KR101133673B1 - 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치 - Google Patents

회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101133673B1
KR101133673B1 KR1020100006262A KR20100006262A KR101133673B1 KR 101133673 B1 KR101133673 B1 KR 101133673B1 KR 1020100006262 A KR1020100006262 A KR 1020100006262A KR 20100006262 A KR20100006262 A KR 20100006262A KR 101133673 B1 KR101133673 B1 KR 101133673B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pole
rotor magnet
rotor
voltage vector
current
Prior art date
Application number
KR1020100006262A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20110086892A (ko
Inventor
김상훈
이윤규
Original Assignee
강원대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 강원대학교산학협력단 filed Critical 강원대학교산학협력단
Priority to KR1020100006262A priority Critical patent/KR101133673B1/ko
Publication of KR20110086892A publication Critical patent/KR20110086892A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101133673B1 publication Critical patent/KR101133673B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/06—Rotor flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2203/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the means for detecting the position of the rotor
    • H02P2203/03—Determination of the rotor position, e.g. initial rotor position, during standstill or low speed operation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

본 발명에 따른 회전자 초기 위치 추정 방법은 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별하는 단계, 상기 2개의 제1 전압 벡터 중 상기 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 포함함으로써 회전자의 위치를 용이하고 신속하게 추정할 수 있다.

Description

회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING ROTOR POSITION}
본 발명은 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게 설명하면 영구자석 동기 전동기에서 회전자의 초기 위치를 신뢰성 있게 추정할 수 있는 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
매입형 영구자석 동기전동기(Interior permanent magnet synchronous motor, IPMSM)는 효율이 높고 단위 체적당 토크 및 출력이 크며 빠른 동특성을 얻을 수 있기 때문에 고성능 서보 운용분야에 주로 사용되어 왔다. 최근에는 영구 자석의 가격 하락으로 인하여 많은 산업응용분야에서 사용되며 관심이 높아지고 있다.
IPMSM을 기동시키기 위해서는 회전자의 초기 위치의 정보가 필수적이다. 초기 위치를 잘못 추정한 경우 회전자가 역방향으로 회전하거나 기동에 실패할 가능성이 있다. 초기위치 검출을 위해 사용되는 절대형 엔코더나 레졸버의 경우 시스템의 가격 및 부피를 상승시키고 신뢰성을 떨어뜨리는 등의 단점을 가지며 비교적 가격이 저렴한 증분형 엔코더를 사용하는 경우 회전자의 초기위치를 알 수 없다.
이런 단점들을 극복하기 위해서 IPMSM의 초기 위치 추정을 위한 연구들이 활발히 진행되어 왔다. 회전자의 위치추정 방법은 주로 역기전력(back electromotive force)을 이용한 방법이 사용되어 왔다. 역기전력은 회전자의 위치 정보를 포함하고 있으므로 이를 추정함으로써 회전자의 위치에 대한 정보를 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방법들은 저속이나 정지시에 역기전력을 이용할 수 없기 때문에 일정속도까지는 특별한 방법으로 구동시켜야 한다. 따라서 저속과 정지시에 회전자 위치를 추정하기 위해 회전자의 위치에 따른 고정자 측의 인덕턴스 변화를 이용한 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
본 발명은 영구자석 동기 전동기에서 전압 벡터를 인가하여 획득한 전류를 사용하여 회전자의 초기 위치를 신뢰성 있게 추정할 수 있는 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전자 초기 위치 추정 방법은 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별하는 단계, 상기 2개의 제1 전압 벡터 중 상기 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 회전자 위치를 계산하는 단계 이후에, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 극성 판별 단계에서, a상의 전류 IV1 = Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V1, c상의 반대 방향 전류 IV2 = -Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V2, b상의 전류 IV3 = Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V3, a상의 반대 방향 전류 IV4 = -Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V4, c상의 전류 IV5 = Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V5, b상의 반대 방향 전류 IV6 = -Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V6일 때
상기 제1 전압 벡터는 Vx와 V(x+3) (단, x는 1, 2, 3 중 하나)일 수 있다.
여기서, 상기 Ia, -Ic, Ib, -Ia, Ic 및 -Ib는 모터의 3상 전류 또는 상기 모터의 3상 전류가 인가되는 인버터 측의 DC 전류를 측정하여 획득될 수 있다.
또한, 상기 측정된 전류의 대소 관계가 IVx > IV (x+3)인 경우 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 Vx 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하고, 상기 측정된 전류의 대소 관계가 IV (x+3) > IVx인 경우 상기 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 V(x+3) 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별할 수 있다.
또한, 상기 제2 전압 벡터는, 상기 회전자 자석 N극이 Vx 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-1)과 V(x+1)이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+3) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+2)와 V(x+4)일 수 있다.
또한, 상기 측정된 전류의 대소 관계가 IVx = IV (x+3)인 경우 제1-1 전압 벡터로서 V(x-1)과 V(x+2), V(x+1)과 V(x+4) 중 어느 하나를 선택하여 인가하고, 상기 제2 전압 벡터는, 상기 제1-1 전압 벡터가 V(x-1)과 V(x+2)일 때 상기 회전자 자석 N극이 V(x-1) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-2)와 Vx이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+2) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+1)과 V(x+3)이며, 상기 제1-1 전압 벡터가 V(x+1)과 V(x+4)일 때 상기 회전자 자석 N극이 V(x+1) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 Vx와 V(x+2)이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+4) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+3)과 V(x+5)일 수 있다. 이때, 상기 제2 전압 벡터 중 하나는 상기 제1 전압 벡터 중 하나로 대체될 수 있다.
또한, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112010004659537-pat00001
단, I0 = (IVx+IV (x+1)+IV (x-1))/3
x = 1, 2, 3
IVx, IV (x+1), IV (x-1)는 측정된 전류
또는
Figure 112010004659537-pat00002
단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)+IV (x+2))/3
x = 1, 2, 3
IV (x+3), IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
또한, 상기 회전자 위치를 계산하는 단계 이후에, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112010004659537-pat00003
단, I0 = (IVx+IV (x+1)'+IV (x-1)')/3
x = 1, 2, 3
IV (x+1)'과 IV (x-1)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+4) 또는 IV (x+2)로 대체됨
IVx, IV (x+1)', IV (x-1)', IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
또는
Figure 112010004659537-pat00004
단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)'+IV (x+2)')/3
x = 1, 2, 3
IV (x+4)'과 IV (x+2)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+7) 또는 IV (x+5)로 대체됨
IV (x+3), IV (x+4)', IV (x+2)', IV (x+7), IV (x+5)는 측정된 전류
한편, 본 발명에 따른 회전자 초기 위치 추정 장치는 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별하는 회전자 자석 극성 판별부 및 상기 2개의 제1 전압 벡터 중 상기 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 산출부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 보정부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 회전자 자석 극성 판별부에서 a상의 전류 IV1 = Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V1, c상의 반대 방향 전류 IV2 = -Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V2, b상의 전류 IV3 = Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V3, a상의 반대 방향 전류 IV4 = -Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V4, c상의 전류 IV5 = Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V5, b상의 반대 방향 전류 IV6 = -Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V6일 때
상기 제1 전압 벡터는 Vx와 V(x+3) (단, x는 1, 2, 3 중 하나)일 수 있다.
또한, 상기 측정된 전류의 대소 관계가 IVx > IV (x+3)인 경우 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 Vx 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하고, 상기 측정된 전류의 대소 관계가 IV (x+3) > IVx인 경우 상기 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 V(x+3) 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별할 수 있다.
또한, 상기 회전자 위치 산출부에서 상기 제2 전압 벡터는, 상기 회전자 자석 N극이 Vx 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-1)과 V(x+1)이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+3) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+2)와 V(x+4)일 수 있다.
또한, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112010004659537-pat00005
단, I0 = (IVx+IV (x+1)+IV (x-1))/3
x = 1, 2, 3
IVx, IV (x+1), IV (x-1)는 측정된 전류
또는
Figure 112010004659537-pat00006
단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)+IV (x+2))/3
x = 1, 2, 3
IV (x+3), IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
또한, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 보정부를 더 포함하고, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112010004659537-pat00007
단, I0 = (IVx+IV (x+1)'+IV (x-1)')/3
x = 1, 2, 3
IV (x+1)'과 IV (x-1)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+4) 또는 IV (x+2)로 대체됨
IVx, IV (x+1)', IV (x-1)', IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
또는
Figure 112010004659537-pat00008
단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)'+IV (x+2)')/3
x = 1, 2, 3
IV (x+4)'과 IV (x+2)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+7) 또는 IV (x+5)로 대체됨
IV (x+3), IV (x+4)', IV (x+2)', IV (x+7), IV (x+5)는 측정된 전류
한편, 본 발명에 따른 회전자 초기 위치 추정 방법은 60도 간격의 전압 벡터 6개 중 서로 대칭되는 2개의 제1 전압 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 제1 전압 벡터가 이루는 축의 좌반면 또는 우반면에 회전자 자석의 N극이 위치하는 것을 판별하는 단계, 상기 제1 전압 벡터에 인접하며 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 반면에 포함되는 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 포함하고, 상기 제2 전압 벡터가 형성하는 둔각 범위에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터 대신 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치는 전압 벡터를 이용하여 회전자 자석의 N극 위치를 용이하게 추정할 수 있으며, 경우에 따라 반대 방향의 전압 벡터를 인가함으로써 신뢰성 있는 회전자 자석의 N극 위치, 즉 회전자 초기 위치를 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련된 회전자 초기 위치 추정 장치를 나타낸 블럭도.
도 2는 회전자 자속과 고정자 권선에 의한 자속을 나타낸 개략도.
도 3은 고정자 쇄교자속에 의한 인덕턴스의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 공간 전압 벡터를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명과 관련된 회전자 초기 위치 추정 방법을 나타낸 흐름도.
도 6은 본 발명과 관련된 회전자 초기 위치 추정 방법의 일예를 구체적으로 나타낸 흐름도.
도 7은 표 2의 파라미터를 갖는 모터에 인가한 전압 펄스와 전류를 나타낸 그래프.
도 8은 회전자 초기 위치 추정 결과를 나타낸 그래프.
도 9는 회전자 위치의 추정 오차를 나타낸 그래프.
도 10은 전류를 측정하는 방법을 나타낸 개략도.
도 11은 회전자 자석의 극성이 판별되지 않는 경우에 있어서의 공간 전압 벡터를 나타낸 개략도.
이하, 본 발명과 관련된 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 Vk, V(k) (k는 임의의 수)는 도면 4의 전압벡터를 의미한다. 예를 들어 V(3)은 도면 4의 V3 전압벡터를 의미한다.
이 경우, V(k)는 도면 4에 따라 순환되는 함수로서 k 값에 따라 V1~V6을 반 시계 방향 순서로 정해진다. 따라서, k 값이 1 증가하면 도면 4에서 반 시계 방향의 바로 다음 전압벡터를 의미하며, k 값이 1 감소하면 시계 방향의 바로 다음 전압벡터를 의미한다. 예를 들면, V(1)부터 V(6)는 차례대로 V1부터 V6 전압벡터를 차례대로 의미한다. V(7)~V(12)는 다시 순환되어, V1부터 V6 전압벡터를 차례대로 의미한다.
또한, V(0)~V(-5)는 시계 방향 순서로 V6~V1 전압벡터를 차례대로 의미하게 될 것이다. 마찬가지로 V(-6)~V(-11)은 다시 순환되어 V6~V1 전압벡터를 차례대로 의미한다.
또 다른 일례를 들면, k가 2라고 할 경우 V(k), V(k+5), V(k-2), V(k-3)은 상기 정의에 따라, V2, V1, V6, V5를 각각 의미할 것이다.
V(k)는 이런 순서대로 k값의 증감에 따라 V1~V6 전압 벡터를 의미한다.
본 명세서에서 Iv(k)는 V(k) 전압벡터가 인가되었을 때의 전류를 의미한다. 예를 들어, Iv(3)은 V(k)의 정의에 따라 V3 전압벡터가 인가되었을 때의 전류를 의미한다.
도 1은 본 발명과 관련된 회전자 초기 위치 추정 장치를 나타낸 블럭도이다.
도 1에 도시된 회전자 초기 위치 추정 장치는 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별하는 회전자 자석 극성 판별부(110) 및 상기 2개의 제1 전압 벡터 중 상기 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 산출부(130)를 포함하고 있다.
또한, 상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 보정부(150)를 더 포함할 수 있다.
회전자 자석 극성 판별부(110)는 회전자 자석의 극성을 판별하는 요소로, 구체적으로는 회전자 자석의 N극 위치를 개략적으로 파악한다.
영구자석 동기 전동기의 고정자 쇄교 자속 λphase는 다음의 수학식 1과 같이 화전자의 영구자석에 의한 쇄교 자속 λPM(rotor flux)과 고정자 전류에 의해 발생되는 쇄교 자속 λcurrent(stator flux)의 합으로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
λphase = λcurrent + λPM
고정자 인덕턴스는 다음의 수학식 2와 같이 주어지는데, 영구자석 동기 전동기의 돌극성으로 인하여 회전자 자석의 위치 θr에 따라 cos2θr로 변동한다.
[수학식 2]
Ls = λphase / iphase
또한, 고정자 인덕턴스는 회전자 자속의 방향에도 영향을 받게 되는데, 도 2에 도시된 바와 같이 a상 권선의 자속축이 회전자 N극과 일치하는 경우와 S극과 일치하는 경우 철심의 포화정도가 달라져 도 3에 도시된 바와 같이 인덕턴스의 크기가 달라진다. a상 권선의 자속축이 회전자 N극과 일치하는 경우 포화가 가장 많이 발생하여 인덕턴스가 가장 작아진다.
이러한 현상을 이용하여 회전자 자석 극성 판별부(110)는 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별한다.
전압 벡터는 a상의 전류 IV1 = Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V1, c상의 반대 방향 전류 IV2 = -Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V2, b상의 전류 IV3 = Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V3, a상의 반대 방향 전류 IV4 = -Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V4, c상의 전류 IV5 = Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V5, b상의 반대 방향 전류 IV6 = -Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V6와 같이 6개가 존재하며 표 1에 이를 정리하여 나타내었다.
전압 벡터 스위치 함수(Switching function) 측정 전류
(Sensing current)
Sa Sb Sc
V1 1 0 0 IV1 = Ia
V2 1 1 0 IV2 = -Ic
V3 0 1 0 IV3 = Ib
V4 0 1 1 IV4 = -Ia
V5 0 0 1 IV5 = Ic
V6 1 0 1 IV6 = -Ib
Ia, -Ic, Ib, -Ia, Ic 및 -Ib를 측정하는 방법은 두가지가 가능하다. 도 10에 도시된 바와 같이 모터에 연결된 3상 배선 ⓐ에서 3상 전류(ia, ib, ic)를 측정하는 방법이 있으며, 인버터 측의 배선 ⓑ에서 DC 전류(idc)를 측정하는 방법이 있다. 어느 방법을 통해도 무방하나 전자의 경우에는 전류 센서가 2개 이상 필요하고 후자의 경우에는 전류 센서가 1개만 필요하므로 후자가 바람직할 수 있다.
제1 전압 벡터는 V1과 V4, V2와 V5, V3과 V6과 같이 3가지로 가능하다.
도 4는 공간 전압 벡터를 나타낸 개략도로서, 예를 들어 V1과 V4를 제1 전압 벡터로 하여 인가한 경우를 가정하여 설명하도록 한다. 참고로, 도 4에 도시된 θ는 제1 전압 벡터로서 V1과 V4가 선택된 경우를 나타내고 있다.
회전자 자석 극성 판별부(110)는 V1과 V4를 제1 전압 벡터로 하여 인가한 후 측정된 전류 IV1과 IV4의 대소관계를 판단한다. 물론 이를 위해서는 전류를 측정하는 센서(미도시)가 포함되어 있어야 할 것이다.
만약, IV1이 IV4보다 크면 수학식 2에 의해 제1 전압 벡터인 V1과 V4를 가로지르는 선을 축으로 하여 V1이 존재하는 우반면에 회전자 자석의 N극이 위치하는 것을 의미한다. 반면 IV1이 IV4보다 작으면 V4가 존재하는 좌반면에 회전자 자석의 N극이 위치하는 것을 의미한다.
따라서, 회전자 자석 극성 판별부는 제1 전압 벡터를 구성하는 2개의 전압 벡터 중 하나의 벡터 전압이 존재하는 측반면에 회전자 자석의 N극이 위치하는 것을 알아낼 수 있다.
제1 전압 벡터는 V1과 V4 외에도 V2와 V5, V3과 V6도 가능하므로 이를 일반화하여 나타내면 제1 전압 벡터를 구성하는 2개의 백터는 Vx와 V(x+3) (단, x는 1, 2, 3 중 하나)으로 표시할 수 있다.
이때, 회전자 자석 극성 판별부는 제1 전압 벡터 인가 후 측정된 전류의 대소 관계가 IVx > IV (x+3)인 경우 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 Vx 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하고, 상기 측정된 전류의 대소 관계가 IV (x+3) > IVx인 경우 상기 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 V(x+3) 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하게 된다.
정리하면, 회전자 자석 극성 판별부는 회전자 자석의 N극 위치를 180도 영역 내에서 판별하게 된다.
한편, 회전자 자석의 극성이 판별되지 않는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어 도 11에서와 같이 제1 전압 벡터인 Vx와 V(x+3)가 이루는 축의 수직축 상에 회전자 자석 N극이 위치한 경우가 이에 해당한다. 이때는 측정된 전류의 대소 관계가 IVx = IV(x+3)이므로 앞에서 설명한 바에 따라 제2 전압 벡터를 설정할 수가 없다.
이때는 어쩔 수 없이 기존에 인가한 제1 전압 벡터와 다르게 제1 전압 벡터를 인가해야 하는데, 이때 인가되는 제1 전압 벡터를 앞의 제1 전압 벡터와 구분하기 위해 제1-1 전압 벡터라 칭한다. 제1-1 전압 벡터는 제1 전압 벡터로서 선택 가능한 3가지 중 기존에 인가된 제1 전압 벡터를 제외한 2가지가 가능하다. 구체적으로 제1-1 전압 벡터는 V(x-1)과 V(x+2), V(x+1)과 V(x+4) 중 어느 하나일 수 있다.
이때, 제2 전압 벡터는 상기 제1-1 전압 벡터가 V(x-1)과 V(x+2)일 때 상기 회전자 자석 N극이 V(x-1) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-2)와 Vx이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+2) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+1)과 V(x+3)일 수 있다.
이와 다르게, 제2 전압 벡터는 상기 제1-1 전압 벡터가 V(x+1)과 V(x+4)일 때 상기 회전자 자석 N극이 V(x+1) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 Vx와 V(x+2)이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+4) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+3)과 V(x+5)일 수 있다.
예를 들어 도 11에서와 같이 회전자 자석 N극이 위치할 경우를 가정하여 설명하면 다음과 같다.
제1 전압 벡터로서 V1과 V4가 인가되고 회전자 자속 N극의 위치에 의해 IVx = IV (x+3)이므로 제1-1 전압 벡터를 인가해야 한다. 이때 제1-1 전압 벡터로서 V(x-1)과 V(x+2)를 선택한 경우 도 11에서처럼 V6과 V3이 된다. 그 후 전류를 측정/비교하여 V(x+2)인 V3 측반면에 회전자 자석 N극이 위치한 것으로 판별한다. 이때 제2 전압 벡터는 V(x+1)과 V(x+3), 즉 V2와 V4가 된다.
현재까지의 상황을 살펴보면 제1 전압 벡터 두개, 제1-1 전압 벡터 두개, 제2 전압 벡터 2개 해서 총 6개의 전압 벡터가 인가된다. 그런데, 제2 전압 벡터를 살펴보면 기존에 인가했던 제1 전압 벡터 두개 중 하나가 동일한 것을 알 수 있다. 앞의 예에서는 V4가 동일한데 이에 따르면 제2 전압 벡터는 한개만 인가해도 되는 구조가 된다. 따라서, 총 5번의 전압 벡터를 인가함으로써 회전자의 위치를 산출할 수 있게 된다. 이상에서 살펴본 제1 전압 벡터 인가로 회전자 자석 N극의 극성을 판별하지 못하는 경우에는 회전자 위치 보정부에 의한 보정이 필요하지 않다(제2 전압 벡터가 형성하는 예각 내에 회전자 자석 N극이 위치함)
제1-1 전압 벡터가 사용되는 경우에 있어서 제2 전압 벡터 중 하나는 어느 경우라도 제1 전압 벡터 중 하나로 대체가 가능하다.
회전자 자석의 N극 위치를 180도 영역 내로 줄인 이후 보다 구체적인 위치를 파악하여야 하는데, 이는 회전자 위치 산출부(130)에 의해 수행된다.
회전자 위치 산출부(130)는 2개의 제1 전압 벡터 중 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하게 된다.
앞에서, V1과 V4를 제1 전압 벡터로 하고 IV1이 IV4보다 커 회전자 자석의 N극 위치가 V1이 존재하는 우반면에 위치하는 경우를 살펴보자.
회전자 위치 산출부(130)는 회전자 자석 극성 판별부에 의하여 회전자 자석의 N극 위치가 V1의 우반면에 위치하는 것을 인지하게 된다. 그 다음 2개의 제1 전압 벡터인 V1과 V4 중 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터인 V1에 인접한 2개의 전압 벡터인 V2와 V6를 제2 전압 벡터로 하여 인가하게 된다.
전압 벡터 V2와 V6를 인가한 후 측정된 전류 IV2와 IV6 및 회전자 자석 극성 판별부로부터 전송받은 IV1을 이용하여 회전자 자석의 N극 위치를 산출하게 된다. 회전자 자석 극성 판별부로부터 IV1 및 IV4를 모두 전송받은 후 회전자 자석의 N극이 위치한 측반면에 존재하는 IV1만을 추출하여 사용할 수도 있으며, 회전자 자석 극성 판별부에서 판별된 결과로서 IV1만 전송받을 수도 있다. 한편, 회전자 위치 산출부 또한 전류 IV2와 IV6를 측정하는 센서(미도시)가 포함되어 있어야 한다. 이때 상기 센서는 회전자 위치 산출부와 별도로 형성될 수 있으며, 이와 마찬가지로 회전자 자석 극성 판별부의 센서 또한 회전자 자석 극성 판별부와 별도로 형성될 수 있다. 이와 같이 회전자 위치 산출부 및 회전자 자석 극성 판별부와 별도로 형성된 센서들은 일체로 형성될 수 있다. 이에 따르면 회전자 자석 극성 판별부 및 회전자 위치 산출부는 필요한 경우 센서로부터 데이터를 전송받아 사용하게 된다.
상기 회전자 위치 산출부에서 사용하는 전류들을 수식으로 표현하면 다음의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
IV1 = Io + Imcos2θ
IV2 = Io + Imcos2(θ-π/3)
IV6 = Io + Imcos2(θ+π/3)
Io = (IV1 + IV2 + IV3)/3
단, Im은 전류 파형의 변동폭
수학식 3을 이용하여 cos2θ와 sin2θ로 정리하면 다음의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112010004659537-pat00009
Figure 112010004659537-pat00010
수학식 4를 정리하면 회전자 자석의 N극 위치 θ는 다음의 수학식 5로 도출된다.
[수학식 5]
Figure 112010004659537-pat00011
수학식 5에서 각 인자들은 센서를 통해 획득한 값들(Io 또한 수학식 3에 의해 도출됨)이므로 회전자 자석의 N극 위치를 산출할 수 있다.
수학식 5가 수행되기까지 총 4번의 전압 벡터가 인가되므로 신속하고 용이하게 회전자 자석의 N극 위치, 즉 회전자 위치를 추정할 수 있다.
이상의 내용을 일반화시키면 다음과 같다.
회전자 위치 산출부에서 인가하는 제2 전압 벡터는 회전자 자석 N극이 Vx 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-1)과 V(x+1)이고, 회전자 자석 N극이 V(x+3) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+2)와 V(x+4)가 된다.
다만, 이때 V(x-1)에서 x-1 = 0인 경우에는 6이 된다. 전압 벡터가 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,...과 같이 순환하는 것을 고려하면 설명이 될 것이다. 따라서, V(x+4)가 7이상인 경우 순환되는 V1 이나 V2가 될 것이다. 간단히 설명하면, 제2 전압 벡터는 공간 전압 벡터를 나타낸 도 4에서 회전자 자석의 N극 위치에 가까운 제1 전압 벡터에 +, -로 인접한 전압 벡터이다.
수학식 5는 다음의 수학식 6과 같이 일반화될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112010004659537-pat00012
단, I0 = (IVx+IV (x+1)+IV (x-1))/3
x = 1, 2, 3
IVx, IV (x+1), IV (x-1)는 측정된 전류
또는
Figure 112010004659537-pat00013
단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)+IV (x+2))/3
x = 1, 2, 3
IV (x+3), IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
수학식 6에서 앞의 수식은 Vx 가까이에 회전자 자석의 N극이 위치한 경우, 즉 제1 전압 벡터에서 Vx 측반면에 회전자 자석의 N극이 위치한 경우에 적용하며, 뒤의 수식은 V(x+3) 가까이에 회전자 자석의 N극이 위치한 경우, 즉 제1 전압 벡터에서 V(x+3) 측반면에 회전자 자석의 N극이 위치한 경우에 적용한다.
이상에서 살펴본 회전자 자석 극성 판별부 및 회전자 위치 산출부를 통하여 회전자 위치를 추정하게 되는데, 경우에 따라서는 추정 결과가 부정확할 수 있다.
이는 수학식 6이 d축과 -d축, q축과 -q축에서 인덕턴스 포화 정도에 차이가 없다고 가정한 전류가 적용된 수학식 3에 의하여 도출되었기 때문이다. 그러나, 실제로 도 2에서 설명하였듯이 d축과 -d축, q축과 -q축에서의 인덕턴스가 다르다. 이러한 인덕턴스 차이로 인하여 실제 전류 중에 회전자와 가장 멀리 떨어져 있는 전압 벡터에 의한 전류는 수학식 3과는 다르게 되며, 따라서, 수학식 5 및 6에 의한 회전자 위치 추정은 오차를 포함하게 된다. 이를 보정하기 위해 오차를 발생시키는 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가하여 상기 오차를 발생시키는 전압 벡터를 대체함으로써 오차를 보정한다.
이와 같은 오차 보정은 회전자 위치 보정부(150)에 의해 이루어진다.
상기 오차는 제1 전압 벡터가 형성하는 축을 기준으로 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우에 주로 발생하게 된다.
예를 들어, 도 4에서 제1 전압 벡터가 V3와 V6인 경우 회전자 자석 극성 판별부 및 회전자 위치 산출부를 통해 수학식 6에 적용할 전압 벡터는 V3, V4, V2가 된다. 이때 회전자 자석 N극의 위치는 240°< θ < 300°가 된다. 물론, 실질적으로 240°< θ < 270°이다. 270°< θ < 300°라면 제1 전압 벡터 V3 대신 V6이 회전자 자석 극성 판별부에서 선택될 것이고, 이에 따라 제2 전압 벡터로서 V1, V5가 등장할 것이기 때문이다.
이와 같은 상황에서 회전자 위치 보정부는 2개의 제2 전압 벡터, 즉 V4, V2 중 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터인 V4의 반대 방향 벡터 V1을 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하게 된다.
만약, 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°인 경우에는 V2의 반대 방향 벡터 V5를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하게 된다.
구체적으로 회전자 자석 N극의 위치 산출은 수학식 6을 재적용함으로써 수행되나 전류값 중 하나가 원래의 반대 방향 벡터가 인가됨으로써 측정된 전류로 대체되며 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 7에서는 전류값 중 하나가 원래의 반대 방향 전압 벡터가 인가되어 측정된 전류로 대체되므로, 수학식 6의 전류 및 전압벡터와 구분하기 위해서, V(k)'(k는 임의의 수)으로 표현을 달리 했으며, V(k)'은 V(k)와 마찬가지 정의를 갖는다.
다시 말해서, 수학식 6을 계산할 때는 원래 방향의 전압 벡터가 인가되어 측정되 전류를 이용하여 계산하지만, 수학식 7을 계산할 때만 원래 방향과 반대 방향 전압 벡터가 인가되어 측정된 전류로 대체하여 사용해야 하므로, 서로 구별하기 위해서 다른 표현을 사용하였다.
예를 들면, 수학식 7에서 x가 2일 경우, V(x+1)'은 V(x+1)과 마찬가지로 V3 전압벡터를 의미하고, Iv(x+1)'은 V3 전압벡터가 인가되었을 때 측정된 전류를 의미한다. 따라서, 자석 N극의 위치와 먼 전압벡터가 V3라면, 수학식 7에서만 Iv(3)가 Iv(6)로 대체된다.
[수학식 7]
Figure 112010004659537-pat00014
단, I0 = (IVx+IV (x+1)'+IV (x-1)')/3
x = 1, 2, 3
IV (x+1)'과 IV (x-1)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 반대 방향 벡터 IV(x+4) 또는 IV (x+2)로 대체됨
IVx, IV (x+1)', IV (x-1)', IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
또는
Figure 112010004659537-pat00015
단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)'+IV (x+2)')/3
x = 1, 2, 3
IV (x+4)'과 IV (x+2)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 반대 방향 벡터 IV(x+7) 또는 IV (x+5)로 대체됨
IV (x+3), IV (x+4)', IV (x+2)', IV (x+7), IV (x+5)는 측정된 전류
이를 앞에서 살펴본 도 4에서 제1 전압 벡터를 V3과 V6으로 한 경우로 가정하여 나타내면 다음의 수학식 8과 같다.
[수학식 8]
Figure 112010004659537-pat00016
단, I0 = (IV3+IV1+IV2)/3
수학식 8을 살펴보면 수학식 7에서 IV (x+1)'가 반대 방향 벡터 IV (x+4)로 대체되어 적용된 것을 알 수 있다. x+4 = 7이나 앞에서 설명했듯이 순환 형태이므로 IV7은 IV1이 된다.
이와 같이 계산되면 인덕터스 포화 정도에 큰 차이가 발생하지 않으므로 신뢰성 있게 회전자 위치를 획득할 수 있게 된다.
이상에 따르면, 전압 벡터를 4회 인가함으로써 회전자 자석 N극의 위치, 즉 회전자 위치를 획득할 수 있으며, 만약 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 추가로 1회의 전압 벡터를 더 인가함으로써 회전자 위치를 획득할 수 있다. 이를 평균내면 총 4.3번의 전압 벡터가 되며, 곧 4.3번의 전압 벡터 인가만으로 회전자의 위치를 신뢰성 있게 획득할 수 있다.
도 5는 본 발명과 관련된 회전자 초기 위치 추정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5에 도시된 회전자 초기 위치 추정 방법은 앞에서 살펴본 회전자 초기 위치 추정 장치의 동작으로 설명될 수도 있다.
먼저, 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별하는 단계(S 510), 상기 2개의 제1 전압 벡터 중 상기 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계(S 520)를 포함하고 있다.
이때, 회전자 자석 N극 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°이외인 경우 위 과정으로 회전자 위치 추정이 완료되나, 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우에는(S 530) 인덕턴스 포화의 차이로 인하여 보정 단계를 추가로 거쳐야 한다. 보정 단계는 2개의 제2 전압 벡터 중 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하게 된다(S 540).
극성 판별 단계(S 510)에서 a상의 전류 IV1 = Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V1, c상의 반대 방향 전류 IV2 = -Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V2, b상의 전류 IV3 = Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V3, a상의 반대 방향 전류 IV4 = -Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V4, c상의 전류 IV5 = Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V5, b상의 반대 방향 전류 IV6 = -Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V6일 때 상기 제1 전압 벡터는 Vx와 V(x+3) (단, x는 1, 2, 3 중 하나)가 된다.
이때, 측정된 전류의 대소 관계가 IVx > IV (x+3)인 경우 공간 전압 벡터 그래프에서 IVx와 IV (x+3)을 축으로 할 때 Vx 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하고, 측정된 전류의 대소 관계가 IV (x+3) > IVx인 경우 공간 전압 벡터 그래프에서 IVx와 IV (x+3)을 축으로 할 때 V(x+3) 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별한다. 이와 같은 과정을 통하여 회전자 자석 N극의 위치, 즉 회전자 위치를 180°범위 내로 파악이 가능하다.
회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계(S 520)는 제2 전압 벡터를 인가하고 수학식 6을 적용함으로써 회전자의 위치를 산출하게 된다.
제2 전압 벡터는 상기 회전자 자석 N극이 Vx 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-1)과 V(x+1)이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+3) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+2)와 V(x+4)가 된다. 이를 풀어서 설명하면 제2 전압 벡터는 극성 판별 단계에서 회전자 자석의 N극에 가깝게 위치하는 제1 전압 벡터에 +, -로 인접한 벡터 2개가 된다.
회전자 위치를 계산하는 단계(S 520) 이후에, 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우(S 530) 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하게 된다(S 540). 인덕턴스 포화의 차이로 인한 오차를 보정하기 위한 과정으로 만약 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°가 아닌 경우에는 회전자 위치를 계산하는 단계(S 520)으로 회전자 위치 산출 과정은 종료된다.
2개의 제2 전압 벡터 중 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용한 계산은 수학식 7을 통하여 수행되며, 전체적으로 반대 방향 벡터가 적용된 점을 제외하고 수학식 6과 동일하다.
도 6은 본 발명과 관련된 회전자 초기 위치 추정 방법의 일예를 구체적으로 나타낸 흐름도이다.
도 6을 살펴보면, 제1 전압 벡터로서 V1과 V4가 인가되는 것을 가정하고 있다.
먼저, 제1 전압 벡터로서 V1과 V4를 인가하여 IV1과 IV4를 샘플링한다(S 610).
그 후, 샘플링된 IV1과 IV4를 비교하게 되며(S 620), 비교 결과 IV1가 IV4보다 크면 회전자 위치가 V1 측반면에 위치하는 것으로 판단하여 제2 전압 벡터로서 V1에 인접한 V2와 V6를 인가하여 IV2와 IV6를 각각 샘플링한다(S 630). 수학식 6을 통하여 회전자 위치 θ를 산출하고, -60°< θ < 60°를 만족하면(S 640) 회전자 위치 추정을 완료한다. 만약 -60°< θ < 60°가 아닌 경우(S 640), 제2 전압 벡터 V2와 V6 중 회전자 자석 N극과 거리가 먼 벡터의 반대 방향 벡터 V5 또는 V3을 인가하고 IV5, IV3를 샘플링한 후 수학식 7을 통하여 새롭게 회전자 위치 θ를 산출하고 이렇게 산출된 회전자 위치 θ를 회전자 위치로 추정한다.
만약, 샘플링된 IV1과 IV4를 비교한 결과(S 620), IV1가 IV4보다 크지 않으면 회전자 위치가 V4 측반면에 위치하는 것으로 판단하여 제2 전압 벡터로서 V4에 인접한 V5와 V3을 인가하여 IV5와 IV3를 각각 샘플링한다(S 660). 수학식 6을 통하여 회전자 위치 θ를 산출하고, 120°< θ < 240°를 만족하면(S 670) 회전자 위치 추정을 완료한다. 만약 120°< θ < 240°가 아닌 경우(S 670), 제2 전압 벡터 V5와 V3 중 회전자 자석 N극과 거리가 먼 벡터의 반대 방향 벡터 V2 또는 V6을 인가하고 IV2, IV6를 샘플링한 후 수학식 7을 통하여 새롭게 회전자 위치 θ를 산출하고 이렇게 산출된 회전자 위치 θ를 회전자 위치로 추정한다.
이상의 내용을 정리하면, 60도 간격의 전압 벡터 6개 중 서로 대칭되는 2개의 제1 전압 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 제1 전압 벡터가 이루는 축의 좌반면 또는 우반면에 회전자 자석의 N극이 위치하는 것을 판별하는 과정과, 상기 제1 전압 벡터에 인접하며 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 반면에 포함되는 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 과정을 포함하는 것으로 볼 수 있다.
여기에 더하여 상기 제2 전압 벡터가 형성하는 둔각 범위에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터 대신 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 새롭게 산출하게 된다.
결과적으로 고정자 인덕턴스의 변화를 이용하여 회전자 위치(초기각)를 추정하는 것이 된다.
제안된 추정방법의 타당성을 검증하기 위해 모터 파라미터를 나타낸 표 2에 보이는 650 W급 IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)을 사용하여 초기각을 추정하였다. 초기위치 추정을 위해 인가한 전압펄스의 시간은 500 us이다. 도 7은 표 2의 파라미터를 갖는 모터에 인가한 전압 펄스와 전류를 나타낸다. 전압 펄스의 하강 에지(edge)에서 전류를 샘플링하여 사용하였다.
정격출력 650 [W]
극수 6극
Vdc 12 [V]
정격전류 80 [A]
Rs 20 [mΩ]
Ld 0.063 [mH]
Lq 0.073 [mH]
λPM 0.0107 [Wb]
a상 방향을 회전자 위치의 0°로 정의하고 추정한 회전자의 위치를 도 8에 나타내었다. 오차 범위는 1.6%이다. 도 9는 회전자 위치의 추정 오차를 나타낸 것으로서 ±6°미만의 오차가 있는 것을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
영구자석 동기 모터에 적용이 가능하다.
특히, 회전자 위치 측정 센서가 구비되지 않은 모터에 적용하는 것이 유리하다.
110...회전자 자석 극성 판별부 130...회전자 위치 산출부
150...회전자 위치 보정부

Claims (19)

  1. 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별하는 단계;
    상기 2개의 제1 전압 벡터 중 상기 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계;
    를 포함하는 회전자 초기 위치 추정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 극성 판별 단계에서,
    a상의 전류 IV1 = Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V1,
    c상의 반대 방향 전류 IV2 = -Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V2,
    b상의 전류 IV3 = Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V3,
    a상의 반대 방향 전류 IV4 = -Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V4,
    c상의 전류 IV5 = Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V5,
    b상의 반대 방향 전류 IV6 = -Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V6일 때
    상기 제1 전압 벡터는 Vx와 V(x+3) (단, x는 1, 2, 3 중 하나)인 회전자 초기 위치 추정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 Ia, -Ic, Ib, -Ia, Ic 및 -Ib는 모터의 3상 전류 또는 상기 모터의 3상 전류가 인가되는 인버터 측의 DC 전류를 측정하여 획득되는 회전자 초기 위치 추정 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정된 전류의 대소 관계가 IVx > IV (x+3)인 경우 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 Vx 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하고,
    상기 측정된 전류의 대소 관계가 IV (x+3) > IVx인 경우 상기 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 V(x+3) 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하는 회전자 초기 위치 추정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 전압 벡터는,
    상기 회전자 자석 N극이 Vx 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-1)과 V(x+1)이고,
    상기 회전자 자석 N극이 V(x+3) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+2)와 V(x+4)인 회전자 초기 위치 추정 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 측정된 전류의 대소 관계가 IVx = IV (x+3)인 경우 제1-1 전압 벡터로서 V(x-1)과 V(x+2), V(x+1)과 V(x+4) 중 어느 하나를 선택하여 인가하고,
    상기 제2 전압 벡터는,
    상기 제1-1 전압 벡터가 V(x-1)과 V(x+2)일 때 상기 회전자 자석 N극이 V(x-1) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-2)와 Vx이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+2) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+1)과 V(x+3)이며,
    상기 제1-1 전압 벡터가 V(x+1)과 V(x+4)일 때 상기 회전자 자석 N극이 V(x+1) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 Vx와 V(x+2)이고, 상기 회전자 자석 N극이 V(x+4) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+3)과 V(x+5)인 회전자 초기 위치 추정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 전압 벡터 중 하나는 상기 제1 전압 벡터 중 하나로 대체되는 회전자 초기 위치 추정 방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출되는 회전자 초기 위치 추정 방법.
    Figure 112010004659537-pat00017

    단, I0 = (IVx+IV (x+1)+IV (x-1))/3
    x = 1, 2, 3
    IVx, IV (x+1), IV (x-1)는 측정된 전류
    또는
    Figure 112010004659537-pat00018

    단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)+IV (x+2))/3
    x = 1, 2, 3
    IV (x+3), IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계 이후에,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 더 포함하는 회전자 초기 위치 추정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출되는 회전자 초기 위치 추정 방법.
    Figure 112010004659537-pat00019

    단, I0 = (IVx+IV (x+1)'+IV (x-1)')/3
    x = 1, 2, 3
    IV (x+1)'과 IV (x-1)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+4) 또는 IV (x+2)로 대체됨
    IVx, IV (x+1)', IV (x-1)', IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
    또는
    Figure 112010004659537-pat00020

    단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)'+IV (x+2)')/3
    x = 1, 2, 3
    IV (x+4)'과 IV (x+2)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+7) 또는 IV (x+5)로 대체됨
    IV (x+3), IV (x+4)', IV (x+2)', IV (x+7), IV (x+5)는 측정된 전류
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계 이후에,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 더 포함하는 회전자 초기 위치 추정 방법.
  12. 서로 반대 방향의 제1 전압 벡터 2개를 인가한 후 측정된 전류들의 대소 관계를 비교하여 회전자 자석의 극성을 판별하는 회전자 자석 극성 판별부; 및
    상기 2개의 제1 전압 벡터 중 상기 회전자 자석의 N극에 가까운 제1 전압 벡터에 인접한 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 측정된 전류들을 이용하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 산출부;
    를 포함하는 회전자 초기 위치 추정 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 보정부를 더 포함하는 회전자 초기 위치 추정 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 극성 판별부에서
    a상의 전류 IV1 = Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V1,
    c상의 반대 방향 전류 IV2 = -Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V2,
    b상의 전류 IV3 = Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V3,
    a상의 반대 방향 전류 IV4 = -Ia를 측정할 수 있는 전압 벡터 V4,
    c상의 전류 IV5 = Ic를 측정할 수 있는 전압 벡터 V5,
    b상의 반대 방향 전류 IV6 = -Ib를 측정할 수 있는 전압 벡터 V6일 때
    상기 제1 전압 벡터는 Vx와 V(x+3) (단, x는 1, 2, 3 중 하나)인 회전자 초기 위치 추정 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 측정된 전류의 대소 관계가 IVx > IV (x+3)인 경우 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 Vx 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하고,
    상기 측정된 전류의 대소 관계가 IV (x+3) > IVx인 경우 상기 공간 전압 벡터 그래프에서 Vx와 V(x+3)을 축으로 할 때 V(x+3) 측반면에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 것으로 판별하는 회전자 초기 위치 추정 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 회전자 위치 산출부에서 상기 제2 전압 벡터는,
    상기 회전자 자석 N극이 Vx 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x-1)과 V(x+1)이고,
    상기 회전자 자석 N극이 V(x+3) 측반면에 위치하는 것으로 판별된 경우 V(x+2)와 V(x+4)인 회전자 초기 위치 추정 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출되는 회전자 초기 위치 추정 장치.
    Figure 112010004659537-pat00021

    단, I0 = (IVx+IV (x+1)+IV (x-1))/3
    x = 1, 2, 3
    IVx, IV (x+1), IV (x-1)는 측정된 전류
    또는
    Figure 112010004659537-pat00022

    단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)+IV (x+2))/3
    x = 1, 2, 3
    IV (x+3), IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ가 60°< θ < 120°또는 240°< θ < 300°인 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 측정된 전류를 이용하여 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 위치 보정부를 더 포함하고,
    상기 회전자 자석 N극의 위치 θ는 다음의 수학식에 의해 산출되는 회전자 초기 위치 추정 장치.
    Figure 112010004659537-pat00023

    단, I0 = (IVx+IV (x+1)'+IV (x-1)')/3
    x = 1, 2, 3
    IV (x+1)'과 IV (x-1)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+4) 또는 IV (x+2)로 대체됨
    IVx, IV (x+1)', IV (x-1)', IV (x+4), IV (x+2)는 측정된 전류
    또는
    Figure 112010004659537-pat00024

    단, I0 = (IV (x+3)+IV (x+4)'+IV (x+2)')/3
    x = 1, 2, 3
    IV (x+4)'과 IV (x+2)' 중 회전자 자석 N극의 위치와 먼 하나는 대응되는 반대 방향 벡터 IV (x+7) 또는 IV (x+5)로 대체됨
    IV (x+3), IV (x+4)', IV (x+2)', IV (x+7), IV (x+5)는 측정된 전류
  19. 60도 간격의 전압 벡터 6개 중 서로 대칭되는 2개의 제1 전압 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 제1 전압 벡터가 이루는 축의 좌반면 또는 우반면에 회전자 자석의 N극이 위치하는 것을 판별하는 단계;
    상기 제1 전압 벡터에 인접하며 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 반면에 포함되는 2개의 제2 전압 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 전압 벡터가 형성하는 둔각 범위에 상기 회전자 자석 N극이 위치하는 경우 상기 2개의 제2 전압 벡터 중 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터 대신 상기 회전자 자석 N극과 먼 제2 전압 벡터의 반대 방향 벡터를 인가한 후 전류를 측정하여 상기 회전자 자석 N극의 위치를 산출하는 회전자 초기 위치 추정 방법.
KR1020100006262A 2010-01-25 2010-01-25 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치 KR101133673B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100006262A KR101133673B1 (ko) 2010-01-25 2010-01-25 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100006262A KR101133673B1 (ko) 2010-01-25 2010-01-25 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20110086892A KR20110086892A (ko) 2011-08-02
KR101133673B1 true KR101133673B1 (ko) 2012-04-12

Family

ID=44925809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100006262A KR101133673B1 (ko) 2010-01-25 2010-01-25 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101133673B1 (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101904714B1 (ko) * 2012-09-03 2018-10-05 현대모비스 주식회사 적응형 헤드램프의 초기화 방법
KR101684073B1 (ko) * 2015-03-10 2016-12-08 엘에스산전 주식회사 영구자석 동기 전동기의 회전자 초기 자극 위치 검출 방법
KR102619909B1 (ko) * 2016-09-09 2024-01-04 한온시스템 주식회사 모터 회전자 제어 장치 및 방법
KR102553783B1 (ko) * 2016-09-09 2023-07-07 한온시스템 주식회사 모터 회전자 제어 방법 및 장치
KR102542785B1 (ko) * 2018-09-07 2023-06-14 에이치엘만도 주식회사 모터의 회전자 위치 보정 장치 및 회전자 위치 보정 방법
CN112953342B (zh) * 2019-12-11 2021-11-30 珠海格力电器股份有限公司 电机的转子初始位置检测方法、系统、存储介质及装置
KR102359677B1 (ko) * 2020-01-31 2022-02-09 현대엘리베이터주식회사 회전자 초기각 추정 장치 및 방법
KR102494056B1 (ko) * 2020-12-18 2023-02-06 현대엘리베이터주식회사 선형전동기의 자기각 오차 보정 장치 및 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100493217B1 (ko) 2001-06-08 2005-06-03 가부시키가이샤 도요다 지도숏키 모터장치 및 그 제어방법
KR100503441B1 (ko) 2003-06-30 2005-07-22 전남대학교산학협력단 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 위치 검출장치 및 방법
KR100645807B1 (ko) 2004-12-06 2007-02-28 엘지전자 주식회사 모터 기동 제어장치 및 그 방법
KR20080079142A (ko) * 2007-02-26 2008-08-29 창원대학교 산학협력단 홀센서가 없는 오디디용 브러시리스 직류전동기의 기동방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100493217B1 (ko) 2001-06-08 2005-06-03 가부시키가이샤 도요다 지도숏키 모터장치 및 그 제어방법
KR100503441B1 (ko) 2003-06-30 2005-07-22 전남대학교산학협력단 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 위치 검출장치 및 방법
KR100645807B1 (ko) 2004-12-06 2007-02-28 엘지전자 주식회사 모터 기동 제어장치 및 그 방법
KR20080079142A (ko) * 2007-02-26 2008-08-29 창원대학교 산학협력단 홀센서가 없는 오디디용 브러시리스 직류전동기의 기동방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20110086892A (ko) 2011-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101133673B1 (ko) 회전자 초기 위치 추정 방법 및 장치
CN107919830B (zh) 一种电机位置传感器的标定方法及装置
US10161766B2 (en) Magnetic pole position detection device of permanent magnet-type synchronous motor
EP2725702B1 (en) Control device for rotary machine
JP5223109B2 (ja) 永久磁石形同期電動機の制御装置
CN107769633B (zh) 确定无铁pmsm电机的转子的取向的方法和电机系统
EP2258043B1 (en) Sensorless control of salient-pole machines
KR101684073B1 (ko) 영구자석 동기 전동기의 회전자 초기 자극 위치 검출 방법
Kwon et al. Design, modeling, and control of an IPMSM with an asymmetric rotor and search coils for absolute position sensorless drive
US10749454B2 (en) Hall-effect sensor signal offset correction in phase commutation
JP3687603B2 (ja) Ｐｍモータの磁極位置推定方式
CN109391186B (zh) 控制装置以及控制方法
JP2005065415A (ja) 永久磁石同期モータの磁極位置検出装置
JP2002051595A (ja) 電動機の制御装置
TW202118218A (zh) 估測永磁同步馬達d-q軸電感的方法
JP6108114B2 (ja) 永久磁石形同期電動機の制御装置
JP5396754B2 (ja) 出力推定装置
JP5332301B2 (ja) 永久磁石形同期電動機の制御装置
JP4061446B2 (ja) 同期電動機の抵抗値同定方法とその制御装置
KR100612042B1 (ko) 위치 센서가 없는 브러시리스 직류 전동기의 회전자의초기 전기각 위치 추정 방법 및 기동 방법
CN108155841B (zh) 一种感应电机的无位置传感器速度估算方法
WO2019150984A1 (ja) 三相同期電動機の制御装置
JP2012023937A (ja) 同期電動機の制御装置および制御方法
Hittinger et al. Modelling and examination of the influence of a short-circuited rotor winding for saliency tracking of a machine with a three-phase single-tooth winding
JP7364436B2 (ja) 磁極方向検出装置および磁極方向検出方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150212

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151224

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161226

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee