KR20190142630A - 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

영구 자석 동기 전동기의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구 자석 동기 전동기의 고정자 저항값을 정확하게 추정하여 제어할 수 있는 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치는, 외부로부터 인가되는 회전자 각속도 지령치와 영구자석 동기 전동기로부터 검출되는 회전자 각속도 검출치의 차이를 회전자 각속도 편차로 출력하는 제1 감산기; 상기 회전자 각속도 편차를 비례적분하여 전자기 토오크 지령치로 출력하는 비례적분기; 상기 전자기 토오크 지령치와 하기 전자기 토오크 추정치의 차이를 전자기 토오크 편차로 출력하는 제2 감산기; 외부로부터 인가되는 고정자 자속 지령치 절대값과 하기 고정자 자속 추정치 절대값의 차이를 고정자 자속 편차로 출력하는 제3 감산기; 상기 전자기 토오크 편차의 크기에 따라 3단의 히스테리시스 값을 출력하는 3단 히스테리시스 발생기; 상기 고정자 자속 편차의 크기에 따라 2단의 히스테리시스 값을 출력하는 2단 히스테리시스 발생기; 상기 3단 히스테리시스 발생기로부터 출력되는 3단 히스테리시스 값과 상기 2단 히스테리시스 발생기로부터 출력되는 2단 히스테리시스 값을 이용하여 지령 전압 벡터를 출력하는 룩업 테이블; 상기 지령 전압 벡터를 이용하여 PWM 신호를 출력하는 PWM 발생기; 상기 PWM 신호에 스위칭되는 3상 인버터; 상기 3상 인버터로부터 출력되는 3상 출력 전류를 정지좌표계의 2상 전류로 변환하는 3상/2상 변환기; 상기 2상 전류와 상기 룩업 테이블로부터 출력되는 정지좌표계의 2상 전압을 입력받아 상기 전자기 토오크 추정치, 고정자 자속 추정치 절대값, 및 고정자 자속 위치를 출력하는 고정자 저항 추정기; 및 상기 고정자 자속 위치를 이용하여 출력 전압 벡터 영역을 소정 각도의 간격으로 선택하는 영역 선택기를 포함한다.

Description

영구 자석 동기 전동기의 제어 장치 및 방법{PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOMETHOD CONTROL APPARATUS AND ITS METHOD}
본 발명은 영구 자석 동기 전동기의 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영구 자석 동기 전동기의 저항값을 정확하게 추정하여 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
영구 자석 동기 전동기를 제어하는 알고리즘 중에 정확한 전동기 상수를 요구하는 알고리즘이 존재한다. 예를 들면 DTC(Direct Torque Control)를 이용하여 전동기를 제어하는 경우 자속 및 토오크를 연산할 때 전동기 저항값이 필요하다.
수학식 1은 DTC에서 토오크 제어를 위하여 필요로 하는 토오크 계산식이다.
Figure pat00001
여기서, Te는 전자기 토오크이고,
Figure pat00002
는 자속이고,
Figure pat00003
는 고정자 자속의 위치이다. 위 첨자 s는 정지좌표계 상의 값을 의미하고, 아래 첨자 s는 고정자(stator)를 의미한다.
그런데 수학식 1에서의 자속은 전압과, 전류, 전동기 상수 중의 하나인 저항값을 이용하여 얻는다.
Figure pat00004
Figure pat00005
수학식 2에서 알 수 있듯이, 전동기의 고정자 저항(Rs) 값에 오차가 존재하는 경우 자속 계산에 오차가 있음은 자명하다. 고정자 저항(Rs)은 전동기의 동작에 따라 발열에 의해 변동하는 값으로 그 변동 범위가 50%에 달한다. 수학식 2에서 부정확한 고정자 저항(Rs)의 정보로 인해 수학식 3로부터 계산되는 자속의 크기와 수학식 4로부터 계산되는 고정자 자속의 위치(
Figure pat00006
) 검출에 오차를 수반하게 된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
한편, 풍력발전기로 사용되는 DFIG(doubly fed induction generator)의 제어시 대체적으로 고정자 자속 기준 벡터 제어를 이용하는데, 고정자 자속의 크기는 수학식 3을 이용하고, 고정자 자속의 위치는 수학식 4를 이용하여 구하며, 이를 위하여 수학식 2가 필요하다. 따라서 전동기의 고정자 저항값을 정확하게 추정하는 것이 요구된다.
한국등록특허 10-0838990호 한국등록특허 10-0400595호
본 발명은 영구 자석 동기 전동기의 고정자 저항값을 정확하게 추정하여 제어할 수 있는 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치 및 방법을 제공함에 목적이 있다.
본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치는, 외부로부터 인가되는 회전자 각속도 지령치와 영구자석 동기 전동기로부터 검출되는 회전자 각속도 검출치의 차이를 회전자 각속도 편차로 출력하는 제1 감산기; 상기 회전자 각속도 편차를 비례적분하여 전자기 토오크 지령치로 출력하는 비례적분기; 상기 전자기 토오크 지령치와 하기 전자기 토오크 추정치의 차이를 전자기 토오크 편차로 출력하는 제2 감산기; 외부로부터 인가되는 고정자 자속 지령치 절대값과 하기 고정자 자속 추정치 절대값의 차이를 고정자 자속 편차로 출력하는 제3 감산기; 상기 전자기 토오크 편차의 크기에 따라 3단의 히스테리시스 값을 출력하는 3단 히스테리시스 발생기; 상기 고정자 자속 편차의 크기에 따라 2단의 히스테리시스 값을 출력하는 2단 히스테리시스 발생기; 상기 3단 히스테리시스 발생기로부터 출력되는 3단 히스테리시스 값과 상기 2단 히스테리시스 발생기로부터 출력되는 2단 히스테리시스 값을 이용하여 지령 전압 벡터를 출력하는 지령 전압 벡터 발생기; 상기 지령 전압 벡터를 이용하여 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 발생기; 상기 PWM 신호에 스위칭되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 3상 인버터; 상기 3상 인버터로부터 출력되는 3상 출력 전류를 정지좌표계의 2상 전류로 변환하는 3상/2상 변환기; 상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 정지좌표계의 d축 전류와 상기 지령 전압 벡터 발생기로부터 정지좌표계의 d축 전압을 입력받아 고정자 저항값를 추정하는 고정자 저항 추정기; 상기 고정자 저항 추정기로부터 출력되는 고정자 저항값, 상기 정지좌표계의 2상 전류와 상기 지령 전압 벡터 발생기로부터 출력되는 정지좌표계의 2상 전압을 입력받아 상기 전자기 토오크 추정치, 고정자 자속 추정치 절대값, 및 고정자 자속 위치를 출력하는 토크 자속 계산기; 및 상기 고정자 자속 위치를 이용하여 출력 전압 벡터 영역을 소정 각도의 간격으로 선택하는 영역 선택기를 포함한다.
바람직하게는, 상기 고정자 저항 추정기는, 상기 2상 전류를 영구 자석 동기 전동기의 정지시에 입력받는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 고정자 저항 추정기는, 정지좌표계 상 d축 전류 실제치의 증가시, 상기 정지좌표계 상 d축 전류 실제치에 대응하는 정지좌표계 상 d축 전압 실제치를 검출하는 검출수단; 상기 정지좌표계 상 d축 전류 실제치와 상기 정지좌표계 상 d축 전압 실제치의 현재 샘플링값과 직전 샘플링값을 저장하는 저장수단; 및 상기 현재 샘플링값과 직전 샘플링값을 소정 수학식으로 된 칼만 필터에 적용하여 고정자 저항을 추정하는 추정수단을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 제어 방법은, 외부로부터 인가되는 회전자 각속도 지령치와 영구자석 동기 전동기로부터 검출되는 회전자 각속도 검출치의 차이를 회전자 각속도 편차로 출력하는 제1 감산단계; 상기 회전자 각속도 편차를 비례적분하여 전자기 토오크 지령치로 출력하는 비례적분단계; 상기 전자기 토오크 지령치와 하기 전자기 토오크 추정치의 차이를 전자기 토오크 편차로 출력하는 제2 감산단계; 외부로부터 인가되는 고정자 자속 지령치 절대값과 하기 고정자 자속 추정치 절대값의 차이를 고정자 자속 편차로 출력하는 제3 감산단계; 상기 전자기 토오크 편차의 크기에 따라 3단의 히스테리시스 값을 출력하는 3단 히스테리시스 발생단계; 상기 고정자 자속 편차의 크기에 따라 2단의 히스테리시스 값을 출력하는 2단 히스테리시스 발생단계; 상기 3단 히스테리시스 발생 단계에 의해 출력되는 3단 히스테리시스 값과 상기 2단 히스테리시스 발생 단계에 의해 출력되는 2단 히스테리시스 값을 이용하여 지령 전압 벡터를 출력하는 지령 전압 벡터 발생 단계; 상기 지령 전압 벡터를 이용하여 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 발생 단계; 상기 PWM 신호에 스위칭되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 3상 인버팅 단계; 상기 3상 인버팅 단계에 의해 출력되는 3상 출력 전류를 정지좌표계의 d축 전류와 q축 전류로 변환하는 3상/2상 변환 단계; 상기 정지좌표계의 d축 전류와 상기 지령 전압 벡터 발생 단계로부터 정지좌표계의 d축 전압을 입력받아 고정자 저항값을 추정하는 고정자 저항 추정 단계; 상기 고정자 저항 추정 단계로부터 출력되는 고정자 저항값, 정지좌표계의 d축 전류와 q축 전류 그리고 상기 지령 전압 벡터 발생 단계로부터 출력되는 정지좌표계의 2상 전압을 입력받아 상기 전자기 토오크 추정치, 고정자 자속 추정치 절대값, 및 고정자 자속 위치를 출력하는 고정자 저항 추정 단계; 및 상기 고정자 자속 위치를 이용하여 출력 전압 벡터 영역을 소정 각도의 간격으로 선택하는 영역 선택 단계를 포함한다.
본 발명의 영구 자석 동기 전동기의 저항값 추정 방법에 따르면, 영구 자석 동기 전동기의 고정자 저항값을 비교적 정확하게 추정할 수 있다. 이에 따라 고정자 자속의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 데드 타임 인가시 게이트 신호 파형도,
도 2는 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 제어 블록도,
도 3a는 본 발명에 따른 3상 인버터부의 구체 회로도,
도 3b는 본 발명에 따른 3상 인버터부의 극전압 파형도,
도 4a는 본 발명에 따른 d축 전류 파형도,
도 4b는 본 발명에 따른 3상 전류 파형도,
도 5a와 도 5b는 초기치 고정자 저항이 8.5오옴인 경우의 시뮬레이션 파형도, 및
도 6a와 도 6b는 초기치 고정자 저항이 2오옴인 경우의 시뮬레이션 파형도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 의한 맥동 단파 발생 장치의 구성 및 동작을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 제어 블록도이다.
본 발명에 따른 영구 자석 동기 전동기의 제어 블록은, 제1 감산기(205), 비례적분기(210), 제2 감산기(215), 제3 감산기(220), 3단 히스테리시스 발생기(225), 2단 히스테리시스 발생기(230), 지령 전압 벡터 발생기(235), PWM 발생기(240), 3상 인버터(245), 영구 자석 동기 전동기(250), 3상/2상 변환기(255), 고정자 저항값 추정기(260), 토크 자속 계산기(265), 및 영역 선택기(270)를 포함한다.
제1 감산기(205)는 외부로부터 인가되는 회전자 각속도 지령치(
Figure pat00009
)와 영구자석 동기 전동기(250)로부터 검출되는 회전자 각속도 검출치(
Figure pat00010
)의 차이를 회전자 각속도 편차(
Figure pat00011
)로 출력한다.
비례적분기(210)는 회전자 각속도 편차(
Figure pat00012
)를 비례 및 적분하여 전자기 토오크 지령치(
Figure pat00013
)를 출력한다.
제2 감산기(215)는 비례적분기(210)로부터 출력되는 전자기 토오크 지령치(
Figure pat00014
)와 고정자 저항 추정기(260)로부터 출력되는 전자기 토오크 추정치(
Figure pat00015
)의 차이를 전자기 토오크 편차(
Figure pat00016
)로 출력한다.
제3 감산기(220)는 외부로부터 인가되는 고정자 자속 지령치 절대값(
Figure pat00017
)과 고정자 저항 추정기(260)로부터 출력되는 고정자 자속 추정치 절대값(
Figure pat00018
)의 차이를 고정자 자속 편차(
Figure pat00019
)로 출력한다.
3단 히스테리시스 발생기(225)는 제2 감산기(215)로부터 출력되는 전자기 토오크 편차(
Figure pat00020
)의 크기에 따라 3단(예: (-)값, 0, (+)값)의 히스테리시스 값을 출력한다. 구체적으로, 1) 전자기 토오크 편차(
Figure pat00021
)가 (-)값으로부터 0으로 증가하면, (-)1을 출력한다. 2) 전자기 토오크 편차(
Figure pat00022
)가 0으로부터 x1으로 증가하면 0을 출력한다. 3) 전자기 토오크 편차(
Figure pat00023
)가 x1을 초과하여 증가하면 1을 출력한다. 역으로, 4) 전자기 토오크 편차(
Figure pat00024
)가 (+)값으로부터 0으로 감소하면, 1을 출력한다. 5) 전자기 토오크 편차(
Figure pat00025
)가 0으로부터 (-)x1으로 감소하면 0을 출력한다. 6) 전자기 토오크 편차(
Figure pat00026
)가 (-)x1 미만으로 감소하면 (-)1을 출력한다.
2단 히스테리시스 발생기(230)는 제3 감산기(220)로부터 출력되는 고정자 자속 편차(
Figure pat00027
)의 크기에 따라 2단(예: 음의 값, 양의 값)의 히스테리스시 값을 출력한다. 구체적으로, 1) 고정자 자속 편차(
Figure pat00028
)가 (-)값으로부터 x2로 증가하면 (-)1을 출력한다. 2) 고정자 자속 편차(
Figure pat00029
)가 x2를 초과하면 1을 출력한다. 역으로, 3) 고정자 자속 편차(
Figure pat00030
)가 (+)값으로부터 (-)x2로 감소하면 1을 출력한다. 4) 고정자 자속 편차(
Figure pat00031
)가 (-)x2 미만으로 감소하면 (-)1을 출력한다.
지령 전압 벡터 발생기(235)는 3단 히스테리시스 발생기(225)로부터 출력되는 전자기 토오크 편차(
Figure pat00032
)의 히스테리스시 값과 2단 히스테리시스 발생기(230)로부터 출력되는 고정자 자속 편차(
Figure pat00033
)의 히스테리시스 값을 이용하여 저장된 룩업 테이블로부터 독출되는 표 1의 지령 전압 벡터를 출력한다.
Figure pat00034
Figure pat00035
 Sector1 Sector2 Sector3 Sector4 Sector5 Sector6
1 1 V2(110) V3(010) V4(011) V5(001) V6(101) V1(100)
1 0 V7(111) V0(000) V7(111) V0(000) V7(111) V0(000)
1 -1 V6(101) V1(100) V2(110) V3(010) V4(011) V5(001)
-1 1 V3(010) V4(011) V5(001) V6(101) V1(100) V2(110)
-1 0 V0(000) V7(111) V0(000) V7(111) V0(000) V7(111)
-1 -1 V5(001) V6(101) V1(100) V2(110) V3(010) V4(011)
PWM 발생기(240)는 지령 전압 벡터 발생기(235)로부터 출력되는 지령 전압 벡터를 이용하여 PWM 신호(SA, SB, SC)를 발생시킨다.
3상 인버터(245)는 PWM 발생기(240)로부터 출력되는 PWM 신호에 제어되어 인가되는 직류 전압을 소정의 교류 전압으로 변환하여 영구 자석 동기 전동기(250)에 제공한다.
3상/2상 변환기(255)는 3상 인버터(245)로부터 출력되는 3상 출력 전류(ias, ibs, ics)를 입력받아 정지좌표계의 2상 전류(
Figure pat00036
)로 변환한다.
고정자 저항 추정기(260)는 3상/2상 변환기(255)로부터 출력되는 정지좌표계의 d축 전류(
Figure pat00037
)와 지령 전압 벡터 발생기(235)로부터 정지좌표계의 d축 전압(
Figure pat00038
)을 입력받아 고정자 저항값(Rs)를 추정한다.
토크 자속 계산기(265)는 고정자 저항 추정기(260)로부터 출력되는 고정자 저항값(Rs), 3상/2상 변환기(255)로부터 출력되는 정지좌표계의 2상 전류(
Figure pat00039
)그리고 지령 전압 벡터 발생기(235)로부터 정지좌표계의 2상 전압(
Figure pat00040
)을 입력받아 전자기 토오크 추정치(
Figure pat00041
), 고정자 자속 추정치 절대값(
Figure pat00042
). 및 고정자 자속 위치(
Figure pat00043
)를 출력한다.
영역 선택기(270)는 토크 자속 계산기(265)로부터 출력되는 고정자 자속 위치(
Figure pat00044
)를 이용하여 3상 인버터의 출력 전압 벡터 영역을 예컨대, 60도 간격으로 선택한다.
수학식 5는 표면 부착형 영구 자석 동기 전동기의 고정자 전압 방정식이다.
Figure pat00045
여기서,
Figure pat00046
는 쇄교자속, Ls는 고정자 인덕턴스, Rs는 고정자 저항, vds는 회전좌표계 d축 고정자 전압, vqs는 회전좌표계 q축 고정자 전압, ids는 회전좌표계 d축 고정자 전류, iqs는 회전좌표계 q축 고정자 전류,
Figure pat00047
이다.
표면 부착형 영구 자석 동기 전동기의 토오크는 수학식 6과 같이 나타낼 수 있고, 매입형 영구 자석 동기 전동기의 토오크는 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. 매입형 영구 자석 동기 전동기는 돌극성에 의해 표면 부착형 영구 자석 동기 전동기의 인덕턴스로 표시되는 Ls가 d, q축에 대하여 각각 Ld, Lq로 나타난다.
Figure pat00048
Figure pat00049
수학식 6의 표면 부착형 영구 자석 동기 전동기의 토오크에는 회전좌표계의 d축 전류(ids)의 기여분이 없다. 또한, 수학식 7의 매입형 영구 자석 동기 전동기의 토오크에는 회전좌표계의 q축 전류(iqs)가 0인 상태에서 회전좌표계의 d축 전류(ids)의 기여하는 바가 없다.
따라서, 본 발명에 따르면, 영구 자석 동기 전동기가 정지시에 회전좌표계의 q축 전류는 고정시킨 채로, 회전좌표계의 d축 전류를 가변하여 수학식 8과 같이 전압 및 전류의 증가율을 통한 고정자 저항 계산식을 이용한다.
Figure pat00050
그런데, 수학식 8의 고정자 저항을 한번의 차동값 즉, k차, k+1차의 형태로 구할 수 있으나, 전류 측정 등에 의한 계산의 오류를 유발할 수 있다. 따라서 이러한 오류를 방지하기 위하여 칼만 필터(Kalman filter)를 적용하고, 이산 형태로 표현하면 수학식 9 내지 수학식 13과 같다.
Figure pat00051
Figure pat00052
Figure pat00053
Figure pat00054
Figure pat00055
여기서, ids, vds는 각각 회전좌표계상의 d축 전류값, 및 d축 전압값이고,
Figure pat00056
는 회전좌표계의 d축 고정자 전압 지령치이다.
Figure pat00057
Figure pat00058
Figure pat00059
Figure pat00060
여기서, K는 칼만 필터 이득(Kalman filter gain), P는 상태 공분산 매트릭스(state covariance), (-)는 예상치, k와 k-1는 현재치와 과거치를 칭하고, Q는 process 노이즈의 공분산 매트릭스(covariance matrix), R은 측정 노이즈의 공분산 매트릭스(covariance matrix)이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 알고리즘에 포함된 매트릭스 연산으로 인한 제어부의 연산량 부담을 줄이기 위해, 매트릭스를 1차, 즉 상수 형태로 처리한다.
한편, 지령치 전압은 데드 타임(dead time)의 영향으로 인해 실제치 전압과 다르다. 이러한 데드 타임에 따른 전압 지령치와 전압 실제치의 불일치 문제는 수학식 11과 같이 현재값과 이전 값의 차이를 이용함으로써 데드 타임의 영향을 제거할 수 있다. 데드 타임은 상단 암에 위치한 스위치와 하단 암의 스위치의 on off 시 on 시간에 지연 시간으로서, 이를 통해 상하단 암의 단락을 방지한다. 도 1은 5 마이크로초의 데드 타임을 인가하는 경우의 게이트 신호 파형이다. 데드 타임의 존재로 인해 음의 부하전류에서는 양의 부하전류와 반대로 부하전압이 증가한다.
도 3a는 본 발명에 따른 3상 인버터부의 구체 회로도, 및 도 3b는 본 발명에 따른 3상 인버터부의 극전압 파형도로서, 데드 타임에 따른 극전압의 변동이 설명될 수 있다.
도 3a에서 데드 타임 구간 중 데드타임 구간 중 즉, Sa+, Sa-가 모두 off인 경우 극전압은 상전류의 극성에 따라 도 3b와 같이 나타난다. 양의 부하전류에 대해서 출력전압은 데드 타임만큼 감소한다. 따라서, 수학식 18과 같이 부하전류의 극성을 고려하여 극전압을 보정하게 된다.
Figure pat00061
여기서
Figure pat00062
는 데드 타임에 의한 전압 왜곡분이고, sign(부호)는 전류의 부호가 양이면 (+)1을, 전류의 부호가 음이면 (-)1을 취한다. 예컨대, ias(k)가 양이면 sign(ias(k))=1을, isa(k)가 음이면 sign(ias(k))=-1이다.
본 발명에 따르면, 수학식 11을 통해 z(k)을 구하는 경우에는 전압 지령치를 사용한다. 회전좌표계의 d축 전압 vds의 연산에서 a, b, c상의 전압은 회전좌표계의 3상전류 ias, ibs, ics의 영향을 받는다.
그러나, 본 발명에서와 같이 ids를 회전좌표계로 사용하는 경우 회전좌표계의 3상전류 ias, ibs, ics의 값은 회전좌표계 d축 전류 ids가 0에서 일정값으로 증가하는 경우, 극성이 한쪽 방향을 유지하고 있으므로, 수학식 11과 같이 인가전압의 차이를 구하는 경우 데드 타임에 의한 전압 왜곡분이 소멸된다.
도 4a는 본 발명에 따른 d축 전류 파형도이고, 도 4b는 본 발명에 따른 3상 전류 파형도이다.
도 4에서 보면 영구 자석 동기 전동기의 고정자 저항(Rs)을 검출하기 위하여 도 4a와 같이 회전좌표계의 d축 전류 ids가 0에서 3A(암페어)로 증가시에 도 4b에서 볼 수 있듯이 위로부터 ibs, ias, ics순서의 3상전류는 각각 2.59A, 0, -2.59A로 회전좌표계의 d축 전류 ids와 같은 형상으로 변동하여 가는 것을 볼 수 있다. 도 4b에서 보인 시뮬레이션 파형에서는 회전좌표계 q축의 0도의 위치를 a축으로 정한 경우이다.
따라서, 회전좌표계의 d, q축 전류가 각각 ids=3A, iqs=0A이면, 도 4b의 시뮬레이션과 같이 자속의 위치가 00인 경우, 3상 전류는 ias=0A, ibs = 3*cos(300)=2.59A, ics=-ibs=-2.59A가 됨을 볼 수 있다. 한편 전류의 방향이 + 혹은 -의 한쪽 부호만을 가지므로 데드 타임에 대한 전압 증가분 혹은 감소분이 동일한 크기를 가지게 되고, 수학식 10과 같이 차동분 전압 적용시 전압 지령치의 변동분은 전압 실제치의 변동분과 일치한다. 즉 수학식 19의 관계가 있음을 알 수 있다.
Figure pat00063
도 5a와 도 5b는 초기치 고정자 저항이 8.5오옴인 경우의 시뮬레이션 파형도로서, 도 5a는 회전좌표계의 d축 전류 지령치(
Figure pat00064
)이고, 도 5b는 추정된 고정자 저항값이다.
도 5에 따르면, 초기 고정자 저항 설정값이 8.5Ω으로 높게 설정된 경우로, 알고리즘이 수행됨에 따라 실제 전동기의 고정자 저항값인 6.3Ω으로 수렴되는 것을 볼 수 있다. 여기서, Q(process 노이즈의 공분산 매트릭스)는 1, R(측정 노이즈의 공분산 매트릭스)는 0.3이다.
도 6a와 도 6b는 초기치 고정자 저항이 2오옴인 경우의 시뮬레이션 파형도로서, 도 6a는 회전좌표계의 d축 전류 지령치(
Figure pat00065
)이고, 도 6b는 추정된 고정자 저항값이다.
도 6에 따르면, 초기 고정자 저항 설정값이 2Ω으로 낮게 설정된 경우로, 알고리즘이 수행됨에 따라 실제 전동기의 고정자 저항값인 6.3Ω으로 수렴되는 것을 볼 수 있다. 여기서, Q(process 노이즈의 공분산 매트릭스)는 1, R(측정 노이즈의 공분산 매트릭스)는 0.1이다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
205: 제1 감산기
210: 비례적분기
215: 제2 감산기
220: 제3 감산기
225: 3단 히스테리시스 발생기
230: 2단 히스테리시스 발생기
235: 지령 전압 벡터 발생기
240: PWM 발생기
245: 3상 인버터
250: 영구 자석 동기 전동기
255: 3상/2상 변환기
260: 고정자 저항값 추정기
265: 영역 선택기

Claims (6)

  1. 외부로부터 인가되는 회전자 각속도 지령치와 영구자석 동기 전동기로부터 검출되는 회전자 각속도 검출치의 차이를 회전자 각속도 편차로 출력하는 제1 감산기;
    상기 회전자 각속도 편차를 비례적분하여 전자기 토오크 지령치로 출력하는 비례적분기;
    상기 전자기 토오크 지령치와 하기 전자기 토오크 추정치의 차이를 전자기 토오크 편차로 출력하는 제2 감산기;
    외부로부터 인가되는 고정자 자속 지령치 절대값과 하기 고정자 자속 추정치 절대값의 차이를 고정자 자속 편차로 출력하는 제3 감산기;
    상기 전자기 토오크 편차의 크기에 따라 3단의 히스테리시스 값을 출력하는 3단 히스테리시스 발생기;
    상기 고정자 자속 편차의 크기에 따라 2단의 히스테리시스 값을 출력하는 2단 히스테리시스 발생기;
    상기 3단 히스테리시스 발생기로부터 출력되는 3단 히스테리시스 값과 상기 2단 히스테리시스 발생기로부터 출력되는 2단 히스테리시스 값을 이용하여 지령 전압 벡터를 출력하는 지령 전압 벡터 발생기;
    상기 지령 전압 벡터를 이용하여 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 발생기;
    상기 PWM 신호에 스위칭되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 3상 인버터;
    상기 3상 인버터로부터 출력되는 3상 출력 전류를 정지좌표계의 2상 전류로 변환하는 3상/2상 변환기;
    상기 3상/2상 변환기로부터 출력되는 정지좌표계의 d축 전류와 상기 지령 전압 벡터 발생기로부터 정지좌표계의 d축 전압을 입력받아 고정자 저항값를 추정하는 고정자 저항 추정기;
    상기 고정자 저항 추정기로부터 출력되는 고정자 저항값, 상기 정지좌표계의 2상 전류와 상기 지령 전압 벡터 발생기로부터 출력되는 정지좌표계의 2상 전압을 입력받아 상기 전자기 토오크 추정치, 고정자 자속 추정치 절대값, 및 고정자 자속 위치를 출력하는 토크 자속 계산기; 및
    상기 고정자 자속 위치를 이용하여 출력 전압 벡터 영역을 소정 각도의 간격으로 선택하는 영역 선택기
    를 포함하는 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자 저항 추정기는,
    상기 2상 전류를 영구 자석 동기 전동기의 정지시에 입력받는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 고정자 저항 추정기는,
    정지좌표계 상 d축 전류 실제치의 증가시, 상기 정지좌표계 상 d축 전류 실제치에 대응하는 정지좌표계 상 d축 전압 실제치를 검출하는 검출수단;
    상기 정지좌표계 상 d축 전류 실제치와 상기 정지좌표계 상 d축 전압 실제치의 현재 샘플링값과 직전 샘플링값을 저장하는 저장수단; 및
    상기 현재 샘플링값과 직전 샘플링값을 소정 수학식으로 된 칼만 필터에 적용하여 고정자 저항을 추정하는 추정수단
    을 포함하는 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치.
  4. 외부로부터 인가되는 회전자 각속도 지령치와 영구자석 동기 전동기로부터 검출되는 회전자 각속도 검출치의 차이를 회전자 각속도 편차로 출력하는 제1 감산단계;
    상기 회전자 각속도 편차를 비례적분하여 전자기 토오크 지령치로 출력하는 비례적분단계;
    상기 전자기 토오크 지령치와 하기 전자기 토오크 추정치의 차이를 전자기 토오크 편차로 출력하는 제2 감산단계;
    외부로부터 인가되는 고정자 자속 지령치 절대값과 하기 고정자 자속 추정치 절대값의 차이를 고정자 자속 편차로 출력하는 제3 감산단계;
    상기 전자기 토오크 편차의 크기에 따라 3단의 히스테리시스 값을 출력하는 3단 히스테리시스 발생단계;
    상기 고정자 자속 편차의 크기에 따라 2단의 히스테리시스 값을 출력하는 2단 히스테리시스 발생단계;
    상기 3단 히스테리시스 발생 단계에 의해 출력되는 3단 히스테리시스 값과 상기 2단 히스테리시스 발생 단계에 의해 출력되는 2단 히스테리시스 값을 이용하여 지령 전압 벡터를 출력하는 지령 전압 벡터 발생 단계;
    상기 지령 전압 벡터를 이용하여 PWM 신호를 출력하는 PWM 신호 발생 단계;
    상기 PWM 신호에 스위칭되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하는 3상 인버팅 단계;
    상기 3상 인버팅 단계에 의해 출력되는 3상 출력 전류를 정지좌표계의 d축 전류와 q축 전류로 변환하는 3상/2상 변환 단계;
    상기 정지좌표계의 d축 전류와 상기 지령 전압 벡터 발생 단계로부터 정지좌표계의 d축 전압을 입력받아 고정자 저항값을 추정하는 고정자 저항 추정 단계;
    상기 고정자 저항 추정 단계로부터 출력되는 고정자 저항값, 정지좌표계의 d축 전류와 q축 전류 그리고 상기 지령 전압 벡터 발생 단계로부터 출력되는 정지좌표계의 2상 전압을 입력받아 상기 전자기 토오크 추정치, 고정자 자속 추정치 절대값, 및 고정자 자속 위치를 출력하는 고정자 저항 추정 단계; 및
    상기 고정자 자속 위치를 이용하여 출력 전압 벡터 영역을 소정 각도의 간격으로 선택하는 영역 선택 단계
    를 포함하는 영구 자석 동기 전동기의 제어 방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 고정자 저항 추정 단계는,
    상기 2상 전류를 영구 자석 동기 전동기의 정지시에 입력받는 것을 특징으로 하는 영구 자석 동기 전동기의 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 고정자 저항 추정 단계는,
    정지좌표계 상 d축 전류 실제치의 증가시, 상기 정지좌표계 상 d축 전류 실제치에 대응하는 정지좌표계 상 d축 전압 실제치를 검출하는 검출 단계;
    상기 정지좌표계 상 d축 전류 실제치와 상기 정지좌표계 상 d축 전압 실제치의 현재 샘플링값과 직전 샘플링값을 저장하는 저장 단계; 및
    상기 현재 샘플링값과 직전 샘플링값을 소정 수학식으로 된 칼만 필터에 적용하여 고정자 저항을 추정하는 추정 단계
    를 포함하는 영구 자석 동기 전동기의 제어 방법.
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