KR101311377B1 - 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템 - Google Patents

단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템 Download PDF

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Abstract

스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)에서 변형된 단순 쇄교자속 기법을 기반으로 하여, 턴-오프각만 이용하여 회전자 위치 및 속도를 추정하고, 이를 통해 임의의 턴-온각을 지정함으로써, 이에 따라 센서리스 구동시스템의 효율을 향상시키고, 동시에 토크리플을 최소화할 수 있는, 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템이 제공된다. 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템은, 고정자 및 회전자를 구비한 SRM에서 단순 쇄교자속 기법-기반으로 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동하는 시스템에 있어서, 회전자 속도를 비례적분(PI)하여 제어하는 PI 속도 제어기; 히스테리시스 제어를 기반으로 턴-온각, 턴-오프각 및 회전자의 위치에 따라 전류를 제어하는 전류 제어기; 전류 제어기에서 제어된 전류에 따라 SRM를 구동하는 파워 컨버터; 파워 컨버터가 SRM을 구동하는 상전류 및 상전압에 따라, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 산출하는 오프각 위치 추출부; 추출된 오프각 위치에 대응하여 타이밍 및 턴-오프각을 결정하는 타이밍 및 턴-오프각 결정부; 결정된 타이밍에 따라 회전자 속도를 산출하는 회전자 속도 산출부; 및 턴-오프각 및 회전자 속도에 따라 회전자 위치를 산출하는 회전자 위치 산출부를 포함하여 구성된다.

Description

단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템 {Sensorless drive system of SRM based on simple flux linkages method }
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)의 센서리스(Sensorless) 구동시, 단순 쇄교자속 기법으로 구동하는, 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에 관한 것이다.
전력용 반도체 소자의 기술개발이 급속히 이루어짐에 따라 고속 스위칭과 소자의 대용량화가 가능하게 되고, 산업의 메카트로닉스화에 따라 다기능, 고성능을 가진 전동기의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)는 단일 여자기기(singly excited machine)로서 자기저항(magnetic reluctance)의 변화에 따른 릴럭턴스 토크를 이용하여 회전자를 회전시키는 것으로, 그 구조가 간단하고 저렴하며 각 상(Phase)이 분리됨에 따라 단락사고(short-through fault)에 대해 안정적이며, 직류전동기의 속도-토크 특성을 가지고 있고, 넓은 속도가변범위 및 고속, 정역회전 특성이 우수하고 강인하다는 특성을 가지고 있다.
이러한 SRM의 구동 원리는 여자된 자기회로의 자기저항이 최소가 되는 방향으로 회전자가 힘을 받게 됨으로써 회전력이 발생하게 된다. 이와 같은 현상은 계에 저장된 에너지를 기계적 에너지로 변환함으로써 계의 에너지를 최소화하려는 물리적 의미를 내포한다. 이와 같은 원리를 이용한 장치로는 간단한 액추에이터로서 인양자석, 선형솔레노이드, 계전기, 스텝 스위치 등이 이에 속한다.
도 1은 일반적인 8/6 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)의 구조를 예시하는 도면이다.
일반적인 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)는, 고정자(10)와 회전자 모두 돌극(Teeth)을 갖는 구조로서, 예를 들면, 회전자(20)는 규소강판의 적층 구조를 갖고, 고정자(10)는 집중 권선(30)을 갖고 있다. 이때, 회전자(20)와 고정자(10)의 극수는 원하는 특성에 따라 여러 가지 구조가 가능하다.
도 2는 일반적인 위치 센서를 이용한 SRM 구동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일반적 SRM은 릴럭턴스 토크를 동력화한 전동기로서, 이를 최대한 이용하기 위하여 보통 고정자(10)와 회전자(20) 모두가 돌극형 구조로 하고 고정자(10)에만 집중권선으로 감겨져 있다. 이때, 토크는 자기회로의 릴럭턴스가 최소화되는 방향으로 발생하며, 상당 발생토크의 크기는 다음 수학식 1에서와 같이 상권선에 흐르는 전류 i의 제곱과 회전자(20) 위치각(θ)에 대한 인덕턴스(L)의 변화율에 비례한다.
Figure 112012043677475-pat00001
따라서 인덕턴스의 변화율이 최대가 되도록 하고 각 상스위치의 ON/OFF 시점에서 부하에 대응하는 전류의 확립과 소호를 신속히 함으로써 토크 발생 구간을 최대한 활용하여야 한다.
즉, SRM의 제어는 입력전압과 스위칭 ON/OFF각에 영향을 받으며, 전압원에서 전류를 효과적으로 상승시키기 위해서는 돌극이 만나기 전에 선행스위칭이 필요하다. 스위칭 ON각(턴-온각)은 전류를 적절하게 상승시키기 위한 주요한 요소이므로, 최적의 SRM 운전특성을 얻기 위해서는 스위칭 ON/OFF각을 정확하게 제어할 필요가 있다.
상기와 같이 SRM의 고정자(10) 상권선은 회전자(20) 위치와 동기되어 여자되어야 하는 토크 발생기구의 특성상 회전자(20) 위치각에 대한 정보가 필수적이다. 이러한 회전자(20) 위치각의 검출은 일반적으로 엔코더나 레졸버를 사용하나, 이러한 기계적인 외부 위치센서는 분해능이 높을수록 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다. 따라서 종래에는 설치비용에 대한 부담을 줄이기 위해서 저가형 엔코더를 사용하거나, 또는 이를 완전히 제거하기 위한 센서리스 구동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예를 들면, 단가를 고려하여 저가형 엔코더, 특히 증분형 엔코더(incremental encoder)를 사용하는 경우가 일반적이다. 이러한 증분형 엔코더에 의해 위치에 따른 출력펄스수를 증감형 계수기(up or down-counter)에 의해 디지털값으로 얻어 마이크로프로세서에 의해 각 상의 신호를 제어하게 된다.
일반적으로, 마이크로프로세서와 디지털 부호방식의 엔코더 시스템은 고성능화, 데이터 취급의 용이성 그리고 프로그래밍의 유연성 등의 특성으로 인해, 전동기 제어에서 많이 사용된다. 이러한 증분형 엔코더의 경우, 회전자 위치와 속도의 정확도는 샘플링 주기와 엔코더 해상도에 달려있으므로, SRM의 제어성능은 회전자 위치의 정확도와 마이크로프로세서의 성능에 의해 결정된다.
예를 들면, 회전자 위치의 절대 측정오차는 엔코더의 해상도에 따른 오차(
Figure 112012043677475-pat00002
)(수학식 2)와 샘플링 주기중의 회전자 속도에 따른 오차(
Figure 112012043677475-pat00003
)(수학식 3)에 의해 결정된다.
Figure 112012043677475-pat00004
Figure 112012043677475-pat00005
여기서,
Figure 112012043677475-pat00006
은 회전자 극수,
Figure 112012043677475-pat00007
는 엔코더의 해상도,
Figure 112012043677475-pat00008
는 마이크로프로세서의 샘플링 주기,
Figure 112012043677475-pat00009
은 회전속도이다. 그러므로 절대측정오차는 다음 수학식 4와 같다.
Figure 112012043677475-pat00010
한편, 도 3은 일반적인 베어링리스 SRM에서 단일 상에 대한 토크 권선과 회전자 지지력을 발생하는 권선의 구조를 나타내는 도면으로서, 쇄교자속을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, Nma는 회전토크 발생을 위한 A상의 주권선을 나타내고, Nsa1과 Nsa2는 축방향 지지력을 발생하기 위한 A상의 보조권선을 나타내고 있다. 여기서, 주권선 Nma는 4개의 코일이 직렬로 연결되어 있으며, 보조권선 Nsa1과 Nsa2는 각각 2개의 코일이 직렬로 감겨져 있다. A상과 마찬가지로 B상, C상에 대해서도 주권선과 보조권선이 A 상과 같은 방식으로 감겨져서 정렬된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 굵은 실선 부분은 주권선에 흐르는 전류에 의한 각 극에서의 자속을 나타내고 있으며, 점선은 보조권선 Nsa1에 흐르는 전류 ima에 의한 쇄교자속을 나타내고 있다. 주권선 전류와 보조권선 전류에 의한 합성 자속은 제1 공극에서는 합성 자속이 증가하고, 제2 공극에서는 합성자속이 크게 감소하게 된다.
따라서 각 공극에서의 합성 자속의 차에 의하여 α축 방향으로 축방향 지지력이 발생하게 된다. 이와 마찬가지로 ima와 보조권선 Nsa2에 흐르는 전류 isa2에 의한 합성자속에 의한 β축 방향으로 지지력을 발생시킬 수 있으며, 이러한 회전자 지지력의 방향은 회전자 위치에 따라 보조권선에 흐르는 전류의 크기와 방향을 제어함으로써 일정하게 유지시킬 수 있다. 하지만, 도 3의 베어링리스 SRM에서 토크를 발생시키기 위한 자속과 자기 부상력을 발생시키는 자속이 서로 상호 작용을 하게 되므로, 두 가지를 동시에 제어하기는 매우 어렵다.
한편, 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, SRM)는 타 전동기에 비해, 기계적으로 견고하고, 관성에 대한 토크비가 높으며, 가변속범위가 넓고, 신뢰성이 높으며, 열악한 작업환경에서의 운전이 가능하다는 등의 장점이 있다. 그러나 SRM 운전 시, 회전자 위치정보가 필수요소이며, 이 위치정보는 보통 회전자축에 장착한 엔코더 등 물리적 센서를 통해 얻고 있다. 이것은 SRM 구동시스템의 가격 상승과 강인성의 저하를 초래한다. 또한, 일부 실제 작업환경에서는 물리적 센서의 부착이 불가능한 경우도 존재하고 있다.
따라서 물리적 센서 없이도 SRM의 회전자 위치정보를 추출하여, 정상적인 운전이 가능한 다양한 센서리스 제어기법이 활발히 연구되고 있다.
한편, 기존의 회전자 위치 추출 기법은 얻어지는 회전자 위치의 연속성 여부에 따라, 연속위치 추출기법과 특정위치 추출기법으로 분류된다. 그 중에서 연속위치 추출기법은 인덕턴스 또는 쇄교자속, 전류와 위치의 상호관계를 이용하여, 직접 또는 간접적으로 연속적인 회전자 위치정보를 얻는 기법으로서, 통상 3차원의 데이터베이스를 필요로 하며, 구현이 비교적 복잡하다. 또한, 특정위치 추출 기법은 지정된 회전자 위치의 전류파형 또는 자속-전류관계를 이용하여, 이산적으로 회전자 위치정보를 얻고 있으며, 알고리즘의 간단하고 구현의 용이하다는 특징이 있다.
기존의 단순 쇄교자속 센서리스 기법은 단상 순서 도통과 전류 쵸퍼 제어를 필수조건으로 한다. 그 중에서, 단상 순서 도통은 상전환 시, 현재 상을 개방함과 동시에 다음 상을 도통하는 것을 말한다.
그러나 이러한 단상 순서 도통은 센서리스 구동 시스템의 턴-온/오프각의 간섭으로 인해서, 센서리스와 효율 향상 및 토크리플의 최소화를 동시에 실현하기 어렵게 한다는 문제점이 있다.
1) 대한민국 등록특허번호 제10-1139028호(출원일: 2010년 11월 3일), 발명의 명칭: "고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어방법" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-1086135호(출원일: 2010년 4월 9일), 발명의 명칭: "고속 스위치드 릴럭턴스 모터와, 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 형상 제어방법" 3) 대한민국 등록특허번호 제10-602800호(출원일: 2003년 12월 10일), 발명의 명칭: "아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법" 4) 대한민국 공개특허번호 제2003-85480호(공개일: 2003년 11월 5일), 발명의 명칭: "스위치드 릴럭턴스 구동부의 제어" 5) 대한민국 등록특허번호 제10-503441호(출원일: 2003년 6월 30일), 발명의 명칭: "스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 위치 검출장치 및 방법" 6) 대한민국 등록특허번호 제10-1012781호(출원일:2003년 9월 9일), 발명의 명칭: "스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로, 스위치드 릴럭턴스 드라이브 및 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어방법" 7) 대한민국 공개특허번호 제2004-92413호(공개일: 2004년 11월 3일), 발명의 명칭: "전기기기의 회전자 위치 결정 방법 및 시스템과, 전기기기의 회전자 위치 결정 방법을 실행하기 위한 소프트웨어를 기록한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체"
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 스위치드 릴럭턴스 전동기에서 변형된 단순 쇄교자속 기법을 기반으로 하여, 턴-오프각만 이용하여 회전자 위치 및 속도를 추정하고, 이를 통해 임의의 턴-온각을 지정할 수 있는, 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템은, 고정자 및 회전자를 구비한 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)에서 단순 쇄교자속(Simple Flux-Linkage) 기법-기반으로 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동하는 시스템에 있어서, 회전자 속도를 비례적분(PI)하여 제어하는 PI(비례적분) 속도 제어기; 히스테리시스 제어를 기반으로 턴-온각, 턴-오프각 및 회전자의 위치에 따라 전류를 제어하는 전류 제어기; 상기 전류 제어기에서 제어된 전류에 따라 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)를 구동하는 파워 컨버터(Power Converter); 상기 파워 컨버터가 상기 SRM을 구동하는 상전류 및 상전압에 따라, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 산출하는 오프각 위치 추출부; 상기 오프각 위치 추출부에서 추출된 오프각 위치에 대응하여 타이밍 및 턴-오프각을 결정하는 타이밍 및 턴-오프각 결정부; 상기 타이밍 및 턴-오프각 결정부에서 결정된 타이밍에 따라 회전자 속도를 산출하는 회전자 속도 산출부; 및 상기 타이밍 및 턴-오프각 결정부에서 결정된 턴-오프각 및 상기 회전자 속도 산출부에서 산출된 회전자 속도에 따라 회전자 위치를 산출하는 회전자 위치 산출부를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 회전자의 오프각은 고정되고 오프라인 방식으로 오프각 위치의 자속-전류곡선을 미리 얻고, 상기 온각은 임의로 지정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 회전자가 오프각 위치에 도달할 때마다 회전자 속도 연산 및 속도제어가 수행되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 오프각 위치 추출부는, 기설정된 전류지령에 대응하는 자속지령에 따라 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에서 상기 SRM가 오프각 위치에 도달하는 시점과 동일하므로, 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에 오프각 위치를 추출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 오프각 위치 추출부는 온각 위치에서 시작되어 도통 상의 여자와 함께 증가하여, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 자속값은,
Figure 112012043677475-pat00011
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012043677475-pat00012
는 상저항(Phase Resistor), 첨자
Figure 112012043677475-pat00013
는 어느 한 상(Phase)을 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 오프각 위치를 추출할 시, 인접한 오프각 위치간의 각도(
Figure 112012043677475-pat00014
)는,
Figure 112012043677475-pat00015
로 주어지고, 여기서,
Figure 112012043677475-pat00016
은 상수,
Figure 112012043677475-pat00017
는 회전자 극수를 각각 나타내는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 인접한 오프각 위치간의 각도(
Figure 112012043677475-pat00018
)를 경과하는 시간을
Figure 112012043677475-pat00019
라고 할 때, 상기 회전자 속도 산출부에서 산출되는 회전자 속도(
Figure 112012043677475-pat00020
)는,
Figure 112012043677475-pat00021
로 주어지는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 회전자 위치 산출부에서 산출되는 회전자 위치(
Figure 112012043677475-pat00022
)는,
Figure 112012043677475-pat00023
로 주어지며, 상기 회전자가 오프각 위치에 도달할 때마다 정확한 회전자 위치를 추출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 스위치드 릴럭턴스 전동기에서 변형된 단순 쇄교자속 기법을 기반으로 하여, 턴-오프각만 이용하여 회전자 위치 및 속도를 추정하고, 이를 통해 임의의 턴-온각을 지정함으로써, 이에 따라 센서리스 구동시스템의 효율을 향상시키고, 동시에 토크리플(Torque Ripple)을 최소화할 수 있다.
도 1은 일반적인 8/6 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)의 구조를 예시하는 도면이다.
도 2는 일반적인 위치 센서를 이용한 SRM 구동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 일반적인 베어링리스 SRM에서 단일 상에 대한 토크 권선과 회전자 지지력을 발생하는 권선의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에 적용되는 전류 쵸퍼 제어시의 쇄교자속 궤적을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 오프각 위치 추출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템을 검증하기 위한 센서리스 실험장치를 예시하는 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템의 블록 구성도이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 오프각 위치의 정확성 검증 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 500rpm의 정격부하에서의 센서리스 구동 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 1000rpm의 정격부하에서의 센서리스 구동 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 500→1000 rpm하에서의 센서리스 구동 실험결과를 나타내는 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 오프각 위치 추출은 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에 적용되는 전류 쵸퍼 제어시의 쇄교자속 궤적을 나타내는 도면으로서, SRM의 자화곡선과 전류 쵸퍼 제어시의 자속궤적을 나타내고 있다.
SRM의 전류 쵸퍼(Current Chopper) 제어에서 오프각을 일정하게 둘 경우, 오프각 위치에서의 쇄교자속(Flux-Linkage)은 그 당시 전류값의 단일함수이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 자속은 온각 위치에서 시작되어, 도통 상의 여자와 더불어 증가하며, 오프각 위치에서 최대값을 갖는다. 이러한 자속값은 운전 시, 다음의 수학식 5 통해 얻을 수 있다.
Figure 112012043677475-pat00024
여기서,
Figure 112012043677475-pat00025
는 상저항(Phase Resistor), 첨자
Figure 112012043677475-pat00026
는 어느 한 상(Phase)을 각각 나타낸다.
또한, SRM이 전류 쵸퍼 제어를 수행하고 있으므로, 사전에 구축한 오프각 위치에서의 자속-전류 관계를 이용하여, 전류지령에 대응하는 자속지령을 얻을 수 있다. 따라서 수학식 5를 통해 얻어지는 자속값이 자속지령에 도달하는 시점이 SRM가 오프각 위치에 도달하는 시점과 같으므로, 이를 통해서 오프각 위치를 추출할 수 있다. 그 오프각 위치를 추출하는 원리는 도 5에 도시된 바와 같다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 오프각 위치 추출 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 오프각 위치 추출은 기설정된 전류지령에 대응하는 자속지령에 따라 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에서 상기 SRM가 오프각 위치에 도달하는 시점과 동일하므로, 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에 오프각 위치를 추출한다. 또한, 상기 오프각 위치 추출부(160)는 온각 위치에서 시작되어 도통 상의 여자와 함께 증가하여, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 전술한 수학식 5로부터 산출한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 회전자 속도 및 회전자 위치의 연산은 다음과 같다.
전술한 기법으로 오프각 위치를 추출할 시, 인접한 오프각 위치간의 각도(
Figure 112012043677475-pat00027
)는 다음의 수학식 6과 같다.
Figure 112012043677475-pat00028
여기서,
Figure 112012043677475-pat00029
은 상수,
Figure 112012043677475-pat00030
는 회전자 극수를 각각 나타낸다.
따라서 인접한 오프각 위치간의 각도(
Figure 112012043677475-pat00031
)를 경과하는 시간을
Figure 112012043677475-pat00032
라고 가정하면, 회전자 속도(
Figure 112012043677475-pat00033
)는 다음의 수학식 7과 같다.
Figure 112012043677475-pat00034
다음으로, 회전자 위치(
Figure 112012043677475-pat00035
)는 다음의 수학식 8을 통해 얻을 수 있다.
Figure 112012043677475-pat00036
이때, 회전자가 오프각 위치에 도달할 때마다, 정확한 회전자 위치의 추출이 가능하기 때문에, 수학식 8을 통한 회전자 위치의 연산은 누적오차가 존재하지 않는다.
한편, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템을 검증하기 위한 센서리스 실험장치를 예시하는 사진이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템을 검증하기 위한 센서리스 실험장치는, 다이나모미터(101), 다이나모미터 제어기(102), SRM(103), 단상 전압 레귤레이터(104), 메인 제어회로(105) 및 DSP(Digital Signal Processor)(106)을 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 실험에서 사용한 SRM(103)은 130[W], 3상, 12/8극 전동기이다. 예를 들면, 실험에서 DSP(106)는 TI사의 TMS320F28335-150[㎒]을 사용하였으며, 전류제어 샘플링주기는　25[㎲], DC 링크전압은 300[V]이다. 그리고 부하장치는 부하토크의 크기가 조절 가능한 다이나모미터(101)를 사용하였으며, 상기 다이나모미터(101)는 다이나모미터 제어기(102)에 의해 제어된다. 여기서, 다이나모미터(101)는 회전력의 동력적 측정 및 시험을 수행하는 시험설비를 말한다.
구체적으로, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템의 블록구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템은 고정자 및 회전자를 구비한 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)에서 단순 쇄교자속(Simple Flux-Linkage) 기법-기반으로 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동하는 시스템으로서, 제1 가산기(110), PI(비례적분) 속도 제어기(120), 제2 가산기(130), 전류 제어기(140), 파워 컨버터(Power Converter)(150), 오프각 위치 추출부(160), 타이밍 및 턴-오프각 결정부(170), 회전자 속도 산출부(180), 회전자 위치 산출부(190) 및 SRM(200)을 포함한다.
PI 속도 제어기(120)는 회전자 속도를 비례적분(PI)하여 회전자 속도를 제어한다. 구체적으로, PI 속도 제어기(120)는 회전자 속도 산출부(180)에서 산출된 회전자 속도를 제1 가산기(110)를 통해 가산한 후 비례적분(PI)을 수행한다.
전류 제어기(140)는 히스테리시스 제어를 기반으로 턴-온각, 턴-오프각 및 회전자의 위치에 따라 전류를 제어한다. 구체적으로, 전류 제어기(140)는 제2 가산기(130)를 통해 입력되는 값 및 턴-온각, 턴-오프각 및 회전자의 위치에 따라 전류를 제어한다.
파워 컨버터(150)는 상기 전류 제어기(140)에서 제어된 전류에 따라 스위치드 릴럭턴스 전동기(200)를 구동한다.
오프각 위치 추출부(160)는 상기 파워 컨버터(150)가 상기 SRM(200)을 구동하는 상전류 및 상전압에 따라, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 산출한다. 상기 오프각 위치 추출부(160)는 기설정된 전류지령에 대응하는 자속지령에 따라 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에서 상기 SRM가 오프각 위치에 도달하는 시점과 동일하므로, 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에 오프각 위치를 추출한다. 또한, 상기 오프각 위치 추출부(160)는 온각 위치에서 시작되어 도통 상의 여자와 함께 증가하여, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 전술한 수학식 5로부터 산출한다.
타이밍 및 턴-오프각 결정부(170)는 상기 오프각 위치 추출부에서 추출된 오프각 위치에 대응하여 타이밍 및 턴-오프각을 결정한다.
회전자 속도 산출부(180)는 상기 타이밍 및 턴-오프각 결정부에서 결정된 타이밍에 따라 회전자 속도를 산출한다. 이때, 상기 오프각 위치를 추출할 시, 인접한 오프각 위치간의 각도(
Figure 112012043677475-pat00037
)는, 수학식 6으로부터 구할 수 있고, 상기 인접한 오프각 위치간의 각도(
Figure 112012043677475-pat00038
)를 경과하는 시간을
Figure 112012043677475-pat00039
라고 할 때, 상기 회전자 속도 산출부에서 산출되는 회전자 속도(
Figure 112012043677475-pat00040
)는, 수학식 7로부터 구할 수 있다.
회전자 위치 산출부(190)는 상기 타이밍 및 턴-오프각 결정부에서 결정된 턴-오프각 및 상기 회전자 속도 산출부에서 산출된 회전자 속도에 따라 회전자 위치를 산출한다. 이때, 상기 회전자 위치 산출부(190)에서 산출되는 회전자 위치(
Figure 112012043677475-pat00041
)는, 수학식 8로부터 구할 수 있고, 이때, 상기 회전자가 오프각 위치에 도달할 때마다 정확한 회전자 위치를 추출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서, 속도제어는 PI(비례적분) 제어기를 통해 제어되고, 전류제어는 히스테리리스 기법을 각각 사용하여 제어된다. 이때, 상기 회전자의 오프각은 고정되고 오프라인 방식으로 오프각 위치의 자속-전류곡선을 미리 얻고, 상기 온각은 임의로 지정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서, 온각은 임의로 지정할 수 있으며, 이를 통해 구동 시스템의 효율 향상과 토크 리플의 최소화 제어를 동시에 도모할 수 있다. 이때, 회전자가 오프각 위치에 도달하여야만 정확한 위치 추출이 가능하므로, 그 때마다 속도연산과 속도제어를 수행하고 있다.
본 발명의 실시예로서, 턴-오프각과 무관하고, 임의로 턴-온각을 지정할 수 있는 개선된 단순 쇄교자속 기법을 제안함으로써 턴-온각의 조절을 통해, 센서리스 구동시스템의 효율을 향상시키고 동시에 토크리플을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법은, 도 6에 도시된 바와 같이, 기구축된 스위치드 릴럭턴스 센서리스 속도 제어 시스템의 DSP 구동실험을 통해 그 타당성과 정확성을 검증하였으며, 그 실험 결과는 다음과 같다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 오프각 위치의 정확성 검증 실험결과를 나타내는 도면으로서, 도 8a는 A상 스위칭 상태와 전류 파형을 나타내고, 도 8b는 A상 자속 파형과 회전자 위치를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 보와 같이, 실험에서, 회전자 속도는 500r/min이고, 온/오프각은 25/35ㅀ, 전류지령은 1.7A로 하였다. 스위칭 상태의 1, 0, -1은 비대칭 브릿지 회로의 상하 스위치에서, 동시 도통, 한 개 도통, 동시 차단에 각각 해당한다. 또한, 수학식 5를을 통한 자속연산 결과를 보여주는 자속파형 중에서 오프각 위치 이후의 자속연산은 불필요하므로, 직접 0을 자속변수에 부여하였다.
이러한 실험결과로부터, 본 발명의 실시예에 따른 변경된 단순 쇄교자속 기법 기법을 통해 얻어지는 실제 오프각 위치는 희망하는 오프각 위치에 매우 근접하고 있음을 보인다. 또한, 속도, 전류지령 및 온각을 바꾸어도 비슷한 결과가 얻어진다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 변경된 단순 쇄교자속 기법 기법을 통하여, 정확한 오프각 위치 추출이 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 500rpm의 정격부하에서의 센서리스 구동 실험결과를 나타내는 도면으로서, 도 9a는 회전자 위치와 전류 파형을 나타내고, 도 9b는 스위칭 상태, 전류지령과 속도 파형을 나타낸다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 1000rpm의 정격부하에서의 센서리스 구동 실험결과를 나타내는 도면으로서, 도 10a는 회전자 위치와 전류 파형을 나타내고, 도 10b는 스위칭 상태, 전류지령과 속도 파형을 나타낸다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 정격의 부하토크(0.7N.m) 인가시, 500rpm과 1000rpm의 속도지령 하에서의 센서리스 구동 실험결과를 각각 보인다.
본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서, PI 게인(Gain)은 각각 0.035A.s/rad와 0.02A/rad로 정하였고, 매 15ㅀ간격마다 한 번의 속도연산 및 속도제어를 수행하고 있다.
실험결과의 실제 및 추정한 회전자 위치와 상전류파형부터 볼 수 있듯이, 각 상 파형에 일정한 비대칭 현상이 나타나고 있다. 이것은 실제의 각 상저항, 인덕턴스가 미소한 차이가 있으므로 나타난 것으로 추론되며, 각 상에 약간의 보상을 하면 해결할 수 있다.
또한, 도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에서 500→1000 rpm하에서의 센서리스 구동 실험결과를 나타내는 도면으로서, 도 11a는 정격의 부하토크를 인가한 경우를 나타내고, 도 11b는 1/2 정격의 부하토크를 인가한 경우를 나타낸다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 정격 및 1/2 정격 부하토크 인가 시, 500rpm에서 1000rpm으로 스텝의 속도지령 하에서의 센서리스 구동 실험결과를 보인다. 이러한 실험결과로부터 양호한 속도제어가 이루어지고 있다는 것을 알 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에 따르면, 턴-오프각과 무관하고, 임의로 턴-온각을 지정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 단순 쇄교자속 기법-기반의 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템에 따르면, 기존 기법의 온/오프각 간의 간섭을 소거하여, 온각의 조절을 통해, 시스템의 효율 향상과 토크리플 최소화가 동시에 가능하게 된다. 이때, 도 8내지 도 11에 도시된 바와 같이, SRM 센서리스 DSP 구동실험을 통하여, 그 타당성과 정확성을 검증하였다.
결국, 본 발명의 실시예에 따르면, 스위치드 릴럭턴스 전동기에서 변형된 단순 쇄교자속 기법을 기반으로 하여, 턴-오프각만 이용하여 회전자 위치 및 속도를 추정하고, 이를 통해 임의의 턴-온각을 지정함으로써, 이에 따라 센서리스 구동시스템의 효율을 향상시키고, 동시에 토크리플(Torque Ripple)을 최소화할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 제1 가산기
120: PI 속도 제어기
130: 제2 가산기
140: 전류 제어기
150: 파워 컨버터(Power Converter)
160: 오프각 위치 추출부
170: 타이밍 및 턴-오프각 결정부
180: 회전자 속도 산출부
190: 회전자 위치 산출부
200: SRM

Claims (6)

  1. 고정자 및 회전자를 구비한 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)에서 단순 쇄교자속(Simple Flux-Linkage) 기법-기반으로 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동하는 시스템에 있어서,
    회전자 속도를 비례적분(PI)하여 제어하는 PI(비례적분) 속도 제어기;
    히스테리시스 제어를 기반으로 턴-온각, 턴-오프각 및 회전자의 위치에 따라 전류를 제어하는 전류 제어기;
    상기 전류 제어기에서 제어된 전류에 따라 스위치드 릴럭턴스 전동기(SRM)를 구동하는 파워 컨버터(Power Converter);
    상기 파워 컨버터가 상기 SRM을 구동하는 상전류 및 상전압에 따라, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 산출하는 오프각 위치 추출부;
    상기 오프각 위치 추출부에서 추출된 오프각 위치에 대응하여 타이밍 및 턴-오프각을 결정하는 타이밍 및 턴-오프각 결정부;
    상기 타이밍 및 턴-오프각 결정부에서 결정된 타이밍에 따라 회전자 속도를 산출하는 회전자 속도 산출부; 및
    상기 타이밍 및 턴-오프각 결정부에서 결정된 턴-오프각 및 상기 회전자 속도 산출부에서 산출된 회전자 속도에 따라 회전자 위치를 산출하는 회전자 위치 산출부;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 오프각 위치 추출부는, 기설정된 전류지령에 대응하는 자속지령에 따라 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에서 상기 SRM가 오프각 위치에 도달하는 시점과 동일하므로, 상기 자속값이 자속지령에 도달하는 시점에 오프각 위치를 추출하는 것을 특징으로 하는 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전자의 오프각은 고정되고 오프라인 방식으로 오프각 위치의 자속-전류곡선을 미리 얻고, 상기 온각은 임의로 지정하는 것을 특징으로 하는 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전자가 오프각 위치에 도달할 때마다 회전자 속도 연산 및 속도제어가 수행되는 것을 특징으로 하는 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 오프각 위치 추출부는 온각 위치에서 시작되어 도통 상의 여자와 함께 증가하여, 오프각 위치에서 최대값을 갖는 자속값을 산출하는 것을 특징으로 하는 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템.
  6. 제5항에 있어서 :
    상기 자속값은,
    Figure 112012043677475-pat00042
    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112012043677475-pat00043
    는 상저항(Phase Resistor), 첨자
    Figure 112012043677475-pat00044
    는 어느 한 상(Phase)을 각각 나타내며 ;
    상기 오프각 위치를 추출할 시, 인접한 오프각 위치간의 각도(
    Figure 112012043677475-pat00045
    )는,
    Figure 112012043677475-pat00046

    로 주어지고, 여기서,
    Figure 112012043677475-pat00047
    은 상수,
    Figure 112012043677475-pat00048
    는 회전자 극수를 각각 나타내며 ;
    상기 인접한 오프각 위치간의 각도(
    Figure 112012043677475-pat00049
    )를 경과하는 시간을
    Figure 112012043677475-pat00050
    라고 할 때, 상기 회전자 속도 산출부에서 산출되는 회전자 속도(
    Figure 112012043677475-pat00051
    )는,
    Figure 112012043677475-pat00052

    로 주어지며 ;
    상기 회전자 위치 산출부에서 산출되는 회전자 위치(
    Figure 112012043677475-pat00053
    )는,
    Figure 112012043677475-pat00054

    로 주어지며, 상기 회전자가 오프각 위치에 도달할 때마다 정확한 회전자 위치를 추출하는 것 ;
    을 특징으로 하는 단순 쇄교자속 기법-기반 스위치드 릴럭턴스 센서리스 구동 시스템.
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