KR100451367B1

KR100451367B1 - 센서리스 벡터제어 방법

Info

Publication number: KR100451367B1
Application number: KR10-1999-0035627A
Authority: KR
Inventors: 나승호
Original assignee: 엘지산전 주식회사
Priority date: 1999-08-26
Filing date: 1999-08-26
Publication date: 2004-10-06
Also published as: KR20010019293A

Abstract

본 발명은 센서리스 벡터제어 방법에 관한 것으로, 종래의 기술은 벡터제어 장치의 많은 부분을 수학식으로 표현되는 속도 검출부로 대치하여 제어하는데, 상기 수학식에 포함된 미분과 적분에 의하여 동작 가능한 속도 영역이 정해져서 고속과 저속으로 분류되어 사용되므로 전 속도 영역에서 사용이 힘들고, 많은 연산이 필요하기 때문에 이를 구현하기 위해서는 벡터제어 인버터에 고성능의 주 연산기가 요구되어 일반적으로 적용하기 힘든 문제점이 있었다. 따라서 본 발명은 기존의 벡터제어 알고리즘을 그대로 사용하며 종래처럼 일반 벡터제어 장치의 많은 부분을 수학식으로 대치하지 않고, 전동기 속도를 검출하는 기계적인 부분만을 미분과 적분의 사용이 필요 없는 수학식으로 대치함으로써 전 속도영역에서 적용이 가능할 뿐만 아니라 연산량이 적어 일반 주연산기를 사용할 수 있어 산업 현장에 쉽게 적용할 수 있도록 한 것이다.

Description

센서리스 벡터제어 방법 {METHOD FOR SENSORLESS VECTOR CONTROL}

본 발명은 센서리스 벡터제어 방법에 관한 것으로, 특히 기존의 벡터제어 장치를 그대로 사용하며 상기 벡터제어 장치에서 필요한 기계적인 속도검출기 없이 제안된 알고리즘을 이용하여 속도를 연산하여 이를 기존 벡터제어 장치의 전동기 속도로 사용한 센서리스 벡터제어 방법에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 유도전동기 벡터제어 장치의 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 유도전동기(12)의 실제 회전속도(wr)를 검출하는 속도 검출기(13)와, 상기 속도검출기(13)에서 검출한 회전속도(wr)와 외부로 부터 입력되는 속도 지령치(wr^*)를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 제 1비교기(1)와, 상기 제 1비교기(1)에서 출력되는 속도에 의한 오차를 보상하기 위한 토오크 성분(이하, q축이라 칭함) 전류 지령치(iqse^*)를 출력하는 제 1비례적분제어기(2)와, 상기 유도전동기(11)에 흐르는 3상 전류(ias, ibs, ics)를 측정하여 3상에서 2상으로 변환시키면서 q축 전류(iqse)와 자화성분(이하, d축이라 칭함) 전류(idse)로 분리하는 3상/2상 변환기(9)와, 상기 제1 비례적분제어기(2)에서 출력되는 q축 전류지령치(iqse^*)와 유도전동기 실제의 q축 전류(iqse)를 비교하여 q축분 전류를 출력하는 제 2비교기(3)와, 전동기 정격에 의한 자속 전류 기준치(idse^*)와 유도전동기 실제의자속 전류(idse)를 비교하여 d축분 전류를 출력하는 제 3비교기(4)와, 상기 제 2비교기(3)의 q축분 전류를 비례 적분제어하여 q축 전압(vqse)으로 변환 시키는 제 2비례적분 제어기(5)와, 상기 제 3비교기(4)의 자속분 전류를 비례 적분하여 자속 전압(vdse)으로 변환 시키는 제 3비례적분 제어기(6)와, 상기 q축 전압(vqse)과 상기 d축 전압(vdse)을 3상 전압(va, vb, vc)으로 변환시켜 출력하는 2상/3상 변환기(7)와, 상기 2상/3상 변환기(7)의 3상 전압(va, vb, vc)을 유도전동기(12)로 인가하여 3상 전원을 이용하여 회전시키도록 하는 벡터제어 인버터(8)와, 상기 제 1비례적분 제어기(2)에서 출력되는 q축 전류 기준치(iqse^*)와 유도전동기 정격에 의한 상기 자속전류의 기준치(idse^*)를 이용하여 슬립주파수(wslip)를 계산하는 슬립 연산기(10)와, 상기 슬립연산기(10)의 슬립주파수(wslip)와 상기 속도 검출기(13)에서 구한 유도전동기(12)의 실제 회전속도(wr)를 더하여 동기 각속도(we)를 출력하여 상기 3상/2상 변환기(9)와 2상/3상 변환기(7)에 인가 해 주는 가산기(11)로 구성된다.

이와 같이 구성된 일반적인 유도전동기 벡터제어 장치에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

유도전동기(12)가 회전하게 되면 속도 검출기(13)에서 회전속도를 검출하고, 그 검출한 회전속도(wr)를 출력하고, 외부로부터 입력되는 속도지령치(wr^*)가 제 1비교기(1)의 비반전단자(+)로 입력되면, 상기 제 1비교기(1)는 그의 반전단자(-)로 입력되는 속도 검출기(13)로부터의 전동기 속도(wr)를 받아 두 값의 차를 구하여제 1비례적분제어기(2)로 출력하고, 전동기 정격에의한 자속전류 기준치(idse^*)를 제 3비교기(4)의 비반전단자(+)로 출력한다.

상기 유도전동기(12) 회전시 그 유도전동기(12)에서 검출한 3상전류(ias, ibs, ics)를 3상/2상변환기(9)에서 회전좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 자속전류(idse)및 토오크전류(iqse)를 각각 출력한다.

이에 상기 3상/2상변환기(9)에서 출력되는 d축 전류(idse)는 상기 제 3비교기(4)의 반전단자(-)로 출력하고, 상기 제 3비교기(4)는 전동기 정격에의한 자속전류 기준치(idse^*)와 3상/2상 변환기(9)에서 출력되는 실제의 d축 전류(idse)와의 오차인 d축분 전류를 구하여 제 3비례적분제어기(6)로 출력한다.

제 2비교기(3)는 상기 제 1비례적분제어기(2)에서 출력되는 q축 전류 지령치(iqse^*)를 비반전단자(+)로 입력받고 3상/2상 변환기(9)에서 출력되는 q축 전류(iqse)를 반전단자(-)로 입력받아 두 값의 오차인 q축분 전류를 구하고, 그 구한 q축분 전류를 상기 2상/3상 변환기(7)로 출력한다.

상기 제 2비례적분제어기(5)와 제 3비례적분제어기(6)에서 출력되는 d축 전압(vdse)과 q축 전압(vqse)을 입력받은 2상/3상 변환기(7)는 좌표변환을 통하여 3상전압(Va, Vb, Vc)으로 변환시켜 벡터제어 인버터(8)로 제공하여 상기 벡터제어 인버터(8)는 3상전압(Va, Vb, Vc)을 유도전동기(12)로 인가한다.

따라서 유도전동기(12)는 회전하고, 이때 3상/2상 변환기(9)는 상기 유도전동기(12)에서 3상전류(ias, ibs, ics)를 검출한 후 회전좌표계로 d축과, q축으로변환한 d축 전류(idse)와 q축 전류(iqse)를 생성하고, 이렇게 생성된 전류중 상기 d축 전류(isde)는 제 3비교기(4)로 출력하고 q축 전류(iqs)는 제 2비교기(5)로 출력한다.

슬립연산기(10)는 제 1비례적분제어기(2)에서 출력되는 q축 전류 지령치(iqse^*)와 유도전동기 상수 값들을 이용하여 슬립주파수(wslip)를 계산하여 가산기(11)의 일측단자로 출력하면, 상기 가산기(11)는 속도검출기(13)에서 출력되는 속도(wr)와 슬립연산기(10)에서 출력되는 슬립주파수(wslip)를 더하여 전동기 동기각속도(we)를 만들어 2상/3상 변환기(7)와 3상/2상 변환기(9)로 출력한다.

따라서 상기 2상/3상 변환기(7)와 3상/2상 변환기(9)는 가산기(11)로 부터 입력되는 전동기 동기각속도(we)에 따라 좌표변환을 제어하고, 이후의 동작은 앞에서 언급한 바와 같다.

상기와 같은 유도전동기의 벡터제어 장치는 전동기의 속도가 필요하므로 전동기의 속도를 검출하기 위한 기계적인 장치인 속도 검출기(13)가 전동기 축에 직결되어 사용되어야 하므로 가격이 높아지고, 부피가 커지며, 파워단에 설치되므로 설계시 잡음을 고려해야하는 문제점을 해결 하고자 기계적인 속도검출기(13) 없는 센서리스 알고리즘이 사용되었다.

도 2는 도 1의 점선부분을 대치한 종래의 속도검출부의 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 정지좌표계 고정자전류(idss,iqss)를 입력으로 받아 고정자 누설인덕턴스(δLs)를 곱하는 곱셈기(21)와, 상기 정지좌표계 고정자전류(idss,iqss)를입력으로 받아 고정자 저항(rs)값을 곱하는 곱셈기(22)와, 상기 곱셈기(22)의 출력과 외부에서 인가되는 정지좌표계 고정자전압(vdss,vqss)의 차이를 구하는 비교기(23)와, 상기 비교기(23)의 출력을 적분하는 적분기(24)와, 상기 적분기(24)의 출력과 상기 곱셈기(21)의 출력의 차이를 구하는 비교기(25)와, 상기 비교기(25)의 출력에 회전자 인덕턴스와 여자 인덕턴스의 비를 곱해서 회전자 자속(λdrs,λqrs)을 구하는 곱셈기(26)와, 상기 곱셈기(26)의 출력인 회전자 자속(λdrs,λqrs)을 입력으로 하여 상기 회전자 자속(λdrs,λqrs)의 d축자속(λdrs)과 q축자속(λqrs)의 아크 탄젠트 값을 구하여 회전자의 자속위치(θe)를 구하는 연산기(27)와, 상기 연산기(27)의 결과값인 회전자의 자속위치(θe)를 시간으로 미분하여 동기 각속도(we)를 구하는 미분기(29)와, 벡터제어가 이루어지기 위한 전동기 슬립을 구하기 위해서 입력으로 회전좌표계의 고정자전류(idse,iqse)를 인가 받아 회전자 저항(rr)과 회전자 인덕턴스(Lr)와의 비를 곱하여 슬립주파수(wslip)을 구하는 곱셈기(28)와, 상기 곱셈기(28)의 출력인 슬립주파수(wslip)와 상기 미분기(29)의 출력인 전동기 동기각속도(we)의 차이로 유도전동기의 속도(wr)를 구하는 비교기(30)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래의 기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

상기 구성한 바와 같이 종래의 센서리스 벡터제어 알고리즘을 살펴보면, 도 1에서 슬립연산기(10), 가산기(11), 속도 검출기(13)부분을 포괄하여 속도 검출부(20) 역할을 하고 있으며, 상기 속도 검출부(20)의 입력은 도 1에서 도시한바와 같이 q축 전류 기준치(iqse^*), d축 전류 기준치(idse^*)가 되고 출력은 전동기 동기각속도(we)가 되며, 속도를 검출하도록 구성 하였으므로 전동기 속도(wr)를 알아 낼 수 있다.

도 2에서 구성한 바에 따라 알고리즘을 설명하면, 동기각속도(we)를 구하기 위해서는 전동기 회전자 자속(λdrs,λqrs)을 알아야 하며 상기 회전자 자속(λdrs,λqrs)을 구하기 위해서 회전자 자속의 전압 방정식을 세우면 하기 수학식 1과 같다.

λdrs = Lr*idrs + Lm*idss

λqrs = Lr*iqrs + Lm*iqss

상기 회전자 자속식(수학식 1)에서는 회전자 전류(idrs,iqrs)를 도 1의 다이어그램에서 얻기 힘드므로 얻기쉬운 고정자 전류(idss,iqss)로 식을 바꾸어 나가야 하며, 여기서 고정자 자속(λdss,λqss)은 하기 수학식 2와 같이 주어진다.

(Vdss - rs*idss)

λqss =(Vqss - rs*iqss)

단, rs는 고정자 저항값이다.

상기 수학식 2에서 나타낸 바와 같이 고정자 전압(vdss,vqss)과 고정자 전류(idss,iqss)로 이루어진 식이므로 상기 고정자 전압(vdss,vqss)과 고정자전류(idss,iqss)를 입력으로 받으면 구할 수 있는 값이 된다.

또한 상기 고정자 자속(λdss,λqss)을 회전자 전류(idrs,iqrs)를 포함하는 식으로 나타내면 하기 수학식 3으로 나타낼 수 있다.

λdss = Ls*idss + Lm*idrs

λqss = Ls*iqss + Lm*iqrs

상기 수학식 3과 수학식 1을 비교해 보면, 상기 수학식 3을 이용하여 상기 회전자 자속의 식(수학식 1)에서의 회전자 전류(idrs,iqrs)를 없애고 고정자 전류(idss,iqss)의 식으로 쓸 수 있다.

또한 구성을 간단히 하기위하여 고정자 누설 인덕턴스(δLs)를 쓸 수 있으며 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

δLs = Ls-Lm2/Lr

상기 수학식 1~수학식 4를 조합하여 알 수 있는 값들로 구성된 회전자 자속(λdrs,λqrs)을 구하는 식은 하기 수학식 5와 같다.

λdrs = Lr/Lm*(λdss - δLs*idss)

λqrs = Lr/Lm*(λqss - δLs*iqss)

상기 수학식 5를 참조하여 상기 도 2의 구성을 설명하면, 먼저 고정자전류(idss,iqss)를 입력으로 인가 받아서 고정자 누설 인덕턴스(δLs)를 곱셈기(21)를 통해서 곱하여 상기 결과를 비교기(25)의 반전단자(-)에 인가한다.

상기 수학식 2를 이용하여 고정자 전류(idss,iqss)를 고정자 저항(rs)과 곱해주는 곱셈기(22)에 인가하고, 그 결과를 비교기(13)의 반전단자(-)로 인가하고 고정자 전압(vdss,vqss)을 외부로 부터 받아 비반전단자(+)에 인가하여 그 결과를 적분기(24)에 인가하면, 상기 적분기(24)의 출력은 고정자 자속(λdss,λqss)이 되어 상기 비교기(25)의 비반전단자(+)에 입력된다.

상기 비교기(25)는 상기 곱셈기(21)의 출력과 적분기(24)의 출력을 비교하여 회전자 인덕턴스(Lr)와 여자 인덕턴스(Lm)의 비(Lr/Lm)를 곱하는 곱셈기(26)의 입력으로 인가되고, 상기 곱셈기(26)를 통해 회전자 자속(λdrs,λqrs)이 구해진다.

상기에서 구해진 회전자 자속(λdrs,λqrs)으로 동기각속도(we)를 구하고, 회전자 전류(idse,iqse)를 이용하여 슬립연산을 행하여 슬립주파수(wslip)를 만들면 전동기 속도(wr)를 구할 수 있게 되므로 이에 대한 식을 전개해 보면, 상기 회전자 자속(λdrs,λqrs)을 d축과 q축으로 나누어 아크탄젠트 연산을 하여 찾은 회전자 자속각(θe)을 시간으로 미분하면 동기각속도(we)를 구할 수 있고, 도 1에서 도시한 바와 같이 동기각속도(we)는 전동기 속도(wr)와 슬립주파수(wslip)의 합이므로 다음 수학식 6과 같은 결과를 얻을 수 있다.

θe = atan(λdrs / λqrs)

we = dθe/dt

wslip = (rr/Lr)*(iqse/idse)

wr = we - wslip

종래의 센서리스 벡터제어 방법은 상기 수학식 6을 사용하여 전동기 속도를 추정 할 수 있어 상기 도 1의 구성에서 설명한 바와 같이 일반적인 벡터제어 방법으로 제어 할 수 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술은 어떠한 속도 영역에서 동작이 원활하게 이루어지는 가에 따라 고속과 저속으로 분류되어 속도 전 영역에서 사용이 힘들고, 많은 연산이 필요하기 때문에 이를 구현하기 위해서는 벡터제어 인버터에 고성능의 주 연산기가 요구되므로 일반적으로 적용하기 힘든 문제점이 있었다.

따라서 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 일반 벡터제어 장치를 그대로 사용하여 상기 벡터제어에 필요한 속도를 기계적인 속도 검출장치 없이 제안된 알고리즘을 통하여 구하도록 하여 전 속도 영역에서 센서리스 벡터제어가 가능하며, 연산량이 줄어들어 일반 주 연산기로도 쉽게 실현이 가능하도록 한 센서리스 벡터제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 유도전동기 벡터제어 장치의 블록도.

도 2는 종래의 속도검출부의 블록도.

도 3은 본 발명 속도검출부의 블록도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

100, 400 : 곱셈기 200 : 연산기

300 : 비교기

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 소정의 초기값을 가지는 전동기 동기각속도(we)와 고정자 누설인덕턴스(δLs)와의 곱을 구하여 유도전동기 d축 저항성분의 음의 값을 구하는 제 1단계와; 상기 유도전동기 고정자 q축 전압(Vqs)과 고정자 전류(ids,iqs)를 외부 입력으로 받아 상기 유도전동기 q축 저항성분을 구하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 구한 q축 저항성분과 상기 제 1단계에서 구한 d축 저항성분의 합을 구하여 회전자 인덕턴스(Lr)와 여자 인덕턴스(Lm)의 제곱의 비(Lr/Lm²)를 곱하여 전동기 속도(wre)를 산출하는 제 3단계와; 상기 제 3단계에서 구한 전동기 속도(wre)와 전동기 슬립주파수(wslip)의 합으로 다음번 전동기 속도(wre)를 구하기 위한 전동기 동기각속도(we)를 구하는 제 4단계와; 상기 제 4단계에서 구한 전동기 동기각속도(we)를 이용하여 2상/3상 변환기 및 3상/2상 변환기를 제어함으로써 벡터제어 인버터를 구동하여 유도전동기를 회전시키는 제 5단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 구성으로 도 1의 속도 검출기(13)를 대체하는 속도 검출부의 블록도로서, 도시한 바와 같이 전동기 동기각 속도(we)를 인가받아 고정자 누설인덕턴스(δLs)를 곱하여 d축 저항성분을 구하는 곱셈기(100)와; 고정자 q축 전압(Vqs), q축 전류(Iqs), d축 전류(Ids)를 입력으로 받아 소정의 연산을 행하여 q축 저항성분을 구하는 연산부(200)와; 상기 연산부(200)의 q축 저항성분과 상기 곱셈기(100)의 d축 저항성분을 비교하는 비교기(300)와; 상기 비교기(300)의 출력값에 유도전동기의 고정자 인덕턴스(Lr)와 여자 인덕턴스(Lm)의 제곱과의 비를 곱하여 상기 유도전동기의 속도(wre)를 구하는 곱셈기(400)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 속도검출기(13)의 구성을 보면 입력은 기계적인 유도전동기의 회전이며 출력은 전동기 속도(wr)가 되므로 본 발명에서는 쉽게 얻을 수 있는 입력으로 전동기 속도(wre)를 산출할 수 있어야한다.

유도전동기의 회전에서 소모되는 전력(Pout)은 전체 입력전력(Pin)에서 전동기 손실전력(Ploss)을 뺀 값이 되며 유도전동기의 회전에서 소모되는 기계적인 출력(Pout)은 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

Pin - Ploss = Pout = Te*wre*(2/Pole)

단, Te는 전동기 발생 토오크, Pole은 전동기 극수, wre는 전동기 회전속도이다.

상기 수학식 7에서 전동기 속도(wre)를 구하기 위해서 전동기 발생 토오크(Te)를 주어진 바와 같이 풀어서 써보면 하기 수학식 8과 같다.

Te = (3/2)*(Pole/2)*(Lm2/Lr)*Iqs*Ids

즉, 상기 수학식 8은 외부에서 쉽게 얻을 수 있는 형태로 되어 있으므로 상기 수학식 7의 좌변에 있는 입력전력(Pin)과 손실전력(Ploss)에 대하여 알아보면 유도전동기 입력방정식은 하기 수학식 9와 같이 주어진다.

Pin = 3*(Vds*Ids + Vqs*Iqs)/2

또한, 철손을 무시한 전동기 손실전력(Ploss)는 하기 수학식 10과 같다.

Ploss = 3*(Rs*(Ids2 + Iqs2)+Rr*Iqs2)/2

단, Rs는 고정자 저항이고, Rr은 회전자 저항이다.

따라서 상기 수학식 7을 상기 수학식 8~수학식 10을 대입하여 정리하면 하기 수학식 11이 된다.

(3/2)*(Vds*Ids+Vqs*Iqs-Rs*Ids2-Rs*Iqs2-Rr*Iqs2)

= (2/Pole)*wre*(3/2)*(Pole/2)*(Lm²/Lr)*Iqs*Ids

상기 수학식 11을 원하는 전동기 속도(wre)에 대해 정리하면 아래의 수학식 12가 된다.

wre*(Lm2/Lr) = (Vqs-(Rs+Rr)*Iqs)/Ids + (Vds-Rs*Ids)/Iqs

상기 수학식 12를 생각해 보면 전동기 속도(wre)와, 여자 인덕턴스(Lm)의 제곱과 회전자 인덕턴스(Lr)의 비(Lm²/Lr)의 곱은 상기 수학식 12의 우변에의해 각기 첫번째 항은 전동기 q축의 저항성분, 두번째 항은 d축의 저항성분이므로 상기 두 항의 합은 전동기 q축 저항성분과 d축 저항성분의 합으로 나타나며, 상기 수학식 12의 전동기 d축 저항성분은 달리 전동기 동기각속도(we)와 상기 수학식 4에서 나타낸 고정자 누설인덕턴스(δLs)의 곱으로 하기 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.

(Vds-Rs*Ids)/Iqs = -δLs*we

따라서 상기 도3의 구성에서 도시한 바와 같이 외부입력으로 필요한 값은 상기 수학식 12와 수학식 13에서 살펴보면 전동기 동기각속도(we), 고정자 q축 전압(Vqs), 고정자 전류(ids,iqs)이며, 전동기 동기각속도(we)를 고정자 누설인덕턴스(δLs)를 곱해주는 곱셈기(100)에 인가하여 전동기 d축 저항성분을 만들며 이는 상기 수학식 13에의한 구성이 되고, 상기 곱셈기(100)에 의한 d축 저항성분은 음의 값을 가지므로 비교기(300)의 반전단자(-)에 인가된다.

상기 수학식 12의 우변 첫번째항에 의해 전동기 q축 저항성분을 구하기 위하여 고정자 q축전압(Vqs)과 고정자 전류(ids,iqs)를 외부 입력으로 인가 하여 상기 수학식 12의 우변 첫번째항의 수식에 해당하는 연산기(200)에서 연산하면 전동기 q축 저항성분을 출력하게 되어 상기 비교기(300)의 비반전 단자(+)에 인가되고, 상기 비교기(300)는 상기 q축 저항성분과 상기 곱셈기(100)에 의한 d축 저항성분의 합을 구하게 된다.

본 발명에서 추구하는 목적은 전동기 속도(wre)를 구하는 것 이므로 상기 수학식 12에 수학식 13을 대입하고, 전동기 속도(wre)에 대하여 정리한 최종식으로 하기 수학식 14가 구해진다.

wre = {(Vqs-(Rs+Rr)*Iqs)/Ids - δ*Ls*we}*(Lr/Lm2)

따라서 상기 비교기(300)에서 구한 전동기의 d축 저항성분과 q축 저항성분의 합은 회전자 인덕턴스(Lr)와 여자 인덕턴스(Lm)의 제곱의 비(Lr/Lm²)를 곱해주는 곱셈기(400)에 인가되어 그 출력으로 전동기 속도(wre)를 구할 수 있다.

상기 수학식 14를 보면 전동기 속도(wre)를 구하기 위해서 전동기 동기각 속도(we)를 이용하였는데, 전동기 동기각속도(we)를 구하기 위해서는 도 1에 도시한 바와 같이 유도전동기의 슬립주파수(wslip)와 전동기 속도(wre)가 필요하므로 모순된것 처럼 보이게 되지만, 실제 센서리스 벡터제어 시스템은 주기적으로 전동기의 속도를 구하는 디지털 시스템으로 구성되어 있으므로 상기 전동기 동기각속도(we)의 초기치를 0으로 하여 전동기 속도(wre)를 구하고, 상기 구한 속도(wre)와 슬립주파수(wslip)를 더해서 다음번 속도(wre)를 구하기 위한 전동기 동기각속도(we)로 이용한다.

즉, 초기 값을 0으로 하는 전동기 동기각속도(we)를 이용하여 n번째 전동기 속도(wre)를 구할 때 n-1번째 전동기 동기각속도(we)를 이용한다.

상기 수학식 14를 이용하여 도 3에서 도시한 바와 같이 구성하면 기계적인 속도 검출기를 쓰지 않고도 일반 벡터제어에 필요한 전동기 속도(wre)를 알 수 있다.

상기에서 구해진 전동기 속도(wre)를 이용한 센서리스 벡터제어 방법에 대하여 도 1을 참고하여 설명하면, 유도전동기(12)가 회전하게되면 상기 수학식 14를 이용하여 전동기 동기각속도(we)의 초기값을 0으로 두고 계산하여 상기유도전동기(12)의 회전속도(wre)를 추정하고, 외부로부터 입력되는 속도지령치(wr^*)가 제 1비교기(1)의 비반전단자(+)로 입력되면, 상기 제 1비교기(1)는 그의 반전단자(-)로 입력되는 상기 전동기 속도(wre)를 받아 두 값의 차를 구하여 제 1비례적분제어기(2)로 출력하고, 전동기 정격에의한 자속전류 기준치(idse^*)를 제 3비교기(4)의 비반전단자(+)로 출력한다.

이에 상기 3상/2상변환기(9)에서 출력되는 자속전류(idse)는 상기 제 3비교기(4)의 반전단자(-)로 출력하고, 상기 제 3비교기(4)는 전동기 정격에의한 자속전류 기준치(idse^*)와 3상/2상 변환기(9)에서 출력되는 실제의 d축 전류(idse)와의 오차인 d축분 전류를 구하여 제 3비례적분제어기(6)로 출력한다.

따라서 유도전동기(12)는 회전하고, 이때 3상/2상 변환기(9)는 상기 유도전동기(12)에서 3상전류(ias, ibs, ics)를 검출한 후 회전좌표계의 d축과, q축으로 변환한 d축 전류(idse)와 q축 전류(iqse)를 생성하고, 이렇게 생성된 전류중 상기 d축 전류(isde)는 제 3비교기(4)로 출력하고 q축 전류(iqs)는 제 2비교기(5)로 출력한다.

슬립연산기(10)는 제 1비례적분제어기(2)에서 출력되는 q축 전류 지령치 (iqse^*)와 유도전동기 상수 값들을 이용하여 슬립주파수(wslip)를 계산하여 가산기(11)의 일측단자로 출력하면, 상기 가산기(11)는 수학식 14를 통해 구한 전동기 속도(wre)와 슬립연산기(10)에서 출력되는 슬립주파수(wslip)를 더하여 전동기 동기각속도(we)를 만들고, 상기 동기각속도(we)는 다음번 전동기 속도(wre)를 연산하는데 쓰이게 되며, 2상/3상 변환기(7)와 3상/2상 변환기(9)로 출력된다.

따라서 상기 2상/3상 변환기(7)와 3상/2상 변환기(9)는 가산기(11)로 부터 입력되는 전동기 동기각속도(we)에 따라 좌표변환을 제어하고, 이후의 동작은 상기 설명한 바를 반복적으로 행하여 센서리스 벡터제어를 행한다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 종래 센서리스 벡터제어 방법은 미분기와 적분기를 포함하고 있으므로 전 속도영역에서 적용이 힘들고, 연산량이 많아 고성능 주연산기를 필요로하는 문제점을 개선하기 위하여 본 발명은 기존의 벡터제어 장치를 그대로 사용하면서 종래처럼 일반 벡터제어 장치의 많은 부분을 수학식으로 대치하지 않고, 전동기 속도를 검출하는 기계적인 부분만을 수학식으로 대치하여 구성한다.

따라서 미분기와 적분기의 사용이 필요 없으므로 전 속도영역에서 적용이 가능하고, 연산량이 적어 일반 주연산기를 사용할 수 있도록 함으로써 산업 현장에 쉽게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

소정의 초기값을 가지는 전동기 동기각속도(we)와 고정자 누설인덕턴스(δLs)와의 곱을 구하여 유도전동기 d축 저항성분의 음의 값을 구하는 제 1단계와; 상기 유도전동기 고정자 q축 전압(Vqs)과 고정자 전류(ids,iqs)를 외부 입력으로 받아 상기 유도전동기 q축 저항성분을 구하는 제 2단계와; 상기 제 2단계에서 구한 q축 저항성분과 상기 제 1단계에서 구한 d축 저항성분의 합을 구하여 회전자 인덕턴스(Lr)와 여자 인덕턴스(Lm)의 제곱의 비(Lr/Lm²)를 곱하여 전동기 속도(wre)를 산출하는 제 3단계와; 상기 제 3단계에서 구한 전동기 속도(wre)와 전동기 슬립주파수(wslip)의 합으로 다음번 전동기 속도(wre)를 구하기 위한 전동기 동기각속도(we)를 구하는 제 4단계와; 상기 제 4단계에서 구한 전동기 동기각속도(we)를 이용하여 2상/3상 변환기 및 3상/2상 변환기를 제어함으로써 벡터제어 인버터를 구동하여 유도전동기를 회전시키는 제 5단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 센서리스 벡터제어방법.