KR20150144440A - 전동기의 센서리스 제어 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전동기의 초고속 영역에서 센서리스 제어를 안정적으로 하기 위해 역기전력 관측기에 철손을 고려한 모델을 추가하여 손실을 고려한 정확한 전기각 오차를 구해 초고속 구동 영역에서 센서리스 제어가 가능하도록 한 전동기의 센서리스 제어 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예는, 역기전력 관측기와 위상 고정 루프 제어기를 구비하여 수행되는 전동기의 센서리스 제어 방법에 있어서, 역기전력 관측기를 통해 전동기의 역기전력을 추정하는 단계; 상기 추정된 역기전력을 기초로 철손을 고려한 각도 오차를 산출하는 단계; 상기 산출된 각도 오차를 보정하여 보정된 각도 오차를 상기 위상 고정 루프 제어기에 입력하여 상기 위상 고정 루프 제어기가 상기 철손에 의한 각도 오차를 줄여 실제 각도를 추정하고, 추정된 각도를 토대로 상기 전동기를 제어하도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 전동기의 센서리스 제어 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 전동기의 초고속 영역에서 센서리스 제어를 안정적으로 하기 위해 역기전력 관측기에 철손을 고려한 모델을 추가하여 손실을 고려한 정확한 전기각 오차를 구해 초고속 구동 영역에서 센서리스 제어가 가능하도록 한 전동기의 센서리스 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 전동식 터보차져에 적용되는 전동기(motor)는 그 특성상 크기가 매우 작아 손실의 영향이 크다.
따라서, 기존 전동기의 센서리스 제어 방식을 사용할 때, 초고속 영역에서 전기각의 오차가 커져 정확한 각도에 의한 모터 구동 제어를 할 수가 없어 제어가 불가능한 상황이 발생할 수 있다.
예를 들면, 일반적인 영구자석 전동기의 제어기를 개념적으로 도시한 도 1을 참조하면, 종래의 역기전력을 기반으로 한 영구자석 전동기의 센서리스 방법은, 측정한 상전류와, 이로부터 추정한 d, q축 전압, 전류 지령치를 사용하여 역기전력을 관측하고 이로부터 각도 오차()를 얻는다.
얻어진 각도 오차를 0으로 만들기 위해 위상 고정 루프 제어기를 사용한다. 각도 오차를 없앤 위상 고정 루프 제어기의 결과로 얻은 추정된 각속도 추정치 정보를 전동기 벡터 제어에 사용한다.
정확한 각도 오차를 얻기 위해서 역기전력 관측이 중요한데, 이는 전동기 모델로부터 얻어진다. 일반적으로 철손을 고려하지 않은 전동기 모델이 사용되고, 이는 철손이 매우 큰 초고속 전동기 제어에는 적합하지 않다. 따라서 철손을 고려하지 않은 센서리스 제어는 초고속 전동기 제어에서 큰 각도 오차를 유발한다. 큰 각도 오차 정보로 인한 센서리스 제어는 제어의 불안정성을 유발해 약 50,000rpm 이상의 초고속 영역에서 제어가 불가능하다는 단점을 갖는다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 전동기의 초고속 영역에서 센서리스 제어를 안정적으로 하기 위해 역기전력 관측기에 철손을 고려한 모델을 추가하여 손실을 고려한 정확한 전기각 오차를 구해 초고속 구동 영역에서 센서리스 제어가 가능하도록 한 전동기의 센서리스 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 전동기의 센서리스 제어 방법에서 역기전력 관측기에 철손을 고려하고, 철손을 고려한 모델로부터 수정된 역기전력을 구하여 보다 정확한 각도 오차를 구하여 이를 제어에 활용할 수 있는 전동기의 센서리스 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 전동기의 센서리스 제어 방법은, 역기전력 관측기와 위상 고정 루프 제어기를 구비하여 수행되는 전동기의 센서리스 제어 방법에 있어서, 역기전력 관측기를 통해 전동기의 역기전력을 추정하는 단계; 상기 추정된 역기전력을 기초로 철손을 고려한 각도 오차를 산출하는 단계; 상기 산출된 각도 오차를 보정하여 보정된 각도 오차를 상기 위상 고정 루프 제어기에 입력하여 상기 위상 고정 루프 제어기가 상기 철손에 의한 각도 오차를 줄여 실제 각도를 추정하고, 추정된 각도를 토대로 상기 전동기를 제어하도록 하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 전동기의 센서리스 제어 시스템은, 영구자석 전동기를 센서리스 제어하는 시스템에 있어서, 상기 전동기의 역기전력을 추정하기 위한 역기전력 관측기; 상기 추정된 역기전력을 기초로 철손을 고려한 각도 오차를 산출하는 각도 오차 산출기; 상기 산출된 각도 오차를 보정하기 위한 각도 오차 보상기; 및 상기 보정된 각도 오차를 입력받아 상기 철손에 의한 각도 오차를 줄여 실제 각도를 추정하고, 추정된 각도를 토대로 상기 전동기의 각속도 추정치로서 센서리스 제어 결과 신호를 출력하는 위상 고정 루프 제어기;를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 전동기의 초고속 영역에서 센서리스 제어를 안정적으로 하기 위해 역기전력 관측기에 철손을 고려한 모델을 추가하여 손실을 고려한 정확한 전기각 오차를 구해 초고속 구동 영역에서 센서리스 제어가 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전동기의 센서리스 제어 방법에서 역기전력 관측기에 철손을 고려하고, 철손을 고려한 모델로부터 수정된 역기전력을 구하여 보다 정확한 각도 오차를 구하여 이를 제어에 활용함으로써 초고속 영역에서 전동기의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일반적인 영구자석 전동기의 제어기를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 영구자석 전동기의 철손을 고려했을 때의 전동기 모델과 철손을 고려하지 않았을 때의 전동기 모델을 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전동기 전압 방정식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 종래기술에 따른 역기전력 관측기와 본 발명의 실시예에 따른 역기전력 관측기의 내부 로직 구성을 비교한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법의 흐름도이다.
도 4는 영구자석 전동기의 철손을 고려했을 때의 전동기 모델과 철손을 고려하지 않았을 때의 전동기 모델을 비교한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전동기 전압 방정식을 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 종래기술에 따른 역기전력 관측기와 본 발명의 실시예에 따른 역기전력 관측기의 내부 로직 구성을 비교한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 시스템을 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 시스템은, 영구자석 전동기(10)의 역기전력을 추정하기 위한 역기전력 관측기(110)와; 상기 추정된 역기전력을 기초로 철손을 고려한 각도 오차를 산출하는 각도 오차 산출기(120); 상기 산출된 각도 오차를 보정하기 위한 각도 오차 보상기(130); 및 상기 보정된 각도 오차를 입력받아 상기 철손에 의한 각도 오차를 줄여 실제 각도를 추정하고, 추정된 각도를 토대로 상기 전동기의 각속도 추정치로서 센서리스 제어 결과 신호를 출력하는 위상 고정 루프 제어기(150);를 포함할 수 있다.
도 2에 표시된 각종 부호의 정의는 아래의 표1와 같다.
[표1]
본 발명의 실시예에 적용되는 영구자석 전동기(모터)는, 예를 들어 자동차의 전동식 터보차져에 적용되는 초고속 영구자석 전동기이지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정되는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 시스템은, 상기 역기전력 관측기(110), 각도 오차 산출기(120), 각도 오차 보상기(130), 및 위상 고정 루프 제어기(150) 이외에, 도 1에 도시한 기존의 시스템에서처럼 약자속 제어기(11), d축 전류 제어기(13), 백터 제어기(15), 인버터(17), 속도 제어기(23), q축 전류 제어기(25), 3상 2상 변환기(21)를 포함할 수 있다.
기존의 시스템에 포함되는 것과 동일한 약자속 제어기(11), d축 전류 제어기(13), 백터 제어기(15), 인버터(17), 속도 제어기(23), q축 전류 제어기(25), 3상 2상 변환기(21)는, 당업자에게 자명한 것들이므로 본 명세서에서 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 역기전력 관측기(110)는 전동기(10)의 역기전력을 추정하고(S100), 각도 오차 산출기(120)은 철손으로 인한 각도 오차()를 산출한다(S200).
상기와 같이 오차()를 보정하면, 전동기(10)의 철손에 의한 각도 오차를 줄여 실제 각도를 추정할 수 있고(S400), 이를 토대로 전동기(10)를 초고속 영역에서 센서리스 제어할 수 있다(S500)
도 4는 영구자석 전동기의 철손을 고려했을 때의 전동기 모델과, 철손을 고려하지 않았을 때의 전동기 모델을 비교한 도면이다. 즉, 영구자석 전동기(10)의 철손을 고려한 전동기 모델은 본 발명의 실시예에 따른 것이고, 철손을 고려하지 않았을 때의 전동기 모델은 종래기술에 따른 것이다. 도 4에 표시된 부호의 정의는 아래 표2와 같다.
[표2]
본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기(10)의 철손에 대한 영향을 판단하기 위해서는 기존 전동기에서의 영향을 살펴봐야 한다.
도 4는 철손을 고려하지 않은 전동기의 d축, q축 모델과, 철손을 고려한 전동기의 d축, q축 모델을 도시한 것이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 철손은 저항 Ri로 등가화되었고, 전동기 인덕터와 병렬로 연결되어 있다. 이로 인해 전동기 모델이 달라지고 철손을 고려하지 않은 모델 기반 센서리스 제어 방법으로는 정확한 각도를 측정할 수 없다.
철손(Piron)은 히스테리시스 손실(Ph)과 와전류 손실(Ped)로 나눌 수 있다. 히스테리시스 손실은 전동기에 인가하는 전류의 주파수에 비례하고 와전류 손실은 주파수의 제곱에 비례한다. 초고속 전동기의 경우 인가하는 전류의 주파수가 일반적인 고속 전동기의 2배 이상이 되기 때문에 철손은 4배 이상이 된다. 따라서 초고속 전동기를 제어하기 위해서는 본 발명의 실시예에서와 같이 철손을 반드시 고려해야 한다.
도 5는 정확한 축과 틀어진 축에서 각각 전동기의 전압 방정식을 설명하기 위해 도시한 그래프이다.
종래기술에 따른 정확한 축에서 전동기의 전압 방정식은 아래 공식(a)와 같고, 철손을 고려한 본 발명의 실시예에 따른 전압 방정식은 아래 공식(b)와 같을 수 있다.
전동기(10)의 철손을 고려하면 전동기의 전압 방정식도 위와 같이 달라지게 된다.
실제 전동기(10)의 d, q축은 알 수 없기 때문에 추정된 d, q축인 축을 사용해야 하고 유도된 전압 방정식, 즉 틀어진 축에서의 전동기 전압 방정식은 아래 공식(c), (d)와 같다. 아래 공식(c)는 철손을 고려하지 않은 종래기술에 따른 전동기 전압 방정식이고, 아래 공식(d)는 철손을 고려한 본 발명의 실시예에 따른 전동기 전압 방정식이다.
도 6은 전동기의 철손을 고려하지 않은 종래기술에 따른 역기전력 관측기(110A)의 내부 로직과, 전동기의 철손을 고려한 본 발명의 실시예에 따른 역기전력 관측기(110)의 내부 로직을 각각 도시한 도면이다.
전동기(10)의 철손을 고려하면, 역기전력 관측기의 역기전력 식(공식(e),(f))이 다르기 때문에 역기전력 관측기의 내부 로직 역시 수정이 필요하다. 공식(e)는 종래기술에 따른 역기전력 식이고, 공식(f)는 본 발명의 실시예에 따른 공식이다.
종래기술에 따른 역기전력 관측기(110A)를 사용하면 역기전력 관측이 제대로 이루어지지 않고 각도 오차를 유발할 수 있다.
도 2를 참조하면, 역기전력 관측기(110)가 역기전력을 정확하게 추정하여 각도 오차를 산출해도, 철손을 고려하면 아래 공식(h)에서와 같이 만큼의 각도 오차가 추가로 생긴다. 공식(g)는 철손을 고려하지 않은 종래기술에 따른 각도 오차 공식이다. 종래기술에 따른 각도 오차 공식에서는 철손을 고려하지 않기 때문에 추가 오차()가 없음을 알 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 전동기의 초고속 영역에서 센서리스 제어를 안정적으로 하기 위해 역기전력 관측기에 철손을 고려한 모델을 추가하여 손실을 고려한 정확한 전기각 오차를 구해 초고속 구동 영역에서 센서리스 제어가 가능하게 할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 전동기의 센서리스 제어 방법에서 역기전력 관측기에 철손을 고려하고, 철손을 고려한 모델로부터 수정된 역기전력을 구하여 보다 정확한 각도 오차를 구하여 이를 제어에 활용함으로써 초고속 영역에서 전동기의 성능을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 구체적으로 아래와 같은 이점들을 얻을 수 있다.
안정성 확보: 초고속 영역(50,000rpm 이상 구동 영역)에서 전동기 구동시 고속 작동으로 인해 커지는 손실 및 전기각 오차에 의해 불안정 또는 구동 불가능한 영역을 정확한 각도 추정으로 안정되게 벡터 제어가 가능하다.
효율 증대: 손실 저항을 통해 역기전력의 효율적인 사용을 통해 전동기에 공급되는 전기적인 부담을 감소시킬 수 있다. 이를 통한 초고속 전동기 시스템 전체의 효율을 높일 수 있다.
운전 영역 확대: 정확한 각도 계산을 통한 센서리스 제어로 100,000rpm 이상의 초고속 영역까지도 구동 영역을 확대시킬 수 있다. (종래기술로는 50,000rpm 이상 구동이 어렵다)
성능 개선: 각도 정보를 바탕으로 d축, q축 전류/전압 제어의 효율성을 높여 동일 구동 영역에서의 성능 개선(모터 토크 및 출력)이 가능하다.
지금까지 본 발명의 실시예를 터보 차저용 영구자석 전동기와 관련하여 설명하였지만, 본 발명의 실시예는 마이크로 터빈 발전기용 초고속 모터, 원심 압축기용 초고속 모터, 및 펌프용 초고속 모터 등에도 적용 가능함은 물론이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 전동기\
110: 역기전력 관측기
120: 각도 오차 산출기
130: 각도 오차 보상기
150: 위상 고정 루프 제어기
110: 역기전력 관측기
120: 각도 오차 산출기
130: 각도 오차 보상기
150: 위상 고정 루프 제어기
Claims (8)
- 역기전력 관측기와 위상 고정 루프 제어기를 구비하여 수행되는 전동기의 센서리스 제어 방법에 있어서,
역기전력 관측기를 통해 전동기의 역기전력을 추정하는 단계;
상기 추정된 역기전력을 기초로 철손을 고려한 각도 오차를 산출하는 단계;
상기 산출된 각도 오차를 보정하여 보정된 각도 오차를 상기 위상 고정 루프 제어기에 입력하여 상기 위상 고정 루프 제어기가 상기 철손에 의한 각도 오차를 줄여 실제 각도를 추정하고, 추정된 각도를 토대로 상기 전동기를 제어하도록 하는 단계;
를 포함하는 전동기의 센서리스 제어 방법.
- 영구자석 전동기를 센서리스 제어하는 시스템에 있어서,
상기 전동기의 역기전력을 추정하기 위한 역기전력 관측기;
상기 추정된 역기전력을 기초로 철손을 고려한 각도 오차를 산출하는 각도 오차 산출기;
상기 산출된 각도 오차를 보정하기 위한 각도 오차 보상기; 및
상기 보정된 각도 오차를 입력받아 상기 철손에 의한 각도 오차를 줄여 실제 각도를 추정하고, 추정된 각도를 토대로 상기 전동기의 각속도 추정치로서 센서리스 제어 결과 신호를 출력하는 위상 고정 루프 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기의 센서리스 제어 시스템.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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