KR20070073685A - 유도전동기 최대토크 제어시스템 - Google Patents

유도전동기 최대토크 제어시스템 Download PDF

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김상선
최정식
고재섭
이정호
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Abstract

본 발명은 전동기의 운전상태에 따라 최대토크 제어가 가능하도록 FNN 제어기와 최대토크 제어기를 이용하여 최대토크 제어를 하는 시스템에 관한 것으로, 퍼지제어와 신경회로망을 혼합 결합한 FNN 제어기와 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대로 하는 최적의 기준 전류를 이용하는 최대토크 제어기를 포함하며, 광범위한 속도영역에서 최대토크 발생, 과도 특성에서 다양한 속도추정 능력, 부하 및 관성 등 파라미터 변동에 고성능 및 강인성을 나타낸다.
유도 전동기, 퍼지제어, 신경회로망, FNN 제어기, 최대토크 제어기

Description

유도전동기 최대토크 제어시스템 {Maximum Torque Control System for Induction Motor}
도 1은 종래의 유도전동기 제어시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 최대토크 제어시스템의 구성도
도 3은 본 발명의 최대토크 제어시스템을 이용한 유도전동기 최대토크 제어 시스템의 구성도
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
1: PI 제어기(Proportional-Integral Controller)
2: 전류 제어기(Current Controller)
3: 공간벡터 PWM 인버터(Space Vector Pulse Width Modulation Inverter, S-V PWM)
4: 유도 전동기(Induction Motor, IM)
5: 속도 측정기
6: FNN 제어기(Fuzzy Neural Network Controller)
7: 최대토크 제어기(Maximum Torque Controller)
본 발명은 전동기의 최대토크(Maximum Torque per Ampere) 제어시스템에 관한 것으로, 전동기의 운전상태에 따라 최대토크 제어가 가능하도록 FNN 제어기와 최대토크 제어기를 이용하여 최대토크 제어를 하는 시스템에 관한 것에 관한 것이다.
본 발명은 퍼지제어와 신경회로망을 결합한 FNN 제어기와 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대화하는 최적의 기준전류를 이용하는 최대토크 제어기로 구성되며, 광범위한 속도영역에서 최대토크 발생, 과도 특성에서 다양한 속도추정 능력, 부하 및 관성 등 파라미터 변동에 고성능 및 강인성을 갖는다.
도 1은 종래의 유도전동기 제어시스템의 구성도이다.
유도전동기의 속도를 사용자가 원하는 속도로 설정한 지령속도(
Figure 112007505988286-PAT00016
)와 유도전동기(4)의 실제속도(ω r )를 비교하여 PI 제어기(1), 전류 제어기(2) 및 공간벡터 PWM 인버터(3)로 유도전동기(4)를 제어한다.
여기서, PI 제어기(1)는 유도전동기(4)의 비선형성 때문에 과도상태에서 양호한 성능을 기대하기 어렵다. 특히 PI 제어기(1)의 이득계수를 조절하여도 시스템의 성능 향상에는 한계가 있으며 외란, 속도 및 부하 등의 파라미터가 변동할 경우 고성능 및 강인성을 기대하기 어렵다.
또한, 고성능 토크제어는 지령전류를 추종하는 전류제어기를 위하여 빠르고 충분한 전류응답을 필요로 한다. 그러나 인버터의 DC 링크에서의 전압과 전류의 한 계 때문에 전동기의 입력 전압 및 전류가 제한된다. 따라서 전동기에서 발생한 토크는 이러한 입력 제한 때문에 안전한 동작을 위하여 제한될 수 있다.
가변속 제어시스템은 생산력을 높이기 위하여 가능한 고속으로 지령속도를 추종해야 하므로 입력 전압과 전류의 조건에서 최대토크를 발생할 수 있는 제어방식이 필요하다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결할 수 있는 유도전동기 최대토크 제어시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 FNN 제어기와 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대로 하는 최적의 기준 전류를 이용하는 최대토크 제어기를 이용한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 최대토크 제어시스템의 구성도이다. 본 발명에서는 광범위한 속도영역에서 최대토크 발생, 과도 특성에서 다양한 속도추정 능력, 부하 및 관성 등 파라미터 변동에 고성능 및 강인성을 발휘하도록 FNN 제어기(6)와 최대토크 제어기(7)를 이용한다. FNN 제어기(6)는 퍼지제어와 신경회로망을 혼합한 제어기이고, 최대토크 제어기(7)는 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대화하는 최적의 기준 전류를 이용하는 최대토크 제어기이다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 지령속도(
Figure 112007505988286-PAT00017
)와 유도전동기(4)의 실제속도 (ω r )를 비교하여 오차를 FNN 제어기(6)에 입력하고 지령토크(
Figure 112007505988286-PAT00018
)를 출력하며 최대 토크 제어기(7)는 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대로 하는 최적의 기준 전류를 이용하여 자속성분의 기준 전류(
Figure 112007505988286-PAT00019
)와 토크성분의 기준전류(
Figure 112007505988286-PAT00020
) 및 지령 슬립 각 속도(
Figure 112007505988286-PAT00021
)를 출력한다. 여기서 출력토크를 최대로 하는 조건과 최적의 기준 전류는 다음 수학식으로 구한다.
[수학식 1]
Figure 112007505988286-PAT00001
[수학식 2]
Figure 112007505988286-PAT00002
[수학식 3]
Figure 112007505988286-PAT00003
여기서
Figure 112007505988286-PAT00004
[수학식 4]
Figure 112007505988286-PAT00005
자속이 정격보다 낮으면 최대 슬립 각속도는 수학식(2)와 같다. 매우 큰 토크에 대하여 슬립 각속도는 자속 조건을 초과할 수 없다. 동작의 자속제한 모드에서 슬립 각속도의 표현은 수학식(3)에서 |Ø s |=1로 설정하여 얻을 수 있으며 ω s 를 구하는 수학식은 다음과 같다.
[수학식 5]
Figure 112007505988286-PAT00006
여기서
Figure 112007505988286-PAT00007
일정 슬립과 동작의 자속 제한영역 사이에서 한계점은 수학식(2)에서 ω s 에 의하여 설정되고 한계점을 초과하는 ω s 는 수학식(5)를 이용한다. 수학식(5)에서 한계 T e 를 구하는 수학식은 다음과 같다.
[수학식 6]
Figure 112007505988286-PAT00008
T e ＜T e,bp 에서 필요한 각 속도는 수학식(2)에서 주어지고 τ r ω s =1이다. T e ＞T e,bp 에서 필요한 슬립 각속도는 수학식(5)에서 주어지고 τ r ω s 를 구하는 수학식은 다음과 같다.
[수학식 7]
수학식(1)을 i qs 에 대한 식으로 풀면 다음 식과 같다.
[수학식8]
Figure 112007505988286-PAT00010
여기서
Figure 112007505988286-PAT00022
이다.
수학식(8)을 피크 교류전류
Figure 112007505988286-PAT00023
에 대입하여 정리하면 다음 식과 같다.
[수학식 9]
Figure 112007505988286-PAT00011
|i s |가 최소가 되는 i ds 를 구하기 위하여 di s /di ds = 0 조건을 구한다.
[수학식 10]
Figure 112007505988286-PAT00012
도 3은 본 발명의 최대토크 제어시스템을 이용한 유도전동기 최대토크 제어 시스템의 구성도이다. 이 유도전동기 최대토크 제어시스템은 유도전동기(4)로부터 FNN 제어기(6)에 입력되는 유도전동기(4)의 실제속도(ω r )를 도출하기 위한 속도 측정기(5), 지령속도(
Figure 112007505988286-PAT00024
)와 실제속도(ω r )의 오차를 입력으로 받아 지령토크(
Figure 112007505988286-PAT00025
)를 출력하는 FNN 제어기(6), 지령토크(
Figure 112007505988286-PAT00026
)를 입력받아 자속성분 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00027
)와 토크성분의 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00028
) 및 지령 슬립 각속도(
Figure 112007505988286-PAT00029
)를 출력하는 최대토크 제어기(7), 토크성분의 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00030
)와 자속성분의 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00031
) 및 동기 회전자 자속의 위치(θ e )를 입력받아 상전압 지령치(
Figure 112007505988286-PAT00032
,
Figure 112007505988286-PAT00033
,
Figure 112007505988286-PAT00034
)을 출력하는 전류 제어기(2), 상기 상전압 지령치 (
Figure 112007505988286-PAT00035
,
Figure 112007505988286-PAT00036
,
Figure 112007505988286-PAT00037
)를 받아 유도전동기(4)을 구동하는 공간벡터 PWM 인버터(3)를 포함한다.
상기 FNN 제어기(6)는 유도전동기(4)의 지령속도(
Figure 112007505988286-PAT00038
)와 속도(ω r )의 오차를 입력받아 지령토크(
Figure 112007505988286-PAT00039
)를 출력하고 최대토크 제어기(7)는 지령토크(
Figure 112007505988286-PAT00040
)를 입력받아 자속성분 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00041
)와 토크성분의 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00042
) 및 지령 슬립 각속도(
Figure 112007505988286-PAT00043
)를 전류 제어기(2)에 인가한다. 그러면 이 전류 제어기(2)는 자속성분 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00044
)와 토크성분의 지령전류(
Figure 112007505988286-PAT00045
) 및 동기 회전자 자속의 위치(θ e )를 사용하여 상전압 지령치(
Figure 112007505988286-PAT00046
,
Figure 112007505988286-PAT00047
,
Figure 112007505988286-PAT00048
)를 출력한다. 출력된 상전압 지령치 (
Figure 112007505988286-PAT00049
,
Figure 112007505988286-PAT00050
,
Figure 112007505988286-PAT00051
)를 공간벡터 PWM 인버터(3)에 인가하여 유도전동기(4)를 구동한다.
이와 같이, 본 발명에서 제시한 FNN 제어기(6)와 최대토크 제어기(7)는 최적의 지령전류를 계산함으로써 최대토크 제어가 가능하여 시스템이 고성능화하고 강인성을 갖게 된다.
도 3에는 FNN 제어기(6)와 최대토크 제어기(7)를 적용한 유도전동기(4)의 최대토크 제어시스템이 도시되어 있으나, 본 발명의 최대토크 제어시스템은 다른 유형의 전동기에도 쉽게 적용할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 FNN 제어기와 최대토크 제어기를 이용함으로써 유도전동기의 광범위한 속도영역에 적절하게 대응할 수 있고, 파라미터 변동과 같은 시스템 변화에 강인성과 고성능을 유지할 수 있어 산업기기의 효율을 높이고 에너지 절감에 기여할 수 있다.
또, 본 발명은 FNN 제어기가 퍼지제어와 신경회로망을 혼합한 형태이고, 최대토크 제어기는 시스템의 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대로 하는 최적의 기준전류를 이용하므로 기존의 제어시스템과 비교하여 응답특성이 양호하다.
또한, 본 발명의 최대토크 제어시스템에 의하면 수렴속도를 빠르게 계산할 수 있고 최적의 지령 전류값을 구할 수 있다.

Claims (4)

  1. 유도전동기 제어시스템에 있어서, 퍼지제어와 신경회로망을 혼합 결합한 FNN 제어기와 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대로 하는 최적의 기준 전류를 이용하는 최대토크 제어기를 이용하는 것을 특징으로 하는 유도전동기 최대토크 제어시스템
  2. 제1항에 있어서, 상기 최대토크 제어기는 지령토크(
    Figure 112007505988286-PAT00052
    )를 입력받아 고정자 전류를 최소화하여 토크를 최대화하는 최적의 기준전류를 이용하여 자속성분 지령전류(
    Figure 112007505988286-PAT00053
    )와 토크성분의 지령전류(
    Figure 112007505988286-PAT00054
    ) 및 지령 슬립 각속도(
    Figure 112007505988286-PAT00055
    )를 출력하는 것을 특징으로 하는 유도전동기 최대토크 제어시스템
  3. 제1항에 있어서, 상기 최대토크 제어기에 입력되는 지령토크(
    Figure 112007505988286-PAT00056
    )는 FNN 제어기를 통해 출력되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 최대토크 제어시스템
  4. 유도전동기 제어시스템에 있어서, 상기 유도전동기의 최대토크 제어에 필요한 자속성분 지령전류(
    Figure 112007505988286-PAT00057
    )와 토크성분의 지령전류(
    Figure 112007505988286-PAT00058
    ) 및 지령 슬립 각속도(
    Figure 112007505988286-PAT00059
    )를 출력하는 최대토크 제어기, 상기 유도전동기로부터 FNN 제어기에 입력되는 유도전동기의 실제속도(ω r )를 도출하기 위한 속도 측정기, 상기 유도전동기의 지령속도 (
    Figure 112007505988286-PAT00060
    )와 실제속도(ω r )의 오차를 입력받아 지령토크(
    Figure 112007505988286-PAT00061
    )를 출력하는 FNN 제어기, 상기 자속성분 지령전류(
    Figure 112007505988286-PAT00062
    )와 토크성분의 지령전류(
    Figure 112007505988286-PAT00063
    ) 및 동기 회전자 자속의 위치(θ e )를 입력받아 상전압 지령치(
    Figure 112007505988286-PAT00064
    ,
    Figure 112007505988286-PAT00065
    ,
    Figure 112007505988286-PAT00066
    )를 출력하는 전류 제어기 및 상기 상전압 지령치(
    Figure 112007505988286-PAT00067
    ,
    Figure 112007505988286-PAT00068
    ,
    Figure 112007505988286-PAT00069
    )를 받아 상기 유도전동기를 구동하는 공간벡터 PWM 인버터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 최대토크 제어시스템
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