KR101376389B1

KR101376389B1 - 유도전동기용 자속 제어장치

Info

Publication number: KR101376389B1
Application number: KR1020100120433A
Authority: KR
Inventors: 홍찬욱
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2014-03-20
Also published as: CN102487264B; CN102487264A; JP5639035B2; JP2012120429A; KR20120058905A

Abstract

본 발명은 센서리스 벡터 제어를 적용한 유도전동기 구동 인버터 시스템에서 저속영역에서 자속 추정 성능 저하 현상을 최소화 할 수 있는 자속 제어장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 센서리스 벡터 제어방식의 유도 전동기용 자속 제어장치로서, 속도지령(W^*m)과 추정 속도(Wm) 간의 속도 오차를 입력받아 토크분 전류지령(i^*q)을 출력하는 속도 제어장치(404), 상기 토크분 전류지령(i^*q)을 입력받아 토크분 전압지령(v^*q)으로 출력하는 토크 전류 제어장치(406), 자속지령(λ^*m)과 추정 자속값(λdr) 간의 자속 오차를 입력받아 자속분 전류지령(i^*d)을 출력하는 자속 제어장치(408), 상기 자속분 전류지령(i^*d)을 입력받아 자속분 전압지령(v^*d)으로 출력하는 자속 전류 제어장치(410), 상기 토크분 전압지령(v^*q) 및 자속분 전압지령(v^*d)을 유도 전동기에 인가되는 3상의 전압지령으로 변환하여 출력하는 3상 변환기(411), 상기 유도 전동기의 3상의 전류, 상기 토크분 전압지령(v^*q) 및 상기 자속분 전압지령(v^*d)을 입력받아 상기 유도 전동기의 회전자의 회전각(θe), 상기 회전자의 추정 자속값(λdr) 및 상기 회전자의 추정 속도(Wm)을 출력하는 자속 추정기(415) 및 상기 토크분 전압지령(v^*q) 및 상기 추정 속도(Wm)를 입력받아 상기 자속지령(λ^*m)의 크기를 조정하는 이득값을 출력하는 자속 조정장치(416)를 포함하며, 상기 자속 조정장치(416)는 상기 회전자의 회전속도가 낮은 경우 상기 자속지령(λ^*m)의 크기를 크게 하는 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다. 따라서, 토크분 지령전압의 크기가 일정값 이하로 떨어지지 않으므로, 저속에서도 자속 추정성능이 신뢰성을 유지할 수 있는 이점이 있다.

Description

유도전동기용 자속 제어장치{FLUX CONTROLLER FOR INDUCTION MOTOR}

본 발명은 유도전동기용 자속 제어장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 센서리스 벡터 제어를 적용한 유도전동기 구동 인버터 시스템에서 저속영역에서 자속 추정 성능 저하 현상을 최소화 할 수 있는 자속 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 속도나 위치 센서 없이 유도전동기를 가변속 구동하는 방법으로는 개루프(Open loop) 제어 방식인 전압/주파수(V/f) 일정 제어 방식과, 전동기 회전자 자속의 위치를 전압, 전류 및 전동기 파라미터를 연산하여 추정하는 센서리스 벡터 제어 방식이 있으며, 속도 제어 성능, 부하 변동에 대한 제어 성능은 후자인 센서리스 벡터 제어 방식이 우수하여 많이 사용되고 있다.

그런데, 센서리스 벡터 제어방식에서는 저속 구간에서 전동기를 구동하는데 필요한 전압이 크기가 작아지면서 옵셋(offset), 데드타임(dead time) 등의 영향으로 전동기로 입력되는 전압(인버터 출력전압)의 추정에 오차가 생겨 자속 추정 성능이 저하되어 저속에서는 고속영역에 비해 충분한 성능을 내지 못하는 경우가 많다.

도 1은 속도(위치) 센서 없는 센서리스 벡터 제어 방식으로 가변속 구동되는 유도전동기 시스템의 블록도를 나타낸다.

인버터(101)는 센서리스 유도 전동기(102)를 사용자가 입력한 속도지령(W^*m)대로 운전되도록 하는 전압을 센서리스 유도 전동기(102)로 출력한다.

감산기(103)는 외부로부터 입력된 속도지령(W^*m)과 센서리스 자속 추정기(115)의 출력 중의 하나인 추정속도(Wm)를 차감해 속도 오차를 검출한다.

속도 제어장치(104)는 전류지령을 출력하는 장치로, Kp_s는 비례이득을, Ki_s는 적분이득을 의미하며, s는 라플라스 연산자이다.

감산기(105)는 토크분 전류지령(i^*q)와 토크분 전류(id)를 차감하여 토크분 전류 오차를 검출한다.

토크전류 제어장치(106)에서 Kp_q부호는 비례이득, Ki_q는 적분이득을 의미한다.

감산기(107)는 자속지령(λ^*dr)과 센서리스 자속 추정기(115)의 출력인 추정 자속(λdr)을 차감하여 자속 오차를 검출한다.

자속 제어장치(108)에서 Kp_f는 비례이득을, Ki_f는 적분이득을 의미한다.

감산기(109)는 자속분 전류지령(i^*d)과 자속분 전류(id)를 차감하여 자속분 전류 오차를 검출한다.

자속전류 제어장치(110)에서 Kp_d는 비례이득을, Ki_d는 적분이득을 의미한다.

3상 변환기(111)는 센서리스 자속 추정기(115)로부터 유도 전동기(102)의 회전자 자속의 전기적 회전각(θe)를 입력받아 전류 제어장치(106, 110)의 출력인 토크분 전압지령(V^* _q)와 자속분 전압 지령(V^* _d)를 3상의 전압지령인 V^* _a, V^* _b 및 V^* _c로 변환한다.

전압 제어장치(112)는 전력용 반도체 소자(IGBT)를 포함하며, 3상의 전압지령인 V^* _a, V^* _b 및 V^* _c를 입력받아 펄스 폭 변조(PWM, Pulse Width Modulation) 기법을 통해 유도 전동기(102) 에 전압지령 V^* _a, V^* _b 및 V^* _c값으로 제어된 3상의 출력 전압을 인가한다.

각각의 전류센서(113a, 113b, 113c)는 전압 제어장치(112)의 3상 출력선에 결합되어 유도 전동기(102)에 흐르는 3상 전류인 i_a, i_b 및 i_c를 검출한다.

2상 변환장치(114)는 유도 전동기(102)의 회전자의 자속각(θe)를 입력 받아 전동기 3상 전류 i_a, i_b 및 i_c를 토크분 전류(i_q), 자속분 전류(i_d)로 변환한다.

센서리스 자속 추정기(115)는 전류센서(113a, 113b, 113c)로부터 유도 전동기(102)의 3상 전류를 입력받고 토크 전류 제어장치(106) 및 자속 전류 제어장치 (110)로부터 전압지령을 입력받아, 회전자 자속의 회전각(θe), 회전자 자속의 크기(λdr) 및 전동기 회전자의 속도(Wm)을 출력한다.

상기 구성들의 작동을 더욱 구체적으로 보면, 사용자로부터 유도 전동기(102)가 회전해야 할 속도지령(W^*m)이 입력되면 감산기(103)는 속도지령(W^*m)과 센서리스 자속 추정기(115)로부터 출력된 추정속도(Wm)를 차감해 속도오차를 계산하고, 이를 속도 제어장치(104)로 입력한다. 속도 제어장치(104)는 입력된 속도 오차로부터 유도 전동기(102)가 속도지령(W^*m) 대로 회전하도록 하는 토크분 전류 지령(i^*q)를 계산한다.

감산기(105)는 속도 제어장치(104)의 출력인 토크분 전류 지령(i^*q)와 2상 변환장치(114)의 출력인 토크분 전류(iq)를 차감한 토크분 전류 오차를 계산하여 토크 전류 제어장치(106)로 입력한다.

토크 전류 제어장치(106)는 입력된 토크분 전류 오차로부터 유도 전동기(102)에 토크분 전류(iq)가 지령(i^*q)만큼 흐르도록 하는 토크분 전압지령(v^*q)을 계산한다.

감산기(107)는 자속지령(λ^*dr)과 센서리스 자속 추정기(115)로부터 입력된 자속 추정값(λdr)을 차감하여 자속 오차를 계산한다. 자속지령(λ^*dr)의 값은 미리 계산되어 인버터 장치(101) 내부의 기억장치(미도시)에 저장된다. 식 (1)에서 V rate 및 Freq rate는 각각 전동기 정격전압 및 정격주파수이다.

자속 제어장치(108)은 자속 오차로부터 유도 전동기(102)의 내부 자속이 λ^*dr대로 확립되도록 하는 자속분 전류 지령(i^*d)를 계산한다. 감산기(109)는 자속분 전류지령(i^*d)와 2상 변환장치(114)의 출력인 자속분 전류(id)를 차감한 자속분 전류 오차를 계산하여 자속 전류 제어장치(110)로 전달한다.

자속 전류 제어장치(110)는 자속분 전류 오차로부터 유도 전동기(102)에 자속분 전류가 지령(i^*d)만큼 흐르도록 하는 자속분 전압지령(v^*d)을 계산한다. 전류 제어장치(106, 110)의 출력(v^*q, v^*d)은 3상 변환 장치(111)을 통해 3상의 전압지령(V^* _a, V^* _b, V^* _c)으로 변환되어 전압 제어장치(112)로 입력된다.

3상 변환장치(111)는 토크분/자속분 전압지령(v^*q, v^*d) 및 유도 전동기(102)의 회전자 자속의 회전각(θe)을 입력받아 식 (2), (3)을 연산해 토크분/자속분의 2상 전압지령을 3상 전압지령으로 변환한다. 식 (2), (3)에서 SIN, COS은 sine, cosine 삼각함수를 의미한다.

전압 제어장치(112)는 유도 전동기(102)로 3상 변환장치(111)로부터 전달된 전압(V^* _a, V^* _b, V^* _c)이 인가되도록 펄스 폭 변조 기법을 통해 출력전압을 제어한다. 유도 전동기(102)의 3상 전류(ia, ib, ic)는 3개의 전류 검출 장치(113a, 113b, 113c)를 통해 검출되고 2상 변환 장치(114)를 통해 토크분 전류(iq)와 자속분 전류 (id)로 변환된다. 2상 변환장치(114)는 식 (4), (5)의 연산을 통해 전동기의 3상 전류(ia, ib, ic)를 전동기 출력 토크(Torque)에 비례하는 토크분 전류(iq)와 이와 90도 각도를 이루며 전동기의 자속(Flux)에 비례하는 전류(id)로 변환한다. 여기서, id, iq는 동기좌표계에서의 자속분/토크분 전류를 의미하고, ids^s, iqs^s는 정지좌표계에서의 자속분/토크분 전류를 의미한다.

센서리스 자속 추정기(115)는 유도 전동기(102)의 3상 전류(ia, ib, ic)와 토크 전류 제어장치(106)의 출력(v^*q), 자속 전류 제어장치(110)의 출력(v^*d)를 입력받아 유도 전동기(102)의 회전자 자속의 회전각(θe), 회전자 자속의 크기(λdr) 및 전동기 회전자의 속도(Wm)를 출력한다. 센서리스 자속 추정기(115)는 도 2와 같이 내부적으로 자속 추정부(202)와 회전각 및 속도 추정부(203)의 2개의 장치로 구성되어 있다.

유도전동기 고정자 회로 방정식을 이용하면 다음 식 (8), (9)와 같이 d축(자속축), q축(토크축) 고정자 자속 추정값을 구할 수 있다. 식 (8), (9)에서 r_s는 유도 전동기 고정자 저항이고 식에서 사용된 문자 상단의 기호 '∧'는 측정된 실제값이 아닌 계산된 추정값을 의미한다. 통상적으로 식 (8), (9)의 전압에서 사용하는 전압값은 실측값이 아닌 식 (6)에서 구한 지령값을 사용한다.

식 (8), (9)로 얻어진 고정자 자속으로부터 유도전동기의 고정자 및 회전자 간의 관계를 이용하여 식 (10), (11)과 같이 회전자 자속을 계산할 수 있다. 식 (10), (11)에서 σLs는 고정자 누설 인덕턴스로 식 (12)와 같이 주어진다. 식 (12) 에서 Ls는 유도전동기의 고정자 인덕턴스, Lr은 회전자 인덕턴스, Lm은 상호 인덕턴스이다.

식 (11), (12)로 구해진 회전자 자속은 회전각 및 속도 추정부(203)로 공급되며 식 (13)과 같이 회전자 자속의 회전각(θe)를 계산한다. 식 (13)에서 tan^-1은 삼각함수 tangent의 역함수이다. 센서리스 제어기 종류에 따라 식 (13)의 값을 그대로 적용할 수도 있고 식 (13)의 값을 기본으로 해서 위상고정루프(PLL, Phase Locked Loop) 등의 추가적인 연산이 더해지는 경우도 있다.

자속 추정부(201)의 출력 중의 하나인 회전자 자속의 크기(λdr)는 식 (11), (12)에서 구한 정지좌표계 회전자 자속과 식 (13)의 회전각으로부터 다음 식 (14)와 같이 계산된다.

회전각 및 속도 추정부(203)에서는 회전각 및 속도 추정을 위해 식 (13)을 계산하고 식 (13)에서 얻은 자속의 전기적 회전각을 다음 식 (15)을 통해 전동기 극수를 가지고 기계적 회전각으로 변환한다. 식 (15)에서 P는 유도전동기 극수이다. 그리고 식 (16)의 연산을 통해 현재 회전자의 전기적 회전 각도를 연산한다. 회전자 속도 역시 위상 고정 루프와 같은 연산을 통해 보다 정밀하게 연산될 수 있다. 식 (16)에서 s는 라플라스 연산자이다.

식 (13) 내지 (15)의 자속 및 회전각 추정부의 결과 값이 계산되기 위해서는 식 (8), (9)의 고정자 자속을 계산해야 하는데 이 과정에서 적분연산이 필요하다. 문제는 식 (8), (9)에 사용되는 전압, 전류값에 옵셋(Offset)이 포함되어 있을 경우 적분기가 발산하게 되어 실용적으로 사용할 수 없게 된다. 일반적으로는 이러한 발산 문제를 해결하기 위해 직류(주파수 0) 성분의 영향을 배제하기 위해 다음 식 (17), (18)과 같이 적분 연산 후 고역 통과 필터(High Pass Filter)를 적용하고 있다. 식 (16), (17)에서 T는 고역 통과 필터의 시정수이다.

도 3은 회전각 및 속도 추정부(203)의 구성이다. 회전각 연산부(302) 및 속도 연산부(303)으로 구성된다. 회전각 연산부(302)는 자속 추정부(202)로부터 식 (17), (18)로 계산되는 정지좌표계 회전자 자속을 입력 받아 식 (13)의 역 삼각함수 연산을 통해 자속의 회전각(θe)을 구한다.

속도 연산부(303)은 자속의 회전각(θe)을 기계적 회전각으로 변환 및 미분하여 회전자의 기계적 회전속도(Wm)를 구하게 된다. 속도 연산부(303)에서 P는 전동기 극수(pole)를 의미하며, 별도의 기억장치(미도시)에 저장된다.

센서리스 벡터 제어로 유도전동기를 구동할 경우 식 (8), (9)에서 사용한 방식과 같이 전동기 역기전력(고정자 전압 ― 저항 × 전류) 항을 적분하여 전동기 자속을 구하는 방법을 많이 사용하고 있다. 인버터에서 유도 전동기로 출력되는 전압은 전동기 회전속도에 비례하여 고속에서는 높은 전압, 저속에서는 낮은 전압을 필요로 한다. 인버터 제어에는 전류센서(도 1의 113a, 113b, 113c) 등 각종 아날로그 소자들이 사용되는데 이 과정에서 계산/측정되는 전압, 전류에 옵셋(Offset)이 포함되는 경우가 대부분이다.

역기전력이 큰 고속영역에서는 인버터 출력전압의 크기가 옵셋의 크기에 비해 충분히 크기 때문에 식 (8), (9)의 적분연산을 수행하는 것에 문제가 없지만 역기전력이 작아 인버터 출력전압의 크기가 작은 옵셋전압에 비해 충분히 크지 못한 저속영역에서는 식 (8), (9)의 연산이 옵셋의 영향을 받게 되어 적분연산은 결국 발산하게 된다. 이 때문에 식 (8), (9)의 적분연산은 실용적으로 사용할 수가 없고 옵셋(주파수 0)의 영향을 최소화 하기 위해 식 (17), (18)과 같이 고주파 통과 필터를 적분연산과 같이 사용하는 경우가 많다. 고주파 통과 필터를 사용할 경우 전압, 전류의 옵셋 문제는 해결될 수 있으나 식 (17), (18)의 연산은 고주파 필터의 시정수에 의해 크게 영향 받는데 전동기 회전 속도에 비해 필터 시정수가 충분히 커야 필요로 하는 자속 추정 성능을 얻을 수 있다. 그러므로 고주파 필터의 시정수는 전동기의 주 운전 영역과 필터의 위상오차 특성을 감안하여 적절히 선택 되어야 한다. 그러나 이러한 방식은 주파수가 아주 낮은 영역에서는 필터 시정수도 그만큼 작아져야 하고 이에 따른 위상 지연 등 고주파 통과 필터의 특성으로 좋은 자속 추정 성능을 근본적으로 기대하기 어렵다.

또한, 통상적인 센서리스 벡터 제어시 전동기에 입력되는 실제 전압이 아닌 제어기의 지령 전압을 가지고 자속 추정을 실시하는데 전압의 크기가 작아지는 저속 영역에서는 데드타임(Dead time)에 의한 전압 오차가 자속 추정에 영향을 미치게 되어 자속연산에 사용되는 지령전압과 전동기로 실제 입력되는 전압 간에 오차가 발생하게 되며 그만큼 자속 추정에 오차로 작용하는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 속도(위치) 센서를 구비하지 않은 유도 전동기를 가변속 구동하는 인버터-전동기 구동 시스템에 탑재되는 전동기 자속 제어장치에 관한 것으로 전압의 크기가 작은 저속구간에서도 센서리스 자속 추정 성능을 유지할 수 있는 자속 제어장치를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 센서리스 벡터 제어방식의 유도 전동기용 자속 제어장치로서, 속도지령(W^*m)과 추정 속도(Wm) 간의 속도 오차를 입력받아 토크분 전류지령(i^*q)을 출력하는 속도 제어장치(404), 상기 토크분 전류지령(i^*q)을 입력받아 토크분 전압지령(v^*q)으로 출력하는 토크 전류 제어장치(406), 자속지령(λ^*m)과 추정 자속값(λdr) 간의 자속 오차를 입력받아 자속분 전류지령(i^*d)을 출력하는 자속 제어장치(408), 상기 자속분 전류지령(i^*d)을 입력받아 자속분 전압지령(v^*d)으로 출력하는 자속 전류 제어장치(410), 상기 토크분 전압지령(v^*q) 및 자속분 전압지령(v^*d)을 유도 전동기에 인가되는 3상의 전압지령으로 변환하여 출력하는 3상 변환기(411), 상기 유도 전동기의 3상의 전류, 상기 토크분 전압지령(v^*q) 및 상기 자속분 전압지령(v^*d)을 입력받아 상기 유도 전동기의 회전자의 회전각(θe), 상기 회전자의 추정 자속값(λdr) 및 상기 회전자의 추정 속도(Wm)을 출력하는 자속 추정기(415) 및 상기 토크분 전압지령(v^*q) 및 상기 추정 속도(Wm)를 입력받아 상기 자속지령(λ^*m)의 크기를 조정하는 이득값을 출력하는 자속 조정장치(416)를 포함하며, 상기 자속 조정장치(416)는 상기 회전자의 회전속도가 낮은 경우 상기 자속지령(λ^*m)의 크기를 크게 하는 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다. 따라서, 토크분 지령전압의 크기가 일정값 이하로 떨어지지 않으므로, 저속에서도 자속 추정성능이 신뢰성을 유지할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 상기 자속 조정장치(416)의 이득값을 입력받아 상기 자속지령(λ^*m)에 곱하여 출력하는 곱셈기(417)를 더 포함하는 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 상기 자속 조정장치(416)는 상기 토크분 전압지령(v^*q)과 설정된 최저 자속분 지령전압(Vmin)의 차이를 입력받아 이득을 조정하는 자속 조정 제어기(503), 상기 추정 속도(Wm)가 설정된 속도 이하인지 여부를 판단하는 비교기(506) 및 상기 비교기(506)에서 설정된 속도 이하로 판단된 경우 상기 이득값을 출력하는 선택기(507)를 포함하는 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 상기 자속 조정장치(416)는 상기 자속 조정 제어기(503)로부터의 이득을 설정 범위로 제한하여 상기 이득값으로 출력하는 제한기(504)를 더 포함하는 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 상기 설정 범위는 하한이 100%이고 상한이 200%인 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 상기 최저 자속분 지령전압(Vmin)은 상기 유도 전동기의 정격 전압의 10%로 설정된 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 상기 선택기(507)는 상기 비교기(506)에서 설정된 속도 이상으로 판단된 경우 상기 자속지령(λ^*m) 값에 영향을 미치지 않는 이득값을 출력하는 유도 전동기용 자속 제어장치를 제공한다.

한편, 본 발명에 따른 유도 전동기용 자속 제어장치는, 속도지령과 추정속도 간의 속도 오차 및 자속지령과 추정자속 간의 자속 오차를 통하여 유도 전동기를 제어하는 토크분 전압지령과 자속분 전압지령을 생성하는 유도 전동기의 자속 제어장치로서, 상기 추정속도가 설정값 이하인 경우 상기 자속지령에 곱하여 크기를 크게할 수 있는 이득값을 출력하는 자속 조정장치를 포함하는 유도 전동기의 자속 제어장치를 제공한다. 따라서, 자속 추정 성능을 속도에 관계없이 유지할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은 속도 및 위치 센서를 구비하지 않은 유도 전동기를 가변속 구동하는 인버터-전동기 구동 시스템에 탑재되는 전동기 자속 제어장치에 관한 것으로 토크분 지령 전압을 일정값 이하로 내려가지 않도록 하는 것을 통해 저속 구간에서도 전동기로 인가되는 전압의 크기를 일정값 이하로 내려가는 것을 방지해 전압의 크기가 작아 센서리스 자속 추정에 오차가 발생하는 저속구간에서도 센서리스 자속 추정 성능을 유지하는 것이 가능하다.

도 1은 종래기술의 센서리스 벡터 제어방식의 유도 전동기용 자속 제어장치를 나타내는 블록도.
도 2는 종래기술의 센서리스 자속 추정기를 나타내는 블록도.
도 3은 종래기술의 센서리스 자속 추정기의 회전각 및 속도추정부를 나타내는 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 자속 조정장치가 결합된 유도 전동기용 자속 제어장치를 나타내는 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 자속 제어장치의 자속 조정장치를 나타내는 블록도.

이하, 본 발명에 따른 자속 제어장치를 도면을 기초로 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 자속 제어장치가 적용된 속도 및 위치 센서가 없는 센서리스 벡터 제어 방식으로 가변속 구동되는 유도전동기 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.

본 발명의 개념에 따라 인버터(401)에는 저속 구간에서 자속 추정 성능을 유지할 수 있도록 하는 자속 조정장치(416)가 배치된다. 자속 조정장치(416)는 센서리스 자속 추정장치(415)로부터 현재 전동기 속도(Wm) 및 자속 전류 제어장치(406)로부터의 토크분 전압 지령(v^*q)를 입력받고, 자속 오차를 계산하는 감산기(407)로 입력되는 자속지령의 크기를 조정할 수 있는 이득을 곱셈기(417)로 출력한다.

곱셈기(417)는 자속 조정장치(416)로부터 입력된 이득을 자속지령(λ^*dr)에 곱해 최종적인 자속지령이 되도록 한다.

도 4에서 감산기(403)로부터 센서리스 자속 추정장치(415)까지의 동작은 종래기술에서 설명한 바와 같으므로, 중복되는 설명은 생략하되 자속 조정장치(416)의 동작을 중심으로 설명한다.

본 발명에 따른 센서리스 자속 추정장치(415)를 기존 구조와 동일하게 가져가기 때문에 자속 추정장치(415)는 역기전력 적분 + 고주파수 통과 필터 방식의 특징인 저속 구간에서의 자속 추정 성능 제한은 그대로 가지고 있다.

본 발명에 따른 자속 조정장치(416)는 기존 센서리스 자속 추정장치가 갖는 성능 제한을 최소화하기 위해 저속 영역에서는 자속지령의 크기를 조정하는 것을 특징으로 한다.

상기 식 (17)에서 고정자 저항 항목을 무시하고 이를 라플라스 변환하면 다음 식 (19)의 전압 - 자속간의 관계를 얻는다.

통상적으로 유도전동기는 정격속도 이하에서 자속을 일정하게 제어하는 것이 일반적이므로, 자속을 일정하게 유지하려면 식 (19)에서 s는 라플라스 연산자로 s = jw(w : 각주파수)를 대입해보면 고속에서는 큰 전압이, 저속에서는 작은 전압이 필요한 것을 알 수 있다.

현재 일정 자속 제어에서 센서리스 자속 추정시 전압의 크기가 작은 저속구간에서 추정 연산에 오차가 발생하는데, 만일 저속 구간에서 자속의 크기를 의도적으로 키운다면 상기 식 (19)에서와 같이 전동기에 입력되는 전압도 크게 되고 센서리스 연산시 사용되는 전압도 커지게 된다. 전압의 크기를 크게 할수록 옵셋, 데드타임 등의 영향을 적게 받아 그만큼 센서리스 자속 추정에 유리하다.

도 5는 자속 조정장치(416)의 구성을 나타내는 블록도이다.

자속 조정장치(416)는 상술한대로 저속 영역에서 자속을 크게 하여 전동기로 인가되는 전압의 크기를 큰 값으로 유지하기 위해 토크분 지령 전압의 크기가 일정값 이하로 떨어지지 않게 유지하는 것을 목표로 한다.

토크분 자속지령 전압을 사용하는 이유는 정상상태에서 토크분 지령 전압의 크기는 고정자 저항값을 무시할 경우 다음 식 (20)과 같이 근사할 수 있어 운전 중에 발생할 수 있는 부하변동(q축 전류 변동)에 관계 없이 회전 속도에 비례하는 물리량으로 사용 가능하기 때문이다.

감산기(502)는 최저 자속분 지령전압(Vmin)과 자속분 전류 제어기(410)의 출력을 차감하여 이를 자속 조정 제어기(503)로 입력한다.

최저 자속분 지령전압(Vmin)은 옵셋 영향에서 벗어나 센서리스 자속 추정에 필요한 역기전력 적분 연산을 원활하게 할 수 있는 최소 토크분 전압으로 정격전압의 10%를 초기값으로 해서 실험적을 결정해 별도의 저장 장치(미도시)에 저장해 놓는다.

자속 조정 제어기(503)는 토크분 지령 전압(v^*q)의 크기가 기준값인 최저 자속분 지령전압(Vmin)보다 작을 경우 곱셈기(417)을 통해 자속지령(λ^*dr)에 곱해지는 이득을 크게 하여 결과적으로 지령 자속 레벨의 크게 하여 토크분 지령 전압을 일정하게 하도록 한다. Kp_m은 비례이득, Ki_m은 적분이득, s는 라플라스 연산자이다.

한편, 제한기(504)는 자속 조정 제어기(503)의 동작이 자속을 증가시키는, 즉 전압을 크게 하는 쪽으로만 동작하여 하한을 100%로 설정해 놓았으며 상한은 200% 이내로 설정한다. 본 발명의 자속 조정장치는 저속에서의 센서리스 성능 향상이 목표이므로 고속구간에서는 굳이 이를 동작시킬 필요가 없다.

비교기(506)에서는 현재 속도가 일정속도 이상/이하를 비교하여 속도값에 따라 선택기(Selector, 507) 상태를 변화시킨다. 선택기(507)는 비교기(506)의 값에 반응하여 속도가 소정값 이하일 경우에는 자속 조정 제어기(503)의 출력이 곱셈기 (417)를 통해 자속지령(λ^*dr)에 곱해질 수 있도록 선택기(507)의 출력이 'A'입력과 연결되도록 하며, 속도가 소정값 이상일 경우에는 자속 조정 제어기(503)의 동작을 무시하도록 선택기(507)의 출력이 'B'입력과 연결되도록 한다.

저장장치(508)는 비교기(506)가 전동기 속도를 소정값 이상으로 판단할 경우 자속 조정 제어기(503)의 출력이 자속지령(λ^*dr) 값에 영향을 미치지 않게 하는 값(100%)를 미리 저장해 놓는다.

본 발명의 특징인 자속 조정장치(416)의 동작에 의해 동기좌표계 토크분 전압 지령(v^*q)이 일정값 이상으로 유지되는데, 센서리스 자속 연산에 사용되는 것은 동기좌표계 기준 전압이 아닌 정지좌표계 기준전압임에 유의하여야 한다.

상기 식 (6)에서와 같이 v^*q값이 일정값 이상으로 유지될 경우 식 (17), (18)의 센서리스 자속 추정 연산에 사용되는 정지좌표계 기준 전압의 크기도 같이 증가하게 되어 전압이 작은 저속영역에서의 자속추정의 불완전한 점을 보완하는 것이 가능하다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명에 따른 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명에 따른 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

401...인버터 402...유도전동기
403...감산기 404...속도 제어장치
405...감산기 406...토크전류 제어장치
407...감산기 408...자속 제어장치
409...감산기 410...자속전류 제어장치
411...3상 변환기 412...전압 제어장치
413...전류 센서 414...2상 변환기
415...센서리스 자속 추정장치 416...자속 조정장치

Claims

속도지령과 추정속도간 속도오차로부터 토크분 전류지령을 출력하는 속도 제어부; 상기 토크분 전류지령을 수신하여 토크분 전압지령을 출력하는 토크전류 제어부; 자속지령과 추정자속간 자속오차로부터 자속분 전류지령을 출력하는 자속 제어부; 상기 자속분 전류지령을 수신하여 자속분 전압지령을 출력하는 자속전류 제어부; 및 상기 토크분 전압지령 및 자속분 전압지령을 유도 전동기에 인가되는 3상의 전압지령으로 변환하는 3상 변환기를 포함하는 센서리스 벡터 제어방식의 유도 전동기용 자속 제어장치에 있어서,
상기 유도 전동기의 3상 전류, 상기 토크분 전압지령 및 상기 자속분 전압지령을 수신하여, 상기 유도 전동기의 회전자의 회전각, 상기 회전자의 추정자속 및 상기 회전자의 추정속도를 출력하는 자속 추정기;
상기 토크분 전압지령 및 상기 추정속도를 입력받아 상기 자속지령의 크기를 조정하는 이득을 출력하는 자속 조정부; 및
상기 자속 조정부로부터 출력되는 이득과 상기 자속지령을 곱하는 곱셈기;
상기 곱셈기의 출력에서 상기 자속 추정기가 추정한 추정자속을 감산하여, 상기 자속오차를 생성하는 생성부를 포함하며,
상기 생성부의 출력이 상기 자속 제어부로 입력되며, 상기 자속 조정부는,
상기 토크분 전압지령과 미리 설정된 최저자속분 지령전압의 차이를 수신하여, 이득을 조정하는 자속조정 제어부,
상기 추정속도가 설정된 속도 이하인지 여부를 판단하는 비교부, 및
상기 비교부에서 설정된 속도 이하로 판단된 경우, 상기 자속조정 제어부에 의해 조정된 이득을 출력하는 선택부를 포함하는 유도 전동기용 자속 제어장치.
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제1항에 있어서, 상기 자속 조정부는,
상기 자속조정 제어부에 의해 조정된 이득을 설정 범위로 제한하여 출력하는 제한부를 더 포함하는 유도 전동기용 자속 제어장치.
제4항에 있어서,
상기 설정 범위는 하한이 100%이고 상한이 200%인 유도 전동기용 자속 제어장치.
제1항에 있어서,
상기 최저자속분 지령전압은 상기 유도 전동기의 정격 전압의 10%로 설정된 유도 전동기용 자속 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 선택부는,
상기 비교부에서 설정된 속도 이상으로 판단된 경우, 상기 자속지령에 영향을 미치지 않는 이득을 출력하는 유도 전동기용 자속 제어장치.
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