KR0165640B1 - 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기 - Google Patents

구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3 상 전류 제어기를 사용하는 산업 장치에 관한 것으로서, 3 상 선전류(Ia,Ib,Ic) 중에서 2 상의 전류(Ia,Ib)를 궤환시켜 기준 전류(Ia*,Ib*와Ic*)와 감산하여 전류 오차를 형성하는 감산기들(1-5)과; 상기 감산기들(1-5)의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호(AIB,BIB,CIB)를 출력하는 히스테리시스 비교기들(6,7,8)과; 상기 감산기(1-5)들의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호(AOB, BOB및 COB)를 출력하는 구역 판별기(9)와; 상기 신호들(AIB,BIB,CIB,AOB, BOB및 COB)을 조합하여 스위칭 신호(S1,S3,S5)를 출력하는 스위칭 테이블(10)과; 상기 스위칭 신호(S1,S3,S5)에 따라 삼상 전압(Va,Vb,Vc)을 직류 전원으로부터 펄스폭 변조하여 출력하는 전압형 펄스폭 변조 시스템(11)을 구비한다.
즉, 본 발명은 히스테리시스 전류 제어기와 공간 벡터 변조 방식의 장점인 구현이 쉽고 전류제어의 동적 응답이 빠르고 최대 전류 제한 능력과 부하 파라미터의 변동에 민감하지 않으며 최대 출력 전압이 정현파 펄스폭 변조 방식보다 더 크고 스위칭수도 대폭 줄어드는 장점들을 모두 가지고 있다는 효과가 있다.

Description

구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기
제1도 (a)는 종래의 전압원 펄스폭 변조 시스템의 개략도.
제1도 (b)는 제1도의 공간 전압 벡터를 도시한 도면.
제2도는 본 발명에 따른 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기의 블럭도.
제3도는 제2도의 상세 회로도.
제4도는 제2도의 제어기내 전압 벡터와 상 전류 오차와의 상관 관계를 도시한 도면.
제5도는 제2도의 제어기에 구성되는 스위칭 테이블의 상태를 도시한 도면.
제6도는 본 발명에 따른 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기의 다른 실시예를 도시한 블럭도.
제7도는 제6도의 상세 회로도.
제8도는 제6도의 제어기내 전압 벡터와 상 전류 오차와의 상관 관계를 도시한 도면.
제9도는 제6도의 제어기에 구성되는 스위칭 테이블의 상태를 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1-5 : 감산기 6,7,8,13,14 : 히스테리시스 비교기
9 : 구역 판별기 10 : 스위칭 테이블
11 : abc축에서 xy축으로의 변환기 12 : 전압형 펄스폭 변조 시스템
본 발명은 3 상 전류 제어기를 사용하는 산업 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구역 판별기를 이용하여 전류를 제어하는 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기에 관한 것이다.
현재까지 전류 제어 기법에 대해 다양한 방법이 제시되었지만 여러가지 방법중에서도 구현이 쉽고 동적 응답이 빠르고 최대 전류 제한 능력과 부하 파라미터의 변동에 민감하지 않은 3 상이 독립적으로 제어되는 히스테리시스 전류 제어기가 비교적 많이 사용되고 있다.
그러나, 독립적인 각각의 히스테리시스 전류 제어기사이의 3 상 관계 정립이 결여되어 있어서 낮은 변조지수에서도 스위칭 주파수가 매우 높아질 수 있다. 이것은 물론 스위칭 손실을 증가시킬 뿐 아니라 전류 오차도 정확히 제한되지 않는다. 3 상 사이의 상관 관계를 고려하면서 적절한 순간에 알맞게 영 전압 벡터를 인가하면 스위칭 수를 크게 줄어들게 할 수 있다.
한편, 공간 벡터 펄스폭 변조 방식은 출력 전압이 정현파 펄스폭 변조 방식보다 최대 출력 전압이 15.4% 더 크고 스위칭수도 30% 정도 더 줄어드는 2 가지의 뛰어난 장점을 가지고 있다. 공간 벡터 펄스폭 변조 방식은 3 상이 독립적으로 제어되는 히스테리시스 전류 제어기와는 달리 인가될 수 있는 상태 전압 벡터를 한정하고 있다.
제1도 (a)는 일반적인 전원압 펄스폭 변조 시스템의 구조를 나타내고 있다. 여기서 (S1)에서 (S6)의 여섯개 스위치는 Va, Vb, Vc의 삼상 전압을 Vd의 직류 전원으로부터 펄스폭 변조하여 만들어 내게 된다. 이때, 여섯개의 스위치로부터 만들어 낼 수 있는 전압 벡터(즉, 공간 전압 벡터)는 제1도의 (b)에 나타나 있다. 예로 V1(100)는 스위치(S1) 도통, 스위치(S3) 소거, 스위치(S5) 소거를 나타내고 있다.
따라서, 기존의 히스테리시스 전류 제어기의 장점과 공간 벡터 펄스 폭 변조 방식의 장점만을 취합하면 보다 정확하고 유용한 전류 제어가 가능할 것이다. 전류제어의 있어서 기준 전류와 부하의 역기전력이 전류 오차 제어에 매우 큰 영향을 끼칠 수 있으므로 전류 오차의 방향 추세에 대한 정보를 얻을 수 있으며 전류 오차를 줄이기 위해 특정한 상태 전압 벡터 또는 영 전압 벡터를 인가할 수 있다.
본 발명은 이러한 점에 의거하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 간단한 하드웨어로 구현된 구역 판별기라는 새로운 기능을 기존의 히스테리시스 전류 제어기에 적용하여 마이크로 프로세서등을 사용하지 않고도 공간 벡터 펄스폭 변조 방식(일반적으로 마이크로 프로세서등을 사용하여 구현됨)의 장점과 히스테리시스 장점을 내는 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기를 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기는, 3 상 선전류중에서 2 상의 전류를 궤환시켜 기준 전류와 감산하여 전류 오차를 형성하는 감산기들과; 감산기들의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호를 출력하는 히스테리시스 비교기들과; 감산기들의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호를 출력하는 구역 판별기와; 구역 판별기의 신호들을 조합하여 스위칭 신호를 출력하는 스위칭 테이블과; 스위칭 신호에 따라 삼상 전압을 직류 전원으로부터 펄스폭 변조하여 출력하는 전압형 펄스폭 변조 시스템을 구비한다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제2도는 본 발명에 따라 a-b-c축상에서 동작하는 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기의 개념도를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이 부하에 인가되는 3 상 선전류(Ia,Ib,Ic) 중에서 2 상의 전류(Ia,Ib)를 궤환시켜 감산기(1,2,3,4,5)에서 기준 전류(Ia*,Ib*와Ic*)와의 전류 오차를 만든 후, 이 전류 오차를 주 히스테리시스 비교기(6,7,8)와 구역 판별기(9)에 입력한다. 구역 판별기(9)로부터 나오는 AOB, BOB및 COB의 3개의 출력 신호로부터 6개의 구역으로 나누게 되고 구역에 따라 인가되어야 될 공간 벡터군이 공간 벡터 변조 방식에서처럼 결정된다. 3 개의 주 히스테리시스 비교기(6,7,8)는 기준 전류들을 추적하고 지정된 히스테리시스 범위내에 전류 오차를 제한시키기 위하여 사용되었으며 구역에 따라 특정한 한 상의 스위치는 스위칭을 하지 않고 나머지 공간 벡터 변조 방식과 같이 스위칭수가 기존의 히스테리시스 전류 제어기보다 약 30% 정도 더 줄어들게 된다.
제3도에는 a-b-c 축상에서 동작하는 새로운 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기의 회로도가 도시되어 있다.
구역 판별기(9)는 주 히스테리시스 전류 제어기보다 조금 더 큰 폭의 밴드를 가지는 또 하나의 히스테리시스 비교기이다.
도시된 바와 같이 구역 판별기(9)는 비교기(CP1,CP3,CP5)로 구성되어 있고, 주 히스테리시스 비교기(4,5,6)들은 비교기(CP2,CP4,CP6)들로 구성되어 있다.
구역 판별기(9)가 공간 벡터 변조 방식과 같이 구역을 나눌 수 있는 이유는 다음과 같다. 평형 3 상 전압및 전류는 3 상중 어느 한상이 120도 구간씩 나머지 2 상보다 큰 값을 가지고 또한 120도 구간씩 나머지 2 상보다 작은 값을 가지는데 이 구간에 해당되는 상의 스위치는 스위칭을 할 필요가 없고 나머지 2 상에 해당되는 스위치들만 스위칭시키므로써 전류 제어를 할 수 있고 제4도에서 보듯이 120도 구간에 한정된 4개의 공간 벡터만을 사용하면 된다. 6 개의 구역은 각각 최대 120도까지 제어할 수 있으며 60도 구간씩 중복되어 있다.
시간에 따라 한 구역에서 다른 구역으로 바뀌게 되면 제어하고자 하는 전류는 기준 전류의 주파수및 최대 진폭과 부하의 역기전력의 영향에 의하여 지정된 히스테리시스 밴드를 벗어나게 된다. 이렇게 밴드를 벗어난 전류는 주 히스테리시스 밴드를 둘러싼 조금 더 큰 폭을 가진 밴드의 경계를 치게 되고 이것이 3 개의 출력 신호 AOB, BOB및 COB의 상태를 변화시키게 되므로써 새롭게 바뀐 구역이 자동적으로 기록되게 된다.
제5도는 이와 같은 원리로 얻어진 구역에 따른 스위칭 신호(S1,S2,S3)를 출력하는 스위칭 테이블(10)을 보여준다. 구역에 따라 사용되는 4 개의 벡터중 1 개는 영 전압 벡터로서 스위칭수를 더 줄일 수 있는 스위칭 형태가 나머지 3 개의 벡터들의 스위치 상태에 따라 두 영 전압 벡터 V0(000) 또는 V0(111)중의 하나로 유일하게 결정된다. a-b-c 축상에서 동작하는 히스테리시스 전류 제어기의 게이트 로직 역시 제5도에 도시되어 있다.
이러한 스위칭 신호(S1,S3,S5)에 의하여 전압형 펄스폭 변조 시스템(12)은 제1도에 관련하여 설명한 바와 같이 삼상 전압(Va,Vb,Vc)을 직류 전원으로부터 펄스폭 변조하여 출력하게 되는 것이다.
마찬가지로 구역 판별기(9)를 이용하고 a-b-c 축으로부터 x-y축으로의 좌표축 변환 과정을 거치면 제어 변수를 줄여서 전류 제어를 할 수 있다.
제6도는 x-y축상에서 동작하는 새로운 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기의 개념도를 보여준다.
a-b-c 3 상으로부터의 전류(Ia,Ib,Ic)는 abc/xy 변환부(11)에서 좌표축 변환을 거쳐 x-y축 상의 전류 신호(Ix,Iy)로 변환시킨 후 감산기(1,2)에서 기준 전류(Ix*,Iy*)와의 전류 오차를 만든 후, 이 전류 오차를 주 히스테리시스 비교기(6,7,8)와 구역 판별기(9)에 입력한다. 스위칭 테이블(10)은 제9도에 도시된 바와 같이 구역 판별기(9)의 출력 신호(XOB,YOB)에 따라 4 개의 구역을 나누고 구역마다 주 히스테리시스 비교기(13),(14)의 출력 신호(XIB,YIB)에 따라 기준 전류를 추적하기 위한 적당한 벡터를 선택한다.
제7도는 x-y 축상에서 동작하는 새로운 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기의 회로를 도시한 것으로서, a-b-c 축상의 전류(Ia및 Ib)를 이용하여 x-y 축상의 전류 신호(Ix,Iy)를 형성하는 abc/xy 변환부(11)를 구비한다.
이때, abc/xy 변환부(11)는 전류(Ia,Ib)를 가산하는 접점(a)및 비교기(CP7)를 구비하며, 또한, 구역 판별기(9)는 비교기(CP8,CP10)로 구성되고 히스테리시스 비교기(13),(14)는 비교기(CP9,CP11)로 구성되어 있다.
제8도는 4 개의 구역 중 한 구역을 나타내며, 제9도는 구역에 따른 스위칭 테이블을 보여준다. x-y 축상에서 동작하는 히스테리시스 전류 제어기의 게이트 로직은 제9도에 나타내고 있다.
따라서, 본 발명은 히스테리시스 전류 제어기와 공간 벡터 변조 방식의 장점인 구현이 쉽고 전류제어의 동적 응답이 빠르고 최대 전류 제한 능력과 부하 파라미터의 변동에 민감하지 않으며 최대 출력 전압이 정현파 펄스폭 변조 방식보다 더 크고 스위칭수도 대폭 줄어드는 장점들을 모두 가지고 있다는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 3 상 선전류(Ia,Ib,Ic) 중에서 2 상의 전류(Ia,Ib)를 궤환시켜 기준 전류(Ia*,Ib*와Ic*)와 감산하여 전류 오차를 형성하는 감산기들(1-5)과; 상기 감산기들(1-5)의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호(AIB,BIB,CIB)를 출력하는 히스테리시스 비교기들(6,7,8)과; 상기 감산기(1-5)들의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호(AOB, BOB및 COB)를 출력하는 구역 판별기(9)와; 상기 신호들(AIB,BIB,CIB,AOB, BOB및 COB)을 조합하여 스위칭 신호(S1,S3,S5)를 출력하는 스위칭 테이블(10)과; 상기 스위칭 신호(S1,S3,S5)에 따라 삼상 전압(Va,Vb,Vc)을 직류 전원으로부터 펄스폭 변조하여 출력하는 전압형 펄스폭 변조 시스템(12)을 구비하는 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기.
  2. 전류(Ia,Ib,Ic)들을 좌표축 변환시켜 x-y축 상의 전류 신호(Ix,Iy)로 변환시키는 abc/xy 변환부(11)와; 상기 전류 신호(Ix,Iy)와 기준 전류(Ix*,Iy*)와 감산하여 전류 오차를 형성하는 감산기들(1,2)과; 상기 감산기들(1,2)의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호(XIB,YIB,CIB)를 출력하는 히스테리시스 비교기들(13,14)과; 상기 감산기(1-5)들의 출력을 소정의 기준 값과 비교하여 신호(XOB, YOB)를 출력하는 구역 판별기(9)와; 상기 신호들(XIB,YIB,XOB,YOB)을 조합하여 스위칭 신호(S1,S3,S5)를 출력하는 스위칭 테이블(10)과; 상기 스위칭 신호(S1,S3,S5)에 따라 삼상 전압(Va,Vb,Vc)을 직류 전원으로부터 펄스폭 변조하여 출력하는 전압형 펄스폭 변조 시스템(12)을 구비하는 구역 판별기를 사용한 공간 벡터형 히스테리시스 전류 제어기.
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