KR100611340B1 - 영구 자석 모터 드라이브를 위한 공간 벡터 ｐｗｍ 변조기 - Google Patents

영구 자석 모터 드라이브를 위한 공간 벡터 ｐｗｍ 변조기 Download PDF

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Abstract

공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM : space vector pulse-width modulator) 및 변조기에 의해 실행되는 방법에 관한 것이다. 전치 연산(precalculation) 모듈은 Ua 및 Ub 변조 인인덱스를 수락하고, 그것에 응답하여 수정된 Ua 및 Ub 정보를 출력하고; 섹터 탐지기는 상기 수정된 Ua 정보 를 수신하고 U 섹터를 출력하는 U 모듈을 구비하고; 그리고, 상기 U섹터 및 상기 수정된 Ub 정보를 수신하고, Z 섹터를 출력하는 Z 모듈이다. 2상 변조를 실행하기 위해서는 상기 U 섹터 및 상기 Z 섹터는 2상 제어 신호이다. 3상 변조를 실행하기 위해서는, 상기 SVPWM 및 방법은 수정된 Ua 정보 및 Ub 정보 그리고 U 섹터를 수신하고, 그리고 능동 벡터를 연산하는 능동 벡터 연산 모듈과, 그리고 3상 변조를 위해 벡터 지정 모듈과; 상기 Z 섹터를 수신하고, 그리고 3상 변조를 위해 제로 벡터를 연산하는 제로 벡터 선택기와; 그리고, 능동 벡터 및 제로 벡터를 수신하고, 그리고 3상 변조를 실행하기 위해 3상 제어 신호를 출력하는 PWM 카운터 블록을 구비한다. 상기 SVPWM 및 방법은 대칭 PWM 모드, 비대칭 PWM 모드, 혹은 둘다 모두를 가질 수 있다. 유익하게, 상기 벡터들에 대응되는 지속 구간 정보를 수신하고, 그리고 그것에 응답하여 과변조의 발생을 검출하는 재조정 및 과변조 모듈이 존재할 수 있다. 과변조는 음의 제로 벡터 시간에 응답하여 검출될 수 있다. 상기 모듈은 제로 벡터 시간을 제로로 클램핑하고, 능동 벡터 시간을 PWM 사이클에 맞추도록 재조정함으로써 과변조에 응답할 수 있다. 상기 재조정은 전압 벡터가 공간 벡터 평면상의 6각 경계내에 머물도록 제한 하지만은 전압 위상을 보존한다.

Description

영구 자석 모터 드라이브를 위한 공간 벡터 ＰＷＭ 변조기{SPACE VECTOR PWM MODULATOR FOR PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVE}
{참조 문헌}
본 출원은 참조문헌으로서 여기에 인용하는 2002년 10월 15일자 미국 가 출원 번호 60/418,733을 근거로 하고 있으며, 이에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 모터 드라이브에 관한 것으로, 더욱 상세히는 공간 벡터 PWM 변조 환경을 이용하는 영구 자석 표면 실장(PMSM:permanent magnet surface-mount) 모터를 위한 시스템 및 드라이브 방법에 관한 것이다.
본 산업분야에서, 인버터를 사용하는 3상(3-phase) 모터 드라이브들이 잘 알려져 있다.
일반적으로 DC 버스는 스위칭 파워를 AC 모터의 서로 다른 위상들에 제공한다. 상기 인버터에 스위칭 커맨드 및 시퀀스를 제공하기 위한, 센서가 없는(sensorless) 벡터 제어가 폭넓은 주목을 받고 있다. 센서가 없는 제어는 속도, 플럭스(flux), 그리고 토크 센서를 제거하고, 이들을 단자 전압 및 전류 측정에 기초한 DSP-기반 측정으로 대체한다. 따라서, 드라이브의 비용이 감소되고, 신뢰도는 향상된다. DSP-기반 드라이브에 대한 기술 배경이 여기에 참조로 인용하는 본 출원 의 발명자가 출원한 2003년 4월 25일자 미국 출원 번호 60/465,890; 및 2002년 11월 12일자 미국 출원 10/294,201에 기술되어 있다. 그러나 상기 측정 알고리즘은 저 주파수에서는 특히 복잡하게 되는 경향이 있다.
공간-벡터 펄스-폭 변조(SVM: Space-vector pulse-width modulation)는 우수한 고조파(harmonic) 품질 및 확장된 선형 동작 범위로 인해 전압인가(voltage-fed) 컨버터 드라이브를 위한 대중적인 형태의 펄스-폭 변조(PWM)가 되고 있다. SVM 구성이 본 출원에 참조로 인용하는 2003년 3월 27일자 출원 번호 10/402,107에 기술되어 있다.
그러나, SVM의 하나의 문제점은 복잡한 온라인 계산을 필요로 한다는 점으로서, 이러한 계산은 일반적으로 SVM의 동작을 수 킬로헤르츠(예컨데, 약 10kHz)까지의 스위칭 주파수로 제한시킨다.
스위칭 주파수는 고속 DSP, 및 룩업 테이블(LUT:lookup table)을 포함하는 간소화된 알고리즘을 사용함으로써 확장될 수 있다. 파워 반도체 스위칭 속도는 특히 IGBT에서 극적으로 개선되고 있다. 그러나, LUT의 사용은 그것이 매우 크지 않는한, 펄스-폭 분해능을 감소시키는 경향이 있다.
본 발명은 종래 공간 벡터 PWM 변조 방식에서의 아크탄젠트 및 제곱근 함수와 같은 집중적인 연산과, 그리고 룩업 테이블을 회피한다. 다용도(versatile) 공간 벡터 PWM 방식을 구현학 위한 알고리즘 구조가 제안되며, 이는 집중적인 수학 함수 또는 룩업 테이블이 없이도 3상 및 2상 SVPWM 모두를 생성할 수 있다. 이 구조는 과변조(overmodulation), 대칭 PWM, 및 비대칭 PWM 모드를 지원한다.
본 발명은 다용도 2-레벨 공간 벡터 PWM(SVPWM) 변조기를 구현하여, 일반적인 알고리즘 구조에서 3상 및 2상 변조 알고리즘이 구현되게 한다. 상기 구현은 전적으로 결정 로직을 이용하며, 아크탄젠트, 사인, 코사인, 그리고/또는 제곱근 함수와 같은 어떤 집중적인 수학 함수를 요구하지 않는다. 상기 알고리즘은 과변조, 대칭 및 비대칭 모드 특성들을 제공한다.
본 발명은 공간 벡터 펄스-폭 변조기 및 이 변조기에 의해 실행되는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM)는 Ua 및 Ub 변조 인덱스를 수락하고, 그리고 이에 응답하여 수정된 Ua 및 Ub 정보를 출력하는 전치 연산(precalculation) 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따르면, SVPWM은 Ua 또는 수정된 Ua 정보를 수신하며 U 섹터를 출력하는 U 모듈과; 그리고 상기 U 섹터와 상기 Ub 또는 수정된 Ub 정보를 수신하며, Z 벡터를 출력하는 Z 모듈을 갖는 섹터 탐지기(sector finder)를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 U 섹터 및 상기 Z 섹터는 2상 변조를 실행하기 위해 2상 제어 신호이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, SVPWM은 3상 변조를 행하기 이한 구성으로서, Ua 및 Ub 또는 수정된 Ua 및 Ub 정보와 그리고 U 섹터를 수신하고, 3상 변조를 위한 능동 벡터를 연산하는 능동 벡터 연산 모듈 및 벡터 지정 모듈과; 3상 변조를 위해 상기 Z 섹터를 수신하고, 그리고 제로 벡터를 연산하는 제로 벡터 섹터; 그리고, 3상 변조를 실행하기 위해 상기 능동 벡터 및 제로 벡터를 수신하고 3상 제어 신호를 출력하는 PWM 카운터 블록을 포함할 수 있다.
상기 PWM 카운터 블록은 바람직하게는 대칭 PWM 모드, 비대칭 PWM 모드, 또는 이들 모두를 갖는다.
상기 SVPWM은 벡터에 대응되는 지속 구간 정보를 수신하고, 그리고 이에 응답하여 과변조의 발생을 검출하는 재조정(rescaling) 및 과변조 모듈을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 과변조는 음의 제로 벡터 시간에 응답하여 검출 될 수 있다. 상기 모듈은 제로 벡터 시간을 제로(0)로 클램프(clamp)하고, PWM 사이클에 맞추기 위해 능동 벡터 시간을 재조정함으로써, 과변조에 대응할 수 있다.
상기 재조정은 전압 벡터가 공간 벡터 평면상의 6각 경계(hexagonal boundaries) 내에 머물도록 제한하지만은 전압 위상을 보존되게 한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 본 발명은 적어도 상기 기술된 단계들을 실행하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 특성 및 이점들이 하기의 첨부 도면을 참조로한 본 발명의 실시예에 대한 설명으로부터 명백해 진다.
도 1은 3상 및 2상 변조 방식을 도시하는 도이다.
도 2는 다용도 공간 벡터 PWM 변조기의 구조 블록 도이다.
도 3은 도 2의 전치 연산 및 섹터 탐지기 블록을 더욱 상세히 나타낸다.
도 4는 도 2의 능동 벡터 연산 블록을 더욱 상세히 나타낸다.
도 5는 도 2의 재조정(rescaling) 및 과변조(overmodulation)를 더욱 상세히 나타낸다.
도 6은 과변조를 도시하는 도이다.
도 7은 도 2의 제로 벡터 섹터 블록을 더욱 상세히 나타내는 도이다.
도 8은 상태 순서를 나타낸다.
하기는 PWM 방식의 예를 설명한다.
3상 및 2상 PWM 변조 방식이 도 1에 나타나 있다. 2개의 PWM 방식에 의해 생성된 Volt-sec는 동일하다. 그러나, 2상 변조에 있어서 스위칭 손실은 특히 고 스위칭 주파수(>10kHz)가 이용될 때, 현저하게 감소된다.
도 2는 다용도 공간 벡터 PWM 변조의 구조 블록도를 나타낸다. 각 블록의 디자인에 대해서는 하기에 더욱 상세히 기술된다. 이 SVPWM의 특징은 다음과 같다:
- 이 SVPWM의 구현에는 아크탄젠트, 사인, 코사인, 또는 제곱근 함수가 요구되지 않음.
- 직각 입력 Ua 그리고 Ub (대부분의 벡터 제어기를 쉽게 인터페이스 할 수 있음)를 수락함.
- 필요시 제로 벡터가 선택될 수 있음.
- 제로 벡터 시간 클램핑(clamping)에 의한 심플한 과변조 방식
- 절반의 PWM 사이클 업데이트에 의한 자동 대칭 및 비대칭 모드 생성
도 3은 도 2의 전치 연산 및 섹터 탐지기 블록에서의 연산을 상세히 나타낸 다. SVPWM의 입력은 변조 인덱스 Ua 및 Ub (직교)이고, 그리고 그 출력은 U-Sector 및 Z-Sector ( 2상 변조를 위해서만 오로지 사용됨)이다. 상기 섹터 영역은 도 3에 정의된다. 상기 섹터 탐지기는 전적으로 결정 로직에 기반하는바, 이는 FPGA와 같은 디지털 하드웨어 플랫폼의 구현을 요이하게 한다.
출력들은 U_Sector 및 Z_Sector 이며, 이는 하기에 정의된다:
U_Sector
0<=theta<60
60<=theta<120
120<=theta<180
180<=theta<240
240<=theta<300
300<=theta<360
Z_Sector
A -30<=theta<30
B 30<=theta<90
C 90<=theta<150
D 150<=theta<210
E 210<=theta<270
F 270<=theta<330
도 4는 도 2의 능동 벡터 연산 블록에서의 연산에 대해 상세히 나타낸다. 상기 연산은 주로 지정(assignment) 연산이다. 여기에는 어떠한 집중적인 연산도 포함되지 않는다.
도 5는 재조정 및 과변조 블록을 나타낸다. 과변조는 제로 벡터 시간(T0_Cnt_Scl)의 연산에서 음의 값으로 검출 된다. 제로 벡터 시간을 제로(만약 음인 경우)로 클래핑하고 그리고 PWM 사이클에 맞추기 위해 능동 벡터 시간을 재조정함으로써, 과변조가 쉽게 처리될 수 있다. 상기 재조정은 전압 벡터가 공간 벡터 평면(도 6) 상의 6각 한계 내에 머물도록 제한한다. 그러나 상기 전압 위상은 항상 보존된다.
도 7은 제로 벡터 섹터 블록을 상세히 나타낸다. 도 1에서는, PWM 사이클 (PWM_CNT_MAX)의 첫 번째 절반(half)동안, 3상 변조를 위한 2개의 제로 벡터 상태 및 2상 PWM을 위한 하나의 제로 벡터 상태가 존재한다. 3상 변조를 위해 첫 번째 제로 벡터 상태는 항상 V7이며, 두 번째는 V8이다. 그러나 2상 벡터를 위해서는, 상기 하나의 제로 벡터 상태는 전압 벡터가 어디에 위치하는지(Z-Sector)에 따라서 V7 또는 V8일 수 있다. 결국, 제로 벡터 선택기는 다양한 제로 벡터 가능성을 처리하도록 실행된다.
도 2 의 PWM 카운터 블록은 PWM 게이팅 커맨드( PhaseU, PhaseV, PhaseW)를 실행한다. 상기 블록은 서로 상이한 상태(도 1에서는 VEC1 에서 VEC4까지 나타남)들을 통하여 단계적으로 동작을 행하는 상태 시퀀서(sequencer)를 갖는다. 상기 VEC1 및 VEC4 상태는 제로 벡터를 실행하고, VEC2 및 VEC3는 능동 벡터를 실행한다. 매 절반(half) PWM 사이클마다, PWM 카운터 블록에 대한 입력이 한번씩 샘플링되어, 비대칭 PWM 모드 동작이 임의의 재설정 없이도 본질적으로(inherently) 실행되도록 한다.
3상 변조의 경우, 상기 상태 시퀀서는 도 8에 나타난 바와 같이 VEC1-VEC2-VEC3-VEC4-VEC3-VEC2-VEC1순으로 실행한다. VEC1 상태에서, 첫 번째 제로 벡터는 T0_Vec_1 및 T0_Cnt에 기초하여 실행될 것이다. 3개의 PWM 카운터가 있는바, 2 개는 능동 벡터에 대한 것이고, 세번째 2개는 2개의 제로 벡터에 대한 것이다. 2상 PWM 변조 방식의 경우, 상기 상태 시퀀서는 상태 VEC4(VEC1-VEC2-VEC3-VEC3-VEC2-VEC1)에 들어가지 않는다.
각각의 절반의 PWM 사이클 동안 2개의 능동 벡터가 존재한다. "지정 벡터(Assign vector)" 블록(도 2)은 2개의 능동 벡터 중 어느 것이 상태 VEC2 및 VEC3를 실행하는데 사용되어야 하는지를 결정한다. 3상 PWM이 선택될 때, 제로 벡터 시간(T0_Cnt)는 절반이다.
정 의
Ua - 알파 축 변조
Ub - 베타 축 변조
U_Sector - 도 3에서 나타난 바와 같이 섹터 넘버 1 내지 6(각 섹터는 60도)
Z_Sector - 도 3에서 나타난 바와 같이 섹터 넘버 A 내지 F(각 섹터는 60도)
Ta_Cnt_R - 능동 벡터 A를 위한 정규화 시간 지속 구간
Tb_Cnt_R - 능동 벡터 B를 위한 정규화 시간 지속 구간
Ta_Vec_R - 커맨드 변조 벡터의 형성을 위한 능동 벡터 A(V1 내지 V6)
Tb_Vec_R - 커맨드 변조 벡터의 형성을 위한 능동 벡터 B(V1 내지 V6)
T0_Vec_1 - 상태 VEC1에서 사용되는 제로 벡터(V7 또는 V8)
T0_Vec_2 - 상태 Vec4에서 사용되는 제로 벡터(V7 또는 V8)
Ta_Cnt_Scl - Ta_Cnt_R의 재조정된 버젼
Tb_Cnt_Scl - Tb_Cnt_R의 재조정된 버젼
T0_Cnt_Scl - 제로 벡터 정규화 시간의 재조정된 버젼
Ta_Cnt - 상태 VEC2를 위한 카운터 시간 지속 구간
Tb_Cnt - 상태 VEC3를 위한 카운터 시간 지속 구간
T0_Cnt - 상태 VEC1 및 VEC4를 위한 카운터 시간 지속 구간
Ta_Vec - 상태 VEC2내에서 사용되는 벡터
Tb_Vec - 상태 VEC3에서 사용되는 벡터
Two_Phs_Pwm - 3상 변조와 2상 변조중에서 선택
Z_Mode - 2상 변조 제로 벡터 선택 모드
본 발명이 특정 실시예에 관하여 기술되었으나, 많은 다른 변형과 수정 그리고 다른 사용이 가능하다는 점은 당업자에게 명백하다. 따라서, 본 발명은 여기에서의 특정 개시에 의해 제한되지 않는다.

Claims (17)

  1. Ua 및 Ub 변조 인덱스를 수신하고, 그리고 이에 응답하여 수정된 Ua 및 Ub 정보를 출력하는 전치 연산 모듈과;
    상기 수정된 Ua 정보를 수신하고 U 섹터를 출력하는 U 모듈과, 그리고 상기 U 섹터 및 상기 수정된 Ub 정보를 수신하고, Z 섹터를 출력하는 Z 모듈을 포함하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM)로서,
    2상 변조를 실행 하기 위한 경우, 상기 U 섹터 및 상기 Z 섹터는 2상 제어 신호가 되고; 그리고
    3상 변조를 실행하기 위한 경우, 상기 SVPWM은:
    상기 수정된 Ua 및 Ub 정보와, 그리고 상기 U 섹터를 수신하고, 그리고 3상 변조를 위해 능동 벡터를 연산하는 능동 벡터 섹션;
    상기 Z 섹터를 수신하고, 그리고 3상 변조를 위해 제로 벡터를 연산하는 제로 벡터 선택기;
    상기 능동 벡터 및 제로 벡터를 수신하고, 그리고 3상 변조를 실행하기 위해 3상 제어 신호를 출력하는 PWM 카운터 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 능동 벡터 섹션은 능동 벡터 연산 모듈 및 벡터 지정 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 카운터 블록은 대칭 PWM 모드를 구비하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 PWM 카운터 블록은 비대칭 PWM 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 PWM 카운터 블록은 비대칭 PWM 모드를 구비하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 벡터에 대응되는 지속 구간 정보를 수신하고, 그리고 이에 응답하여 과변조의 발생을 검출하는 재조정 및 과변조 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 과변조는 음의 제로 벡터 시간에 응답하여 검출 되는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 재조정 및 과변조 모듈은 PWM 사이클에 맞추기 위해, 제로 벡터 시간을 제로로 클램핑하고 능동 벡터 시간을 재조정함으로써, 과변조에 응답하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 재조정은 전압 벡터가 공간 벡터 평면상의 6각 경계내에 머물도록 제한하지만은 전압 위상을 보존하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조기(SVPWM).
  10. Ua 및 Ub 변조 인덱스를 수신하고, 그리고 이에 응답하여 수정된 Ua 및 Ub 정보를 출력하는 전치 연산 단계;
    수정된 Ua 정보를 수신하고 U 섹터를 출력하는 서브 단계와, 그리고 상기 U 섹터 및 수정된 Ub 정보를 수신하고 Z 섹터를 출력하는 서브 단계를 갖는 섹터 탐지기 단계를 포함하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법으로서,
    2상 변조를 싱행 하기 위한 경우 상기 U 섹터 및 상기 Z 섹터는 2상 제어 신호가 되고; 그리고
    3상 변조를 실행하기 위한 경우, 상기 SVPWM은:
    상기 수정된 Ua 및 Ub 정보와, 그리고 상기 U 섹터를 수신하는 서브 단계, 그리고 3상 변조를 위해 능동 벡터를 연산하는 서브 단계를 포함하는 능동 벡터 연산 단계;
    상기 Z 섹터를 수신하는 서브 단계, 그리고 3상 변조를 위해 제로 벡터를 연산하는 서브 단계를 포함하는 제로 벡터 선택 단계와; 그리고
    상기 능동 벡터 및 제로 벡터를 수신하는 서브 단계, 그리고 3상 변조를 실행하기 위해 3상 제어 신호를 출력하는 서브 단계를 포함하는 PWM 카운팅 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 PWM 카운팅 단계는 대칭 PWM 모드를 실행하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 PWM 카운팅 단계는 비대칭 PWM 모드를 실행하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 PWM 카운팅 단계는 비대칭 PWM 모드를 실행하는 것을 특징으로 하는 공 간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 벡터에 대응되는 지속 구간 정보를 수신하고, 그리고 이에 응답하여 과변조의 발생을 검출하는 과변조 검출 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 과변조는 음의 제로 벡터 시간에 응답하여 검출 되는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 방법은 제로 벡터 시간을 제로로 클래핑하는 단계, 그리고 PWM 사이클에 맞추기 위해 능동 벡터 시간을 재조정하는 단계에 의해 과변조에 응답하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 재조정 단계는 전압 벡터가 공간 벡터 평면상의 6각 경계에 머물도록 제한하지만은 전압 위상을 보존하는 것을 특징으로 하는 공간 벡터 펄스-폭 변조를 실행하는 방법.
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