KR20110094454A - 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법 - Google Patents

영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법 Download PDF

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KR20110094454A KR1020100013840A KR20100013840A KR20110094454A KR 20110094454 A KR20110094454 A KR 20110094454A KR 1020100013840 A KR1020100013840 A KR 1020100013840A KR 20100013840 A KR20100013840 A KR 20100013840A KR 20110094454 A KR20110094454 A KR 20110094454A
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Abstract

본 발명은 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정을 이용하여 속도 제어를 하는 것에 의해 센서리스 속도 제어의 성능을 개선할 수 있도록 한 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법에 관한 것으로, 영구자석 동기전동기의 순시 전압을 2상 고정자 기준좌표계
Figure pat00106
축의 전압 방정식으로 계산하는 단계;상기 전압 방정식에서 구해진 역기전력으로부터 회전자 위치 및 속도를 계산하는 단계;영구자석 동기전동기의 순시 전압을 2상 회전자 기준 좌표계
Figure pat00107
축의 전압 방정식으로 계산하는 단계;상기 전압 방정식을 이용하여 전류를 추정하고 측정된 전류와의 오차로부터 평가함수를 구성하는 단계;상기 구성된 평가함수를 이용하여 고정자 권선저항과 역기전력 상수를 추정하는 단계;를 포함한다.

Description

영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법{Method for speed sensorless control of permanent magnet synchronous motor}
본 발명은 영구자석 동기전동기에 관한 것으로, 구체적으로 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정을 이용하여 속도 제어를 하는 것에 의해 센서리스 속도 제어의 성능을 개선할 수 있도록 한 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법에 관한 것이다.
최근 산업용 로봇, 전기자동차 등의 구동으로 교류전동기의 사용이 증대되었다. 이는 직류전동기에 비해 제어기의 구성이 복잡하지만 전동기의 정류작용을 전기적 스위칭으로 대신하기 때문에 기계적 마모에 따른 유지보수가 필요 없고 동급용량의 직류전동기에 비해 크기를 줄일 수 있다.
그 중에서 유도 전동기는 다른 전동기에 비해 구조적으로 튼튼하며 제작이 용이하다는 정점이 있으나 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)에 비해 효율, 속응성 및 파워밀도 등이 떨어지므로 정밀제어를 요구하는 산업계에서는 유도전동기의 사용은 상대적으로 적합하지 않다.
PMSM은 회전자의 영구자석으로부터 정현파 형태의 자속을 공급받기 때문에 원활한 제어를 위해서는 회전자의 정확한 위치를 알아야 하고, 일반적으로 회전자의 정확한 위치정보를 얻기 위해 Resolver나 Absolute Encoder 등의 위치검출기가 사용된다.
하지만 이러한 위치검출기는 고가일 뿐만 아니라 진동과 온도 등의 환경적 제약을 받게 되며, 부피를 증가시키므로 이와 같은 문제점을 극복하고자 위치검출기를 사용하지 않고 간접적으로 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 센서리스 제어에 관한 연구가 현재 활발히 진행되고 있다.
이와 같이 영구자석 동기전동기의 속도제어에서 속도 검출기 없이 속도 제어하는 방식을 센서리스 속도제어 방식이라고 한다.
이러한 센서리스 속도제어 방식의 경우에는 고속, 고성능의 동기전동기의 제어장치를 실현하는 것이 어렵다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 센서리스 속도제어 방식의 문제를 해결하기 위한 것으로, 속도제어에서 속도 검출기 없이 속도 제어를 하는 센서리스 속도제어를 위한 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정이 효율적으로 이루어지도록 한 새로운 방식의 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정을 이용하여 속도 제어를 하는 것에 의해 센서리스 속도 제어의 성능을 개선할 수 있도록 한 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법은 영구자석 동기전동기의 순시 전압을 2상 고정자 기준좌표계
Figure pat00001
축의 전압 방정식으로 계산하는 단계;상기 전압 방정식에서 구해진 역기전력으로부터 회전자 위치 및 속도를 계산하는 단계;영구자석 동기전동기의 순시 전압을 2상 회전자 기준 좌표계
Figure pat00002
축의 전압 방정식으로 계산하는 단계;상기 전압 방정식을 이용하여 전류를 추정하고 측정된 전류와의 오차로부터 평가함수를 구성하는 단계;상기 구성된 평가함수를 이용하여 고정자 권선저항과 역기전력 상수를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 속도제어에서 속도 검출기 없이 속도 제어를 하는 센서리스 속도제어를 위한 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정이 효율적으로 이루어지도록 한다.
둘째, 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정을 이용하여 속도 제어를 하는 것에 의해 센서리스 속도 제어의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어 전체 시스템 구성도
도 2는 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어를 위한 플로우차트
도 3과 도 4는 고정자권선저항을 실제 값보다 30% 작게 설정하였을 경우의 전동기 응답 비교 그래프
도 5와 도 6은 역기전력상수를 실제 값보다 30% 작게 설정하였을 경우의 전동기 응답 비교 그래프
도 7과 도 8은 고정자권선저항 및 역기전력상수를 실제 값보다 30% 작게 설정하였을 경우의 전동기 응답 비교 그래프
이하, 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어 전체 시스템 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어를 위한 플로우차트이다.
본 발명은 고정자권선저항 및 역기전력상수를 이용하여 영구자석 동기전동기의 속도제어에서 속도 검출기 없이 속도 제어를 하는 새로운 방식의 센서리스 속도제어 방법에 관한 것이다.
도 1은 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어 전체 시스템 구성을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어 시스템은 PI 제어기(11)(12)(13), 벡터 변환부(Vector Rotation)(14)(15), 적응형 관측기(Adaptive observer)(16), 파라미터 추정부(Estimate parameter)(17), 공간벡터 PWM 인버터(Space Vector PWM)(18), PMSM(19)을 포함한다.
본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어 방법은 크게 2상 고정자 기준좌표계
Figure pat00003
축의 전압 방정식으로 계산하는 과정, 역기전력으로부터 회전자 위치 및 속도를 계산하는 과정, 2상 회전자 기준 좌표계
Figure pat00004
축의 전압 방정식으로 계산하는 과정, 전류를 추정하고 측정된 전류와의 오차로부터 평가함수를 구성하는 과정, 고정자 권선저항과 역기전력 상수를 추정하여 속도 제어하는 과정으로 이루어진다.
도 1에서와 같은 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도제어 전체 시스템에서 본 발명에 따른 고정자 권선저항 및 역기전력 상수의 추정 과정은 다음과 같다.
먼저, 영구자석 동기전동기의 순시 전압방정식을 죄표변환에 의해 2상 고정자 기준좌표계
Figure pat00005
축의 전압 방정식으로 표현하면 수학식 1,2와 같다.(S201)
Figure pat00006
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는
Figure pat00009
축 고정자권선 전압,
Figure pat00010
는
Figure pat00011
축 고정자권선 전류,
Figure pat00012
는 고정자권선 저항,
Figure pat00013
는 1.5배의 고정자권선 자기인덕턴스,
Figure pat00014
는 역기전력 상수,
Figure pat00015
,
Figure pat00016
는
Figure pat00017
축 역기전력,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
는
Figure pat00020
축 쇄교자속,
Figure pat00021
,
Figure pat00022
는 회전자의 위치 및 속도이다.
그리고 수학식 1,2의 역기전력으로부터 회전자 위치 및 속도를 구하면 수학식 3,4와 같다.(S202)
Figure pat00023
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
그리고 영구자석 동기전동기의 순시전압 방정식을 좌표변환에 의하여 2상 회전자 기준 좌표계
Figure pat00026
축의 전압방정식으로 나타내면 수학식 5,6에서와 같다.(S203)
Figure pat00027
Figure pat00028
여기서,
Figure pat00029
는 고정자권선 저항,
Figure pat00030
는 1.5배의 고정자권선 자기인덕턴스,
Figure pat00031
는 역기전력 상수,
Figure pat00032
는 회전자의 속도,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
은
Figure pat00035
축 고정자권선 전압,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
은
Figure pat00038
축 고정자권선 전류,
Figure pat00039
,
Figure pat00040
은
Figure pat00041
축 쇄교자속이다.
그리고 상기한 수학식 1내지 수학식 6으로부터 전류를 추정하면 다음과 같다.
Figure pat00042
Figure pat00043
그리고 이와 같이 추정된 전류와 측정된 전류의 오차로부터 평가함수를 구성하면 다음과 같다.(S204)
Figure pat00044
여기서,
Figure pat00045
,
Figure pat00046
이다.
이와 같이 구해진 결과를 이용하여 영구자석 동기전동기의 고정자권선 저항과 역기전력 상수 추정을 하면 다음과 같다.(S205)
Figure pat00047
Figure pat00048
Figure pat00049
Figure pat00050
이와 같은 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법은 속도 제어 성능을 높일 수 있도록 한 것으로, 750W 영구자석 동기전동기에 적용한 결과는 다음과 같다.
도 3과 도 4는 고정자권선저항을 실제 값보다 30% 작게 설정하였을 경우에 본 발명에 따른 고정자권선 저항 추정방식을 적용하지 않는 경우와 적용하는 경우의 실험결과로서 속도지령치는 200rpm이며 초기에 무부하로 운전하다가 중간에 부하를 2Nm를 인가한 실험결과이다.
도 3의 (a)는 실제 횡축 전류, (b)는 실제 직축 전류, (c)는 실제 전동기 속도, (d)는 추정된 전동기 속도를 나타낸 것이다.
그리고 도 4의 (a)는 실제 횡축 전류, (b)는 실제 직축 전류, (c)는 실제 전동기 속도, (d)는 추정된 전동기 속도, (e)는 추정된 고정자권선 저항을 나타낸 것이다.
그리고 도 5와 도 6은 역기전력상수를 실제 값보다 30% 작게 설정하였을 경우에 본 발명에 따른 역기전력 상수 추정방식을 적용하지 않는 경우와 적용하는 경우의 실험결과로서 속도지령치는 200rpm이며 초기에 무부하로 운전하다가 중간에 부하를 2Nm를 인가한 실험결과이다.
도 5의 (a)는 실제 횡축 전류, (b)는 실제 직축 전류, (c)는 실제 전동기 속도, (d)는 추정된 전동기 속도를 나타낸 것이다.
도 6의 (a)는 실제 횡축 전류, (b)는 실제 직축 전류, (c)는 실제 전동기 속도, (d)는 추정된 전동기 속도, (e)는 추정된 역기전력 상수를 나타낸 것이다.
그리고 도 7과 도 8은 고정자권선저항 및 역기전력상수를 실제 값보다 30% 작게 설정하였을 경우에 본 발명에서 제안한 고정자권선 저항 및 역기전력 상수 추정방식을 적용하지 않는 경우와 적용하는 경우의 실험결과로서 속도지령치는 200rpm이며 초기에 무부하로 운전하다가 중간에 부하를 2Nm를 인가한 실험결과이다.
도 7의 (a)는 실제 횡축 전류, (b)는 실제 직축 전류, (c)는 실제 전동기 속도, (d)는 추정된 전동기 속도를 나타낸 것이다.
도 8의 (a)는 실제 횡축 전류, (b)는 실제 직축 전류, (c)는 실제 전동기 속도, (d)는 추정된 전동기 속도, (e)는 추정된 고정자권선 저항, (f)는 추정된 역기전력 상수를 나타낸 것이다.
도 4, 도 6 및 도 8에서 보면, 본 발명에 따른 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정 방식에 의해 추정이 효율적으로 이루어져 속도제어 성능이 크게 개선됨을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법은 속도제어에서 속도 검출기 없이 속도 제어를 하는 센서리스 속도제어를 위한 고정자권선저항 및 역기전력상수의 추정이 효율적으로 이루어지도록 한다.
따라서, 추정된 고정자권선저항 및 역기전력상수를 이용하여 속도 제어를 하는 것에 의해 센서리스 속도 제어의 성능을 개선할 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
11.12.13. PI 제어기 14.15. 벡터 변환부
16. 적응형 관측기 17. 파라미터 추정부
18. 공간벡터 PWM 인버터 19. PMSM

Claims (6)

  1. 영구자석 동기전동기의 순시 전압을 2상 고정자 기준좌표계
    Figure pat00051
    축의 전압 방정식으로 계산하는 단계;
    상기 전압 방정식에서 구해진 역기전력으로부터 회전자 위치 및 속도를 계산하는 단계;
    영구자석 동기전동기의 순시 전압을 2상 회전자 기준 좌표계
    Figure pat00052
    축의 전압 방정식으로 계산하는 단계;
    상기 전압 방정식을 이용하여 전류를 추정하고 측정된 전류와의 오차로부터 평가함수를 구성하는 단계;
    상기 구성된 평가함수를 이용하여 고정자 권선저항과 역기전력 상수를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 2상 고정자 기준좌표계
    Figure pat00053
    축의 전압 방정식은,
    Figure pat00054

    Figure pat00055
    이고,
    여기서,
    Figure pat00056
    는
    Figure pat00057
    축 고정자권선 전압,
    Figure pat00058
    는
    Figure pat00059
    축 고정자권선 전류,
    Figure pat00060
    는 고정자권선 저항,
    Figure pat00061
    는 1.5배의 고정자권선 자기인덕턴스,
    Figure pat00062
    는 역기전력 상수,
    Figure pat00063
    ,
    Figure pat00064
    는
    Figure pat00065
    축 역기전력,
    Figure pat00066
    ,는
    Figure pat00068
    축 쇄교자속,
    Figure pat00069
    ,
    Figure pat00070
    는 회전자의 위치 및 속도인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 역기전력으로부터 회전자 위치 및 속도를 구하는 식은,
    Figure pat00071

    Figure pat00072
    이고,
    여기서,
    Figure pat00073
    인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 2상 회전자 기준 좌표계
    Figure pat00074
    축의 전압방정식은,
    Figure pat00075

    Figure pat00076
    이고,
    여기서,
    Figure pat00077
    는 고정자권선 저항,
    Figure pat00078
    는 1.5배의 고정자권선 자기인덕턴스,
    Figure pat00079
    는 역기전력 상수,
    Figure pat00080
    는 회전자의 속도,
    Figure pat00081
    ,
    Figure pat00082
    은
    Figure pat00083
    축 고정자권선 전압,
    Figure pat00084
    ,
    Figure pat00085
    은
    Figure pat00086
    축 고정자권선 전류,
    Figure pat00087
    ,
    Figure pat00088
    은
    Figure pat00089
    축 쇄교자속인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 전류를 추정하고 측정된 전류와의 오차로부터의 평가함수 구성은,
    Figure pat00090
    으로 정의되고,
    여기서,
    Figure pat00091
    ,
    Figure pat00092
    인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 평가함수를 이용하여 고정자 권선저항과 역기전력 상수를 추정하는 단계는,
    Figure pat00093

    Figure pat00094
    와,
    Figure pat00095

    Figure pat00096
    으로 정의되고,
    여기서,
    Figure pat00097
    는 고정자권선 저항,
    Figure pat00098
    는 1.5배의 고정자권선 자기인덕턴스,
    Figure pat00099
    는 역기전력 상수,
    Figure pat00100
    ,
    Figure pat00101
    는
    Figure pat00102
    축 역기전력,
    Figure pat00103
    ,
    Figure pat00104
    은
    Figure pat00105
    축 고정자권선 전류인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 센서리스 속도 제어 방법.
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