KR101522285B1 - 전동기의 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전동기의 제어 장치는 전류 지령 생성부, 전류 조정부, 및 과변조부를 포함한다. 전류 지령 생성부는 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부 및 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부를 포함한다. 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부는 현재 회전 속도(ωr)에 비례한 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)을 생성한다. 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부는, 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 상기 현재 회전 속도 ωr과 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 생성한다.
Figure R1020090003751
영구-자석 동기 전동기(PMSM), 제어

Description

전동기의 제어 장치{Apparatus for controlling motor}
본 발명은, 전동기의 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 영구자석 동기 전동기(PMSM : Permanent Magent Synchronous Motor)와 같이 하이브리드 차량 및 전기 자동차 등에서 차륜 구동용으로 사용되는 전동기의 제어 장치에 관한 것이다.
하이브리드 차량 및 전기 자동차 등에서 차륜 구동용으로 사용되는 전동기로서 영구자석 동기 전동기(PMSM : Permanent Magent Synchronous Motor)가 주로 사용된다.
이와 같은 전동기는, 자속-축(D-축) 고정자와 회전력-축(Q-축) 고정자를 구비한 전동기로서, 인버터 예를 들어, PWM (Pulse Width Modulation) 인버터에 의하여 구동된다.
따라서, 상기와 같은 전동기의 제어 장치는, 상기 인버터에 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)을 제공 한다.
도 1은 종래의 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 제어 장치를 보여준다. 도 1을 참조하면, 종래의 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 제어 장치는 전류 지령 생성부(12), 전류 조정부(15), 과변조(Over-modulation)부(16), 귀환 제어부(14), 상한 자속값 생성부(11), 및 지령 회전력 조정부(13)를 포함한다. 여기에서, 귀환 제어부(14)는 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)에서의 자속 조절을 위한 약자속 제어를 수행한다. 약자속 제어는 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 구동 전력이 일정하면서 상기 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 역기전력에 의하여 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 구동 전압이 제한되는 제어 영역에서 적용된다. 또한, 과변조부(16)로부터의 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)은, 전류 조정부(15)에 귀환되어, 과변조부(16)로 인한 전류 조정부(15)의 적분기 누적 현상을 억제한다.
귀환 제어부(14)는, 전류 조정부(15)로부터의 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)에 비례한 최대자속 공제 값을 생성한다.
귀환 제어부(14)는 제곱평균 생성부(141), 뺄셈부(142), 나눗셈부(143), 비례적분 제어부(144) 및 제한부(145)를 포함한다.
제곱평균 생성부(141)는, 전류 조정부(15)로부터의 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)의 제곱 평균값을 구한다. 전류 조정부(15)로부터의 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값이 Vdsr**, 일차 회 전력-축(Q-축) 지령 전압값이 Vqsr**, 그리고 제곱평균 생성부(141)의 출력값을 Mag(D,Q)라 하면, 아래의 수학식 1이 적용된다.
Figure 112009002957804-pat00001
뺄셈부(142)에서는 최대 합성 전압값(Vdc /
Figure 112009002957804-pat00002
)에서 상기 제곱평균 생성부(141)의 출력값 Mag(D,Q)를 감산한다. 여기에서, Vdc는 PWM (Pulse Width Modulation) 인버터(17)에 인가되는 직류 링크 전압을 의미한다.
나눗셈부(143)는 뺄셈부(142)로부터의 출력 전압을 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 회전자 각속도(
Figure 112009002957804-pat00003
)로 나누어 그 결과 값을 출력한다.
비례적분 제어부(144)는 나눗셈부(143)로부터의 출력 값에 비례적분 제어를 수행하여, 최대자속 공제 값을 생성한다. 비례적분 제어부(144)의 전달 함수 Tpi는 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112009002957804-pat00004
위 수학식 2에서, Kp는 비례 상수를, Ki는 적분 상수를, 그리고 s는 라플라스 연산자를 각각 가리킨다.
제한부(145)는 비례적분 제어부(144)로부터의 최대자속 공제 값이 상한 값을 넘지 않도록 제한하면서 최대자속 공제 값을 출력한다.
한편, 상한 자속값 생성부(11)는, 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 회전 자 각속도(
Figure 112009002957804-pat00005
)에 반비례한 상한 자속값(|λ|max_ff)을 생성한다. 상한 자속값 생성부(11)로부터의 상한 자속값(|λ|max_ff)은 아래의 수학식 3에 의하여 계산된다.
Figure 112009002957804-pat00006
위 수학식 3에서, Vdc는 PWM (Pulse Width Modulation) 인버터(17)에 인가되는 직류 링크 전압을 의미한다.
Figure 112009002957804-pat00007
는 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 고정자들에 인가될 최대 선형-합성 전압값을 의미한다. Lq는 회전력-축(Q-축) 고정자의 인덕턴스를 의미한다.
상한 자속값 생성부(11)로부터의 상한 자속값(|λ|max_ff)에서 귀환 제어부(14)로부터의 최대자속 공제 값이 감해진 결과(|λ|max)는 전류 지령 생성부(12)에 입력된다.
지령 회전력 조정부(13)는 상한 회전력 생성부(131)와 지령 회전력 제한부(132)를 포함한다. 상한 회전력 생성부(131)는 상한 자속값 생성부(11)로부터의 상한 자속값(|λ|max_ff)에 상응하는 상한 회전력(Te_max)을 생성한다. 지령 회전력 제한부(132)는 사용자로부터의 지령 회전력(Te**)이 상한 회전력 생성부(131)로부터의 상한 회전력(Te_max)을 넘지 않도록 제한하여 출력한다.
전류 지령 생성부(12)는, 지령 회전력 조정부(13)로부터의 지령 회전력(Te*)과 상기 약자속 제어 결과의 최대 자속 값(|λ|max)에 따라 자속-축(D-축) 지령 전 류값(idsr*)과 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 생성한다. 여기에서, 2차원(2D) 테이블들이 각각 사용된다.
전류 조정부(15)는, 적분기를 구비하여, 전류 지령 생성부(12)로부터의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)에 따라 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)을 생성한다.
과변조부(16)는, 전류 조정부(15)로부터의 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)을 과변조 기법에 의하여 제한하여, 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 상기 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)을 발생시킨다.
여기에서, 과변조부(16)로부터의 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)은, 전류 조정부(15)에 귀환되어, 과변조부(16)로 인한 전류 조정부(15)의 적분기 누적 현상을 억제한다.
도 2는 영구-자석 동기 전동기(PMSM)의 일반적인 전압 제어 범위를 보여준다. 도 2에서, 참조 부호들 V1 내지 V6은 자속-축(D-축) 인가 전압(Vdsr*)과 회전력-축(Q-축) 인가 전압의 벡터 합의 전압들을 가리킨다.
도 2를 참조하면, 안쪽 원의 영역은 선형적으로 전압 합성이 가능한 영역으로서,
Figure 112009002957804-pat00008
는 선형적으로 전압 합성이 가능한 최대 전압값을 가리킨다.
바깥쪽 원의 영역은 육단계(six-step) 운전 기법에 의하여 전압 합성이 가능한 영역을 가리킨다.
Figure 112009002957804-pat00009
는 육단계(six-step) 운전 기법에 의하여 전압 합성이 가능한 최대 전압값을 가리킨다.
육각형의 영역은 공간 벡터 PWM (Pulse Width Modulation) 방식에 의하여 전압 합성이 가능한 영역을 가리킨다.
Figure 112009002957804-pat00010
는 공간 벡터 PWM (Pulse Width Modulation) 방식에 의하여 전압 합성이 가능한 최대 전압값을 가리킨다.
여기에서, 육각형의 영역에서 안쪽 원의 영역이 제외된 빗금 영역은 비선형 전압변조 영역이다.
도 1에 도시된 바와 같은 종래의 전동기의 제어 장치에 의하면, 전류 지령 생성부(12)는, 지령 회전력 조정부(13)로부터의 지령 회전력(Te*)과 상기 약자속 제어 결과의 최대 자속 값(|λ|max)에 따라 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 생성한다. 여기에서, 2차원(2D) 테이블들이 각각 사용된다.
그런데, 전동기들(18) 각각은 서로 다른 자속-축(D-축) 고정자 인덕턴스, 회전력-축(Q-축) 고정자 인덕턴스, 및 자석의 자화 정도를 가진다.
따라서, 전동기들(18) 각각에 대하여 약자속 제어를 위하여 전류 지령 생성 부(12)에서 사용될 2차원(2D) 테이블들을 작성해야만 하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 전동기들 각각에 대하여 작성되는 2차원 테이블들이 없어도 약자속 제어가 가능한 전동기의 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 전동기의 제어 장치는, 자속-축(D-축) 고정자와 회전력-축(Q-축) 고정자를 구비한 전동기를 구동하는 인버터에 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)을 제공하는 것으로서, 전류 지령 생성부, 전류 조정부, 및 과변조부를 포함한다.
상기 전류 지령 생성부는 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부 및 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부를 포함한다.
상기 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부는 현재 회전 속도(ωr)에 비례한 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)을 생성한다.
상기 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부는, 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 상기 현재 회전 속도 ωr과 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 생성한다.
본 발명의 상기 전동기의 제어 장치에 의하면, 상기 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부에서, 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어가 수행되되, 상기 현재 회전 속도 ωr과 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건이 적용된다.
따라서, 상기 전류 지령 생성부에서는 모든 전동기들에 대하여 공통적으로 얻을 수 있는 조건들을 사용하여 약자속 제어를 수행한다. 따라서, 전동기들 각각에 대하여 작성되는 2차원 테이블들이 없어도 약자속 제어가 가능하다.
이하, 첨부된 도면들과 함께 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 상세히 설명된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 제어 장치를 보여준다. 도 3의 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)는, 자속-축(D-축) 고정자와 회전력-축(Q-축) 고정자를 구비한 전동기로서, 인버터 예를 들어, PWM (Pulse Width Modulation) 인버터(37)에 의하여 구동된다. 도 4는 도 3의 전류 지령 생성부(32)에서 적용되는 3 개의 제어 영역들을 보여준다. 도 4에서 참조 부호 401 내지 404는 일정 회전력 선도들을 가리킨다. 여기에서, 참조 부호 404의 회전력 선도가 가장 높은 회전력을 나타내고, 참조 부호 401의 회전력 선도가 가장 높은 회전력을 나타낸다.
도 3 및 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 제어 장치는, PWM 인버터(37)에 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)을 제공하는 것으로서, 상한 자속값 생성부(11), 지령 회전력 조정부(13), 전류 지령 생성부(32), 전류 조정부(15), 및 과변조부(16)를 포함한다.
상한 자속값 생성부(11)는 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 회전자 각속도(
Figure 112009002957804-pat00011
)에 반비례한 상한 자속값(|λ|max_ff)을 생성한다. 상한 자속값 생성부(11)로부터의 상한 자속값(|λ|max_ff)은 상기 수학식 3에 의하여 계산된다.
지령 회전력 조정부(13)는 상한 회전력 생성부(131)와 지령 회전력 제한부(132)를 포함한다. 상한 회전력 생성부(131)는 상한 자속값 생성부(11)로부터의 상한 자속값(|λ|max_ff)에 상응하는 상한 회전력(Te_max)을 생성한다. 지령 회전력 제한부(132)는 사용자로부터의 지령 회전력(Te**)이 상한 회전력 생성부(131)로부터의 상한 회전력(Te_max)을 넘지 않도록 제한하여 출력한다.
전류 지령 생성부(32)는 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부 및 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부를 포함한다. 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부는 현재 회전 속도(ωr)에 비례한 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)을 생성한다. 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부는, 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 상기 현재 회전 속도 ω r과 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 생성한다.
따라서, 전류 지령 생성부(32)에서는 모든 전동기들에 대하여 공통적으로 얻을 수 있는 조건들을 사용하여 약자속 제어를 수행한다. 따라서, 전동기들 각각에 대하여 작성되는 2차원 테이블들이 없어도 약자속 제어가 가능하다. 이와 관련된 내용이 도 5 내지 7을 참조하여 보다 상세히 설명될 것이다.
전류 조정부(15)는, 적분기를 구비하여, 전류 지령 생성부(12)로부터의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)에 따라 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)을 생성한다.
과변조부(16)는, 전류 조정부(15)로부터의 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)을 과변조 기법에 의하여 제한하여, 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 상기 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)을 발생시킨다.
여기에서, 과변조부(16)로부터의 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)은, 전류 조정부(15)에 귀환되어, 과변조 부(16)로 인한 전류 조정부(15)의 적분기 누적 현상을 억제한다.
전류 지령 생성부(33)에서, 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)은 부극성이고, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)은 정극성이다(도 4 참조).
전류 지령 생성부(33)에서, 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 정극성의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)에 따라 3 개의 제어 영역들이 적용된다.
제1 영역은 최대 회전력을 얻을 수 있는 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 영역이다.
제2 영역은 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 구동 전력이 일정하면서 구동 전류 및 구동 전압이 제한됨에 의하여 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 회전력 제어가 불가능한 영역이다.
제3 영역은 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 구동 전력이 일정하면서 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 역기전력에 의하여 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 구동 전압이 제한되는 영역이다. 제3 영역에 있어서, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)이 영(0)일 경우의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)의 상한값은 Idsr로 설정된다. 여기에서, 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)의 상한값 Idsr은 아래의 수학식 4에 의하여 계산된다.
Figure 112009002957804-pat00012
위 수학식 4에서, λf는 영구 자석으로부터 발생되는 자속 값을, 그리고 Ld,nom은 자속-축(D-축) 고정자의 공칭 인덕턴스 값을 각각 가리킨다.
제3 영역에 있어서, 어느 한 지령 회전력(Te*)을 발생시킬 수 있는 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 정극성의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)의 조합들에 의한 일정 회전력 선도가 형성된다(도 4의 401 내지 404). 물론, 참조 부호 404의 곡선의 회전력이 가장 크다.
따라서, 제3 영역에 있어서, 지령 회전력(Te*)의 증가량에 대한 정극성의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)의 증가량의 비율에 비하여, 지령 회전력(Te*)의 증가량에 대한 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)의 증가량의 비율이 보다 큰 약자속 제어가 수행된다.
도 5는 도 3의 전류 지령 생성부(32)를 상세하게 보여준다.
도 3 및 5를 참조하면, 전류 지령 생성부(32)는 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부(51) 및 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부(521 내지 526)를 포함한다.
자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부(51)는 현재 회전 속도(ωr)에 비례한 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)을 생성한다. 부극성의 자속-축(D-축) 지 령 전류값 idsr*은 아래의 수학식 5에 의하여 계산된다.
Figure 112009002957804-pat00013
위 수학식 5에서, 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)의 상한값 Idsr은 상기 수학식 4에 의하여 계산된다. ωr은 현재 회전 각속도를, 그리고 ωr,base는 기저 각속도를 각각 가리킨다.
따라서, 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부(51)에서, 기저 속도(ωr,base)에 대한 현재 회전 속도(ωr)의 비율의 제곱에 비례하여 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)의 절대값이 생성되되, 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)의 상한 값(Idsr)이 적용된다. 본 실시예의 경우, 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)의 상한 값(Idsr)은 상기 수학식 4에 의하여 -85 암페어(A)로 계산되었다.
회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부(521 내지 526)는, 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 상기 현재 회전 속도 ωr과 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 생성한다.
따라서, 전류 지령 생성부(32)에서는 모든 전동기들에 대하여 공통적으로 얻을 수 있는 조건들을 사용하여 약자속 제어를 수행한다. 따라서, 전동기들 각각에 대하여 작성되는 2차원 테이블들이 없어도 약자속 제어가 가능하다.
회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부(521 내지 526)는 비례-적분 제어부(523), 전향 제어부(521), 가산기(524), 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(525), 및 제한기(526)를 포함한다.
비례-적분 제어부(523)는, 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 적분 제어의 누적 억제를 위한 귀환 제어를 수행하여, 제1 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr***)을 생성한다.
비례-적분 제어부(523)는 비례 제어부(5231), 가산기(5237), 제한기(5238), 귀환 제어부(5232 및 5233), 감산기(5234), 및 적분 제어부(5235 및 5236)를 포함한다.
비례 제어부(5231)는 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 비례 상수 Kp가 곱해진 결과의 비례 제어값을 출력한다.
가산기(5237)는 비례 제어부(5231)로부터의 비례 제어 값과 적분 제어부(5235 및 5236)로부터의 적분 제어 값을 더하여 비례-적분 제어 값을 출력한다.
제한기(5238)는 가산기(5237)로부터의 비례-적분 제어 값이 한계 값을 넘지 않도록 제한한다.
귀환 제어부(5232 및 5233)는 제한기(5238)의 입출력 차이값에 비례 상수 Ka 를 곱하여 적분 제어의 누적 억제를 위한 귀환 제어값을 생성한다.
감산기(5234)는 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에서 귀환 제어부(5232 및 5233)로부터의 귀환 제어 값을 감산한다.
적분 제어부(5235 및 5236)는 감산기(5234)로부터의 입력 값에 적분 상수 Ki와 라플라스 연산자의 역수를 곱하여 적분 제어 값을 생성한다.
한편, 전향 제어부(521)는 지령 회전력(Te*)에 비례한 전향 제어 전류값을 생성한다. 전향 제어부(521)로부터의 전향 제어 전류값은 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 회전력 계산식으로부터 도출된다. 영구-자석 동기 전동기(PMSM, 18)의 현재 회전력 Te-calc는 아래의 수학식 6에 의하여 계산된다.
Figure 112009002957804-pat00014
위 수학식 6에서, P는 극수를, Lds는 자속-축(D-축) 고정자의 인덕턴스 값을, Lqs는 회전력-축(Q-축) 고정자의 인덕턴스 값을, idr은 자속-축(D-축) 구동 전류값을, λf는 영구 자석으로부터 발생되는 자속 값을, 그리고 iqr은 회전력-축(Q-축) 구동 전류값을 각각 가리킨다.
상기 수학식 6에서 현재 회전력 Te-calc를 지령 회전력 Te*로 대체하고, 자속-축(D-축) 구동 전류값을 idr을 자속-축(D-축) 지령 전류값 idsr*로 대체하면, 회 전력-축(Q-축) 구동 전류값 iqr은 전향 제어부(521)로부터의 회전력-축(Q-축) 전향 제어 전류값으로 대체될 수 있다.
따라서, 전향 제어부(521)에서 회전력-축(Q-축) 전향 제어 전류값 iqr은 아래의 수학식 7에 의하여 계산된다.
Figure 112009002957804-pat00015
가산기(524)는 비례-적분 제어부(523)로부터의 제1 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr***)과 전향 제어부(521)로부터의 전향 제어 전류값(수학식 7에서의 iqr)이 더해진 결과의 제2 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr**)을 출력한다.
회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(525)는, 현재 회전 속도(ωr)와 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)을 생성한다.
회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(525)는 제1 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(5251), 제2 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(5252), 및 최소값 선택부(5253)를 포함한다.
제1 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(5251)는 전압 제한 조건에 따라 현 재 회전 속도 ωr에 반비례한 제1 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqs_max1r*)을 생성한다. 여기에서, 자속-축(D-축) 전압을 구하는 방정식이 이용된다.
잘 알려져 있는 바와 같이, 매입형 영구자석 전동기(PMSM, 18)의 자속-축(D-축) 전압 Vdsr을 구하는 방정식은 아래의 수학식 8과 같다.
Figure 112009002957804-pat00016
상기 수학식 8에서, Rs는 고정자 저항값을, idsr은 자속-축(D-축) 고정자의 전류값을, Lds는 자속-축(D-축) 고정자의 인덕턴스 값을, ωr은 회전 속도를, 그리고 λqsr은 회전력-축(Q-축) 고정자로부터 발생되는 자속 값을 각각 가리킨다.
상기 수학식 8에서, 우변의 제2항
Figure 112009002957804-pat00017
은 자속-축(D-축) 고정자에서 전류 변화에 의하여 발생되는 순방향 전압을 가리킨다. 우변의 제3항
Figure 112009002957804-pat00018
는 역기전력을 가리킨다.
따라서, 영구자석 전동기(PMSM, 18)의 회전자가 고속으로 회전할 경우에 상기 수학식 8에서의 순방향 전압
Figure 112009002957804-pat00019
은 역기전력
Figure 112009002957804-pat00020
에 비하여 무시할 정도로 적은 값을 가진다.
즉, 영구자석 전동기(PMSM, 18)의 회전자가 고속으로 회전할 경우에 상기 수학식 8은 아래의 수학식 9와 같아진다.
Figure 112009002957804-pat00021
여기에서, 회전력-축(Q-축) 고정자로부터 발생되는 자속 값 λqsr은 아래의 수학식 10과 같다.
Figure 112009002957804-pat00022
상기 수학식 10에서 Lq는 회전력-축(Q-축) 인덕턴스 값을, 그리고 iqsr은 회전력-축(Q-축) 전류값을 각각 가리킨다. 상기 수학식 10을 수학식 9에 대입하면 아래의 수학식 11이 성립한다.
Figure 112009002957804-pat00023
여기에서, PWM 인버터(도 3의 17)에 인가되는 직류 링크 전압을 Vdc라 하면, PWM 인버터(17)의 구동 전압으로서 선형적으로 전압 합성이 가능한 자속-축(D-축) 전압 Vdsr의 제한 전압은
Figure 112009002957804-pat00024
이다. 이와 같이 전압 제한이 수행되는 약자속 영역(도 4의 제3 영역)에서는, 상기 수학식 11에서 저항에 의한 전압 강하
Figure 112009002957804-pat00025
은 무시할 수 있을 정도로 적은 값을 가진다.
따라서, 상기 수학식 11에서, 자속-축(D-축) 전압 Vdsr를 그 제한 전압
Figure 112009002957804-pat00026
으로 대체하고, 저항에 의한 전압 강하
Figure 112009002957804-pat00027
을 삭제하며, 회전력- 축(Q-축) 전류값 iqsr을 제1 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqs_max1r*)으로 대체하면, 아래의 수학식 12가 성립한다.
Figure 112009002957804-pat00028
따라서, 제1 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 iqs_max1r*은 아래의 수학식 13에 의하여 계산된다.
Figure 112009002957804-pat00029
한편, 제2 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(5252)는 전류 제한 조건에 따라 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 반비례한 제2 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max2)을 생성한다.
전류 제한 조건에 있어서, 상한 전류의 값으로서 영구자석 전동기(PMSM, 18)의 최대 정격 전류의 값이 적용된다. 따라서, 영구자석 전동기(PMSM, 18)의 최대 정격 전류의 값을 Is,max라 하면, 상한 전류의 값이 적용되는 경우에 아래의 수학식 14가 성립한다.
Figure 112009002957804-pat00030
상기 수학식 14에서,
Figure 112009002957804-pat00031
은 자속-축(D-축) 전류값을, 그리고
Figure 112009002957804-pat00032
은 회전력-축(Q-축) 전류값을 각각 가리킨다.
따라서, 제2 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max2)은 아래의 수학식 15에 의하여 계산된다.
Figure 112009002957804-pat00033
상기 수학식 15에서, idsr*은 자속-축(D-축) 지령 전류값을 가리킨다.
최소값 선택부(5253)는 제1 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max1)과 제2 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max2) 중에서 절대값이 적은 값을 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)으로서 출력한다.
끝으로, 제한기(526)는, 가산기(524)로부터의 제2 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr**)이 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부(525)로부터의 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)에 적용된 결과의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 출력한다.
도 6은 도 3의 제어 장치에 의하여 도 4의 제3 영역에서 약자속 제어가 수행되는 경우에 사용된 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*) 및 실제 자속- 축(D-축) 전류값의 일 예를 보여준다. 도 7은 도 3의 제어 장치에 의하여 도 6의 약자속 제어가 수행되는 경우에 사용된 정극성의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*) 및 실제 회전력-축(Q-축) 지령 전류값의 일 예를 보여준다.
도 6 및 7의 그래프들은, 지령 회전력(도 3의 Te**)이 0(영) 뉴턴-미터(Nm)에서 100 뉴턴-미터(Nm)로 상승됨에 의하여, 영구자석 전동기(PMSM, 18)의 회전 속도가 0(영) 알피엠(r/min)에서 5,000 알피엠(r/min)으로 상승되는 경우에 얻어진 결과들이다.
도 6 및 7을 참조하면, t1 시점에서 지령 회전력(도 3의 Te**)이 0(영) 뉴턴-미터(Nm)에서 100 뉴턴-미터(Nm)로 상승됨에 의하여, 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 실제 전류값이 상기 수학식 5에 의하여 부극성 방향으로 증가하다가 상기 수학식 4에 따른 상한 값(Idsr) -85 암페어(A)에서 머무름을 알 수 있다.
또한, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)과 실제 전류값이 t1 시점에서 상승되다가 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)으로서 약 20 암페어(A)에서 머무름을 알 수 있다.
따라서, 도 3의 제어 장치에 의하여 도 4의 제3 영역에서 약자속 제어가 잘 수행됨을 확인할 수 있다.
이상 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기의 제어 장치에 의하면, 회전 력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부에서, 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어가 수행되되, 현재 회전 속도 ωr과 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건이 적용된다.
따라서, 전류 지령 생성부에서는 모든 전동기들에 대하여 공통적으로 얻을 수 있는 조건들을 사용하여 약자속 제어를 수행한다. 따라서, 전동기들 각각에 대하여 작성되는 2차원 테이블들이 없어도 약자속 제어가 가능하다.
본 발명은, 상기 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에서 정의된 발명의 사상 및 범위 내에서 당업자에 의하여 변형 및 개량될 수 있다.
하이브리드 차량 및 전기 자동차 등에서 차륜 구동용으로 사용되는 전동기와 같이, 외부 환경에 의하여 회전 속도가 수시로 변할 수 있는 전동기들에 이용될 수 있다.
도 1은 종래의 영구-자석 동기 전동기(PMSM)의 제어 장치를 보여주는 블록도이다.
도 2는 영구-자석 동기 전동기(PMSM)의 일반적인 전압 제어 범위를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 영구-자석 동기 전동기(PMSM)의 제어 장치를 보여주는 블록도이다.
도 4는 도 3의 전류 지령 생성부에서 적용되는 3 개의 제어 영역들을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 3의 전류 지령 생성부를 상세하게 보여주는 도면이다.
도 6은 도 3의 제어 장치에 의하여 도 4의 제3 영역에서 약자속 제어가 수행되는 경우에 사용된 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*) 및 실제 자속-축(D-축) 전류값의 일 예를 보여주는 파형도이다.
도 7은 도 3의 제어 장치에 의하여 도 6의 약자속 제어가 수행되는 경우에 사용된 정극성의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*) 및 실제 회전력-축(Q-축) 지령 전류값의 일 예를 보여주는 파형도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11...상한 자속값 생성부, 13...지령 회전력 조정부,
12, 32...전류 지령 생성부, 15...전류 조정부,
16...과변조부,
17...PWM (Pulse Width Modulation) 인버터,
18...영구-자석 동기 전동기(PMSM),
51...자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부,
521 내지 526...회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부.

Claims (13)

  1. 자속-축(D-축) 고정자와 회전력-축(Q-축) 고정자를 구비한 전동기를 구동하는 인버터에 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)을 제공하는 전동기의 제어 장치에 있어서,
    전류 지령 생성부, 전류 조정부, 및 과변조부를 포함하고,
    상기 전류 지령 생성부가,
    현재 회전 속도(ωr)에 비례한 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)을 생성하는 자속-축(D-축) 지령 전류값 생성부; 및
    지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 상기 현재 회전 속도 ωr과 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 생성하는 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부를 포함한 전동기의 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부가,
    상기 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 상기 적분 제어의 누적 억제를 위한 귀환 제어를 수행하여, 제1 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr***)을 생성하는 비례-적분 제어부;
    상기 지령 회전력(Te*)에 비례한 전향 제어 전류값을 생성하는 전향 제어부;
    상기 비례-적분 제어부로부터의 제1 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr***)과 상기 전향 제어부로부터의 전향 제어 전류값이 더해진 결과의 제2 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr**)을 출력하는 가산기;
    현재 회전 속도(ωr)와 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)을 생성하는 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부; 및
    상기 가산기로부터의 제2 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr**)이 상기 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부로부터의 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)에 적용된 결과의 상기 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 출력하는 제한기를 포함하고,
    상기 전류 조정부가,
    적분기를 구비하여, 상기 전류 지령 생성부로부터의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)에 따라 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)을 생성하며,
    상기 과변조부가,
    상기 전류 조정부로부터의 일차 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr**)과 일차 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr**)을 과변조 기법에 의하여 제한하여, 상기 최종 자속-축(D-축) 지령 전압값(Vdsr*)과 상기 최종 회전력-축(Q-축) 지령 전압값(Vqsr*)을 발생시키는, 전동기의 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전력-축(Q-축) 지령 전류값 생성부가,
    상기 지령 회전력(Te*)과 현재 회전력(Te_calc)의 차이 값에 대하여 비례 제어 및 적분 제어를 수행하되, 상기 적분 제어의 누적 억제를 위한 귀환 제어를 수행하여, 제1 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr***)을 생성하는 비례-적분 제어부;
    상기 지령 회전력(Te*)에 비례한 전향 제어 전류값을 생성하는 전향 제어부;
    상기 비례-적분 제어부로부터의 제1 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr***)과 상기 전향 제어부로부터의 전향 제어 전류값이 더해진 결과의 제2 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr**)을 출력하는 가산기;
    현재 회전 속도(ωr)와 상기 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)에 따른 전압 제한 조건 및 전류 제한 조건을 적용하여, 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)을 생성하는 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부; 및
    상기 가산기로부터의 제2 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr**)이 상기 회전력-축(Q-축) 상한 전류값 생성부로부터의 회전력-축(Q-축) 상한 전류값(iqsr*_max)에 적용된 결과의 상기 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)을 출력하는 제한기를 포함하고,
    상기 전류 지령 생성부에서,
    상기 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)이 정극성이고,
    부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 정극성의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)에 따라 3 개의 제어 영역들이 적용되며,
    상기 3 개의 제어 영역들이,
    최대 회전력을 얻을 수 있는 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 영역인 제1 영역;
    상기 전동기의 구동 전력이 일정하면서 구동 전류 및 구동 전압이 제한됨에 의하여 상기 전동기의 회전력 제어가 불가능한 영역인 제2 영역; 및
    상기 전동기의 구동 전력이 일정하면서 상기 전동기의 역기전력에 의하여 상기 전동기의 구동 전압이 제한되는 제3 영역을 포함하고,
    상기 제3 영역에 대하여,
    어느 한 지령 회전력(Te*)을 발생시킬 수 있는 부극성의 자속-축(D-축) 지령 전류값(idsr*)과 정극성의 회전력-축(Q-축) 지령 전류값(iqsr*)의 조합들에 의한 일정 회전력 선도가 형성되는, 전동기의 제어 장치.
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JP3455017B2 (ja) * 1996-06-24 2003-10-06 財団法人鉄道総合技術研究所 車両駆動用永久磁石同期電動機の制御装置
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