KR101357828B1

KR101357828B1 - 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR101357828B1
Application number: KR1020120141828A
Authority: KR
Inventors: 정인성; 최준혁; 구본관; 박준성; 김진홍
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-02-05
Also published as: JP5639681B2; EP2741418B1; US20140160602A1; JP2014117141A; EP2741418A3; US8913353B2; EP2741418A2

Abstract

본 발명은 영구자석 전동기에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 직렬 코일형 모터를 사전 정의된 전류 지령치를 기반으로 구동하는 단계, 상기 모터의 상 전류 벡터를 검출하는 단계, 상기 상 전류 벡터를 기반으로 상기 모터의 Negative Sequence 성분 제거를 위한 전류 보상치를 산출하는 단계, 상기 전류 보상치를 Negative Sequence 전류 제어기에 제공하고 상기 Negative Sequence 전류 제어기의 출력과, 고장이 발생한 직렬 코일형 모터의 특정 상의 특정 슬롯 및 상기 특정 상과 동일한 상의 다른 슬롯들의 유도 자속 변화량을 적용한 고장 모델을 이용하여 상기 직렬 코일형 모터의 고장난 상 및 고장의 정도를 산출하는 단계, 상기 산출된 고장난 상 및 고장 정도를 적용한 전류 지령치를 적용하는 적용 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 이를 지원하는 시스템의 구성을 개시한다.

Description

직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 시스템{Fault Detection Method type of Series Permanent Magnet Motor And system using the same}

본 발명은 영구자석 전동기에 관한 것으로, 특히 직렬 코일형 영구자석 모터의 고정자 코일이 단락되어 발생하는 고장을 수학적인 모델을 기반으로 고장이 발생한 상과 그 양을 검출할 수 있도록 지원하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 시스템에 대한 것이다.

일반적으로 전동기의 구조는 고정자와 회전자의 구조로 이루어져 있다. 소형의 경우 고정자는 주로 영구자석을 사용하고, 회전자에는 코일을 감아 여기에 전류를 흘려 전자석이 되게 해서 고정자와 회전자 간의 상호작용으로 회전하도록 되어 있다. 이때 회전자가 돌아가는 상태에서도 계속 급전할 수 있도록 해주는 구조로 되어 있는 것이 브러시(brush) 부분이다.

그러나 최근 반도체의 발달로 회전자에는 영구자석을 사용하고 고정자에는 코일을 감아 여기에 전원을 공급하는 방식이 적용되고 있다. 이러한 방식은 고정자들을 순차적으로 자화시킴으로써 마치 고정자가 돌아가는 것처럼 작용하게 되어 고정자에 자기적으로 대응하는 회전자가 회전하게 된다. 이러한 전동기를 영구자석형 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)라 한다. 상기 PMSM 전동기는 회전자가 영구자석으로 되어 외부전원에 의하지 않고 자속이 발생하므로 전력소모를 최소화하고 전체 시스템의 효율 향상을 기대할 수 있다.

이러한 영구자석 전동기의 형태는 회전자와 고정자의 배치 형태에 따라 구분될 수 있다. 특히 회전자의 표면에 영구자석을 부착하는 형태의 SPM(SPM ; Surface-Mounted Permanent Magnet Motor)은 자석이 원통 샤프트 표면에 부착되어 정현파 역기전력을 발생시키며, 전기자 코일에 정현파 전류를 인가하면 항시 일정 토크를 발생한다.

한편 종래 전동기 구조에서 고정자의 코일은 인접된 코일과 단락되지 않도록 절연체가 감싸는 형태로 제공된다. 그런데 코일을 감싼 절연체는 모터의 사용에 의해 노화되거나 모터 내에 유기되는 일정 전원이나 스파크 등에 의하여 손상되는 경우가 간혹 발생하게 된다. 이에 따라 코일을 감싼 절연체가 벗겨져 코일이 외부로 노출될 수 있으며, 노출된 코일은 이웃한 다른 노출된 코일과 전기적으로 단락을 일으키는 문제가 있다. 이러한 코일 단락의 문제해결을 위하여 종래에는 단순히 모터의 초기 동작을 기준으로 일정 레벨의 출력이 발휘되지 않는 경우만을 기준으로 검출하였기 때문에 모터의 정확한 고장 발생의 원인을 알 수가 없었고, 그에 따른 적절한 모터 제어의 수행이 어려운 문제가 있었다. 여기서 종래 고장 검출 방법은 일정 기준 레벨을 실험적으로 적용하는 형태였기 때문에 고장 검출 방법에 있어서도 매우 많은 편차와 오차를 가지는 문제가 있으며, 이를 줄이기 위해서 보다 많은 실험적 데이터 획득이 요구되기 때문에 그로 인한 많은 노력과 경비가 요구되었던 문제도 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 모터의 고정자 권선의 절연체가 파괴되어 내부 코일사이에 서로 단락되어 발생하는 고장을 쉽고, 정밀하게 검출할 수 있도록 하며, 고장의 정도와 고장 발생의 상을 정확히 검출하여 고장에 대한 분석을 용이하게 할 수 있는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

또한 본 발명은 내부 단락에 의한 고장전류의 양을 추정하여 적절한 제한을 통하여 보다 안정적인 모터 제어 운전점을 기준으로 모터 동작을 제어할 수 있도록 지원하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 모터 시스템은 직렬 코일형이 채택된 모터, 상기 모터의 고정자 상 전류를 검출하는 전류 검출부, 상기 검출된 상 전류를 기반으로 상기 모터에서 발생하는 Negative Sequence 성분에 대한 전류 보상치를 산출하는 보상 전류 산출부, 상기 보상 전류 산출부에서 제공한 전류 보상치 및 제어 시스템에서 제공하는 전류 지령치를 이용하여 인버터 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 Positive Sequence 전류 제어기, 상기 전류 보상치 및 상기 제어 시스템에서 제공하는 전류 지령치를 이용하여 Negative Sequence 성분 제거를 위한 신호를 생성하여 상기 Positive Sequence 전류 제어기에 제공하는 Negative Sequence 전류 제어기, 상기 Positive Sequence 전류 제어기가 제공한 제어 신호에 따른 모터 동작 신호를 생성하는 인버터, 상기 Negative Sequence 전류 제어기의 출력을 수학적으로 정의된 고장 모델에 적용하여 고장난 상 및 고장의 정도를 검출하는 고장 검출부, 상기 고장난 상 및 고장의 정도가 적용된 전류 지령치를 제공하는 제어 시스템을 포함하며, 상기 고장 검출부의 고장 모델은 고장이 발생한 상기 모터의 특정 상의 특정 슬롯에서의 자속 변화 및 특정 상과 동일 상의 다른 슬롯의 유도 자속 변화량을 적용한 고장 모델인 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출을 지원하는 시스템의 구성을 개시한다.

상기 보상 전류 산출부는 3상 전류를 2상 동기 좌표계로 전환한 후 Negative Sequence 성분 보상을 위한 전류 보상치를 산출한다.

상기 Negative Sequence 성분 보상을 위한 상기 모터의 각 밸런스된 전류는

이며, 상기 모터가 3상이며, A-상에서 x(고장난 상, 고장난 Pole pair에서 건강한 코일의 비율) 정도의 고장이 발생하였다고 가정한 경우 상기 고장 모델의 자속 방정식은

이며, R_s 및 L_s는

이고, 여기서 상기 v_a, v_b, v_c는 모터의 상전압을 나타내며, f는 코일단락이 발생하여 형성된 closed 회로를 표시하고, P는 pole number이고, P/2 는 Pole pair number이며, L_m, L_l은 모터가 정상 상태일 때의 각 상의 Self inductance, Leakage inductance이고, R은 상저항성분, R_f는 단락(Turn short)되면서 발생한 접촉 저항성분이고, x는 고장난 Pole의 고장인없는 코일의 비율이며, γ는 특정 상의 슬롯에서 동일 상의 나머지 다른 Pole pair의 coupling factor가 될 수 있다.

또한 단락에 따른 이상 전류 if는

가 될 수 있다. 상기 Negative Sequence 전류 제어기의 출력를 필터링한 전압 값의 동기 좌표계 값은

가 될 수 있다.

본 발명은 또한, 직렬 코일형 모터를 사전 정의된 전류 지령치를 기반으로 구동하는 단계, 상기 모터의 상 전류 벡터를 검출하는 단계, 상기 상 전류 벡터를 기반으로 상기 모터의 Negative Sequence 성분 제거를 위한 전류 보상치를 산출하는 단계, 상기 전류 보상치를 Negative Sequence 전류 제어기에 제공하고 상기 Negative Sequence 전류 제어기의 출력과, 고장이 발생한 직렬 코일형 모터의 특정 상의 특정 슬롯 및 상기 특정 상과 동일한 상의 다른 슬롯들의 유도 자속 변화량을 적용한 고장 모델을 이용하여 상기 직렬 코일형 모터의 고장난 상 및 고장의 정도를 산출하는 단계, 상기 산출된 고장난 상 및 고장 정도를 적용한 전류 지령치를 적용하는 적용 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법의 구성을 개시한다.

여기서 상기 적용 단계는 상기 고장난 상 및 상기 고장 정도를 기반으로 상기 모터의 속도 및 상전류량을 조절하여 과전류 발생을 억제하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 시스템에 따르면, 본 발명은 모터의 고장을 모터의 형태와 Parameter만을 기준으로 쉽게 검출할 수 있도록 지원하며, 모터의 고장을 시험을 통한 것이 아니라 모델을 기준으로 하므로, 다양한 모터에 대하여 고장 산출 기능을 보다 쉽게 적용할 수 있다.

또한 본 발명은 모터 고장 전류를 추정할 수 있어 모터의 고장이 확대되지 않는 방식을 기반으로 운전할 수 있도록 지원한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고장 모델 적용 직렬 코일형 영구자석 전동기 구조를 개략적으로 나타낸 블록도.
도 2는 도 1의 영구자석 전동기의 형태를 보다 상세히 나타낸 회로도.
도 3은 본 발명의 영구자석 전동기 구조 중 모터를 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 고장이 발생한 모터의 구동 해석을 위한 등가 모델을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 고장 모델 적용 직렬 코일형 영구자석 전동기의 고장 검출 방법을 설명하기 위한 도면.
도 6 및 도 7은 본 발명의 고장 모델의 실제 정확도를 설명하기 위한 도면.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 영구자석 전동기의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이며, 도 2는 본 발명의 영구자석 전동기의 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명의 영구자석 전동기 구성 중 모터 외관을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 직렬 코일형 모터의 등가 모델을 나타낸 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 영구자석 전동기(10)는 직렬 코일형 모터(100), 인버터(400), 전류 검출부(500), Positive Sequence 전류 제어기(200), Negative Sequence 전류 제어기(300), 보상 전류 산출부(600) 및 고장 검출부(700)의 구성을 포함할 수 있다. 그리고 본 발명의 영구자석 전동기(10)는 고장 검출부(700)에서 검출된 고장 정도를 적용하여 전류 지령치를 제공할 수 있는 제어 시스템의 구성을 더 포함할 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명의 영구자석 전동기(10)는 직렬 코일형 모터(100) 구동에 따라 형성되는 전원을 검출하고, 검출된 전원을 기반으로 직렬 코일형 모터(100)와 관련된 수학적 모델을 구축하도록 지원할 수 있다. 이 과정에서 영구자석 전동기(10)는 사전에 설계된 고장 모델을 이용하여 직렬 코일형 모터(100)의 고정자에 이상 예컨대 단락(Turn short)이 발생하였는지를 확인하도록 지원할 수 있다. 특히 본 발명의 영구자석 전동기(10)는 직렬 코일형 모터(100)의 모델로부터 유도된 고장 모델을 이용하여 수식적으로 그 형태를 미리 판별할 수 있도록 지원하여, 직렬 코일형 모터(100)의 고장뿐 아니라 고장 정도, 고장이 발생한 상을 판별할 수 있도록 지원한다.

직렬 코일형 모터(100)는 인버터(400)에서 제공되는 제어 신호에 따라 모터 동작을 수행하는 구성이다. 이러한 직렬 코일형 모터(100)는 도 3에 도시된 바와 같이 고정자(110)와 회전자(120)를 포함할 수 있다.

회전자(120)는 고정자(110)의 중심에 배치되데 고정자(110)에 대면되어 일정 방향으로 회전할 수 있도록 고정자(110)와 일정 간격 이격된 형태로 배치될 수 있다. 이러한 회전자(120)는 중심에 배치되는 회전축, 상기 회전축을 감싸며 일정 폭을 가지는 회전자 철심부, 회전자 철심부 외벽에서 회전자 철심부에 연장되어 돌출되는 돌기부들, 상기 회전자 철심부 외벽에 부착되는 제1 극성의 영구자석들을 포함하여 구성될 수 있다.

고정자(110)는 다수개의 슬롯이 일정 간격을 가지며 배치되고, 전체적으로 중앙이 빈 일정 두께를 가진 원통형의 형상으로 마련된다. 여기서 고정자(110)는 전동기의 외주부를 구성하여 일정 두께의 원통형으로 형성될 수 있고, 원통형 내부는 회전자(120)가 배치될 수 있는 공간에 대응하도록 형성될 수 있다. 이러한 고정자(110)는 철제와 같이 자로가 형성될 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 특히 고정자(110)는 철제로 형성된 다수개의 슬롯들과, 슬롯들 각각에 일정 횟수로 코일이 감겨져 형성된다. 이러한 고정자(110)는 회전자(120)에 배치되는 제1 극성의 영구자석과 일정 간격 이격된 형상으로 배치될 수 있다. 상기 고정자(110)에 형성되는 슬롯의 코일에는 외부로부터 순차적으로 전류가 공급될 수 있다. 이에 따라 고정자(110)의 각 슬롯들은 순차적으로 전자석의 역할을 수행하게 되며, 내부에 배치된 회전자(120)가 전자석으로 변경되는 고정자(110)의 슬롯들에 의하여 회전하게 된다. 특히 제1 극성의 영구자석(129)이 고정자(110)의 각 슬롯들과 일정 자로를 형성함으로써 일정 방향으로 회전할 수 있다.

상술한 바와 같이 고정자(110)에 포함된 코일은 고정자 코어의 슬롯에 감겨 있는 구조로 되어 있다. 이 코일의 겉면에는 절연체로 둘러싸져 있어서 서로 이웃한 코일 간에 단락이 발생하지 않도록 되어 있다. 그러나 시간이 지남에 따라 고전압과 열에 의해서 이 절연체의 절연성분 효과가 약화되어, 이웃한 코일 간에 단락(Turn Short)이 발생 하게 된다. 단락이 발생하면 직렬 코일형 모터(100)의 성능이 떨어지고, 단락된 코일이 하나의 회로를 형성하며, 자석과 고정자(110)의 자속에 의해서 대전류가 유기발생한다. 발생된 대전류는 동손(Copper loss)을 발생시켜 열 발생을 심화시켜 가까운 코일의 절연성분 파괴를 점차 심화시키게 되며, 결국에는 직렬 코일형 모터(100)가 동작을 할 수 없을 정도로 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다. 본 발명은 영구자석 전동기(10)는 단락에 의한 코일의 전기적 변화를 수학적으로 모델링하고, 해당 수학적 모델을 기초로 하여 직렬 코일형 모터(100)의 어떠한 상이 어느 정도의 고정을 발생시키고 있는지를 보다 쉽고 용이하게 수행하도록 지원할 수 있다.

직렬 코일형 모터(100)는 3상이 밸런스(Balanced) 된 임피던스와 역기전력을 가지고 있도록 설계된다. 여기서 단락이 발생할 경우 단락이 발생한 상에서만 임피던스와 역기전력이 낮아지게 되고, 단락된 코일은 독립적인 회로를 구성한다. 이러한 고장이 발생하였을 때 직렬 코일형 모터(100)를 구동하게 되면 전류 또는 전압에서 언밸런스(unbalance)가 발생하게 되어 일반 3상의 특성과는 다르게 Negative Sequence가 발생하게 된다. Negative Sequence는 Positive Sequence의 반대 방향 회전 각속도를 가지는 것으로, Positive Sequence가 직렬 코일형 모터(100)의 회전방향으로 회전자계를 만들어 준다면 Negative Sequence는 반대방향으로 회전자계를 형성한다. 이에 따라 Positive Sequence 입장에서는 Negative Sequence의 회전 자계가 회전속도의 2배 외란으로 보이게 된다. 여기서 Negative Sequence는 3상인 a, b, c 순차적으로 형성되던 Positive Sequence와 반대로 a, c, b 순으로 형성되는 성분으로서 수학적으로 b상과 c상의 위상이 다르게 구현된다. Positive Sequence 및 Negative Sequence는 아래 수학식 1 및 수학식 2에서와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서 f_ap, f_bp, f_cp는 3상 Positive Sequence의 수학적 표현이며, f_an, f_bn, f_cn은 3상 Negative Sequence의 수학적 표현이 될 수 있다. 나타낸 바와 같이 Positive Sequence와 Negative Sequence 간의 위상차가 역순으로 표시된다. Negative sequence가 발생하는 성분은 제어의 방식에 따라 다르나, 모터의 상전류 또는 전압에서 발생한다.

본 발명에서는 모터의 abc 좌표로부터 동기d-q좌표계(Synchronous reference frame)로 모델을 전체 유도하고, 수식 모델을 기반으로 고장의 양, 고장난 상을 판별할 수 있도록 지원한다.

[수학식 3]

위 수학식 3은 abc좌표에서 모터의 자속 방정식이다. A-상에서 x(고장난 상, 고장난 Pole pair에서 건강한 코일의 비율) 정도의 고장이 발생하였다고 가정한 경우이며, 직렬 코일형 모터(100) 모델은 2N극 일 때 3N 슬롯을 갖는 집중권 방식을 가정한 것이다. 위 수학식 3에서 R_s 및 L_s는 다음 수학식 4에서와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 4]

수학식 3의 v_a, v_b, v_c는 모터의 상전압을 나타내며, f는 코일단락이 발생하여 형성된 closed 회로를 표시한다. P는 pole number이고, P/2 는 Pole pair number이다. x는 고장난 Pole의 고장인없는 코일의 비율이며, L_m, L_l은 모터가 정상 상태일 때의 각 상의 Self inductance, Leakage inductance이고, R은 상저항성분이다.

R_f는 단락(Turn short)되면서 발생한 접촉 저항성분이고, γ는 특정 상의 슬롯에서 동일 상의 나머지 다른 Pole pair의 coupling factor이다. γ는 밸런스된 정상상태의 직렬 코일형 모터(100)에서는 적용되지 않지만 코일 단락이 발생한 경우 해당 모델의 정확성을 높일 수 있다. 즉 직렬 코일형 모터(100)가 다극으로 구성되는 경우 한 상의 한 코일슬롯에서 발생하는 자속에 변화가 발생하는 경우 멀리 있는 같은 상의 코일 슬롯에 발생하는 자속에 영향을 주게 된다. 예컨대 한 상의 한 코일 슬롯에서 발생하는 자속이 감소하면 멀리 있는 동일 상의 코일 슬롯에 전달되는 자속의 양이 적어지게 된다. 이에 따라 다극의 직렬 코일형 모터(100)에서는 종래 단순 등가 모델로 다양한 상태를 표현하기 곤란하다. 결국 밸런스된 정상 상태에서는 상술한 양의 편차에 대한 고려가 필요가 없지만, 코일 단락이 발생해서 독립적인 회로 루프가 생성되는 경우, 코일 단락에 의해 형성된 독립적인 회로 루프가 기존의 정상 상태를 유지하는 동일 상의 코일과 Coupling되어 영향을 받게 됨으로 본 발명에서 γ를 이용하여 이를 보정한다. 즉 본 발명의 고장 검출부(700)는 다상 및 다극을 가지는 모터에서 특정 상의 코일 단락에 의해 발생한 자속 저감량을 인덕턱스 산출에 적용하도록 지원한다.

수학식 3에서 전류 i_a, i_b, i_c를 보상 전류 산출부(600)를 이용하여 Negative Sequence 전류가 없도록 전류치를 구성한 후 Negative Sequence 전류 제어기(300)에 적용하면 다음 수학식 5와 같은 밸런스 전류를 Positive Sequence 전류 제어기(200)에 적용한 후 적용된 신호를 인버터(400)에 인가할 수 있다.

[수학식 5]

수학식 3에 수학식 5의 전류를 인가하여 단락 발생에 따른 별도 독립 회로에 흐르는 i_f전류와 동기좌표계 d-q좌표계로 변환하게 되면 다음 수학식 6과 같은 결과를 얻을 수 있다.

[수학식 6]

상술한 수학식을 적용함에 있어서 고장이 없는 직렬 코일형 모터(100)에는 x가 1이 된다. 고장이 없는 직렬 코일형 모터(100)의 Positive Sequence 동기좌표계에서 직렬 코일형 모터(100)의 전류 성분들을 DC의 형태로 제어할 수 있다. 한편 고장이 발생하면 Negative Sequence가 수식과 같이 발생하므로, Negative Sequence에 대한 전류 보상치를 보상 전류 산출부(600)가 산출하고, 산출된 전류 보상치를 Negative Sequence 전류 제어기(300)에 적용한 후, Negative Sequence 전류 제어기(300)의 출력 값을 Positive Sequence 전류 제어기(200)의 출력 값에 적용하도록 지원할 수 있다. 특히 고장 검출부(700)는 보상 전류 산출부(600)에서 산출된 전류 보상치가 제공된 Negative Sequence 전류 제어기(300)의 출력 신호를 필터링하고 해당 신호를 상술한 수학식들에 적용하여 고장 난 상의 위치 즉 x를 알 수 있도록 한다. 고장난 상과 x의 양을 알게 되면 i_f의 전류의 양을 제한 할 수 있는 속도와 상전류 양을 조절하여 과전류에 의한 직렬 코일형 모터(100)가 더 이상 절연 파괴가 진행되지 않도록 할 수 있는 운전점을 찾을 수 있다. 이를 위하여 고장 검출부(700)는 고장 값에 대한 정보를 제어 시스템에 제공할 수 있다.

상기 인버터(400)는 상기 모터(110)에 일정한 전원 예를 들면 3상 전압을 제공하는 구성이다. 이러한 인버터(400)는 전류 제어기에서 생성되어 제공된 3상 전류를 수신하고 해당 전류에 대응하는 제어 신호를 생성하여 전압을 발생시켜 직렬 코일형 모터(100)에 제공한다. 특히 인버터(400)가 생성하는 신호는 직렬 코일형 모터(100)의 단락 발생에 따른 특정 상의 고장 상태를 보상하기 위한 제어 신호를 생성하고, 생성된 신호를 직렬 코일형 모터(100)에 제공할 수 있다. 이때 인버터(400)에 제공되는 신호는 고장 검출부(700)에서 검출한 고장난 상 및 고장의 정도가 적용된 전류 지령치에 해당하는 신호 및 Negative Sequence 성분을 제거하도록 설계된 전류 보상치가 적용된 값이 될 수 있다.

Positive Sequence 전류 제어기(200)는 직렬 코일형 모터(100) 구동을 위해 사전 정의된 전류 지령치에 대응하는 신호를 생성하고, 생성된 신호를 인버터(400)에 제공하는 구성이다. 이 과정에서 Positive Sequence 전류 제어기(200)는 보상 전류 산출부(600)로부터 직렬 코일형 모터(100)의 단락에 의해 발생한 고장 보상치를 제공받고 해당 고장 보상치를 전류 지령치에 적용하여 인버터(400)에 제공할 신호를 생성한다. 특히 Positive Sequence 전류 제어기(200)는 고장 검출부(700)가 검출한 고장난 상 및 고장의 정도가 적용된 전류 지령치를 제어 시스템으로부터 전달받고, Negative Sequence 전류 제어기(300)로부터 출력된 출력 값을 전류 지령치에 적용한 후 이를 인버터(400)에 제공하도록 지원할 수 있다. 이에 따라 본 발명 Positive Sequence 전류 제어기(200)는 직렬 코일형 모터(100) 단락이 발생하더라도 해당 단락에 의한 에러를 최소화하는 전류치에 해당하는 신호를 생성 및 제공하도록 지원한다.

Negative Sequence 전류 제어기(300)는 직렬 코일형 모터(100)의 동작에서 발생한 Negative Sequence 성분을 최소화하도록 산출된 전류 보상치 및 제어 시스템이 제공한 전류 지령치를 적용한 출력 값을 산출하는 구성이다. Negative Sequence 전류 제어기(300)가 산출한 값은 고장 검출부(700)에 제공될 수 있으며, 또한 Positive Sequence 전류 제어기(200)에 제공될 수 있다.

전류 검출부(500)는 인버터(400)에서 직렬 코일형 모터(100)에 제공되는 신호 또는 직렬 코일형 모터(100) 구동에 따른 신호를 검출하는 구성이다. 전류 검출부(500)는 직렬 코일형 모터(100)에 제공되는 3상 전류 신호 또는 3상 전압 신호 검출하고, 검출된 신호를 보상 전류 산출부(600)에 제공한다. 특히 전류 검출부(500)는 직렬 코일형 모터(100) 동작에 따른 3상 전류 신호를 센싱하고 이를 보상 전류 산출부(600)에 제공할 수 있다. 이때 검출되는 전류 검출부(500)는 각각 3상을 구분할 수 있는 각 위치에서의 전류 센싱 값이며, 이는 전류 벡터로서 표현될 수 있다.

보상 전류 산출부(600)는 전류 검출부(500)가 검출한 전류 벡터 값들을 이용하여 전류 지령치에 따른 전류 보상치를 산출하고, 이를 Positive Sequence 전류 제어기(200) 및 Negative Sequence 전류 제어기(300)에 제공하는 구성이다. 보상 전류 산출부(600)는 전류 검출부(500)가 검출한 3상의 전류 신호를 2상의 d-q 동기좌표계로 전환한 후, 필터링을 수행한 후, 극좌표계 적용을 위한 회전 페이저를 적용하여 d-q 2상의 동기 좌표계 신호를 산출할 수 있다. 이 과정에서 보상 전류 산출부(600)가 산출하는 전류 보상치는 Negative Sequence 성분을 제거하기 위한 값으로 산출된다.

고장 검출부(700)는 Negative Sequence 전류 제어기(300)가 Positive Sequence 전류 제어기(200)에 제공하는 신호를 필터링하여 DC 성분으로 구성하고, 이를 수학식에 적용하도록 지원하는 구성으로서, 고장 발생에 따른 d-q 동기좌표계 전압을 제공하는 구성이다. 이때 고장 검출부(700)는 고장이 발생한 상에서의 인덕턴스를 수학적으로 고려하게 되며, 특히 특정 상의 특정 슬롯에서 발생한 자속이 동일 상의 다른 슬롯에 주는 영향을 고려하도록 산출될 수 있다. 즉 고장 검출부(700)는 수학식 4에서 나타낸 L_s적용에 있어서 동일 상의 다른 슬롯의 자속 변화를 고려함으로써 해당 직렬 코일형 모터(100)에서 발생하는 Negative Sequence 전류 제어치를 보다 정밀하게 산출할 수 있으며, 이에 따라 직렬 코일형 모터(100)의 단락에 의한 영향을 최소화하는 형태의 직렬 코일형 모터(100) 구동을 가능하도록 지원할 수 있다. 이에 따라 고장 검출부(700)는 Negative Sequence 전류 제어기(300)의 출력 및 상술한 수학식들을 이용하여 구성된 고장 모델을 기반으로 고장이 발생한 직렬 코일형 모터(100)에서의 x 값을 확인할 수 있도록 지원한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, S101 단계에서 Positive Sequence 전류 제어기(200)는 사전 정의된 전류 지령치에 따라 인버터(400)의 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 인버터(400)에 제공한다.

그러면 인버터(400)는 S103 단계에서 Positive Sequence 전류 제어기(200)의 출력을 기반으로 직렬 코일형 모터(100) 동작을 위한 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 직렬 코일형 모터(100)에 제공하여, 직렬 코일형 모터(100) 동작을 수행할 수 있다.

한편 전류 검출부(500)는 S105 단계에서 직렬 코일형 모터(100) 동작에 따른 전류 벡터들을 검출하고, 검출된 전류 벡터들을 보상 전류 산출부(600)에 제공한다. 그러면 보상 전류 산출부(600)는 S107 단계에서 전류 벡터들을 기반으로 Negative Sequence 성분을 제거하기 위하여 전압 보상치를 산출한다.

보상 전류 검출부(600)에서 전류 보상치가 산출되면, S109 단계에서 해당 전류 보상치는 Negative Sequence 전류 제어기(300) 및 Positive Sequence 전류 제어기(200)에 제공된다. 이때 고장 검출부(700)는 S111 단계에서 Negative Sequence 전류 제어기(300)로부터 출력된 Negative Sequence 성분의 고장 값 검출을 자속 방정식에 적용함으로써 고장이 발생한 상과 고장 정도를 검출하도록 지원한다. 이를 위하여 고장 검출부(700)는 단락이 발생한 특정 상과 해당 상에서의 고장 정도를 적용하는 고장 모델을 Positive Sequence 전류 성분에 Negative Sequence 전류 성분을 적용한 자속 방정식을 이용하여 구성할 수 있다. 특히 고장 검출부(700)는 고장이 발생한 특정 상의 특정 슬롯에서 발생하는 자속변화뿐만 아니라 동일 상의 자속 변화에 따라 유도되는 동일 상의 다른 슬롯에서 발생하는 자속변화 값을 적용할 수 있는 유도 자속 변화량(γ)을 자속방정식에 적용하도록 지원한다. 이에 따라 본 발명의 고장 검출부(700)는 직렬 코일형 모터(100)에서 발생하는 실제 Negative Sequence 성분을 보다 면밀하고 상세하게 고장 모델에 적용하도록 함으로써 고장 모델에 최적화된 모터 속도와 상전류 양을 조절할 수 있도록 지원할 수 있다. 고장 검출부(700)에서 검출된 고장 값들은 전류 지령치를 제공하는 제어 시스템에 제공되며, 제어 시스템은 해당 고장 값들을 적용한 전류 지령치를 산출하여 Positive Sequence 전류 제어기(200) 및 Negative Sequence 전류 제어기(300)에 제공할 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 고장 모델 적용에 따른 모델 정확도를 나타낸 도면이며, 특히 도 6은 FEM 시뮬레이션 기반의 정확도 측정을 나타낸 것이고, 도 7은 i_f 전류 정확도를 나타낸 것이다.

도 6에서 본 발명의 고장 모델은 FEM 해석을 통한 모델 정확도 확인을 위한 것으로, 6극 9슬롯 직렬 코일형 모터(정격18Vrms), x=0.6666(1슬롯에 33%의 코일 단락 발생 시)를 기준으로 측정한 값이다. 여기서 도 6은 Negative sequence 전압 출력을 나타낸 것이며 특히 x축은 Vde-, y축은 Vqe- 값이다. Negative Sequence 전압 출력과 i_f전류 측정이 실제 상황하게 매우 유사하게 검측됨을 알 수 있다. 특히 본 발명의 고장 모델은 수학적으로 산출되고 계산되는 형태이기 때문에 다양한 모터에 대하여 보다 용이하고 간편하게 적용될 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법 및 이를 지원하는 시스템은 직렬 코일형 모터(100)의 단락에 의한 고장 발생을 수학적으로 구성한 고장 모델을 통하여 지원하고, 실제 고장 발생 시 단락이 발생한 상 및 동일 상의 다른 슬롯들의 자속 변화를 고려하여 보다 정확한 고장난 상 및 고장의 정도를 산출할 수 있도록 지원한다. 이에 따라 본 발명의 고장난 상 및 고장의 정도에 부합하는 정확한 전류 지령치 및 Negative Sequence 전류 보상치를 적용하도록 함으로써 직렬 코일형 모터(100)에서의 손상이 추가적으로 발생하지 않는 적절한 운전점 산출 및 구동을 가능하도록 지원할 수 있다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시 예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시 예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

10 : 영구자석 전동기
100 : 직렬 코일형 모터
200 : Positive Sequence 전류 제어기
300 : Negative Sequence 전류 제어기
400 : 인버터
500 : 전류 검출부
600 : 보상 전류 검출부
700 : 고장 검출부

Claims

직렬 코일형이 채택된 모터;
상기 모터의 고정자 상 전류를 검출하는 전류 검출부;
상기 검출된 상 전류를 기반으로 상기 모터에서 발생하는 Negative Sequence 성분에 대한 전류 보상치를 산출하는 보상 전류 산출부;
상기 보상 전류 산출부에서 제공한 전류 보상치 및 제어 시스템에서 제공하는 전류 지령치를 이용하여 인버터 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 Positive Sequence 전류 제어기;
상기 전류 보상치 및 상기 제어 시스템에서 제공하는 전류 지령치를 이용하여 Negative Sequence 성분 제거를 위한 신호를 생성하여 상기 Positive Sequence 전류 제어기에 제공하는 Negative Sequence 전류 제어기;
상기 Positive Sequence 전류 제어기가 제공한 제어 신호에 따른 모터 동작 신호를 생성하는 인버터;
상기 Negative Sequence 전류 제어기의 출력을 수학적으로 정의된 고장 모델에 적용하여 고장난 상 및 고장의 정도를 검출하는 고장 검출부;
상기 고장난 상 및 고장의 정도가 적용된 전류 지령치를 제공하는 제어 시스템;을 포함하며,
상기 고장 검출부의 고장 모델은
고장이 발생한 상기 모터의 특정 상의 특정 슬롯에서의 자속 변화 및 특정 상과 동일 상의 다른 슬롯의 유도 자속 변화량을 적용한 고장 모델인 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출을 지원하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 보상 전류 산출부는
3상 전압을 2상 동기 좌표계로 전환한 후 Negative Sequence 성분 보상을 위한 전류 보상치를 산출하는 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출을 지원하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 Negative Sequence 성분 보상을 위한 상기 모터의 각 밸런스된 전류는

인 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출을 지원하는 시스템.
제3항에 있어서,
상기 모터가 3상이며, A-상에서 x(고장난 상, 고장난 Pole pair에서 건강한 코일의 비율) 정도의 고장이 발생하였다고 가정한 경우 상기 고장 모델의 자속 방정식은

이며,
R_s 및 L_s는

이고,
여기서 상기 v_a, v_b, v_c는 모터의 상전압을 나타내며, f는 코일단락이 발생하여 형성된 closed 회로를 표시하고, P는 pole number이고, P/2 는 Pole pair number이며, L_m, L_l은 모터가 정상 상태일 때의 각 상의 Self inductance, Leakage inductance이고, R은 상저항성분, R_f는 단락(Turn short)되면서 발생한 접촉 저항성분이고, x는 고장난 Pole의 고장인없는 코일의 비율이며, γ는 특정 상의 슬롯에서 동일 상의 나머지 다른 Pole pair의 coupling factor인 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출을 지원하는 시스템.
제4항에 있어서,
단락에 따른 이상 전류 if는

인 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출을 지원하는 시스템.
제5항에 있어서,
상기 Negative Sequence 전류 제어기의 출력를 필터링한 전압 값의 동기 좌표계 값은

인 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출을 지원하는 시스템.
직렬 코일형 모터를 사전 정의된 전류 지령치를 기반으로 구동하는 단계;
상기 모터의 상 전류 벡터를 검출하는 단계;
상기 상 전류 벡터를 기반으로 상기 모터의 Negative Sequence 성분 제거를 위한 전류 보상치를 산출하는 단계;
상기 전류 보상치를 Negative Sequence 전류 제어기에 제공하고 상기 Negative Sequence 전류 제어기의 출력과, 고장이 발생한 직렬 코일형 모터의 특정 상의 특정 슬롯 및 상기 특정 상과 동일한 상의 다른 슬롯들의 유도 자속 변화량을 적용한 고장 모델을 이용하여 상기 직렬 코일형 모터의 고장난 상 및 고장의 정도를 산출하는 단계;
상기 산출된 고장난 상 및 고장 정도를 적용한 전류 지령치를 적용하는 적용 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법.
제7항에 있어서,
상기 적용 단계는
상기 고장난 상 및 상기 고장 정도를 기반으로 상기 모터의 속도 및 상전류량을 조절하여 과전류 발생을 억제하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 직렬 코일형 영구자석 모터의 고장 검출 방법.