KR20040000161A - Stator flux estimation device of induction motors and method therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유도모터의 고정자 자속 추정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 개시된 고정자 자속 추정 장치는 유도모터의 d-축전류와 q-축전류 및 추정된 자속의 크기로부터 보조전류를 산출하는 보조전류 산출부와, 산출된 보조전류와 d-축전류로부터 전류오차를 계산하는 연산기와, q-축전류와 고정자 자속의 각주파수 및 계산된 전류오차에 의거하여 고정자 자속의 크기 보정항 및 각도 보정항을 산출하는 보정항 산출부와, 크기 보정항 및 각도 보정항에 의거하여 기 추정된 고정자 자속을 보정하는 자속 보상부와, 유도모터에 인가되는 전압과 전류 및 보정된 고정자 자속에 의거하여 고정자 자속을 추정하는 자속 산출부를 포함하며, 유도모터의 파라미터 변동, 특히 고정자 저항의 변동 또는 오차로 인한 자속 추정 오차와 전압형 인버터의 반도체 스위치로 인해 발생하는 전압강하 및 데드타임 효과에 의한 전압오차로 인한 자속 추정 오차 등이 보정되므로 고정자 자속 추정의 신뢰성이 향상되어 정격 부하 조건하에서 정격속도 5%이하의 저속영역에서도 안정된 운전이 가능한 이점이 있다.The present invention relates to an apparatus for estimating stator flux of an induction motor and a method thereof, and the disclosed stator flux estimating apparatus calculates an auxiliary current for calculating an auxiliary current from the d-axis current and q-axis current of the induction motor and the estimated magnitude of the magnetic flux. And a calculator for calculating a current error from the calculated auxiliary current and d-axis current, and a magnitude correction term and an angle correction term of the stator flux based on the angular frequency of the q-axis current and the stator flux and the calculated current error. A correction term calculating unit for calculating, a magnetic flux compensating unit for correcting the stator flux estimated based on the magnitude correction term and the angle correction term, and a stator flux based on the voltage and current applied to the induction motor and the corrected stator flux. Estimated magnetic flux calculation unit includes magnetic flux estimation error due to parameter variation of induction motor, especially stator resistance or error Since the magnetic flux estimation error due to the voltage drop caused by the voltage drop and the dead time effect is corrected, the reliability of the stator magnetic flux estimation is improved and stable operation is possible even in the low speed region under the rated speed of 5% under the rated load conditions. have.
Description
본 발명은 유도모터의 고정자 자속 추정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전압오차 및 유도모터의 파라미터 오차로 인한 자속 추정 오차를 보정하여 고정자 자속 추정의 신뢰성이 향상되도록 한 유도모터의 고정자 자속 추정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to stator flux estimation of an induction motor, and more particularly, to a stator flux estimation apparatus of an induction motor, which improves reliability of stator flux estimation by correcting a magnetic flux estimation error due to a voltage error and a parameter error of an induction motor. It's about how.
주지와 같이, 3상 유도모터는 대부분의 산업현장에서 사용되고 있는 중요한 설비중의 하나이기 때문에 많은 산업현장에서 유도모터에 대한 고성능 제어 기술이 요구되고 있다.As is well known, since three-phase induction motor is one of the important facilities used in most industrial sites, high performance control technology for induction motors is required in many industrial sites.
유도모터의 제어를 위해서는 먼저 모터의 속도를 검출하여야만 하는데, 이를 위해 엔코더와 같은 회전수 및 위치를 검출하는 센서를 부착하는 방안이 있으나, 산업현장의 특성상 이러한 센서를 부착하는 것이 매우 어려운 일이며, 설비의 가격을 증가시키고 빈번히 엔코더의 고장이 유발되므로 많은 산업현장에서 선호되고 있지 않다.In order to control the induction motor, it is necessary to first detect the speed of the motor. For this purpose, there is a method of attaching a sensor that detects the rotational speed and position such as an encoder, but it is very difficult to attach such a sensor due to the characteristics of the industrial site. It is not preferred in many industrial sites because it increases the price of equipment and frequently causes the encoder to fail.
이러한 배경 하에 센스리스 벡터제어 기술은 가장 절실히 요구되는 기술로 부각되었으며, 최근 들어 속도센서 없이 속도 및 토크제어를 가능하게 하는 수많은 기술이 발표되었지만 저속운전 영역에서의 성능 저하로 인해 사용상에 많은 제약이 가해지고 있다.With this background, the senseless vector control technology has emerged as the most needed technology. Recently, many technologies for speed and torque control without a speed sensor have been announced. Being applied.
종래에 제안되어진 유도모터의 제어기법 중 속도센서 없이 속도 및 토크제어를 구현하기 위한 센서리스 벡터제어(Sensorless Vector Control) 기술로는 모터의 돌극성을 이용한 속도 추정법, EKF(Extended Kalman Filter)를 이용한 속도 추정법, MRAS(Model Reference Adaptive System)를 이용한 속도 추정법, 속도 적응성 자속 관측기(Speed Adaptive Flux Observer)를 이용한 자속 및 속도 동시 추정법, 전압을 적분하여 고정자 자속을 얻는 방법, 고주파 주입법 등이 알려져 있다.As a sensorless vector control technique for implementing speed and torque control without a speed sensor among induction motor control methods proposed in the related art, a speed estimation method using the polarity of a motor and an extended Kalman filter (EKF) are used. The speed estimation method, the speed estimation method using a model reference adaptive system (MRAS), the simultaneous magnetic flux and speed estimation method using a speed adaptive flux observer, the method of obtaining stator flux by integrating voltage, and the high frequency injection method are known.
유도모터에 대한 센스리스 벡터제어기를 구현하기 위해서는 모터의 자속을 정밀하게 추정하여야 한다. 그러나 앞에서도 언급한 바와 같이 상기의 종래 기술들은 저속 영역에서의 자속 추정이 매우 어려운 문제점을 갖는다.In order to implement a senseless vector controller for an induction motor, the magnetic flux of the motor must be accurately estimated. However, as mentioned above, the above-described prior arts have a problem in that magnetic flux estimation in a low speed region is very difficult.
이러한 문제점을 갖는 주요 요인을 살펴보면, 모터의 파라미터 변동, 특히 고정자(Stator) 저항(Resistance)의 변동 또는 오차로 인한 자속 추정 오차(Flux Estimation Error), 전압형(Voltage Source) 인버터(Inverter)의 반도체 스위치(IGBT)로 인해 발생하는 전압강하(Voltage Drop) 및 데드타임(Dead-Time) 효과에 의한 전압오차로 인한 자속 추정 오차 등으로 나타나며, 이러한 추정 오차는 속도가 낮을수록 더욱 커진다. 이로 인해 정격속도의 5% 이내에서의 운전은 거의 불가능하거나 심한 제약을 받는다.Considering the main factors having this problem, the flux estimation error (Voltage Estimation Error), the voltage of the inverter (Voltage Source) Inverter due to the parameter variation of the motor, in particular the variation or error of the stator (Resistance) Voltage drop caused by the switch (IGBT) and the magnetic flux estimation error due to the voltage error due to the dead-time effect, etc., the estimation error is larger the lower the speed. As a result, operation within 5% of the rated speed is almost impossible or severely restricted.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안한 것으로, 전압오차 및 유도모터의 파라미터 오차로 인한 자속 추정 오차를 보정하여 고정자 자속 추정의 신뢰성을 향상시켜 유도모터의 저속영역에서 안정된 운전이 가능하도록 하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve such a conventional problem, and improves the reliability of stator flux estimation by correcting a magnetic flux estimation error due to a voltage error and a parameter error of an induction motor, thereby enabling stable operation in a low speed region of the induction motor. Its purpose is to.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명의 한 견지로서 유도모터의 고정자 자속 추정 장치는, 유도모터의 d-축전류와 q-축전류 및 추정된 자속의 크기로부터 보조전류를 산출하는 보조전류 산출부와, 상기 산출된 보조전류와 상기 d-축전류로부터 전류오차를 계산하는 연산기와, 상기 q-축전류와 고정자 자속의 각주파수 및 상기 계산된 전류오차에 의거하여 상기 고정자 자속의 크기 보정항 및 각도 보정항을 산출하는 보정항 산출부와, 상기 크기 보정항 및 각도 보정항에 의거하여 기 추정된 고정자 자속을 보정하는 자속 보상부와, 상기 유도모터에 인가되는 전압과 전류 및 상기 보정된 고정자 자속에 의거하여 상기 고정자 자속을 추정하는 자속 산출부를 포함한다.In an aspect of the present invention for realizing the above object, the stator magnetic flux estimating apparatus of an induction motor includes an auxiliary current calculating unit for calculating an auxiliary current from the d-axis current and q-axis current of the induction motor and the estimated magnitude of the magnetic flux. And a calculator for calculating a current error from the calculated auxiliary current and the d-axis current, a correcting term of the stator flux based on the angular frequency of the q-axis current and the stator flux and the calculated current error. A correction term calculator for calculating an angle correction term, a magnetic flux compensator for correcting a stator flux estimated based on the magnitude correction term and the angle correction term, a voltage and a current applied to the induction motor, and the corrected stator. And a magnetic flux calculator for estimating the stator magnetic flux based on magnetic flux.
본 발명의 다른 견지로서 유도모터 고정자 자속 추정 방법은, 유도모터의 d-축전류와 q-축전류 및 기 추정된 자속의 크기로부터 보조전류를 산출하는 단계와, 상기 산출된 보조전류값과 상기 d-축전류로부터 전류오차를 계산하는 단계와, 상기 계산된 전류오차와 고정자 자속의 각주파수의 부호 및 q-축전류의 부호에 따라 크기 보정항 및 각도 보정항을 계산하는 단계와, 상기 계산된 크기 보정항 및 각도 보정항에 의거하여 기 추정된 고정자 자속을 보정하여 보상된 고정자 자속을 산출하는 단계와, 상기 유도모터에 인가되는 전압과 전류 및 상기 보정된 고정자 자속으로부터 고정자 자속을 새로이 산출하는 단계를 포함한다.In another aspect of the present invention, the induction motor stator flux estimating method includes calculating an auxiliary current from the d-axis current and q-axis current of the induction motor and the estimated magnitude of the magnetic flux, and the calculated auxiliary current value and the calculating a current error from a d-axis current, calculating a magnitude correction term and an angle correction term according to the calculated current error and the sign of the angular frequency of the stator magnetic flux and the sign of the q-axis current; Calculating the compensated stator flux based on the estimated stator flux based on the corrected size correction angle and the angle correction term, and newly calculating the stator flux from the voltage and current applied to the induction motor and the corrected stator flux. It includes a step.
도 1은 본 발명에 따른 유도모터 고정자 자속 추정 장치의 구성도,1 is a configuration diagram of an induction motor stator flux estimating apparatus according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 유도모터 고정자 자속 추정 방법의 흐름도,2 is a flowchart of a method of estimating magnetic flux of an induction motor stator according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 유도모터 고정자 자속 추정 장치에서 보정항 산출부의 자속 및 각도 계산 그래프.Figure 3 is a magnetic flux and angle calculation graph of the correction term calculation unit in the induction motor stator flux estimation apparatus according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
101 : 보조전류 산출부 102 : 연산기101: auxiliary current calculation unit 102: calculator
103 : 보정항 산출부 104 : 자속 보상부103: correction term calculation unit 104: magnetic flux compensation unit
105 : 지연기 106 : 자속 산출부105: delay unit 106: flux calculation unit
본 발명의 실시예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이 실시예를 통해 본 발명의 목적, 특징 및 이점들을 보다 잘 이해할 수 있게 된다.There may be a plurality of embodiments of the present invention. Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. This embodiment allows for a better understanding of the objects, features and advantages of the present invention.
본 발명의 구성 설명에 앞서 이하의 설명에서 사용될 약호와 그 의미를 서술한다.Prior to describing the components of the present invention, the symbols used in the following description and their meanings will be described.
k : 불연속 시스템의 시간 인덱스k is the time index of the discontinuous system
: 모터에 인가되는 전압의 벡터 : Vector of voltage applied to the motor
: 모터에 흐르는 전류의 벡터 : Vector of current flowing in motor
: 추정된 고정자 자속 벡터 : Estimated stator flux vector
: 추정된 고정자 자속 벡터의 각도 Is the angle of the estimated stator flux vector.
: 추정된 고정자 자속 벡터의 크기(≡) Is the magnitude of the estimated stator flux vector )
: 추정된 고정자 자속 벡터의 각도에서 측정한 실제 d-축 전류 Is the actual d-axis current measured at the angle of the estimated stator flux vector.
: 보조 전류 Auxiliary current
: 추정된 고정자 자속 벡터의 각도에서 측정한 실제 q-축 전류 Is the actual q-axis current measured from the angle of the estimated stator flux vector.
: 추정된 고정자 자속의 각 주파수 = Angular frequency of estimated stator flux
: 추정된 슬립 각 주파수 : Estimated slip angle frequency
: 고정자 자속의 크기 보정항 : Correction term for stator flux
: 고정자 자속의 각도 보정항 : Angle correction term of stator flux
도 1은 본 발명에 따른 유도모터 고정자 자속 추정 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of an induction motor stator flux estimating apparatus according to the present invention.
이에 나타낸 바와 같이 본 발명은, d-축전류()와 q-축전류() 및 추정된 자속의 크기()로부터 보조전류()를 산출하는 보조전류 산출부(101)와, 산출된 보조전류()와 d-축전류()로부터 전류오차()를 계산하는 연산기(102)와, q-축전류()와 고정자 자속의 각주파수() 및 계산된 전류오차()에 의거하여 고정자 자속의 크기 보정항() 및 각도 보정항()을 산출하는 보정항 산출부(103)와, 크기 보정항() 및 각도 보정항()에 의거하여 추정된 고정자 자속()을 보정하는 자속 보상부(104)와, 상기 보정된 고정자 자속( )을 시간지연() 시키는 지연기(105)와, 유도모터에 인가되는 전압()과 전류() 및 상기 시간지연된 고정자 자속(())에 의거하여 고정자 자속()을 추정하는 자속 산출부(106)로 구성된다.As shown here, the present invention provides a d-axis current ( ) And q-axis current ( ) And estimated magnitude of magnetic flux ( From the auxiliary current ( Auxiliary current calculating unit 101 for calculating the and the calculated auxiliary current ( ) And d-axis current ( Current error from And the q-axis current ( ) And the angular frequency of the stator flux ( ) And the calculated current error ( Correction term for the stator flux based on ) And angle correction term ( ) And a correction term calculating section 103 for calculating ) And angle correction term ( Estimated stator flux based on ) And a magnetic flux compensator 104 for correcting ) Time delay ( And a voltage applied to the induction motor ) And current ( ) And the time delayed stator flux ( ( Stator flux ( Magnetic flux calculation unit 106 for estimating.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 고정자 자속 추정 장치에 의하여 유도모터의 고정자 자속이 추정되는 과정을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.A process of estimating the stator flux of the induction motor by the stator flux estimating apparatus according to the present invention configured as described above will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
먼저, 자속 산출부(106)는 유도모터에 인가되는 전압((k))과 전류((k)) 및 전 단계까지 보정된 고정자 자속( )으로부터 현재의 고정자 자속()을 아래의 수학식 1에 의거하여 산출한다.First, the magnetic flux calculating unit 106 is a voltage applied to the induction motor ( (k)) and current ( (k)) and the stator flux corrected to the previous stage ( Current stator flux from ) Is calculated based on Equation 1 below.
여기서, 현재 단계()에서 산출된 자속()에는 파라미터 오차(고정자 저항()에서의 오차) 또는 전압오차()로 인해 많은 오차가 포함되어 있으므로 자속추정 오차(Flux Estimation Error)를 보정하기 위한 값들을 계산하여야 한다.Where the current step ( Flux calculated from ) Has a parameter error (stator resistance ( Error in) or voltage error ( Since many errors are included, the values to correct the flux estimation error should be calculated.
이를 위해, 보조전류 산출부(101)는 d-축전류()와 q-축전류() 및 추정된 자속의 크기()로부터 아래의 수학식 2에 의거하여 보조전류()를 산출한다(S201).To this end, the auxiliary current calculating unit 101 is a d-axis current ( ) And q-axis current ( ) And estimated magnitude of magnetic flux ( Based on Equation 2 below from the auxiliary current ( ) Is calculated (S201).
보조전류 산출부(101)에서 산출된 보조전류()값은 연산기(102)로 입력되며, 연산기(102)는 보조전류()값과 d-축전류()로부터 아래의 수학식 3에 의거하여 전류오차()를 계산한다(S202). 이렇게 계산된 전류오차()는 고정자 자속에 포함된 추정오차를 보정하기 위한 보정항에서 사용된다.The auxiliary current calculated by the auxiliary current calculating unit 101 ( ) Value is input to the calculator 102, the calculator 102 is a secondary current ( ) And d-axis current ( ) From the current error based on Equation 3 below. ) Is calculated (S202). The calculated current error ( ) Is used in the correction term to correct the estimated error included in the stator flux.
한편, 보정항은 크기 보정항() 및 각도 보정항()으로 나뉘어지는데, 도 3에 나타낸 바와 같이 고정자 자속의 각주파수()의 부호 및 q-축전류()의 부호에 따라 4가지 경우로 나뉘어지며, 보정항 산출부(103)에서 아래의 수학식 4 내지 수학식 7과 같이 계산된다(S203).On the other hand, the correction term is the size correction term ( ) And angle correction term ( As shown in FIG. 3, the angular frequency of the stator flux ( Sign and q-axis current ( In accordance with the sign of) is divided into four cases, the correction term calculation unit 103 is calculated as in Equation 4 to Equation 7 below (S203).
위 수학식 4 내지 수학식 7에서과는 양수이며, 자속오차 보정값들이 전류오차()에 비례하도록 하기 위한 값들이다.In Equations 4 to 7 above and Is positive, and the flux error correction values represent the current error ( Are proportional to).
고정자 자속의 크기 보정항() 및 각도 보정항()이 계산되면, 자속 보상부(104)는 현재 단계()에서 추정된 고정자 자속의 크기() 또는와 각도를 아래의 수학식 8과 수학식 9와 같이 보정하며(S204), 수학식 10에 의거하여 현재 단계에서 보정된 고정자 자속()을 산출한다(S205).Correction term for stator flux ) And angle correction term ( ) Is calculated, the magnetic flux compensator 104 is the current step ( Of estimated stator flux () ) or And angle Is corrected as in Equation 8 and Equation 9 below (S204), and the stator flux corrected at the present stage based on Equation 10 ( ) Is calculated (S205).
자속 보상부(104)에서 산출된 고정자 자속()은 지연기(105)를 통과하면서 디지털 제어시스템에서 필연적으로 발생하는 시간지연()이 생긴 후 자속 산출부(106)로 전달되어 다음 단계의 자속()을 추정하기 위한 값으로 사용된다.Stator flux calculated by magnetic flux compensator 104 ( ) Is the time delay inevitably occurring in the digital control system while passing through the delay unit (105). ) Is generated and transmitted to the magnetic flux calculation unit 106 to generate the magnetic flux of the next stage ( It is used as a value for estimating).
다음으로, 자속 산출부(106)는 유도모터에 인가되는 전압()과전류() 및 현 단계까지 보정된 고정자 자속()으로부터 다음 단계의 자속()을 아래의 수학식 11에 의거하여 산출한다(S206).Next, the magnetic flux calculating unit 106 is a voltage applied to the induction motor ( ) Overcurrent ( ) And stator flux corrected to the present stage ( Magnetic flux from the next step ) Is calculated based on Equation 11 below (S206).
상기와 같은 단계 S201 내지 단계 S206은 계속적으로 반복 수행되며, 상기의 과정을 통하여 센스리스 벡터제어를 구현하기 위한 보다 정밀한 고정자 자속()값을 얻을 수 있다.Steps S201 to S206 as described above are continuously performed repeatedly, and a more precise stator flux for implementing senseless vector control through the above process ( Value can be obtained.
상기에서는 본 발명의 일 실시예에 국한하여 설명하였으나 본 발명의 기술이 당업자에 의하여 용이하게 변형 실시될 가능성이 자명하다. 이러한 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.In the above description, but limited to one embodiment of the present invention, it is obvious that the technology of the present invention can be easily modified by those skilled in the art. Such modified embodiments should be included in the technical spirit described in the claims of the present invention.
전술한 바와 같은 본 발명은 유도모터의 파라미터 변동, 특히 고정자 저항의 변동 또는 오차로 인한 자속 추정 오차와 전압형 인버터의 반도체 스위치로 인해 발생하는 전압강하 및 데드타임 효과에 의한 전압오차로 인한 자속 추정 오차 등이 보정되므로 고정자 자속 추정의 신뢰성이 향상되어 정격 부하 조건하에서 정격속도 5%이하의 저속영역에서도 안정된 운전이 가능한 효과가 있다.As described above, the present invention provides the estimation of the magnetic flux due to the voltage fluctuation due to the voltage drop and dead time effect caused by the magnetic flux estimation error due to the parameter variation of the induction motor, especially the stator resistance or the error, and the semiconductor switch of the voltage inverter. Since the error is corrected, the reliability of stator flux estimation is improved and stable operation is possible even in the low speed region under 5% of the rated speed under the rated load condition.
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