KR20190143630A - Sensorless control system and method for permanent magnet synchronous motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전동기의 센서리스 제어 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)의 센서리스 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the field of sensorless control of an electric motor, and more particularly, to a sensorless control system and method of an interior permanent magnet synchronous motor (IPMSM).
PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)은 토크를 발생시키는 계자 자속으로 영구자석을 이용하기 때문에 다른 교류 전동기에 비해 높은 출력 토크를 가지며 효율이 뛰어나다. 영구자석 배치에 따라 회전자 표면에 영구자석을 부착한 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)과 회전자 내부에 영구자석을 위치시킨 IPMSM으로 나뉜다. SPMSM은 전동기에 이상적인 정현파 전류를 인가하면 토크 리플이 없는 이상적인 토크를 발생시킬 수 있으나 영구자석이 회전자 표면에 부착되기 때문에 유효공극이 크며, 원심력에 의한 영구자석의 비산으로 인하여 고속운전에 문제가 있다. IPMSM은 영구자석이 회전자 내부에 위치하여 d상 인덕턴스와 q상 인덕턴스의 차이가 있는 돌극성을 가지게 된다. IPMSM은 마그네틱 토크와 돌극성으로 인한 릴럭턴스 토크를 이용하여 적은 체적에서도 높은 토크밀도를 가지며 광범위한 영역에서 운전이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 가전용에서 산업용에 이르기까지 여러 영역에서 응용되고 있으며 이에 관한 연구도 활발히 진행되고 있다.Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM) uses permanent magnets as a magnetic flux that generates torque, so it has higher output torque and higher efficiency than other AC motors. According to permanent magnet arrangement, it is divided into SPMSM (Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) with permanent magnet attached to the rotor surface and IPMSM with permanent magnet placed inside the rotor. SPMSM can generate ideal torque without torque ripple when the ideal sine wave current is applied to the motor, but because the permanent magnet is attached to the rotor surface, the effective air gap is large. have. In the IPMSM, permanent magnets are located inside the rotor and have a polarity with a difference between a d-phase inductance and a q-phase inductance. IPMSM uses magnetic torque and reluctance torque due to polarity, so it has high torque density at small volume and can operate in a wide range of areas. Due to these characteristics, it is applied in various fields from home appliances to industrial use, and research on this is being actively conducted.
영구자석 동기 전동기(PMSM)의 운전을 위해서 회전자의 위치 정보가 요구되므로 이를 얻기 위해 레졸버나 절대엔코더 등의 센서장치가 필요하다. 하지만 전체 시스템의 설계가 복잡해지고 비용이 증가하며, 생산시간이 증가하고 센서장치가 주변 환경의 변화에 따라 영향을 받는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 센서를 사용하는 대신 회전자의 위치 정보와 속도 정보를 얻기 위한 센서리스(sensorless) 제어 방법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.Since the position information of the rotor is required for the operation of the permanent magnet synchronous motor (PMSM), a sensor device such as a resolver or an absolute encoder is required to obtain this. However, there is a problem that the design of the entire system is complicated, the cost is increased, the production time is increased, and the sensor device is affected by the change of the surrounding environment. Therefore, in order to solve this problem, researches on a sensorless control method for obtaining the position information and the speed information of the rotor instead of using the sensor have been actively conducted.
산업현장에서 사용되는 다양한 센서리스 제어 방법 중에서 확장 유기전력(EEMF:Extended Electromotive Force)을 기반으로 하는 센서리스 제어 방법이 있다. 이는 전동기를 회전시킬 때 발생하는 역기전력 성분에 포함된 회전자 각의 오차 성분을 사용하여 회전자의 위치를 추정하는 방법이다.Among the various sensorless control methods used in the industrial field, there is a sensorless control method based on Extended Electromotive Force (EEMF). This is a method of estimating the position of the rotor using the error component of the rotor angle included in the counter electromotive force component generated when the motor is rotated.
그런데 기존의 확장 유기전력을 기반으로 하는 센서리스 제어 방법은 리컨스트럭션(reconstruction)을 통한 확장 유기전력을 추정이었으며, 이는 불확실한 파라미터나 주변 환경에 따른 변화가 있을 시 계산 오차에 대한 보상이 되지 않는다는 문제점이 있다.However, the conventional sensorless control method based on the extended organic power was to estimate the extended organic power through reconstruction, which does not compensate for the calculation error when there is a change due to an uncertain parameter or the surrounding environment. There is this.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로서, 추정 확장 유기전력 와 를 각각 구하여 연산 속도가 개선되고 정밀한 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템을 제공한다.The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and estimated extended organic power. Wow The calculation speed is improved and the sensorless control system of the permanent magnet synchronous motor is precisely obtained.
본 발명은 전기자 전류에 대하여 가장 효율적인 토크를 발생시키는 MTPA(Maximum Torqueper Ampere) 제어를 사용하는 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템을 제공한다.The present invention provides a sensorless control system of a permanent magnet synchronous motor using MTPA (Maximum Torqueper Ampere) control to generate the most efficient torque for the armature current.
본 발명은 또한 상술한 개선된 시스템에 적용되는 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 방법을 제공한다.The present invention also provides a sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor applied to the above-described improved system.
본 발명은 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템을 제공하며, 이는: 상기 전동기로 인가되는 전류 및 전압을 이용하여 확장 유기전력을 추정하는 확장 유기전력 관측기; 추정된 확장 유기전력을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 위치 및 속도 추정기; 추정된 속도를 이용하여 기준 토크인 토크 제어 신호를 출력하는 속도 제어기; 상기 토크 제어 신호에 따른 단위전류당 최대 토크를 발생하는 기준 전류인 전류 제어 신호를 출력하는 MTPA 블록; 및 상기 전류 제어 신호에 따른 전압 제어 신호를 발생하는 전류 제어기;를 포함한다.The present invention provides a sensorless control system of a permanent magnet synchronous motor, comprising: an extended organic power observer for estimating extended organic power using a current and a voltage applied to the motor; A position and velocity estimator for estimating the position and velocity of the rotor using the estimated extended induced power; A speed controller for outputting a torque control signal that is a reference torque using the estimated speed; An MTPA block for outputting a current control signal which is a reference current for generating a maximum torque per unit current according to the torque control signal; And a current controller generating a voltage control signal according to the current control signal.
상기 확장 유기전력 관측기는 축과 축에 대한 추정 확장 유기전력(, )을 각각 산출하는 제1 관측기와 제2 관측기를 포함한다.The extended organic power observer Axis Estimated extended induced power for an axis ( , And a first observer and a second observer, respectively.
상기 제1 관측기와 상기 제2 관측기는 각각 다음식,The first observer and the second observer, respectively,
과 and
에 따르고, To follow,
여기서,here,
: 고정자 저항, Stator resistance,
, : - 축상 고정자 전류, , : - Axial stator current,
: d-q상 인덕턴스, dq phase inductance,
: 확장 유기전력을 추정하는 관측기의 이득을 각각 나타낸다. : Represents gain of each observer estimating extended induced power.
상기 위치 및 속도 추정기는 다음식The position and velocity estimator is
에 따라 회전자의 추정 위치 오차()를 산출한 후,According to the estimated position error of the rotor ( ), Then
추정 위치 오차()가 0이 되도록 보상하여 회전자의 추정 위치()와 추정 속도()를 산출한다.Estimated position error ( ) Is compensated to be zero so that the estimated position of the rotor ( ) And estimated speed ( ) Is calculated.
본 발명에 따르면, 영구자석 동기 전동기에 대한 센서리스 제어 시스템과 방법이 제공된다. 여기서는 전동기를 효율적으로 제어하고 센서 없이 운전하기 위해 단위 전류당 최대 토크를 낼 수 있는 MTPA 제어 방식을 사용한다. 또한, 상태 공간 방정식을 통한 확장 유기전력(EEMF) 관측기를 설계하여 그를 통해 추정한 EEMF를 통해 회전자 위치를 추정한다. 특히, 축과 축에 대한 유기전력을 각각 추정 산출하는 2개의 관측기를 사용하여 연산 속도가 빠르고 정밀한 제어가 가능하다. 기존의 리컨스트럭션을 이용한 EEMF 추정 방식과 본 발명의 EEMF 관측기를 통한 EEMF 추정 방식을 시뮬레이션을 이용해 비교한 결과, 본 발명의 관측기를 이용한 센서리스 운전에서 리플 저감과 함께 회전자의 속도제어 및 위치 추정에서 더 강인하고 정밀함을 확인할 수 있었다.According to the present invention, there is provided a sensorless control system and method for a permanent magnet synchronous motor. In this case, the MTPA control method is used to efficiently control the motor and generate the maximum torque per unit current to operate without sensor. In addition, we design an extended organic power (EEMF) observer using state-space equations to estimate the rotor position from the estimated EEMF. Especially, Axis Two observers that estimate and calculate the induced power for each axis enable fast and precise control. As a result of comparing the EEMF estimation method using the conventional reconstruction method and the EEMF estimation method using the EEMF observer of the present invention by simulation, the speed control and the position estimation of the rotor with the ripple reduction in the sensorless operation using the observer of the present invention. We found more robust and precise at.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 센서리스 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기와 위치 및 속도 추정기의 동작 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 시스템에 채용되는 MTPA 블록에서의 MTPA 추적 곡선을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 시스템이 적용되는 IPMSM의 공간 벡터도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 시스템에 채용되는 위치 및 속도 추정기에서의 회전자 위치각과 회전자 속도 추정 등가 블록도이다.
도 7은 기존 리컨스트럭션을 통한 EEMF 추정 방식으로 설계한 비교예의 IPMSM 센서리스 속도제어 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 IPMSM 센서리스 속도제어 시뮬레이션 결과이다.
도 9는 IPMSM 파라미터 10% 변동 시 비교예의 리컨스트럭션 방식을 사용한 센서리스 운전의 테스트 결과이다.
도 10은 IPMSM 파라미터 10% 변동 시 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 센서리스 운전의 테스트 결과를 각각 나타낸다.1 is a block diagram schematically showing a permanent magnet synchronous motor sensorless control system according to a preferred embodiment of the present invention.
2 is a block diagram illustrating an extended organic power observer employed in the system of the present invention.
3 is a view illustrating an operation process of an extended organic power observer and a position and velocity estimator employed in the system of the present invention.
4 is a diagram showing an MTPA tracking curve in an MTPA block employed in the system of the present invention.
5 is a diagram illustrating a spatial vector diagram of an IPMSM to which the system of the present invention is applied.
6 is an equivalent block diagram of rotor position angle and rotor speed estimation in a position and speed estimator employed in the system of the present invention.
7 is an IPMSM sensorless speed control simulation result of a comparative example designed by the EEMF estimation method through the existing reconstruction.
8 is an IPMSM sensorless speed control simulation result using the EEMF observer of the present invention.
9 is a test result of sensorless operation using the reconstruction method of the comparative example when the
10 shows test results of sensorless operation using the EEMF observer of the present invention when the IPMSM parameter is changed by 10%.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
본 발명은 IPMSM 상태 공간 방정식을 이용한 관측기 설계를 통하여 추정 확장 유기전력 와 을 각각 구하는 제1 관측기와 제2 관측기를 포함한다. 확장 유기전력 기반의 센서리스 제어는 전동기를 회전시킬 때 발생하는 역기전력 성분에 포함된 회전자 각의 오차 성분을 사용하여 회전자의 위치를 추정한다. 본 발명에서 와 을 두 개의 관측기로 나누어 추정하여 전차원 상태 관측기보다 적은 차수의 이득행렬을 사용할 수 있어서 연산 속도가 개선된다. 또한, 본 발명에서의 확장 유기전력 관측기의 사용은 기존의 리컨스트럭션을 통한 확장 유기전력 추정 방법이 가지는 불확실한 파라미터나 주변 환경에 따른 변화가 있을 때 계산 오차에 대한 보상이 되지 않는 문제를 보완하여, 더 정밀하게 회전자의 위치와 속도를 추정할 수 있도록 한다. 본 발명은 또한 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 효율적으로 사용하기 위해 단위전류당 최대 토크를 발생하는 MTPA(Maximum Torque per Ampere) 제어를 채택한다. MTPA 운전점을 찾아 d상, q상의 전류 지령치로 제어를 하게 되면 제어에 비하여 동일 토크를 발생시킬 때 전류를 적게 소모하고, 그 차이는 원하는 토크가 클수록 증가한다. 이러한 MTPA 제어를 사용하는 본 발명의 제어 방법은 저속 내지 중속에서의 제어에 바람직하게 적용될 수 있다.The Invention Expands Estimated Organic Power Through Observer Design Using IPMSM State-Space Equation Wow It includes a first observer and a second observer to obtain respectively. Sensorless control based on extended organic power estimates the position of the rotor using the error component of the rotor angle included in the back EMF component generated when the motor is rotated. In the present invention Wow It can be estimated by dividing the into two observers and using a smaller order of gain matrix than the full-dimensional state observer. In addition, the use of the extended organic power observer in the present invention compensates for the problem that the calculation error is not compensated when there are uncertain parameters or changes in the surrounding environment of the existing extended organic power estimation method through reconstruction. This allows more accurate estimation of the rotor position and speed. The present invention also employs MTPA (Maximum Torque per Ampere) control to generate maximum torque per unit current for efficient use of magnetic and reluctance torques. When the MTPA operation point is found and controlled by the current command value of d phase and q phase, When generating the same torque as compared to the control, it consumes less current, and the difference increases as the desired torque becomes larger. The control method of the present invention using such MTPA control can be preferably applied to control at low to medium speeds.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 센서리스 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 2는 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기를 나타내는 블록도이다. 도 3은 본 발명의 시스템에 채용되는 확장 유기전력 관측기와 위치 및 속도 추정기의 동작 과정을 나타낸 도면이다.1 is a block diagram schematically showing a permanent magnet synchronous motor sensorless control system according to a preferred embodiment of the present invention. 2 is a block diagram illustrating an extended organic power observer employed in the system of the present invention. 3 is a view showing the operation of the extended organic power observer and position and velocity estimator employed in the system of the present invention.
도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 센서리스 제어 시스템은 전동기(IPMSM)(M)는 속도 제어기(10)와, MTPA 블록(20)과, 전류 제어기(30)와, 확장 유기전력을 추정하는 확장 유기전력 관측기(40)와, 위치 및 속도 추정기(50)를 포함할 수 있다. 본 발명의 시스템은 또한 제1 벡터 로테이터(60), 제2 벡터 로테이터(70) 및 PWM 인버터(80)를 더 포함할 수 있다.Referring to the drawings, a permanent magnet synchronous motor sensorless control system according to a preferred embodiment of the present invention, the motor (IPMSM) (M) is a
본 발명의 제어 시스템에서, 전동기(M)의 동작 개시를 위해 속도 제어기(10)로 기준 속도()가 입력되면, 속도 제어기(10)는 기준 속도()에 해당하는 기준 토크()를 출력한다. MTPA 블록(20)은 기준 토크()가 입력되면 단위전류당 최대 토크 전류쌍을 계산하여 d 및 q상 전류 제어 신호(기준 전류 , )를 출력한다. 전류 제어기(30)는 입력된 기준 전류(, )에 해당하는 기준 전압(,)을 출력한다. 제1 벡터 로테이터(60)는 전류 제어기(30)의 기준 전압(,)을 a, b, c 3상으로 변환하여 출력하고, PWM 인버터(80)는 출력된 3상 전압을 전동기(M)에 인가하여 기준 속도로 회전하도록 한다. In the control system of the present invention, the reference speed (10) to the
속도 제어를 위해, 확장 유기전력 관측기(40)는 전동기(M)로 인가되는 전류와 전압을 피드백 받아서 확장 유기전력을 추정한다. 추정 확장 유기전력은 각각 , 로 나타내며, 이들은 제1 관측기(41)과 제2 관측기(42)에서 각각 구한다. 또한, 피드백 받은 전류(,)와 전압(,)은 벡터 로테이터(60 또는 70)을 통해 , 와 , 로 변환되어 확장 유기전력 관측기(40)으로 입력될 수 있다. 도 2의 (a)와 (b)에 나타낸 바와 같은, 확장 유기전력 관측기(40)의 제1 관측기(41)과 제2 관측기(42)는 각각 추정 확장 유기전력 와 을 각각 구하여 위치 및 속도 추정기(50)으로 출력한다.For speed control, the extended
위치 및 속도 추정기(50)는 추정 확장 유기전력(, )을 입력받아 회전자의 추정 위치 오차()를 산출하고, 추정 위치 오차()로 추정 속도를 보정함으로써 추정 회전자 위치()와 속도()를 산출하고, 추정 속도()를 속도 제어기(10)와 전류 제어기(30)로 입력한다. PI제어기를 구비하는 속도 제어기(10)는 입력된 추정 속도()와 기준 속도()를 감안하여 새로운 기준 토크()를 산출하여 MTPA 블록(20)으로 입력하고, 그 이하의 과정은 상술한 바와 같다. Position and
특히, 본 발명의 시스템에서는 추정 확장 유기전력 와 를 각각 구하는 추정 관측기(제1 관측기)와 추정 관측기(제2 관측기)를 포함하며, 이렇게 2개의 관측기로 나누어 추정하여 전차원 상태 관측기보다 적은 차수의 이득행렬을 사용할 수 있다는 장점을 가진다.Specifically, in the system of the present invention, the estimated extended organic power Wow To find each With an estimated observer (first observer) It includes an estimated observer (second observer), and has the advantage that the gain matrix can be used in a smaller order than the full-dimensional state observer by dividing into two observers.
이하에서는 본 발명의 시스템 및 방법에 적용되는 알고리즘들을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, algorithms applied to the system and method of the present invention will be described in detail.
[MTPA 제어][MTPA control]
도 4는 본 발명의 시스템에 채용되는 MTPA 블록에서의 MTPA 추적 곡선을 나타내는 도면이다.4 is a diagram showing an MTPA tracking curve in an MTPA block employed in the system of the present invention.
PMSM에서의 토크 방정식은 아래 식 (1)과 같다.The torque equation in PMSM is shown in Equation (1) below.
(1) (One)
이때, 는 전동기 출력 토크, P는 회전자 극의 쌍 수, 수는 영구자석 쇄교 자속, 는 d상 전류와 q상 전류의 벡터적 합, , 는 d, q축 인덕턴스, 는 전류 위상각을 의미한다.At this time, Is the motor output torque, P is the number of pairs of rotor poles, Number is permanent magnet chain linkage, Is the vector sum of the d-phase and q-phase currents, , Is d, q-axis inductance, Denotes the current phase angle.
IPMSM 운전에 있어 정격에 따른 전압 및 전류의 제한이 있으므로 d, q상 전압, 전류에 대한 최대 전압 전류에 대한 식은 다음과 같다. Since there are limitations of voltage and current according to the rating in IPMSM operation, the formula for the maximum voltage current for d, q phase voltage and current is as follows.
(2) (2)
(3) (3)
(4) (4)
여기서 와 는 전기자 전류와 전압을 의미하고 , 는 d, q상 전류, 와 는 d, q상 전압, , 은 각각 전류와 전압의 제한하는 값을 의미한다. 식 (4)는 식 (3)을 유기전압의 제한으로 치환한 것이며 는 유기전압, 는 각속도, 는 계자 자속, 은 유기전압의 제한하는 값이다.here Wow Means armature current and voltage , D, q phase current, Wow D, q phase voltage, , Are the limiting values of current and voltage, respectively. Equation (4) is to substitute Eq. (3) with the limit of the induced voltage. Is the induced voltage, Is the angular velocity, Magnetic field flux, Is the limiting value of the induced voltage.
식 (1), (2), (4)로부터 토크, 전압 제한 타원, 전류 제한 원을 도 4와 같이 나타낼 수 있다. 전류 제한 원과, 일정한 토크를 만드는 d, q상 전류 곡선과의 교점이 MTPA 운전점이다. d, q상 전류 곡선은 과 다음 식들을 통해 얻을 수 있다.From equations (1), (2) and (4), the torque, the voltage limit ellipse, and the current limit circle can be expressed as shown in FIG. The intersection of the current limiting circle and the d, q phase current curve that produces a constant torque is the MTPA operating point. d, q-phase current curve and This can be obtained by the following equations.
(5) (5)
(6) (6)
식 (5)와 (6)을 통해 토크 지령치에 따라 d, q상 전류 지령치 과 를 얻을 수 있다. 순시 토크를 제어하려면 기준 토크를 발생시키면서 전류 벡터의 크기를 최소화하는 전류쌍을 실시간으로 계산하여야 한다. 그러나 , 는 운전 조건에 따라 크게 변하고 특히 는 전류 크기에 따라 그 값이 수십에서 수백%까지 바뀌므로 실시간으로 해를 구하여 제어에 이용하기는 어렵다. 그러므로 전류쌍을 미리 참조표(Look-up Table)에 저장한 후, 토크 지령에 따라 참조표를 통해 실제 전류가 참조표의 전류를 따라 가도록 제어할 수 있다. 연산 속도의 개선을 위해 본 발명에서는 실시간 수치 해석 대신 Look-up Table 방식을 적용하여 시뮬레이션하였다.D, q phase current command value according to torque command value through equations (5) and (6) and Can be obtained. To control the instantaneous torque, it is necessary to calculate in real time a current pair that minimizes the magnitude of the current vector while generating a reference torque. But , Vary greatly depending on driving conditions, Since the value varies from tens to hundreds of percent depending on the magnitude of the current, it is difficult to solve and control in real time. Therefore, after storing the current pair in the look-up table in advance, it is possible to control the actual current to follow the current in the reference table through the reference table according to the torque command. In order to improve the computational speed, the present invention simulates by using the Look-up Table method instead of real-time numerical analysis.
[IPMSM 모델] [IPMSM Model]
도 5는 IPMSM의 공간 벡터도를 보여준다. α-β 좌표계는 고정자 권선에 의한 2축 고정 좌표계를 의미한다. d-q 좌표계는 동기 회전 좌표계이며, 자속의 발생 방향이 d축이며 d축보다 전기적으로 90°앞선 방향을 q축이라 한다. d-q축 모델링은 실제 모터 속도의 정보를 이용한 것이다. 하지만 센서리스 속도제어를 할 경우 위의 d-q축으로 모델링한 식은 사용하기 어렵다. 그러므로 d-q축과 만큼 각도 오차를 가진 축을 이용한다.5 shows a spatial vector diagram of the IPMSM. α-β coordinate system means a two-axis fixed coordinate system by the stator winding. The dq coordinate system is a synchronous rotational coordinate system. The magnetic flux is generated in the d-axis, and the q-axis is 90 degrees ahead of the d-axis. dq-axis modeling uses information about the actual motor speed. However, in case of sensorless speed control, the equation modeled by the above dq axis is difficult to use. So the dq axis With an angle error Use the axis.
IPMSM의 d-q 좌표계에서의 전압방정식은 다음과 같다.The voltage equation in the d-q coordinate system of IPMSM is
(7) (7)
여기서,here,
: d-q상 고정자 전류 : dq phase stator current
: d-q상 고정자 전압 : dq phase stator voltage
: 회전자 전기각속도 : Rotor angular velocity
: 고정자 저항 Stator Resistance
: 영구자석에 의한 자속 : Magnetic flux by permanent magnet
, : d-q상 인덕턴스 , dq phase inductance
p : 미분 연산자p: derivative operator
식 (7)의 d-q 좌표계에서의 전압방정식을 식 (8)와 같이 바꾸어 쓸 수 있다. 식 (8)의 두 번째 항인 열벡터를 EEMF라 한다.The voltage equation in the d-q coordinate system of equation (7) can be rewritten as in equation (8). The second column of equation (8), the column vector, is called EEMF.
(8) (8)
(9) (9)
좌표계에서의 전압방정식 (10)을 통해 회전자의 위치를 추정하게 되며 d-q 좌표계에서의 전압방정식 (8)을 좌표계로 변환하면 식 (10)과 같다. The position of the rotor can be estimated using the voltage equation (10) in the coordinate system, and the voltage equation (8) in the dq coordinate system is estimated. When converted to the coordinate system, it is as in (10).
(10) 10
(11) (11)
이 수학적 모델은 SPMSM(=), IPMSM(<)와 동기 릴럭턴스 모터(=0)에서도 사용될 수 있으며 근사화가 필요가 없다. 또한, 위치각 오차 에 대한 정보를 포함하고 있으므로 이를 이용하여 회전자 위치를 추정하여 센서리스 운전에 사용할 수 있다.This mathematical model uses SPMSM ( = ), IPMSM ( < ) And synchronous reluctance motor ( = 0) and do not need approximation. Also, position angle error Since it contains information about, it can be used for sensorless operation by estimating rotor position.
[확장 유기전력 추정 알고리즘]Extended Organic Power Estimation Algorithm
식 (10)으로부터 EEMF의 시간에 대한 미분값이 0이라고 가정하면 다음과 같은 상태 공간 방정식으로 나타낼 수 있다.Assuming that the derivative of time of EEMF is 0 from Equation (10), it can be expressed as the following state space equation.
(12) (12)
(13) (13)
이때,At this time,
(14) (14)
(15) (15)
위와 같은 상태 방정식을 통해 EEMF를 추정할 수 있다.EEMF can be estimated through the above state equation.
IPMSM 상태 공간 방정식인 식 (12), (13)을 이용한 관측기 설계를 통하여 EEMF를 추정하는 알고리즘이 도출될 수 있다. 제1 및 제2 관측기는 각각 식 (16), (17) 같이 나타낼 수 있다.An algorithm for estimating EEMF can be derived from the observer design using equations (12) and (13), which are IPMSM state space equations. The first and second observers can be represented by equations (16) and (17), respectively.
(16) (16)
(17) (17)
도 3의 (a)와 (b)는 과 을 추정하는 제1 및 제2 관측기(41, 42)에 대한 블록도이다. ,는 EEMF 을 추정하는 관측기의 이득으로 ,는 Ackermann’s formula를 통해 구할 수 있다. 도 와 같은 방식으로 추정한다. 관측기의 입력은 식 (14), (15)의 전압과 피드백 받은 전류이고 출력을 통해 EEMF를 추정한다.(A) and (b) of FIG. and Is a block diagram of the first and
이와 같은 EEMF 관측기의 사용은 기존 방식에서 이용되는 리컨스트럭션의 단점인 불확실한 파라미터나 주변 환경에 따른 변화가 있을 시 계산 오차에 대한 보상이 되지 않아 강인하고 정밀한 제어가 되지 않는 점을 보완할 수 있다. 따라서 더 정밀하게 회전자 위치와 속도를 추정할 수 있다. The use of the EEMF observer can compensate for the lack of robust and precise control because it is not compensated for calculation errors when there are uncertain parameters or changes in the surrounding environment, which are disadvantages of the reconstruction used in the conventional method. Therefore, the rotor position and speed can be estimated more accurately.
[위치 및 속도 추정 알고리즘]Position and Velocity Estimation Algorithm
추정 위치 오차는 아래의 식 (18)에 의해 산출될 수 있다.The estimated position error can be calculated by the following equation (18).
(18) (18)
추정 속도 와 추정 회전자 위치 는 추정 위치 오차 가 0이 되도록 PI 보상기인 를 통해 보상된다. 도 6은 본 발명의 시스템에 채용되는 위치 및 속도 추정기에서의 회전자 위치각과 회전자 속도 추정 등가 블록도이다.Estimated speed And estimated rotor position Estimated position error Is the PI compensator so that Rewarded through. 6 is an equivalent block diagram of rotor position angle and rotor speed estimation in a position and speed estimator employed in the system of the present invention.
이때의 과정은 도 6과 같다. 고유 주파수 과 감쇠율 을 도 6의 피드백 시스템에 적용하면, PI 보상기의 이득은 , 이 되며 추정 위치 와 추정 속도 는 같은 전달함수를 가진다.The process at this time is as shown in FIG. Natural frequency And damping rate Is applied to the feedback system of FIG. 6, the gain of the PI compensator , Will be estimated position And estimated speed Has the same transfer function.
[테스트][Test]
MATLAB Simulink를 이용하여 본 발명과 기존의 리컨스트럭션을 이용하는 비교예에 대한 테스트를 구현하였다. 35kW IPMSM 모델을 사용하였으며 제안한 관측기의 샘플링 주기는 0.01[ms]로 하였다. 시뮬레이션에 사용된 IPMSM의 파라미터는 표 1과 같다.MATLAB Simulink was used to implement the test for the present invention and a comparative example using existing reconstruction. The 35kW IPMSM model was used and the sampling period of the proposed observer was set to 0.01 [ms]. The parameters of IPMSM used in the simulation are shown in Table 1.
도 7은 기존 리컨스트럭션을 통한 EEMF 추정 방식으로 설계한 비교예의 IPMSM 센서리스 속도제어 시뮬레이션 결과이다. 도 8은 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 시뮬레이션 결과이다. 속도 지령치를 1800[rpm]으로 하였을 때, 두 가지 방식 모두 속도 제어가 되었으며 0.2[s]내에 지령 속도로 회전하였다. 하지만 도 7-(b)와 도 8-(b)를 통해, 리컨스트럭션 방식보다 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 IPMSM 운전에서 회전자 추정 속도의 오차 및 리플이 적음을 확인할 수 있다. 또한, 도 7-(d)와 도 8-(d)의 비교를 통해 제안한 EEMF 관측기를 사용한 센서리스 속도제어에서 회전자 위치를 더 정밀하게 추정함을 확인할 수 있다. 도 9와 10은 IPMSM 파라미터 10% 변동 시 비교예의 리컨스트럭션 방식과 본 발명의 EEMF 관측기를 사용한 센서리스 운전의 테스트 결과를 나타낸다. IPMSM 파라미터가 10% 변동 시에 리컨스트럭터를 통한 추정 방식(비교예)와 본 발명의 EEMF 관측기를 통한 속도 및 위치 추정 결과를 비교하였다. 파라미터 변동이 있으면 IPMSM 전압 방정식의 재구성을 통한 기존의 EEMF 추정방식은 지령치에 도달하는 속도가 더 느려질 뿐 아니라 리플과 오차가 매우 증가하였다. 하지만 본 발명에 채용된 EEMF 추정 방식은 도 10에서 볼 수 있듯 오차 및 리플이 적어 파라미터 변동 시에도 더 강인하고 정밀함을 확인할 수 있다.7 is an IPMSM sensorless speed control simulation result of a comparative example designed by the EEMF estimation method through the existing reconstruction. 8 is a simulation result using the EEMF observer of the present invention. When the speed command value was set at 1800 [rpm], both methods were speed controlled and rotated at the command speed within 0.2 [s]. However, it can be seen from FIGS. 7- (b) and 8- (b) that the error and ripple of the rotor estimation speed are smaller in the IPMSM operation using the EEMF observer of the present invention than the reconstruction method. In addition, it can be confirmed that the rotor position can be estimated more precisely in the sensorless speed control using the proposed EEMF observer through the comparison between FIGS. 7- (d) and 8- (d). 9 and 10 show test results of the reconstruction method of the comparative example and the sensorless operation using the EEMF observer of the present invention when the IPMSM parameter changes by 10%. When the IPMSM parameter was changed by 10%, the estimation method using the reconstructor (comparative example) and the result of the speed and position estimation using the EEMF observer of the present invention were compared. If there is a parameter variation, the conventional EEMF estimation method by reconstructing the IPMSM voltage equation not only slows down to the setpoint, but also increases ripple and error. However, the EEMF estimation method employed in the present invention can be confirmed that the error and ripple is less robust and accurate even when the parameter changes as shown in FIG.
본 발명은 IPMSM을 효율적으로 제어하고 센서 없이 운전하기 위해 단위 전류당 최대 토크를 낼 수 있는 MTPA 제어 방식을 사용하면서, 상태 공간 방정식을 통한 EEMF 관측기를 설계하여 추정한 EEMF를 통해 회전자 위치를 추정하는 IPMSM 센서리스 제어 알고리즘을 제안한다. IPMSM 센서리스 운전에 있어 기존의 리컨스트럭션을 이용한 EEMF 추정 방식과 본 발명의 EEMF 관측기를 통한 EEMF 추정 방식을 시뮬레이션을 이용해 비교한 결과, 본 발명의 관측기를 이용한 센서리스 운전에서 리플 저감과 함께 회전자의 속도제어 및 위치 추정에서 더 강인하고 정밀함을 확인하였다. 또한, IPMSM 파라미터 10% 변동 시 제안한 센서리스 운전에서는 그 성능이 현저하게 개선되었다.The present invention uses the MTPA control method to efficiently control the IPMSM and to operate the maximum torque per unit current to operate without sensor, while estimating the rotor position through the EEMF estimated by designing the EEMF observer using the state-space equation. We propose an IPMSM sensorless control algorithm. In the IPMSM sensorless operation, the EEMF estimation method using the conventional reconstruction and the EEMF estimation method using the EEMF observer of the present invention are compared by simulation. In the speed control and position estimation of the system, it is confirmed that it is more robust and accurate. In addition, the performance improved significantly in the proposed sensorless operation when the IPMSM parameter changes by 10%.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.In the foregoing detailed description of the present invention, specific embodiments have been described. However, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
10: 속도 제어기, 20: MTPA 블록, 30: 전류 제어기, 40: 확장 유기전력 관측기, 41: 제1 관측기, 42: 제2 관측기, 50: 위치 및 속도 추정기, 60: 제1 벡터 로테이터, 70: 제2 벡터 로테이터, 80: PWM 인버터, M: 전동기10: speed controller, 20: MTPA block, 30: current controller, 40: extended organic power observer, 41: first observer, 42: second observer, 50: position and velocity estimator, 60: first vector rotator, 70: 2nd vector rotator, 80: PWM inverter, M: electric motor
Claims (7)
상기 전동기로 인가되는 전류 및 전압을 이용하여 확장 유기전력을 추정하는 확장 유기전력 관측기;
추정된 확장 유기전력을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 위치 및 속도 추정기;
추정된 속도를 이용하여 기준 토크인 토크 제어 신호를 출력하는 속도 제어기;
상기 토크 제어 신호에 따른 단위전류당 최대 토크를 발생하는 기준 전류인 전류 제어 신호를 출력하는 MTPA 블록; 및
상기 전류 제어 신호에 따른 전압 제어 신호를 발생하는 전류 제어기;를 포함하는 전동기의 센서리스 제어 시스템.
As a sensorless control system for permanent magnet synchronous motors:
An extended organic power observer for estimating extended organic power using a current and a voltage applied to the electric motor;
A position and velocity estimator for estimating the position and velocity of the rotor using the estimated extended induced power;
A speed controller for outputting a torque control signal that is a reference torque using the estimated speed;
An MTPA block for outputting a current control signal which is a reference current for generating a maximum torque per unit current according to the torque control signal; And
And a current controller for generating a voltage control signal according to the current control signal.
상기 확장 유기전력 관측기는 축과 축에 대한 추정 확장 유기전력(, )을 각각 산출하는 제1 관측기와 제2 관측기를 포함하는 것인 전동기의 센서리스 제어 시스템.
The method according to claim 1,
The extended organic power observer Axis Estimated extended induced power for an axis ( , And a first observer and a second observer, each of which calculates.
상기 제1 관측기와 상기 제2 관측기는 각각 다음식,
과
에 따르고,
여기서,
: 고정자 저항,
, : - 축상 고정자 전류,
: d-q상 인덕턴스,
: 확장 유기전력을 추정하는 관측기의 이득을 각각 나타내는 것인 전동기의 센서리스 제어 시스템.
The method according to claim 2,
The first observer and the second observer, respectively,
and
To follow,
here,
Stator resistance,
, : - Axial stator current,
dq phase inductance,
: A sensorless control system for an electric motor, each representing a gain of an observer estimating extended induced power.
상기 위치 및 속도 추정기는 다음식
에 따라 회전자의 추정 위치 오차()를 산출한 후,
추정 위치 오차()가 0이 되도록 보상하여 회전자의 추정 위치()와 추정 속도()를 산출하는 것인 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 시스템.
The method according to claim 2,
The position and velocity estimator is
According to the estimated position error of the rotor ( ), Then
Estimated position error ( ) Is compensated to be zero so that the estimated position of the rotor ( ) And estimated speed ( Sensorless control system of a permanent magnet synchronous motor.
상기 전동기로 인가된 전류 및 전압을 피드백 받아서 축과 축에 대한 추정 확장 유기전력(, )을 각각 구하는 단계;
상기 추정 확장 유기전력(, )을 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 단계;
기준 속도와 추정된 속도를 이용하여 기준 토크인 토크 제어 신호를 발생하는 단계; 및
상기 토크 제어 신호에 따른 단위전류당 최대 토크를 발생하는 기준 전류인 전류 제어 신호를 발생하는 단계;를 포함하는 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 방법.
As a sensorless control method of a permanent magnet synchronous motor:
Receiving feedback of current and voltage applied to the motor Axis Estimated extended induced power for an axis ( , Respectively);
The estimated extended organic power ( , Estimating the position and speed of the rotor using;
Generating a torque control signal that is a reference torque using the reference speed and the estimated speed; And
And generating a current control signal which is a reference current for generating a maximum torque per unit current according to the torque control signal.
상기 추정 확장 유기전력(, )은 각각 다음식
과
에 따르고,
여기서,
: 고정자 저항,
, : - 축상 고정자 전류,
: d-q상 인덕턴스,
: 확장 유기전력을 추정하는 관측기의 이득을 각각 나타내는 것인 전동기의 센서리스 제어 방법.
The method according to claim 5,
The estimated extended organic power ( , ) Are each
and
To follow,
here,
Stator resistance,
, : - Axial stator current,
dq phase inductance,
: The sensorless control method of the motor which shows the gain of the observer which estimates extended induced electric power, respectively.
상기 회전자의 위치 및 속도를 추정하는 단계는 다음식
에 따라 회전자의 추정 위치 오차()를 산출한 후,
추정 위치 오차()가 0이 되도록 보상하여 회전자의 추정 위치()와 추정 속도()를 산출하는 것인 영구자석 동기 전동기의 센서리스 제어 방법.The method according to claim 6,
Estimate the position and speed of the rotor is the following equation
According to the estimated position error of the rotor ( ), Then
Estimated position error ( ) Is compensated to be zero so that the estimated position of the rotor ( ) And estimated speed ( Sensorless control method for a permanent magnet synchronous motor.
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