KR102686946B1 - Apparatus and method for estimating parameters of SPMSM driving system using NLMS adaptive filter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 NLMS 적응 필터를 이용한 SPMSM 구동 시스템 파라미터 추정 장치 및 방법을 공개한다.
본 발명은 NLMS 알고리즘을 이용하여 온라인으로 SPMSM 구동 시스템의 전기 파라미터를 추정함으로써, 종래 기술에 따른 RLS(Recursive Least Square), EKF(Extended Kalman Filter) 등의 적응 필터를 이용한 전기 파라미터 추정 방법에 비하여, 연산의 복잡성과 메모리 요구량이 가장 낮아, 실제 시스템에 적용함에 있어 가장 낮은 CPU 부하율을 나타내는 효과가 있다.
또한, 종래의 다른 적응 필터 알고리즘 기반 파라미터 추정 방식은 모터 구동 시스템 전체 응용프로그램 중 하나로서 동작하게 되는데, 고유의 계산 복잡성과 메모리 요구량 때문에, 가장 빠른 주파수로 동작해야 할 전류 제어 루프에 편입시켜 동작시킬 수 없지만, 본 발명의 NLMS 적응 필터를 이용한 전기 파라미터 추정 방식은 전류 제어 루프와 같은 주파수로 동작시켜도 전체 모터 구동 시스템의 동작에 영향을 작게 미치므로써 온라인 파라미터 추정에 있어 그 활용성이 다양하고, 전기적 파라미터를 모터의 일반적인 제어 상황에서 실시간으로 추정 할 수 있는 효과가 있다.The present invention discloses an apparatus and method for estimating SPMSM driving system parameters using an NLMS adaptive filter.
The present invention estimates the electrical parameters of the SPMSM driving system online using the NLMS algorithm, and compared to the conventional method of electrical parameter estimation using adaptive filters such as RLS (Recursive Least Square) and EKF (Extended Kalman Filter), It has the lowest computational complexity and lowest memory requirements, resulting in the lowest CPU load rate when applied to actual systems.
In addition, other conventional adaptive filter algorithm-based parameter estimation methods operate as one of the entire motor drive system applications, but due to their inherent computational complexity and memory requirements, they can be operated by incorporating them into the current control loop that must operate at the fastest frequency. However, the electrical parameter estimation method using the NLMS adaptive filter of the present invention has a small impact on the operation of the entire motor drive system even when operated at the same frequency as the current control loop, so it has various usability in online parameter estimation and electrical It has the effect of being able to estimate parameters in real time under normal motor control conditions.
Description
본 발명은 파라미터 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘 기반의 적응 필터를 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 파라미터를 추정하는 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a parameter estimation device and method, and more specifically, to an estimation device and method for estimating parameters of a SPMSM driving system using an adaptive filter based on the NLMS (Normalized Least Mean Square) algorithm.
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 application fields such as electric vehicles and air conditioners along with drives for variable speed control. This is because SPMSM has the characteristics of high control precision, power efficiency, simple structure, small load, and high-speed dynamic response. In a high-performance SPMSM control system, information about accurate system parameters becomes an important factor in determining the control precision of the entire system. .
하지만, 전체 시스템의 파라미터, 특히, 전기 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 전기 파라미터로는 권선 저항, 인덕턴스, 그리고 회전자 쇄교 자속이 있다.However, in the case of parameters of the entire system, especially electrical parameters, the nominal value includes errors caused by factors such as system temperature, magnetization saturation, and system aging, making it difficult to construct a high-performance control system. In order to do this, it must be possible to estimate these system parameters at the moment of need and apply the estimated values to the system. Typical electrical parameters that require such estimation in SPMSM control systems include winding resistance, inductance, and rotor flux linkage.
이러한 전기 파라미터를 추정하는 방법은 온라인 추정 방법과 오프라인 추정 방법으로 구분되는데, 오프라인 파라미터 추정 방법은 속도나 토크의 폐루프 제어 중이 아닐 때, 특정 조건과 시간에서 수행되는 방법으로서, 고정자 저항값이 온도 계측 모듈을 이용하여 측정되기도 하고, 회전자 쇄교 자속이 자화 회로 모델을 기반으로 직접적으로 오프라인 상태에서 유효 전류를 인가하여 측정된 고정자 인덕턴스 값을 이용하여 회전자 쇄교 자속을 측정하는 등의 방법이 이용하기도 한다. Methods for estimating these electrical parameters are divided into online estimation methods and offline estimation methods. The offline parameter estimation method is a method performed under specific conditions and times when closed-loop control of speed or torque is not in progress, and the stator resistance value is determined by temperature. It can be measured using a measurement module, or a method such as measuring the rotor magnetic flux linkage using the stator inductance value measured by applying active current directly offline based on a magnetization circuit model is used. Sometimes it happens.
비록, 오프라인 파라미터 추정 기법이 정확하게 모터의 파라미터를 추정할 수 있다고 하여도, 이러한 방법은 실시간으로 변화하는 파라미터의 값을 제어에 반영하기 어렵고, 추가적인 인터페이스 구성에 따른 비용의 추가가 발생한다는 단점을 내포한다.Even though offline parameter estimation techniques can accurately estimate motor parameters, these methods have the disadvantage of making it difficult to reflect real-time changing parameter values in control and incurring additional costs due to additional interface configuration. do.
반면, 전기 파라미터를 온라인으로 추정하는 방법은 일반적으로 동기속도로 회전하는 dq축 좌표계상의 SPMSM 동적 상태 방정식을 이용하여, 산업 시스템 내 대부분의 모터 구동시스템의 목적인 속도나 토크 제어 시에도 별도의 구동 정지 없이 실시간으로 파라미터를 추정할 수 있다. 하지만 온라인 파라미터 추정방법의 경우 상태 방정식을 이용하기 때문에, 한 번에 두가지를 초과하는 수의 파라미터를 추정하려면 SPMSM 상태방정식의 시스템 행렬의 랭크 부족 현상을 극복하여야 한다.On the other hand, the method of estimating electrical parameters online generally uses the SPMSM dynamic state equation on the dq-axis coordinate system rotating at synchronous speed, and separate drive stopping even when controlling speed or torque, which is the purpose of most motor drive systems in industrial systems. Parameters can be estimated in real time. However, since the online parameter estimation method uses state equations, to estimate more than two parameters at a time, the rank deficiency of the system matrix of the SPMSM state equation must be overcome.
이 경우, dq 축 고정자 전류 방정식은 추정되어야 할 세 가지 파라미터 대비 시스템 행렬의 차수가 낮기 때문에, 종래 기술은 하나 또는 두 가지의 파라미터를 공칭값으로 대표되는 상수 파라미터로 간주하므로, 추정해야 하는 파라미터의 수를 줄이는 방법을 이용하였다. 이 때문에, 공칭값으로 간주된 값을 제외한 파라미터만을 추정할 수 있는 한계가 있었다.In this case, because the dq-axis stator current equation has a low order of the system matrix compared to the three parameters to be estimated, the prior art considers one or two parameters as constant parameters represented by nominal values, so the number of parameters to be estimated is A method of reducing the number was used. Because of this, there was a limitation in that only parameters excluding values considered as nominal values could be estimated.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 추가적인 인터페이스 구성으로 인한 비용 증가 없이, 필요한 시점에 정확하게 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동 시스템의 전기적 파라미터를 추정할 수 있는 추정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide an estimation device and method that can accurately estimate the electrical parameters of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) driving system at the required time without increasing costs due to additional interface configuration.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 NLMS 적응 필터를 이용한 SPMSM 구동 시스템 파라미터 추정 장치는, 모터 구동 시스템으로부터 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 공급받아 모터의 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성하고, 상기 고정자 인덕턴스의 추정값을 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 제 1 추정부; 및 상기 제 1 추정부로부터 상기 고정자 인덕턴스의 추정값을 입력받고, 상기 모터 구동 시스템으로부터 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 입력받아, 모터의 고정자 저항 추정값 및 회전자 쇄교 자속 추정값을 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 제 2 추정부를 포함하고, 상기 제 1 추정부 및 상기 제 2 추정부는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘에 기반하여 적응 필터로 구현되는 것을 특징으로 한다.The SPMSM drive system parameter estimation device using an NLMS adaptive filter according to a preferred embodiment of the present invention to solve the above-mentioned problems receives the rotational speed, current, and voltage of the motor from the motor drive system and calculates the estimated value of the stator inductance of the motor. a first estimation unit that generates and outputs an estimated value of the stator inductance to the motor driving system; And receiving the estimated value of the stator inductance from the first estimation unit, receiving the rotation speed, current, and voltage of the motor from the motor driving system, generating an estimated stator resistance value and a rotor flux linkage estimated value of the motor to drive the motor. It includes a second estimator that outputs output to the system, and the first estimator and the second estimator are implemented as adaptive filters based on a Normalized Least Mean Square (NLMS) algorithm.
또한, 상기 제 1 추정부는, 동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 인덕턴스를 변수로 하여 정리할 때, 고정자 인덕턴스를 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 인덕턴스와 결합된 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 인덕턴스와 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성할 수 있다.In addition, when the first estimation unit organizes the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed with the stator inductance as a variable, the stator inductance is calculated as NLMS It is set as the estimation target system of the algorithm, the coefficients combined with the stator inductance are set as input values to the estimation target system of the NLMS algorithm, and the remaining terms not combined with the stator inductance are set as the output values of the estimation target system to obtain the stator inductance. An estimate of can be generated.
또한, 상기 제 1 추정부는, 상기 모터 구동 시스템이 d축 전류를 0으로 설정하고, q축 전류를 지령치로하여 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)를 제어하는 상태에서 고정자 인덕턴스를 추정할 수 있다.In addition, the first estimation unit can estimate the stator inductance in a state where the motor driving system sets the d-axis current to 0 and controls the SPMSM (Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) with the q-axis current as a command value. there is.
또한, 상기 제 2 추정부는, 동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 변수로 하여 정리할 때, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속에 결합되는 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속과 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속의 추정값을 생성할 수 있다.In addition, when the second estimation unit organizes the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed with the stator resistance and rotor flux linkage as variables, , the stator resistance and rotor flux linkage are set as the estimation target system of the NLMS algorithm, the coefficients coupled to the stator resistance and rotor flux linkage are set as input values to be input as the estimation target system of the NLMS algorithm, and the stator resistance and rotor flux linkage are set as input values for the estimation target system of the NLMS algorithm. The remaining terms that are not combined with the electromagnetic flux linkage can be set as the output values of the estimation target system to generate estimated values of the stator resistance and rotor flux linkage.
또한, 상기 제 2 추정부는, 상기 모터 구동 시스템이 모터를 정상상태로 구동하는 상태에서 0보다 작은 d축 전류를 일정한 시간 주기동안 주입하면서, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 추정할 수 있다.Additionally, the second estimator may estimate stator resistance and rotor flux linkage while injecting a d-axis current less than 0 for a certain period of time while the motor driving system drives the motor in a normal state.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 NLMS 적응 필터를 이용한 SPMSM 구동 시스템 파라미터 추정 방법은, 파라미터 추정 장치에서 모터의 전기 파라미터를 추정하는 방법으로서, (a) 상기 파라미터 추정 장치가 모터 구동 시스템으로부터 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 공급받아 모터의 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성하고, 상기 고정자 인덕턴스의 추정값을 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 추정된 상기 고정자 인덕턴스의 추정값과, 상기 모터 구동 시스템으로부터 공급된 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 이용하여, 모터의 고정자 저항 추정값 및 회전자 쇄교 자속 추정값을 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계를 포함하고, 상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 적응 필터를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.Meanwhile, the SPMSM driving system parameter estimation method using an NLMS adaptive filter according to a preferred embodiment of the present invention to solve the above-described problem is a method of estimating the electrical parameters of a motor in a parameter estimation device, including (a) the parameter estimation A device receiving the rotational speed, current, and voltage of a motor from a motor driving system, generating an estimated stator inductance of the motor, and outputting the estimated stator inductance to the motor driving system; and (b) using the estimated value of the stator inductance estimated in step (a) and the rotational speed, current, and voltage of the motor supplied from the motor driving system, to calculate the estimated stator resistance and rotor flux linkage value of the motor. It includes the step of generating and outputting to the motor driving system, wherein steps (a) and (b) are performed using an adaptive filter based on the Normalized Least Mean Square (NLMS) algorithm.
또한, 상기 (a) 단계는, 동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 인덕턴스를 변수로 하여 정리할 때, 고정자 인덕턴스를 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 인덕턴스와 결합된 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 인덕턴스와 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성할 수 있다.In addition, in step (a), when organizing the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed with the stator inductance as a variable, the stator inductance is It is set as the estimation target system of the NLMS algorithm, the coefficients combined with the stator inductance are set as input values to the estimation target system of the NLMS algorithm, and the remaining terms not combined with the stator inductance are set as the output values of the estimation target system to estimate the stator. An estimate of the inductance can be generated.
또한, 상기 (a) 단계는, 상기 모터 구동 시스템이 d축 전류를 0으로 설정하고, q축 전류를 지령치로하여 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)를 제어하는 상태에서 고정자 인덕턴스를 추정할 수 있다.In addition, step (a) is to estimate the stator inductance in a state where the motor driving system sets the d-axis current to 0 and controls the SPMSM (Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) with the q-axis current as a command value. You can.
또한, 상기 (b) 단계는, 동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 변수로 하여 정리할 때, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속에 결합되는 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속과 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속의 추정값을 생성할 수 있다.In addition, step (b) is to organize the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed using stator resistance and rotor flux linkage as variables. When, the stator resistance and rotor flux linkage are set as the estimation target system of the NLMS algorithm, the coefficients coupled to the stator resistance and rotor flux linkage are set as input values input to the estimation target system of the NLMS algorithm, and the stator resistance and The remaining terms that are not combined with the rotor flux linkage can be set as the output values of the estimation target system to generate estimated values of the stator resistance and rotor flux linkage.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 모터 구동 시스템이 모터를 정상상태로 구동하는 상태에서 0보다 작은 d축 전류를 일정한 시간 주기동안 주입하면서, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 추정할 수 있다.Additionally, in step (b), the stator resistance and rotor flux linkage can be estimated while injecting a d-axis current smaller than 0 for a certain period of time while the motor driving system drives the motor in a normal state.
본 발명은 NLMS 알고리즘을 이용하여 온라인으로 SPMSM 구동 시스템의 전기 파라미터를 추정함으로써, 종래 기술에 따른 RLS(Recursive Least Square), EKF(Extended Kalman Filter) 등의 적응 필터를 이용한 전기 파라미터 추정 방법에 비하여, 연산의 복잡성과 메모리 요구량이 가장 낮아, 실제 시스템에 적용함에 있어 가장 낮은 CPU 부하율을 나타내는 효과가 있다.The present invention estimates the electrical parameters of the SPMSM driving system online using the NLMS algorithm, and compared to the conventional method of electrical parameter estimation using adaptive filters such as RLS (Recursive Least Square) and EKF (Extended Kalman Filter), It has the lowest computational complexity and lowest memory requirements, resulting in the lowest CPU load rate when applied to actual systems.
본 발명에 의한 상기 효과는 실제 산업 현장에서 사용되는 모터 구동 시스템 구현 시 그 효과가 더욱 잘 나타나는데, 실제 산업 현장용 모터 구동 장치 내 소프트웨어에서는 기본적으로 속도, 토크 및 위치를 제어하는 제어 프로그램과 고장 처리 및 시스템 모니터링을 수행하는 진단 프로그램을 기본으로 탑재 하되, 파라미터를 추정하는 프로그램은 이에 추가적으로 탑재되어 동작하는 형태를 취한다.The above effect of the present invention is more evident when implementing a motor drive system used in actual industrial sites. The software within the motor drive device for actual industrial sites basically includes a control program that controls speed, torque, and position, and fault handling and A diagnostic program that performs system monitoring is installed as standard, but a program that estimates parameters is installed and operates additionally.
모터 구동 소프트웨어 내 각각의 프로그램은 각각의 동작 주파수가 빠르면 빠를수록 그 응답성이 향상되는데, 이를 실현하기 위해서는 고성능의 DSP를 장치에 탑재해야 하며, 이는 불필요한 비용의 상승을 초래하게 되어 저비용 고효율의 모터 구동 시스템 구현에 부적합하다.The faster the operating frequency of each program in the motor drive software, the better the responsiveness. To achieve this, a high-performance DSP must be installed in the device, which leads to an unnecessary increase in cost, resulting in a low-cost, high-efficiency motor. It is unsuitable for implementing a driving system.
따라서, 일반적으로 각각의 프로그램 중 전류 제어 루프의 동작 주파수를 가장 첨예하게 설정하고 나머지 프로그램들은 그 보다 현저히 낮게 설정하여 가장 기본적으로 보장되어야 할 제어 프로그램의 동작 신뢰성을 확보하는 방식을 취한다.Therefore, in general, the operating frequency of the current control loop among each program is set at the sharpest level and the remaining programs are set significantly lower than that to secure the operation reliability of the control program, which must be most fundamentally guaranteed.
만약, 추가적으로 탑재 되어야 할 파라미터 추정 프로그램이 전류 제어 루프의 동작 주파수와 같은 동작 주파수로 동작하면서도 기본적인 제어 프로그램과 진단 프로그램에 영향을 적게 미칠수 있다면 고성능의 파라미터 추정 응답성을 확보 할 수 있어 그 활용이 용이해 진다. If the parameter estimation program that needs to be installed additionally operates at the same operating frequency as that of the current control loop and has minimal influence on the basic control program and diagnostic program, high-performance parameter estimation responsiveness can be secured, making its use feasible. It becomes easier.
하지만 RLS 알고리즘 또는 칼만 필터 알고리즘을 이용한 종래의 적응 필터 알고리즘 기반의 파라미터 추정 방법의 경우, 고유의 계산 복잡성과 메모리 요구량 때문에 제어 프로그램의 동작 주파수 대비 현저히 낮은 동작 주파수로 설정되어야 전체 모터 구동 소프트웨어의 원활한 동작에 영향을 미치지 않는다. However, in the case of the parameter estimation method based on the conventional adaptive filter algorithm using the RLS algorithm or Kalman filter algorithm, due to its inherent computational complexity and memory requirements, the operating frequency must be set to a significantly lower operating frequency compared to the operating frequency of the control program to ensure smooth operation of the entire motor drive software. does not affect
반면, 본 발명에 의한 NLMS 적응 필터 기반 파라미터 추정 기법의 경우 기타 적응 필터 알고리즘 기반 파라미터 추정 방법 대비 계산 복잡성과 메모리 요구량이 현저히 낮기 때문에, 제어 프로그램 동작 주파수와 같은 동작 주파수로 프로그램을 구동 시켜도 전체 모터 구동 소프트웨어에 낮은 부하 상승을 초래하기 때문에, 보다 높은 동작 주파수의 설정이 가능해져 기타 적응 필터 기반 파라미터 추정 기법 대비 실제 시스템 적용 시 높은 응답성을 기대 할 수 있어 그 활용성이 다양하고, 전기적 파라미터를 모터의 일반적인 제어 상황에서 실시간으로 추정 할 수 있는 효과가 있다.On the other hand, in the case of the NLMS adaptive filter-based parameter estimation technique according to the present invention, the computational complexity and memory requirements are significantly lower than those of other adaptive filter algorithm-based parameter estimation methods, so even if the program is driven at the same operating frequency as the control program operating frequency, the entire motor can be driven. Because it causes a low load increase in the software, it is possible to set a higher operating frequency, so compared to other adaptive filter-based parameter estimation techniques, high responsiveness can be expected when applied to an actual system, so its usability is diverse, and electrical parameters can be adjusted to the motor There is an effect that can be estimated in real time in a typical control situation.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 NLMS 적응 필터를 이용한 SPMSM 구동 시스템 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 파라미터 추정 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.
도 4는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘 기반의 적응 필터 동작 방식을 설명하는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 NLMS 적응 필터를 이용하여 파라미터를 추정한 경우와 종래 기술의 RLS 적응 필터를 이용하여 파라미터를 추정한 경우의 성능을 비교한 그래프이다.Figure 1 is a diagram showing a configuration in which a SPMSM drive system parameter estimation device using an NLMS adaptive filter, a motor, and a motor drive system are connected according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing an example of a general motor drive system according to the prior art.
Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a parameter estimation device according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram illustrating an adaptive filter operation method based on the Normalized Least Mean Square (NLMS) algorithm.
Figures 5 and 6 are graphs comparing performance when parameters are estimated using the NLMS adaptive filter of the present invention and when parameters are estimated using the RLS adaptive filter of the prior art.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 NLMS 적응필터를 이용한 전기 파라미터 추정 방식은, 동기 속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 전압 전류 상태 방정식을 기반으로 두개의 적응 필터를 설계하여 세가지의 파라미터를 추정하되, 첫 번째 NLMS 적응 필터는 고정자 인덕턴스를 추정하고, 두 번째 NLMS 적응 필터는 고정자 저항과 회전자 쇄교자속을 추정하도록 한다.The electrical parameter estimation method using the NLMS adaptive filter according to a preferred embodiment of the present invention estimates three parameters by designing two adaptive filters based on the voltage-current state equation on the dq coordinate system rotating at synchronous speed, and the first The NLMS adaptive filter estimates the stator inductance, and the second NLMS adaptive filter estimates the stator resistance and rotor flux linkage.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 구현된 두가지 NLMS 적응 필터 중 첫 번째 적응 필터는 d 축 전류를 영으로 하고, q 축 전류를 지령치로 하여 제어되는 일반적인 SPMSM MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 벡터 제어 상황에서도 동작이 가능하며, 두 번째 적응 필터는 d 축 전류를 음의 지령치로 일정 주기동안 인가한 상황에서 획득한 데이터를 이용하여 동작하되, SPMSM 벡터 제어 상태를 유지 할 수 있다.In addition, of the two NLMS adaptive filters implemented according to the preferred embodiment of the present invention, the first adaptive filter is a general SPMSM MTPA (Maximum Torque Per Ampere) vector control controlled by setting the d-axis current to zero and the q-axis current as the command value. Operation is possible in any situation, and the second adaptive filter operates using data obtained in a situation where the d-axis current is applied as a negative command value for a certain period, but the SPMSM vector control state can be maintained.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 순시적으로 음의 d축 전류를 인가한 제어 상태는 부하를 포함하는 SPMSM 구동 시스템의 속도 및 토크 제어에 영향을 미치지 않으므로, 두 개의 적응 필터를 이용한 전기파라미터 추정방법은 온라인으로 동작 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the control state of instantaneously applying negative d-axis current does not affect the speed and torque control of the SPMSM drive system including the load, so the electrical parameter estimation method using two adaptive filters can operate online.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 NLMS 적응 필터를 이용한 SPMSM 구동 시스템 파라미터 추정 장치(300)와, 모터(200) 및 모터 구동 시스템(100)이 연결된 구성을 도시하는 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration in which a SPMSM drive system
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 NLMS 적응 필터를 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 Figure 1, the SPMSM driving system parameter estimation device 300 (hereinafter abbreviated as "parameter estimation device") using an NLMS adaptive filter according to a preferred embodiment of the present invention is a motor that drives the motor in conjunction with a motor. It is interoperable with the
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 물리량을 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 d축 전류(id), d축 전압(Ud), q축 전류(iq) 및 q축 전압(Uq) 및 모터 회전자 각속도(ωe)를 입력받고, 이를 이용하여 고정자 저항의 추정값([Ω]), 고정자 인덕턴스의 추정값([H]), 회전자 쇄교 자속의 추정값([Wb])을 생성하여 모터 구동 시스템(100)(제어 명령 생성부(110))으로 출력한다.Meanwhile, the
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300) 및 방법을 설명하기에 앞서, 본 발명에서 이용되는 파라미터와 변수를 아래와 같이 정의한다.First, before describing the
id, iq, Ud, Uq : 동기속도로 회전하는 d-q 축 기준 좌표계 상의 고정자측 d축 전류 [A], q축 전류 [A], d축 지령 전압 [V], q축 지령 전압 [V]i d , i q , U d , U q : d-axis current [A], q-axis current [A], d-axis command voltage [V], q-axis command voltage on the stator side on the dq-axis reference coordinate system rotating at synchronous speed. [V]
, , : 동기속도로 회전하는 d-q축 기준 좌표계상 고정자 전류 전압 상태 방정식 상의 고정자 저항 [Ω], 고정자 인덕턴스 [H], 회전자 쇄교 자속 [Wb] , , : Stator resistance [Ω], stator inductance [H], rotor magnetic flux linkage [Wb] on the stator current voltage state equation on the dq axis reference coordinate system rotating at synchronous speed
, , : 동기속도로 회전하는 d-q축 기준 좌표계상 고정자 전류 전압 상태 방정식 상의 고정자 저항의 추정값 [Ω], 고정자 인덕턴스의 추정값 [H], 회전자 쇄교 자속의 추정값 [Wb] , , : Estimated value of stator resistance [Ω], estimated value of stator inductance [H], estimated value of rotor flux linkage [Wb] on the stator current voltage state equation on the dq axis reference coordinate system rotating at synchronous speed.
ω, ωe : 회전자의 기계적 각속도 [rad/s], 전기적 각속도 [rad/s]ω, ω e : Mechanical angular velocity of the rotor [rad/s], electrical angular velocity [rad/s]
μ: NLMS 알고리즘의 스텝 사이즈μ: Step size of NLMS algorithm
, : NLMS 알고리즘의 적응 이득(Adaptive gain), 정규화 인자(Regularization factor) , : Adaptive gain, regularization factor of NLMS algorithm
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 고정자측 전압-전류 상태방정식은 수학식 1과 같다.Meanwhile, assuming that the SPMSM to be controlled has no influence on magnetic saturation due to cross-coupling, structural asymmetry, iron loss, eddy current loss, harmonic components generated by the winding structure, anisotropy of the rotor, and coercive force of the magnet, etc. The continuous-time stator side voltage-current state equation of SPMSM in the dq coordinate system rotating at synchronous speed is as shown in Equation 1.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300)는 상기한 수학식 1에 기반하여, NLMS 알고리즘에 따른 적응 필터로 구현된다.The
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300)의 구성을 도시하는 블록도이다.Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 장치(300)는 고정자 인덕턴스 추정값()을 생성하는 제 1 추정부(310)와, 고정자 저항의 추정값([Ω]) 및 회전자 쇄교 자속의 추정값([Wb])을 생성하는 제 2 추정부(320)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the
또한, 제 1 추정부(310) 및 제 2 추정부(320)는 모두 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘 기반의 적응 필터로 구현된다. Additionally, both the
도 4는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘 기반의 적응 필터 동작 방식을 설명하는 도면이다.Figure 4 is a diagram illustrating an adaptive filter operation method based on the Normalized Least Mean Square (NLMS) algorithm.
도 4를 참조하면, 입력신호가 이고, 추정하고자 하는 대상 시스템(Unknown system)이 θ(k)이며, 추정 대상 시스템의 출력신호가 y(k)라고 할 때, 는 추정 대상 시스템 θ(k)를 추정하기 위한 적응 필터 계수가 되고, 는 적응 필터의 출력이 되며, e(k)는 추정 대상 시스템의 출력(y(k))과 적응 필터 출력() 간의 순시 오차가 된다. 이 때, 순시 오차(e(k))가 최소가 되게 하는 적응 필터 계수()가 추정 대상 시스템의 추정값이 된다. 이러한 적응 필터를 이용한 추정 방식은 공지의 사항이므로, 구체적인 설명은 생략한다.Referring to Figure 4, the input signal is , and the target system to be estimated (unknown system) is θ(k), and the output signal of the estimated target system is y(k), is the adaptive filter coefficient for estimating the estimation target system θ(k), is the output of the adaptive filter, and e(k) is the output of the estimation target system (y(k)) and the adaptive filter output ( ) is the instantaneous error between At this time, the adaptive filter coefficient ( ) becomes the estimated value of the estimation target system. Since the estimation method using this adaptive filter is well-known, detailed description will be omitted.
다시 도 3을 참조하면, 제 1 추정부(310)는 NLMS 적응 필터로 구현되어, MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 제어 상태와 같은, 모터의 일반적인 속도 제어 또는 토크 제어 상태에서, 모터 구동부(120)로부터 iq, Ud,ωe 를 입력받고, 고정자 인덕턴스()를 추정하여 제 2 추정부(320) 및 모터 구동 시스템(100)으로 출력한다.Referring again to FIG. 3, the
제 1 추정부(310)는 수학식 1의 d축 전압-전류 방정식을 기반으로 하여 고정자 인덕턴스()를 추정한다. d축 전류가 지령치로 제어 되고 있는 정상상태에서의 수학식 1의 d축 전압-전류 방정식은, 도 4에 도시된 바와 같은 NLMS 적응 필터에 적용 가능한 형식으로 표현하기 위해서, 수학식 2와 같이 표현된다.The
상기 수학식 2에서,은 수학식 2에 의한 출력값으로서 수학식 1의 첫 번째 식의 경우 로 표현되고, 은 입력 신호로서 로 표현되며, θ1 은 알수 없는 고정자 인덕턴스 값을 나타내어 가 된다.In Equation 2 above, is the output value by Equation 2, and in the case of the first equation of Equation 1 It is expressed as, is the input signal It is expressed as , where θ 1 represents the unknown stator inductance value. It becomes.
이 때, 도 4에 나타난 바와 같이, NLMS 적응 필터의 출력과 오차는 수학식 3과 같이 표현된다.At this time, as shown in FIG. 4, the output and error of the NLMS adaptive filter are expressed as Equation 3.
상기 수학식 3에서, 는 NLMS 적응 필터의 출력신호가 되고, 는 θ1을 추정하기 위한 NLMS 적응 필터의 계수가 되며, 은 NLMS 적응 필터 출력과 간의 순시 오차를 나타냄은 상술한 바와 같다.In Equation 3 above, becomes the output signal of the NLMS adaptive filter, is the coefficient of the NLMS adaptive filter for estimating θ 1 , is the NLMS adaptive filter output and The instantaneous error between intervals is as described above.
제 1 추정부(310)는 수학식 2 및 3에 따라서 추정하고자 하는 고정자 인덕턴스()를 아래의 수학식 4에 따라서 추정한다. 즉, 아래의 수학식 4에 따라서 을 구함으로써 고정자 인덕턴스 추정값()을 생성하여 출력한다.The
상기 수학식 4에 표시된 관계식은 NLMS 알고리즘에 따른 NLMS 적응 필터의 일반식이므로 구체적인 설명은 생략한다. 상기 수학식 4에서, 은 스텝 사이즈를, 은 적응 이득을, 은 작은 값의 정규화 인자를 각각 나타낸다. 수학식 4의 두 번째 식의 우변에 나타나 있듯이, 은 의 연산 수행 시 분모항이 0이 되는 것을 방지하기 위한 파라미터이며, 는 이산 시간 샘플링 순간의 인덱스를 의미한다.Since the relational expression shown in Equation 4 is a general formula for the NLMS adaptive filter according to the NLMS algorithm, detailed description will be omitted. In Equation 4 above, is the step size, is an adaptation benefit, represents the normalization factor of small values, respectively. As shown on the right side of the second equation in Equation 4, silver This is a parameter to prevent the denominator from becoming 0 when performing the calculation. refers to the index of a discrete time sampling moment.
제 1 추정부(310)는 모터가 일반적인 제어 동작을 수행하는 상태(예컨대, MTPA 제어 상태)에서 고정자 인덕턴스()를 추정하므로, 이 때, id=0 이 된다. 따라서, 상기 수학식 1 및 수학식 4에서, 로 표현되고, 로 표현되며, 가 된다. 이를 수학식 4에 대입하여 에 대해서 풀면, 제 1 추정부(310)는 고정자 인덕턴스 추정값()을 구할 수 있고, 제 1 추정부(310)는 고정자 인덕턴스 추정값()을 제 2 추정부(320) 및 모터 구동 시스템(100)으로 출력한다.The
한편, 제 2 추정부(320) 역시 NLMS 적응 필터로 구현되고, 모터 구동부(120)로부터 를 입력받고, 제 1 추정부(310)로부터 고정자 인덕턴스 추정값()을 입력받아, 상기 수학식 1에 따라서 고정자 저항을 추정하여 고정자 저항 추정값()을 생성하고, 회전자 쇄교 자속을 추정하여 회전자 쇄교 자속 추정값()을 생성한다.Meanwhile, the
d축과 q축 전류가 각각의 지령 전류가 되도록 제어되고 있으며, 시스템이 정상상태라고 가정하며, 제 1 추정부(310)에서 추정된 고정자 인덕턴스 를 이용할 경우, 모터 구동 시스템(100)이 정상 제어 상태일 때, 수학식 1은 다음의 수학식 5와 같이 표현된다.Assuming that the d-axis and q-axis currents are controlled to be respective command currents, and that the system is in a steady state, the stator inductance estimated by the
이때, y2는 기대 출력 신호 벡터를, 는 입력 행렬을, θ2는 알 수 없는 파라미터 벡터를 각각 나타내며, 수학식 6에 정의된 바와 같다.At this time, y 2 is the expected output signal vector, represents the input matrix and θ 2 represents the unknown parameter vector, respectively, as defined in Equation 6.
참고로, 제 2 추정부(320)는 모터 구동 시스템(100)이 모터를 정상상태로 구동하는 상태에서, 0보다 작은 d축 전류 id를 특정 시간 주기 동안 주입하면서 추정을 수행한다. 따라서, d축 전류 id 와 q축 전류 iq의 변화율이 0이므로, 수학식 1이 수학식 6과 같이 표현된다.For reference, the
그런데, 입력 행렬 은 SPMSM의 MTPA 제어시 정방 행렬을 구성할 수 없어, 후술하는 수학식 8의 연산에 이용할 수 없다. 따라서, 제 2 추정부(320)가 고정자 저항 추정값()을 생성하고, 회전자 쇄교 자속 추정값()을 생성하기 위해서는, 추가적인 정상상태 운전이 요구된다. 이는 구체적으로 d축 전류 제어 값의 변경을 의미한다. 이때, d 축 전류는 자기 포화 현상을 발생시키지 않도록 음의 상수 값으로 제어되어야 한다. d축 전류 인가시 그 주기는 실제 시스템 구동과 관련된 요구사항에 의해 유동적으로 선택할 수 있다. 다만, 주기 내 획득한 샘플 개수가 필터의 수렴을 보장할 수 있도록 하는 최소 주기 이상으로 d축 전류를 인가하여야 한다. 이러한 최소 주기 이상으로 d축 전류 인가 상태를 유지할 경우, NLMS 적응 필터의 파라미터 식별 수행을 위해 필요한 샘플의 획득과 더불어 NLMS 적응 필터 동작의 기본적인 안정성을 보장할 수 있다. However, the input matrix cannot form a square matrix during MTPA control of SPMSM and cannot be used in the calculation of Equation 8, which will be described later. Therefore, the
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 추정부(320)를 구성하는 NLMS 적응 필터의 구조에 따라 NLMS 적응 필터의 출력과 오차 성분의 관계는 수학식 7과 같이 표현된다.Meanwhile, as shown in FIG. 4, according to the structure of the NLMS adaptive filter constituting the
수학식 7에서, 는 NLMS 적응 필터의 출력 신호 벡터를, 는 고정자 저항 와 회전자 쇄교 자속 를 추정하기 위한 NLMS 적응 필터의 계수 벡터를, 는 기대 출력 신호 벡터 와 필터의 출력 신호 벡터 간의 순시 오차 벡터를 각각 나타낸다.In equation 7, is the output signal vector of the NLMS adaptive filter, is the stator resistance and rotor flux linkage The coefficient vector of the NLMS adaptive filter for estimating is the expected output signal vector and the output signal vector of the filter Indicates the instantaneous error vector between the livers, respectively.
제 2 추정부(320)는 수학식 6 및 수학식 7의 고정자 저항 추정값() 및 회전자 쇄교 자속 추정값()을 나타내는 를 아래의 수학식 8에 따라서 추정한다.The
상기 수학식 8에 표시된 관계식은 NLMS 알고리즘에 따른 적응 필터의 일반식이므로 구체적인 설명은 생략한다. 상기 수학식 8에서, 는 스텝 사이즈 행렬을, 는 적응 이득 행렬을, 는 양수 성분으로 이루어진 대각 행렬 형태의 정규화 인자로써, 수학식 8의 두 번째 식의 우변의 역행렬이 특이 행렬의 역행렬 형태가 되는 것을 방지하기 위한 행렬이다. 여기서, , 및 는 , 및 과 각각 동일한 방식으로 결정될 수 있다.Since the relational expression shown in Equation 8 above is a general formula for an adaptive filter according to the NLMS algorithm, detailed description will be omitted. In Equation 8 above, is the step size matrix, is the adaptive gain matrix, is a normalization factor in the form of a diagonal matrix composed of positive components, and is a matrix to prevent the inverse matrix on the right side of the second equation of Equation 8 from becoming the inverse matrix of a singular matrix. here, , and Is , and and can be determined in the same way, respectively.
한편, NLMS 알고리즘을 이용하여 본 발명의 제 1 추정부(310) 및 제 2 추정부(320)를 구현하기 위해서는 상기 수학식 4 및 수학식 8에서, 적절한 적응 이득 와 정규화 인자 를 선정하여야 한다. 와 는 수학식 4에서 과 으로 나타나며, 수학식 8에서 , 로 나타난다. 이때, 가 아래의 수학식으로 정해지는 조건에 가 만족할 경우 제 1 추정부(310) 및 제 2 추정부(320)를 구현하는 NLMS 적응 필터들은 안정적으로 수렴한다.Meanwhile, in order to implement the
따라서, 적응 이득 가 반드시 수학식 9의 범위내로 선정되어야만 파라미터 추정의 수렴성과 안정성을 보장할 수 있다. 일단, NLMS 적응 필터의 안정성과 수렴성이 보장된 후에는, 수학식 9의 범위 내에서 적응 이득을 조정하고, 정규화 인자를 조정함으로써 각각의 개별적인 구동 시스템에 종속적인 추정 수렴 명세에서 요구하는 과도 응답 성능을 만족 시킬 수 있다.Therefore, the adaptation gain Must be selected within the range of Equation 9 to ensure convergence and stability of parameter estimation. Once the stability and convergence of the NLMS adaptive filter are guaranteed, the transient response performance required by the estimated convergence specification dependent on each individual drive system is adjusted by adjusting the adaptation gain and the normalization factor within the range of Equation 9. can satisfy.
이러한 과도 응답의 변동 패턴은 적응 이득이 증가하거나 정규화 인자가 감소함에 따라 과도 응답이 빨라지고, 반대로 적응 이득이 감소하거나 정규화 인자가 증가함에 따라 느려지는 특징을 갖는다. This fluctuation pattern of the transient response has the characteristic that the transient response becomes faster as the adaptation gain increases or the normalization factor decreases, and conversely, it becomes slower as the adaptation gain decreases or the normalization factor increases.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 NLMS 적응 필터를 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 파라미터를 추정하는 장치 및 방법에 대해서 설명하였다.So far, an apparatus and method for estimating parameters of a SPMSM driving system using an NLMS adaptive filter according to a preferred embodiment of the present invention has been described.
종래 기술의 경우, RLS(Recursive Least Square) 알고리즘이나 EKF(Extended Kalman Filter) 알고리즘 등을 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 전기 파라미터들을 추정하였으나, 본 발명은 종래에 이용되던 RLS나 EKF와 같은 알고리즘 대신 NLMS 알고리즘을 이용하여 SPMSM 구동 시스템의 전기 파라미터들을 추정하는 장치를 구현하였다.In the case of the prior art, the electrical parameters of the SPMSM driving system were estimated using the Recursive Least Square (RLS) algorithm or the Extended Kalman Filter (EKF) algorithm, but the present invention uses the NLMS algorithm instead of the previously used algorithms such as RLS or EKF. A device for estimating the electrical parameters of the SPMSM driving system was implemented using .
비록, 정상상태 성능으로 필터의 동작이 수렴하는데까지 요구되는 계산의 반복수(iteration)가 RLS 알고리즘 등에 비해 NLMS 알고리즘이 높다는 단점이 있으나, NLMS의 경우 한 주기의 계산 복잡성이 RLS 등에 비해 현저히 낮고 요구되는 메모리량이 작아, 두 개의 NLMS 적응 필터를 시스템 샘플링 주기와 같은 빠른 속도로 동작 시킬 수 있고, 그 결과, RLS 등과 같은 수렴 속도를 달성 할 수 있다.Although the NLMS algorithm has a disadvantage in that the number of calculation iterations required for the filter operation to converge to steady-state performance is higher than that of the RLS algorithm, the computational complexity of one cycle in the case of NLMS is significantly lower than that of RLS, etc. Because the amount of memory is small, two NLMS adaptive filters can be operated at a fast speed equal to the system sampling period, and as a result, convergence speeds such as RLS can be achieved.
또한, NLMS 알고리즘은 RLS 등에 비해, 계산의 복잡성 및 메모리 요구량이 낮아, 동일한 수렴 속도를 달성하면서도 그 구현이 상대적으로 용이하고, 파라미터 추정 장치(300)의 동작 주파수를 전체 모터 구동 시스템(100)의 어플리케이션 내 가장 빠른 동작 주파수를 갖는 전류 제어 루프 동작 주파수와 동일하게 혹은 그 이하의 범위에서 다양하게 설정하여 적용할 수 있다.In addition, the NLMS algorithm has lower computational complexity and memory requirements compared to RLS, etc., so it is relatively easy to implement while achieving the same convergence speed, and the operating frequency of the
보다 구체적으로 설명하면, 일반적으로 비슷한 수준의 정상상태 성능을 달성하는데 있어, NLMS 알고리즘은 RLS 알고리즘을 기반으로 하는 추정 방법보다 많은 계산의 반복이 요구된다. 이러한 이유로 대부분의 적응필터 기반 파라미터 추정방법은 RLS 알고리즘을 기반으로 하고 있다. 하지만, 계산의 복잡성 측면에서는 NLMS 알고리즘이 RLS 알고리즘에 비해 낮은 수준을 보이며, 계산에 필요한 메모리량 또한 NLMS 알고리즘이 RLS 알고리즘 대비 현저히 낮은 수준을 보인다.To be more specific, in general, in achieving a similar level of steady-state performance, the NLMS algorithm requires more calculation repetitions than the estimation method based on the RLS algorithm. For this reason, most adaptive filter-based parameter estimation methods are based on the RLS algorithm. However, in terms of computational complexity, the NLMS algorithm shows a lower level than the RLS algorithm, and the amount of memory required for calculation is also significantly lower for the NLMS algorithm than the RLS algorithm.
온라인 파라미터 추정 방법은 파라미터 추정 연산시 항상 모터의 정상상태 제어를 동반한다. 일반적으로, 모터의 정상상태 제어시 가장 빠른 주파수로 동작하는 루틴은 전류 제어에 해당한다. 따라서, 추정 연산을 전류 제어 루틴에 편입시킬 경우 가장 빠른 파라미터 추정 응답성을 기대 할 수 있다.The online parameter estimation method always involves steady-state control of the motor during parameter estimation calculations. Generally, when controlling the steady state of a motor, the routine that operates at the fastest frequency corresponds to current control. Therefore, if the estimation operation is incorporated into the current control routine, the fastest parameter estimation response can be expected.
하지만, RLS 알고리즘을 기반으로 하는 추정 방법의 경우 높은 계산의 복잡성과 메모리량으로 인해 전류 제어 루프와 같은 속도로 추정 연산을 수행할 경우 CPU 부하율의 급격한 증가를 피할 수 없다. 또한, 전류 제어 루틴 외에도 다양한 사용자 기반 프로그램이 혼재 하기 때문에, 안정적인 동작을 구동을 위해서 고성능의 MCU의 탑재가 불가피 해진다.However, in the case of an estimation method based on the RLS algorithm, a rapid increase in CPU load ratio cannot be avoided when performing estimation calculations at the same speed as the current control loop due to the high computational complexity and memory amount. In addition, since various user-based programs exist in addition to the current control routine, it becomes inevitable to install a high-performance MCU to drive stable operation.
이러한 문제에 대해서, RLS 알고리즘을 기반으로 파라미터를 추정하는 선행 기술에서는 전체적인 추정 과정을 고정자 인덕턴스 추정을 위한 하나의 동작 과정과, 고정자 저항과 회전자 쇄교 자속 추정을 위한 하나의 동작과정으로 나누어 수행하고 있다.Regarding this problem, in the prior art for estimating parameters based on the RLS algorithm, the overall estimation process is divided into one operation process for estimating stator inductance and one operation process for estimating stator resistance and rotor flux linkage. there is.
또한, 두 가지의 동작과정 중 고정자 인덕턴스 하나만을 추정하는 첫번째 동작과정은 전류 제어 프로그램의 주파수와 동일한 속도로 동작하되, 저항과 자속을 한번에 추정하는 동작과정은 첫 번째 동작과정 대비 1/50배 이하의 주파수로 동작하도록 하고 있다.In addition, among the two operation processes, the first operation process that estimates only the stator inductance operates at the same speed as the frequency of the current control program, but the operation process that estimates resistance and magnetic flux at the same time operates at 1/50 times or less than the first operation process. It is operated at a frequency of .
이러한 방법을 채택하여 CPU 부하율은 급격하게 낮출 수 있으나, 두번째 동작과정의 동작 주파수에 의한 저항과 자속 추정의 수렴 시간의 급격한 증가는 피할 수 없게 된다.By adopting this method, the CPU load ratio can be drastically reduced, but a sharp increase in the convergence time of resistance and magnetic flux estimates due to the operating frequency of the second operation process cannot be avoided.
반면에, NLMS 기반의 본 발명에 따른 추정 방법에서는 한주기의 계산 복잡성이 RLS 알고리즘에 비해 낮기 때문에, 추정 연산을 전류 제어 루프와 같은 주파수로 동작 시켜도 RLS 기반 추정법 대비 CPU 부하율 상승량이 낮다.On the other hand, in the NLMS-based estimation method according to the present invention, the computational complexity of one cycle is lower than that of the RLS algorithm, so even if the estimation operation is operated at the same frequency as the current control loop, the increase in CPU load rate is lower compared to the RLS-based estimation method.
따라서, 본 발명에 따른 추정 방법은 RLS 알고리즘 기반 적응 필터를 이용한 파라미터 추정 기법보다 설계 및 구현이 용이하면서도 같은 성능의 정상상태 오차와 응답성을 확보 할 수 있다는 효과를 갖는다.Therefore, the estimation method according to the present invention is easier to design and implement than the parameter estimation technique using an adaptive filter based on the RLS algorithm, but has the effect of securing the same performance of steady-state error and responsiveness.
도 5 및 도 6은 본 발명의 NLMS 적응 필터를 이용하여 파라미터를 추정한 경우와 종래 기술의 RLS 적응 필터를 이용하여 파라미터를 추정한 경우의 성능을 비교한 그래프이다.Figures 5 and 6 are graphs comparing performance when parameters are estimated using the NLMS adaptive filter of the present invention and when parameters are estimated using the RLS adaptive filter of the prior art.
도 5 및 도 6의 실험 결과는 초기 동작 상태에서 수렴 상태까지, 각 적응 필터가 고정자 저항의 추정값(), 고정자 인덕턴스의 추정값(), 회전자 쇄교 자속의 추정값() 획득하는 동안의 응답을 도시하였다. 이 때, 도 5는 q 축 전류가 1A 에 이르는 부하 상태에서 실험한 것이며, 도 6은 q 축 전류가 3A에 이르는 부하 상태에서 실험한 것이다.The experimental results in Figures 5 and 6 show that from the initial operating state to the convergence state, each adaptive filter produces an estimated value of stator resistance ( ), an estimate of the stator inductance ( ), an estimate of the rotor flux linkage ( ) Responses during acquisition are shown. At this time, Figure 5 shows an experiment under a load where the q-axis current reaches 1A, and Figure 6 shows an experiment under a load where the q-axis current reaches 3A.
또한, 도 5(a) 및 도 6(a)는 회전자의 기계적 각속도를 나타내고, 도 5(b) 및 도 6(b)는 d-q 축 전류를 나타내며, 도 5(c) 및 도 6(c)는 d-q축 전압을 각각 나타낸다. Additionally, Figures 5(a) and 6(a) show the mechanical angular velocity of the rotor, Figures 5(b) and 6(b) show the d-q axis current, and Figures 5(c) and 6(c) show ) represents the d-q axis voltage, respectively.
도 5 및 도 6의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 일정 부하 상태에서의 특정 주기 동안의 d 축 전류의 인가는 d-q 축 전압의 감소를 발생시키지만(시간 0.5~1 sec 참조) 속도 제어에 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.Referring to Figures 5 and 6 (a) to (c), application of d-axis current during a specific cycle under constant load causes a decrease in d-q axis voltage (see time 0.5 to 1 sec), but speed control It can be seen that it has no effect.
도 5(d) 및 도 6(d)는 고정자 인덕턴스의 추정 결과, 도 5(e) 및 도 6(e)는 고정자 저항의 추정 결과, 도 5(f) 및 도 6(f)는 회전자 쇄교자속의 추정 결과를 각각 나타낸다. Figures 5(d) and 6(d) show the estimation results of the stator inductance, Figures 5(e) and 6(e) show the estimation results of the stator resistance, and Figures 5(f) and 6(f) show the estimation results of the rotor. The estimation results for each linkage flux are shown.
도 5 및 도 6에 도시된 그래프에서 알 수 있듯이, 본 발명의 NLMS 알고리즘을 이용한 파라미터 추정 방법은 종래의 RLS 기반의 전기 파라미터 추정 방법과 실질적으로 동일한 파라미터 추정 성능을 가지지만, 정착시간은 본 발명이 RLS 기반의 파라미터 추정 방법에 비해 현저히 짧음을 알 수 있다. 참고로, 이에 대한 성능 지표는 아래의 표 1에 기재하였다. As can be seen from the graphs shown in FIGS. 5 and 6, the parameter estimation method using the NLMS algorithm of the present invention has substantially the same parameter estimation performance as the conventional RLS-based electrical parameter estimation method, but the settling time is different from that of the present invention. It can be seen that this is significantly shorter than the RLS-based parameter estimation method. For reference, the performance indicators for this are listed in Table 1 below.
표 1에는 q-축 전류가 1 A, 2 A, 3 A로 제어 되는 각각의 부하 상태에서 본 발명의 방법에 의한 추정 장치와 RLS 적응 필터 기반의 추정 장치 간 추정치의 평균값과 정착시간의 비교 결과를 나타내는데, 추정치의 평균값은 충분한 수렴 동작이 완료된 이후 1초간의 샘플을 획득하여 평균을 취한 값이며, 정착시간은 최종 수렴 값의 2 % 이내의 값으로 진입하는 일반적인 제어 이론에서 정의하는 정착시간의 측정값을 나타낸다. Table 1 shows the comparison results of the average value of the estimate and settling time between the estimation device based on the method of the present invention and the estimation device based on the RLS adaptive filter in each load state where the q-axis current is controlled to 1 A, 2 A, and 3 A. The average value of the estimate is the average obtained by obtaining samples for 1 second after sufficient convergence operation is completed, and the settling time is the value of the final convergence value. It represents the measured value of the settling time defined in general control theory that enters a value within 2%.
지금까지 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 파라미터 추정 방법은 SPMSM 구동 시스템의 전기적 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 electrical parameter estimation method according to the preferred embodiment of the present invention described so far provides continuous stability in controlling the entire system in cases where there is a change or no change in the electrical constant of the SPMSM driving system, and system parameters Based on this, the control performance of control methods that set the gain of the controller can be improved.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파라미터 추정 방법은 종래의 RLS 기반의 적응 필터를 이용한 추정 기법에 비해 적은 메모리와 계산량으로 더 빠른 응답속도와, 실질적으로 동일한 정상상태 추정 오차를 가짐으로써 기존의 적응 필터 기법 보다 실제 시스템으로의 적용이 용이하다. In addition, the parameter estimation method according to a preferred embodiment of the present invention has a faster response speed with less memory and calculation amount and substantially the same steady-state estimation error compared to the conventional estimation technique using an RLS-based adaptive filter, thereby improving the existing method. It is easier to apply to actual systems than the adaptive filter technique.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전기 파라미터 추정 방법에서는 d 축 전류의 인가없이 고정자 인덕턴스를 먼저 추정하고, 필요시 d축 전류 인가를 통해 고정자 저항과 회전자 쇄교 자속을 구하는 방법을 이용하므로, 두 개의 적응 필터가 서로 독립적인 동작 주파수를 갖고 동작할 수 있다.In addition, the electrical parameter estimation method according to a preferred embodiment of the present invention uses a method of first estimating the stator inductance without applying d-axis current, and then calculating the stator resistance and rotor flux linkage by applying d-axis current when necessary. Two adaptive filters can operate with independent operating frequencies.
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 examined focusing on its preferred embodiments. A person skilled in the art to which the present invention pertains will 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 rather than a restrictive perspective. The scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope 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 : 전기 파라미터 추정 장치
310 : 제 1 추정부
320 : 제 2 추정부100: motor drive system
110: Control command generation unit
120: motor driving unit
200: Motor (SPMSM)
300: Electrical parameter estimation device
310: first estimation unit
320: Second estimation unit
Claims (14)
상기 제 1 추정부로부터 상기 고정자 인덕턴스의 추정값을 입력받고, 상기 모터 구동 시스템으로부터 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 입력받아, 모터의 고정자 저항 추정값 및 회전자 쇄교 자속 추정값을 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 제 2 추정부를 포함하고,
상기 제 1 추정부 및 상기 제 2 추정부는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘에 기반하여 적응 필터로 구현되되,
상기 제 1 추정부는
동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 인덕턴스를 변수로 하여 정리할 때,
고정자 인덕턴스를 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 인덕턴스와 결합된 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 인덕턴스와 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 장치.a first estimation unit that receives the rotational speed, current, and voltage of the motor from the motor driving system, generates an estimated value of the stator inductance of the motor, and outputs the estimated value of the stator inductance to the motor driving system; and
Receives an estimated value of the stator inductance from the first estimation unit, receives the rotational speed, current, and voltage of the motor from the motor driving system, generates an estimated stator resistance value of the motor and an estimated rotor flux linkage value, and generates an estimated value of the stator resistance and rotor flux of the motor. It includes a second estimation unit output as,
The first estimator and the second estimator are implemented as adaptive filters based on the NLMS (Normalized Least Mean Square) algorithm,
The first estimation unit is
When organizing the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed with the stator inductance as a variable,
The stator inductance is set as the estimation target system of the NLMS algorithm, the coefficients combined with the stator inductance are set as input values to the estimation target system of the NLMS algorithm, and the remaining terms not combined with the stator inductance are set as the output values of the estimation target system. An electrical parameter estimation device for a motor, characterized in that it generates an estimated value of the stator inductance by setting.
상기 모터 구동 시스템이 d축 전류를 0으로 설정하고, q축 전류를 지령치로하여 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)를 제어하는 상태에서 고정자 인덕턴스를 추정하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 장치.The method of claim 2, wherein the first estimation unit is
Estimation of electrical parameters of the motor, characterized in that the stator inductance is estimated while the motor driving system sets the d-axis current to 0 and controls the SPMSM (Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) with the q-axis current as a command value. Device.
아래의 수학식 1로 표현되는 상기 상태 방정식을
[수학식 1]
아래의 수학식 2의 형식으로 변형하여,
[수학식 2]
추정 대상 시스템의 출력신호 , 추정 대상 시스템의 입력신호, 추정 대상 시스템인 고정자 인덕턴스(Ls) 로 각각 설정하며,
추정 대상 시스템을 추정하기 위한 적응 필터의 입출력 관계식 및 추정 대상 시스템의 출력과 적응 필터의 오차 관계식을 아래의 수학식 3과 같이 각각 나타낼 때,
[수학식 3]
(는 상기 적응 필터의 출력신호, 는 을 추정하기 위한 적응 필터 계수, 은 적응 필터 출력과 간의 순시 오차를 각각 나타냄)
상기 제 1 추정부는 아래의 수학식 4
[수학식 4]
(은 스텝 사이즈를, 은 적응 이득을, 은 정규화 인자를 각각 나타내며, 은 이 0으로 나누어 지는 것을 막기 위한 파라미터 임)
로 표현되는 NLMS 적응 필터로 구현되는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 장치.According to claim 2,
The state equation expressed in Equation 1 below is
[Equation 1]
Transformed into the form of Equation 2 below,
[Equation 2]
Output signal of the system to be estimated , input signal of the system to be estimated , the stator inductance (L s ) of the system to be estimated. Each is set to,
When the input/output relational expression of the adaptive filter for estimating the estimation target system and the error relational equation of the output of the estimation target system and the adaptive filter are respectively expressed as Equation 3 below,
[Equation 3]
( is the output signal of the adaptive filter, Is Adaptive filter coefficients to estimate , is the adaptive filter output and (indicates the instantaneous error between each)
The first estimation unit is calculated using Equation 4 below:
[Equation 4]
( is the step size, is an adaptation benefit, represents the normalization factor, respectively, silver (This is a parameter to prevent division by 0)
A motor electrical parameter estimation device characterized by being implemented as an NLMS adaptive filter expressed as .
상기 제 1 추정부로부터 상기 고정자 인덕턴스의 추정값을 입력받고, 상기 모터 구동 시스템으로부터 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 입력받아, 모터의 고정자 저항 추정값 및 회전자 쇄교 자속 추정값을 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 제 2 추정부를 포함하고,
상기 제 1 추정부 및 상기 제 2 추정부는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘에 기반하여 적응 필터로 구현되되,
상기 제 2 추정부는
동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 변수로 하여 정리할 때,
고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속에 결합되는 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속과 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속의 추정값을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 장치.a first estimation unit that receives the rotational speed, current, and voltage of the motor from the motor driving system, generates an estimated value of the stator inductance of the motor, and outputs the estimated value of the stator inductance to the motor driving system; and
Receives an estimated value of the stator inductance from the first estimation unit, receives the rotational speed, current, and voltage of the motor from the motor driving system, generates an estimated stator resistance value of the motor and an estimated rotor flux linkage value, and generates an estimated value of the stator resistance and rotor flux of the motor. It includes a second estimation unit output as,
The first estimator and the second estimator are implemented as adaptive filters based on the NLMS (Normalized Least Mean Square) algorithm,
The second estimation unit is
When organizing the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed using stator resistance and rotor flux linkage as variables,
The stator resistance and rotor flux linkage are set as the estimation target system of the NLMS algorithm, the coefficients combined with the stator resistance and rotor flux linkage are set as input values to the estimation target system of the NLMS algorithm, and the stator resistance and rotor flux linkage are set as input values for the estimation target system of the NLMS algorithm. An electrical parameter estimation device for a motor, characterized in that it generates estimated values of stator resistance and rotor flux linkage by setting the remaining terms not combined with the flux linkage as the output value of the system to be estimated.
상기 모터 구동 시스템이 모터를 정상상태로 구동하는 상태에서 0보다 작은 d축 전류를 일정한 시간 주기동안 주입하면서, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 장치.The method of claim 5, wherein the second estimation unit is
An electrical parameter estimation device for a motor, wherein the motor driving system estimates stator resistance and rotor flux linkage while injecting a d-axis current less than 0 for a certain period of time while driving the motor in a normal state.
아래의 수학식 1로 표현되는 상기 상태 방정식을
[수학식 1]
아래의 수학식 5의 형식으로 변형하여,
[수학식 5]
상기 수학식 5에 따라서 , , 및 를 아래의 수학식 6과 같이 설정하며,
[수학식 6]
추정 대상 시스템을 추정하기 위한 적응 필터의 입출력 관계식 및 추정 대상 시스템의 출력과 적응 필터의 오차 관계식을 아래의 수학식 7과 같이 각각 나타낼 때,
[수학식 7]
(는 상기 적응 필터의 출력 신호를, 는 고정자 저항과 회전자 쇄교 자속을 추정하기 위한 필터 계수를, 는 필터의 출력과 간의 순시 오차를 각각 나타냄)
상기 제 2 추정부는 아래의 수학식 8
[수학식 8]
(는 스텝 사이즈 행렬을, 는 적응 이득 행렬을, 는 스텝사이즈가 0의 성분으로 나누어지는 것을 방지하기 위한 양수 성분으로 이루어진 대각 행렬 형태의 정규화 인자를 각각 나타냄)
로 표현되는 NLMS 적응 필터로 구현되는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 장치.
According to claim 5,
The state equation expressed in Equation 1 below is
[Equation 1]
Transformed into the form of equation 5 below,
[Equation 5]
According to Equation 5 above, , , and is set as in Equation 6 below,
[Equation 6]
When the input/output relationship of the adaptive filter for estimating the estimation target system and the error relationship of the output of the estimation target system and the adaptive filter are respectively expressed as Equation 7 below,
[Equation 7]
( is the output signal of the adaptive filter, is the filter coefficient for estimating the stator resistance and rotor flux linkage, is the output of the filter and (indicates the instantaneous error between each)
The second estimator uses Equation 8 below:
[Equation 8]
( is the step size matrix, is the adaptive gain matrix, represents a normalization factor in the form of a diagonal matrix composed of positive components to prevent the step size from being divided into components of 0)
A motor electrical parameter estimation device characterized by being implemented as an NLMS adaptive filter expressed as .
(a) 상기 파라미터 추정 장치가 모터 구동 시스템으로부터 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 공급받아 모터의 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성하고, 상기 고정자 인덕턴스의 추정값을 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 추정된 상기 고정자 인덕턴스의 추정값과, 상기 모터 구동 시스템으로부터 공급된 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 이용하여, 모터의 고정자 저항 추정값 및 회전자 쇄교 자속 추정값을 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계를 포함하고,
상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 적응 필터를 이용하여 수행되되,
상기 (a) 단계는
동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 인덕턴스를 변수로 하여 정리할 때,
고정자 인덕턴스를 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 인덕턴스와 결합된 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 인덕턴스와 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 방법.A method of estimating electrical parameters of a motor in a parameter estimation device, comprising:
(a) the parameter estimation device receives the rotational speed, current, and voltage of the motor from the motor driving system, generates an estimated value of the stator inductance of the motor, and outputs the estimated value of the stator inductance to the motor driving system; and
(b) Using the estimated value of the stator inductance estimated in step (a) and the rotational speed, current, and voltage of the motor supplied from the motor driving system, generating an estimated stator resistance value and a rotor flux linkage estimated value of the motor. and outputting the output to the motor drive system,
Steps (a) and (b) are performed using an adaptive filter based on the NLMS (Normalized Least Mean Square) algorithm,
The step (a) is
When organizing the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed with the stator inductance as a variable,
The stator inductance is set as the estimation target system of the NLMS algorithm, the coefficients combined with the stator inductance are set as input values to the estimation target system of the NLMS algorithm, and the remaining terms not combined with the stator inductance are set as the output values of the estimation target system. A method for estimating electrical parameters of a motor, characterized in that the estimated value of the stator inductance is generated by setting the stator inductance.
상기 모터 구동 시스템이 d축 전류를 0으로 설정하고, q축 전류를 지령치로하여 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)를 제어하는 상태에서 고정자 인덕턴스를 추정하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 방법.The method of claim 9, wherein step (a) is
Estimation of electrical parameters of the motor, characterized in that the stator inductance is estimated while the motor driving system sets the d-axis current to 0 and controls the SPMSM (Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor) with the q-axis current as a command value. method.
아래의 수학식 1로 표현되는 상기 상태 방정식을
[수학식 1]
아래의 수학식 2의 형식으로 변형하여,
[수학식 2]
추정 대상 시스템의 출력신호 , 추정 대상 시스템의 입력신호, 추정 대상 시스템인 고정자 인덕턴스(Ls) 로 각각 설정하며,
추정 대상 시스템을 추정하기 위한 적응 필터의 입출력 관계식 및 추정 대상 시스템의 출력과 적응 필터의 오차 관계식을 아래의 수학식 3과 같이 각각 나타낼 때,
[수학식 3]
(는 상기 적응 필터의 출력신호, 는 을 추정하기 위한 적응 필터 계수, 은 적응 필터 출력과 간의 순시 오차를 각각 나타냄)
상기 (a) 단계는 아래의 수학식 4
[수학식 4]
(은 스텝 사이즈를, 은 적응 이득을, 은 정규화 인자를 각각 나타내며, 은 이 0으로 나누어 지는 것을 막기 위한 파라미터 임)
로 표현되는 NLMS 적응 필터를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 방법.According to clause 9,
The state equation expressed in Equation 1 below is
[Equation 1]
Transformed into the form of Equation 2 below,
[Equation 2]
Output signal of the system to be estimated , input signal of the system to be estimated , the stator inductance (L s ) of the system to be estimated. Each is set to,
When the input/output relational expression of the adaptive filter for estimating the estimation target system and the error relational equation of the output of the estimation target system and the adaptive filter are respectively expressed as Equation 3 below,
[Equation 3]
( is the output signal of the adaptive filter, Is Adaptive filter coefficients to estimate , is the adaptive filter output and (indicates the instantaneous error between each)
The step (a) is performed using Equation 4 below:
[Equation 4]
( is the step size, is an adaptation benefit, represents the normalization factor, respectively, silver (This is a parameter to prevent division by 0)
A method for estimating electrical parameters of a motor, characterized in that it is performed using an NLMS adaptive filter expressed as .
(a) 상기 파라미터 추정 장치가 모터 구동 시스템으로부터 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 공급받아 모터의 고정자 인덕턴스의 추정값을 생성하고, 상기 고정자 인덕턴스의 추정값을 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 추정된 상기 고정자 인덕턴스의 추정값과, 상기 모터 구동 시스템으로부터 공급된 모터의 회전 속도, 전류 및 전압을 이용하여, 모터의 고정자 저항 추정값 및 회전자 쇄교 자속 추정값을 생성하여 상기 모터 구동 시스템으로 출력하는 단계를 포함하고,
상기 (a) 단계 및 상기 (b) 단계는 NLMS(Normalized Least Mean Square) 알고리즘에 기반한 적응 필터를 이용하여 수행되되,
상기 (b) 단계는
동기속도로 회전하는 dq 좌표계 상의 SPMSM(Surface-Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)의 연속시간 고정자측 전압-전류 상태 방정식을 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 변수로 하여 정리할 때,
고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 설정하고, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속에 결합되는 계수들을 NLMS 알고리즘의 추정 대상 시스템으로 입력되는 입력값으로 설정하며, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속과 결합되지 않은 나머지 항들을 추정 대상 시스템의 출력값으로 설정하여 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속의 추정값을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 방법.A method of estimating electrical parameters of a motor in a parameter estimation device, comprising:
(a) the parameter estimation device receives the rotational speed, current, and voltage of the motor from the motor driving system, generates an estimated value of the stator inductance of the motor, and outputs the estimated value of the stator inductance to the motor driving system; and
(b) Using the estimated value of the stator inductance estimated in step (a) and the rotational speed, current, and voltage of the motor supplied from the motor driving system, generating an estimated stator resistance value and a rotor flux linkage estimated value of the motor. and outputting the output to the motor drive system,
Steps (a) and (b) are performed using an adaptive filter based on the NLMS (Normalized Least Mean Square) algorithm,
Step (b) above is
When organizing the continuous-time stator side voltage-current state equation of a surface-mounted permanent magnet synchronous motor (SPMSM) on a dq coordinate system rotating at synchronous speed using stator resistance and rotor flux linkage as variables,
The stator resistance and rotor flux linkage are set as the estimation target system of the NLMS algorithm, the coefficients combined with the stator resistance and rotor flux linkage are set as input values to the estimation target system of the NLMS algorithm, and the stator resistance and rotor flux linkage are set as input values for the estimation target system of the NLMS algorithm. A method for estimating electrical parameters of a motor, characterized in that the remaining terms not combined with the magnetic flux linkage are set as the output values of the estimation target system to generate estimated values of the stator resistance and the rotor magnetic flux linkage.
상기 모터 구동 시스템이 모터를 정상상태로 구동하는 상태에서 0보다 작은 d축 전류를 일정한 시간 주기동안 주입하면서, 고정자 저항 및 회전자 쇄교 자속을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 방법.The method of claim 12, wherein step (b) is
A method for estimating electrical parameters of a motor, characterized in that stator resistance and rotor flux linkage are estimated while injecting a d-axis current less than 0 for a certain period of time while the motor driving system drives the motor in a normal state.
아래의 수학식 1로 표현되는 상기 상태 방정식을
[수학식 1]
아래의 수학식 5의 형식으로 변형하여,
[수학식 5]
상기 수학식 5에 따라서 , , 및 를 아래의 수학식 6과 같이 설정하며,
[수학식 6]
추정 대상 시스템을 추정하기 위한 적응 필터의 입출력 관계식 및 추정 대상 시스템의 출력과 적응 필터의 오차 관계식을 아래의 수학식 7과 같이 각각 나타낼 때,
[수학식 7]
(는 상기 적응 필터의 출력 신호를, 는 고정자 저항과 회전자 쇄교 자속을 추정하기 위한 필터 계수를, 는 필터의 출력과 간의 순시 오차를 각각 나타냄)
상기 (b) 단계는 아래의 수학식 8
[수학식 8]
(는 스텝 사이즈 행렬을, 는 적응 이득 행렬을, 는 스텝사이즈가 0의 성분으로 나누어지는 것을 방지하기 위한 양수 성분으로 이루어진 대각 행렬 형태의 정규화 인자를 각각 나타냄)
로 표현되는 NLMS 적응 필터를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 모터의 전기 파라미터 추정 방법.According to claim 12,
The state equation expressed in Equation 1 below is
[Equation 1]
Transformed into the form of equation 5 below,
[Equation 5]
According to Equation 5 above, , , and is set as in Equation 6 below,
[Equation 6]
When the input/output relationship of the adaptive filter for estimating the estimation target system and the error relationship of the output of the estimation target system and the adaptive filter are respectively expressed as Equation 7 below,
[Equation 7]
( is the output signal of the adaptive filter, is the filter coefficient for estimating the stator resistance and rotor flux linkage, is the output of the filter and (indicates the instantaneous error between each)
Step (b) above is performed using Equation 8 below:
[Equation 8]
( is the step size matrix, is the adaptive gain matrix, represents a normalization factor in the form of a diagonal matrix composed of positive components to prevent the step size from being divided into components of 0)
A method for estimating electrical parameters of a motor, characterized in that it is performed using an NLMS adaptive filter expressed as .
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