KR100758735B1 - 영구자석 모터 드라이브를 위한 효율 최적화 제어 - Google Patents

Abstract

PMSM 드라이브 시스템에서 효율 개선을 위해 추정 회전자 각도를 변경하는 방법 및 시스템이 개시된다. 모듈이 구동 명령, 토크 명령 및 추정 속도를 모니터링하고, 이에 응답하여, 상기 추정 회전자 각도를 변경하기 위한 출력 보정 각도를 생성한다. 상기 출력 보정 각도가 상기 추정 회전자 각도에 부가되며, 상기 구동 명령, 토크 명령 및 속도의 소정 조건들에 대해서만 생성된다. 특히, 상기 출력 보정 각도는, (1) 상기 구동 명령이 표명된 때, (2) 상기 토크 명령이 임의의 레벨보다 큰 때 및 (3) 상기 속도에서의 변동이 소정 제한 내에 있을 때 생성된다.

모터 드라이브, 회전자 각도, 효율 개선, 토크 명령

Description

영구자석 모터 드라이브를 위한 효율 최적화 제어{EFFICIENCY OPTIMIZATION CONTROL FOR PERMANENT MAGNET MOTOR DRIVE}

본 발명은 모터 드라이브에 관한 것으로, 보다 특별하게는 큰 효율의 개선된 회전자 각도 추정을 갖는 모터 드라이브에 관한 것이다.

대부분의 저가 모터 드라이브 시스템들은 무엔코더(무센서) 제어 기술을 이용하고 있다. 회전자 각도는 예컨대 모터의 모델 또는 모터의 역기전력(Back emf) 센싱에 근거하여 추정된다. 모터 효율 및 암페어당 토크 성능은 만일 영구자석 동기 모터(PMSM)를 제어하는데 있어 부정확한 회전자 각도가 이용되는 경우 크게 저하될 수 있다. 회전자 각도 추정의 에러는 추정기(각도) 파라미터 혹은 모터 역기전력 피드백 센싱에서의 부정확성 때문에 야기된다.

도 2는 정격 전류 및 속도로 동작하는 표면 실장 영구자석 모터에 있어서의 모터 출력 파워 대 회전자 각도 에러를 도시하는 그래프 도이다. 도 2에 보여진 바와 같이, 출력 파워는 회전자 각도 에러가 최소일 때 최대로 된다.

배경기술로서의 공지된 최적화 방식이 F. Abrahamsen 등이 IEEE/IAS Transactions on Industry Applications, Vol. 37, No. 6 (Nov/Dec 2001)에 발표한 논문 제목 "Efficiency-Optimized Control of Medium-Size Induction Motor Drives,"에 기술되어 있다. 관련 논문인 "Energy Optimal Control of Induction Motor Drives," Inst. Of EnergyTechnology, Aalborg University (Feb. 2000)에서, F. Abrahamsen은 펄스폭 변조 전압원 인버터들을 구비하는 모터 드라이브를 포함하는, 가변 속도에서 유도 모터들을 구동하기 위한 여러 가지 측정들을 제시하고 있다. 상기 논문들은 참고문헌으로서 여기에 인용하는 것이다.

3-상 모터 드라이브용 인버터들이 본 기술분야에 잘 알려져 있다. 전형적으로, DC 버스는 AC 모터의 서로 다른 위상으로 스위칭 전력을 공급한다. 이와 같은 타입의 모터 제어에서, 모터의 높은 성능 제어를 위해서는 예컨대 전류 피드백 방식으로 회전자 각도를 정확히 추정하는 것이 바람직하다.

배경기술로서의 회전자 각도 추정 방식이 본원 발명자에 의해 출원된 미국특허출원번호 10/294,201(2002.11.4) 및 60/465,890(2003,4,25)에 기술되어 있는바, 이들 출원은 참고문헌으로서 여기에 인용하는 것이다.

본 발명은 효율 최적화 제어 알고리즘 및 이 알고리즘을 이용하는 제어 시스템에 관한 것으로서, 벡터 제어 영구자석 AC 모터 드라이브에 적용되어 모터 효율을 향상시킬 수 있다. 이 효율 최적화 알고리즘 및 시스템은 토크 명령이 지속적인 상태 조건하에서 그의 최소 값에 도달할 때까지 추정 회전자 각도를 계속해서 변경시킨다.

본 발명의 일 양상에 따르면, PMSM 드라이브 시스템에서 효율 개선을 위해 추정 회전자 각도를 변경하는 시스템 및 방법은 구동 명령, 토크 명령 및 추정 속도를 모니터링하는 단계와; 그리고 이에 응답하여, 상기 추정 회전자 각도를 변경하는 출력 보정 각도를 생성하는 단계를 포함한다. 이 출력 보정 각도는 상기 구동명령, 토크 명령 및 속도의 소정 조건들에 대해서만 생성된다. 특히, 이 출력 보정각도는 (1) 구동 명령이 표명(assert)되었을 때와, (2) 토크 명령이 소정 레벨보다 클 때, 및 (3) 속도 변동이 소정 제한 내에 있을 때 생성된다.

본 발명의 기타 특징 및 장점들이 첨부도면을 참조로 한 본원의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.

도 1은 본 발명을 이용하는 벡터 제어 모터 드라이브의 블럭선도이다.

도 2는 PMSM을 위한 모터 출력 파워 대 회전자 각도 에러를 표시하는 그래프도이다.

도 3은 효율 최적화 제어기의 블럭선도이다.

도 4는 효율 제어 알고리즘의 시뮬레이션 실행을 도시하는 일련의 그래프도이다.

도 1은 벡터 제어 시스템(10)에서 효율 제어 알고리즘 모듈(20)의 구성을 도시하는 블럭선도이다.

도 3은 효율 최적화 제어 모듈을 보다 상세히 도시한다. 효율 최적화 온/오프 제어(25)가 드라이브 구동 명령, 추정 모터 속도 및 토크 명령을 모니터링한다. 만일 (1) 구동 명령이 표명되고, (2) 속도 변경 (속도 편차)이 임의의 범위 내에서 머므르고, 그리고 (3) 모터 전류(토크 명령)가 임의의 레벨보다 크면, 스위치(SW1)가 작동된다. 출력 보정 각도(D-ANG)는 만일 상기 3개의 조건 중 어느 하나라도 만족되지 못하면 제로(0)로 방전(10초)된다.

토크 차이 블럭(30)은 평균(필터링된 10 rad/sec) 토크 명령에서 (현재 샘플과 이전 샘플간의) 차이를 계산한다. 서치 제어 블럭(35)은 D_Trq의 부호에 근거하여 스위치(SW2)의 상태를 결정한다. 만일 토크의 차이(D_Trq)가 제로와 같거나 이보다 크면, 스위치(SW2)는 상태를 스위칭하며, 그렇치 않은 경우 스위치(SW2)는 이전 상태로 유지(어떠한 동작도 취하지 않음)되게 될 것이다.

이득(K1)은 제어기 응답을 조정하는데 이용되며, 상수(A)는 최소 토크 레벨을 서치하기위한 여기 테스트 신호를 제공한다.

파워 대 각도 에러의 특성은 오프라인으로 예측될 수 있다. 이후, K1 및 A는 파워 (토크) 감도 대 회전자 각도 에러에 근거하여 계산될 수 있다.

도 4는 효율 제어 알고리즘의 시뮬레이션 실행을 보인 것이다. 본 시뮬레이션 구동을 위해 압축기 부하(compressor load)를 드라이빙하는 표면 실장 영구자석 모터를 사용하였다. 0.5rad의 초기 회전자 각도 에러를 사용하였다. 효율 최적화 제어를 (1.8sec동안) 행하였을 때, 이 각도 에러가 보정되었으며, 암페어당 드라이브 토크가 향상되었다 (도 4에서, Te*감소). 모터 전류의 크기는 명령 토크 레벨에 비례하기 때문에, 모터 전류 또한 감소하였다.

정의

D_Trq : 필터링된 명령 토크 간의 차이 (현재 및 이전 샘플)

D_Ang : 효율 최적화 제어기의 각도 출력 (Rad.)

Te* : 토크 명령 (N-M)

Te : 모터 토크 (N-M)

부하 : 압축기 부하

Ang_Error : 추정 각도와 실제 회전자 각도(Rad.)간의 각도(Rad.)

본 발명은 비록 특정 실시예와 관련하여 설명하였지만은 당업자이면 다양한 변형 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 여기에 개시된 특정 실시예로만 한정되지 않는다.

Claims (8)

1. PMSM 드라이브 시스템에서 효율 개선을 위해 추정 회전자 각도를 변경하는 방법으로서,

   구동 명령, 토크 명령 및 추정 속도를 모니터링하는 단계와; 그리고

   상기 추정 회전자 각도를 변경하기 위한 출력 보정 각도를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 추정 회전자 각도 변경 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 출력 보정각도가 상기 추정 회전자 각도에 부가되는 것을 특징으로 하는 추정 회전자 각도 변경 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 출력 보정 각도는 상기 구동 명령, 토크 명령 및 속도의 소정 조건들에대해서만 생성되는 것을 특징으로 하는 추정 회전자 각도 변경 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 출력 보정 각도는, (1) 상기 구동 명령이 표명된 때, (2) 상기 토크 명령이 임의의 레벨보다 큰 때 및 (3) 상기 속도에서의 변동이 소정 제한 내에 있을때 생성되는 것을 특징으로 하는 추정 회전자 각도 변경 방법.
5. PMSM 드라이브 시스템에서 효율 개선을 위해 추정 회전자 각도를 변경하는 모터 드라이브 시스템으로서,

   모터의 회전자 각도를 추정하는 모듈과; 그리고

   구동 명령, 토크 명령 및 상기 모터의 추정 속도를 모니터링 하고 이에 응답하여 상기 추정 회전자 각도를 변경하는 출력 보정 각도를 생성하는 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이브 시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 출력 보정각도가 상기 추정 회전자 각도에 부가되는 것을 특징으로 하는 모터 드라이브 시스템.
7. 제 5항에 있어서,

   상기 출력 보정 각도는 상기 구동 명령, 토크 명령 및 속도의 소정 조건들에대해서만 생성되는 것을 특징으로 하는 모터 드라이브 시스템.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 출력 보정 각도는, (1) 상기 구동 명령이 표명된 때, (2) 상기 토크 명령이 임의의 레벨보다 큰 때 및 (3) 상기 속도에서의 변동이 소정 제한 내에 있을때 생성되는 것을 특징으로 하는 모터 드라이브 시스템.

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