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KR102739237B1 - 토크 관측기를 이용한 유도전동기 및 그 제어방법 - Google Patents

토크 관측기를 이용한 유도전동기 및 그 제어방법 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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KR
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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.

Description

토크 관측기를 이용한 유도전동기 및 그 제어방법{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.
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.
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.
한국등록특허 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.
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.
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.
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 ω는 유도전동기의 속도를 나타낼 수 있다.
상기 G행렬은 상기 고정자 전류의 오차()와 실제 모터 속도(ωr) 정보를 입력받고 피드백되어, 상기 B행렬과 차분될 수 있다.
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 나타낼 수 있다.
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.
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.
상기 파형 형성부에서 출력되는 상기 3상 사인파는 파형 최대값이 1일 수 있다.
상기 보상 전압(Vcom)은 입력되는 속도 오차()에 따른 PI 제어기의 출력 전압일 수 있다.
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.
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.
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 ω는 유도전동기의 속도를 나타낼 수 있다.
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 나타낼 수 있다.
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.
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.
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.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
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.
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.
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.
실시예
도 1은 본 발명의 토크 관측기를 적용한 유도전동기를 나타낸 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 토크 관측기를 적용한 유도전동기는 토크 관측기(100), 스칼라 제어기(200) 및 SVPWM 인버터(300)를 포함한다.
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.
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.
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.
도 2는 본 발명에 따른 토크 관측기의 실시예를 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 토크 관측기(100)는 자속 관측부(110) 및 토크 연산부(120)를 포함할 수 있다.
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.
여기서, 고정자 자속()을 출력하는 자속 관측부(110)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
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.
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.
여기서, A행렬(111)인 A11, A12, A21 및 A22는 각각 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, LS는 고정자 인덕턴스, , ωr는 실제 유도전동기의 속도, Rr은 회전자의 저항, Lr은 회전자의 인덕턴스, , , , 및 M은 상호 인덕턴스를 의미한다.
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.
여기서, K는 로 나타낼 수 있다.
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.
토크 연산부(120)는 자속 관측부(110)에서 출력된 관측 고정자 자속()과 고정자 전류()를 입력받고, 연산을 통해 관측 토크()를 출력한다.
토크 연산부(120)에서 연산되는 관측 토크()는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
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.
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.
도 3은 본 발명에 따른 토크 관측기의 다른 실시예를 나타낸 블록도이다.
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.
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.
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.
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.
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.
도 4은 본 발명에 따른 스칼라 제어기를 나타낸 블록도이다.
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.
또한, 스칼라 제어기(200)는 게인 입력부(210), 부스트 전압 입력부(220), 파형 형성부(230) 및 곱셈기(240)를 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
도 5는 본 발명의 피드포워드가 적용됐을 경우의 유도전동기와 피드포워드가 적용되지 않은 경우의 유도전동기에 대한 속도 차이를 비교한 그래프이다.
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.
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.
도 6은 본 발명의 토크 관측기를 적용한 유도전동기에서 관측한 토크와 실제 토크를 비교한 그래프이다.
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.
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.
도 7은 본 발명의 피드포워드 보상이 적용된 유도전동기와 피드포워드가 적용되지 않은 유도전동기의 지령 전압 변화를 나타낸 그래프이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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

Claims (14)

  1. 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.
  2. 삭제
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 파형 형성부에서 출력되는 상기 3상 사인파는 파형 최대값이 1인 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 보상 전압(Vcom)은 입력되는 속도 오차()에 따른 PI 제어기의 출력 전압인 것인 토크 관측기를 이용한 유도전동기.
  10. 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.
  11. 삭제
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
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