KR101356864B1 - 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

매입형 영구자석 동기 전동기를 제어하는 제어장치가 개시된다. 본 발명의 제어장치는, 기준주파수로부터 동기좌표계의 q축 기준전압을 생성하고, 상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 3상 전류를 측정하여, 동기좌표계 전류를 생성하여, 부하변동에 따라 전압을 보상하는 d축 기준전압을 생성한다. 본 발명에 따르면 복잡한 벡터제어를 이용하지 않고 간단하게 매입형 영구자석 동기 전동기를 제어한다.

Description

매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 전동기의 제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치에 관한 것이다.
매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)는 유도 전동기보다 효율이 높기 때문에, 에너지절감 차원에서 큰 각광을 받고 있다. 그러나, 유도 전동기에 비해 제어가 복잡한 단점이 있다.
일반적으로, 매입형 영구자석 동기 전동기는 벡터제어(자속기준제어)를 기반으로 제어한다. 벡터제어는 위치센서의 유무에 따라서 센서드(sensored)/센서리스(sensorless)로 구분되며, 성능확보를 위해서는 전동기 상수(고정자 저항, d축 인덕턴스, q축 인덕턴스 및 영구자석의 자속)을 필수적으로 알아야 하며, 기동시에는 영구자석의 자극위치를 알아야 원활한 기동이 가능하다.
이러한 이유로, 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어는 범용성이 떨어지는 문제점이 있다.
도 1은 일반적인 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; 이하, 'PWM'이라 함) 인버터 시스템의 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 인버터 시스템은, PWM 인버터(200)에 전원을 공급하기 위한 3상 전원부(100)와, 3상 전원부(100)로부터 수신하는 전력을 변환하는 PWM 인버터부(200)와, PWM 인버터부(200)로부터 생성된 전압으로 운전하는 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)로 구성된다.
PWM 인버터부(200)는 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)에 전압을 공급하는 전력변환부(210)와, 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출부(220)와, 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)에 공급되는 전압과 주파수를 조절하는 제어부(230)로 구성된다.
도 2는 도 1의 제어부의 상세 구성을 개념적으로 나타낸 것으로서, 전압/주파수 일정제어를 도시한 것이다. 기준주파수 fref로부터 기준 전압 Vref를 생성하기 위한 V/F패턴부(231)와, V/F패턴부(231)로부터 생성된 Vref로부터 3상 기준전압 Vasref, Vbsref, Vcsref를 생성하는 3상 기준전압 변환부(231)로 구성된다.
도 3은 도 1의 제어부의 전압/주파수 일정 제어시의 매입형 영구자석 동기 전동기의 전류 파형을 나타낸 것이다.
일반적으로, 종래의 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 제어는 벡터제어가 일반적인 방식이나, 구현하기 위해서는 전동기 상수를 기본적으로 알아야 하며, 복잡한 수식이 필요하다.
이에 반해, 유도 전동기는 도 2와 같이 전압/주파수 일정 제어방식을 적용하면, 전동기 상수를 모르더라도 간단한 수식을 통해서 운전이 가능하다.
유도 전동기에 보편적으로 적용되고 있는 전압/주파수 일정 제어방식을 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)에 적용하면, 매입형 영구자석의 돌극성(saliency)에 의해 무부하 상태에서의 기동이 가능하다(도 3의 A구간)
그러나, 전동기 속도(출력주파수)가 일정한 상태에서는, 부하가 증가하면 전압의 크기가 고정이 되기 때문에, 도 3의 B구간에서와 같이 매입형 영구자속 동기 전동기(IPMSM)의 전류가 크게 흔들리면서 크기가 증가하여, PWM 인버터에 사용되는 전력 반도체 소자와 매입형 영구 자속 동기 전동기(IPMSM)의 전류 스트레스를 증가시키게 된다.
이로 인하여 단순한 전압/주파수 일정 제어 방식에 의해서는 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)를 운전하는 것은 불가능한 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제10-1999-0015680호(공개일 : 1999.03.05)
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, PWM 인버터를 이용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 전압/주파수 일정 제어에서, 부하변동에 따라 전압제어를 수행하여, 복잡한 벡터제어를 사용하지 않고 간단하게 매입형 영구자석 동기 전동기를 제어하기 위한 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 매입형 영구자석 동기 전동기를 제어하는 제어장치에 있어서, 기준주파수로부터 동기좌표계의 q축 기준전압을 생성하는 제1생성부; 상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 3상 전류를 측정하여, 동기좌표계 전류를 생성하는 전류변환부; 및 부하변동에 따라 전압을 보상하는 d축 기준전압을 생성하는 전압제어부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 q축 기준전압 및 상기 d축 기준전압을 3상 기준전압으로 변환하여, 상기 매입형 영구자석 동기 전동기에 제공하는 제1변환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 3상 전류를 검출하는 전류검출부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전류변환부는, 3상 전류로부터 2상 정지좌표계 전류로 변환하는 제2변환부; 및 상기 2상 정지좌표계 전류를 2상 동기좌표계 전류로 변환하는 제3변환부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전류변환부는, 상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 3상 전류를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전압제어부는, 상기 전류변환부가 획득한 동기좌표계 전류 중 토크성분전류를 관찰하여, 상기 d축 기준전압을 생성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 전압제어부는, 상기 전류변환부로부터 수신한 동기좌표계 전류에서, 직전전류와 현전류의 오차를 생성하는 비교부; 및 상기 오차에 비례이득을 적용하여, 상기 d축 기준전압을 생성하는 제2생성부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명은, PWM 인버터를 이용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어시, 복잡한 수식과 전동기 상수가 필요한 벡터제어를 이용하지 않고, 유도 전동기에 일반적으로 이용되는 전압/주파수 일정 제어를 기반으로 한 토크 맥동저감 전압제어를 수행하여, 간단하게 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어를 수행하게 하는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 PWM 인버터 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 제어부의 상세 구성을 개념적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 1의 제어부의 전압/주파수 일정 제어시의 매입형 영구자석 동기 전동기의 전류 파형을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어장치의 일실시예 구성도이다.
도 5는 도 4의 전류변환부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 6은 도 4의 전압제어부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제어장치를 적용한 인버터 시스템에서의 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 부하에 따른 전류를 설명하기 위한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
전동기 적용 분야는 다양하지만, 부하에 따라서 일정토크(Constant Torque; CT) 부하와 가변토크(Variable Torque; VT) 부하로 구분할 수 있다. 일정토크 부하에서는 전 속도영역에서 토크성능이 확보되어야 하지만, 가변토크 부하의 경우에는 대개의 경우 속도에 비례하여 토크가 증가하기 때문에, 전 속도영역에서 토크성능을 확보할 필요는 없다. 대표적인 가변 토크 부하가 팬, 펌프 부하에 해당한다.
이러한 가변토크 부하에 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)를 적용하면, 벡터제어와 같은 고성능 제어가 요구되지는 않는다.
이에, 본 발명에서는 가변토크 부하에서 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)를 사용할 경우, 유도 전동기의 간단한 제어방식인 전압/주파수 일정 제어를 도입하여, 벡터제어와 같은 복잡한 알고리즘을 적용하지 않더라도 성능을 확보할 수 있도록 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어장치의 일실시예 구성도이다. 본 발명의 제어장치는, 도 1과 같은 인버터 시스템의 PWM 인버터(200)의 내부에 제공되는 것으로서, 예를 들어, 제어부(230)를 대체하여, 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)의 전압/주파수 일정 제어를 수행하기 위한 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제어장치는, V/F패턴부(10), 3상 기준전압 생성부(20)와, 전동기 전류를 측정하여 제어하는 전류변환부(30) 및 부하변동에 따라 전압을 보상하는 전압제어부(40)를 포함한다.
V/F패턴부(10)는 기준주파수 fref로부터 동기좌표계의 q축 기준전압 VqseRef를 생성한다. V/F패턴부(10)의 상세한 구성 및 동작에 대해서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 바와 같으므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서는, 전류변환부(30) 및 전압제어부(40)가 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)의 부하 변동에 따른 토크성분 전류맥동을 제한하기 위하여, d축 기준전압인 VdseRef를 생성하여, V/F패턴부(10)의 전압크기 제어와 함께 d축 전압을 제어함으로써 위상까지 제어한다. 전류변환부(30) 및 전압제어부(40)의 상세한 구성은 추후 설명하기로 한다.
3상 기준전압 변환부(20)는 기준전압 VdseRef, VqseRef를 3상 기준전압 VasRef, VbsRef 및 VcsRef로 변환하여, PWM 인버터(200)의 전력변환부(210)에 공급하여 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)에 공급한다.
전동기의 부하변동에 따른 토크성분 전류맥동을 제한하기 위한 d축 기준전압 VdeRef은, 전동기의 3상 전류 Iu, Iv, Iw를 전류 검출부로부터 얻어진 토크 성분 전류에 해당하는 Iqse 전류를 관찰하여 생성한다.
도 5는 도 4의 전류변환부의 일실시예 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전류변환부(30)는, 3상 전류 Iu, Iv, Iw를 디지털 신호로 변환하는 아날로그/디지털(Analog/Digital; 이하, 'A/D'라 함)변환부(31)와, 디지털 신호로 변환된 Iu’, Iv’, Iw’로부터 2상 교류전류, 즉, 정지좌표계로 변환하는 좌표변환부1(32) 및 2상 교류전류로 변환된 Idss, Iqss로부터 2상 직류전류로, 즉, 동기좌표계로 변환하는 좌표변환부2(33)를 포함한다.
도 1의 전류검출부(220)는, 전동기 전류 Iu, Iv, Iw를 검출하여, 이를 본 발명의 제어장치로 전송한다.
A/D변환부(31)가 디지털 변환한 전류 Iu’, Iv’, Iw’를 이용하여, 좌표변환부1(32)은 다음 [수학식1]로부터 정지좌표계상의 2상 교류전류 Idss, Iqss를 구한다.
Figure 112011105325417-pat00001
Figure 112011105325417-pat00002
좌표변환부2(33)는 좌표변환부1(32)이 구한 정지좌표계의 전류 Idss, Iqss로부터 다음의 [수학식2]를 이용하여 동기좌표계의 2상 직류전류 Idse, Iqse로 변환한다.
Figure 112011105325417-pat00003
Figure 112011105325417-pat00004

d축 기준전압 VdeRef는 전류변환부(30)가 획득한 토크성분전류 Iqse를 관찰하여 전압제어부(40)가 생성하는데, 이를 도면을 참조로 설명하기로 한다.
도 6은 도 4의 전압제어부의 일실시예 상세 구성도로서, 전압제어부(40)는 토크성분전류에 해당하는 Iqse 전류의 맥동을 제한하기 위한 전압 VdseRef를 최종적으로 생성한다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전압제어부(40)는 직전전류 Iqse[n-1]과 현전류 Iqse[n]의 오차를 생성하는 비교부(41) 및 d축 기준전압 생성부(42)를 포함한다.
비교부(41)는, 위에서 설명한 바와 같이, 직전전류 Iqse[n-1]과 현전류 Iqse[n]의 오차를 생성한다.
d축 기준전압 생성부(42)는 비교부(41)의 출력인 직전의 전류 Iqse[n-1]과 현전류 Iqse[n]의 오차에 비례이득 K를 곱하여, d축 기준전압을 생성한다.
본 발명의 전압제어부(40)는, 현전류 Iqse[n]이 직전전류 Iqse[n-1]보다 크면 d축 기준전압을 감소시키고, 반대의 경우는 증가시켜서, 토크성분전류 Iqse를 일정하게 제어하여, 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)(300)의의 부하변동에 따른 토크 리플을 감소시킬 수 있다.
d축 기준전압 VdseRef는 다음의 [수학식 3]에 의해 구할 수 있다.
Figure 112011105325417-pat00005
도 7은 본 발명의 제어장치를 적용한 인버터 시스템에서의 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 부하에 따른 전류를 설명하기 위한 일예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 제어하는 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)는, 도 3과 같은 부하에 따른 전류맥동이 사라지고, 정상운전하는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 3상 전원부 200: PWM 인버터
300: 매입형 영구자석 동기 전동기 10: V/F패턴부
20: 3상 기준전압 변환부 30: 전류변환부
40: 전압제어부 31: A/D변환부
32, 33: 좌표변환부 41: 비교부
42: d축 기준전압 생성부

Claims (7)

  1. 매입형 영구자석 동기 전동기를 제어하는 제어장치에 있어서,
    기준주파수로부터 동기좌표계의 q축 기준전압을 생성하는 제1생성부;
    상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 3상 전류를 측정하여, 동기좌표계 전류를 생성하는 전류변환부; 및
    부하변동에 따라 전압을 보상하는 d축 기준전압을 생성하는 전압제어부를 포함하되,
    상기 전류변환부는 3상 전류로부터 2상 정지좌표계 전류로 변환하는 제2변환부; 및 상기 2상 정지좌표계 전류를 2상 동기좌표계 전류로 변환하는 제3변환부를 포함하고,
    상기 전압제어부가 획득한 동기좌표계 전류 중 토크성분전류를 관찰하여, 상기 d축 기준전압을 생성하며,
    상기 전압제어부는 상기 전류변환부로부터 수신한 동기좌표계 전류에서, 직전전류의 토크성분전류와 현전류의 토크성분전류의 오차를 생성하는 비교부; 및
    상기 오차에 비례이득을 적용하여, 상기 d축 기준전압을 생성하는 제2생성부를 포함하는 제어장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 q축 기준전압 및 상기 d축 기준전압을 3상 기준전압으로 변환하여, 상기 매입형 영구자석 동기 전동기에 제공하는 제1변환부를 더 포함하는 제어장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 3상 전류를 검출하는 전류검출부를 더 포함하는 제어장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 전류변환부는,
    상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 3상 전류를 디지털 데이터로 변환하는 아날로그/디지털(A/D) 변환부를 더 포함하는 제어장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
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