stator magnetic inductance, ω r is the angular velocity (electric angular velocity) of the rotor, and i qs is the q-axis current.

Figure 112008086146265-PAT00022
Figure 112008086146265-PAT00022

상기 수학식 2는 q축의 전압 방정식이며, vds, vqs는 동기 좌표계의 전압으로서, vqs는 q축 전압을 나타내며, ids, iqs는 동기 좌표계의 전류로서, iqs는 q축 전류를 나타낸다.

Figure 112008086146265-PAT00023
는 역기전력 상수를 나타낸다. 수학식 2에서 ωrKe는 역기전력이 된다.Equation 2 is a voltage equation of the q-axis, v ds , v qs is the voltage of the synchronous coordinate system, v qs represents the q-axis voltage, i ds , i qs is the current of the synchronous coordinate system, i qs is the q-axis current Indicates.
Figure 112008086146265-PAT00023
Represents the back EMF constant. In Equation 2 ω r K e is the counter electromotive force.

또한 고속 영구자석형 동기 전동기(12)의 회전자 위치를 추정하기 위해 정지 좌표계의 전압 및 전류를 이용하여 역기전력 및 자속을 추정하므로, 이를 위한 동기 전동기의 2상 정지 좌표계에서 전압 방정식은 다음과 같다.In addition, since the counter electromotive force and the magnetic flux are estimated using the voltage and current of the stationary coordinate system to estimate the rotor position of the high speed permanent magnet synchronous motor 12, the voltage equation in the two-phase stationary coordinate system of the synchronous motor for this purpose is as follows. .

Figure 112008086146265-PAT00024
Figure 112008086146265-PAT00024

Figure 112008086146265-PAT00025
Figure 112008086146265-PAT00025

상기 수학식 3과 수학식 4는 고정자 기준 정지 좌표계의 전압 방정식으로서, vαs, vβs는 정지 좌표계의 전압이며, vαs는 정지 좌표계의 α축 전압을, vβs는 정지 좌표계의 β축 전압을 나타낸다. iαs, iβs는 정지 좌표계의 전류로서, iαs는 정지 좌표계의 α축 전류를, iβs는 정지 좌표계의 β축 전류(고정자 β축 전류)를 나타낸다. θr은 회전자의 전기각을 각각 나타낸다.A voltage equation of the equation (3) and Equation (4) is the stator based on rotating coordinates, v αs, v βs is the voltage in the still coordinate system, v αs is the α-axis voltage of the still coordinate system, v βs are β-axis voltage of the still coordinate system, Indicates. i αs, βs i is a current of the rotating coordinates, i αs is the α-axis current of the rotating coordinates, i βs represents the β-axis current of the rotating coordinates (the stator β-axis current). θ r represents the electrical angle of the rotor, respectively.

상기 수학식 3과 수학식 4를 전류에 대한 상태 방정식으로 전개를 하면 아래 수학식 5와 같다.When the equations 3 and 4 are developed as the state equations for the current, the equations (5) are as follows.

Figure 112008086146265-PAT00026
Figure 112008086146265-PAT00026

여기서, here,

이고, A11, A22 = -Rs/Ls < 0, B11, B22 = 1/Ls > 0이며, 수학식 5에서 전류 is 는 전류 센서를 통해 센싱하여 구해지는 실제 전류값이다.And A 11 , A 22 = -R s / L s <0, B 11 , B 22 = 1 / L s > 0, and the current i s in Equation 5 is obtained by sensing with a current sensor to be.

한편, 영구자석형 동기 전동기(12)의 회전자 위치 및 속도를 제어하기 위해서 많은 연구들이 진행되어 다양한 알고리즘이 제시되었으나, 고속전동기처럼 운전범위가 넓고 전동기의 상수가 작은 경우는 실제 적용에 어려운 점이 있다. On the other hand, many studies have been conducted to control the position and speed of the rotor of the permanent magnet synchronous motor 12, but various algorithms have been proposed. have.

특히, 작은 전동기 상수로 인해 PWM 출력에 의한 큰 리플 전류를 수반하고 높은 기본파 주파수로 인해서 높은 전류 제어주기를 가져야 하므로 제한된 연산능력 범위 내에서 센서리스 알고리즘을 구현할 수가 있는 운전 기법의 선택이 중요하다. In particular, it is important to select a driving technique that can implement a sensorless algorithm within a limited computational capacity because it must be accompanied by a large ripple current by the PWM output due to a small motor constant and a high current control period due to the high fundamental frequency. .

따라서, 본 발명에서는 관측기의 이득 선정 및 설계가 용이한 슬라이딩 모드 관측기를 적용하여 좀더 개선된 알고리즘인 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기(21)를 적용한 센서리스 알고리즘을 구성하였다. Therefore, in the present invention, a sensorless algorithm using a sliding adaptive mode observer 21, which is a more advanced algorithm, is constructed by applying a sliding mode observer for which gain selection and design of the observer are easy.

관측기(21)의 상태 방정식은 다음과 같으며, 그 구성 블록도는 첨부한 도 2에 나타낸 바와 같다.The state equation of the observer 21 is as follows, and its block diagram is as shown in FIG.

Figure 112008086146265-PAT00028
Figure 112008086146265-PAT00028

수학식 6은 수학식 5의 상태 변수(iαs,iβs)를 추정하기 위한 관측기의 상태 방정식이다. 수학식 6에서,

Figure 112008086146265-PAT00029
가 추정하는 상태 변수이며, vs는 인버터(11)의 출력 전압이 된다. ^ 표시는 실제 측정이 아니고 계산에 의한 추정값(관측 기(observer)를 이용한 추정값), 즉 시스템 모델링을 통한 수학적인 연산에 의해 계산된 예측치이다. zs는 인버터(11)로부터의 입력 전압인 vs와 상태 변수인 전류 is를 만족시키기 위한 관측기(21)의 제어 입력인데, 이는 수학식 5를 보면 역기전력 성분 es와 같다. 즉, es를 알면 그로부터 전기각을 구할 수 있다. Equation 6 is a state equation of the observer for estimating state variables i α s and i β s of Equation 5. In Equation 6,
Figure 112008086146265-PAT00029
Is the state variable to be estimated, and v s is the output voltage of the inverter 11. ^ Is not an actual measurement, but an estimate by calculation (an estimate using an observer), that is, a prediction calculated by mathematical operations through system modeling. z s is a control input of the observer 21 for satisfying the input voltage v s from the inverter 11 and the state variable current i s , which is equal to the counter electromotive force component e s . In other words, if we know e s, we can find the electric angle from it.

is를 정확히 추정하기 위해서 실제 입력 전압 vs를 입력한 뒤 예측된

Figure 112008086146265-PAT00030
를 실제 is와 비교하여 오차를 구하고, 그로부터 하기 수학식 7에 의해 zs를 구한다. 이때, zs를 구하는 방법으로 슬라이딩 모드 제어 이론을 도입하여 함수를 정의하는데, 종의 1, 0, -1의 함수가 아니고 경계면을 두어 Elim의 좁은 경계를 두어서 오차가 작은, 즉 수렴한 구간에서는 선형적으로 값이 변하게 수정된 함수를 정의하였다. 이렇게 하면 채터링이 큰 슬라이딩 모드 제어기의 단점을 해결할 수 있고, 동시에 우수한 응답 결과를 얻을 수 있다. To accurately estimate i s , input the actual input voltage v s
Figure 112008086146265-PAT00030
Is compared with actual i s to find an error, and z s is obtained from Equation 7 below. In this case, the function of sliding mode control theory is defined by the method of obtaining z s , and the function is not a function of 1, 0, -1 of the species, but the boundary is placed on the narrow boundary of E lim so that the error is small. In the interval, the modified function is changed so that the value changes linearly. This solves the shortcomings of sliding mode controllers with large chattering and at the same time provides good response results.

이때, 관측기(21)의 오차 피드백은 다음과 같다. 기존의 슬라이딩 모드 제어기에 적용된 사인(sign) 함수는 빠른 스위칭 응답을 가지나 채터링을 유발하여 오히려 역효과를 내는 경우가 있다. 그래서, 이점을 개선한 수학식 8의 슬라이드(slide) 함수를 적용하여 관측기(21)의 추정 전류가 일정 오차 범위 내에 수렴하면 오차에 비례하는 선형 구간을 두어 관측기(21)의 응답을 얻도록 개선한다.At this time, the error feedback of the observer 21 is as follows. The sign function applied to the conventional sliding mode controller has a fast switching response, but in some cases it causes adverse effects by causing chattering. Thus, by applying the slide function of Equation 8, which improves the advantage, if the estimated current of the observer 21 converges within a certain error range, it improves the response of the observer 21 by obtaining a linear section proportional to the error. do.

Figure 112008086146265-PAT00031
Figure 112008086146265-PAT00031

Figure 112008086146265-PAT00032
Figure 112008086146265-PAT00032

Figure 112008086146265-PAT00033
Figure 112008086146265-PAT00033

수학식 9는 zs에 역기전력 성분(

Figure 112008086146265-PAT00034
)과 슬라이딩 모드의 스위칭 함수의 노이즈(
Figure 112008086146265-PAT00035
)(시스템 노이즈와 PWM 슬라이딩 모드 관측기의 채터링 노이즈 등임)가 함께 있다는 의미이다.Equation 9 is based on z s
Figure 112008086146265-PAT00034
) And the noise of the switching function in sliding mode (
Figure 112008086146265-PAT00035
) (Such as system noise and chattering noise from a PWM sliding mode observer).

Figure 112008086146265-PAT00036
Figure 112008086146265-PAT00036

상기 수학식 10은 저역통과필터(Low Pass Filter)를 통해 zs에서 노이즈 성분을 제거하고 기본파 성분만 입력으로 받는다는 의미이다. zs를 저역통과필터를 통해

Figure 112008086146265-PAT00037
의 노이즈를 제거하면 역기전력 성분만 남는다.Equation 10 means that the noise component is removed from z s through a low pass filter and only the fundamental wave component is input. z s through a lowpass filter
Figure 112008086146265-PAT00037
If you remove the noise, only the back EMF component remains.

Figure 112008086146265-PAT00038
Figure 112008086146265-PAT00038

그리고, 수학식 11에서와 같이 노이즈를 제거한 역기전력 성분을 적분하여 자속을 구한다.Then, as in Equation 11, the magnetic flux is obtained by integrating the counter electromotive force component from which the noise is removed.

수학식 7의

Figure 112008086146265-PAT00039
는 전류 오차에서 구한 슬라이딩 모드 관측기(21)의 스위칭값이 된다. 이 값에는 수학식 5의 역기전력 es와 슬라이딩 모드 관측기의 채터링에 의해 고주파 성분
Figure 112008086146265-PAT00040
가 포함되어 있으므로, 이를 제거하기 위해 저역통과필터가 필요로 하며, 이로 인한 위상 지연을 보상하는 기능이 필요하게 된다.Of equation (7)
Figure 112008086146265-PAT00039
Is the switching value of the sliding mode observer 21 obtained from the current error. This value includes high frequency components by the counter electromotive force e s of Equation 5 and chattering of the sliding mode observer.
Figure 112008086146265-PAT00040
Since a low pass filter is needed to eliminate this, a function of compensating for the phase delay is needed.

관측기(21)를 통하여 구한 zs의 전압 정보를 이용하여 회전자의 위치를 구할 수 있으며, 이를 수학식 12에 나타내었다.The position of the rotor can be obtained by using the voltage information of z s obtained through the observer 21, which is shown in Equation 12.

Figure 112008086146265-PAT00041
Figure 112008086146265-PAT00041

상기 수학식 12에서 두 역기전력 성분의 아크탄젠트(arctan)를 구하면 회전 자의 위치인 회전자 각도를 알 수 있다. By calculating arc tangents of two counter electromotive force components in Equation 12, the rotor angle, which is the position of the rotor, can be known.

여기서,

Figure 112008086146265-PAT00042
Figure 112008086146265-PAT00043
, 즉 저역통과필터(Low Pass Filter)를 통과하여 노이즈를 저감시키면서 발생하는 위상지연의 보상값이다. Ksilde 함수를 적용하여 반복하여 추정함으로써 실제 구한 zαs, zβs는 이미 고주파가 많이 제거된 상태의 역기전력 추정값을 얻지만, 보다 기본파 성분을 얻기 위하여 저역통과필터를 통과하여 노이즈 없는 추정값을 얻게 된다. here,
Figure 112008086146265-PAT00042
Is
Figure 112008086146265-PAT00043
That is, it is a compensation value of the phase delay that occurs while reducing the noise passing through the low pass filter. By applying the Ksilde function repeatedly, z α s and z β s actually obtained are back electromotive force estimates with high frequencies removed, but pass through a low pass filter to obtain more fundamental wave components. .

이때, 차단주파수

Figure 112008086146265-PAT00044
를 구한다. 0<kω≤1 이며, kω=1이면 45도 보상, kω=0.1이면 90도 보상을 한다. 실험을 통하여 적절한 kω를 설정한다. Kslide함수와 반복을 통하여 기본파 성분에 가까운 신호를 얻기에 기존 알고리즘에 비해서 1에 가까운 값을 설정하여 위상 지연을 최소화 할수있다.At this time, cutoff frequency
Figure 112008086146265-PAT00044
. 0 <k ω ≤ 1, and if k ω = 1, 45 degree compensation, if k ω = 0.1, 90 degree compensation. Experiment to set the appropriate k ω . It is possible to minimize the phase delay by setting a value close to 1 compared to the existing algorithm because the signal close to fundamental wave component is obtained through Kslide function and repetition.

상기 수학식 13에서 각도를 미분하면 회전자의 각속도를 구할 수 있다.By differentiating the angle in Equation 13, the angular velocity of the rotor can be obtained.

슬라이딩 모드 관측기(21)의 피드백 게인 K를 설정하기 위한 조건을 구하여 보면 다음과 같다.The conditions for setting the feedback gain K of the sliding mode observer 21 are as follows.

Figure 112008086146265-PAT00046
Figure 112008086146265-PAT00046

Figure 112008086146265-PAT00047
Figure 112008086146265-PAT00047

관측기(21)의 슬라이딩 모드 조건을 만족하기 위한 조건은The condition for satisfying the sliding mode condition of the observer 21 is

Figure 112008086146265-PAT00048
Figure 112008086146265-PAT00048

이며, 수학식 16을 만족하는 조건을 수학식 14, 15에 의해 풀이하여 구하면 다음과 같다.When the condition satisfying the expression (16) is solved by the equations (14) and (15), it is as follows.

Figure 112008086146265-PAT00049
Figure 112008086146265-PAT00049

여기서, 항상

Figure 112008086146265-PAT00050
이고,
Figure 112008086146265-PAT00051
는 가우시안 분포를 가진다면 수학식 16을 만족하기 위해서는
Figure 112008086146265-PAT00052
를 충족하여야 한다. K를 선정할 때 큰 값을 설정하면 응답은 빠르지만 슬라이딩 모드의 단점인 채터링이 발생하고, 작은 값을 설정하면 응답의 지연으로 관측기(21)가 수렴하지 못하고 위상 지연이 발생하는 문제가 있다. Where, always
Figure 112008086146265-PAT00050
ego,
Figure 112008086146265-PAT00051
If is a Gaussian distribution,
Figure 112008086146265-PAT00052
Must meet. When selecting K, a large value is set, but the response is fast but chattering, which is a disadvantage of the sliding mode, occurs, and when a small value is set, the observer 21 cannot converge and a phase delay occurs due to a delay of the response. .

따라서, K는 역기전력 크기의 함수이므로 속도에 비례하는 값으로 설정하여 적응 관측기(21)를 구성한다.Therefore, since K is a function of the counter electromotive force, the adaptive observer 21 is configured by setting it to a value proportional to the speed.

Figure 112008086146265-PAT00053
Figure 112008086146265-PAT00053

여기서, eαs에서는 Keωr 관계식으로부터

Figure 112008086146265-PAT00054
을 유추할 수 있다.Here, in e α s , K e ω r
Figure 112008086146265-PAT00054
Can be inferred.

위치 및 속도 추정을 위한 관측기(21) 구성시에 전류, 전압은 정지 좌표계의 신호를 사용하므로 주파수와 크기를 가진다. 그런데, 관측기(21)의 연산은 전류제어기와 동기를 이루고, 전동기의 회전수와 전압의 크기는 서로 비례 관계에 있어서, 고속 모드에서는 위상 지연이 발생하여 추정의 어려움이 발생하게 된다. In constructing the observer 21 for position and velocity estimation, current and voltage have a frequency and magnitude because they use signals from a static coordinate system. However, the calculation of the observer 21 is synchronized with the current controller, and the rotation speed and the magnitude of the voltage of the electric motor are proportional to each other, so that the phase delay occurs in the high speed mode, causing difficulty in estimation.

이러한 문제를 해결하기 위해 전체 시스템은 트래킹 모드로 관측기(21)를 운전하고, 매 샘플마다 관측기를 여러 번 반복 수행하여 레귤레이션 모드로 관측기를 운전시켜 매 주기마다 오차를 최소화하는 방법을 적용한다. To solve this problem, the entire system operates the observer 21 in tracking mode and repeats the observer several times for every sample to operate the observer in regulation mode to minimize the error every cycle.

이때, 전류 오차가 0이 되는 부분에서의 채터링을 방지하기 위해 변형된 함수인 수학식 8의 슬라이드 함수를 적용하여 수렴시에 안정화를 기하였다.At this time, in order to prevent chattering at the portion where the current error becomes zero, a modified function of the slide function of Equation 8 is applied to stabilize the convergence.

도 1은 영구자석형 동기 전동기의 좌표계를 나타낸 도면,1 is a view showing a coordinate system of a permanent magnet synchronous motor,

도 2는 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 나타낸 블록도,2 is a block diagram illustrating an iterative adaptive sliding mode observer according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 포함하는 전동기 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도.Figure 3 is a block diagram showing the overall configuration of a motor control system including a repeat adaptive sliding mode observer according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

11 : 인버터 12 : 영구자석형 동기 전동기(PMSM)11 Inverter 12 Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)

21 : 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기21: Iterative Adaptive Sliding Mode Observer

Claims (4)

영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어를 위하여 회전자의 전기각 및 전기각속도를 결정하기 위한 과정으로서,A process for determining the electric angle and angular velocity of a rotor for sensorless control of a permanent magnet synchronous motor. a) 인버터로부터의 입력 전압 vs가 인가되어 실제 고정자 전류 is가 구해지는 단계와; b) 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기에 설정된 상태 방정식을 토대로 추정 전류값
Figure 112008086146265-PAT00055
를 산출하여 구하는 단계와; c) 추정 전류값
Figure 112008086146265-PAT00056
를 실제 전류값 is와 비교하여 오차를 구하고, 하기 식(E1)에 의해 관측기의 제어 입력인 zs를 구하는 단계와; d) 상기 b) ~ c) 단계를 반복하여 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 상기 관측기를 통해 구해진 최종의 zs를 이용해 회전자 각도
Figure 112008086146265-PAT00057
를 결정하고, 구해진 회전자 각도를 미분하여 회전자의 전기각속도
Figure 112008086146265-PAT00058
를 결정하는 단계;를 포함하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법.
a) applying an input voltage v s from the inverter to obtain an actual stator current i s ; b) Estimated current values based on the state equations set in the iterative adaptive sliding mode observer.
Figure 112008086146265-PAT00055
Calculating and obtaining; c) estimated current value
Figure 112008086146265-PAT00056
Calculating an error by comparing the current to the actual current value i s, and obtaining z s , which is a control input of the observer, by the following equation (E1); d) If the current estimated by the observer converges within a certain error range by repeating steps b) to c), the rotor angle is obtained by using the final z s obtained through the observer.
Figure 112008086146265-PAT00057
And the electric angular velocity of the rotor by differentiating the obtained rotor angle
Figure 112008086146265-PAT00058
The sensorless control method of the permanent magnet synchronous motor comprising a.
식(E1) : Formula (E1):
Figure 112008086146265-PAT00059
Figure 112008086146265-PAT00059
여기서,
Figure 112008086146265-PAT00060
는 하기 식(E2)로 정의되고, K는 상기 관측기의 피드백 게인 값임. 하기 식(E2)에서 Elim은 오차 설정치임.
here,
Figure 112008086146265-PAT00060
Is defined by the following equation (E2), and K is the feedback gain value of the observer. In the following equation (E2), E lim is the error setting value.
식(E2) :Formula (E2):
Figure 112008086146265-PAT00061
Figure 112008086146265-PAT00061
청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 영구자석형 동기 전동기의 전류에 대한 상태 방정식이 하기 식(E3)일 때 상기 관측기의 전류 추정을 위한 상태 방정식은 하기 식(E4)로 정의되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법.When the state equation for the current of the permanent magnet synchronous motor is the following equation (E3), the state equation for estimating the current of the observer is defined by the following equation (E4) sensorless of the permanent magnet synchronous motor Control method. 식(E3) : Formula (E3):
Figure 112008086146265-PAT00062
Figure 112008086146265-PAT00062
여기서, here,
Figure 112008086146265-PAT00063
이고,
Figure 112008086146265-PAT00063
ego,
es는 역기전력, Ke는 역기전력 상수, ωr은 회전자의 전기각속도임.e s is the counter electromotive force, K e is the counter electromotive force constant, and ω r is the electric angular velocity of the rotor. 식(E4) : Formula (E4):
Figure 112008086146265-PAT00064
Figure 112008086146265-PAT00064
청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 d) 단계에서, In step d), 상기 회전자 각도는 관측기를 통해 구해지는 zs의 전압 정보를 이용해 하기 식(E5)에서 두 역기전력 성분의 아크탄젠트를 구하여 계산되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법.The rotor angle is a sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor, characterized in that calculated by calculating the arc tangent of the two back EMF components in the following equation (E5) using the voltage information of z s obtained through the observer. 식(E5) : Formula (E5):
Figure 112008086146265-PAT00065
Figure 112008086146265-PAT00065
여기서,
Figure 112008086146265-PAT00066
Figure 112008086146265-PAT00067
, 즉 저역통과필터(Low Pass Filter)를 통과하여 노이즈를 저감시키면서 발생하는 위상지연의 보상값임.
here,
Figure 112008086146265-PAT00066
Is
Figure 112008086146265-PAT00067
That is, it is the compensation value of the phase delay that occurs while reducing the noise passing through the low pass filter.
청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 피드백 게인 K는
Figure 112008086146265-PAT00068
로 설정되어 zs로부터 추정된 회전자 전기각속도
Figure 112008086146265-PAT00069
의 절대값에 비례하는 값을 가지며, 상기 식의 k, k0는 양의 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법.
The feedback gain K is
Figure 112008086146265-PAT00068
Rotor electric angular velocity estimated from z s
Figure 112008086146265-PAT00069
The sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor having a value proportional to the absolute value of, wherein k, k 0 of the equation is set to a positive value.
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