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IPMSM의 센서리스 운전을 위한 확장 칼만 필터 설계
Extended Kalman Filter Design for Sensorless Control of IPMSM Drive 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.8 no.11, 2013년, pp.1681 - 1690  

전용호 (중원대학교 메카트로닉스학과) ,  조민호 (중원대학교 컴퓨터시스템공학과)

초록
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본 논문은 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)의 센서리스 운전을 위해 확장 칼만 필터를 기반으로 하는 속도와 위치 추정기의 설계방법을 제안한다. 제안된 방법은 상태 추정의 정밀도를 향상시키기 위해서 시스템 모델의 상태추정구간을 더욱 세분화하여 나누고, 세분화한 각 구간을 테일러급수 전개하여 일차항만 사용하여 추정하였다. 제안된 상태 추정기는 2차 확장칼만필터에 비해 사전추정의 연산의 양을 크게 하지 않고, 상태추정의 정밀도가 증가함을 시뮬레이션을 통해 보일 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a design of speed and position controller based on the EKF(Extended Kalman Filter) for sensorless control in IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) is proposed. The proposed method subdivides the state estimation interval for improving the accuracy of state estimation. and...

주제어

#비선형   #센서리스 제어   #확장 칼만필터   #영구자석 동기전동기  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 IPMSM 전동기의 정밀한 센서리스 운전을 위해 확장칼만필터의 예측추정에 있어서 자코비안 행렬 이상의 연산을 요구하지 않으면서 예측의 정밀도를 증가하기 위한 방법을 제안한다. 즉 예측과정의 시간 구간을 더 세분하여 나누고, 각 나누어진 구간마다 테일러급수의 1차 항만 사용하여 사전추정의 횟수를 증가하는 방법이다.

가설 설정

  • 여기서, xk,i = x(tk +ih) 이고, uk,i = u(tk +ih) 이며, 입력벡터 u 는 알 수 있다고 가정한다. 식(8)은 이산모델로 시스템 노이즈가 포함되지 않은 상태이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
직류전동기와 비교했을 때 교류전동기의 장점은? 직류전동기는 회전자 정류기의 기계적 접촉구조로 유지 및 보수가 필요하지만, 이에 비하여 교류전동기는 제어기의 구성은 복잡하나, 영구자석을 회전자로 사용하여 전기적 스위칭으로 대신함으로 유지보수가 불필요하다. 또한, IPMSM는 교류전동기인 같은 용량의 유도전동기에 비해 높은 파워밀도, 효율, 신뢰도, 빠른 응답성의 장점이 있다.
확장칼만필터는 무엇인가? 전동기의 각속도와 회전자 영구자석의 위치를 추정하여 교류전동기를 제어하는 센서리스 운전에 관한 많은 연구가 되고 있다[8-11] 그 중 확장칼만필터는 최소오차 자승법에 기초하여 시스템 상태를 최적 추정하는 기법으로 비선형 시스템의 상태추정 문제에 있어서 여러 분야에서 폭넓게 사용되는 방법 중 하나이다[8-10].
어떤 경우 확장칼만필터의 상태추정이 불안정해지는가? 확장칼만필터는 바로 이전 상태의 최적 추정된 값을 토대로 현재 상태의 평균과 공분산을 예측추정하고, 관측기로부터 측정된 상태 값이 획득될 때, 예측추정된 상태와 관측된 상태의 정합과정을 거쳐 현재의 최적 추정된 상태를 얻게 된다. 하지만, 비선형 시스템의 선형화된 수학모델을 구할 때, 테일러 급수 전개의 일차 항까지만 사용하는 경우에는 상태 추정값의 정밀도는 일차로 제한되고, 필터의 불안정성이 증가한다. 즉 공분산의 예측추정 과정에서 시스템 행렬의 상태에 대한 변화율인 자코비안 행렬이 요구되는데, 자코비안의 최대 고유치와 최소 고유치의 차가 크다면 시스템의 상태추정이 불안정해진다.
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참고문헌 (15)

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  2. M. Krstic, I. Kanellakopoulos, and P. Kokotovic, "Nonlinear and Adaptive Control Design", Willey, pp. 87-121, 1995. 

  3. M.S. Merzoug, H. Benalla, "Nonlineare Back stepping Control of Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM)", International Journal of System Control, Vol. 1, pp. 30-34, 2010. 

  4. M. Muminul, I. Chy, M.N. Uddin, "Nonlinear controller Based High Speed Control of IPMSM", 4th ICECE, pp. 477-480, December 2006. 

  5. M.A. Rahman, M. Vilathgamuwa, M.N. Uddin, K. Tseng, "Nonlinear Control of Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor", IEEE Trans on Industry Application Vol. 39, No. 2, pp. 408-416, March/April 2003. 

    상세보기 crossref

  6. D.F. Chen, T.H. Liu and C.K. Hung, " Nonlineare Adaptive Backstepping controller Design for a Matrix- converter based PMSM Control System", InConf Rec. IEEE-IES Annual Meeting, Vol. 1, pp. 673-678, 2003. 

  7. Yongho Jeon, Whang Cho, "Nonlinear and Adaptive Back-Stepping Speed Control of IPMSM", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 6, No. 6, pp. 855-864, 2011. 

  8. Jongseon Kim, "A Robust Sensorless Speed Control of Sensorless BLDC Motor", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 3, No. 3, pp. 266-275, 2008. 

  9. Yongho Jeon, Whang Cho, "Sensorless Speed Control of IPMSM Using an Extended Kalman Filter and Nonlinear and Adaptive Back- Stepping Control Technique", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 7, No. 6, pp. 1413-1422, 2012. 

  10. Z.Q Song, Z.J. Hou, C.W. Jiang, X.H. Wei, "Sensorless Control of Surface Permanent Magnet Synchronous Motor Using a new Method", Elseiver, Energy Conversion and Management, Vol. 47, pp. 2451-2460, September 2006. 

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  11. K. Khadija, M. Benyounes, B.I. Khalil, B.M. Rachid, "A Simple and Robust Speed Tracking Control of PMSM", PRZEGLAD ELECTROTECHNICZNY, pp. 202-206, July 2011. 

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  13. PowerSim Inc, "PSIM User's Guide", pp. 68-72, January 2010. 

  14. Ho-hyoung Lee, Whang Cho, Key-seo Lee, "Improved switching method for sensorless BLDC motor drive", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 5, No. 2, pp. 164-170, 2010. 

  15. YongJin Kim, KwangHeon Kim, YoungChul Bae, "An Implementation of Vector Control of AC Servo Motor Based on Optical- EtherCAT Network", The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, Vol. 8, No. 4, pp. 583-588, 2013. 

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