KR100344816B1 - 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법에 관한 것으로, 종래에는 상,하단 직류 링크단의 전압차에 의해 평형된 3상 전압을 인가하지 못하여 발생 토오크의 리플을 야기시키고 이로인해 원활한 속도 제어가 이루어지지 않는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 3상 모터의 구동을 위한 전압지령에 따른 A,B상 레그 윗단스위치의 스위칭 온 시간(Ta,Tb)을 각각 계산하는 제1단계와, 상기에서 계산된 두 스위칭 온 시간(Ta,Tb)의 크기를 비교하는 제2단계와, 상기에서 Ta≥Tb인 경우와 Tb≥Ta경우에 의해 A,B상 레그 스위칭상태(S1,S2)중 아랫단 스위치의 온시간(t1)과 윗단스위치의 온시간(t3)을 결정하는 제3단계와, 상기에서 결정된 온시간(t1,t3)과 인버터로 전압을 공급하는 상,하단 직류 링크단의 전압차를 이용하여 Ta,Tb의 보정량(ΔTa,ΔTb)을 연산하는 제4단계와, 상기 제1단계에서 계산된 스위칭 온 시간에 상기 보정량이 포함된 새로운 스위칭 온 시간(Ta',Tb')을 생성하여 인버터로 공급하는 제5단계로 동작하여, 상,하단 직류 링크 캐패시터간의 전압차에 따라 스위칭 시간을 조정하여 발생 토오크의 리플을 저감시켜 원활한 속도 제어가 이루어지도록 한 것이다.

Description

4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법{SPEED CONTROL METHOD FOR 3 PHASE MACHINES USING 4 SWITCHING ELEMENTS}

본 발명은 4개의 스위칭 소자를 사용하여 3상 모터의 속도를 제어하기 위한 것으로, 특히 모터 제어기에서 발생하는 토오크 리플을 저감시키고 이로 인한 속도 리플을 저감시키기 위한 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법에 관한 것이다.

도 1은 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 교류전원을 정류한 직류전압을 입력받아 저장하는 상,하단 직류 링크 캐패시터(3,4)와, 상기 캐패시터(3,4)로부터 직류전압 공급시 스위칭 제어신호에 의해 온(on) 또는 오프(off)되어 모터를 회전시키기 위한 3상 전압을 공급하는 B4 인버터(2)와, 상기 상,하단 직류 링크 캐패시터(3,4)의 중성점과 상기 B4 인버터(2)의 스위치 레그(leg)에 연결되어 구동되는 3상 모터(1)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래기술에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 인버터는 6개의 스위칭 소자를 이용하여 3상 모터를 제어하였으나 인버터 방식의 낮은 가격화를 위하여 4개의 스위칭 소자를 사용하여 3상 모터를 제어하는 방식이 대두되었다.

그러면 상기에서와 같이 4개의 스위칭 소자를 사용하여 3상 모터를 제어하는 방식에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

도 1에서, 교류전원이 입력되면 미도시된 정류수단에서 정류하여 만들어진 직류전압을 병렬 연결된 상,하단 직류 링크 캐패시터(3)(4)에 공급한다.

그러면 상기 상단 직류 링크 캐패시터(3)와 하단 직류 링크 캐패시터(4)는 교대로 충전과 방전을 실시하는데 그 충, 방전은 B4 인버터(2)를 구성하는 스위칭 소자의 턴온상태에 따라 달라진다.

즉, 인버터(2)를 구성하는 스위칭 소자중 윗단의 스위칭 소자만 모두 켜지는 경우 상단 직류 링크 캐패시터(3)에 충전되어 있던 전압은 3상 모터(1)에 공급되고, 하단 직류 링크 캐패시터(4)는 모터에 전압을 공급하지 않는다. 그리고 아랫단의 스위칭 소자만 모두 켜지는 경우 하단 직류 링크 캐패시터(4)에 충전되어 있던 전압은 3상 모터(1)에 공급되고, 상기 상단 직류 링크 캐패시터(3)는 모터에 전압을 공급하지 않는다.

또한 도 3에서, 상하단 스위치가 교대로 온되는 (0,1)(1,0)의 경우에는 상,하단 캐패시터(3,4)를 통하여 3상 모터에 전압을 공급한다.

상기 3상 모터(1)를 회전시키기 위해서는, 도 2에서와 같이, 서로 120도의 위상차를 갖는 3상의 전압(Va,Vb,Vc)을 필요로 하게 된다.

B4 인버터(2)에 있어서 상기에서와 같이 3상 전압과 같은 전압을 만들기 위하여, 3상 모터(1)로 인가되는 3상의 전압벡터중 한 전압은 상단 직류 링크 캐패시터(3)와 하단 직류 링크 캐패시터(4)의 중성점에 연결하고, 나머지 두 전압은 윗단 스위칭 소자와 아랫단 스위칭 소자간의 레그(leg)에 연결한다.

그리고 3상 평형전압과 동일한 효과를 내기 위한 전압을 만들기 위하여 상기 상단 직류 링크 캐패시터(3)와 하단 직류 링크 캐패시터(4)간의 중성점에 도 2에서와 같이 역상을 인가한다. 그럼으로써 도 2의 Vu, Vw와 같이 만들어진 2개의 벡터를 얻는다.

이렇게 만들어진 Vu, Vw의 전압은 3상 평형전압과 영상분의 전압을 갖는 형태가 된다.

상기 B4 인버터(2)의 2개의 전압 벡터 Vu, Vw는 도 2에서와 같이 서로 60도의 위상차를 갖고, 3상 모터의 C상이 중성점에 연결된 경우 Vu의 전압은 a상의 상전압인 Va에 비해 30도 뒤짐을 알 수 있다.

따라서 펄스폭변조(PWM)에 의해 B4 인버터(2)를 제어하는 경우, 상기 B4 인버터(2)의 스위칭 로직은 아래의 수학식 1과 같이 인가하면 3상 모터(1)의 제어가 가능하다.

여기서,는 회전자의 위치, ma는 변조율, Tsamp은 스위칭 샘플링시간

상기에서 수학식1은 모터의 C상이 상단 직류 링크 캐패시터와 하단 직류 링크 캐패시터의 중성점에 연결된 것을 기준으로 하고 Vw,Vu는 60도의 위상차를 가지고 Vu는 Va에 비해 30도 뒤지는 샘플링 시간에 대한 온 타임을 가지게 된다.

따라서 온 타임을 가지고 샘플링 시간을 조절하게 됨으로써, 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터의 제어가 가능하다.

그러나, 상기에서와 같은 종래의 기술에서 B4 인버터를 구성하는 스위칭 소자의 스위칭 상태에 따라 상단 직류 링크 캐패시터와 하단 직류 링크 캐패시터의 전압차가 발생하여 평형된 3상 전압을 인가하지 못하여 발생 토오크의 리플을 야기시키고 이로인해 원활한 속도 제어가 이루어지지 않는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 스위칭 소자 4개를 사용하여 3상의 모터 속도를 제어하는 모터 제어기에서, 상,하단 직류 링크단의 전압차에 따라 스위칭 소자의 스위칭 시간을 조정하여 전압차에 의한 발생 토오크의 리플을 저감시키도록 한 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 인버터 제어방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 속도 리플을 저감시켜 원활한 속도 제어가 이루어지도록 한 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 인버터 제어방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기에 대한 회로도.

도 2는 도 1에서, 3상 모터를 회전시키기 위하여 서로 120도 위상을 갖는 3상 전압의 벡터와 B4 타입 인버터에서의 60°위상을 갖는 두 개의 상전압 벡터.

도 3은 도 1에서, 스위칭 상태에 따라 Y결선의 3상모터에 인가되는 전압의 결선도.

도 4는 도 1에서, A,B상 레그의 스위칭 상태에 따른 3상 전압 도표.

도 5는 도 3에서, 상,하단 직류 DC 링크 전압이 이상적인 경우 B4 타입 인버터의 4개 전압벡터를 표시한 도.

도 6은 도 5에서, 상,하단 직류 DC 링크 전압이 이상적인 경우 S1,S2에 따른 실수성분과 허수성분을 보여주는 표.

도 7은 도 4에서, 하단 직류 DC 링크 전압(V2)이 상단 직류 DC 링크 전압(V1) 보다 큰 경우의 전압 벡터를 표시한 도.

도 8은 도 4에서, 하단 직류 DC 링크 전압(V2)이 상단 직류 DC 링크 전압(V1) 보다 큰 경우 지령속도를 인가하기 위한 이상적인 인가전압과 실제로 가해지는 인가전압에 대한 전압 벡터도.

도 9는 Ta≥Tb인 경우, 인버터의 A,B상 레그의 스위칭 상태(S1,S2)를 조절하기 위한 스위칭 시간 파형도.

도 10은 Tb≥Ta경우, 인버터의 A,B상 레그의 스위칭 상태(S1,S2)를 조절하기 위한 스위칭 시간 파형도.

도 11은 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 블록 구성도.

도 12는 본 발명 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법에 대한 동작 흐름도.

도 13은 전압 왜곡을 보상하기 전의 속도 파형 및 3상 전류 파형도.

도 14는 전압 왜곡을 보상한 후의 속도 파형 및 3상 전류 파형도.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

1 : 3상 AC 모터 2 : 인버터

5 : 전압 검출기 6 : 속도 검출기

7 : 전압지령 발생기 8 : 속도 제어기

9 : 감산기 10 : 위치 검출기

11 : 정류부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 3상 AC 모터를 구동시키기 위한 A,B상 레그의 스위칭상태(S1,S2)의 스위칭 온 시간(Ta,Tb)을 각각 연산하는 제1단계와, 상기에서 연산된 스위칭 온 시간(Ta,Tb)의 크기를 계산하는 제2단계와, 상기에서 계산된 Ta, Tb의 시간을 비교하여 Ta≥Tb, Tb≥Ta인 두 단계로 분기하는 제3단계와, 상기 Ta,Tb로부터 상기 스위칭상태(S1,S2)중 아랫단 스위치의 온시간(t1)과 윗단스위치의 온시간(t3)을 연산하는 제4단계와, 상기에서 연산된 스위치 온시간(t1,t3)을 이용하여 보정량을 결정하고, 이 보정량이 포함된 새로운 인가시간(Ta',Tb')을 생성하여 인버터로 공급하는 제5단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 12는 본 발명 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법에 대한 동작 흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이, 3상 AC 모터를 구동시키기 위한 A,B상 레그의 스위칭상태(S1,S2)의 스위칭 온 시간(Ta,Tb)을 각각 연산하는 제1단계와, 상기에서 연산된 스위칭 온 시간(Ta,Tb)의 크기를 계산하는 제2단계와, 상기에서 계산된 Ta, Tb의 시간을 비교하여 Ta≥Tb, Tb≥Ta인 두 단계로 분기하는 제3단계와, 상기 Ta,Tb로부터 A,B상 레그 스위칭상태(S1,S2)중 아랫단 스위치의 온시간(t1)과 윗단스위치의 온시간(t3)을 연산하는 제4단계와, 상,하단 직류 DC링크전압(V1,V2)을 검출하고 이를 비교하여 전압차를 구하는 제5단계와, 상기 제4단계에서 연산된 스위치 온시간(t1,t3)과 상기 제5단계에서 구한 전압차를 이용하여 보정량을 결정하고, 이 보정량이 포함된 새로운 인가시간(Ta',Tb')을 생성하여 인버터로 공급하는 제6계로 이루어진다.

상기 각 단계로 이루어진 방법을 수행하기 위한 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 블록 구성은, 도 11에 도시한 바와 같이, 인가되는 교류전원을 직류전압으로 정류시키는 정류부(11)와, 상기 정류부(1)에서 정류된 직류전압을 충,방전시키는 상,하단 직류 링크 캐패시터(3,4)와, 상기 캐패시터(3,4)에서 제공하는 전압과 스위칭 신호에 의해 3상 AC 모터(1)를 회전시키기 위한 3상전압을 생성하여 공급하는 인버터(2)와, 상기 3상 AC 모터(1)의 회전 속도(Wr)를 검출하는 속도 검출기(6)와, 상기 속도검출기(6)에서 검출한 속도의 회전자 위치를 검출하는 위치 검출기(10)와, 지령속도(Wr*)와 상기 속도 검출기(10)를 통해 검출한 회전 속도(Wr)간의 속도 오차를 구하는 감산기(9)와, 상기 감산기(9)를 통해 구한 속도 오차에 따라 모터에 공급한 전압의 크기를 결정하여 출력하는 속도 제어기(8)와, 상기 상,하단 직류 링크 캐패시터(3,4)간의 전압차를 구하는 전압 검출기(5)와, 상기 속도제어기(8)의 전압의 크기와 위치검출기(10)의 회전자 위치 및 전압검출기(5)의 상,하단 직류 링크단의 전압차를 이용하여 A,B상의 윗단 스위치의 스위칭 시간의 보정량을 계산하고, 이 계산된 보정량을 포함한 스위칭 시간을 상기 인버터(2)로 제공하여 모터의 속도를 제어하도록 하는 전압지령 발생기(7)로 구성한다.

이와같이 각 단계로 이루어진 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용하는 인버터는, 도 11에서와 같이, 4개의 스위칭 소자를 가지며, 4가지의 전압 벡터를 갖는 B4 인버터라 칭한다.

즉 A상의 레그(leg)의 스위칭 상태를 S1, B상 레그(leg)의 스위칭 상태를 S2라고 할 때, S1,S2에 대하여 각각 0,1 두가지의 스위칭 상태를 가지므로 4가지의 전압 벡터를 가진다. 여기서 1은 상단의 스위칭 소자가 온(ON)된 상태, 0은 하단의 스위칭 소자가 온된 상태를 의미한다.

가령 스위칭 상태 S1,S2가 각각 <0,0>일 경우 즉, 상단의 스위칭 소자는 모두 턴오프 상태이고 하단의 스위칭 소자만 모두 턴온 상태일 경우, 각 상에 걸리는 전압은 도 3의 (a)에 도시한 바와 같다. 여기서 3상 모터의 C상이 두 캐패시터의 중성점에 연결된 경우이다.

그리고 스위칭 상태 S1,S2가 각각 <0,1>일 경우 즉, A상 레그의 스위칭 상태(S1)는 하단의 스위칭 소자만 턴온되고, B상 레그의 스위칭 상태(S2)는 상단의 스위칭 소자만 턴온될 경우, 각 상에 걸리는 전압은 도 3의 (b)에 도시한 바와 같다.

또한 스위칭 상태 S1,S2가 각각 <1,0>일 경우 즉, A상 레그의 스위칭 상태(S1)는 상단 스위칭 소자만 턴온되고, B상 레그의 스위칭 상태(S2)는 하단의 스위칭 소자만 턴온될 경우, 각 상에 걸리는 전압은 도 3의 (c)에 도시한 바와 같다.

마지막으로 스위칭 상태 S1,S2가 각각 <1,1>일 경우 즉, 하단의 스위칭 소자는 모두 턴오프 상태이고, 상단 스위칭 소자만 모두 턴온 상태일 경우, 각 상에 걸리는 전압은 도 3의 (d)에 도시한 바와 같다.

도 3에서와 같이 각 상(Vas, Vbs, Vcs)에 인가되는 전압을 정리하면 도 4에 도시한 표에서와 같으며, V1은 도 1에서 상단 직류 링크 캐패시터(3)의 전압을 의미하고, V2는 하단 직류 링크 캐패시터(4)의 전압을 의미한다. 이하, V1은 상단 직류 DC 링크 전압이라 칭하고, V2는 하단 직류 DC 링크 전압이라 칭한다.

이는 상단 스위칭 소자만 모두 턴온되는 상태인 <1,1>의 경우에는 상단 직류 링크 캐패시터(3)에서만 3상 모터(1)에 전압을 공급하고, 하단 스위칭 소자만 모두 턴온되는 <0,0>인 상태는 도 3(a)에서와 같이 하단 직류 링크 캐패시터(4)에서만 3상 모터(1)에 전압을 공급하게 된다.

기존에 6개의 스위칭 소자를 사용하는 B6 인버터에서 하나의 직류 링크 캐패시터에서 3상 모터에 전원을 공급하지만 4개의 스위칭 소자를 사용하는 B4 인버터에서는 두 개의 직류 링크 캐패시터중 하나의 캐패시터만을 통하여 3상 모터에 전압 공급상태가 존재하기 때문에, B4 인버터에서는 상,하단 직류 링크 캐패시터간의 전압차가 발생하게 되고 이로인한 전압리플이 B6인버터에 비해 크게 된다.

그러면 상기 상,하단 직류 링크 캐패시터(3,4)의 전압차에 의한 영향을 살펴보면 다음과 같다.

만약 상단 직류 DC 링크 전압(V1)과 하단 직류 DC 링크 전압(V2)의 크기가 이상적인 경우, 즉 두 전압의 크기가 같은(V1=V2) 경우, 이를 전압 벡터로 표시하게 되면 도 5에서와 같이 직교하는 것으로 표시된다. 여기서 Re는 실수성분, Im은 허수성분을 나타내고, u는 인가전압을, t는 인가시간을 각각 나타낸다.

이렇게 직교하는 전압벡터로 표시할 경우, A,B상 레그의 스위칭 상태(S1,S2)에 따라 실수성분(Re)과 허수성분(Im)은 도 6에 도시한 바와 같다.

그런데 하단 직류 DC 링크 전압(V2)이 상단 직류 DC 링크 전압(V1) 보다 큰 경우, u2(1,0)와 u4(0.1)일 때 도 6에서 알 수 있듯이 Re성분이 1/2(V2-V1)의 양의 값을 갖게 되어 도 7의 (b)에서와 같이 오른쪽으로 기울어진 전압벡터를 가지게 된다.

상기에서와 같이 상,하단 직류 DC 링크 전압간에 전압차가 발생하는 경우, 도 8의 (a)에서와 같은 지령치 전압(V*)을 생성하기 위하여 전압지령 벡터를 만들기 위한 S1의 스위칭 시간, S2의 스위칭 시간을 인가하더라도 실제로는 도 8의 (b)에서와 같이 상,하단 직류 DC 링크 전압간의 전압차에 의해 전압벡터의 왜곡을 가져오게 된다.

결국, 하단 직류 DC 링크 전압(V2)이 상단 직류 DC 링크 전압(V1) 보다 큰 경우 u2, u4는 우측으로 치우치게 되고, u1이 u3보다 크게 된다.

이와같이 연산된 스위칭 시간을 보상없이 그대로 인버터의 스위칭 소자에 인가하게 된다면 인가전압의 왜곡이 발생하게 되므로, 본 발명은 상,하단 직류 DC 링크 전압간의 전압차에 의한 전압 왜곡현상을 보상해야 한다.

따라서, 전압의 왜곡을 감소시키기 위해서는 V2가 V1보다 큰 경우에는 전압에 Re성분이 존재하여 우측으로 기울어진 전압 형태를 가지므로, 계산된 u1의 인가시간(t1) 보다 t1은 감소시키고, u3의 인가시간(t3)은 증대시킨다. 이때 인가시간의 증대폭은 (V1-V2), 즉 상하단 DC링크 전압차에 비례한다.

또한 t1,t3량에 따라서도 전압 왜곡분이 비례하게 되므로 인가시간 변화량도 고려해 주어야 한다.

따라서 본 발명에서는 도 5에서와 같이 직교하는 전압벡터를 갖도록 인버터의 스위칭 소자를 턴온 또는 턴오프시키기 위한 PWM의 온시간을 중심(center)에 맞춘 center Aligned PWM을 경우로 예를들면, 도 9와 도 10에서와 같이 나타난다.

도 9는 Ta≥Tb인 영역Ⅰ을 나타낸 것이고, 도 10은 Tb≥Ta인 영역 Ⅱ를 나타낸다. 한편 Ta는 A상 레그의 윗단스위치의 스위칭 온 시간, Tb는 B상 레그의 윗단스위치의 스위칭 온 시간을 각각 정의한다.

도 9에서와 같이, 영역 Ⅰ에서 하단 직류 DC 링크 전압(V2)이 상단 직류 DC 링크 전압(V1) 보다 큰 경우 실제로 계산된 스위칭 온 시간을 그대로 인가하게 되면 u1의 인가시간(t1)이 커지고 u3의 인가시간(t3)은 작아지게 되므로, 상하단 직류 DC 링크 전압차에 의한 전압 왜곡을 보상하기 위해서는 t1의 인가시간은 줄이고, t3의 인가시간을 증가시켜야 한다.

따라서 도 9에서 스위칭 샘플링 시간을 Tsamp라고 했을 때 t1 = Tsamp - Ta,t3 = Tb라고 표시된다. 그런데 V2>V1인 경우 전압차에 의한 왜곡을 보상하기 위하여 t1의 인가시간은 줄이고, t3의 인가시간을 증가시키게 되므로, 도 9로부터 Tb를 증가하고, Ta도 증가함을 알 수 있다.

한편 V1>V2인 경우는 V2>V1인 경우와 반대가 되므로 t1의 인가시간은 증가시키고, t3의 인가시간을 감소시켜 보상을 해주어야 한다. 이 경우 Ta와 Tb는 모두 감소시켜야 한다.

그리고, 도 10에서와 같이, 영역 Ⅱ에서 하단 직류 DC 링크 전압(V2)이 상단 직류 DC 링크 전압(V1) 보다 큰 경우도 도 9에서와 마찬가지로 실제 계산된 전압을 그대로 인가하게 되면 u1의 인가시간(t1)이 커지고 u3의 인가시간(t3)은 작아지게 되므로, 직류 DC 링크 전압차에 의한 왜곡을 보상하기 위해서는 t1의 인가시간은 줄이고, t3의 인가시간을 증가시켜야 한다.

따라서 도 10에서 스위칭 샘플링시간을 Tsamp라고 했을 때 t1 = Tsamp - Tb, t3 = Ta라고 표시된다. 그런데 V2>V1인 경우 전압차에 의한 왜곡을 보상하기 위하여 t1의 인가시간은 줄이고, t3의 인가시간을 증가시키게 되면, 도 9로부터 Tb도 증가하고, Ta도 증가함을 알 수 있다.

그리고 V1>V2인 경우는 반대로 나타나므로 t1의 인가시간은 증가시키고, t3의 인가시간을 감소시켜 보상을 해주어야 한다.

결국, 영역에 관계없이 하단 직류 DC 링크 전압(V2)이 상단 직류 DC 링크 전압(V1)에 비해 클 때는 Ta,Tb는 모두 증가시키고, 상단 직류 DC 링크 전압(V1)이 하단 직류 DC 링크 전압(V2)에 비해 클 때는 Ta, Tb는 모두 감소시켜 주어야 한다.

한편 보정량은 하단 직류 DC 링크 전압(V2) - 상단 직류 DC 링크 전압(V1) 또는 상단 직류 DC 링크 전압(V1) - 하단 직류 DC 링크 전압(V2)과 같이 상하단 직류 DC 링크 전압차에 의해 결정되며, u1벡터의 인가시간(t1)과 u3 벡터의 인가시간(t3)의 왜곡정도에 비례하게 된다.

도 9의 영역 Ⅰ에서 보정량은 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.

ΔTa = k*(V2-V1)*t1

ΔTb = k*(V2-V1)*t3

여기서, k는 보정상수이다.

상기 수학식 2에서 보면 V2>V1인 경우 ΔTa, ΔTb는 앞에서 설명한 것과 같이 증가하는 식으로 나타나고, V1>V2인 경우는 반대로 ΔTa, ΔTb가 감소하는 꼴로 나타남을 알 수 있다.

그리고, 도 10의 영역 Ⅱ에서 보정량은 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.

ΔTa = k*(V2-V1)*t3

ΔTb = k*(V2-V1)*t1

도 9의 영역Ⅰ에서 Ta의 증감은 t1과 관련있고, Tb의 증감은 t3와 관련이 있고, 도 10의 영역Ⅱ에서 Ta의 증감은 t3와 Tb의 증감은 t1과 관련됨을 알 수 있다.

이와같은 방식으로 보정하는 과정에 대하여 도 11과 도 12에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

도 11에서, 인가되는 교류전원은 정류부(11)의 브리지 다이오드를 통하여 직류전압으로 정류되어 상,하단 직류 링크 캐패시터(3,4)에 각각 충전된다.

이 충전된 전압을 인버터(2)의 스위칭 소자로 제공하게 되면, 상기 스위칭 소자가 온 또는 오프동작을 수행하여 3상 AC 모터(1)를 회전시킨다.

상기 3상 AC 모터(1)가 회전할 때 속도 검출기(6)는 모터 회전 속도(Wr)를 검출하여 감산기(9)와 위치 검출기(10)로 각각 제공한다.

이에 상기 위치 검출기(10)는 속도를 이용하여 회전자 위치(θ)를 구하여 전압지령 발생기(7)로 제공한다.

따라서 상기 전압지령 발생기(7)는 인버터(2)의 A,B상 레그의 윗단스위치의 스위칭 온 시간(Ta,Tb)를 아래에서와 같이 구한다.(도 12에서 S100단계)

Ta = [ 1/2 + 1/2 ma * sin(θ - π/6) ] * Tsamp

Tb = [ 1/2 + 1/2 ma * sin(θ - π/2) ] * Tsamp

여기서, ma는 변조율이고, Tsamp은 스위칭 샘플링시간이다.

그런다음 상기에서 구한 A상 레그의 스위칭 온 시간(Ta)과 B상 레그의 스위칭 온 시간(Tb)의 크기를 비교한다.(도 12에서, S110단계)

비교 결과, 상기 A상 레그의 스위칭 온 시간(Ta)이 B상 레그의 스위칭 온 시간(Tb) 보다 큰 경우 u1(0,0)벡터의 인가시간(t1)과 u3(1,1)벡터의 인가시간(t3)을 각각 t1 = Tsamp - Ta, t3 = Tb으로 구하고(도 12에서 S130단계), 상기 B상 레그의 스위칭 온 시간(Tb)이 A상 레그의 스위칭 온 시간(Ta) 보다 큰 경우 u1(0,0)벡터의 인가시간(t1)과 u3(1,1)벡터의 인가시간(t3)을 각각 t1 = Tsamp - Tb, t3 = Ta으로구한다.(도 12에서 S120단계)

이후에 3상 AC 모터(1)의 속도 제어를 위하여 속도지령(Wr*)을 내리면, 이 속도지령(Wr*)과 속도 검출기(6)를 통해 검출된 3상 AC 모터(1)의 속도(Wr)를 감산기(9)를 통하여 감산을 행하여 속도 오차를 구한 후 이를 속도 제어기(8)로 제공한다.

그러면 상기 속도 제어기(8)는 상기 감산기(9)의 입력인 속도 오차에 의해서 전압지령 발생기(7)에 속도 검출기(6)에 인가할 전압의 크기를 지령으로 내어준다.

이때 전압 검출기(5)는 상단 직류 링크 캐패시터(3)의 전압(V1)과 하단 직류 링크 캐패시터(4)의 전압(V2)을 각각 검출하여 직류 링크단의 전압차를 구하여 상기 전압지령 발생기(7)로 제공한다.

이에따라 상기 전압지령 발생기(7)는 속도 제어기(8)에서 구한 지령 전압, 위치 검출기(10)에서 검출한 모터의 회전자 위치(θ), 전압 검출기(5)에서 검출한 직류 링크단의 전압차에 의한 인가시간의 보정성분(ΔTa,ΔTb)을 아래에서와 같이 계산한다.(도 12에서 S140, S150단계)

영역Ⅰ에서,

ΔTa = K*(V2 - V1)*t1

ΔTb = K*(V2 - V1)*t3

영역Ⅱ에서,

ΔTa = K*(V2 - V1)*t3

ΔTb = K*(V2 - V1)*t1

이렇게 구한 보정성분(ΔTa,ΔTb)과 상기 S100단계에서 계산한 A,B상 레그의 스위칭 온 시간(Ta,Tb)을 더하여 보정량이 들어간 새로운 스위칭 온 시간(Ta', Tb')을 아래에서와 같이 생성하여 인버터(2)로 제공한다.

Ta' = Ta + ΔTa

Tb' = Tb + ΔTb

그러면 상기 인버터(2)의 각 스위칭 소자는 스위치 인가시간에 의해 턴온 또는 턴오프됨으로써 생성되는 3상전압을 3상 AC모터(1)로 제공하여 회전시킨다.

도 13의 (a)는 보상이 이루어지지 않은 경우 3상 AC 모터(1)를 회전시키기 위한 속도 지령과 실제속도를 나타낸 것이고, (b)는 3상 전류를 나타낸 것이다.

도 13의 (a)에서 보면 속도 지령 50rpm에 대하여 속도 리플이 상당히 존재함을 알 수 있고, 도 13의 (b)에서 보면 3상의 평형된 전압이 인가될 경우 120도 위상차를 갖는 3상 평형 전류가 생성되어야 하는데 B상의 전류(ibs)가 A,C상의 전류(ias,ics)에 비해 작고, B,C상의 위상이 거의 동상이 됨을 알 수 있다.

이는 B4 인버터에서 상,하단 직류 DC 링크 전압의 차에 의한 인가 전압의 벡터가 지령치 전압벡터와는 상당히 왜곡되었기 때문이며, 이러한 전압의 왜곡으로 말미암아 모터 발생 토오크의 리플을 가져오고 이에 따른 속도 리플을 가져온다.

그러나 도 13과 동일한 조건에서 보상을 행한 본 발명의 경우 도 14의 (a)에 도시한 바와 같이 속도 지령과 실제 속도를 비교해 보면 속도 파형의 리플이 줄어들었음을 알 수 있고, 도 14의 (b)에 도시한 바와 같이 3상 전류(ias,ibs,ics)의 위상차가 120도를 유지함을 알 수 있다.

다른 실시예로, 보정량 결정에 사용되는 (V2-V1)은 아래와 같은 식으로도 변형 가능하다.

상하단 DC 링크단 전압의 합인 V_DC는 아래의 수학식으로 나타난다.

V1+V2=V_dc이므로 V2 = V_dc- V1이고, V1 = V_dc- V2이므로

V2 - V1 = V_dc- V1-V1 = V_dc- 2V1

V2 - V1 = V2 - (V_dc- V2) = 2V2 - V_dc

따라서,

k(V2-V1) = k/2(V_DC/2 - V1 ) = k' (V_DC/2 - V1)

k(V2-V1) = k/2(V2 - V_DC/2 ) = k' (V2 - V_DC/2)

따라서 상하단 DC 링크단의 전압차(V2-V1)으로 보정량 결정이 가능한 것과 같이, V_dc/2-V1 또는 V2-V_dc/2와 같이 상하단 DC 링크단의 전압과 전체 DC 링크전압을 도 12에 적용할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 상,하단 직류 링크 캐패시터간의 전압차에 따라 스위칭 시간을 조정하여 발생 토오크의 리플을 저감시켜 원활한 속도 제어가 이루어지도록 한 효과가 있다.

Claims (6)

1. 3상 AC 모터를 구동시키기 위한 A,B상 레그의 스위칭상태(S1,S2)의 스위칭 온 시간(Ta,Tb)을 각각 연산하는 제1단계와, 상기에서 연산된 스위칭 온 시간(Ta,Tb)의 크기를 계산하는 제2단계와, 상기에서 계산된 Ta, Tb의 시간을 비교하여 Ta≥Tb, Tb≥Ta인 두 단계로 분기하는 제3단계와, 상기 Ta,Tb로부터 A,B상 레그 스위칭상태(S1,S2)중 아랫단 스위치의 온시간(t1)과 윗단스위치의 온시간(t3)을 연산하는 제4단계와, 상단 직류DC 링크 전압(V1)과 하단 직류 DC링크 전압(V2)을 검출하고 이를 비교하여 전압차를 구하는 제5단계와, 상기 제4단계에서 연산된 스위치의 온시간(t1,t3)과 상기 제5단계에서 구한 전압차를 이용하여 보정량을 결정하고, 이 보정량이 포함된 새로운 스위칭 온 시간(Ta',Tb')을 생성하여 인버터로 공급하는 제6단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법.
2. 제1항에 있어서, 제3단계에서 A상 레그의 스위칭 온 시간(Ta)이 B상 레그의 스위칭 온 시간(Tb)보다 큰 경우 A,B상 레그의 스위칭 상태(S1,S2)의 상,하단 스위치의 온시간(t1,t3)을 아래에서와 같이 설정하도록 한 것을 특징으로 하는 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법.

   t1 = Tsamp - Ta

   t3 = Tb

   단, Tsamp는 스위칭 샘플링시간
3. 제1항에 있어서, 제3단계에서 A상 레그의 스위칭 온 시간(Ta)이 B상 레그의 스위칭 온 시간(Tb)보다 작은 경우 A,B상 레그의 스위칭 상태(S1,S2)의 상,하단 스위치의 온시간(t1,t3)을 아래에서와 같이 설정하도록 한 것을 특징으로 하는 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 속도 제어방법.

   t1 = Tsamp - Tb

   t3 = Ta

   단, Tsamp는 스위칭 샘플링시간
4. 제1항에 있어서, 제6단계에서 보정량은 Ta≥Tb인 경우 아래에서와 같이 연산하도록 한 것을 특징으로 하는 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 인버터 제어방법.

   ΔTa = k* (V2 - V1 ) * t1

   ΔTb = k * (V2 - V1 ) * t3

   단, k는 보정상수
5. 제1항에 있어서, 제6단계에서 보정량은 Tb≥Ta인 경우 아래에서와 같이 연산하도록 한 것을 특징으로 하는 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 인버터 제어방법.

   ΔTa = k* (V2 - V1 ) * t3

   ΔTb = k * (V2 - V1 ) * t1

   단, k는 보정상수
6. 제1항에 있어서, 제6단계에서 스위칭 온 시간의 증감폭은 (V2-V1) 혹은 (V1-V2)이 되도록 한 것을 특징으로 하는 4개의 스위칭 소자를 이용한 3상 모터 제어기의 인버터 제어방법.