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KR102739237B1 - Induction Motor using Torque Observer and Method for Controlling Thereof - Google Patents

Induction Motor using Torque Observer and Method for Controlling Thereof Download PDF

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KR102739237B1
KR102739237B1 KR1020230053684A KR20230053684A KR102739237B1 KR 102739237 B1 KR102739237 B1 KR 102739237B1 KR 1020230053684 A KR1020230053684 A KR 1020230053684A KR 20230053684 A KR20230053684 A KR 20230053684A KR 102739237 B1 KR102739237 B1 KR 102739237B1
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torque
induction motor
voltage
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stator
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고종선
홍창완
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단국대학교 산학협력단
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Abstract

부하 변동에 따른 속도 저하를 개선할 수 있는 토크 관측기를 이용한 유도전동기 및 그 제어방법이 개시된다. 이는 전압, 전류 및 속도 정보와 유도전동기 파라미터를 사용한 토크 관측기를 구성하고, 관측한 관측 토크에 전압의 크기, 주파수 각각 이득을 다르게 보상함으로써 원하는 속도 출력을 얻을 수 있다. 또한, 과도 상태에서 토크 관측기에 필요한 속도 정보를 일정한 값으로 입력하고, 이동 평균 필터, 옵셋 및 가중치를 사용하여 파라미터 변화에 의한 토크 측정 오차를 줄임으로써 피드포워드 과보상이 방지되도록 할 수 있다.An induction motor using a torque observer capable of improving speed reduction due to load variation and a control method thereof are disclosed. This comprises configuring a torque observer using voltage, current, and speed information and induction motor parameters, and compensating for the observed torque with different gains for each voltage magnitude and frequency, thereby obtaining a desired speed output. In addition, speed information required for the torque observer in a transient state is input as a constant value, and a moving average filter, an offset, and a weight are used to reduce torque measurement errors due to parameter changes, thereby preventing feedforward overcompensation.

Description

토크 관측기를 이용한 유도전동기 및 그 제어방법{Induction Motor using Torque Observer and Method for Controlling Thereof}Induction motor using torque observer and method for controlling thereof {Induction Motor using Torque Observer and Method for Controlling Thereof}

본 발명은 유도전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하 변동에 따른 속도 저하를 개선할 수 있는 토크 관측기를 이용한 유도전동기 및 그 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to an induction motor, and more specifically, to an induction motor using a torque observer capable of improving speed reduction due to load variation and a control method thereof.

유도전동기는 다른 전동기에 비해 구조가 간단하고, 가격이 저렴한 장점을 가져 대형 양수기, 수도 공급장치, 펌프 등 여러 분야에서 쓰인다. 또한 구동이 안정적이므로 100kW급 이상의 대용량 급수 및 산업용 펌프에서도 사용된다.Induction motors have the advantages of simple structure and low price compared to other motors, and are used in various fields such as large water pumps, water supply equipment, and pumps. In addition, because they operate stably, they are also used in large-capacity water supply and industrial pumps of 100 kW or more.

이러한 유도전동기를 간단하게 구동시키는 방법중 하나로 스칼라 제어(V/f 제어) 방식이 이용되고 있다. 스칼라 제어 방식은 궤환을 사용하지 않은 개루프 제어로 외부 부하 변동에 의한 입력의 변화를 적용할 수 없기 때문에 원하는 속도 출력을 얻을 수 없는 단점이 있다. 이에 스칼라 제어와 함께 유도전동기의 출력 속도와 지령 속도의 오차를 PI 제어기를 통해 전압의 크기를 보상하여 줌으로써 부하에 따른 속도 저하를 개선시킬 수 있는 방식이 이용되고 있으나, 이러한 방식은 지령 속도보다 낮은 출력 속도를 보이고, 특히 부하가 변동하면 큰 출력 속도 저하를 갖는 문제점이 있다.One of the methods for simply driving such induction motors is the scalar control (V/f control) method. The scalar control method has a disadvantage in that it cannot obtain the desired speed output because it is an open-loop control that does not use feedback and cannot apply changes in input due to external load fluctuations. Therefore, a method that can improve the speed reduction according to the load by compensating for the error between the output speed of the induction motor and the command speed through a PI controller together with the scalar control is being used. However, this method has the problem that it shows a lower output speed than the command speed, and in particular, it has a large output speed reduction when the load fluctuates.

한국등록특허 10-0976670Korean Patent Registration No. 10-0976670

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 토크 관측기를 이용하여 관측한 토크를 전압의 크기, 주파수에 피드포워드 보상하여 부하 변동에 따른 속도 저하를 개선할 수 있는 토크 관측기를 이용한 유도전동기 및 그 제어방법을 제공한다.The technical problem to be achieved by the present invention is to provide an induction motor using a torque observer and a control method thereof capable of improving speed reduction due to load variation by feed-forward compensating the torque observed using the torque observer to the voltage magnitude and frequency.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 토크 관측기를 이용한 유도전동기는 고정자 전류(), 고정자 전압(Vs) 및 실제 유도전동기의 속도 정보(ωr)를 기반으로 관측된 고정자 자속()을 이용하여 관측 토크()를 출력하는 토크 관측기 및 상기 토크 관측기에서 관측된 관측 토크()를 보상 전압(Vcom)과 지령 주파수()에 피드포워드 보상한 3상 지령 전압()을 출력하는 스칼라 제어기를 포함한다.The induction motor using the torque observer of the present invention to solve the above problem has a stator current ( ), stator voltage (V s ) and the observed stator flux ( based on the speed information (ω r ) of the actual induction motor. ) to observe torque ( ) and the observed torque ( observed by the torque observer) ) the compensation voltage (V com ) and the command frequency ( ) Three-phase command voltage with feed-forward compensation ( ) includes a scalar controller that outputs a

상기 토크 관측기는, 상기 고정자 전압(Vs), 상기 유도전동기의 속도 정보(ωr) 및 고정자 전류의 오차() 정보를 이용하여 고정자 자속()을 출력하는 자속 관측부; 및 상기 고정자 자속()과 상기 고정자 전류()를 이용하여 상기 관측 토크()를 연산하는 토크 연산부를 포함할 수 있다.The above torque observer measures the stator voltage (V s ), the speed information of the induction motor (ω r ) and the error of the stator current ( ) using the stator flux ( ) for outputting the magnetic flux observation unit; and the stator magnetic flux ( ) and the stator current ( ) using the above observation torque ( ) may include a torque calculation unit that calculates the torque.

상기 자속 관측부는 A행렬, B행렬 및 G행렬에 의해 다음식,The above flux observation unit is expressed by the following equation using the A matrix, B matrix, and G matrix.

에 따르고, According to,

여기서,Here,

, ,

, ,

, ,

, ,

을 가지며, , and

이때, LS는 고정자 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스, M은 상호 인덕턴스, RS는 고정자 저항, Rr은 회전자 저항 및 ω는 유도전동기의 속도를 나타낼 수 있다.At this time, L S can represent the stator inductance, L r can represent the rotor inductance, M can represent the mutual inductance, R S can represent the stator resistance, R r can represent the rotor resistance, and ω can represent the speed of the induction motor.

상기 G행렬은 상기 고정자 전류의 오차()와 실제 모터 속도(ωr) 정보를 입력받고 피드백되어, 상기 B행렬과 차분될 수 있다.The above G matrix is the error of the stator current ( ) and the actual motor speed (ω r ) information are input and fed back, and can be differentiated from the above B matrix.

상기 토크 연산부는 다음식,The above torque calculation unit is as follows:

에 따르고, According to,

여기서,Here,

는 토크 관측기에서 관측된 관측 토크, P는 유도전동기의 극수, is the observed torque observed by the torque observer, P is the number of poles of the induction motor,

는 d축 관측 자속, 는 q축 센싱 전류, 는 q축 관측 자속, 는 d축 센싱 전류를 나타낼 수 있다. is the d-axis observation flux, is the q-axis sensing current, is the q-axis observation flux, can represent the d-axis sensing current.

상기 토크 관측기는 상기 토크 연산부에서 출력된 상기 관측 토크()를 입력받고, 상기 관측 토크()에 대해 이동 평균 필터(MV filter), 옵셋(offset) 및 가중치(weight)를 적용하여 실제 토크와의 오차를 감소시키는 토크 제어부를 더 포함할 수 있다.The above torque observer outputs the observed torque (from the torque calculation unit) ) is input, and the above observation torque ( ) may further include a torque control unit that reduces the error from the actual torque by applying a moving average filter (MV filter), offset, and weight.

상기 스칼라 제어기는, 상기 지령 주파수()를 입력받고, 입력된 상기 지령 주파수()에 게인(gain)을 적용하여 지령 전압()을 출력하는 게인 입력부, 상기 게인 입력부에서 출력된 상기 지령 전압()에 부스트 전압을 적용하기 위한 부스트 전압 입력부, 상기 지령 전압()과 상기 부스트 전압을 가산하는 제1 덧셈기, 상기 제1 덧셈기에서 출력된 상기 지령 전압()에 비례 상수(KV)가 곱해진 상기 관측 토크()와 상기 보상 전압(Vcom)을 가산하여 지령 전압 최대값(Vm)을 출력하는 제2 덧셈기, 상기 지령 주파수()와 비례 상수(Kf)를 곱한 상기 관측 토크()를 입력받고, 3상 사인파를 출력하는 파형 형성부 및 상기 지령 전압 최대값(Vm)과 상기 3상 사인파를 곱하여 3상 지령 전압()을 출력하는 곱셈기를 포함할 수 있다.The above scalar controller is configured to control the command frequency ( ) is input, and the input command frequency ( ) by applying gain to the command voltage ( ) outputting a gain input section, the command voltage ( outputted from the gain input section) ) for applying a boost voltage to the command voltage ( ) and a first adder for adding the boost voltage, and the command voltage ( outputted from the first adder ) multiplied by a proportional constant (K V ) to the observed torque ( ) and the compensation voltage (V com ) to output the maximum command voltage value (V m ), and the second adder outputs the command frequency ( ) and the proportional constant (K f ) multiplied by the above observed torque ( ) input and a waveform forming unit that outputs a three-phase sine wave, and multiplies the maximum value of the command voltage (V m ) and the three-phase sine wave to obtain the three-phase command voltage ( ) may include a multiplier that outputs a .

상기 파형 형성부에서 출력되는 상기 3상 사인파는 파형 최대값이 1일 수 있다.The three-phase sine wave output from the waveform forming unit may have a maximum waveform value of 1.

상기 보상 전압(Vcom)은 입력되는 속도 오차()에 따른 PI 제어기의 출력 전압일 수 있다.The above compensation voltage (V com ) is the input speed error ( ) can be the output voltage of the PI controller.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 토크 관측기를 이용한 유도전동기의 제어방법은 토크 관측기에서 고정자 전류(), 고정자 전압(Vs) 및 실제 유도전동기의 속도 정보(ωr)를 기반으로 관측된 고정자 자속()을 이용하여 관측 토크()를 출력하는 토크 관측 단계 및 상기 토크 관측기에서 관측된 관측 토크()를 스칼라 제어기에 입력받고, 상기 스칼라 제어기에서 상기 입력된 관측 토크를 보상 전압(Vcom)과 지령 주파수()에 피드포워드 보상한 3상 지령 전압()을 출력하는 스칼라 제어 단계를 포함한다.The control method of an induction motor using a torque observer of the present invention to solve the above problem is to measure the stator current ( ), stator voltage (V s ) and the observed stator flux ( based on the speed information (ω r ) of the actual induction motor. ) to observe torque ( ) and the torque observation step for outputting the observed torque ( ) is input to the scalar controller, and the input observed torque is converted to a compensation voltage (V com ) and a command frequency ( ) Three-phase command voltage with feed-forward compensation ( ) includes a scalar control step that outputs the result.

상기 토크 관측 단계는, 자속 관측부에서 상기 고정자 전압(Vs), 상기 유도전동기의 속도 정보(ωr) 및 고정자 전류의 오차() 정보를 이용하여 고정자 자속()을 출력하는 고정자 자속 생성 단계 및 상기 고정자 자속()과 상기 고정자 전류()를 이용하여 토크 연산부에서 상기 관측 토크()를 연산하는 토크 연산 단계를 포함할 수 있다.The above torque observation step is the error of the stator voltage (V s ), the speed information of the induction motor (ω r ) and the stator current ( ) using the stator flux ( ) and a stator flux generation step for outputting the stator flux ( ) and the stator current ( ) is used to calculate the observed torque in the torque calculation unit ( ) may include a torque calculation step for calculating the torque.

상기 자속 관측부는 A행렬, B행렬 및 G행렬에 의해 다음식,The above flux observation unit is expressed by the following equation using the A matrix, B matrix, and G matrix.

에 따르고, According to,

여기서,Here,

, ,

, ,

, ,

, ,

을 가지며, , and

이때, LS는 고정자 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스, M은 상호 인덕턴스, RS는 고정자 저항, Rr은 회전자 저항 및 ω는 유도전동기의 속도를 나타낼 수 있다.At this time, L S can represent the stator inductance, L r can represent the rotor inductance, M can represent the mutual inductance, R S can represent the stator resistance, R r can represent the rotor resistance, and ω can represent the speed of the induction motor.

상기 토크 연산부는 다음식,The above torque calculation unit is as follows:

에 따르고, According to,

여기서,Here,

는 토크 관측기에서 관측된 관측 토크, P는 유도전동기의 극수, is the observed torque observed by the torque observer, P is the number of poles of the induction motor,

는 d축 관측 자속, 는 q축 센싱 전류, 는 q축 관측 자속, 는 d축 센싱 전류를 나타낼 수 있다. is the d-axis observation flux, is the q-axis sensing current, is the q-axis observation flux, can represent the d-axis sensing current.

상기 스칼라 제어 단계는, 상기 지령 주파수()에 게인(gain)을 적용하여 지령 전압()을 출력하고, 출력된 상기 지령 전압()에 부스트 전압을 가산하여 출력하는 단계, 상기 부스트 전압이 가산된 지령 전압()에 비례 상수(KV)가 곱해진 상기 관측 토크() 및 상기 보상 전압(Vcom)을 가산하여 지령 전압 최대값(Vm)을 출력하는 단계, 비례 상수(Kf)를 곱한 상기 관측 토크()와 상기 지령 주파수()를 이용하여 3상 사인파를 출력하는 단계 및 상기 지령 전압 최대값(Vm)과 상기 3상 사인파를 곱하여 3상 지령 전압()을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.The above scalar control step is, the command frequency ( ) by applying gain to the command voltage ( ) and outputs the output command voltage ( ) and outputting the boost voltage, the command voltage ( to which the boost voltage is added) ) multiplied by a proportional constant (K V ) to the observed torque ( ) and the step of adding the compensation voltage (V com ) to output the maximum command voltage value (V m ), and the observed torque ( multiplied by the proportional constant (K f ) ) and the above command frequency ( ) and a step of outputting a three-phase sine wave by using the maximum value of the command voltage (V m ) and the three-phase sine wave to obtain the three-phase command voltage ( ) may include a step of outputting the result.

본 발명에 따르면, 전압, 전류 및 속도 정보와 유도전동기 파라미터를 사용한 토크 관측기를 구성하고, 관측한 관측 토크에 전압의 크기, 주파수 각각 이득을 다르게 보상함으로써 원하는 속도 출력을 얻을 수 있다.According to the present invention, a torque observer is configured using voltage, current, and speed information and induction motor parameters, and a desired speed output can be obtained by compensating the observed torque with different gains for each voltage size and frequency.

또한, 과도 상태에서 토크 관측기에 필요한 속도 정보를 일정한 값으로 입력하고, 이동 평균 필터, 옵셋 및 가중치를 사용하여 파라미터 변화에 의한 토크 측정 오차를 줄임으로써 피드포워드 과보상이 방지되도록 할 수 있다.In addition, feedforward overcompensation can be prevented by inputting the speed information required for the torque observer in a transient state as a constant value and reducing the torque measurement error due to parameter changes by using a moving average filter, offset, and weights.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

도 1은 본 발명의 토크 관측기를 적용한 유도전동기를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 토크 관측기의 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 토크 관측기의 다른 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 4은 본 발명에 따른 스칼라 제어기를 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명의 피드포워드가 적용됐을 경우의 유도전동기와 피드포워드가 적용되지 않은 경우의 유도전동기에 대한 속도 차이를 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 토크 관측기를 적용한 유도전동기에서 관측한 토크와 실제 토크를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 피드포워드 보상이 적용된 유도전동기와 피드포워드가 적용되지 않은 유도전동기의 지령 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
Fig. 1 is a block diagram showing an induction motor using the torque observer of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of a torque observer according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of a torque observer according to the present invention.
Figure 4 is a block diagram showing a scalar controller according to the present invention.
Figure 5 is a graph comparing the speed difference between an induction motor to which the feedforward of the present invention is applied and an induction motor to which the feedforward is not applied.
Figure 6 is a graph comparing the observed torque and the actual torque of an induction motor to which the torque observer of the present invention is applied.
Figure 7 is a graph showing the change in command voltage of an induction motor to which the feedforward compensation of the present invention is applied and an induction motor to which the feedforward compensation is not applied.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.The present invention can be modified in various ways and has various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood that it includes all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. In describing the present invention, if it is determined that a specific description of a related known technology may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이하, 본 발명에 따른 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. When describing with reference to the attached drawings, identical or corresponding components are assigned the same drawing numbers and redundant descriptions thereof are omitted.

실시예Example

도 1은 본 발명의 토크 관측기를 적용한 유도전동기를 나타낸 블록도이다.Fig. 1 is a block diagram showing an induction motor using the torque observer of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 토크 관측기를 적용한 유도전동기는 토크 관측기(100), 스칼라 제어기(200) 및 SVPWM 인버터(300)를 포함한다.Referring to FIG. 1, an induction motor applying a torque observer according to the present invention includes a torque observer (100), a scalar controller (200), and a SVPWM inverter (300).

토크 관측기(100)는 고정자 전류(), 고정자 전압(Vs) 및 실제 유도전동기의 속도(ωr) 정보를 기반으로 관측된 고정자 자속()을 이용하여 관측 토크()를 출력할 수 있다. 이때, 토크 관측기(100)는 관측한 고정자 전류 정보와 실제 고정자 전류 정보의 오차()를 G행렬(113)에 의한 피드백 게인을 통해 추정하는 자속의 정확성을 높일 수 있다.The torque observer (100) measures the stator current ( ), stator voltage (V s ) and speed (ω r ) of the actual induction motor, the observed stator flux ( ) to observe torque ( ) can be output. At this time, the torque observer (100) can output the error ( ) can increase the accuracy of the magnetic flux estimated through the feedback gain by the G matrix (113).

스칼라 제어기(200)는 지령 주파수(), 보상 전압(Vcom) 및 토크 관측기(100)에서 관측된 관측 토크()를 입력받고, 3상 지령 전압()을 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation) 인버터(300)로 출력할 수 있다. 이때, 스칼라 제어기(200)로 입력되는 보상 전압(Vcom)은 입력되는 속도 오차()에 따른 PI 제어기(400)의 출력 전압일 수 있다.The scalar controller (200) is configured to control the command frequency ( ), compensation voltage (V com ) and observed torque ( observed from the torque observer (100) ) is input, and the three-phase command voltage ( ) can be output to the SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) inverter (300). At this time, the compensation voltage (V com ) input to the scalar controller (200) is the input speed error ( ) may be the output voltage of the PI controller (400).

스칼라 제어기(200)에서 출력된 3상 지령 전압()은 SVPWM 인버터(300)로 입력되고, SVPWM 인버터(300)는 스칼라 제어기(200)를 통해 입력된 3상 지령 전압()을 SVPWM 알고리즘에 의해 연산하고, 연산된 결과에 따른 3상 전압()을 출력하여 유도전동기(IM)로 입력될 수 있다. 이때, SVPWM 인버터(300)는 지령 전압을 평균적으로 유지할 수 있도록 모터의 고정자에 출력 전압이 인가되도록 하고, 센싱한 고정자 전압(Vs), 고정자 전류() 및 실제 유도전동기 속도(ωr)는 토크 관측기(100)로 입력되어 관측 토크()를 생성하도록 한다.The three-phase command voltage output from the scalar controller (200) ) is input to the SVPWM inverter (300), and the SVPWM inverter (300) receives the three-phase command voltage ( ) is calculated by the SVPWM algorithm, and the three-phase voltage ( ) can be output and input to an induction motor (IM). At this time, the SVPWM inverter (300) applies the output voltage to the stator of the motor so that the command voltage can be maintained on average, and senses the stator voltage (V s ), stator current ( ) and the actual induction motor speed (ω r ) are input to the torque observer (100) to obtain the observed torque ( ) is created.

도 2는 본 발명에 따른 토크 관측기의 실시예를 나타낸 블록도이다.FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of a torque observer according to the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 토크 관측기(100)는 자속 관측부(110) 및 토크 연산부(120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a torque observer (100) according to the present invention may include a magnetic flux observation unit (110) and a torque calculation unit (120).

자속 관측부(110)는 고정자 전류(), 고정자 전압(Vs) 및 실제 유도전동기의 속도(ωr)를 입력받고, 입력된 정보에 의해 관측한 고정자 자속()을 출력할 수 있다.The magnetic flux observation unit (110) measures the stator current ( ), stator voltage (V s ) and the actual speed (ω r ) of the induction motor are input, and the stator flux observed based on the input information ( ) can be printed.

여기서, 고정자 자속()을 출력하는 자속 관측부(110)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Here, the stator flux ( ) can be expressed as in mathematical expression 1.

즉, 자속 관측부(110)는 로 형성된 A행렬(111), 로 형성된 B행렬(112) 및 로 형성된 G행렬(113)을 포함할 수 있다. 또한, 수학식 1에 의해 관측된 고정자 전류()와 관측된 고정자 자속()을 도출하기 위한 적분기(114)를 포함할 수 있다.That is, the magnetic flux observation unit (110) A matrix (111) formed by B matrix (112) formed by It can include a G matrix (113) formed by Equation 1. In addition, the stator current ( ) and the observed stator flux ( ) may include an integrator (114) for deriving the equation.

수학식 1에서와 같이 본 발명의 자속 관측부(110)는 A행렬(111)에 관측된 고정자 전류()와 관측된 자속()이, B행렬(112)에는 고정자 전압()이, G행렬(113)에는 관측된 고정자 전류와 실제 고정자 전류의 차이값()이 입력으로 각각의 행렬에 곱해질 수 있다.As in mathematical expression 1, the magnetic flux observation unit (110) of the present invention observes the stator current ( ) and observed magnetic flux ( ) In the B matrix (112), the stator voltage ( ) In the G matrix (113), the difference between the observed stator current and the actual stator current ( ) can be multiplied into each matrix as input.

여기서, A행렬(111)인 A11, A12, A21 및 A22는 각각 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Here, A 11 , A 12 , A 21 and A 22 , which are matrix A (111), can be expressed as mathematical expression 2, respectively.

여기서, LS는 고정자 인덕턴스, , ωr는 실제 유도전동기의 속도, Rr은 회전자의 저항, Lr은 회전자의 인덕턴스, , , , 및 M은 상호 인덕턴스를 의미한다.Here, L S is the stator inductance, , ω r is the actual speed of the induction motor, R r is the rotor resistance, L r is the rotor inductance, , , , and M represent mutual inductance.

또한, B행렬(112)인 B1 및 B2는 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있고, G행렬(113)인 G1 및 G2는 각각 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.In addition, B 1 and B 2 , which are B matrices (112), can be expressed as in mathematical expression 3 below, and G 1 and G 2 , which are G matrices (113), can be expressed as in mathematical expression 4, respectively.

여기서, K는 로 나타낼 수 있다.Here, K is can be expressed as

도 2와 상기 수학식들을 이용하여 본 발명에 따른 자속 관측부(110)의 동작을 살펴보면, 관측된 고정자 전류와 실제 고정자 전류의 차이값()과 실제 유도전동기의 속도(ωr)가 입력된 G행렬(113)은 피드백 되어 고정자 전압()이 입력된 B행렬(112)과 차분된다. 또한, B행렬(112)에 차분된 G행렬(113)은 관측된 고정자 전류(), 관측된 고정자 자속() 및 실제 유도전동기의 속도(ωr)가 입력된 A행렬(111)과 가산되어 적분기(114)로 입력되고, 적분기(114)에 의해 관측된 고정자 전류() 및 관측된 고정자 자속()이 출력된다. 이때, 관측된 고정자 자속()은 고정자 전류()와 함께 토크 연산부(120)로 입력되고, 관측된 고정자 전류()는 고정자 전류()와 차분되어 G행렬(113)로 다시 입력된다.By examining the operation of the magnetic flux observation unit (110) according to the present invention using Fig. 2 and the mathematical formulas above, the difference value between the observed stator current and the actual stator current ( ) and the G matrix (113) into which the actual induction motor speed (ω r ) is input is fed back to the stator voltage ( ) is inputted into the B matrix (112) and is differentiated. In addition, the G matrix (113) differentiated from the B matrix (112) is the observed stator current ( ), observed stator flux ( ) and the speed (ω r ) of the actual induction motor are added to the input A matrix (111) and input to the integrator (114), and the stator current ( ) observed by the integrator (114) is ) and observed stator flux ( ) is output. At this time, the observed stator flux ( ) is the stator current ( ) is input to the torque calculation unit (120), and the observed stator current ( ) is the stator current ( ) and is then re-input into the G matrix (113).

토크 연산부(120)는 자속 관측부(110)에서 출력된 관측 고정자 자속()과 고정자 전류()를 입력받고, 연산을 통해 관측 토크()를 출력한다.The torque calculation unit (120) calculates the observed stator flux (output from the flux observation unit (110)) ) and stator current ( ) is input and the observed torque ( is calculated through calculation) ) is printed.

토크 연산부(120)에서 연산되는 관측 토크()는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.The observed torque (calculated in the torque calculation unit (120)) ) can be expressed as mathematical formula 5 below.

여기서, 는 토크 연산부(120)에서 관측된 관측 토크, P는 유도전동기의 극수, 는 d축의 관측 자속, 는 q축의 센싱 전류, 는 q축의 관측 자속, 는 d축의 센싱 전류를 각각 나타낸다.Here, is the observed torque observed in the torque calculation unit (120), P is the number of poles of the induction motor, is the observed flux along the d-axis, is the sensing current of the q-axis, is the observed flux along the q-axis, represents the sensing current of the d-axis, respectively.

즉, 본 발명에 따른 토크 관측기(100)는 자속 관측부(110)에서 관측된 고정자 전류와 실제 고정자 전류의 차이값()이 G행렬(113)에 입력되어 피드백 되도록 하고, 실제 유도전동기의 속도(ωr)가 G행렬(113) 및 A행렬(111)로 입력되어 A행렬(111), B행렬(112) 및 G행렬(113)에 의해 고정자 자속()을 관측한다. 상술한 방식으로 관측된 고정자 자속()을 이용하여 토크 연산부(120)를 통해 관측 토크()를 출력함으로써 관측 토크()가 실제 토크값을 따라가도록 동작될 수 있다.That is, the torque observer (100) according to the present invention measures the difference between the stator current observed by the magnetic flux observer (110) and the actual stator current ( ) is fed back into the G matrix (113), and the speed (ω r ) of the actual induction motor is fed back into the G matrix (113) and the A matrix (111), and the stator flux ( ) is fed back into the A matrix (111), the B matrix (112), and the G matrix (113). ) is observed. The stator flux ( observed in the manner described above) is ) is used to obtain the observed torque through the torque calculation unit (120). ) by outputting the observed torque ( ) can be operated to follow the actual torque value.

도 3은 본 발명에 따른 토크 관측기의 다른 실시예를 나타낸 블록도이다.FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of a torque observer according to the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 토크 관측기(100)의 다른 실시예는 자속 관측부(110), 토크 연산부(120) 및 관측 토크 제어부(130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, another embodiment of a torque observer (100) according to the present invention may include a magnetic flux observation unit (110), a torque calculation unit (120), and an observation torque control unit (130).

여기서, 자속 관측부(110)와 토크 연산부(120)는 도 2에 도시된 자속 관측부(110) 및 토크 연산부(120)와 동일할 수 있다. 다만, 토크 관측기(100)의 다른 실시예에서는 토크 연산부(120)에서 출력된 관측 토크()가 관측 토크 제어부(130)로 입력되고, 입력된 관측 토크()는 관측 토크 제어부(130)에서 제어되어 출력될 수 있다.Here, the magnetic flux observation unit (110) and the torque calculation unit (120) may be the same as the magnetic flux observation unit (110) and the torque calculation unit (120) illustrated in Fig. 2. However, in another embodiment of the torque observer (100), the observed torque ( ) is input to the observation torque control unit (130), and the input observation torque ( ) can be controlled and output from the observation torque control unit (130).

일예로, 관측 토크 제어부(130)에는 이동 평균 필터(moving average filter), 옵셋(offset) 및 가중치(weight)가 포함할 수 있다. 즉, 관측 토크 제어부(130)로 입력된 관측 토크()는 이동 평균 필터, 옵셋 및 가중치가 적용되어 출력될 수 있다.For example, the observation torque control unit (130) may include a moving average filter, an offset, and a weight. That is, the observation torque ( ) can be output with moving average filters, offsets, and weights applied.

예컨대, 관측 토크()와 실제 토크는 과도 상태 또는 열에 의한 파라미터 변동에 의해 큰 토크 관측 오차가 발생되어 과보상이 일어날 수 있다. 이에, 본 발명에 따른 토크 관측기(100)는 과도 상태에서 토크 관측기(100)에 필요한 속도 정보가 일정한 값이 입력되도록 하고, 자속 관측부(110)와 토크 연산부(120)에 의해 관측된 관측 토크()가 이동 평균 필터를 통해 진동 감소, 옵셋 적용을 통해 평균치가 증가 및 가중치를 적용하여 진폭이 감소되도록 함으로써 파라미터 변화에 의한 토크 측정 오차를 감소시켜 피드포워드 과보상이 방지되도록 할 수 있다.For example, observation torque ( ) and the actual torque may cause a large torque observation error due to parameter fluctuations caused by transient conditions or heat, which may result in overcompensation. Accordingly, the torque observer (100) according to the present invention inputs a constant value of the speed information required for the torque observer (100) in a transient state, and the observed torque () observed by the magnetic flux observation unit (110) and the torque calculation unit (120) ) can reduce torque measurement errors caused by parameter changes by reducing vibration through a moving average filter, increasing the average by applying an offset, and reducing the amplitude by applying weights, thereby preventing feedforward overcompensation.

또한, 토크 관측기(100)는 샘플링 시간이 고려되지 않으면 실제 측정 시 오차가 발생될 수 있는 문제가 있다. 이에 본 발명은 토크 관측기(100)에 샘플링 시간을 고려하기 위해 입력되는 전압, 전류 및 속도 정보가 토크 관측기(100)에 입력되기 전에 제로 오더 홀드(Zero Order Hold, ZOH)를 사용하여 동일한 샘플링 시간을 가지도록 한다. 또한, 과도 상태에서는 일정한 속도를 입력하여 고정자 및 회전자의 변동되는 파라미터에 의해 발생되는 측정 오차를 줄이되, 정상상태가 되면 실제 유도전동기의 속도를 입력하여 토크를 측정함으로써 실제 토크와 관측 토크 간의 오차가 감소되도록 할 수 있다.In addition, the torque observer (100) has a problem that an error may occur during actual measurement if the sampling time is not considered. Therefore, the present invention uses Zero Order Hold (ZOH) to ensure that the voltage, current, and speed information input to the torque observer (100) to consider the sampling time have the same sampling time before being input to the torque observer (100). In addition, in a transient state, a constant speed is input to reduce the measurement error caused by the fluctuating parameters of the stator and rotor, but when the steady state is reached, the speed of the actual induction motor is input to measure the torque, thereby reducing the error between the actual torque and the observed torque.

도 4은 본 발명에 따른 스칼라 제어기를 나타낸 블록도이다.Figure 4 is a block diagram showing a scalar controller according to the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 스칼라 제어기(200)에는 지령 주파수(), 보상 전압(Vcom) 및 토크 관측기(100)에서 관측된 관측 토크()가 입력되어, a,b,c 3상 지령 전압()이 출력될 수 있다.Referring to FIG. 4, the scalar controller (200) according to the present invention has a command frequency ( ), compensation voltage (V com ) and observed torque ( observed from the torque observer (100) ) is input, a, b, c 3-phase command voltage ( ) can be printed.

또한, 스칼라 제어기(200)는 게인 입력부(210), 부스트 전압 입력부(220), 파형 형성부(230) 및 곱셈기(240)를 포함할 수 있다.Additionally, the scalar controller (200) may include a gain input unit (210), a boost voltage input unit (220), a waveform forming unit (230), and a multiplier (240).

게인 입력부(210)에는 지령 주파수()가 입력되고, 입력된 지령 주파수()에 일정한 게인(Gain)이 곱해져 스칼라 제어를 위한 지령 전압()의 파형 최대값(Vm)이 출력되도록 한다. 즉, 게인 입력부(210)는 지령 주파수()가 증가함에 따라 전압도 일정하게 증가되도록 지령 주파수()에 게인(Gain)을 입력하여 지령 전압()을 출력한다.The gain input section (210) has a command frequency ( ) is entered, and the entered command frequency ( ) is multiplied by a constant gain to obtain the command voltage for scalar control. ) so that the maximum waveform value (V m ) is output. That is, the gain input unit (210) outputs the command frequency ( ) increases, so that the voltage also increases steadily, the command frequency ( ) to input the gain to the command voltage ( ) is printed.

게인 입력부(210)에서 출력된 지령 전압()은 부스트 전압 입력부(220)에서 입력된 부스트 전압과 가산되어 출력될 수 있다. 일예로, 지령 주파수()가 낮을 경우 과도상태에서 전압강하에 의한 유도전동기(IM)의 동작 성능 저하가 발생될 수 있다. 따라서, 게인 입력부(210)에서 출력된 지령 전압()에 부스트 전압 입력부(220)에서 입력된 부스트 전압을 인가함으로써 전압강하에 따른 유도전동기의 동작 성능 저하를 방지할 수 있다.The command voltage output from the gain input section (210) ) can be output by adding the boost voltage input from the boost voltage input section (220). For example, the command frequency ( ) is low, the operating performance of the induction motor (IM) may deteriorate due to voltage drop in a transient state. Therefore, the command voltage ( output from the gain input unit (210) ) By applying the boost voltage input from the boost voltage input section (220), it is possible to prevent the deterioration of the operating performance of the induction motor due to voltage drop.

부스트 전압이 가산된 지령 전압()은 보상 전압(Vcom) 및 관측 토크()와 가산되어 지령 전압 최대값(Vm)을 출력할 수 있다. 또한, 출력된 지령 전압 최대값(Vm)은 곱셈기(240)로 입력될 수 있다. 여기서, 보상 전압(Vcom)은 입력되는 속도 오차()에 따른 PI 제어기(400)의 출력일 수 있고, 관측 토크()는 관측 토크()에 비례 상수(KV)가 곱해진 관측 토크일 수 있다. 즉, 비례 상수(KV)에 의해 3상 사인파의 최대값이 결정될 수 있다.Reference voltage with added boost voltage ( ) is the compensation voltage (V com ) and the observed torque ( ) can be added to output the maximum command voltage value (V m ). In addition, the output maximum command voltage value (V m ) can be input to the multiplier (240). Here, the compensation voltage (V com ) is input to the speed error ( ) may be the output of the PI controller (400) according to the observed torque ( ) is the observation torque ( ) can be the observed torque multiplied by the proportional constant (K V ). That is, the maximum value of the three-phase sine wave can be determined by the proportional constant (K V ).

또한, 관측 토크()는 비례 상수(Kf)가 곱해져 지령 주파수()와 함께 파형 형성부(230)로 입력될 수 있다. 즉, 파형 형성부(230)에는 지령 주파수()와 관측된 관측 토크()가 입력되되, 토크가 커짐에 따라 모터의 속도가 감소되는 것을 방지하기 위해 비례 상수(Kf)가 곱해진 관측 토크()가 입력될 수 있다.Also, observation torque( ) is multiplied by a proportional constant (K f ) to obtain the command frequency ( ) can be input to the waveform forming unit (230). That is, the waveform forming unit (230) can input the command frequency ( ) and the observed observed torque ( ) is input, but the observed torque ( ) is multiplied by a proportional constant (K f ) to prevent the motor speed from decreasing as the torque increases. ) can be entered.

따라서, 파형 형성부(230)는 지령 주파수()에 비례 상수(Kf)가 곱해진 관측 토크()를 더하고, 더해진 값을 적분 연산을 수행함으로써 a,b,c 3상 사인(sin)파가 출력되도록 할 수 있다. 이때, 파형 형성부(230)에서 출력되는 3상 사인파는 파형 최대값이 1인 3상 사인파일 수 있다.Therefore, the waveform forming unit (230) is configured to generate a command frequency ( ) is the observed torque ( ) multiplied by the proportional constant (K f ). ) and perform an integration operation on the added value so that the a, b, and c three-phase sine (sin) waves can be output. At this time, the three-phase sine wave output from the waveform forming unit (230) may be a three-phase sine wave with a maximum waveform value of 1.

곱셈기(240)에서는 상기 지령 전압 최대값(Vm) 및 파형 형성부(230)에서 출력된 3상 사인파를 입력받고, 지령 전압 최대값(Vm)과 3상 사인파를 곱하여 3상 지령 전압()을 출력할 수 있다. 즉, 지령 전압 최대값(Vm)에 따라 곱셈기(240)에서 출력되는 3상 지령 전압()의 크기가 결정될 수 있다.In the multiplier (240), the maximum command voltage value (V m ) and the three-phase sine wave output from the waveform forming unit (230) are input, and the maximum command voltage value (V m ) and the three-phase sine wave are multiplied to obtain the three-phase command voltage ( ) can be output. That is, the three-phase command voltage ( output from the multiplier (240) according to the command voltage maximum value (V m ) ) can be determined in size.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스칼라 제어기(200)는 지령 주파수()를 통해 크기가 1인 3상 사인파를 생성하고, 일정한 게인(Gain)을 통해 지령 주파수()와 비례한 3상 지령 전압()을 생성하여 스칼라 제어를 수행한다. 즉, 보상 전압(Vcom)을 전압 크기에 보상하여 속도 제어를 수행하고, 관측한 관측 토크()에 비례 상수(KV,Kf)를 곱하여 각각 전압 크기 및 지령파의 주파수에 보상되도록 함으로써 외부 부하 변동에 대해 강인하게 제어되도록 할 수 있다.As described above, the scalar controller (200) according to the present invention has a command frequency ( ) to generate a three-phase sine wave with a size of 1, and a command frequency ( ) and the three-phase command voltage ( ) to perform scalar control. That is, speed control is performed by compensating the compensation voltage (V com ) to the voltage size, and the observed torque ( ) can be controlled robustly against external load fluctuations by multiplying the proportional constants (K V , K f ) to compensate for the voltage magnitude and the frequency of the command wave, respectively.

도 5는 본 발명의 피드포워드가 적용됐을 경우의 유도전동기와 피드포워드가 적용되지 않은 경우의 유도전동기에 대한 속도 차이를 비교한 그래프이다.Figure 5 is a graph comparing the speed difference between an induction motor to which the feedforward of the present invention is applied and an induction motor to which the feedforward is not applied.

여기서, 도 5(a)는 피드포워드가 적용되지 않은 유도전동기의 실제 속도와 지령 속도의 속도 차이를 나타내고, 도 5(b)는 본 발명의 토크 관측기(100)에 따른 피드포워드의 보상이 적용된 유도전동기의 실제 속도와 지령 속도의 속도 차이를 나타낸다. 이때, 유도전동기는 속도 오차에 대한 PI 제어기를 적용하였고, 0~3초 동안 모터는 1800rpm으로 정상상태에 도달해 동작되었으며, 모터의 정상상태 동작 중 3초에 정격 부하 약 200N·m가 인가되었다.Here, Fig. 5(a) shows the speed difference between the actual speed of the induction motor and the command speed to which the feedforward is not applied, and Fig. 5(b) shows the speed difference between the actual speed and the command speed of the induction motor to which the feedforward compensation according to the torque observer (100) of the present invention is applied. At this time, the induction motor applied a PI controller for speed error, and the motor reached a steady state of 1800 rpm for 0 to 3 seconds and was operated, and a rated load of about 200 N m was applied for 3 seconds during the steady state operation of the motor.

유도전동기의 동작 중 지령 속도와 실제 속도의 차이에 있어서, 피드포워드가 적용되기 전의 유도전동기는 도 5(a)에서와 같이, 정격 부하를 인가한 후에 정상상태에 도달했을 때 지령 속도와 실제 속도가 20.32rpm 차이가 나는 반면, 피드포워드 보상이 적용된 본 발명의 유도전동기는 도 5(b)에서와 같이, 정상상태에 도달했을 때 9.95rpm의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 피드포워드 보상이 적용된 본 발명의 유도전동기가 피드포워드 보상이 적용되지 않았을 때의 유도전동기에 비해 51%가 개선된 것을 확인할 수 있고, 정상상태에 도달하는 시간 역시 더 빠른 것을 확인할 수 있다.Regarding the difference between the command speed and the actual speed during the operation of the induction motor, the induction motor before the feedforward is applied has a difference of 20.32 rpm between the command speed and the actual speed when the steady state is reached after the rated load is applied, as shown in Fig. 5(a), whereas the induction motor of the present invention with the feedforward compensation applied has a difference of 9.95 rpm when the steady state is reached, as shown in Fig. 5(b). That is, it can be confirmed that the induction motor of the present invention with the feedforward compensation applied is improved by 51% compared to the induction motor when the feedforward compensation is not applied, and it can also be confirmed that the time to reach the steady state is faster.

도 6은 본 발명의 토크 관측기를 적용한 유도전동기에서 관측한 토크와 실제 토크를 비교한 그래프이다.Figure 6 is a graph comparing the observed torque and the actual torque of an induction motor to which the torque observer of the present invention is applied.

여기서, 도 6(a)는 본 발명의 토크 관측기(100)가 적용되되, 피드포워드가 적용되지 않은 유도전동기의 실제 토크와 관측 토크의 차이를 나타내고, 도 6(b)는 본 발명의 토크 관측기(100)가 적용되고, 피드포워드 보상이 적용된 유도전동기의 실제 토크와 관측 토크의 차이를 나타낸다.Here, Fig. 6(a) shows the difference between the actual torque and the observed torque of an induction motor to which the torque observer (100) of the present invention is applied but feedforward compensation is not applied, and Fig. 6(b) shows the difference between the actual torque and the observed torque of an induction motor to which the torque observer (100) of the present invention is applied and feedforward compensation is applied.

도 6(a),(b)를 참조하면, 피드포워드 보상에 상관없이 본 발명의 토크 관측기(100)가 적용된 도 6(a),(b) 모두 실제 토크과 관측 토크가 유사하게 관측되는 것을 확인할 수 있고, 특히 정상상태에서 도 6(a),(b) 모두 관측 토크가 실제 토크와 매우 유사하게 관측되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 6(a) and (b), it can be confirmed that the actual torque and the observed torque are observed similarly in both FIGS. 6(a) and (b) to which the torque observer (100) of the present invention is applied regardless of the feedforward compensation, and in particular, it can be confirmed that the observed torque is observed very similarly to the actual torque in both FIGS. 6(a) and (b) in the steady state.

도 7은 본 발명의 피드포워드 보상이 적용된 유도전동기와 피드포워드가 적용되지 않은 유도전동기의 지령 전압 변화를 나타낸 그래프이다.Figure 7 is a graph showing the change in command voltage of an induction motor to which the feedforward compensation of the present invention is applied and an induction motor to which the feedforward compensation is not applied.

여기서, 도 7(a)는 피드포워드가 적용되지 않은 유도전동기의 지령 전압과 A상 지령 전압을 나타내고, 도 7(b)는 본 발명의 피드포워드 보상이 적용된 유도전동기의 지령 전압과 A상 지령 전압을 나타낸다.Here, Fig. 7(a) shows the reference voltage and A-phase reference voltage of an induction motor to which feedforward is not applied, and Fig. 7(b) shows the reference voltage and A-phase reference voltage of an induction motor to which feedforward compensation of the present invention is applied.

도 7(a)를 참조하면, 지령 전압 최대값으로 3초에 정격 토크가 인가되더라도 지령 전압 최대값이 변하지 않으므로, A상 지령 전압을 확인했을 때 변화가 없기 때문에 모터의 실제 속도와 지령 속도가 차이가 많이 발생되는 것을 확인할 수 있다.Referring to Fig. 7(a), it can be seen that there is a large difference between the actual speed of the motor and the command speed because even if the rated torque is applied for 3 seconds at the maximum command voltage value, the maximum command voltage value does not change, and therefore, there is no change when checking the A-phase command voltage.

또한, 도 7(b)를 참조하면, 본 발명에서와 같이 피드포워드 보상이 적용되면, 지령 전압 최대값으로 3초에 정격 토크를 인가했을 때 3초 이후에 지령 전압 최대값이 변경되어 A상 지령 전압 역시 변경되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 피드포워드 보상이 적용되면 보상 결과가 지령 전압 최대값에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.In addition, referring to Fig. 7(b), when feedforward compensation is applied as in the present invention, when the rated torque is applied for 3 seconds at the maximum value of the command voltage, it can be confirmed that the maximum value of the command voltage is changed after 3 seconds, and thus the A-phase command voltage is also changed. That is, it can be confirmed that when feedforward compensation is applied, the compensation result affects the maximum value of the command voltage.

상술한 바와 같이, 본 발명의 토크 관측기를 이용한 유도전동기는 전압, 전류 및 속도 정보와 유도전동기 파라미터를 사용한 토크 관측기(100)를 구성하고, 관측한 관측 토크에 전압의 크기, 주파수 각각 이득을 다르게 보상함으로써 원하는 속도 출력을 얻을 수 있다. 또한, 과도 상태에서 토크 관측기(100)에 필요한 속도 정보를 일정한 값으로 입력하고, 이동 평균 필터, 옵셋 및 가중치를 사용하여 파라미터 변화에 의한 토크 측정 오차를 줄임으로써 피드포워드 과보상이 방지되도록 할 수 있다.As described above, the induction motor using the torque observer of the present invention can obtain a desired speed output by configuring a torque observer (100) using voltage, current, and speed information and induction motor parameters, and compensating for the observed torque with different gains for each voltage size and frequency. In addition, by inputting speed information required for the torque observer (100) in a transient state as a constant value, and reducing torque measurement errors due to parameter changes using a moving average filter, an offset, and a weight, feedforward overcompensation can be prevented.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in this specification and drawings are merely specific examples presented to help understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains that other modified examples based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

100 : 토크 관측기 110 : 자속 관측부
120 : 토크 연산부 130 : 관측 토크 제어부
200 : 스칼라 제어기 210 : 게인 입력부
220 : 부스트 전압 입력부 230 : 파형 형성부
240 : 곱셈기 300 : SVPWM 인버터
400 : PI 제어기
100: Torque Observation Unit 110: Magnetic Flux Observation Unit
120: Torque calculation unit 130: Observation torque control unit
200: Scalar controller 210: Gain input section
220: Boost voltage input section 230: Waveform forming section
240: Multiplier 300: SVPWM Inverter
400 : PI controller

Claims (14)

고정자 전류(), 고정자 전압(Vs) 및 실제 유도전동기의 속도(ωr) 정보를 기반으로 관측된 고정자 자속()을 이용하여 관측 토크()를 출력하는 토크 관측기; 및
상기 토크 관측기에서 관측된 관측 토크()를 보상 전압(Vcom)과 지령 주파수()에 피드포워드 보상한 3상 지령 전압()을 출력하는 스칼라 제어기를 포함하고,
상기 토크 관측기는,
상기 고정자 전압(Vs), 상기 실제 유도전동기의 속도(ωr) 정보 및 고정자 전류의 오차() 정보를 이용하여 고정자 자속()을 출력하는 자속 관측부; 및
상기 고정자 자속()과 상기 고정자 전류()를 이용하여 상기 관측 토크()를 연산하는 토크 연산부를 포함하는 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
Stator current( ), stator voltage (V s ) and speed (ω r ) of the actual induction motor, the observed stator flux ( ) to observe torque ( ) torque observer outputting; and
The observed torque observed by the above torque observer ( ) the compensation voltage (V com ) and the command frequency ( ) Three-phase command voltage with feed-forward compensation ( ) includes a scalar controller that outputs
The above torque observer,
The above stator voltage (V s ), the actual induction motor speed (ω r ) information and the stator current error ( ) using the stator flux ( ) for outputting the flux observation unit; and
The above stator flux ( ) and the stator current ( ) using the above observation torque ( ) An induction motor using a torque observer including a torque calculation unit that calculates a torque.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 자속 관측부는 A행렬, B행렬 및 G행렬에 의해 다음식,
에 따르고,
여기서,
,
,
,
,
을 가지며,
이때, LS는 고정자 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스, M은 상호 인덕턴스, RS는 고정자 저항, Rr은 회전자 저항 및 ωr는 실제 유도전동기의 속도를 나타내는 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
In the first paragraph,
The above flux observation unit is expressed by the following equation using the A matrix, B matrix, and G matrix.
According to,
Here,
,
,
,
,
, and
At this time, an induction motor using a torque observer where L S is the stator inductance, L r is the rotor inductance, M is the mutual inductance, R S is the stator resistance, R r is the rotor resistance, and ω r represents the actual speed of the induction motor.
제3항에 있어서,
상기 G행렬은 상기 고정자 전류의 오차()와 상기 실제 유도전동기의 속도(ωr) 정보를 입력받고 피드백되어, 상기 B행렬과 차분되는 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
In the third paragraph,
The above G matrix is the error of the stator current ( ) and an induction motor using a torque observer that receives information on the speed (ω r ) of the actual induction motor and feeds it back, and then differentiates it from the B matrix.
제1항에 있어서,
상기 토크 연산부는 다음식,
에 따르고,
여기서,
는 토크 관측기에서 관측된 관측 토크, P는 유도전동기의 극수,
는 d축 관측 자속, 는 q축 센싱 전류, 는 q축 관측 자속, 는 d축 센싱 전류를 나타내는 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
In the first paragraph,
The above torque calculation unit is as follows:
According to,
Here,
is the observed torque observed by the torque observer, P is the number of poles of the induction motor,
is the d-axis observation flux, is the q-axis sensing current, is the q-axis observation flux, An induction motor using a torque observer that represents the d-axis sensing current.
제1항에 있어서,
상기 토크 관측기는 상기 토크 연산부에서 출력된 상기 관측 토크()를 입력받고, 상기 관측 토크()에 대해 이동 평균 필터(MV filter), 옵셋(offset) 및 가중치(weight)를 적용하여 실제 토크와의 오차를 감소시키는 토크 제어부를 더 포함하는 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
In the first paragraph,
The above torque observer outputs the observed torque (from the torque calculation unit) ) is input, and the above observation torque ( ) An induction motor using a torque observer further including a torque control unit that reduces the error from the actual torque by applying a moving average filter (MV filter), offset, and weight.
제1항에 있어서, 상기 스칼라 제어기는,
상기 지령 주파수()를 입력받고, 입력된 상기 지령 주파수()에 게인(gain)을 적용하여 지령 전압()을 출력하는 게인 입력부;
상기 게인 입력부에서 출력된 상기 지령 전압()에 부스트 전압을 적용하기 위한 부스트 전압 입력부;
상기 지령 전압()과 상기 부스트 전압을 가산하는 제1 덧셈기;
상기 제1 덧셈기에서 출력된 상기 지령 전압()에 비례 상수(KV)가 곱해진 상기 관측 토크()와 상기 보상 전압(Vcom)을 가산하여 지령 전압 최대값(Vm)을 출력하는 제2 덧셈기;
상기 지령 주파수()와 비례 상수(Kf)를 곱한 상기 관측 토크()를 입력받고, 3상 사인파를 출력하는 파형 형성부; 및
상기 지령 전압 최대값(Vm)과 상기 3상 사인파를 곱하여 3상 지령 전압()을 출력하는 곱셈기를 포함하는 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
In the first paragraph, the scalar controller,
The above command frequency ( ) is input, and the input command frequency ( ) by applying gain to the command voltage ( ) gain input section that outputs;
The command voltage output from the above gain input section ( ) A boost voltage input section for applying a boost voltage;
The above command voltage ( ) and a first adder for adding the boost voltage;
The command voltage output from the first adder ( ) multiplied by a proportional constant (K V ) to the observed torque ( ) and a second adder that adds the compensation voltage (V com ) and outputs the maximum command voltage value (V m );
The above command frequency ( ) and the proportional constant (K f ) multiplied by the above observed torque ( ) and a waveform forming unit that outputs a three-phase sine wave; and
Multiply the above command voltage maximum value (V m ) and the above three-phase sine wave to obtain the three-phase command voltage ( ) Induction motor using a torque observer including a multiplier outputting a torque.
제7항에 있어서,
상기 파형 형성부에서 출력되는 상기 3상 사인파는 파형 최대값이 1인 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
In Article 7,
An induction motor using a torque observer in which the three-phase sine wave output from the waveform forming section has a maximum waveform value of 1.
제7항에 있어서,
상기 보상 전압(Vcom)은 입력되는 속도 오차()에 따른 PI 제어기의 출력 전압인 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
In Article 7,
The above compensation voltage (V com ) is the input speed error ( ) An induction motor using a torque observer which is the output voltage of a PI controller.
토크 관측기에서 고정자 전류(), 고정자 전압(Vs) 및 실제 유도전동기의 속도(ωr) 정보를 기반으로 관측된 고정자 자속()을 이용하여 관측 토크()를 출력하는 토크 관측 단계; 및
상기 토크 관측기에서 관측된 관측 토크()를 스칼라 제어기에 입력받고, 상기 스칼라 제어기에서 상기 입력된 관측 토크를 보상 전압(Vcom)과 지령 주파수()에 피드포워드 보상한 3상 지령 전압()을 출력하는 스칼라 제어 단계를 포함하고,
상기 토크 관측 단계는,
자속 관측부에서 상기 고정자 전압(Vs), 상기 실제 유도전동기의 속도(ωr) 정보 및 고정자 전류의 오차() 정보를 이용하여 고정자 자속()을 출력하는 고정자 자속 생성 단계; 및
상기 고정자 자속()과 상기 고정자 전류()를 이용하여 토크 연산부에서 상기 관측 토크()를 연산하는 토크 연산 단계를 포함하는 토크 관측기를 이용한 유도전동기의 제어방법.
In the torque observer, the stator current ( ), stator voltage (V s ) and speed (ω r ) of the actual induction motor, the observed stator flux ( ) to observe torque ( ) torque observation step; and
The observed torque observed by the above torque observer ( ) is input to the scalar controller, and the input observed torque is converted to a compensation voltage (V com ) and a command frequency ( ) Three-phase command voltage with feed-forward compensation ( ) includes a scalar control step that outputs
The above torque observation step is,
In the magnetic flux observation section, the stator voltage (V s ), the actual induction motor speed (ω r ) information, and the stator current error ( ) using the stator flux ( ) to generate a stator flux; and
The above stator flux ( ) and the stator current ( ) is used to calculate the observed torque in the torque calculation unit ( ) A control method for an induction motor using a torque observer including a torque calculation step for calculating a torque.
삭제delete 제10항에 있어서,
상기 자속 관측부는 A행렬, B행렬 및 G행렬에 의해 다음식,
에 따르고,
여기서,
,
,
,
,
을 가지며,
이때, LS는 고정자 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스, M은 상호 인덕턴스, RS는 고정자 저항, Rr은 회전자 저항 및 ωr는 실제 유도전동기의 속도를 나타내는 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기의 제어방법.
In Article 10,
The above flux observation unit is expressed by the following equation using the A matrix, B matrix, and G matrix.
According to,
Here,
,
,
,
,
, and
At this time, L S is the stator inductance, L r is the rotor inductance, M is the mutual inductance, R S is the stator resistance, R r is the rotor resistance, and ω r is the control method of the induction motor using a torque observer representing the actual speed of the induction motor.
제10항에 있어서,
상기 토크 연산부는 다음식,
에 따르고,
여기서,
는 토크 관측기에서 관측된 관측 토크, P는 유도전동기의 극수,
는 d축 관측 자속, 는 q축 센싱 전류, 는 q축 관측 자속, 는 d축 센싱 전류를 나타내는 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기의 제어방법.
In Article 10,
The above torque calculation unit is as follows:
According to,
Here,
is the observed torque observed by the torque observer, P is the number of poles of the induction motor,
is the d-axis observation flux, is the q-axis sensing current, is the q-axis observation flux, A control method for an induction motor using a torque observer that represents a d-axis sensing current.
제10항에 있어서, 상기 스칼라 제어 단계는,
상기 지령 주파수()에 게인(gain)을 적용하여 지령 전압()을 출력하고, 출력된 상기 지령 전압()에 부스트 전압을 가산하여 출력하는 단계;
상기 부스트 전압이 가산된 지령 전압()에 비례 상수(KV)가 곱해진 상기 관측 토크() 및 상기 보상 전압(Vcom)을 가산하여 지령 전압 최대값(Vm)을 출력하는 단계;
비례 상수(Kf)를 곱한 상기 관측 토크()와 상기 지령 주파수()를 이용하여 3상 사인파를 출력하는 단계; 및
상기 지령 전압 최대값(Vm)과 상기 3상 사인파를 곱하여 3상 지령 전압()을 출력하는 단계를 포함하는 토크 관측기를 이용한 유도전동기의 제어방법.
In the 10th paragraph, the scalar control step,
The above command frequency ( ) by applying gain to the command voltage ( ) and outputs the output command voltage ( ) and outputting the boost voltage;
The above boost voltage is added to the command voltage ( ) multiplied by a proportional constant (K V ) to the observed torque ( ) and a step of adding the compensation voltage (V com ) to output the maximum command voltage value (V m );
The above observed torque ( multiplied by the proportional constant (K f ) ) and the above command frequency ( ) to output a three-phase sine wave; and
Multiply the above command voltage maximum value (V m ) and the above three-phase sine wave to obtain the three-phase command voltage ( ) A method for controlling an induction motor using a torque observer including a step of outputting a torque.
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