KR100738571B1 - Ｃａｎ 통신 인터럽트를 이용한 ｈ－브릿지 멀티레벨인버터시스템 - Google Patents

Ｃａｎ 통신 인터럽트를 이용한 ｈ－브릿지 멀티레벨인버터시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파워셀 제어기의 CAN 리시브 인터럽트를 이용하여 각각의 파워셀 PWM을 동기화하고 셀제어기의 내부 타이머를 이용하여 PWM 위상을 시프트 시킴으로써 광케이블을 이용한 CAN 통신라인 만으로 파워셀의 PWM 동작과 기타 정보교환의 안정성을 확보할 수 있도록 한 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템은, 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주제어기와, 상기 주제어기의 제어신호인 전압지령값, 운전신호 및 보호신호를 CAN 통신에 의해 전달하는 광케이블과, 상기 광케이블을 통해 수신된 전압지령값, 운전신호 및 보호신호에 동기하여 파워셀을 동작시키는 셀제어기로 구성된 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에 있어서, 상기 셀제어기는, CAN 수신 인터럽트를 이용하여 각각의 파워셀 PWM을 동기화하고 내부 타이머를 이용하여 PWM 위상을 시프트시켜 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행한다.
H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템, CAN 통신, 수신 인터럽트, PWM, 셀제어기

Description

ＣＡＮ 통신 인터럽트를 이용한 Ｈ－브릿지 멀티레벨 인버터 시스템{Cascaded H-bridge Inverter System Using CAN Communication Interrupt}
도 1은 종래 분산제어 방식의 PWM 데이터 송신의 예를 도시한 도면.
도 2는 3레이어 9개 파워셀로 구성된 3300V 1MVA H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 구성도.
도 3은 3레이어 9개 파워셀로 구성된 H-브릿지 인버터 시스템의 전력회로 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 구성도.
도 5는 도 4의 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 셀제어기 및 주제어기 구성도.
도 6은 도 4의 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 광케이블과 CAN 통신을 이용한 파워셀 PWM 동기화 및 위상제어를 설명하기 위한 블럭 구성도.
도 7은 CAN 통신 인터럽트를 이용한 3레이어 H-브릿지 인버터의 PWM 개념도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 주제어기 20 : 셀제어기
30 : 광케이블 40 : 파워셀
42 : 바이패스 스위치
본 발명은 CAN 통신 인터럽트(Interrupt)를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파워셀의 PWM 동작과 기타 정보교환을 위해 광케이블을 이용한 CAN 통신라인 만으로 구성된 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 파워 토폴로지(Power Topology)를 H-브릿지(H-Bridge) 멀티레벨 인버터로 구성할 경우 제어기는 두 가지 방식으로 구성할 수 있다.
첫 번째는 집중제어 방식이다. 이 방식은 각 인버터 셀(Cell)에는 게이팅 앰프(Gating Amp)와 일부 보호회로 만이 내장되고, 모든 제어회로와 제어동작을 주제어기(Master Controller)에서 수행하게 된다.
이러한 집중제어 방식의 장점은 전체 시스템의 제어와 감시를 집중해서 하므로 일괄 제어가 간편해지고, 데이터 처리나 시퀀스 처리 등이 간단해 진다. 반면에 주제어기의 부담이 커지고 주제어기에서 게이팅 신호를 보내야 하므로 최소 4개 이상의 신호선, 즉 신뢰성과 절연을 고려하여 광케이블 등이 연결되어야 하므로 전체 신호선의 갯수가 많아지는 부담이 있다.
두 번째 방법은 분산제어 방식이다. 이 방식은 각각의 셀 마다 보조제어기가 설치되어 게이팅 신호를 만들어 내거나 셀 단위의 보호동작을 수행한다.
이러한 분산제어 방식의 장점은 셀과 주제어기 사이에는 전압/전류 기준값, 고장신호 등의 데이터 교환만 이루어지면 되므로 신호선이 간단해 지고 주제어기의 부담이 줄어든다. 또한, 셀 단위의 보호동작이 용이하므로 전체 시스템의 신뢰성을 높일 수 있으며, 모듈화 라는 면에 있어서 유리한 구조이다.
종래에 사용되어 온 분산제어 방식에 대하여 자세히 살펴보면, 콘솔(Console)로부터 원하는 제어 지령치를 제어기에 장착되어 있는 RS-232C 직렬통신으로 받고, 이를 셀제어기(Cell Controller)로 보내기 위하여 통신 프레임(Frame)으로 구성을 한 후에 EPLD 내의 단상 펄스폭변조(PWM: Pulse Width Modulation; 이하, PWM이라 한다.) 로직을 사용하여 정의된 듀티 사이클(Duty Cycle)로 변환하여 이를 광커넥터를 통하여 셀제어기로 전송한다.
도 1은 종래 분산제어 방식의 PWM 데이터 송신의 예를 도시한 도면이다.
상술한 바와 같은 종래의 분산제어는 기동명령이 지시되면 마스터 제어기에서 지시된 커맨드에 맞도록 도 1 및 아래 [표 1]에 도시된 바와 같이 Start, Theta, Frequency_ref, Vac_ref, State, Spare 정보의 프레임을 만든 후에 이에 해당하는 PWM 듀티 사이클로 로컬 제어기(Local Controller)로 광전송을 수행한다. 이때, PWM 듀티는 10% 보다 적거나 90% 보다 클 경우 오류처리 된다.
해당 데이터(Data)에 대한 환산치는 [표 1]과 같고, 그 값들에 대한 프레임은 도 1과 같다.
항 목 하 한 치 상 한 치 범 위 환 산 값
Start 20 80 0 ∼ 100 0, 1
Theta 20 80 0 ∼ 100 0 ∼ 2π
Frequency_ref 20 80 0 ∼ 100 0 ∼ 400V
Vac_ref 20 80 0 ∼ 100 0 ∼ 100㎐
State 20 80 0 ∼ 100 0, 1
Spare 20 80 0 ∼ 100
그러나, 상기와 같은 분산제어 방식을 적용할 경우 즉, 파워셀(Power Cell)의 PWM을 제어하기 위해 양방향 통신방식이 아닌 PWM 형태의 정보를 상위 제어기에서 셀제어기로 전송하는 방법은 주제어기와 셀제어기에 PWM 발생과 수신을 위해 부가적인 하드웨어가 필요하며 양방향 통신이 어렵고, 송수신 정보가 많을 경우 제품의 신뢰성을 저하시키며 주제어기와 셀제어기 사이에 운전 및 상태정보 교환을 위해 PWM을 위한 신호선 외에 별도의 신호선이 필요한 문제점이 있다.
이에, 본 발명의 목적은 파워셀 제어기의 CAN 리시브 인터럽트를 이용하여 각각의 파워셀 PWM을 동기화하고 셀제어기의 내부 타이머를 이용하여 PWM 위상을 시프트 시킴으로써 광케이블을 이용한 CAN 통신라인 만으로 파워셀의 PWM 동작과 기타 정보교환의 안정성을 확보할 수 있도록 한 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템은, 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주제어기와, 상기 주제어기의 제어신호인 전압지령값, 운전신호 및 보호신호를 CAN 통신에 의해 전달하는 광케이블과, 상기 광케이블을 통해 수신된 전압지령값, 운전신호 및 보호신호에 동기하여 파워셀을 동작시키는 셀제어기로 구성된 H-브릿지 멀 티레벨 인버터 시스템에 있어서, 상기 셀제어기는, CAN 수신 인터럽트를 이용하여 각각의 파워셀 PWM을 동기화하고 내부 타이머를 이용하여 PWM 위상을 시프트시켜 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 3레이어 9개 파워셀로 구성된 3300V 1MVA H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 구성도이다.
본 발명에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 각 상이 직렬 접속된 여러 개의 셀(Cell)로 구성된다.
상기 각 셀은 독립된 단상 인버터 구조이며, 여러 개의 셀이 직렬로 연결됨으로써 저전압 셀, 즉 저전압 전력용 반도체를 사용하여 고전압을 얻을 수 있고, 또한, 상기 셀의 수에 따라 출력 전압 레벨의 수가 증가하여 정현파에 가까운 전압 파형을 얻을 수 있다.
그리고, 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템은 전원 계통과 연결된 입력부가 2차측이 지그재그 또는 확장 델타 결선방법의 여러 개의 탭을 갖는 변압기로 연결된다.
상기 입력측 변압기는 두 가지의 용도로 사용되는데, 첫번째 용도는 H-브릿지 인버터의 각 셀에 독립된 전원을 공급하기 위함이고, 두번째 용도는 2차측 탭 간에 위상차를 두어 멀티-펄스(Multi-Pulse) 방식의 정류기형 컨버터를 구성함으로써 기존의 6-펄스 정류 방식에 비하여 아주 낮은 입력단 THD(Total Harmonic Distortion)를 얻기 위함이다. 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 최종 출력 전압은 셀 수를 조정함으로써 대응이 가능하다.
도 3은 3레이어 9개 파워셀로 구성된 H-브릿지 인버터 시스템의 전력회로 개념도이다.
또한, 본 발명에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 3,300V 출력을 내기 위한 파워셀(Power Cell)로 구성된다. 상기 인버터 시스템은 출력 선간전압 3,300V을 위해 상전압은 1,905V이고, 저가형 IGBT를 이용한 파워셀을 고려하여 635V 파워셀을 상당 3개씩 연결함으로써 9개 구성으로 출력 3,300V를 만든다.
도 4는 본 발명에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 구성도이고, 도 5는 도 4의 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 셀제어기 및 주제어기 구성도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 각 파워셀(40)은 입력이 3상 다이오드 정류기이고, 출력은 IGBT로 구성된 단상 PWM 인버터이다. 그리고, 각 셀의 출력을 바이패스(Bypass)시킬 수 있는 보조 스위치(42)를 장착함으로써 고장시 고장 수리기간 동안 시스템이 정지하지 않고 출력 전압 만을 낮추어 운전될 수 있도록 하는 것이 가능하다.
상기 파워셀(40)은 각 셀마다 셀제어기(Cell Controller)(20)가 있으며, 주제어기(Master Controller)(10)와 CAN 통신에 의해 PWM을 포함한 데이터를 교환할 수 있도록 신뢰성과 절연을 고려한 2가닥의 광케이블(30)이 구비된다.
상기 주제어기(10)는 도 5에 도시된 바와 같이 전동기 속도와 인버터 출력 전류를 받아들여 전동기 속도 및 전류제어를 수행한다. 그리고, 상기 전류제어기의 출력인 3상의 전압 기준값을 각 상별로 동기를 맞추어서 광케이블(30)을 이용한 CAN 통신을 통하여 셀제어기(20)로 데이터를 송신한다.
상기 셀제어기(20)는 도 5에 도시된 바와 같이 CAN 통신 기능이 내장된 원칩(One-Chip) DSP로 구성된다. 키패드(Key-Pad)와 디스플레이 장치를 이용하여 셀의 위치정보 및 이상 유무를 입력 및 확인할 수 있으며, CAN을 이용한 직렬통신을 통해 전압 기준값을 주제어기(10)로부터 받아서 게이팅 신호를 발생하여 파워셀(40)을 구동시킨다. 또한, 시스템 보호 및 PWM 제어를 위해 파워셀(40)의 DC 링크(Link) 전압을 센싱하며, 파워셀(40) 고장시 바이패스 스위치(42)를 동작시켜 파워셀 고장시에도 시스템이 정지하고 않고 운전될 수 있도록 한다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 도 4의 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 광케이블과 CAN 통신을 이용한 파워셀 PWM 동기화 및 위상제어를 설명하기 위한 블럭 구성도이다.
이하, 본 발명에 따른 광케이블과 CAN 통신을 이용한 파워셀 PWM 동기화 및 위상제어 방법은 3레이어 9개로 구성된 H-브릿지 멀티레벨 인버터에 적용된 경우를 실시예로 하여 설명한다. 도 6은 상기 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템의 주제어기(10), CAN 통신에 의한 광케이블(30), 셀제어기(20) 및 파워셀(40)의 구성 및 기능을 각각 나타낸다.
도 6을 참조하여 설명하면, 먼저, 전압 지령치 Va*, Vb*, Vc*는 동시에 CAN 통신을 이용해 주제어기(10)에서 셀제어기(20)로 전달된다.
상기 셀제어기(20)는 CAN 통신의 수신 인터럽트 신호에 동기하여 PWM 발생을 위한 내부 타이머(Timer)를 초기화시킨다. 그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 셀제어기(20) 각 상의 1레이어는 위상지연이 없고, 2레이어는 샘플링 주기의 1/3, 3레이어는 샘플링 주기의 2/3 만큼 내부 타이머를 이용하여 위상 지연을 수행한다.
도 7은 CAN 통신 인터럽트를 이용한 3레이어 H-브릿지 인버터의 PWM 개념도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 단상 인버터로 구성된 파워셀(40)의 폴전압 및 게이팅 인가시간 사이의 관계를 도시한 것으로, 게이팅 인가시간은 도 7과 같이 단상 인버터 출력을 직렬로 구성함으로써 간단하게 구현된다.
PWM 방법은 1-레이어 H-브릿지 인버터일 때와 동일하고 샘플링 주기 Ts에 대하여 일정량을 이동하여 게이팅 시간을 인가한다. 일반적으로 n개의 레이어가 존재할 경우에는 Ts/n 만큼 이동하여 게이팅 시간을 인가한다.
즉, 각 레이어의 셀제어기는 CAN 수신 인터럽트를 기준으로 위상 시프트(Shift)의 기준 시점을 정하고, 첫 번째 레이어에서는 위상 시프트 없이 PWM을 만들고, 두 번째 레이어부터 제어기 내부 타이머를 이용하여 시프트 양을 제어한다.
따라서, 본 발명에 따른 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템은, 파워셀 제어기의 CAN 수신 인터럽트를 이용하여 각각의 파워셀 PWM을 동기화하고 셀제어기의 내부 타이머를 이용하여 PWM 위상을 시프트 시킴으로써 안정성이 확보된 통신방법을 PWM 인터럽트에 적용하여 제품의 신뢰성을 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에 대한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 산업체에서 안정성이 확보된 통신방법을 PWM 인터럽트에 적용함으로써 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 별도의 통신선로를 추가하지 않고 PWM 인터럽트에 사용된 CAN 통신 선로를 이용하여 셀제어기와 상위 제어기 사이에 양방향 통신을 가능하게 함으로써 전체 신호선의 갯수가 많아지는 부담을 줄일 수 있는 잇점이 있다.

Claims (2)

  1. 전동기 속도 및 전류 제어를 담당하는 주제어기(Master Controller)와, 상기 주제어기의 제어신호인 전압지령값, 운전신호 및 보호신호를 CAN 통신에 의해 전달하는 광케이블과, 상기 광케이블을 통해 수신된 전압지령값, 운전신호 및 보호신호에 동기하여 파워셀(Power Cell)을 동작시키는 셀제어기(Cell Controller)로 구성된 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템에 있어서,
    상기 셀제어기는, CAN 수신 인터럽트(Interrupt)를 이용하여 각각의 파워셀 PWM을 동기화하고 내부 타이머를 이용하여 PWM 위상을 시프트(Shift)시켜 PWM 전압제어 및 위상제어를 수행함을 특징으로 하는 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 셀제어기는,
    상기 CAN 수신 인터럽트를 기준으로 위상 시프트(Shift)의 기준 시점을 정하고, 첫 번째 레이어에서는 위상 시프트 없이 PWM을 만들고, 두 번째 레이어부터 제어기 내부 타이머를 이용하여 시프트 양을 제어함을 특징으로 하는 CAN 통신 인터럽트를 이용한 H-브릿지 멀티레벨 인버터 시스템.
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