KR20190036667A - Motor Speed Estimation Apparatus and Motor Speed Estimation Method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전동기의 속도 추정 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for estimating the speed of an electric motor.
가스터빈 등의 발전기가 최초 기동시 전동기로서 기능 할 때 전동기의 속도/토크 제어를 위해 정지형 주파수 컨버터(SFC: Static Frequency Converter)와 같은 전동기 구동장치를 사용하게 된다. 전동기의 속도 제어 성능을 확보하기 위해서는 전동기의 회전 속도 정보가 필수적으로 요구되며, 이를 위해, 회전자의 위치 검출기 또는 속도 검출기가 필수적으로 요구된다. 하지만, 가스터빈 발전기와 같은 시스템의 경우 열악한 환경 조건, 전동기 축 방향 길이 증가에 따른 진동, 지속적인 센서의 유지 보수 등의 문제로 인해 위치 검출기나 속도 검출기의 사용이 제한된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 위치 검출기나 속도 검출기가 없는 제어 즉 센서리스(sensorless) 제어에 대한 연구가 진행되고 있다. When a generator such as a gas turbine functions as an electric motor at the initial start-up, a motor drive device such as a static frequency converter (SFC) is used for speed / torque control of the electric motor. In order to secure the speed control performance of the motor, information on the rotational speed of the motor is indispensably required. For this purpose, a position detector or a speed detector of the rotor is indispensably required. However, in the case of a system such as a gas turbine generator, the use of a position detector or a speed detector is limited due to poor environmental conditions, vibration due to an increase in the axial length of the motor, and maintenance of the sensor continuously. In order to solve such a problem, there is a research on a sensorless control without a position detector or a speed detector.
종래의 전동기의 센서리스 제어 방식은 주로 전동기 모델 기반의 전압모델을 이용하는 방식, 상태 추정기를 사용하는 방식, 모델기준 제어기를 사용하는 방식 등이 있다. 이러한 방식은 전동기의 제정수를 이용해 역기전력을 추정하는 방식으로, 역기전력이 측정잡음 또는 인버터에 의해 발생하는 전압 오차를 무시할 만큼 커졌을 때 즉 전동기의 운전 속도가 상승하였을 때는 비교적 좋은 성능을 얻을 수 있지만, 전동기의 운전 속도가 낮을 때에는 좋은 성능을 얻기 어렵다. 또한, 종래의 전동기 센서리스 제어 방식의 근본적인 문제점은 전동기 제정수에 대한 의존성이 크다는 것이다. 일반적으로 전동기의 경우 제작사가 전동기 제정수에 대한 정보를 제공하더라도 신뢰성을 기대하기가 어려우며, 특히 전동기의 제정수는 온도에 따라 변동을 하기 때문에 운전 환경이 열악할수록 전동기 제정수에 대한 신뢰성은 더욱 떨어지게 된다. 추가적으로 종래의 전동기의 센서리스 제어 방법은 속도 추정을 위해 유도전압 관측기와 같은 제어기의 이득(Gain)을 전동기의 특성에 따라 선정을 해주어야 하는 불편함을 가지고 있다. The sensorless control method of the conventional motor includes mainly a method using a voltage model based on an electric motor model, a method using a state estimator, and a method using a model reference controller. In this method, the counter electromotive force is estimated by using a predetermined number of electric motors. When the counter electromotive force is large enough to neglect the measurement noise or the voltage error caused by the inverter, that is, when the operation speed of the motor is increased, It is difficult to obtain good performance when the operation speed of the motor is low. In addition, the fundamental problem of the conventional motorless sensorless control method is that there is a great dependency on the number of motor built-ups. In general, in the case of an electric motor, it is difficult to expect reliability even if the manufacturer provides information on the number of electric motors established. In particular, since the number of electric motors varies depending on temperature, the worse the operating environment, do. In addition, in the conventional sensorless control method of the electric motor, it is inconvenient to select the gain of the controller such as the induction voltage observer according to the characteristics of the motor in order to estimate the speed.
이에 따라, 종래의 전동기의 센서리스 제어 방식은 전동기의 제정수 오차뿐만 아니라 제어기의 이득 선정에 대한 어려움을 가지고 있기 때문에 전동기 속도 추정시 신뢰성이 크게 떨어지는 문제점을 가지고 있다.Accordingly, the sensorless control method of the conventional motor has a problem that it is difficult to select the gain of the controller as well as the error of the set-up error of the motor.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 속도 추정이 가능한 전동기 속도 추정 장치 및 방법을 제공하는 데 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for estimating the speed of an electric motor using a filter characteristic of a low-pass filter.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 추정 장치는 전동기에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부; 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부; 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for estimating a motor speed, including: a voltage acquisition unit for acquiring a voltage input to an electric motor; A signal processing unit for converting the acquired voltage into a waveform for magnetic flux; A low pass filter for passing the converted magnetic flux waveform as an input signal; And an estimator for estimating the speed of the electric motor using the rate of decrease of the waveform size of the output signal after passing through the low-pass filter with respect to the input signal before passing through the low-pass filter.
신호 처리부는, 일례로, 전동기에 입력되는 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 DQ 변환부 및 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 자속 연산부를 구비한다.The signal processing unit includes, for example, a DQ conversion unit for converting the three-phase voltage input to the motor into a stationary coordinate system voltage by DQ conversion, and a magnetic flux calculation unit for integrating the stationary coordinate system voltage to calculate a stationary coordinate system magnetic flux.
추정부는, 일례로, 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 크기 계산부를 구비한다.The estimating unit includes, for example, a magnitude calculating unit for calculating magnitudes of waveforms before and after passage of the low-pass filter with respect to the stationary coordinate flux.
또한, 추정부는 상기 감소율과, 미리 설정된 전동기별 특성에 따른 축척 계수(Scale Factor)를 곱하여 전동기 속도를 추정할 수 있다.Also, the estimating unit may estimate the motor speed by multiplying the reduction rate by a scale factor according to a predetermined motor-specific characteristic.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전동기 속도 추정 방법은, 전동기에 입력되는 3상 전압을 취득하는 단계; 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 단계; 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 단계; 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 단계; 및 로우 패스 필터의 통과 전/후의 계산된 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a motor speed estimation method comprising: obtaining a three-phase voltage input to an electric motor; Converting the three-phase voltage into a stationary coordinate system voltage by DQ conversion; Integrating the stationary coordinate system voltage to calculate a stationary coordinate system magnetic flux; Calculating a magnitude of a waveform before and after passage of the low pass filter with respect to the stationary coordinate system magnetic flux; And estimating the speed of the electric motor by using the calculated reduction ratio of the waveform size before / after the passing of the low-pass filter.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전동기 속도 제어 시스템은, 외부 전원으로부터 전원을 입력받아 전동기를 구동하는 전동기 구동부; 전동기에 입력되는 전압을 입력신호로서 취득하여 전동기의 속도를 추정하는 속도 추정부; 및 전동기의 구동 속도를 제어하기 위해, 추정된 전동기의 속도 정보를 이용하여, 전동기 구동부를 제어하는 제어부를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided an electric motor speed control system including: a motor driving unit for receiving an electric power from an external power source to drive an electric motor; A speed estimator for obtaining a voltage input to the motor as an input signal and estimating a speed of the motor; And a control unit for controlling the motor driving unit using the estimated speed information of the electric motor to control the driving speed of the electric motor.
이때, 속도 추정부는, 일례로, 전동기에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부; 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부; 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함한다. In this case, the speed estimating unit may include, for example, a voltage obtaining unit for obtaining a voltage input to the motor; A signal processing unit for converting the acquired voltage into a waveform for magnetic flux; A low pass filter for passing the converted magnetic flux waveform as an input signal; And an estimator for estimating the speed of the electric motor using the rate of decrease of the waveform size of the output signal after passing through the low-pass filter with respect to the input signal before passing through the low-pass filter.
본 발명에 의하면, 전동기 속도 추정시, 전동기의 제정수 정보를 사용하지 않으며, 또한, 제어기의 이득 선정이 필요없이, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 신뢰성 있는 속도 추정이 가능하다.According to the present invention, it is possible to estimate the speed of the electric motor reliably by using the filter characteristics of the low-pass filter without using the enactment number information of the electric motor at the time of estimating the electric motor speed and without selecting the gain of the controller.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 추정 장치 및 구동 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 로우 패스 필터의 필터 특성을 설명하기 위한 도로서, (a)는 로우 패스 필터 통과 전의 입력 신호를 나타내는 그래프이고, (b)는 로우 패스 필터 통과 후의 출력 신호를 나타내는 그래프이다.
도 3은 입력신호의 주파수에 대한 크기 및 위상각을 나타내는 로우 패스 필터의 보드 선도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 다른 전동기 속도 추정 방법의 순서도를 나타낸다.
도 5는 로우 패스 필터를 이용한 속도 추정 원리를 설명하기 위한 도로서, (a)는 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호 파형과 전동기 속도를 나타내며, (b)는 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호 파형과 전동기 속도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 전동기 속도에 따른 자속 파형의 주파수 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 로우 패스 필터 통과 전/후의 파형 크기를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 시간에 따른 전동기의 실제 속도와 추정 속도를 비교하기 위한 그래프이다. FIG. 1 is a block diagram for explaining an electric motor speed estimating apparatus and a driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the characteristics of the filter of the low-pass filter, (a) is a graph showing the input signal before the low-pass filter passes, and (b) is a graph showing the output signal after passing through the low-
3 is a board diagram of the low-pass filter showing the magnitude and phase angle with respect to the frequency of the input signal.
4 is a flow chart of a motor speed estimation method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining the principle of speed estimation using a low-pass filter, in which FIG. 6A shows the input signal waveform before passing through the low-pass filter and the motor speed, It represents speed.
6 is a block diagram showing a configuration of a motor speed control system according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph for explaining a frequency change of the magnetic flux waveform according to the motor speed.
8 is a graph for explaining the waveform size before and after passing through the low-pass filter.
9 is a graph for comparing the actual speed and the estimated speed of the electric motor with respect to time.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the following description of the present invention, detailed description of known related arts will be omitted when it is determined that the gist of the present invention may be blurred.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Referring to the accompanying drawings, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 추정 장치 및 구동 장치를 설명하기 위한 구성도이다. FIG. 1 is a block diagram for explaining an electric motor speed estimating apparatus and a driving apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기 속도 추정 장치(100)는 전압 취득부(110), 신호 처리부(120), 로우패스필터(130) 및 추정부(140)를 포함할 수 있다. 1, the motor
먼저, 전압 취득부(110)는 전동기(10)에 입력되는 전압을 취득하는 구성이다. First, the
이때, 전동기(10)는 동기 전동기로서 가스터빈 발전기 등에 이용되는 3상 대형 전동기일 수 있다. 이러한 전동기의 회전 속도(N)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. At this time, the
여기서, f는 입력신호의 주파수를 의미하고, P는 전동기의 극수를 의미한다. Here, f denotes the frequency of the input signal, and P denotes the number of poles of the motor.
즉, 전동기의 회전 속도는 입력신호의 주파수에 따라 변화하는 것이다. 예를 들면, 전동기의 입력신호의 주파수가 증가한다는 것은 전동기의 회전속도가 증가하는 것을 의미한다. That is, the rotational speed of the electric motor changes according to the frequency of the input signal. For example, increasing the frequency of the input signal of the motor means that the rotation speed of the motor is increased.
신호 처리부(120)는 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 처리부이다. 일례로, 신호 처리부(120)는, 전동기(10)에 입력되는 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 DQ 변환부(123)와, 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 자속 연산부(126)를 구비할 수 있다. 여기서, 전압 정보를 자속으로 변경하는 이유는 저속에서는 전압 정보의 크기가 작기 때문에 적분을 통해 전압 정보 크기를 키워 저속에서도 크기의 변화를 감지하기 위한 것이다. The
로우 패스 필터(130)는 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 구성이다. The low-
일반적으로, 로우 패스 필터는 미리 설정된 특정 주파수 이하의 주파수 신호만을 통과시키는 필터로서 입/출력 신호의 급격한 변화를 막기 위한 용도로 이용된다. In general, a low-pass filter is a filter that passes only a frequency signal of a predetermined frequency or lower, and is used for preventing sudden change of input / output signals.
또한, 로우 패스 필터는, 도 2에 도시된 바와 같이, 입력신호의 주파수에 따라 출력 신호의 크기(Magnitude)가 변화하는 고유한 필터 특성을 갖는다. 구체적으로는 주파수 도메인에서 차단 주파수 미만의 주파수를 갖는 성분은 통과시키고 차단 주파수 이상의 주파수를 갖는 성분은 차단하게 된다. 그리고 이러한 특성을 시간 도메인에서 살펴보게 되면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호가 일정한 크기를 가지며 시간에 따라 주파수가 증가할 때, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호는 크기가 감소하게 되는 것을 확인할 수 있다. In addition, the low-pass filter has a unique filter characteristic in which the magnitude of the output signal changes according to the frequency of the input signal, as shown in Fig. Specifically, a component having a frequency lower than the cutoff frequency is passed in the frequency domain, and a component having a frequency higher than the cutoff frequency is cut off. 3 (a), when the input signal before passing through the low-pass filter has a certain magnitude and the frequency increases with time, as shown in FIG. 3 (b) As can be seen, the output signal after passing through the low pass filter is reduced in size.
본 발명에서는 전동기의 속도(즉, 회전속도)를 추정하는 데에 있어서, 입력신호의 주파수에 따라 출력신호의 크기를 변화시키는 로우 패스 필터의 고유한 필터 특성을 이용한다.In the present invention, the inherent filter characteristic of the low-pass filter that changes the magnitude of the output signal in accordance with the frequency of the input signal is used in estimating the speed (i.e., rotation speed) of the electric motor.
이어서, 추정부(140)는 로우 패스 필터(130) 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터(130) 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기(10)의 속도를 추정하는 구성이다. 일례로, 추정부(140)는, 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 크기 계산부(145)를 구비할 수 있다.The
또한, 추정부(140)는, 상기 파형 크기의 감소율과, 미리 설정된 전동기별 특성에 따른 축척 계수(Scale Factor)를 곱하여 전동기 속도를 보다 정확히 추정할 수 있다.In addition, the
한편, 전동기 구동장치(50)는 외부 전원으로부터 전원을 입력받아 전동기를 구동하는 구성으로서, 컨버터(51), 리액터(53) 및 인버터(55)를 구비하여 입력신호의 주파수를 변화시켜 전동기의 속도를 제어한다. 전동기 구동장치(50)는 공지된 구성이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다. The
이어서, 도 4를 이용하여 본 발명에 따른 전동기 속도 추정 방법을 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 다른 전동기 속도 추정 방법의 순서도를 나타낸다. Next, the method of estimating the electric motor speed according to the present invention will be described with reference to FIG. 4 is a flow chart of a motor speed estimation method according to an embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기 속도 추정 방법은, 먼저, 전압 취득부(110)를 통해 전동기에 입력되는 3상 전압을 취득한다(S10). As shown in FIG. 4, in the motor speed estimation method according to the present invention, first, a three-phase voltage input to the motor through the
이어서, 신호 처리부의 DQ 변환부(123)가 취득된 전동기 측 3상 전압(Va, Vb, Vc)을 DQ 변환하여 수학식 2와 같은 정지좌표계 전압(Vα, Vβ)으로 변환한다(S20). 이때, 정지좌표계 전압으로 변환하는 이유는 연산이 용이하도록 하기 위한 것이다.Then, the three-phase voltage, the
이어서, 정지좌표계 전압을 적분하여 수학식 3과 같은 정지좌표계 자속(λα, λβ)을 계산한다(S30). 여기서, 입력 신호의 왜란 저감을 위해 정지좌표계 전압을 적분한다. 전동기의 전압을 적분하게 되면 자속의 물리량으로 표현이 가능하다. 물론, 수학식 3과 같이 단순적분을 수행하게 되면 옵셋(Offset)이 발생하게 되지만 본 발명에서 중요한 부분은 신호의 주파수이므로 무시가 가능하다.Then, the integration of the stationary coordinate voltage calculates a stationary coordinate flux (λ α, λ β) such as Equation 3 (S30). Here, the stationary coordinate system voltage is integrated to reduce the disturbance of the input signal. When the voltage of the motor is integrated, it can be expressed by the physical quantity of the magnetic flux. Of course, if simple integration is performed as shown in Equation (3), an offset occurs. However, since an important part of the present invention is the frequency of a signal, it can be ignored.
이어서, 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 수학식 4와 같이 각각 계산한다(S40).Next, the magnitude of the waveform before and after passing the low-pass filter with respect to the stationary coordinate system magnetic flux is calculated as shown in Equation (4) (S40).
여기서, Magnitude필터전은, 로우 패스 필터 통과 전의 입력 신호(즉, 자속 파형)의 크기이며, Magnitude필터후는, 로우 패스 필터 통과 후의 출력 신호(즉, 자속 파형)의 크기이다. 또한, λαFilter 및 λβFilter는 로우 패스 필터 통과 후의 정지좌표계 자속이다. Here, the Magnitude filter before is the magnitude of the input signal (i.e., the magnetic flux waveform) before passing through the low pass filter, and the magnitude of the output signal (i.e., the magnetic flux waveform) after passing through the low pass filter after the Magnitude filter . In addition, λ αFilter And < RTI ID = 0.0 > lambda filter < / RTI > Stationary coordinate system flux.
이어서, 로우 패스 필터의 통과 전/후의 계산된 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정한다. 여기서, 상기 파형 크기의 감소율은 수학식 5와 같이 계산할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 입력신호의 주파수가 큰 경우, 즉 전동기의 회전속도가 빠른 경우에는 감소율이 상대적으로 크게 되고, 입력신호의 주파수가 작은 경우, 즉 전동기의 회전속도가 느린 경우에는 감소율이 상대적으로 작게 된다. Then, the speed of the electric motor is estimated by using the calculated reduction rate of the waveform size before / after passing the low-pass filter. Here, the reduction rate of the waveform size can be calculated as shown in Equation (5). As described above, when the frequency of the input signal is large, that is, when the rotation speed of the motor is high, the reduction rate is relatively large. When the frequency of the input signal is small, that is, when the rotation speed of the motor is low, .
여기서, 감소율은, 도 5의 (b)에서와 같이, 전동기 속도 그래프의 기울기와 대략 동일하다. 따라서, 본 발명에 의하면, 상기 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정할 수 있다.Here, the reduction rate is approximately the same as the slope of the motor speed graph, as shown in Fig. 5 (b). Therefore, according to the present invention, the speed of the electric motor can be estimated using the reduction rate.
다만, 전동기의 정격 속도는 전동기 극수와 같은 구조에 따라 전동기 별로 상이하기 때문에, 상기 감소율은 전동기 속도 그래프의 기울기와 미소한 오차가 발생할 수 있다. 이에 따라, 보다 정확한 전동기 속도를 연산하기 위해서는 전동기 정격속도에 맞는 스케일 팩터(Scale Factor: SF)를 곱해 주어야 한다. 스케일 팩터는 전동기 극수, 시스템의 관성, 전동기의 제정수(예로써, 저항, 인덕턴스 등) 등의 전동기 특성이 반영된 미리 설정된 값이다. 따라서, 보다 정확한 전동기의 정격 속도(ωrpm)는 수학식 6과 같이 계산할 수 있다. However, since the rated speed of the motor is different according to the motor, such as the number of poles of the motor, the reduction rate may cause a slight error in the slope of the motor speed graph. Accordingly, in order to calculate a more accurate motor speed, it is necessary to multiply the scale factor (SF) according to the rated speed of the motor. The scale factor is a preset value reflecting the motor characteristics such as the number of motor poles, the inertia of the system, and the number of times the motor is established (for example, resistance, inductance, etc.). Therefore, the more accurate rated speed ( rpm ) of the electric motor can be calculated as shown in Equation (6).
이와 같은, 본 발명에 의하면, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 신뢰성 있는 속도 추정이 가능하므로, 종래와 같이 별도의 전동기의 제정수 정보를 이용할 필요가 없으며, 또한, 별도의 제어기의 이득 선정이 필요없다. 뿐만 아니라, 본 발명은 비교적 취득이 용이한 전동기 전압정보만을 이용하기 때문에 강인한 제어 특성을 가질 수 있다. According to the present invention, it is possible to reliably estimate the speed of the electric motor using the filter characteristics of the low-pass filter, so that it is not necessary to use the number-of- No selection is required. In addition, since the present invention uses only motor voltage information that is relatively easy to acquire, it can have robust control characteristics.
이어서, 도 6을 이용하여 본 발명에 따른 전동기 속도 제어 시스템을 설명하기로 한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 속도 제어 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다. Next, the motor speed control system according to the present invention will be described with reference to FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a motor speed control system according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 전동기 속도 제어 시스템은 크게 전동기 구동부(210), 속도 추정부(220) 및 제어부(230)를 포함할 수 있다. 6, the motor speed control system may include a
전동기 구동부(210)는 외부 전원(30)으로부터 전원을 입력받아 전동기(10)를 구동하는 구성으로서, 컨버터(51), 리액터(53) 및 인버터(55)를 구비하여 입력신호의 주파수를 변화시켜 전동기의 속도를 제어한다. 전동기 구동부(210)는 도 1의 전동기 구동장치(50)에 대응하는 구성이다.The
속도 추정부(220)는 전동기에 입력되는 전압을 입력신호로서 취득하여 전동기의 속도를 추정하는 구성이다. 일례로, 속도 추정부(220)는, 도 1의 속도 추정 장치(100)와 같이, 전동기(10)에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부(110)와, 취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부(120)와, 변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터(130)와, 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 전동기의 속도를 추정하는 추정부(140)를 포함할 수 있다. The
이어서, 제어부(230)는 전동기의 구동 속도를 제어하기 위해, 속도 추정부(220)에서 추정된 전동기의 속도 정보를 이용하여, 전동기 구동부(210)를 제어한다. The
이와 같은 본 발명에 따른 전동기 속도 제어 시스템에 의하면, 속도 추정된 전동기의 회전 속도 정보를 피드백 정보로서 이용함으로써, 전동기의 속도를 효과적으로 제어할 수 있다. 뿐만 아니라, 전동기 속도 추정시, 전동기의 제정수 정보를 사용하지 않으며, 또한, 제어기의 이득 선정이 필요없이, 로우 패스 필터의 필터 특성을 이용하여 전동기의 신뢰성 있는 속도 추정이 가능하다.According to the motor speed control system of the present invention, the speed of the electric motor can be effectively controlled by using the rotational speed information of the estimated electric motor as the feedback information. In addition, when estimating the motor speed, it is possible to reliably estimate the speed of the motor by using the filter characteristics of the low-pass filter without using the information on the number of times the motor is established and without selecting the gain of the controller.
이어서, 도 7 내지 도 9를 이용하여, 본 발명에 따른 전동기의 속도 추정 결과를 설명하기로 한다. 도 7은 전동기 속도에 따른 자속 파형의 주파수 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 도 8은 로우 패스 필터 통과 전/후의 파형 크기를 설명하기 위한 그래프이다. 도 9는 시간에 따른 전동기의 실제 속도와 추정 속도를 비교하기 위한 그래프이다. Next, the speed estimation results of the electric motor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 7 to 9. FIG. 7 is a graph for explaining a frequency change of the magnetic flux waveform according to the motor speed. 8 is a graph for explaining the waveform size before and after passing through the low-pass filter. 9 is a graph for comparing the actual speed and the estimated speed of the electric motor with respect to time.
먼저, 도 7에서와 같이, 전동기의 속도가 증가함에 따라 입력신호로서 자속(즉 전압) 파형의 주파수가 증가한다. 즉, 전동기의 회전 속도와 자속(즉, 전압)의 주파수는 비례관계임을 알 수 있다. First, as shown in FIG. 7, as the speed of the motor increases, the frequency of the magnetic flux (i.e., voltage) waveform increases as an input signal. That is, it can be seen that the rotational speed of the electric motor and the frequency of the magnetic flux (i.e., voltage) are in a proportional relationship.
이어서, 도 8에서와 같이, 로우 패스 필터를 통과하기 전의 입력 파형(즉, 정지좌표계의 자속)(Magnitude 파형)은 크기가 일정하다. 또한, 로우 패스 필터를 통과한 출력 파형(Magnitude LPF 파형)은 주파수가 증가함에 따라 크기가 감소한다. 이에 따라, 로우 패스 필터 통과 전의 입력 신호에 대한 로우 패스 필터 통과 후의 출력 신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여 전동기의 속도를 추정하게 된다.Next, as shown in Fig. 8, the input waveform before passing through the low-pass filter (i.e., the magnetic flux of the stationary coordinate system) (magnitude waveform) is constant in size. Also, the output waveform (magnitude LPF waveform) passing through the low-pass filter decreases in size as the frequency increases. Accordingly, the speed of the motor is estimated by using the reduction rate of the waveform size of the output signal after passing through the low-pass filter with respect to the input signal before passing through the low-pass filter.
이와 같이, 전동기의 속도를 추정한 결과, 도 9에서와 같이, 추정 속도가 실제 속도와 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. Thus, as a result of estimating the speed of the electric motor, the estimated speed is very similar to the actual speed as shown in FIG.
본 발명에 따른 전동기 속도 추정 장치 및 방법은 가스터빈 등의 발전기가 최초 기동시 전동기로서 기능 할 때 전동기의 속도를 추정하는 기술에 이용될 수 있다. The apparatus and method for estimating the electric motor speed according to the present invention can be used in a technique for estimating the speed of an electric motor when a generator such as a gas turbine functions as an electric motor at the time of initial start-up.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.
10: 전동기
30: 전원
50: 전동기 구동장치
100: 속도 추정 장치
110: 전압 취득부
120: 신호 처리부
123: DQ 변환부
126: 자속 연산부
130: 로우 패스 필터
140: 추정부
145: 크기 계산부10: electric motor 30: power source
50: motor drive device 100: speed estimating device
110: voltage acquisition unit 120: signal processing unit
123: DQ conversion unit 126: magnetic flux calculation unit
130: Low-pass filter 140:
145: Size calculation unit
Claims (7)
취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부;
변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및
상기 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 상기 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 상기 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함하는 전동기 속도 추정 장치.A voltage acquisition unit for acquiring a voltage input to the electric motor;
A signal processing unit for converting the acquired voltage into a waveform for magnetic flux;
A low pass filter for passing the converted magnetic flux waveform as an input signal; And
And an estimator for estimating a speed of the motor by using a decrease rate of a waveform magnitude of an output signal after passing through the low-pass filter with respect to an input signal before passing through the low-pass filter.
상기 신호 처리부는,
상기 전동기에 입력되는 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 DQ 변환부; 및
상기 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 자속 연산부;
를 구비하는 전동기 속도 추정 장치.The method according to claim 1,
The signal processing unit,
A DQ conversion unit for DQ-converting the three-phase voltage input to the motor and converting the three-phase voltage into a stationary coordinate system voltage; And
A magnetic flux calculation unit for integrating the stationary coordinate system voltage to calculate a stationary coordinate system magnetic flux;
The motor speed estimation device comprising:
상기 추정부는,
상기 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 크기 계산부를 구비하는 전동기 속도 추정 장치.The method of claim 2,
Wherein the estimating unit comprises:
And a magnitude calculator for calculating a magnitude of a waveform before and after the passage of the low-pass filter with respect to the stationary coordinate system magnetic flux.
상기 추정부는 상기 감소율과, 미리 설정된 전동기별 특성에 따른 축척 계수(Scale Factor)를 곱하여 전동기 속도를 추정하는 것인 전동기 속도 추정 장치.The method according to claim 1,
Wherein the estimating unit estimates the motor speed by multiplying the reduction rate by a scale factor according to a preset characteristic of the motor.
상기 3상 전압을 DQ 변환하여 정지좌표계 전압으로 변환하는 단계;
상기 정지좌표계 전압을 적분하여 정지좌표계 자속을 계산하는 단계;
상기 정지좌표계 자속에 대해 로우 패스 필터의 통과 전/후의 파형의 크기를 각각 계산하는 단계; 및
상기 로우 패스 필터의 통과 전/후의 계산된 파형 크기의 감소율을 이용하여, 상기 전동기의 속도를 추정하는 단계를 포함하는 전동기 속도 추정 방법.Obtaining a three-phase voltage input to the electric motor;
Converting the three-phase voltage into a stationary coordinate system by DQ conversion;
Integrating the stationary coordinate system voltage to calculate a stationary coordinate system flux;
Calculating a magnitude of a waveform before and after passage of the low-pass filter with respect to the stationary coordinate flux; And
And estimating the speed of the electric motor using the calculated reduction ratio of the waveform size before / after the passing of the low-pass filter.
상기 전동기에 입력되는 전압을 입력신호로서 취득하여 전동기의 속도를 추정하는 속도 추정부; 및
상기 전동기의 구동 속도를 제어하기 위해, 상기 추정된 전동기의 속도 정보를 이용하여, 전동기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 전동기 속도 제어 시스템.An electric motor driving unit for receiving electric power from an external power source and driving the electric motor;
A speed estimator for obtaining a voltage input to the motor as an input signal and estimating a speed of the motor; And
And a control unit for controlling the motor driving unit using the estimated speed information of the motor to control the driving speed of the motor.
상기 속도 추정부는,
전동기에 입력되는 전압을 취득하는 전압 취득부;
취득된 전압을 자속에 대한 파형으로 변환하는 신호 처리부;
변환된 자속 파형을 입력신호로서 통과시키는 로우 패스 필터; 및
상기 로우 패스 필터 통과 전의 입력신호에 대한 상기 로우 패스 필터 통과 후의 출력신호의 파형 크기의 감소율을 이용하여, 상기 전동기의 속도를 추정하는 추정부를 포함하는 전동기 속도 제어 시스템.The method of claim 6,
The speed estimator may include:
A voltage acquisition unit for acquiring a voltage input to the electric motor;
A signal processing unit for converting the acquired voltage into a waveform for magnetic flux;
A low pass filter for passing the converted magnetic flux waveform as an input signal; And
And an estimator for estimating a speed of the motor by using a reduction rate of a waveform size of an output signal after passing through the low-pass filter with respect to an input signal before passing through the low-pass filter.
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|---|---|---|---|---|
| CN111071066A (en) * | 2020-01-14 | 2020-04-28 | 深圳市福瑞电气有限公司 | Method for inhibiting sudden increase of rotating speed in torque control of electric automobile |
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2017
- 2017-09-28 KR KR1020170125833A patent/KR102439814B1/en active IP Right Grant
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