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KR101218441B1 - Control System of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor and Method to Detect Sensor Fault thereof - Google Patents

Control System of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor and Method to Detect Sensor Fault thereof Download PDF

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KR101218441B1
KR101218441B1 KR1020110042659A KR20110042659A KR101218441B1 KR 101218441 B1 KR101218441 B1 KR 101218441B1 KR 1020110042659 A KR1020110042659 A KR 1020110042659A KR 20110042659 A KR20110042659 A KR 20110042659A KR 101218441 B1 KR101218441 B1 KR 101218441B1
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permanent magnet
magnet synchronous
synchronous motor
model
embedded permanent
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김지환
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법은, 매입형 영구자석 동기 모터의 모델을 모델링(modeling)하는, 모델링 단계; 인풋-아웃풋 선형화(input-output linearization)에 의해 매입형 영구자석 동기 모터의 비선형적인 모델을 선형화된 모델로 변환하는, 선형 모델 변환 단계; 및 패리티 방정식(Parity equation)을 적용함으로써 선형화된 모델로부터 오차(residual)를 측정하는, 오차 측정 단계;를 포함하며, 단계들에 기초하여 생성된 고장 검출 알고리즘을 이용하여 시스템의 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 실시간으로 검출할 수 있다.Sensor failure detection method of the control system of the embedded permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention, the modeling step of modeling the model of the embedded permanent magnet synchronous motor; A linear model transformation step of converting the nonlinear model of the embedded permanent magnet synchronous motor into a linearized model by input-output linearization; And an error measuring step of measuring a residual from the linearized model by applying a parity equation. The current sensor and the position sensor of the system using a failure detection algorithm generated based on the steps. The fault can be detected in real time.

Description

매입형 영구자석 동기 모터 제어 시스템 및 그의 센서 고장 검출 방법{Control System of Interior Permanent Magnet Synchronous Motor and Method to Detect Sensor Fault thereof}Embedded System Permanent Magnet Synchronous Motor and Method to Detect Sensor Fault

매입형 영구자석 동기 모터 제어 시스템 및 그의 센서 고장 검출 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 매입형 영구자석 동기 모터의 전류 센서의 고장뿐만 아니라 위치 센서의 고장 역시 설계된 알고리즘에 의해서 정확하게 검출할 수 있는 매입형 영구자석 동기 모터 제어 시스템 및 그의 센서 고장 검출 방법이 개시된다.
An embedded permanent magnet synchronous motor control system and a sensor failure detection method thereof are disclosed. More specifically, a buried permanent magnet synchronous motor control system and a sensor failure detection method thereof, which can accurately detect not only a failure of a current sensor of a buried permanent magnet synchronous motor but also a failure of a position sensor by a designed algorithm, are disclosed.

매입형 영구자석 동기 모터(IPMSM, Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)는 다른 AC 모터에 비해, 고출력 팩터, 고출력 밀도, 전류 비율에 대한 높은 토크력, 높을 효율, 무게 비율에 대한 큰 힘 등을 갖는다. 이러한 장점은 자동차 모터 시스템 그리고 하이브리드 자동차와 같은 자동차 적용에 크게 필수적이다. Embedded Permanent Magnet Synchronous Motors (IPMSMs) have a higher power factor, higher power density, higher torque to current ratio, higher efficiency and greater force to weight ratio than other AC motors. This advantage is essential for automotive applications such as automotive motor systems and hybrid vehicles.

그러나, 회전자 코어의 자기적인 포화 및 권선 전류와 로터 속도 사이의 비선형적인 결합으로 인해 모터의 컨트롤러를 설계하기가 쉽지 않다. 따라서 모터 컨트롤러는 PI, PID 컨트롤러와 같은 선형 모터와 매우 다르고 몇몇의 비선형적인 컨트롤러는 동기 모터의 적용을 위해 개발되어 왔다.However, the magnetic saturation of the rotor core and the nonlinear coupling between the winding current and the rotor speed make it difficult to design the controller of the motor. Therefore, motor controllers are very different from linear motors such as PI and PID controllers, and some nonlinear controllers have been developed for the application of synchronous motors.

자동차에 적용시키기 위해, 모터 제어 시스템은 자동차 고장이 승객의 안전을 위협할 수 있기 때문에 기계 부분의 동일한 신뢰성 수준을 구비하여야만 한다. 신뢰성을 확보하기 위해, 모터 제어 시스템의 고장 진단 알고리즘에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.For automotive applications, the motor control system must have the same level of reliability of the machine part as a vehicle breakdown can threaten the safety of the passenger. In order to secure the reliability, various studies on the failure diagnosis algorithm of the motor control system have been conducted.

연구의 대부분은 옵저버(observer)에 기초한 고장 검출 접근을 이용하고 있다. 옵저버에 기초한 고장 검출의 장점 중 하나는 모델 불확실성에 대한 강성을 쉽게 달성할 수 있다는 것이다. 그러나 이러한 방법은 강성의 향상이 느린 속도 상수에 대한 검출의 민감성을 저하시킬 수 있기 때문에 느린 속도 상수를 갖는 고장이 검출되지 않을 수 있는 위험을 수반한다. Most of the research uses a fault detection approach based on observers. One of the advantages of observer-based fault detection is that stiffness to model uncertainty can be easily achieved. However, this method carries the risk that failures with slow rate constants may not be detected because the improvement in stiffness may reduce the sensitivity of detection to slow rate constants.

한편, 선형 모델에 기초한 패리티 방정식(Parity equation) 및 파라미터(parameter) 평가 접근은 제어 시스템의 고장을 검출하기에 보다 심플하고 직접적인 솔루션이다. 그러나, 어떠한 보정 없이 모터 제어 시스템에 이러한 접근을 적용하는 것은 컨트롤러가 비선형적인 작동 상태일 때 선형 모델이 모델 불확실성의 큰 크기를 갖기 때문에 잘못된 경고의 가능성을 갖는다. On the other hand, a parity equation and parameter evaluation approach based on a linear model is a simpler and more direct solution for detecting failure of the control system. However, applying this approach to a motor control system without any correction has the potential for false alarms since the linear model has a large amount of model uncertainty when the controller is in a nonlinear operating state.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 모터 제어 시스템에 대한 비선형적인 모델에 기초된 방법을 적용하는 것이 필수적이다.
In order to solve this problem, it is essential to apply a method based on a nonlinear model for the motor control system.

본 발명의 실시예에 따른 목적은, 매입형 영구자석 동기 모터의 전류 센서의 고장뿐만 아니라 위치 센서의 고장 역시 설계된 알고리즘에 의해서 실시간으로 정확하게 검출할 수 있는 매입형 영구자석 동기 모터 제어 시스템 및 그의 센서 고장 검출 방법을 제공하는 것이다.An object according to an embodiment of the present invention, the embedded permanent magnet synchronous motor control system and its sensor that can accurately detect the failure of the current sensor as well as the position sensor of the embedded permanent magnet synchronous motor in real time by the designed algorithm It is to provide a fault detection method.

본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 알고리즘에 의해서 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 검출할 수 있어 센서의 고장 검출에 소요되는 비용을 종래에 비해 감소시킬 수 있는 매입형 영구자석 동기 모터 제어 시스템 및 그의 센서 고장 검출 방법을 제공하는 것이다.
Another object according to an embodiment of the present invention, an embedded permanent magnet synchronous motor control system that can detect the failure of the current sensor and the position sensor by the algorithm to reduce the cost of detecting the failure of the sensor compared to the conventional And a sensor failure detection method thereof.

본 발명의 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법은, 매입형 영구자석 동기 모터의 모델을 모델링(modeling)하는, 모델링 단계; 인풋-아웃풋 선형화(input-output linearization)에 의해 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 비선형적인 모델을 선형화된 모델로 변환하는, 선형 모델 변환 단계; 및 패리티 방정식(Parity equation)을 적용함으로써 상기 선형화된 모델로부터 오차(residual)를 측정하는, 오차 측정 단계;를 포함하며, 상기 단계들에 기초하여 생성된 고장 검출 알고리즘을 이용하여 상기 시스템의 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 실시간으로 검출할 수 있다.Sensor failure detection method of the control system of the embedded permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention, the modeling step of modeling the model of the embedded permanent magnet synchronous motor; A linear model transformation step of converting a nonlinear model of the embedded permanent magnet synchronous motor into a linearized model by input-output linearization; And an error measuring step of measuring a residual from the linearized model by applying a parity equation. The current sensor of the system using a failure detection algorithm generated based on the steps. And a failure of the position sensor can be detected in real time.

상기 센서 고장 검출 방법은, 제안된 상기 고장 검출 알고리즘의 유용성을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 증명하는, 알고리즘 증명 단계를 더 포함할 수 있다.The sensor failure detection method may further comprise an algorithm verification step of verifying the usefulness of the proposed failure detection algorithm by computer simulation.

상기 알고리즘 증명 단계에서의 상기 컴퓨터 시뮬레이션은 매틀랩(MATLAB) 또는 시뮬링크(SIMULINK)를 포함하는 프로그램에 의해 실행될 수 있다.The computer simulation in the algorithm verification step may be executed by a program including MATLAB or SIMULINK.

상기 모델링 단계에서의 상기 모델은 직접 직교 변형(d-q(direct-quadrature) transformation)에 의해 정의되며, 정의된 d-q 동기 프레임 내에서의 전압 방정식은,

Figure 112011033494627-pat00001
Figure 112011033494627-pat00002
(여기서,
Figure 112011033494627-pat00003
는 d-축 전압, R은 고정자 저항,
Figure 112011033494627-pat00004
는 d-축 전류,
Figure 112011033494627-pat00005
는 d-축 인덕턴스,
Figure 112011033494627-pat00006
는 모터의 폴 페어(pole pair),
Figure 112011033494627-pat00007
은 모터 속도,
Figure 112011033494627-pat00008
는 q-축 인덕턴스,
Figure 112011033494627-pat00009
는 q-축 전류,
Figure 112011033494627-pat00010
는 q-축 전압,
Figure 112011033494627-pat00011
은 쇄교자속(flux linkage)임)일 수 있다.The model in the modeling step is defined by direct-quadrature (dq) transformation, and the voltage equation within the defined dq sync frame is
Figure 112011033494627-pat00001
And
Figure 112011033494627-pat00002
(here,
Figure 112011033494627-pat00003
Is the d-axis voltage, R is the stator resistance,
Figure 112011033494627-pat00004
D-axis current,
Figure 112011033494627-pat00005
D-axis inductance,
Figure 112011033494627-pat00006
Is the pole pair of the motor,
Figure 112011033494627-pat00007
Silver motor speed,
Figure 112011033494627-pat00008
Is the q-axis inductance,
Figure 112011033494627-pat00009
Is the q-axis current,
Figure 112011033494627-pat00010
Is the q-axis voltage,
Figure 112011033494627-pat00011
May be flux linkage).

상기 모델링 단계에서 정의된 d-q 동기 프레임 내에서의 전류 방정식은,

Figure 112011033494627-pat00012
(여기서,
Figure 112011033494627-pat00013
는 a축 전류,
Figure 112011033494627-pat00014
는 b축 전류,
Figure 112011033494627-pat00015
은 회전자 위치임)일 수 있다.The current equation in the dq sync frame defined in the modeling step is
Figure 112011033494627-pat00012
(here,
Figure 112011033494627-pat00013
Is the a-axis current,
Figure 112011033494627-pat00014
Is the b-axis current,
Figure 112011033494627-pat00015
Is the rotor position.

상기 선형 모델 변환 단계는, 상기 모델링 단계에서 비선형적인 상기 모델을 정의하는 식을 리 미분(Lie derivative)에 적용하여 상기 선형화된 모델을 구할 수 있다.In the linear model conversion step, the linearized model may be obtained by applying an equation defining the nonlinear model in the modeling step to a Lie derivative.

상기 인풋-아웃풋 선형화(input-output linearization)는 상기 시스템의 동적인 방정식을 선형화하는 비선형적인 대등의 변형을 제공함으로써, 상기 인풋-아웃풋 선형화를 적용하여 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 비선형적인 특성을 반영하는 모델을 획득할 수 있다.The input-output linearization provides a nonlinear equivalent variation that linearizes the dynamic equations of the system, thereby applying the input-output linearization to account for the nonlinear characteristics of the embedded permanent magnet synchronous motor. A model to reflect can be obtained.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템은, 매입형 영구자석 동기 모터의 모델을 모델링(modeling)한 후, 인풋-아웃풋 선형화(input-output linearization)에 의해 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 비선형적인 모델을 선형화된 모델로 변환하고, 이어서 패리티 방정식(Parity equation)을 적용함으로써 상기 선형화된 모델로부터 오차(residual)를 측정함으로써 고장 검출 알고리즘을 생성하고, 생성된 상기 고장 검출 알고리즘을 이용하여 상기 시스템의 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 실시간으로 검출할 수 있다.
On the other hand, the control system of the embedded permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention, after modeling the model of the embedded permanent magnet synchronous motor, the embedding by input-output linearization (input-output linearization) A failure detection algorithm is generated by converting a nonlinear model of the type permanent magnet synchronous motor into a linearized model, and then measuring a residual from the linearized model by applying a parity equation, and generating the failure. Detection algorithms can be used to detect faults in the current and position sensors of the system in real time.

본 발명의 실시예에 따르면, 매입형 영구자석 동기 모터의 전류 센서의 고장뿐만 아니라 위치 센서의 고장 역시 설계된 알고리즘에 의해서 실시간으로 정확하게 검출할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, not only the failure of the current sensor of the embedded permanent magnet synchronous motor but also the failure of the position sensor can be accurately detected in real time by a designed algorithm.

본 발명의 실시예에 따르면, 알고리즘에 의해서 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 검출할 수 있어 센서의 고장 검출에 소요되는 비용을 종래에 비해 감소시킬 수 있다.
According to the embodiment of the present invention, the failure of the current sensor and the position sensor can be detected by an algorithm, so that the cost of detecting the failure of the sensor can be reduced as compared with the related art.

도 1은 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이아그램이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법의 순서도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.
1 is a block diagram schematically illustrating a configuration of an embedded permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a sensor failure detection method of a control system of an embedded permanent magnet synchronous motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 to 5 are graphs showing simulation results of a control system of an embedded permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다. Hereinafter, configurations and applications according to embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description is one of several aspects of the patentable invention and the following description forms part of the detailed description of the invention.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail for the sake of clarity and conciseness.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 구성을 개략적으로 도시한 블록 다이아그램이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법의 순서도이며, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프들이다.1 is a block diagram schematically showing the configuration of a buried permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a control system of a buried permanent magnet synchronous motor according to an embodiment of the present invention 3 to 5 are graphs illustrating simulation results of a control system of an embedded permanent magnet synchronous motor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터(100)는, 변환된 전류값을 그리고 엔코더(120)에 의해 획득된 위치 검출 정보를 고장 검출 알고리즘(101)에 대입함으로써 IPMSM컨트롤러(110)는 제어 시스템에 구비되는 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 실시간으로 검출할 수 있다. 다시 말해, 알고리즘(101)에 기초하여 전류 센서의 고장뿐만 아니라 위치 센서의 고장도 같이 실시간으로 검출할 수 있어 효율성 및 정확성을 향상시킬 수 있으며 또한 비용 소요도 줄일 수 있는 장점이 있다.Referring to FIG. 1, the embedded permanent magnet synchronous motor 100 according to an exemplary embodiment of the present disclosure may convert the current value and the position detection information obtained by the encoder 120 to the failure detection algorithm 101. By substituting, the IPMSM controller 110 can detect the failure of the current sensor and the position sensor provided in the control system in real time. In other words, on the basis of the algorithm 101, not only the failure of the current sensor but also the failure of the position sensor can be detected in real time, thereby improving efficiency and accuracy and reducing costs.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 모터 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법은, 매입형 영구자석 동기 모터(100)의 비선형적인 모델을 모델링(modeling)하는 모델링 단계(S100)와, 인풋-아웃풋 선형화(input-output linearization)에 의해 매입형 영구자석 동기 모터(100)의 비선형적인 모델을 선형화된 모델로 변환하는 선형 모델 변환 단계(S200)와, 패리티 방적식(Parity equation)을 적용함으로써 선형화된 모델로부터 오차(residual)를 측정하는 오차 측정 단계(S300)와, 전술한 단계들에 의해 제안된 고장 검출 알고리즘(101)의 유용성을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 증명하는 알고리즘 증명 단계(S400)를 포함할 수 있다.2, the sensor failure detection method of the embedded permanent magnet synchronous motor control system according to an exemplary embodiment of the present disclosure includes a modeling step of modeling a nonlinear model of the embedded permanent magnet synchronous motor 100. (S100), a linear model conversion step (S200) for converting a nonlinear model of the embedded permanent magnet synchronous motor 100 into a linearized model by input-output linearization, and a parity equation (Parity) an error measurement step (S300) of measuring a residual from the linearized model by applying an equation, and an algorithm proof step of verifying the usefulness of the failure detection algorithm 101 proposed by the above-described steps by computer simulation. It may include (S400).

각각의 단계에 대해 설명하면, 먼저 모델링 단계(S100)에서, 매입형 영구자석 동기 모터(100)가 밸런스 있는 권선들 그리고 포화 없는 3상을 가진다고 가정하면, 직접 직교(d-q, direct-quadrature) 동기 프레임 내에서 동기 모터의 전압 방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다.For each step, first, in the modeling step (S100), assuming that the embedded permanent magnet synchronous motor 100 has balanced windings and three phases without saturation, direct quadrature (dq, direct-quadrature) synchronization The voltage equation of the synchronous motor in the frame can be expressed as follows.

Figure 112011033494627-pat00016
......(식 1)
Figure 112011033494627-pat00016
(Equation 1)

Figure 112011033494627-pat00017
......(식 2)
Figure 112011033494627-pat00017
(Equation 2)

식 1 및 식 2에서,

Figure 112011033494627-pat00018
는 d-축 전압, R은 고정자 저항,
Figure 112011033494627-pat00019
는 d-축 전류,
Figure 112011033494627-pat00020
는 d-축 인덕턴스,
Figure 112011033494627-pat00021
는 모터의 폴 페어(pole pair),
Figure 112011033494627-pat00022
은 모터 속도,
Figure 112011033494627-pat00023
는 q-축 인덕턴스,
Figure 112011033494627-pat00024
는 q-축 전류,
Figure 112011033494627-pat00025
는 q-축 전압,
Figure 112011033494627-pat00026
은 쇄교자속(flux linkage)이다. In equation 1 and equation 2,
Figure 112011033494627-pat00018
Is the d-axis voltage, R is the stator resistance,
Figure 112011033494627-pat00019
D-axis current,
Figure 112011033494627-pat00020
D-axis inductance,
Figure 112011033494627-pat00021
Is the pole pair of the motor,
Figure 112011033494627-pat00022
Silver motor speed,
Figure 112011033494627-pat00023
Is the q-axis inductance,
Figure 112011033494627-pat00024
Is the q-axis current,
Figure 112011033494627-pat00025
Is the q-axis voltage,
Figure 112011033494627-pat00026
Is the flux linkage.

그리고 전자기적인 토크는 다음과 같이 표현될 수 있다.The electromagnetic torque can be expressed as follows.

Figure 112011033494627-pat00027
......(식 3)
Figure 112011033494627-pat00027
(Equation 3)

한편, 속도의 동적인 방적식은 다음의 식 4와 같다.On the other hand, the dynamic spinning equation of the speed is as follows.

Figure 112011033494627-pat00028
......(식 4)
Figure 112011033494627-pat00028
(Equation 4)

식 4에서,

Figure 112011033494627-pat00029
은 알려지지 않은 외부 하중이고,
Figure 112011033494627-pat00030
,
Figure 112011033494627-pat00031
은 모터의 표준 파라미터이다. In equation 4,
Figure 112011033494627-pat00029
Is an unknown external load,
Figure 112011033494627-pat00030
,
Figure 112011033494627-pat00031
Is the standard parameter of the motor.

위치의 동적인 방정식은 다음의 식 5와 같다.The dynamic equation of position is given by

Figure 112011033494627-pat00032
......(식 5)
Figure 112011033494627-pat00032
(Eq. 5)

여기서, a-축 전류인

Figure 112011033494627-pat00033
, b-축 전류인
Figure 112011033494627-pat00034
는 전류 센서에 의해 측정될 수 있고, 회전자 위치인
Figure 112011033494627-pat00035
는 위치 센서에 의해 측정될 수 있다. 이때,
Figure 112011033494627-pat00036
,
Figure 112011033494627-pat00037
로부터
Figure 112011033494627-pat00038
Figure 112011033494627-pat00039
를 발생시키기 위해 직접 직교 변환(d-q, direct-quadrature transformation)이 적용될 수 있다. 직접 직교 변환은 다음의 식 6과 같이 정의될 수 있다.Where a-axis current
Figure 112011033494627-pat00033
, b-axis current
Figure 112011033494627-pat00034
Can be measured by a current sensor, and the rotor position
Figure 112011033494627-pat00035
Can be measured by the position sensor. At this time,
Figure 112011033494627-pat00036
,
Figure 112011033494627-pat00037
from
Figure 112011033494627-pat00038
And
Figure 112011033494627-pat00039
Direct quadrature transformation (dq) can be applied to generate Direct orthogonal transformation may be defined as in Equation 6 below.

Figure 112011033494627-pat00040
......(식 6)
Figure 112011033494627-pat00040
(Equation 6)

한편, 전술한 바와 같이, 모델링 단계(S100) 후, 매입형 영구자석 동기 모터(100)의 비선형적인 특성을 반영한 선형 모델 변환 단계(S200)가 진행되는데, 이때 인풋 아웃풋 선형화(input-output linearization)가 이루어질 수 있다.On the other hand, as described above, after the modeling step (S100), a linear model conversion step (S200) reflecting the non-linear characteristics of the embedded permanent magnet synchronous motor 100 proceeds, where the input output linearization (input-output linearization) Can be made.

선형 모델 변환 단계(S200)에서 비선형적인 시스템 모델을 예를 들면 리 미분(Lie derivative) 방정식에 적용시킴으로써 선형적인 시스템 모델을 구할 수 있다. 리 미분 방정식을 다음의 식 7과 같다.In the linear model transformation step (S200), a linear system model can be obtained by applying a nonlinear system model to, for example, a Lie derivative equation. Lee's differential equation is given by the following equation.

Figure 112011033494627-pat00041
......(식 7)
Figure 112011033494627-pat00041
(Eq. 7)

여기서 선형화된 모델을 획득하기 위해, 새로운 상태 변수가 다음의 식 8과 같이 정의될 수 있다.In order to obtain a linearized model here, a new state variable may be defined as in Equation 8 below.

Figure 112011033494627-pat00042
......(식 8)
Figure 112011033494627-pat00042
(Eq. 8)

식 8에서,

Figure 112011033494627-pat00043
이고,In Equation 8
Figure 112011033494627-pat00043
ego,

Figure 112011033494627-pat00044
이며,
Figure 112011033494627-pat00045
이고,
Figure 112011033494627-pat00044
Is,
Figure 112011033494627-pat00045
ego,

Figure 112011033494627-pat00046
이며,
Figure 112011033494627-pat00046
Is,

Figure 112011033494627-pat00047
이고,
Figure 112011033494627-pat00048
이다.
Figure 112011033494627-pat00047
ego,
Figure 112011033494627-pat00048
to be.

본 시스템이 늦게 변하고 시스템의 전류 상태가

Figure 112011033494627-pat00049
로 알려졌다고 가정하고, 새로운 상태 변수를 시간에 대해 미분한 후 전술한 식 1 내지 식 5에 적용시키면, 센서 고장 신호(
Figure 112011033494627-pat00050
)를 포함한 시스템의 상태 공간 형성은 다음의 식 9로부터 얻을 수 있다.The system changes slowly and the current state of the system
Figure 112011033494627-pat00049
Suppose it is known that the new state variable is differentiated with respect to time and then applied to equations 1 to 5 as described above.
Figure 112011033494627-pat00050
The state space formation of the system including) can be obtained from Equation 9 below.

Figure 112011033494627-pat00051
......(식 9)
Figure 112011033494627-pat00051
(Eq. 9)

여기서,here,

Figure 112011033494627-pat00052
이고,
Figure 112011033494627-pat00052
ego,

Figure 112011033494627-pat00053
,
Figure 112011033494627-pat00054
,
Figure 112011033494627-pat00053
,
Figure 112011033494627-pat00054
,

Figure 112011033494627-pat00055
,
Figure 112011033494627-pat00055
,

Figure 112011033494627-pat00056
Figure 112011033494627-pat00056

Figure 112011033494627-pat00057
이다.
Figure 112011033494627-pat00057
to be.

이러한 식들에 의해서, 비선형적인 부분을 반영한 선형적인 시스템 모델을 구할 수 있다.From these equations, we can obtain a linear system model that reflects the nonlinear part.

이후, 선형적인 시스템 모델을 패리티 방정식(Parity equation)에 적용시킴으로써 오차를 구하는 오차 측정 단계(S300)가 실행된다.Thereafter, an error measuring step S300 of obtaining an error by applying a linear system model to a parity equation is performed.

시스템의 전류 센서 및 위치 센서 고장을 검출하기 위해, 오차(

Figure 112011033494627-pat00058
, residual)를 다음의 식 10에 의해 구할 수 있다.To detect current sensor and position sensor failures in the system,
Figure 112011033494627-pat00058
, residual) can be obtained by the following equation.

Figure 112011033494627-pat00059
......(식 10)
Figure 112011033494627-pat00059
(Eq. 10)

고장의 존재 유무를 확인하기 위해, 오차(

Figure 112011033494627-pat00060
)는
Figure 112011033494627-pat00061
가 0이 아니라면
Figure 112011033494627-pat00062
에 의해 영향을 받고,
Figure 112011033494627-pat00063
가 0이라면 점근적으로 작아진다. 이러한 조건을 만족하는
Figure 112011033494627-pat00064
,
Figure 112011033494627-pat00065
를 찾기 위해, 다음의 식 11이 적용될 수 있다.To check for the presence of a fault, the error (
Figure 112011033494627-pat00060
)
Figure 112011033494627-pat00061
Is not zero
Figure 112011033494627-pat00062
Affected by
Figure 112011033494627-pat00063
Is 0, it becomes asymptotically small. To meet these conditions
Figure 112011033494627-pat00064
,
Figure 112011033494627-pat00065
In order to find, Equation 11 below can be applied.

Figure 112011033494627-pat00066
......(식 11)
Figure 112011033494627-pat00066
(Eq. 11)

여기서,

Figure 112011033494627-pat00067
이다.here,
Figure 112011033494627-pat00067
to be.

식 11은

Figure 112011033494627-pat00068
,
Figure 112011033494627-pat00069
의 기초가
Figure 112011033494627-pat00070
의 남은 눌 스페이스(null space)라는 것을 가리킨다. 따라서
Figure 112011033494627-pat00071
,
Figure 112011033494627-pat00072
를 결정하기 위해,
Figure 112011033494627-pat00073
의 눌 스페이스를 구하는 것이 필수적이다.
Figure 112011033494627-pat00074
의 남은 눌 스페이스(
Figure 112011033494627-pat00075
)는 식 9 및 식 11로부터의 매트릭스에 따라 계산될 수 있다.Equation 11
Figure 112011033494627-pat00068
,
Figure 112011033494627-pat00069
The basis of
Figure 112011033494627-pat00070
Indicates the remaining null space of the. therefore
Figure 112011033494627-pat00071
,
Figure 112011033494627-pat00072
To determine,
Figure 112011033494627-pat00073
It is essential to find the space to be pressed.
Figure 112011033494627-pat00074
Remaining pressed space (
Figure 112011033494627-pat00075
) Can be calculated according to the matrices from equations (9) and (11).

Figure 112011033494627-pat00076
Figure 112011033494627-pat00077
......(식 12)
Figure 112011033494627-pat00076
Figure 112011033494627-pat00077
(Eq. 12)

여기서, here,

Figure 112011033494627-pat00078
이다.
Figure 112011033494627-pat00078
to be.

상기 식 12에 표현된 것 같이,

Figure 112011033494627-pat00079
,
Figure 112011033494627-pat00080
,
Figure 112011033494627-pat00081
Figure 112011033494627-pat00082
는 적절하지 않으며, 이것은 오차의 실현을 불가능하게 만든다. 이에, 저대역 필터(low pass filter)가 적용될 수 있다.As represented by Equation 12,
Figure 112011033494627-pat00079
,
Figure 112011033494627-pat00080
,
Figure 112011033494627-pat00081
And
Figure 112011033494627-pat00082
Is not appropriate, which makes it impossible to realize the error. Thus, a low pass filter may be applied.

Figure 112011033494627-pat00083
......(식 13)
Figure 112011033494627-pat00083
(Eq. 13)

식 13에서,

Figure 112011033494627-pat00084
Figure 112011033494627-pat00085
는 저대역 필터의 시간 상수이다. 식 13에 식 12을 적용시킴으로써
Figure 112011033494627-pat00086
,
Figure 112011033494627-pat00087
가 계산될 수 있고, 오차가 식 12 및 식 13을 식 10에 적용시킴으로써 계산될 수 있다. 계산된 오차는 다음의 식 14와 같다.In equation 13,
Figure 112011033494627-pat00084
And
Figure 112011033494627-pat00085
Is the time constant of the low pass filter. By applying equation 12 to equation 13
Figure 112011033494627-pat00086
,
Figure 112011033494627-pat00087
Can be calculated and the error can be calculated by applying equations 12 and 13 to equation 10. The calculated error is shown in Equation 14 below.

Figure 112011033494627-pat00088
......(식 14)
Figure 112011033494627-pat00088
(Eq. 14)

전류 모터 속도(

Figure 112011033494627-pat00089
)가 알려져 있지 않기 때문에, 식 14를 실행하기 위해서는 그것이 추정되어야만 한다. 모터 속도 추정은 다음의 식 15로부터 구할 수 있다.Current motor speed (
Figure 112011033494627-pat00089
Since is not known, it must be estimated to perform equation 14. The motor speed estimate can be obtained from the following equation (15).

Figure 112011033494627-pat00090
......(식 15)
Figure 112011033494627-pat00090
(Eq. 15)

여기서,

Figure 112011033494627-pat00091
Figure 112011033494627-pat00092
는 저대역 필터의 시간 상수이다. 제안된 고장 검출 알고리즘(101)의 블록 다이아그램은 전술한 바와 같이 도 1과 같다. 그리고 제안된 고장 검출 알고리즘(101)은 식 14 및 식 15에 의해 실행될 수 있다.here,
Figure 112011033494627-pat00091
And
Figure 112011033494627-pat00092
Is the time constant of the low pass filter. The block diagram of the proposed failure detection algorithm 101 is as shown in FIG. 1 as described above. The proposed failure detection algorithm 101 can be executed by equations (14) and (15).

한편, 본 실시예의 알고리즘 증명 단계(S400)에서, 전술한 단계들에 의해 결정된 고장 검출 알고리즘(101)의 유용성을 컴퓨터 시뮬레이션(computer simulation)에 의해 증명할 수 있다.On the other hand, in the algorithm verification step S400 of the present embodiment, the usefulness of the failure detection algorithm 101 determined by the above-described steps can be proved by computer simulation.

알고리즘 증명 단계(S400)에서 적용될 수 있는 컴퓨터 시뮬레이션은 매틀랩(MATLAB) 또는 시뮬링크(SIMULINK)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.The computer simulation that may be applied in the algorithm verification step S400 may be Matlab or Simulink. However, the present invention is not limited thereto.

알고리즘 증명 단계에서 적용될 수 있는 매입형 영구자석 동기 모터의 파라미터들은 다음의 표 1과 같이 주어질 수 있다.The parameters of the embedded permanent magnet synchronous motor that can be applied in the algorithm verification step may be given as shown in Table 1 below.

기호sign 정의Justice 수치(유닛)Number (unit)

Figure 112011033494627-pat00093
Figure 112011033494627-pat00093
폴 페어 수Number of pole pairs 22
Figure 112011033494627-pat00094
Figure 112011033494627-pat00094
회전자 d-축 인덕턴스Rotor d-axis inductance 42.44(mH)42.44 (mH)
Figure 112011033494627-pat00095
Figure 112011033494627-pat00095
회전자 q-축 인덕턴스Rotor q-axis inductance 79.57(mH)79.57 (mH)
Figure 112011033494627-pat00096
Figure 112011033494627-pat00096
고정자 저항Stator resistance 1.93(Ω)1.93 (Ω)
Figure 112011033494627-pat00097
Figure 112011033494627-pat00097
자기 쇄속계수Magnetic chain coefficient 0.311(V·s/rad)0.311 (Vs / rad)
Figure 112011033494627-pat00098
Figure 112011033494627-pat00098
모터 관성Motor inertia 0.003(kg·m2)0.003 (kgm 2 )
Figure 112011033494627-pat00099
Figure 112011033494627-pat00099
마찰계수Coefficient of friction 0.001(N·m·s/rad)0.001 (Nm / s / rad)

시뮬레이션을 위한 시뮬레이터는 도 1에 도시된 것과 같으나, IPMSM 컨트롤러(110), PWM 제너레이터(130) 및 인버터(140)는 시뮬레이션의 편의를 위해 실행되지 않을 수도 있다. The simulator for simulation is the same as that shown in FIG. 1, but the IPMSM controller 110, the PWM generator 130, and the inverter 140 may not be executed for the convenience of simulation.

오차에 있어서 외부 하중의 효과를 나타내기 위해, 도시하지는 않았지만, 인풋 신호 제너레이터가 가상의 외부 하중 제너레이터를 포함할 수 있다. 센서 검출 제너레이터는 제안된 알고리즘의 탐지 가능성을 확인하기 위해 전류 센서 및 엔코더의 고장 신호를 발생시킬 수 있다.To illustrate the effect of external load on error, although not shown, the input signal generator may include a virtual external load generator. The sensor detection generator can generate a fault signal of the current sensor and encoder to confirm the detectability of the proposed algorithm.

한편, 도 3을 통해 d-축 전압 및 q-축 전압이 끊임 없고 5Nm의 외부 하중이 10초마다 가해질 때, 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 도 4에 도시된 것처럼 오차에 대한 외부 하중의 효과는 매우 작음을 알 수 있다.Meanwhile, the d-axis voltage and the q-axis voltage are shown in FIG. 3 when the external load of 5 Nm is applied every 10 seconds, and the result of the simulation is shown. As shown in Figure 4 it can be seen that the effect of the external load on the error is very small.

한편, 도 5는 a-축 전류 센서의 0.5V 오프셋 고장 신호가 20초마다 가해지고, 5Nm의 외부 하중이 10초마다 가해질 때 시뮬레이션의 결과를 보여준다. 이에 도시된 것처럼, 오차의 변화가 매우 커 센서 중의 하나가 20초 후에 비정상적이라는 것을 쉽게 파악할 수 있다.On the other hand, Figure 5 shows the results of the simulation when a 0.5V offset fault signal of the a-axis current sensor is applied every 20 seconds and an external load of 5 Nm is applied every 10 seconds. As shown here, it is easy to see that the change in error is so great that one of the sensors is abnormal after 20 seconds.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모터 제어 시스템의 새로운 센서 고장 검출 방법은 시스템 비선형성 및 하중 토크 영향의 변화를 감소시키기 위해 인풋-아웃풋 선형화 및 패리티 방정식 접근에 기초하여 설계된 고장 검출 알고리즘에 의해서 전류 센서 및 위치 센서 모두의 고장 검출을 용이하면서도 정확하게 수행할 수 있는 장점이 있다.As such, in accordance with an embodiment of the present invention, a novel sensor failure detection method of a motor control system is a failure detection algorithm designed based on input-output linearization and parity equation approach to reduce changes in system nonlinearity and load torque effects. By doing so, there is an advantage in that failure detection of both the current sensor and the position sensor can be easily and accurately performed.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, such modifications or variations will have to be belong to the claims of the present invention.

100 : 매입형 영구자석 동기 모터 101 : 고장 검출 알고리즘
110 : IPMSM 컨트롤러 120 : 엔코더
130 : PWM 제너레이터 140 : 인버터
100: embedded permanent magnet synchronous motor 101: failure detection algorithm
110: IPMSM controller 120: encoder
130: PWM generator 140: Inverter

Claims (8)

매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법에 있어서,
직접 직교 변형(d-q(direct-quadrature) transformation)에 의해 정의되는 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 모델을 모델링(modeling)하는, 모델링 단계;
상기 시스템의 동적인 방정식을 선형화하는 비선형적인 대등의 변형을 제공하는 인풋-아웃풋 선형화(input-output linearization)에 의해 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 비선형적인 모델을 선형화된 모델로 변환하는, 선형 모델 변환 단계; 및
패리티 방정식(Parity equation)을 적용함으로써 상기 선형화된 모델로부터 오차(residual)를 측정하는, 오차 측정 단계;
를 포함하며, 상기 단계들에 기초하여 생성된 고장 검출 알고리즘을 이용하여 상기 시스템의 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 검출하는 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법.
In the sensor failure detection method of the control system of the embedded permanent magnet synchronous motor,
A modeling step of modeling a model of the embedded permanent magnet synchronous motor defined by direct-quadrature (dq) transformation;
A linear model that transforms the nonlinear model of the embedded permanent magnet synchronous motor into a linearized model by input-output linearization providing a nonlinear equivalent deformation that linearizes the dynamic equations of the system Conversion step; And
An error measuring step of measuring a residual from the linearized model by applying a parity equation;
And detecting a failure of the current sensor and the position sensor of the system using a failure detection algorithm generated based on the above steps.
제1항에 있어서,
상기 오차 측정 단계 다음에 진행되며, 제안된 상기 고장 검출 알고리즘의 유용성을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 증명하는, 알고리즘 증명 단계를 더 포함하는 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법.
The method of claim 1,
A method for detecting a sensor failure of the control system of the embedded permanent magnet synchronous motor, further comprising an algorithm verification step, which is performed after the error measuring step and proves the usefulness of the proposed failure detection algorithm by computer simulation.
제2항에 있어서,
상기 알고리즘 증명 단계에서의 상기 컴퓨터 시뮬레이션은 매틀랩(MATLAB) 또는 시뮬링크(SIMULINK)를 포함하는 프로그램에 의해 실행되는 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법.
The method of claim 2,
And the computer simulation in the algorithm verification step is executed by a program comprising a matlab or simulink.
제1항에 있어서,
상기 모델링 단계에서, 정의된 d-q 동기 프레임 내에서의 전압 방정식은,
Figure 112012068036134-pat00100
Figure 112012068036134-pat00101
(여기서,
Figure 112012068036134-pat00102
는 d-축 전압, R은 고정자 저항,
Figure 112012068036134-pat00103
는 d-축 전류,
Figure 112012068036134-pat00104
는 d-축 인덕턴스,
Figure 112012068036134-pat00105
는 모터의 폴 페어(pole pair),
Figure 112012068036134-pat00106
은 모터 속도,
Figure 112012068036134-pat00107
는 q-축 인덕턴스,
Figure 112012068036134-pat00108
는 q-축 전류,
Figure 112012068036134-pat00109
는 q-축 전압,
Figure 112012068036134-pat00110
은 쇄교자속(flux linkage)임)인 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 고장 검출 방법.
The method of claim 1,
In the modeling step, the voltage equation within the defined dq sync frame,
Figure 112012068036134-pat00100
And
Figure 112012068036134-pat00101
(here,
Figure 112012068036134-pat00102
Is the d-axis voltage, R is the stator resistance,
Figure 112012068036134-pat00103
D-axis current,
Figure 112012068036134-pat00104
D-axis inductance,
Figure 112012068036134-pat00105
Is the pole pair of the motor,
Figure 112012068036134-pat00106
Silver motor speed,
Figure 112012068036134-pat00107
Is the q-axis inductance,
Figure 112012068036134-pat00108
Is the q-axis current,
Figure 112012068036134-pat00109
Is the q-axis voltage,
Figure 112012068036134-pat00110
Is a flux linkage. A failure detection method for a control system of an embedded permanent magnet synchronous motor.
제4항에 있어서,
상기 모델링 단계(S100)에서 정의된 d-q 동기 프레임 내에서의 전류 방정식은,
Figure 112011033494627-pat00111
(여기서,
Figure 112011033494627-pat00112
는 a축 전류,
Figure 112011033494627-pat00113
는 b축 전류,
Figure 112011033494627-pat00114
은 회전자 위치임)인 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법.
5. The method of claim 4,
The current equation in the dq sync frame defined in the modeling step S100 is
Figure 112011033494627-pat00111
(here,
Figure 112011033494627-pat00112
Is the a-axis current,
Figure 112011033494627-pat00113
Is the b-axis current,
Figure 112011033494627-pat00114
Is the rotor position) sensor failure detection method of a control system of an embedded permanent magnet synchronous motor.
제1항에 있어서,
상기 선형 모델 변환 단계는, 상기 모델링 단계에서 비선형적인 상기 모델을 정의하는 식을 리 미분(Lie derivative)에 적용하여 상기 선형화된 모델을 구하는 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 고장 검출 방법.
The method of claim 1,
In the linear model conversion step, a failure detection method of a control system of an embedded permanent magnet synchronous motor, which obtains the linearized model by applying an equation defining the nonlinear model in the modeling step to a Li derivative.
제6항에 있어서,
상기 인풋-아웃풋 선형화를 적용하여 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 비선형적인 특성을 반영하는 모델을 획득하는 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템의 센서 고장 검출 방법.
The method according to claim 6,
And applying the input-output linearization to obtain a model reflecting the nonlinear characteristics of the embedded permanent magnet synchronous motor.
매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템에 구비되는 전류 센서 및 고장 센서의 고장을 검출하기 위해서, 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 직접 직교 변형(d-q(direct-quadrature) transformation)에 의해 정의되는 모델을 모델링(modeling)한 후, 상기 시스템의 동적인 방정식을 선형화하는 비선형적인 대등의 변형을 제공하는 인풋-아웃풋 선형화(input-output linearization)에 의해 상기 매입형 영구자석 동기 모터의 비선형적인 모델을 선형화된 모델로 변환하고, 이어서 패리티 방정식(Parity equation)을 적용함으로써 상기 선형화된 모델로부터 오차(residual)를 측정하여, 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 유용성이 증명되는 고장 검출 알고리즘을 생성하고, 생성된 상기 고장 검출 알고리즘을 이용하여 상기 시스템의 전류 센서 및 위치 센서의 고장을 실시간으로 검출하는 매입형 영구자석 동기 모터의 제어 시스템.In order to detect the failure of the current sensor and the failure sensor included in the control system of the embedded permanent magnet synchronous motor, a model defined by direct-quadrature (dq) transformation of the embedded permanent magnet synchronous motor is developed. After modeling, the nonlinear model of the embedded permanent magnet synchronous motor is linearized by input-output linearization providing a nonlinear equivalent deformation that linearizes the dynamic equations of the system. Converting the model into a model, and then applying a parity equation to measure the residual from the linearized model to generate a failure detection algorithm that is proved useful by computer simulation, and generates the generated failure detection algorithm. Embedded to detect the failure of the current sensor and position sensor of the system in real time Control system of the permanent magnet synchronous motor.
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