KR101075706B1 - 고속 스위치드 릴럭턴스 모터 제어 시스템 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

고속 블로워용 스위치드 릴럭턴스 모터가 가속구간에서 과도한 스위칭 손실없이 원활한 가속이 이루어지도록 할 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 의 회전자의 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)에 따라 가변지령전압(V_ref)을 생성하는 가변전압생성부; 상기 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)을 입력받아 점호각(φ)을 계산하는 점호각계산부; 상기 계산된 점호각(φ)에 따라 게이트신호를 생성하는 게이트생성부; 상기 게이트신호에 따라 상기 교류입력전압(V_src)을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 신호를 입력받아 SRM 에 공급하는 인버터부를 포함하여 이루어짐으로써, 정지 상태에서 빈번한 가속 운전을 수행하는 고속 블로워용 SRM 에서 가속 구간에서의 운전 효율을 향상시킬 수 있고, 저속구간이 반복되는 영역에서 과도한 스위칭이 반복되는 것을 막아 전류 리플과 잦은 스위칭으로 인한 손실을 최소화할 수 있다.

Description

고속 스위치드 릴럭턴스 모터 제어 시스템 및 제어방법{Ａ ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＳＷＩＴＣＨＥＤ ＲＥＬＵＣＴＡＮＣＥ ＭＯＴＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ Ａ ＭＥＴＨＯＤ ＴＨＥＲＥＯＦ}

본 발명은 고속 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor; SRM) 제어 시스템 및 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속 블로워용 스위치드 릴럭턴스 모터가 과도한 스위칭 손실없이 원활한 가속 동작을 할 수 있도록 하는 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)는 고속 특성이 우수하여 블로워 및 펌프 구동에 사용된다. 통상적인 SRM 의 블로워 제어방법은 운전 속도에 따라 구동 전류를 제어함으로써 SRM 을 제어하고 있으며, 구동 전류를 제어하기 위해서 인가전압의 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM) 방식을 사용한다.

펄스폭 변조 방식은 공지된 바와 같이 변조 신호의 크기에 따라 펄스의 폭을 변화시켜 변조하는 방식으로, 이러한 펄스폭 변조 방식은 가변속과 등속도 운전을 하는 전동기의 전류 제어에 적합한 방식이지만, 정지 상태에서 빈번한 가속 운전을 수행하는 블로워 장치에서는 가속 구간에서의 운전 효율이 현저히 감소한다는 단점이 있다. 특히, 저속구간이 반복되는 영역에서 펄스폭변조는 구동 전류를 제어하기 위해 과도한 스위칭을 반복함으로써, 전류의 리플이 커지고 스위칭으로 인한 손실이 크다는 문제점이 있다.

관련하여, 도 1 에는 통상적인 SRM 에서 가속 구간에서 모터를 가속시키기 위한 전압 지령과 전류의 크기 및 이를 실제로 구현하기 위한 펄스폭 변조 방식에 의해 스위칭된 전압의 파형 그래프가 도시되어 있다.

도 1 에 도시된 바와 같이 통상적인 SRM 의 가속 구간 제어 방법에서는 SRM 에 인가되는 전압의 평균치 V_{as avg} 를 생성하기 위해 매우 높은 주파수의 낮은 온 구간을 갖는 펄스폭 스위칭이 이루어지고 있으며, 이러한 과도한 스위칭으로 인해 SRM 이 빈번하게 가속을 하는 경우에 효율이 크게 감소하고 높은 전압의 스위칭으로 인해 전류 리플이 크게 증가하는 문제점도 발생한다.

또한, 도 2 에는 통상적인 고정전압에 의한 펄스폭 변조방식으로 전류 제어하는 경우의 파형 그래프가 도시되어 있다. 전류는 고정 전압의 스위칭에 따라 높은 전류 리플을 포함하게 되고, 스위칭의 온/오프 구간에서 스위칭 손실이 발생하여 가속 구간에서 운전 효율을 떨어뜨린다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 정지상태에서 가속 운전을 빈번하게 반복하는 고속 블로워용 스위치드 릴럭턴스 모터의 사용시에 가속 구간에서 운전 효율이 현저히 감소하는 종래의 문제점을 해결하고, 특히 저속구간이 반복되는 가속 구간에서 과도한 스위칭이 반복되지 않도록 하여 스위칭으로 인한 손실을 현저히 감소시키고 전류 리플 성능을 향상시킨 고속 블로워용 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 고속 블로워용 SRM 제어시스템은, 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 의 회전자의 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)따라 가변지령전압(V_ref)을 생성하는 가변전압생성부; 상기 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)을 입력받아 점호각(φ)을 계산하는 점호각계산부; 상기 계산된 점호각(φ)에 따라 게이트신호를 생성하는 게이트신호 생성부; 상기 게이트신호에 따라 상기 교류입력전압(V_src)을 제어하는 제어부; 및 상기 제어부로부터 출력신호를 입력받아 입력된 출력신호에 따라 SRM을 구동하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 점호각(φ)은 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)의 크기 비에 따라 결정되는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 점호각(φ), 가변지령전압(V_ref), 및 교류입력전압(V_src)은, 수학식

을 만족하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 가변지령전압(V_ref)은 상기 가속지령속도(w_ref)와 상기 부하지령전류(I_ref)의 크기에 비례하여 증가하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 고속 블로워용 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 의 제어방법은, SRM 의 회전자의 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)를 이용하여 가변지령전압(V_ref)을 생성하는 단계; 상기 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)을 이용하여 점호각(φ)을 계산하는 단계; 상기 계산된 점호각(φ)에 따라 게이트 신호를 발생시키는 단계; 상기 게이트 신호에 따라 상기 교류입력전압(V_src)을 제어하는 단계; 및 상기 교류입력전압(V_src)을 제어하는 단계에서 출력된 신호를 상기 SRM 에 제공하여 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 SRM 제어 시스템 및 제어방법에 의하면, 가변전압과 교류입력전원에 따라 게이트 점호각을 계산하고, 이를 이용하여 SRM 구동을 제어함으로써, 정지 상태에서 빈번한 가속 운전을 수행하는 고속 블로워용 SRM 에서 가속 구간에서의 운전 효율을 향상시킬 수 있고, 저속구간이 반복되는 영역에서 과도한 스위칭이 반복되는 것을 막아 전류 리플과 잦은 스위칭으로 인한 손실을 최소화할 수 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 SRM 가속 구간에서의 전압-전류 파형도이다.
도 2 는 종래의 펄스폭 변조에 따른 SRM 전압-전류 파형도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 SRM 제어시스템의 블록도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 SRM 제어 시의 전압-전류 파형도이다.
도 5 는 본 발명의 다른 양태인 SRM 제어방법의 순서도이다.
도 6 은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 SRM 제어시스템의 회로도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 SRM 제어시스템의 블록도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 SRM 제어 시의 전압-전류 파형도이며, 도 5 는 본 발명의 다른 양태인 SRM 제어방법의 순서도이며, 도 6 은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 SRM 제어시스템의 회로도이다.

도 3 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 SRM 제어 시스템(100)은 외부의 전원부로부터 인가되는 전원에 의해 구동되는 것으로, 가변전압생성부(110), 점호각계산부(120), 게이트생성부(130), 제어부(140), 인버터부(150)를 포함하여 이루어진다.

이 때 전원부는 교류 또는 직류 전원을 인가하는 것이 모두 가능하나, 본 실시예에서는 교류입력전압을 인가하는 경우에 대해 설명한다.

가변전압생성부(110)는 SRM 회전자의 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)를 입력받아 이들을 이용하여 가변지령전압(V_ref)을 생성한다. 이 때, 생성되는 가변지령전압(V_ref)은 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)값에 비례하여 증가하며, 이를 수식으로 표현하면 다음의 수학식 1 이 된다.

(단,k1 과 k2 는 각각 가속속도 및 제어전류에 대한 점호각 제어 이득 상수임.)

가변전압생성부(110)에서 출력된 가변지령전압(V_ref)은 점호각계산부(120)로 인가된다. 점호각계산부(120)는 외부의 전원으로부터 입력받은 전압(Vsrc)과 가변전압생성부(110)로부터 입력된 가변지령전압(V_ref)을 이용하여 게이트 점호각(φ)을 계산한다.

점호각(φ)은 턴온시켜주는 게이트 신호의 지연시간을 각도로 표현한 것으로, 본 발명에서는 점호각(φ)이 전기적으로 0~π 사이에서 제어되도록 하며, 점호각(φ)이 0 에 가까울수록 높은 전압을 출력하고, π 에 가까울수록 영전압에 가까운 값으로 출력된다. 또한, 본 발명에 따르면 게이트 신호의 점호각(φ)은 상기에서 설명한 바와 같이 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)의 비율(ratio), 즉, V_ref/V_src 값에 의해 결정되며, V_ref/V_src 값이 커지면 점호각이 작아지고, V_ref/V_src 값이 작아지면 점호각이 커지는 방식으로 제어된다.

보다 바람직하게는 점호각(φ), 가변지령전압(V_ref), 및 교류입력전압(V_src)은 다음의 수학식 2 를 만족한다.

이렇게 결정된 점호각(φ)에 따라 게이트생성부(130)에서 게이트 신호를 발생시키며, 제어부(140)에서 상기 게이트 신호에 의해 교류입력전압이 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복하는 출력전압()이 되도록 제어가 이루어진다. 이렇게 점호각 제어 신호에 따른 출력전압이 인버터부(150)에 인가되고, 인버터부(150)는 이에 따라 SRM 을 구동한다. 여기서, 점호각 제어 신호에 따른 출력전압은 인버터부에 인가되기 전에 직류로 변환되어, 실제 인버터부에는 필터링된 전압이 인가되는 것이 바람직하다 할 것이다. 즉, 상기 구성에 따르면, 인버터부에 인가되는 전압은 모터 가속에 따라 낮은 전압으로부터 높은 전압까지 지속적으로 발생하는 가변 전압이 된다.

다음으로, 도 4 는 본 발명에 따른 SRM 제어시의 전압-전류 파형도이다. (a)는 전원부에서 인가되는 교류입력전압(V_src)이며, (b)는 점호각 제어를 위한 게이트 신호이며, (c)는 (b)의 게이트 신호를 이용하여 (a)의 교류입력전압(V_src)을 제어한 후의 출력 전압(Vo)이다.

이렇게 게이트 신호에 의해 제어된 출력 전압(Vo)은 직류로 변환되어 (d)의 전압 형상(Vdc)을 띄게 되며, 변환된 Vdc 가 실제로 인버터부에 인가되는 것이다. 다음으로 (e)는 SRM의 한 상에 대한 출력 전류 파형(i_as)을 도시한다.

도 4 의 (b) 와 관련하여, 점호각(φ)은 상술한 바와 같이 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)의 비율(ratio), 즉, V_ref/V_src 값에 의해 결정되며, 이렇게 결정된 점호각(φ)에 따라 게이트 신호가 생성되고, 생성된 게이트 신호에 의해 교류입력전압이 턴-온(turn-on)과 턴-오프(turn-off)를 반복하도록 제어 된다.(도 4 의 (c)) 점호각 제어된 신호를 직류로 변환한 신호가 도 4 의 (d) 의 Vdc 이고, 이 신호가 실제로 인버터부에 인가된다. 즉, 인버터에 인가되는 전압은 모터 가속에 따라 낮은 전압으로부터 높은 전압까지 지속적으로 발생하는 가변 전압이 된다.

다음으로, 도 5 에는 본 발명의 다른 양태인 고속 블로워용 SRM 제어방법의 순서도가 도시되어 있다. 우선, 가변전압생성부는 SRM 회전자의 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)를 이용하여 가변지령전압(V_ref)을 생성한다(S500). 생성된 가변지령전압(V_ref)은 교류입력전압(V_src)과 함께 게이트 점호각(φ)을 계산하는데 이용되며(S510), 게이트생성부는 계산된 점호각(φ)에 따라 게이트 신호를 생성한다(S520). 다음으로, 게이트 신호와 교류입력전압(V_src)을 합성 제어하여 턴-온과 턴-오프를 반복하는 출력전압을 생성한다(S530). 이렇게 생성된 출력전압은 상술한 바와 같이 모터 가속에 따라 낮은 전압으로부터 높은 전압까지 지속적으로 발생하는 가변 전압으로, SRM 에 인가되어 SRM 을 구동하게 된다.

다음으로, 도 6 은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 SRM 제어시스템의 회로도를 보여준다. 본 실시예에서는 복수 개의 사이리스터(S1, S2)가 가변전압생성부로서 동작하고 있으며, 게이트생성부(미도시)로부터 점호각 제어된 게이트 신호를 인가받아 교류입력전압(V_src)을 제어하며, 이렇게 변환된 전압은 인버터부에 인가된 후, SRM 을 구동하게 된다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

100: SRM 제어 시스템 110: 가변전압생성부
120: 점호각 계산부 130: 게이트신호생성부
140: 제어부 150: 인버터부

Claims (7)

1. 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 의 회전자의 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)따라 가변지령전압(V_ref)을 생성하는 가변전압생성부;
   상기 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)을 입력받아 점호각(φ)을 계산하는 점호각계산부;
   상기 계산된 점호각(φ)에 따라 게이트신호를 생성하는 게이트신호 생성부;
   상기 게이트신호를 이용하여 상기 교류입력전압(V_src)을 제어하는 제어부; 및
   상기 제어부로부터 출력신호를 입력받아 입력된 출력신호에 따라 SRM을 구동하는 인버터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 블로워용 SRM 제어 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 점호각(φ)은 상기 가변지령전압(V_ref)과 상기 교류입력전압(V_src)의 크기 비에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 고속 블로워용 SRM 제어 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 점호각(φ), 상기 가변지령전압(V_ref), 및 상기 교류입력전압(V_src)은,
   수학식

   

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 고속 블로워용 SRM 제어 시스템.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가변지령전압(V_ref)은 상기 가속지령속도(w_ref)와 상기 부하지령전류(I_ref)의 크기에 비례하여 증가하는 것을 특징으로 하는 고속 블로워용 SRM 제어 시스템.
   
5. 고속 블로워용 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM) 의 제어방법으로서,
   상기 SRM 의 회전자의 가속지령속도(w_ref)와 부하지령전류(I_ref)를 이용하여 가변지령전압(V_ref)을 생성하는 단계;
   상기 가변지령전압(V_ref)과 교류입력전압(V_src)을 이용하여 점호각(φ)을 계산하는 단계;
   상기 계산된 점호각(φ)에 따라 게이트 신호를 발생시키는 단계;
   상기 게이트 신호에 따라 상기 교류입력전압(V_src)을 제어하는 단계; 및
   상기 교류입력전압(V_src)을 제어하는 단계에서 출력된 신호를 상기 SRM 에 제공하여 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고속 블로워용 SRM 제어방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 점호각(φ)은 상기 가변지령전압(V_ref)과 상기 교류입력전압(V_src)의 크기 비에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 고속 블로워용 SRM 제어방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 점호각(φ), 상기 가변지령전압(V_ref), 및 상기 교류입력전압(V_src)은,
   수학식

   

   을 만족하는 것을 특징으로 하는 고속 블로워용 SRM 제어방법.
   
   

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