KR20140083386A - 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기 및 그 동작 방법 - Google Patents

잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기 및 그 동작 방법 Download PDF

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Abstract

계속적으로 영향을 미치는 잡음과 외란를 고려하여 역기전력 관측기 내 시뮬레이션되는 추정 전류에 오차를 이용하여 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 모터로 인가되는 제어 입력에 전향 보상함으로써, 전체 시스템의 외란으로 작용하는 역기전력의 성분을 제거할 수 있다.
이와 같은 역기전력 추정 방법은 기존의 방법에 비해 파라미터 불확실성과 측정 잡음에 강인하기 때문에 역기전력 추정 성능 향상하며, 즉, 모터(IPMSM)의 제어 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기 및 그 동작 방법{observation device of counter electromotive force strong for noise and disturbance and method thereof}
본 발명은 차량용 모터의 전류 제어에 관한 것으로, 특히 모터에 인가되는 전류에 역기전력을 잔향 보상하는 방법에 관한 것이다.
매입형 영구자석 모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)는 넓은 운전 영역에 걸쳐서 높은 효율을 유지하는 특성으로 인해 고효율 운전이 요구되는 응용 분야에 많이 사용되고 있다. IPMSM의 수학적 모델을 위해 회전자의 전기 각속도
Figure pat00001
로 회전하는 d-q 동기좌표계가 사용된다.
d-q 변환을 사용하면 3상 교류 전압 및 전류가 동기좌표계의 직류 전압
Figure pat00002
과 직류 전류
Figure pat00003
로 변환되며, 모델식은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
위 식에서
Figure pat00005
는 고정자의 저항과 인덕턴스이고,
Figure pat00006
는 회전자 자속을 나타낸다. 그리고,
Figure pat00007
은 모터의 기계각속도이며,
Figure pat00008
는 각각 모터 극수, 관성 모멘트, 마찰 계수, 부하토크를 나타낸다.
구체적으로, 인버터의 구성은 도 1에 예시된 바와 같이 전류맵, PI 전류 제어기, 적분기, 속도/토크 추정기 및 역기전력 계산기로 구성된다.
전류맵은 모터 온도, DC 링크 전압, 속도 가변 시 지령 토크를 발생하기 위한 전류 지령을 생성한다. 전류맵은 실험을 통해 룩 업 테이블로 구성된다.
PI 전류 제어기는 전류맵에서 생성한 지령 전류를 추종하도록 인버터의 출력 전압을 생성하여 모터에 인가한다.
적분기는 모터 속도를 각도로 변환하며, 속도/토크 추정기는 모터의 속도 및 토크를 추정한다. 이때, 속도/토크 추정기는 PI 관측기를 사용한다.
역기전력 계산기는 속력/토크 추정기에 의해 추정되는 속도와 모터의 전압 모델식에서의 역기전력성분식을 이용하여 역기전력 전향 보상을 위한 역기전력을 계산한다.
동기좌표계 PI 전류 제어기는 교류 전류를 동기좌표계 상에서 직류량으로 변환하여 제어하므로, 정상 상태 오차가 발생하지 않는다. 또한, 비교적 간단한 구조로 우수한 성능을 얻을 수 있어 많은 교류 시스템에서 널리 사용된다. 하지만, 교류 시스템의 전류를 직류량으로 제어하더라도 동기좌표계에서 제어하게 되면, 수학식 2와 같이
Figure pat00009
및
Figure pat00010
의 역기전력 성분이 발생하게 된다.
Figure pat00011
이러한 역기전력 성분으로 인하여 실제 전동기의 전류를 궤한하여 폐루프 전류 제어를 하더라도 좋은 제어 특성을 얻기 힘들며, 고속인 경우에는 이러한 성뷴이 커지므로 전류 제어 성능에 큰 영향을 주게 된다.
이에 따라 역기전력 성분을 줄여 성능을 향상시키기 위해서는 도 1에 예시된 바와 같이 역기전력 계산기를 이용하여 역기전력을 계산하여 제어 입력에 전향 보상하는 방법이 주로 사용된다. 일반적인 전향 보상 성분은 도 1에 예시된 바와 같이, 속도/토크 추정기에서 추정한 속도를 이용하여 역기전력을 계산한다.
도 2의 (a)와 (b)는 역기전력 계산 시 순서도 및 상세 블록도 이다.
역기전력을 계산하기 위해서는 실제 전류와 추정 속도를 사용한다. 실제 전류는 인버터의 전류 센서로 센싱되는 전류값이며, 추정 속도는 속도/토크 관측기의 출력값이다 이러한 센싱 전류와 추정 속도를 수학식 2에 의거하여 역기전력이 계산되게 된다.
일반적인 역기전력 성분은 속도/토크 추정기에서 추정한 속도와 d축 와 q축 인덕턴스 및 영구자석 쇄교 자속을 이용하여 계산된다. 그러나, 추정한 속도 정보와 시스템 파라미터를 직접 사용하기 때문에 속도 추정 오차, 파라미터 변화, 모델링 오차와 같은 불확실성의 영향이 존재하는 경우, 계산된 역기전력은 실제와 큰 차이를 보인다. 즉, 전향 보상 시 이 오차로 인하여 외란으로 작용하는 역기전력 성분이 시스템에서 제거되지 않아 전류 제어 성능이 저하될 수 있다.
본 발명은 파라미터의 불확실성과 측정 잡음에 강인한 다중적분 PI 관측기를 기반으로 한 역기전력 보상 방법을 제공함을 목적으로 한다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기는 실제 전류와, 잡음이 포함된 전류를 이용하여 전류 오차를 구하는 제1 수단, 지령 전압과 추정 역기전력 및 상기 구해진 전류 오차를 이용하여 추정 전류를 획득하는 제2 수단, 상기 획득된 추정 전류와 상기 제1 단계에서 구해진 전류 오차를 이용하여 잡음이 포함된 전류를 연산하는 제3 수단, 상기 전류 오차를 이용하여 역기전력을 추정하는 제4 수단을 포함하며, 상기 제3 수단에서 구해진 상기 잡음이 포함된 전류는 상기 제1 수단으로 피드백되며, 상기 제 4 수단에서 추정된 상기 역기전력은 상기 제2 수단으로 피드백된다.
여기서, 상기 지령 전압은 차량용 인버터로부터 모터로 인가되는 제어 입력인 것이며, 상기 실제 전류는 상기 인버터의 전류 센서로 센싱되는 전류와 차량용 모터의 전압 모델의 상태 관측 방정식에 의해서 획득되는 것이다.
덧붙여, 상기 추정된 역기전력은 상기 제어 입력에 보상되어 상기 모터로 인가되는 것을 특징으로 하는 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기.
한편, 전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기의 동작 방법은 차량용 모터의 전압 모델의 상태 관측 방정식에 의해서 구해지는 실제 전류와, 잡음이 포함된 전류를 이용하여 전류 오차를 구하는 제1 단계, 상기 전류 오차를 이용하여 역기전력을 추정하는 제2 단계,를 포함하며, 차량용 인버터로부터 모터로 인가되는 제어 입력인 지령 전압과 상기 추정 역기전력 및 상기 전류 오차를 이용하여 추정 전류를 획득하는 단계, 및 상기 획득된 추정 전류와 상기 제1 단계에서 구해진 오차를 이용하여 잡음이 포함된 전류를 획득하여 상기 제1 단계로 피드백하는 단계를 더 포함한다.
계속적으로 영향을 미치는 잡음과 외란를 고려하여 역기전력 관측기 내 시뮬레이션되는 추정 전류에 오차를 이용하여 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 모터로 인가되는 제어 입력에 전향 보상함으로써, 전체 시스템의 외란으로 작용하는 역기전력의 성분을 제거할 수 있다.
이와 같은 역기전력 추정 방법은 기존의 방법에 비해 파라미터 불확실성과 측정 잡음에 강인하기 때문에 역기전력 추정 성능 향상하며, 즉, 모터(IPMSM)의 제어 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 IPMSM 전류 제어 시스템의 역기전력 계산 방법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래의 역기전력 계산 방법을 설명하기 위한 순서도 및 블록도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기를 포함한 전체 시스템 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 역기전력 관측기의 상세 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 역기전력 관측기의 동작 방법 흐름도.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기를 포함한 전체 시스템 블록도이다.
도시된 바와 같이, 역기전력 관측기(300)는 인버터(100)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있다. 인버터(100)는 전류맵, PI 전류 제어기, 적분기 및 속도/토크 추정기를 포함한다. 구체적으로, 전류맵은 모터 온도, DC 링크 전압, 속도 가변 시 지령 토크를 발생하기 위한 전류 지령을 생성한다. 전류맵은 실험을 통해 룩 업 테이블로 구성될 수 있다. PI 전류 제어기는 전류맵에서 생성한 지령 전류를 추종하도록 인버터의 출력 전압을 생성하여 모터에 인가한다. 적분기는 모터 속도를 각도로 변환하며, 속도/토크 추정기는 모터의 속도 및 토크를 추정한다.
여기서, 인버터(100) 내 PI 전류 제어기의 출력단에 역기전력 관측기(300)는 위치하여 모터(200)로 인가되는 지령 전압(
Figure pat00012
)을 획득할 수 있다. 또한, 역기전력 관측기(300)에서 추정된 역기전력(
Figure pat00013
)은 PI 전류 제어기로부터 출력되는 지령 전압(
Figure pat00014
)에 전향 보상되어 모터로 인가된다.
한편, 모터(200)는 전압 모델, 토크 모델 및 기계 모델로 구성될 수 있다. 이에 따라, 역기전력 관측기(300)는 인버터(100)의 전류 센서로 센싱한 전류와 모터(200)의 전압 모델의 상태 관측 방정식(수학식 3)를 이용하여 실제 전류(
Figure pat00015
)를 획득할 수 있다.
Figure pat00016
즉, 수학식 3에서 역기전력의 변화를 저주파 외란으로 간주하고 측정 잡음을 고려하여 다르게 표현한 수학식 4로 설계될 수 있으며, 이를 이용하여 실제 전류(
Figure pat00017
)를 획득할 수 있게 된다.
Figure pat00018
이후, 기존의 역기전력 관측기에 이용되는 수학식 5와 본 발명에 따른 역기전력 관측기를 설계하기 위한 수학식 6 내지 수학식 9을 이용하여 최종적으로 수학식 10과 같은 역기전력 관측기가 설계될 수 있다.
Figure pat00019
여기서, A는 시스템 행렬, B는 입력 행렬, C는 출력 행렬, N은 시스템의 불확실성 행렬, w는 측정 잡음, d는 미지의 외란이며, 일반적인 외란은 저주파이므로 d^&는 0으로 가정한다.
Figure pat00020
수학식 6은 외란 추정을 위해 L개의 적분기가 사용된 보조 시스템에 관한 식이다.
Figure pat00021
수학식 7은 측정 잡음의 영향을 감소시키기 위해 R개의 적분기를 사용한 보조 시스템에 관한 식이다.
Figure pat00022
수학식 8은 수학식 5 내지 수학식 7을 이용하여 설계된 최종 보조 시스템에 관한 식이다.
Figure pat00023
수학식 9는 수학식 5 내지 수학식 8을 이용한 역기전력 관측기 설계를 위한 시스템에 관한 식이다. 여기서,
Figure pat00024
은 관측기의 이득이다.
즉, 위의 수학식을 이용하여 역기전력 관측기(300)는 수학식 10과 같이 설계될 수 있다.
Figure pat00025
이하, 도 4의 본 발명에 따른 역기전력 관측기의 상세 블록도와 도 5의 본 발명에 따른 역기전력 관측기의 동작 방법 흐름도를 이용하여 역기전력 추정 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
역기전력 관측기(300)는 제1 수단(310), 제2 수단(320), 제3 수단(330), 및 제4 수단(340)를 포함한다.
먼저, 제1 수단(310)은 실제 전류(
Figure pat00026
)와 잡음이 포함된 전류(
Figure pat00027
) 간의 오차를 구한다(S100).
실제 전류(
Figure pat00028
)는 전체 시스템에 실제로 흐르는 전류로써, 인버터(100)로부터 인가되는 전류 외에도 잡음 및 외란이 포함된다. 또한, 잡음이 포함된 전류(
Figure pat00029
)는 역기전력 관측기(300) 내 모델링된 회로에서 시뮬레이션 되는 추정 전류(
Figure pat00030
) 에 잡음을 더해준 값으로써, 아래에서 설명되는 제3 수단에서 연산되어 피드백된 값이다.
제1 수단에서 오차가 구해지면, 제2 수단(320)은 인버터(100)에서 모터로 인가되는 지령 전압(
Figure pat00031
)과 단계 S100에서 구해진 오차 및 역기전력(
Figure pat00032
)을 이용하여 역기전력 관측기 내에 모델링된 회로에 흐르는 추정 전류(
Figure pat00033
)을 획득한다(S200).
그러나, 여기서 구해진 추정 전류(
Figure pat00034
)는 전체 시스템의 회로 상 실제로 발생하는 잡음이 포함되지 않은 값이기에, 제3 수단(330)을 이용하여 잡음을 더해주어 잡음이 포함된 전류(
Figure pat00035
)를 연산하며, 이 값은 다시 제1 수단으로 피드백된다(S300)(S400).
이후, 역기전력 관측기(300)의 제4 수단(340)은 제1 수단에서 구해진 오차를 이용하여 역기전력을 추정하게 된다(S500).
이렇게 구해진 역기전력(
Figure pat00036
)은 제2 수단으로 피드백되어 역기전력 관측기(300) 내 모델링 회로에 흐르는 추정 전류(
Figure pat00037
)를 구하는데 이용된다(S600).
기존에는 잡음을 더하지 않은 추정 전류(
Figure pat00038
)만을 제2 수단으로 피드백함으로써, 잡음에 의한 오차가 추정되는 역기전력값에도 영향을 미쳤다.
즉, 폐루프 회로를 가지는 역기전력 관측기(300)에 오차가 누적된 상태로 역기전력이 추정되어 실제 역기전력과 추정된 역기전력의 오차값은 더욱더 커지게 된다.
그러나, 위와 같이 계속적으로 영향을 미치는 잡음과 외란를 고려하여 역기전력 관측기 내 시뮬레이션되는 추정 전류에 오차를 이용하여 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 모터(200)로 인가되는 제어 입력에 전향 보상함으로써, 전체 시스템의 외란으로 작용하는 역기전력의 성분을 제거할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 인버터 200 : 모터
300 : 역기전력 관측기 310 : 제1 수단
320 : 제2 수단 330 : 제3 수단
340 : 제4 수단

Claims (5)

  1. 실제 전류와, 잡음이 포함된 전류를 이용하여 전류 오차를 구하는 제1 수단;
    지령 전압과 추정 역기전력 및 구해진 상기 전류 오차를 이용하여 추정 전류를 획득하는 제2 수단;
    상기 획득된 추정 전류와 상기 제1 단계에서 구해진 상기 전류 오차를 이용하여 잡음이 포함된 전류를 연산하는 제3 수단;
    상기 전류 오차를 이용하여 역기전력을 추정하는 제4 수단;을 포함하며,
    상기 제3 수단에서 구해진 상기 잡음이 포함된 전류는 상기 제1 수단으로 피드백되며, 상기 제 4 수단에서 추정된 상기 역기전력은 상기 제2 수단으로 피드백되는 것을 특징으로 하는 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지령 전압은 차량용 인버터로부터 모터로 인가되는 제어 입력인 것을 특징으로 하는 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실제 전류는 상기 인버터의 전류 센서로 센싱되는 전류와 차량용 모터의 전압 모델의 상태 관측 방정식에 의해서 획득되는 것을 특징으로 하는 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 추정된 역기전력은 상기 제어 입력에 보상되어 상기 모터로 인가되는 것을 특징으로 하는 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기.
  5. 차량용 모터의 전압 모델의 상태 관측 방정식에 의해서 구해지는 실제 전류와, 잡음이 포함된 전류를 이용하여 전류 오차를 구하는 제1 단계;
    상기 전류 오차를 이용하여 역기전력을 추정하는 제2 단계;
    를 포함하며,
    차량용 인버터로부터 상기 모터로 인가되는 제어 입력인 지령 전압과 상기 추정 역기전력 및 상기 전류 오차를 이용하여 추정 전류를 획득하는 단계; 및
    상기 획득된 추정 전류와 상기 제1 단계에서 구해진 상기 전류 오차를 이용하여 잡음이 포함된 전류를 획득하여 상기 제1 단계로 피드백하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잡음 및 외란에 강인한 역기전력 관측기의 동작 방법.
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