KR101087581B1 - 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법 - Google Patents

영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101087581B1
KR101087581B1 KR1020080127367A KR20080127367A KR101087581B1 KR 101087581 B1 KR101087581 B1 KR 101087581B1 KR 1020080127367 A KR1020080127367 A KR 1020080127367A KR 20080127367 A KR20080127367 A KR 20080127367A KR 101087581 B1 KR101087581 B1 KR 101087581B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
observer
current
permanent magnet
synchronous motor
magnet synchronous
Prior art date
Application number
KR1020080127367A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100068866A (ko
Inventor
김종무
이기창
강대욱
Original Assignee
한국전기연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전기연구원 filed Critical 한국전기연구원
Priority to KR1020080127367A priority Critical patent/KR101087581B1/ko
Publication of KR20100068866A publication Critical patent/KR20100068866A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101087581B1 publication Critical patent/KR101087581B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/24—Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/26—Rotor flux based control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H02K21/10—Rotating armatures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2207/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the type of motor
    • H02P2207/05—Synchronous machines, e.g. with permanent magnets or DC excitation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

본 발명은 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법에 관한 것으로서, 특히 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 적용한 센서리스 알고리즘을 이용하여 영구자석형 동기 전동기의 회전자 전기각 및 전기각속도를 결정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 영구자석형 동기 전동기의 회전자 위치 및 속도를 결정하기 위해 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 통해 전류를 추정하여 구한 뒤 이 추정 전류를 실제 전류와 비교하여 오차를 구하고, 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 관측기를 통해 구해진 역기전력 성분을 이용해 회전자 각도 및 전기각속도를 결정하도록 함으로써, 별도의 측정 센서 없이도 회전자 위치 및 속도를 실시간으로 정확히 연산할 수 있는 센서리스 알고리즘이 제공된다.
영구자석 동기 전동기, PMSM, 센서리스, 반복 적응, 슬라이딩 모드 관측기, 전기각, 전기각속도

Description

영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법{Sensorless control method of permanent magnet synchronous motor}
본 발명은 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 적용한 센서리스 알고리즘을 이용하여 영구자석형 동기 전동기의 회전자 전기각 및 전기각속도를 결정하는 방법에 관한 것이다.
최근 산업계에서는 수만 rpm 이상의 운전범위를 가지는 고속전동기를 적용한 다양한 응용제품들이 개발 또는 상용품화되고 있다. 대표적인 예로 영구자석형 동기 전동기를 적용한 마이크로 터빈발전기, 터보블로워, 연료전지용 공기압축기, 고속가공기용 전동기 등이 있다.
고속전동기의 구동용으로 많이 적용되고 있는 영구자석형 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)에서는 정확한 토크 제어를 위해서 회전자의 위치를 정확히 알아야만 한다.
이를 위해 회전자에 엔코더 또는 리졸버(resolver)를 부착하여 실시간으로 회전각 및 속도를 측정한 뒤 벡터 제어 알고리즘에 반영하여 토크 및 속도 제어를 수행하고 있다.
그러나, 회전자의 회전각 측정을 위해 센서를 부착하는 경우에는 사용환경에 따라 센서의 설치가 어렵거나 오동작의 원인이 되는 문제가 있다.
특히, 수만 rpm의 고속전동기의 경우에 적절한 센서가 없거나 고가의 센서를 부착하여야 하는 단점이 있어 고속전동기를 적용한 시스템의 구현에 많은 어려움이 있는 것이 사실이다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 속도 및 위치를 측정하는 센서 없이 회전자의 위치 및 속도를 실시간으로 연산이 가능한 다양한 센서리스 알고리즘이 제안되었으며, 이에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.
영구자석형 동기 전동기(PMSM)의 회전각 추정을 위한 센서리스 알고리즘에 대해서 동기 전동기의 회로 방정식을 이용하여 역기전력을 추정하여 회전자의 위치를 구하는 연구가 진행되고 있다.
또한 상태 추정기를 이용한 알고리즘, 칼만 필터를 이용한 알고리즘 등이 제안되었으나, 지금까지 제안된 방법으로는 정확한 전동기의 파라미터를 구하기가 어렵고, 실제 구동시 운전 조건에 따라 파라미터의 변동으로 정확한 회전자의 위치 추정이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 발명한 것으로서, 별도의 측정 센서 없이 회전자 위치 및 속도를 실시간으로 정확히 연산할 수 있는 센서리스 알고리즘을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은,
영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어를 위하여 회전자의 전기각 및 전기각속도를 결정하기 위한 과정으로서,
a) 인버터로부터의 입력 전압 vs가 인가되어 실제 고정자 전류 is가 구해지는 단계와; b) 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기에 설정된 상태 방정식을 토대로 추정 전류값
Figure 112008086146265-pat00001
를 산출하여 구하는 단계와; c) 추정 전류값
Figure 112008086146265-pat00002
를 실제 전류값 is와 비교하여 오차를 구하고, 하기 식(E1)에 의해 관측기의 제어 입력인 zs를 구하는 단계와; d) 상기 b) ~ c) 단계를 반복하여 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 상기 관측기를 통해 구해진 최종의 zs를 이용해 회전자 각도
Figure 112008086146265-pat00003
를 결정하고, 구해진 회전자 각도를 미분하여 회전자의 전기각속도
Figure 112008086146265-pat00004
를 결정하는 단계;를 포함하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법을 제 공한다.
식(E1) :
Figure 112008086146265-pat00005
여기서,
Figure 112008086146265-pat00006
는 하기 식(E2)로 정의되고, K는 상기 관측기의 피드백 게인 값임. 하기 식(E2)에서 Elim은 오차 설정치임.
식(E2) :
Figure 112008086146265-pat00007
이때, 상기 영구자석형 동기 전동기의 전류에 대한 상태 방정식이 하기 식(E3)일 때 상기 관측기의 전류 추정을 위한 상태 방정식은 하기 식(E4)로 정의되는 것을 특징으로 한다.
식(E3) :
Figure 112008086146265-pat00008
여기서,
Figure 112008086146265-pat00009
이고,
es는 역기전력, Ke는 역기전력 상수, ωr은 회전자의 전기각속도임.
식(E4) :
Figure 112008086146265-pat00010
또한 상기 d) 단계에서,
상기 회전자 각도는 관측기를 통해 구해지는 zs의 전압 정보를 이용해 하기 식(E5)에서 두 역기전력 성분의 아크탄젠트를 구하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
식(E5) :
Figure 112008086146265-pat00011
여기서,
Figure 112008086146265-pat00012
는
Figure 112008086146265-pat00013
, 즉 저역통과필터(Low Pass Filter)를 통과하여 노이즈를 저감시키면서 발생하는 위상지연의 보상값임.
또한 상기 피드백 게인 K는
Figure 112008086146265-pat00014
로 설정되어 zs로부터 추정된 회전자 전기각속도
Figure 112008086146265-pat00015
의 절대값에 비례하는 값을 가지며, 상기 식의 k, k0는 양의 값으로 설정되는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 영구자석형 동기 전동기의 회전자 위치 및 속도를 결정하기 위한 과정에서 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 통해 전류를 추정하여 구한 뒤 이 추정 전류를 실제 전류와 비교하여 오차를 구하고, 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 관측기를 통해 구해진 zs를 이용해 회전자 각도 및 전기각속도를 결정하도록 함으로써, 별도의 측정 센서 없이 회전자 위치 및 속도를 실시간으로 정확히 연산할 수 있는 센서리스 알고리즘의 구현이 가능해진다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 영구자석형 동기 전동기(PMSM)의 센서리스 제어를 위해 슬라이딩 모드 관측기를 적용한 센서리스 알고리즘이 제시되고, 초기 기동 및 정격속도 에서의 운전상태를 비교 검토한다.
상기 슬라이딩 모드 관측기는 파라미터 변동이나 외란에 강한 특성을 가지지만 채터링에 의한 회전각 추정시 오차를 유발하여 적용에 어려운 점이 있다. 이를 위해서 경계층을 설정하고 경계층 내에서는 선형함수를 두어 리플을 저감시켰다.
또한 역기전력의 추종 속도를 개선하기 위해서 슬라이딩 모드 관측기를 반복 실행하여 PWM 주기동안 추정한 역기전력의 오차를 최소화하고, 이로써 다음 주기 연산에 오차가 누적되면서 채터링을 일으키는 문제점을 개선하여 측정 오차를 최소화한다.
지금까지 수만 rpm 이상의 고속 영구자석형 동기 전동기를 구동하기 위해서는 저가의 홀센서를 이용하여 속도를 구하고 회전자의 위치 정보를 구하거나, 수천 rpm 까지 v/f 운전을 하여 기동을 한 후 속도 및 위치 센서리스 운전을 구현하였다.
그러나, 이 경우에는 초기 기동시에 큰 전류가 인가될 수 있고, 기동시 회전자 및 부하 상황에 따라 기동 실패의 우려가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 초기 기동에서부터 정격속도까지 전 영역을 속도 및 위치 센서가 없이 실행되는 운전 센서리스 알고리즘에 대하여 기술한다.
본 발명에서는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어를 위하여 회전자의 전기각(
Figure 112008086146265-pat00016
) 및 전기각속도(
Figure 112008086146265-pat00017
)를 결정하기 위한 과정으로서, a) 인버터로부터의 입력 전압 vs가 인가되어 실제 고정자 전류 is가 구해지는 단계와; b) 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기에 설정된 상태 방정식을 토대로 추정 전류값
Figure 112008086146265-pat00018
를 산출하여 구하는 단계와; c) 추정 전류값
Figure 112008086146265-pat00019
를 실제 전류값 is와 비교하여 오차를 구하고, 하기 수학식 7에 의해 관측기의 제어 입력인 zs를 구하는 단계와; d) 상기 b) ~ c) 단계를 반복하여 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 상기 관측기를 통해 구해진 최종의 zs를 이용해 회전자 각도를 결정하고, 구해진 회전자 각도를 미분하여 회전자의 전기각속도를 결정하는 단계;가 진행된다.
이하, 상기한 본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 좀더 구체적으로 설명하면, 도 1은 영구자석형 동기 전동기의 좌표계를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 나타낸 블록도이며, 도 3은 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 포함하는 전동기 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
우선, 영구자석형 동기 전동기의 2상 동기 좌표계에서 전압 방정식은 다음과 같다. 하기 수학식 1과 수학식 2는 고정자 기준 동기 좌표계의 전압 방정식이다.
Figure 112008086146265-pat00020
상기 수학식 1은 d축의 전압 방정식이며, vds는 d축 전압을, Rs=Ra는 고정자 권선저항을, ids는 d축 전류를 각각 나타내며,
Figure 112008086146265-pat00021
는 고정자 자기 인덕턴스를, ωr은 회전자의 각속도(전기각속도)를, iqs는 q축 전류를 각각 나타낸다.
Figure 112008086146265-pat00022
상기 수학식 2는 q축의 전압 방정식이며, vds, vqs는 동기 좌표계의 전압으로서, vqs는 q축 전압을 나타내며, ids, iqs는 동기 좌표계의 전류로서, iqs는 q축 전류를 나타낸다.
Figure 112008086146265-pat00023
는 역기전력 상수를 나타낸다. 수학식 2에서 ωrKe는 역기전력이 된다.
또한 고속 영구자석형 동기 전동기(12)의 회전자 위치를 추정하기 위해 정지 좌표계의 전압 및 전류를 이용하여 역기전력 및 자속을 추정하므로, 이를 위한 동기 전동기의 2상 정지 좌표계에서 전압 방정식은 다음과 같다.
Figure 112008086146265-pat00024
Figure 112008086146265-pat00025
상기 수학식 3과 수학식 4는 고정자 기준 정지 좌표계의 전압 방정식으로서, vαs, vβs는 정지 좌표계의 전압이며, vαs는 정지 좌표계의 α축 전압을, vβs는 정지 좌표계의 β축 전압을 나타낸다. iαs, iβs는 정지 좌표계의 전류로서, iαs는 정지 좌표계의 α축 전류를, iβs는 정지 좌표계의 β축 전류(고정자 β축 전류)를 나타낸다. θr은 회전자의 전기각을 각각 나타낸다.
상기 수학식 3과 수학식 4를 전류에 대한 상태 방정식으로 전개를 하면 아래 수학식 5와 같다.
Figure 112008086146265-pat00026
여기서,
Figure 112008086146265-pat00027
이고, A11, A22 = -Rs/Ls < 0, B11, B22 = 1/Ls > 0이며, 수학식 5에서 전류 is 는 전류 센서를 통해 센싱하여 구해지는 실제 전류값이다.
한편, 영구자석형 동기 전동기(12)의 회전자 위치 및 속도를 제어하기 위해서 많은 연구들이 진행되어 다양한 알고리즘이 제시되었으나, 고속전동기처럼 운전범위가 넓고 전동기의 상수가 작은 경우는 실제 적용에 어려운 점이 있다.
특히, 작은 전동기 상수로 인해 PWM 출력에 의한 큰 리플 전류를 수반하고 높은 기본파 주파수로 인해서 높은 전류 제어주기를 가져야 하므로 제한된 연산능력 범위 내에서 센서리스 알고리즘을 구현할 수가 있는 운전 기법의 선택이 중요하다.
따라서, 본 발명에서는 관측기의 이득 선정 및 설계가 용이한 슬라이딩 모드 관측기를 적용하여 좀더 개선된 알고리즘인 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기(21)를 적용한 센서리스 알고리즘을 구성하였다.
관측기(21)의 상태 방정식은 다음과 같으며, 그 구성 블록도는 첨부한 도 2에 나타낸 바와 같다.
Figure 112008086146265-pat00028
수학식 6은 수학식 5의 상태 변수(iαs,iβs)를 추정하기 위한 관측기의 상태 방정식이다. 수학식 6에서,
Figure 112008086146265-pat00029
가 추정하는 상태 변수이며, vs는 인버터(11)의 출력 전압이 된다. ^ 표시는 실제 측정이 아니고 계산에 의한 추정값(관측 기(observer)를 이용한 추정값), 즉 시스템 모델링을 통한 수학적인 연산에 의해 계산된 예측치이다. zs는 인버터(11)로부터의 입력 전압인 vs와 상태 변수인 전류 is를 만족시키기 위한 관측기(21)의 제어 입력인데, 이는 수학식 5를 보면 역기전력 성분 es와 같다. 즉, es를 알면 그로부터 전기각을 구할 수 있다.
is를 정확히 추정하기 위해서 실제 입력 전압 vs를 입력한 뒤 예측된
Figure 112008086146265-pat00030
를 실제 is와 비교하여 오차를 구하고, 그로부터 하기 수학식 7에 의해 zs를 구한다. 이때, zs를 구하는 방법으로 슬라이딩 모드 제어 이론을 도입하여 함수를 정의하는데, 종의 1, 0, -1의 함수가 아니고 경계면을 두어 Elim의 좁은 경계를 두어서 오차가 작은, 즉 수렴한 구간에서는 선형적으로 값이 변하게 수정된 함수를 정의하였다. 이렇게 하면 채터링이 큰 슬라이딩 모드 제어기의 단점을 해결할 수 있고, 동시에 우수한 응답 결과를 얻을 수 있다.
이때, 관측기(21)의 오차 피드백은 다음과 같다. 기존의 슬라이딩 모드 제어기에 적용된 사인(sign) 함수는 빠른 스위칭 응답을 가지나 채터링을 유발하여 오히려 역효과를 내는 경우가 있다. 그래서, 이점을 개선한 수학식 8의 슬라이드(slide) 함수를 적용하여 관측기(21)의 추정 전류가 일정 오차 범위 내에 수렴하면 오차에 비례하는 선형 구간을 두어 관측기(21)의 응답을 얻도록 개선한다.
Figure 112008086146265-pat00031
Figure 112008086146265-pat00032
Figure 112008086146265-pat00033
수학식 9는 zs에 역기전력 성분(
Figure 112008086146265-pat00034
)과 슬라이딩 모드의 스위칭 함수의 노이즈(
Figure 112008086146265-pat00035
)(시스템 노이즈와 PWM 슬라이딩 모드 관측기의 채터링 노이즈 등임)가 함께 있다는 의미이다.
Figure 112008086146265-pat00036
상기 수학식 10은 저역통과필터(Low Pass Filter)를 통해 zs에서 노이즈 성분을 제거하고 기본파 성분만 입력으로 받는다는 의미이다. zs를 저역통과필터를 통해
Figure 712011003765980-pat00037
의 노이즈를 제거하면 역기전력 성분만 남는다. ωc는 저역통과필터의 차단 주파수이다.
Figure 112008086146265-pat00038
그리고, 수학식 11에서와 같이 노이즈를 제거한 역기전력 성분을 적분하여 자속을 구한다.
수학식 7의
Figure 712011003765980-pat00039
는 전류 오차에서 구한 슬라이딩 모드 관측기(21)의 스위칭값이 된다. 이 값에는 수학식 5의 역기전력 es와 슬라이딩 모드 관측기의 채터링에 의해 고주파 성분
Figure 712011003765980-pat00040
가 포함되어 있으므로, 이를 제거하기 위해 저역통과필터가 필요로 하며, 이로 인한 위상 지연을 보상하는 기능이 필요하게 된다. zαs는 α축의 역기전력, zβs는 β축의 역기전력이다.
관측기(21)를 통하여 구한 zs의 전압 정보를 이용하여 회전자의 위치를 구할 수 있으며, 이를 수학식 12에 나타내었다.
Figure 112008086146265-pat00041
상기 수학식 12에서 두 역기전력 성분의 아크탄젠트(arctan)를 구하면 회전 자의 위치인 회전자 각도를 알 수 있다.
여기서,
Figure 712011003765980-pat00042
는
Figure 712011003765980-pat00043
, 즉 저역통과필터(Low Pass Filter)를 통과하여 노이즈를 저감시키면서 발생하는 위상지연의 보상값이고,
Figure 712011003765980-pat00090
는 저역통과필터를 통과한 후의 α축의 예측 역기전력,
Figure 712011003765980-pat00091
는 저역통과필터를 통과한 후의 β축의 예측 역기전력을 나타낸다. Ksilde 함수를 적용하여 반복하여 추정함으로써 실제 구한 zαs, zβs는 이미 고주파가 많이 제거된 상태의 역기전력 추정값을 얻지만, 보다 기본파 성분을 얻기 위하여 저역통과필터를 통과하여 노이즈 없는 추정값을 얻게 된다.
이때, 차단주파수
Figure 112008086146265-pat00044
를 구한다. 0<kω≤1 이며, kω=1이면 45도 보상, kω=0.1이면 90도 보상을 한다. 실험을 통하여 적절한 kω를 설정한다. Kslide함수와 반복을 통하여 기본파 성분에 가까운 신호를 얻기에 기존 알고리즘에 비해서 1에 가까운 값을 설정하여 위상 지연을 최소화 할수있다.
Figure 112008086146265-pat00045
상기 수학식 13에서 각도를 미분하면 회전자의 각속도를 구할 수 있다.
슬라이딩 모드 관측기(21)의 피드백 게인 K를 설정하기 위한 조건을 구하여 보면 다음과 같다.
Figure 112008086146265-pat00046
Figure 112008086146265-pat00047
관측기(21)의 슬라이딩 모드 조건을 만족하기 위한 조건은
Figure 112008086146265-pat00048
이며, 수학식 16을 만족하는 조건을 수학식 14, 15에 의해 풀이하여 구하면 다음과 같다.
Figure 112008086146265-pat00049
여기서, 항상
Figure 712011003765980-pat00050
이고,
Figure 712011003765980-pat00051
는 가우시안 분포를 가진다면 수학식 16을 만족하기 위해서는
Figure 712011003765980-pat00052
를 충족하여야 한다. 이때, max(x,y)는 양의 상수 x,y 중 최대값을 택하는 연산자이다. K를 선정할 때 큰 값을 설정하면 응답은 빠르지만 슬라이딩 모드의 단점인 채터링이 발생하고, 작은 값을 설정하면 응답의 지연으로 관측기(21)가 수렴하지 못하고 위상 지연이 발생하는 문제가 있다.
따라서, K는 역기전력 크기의 함수이므로 속도에 비례하는 값으로 설정하여 적응 관측기(21)를 구성한다.
Figure 112008086146265-pat00053
여기서, eαs에서는 Keωr 관계식으로부터
Figure 112011018265817-pat00054
을 유추할 수 있다.
k는 양의 이득 상수값이고, k0는 피드백 게인의 최소값으로써,
Figure 112011018265817-pat00073
는 전동기의 회전각속도로 0에 가까운 저속인 경우
Figure 112011018265817-pat00074
는 0이 되므로 피드백을 위한 최소 게인 값이 필요하다.
위치 및 속도 추정을 위한 관측기(21) 구성시에 전류, 전압은 정지 좌표계의 신호를 사용하므로 주파수와 크기를 가진다. 그런데, 관측기(21)의 연산은 전류제어기와 동기를 이루고, 전동기의 회전수와 전압의 크기는 서로 비례 관계에 있어서, 고속 모드에서는 위상 지연이 발생하여 추정의 어려움이 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해 전체 시스템은 트래킹 모드로 관측기(21)를 운전하고, 매 샘플마다 관측기를 여러 번 반복 수행하여 레귤레이션 모드로 관측기를 운전시켜 매 주기마다 오차를 최소화하는 방법을 적용한다.
이때, 전류 오차가 0이 되는 부분에서의 채터링을 방지하기 위해 변형된 함수인 수학식 8의 슬라이드 함수를 적용하여 수렴시에 안정화를 기하였다.
도 1은 영구자석형 동기 전동기의 좌표계를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 나타낸 블록도,
도 3은 본 발명에 따른 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기를 포함하는 전동기 제어 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 인버터 12 : 영구자석형 동기 전동기(PMSM)
21 : 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기

Claims (4)

  1. 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법으로서,
    a) 인버터로부터의 입력 전압 vs가 인가되어 실제 고정자 전류 is가 구해지는 단계와; b) 반복 적응 슬라이딩 모드 관측기에 설정된 상태 방정식을 토대로 추정 전류값
    Figure 712011003765980-pat00055
    를 산출하여 구하는 단계와; c) 추정 전류값
    Figure 712011003765980-pat00056
    를 실제 전류값 is와 비교하여 오차를 구하고, 하기 식(E1)에 의해 관측기의 제어 입력인 zs를 구하는 단계와; d) 상기 b) ~ c) 단계를 반복하여 상기 관측기에서 추정된 전류가 일정 오차 범위 내에서 수렴하면 상기 관측기를 통해 구해진 최종의 zs를 이용해 회전자 각도
    Figure 712011003765980-pat00057
    를 결정하고, 구해진 회전자 각도를 미분하여 회전자의 전기각속도
    Figure 712011003765980-pat00058
    를 결정하는 단계;를 포함하되,
    상기 관측기의 피드백 게인 K는
    Figure 712011003765980-pat00075
    (단,
    Figure 712011003765980-pat00076
    조건을 만족하는 K)로 설정되어 zs로부터 추정된 회전자 전기각속도
    Figure 712011003765980-pat00077
    의 절대값에 비례하는 값을 가지는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법.
    식(E1) :
    Figure 712011003765980-pat00078
    여기서,
    Figure 712011003765980-pat00079
    는 하기 식(E2)로 정의되고, 하기 식(E2 )에서 Elim은 오차 설정치임.
    식(E2) :
    Figure 712011003765980-pat00080
    여기서, k는 임의의 양의 값을 갖는
    Figure 712011003765980-pat00081
    의 이득 상수, k0는 피드백 게인의 최소값을 의미하는 양의 상수임.
    Figure 712011003765980-pat00082
    는 저역통과필터를 통과한 후의 α축 성분의 역기전력,
    Figure 712011003765980-pat00083
    는 저역통과필터를 통과한 후의 β축 성분의 역기전력,
    Figure 712011003765980-pat00084
    는 슬라이딩 모드의 스위칭 함수의 노이즈, max(x,y)는 양의 상수 x,y 중 최대값을 택하는 연산자임.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 d) 단계에서,
    상기 회전자 각도는 관측기를 통해 구해지는 zs의 전압 정보를 이용해 하기 식(E5)에서 두 역기전력 성분의 아크탄젠트를 구하여 계산되는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법.
    식(E5) :
    Figure 112011018265817-pat00065
    여기서,
    Figure 112011018265817-pat00066
    는
    Figure 112011018265817-pat00067
    , 즉 저역통과필터 (Low Pass Filter)를 통과하여 노이즈를 저감시키면서 발생하는 위상지연의 보상값이고,
    Figure 112011018265817-pat00085
    는 α축의 역기전력,
    Figure 112011018265817-pat00086
    는 β축의 역기전력이며,
    Figure 112011018265817-pat00087
    는 저역통과필터의 차단 주파수,
    Figure 112011018265817-pat00088
    는 저역통과필터를 통과한 후의 α축의 예측 역기전력,
    Figure 112011018265817-pat00089
    는 저역통과필터를 통과한 후의 β축의 예측 역기전력임.
  4. 삭제
KR1020080127367A 2008-12-15 2008-12-15 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법 KR101087581B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080127367A KR101087581B1 (ko) 2008-12-15 2008-12-15 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020080127367A KR101087581B1 (ko) 2008-12-15 2008-12-15 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100068866A KR20100068866A (ko) 2010-06-24
KR101087581B1 true KR101087581B1 (ko) 2011-11-29

Family

ID=42367055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020080127367A KR101087581B1 (ko) 2008-12-15 2008-12-15 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101087581B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200129227A (ko) 2019-05-07 2020-11-18 파이옴 주식회사 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법
KR20220048419A (ko) * 2020-10-12 2022-04-19 영남대학교 산학협력단 복수의 pmsm을 병렬 구동하는 인버터 시스템

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101366161B1 (ko) * 2012-08-08 2014-02-27 부산대학교 산학협력단 위치센서 없는 브러시리스 직류모터 운전장치
CN104218853B (zh) * 2014-08-15 2017-01-25 浙江工业大学 一种双永磁同步电机混沌***的滑模同步控制方法
KR102419489B1 (ko) * 2015-07-13 2022-07-12 현대모비스 주식회사 모터 속도 측정 장치 및 방법
KR101989138B1 (ko) * 2017-11-28 2019-09-24 한국생산기술연구원 Ｂｌｄｃ 모터의 정현파 구동을 위한 전기각 추정 방법 및 이를 이용한 모터 제어 시스템
KR102117976B1 (ko) * 2018-08-07 2020-06-02 홍익대학교 산학협력단 파라미터의 추정을 이용한 영구 자석 동기 전동기의 제어 장치 및 방법
CN109951121B (zh) * 2019-04-10 2021-02-02 安徽理工大学 基于非奇异终端滑模的永磁同步电机无位置传感器控制
CN110022107B (zh) * 2019-05-23 2021-02-02 哈尔滨工业大学 无位置传感器驱动***电流传感器容错方法
CN110752806B (zh) * 2019-10-24 2021-01-15 合肥工业大学 改进趋近律的内置式永磁同步电机的滑模转速控制方法
KR102437244B1 (ko) * 2020-05-19 2022-08-30 한국과학기술원 영구자석동기모터 전체 파라미터의 실시간 추정 방법 및 장치
CN111987959A (zh) * 2020-08-11 2020-11-24 哈尔滨理工大学 永磁同步电机无传感器控制方法
CN112003526B (zh) * 2020-08-20 2022-06-07 苏州崧崧智能控制技术有限公司 一种基于低抖振滑模观测器的高速永磁同步电机无感控制***及方法
KR102461128B1 (ko) * 2020-09-09 2022-11-01 어보브반도체 주식회사 영구자석 전동기의 센서리스 제어 장치 및 제어 방법
CN112134502A (zh) * 2020-09-21 2020-12-25 哈尔滨理工大学 一种永磁同步电机三矢量模型预测电流控制方法
CN113364375B (zh) * 2021-06-18 2022-11-15 湖南科技大学 变结构电流调节器的pmsm驱动***无传感器控制方法
CN113890442B (zh) * 2021-10-11 2023-10-13 湖南科技大学 一种粒子群滑模观测器风力发电机转子电流故障检测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2008년도 대한 전기학회 하계학술대회 논문집, 2008.07., 김종무외 1, "슬라이딩 모드 관측기를 이용한 고속 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어", pp.964-965.*

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200129227A (ko) 2019-05-07 2020-11-18 파이옴 주식회사 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법
KR20220048419A (ko) * 2020-10-12 2022-04-19 영남대학교 산학협력단 복수의 pmsm을 병렬 구동하는 인버터 시스템
KR102442866B1 (ko) 2020-10-12 2022-09-15 영남대학교 산학협력단 복수의 pmsm을 병렬 구동하는 인버터 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20100068866A (ko) 2010-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101087581B1 (ko) 영구자석형 동기 전동기의 센서리스 제어방법
EP1835613B1 (en) System and method for motor speed estimation using hybrid model reference adaptive system
CN106953568B (zh) 用于估计感应电机的参数的方法
Singh et al. Various techniques of sensorless speed control of PMSM: A review
CN107431453B (zh) 无传感器换向方法
US8593087B2 (en) Magnetic pole position estimation method for AC synchronous motor
CN111193448B (zh) 基于扩展卡尔曼滤波器的永磁同步电机负载转矩观测方法
CN103825525A (zh) 一种改进的无传感器永磁同步电机速度估测方法
KR101619567B1 (ko) 유도전동기의 파라미터 추정장치
Ghaderi et al. Wide-speed-range sensorless vector control of synchronous reluctance motors based on extended programmable cascaded low-pass filters
CN110995095B (zh) 无位置传感器的永磁同步电机控制方法及汽车动力***
CN108039839A (zh) 永磁无刷直流电机调速***的串级抗干扰控制***及方法
CN111181458A (zh) 基于扩展卡尔曼滤波器的表贴式永磁同步电机转子磁链观测方法
CN109510539B (zh) 一种基于增益矩阵的模型预测磁链控制***及方法
EP2493067B1 (en) Method and apparatus for estimating rotor angle of synchronous reluctance motor
KR20190064832A (ko) 표면 부착형 영구자석 동기 전동기의 파라미터 추정 방법 및 장치
CN111987961A (zh) 一种永磁同步电机无位置传感器直接转矩控制方法
CN114465543B (zh) 一种永磁同步电机无位置传感器控制方法
KR101629059B1 (ko) 유도전동기의 파라미터 추정장치
KR101467992B1 (ko) 궤환 선형화와 순시무효전력을 이용한 영구자석 동기 전동기의 센서리스 직접 토크 제어 장치 및 방법
Schrodl et al. Sensorless control of PM synchronous motors in the whole speed range including standstill using a combined INFORM/EMF model
Hu et al. Application of sliding observer to sensorless permanent magnet synchronous motor drive system
KR101048511B1 (ko) 유도전동기의 센서리스 속도 제어 시스템
Nguyen et al. High-speed sensorless control of a synchronous reluctance motor based on an extended Kalman filter
Stănică et al. A brief review of sensorless motors position control

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
J201 Request for trial against refusal decision
AMND Amendment
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141107

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151119

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161122

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171121

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181121

Year of fee payment: 8