KR20200028704A - 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치 및 방법 - Google Patents

시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치 및 방법 Download PDF

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천종민
김홍주
이창혁
홍지태
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한국전기연구원
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Abstract

본 발명은 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치 및 방법을 공개한다. 본 발명은 시간 지연 추정 방식을 이용하여 영구자석 전동기 회전자의 각도 및 각속도를 정확하게 추정할 수 있어, 회전자의 각도 및 각속도 측정을 위한 센서 설치를 생략할 수 있고, 이에 따라서 저비용으로 영구자석 동기 전동기를 효과적으로 제어하도록 할 수 있다.

Description

시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating angle and angular velocity of rotor of Permanent Magnet Synchronous Motor using time delay estimation}
본 발명은 영구자석 동기 전동기의 제어 방법 및 장치 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 영구자석 동기 전동기의 제어에 이용할 수 있도록, 시간 지연 추정 기법을 적용하여 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 회전 각속도를 별도의 센서 없이 추정하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.
영구 자석형 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)는 구조가 간단하고, 효율이 좋고 전력밀도가 높으며, 가격도 저렴해지는 추세라서 모든 산업 분야에서 적용되어 사용되고 있다.
특히, 영구 자석형 동기전동기는 서보 전동기나 고속 전동기로 많이 사용되고 있는데, 전동기의 기동과 최대 토크 발생을 위하여 회전자의 위치를 정확히 파악할 필요가 있다. 이를 위해서, 종래기술에서는 엔코더나 레졸버를 부착하여 회전자 위치 및 회전 속도를 측정하고, 이를 사용하여 위치 및 속도 제어를 위한 벡터 제어를 수행하였다.
그러나, 센서를 사용하는 경우에는 고가의 센서로 인하여 시스템 가격 상승이 동반되고, 인터페이스 하드웨어 추가로 인한 시스템 복잡화, 그리고 센서 부착으로 크기 증가와 정기적인 유지보수가 필요한 문제들이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 다른 종래 기술은, 영구자석 동기 전동기의 회전자 위치 및 속도를 결정하기 위해, 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 통해 전류를 추정하여 구한 뒤, 이 추정 전류를 실제 전류와 비교하여 오차를 구하고, 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 관측기를 통해 구해진 역기전력 성분을 이용해 회전자 각도 및 회전 각속도를 결정하도록 함으로써, 별도의 측정 센서 없이도 회전자 위치 및 속도를 실시간으로 연산할 수 있는 센서리스 알고리즘을 제공하였다.
그러나, 종래 기술의 이러한 방식은, 영구자석 동기전동기의 회전자 각도 및 속도를 추정하는데 있어서 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 사용하여 고정자 전류를 추정하여 역기전력 성분을 계산하는데, 이렇게 고정자 전류 관측을 통하여 간접적으로 역기전력 성분을 계산하면 다중의 계산 절차를 거치게 되므로 계산량이 많고 슬라이딩 모드 관측기 고유의 채터링이 포함될 수 있는 연기전력 성분으로 인하여 정밀한 회전자 각도 및 각속도 추정이 어려운 단점이 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 회전자의 각도 및 각속도를 측정하는 별도의 센서를 설치하지 않고도 정확하게 회전자의 각도 및 각속도를 추정하여 영구자석 동기 전동기를 제어할 수 있도록 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치는, 영구 자석 동기 전동기로 입력되는 고정자 3상 전류값을 디지털로 변환하여 출력하는 AD 변환기; 상기 AD 변환부로부터 디지털로 변환된 3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 입력받고, 위치 및 속도 추정기로부터 영구 자석 동기 전동기의 회전자 각도 추정값(
Figure pat00001
)을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
Figure pat00002
)을 이용하여, 상기 3상 전류값3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 동기 회전좌표계의 dq 상으로 변환하여 d축 상의 성분(ids(k)) 및 q축 상의 성분(iqs(k))을 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 제 1 dq 변환부; 상기 위치 및 속도 추정기로부터 상기 회전자 각도 추정값(
Figure pat00003
)을 입력받고, 공간벡터 펄스폭 변조부에서 계산된 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
Figure pat00004
)을 이용하여 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들(Vas(k),Vbs(k),Vcs(k))을 동기 회전좌표계의 d상 및 q상 전압값들(Vds(k),Vqs(k))로 변환하여 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 제 2 dq 변환부; 및 상기 제 1 dq 변환부로부터 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 입력받고, 상기 제 2 dq 변환부로부터 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 입력받고, 시간 지연 추정 방식을 이용하여 영구 자석 동기 전동기 회전자의 각도(
Figure pat00005
) 및 각속도(
Figure pat00006
)를 추정하는 상기 위치 및 속도 추정기를 포함한다.
또한, 상기 위치 및 속도 추정기는, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 N 샘플링 시간 만큼 지연시키고, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시켜, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
Figure pat00007
) 및 역기전력 q축 성분(
Figure pat00008
)을 추정하고, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
Figure pat00009
) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
Figure pat00010
)을 이용하여 상기 회전자 각속도를 추정하고, 상기 회전자 각속도를 적분하여 회전자 각도를 추정할 수 있다.
또한, 상기 위치 및 속도 추정기는, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
Figure pat00011
) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
Figure pat00012
)을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
Figure pat00013
)를 추정하고, 추정된 회전자 각도 오차(
Figure pat00014
)가 0에 수렴하도록 PI 보상을 수행하여 상기 회전자 각속도를 추정하고, 상기 회전자 각속도를 적분하여 회전자 각도를 추정할 수 있다.
또한, 상기 위치 및 속도 추정기는, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)), 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00015
)을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
Figure pat00016
)을 추정하는 역기전력 d축 성분 추정부; 및 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k)) 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00017
)을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
Figure pat00018
)을 추청하는 역기전력 q축 성분 추정부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 역기전력 d축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
Figure pat00019
)을 추정하고,
Figure pat00020
상기 역기전력 q축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
Figure pat00021
)을 추정하며,
Figure pat00022
상기 수학식에서
Figure pat00023
는 고정자 저항,
Figure pat00024
는 고정자 인덕턴스를 각각 나타낸다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치는, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
Figure pat00025
) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
Figure pat00026
)을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
Figure pat00027
)를 추정하는 회전자 각도 오차 추정부를 더 포함하고, 상기 회전자 각도 오차 추정부는 아래의 수학식
Figure pat00028
에 따라서 회전자 각도의 추정 오차(
Figure pat00029
)를 추정할 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 제어 장치는, 상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치를 포함할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법은, (a) AD 변환부가 영구 자석 동기 전동기로 입력되는 고정자 3상 전류값을 디지털로 변환하는 단계; (b) 제 1 dq 변환부가 상기 디지털로 변환된 3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 입력받고, 위치 및 속도 추정기로부터 영구 자석 동기 전동기의 회전자 각도 추정값(
Figure pat00030
)을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
Figure pat00031
)을 이용하여, 상기 3상 전류값3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 동기 회전좌표계의 dq 상으로 변환하여 d축 상의 성분(ids(k)) 및 q축 상의 성분(iqs(k))을 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 단계; (c) 제 2 dq 변환부가 상기 위치 및 속도 추정기로부터 상기 회전자 각도 추정값(
Figure pat00032
)을 입력받고, 공간벡터 펄스폭 변조부에서 계산된 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
Figure pat00033
)을 이용하여 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들(Vas(k),Vbs(k),Vcs(k))을 동기 회전좌표계의 d상 및 q상 전압값들(Vds(k),Vqs(k))로 변환하여 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 단계; 및 (d) 상기 위치 및 속도 추정기가 상기 제 1 dq 변환부로부터 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 입력받고, 상기 제 2 dq 변환부로부터 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 입력받고, 시간 지연 추정 방식을 이용하여 영구 자석 동기 전동기 회전자의 각도(
Figure pat00034
) 및 각속도(
Figure pat00035
)를 추정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 위치 및 속도 추정기는, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 N 샘플링 시간 만큼 지연시키고, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시켜, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
Figure pat00036
) 및 역기전력 q축 성분(
Figure pat00037
)을 추정하고, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
Figure pat00038
) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
Figure pat00039
)을 이용하여 상기 회전자 각속도를 추정하고, 상기 회전자 각속도를 적분하여 회전자 각도를 추정한다.
또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 위치 및 속도 추정기는, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
Figure pat00040
) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
Figure pat00041
)을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
Figure pat00042
)를 추정하고, 추정된 회전자 각도 오차(
Figure pat00043
)가 0에 수렴하도록 PI 보상을 수행하여 상기 회전자 각속도를 추정(
Figure pat00044
)하고, 상기 추정된 회전자 각속도(
Figure pat00045
)를 적분하여 회전자 각도를 추정(
Figure pat00046
)할 수 있다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 역기전력 d축 성분 추정부가 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00047
)을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
Figure pat00048
)을 추정하고, 역기전력 q축 성분 추정부가 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k)) 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00049
)을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
Figure pat00050
)을 추청하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 (d1) 단계에서, 상기 역기전력 d축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
Figure pat00051
)을 추정하고,
Figure pat00052
상기 역기전력 q축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
Figure pat00053
)을 추정하며,
Figure pat00054
상기 수학식에서
Figure pat00055
는 고정자 저항,
Figure pat00056
는 고정자 인덕턴스를 각각 나타낸다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d2) 회전자 각도 오차 추정부가 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
Figure pat00057
) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
Figure pat00058
)을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
Figure pat00059
)를 추정하는 단계를 더 포함하고, 상기 회전자 각도 오차 추정부는 아래의 수학식
Figure pat00060
에 따라서 회전자 각도의 추정 오차(
Figure pat00061
)를 추정한다.
또한, 상기 (d) 단계는, (d3) 추정된 회전자 각도 오차(
Figure pat00062
)가 0에 수렴하도록 PI 보상을 수행하여 상기 회전자 각속도를 추정(
Figure pat00063
)하는 단계; 및 (d4) 상기 회전자 각속도(
Figure pat00064
)를 적분하여 회전자 각도를 추정(
Figure pat00065
)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 시간 지연 추정 방식을 이용하여 영구자석 전동기 회전자의 각도 및 각속도를 정확하게 추정할 수 있어, 회전자의 각도 및 각속도 측정을 위한 센서 설치를 생략할 수 있고, 이에 따라서 저비용으로 영구자석 동기 전동기를 효과적으로 제어하도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치와, 이를 포함하는 제어 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 위치 및 속도 추정기의 세부 구성을 도시하는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치와 종래 기술의 성능을 비교하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법을 설명하는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치와, 이를 포함하는 제어 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치는 AD 변환부(8), 제 1 dq 변환부(13), 제 2 dq 변환부(20) 및 위치 및 속도 추정기(21)를 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치(이하, "각도 및 각속도 추정 장치"라 약칭함)를 포함하는 영구자석 동기 전동기 제어 장치는, 상술한 각도 및 각속도 추정 장치 이외에, 위치 제어기(23), 속도 제어기(22), 전류 제어기(51), 공간벡터 펄스폭 변조부(14) 및 전력 변환 모듈(70)을 더 포함한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치와, 이를 포함하는 영구 자석 동기 전동기 제어 장치에 포함된 각 구성요소들의 기능을 설명한다.
먼저, 전류 센서들(4,5)은 영구자석 동기 전동기(1)의 고정자 3상 전류들 중에 두 개의 상들의 전류값들(ias(t),ibs(t))(6,7)을 측정하고, 측정된 전류값들(ias(t),ibs(t))(6,7)은 AD 변환부(8)로 입력된다.
AD 변환부(8)는 입력된 아날로그 신호들(ias(t),ibs(t))(6,7)을 디지털로 변환하여, 디지털 전류값들(ias(k),ibs(k))(9, 10)을 제 1 dq 변환부(13)로 출력한다.
제 1 dq 변환부(13)는 AD 변환부(8)로부터 디지털로 변환된 고정자 3상 전류들 중에 두 개 상의 전류값들(ias(k), ibs(k))(9,10)을 입력받고, 위치 및 속도 추정기(21)로부터 영구 자석 동기 전동기의 회전자 각도 추정값(
Figure pat00066
)(2)을 입력받는다. 그리고, 제 1 dq 변환부(13)는 회전자 각도 추정값(
Figure pat00067
)(2)을 이용하여, 3상 전류값(9,10)을 동기 회전좌표계의 dq 상으로 변환하여 d축 상의 성분(ids(k))(11) 및 q축 상의 성분(iqs(k))(12)을 위치 및 속도 추정기(21) 및 전류 제어기(51)로 출력한다.
제 2 dq 변환부(20)는 위치 및 속도 추정기(21)로부터 회전자 각도 추정값(
Figure pat00068
)(2)을 입력받고, 공간벡터 펄스폭 변조부(14)에서 계산된 영구 자석 동기 전동기(1)로 출력될 3상 지령 전압값들(15,16,17)을 입력받는다. 그 후, 제 2 dq 변환부(20)는 회전자 각도 추정값(
Figure pat00069
)(2)을 이용하여 영구 자석 동기 전동기(1)로 출력될 3상 지령 전압값들(Vas(k),Vbs(k),Vcs(k))(15,16,17)을 동기 회전좌표계의 d상 및 q상 전압값들(Vds(k),Vqs(k))(18, 19)로 변환하여 위치 및 속도 추정기(21)로 출력한다.
위치 및 속도 추정기(21)는 제 1 dq 변환부(13)로부터 d축 상의 전류 성분(ids(k))(11) 및 q축 상의 전류 성분(iqs(k))(12)을 입력받고, 제 2 dq 변환부(20)로부터 d축 상의 전압 성분(Vds(k))(18) 및 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))(19)을 입력받고, 시간 지연 방식을 이용하여 영구 자석 동기 전동기 회전자의 각도(
Figure pat00070
) 및 각속도(
Figure pat00071
)를 추정하고, 추정된 회전자의 각도 추정값(
Figure pat00072
)을 위치 제어기(23), 제 1 dq 변환부(13) 및 제 2 dq 변환부(20)로 각각 출력하고, 각속도 추정값(
Figure pat00073
)을 속도 제어기(22)로 출력한다. 위치 및 속도 추정기(21)의 세부 구성 및 기능은 도 2 내지 도 4를 참조하여 후술한다.
위치 제어기(23)는 외부로부터 회전자 각도 지령(
Figure pat00074
)을 입력받고, 위치 및 속도 추정기(21)부터 추정된 회전자 각도 추정값(
Figure pat00075
)(2)을 입력받아, 회전자의 각속도 지령치(
Figure pat00076
)를 생성하여 속도 제어기(22)로 출력함으로써, 동기 전동기의 위치를 제어한다.
속도 제어기(22)는 위치 제어기(23)로부터 각속도 지령(ω*(k))을 입력받고, 위치 및 속도 추정기(21)로부터 각속도 추정값(
Figure pat00077
)을 입력받으며, 이들을 비교하여, 이들 속도의 오차를 최소화하기 위한 전류 지령(i* ds 및 i* qs)을 전류 제어기(51)로 출력한다.
전류 제어기(51)는 영구 자석 동기 전동기로 입력되는 3상 전류를 동기 회전좌표계의 dq 상으로 변환한 전류값(ids 및 iqs)을 제 1 dq 변환부(13)로부터는 입력받으며, 속도 제어기(22)로부터 속도의 오차를 최소화하기 위한 전류 지령(i* ds 및 i* qs)을 입력받은 후, 전압 지령치(V* ds 및 V* qs)를 생성하여 공간벡터 펄스폭 변조부(14)로 출력한다.
공간벡터 펄스폭 변조부(14)는 전력 변환 모듈(70)로 출력될 3상 전압값을 계산하여 제 2 dq 변환부(20)로 출력하는 한편, 이에 따라서 전력 변환 모듈(70)을 제어할 제어신호를 출력한다. 전력 변환 모듈(70)이 인버터로 구현되는 경우에, 공간벡터 펄스폭 변조부(14)는 전력 변환 모듈(70)에 포함된 반도체 스위칭 소자들을 온/오프시키는 스위칭 신호를 생성하여 출력한다.
전력 변환 모듈(70)은 공간벡터 펄스폭 변조부(14)로부터 입력되는 제어신호에 따라서 외부로부터 입력되는 전원을 변환하여 동기 전동기(1)로 출력한다.
위치 제어기(23), 전류 제어기(51), 공간벡터 펄스폭 변조부(14) 및 전력 변환 모듈(70)의 기능은 일반적인 영구 자석 동기 전동기 제어 장치에서의 기능과 유사하므로 구체적인 설명은 생략하고, 이하에서는, 본 발명의 특징인 시간 지연 추정 방식에 따라서 영구 자석 동기 전동기 회전자의 각속도(
Figure pat00078
) 및 회전각(
Figure pat00079
)을 추정하는 방법을 설명한다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 위치 및 속도 추정기의 세부 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따라서 영구자석 동기전동기(1)의 회전각(
Figure pat00080
) 및 각속도(
Figure pat00081
)를 추정하는 방법을 설명하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위치 및 속도 추정기(21)는 복수의 시간 지연기, 역기전력 d축 성분 추정부(30), 역기전력 q축 성분 추정부(31), 회전자 각도 오차 추정부(34), PI(Proportional-Integral) 보상기(36) 및 적분기(38)를 포함하여 구성된다.
먼저, 도 2는 시간 지연 추정값을 기반으로 영구자석 동기전동기(1)의 역기전력을 추정하는 방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 동기 전동기(1)로 출력되는 고정자 3상 전류값(9,10)의 d축 성분(ids(k))(11)은 제 1 dq 변환부(13)로부터 입력되어 N 샘플링 시간 만큼 지연된 후(ids(k-N)(25)) 역기전력 d축 성분 추정부(30) 및 역기전력 q축 성분 추정부(31)로 각각 입력된다. 또한, N+1 샘플링 시간 만큼 지연된 고정자 전류의 d축 성분(ids(k-N-1))(26)은 역기전력 d축 성분 추정부(30)로만 입력된다.
또한, 동기 전동기(1)로 출력되는 고정자 3상 전류값(9,10)의 q축 성분(iqs(k))(12)은 제 1 dq 변환부(13)로부터 입력되어 N 샘플링 시간 만큼 지연된 후(iqs(k-N)(28)) 역기전력 d축 성분 추정부(30) 및 역기전력 q축 성분 추정부(31)로 각각 입력된다. 또한, N+1 샘플링 시간 만큼 지연된 고정자 전류의 q축 성분(ids(k-N-1))(29)은 역기전력 q축 성분 추정부(31)로만 입력된다.
한편, 제 2 dq 변환부(20)로부터 입력된, 영구 자석 동기 전동기(1)로 출력될 고정자 3상 지령 전압값들(Vas(k),Vbs(k),Vcs(k))(15,16,17)의 d축 성분 전압값(Vds(k))(18)은 N 샘플링 시간 만큼 지연되어 역기전력 d축 성분 추정부(30)로 입력되고(Vds(k-N))(24), q축 성분 전압값(Vqs(k))(19)은 N 샘플링 시간 만큼 지연되어 역기전력 q축 성분 추정부(31)로 입력된다(Vqs(k-N))(27).
마지막으로, 후술하는 도 4의 PI 보상기(36)에서 출력된 영구자석 동기전동기 회전자의 각속도 추정값(
Figure pat00082
)(3)의 1샘플링 시간 이전의 각속도 추정값(
Figure pat00083
)(3-1)이 시간 지연기로 입력되고, 시간 지연기에서 N 샘플링 구간 만큼 지연되어(
Figure pat00084
)(3-2) 역기전력 d축 성분 추정부(30) 및 역기전력 q축 성분 추정부(31)로 각각 입력된다.
한편, 도 2의 영구자석 동기전동기(1)의 역기전력 d축 성분 추정부(30)와 역기전력 q축 성분 추정부(31)에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 실시예에서 예시하는 표면부착형 영구자석 동기전동기(1)의 고정자 전압 방정식을 동기 회전좌표계로 표현하면 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 표현됨은 익히 알려진 사실이다.
Figure pat00085
상기 수학식 1에서, 여기서
Figure pat00086
는 미분연산자,
Figure pat00087
는 고정자 저항,
Figure pat00088
는 고정자 인덕턴스,
Figure pat00089
은 회전자의 각속도(전기적 회전 속도) 그리고
Figure pat00090
은 영구자석에 의한 쇄교 자속이다. 각 변수의 아래첨자 d는 동기 회전좌표계의 d축 성분, q는 동기 회전좌표계의 q축 성분 그리고 s는 고정자, r은 회전자를 의미한다. 실제 회전자의 각도(위치각)
Figure pat00091
와 추정된 각도(위치각)
Figure pat00092
사이에 추정 오차
Figure pat00093
가 있다면 수학식 1은 아래의 수학식 2와 같이 변환된다.
Figure pat00094
상기한 수학식 2를 확장 역기전력 벡터
Figure pat00095
에 대하여 표현하면 아래의 수학식 3과 같다.
Figure pat00096
상기 수학식 3을 디지털 식으로 표현하면 아래의 수학식 4 및 수학식 5와 같다. 수학식 4는 역기전력 d축 성분에 대한 디지털 표현값
Figure pat00097
에 대한 것이고, 수학식 5는 역기전력 q축 성분에 대한 디지털 표현값
Figure pat00098
에 대한 것이다.
Figure pat00099
Figure pat00100
여기서 k는 k번째 샘플을 의미하고 T는 샘플링 타임을 의미한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 역기전력을 추정하기 위하여 시간 지연 추정 방식을 이용하는데, 이는 추정하고자 하는 역기전력
Figure pat00101
와
Figure pat00102
가 전동기의 정상 상태 동작에서 짧은 시간에 급격히 변하지 않고 시간에 대하여 연속이라면, 충분히 작은 임의의 샘플링 회수 N에 대하여 아래 수학식 6 및 수학식 7과 같은 시간 지연 조건이 성립될 수 있음을 나타낸다.
Figure pat00103
Figure pat00104
수학식 6과 수학식 7의 시간 지연 조건을 통해 역기전력
Figure pat00105
와
Figure pat00106
를 추정하면 다음의 수학식 8 및 수학식 9와 같다.
Figure pat00107
Figure pat00108
도 2에 도시된 역기전력 d축 성분 추정부(30)는 상기한 수학식 8에 따라서 역기전력 d축 성분(32)을 생성하여 출력하고, 역기전력 q축 성분 추정부(31)는 상기한 수학식 9에 따라서 역기전력 q축 성분(33)을 생성하여 출력한다.
도 3은 도 2에서 추정된 영구 동기전동기(1)의 역기전력을 사용하여 회전자 각도(위치각)의 오차를 추정하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 역기전력 d축 성분 추정부(30)에서 출력한 역기전력 d축 성분(32) 및 역기전력 q축 성분 추정부(31)에서 출력한 역기전력 q축 성분(33)은 회전자 각도 오차 추정부(34)로 입력되고, 회전자 각도 오차 추정부(34)는 아래의 수학식 10 내지 수학식 12에 따라서 회전자 각도 추정 오차값(
Figure pat00109
)(35)을 생성한다.
상기 수학식 2의 우변 두 번째 항의 확장 역기전력 벡터는 다음의 수학식 10과 같음이 익히 알려져 있다.
Figure pat00110
여기서
Figure pat00111
는 표면부착형 영구자석 동기전동기의 경우
Figure pat00112
이다.
수학식 10에서 실제 속도
Figure pat00113
와 추정 속도
Figure pat00114
사이의 오차가 충분히 작다면 다음의 수학식 11이 성립한다.
Figure pat00115
수학식 11을 통하여 각도 오차를 추정하면, 회전자 각도 추정 오차값(
Figure pat00116
)는 다음의 수학식 12와 같다.
Figure pat00117
여기서
Figure pat00118
와
Figure pat00119
는 각각 d축 역기전력
Figure pat00120
와 q축 역기전력
Figure pat00121
의 추정값들이며, 디지털 식에서 k번째 샘플의 추정값들은 각각 상기 수학식 8과 수학식 9에서 구할 수 있다.
회전자 각도 오차 추정부(34)는 상기 수학식 12에서 구해진 회전자 각도 추정 오차값(
Figure pat00122
)(35)을 도 4의 PI 보상기(36)로 출력한다.
도 4는 도 3에서 추정된 영구자석 동기전동기(1)의 회전자 각도 추정 오차값(
Figure pat00123
)을 이용하여 영구자석 동기전동기(1)의 회전자 위치각에 대한 추정값(
Figure pat00124
)(2)과 회전자 각속도에 대한 추정값(
Figure pat00125
)(3)을 구하는 과정을 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 회전자 각도 오차 추정부(34)에서 구해진 회전자 각도 추정 오차값(
Figure pat00126
)이 PI 보상기(36)로 입력되면, PI 보상기(36)는 입력된 회전자 각도 추정 오차값(
Figure pat00127
)이 0에 수렴하도록 보상하여 출력하며, 이 때 PI 보상기(36)의 출력값이 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00128
)(3)이 되고, 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00129
)(3)은 적분기(38) 및 속도 제어기(22)로 출력된다.
적분기(38)는 입력된 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00130
)(3)을 적분하여 회전자 각도 추정값(
Figure pat00131
)(2)을 구하고, 이를 위치 제어기(23), 제 1 dq 변환부(13) 및 제 2 dq 변환부(20)로 각각 출력하여 영구자석 동기전동기의 제어에 이용하도록 한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기의 제어 성능을, 종래 기술과 비교한 그래프이다.
도 5에 도시된 그래프에서, 종래 기술에 따라서 영구 자석 동기 전동기에 센서를 설치하여 영구 자석 동기 전동기의 회전자 각속도를 측정한 결과(ω)를 도면부호 42로 표시하였고, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 추정된 영구 자석 동기 전동기의 회전자 각속도(
Figure pat00132
)를 도면부호 43으로 표시하였다. 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 저속 구간을 제외한 영역에서 본 발명의 속도 추정이 정확하게 이루어지고 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6에 도시된 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법은, 도 1 내지 도 4에 도시된 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치에서 수행되는 것이므로, 그 기능은 상술한 바와 동일하다. 따라서, 이하에서는, 각 단계에서 수행되는 구체적인 기능 설명은 생략하고, 전체적인 처리 흐름을 위주로 설명한다.
도 6을 더 참조하면, 먼저 전류 센서를 통해서 영구 자석 동기 전동기로 입력되는 3상 전류 중 적어도 2개 상의 전류(ias(t),ibs(t))(6,7)가 측정된 후, AD 변환부(8)로 입력된다(S510).
AD 변환부(8)는 입력된 2개 상의 아날로그 전류값(ias(t),ibs(t))(6,7)을 디지털로 변환하여 디지털 전류값들(ias(k),ibs(k))(9, 10)을 제 1 dq 변환부(13)로 출력한다(S520).
그 후, 제 1 dq 변환부(13)는 AD 변환부(8)로부터 디지털로 변환된 고정자 3상 전류들 중에 두 개 상의 전류값들(ias(k), ibs(k))(9,10)을 입력받고, 위치 및 속도 추정기(21)로부터 영구 자속 동기 전동기의 회전자 각도 추정값(
Figure pat00133
)(2)을 입력받은 후, 회전자 각도 추정값(
Figure pat00134
)(2)을 이용하여, 3상 전류값(9,10)을 동기 회전좌표계의 dq 상으로 변환하여 d축 상의 성분(ids(k))(11) 및 q축 상의 성분(iqs(k))(12)을 위치 및 속도 추정기(21) 및 전류 제어기(51)로 출력한다(S531).
아울러, 제 2 dq 변환부(20)는 위치 및 속도 추정기(21)로부터 회전자 각도 추정값(
Figure pat00135
)(2)을 입력받고, 공간벡터 펄스폭 변조부(14)에서 계산된 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들(15,16,17)을 입력받은 후, 회전자 각도 추정값(
Figure pat00136
)(2)을 이용하여 영구 자석 동기 전동기(1)로 출력될 3상 지령 전압값들(Vas(k),Vbs(k),Vcs(k))(15,16,17)을 동기 회전좌표계의 d상 및 q상 전압값들(Vds(k),Vqs(k))(18, 19)로 변환하여 위치 및 속도 추정기(21)로 출력한다(S533).
그 후, 위치 및 속도 추정기(21)는 제 1 dq 변환부(13)로부터 d축 상의 전류 성분(ids(k))(11) 및 q축 상의 전류 성분(iqs(k))(12)을 입력받고, 제 2 dq 변환부(20)로부터 d축 상의 전압 성분(Vds(k))(18) 및 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))(19)을 입력받은 후, 시간 지연 방식을 이용하여 회전자의 각도(
Figure pat00137
) 및 각속도(
Figure pat00138
)를 추정하고, 추정된 회전자의 각도 추정값(
Figure pat00139
)을 위치 제어기(23), 제 1 dq 변환부(13) 및 제 2 dq 변환부(20)로 각각 출력하고, 각속도 추정값(
Figure pat00140
)을 속도 제어기(22)로 출력한다(S540).
상기 제 S540 단계를 보다 상세하게 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 역기전력 d축 성분 추정부(30)는, N 샘플링 시간만큼 지연된 3상 지령 전압값들의 d축 성분(Vds(k-N))(24), N 샘플링 시간만큼 지연된 고정자 3상 전류값의 d축 성분(ids(k-N)(25)) 및 q축 성분(iqs(k-N)(28)), N+1 샘플링 시간 만큼 지연된 고정자 3상 전류값의 d축 성분(ids(k-N-1)(26)) 및 도 4의 PI 보상기(36)에서 출력된 영구자석 동기전동기 회전자의 각속도 추정값(
Figure pat00141
)(3)의 1샘플링 구간 이전의 각속도 추정값(
Figure pat00142
)(3-1)을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 동기전동기 회전자의 각속도 추정값(
Figure pat00143
)(3-2)을, 상기한 수학식 8에 따라서 역기전력 d축 성분(
Figure pat00144
)(32)을 추정한다.
아울러, 역기전력 q축 성분 추정부(31)는, N 샘플링 시간만큼 지연된 3상 지령 전압값들의 q축 성분(Vqs(k-N))(27), N 샘플링 시간만큼 지연된 고정자 3상 전류값의 q축 성분(iqs(k-N)(28)) 및 d축 성분(ids(k-N)(25)), N+1 샘플링 시간 만큼 지연된 고정자 3상 전류값의 q축 성분(iqs(k-N-1)(29)) 및 도 4의 PI 보상기(36)에서 출력된 영구자석 동기전동기 회전자의 각속도 추정값(
Figure pat00145
)(3)의 1샘플링 구간 이전의 각속도 추정값(
Figure pat00146
)(3-1)을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 동기전동기 회전자의 각속도 추정값(
Figure pat00147
)(3-2)을, 상기한 수학식 9에 따라서 역기전력 q축 성분(
Figure pat00148
)(33)을 추정한다(S541).
그 후, 회전자 각도 오차 추정부(34)는 역기전력 d축 성분(
Figure pat00149
)(32) 및 역기전력 q축 성분(
Figure pat00150
)(33)을 상술한 수학식 10 내지 수학식 12를 적용하여 회전자 각도 오차값(
Figure pat00151
)(35)을 추정한다(S543).
회전자 각도 오차 추정부(34)로부터 회전자 각도 오차값(
Figure pat00152
)이 PI 보상기(36)로 입력되면, PI 보상기(36)는 회전자 각도 추정 오차값(
Figure pat00153
)이 0에 수렴하도록 보상하여 적분기(38) 및 속도 제어기(22)로 출력하며, 이 때 PI 보상기(36)의 출력값이 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00154
)(3)이 된다(S545).
아울러, PI 보상기(36)로부터 출력된 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00155
)(3)은 적분기(38)로 입력되고, 적분기(38)는 입력된 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00156
)(3)을 적분하여 회전자 각도 추정값(
Figure pat00157
)(2)을 구하고, 이를 위치 제어기(23), 제 1 dq 변환부(13) 및 제 2 dq 변환부(20)로 각각 출력하여 영구자석 동기전동기의 제어에 이용하도록 한다(S547).
마지막으로, 상기 제 S545 단계에서 추정된 회전자 각속도 추정값(
Figure pat00158
) 및 상기 제 S547 단계에서 추정된 회전자의 각도 추정값(
Figure pat00159
)을 이용하여 영구 자석 동기 전동기의 제어를 수행한다(S550).
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.
1 : 영구자석 동기전동기
4, 5 : 전류 센서
8 : AD 변환부
13 : 제 1 dq 변환부
14 : 공간벡터 펄스폭 변조부
20 : 제 2 dq 변환부
21 : 위치 및 속도 추정기
22 : 속도 제어기
23 : 위치 제어기
30 : 역기전력 d축 성분 추정부
31 : 역기전력 q축 성분 추정부
34 : 회전 각도 오차 추정부
36 : PI 보상기
38 : 적분기
51 : 전류 제어기
70 : 전력 변환 모듈

Claims (14)

  1. 영구 자석 동기 전동기로 입력되는 고정자 3상 전류값을 디지털로 변환하여 출력하는 AD 변환기;
    상기 AD 변환부로부터 디지털로 변환된 3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 입력받고, 위치 및 속도 추정기로부터 영구 자석 동기 전동기의 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00160
    )을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00161
    )을 이용하여, 상기 3상 전류값3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 동기 회전좌표계의 dq 상으로 변환하여 d축 상의 성분(ids(k)) 및 q축 상의 성분(iqs(k))을 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 제 1 dq 변환부;
    상기 위치 및 속도 추정기로부터 상기 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00162
    )을 입력받고, 공간벡터 펄스폭 변조부에서 계산된 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00163
    )을 이용하여 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들(Vas(k),Vbs(k),Vcs(k))을 동기 회전좌표계의 d상 및 q상 전압값들(Vds(k),Vqs(k))로 변환하여 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 제 2 dq 변환부; 및
    상기 제 1 dq 변환부로부터 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 입력받고, 상기 제 2 dq 변환부로부터 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 입력받고, 시간 지연 추정 방식을 이용하여 영구 자석 동기 전동기 회전자의 각도(
    Figure pat00164
    ) 및 각속도(
    Figure pat00165
    )를 추정하는 상기 위치 및 속도 추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 위치 및 속도 추정기는
    상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 N 샘플링 시간 만큼 지연시키고, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시켜, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
    Figure pat00166
    ) 및 역기전력 q축 성분(
    Figure pat00167
    )을 추정하고, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
    Figure pat00168
    ) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
    Figure pat00169
    )을 이용하여 상기 회전자 각속도를 추정하고, 상기 회전자 각속도를 적분하여 회전자 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 위치 및 속도 추정기는
    상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
    Figure pat00170
    ) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
    Figure pat00171
    )을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
    Figure pat00172
    )를 추정하고, 추정된 회전자 각도 오차(
    Figure pat00173
    )가 0에 수렴하도록 PI 보상을 수행하여 상기 회전자 각속도를 추정하고, 상기 회전자 각속도를 적분하여 회전자 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위치 및 속도 추정기는
    상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)), 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
    Figure pat00174
    )을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
    Figure pat00175
    )을 추정하는 역기전력 d축 성분 추정부; 및
    상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k)) 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
    Figure pat00176
    )을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
    Figure pat00177
    )을 추청하는 역기전력 q축 성분 추정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 역기전력 d축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
    Figure pat00178
    )을 추정하고,
    Figure pat00179

    상기 역기전력 q축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
    Figure pat00180
    )을 추정하며,
    Figure pat00181

    상기 수학식에서
    Figure pat00182
    는 고정자 저항,
    Figure pat00183
    는 고정자 인덕턴스를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
    Figure pat00184
    ) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
    Figure pat00185
    )을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
    Figure pat00186
    )를 추정하는 회전자 각도 오차 추정부를 더 포함하고,
    상기 회전자 각도 오차 추정부는 아래의 수학식
    Figure pat00187

    에 따라서 회전자 각도의 추정 오차(
    Figure pat00188
    )를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 제어 장치.
  8. (a) AD 변환부가 영구 자석 동기 전동기로 입력되는 고정자 3상 전류값을 디지털로 변환하는 단계;
    (b) 제 1 dq 변환부가 상기 디지털로 변환된 3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 입력받고, 위치 및 속도 추정기로부터 영구 자석 동기 전동기의 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00189
    )을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00190
    )을 이용하여, 상기 3상 전류값3상 전류값(ias(k), ibs(k))을 동기 회전좌표계의 dq 상으로 변환하여 d축 상의 성분(ids(k)) 및 q축 상의 성분(iqs(k))을 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 단계;
    (c) 제 2 dq 변환부가 상기 위치 및 속도 추정기로부터 상기 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00191
    )을 입력받고, 공간벡터 펄스폭 변조부에서 계산된 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들을 입력받아, 상기 회전자 각도 추정값(
    Figure pat00192
    )을 이용하여 영구 자석 동기 전동기로 출력될 3상 지령 전압값들(Vas(k),Vbs(k),Vcs(k))을 동기 회전좌표계의 d상 및 q상 전압값들(Vds(k),Vqs(k))로 변환하여 상기 위치 및 속도 추정기로 출력하는 단계; 및
    (d) 상기 위치 및 속도 추정기가 상기 제 1 dq 변환부로부터 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 입력받고, 상기 제 2 dq 변환부로부터 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 입력받고, 시간 지연 추정 방식을 이용하여 영구 자석 동기 전동기 회전자의 각도(
    Figure pat00193
    ) 및 각속도(
    Figure pat00194
    )를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서
    상기 위치 및 속도 추정기는
    상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k))을 N 샘플링 시간 만큼 지연시키고, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)) 및 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시켜, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
    Figure pat00195
    ) 및 역기전력 q축 성분(
    Figure pat00196
    )을 추정하고, 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
    Figure pat00197
    ) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
    Figure pat00198
    )을 이용하여 상기 회전자 각속도를 추정하고, 상기 회전자 각속도를 적분하여 회전자 각도를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서
    상기 위치 및 속도 추정기는
    상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
    Figure pat00199
    ) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
    Figure pat00200
    )을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
    Figure pat00201
    )를 추정하고, 추정된 회전자 각도 오차(
    Figure pat00202
    )가 0에 수렴하도록 PI 보상을 수행하여 상기 회전자 각속도를 추정(
    Figure pat00203
    )하고, 상기 추정된 회전자 각속도(
    Figure pat00204
    )를 적분하여 회전자 각도를 추정(
    Figure pat00205
    )하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    (d1) 역기전력 d축 성분 추정부가 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 d축 상의 전압 성분(Vds(k)) 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
    Figure pat00206
    )을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
    Figure pat00207
    )을 추정하고,
    역기전력 q축 성분 추정부가 상기 d축 상의 전류 성분(ids(k)), 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k)), 상기 q축 상의 전압 성분(Vqs(k)) 및 1샘플링 구간 이전의 회전자 각속도 추정값(
    Figure pat00208
    )을 N 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값들과, 상기 q축 상의 전류 성분(iqs(k))을 N+1 샘플링 시간 만큼 지연시킨 값을 이용하여 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
    Figure pat00209
    )을 추청하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 (d1) 단계에서
    상기 역기전력 d축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분(
    Figure pat00210
    )을 추정하고,
    Figure pat00211

    상기 역기전력 q축 성분 추정부는 아래의 수학식에 따라서 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 q축 성분(
    Figure pat00212
    )을 추정하며,
    Figure pat00213

    상기 수학식에서
    Figure pat00214
    는 고정자 저항,
    Figure pat00215
    는 고정자 인덕턴스를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    (d2) 회전자 각도 오차 추정부가 상기 영구 자석 동기 전동기의 역기전력 d축 성분 추정값(
    Figure pat00216
    ) 및 역기전력 q축 성분 추정값(
    Figure pat00217
    )을 이용하여 회전자 각도의 추정 오차(
    Figure pat00218
    )를 추정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 회전자 각도 오차 추정부는 아래의 수학식
    Figure pat00219

    에 따라서 회전자 각도의 추정 오차(
    Figure pat00220
    )를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 (d) 단계는
    (d3) 추정된 회전자 각도 오차(
    Figure pat00221
    )가 0에 수렴하도록 PI 보상을 수행하여 상기 회전자 각속도를 추정(
    Figure pat00222
    )하는 단계; 및
    (d4) 상기 회전자 각속도(
    Figure pat00223
    )를 적분하여 회전자 각도를 추정(
    Figure pat00224
    )하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 방법.
KR1020180107142A 2018-09-07 2018-09-07 시간 지연 추정을 이용한 영구자석 동기 전동기 회전자의 각도 및 각속도 추정 장치 및 방법 KR20200028704A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114865976A (zh) * 2022-05-25 2022-08-05 陕西航空电气有限责任公司 基于ad2s1210的航空永磁电机转子位置角冗余控制系统及方法
KR102690456B1 (ko) * 2024-03-28 2024-07-31 주식회사 로보비즈코어 센서리스 영구자석 동기전동기의 위치제어 시스템

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