KR101548855B1 - 전기 구동의 제어를 최적화하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주기적으로 운전점 특정 극값들 사이에서 크게 변동하는 특정의 토크 곡선을 갖는 작업 기계에 대한 전기 구동의 제어를 최적화하는 방법에 관한 것으로, 여기서 전기 구동을 위해 영구 자기 로터와 스테이터 권선을 갖는 스테이터를 구비한 구동 모터가 제공되고, 스테이터 권선에 인버터를 통해 3상 교류가 공급되며, 그러한 상전류의 교정과 각속도의 교정에 의해 구동 모터의 회전 속도의 변동 및 각도 오차를 최소화한다. 그러한 방법에서는, 작업 기계에 특정된 토크 곡선에 대한 특성 다이어그램을 구현하는데, 그러한 특성 다이어그램을 구현하는 것은 다음의 단계를 포함한다:
Ⅰ 토크 곡선을 계산할 수 있게 하는 운전 부하 곡선에 대한 모델을 수립하는 단계,
Ⅱ 전기 모터에 의해 구동되는 작업 기계의 전체의 운전 범위에 걸쳐 압축 과정으로부터 발생하는 다수의 운전점 특정 토크 곡선들로 이뤄진 토크 곡선 행렬을 수립하는 단계,
Ⅲ 수립된 토크 곡선 행렬에 의해 운전 부하로부터 기계적 곡선 값들을 계산하는 단계,
Ⅳ 특성 다이어그램을 도출하는 단계, 및
Ⅴ 그 특성 다이어그램을 인버터의 제어 알고리즘에 구현하는 단계.
특성 다이어그램으로부터 각각의 운전점에 대해 산출된 토크 곡선들 및 다른 곡선 값들을 기반으로 하여, 상전류에 대한 교정값 및 회전 자계의 각속도에 대한 교정값을 계산하여 처리한다.

Description

전기 구동의 제어를 최적화하는 방법{METHOD FOR OPTIMIZING CONTROL OF ELECTRICAL DRIVE}
본 발명은 특정의 토크 곡선(torque curve)을 갖는 작업 기계(work machine)에 대한 전기 구동의 제어를 최적화하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공조 압축기(air conditioning compressor)에 대한 전기 구동을 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 본 발명은 주기적으로, 즉 예컨대 구동 샤프트 회전에 관한 운전 사이클 내에서 운전점 특정 극값들(operating point-specific extreme values) 사이에서 크게 변동하는 특정의 토크 곡선을 갖는 작업 기계를 위해 제공된다. 그것은 특히 나선형 압축기(spiral compressor) 원리에 따라 운전되는 공조 시스템 압축기의 경우에 해당한다. 압축기에 의해 이뤄지는 압축 과정으로부터 전형적인 토크 곡선이 생긴다. 이때, 나선형 압축기에서의 압축 과정에 대한 그러한 토크 곡선은 구조적으로 선택되어 운전 중에 변할 수 없는 압축기 기하 형태 및 특정의 운전점에서 존재하는 압축기 흡인 압력(Ps)과 압축기 최종 압력(Pd)에 의해 주로 결정된다.
전기적으로 구동되는 압축기의 내부에서는, 압축 과정을 일으키는 상전류(phase current)가 전기 모터, 예컨대 영구 자석 모터에 공급된다. 그러한 모터는 스테이터 권선에 3상 교류를 공급하여 결과적으로 생기는 회전 자계(rotating field)를 통해 영구 자석들을 구비한 모터의 로터를 구동하는 인버터에 의해 제어된다.
구동 모터를 제대로 제어하기 위해서는, 인버터가 스테이터의 코일들에 대한 로터의 상대 위치를 알아야 한다. 즉, 공지의 제어 전략들은 인버터의 계산 유닛에 구현되고 있다. 회전 속도 제어는 전기 측정값들을 평가하여 그 전기 측정값들로부터 무효 전류(reactive current) 비율을 계산함으로써 이뤄진다. 무효 전류 비율은 유포된 회전 전계와 로터 사이의 각도 오차(angle error)에 대한 척도이다. 상전류의 상응하는 교정과 그에 의해 일어나는 토크 변동 및 회전 자계의 각속도의 교정 및 그에 의해 이뤄지는 각도 오차의 보상에 의해, 로터의 현재 위치가 연속적으로 회전 자계에 맞춰 조정되고, 그에 따라 무효 전류 비율이 정해진 한계치를 넘어서지 않는다. 그와 같이 하여, 회전 자계와 로터가 동상으로(in phase) 유지되게 된다.
압축 과정 동안의 각각의 운전 부하 소요는 자동으로 각도 오차 또는 위상 오차의 변동을 일으키는데, 그러한 각도 오차 또는 위상 오차는 인버터의 제어 알고리즘에 의해 보상되어야 한다. 그것은 일정한 운전 부하들에 대해서는 물론 동적인 운전 부하 변동들에 대해서도 마찬가지이고, 그러한 운전 부하 변동들은 구현된 제어 소프트웨어에 의해 극복되어야 한다. 운전 부하 보상 능력의 정적 및 동적 범위에 의존하여, 예컨대 구동 모터의 회전 속도를 일정하게 유지하는 것과 같은 필요한 제어 성능을 가능하게 하기 위해, 효율적인 고성능 처리 유닛이 구현되어야 한다. 특히, 기저 주파수(base frequency)로 주기적으로 진동하는 운전 부하들 또는 토크들은 로터 자속/스테이터 자속(rotor-/stator-flux)의 잘못된 배향을 일으켜 출력 손실을 유발하거나, 아니면 필요한 계산 출력을 불필요하게 증가시켜 높은 비용과 낮은 효율을 초래한다.
따라서 영구 자석 모터의 올바른 운전을 위해서는, 모터의 로터 위치를 세밀하게 추적하여 그것을 스테이터에서의 자속에 대한 원하는 각도 쪽으로 교정하는 것이 인버터 제어의 필수적인 과제가 된다. 측정 신호들의 연속적인 측정과 교정값들의 계산은 프로그램화된 제어 알고리즘에 의해 회전 자계의 필요한 변조를 계산하는 고출력 신호 프로세서를 필요로 한다.
본 발명의 과제는 인버터에서의 구동 모터 제어의 필요한 계산 출력이 지금까지의 공지의 방법들에 비해 낮아지고 제어가 최적화될 수 있는, 특정의 토크 곡선을 갖는 작업 기계에 대한, 특히 공조 시스템의 압축기에 대한 전기 구동을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 청구항 1에 따른 방법에 의해 해결된다. 그러한 방법은 주기적으로 운전점 특정 극값들 사이에서 크게 변동하는 특정의 토크 곡선을 갖는 작업 기계에 대한 전기 구동의 제어를 최적화하는 방법으로서, 여기서 전기 구동을 위해 영구 자기 로터와 스테이터 권선을 갖는 스테이터를 구비한 구동 모터가 제공되고, 스테이터 권선에 인버터를 통해 3상 교류가 공급되며, 그러한 상전류의 교정과 각속도의 교정에 의해 구동 모터의 회전 속도의 변동 및 각도 오차를 최소화한다. 본 발명에 따르면, 작업 기계에 특정된 토크 곡선에 대한 특성 다이어그램(characteristic diagram)을 구현하되, 그러한 특성 다이어그램을 구현하는 것은 다음의 단계를 포함한다:
Ⅰ 토크 곡선을 계산할 수 있게 하는 운전 부하 곡선에 대한 모델을 수립하는 단계,
Ⅱ 전기 모터에 의해 구동되는 작업 기계의 전체의 운전 범위에 걸쳐 압축 과정으로부터 발생하는 다수의 운전점 특정 토크 곡선들로 이뤄진 토크 곡선 행렬을 수립하는 단계,
Ⅲ 수립된 토크 곡선 행렬에 의해 운전 부하로부터 기계적 곡선 값들을 계산하는 단계,
Ⅳ 특성 다이어그램을 도출하는 단계, 및
Ⅴ 그 특성 다이어그램을 인버터의 제어 알고리즘에 구현하는 단계.
특성 다이어그램으로부터 각각의 운전점에 대해 산출된 토크 곡선들 및 다른 곡선 값들을 기반으로 하여, 상전류에 대한 교정값 및 회전 자계의 각속도에 대한 교정값을 계산하여 처리한다.
지금까지의 공지의 방법들에서는, 인버터의 제어 소프트웨어가 피드백의 형태로 받는 실시간으로 파악된 무효 전류에 관한 정보와 같은 전기 측정값들을 평가함으로써 제어 파라미터들 및 변조된 상전류 출력을 도출하였다. 본 발명의 개념에 따르면, 이제는 특성 다이어그램에 의해 작업 기계의 정적 및 동적 운전 부하 거동에 대한 예측 함수(prediction function)를 제공하여 제어 알고리즘에 구현하는데, 여기서 그러한 예측 함수는 작업 기계의 실제 운전 상태들에 의존하여 달라진다. 그것은 특성 다이어그램을 제어 알고리즘에 통합함으로써 이뤄지고, 이때 특성 다이어그램은 주기적인 운전점 특정 토크 곡선들을 나타내고 있다. 그럼으로써, 회전 속도를 일정하게 유지하기 위한 또는 회전 속도 제어 및 구동 샤프트의 각속도 변동 또는 요 레이트(yaw rate) 변동의 최소화를 위한 제어량을 계산하는데 필요한 계산 출력이 최소화될 수 있다. 계산 복잡도가 감소함으로 인해, 이상적인 경우에는 낮은 성능 등급의 프로세서로도 충분하게 된다.
작업 기계가 공조 시스템의 압축기이면, 계산 출력이 낮은 고성능 모터 제어를 가능하게 하기 위해, 압축기에 대해 산출된 특정 운전 부하 특성 곡선을 사용한다. 그것은 공조 시스템의 시스템 압력 및 압축기 회전 속도를 검사함으로써 세밀하게 산출된 특성 다이어그램에 의해 구현된다. 그와 같이 도출된 운전 부하 교정값들은 교란 값 보상을 위한 구동 모터의 제어 회로에 전달된다. 그것은 구동되는 압축기의 특징적 운전 부하 곡선들을 기반으로 하여 상전류의 필요한 교정값을 제어량으로서 미리 결정하고 변조하여 연속적인 로터 클럭킹(rotor clocking)을 보장하기 위해 특성 다이어그램의 형태의 미리 결정된 동적 교란 값 정보를 인버터의 제어 알고리즘에 구현한다는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 압축기 흡인 압력에 의존하는 토크 곡선들을 갖는 나선형 압축기의 형태로 형성된 작업 기계로서의 압축기에 적합하다.
방법 단계 Ⅲ에서, 수립된 토크 곡선 행렬에 의해 운전 부하로부터 기계적 곡선 값으로서 현재 각가속도를 계산하는 것이 바람직하다. 본 발명의 매우 바람직한 실시 형태에 따르면, 특성 다이어그램의 복잡도를 감소시키기 위해, 방법 단계 Ⅲ에 뒤이은 추가의 방법 단계 Ⅲa에서 토크 곡선 행렬에 대해 특징적이고 제어량의 계산에 이용될 수 있는 또 다른 값의 계산을 수행한다. 특성 다이어그램의 복잡도를 감소시키기 위해 방법 단계 Ⅲa에서 계산되는 토크 곡선 행렬에 대해 특징적이고 제어량의 계산에 이용 가능한 그러한 값으로서, 작업 기계의 운전점에서의 주기적 부하 변동으로 인해 발생하는, 스테이터에 유포된 전계와 로터에 유포된 전계 사이의 최대 위상 오차(φMAX)를 계산한다.
첨부 도면들을 참조로 한 이후의 실시예들의 설명으로부터 본 발명의 또 다른 명세, 특징들, 및 이점들이 명확히 드러날 것이다. 첨부 도면들 중에서,
도 1은 작업 기계로서의 압축기를 횡단면도로 나타낸 도면,
도 2는 구동 모터의 토크 곡선에 대한 특성 다이어그램을 수립하여 인버터의 제어 알고리즘에 구현하는 단계 Ⅰ 내지 단계 Ⅲ을 나타낸 도면,
도 3은 단계 Ⅲa에 따라 토크 곡선에 대해 산출된/계산된 최대 각도 오차 및 단계 Ⅳ에 따라 도출된 특성 다이어그램의 배치를 나타낸 도면,
도 4는 도출된 특성 다이어그램을 단계 Ⅴ에 따라 인버터의 제어 알고리즘에 구현하는 것을 나타낸 도면.
도 1은 나선형 압축기 원리에 따라 운전되는 공조 시스템의 압축기를 횡단면도로 도시하고 있다. 그러한 압축기는 구동 샤프트 회전에 관한 운전 사이클 내에서 주기적으로 운전점 특정 극값들 사이에서 크게 변동하는 특정의 토크 곡선을 갖는 작업 기계에 대한 실시예로서의 역할을 한다.
그러한 압축기의 전기 구동의 토크 곡선에 대한 특성 다이어그램을 제공하고 구현하는 것은 다음의 단계들을 필요로 한다:
Ⅰ 우선, 구동 토크(T) 또는 토크(T)를 계산할 수 있게 하는 운전 부하 곡선에 대한 모델을 수립한다. 그와 관련하여, 도 2는 각각의 운전점에서 최소값(MIN)과 최대값(MAX) 사이의 운전 범위 내에서 각각 일정한 값을 취하는 파라미터들인 압축기 흡인 압력(Ps), 압축 최종 압력(Pd)과 압축기 흡인 압력(Ps) 간의 차(ΔP), 및 회전 속도(RPM)를 포함하는 운전점 행렬을 항목 Ⅰ에서 표로 나타내고 있다. 압축 최종 압력(Pd)은 압축기에 연결된 냉각 회로 또는 히트 펌프 회로에서의 고압의 시스템 압력이다. 압축기 흡인 압력(Ps)은 냉매 팽창 기구와 증발기 유닛과 압축기 입구 사이의 영역에서의 저압의 시스템 압력이다.
Ⅱ 이어서, 운전점 행렬의 모든 운전점들에서, 즉 압축기의 전체의 운전 범위에서, 이론적 모델에 의해 계산된 압축 과정에 대한 토크 곡선을 회전각의 함수로 산출한다. 압축기에 의한 압축 과정으로부터, 결과적으로 압축기 흡인 압력(Ps)과 압축 최종 압력(Pd)에 의존하는 전형적인 토크 곡선이 나오는데, 그러한 토크 곡선은 도 2의 항목 Ⅱ에서 다이어그램의 형태로 도시되어 있고, 여기서 토크(T)는 [Nm] 단위로 그리고 압축기 흡인 압력(Ps)은 [MPa] 단위로 표시되어 있다. 그러한 다이어그램에서는, 토크(T)가 [°]로 표시된 회전각(φ)의 함수로 기록되어 있다. 그와 같이 하여, 도 2의 단계 Ⅱ계에서 표시된 토크 곡선 행렬이 전기 모터에 의해 구동되는 압축기의 전체의 운전 범위에 걸쳐 수립된다.
Ⅲ 이어서, 본 단계에서는 운전 부하로부터 또 다른 기계적 곡선 값들의 계산을 수행할 수 있다. 도 2에서 단계 Ⅲ의 항목에 도시된 바와 같이, 곡선 값으로서 현재 각가속도(α)를 각도(φ)의 함수로 계산하는데, 여기서 α(φ)는 [1/s2] 단위로 표시된다.
Ⅲa 도 3에 도시된 바와 같이, 특성 다이어그램의 복잡도를 감소시키기 위해, 추가의 단계 Ⅲa에서 토크 곡선 행렬에 대해 특징적이고 제어량의 계산에도 이용될 수 있는 값의 계산을 선택적으로 수행한다. 그것은 도 3에 구체적으로 도시된 바와 같이 예컨대 작업 기계의 운전점에서의 주기적인 부하 변동으로 인해 발생하는 산출된 또는 계산된 최대 각도 오차 또는 위상 오차(ΔφMAX)일 수 있다. 압축기 스테이지(compressor stage)의 각도 오차(Δφ)는 설정 회전 속도를 그 기준으로 하고, 압축 과정의 실제의 주기적 토크 소요로 인해 발생한다. 그러한 압축기 스테이지의 메커니즘의 현재 위치각 오차(position angle error)로부터 바로 각속도 저항성이 있는 공급되는 3상 전류의 위상 오차(Δυ)가 비롯된다. 각속도의 능동 교정(active correction)을 도입함으로써, 최대 허용 위상 오차에 대해 허용 오차(Δυ)가 생기게 한다.
Ⅳ 끝으로, 도 3의 항목 Ⅳ에 도시된 바와 같이, 특성 다이어그램의 도출을 수행한다. 구체적으로, 도 3은 특성 다이어그램으로서 최대 위상 오차(ΔφMAX)에 대한 회귀 곡선(regression curve) 배치를 도시하고 있다.
Ⅴ 이어서, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 그러한 특성 다이어그램을 인버터의 제어 소프트웨어에 그에 따라 그 제어 회로(1) 또는 제어 알고리즘(1)에 구현한다.
공조 시스템의 압축기 회전수(RPM)를 제어하는 인버터의 해당 제어 회로(1)가 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 선행 기술에 따른 바와는 다르게, 제어 소프트웨어(2)가 피드백의 형태로 받을 수 있는 실시간으로 파악된 전기 측정값들을 평가함으로써 제어 파라미터들 및 변조된 상전류 출력을 도출하는 것이 아니다. 단지 설정된 압축기 회전수(RPM Soll)와 각각의 운전점을 정의하는 압축기 흡인 압력(Ps) 및 압축 최종 압력 또는 메인 시스템 압력(Pd)과 같은 또 다른 파라미터들만이 인버터의 제어 소프트웨어(2)에 입력된다. 부가적으로, 작업 기계의 실제 운전 상태들에 의존하는 작업 기계의 정적 및 동적 운전 부하 거동에 대한 예측 함수로서 전술한 특성 다이어그램(4)을 제공하여 인버터의 제어 소프트웨어(2)에 그에 따라 그 제어 알고리즘(1)에 구현한다. 이때, 특성 다이어그램(4)은 파라미터들 RPM, Ps, 및 Ps - Pd = ΔP에 의한 각각의 운전점에서 일정한 값을 갖고 각각의 운전점에서의 특정의 토크 곡선 또는 주기적 위상 오차 곡선(Δφ(φ))에 대해 특징적인 최대 위상 오차(ΔφMAX)에 관한 정보를 포함한다. 그와 같이 도출된 위상 오차 곡선(Δφ(φ))을 기반으로 하여, 상전류의 상응하는 교정 및 회전 자계의 각속도의 교정을 수행한다. 특성 다이어그램(4)을 구현함으로써, 운전 사이클 동안 압축기 회전 속도(RPM(IST))를 일정하게 유지하고 각속도 변동을 최소화하는데 필요한 계산 출력을 최소화할 수 있다.
1: 제어 회로, 제어 알고리즘 2: 제어 소프트웨어
3: 피드백 4: 특성 다이어그램
RPM: 회전 속도, 압축기 회전 속도
RPM(SOLL): 설정된 압축기 회전 속도
RPM(IST): (실제) 압축기 회전 속도
ΔφMAX: 최대 위상 오차, 최대 각도 오차
T: 구동 토크, 토크
Pd: 압축 최종 압력, 압축기에 연결된 냉각 회로 또는 히트 펌프 회로에서의
고압의 시스템 압력
Ps: 압축기 흡인 압력, 냉매 팽창 기구와 증발기 유닛과 압축기 입구 사이의
영역에서의 저압의 시스템 압력
ΔP: Pd와 Ps 간의 차
φ: 회전각 α: 현재 각가속도
Δφ: 각도 오차 ΔφMAX: 최대 각도 오차 또는 위상 오차
ΔφMAX(φ): 주기적 위상 오차 곡선
Δφ(φ): 토크 곡선 또는 주기적 위상 오차 곡선

Claims (5)

  1. 주기적으로 운전점 특정 극값들 사이에서 크게 변동하는 특정의 토크 곡선을 갖는 작업 기계에 대한 전기 구동의 제어를 최적화하는 방법으로서, 전기 구동을 위해 영구 자기 로터와 스테이터 권선을 갖는 스테이터를 구비한 구동 모터가 제공되고, 스테이터 권선에 인버터를 통해 3상 교류가 공급되며, 그러한 상전류의 교정과 각속도의 교정에 의해 구동 모터의 회전 속도의 변동 및 각도 오차를 최소화하는, 작업 기계에 대한 전기 구동의 제어를 최적화 방법에 있어서,
    작업 기계에 특정된 토크 곡선에 대한 특성 다이어그램(4)을 구현하되, 그러한 특성 다이어그램(4)을 구현하는 것은
    Ⅰ 토크 곡선을 계산할 수 있게 하는 운전 부하 곡선에 대한 모델을 수립하는 단계,
    Ⅱ 전기 모터에 의해 구동되는 작업 기계의 전체의 운전 범위에 걸쳐 압축 과정으로부터 발생하는 다수의 운전점 특정 토크 곡선들로 이뤄진 토크 곡선 행렬을 수립하는 단계,
    Ⅲ 수립된 토크 곡선 행렬에 의해 운전 부하로부터 기계적 곡선 값들을 계산하는 단계,
    Ⅳ 특성 다이어그램(4)을 도출하는 단계, 및
    Ⅴ 그 특성 다이어그램(4)을 인버터의 제어 알고리즘(1)에 구현하는 단계를 포함하고,
    특성 다이어그램(4)으로부터 각각의 운전점에 대해 산출된 토크 곡선들 및 다른 곡선 값들을 기반으로 하여, 상전류에 대한 교정값 및 회전 자계의 각속도에 대한 교정값을 계산하여 처리하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 작업 기계는 압축기 흡인 압력(Ps)에 의존하는 토크 곡선들을 갖는 나선형 압축기의 형태의 압축기인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 방법 단계 Ⅲ에서의 곡선 값으로서, 수립된 토크 곡선 행렬에 의해 운전 부하로부터 기계적 곡선 값으로서의 현재 각가속도를 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 특성 다이어그램(4)의 복잡도를 감소시키기 위해, 방법 단계 Ⅲ에 뒤이은 추가의 방법 단계 Ⅲa에서 토크 곡선 행렬에 특징적이고 제어량의 계산에 이용될 수 있는 또 다른 값으로서, 작업 기계의 운전점에서의 주기적 부하 변동으로 인해 발생하는, 스테이터에 유포된 전계와 로터에 유포된 전계 사이의 최대 위상 오차(φMAX)를 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
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