KR20170084535A - 회전체 시스템의 축 토크 관측 장치 및 그 방법 - Google Patents

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KR20170084535A
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권오정
송승호
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주식회사 플라스포
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Abstract

회전체 시스템의 축 토크 관측 장치 및 그 방법이 개시된다. 회전체 시스템의 축 토크를 관측하는 축 토크 관측 장치는, 회전체의 전류와 속도를 파악하고, 시스템의 수학적 모델링을 통해 미지의 상태 변수를 추정하는 상태 관측기를 이용하여 회전체의 속도 및 전류로부터 미지의 상태 변수인 회전체의 축 토크를 추정한 후 이를 출력한다.

Description

회전체 시스템의 축 토크 관측 장치 및 그 방법{Apparatus of observing shaft torque in torsional system and method thereof}
본 발명은 블로워 시스템 또는 발전기 시스템과 같은 회전체 시스템의 축 토크를 관측하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
전동기 및 발전기를 포함하는 회전체는 인류의 생활과 밀접한 관련이 있다. 예를 들어, 전동기 분야의 블로워(blower)는 산업 현장에서 사용되는 대표적인 에너지 다소비 유체 기계로서 펌프 등과 함께 산업용 전력 총 소비량의 30% 이상을 차지하는 국가 산업의 핵심 설비이고, 발전기 분야에서 풍력 발전과 같은 발전 설비 또한 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지면서 그에 대한 비중이 높아지고 있는 실정이다. 그러므로 효율적인 운전 및 최적 운전을 위하여 회전체의 구동 드라이버의 역할이 매우 중요하다. 회전체의 구동 드라이버는 전동기의 토크 및 속도를 발생시키거나 발전된 토크를 계통에 연계하는 장치로서 드라이버의 운전 효율 향상을 위해 가변속 부하 특성 상황에 따라 전동기 또는 발전기의 토크를 최적으로 유지시키는 벡터 제어와 센서리스 알고리즘이 핵심 기술이다.
회전체의 발전과 함께 고장 진단을 위한 많은 진동 분석 방법들이 있어 왔다. 전동기 및 발전기 부하의 축 토크는 구동 드라이버를 통해 회전 축에 힘을 미치게 되므로 고장 진단의 핵심 변수이다. 예를 들어, 고속 전동기 블로워의 축 토크는 구동 드라이버를 통해 임펠러 및 회전축에 힘을 미치는 직접적인 변수이고, 블로워의 건전성을 판단하는 가장 중요한 변수 중의 하나이다. 또한 저속의 풍력 발전기의 블레이트 토크 역시 회전축을 구동하는 힘을 발생하는 가장 중요한 변수 중의 하나이다. 고속 블로워의 축 토크가 축 구동계를 통해 발전기를 회전시켜 전력을 생산하는 가장 중요한 변수임에도 불구하고, 센서 부착이 어렵고 정밀도가 낮아 고속 블로워의 축 토크 및 저속 풍력 발전기의 블레이드 축 토크를 직접 측정하는 것은 매우 어렵다.
특허공개번호 제2012-0056531호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 센서 부착을 통한 토크의 직접적인 측정이 어려운 블로워 또는 블레이드 등과 같은 회전체 시스템의 축 토크를 속도 및 전류 등으로부터 추정하여 관측할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 축 토크 관측 방법은, 회전체 시스템의 축 토크를 관측하는 방법에 있어서, 회전체의 전류와 속도를 파악하는 단계; 시스템의 수학적 모델링을 통해 미지의 상태 변수를 추정하는 상태 관측기를 이용하여 회전체의 속도 및 전류로부터 미지의 상태 변수인 회전체의 축 토크를 추정하는 단계; 및 상기 추정된 축 토크의 값을 출력하는 단계;를 포함한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 축 토크 관측 장치의 일 예는, 회전체의 전류 및 토크를 입력받는 입력부; 시스템의 수학적 모델링을 통해 상태 변수를 추정하는 상태 관측기를 이용하여 상기 입력받은 속도 및 전류로부터 회전체의 축 토크를 추정하는 추정부; 및 상기 추정된 축 토크를 출력하는 표시부;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 전동기나 발전기와 같은 회전체 시스템의 축 토크를 회전체 시스템에서 측정 가능한 정보로부터 실시간 추정할 수 있다. 이를 통해 회전체 시스템에 지속적으로 좋지 않은 영향을 미칠 수 있는 축 어긋남(misalignment) 또는 외란과 같은 불규칙한 펄스 성분을 관측하여 향후 생길 수 있는 회전체 시스템의 고장을 조기에 발견하고 진단할 수 있다.
도 1은 관성계 모델링으로 간략히 표현한 블로워 시스템의 축 토크를 관측하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 관성계 모델링으로 간략히 표현한 발전기 시스템의 축 토크를 관측하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 전동기 축 토크 관측을 위한 토크 관측부를 포함하는 1관성계 전동기 모델링의 일 예를 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 발전기 축 토크 관측을 위한 토크 관측부를 포함하는 1관성계 발전기 모델링의 일 예를 도시한 도면,
도 5는 전동기 측 베어링의 볼 3개가 문제가 있을 경우를 모의한 결과 파형을 도시한 도면,
도 6은 전동기 시스템의 두 가진 변수인 블로워 축 토크와 각 위치를 평면상에 도시한 도면,
도 7은 발전기 시스템의 두 가진 변수인 블레이드 축 토크와 각 위치를 평면상에 도시한 도면,
도 8은 블로워 축 토크와 블로워 각 위치에 관한 위 수학식 22, 23을 좌표 평면상에 구현한 도면, 그리고,
도 9는 본 발명에 따른 블레이드 축 토크 모니터링 시스템의 상세 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 회전체 시스템의 축 토크 관측 장치 및 그 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 관성계 모델링으로 간략히 표현한 블로워 시스템의 축 토크를 관측하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 도면이고, 도 2는 관성계 모델링으로 간략히 표현한 발전기 시스템의 축 토크를 관측하기 위한 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 블로워 시스템이나 풍력 발전기 시스템 등과 같은 회전체 시스템은 1관성계로 모델링될 수 있다. 예를 들어, 블로워 시스템은 도 1과 같이 블로워(100)와 전동기(110)의 1관성계로 모델링되고, 풍력발전 시스템은 도 2와 같이 블레이드(200)와 발전기(210)의 1관성계로 모델링될 수 있다.
회전체 시스템의 일 예로, 도 1의 블로워 시스템과 도 2의 풍력 발전 시스템을 제시하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 이 외 다양한 회전체 시스템의 토크 관측에 적용될 수 있음은 물론이다. 다만 설명의 편의를 위하여 이하 두 시스템 위주로 설명한다.
다시 도 1을 참조하면, 블로워 시스템은 축 구동계에 별도의 외란 요소가 존재하지 않고 블로워 토크(Tblower)와 전동기 토크(Tmotor)가 토크의 주요성분이라고 한다면, 다음 수학식1과 같은 토크 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, T는 토크, J는 관성, B는 마찰계수, ω는 회전속도를 나타낸다.
회전계의 관성(J)은 수학식 2와 같이, 블로워 관성(Jblower)과 전동기 관성(Jmotor)의 합으로 표현되고, 전동기의 회전속도(ωmotor)는 수학식 3과 같이 블로워 입력 토크와 전동기 부하 토크의 차에 의해 결정된다.
Figure pat00002
Figure pat00003
전동기(110)에 의해 생성된 토크는 블로워(100)에 전달되고 다양한 제어 전략에 따라 전동기(110)에 전달되는 토크를 빼가며 나머지 토크는 블로워 관성과 전동기 관성 및 마찰력에 의해서 속도 가감속을 결정하게 된다.
전동기 각위치(θmotor)의 미분은 전동기 각속도(ωmotor)이다. 블로워 토크의 시간에 대한 변화가 매우 느리다고 가정하면 다음 수학식 4,5가 성립한다.
Figure pat00004
Figure pat00005
다음으로 도 2를 참조하면, 풍력 발전기 시스템에 축 구동계에 별도의 외란 요소가 존재하지 않고 블레이드 토크(Tblade)와 발전기 토크(Tgen)가 토크의 주요성분이라고 한다면 발전기 시스템은 다음 수학식 6과 같은 토크 방정식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, T는 토크, J는 관성, B는 마찰계수, ω는 회전속도를 나타낸다.
회전계의 관성(J)은 수학식 7과 같이, 블레이드의 관성(Jblade)과 발전기 관성(Jgen)의 합으로 표현되므로, 발전기의 회전속도(ωgen)는 수학식 8과 같이 블레이드 입력 토크와 발전기 부하 토크의 차에 의해 결정된다.
Figure pat00007
Figure pat00008
블레이드(200)에 의해 생성된 토크는 발전기(210)에 전달되고 다양한 제어 전략에 따라 발전기는 블레이드로부터 전달된 토크의 일부를 소비하고 나머지는 블레이드 관성과 발전기 관성 및 마찰력에 의해 발전기의 속도 가감속을 결정하게 된다.
발전기 각위치(θgen)의 미분은 발전기 각속도(ωgen)이다. 블레이드 토크의 시간에 대한 변화가 매우 느리다고 가정하면 다음 수학식 9,10이 성립한다.
Figure pat00009
Figure pat00010
본 실시예에서, 토크 관측부(130,230)는 전동기(110) 또는 발전기(210)로부터 파악 가능한 전류와 속도 정보로부터 미지의 상태 변수인 축 토크를 추정하기 위한 상태 관측기(state observer)를 설계한 후, 그 상태 관측기를 통해 실시간 축 토크를 추정한다.
여기서, 상태 관측기(state observer)는 물리적으로 복잡한 수식을 갖는 기계 시스템을 해석하기 위한 일종의 수학적 도구로서, 상태 추정 이론에 의하면 시스템의 동적 모델링에 기반하여 시스템에 알려진 몇몇 정보로부터 시스템의 미지의 상태 변수를 추정하는 것이 가능함이 밝혀져 있다.
상태 관측기는 기계 시스템을 1관성계(즉, 전동기나 발전기의 축(shaft)을 하나의 긴 쇠막대로 모델링)로 모델링하는 경우 주로 사용되는 전차원 관측기와, 축의 비트림과 구부러짐 등을 고려한 다관성체의 2관성계로 모델링하는 경우에 주로 사용되는 축소차원 관측기로 구분할 수 있으나, 앞서 설명한 상태 추정 이론에 따라 시스템의 측정 가능한 정보로부터 미지의 상태 변수를 추정하는 점은 동일하므로 전차원 관측기 또는 축소차원 관측기 중 편의에 따라 어떤 관측기를 사용하여도 된다.
속도 추정부(120,220)는 엔코더와 같은 위치 검출기를 사용하지 않고 회로의 전류 정보를 이용하여 전동기(110)나 발전기(210)와 같은 회전체의 속도를 추정한다. 좀 더 구체적으로, 속도 추정부(120,220)는 전류 정보를 이용하여 자속축을 추정한다. 추정 자속축(
Figure pat00011
)과 실제 자속축(d,q)이 다음 수학식 11과 같이 오차를 가지고 있다면 기존 PMSM(Permanent Magent Synchronous Motor) 전동기 및 PMSG(Permanent Magent Synchronous Generator) 발전기 전압 방정식의 q축에만 위치하던
Figure pat00012
성분은 각각 수학식 12와 같이 오차성분의 역기전력(
Figure pat00013
)으로 나타난다. 결국 자속축의 오차가 존재하면 회전체(PMSM)의 d-q축 고정자 전압 방정식은 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다. 수학식에서 첨자 ^(hat)은 추정된 값을 나타낸다.
Figure pat00014
여기서, θr은 회전체의 실제 각위치를 나타내고,
Figure pat00015
은 회전체의 추적 각위치를 나타낸다.
Figure pat00016
여기서, ωr은 회전체의 각속도, λf는 영구 자석의 자속을 나타낸다.
Figure pat00017
여기서, Rs는 고정자의 등가 저항을 나타내고, λds는 고정자 d축 자속을 나타내며, λqs는 고정자 q축 자속을 나타낸다. 이때, 고정자 d, q축 자속의 오른쪽 윗 첨자의 'r'은 회전자 좌표를 의미한다.
동기 전동기 또는 동기 발전기의 d-q 전압 방정식과 수학식 13을 비교할 때, 추정된 각의 오차가 존재하면 수학식 12의 d축 또는 q축의 오차성분(즉, 역기전력을 발생하는 성분)이 발생한다. 바꾸어 말하면 수학식 12에서 역기전력의 d축 성분을 0으로 제어하면 현재 자속각을 추정할 수 있다. 이러한 추정 자속각으로부터 얻은 속도 정보(예를 들어, 추정 자속각의 미분값)를 이용하여 회전체의 축 토크를 관측할 수 있다. 본 실시 예는 속도 제어 및 토크 관측에 오직 전류 센서만을 이용하므로 비용 절감 및 관리가 어려운 센서 장착을 부담을 저감한다.
도 3은 본 발명에 따른 전동기 축 토크 관측을 위한 토크 관측부를 포함하는 1관성계 전동기 모델링의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 블로워 토크(Tblower)에는 축 어긋남(misalignment)과 같은 주기적인 진동 외에도 비주기적 스텝 함수 형태의 외란도 포함될 수 있다. 이와 같이 고속 전동기용 블로워에 나타날 수 있는 다양한 리플 또는 외란을 Tdisturbance로 모델링할 수 있다. Tdisturbance는 전동기 시스템에 그대로 전달되므로 속도 출력에도 영향을 미친다. 전동기의 속도와 각위치로부터 블로워 토크에 관한 정보를 전차원 관측기를 이용하여 얻을 수 있다. 1관성계 블로워 전동기의 간략화된 모델링에 관한 위 수학식 1,4,5로부터 전차원 관측기를 위한 상태 방정식을 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
여기서, T는 토크, J는 관성, B는 마찰계수, θ는 각위치 ω는 회전속도를 나타낸다.
토크 관측부(130)는 위 수학식 14~17의 상태 방정식을 이용하여 블로워 축 토크를 추정하기 위하여 설계된 전차원 관측기를 이용한다. 본 실시예는 설명의 편의를 위해 상태 관측기의 일 예로 전차원 관측기를 이용하였으나 축소차원 관측기를 이용할 수도 있다. 전차원 관측기가 추정하고자 하는 상태 변수는 다음 수학식 18과 같으며, 전차원 관측기의 비례이득을 구하여 정리하면 전동기측 상태 변수의 식은 수학식 19와 같다.
Figure pat00022
Figure pat00023
수학식 18,19에서, '^'은 수학적으로 모델링된 상태 관측기를 이용하여 추정된 값을 의미하고, '˙'은 미분을 의미한다. θ는 각위치, ω는 각속도, T는 토크, B는 마찰, J는 관성, l1,l2,l3는 전차원 관측기의 비례이득을 의미한다. 비례이득 등은 모델링한 전동기에 따라 미리 정해지는 값이다. 또한 첨자 motor은 전동기를 의미하고, 첨자 blower은 블로워를 의미한다.
수학식 19를 참조하면, 전차원 관측기(300)는 전동기 각위치와 전동기 토크의 측정값을 입력 파라메타로 하며, 그 출력 파라메타는 전동기 각위치의 추정값의 미분, 전동기 속도의 추정값의 미분, 블로워 축 토크 추정값의 미분이다. 전동기 토크 및 전동기 각위치는 전동기에서 실제 측정될 수 있는 값이다.
예를 들어, 도 1에서 살핀 바와 같이, 토크 관측부(130)는 전동기로부터 속도와 전류를 파악한다. 그리고 각위치의 미분이 곧 전동기의 속도이므로 측정된 전동기 속도로부터 각위치의 값을 계산할 수 있고, 전류의 크기는 전동기 토크와 비례관계에 있으므로 측정 대상의 전동기에 미리 정해진 토크 상수를 전류에 곱하여 전동기 토크를 계산할 수 있다.
전차원 관측기(300)에 필요한 정보는 파라미터를 포함한 시스템 모델과 측정 데이터 값이며 모든 계산은 토크 관측부의 DSP(Digital Signal Processor) 기반 제어보드에서 실시간으로 수행할 수 있다. 전차원 관측기(300)는 측정된 출력 변수와 전차원 관측기(300)의 출력값이 같아지도록 피드백 루프로 설계되는 것이 바람직하다.
토크 관측부(130)는 전차원 관측기를 이용하여 실시간 추정되는 전동기 축 토크를 표시부(320)를 통해 표시하되, 전동기 축 토크의 각위치와 동기화(310)하여 도 5와 같이 평면상에 표시할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 발전기 축 토크 관측을 위한 토크 관측부를 포함하는 1관성계 발전기 모델링의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 블레이드 토크(Tblade)에는 축 어긋남(misalignment)과 같은 주기적인 진동 외에도 비주기적 스텝 함수 형태의 외란도 포함될 수 있다. 이와 같이 발전기의 블레이드에 나타날 수 있는 다양한 리플 또는 외란을 Tdisturbance로 모델링할 수 있다. Tdisturbance는 발전기 시스템에 그대로 전달되므로 속도 출력에도 영향을 미친다.
바람에 의해 블레이드 토크와 함께 타워 효과 등의 외란에 의한 토크가 발생하여 함께 발전기 시스템으로 입력된다. 도 2에 도시된 1관성계 풍력 발전기의 간략하된 모델링에 관한 수학식 6,9,10으로부터 외란을 고려한 시스템의 상태 방정식을 수학식 14 내지 17과 동일한 형태로 나타낼 수 있다. 이 경우, 수학식 14 내지 16에서 전동기와 블로워를 나타내는 각 첨자인 motor, blower은 블레이드와 발전기를 나타내는 각 첨자인 gen 및 blade로 교체된다.
토크 관측부(230)는 위 수학식 14~17의 상태 방정식을 이용하여 블레이드 축 토크를 추정하기 위하여 설계된 전차원 관측기(400)를 이용한다. 본 실시예는 설명의 편의를 위해 상태 관측기의 일 예로 전차원 관측기를 이용하였으나 축소차원 관측기를 이용할 수도 있음은 당연한다. 전차원 관측기가 추정하고자 하는 상태 변수는 다음 수학식 20과 같으며, 전차원 관측기의 비례이득을 구하여 정리하면 발전기의 상태 변수의 식은 수학식 21과 같다.
Figure pat00024
Figure pat00025
수학식 20, 21에서, '^'은 수학적으로 모델링된 상태 관측기를 이용하여 추정된 값을 의미하고, '˙'은 미분을 의미한다. θ는 각위치, ω는 각속도, T는 토크, B는 마찰, J는 관성, l1,l2,l3는 전차원 관측기의 비례이득을 의미한다. 비례이득 등은 모델링한 풍력 발전기에 따라 미리 정해지는 값이다. 또한 rm는 발전기를 의미하고, blade는 블레이드를 의미한다.
수학식 21을 참조하면, 상태 관측기(400)는 발전기 각위치와 발전기 토크의 측정값을 입력 파라메타로 하며, 그 출력 파라메타는 발전기 각위치의 추정값의 미분, 발전기 속도의 추정값의 미분, 블레이드 축 토크 추정값의 미분이다. 발전기 토크 및 발전기 각위치는 발전기에서 실제 측정될 수 있는 값이다.
예를 들어, 도 2에서 살핀 바와 같이, 속도센서 및 전류센서를 통해 발전기의 속도 및 전류를 측정한다. 그리고 각위치의 미분이 곧 발전기의 속도이므로 측정된 발전기 속도로부터 각위치의 값을 계산할 수 있고, 전류의 크기는 발전기 토크와 비례관계에 있으므로 측정 대상의 풍력 발전기에 미리 정해진 토크 상수를 전류에 곱하여 발전기 토크를 계산할 수 있다.
전차원 관측기(400)에 필요한 정보는 파라미터를 포함한 시스템 모델과 측정 데이터 값이며 모든 계산은 모니터링 시스템의 DSP(Digital Signal Processor) 기반 제어보드에서 실시간으로 수행할 수 있다. 상태 관측기(400)는 측정된 출력 변수와 상태 관측기(400)의 출력값이 같아지도록 피드백 루프로 설계되는 것이 바람직하다.
토크 관측부(230)는 전차원 관측기(400)를 이용하여 실시간 추정되는 블레이드 축 토크를 각 동기화(410)을 거쳐 도 5와 같은 형태로 표시부(420)를 통해 표시할 수 있다.
도 5는 블로워 측 인버터의 외부 입력단을 통하여 주기적 진동이 구현된 토크 지령을 인가하여 전동기 측 베어링의 볼 3개가 문제가 있을 경우를 모의한 결과 파형을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 전동기가 1회전할 때 블로워 축 토크에 주기적인 진동이 세 번씩 나타나고 있음을 알 수 있다. 이때 블로워의 각위치(θblower)를 함께 관찰하면, 각위치(θblower)와 추정된 블로워 토크로부터 블로워의 특정 위치각에서 추정된 축 토크의 크기를 가시화할 수 있음을 확인할 수 있다.
이를 이용하여 상용 인버터에서 블로워 및 블레이드의 위치에 따른 축 토크를 추정할 수 있게 하여 고속 블로워 또는 풍력 발전기 작업자에게 특정 부하의 위치각에 따른 토크의 추이를 알 수 있게 한다.
도 6은 전동기 시스템의 두 가진 변수인 블로워 축 토크와 각 위치를 평면상에 도시한 도면이고, 도 7은 발전기 시스템의 두 가진 변수인 블레이드 축 토크와 각 위치를 평면상에 도시한 도면이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 토크 관측부(130)를 통해 추정된 블로워 축 토크(
Figure pat00026
)와 블로워 각 위치(θblade)을 x축 및 y축 평면상에 도시하였다. x축 및 y축의 값은 다음 수학식 22, 23과 같다.
Figure pat00027
Figure pat00028
본 실시예에 따른 전차원 관측기는 1-mass 모델링 뿐만 아니라 2-mass 이상으로 구현된 전동기 모델링에서 적용될 수 있으며, 또한 축소 차원 관측기(Reduced order observer)를 사용하여도 본 실시예에 따른 블로워 축 토크를 추정할 수 있다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 토크 관측부(230)를 통해 추정된 블레이드 축 토크와 블로워 각 위치을 x축 및 y축 평면상에 도시하였다. x축 및 y축의 값은 위 수학식 22, 23과 동일한 형태로 나타낼 수 있다.
도 8은 블로워 축 토크와 블로워 각 위치에 관한 위 수학식 22, 23을 좌표 평면상에 구현한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 블레이드 축 토크 모니터링 시스템의 상세 구성의 일 예를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 토크 관측 장치(900)는 입력부(910), 추정부(920) 및 표시부(930)를 포함한다.
입력부(910)는 전동기 또는 발전기 등의 회전체 시스템의 속도 및 전류를 입력받는다. 예를 들어, 입력부(910)는 전류센서(950)에 의해 측정된 전류 정보와, 속도 추정부(940)에 의해 추정된 속도 정보를 입력받는다. 여기서 속도 추정부(940)는 별도의 센서 없이 전류값을 기초로 속도를 추정할 수 있다.
추정부(920)는 전동기 또는 발전기와 같은 회전체 시스템의 수학적 모델링에 따른 상태 방정식을 이용하여 설계한 상태 관측기를 이용하여 회전체의 속도 및 전류로부터 축 토크를 추정한다. 보다 구체적으로, 상태 관측기가 전차원 관측기인 경우 그 입력 파라메타는 위 수학식 19 또는 21과 같이 전동기나 발전기의 각위치와 토크이며, 이는 측정된 속도 및 전류로부터 계산될 수 있다. 전차원 관측기는 출력 파라메타로 축 토크의 추정값을 출력한다.
표시부(930)는 추정부(920)에 의해 실시간 추정되는 회전체의 축 토크를 출력한다. 이때 표시부(930)는 축 토크의 크기와 각위치를 평면상에 도 6 내지 도 8과 같이 표시할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 회전체 시스템의 축 토크 관측 방법의 일 예의 흐름을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 토크 관측 장치는 속도 및 전류를 파악한다(S1000). 토크 관측 장치는 상태 관측기를 이용하여 회전체의 속도 및 전류로부터 미지의 상태 변수의 축 토크를 추정한다(S1010). 그리고 토크 관측 장치는 추정된 축 토크를 표시한다(S1020).
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 회전체 시스템의 축 토크를 관측하는 방법에 있어서,
    회전체의 전류와 속도를 파악하는 단계;
    시스템의 수학적 모델링을 통해 미지의 상태 변수를 추정하는 상태 관측기를 이용하여 회전체의 속도 및 전류로부터 미지의 상태 변수인 회전체의 축 토크를 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 축 토크의 값을 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축 토크 관측 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 파악하는 단계는,
    회전체의 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 전류를 이용하여 추정한 추정 자속촉과 실제 자속축 사이의 오차 성분에 의해 나타나는 역기전력 성분을 0으로 제어하여 속도를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축 토크 관측 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상태 관측기의 입력 파라메타는 회전체의 각위치 및 토크이고 출력 파라메타는 회전체의 축 토크이며,
    상기 추정하는 단계는, 상기 속도로부터 회전체의 각위치를 계산하고 상기 전류에 회전체의 토크 상수를 곱하여 회전체의 토크를 구한 후, 회전체의 각위치와 회전체의 토크를 상기 상태 관측기의 입력 파라메타로 입력하여 회전체의 축 토크를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축 토크 관측 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 출력하는 단계는,
    상기 회전체의 위치각을 파악하는 단계; 및
    상기 추정된 축 토크와 위치각을 평면상에 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축 토크 관측 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 상태 관측기는 전차원 관측기 또는 축소차원 관측기인 것을 특징으로 하는 축 토크 관측 방법.
  6. 회전체의 전류 및 토크를 입력받는 입력부;
    시스템의 수학적 모델링을 통해 상태 변수를 추정하는 상태 관측기를 이용하여 상기 입력받은 속도 및 전류로부터 회전체의 축 토크를 추정하는 추정부; 및
    상기 추정된 축 토크를 출력하는 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축 토크 관측 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 표시부는,
    상기 추정된 축 토크의 크기를 회전체의 위치각에 따라 평면상에 표시하는 것을 특징으로 하는 축 토크 관측 장치.
  8. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20190036667A (ko) * 2017-09-28 2019-04-05 한국전력공사 전동기 속도 추정 장치 및 방법
KR20190106094A (ko) * 2018-03-07 2019-09-18 재단법인대구경북과학기술원 구동기의 전동력 측정 시스템 및 방법

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