KR101517101B1

KR101517101B1 - 상전류 추정방법

Info

Publication number: KR101517101B1
Application number: KR1020080097420A
Authority: KR
Inventors: 하정익; 김종호; 유호선; 류형선; 김장환
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2015-05-04
Also published as: KR20100038013A; US8362759B2; EP2180589A2; US20100148753A1; EP2180589A3

Abstract

본 발명은 상전류 추정방법에 관한 것으로, 특히 본 발명은 단일 전류센서를 통해 측정한 전류 대신에, 이 전류를 입력으로 하는 전동기모델을 이용하여 PWM 주기를 대표하는 전류를 추정하고, 추정된 전류를 상전류로 판단함으로써 전류 오차를 줄여서 전류 리플을 줄이고 나아가 모터 소음을 감소시킬 수 있음은 물론 제어 성능을 보다 향상시킬 수 있다.

Description

상전류 추정방법{METHOD FOR PREDICTING PHASE CURRENT}

본 발명은 상전류 추정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터를 구동하는 인버터와 직류 전원사이에 마련된 단일 전류센서를 통해 인버터의 직류 링크전류를 측정하여 모터의 상전류를 추정하는 상전류 추정방법에 관한 것이다.

인버터 회로는 직류전력을 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류전력(U, V, W)으로 변환시키는 전력변환장치로, 에너지 절약 및 출력 제어의 용이성 때문에 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 전기제품에 사용되는 모터를 구동하기 위하여 그 사용이 점차 증가하고 있다.

인버터 회로를 이용하여 모터를 적절하게 제어하기 위해서 모터에 인가되는 상전류를 검출하여 그에 따라 모터에 인가되는 전류를 펄스 폭 변조(PWM) 방식으로 제어하는 방법이 사용된다.

최근에는 공간벡터 개념을 도입하여 단일 전류센서에 의해 검출된 상전류를 기초로 모터에 인가되는 전류를 제어하는 공간벡터 펄스 폭 변조(space vector pulse width modulation; SVPWM) 방식으로 모터를 제어하는 방법이 널리 이용되고 있다.

SVPWM 방식을 이용하여 모터를 제어하는 방법은 샘플링 기준의 평균전류를 사용하게 되는데 실제 흐르는 전류는 도 1에 도시된 바와 같이, 일정하지 않고 계속해서 변하게 된다.

3개의 전류센서를 이용하는 SVPWM 방식에서는 모터의 제어를 위해 PWM 주기에서의 전류 평균을 나타내는 제어 대표값인 캐리어 시작 혹은 중심값

을 측정하여 이를 상전류로 판단하여 모터에 인가되는 전류를 제어하게 된다.

하지만, 단일 전류센서를 이용하는 SVPWM 방식에서는 샘플링 구간의 중심이 아닌 스위칭 구간에서의 전류를 측정하게 되어 전류 오차가 생긴다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전류 측정이 유효전압벡터구간에서 이루어지게 되고, 이는 이 구간의 대표값인

과 차이를 나타내게 된다. 일예로, 출력전압의 각이 0에서 π/3 사이에 존재하는 경우, 직류 링크 단으로 흐르는 전류를 측정하는 방식에서는 Ta와 Tc에서 각각 전류

와

를 측정하게 된다. 이는

과

와 다음의 식 [1]과 식 [2]에 같이 전류 오차

가 있다.

식 [1]

식 [2]

이 전류 오차는 모터의 운전상태에 따라 계속 바뀌게 되고, 이는 전류 리플 로 나타나게 된다. 이로 인해 모터 및 시스템에서 소음을 일으키게 되고 제품 품질의 저하를 가져 온다.

본 발명의 일측면은 단일 전류센서를 통해 측정한 직류 링크전류를 이용하여 PWM 주기를 대표하는 전류를 추정하고 상전류로 판단함으로써 전류 오차를 줄여서 전류 리플을 줄일 수 있는 상전류 추정방법을 제공한다.

이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 상전류 추정방법은 인버터에 유효전압벡터를 순차적으로 인가하고, 상기 유효전압벡터가 인가되는 동안 직류 링크전류를 측정하고, 상기 측정된 직류 링크전류를 이용하여 상기 인버터의 PWM 주기를 대표하는 3상 전류를 추정하는 것을 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상전류 추정방법은 인버터에 제1 유효전압벡터와 제2 유효전압벡터를 순차적으로 인가하고, 상기 제1 유효전압벡터가 인가되는 동안 제1 직류 링크전류를 측정하고, 상기 제2 유효전압벡터가 인가되는 동안 제2 직류 링크전류를 측정하고, 상기 제2 직류 링크전류가 측정되기 전에는 상기 제1 직류 링크전류를 이용하여 상전류를 추정하고, 상기 제2 직류 링크전류가 측정된 후에는 상기 측정된 제2 직류 링크전류와 상기 추정된 상기 상전류를 이용하여 3상 전류를 추정하고, 상기 추정된 3상 전류를 이용하여 PWM 주기동안 3상 전류를 추정하는 것을 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명의 일실시예에 따르면, 단일 전류센서를 통해 측정한 전류 대신에, 이 전류를 입력으로 하는 전동기모델을 이용하여 PWM 주기를 대표하는 전류를 추정하고 상전류로 판단함으로써 전류 오차를 줄여서 전류 리플을 줄이고 나아가 모터 소음을 감소시킬 수 있음은 물론 제어 성능을 보다 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예가 적용되는 단일 전류센서를 사용한 3상 PWM 인버터 시스템을 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, AC 전동기인 3상의 모터(M)는 저항 및 인덕터를 포함하는 고정자와 내부 회전자를 가진다. 3상 모터(3)의 각 위상단자는 인버터(1)에 연결되어 있으며, 상전류가 유입되어 인덕터에 전류가 흐르면 자기장이 형성되어 내부 회전자를 회전시킨다.

인버터(1)는 직류 전압을 펄스폭 변조(PWM)을 통해 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류로 바꾸어 모터를 구동하기 위한 것으로, 6개의 스위칭용 스위칭소자(Q1~Q6)를 가지며 2개가 직렬로 한 쌍을 이루어 3상 모터의 위상단자에 각각 연결되어 있다. 상부 스위칭소자(Q1,Q3,Q5)는 직류 전원(Vdc)의 (+) 단자에 연결되고, 하부 스위칭소자(Q2,Q4,Q6)는 직류 전원(Vdc)의 (-) 단자에 연결되어 있다. 이 인버터(1)은 SVPWM 신호의 패턴에 의해 구동된다.

단일 전류센서(2)는 인버터(1)와 직류전원(Vdc)사이에 마련되어 인버터(1)의 직류 링크단에 흐르는 전류를 측정한다.

상기한 3상 PWM 인버터시스템의 작동을 살펴보면, 인버터(1)의 6개 스위칭소자의 온/오프를 제어하여 상부 스위칭소자(Q1,Q3,Q5) 중 어느 하나를 온 하고, 온 된 상과 다른 상을 갖는 하부 스위칭소자(Q2,Q4,Q6) 중 하나를 온 한다. 또한, 인 버터의 스위칭소자(Q1~Q6)를 스위칭하는 한편, 단일 전류센서(2)로부터 측정된 직류 링크전류에 기초하여 모터(M)의 상전류를 추정하고, 이 상전류를 근거로 하여 인버터의 스위칭소자(Q1~Q6)를 선택적으로 스위칭한다.

상기한 인버터(1)의 스위칭소자(Q1~Q6)는 한 쌍을 이루어 두 개의 스위칭소자 중 어느 하나가 온 되면 다른 하나가 오프되는 방식으로 제어되므로, 인버터(1)의 전체 스위칭 상태를 나타낼 때 통상 상부 스위칭소자(Q1,Q3,Q5)의 상태를 1 또는 0로 표시한다. 이때, 1은 스위치가 닫혀서 통전되는 상태를 의미하고, 0은 스위치가 열린 상태를 나타낸다. 상기한 방식으로 제어할 때 인버터(1)는 각 스위칭소자(Q1~Q6)의 온/오프 조합에 대응하는 8개의 상태 중 어느 하나의 상태에 있게 되는데, SVPWM 방식은 8개의 상태에 각각 대응하는 8개의 기본 전압벡터를 이용하여 SVPWM 신호를 발생시키는 방식이다.

또한, 각 기본 전압벡터가 적용되는 구간에서 단일 전류센서(2)에서 검출되는 직류 링크전류는 모터(M)에 흐르는 3상 전류 중 어느 하나에 대응된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에서 기본 전압벡터와 이에 대응하여 단일 전류센서를 이용하여 추정할 수 있는 상전류를 나타낸 도표이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 기본 전압벡터는 6개의 유효전압벡터(V1 내지 V6)와 2개의 영전압벡터(V7,V8)를 가지며, 영전압벡터 V7과 V8은 각각 상부 또는 하부 스위칭소자 전체가 오프상태가 되어 모터(110)에 전류가 흐르지 않는 상태인 (1,1,1)과 (0,0,0)이다. 이때, 괄호 안의 숫자는 각각 스위칭소자 Q1, Q3 및 Q5의 온,오프 상태를 표시한다. 기본 전압벡터에서 6개의 유효전압벡터(V1 내지 V6)는 서로 60도의 위상차를 갖도록 배치되고 영전압벡터(V7,V8)는 그 원점에 위치한다. 모터 제어에 필요한 임의의 지령전압벡터가 주어지면 지령전압벡터를 분해한 기본 전압벡터(V1 내지 V8)가 적용되도록 SVPWM 신호가 발생한다.

도 4에 도시된 바와 같이, PWM 주기(Tpwm)에서 지령전압벡터에 따라 인버터의 동작을 제어하기 위해 SVPWM 신호를 발생시킨다. 이때, Sa, Sb, Sc 는 일예로서 각각 스위칭소자 Q1, Q3 및 Q5의 제어신호이며 이러한 변조를 할 때 모터(M)에 적용되는 기본 전압벡터의 순서는 V8, V1, V2, V7, V2, V1 및 V8과 같고, 각 기본 전압벡터가 적용되는 시간이 도 4에 도시되어 있다. 따라서, 기본전압벡터 중 각 유효전압벡터가 적용되는 구간에서 단일 전류센서(2)를 통해 직류 링크전류를 측정하고, 이 직류 링크전류로부터 서로 다른 두 상의 전류를 추정할 수 있고, 그 결과 3상 전류의 합이 0임을 이용하여 나머지 한 상의 전류를 추정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상전류 추정장치가 적용된 모터구동시스템을 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상전류 추정장치가 적용된 모터구동시스템은 인버터(1)와 단일 전류센서(2) 외에도 속도제어부(10), 전류제어부(20), 벡터조정부(30)와, 공간벡터 변조부(40)와, 전류복원부(50), 전류추정부(60), 회전자위치 및 속도추정부(70)를 포함하여 이루어진다.

속도 제어부(Speed Controller)(10)는 속도 지령과 추정 속도를 입력받아 토크 지령을 출력한다.

전류 제어부(Current Controller)(20)는 토크 지령과, 전류 추정부(70)로부 터 추정된 3상 전류를 입력받고 그에 따른 기준 전압벡터(v)를 벡터 조정기(30)에 인가한다.

벡터 조정기(Vector Regulator)(30)는 기준 전압 벡터(v)가, 공간 벡터 영역의 유효 영역에 있으면 변조 및 보상하지 않고 기준 전압벡터가 공간 벡터영역의 불가능 영역에 있으면 유효 영역으로 벗어나기 위해 기준 전압벡터에 대하여 변조 및 보상하고, 변조 및 보상된 전압벡터(vm,vc)을 공간벡터 변조부에 출력하는 기능을 수행한다.

공간벡터 변조부(Space Vector Modulator)(40)는 벡터 조정부(30)에 의해 조정된 기준 전압벡터를 입력받고 인버터(1)의 각 스위칭소자를 스위칭하기 위한 스위칭패턴에 상응하는 상전압을 인버터(1)에 인가하고, 인버터(1)는 스위칭 패턴에 상응하는 상전압에 따라 각 스위칭소자를 온/오프 제어하여 3상 전류를 모터(M)에 인가한다.

전류 복원부(Current Reconstruction)(50)는 인버터(1)의 직류 링크단에 설치된 단일 전류센서(2)에 의해 측정된 직류 링크전류와, 인버터(1)의 각 스위칭소자에 대한 스위칭 패턴을 이용하여 상전류를 복원한다. 전류 복원부(50)는 복원한 상전류와, 벡터조정부(30)에 의해 제공된 변조 및 보상된 전압벡터(vm,vc)를 전류 추정부(70)에 제공한다.

회전자 위치 및 속도 추정부(Rotor Position and Speed Estimation)(80)는 전류 추정부(70)에 의해 추정된 3상 전류를 입력받아 모터(M)의 회전자 위치 및 속도를 추정한다. 회전자 위치 및 속도 추정부(80)는 추정된 회전자 위치 및 속도를 전류 추정부(60)에 제공한다.

전류 추정부(Current Prediction)(70)는 전류 복원부(50)으로부터 복원된 상전류, 변조 및 보상된 전압벡터(vm,vc), 및 회전자 위치 및 속도를 입력받아 3상 전류를 추정한다. 이 추정된 3상 전류는 모터(M)의 전류 제어를 위해 전류 제어부(20) 혹은 모터(M)의 회전자 위치 및 속도 제어를 위해 회전자 위치 및 속도 추정부(80)에 제공된다.

전류 추정부(70)는 각 상전류를 식 [3]과 같이 전압, 전류, 추정자속각, 추정속도로부터 추정한다.

식 [3]

추정의 목표는 식 [4]와 같이 추정 전류를 PWM 한 주기의 대표값이 되게 하는 것이다.

식 [4]

추정된 전류는 도 5와 같이 센서리스 제어에 적용될 수 있다. 추정된 3상 전류는 모터(M)의 전류제어(20) 및 회전자 위치 및 속도 추정에 활용된다.

이하에서는 설명의 편의상 모터가 표면 부착형 영구자석 전동기인 경우에 대해서 설명한다.

표면 부착형 영구자석 전동기(Permanent Magnet Surface Mounted Motor ; PMSMM)의 경우, 전류 추정은 다음과 같이 수행될 수 있다. PMSMM의 단자 전압 방정식은 다음과 같다.

식 [5]

이때,

는 회전자좌표계상의 d축 전압,

는 회전자좌표계상의 q축 전압,

는 회전자좌표계상의 d축 전류,

는 회전자좌표계상의 q축 전류,

는 각속도, Rs는 고정자 권선저항, Ls는 고정자 인덕턴스, Ke는 모터 역기전력 상수, vdr는 p는 d/dt 이다.

회전 좌표계의 전압벡터는 다음과 같이 표현할 수 있다.

식 [6]

이때,

, and

식 [6]은 상태 방정식의 형태로 아래와 같이 표현할 수 있다.

식 [7]

이 때,

본 실시예에서의 전류 추정은 스위칭 주기보다 짧은 구간에서 수행된다. 반면 기계적인 동작특성은 전기적인 동작특성에 비해 매우 느리다. 따라서, 추정 주기에서의 회전자 속도 및 위치의 변동은 거의 없고 이 값들은 상수로 볼 수 있다. 이 가정에서 점근적 상태 추정기(asymptotic state predictor i)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

(식 8)

이때, L_r 은 추정을 위한 게인 메트릭스 이다.

정지 좌표계의 전압벡터는 다음과 같이 표현될 수 있다.

(식 9)

이때,

and

식 [9]를 다시 표현하면

식 [10]

이 때,

같은 가정을 식 [8]에 적용하면, 식 [10]은 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 [11]

이때,

and

정지 좌표계의 점근적 상태 추정기는 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 [12]

d-와 q-축의 전류를 동시에 알고 있을 때, 즉 두 개상의 상전류를 알[ ]고 있을 때는 식 [12]를 이용하여 3상 전류를 추정한다.

하지만, 단일 전류센서를 이용한 SVPWM 방식의 경우 단지 한 순간에 한 상의 전류만 측정 가능하다.

이 문제를 해결하기 위해 상전류를 기본으로 하는 추정기를 도입하였다. 식 [11]로부터 상 전류모델은 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 [13]

이때,

,

, and

상전류 모델에서의 추정기는 다음과 같이 구현될 수 있다.

식 [14]

상태 벡터의 성분을 디커플시키기 위해, 추정기의 게인 메트릭스(Gain Matrix)는 다음과 같이 설정할 수 있다.

식 [15]

여기서, La, Lb, Lc는 상수이다.

그러고 나면, 식 [12]는 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 [16]

식 [17]

식 [18]

따라서, 본 발명의 실시예에서는 단일 전류센서를 통해 한 상의 전류만 측정할 수 있는 경우에는 해당 상에 대응하는 식 [16], [17] 혹은 [18] 중 어느 하나를 이용하여 상전류를 추정하고, 두 개의 상전류를 알고 있는 경우에는 식 [12]를 이용하여 3상 전류를 추정한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상전류 추정장치에서 상전류를 추정하는 개 념을 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 단일 전류센서(2)를 이용한 SVPWM 방식에서는 상전류를 추정할 때 스위칭 상태가 여러 스텝으로 이루어져 있으므로, 상전류를 여러 개의 스텝으로 나누어서 추정한다. 일예로, 출력전압이 8개의 섹터(V1 내지 V8) 중 섹터 1(1,0,0)에 있다면, 상전류는 Ta 와 Tc 에서 샘플되지만, PWM 한 주기를 대표하는 전류는 Ts 에서 샘플된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 Ta 와 Tc 에서 측정된 값들을, Ts 에서 측정될 경우의 값들에 최대한 가깝게 추정함으로서 전류 오차를 줄여 모터 성능을 개선한다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상전류 추정방법을 나타낸 것이다. 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 3상 전류를 추정하는 것을 나타낸 것이다.

도 7 및 도 8을 살펴보면, 섹터 1에 출력 전압이 있고 추정단계가 시간순으로 있다면, 추정은 Ta에서 시작하여 T2, Tc, T3, T4, T5, T6, T7 을 거쳐 Ts까지 진행된다.

먼저, 인버터(1)에 제1 유효전압벡터(V1(1,0,0))을 인가한 후(100), 단일 전류센서(2)의 출력값을 읽어 들여 제1 직류링크전류(Idc_1)을 측정한다(101). 이때, 제1 직류링크전류 (Idc_1)는 A상의 상전류

이다.

제1 직류 링크전류(Idc_1)을 측정 후 상전류

를 추정한다(102). 이때,

는 제1 직류 링크전류

를 식 [16]에 적용한 후 식 [16]을 적분하여 얻을 수 있다.

을 측정 후 상전류

를 추정한다(103). 이때,

는

를 식 [16]에 적용한 후 식 [16]을 적분하여 얻을 수 있다.

그리고, 인버터(1)에 제2 유효전압벡터(V2(1,1,0))을 인가한 후(104), 단일 전류센서(2)의 출력값을 읽어 들여 제2 직류링크전류(Idc_2)을 측정한다(105). 이때, 제2 직류링크전류 (Idc_2)는 C상의 상전류

이다.

제2 직류 링크전류(Idc_2)을 측정 후 상전류

추정한다(106). 이때,

는 제2 직류 링크전류

와 위에서 추정한

를 식 [12]에 적용한 후 식 [12]을 적분하여 얻을 수 있다.

를 추정 후 상전류

를 추정한다(107). 이때,

는

를 식 [12]에 적용한 후 식 [12]를 적분하여 얻을 수 있다.

를 추정 후 상전류

를 추정한다(108). 이때,

는

를 식 [12]에 적용한 후 식 [12]를 적분하여 얻을 수 있다.

를 추정 후 상전류

를 추정한다(109). 이때,

는

를 식 [12]에 적용한 후 식 [12]를 적분하여 얻을 수 있다.

를 추정 후 최종적으로 PWM 주기를 대표하는 3상 전류

및

를 추정한다(110). 이때,

는

를 식 [12]에 적용한 후 식 [12]를 적분하여 얻을 수 있고,

는

의 관계

를 이용하여 얻을 수 있다. 이상에서와 같이, PWM 주기를 대표하는 3상 전류

및

를 유효전압벡터구간에서 측정된 각각의 직류 링크전류

를 이용하여 추정할 수 있어 전류 오차를 줄여 전류 리플을 저감할 수 있다.

정리하면, 상기한 전류 추정은 도 8과 같이 스위칭 단계별로 진행되는[ ]데, 각 추정 단계는 다음과 같다.

STEP 1(Ta~T2): 식 [16],

STEP 2(T2~Tc): 식 [16] 과

에서

추정.

STEP 3(Tc~T3): 식 [12],

에서

추정.

STEP 4(T3~T5): 식 [12],

으로부터

추정.

STEP 5(T5~T6): 식 [12],

STEP 6(T6~T7): 식 [12],

으로부터

추정.

STEP 7(T7~Tm): 식 [12],

으로부터

추정.

STEP 1과 2는 어느 한 상의 전류를 추정할 수 있다. 일 예로, 식 [16]을 이용하여 A상 전류를 추정한다. 이것은 도 8의 Ta~Tc 구간이다. 다른 STEP은 2상 전류를 구하고, 이 2상 전류을 d-와 q-축 전류로 변환한 후 식 [12]에 적용하여 3상 전류를 추정한다. 이것은 도 8의 Tc~Ts 구간이다. 이상에서와 같이, STEP 1 내지 STEP 7를 순차적으로 수행하면, 단일 전류센서(2)로부터 측정된 직류 링크전류

와

로부터 PWM 주기를 대표하는 3상 전류

및

을 추정하게 된다. 추정된 3상 전류

및

는 모터 전류 제어 혹은 모터 회전자 및 속도 제어에 활용된다.

유효전압벡터가 다른 섹터에 있을 경우에도 상기한 방법과 유사한 방법으로

및

을 추정할 수 있다.

한편, 상기한 전류 추정 단계는 위에서와 같이 7단계로 되어있다. 단일전류센서(2)에서의 샘플링을 유효전압벡터의 마지막 부분 즉 유효전압벡터구간의 마지막 시점에 수행한다고 하면, Ta 는 T2 와 같아지고 Tc 는 T3와 같아진다. 이렇게 된다면, 도 9와 같이 STEP 1과 3은 제거할 수 있어 전류 추정 단계를 7단계에서 5단계로 단축할 수 있다. 도 9는 도 8에서 STEP 1과 3이 제거된 전류 추정 단계를 나타낸 것이다.

정리하면, 5단계로 단축된 전류 추정단계는 다음과 같다.

STEP 1(Ta~Tc): 식 [16],

에서

추정.

STEP 4(Tc~T5): 식 [12],

과

으로부터

추정.

STEP 5(T5~T6): 식 [12],

로부터

추정.

STEP 6(T6~T7): 식 [12],

와

으로부터

추정.

STEP 7(T7~Tm): 식 [12],

으로부터

추정.

또한, 도 8에서 PWM 주기 중 후반주기에 평균유효전압벡터의 개념을 적용하면, T4 이후의 단계는 도 10과 같이 한 개의 단계로 줄어들 수 있어 전류 추정 단계를 5단계로 단축할 수 있다. 도 10은 도 8에서 STEP 4과 7을 한 개의 단계로 단축한 전류 추정 단계를 나타낸 것이다.

정리하면, 5단계로 단축된 전류 추정단계는 다음과 같다.

STEP 1(Ta~T2): 식 [17],

에서

추정.

STEP 2(T2~Tc): 식 [16] 과

추정.

STEP 3(Tc~T3): 식 [12],

로부터

추정.

STEP 4(T3~T4): 식 [12],

으로부터

추정.

STEP 5(T4~Tm): 식 [8] 또는 식 [12], 로부터

과

추정.

여기에서 Ta 에서 T4 까지는 단계별 전류 추정이 사용되고 PWM 후반주기에서는 평균유효전압벡터를 사용한 전류 추정이 사용된다.

또한, 여기에서도 단일전류센서(2)에서의 샘플링을 유효전압벡터구간의 마지막 시점에 수행한다고 하면, Ta 는 T2 와 같아지고 Tc 는 T3와 같아진다. 이렇게 된다면, 도 11과 같이, 상기 단계별 전류 추정에서의 STEP 1과 3은 생략될 수 있어 3단계로 전류 추정을 수행할 수 있다.

정리하면, 3단계로 단축된 전류 추정단계는 다음과 같다.

STEP 1(Ta~Tc): 식 [16],

로부터

추정.

STEP 3(Tc~T4): 식 [12],

으로부터

추정.

STEP 5(T4~Tm): 식 [8] 또는 식 [12],

로부터

과

추정.

한편, PWM 주기 중 전반주기 동안에는 전류 추정이 이루어지지 않고, 후반주기 동안에 전류 추정이 이루어지게 할 수 있다. 후반주기 전압 주입의 경우 직류 링크전류의 측정이 후반 주기에 이루어지므로 전류 추정 단계를 단축할 수 있다.

이러한 경우, 직류 링크전류의 샘플링은 도 12와 같고, 전류 추정 단계는 다음과 같다.

STEP 1(T_c~T₆): 식 [16],

로부터

추정.

STEP 2(T₆~T_a): 식 [16],

로부터

추정.

STEP 3(T_a~T₇): 식 [12],

으로부터

추정.

STEP 4(T₇~T_m): 식 [8] 또는 식 [12],

과

로부터

과

추정.

여기에서도 단일 전류센서(2)에서의 샘플링이 유효전압벡터구간의 마지막 시점에 수행된다면, Tc 와 T6 이 같고, Ta 와 T7이 같아진다. 이렇게 된다면, 도 13과 같이, 상기한 4단계의 전류 추정 단계에서 STEP 1과 3은 생략할 수 있어 2단계로 전류 추정을 수행할 수 있다.

정리하면, 2단계로 단축된 전류 추정 단계는 다음과 같다.

STEP 1(Tc~Ta): 식 [16],

로부터

추정.

STEP 3(Ta~Tm): 식 [8] 또는 식 [12],

로부터

과

추정.

도 1은 일반적인 PWM 구간에서의 상전류의 파형을 보인 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 상전류 추정장치가 적용되는 모터구동시스템의 개략적인 구성을 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 상전류 추정장치에서 기본 전압벡터와 이에 대응하여 단일 전류센서를 이용하여 추정할 수 있는 상전류를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상전류 추정장치에서 SVPWM 신호와 그에 따른 각 기본 전압벡터의 적용시간을 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상전류 추정장치가 적용된 모터구동시스템의 제어블록도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상전류 추정장치에서 상전류를 추정하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 상전류 추정방법을 설명하기 위한 제어흐름도이다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 3상 전류를 추정하는 것을 보인 도면이다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따라 3상 전류를 추정하는 것을 보인 도면이다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따라 3상 전류를 추정하는 것을 보인 도면이다.

도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따라 3상 전류를 추정하는 것을 보인 도면이다.

도 12는 본 발명의 제5 실시예에 따라 3상 전류를 추정하는 것을 보인 도면이다.

도 13은 본 발명의 제6 실시예에 따라 3상 전류를 추정하는 것을 보인 도면이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

1 : 인버터 2 : 단일 전류센서

10 : 속도제어 부 20 : 전류제어부

30 : 벡터조정부 40 : 공간벡터변조부

50 : 전류복원부 60 : 회전자위치 및 속도추정부

70 : 전류추정부

Claims

인버터에 유효전압벡터를 순차적으로 인가하고;

상기 유효전압벡터가 인가되는 동안 직류 링크전류를 측정하고;

상기 측정된 직류 링크전류를 이용하여 상기 인버터의 PWM 주기를 대표하는 3상 전류를 추정하되,

상기 PWM 주기 중 전반주기 동안에는 상기 측정된 직류 링크전류를 이용하여 3상 전류를 추정하고, 후반주기 동안에는 상기 추정된 3상 전류에 평균유효전압벡터를 적용하여 상기 3상 전류를 1회 추정하는 상전류 추정방법.
제1항에 있어서,

상기 유효전압벡터구간의 마지막 시점에 상기 직류 링크전류를 측정하는 상전류 추정방법.
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제1항에 있어서,

상기 전반주기 동안에는 상기 유효전압벡터가 인가되는 구간의 마지막 시점에 상기 직류 링크전류를 측정하는 상전류 추정방법.
제1항에 있어서,

상기 PWM 한 주기 중 후반주기 동안 상기 직류 링크전류를 측정하는 상전류 추정방법.
제5항에 있어서,

상기 후반주기 동안 상기 인가된 유효전압벡터구간의 마지막 시점에 상기 직류 링크전류를 추정하는 상전류 추정방법.
제1항에 있어서,

상기 측정된 직류 링크전류가 제1 유효전압벡터구간에서 측정된 경우, 상기 측정된 직류 링크전류를 이용하여 상전류를 추정하고, 상기 측정된 직류 링크전류가 제2 유효전압벡터구간에서 측정된 경우, 상기 측정된 직류 링크전류와 상기 추정된 상전류를 이용하여 3상 전류를 추정하는 상전류 추정방법.
제7항에 있어서,

상기 측정된 직류 링크전류가 제1 유효전압벡터구간에서 측정된 경우, 상기 측정된 직류 링크전류를 다음의 식 [1] 내지 [3] 중 상기 제1 유효전압벡터구간에 대응하는 식에 적용하여 상기 상전류를 추정하는 상전류 추정방법.

식 [1]

식 [2]

식 [3]

여기서, La, Lb, Lc는 상수,
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인버터에 제1 유효전압벡터와 제2 유효전압벡터를 순차적으로 인가하고;

상기 제1 유효전압벡터가 인가되는 동안 제1 직류 링크전류를 측정하고;

상기 제2 유효전압벡터가 인가되는 동안 제2 직류 링크전류를 측정하고;

상기 제2 직류 링크전류가 측정되기 전에는 상기 제1 직류 링크전류를 이용하여 상전류를 추정하고, 상기 제2 직류 링크전류가 측정된 후에는 상기 측정된 제2 직류 링크전류와 상기 추정된 상기 상전류를 이용하여 3상 전류를 추정하고;

상기 추정된 3상 전류를 이용하여 PWM 주기동안 3상 전류를 추정하되,

상기 PWM 주기 중 전반주기 동안에는 상기 측정된 제2 직류 링크전류를 이용하여 3상 전류를 추정하고, 후반주기 동안에는 상기 추정된 3상 전류에 평균유효전압벡터를 적용하여 상기 3상 전류를 1회 추정하는 상전류 추정방법.
제11항에 있어서,

상기 제2 직류 링크전류가 측정되기 전에는 상기 측정된 제1 직류 링크전류를 다음의 식 [1] 내지 [3] 중 상기 제1 유효전압벡터구간에 대응하는 식에 적용하여 상기 상전류를 추정하는 상전류 추정방법.

식 [1]

식 [2]

식 [3]

여기서, La, Lb, Lc는 상수,
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