KR100210449B1 - 펄스폭변조(pwm) 컨버터를 이용한 유도전동기 구동시스템의 전원전압 제로크로싱 검출 및 위상 판별 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스폭변조(PWM) 컨버터를 사용하는 전압형 유도전동기 구동시스템에서의 디지탈 위상고정루프(PLL: Phase Locked Loop) 제어기술에 관한 것으로서, 특히 전원 전압의 제로 크로싱(zero crossing) 및 위상 판별을 소프트웨어 PLL을 사용해서 구현한 PLL 제어방법에 관한 것이다.
종래에 PWM컨버터를 이용한 유도 전동기 구동시스템에서는 전원 전압의 제로크로싱 검출과 위상 판별을 위한 비교기, 버퍼, 과전압 저전압 보호회로 등이 필요하기 때문에 하드웨어 추가의 부담이 있다. 또한, 기준 전압의 변경이 어렵기 때문에 시스템 유연성이 떨어지게 된다.
본 발명은 이러한 펄스폭변조(PWM) 컨버터에서의 디지탈 위상고정루프(PLL) 제어방법을 제공한다.
이때의 하드웨어는 기존에 사용되고 있던 아날로그 디지탈 변환기를 그대로 사용하면 되므로 추가적인 하드웨어의 부담은 없다.
또, 전원 전압의 과전압 저전압 보호가 가능하며, 기준 전압의 변경이 소프트웨어로 가능하기 때문에 시스템 유연성이 우수하게 되며, 전원 전압의 최대, 최소치를 판별하는데 필요한 고속 샘플링도 컨버터의 주소자를 IGBT, FET등의 고속 스위칭 소자를 사용하기 때문에 별다른 어려움이 없게 된다.

Description

펄스폭변조(PWM) 컨버터를 이용한 유도전동기 구동시스템의 전원전압 제로 크로싱 검출 및 위상 판별 방법
본 발명은 펄스폭변조(PWM) 컨버터를 사용하는 전압형 유도전동기 구동시스템에서의 디지탈 위상고정루프(PLL: Phase Locked Loop) 제어기술에 관한 것으로서, 특히 전원 전압의 제로 크로싱(zero crossing) 및 위상 판별을 소프트웨어 PLL을 사용해서 구현한 PLL 제어방법에 관한 것이다.
제 1 도에 일반적인 전압형 유도전동기 구동시스템을 나타내며, 제 2 도에는 이 시스템의 입력 전압(V) 및 전류(I)의 파형을 나타낸다.
일반적인 전압형 유도전동기 구동시스템은 3상전원(a,b,c)을 다이오드 정류회로인 컨버터(101)를 사용해서 DC화하고 이 것을 필터(102)를 통해 인버터(103)에 인가하여 전력 제어를 통해서 유도 전동기(104)를 구동 제어하는 시스템이다.
그러나 이 시스템은 다이오드 정류회로를 사용하기 때문에 입력측에 큰 전류 고조파가 포함되어 있음을 알 수 있다.
이 것을 개선하고 입력역률을 제어하기 위해서 다이오드 대신 PWM컨버터를 사용한다.
제 3 도에 PWM컨버터 전압형 유도전동기 구동시스템을 나타내며, 제 4 도에는 이 시스템의 입력 전압(V)과 전류(I)의 파형을 나타낸다.
제 3 도 및 제 4 도에서 보는 바와같이, PWM컨버터를 이용한 전동기 구동시스템은, 3상 전원(a,b,c)을 리액터(301)를 통해서 PWM컨버터(302)에 입력하여 DC화하고 이 것을 필터회로(303)를 통해 인버터(304)에 인가하여 전력 제어를 통해 유도 전동기(305)를 구동 제어하는 시스템이다.
PWM컨버터(302)를 이용한 기술은 입력 고조파를 줄이고 역률 1 제어가 가능하다는 장점과 더불어 인버터측에서 발생하는 회생 에너지를 전원측으로 되돌려줄 수 있다는 장점을 가지고 있다.
그러므로, PWM컨버터를 이용한 유도전동기 구동시스템은 가감속이 빈번한 엘리베이터 구동시스템으로 널리 사용되고 있다.
그런데 PWM컨버터는 역률제어를 하고 있으므로 전원전압의 제로 크로싱(zero crossing) 검출 및 위상 판별이 필수적이다.
종래의 제로 크로싱 검출 및 위상 판별은 도면 제 5 도에 도시한 바와같이 각 상전압을 비교하는 비교기(501)(502)와 비교기 출력값을 저장하는 버퍼(503) 그리고 과전압, 저전압 보호회로(504)를 포함하여 구성된다.
비교기(501)의 출력은 마이크로 프로세서(CPU)에서 인터럽트를 요구하고, 마이크로 프로세서는 요구된 인터럽트 프로그램에서 a상 비교기(501)의 출력과 b상 비교기(502)의 출력을 버퍼(503)를 통해 읽어서 위상을 판별하게 된다.
이러한 회로는 그 구조가 비교적 간단하고 또 구현이 용이하다는 장점이 있지만 추가적인 하드웨어가 필요하고 도면에서 보는 바와같이 과전압, 저전압 보호회로(504)가 설치되어 있는 경우 기준 전압의 변경이 어렵다는 단점이 있다.
종래에 PWM컨버터를 이용한 유도 전동기 구동시스템에서는 전원 전압의 제로크로싱 검출과 위상 판별을 위한 비교기, 버퍼, 과전압 저전압 보호회로 등이 필요하기 때문에 하드웨어 추가의 부담이 있다.
또한, 기준 전압의 변경이 어렵기 때문에 시스템 유연성이 떨어지게 된다.
이러한 문제점은 전원 전압의 제로 크로싱 및 위상 판별을 소프트웨어 PLL을 이용해서 해결할 수 있다.
본 발명은 이러한 펄스폭변조(PWM) 컨버터에서의 디지탈 위상고정루프(PLL) 제어방법을 제공한다.
이때의 하드웨어는 기존에 사용되고 있던 아날로그 디지탈 변환기를 그대로 사용하면 되므로 추가적인 하드웨어의 부담은 없다.
또, 전원 전압의 과전압 저전압 보호가 가능하며, 기준 전압의 변경이 소프트웨어로 가능하기 때문에 시스템 유연성이 우수하게 된다.
또한, 전원 전압의 최대, 최소치를 판별하는데 필요한 고속 샘플링도 컨버터의 주소자를 IGBT, FET등의 고속 스위칭 소자를 사용하기 때문에 별다른 어려움이 없게 된다.
제 1 도는 일반적인 전압형 유도전동기 구동시스템의 블럭도
제 2 도는 일반적인 전압형 유도전동기 구동시스템의 입력 전압전류 파형도
제 3 도는 PWM컨버터 전압형 유도전동기 구동시스템의 블럭도
제 4 도는 PWM컨버터 전압형 유도전동기 구동시스템의 입력 전압전류 파형도
제 5 도는 종래의 제로 크로싱 검출 및 위상 판별장치의 블럭도
제 6 도는 본 발명의 제 1 인터럽트 프로그램의 플로우차트
제 7 도는 본 발명의 제 2 인터럽트 프로그램의 플로우차트
제 8 도는 본 발명의 전원전압 PLL 제어 블럭 구성도
제 9 도는 a상 전압과 위상 T와의 관계를 나타낸 도면
제 10 도는 위상 T가 +인 경우의 PLL방법을 나타낸 도면
제 11 도는 위상 T가 -인 경우의 PLL방법을 나타낸 도면
도면 제 6 도 및 제 7 도는 본 발명에서 제로 크로싱 및 위상을 판별하는 인터럽트 프로그램의 수순을 나타내며 제 8 도는 이의 블럭 구성도이다.
전원이 투입되면 마이크로 프로세서는 하드웨어 및 소프트웨어의 초기화를 수행한 후에 내부의 타이머1과 타이머2를 가동하는데, 타이머1은 기준주기에 해당하는 타이머이고, 타이머2는 인버터의 게이트를 구동하기 위한 100μsec 타이머이다.
상기 타이머1과 타이머2가 종료되는 순간마다 마이크로 프로세서는 제 6 도 및 제 7 도의 인터럽트 프로그램에 의한 제로 크로싱 검출과 위상 판별을 수행하게 된다.
먼저, 제 6 도에 의한 제로 크로싱 검출과 3상 전압이 정상인가 또는 역상인가를 판별하는 과정을 설명한다.
단계(601)에서 a상의 전압값(x)을 아날로그 디지탈 변환기를 통하여 읽어보고 a상 전압의 최대값(y)을 읽어들인다.
단계(601)에서 플래그2(flag2; 도7에서 피이크값 사용 가능여부를 표기하는 플래그로 설정된다)의 값을 검색하여 flag2=0 으로 클리어되어 있으면 단계(603)에서 타이머값(Ttimer)을 기준값(Tref)으로 설정하고 종료한다.
그러나, flag2=1로 설정되어 있으면 단계(604)로 진행하여 플래그1(flag1; 도7에서 기준전압 a상의 각도θ가 60도에서 120도 사이일때 a상의 값을 아날로그 디지탈 변환한 값이 +이면 1, 그렇지 않으면 0으로 설정된다)의 값을 검색하여 flag1=1 로 설정되어 있으면 저장된 a상 값의 최대치(y)와 arcsin(x/y)를 수행하여(단계 605) 현재의 위상(T)을 구하고, 단계(604)에서 flag1=0 이면 아날로그/디지탈 변환된 상기의 a상 전압치(x)를 검색하여(단계 608), x<0 이면 위상(T)를 -60도로 만들고(단계 609), 그렇지 않으면 위상(T)를 +60도로 만든다(단계611).
상기한 바와같이 위상(T)를 구해서 이 위상(T)에 일정한 이득(K)을 곱하여 기준주기(Tref)에서 감산한 값을 타이머(Ttimer)에 저장한다(단계 606,607).
이때, 단계(606)를 실행한 경우에는 플래그3(flag3)을 '1'로 설정하고, 단계(610)를 실행한 경우에는 플래그3(flag3)을 '0'으로 설정한다.
이와같이 하여 안정된 제로 크로싱점을 찾았고, 그 점이 일정한 오차(±60도)안에 들어오면 단계(607)에서는 플래그3(flag3)이 '0'으로 설정되어 있으면 종료하고, '1'로 설정되어 있으면 b상의 전압을 아날로그/디지탈 변환하여 3상 전압이 정상인가 또는 역상인가를 판별하고 종료한다.
즉, 플래그3(flag3)을 '1' 또는 '0'으로 설정함으로써 안정된 제로 크로싱점을 찾았는가의 여부를 표기하는데, 이 것은 제 7 도의 게이트 구동 제어에 이용된다.
다음에, 제 7 도에 도시한 게이트 구동 제어의 수순을 설명한다.
도면 제 7 도는 컨버터의 주전력소자를 구동하는 게이트 구동 펄스를 생성하는 과정으로서, 단계(701)에서는 현재 타이머값(Ttimer(now)=x)로부터 현재 기준전압 a상의 각도(θ)를 구한다.
각도를 구하는 방법은 Deg(각도)=(Ttimer-x)/Ttimer×360)의 연산을 수행하여 구하며, 여기서 Ttimer(now)=x는 인터럽트 프로그램을 수행하는 즉시 Ttimer를 읽으면 알 수 있다.
상기 수식을 이용해서 a상의 각도를 구하고 단계(702)에서 상기 각도가 60도에서 120도 사이에 오는가를 검색하여, 60도에서 120도 사이일때 a상의 값을 아날로그 디지탈 변환한 값(y)이 +인가를 확인하고(단계 702,703), 만약 +이면 플래그1(flag1)을 '1'로 설정하며 그렇지 않으면 '0'으로 설정한다.
이 플래그1(flag1)은 상기한 제 6 도의 제어에 사용됨은 이미 설명한 바와같다.
그리고, 단계(707)에서 피이크값을 계산하여 계산이 완료되었으면(단계 708) 플래그2(flag2)를 '1'로 설정하고 그렇지 않으면(단계 710) 플래그2(flag2)를 '0'으로 설정하여 피이크값의 사용 가능 여부를 제 6 도의 제어에서 사용할 수 있도록 알려준다.
이어서, 플래그3(flag3)이 '1'로 설정되었는지를 검색하여(단계 711), 플래그3(flag3)이 '1'로 설정되어 있으면 수식 계산을 하여 게이트펄스를 생성한다.
상기 피이크값은 소프트웨어로 정해진 저전압, 과전압 기준값과 비교되어 시스템을 보호하게 되며, 이 저전압 과전압 기준값은 변경이 가능하므로 시스템 제어의 유연성이 확보됨은 자명하다.
상기한 바와같이하여 제로 크로싱 검출과 상판별 및 그 것에 따른 컨버터 전력 스위칭 소자의 게이트구동을 정확한 타이밍으로 제어할 수 있게된다.
도면 제 8 도는 상기 제 6 도 및 제 7 도에 의한 전원전압 PLL 제어의 블럭 구성도로서, 제 1 연산수단(801)은 현재 기준전압 a상의 각도(θ)와 제 5 연산수단(804)의 출력(θfb)으로부터 보상된 위상(T)을 산출하고, 이 것을 제 2 연산수단(802)에서 일정한 이득(K)을 곱한 다음 제 3 연산수단(803)에서 기준값(Tref)과 감산하여 게이트 구동을 위한 타이머(Ttimer)값을 구한다.
그리고, a상 전압은 아날로그 디지탈 변환기(806)에서 디지탈전압값(x)으로 변환되고 , 또다른 아날로그 디지탈 변환기(807)에서 피이크값(y)이 구해져서 이 두값으로부터 제 4 연산수단(805)이 arcsin(x/y)을 수행하여 그 결과를 제 5 연산수단(804)에 제공한다.
제 5 연산수단(804)은 플래그1(flag1)을 읽어 '1'로 설정되어 있으면 a상의 최대치와 아크사인에 의한 현재의 위상T를 구하도록 하고, 플래그1(flag1)이 '0'으로 설정되어 있으면 위상(T)를 +60도 또는 -60도로 만들어 준다.
이렇게 구해진 T는 상기 제 1 연산수단(801) 내지 제 3 연산수단(803)을 거쳐서 Ttimer=Tref-T×K로 저장된다.
이렇게 하여 안정된 제로 크로싱점을 찾고, 일정한 오차내에 들어오면 b상값을 아날로그 디지탈 변환하여 3상 전압이 정상인가 역상인가를 판별하고, 게이트 구동 펄스를 생성하는 것은 상기한 바와같다.
도면 제 9 도에 a상 전압과 위상(T)와의 관계를 나타내었다.
한편, 제로 크로싱점을 잘못 찾았을 때에 타이머(Ttimer)값이 어떻게 변동되는가를 제 10 도 및 제 11 도에 나타내었다.
도면 제 10 도는 위상(T)가 +인 경우에 일정한 이득(K)을 곱하여 위상을 보상하는 과정을 보여주며, 제 11 도는 위상(T)가 -인 경우에 일정한 이득(K)을 곱하여 위상을 보상하는 과정을 보여준다.
본 발명은 펄스폭변조(PWM) 컨버터를 사용하는 전압형 유도전동기 구동시스템에서 전원 전압의 제로 크로싱(zero crossing) 및 위상 판별을 소프퉤어 PLL을 사용해서 구현한 PLL 제어기술을 제공한다.
종래에 PWM컨버터를 이용한 유도 전동기 구동시스템에서는 전원 전압의 제로크로싱 검출과 위상 판별을 위한 비교기, 버퍼, 과전압 저전압 보호회로 등이 필요하기 때문에 하드웨어 추가의 부담이 있다.
또한, 기준 전압의 변경이 어렵기 때문에 시스템 유연성이 떨어지게 된다.
이러한 문제점은 전원 전압의 제로 크로싱 및 위상 판별을 소프트웨어 PLL을 이용해서 해결할 수 있다.
본 발명은 이러한 펄스폭변조(PWM) 컨버터에서의 디지탈 위상고정루프(PLL) 제어방법을 제공한다.
이때의 하드웨어는 기존에 사용되고 있던 아날로그 디지탈 변환기를 그대로 사용하면 되므로 추가적인 하드웨어의 부담은 없다.
또, 전원 전압의 과전압 저전압 보호가 가능하며, 기준 전압의 변경이 소프트웨어로 가능하기 때문에 시스템 유연성이 우수하게 된다.
또한, 전원 전압의 최대, 최소치를 판별하는데 필요한 고속 샘플링도 컨버터의 주소자를 IGBT, FET등의 고속 스위칭 소자를 사용하기 때문에 별다른 어려움이 없게 된다.

Claims (1)

  1. 기준전압 a상의 각도를 구하는 제 1 단계와, 상기 제 1 단계에서 구한 각도가 60도에서 120도 사이일때의 a상의 값을 디지탈 변환한 값의 부호(+,-)를 판별하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계에 이어서 피이크값을 구하고 컨버터 스위칭 소자의 게이트 구동펄스를 계산하여 생성하는 제 3 단계로 제어하는 게이트 구동 펄스 생성과정과;
    현재 a상의 디지탈 변환한 값을 읽고 상기 게이트 구동펄스 생성과정 제 2 단계의 결과가 +이면 a상의 값 및 그 피이크치를 이용해서 현쟁의 위상(T)을 구하는 제 1 단계와, 상기 게이트 구동펄스 생성과정 제 2 단계의 결과가 -이면 위상(T)을 +60도 또는 -60도로 만드는 제 2 단계와, 상기 단계에서 구해진 위상(T)에 일정한 이득을 곱하여 기준 주기에서 감산하여 타이머에 저장함으로써 안정된 제로 크로싱점을 찾아내는 제 3 단계와, 이 제 3 단계에 이어서 제로 크로싱점이 일정한 오차내에 들어오면 b상 값을 디지탈 변환하여 3상 전압이 정상인가 또는 역상인가를 판별하고, 안정된 제로 크로싱점을 찾았음을 상기 게이트 구동펄스 생성과정 제 3 단계에 알려서 게이트 구동펄스를 생성하도록 하는 제 4 단계로 제어하는 제로 크로싱 및 위상판별 판별과정;
    의 수순으로 이루어진, 펄스폭변조(PWM) 컨버터를 이용한 유도전동기 구동시스템의 전원전압 제로 크로싱 검출 및 위상 판별방법.
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