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KR102461128B1 - Sensorless control apparatus and method of permanent magnet synchronous motor - Google Patents

Sensorless control apparatus and method of permanent magnet synchronous motor Download PDF

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KR102461128B1
KR102461128B1 KR1020200115677A KR20200115677A KR102461128B1 KR 102461128 B1 KR102461128 B1 KR 102461128B1 KR 1020200115677 A KR1020200115677 A KR 1020200115677A KR 20200115677 A KR20200115677 A KR 20200115677A KR 102461128 B1 KR102461128 B1 KR 102461128B1
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신재성
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임지연
장명혁
노준호
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어보브반도체 주식회사
목포해양대학교 산학협력단
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Abstract

영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치 및 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치는, 정지 좌표계에서 상기 전동기의 동작을 기술하는 제1 물리량 정보를 추정하는 제1 추정기; 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 얻어지는 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 나타내는 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 추정기; 상기 제2 물리량 정보를 이용하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차가 보상된 상기 전동기의 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 위치/속도 검출기를 포함한다.Disclosed are a sensorless control device and a control method for a permanent magnet motor. A sensorless control apparatus for a permanent magnet motor according to an embodiment of the present invention includes: a first estimator for estimating first physical quantity information describing an operation of the motor in a stationary coordinate system; a second estimator for estimating second physical quantity information representing the counter electromotive force of the electric motor in a synchronous coordinate system based on a first estimated value for an angle of a rotor of the electric motor obtained based on the first physical quantity information; and a position/speed detector for generating position and speed information of a rotor of the electric motor in which an error included in the angle of the first estimated value is compensated by using the second physical quantity information.

Description

영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치 및 제어 방법 {SENSORLESS CONTROL APPARATUS AND METHOD OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}Sensorless control device and control method of permanent magnet motor {SENSORLESS CONTROL APPARATUS AND METHOD OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 영구자석 전동기(PMSM, permanent magnet synchronous motor)의 센서리스 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로 센서리스 제어는 영구자석 전동기 내에 물리적인 센서를 사용하지 않고 전동기에 공급되는 전압과 전류로부터 전동기를 제어하는 데에 필요한 정보를 추정하고, 추정된 정보에 기반하여 영구자석 전동기를 제어하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a sensorless control apparatus and method for a permanent magnet synchronous motor (PMSM). Specifically, sensorless control is a technology for estimating information necessary to control a motor from the voltage and current supplied to the motor without using a physical sensor in the permanent magnet motor, and controlling the permanent magnet motor based on the estimated information. is about

전동기(電動機, electric motor)는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 전동기는 전원의 종류에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 분류된다. 교류 전동기는 단상 교류용 전동기와 3상 교류용 전동기로 구분되며, 각각에 유도 전동기와 동기전동기가 있다.BACKGROUND ART An electric motor is a device that converts electrical energy into mechanical energy by using the force received by a conductor through which an electric current flows in a magnetic field. Motors are classified into DC motors and AC motors according to the type of power source. AC motors are divided into single-phase AC motors and three-phase AC motors, and there are induction motors and synchronous motors respectively.

동기 전동기는 회전자에 부착된 영구자석으로부터 자속을 공급받기 때문에 벡터 제어를 위해서는 회전자의 위치 정보를 알아야 한다. 회전자의 위치 정보를 얻기 위해서는 홀 센서(Hall Sensor), 레졸버(Resolver), 또는 엔코더(Encoder) 등의 위치 검출 센서를 전동기의 축에 부착해야 한다. 그러나 위치 검출 센서는 가격이 고가이고, 별도의 복잡한 하드웨어가 마련되어야 하는 단점이 있다. 또한 전동기의 축에 위치 검출 센서를 부착하는 것으로 인하여 전동기의 크기 및 전동기의 관성이 증가하는 문제가 있다.Since a synchronous motor receives magnetic flux from a permanent magnet attached to the rotor, it is necessary to know the position information of the rotor for vector control. In order to obtain the position information of the rotor, a position detection sensor such as a Hall sensor, a resolver, or an encoder must be attached to the shaft of the motor. However, the position detection sensor has disadvantages in that it is expensive and requires separate and complicated hardware. In addition, there is a problem in that the size of the motor and the inertia of the motor increase due to the attachment of the position detection sensor to the shaft of the motor.

또한 이때 이용되는 위치 검출 센서는 특수한 경우를 제외하고는 전동기가 널리 사용되는 환경, 예를 들어, 내진동, 내충격, 내식성, 내온성 및 내습성이 요구되는 환경에서 절대적으로 불리한 문제점이 있다.In addition, the position detection sensor used at this time has an absolutely disadvantageous problem in an environment where electric motors are widely used, for example, vibration resistance, shock resistance, corrosion resistance, temperature resistance and moisture resistance are required except for special cases.

따라서, 위치 센서 없이도 전동기를 제어할 수 있는 센서리스 제어방법(Sensorless control)에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.Accordingly, research on a sensorless control method capable of controlling an electric motor without a position sensor is being actively conducted.

일반적으로, 영구자석 동기 전동기(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)의 센서리스 제어 알고리즘은 고조파 주입 방식(신호 주입 방식)과 모델 기반 방식으로 분류된다. 고조파 주입 방식은 정지~저속 및 저토크 구간에서 우수한 성능을 보이나 고속 모터 제어에는 부적합하다. 모델 기반 방식은 수학적 모델에 기반하여 센서리스 제어를 수행하는 방식으로 고속 제어에 유리하다. 반면 모델 기반 방식은 저속 운전 및 급가속 구간에서 매개변수의 변동으로 인해 시스템이 불안정해질 수 있는 단점이 있으므로 응답성의 개선 등의 대응이 필요한 것으로 알려져 있다. In general, the sensorless control algorithm of a permanent magnet synchronous motor (PMSM) is classified into a harmonic injection method (signal injection method) and a model-based method. The harmonic injection method shows excellent performance in the range from stop to low speed and low torque, but is not suitable for high-speed motor control. The model-based method is advantageous for high-speed control by performing sensorless control based on a mathematical model. On the other hand, the model-based method has the disadvantage that the system may become unstable due to parameter fluctuations during low-speed operation and rapid acceleration, so it is known that responses such as improvement of responsiveness are necessary.

모델 기반 센서리스 제어 알고리즘 중 하나로 역기전력 추정에 기반한 센서리스 제어 방식을 들 수 있다. 이 방법은 전동기의 전기 또는 전자 기계 모델을 사용하여 역기전력(EMF)을 추정하고 속도와 회전자 위치 정보를 획득한다. 역기전력 추정 센서리스 제어 방식은 정지 좌표계에 기반한 방법과 동기 좌표계에 기반한 방법으로 구분된다. 예를 들어 한국등록특허공보 KR 10-1329132 "영구자석 전동기의 센서리스 제어장치" 및 한국공개특허공보 KR 10-2020-0046692 "전동기의 센서리스 제어 방법"에서는 동기 좌표계 역기전력 추정 기반 센서리스 제어 방식의 개량된 버전이 소개된다. One of the model-based sensorless control algorithms is a sensorless control method based on back EMF estimation. This method estimates the back electromotive force (EMF) using an electric or electromechanical model of the motor and acquires speed and rotor position information. The back EMF estimation sensorless control method is divided into a method based on a stationary coordinate system and a method based on a synchronous coordinate system. For example, in Korean Patent Publication No. KR 10-1329132 "Sensorless control device of a permanent magnet motor" and Korean Patent Publication KR 10-2020-0046692 "Sensorless control method of an electric motor", a sensorless control method based on synchronous coordinate system counter electromotive force estimation An improved version of the is introduced.

또 다른 선행문헌인 "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012. 에서는 정지 좌표계 기반 역기전력 추정과 동기 좌표계 기반 역기전력 추정 각각의 센서리스 제어 방식을 소개하고 비교한다. Another prior literature, "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012. introduces and compares the sensorless control methods of the stationary coordinate system-based back EMF estimation and the synchronous coordinate system-based back EMF estimation.

또 다른 선행문헌인 "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives", I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008 에서는 자속 추정 기반 센서리스 제어 방식의 문제점 및 개선점을 개시하며, 여기서 개시되는 자속 추정은 정지 좌표계에서 수행된다. Another prior literature, "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives", I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. In 2008, problems and improvements of a sensorless control method based on magnetic flux estimation are disclosed, and the disclosed magnetic flux estimation is performed in a stationary coordinate system.

역기전력 또는 자속 추정에 기반한 PMSM 센서리스 제어 방식들은 전동기의 수학적 모델에 해당하는 전압 방정식이 표현되는 좌표계에 따라서 그 특성이 결정된다고 볼 수 있다. 종래의 모델 기반 PMSM 센서리스 제어 방식들은 앞에서 언급한 3가지 수학적 모델들 중에서 하나를 기반으로 하고 있기 때문에 저속 및 고속 운전 영역에 이르기까지 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어 성능을 구현하기 어렵다. PMSM sensorless control methods based on counter electromotive force or magnetic flux estimation can be considered to have their characteristics determined according to the coordinate system in which the voltage equation corresponding to the mathematical model of the motor is expressed. Since the conventional model-based PMSM sensorless control methods are based on one of the above-mentioned three mathematical models, it is difficult to implement stable sensorless control performance in a wide operation range ranging from low-speed and high-speed operation areas.

또 다른 선행문헌인 한국등록특허공보 KR 10-1961106 "센서리스 제어 방법 및 장치"에서는 정밀한 센서리스 제어가 아닌, 센서리스 제어에서 탈조 발생 여부를 검출하는 방식으로 하이브리드 센서리스 제어 방식을 제안한다. 이 선행문헌에서는 동기 좌표계 역기전력 추정 기반 센서리스 제어 방식을 채택하되, 탈조 여부를 감지하기 위하여 정지 좌표계 기반 자속 추정 방식을 병렬적으로 적용한다. Another prior document, Korean Patent Publication No. KR 10-1961106 "Sensorless Control Method and Apparatus," proposes a hybrid sensorless control method as a method of detecting whether a step-out occurs in sensorless control, rather than precise sensorless control. In this prior document, a sensorless control method based on synchronous coordinate system counter electromotive force estimation is adopted, but a stationary coordinate system-based magnetic flux estimation method is applied in parallel to detect a step-out.

그러나 상기 선행문헌들을 참고하더라도, 종래의 모델 기반 PMSM 센서리스 제어 방식들 각각이 가지는 장점과 단점은 명확하게 구분되며, 이들을 단순히 조합하는 것만으로는 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어 성능을 구현하기 어렵다. However, even with reference to the preceding documents, the advantages and disadvantages of each of the conventional model-based PMSM sensorless control methods are clearly distinguished, and it is difficult to implement stable sensorless control performance in a wide operating range simply by combining them. .

한국등록특허공보 KR 10-1329132 "영구자석 전동기의 센서리스 제어장치" (2013년 11월 7일)Korean Patent Publication KR 10-1329132 "Sensorless control device of permanent magnet motor" (November 7, 2013) 한국공개특허공보 KR 10-2020-0046692 "전동기의 센서리스 제어 방법" (2020년 5월 7일)Korean Patent Application Laid-Open No. KR 10-2020-0046692 "Method for sensorless control of electric motor" (May 7, 2020) 한국등록특허공보 KR 10-1961106 "센서리스 제어 방법 및 장치" (2019년 3월 18일)Korean Patent Publication No. KR 10-1961106 "Sensorless control method and apparatus" (March 18, 2019)

"Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012. (2012년 7월 1일)"Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012. (July 1, 2012) "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives", I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008 (2008년 9월 1일)"Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives", I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008 (September 1, 2008)

본 발명의 목적은 PMSM의 회전자의 위치와 속도를 별도의 센서를 사용하지 않고서 전동기에 공급되는 전압과 전류로부터 추정하는 모델 기반 센서리스 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 PMSM의 넓은 운전영역에서 모델 기반 센서리스 제어의 성능을 개선할 수 있는 회전자 위치/속도 추정 장치 및 방법을 제시하는 것이다. An object of the present invention relates to a model-based sensorless control apparatus and method for estimating the position and speed of a rotor of a PMSM from the voltage and current supplied to an electric motor without using a separate sensor. To present an apparatus and method for estimating rotor position/speed that can improve the performance of model-based sensorless control.

본 발명의 목적은 저속 및 고속 운전 영역을 포함하는 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어 성능을 확보할 수 있는 PMSM의 센서리스 제어 장치 및 방법을 제시하는데 있다. 본 발명에서 제시하는 첫 번째 실시예는 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 자속 추정 방식과 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식을 결합한 하이브리드(Hybrid) 방식으로, 적분기와 HPF를 이용하는 자속 추정기의 문제점(저속 운전 영역에서 위상 앞섬으로 인한 센서리스 위치 추정 값의 오차 증가로 센서리스 제어 성능이 저하되는 현상)과 동기 좌표계 전압 방정식으로부터 역기전력을 추정하는 방식의 문제점(인버터의 비선형성 및 PMSM의 파라미터 변동으로 인해 위치 오차에 대한 추정 값(

Figure 112020095810290-pat00001
)에 포함되는 오차가 PLL의 적분기에 누적되어 센서리스 제어 성능이 저하되는 현상)을 상호 보완적으로 해결할 수 있는 장점이 있다. 따라서 넓은 운전 영역에 걸쳐서 PMSM의 모델 기반 센서리스 제어 방식의 안정적인 성능을 확보할 수 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a sensorless control apparatus and method for PMSM that can secure stable sensorless control performance in a wide operation area including low-speed and high-speed operation areas. The first embodiment presented in the present invention is a hybrid method combining a magnetic flux estimation method using a stationary coordinate system voltage equation and a counter electromotive force estimation method using a synchronous coordinate system voltage equation. A phenomenon in which sensorless control performance deteriorates due to an increase in the error of the sensorless position estimation value due to phase lead in the region) and a problem in the method of estimating the back EMF from the synchronous coordinate system voltage equation (position due to nonlinearity of inverter and parameter fluctuation of PMSM) Estimated value for error (
Figure 112020095810290-pat00001
) has the advantage of complementarily solving the phenomenon that the sensorless control performance deteriorates due to the accumulation of errors in the integrator of the PLL. Therefore, it is possible to secure the stable performance of the model-based sensorless control method of PMSM over a wide operating area.

본 발명에서 제시하는 두 번째 실시예는 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식과 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식을 결합한 하이브리드(Hybrid) 방식으로, 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식과 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식의 단점들을 상호 보완적으로 해결할 수 있다.The second embodiment presented in the present invention is a hybrid method combining a back EMF estimation method using a stationary coordinate system voltage equation and a back EMF estimation method using a synchronous coordinate system voltage equation. The disadvantages of the back EMF estimation method using the voltage equation can be complementarily solved.

본 발명의 목적은 서로 다른 주된 운전 영역을 가지는 수학적 모델에 기반한 모델 기반 센서리스 제어 방식들을 상호 보완적으로 결합하되, 단순히 서로 병렬적으로 결합하지 않고, 서로의 단점을 보완할 수 있도록 순차적으로 서로 결합하는 새로운 센서리스 제어 방식을 제안하는 것이다. 본 발명의 목적은 서로 다른 주된 운전 영역을 가지는 모델 기반 센서리스 제어 방식들을 상호 보완적으로 결합하여 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어 성능을 구현하는 복수의 실시예들을 제안하는 것이다.It is an object of the present invention to complementarily combine model-based sensorless control methods based on a mathematical model having different main operation areas, but do not simply combine them in parallel with each other, but sequentially to complement each other's shortcomings. It is to propose a new sensorless control method that combines It is an object of the present invention to propose a plurality of embodiments for implementing stable sensorless control performance in a wide driving range by complementarily combining model-based sensorless control methods having different main driving ranges.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 도출된 구성으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치는 정지 좌표계에서 상기 전동기의 동작을 기술하는 제1 물리량 정보를 추정하는 제1 추정기; 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 얻어지는 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 나타내는 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 추정기; 및 상기 제2 물리량 정보를 이용하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차가 보상된 상기 전동기의 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 위치/속도 검출기를 포함한다. 이때 제2 추정기의 동기 좌표계는 상기 제1 물리량 정보의 각도를 기준으로 하는 동기 좌표계로 이해될 수 있다. 또한 위치/속도 검출기는 상기 제1 물리량 정보의 각도에 포함된 오차가 보상된 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 것으로 이해될 수 있다. The present invention is a configuration derived to achieve the above object, and the sensorless control apparatus for a permanent magnet motor according to an embodiment of the present invention is a first physical quantity information for estimating the first physical quantity information describing the operation of the motor in a stationary coordinate system. 1 estimator; a second estimator for estimating second physical quantity information representing the counter electromotive force of the electric motor in a synchronous coordinate system based on a first estimated value for an angle of a rotor of the electric motor obtained based on the first physical quantity information; and a position/speed detector for generating position and speed information of a rotor of the electric motor in which an error included in the angle of the first estimated value is compensated by using the second physical quantity information. In this case, the synchronization coordinate system of the second estimator may be understood as a synchronization coordinate system based on the angle of the first physical quantity information. Also, it may be understood that the position/velocity detector generates position and velocity information of a rotor in which an error included in the angle of the first physical quantity information is compensated.

상기 제1 물리량 정보는 상기 전동기의 자속일 수 있다. The first physical quantity information may be a magnetic flux of the electric motor.

상기 제1 물리량 정보는 상기 전동기의 역기전력일 수 있다. The first physical quantity information may be a counter electromotive force of the electric motor.

상기 제1 물리량 정보가 전동기의 자속인 경우에, 상기 제1 추정기는, 상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 자속을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 자속 추정기; 및 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 자속 각도 연산기를 포함할 수 있다. When the first physical quantity information is the magnetic flux of the electric motor, the first estimator may include: a magnetic flux estimator for estimating the magnetic flux of the electric motor in the stationary coordinate system as the first physical quantity information; and a magnetic flux angle calculator generating the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information.

상기 제1 물리량 정보가 전동기의 역기전력인 경우에, 상기 제1 추정기는, 상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 제1 역기전력 추정기; 및 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 역기전력 각도 연산기를 포함할 수 있다. When the first physical quantity information is the back electromotive force of the motor, the first estimator may include: a first counter electromotive force estimator for estimating the back electromotive force of the motor in the stationary coordinate system as the first physical quantity information; and a counter electromotive force angle calculator generating the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information.

상기 제2 추정기는, 상기 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 나타내는 상기 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 역기전력 추정기; 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각속도를 연산하고 상기 각속도를 상기 제2 역기전력 추정기에 전달하는 각속도 연산기; 및 상기 각속도 및 상기 제2 물리량 정보에 기반하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차를 연산하는 각도 오차 연산기를 포함할 수 있다. The second estimator may include: a second back EMF estimator for estimating the second physical quantity information representing the back EMF of the electric motor in a synchronous coordinate system based on the first estimated value; an angular velocity calculator for calculating the angular velocity of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information and transmitting the angular velocity to the second counter electromotive force estimator; and an angle error calculator configured to calculate an error included in the angle of the first estimated value based on the angular velocity and the second physical quantity information.

상기 제2 추정기는, 상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 상기 동기 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값으로 변환하여 상기 제2 역기전력 추정기에 전달하는 축 변환기를 더 포함할 수 있다. The second estimator may further include an axis converter that converts the voltage and current values of the electric motor in the stationary coordinate system into voltage and current values of the electric motor in the synchronous coordinate system and transmits the converted voltage and current values to the second counter electromotive force estimator.

상기 축 변환기는 상기 전동기의 회전자의 실제의 D축에 대한 추정된 D축을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계를 설정하고, 상기 추정 동기 좌표계를 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 변환하는 상기 동기 좌표계로서 이용할 수 있다. 이때 상기 축 변환기는 상기 제1 물리량 정보에서 얻어지는 상기 전동기의 상기 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 기준으로 상기 추정 동기 좌표계를 설정할 수 있다. The axis converter sets an estimated synchronous coordinate system based on the estimated D-axis with respect to the actual D-axis of the rotor of the motor, and uses the estimated synchronous coordinate system as the synchronous coordinate system for converting voltage and current values of the motor. can In this case, the shaft converter may set the estimated synchronization coordinate system based on the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor obtained from the first physical quantity information.

본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 센서리스 제어 방법은 영구자석 전동기(PMSM)에 공급되는 전압 및 전류를 이용하는 모델 기반의 센서리스 제어 방법이다. 본 발명의 센서리스 제어 방법은 정지 좌표계에서 상기 전동기의 동작을 기술하는 제1 물리량 정보를 추정하는 제1 추정 단계; 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 얻어지는 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 나타내는 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 추정 단계; 및 상기 제2 물리량 정보를 이용하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차가 보상된 상기 전동기의 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 위치/속도 검출 단계를 포함한다. The sensorless control method of an electric motor according to an embodiment of the present invention is a model-based sensorless control method using voltage and current supplied to a permanent magnet motor (PMSM). The sensorless control method of the present invention includes a first estimation step of estimating first physical quantity information describing the operation of the electric motor in a stationary coordinate system; a second estimation step of estimating second physical quantity information representing the counter electromotive force of the electric motor in a synchronous coordinate system based on a first estimated value for an angle of a rotor of the electric motor obtained based on the first physical quantity information; and a position/speed detection step of generating position and speed information of a rotor of the electric motor in which an error included in the angle of the first estimated value is compensated by using the second physical quantity information.

상기 제1 추정 단계는, 상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 자속을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 자속 추정 단계; 및 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 자속 각도 연산 단계를 포함할 수 있다. The first estimating step may include: a magnetic flux estimating step of estimating the magnetic flux of the electric motor as the first physical quantity information in the stationary coordinate system; and a magnetic flux angle calculation step of generating the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information.

상기 제1 추정 단계는, 상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 제1 역기전력 추정 단계; 및 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 역기전력 각도 연산 단계를 포함할 수 있다. The first estimating step may include: a first back EMF estimating step of estimating the back EMF of the electric motor as the first physical quantity information in the stationary coordinate system; and a counter electromotive force angle calculation step of generating the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information.

상기 제2 추정 단계는, 상기 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 나타내는 상기 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 역기전력 추정 단계; 상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각속도를 연산하고 상기 각속도를 상기 제2 역기전력 추정 단계로 전달하는 각속도 연산 단계; 및 상기 각속도 및 상기 제2 물리량 정보에 기반하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차를 연산하는 각도 오차 연산 단계를 포함할 수 있다. The second estimating step may include: a second back EMF estimating step of estimating the second physical quantity information representing the back EMF of the electric motor in a synchronous coordinate system based on the first estimated value; an angular velocity calculation step of calculating an angular velocity of a rotor of the electric motor based on the first physical quantity information and transferring the angular velocity to the second counter electromotive force estimating step; and calculating an error included in the angle of the first estimated value based on the angular velocity and the second physical quantity information.

상기 제2 추정 단계는, 상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 상기 동기 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값으로 변환하여 상기 제2 역기전력 추정기에 전달하는 축 변환 단계를 더 포함할 수 있다. The second estimating step may further include converting the voltage and current values of the motor in the stationary coordinate system into the voltage and current values of the motor in the synchronous coordinate system and transmitting the converted voltage and current values to the second counter electromotive force estimator. .

상기 축 변환 단계는 상기 전동기의 회전자의 실제의 D축에 대한 추정된 D축을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계를 설정하고, 상기 추정 동기 좌표계를 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 변환하는 상기 동기 좌표계로서 이용할 수 있다. 이때 상기 축 변환 단계는 상기 제1 물리량 정보에서 얻어지는 상기 전동기의 상기 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 기준으로 상기 추정 동기 좌표계를 설정할 수 있다.The axis transformation step sets an estimated synchronous coordinate system based on the estimated D-axis with respect to the actual D-axis of the rotor of the motor, and uses the estimated synchronous coordinate system as the synchronous coordinate system to convert the voltage and current values of the motor. Available. In this case, the axis transformation step may set the estimated synchronization coordinate system based on the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor obtained from the first physical quantity information.

본 발명에 따르면 PMSM의 저속 및 고속 운전 영역을 두루 포함하는 넓은 운전영역에서 모델 기반 센서리스 제어의 성능을 개선할 수 있는 회전자 위치/속도 추정 장치 및 방법을 구현할 수 있다. According to the present invention, it is possible to implement an apparatus and method for estimating the rotor position/speed that can improve the performance of the model-based sensorless control in a wide operation area including both the low-speed and high-speed operation areas of the PMSM.

본 발명의 첫 번째 실시예에 따르면, 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 자속 추정 방식과 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식을 결합한 하이브리드(Hybrid) 방식을 이용함으로써, 적분기와 HPF를 이용하는 자속 추정기의 문제점(저속 운전 영역에서 위상 앞섬으로 인한 센서리스 위치 추정 값의 오차 증가로 센서리스 제어 성능이 저하되는 현상)과 동기 좌표계 전압 방정식으로부터 역기전력을 추정하는 방식의 문제점(인버터의 비선형성 및 PMSM의 파라미터 변동으로 인해 위치 오차에 대한 추정 값(

Figure 112020095810290-pat00002
)에 포함되는 오차가 PLL의 적분기에 누적되어 센서리스 제어 성능이 저하되는 현상)을 상호 보완적으로 해결할 수 있는 장점이 있다. 따라서 넓은 운전 영역에 걸쳐서 PMSM의 모델 기반 센서리스 제어 방식의 안정적인 성능을 확보할 수 있다.According to the first embodiment of the present invention, by using a hybrid method combining a magnetic flux estimation method using a stationary coordinate system voltage equation and a back electromotive force estimation method using a synchronous coordinate system voltage equation, the problem of the magnetic flux estimator using an integrator and HPF ( A phenomenon in which sensorless control performance deteriorates due to an increase in the error of the sensorless position estimation value due to phase lead in the low-speed operation region) and a problem in the method of estimating the back EMF from the synchronous coordinate system voltage equation (due to nonlinearity of the inverter and parameter fluctuations of PMSM) The estimated value for the position error due to
Figure 112020095810290-pat00002
) has the advantage of complementarily solving the phenomenon that the sensorless control performance deteriorates due to the accumulation of errors in the integrator of the PLL. Therefore, it is possible to secure the stable performance of the model-based sensorless control method of PMSM over a wide operating area.

본 발명의 두 번째 실시예에 따르면, 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식과 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식을 결합한 하이브리드(Hybrid) 방식을 이용함으로써, 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식과 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식의 단점들을 상호 보완적으로 해결할 수 있다.According to the second embodiment of the present invention, by using a hybrid method combining the back EMF estimation method using the stationary coordinate system voltage equation and the back EMF estimation method using the synchronous coordinate system voltage equation, the back EMF estimation method using the stationary coordinate system voltage equation and The disadvantages of the back EMF estimation method using the synchronous coordinate system voltage equation can be resolved complementary to each other.

본 발명에 따르면 서로 다른 주된 운전 영역을 가지는 수학적 모델에 기반한 모델 기반 센서리스 제어 방식들을 상호 보완적으로 결합하되, 단순히 서로 병렬적으로 결합하지 않고, 서로의 단점을 보완할 수 있도록 순차적으로 서로 결합하는 새로운 센서리스 제어 방식을 구현할 수 있다. According to the present invention, model-based sensorless control methods based on mathematical models having different main operation areas are combined complementary to each other, but not simply combined in parallel, but sequentially combined to compensate for each other's shortcomings. A new sensorless control method can be implemented.

본 발명에 따르면 상호 보완적으로 결합되는 모델 기반 센서리스 제어 방식 간의 단점이 서로의 장점에 의하여 치유될 수 있다. 예를 들어 동기 좌표계 역기전력 추정 방식의 장점을 이용하여 정지 좌표계 역기전력 추정 방식 또는 정지 좌표계 자속 추정 방식의 단점을 해소할 수 있다. 이를 통하여 저속에서 고속에 이르기까지 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어를 수행할 수 있다. According to the present invention, the disadvantages between the model-based sensorless control schemes that are complementary to each other can be healed by mutual advantages. For example, by using the advantages of the synchronous coordinate system back EMF estimation method, the disadvantages of the stationary coordinate system back EMF estimation method or the stationary coordinate system magnetic flux estimation method can be solved. Through this, stable sensorless control can be performed in a wide operation range from low to high speed.

본 발명의 구성에 따른 모델 기반 센서리스 제어 기법은 종래 기술의 센서리스 제어 기법들을 선택적으로 또는 병렬적으로 결합하는 데에 그치지 않고, 하나의 새로운 센서리스 제어 기법으로 구현되도록 결합된다. 이로 인하여 얻어지는 본 발명의 모델 기반 센서리스 제어 기법은 특정 조건 별로 선택적으로 적용되는 것이 아니며 단일한 기법을 넓은 운전 영역에 걸쳐 적용할 수 있고, 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어 기능이 구현될 수 있다.The model-based sensorless control method according to the configuration of the present invention is not limited to selectively or parallelly combining sensorless control methods of the prior art, but is combined to be implemented as a new sensorless control method. The model-based sensorless control technique of the present invention obtained by this is not selectively applied for each specific condition, and a single technique can be applied over a wide operating area, and a stable sensorless control function can be implemented in a wide operating area. .

도 1은 본 발명의 기술 분야의 일반적인 PMSM 센서리스 벡터제어 시스템을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 기술 분야의 일반적인 PMSM의 모델 기반 센서리스 위치/속도 추정기의 기능 요소를 도시하는 블록도이다.
도 3은 PMSM의 좌표축 간의 관련성을 도시하는 공간 벡터 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추정된 위치 오차를 이용하는 위치/속도 추정기의 세부 구성의 일 실시예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PMSM 센서리스 제어 장치를 도시하는 블록도이다.
도 6은 도 5의 센서리스 제어 장치의 제1 실시예를 상세히 도시하는 블록도이다.
도 7은 도 6의 자속 추정기의 세부 구성의 일 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 8은 도 6의 위치/속도 검출기의 세부 구성의 일 실시예를 도시하는 블록도이다.
도 9는 도 5의 센서리스 제어 장치의 제2 실시예를 상세히 도시하는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 비교례로서, 본 발명의 기술 분야의 일반적인 동기 좌표계에서 역기전력 추정기를 이용한 PMSM 센서리스 제어 장치를 도시하는 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 PMSM 센서리스 제어의 시뮬레이션 결과의 파형을 도시하는 도면이다.
1 is a block diagram showing a general PMSM sensorless vector control system in the technical field of the present invention.
2 is a block diagram illustrating functional elements of a model-based sensorless position/velocity estimator of a typical PMSM in the technical field of the present invention.
Fig. 3 is a space vector diagram showing the relation between coordinate axes of PMSM.
4 is an embodiment of a detailed configuration of a position/velocity estimator using an estimated position error according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram illustrating a PMSM sensorless control apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a detailed block diagram illustrating a first embodiment of the sensorless control device of FIG. 5 .
7 is a block diagram illustrating an embodiment of a detailed configuration of the magnetic flux estimator of FIG. 6 .
FIG. 8 is a block diagram showing an embodiment of the detailed configuration of the position/velocity detector of FIG. 6 .
9 is a detailed block diagram illustrating a second embodiment of the sensorless control apparatus of FIG. 5 .
10 is a block diagram illustrating a PMSM sensorless control apparatus using a back EMF estimator in a general synchronization coordinate system in the technical field of the present invention as a comparative example of the present invention.
11 is a diagram illustrating a waveform of a simulation result of PMSM sensorless control according to an embodiment of the present invention.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.In addition to the above objects, other objects and features of the present invention will become apparent through the description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.A preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명은 영구자석 전동기(PMSM, permanent magnet synchronous motor)의 센서리스 제어 장치 및 방법을 개시한다. 일반적으로 센서리스 제어는 영구자석 전동기 내에 물리적인 센서를 사용하지 않고 전동기에 공급되는 전압과 전류로부터 전동기를 제어하는 데에 필요한 정보를 추정하고, 추정된 정보에 기반하여 영구자석 전동기를 제어하는 기술을 의미한다. The present invention discloses a sensorless control apparatus and method for a permanent magnet synchronous motor (PMSM). In general, sensorless control is a technology for estimating information necessary to control a motor from the voltage and current supplied to the motor without using a physical sensor in the permanent magnet motor, and controlling the permanent magnet motor based on the estimated information. means

본 발명의 구성 중 본 발명의 출원 전에 당업자에게 공지된 내용은 필요에 따라서 본 명세서에서 본 발명의 구성 중 일부로서 설명하되, 당업자에게 자명한 사실은 발명의 취지를 흐릴 수 있다고 생각되면 설명을 생략할 수 있다. 또한 본 명세서에서 생략된 사항은 본 출원명세서에서 인용하고 있는 선행문헌들, 예를 들어, 한국등록특허공보 KR 10-1329132 "영구자석 전동기의 센서리스 제어장치", 한국공개특허공보 KR 10-2020-0046692 "전동기의 센서리스 제어 방법", 한국등록특허공보 KR 10-1961106 "센서리스 제어 방법 및 장치", "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012., 및 "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives", I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008 등을 통하여 당업자에게 공지되었음을 알림으로써 설명에 갈음할 수 있다. Among the configurations of the present invention, the contents known to those skilled in the art before the application of the present invention will be described as part of the configuration of the present invention in the present specification as necessary, but if it is thought that the facts obvious to those skilled in the art may obscure the gist of the invention, the description is omitted. can do. In addition, the items omitted in this specification are cited in the prior documents cited in the present application specification, for example, Korean Patent Publication KR 10-1329132 "Sensorless control device of a permanent magnet motor", Korean Patent Application Laid-Open KR 10-2020 -0046692 "Sensorless Control Method of Electric Motor", Korean Patent Publication KR 10-1961106 "Sensorless Control Method and Apparatus", "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012., and “Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives”, I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. By notifying those skilled in the art through 2008 and the like, it can be replaced by description.

이들 선행문헌들이 개시하는 내용 중 일부는 본 발명이 해결하고자 하는 문제점과 관련되며, 본 발명이 채택하는 해결 수단 중 일부는 이들 선행문헌에도 공통적으로 적용된다. Some of the contents disclosed in these prior documents are related to the problems to be solved by the present invention, and some of the solutions adopted by the present invention are commonly applied to these prior documents.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에서 채택한 구성요소를 도시하는 도면이다. 도 1 내지 도 4의 적어도 일부는 본 발명과 관련되는 종래 기술을 도시한 것이며, 필요에 따라 본 발명의 구성에 적용하기 위하여 변형된 부분을 포함하므로 특허법 상 인정되는 종래 기술과는 상이할 수 있다. 1 to 4 are diagrams illustrating components adopted in an embodiment of the present invention. At least a part of FIGS. 1 to 4 shows the prior art related to the present invention, and may be different from the prior art recognized under the patent law because it includes a modified part to be applied to the configuration of the present invention if necessary. .

이하의 도 1 내지 도 11의 설명에서, 본 발명의 기술 분야에서 널리 알려진 공지 기술이라고 간주되는 사항은 요점을 흐리지 않기 위하여 필요에 따라 설명을 생략하거나, 선행문헌을 인용함으로써 설명을 대체할 수 있다. In the description of FIGS. 1 to 11 below, matters considered as well-known techniques widely known in the technical field of the present invention may be substituted for description by omitting the description as necessary in order not to obscure the point, or by citing the prior literature. .

또한 앞서 인용된 선행문헌 및 이후 인용되는 선행문헌들의 구성의 일부 또는 전부는 본 발명이 해결하고자 하는 문제점과 관련되며, 본 발명이 채택하는 해결 수단 중 일부는 선행문헌들로부터 차용한 것일 수 있다. In addition, some or all of the configuration of the prior literature cited above and the prior literature cited thereafter is related to the problem to be solved by the present invention, and some of the solutions adopted by the present invention may be borrowed from the prior literature.

선행문헌들에 개시된 사항들 중 본 발명을 구체화하기 위하여 공통적으로 포함되는 사항에 한하여 본 발명의 구성의 일부로서 간주될 것이다. Only matters commonly included in order to embody the present invention among those disclosed in the prior literature will be considered as part of the configuration of the present invention.

이하에서 본 발명의 상세한 사항을 도 1 내지 도 11의 실시예들을 통하여 설명한다. Hereinafter, details of the present invention will be described with reference to the embodiments of FIGS. 1 to 11 .

도 1은 본 발명의 기술 분야의 일반적인 PMSM 센서리스 벡터제어 시스템(100)을 도시하는 블록도이다.1 is a block diagram showing a typical PMSM sensorless vector control system 100 in the technical field of the present invention.

제어 시스템(100)은 영구자석 전동기(PMSM, permanent magnet synchronous motor)(120)에 대한 센서리스 벡터제어를 수행하기 위한 구성요소로서, 회전자 위치/속도 추정기(110), 속도 제어기(130), 전류 제어기(132), 및 PWM 패턴 발생기(140)를 포함한다. PWM 패턴 발생기(140)에서 생성된 제어 지령은 3상 인버터(142)를 거쳐 PMSM(120)로 전달된다. 전류 센서(150)는 PMSM(150)의 전류를 감지하고, 상전류 정보를 회전자 위치/속도 추정기(110)로 전달한다. 3상 인버터(142)에서 전압 정보가 회전자 위치/속도 추정기(110)로 전달될 수 있다. 회전자 위치/속도 추정기(110)는 PMSM(120)의 회전자의 위치(전기 각) 및 속도를 추정하고, 추정된 위치/속도 정보를 DQ 변환기(152)로 전달한다. DQ 변환기(152)는 DQ 축 변환을 통하여 DQ 축 기준의 전류 정보를 전류 제어기(132)로 전달하고, 회전자 위치/속도 추정기(110)에서 추정된 속도 정보는 속도 제어기(130)로 전달된다. 속도 제어기(130)는 지령 속도 및 추정된 속도 간의 속도 오차에 기반하여 DQ축 전류 지령을 생성하여 전류 제어기(132)로 전달한다. The control system 100 is a component for performing sensorless vector control for a permanent magnet synchronous motor (PMSM) 120, a rotor position/speed estimator 110, a speed controller 130, a current controller 132 , and a PWM pattern generator 140 . The control command generated by the PWM pattern generator 140 is transmitted to the PMSM 120 through the three-phase inverter 142 . The current sensor 150 senses the current of the PMSM 150 and transmits phase current information to the rotor position/speed estimator 110 . Voltage information from the three-phase inverter 142 may be transmitted to the rotor position/speed estimator 110 . The rotor position/speed estimator 110 estimates the position (electrical angle) and speed of the rotor of the PMSM 120 , and transmits the estimated position/velocity information to the DQ converter 152 . The DQ converter 152 transmits the current information based on the DQ axis to the current controller 132 through the DQ axis conversion, and the speed information estimated by the rotor position/speed estimator 110 is transferred to the speed controller 130 . . The speed controller 130 generates a DQ-axis current command based on the speed error between the command speed and the estimated speed and transmits it to the current controller 132 .

PMSM(120)은 다른 전동기에 비해 에너지 효율이 높고, 단위 체적당 출력 밀도가 높은 장점이 있어 냉장고, 에어컨, 세탁기와 같은 가전 제품에서 전기 자동차에 이르기까지 산업 전 분야에서 널리 사용되고 있다. PMSM(120)의 제어 방식으로는 Field Oriented Control(FOC) 방식이 널리 사용되고 있다. 참고로 FOC는 벡터 제어라고도 호칭한다. FOC 방식에서는 자속(flux) 성분 전류(이하 D축 전류라고 호칭함)와 토크(torque) 성분 전류(이하 Q축 전류라고도 함)를 독립적으로 제어할 수 있는데, 이를 위해서는 PMSM(120)에 공급되는 상전류로부터 D축과 Q축 전류를 검출해 내는 과정(DQ변환이라고 함)이 필요하다. DQ 변환에는 PMSM 회전자의 전기 각(electrical angle) 정보가 필요하며, 일반적으로 홀 센서, 광학식 엔코더, 레졸버와 같은 센서를 사용하여 PMSM 회전자의 전기 각을 검출한다. The PMSM 120 has advantages of high energy efficiency and high power density per unit volume compared to other electric motors, and thus is widely used in all industries from home appliances such as refrigerators, air conditioners and washing machines to electric vehicles. As a control method of the PMSM 120 , a Field Oriented Control (FOC) method is widely used. For reference, FOC is also called vector control. In the FOC method, the flux component current (hereinafter referred to as the D-axis current) and the torque component current (hereinafter also referred to as the Q-axis current) can be independently controlled. A process of detecting the D-axis and Q-axis currents from the phase current (called DQ conversion) is required. DQ conversion requires information on the electrical angle of the PMSM rotor, and a sensor such as a Hall sensor, optical encoder, or resolver is generally used to detect the electrical angle of the PMSM rotor.

앞에서 설명한 것처럼, 이러한 회전자 위치 검출 센서의 사용은 PMSM 구동 시스템의 비용을 상승시키고, 센서 고장으로 인해 PMSM 구동 시스템의 신뢰성이 떨어지는 문제를 발생시킨다. 따라서, 도 1과 같이 PMSM(120)에 공급되는 전압과 전류로부터 회전자의 전기 각을 추정해서 PMSM(120)을 제어하는 센서리스(Sensorless) 제어 방식이 본 발명에서 채택된다. As described above, the use of such a rotor position detection sensor increases the cost of the PMSM driving system, and causes a problem in that the reliability of the PMSM driving system is deteriorated due to sensor failure. Accordingly, a sensorless control method for controlling the PMSM 120 by estimating the electric angle of the rotor from the voltage and current supplied to the PMSM 120 as shown in FIG. 1 is adopted in the present invention.

앞에서 설명한 것처럼, 현재까지 다양한 PMSM(120)의 센서리스 제어 방식들이 제안되어 왔는데, 이 방식들은 크게 신호 주입 방식과 모델 기반 역기전력(또는 자속) 추정 방식으로 나눌 수 있다. As described above, various sensorless control methods of the PMSM 120 have been proposed so far, and these methods can be largely divided into a signal injection method and a model-based counter electromotive force (or magnetic flux) estimation method.

신호 주입 방식은 PMSM(120)의 구동 주파수보다 더 높은 고주파의 전압 신호를 인가하고, 이로 인해 나타나는 고주파 전류 응답을 이용하여 회전자의 전기 각을 추정하는 방식이다. 신호 주입 방식의 센서리스 제어 방식은 PMSM(120)의 회전자 위치 변화에 따른 PMSM(120)의 고정자 권선 인덕턴스 변동을 이용하는 것으로, 영구자석이 회전자에 매립되는 구조를 갖는 IPM(Interior Permanent Magnet) 타입의 PMSM에만 적용 가능한 것으로 알려져 있다. 신호 주입 센서리스 제어 방식은 IPM타입 PMSM이 정지 또는 저속으로 운전할 때에도 회전자 위치 정보를 추정해 낼 수 있다. 그러나 높은 주파수의 신호 주입으로 인해 PMSM(120)에서 토크 맥동이 발생하고, 이로 인해 진동과 소음이 크게 발생하는 단점이 있다. 또한 높은 주파수의 전압 인가로 인해 PMSM(120)에서의 철손(Iron Loss)이 크게 증가하는 경향이 있다. 따라서, 신호 주입 센서리스 제어 방식은 IPM 타입 PMSM에 대해서 정지 및 저속 운전 영역에서만 제한적으로 사용되는 것으로 알려져 있다. In the signal injection method, a high frequency voltage signal higher than the driving frequency of the PMSM 120 is applied, and the electric angle of the rotor is estimated using the resulting high frequency current response. The sensorless control method of the signal injection method uses a change in the stator winding inductance of the PMSM 120 according to a change in the rotor position of the PMSM 120, and an IPM (Interior Permanent Magnet) having a structure in which a permanent magnet is embedded in the rotor. It is known that it is applicable only to type PMSM. The signal injection sensorless control method can estimate the rotor position information even when the IPM type PMSM is stopped or operated at low speed. However, torque pulsation occurs in the PMSM 120 due to high-frequency signal injection, which has a disadvantage in that vibration and noise are greatly generated. Also, iron loss in the PMSM 120 tends to greatly increase due to the application of a high frequency voltage. Therefore, it is known that the signal injection sensorless control method is limitedly used only in the stop and low-speed operation regions for the IPM type PMSM.

모델 기반 역기전력(또는 자속) 추정 방식의 센서리스 제어 방식은 PMSM(120)에 인가되는 전압과 전류 정보를 이용하여 회전자의 영구자석으로 인해 발생하는 고정자 권선에서의 역기전력(또는 자속)을 추정하고, 추정된 역기전력(또는 자속)에 포함된 회전자 전기 각 정보를 추출하여 PMSM(120)을 제어한다. 모델 기반 센서리스 제어 방식에서는 별도로 고주파의 신호를 주입하지 않기 때문에 토크 맥동이 상대적으로 적게 발생하고, IPM 타입 PMSM과 SPM(Surface Permanent Magnet) 타입 PMSM 모두에 적용할 수 있는 특징이 있다. 그러나 PMSM(120)이 정지되어 있거나, 정격 속도의 2~5% 이하에 해당하는 저속 운전 영역에서는 PMSM 구동에 사용되는 인버터의 비선형성과 인버터의 PWM으로 인해 나타나는 전기적 노이즈 등의 영향으로 인해 안정적인 센서리스 제어가 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서, 모델 기반 센서리스 제어 방식은 정지 및 저속 운전 영역을 제외한 영역에서 주로 사용되고 있다. 또한 학계 및 산업계에서는 PMSM의 저속 운전 영역에서 모델 기반 센서리스 제어 방식의 성능을 개선하는 연구를 꾸준히 진행하고 있다.The sensorless control method of the model-based counter electromotive force (or magnetic flux) estimation method estimates the counter electromotive force (or magnetic flux) in the stator winding generated by the permanent magnet of the rotor using the voltage and current information applied to the PMSM 120 and , extracts the rotor electric angle information included in the estimated counter electromotive force (or magnetic flux) to control the PMSM 120 . In the model-based sensorless control method, since a high-frequency signal is not separately injected, torque pulsation is relatively small, and it is applicable to both IPM type PMSM and SPM (Surface Permanent Magnet) type PMSM. However, in the low-speed operation region where the PMSM 120 is stopped or 2 to 5% of the rated speed or less, the non-linearity of the inverter used for driving the PMSM and the effect of electrical noise caused by the PWM of the inverter are stable sensorless It is known to be very difficult to control. Therefore, the model-based sensorless control method is mainly used in areas other than the stop and low-speed operation areas. In addition, academia and industry are continuously conducting research to improve the performance of the model-based sensorless control method in the low-speed operation area of PMSM.

본 발명은 도 1의 회전자 위치/속도 추정기(110)에서 센서리스 제어를 위하여 보다 개선된 방법에 의하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 센서리스 제어 장치 및 그 방법을 제안하는 것이다. The present invention proposes a sensorless control apparatus and method for estimating the position and speed of a rotor by a more improved method for sensorless control in the rotor position/speed estimator 110 of FIG. 1 .

도 2는 본 발명의 기술 분야의 일반적인 PMSM의 모델 기반 센서리스 위치/속도 추정기의 기능 요소를 도시하는 블록도이다. 2 is a block diagram illustrating functional elements of a model-based sensorless position/velocity estimator of a typical PMSM in the technical field of the present invention.

현재까지 PMSM(120)을 대상으로 하는 다양한 모델 기반 센서리스 위치/속도 추정 방식들이 제시되어 왔다. 도 2는 다양한 모델 기반 센서리스 위치/속도 추정 방식들이 공통적으로 가지고 있는 기능 요소들을 나타낸다. 도 2에서 역기전력(또는 자속) 추정기(220)는 PMSM의 수학적 모델(210)에 해당하는 전압 방정식과 PMSM(120)에 인가되는 전압과 전류를 이용하여 역기전력(또는 자속)을 추정한다. 추정된 역기전력(또는 자속)에는 회전자 위치 정보가 포함되어 있다. 도 2에서 회전자 위치/속도 추정기(230)는 추정된 역기전력(또는 자속)에 포함된 위치정보를 이용하여 회전자의 위치와 속도를 추정한다. 모델 기반 센서리스 위치 추정 방식들은 도 2에 나타낸 기능별 구성 요소(수학적 모델(210), 역기전력/자속 추정기(220), 회전자 위치/속도 추정기(230))들의 각각을 어떻게 구성하는가에 따라서 세부적이 특성이 달라질 수 있다. To date, various model-based sensorless position/velocity estimation methods targeting the PMSM 120 have been proposed. 2 shows functional elements common to various model-based sensorless position/velocity estimation methods. In FIG. 2 , the back EMF (or magnetic flux) estimator 220 estimates the back EMF (or magnetic flux) using a voltage equation corresponding to the mathematical model 210 of the PMSM and voltage and current applied to the PMSM 120 . The estimated back electromotive force (or magnetic flux) includes rotor position information. In FIG. 2 , the rotor position/speed estimator 230 estimates the position and speed of the rotor using position information included in the estimated counter electromotive force (or magnetic flux). Model-based sensorless position estimation methods are detailed according to how each of the functional components (mathematical model 210, back EMF/magnetic flux estimator 220, rotor position/speed estimator 230) shown in FIG. 2 are configured. characteristics may vary.

기능별 구성 요소(수학적 모델(210), 역기전력/자속 추정기(220), 회전자 위치/속도 추정기(230))들의 예시는 앞서 언급된 선행문헌들인 "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012., 및 "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives", I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008 등을 통하여 주요 특징들을 식별할 수 있다. Examples of functional components (mathematical model 210, back-EMF/magnetic flux estimator 220, rotor position/velocity estimator 230) are described in the above-mentioned prior literature "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet" Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012., and “Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives”, I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008, etc., can identify the main characteristics.

도 3은 PMSM의 좌표축 간의 관련성을 도시하는 공간 벡터 다이어그램이다. 도 3은 본 발명의 PMSM(120)에 대한 벡터제어를 수행하기 위한 좌표축 간의 관련성을 도시한다. Fig. 3 is a space vector diagram showing the relation between coordinate axes of PMSM. 3 shows the relationship between the coordinate axes for performing vector control for the PMSM 120 of the present invention.

도 3에서

Figure 112020095810290-pat00003
축은 정지 좌표계이고, DQ 축(dq 축)은 회전자의 실제 D축(자속 축)을 기준으로 하는 좌표계이다.
Figure 112020095810290-pat00004
축은 어떤 방법으로든 실제의 D축을 추정한, 추정된 D축을 기준으로 하는 좌표계이다. 본 명세서의 이후에서,
Figure 112020095810290-pat00005
축은 추정된 D축을 의미하며,
Figure 112020095810290-pat00006
축은
Figure 112020095810290-pat00007
축에 직교하는 축을 의미한다. in Figure 3
Figure 112020095810290-pat00003
The axis is a stationary coordinate system, and the DQ axis (dq axis) is a coordinate system based on the actual D axis (magnetic flux axis) of the rotor.
Figure 112020095810290-pat00004
The axis is a coordinate system based on the estimated D-axis, in which the actual D-axis is estimated in some way. Later in this specification,
Figure 112020095810290-pat00005
axis means the estimated D-axis,
Figure 112020095810290-pat00006
the axis
Figure 112020095810290-pat00007
An axis orthogonal to an axis.

따라서 도 3에서

Figure 112020095810290-pat00008
축과 d축 사이의 각도인
Figure 112020095810290-pat00009
은 실제 회전자의 전기 각에 해당하고,
Figure 112020095810290-pat00010
축과
Figure 112020095810290-pat00011
축 사이의 각도인
Figure 112020095810290-pat00012
은 추정된 회전자의 전기 각을 의미한다. Therefore, in Figure 3
Figure 112020095810290-pat00008
The angle between the axis and the d axis is
Figure 112020095810290-pat00009
corresponds to the electric angle of the actual rotor,
Figure 112020095810290-pat00010
axis
Figure 112020095810290-pat00011
the angle between the axes
Figure 112020095810290-pat00012
is the estimated electric angle of the rotor.

이하에서는 본 발명의 실시예들에서 채택하는 센서리스 제어 방식을 수학적 모델에 기반하여 설명한다. 이러한 센서리스 제어 방식 및 수학적 모델들은 본 발명의 출원 전 공지된 사실 뿐 아니라 본 발명의 구성에 적용하기 위하여 변형된 내용을 포함할 수 있다. Hereinafter, a sensorless control method employed in embodiments of the present invention will be described based on a mathematical model. These sensorless control methods and mathematical models may include not only known facts before the filing of the present invention, but also modified contents to be applied to the configuration of the present invention.

A. 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 기반의 센서리스 제어 방식A. Sensorless control method based on back electromotive force estimation using stationary coordinate system voltage equation

정지 좌표계에서 PMSM(120)의 전압 방정식은 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 주어진다. The voltage equation of the PMSM 120 in the stationary coordinate system is given by Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020095810290-pat00013
Figure 112020095810290-pat00013

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020095810290-pat00014
Figure 112020095810290-pat00014

Figure 112020095810290-pat00015
는 각각
Figure 112020095810290-pat00016
축과
Figure 112020095810290-pat00017
축에서의 PMSM(120) 고정자(stator) 권선 전압을,
Figure 112020095810290-pat00018
는 각각
Figure 112020095810290-pat00019
축과
Figure 112020095810290-pat00020
축에서의 PMSM(120) 고정자 권선 전류를 의미한다. R은 고정자 권선 저항, p는 미분 연산자(differential operator)를 나타내며,
Figure 112020095810290-pat00021
은 회전자의 영구자석으로 인한 자속(역기전력 상수)(permanent magnet flux linkage)를 의미한다. Ld와 Lq는 각각 PMSM(120) 고정자 권선의 D축 및 Q축 인덕턴스이고, L0 및 L1 은 수학식 2에 의하여 정의된다.
Figure 112020095810290-pat00015
are each
Figure 112020095810290-pat00016
axis
Figure 112020095810290-pat00017
PMSM
120 stator winding voltage at the shaft,
Figure 112020095810290-pat00018
are each
Figure 112020095810290-pat00019
axis
Figure 112020095810290-pat00020
Means the PMSM 120 stator winding current in the shaft. R is the stator winding resistance, p is the differential operator,
Figure 112020095810290-pat00021
is the magnetic flux (reverse electromotive force constant) due to the permanent magnet of the rotor (permanent magnet flux linkage). Ld and Lq are the D-axis and Q-axis inductances of the stator winding of the PMSM 120, respectively, and L 0 and L 1 are defined by Equation (2).

Figure 112020095810290-pat00022
은 회전자 위치(rotor position), 즉, 전기 각이고,
Figure 112020095810290-pat00023
은 회전자 각속도(rotor angular velocity)이다.
Figure 112020095810290-pat00022
is the rotor position, i.e. the electric angle,
Figure 112020095810290-pat00023
is the rotor angular velocity.

상기 수학식 1을 확장된 역기전력(Extended EMF) Eex에 관한 하기 수학식 3을 이용하여 표현하면 하기 수학식 4와 같다.Equation 1 is expressed using Equation 3 below for extended EMF Eex, as shown in Equation 4 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020095810290-pat00024
Figure 112020095810290-pat00024

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112020095810290-pat00025
Figure 112020095810290-pat00025

수학식 3의 id와 iq는 각각 D축과 Q축을 기준으로 나타낸 PMSM(120)의 고정자 전압과 고정자 전류이고, 수학식 4의 오른쪽 항은 역기전력에 해당함은 앞서 언급된 선행문헌들인 "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012., 및 "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives", I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008 등을 통하여 자명하게 이해될 수 있으므로 구체적인 설명은 생략한다. id and iq of Equation 3 are the stator voltage and stator current of the PMSM 120 shown based on the D-axis and the Q-axis, respectively, and the right term of Equation 4 corresponds to the back electromotive force. -EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors", Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, Journal of Power Electronics, vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012., and “Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives”, I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. Since it can be clearly understood through 2008 and the like, a detailed description thereof will be omitted.

센서리스 제어의 일반적인 관측기(도시되지 않음) 등을 이용하여 수학식 4로부터

Figure 112020095810290-pat00026
축과
Figure 112020095810290-pat00027
축에서의 역기전력
Figure 112020095810290-pat00028
를 하기 수학식 5와 같이 추정할 수 있고(
Figure 112020095810290-pat00029
), 회전자의 전기 각에 대한 추정 값
Figure 112020095810290-pat00030
은 수학식 6에 의하여 추정 역기전력
Figure 112020095810290-pat00031
로부터 구할 수 있다. From Equation 4 using a general observer (not shown) of sensorless control, etc.
Figure 112020095810290-pat00026
axis
Figure 112020095810290-pat00027
Back EMF at the axis
Figure 112020095810290-pat00028
can be estimated as in Equation 5 below (
Figure 112020095810290-pat00029
), an estimate of the electric angle of the rotor
Figure 112020095810290-pat00030
is the estimated back electromotive force by Equation (6)
Figure 112020095810290-pat00031
can be obtained from

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112020095810290-pat00032
Figure 112020095810290-pat00032

Figure 112020095810290-pat00033
Figure 112020095810290-pat00033

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020095810290-pat00034
Figure 112020095810290-pat00034

정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 방식은 상기 수학식 6에 나타낸 바와 같이 회전자 전기 각을 ArcTangent 연산을 통해 직접적으로 구할 수 있다. 역기전력 추정에 사용되는 관측기는 일반적으로 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)의 특성을 갖는다. LPF는 입력 신호의 주파수가 증가할수록 입력 신호와 출력 신호 사이에 위상 차가 증가한다. 상기 수학식 5에 나타낸 바와 같이 정지 좌표계에서 역기전력은 교류 신호이기 때문에 관측기를 통해 추정한 역기전력과 실제 역기전력 사이에는 위상 차가 존재하며, 이러한 위상 차는 속도가 증가할수록 증가한다. 따라서 정지 좌표계 전압 방정식을 이용하여 역기전력을 추정하고, 추정 역기전력으로부터 회전자 위치를 구하는 센서리스 제어 방식은 역기전력 관측기의 대역 폭 이상의 주파수로 PMSM(120)을 운전할 때 역기전력 추정기에서 발생하는 위상 오차로 인해 센서리스 위치 추정 오차가 크게 증가하는 단점이 있다.In the method of estimating the back electromotive force using the stationary coordinate system voltage equation, the rotor electric angle can be directly obtained through the ArcTangent operation as shown in Equation 6 above. An observer used for back EMF estimation generally has a characteristic of a low pass filter (LPF). In the LPF, as the frequency of the input signal increases, the phase difference between the input signal and the output signal increases. As shown in Equation 5, since the back EMF in the stationary coordinate system is an AC signal, there is a phase difference between the back EMF estimated through the observer and the actual back EMF, and this phase difference increases as the speed increases. Therefore, the sensorless control method for estimating the back EMF using the stationary coordinate system voltage equation and obtaining the rotor position from the estimated back EMF is due to the phase error occurring in the back EMF estimator when the PMSM 120 is operated with a frequency greater than or equal to the bandwidth of the back EMF observer. There is a disadvantage in that the sensorless position estimation error greatly increases.

SPM 타입 PMSM의 경우 Ld=Lq의 관계가 성립하기 때문에 수학식 4의 전압 방정식의 오른쪽 첫번째 항에서 속도와 관련된

Figure 112020095810290-pat00035
항이 0이 된다. 그러나 Ld와 Lq의 값이 서로 다른 IPM 타입 PMSM의 경우에는 전압 방정식에서
Figure 112020095810290-pat00036
항을 무시할 수 없으며, 수학식 4의 전압 방정식을 이용하여 역기전력을 추정하기 위해서는 실제 속도 대신에 추정 속도를 사용해야 한다. 따라서 IPM 타입 PMSM의 경우, 과도 상태 또는 저속 운전 조건에서 실제 속도와 추정 속도 사이에 발생할 수 있는 오차는 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 기반의 센서리스 제어 방식의 성능을 저하시키는 원인이 될 수 있다.In the case of the SPM type PMSM, since the relationship Ld = Lq is established, in the first term on the right of the voltage equation in Equation 4, the speed related
Figure 112020095810290-pat00035
term becomes 0. However, in the case of an IPM type PMSM with different values of Ld and Lq, the voltage equation
Figure 112020095810290-pat00036
The term cannot be ignored, and in order to estimate the back EMF using the voltage equation of Equation 4, the estimated speed should be used instead of the actual speed. Therefore, in the case of IPM-type PMSM, an error that may occur between the actual speed and the estimated speed in a transient or low-speed driving condition may cause deterioration of the performance of the sensorless control method based on the back EMF estimation using the stationary coordinate system voltage equation. .

B. 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 기반의 센서리스 제어 방식B. Sensorless control method based on back EMF estimation using synchronous coordinate system voltage equation

다시 도 3을 참조하면,

Figure 112020095810290-pat00037
축에서 PMSM(120)의 전압 방정식은 하기 수학식 7과 같이 주어진다. Referring back to Figure 3,
Figure 112020095810290-pat00037
The voltage equation of the PMSM 120 on the axis is given as in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112020095810290-pat00038
Figure 112020095810290-pat00038

Figure 112020095810290-pat00039
Figure 112020095810290-pat00040
축에서 PMSM(120)의 고정자 전압이고,
Figure 112020095810290-pat00041
Figure 112020095810290-pat00042
축에서 PMSM(120)의 고정자 전류이다.
Figure 112020095810290-pat00043
은 회전자의 전기 각에 대한 추정 값
Figure 112020095810290-pat00044
으로부터 얻어지는 회전자의 추정 각속도이다.
Figure 112020095810290-pat00039
Is
Figure 112020095810290-pat00040
is the stator voltage of the PMSM 120 on the axis,
Figure 112020095810290-pat00041
Is
Figure 112020095810290-pat00042
The axis is the stator current of the PMSM 120 .
Figure 112020095810290-pat00043
is the estimated value for the electric angle of the rotor
Figure 112020095810290-pat00044
It is the estimated angular velocity of the rotor obtained from

수학식 7의 오른쪽 두번째 항인

Figure 112020095810290-pat00045
Figure 112020095810290-pat00046
축을 기준으로 나타내는 역기전력이며, 구체적으로는 확장된 역기전력 Eex에 대하여 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.The second term from the right of Equation 7
Figure 112020095810290-pat00045
silver
Figure 112020095810290-pat00046
It is a counter electromotive force expressed based on the axis, and specifically, the extended counter electromotive force Eex can be expressed as in Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112020095810290-pat00047
Figure 112020095810290-pat00047

수학식 7에 기반한 관측기로부터 수학식 8로 표현되는 동기 좌표계에서 역기전력을 추정하면 회전자의 실제 전기각과 추정 전기각 사이의 오차

Figure 112020095810290-pat00048
에 대한 추정 값
Figure 112020095810290-pat00049
을 하기 수학식 9에 의하여 구할 수 있다.When the back EMF is estimated in the synchronous coordinate system expressed by Equation 8 from the observer based on Equation 7, the error between the actual electric angle of the rotor and the estimated electric angle
Figure 112020095810290-pat00048
estimated value for
Figure 112020095810290-pat00049
can be obtained by Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112020095810290-pat00050
Figure 112020095810290-pat00050

수학식 9에서

Figure 112020095810290-pat00051
는 각각
Figure 112020095810290-pat00052
의 추정값을 의미한다. 수학식 9를 이용하여 위치 오차 추정값
Figure 112020095810290-pat00053
을 구한 후, 도 4와 같은 위상 동기화 루프(Phase Locked Loop, PLL) 등을 이용하여 PMSM(120)의 회전자 전기 각
Figure 112020095810290-pat00054
에 대한 추정 값
Figure 112020095810290-pat00055
과 전기 각속도
Figure 112020095810290-pat00056
에 대한 추정 값
Figure 112020095810290-pat00057
을 추정할 수 있다. in Equation 9
Figure 112020095810290-pat00051
are each
Figure 112020095810290-pat00052
means an estimate of Position error estimate using Equation 9
Figure 112020095810290-pat00053
After obtaining , the rotor electrical angle of the PMSM 120 using a phase locked loop (PLL), etc. as shown in FIG. 4 .
Figure 112020095810290-pat00054
estimated value for
Figure 112020095810290-pat00055
and electric angular velocity
Figure 112020095810290-pat00056
estimated value for
Figure 112020095810290-pat00057
can be estimated.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추정된 위치 오차를 이용하는 위치/속도 추정기(230)의 세부 구성의 일 실시예이다.4 is an embodiment of a detailed configuration of a position/velocity estimator 230 using an estimated position error according to an embodiment of the present invention.

위치 오차 추정값

Figure 112020095810290-pat00058
이 비례-적분 제어기(PI 제어기)(410)에 전달되고, 비례-적분 제어기(410)를 통해 구해진 회전자 전기 각속도 추정값
Figure 112020095810290-pat00059
이 적분기(420)로 전달되어 회전자 전기 각 추정값
Figure 112020095810290-pat00060
이 도출된다. Position error estimate
Figure 112020095810290-pat00058
The rotor electric angular velocity estimate value transmitted to this proportional-integral controller (PI controller) 410 and obtained through the proportional-integral controller 410 .
Figure 112020095810290-pat00059
This is passed to the integrator 420 to estimate the rotor electrical angle.
Figure 112020095810290-pat00060
this is derived

다시 도 3을 참조하면, 수학식 8에 나타난 바와 같이 동기 좌표계 전압 방정식으로부터 추정된 역기전력

Figure 112020095810290-pat00061
에는 위치 오차 정보
Figure 112020095810290-pat00062
가 포함되어 있으며, 정상 상태에서 추정 역기전력
Figure 112020095810290-pat00063
은 직류 신호로 볼 수 있다. 따라서 역기전력 추정에 사용되는 관측기에서 발생하는 위상 지연 효과는 거의 무시할 수 있다. 따라서 동기 좌표계 전압방정식을 이용한 역기전력 추정 기반의 센서리스 제어 방식은 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 기반 센서리스 제어 방식 대비 고속에서의 센서리스 제어 성능이 우수한 장점을 갖는다. 그러나 인버터의 비선형성, PMSM(120)의 파라미터 변동 등으로 인해 위치 오차 추정값
Figure 112020095810290-pat00064
에 포함되는 오차 성분이 위치/속도 추정에 사용되는 PLL의 적분기에 누적될 수 있고, 이러한 현상은 특히 저속 운전 영역에서의 센서리스 제어 성능을 악화시키는 원인이 된다. 이로 인해 저속 운전 영역에서는 위치/속도 추정에 사용되는 PLL의 대역폭을 낮게 설정해야 하며, 결과적으로 저속 운전 영역에서 큰 부하가 걸리는 응용 분야에서는 만족스러운 센서리스 제어 성능을 얻기가 어렵다.Referring back to FIG. 3 , as shown in Equation 8, the back EMF estimated from the synchronous coordinate system voltage equation
Figure 112020095810290-pat00061
In the position error information
Figure 112020095810290-pat00062
is included, and the estimated back EMF in the steady state
Figure 112020095810290-pat00063
can be viewed as a direct current signal. Therefore, the phase delay effect generated by the observer used for the back EMF estimation is almost negligible. Therefore, the sensorless control method based on the back EMF estimation using the synchronous coordinate system voltage equation has the advantage of superior sensorless control performance at high speed compared to the sensorless control method based on the back EMF estimation using the stationary coordinate system voltage equation. However, due to the non-linearity of the inverter, the parameter fluctuation of the PMSM 120, etc., the estimated position error value
Figure 112020095810290-pat00064
An error component included in ? may be accumulated in an integrator of a PLL used for position/velocity estimation, and this phenomenon causes deterioration of sensorless control performance, particularly in a low-speed operation region. For this reason, it is necessary to set the bandwidth of the PLL used for position/velocity estimation low in the low-speed operation region, and as a result, it is difficult to obtain satisfactory sensorless control performance in the application field with a large load in the low-speed operation region.

수학식 7의 전압 방정식에는 실제 속도와 추정 속도 사이의 오차에 해당하는

Figure 112020095810290-pat00065
항이 포함된다. SPM 타입 PMSM의 경우 Ld=Lq의 관계가 성립하기 때문에 수학식 7의
Figure 112020095810290-pat00066
항이 사실상 상쇄된다. 그러나 IPM 타입 PMSP의 경우에는
Figure 112020095810290-pat00067
항이 전압 방정식에 영향을 주기 때문에 실제 속도와 추정 속도 사이에 오차가 존재하는 과도 상태 또는 저속 운전 조건에서 센서리스 제어 성능이 저하될 수 있다.In the voltage equation of Equation 7, there is an error corresponding to the error between the actual speed and the estimated speed.
Figure 112020095810290-pat00065
clause is included. In the case of the SPM type PMSM, since the relationship Ld = Lq is established, Equation 7
Figure 112020095810290-pat00066
terms are virtually cancelled. However, in the case of IPM type PMSP,
Figure 112020095810290-pat00067
Since the term affects the voltage equation, sensorless control performance may deteriorate in transient or low-speed driving conditions where there is an error between the actual speed and the estimated speed.

C. 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 자속 추정 기반의 센서리스 제어 방식C. Sensorless control method based on magnetic flux estimation using stationary coordinate system voltage equation

정지 좌표계에서

Figure 112020095810290-pat00068
축에서의 자속을
Figure 112020095810290-pat00069
라 하고,
Figure 112020095810290-pat00070
축에서의 자속을
Figure 112020095810290-pat00071
이라 하면, PMSM(120)의 전압 방정식은 하기 수학식 10과 같이 주어진다. in a stationary coordinate system
Figure 112020095810290-pat00068
magnetic flux on the axis
Figure 112020095810290-pat00069
say,
Figure 112020095810290-pat00070
magnetic flux on the axis
Figure 112020095810290-pat00071
, the voltage equation of the PMSM 120 is given as in Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112020095810290-pat00072
Figure 112020095810290-pat00072

이때

Figure 112020095810290-pat00073
축에서의 자속
Figure 112020095810290-pat00074
Figure 112020095810290-pat00075
축에서의 자속
Figure 112020095810290-pat00076
과 DQ 축에서의 자속
Figure 112020095810290-pat00077
사이에는 하기 수학식 11의 관계가 성립한다.At this time
Figure 112020095810290-pat00073
magnetic flux on the axis
Figure 112020095810290-pat00074
and
Figure 112020095810290-pat00075
magnetic flux on the axis
Figure 112020095810290-pat00076
and magnetic flux in the DQ axis
Figure 112020095810290-pat00077
The relationship of the following formula (11) is established between

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112020095810290-pat00078
Figure 112020095810290-pat00078

DQ 축에서의 자속

Figure 112020095810290-pat00079
은 하기 수학식 12와 같이 나타내어진다.Flux in DQ axis
Figure 112020095810290-pat00079
is represented by Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112020095810290-pat00080
Figure 112020095810290-pat00080

이때 유효 자속(Active Flux)

Figure 112020095810290-pat00081
를 하기 수학식 13과 같이 정의할 수 있다. At this time, the active flux
Figure 112020095810290-pat00081
can be defined as in Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112020095810290-pat00082
Figure 112020095810290-pat00082

상기 수학식 13에서 정의된 유효 자속을 이용하면

Figure 112020095810290-pat00083
축에서의 자속
Figure 112020095810290-pat00084
Figure 112020095810290-pat00085
축에서의 자속
Figure 112020095810290-pat00086
을 하기 수학식 14와 같이 표현할 수 있다.Using the effective magnetic flux defined in Equation 13 above,
Figure 112020095810290-pat00083
magnetic flux on the axis
Figure 112020095810290-pat00084
and
Figure 112020095810290-pat00085
magnetic flux on the axis
Figure 112020095810290-pat00086
can be expressed as in Equation 14 below.

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112020095810290-pat00087
Figure 112020095810290-pat00087

수학식 14를 이용하면 상기 수학식 10은 하기 수학식 15와 같이 표현할 수 있다. Using Equation 14, Equation 10 can be expressed as Equation 15 below.

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112020095810290-pat00088
Figure 112020095810290-pat00088

수학식 15로부터

Figure 112020095810290-pat00089
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00090
Figure 112020095810290-pat00091
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00092
을 하기 수학식 16 및 수학식 17과 같이 구할 수 있다. from Equation 15
Figure 112020095810290-pat00089
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00090
and
Figure 112020095810290-pat00091
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00092
can be obtained as in Equations 16 and 17 below.

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112020095810290-pat00093
Figure 112020095810290-pat00093

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112020095810290-pat00094
Figure 112020095810290-pat00094

Figure 112020095810290-pat00095
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00096
Figure 112020095810290-pat00097
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00098
을 이용하여 회전자 전기각
Figure 112020095810290-pat00099
을 하기 수학식 18과 같이 구할 수 있다.
Figure 112020095810290-pat00095
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00096
and
Figure 112020095810290-pat00097
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00098
Rotor electric angle using
Figure 112020095810290-pat00099
can be obtained as in Equation 18 below.

[수학식 18][Equation 18]

Figure 112020095810290-pat00100
Figure 112020095810290-pat00100

상기 수학식 17에 나타난 바와 같이

Figure 112020095810290-pat00101
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00102
Figure 112020095810290-pat00103
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00104
을 구하기 위해서는 적분이 필요하다. 전압과 전류에 포함된 작은 오차 성분들이 적분기에 누적이 되면 수학식 16 및 수학식 17을 통해 구한 자속에는 오차가 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 수학식 16 및 수학식 17의 적분기 출력에 고역 통과 필터(High Pass Filter, HPF)를 사용하여 적분기의 출력에서 DC 성분을 차단하는 방식이 일반적으로 사용되고 있다. 적분기와 HPF의 직렬 연결은 LPF와 동일한 특성을 제공하기 때문에 실제 구현에서는 적분기와 HPF 대신에 LPF를 사용한다.As shown in Equation 17 above,
Figure 112020095810290-pat00101
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00102
and
Figure 112020095810290-pat00103
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00104
An integral is needed to find When small error components included in voltage and current are accumulated in the integrator, an error occurs in the magnetic flux obtained through Equations 16 and 17. In order to solve this problem, a method of blocking the DC component at the output of the integrator by using a high pass filter (HPF) at the output of the integrator of Equations 16 and 17 is generally used. Since the serial connection of the integrator and the HPF provides the same characteristics as the LPF, the actual implementation uses the LPF instead of the integrator and the HPF.

자속 추정에서 적분기의 DC 성분을 차단하기 위해 HPF를 사용하는 경우 HPF의 차단 주파수 이하에서 HPF의 입력 신호와 출력 신호 사이에는 큰 위상 앞섬이 발생한다. 즉, 적분기와 HPF를 결합하여 자속을 추정하는 경우 실제 자속과 추정 자속 사이에는 위상 앞섬으로 인한 추정 오차가 발생하며, 이 오차는 PMSM(120)의 운전 주파수가 HPF의 차단 주파수 이하일 때 크게 발생하고, PMSM(120)의 운전 주파수가 HPF의 차단 주파수보다 충분히 클 때는 위상 앞섬으로 인한 오차는 거의 발생하지 않는다.When the HPF is used to block the DC component of the integrator in the magnetic flux estimation, a large phase lead occurs between the input signal and the output signal of the HPF below the cutoff frequency of the HPF. That is, when estimating magnetic flux by combining the integrator and HPF, an estimation error due to phase lead occurs between the actual magnetic flux and the estimated magnetic flux. , when the operating frequency of the PMSM 120 is sufficiently larger than the cut-off frequency of the HPF, an error due to the phase leading hardly occurs.

정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 자속 추정 기반의 센서리스 제어 방식은 PMSM(120)의 속도 정보를 사용하지 않기 때문에 과도 상태에서 실제 속도와 추정 속도 사이의 오차로 인한 영향을 무시할 수 있다. 그러나, 저속 운전 영역에서는 앞에서 언급한 바와 같이 자속 추정기에서의 위상 앞섬으로 인해 센서리스 제어 성능이 저하되는 단점이 있다.Since the sensorless control method based on the magnetic flux estimation using the stationary coordinate system voltage equation does not use the speed information of the PMSM 120, the effect due to an error between the actual speed and the estimated speed in a transient state can be ignored. However, in the low-speed operation region, as mentioned above, there is a disadvantage in that the sensorless control performance is deteriorated due to the phase lead in the magnetic flux estimator.

기존 자속 추정 방식의 문제점을 개선할 목적으로 선행 문헌(I. Boldea, M. C. Paicu, and G. D. Andreescu, "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives," IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008)에서는 추정된 회전자 전기각 기준으로 PMSM(120)의 파라미터를 이용하여 자속을 계산하고, 계산된 자속과 적분기를 통해 구한 자속 사이의 오차를 이용하여 자속 추정에 사용되는 적분기에서의 DC drift 현상을 방지하는 방식을 제시하고 있다. 이 방식은 단순한 적분 기반의 자속 추정 방식 대비 저속에서 우수한 성능을 보여줄 수 있다. 그러나 운전 조건에 따라 변화하는 PMSM(120)의 실제 파라미터(Ld, Lq, 및

Figure 112020095810290-pat00105
등) 값들을 정확하게 구할 수 없고, 적분기 drift를 방지하기 위해 별도의 제어기를 추가해야 하므로 그 구성이 복잡해지는 단점이 있다.For the purpose of improving the problems of the existing magnetic flux estimation method, prior literature (I. Boldea, MC Paicu, and GD Andreescu, "Active flux concept for motion-sensorless unified AC drives," IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no 5, pp. 2612-2618, Sep. 2008) calculates the magnetic flux using the parameters of the PMSM 120 based on the estimated rotor electric angle, and uses the error between the calculated magnetic flux and the magnetic flux obtained through the integrator. Therefore, a method to prevent DC drift in the integrator used for magnetic flux estimation is presented. This method can show superior performance at low speed compared to the simple integration-based magnetic flux estimation method. However, the actual parameters (Ld, Lq, and
Figure 112020095810290-pat00105
etc.) values cannot be accurately obtained, and a separate controller must be added to prevent integrator drift, so the configuration becomes complicated.

역기전력 또는 자속 추정 기반 PMSM 센서리스 제어 방식들은 전동기의 수학적 모델에 해당하는 전압 방정식이 표현되는 좌표계에 따라서 그 특성이 결정된다고 볼 수 있다. 종래 기술의 모델 기반 PMSM 센서리스 제어 방식들은 앞에서 언급한 3가지 수학적 모델들 중에서 하나를 기반으로 하고 있기 때문에 저속 및 고속 운전 영역에 이르기까지 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어 성능을 구현하기가 어렵다.It can be seen that the characteristics of PMSM sensorless control methods based on counter electromotive force or magnetic flux estimation are determined according to the coordinate system in which the voltage equation corresponding to the mathematical model of the motor is expressed. Since the model-based PMSM sensorless control methods of the prior art are based on one of the above-mentioned three mathematical models, it is difficult to implement stable sensorless control performance in a wide operation range ranging from low-speed and high-speed operation areas.

예를 들어, 정지 좌표계 기반 역기전력 추정 방식은 추정 역기전력으로부터 회전자 위치 정보를 직접 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에, 역기전력 추정기의 위상 지연 특성으로 인하여 PMSM(120)의 운전 속도가 증가할수록 위치 추정 오차가 증가할 수 있다. 또한 IPM 타입 PMSM의 경우 역기전력 추정에 추정된 속도가 사용되기 때문에, 저속 영역에서 센서리스 제어 성능이 제어될 수 있다. 이로 인해 저속 영역에서 역기전력 추정기 및 PLL의 대역폭이 제한될 수 있는 단점이 있다. For example, the stationary coordinate system-based back EMF estimation method has the advantage of directly obtaining rotor position information from the estimated back EMF, whereas the position estimation error as the operation speed of the PMSM 120 increases due to the phase delay characteristic of the back EMF estimator may increase. In addition, in the case of the IPM type PMSM, since the estimated speed is used for estimating the back EMF, the sensorless control performance can be controlled in a low speed region. Due to this, there is a disadvantage that the bandwidth of the back EMF estimator and the PLL may be limited in the low speed region.

또한 동기 좌표계 기반 역기전력 추정 방식은 추정 역기전력이 직류 신호이기 때문에 역기전력 추정기에서의 위상 지연에 의한 성능 저하가 매우 적은 장점이 있다. 그러나 추정된 오차 오차에 포함된 잡음 신호들이 PLL의 적분기에 누적되어 저속 영역에서 센서리스 제어 성능이 저하될 수 있다. 이로 인해 저속 영역에서 역기전력 추정기 및 PLL의 대역폭이 제한되는 단점이 있다.In addition, the synchronous coordinate system-based back EMF estimation method has an advantage in that performance degradation due to phase delay in the back EMF estimator is very small because the estimated back EMF is a DC signal. However, noise signals included in the estimated error error are accumulated in the integrator of the PLL, and sensorless control performance may be degraded in the low-speed region. Due to this, there is a disadvantage in that the bandwidth of the back EMF estimator and the PLL is limited in the low-speed region.

한편 정지 좌표계 기반 자속 추정 방식은 1) 자속 추정에 속도 정보가 사용되지 않기 때문에 추정 속도의 오차에 의한 성능 저하가 없는 점과, 2) 적분기와 HPF의 조합에 의해 자속을 추정하기 때문에 HPF의 대역폭을 벗어나는 고속 영역에서 위상 지연이 없는 장점이 있다. 반면 이 방식은 저속 영역에서 위상 앞섬으로 인한 위치 추정 오차가 크게 발생하는 단점이 있다. Meanwhile, in the static coordinate system-based magnetic flux estimation method, 1) there is no performance degradation due to an error in the estimation speed because velocity information is not used in the magnetic flux estimation, and 2) the HPF bandwidth is There is an advantage of no phase delay in the high-speed region out of . On the other hand, this method has a disadvantage in that a position estimation error due to a phase lead occurs significantly in the low-speed region.

본 발명의 실시예들에 따르면 정지 좌표계 전압 방정식 기반의 자속 추정(또는 역기전력 추정)과 동기 좌표계 전압 방정식 기반의 역기전력 추정 방식을 Hybrid 형태로 결합하여 사용하기 때문에 각각의 장점을 활용하면서 각각의 단점을 상호 보완해 줄 수 있다. 그 결과로서 본 발명의 실시예들에 따르면 운전 영역에 따라서 선택적으로 센서리스 제어 방식을 적용할 필요가 없고, 넓은 운전 영역에 걸쳐서 단일한 센서리스 제어 방식을 이용하면서도 안정적인 센서리스 제어 성능을 구현할 수 있다. According to the embodiments of the present invention, since the magnetic flux estimation (or counter electromotive force estimation) based on the stationary coordinate system voltage equation and the counter electromotive force estimation method based on the synchronous coordinate system voltage equation are combined and used in a hybrid form, each disadvantage is taken advantage of while taking advantage of each disadvantage. can complement each other. As a result, according to the embodiments of the present invention, there is no need to selectively apply the sensorless control method according to the operation area, and it is possible to realize stable sensorless control performance while using a single sensorless control method over a wide operation area. have.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 PMSM 센서리스 제어 장치를 도시하는 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a PMSM sensorless control apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 PMSM 센서리스 제어 장치는 특히 도 1의 회전자 위치/속도 추정기(110)에 관한 것일 수 있다.The PMSM sensorless control apparatus of the present invention may particularly relate to the rotor position/speed estimator 110 of FIG. 1 .

본 발명의 PMSM 센서리스 제어 장치는 정지 좌표계에서 PMSM 전동기 (120)의 동작을 기술하는 제1 물리량 정보를 추정하는 제1 추정기(510), 제1 물리량 정보에 기반하여 얻어지는 PMSM 전동기(120)의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 PMSM 전동기(120)의 역기전력을 나타내는 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 추정기(530), 및 제2 물리량 정보를 이용하여 제1 추정값의 각도에 포함된 오차가 보상된 PMSM 전동기(120)의 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 위치/속도 검출기(550)를 포함한다. 이때 제2 추정기의 동기 좌표계는 제1 물리량 정보의 각도를 기준으로 하는 동기 좌표계로 이해될 수 있다. 또한 위치/속도 검출기는 제1 물리량 정보의 각도에 포함된 오차가 보상된 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 것으로 이해될 수 있다. The PMSM sensorless control apparatus of the present invention includes a first estimator 510 for estimating first physical quantity information describing the operation of the PMSM motor 120 in a stationary coordinate system, and a PMSM motor 120 obtained based on the first physical quantity information. A second estimator 530 for estimating second physical quantity information representing the back electromotive force of the PMSM motor 120 in a synchronous coordinate system based on a first estimated value for the angle of the rotor, and a first estimated value using the second physical quantity information and a position/speed detector 550 for generating position and speed information of the rotor of the PMSM motor 120 for which an error included in the angle of Δ is compensated. In this case, the synchronous coordinate system of the second estimator may be understood as a synchronous coordinate system based on the angle of the first physical quantity information. Also, the position/velocity detector may be understood to generate position and velocity information of the rotor in which an error included in the angle of the first physical quantity information is compensated.

제1 물리량 정보는 PMSM 전동기(120)의 자속일 수 있다. The first physical quantity information may be a magnetic flux of the PMSM motor 120 .

제1 물리량 정보는 PMSM 전동기(120)의 역기전력일 수 있다. The first physical quantity information may be a counter electromotive force of the PMSM motor 120 .

도 6은 도 5의 센서리스 제어 장치의 제1 실시예를 상세히 도시하는 블록도이다. FIG. 6 is a detailed block diagram illustrating a first embodiment of the sensorless control device of FIG. 5 .

도 6의 제1 실시예는 제1 물리량 정보가 PMSM 전동기(120)의 자속인 경우를 가정한 실시예이다. 제1 추정기(510)는, 정지 좌표계에서 PMSM 전동기(120)의 자속을 제1 물리량 정보로서 추정하는 자속 추정기(612), 및 제1 물리량 정보에 기반하여 PMSM 전동기(120)의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 생성하는 자속 각도 연산기(614)를 포함할 수 있다. The first embodiment of FIG. 6 is an embodiment on the assumption that the first physical quantity information is the magnetic flux of the PMSM motor 120 . The first estimator 510 includes a magnetic flux estimator 612 for estimating the magnetic flux of the PMSM motor 120 as first physical quantity information in the stationary coordinate system, and the angle of the rotor of the PMSM motor 120 based on the first physical quantity information. and a magnetic flux angle calculator 614 that generates a first estimate for .

제2 추정기(530)는, 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 PMSM 전동기(120)의 역기전력을 나타내는 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 역기전력 추정기(632), 제1 물리량 정보에 기반하여 PMSM 전동기(120)의 회전자의 각속도를 연산하고 각속도를 제2 역기전력 추정기(632)에 전달하는 (자속) 각속도 연산기(636), 및 각속도 및 제2 물리량 정보에 기반하여 제1 추정값의 각도에 포함된 오차를 연산하는 각도 오차 연산기(634)를 포함할 수 있다. The second estimator 530 includes a second counter electromotive force estimator 632 for estimating second physical quantity information representing the counter electromotive force of the PMSM motor 120 in a synchronous coordinate system based on the first estimated value, and PMSM based on the first physical quantity information. A (magnetic flux) angular velocity calculator 636 that calculates the angular velocity of the rotor of the electric motor 120 and transfers the angular velocity to the second counter electromotive force estimator 632, and the angular velocity and the second physical quantity information are included in the angle of the first estimated value It may include an angle error calculator 634 for calculating the calculated error.

제2 추정기(530)는, 정지 좌표계에서 PMSM 전동기(120)의 전압 및 전류 값을 동기 좌표계에서 PMSM 전동기(120)의 전압 및 전류 값으로 변환하여 제2 역기전력 추정기(632)에 전달하는 축 변환기(638)를 더 포함할 수 있다. The second estimator 530 converts the voltage and current values of the PMSM motor 120 in the stationary coordinate system into the voltage and current values of the PMSM motor 120 in the synchronous coordinate system and transmits them to the second counter electromotive force estimator 632 . (638) may be further included.

축 변환기(638)는 PMSM 전동기(120)의 회전자의 실제의 D축에 대한 추정된 D축(

Figure 112020095810290-pat00106
축)을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00107
)를 설정하고, 추정 동기 좌표계를 PMSM 전동기(120)의 전압 및 전류 값을 변환하는 동기 좌표계로서 이용할 수 있다. 이때 축 변환기는 제1 물리량 정보에서 얻어지는 PMSM 전동기(120)의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 추정 동기 좌표계를 설정할 수 있다. The axis converter 638 provides an estimated D-axis (
Figure 112020095810290-pat00106
The estimated synchronous coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00107
), and the estimated synchronous coordinate system can be used as a synchronous coordinate system for converting voltage and current values of the PMSM motor 120 . In this case, the axis converter may set the estimated synchronization coordinate system based on the first estimated value for the angle of the rotor of the PMSM motor 120 obtained from the first physical quantity information.

자속 추정기(612)는 수학식 15 내지 수학식 17에 나타낸 바와 같이 정지 좌표계에서의 전압 방정식을 이용하여

Figure 112020095810290-pat00108
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00109
Figure 112020095810290-pat00110
축에서의 유효 자속
Figure 112020095810290-pat00111
을 추정한다. 자속 추정기(612)의 입력은
Figure 112020095810290-pat00112
좌표계에서 전압 (
Figure 112020095810290-pat00113
), 및 전류(
Figure 112020095810290-pat00114
)이고, 출력은
Figure 112020095810290-pat00115
좌표계 기준으로 추정된 유효 자속 (
Figure 112020095810290-pat00116
)이다.
Figure 112020095810290-pat00117
좌표계에서 전압 (
Figure 112020095810290-pat00118
)은 3상 인버터(142)의 상 전압 지령 (
Figure 112020095810290-pat00119
)으로부터 하기 수학식 19 및 수학식 20을 이용하여 구할 수 있다. The magnetic flux estimator 612 uses the voltage equation in the stationary coordinate system as shown in Equations 15 to 17.
Figure 112020095810290-pat00108
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00109
and
Figure 112020095810290-pat00110
Effective magnetic flux in the axis
Figure 112020095810290-pat00111
to estimate The input of the magnetic flux estimator 612 is
Figure 112020095810290-pat00112
voltage in the coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00113
), and the current (
Figure 112020095810290-pat00114
), and the output is
Figure 112020095810290-pat00115
Estimated effective magnetic flux based on the coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00116
)to be.
Figure 112020095810290-pat00117
voltage in the coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00118
) is the phase voltage command (
Figure 112020095810290-pat00119
) can be obtained using Equations 19 and 20 below.

[수학식 19][Equation 19]

Figure 112020095810290-pat00120
Figure 112020095810290-pat00120

[수학식 20][Equation 20]

Figure 112020095810290-pat00121
Figure 112020095810290-pat00121

Figure 112020095810290-pat00122
좌표계에서 전류(
Figure 112020095810290-pat00123
)는 3상 인버터(142)의 상 전류(
Figure 112020095810290-pat00124
)로부터 하기 수학식 21 및 수학식 22를 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112020095810290-pat00122
In the coordinate system, the current (
Figure 112020095810290-pat00123
) is the phase current (
Figure 112020095810290-pat00124
) can be obtained using Equations 21 and 22 below.

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112020095810290-pat00125
Figure 112020095810290-pat00125

[수학식 22][Equation 22]

Figure 112020095810290-pat00126
Figure 112020095810290-pat00126

도 7은 도 6의 자속 추정기(612)의 세부 구성의 일 실시예를 도시하는 블록도이다. FIG. 7 is a block diagram illustrating an embodiment of a detailed configuration of the magnetic flux estimator 612 of FIG. 6 .

도 7을 참조하면, 유효 자속을 추정하기 위한 적분기는 적분기(

Figure 112020095810290-pat00127
)와 HPF(
Figure 112020095810290-pat00128
)의 곱에 대응하는 LPF(
Figure 112020095810290-pat00129
)으로 구현된다. 따라서 PMSM(120)의 운전 주파수가 LPF의 차단 주파수(
Figure 112020095810290-pat00130
) 이하인 저속 운전 영역에서 도 6의 자속 추정기(612)가 출력하는 유효 자속의 위상은 실제 값보다 앞서게 된다.Referring to FIG. 7 , the integrator for estimating the effective magnetic flux is an integrator (
Figure 112020095810290-pat00127
) and HPF(
Figure 112020095810290-pat00128
) corresponding to the product of LPF(
Figure 112020095810290-pat00129
) is implemented. Therefore, the operating frequency of the PMSM 120 is the cutoff frequency of the LPF (
Figure 112020095810290-pat00130
) or less, the phase of the effective magnetic flux output from the magnetic flux estimator 612 of FIG. 6 is ahead of the actual value.

다시 도 6을 참조하면, 자속 각도 연산기(614)는 수학식 18과 같이 자속 추정기(612)의 출력 신호들에 대한 역탄젠트 연산을 수행하여 정지 좌표계

Figure 112020095810290-pat00131
에서 자속 각도(
Figure 112020095810290-pat00132
)를 계산할 수 있다.Referring back to FIG. 6 , the magnetic flux angle calculator 614 performs an inverse tangent operation on the output signals of the magnetic flux estimator 612 as shown in Equation 18 to perform a stationary coordinate system.
Figure 112020095810290-pat00131
at the magnetic flux angle (
Figure 112020095810290-pat00132
) can be calculated.

자속 각속도 연산기(636)는 자속 각도(

Figure 112021104711528-pat00133
)의 각속도(
Figure 112021104711528-pat00134
)를 계산할 수 있다. 자속 각속도 연산기(636)는 자속 각도(
Figure 112021104711528-pat00135
)의 미분을 통해 각속도(
Figure 112021104711528-pat00136
)를 구할 수 있고, 미분에 의한 노이즈의 영향이 크게 발생하는 경우 별도의 PLL을 이용하여 각속도(
Figure 112021104711528-pat00137
)를 구할 수 있다. 각도 정보에 대한 PLL을 통해 각속도를 구하는 방법은 모터 구동 분야에서 통상의 지식으로 구현할 수 있기에 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.The magnetic flux angular velocity calculator 636 calculates the magnetic flux angle (
Figure 112021104711528-pat00133
) of the angular velocity (
Figure 112021104711528-pat00134
) can be calculated. The magnetic flux angular velocity calculator 636 calculates the magnetic flux angle (
Figure 112021104711528-pat00135
) through the derivative of the angular velocity (
Figure 112021104711528-pat00136
) can be obtained, and if the influence of noise due to differentiation is large, use a separate PLL to obtain the angular velocity (
Figure 112021104711528-pat00137
) can be obtained. Since the method of obtaining the angular velocity through the PLL for the angle information can be implemented by common knowledge in the field of motor driving, a detailed description thereof will be omitted.

축 변환기(638)는 자속 각도(

Figure 112020095810290-pat00138
)를 하기 수학식 23 및 수학식 24에 적용하여 자속 기반 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00139
) 기준 전압(
Figure 112020095810290-pat00140
) 및 전류(
Figure 112020095810290-pat00141
)에 대한 축 변환을 수행할 수 있다.The axis transducer 638 is the magnetic flux angle (
Figure 112020095810290-pat00138
) by applying the following Equations 23 and 24 to the magnetic flux-based estimated synchronization coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00139
) reference voltage (
Figure 112020095810290-pat00140
) and current (
Figure 112020095810290-pat00141
) for axis transformation.

[수학식 23][Equation 23]

Figure 112020095810290-pat00142
Figure 112020095810290-pat00142

[수학식 24][Equation 24]

Figure 112020095810290-pat00143
Figure 112020095810290-pat00143

제2 역기전력 추정기(632)는 자속 각도(

Figure 112020095810290-pat00144
)를 기준으로 하는 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00145
)에서 전압 방정식과 관측기를 이용하여 회전자 전기각(
Figure 112020095810290-pat00146
) 및 자속 각도(
Figure 112020095810290-pat00147
) 사이의 오차 정보(
Figure 112020095810290-pat00148
)를 포함하는 역기전력을 추정할 수 있다.The second back electromotive force estimator 632 is the magnetic flux angle (
Figure 112020095810290-pat00144
) based on the estimated synchronous coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00145
) using the voltage equation and the observer in the rotor electric angle (
Figure 112020095810290-pat00146
) and the magnetic flux angle (
Figure 112020095810290-pat00147
) between the error information (
Figure 112020095810290-pat00148
) can be estimated.

이때 역기전력 추정에 사용되는 관측기로는 선행 문헌(Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors," Journal of Power Electronics., vol. 12, no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012.) 등에서 개시하는 것처럼 전압 방정식으로부터 역기전력을 추정하는 다양한 관측기들이 이용될 수 있다. 이러한 관측기들은 센서리스 제어와 관련된 분야에서 일반화된 통상적인 지식으로 볼 수 있으므로 본 발명에서 이에 대한 자세한 설명을 생략한다.At this time, as an observer used for back EMF estimation, the preceding literature (Lee, Kwang-Woon and Ha, Jung-Ik, "Evaluation of Back-EMF Estimators for Sensorless Control of Permanent Magnet Synchronous Motors," Journal of Power Electronics., vol. 12 , no. 4, pp. 604-614, Jul. 2012.), various observers for estimating the back EMF from the voltage equation can be used. Since these observers can be regarded as general knowledge in the field related to sensorless control, a detailed description thereof will be omitted in the present invention.

추정 동기 좌표계(

Figure 112020095810290-pat00149
)에서 성립하는 전압 방정식은 하기 수학식 25와 같이 나타낼 수 있다.Estimated Synchronous Coordinate System (
Figure 112020095810290-pat00149
) can be expressed as Equation 25 below.

[수학식 25][Equation 25]

Figure 112020095810290-pat00150
Figure 112020095810290-pat00150

추정 동기 좌표계(

Figure 112020095810290-pat00151
)의 역기전력 성분(
Figure 112020095810290-pat00152
)은 확장된 역기전력 Eex에 대하여 하기 수학식 26과 같은 관계를 가진다.Estimated Synchronous Coordinate System (
Figure 112020095810290-pat00151
) of the back EMF component (
Figure 112020095810290-pat00152
) has the same relation as in Equation 26 below for the extended back electromotive force Eex.

[수학식 26][Equation 26]

Figure 112020095810290-pat00153
Figure 112020095810290-pat00153

수학식 25를 Ld=Lq 관계가 성립하는 SPM 타입 PMSM에 대하여 표현하면 수학식 27과 같이 간단해질 수 있다.If Equation 25 is expressed for an SPM type PMSM in which the relationship Ld=Lq is established, it can be simplified as Equation 27.

[수학식 27][Equation 27]

Figure 112020095810290-pat00154
Figure 112020095810290-pat00154

IPM 타입 PMSM에서는

Figure 112020095810290-pat00155
성분은 0이 아니지만, 수학식 25의 오른쪽 마지막 항에서는 전동기 회전자의 각속도(
Figure 112020095810290-pat00156
) 및 제1 추정값(
Figure 112020095810290-pat00157
)으로부터 얻어지는 각속도 성분(
Figure 112020095810290-pat00158
) 간의 오차
Figure 112020095810290-pat00159
Figure 112020095810290-pat00160
이 곱해진 값이 포함된다. 이때 IPM 타입 PMSM에서 Ld와 Lq 간의 차이는 크지 않으므로 수학식 25의 오른쪽 마지막 항이 제1 추정값(
Figure 112020095810290-pat00161
)을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00162
)에서 역기전력 추정에 미치는 영향은 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서 수학식 27에서처럼
Figure 112020095810290-pat00163
항의 영향이 제거되는 SPM 타입 PMSM 뿐 아니라, IPM 타입 PMSM 에서도
Figure 112020095810290-pat00164
의 영향은 무시할 수 있을 정도로 작은 것을 알 수 있다.In the IPM type PMSM
Figure 112020095810290-pat00155
The component is not 0, but in the last term on the right of Equation 25, the angular velocity (
Figure 112020095810290-pat00156
) and the first estimate (
Figure 112020095810290-pat00157
) from the angular velocity component (
Figure 112020095810290-pat00158
) between
Figure 112020095810290-pat00159
Wow
Figure 112020095810290-pat00160
This multiplied value is included. At this time, since the difference between Ld and Lq in the IPM type PMSM is not large, the last term on the right of Equation 25 is the first estimated value (
Figure 112020095810290-pat00161
) based on the estimated synchronous coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00162
), the effect on the back EMF estimation is negligible. Therefore, as in Equation 27
Figure 112020095810290-pat00163
In addition to the SPM type PMSM in which the effect of the term is removed, the IPM type PMSM
Figure 112020095810290-pat00164
It can be seen that the effect of is small enough to be negligible.

각도 오차 연산기(634)는 수학식 28과 같이 제2 역기전력 추정기(632)의 출력 신호들의 역탄젠트 연산을 수행하여

Figure 112020095810290-pat00165
및 제1 추정값(
Figure 112020095810290-pat00166
) 사이의 오차 정보
Figure 112020095810290-pat00167
를 구할 수 있다.The angle error calculator 634 performs an inverse tangent operation on the output signals of the second counter electromotive force estimator 632 as shown in Equation 28.
Figure 112020095810290-pat00165
and the first estimate (
Figure 112020095810290-pat00166
) between the error information
Figure 112020095810290-pat00167
can be obtained

[수학식 28][Equation 28]

Figure 112020095810290-pat00168
Figure 112020095810290-pat00168

상기 수학식 28을 통해 얻어진 오차 정보

Figure 112020095810290-pat00169
를 제1 추정값(
Figure 112020095810290-pat00170
)에 합산하면 수학식 29와 같이 원하는 위치 추정값
Figure 112020095810290-pat00171
을 얻을 수 있다.Error information obtained through Equation (28)
Figure 112020095810290-pat00169
is the first estimate (
Figure 112020095810290-pat00170
), the desired position estimate value as shown in Equation 29
Figure 112020095810290-pat00171
can get

[수학식 29][Equation 29]

Figure 112020095810290-pat00172
Figure 112020095810290-pat00172

앞에서 설명한 바와 같이 제1 추정값(

Figure 112020095810290-pat00173
)은 적분기와 HPF의 조합으로 구하는 경우가 많으므로 PMSM(120)의 운전 주파수가 HPF의 차단 주파수 이하인 경우 위상 앞섬으로 인한 오차가 발생된다. 이러한 위상 앞섬으로 인한 오차에 대한 정보는 제1 추정값(
Figure 112020095810290-pat00174
)을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00175
)에서의 전압 방정식으로부터 추정한 역기전력에 포함된다. 따라서 수학식 29와 같이 회전자 위치
Figure 112020095810290-pat00176
를 구하면 위상 앞섬으로 인하여 발생하는 센서리스 위치 추정 오차를 보상할 수 있다.As previously described, the first estimate (
Figure 112020095810290-pat00173
) is often obtained by a combination of the integrator and the HPF, so when the operating frequency of the PMSM 120 is less than or equal to the cutoff frequency of the HPF, an error due to the phase lead occurs. Information on the error due to this phase leading is the first estimate (
Figure 112020095810290-pat00174
) based on the estimated synchronous coordinate system (
Figure 112020095810290-pat00175
) is included in the back EMF estimated from the voltage equation in Therefore, the rotor position as in Equation 29
Figure 112020095810290-pat00176
By obtaining , it is possible to compensate for the sensorless position estimation error caused by the phase lead.

위치/속도 검출기(550)는

Figure 112020095810290-pat00177
에 PLL 기법을 적용하여 PMSM(120)의 센서리스 벡터 제어에 필요한 회전자 위치 및 속도에 대한 추정 값
Figure 112020095810290-pat00178
을 출력할 수 있다. The position/velocity detector 550 is
Figure 112020095810290-pat00177
Estimated values of rotor position and speed required for sensorless vector control of PMSM 120 by applying the PLL technique to
Figure 112020095810290-pat00178
can be printed out.

도 8은 도 6의 위치/속도 검출기(550)의 세부 구성의 일 실시예를 도시하는 블록도이다. 8 is a block diagram illustrating an embodiment of a detailed configuration of the position/velocity detector 550 of FIG. 6 .

위치/속도 검출기(550)는

Figure 112020095810290-pat00179
을 수신하고, 비례-적분 방식의 제어(PI 제어)를 통하여 각속도 추정값
Figure 112020095810290-pat00180
을 얻는 비례-적분 제어기(810)를 포함한다. 또한 위치/속도 검출기(550)는 각속도 추정값
Figure 112020095810290-pat00181
으로부터 위치 추정값
Figure 112020095810290-pat00182
을 얻는 적분기(820)를 포함할 수 있다. 도 8의 위치/속도 검출기(550)의 동작의 상세한 원리는 모터 제어 분야에서는 일반화된 통상적인 지식으로 볼 수 있으므로 본 출원명세서에서는 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. The position/velocity detector 550 is
Figure 112020095810290-pat00179
, and the angular velocity estimate value through proportional-integral control (PI control)
Figure 112020095810290-pat00180
and a proportional-integral controller 810 to obtain The position/velocity detector 550 also provides an angular velocity estimate.
Figure 112020095810290-pat00181
position estimate from
Figure 112020095810290-pat00182
It may include an integrator 820 to obtain Since the detailed principle of the operation of the position/speed detector 550 of FIG. 8 can be viewed as general knowledge in the field of motor control, a detailed description thereof will be omitted in the present specification.

도 9는 도 5의 센서리스 제어 장치의 제2 실시예를 상세히 도시하는 블록도이다. 9 is a detailed block diagram illustrating a second embodiment of the sensorless control apparatus of FIG. 5 .

도 9의 제2 실시예는 제1 물리량 정보가 PMSM 전동기(120)의 역기전력인 경우를 가정한 실시예이다. 도 9의 위치/속도 검출기(550)는 도 6의 위치/속도 검출기(550)의 동작과 크게 다르지 않으므로 중복되는 설명은 생략한다. The second embodiment of FIG. 9 is an embodiment on the assumption that the first physical quantity information is the counter electromotive force of the PMSM motor 120 . Since the operation of the position/velocity detector 550 of FIG. 9 is not significantly different from the operation of the position/velocity detector 550 of FIG. 6 , a redundant description will be omitted.

제1 물리량 정보가 PMSM 전동기(120)의 역기전력인 경우에, 제1 추정기(510)는, 정지 좌표계에서 PMSM 전동기(120)의 역기전력을 제1 물리량 정보로서 추정하는 제1 역기전력 추정기(912), 및 제1 물리량 정보에 기반하여 PMSM 전동기(120)의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값

Figure 112020095810290-pat00183
을 생성하는 역기전력 각도 연산기(914)를 포함할 수 있다. When the first physical quantity information is the counter electromotive force of the PMSM motor 120, the first estimator 510 includes a first counter electromotive force estimator 912 for estimating the counter electromotive force of the PMSM motor 120 as the first physical quantity information in the stationary coordinate system; and a first estimate for the angle of the rotor of the PMSM electric motor 120 based on the first physical quantity information.
Figure 112020095810290-pat00183
It may include a back electromotive force angle calculator 914 that generates

제1 역기전력 추정기(912)는 수학식 4를 이용하는 관측기로부터 수학식 5를 이용하여 정지 좌표계

Figure 112020095810290-pat00184
에 대한 역기전력 추정값
Figure 112020095810290-pat00185
을 얻을 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 정지 좌표계
Figure 112020095810290-pat00186
에 대한 역기전력 추정값
Figure 112020095810290-pat00187
에는 회전자 위치 정보가 포함된다. 그러나 관측기가 LPF의 특성을 가지는 경우가 일반적이므로 PMSM(120)의 운전 주파수가 증가할수록 역기전력 추정값
Figure 112020095810290-pat00188
의 위상 지연으로 인한 오차가 증가한다.The first back EMF estimator 912 is a stationary coordinate system using Equation 5 from an observer using Equation 4
Figure 112020095810290-pat00184
Estimated back EMF for
Figure 112020095810290-pat00185
can get As described earlier, a stationary coordinate system
Figure 112020095810290-pat00186
Estimated back EMF for
Figure 112020095810290-pat00187
includes rotor position information. However, since the observer generally has LPF characteristics, as the operating frequency of the PMSM 120 increases, the estimated value of the back EMF
Figure 112020095810290-pat00188
The error due to the phase delay of

도 9의 제2 실시예에서는 제1 추정기(510)에서 얻어지는 회전자 위치에 대한 제1 추정값

Figure 112020095810290-pat00189
을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00190
)의 전압 방정식으로부터 추정한 역기전력을 이용하여 역기전력 추정값
Figure 112020095810290-pat00191
의 위상 지연으로 인한 오차를 보상할 수 있다.In the second embodiment of FIG. 9 , a first estimate of the rotor position obtained by the first estimator 510 is
Figure 112020095810290-pat00189
Estimated synchronization coordinate system based on (
Figure 112020095810290-pat00190
) using the back EMF estimated from the voltage equation of
Figure 112020095810290-pat00191
It is possible to compensate for the error due to the phase delay of .

역기전력 기반 제1 추정값

Figure 112020095810290-pat00192
의 각속도 연산기(936)는 제1 추정값
Figure 112020095810290-pat00193
의 각속도
Figure 112020095810290-pat00194
를 계산할 수 있다. 축 변환기(938)는 제1 추정값
Figure 112020095810290-pat00195
에 기반하여 설정된 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00196
)를 기준으로 전압 및 전류를 변환한다. 이러한 변환 과정은 하기 수학식 30 및 수학식 31에 의하여 표현될 수 있다.Back EMF based first estimate
Figure 112020095810290-pat00192
Angular velocity calculator 936 of the first estimate
Figure 112020095810290-pat00193
angular velocity of
Figure 112020095810290-pat00194
can be calculated. Axis transducer 938 provides a first estimate
Figure 112020095810290-pat00195
Estimated synchronization coordinate system established based on (
Figure 112020095810290-pat00196
) to convert voltage and current. This conversion process can be expressed by Equations 30 and 31 below.

[수학식 30][Equation 30]

Figure 112020095810290-pat00197
Figure 112020095810290-pat00197

[수학식 31][Equation 31]

Figure 112020095810290-pat00198
Figure 112020095810290-pat00198

제2 추정기(530) 내에 포함되는 제2 역기전력 추정기(932)는 제1 추정값

Figure 112020095810290-pat00199
를 기준으로 하는 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00200
)에서 전압 방정식과 관측기를 이용하여 회전자 위치
Figure 112020095810290-pat00201
및 제1 추정값
Figure 112020095810290-pat00202
사이의 오차 정보
Figure 112020095810290-pat00203
를 포함하는 역기전력
Figure 112020095810290-pat00204
을 추정한다.The second back electromotive force estimator 932 included in the second estimator 530 is the first estimate value.
Figure 112020095810290-pat00199
Estimated synchronization coordinate system based on (
Figure 112020095810290-pat00200
) using the voltage equation and the observer to position the rotor
Figure 112020095810290-pat00201
and a first estimate
Figure 112020095810290-pat00202
error information between
Figure 112020095810290-pat00203
back electromotive force including
Figure 112020095810290-pat00204
to estimate

제1 추정값

Figure 112020095810290-pat00205
를 기준으로 하는 추정 동기 좌표계(
Figure 112020095810290-pat00206
)에서 전압 방정식은 하기 수학식 32와 같이 나타내어질 수 있다. first estimate
Figure 112020095810290-pat00205
Estimated synchronization coordinate system based on (
Figure 112020095810290-pat00206
), the voltage equation may be expressed as Equation 32 below.

[수학식 32][Equation 32]

Figure 112020095810290-pat00207
Figure 112020095810290-pat00207

역기전력

Figure 112020095810290-pat00208
은 오차 정보
Figure 112020095810290-pat00209
와 하기 수학식 33과 같은 관계를 가진다. back electromotive force
Figure 112020095810290-pat00208
silver error information
Figure 112020095810290-pat00209
and Equation 33 below.

[수학식 33][Equation 33]

Figure 112020095810290-pat00210
Figure 112020095810290-pat00210

각도 오차 연산기(934)는 제2 역기전력 추정기(932)의 출력 신호들

Figure 112020095810290-pat00211
에 대한 역탄젠트 연산을 수행하여 회전자 위치
Figure 112020095810290-pat00212
및 제1 추정값
Figure 112020095810290-pat00213
사이의 오차 정보
Figure 112020095810290-pat00214
를 구할 수 있다. The angle error calculator 934 outputs signals of the second back EMF estimator 932 .
Figure 112020095810290-pat00211
Perform an inverse tangent operation on the rotor position
Figure 112020095810290-pat00212
and a first estimate
Figure 112020095810290-pat00213
error information between
Figure 112020095810290-pat00214
can be obtained

이때 오차 정보

Figure 112020095810290-pat00215
는 수학식 34와 같이 표현된다.In this case, the error information
Figure 112020095810290-pat00215
is expressed as in Equation 34.

[수학식 34][Equation 34]

Figure 112020095810290-pat00216
Figure 112020095810290-pat00216

도 9의 실시예에서, 오차 정보

Figure 112020095810290-pat00217
는 제1 추정값
Figure 112020095810290-pat00218
에 합산되어 위치/속도 검출기(550)에 입력되고, 위치/속도 검출기(550)는 입력된 정보로부터 PLL을 이용하여 PMSM(120)의 센서리스 벡터 제어에 필요한 회전자 위치 및 속도에 대한 추정 값
Figure 112020095810290-pat00219
을 출력할 수 있다. In the embodiment of Fig. 9, error information
Figure 112020095810290-pat00217
is the first estimate
Figure 112020095810290-pat00218
is added to and input to the position/speed detector 550, and the position/velocity detector 550 uses the PLL from the input information to estimate the rotor position and speed required for sensorless vector control of the PMSM 120
Figure 112020095810290-pat00219
can be printed out.

앞에서 설명한 것처럼 본 발명의 제1 추정기(510)만을 이용하는 종래 기술의 정지 좌표계 기반 센서리스 제어, 예를 들어 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 기반의 센서리스 방식에서는 역기전력 관측기의 특성으로 인해 속도가 증가할수록 위상 지연이 증가하여 위치 추정 오차가 증가하는 단점이 있다.As described above, in the prior art stationary coordinate system-based sensorless control using only the first estimator 510 of the present invention, for example, in the sensorless method based on the back EMF estimation using the stationary coordinate system voltage equation, the speed increases due to the characteristics of the back EMF observer. There is a disadvantage in that the phase delay increases as the frequency increases, and thus the position estimation error increases.

한편 본 발명의 제1 추정기(510)만을 이용하는 종래 기술의 또 다른 예시인 정지 좌표계 전압 방정식을 이용한 자속 추정 기반의 센서리스 방식은 적분기와 HPF의 조합으로 구성된 자속 추정기의 특성으로 인해 HPF의 대역폭보다 낮은 속도에서 위상 앞섬으로 인한 위치 추정 오차가 발생하는 단점이 있다.On the other hand, the sensorless method based on magnetic flux estimation using the stationary coordinate system voltage equation, which is another example of the prior art using only the first estimator 510 of the present invention, is higher than the bandwidth of HPF due to the characteristics of the magnetic flux estimator composed of a combination of an integrator and HPF. There is a disadvantage in that a position estimation error occurs due to a phase lead at a low speed.

도 10은 본 발명의 비교례로서, 본 발명의 기술 분야의 일반적인 동기 좌표계에서 역기전력 추정기를 이용한 PMSM 센서리스 제어 장치를 도시하는 블록도이다. 10 is a block diagram illustrating a PMSM sensorless control apparatus using a back EMF estimator in a general synchronization coordinate system in the technical field of the present invention as a comparative example of the present invention.

도 10의 비교례는 본 발명의 도 5 내지 도 9의 구성 상의 제2 추정기(530) 및 위치/속도 검출기(550)만을 이용한 센서리스 제어 장치로 이해될 수 있다. The comparative example of FIG. 10 may be understood as a sensorless control device using only the second estimator 530 and the position/velocity detector 550 in the configuration of FIGS. 5 to 9 of the present invention.

도 10에 도시된 것과 같은 비교례, 즉, 동기 좌표계 전압 방정식을 이용한 역기전력 추정 기반의 센서리스 방식에서는 저속 영역에서 위치/속도 추정에 사용되는 PLL의 대역폭이 제한되어 저속 운전 성능이 저하되는 단점이 있다.In the comparative example shown in FIG. 10, that is, in the sensorless method based on the counter electromotive force estimation using the synchronous coordinate system voltage equation, the bandwidth of the PLL used for position/velocity estimation in the low speed region is limited, and the low speed driving performance is deteriorated. have.

도 10의 비교례에서는, 정지 좌표계의 회전자 권선 전압 및 전류 값(

Figure 112020095810290-pat00220
,
Figure 112020095810290-pat00221
)을 축 변환기(1038)가 추정된 DQ축에 대한 전압 및 전류 값(
Figure 112020095810290-pat00222
,
Figure 112020095810290-pat00223
)으로 변환하고, 역기전력 추정기(1032)는 추정된 DQ축을 기준으로 역기전력을 추정한다. 추정 과정은 앞에서 설명한 수학식 7 내지 수학식 9에 의하여 수행된다.In the comparative example of FIG. 10, the rotor winding voltage and current values (
Figure 112020095810290-pat00220
,
Figure 112020095810290-pat00221
) to the voltage and current values (
Figure 112020095810290-pat00222
,
Figure 112020095810290-pat00223
), and the back EMF estimator 1032 estimates the back EMF based on the estimated DQ axis. The estimation process is performed according to Equations 7 to 9 described above.

각도 오차 연산기(1034)는 역기전력에 역탄젠트 연산(arctan)을 수행하여 각도 오차를 생성하고, PLL 처리기(1050)에 의하여 각도 오차(위치 오차)가 다시 축 변환기(1038)로 전달된다. 이때 역기전력 추정기(1032)가 이용하는 것은 실제의 DQ축이 아닌 추정된 DQ축(

Figure 112020095810290-pat00224
축)이고, PLL 처리기(1050)에 의하여 위치 오차를 반영하여 추정된 DQ축(
Figure 112020095810290-pat00225
축)과 실제의 DQ축 간의 오차를 줄이는 것이 도 10의 비교례에서의 목표이다. 도 10의 비교례에서 상기 수학식 7 내지 수학식 9에서 제시된 수학적 모델의 특성 상 추정된 역기전력에 이미 위치 오차 정보가 반영되었다고 생각할 수 있다. 따라서 정지 좌표계 기반 방식의 종래 기술들에서 나타나는 위상 지연 등의 영향을 줄일 수 있다. 다만 앞에서 설명한 것처럼 도 10의 PLL 처리기(1050)에 도 4의 적분기(420)와 같은 구성을 사용하는 경우 위치 오차가 이미 반영된 상태에서 위치 오차가 계속 누적될 수 있다.The angle error calculator 1034 generates an angle error by performing an arctan operation on the back electromotive force, and the angle error (position error) is transmitted back to the axis converter 1038 by the PLL processor 1050 . At this time, the back EMF estimator 1032 uses the estimated DQ axis (not the actual DQ axis)
Figure 112020095810290-pat00224
axis), and the DQ axis (
Figure 112020095810290-pat00225
axis) and the actual DQ axis is a goal in the comparative example of FIG. 10 . In the comparative example of FIG. 10 , it can be considered that the position error information has already been reflected in the estimated back electromotive force due to the characteristics of the mathematical models presented in Equations 7 to 9 above. Accordingly, it is possible to reduce the effect of phase delay, etc., which appears in the prior art of the stationary coordinate system-based method. However, as described above, when the PLL processor 1050 of FIG. 10 uses the same configuration as the integrator 420 of FIG. 4 , the position error may be continuously accumulated while the position error is already reflected.

다시 본 발명의 도 5 내지 도 9의 구성을 참조하면, 도 10에서 도시된 비교례에서는 PLL 처리기(1050)로부터 축 변환기(1038)로 위치 추정의 정보가 피드백되는 반면, 본 발명에서는 제1 추정기(510)에서 추정된 회전자의 위치, 즉 제1 추정값이 제2 추정기(530)의 축 변환기(638, 938)로 전달되는 차이점이 있다. Referring again to the configuration of FIGS. 5 to 9 of the present invention, in the comparative example shown in FIG. 10 , information on position estimation is fed back from the PLL processor 1050 to the axis converter 1038 , whereas in the present invention, the first estimator There is a difference in that the position of the rotor estimated at 510 , that is, the first estimate value is transmitted to the axis converters 638 and 938 of the second estimator 530 .

이때 본 발명에서는 제1 추정기(510)에서 정지 좌표계 전압 방정식을 기반으로 하여 역기전력(또는 자속)을 추정할 때 나타나는 위상 지연(또는 위상 앞섬)으로 인한 센서리스 위치 추정 오차가, 1차적으로 추정된 각도를 기준으로 하는 동기 좌표계에서의 전압 방정식으로부터 제2 추정기(530)에 의하여 추정된 역기전력에 포함된다는 물리적 법칙을 이용하여 센서리스 위치 추정 오차를 보상할 수 있는 방식을 제안하고 있다. At this time, in the present invention, the sensorless position estimation error due to the phase delay (or phase lead) that appears when estimating the back electromotive force (or magnetic flux) based on the stationary coordinate system voltage equation in the first estimator 510 is primarily estimated A method for compensating for a sensorless position estimation error is proposed using a physical law that is included in the back electromotive force estimated by the second estimator 530 from the voltage equation in the synchronous coordinate system based on the angle.

도 10의 비교례에서 PLL 처리기(1050)가 일반적으로 도 4에서 도시된 것처럼 적분기(420)를 이용하므로 위치 오차가 이미 반영된 상태에서 위치 오차가 계속 누적될 수 있는 문제점이 있음은 앞에서 설명한 바와 같다. 본 발명의 도 5 내지 도 9의 실시예에서는 위치 오차가 계속 누적되지 않도록 위치 정보를 별도로 추정하는 수단을 제1 추정기(510)로서 도입하고, 제1 추정기(510)가 위치 정보에 대한 제1 추정값을 제2 추정기(530)로 전달함으로써 제2 추정기(530)가 위치 오차를 계산할 수 있는 기준값을 제공하는 한편, 제2 추정기(520)가 이용하는 수학적 모델 내부의 위치 오차가 계속 누적되지 않도록 차단된다. 한편 제1 추정기(510)는 추정하고자 하는 제1 물리량 정보가 역기전력인지 자속인지에 따라서 고속 동작 시 위상 지연이 발생하거나(역기전력) 저속/저주파에서 위상 앞섬이 발생할 수 있는데(자속), 제1 추정기(510)의 제1 추정값이 제2 추정기(530)의 수학적 모델을 거치면서 제2 추정기(530)에 의하여 제2 추정값이 생성됨으로써 위상 지연 또는 위상 앞섬의 문제가 해소될 수 있다. In the comparative example of FIG. 10 , since the PLL processor 1050 generally uses the integrator 420 as shown in FIG. 4 , there is a problem that the position error may be continuously accumulated while the position error is already reflected as described above. . 5 to 9 of the present invention, a means for separately estimating the location information is introduced as the first estimator 510 so that the location error is not continuously accumulated, and the first estimator 510 performs the first operation for the location information. By passing the estimated value to the second estimator 530, the second estimator 530 provides a reference value for calculating the position error, while blocking the position error within the mathematical model used by the second estimator 520 from continuously accumulating. do. Meanwhile, in the first estimator 510, a phase delay may occur during high-speed operation (back EMF) or a phase lead may occur at low speed/low frequency (magnetic flux) depending on whether the first physical quantity information to be estimated is back EMF or magnetic flux. As the first estimated value of 510 is passed through the mathematical model of the second estimator 530 and the second estimated value is generated by the second estimator 530, the problem of phase delay or phase lead can be solved.

본 발명은 단순히 서로 다른 좌표계에서의 전압 방정식을 이용하는 센서리스 제어 방식들을 동시에 복수로 동작시키면서 운전 속도에 따라 해당 속도에서 유리한 센서리스 제어 방식을 선택적으로 이용하는 종래 기술들의 방식과는 큰 차이가 있다. 예를 들어, 종래 기술들의 단순한 조합으로서, 저속 영역에서는 정지 좌표계 전압 방정식 기반의 역기전력 추정 방식을 사용하고, 고속 영역에서는 정지 좌표계 전압 방정식 기반의 자속 추정 방식을 사용하는 경우를 생각할 수 있다. 이러한 종래 기술의 조합은 각각의 장점을 가지고 올 수는 있지만, 각각의 단점을 보완할 수는 없다. 종래 기술의 조합에서는 정지 좌표계 역기전력 추정 방식은 여전히 고속 영역에서 문제가 있고, 정지 좌표계 자속 추정 방식은 여전히 저속 영역에서 문제를 가지고 있다. The present invention is significantly different from the methods of the prior art that simply operate a plurality of sensorless control methods using voltage equations in different coordinate systems at the same time and selectively use a sensorless control method that is advantageous at a corresponding speed according to the driving speed. For example, as a simple combination of conventional techniques, a case in which a back EMF estimation method based on a stationary coordinate system voltage equation is used in a low speed region and a magnetic flux estimation method based on a stationary coordinate system voltage equation is used in a high speed region may be considered. Although these prior art combinations may bring their respective advantages, they cannot compensate for their respective disadvantages. In the combination of the prior art, the stationary coordinate system back EMF estimation method still has a problem in the high-speed region, and the stationary coordinate system magnetic flux estimation method still has a problem in the low-speed region.

종래의 센서리스 제어 방식들을 단순 결합하여 적용하는 다른 방식의 예시로서 상기 선행문헌 한국등록특허공보 KR 10-1961106 "센서리스 제어 방법 및 장치"와 같이 하나의 센서리스 제어 방식을 주된 방식으로 하고 다른 하나의 센서리스 제어 방식을 보조적으로 이용하는 경우도 있을 수 있다. KR 10-1961106에서는 동기 회전 좌표계에서 마쯔이 알고리즘을 이용하여 회전자 위치를 산출하는 방식을 주된 센서리스 제어 방식으로 이용하되, 탈조 발생 여부를 검출하는 보조 수단으로서 정지 좌표계 기반 자속 추정 방식을 병렬적으로 적용한다. KR 10-1961106과 같은 병렬적 결합 방식에서도 동기 회전 좌표계 역기전력 추정 방식과 정지 좌표계 자속 추정 방식은 상호 독립적으로 동작한 후 산출된 회전자 각도/위치를 서로 비교하므로, 각각의 장점과 단점은 그대로 유지되며, 센서리스 제어 기법 각각의 단점이 KR 10-1961106과 같은 병렬적 결합에 의하여 치유되는 것은 아니다. As an example of another method of simply combining and applying the conventional sensorless control methods, one sensorless control method is used as the main method, and another There may be cases where one sensorless control method is used as an auxiliary method. In KR 10-1961106, a method of calculating the rotor position using the Matsui algorithm in a synchronous rotational coordinate system is used as the main sensorless control method, but a stationary coordinate system-based magnetic flux estimation method is used in parallel as an auxiliary means for detecting whether a step-out has occurred. apply Even in a parallel coupling method such as KR 10-1961106, the synchronous rotational coordinate system counter electromotive force estimation method and the stationary coordinate system magnetic flux estimation method operate independently of each other and then compare the calculated rotor angle/position, so the advantages and disadvantages of each are maintained. However, the disadvantages of each sensorless control technique are not cured by parallel combination as in KR 10-1961106.

반면에 본 발명의 실시예들에 따르면 정지 좌표계 전압 방정식 기반의 자속 추정(또는 역기전력 추정)과 동기 좌표계 전압 방정식 기반의 역기전력 추정 방식을 Hybrid 형태로 결합하여 사용하기 때문에 각각의 장점을 활용하면서 각각의 단점을 상호 보완해 주는 특징이 있다. 그 결과로서 본 발명의 실시예들에 따르면 운전 영역에 따라서 선택적으로 센서리스 제어 방식을 적용할 필요가 없고, 넓은 운전 영역에 걸쳐서 단일한 센서리스 제어 방식을 이용하면서도 안정적인 센서리스 제어 성능을 구현할 수 있다. On the other hand, according to the embodiments of the present invention, since the magnetic flux estimation (or counter electromotive force estimation) based on the stationary coordinate system voltage equation and the counter electromotive force estimation method based on the synchronous coordinate system voltage equation are combined and used in a hybrid form, each There are features that complement each other's shortcomings. As a result, according to the embodiments of the present invention, there is no need to selectively apply the sensorless control method according to the operation area, and it is possible to realize stable sensorless control performance while using a single sensorless control method over a wide operation area. have.

본 발명의 실시예들에서는 동기 좌표계 기반 역기전력 추정 시 설정되는 동기 좌표계를, 정지 좌표계에서 추정되는 자속 또는 역기전력에 기반하여 얻어지는 전동기의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 설정하며, 이때의 동기 좌표계에서 전동기의 역기전력을 추정하고, 이때 동기 좌표계에서 추정된 역기전력을 이용하여 제1 추정값의 각도에 포함된 오차가 보상된 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성한다. 이러한 본 발명의 실시예들에서는 종래의 센서리스 제어 방식들의 개념 및 구성이 이용되기는 하지만 이들 구성이 상호 보완적으로 및 상호 유기적으로 결합되며, 이 과정에서 종래의 센서리스 제어 방식과 달리 매우 넓은 운전 영역에서 안정적인 센서리스 제어 성능을 구현할 수 있다. In the embodiments of the present invention, the synchronous coordinate system set when estimating the synchronous coordinate system-based back EMF is set based on the first estimated value for the angle of the rotor of the motor obtained based on the magnetic flux or the back EMF estimated in the stationary coordinate system, at this time Estimate the back electromotive force of the motor in the synchronous coordinate system, and use the counter electromotive force estimated in the synchronous coordinate system to generate position and speed information of the rotor in which the error included in the angle of the first estimated value is compensated. Although the concept and configuration of the conventional sensorless control schemes are used in these embodiments of the present invention, these configurations are complementary and organically combined, and in this process, unlike the conventional sensorless control scheme, a very wide operation It is possible to realize stable sensorless control performance in the field.

또한 도 10의 비교례와 도 5 내지 도 9의 실시예들을 비교하면 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예들은 종래 기술의 다양한 센서리스 제어 기법을 유기적으로 결합하되 이 과정에서 종래 기술의 센서리스 제어 기법은 그대로 적용되지 않고 본 발명의 목적에 부합하도록 일부 변경되어 본 발명의 구성은 종래 기술들과 차별화된다. In addition, as can be seen by comparing the comparative example of FIG. 10 and the embodiments of FIGS. 5 to 9 , the embodiments of the present invention organically combine various sensorless control techniques of the prior art, but in this process the prior art sensorless control The technique is not applied as it is, but some changes are made to meet the purpose of the present invention, so that the configuration of the present invention is differentiated from the prior art.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 PMSM 센서리스 제어의 시뮬레이션 결과의 파형을 도시하는 도면이다.11 is a diagram illustrating a waveform of a simulation result of PMSM sensorless control according to an embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 도 5의 제1 실시예에서는 자속 추정을 기반으로 본 발명을 실시할 때 저속 영역에서 위치/속도 추정에 사용되는 PLL의 대역폭을 다른 방식들에 비해 좀 더 크게 설정할 수 있고, 이로 인해 저속에서 부하 변동이 큰 응용 분야(예: DD모터를 채용한 드럼세탁기의 세탁 모드)에서 더 우수한 센서리스 제어 성능을 확보할 수 있다. 도 11의 waveform diagram에서는 본 발명의 제1 실시예에서 제시하는 센서리스 제어 방식을 드럼세탁기의 세탁 부하를 모델로 하여 컴퓨터 시뮬레이션을 진행한 결과이다. 도 11을 참조하면 기존 자속 추정기만을 사용하는 센서리스 제어 방식의 경우 추정한 회전자 위치가 0.2초를 경과하면서 실제 회전자 위치와 크게 벗어남을 알 수 있다. 반면에 본 발명에서 제시한 방식은 과도 구간이 반복됨에 따라 위치 추정 오차가 커지는 구간이 일부 존재하기는 하나, 전반적으로 센서리스 위치 추정 오차가 작은 값을 유지하고 있음을 알 수 있다. Referring to FIG. 11, in the first embodiment of FIG. 5, when the present invention is implemented based on magnetic flux estimation, the bandwidth of the PLL used for position/velocity estimation in a low-speed region can be set to be larger than that of other methods, , it is possible to secure better sensorless control performance in applications with large load fluctuations at low speeds (eg, the washing mode of a drum washing machine employing a DD motor). The waveform diagram of FIG. 11 shows the results of computer simulation using the washing load of the drum washing machine as a model for the sensorless control method proposed in the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11 , in the case of the sensorless control method using only the conventional magnetic flux estimator, it can be seen that the estimated rotor position deviates significantly from the actual rotor position after 0.2 seconds. On the other hand, it can be seen that in the method proposed in the present invention, although there are some sections in which the position estimation error increases as the transient section is repeated, the overall sensorless position estimation error maintains a small value.

이상에서 도 1 내지 도 11을 통하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 센서리스 제어 장치가 개시되었다. 한편 본 발명의 센서리스 제어 기법은 프로세서, 컨트롤러, 및/또는 분산 설계된 로직 등에 의하여 각 기능 요소들이 하드웨어로서 구현될 수도 있으나, 동일한 기능을 수행하는 기능 요소들이 프로그램 인스트럭션 형태로 메모리에 로드되고 프로세서, 컨트롤러, 및/또는 분산 설계된 로직 등에 의하여 호출되어 실행될 수도 있다. 이러한 실시예는 영구자석 전동기(PMSM)의 모델 기반의 센서리스 제어 방법으로서 본 발명의 또 다른 일 실시예를 구현한다.As described above, a sensorless control apparatus for an electric motor according to an embodiment of the present invention has been disclosed through FIGS. 1 to 11 . On the other hand, in the sensorless control method of the present invention, each functional element may be implemented as hardware by a processor, a controller, and/or distributed designed logic, but the functional elements performing the same function are loaded into the memory in the form of program instructions, and the processor, It may be called and executed by a controller, and/or distributed designed logic. This embodiment implements another embodiment of the present invention as a model-based sensorless control method of a permanent magnet motor (PMSM).

예를 들어, 도 5에 도시된 제1 추정기(510) 및 그 하위 기능 요소들의 동작은 프로그램 인스트럭션 형태로 구현되어 프로세서, 컨트롤러, 및/또는 분산 설계된 로직 등에 의하여 실행되는 제1 추정 단계로서 실행될 수 있다.For example, the operation of the first estimator 510 and its sub-functional elements shown in FIG. 5 may be implemented in the form of program instructions and executed as a first estimation step executed by a processor, a controller, and/or distributed designed logic. have.

또한 도 5에 도시된 제2 추정기(530) 및 그 하위 기능 요소들의 동작은 프로그램 인스트럭션 형태로 구현되어 프로세서, 컨트롤러, 및/또는 분산 설계된 로직 등에 의하여 실행되는 제2 추정 단계로서 실행될 수 있다.In addition, the operations of the second estimator 530 and its sub-functional elements shown in FIG. 5 may be implemented in the form of program instructions and executed as a second estimation step executed by a processor, a controller, and/or distributed designed logic.

또한 도 5에 도시된 위치/속도 검출기(550) 그 하위 기능 요소들의 동작은 프로그램 인스트럭션 형태로 구현되어 프로세서, 컨트롤러, 및/또는 분산 설계된 로직 등에 의하여 실행되는 위치/속도 검출 단계로서 실행될 수 있다.In addition, the operation of the lower functional elements of the position/velocity detector 550 shown in FIG. 5 may be implemented in the form of a program instruction and executed as a position/velocity detection step executed by a processor, a controller, and/or distributed designed logic.

도 4, 도 6 내지 도 9에 도시된 제1 추정기(510), 제2 추정기(530), 및 위치/속도 검출기(550)의 하위 기능 요소들의 동작은 프로그램 인스트럭션 형태로 구현되어 프로세서, 컨트롤러, 및/또는 분산 설계된 로직 등에 실행될 수 있으며 각 하위 기능 요소들은 그 결합 관계에 따라 각각 제1 추정 단계, 제2 추정 단계, 또는 위치/속도 검출 단계의 세부 단계를 구성할 수 있다. The operations of the sub-functional elements of the first estimator 510, the second estimator 530, and the position/velocity detector 550 shown in FIGS. 4 and 6 to 9 are implemented in the form of program instructions so that the processor, the controller, and/or distributed design logic, etc., and each sub-functional element may constitute a detailed step of the first estimation step, the second estimation step, or the position/velocity detection step, respectively, according to the coupling relationship thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 센서리스 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The sensorless control method of an electric motor according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 본 발명의 실시예와 도면에 소개된 길이, 높이, 크기, 폭 등은 이해를 돕기 위해 과장된 것일 수 있다.However, the present invention is not limited or limited by the examples. Like reference numerals in each figure indicate like elements. Length, height, size, width, etc. introduced in the embodiments and drawings of the present invention may be exaggerated to help understanding.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, in the present invention, specific matters such as specific components, etc., and limited embodiments and drawings have been described, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

110: 회전자 위치/속도 추정기
510: 제1 추정기
530: 제2 추정기
550: 위치/속도 검출기
110: rotor position/speed estimator
510: first estimator
530: second estimator
550: position/velocity detector

Claims (12)

영구자석 전동기(PMSM)에 공급되는 전압 및 전류를 이용하는 모델 기반의 센서리스 제어 장치에 있어서,
정지 좌표계에서 상기 전동기의 동작을 기술하는 제1 물리량 정보를 추정하는 제1 추정기;
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 얻어지는 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 나타내는 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 추정기; 및
상기 제2 물리량 정보를 이용하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차가 보상된 상기 전동기의 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 위치/속도 검출기;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치.
In a model-based sensorless control device using voltage and current supplied to a permanent magnet motor (PMSM),
a first estimator for estimating first physical quantity information describing the operation of the electric motor in a stationary coordinate system;
a second estimator for estimating second physical quantity information representing the counter electromotive force of the electric motor in a synchronous coordinate system based on a first estimated value for an angle of a rotor of the electric motor obtained based on the first physical quantity information; and
a position/speed detector for generating position and speed information of a rotor of the electric motor in which an error included in the angle of the first estimated value is compensated by using the second physical quantity information;
A sensorless control device of a permanent magnet motor comprising a.
제1항에 있어서,
상기 제1 물리량 정보는 상기 전동기의 자속인 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치.
According to claim 1,
The first physical quantity information is a sensorless control device of a permanent magnet motor that is a magnetic flux of the motor.
제1항에 있어서,
상기 제1 물리량 정보는 상기 전동기의 역기전력인 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치.
According to claim 1,
The first physical quantity information is a sensorless control device of a permanent magnet motor that is a counter electromotive force of the motor.
제2항에 있어서,
상기 제1 추정기는,
상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 자속을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 자속 추정기; 및
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 자속 각도 연산기;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치.
3. The method of claim 2,
The first estimator,
a magnetic flux estimator for estimating the magnetic flux of the electric motor as the first physical quantity information in the stationary coordinate system; and
a magnetic flux angle calculator for generating the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information;
A sensorless control device of a permanent magnet motor comprising a.
제3항에 있어서,
상기 제1 추정기는,
상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 제1 역기전력 추정기; 및
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 역기전력 각도 연산기;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치.
4. The method of claim 3,
The first estimator,
a first counter electromotive force estimator for estimating the back electromotive force of the electric motor as the first physical quantity information in the stationary coordinate system; and
a back electromotive force angle calculator for generating the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information;
A sensorless control device of a permanent magnet motor comprising a.
제1항에 있어서,
상기 제2 추정기는,
상기 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 상기 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 역기전력 추정기;
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각속도를 연산하고 상기 각속도를 상기 제2 역기전력 추정기에 전달하는 각속도 연산기; 및
상기 각속도 및 상기 제2 물리량 정보에 기반하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차를 연산하는 각도 오차 연산기;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치.
The method of claim 1,
The second estimator is
a second counter electromotive force estimator for estimating the second physical quantity information of the electric motor in a synchronous coordinate system based on the first estimated value;
an angular velocity calculator for calculating the angular velocity of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information and transmitting the angular velocity to the second counter electromotive force estimator; and
an angle error calculator for calculating an error included in the angle of the first estimated value based on the angular velocity and the second physical quantity information;
A sensorless control device of a permanent magnet motor comprising a.
제6항에 있어서,
상기 제2 추정기는,
상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 상기 동기 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값으로 변환하여 상기 제2 역기전력 추정기에 전달하는 축 변환기;
를 더 포함하고,
상기 축 변환기는
상기 전동기의 회전자의 실제의 D축에 대한 추정된 D축을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계를 설정하고, 상기 추정 동기 좌표계를 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 변환하는 상기 동기 좌표계로서 이용하되,
상기 제1 물리량 정보에서 얻어지는 상기 전동기의 상기 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 기준으로 상기 추정 동기 좌표계를 설정하는
영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치.
7. The method of claim 6,
The second estimator is
an axis converter that converts the voltage and current values of the motor in the stationary coordinate system into voltage and current values of the motor in the synchronous coordinate system and transmits them to the second counter electromotive force estimator;
further comprising,
The shaft converter
Setting an estimated synchronous coordinate system based on the estimated D-axis with respect to the actual D-axis of the rotor of the motor, and using the estimated synchronous coordinate system as the synchronous coordinate system for converting voltage and current values of the motor,
setting the estimated synchronization coordinate system based on the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor obtained from the first physical quantity information
Sensorless control device for permanent magnet motors.
영구자석 전동기(PMSM)에 공급되는 전압 및 전류를 이용하는 모델 기반의 센서리스 제어 방법에 있어서,
정지 좌표계에서 상기 전동기의 동작을 기술하는 제1 물리량 정보를 추정하는 제1 추정 단계;
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 얻어지는 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 나타내는 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 추정 단계; 및
상기 제2 물리량 정보를 이용하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차가 보상된 상기 전동기의 회전자의 위치 및 속도 정보를 생성하는 위치/속도 검출 단계;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법.
In a model-based sensorless control method using voltage and current supplied to a permanent magnet motor (PMSM),
a first estimation step of estimating first physical quantity information describing the operation of the electric motor in a stationary coordinate system;
a second estimation step of estimating second physical quantity information representing the counter electromotive force of the electric motor in a synchronous coordinate system based on a first estimated value for an angle of a rotor of the electric motor obtained based on the first physical quantity information; and
a position/speed detection step of generating position and speed information of a rotor of the electric motor in which an error included in the angle of the first estimated value is compensated by using the second physical quantity information;
A sensorless control method of a permanent magnet motor comprising a.
제8항에 있어서,
상기 제1 추정 단계는,
상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 자속을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 자속 추정 단계; 및
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 자속 각도 연산 단계;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법.
9. The method of claim 8,
The first estimation step is
a magnetic flux estimation step of estimating the magnetic flux of the electric motor as the first physical quantity information in the stationary coordinate system; and
a magnetic flux angle calculation step of generating the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information;
A sensorless control method of a permanent magnet motor comprising a.
제8항에 있어서,
상기 제1 추정 단계는,
상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 역기전력을 상기 제1 물리량 정보로서 추정하는 제1 역기전력 추정 단계; 및
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 생성하는 역기전력 각도 연산 단계;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법.
9. The method of claim 8,
The first estimation step is
a first counter electromotive force estimating step of estimating the back electromotive force of the electric motor as the first physical quantity information in the stationary coordinate system; and
a counter electromotive force angle calculation step of generating the first estimate value for the angle of the rotor of the electric motor based on the first physical quantity information;
A sensorless control method of a permanent magnet motor comprising a.
제8항에 있어서,
상기 제2 추정 단계는,
상기 제1 추정값을 기준으로 하는 동기 좌표계에서 상기 전동기의 상기 제2 물리량 정보를 추정하는 제2 역기전력 추정 단계;
상기 제1 물리량 정보에 기반하여 상기 전동기의 회전자의 각속도를 연산하고 상기 각속도를 상기 제2 역기전력 추정 단계로 전달하는 각속도 연산 단계; 및
상기 각속도 및 상기 제2 물리량 정보에 기반하여 상기 제1 추정값의 각도에 포함된 오차를 연산하는 각도 오차 연산 단계;
를 포함하는 영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법.
9. The method of claim 8,
The second estimation step is
a second counter electromotive force estimating step of estimating the second physical quantity information of the electric motor in a synchronous coordinate system based on the first estimated value;
an angular velocity calculation step of calculating an angular velocity of a rotor of the electric motor based on the first physical quantity information and transferring the angular velocity to the second counter electromotive force estimating step; and
an angle error calculation step of calculating an error included in the angle of the first estimated value based on the angular velocity and the second physical quantity information;
A sensorless control method of a permanent magnet motor comprising a.
제11항에 있어서,
상기 제2 추정 단계는,
상기 제2 역기전력 추정 단계 이전에, 상기 정지 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 상기 동기 좌표계에서 상기 전동기의 전압 및 전류 값으로 변환하는 축 변환 단계;
를 더 포함하고,
상기 축 변환 단계는
상기 전동기의 회전자의 실제의 D축에 대한 추정된 D축을 기준으로 하는 추정 동기 좌표계를 설정하고, 상기 추정 동기 좌표계를 상기 전동기의 전압 및 전류 값을 변환하는 상기 동기 좌표계로서 이용하되,
상기 제1 물리량 정보에서 얻어지는 상기 전동기의 상기 회전자의 각도에 대한 상기 제1 추정값을 기준으로 상기 추정 동기 좌표계를 설정하는
영구자석 전동기의 센서리스 제어 방법.
12. The method of claim 11,
The second estimation step is
an axis conversion step of converting the voltage and current values of the motor in the stationary coordinate system into voltage and current values of the motor in the synchronous coordinate system before the second counter electromotive force estimating step;
further comprising,
The axis transformation step is
Setting an estimated synchronous coordinate system based on the estimated D-axis with respect to the actual D-axis of the rotor of the motor, and using the estimated synchronous coordinate system as the synchronous coordinate system for converting voltage and current values of the motor,
setting the estimated synchronization coordinate system based on the first estimated value for the angle of the rotor of the electric motor obtained from the first physical quantity information
Sensorless control method of permanent magnet motor.
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