KR100321438B1 - 3상유도전동기의인버터구동신호발생기 - Google Patents

Abstract

이 발명은 3상 유도 전동기의 인버터 구동신호 발생기에 관한 것으로, 클럭 분주기는 시스템 클럭신호에 따라 클럭을 분주하여 출력한다. 제1 카운터는 마이크로 컨트롤러로부터 오프 타임 데이터 래치시간을 래치받아, 상기 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 카운팅을 하고, 래치된 시간이 되면 신호를 출력한다. 제2 카운터는 제1 카운터의 출력신호에 따라 마이크로 컨트롤러로부터 온 타임 데이터 래치시간을 래치받아, 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 카운팅을 하고, 래치된 시간이 되면 신호를 출력한다. 게이트 제어 로직부는 제1 카운터 및 제2 카운터의 출력신호를 수신하여 인버터의 트랜지스터를 구동하는 제1, 제2구동신호로 출력한다. 데드 타임 제너레이터는 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 제2구동신호가 일정 시간을 지연하도록 지연신호를 출력한다. 이렇게 함으로써, 마이크로 컨트롤러의 부담을 줄이고, 정밀한 전류 제어를 가능하게 된다.

Description

3상 유도 전동기의 인버터 구동신호 발생기

이 발명은 3상유도 전동기에 관한 것으로, 특히, 3상 유도 전동기의 인버터 구동신호 발생기에 관한 것이다.

일반적으로 3상 유도 전동기에 있어서, 인버터 구동을 위한 게이팅 신호의 발생은 인버터(inverter) 상간 전력 변환 장치에서 중요한 역할을 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 종래의 기술에 관하여 설명하기로 한다.

도1은 일반적인 3상유도 전동기의 블록 구성도이다.

도1에서와 같이, 3상유도 전동기는 마이크로 컨트롤러(1), 인버터(3), 인버터 구동부(2), 모터(4) 등을 포함한다.

마이크로 컨트롤러(1)의 제어에 따라 인버터 구동부가 동작을 하여 인버터 (3)의 각 트랜지스터(TR1∼TR6)를 온/오프시켜가면서 모터(4)를 제어하게 되는 것이다.

이러한 게이트 구동신호(U+, U-, V+, V-, W+, W-)를 발생하는 과정을 도2 또는 도3을 참조로 설명하면 다음과 같다.

도2는 종래의 인버터의 게이팅 구동 신호를 발생하는 개념도이고,

도3은 일반적인 게이트 구동 신호의 한주기를 나타낸 파형도이다.

도2에서와 같이, 종래에는 타이머 인터럽트를 이용하여 일정주기 안의 펄스 폭 변조 신호의 듀티를 조정한다.

우선, 한 주기 안에 듀티 설정에 필요한 온 타임(Ton), 오프 타임(Toff)을 설정한다. 도3에서, 한 주기를 반으로 나누어 생각할 경우, 오프에서 온으로 되기까지의 시간은 Ton이고, 온에서 오프로 되기까지의 시간은 Toff이다.

마이크로 컨트롤러(1)에 의해 설정된 온/오프 타임(Ton, Toff)은 각각 온 타임 레지스터(22) 및 오프 타임 레지스터(23)에 내장되어 있다.

타이머(21)는 도3의 온타임 데이터 래치 시간에 인터럽트를 발생하여 온 타임 레지스터(22)의 값을 읽어 온다. 이 경우 예컨대, 읽은 값이 100이라면, 카운터 (24)는 100이라는 시간동안 카운팅을 한후, 비교기(25)를 통하여 카운팅값이 100에 도달하였을 경우 오프에서 온으로 파형이 전이된다.

다음, 타이머(21)는 Ts의 절반의 시간이 흐른 후 즉, 오프 타임 데이터 래치 시간이 되면, 오프 타임 레지스터(23)의 값을 읽어온다. 읽은 값이 50일 경우, 카운터는 50이라는 시간을 카운팅하고, 비교기(26)를 통하여 카운팅값이 50에 도달하였을 경우, 온에서 오프로 파형이 전이된다.

한편, 여기서 100 또는 50이라는 시간의 기준이 되는 시간은 타이머(21)에서 발생되는 기본 클럭시간을 기본으로 하는 시간이다. 즉, 마이크로컨트롤러 칩을 TMS320C32/40MHz를 사용할 때, 마이크로 컨트롤러가 2μsec을 기본 시간으로 하는 경우, 100이라는 데이터는 200μsec, 50이라는 시간은 100μsec라는 시간으로 설정이 된다.

또한, 온 또는 오프시 인버터(3)의 트랜지스터(TR1∼TR6)가 동시에 온되어 스위칭부가 손상되는 것을 막기 위하여 데드 타임(dead time)을 설정하며, 이 시간동안 게이트 구동신호(U+, U-)중 하나를 지연시킨다. 보통 이 시간은 2∼3μsec가 된다.

이 데드 타임도 데드타임 레지스터(29)에 저장되어 있으며, 온 타임 데이터 래치시간 또는 오프 타임 데이터 래치시간에 읽어온 후 카운팅을 하여 원하는 시간이 되었을 경우 비교기(30)를 통해 신호가 발생된다.

이렇게 발생되는 데드타임 값은 게이트 제어 로직(28)에서 온 타임 레지스터 (22)의 값과 오프 타임 레지스터(23)의 값과의 조합을 통해 스위칭부의 상단 및 하단의 게이트 구동신호(U+, U-, V+, V-, W+, W-)로 출력된다.

그러나, 종래의 인버터의 트랜지스터의 게이트를 구동하는 방법에는 다음과 같은 단점이 있다.

첫째, 도3에서와 같이, 온 타임 데이터 래치시간 및 오프 타임 데이터 래치시간에 각각 온에서 오프로, 오프에서 온으로의 전이에 필요한 데이터를 읽어와야 한다. 즉, 2번 읽어와야 한다. 따라서, 3상이므로 총6번을 읽어와야 한다. 이는 많은 연산을 해야 하는 마이크로 컨트롤러의 부하로서 작용한다.

예를 들어, 3상중 한상에서, 펄스 폭 변조 주파수를 20kHz로 설정할 경우에 한 주기는 50μsec가 되며, 이 시간의 반은 25μsec가 된다. 따라서, 마이크로 컨트롤러는 25μsec마다 데이터를 읽어와야 하며, 이 시간동안 다른일을 할 수가 없다.

둘째, 온 타임 데이터 래치시간 및 오프 타임 데이터 래치시간에서 데이터 를 읽어온 후, 마이크로 컨트롤러는 매번 카운터를 통하여 카운팅을 하여 원하는 시간이 될 경우, 게이트 컨트롤 로직으로 전이신호를 보내주어야 한다. 따라서, 마이크로 컨트롤러는 인터럽트 발생후, 계속해서 카운터를 통하여 카운팅을 하여야 한다. 이로 인해 마이크로 컨트롤러는 그 시간을 체크하는 동안 연산 및 모든 동작을 할 수가 없다.

셋째, 타이머의 기본이 되는 시간이 2μsec일 경우(마이크로컨트롤러 칩을 TMS320C32/40MHz를 사용할 경우), 펄스 폭 변조파의 한 주기가 50μsec동안 25등분이 가능하며, 이로 인해 Ton, Toff의 설정에 필요한 데이터 값은 25/2=약12, 즉 12개로 해상도가 결정된다. 이로 인해 해상도가 떨어져 모터의 정밀한 전류제어가 불가능하다.

넷째, 해상도 저하로 인하여 외란에 대한 응답성이 떨어진다. 다시 말해, 12개로 결정되는 펄스 폭 변조 듀티 폭은 모터에서 피드백되는 전류치를 전압값으로 환산할 경우, 보상폭이 커지므로 외란에 적용되었을 경우에 적응력이 떨어진다. 즉, 전류값의 차이가 날 경우에, 보상이 가능한 펄스 폭 변조 듀티의 값이 12개로 한정이 되므로 정밀한 제어가 불가능하다.

그러므로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 온 타임 데이터 래치시간 및 오프 타임 데이터 래치시간을 읽어오는 횟수를 줄이고, 카운터를 체크하는 시간을 없애 마이크로 컨트롤러의 부담을 줄이며, 정밀한 전류 제어를 가능하게 하는 것이다.

도1은 일반적인 3상유도 전동 시스템의 블록 구성도.

도2는 종래의 인버터의 게이팅 구동 신호를 발생하는 개념도.

도3은 일반적인 게이트 구동 신호의 한주기를 나타낸 파형도.

도4는 이 발명의 실시예에 따른 3상 유도 전동 시스템의 인버터 구동신호 발생기의 구성도.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 별도의 시스템 클럭신호를 수신하고, 마이크로 컨트롤러에 의해 제어되는 3상 유도 전동기의 인버터를 구동하는 인버터 구동신호 발생기에 있어서, 클럭 분주기는 시스템 클럭신호에 따라 클럭을 분주하여 출력한다. 제1 카운터는 마이크로 컨트롤러로부터 오프 타임 데이터 래치시간을 래치받아, 상기 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 카운팅을 하고, 래치된 시간이 되면 신호를 출력한다. 제2 카운터는 제1 카운터의 출력신호에 따라 마이크로 컨트롤러로부터 온 타임 데이터 래치시간을 래치받아, 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 카운팅을 하고, 래치된 시간이 되면 신호를 출력한다. 게이트 제어 로직부는 제1 카운터 및 제2 카운터의 출력신호를 수신하여 인버터의 트랜지스터를 구동하는 제1, 제2구동신호로 출력한다. 데드 타임 제너레이터는 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 제2구동신호가 일정 시간을 지연하도록 지연신호를출력한다. 모터 각상을 제어하는 인버터부에 직렬로 연결되는 클럭 분주기, 제1 카운터, 제2 카운터, 게이트 제어 로직부, 데드 타임 생성기는 모터 각상에 대해 개별적으로 존재한다. 이렇게 함으로써, 마이크로 컨트롤러의 부담을 줄이고, 정밀한 전류 제어를 가능하게 된다.

그러면, 이 분야의 통상의 지식을 지닌자가 이 발명을 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하기로 한다.

도4는 이 발명의 실시예에 따른 3상 유도 전동기의 인버터 구동신호 발생기의 구성도이다.

도4에서와 같이, 본 발명은 U상 게이트 생성기(40, U PHASE GATE GENERATOR), V상 게이트 생성기(41. V PHASE GATE GENERATOR), W상 게이트 생성기 (42, W PHASE GATE GENERATOR)로 이루어진다.

각 상 게이트 발생기(40, 41, 42)는 클럭 분주기(43), 오프 타임 업 카운터 (44), 온 타임 업 카운터(45), 데드 타임 생성기(46), 게이트 제어 로직부(47)를 포함한다.

그러면, 이러한 구조의 3상 유도 전동기의 인버터 구동신호 발생기의 동작에 관하여 도3 또는 도4를 참조로 하여 설명하기로 한다. 여기서는 U상 게이트 생성기 위주로 설명하며, 나머지 V상 게이트 생성기 및 W상 게이트 생성기도 같은 원리로 동작을 한다.

먼저, 3상유도 전동기의 시스템 클럭신호(CLK)가 클럭 분주기(43)로 입력된다.

그러면, 클럭 분주기(43)는 시스템 클럭신호(CLK)를 분주하여 출력한다. 이때, TMS320C322/40MHz를 사용할 경우, 시스템 클럭은 40nsec이며, 이를 분주한 클럭신호(CLK)는 240nsec가 된다.

이 클럭신호(CLK)는 오프 타임 업 카운터(44) 및 온 타임 업 카운터(45)로 입력되어, 오프 타임, 온 타임 시간값 데이터의 기준시간으로 사용되며, 데드 타임 생성기(46)로 입력되어, 데드 타임을 생성하는 기본 클럭신호로 사용된다. 따라서, 도3의 Ts의 절반인 25μsec동안 104개의 해상도를 가질 수 있다.

한편, 오프 타임 설정에 필요한 시간 데이터가 마이크로 컨트롤러로부터 오프 타임 업 카운터(44)로 로드된다. 이때, 마이크로 컨트롤러내에 설정된 시간 데이터의 로드시에 24비트의 데이터 라인을 각각 8비트씩 선정하여 3상 데이터를 동시에 로드한다.

다음, 오프 타임 업 카운터(44)는 로드된 시간 데이터에 해당하는 시간동안 분주된 클럭 신호에 따라 카운팅을 하고, 해당 시간이 되면, 이를 알리는 신호를 출력한다.

그러면, 오프 타임 업 카운터의 출력 신호는 게이트 제어 로직부(47) 및 온 타임 업 카운터(45)로 입력된다. 이때, 출력 신호는 온 타임 업 카운터(45)의 카운팅 스타트 신호(CNT START)로서 동작한다.

온 타임 업 카운터(45)는 온 타임 설정에 필요한 시간 데이터를 마이크로 컨트롤러로부터 래치받아, 입력된 시간 데이터에 해당하는 시간동안 분주된 클럭신호에 따라 카운팅을 하고, 해당 시간이 되면, 이를 알리는 알씨오 신호를 게이트 제어 로직부(47)로 출력한다.

그러면, 게이트 제어 로직부(47)는 오프 타임 업 카운터(44)와 온 타임 업 카운터(45)의 출력신호를 인버터의 게이트를 구동하기 위한 신호(U+, U-)로 출력한다.

한편, 데드 타임 생성기(46)는 분주된 클럭신호에 따라 하측의 신호(U-)를 지연하기 위한 신호를 생성한다. 이는 상간의 단락을 방지하기 위함이다.

이렇게 발생되는 U상 게이트 생성기(40), V상 게이트 생성기(41), W상 게이트 생성기(42)의 게이트 구동신호(U+, U-, V+, V-, W+, W-)는 인버터의 트랜지스터들의 온/오프를 제어하게 된다.

본 발명에서는 3상 구동을 위한 데이터를 24비트를 8비트씩 나누어 사용함으로써 한 주기에 2번만 일어오면 된다. 따라서, 종래의 6번에 비해 마이크로 컨트롤러의 부담을 줄이게 된다.

또한, 본 발명은 타이머 인터럽트를 사용하지 않아 마이크로 컨트롤러의 부담을 줄이며, 마이크로 컨트롤러의 이러한 역할을 카운터 및 클럭 발생기 등을 프로그래머블 로직 디바이스(programable logic device)에 구현한다. 이로 인해 회로의 단순화가 가능해진다.

특히, 본 발명에서는 듀티 설정시간의 해상도가 약 104개로서 종래에 비해 듀티 설정의 폭을 상당히 넓혔다. 이로 인해 정밀한 전류 제어를 하여 외란에 강한 응답성을 가질 수 있다. 즉, 모터에서 피드백되는 전류치와의 차이를 미세하게 제어할 수가 있게 된다.

본 발명의 이러한 효과는 3상 유도 전동기의 제조, 판매분야 등에 널리 이용될 수 있다.

Claims (2)

1. 별도의 시스템 클럭신호를 수신하고, 마이크로 컨트롤러에 의해 제어되는 3상 유도 전동기의 인버터를 구동하는 인버터 구동신호 발생기에 있어서,

   상기 시스템 클럭신호에 따라 클럭을 분주하여 출력하는 클럭 분주기;

   상기 마이크로 컨트롤러로부터 오프 타임 데이터 래치시간을 래치받아, 상기 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 카운팅을 하고, 래치된 시간이 되면 신호를 출력하는 제1 카운터;

   상기 제1 카운터의 출력신호에 따라 상기 마이크로 컨트롤러로부터 온 타임 데이터 래치시간을 래치받아, 상기 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 카운팅을 하고, 래치된 시간이 되면 신호를 출력하는 제2 카운터;

   상기 제1 카운터 및 제2 카운터의 출력신호를 수신하여 인버터를 구동하는 제1, 제2구동신호로 출력하는 게이트 제어 로직부;

   상기 클럭 분주기의 분주된 클럭에 따라 상기 제1, 제2구동신호가 상기 인버터에 동시에 전달되지 않도록 하는 데드 타임 생성기를 포함하며,

   모터 각상을 제어하는 상기 인버터부에 직렬로 연결되는 상기 클럭 분주기, 제1 카운터, 제2 카운터, 게이트 제어 로직부, 데드 타임 생성기는 모터 각상에 대해 개별적으로 존재하는 3상 유도 전동기의 인버터 구동신호 발생기.
2. 제1항에서,

   상기 데드 타임 생성기는 상기 제1 구동신호 또는 제2구동신호를 일정 시간을 지연하도록 하는 것을 특징으로 하는 3상 유도 전동기의 인버터 구동신호 발생기.