KR101328494B1

KR101328494B1 - 토오크리플억제제어장치 및 회전전기기계 토오크리플억제제어방법

Info

Publication number: KR101328494B1
Application number: KR1020127022750A
Authority: KR
Inventors: 유고 타다노
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2013-11-13
Also published as: JP2011176953A; US20120306411A1; CN102771043A; KR20120120391A; US8704469B2; JP5446988B2; WO2011105355A1; CN102771043B

Abstract

주기성교란관찰부를 이용한 토오크리플억제제어에서, 주기성교란의 실수부와 허수부성분을 추정하는데 있어서의 지연을 감소시킴으로써 토오크리플을 양호하게 억제할 수 있다.
주기성교란관찰부(31)는, 토오크명령치에서 토오크검출치로의 n차 토오크리플주파수성분별 시스템전달함수를 실수부 P^_An와 허수부 P^_Bn를 갖는 1차원복소벡터로 검증한 검증값 혹은 검증값들, 코사인계수 T_An, 사인계수 T_Bn, 시스템전달함수의 실수부 P^_An과 허수부 P^_Bn로부터 주기성교란을 포함하는 전류추정치의 실수부 I^_An와 허수부 I^_Bn를 구하고; 전류추정치의 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn에서 각기 맥동추출필터 G_F를 통해 얻은 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류를 상쇄하기 위한 주기성교란전류실수부 dI^_An과 허수부 dI^_Bn의 추정치를 얻는다.

Description

토오크리플억제제어장치 및 회전전기기계 토오크리플억제제어방법{Torque ripple suppression control apparatus and torque ripple suppression control method for rotating electrical machine}

본 발명은, 모터 등 회전전기기계의 토오크제어장치에서, 회전전기기계의 토오크리플(토오크맥동)을 자동적으로 억제하는 제어장치 및 제어방법, 특히 주기성교란관찰부를 이용한 주기성교란억제제어에 관한 것이다.

모터는 원리적으로 토오크리플(토오크맥동)을 발생시키고, 그에 따라 진동, 소음, 승차감에 악영향, 전기·기계공진 등 다양한 문제를 일으킨다. 특히, 근년에 보급되고 있는 인테리어(매립자석) PM모터(IPMSM)에서는, 코깅토오크리플과 리럭탄스토오크리플이 복합적으로 발생한다. 그 대책으로, 토오크리플을 상쇄시키는 보상전류를 토오크명령에 중첩시키는 등 다양한 방식이 검토되고 있다.

그렇지만, 예를들어 수학적 분석 모델을 사용하여 피드포워드보상을 행하는 방식에서, 해석오차의 악영향이 염려된다. 나아가, 정상동작점에서 피드백학습제어결과를 기억, 저장하여 피드포워드보상을 행하는 방식에서, 각 동작점에서 제어파라미터를 적절히 조정하는데 필요한 시간으로 인해, 온라인보상이 어렵다. 나아가, 전류리플을 저감하는 방식에서, 토오크리플의 관점에서 최적의 억제가 보장되지 않는다. 그 외에, 토오크리플관찰보상방식이 검토되고 있다. 그러나, 토오크리플관찰보상방식은 가변속운전시의 특성과 온라인피드백억제에 대한 검정이 아직 불충분하다.

상기 과제에 있어, 전기·기계공진의 중요 원인인 토오크리플을 정확히 억제하는 목적으로, 축토오크미터를 이용한 피드백억제제어법이 본원발명자 등에 의해 이미 제안되었다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 이 제어법에서, 토오크리플의 주기성에 주목하여 각 맥동주파수성분을 보상하도록 제어계가 구축되고, 시스템검증결과를 사용하여 동작상태변화에 따르거나 즉시 응답할 수 있도록 파라미터를 자동조정하는 기능이 설치된다. 이 제어법을 상세히 이하에서 설명한다.

(1) 토오크리플억제제어장치의 기본구성

도 2는 종래의 토오크리플억제제어장치의 기본구성도이다. 이 그림의 장치는 모터로 부하를 구동하는 시스템에 적용된다.

토오크리플의 발생원이 되는 모터(1)는, 일종의 부하 또는 부하장치(2)에 샤프트(3)를 통해 결합된다. 축토오크는 토오크미터(4)로 계측되어 토오크리플억제장치(5)에 입력된다. 나아가, 로터리인코더 등과 같은 회전위치센서(6)를 사용하여 모터의 회전자위치(위상)에 대한 정보가 입력된다. 토오크리플억제장치(5)에는, 토오크맥동억압수단이 탑재되고, 토오크명령치(속도명령치)에 기초하여 생성된 전류명령치에 토오크맥동보상전류를 가산하여 얻어지는 명령치를 인버터(7)에 공급하도록 구성된다. 도 2의 예에서, 인버터(7)에 의한 전류벡터제어를 고려했을 때, 토오크리플억제장치(5)는 모터의 회전에 동기화된 회전좌표(직교하는 d, q축을 가진 회전좌표)상의 d축, q축 전류명령 혹은 전류명령치 id*, iq*를 공급한다.

토오크리플(토오크맥동)은 모터의 구조상, 회전자위치에 따라 주기적으로 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 상기 시스템에서는 모터회전과 동기화된 토오크리플의 주파수성분을 추출하는 수단 또는 장치를 사용하여, 임의차수 n의 토오크리플을 코사인과 사인계수 T_An, T_Bn[Nm]으로 변환한다. 토오크리플의 주파수성분을 엄밀히 계측하는 수단으로 푸리에변환과 같은 수단이 있지만, 연산용이성을 중시했을 때는, 회전위상 θ[rad]를 기준으로 사용하여 단상(single phase)의 고조파회전좌표계에서 저역통과필터를 통과시켜 토오크리플의 주파수성분을 추출할 수 있다.

토오크리플억제장치(5)는, 상기 코사인, 사인계수 T_An, T_Bn을 사용하여 토오크리플억제제어를 행하고, 임의주파수성분의 보상전류 iqc*[암페어]의 코사인/사인계수 I_An, I_Bn[암페어]를 생성한다. 보상전류 iqc*로의 변환은, 변환시에 동일한 회전위상 θ를 사용하여 이하의 (2)식을 따라 행한다. 이 보상전류는 q축전류명령치와 중첩되어 통상적인 벡터제어가 행해진다.

도 3은, 상기 축토오크검출치 T_det와 회전위상 θ로부터 토오크리플의 코사인, 사인계수 T_An, T_Bn를 구하고, 이 값으로 보상전류의 코사인, 사인계수 I_An, I_Bn과 회전속도 ω를 구해 주기성토오크교란을 억제하기 위한 보상전류를 구하는 토오크리플억제장치의 제어블록도이다. 도면중 기호는 이하의 의미를 갖는다.

T* : 토오크명령치, T_det : 축토오크검출치, T_An : n차 토오크맥동추출성분(코사인계수), T_Bn : n차 토오크맥동추출성분(사인계수), ω : 회전수 혹은 회전속도 검출치, θ : 회전위상검출치, iqc* : 토오크리플보상전류, id : d축전류검출치, id* : d축전류명령치, iq : q축전류검출치, iq* : q축전류명령치, iu, iv, iw : u, v, w상 전류, iqo* : q축전류명령치(보상전류중첩전), I_An : n차 보상전류코사인계수, I_Bn : n차보상전류사인계수, abz : 회전센서신호. 첨자 n은 n차 토오크리플성분을 나타낸다.

도 3에서, 명령치변환부(11)는 토오크명령치 T*를, 벡터제어 회전 dq좌표계의 d축, q축 전류명령치 Id*, Iqo*로 변환시킨다. 일반적으로, 최대토오크/전류제어를 실현하기 위해 변환수식/테이블이 사용된다. 전류벡터제어부(12)는, q축전류명령치 iqo에 토오크맥동보상전류 iqc*를 중첩시킨 전류를 q축전류명령치 iq*로 사용하여 토오크맥동을 억제한다. 도 3의 예에서는, q축전류명령치에 보상전류 iqc가 중첩된다. 그러나, 보상전류를 d축전류에만 중첩시키거나, d축과 q축 양방에 중첩시키는 것은 선택사항이다. 혹은 d축과 q축 전류의 간섭이 문제가 되지 않는 시스템에서는, 토오크명령치에 직접적으로 토오크맥동보상신호를 중첩시키는 것도 가능하다.

전류벡터제어부(12)는 일반적인 직교회전좌표계의 d축과 q축에서의 전류벡터제어 동작을 행하고, 모터(IPMSM)(13)를 벡터제어모드로 구동하여 부하장치(14)를 구동시킨다. 좌표변환부(15)는 전류센서(16)에 의해 검출된 3상교류전류 iu, iv, iw와 모터회전위상 θ를 입력받아, 모터회전좌표와 동기화된 d축, q축 직교회전좌표계의 전류 id, iq로 변환시킨다. 회전위상/속도검출부(17)는 인코더 등 회전위치센서(18)의 회전센서신호 abz를 회전속도 ω와 회전위상 θ에 대한 정보로 변환시킨다.

토오크맥동주파수성분추출부(19)는, 축토오크미터(20)에 의해 검출된 축토오크검출치 T_det와 회전위상 θ로부터 각 맥동주파수성분의 토오크주기성교란을 추출한다. 대표적 추출수단으로 푸리에변환이 있다. 맥동성분추출방법은 임의로 선택할 수 있으나, 연산용이성을 중시하여, 축토오크검출치 T_det[Nm]에 회전위상 θ를 기준으로 한 n차 코사인파, 사인파를 곱하여 각각에 저역통과필터를 적용시키어, (3) ~ (5)식에 나타난 근사적 푸리에변환을 행한다. 이를 토오크리플 동기좌표변환이라 칭한다.

L : 라플라스변환, G_F : 맥동추출필터, ω_f : 맥동추출 저역통과필터 차단주파수[rad/s], s : 라플라스연산자

토오크리플억제제어부(21)는, (3) ~ (5)식에 따라 추출, 변환된 T_An, T_Bn을 사용하여 토오크리플억제제어를 각차성분에 행하고, 보상전류 i_qc*[A]의 n차주파수성분 i_qcn*[A]의 코사인계수 I_An*[A]와 사인계수 I_Bn*[A]를 생성한다. n차보상전류 i_qcn*로의 변환은, 상기 (2)식에서와 같이, 토오크리플 동기좌표변환시의 회전위상과 동일한 회전위상 θ를 사용하여 계산한다.

토오크명령 T*[Nm]는, 최대토오크/전류제어를 실현하는 d축, q축 전류명령치 i_d*, i_q0*로 변환되고, (2)식에 따라 생성된 각차보상전류 합성치(resultant value) i_qc*를 q축 전류명령치 i_q0*에 중첩시켜 벡터제어가 행해진다. 기본적으로, 토오크리플억제제어장치에서 행해지는 연산처리내용은, 축토오크맥동성분추출, 토오크리플억제 및 보상전류신호생성이다. 이외의 처리는 일반적인 인버터에서 행해진다.

상기 토오크리플억제제어부(21)의 대표형태로, 주파수교란관찰보상법 또는 보상전류 푸리에계수 학습제어법을 사용할 수 있다.

보상전류생성부(22)는, 상기 (2)식에 따라 보상전류명령치 i_qc*를 생성하고, q축 전류명령치에 보상전류명령치 i_qc*를 중첩시킨다.

(2) 시스템 검증

도 2에 나타난 시스템 구성은, PM모터(1), 부하장치(2), 토오크미터(4), 및 커플링(3) 등의 관성모멘트를 갖는 다관성축 공진계를 형성한다. 축토오크검출치가 피드백 되는 경우, 복수의 공진·반공진주파수로 인해, 동작상태에 따라 적절히 억제제어파라미터가 결정되어야 한다. 제어파라미터의 학습시간이 길어지면 전기, 기계공진현상이 증대되는 위험이 있기 때문에, 빠른 자동조정기능이 필요하다.

따라서, 비특허문헌 1에는 회전속도변화에 적응가능한 가변노미날제어파라미터를 도출하기 위해, 도 2에서 토오크리플억제장치(5)의 출력치에서 입력치로의 시스템전달함수, 즉, 도 3에서 보상전류명령치 iqc*에서 축토오크검출기(4)의 검출토오크 T_det로의 주파수전달함수를 정의한다. 시스템검증수법은 임의로 선택할 수 있지만, 폐루프에서 iqc*에 가우스성 노이즈신호가 공급되었을 때 축토오크검출치 T_det를 연산주기 100μs로 20초간 계측하여 입출력 파워스펙트럼밀도를 비교한 주파수전달함수의 논파라미트릭추정 결과가 도 4에 나타나 있다(기계계, 인버터 전류응답, 토오크미터응답, 데드타임 등을 포함하는 실제 기계의 특성). 도 4는 또한 주파수전달함수의 경향으로부터 4관성계에 근사한 경우의 파라미터 검증결과를 나타낸다. 근사에 있어서의 최적화수법에는 다양한 방식이 있지만, 주파수영역에서 1kHz까지의 진폭특성의 오차를 평가하고, 제약부 비선형최소화(축차2차계획법(sequential quadratic programming method))를 행하는 방법을 사용한다.

도 3의 시스템은, 토오크리플주파수와 동기화된 좌표의 제어계를 구축하기 위해서, 도 4의 시스템검증결과에서 임의의 주파수전달함수만을 추출한다. 정상상태에서, 토오크리플주파수와 동기화된 시스템의 진폭, 위상전달함수는 1차원복소 벡터로 표현가능하다. 따라서, 도 3의 제어계의 시스템특성 P_sys는 다음 (6)식으로 정의된다.

P_Am : 시스템특성 실수부, P_Bm : 시스템특성 허수부, m : 시스템검증(identification)테이블 주파수요소번호

예를 들어, 1 ~ 1000[Hz] 범위의 시스템특성이 각 1 Hz 구간마다 (6)식으로 표현되는 경우, 1000개 복소벡터 요소의 시스템검증테이블을 구축할 수 있다. 제어시스템에서 사용은 항상 하나의 복소벡터에 한정되어 있다. 시스템은 회전속도변화(토오크리플주파수변화)에 따라서 검증테이블에서 즉시적으로 P_Am과 P_Bm을 읽고, 선형보간(linear interpolation)에 의한 복소벡터화를 통한 검증결과를 억제제어에 적용한다. 회전위상을 기준으로 하여 실수부와 허수부의 축을 정의하기 위해, (5)식의 코사인계수를 실수부성분으로, 사인계수를 허수부성분으로 대응시킨다.

(3)보상전류푸리에계수학습제어법

이 방법은 상기 비특허문헌1의 방식1로 기재된 토오크리플 억제제어법이다. 이 방법에서, 토오크리플주파수성분의 푸리에계수를 구하고, 이를 이용해, 상기 (2)식의 연산으로 보상전류 iqc*를 구한다. 이 제어법에서는, 토오크리플주파수와 동기화된 주파수성분의 시스템전달함수를 1차원복소벡터의 형식으로 표현하고, 임의주파수성분의 토오크리플의 실수부와 허수부를 푸리에변환 등을 통해 추출한다. 코사인, 사인 푸리에계수를 복소벡터의 실수부와 허수부로 적용시킴으로써 피드백억제제어계가 구축된다.

보상전류계수는 I-P(비례,적분) 학습제어방식으로 구한다. I-P 억제제어계의 폐루프특성이 모델매칭법에 의해 임의의 표준계규범모델의 극배치와 일치하도록 비례·적분의 게인(이득)이 결정된다. 나아가, 상기 시스템검증결과와 회전속도정보를 사용하여 자동적으로 파라미터를 적응시키도록 하여, 다관성공진계로의 실행을 용이하게 한다.

임의 정상동작점(정상토오크, 정상회전수)에서, 억제완료시의 보상전류의 진폭과 위상이 보존된다. 이 동작은 복수의 동작점에서 실시되고, 토오크와 회전속도의 2차원 테이블 형식으로 실행된다. 이 경우, 토오크와 회전속도정보를 테이블에 입력하여, 테이블에서 읽어낸 보상전류의 진폭과 위상 데이터로부터 보상전류를 생성하여 피드포워드억제를 행하게 하는 것이 가능하다.

(4) 주기성교란관찰보상법

이 방법은 상기 비특허문헌1의 방식2에 기재된 토오크리플억제제어법이다. 상기 보상전류푸리에계수학습제어법에서의 제어파라미터자동조정수법은, I-P 제어게인의 조정을 통해 교란이 억제되기 때문에, 가변속운동에 대한 즉응성이 저하된다. 그 때문에, 학습결과를 테이블화하여 피드포워드억제에 사용하는 것이 권장된다.

반대로, 상기 주기성교란관찰보상법은, 주기성교란관찰의 아이디어를 사용하여 직접적으로 토오크리플교란을 추정한다. 따라서, 이 방법은 상기 즉응성 문제를 개선한다. 따라서, 가변속, 부하변동이 있는 시스템에 대해서도 상시 온라인피드백모드로 토오크리플을 억제하는 것을 가능케 한다. 나아가, 보상전류푸리에계수학습제어법과 같이, 1차원복소벡터로 표현된 시스템검증결과를 사용하여 주기성교란관찰의 역모델을 자동조정하는 기능을 제공함으로써, 다관성공진계로의 실행을 용이하게 한다.

도 5는 주기성교란관찰을 통한 토오크리플 억제제어의 연산블록도이다. 도 5는 주기성교란관찰부(31), 토오크리플추출부(32), 실시스템(33)을 나타낸다. 도면중, dI_An* : n차주기성교란전류실수부(코사인계수) 명령치, dI_Bn* : n차주기성교란전류허수부(사인계수) 명령치, iqcn : n차보상전류, dI_An : n차주기성교란 실수부(코사인) 성분추정치, dI_Bn : n차주기성교란 허수부(사인) 성분추정치, I_An : n차보상전류실수부(코사인계수), I_Bn : n차보상전류허수부(사인계수).

도5에서, 토오크리플주파수에 동기화된 제어계만을 나타내었기 때문에, 실시스템의 전달함수는 1차원복소벡터로 나타난다. 즉, 이하 (7)식으로 실시스템이 표현되고, (8)식은 시스템검증결과를 나타낸다. (8)식에는 ^기호를 추정치 P의 상부에 붙여 나타내지만, 명세서 중에서는 P^로 나타낸다.

P_An : n차 토오크리플주파수성분 시스템실수부, P_Bn : n차토오크리플 주파수성분 시스템허수부, P^_An : n차토오크리플주파수성분 시스템실수부추정치, P^_Bn : n차 토오크리플주파수성분 시스템허수부추정치.

도 5중 토오크리플추출부의 저역통과필터전달함수는 상기 (5)식으로부터, 이하 (9)식으로 표현된다.

도 5의 시스템은, 일반적인 종래의 교란관찰부와 동일한 구성을 갖는다. 그러나, 주기성교란에만 주목하였다. 따라서, 시스템특성은 (7)식에서와 같이 1차원복소벡터로 표현되고, 관찰부의 역시스템 P^sys^- ¹는 시스템검증결과를 사용하여 (8)식의 역으로 간단히 나타낼 수 있다.

상기 복소벡터연산 후, 주기성교란관찰부는 관찰필터를 통해 주기성교란(토오크리플) 실수부성분과 허수부성분을 각각 추정한다. 주기성교란추정치실수부 dI_An과 주기성교란추정치허수부 dI_Bn은, 도 5에서와 같이, 교란성분을 상쇄하기 위한 보상전류로 입력된다. 통상적으로, 주기성교란전류명령치 I_An*, I_Bn*을 영(0)으로 줄여서, 이 주파수성분의 교란전류을 억제하는 것이 가능하다

1. 타다노 등, "PM모터의 주기성교란에 주목한 토오크리플억제제어법 검토" 평성(平成) 21년 전기학회산업응용부문대회, I-615 ~ 618, 평성(平成) 21년 8월31일~9월2일, 삼중대학(三重大學)

일반적으로, 토오크리플을 검출하고, 전주파수대역에서 피드백제어를 통해 토오크리플을 억제하는 장치에서, 고주파대역에서의 연산 데드타임의 영향으로 피드백제어응답이 저하된다. 고주파대역에서 교란억압성능이 저하되고, 원하는 보상전류의 생성이 곤란해진다.

한편, 상기 I-P(비례, 적분) 학습제어방식으로 구하는 주기적학습법에서는, 주기성교란의 주파수와 동일한 주파수의 사인파와 코사인파를 생성하여, 이 사인, 코사인계수(진폭, 위상과 등가)를 조정한다. 따라서, 이 방식은, 전주파수대역에서 보상전류를 일괄적으로 생성하는 제어기와 비교했을 때 고주파교란에 더욱 용이한 대응이 가능하고, 주기성교란억제성능의 개선을 기대할 수 있다. 나아가, 이 방법으로는 각 차수에 대해 병렬적으로 구성된 복수의 토오크리플억제제어기를 포함하는 구성으로, 동시에 복수의 차수의 토오크리플을 억제할 수 있다.

도 3에서, 토오크리플주파수에 동기화된 좌표를 갖는 제어계를 구축하기 위해, 토오크리플 보상전류명령치 i_qc*에서 축토오크검출치 T_det로의 시스템전달함수가 검증된다. 이 시스템검증결과에서, 임의의 주파수전달함수를 추출하여 피드백제어를 행한다. 정상상태에서, 토오크리플주파수와 동기화된 시스템의 진폭ㆍ위상전달함수는 1차원복소벡터로 표현가능하기 때문에, 실시스템의 주파수전달함수는 회전속도 ω에 대한 복소벡터 P(jω)의 (12)식으로 정의된다.

P_A(ω) : 실시스템실수부, P_B(ω) : 실시스템허수부.

비특허문헌 1에서, 토오크리플동기좌표의 제어계를 구축하기 위해, (12)식에서 임의의 n차성분의 주파수전달함수만 추출되고, 토오크리플동기좌표의 실시스템은 (13)식으로 정의된다. 즉, 임의의 n차성분의 시스템의 진폭ㆍ위상특성을 단순한 1차원복소벡터 P_n으로 표현하는 것에 주목한다. (2) ~ (5)식에서와 같이, 회전위상 θ를 기준으로 실수부, 허수부 축이 정의되고, 코사인계수는 실수부성분에, 사인계수는 허수부성분에 대응된다.

P_An : 실시스템 n차성분실수부, P_Bn : 실시스템 n차성분허수부

도 3의 제어계의 시스템검증결과는, 마찬가지로 1차원복소벡터로, (14)식으로 정의된다.

P^_An : 검증결과의 n차성분실수부, P^_Bn : 검증결과의 n차성분허수부

예를 들어, 1~1000Hz 범위의 시스템검증결과가 각 1 Hz구간마다 복소벡터로 표현되는 경우, 1000개의 1차원복소벡터 요소를 포함하는 테이블을 구축할 수 있다. 검증결과를 근사식으로 표현하는 것도 가능하다.

이상에서와 같이, 복잡한 시스템의 경우에도, 시스템모델은 항상 간소한 1차원복소벡터이고, 모터회전속도 ω의 변화(토오크리플주파수변화)에 대응하여 (14)식에서 즉시적으로 참조치를 변경하여 가변속운전에 용이하게 대응할 수 있다.

도 3에 나타난 바와 같이, 토오크리플 억제제어에서, 모터에 흐르는 전류의 기본파성분주파수의 정수배로 회전하는 고조파의 회전좌표변환을 행하고, 그 성분의 고조파전류를 추출하여, 전류벡터제어부(12)에 설치된 I-P(비례ㆍ적분) 제어기를 통해 0으로의 복귀를 위한 억제를 행한다. 이 경우, 고조파의 속도기전력을 교란으로 다루어, 이 교란을 추정하기 위해 교란관찰부를 구성하고, 고조파회전좌표상 전류명령치를 가산하여, 고조파전류를 억압한다. 이 수단으로 모터에 흐르는 고조파전류를 억제할 수 있다. 그러나, 이 방법으로는 토오크맥동을 정확하게 억제하는 것에 한계가 있다. 나아가, 이 방법은 다관성계시스템과 인버터응답 등의 복잡한 전기기계특성에 적합하지 않다.

본 발명의 목적은, 주기성교란관찰을 통한 주기성교란억제에 있어서, 다관성계시스템과 인버터응답 등의 복잡한 전기기계특성에 대응하기 위해, 토오크리플을 정확히 억제하는 회전전기기계의 토오크리플 억제제어장치와 제어방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에서, 상기 과제를 해결하기 위해, 주기성교란관찰부는, 토오크명령치에서 토오크검출치로의 n차 토오크리플주파수성분별 시스템전달함수를 실수부 P^_An와 허수부 P^_Bn를 갖는 1차원복소벡터로 검증한 검증값 혹은 검증값들, 코사인계수 T_An, 사인계수 T_Bn, 시스템전달함수의 실수부 P^_An과 허수부 P^_Bn로부터 주기성교란을 포함하는 전류추정치의 실수부 I^_An와 허수부 I^_Bn를 구하고; 전류추정치의 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn에서 각기 맥동추출필터 G_F를 통해 얻은 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류를 상쇄하기 위한 주기성교란전류실수부 dI^_An과 허수부 dI^_Bn의 추정치를 얻는다. 이하의 장치와 방법에 특징적 형태가 있다.

(1) 회전전기시스템의 토오크명령치 혹은 속도명령치를 벡터 제어의 토오크제어 회전좌표계 d, q축 전류명령치로 변환하고, 회전전기기계의 제어계의 주파수특성을 시스템 검증에 의해 임의주파수성분의 복소벡터로 표현하는 모델화를 행하고, 이 모델을 사용하여 임의주파수성분의 토오크리플의 실수부와 허수부를 주기성교란관찰부로 추정하고, 이 주기성교란을 억압하기 위해 상기 d, q축 전류명령치에 피드백보상전류를 중첩시키도록 이루어지고,

회전전기기계의 축토오크검출치 T_det와 맥동추출필터 G_F, 회전위상 θ로부터 회전전기기계시스템의 토오크리플에 포함된 n차주파수성분별 토오크맥동의 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn을 구하는 토오크리플추출부;

상기 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn, 회전전기기계의 회전속도 ω로부터 토오크리플의 n차보상전류의 코사인계수 I^_An과 사인계수 I^_Bn을 추정하는 주기성교란관찰부; 및

상기 코사인계수 I^_An과 사인계수 I^_Bn을 토오크리플 보상전류명령치로 설정하고, 이 코사인계수 I^_An, 사인계수 I^_Bn, 회전전기기계의 회전위상 θ로부터 회전전기기계의 주기성교란을 억제하는 피드백보상전류를 구하는 보상전류생성부;를 구비하여 이루어지고,

상기 주기성교란관찰부가,

토오크명령치에서 토오크검출치로의 n차토오크리플주파수성분의 회전전기기계시스템 전달함수를, n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn를 갖는 1차원복소벡터로 검증하여 추정하는 수단;

상기 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn, 상기 n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn으로부터, 다음 수학식을 이용하여 주기성교란을 포함하는 전류추정치 실수부 I^_An과 전류추정치 허수부 I^_Bn을 구하는 수단; 및

상기 전류추정치 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn로부터 각기 상기 맥동추출필터 G_F를 통해 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류를 상쇄하기 위한 주기성교란전류실수부 dI^_An과 허수부 dI^_Bn의 추정치를 얻는 수단;을 포함하여 이루어지는 회전전기기계의 토오크리플 억제제어장치.

(2) 상기 맥동추출필터 G_F가 1차 저역통과필터 혹은 고차의 저역통과필터인 것을 특징으로 하는 토오크리플억제제어장치.

(3) 회전전기기계시스템의 토오크명령치 또는 속도명령치를 벡터제어의 회전좌표계의 d, q축 전류명령치로 변환하고, 회전전기기계의 제어계의 주파수특성을, 시스템 검증에 의해, 임의주파수성분의 복소벡터로 표현하는 모델화를 행하고, 이 모델을 사용하여 주기성교란을 추정하고, 이 주기성교란을 억압하기 위해 상기 d, q축 전류명령치에 피드백 보상전류를 중첩시키고,

토오크리플추출부는, 회전전기기계의 축토오크검출치 T_det, 맥동추출필터 G_F, 회전위상 θ로부터 회전전기기계시스템의 토오크리플에 있는 n차 주파수성분별 토오크맥동의 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn을 구하고;

주기성교란관찰부는, 상기 코사인계수 T_An, 사인계수 T_Bn, 회전전기기계의 회전속도 ω로부터, 토오크리플의 n차보상전류의 코사인계수 I^_An과 사인계수 I^_Bn을 추정하고;

보상전류생성부는, 상기 코사인계수 I^_An와 사인계수 I^_Bn을 토오크리플 보상전류명령치로 설정하고, 이 코사인계수 I^_An, 사인계수 I^_Bn과 회전전기기계의 회전위상 θ로부터 회전전기기계의 주기성교란을 억제하는 피드백보상전류를 구하고;

상기 주기성교란관찰부는,

토오크명령치에서 토오크검출치로의 n차 토오크리플주파수성분의 회전전기기계의 전달함수를, n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn를 갖는 1차원복소벡터로 검증하여 추정하고;

상기 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn, 상기 n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn으로부터, 다음 수학식을 이용하여 주기성교란을 포함하는 전류추정치 실수부 I^_An과 전류추정치 허수부 I^_Bn을 구하고;

상기 전류추정치 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn으로부터 각기 상기 맥동추출필터 G_F를 통해 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류를 상쇄하기 위한 주기성교란전류추정치 실수부 dI^_An과 주기성교란전류추정치 허수부 dI^_Bn을 얻는 것;을 구비하는 회전전기기계의 토오크리플 억제제어방법.

이상, 본 발명에 따르면, 주기성교란관찰부는, 토오크명령치에서 토오크검출치로의 n차 토오크리플주파수성분별 시스템전달함수를 실수부 P^_An와 허수부 P^_Bn를 갖는 1차원복소벡터로 검증한 검증값 혹은 검증값들, 코사인계수 T_An, 사인계수 T_Bn, 시스템전달함수의 실수부 P^_An과 허수부 P^_Bn로부터 주기성교란을 포함하는 전류추정치의 실수부 I^_An와 허수부 I^_Bn를 구하고; 전류추정치의 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn에서 각기 맥동추출필터 G_F를 통해 얻은 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류를 상쇄하기 위한 주기성교란전류실수부 dI^_An과 허수부 dI^_Bn의 추정치를 얻는다. 따라서, 이 기술은 다관성계 시스템과 인버터응답 등의 복잡한 전자적, 기계적 특성에 대응할 수 있고, 토오크리플을 정확하게 억제할 수 있다.

도 1은 주기성교란관찰을 통한 토오크리플억제제어의 연산블록도이다.
도 2는 종래의 토오크리플 억제제어장치의 기본구성도이다.
도 3은 종래의 토오크리플 억제장치의 제어블록도이다.
도 4는 주파수전달함수의 논파라미터 추정을 통한 시스템검증결과이다.
도 5는 종래의 주기성교란관찰을 통한 토오크리플억제제어의 연산 블록도이다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 주기성교란관찰을 통한 토오크리플 억제제어의 연산블록도이다.

토오크리플추출부(32)(도 3의 토오크리플 맥동주파수성분추출부(19))는, 상기 (3)~(5)식에 기초하여 연산을 행하고, n차토오크맥동추출성분(코사인계수) T_An과 n차토오크맥동추출성분(사인계수) T_Bn을 구한다. 주기성교란관찰부(31)(도 3의 토오크리플억제제어부(21))는, 비특허문헌 1에서 제안된 주기성교란관찰부와 유사하다. 그러나, 토오크리플동기좌표에 구성을 적용하기 위해, 주기성교란관찰부(31)는 토오크리플검출치로부터 주기성교란전류를 추정하는 역시스템 모델로 (14)식에 나타난 1차원복소벡터의 역특성을 사용한다.

첫째로, (2)식에 나타난 n차보상전류 i_qcn*이 복소벡터로 표현된다. 오일러공식으로부터, 이하의 변환이 얻어진다.

같은 방법으로, n차성분 토오크리플검출치 T_det는 다음과 같이 표현된다.

(13)식의 실시스템을 사용하여, 이하의 관계가 성립한다.

di_n : n차주기성교란전류

n차주기성교란전류 di_n은, 이하와 같이 표현된다.

시스템검증결과 사용하여 (14), (15)식을 (17)식에 대입하고, (5)식에 나타난 추출필터특성을 고려하여, 이하의 관계가 얻어진다.

(16)식에서 복소푸리에계수 n차성분 T_Cn(n>0)을 추출하여, 이하의 관계를 얻을 수 있다.

같은 방법으로, (19)식에서 복소푸리에계수 n차성분 T_Cn(n>0)을 추출하여, 이하의 관계를 얻을 수 있다.

(20)식과 (21)식에서 실수부와 허수부의 계수를 비교하여, 이하의 관계를 도출할 수 있다.

주기성교란을 포함하는 전류추정치의 실수부 I^_An(≒I_An* + dI_An)과 허수부 I^_Bn (≒ I_Bn* + dI_Bn)는, (22)식으로부터 이하와 같이 도출된다.

도 1과 (24)식에 나타난 바와 같이, 주기성교란을 포함하는 전류추정치 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn으로부터 각기, 맥동추출필터 G_F를 통해서, 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류의 추정치 실수부 dI^_An과 허수부 dI^_Bn을 얻는다.

상기 (24)식에 의해 주기성교란전류가 추정되기 때문에, 이 추정치에 기초하여, 도 1에 나타난 바와 같이, 주기성교란전류를 미리 상쇄하기 위해 주기성교란전류명령치 dI_An*과 허수부 dI_Bn*(통상적으로는 0)으로부터 감산하여, 보상전류명령치의 실수부 I_An*과 허수부 I_Bn*이 생성된다.

시스템검증결과를 양(positive)으로 설정하여, 본 제어계의 토오크리플 검출치에 대한 목표치응답과 주기성교란응답이 (25)식과 (26)식으로부터 도출된다.

이 식으로부터, 극배치(pole assignment)는 맥동추출필터 G_F의 차단주파수 ω_f에 의해 결정됨을 알 수 있고, (26)식의 최종치정리로부터, 주기성교란전류를 억제하는 것이 가능하다.

본 실시형태에서, 시스템검증결과가 기초로 사용되고, (23)식의 역모델은 회전속도 ω(토오크리플주파수)에 적응하여 변화하는 특징을 가지고, 제어계파라미터는 자동조정된다.

본 실시예에서, 맥동추출필터 G_F는, 최대로 간이한 1차저역통과필터이다. 그러나, 고차저역통과필터를 사용하여 같은 방법으로 주기성교란을 억제하는 것도 가능하다.

11 명령치변환부 (command converting section)
12 전류벡터제어부 (current vector control section)
13 모터 (moter)
14 부하장치 (load device)
15 좌표변환부 (coordinate transforming section)
16 전류센서 (current sensor)
17 회전위상/속도검출부 (rotation phase/speed sensing section)
18 회전위치센서 (rotational position sensor)
19 토오크맥동주파수성분추출부 (torque pulsation frequency component extracting section)
20 축토오크검출기 (shaft torque detector)
21 토오크리플억제제어부 (torque ripple suppression control section)
22 보상전류생성부 (compensating current generating section)
31 주기성교란관찰부 (periodic disturbance observer section)
32 토오크리플추출부 (torque ripple extracting section)
33 실제시스템 (actual system)

Claims

회전전기시스템의 토오크명령치 혹은 속도명령치를 토오크제어 회전좌표계 d, q축전류명령치로 변환하여, 회전전기기계의 제어계의 주파수특성을 임의주파수성분의 복소벡터로 표현하는 모델화를 행하고, 이 모델을 사용하여 임의주파수성분의 토오크리플의 실수부와 허수부를 주기성교란관찰부로 추정하고, 이 주기성교란을 억압하기 위해 상기 d, q축전류명령치에 피드백보상전류를 중첩시키고,
회전전기기계의 축토오크검출치 T_det와 맥동추출필터 G_F, 회전위상 θ로부터 회전전기기계시스템의 토오크리플에 포함된 n차주파수성분별 토오크맥동의 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn을 구하는 토오크리플추출부;
상기 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn, 회전전기기계의 회전속도 ω로부터 토오크리플의 n차보상전류 코사인계수 I^_An과 사인계수 I^_Bn을 추정하는 주기성교란 관찰부; 및
상기 코사인계수 I^_An과 사인계수 I^_Bn을 토오크리플 보상전류명령치로 설정하고, 이 코사인계수 I^_An, 사인계수 I^_Bn, 회전전기기계의 회전위상 θ로부터 회전전기기계의 주기성교란을 억제하는 피드백보상전류를 구하는 보상전류생성부;를 구비하여 이루어지고,
상기 주기성교란관찰부가,
토오크명령치에서 토오크검출치로의 n차토오크리플주파수성분의 회전전기기계시스템 전달함수를, n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn를 갖는 1차원복소벡터로 표현하여 추정하는 수단;
상기 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn, 상기 n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn으로부터, 다음 식을 이용하여 주기성교란을 포함하는 전류추정치 실수부 I^_An과 전류추정치 허수부 I^_Bn을 구하는 수단; 및
상기 전류추정치 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn로부터 각기 상기 맥동추출필터 G_F를 통해 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류를 상쇄하기 위한 주기성교란전류실수부 dI^_An과 허수부 dI^_Bn의 추정치를 얻는 수단;을 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 회전전기기계의 토오크리플 억제제어장치.

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제 1항에 있어서,
상기 맥동추출필터 G_F가 1차 저역통과필터 혹은 고차의 저역통과필터인 것을 특징으로 하는 회전전기기계의 토오크리플억제제어장치.
회전전기기계시스템의 토오크명령치 또는 속도명령치를 벡터제어의 회전좌표계의 d, q축 전류명령치로 변환하고, 회전전기기계의 제어계의 주파수특성을 임의주파수성분의 복소벡터로 표현하는 모델화를 행하고, 이 모델을 사용하여 주기성교란을 추정하고, 이 주기성교란을 억압하기 위해 상기 d, q축 전류명령치에 피드백 보상전류를 중첩시키고,
토오크리플추출부는, 회전전기기계의 축토오크검출치 T_det, 맥동추출필터 G_F, 회전위상 θ로부터 회전전기기계시스템의 토오크리플에 있는 n차 주파수성분별 토오크맥동의 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn을 구하고;
주기성교란관찰부는, 상기 코사인계수 T_An, 사인계수 T_Bn, 회전전기기계의 회전속도 ω로부터, 토오크리플의 n차보상전류 코사인계수 I^_An과 사인계수 I^_Bn을 추정하고;
보상전류생성부는, 상기 코사인계수 I^_An와 사인계수 I^_Bn을 토오크리플 보상전류명령치로 설정하고, 이 코사인계수 I^An, 사인계수 I^Bn과 회전전기기계의 회전위상 θ로부터 회전전기기계의 주기성교란을 억제하는 피드백보상전류를 구하고;
상기 주기성교란관찰부는,
토오크명령치에서 토오크검출치로의 n차 토오크리플주파수성분의 회전전기기계의 전달함수를, n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn를 갖는 1차원복소벡터로 검증하여 추정하고;
상기 코사인계수 T_An과 사인계수 T_Bn, 상기 n차성분실수부 P^_An과 n차성분허수부 P^_Bn으로부터, 다음 식을 이용하여 주기성교란을 포함하는 전류추정치 실수부 I^_An과 전류추정치 허수부 I^_Bn을 구하고;
상기 전류추정치 실수부 I^_An과 허수부 I^_Bn으로부터 각기 상기 맥동추출필터 G_F를 통해 보상전류명령치 I_An*, I_Bn*를 감산하여, 주기성교란전류를 상쇄하기 위한 주기성교란전류추정치 실수부 dI^An과 주기성교란전류추정치 허수부 dI^Bn을 얻는 것;을 특징으로 하는 회전전기기계의 토오크리플 억제제어방법.

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