KR100631532B1 - 단일전류 센서를 이용한 ｐｍｓｍ의 초기 기동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법에 관한 것으로, 초기 기동시, 인버터 스위칭 주파수를 낮춤과 동시에, 속도에 따라 인버터 스위칭 주파수를 변경시킴으로써,3상 전류를 검출하기 위한 최적의 유효전압 벡터시간을 확보하여 초기 기동의 신뢰성을 향상시키도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 인버터의 스위칭에 따른 운전주파수로 구동하는 PMSM에 있어서, 사용자가 설정한 속도범위에 따라, 인버터의 스위칭 주파수를 변경하여 설정하는 과정과; 속도오차에 대한 d축,q축 전류지령치를 연산하는 과정과; 상기 d축,q축 전류지령치를 이용하여, d축,q축 전압지령치를 연산하는 과정과; 상기 d축,q축 전압지령치를 이용하여, 제1,제2 유효전류 측정시간을 연산하는 과정과; 기동 여부에 따라, 상기 제1,제2 유효전류 측정시간을, 전류측정 한계시간과 비교하여 보상하는 과정과; 상기 보상된 제1,제2 유효전류 측정시간에 의해, 각 상에 인가되는 스위치온시간을 계산하고, 그 스위치 온시간에 의해 인버터 스위치 소자의 게이트 신호를 생성하는 과정으로 이루어진다.

Description

단일전류 센서를 이용한 ＰＭＳＭ의 초기 기동방법{INITIAL STARTING METHOD FOR PMSM IN USING SINGLE CURRENT SENSOR}

도1은 일반적인 PMSM의 구동장치를 보인 회로도.

도2는 도1에 있어서, 스위칭 상태에 따른 DC-Link 전류와 상전류의 관계를 보인도.

도3은 도1에 있어서, 하나의 유효전압 벡터만이 작은 경우를 보인도.

도4는 도1에 있어서, 전류측정이 불가능한 경우를 보인도.

도5는 본 발명 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법에 대한 동작흐름도.

도6은 속도와 전동기 전압과의 관계를 통한 Dead Zone 영역을 보인도.

도7은 도5에 있어서, PMSM센서리스 초기 기동에 의한 파형도.

본 발명은 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법에 관한 것으로, 특히 인버터 스위칭 주파수를 낮춤과 동시에, 속도에 따라 인버터 스위칭 주파수를 변경시킴으로써,3상 전류를 검출하기 위한 최적의 유효전압 벡터시간을 확보하여 초기 기동의 신뢰성을 향상시키도록 한 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법에 관한 것이다.

최근에, PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)은 높은 효율과 관성력 대비 높은 토크를 가지고 있어서 많은 산업응용분야에서 쓰여지고 있다.

또한, 상기 PMSM의 구조적인 특성으로 인해 높은 속도에서 일정 토크영역뿐만 아니라 일정파워 영역에서도 제어를 할 수 있는데, 이러한 PMSM의 제어를 위해서는 자속의 위치를 알기 위한 회전자의 위치 또는 속도 검출기가 필수적이다.

그러나, 상술한 센서들은 하드웨어의 복잡성, 가격상승, 낮은 신뢰성, 전기적 잡음에 취약, 기계적 부착의 어려움 등을 야기시킨다.

따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 위치 또는 속도 검출기가 없는 센서리스 알고리즘이 연구되었고 많은 산업응용분야에서 사용되게 되었다.

그러나 상술한 전동기의 센서리스 운전에도, 2개 또는 3개의 전류센서가 필요하게 되고, 이러한 전류 센서들은 전체 시스템의 복잡성,가격, 장비의 신뢰성 감소 문제 등을 또 다시 야기시킨다.

도1은 상기 단일전류센서를 이용한 PMSM의 구동 시스템을 보인 개략도이고, 도2는 스위칭 상태에 따른 DC-Link 전류와 상전류의 관계를 보인도이다.

예를 들어, 전압벡터가 V1(100)를 인가되면, 인버터 상단스위치 A상과 하단스위치 B상, C상이 온(ON)되어 있는 경우로서, 상기 DC-Link전류는 A상 상단스위치로 흘러 들어간 후, 전동기에 통해 다시 B,C상의 하단스위치로 흘러 나가게 된다.

이때, 상기 DC-Link 전류를 측정하면, 그 DC-Link 전류는 A상 전류와 같게 되는데, 이러한 원리를 이용하여 상기 도2와 같이, 각각의 전압벡터에 DC-Link 전류와 상전류의 관계를 구할 수 있다.

즉, 상기 DC Link 전류 센서로부터 상전류의 재구축은 두 개의 유효벡터가 적어도 신뢰성 있는 샘플링이 되기에 충분한 시간이 존재할 때만이 가능한데, 하나의 유효전압 벡터는 하나의 상전류를 재구축하기 위하여 사용되고, 또 다른 유효전압벡터는 다른 상전류를 구축하기 위하여 사용된다.

따라서 이 방식의 문제점은 신뢰할 수 있는 상전류를 얻기 위해서는 유효전압벡터가 어떤 최소한의 시간동안 인가되어야 한다는 것이다.

일반적으로 최소한의 필요한 유효전압벡터의 시간은, 하기의 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식1]

여기서,

는 데드타임,

는 스위칭에 의해 생기는 DC Link 링깅(Ringing) 전류의 안정화 시간,

는 A/D 변환 시간이다.

여기서, 상기 단일전류센서를 이용하여 3상의 전류를 재구축하는 경우에 발생하는 문제점은, 도3과 도4에 도시된 바와같이, 신뢰할 만한 전류를 측정하기 위한 유효전류 측정시간이 작은 경우에 3상의 전류를 복원할 수 없다.

상기 도3은 하나의 유효전압 벡터만이 작은 경우를 보인도로서, 한상의 전류만이 측정 가능한데, 이러한 문제는 전동기 운전속도에 관계없이 나타날 수가 있 다.

상기 도4는 Low-Modulation 영역을 나타내고 있으며, 2개의 유효전압벡터(유효전류 측정시간)가 전류를 측정할 수 있는 시간(Tmin)보다 작으므로 어떠한 상전류도 측정이 불가능한데, 이러한 경우는 저속영역에서 나타나며 초기기동 시에는 반드시 발생한다.

따라서 단일전류센서를 이용한 전동기 운전에 있어서, 초기기동시 신뢰할 만한 전류를 측정할 수 없으므로 초기기동을 하지 못하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 오픈 루프제어 방식을 이용하였다.

이러한 오픈 루프 제어방식은, 모델식 혹은 실험적으로 만들어진 위치 데이터와 전압벡터 데이터로부터 롬 테이블을 작성한 다음, 이러한 데이터를 이용하여 전류 제어없이 일정속도까지 속도를 올린 후, 센서리스 운전으로 전환하는 방식이다.

따라서 초기 기동시 전류제어를 수행하지 않으므로, 전류측정이 불가능한 Low Modulation 영역을 피할 수 있었다.

즉, 상술한 단일전류센서를 이용한 PMSM의 초기기동에 관한 종래기술은 Open-Loop 방식을 이용하는 것으로, 이 방식은 임의로 정해진 데이터를 이용하여 신뢰성 있는 전류측정이 가능한 속도까지 올리는 것인데, 초기에 속도제어 및 전류제어에 관한 피이드백(Feedback) 제어를 하지 않으므로 초기부하 변동에 의해 기동실패 가능성이 많으며 과전류에 의하여 시스템 소자들이 파손될 가능성이 많다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 초기 기동시, 인버터 스위칭 주파수를 낮춤과 동시에, 속도에 따라 인버터 스위칭 주파수를 변경시킴으로써,3상 전류를 검출하기 위한 최적의 유효전압 벡터시간을 확보하여 초기 기동의 신뢰성을 향상시키도록 한 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인버터의 스위칭에 따른 운전주파수로 구동하는 PMSM에 있어서, 사용자가 설정한 속도범위에 따라, 인버터의 스위칭 주파수를 변경하여 설정하는 과정과; 속도오차에 대한 d축,q축 전류지령치를 연산하는 과정과; 상기 d축,q축 전류지령치를 이용하여, d축,q축 전압지령치를 연산하는 과정과; 상기 d축,q축 전압지령치를 이용하여, 제1,제2 유효전류 측정시간을 연산하는 과정과; 기동 여부에 따라, 상기 제1,제2 유효전류 측정시간을, 전류측정 한계시간과 비교하여 보상하는 과정과; 상기 보상된 제1,제2 유효전류 측정시간에 의해, 각 상에 인가되는 스위치온시간을 계산하고, 그 스위치 온시간에 의해 인버터 스위치 소자의 게이트 신호를 생성하는 과정을 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법이 적용되는 장치는 도1과 동일하다.

도5는 본 발명 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법에 대한 실시예의 동작 흐름도이다.

도5에 도시한 바와 같이 본 발명은, 사용자가 설정한 속도범위에 따라, 인버터의 스위칭 주파수를 변경하여 설정하는 과정과; 속도오차에 대한 d축,q축 전류지령치를 연산하는 과정과; 상기 d축,q축 전류지령치를 이용하여, d축,q축 전압지령치를 연산하는 과정과; 상기 d축,q축 전압지령치를 이용하여, 제1,제2 유효전류 측정시간을 연산하는 과정과; 기동여부에 따라, 상기 제1,제2 유효전류 측정시간을, 전류측정 한계시간과 비교하여 보상하는 과정과; 상기 보상된 제1,제2 유효전류 측정시간에 의해, 각 상에 인가되는 스위치 온시간을 계산하고, 그 스위치 온시간에 의해 인버터 스위치 소자의 게이트 신호를 생성하는 과정으로 이루어지며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 현재 모드가 초기 정렬 모드이지를 판단하여 그 판단결과 초기 정렬모드이면 스위칭 주파수를 제1 스위칭주파수(f0)변경한 다음, 전압지령치를 이용하여 제1,제2 유효전류 측정시간을 검출하는데, 이와같은 제1,제2 유효전류 측정시간 검출동작은 후술한다.

만약, 현재 모드가 초기 정렬모드가 아니면, 사용자가 설정한 속도범위에 따라, 인버터의 스위칭 주파수를 변경하여 설정한다.

즉, 초기정렬 후에 추정된 속도와 사용자가 정한 각속도 범위에 따라 스위칭 주파수를 설정하는데, 이는 신뢰성 있는 전류를 측정하기 위해 속도에 따라 스위칭 주파수를 변환하는 것이다.

그 다음, 속도 오차에 대한 d축,q축 전류지령치를 연산하는데, 즉 사용자가 희망하는 모터 지령속도를 기설정한 다음, 현재 모터 속도를 검출하여 그 검출된 모터속도를 상기 모터 지령속도와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 d축,q축 전류지령치를 연산한다.

이때, 현재 모터 속도가 상기 모터 지령속도보다 작으면, d축,q축 전류지령치를 증가시키고, 현재 모터 속도가 상기 모터 지령속도보다 크면, d축,q축 전류지령치를 감소시킨다.

그 다음, 상기 d축,q축 전류지령치를 이용하여, d축,q축 전압지령치를 연산한 다음, 그 d축,q축 전압지령치에 해당되는 제1,제2 유효전류 측정시간을 연산한다.

그 다음, 초기 기동 여부에 따라, 상기 제1,제2 유효전류 측정시간을, 전류측정 한계시간과 비교하여 보상한다.

즉, 제1 유효전류 측정시간이, 전류측정 한계시간보다 작으면 그 제1 유효전류 측정시간을 전류측정 한계시간으로 할당하고, 제2 유효전류 측정시간이, 전류측정 한계시간보다 작으면, 그 제2 유효전류 측정시간을 전류 측정 한계시간으로 할당함으로써 초기 기동 시에 100% 모든 영역에서 전류를 측정할 수가 있다.

이러한 방법은 전압벡터의 왜곡을 발생시킬 수가 있으나 스위칭 주파수가 낮아진 상태에서 그 전압오차는 매우 작아지므로 시스템 성능에 영향을 미치지 않는다.

또한, 상기 제1,제2 유효전류 측정시간의 합이 펄스폭변조신호 한 주기를 넘 지 않도록 리미트를 취한다.

그 다음, 상기 보상된 제1,제2 유효전류 측정시간에 의해, 각 상에 인가되는 스위치 온시간을 계산하고, 그 스위치 온시간에 의해 인버터 스위치 소자의 게이트 신호를 생성하여 초기 기동을 수행한다.

여기서, 상기 전류 측정 한계시간을 구하는 방법을, 도6을 참조하여 설명한다.

상기 도6은 전동기 속도와 전압벡터의 관계를 보인도로서, PMSM의 전동기 모델식은, 하기 수학식2와 같다.

[수학식2]

여기서, 상기 수학식2에서, 계산의 용이함을 위하여, 무부하, 정상상태에서 약계자 제어가 없다고 가정을 하면, 하기의 수학식3을 이용하여 PMSM전동기 모델식을 수학식4와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식3]

[수학식4]

즉, 상기 수학식4는 전동기의 속도가 증가함에 따라 전압은 증가함을 나타낸다.

도6은 속도와 전동기 전압과의 관계를 통한 Dead Zone 영역을 보인도이다..

즉, 초기기동시 저속영역에서는 전압값이 작으므로 제1,제2 유효전류 측정시간(T1,T2)의 값은 전류측정 한계시간(Tmin)보다 작은 경우가 빈번히 일어나게 되어서 신뢰성 있는 전류를 측정할 수 없게 되므로, 고정된 전류측정 한계시간(Tmin)에서 스위칭 주파수(1/Ts)를 낮추어 준다면 PWM 주기는 커지므로 똑같은 전압을 인가할 경우에 스위칭 주파수가 낮은 경우가 그렇지 못한 경우보다 T1,T2가 커지게 된다.

예를 들어, D축전압으로 10V를 인가해야 할 경우에, DC전압이 300V이고 스위칭 주파수가 4KHz에서는 제1 유효전류 측정시간 T1이 12.5(us)가 나오는 반면에, 모든 조건이 상기와 동일하고 스위칭 주파수를 1KHz인 경우에는, 제1 유효전류 측정시간(T1)이 50(us)가 나오게 된다.

따라서, 신뢰성 있는 전류를 측정하기 위한 전류측정 한계시간(Tmin)을 20(us)로 가정하면, 스위칭 주파수 4KHz에서는 전류를 측정할 수 없는 반면에, 스위칭 주파수 1KHz에서는 전류를 측정할 수 있다.

이와 같이 초기 기동시, 전류 측정이 가능한 범위를, 속도에 따라 스위칭 주파수를 하향 조절함으로써 전류 측정 가능범위를 넓힐 수 있다.

도7은 본 발명에 의한 PMSM의 센서리스 초기기동 전류 및 위치각의 파형도로서, 초기기동 시에 스위칭 주파수를 낮춤과 동시에 스위칭 주파수를 전동기 속도에 따라 서서히 증가시켜 모든 영역에서 전류를 검출하여 전동기의 정확한 위치를 계산함으로써 모든 부하범위에서 신뢰성 있는 초기기동을 수행함을 알 수 있다.

상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 초기 기동시, 인버터 스위칭 주파수를 낮춤과 동시에, 속도에 따라 인버터 스위칭 주파수를 변경시킴으로써,3상 전류를 검출하기 위한 최적의 유효전압 벡터시간을 확보하여 초기 기동의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 단일전류 센서를 이용하는 전동기에 있어서,

   사용자가 설정한 속도범위에 따라, 인버터의 스위칭 주파수를 변경하여 설정하는 과정과;

   속도오차에 대한 d축,q축 전류지령치를 연산하는 과정과;

   상기 d축,q축 전류지령치를 이용하여, d축,q축 전압지령치를 연산하는 과정과;

   상기 d축,q축 전압지령치를 이용하여, 제1,제2 유효전류 측정시간을 연산하는 과정과;

   기동여부에 따라, 상기 제1,제2 유효전류 측정시간을, 전류측정 한계시간과 비교하여 보상하는 과정과;

   상기 보상된 제1,제2 유효전류 측정시간에 의해, 각 상에 인가되는 스위치온시간을 계산하고, 그 스위치 온시간에 의해 인버터 스위치 소자의 게이트 신호를 생성하는 과정을 수행함을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.
2. 제1 항에 있어서, d축,q축 전류지령치를 연산하는 과정은,

   사용자가 희망하는 모터 지령속도를 기설정하는 단계와;

   현재 모터 속도를 검출하여 그 검출된 모터속도를 상기 모터 지령속도와 비 교하고, 그 비교결과에 근거하여 d축,q축 전류지령치를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.
3. 제2 항에 있어서, d축,q축 전류지령치를 연산하는 단계는,

   현재 모터 속도가 상기 모터 지령속도보다 작으면, d축,q축 전류지령치를 증가시키고, 현재 모터 속도가 상기 모터 지령속도보다 크면, d축,q축 전류지령치를 감소시키는 것을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.
4. 제1 항에 있어서,인버터의 스위칭 주파수를 변경하여 설정하는 과정은,

   초기 정렬을 위하여 스위칭주파수를 변경 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.
5. 제1 항에 있어서, 제1,제2 유효전류 측정시간을, 전류측정 한계시간보다 크거나 일치하도록 기설정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.
6. 제1 항에 있어서, 보상하는 과정은,

   제1 유효전류 측정시간이, 전류측정 한계시간보다 작으면 그 제1 유효전류 측정시간을 전류측정 한계시간으로 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.
7. 제1 항에 있어서, 보상하는 과정은,

   제2 유효전류 측정시간이, 전류측정 한계시간보다 작으면, 그 제2 유효전류 측정시간을 전류 측정 한계시간으로 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.
8. 제1 항에 있어서, 보상하는 과정은,

   제1,제2 유효전류 측정시간의 합이 펄스폭변조신호 한 주기를 넘지 않도록 리미트를 취하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일전류 센서를 이용한 PMSM의 초기 기동방법.

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