KR0155940B1 - 부하전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압제어 장치 및 펄스폭변조 정류기의 전향제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정류기의 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 전원측 컨버터와 부하측 컨버터 사이의 완충기 역할을 하는 직류 링크 캐패시터의 용량을 줄이기 위한 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치 및 펄스폭변조 정류기의 전향 제어 장치에 관한 것이다.

미지의 외란으로 간주한 부하 전류 관측자, 부하 전류 관측자를 이용한 전압 제어부, 전압 제어부의 출력을 소정의 전류이득 특성으로 제어하는 전류 제어부, 전류 제어부 출력을 펄스폭 변조하여 출력하는 전압 변조부, 변압 변조부의 펄스폭 변조된 게이팅 신호에 따라서 스위칭되는 전원 링크부, 전원 링크부에 전원을 공급하는 전원부, 부하측의 전원 변동을 줄이기 위한 완충부 및 미지의 부하를 포함하여, 미지의 부하전류를 추정하여 전원측에서 미리 보상해 줌으로써 전원측 컨버터와 부하측 컨버터 사이의 완충기 역할을 하는 캐패시터의 용량을 대폭 줄일수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치 및 펄스폭 변조 정류기의 전향 제어 장치

제1도는 종래의 정류기의 직류링크 전압 제어 장치.

제2도는 본 발명에 의한 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치의 구성도.

제3도는 본 발명의 구성도 중에서 부하 전류를 추정하는 부하 전류 관측자의 구성도.

제4도는 본 발명에 의한 부하 전류 관측자를 이용한 펄스폭 변조 정류기의 전향 제어 장치의 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21 : 제1감산부 22 : 제1제어부

23 : 제1가산부 24 : 제1승산부

25 : 제2감산부 26 : 정류부

2A : 전압제어부 2B : 전류제어부

31 : 제2승산부 32 : 제3감산부

33 : 제2제어부 34 : 제3제어부

35 : 제3승산부

41 : 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어부

42 : 전압 변조부 43 : 전원부

44 : 전원링크부 45 : 완충부

46 : 부하

본 발명은 정류기의 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 전원측 컨버터와 부하측 컨버터 사이의 완충기 역할을 하는 직류 링크 캐패시터의 용량을 줄이기 위한, 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치 및 펄스폭변조 정류기의 전향 제어 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 펄스폭변조 정류기는 직류 전동기의 속도 제어드라이버용, 교류 전동기의 속도 제어 드라이버(인버터)의 전압원으로 사용된다. 그러므로 펄스폭변조 정류기는 직류 링크에 일정한 크기의 직류 전압을 공급해 주고, 단위 역율 운전을 보장하는 양방향 전력 전달이 가능하도록 제어된다. 또한 일정한 전압을 확보하기 위해 직류 링크에 대용량의 캐패시터를 사용한다.

그런데 대용량의 캐패시터는 부피가 크고 다른 소자에 비해 수명이 짧은 결함이 있다.

즉, 종래의 펄스폭변조 정류기의 직류링크 전압제어 방법은 부하측 컨버터(인버터)로부터 부하측에서 소비되는 전력을 계산하여그에 해당하는 전력이 전원측으로부터 유입되도록 제어하는 방식이다.

부하측과 전원측의 양 컨버터 사이의 전력이 순시적으로 평형을 이루게 하는 이상적인 방법은 부하측에서 소비되는 전력과 시스템의 손실을 정확히 측정 또는 추정하여 그에 해당하는 전력이 전원측으로부터 유입되도록 실시간 제어를 하는 것이다.

종래 기술에 의한 직류링크 전압제어 장치는 제1도에 도시한 바와 같다.

제1도에 있어서, 부하전류 Imc는 전체 루프의 외란으로 간주될 수가 있다. 따라서 구성해야 할 제어기는 추종 성능을 좋게 해야하며(Vdc→Vdc′), 출력전압이 외란에 대해 매우 둔감하도록 만들어져야 한다.(Vdc/Imc→0)

이에 따라서 전압 지령치 Vdc´에 대한 전압 응답 특성과 외란 억제 응답은 다음의 전달 함수로 나타내어진다.

제(1)식은 전압 추종 응답을 나타내며, 제(2)식은 외란 억제 응답을 나타낸다.

상기 전달 함수에서 전달함수 G(S)를 적절하게 설계함으로써 Imc≠0일 때를 대비할 수 있다. 그러나, 이러한 제어 방법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

첫째, 실제적인 경우에 미지의 외란으로 간주되는 부하전류 Imc가 시간에 따라 심하게 변화하는 경우(모터가 계속적인 저감속을 할 때) 상지연이 일어나거나(전류 이득이 작을 때), 오버슈트(OVERSHOOT)가 과도해 진다.(전류 이득이 클 때)

둘째, 전압 추종 응답과 외란 억제 응답의 특성 방정식이 동일하고 전압 추종 응답의 분자에 G(S)가 있기 때문에 G(S)만으로는 전압 추종 및 외란 억제라는 두 제어 목적을 동시에 만족시킬 수 없다.

만일, 전력 평형의 원리를 이용하여 직류 링크의 캐패시터 용량을 줄이려면 먼저 순서 전력의 정확한 측정이 선행되어야 한다. 이 때 부하측에서 소비되는 전력은 백터 제어에 의해 운전되는 유도 전동기의 전류 및 속도 정보에 바탕을 두고 다음과 같이 추정한다.

추정 전력=유도 전동기의 동손+유도 전동기의 출력+유도 전동기의 철손+스위치 소자의 스위칭 손실

이 방법은 부하의 파라미터 및 변수를 정확히 실시간으로 알아내야 하는 부담이 따른다. 물론, 전동기의 실제 정수를 정확히 취득한다는 것이 불가능하고, 운전 상태에 따른 정수의 변동을 고려하기 어렵기 때문에 소비전력을 완벽하게 추정할 수 없어서, 일정한 전압을 확보하기위해 직류링크에 대용량의 캐패시터를 사용하여야 하므로 부피가 커지고, 수명이 짧아질 뿐만 아니라, 대용량의 캐패시터의 값 때문에 제어의 동적 반응 특성을 저하시키는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 부하 전류 관측자를 사용하여 부하 전류의 변동에 무관하게 직류링크 전압제어할 수 있고, 또한 직류링크 캐패시터의 용량을 대폭 줄일 수 있는 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치 및 펄스폭 변조 정류기의 전향 제어 장치를 제공하는데 있다.

상기 제1목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치는 직류링크 전압 지령치에서 직류링크 전압을 빼주는 제1감산부, 제1감산부의 출력전압을 소정의 전압이득 특성을 갖게 하는 제1제어부, 제1제어부 출력과 미지의 부하전류를 외란으로 간주한 관측자 전류를 더해 주는 제1가산부, 제1가산부 출력을 소정의 상수 값으로 곱해주는 제1승산부, 제1승산부 출력 전류에서 부하전류를 빼 주는 제2감산부 및 제2감산부의 출력을 안정화시키기 위한 정류부를 포함하여, 미지의 부하전류를 추정하여 전원측에서 미리 보상해 줌으로써, 부하전류에 무관하게 전압응답을 결정할 수 있어 부하의 변동에도 강인한 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 제2목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 부하 전류 관측자를 이용한 펄스폭 변조 정류기의 전향 제어 장치는, 상기 제1목적을 달성하기 위한 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어부, 직류링크 전압 제어부 출력을 펄스폭 변조하여 출력하는 전압 변조부, 변압 변조부의 펄스폭 변조된 게이팅 신호에 따라서 스위칭되는 전원 링크부, 전원 링크부에 전원을 공급하는 전원부, 부하측의 전원 변동을 줄이기 위한 완충부 및 미지의 부하를 포함하여, 미지의 부하전류를 추정하여 전원측에서 미리 보상해 줌으로써 전원측 컨버터와 부하측 컨버터 사이의 완충기 역할을 하는 캐패시터의 용량을 대폭 줄일 수 있는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

제2도는 본 발명인 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치의 구성도로서, 직류링크 전압 지령치에서 직류링크 전압을 빼 주는 제1감산부(21), 소정의 전압 이득 특성을 갖는 제1제어부(22), 양 입력을 더해주는 제1가산부(23), 입력 값을 소정의 상수 값으로 곱해 주는 제1승산부(24), 입력되는 전류 값에서 다른 입력을 빼 주는 제2감산부(25), 캐패시터에 의해 전압 값을 안정화시켜 주는 정류부(26)로 구성된다.

제2도에서 Imc는 미지의 변수이고, Imc´는 추정 값이다.

이와 같은 추정된 Imc´를 사용하여 전향 제어함으로써, 전압 기준치에 대한 응답 특성을 제1제어부 전달함수 G(S)에 의해 결정된 이상적인 것으로 유지할 수 있다. Imc´를 추정하는데는 부하 전류 관측자가 사용된다.

이때 종래 기술에 의한 전압 응답 식(1)과 외란 억제 응답 식(2)의 전달함수는 다음과 같이 설정할 수 있다.

식(3)은 전압 추종 응답을, 식(4)는 외란 억제 응답을 나타낸다.

그리고 tc는 관측자의 시정수이다.

윗 식에서 보듯이 전압 기준치에 대한 전압 추종 응답은 관측자에 의해 변화하지 않고 G(S)에 의해서만 결정된다. 반면에 외란 억제 응답은 G(S)와 관측자 양쪽에 의해 결정된다.

즉, 각각의 특성 방정식을 서로 달리 설계할 수 있기 때문에 2차유도 제어기로 볼 수 있다. 이상적으로 tc가 0에 가까우면 Vdc/Im≒0이 되어 시스템을 부하 전류에 무관하게 전압 응답이 결정되게 된다. 현실적으로, tc를 적절하게 잡아 주지 않으면 잡음의 영향이 과도해지므로 적절하게 설계한다.

한편, 이아같이 부하 전류를 전향 제어할 때 종래의 직류링크 전압 제어할 때보다 시스템 변수의 변동에도 강인한 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 즉, kc나 C와 같은 파라미터가 부정확하더라도 본 발명에 의한 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치에 의한 제어부의 응답 특성은 거의 변화하지 않는 특성을 갖는다.

특히, 부하전류 관측자는 제3에서와 같이, 소정이 상수 값으로 입력 값을 곱해 주는 제2승산부(31), 실제 부하에 인가된 전압을 상기 정류부(26)의 전달함수 분의 1의 값에 비례하는 값을 전달함수로 갖는 제2제어부(33), 제2승산부(31)의 출력 전류 값에서 제2제어부(33)의 출력 전류 값을 빼주는 제3감산부(32), 제3감산부 출력을 소정의 응답특성을 갖게 하는 제3제어부(34) 및 제3제어부(34)의 출력을 제1승산부(24)의 전달함수의 역수에 해당하는 값으로 곱해 주는 제3승산부(35)로 구성할 수 있다.

이 경우 실제 관측자의 주기는 부하전류 Imc의 변화와 비교할 때 충분히 짧기 때문에 다음의 가정을 하는 것이 관측자를 설계하는데 용이하다.

식(5), (6)의 미분 방정식을 풀고 나서 부하 추정 전류값 Imc´를 계산하면

이된다. 이를 라프라스 변환하면 부하전류의 추정 값은,

이다. 여기서 tc는 관측자의 시정수이다.

이와 같은 부하전류 관측자를 이용하여 제2도와 같은 전류 전향제어기를 설계할 수 있다.

제3도에서의 아래 첨자 n은 제어기의 노미날 파라미터(NOMINAl PARAMETER)를 나타낸다. 제2도와 제3도에서 노미날 변수의 액티브 변수가 같을 때 전달함수는 제(3)식과 제(4)식와 같이 된다.

제4도는 본 발명에 의한 부하 전류 관측자를 이용한 펄스폭 변조 정류기의 전향 제어 장치의 구성도로서, 부하 전류 관측자를 이용한 직류링크 전압 제어부(41), 직류링크 전압 제어부 출력을 펄스폭변조하여 출력하는 전압 변조부(42), 변압 변조부의 펄스폭 변조된 게이팅 신호에 따라서 스위칭 되는 전원 링크부(44), 전원 링크부에 전원을 공급하는 전원부(43), 부하측의 전원 변동을 줄이기 위한 완층부(45) 및 미지의 부하(46)로 구성된다.

위에서 이미 상세히 설명한 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치를 이용하여 제4도의 부하 전류 관측자를 이용한 직류링크 전압 제어부(41)를 구성한다.

그러면 직류링크 전압 제어부(41)의 출력을 펄스폭 변조에 의해 만들어진 게이팅 신호는 정류기의 부하에 공급되는 3상 전원부(43)을 스위칭하는 전원링크부(44)에 인가되어 스위칭 신호로 이용된다.

3상 전원이 게이팅 신호에 의해 제어 받은 전류 Idc는 전원측 컨버터와 부하측 컨버터 사이의 완충기 역할을 하는 완충부(45)를 거친후에 부하(46)에 공급된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 부하전류 관측자에 의해 미지의 부하전류를 추정하여 전원측에서 미리 보상해 줌으로써, 미지의 부하전류를 추정하여 전원측에서 미리 보상해 줌으로써 부하전류에 무관하게 전압응답을 결정할 수 있음으로써, 부하의 변동에도 강인한 특성을 갖는 것을 특징으로 인하여 부하에 관한 정보없이 독립적으로 사용될 수 있다는 측면에서 범용의 제품으로 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 장치에 비하여 일정한 전압을 확보하기 위한 완충부(47)의 캐패시터의 용량을 대폭 줄일 수 있으므로, 직류링크 전압의 동적 반응 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 정류기의 부하에 인가되기를 원하는 직류링크 전압 지령치로 실제 부하에 인가되는 직류링크 전압을 제어하는 정류기의 제어 장치에 있어서, 상기 직류 링크 전압 지령치에서 상기 직류링크 전압을 빼 주는 제1감산부; 상기 제1감산부의 출력전압을 소정의 전압이득 특성을 갖게 하는 제1제어부; 상기 제1제어부 출력과 소정의 부하전류를 추정하여 외란으로 간주한 관측자 전류를 더해 주는 제1가산부; 상기 제1가산부 출력을 소정의 제1상수로 곱해 주는 제1승산부; 상기 제1승산부 출력 전류에서 부하전류를 빼 주는 제2감산부; 및 상기 제2감산부의 출력을 안정화시키기 위한 전달함수의 특성을 갖게 하여 부하전류에 무관하게 전압응답을 결정할 수 있는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 부하 전류 관측자는 소정의 제2상수 값으로 곱해 주는 제2승산부; 상기 직류링크 전압을 입력으로 하여 상기 정류부의 전달함수의 역수에 비례하는 특성함수를 갖는 제2제어부; 상기 제2승산부 출력 값에서 상기 제2제어부의 출력 값을 빼 주는 제3감산부; 상기 제3감산부 출력을 입력으로 하여 소정의 1/(1+sc/Kc)의 전달함수를 갖게 하는 제3제어부; 및 상기 제3제어부의 출력을 입력으로 하여 소정의 제2상수값 분의 1로 곱해 주어 미지의 부하 전류를 추정하여 제어장치가 부하전류에 영향을 받지 않게 하기 위한 제3승산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어 장치.
3. 부하에 인가되는 직류링크 전압을 제어하는 정류기의 제어 장치에 있어서, 미지의 부하전류를 추정하여 전원측에서 미리 보상해 줌으로써 부하전류에 무관하게 전압응답을 결정할 수 있는 특성을 갖는 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어부; 상기 부하 전류 관측자를 이용한 정류기의 직류링크 전압 제어부 출력을 펄스폭 변조하여 게이팅 신호를 출력하는 전압 변조부; 상기 게이팅 신호에 따라서 부하측에 공급되는 전원이 스위칭 되는 전원 링크부; 상기 전원 링크부에 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 전원 링크부의 출력에 대한 부하측의 전원 변동을 줄여 전원측 컨버터와 부하측 컨버터 사이의 완충기 역할을 하는 캐패시터의 용량을 대폭 줄일 수 있는 위한 완충부를 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 전류 관측자를 이용한 펄스폭 변조 정류기의 전향 제어 장치.