KR20210047629A - Apparatus and method for estimating mechanical parameters of SPMSM driving system using extended sliding-mode observer - Google Patents

Apparatus and method for estimating mechanical parameters of SPMSM driving system using extended sliding-mode observer Download PDF

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KR20210047629A
KR20210047629A KR1020190131480A KR20190131480A KR20210047629A KR 20210047629 A KR20210047629 A KR 20210047629A KR 1020190131480 A KR1020190131480 A KR 1020190131480A KR 20190131480 A KR20190131480 A KR 20190131480A KR 20210047629 A KR20210047629 A KR 20210047629A
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김홍주
홍지태
송민철
김형우
최준영
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한국전기연구원
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Abstract

The present invention discloses a device and method for estimating a mechanical parameter of an SPMSM driving system using an extended sliding mode observer. The device and method for estimating the mechanical parameter of the SPMSM driving system using the extended sliding mode observer according to the present invention, has the effect of allowing: all the mechanical parameter to be estimated while having robustness to disturbances caused by factors such as uncertainty factors and parameter changes in the model; a load torque excluding a viscous damping coefficient and a moment of inertia, among the three mechanical parameters, to be estimated online; and even chattering that may occur in the observer output signal to be suppressed by using an ESMO.

Description

확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치 및 방법{Apparatus and method for estimating mechanical parameters of SPMSM driving system using extended sliding-mode observer}Apparatus and method for estimating mechanical parameters of SPMSM driving system using extended sliding-mode observer}

본 발명은 파라미터 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 ESMO(Extended Sliding-Mode Observer)를 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 기계 파라미터를 추정하는 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating parameters, and more particularly, to an apparatus and method for estimating a mechanical parameter of an SPMSM driving system using an Extended Sliding-Mode Observer (ESMO).

SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)은 가변 속도 제어용 드라이브와 함께 전기자동차, 에어컨 등 다양한 응용분야에서 널리 이용되고 있다. 이는 SPMSM이 높은 제어 정밀도와 전력 효율, 간단한 구조와 적은 하중, 고속의 동적 반응성을 가지는 특징 때문인데, 고성능 SPMSM 제어 시스템에서는 정확한 시스템 파라미터에 대한 정보가 전체 시스템의 제어 정밀도를 결정하는 중요한 요소가 된다. SPMSM (Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) is widely used in various applications such as electric vehicles and air conditioners along with drives for variable speed control. This is because SPMSM features high control precision, power efficiency, simple structure, low load, and high-speed dynamic response.In high-performance SPMSM control systems, accurate system parameter information becomes an important factor in determining the control precision of the entire system. .

하지만, 전체 시스템의 파라미터의 경우, 그 공칭값(Nominal value)이 시스템 온도, 자화 포화, 시스템의 노후화와 같은 요소에 의해 발생하는 오차를 포함하게 되어, 고성능 제어 시스템을 구성하기 위해서는 필요한 순간에 이러한 시스템 파라미터를 추정할 수 있어야 하고, 추정된 값을 시스템에 적용할 수 있어야 한다. SPMSM 제어 시스템에서 이러한 추정이 필요한 대표적인 기계 파라미터로는 점성감쇄계수, 관성 모멘트, 그리고 부하 토크가 있다.However, in the case of the parameters of the entire system, the nominal value includes errors caused by factors such as system temperature, magnetization saturation, and system aging. The system parameters must be able to be estimated, and the estimated values must be applicable to the system. Typical mechanical parameters that require such estimation in the SPMSM control system are the viscous attenuation coefficient, the moment of inertia, and the load torque.

이러한 기계 파라미터를 추정하는 방법은 동기속도로 회전하는

Figure pat00001
좌표계 기반의 속도-토크 모델식을 이용하여 세가지 파라미터를 추정해야 하므로 어떠한 방법을 사용하더라도 기계파라미터 전부를 온라인으로 추정할 수 없다.The method of estimating these machine parameters is to rotate at synchronous speed.
Figure pat00001
Since three parameters must be estimated using the coordinate system-based velocity-torque model equation, all mechanical parameters cannot be estimated online no matter what method is used.

따라서, 기계 파라미터를 추정하는 방법은 별도의 상태로 모터를 제어하는 추가적인 동작이 요구되며, 이러한 추가적인 동작 하에 기계 파라미터를 추정하기 위한 방법은 크게 다섯가지로 구분되는데, 1. 파라미터 적응법(Parameter adpatation method), 2. MRAS(Model Reference Adaptive System), 3. EKF(Extended Kalman Filter), 4. RLS(Recursive Least Square), 5. 관측기 기반 방법(Observer-based method)가 그것들이다.Therefore, the method of estimating the machine parameter requires an additional operation to control the motor in a separate state, and the method for estimating the machine parameter under this additional operation is largely divided into five categories. method), 2. Model Reference Adaptive System (MRAS), 3. Extended Kalman Filter (EKF), 4. Recursive Least Square (RLS), and 5. Observer-based method.

파라미터 적응법의 경우 적응 이득값의 변화에 따라 전체 알고리즘 성능이 민감하게 반응하기 때문에 실제 시스템에 적용할 경우 개별적 이득 설정이 항상 요구되며 이에 시간적, 금전적 비용이 동반되어야 한다는 특징을 갖는다.In the case of the parameter adaptation method, the performance of the entire algorithm is sensitively reacted according to the change of the adaptation gain value. Therefore, when applied to an actual system, individual gain setting is always required, and time and monetary costs must be accompanied.

MRAS 방법은 온라인으로 부하토크를 추정할 수 없다는 특징을 가지며, EKF 방법과 RLS 방법에서는 필터의 출력값으로 기계 파라미터들을 직접적으로 획득하는 방법을 사용하고 있으나, 초기조건이 파라미터 추정 성능뿐 아니라 전체 알고리즘의 안정성에 영향을 미친다는 단점을 내포하고 있다. The MRAS method has the characteristic that it is not possible to estimate the load torque online, and the EKF method and the RLS method use a method of directly acquiring machine parameters as the output value of the filter, but the initial condition is not only the parameter estimation performance but also the overall algorithm. It has a disadvantage of affecting stability.

이에 따라 관측기를 이용한 방법이 제시되었고, 일반적인 관측기를 기반으로 기계 파라미터를 구하는 방법에서는 파라미터 불확실성 요소와 파라미터 변화에 의해 발생하는 외란에 취약하다는 단점을 내포하고 있다.Accordingly, a method using an observer has been proposed, and the method of obtaining a machine parameter based on a general observer has a disadvantage of being vulnerable to disturbances caused by parameter uncertainty and parameter changes.

일반적인 관측기를 이용하는 방법이 외란에 취약하다는 점을 보완하기 위해 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 방법이 제안되어 강인성이 보다 증가된 형태로 기계 파라미터를 추정하는 방법들이 제시되었으나 이 경우 슬라이딩 운전 시 발생하는 채터링 현상이 문제가 되었다. In order to compensate for the fact that the general observer is vulnerable to disturbance, the sliding mode observer has been proposed, and methods for estimating the mechanical parameters in the form of increased robustness have been proposed. In this case, the chattering phenomenon that occurs during sliding operation. This became a problem.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 추가적인 인터페이스 구성으로 인한 비용 증가 없이, 필요한 시점에 정확하게 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템의 기계적 파라미터를 추정할 수 있는 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an estimation apparatus and method capable of accurately estimating the mechanical parameters of a Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor (SPMSM) driving system at a necessary time without increasing the cost due to an additional interface configuration.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치는, 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되고, SPMSM을 구동하는 모터 구동 시스템으로부터 dq 좌표계의 q축 전류(iq), SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 회전자 쇄교 자속 추정치(

Figure pat00002
)를 입력받아, 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00003
), 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00004
) 및 부하 토크 추정치(
Figure pat00005
)를 각각 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 제 1 추정부, 제 2 추정부 및 제 3 추정부를 포함한다.The SPMSM (Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer according to a preferred embodiment of the present invention for solving the above problems is implemented as an extended sliding mode observer, and SPMSM From the motor drive system driving dq, the q-axis current (iq) of the coordinate system, the rotational angular velocity (ω) of the SPMSM, and the estimated value of the rotor linkage flux
Figure pat00002
) Is input, and the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00003
), the moment of inertia estimate (
Figure pat00004
) And load torque estimate (
Figure pat00005
) And each generating and outputting to the motor driving system, a first estimating unit, a second estimating unit, and a third estimating unit.

또한, 상기 제 1 추정부는 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00006
)를 상기 제 2 추정부로 출력하고, 상기 제 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00007
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00008
)를 생성할 수 있다.In addition, the first estimating unit estimates the viscous attenuation coefficient (
Figure pat00006
) Is output to the second estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00007
) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia (
Figure pat00008
) Can be created.

또한, 상기 1 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00009
)를 상기 제 2 추정부 및 상기 제 3 추정부로 출력하고, 상기 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00010
)를 상기 제 3 추정부로 출력하며, 상기 제 3 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00011
) 및 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00012
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치(
Figure pat00013
)를 생성할 수 있다.In addition, the 1 estimating unit estimates the viscous attenuation coefficient (
Figure pat00009
) Is output to the second estimating unit and the third estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00010
) Is output to the third estimating unit, and the third estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00011
) And the estimated moment of inertia (
Figure pat00012
) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate (
Figure pat00013
) Can be created.

또한, 동기속도로 회전하는 dq 좌표계상 SPMSM의 연속시간 토크-속도 상태방정식은 아래의 수학식 A1 및 수학식 A2로 표현되고,In addition, the continuous time torque-speed state equation of the SPMSM in the dq coordinate system rotating at the synchronous speed is expressed by the following equations A1 and A2,

[수학식 A1][Equation A1]

Figure pat00014
Figure pat00014

[수학식 A2][Equation A2]

Figure pat00015
Figure pat00015

상기 제 1 추정부, 상기 제 2 추정부 및 상기 제 3 추정부는, 상기 수학식 A1 및 수학식 A2에 기초하여 아래의 수학식 A3 및 수학식 A4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되며,The first estimating unit, the second estimating unit, and the third estimating unit are implemented as an extended sliding mode observer designed by Equations A3 and A4 below based on Equations A1 and A2. ,

[수학식 A3][Equation A3]

Figure pat00016
Figure pat00016

[수학식 A4][Equation A4]

Figure pat00017
Figure pat00017

J0 는 관성모멘트 공칭값을, ΔJ는 실제 관성 모멘트와 공칭값 간의 차이를, B0 는 점성 감쇄 계수의 공칭값을, ΔB는 실제 점성 감쇄 계수와 공칭값 간의 차이를, Pp는 SPMSM의 극수를,

Figure pat00018
은 슬라이딩 모드 이득을,
Figure pat00019
은 슬라이딩 모드 관측기 이득을,
Figure pat00020
는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을,
Figure pat00021
은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을,
Figure pat00022
는 슬라이딩 모드 평면 (
Figure pat00023
)를 각각 나타낼 수 있다.J 0 is the nominal value of the moment of inertia, ΔJ is the difference between the actual moment of inertia and the nominal value, B 0 is the nominal value of the viscous attenuation coefficient, ΔB is the difference between the actual viscous attenuation coefficient and the nominal value, and Pp is the number of poles of the SPMSM. To,
Figure pat00018
Is the sliding mode gain,
Figure pat00019
Is the sliding mode observer gain,
Figure pat00020
Is a disturbance term containing parameter error information,
Figure pat00021
Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information,
Figure pat00022
Is the sliding mode plane (
Figure pat00023
) Can be represented respectively.

또한, 상기 제 1 추정부는, 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(

Figure pat00024
,
Figure pat00025
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 A4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00026
,
Figure pat00027
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00028
)를 생성하여In addition, the first estimation unit, for a certain period of time, SPMSM is two different constant speed (
Figure pat00024
,
Figure pat00025
While being controlled to rotate by ), the Equation A4 is integrated to estimate the error term at each speed (
Figure pat00026
,
Figure pat00027
), and the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00028
) By creating

Figure pat00029
Figure pat00029

상기 제 2 추정부, 상기 제 3 추정부, 및 상기 모터 구동 시스템으로 출력할 수 있다.It may be output to the second estimating unit, the third estimating unit, and the motor driving system.

또한, 상기 제 2 추정부는, 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 제 1 추정부로부터 입력된 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00030
)로 대체된 상기 수학식 A3 및 상기 수학식 A4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되며, 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등가속도 또는 등감속도(
Figure pat00031
,
Figure pat00032
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 A4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00033
,
Figure pat00034
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00035
)를 생성하여In addition, the second estimation unit, the nominal value (B 0 ) of the viscous attenuation coefficient is the estimated viscous attenuation coefficient input from the first estimating unit (
Figure pat00030
) Replaced by Equation A3 and an extended sliding mode observer designed by Equation A4.
Figure pat00031
,
Figure pat00032
While being controlled to rotate by ), the Equation A4 is integrated to estimate the error term at each speed (
Figure pat00033
,
Figure pat00034
) And estimate the moment of inertia according to the equation below (
Figure pat00035
) By creating

Figure pat00036
Figure pat00036

상기 제 3 추정부 및 상기 모터 구동 시스템으로 출력할 수 있다.It may be output to the third estimation unit and the motor driving system.

또한, 상기 제 3 추정부는, 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 제 1 추정부로부터 입력된 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00037
)로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00038
)로 대체된 상기 수학식 A3 및 상기 수학식 A4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되며,In addition, the third estimation unit, the nominal value (B 0 ) of the viscous attenuation coefficient is the estimated viscous attenuation coefficient input from the first estimating unit (
Figure pat00037
), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia (
Figure pat00038
) Is implemented by an extended sliding mode observer designed by Equation A3 and Equation A4,

상기 수학식 A4를 적분하여 오차항의 추정치(

Figure pat00039
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치(
Figure pat00040
)를 생성하여Integrating the above equation A4 to estimate the error term (
Figure pat00039
), and the estimated load torque (
Figure pat00040
) By creating

Figure pat00041
Figure pat00041

상기 모터 구동 시스템으로 출력할 수 있다.It can be output to the motor drive system.

한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 구현된, SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치에서 수행되는 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법은, (a) 상기 기계 파라미터 추정 장치가 SPMSM을 구동하는 모터 구동 시스템으로부터 dq 좌표계의 q축 전류(iq), SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 회전자 쇄교 자속 추정치(

Figure pat00042
)를 입력받는 단계; (b) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00043
)를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00044
)를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계; (c) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(w) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00045
)를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00046
)를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계; 및 (d) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(w) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00047
)를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 부하 토크 추정치(
Figure pat00048
)를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계;를 포함한다.On the other hand, the SPMSM (Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) drive system implemented using an extended sliding mode observer according to a preferred embodiment of the present invention for solving the above-described problem SPMSM drive system performed in a mechanical parameter estimation device The machine parameter estimation method includes: (a) the q-axis current (iq) of the dq coordinate system, the rotational angular velocity (ω) of the SPMSM, and the estimated value of the rotor linkage flux from the motor driving system in which the machine parameter estimation device drives the SPMSM
Figure pat00042
) Receiving an input; (b) The machine parameter estimating device includes the q-axis current iq, the rotational angular velocity ω of the SPMSM, and the rotor linkage magnetic flux estimation value (
Figure pat00043
Using the extended sliding-mode observer to which the) is applied, the estimate of the viscous attenuation coefficient (
Figure pat00044
Generating) and outputting it to the motor driving system; (c) The machine parameter estimating device includes the q-axis current (iq), the rotation angular velocity (w) of the SPMSM, and the rotor linkage magnetic flux estimation value (
Figure pat00045
) Applied an extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia (
Figure pat00046
Generating) and outputting it to the motor driving system; And (d) the machine parameter estimating device includes the q-axis current iq, the rotational angular velocity w of the SPMSM, and the rotor linkage magnetic flux estimation value (
Figure pat00047
Using the extended sliding-mode observer applying ), the load torque estimate (
Figure pat00048
) And outputting it to the motor driving system.

또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00049
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00050
)를 생성할 수 있다.In addition, in the step (c), the machine parameter estimating device includes the viscous attenuation coefficient estimation value (
Figure pat00049
) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia (
Figure pat00050
) Can be created.

또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00051
) 및 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00052
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치(
Figure pat00053
)를 생성할 수 있다.In addition, in the step (d), the machine parameter estimating device includes the viscous attenuation coefficient estimation value (
Figure pat00051
) And the estimated moment of inertia (
Figure pat00052
) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate (
Figure pat00053
) Can be created.

또한, 동기속도로 회전하는 dq 좌표계상 SPMSM의 연속시간 토크-속도 상태방정식은 아래의 수학식 B1 및 수학식 B2로 표현되고,In addition, the continuous time torque-speed state equation of the SPMSM in the dq coordinate system rotating at a synchronous speed is expressed by the following equations B1 and B2,

[수학식 B1][Equation B1]

Figure pat00054
Figure pat00054

[수학식 B2][Equation B2]

Figure pat00055
Figure pat00055

상기 기계 파라미터 추정 장치는, 상기 수학식 B1 및 수학식 B2에 기초하여 아래의 수학식 B3 및 수학식 B4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하며,The machine parameter estimation apparatus uses an extended sliding mode observer designed by Equations B3 and B4 below based on Equations B1 and B2,

[수학식 B3][Equation B3]

Figure pat00056
Figure pat00056

[수학식 B4][Equation B4]

Figure pat00057
Figure pat00057

J0 는 관성모멘트 공칭값을, ΔJ는 실제 관성 모멘트와 공칭값 간의 차이를, B0 는 점성 감쇄 계수의 공칭값을, ΔB는 실제 점성 감쇄 계수와 공칭값 간의 차이를, Pp는 SPMSM의 극수를,

Figure pat00058
은 슬라이딩 모드 이득을,
Figure pat00059
은 슬라이딩 모드 관측기 이득을,
Figure pat00060
는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을,
Figure pat00061
은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을,
Figure pat00062
는 슬라이딩 모드 평면 (
Figure pat00063
)를 각각 나타낼 수 있다.J 0 is the nominal value of the moment of inertia, ΔJ is the difference between the actual moment of inertia and the nominal value, B 0 is the nominal value of the viscous attenuation coefficient, ΔB is the difference between the actual viscous attenuation coefficient and the nominal value, and Pp is the number of poles of the SPMSM. To,
Figure pat00058
Is the sliding mode gain,
Figure pat00059
Is the sliding mode observer gain,
Figure pat00060
Is a disturbance term containing parameter error information,
Figure pat00061
Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information,
Figure pat00062
Is the sliding mode plane (
Figure pat00063
) Can be represented respectively.

또한, 제 (b) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는, 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(

Figure pat00064
,
Figure pat00065
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 B4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00066
,
Figure pat00067
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00068
)를 생성하여In addition, in step (b), the machine parameter estimating device has two different constant speeds (
Figure pat00064
,
Figure pat00065
While being controlled to rotate by ), the Equation B4 is integrated to estimate the error term at each speed (
Figure pat00066
,
Figure pat00067
), and the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00068
) By creating

Figure pat00069
Figure pat00069

상기 모터 구동 시스템으로 출력할 수 있다.It can be output to the motor drive system.

또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는, 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00070
)로 대체된 상기 수학식 B3 및 상기 수학식 B4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여, 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등가속도 또는 등감속도(
Figure pat00071
,
Figure pat00072
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 B4를 적분하여 각 가속도 또는 감속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00073
,
Figure pat00074
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00075
)를 생성하여In addition, in the step (c), the machine parameter estimating device, the nominal value B 0 of the viscous attenuation coefficient is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00070
) Replaced by Equation B3 and the extended sliding mode observer designed by Equation B4, for a certain period of time, the SPMSM has two different equal acceleration or deceleration speeds (
Figure pat00071
,
Figure pat00072
While being controlled to rotate by ), the Equation B4 is integrated to estimate the error term in each acceleration or deceleration (
Figure pat00073
,
Figure pat00074
) And estimate the moment of inertia according to the equation below (
Figure pat00075
) By creating

Figure pat00076
Figure pat00076

상기 모터 구동 시스템으로 출력할 수 있다.It can be output to the motor drive system.

또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는, 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00077
)로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00078
)로 대체된 상기 수학식 B3 및 상기 수학식 B4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하며, In addition, in the step (d), the machine parameter estimating device, the nominal value (B 0 ) of the viscous attenuation coefficient is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00077
), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia (
Figure pat00078
) Replaced by Equation B3 and the extended sliding mode observer designed by Equation B4,

상기 수학식 B4를 적분하여 오차항의 추정치(

Figure pat00079
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치(
Figure pat00080
)를 생성하여Integrating the above equation B4 to estimate the error term (
Figure pat00079
), and the estimated load torque (
Figure pat00080
) By creating

Figure pat00081
Figure pat00081

상기 모터 구동 시스템으로 출력할 수 있다.It can be output to the motor drive system.

본 발명은 제안하는 ESMO 알고리즘을 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 기계 파라미터를 추정함으로써, 종래 기술에 따른 1. 파라미터 적응법(Parameter adapatation method), 2. MRAS(Model Reference Adaptive System), 3. EKF(Extended Kalman Filter), 4. RLS(Recursive Least Square), 5. 관측기 기반 방법(Observer-based method)들을 이용한 기계 파라미터 추정 방법에 비하여, 모델의 불확실성 요소와 파라미터 변화와 같은 요인에 의해 발생하는 외란에 강인성을 가지면서 모든 기계 파라미터를 추정할 수 있으며, 세 가지 기계 파라미터 중 점성감쇄계수와 관성모멘트를 제외한 부하토크는 온라인으로 추정이 가능하며, ESMO를 사용함으로써 관측기 출력 신호에 발생 할 수 있는 채터링 현상까지 억제할 수 있는 효과가 있다.The present invention estimates the mechanical parameters of the SPMSM driving system using the proposed ESMO algorithm, and according to the prior art 1. Parameter adapatation method, 2. Model Reference Adaptive System (MRAS), 3. Extended EKF Kalman Filter), 4. RLS (Recursive Least Square), 5. RLS (Recursive Least Square), 5. Compared to the method of estimating machine parameters using Observer-based methods, robustness to disturbances caused by factors such as model uncertainty and parameter changes It is possible to estimate all machine parameters while having, and among the three machine parameters, the load torque excluding the viscous attenuation coefficient and the moment of inertia can be estimated online, and a chattering phenomenon that can occur in the output signal of the observer by using ESMO. There is an effect that can be suppressed.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ESMO를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치와, 모터 및 모터 구동 시스템이 연결된 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 일반적인 모터 구동 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기계 파라미터 추정 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 ESMO 알고리즘 기반의 확장 슬라이딩 모드 관측기의 구조와 그 동작 방식을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법을 설명하는 도면이다.
도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ESMO를 이용하여 파라미터를 추정한 경우 중 추정된 회전자 쇄교 자속을 사용했을 때와 그렇지 않았을 때의 본 발명에 의한 기계 파라미터 방법의 성능을 비교한 그래프이다.
1 is a diagram illustrating a configuration in which an apparatus for estimating a mechanical parameter of an SPMSM driving system using an ESMO according to a preferred embodiment of the present invention, and a motor and a motor driving system are connected.
2 is a diagram showing an example of a general motor driving system according to the prior art.
3 is a block diagram showing the configuration of a machine parameter estimation apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a structure of an extended sliding mode observer based on an ESMO algorithm and an operation method thereof.
5 is a diagram illustrating a method of estimating a mechanical parameter of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) driving system using an extended sliding mode observer according to a preferred embodiment of the present invention.
6, 7 and 8 show the mechanical parameter method according to the present invention when the estimated rotor linkage magnetic flux is used and when the parameter is estimated using ESMO according to a preferred embodiment of the present invention. This is a graph comparing performance.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ESMO를 이용한 기계 파라미터 추정 방식은, 동기 속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 토크 속도 상태 방정식을 기반으로 세가지의 기계 파라미터를 추정하되, ESMO는 파라미터 오차 정보를 포함하는 시스템 외란항을 추정하고, 추정된 시스템 외란항을 이용하여 점성감쇄계수, 관성 모멘트, 부하토크를 추정하도록 한다.In the method of estimating machine parameters using ESMO according to a preferred embodiment of the present invention, three machine parameters are estimated based on an equation of state of torque speed in a dq coordinate system rotating at a synchronous speed, but ESMO is a system disturbance including parameter error information. The term is estimated, and the viscous attenuation coefficient, the moment of inertia, and the load torque are estimated using the estimated system disturbance term.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 ESMO를 이용하여 추정된 외란항을 이용하여 세가지 파라미터를 추정하기 위해서는 반드시 점성감쇄계수, 회전자 관성, 부하토크 순서로 차례대로 추정되어야 하며, 첫 번째 순서로 점성감쇄계수를 추정할 때에는 반드시 일정 시간동안 SPMSM이 두가지의 서로 다른 등속도로 운전하도록 제어 되어야 하고, 두 번째 순서로 회전자 관성을 구할 때에는 반드시 일정시간동안 SPMSM이 두가지의 서로 다른 등가속도 혹은 등감속도로 운전하도록 제어되어야 하지만, 세 번째 순서로 부하 토크를 추정할때에는 별도의 SPMSM 운전 동작 제어가 요구되지 않으므로, SPMSM MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 벡터 제어 상태에서 온라인으로 부하토크를 추정할 수 있다.In addition, in order to estimate the three parameters using the disturbance term estimated using the ESMO according to the preferred embodiment of the present invention, the viscosity attenuation coefficient, the rotor inertia, and the load torque must be estimated in order, in the first order. When estimating the viscous attenuation coefficient, the SPMSM must be controlled to operate at two different constant speeds for a certain period of time, and when calculating the rotor inertia in the second order, the SPMSM must have two different equivalent acceleration or constant deceleration for a certain period of time. It must be controlled to drive on the road, but when estimating the load torque in the third order, a separate SPMSM driving operation control is not required, so the load torque can be estimated online under the SPMSM Maximum Torque Per Ampere (MTPA) vector control state.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ESMO를 이용한 SPMSM 구동 시스템 파라미터 추정 장치(300)와, 모터(200) 및 모터 구동 시스템(100)이 연결된 구성을 도시하는 도면이다.1 is a diagram showing a configuration in which an SPMSM driving system parameter estimation apparatus 300 using an ESMO according to a preferred embodiment of the present invention, a motor 200 and a motor driving system 100 are connected.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ESMO를 이용한 SPMSM 구동 시스템 파라미터 추정 장치(300)(이하, "파라미터 추정 장치"로 약칭함)는 모터와 연동되어 모터를 구동하는 모터 구동 시스템(100)과 상호 연동된다.Referring to FIG. 1, an SPMSM drive system parameter estimation apparatus 300 (hereinafter, abbreviated as “parameter estimation apparatus”) using an ESMO according to a preferred embodiment of the present invention is a motor drive system that drives a motor in conjunction with a motor. It is interworked with (100).

모터 구동 시스템(100)은 모터를 구동하기 위한 제어 명령을 생성하여 모터 구동부(120)로 출력하는 제어 명령 생성부(110) 및 제어 명령 생성부(110)로부터 입력된 제어 명령에 따라서 모터로 전압과 전류를 공급하여 모터를 구동하는 모터 구동부(120)를 포함하여 구성된다. 또한, 모터 구동부(120)는 모터의 물리량을 측정하여 제어 명령 생성부(110)로 출력하고, 제어 명령 생성부(110)는 모터 구동부(120)로부터 입력되는 물리량 및 파라미터 추정 장치로부터 입력된 파라미터 추정값을 이용하여 다시 제어 명령을 생성하여 모터 구동부(120)로 출력한다. The motor driving system 100 generates a control command for driving the motor and outputs the voltage to the motor according to the control command generation unit 110 and the control command input from the control command generation unit 110. It is configured to include a motor driving unit 120 for driving the motor by supplying an overcurrent. In addition, the motor driving unit 120 measures the physical quantity of the motor and outputs it to the control command generation unit 110, and the control command generation unit 110 is a physical quantity input from the motor driving unit 120 and a parameter input from the parameter estimating device. A control command is generated again using the estimated value and output to the motor driving unit 120.

도 1에 도시된 모터 구동 시스템(100)은 속도 제어를 위해 고정자측 전압과 전류를 각각 d-q 좌표계로 변환한 다음 d-축 성분, q-축 성분으로 분류된 신호를 이용하여 유무효 전류를 제어하도록 하는 일반적인 선형 제어 기법을 기반으로 한다. 도 1에 도시된 모터 구동 시스템(100)은 종래 기술들 중에서 본 발명에 적합한 사양이 선택적으로 채택될 수 있다.The motor driving system 100 shown in FIG. 1 converts the stator-side voltage and current into dq coordinate systems for speed control, and then controls the effective and ineffective current using signals classified into d-axis components and q-axis components. It is based on a general linear control technique. The motor drive system 100 shown in FIG. 1 may optionally adopt a specification suitable for the present invention from among the prior art.

참고로, 종래 기술에 따른 일반적으로 모터 구동 시스템(100)의 일 예를 도 2에 도시하였다. 본 발명에 적용되는 모터 구동 시스템(100)은 도 2에 도시된 예에 한정되지 않음을 당업자는 알 수 있을 것이다. 아울러, 도 1에 도시된 제어 명령 생성부(110)와 모터 구동부(120)의 기능은 이러한 종래의 모터 구동 시스템(100)과 크게 다르지 않으므로, 자세한 설명은 생략한다.For reference, an example of a general motor driving system 100 according to the prior art is illustrated in FIG. 2. It will be appreciated by those skilled in the art that the motor drive system 100 applied to the present invention is not limited to the example shown in FIG. 2. In addition, the functions of the control command generation unit 110 and the motor driving unit 120 shown in FIG. 1 are not significantly different from those of the conventional motor driving system 100, and thus detailed descriptions thereof will be omitted.

한편, 본 발명의 파라미터 추정 장치(300)는 모터 구동부(120)로부터 q축 전류(iq) 및 모터 각속도(ω)를 입력받고, 이를 이용하여 점성감쇄계수의 추정값(

Figure pat00082
[
Figure pat00083
]), 관성모멘트의 추정값(
Figure pat00084
[
Figure pat00085
]), 부하 토크의 추정값(
Figure pat00086
[
Figure pat00087
])을 생성하여 모터 구동 시스템(100)(제어 명령 생성부(110))으로 출력한다.Meanwhile, the parameter estimating apparatus 300 of the present invention receives the q-axis current i q and the motor angular velocity ω from the motor driving unit 120, and uses them to an estimated value of the viscous attenuation coefficient (
Figure pat00082
[
Figure pat00083
]), the estimated value of the moment of inertia (
Figure pat00084
[
Figure pat00085
]), the estimated value of the load torque (
Figure pat00086
[
Figure pat00087
]) and output to the motor driving system 100 (control command generation unit 110).

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기계 파라미터 추정 장치(300) 및 파라미터 추정 방법을 설명하기에 앞서, 본 발명에서 이용되는 파라미터와 변수를 아래와 같이 정의한다.First, before describing the machine parameter estimating apparatus 300 and the parameter estimating method according to a preferred embodiment of the present invention, parameters and variables used in the present invention are defined as follows.

Figure pat00088
,
Figure pat00089
,
Figure pat00090
,
Figure pat00091
: 동기속도로 회전하는 d-q 축 기준 좌표계 상의 고정자측 d축 전류 [A], q축 전류 [A], d축 지령 전압 [V], q축 지령 전압 [V]
Figure pat00088
,
Figure pat00089
,
Figure pat00090
,
Figure pat00091
: D-axis current [A], q-axis current [A], d-axis command voltage [V], q-axis command voltage [V] on the stator side on the dq-axis reference coordinate system rotating at synchronous speed

Figure pat00092
,
Figure pat00093
,
Figure pat00094
: 동기속도로 회전하는 d-q축 기준 좌표계상 고정자 전류 전압 상태 방정식 상의 고정자 저항 [
Figure pat00095
], 고정자 인덕턴스 [H], 회전자 쇄교 자속 [Wb]
Figure pat00092
,
Figure pat00093
,
Figure pat00094
: Stator resistance in the state equation of the stator current and voltage in the reference coordinate system of the dq axis rotating at synchronous speed [
Figure pat00095
], stator inductance [H], rotor linkage flux [Wb]

Figure pat00096
,
Figure pat00097
,
Figure pat00098
: 동기속도로 회전하는 d-q축 기준 좌표계상 고정자 전류 전압 상태 방정식 상의 고정자 저항의 추정값 [
Figure pat00099
], 고정자 인덕턴스의 추정값 [H], 회전자 쇄교 자속의 추정값 [Wb]
Figure pat00096
,
Figure pat00097
,
Figure pat00098
: Estimated value of stator resistance in the state equation of stator current and voltage in the reference coordinate system of the dq axis rotating at synchronous speed [
Figure pat00099
], the estimated value of the stator inductance [H], the estimated value of the rotor linkage flux [Wb]

Figure pat00100
,
Figure pat00101
,
Figure pat00102
: 점성감쇄계수 [
Figure pat00103
], 관성모멘트(회전자관성) [
Figure pat00104
], 부하토크 [
Figure pat00105
] 의 실제값
Figure pat00100
,
Figure pat00101
,
Figure pat00102
: Viscosity reduction coefficient [
Figure pat00103
], moment of inertia (rotor inertia) [
Figure pat00104
], load torque [
Figure pat00105
Actual value of]

Figure pat00106
,
Figure pat00107
,
Figure pat00108
: 점성감쇄계수 추정값 [
Figure pat00109
], 관성모멘트(회전자관성) 추정값 [
Figure pat00110
], 부하토크 [
Figure pat00111
] 추정값
Figure pat00106
,
Figure pat00107
,
Figure pat00108
: Viscous attenuation coefficient estimated value [
Figure pat00109
], moment of inertia (rotor inertia) estimated value [
Figure pat00110
], load torque [
Figure pat00111
] Estimated value

Figure pat00112
,
Figure pat00113
: 점성감쇄계수 [
Figure pat00114
], 관성모멘트 [
Figure pat00115
] 의 공칭값
Figure pat00112
,
Figure pat00113
: Viscosity reduction coefficient [
Figure pat00114
], moment of inertia [
Figure pat00115
]

Figure pat00116
,
Figure pat00117
: 회전자의 기계적 각속도 [rad/s], 전기적 각속도 [rad/s]
Figure pat00116
,
Figure pat00117
: Rotor's mechanical angular velocity [rad/s], electrical angular velocity [rad/s]

Figure pat00118
,
Figure pat00119
: 회전자 기계적 각속도의 추정값 [rad/s], 회전자 전기적 각속도의 추정값 [rad/s]
Figure pat00118
,
Figure pat00119
: Estimated value of rotor mechanical angular velocity [rad/s], Estimated value of rotor electrical angular velocity [rad/s]

Figure pat00120
: 슬라이딩 모드 이득
Figure pat00120
: Sliding mode gain

Figure pat00121
: 슬라이딩 모드 관측기 이득
Figure pat00121
: Sliding mode observer gain

Figure pat00122
: 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항
Figure pat00122
: Disturbance term including parameter error information

Figure pat00123
: 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값
Figure pat00123
: Estimated value of disturbance term including parameter error information

Figure pat00124
: 슬라이딩 모드 평면 (
Figure pat00125
)
Figure pat00124
: Sliding mode plane (
Figure pat00125
)

한편, 제어 대상이 될 SPMSM이 교차 커플링에 의한 자기포화, 구조적인 비대칭성과 철손, 와전류손, 권선 구조에 의해 발생하는 고조파 성분, 회전자의 이방성 및 자석의 보자력 등에 대한 영향이 없다고 가정할 경우 동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상 SPMSM의 연속시간 토크-속도 상태방정식은 수학식 1과 같다.On the other hand, assuming that the SPMSM to be controlled has no influence on magnetic saturation due to cross coupling, structural asymmetry and iron loss, eddy current loss, harmonic components generated by the winding structure, anisotropy of the rotor, and coercivity of magnets. The continuous time torque-speed state equation of the SPMSM on the dq coordinate system rotating at synchronous speed is shown in Equation 1.

Figure pat00126
Figure pat00126

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300)는 상기한 수학식 1에 기반하여, ESMO 알고리즘에 따른 관측기를 이용하여 구현된다.The parameter estimation apparatus 300 according to a preferred embodiment of the present invention is implemented using an observer according to the ESMO algorithm based on Equation 1 above.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300)는 점성감쇄계수 추정값(

Figure pat00127
[
Figure pat00128
])을 생성하는 제 1 추정부(310)와, 관성모멘트의 추정값(
Figure pat00129
[
Figure pat00130
])을 생성하는 제 2 추정부(320)와 부하토크의 추정값(
Figure pat00131
[
Figure pat00132
])을 생성하는 제 3 추정부(330)를 포함한다.3, the parameter estimating apparatus 300 according to a preferred embodiment of the present invention includes an estimated viscosity attenuation coefficient (
Figure pat00127
[
Figure pat00128
]) and an estimated value of the moment of inertia (
Figure pat00129
[
Figure pat00130
]) and the estimated value of the load torque (
Figure pat00131
[
Figure pat00132
]).

또한, 제 1 추정부(310), 제 2 추정부(320) 및 제 3 추정부(330)는 모두 ESMO(Extended Sliding-Mode Observer) 알고리즘 기반의 관측기를 이용하여 구현된다. 먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 ESMO(Extended Sliding-Mode Observer)에 대해서 설명한다.In addition, the first estimating unit 310, the second estimating unit 320, and the third estimating unit 330 are all implemented using an observer based on an Extended Sliding-Mode Observer (ESMO) algorithm. First, an Extended Sliding-Mode Observer (ESMO) according to a preferred embodiment of the present invention will be described.

본 발명에 따른 ESMO를 설계하기 위해서 수학식 1에서 파라미터 오차값에 대한 표현을 추가하여 수학식 2와 같이 변형한다.In order to design the ESMO according to the present invention, the expression for the parameter error value in Equation 1 is added and modified as in Equation 2.

Figure pat00133
Figure pat00133

수학식 2에서

Figure pat00134
는 SPMSM의 극수를 나타내며,
Figure pat00135
는 시스템 외란항으로써 파라미터 오차에 대한 정보 만을 포함하는 시스템 외란항이 되며 이는 수학식 3과 같이 정의된다.In Equation 2
Figure pat00134
Represents the number of poles of SPMSM,
Figure pat00135
Is a system disturbance term, which is a system disturbance term including only information on parameter errors, which is defined as in Equation 3.

Figure pat00136
Figure pat00136

수학식 3의

Figure pat00137
,
Figure pat00138
,
Figure pat00139
는 파라미터 오차들을 나타내며 이는 실제 파라미터 값과 공칭값 간의 차이로써
Figure pat00140
,
Figure pat00141
,
Figure pat00142
로 나타나는데,
Figure pat00143
에 대한 표현 중
Figure pat00144
는 회전자 쇄교 자속의 추정값을 나타내며 추정값이 실제값에 가까울수록
Figure pat00145
는 0에 수렴한다.Equation 3
Figure pat00137
,
Figure pat00138
,
Figure pat00139
Represents the parameter errors, which is the difference between the actual parameter value and the nominal value.
Figure pat00140
,
Figure pat00141
,
Figure pat00142
Appears as,
Figure pat00143
Among the expressions for
Figure pat00144
Represents the estimated value of the flux linkage of the rotor, and the closer the estimated value is to the actual value,
Figure pat00145
Converges to zero.

시스템 외란항에 대한 수학식 3을 확장된 하나의 상태방정식으로 간주할 경우 수학식 2와 수학식 3에 의해 본 발명에 의한 ESMO는 수학식 4, 수학식 5와 같이 설계된다.When Equation 3 for the system disturbance term is regarded as an extended state equation, the ESMO according to the present invention is designed as Equations 4 and 5 by Equations 2 and 3.

Figure pat00146
Figure pat00146

Figure pat00147
Figure pat00147

수학식 4와 수학식 5로 설계되는 ESMO 동작의 안정성을 증명하기 위해서, 수학식 2에서 수학식 4를 빼고, 수학식 3을 미분한 식에서 수학식 5를 뺌으로써, 얻어지는 오차 방정식은 수학식 6과 수학식 7과 같다.In order to prove the stability of the ESMO operation designed by Equations 4 and 5, the error equation obtained by subtracting Equation 4 from Equation 2 and subtracting Equation 5 from the differential equation for Equation 3 is Equation 6 And Equation 7.

Figure pat00148
Figure pat00148

Figure pat00149
Figure pat00149

수학식 6의

Figure pat00150
Figure pat00151
로 표현되는 실제 속도와 속도의 추정치 간 오차변수이며, 수학식 7의
Figure pat00152
Figure pat00153
로 표현되는 실제 시스템 외란항과 시스템 외란항의 추정치 간 오차 변수를 나타내고
Figure pat00154
Figure pat00155
의 미분항인
Figure pat00156
로써 수학식 8과 같이 표현된다.Equation 6
Figure pat00150
Is
Figure pat00151
It is an error variable between the actual speed and the estimate of the speed, expressed as
Figure pat00152
Is
Figure pat00153
It represents the error variable between the actual system disturbance term and the estimated value of the system disturbance term expressed as
Figure pat00154
silver
Figure pat00155
The derivative term of
Figure pat00156
Is expressed as in Equation 8.

Figure pat00157
Figure pat00157

수학식 4와 수학식 5와 같이 설계되는 ESMO는 결국 수학식 6과 수학식 7과 같이 표현되는 오차변수

Figure pat00158
Figure pat00159
가 유한시간에 0으로 수렴해야, ① ESMO의 안정성, ② ESMO가 정확하게 외란을 추정할 수 있는지에 대한 동작의 정확성, ③ ESMO를 기반으로 수행되는 파라미터 추정의 정확성이 보장될 수 있다.ESMO designed as in Equation 4 and Equation 5 is, in the end, an error variable expressed as Equation 6 and Equation 7
Figure pat00158
Wow
Figure pat00159
Should converge to zero in a finite time, ① the stability of the ESMO, ② the accuracy of the operation as to whether the ESMO can accurately estimate the disturbance, and ③ the accuracy of the parameter estimation performed based on the ESMO can be guaranteed.

우선

Figure pat00160
가 유한시간에 0으로 수렴하는지의 여부를 판별하기 위해 리아푸노프 함수
Figure pat00161
Figure pat00162
이 되도록 선택하고, 수학식 6과 수학식 7을 이용하면 리아푸노프 함수
Figure pat00163
의 미분값은 수학식 9와 같이 표현된다.priority
Figure pat00160
Liapunov function to determine whether or not converges to zero in finite time
Figure pat00161
To
Figure pat00162
If selected to be, and using Equation 6 and Equation 7, the Leapunov function
Figure pat00163
The derivative value of is expressed as in Equation 9.

Figure pat00164
Figure pat00164

선정한 리아푸노프 함수

Figure pat00165
Figure pat00166
이므로,
Figure pat00167
이 될 경우
Figure pat00168
는 0으로 수렴하게 됨을 증명할 수 있다.Selected Leapunov function
Figure pat00165
end
Figure pat00166
Because of,
Figure pat00167
If this becomes
Figure pat00168
It can be proved that is converged to zero.

Figure pat00169
Figure pat00169

수학식 9의 마지막 식으로부터

Figure pat00170
이 수학식 10의 관계를 만족할 경우 수학식 9의 마지막 부등식이 수학식 11과 같이 전개되어 유한시간에
Figure pat00171
가 0으로 수렴함을 증명할 수 있다. 수학식 10에서 K는 K>1인 슬라이딩 모드의 안정성 인자이다.From the last expression in Equation 9
Figure pat00170
If the relationship of Equation 10 is satisfied, the last inequality of Equation 9 is developed as Equation 11,
Figure pat00171
It can be proved that is converged to zero. In Equation 10, K is a stability factor of the sliding mode in which K>1.

Figure pat00172
Figure pat00172

슬라이딩 모드 이득

Figure pat00173
이 수학식 10의 조건을 만족할 경우, 슬라이딩 모드 관측기의 슬라이딩 모드 동작에 의해
Figure pat00174
이 되어, 오차변수
Figure pat00175
Figure pat00176
에 대한 수학식 6과 수학식 7은 수학식 12와 수학식 13과 같이 표현된다. (참고로, 수학식 7은 수학식 13과 동일함)Sliding mode gain
Figure pat00173
When the condition of Equation 10 is satisfied, the sliding mode operation of the sliding mode observer
Figure pat00174
Becomes, the error variable
Figure pat00175
Wow
Figure pat00176
Equations
6 and 7 for are expressed as Equations 12 and 13. (For reference, Equation 7 is the same as Equation 13)

Figure pat00177
Figure pat00177

Figure pat00178
Figure pat00178

수학식 12와 수학식 13을 결합하면 수학식 14와 같이 표현되는데 수학식 14로부터 슬라이딩 모드 관측기 이득

Figure pat00179
와 오차변수
Figure pat00180
의 수렴관계를 결정할 수 있다.When Equation 12 and Equation 13 are combined, it is expressed as Equation 14. From Equation 14, the sliding mode observer gain
Figure pat00179
And error variables
Figure pat00180
The convergence relationship of can be determined.

Figure pat00181
Figure pat00181

수학식 14의

Figure pat00182
을 입력으로
Figure pat00183
를 출력으로 고려할 경우 수학식 14의 해는 수학식 15와 같이 구해질 수 있다.Of Equation 14
Figure pat00182
As input
Figure pat00183
When is considered as an output, the solution of Equation 14 can be obtained as in Equation 15.

Figure pat00184
Figure pat00184

이때,

Figure pat00185
는 슬라이딩 모드 동작에 따른 시간 변수를 나타내는데, 슬라이딩 모드 관측기 이득
Figure pat00186
Figure pat00187
와 같은 관계를 가지게 될 경우
Figure pat00188
은 0으로 수렴하게 되므로 정상상태에서
Figure pat00189
가 된다. At this time,
Figure pat00185
Denotes the time variable according to the sliding mode operation, and the sliding mode observer gain
Figure pat00186
end
Figure pat00187
If you have the same relationship as
Figure pat00188
Converges to 0, so in the steady state
Figure pat00189
Becomes.

또한 설계한 ESMO는 슬라이딩 모드 동작으로 인해 발생하게 되는 채터링 현상을 슬라이딩 모드 관측기 이득

Figure pat00190
에 의해 억제 할 수 있다는 장점을 가지는데, 슬라이딩 모드 관측기 동작이 일어나게 될 경우 수학식 2와 수학식 4는
Figure pat00191
의 관계에 의해 같아지므로 수학식 2는 수학식 16과 같이 표현된다.In addition, the designed ESMO gains the sliding mode observer from the chattering phenomenon that occurs due to sliding mode operation.
Figure pat00190
It has the advantage that it can be suppressed by, but when the sliding mode observer operation occurs, Equations 2 and 4 are
Figure pat00191
Equation 2 is expressed as Equation 16 because it is the same by the relationship of.

Figure pat00192
Figure pat00192

수학식 2와 수학식 16의 관계로부터

Figure pat00193
Figure pat00194
에 관한 미분방정식을 아래 수학식과 같이 얻을 수 있다.From the relationship between Equation 2 and Equation 16
Figure pat00193
Wow
Figure pat00194
The differential equation for can be obtained as the following equation.

Figure pat00195
Figure pat00195

수학식 17은 주파수 도메인에서 수학식 18과 같이 표현된다.Equation 17 is expressed as Equation 18 in the frequency domain.

Figure pat00196
Figure pat00196

수학식 18로부터 시스템 외란항의 추정항

Figure pat00197
Figure pat00198
를 조정함으로써 그 대역폭을 조절 할 수 있는 LPF(Low Pass Filter)에
Figure pat00199
를 입력항으로 통과시켜 얻을 수 있는 값으로 표현되며 이로부터 본 발명에 의한 ESMO는 슬라이딩 모드 동작을 통해 발생하는 채터링 현상을 억제할 수 있다는 특징을 가짐을 알 수 있다.Estimated term of system disturbance term from Equation 18
Figure pat00197
Is
Figure pat00198
LPF (Low Pass Filter) that can adjust its bandwidth by adjusting
Figure pat00199
It can be seen that the ESMO according to the present invention has the characteristic of suppressing the chattering phenomenon that occurs through the sliding mode operation from this, which is expressed as a value that can be obtained by passing the as an input term.

상기 과정에서, ksm 및 ksmo 는 Trial and error 방식에 따라서 이러한 조건을 만족하는 최적의 값으로 선택될 수 있다.In the above process, k sm and k smo may be selected as optimal values that satisfy these conditions according to a trial and error method.

도 4는 ESMO(Extended Sliding-Mode Observer) 알고리즘 기반의 확장 슬라이딩 모드 관측기의 구조와 그 동작 방식을 설명하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a structure of an extended sliding mode observer based on an extended sliding-mode observer (ESMO) algorithm and an operation method thereof.

도 4를 참조하면, 입력신호가 q 축 전류

Figure pat00200
와 회전자 각속도
Figure pat00201
이고, 슬라이딩 모드 이득이
Figure pat00202
, 슬라이딩 모드 관측기 이득이
Figure pat00203
일 때, 실제 값과 다른 공칭값의 파라미터
Figure pat00204
Figure pat00205
에 의한 회전자 각속도 추정항
Figure pat00206
와 계측을 통해 입력되는 실제 속도 값
Figure pat00207
의 차이가 만들어내는 슬라이딩 모드 평면
Figure pat00208
(
Figure pat00209
)가 최소가 될 때까지 적분된 시스템 외란의 추정항
Figure pat00210
가 관측기의 출력값이 되며, 이 출력값을 이용하여 세가지 기계 파라미터를 각각 세가지 순서에 따라 추정한다.4, the input signal is the q-axis current
Figure pat00200
And rotor angular velocity
Figure pat00201
And the sliding mode gain is
Figure pat00202
, The sliding mode observer gain is
Figure pat00203
When is, the parameter of a nominal value different from the actual value
Figure pat00204
Wow
Figure pat00205
Rotor angular velocity estimation term by
Figure pat00206
And the actual speed value entered through measurement
Figure pat00207
The sliding mode plane created by the difference in
Figure pat00208
(
Figure pat00209
The estimated term of the system disturbance integrated until) becomes the minimum
Figure pat00210
Is the output value of the observer, and the three machine parameters are estimated in three orders using this output value.

다시 도 3을 참조하면, 제 1 추정부(310)는 ESMO를 기반으로 구현되어, 서로 다른 두 가지 속도 지령값으로의 등속도 제어 운전 상태에서, 모터 구동부(120)로부터

Figure pat00211
,
Figure pat00212
,
Figure pat00213
를 입력받아, 점성감쇄계수(
Figure pat00214
)의 추정값(
Figure pat00215
)을 제 2 추정부(320), 제 3 추정부(330) 및 모터 구동 시스템(100)으로 출력한다.Referring back to FIG. 3, the first estimation unit 310 is implemented based on ESMO, and in a constant speed control operation state with two different speed command values, from the motor driving unit 120
Figure pat00211
,
Figure pat00212
,
Figure pat00213
Is inputted, and the viscosity attenuation coefficient (
Figure pat00214
) Of the estimate (
Figure pat00215
) Is output to the second estimating unit 320, the third estimating unit 330, and the motor driving system 100.

제 1 추정부(310)는 수학식 4와 수학식 5로 설계된 ESMO를 이용하여 점성감쇄계수(

Figure pat00216
)를 추정하되, SPMSM이 두가지의 서로 다른 상수 속도 지령 값
Figure pat00217
Figure pat00218
로 제어되는 동안 각각 수학식 19과 수학식 20와 같이 얻어진 시스템 외란의 추정항
Figure pat00219
Figure pat00220
를 이용하는데, 그 이유는 속도의 미분항
Figure pat00221
에 의한 항을 제거 하기 위함이다. 이 때, 추정값
Figure pat00222
Figure pat00223
와, 후술하는 추정값
Figure pat00224
Figure pat00225
는 상기한 수학식 5를 적분하여 구할 수 있다.The first estimation unit 310 uses the ESMO designed by Equation 4 and Equation 5, and the viscosity attenuation coefficient (
Figure pat00216
), but SPMSM is two different constant speed command values
Figure pat00217
and
Figure pat00218
While controlled by, the estimated term of the system disturbance obtained as in Equation 19 and Equation 20, respectively
Figure pat00219
and
Figure pat00220
Is used, because the derivative term of velocity
Figure pat00221
This is to remove the term by. At this time, the estimated value
Figure pat00222
And
Figure pat00223
Wow, the estimated value to be described later
Figure pat00224
And
Figure pat00225
Can be obtained by integrating Equation 5 above.

Figure pat00226
Figure pat00226

Figure pat00227
Figure pat00227

또한, 본 발명에 의해 수학식 4와 수학식 5와 같이 설계된 ESMO에서는 반드시 공칭값의 부정확한 회전자 쇄교 자속 공칭값 대신 실시간으로 추정된 정확한 값의 회전자 쇄교 자속을

Figure pat00228
값으로 사용함을 조건으로 하여, 수학식 18과 수학식 19의
Figure pat00229
가 0의 값이 되도록 함을 전제로 한다.In addition, in the ESMO designed as in Equations 4 and 5 according to the present invention, the correct value of the rotor linkage flux estimated in real time is necessarily used instead of the nominal value of the incorrect rotor linkage flux nominal value.
Figure pat00228
On condition that it is used as a value, Equation 18 and Equation 19
Figure pat00229
It is assumed that is set to a value of 0.

수학식 19에 수학식 20를 뺀 뒤,

Figure pat00230
항만 남긴 채 식을 정리하면, ESMO를 통해 추정된
Figure pat00231
,
Figure pat00232
와 측정장치를 통해 측정 가능한
Figure pat00233
,
Figure pat00234
만을 이용하여 수학식 21을 통해
Figure pat00235
를 추정할 수 있다.After subtracting Equation 20 from Equation 19,
Figure pat00230
If you organize the equation with only the port left, the estimated
Figure pat00231
,
Figure pat00232
And measuring devices
Figure pat00233
,
Figure pat00234
Through Equation 21 using only
Figure pat00235
Can be estimated.

Figure pat00236
Figure pat00236

수학식 21을 통해 추정된

Figure pat00237
를 이용하여 실제
Figure pat00238
는 수학식 22에 의해
Figure pat00239
와 같이 추정된다.Estimated through Equation 21
Figure pat00237
Using the actual
Figure pat00238
Is by Equation 22
Figure pat00239
It is estimated as

Figure pat00240
Figure pat00240

제 1 추정부(310)는 상기한 과정을 통해서 점성 감쇄 계수의 추정값

Figure pat00241
를 제 2 추정부(320), 제 3 추정부(330) 및 제어 명령 생성부(110)로 출력한다.The first estimating unit 310 is an estimated value of the viscous attenuation coefficient through the above-described process.
Figure pat00241
Is output to the second estimating unit 320, the third estimating unit 330, and the control command generating unit 110.

한편, 제 2 추정부(320)는 수학식 22에 의해 추정된 점성 계쇄 계수 추정값

Figure pat00242
를, 상기한 수학식 4의 B0
Figure pat00243
교체하고, B0
Figure pat00244
로 교체된 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 ESMO에 의해서 관성 모멘트(J) 추정 과정을 수행한다. 이 때, 제 2 추정부(320)는 점성 감쇄 계수(B)로 공칭값(B0)이 아닌 추정값(
Figure pat00245
)을 이용하므로, 수학식 3에 포함된
Figure pat00246
는 0이 되고, 따라서, 수학식 3은 수학식 23과 같이 다시 표현된다.On the other hand, the second estimating unit 320 is the estimated value of the viscous chain coefficient estimated by Equation 22
Figure pat00242
To, B 0 in Equation 4 above
Figure pat00243
And replace B 0
Figure pat00244
The process of estimating the moment of inertia (J) is performed by the ESMO designed according to Equations 4 and 5 replaced by. At this time, the second estimating unit 320 is an estimated value other than the nominal value B 0 as the viscous attenuation coefficient B
Figure pat00245
), so included in Equation 3
Figure pat00246
Is 0, and thus, Equation 3 is expressed again as Equation 23.

Figure pat00247
Figure pat00247

다시 도 3을 참조하면, 제 2 추정부(320)는 점성 감쇄 계수(B)로 공칭값(B0)이 아닌 추정값(

Figure pat00248
)이 적용되어 상기 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 ESMO를 기반으로 구현되어, 서로 다른 두가지의 일정 가속 혹은 일정 감속 지령 상수값으로의 제어 운전 상태에서, 모터 구동부(120)로부터
Figure pat00249
,
Figure pat00250
,
Figure pat00251
를 입력받고, 관성모멘트(
Figure pat00252
)의 추정값을(
Figure pat00253
)을 생성하여 제 3 추정부(330) 및 제어 명령 생성부(110)으로 출력한다.Referring back to FIG. 3, the second estimating unit 320 is an estimated value other than the nominal value B 0 as the viscosity attenuation coefficient B
Figure pat00248
) Is applied and implemented based on the ESMO designed according to Equation 4 and Equation 5, and in the control operation state of two different constant acceleration or constant deceleration command constant values, from the motor driving unit 120
Figure pat00249
,
Figure pat00250
,
Figure pat00251
Is input, the moment of inertia (
Figure pat00252
) The estimate of (
Figure pat00253
) Is generated and output to the third estimation unit 330 and the control command generation unit 110.

제 2 추정부(320)는 수학식 4와 수학식 5로 설계된 ESMO를 이용하여 관성모멘트(

Figure pat00254
)를 추정하되, SPMSM이 두가지의 서로 다른 상수 가속 또는 감속 지령 값
Figure pat00255
Figure pat00256
로 제어되는 동안 각각 수학식 24와 수학식 25와 같이 얻어진 시스템 외란의 추정항
Figure pat00257
Figure pat00258
를 이용한다.The second estimating unit 320 uses the ESMO designed by Equation 4 and Equation 5, and the moment of inertia (
Figure pat00254
), but SPMSM is two different constant acceleration or deceleration command values
Figure pat00255
and
Figure pat00256
While controlled by, the estimated terms of the system disturbance obtained as in Equation 24 and Equation 25, respectively
Figure pat00257
Wow
Figure pat00258
Use

Figure pat00259
Figure pat00259

Figure pat00260
Figure pat00260

또한, 본 발명에 의해 수학식 4와 수학식 5와 같이 설계된 ESMO에서는 반드시 공칭값의 부정확한 회전자 쇄교 자속 공칭값 대신 실시간으로 추정된 정확한 값의 회전자 쇄교 자속을

Figure pat00261
값으로 사용함을 조건으로 하여, 수학식 24와 수학식 25의
Figure pat00262
가 0의 값이 되도록 함을 전제로 한다.In addition, in the ESMO designed as in Equations 4 and 5 according to the present invention, the correct value of the rotor linkage flux estimated in real time is necessarily used instead of the nominal value of the incorrect rotor linkage flux nominal value.
Figure pat00261
On condition that it is used as a value, Equation 24 and Equation 25
Figure pat00262
It is assumed that is set to a value of 0.

점성감쇄계수(

Figure pat00263
) 추정 시와 유사한 과정으로, 수학식 24에 수학식 25를 뺀 뒤,
Figure pat00264
항만을 남긴 채 식을 정리하면, ESMO를 통해 추정된
Figure pat00265
,
Figure pat00266
와 엔코더를 통해 측정한
Figure pat00267
,
Figure pat00268
만을 이용하여 수학식 26을 통해
Figure pat00269
를 추정할 수 있다.Viscous attenuation coefficient (
Figure pat00263
) In a process similar to that of estimation, after subtracting Equation 25 from Equation 24,
Figure pat00264
If the equation is rearranged while leaving the port, the estimated
Figure pat00265
,
Figure pat00266
And measured through the encoder
Figure pat00267
,
Figure pat00268
Through Equation 26 using only
Figure pat00269
Can be estimated.

Figure pat00270
Figure pat00270

수학식 26을 통해 추정된

Figure pat00271
를 이용하여 실제
Figure pat00272
는 수학식 27에 의해
Figure pat00273
와 같이 추정된다.Estimated through Equation 26
Figure pat00271
Using the actual
Figure pat00272
Is by Equation 27
Figure pat00273
It is estimated as

Figure pat00274
Figure pat00274

제 2 추정부(320)는 수학식 27에 따라서 추정된 관성 모멘트 추정값(

Figure pat00275
)을 제 3 추정부(330) 및 제어 명령 생성부(110)로 출력한다.The second estimating unit 320 is an estimated moment of inertia estimated according to Equation 27 (
Figure pat00275
) Is output to the third estimation unit 330 and the control command generation unit 110.

한편, 제 3 추정부(330)는 제 1 추정부(310)로부터 점성 계쇄 계수 추정값

Figure pat00276
를 입력받고, 제 2 추정부(320)로부터 관성 모멘트 추정값(
Figure pat00277
)을 입력받아, 상기한 수학식 4의 B0
Figure pat00278
교체하고, J0
Figure pat00279
로 교체한다. 그 후,
Figure pat00280
Figure pat00281
로 교체된 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 ESMO에 의해서 부하 토크(TL) 추정 과정을 수행한다. On the other hand, the third estimating unit 330 is the estimated value of the viscous counting coefficient
Figure pat00276
Is inputted, and the estimated moment of inertia from the second estimating unit 320 (
Figure pat00277
) Is received, and B 0 of Equation 4 above is
Figure pat00278
And J 0
Figure pat00279
Replace it with. After that,
Figure pat00280
And
Figure pat00281
The load torque (T L ) estimation process is performed by the ESMO designed according to Equations 4 and 5 replaced by Equations 4 and 5.

이 때, 제 3 추정부(330)는 점성 감쇄 계수(B)로 공칭값(B0)이 아닌 추정값(

Figure pat00282
)을 이용하므로 수학식 3에 포함된
Figure pat00283
는 0이 되고, 관성 모멘트(J)로 공칭값(J0)이 아닌 추정값(
Figure pat00284
)을 이용하고,
Figure pat00285
Figure pat00286
를 추정할 때와 동일한 전제조건으로, 공칭값의 부정확한 회전자 쇄교 자속 공칭값 대신 실시간으로 추정된 정확한 값의 회전자 쇄교 자속을
Figure pat00287
값으로 사용할 경우 수학식 3은 수학식 28과 같이 다시 표현된다.At this time, the third estimating unit 330 is an estimated value other than the nominal value B 0 as the viscous attenuation coefficient B
Figure pat00282
), so included in Equation 3
Figure pat00283
Is 0, and is an estimated value that is not the nominal value (J 0 ) as the moment of inertia (J)
Figure pat00284
),
Figure pat00285
Wow
Figure pat00286
With the same prerequisites as when estimating, the correct value of the rotor linkage flux estimated in real time is used instead of the nominal value of the incorrect rotor linkage flux nominal value.
Figure pat00287
When used as a value, Equation 3 is expressed again as Equation 28.

Figure pat00288
Figure pat00288

다시 도 3을 참조하면, 제 3 추정부(330)는 제 1 추정부(310)과 제 2 추정부(320)에 의해 각각 추정된

Figure pat00289
Figure pat00290
와 본 발명에 의한 ESMO를 이용하여 구현되나, 제 1 추정부(310)와 제 2 추정부(320)에서처럼 SPMSM을 특정 동작 상태로 제어하지 않아도 모터 구동부(120)로부터 입력 받은
Figure pat00291
,
Figure pat00292
,
Figure pat00293
를 이용하여 어떠한 상태에서도 부하토크(
Figure pat00294
)의 추정값(
Figure pat00295
)을 출력할 수 있으며, 이 출력값은 모터 구동 시스템(100)으로 출력된다.Referring back to FIG. 3, the third estimating unit 330 is estimated by the first estimating unit 310 and the second estimating unit 320, respectively.
Figure pat00289
Wow
Figure pat00290
And the ESMO according to the present invention, but received input from the motor driving unit 120 even without controlling the SPMSM to a specific operation state as in the first estimation unit 310 and the second estimation unit 320
Figure pat00291
,
Figure pat00292
,
Figure pat00293
Load torque (
Figure pat00294
) Of the estimate (
Figure pat00295
) Can be output, and this output value is output to the motor drive system 100.

제 3 추정부(330)는 수학식 4와 수학식 5로 설계된 ESMO를 이용하여 상기한 수학식 28에 따라서 부하토크(

Figure pat00296
)를 추정하되, SPMSM이 어떠한 운전 상태에 있더라도 실시간으로 추정할 수 있으며, 수학식 29와 같이 얻어진 시스템 외란의 추정항
Figure pat00297
를 이용하여 부하 토크의 추정값
Figure pat00298
을 출력한다. The third estimating unit 330 uses the ESMO designed by Equation 4 and Equation 5, and the load torque (
Figure pat00296
), but the SPMSM can be estimated in real time no matter what operating state, and the estimation term of the system disturbance obtained as in Equation 29
Figure pat00297
The estimated value of the load torque using
Figure pat00298
Prints.

Figure pat00299
Figure pat00299

지금까지 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기계 파라미터 추정 장치(300)가 모터 구동부(120)로부터 회전자 쇄교 자속 추정값(

Figure pat00300
)을 입력받는 것으로 설명하였으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, 회전자 쇄교 자속을 추정하기 위한 전기 파라미터 추정 장치를 별도로 구성하고, 이로부터 회전자 쇄교 자속 추정값(
Figure pat00301
)을 입력받을 수도 있음은 물론이다.In the preferred embodiment of the present invention described so far, the machine parameter estimating device 300 is the estimated value of the rotor linkage magnetic flux from the motor driving unit 120 (
Figure pat00300
), but this is for convenience of explanation, and an electric parameter estimating device for estimating the rotor linkage flux is separately configured, from which the rotor linkage flux estimation value (
Figure pat00301
Of course, you can also input ).

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법을 설명하는 도면이다.5 is a diagram illustrating a method of estimating a mechanical parameter of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) driving system using an extended sliding mode observer according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기계 파라미터 추정 방법은, 상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기계 파라미터 추정 장치에서 수행되는 것이므로, 그 기능이 동일하다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기계 파라미터 추정 방법의 전체적인 흐름만 간략하게 설명한다.Since the machine parameter estimation method according to the preferred embodiment of the present invention is performed by the machine parameter estimation apparatus according to the preferred embodiment of the present invention, the function is the same. Therefore, hereinafter, only the overall flow of the method for estimating a machine parameter according to a preferred embodiment of the present invention will be described briefly.

먼저, 기계 파라미터 추정 장치가 SPMSM을 구동하는 모터 구동 시스템으로부터 dq 좌표계의 q축 전류(iq), SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 회전자 쇄교 자속 추정치(

Figure pat00302
)를 입력받는다(S510). First, from the motor drive system in which the machine parameter estimating device drives the SPMSM, the q-axis current (iq) of the dq coordinate system, the rotational angular velocity (ω) of the SPMSM, and the estimated value of the rotor linkage flux (
Figure pat00302
) Is input (S510).

이 때, 본 발명의 다른 실시예에서는, 모터 구동 시스템으로부터 dq 좌표계의 q축 전류(iq) 및 SPMSM의 회전 각속도(w) 만을 입력받고, 회전자 쇄교 자속 추정치(

Figure pat00303
)는 별도의 다른 전기 파라미터 추정 장치로부터 입력받을 수도 있다. At this time, in another embodiment of the present invention, only the q-axis current iq of the dq coordinate system and the rotational angular velocity w of the SPMSM are input from the motor driving system, and the estimated value of the rotor linkage magnetic flux (
Figure pat00303
) May be input from another separate electrical parameter estimation device.

그 후, 기계 파라미터 추정 장치는 상기한 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여, 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(

Figure pat00304
,
Figure pat00305
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00306
)를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력한다(S520).Thereafter, the machine parameter estimation apparatus uses an extended sliding mode observer designed according to Equation 4 and Equation 5 above, and the SPMSM has two different constant velocities (
Figure pat00304
,
Figure pat00305
While controlled to rotate to ), the estimate of the viscous decay factor (
Figure pat00306
) Is generated and output to the motor driving system (S520).

그 다음, 기계 파라미터 추정 장치는, 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00307
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 - 보다 구체적으로 설명하면, 상기한 수학식 4의 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)을 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00308
)로 대체하고, 점성 감쇄 계수 추정치로 대체된 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 - 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등가속도 또는 등감속도(
Figure pat00309
,
Figure pat00310
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00311
)를 생성하고, 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00312
)를 상기 모터 구동 시스템으로 출력한다(S530).Then, the machine parameter estimating device, the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00307
) Is applied to the extended sliding mode observer-More specifically, the nominal value (B 0 ) of the viscous attenuation coefficient of Equation 4 is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00308
), and the extended sliding mode observer designed according to Equations 4 and 5 replaced by the viscous decay coefficient estimate-SPMSM for a certain period of time has two different equivalent accelerations or constant deceleration rates (
Figure pat00309
,
Figure pat00310
While controlled to rotate with ), the moment of inertia estimate (
Figure pat00311
), and an estimate of the moment of inertia (
Figure pat00312
) Is output to the motor driving system (S530).

마지막으로, 기계 파라미터 추정 장치는, 점성 감쇄 계수 추정치(

Figure pat00313
) 및 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00314
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 - 보다 구체적으로 설명하면, 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00315
)로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00316
)로 대체된 상기한 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 - 부하 토크 추정치(
Figure pat00317
)를 생성하고, 이를 상기 모터 구동 시스템으로 출력한다(S540).Finally, the machine parameter estimating device, the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00313
) And the moment of inertia estimate (
Figure pat00314
) To the extended sliding mode observer-More specifically, the nominal value of the viscous decay coefficient (B 0 ) is the estimated viscous decay coefficient (
Figure pat00315
), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia (
Figure pat00316
Using the extended sliding mode observer designed according to Equation 4 and Equation 5, replaced by -load torque estimate (
Figure pat00317
) And outputs it to the motor driving system (S540).

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 ESMO를 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 파라미터를 추정하는 장치 및 방법에 대해서 설명하였다.So far, an apparatus and a method for estimating a parameter of an SPMSM driving system using an ESMO according to a preferred embodiment of the present invention have been described.

종래 기술의 경우, 1. 파라미터 적응법(Parameter adapatation method), 2. MRAS(Model Reference Adaptive System), 3. EKF(Extended Kalman Filter), 4. RLS(Recursive Least Square), 5. 관측기 기반 방법(Observer-based method)들을 이용한 기계 파라미터 추정 방법을 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 기계 파라미터들을 추정하였으나, 본 발명은 종래에 이용되던 방법 중 관측기 기반 방법을 사용하되, 종래 기술에 비해 모델의 불확실성 요소와 파라미터 변화에 강인하고, 세가지 기계 파라미터 모두를 추정할 수 있으며, 세가지 파라미터 중 부하토크는 온라인으로 추정이 가능하되, 슬라이딩 모드 동작에 의한 채터링 현상에 의한 단점을 보완한 형태의 ESMO를 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 기계 파라미터들을 추정하는 장치를 구현하였다.In the case of the prior art, 1. Parameter adapatation method, 2. Model Reference Adaptive System (MRAS), 3. Extended Kalman Filter (EKF), 4. Recursive Least Square (RLS), 5. Observer-based method ( Observer-based methods) were used to estimate the mechanical parameters of the SPMSM driving system, but the present invention uses an observer-based method among the conventional methods, but the uncertainty factors and parameters of the model compared to the prior art. It is robust to change and can estimate all three mechanical parameters. Among the three parameters, the load torque can be estimated online, but SPMSM is driven using an ESMO that compensates for the disadvantages caused by chattering caused by sliding mode operation. A device for estimating the machine parameters of the system was implemented.

본 발명에 의한 기계 파라미터 추정 방법은 세가지 파라미터 중 점성감쇄계수(

Figure pat00318
)와 회전자 관성(
Figure pat00319
)을 구할 때 반드시 SPMSM의 특정 운전 제어 상태를 요구하나 이는 하나의 상태방정식을 이용하여 세가지 파라미터를 추정하는데 있어 동반되는 피할 수 없는 과정으로 종래의 기술에도 똑같이 해당되는 특징이지만, 본 발명에 의한 기계 파라미터 추정 방법은 한가지 장치 및 방법을 이용하여 세가지 파라미터를 모두 구할 수 있으며, 점성감쇄계수(
Figure pat00320
)와 관성모멘트(
Figure pat00321
)를 제외한 부하토크(
Figure pat00322
)의 경우 온라인으로 추정 할 수 있다는 특징을 갖는다.The method for estimating machine parameters according to the present invention is the viscosity attenuation coefficient (
Figure pat00318
) And rotor inertia (
Figure pat00319
), a specific operation control state of SPMSM is always required, but this is an inevitable process accompanying in estimating three parameters using one state equation, and is a feature equally applicable to the conventional technology, but the machine according to the present invention The parameter estimation method can obtain all three parameters using one device and method, and the viscosity attenuation coefficient (
Figure pat00320
) And moment of inertia (
Figure pat00321
Load torque (
Figure pat00322
), it can be estimated online.

또한, 본 발명에 의한 ESMO는 반드시 전기 파라미터 중 회전자 쇄교 자속값이 요구됨을 특징으로 하는데, 이에 대해 본 발명에서는 반드시 공칭값이 아닌 실제값과 같도록 추정된 회전자 쇄교 자속 추정값을 사용함을 전제로 하며, 이는 종래의 다양한 전기파라미터 추정 방법 중 어느것을 사용하여 추정된 회전자 쇄교 자속값을 사용하여도 무방하나, 실제값과 오차가 큰 값을 사용할 경우 본 발명에 의한 ESMO 추정 결과 값의 오차가 커지는 현상을 초래한다.In addition, the ESMO according to the present invention is characterized in that the value of the magnetic flux linkage to the rotor is necessarily required among the electrical parameters, but in the present invention, it is assumed that the estimated value of the flux linkage of the rotor is necessarily equal to the actual value rather than the nominal value. It is okay to use the rotor linkage flux value estimated using any of the conventional various electric parameter estimation methods, but if a value having a large error from the actual value is used, the error of the ESMO estimation result value according to the present invention Causes a phenomenon in which is increased.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 설명의 편의를 위해서 모터 구동부(120)에서 파라미터 추정 장치(300)로 회전자 쇄교 자속 추정값(

Figure pat00323
)이 제공되는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 회전자 쇄교 자속 추정값(
Figure pat00324
)을 생성하기 위한 별도의 추정 모듈이 파라미터 추정 장치(300) 내에 포함될 수도 있음을 주의해야 한다.In addition, in a preferred embodiment of the present invention, for convenience of explanation, the motor driving unit 120 uses the parameter estimating device 300 to estimate the rotor linkage magnetic flux (
Figure pat00323
) Is provided, but in another embodiment of the present invention, the estimated value of the flux linkage of the rotor (
Figure pat00324
It should be noted that a separate estimation module for generating) may be included in the parameter estimation apparatus 300.

도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명의 ESMO를 이용하여 파라미터를 추정하되, 실제값에 비해 오차를 포함하는 회전자 쇄교 자속의 공칭값을 사용한 경우와 실제값과 같은 값으로 추정된 회전자 쇄교 자속의 추정값을 사용한 경우의 성능을 비교한 그래프이다.6, 7 and 8 illustrate the case of using the ESMO of the present invention to estimate the parameter, but using the nominal value of the rotor linkage magnetic flux including the error compared to the actual value, and the rotor estimated to be the same value as the actual value. It is a graph comparing the performance when the estimated value of the flux linkage is used.

도 6의 실험 결과는 초기 동작 상태에서 수렴 상태까지, 점성감쇄계수의 추정값(

Figure pat00325
) 획득하는 동안의 응답을 도시하였다. 이 때, 도 6(a)는 두가지 서로 다른 등속 제어 상태를 나타내며, 도 6(b)는 그때의 전자기 토크를 나타낸다. 도 6(c)와 도 6(d)는 각각 초기값이 실제 값보다 1/2배로 작을때와 실제값보다 2배로 클 때, 본 발명에 의한 ESMO를 이용한 제 1 추정부(310)을 이용하여 추정된 점성감쇄계수 추정값(
Figure pat00326
)를 나타낸다. 6 shows the estimated value of the viscosity attenuation coefficient from the initial operating state to the convergent state (
Figure pat00325
) The response during acquisition is shown. At this time, Fig. 6(a) shows two different constant velocity control states, and Fig. 6(b) shows the electromagnetic torque at that time. 6(c) and 6(d) use the first estimation unit 310 using the ESMO according to the present invention when the initial value is 1/2 times smaller than the actual value and 2 times larger than the actual value, respectively. The estimated viscosity attenuation coefficient (
Figure pat00326
).

도 6(c)와 도 6(d)의 붉은색 파형은 회전자 쇄교 자속의 공칭값을 사용한 ESMO를 이용하여 추정한 결과를 나타내며, 푸른색 파형은 회전자 쇄교 자속의 추정값을 사용한 결과를 각각 나타내는데, 두가지 경우 모두 실제값에 가까운 값을 추정하나, 회전자 쇄교 자속의 추정값을 사용한 ESMO의 경우가 추정 오차가 작음을 관찰할 수 있다.The red waveforms in FIGS. 6(c) and 6(d) represent the results of estimation using ESMO using the nominal value of the rotor linkage flux, and the blue waveform shows the results using the estimated value of the rotor linkage flux, respectively. In both cases, a value close to the actual value is estimated, but it can be observed that the estimation error is small in the case of ESMO using the estimated value of the rotor linkage flux.

도 7의 실험 결과는 초기 동작 상태에서 수렴 상태까지, 관성모멘트의 추정값(

Figure pat00327
) 획득하는 동안의 응답을 도시하였다. 이 때, 도 7(a)는 두가지 서로 다른 가속 운전이 되도록 SPMSM을 제어한 상태를 나타내며, 도 7(b)는 그때의 전자기 토크를 나타낸다. 도 7(c)와 도 7(d)는 각각 초기값이 실제 값보다 1/2배로 작을때와 실제값보다 2배로 클 때, 본 발명에 의한 ESMO를 이용한 제 2 추정부(320)을 이용하여 추정된 관성모멘트의 추정값(
Figure pat00328
)를 나타낸다. 7 shows the estimated value of the moment of inertia from the initial operating state to the convergent state (
Figure pat00327
) The response during acquisition is shown. At this time, Fig. 7(a) shows a state in which the SPMSM is controlled to perform two different acceleration operations, and Fig. 7(b) shows the electromagnetic torque at that time. 7(c) and 7(d) use the second estimating unit 320 using the ESMO according to the present invention when the initial value is 1/2 times smaller than the actual value and 2 times larger than the actual value, respectively. And the estimated value of the estimated moment of inertia (
Figure pat00328
).

도 7(c)와 도 7(d)의 붉은색 파형은 회전자 쇄교 자속의 공칭값을 사용한 ESMO를 이용하여 추정한 결과를 나타내며, 푸른색 파형은 회전자 쇄교 자속의 추정값을 사용한 결과를 각각 나타내는데, 두가지 경우 모두 실제값에 가까운 값을 추정하나, 회전자 쇄교 자속의 추정값을 사용한 ESMO의 경우가 추정 오차가 작음을 관찰할 수 있다.The red waveforms in FIGS. 7(c) and 7(d) represent the results of estimation using the ESMO using the nominal value of the rotor linkage flux, and the blue waveform shows the results using the estimated value of the rotor linkage flux, respectively. In both cases, a value close to the actual value is estimated, but it can be observed that the estimation error is small in the case of ESMO using the estimated value of the rotor linkage flux.

도 8의 실험 결과는 초기 동작 상태에서 수렴 상태까지, 부하토크의 추정값(

Figure pat00329
)을 획득하는 동안의 응답을 도시하였다. 이 때, 도 8(a)와 도 8(b)는 각각 부하토크가 1 [
Figure pat00330
] 일 때와 3 [
Figure pat00331
]일 때의 부하토크 추정 결과를 나타낸다. 도 8(a)와 도 8(b)의 붉은색 파형은 회전자 쇄교 자속의 공칭값을 사용한 ESMO를 이용하여 추정한 결과를 나타내며, 푸른색 파형은 회전자 쇄교 자속의 추정값을 사용한 결과를 각각 나타내는데, 추정값을 사용한 경우가 추정 오차가 작음을 알 수 있다. 도 8(c)는 부하토크를 1 [
Figure pat00332
]에서 3 [
Figure pat00333
]로 증가시켰을 때 실시간으로 추정되는 결과를 나타내며, 도 8(d)는 3 [
Figure pat00334
]에서 1 [
Figure pat00335
]로 부하토크를 감소시켰을 때 실시간으로 추정되는 성능을 도시하고 있다.8 shows the estimated value of the load torque from the initial operation state to the convergence state (
Figure pat00329
The response during acquisition of) is shown. At this time, in Figs. 8(a) and 8(b), the load torque is 1 [
Figure pat00330
] When and 3 [
Figure pat00331
Shows the load torque estimation result when []. The red waveforms in FIGS. 8(a) and 8(b) represent the results of estimation using the ESMO using the nominal value of the rotor linkage flux, and the blue waveform shows the results using the estimated value of the rotor linkage flux, respectively. It can be seen that the estimation error is small when the estimated value is used. 8(c) shows the load torque of 1 [
Figure pat00332
] To 3 [
Figure pat00333
It shows the result estimated in real time when it is increased to [Fig. 8(d)] 3 [
Figure pat00334
] To 1 [
Figure pat00335
] Shows the performance estimated in real time when the load torque is reduced.

세가지 파라미터를 추정한 성능에 대한 결과는 표 1에 기재하였다. Proposed는 본 발명에 의한 ESMO가 회전자 쇄교자속의 추정값을 사용한 경우를 나타내며 Existing은 회전자 쇄교자속의 공칭값을 사용한 경우를 나타낸다. The results for the performance of estimating three parameters are shown in Table 1. Proposed refers to the case where the ESMO according to the present invention uses the estimated value of the rotor linkage flux, and Existing refers to the case where the nominal value of the rotor linkage flux is used.

본 발명에 의한 ESMO를 이용한 기계 파라미터 추정 방법에 의해 세가지 기계 파라미터의 추정 동작이 정상상태에 머물렀을 때, 1초 간의 샘플을 측정하여 평균을 낸 값을 나타내며, 괄호안의 값은 정상상태 오차 값의 절대값을 나타낸다. 세가지 파라미터 추정 실험은 각각 초기값이 1/2배일때와 2배일때의 두가지 Condition으로 나누어 수행되어 각각의 경우에 대한 결과를 표 1에 기재 하였다. When the estimation operation of the three machine parameters stays in a steady state by the method of estimating machine parameters using ESMO according to the present invention, the value obtained by measuring the samples for 1 second is averaged, and the value in parentheses is the absolute value of the steady state error value. Indicates the value. The three parameter estimation experiments were performed by dividing into two conditions when the initial value was 1/2 and 2 times, respectively, and the results for each case are shown in Table 1.

Figure pat00336
Figure pat00336

지금까지 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기계 파라미터 추정 방법은 SPMSM 구동 시스템의 기계적 제정수에 변동이 있는 경우 또는 변동이 없는 경우에 대하여 전체 시스템의 제어 수행에 지속적인 안정성을 제공하며, 시스템 파라미터들을 기반으로 제어기의 이득을 설정하는 제어 방식들의 제어 수행 능력을 향상 시킬 수 있다. The method of estimating machine parameters according to a preferred embodiment of the present invention described so far provides continuous stability in the control performance of the entire system in the case of fluctuations or no fluctuations in the mechanical constant of the SPMSM drive system, and Based on the control methods that set the gain of the controller, it is possible to improve the control performance.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 방법은 종래의 기계 파라미터 추정 방법에 비해 강인성이 증가된 형태로써 슬라이딩 모드 동작을 포함하되, 슬라이딩 동작에 의해 발생하는 채터링 현상을 억제 할 수 있는 방법으로 기존의 기법 보다 실제 시스템으로의 적용이 용이하다. In addition, the parameter estimation method according to the preferred embodiment of the present invention includes a sliding mode operation with increased robustness compared to the conventional mechanical parameter estimation method, but a method capable of suppressing the chattering phenomenon caused by the sliding operation. As a result, it is easier to apply to the actual system than the existing technique.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기계 파라미터 추정 방법에서는 ESMO 동작을 위해 필요한 회전자 쇄교 자속값을 공칭값이 아닌 추정값을 쓰는 것을 전제로 하고 있어 보다 정확한 추정 성능을 갖는 정상상태 성능을 유도할 수 있도록 한다. In addition, in the method of estimating machine parameters according to a preferred embodiment of the present invention, it is premised that the estimated value of the magnetic flux linkage required for the ESMO operation is not the nominal value, and thus steady-state performance with more accurate estimation performance can be derived. To be able to.

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.So far, the present invention has been looked at around its preferred embodiments. Those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention may be implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the disclosed embodiments should be considered from an illustrative point of view rather than a limiting point of view. The scope of the present invention is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the present invention.

100 : 모터 구동 시스템
110 : 제어 명령 생성부
120 : 모터 구동부
200 : 모터 (SPMSM)
300 : 기계 파라미터 추정 장치
310 : 제 1 추정부
320 : 제 2 추정부
330 : 제 3 추정부
100: motor drive system
110: control command generation unit
120: motor drive unit
200: motor (SPMSM)
300: machine parameter estimation device
310: first estimation unit
320: second estimation unit
330: third estimation unit

Claims (14)

확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치로서,
확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되고, SPMSM을 구동하는 모터 구동 시스템으로부터 dq 좌표계의 q축 전류(iq), SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00337
)를 입력받아, 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00338
), 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00339
) 및 부하 토크 추정치(
Figure pat00340
)를 각각 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 제 1 추정부, 제 2 추정부 및 제 3 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치.
As a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) drive system mechanical parameter estimation device using an extended sliding mode observer,
Implemented as an extended sliding mode observer, the q-axis current (iq) of the dq coordinate system, the rotational angular velocity (ω) of the SPMSM, and the estimated value of the rotor linkage flux from the motor drive system driving the SPMSM (
Figure pat00337
) Is input, and the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00338
), the moment of inertia estimate (
Figure pat00339
) And load torque estimate (
Figure pat00340
SPMSM driving system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that it comprises a first estimating unit, a second estimating unit and a third estimating unit respectively generating and outputting to the motor driving system.
제 1 항에 있어서,
상기 1 추정부는 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00341
)를 상기 제 2 추정부로 출력하고, 상기 제 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00342
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00343
)를 생성하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치.
The method of claim 1,
The 1 estimator estimates the viscous attenuation coefficient (
Figure pat00341
) Is output to the second estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00342
) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia (
Figure pat00343
) SPMSM drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that to generate.
제 1 항에 있어서,
상기 1 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00344
)를 상기 제 2 추정부 및 상기 제 3 추정부로 출력하고, 상기 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00345
)를 상기 제 3 추정부로 출력하며, 상기 제 3 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00346
) 및 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00347
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치(
Figure pat00348
)를 생성하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치.
The method of claim 1,
The 1 estimation unit estimates the viscous attenuation coefficient (
Figure pat00344
) Is output to the second estimating unit and the third estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00345
) Is output to the third estimating unit, and the third estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00346
) And the estimated moment of inertia (
Figure pat00347
) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate (
Figure pat00348
) SPMSM drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that to generate.
제 1 항에 있어서,
동기속도로 회전하는 dq 좌표계상 SPMSM의 연속시간 토크-속도 상태방정식은 아래의 수학식 1 및 2로 표현되고,
[수학식 1]
Figure pat00349

[수학식 2]
Figure pat00350

상기 제 1 추정부, 상기 제 2 추정부 및 상기 제 3 추정부는, 상기 수학식 1 및 수학식 2에 기초하여 아래의 수학식 3 및 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되며,
[수학식 3]
Figure pat00351

[수학식 4]
Figure pat00352

J0 는 관성모멘트 공칭값을, ΔJ는 실제 관성 모멘트와 공칭값 간의 차이를, B0 는 점성 감쇄 계수의 공칭값을, ΔB는 실제 점성 감쇄 계수와 공칭값 간의 차이를, Pp는 SPMSM의 극수를,
Figure pat00353
은 슬라이딩 모드 이득을,
Figure pat00354
은 슬라이딩 모드 관측기 이득을,
Figure pat00355
는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을,
Figure pat00356
은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을,
Figure pat00357
는 슬라이딩 모드 평면 (
Figure pat00358
)를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치.
The method of claim 1,
The continuous time torque-speed state equation of SPMSM in the dq coordinate system rotating at synchronous speed is expressed by the following equations 1 and 2,
[Equation 1]
Figure pat00349

[Equation 2]
Figure pat00350

The first estimating unit, the second estimating unit, and the third estimating unit are implemented as an extended sliding mode observer designed by Equations 3 and 4 below based on Equations 1 and 2, and ,
[Equation 3]
Figure pat00351

[Equation 4]
Figure pat00352

J 0 is the nominal value of the moment of inertia, ΔJ is the difference between the actual moment of inertia and the nominal value, B 0 is the nominal value of the viscous attenuation coefficient, ΔB is the difference between the actual viscous attenuation coefficient and the nominal value, and Pp is the number of poles of the SPMSM. To,
Figure pat00353
Is the sliding mode gain,
Figure pat00354
Is the sliding mode observer gain,
Figure pat00355
Is a disturbance term containing parameter error information,
Figure pat00356
Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information,
Figure pat00357
Is the sliding mode plane (
Figure pat00358
SPMSM drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that each represents.
제 4 항에 있어서, 상기 제 1 추정부는
일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(
Figure pat00359
,
Figure pat00360
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00361
,
Figure pat00362
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00363
)를 생성하여
Figure pat00364

상기 제 2 추정부, 상기 제 3 추정부, 및 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치.
The method of claim 4, wherein the first estimation unit
During a certain period of time, the SPMSM is operated at two different constant speeds (
Figure pat00359
,
Figure pat00360
While being controlled to rotate by ), the Equation 4 is integrated to estimate the error term at each speed (
Figure pat00361
,
Figure pat00362
), and the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00363
) By creating
Figure pat00364

SPMSM drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that the output to the second estimating unit, the third estimating unit, and the motor driving system.
제 5 항에 있어서, 상기 제 2 추정부는
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 제 1 추정부로부터 입력된 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00365
)로 대체된 상기 수학식 3 및 상기 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되며,
일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등가속도 또는 등감속도(
Figure pat00366
,
Figure pat00367
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00368
,
Figure pat00369
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00370
)를 생성하여
Figure pat00371

상기 제 3 추정부 및 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치.
The method of claim 5, wherein the second estimation unit
The nominal value (B 0 ) of the viscous attenuation coefficient is the estimated viscous attenuation coefficient input from the first estimator (
Figure pat00365
) Is implemented as an extended sliding mode observer designed by Equation 3 and Equation 4,
For a certain period of time, the SPMSM is set to two different equal acceleration or deceleration speeds (
Figure pat00366
,
Figure pat00367
While being controlled to rotate by ), the Equation 4 is integrated to estimate the error term at each speed (
Figure pat00368
,
Figure pat00369
) And estimate the moment of inertia according to the equation below (
Figure pat00370
) By creating
Figure pat00371

SPMSM driving system machine parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that the output to the third estimation unit and the motor driving system.
제 6 항에 있어서, 상기 제 3 추정부는
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 제 1 추정부로부터 입력된 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00372
)로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00373
)로 대체된 상기 수학식 3 및 상기 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되며,
상기 수학식 4를 적분하여 오차항의 추정치(
Figure pat00374
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치(
Figure pat00375
)를 생성하여
Figure pat00376

상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치.
The method of claim 6, wherein the third estimation unit
The nominal value (B 0 ) of the viscous attenuation coefficient is the estimated viscous attenuation coefficient input from the first estimator (
Figure pat00372
), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia (
Figure pat00373
) Is implemented as an extended sliding mode observer designed by Equation 3 and Equation 4,
Integrating Equation 4 above to estimate the error term (
Figure pat00374
), and the estimated load torque (
Figure pat00375
) By creating
Figure pat00376

SPMSM drive system machine parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that output to the motor drive system.
확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 구현된, SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템 기계 파라미터 추정 장치에서 수행되는 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법으로서,
(a) 상기 기계 파라미터 추정 장치가 SPMSM을 구동하는 모터 구동 시스템으로부터 dq 좌표계의 q축 전류(iq), SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00377
)를 입력받는 단계;
(b) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00378
)를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00379
)를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계;
(c) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00380
)를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00381
)를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계; 및
(d) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치(
Figure pat00382
)를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 부하 토크 추정치(
Figure pat00383
)를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법.
As a method of estimating SPMSM driving system mechanical parameters performed in a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) driving system mechanical parameter estimating device implemented using an extended sliding mode observer,
(a) From the motor drive system in which the machine parameter estimating device drives the SPMSM, the q-axis current (iq) of the dq coordinate system, the rotational angular velocity (ω) of the SPMSM, and the estimated value of the flux linkage of the rotor (
Figure pat00377
) Receiving an input;
(b) The machine parameter estimating device includes the q-axis current iq, the rotational angular velocity ω of the SPMSM, and the rotor linkage magnetic flux estimation value (
Figure pat00378
Using the extended sliding-mode observer to which the) is applied, the estimate of the viscous attenuation coefficient (
Figure pat00379
Generating) and outputting it to the motor driving system;
(c) The machine parameter estimating device includes the q-axis current iq, the rotational angular velocity ω of the SPMSM, and the rotor linkage magnetic flux estimation value (
Figure pat00380
) Applied an extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia (
Figure pat00381
Generating) and outputting it to the motor driving system; And
(d) The machine parameter estimating device includes the q-axis current iq, the rotational angular velocity ω of the SPMSM, and the rotor linkage magnetic flux estimation value (
Figure pat00382
Using the extended sliding-mode observer applying ), the load torque estimate (
Figure pat00383
) Generating and outputting to the motor drive system; SPMSM drive system mechanical parameter estimation method comprising a.
제 8 항에 있어서, 상기 (c) 단계에서
상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00384
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00385
)를 생성하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법.
The method of claim 8, wherein in step (c)
The machine parameter estimating device includes the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00384
) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia (
Figure pat00385
SPMSM drive system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that generating ).
제 8 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서
상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00386
) 및 상기 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00387
)를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치(
Figure pat00388
)를 생성하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법.
The method of claim 8, wherein in step (d)
The machine parameter estimating device includes the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00386
) And the estimated moment of inertia (
Figure pat00387
) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate (
Figure pat00388
SPMSM drive system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that generating ).
제 8 항에 있어서,
동기속도로 회전하는 dq 좌표계상 SPMSM의 연속시간 토크-속도 상태방정식은 아래의 수학식 1 및 2로 표현되고,
[수학식 1]
Figure pat00389

[수학식 2]
Figure pat00390

상기 기계 파라미터 추정 장치는, 상기 수학식 1 및 수학식 2에 기초하여 아래의 수학식 3 및 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하며,
[수학식 3]
Figure pat00391

[수학식 4]
Figure pat00392

J0 는 관성모멘트 공칭값을, ΔJ는 실제 관성 모멘트와 공칭값 간의 차이를, B0 는 점성 감쇄 계수의 공칭값을, ΔB는 실제 점성 감쇄 계수와 공칭값 간의 차이를, Pp는 SPMSM의 극수를,
Figure pat00393
은 슬라이딩 모드 이득을,
Figure pat00394
은 슬라이딩 모드 관측기 이득을,
Figure pat00395
는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을,
Figure pat00396
은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을,
Figure pat00397
는 슬라이딩 모드 평면 (
Figure pat00398
)를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법.
The method of claim 8,
The continuous time torque-speed state equation of SPMSM in the dq coordinate system rotating at synchronous speed is expressed by the following equations 1 and 2,
[Equation 1]
Figure pat00389

[Equation 2]
Figure pat00390

The machine parameter estimation apparatus uses an extended sliding mode observer designed by Equations 3 and 4 below based on Equations 1 and 2, and
[Equation 3]
Figure pat00391

[Equation 4]
Figure pat00392

J 0 is the nominal value of the moment of inertia, ΔJ is the difference between the actual moment of inertia and the nominal value, B 0 is the nominal value of the viscous attenuation coefficient, ΔB is the difference between the actual viscous attenuation coefficient and the nominal value, and Pp is the number of poles of the SPMSM. To,
Figure pat00393
Is the sliding mode gain,
Figure pat00394
Is the sliding mode observer gain,
Figure pat00395
Is a disturbance term containing parameter error information,
Figure pat00396
Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information,
Figure pat00397
Is the sliding mode plane (
Figure pat00398
SPMSM drive system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that each represents.
제 11 항에 있어서, 제 (b) 단계에서
상기 기계 파라미터 추정 장치는,
일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(
Figure pat00399
,
Figure pat00400
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00401
,
Figure pat00402
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00403
)를 생성하여
Figure pat00404

상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법.
The method of claim 11, wherein in step (b)
The machine parameter estimation device,
During a certain period of time, the SPMSM is operated at two different constant speeds (
Figure pat00399
,
Figure pat00400
While being controlled to rotate by ), the Equation 4 is integrated to estimate the error term at each speed (
Figure pat00401
,
Figure pat00402
), and the viscous attenuation coefficient estimate (
Figure pat00403
) By creating
Figure pat00404

SPMSM driving system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that output to the motor driving system.
제 12 항에 있어서, 상기 (c) 단계에서
상기 기계 파라미터 추정 장치는,
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00405
)로 대체된 상기 수학식 3 및 상기 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여,
일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등가속도 또는 등감속도(
Figure pat00406
,
Figure pat00407
)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 가속도 또는 감속도에서의 오차항의 추정치(
Figure pat00408
,
Figure pat00409
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00410
)를 생성하여
Figure pat00411

상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법.
The method of claim 12, wherein in step (c)
The machine parameter estimation device,
The nominal value of the viscous attenuation coefficient (B 0 ) is the estimated viscous attenuation coefficient (
Figure pat00405
) Using the extended sliding mode observer designed by Equation 3 and Equation 4,
For a certain period of time, the SPMSM is set to two different equal acceleration or deceleration speeds (
Figure pat00406
,
Figure pat00407
While being controlled to rotate by ), by integrating Equation 4, an estimate of the error term in each acceleration or deceleration (
Figure pat00408
,
Figure pat00409
) And estimate the moment of inertia according to the equation below (
Figure pat00410
) By creating
Figure pat00411

SPMSM driving system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that output to the motor driving system.
제 13 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서
상기 기계 파라미터 추정 장치는,
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 점성 감쇄 계수 추정치(
Figure pat00412
)로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치(
Figure pat00413
)로 대체된 상기 수학식 3 및 상기 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하며,
상기 수학식 4를 적분하여 오차항의 추정치(
Figure pat00414
)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치(
Figure pat00415
)를 생성하여
Figure pat00416

상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 것을 특징으로 하는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용한 SPMSM 구동 시스템 기계 파라미터 추정 방법.
The method of claim 13, wherein in step (d)
The machine parameter estimation device,
The nominal value of the viscous decay factor (B 0 ) is the estimated viscous decay factor (
Figure pat00412
), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia (
Figure pat00413
) Replaced by Equation 3 and the extended sliding mode observer designed by Equation 4,
Integrating Equation 4 above to estimate the error term (
Figure pat00414
), and the estimated load torque (
Figure pat00415
) By creating
Figure pat00416

SPMSM driving system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that output to the motor driving system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114204864A (en) * 2021-12-16 2022-03-18 浙江大学先进电气装备创新中心 Permanent magnet synchronous motor parameter identification method
KR20230064992A (en) * 2021-11-04 2023-05-11 성균관대학교산학협력단 Method of controlling motor and apparatus thereof
CN116300994A (en) * 2022-12-30 2023-06-23 西北工业大学 Four-rotor unmanned aerial vehicle attitude control method based on unknown system dynamics estimator
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