KR101301385B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치에 관한 것으로, 구간별 지령 전류를 발생시키는 전류 제어부; PWM신호를 생성하여 SRM에 전압이 인가되도록 하는 구동부; 자속 오차를 산출하는 자속 오차 산출부; 자속 오차를 이용하여 추정 위치를 산출하여 상기 자속 오차 산출부로 출력하는 회전자 위치 추정부; 및 지령 속도에 대응되는 지령 위치가 상기 자속 오차 산출부로 입력되도록 하는 모드 절환부를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치가 제공된다.
Description
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치에 관한 것이다.
산업발달과 높은 문화 생활을 위해 고성능, 고기능의 전동력이 요구되고 있다. 이러한 흐름에 따라 기존의 전동기에 비해 기계적 구조가 간단하고, 가격이 저렴하며 효율 및 출력특성이 우수한 전동기의 구조가 요구되고 있다.
현재 알려진 전동기 중 SRM(Switched Reluctance Motor)은 기계적 구조가 간단하면서도 견고하고, 견인토크가 우수하며, 낮은 제작단가와 더불어 저렴한 유지 관리비용으로 인해 산업용 시스템 및 가전제품에 적용이 증가하고 있다.
이와 같은 SRM은 단순한 구조로 인해 저렴하고 환경적인 요인에 강인하며 단위면적당 발생토크가 높은 반면 산업응용에서 SRM의 속도 제어를 위해서는 회전자 위치정보의 검출이 필수적이다.
이는 회전자계에 의해 회전력을 얻는 일반적인 교류 전동기와는 다르게 펄스형의 여자전력과 회전자와 고정자의 돌극성에 따르는 자기저항의 변화 즉, 릴럭턴스 토크에 의해 구동되는 전동기구로 회전자의 일정한 회전 구간마다 연속적인 펄스 여자전원의 인가가 필요하기 때문이다.
이와 같은 필요에 따라 회전자의 위치를 검출하기 위한 종래 기술로는 일본 특허공개공보 2004-364498 등에 개시된 바와 같이 엔코더나 레졸버 등의 센서를 사용한 방법이 있다. 하지만, 이와 같은 종래 기술은 사용되는 엔코더나 레졸버 등이 온도 및 진동 등의 환경적 요인에 민감하기 때문에 온도가 상승하거나 진동이 많은 열악한 환경에 적용되기 어렵고, 추가적인 비용발생으로 단가 상승을 야기하는 문제가 있다.
따라서, 이를 해결하기 위하여 센서리스 알고리즘을 이용한 SRM 제어기법이 개발되었다.
이와 관련하여 종래 기술로 자속을 이용한 SRM의 센서리스 방식이 있는데, 상기 방식은 상권선에 인가되는 전압, 상권선에 흐르는 전류 및 상권선 저항값을 고려하여 산출된 상권선에서 발생하는 자속을 이용하고 있다.
하지만, 이와 같은 종래 기술은 정지상태에서는 회전자의 위치 검출이 불가능하고, 저속 구간에서는 추정 정밀도가 낮다는 문제점이 있다.
또한, 상기 종래 기술에 따르면 자속의 계산에 포함되는 상권선 전압, 전류 및 저항에는 오차가 포함되어 있어-특히 스위칭 소자의 온도 변화에 따른 전압강하의 변동과 상권선 저항의 변동으로 인하여-추정 위치에 오차가 지속적으로 발생하게 되는 문제가 있다.
그 결과, 이러한 추정 위치의 오차로 인하여 SRM의 센서리스 성능이 크게 저하되며, 오차가 지속적으로 증가하게 되면 정상적인 운전이 불가능할 수도 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 초기 구동에서부터 센서리스 제어 구간까지의 천이구간에서 지령 속도에 따른 지령 위치를 사용하여 추정 정밀도는 높일 수 있도록 한 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명은 SRM의 자속 정보로부터 추정되는 회전자 위치를 자기적인 특성에 의해 발생하는 인덕턴스의 변곡점을 사용하여 보상하도록 하여 SRM의 구동환경의 변화 및 구동 회로의 변화에 대하여 안정적인 동작을 수행될 수 있도록 한 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 센서리스 제어 구간에서 지령 속도와 회전자의 추정 속도의 편차에 대응되는 지령 전류를 발생시키고, 오픈루프 구간에는 자속 오차에 대응되는 지령 전류를 발생시키는 전류 제어부; 상기 전류 제어부에서 출력되는 지령 전류와 회전자 추정 위치를 이용해 SRM의 각 상에 전압이 인가되는 구간을 계산하고 PWM신호를 생성하여 SRM에 전압이 인가되도록 하는 구동부; 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM의 검출 전압과 전류를 입력받아 자속 오차를 산출하고, 센서리스 제어 구간에서는 추정위치를 입력받고 SRM의 검출 전압과 전류를 입력받아 자속 오차를 산출하는 자속 오차 산출부; 상기 자속 오차 산출부에서 자속 오차를 입력받아, 입력받은 자속오차를 이용하여 회전자의 추정 속도를 산출하여 상기 전류 제어부로 출력하며, 입력받은 자속 오차를 이용하여 추정 위치를 산출하여 상기 자속 오차 산출부로 출력하는 회전자 위치 추정부; 및 SRM의 속도에 따른 오픈루프 제어구간에서는 자속 오차에 대응되는 지령 전류가 전류 제어부에서 구동부로 전달되도록 하고, 회전자 위치 추정부에서 출력되는 추정 위치가 자속 오차 산출부로 입력되도록 하며, 센서리스 제어 구간에서 지령 속도와 회전자의 추정 속도의 편차에 대응되는 지령 전류가 상기 전류 제어부에서 구동부로 전달되도록 하며, 지령 속도에 대응되는 지령 위치가 상기 자속 오차 산출부로 입력되도록 하는 모드 절환부를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 전류 제어부는, 센서리스 제어 구간에서 지령 속도와 회전자의 추정 속도의 편차에 대응되는 지령 전류를 발생시키는 속도 제어부; 및 오픈루프 구간에는 자속 오차에 대응되는 지령 전류를 발생시키는 전류 지령부를 포함한다. 또한, 본 발명의 상기 구동부는, 지령전류와 회전자의 위치를 입력받아 SRM에 지령전류가 인가될 수 있도록 각 상의 회전자 위치에 따른 전압 인가 구간을 산출하여 구간에 따른 스위칭 신호를 생성하여 출력하는 컨트롤부; 상기 컨트롤부에서 출력되는 스위칭 신호를 입력받아 PWM신호를 생성하는 PWM 신호 생성부; 및 상기 PWM 신호 생성부에서 입력되는 PWM 신호와 컨버터 기준 전압을 이용하여 다상의 고정자의 각 상을 대상으로 여자 상태를 가변적으로 스위칭하여 회전 토크를 발생시키는 컨버터부를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 자속 오차 산출부는, 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력하며, 센서리스 제어 구간에서는 추정위치를 입력받고 SRM의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력하는 자속 추정부; 및 SRM의 검출된 전압 및 전류를 이용하여 추정 자속을 산출하여 출력하는 자속 데이터부를 포함한다.
또한, 본 발명은 토크가 발생하지 않는 영역에서 SRM의 검출전류를 이용하여 인덕턴스 변곡점을 검출하고, 검출된 인덕턴스 변곡점으로부터 추정된 회전자 위치와 회전자 위치 추정부로부터 추정된 추정 위치의 편차를 이용하여 상기 자속 오차 산출부에서 출력되는 자속 오차를 보정하는 인덕턴스 변곡점 검출부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 인덕턴스 변곡점 검출부는, SRM의 검출되는 전류를 이용하여 SRM의 인덕턴스 변곡점을 검출하여 회전자의 추정 위치를 산출하여 출력하는 보정위치 추정부; 상기 회전자 위치 추정부를 통한 회전자 추정 위치와 상기 보정 위치 추정부에 의한 인덕턴스 변곡점을 통한 회전자 추정 위치의 위치 오차를 출력하는 자속오차 보상부; 및 상기 자속오차 보상기에서 산출한 위치 오차를 이용하여 추정 자속에 대한 보상값을 산출하여 상기 자속 오차 산출부에서 산출한 자속 오차를 보상하는 회전자 추정위치 보상부를 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 모드 절환부는, 오픈루프 스위칭 제어신호가 입력되면 지령 전류가 구동부로 입력되도록 하고, 자속 추정부로 지령 위치가 입력되도록 하고, 센서리스 스위칭 제어 신호가 입력되면 지령 전류가 구동부로 입력되도록 하며, 회전자 위치 추정부에서 출력되는 추정 위치가 자속 추정부에 입력되도록 하는 절환 스위치; 및 SRM의 회전자 속도가 히스테리시스 밴드의 최대 속도에 이르기 전이면 상기 절환 스위치로 오픈루프 스위칭 제어 신호를 출력하고, SRM의 회전자 속도가 히스테리시스 밴드의 최대 속도에 이르면 절환 스위치로 센서리스 스위칭 제어 신호를 출력하는 동작 모드 결정부를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 초기 회전자 정렬에서 센서리스 구간까지 지령 속도에 따른 지령 위치를 사용하여 정밀도는 높일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상권선 및 외부환경요인에 의한 오차를 보상하는 알고리즘을 적용하여 속도 제어에 있어서 신뢰성 및 정밀성을 갖출 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, SRM이 열악한 환경에서 사용되어, 발열로 인한 온도 상승이 발생하더라도, 온도 상승에 따른 고정자 상권선 저항의 변화와 스위칭 소자의 전압강하의 변동에 대해서도 안정적인 회전자 위치 추정이 가능하여 신뢰성 높은 센서리스 속도 제어를 구현할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 있어서 회전자 속도에 따른 오픈루프 제어 구간과 센서리스 제어 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 있어서 제어 구간별 구동 방식을 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 이용되는 2D 및 3D 룩-업 테이블을 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명에 이용되는 보간법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 일반적으로 SRM의 회전자 위치에 따른 인덕턴스 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 인덕턴스 변곡점과 회전자 위치를 설명하기 위한 도면이다.
[발명의 실시를 위한 구체적인 내용]
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 있어서 회전자 속도에 따른 오픈루프 제어 구간과 센서리스 제어 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 있어서 회전자 속도(
)에 따른 오픈루프 제어 구간은 초기 구동에서부터 히스테리시스 밴드구간(
)의 최대 속도(
)가 되는 지점까지의 구간과 히스테리스 밴드구간(
)의 최소속도(
)에 이르는 지점부터 정지되는 지점까지로 이루어져 있다.
그리고, 센서리스 제어 구간은 회전자 속도가 히스테리시스 밴드구간(
)의 최대속도(
)가 되는 지점에서부터 시작하여 최대 속도(
)인 구간을 지나서 히스테리스 밴드구간(
)의 최소속도(
)가 되는 지점까지로 이루어져 있다.
본 발명에서는 센서리스 제어 구간에서는 추정 위치를 사용하고, 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 사용하여 속도가 제어되도록 구현하였다.
도 2는 본 발명에 있어서 제어 구간별 구동 방식을 나타내고 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 있어서 초기 구동시에서는 정격 부하를 가정하여 정격 전류를 지령 전류(
)로 사용하여 구동하고, 이후에는 오픈루프 제어를 통하여 자속 오차에 따라 지령 전류가 연속적으로 가변되도록 제어함으로써, SRM의 속도(
)가 지령 속도(
)를 추종하도록 제어하며, SRM의 속도(
)가 센서리스 제어가 가능한 일정속도(
) 이상 상승하게 되면, 센서리스 제어 동작으로 절환된다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치는 속도 제어부(10), 전류 지령부(20), 컨트롤부(30), PWM 신호 생성부(40), 컨버터부(50), 자속 추정부(60), 자속 데이터부(70), 회전자 위치 추정부(80), 절환 스위치(90), 보정위치 추정부(100), 자속오차 보상부(110), 회전자 추정위치 보상부(120) 및 동작 모드 결정부(130)를 구비하고 있다.
여기에서, 속도 제어부(10)와 전류 지령부(20)는 전류 제어부(140)를 구성하며, 이와 같이 구성되는 전류 제어부(140)는 센서리스 제어 구간에서 지령 속도(
)와 회전자의 추정 속도(
)의 편차에 대응되는 지령 전류(
)를 발생시키고, 오픈루프 구간에는 자속 오차(
)에 대응되는 지령 전류(
)를 발생시킨다.
그리고, 컨트롤부(30), PWM신호 생성부(40) 및 컨버터부(50)는 구동부(150)을 구성하며, 이와 같이 구성되는 구동부(160)는 지령 전류와 회전자 추정 위치를 이용해 SRM(1)의 각 상에 전압이 인가되는 구간을 계산하고 PWM 신호를 생성하여 컨버터부(50)를 통해 SRM(1)에 전압이 인가되도록 한다.
다음으로, 자속 추정부(60)와 자속 데이터부(70)는 자속 오차 산출부(160)를 형성하며, 이와 같이 구성된 자속 오차 산출부(160)는 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM(1)의 검출 전압과 전류를 입력받아 자속 오차(
)를 산출하고, 센서리스 제어 구간에서는 추정위치를 입력받고 SRM(1)의 검출 전압과 전류를 입력받아 자속 오차(
)를 산출한다.
그리고, 보정위치 추정부(100), 자속오차 보상부(110) 및 회전자 추정위치 보상부(120)는 인덕턴스 변곡점 검출부(170)를 구성하며, 이와 같이 구성된 인덕턴스 변곡점 검출부(170)는 토크가 발생하지 않는 영역에서 SRM(1)의 검출 전류를 이용하여 인덕턴스 변곡점을 검출하고, 검출된 인덕턴스 변곡점으로부터 추정된 회전자 위치(
)와 회전자 위치 추정부(80)로부터 추정된 추정 위치(
)의 편차를 이용하여 자속 오차를 보정한다.
또한, 절환 스위치(90)와 동작 모드 결정부(130)는 모드 절환부(180)를 구성하며, 이와 같이 구성되는 모드 절환부(180)는 SRM(1)의 속도(
)(실질적으로는 회전자의 추정 속도(
)임)에 따른 오픈루프 제어구간에서는 자속 오차에 대응되는 지령 전류가 전류 제어부(140)에서 구동부(150)로 전달되도록 하고, 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 추정 위치가 자속 오차 산출부(160)로 입력되도록 하며, 센서리스 제어 구간에서 지령 속도(
)와 회전자의 추정 속도(
)의 편차에 대응되는 지령 전류가 전류 제어부(140)에서 구동부(150)로 전달되도록 하며, 지령 속도에 대응되는 지령 위치가 자속 오차 산출부(160)로 입력되도록 한다.
이와 같이 구성되는 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치의 상기 속도 제어부(10)는 센서리스 제어 구간에서 지령 속도(
)와 회전자의 추정 속도(
)의 편차에 대응되는 지령 전류를 발생시킨다.
그리고, 전류 지령부(20)는 초기구동과 오픈루프 구간에서 자속 오차(
)에 대응되는 지령 전류를 발생시킨다.
또한, 컨트롤부(30)는 지령전류와 회전자의 추정 위치를 입력받아 SRM(1)에 지령전류가 충분히 인가될 수 있도록 각 상의 회전자 위치에 따른 전압 인가 구간을 산출하여 컨버터부(50)가 각 상에 전압이 인가될 수 있도록 하는 스위칭 신호를 생성하여 출력한다.
그리고, PWM 신호 생성부(40)는 컨트롤부(30)에서 출력되는 스위칭신호를 프로세서를 통해 입력받아 컨버터부(50)를 실제 구동할 수 있는 PWM신호로 생성한다.
상기 컨버터부(50)는 PWM 신호 생성부(40)에서 입력되는 PWM 신호와 컨버터 기준 전압을 이용하여 다상의 고정자의 각 상을 대상으로 여자 상태를 가변적으로 스위칭함으로써 원하는 방향에 대한 회전 토크를 발생시킨다.
다음으로, 상기 자속 추정부(60)는 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM(1)의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력하며, 센서리스 제어 구간에서는 추정위치를 입력받고 SRM(1)의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력한다.
그리고, 자속 데이터부(70)는 SRM(1)의 검출된 전압 및 전류를 이용하여 추정 자속을 산출하여 출력한다.
회전자 위치 추정부(80)는 SRM(1)의 실제 자속과 추정 자속의 오차를 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하여 출력한다.
그리고, 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)에서 오픈루프 스위칭 제어신호가 입력되면 전류 지령부(20)에서 출력되는 지령 전류가 컨트롤부(30)로 입력되도록 하고, 센서리스 스위칭 제어 신호가 입력되면 속도 제어부(10)에서 출력되는 지령 전류가 컨트롤부(30)로 입력되도록 한다.
또한, 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)에서 오픈루프 스위칭 제어 신호가 입력되면 자속 추정부(60)로 지령 위치가 입력되도록 하고, 센서리스 스위칭 제어 신호가 입력되면 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 추정 위치가 자속 추정부(60)에 입력되도록 한다.
그리고, 동작 모드 결정부(130)는 SRM(1)의 회전자 속도(
)가 히스테리시스 밴드의 최대 속도에 이르기 전이면 절환 스위치(90)로 오픈루프 스위칭 제어 신호를 출력하고, SRM(1)의 회전자 속도(
)가 히스테리시스 밴드의 최대 속도에 이르면 절환 스위치(90)로 센서리스 스위칭 제어 신호를 출력한다.
한편, 보정위치 추정부(100)는 SRM(1)의 검출되는 전류를 이용하여 SRM의 인덕턴스 변곡점을 검출한다.
SRM(1)의 연속적인 구동으로 인한 상권선의 온도 변화 등은 상권선 저항의 변동을 초래하고 이는 자속 계산에 있어서 오차를 발생시키고 회전자 추정위치의 오차를 발생시킨다. 이러한 이유로 본 발명에서는 센서리스 제어를 하되 온도 등의 영향을 받지 않고 SRM(1)의 자기적인 특성을 이용하는 불연속적인 인덕턴스 변곡점 검출방법을 통해 외부 영향을 받지 않는 회전자 위치를 검출하여 회전자 추정 위치의 오차를 보상하고자 보정 위치 추정부(100)를 이용한다.
다음으로, 상기 자속오차 보상부(110)는 회전자 위치 추정부(80)를 통한 회전자 추정 위치와 인덕턴스 변곡점을 통한 회전자 추정 위치의 위치 오차의 평균치를 산출하여 출력한다. 이 때, 회전자 추정 위치의 위치 오차의 평균치는 인덕턴스 변곡점을 여러번 검출하여 각각의 회전자 추정 위치의 오차를 평균한 값으로 안정적인 제어가 가능하도록 한다. 이때, 저역통과필터를 이용하여 다른 성분이 포함되지 않는 추정 위치의 오차값을 포함하도록 한다.
그리고, 상기 회전자 추정위치 보상부(120)는 상기 자속오차 보상부(110)에서 산출하여 출력하는 회전자 위치 추정부(80)에서 추정된 회전자 추정 위치와 인덕턴스 변곡점을 이용하여 추정한 회전자 추정 위치의 위치 오차를 이용하여 추정 자속에 대한 보정 자속을 산출하여 출력하며, 이러한 보정 자속을 이용하여 자속 데이터부(70)에서 출력되는 추정 자속이 보정되도록 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 제어 장치의 동작을 살펴보면 아래와 같다.
먼저, 정지 상태에서 구동시에 한 상에 전류를 인가하여 SRM(1)의 회전자와 고정자를 정렬시키는 기동 알고리즘을 거쳐 회전자 위치 추정부(80)가 회전자의 추정 위치(
)를 검출한다.
그리고, 동작 모드 결정부(130)는 지령 속도(
)가 입력되면 도 1에 도시된 바와 같이 센서리스 제어가 가능한 일정 속도에 이르기 전까지 오픈루프 제어가 수행되도록 절환 스위치(90)에 오픈루프 스위칭 제어 신호를 출력한다.
그러면, 상기 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)의 제어에 따라 전류 지령부(20)의 지령 전류가 컨트롤부(30)로 통과되도록 한다.
또한, 상기 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)의 제어에 따라 지령 속도에 따른 지령 위치가 자속 추정부(60)로 통과되도록 한다.
이와 같은 전류 지령부(20)에서 출력되는 지령 전류는 컨트롤부(30)를 거쳐 스위칭 신호가 되고, PWM 신호 생성부(40)를 거쳐 PWM 신호로 변환되어 컨버터부(50)로 인가된다.
다음으로, 컨버터부(50)는 PWM 신호 생성부(40)로부터 출력되는 PWM신호를 입력받고 외부로부터 입력되는 컨버터 기준 전압(
)을 입력받아 다상의 고정자의 각 상을 대상으로 여자 상태를 가변적으로 스위칭함으로써 원하는 방향에 대한 회전 토크를 발생시킨다.
이와 같은 상황에서 자속 추정부(60)는 SRM(1)의 검출 전류와 회전자의 위치(
)(여기에서는 지령 위치를 의미한다)에 의해 결정되는 실제 자속이 테이블 형태로 형성되어 있는 도 4에 도시된 2D 또는 3D 룩-업 테이블(Look-Up Table)을 참조하여 지령 속도에 따른 지령 위치와 SRM(1)의 상에서 검출되는 검출 전류(
)를 이용하여 SRM(1)의 실제 자속(
)을 산출하여 출력한다.
그에 더해 별도의 미세한 구간을 보간하기 위한 데이터 보간법을 통하여 회전자의 위치(여기에서는 지령 위치를 의미한다)와 SRM(1)의 상저항에 흐르는 전류(
)에 대한 실제 자속(
)를 추정할 수 있다.
이와 관련하여 도 5는 FEM해석을 통해 비선형적으로 구성되어진 룩-업 테이블(Look-Up Table)에서 보간법을 통해 데이터를 추정하는 방법을 나타내고 있다.
상기 도 5를 사용하여 보간법을 통해 데이터를 추정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5에서
의 x는 전류, y는 회전자 위치각도를 나타낸다. x와 y는 각각 데이터 테이블을 만들 때, 일정 구간 예를 들면, 전류는 0.1A 단위로 각도는 1도 단위로 만들기 때문에 그 사이에 있는 전류와 각도에 대하여 보간을 하는 방법이다.
만약 전류가 1.23A이고 각도 42.3도라면, 데이터 테이블로 구할 수 있는 데이터는 (1.2[A], 42[deg])와(1.2[A], 43[deg]) 및 (1.3[A], 42[deg]) (1.3[A], 43[deg])에 해당한다. 이 네점의 위치가 바로 도 5에서 보는
, 
, 
및 
에 해당한다.
따라서 y축의
라 하는 것은 y축의 위치에 해당하므로, 현재 k번재 샘플링 구간에서 실제 데이터에 포함되어 있는 4점사이의 각도차이에 해당하게 된다.
수식에서 변수들은 특정한 변수가 아니라 그래프상의 4점의 포인트를 설명하는 것이다.
(수학식 1)
(수학식2)
(수학식 3)
(수학식 4)
(수학식 5)
(수학식 6)
한편, 자속 데이터부(70)는 SRM(1)에서 검출되는 전류(
)와 컨버터(50)에 입력되는 기준 전압(
)을 이용하여 추정 자속 (
)을 산출하여 출력한다. 추정 자속(
)은 다음과 같이 계산한다.
(수학식 7)
여기에서, Rs는 SRM(1)의 저항이다.
이 때, 컨버터(50)에 입력되는 기준 전압(
)은 컨버터(50)를 스위칭하는 PWM 신호 생성부(40)의 듀티비와 스위칭 소자의 전압강하 성분을 고려하여 다음과 같이 계산한다.
(수학식 8)
(
: PWM 듀티비, 
: 컨버터 입력전압, 
: 소자의 전압강하 )
전류 지령부(20)는 자속 추정부(60)에서 출력되는 SRM(1)의 실제 자속(
)과 추정 자속(
)의 편차를 입력받아 실제 자속에 추정 자속이 수렴하도록 하는 알고리즘을 이용하여 지령 전류를 생성하여 출력한다.
이처럼 전류 지령부(20)가 SRM(1)의 실제 자속(
)과 추정 자속(
)의 편차를 입력받아 실제 자속에 추정 자속이 수렴하도록 지령 전류를 생성하여 출력하게 되면, SRM(1)의 회전자의 속도(
)가 지령 속도(
)보다 높게 되면 출력되는 전류(
)가 감소하게 되고, 회전자의 속도(
)가 지령 속도(
)보다 낮게 되면 출력되는 전류(
)를 증가하게 되어 SRM(1)의 속도 헌팅 및 리플이 억제된다.
한편, 동작 모드 결정부(130)는 SRM(1)의 회전자 속도(
)가 히스테리시스 밴드의 최대 속도에 이르면 절환 스위치(90)로 센서리스 스위칭 제어 신호를 출력한다.
그러면, 상기 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)의 제어에 따라 속도 제어부(10)의 지령 전류가 컨트롤부(30)로 통과되도록 하고, 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 회전자의 실제 위치가 자속 추정부(60)로 통과되도록 하여 오픈루프 제어에서 센서리스 제어로 절환되도록 한다.
이처럼 오픈루프 제어에서 센서리스 제어로 절환되면, 상기 속도 제어부(10)는 지령 속도(
)와 회전자의 추정 속도(
)의 편차에 따른 지령 전류(
)를 출력한다.
이때, 속도 제어부(10)는 회전자의 속도(
)가 지령 속도(
)보다 높게 되면 지령 전류(
)를 감소시키고, 회전자의 속도(
)가 지령 속도(
)보다 낮게 되면 지령 전류(
)를 증가시킨다.
한편, 컨트롤부(30)는 지령 전류(
)와 SRM(1)에서 검출되는 검출 전류(
)의 편차와 회전자의 추정 위치(
)를 이용하여 SRM(1)에 지령전류가 충분히 인가될 수 있도록 각 상의 회전자 위치에 따른 전압 인가 구간을 산출하여 컨버터부(50)가 각 상에 전압이 인가될 수 있도록 하는 스위칭 신호를 생성하여 출력한다.
그리고, PWM 신호 생성부(40)은 상기 컨트롤부(30)에서 스위칭 신호를 입력받아 PWM신호를 생성하여 출력한다.
상기 컨버터부(50)는 PWM 신호를 입력받고 컨버터 기준 전압(
)을 입력받아 다상의 고정자의 각 상을 대상으로 여자 상태를 가변적으로 스위칭함으로써 원하는 방향에 대한 회전 토크를 발생시킨다.
그리고, 자속 추정부(60)는 SRM(1)의 검출 전류와 회전자의 위치에 의해 결정되는 실제 자속 관계를 도 4에 도시된 2D 및 3D 룩-업 테이블(Look-Up Table)과, 그에 더해 도 5를 참조하여 별도의 미세한 구간을 보간하기 위한 데이터 보간법을 통하여 회전자의 위치와 SRM(1)의 상저항에 흐르는 전류(
)에 대한 실제 자속(
)를 추정할 수 있다(실제 자속을 산출하는 과정은 오픈루프 제어에서 설명한 바와 같다).
한편, 자속 추정부(60)에서 추정된 실제 자속(
)과 자속 데이터부(70)를 통하여 추정된 추정 자속(
)의 편차인 자속의 오차 성분(
)은 전자 위치 추정부(80)에 입력된다.
(수학식 9)
상기 회전자 위치 추정부(80)는 SRM(1)의 자속의 오차 성분(
)을 이용하여 회전자의 추정 위치(
) 및 추정 속도(
)를 출력하게 된다.
이때, 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 SRM(1)의 회전자 추정 속도(
)는 지령 속도(
)와 비교하여 속도 제어부(10)에서 회전자 추정 속도(
)와 지령 속도(
)의 오차 성분(
)에 대응하는 지령 전류(
)가 출력되도록 한다.
그리고, 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 SRM(1)의 회전자 추정 위치(
)는 자속 추정부(60)로 피드백되어 실제 자속을 추정하는데 이용된다.
한편, 보정 위치 추정부(100)는 검출되는 전류의 기울기를 이용하여 SRM(1)의 인덕턴스 변곡점을 검출하여 회전자 위치를 추정한다.
일반적으로 SRM(1)의 회전자 위치에 따른 인덕턴스 특성은 도 6을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 고정자와 회전자가 정렬되지 않는 구간에서는 인덕턴스가 최소이고 고정자와 회전자가 정렬되기 시작하면서 인덕턴스는 상승하다가 고정자와 회전자가 완전히 정렬되었을 때는 인덕턴스가 최대가 된다. 이후, 고정자와 회전자가 지나치면서 인덕턴스가 감소하게 되고 고정자와 회전자가 정렬하지 않는 구간에서는 다시 인덕턴스가 최소가 된다.
이와 같은 특성을 가지는 SRM(1)를 지령 전류에 따라 구동하기 위해서 초기 구동시에 정격 전압(
)을 인가하게 되면 도 7에 도시된 바와 같이 인덕턴스가 증가하는 부분까지 전류(
)가 상승하게 된다. 전류(
)는 실제 SRM(1)에 흐르는 전류
를 필터링한 값이다. 이후 인덕턴스가 증가하게 되는 변곡점 지점에서 전류의 기울기는 급격하게 변동하게 되는데 전류
가 급격하게 변동하는 지점이 인덕턴스 변곡점의 위치이며, 보정 위치 추정부(100)는 이때의 회전자 위치를 검출한다.
다음으로, 자속 오차 보상부(110)는 회전자 위치 추정부(70)를 통한 회전자 추정 위치(
)와 보정 위치 추정부(100)를 통하여 인덕턴스 변곡점 검출을 통한 회전자 추정 위치(
)에서 위치 오차를 산출하여 출력하며, 저역통과필터를 포함한다.
그리고, 회전자 추정 위치 보상부(120)는 상기 자속 오차 보상부(110)가 산출한 회전자 위치 추정부(70)를 이용한 회전자 추정 위치와 보정 위치 추정부(100)를 통한 인덕턴스 변곡점 검출을 이용한 회전자 추정위치의 위치 오차에 대응되는 추정 자속의 보정값을 산출하여 출력한다.
이때 회전자 추정 위치 보상부(120)는 다음 수학식에 의해 추정 자속의 보정값을 산출하여 출력한다.
(수학식 10)
(
: 비례이득, 
: 적분이득, 
: 인덕턴스 변곡점 검출을 통한 회전자 추정 위치, 
: 회전자 위치 추정부를 통한 회전자 추정위치 )
이와 같이 회전자 추정 위치 보상부(120)에서 출력되는 추정 자속의 보정 값은 자속 데이터부(70)에서 출력되는 추정 자속에 합산되어 추정 자속을 보정할 수 있도록 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 초기 회전자 정렬에서 센서리스 구간까지 지령 속도에 따른 지령 위치를 사용하여 정밀도는 높일 수 있으며, 상권선 및 외부환경요인에 의한 오차를 보상하는 알고리즘을 적용하여 속도 제어에 있어서 신뢰성 및 정밀성을 갖출 수 있고, SRM이 열악한 환경에서 사용되어, 발열로 인한 온도 상승이 발생하더라도, 온도 상승에 따른 고정자 상권선 저항의 변화와 스위칭 소자의 전압강하의 변동에 대해서도 안정적인 회전자 위치 추정이 가능하여 신뢰성 높은 센서리스 속도 제어를 구현할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 장치는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.
도 2는 본 발명에 있어서 제어 구간별 구동 방식을 나타내고 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 이용되는 2D 및 3D 룩-업 테이블을 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명에 이용되는 보간법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 일반적으로 SRM의 회전자 위치에 따른 인덕턴스 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 적용되는 인덕턴스 변곡점과 회전자 위치를 설명하기 위한 도면이다.
[발명의 실시를 위한 구체적인 내용]
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 있어서 회전자 속도에 따른 오픈루프 제어 구간과 센서리스 제어 구간을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 있어서 회전자 속도(
그리고, 센서리스 제어 구간은 회전자 속도가 히스테리시스 밴드구간(
본 발명에서는 센서리스 제어 구간에서는 추정 위치를 사용하고, 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 사용하여 속도가 제어되도록 구현하였다.
도 2는 본 발명에 있어서 제어 구간별 구동 방식을 나타내고 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 있어서 초기 구동시에서는 정격 부하를 가정하여 정격 전류를 지령 전류(
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치의 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치는 속도 제어부(10), 전류 지령부(20), 컨트롤부(30), PWM 신호 생성부(40), 컨버터부(50), 자속 추정부(60), 자속 데이터부(70), 회전자 위치 추정부(80), 절환 스위치(90), 보정위치 추정부(100), 자속오차 보상부(110), 회전자 추정위치 보상부(120) 및 동작 모드 결정부(130)를 구비하고 있다.
여기에서, 속도 제어부(10)와 전류 지령부(20)는 전류 제어부(140)를 구성하며, 이와 같이 구성되는 전류 제어부(140)는 센서리스 제어 구간에서 지령 속도(
그리고, 컨트롤부(30), PWM신호 생성부(40) 및 컨버터부(50)는 구동부(150)을 구성하며, 이와 같이 구성되는 구동부(160)는 지령 전류와 회전자 추정 위치를 이용해 SRM(1)의 각 상에 전압이 인가되는 구간을 계산하고 PWM 신호를 생성하여 컨버터부(50)를 통해 SRM(1)에 전압이 인가되도록 한다.
다음으로, 자속 추정부(60)와 자속 데이터부(70)는 자속 오차 산출부(160)를 형성하며, 이와 같이 구성된 자속 오차 산출부(160)는 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM(1)의 검출 전압과 전류를 입력받아 자속 오차(
그리고, 보정위치 추정부(100), 자속오차 보상부(110) 및 회전자 추정위치 보상부(120)는 인덕턴스 변곡점 검출부(170)를 구성하며, 이와 같이 구성된 인덕턴스 변곡점 검출부(170)는 토크가 발생하지 않는 영역에서 SRM(1)의 검출 전류를 이용하여 인덕턴스 변곡점을 검출하고, 검출된 인덕턴스 변곡점으로부터 추정된 회전자 위치(
또한, 절환 스위치(90)와 동작 모드 결정부(130)는 모드 절환부(180)를 구성하며, 이와 같이 구성되는 모드 절환부(180)는 SRM(1)의 속도(
이와 같이 구성되는 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치의 상기 속도 제어부(10)는 센서리스 제어 구간에서 지령 속도(
그리고, 전류 지령부(20)는 초기구동과 오픈루프 구간에서 자속 오차(
또한, 컨트롤부(30)는 지령전류와 회전자의 추정 위치를 입력받아 SRM(1)에 지령전류가 충분히 인가될 수 있도록 각 상의 회전자 위치에 따른 전압 인가 구간을 산출하여 컨버터부(50)가 각 상에 전압이 인가될 수 있도록 하는 스위칭 신호를 생성하여 출력한다.
그리고, PWM 신호 생성부(40)는 컨트롤부(30)에서 출력되는 스위칭신호를 프로세서를 통해 입력받아 컨버터부(50)를 실제 구동할 수 있는 PWM신호로 생성한다.
상기 컨버터부(50)는 PWM 신호 생성부(40)에서 입력되는 PWM 신호와 컨버터 기준 전압을 이용하여 다상의 고정자의 각 상을 대상으로 여자 상태를 가변적으로 스위칭함으로써 원하는 방향에 대한 회전 토크를 발생시킨다.
다음으로, 상기 자속 추정부(60)는 오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM(1)의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력하며, 센서리스 제어 구간에서는 추정위치를 입력받고 SRM(1)의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력한다.
그리고, 자속 데이터부(70)는 SRM(1)의 검출된 전압 및 전류를 이용하여 추정 자속을 산출하여 출력한다.
회전자 위치 추정부(80)는 SRM(1)의 실제 자속과 추정 자속의 오차를 이용하여 회전자의 위치 및 속도를 추정하여 출력한다.
그리고, 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)에서 오픈루프 스위칭 제어신호가 입력되면 전류 지령부(20)에서 출력되는 지령 전류가 컨트롤부(30)로 입력되도록 하고, 센서리스 스위칭 제어 신호가 입력되면 속도 제어부(10)에서 출력되는 지령 전류가 컨트롤부(30)로 입력되도록 한다.
또한, 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)에서 오픈루프 스위칭 제어 신호가 입력되면 자속 추정부(60)로 지령 위치가 입력되도록 하고, 센서리스 스위칭 제어 신호가 입력되면 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 추정 위치가 자속 추정부(60)에 입력되도록 한다.
그리고, 동작 모드 결정부(130)는 SRM(1)의 회전자 속도(
한편, 보정위치 추정부(100)는 SRM(1)의 검출되는 전류를 이용하여 SRM의 인덕턴스 변곡점을 검출한다.
SRM(1)의 연속적인 구동으로 인한 상권선의 온도 변화 등은 상권선 저항의 변동을 초래하고 이는 자속 계산에 있어서 오차를 발생시키고 회전자 추정위치의 오차를 발생시킨다. 이러한 이유로 본 발명에서는 센서리스 제어를 하되 온도 등의 영향을 받지 않고 SRM(1)의 자기적인 특성을 이용하는 불연속적인 인덕턴스 변곡점 검출방법을 통해 외부 영향을 받지 않는 회전자 위치를 검출하여 회전자 추정 위치의 오차를 보상하고자 보정 위치 추정부(100)를 이용한다.
다음으로, 상기 자속오차 보상부(110)는 회전자 위치 추정부(80)를 통한 회전자 추정 위치와 인덕턴스 변곡점을 통한 회전자 추정 위치의 위치 오차의 평균치를 산출하여 출력한다. 이 때, 회전자 추정 위치의 위치 오차의 평균치는 인덕턴스 변곡점을 여러번 검출하여 각각의 회전자 추정 위치의 오차를 평균한 값으로 안정적인 제어가 가능하도록 한다. 이때, 저역통과필터를 이용하여 다른 성분이 포함되지 않는 추정 위치의 오차값을 포함하도록 한다.
그리고, 상기 회전자 추정위치 보상부(120)는 상기 자속오차 보상부(110)에서 산출하여 출력하는 회전자 위치 추정부(80)에서 추정된 회전자 추정 위치와 인덕턴스 변곡점을 이용하여 추정한 회전자 추정 위치의 위치 오차를 이용하여 추정 자속에 대한 보정 자속을 산출하여 출력하며, 이러한 보정 자속을 이용하여 자속 데이터부(70)에서 출력되는 추정 자속이 보정되도록 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 제어 장치의 동작을 살펴보면 아래와 같다.
먼저, 정지 상태에서 구동시에 한 상에 전류를 인가하여 SRM(1)의 회전자와 고정자를 정렬시키는 기동 알고리즘을 거쳐 회전자 위치 추정부(80)가 회전자의 추정 위치(
그리고, 동작 모드 결정부(130)는 지령 속도(
그러면, 상기 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)의 제어에 따라 전류 지령부(20)의 지령 전류가 컨트롤부(30)로 통과되도록 한다.
또한, 상기 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)의 제어에 따라 지령 속도에 따른 지령 위치가 자속 추정부(60)로 통과되도록 한다.
이와 같은 전류 지령부(20)에서 출력되는 지령 전류는 컨트롤부(30)를 거쳐 스위칭 신호가 되고, PWM 신호 생성부(40)를 거쳐 PWM 신호로 변환되어 컨버터부(50)로 인가된다.
다음으로, 컨버터부(50)는 PWM 신호 생성부(40)로부터 출력되는 PWM신호를 입력받고 외부로부터 입력되는 컨버터 기준 전압(
이와 같은 상황에서 자속 추정부(60)는 SRM(1)의 검출 전류와 회전자의 위치(
그에 더해 별도의 미세한 구간을 보간하기 위한 데이터 보간법을 통하여 회전자의 위치(여기에서는 지령 위치를 의미한다)와 SRM(1)의 상저항에 흐르는 전류(
이와 관련하여 도 5는 FEM해석을 통해 비선형적으로 구성되어진 룩-업 테이블(Look-Up Table)에서 보간법을 통해 데이터를 추정하는 방법을 나타내고 있다.
상기 도 5를 사용하여 보간법을 통해 데이터를 추정하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 5에서
만약 전류가 1.23A이고 각도 42.3도라면, 데이터 테이블로 구할 수 있는 데이터는 (1.2[A], 42[deg])와(1.2[A], 43[deg]) 및 (1.3[A], 42[deg]) (1.3[A], 43[deg])에 해당한다. 이 네점의 위치가 바로 도 5에서 보는
따라서 y축의
수식에서 변수들은 특정한 변수가 아니라 그래프상의 4점의 포인트를 설명하는 것이다.
(수학식 1)
(수학식2)
(수학식 3)
(수학식 4)
(수학식 5)
(수학식 6)
한편, 자속 데이터부(70)는 SRM(1)에서 검출되는 전류(
(수학식 7)
여기에서, Rs는 SRM(1)의 저항이다.
이 때, 컨버터(50)에 입력되는 기준 전압(
(수학식 8)
(
전류 지령부(20)는 자속 추정부(60)에서 출력되는 SRM(1)의 실제 자속(
이처럼 전류 지령부(20)가 SRM(1)의 실제 자속(
한편, 동작 모드 결정부(130)는 SRM(1)의 회전자 속도(
그러면, 상기 절환 스위치(90)는 동작 모드 결정부(130)의 제어에 따라 속도 제어부(10)의 지령 전류가 컨트롤부(30)로 통과되도록 하고, 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 회전자의 실제 위치가 자속 추정부(60)로 통과되도록 하여 오픈루프 제어에서 센서리스 제어로 절환되도록 한다.
이처럼 오픈루프 제어에서 센서리스 제어로 절환되면, 상기 속도 제어부(10)는 지령 속도(
이때, 속도 제어부(10)는 회전자의 속도(
한편, 컨트롤부(30)는 지령 전류(
그리고, PWM 신호 생성부(40)은 상기 컨트롤부(30)에서 스위칭 신호를 입력받아 PWM신호를 생성하여 출력한다.
상기 컨버터부(50)는 PWM 신호를 입력받고 컨버터 기준 전압(
그리고, 자속 추정부(60)는 SRM(1)의 검출 전류와 회전자의 위치에 의해 결정되는 실제 자속 관계를 도 4에 도시된 2D 및 3D 룩-업 테이블(Look-Up Table)과, 그에 더해 도 5를 참조하여 별도의 미세한 구간을 보간하기 위한 데이터 보간법을 통하여 회전자의 위치와 SRM(1)의 상저항에 흐르는 전류(
한편, 자속 추정부(60)에서 추정된 실제 자속(
(수학식 9)
상기 회전자 위치 추정부(80)는 SRM(1)의 자속의 오차 성분(
이때, 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 SRM(1)의 회전자 추정 속도(
그리고, 회전자 위치 추정부(80)에서 출력되는 SRM(1)의 회전자 추정 위치(
한편, 보정 위치 추정부(100)는 검출되는 전류의 기울기를 이용하여 SRM(1)의 인덕턴스 변곡점을 검출하여 회전자 위치를 추정한다.
일반적으로 SRM(1)의 회전자 위치에 따른 인덕턴스 특성은 도 6을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 고정자와 회전자가 정렬되지 않는 구간에서는 인덕턴스가 최소이고 고정자와 회전자가 정렬되기 시작하면서 인덕턴스는 상승하다가 고정자와 회전자가 완전히 정렬되었을 때는 인덕턴스가 최대가 된다. 이후, 고정자와 회전자가 지나치면서 인덕턴스가 감소하게 되고 고정자와 회전자가 정렬하지 않는 구간에서는 다시 인덕턴스가 최소가 된다.
이와 같은 특성을 가지는 SRM(1)를 지령 전류에 따라 구동하기 위해서 초기 구동시에 정격 전압(
다음으로, 자속 오차 보상부(110)는 회전자 위치 추정부(70)를 통한 회전자 추정 위치(
그리고, 회전자 추정 위치 보상부(120)는 상기 자속 오차 보상부(110)가 산출한 회전자 위치 추정부(70)를 이용한 회전자 추정 위치와 보정 위치 추정부(100)를 통한 인덕턴스 변곡점 검출을 이용한 회전자 추정위치의 위치 오차에 대응되는 추정 자속의 보정값을 산출하여 출력한다.
이때 회전자 추정 위치 보상부(120)는 다음 수학식에 의해 추정 자속의 보정값을 산출하여 출력한다.
(수학식 10)
(
이와 같이 회전자 추정 위치 보상부(120)에서 출력되는 추정 자속의 보정 값은 자속 데이터부(70)에서 출력되는 추정 자속에 합산되어 추정 자속을 보정할 수 있도록 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 초기 회전자 정렬에서 센서리스 구간까지 지령 속도에 따른 지령 위치를 사용하여 정밀도는 높일 수 있으며, 상권선 및 외부환경요인에 의한 오차를 보상하는 알고리즘을 적용하여 속도 제어에 있어서 신뢰성 및 정밀성을 갖출 수 있고, SRM이 열악한 환경에서 사용되어, 발열로 인한 온도 상승이 발생하더라도, 온도 상승에 따른 고정자 상권선 저항의 변화와 스위칭 소자의 전압강하의 변동에 대해서도 안정적인 회전자 위치 추정이 가능하여 신뢰성 높은 센서리스 속도 제어를 구현할 수 있도록 한다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 장치는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다.
10 : 속도 제어부 20 : 전류 지령부
30 : 컨트롤부 40 : PWM 신호 생성부
50 : 컨버터부 60 : 자속 추정부
70 : 자속 데이터부 80 : 회전자 위치 추정부
90 : 절환 스위치 100 : 보정 위치 추정부
110 : 자속 오차 보상부 120 : 회전자 추정 위치 보상부
130 : 동작 모드 결정부 140 : 전류 제어부
150 : 구동부 160 : 자속 오차 산출부
170 : 인덕턴스 변곡점 검출부 180 : 모드 절환부
30 : 컨트롤부 40 : PWM 신호 생성부
50 : 컨버터부 60 : 자속 추정부
70 : 자속 데이터부 80 : 회전자 위치 추정부
90 : 절환 스위치 100 : 보정 위치 추정부
110 : 자속 오차 보상부 120 : 회전자 추정 위치 보상부
130 : 동작 모드 결정부 140 : 전류 제어부
150 : 구동부 160 : 자속 오차 산출부
170 : 인덕턴스 변곡점 검출부 180 : 모드 절환부
Claims (7)
- 센서리스 제어 구간에서 지령 속도와 회전자의 추정 속도의 편차에 대응되는 지령 전류를 발생시키고, 오픈루프 구간에는 자속 오차에 대응되는 지령 전류를 발생시키는 전류 제어부;
상기 전류 제어부에서 출력되는 지령 전류와 회전자 추정 위치를 이용해 SRM의 각 상에 전압이 인가되는 구간을 계산하고 PWM신호를 생성하여 SRM에 전압이 인가되도록 하는 구동부;
오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM의 검출 전압과 전류를 입력받아 자속 오차를 산출하고, 센서리스 제어 구간에서는 추정위치를 입력받고 SRM의 검출 전압과 전류를 입력받아 자속 오차를 산출하는 자속 오차 산출부;
상기 자속 오차 산출부에서 자속 오차를 입력받아, 입력받은 자속오차를 이용하여 회전자의 추정 속도를 산출하여 상기 전류 제어부로 출력하며, 입력받은 자속 오차를 이용하여 추정 위치를 산출하여 상기 자속 오차 산출부로 출력하는 회전자 위치 추정부; 및
SRM의 속도에 따른 오픈루프 제어구간에서는 자속 오차에 대응되는 지령 전류가 전류 제어부에서 구동부로 전달되도록 하고, 회전자 위치 추정부에서 출력되는 추정 위치가 자속 오차 산출부로 입력되도록 하며, 센서리스 제어 구간에서 지령 속도와 회전자의 추정 속도의 편차에 대응되는 지령 전류가 상기 전류 제어부에서 구동부로 전달되도록 하며, 지령 속도에 대응되는 지령 위치가 상기 자속 오차 산출부로 입력되도록 하는 모드 절환부를 포함하며,
상기 자속 오차 산출부는,
오픈루프 제어 구간에서는 지령 속도에 따른 지령 위치를 입력받고 SRM의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력하며, 센서리스 제어 구간에서는 추정 위치를 입력받고 SRM의 검출 전류를 입력받아 실제 자속을 산출하여 출력하는 자속 추정부; 및
SRM의 검출된 전압 및 전류를 이용하여 추정 자속을 산출하여 출력하는 자속 데이터부를 포함하고,
상기 자속 추정부는 SRM의 검출 전류와 지령 위치에 의해 결정되는 실제 자속이 테이블 형태로 형성되어 있는 룩-업 테이블(Look-Up Table)을 참조하여 지령 속도에 따른 지령 위치와 SRM의 상에서 검출되는 검출 전류를 이용하여 SRM의 실제 자속을 산출하며, 미세한 구간을 보간하기 위한 데이터 보간법을 통하여 지령 위치와 SRM의 상저항에 흐르는 전류에 대한 실제 자속를 산출하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 전류 제어부는,
센서리스 제어 구간에서 지령 속도와 회전자의 추정 속도의 편차에 대응되는 지령 전류를 발생시키는 속도 제어부; 및
오픈루프 구간에는 자속 오차에 대응되는 지령 전류를 발생시키는 전류 지령부를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 구동부는,
지령전류와 회전자의 추정 위치를 입력받아 SRM에 지령전류가 인가될 수 있도록 각 상의 회전자 위치에 따른 전압 인가 구간을 산출하여 구간에 따른 스위칭 신호를 생성하여 출력하는 컨트롤부;
상기 컨트롤부에서 출력되는 스위칭 신호를 입력받아 PWM신호를 생성하는 PWM 신호 생성부; 및
상기 PWM 신호 생성부에서 입력되는 PWM 신호와 컨버터 기준 전압을 이용하여 다상의 고정자의 각 상을 대상으로 여자 상태를 가변적으로 스위칭하여 회전 토크를 발생시키는 컨버터부를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
토크가 발생하지 않는 영역에서 SRM의 검출전류를 이용하여 인덕턴스 변곡점을 검출하고, 검출된 인덕턴스 변곡점으로부터 추정된 회전자 위치와 회전자 위치 추정부로부터 추정된 추정 위치의 편차를 이용하여 상기 자속 오차 산출부에서 출력되는 자속 오차를 보정하는 인덕턴스 변곡점 검출부를 더 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치. - 청구항 5에 있어서,
상기 인덕턴스 변곡점 검출부는,
SRM의 검출되는 전류를 이용하여 SRM의 인덕턴스 변곡점을 검출하여 회전자의 추정 위치를 산출하여 출력하는 보정위치 추정부;
상기 회전자 위치 추정부를 통한 회전자 추정 위치와 상기 보정 위치 추정부에 의한 인덕턴스 변곡점을 통한 회전자 추정 위치의 위치 오차를 출력하는 자속오차 보상부; 및
상기 자속오차 보상부에서 산출한 위치 오차를 이용하여 추정 자속에 대한 보상값을 산출하여 상기 자속 오차 산출부에서 산출한 자속 오차를 보상하는 회전자 추정위치 보상부를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 모드 절환부는,
오픈루프 스위칭 제어신호가 입력되면 지령 전류가 구동부로 입력되도록 하고, 자속 추정부로 지령 위치가 입력되도록 하고, 센서리스 스위칭 제어 신호가 입력되면 지령 전류가 구동부로 입력되도록 하며, 회전자 위치 추정부에서 출력되는 추정 위치가 자속 추정부에 입력되도록 하는 절환 스위치; 및
SRM의 회전자 속도가 히스테리시스 밴드의 최대 속도에 이르기 전이면 상기 절환 스위치로 오픈루프 스위칭 제어 신호를 출력하고, SRM의 회전자 속도가 히스테리시스 밴드의 최대 속도에 이르면 절환 스위치로 센서리스 스위칭 제어 신호를 출력하는 동작 모드 결정부를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 제어 장치.
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