KR100289430B1 - 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 내용은 회전자 위치센서 없이 모터의 각 상에 흐르는 전압과 전류의 검출로서 회전자의 위치를 계산하여 모터의 속도 및 토오크를 원활하게 제어하도록 하는 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치에 관한 것이다.
개시된 속도제어 장치는, 모터의 각 상에 흐르는 전류와 전압을 검출하는 전압/전류 검출수단; 검출된 전압, 전류를 회전좌표계의 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류로 좌표변환 하는 좌표변환수단; 좌표변환된 자속분/토오크분 전압, 전류를 가지고 회전좌표계의 인덕턴스에 따른 상기 모터의 속도추정치를 구하여 속도지령치에 추정시키는 속도추정치 연산수단; 계산된 속도추정치를 적분하여 회전자의 위치를 구하며 상기 구한 회전자 위치정보를 좌표변환수단 및 전압발생수단에 공급하는 자속각 연산수단을 포함하며,
이에 따라 벡터제어와 같은 정밀한 제어가 요구되는 제어시스템에서 저가격화, 또한 압축기와 같은 회전자 위치 검출을 필요로하는 곳에서 위치센서 없이도 모터의 속도를 원활하게 제어할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 동기 전동기 등의 리럭턴스 모터의 속도제어 방법에 관한 것으로, 구체적으로 말하면, 자기저항 차이를 이용하여 모터의 토오크를 발생시키는 동기식 리럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor)의 속도제어 방법 중에서, 특히 회전자의 위치검출용 센서 없이 모터의 입력 전압과 전류만을 가지고 모터의 속도 및 토오크를 제어하도록 하는 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 동기식 리럭턴스 모터는 일반적으로 통상의 유도식 및 동기식 모터 구동 시스템에 비해 그 구성 및 경제적인 면에서 간단하다. 아울러, 전력을 동기 리럭턴스 모터에 인가하는 변환기는 소형의 전력장치를 필요로 하므로, 보다 경제적이며 신뢰성이 높다.
이들의 이점에 비추어 동기식 리럭턴스 모터의 구동 시스템은 통상의 구동 시스템과 다른 효과를 제공하며, 또한 산업적 응용면에서도 폭넓게 이용되고 있다.
동기식 리럭턴 모터는 통상 고정자 및 회전자 양자에 대하여 다수의 자극(Poles) 또는 티쓰(teeth)를 갖는데, 상기 고정자상에는 상 권선이 있으나, 회전자상에는 권선 또는 자석이 전혀 없는 것이 특징이며, 대향된 각쌍의 고정자 자극들은 직렬로 연결되어 다상 동기식 리럭턴스 모터의 독립상을 형성한다.
각 상 권선내의 전류를 회전자에 각도 위치로서 동기화되는 소정의 순서대로 스위칭 온(on)하게 되면 토오크가 발생하고 하고, 이것에 수반하여 서로 근접해 있는 회전자 및 고정자 자극들사이에 자력이 형성된다. 상기 전류는 고정자 자극에 가장 근접한 회전자 자극이 그 정렬된 위치를 지나 회전하기 전에 각각의 상으로 스위칭 오프(off)된다.
그렇게 되지 않는 경우에는 상기 자력이 음의 혹은 브레이킹 토오크를 생성할 수도 있다. 이와 같이 생성된 토오크는 회전자운동으로 동기화되는 단일방향 전류펄스들이 다이리스터 혹은 트랜지스터와 같은 단일방향의 전류 스위칭수단을 이용한 변환기에 의해 고정자 상 권선에 인가될 수 있도록 하기 위해 전류 이동 방향과는 별도로 형성된다.
동기식 리럭턴스 모터는 고정자상 전류를 회전자 위치와의 동기로 스위칭 온(on) 또는 스위칭 오프(off)시킴으로써 동작한다.
회전자 각도에 관한 점화펄스를 적절히 위치설정 시킴으로써, 정전 혹은 역전 동작과 그리고 모터링 혹은 제네레이팅 동작이 얻어질 수 있다. 통상, 소망의 상 전류 정류는 회전자 위치신호를 엔코더 및 홀소자(Hall IC)와 같은 위치검출용 센서로부터 제어기로 피드백함으로써 달성된다.
상기와 같은 종래의 동기식 모터의 구동 시스템의 한 예로서, 도 1 내지 도 3에 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치를 도시한다.
상기 동기식 리럭턴스 모터는, 고정자(10)와 회전자(11)를 구비하고 있다.
회전자(11)는 도 2에 나타내는 바와 같이, D축과 Q축의 자기저항을 다르게 하기 위하여 홈(11a)이 형성되어 있다.
또한, 동기식 리럭턴스 모터의 고정자(10)는 통상의 유도 전동기와 같은 구조로 되어 있다.
동기식 리럭턴스 모터의 토오크 발생은 자기저항 성분에 의해 생기는 것으로, 순수하게 자기저항 토오크에 의해 회전자(11)가 고정자(10)를 중심으로 회전하게 된다.
이와 같은 동기식 리럭턴스 모터의 속도를 제어하기 위한 속도제어 장치를 도 1에 나타내었다.
상기 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치는, 회전자와 고정자로 구비되어 자기저항 토오크에 의해 회전하는 모터(100)와, 모터(100)의 회전자(11) 위치를 검출하여 회전속도를 출력하는 회전자위치 검출부(108)와, 상기 검출된 속도와 입력단자(115)로부터 입력되는 속도지령치를 비교하여 속도의 오차를 구하는 제1 비교기(102)와, 상기 구해진 속도의 오차에 따라 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs * )를 발생하는 속도제어부(103)와, 모터(100)의 고정자(10)에 공급되는 정지좌표계의 A상 및 C상의 전류(ias, ics)를 각각 검출하는 제1, 제2 전류검출소자(106, 107)와, 회전자위치 검출부(108)에서 검출된 속도로부터 정지좌표계와 회전좌표계 사이의 각도, 즉 회전자(11)의 위치(θ)을 구하는 자속각 연산부(109)와, 회전자(11)의 위치에 따라 상기 검출된 정지좌표계의 A상 및 C상의 전류를 회전좌표계로 변환하여 회전좌표계의 자속분 전류(ids)와 이 전류의 위상각 보다 90도 뒤진 회전좌표계의 토오크분 전류(iqs)를 발생하는 좌표변환부(110)와, 회전자위치 검출부(108)에서 검출된 속도에 따라 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids *)를 발생하는 자속지령 발생부(104)와, 상기 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids *)와 좌표변환부(110)에서 얻어진 회전좌표계의 자속분 전류(ids)와의 오차를 구하는 제2 비교기(111)와, 상기 구해진 회전좌표계의 자속분에 대한 오차 전류를 가지고 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids *)를 제어하는 자속제어부(112)와, 좌표변환부(110)에서 좌표 변환된 회전좌표계의 토오크분 전류(iqs)와 속도제어부(103)에서 입력되는 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs *)와의 오차를 구하는 제3 비교기(105)와, 자속제어부(112)에서 입력되는 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids *)와 제3 비교기(105)에서 입력되는 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs *)를 각각 자속분 전압지령치(Vds*)와 토오크분 전압지령치(Vqs*)로 변환하는 전류제어부(113)와, 상기 자속분 전압지령치(Vds*)와 토오크분 전압지령치(Vqs*)를 3상 전압지령치(Vas, Vbs, Vcs)로 변환하는 전압발생부(114)와, 전압 발생부(114)에서 발생된 3상 전압지령치에 따라 모터(100)의 고정자(10)에 3상 전류를 인가하기 위한 PWM 시간으로 변환하여 구동시키는 인버터부(101)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래의 동기식 리럭턴스 모터의 속도 제어를 도 2 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, 입력단자(115)로 입력되는 속도지령치 전압으로 동기식 리럭턴스 모터(100)를 운전하기 위하여 엔코더 또는 홀소자와 같은 회전자위치 검출부(108)는 도 2 및 도 3과 같이 고정자(10)와 회전자(11)로 이루어져 회전하는 동기식 리럭턴스 모터(100)의 회전 속도를 검출하여 이후에 설명될 자속지령 발생부(104) 및 가산기와 같은 제1 비교기(102)에 제공한다.
제1 비교기(102)는 회전자위치 검출부(108)에서 검출되어 입력되는 동기식 리럭턴스 모터(100)의 속도와 입력단자(115)에서 입력되는 속도지령치 전압을 가산하여 이 두 값에 대한 속도의 오차를 발생한다.
상기에서 구해진 속도의 오차는 속도제어부(103)에서 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs*)로 발생된다.
그리고, 자속지령 발생부(104)는 회전자위치 검출부(108)에서 입력되는 속도를 가지고 정토오크 영역과 정출력 영역을 구별하여 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids*)를 생성한다.
즉 주지하다시피, 동기식 리럭턴스 모터(100)의 토오크 발생은 자기저항 성분에 의해 생기는 것으로, 순수하게 자기저항 토오크에 의해 회전하게 된다.
도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 동기 리럭턴스 모터(100)의 고정자(10)는 유도전동기와 같은 구조로 되어 있음을 알 수 있다. 그리고, 회전자(11)의 경우에는 회전좌표계로 표시된 자속분, 즉 D축 및 토오크분, 즉 Q축의 리럭턴스를 다르게 하기 위하여 홈(11a)을 구비하고 있다.
따라서, 속도를 제어하기 위해서는 회전자의 위치를 알아야 하고 회전자 위치를 알기 위해서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, D축과 Q축의 위치를 도 2의 고정자(10)의 권선의 각상에서 알 수 있어야만 한다.
상기와 같은 동기식 리럭턴스 모터(100)의 토오크 방정식은 수학식 1과 같이 표현된다.
위 수식에서 알 수 있듯이 동기식 리럭턴스 모터(100)의 토오크는 Ld, Lq로 표시되는 리럭턴스의 차와 고정자(10)의 전류의 성분 중에서 자속분 전류인ids와 토오크분 전류인iqs의 곱으로 나타나게 된다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 회전자(11)의 D축(자속분)은 자속이 주로 흘러가는 축으로 잡은 것이고, Q축(토오크분)은 D축에 비해 전기적으로 90도 앞서 있는 축이다. 이는 4극의 회전자에 대한 것이므로 전기적인 90도는 기계적으로는 45도에 해당되어 도 3에 나타내는 바와 같이 D축과 Q축이 표시된다.
도 4는 동기식 릴럭턴스 모터(100)의 고정자(10)에 인가되는 전압에 대한 전류의 벡터를 나타내고 있다.
고정자 전압(Vs)에 대하여 고정자 전류(is)는 일정한 지연각을 가지고 형성된다.
이때, 고정자 전류(is)를 회전좌표계로 표시된 D축 및 Q축에 사영시키면 도 4에 나타내는 바와 같이 고정자(10) 전류의 성분 중에서 D축에 대한 자속분 전류(ids) 및 Q축에 대한 토오크분 전류(iqs)를 얻을 수 있으며, 이 고정자 전류성분이 수학식 1에서 토오크를 발생하게 한다.
수학식 1에서의 모터(100)의 토오크는 자속분 전류와 토오크분 전류의 곱으로 나타나게 되며, 이때의 전류(is)는 고정자 전압(Vs)에 대하여 일정한 지연각을 가지고 형성된다.
따라서, 모터(100)의 속도를 제어하기 위해서는 고정자 전압(Vs)을 제어하면 되고, 이 고정자 전압에 의해 전류가 형성되어 모터(100)의 토오크를 발생하게 된다.
고정자 전류성분 중에서 자속분 전류ids는 모터(100)의 자속에 관련된 부분이다. 따라서, 모터(100)를 저속 및 고속에서 모두 원활히 제어하기 위해서는, 즉 고속에서는 모터의 자속분 전류를 줄여주는 약계자 제어가 필요하다.
계속해서, 상술한 바와 같이, 속도제어부(103)와 자속지령 발생부(104)에 의해 회전좌표계의 자속분과 토오크분으로 분리 제어되는 벡터제어 인버터에서 동기식 리럭턴스 모터(100)의 속도에 따라 도 1의 속도제어부(103)에서 발생된 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs*)는 제2 비교기(105)에 제공되고, 자속지령 발생부(104)에서 생성된 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids*)는 제3 비교기(111)에 제공된다.
한편, 제1, 제2 전류검출소자(106, 107)는 동기식 리럭턴스 모터(100)의 고정자(10)의 각 상에, 예컨대 A상 및 C상에 공급되는 전류를 각각 감지하여 좌표변환부(110)에 공급한다.
그리고 자속각 연산부(109)는 회전자위치 검출부(108)에서 검출된 속도를 적분하여 정지좌표계와 회전자표계 사이의 각도, 즉 다시 말해 회전자(11)의 위치(θ)를 구하고, 이것에 수반하여 좌표변환부(110)는 회전자(11)의 위치(θ)에 따라 제1, 제2 전류검출소자(106, 107)에서 검출된 정지좌표계의 A상, C상의 전류를 좌표변환하여 도 4와 같은 고정자 D축 성분의 자속분 전류와 고정자 Q축 성분의 토오크분 전류, 즉 다시 말해 회전좌표계로 표시된 D축, Q축의 자속분 전류(ids)와 토오크분 전류(iqs)를 발생한다.
상기 고정자 Q축의 토오크분 전류(iqs)는 가산기와 같은 제2 비교기(105)에 제공되고, 고정자 D축의 자속분 전류(ids)는 제3 비교기(111)에 제공된다.
제2 비교기(105)는 좌표변환부(110)에서 입력되는 회전좌표계, 즉 Q축으로 표시되는 토오크분 전류(iqs)와 속도제어부(103)에서 입력되는 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs*)와의 오차를 구하여 전류제어부(113)에 제공한다.
그리고, 제3 비교기(111) 역시 자속지령 발생부(104)로부터 동기식 리럭턴스 모터(100)의 속도에 따른 회전자표계의 자속분 전류지령치(ids*)와 좌표변환부(110)에서 좌표변환된 회전좌표계의 자속분(D축) 전류(ids)와의 오차를 구한다. 이 오차 전류에 의해서 자속제어부(112)가 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids*)를 제어하여 전류제어부(113)에 제공한다.
전류제어부(113)는 자속제어부(112)에서 제어된 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids*)와 제2 비교기(105)에서 구해진 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs*)를 각각 자속분 전압지령치(Vds*)와 토오크분 전압지령치(Vqs*)로 변환하고 이 자속분, 토오크분 전압지령치에 수반하여 전압발생부(114)가 3상 전압지령치(Vas, Vbs, Vcs)를 생성한다.
이와 같이 생성된 3상 전압지령치에 따라 동기식 리럭턴스 모터(100)의 고정자(10)에 3상 전류를 인가하기 위해 인버터부(101)는 펄스폭 변조(PWM)되어 동기식 리럭턴스 모터(100)를 상기한 속도지령치로 운전시키게 된다.
전술한 종래 기술에 따른 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치는, 회전자 위치에 대한 정보를 알기 위하여 엔코더나 홀소자를 이용하여 속도를 검출하고 그 검출된 속도는 좌표변환을 위하여 자속각 연산부에서 회전자의 위치로 계산되며, 또한 속도지령치와 비교되어 속도제어부에서 속도를 제어하게 됨을 알 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치는, 벡터(Vector)제어를 통해 모터의 속도를 제어하여야 함으로 회전자 위치센서와 2개의 전류센서를 필요로하게 된다.
따라서, 동기식 리럭턴스 모터의 회전자 위치를 알기 위한 회전자 위치센서를 사용함으로써, 가격 상승을 가져오며, 특히 냉장고나 에어컨디셔너의 압축기의 경우에는 그 내부에 회전자 위치센서를 설치하는데 상당한 어려움이 뒤따른다.
또한, 상기 벡터제어 방식에 의해 발생되는 회로의 복잡성 및 비용 상승을 회피하는 하나의 방법으로서, 모터의 단자전압을 모니터링하여 간접적으로 회전자 위치를 감지하는 것도 생각되지만, 그것에는 파형검출법을 통해 모니터링하여야 하는 어려움이 있을 뿐 아니라 모터의 저속에서 신뢰성이 없고, 제로속도에서는 동작을 하지 않는 문제점이 있다.
따라서, 비용면에서 소형 구동장치를, 그리고 신뢰성면에서는 보다 큰 구동장치를 필요로하는 바, 이러한 모든 구동장치에 있어서의 사이즈, 회로의 복잡성 및 가격 상승을 감소시키기 위해서는 상기한 회전자 위치센서를 제거하는 것이 가장 바람직하다.
따라서, 본 발명은 전술한 종래의 기술에서, 회전자 위치센서의 적용에 의해 발생하는 설치의 난이성 및 비용 상승을 배제한 것으로, 본 발명의 한 견지로서, 모터의 각 상에 흐르는 전류 및 전압을 검출하여 모터의 속도 및 토오크를 원활하게 제어하도록 하는 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1 내지 도 4는 종래의 기술에 따른 동기식 리럭턴스 모터의 설명에 제공되는 구성을 보인도로서,
도 1은 상기 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치의 설명에 제공되는 블록도이고,
도 2는 상기 동기식 리럭턴스 모터의 단면도이고,
도 3은 도 2에서 동기식 리럭턴스 모터의 회전자를 보인 단면도이고,
도 4는 도 1의 동기식 리럭턴스 모터에 인가되는 전압에 대한 전류의 벡터를 나타내는 도이고,
도 5는 본 발명에 따른 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치의 설명에 제공되는 구성도이고,
도 6은 도 5의 동기식 리럭턴스 모터의 인덕턴스 변화를 보인 곡선도이고,
도 7은 도 5의 속도추정치 연산부를 보다 상세하게 도시한 블록도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 모터 101 : 인버터부
102 : 제1 비교기 104 : 자속지령 발생부
105 : 제2 비교기 106, 107 : 제1, 제2 전류검출소자
109 : 자속각 연산부 200 : 전압검출부
201 : 좌표변환부 202 : 속도추정치 연산부
202a : 유기전압 연산부 202b : 인덕턴스 연산부
202c : 유기전압추정 연산부 202e : 비례적분 제어부
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 방법은, 회전자 위치와의 동기로 여기되는 다수의 고정자 위상을 갖는 모터에서의 실제 모터의 속도를 속도지령치에 추종시켜 제어하는 방법에 있어서:
(1) 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류와 전압을 추출하여 회전좌표계의 자속분/토오크분 전압, 전류로 좌표변환하는 단계;
(2) 상기 회전좌표계의 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류를 가지고 실제 모터에 유기되는 전압을 구하는 단계;
(3) 상기 회전좌표계의 자속분, 토오크분 전류를 가지고 두 인덕턴스의 변화량을 구하여 회전자의 위치를 판단하는 단계;
(4) 상기 인덕턴스 변화량으로부터 모터의 유기전압 추정값을 구하는 단계;
(5) 상기 구한 모터의 실제 유기전압과 상기 유기전압 추정값을 비교하여 에러값을 구하는 단계; 및
(6) 상기 에러값을 비례적분하여 모터의 속도추정치를 구하며 상기 구한 속도추정치가 상기 속도지령치를 추정하도록 하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치에 의하면, 회전자 위치와의 동기로 여기되는 다수의 고정자 위상을 갖는 모터에서 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류와 상기 모터의 실제 속도를 검출하여 모터의 속도를 제어하는 장치에 있어서:
상기 모터의 각 상에 흐르는 고정좌표계의 전류와 전압을 각각 검출하는 전압/전류 검출수단;
상기 전압/전류검출수단에서 검출된 고정좌표계의 전압, 전류를 회전자표계의 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류로 좌표변환하여 출력하는 좌표변환수단;
상기 좌표변환수단에서 변환된 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류를 가지고 회전좌표계의 인덕턴스에 따른 상기 모터의 속도추정치를 구하여 상기 속도지령치에 추정시키는 속도추정치 연산수단; 및
상기 속도추정치 연산수단에서 얻어진 속도추정치를 적분하여 회전자의 위치를 구하며 상기 구한 회전자 위치정보를 상기 좌표변환수단 및 전압발생수단에 공급하는 자속각 연산수단을 포함한다.
상기 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치에 있어서, 상기 속도추정치 연산수단은,
(1) 상기 좌표변환수단에서 얻어진 회전좌표계의 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류를 가지고 상기 모터에 실제 유기되는 전압을 계산하는 유기전압 연산수단;
(2) 상기 좌표변환수단에서 얻어진 회전좌표계의 자속분 전류와 토오크분 전류로부터 인덕턴스의 변화량을 계산하는 인덕턴스 연산수단;
(3) 상기 계산된 인덕턴스 변화량에 따라 상기 모터의 유기전압 추정치를 계산하는 유기전압추정 연산수단;
(4) 상기 유기전압 추정치와 상기 모터의 실제 유기전압을 비교하여 에러값을 발생하는 비교수단; 및
(5) 상기 비교수단에서 구해진 에러값을 비례적분하여 속도추정값을 구하며 상기 구한 속도 추정값을 상기 인덕턴스의 변화량 및 상기 속도지령치에 추정하도록 하는 비례적분 제어수단을 포함한 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 모터의 회전자 위치 정보를 알기 위한 회전자 위치센서를 사용하지 않고도 모터의 각 상에 흐르는 고정좌표계의 전압과 전류를 검출하여 회전좌표계의 인덕턴스 변화량을 구하고 그 변화량을 이용, 회전자의 속도지령치에 대한 속도추정치를 계산하여 모터의 속도를 제어하여 주게됨을 알 수 있다.
그 결과, 벡터제어와 같은 정밀한 제어가 요구되는 제어시스템에서 저가격화로 동기식 리럭턴스 모터의 속도를 원활하게 제어할 수 있고, 또한 회전자 위치센서의 설치의 난이성이 배제되는 이점이 있다.
그리고, 본 발명의 실시 예로는 다수개가 존재할 수 있으며, 이하에서는 가장 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하고자 한다.
이 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 목적, 기타의 목적, 특징 및 이점은 예시할 목적으로 도시한 첨부 도면과 관련해서 본 발명에 의한 실시 예를 가지고 이하의 설명으로부터 보다 명백해질 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 방법 및 장치의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
또한, 본 발명의 기술은 유도식 및 동기식 모터 등과 같은 여러 가지의 모터 제어 시스템에 적용할 수 있다.
또한, 설명에 사용되는 각 도면에 있어서, 같은 구성성분에 관해서는 동일한 번호를 부여하여 표시하고 그 중복되는 설명을 생략하는 것도 있다.
또한, 이하의 설명에서는 고정자 및 회전자 양자에 대하여 다수의 자극 또는 티쓰(Teeth)를 갖고 자기저항 성분에 의해 토오크를 발생하는 동기식 리럭턴스 모터의 예를 고려한다.
도 5는 본 발명에 따른 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치의 설명에 제공되는 구성도이다.
본 실시 예에 따른 속도제어 장치는, 고정자(10)와 회전자(11)로 구비되어 인버터부(101)에서 제공되는 각 상의 전압, 전류에 의해 회전하는 모터(100)와, 모터(100)의 고정자(10)에 공급되는 정지좌표계의 A상 및 C상의 전류(ias, ics)를 각각 검출하는 제1, 제2 전류검출소자(106, 107)와, 모터(100)의 고정자(10)에 공급되는 A상 및 C상의 전압(Vas, Vcs)을 검출하는 전압검출부(200)와, 회전자(11)의 위치(θ)에 따라 상기 검출된 정지좌표계의 A상 및 C상의 전류(ias, ics)를 회전좌표계의 자속분 전류(ids)와 이 전류의 위상각 보다 90도 뒤진 회전좌표계의 토오크분 전류(iqs)로 좌표변환하여 상기 자속분 전류(ids)를 제3 비교기(111)에, 상기 토오크분 전류(iqs)를 제2 비교기(105)에 제공하는 좌표변환부(110)와, 전압검출부(200)에서 검출된 정지좌표계의 A상 및 C상의 전압(Vas, Vcs)을 회전좌표계의 자속분 전압(Vds)과 토오크분 전압(Vqs)으로 좌표변환 하는 좌표변환부(201)와, 상기 좌표변환된 회전좌표계의 자속분 전류, 전압(ids,Vds)과 토오크분 전류, 전압(iqs, Vqs)을 가지고 회전좌표계의 인덕턴스에 따른 상기 모터의 속도추정치(Wr#)를 구하여 자속지령발생부(104) 및 제1 비교기(102)에 제공하는 속도추정치 연산부(202)와, 상기 구한 속도추정치(Wr#)로부터 정지좌표계와 회전좌표계 사이의 각도, 즉 회전자(11) 위치를 구하여 좌표변환부(110) 및 전압발생부(114)에 제공하는 자속각 연산부(109)로 구성된다.
그리고, 속도추정치 연산부(202)는 도 7에 나타내는 바와 같이, 두 좌표변환부(110, 201)에서 좌표변환되어 입력되는 회전좌표계의 자속분 전류, 전압(ids,Vds)과 토오크분 전류, 전압(iqs, Vqs)을 가지고 실제 모터(100)에 유기되는 전압을 계산하는 유기전압 연산부(202a)와, 좌표변환부(110)에서 좌표변환되어 입력되는 회전좌표계의 자속분 전류(ids)와 토오크분 전류(iqs)를 가지고 회전좌표계의 인덕턴스 변화량을 계산하는 인덕턴스 연산부(202b)와, 상기 인덕턴스 변화량을 가지고 모터(100)의 유기전압 추정치를 계산하는 유기전압추정 연산부(202c)와, 상기 유기전압 추정치와 실제 모터(100)의 유기전압을 비교하여 에러값을 발생하는 제4 비교기(202d)와, 상기 구해진 에러값을 비례적분하여 속도추정치(Wr#)를 구하고 상기 구한 속도추정치를 인덕턴스 연산부(202b)에 제공하는 비례적분 제어부(202e)로 구성된다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 동기식 리럭턴스 모터의 속도 제어장치를 도 5 및 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 입력단자(115)로 입력되는 속도지령치(Wr*)로 동기 리럭턴스 모터(100)를 운전하기 위하여 전류트랜스와 같은 제1, 제2 전류검출소자(106, 107)가 고정자(10)와 회전자(11)로 이루어져 인버터부(101)의 제어에 의해 회전하는 모터(100)의 각 상의 전류를, 즉 고정자(10)에 흐르는 3상 중에서 A상 및 C상의 전류(ias, ics)를 검출하여 좌표변환부(110)에 제공한다.
그리고, 전압검출부(200)는 동기 리럭턴스 모터(100)의 고정자(10)에 공급되는 정지좌표계의 A상 및 C상의 전압(Vas, Vcs)을 검출하여 좌표변환부(201)에 제공한다.
좌표변환부(110)는 이후에 설명될 자속각 연산부(109)로부터 구해져 입력되는 회전자(11)의 위치(θ)에 따라 제1, 제2 전류검출소자(106, 107)에서 검출된 정지좌표계의 A상 및 C상의 전류(ias, ics)를 좌표변환하여 도 4와 같은 고정자 D축 성분의 자속분 전류와 고정자 Q축 성분의 토오크분 전류, 즉 회전좌표계로 표시되는 D축, Q축의 자속분 전류(ids)와 토오크분 전류(iqs)를 발생하여 속도추정치 연산부(202)에 제공한다.
또한 다른 좌표변환부(201)는 전압검출부(200)에서 입력되는 정지좌표계의 A상 및 C상의 전압(Vas, Vcs)을 회전좌표계의 자속분 전압(Vds)과 토오크분 전압(Vqs)으로 좌표변환 하여 속도추정치 연산부(202)에 제공한다.
속도추정치 연산부(202)는 상기 좌표변환되어 입력되는 회전좌표계의 자속분 전류, 전압(ids,Vds)과 토오크분 전류, 전압(iqs,Vqs)을 가지고 속도지령치(Wr*)에 대한 속도추정치(Wr#)를 구한다.
즉 상기의 속도추정치 연산부(202)는 도 7에 나타내는 바와 같이, 유기전압 연산부(202a), 인덕턴스 연산부(202b), 유기전압추정 연산부(202c), 제4 비교기(202d) 및 비례적분 제어부(202e)를 포함한다.
따라서, 속도추정치 연산부(202)의 유기전압 연산부(202a)는 2상 등가의 D축, Q축으로 좌표변환된, 즉 회전좌표계의 자속분(D축) 전류, 전압(ids,Vds)과 토오크분(Q축) 전류, 전압(iqs, Vqs)을 가지고 실제 모터(100)의 유기 전압(em)을 계산하여 제4 비교기(202d)에 제공한다.
그리고, 인덕턴스 연산부(202b)는 좌표변환부(110)에서 회전좌표계의 자속분(D축) 전류(ids)와 토오크분(Q축) 전류(iqs)만을 가지고 D축과 Q축의 인덕턴스(Ld, Lq) 변화량을 구하여 유기전압추정 연산부(202c)에 제공한다.
상기 동기식 리럭턴스 모터의 인덕턴스는 도 6에 나타내는 바와 같이, 모터(100)의 회전자(11)가 회전할 때, 변화를 갖게 되며, 회전각도에 따라 인덕턴스(Ld, Lq)의 변화가 있으므로 D축과 Q축의 인덕턴스 변화를 모터(100)의 고정자(10)에 입력되는 전압(Vas, Vqs)과 전류(ids, iqs)를 검출하여 계산하였을 경우에 회전자의 위치를 알 수 있으며, 계산된 인덕턴스의 량을 이용하면 모터(100)의 회전자 속도제어를 할 수 있다.
전술한 도 4의 회전자 위치와 전압, 전류의 관계를 표시한 벡터에서, 동기 리럭턴스 모터의 전압 방정식은 수학식 2 및 3과 같이 표현된다.
여기에서, Vds, Vqs는 D축, Q축의 고정자 전압이고, rs는 고정자 저항, ids, iqs는 D축, Q축의 고정자 전류, λds, λqs는 D축, Q축의 자속, ωr는 모터의 회전자 속도이다.
여기서, λds = Ldis, λqs = Lqis이므로 전압, 전류를 검출하여 D축(자속분), Q축(토오크분)의 인덕턴스인 Ld, Lq를 계산할 수 있다.
이 계산된 량의 변화는 도 3의 모터(100)의 회전자(11)의 위치에 해당하며 그 변화량은 도 6과 같다.
계속해서, 이와 같이 인덕턴스 연산부(202b)에서 계산된 전술한 인덕턴스(Ld, Lq)의 변화량은 유기전압추정 연산부(202c)에서 모터(100)의 유기전압 추정치(em#)로 계산되어 출력된다.
제4 비교기(202d)는 유기전압 연산부(202a)에서 계산된 실제 모터(100)의 유기전압(em)과 유기전압추정 연산부(202c)에서 계산된 모터(100)의 유기전압 추정치(em#)와의 차값, 즉 에러값을 구하여 비례적분제어부(202e)에 제공한다.
비례적분제어부(202e)는 제4 비교기(202d)에서 계산되어 입력되는 상기 에러값을 비례적분하여 모터(100)의 속도지령치(Wr*)를 추정하기 위한 속도추정치(Wr#)를 구하게 된다.
이렇게 구해진 속도추정치(Wr#)는 인덕턴스 연산부(202b)에 입력되어 인덕턴스 변화량을 지속적으로 추정하도록 하며, 또한 자속각 연산부(109), 자속지령발생부(104), 제1 비교기(102)에 제공된다.
자속각 연산부(109)는 속도추정치 연산부(202)에서 계산된 속도추정치(Wr#)를 적분하여 정지좌표계와 회전좌표계 사이의 각도, 즉 전술한 회전자(11)의 위치(θ)를 구하고, 이것에 수반하여 좌표변환부(110)는 회전자(11)의 위치에 따라 제1, 제2 전류검출소자(106, 107)에서 검출된 정지좌표계의 A상 및 C상의 전류를 회전좌표계로 표시되는 D축, Q축의 자속분 전류(ids)와 토오크분 전류(iqs)로 좌표변환하게 되는 것이다.
제1 비교기(102)는 속도추정치 연산부(202)에서 계산된 속도추정치(Wr#)와 입력단자(115)에서 입력되는 속도지령치(Wr*)를 비교하여 이 두 값에 대한 속도의 오차를 발생한다.
상기에서 구해진 속도의 오차는 속도제어부(103)에서 회전좌표계의 토오크분 전류지령치(iqs*)로 발생되고 제2 비교기(105)에서 토오크분 전류(iqs)와 비교되어 전류제어부(113)에 제공된다.
그리고, 자속지령 발생부(104)는 입력된 속도추정치(Wr#)를 가지고 정토오크 영역과 정출력 영역을 구별하여 회전좌표계의 자속분 전류지령치(ids*)를 생성하며 이 전류지령치(ids*)는 제3 비교기(111)에서 회전좌표계의 자속분 전류(ids)와 비교되어 자속제어부(112)를 통해 전류제어부(113)에 제공된다.
따라서, 전류제어부(113)는 회전좌표계의 자속분(D축) 전류지령치(ids*)와 토오크분(Q축) 전류지령치(iqs*)를 각각 자속분 전압지령치(Vds*)와 토오크분 전압지령치(Vqs*)로 변환하며 이 자속분, 토오크분 전압지령치에 의해 전압발생부(114)가 3상 전압지령치(Vas, Vbs, Vcs)를 생성하여 인버터부(101)를 통해 동기식 리럭턴스 모터(100)를 상기한 속도지령치(Wr*)로 운전시키게 된다.
이와 같이, 자속분(D축), 토오크분(Q축)의 인덕턴스 변화를 이용하여 회전자의 속도지령치에 대한 속도추정치를 얻을 수 있고, 이 속도추정치와 속도지령치를 비교하여 모터의 속도를 원활하게 제어할 수가 있다.
한편, 비교 예로서, 종래의 기술, 즉 다시 말해서 동기식 리럭턴스 모터의 회전자 위치에 대한 정보를 알기 위해 엔코더나 홀소자와 같은 회전자 위치센서를 이용하여 속도를 검출하고 그 검출된 속도를 가지고 회전자의 위치를 계산하는 것과는 달리, 본 발명은 회전자 위치센서 없이, 고정자의 각 상에 흐르는 고정좌표계의 전압과 전류를 검출하여 회전좌표계의 인덕턴스 변화량을 구하고 그 변화량을 이용하여 회전자의 속도지령치에 대한 속도추정치를 계산하여 모터의 속도를 제어하게 됨을 알 수 있다.
이 결과에서, 본 발명에 의하면 벡터제어와 같은 정밀한 제어가 요구되는 제어시스템에서 저가격화로 모터의 속도와 토오크를 제어할 수 있으며, 또한 압축기와 같은 회전자 위치 검출을 필요로 하는 곳에서 위치센서 없이도 모터의 속도를 제어할 수 있는 이점이 있다.
이상에서와 같이, 본 실시 예에서는 모터의 고정자 각 상에 흐르는 전압과 전류 만을 가지고 회전좌표계의 인덕턴스 변화량을 계산하며 이 계산된 변화량을 이용하여 모터의 속도와 토오크를 제어함으로써, 기존의 회전자 위치센서 사용에 따른 가격 상승 요인이 발생되지 않고 또한, 위치센서의 설치의 난이성을 배제시킬 수 있다.
이 적용례에 의하면, 모터의 각 상에 흐르는 전류 및 전압만을 검출하여 모터의 속도를 제어함으로써, 냉장고나 에어컨디셔너에 사용되는 압축기와 같은 구조에서도 속도 및 토오크를 원활히 제어하는 것이 가능하다.
그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.
이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 안에 속한다 해야 할 것이다.
상술한 설명으로부터 분명한 것은, 본 발명에 따른 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치에 따르면, 회전자 위치센서를 사용하지 않고 모터의 각 상에 흐르는 전류와 전압을 검출하여 모터의 속도 및 토오크를 제어함으로써, 제품가격이 다운되고, 또한, 냉장고, 에어컨디셔너의 압축기와 같은 회전자 위치검출을 하기 힘든 곳에서도 모터의 속도제어가 원활히 수행되는 효과가 있다.
Claims (3)
- 회전자 위치와의 동기로 여기되는 다수의 고정자 위상을 갖는 모터에서의 실제 모터의 속도를 속도지령치에 추종시켜 제어하는 방법에 있어서:(1) 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류, 전압을 추출하여 회전좌표계의 자속분/토오크분 전압, 전류로 좌표변환하는 단계;(2) 상기 회전좌표계의 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류를 가지고 실제 모터에 유기되는 전압을 구하는 단계;(3) 상기 회전좌표계의 자속분, 토오크분 전류를 가지고 두 인덕턴스의 변화량을 구하여 회전자의 위치를 판단하는 단계;(4) 상기 인덕턴스 변화량으로부터 모터의 유기전압 추정값을 구하는 단계;(5) 상기 구한 모터의 실제 유기전압과 상기 유기전압 추정값을 비교하여 에러값을 구하는 단계; 및(6) 상기 에러값을 비례적분하여 모터의 속도추정치를 구하며 상기 구한 속도추정치가 상기 속도지령치를 추정하도록 하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 방법.
- 회전자 위치와의 동기로 여기되는 다수의 고정자 위상을 갖는 모터에서 상기 모터의 각 상에 흐르는 전류와 상기 모터의 실제 속도를 검출하여 모터의 속도를 제어하는 장치에 있어서:상기 모터의 각 상에 흐르는 고정좌표계의 전류와 전압을 각각 검출하는 전압/전류 검출수단;상기 전압/전류검출수단에서 검출된 고정좌표계의 전압, 전류를 회전자표계의 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류로 좌표변환 하는 좌표변환수단;상기 좌표변환수단에서 변환된 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류를 가지고 회전좌표계의 인덕턴스에 따른 상기 모터의 속도추정치를 구하여 상기 속도지령치에 추정시키는 속도추정치 연산수단; 및상기 속도추정치 연산수단에서 얻어진 속도추정치를 적분하여 회전자의 위치를 구하며 상기 구한 회전자 위치정보를 상기 좌표변환수단 및 전압발생수단에 공급하는 자속각 연산수단을 포함한 것을 특징으로 한 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 속도추정치 연산수단은,(1) 상기 좌표변환수단에서 얻어진 회전좌표계의 자속분 전압, 전류와 토오크분 전압, 전류를 가지고 상기 모터에 실제 유기되는 전압을 계산하는 유기전압 연산수단;(2) 상기 좌표변환수단에서 얻어진 회전좌표계의 자속분 전류와 토오크분 전류로부터 인덕턴스의 변화량을 계산하는 인덕턴스 연산수단;(3) 상기 계산된 인덕턴스 변화량에 따라 상기 모터의 유기전압 추정치를 계산하는 유기전압추정 연산수단;(4) 상기 유기전압 추정치와 상기 모터의 실제 유기전압을 비교하여 에러값을 발생하는 비교수단; 및(5) 상기 비교수단에서 구해진 에러값을 비례적분하여 속도추정값을 구하며 상기 구한 속도 추정값을 상기 인덕턴스의 변화량 및 상기 속도지령치에 추정하도록 하는 비례적분 제어수단을 포함한 것을 특징으로 한 동기식 리럭턴스 모터의 속도제어 장치.
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