KR101585770B1 - 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템 - Google Patents

매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 친환경차량 구동용으로 사용되는 IPMSM의 제어 알고리즘을 개선하여 하드웨어상의 추가 감지 장치없이 소프트웨어 알고리즘만으로 3상 IPMSM의 한 상 결상을 감지할 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 매입 영구자석 동기 전동기를 제어하도록 3상 인버터에 의하여 출력되는 3상 전류와, 주어진 토크 지령인 상기 매입 영구자석 동기 전동기의 회전 전기각에 동기하여 회전하는 dq축 좌표 상의 양인 d축 전류 및 q축 전류가 결상 검출부에 입력되고, 상기 결상 검출부는 3상 전류와 d축 전류 및 q축 전류를 비교하여 결상 발생 여부를 감지한 후, 감지 결과를 상기 인버터의 전단에 구비된 출력 선택부에 전송하며, 상기 출력 선택부는 상기 감지 결과에 따라 상기 출력 선택부의 전단에 구비된 변조부로부터 인가되는 지령 전압의 출력 여부를 결정하는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템을 개시한다.

Description

매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템{SYSTEM FOR DETECTING SINGLE PHASE OPEM FAULT OF INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명의 일 실시예는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템에 관한 것이다.
인버터를 사용하여 영구자석 동기 전동기를 벡터 제어하는 기술에 대해서는 산업계에서 넓게 사용되고 있는 기술이며, 인버터 출력 전압의 크기와 위상을 개별적으로 조작하는 것에 의해 전동기 내의 전류 벡터를 최적으로 조작하여 전동기의 토크를 고속으로 순간 제어하는 것이다.
영구자석 동기 전동기는 유도 전동기와 비교해서, 영구자석에 의한 자속이 확립되어 있기 때문에 여자 전류가 불필요한 것이나, 회전자(回轉子)에 전류가 흐르지 않기 때문에 2차 동(銅) 손실이 발생하지 않는 것 등으로 인하여 고효율의 전동기로 알려져 있어, 최근 전기차의 제어 장치로의 적용이 검토되고 있다.
영구자석 동기 전동기 중, 최근 주목을 끌고 있는 매입 자석 영구자석 동기 전동기(Interior permanent magnet synchronous machine, 이하 IPMSM라 함.)는 영구자석에 의한 자속에 의해 발생하는 토크 외에, 회전자의 자기 저항의 차이를 사용한 릴럭턴스 토크(reluctance torque)를 사용하는 것에 의해 효율적으로 토크를 얻는 것이 알려져 있다.
이러한 IPMSM의 제어 범위로는 크게 기준속도(Base speed)이하의 영역에서는 일정 토크 영역(Contant Torque Region), 기준속도 이상의 영역에서는 일정 출력 영역(Constant Power)으로 분류될 수 있다. 이때, 일정토크 영역에서는 동일한 토크를 발생하는 무수히 많은 고정자 전류 Is의 조합이 존재하므로 단위 전류당 최대의 토크를 제어할 수 있는 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 제어 방식이 사용된다. 단위 전류당 최대토크 제어(MTPA)를 위한 조합은 수학식 1과 같이 구해진다.
[수학식 1]
Figure 112014051732063-pat00001
여기서, Te는 지령 토크, P는 모터 극수, φf는 고정자 자속, Is는 고정자 전류, Lds는 고정자 d축 인덕턴스, Lqs는 고정자 q축 인덕턴스이다.
또한, β는 d축과 고정자 전류 Is가 이루는 각으로 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112014051732063-pat00002
여기서, 고정자 전류 Is와 β로 i ds r 와 i qs r 전류를 구하면 수학식 3과 같이 된다.
[수학식 3]
Figure 112014051732063-pat00003
여기서, i dso r 는 회전 좌표계의 고정자 q축 전류, i qso r 는 회전 좌표계의 고정자 d축 전류이다.
또한, 정출력 영역에서는 모터의 속도가 증가함에 따라 역기전압이 높아지므로 수학식 4와 같이 d, q축 전류는 고정자 최대 전압 Vsmax에 의해서 제한된다.
[수학식 4]
Figure 112014051732063-pat00004
여기서, ωr는 회전자의 전기 각속도, Vsmax는 고정자 최대 전압이다.
이때, 고정자 전압에 의해 제한되는 d, q축 전류는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014051732063-pat00005
이렇게 조합된 i ds r 와 i qs r 지령 전류는 실제 3상 부하 전류 i as , i bs , i cs 의 d-q변환 피드백(Feedback) 전류와 전류 제어기의 입력으로 제어하게 된다. 기존의 비례 적분 전류 제어기에서는 전류 오차를 감소시키기 위해 필요로 하는 d-q축 좌표계의 지령 전압을 생성하며 이를 좌표변환을 통해 3상 지령 전압으로 변환한다. 이러한 지령전압을 공간벡터 PWM (Space Vector PWM) 방식으로 발생하여 3상 부하에 인가함으로써 지령 전류를 추종하여 IPMSM을 제어하게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 영구자석 동기 전동기의 제어시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 영구자석 동기 전동기의 제어시스템은 IPMSM을 제어하는 일반적인 동기 좌표계 d-q축 비례 적분 전류 제어기(2)를 포함한다.
한편, 3상 인버터(4)에서 전동기(5)와 인버터(4)간 선로중 1상의 선로가 단선(Open)되어 전력이 공급되는 상태를 1상 결상이라 말하며, 3상 인버터(4) 선로가 결상되면 불평형 전류가 흐르게 되어 전동기(5) 코일의 과전류로 인한 화재는 물론, 고장 발생 상(Phase)뿐만이 아닌 다른 상의 스위칭 소자에 전압 스트레스를 가중시켜 스위칭 소자를 파손하게 되는 등의 피해를 주게 된다.
등록특허공보 제101053315호 '영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치' 등록특허공보 제10-1356864호 '매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치'
본 발명의 일 실시예는 친환경차량 구동용으로 사용되는 IPMSM의 제어 알고리즘을 개선하여 하드웨어상의 추가 감지장치없이 소프트웨어 알고리즘만으로 3상 IPMSM의 한 상 결상을 감지할 수 있는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템은 매입 영구자석 동기 전동기를 제어하도록 3상 인버터에 의하여 출력되는 3상 전류와, 주어진 토크 지령인 상기 매입 영구자석 동기 전동기의 회전 전기각에 동기하여 회전하는 dq축 좌표 상의 양인 d축 전류 및 q축 전류가 결상 검출부에 입력되고, 상기 결상 검출부는 3상 전류와 d축 전류 및 q축 전류를 비교하여 결상 발생 여부를 감지한 후, 감지 결과를 상기 인버터의 전단에 구비된 출력 선택부에 전송하며, 상기 출력 선택부는 상기 감지 결과에 따라 상기 출력 선택부의 전단에 구비된 변조부로부터 인가되는 지령 전압의 출력 여부를 결정할 수 있다.
또한, 본 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템은 상기 3상 인버터로부터 출력되는 3상 전류와 d축 전류 및 q축 전류를 출력하는 파형 출력부를 더 포함할 수 있다.
상기 결상 검출부는 3상 전류의 파형을 이용하여 결상 발생 여부를 판단할 수 있다.
상기 결상 검출부는 상기 감지 결과가 아래 수학식 9를 만족하는 경우 결상이 발생되는 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112014051732063-pat00006
여기서, ias는 실제 고정자 a상 전류, ibs는 실제 고정자 b상 전류, ics는 실제 고정자 c상 전류, ids _ ref r 는 회전 좌표계의 고정자 d축 지령전류, iqs _ ref r 는 회전 좌표계의 고정자 q축 지령 전류임.
상기 결상 검출부는 3상 전류 절대값이 상기 매입 영구자석 동기 전동기의 고정자의 지령 전류의 값보다 모두 작은 경우 결상이 발생되는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 본 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템은 상기 매입 영구자석 동기 전동기의 전류가 지령된 전류에 일치하도록 제어하는 전류 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템은 상기 토크 지령과 전류 지령을 상기 전류 제어부에 제공하는 토크 지령부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템은 IPMSM용 인버터의 결상 보호 알고리즘을 통해 하드웨어 추가장치를 이용한 결상이 아닌 기존의 인버터 시스템에서 소프트웨어 상의 알고리즘 추가 만으로 결상을 감지하여 제작 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 기존의 IPMSM의 제어에 비해 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크를 동시에 사용하면서 복잡한 제어 알고리즘 구조를 가지는 IPMSM의 토크 제어 중에 결상을 감지하여 장치를 보호할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 빠른 결상 고장 검출 응답성을 보여 친환경 차량 구동용 전동기 제어 알고리즘으로서의 신뢰성을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 영구자석 동기 전동기의 제어시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템을 포함하는 제어 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 3상 중 하나의 상이 결상 상태일 때의 전류 흐름을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 3상 중 하나의 상이 결상 상태일 때의 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 매입 영구자석 동기 전동기의 결상전 절대값을 취한 정상상태의 3상 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 7은 매입 영구자석 동기 전동기의 결상전후의 3상 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 3상의 결상 실험을 나타내는 도면이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템을 포함하는 제어 시스템을 나타내는 도면이고, 도 3a 내지 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 3상 중 하나의 상이 결상 상태일 때의 전류 흐름을 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 3상 중 하나의 상이 결상 상태일 때의 전류 파형을 나타내는 도면이고, 도 5는 매입 영구자석 동기 전동기의 결상전 절대값을 취한 정상상태의 3상 전류 파형을 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 동작을 나타내는 순서도이고, 도 7은 매입 영구자석 동기 전동기의 결상전후의 3상 전류 파형을 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템의 3상의 결상 실험을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템은 기존의 매입 영구자석 동기 전동기의 제어 시스템에 결상 검출부(Phase-Current Open Detector, 25)와 출력 선택부(Selector, 60)를 더 구비하여 3상 IPMSM(50)의 한 상 결상을 감지하는 시스템으로서, 매입 영구자석 동기 전동기(50)를 제어하도록 3상 인버터(40)에 의하여 출력되는 3상 전류와, 주어진 토크 지령인 매입 영구자석 동기 전동기(50)의 회전 전기각에 동기하여 회전하는 dq축 좌표 상의 양인 d축 전류 및 q축 전류가 결상 검출부(25)에 입력되고, 결상 검출부(25)는 3상 전류와 d축 전류 및 q축 전류를 비교하여 결상 발생 여부를 감지한 후, 감지 결과를 인버터(40)의 전단에 구비된 출력 선택부(60)에 전송하며, 출력 선택부(60)는 결상 검출부(25)의 감지 결과에 따라 출력 선택부(60)의 전단에 구비된 변조부(Space Vector PWM, 30)로부터 인가되는 지령 전압의 출력 여부를 결정한다.
상기 결상 검출부(25)는 3상 전류의 파형을 이용하여 결상 발생 여부를 판단할 수 있다. 즉, 상기 결상 검출부(25)는 감지 결과가 수학식 9를 만족하는 경우 결상이 발생되는 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112014051732063-pat00007
여기서, ias는 실제 고정자 a상 전류, ibs는 실제 고정자 b상 전류, ics는 실제 고정자 c상 전류, ids_ref r 는 회전 좌표계의 고정자 d축 지령전류, iqs_ref r 는 회전 좌표계의 고정자 q축 지령 전류이다.
즉, 상기 결상 검출부(25)는 수학식 9에서와 같이 3상 전류의 절대값이 매입 영구자석 동기 전동기(50)의 고정자의 지령 전류의 값보다 작은 경우 결상이 발생되는 것으로 판단할 수 있다.
또한, 본 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템은 매입 영구자석 동기 전동기(50)의 전류가 지령된 전류에 일치하도록 제어하는 전류 제어부(Current Controller, 20)와, 토크 지령과 전류 지령을 전류 제어부(20)에 제공하는 토크 지령부(MTPA/Field Weakening Controller, 10)와, 3상 인버터(40)로부터 출력되는 3상 전류와 d축 전류 및 q축 전류를 출력하는 파형 출력부(미도시)를 더 포함한다. 이때, 상기 전류 제어부(20)는 결상 검출부(25)를 포함하여 구성될 수 있다.
이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템에 대한 동작을 구체적으로 설명하기로 한다.
우선, 3상 전동기의 IPMSM의 토크제어는 실제 3상 부하 전류 i as , i bs , i cs 를 이용한 피드백 순시 토크 벡터 제어로서, 알고리즘을 이용한 고장 검출의 경우, 고장 전의 3상 부하 전류와 고장 후의 3상 부하 전류, 그리고 실제 벡터 제어시의 지령 d-q전류 파형에 대해 분석할 필요가 있다.
정상 상태의 인버터 출력 전류 파형은 3상 평형 관계를 가지는 전류 파형으로 표현될 수 있다. 시간에 따라 달라지는 3상 교류 전동기의 순시 토크를 직류 전동기처럼 쉽게 제어하기 위해 공지의 d-q 변환을 통해 3상 전류를 회전 좌표계의 d-q 전류로 변환하여 제어하게 된다. 이는 먼저 3상 좌표계에서 정지 좌표계의 d와 q축 전류로의 변환식으로 변환해야 하며 다음과 같다.
[수학식 6]
Figure 112014051732063-pat00008
또한, 정지 좌표계에서 회전 좌표계로의 d-q 전류 변환은 다음과 같이 수식화 할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112014051732063-pat00009
도 3a 내지 3b에서와 같이, 3상 인버터의 출력 3상중 1상(예를 들면, a상)이 결상되는 경우 인버터 시스템에서의 메인 전류 흐름은 1상 결상시 a상 전류부의 회로는 모두 오픈(Open)되므로 전류가 흐르지 않고, 전력 소자 스위치인 Sb, Sc가 각각 1에서 0 또는 0에서 1로 스위칭함에 따라 전류의 흐름을 그림2와 같이 도식화할 수 있다. 도 3a는 Sb =1, Sc=0인 경우이고, 도 3b는 Sb =0, Sc =1인 경우의 전류 흐름이다.
따라서, b, c상의 전류는 전류 경로에 따라 180도 위상차를 가진다. 1상이 결상된 이후에도 인버터에서는 각상을 120도의 전기각 간격으로 스위칭을 진행하므로 오픈된 한 상을 제외한 나머지 2상의 공간벡터 PWM(SVPWM)의 스위칭은 다음 표 1과 같이 도식화 할 수 있다.
스위치 상태 상전압
Sa Sb Sc Vbs Vcs
0 0 0 0 0
0 0 1 -Vdc/2 Vdc/2
0 1 0 Vdc/2 -Vdc/2
0 1 1 0 0
1 0 0 0 0
1 0 1 -Vdc/2 Vdc/2
1 1 0 Vdc/2 -Vdc/2
1 1 1 0 0
한편, 한 상 결상시 인버터의 제어 전류수식은 정상적인 d-q 변환을 적용할 수 없다. 이는 한 상이 결상이 되어 전동기의 누설 자속을 포함한 자속 분포가 불평형적으로 변동되는 조건에서는 일반적인 d-q 변환을 적용할 수 없기 때문이다. 따라서, 정상적인 d-q 변환 기법으로 b, c 상 전류를 계산할 수 없으며, 이를 기존 d-q 변환에 의해 도식화하면 틀리게 된다.
본 발명에서는 선행 시뮬레이션, 실험을 통한 해석이나 새로운 d-q 변환 모델의 제시 없이 결상 감지가 가능하다. 도 3a 및 3b에서와 같이, 한 상 결상시 a상 전류가 0이 되어 나머지 2상의 전류 패스(Path)가 같이 180도 위상차를 가지도록 형성되기 때문에, 결상 후의 파형은 도 4에서와 같이 전류가 교차하여 흐르는 전류로 도통된다. 따라서, 한 주기 안에서 b, c상 전류가 동시에 0의 순시치를 가지는 위상이 존재하게 된다.
종래의 IPMSM의 일반적인 제어 이론은 결상을 감지할 수 있는 알고리즘이 포함되어 있지 않은 반면에, 본 발명에서는 결상 보호 알고리즘이 포함된 결상 방지 시스템이 도 2에 같이 구성된다.
보다 구체적으로는, 본 결상 보호 알고리즘은 토크 지령부(MTPA, Field Weakening)에 의한 제어 속도 영역 및 토크지령에 따른 출력 지령 전류 i ds r 와 i qs r 와 실제 3상 부하 전류 i as , i bs , i cs 를 입력으로 받아 이를 비교하여 결상이 발생하였는지 감지하며, 변조기(PWM) 이후 인가되는 지령 전압의 출력 여부를 결정하도록 구성되어 있다.
이때, IPMSM의 제어는 3상 전류 제어 중 1상이 결상이 되어 0이 되면서 제어되는 출력 상 전류가 변화한다. 그러므로, 도 5와 같은 절대값을 취한 결상전 정상상태의 3상 전류와의 비교를 통해 판별할 수 있다.
즉, 도 5에서와 같이 전체 주기 중에 최소한 1상의 전류는 정상 상태에서
Figure 112014051732063-pat00010
보다 항상 크다. 또한, 상술한 바와 같이 1상이 결상되면 3상 전류값이 모두
Figure 112014051732063-pat00011
보다 작아지면서 0점에서 교차하는 지점이 발생하기 때문에 이를 비교하여 결상 유무를 빠르게 판별할 수 있다.
이때, 최대 전류값인 i abcs _ max 는 고정자 지령 전류 i s 의 크기와 같으며, 이는 기존 d-q 변환 기법에 의해 알 수 있다.
이를 이용하여 판별식으로 나타내면 다음과 같다.
[수학식 9]
Figure 112014051732063-pat00012
여기서, ias는 실제 고정자 a상 전류, ibs는 실제 고정자 b상 전류, ics는 실제 고정자 c상 전류, ids_ref r 는 회전 좌표계의 고정자 d축 지령전류, iqs_ref r 는 회전 좌표계의 고정자 q축 지령 전류이다.
이에 따라, 본 발명에서는 3상 부하 전류 모두가 수학식 9를 만족하게 되면, 3상 부하 전류가 변화되는 결상이 발생했음을 판별할 수 있다. 이때, 실제 시스템에서 구현시 전류센서 오프셋 오차, 전류 센싱 노이즈, 샘플링 오차등이 발생하므로 이를 고려하여 α의 각 시스템에 맞는 알파값의 보정값 선정이 필요하다.
본 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템에서 구현한 결상 알고리즘 및 제어 인버터럽트 구조를 순서도로 표현하면 도 6과 같다. 즉, 본 발명에서의 결상 방지 알고리즘은 정상 상태에서의 제어 지령 및 제어 인터럽트 주기(100usec 반복) 안에서의 전류 샘플링 시기가 고려되야 하므로 실제적인 제어 루프(Loop) 구현이 중요하다. 이를 도 6에서와 같이 결상 제어 알고리즘을 제어지령 및 샘플링이 안정화되는 최적의 위치에 포함시켜 구현하였다.
도시되어 있지는 않지만, 본 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템을 포함하는 다이나모 시스템을 구성하여 검증 실험을 진행하였고, 또한 마그넷 스위치(Magnet switch)를 이용하여 1상 결상을 재현하였다. 실험은 실제 다이나모 시스템에서 IPMSM의 3상 U, V, W 결선을 번갈아가며 단선시켜 결상을 진행하였으며, 출력 전류를 오실로스코프를 이용하여 측정함으로서 이를 확인하였다. 또한, 정격속도 구간에서 정격 토크 및 정격토크의 50%, 150%의 다양한 토크제어를 통해 고장을 검출하여 PWM 차단을 확인하는 시험을 수행하였다.
도 7은 결상 제어 알고리즘 없이 U상을 단선시킴으로서 결상을 재현한 3상 전류 파형이다. 도 7에 도시된 바와 같이, U상이 결상되면서 전류가 0이 되고 위상차 180도를 가지는 V, W상, 전류가 지령 토크를 구현하기 위해 전류가 점차 증가되면서 전류 제한치에 도달하여 결상 발생후 약 300msec의 시간 후 오류(Fault)가 발생 되었음을 알 수 있다.
도 8은 결상 보호 알고리즘을 포함한 결상 재현 실험이다. 실험에 사용된 IPMSM의 정격속도인 3,000rpm에서 정격의 150%인 27.67Nm의 토크 제어중인 IPMSM 전동기의 3상 선로중 한상을 각각 결상시켰다. 결상 상전류가 0이 되고, 나머지 2상의 전류가 결상 알고리즘에 의해 판별되면서 오류(fault)가 발생하며, 전류제어가 정지됨을 알 수 있다. 본 결상 보호 알고리즘을 통하여 결상 발생 후 평균 1.02msec의 응답속도를 결과로 획득하였으며, 이는 알고리즘없는 시스템의 응답속도인 300msec및 하드웨어 추가장치(과전류 계전기, 전자식 모터 보호 계전기)의 수초의 평균 응답속도보다 현저히 감소 하였음을 알 수 있다. 같은 방법으로 결상 및 지령 토크를 달리 하여 결상 제어 알고리즘을 검증하는 시험을 추가 수행하였고 이를 [표 2]로서 표기하였다. 이때, 수행된 실험은 모두 결상을 감지하고 오류(fault)를 발생시켜 전류 제어를 정지하는 동작을 수행하여 친환경차량 구동용 IPMSM의 알고리즘으로서의 신뢰성을 확보하였다.
[표 2]
Figure 112014051732063-pat00013

따라서, 상기와 같이 친환경차량 구동용 전동기의 결상 검출, 보호 시험에서 100% 결상을 감지하여 고안한 알고리즘의 동작 안전성을 확인하였다. 또한, 평균 1.02msec의 시간 안에 결상을 감지함으로써 본 결상 방지 알고리즘이 미포함된 전류 제어 정지시간인 300msec보다 빠른 결상 고장 검출 응답성을 보여 친환경차량 구동용 전동기 제어 알고리즘으로서의 신뢰성을 확보하였다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 토크 지령부 20: 전류 제어부
25: 결상 검출부 30: 변조부
40: 3상 인버터 50: 매입 영구자석 동기 전동기
60: 출력 선택부

Claims (7)

  1. 매입 영구자석 동기 전동기를 제어하도록 3상 인버터에 의하여 출력되는 3상 전류와, 주어진 토크 지령인 상기 매입 영구자석 동기 전동기의 회전 전기각에 동기하여 회전하는 dq축 좌표 상의 양인 d축 전류 및 q축 전류가 결상 검출부에 입력되고,
    상기 결상 검출부는 3상 전류와 d축 전류 및 q축 전류의 감지 결과가 아래 수학식 9를 만족하는 경우 결상이 발생되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템.
    [수학식 9]
    Figure 112015072664612-pat00024

    여기서, ias는 실제 고정자 a상 전류, ibs는 실제 고정자 b상 전류, ics는 실제 고정자 c상 전류, ids_refr 는 회전 좌표계의 고정자 d축 지령전류, iqs_ref r 는 회전 좌표계의 고정자 q축 지령 전류임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3상 인버터로부터 출력되는 3상 전류와 d축 전류 및 q축 전류를 출력하는 파형 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 결상 검출부는 3상 전류의 파형을 이용하여 결상 발생 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터의 전단에 구비된 출력 선택부를 더 포함하고, 상기 결상 검출부는 상기 감지결과를 상기 출력 선택부에 전송하고, 상기 출력 선택부는 상기 감지 결과에 따라 상기 출력 선택부의 전단에 구비된 변조부로부터 인가되는 지령 전압의 출력 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 단상 결상 고장 검출 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 결상 검출부는 3상 전류 중 적어도 하나의 상의 절대값이 상기 매입 영구자석 동기 전동기의 고정자의 지령 전류의 값보다 작은 경우 결상이 발생되는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 매입 영구자석 동기 전동기의 전류가 지령된 전류에 일치하도록 제어하는 전류 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 토크 지령과 전류 지령을 상기 전류 제어부에 제공하는 토크 지령부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 매입 영구자석 동기 전동기의 단상 결상 고장 검출 시스템.
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