KR20230064992A - 전동기 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

전동기 제어 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 제어 방법은 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 제공받는 단계, 상기 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 기초로 슬라이딩 표면 값 및 각속도에 대한 상태 에러 값을 획득하는 단계, 상기 슬라이딩 표면 값 및 상기 각속도에 대한 상태 에러 값을 기초로 공칭 제어 신호를 생성하는 단계, 상기 기준 각속도 및 상기 공칭 제어 신호를 기초로 외란 추정 값을 획득하는 단계 및 상기 외란 추정 값을 기초로 q축 기준 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전동기 제어 방법 및 장치{METHOD OF CONTROLLING MOTOR AND APPARATUS THEREOF}
본 발명은 전동기 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 영구 자석 동기 전동기의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
영구 자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)는 구조가 간단하고, 토크를 발생시키는 계자 자속으로 영구 자석을 사용하여 다른 교류 전동기에 비해 높은 제공 토크를 가질 수 있고, 효율이 뛰어나다. 일반적으로 영구 자석 동기 전동기의 속도를 제어하기 위해 FOC(Fild-Oriented Control) 기법을 사용할 수 있다. 특히, FOC 기법을 기반으로 하는 PI(Proportional Integral) 제어 방법은 구현이 간편하고, 고효율을 가져 영구 자석 동기 전동기의 제어에 사용될 수 있다. 다만, PI 제어 방식은 전동기의 실제 속도에 대해 안정적인 작동을 유지하기 위해 외부 교란 및 매개변수 변동을 신속하게 설정할 수 없습니다. 따라서 기존 PI 컨트롤러의 문제점을 극복하고 전동기 드라이브의 높은 동적 성능을 유지하는 방법이 필요하다.
이를 위해 강건 제어, 슬라이딩 모드 제어(Sliding mode control), 예측 제어 및 지능형 제어 등이 사용될 수 있다. 이 가운데, 슬라이딩 모드 제어는 외란에 강하며 시스템 파라미터의 높은 정확도를 요구하지 않은 장점이 있으나, 제어 신호에 채터링이 발생하는 문제점이 있을 수 있고, 이러한 채터링을 완화하기 위해 도달 법칙이 사용될 수 있다. 도달 법칙은 슬라이딩 모드 제어의 성능을 향상시키기 위해 외란의 상한 값을 조건으로 추가하며, 외란의 상한 값을 추정하기 위해 관측기(observer)가 사용될 수 있다. 다만, 기존의 관측기는 제어 신호의 가속도의 변화가 큰 경우 외란을 잘못 추정하는 문제점 및 이로 인해 제어 신호에 오버슈팅이 야기되는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 제어 신호의 채터링을 감소시키는 전동기 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 제어 신호의 가속도의 변화가 큰 경우에도 외란을 정확하게 추정하는 전동기 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 제어 신호의 오버슈팅이 발생하는 것을 방지하는 전동기 제어 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 제어 방법은 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 제공받는 단계, 상기 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 기초로 슬라이딩 표면 값 및 각속도에 대한 상태 에러 값을 획득하는 단계, 상기 슬라이딩 표면 값 및 상기 각속도에 대한 상태 에러 값을 기초로 공칭 제어 신호를 생성하는 단계, 상기 기준 각속도 및 상기 공칭 제어 신호를 기초로 외란 추정 값을 획득하는 단계 및 상기 외란 추정 값을 기초로 q축 기준 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 제어 장치는 외부로부터 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 제공받아, 상기 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 기초로 슬라이딩 표면 값 및 각속도에 대한 상태 에러 값을 획득하고, 상기 슬라이딩 표면 값 및 상기 각속도에 대한 상태 에러 값을 기초로 공칭 제어 신호를 생성하는 슬라이딩 모드 제어기, 외부로부터 상기 기준 각속도를 제공받고 및 상기 공칭 제어 신호를 상기 슬라이딩 모드 제어기로부터 제공받아, 상기 기준 각속도 및 상기 공칭 제어 신호를 기초로 외란 값을 추정하는 관측기 및 상기 공칭 제어 신호를 슬라이딩 모드 제어기로부터 제공받고, 상기 외란 추정 값을 상기 관측기로부터 제공받아, 상기 공칭 제어 신호 및 상기 외란 추정 값을 기초로 q축 기준 신호를 생성하는 전류 생성기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제어 신호의 채터링을 감소시킬 수 있고, 슬라이딩 표면에의 도달 시간을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 외란을 정확하게 추정할 수 있고, 외란이 시스템에 주는 영향을 줄일 수 있고, 오버슈팅이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 대해 더욱 이해하기 위해 포함되며 본 출원에 포함되고 그 일부를 구성하는 첨부된 도면은 본 발명의 원리를 설명하는 상세한 설명과 함께 본 발명의 실시예를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기 전동기 제어 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관측기의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법의 흐름도이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법의 효과를 나타내는 도면이다.
도 11은 기존의 관측기와 본 발명의 일 실시예에 따른 관측기의 안정성의 차이를 나타내는 시뮬레이션 결과에 대한 도면이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구체적으로 설명하며, 그 예는 첨부된 도면에 나타낸다. 첨부된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명은 본 발명의 실시예에 따라 구현될 수 있는 실시예만을 나타내기보다는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위한 것이다. 다음의 상세한 설명은 본 발명에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 세부 사항을 포함하지만, 본 발명이 이러한 세부 사항을 모두 필요로 하는 것은 아니다. 본 발명은 이하에서 설명되는 실시예들은 각각 따로 사용되어야 하는 것은 아니다. 복수의 실시예 또는 모든 실시예들이 함께 사용될 수 있으며, 특정 실시예들은 조합으로서 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 제어 시스템의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 제어 시스템(1)은 제어 장치(10), 인버터(20), 전동기(30), 전류 검출 장치(40) 및 연산 장치(50)를 포함할 수 있다.
제어 장치(10)는 기준 각속도(
Figure pat00001
) 및 전동기(30)의 회전자의 각속도(
Figure pat00002
)를 기초로 제어 펄스 신호(
Figure pat00003
)를 생성할 수 있다. 제어 장치(10)는 제어 펄스 신호(
Figure pat00004
)를 인버터(20)에 제공할 수 있다. 본 실시예에 따른 제어 장치(10)는 적어도 하나 이상의 프로세서(processor)에 해당하거나, 적어도 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제어 장치(10)는 마이크로 프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.
인버터(20)는 제어 펄스 신호(
Figure pat00005
)를 제어 장치(10)로부터 제공받을 수 있다. 인버터(20)는 제어 펄스 신호(
Figure pat00006
)를 기초로 3상 전압(
Figure pat00007
,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
)을 생성할 수 있다. 인버터(20)는 3상 전압(
Figure pat00010
,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
)을 전동기(30)에 제공할 수 있다. 인버터(20)는 3상 인버터(3-Phase inverter)일 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
전동기(30)는 3상 전압(
Figure pat00013
,
Figure pat00014
,
Figure pat00015
)을 인버터(20)로부터 제공받을 수 있다. 전동기(30)는 3상 전압(
Figure pat00016
,
Figure pat00017
,
Figure pat00018
)을 기초로 구동할 수 있다. 예를 들어, 전동기(30)는 영구자석 동기 전동기의 회전자에 위치하는 영구자석을 이용하여 자속(magnetic flux)을 발생시키고, 발생된 자속을 이용하여 고정자에 전류를 흘림으로써 회전하는 영구 자석 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)일 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
전류 검출 장치(40)는 전동기(30)의 3상 전류(
Figure pat00019
,
Figure pat00020
,
Figure pat00021
)를 검출할 수 있다. 전류 검출 장치(40)는 3상 전류(
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,
Figure pat00024
)를 제어 장치(10)로 제공할 수 있다.
연산 장치(50)는 전동기(30)의 회전자의 위치(θ)를 검출할 수 있고, 회전자의 위치(θ)를 기초로 회전자의 각속도(
Figure pat00025
)를 획득할 수 있다. 예를 들어 연산 장치(50)는 인코더(encoder), 레졸버(resolver) 또는 홈 센서(home sensor) 등을 포함할 수 있고, 회전자의 위치(θ)를 미분하여, 회전자의 각속도(
Figure pat00026
)를 획득할 수 있다. 연산 장치(50)는 회전자의 위치(θ) 및 각속도(
Figure pat00027
)를 제어 장치(10)에 제공할 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(10)는 슬라이딩 모드 제어기(110), 관측기(120), 전류 생성기(130), 제1 좌표 변환기(140), 전류 제어기(150), 제2 좌표 변환기(160) 및 펄스 진폭 변조기(pulse width modulator, PWM)(170)를 포함할 수 있다. 슬라이딩 모드 제어기(110)는 외부로부터 기준 각속도(
Figure pat00028
)를 제공받을 수 있다. 슬라이딩 모드 제어기(110)는 회전자의 각속도(
Figure pat00029
)를 연산 장치(50, 도 1 참조)로부터 제공받을 수 있다.
슬라이딩 모드 제어기(110)는 기준 각속도(
Figure pat00030
) 및 회전자의 각속도(
Figure pat00031
)를 기초로, 슬라이드 표면 값과 각속도에 대한 상태 에러 값을 획득할 수 있다. 슬라이딩 모드 제어기(110)는 각속도에 대한 상태 에러 값과 슬라이딩 표면 값은 각각 다음 수학식 1 및 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00032
수학식 1에서,
Figure pat00033
는 각속도에 대한 상태 에러 값일 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00034
수학식 2에서,
Figure pat00035
는 슬라이딩 표면 값일 수 있다.
슬라이딩 모드 제어기(110)는 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00036
) 및 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00037
)을 기초로 도달 함수를 생성할 수 있다. 도달 함수는 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00038
수학식 3에서, k 이득일 수 있고, n은 슬라이딩 계수일 수 있으며
Figure pat00039
는 도달 계수일 수 있다. n 및
Figure pat00040
는 미리 설정된 값일 수 있고, 일 실시예에서
Figure pat00041
는 0 내지 1일 수 있다.
슬라이딩 모드 제어기(110)는 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00042
), 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00043
) 및 도달 함수(
Figure pat00044
)를 기초로 공칭 제어 신호(nominal control signal)를 생성할 수 있다. 공칭 제어 신호는 다음 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00045
수학식 4에서,
Figure pat00046
은 공칭 제어 신호일 수 있고.
Figure pat00047
는 토크 상수일 수 있으며,
Figure pat00048
및
Figure pat00049
은 공칭 파라미터(nominal parameter)일 수 있고,
Figure pat00050
는 시그모이드 함수 일 수 있다. 여기서,
Figure pat00051
,
Figure pat00052
및
Figure pat00053
은 미리 설정된 값일 수 있다. 슬라이딩 모드 제어기(110)는 공칭 제어 신호(
Figure pat00054
)를 관측기(120) 및 전류 생성기(130)에 제공할 수 있다.
수학식 3에서 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00055
)의 절대 값(
Figure pat00056
)이 증가하는 경우, 도달 함수(
Figure pat00057
)는
Figure pat00058
에 수렴할 수 있고, 이는 k 보다 클 수 있다. 이는, 도달 함수(
Figure pat00059
)가 도달 단계에서 증가하여 슬라이딩 표면에 접근하는 도달 시간이 단축되었다는 것을 의미할 수 있다. 반면, 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00060
)의 절대 값(
Figure pat00061
)이 감소하는 경우, 도달함수(
Figure pat00062
)는
Figure pat00063
값에 수렴할 수 있다. 이는, 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00064
)이 감소하는 경우, 0으로 수렴되는 것을 의미할 수 있다.
이는, 수학식 4에서 불연속 함수인 시그모이드 함수(
Figure pat00065
)를 조정함으로써 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00066
) 및 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00067
)을 조정할 수 있음을 의미할 수 있다.
관측기(120)는 회전자의 각속도(
Figure pat00068
)를 연산 장치(50, 도 1 참조)로부터 제공받을 수 있고, 공칭 제어 신호(
Figure pat00069
)를 슬라이딩 모드 제어기(110)로부터 제공받을 수 있다. 관측기(120)는 회전자의 각속도(
Figure pat00070
) 및 공칭 제어 신호(
Figure pat00071
)를 이용하여 외란을 추정할 수 있다. 여기에서, 외란 추정 값은 전동기 제어 시스템의 파라미터의 불확실성 및 외부 부하 토크로 구성될 수 있다. 관측기(120)는 외란 추정 값을 전류 생성기(130)에 제공할 수 있다.
전류 생성기(130)는 공칭 제어 신호(
Figure pat00072
)를 슬라이딩 모드 제어기(110)로부터 제공받을 수 있고, 외란 추정 값을 관측기(120)로부터 제공받을 수 있다. 전류 생성기(130)는 공칭 제어 신호(
Figure pat00073
) 및 외란 추정 값을 기초로 q축 기준 신호를 생성할 수 있다. 전류 생성기(130)는 다음 수학식 5를 통해하여 q축 기준 신호를 생성할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00074
수학식 5에서,
Figure pat00075
는 q축 기준 신호일 수 있고,
Figure pat00076
는 외란 추정 값일 수 있다. 전류 생성기(130)는 q축 기준 신호(
Figure pat00077
)를 전류 제어기(150)로 제공할 수 있다.
제1 좌표 변환기(140)는 3상 전류(
Figure pat00078
)를 전류 검출기(40, 도1 참조)로부터 제공받을 수 있다. 제1 좌표 변환기(140)는 3상 전류(
Figure pat00079
)를 dq축 전류(
Figure pat00080
)로 변환할 수 있다. 제1 좌표 변환기(140)는 dq축 전류(
Figure pat00081
)를 전류 제어기(150)로 제공할 수 있다.
전류 제어기(150)는 d축 기준 전류(
Figure pat00082
)를 외부로부터 제공받을 수 있고, q축 기준 전류(
Figure pat00083
)를 전류 생성기(130)로부터 제공받을 수 있으며, dq축 전류(
Figure pat00084
)를 제1 좌표 변환기(140)로부터 제공받을 수 있다. 일 실시예에서, d축 기준 전류(
Figure pat00085
)는 0일 수 있다. 전류 제어기(150)는 d축 기준 전류(
Figure pat00086
), q축 기준 전류(
Figure pat00087
) 및 dq축 전류(
Figure pat00088
)를 기초로 dq축 전압(
Figure pat00089
)을 생성할 수 있다. 일 실시예에서, 전류 제어기(150)는 PI(Proportional Integral) 제어기일 수 있다. 전류 제어기(150)는 dq축 전압(
Figure pat00090
)을 제2 좌표 변환기(160)에 제공할 수 있다.
제2 좌표 변환기(160)는 dq축 전압(
Figure pat00091
)을 전류 제어기(150)로부터 제공받을 수 있다. 제2 좌표 변환기(160)는 dq축 전압(
Figure pat00092
)을 3상의 교류 신호 중 2 개의 상에 해당하는 2상 전압(
Figure pat00093
,
Figure pat00094
)으로 변환할 수 있다. 제2 좌표 변환기(160)는 2상 전압(
Figure pat00095
,
Figure pat00096
)을 펄스 진폭 변조기(170)에 제공할 수 있다.
펄스 진폭 변조기(170)는 2상 전압(
Figure pat00097
,
Figure pat00098
)을 제2 좌표 변환기(160)로부터 제공받을 수 있다. 펄스 진폭 변조기(170)는 전압(
Figure pat00099
,
Figure pat00100
)을 변환하여 제어 펄스 신호(
Figure pat00101
)를 생성할 수 있다. 펄스 진폭 변조기(170)는 제어 펄스 신호(
Figure pat00102
)를 인버터(20)에 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 관측기의 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관측기(200)는 제1 연산부(210), 제2 연산부(220), 제3 연산부(230), 제4 연산부(240), 제5 연산부(250) 및 제6 연산부(260)를 포함할 수 있다. 관측기(200)는 제5 연산부(250)에서 생성되는 제1 피드백 신호(
Figure pat00103
)가 제2 연산부(220)에 제공되고, 제6 연산부(260)에서 생성되는 제2 피드백 신호(
Figure pat00104
)가 제3 연산부(230)로 제공되는 피드백 제어 회로일 수 있다.
제1 연산부(210)는 승산 유닛들(211, 212) 및 가산 유닛(213)을 포함할 수 있다. 승산 유닛(211)은 공칭 제어 신호(
Figure pat00105
)를 슬라이딩 모드 제어기(110, 도 2 참조)로부터 제공받을 수 있다. 승산 유닛(211)은 공칭 제어 신호(
Figure pat00106
)와 토크 상수(
Figure pat00107
)를 승산할 수 있고, 승산된 공칭 제어 신호(
Figure pat00108
)를 가산 유닛(213)에 제공할 수 있다.
승산 유닛(212)은 회전자의 각속도(
Figure pat00109
)를 연산 장치(50, 도 1 참조)로부터 제공받을 수 있다. 승산 유닛(212)은 회전자의 각속도(
Figure pat00110
)와 마찰 계수(
Figure pat00111
)를 승산할 수 있고, 승산된 각속도(
Figure pat00112
)를 가산 유닛(213)에 제공할 수 있다.
가산 유닛(213)은 승산된 공칭 제어 신호(
Figure pat00113
) 및 승산된 각속도(
Figure pat00114
)를 승산 유닛들(211, 212)로부터 제공받을 수 있다. 가산 유닛(213)은 승산된 공칭 제어 신호(
Figure pat00115
) 및 승산된 각속도(
Figure pat00116
)를 기초로 제1 관측 신호(
Figure pat00117
)를 생성할 수 있다. 가산 유닛(213)은 승산된 공칭 제어 신호(
Figure pat00118
)에서 승산된 각속도(
Figure pat00119
)를 차감하는 방식으로 제1 관측 신호(
Figure pat00120
)를 생성할 수 있다. 제1 관측 신호(
Figure pat00121
)는 다음 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00122
가산 유닛(213)은 제1 관측 신호(
Figure pat00123
)를 제2 연산부(220)에 제공할 수 있다.
제2 연산부(220)는 가산 유닛(221) 및 적분 유닛(222)을 포함할 수 있다. 가산 유닛(221)은 제1 관측 신호(
Figure pat00124
)를 제1 연산부(210)로부터 제공받을 수 있고, 제1 피드백 신호(
Figure pat00125
)를 제5 연산부(250)로부터 제공받을 수 있다. 가산 유닛(221)은 제1 관측 신호(
Figure pat00126
)와 제1 피드백 신호(
Figure pat00127
)에 대한 합산을 수행하여 제2 관측 신호(
Figure pat00128
)를 생성할 수 있다. 가산 유닛(221)은 제2 관측 신호(
Figure pat00129
)를 적분 유닛(222)에 제공할 수 있다. 적분 유닛(222)은 제2 관측 신호(
Figure pat00130
)를 가산 유닛(221)으로부터 제공받을 수 있다. 적분 유닛(222)은 제2 관측 신호(
Figure pat00131
)에 대한 적분을 수행하여, 제3 관측 신호(
Figure pat00132
)를 생성할 수 있다. 제3 관측 신호(
Figure pat00133
)는 다음 수학식 7과 같을 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00134
적분 유닛(222)은 제3 관측 신호(
Figure pat00135
)를 제4 연산부(240) 및 제5 연산부(250)에 제공할 수 있다.
제3 연산부(230)는 회전자의 각속도(
Figure pat00136
)를 연산 장치(50)로부터 제공받을 수 있고, 공칭 제어 신호(
Figure pat00137
)를 슬라이딩 모드 제어기(110)로부터 제공받을 수 있다. 또한, 제3 연산부(230)는 제2 피드백 신호(
Figure pat00138
)를 제6 연산부(260)로부터 제공받을 수 있다. 제3 연산부(230)는 각속도(
Figure pat00139
), 공칭 제어 신호(
Figure pat00140
) 및 제2 피드백 신호(
Figure pat00141
)를 기초로 제3 관측 신호(
Figure pat00142
)의 상한 값 및 하한 값을 연산할 수 있다. 제3 관측 신호의 상한 값 및 하한 값은 다음 수학식 8 및 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00143
[수학식 9]
Figure pat00144
제3 연산부(230)는 제3 관측 신호(iO3)의 상한 값(sat up ) 및 하한 값(sat low )을 제4 연산부(240)에 제공할 수 있다.
제4 연산부(240)는 제3 관측 신호(
Figure pat00145
)를 제2 연산부(220)로부터 제공받을 수 있고, 제3 관측 신호(
Figure pat00146
)의 상한 값(sat up ) 및 하한 값(sat low )을 제3 연산부(230)로부터 제공받을 수 있다. 제4 연산부(240)는 제3 관측 신호(
Figure pat00147
)를 포화시켜 제4 관측 신호(
Figure pat00148
)를 생성할 수 있다. 제4 관측 신호(
Figure pat00149
)는 다음 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00150
제4 연산부(240)는 제4 관측 신호(
Figure pat00151
)를 제5 연산부(250) 및 제6 연산부(260)에 제공할 수 있다.
제5 연산부(250)는 가산 유닛(251) 및 승산 유닛(252)을 포함할 수 있다. 가산 유닛(251)은 제3 관측 신호(
Figure pat00152
) 및 제4 관측 신호(
Figure pat00153
)를 기초로 제5 관측 신호를 생성할 수 있다. 제5 관측 신호는 다음 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00154
수학식 10에서,
Figure pat00155
는 제5 관측 신호일 수 있다. 예를 들어, 제3 관측 신호(
Figure pat00156
)와 제4 관측 신호(
Figure pat00157
)가 동일한 경우, 제5 관측 신호(
Figure pat00158
)는 0일 수 있다. 가산 유닛(251)은 제5 관측 신호(
Figure pat00159
)를 승산 유닛(252)에 제공할 수 있다. 승산 유닛(252)은 제5 관측 신호(
Figure pat00160
)를 가산 유닛(251)로부터 제공받을 수 있다. 승산 유닛(252)은 제5 관측 신호(
Figure pat00161
)와 각속도 상수(
Figure pat00162
)를 승산하여 제1 피드백 신호(
Figure pat00163
)를 생성할 수 있다. 승산 유닛(252)은 제1 피드백 신호(
Figure pat00164
)를 제2 연산부(220)에 제공할 수 있다.
제6 연산부(260)는 가산 유닛(261) 및 승산 유닛들(262, 263)을 포함할 수 있다. 가산 유닛(261)은 제4 연산부(240)로부터 제4 관측 신호(
Figure pat00165
)를 제공받을 수 있고, 승산 유닛(262)로부터 승산된 각속도(
Figure pat00166
)를 제공받을 수 있다. 가산 유닛(261)은 제4 관측 신호(
Figure pat00167
) 및 승산된 각속도(
Figure pat00168
)를 기초로 제6 관측 신호(O)를 생성할 수 있다. 가산 유닛(261)은 제4 관측 신호(
Figure pat00169
)에서 승산된 각속도(
Figure pat00170
)를 차감하는 방식으로 제6 관측 신호(
Figure pat00171
)를 생성할 수 있다. 가산 유닛(261)은 제6 관측 신호(
Figure pat00172
)를 승산 유닛들(262, 263)에 제공할 수 있다.
승산 유닛(262)은 제6 관측 신호(
Figure pat00173
)를 가산 유닛(261)으로부터 제공받을 수 있다. 승산 유닛(262)은 제6 관측 신호(
Figure pat00174
)와 공칭 파라미터(
Figure pat00175
)를 승산하여 제2 피드백 신호(
Figure pat00176
)를 생성할 수 있다. 승산 유닛(262)은 제2 피드백 신호(
Figure pat00177
)를 제3 연산부(230)에 제공할 수 있다.
승산 유닛(263)은 제6 관측 신호(
Figure pat00178
)를 가산 유닛(261)으로부터 제공받을 수 있다. 승산 유닛(262)은 제6 관측 신호(
Figure pat00179
)와 외란 상수(L)를 승산하여 외란 추정 값을 생성할 수 있다. 외란 추정 값은 다음 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00180
수학식 11에서
Figure pat00181
는 외란 추정 값일 수 있다. 승산 유닛(263)은 외란 추정 값(
Figure pat00182
)을 전류 생성기(130, 도 2 참조)에 제공할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 제어 방법의 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 제어 장치(10)는 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00183
) 및 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00184
)을 획득할 수 있다(S410). 제어 장치(10)는 외부로부터 기준 각속도(
Figure pat00185
)를 제공받을 수 있고, 회전자의 각속도(
Figure pat00186
)를 연산 장치(50)로부터 제공받을 수 있다. 제어 장치(10)는 기준 각속도(
Figure pat00187
) 및 회전자의 각속도(
Figure pat00188
)를 기초로 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00189
) 및 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00190
)을 획득할 수 있다. 제어 장치(10)는 수학식 1 및 2(도 2 참조)를 사용하여 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00191
) 및 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00192
)을 획득할 수 있다.
제어 장치(10)는 공칭 제어 신호(
Figure pat00193
)를 생성할 수 있다(S420). 제어 장치(10)는 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00194
) 및 속도 에러 값(
Figure pat00195
)을 기초로 수학식 3(도 2 참조)과 같은 도달 함수(
Figure pat00196
)를 획득할 수 있다. 제어 장치(10)는 각속도에 대한 상태 에러 값(
Figure pat00197
), 슬라이딩 표면 값(
Figure pat00198
) 및 도달 함수(
Figure pat00199
)를 기초로 수학식 4(도 2 참조)와 같은 공칭 제어 신호(
Figure pat00200
)를 획득할 수 있다.
제어 장치(10)는 외란 추정 값(d)을 획득할 수 있다(S430). 제어 장치(10)는 공칭 제어 신호(
Figure pat00201
) 및 회전자의 각속도(
Figure pat00202
)를 기초로 외란 추정 값(
Figure pat00203
)을 획득할 수 있다. 제어 장치(10)는 수학식 11을 이용하여 외란 추정 값(
Figure pat00204
)을 획득할 수 있다.
제어 장치(10)는 q축 기준 신호(
Figure pat00205
)를 생성할 수 있다(S440). 제어 장치(10)는 공칭 제어 신호(
Figure pat00206
) 및 외란 추정 값(d)을 기초로 q축 기준 신호(
Figure pat00207
)를 생성할 수 있다. 제어 장치(10)는 수학식 5를 이용하여 q축 기준 신호(
Figure pat00208
)를 생성할 수 있다.
도 5는 전동기의 가속도의 크기가 큰 경우, 기존의 제어 방식과 본 발명에 따른 제어 방식의 차이를 나타내는 시뮬레이션 결과에 대한 도면이다. 도 6은 전동기의 가속도의 크기가 작은 경우, 기존의 제어 방식과 본 발명에 따른 제어 방식의 차이를 나타내는 시뮬레이션 결과에 대한 도면이다. 도 7은 외부의 로드가 변경된 경우, 기존의 제어 방식과 본 발명에 따른 제어 방식의 차이를 나타내는 시뮬레이션 결과에 대한 도면이다. 여기에서, 외부의 부하가 변경된 경우는 로드에 부하를 설치하여 토크를 발생시킨 경우일 수 있다.
도 5 내지 도 10을 참조하면, 오버슈트, 채터링, 추정 방해 여부, 최대 에러 값 및 속도 응답성에 대해, 기존의 PI 제어 방식으로 설계한 경우, 기존의 슬라이딩 모드 제어 방식으로 설계한 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기와 기존의 관측기를 결합하여 설계한 경우 및 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기와 및 관측기를 결합하여 설계한 경우를 비교한 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 다음 표 1과 같다.
Parameter Value Parameter Value
Rate voltage 24 V Limited current ±6.5 A
Rate speed 2500 rpm Encoder Lines 2500 PPR
Torque constant 0.0613 N.m/A Pole pairs 5
Figure pat00209
,
Figure pat00210
 1.13 mH R 0.4 Ω
Figure pat00211
 1.2Х10
Figure pat00212
Figure pat00213
Figure pat00214
 54.2Х10
Figure pat00215
Figure pat00216
도 5 및 도 6의 속도 응답성에 대한 데이터를 참조하면, 기존의 PI 제어 방식에 따라 설계한 경우 및 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기와 기존의 관측기를 결합하여 설계한 경우에는 오버 슈트가 발생하나, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기와 및 관측기를 결합하여 설계한 경우에는 오버 슈트가 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 도 5의 전류에 대한 데이터를 참조하면, 기존의 슬라이딩 전동기 제어 방식에 따라 설계한 경우에는 채터링이 발생하나, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기와 및 관측기를 결합하여 설계한 경우에는 채터링이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 전동기의 가속도의 크기가 큰 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 관측기를 결합하여 설계하는 경우 기존의 방식에 따라 설계한 경우와 달리 오버슈트 및 채터링이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 도 7 및 도 8의 속도 응답성에 대한 데이터를 참조하면, 기존의 제어 방식에 따라 설계한 경우 및 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 관측기를 결합하여 설계하는 경우 모두 오버 슈트가 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 도 6의 속도 에러 값에 대한 데이터를 참조하면, 기존의 PI 제어 방식에 따라 설계한 경우, 채터링은 발생하지 않았으나 속도 에러 값이 60rpm으로 큰 것을 확인할 수 있다. 기존의 슬라이딩 전동기 제어 방식에 따라 설계한 경우 속도 에러 값은 25rpm으로 크지 않았으나, 채터링이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기와 및 관측기를 결합하여 설계한 경우 속도 에러 값이 30rpm으로 크지 않고, 채터링이 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 전동기의 가속도의 크기가 큰 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 기존의 관측기를 결합한 경우 및 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 관측기를 결합하여 설계하는 경우 기존의 방식에 따라 설계한 경우와 전류 에러 값이 작고 채터링이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10의 속도 응답성에 대한 데이터를 참조하면, PI 제어 방식에 따라 설계한 경우에 채터링은 발생하지 않으나, 응답성이 느린 것을 확인할 수 있고, 슬라이딩 전동기 제어 방식에 따라 설계한 경우, 채터링이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 기존의 관측기를 결합하여 설계하는 경우 및 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 관측기를 결합하여 설계하는 경우에는 채터링이 발생하지 않고 응답성이 빠른 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10의 속도 에러 값에 대한 데이터를 참조하면, 기존의 슬라이딩 전동기 제어 방식에 따라 설계한 경우 채터링이 발생하나, 이와 달리, 기존의 PI 제어 방식에 따라 설계하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 기존의 관측기를 결합하여 설계하는 경우 및 본 발명의 일 실시예에 따른 슬라이딩 모드 제어기 및 관측기를 결합하여 설계하는 경우에는 채터링이 발생하지 않고 응답성이 빠른 것을 확인할 수 있다.
도 11은 기존의 관측기와 본 발명의 일 실시예에 따른 관측기의 안정성의 차이를 나타내는 시뮬레이션 결과에 대한 도면이다.
도 11은 기존의 관측기를 사용한 경우와 본 발명의 일 실시예에 따른 관측기를 사용한 경우, 외란에 대한 성능 안전성에 대해서 평가한 도면이다. 기존의 관측기를 사용한 경우 외란 추정 값(d)은 5.3 Nm으로 측정되었고, 본 발명의 일 실시예에 따른 관측기를 사용한 경우 외란 추정 값(d)은 0.49 Nm으로 측정된 것을 확인할 수 있다. 따라서, 기존의 방법에 비해 상당히 안정적으로 개선된 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 대부분의 용어는 해당 분야에서 널리 사용되는 일반적인 것들에서 선택되지만, 일부 용어는 출원인에 의해 임의로 선택되며 그 의미는 필요에 따라 다음 설명에서 자세히 서술한다. 따라서 본 발명은 용어의 단순한 명칭이나 의미가 아닌 용어의 의도된 의미에 근거하여 이해되어야 한다.
본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (13)

  1. 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 제공받는 단계;
    상기 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 기초로 슬라이딩 표면 값 및 각속도에 대한 상태 에러 값을 획득하는 단계;
    상기 슬라이딩 표면 값 및 상기 각속도에 대한 상태 에러 값을 기초로 공칭 제어 신호를 생성하는 단계;
    상기 기준 각속도 및 상기 공칭 제어 신호를 기초로 외란 추정 값을 획득하는 단계; 및
    상기 외란 추정 값을 기초로 q축 기준 신호를 생성하는 단계를 포함하는, 전동기 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공칭 제어 신호를 생성하는 단계는,
    상기 회전자의 각속도 및 상기 기준 각속도를 기초로 도달 함수를 획득하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외란 추정 값을 획득하는 단계는,
    상기 기준 각속도 및 상기 공칭 제어 신호를 기초로 제1 관측 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 관측 신호 및 제1 피드백 신호를 기초로 제2 관측 신호를 생성하는 단계;
    상기 제2 관측 신호를 기초로 제3 관측 신호를 생성하는 단계;
    상기 제3 관측 신호 및 상기 제3 관측 신호의 상한 값 및 하한 값을 기초로 제4 관측 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제4 관측 신호를 기초로 외란 추정 값을 획득하는 단계를 포함하는, 전동기 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 관측 신호를 생성하는 단계는,
    상기 제2 관측 신호를 적분하는 단계를 포함하는, 전동기 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제4 관측 신호를 생성하는 단계는,
    상기 제3 관측 신호 및 제2 피드백 신호를 기초로 상기 제3 관측 신호의 상한 값 및 하한 값을 추정하는 단계; 및
    상기 상한 값 및 상기 하한 값을 기초로 상기 제3 관측 신호를 포화시키는 단계를 포함하는, 전동기 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 피드백 신호는 상기 제4 관측 신호를 기초로 생성하는, 전동 기 제어 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 피드백 신호는,
    상기 제3 관측 신호 및 상기 제4 관측 신호를 기초로 생성하는, 전동기 제어 방법.
  8. 외부로부터 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 제공받아, 상기 회전자의 각속도 및 기준 각속도를 기초로 슬라이딩 표면 값 및 각속도에 대한 상태 에러 값을 획득하고, 상기 슬라이딩 표면 값 및 상기 각속도에 대한 상태 에러 값을 기초로 공칭 제어 신호를 생성하는 슬라이딩 모드 제어기;
    외부로부터 상기 기준 각속도를 제공받고 및 상기 공칭 제어 신호를 상기 슬라이딩 모드 제어기로부터 제공받아, 상기 기준 각속도 및 상기 공칭 제어 신호를 기초로 외란 값을 추정하는 관측기; 및
    상기 공칭 제어 신호를 슬라이딩 모드 제어기로부터 제공받고, 상기 외란 추정 값을 상기 관측기로부터 제공받아, 상기 공칭 제어 신호 및 상기 외란 추정 값을 기초로 q축 기준 신호를 생성하는 전류 생성기를 포함하는, 전동기 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 슬라이딩 모드 제어기는.
    상기 회전자의 각속도 및 상기 기준 각속도를 기초로 도달 함수를 획득하는, 전동기 제어 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 관측기는,
    상기 기준 각속도 및 상기 공칭 제어 신호를 기초로 제1 관측 신호를 생성하고, 상기 제1 관측 신호 및 제1 피드백 신호를 기초로 제2 관측 신호를 생성하고, 상기 제2 관측 신호를 기초로 제3 관측 신호를 생성하고, 상기 제3 관측 신호 및 상기 제3 관측 신호의 상한 값 및 하한 값을 기초로 제4 관측 신호를 생성하고, 상기 제4 관측 신호를 기초로 상기 외란을 추정하는 전동기 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 관측기는,
    상기 제2 관측 신호를 적분하여 상기 제3 관측 신호를 생성하는 전동기 제어 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 관측기는,
    상기 제3 관측 신호 및 제2 피드백 신호를 기초로 상기 제3 관측 신호의 상한 값 및 하한 값을 추정하고, 상기 상한 값 및 상기 하한 값을 기초로 상기 제3 관측 신호를 포화시켜 상기 제4 관측 신호를 생성하는, 전동기 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 관측기는,
    상기 제4 관측 신호를 기초로 상기 제2 관측 신호를 생성하는, 전동기 제어 장치.
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