KR20120087434A - 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템 및 제어방법 - Google Patents

영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템 및 제어방법 Download PDF

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차영두
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Abstract

본 발명은 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템에 관한 것으로, 적응제어기와 학습메카니즘을 연결한 ALM(Adaptive Learning Machanism)과, 퍼지제어기(Fuzzy Controller)와 신경회로망을 연결한 FNN 제어기(Fuzzy Neural Network Controller)를 조합한 ALM-FNN 제어기와 비례적분 제어기를 병렬로 연결한 가변이득 비례적분 제어기(Proportional-Integral Controller with variable gain)를 포함하여, 영구자석형 동기전동기의 비선형 특성에 적절하게 대응할 수 있고, 파라미터 변동과 같은 시스템의 변화에 강인성과 고성능을 유지할 수 있어 산업기기의 효율을 높이고 총체적으로 에너지 절감에 기여할 수 있는 효과가 있다.

Description

영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템 및 제어방법{Permanent Magnet Synchronous Motor Speed Controller and Control Method}
본 발명은 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변이득 비례적분 제어기(Proportional-Integral Controller with variable gain)를 이용하여 전동기의 작동 상태에 따라 전동기의 속도를 제어하는 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 비례적분 제어기(Proportional-Integral Controller)를 적용한 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템의 구성도이다. 사용자가 원하는 전동기의 속도로 설정한 지령속도(
Figure pat00001
)와 영구자석형 동기전동기(5)의 실제속도(
Figure pat00002
)를 비교하여 속도 제어에 필요한 토크성분 지령속도(
Figure pat00003
)를 출력하는 비례적분 제어기(6), 전류제어기(2) 및 SV PWM 인버터(Space Vector Pulse Width Modulation Inverter)(3)로 영구자석형 동기전동기(5)의 속도를 제어한다.
여기서, 비례적분 제어기(6)는 영구자석형 동기전동기(5)의 비선형성 때문에 과도상태에서 양호한 성능을 기대하기 어렵고, 특히 비례적분 제어기(6)의 이득계수를 조절하여도 시스템의 성능 향상에는 한계가 있으며 외란, 속도 및 부하 등의 파라미터가 변동할 경우 고성능을 기대하기 어렵다.
본 발명은 고성능 속도제어가 가능한 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템 및 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 적응제어기와 학습메카니즘을 연결한 ALM(Adaptive Learning Machanism)과, 퍼지제어기(Fuzzy Controller)와 신경회로망을 연결한 FNN 제어기(Fuzzy Neural Network Controller)를 조합한 ALM-FNN 제어기와 비례적분 제어기를 병렬로 연결한 가변이득 비례적분 제어기를 구비한다.
상기 가변이득 비례적분 제어기는 상기 ALM-FNN 제어기에 의하여 비례적분 제어기의 이득값 변화값(
Figure pat00004
)을 출력하고, 상기 이득값 변화값(
Figure pat00005
)에 의해 비례적분 제어기의 이득값(
Figure pat00006
)을 조절한다.
본 발명은 위와 같이 가변이득 비례적분 제어기를 사용함으로써 영구자석형 동기전동기의 비선형 특성에 적절하게 대응할 수 있으며, 이에 따라 파라미터 변동과 같은 시스템의 변화에 강인성과 고성능을 유지할 수 있어 산업기기의 효율을 높이고 총체적으로 에너지 절감에 기여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 비례적분 제어기를 적용한 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템의 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 가변이득 비례적분 제어기의 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 가변이득 비례적분 제어기에 의한 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템의 구성도이다.
이하 본 발명을 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
본 발명은 과도상태에서도 다양한 속도추종능력을 발휘하고 부하 및 관성 등 파라미터의 변동에도 고성능을 발휘하도록 하기 위하여 가변이득 비례적분 제어기를 구비한다.
본 발명의 가변이득 비례적분 제어기(1)는 영구자석형 동기전동기(5)의 최적 제어를 위해 적응제어기와 학습메카니즘을 연결한 ALM(9)과, 퍼지제어기와 신경회로망을 연결한 FNN제어기(10)를 조합한 ALM-FNN 제어기와 비례적분 제어기(6)를 병렬로 연결한 제어기이다.
ALM-FNN 제어기를 이용하여 전동기의 작동 상태에 따라 비례적분 제어기(6)의 이득값을 조절하여 속도의 오버슈트 및 정상상태의 오차를 감소시키며, 과도상태에서도 다양한 속도추종능력을 발휘하고, 부하, 관성 등 파라미터의 변동에도 고성능을 발휘하도록 한다.
도 2는 가변이득 비례적분 제어기(1)의 구성도이다. 사용자가 원하는 전동기의 속도로 설정한 지령속도(
Figure pat00007
)와 영구자석형 동기전동기(5)의 실제속도(
Figure pat00008
)를 비교한 오차(
Figure pat00009
)와 오차변화값(
Figure pat00010
)은 FNN 제어기(10)의 입력값으로 사용된다.
사용자가 원하는 속도로 설정한 지령속도(
Figure pat00011
)는 기준모델을 통해 기준모델 속도(
Figure pat00012
)를 출력하고 기준모델 속도(
Figure pat00013
)와 영구자석형 동기전동기(5)의 실제속도(
Figure pat00014
)를 비교한 오차(
Figure pat00015
)와 오차변화값(
Figure pat00016
)은 ALM(9)에 입력되어 룰베이스 수정자를 통해 FNN 제어기(10)의 퍼지 룰 베이스를 수정한다.
FNN 제어기(10)는 비례적분 제어기(6)의 이득값의 변화값(
Figure pat00017
)을 출력하며, 다음 수학식1에 의해 비례적분 제어기(6)의 이득값(
Figure pat00018
)을 계산하여 지령 축 전류(
Figure pat00019
)를 출력한다.
Figure pat00020
Figure pat00021

도 3은 본 발명에 따른 가변이득 비례적분 제어기에 의한 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템의 구성도이다.
가변이득 비례적분 제어기(1)에 의한 영구자석형 동기전동기(5)의 속도 제어시스템은 상기 영구자석형 동기전동기(5)로부터 가변이득 비례적분 제어기(1)에 입력되는 영구자석형 동기전동기(5)의 속도(
Figure pat00022
)를 도출하기 위한 ANN(Artificial Neural Network)(4), 지령속도(
Figure pat00023
)와 영구자석형 동기전동기(5)의 속도(
Figure pat00024
)와의 오차를 입력받아 속도제어에 필요한 토크성분 지령전류(
Figure pat00025
)를 출력하는 가변이득 비례적분 제어기(1), 영구자석형 동기전동기(5)의 회전자의 위치(
Figure pat00026
), 토크성분의 지령전류(
Figure pat00027
)와 영구자석형 동기전동기의 속도제어에서 일반적으로 자속성분 지령전류(
Figure pat00028
)를 "0"으로 선정하여 사용하는 자석성분 지령전류(
Figure pat00029
)를 입력받아 상전압 지령치(
Figure pat00030
)를 출력하는 전류 제어기(2), 상기 상전압 지령치(
Figure pat00031
)를 받아 영구자석형 동기전동기(5)를 구동하는 SV PWM 인버터(3)를 포함한다.
상기 가변이득 비례적분 제어기(1)는 지령속도(
Figure pat00032
)와 영구자석형 동기전동기(5)의 속도(
Figure pat00033
)와의 오차(
Figure pat00034
)로부터 토크성분 지령전류(
Figure pat00035
)를 출력한다. 상기 토크성분 지령전류(
Figure pat00036
)는 상기 자속성분 지령전류(
Figure pat00037
)와 함께 전류 제어기(2)에 인가된다.
그러면, 상기 전류제어기(2)는 토크성분 지령전류(
Figure pat00038
)와 자속성분 지령전류(
Figure pat00039
) 및 영구자석형 동기전동기(5)의 회전자의 위치(
Figure pat00040
)로부터 상전압 지령치(
Figure pat00041
)를 출력한다. 이렇게 출력된 상전압 지령치 (
Figure pat00042
)에 따라 SV PWM 인버터(3)가 영구자석형 동기전동기(5)를 구동시킨다.
이와 같이 본 발명의 가변이득 비례적분 제어기(1)는 영구자석형 동기전동기(5)의 작동상태에 따라 ALM-FNN 제어기를 통해 비례적분 제어기(6)의 이득값을 조절하여 최적의 토크성분 지령전류(
Figure pat00043
)를 계산하므로 이를 이용하는 전동기의 속도 제어시스템은 고성능 시스템 제어가 가능하며, 본 발명은 다른 유형의 전동기에도 쉽게 적용할 수 있다.
이상에서 실시예를 토대로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하고 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능하다. 따라서 위의 기재 내용에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 아니한다.
또한, 본 발명의 상세한 설명과 특허등록청구범위에 기재된 도면부호는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해서 참고로 부기한 것으로, 본 발명은 도면상의 형태로 한정되지 아니한다.
본 발명은 영구자석형 동기전동기는 물론 다른 유형의 전동기에도 쉽게 적용할 수 있어 공장자동화시스템과 전기자동차 등에 널리 활용될 수 있다.
1: 가변이득 비례적분 제어기(Proportional-Integral Controller)
2: 전류제어기(Current Controller)
3: SV PWM 인버터(Space Vector Pulse Width Modulation Inverter)
4: ANN(Artificial Neural Network)
5: 영구자석형 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)
6: 비례적분 제어기(Proportional-Integral Controller)
7: 속도 측정기
8: 적분기
9: ALM(Adaptive Learning Machanism)
10: FNN 제어기(Fuzzy Neural Network Controller)

Claims (4)

  1. 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템에 있어서,
    영구자석형 동기전동기(5)의 속도를 도출하여 가변이득 비례적분 제어기(1)에 입력하는 ANN(4),
    지령속도(
    Figure pat00044
    )와 상기 영구자석형 동기전동기(5)의 속도(
    Figure pat00045
    )와의 오차에 따라 속도 제어에 필요한 토크성분 지령전류(
    Figure pat00046
    )를 출력하는 가변이득 비례적분 제어기(1),
    상기 토크성분의 지령전류(
    Figure pat00047
    ), 자속성분의 지령전류(
    Figure pat00048
    ) 및 영구자석형 동기전동기(5)의 회전자의 위치(
    Figure pat00049
    )를 입력받아 상전압 지령치(
    Figure pat00050
    )를 출력하는 전류제어기(2),
    상기 상전압 지령치(
    Figure pat00051
    )를 입력받아 상기 영구자석형 동기전동기(5)를 구동하는 SV PWM 인버터(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가변이득 비례적분 제어기(1)는
    적응제어기와 학습메카니즘을 연결한 ALM(9)과, 퍼지제어기와 신경회로망을 연결한 FNN 제어기(10)를 조합한 ALM-FNN 제어기와,
    비례적분 제어기(6)를
    병렬로 연결한 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템
  3. 영구자석형 동기전동기의 속도 제어방법에 있어서,
    영구자석형 동기전동기의 속도 제어시스템에 가변이득 비례적분 제어기(1)를 설치하여,
    상기 가변이득 비례적분 제어기(1)가 지령속도(
    Figure pat00052
    )와 영구자석형 동기전동기(5)의 속도(
    Figure pat00053
    )와의 오차(
    Figure pat00054
    )로부터 토크성분 지령전류(
    Figure pat00055
    )를 출력하여,
    상기 토크성분 지령전류(
    Figure pat00056
    )를 자속성분 지령전류(
    Figure pat00057
    )와 함께 전류 제어기(2)에 인가시키고,
    상기 전류제어기(2)는 토크성분 지령전류(
    Figure pat00058
    )와 자속성분 지령전류(
    Figure pat00059
    ), 및 영구자석형 동기전동기(5)의 회전자의 위치(
    Figure pat00060
    )로부터 상전압 지령치(
    Figure pat00061
    )를 출력하며,
    SV PWM 인버터(3)가 상기 출력된 상전압 지령치 (
    Figure pat00062
    )에 따라 영구자석형 동기전동기(5)를 구동시키는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기전동기의 속도 제어방법
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가변이득 비례적분 제어기(1)는 적응제어와 학습 메카니즘을 연결한 ALM(9)과, 퍼지제어와 신경회로망을 연결한 FNN 제어기(10)를 조합한 ALM-FNN 제어기에 의하여 비례적분 제어기의 이득값 변화값(
    Figure pat00063
    )을 출력하고,
    상기 이득값 변화값(
    Figure pat00064
    )에 의해 비례적분 제어기의 이득값(
    Figure pat00065
    )을 조절하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기전동기의 속도 제어방법
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