KR20210047629A - Apparatus and method for estimating mechanical parameters of SPMSM driving system using extended sliding-mode observer - Google Patents
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Abstract
Description
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 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. 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()를 입력받아, 점성 감쇄 계수 추정치(), 관성 모멘트 추정치() 및 부하 토크 추정치()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 ) Is input, and the viscous attenuation coefficient estimate ( ), the moment of inertia estimate ( ) And load torque estimate ( ) 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()를 상기 제 2 추정부로 출력하고, 상기 제 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치()를 생성할 수 있다.In addition, the first estimating unit estimates the viscous attenuation coefficient ( ) Is output to the second estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient ( ) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia ( ) Can be created.
또한, 상기 1 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 상기 제 2 추정부 및 상기 제 3 추정부로 출력하고, 상기 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 상기 제 3 추정부로 출력하며, 상기 제 3 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치() 및 상기 관성 모멘트 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치()를 생성할 수 있다.In addition, the 1 estimating unit estimates the viscous attenuation coefficient ( ) Is output to the second estimating unit and the third estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient ( ) Is output to the third estimating unit, and the third estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient ( ) And the estimated moment of inertia ( ) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate ( ) 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]
[수학식 A2][Equation A2]
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]
[수학식 A4][Equation A4]
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, 은 슬라이딩 모드 이득을, 은 슬라이딩 모드 관측기 이득을, 는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을, 은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을, 는 슬라이딩 모드 평면 ()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, Is the sliding mode gain, Is the sliding mode observer gain, Is a disturbance term containing parameter error information, Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information, Is the sliding mode plane ( ) Can be represented respectively.
또한, 상기 제 1 추정부는, 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 A4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치()를 생성하여In addition, the first estimation unit, for a certain period of time, SPMSM is two different constant speed ( , While being controlled to rotate by ), the Equation A4 is integrated to estimate the error term at each speed ( , ), and the viscous attenuation coefficient estimate ( ) By creating
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()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(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 A4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치()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 ( ) Replaced by Equation A3 and an extended sliding mode observer designed by Equation A4. , While being controlled to rotate by ), the Equation A4 is integrated to estimate the error term at each speed ( , ) And estimate the moment of inertia according to the equation below ( ) By creating
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()로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치()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 ( ), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia ( ) Is implemented by an extended sliding mode observer designed by Equation A3 and Equation A4,
상기 수학식 A4를 적분하여 오차항의 추정치()를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치()를 생성하여Integrating the above equation A4 to estimate the error term ( ), and the estimated load torque ( ) By creating
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()를 입력받는 단계; (b) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치()를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 점성 감쇄 계수 추정치()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()를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 관성 모멘트 추정치()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()를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 부하 토크 추정치()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 ) 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 ( Using the extended sliding-mode observer to which the) is applied, the estimate of the viscous attenuation coefficient ( 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 ( ) Applied an extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia ( 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 ( Using the extended sliding-mode observer applying ), the load torque estimate ( ) And outputting it to the motor driving system.
또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치()를 생성할 수 있다.In addition, in the step (c), the machine parameter estimating device includes the viscous attenuation coefficient estimation value ( ) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia ( ) Can be created.
또한, 상기 (d) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치() 및 상기 관성 모멘트 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치()를 생성할 수 있다.In addition, in the step (d), the machine parameter estimating device includes the viscous attenuation coefficient estimation value ( ) And the estimated moment of inertia ( ) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate ( ) 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]
[수학식 B2][Equation B2]
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]
[수학식 B4][Equation B4]
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, 은 슬라이딩 모드 이득을, 은 슬라이딩 모드 관측기 이득을, 는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을, 은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을, 는 슬라이딩 모드 평면 ()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, Is the sliding mode gain, Is the sliding mode observer gain, Is a disturbance term containing parameter error information, Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information, Is the sliding mode plane ( ) Can be represented respectively.
또한, 제 (b) 단계에서, 상기 기계 파라미터 추정 장치는, 일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 B4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치()를 생성하여In addition, in step (b), the machine parameter estimating device has two different constant speeds ( , While being controlled to rotate by ), the Equation B4 is integrated to estimate the error term at each speed ( , ), and the viscous attenuation coefficient estimate ( ) By creating
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()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(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 B4를 적분하여 각 가속도 또는 감속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치()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 ( ) 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 ( , While being controlled to rotate by ), the Equation B4 is integrated to estimate the error term in each acceleration or deceleration ( , ) And estimate the moment of inertia according to the equation below ( ) By creating
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()로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치()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 ( ), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia ( ) Replaced by Equation B3 and the extended sliding mode observer designed by Equation B4,
상기 수학식 B4를 적분하여 오차항의 추정치()를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치()를 생성하여Integrating the above equation B4 to estimate the error term ( ), and the estimated load torque ( ) By creating
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
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
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
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
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
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( []), 관성모멘트의 추정값( []), 부하 토크의 추정값( [])을 생성하여 모터 구동 시스템(100)(제어 명령 생성부(110))으로 출력한다.Meanwhile, the
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
, , , : 동기속도로 회전하는 d-q 축 기준 좌표계 상의 고정자측 d축 전류 [A], q축 전류 [A], d축 지령 전압 [V], q축 지령 전압 [V] , , , : 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
, , : 동기속도로 회전하는 d-q축 기준 좌표계상 고정자 전류 전압 상태 방정식 상의 고정자 저항 [], 고정자 인덕턴스 [H], 회전자 쇄교 자속 [Wb] , , : 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 [ ], stator inductance [H], rotor linkage flux [Wb]
, , : 동기속도로 회전하는 d-q축 기준 좌표계상 고정자 전류 전압 상태 방정식 상의 고정자 저항의 추정값 [], 고정자 인덕턴스의 추정값 [H], 회전자 쇄교 자속의 추정값 [Wb] , , : 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 [ ], the estimated value of the stator inductance [H], the estimated value of the rotor linkage flux [Wb]
, , : 점성감쇄계수 [], 관성모멘트(회전자관성) [], 부하토크 [] 의 실제값 , , : Viscosity reduction coefficient [ ], moment of inertia (rotor inertia) [ ], load torque [ Actual value of]
, , : 점성감쇄계수 추정값 [], 관성모멘트(회전자관성) 추정값 [], 부하토크 [] 추정값 , , : Viscous attenuation coefficient estimated value [ ], moment of inertia (rotor inertia) estimated value [ ], load torque [ ] Estimated value
, : 점성감쇄계수 [], 관성모멘트 [] 의 공칭값 , : Viscosity reduction coefficient [ ], moment of inertia [ ]
, : 회전자의 기계적 각속도 [rad/s], 전기적 각속도 [rad/s] , : Rotor's mechanical angular velocity [rad/s], electrical angular velocity [rad/s]
, : 회전자 기계적 각속도의 추정값 [rad/s], 회전자 전기적 각속도의 추정값 [rad/s] , : Estimated value of rotor mechanical angular velocity [rad/s], Estimated value of rotor electrical angular velocity [rad/s]
: 슬라이딩 모드 이득 : Sliding mode gain
: 슬라이딩 모드 관측기 이득 : Sliding mode observer gain
: 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항 : Disturbance term including parameter error information
: 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값 : Estimated value of disturbance term including parameter error information
: 슬라이딩 모드 평면 () : Sliding mode plane ( )
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
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300)는 상기한 수학식 1에 기반하여, ESMO 알고리즘에 따른 관측기를 이용하여 구현된다.The
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300)는 점성감쇄계수 추정값( [])을 생성하는 제 1 추정부(310)와, 관성모멘트의 추정값( [])을 생성하는 제 2 추정부(320)와 부하토크의 추정값( [])을 생성하는 제 3 추정부(330)를 포함한다.3, the
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
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
수학식 2에서 는 SPMSM의 극수를 나타내며, 는 시스템 외란항으로써 파라미터 오차에 대한 정보 만을 포함하는 시스템 외란항이 되며 이는 수학식 3과 같이 정의된다.In Equation 2 Represents the number of poles of SPMSM, Is a system disturbance term, which is a system disturbance term including only information on parameter errors, which is defined as in
수학식 3의 , , 는 파라미터 오차들을 나타내며 이는 실제 파라미터 값과 공칭값 간의 차이로써 , , 로 나타나는데, 에 대한 표현 중 는 회전자 쇄교 자속의 추정값을 나타내며 추정값이 실제값에 가까울수록 는 0에 수렴한다.
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
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
수학식 6의 는 로 표현되는 실제 속도와 속도의 추정치 간 오차변수이며, 수학식 7의 는 로 표현되는 실제 시스템 외란항과 시스템 외란항의 추정치 간 오차 변수를 나타내고 은 의 미분항인 로써 수학식 8과 같이 표현된다.
수학식 4와 수학식 5와 같이 설계되는 ESMO는 결국 수학식 6과 수학식 7과 같이 표현되는 오차변수 와 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
우선 가 유한시간에 0으로 수렴하는지의 여부를 판별하기 위해 리아푸노프 함수 를 이 되도록 선택하고, 수학식 6과 수학식 7을 이용하면 리아푸노프 함수 의 미분값은 수학식 9와 같이 표현된다.priority Liapunov function to determine whether or not converges to zero in finite time To If selected to be, and using
선정한 리아푸노프 함수 가 이므로, 이 될 경우 는 0으로 수렴하게 됨을 증명할 수 있다.Selected Leapunov function end Because of, If this becomes It can be proved that is converged to zero.
수학식 9의 마지막 식으로부터 이 수학식 10의 관계를 만족할 경우 수학식 9의 마지막 부등식이 수학식 11과 같이 전개되어 유한시간에 가 0으로 수렴함을 증명할 수 있다. 수학식 10에서 K는 K>1인 슬라이딩 모드의 안정성 인자이다.From the last expression in Equation 9 If the relationship of Equation 10 is satisfied, the last inequality of Equation 9 is developed as Equation 11, 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.
슬라이딩 모드 이득 이 수학식 10의 조건을 만족할 경우, 슬라이딩 모드 관측기의 슬라이딩 모드 동작에 의해 이 되어, 오차변수 와 에 대한 수학식 6과 수학식 7은 수학식 12와 수학식 13과 같이 표현된다. (참고로, 수학식 7은 수학식 13과 동일함)Sliding mode gain When the condition of Equation 10 is satisfied, the sliding mode operation of the sliding mode observer Becomes, the error
수학식 12와 수학식 13을 결합하면 수학식 14와 같이 표현되는데 수학식 14로부터 슬라이딩 모드 관측기 이득 와 오차변수 의 수렴관계를 결정할 수 있다.When
수학식 14의 을 입력으로 를 출력으로 고려할 경우 수학식 14의 해는 수학식 15와 같이 구해질 수 있다.Of Equation 14 As input When is considered as an output, the solution of Equation 14 can be obtained as in Equation 15.
이때, 는 슬라이딩 모드 동작에 따른 시간 변수를 나타내는데, 슬라이딩 모드 관측기 이득 가 와 같은 관계를 가지게 될 경우 은 0으로 수렴하게 되므로 정상상태에서 가 된다. At this time, Denotes the time variable according to the sliding mode operation, and the sliding mode observer gain end If you have the same relationship as Converges to 0, so in the steady state Becomes.
또한 설계한 ESMO는 슬라이딩 모드 동작으로 인해 발생하게 되는 채터링 현상을 슬라이딩 모드 관측기 이득 에 의해 억제 할 수 있다는 장점을 가지는데, 슬라이딩 모드 관측기 동작이 일어나게 될 경우 수학식 2와 수학식 4는 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. It has the advantage that it can be suppressed by, but when the sliding mode observer operation occurs,
수학식 2와 수학식 16의 관계로부터 와 에 관한 미분방정식을 아래 수학식과 같이 얻을 수 있다.From the relationship between Equation 2 and Equation 16 Wow The differential equation for can be obtained as the following equation.
수학식 17은 주파수 도메인에서 수학식 18과 같이 표현된다.Equation 17 is expressed as Equation 18 in the frequency domain.
수학식 18로부터 시스템 외란항의 추정항 는 를 조정함으로써 그 대역폭을 조절 할 수 있는 LPF(Low Pass Filter)에 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 Is LPF (Low Pass Filter) that can adjust its bandwidth by adjusting 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 와 회전자 각속도 이고, 슬라이딩 모드 이득이 , 슬라이딩 모드 관측기 이득이 일 때, 실제 값과 다른 공칭값의 파라미터 와 에 의한 회전자 각속도 추정항 와 계측을 통해 입력되는 실제 속도 값 의 차이가 만들어내는 슬라이딩 모드 평면 ()가 최소가 될 때까지 적분된 시스템 외란의 추정항 가 관측기의 출력값이 되며, 이 출력값을 이용하여 세가지 기계 파라미터를 각각 세가지 순서에 따라 추정한다.4, the input signal is the q-axis current And rotor angular velocity And the sliding mode gain is , The sliding mode observer gain is When is, the parameter of a nominal value different from the actual value Wow Rotor angular velocity estimation term by And the actual speed value entered through measurement The sliding mode plane created by the difference in ( The estimated term of the system disturbance integrated until) becomes the minimum 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 , , 를 입력받아, 점성감쇄계수()의 추정값()을 제 2 추정부(320), 제 3 추정부(330) 및 모터 구동 시스템(100)으로 출력한다.Referring back to FIG. 3, the
제 1 추정부(310)는 수학식 4와 수학식 5로 설계된 ESMO를 이용하여 점성감쇄계수()를 추정하되, SPMSM이 두가지의 서로 다른 상수 속도 지령 값 과 로 제어되는 동안 각각 수학식 19과 수학식 20와 같이 얻어진 시스템 외란의 추정항 과 를 이용하는데, 그 이유는 속도의 미분항 에 의한 항을 제거 하기 위함이다. 이 때, 추정값 및 와, 후술하는 추정값 및 는 상기한 수학식 5를 적분하여 구할 수 있다.The
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 값으로 사용함을 조건으로 하여, 수학식 18과 수학식 19의 가 0의 값이 되도록 함을 전제로 한다.In addition, in the ESMO designed as in
수학식 19에 수학식 20를 뺀 뒤, 항만 남긴 채 식을 정리하면, ESMO를 통해 추정된 , 와 측정장치를 통해 측정 가능한 , 만을 이용하여 수학식 21을 통해 를 추정할 수 있다.After subtracting Equation 20 from Equation 19, If you organize the equation with only the port left, the estimated , And measuring devices , Through Equation 21 using only Can be estimated.
수학식 21을 통해 추정된 를 이용하여 실제 는 수학식 22에 의해 와 같이 추정된다.Estimated through Equation 21 Using the actual Is by Equation 22 It is estimated as
제 1 추정부(310)는 상기한 과정을 통해서 점성 감쇄 계수의 추정값 를 제 2 추정부(320), 제 3 추정부(330) 및 제어 명령 생성부(110)로 출력한다.The
한편, 제 2 추정부(320)는 수학식 22에 의해 추정된 점성 계쇄 계수 추정값 를, 상기한 수학식 4의 B0 를 교체하고, B0 를 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()을 이용하므로, 수학식 3에 포함된 는 0이 되고, 따라서, 수학식 3은 수학식 23과 같이 다시 표현된다.On the other hand, the
다시 도 3을 참조하면, 제 2 추정부(320)는 점성 감쇄 계수(B)로 공칭값(B0)이 아닌 추정값()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 , , 를 입력받고, 관성모멘트()의 추정값을()을 생성하여 제 3 추정부(330) 및 제어 명령 생성부(110)으로 출력한다.Referring back to FIG. 3, the
제 2 추정부(320)는 수학식 4와 수학식 5로 설계된 ESMO를 이용하여 관성모멘트()를 추정하되, SPMSM이 두가지의 서로 다른 상수 가속 또는 감속 지령 값 과 로 제어되는 동안 각각 수학식 24와 수학식 25와 같이 얻어진 시스템 외란의 추정항 와 를 이용한다.The
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 값으로 사용함을 조건으로 하여, 수학식 24와 수학식 25의 가 0의 값이 되도록 함을 전제로 한다.In addition, in the ESMO designed as in
점성감쇄계수() 추정 시와 유사한 과정으로, 수학식 24에 수학식 25를 뺀 뒤, 항만을 남긴 채 식을 정리하면, ESMO를 통해 추정된 , 와 엔코더를 통해 측정한 , 만을 이용하여 수학식 26을 통해 를 추정할 수 있다.Viscous attenuation coefficient ( ) In a process similar to that of estimation, after subtracting Equation 25 from Equation 24, If the equation is rearranged while leaving the port, the estimated , And measured through the encoder , Through Equation 26 using only Can be estimated.
수학식 26을 통해 추정된 를 이용하여 실제 는 수학식 27에 의해 와 같이 추정된다.Estimated through Equation 26 Using the actual Is by Equation 27 It is estimated as
제 2 추정부(320)는 수학식 27에 따라서 추정된 관성 모멘트 추정값()을 제 3 추정부(330) 및 제어 명령 생성부(110)로 출력한다.The
한편, 제 3 추정부(330)는 제 1 추정부(310)로부터 점성 계쇄 계수 추정값 를 입력받고, 제 2 추정부(320)로부터 관성 모멘트 추정값()을 입력받아, 상기한 수학식 4의 B0 를 교체하고, J0를 로 교체한다. 그 후, 및 로 교체된 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 ESMO에 의해서 부하 토크(TL) 추정 과정을 수행한다. On the other hand, the
이 때, 제 3 추정부(330)는 점성 감쇄 계수(B)로 공칭값(B0)이 아닌 추정값()을 이용하므로 수학식 3에 포함된 는 0이 되고, 관성 모멘트(J)로 공칭값(J0)이 아닌 추정값()을 이용하고, 와 를 추정할 때와 동일한 전제조건으로, 공칭값의 부정확한 회전자 쇄교 자속 공칭값 대신 실시간으로 추정된 정확한 값의 회전자 쇄교 자속을 값으로 사용할 경우 수학식 3은 수학식 28과 같이 다시 표현된다.At this time, the
다시 도 3을 참조하면, 제 3 추정부(330)는 제 1 추정부(310)과 제 2 추정부(320)에 의해 각각 추정된 와 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 , , 를 이용하여 어떠한 상태에서도 부하토크()의 추정값()을 출력할 수 있으며, 이 출력값은 모터 구동 시스템(100)으로 출력된다.Referring back to FIG. 3, the
제 3 추정부(330)는 수학식 4와 수학식 5로 설계된 ESMO를 이용하여 상기한 수학식 28에 따라서 부하토크()를 추정하되, SPMSM이 어떠한 운전 상태에 있더라도 실시간으로 추정할 수 있으며, 수학식 29와 같이 얻어진 시스템 외란의 추정항 를 이용하여 부하 토크의 추정값 을 출력한다. The
지금까지 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기계 파라미터 추정 장치(300)가 모터 구동부(120)로부터 회전자 쇄교 자속 추정값()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()을 입력받을 수도 있음은 물론이다.In the preferred embodiment of the present invention described so far, the machine
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()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 ( ) 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()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 ( ) 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(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 점성 감쇄 계수 추정치()를 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력한다(S520).Thereafter, the machine parameter estimation apparatus uses an extended sliding mode observer designed according to
그 다음, 기계 파라미터 추정 장치는, 점성 감쇄 계수 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 - 보다 구체적으로 설명하면, 상기한 수학식 4의 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)을 점성 감쇄 계수 추정치()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(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 관성 모멘트 추정치()를 생성하고, 관성 모멘트 추정치()를 상기 모터 구동 시스템으로 출력한다(S530).Then, the machine parameter estimating device, the viscous attenuation coefficient estimate ( ) Is applied to the extended sliding mode observer-More specifically, the nominal value (B 0 ) of the viscous attenuation coefficient of
마지막으로, 기계 파라미터 추정 장치는, 점성 감쇄 계수 추정치() 및 관성 모멘트 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 - 보다 구체적으로 설명하면, 점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 점성 감쇄 계수 추정치()로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치()로 대체된 상기한 수학식 4 및 수학식 5에 따라서 설계된 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 - 부하 토크 추정치()를 생성하고, 이를 상기 모터 구동 시스템으로 출력한다(S540).Finally, the machine parameter estimating device, the viscous attenuation coefficient estimate ( ) And the moment of inertia estimate ( ) To the extended sliding mode observer-More specifically, the nominal value of the viscous decay coefficient (B 0 ) is the estimated viscous decay coefficient ( ), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia ( Using the extended sliding mode observer designed according to
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()와 회전자 관성()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()와 관성모멘트()를 제외한 부하토크()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 ( ) And rotor inertia ( ), 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 ( ) And moment of inertia ( Load torque ( ), 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()이 제공되는 것으로 설명하였으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 회전자 쇄교 자속 추정값()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
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() 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()를 나타낸다. 6 shows the estimated value of the viscosity attenuation coefficient from the initial operating state to the convergent state ( ) 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
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() 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()를 나타낸다. 7 shows the estimated value of the moment of inertia from the initial operating state to the convergent state ( ) 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
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()을 획득하는 동안의 응답을 도시하였다. 이 때, 도 8(a)와 도 8(b)는 각각 부하토크가 1 [] 일 때와 3 []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 []에서 3 []로 증가시켰을 때 실시간으로 추정되는 결과를 나타내며, 도 8(d)는 3 []에서 1 []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 ( The response during acquisition of) is shown. At this time, in Figs. 8(a) and 8(b), the load torque is 1 [ ] When and 3 [ 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 [ ] To 3 [ It shows the result estimated in real time when it is increased to [Fig. 8(d)] 3 [ ] To 1 [ ] 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.
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 추정부100: 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 관측기로 구현되고, SPMSM을 구동하는 모터 구동 시스템으로부터 dq 좌표계의 q축 전류(iq), SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 회전자 쇄교 자속 추정치()를 입력받아, 점성 감쇄 계수 추정치(), 관성 모멘트 추정치() 및 부하 토크 추정치()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 ( ) Is input, and the viscous attenuation coefficient estimate ( ), the moment of inertia estimate ( ) And load torque estimate ( 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.
상기 1 추정부는 점성 감쇄 계수 추정치()를 상기 제 2 추정부로 출력하고, 상기 제 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치()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 ( ) Is output to the second estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient ( ) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia ( ) SPMSM drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that to generate.
상기 1 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 상기 제 2 추정부 및 상기 제 3 추정부로 출력하고, 상기 2 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 상기 제 3 추정부로 출력하며, 상기 제 3 추정부는 상기 점성 감쇄 계수 추정치() 및 상기 관성 모멘트 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치()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 ( ) Is output to the second estimating unit and the third estimating unit, and the second estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient ( ) Is output to the third estimating unit, and the third estimating unit is the estimated viscous attenuation coefficient ( ) And the estimated moment of inertia ( ) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate ( ) SPMSM drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that to generate.
동기속도로 회전하는 dq 좌표계상 SPMSM의 연속시간 토크-속도 상태방정식은 아래의 수학식 1 및 2로 표현되고,
[수학식 1]
[수학식 2]
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]
[수학식 4]
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, 은 슬라이딩 모드 이득을, 은 슬라이딩 모드 관측기 이득을, 는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을, 은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을, 는 슬라이딩 모드 평면 ()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]
[Equation 2]
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]
[Equation 4]
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, Is the sliding mode gain, Is the sliding mode observer gain, Is a disturbance term containing parameter error information, Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information, Is the sliding mode plane ( SPMSM drive system mechanical parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that each represents.
일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치()를 생성하여
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 ( , While being controlled to rotate by ), the Equation 4 is integrated to estimate the error term at each speed ( , ), and the viscous attenuation coefficient estimate ( ) By creating
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.
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 제 1 추정부로부터 입력된 점성 감쇄 계수 추정치()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(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치()를 생성하여
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 ( ) 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 ( , While being controlled to rotate by ), the Equation 4 is integrated to estimate the error term at each speed ( , ) And estimate the moment of inertia according to the equation below ( ) By creating
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.
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 제 1 추정부로부터 입력된 점성 감쇄 계수 추정치()로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치()로 대체된 상기 수학식 3 및 상기 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기로 구현되며,
상기 수학식 4를 적분하여 오차항의 추정치()를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치()를 생성하여
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 ( ), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia ( ) Is implemented as an extended sliding mode observer designed by Equation 3 and Equation 4,
Integrating Equation 4 above to estimate the error term ( ), and the estimated load torque ( ) By creating
SPMSM drive system machine parameter estimation apparatus using an extended sliding mode observer, characterized in that output to the motor drive system.
(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()를 입력받는 단계;
(b) 상기 기계 파라미터 추정 장치가, 상기 q축 전류(iq), 상기 SPMSM의 회전 각속도(ω) 및 상기 회전자 쇄교 자속 추정치()를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 점성 감쇄 계수 추정치()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()를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 관성 모멘트 추정치()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()를 적용한 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하여 부하 토크 추정치()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 ( ) 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 ( Using the extended sliding-mode observer to which the) is applied, the estimate of the viscous attenuation coefficient ( 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 ( ) Applied an extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia ( 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 ( Using the extended sliding-mode observer applying ), the load torque estimate ( ) Generating and outputting to the motor drive system; SPMSM drive system mechanical parameter estimation method comprising a.
상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 관성 모멘트 추정치()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 ( ) To the extended sliding mode observer to estimate the moment of inertia ( SPMSM drive system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that generating ).
상기 기계 파라미터 추정 장치는 상기 점성 감쇄 계수 추정치() 및 상기 관성 모멘트 추정치()를 확장된 슬라이딩 모드 관측기에 적용하여 상기 부하 토크 추정치()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 ( ) And the estimated moment of inertia ( ) Is applied to the extended sliding mode observer and the load torque estimate ( SPMSM drive system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that generating ).
동기속도로 회전하는 dq 좌표계상 SPMSM의 연속시간 토크-속도 상태방정식은 아래의 수학식 1 및 2로 표현되고,
[수학식 1]
[수학식 2]
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]
[수학식 4]
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, 은 슬라이딩 모드 이득을, 은 슬라이딩 모드 관측기 이득을, 는 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항을, 은 파라미터 오차 정보를 포함하는 외란항의 추정값을, 는 슬라이딩 모드 평면 ()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]
[Equation 2]
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]
[Equation 4]
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, Is the sliding mode gain, Is the sliding mode observer gain, Is a disturbance term containing parameter error information, Is the estimated value of the disturbance term including parameter error information, Is the sliding mode plane ( SPMSM drive system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that each represents.
상기 기계 파라미터 추정 장치는,
일정한 시간동안 SPMSM이 두 가지의 서로 다른 등속도(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 점성 감쇄 계수 추정치()를 생성하여
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 ( , While being controlled to rotate by ), the Equation 4 is integrated to estimate the error term at each speed ( , ), and the viscous attenuation coefficient estimate ( ) By creating
SPMSM driving system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that output to the motor driving system.
상기 기계 파라미터 추정 장치는,
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 상기 점성 감쇄 계수 추정치()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(,)로 회전하도록 제어되는 동안에, 상기 수학식 4를 적분하여 각 가속도 또는 감속도에서의 오차항의 추정치(,)를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 관성 모멘트 추정치()를 생성하여
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 ( ) 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 ( , While being controlled to rotate by ), by integrating Equation 4, an estimate of the error term in each acceleration or deceleration ( , ) And estimate the moment of inertia according to the equation below ( ) By creating
SPMSM driving system mechanical parameter estimation method using an extended sliding mode observer, characterized in that output to the motor driving system.
상기 기계 파라미터 추정 장치는,
점성 감쇄 계수의 공칭값(B0)이 점성 감쇄 계수 추정치()로 대체되고, 관성 모멘트 공칭값(J0)이 관성 모멘트 추정치()로 대체된 상기 수학식 3 및 상기 수학식 4에 의해서 설계되는 확장된 슬라이딩 모드 관측기를 이용하며,
상기 수학식 4를 적분하여 오차항의 추정치()를 구하고, 아래의 수학식에 따라서 부하 토크 추정치()를 생성하여
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 ( ), and the nominal moment of inertia (J 0 ) is the estimated moment of inertia ( ) Replaced by Equation 3 and the extended sliding mode observer designed by Equation 4,
Integrating Equation 4 above to estimate the error term ( ), and the estimated load torque ( ) By creating
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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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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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 |
CN117811445A (en) * | 2024-02-28 | 2024-04-02 | 华侨大学 | Novel ultra-spiral sliding mode robust load observation method for permanent magnet synchronous motor |
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2019
- 2019-10-22 KR KR1020190131480A patent/KR20210047629A/en active IP Right Grant
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