KR100725868B1 - 전동기의 최대 토크 제어 시스템 - Google Patents

전동기의 최대 토크 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동기의 전체 운전 영역에서 최대 토크를 발생시킬 수 있는 제어시스템을 제공하는 최대토크 제어시스템으로서, 상기 제어시스템의 출력토크를 최대로 하는 최적 기준전류를 이용하여, 최적의 자속성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00001
)를 출력하는 최대토크 제어기, 상기 최대토크 제어기에 입력되는 상기 전동기의 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00002
)를 측정하기 위한 속도측정기, 상기 전동기의 지령속도(
Figure 112005044022157-pat00003
)와 속도(
Figure 112005044022157-pat00004
)의 오차를 입력받아 토크성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00005
)를 출력하는 속도 제어기, 상기 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00006
)와 자속성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00007
)를 입력받아 상전압 지령치(
Figure 112005044022157-pat00008
)를 출력하는 전류제어기, 상기 상전압 지령치(
Figure 112005044022157-pat00009
)를 받아 상기 전동기를 구동하는 공간벡터 PWM 인버터를 포함한다.
최대 토크, 동기형 릴럭턴스 모터, 토크 영역

Description

전동기의 최대 토크 제어 시스템{Maximum Torque Controller for Motor}
도 1은 종래의 SynRM의 벡터 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 최대 토크 제어기에 의한 SynRM의 벡터 제어시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 일정 토크영역 또는 일정 출력영역에서 운전하여 기준전류를 생성하는 제어 시스템이다.
도 4는 전동기의 운전상태를 표시하는 그래프이다.
도 5는 속도변화에 의한 IRS의 응답특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 속도변화에 의한 최대토크 제어의 응답특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 속도에 대한 IRS의 응답특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 최대토크 제어의 응답특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 IRS와 최대토크 제어의 전체 전류를 비교하는 그래프이다.
도 10은 IRS와 최대토크 제어의 응답을 비교하는 그래프이다.
본 발명은 전동기 제어 시스템에 관한 것으로서, 특히 시스템의 출력 토크를 최대로 할 수 있는 최대 토크 제어 시스템에 관한 것이다.
전력 사용이 증가되고, 소비 전력의 상당 부분이 전동기에서 소비되고 있으므로, 전동기 성능 및 효율을 향상시키기 위한 많은 연구 개발이 진행되고 있다.
도 1은 종래의 동기형 릴럭턴스 모터(SynRM: Synchronous Reluctance Motor)의 벡터 제어시스템에 대한 구성도를 나타내었다. 도 1에서 종래의 SynRM 제어 시스템은 속도제어기(12), 전류제어기(13), 공간벡터 PWM 인버터(Surface Vector PWM Inverter)(14), 속도 측정기(15)로 구성되어 SynRM(11)의 구동을 제어한다.
도 1에서와 같이, 사용자가 원하는 SynRM(11)의 속도인 지령속도(
Figure 112005044022157-pat00010
)와, 속도측정기(15)로부터 측정된 SynRM(11)의 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00011
)와의 차이가 비교되어 속도제어기(12)에 입력된다. 속도제어기(12)는 이러한 차이에 대응하는 토크전류 지령치(
Figure 112005044022157-pat00012
)를 생성한다. 전류제어기(13)는 자속전류 지령치(
Figure 112005044022157-pat00013
)와 상기 토크전류 지령치(
Figure 112005044022157-pat00014
)를 입력받아서, 토크전압 지령치와 자속전압 지령치를 생성하고 이를 좌표변환하여 3상 전압(
Figure 112005044022157-pat00015
)으로 공간벡터 PWM 인버터(14)로 출력하고, 공간벡터 PWM 인버터(14)는 상기 3상 전압에 의해 직류전원을 교류전원으로 변환시켜 SynRM(11)에 공급한다.
종래부터 상기 속도제어기(12)로서 비례 적분(PI: Proportional Integral) 제어기가 많이 사용되고 있다. 그러나 PI 제어기는 SynRM(11)의 비선형성 때문에 과도 상태에서 양호한 성능을 기대하기 어렵다.
또한, 상기한 종래의 제어 시스템은 지령자속이 매우 크고 전류를 조절할 수 있는 전압이득을 충분히 유지할 수 없기 때문에, 시스템 성능 향상에 한계가 있다. 특히, 주어진 한계 조건에서 전동기의 최대 토크 능력을 기대하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전동기의 전체 운전 영역에서 최대 토크를 발생시킬 수 있는 제어시스템을 제공하는 것이다.
또한, 전동기의 광범위한 속도 영역에서 양호한 응답특성을 나타낼 수 있고, 파라미터 변동과 같은 시스템 변화에 강인성을 유지할 수 있는 제어시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 시스템의 출력 토크를 최대로 하는 최적 기준전류를 구하여 최대 토크를 발생시키는 최대 토크 제어기를 포함한다.
본 발명의 전동기의 최대토크 제어시스템은, 상기 제어시스템의 출력토크를 최대로 하는 최적 기준전류를 이용하여, 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00016
)와 상기 전동기의 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00017
)로부터 최적의 자속성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00018
)를 출력하는 최대토크 제어기, 상기 최대토크 제어기에 입력되는 상기 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00019
)를 측정하기 위한 속도측정기, 상기 전동기의 지령속도(
Figure 112005044022157-pat00020
)와 속도(
Figure 112005044022157-pat00021
)의 오차를 입력받아 토크성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00022
)를 출력하는 속도 제어기, 상기 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00023
)와 자속성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00024
)를 입력받아 상전압 지령치(
Figure 112005044022157-pat00025
)를 출력하는 전류제어기, 상기 상전압 지령치(
Figure 112005044022157-pat00026
)를 받아 상기 전동기를 구동하는 공간벡터 PWM 인버터를 포함한다.
상기 최대토크 제어기는 운전 속도에 따라 정격속도 이하에서는 일정 토크영역(CTR)으로 운전하고, 정격속도 이상에서는 일정 출력영역(CPR)으로 운전하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 본 실시예에서는 동기 릴럭턴스 모터(SynRM)를 일례로서 설명한다.
본 발명의 제어시스템은 최적의 기준전류를 이용하여 최대 토크를 제어하는 것으로서, 최적 제어를 위해 출력 토크를 최대로 하는 조합을 구한다. 즉, 전압과 전류의 제한 조건을 동시에 만족하고 전동기의 최대 토크를 발생하는 최적의 기준 전류를 구한다.
먼저, 철손을 고려하지 않은 경우의 SynRM의 토크(
Figure 112005044022157-pat00027
)는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005044022157-pat00028
(1)
여기서, d축은 인턱턴스가 최대가 되는 위치이고, q축은 전기각 90°에 위치하고 인덕턴스가 최소인 위치이다. 또한, P는 자극수,
Figure 112005044022157-pat00029
및
Figure 112005044022157-pat00030
는 각각 d축 및 q축 인덕턴스,
Figure 112005044022157-pat00031
및
Figure 112005044022157-pat00032
는 철손을 고려하지 않은 d축 전류 및 q축 전류를 나타낸다.
식 (1)을 다시 정리하면 다음과 같이 함수 F로 나타낼 수 있다.
Figure 112005044022157-pat00033
(2)
여기서
Figure 112005044022157-pat00034
이다.
상기 함수 F를 최대로 하는 기준전류를 구하면 최대 토크를 발생하는 최적의 기준전류를 구할 수 있다. 즉,
Figure 112005044022157-pat00035
을 수행하여 최적의 기준전류
Figure 112005044022157-pat00036
를 구하고 이를 전류제어기의 입력으로 한다.
상기한 바로부터, 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00037
)와 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00038
)를 입력받아 자속성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00039
)를 출력하는 최대토크 제어기를 구현할 수 있다.
도 2에 이러한 최대 토크 제어기를 이용한 SynRM의 벡터 제어시스템을 나타내었다.
도 2의 최대 토크 제어시스템은 상기 SynRM(11)으로부터 최대토크 제어기(16)에 입력되는 SynRM(11)의 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00040
)를 도출하기 위한 속도측정기(15), 지령속도(
Figure 112005044022157-pat00041
)와 속도(
Figure 112005044022157-pat00042
)의 오차를 입력으로 받아 속도제어에 필요한 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00043
)를 출력하는 속도 제어기(12), 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00044
)와 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00045
)를 입력받아 자속성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00046
)를 출력하는 최대토크 제어기(16), 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00047
)와 자속성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00048
)를 입력받아 상전압 지령치(
Figure 112005044022157-pat00049
)을 출력하는 전류제어기(13), 상기 상전압 지령치(
Figure 112005044022157-pat00050
)를 받아 SynRM(11)을 구동하는 공간벡터 PWM 인버터(14)를 포함한다.
상기한 최대토크 제어기(16)는 SynRM(11)의 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00051
)와 속도 제어기(12)의 출력인 토크성분의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00052
)를 입력받아 자속성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00053
)를 출력한다. 토크성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00054
)는 자속성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00055
)와 함께 전류제어기(13)에 인가된다. 그러면 이 전류제어기(13)는 토크성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00056
)와 자속성분 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00057
)를 사용하여 상전압 지령치(
Figure 112005044022157-pat00058
)를 출력한다. 출력된 상전압 지령치 (
Figure 112005044022157-pat00059
)는 공간벡터 PWM 인버터(14)로 SynRM(11)을 구동하게 된다.
한편, 전동기의 운전 상태에 따라 최적 전류를 이용하여 최대 토크를 발생시킬 수도 있다.
도 3에, 정격속도 이하에서는 일정 토크영역(CTR: Constant Torque Region)으로 운전하고 정격속도 이상에서는 일정 출력영역(CPR: Constant Power Region)으로 운전하여 기준전류를 생성하는 제어 시스템을 나타내었으며, 도 4에는 전동기의 운전상태를 표시하는 그래프를 나타내었다.
도 3 및 도 4에서, 일정 토크 영역은 속도가 정격인 1.0[pu: per unit]에서는 일정 토크 운전(일정
Figure 112005044022157-pat00060
)을 하는 모드 I 영역이며, 일정 출력 영역은 전압과 전류가 일정하여 출력이 일정하게 되는 모드 II 영역이다.
전동기의 벡터 제어에서,
Figure 112005044022157-pat00061
는
Figure 112005044022157-pat00062
와 비례하기 때문에
Figure 112005044022157-pat00063
를 구해서
Figure 112005044022157-pat00064
를 계산할 수 있다. 즉, 도 3의 제어 시스템은 일정 토크 운전과 일정 속도 운전을 위해 스위치가 삽입된 것이다.
도 3에 나타낸 제어 시스템에서는, 지령속도()와 SynRM(11)의 실제속도(
Figure 112005044022157-pat00066
)를 비교하여 속도 오차를 속도 제어기(12)의 입력으로 사용하고 기준 정격토크(
Figure 112005044022157-pat00067
)를 출력하며, 정격속도 이하에서는 일정 토크 영역(CTR)으로 운전하고 정격속도 이상에서는 일정 출력 영역(CPR)으로 운전하여, 발생된 지령토크(
Figure 112005044022157-pat00068
)를 최대토크 제어기(2)에 입력하여 자속성분의 기준전류(
Figure 112005044022157-pat00069
)와 토크성분의 기준전류(
Figure 112005044022157-pat00070
)를 출력한다.
이와 같이 본 발명에 따른 최대토크 제어기는 최적의 지령전류(
Figure 112005044022157-pat00071
)를 계산함으로써 최대토크 제어를 실행할 수 있다.
도 5 ~ 도 11에서 종래의 제어시스템과 본 발명에 따른 최대 토크 제어시스템의 성능을 비교하였다.
도 5는 팬 부하를 인가시켰을 때, 0.5초 후에 1200rpm, 1.5초 후에 3600rpm으로 지령속도를 변화시켰을 때의 종래의 IRS(Inverse of Rotor Speed)의 응답특성을 나타낸다. 도 5(a)는 지령속도와 실제속도를 나타내고 도 5(b)는 지령속도와 추정속도를 나타낸다. 이로부터 추정속도가 실제속도에 양호하게 추종하고 있음을 알 수 있다.
도 5(c)는 지령
Figure 112005044022157-pat00072
축 전류와 실제
Figure 112005044022157-pat00073
축 전류를 나타내고, 도 5(d)는 지령
Figure 112005044022157-pat00074
축 전류와 실제
Figure 112005044022157-pat00075
축 전류를 나타낸다. 약계자 영역에서 자속분 전류인
Figure 112005044022157-pat00076
축 전류는 감소되고 일정전력을 발생시키기 위하여 q축 전류는 증가되고 있다. 도 5(e)는 발생토크를 나타내고 도 5(f)는 자속을 나타낸다.
도 6은 도 5와 같은 조건에서 최대토크 제어의 응답특성을 나타낸다. 속도, 토크 및 자속의 응답특성은 IRS와 거의 유사하게 나타나고 있다. 그러나 도 6(c)와 도 6(d)의
Figure 112005044022157-pat00077
축 전류는 전류 제한 범위에서 최대토크 제어의 위상각을 만족하는 전류가 발생되므로
Figure 112005044022157-pat00078
축 전류와
Figure 112005044022157-pat00079
축 전류가 감소되고 있다. 이는 최대토크 제어에서 전류의 감소에 따라 토크가 증가하고 있는 현상을 나타내고 있다. 따라서 속도 변화에서도 최대토크 제어가 양호하게 수행됨을 알 수 있다.
도 5와 6(a) 및 6(b)에서 인공 신경회로망에 의한 추정속도
Figure 112005044022157-pat00080
는 실제속도
Figure 112005044022157-pat00081
에 양호하게 추종하고 있다.
도 7은 속도에 대한 IRS의 응답 특성을 나타낸다. 도 7(a)는 토크와 전력, 도 7(b)는 전체 전압과 전류, 자속의 변화를 나타낸다. 일정 출력영역에서 전력은 일정하게 유지되고, 속도가 증가하면 역기전력의 증가하므로 전력이 감소되며 토크와 자속은 감소된다. 전체 전류는 일정하지만 속도가 증가하면 감소되고, 전압은 일정하게 유지된다.
도 8은 속도에 대한 최대토크 제어의 응답특성 나타낸다. IRS와 비교하여 전체 전류를 제외한 다른 응답특성은 거의 유사하게 나타난다. 전체 전류의 감소는 최대토크 제어에서 상대적으로 토크가 증가하는 현상을 나타낸다.
도 9에서 약계자 영역에서 최대토크 제어의 전체 전류가 IRS 보다 작은 값으로 나타나므로 최대토크 제어의 효과가 나타난다.
도 10은 약계자 영역에서 최대토크 제어와 IRS의 단위 전류당 토크와 자속의 비교를 나타낸다. 도 10(a)는 단위 전류당 토크를 비교한 결과를 나타내며, 본 발명에 따른 최대토크 제어가 종래의 IRS 보다 토크가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 도 10(b)는 단위 전류당 자속을 비교한 결과이며 최대토크 제어가 종래의 IRS 보다 자속이 크게 나타난다. 따라서 최대토크 제어의 응답특성이 양호하며 단위 전류당 최대토크도 크게 나타남을 알 수 있다.
상기 설명한 실시예에서는 SynRM를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명의 효율 최적화 제어시스템은 다른 유형의 전동기에도 쉽게 적용할 수 있다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지 않는 것으로 해석되어야 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 최대토크 제어기는 시스템의 출력토크를 최대로 하는 최적의 기준전류를 이용함으로써, 기존의 벡터 제어시스템과 비교하여 양호한 응답특성을 나타낼 수 있다. 또한 수렴속도를 빠르게 계산하고 최적의 지령전류값을 구할 수 있다.
또한 본 발명의 제어 시스템에서는 상기한 최대토크 제어기를 사용함으로써, 전동기 시스템의 광범위한 속도영역에 적절하게 대응할 수 있고, 파라미터 변동과 같은 시스템 변화에 강인성과 고성능을 유지할 수 있다. 따라서 전동기를 사용하는 기기의 효율을 높여 에너지를 절감할 수 있다.

Claims (3)

  1. 전동기의 최대토크 제어시스템에 있어서,
    상기 제어시스템의 출력토크를 최대로 하는 최적 기준전류를 이용하여, 토크성분의 지령전류(
    Figure 112007015006339-pat00103
    )와 상기 전동기의 실제속도(
    Figure 112007015006339-pat00104
    )로부터 최적의 자속성분 지령전류(
    Figure 112007015006339-pat00105
    )를 출력하는 최대토크 제어기,
    상기 최대토크 제어기에 입력되는 상기 실제속도(
    Figure 112007015006339-pat00106
    )를 측정하기 위한 속도측정기,
    상기 전동기의 지령속도(
    Figure 112007015006339-pat00107
    )와 상기 실제속도(
    Figure 112007015006339-pat00108
    )의 오차를 입력받아 토크성분 지령전류(
    Figure 112007015006339-pat00109
    )를 출력하는 속도 제어기,
    상기 토크성분의 지령전류(
    Figure 112007015006339-pat00110
    )와 자속성분의 지령전류(
    Figure 112007015006339-pat00111
    )를 입력받아 상전압 지령치(
    Figure 112007015006339-pat00112
    )를 출력하는 전류제어기,
    상기 상전압 지령치(
    Figure 112007015006339-pat00113
    )를 받아 상기 전동기를 구동하는 공간벡터 PWM 인버터를 포함하며,
    상기 최대토크 제어기에서 출력 토크를 최대로 하는 최적 기준전류는 아래의 함수 F를 최대로 하는 값으로 구해지는 것을 특징으로 하는 최대 토크 제어시스템.
    Figure 112007015006339-pat00114
    여기서,
    Figure 112007015006339-pat00115
    ,
    Figure 112007015006339-pat00116
    는 토크, d축은 인턱턴스가 최대가 되는 위치, q축은 전기각 90°에 위치하고 인덕턴스가 최소인 위치, P는 자극수,
    Figure 112007015006339-pat00117
    및
    Figure 112007015006339-pat00118
    는 각각 d축 및 q축 인덕턴스,
    Figure 112007015006339-pat00119
    및
    Figure 112007015006339-pat00120
    는 철손을 고려하지 않은 d축 전류 및 q축 전류임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전동기는 동기 릴럭턴스 전동기인 것을 특징으로 하는 최대 토크 제어시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 최대토크 제어기는 운전 속도에 따라 정격속도 이하에서는 일정 토크영역(CTR)으로 운전하고, 정격속도 이상에서는 일정 출력영역(CPR)으로 운전하는 것을 특징으로 하는 최대 토크 제어시스템.
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전기자동차 구동을 위한 IPMSM의 최대 토크제어(전력전자학회논문지, 제8권3호, pp221-229, 2003)

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