KR19980060678A - 유도전동기의 속도 제어 방법 - Google Patents

유도전동기의 속도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

유도 전동기의 속도 제어 방법이 개시된다. 이 방법은, (S1) 유도 전동기의 고정자 전류를 측정하여, 회전자 자속 및 속도를 추정하는 단계; (S2) 측정된 고정자 전류, 추정된 회전자 자속 및 속도에 따라 회전자 저항을 추정하는 단계; (S3) 추정된 회전자 자속, 속도, 회전자 저항, 사용자로부터의 속도 명령 및 자속 명령에 따라 유도 전동기에 대한 벡터 제어를 수행하는 단계; 및 (S4) 상기 단계 S1부터 S3까지를 반복 수행하는 단계;를 포함한 유도 전동기의 제어 방법에 있어서, 상기 단계 S3은, 상기 사용자로부터의 자속 명령에 소정 주파수의 교류 성분을 추가하는 단계가 포함되고, 상기 단계 S2는, 측정된 고정자 전류, 추정된 회전자 자속 및 속도의 교류 성분들을 대상으로하여 수행되는 것을 그 특징으로 한다. 이에 따라, 외부적 영향에 의한 오차 및 계산상의 오차가 없는 회전자 저항을 추정하여, 제어의 정확도 및 정밀도를 높일 수 있다.

Description

유도 전동기의 속도 제어 방법
본 발명은 유도 전동기의 속도 제어 방법에 관한 것이다.
유도 전동기는 다른 전동기들에 비하여 내구성이 좋으므로, 팬, 펌프, 컨베이어, 공작 기계, 엘리베이터, 원심 분리기, 및 세탁기 등 각종 분야에서 많이 사용된다. 최근 반도체 기술 및 제어 기술의 발전으로 인하여, 유도 전동기의 속도 및 힘을 자유롭게 조정할 수 있게 되었다. 그 대표적 제어기로서 인버터(Inverter)를 들 수 있다.
일반적인 유도 전동기의 속도 제어 방법은, 유도 전동기의 고정자 전류를 측정하여, 회전자 자속, 속도, 및 회전자 저항을 추정하는 단계; 추정된 회전자 자속, 속도, 회전자 저항, 사용자로부터의 속도 명령 및 자속 명령에 따라 유도 전동기에 대한 벡터 제어를 수행하는 단계; 및 상기 단계들을 반복 수행하는 단계;를 포함한다. 이러한 유도 전동기의 속도 제어 방법에 있어서, 상기 회전자 저항은 구동되는 유도 전동기의 온도에 따라 변화한다. 이러한 회전자 저항은 센서에 의하여 측정될 수 있지만, 적용 과정에서 호완성, 수명, 정확도 및 정밀도 등 많은 단점들이 대두된다. 이에 따라, 대부분의 제어기에서는 상기 회전자 저항을 간접적으로 추정하고 있다.
도 1은 종래의 속도 제어 방법을 설명하기 위한 개략적 제어 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 속도 제어 방법은, 유도 전동기(11)의 고정자 전류()를 측정하여, 상수 추정부(12)에서 상수들()을 추정함과 동시에 속도 추정부(13)에서 회전자의 속도()를 추정하는 단계; 추정된 상수들(), 회전자의 속도(), 사용자로부터의 속도 명령 및 자속 명령에 따라 벡터 제어부(14)에서 고정자 전압()을 출력하는 단계; 및 상기 단계들을 반복 수행하는 단계;를 포함한다. 도 1에서, 부호 151은 고정자 전압()의 고주파 잡음을 제거하기 위한 제1 필터, 그리고 부호 152는 고정자 전류()의 고주파 잡음을 제거하기 위한 제2 필터를 나타낸다.
고정자 전류 iS의 시간에 대한 1차 미분값이, 2차 미분값이, 고정자 전압의 1차 미분값이, 고정자 저항이, 회전자 인덕턴스가, 회전자 저항이, 고정자 인덕턴스가, 허수 연산자가 j , 추정 속도가, 그리고 고정자와 회전자 사이의 상호 인덕턴스가인 경우, 상수 추정부(12)의 모델 함수는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
상수 추정부(12)는 상기 수학식 1이 만족될 수 있는 상수들(
[수학식 2]
속도 추정부(13)는 상기 수학식 2가 만족될 수 있는 속도()을 추정하여, 상수 추정부(12) 및 벡터 제어부(14)에 입력시킨다. 이에 따라 벡터 제어부(14)는 추정된 상수들() 및 속도()를 처리하여, 고정자 전압()를 출력한다.
상기와 같은 종래의 속도 제어 방법은, 실제 물리량들을 직접 반영하여 상수들 및 속도를 추정함에 따라, 외부적 영향에 의한 오차 예를 들어, 무부하 상태일 때의 순간적 오차 등이 발생될 확률이 높고, 고정자 전류및 고정자 전압의 고차 미분에 따른 오차가 작용한다. 특히, 회전자 저항의 추정에 있어서 많은 오차가 예견되고 있다. 결과적으로, 속도 제어의 안정도, 정확도 및 정밀도가 떨어지는 요인을 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 실제 물리량들을 간접적으로 반영하여 회전자 저항을 추정할 수 있는 유도 전동기의 속도 제어 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 속도 제어 방법을 설명하기 위한 개략적 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 속도 제어 방법을 설명하기 위한 개략적 제어 블록도이다.
도 3은 도 2의 회전자 저항 추정부 내의 필터 시스템을 나타낸 제어 블록도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
...속도 명령,...자속 명령,
...고정자 전압,..고정자 전류,
...회전자 자속,... 회전자 속도,
...회전자 저항.
상기 목적을 이루기 위하여 본 발명에 의한 유도 전동기의 속도 제어 방법은, (S1) 유도 전동기의 고정자 전류를 측정하여, 회전자 자속 및 속도를 추정하는 단계; (S2) 측정된 고정자 전류, 추정된 회전자 자속 및 속도에 따라 회전자 저항을 추정하는 단계; (S3) 추정된 회전자 자속, 속도, 회전자 저항, 사용자로부터의 속도 명령 및 자속 명령에 따라 유도 전동기에 대한 벡터 제어를 수행하는 단계; 및 (S4) 상기 단계 S1부터 S3까지를 반복 수행하는 단계;를 포함한 유도 전동기의 제어 방법에 있어서, 상기 단계 S3은, 상기 사용자로부터의 자속 명령에 소정 주파수의 교류 성분을 추가하는 단계가 포함되고, 상기 단계 S2는, 측정된 고정자 전류, 추정된 회전자 자속 및 속도의 교류 성분들을 대상으로하여 수행되는 것을 그 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 속도 제어 방법을 설명하기 위한 개략적 제어 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 속도 제어 방법은, (S1) 회전자 자속 및 속도 추정부(22)에서, 유도 전동기(21)의 고정자 전류()를 측정하여 회전자 자속() 및 속도()를 추정하는 단계; (S2) 회전자 저항 추정부(23)에서, 측정된 고정자 전류(), 추정된 회전자 자속() 및 속도()에 따라 회전자 저항()을 추정하는 단계; (S3) 추정된 회전자 자속(), 속도(), 회전자 저항(), 사용자로부터의 속도 명령() 및 자속 명령()에 따라, 벡터 제어부(24)에서 유도 전동기(21)에 대한 벡터 제어를 수행하는 단계; 및 (S4) 상기 단계 S1부터 S3까지를 반복 수행하는 단계;를 포함한다. 여기서 상기 단계 S3에서는, 상기 사용자로부터의 자속 명령()에 소정 주파수()의 교류 성분을 추가하는 단계가 포함되고, 상기 단계 S2는, 측정된 고정자 전류(), 추정된 회전자 자속() 및 속도()의 교류 성분들을 대상으로하여 수행된다.
상기 단계 S3에서, 상기 사용자로부터의 자속 명령()에 소정 주파수()의 교류 성분을 추가하는 단계는, 상기 사용자로부터의 자속 명령() 및 속도 명령()이 입력되어, 전체 시스템이 안정될 때까지 대기한 후에 수행된다. 시간을 t, 상기 교류 성분의 진폭을 A, 주파수를라 하면, 벡터 제어부(24)에서 작용하는 자속 명령은 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
벡터 제어부(24)에서는 상기 속도 명령, 교류 성분이 추가된 자속 명령, 회전자 자속 및 속도 추정부(22)에서 추정된 자속및 속도, 및 회전자 저항 추정부(23)에서 추정된 회전자 저항을 처리하여, 고정자 전압를 출력한다. 한편 회전자 자속 및 속도 추정부(22)는, 유도 전동기(21)의 고정자 전류를 측정하여 회전자 자속및 속도을 추정하여, 벡터 제어부(24) 및 회전자 저항 추정부(23)에 입력시킨다. 그리고 회전자 저항 추정부(23)는, 측정된 고정자 전류, 추정된 회전자 자속및 속도의 교류 성분들을 대상으로하여, 회전자 저항을 추정한다.
실수부 d축과 허수부 q축의 동기 좌표계상에서, 회전자 인덕턴스가, 고정자와 회전자 사이의 상호 인덕턴스가, 고정자 전류의 d축 교류 성분의 시간에 대한 1차 미분값이, 2차 미분값이, 추정용 회전자 저항이, 안정 상태에서 회전자 속도의 직류 성분이, 조정용 상수를, 속도 명령의 직류 성분이, 자속 명령의 직류 성분이, 회전자 자속의 d축 교류 성분의 시간에 대한 1차 미분값이, 2차 미분값이, 회전자 자속의 q축 교류 성분의 시간에 대한 1차 미분값이, 2차 미분값이, 그리고 안정 상태에서 고정자 전류 iS의 q축 직류 성분이인 경우, 회전자 저항 추정부(23)의 모델 함수는 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
회전자 저항 추정부(23)에서는, 미분에 따른 오차를 줄이기 위하여, 고정자 전류의 d축 교류 성분이 저역 통과 필터(Low Pass Filter)를 통과한 후, 대역 통과 필터(Band Pass Filter)를 통과하는 과정에서 그 1차 미분값및 2차 미분값을 구한다. 저역 통과의 상한 각속도가, 라플라스 연산자가 s, 그리고 조정용 상수가 Q인 경우, 상기 저역 통과 필터의 전달 함수는 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
여기서 상한 각속도에 의하여 고정자 전류의 d축 교류 성분가 영향을 받지 않게 하기 위하여, 상한 각속도을 상기 교류 성분의 각속도보다 높게 설정한다. 상기 대역 통과 필터의 전달 함수는 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
도 3은 도 2의 회전자 저항 추정부 내의 필터 시스템을 나타낸 제어 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 고정자 전류의 d축 교류 성분는 저역 통과 필터(231)를 통과한 후, 대역 통과 필터(232)를 통과하는 과정에서 그 1차 미분값및 2차 미분값이 구해짐을 알 수 있다. 이에 따라, 회전자 저항 추정부(23)에서 미분에 따른 오차를 줄일 수 있다. 이와 같이 구해진 고정자 전류의 d축 교류 성분, 그 1차 미분값및 2차 미분값을 상기 수학식 4에 대입되고, 상기 수학식 4를 만족시키는 회전자 저항을 추정할 수 있다. 저역 통과 필터(231) 및 대역 통과 필터(232)의 내부 구성은, 상기 수학식 5 및 6에 의하여 설계되었음을 알 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 당업자의 수준에서 그 변형 및 개량이 가능하다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 유도 전동기의 속도 제어 방법에 의하면, 실제 물리량들을 간접적으로 반영하여 회전자 저항을 추정하므로, 외부적 영향에 의한 오차 및 계산상의 오차를 줄여서 제어의 정확도 및 정밀도를 높일 수 있다.

Claims (8)

  1. (S1) 유도 전동기의 고정자 전류를 측정하여, 회전자 자속 및 속도를 추정하는 단계; (S2) 측정된 고정자 전류, 추정된 회전자 자속 및 속도에 따라 회전자 저항을 추정하는 단계; (S3) 추정된 회전자 자속, 속도, 회전자 저항, 사용자로부터의 속도 명령 및 자속 명령에 따라 유도 전동기에 대한 벡터 제어를 수행하는 단계; 및 (S4) 상기 단계 S1부터 S3까지를 반복 수행하는 단계;를 포함한 유도 전동기의 제어 방법에 있어서,
    상기 단계 S3은,
    상기 사용자로부터의 자속 명령에 소정 주파수의 교류 성분을 추가하는 단계가 포함되고,
    상기 단계 S2는,
    측정된 고정자 전류, 추정된 회전자 자속 및 속도의 교류 성분들을 대상으로하여 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 S3에서 상기 사용자로부터의 자속 명령에 소정 주파수의 교류 성분을 추가하는 단계는,
    상기 사용자로부터의 속도 명령 및 자속 명령이 입력되어, 전체 시스템이 안정될 때까지 대기한 후에 수행되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 교류 성분이 추가된 자속 명령은,
    상기 사용자로부터의 자속 명령이, 시간이 t, 상기 교류 성분의 진폭이 A, 주파수가인 경우, 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단계 S2를 수행하기 위하여 사용될 모델 함수는,
    실수부 d축과 허수부 q축의 동기 좌표계상에서, 회전자 인덕턴스가, 고정자와 회전자 사이의 상호 인덕턴스가, 고정자 전류의 d축 교류 성분의 시간에 대한 1차 미분값이, 2차 미분값이, 추정용 회전자 저항이, 안정 상태에서 회전자 속도의 직류 성분이, 조정용 상수를, 속도 명령의 직류 성분이, 자속 명령의 직류 성분이, 회전자 자속의 d축 교류 성분의 시간에 대한 1차 미분값이, 2차 미분값이, 회전자 자속의 q축 교류 성분의 시간에 대한 1차 미분값이, 2차 미분값이, 그리고 안정 상태에서 고정자 전류 iS의 q축 직류 성분이인 경우, 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고정자 전류의 d축 교류 성분이 저역 통과 필터를 통과한 후, 대역 통과 필터를 통과하는 과정에서 상기 1차 미분값및 2차 미분값가 구해지는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 저역 통과 필터의 전달 함수는,
    상기 저역 통과의 상한 각속도가, 라플라스 연산자가 s, 그리고 조정용 상수가 Q인 경우, 아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상한 각속도에 의하여 고정자 전류의 d축 교류 성분가 영향을 받지 않을 정도로, 상기 상한 각속도을 상기 교류 성분의 각속도보다 높게 설정하는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 대역 통과 필터의 전달 함수는,
    아래의 수학식과 같이 표현되는 것을 그 특징으로 하는 유도 전동기의 속도 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100881360B1 (ko) * 2007-05-09 2009-02-02 엘에스산전 주식회사 유도전동기의 센서리스 벡터 제어 장치 및 방법

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