KR101601964B1 - 영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치는 초기 설정 전류 또는 추정 자속량에 대응하는 전류에 따라 전동기를 구동하기 위한 제어 전류를 생성하는 전류 제어부, 전류 제어부의 제어 전류에 따라 전동기를 구동하는 전동기 구동부; 전동기의 구동 전압 및 전류를 측정하는 측정부, 및 전동기를 초기 설정 전류 또는 추정 자속량에 대응하는 전류로 예비 구동하여, 예비 구동시 측정된 전류, 및 측정된 전압에 따른 전동기의 전압 모델에 기반하여 전동기의 자속량을 추정하고, 추정 자속량이 오차범위 내가 되도록 전동기의 착자 또는 감자 전류를 적응적으로 제어하는 자속량 추정부를 포함한다.

Description

영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법{Device and method for controlling permanent magnet motor}
본 발명은 영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 가변자속 전동기의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 영구자석 전동기는 속도제어 모드나 토크제어 모드로 동작하며, 응용분야 따라서는 속도 및 토크를 모두 제어하는 방식을 이용할 수 있고, 이 경우, 동작 모드에 따라 영구자속의 자속량을 가변시킬 수 있는 가변자속 영구자석 전동기가 사용되고 있다.
이와 같은 가변자속 영구자석 전동기는 착자 및 감자에 의해 전동기의 자속량을 가변시킨다. 예를 들면, 가변자속 영구자석 전동기의 대표적인 응용분야인 세탁기의 경우, 탈수시 고속 회전과 저 토크가 필요하고, 세탁시에는 저속 회전과 고 토크가 필요하게 되기 때문에, 영구자석의 착자량 또는 감자량을 변화시킴으로써 전동기의 자속량을 가변시킨다.
한편, 종래의 영구자석 전동기는 속도 또는 토크를 선택적으로 제어할 수 있도록 자속량을 가변시키기 위해서 자속량 자체를 제어하는 것이 매우 곤란하기 때문에 대부분 착자 또는 감자 전류 제어를 이용하고 있다.
그러나, 이러한 착자 또는 감자 전류 제어만으로는 정확하게 전동기의 자속량을 제어할 수 없을 뿐만 아니라, 특히, 제어에 활용되는 착자 및 감자 전류는 초기 설정되거나 고정 값을 갖기 때문에 기기의 노후 등 환경 변화에 적응적으로 제어하지 못하는 문제점이 있다.
KR 10-1230164 B
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시예는 전동기의 착자 또는 감자 동작시 설정 자속량과 실제 측정 전류를 이용한 수학적 모델링을 통하여 얻어진 자속량에 기반하여 오차범위 내에서 정확한 자속량을 제어할 수 있는 영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 초기 설정 전류 또는 추정 자속량에 대응하는 전류에 따라 전동기를 구동하기 위한 제어 전류를 생성하는 전류 제어부; 상기 전류 제어부의 제어 전류에 따라 상기 전동기를 구동하는 전동기 구동부; 상기 전동기의 구동 전압 및 전류를 측정하는 측정부; 및 상기 전동기를 상기 초기 설정 전류 또는 추정 자속량에 대응하는 전류로 예비 구동하여, 상기 예비 구동시 측정된 전류, 및 측정된 전압에 따른 상기 전동기의 전압 모델에 기반하여 상기 전동기의 자속량을 추정하고, 상기 추정 자속량이 오차범위 내가 되도록 상기 전동기의 착자 또는 감자 전류를 적응적으로 제어하는 자속량 추정부를 포함하는 영구자석 전동기의 제어 장치가 제공된다.
일 실시예에서, 상기 자속량 추정부는 상기 예비 구동에 의해 상기 전동기의 전압 모델에 따른 q축 전류를 산출하는 전동기 모델 전류 산출부; 및 상기 산출된 q축 전류 및 상기 측정된 전류에 기반하여 상기 전류들의 차이가 최소가 되도록 적응적으로 자속량을 산출하는 자속량 산출부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전동기 모델 산출부는 하기의 식에 따라 상기 q축 전류를 산출하고,
Figure 112014060723513-pat00001
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, TSW는 스위칭 간격, Lq는 q축 인덕턴스, Vq *는 q축 전압, Rs는 상저항, ωe는 전기적 각속도,
Figure 112014060723513-pat00002
은 추정 자속량인, Ld는 d축 인덕턴스, Id는 d축 전류일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자속량 산출부는 하기의 식에 따라 상기 추정 자속량을 산출하고,
Figure 112014060723513-pat00003
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, Iq M은 상기 산출된 q축 전류, ke는 자속량의 추정 이득, fSW는 스위칭 주파수(1/TSW)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자속량 추정부는 상기 산출된 자속량이 오차범위를 벗어난 경우, 상기 전류 제어부가 적어도 3회 이상의 착자 또는 감자 전류를 발생하도록 제어하고, 상기 산출된 자속량이 오차범위 내인 경우, 해당 자속량에 대응하는 전류로 상기 전동기를 구동하도록 상기 전류 제어부를 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 예비 구동은 적어도 10 주기 이상의 사인파 형태의 전류로 구동할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 초기 전류를 설정하고, 설정된 초기 전류를 전동기로 인가하는 단계; 상기 전동기의 전류 및 전압을 측정하여 상기 측정된 전류, 및 측정된 전압에 따른 상기 전동기의 전압 모델에 기반하여 상기 전동기의 자속량을 추정하고, 상기 추정 자속량이 오차범위 내가 되도록 상기 전동기의 착자 또는 감자 전류를 적응적으로 제어하는 자속량 추정 단계; 및 상기 추정된 자속량에 대응하는 전류에 따라 상기 전동기를 구동하는 전동기 구동 단계를 포함하는 영구자석 전동기의 제어 방법이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 자속량 추정 단계는 상기 설정된 착자 전류 또는 감자 전류에 따라 상기 전동기를 정격 회전수로 예비 구동하는 단계; 상기 예비 구동에 의해 상기 전동기의 전압 모델에 따른 q축 전류를 산출하고, 상기 산출된 q축 전류 및 상기 측정된 전류에 기반하여 상기 전류들의 차이가 최소가 되도록 적응적으로 자속량을 산출하는 단계; 상기 산출된 자속량이 오차 범위 내인지를 판별하는 단계; 및 상기 판별 결과에 따라 감자 전류 또는 착자 전류를 추가로 인가하여 자속량을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자속량을 산출하는 단계는 하기의 식에 따라 상기 q축 전류를 산출하고,
Figure 112014060723513-pat00004
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, TSW는 스위칭 간격, Lq는 q축 인덕턴스, Vq *는 q축 전압, Rs는 상저항, ωe는 전기적 각속도,
Figure 112014060723513-pat00005
은 추정 자속량인, Ld는 d축 인덕턴스, Id는 d축 전류일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자속량을 산출하는 단계는 하기의 식에 따라 상기 추정 자속량을 산출하고,
Figure 112014060723513-pat00006
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, Iq M은 상기 산출된 q축 전류, ke는 자속량의 추정 이득, fSW는 스위칭 주파수(1/TSW)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 예비 구동하는 단계는 적어도 10 주기의 사인파 형태의 전류로 구동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법은 실측된 전동기의 전류를 기반으로 한 전동기 모델에 의해 자속량을 효과적으로 제어할 수 있고, 따라서, 영구자석 전동기의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치 및 방법은 추정된 자속량을 제어하기 때문에, 전동기의 노후 등 환경이 변화에 따라서도 적응적으로 최적의 자속량을 산출할 수 있고, 따라서, 환경과 무관하게 전동기의 효율을 최적 상태로 유지시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 자속량 추정부의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치의 저속 모드 동작을 설명하기 위한 전류 파형도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치의 고속 모드 동작을 설명하기 위한 전류 파형도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 순서도 이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 저속 모드 동작을 나타낸 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 고속 모드 동작을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치의 블록도이다. 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치(100)는 설정부(110), 전류 제어부(120), 자속량 추정부(130), 전동기 구동부(140), 측정부(150), 및 전동기(160)를 포함한다.
설정부(110)는 전동기(160)의 자속량을 가변시키기 위한 착자 또는 감자 전류의 설정값 또는 초기값이 저장되며, 사용자의 선택에 따라 전동기(160)의 동작 모드가 선택된다. 예를 들면, 설정부(110)는 전동기(160)에 착자가 필요한 저속 고토크 동작에 대하여 감자 전류(I1)를 0으로, 착자 전류(I2)를 제 1 설정값(I20)으로 설정하고, 감자가 필요한 고속 저토크 동작에 대하여 감자 전류(I3)를 제 2 설정값(I30)으로, 감자 전류(I4)를 0으로 설정할 수 있다.
전류 제어부(120)는 초기 설정 전류 또는 추정 자속량에 대응하는 전류에 따라 전동기(160)를 구동하기 위한 제어 전류를 생성한다. 예를 들면, 전류 제어부(120)는 초기 동작시 선택된 동작에 따라 초기 설정된 제 1 설정값을 갖는 착자 전류를 생성하거나, 초기 설정된 제 2 설정값을 갖는 감자 전류를 생성할 수 있다. 또한, 전류 제어부(120)는 후술하는 바와 같은 자속량 추정에 따른 예비 구동시 추정된 자속량에 대응하는 감자 전류 또는 착자 전류를 생성할 수 있다.
자속량 추정부(130)는 전동기(160)를 초기 설정 전류로 예비 구동하거나, 추정된 자속량에 대응하는 감자 전류 또는 착자 전류에 의해 예비 구동할 수 있다. 여기서, 상기와 같은 예비 구동은 충분한 착자 및 감자를 위해 적어도 10 주기 이상의 사인파 형태의 전류로 구동할 수 있다.
또한, 자속량 추정부(130)는 예비 구동시 전동기(160)로부터 측정된 전류, 및 측정된 전압에 따른 전동기(160)의 전압 모델에 기반하여 전동기(160)의 자속량을 추정하고, 추정 자속량이 오차범위 내가 되도록 전동기(160)의 착자 또는 감자 전류를 적응적으로 제어할 수 있다.
이하, 도면을 달리하여 자속량 추정부(130)에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 자속량 추정부의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 자속량 추정부(130)는 전동기 모델 전류 산출부(132), 감산기(134), 및 자속량 산출부(136)를 포함한다.
전동기 모델 전류 산출부(132)는 예비 구동에 의해 전동기(160)의 전압 모델에 따른 q축 전류를 산출할 수 있다. 여기서, 전동기(160)의 q축 전압에 대한 수학적 모델을 아래와 같이 정의할 수 있고,
Figure 112014060723513-pat00007
여기서, Vq는 q축 전압, Lq는 q축 인덕턴스, iq는 q축 전류, Rs는 상저항, id 는 d축 전류, ωe는 전기적 각속도,
Figure 112014060723513-pat00008
은 추정 자속량, Ld는 d축 인덕턴스일 수 있다.
상기 식을 이용하면, 전동기(160)의 q축 전압 방정식은 매개변수 추정 알고리즘을 기반으로 다음과 같은 이산식으로 변형할 수 있다.
Figure 112014060723513-pat00009
여기서,
Figure 112014060723513-pat00010
은 시간에 대한 모델링된 q축 전류 변화량을 스위칭 간격(TSW)으로 계측한 것이며,
Figure 112014060723513-pat00011
은 추정 자속량이다.
상기의 이산식을 이용하면, 전동기(160)의 q축 전류의 증분형 이산식은 다음과 같다.
Figure 112014060723513-pat00012
즉, 자속량 산출부(136)는 상기의 q축 전류의 증분형 이산식에 따라 전동기(160)의 q축 전류를 산출할 수 있다.
감산기(134)는 전동기(160)의 예비 구동시 측정된 q축 전류와 상기의 q축 전류의 이산식에 따라 산출된 q축 전류를 감산한다. 즉, 감산기(134)는 측정된 q축 전류와 산출된 q축 전류의 차이를 연산한다.
자속량 산출부(136)는 상기 전류의 이산식으로부터 산출된 q축 전류 및 예비 구동시 측정된 전류에 기반하여 전류들의 차이, 즉, 감산기(134)의 결과가 최소가 되도록 적응적으로 자속량을 산출할 수 있다. 일 실시예에서, 자속량 산출부(136)는 하기의 식에 따라 추정 자속량을 산출하고,
Figure 112014060723513-pat00013
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, Iq M은 상기 산출된 q축 전류, ke는 자속량의 추정 이득, fSW는 스위칭 주파수(1/TSW)일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 자속량 산출부(136)는 전동기(160)로부터 실측된 전류와 전동기 모델에 의해 산출된 전류의 차에 대응하는 자속량을 산출하며, 산출된 자속량이 오차 범위 내인지를 판단하여, 오차범위를 벗어난 경우, 자속량을 오차 범위 내가 되도록 증가 또는 감소시키기 위해, 적응 알고리즘에 따라 추가적인 착자 또는 감자 전류를 전동기(160)로 인가하도록 전류 제어부(120)가 적어도 3회 이상의 대응하는 착자 또는 감자 전류를 발생하도록 제어할 수 있다. 또한, 자속량 산출부(136)는 산출된 자속량이 오차범위 내라고 판단한 경우, 해당 산출된 자속량에 대응하는 전류로 전동기를 구동하도록 전류 제어부(120)를 제어할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 전동기 구동부(140)는 전류 제어부(120)의 제어 전류에 따라 전동기(160)를 구동할 수 있다. 예를 들면, 전동기 구동부(140)는 전류 제어부(120)의 전류에 따른 3상 교류 전압을 생성하여 전동기(160)로 인가할 수 있다.
측정부(150)는 전동기(160)의 각 상에 흐르는 구동 전류 및 그에 대응하는 구동 전압을 측정한다. 예를 들면, 측정부(150)는 전동기 구동부(140)와 전동기(160) 사이의 상전류 및 그에 대응하는 구동 전압을 측정할 수 있다.
전동기(160)는 영구자석 전동기로서, 고정자와 그 외곽에 설치된 회전자를 포함하고, 고정자는 고정자 코어 및 고정자 권선을 포함하며, 회전자는 회전자 코어와 복수의 영구자석이 몰드 수지에 의해 일체로 구성될 수 있다. 이러한 전동기(160)는 전동기 구동부(140)로부터 3상 교류 전압이 고정자 권선에 인가됨에 따라 구동할 수 있다.
이와 같이 구성된 자속량 추정부(130)는 동작을 도면을 달리하여 더 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치의 저속 모드 동작을 설명하기 위한 전류 파형도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치의 고속 모드 동작을 설명하기 위한 전류 파형도이다.
도 3을 참조하면, 저속 모드 동작시, 설정부(110)에 설정된 착자 전류(I1)가 적어도 10 주기 이상의 사인파 형태로 인가되어 전동기(160)가 예비 구동되고, 자속량 추정부(130)가 자속량을 추정하여 자속량이 오차범위 내인지를 판단한다. 자속량 추정부(130)가 자속량이 오차 범위 내에서 벗어나고, 도 3(a)와 같이, 적정 착자 자속량에 미달한다고 판단한 경우에는 자속량을 증가시키기 위해 일정 단위의 추가 착자 전류(ΔI2)를 인가하여 자속량이 오차범위 내가 될 때까지 상기와 같은 자속량 추정 및 적정 판단을 반복적으로 수행한다. 또한, 자속량 추정부(130)가 자속량이 오차 범위 내에서 벗어나고, 도 3(b)와 같이, 적정 착자 자속량을 초과한다고 판단한 경우에는 자속량을 감소시키기 위해 일정 단위의 추가 감자 전류(ΔI1)를 인가하여 자속량이 오차범위 내가 될 때까지 상기와 같은 자속량 추정 및 적정 판단을 반복적으로 수행한다. 이와 같이, 추정된 자속량에 따라 추가의 착자 또는 감자 제어가 수행되어 자속량이 오차범위 내가 되면, 추정 자속에 대응하는 제어 전류에 따라 전동기(160)의 정상적인 구동이 개시된다.
유사하게, 도 4를 참조하면, 고속 모드 동작시, 설정부(110)에 설정된 감자 전류(I3)가 적어도 10 주기 이상의 사인파 형태로 인가되어 전동기(160)가 예비 구동되고, 자속량 추정부(130)가 자속량을 추정하여 자속량이 오차범위 내인지를 판단한다. 자속량 추정부(130)가 자속량이 오차 범위 내에서 벗어나고, 도 4(a)와 같이, 자속량이 적정 감자 자속량에 미달한다고 판단한 경우에는 자속량을 감소시키기 위해 일정 단위의 추가 감자 전류(ΔI3)를 인가하여 자속량이 오차범위 내가 될 때까지 상기와 같은 자속량 추정 및 적정 판단을 반복적으로 수행한다. 또한, 자속량 추정부(130)가 자속량이 오차 범위 내에서 벗어나고, 도 4(b)와 같이, 적정 감자 자속량을 초과한다고 판단한 경우에는 자속량을 증가시키기 위해 일정 단위의 추가 착자 전류(ΔI4)를 인가하여 자속량이 오차범위 내가 될 때까지 상기와 같은 자속량 추정 및 적정 판단을 반복적으로 수행한다. 이와 같이, 추정된 자속량에 따라 추가의 착자 또는 감자 제어가 수행되어 자속량이 오차범위 내가 되면, 추정 자속량에 대응하는 제어 전류에 따라 전동기(160)의 정상적인 구동이 개시된다.
이와 같은 구성에 의해, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치는 실측된 전동기의 전류를 기반으로 한 전동기 모델에 의해 자속량을 효과적으로 제어할 수 있고, 따라서, 영구자석 전동기의 효율을 향상시킬 수 있으며, 추정된 자속량을 제어하기 때문에, 전동기의 노후 등 환경이 변화에 따라서도 적응적으로 최적의 자속량을 산출할 수 있고, 따라서, 환경과 무관하게 전동기의 효율을 최적 상태로 유지시킬 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예의 영구자석 전동기의 제어 방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 순서도 이다.
영구자석 전동기의 제어 방법(500)은 전동기를 구동하기 위한 초기 전류 설정 또는 초기화하는 단계(단계 S501), 설정된 전류를 전동기(160)에 인가하는 단계(단계 S502), 인가된 전류에 따라 전동기(160)를 정격 회전수로 예비 구동하여 최적 자속량을 추정하는 단계(단계 S503), 및 추정된 자속량에 대응하는 전류로 전동기(160)를 구동하는 단계(단계 S504)로 구성된다.
보다 상세히 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 전동기(160)의 자속량을 가변시키기 위한 착자 또는 감자 전류에 대한 초기 전류가 설정되거나 초기화될 수 있다(단계 S501). 이는, 예를 들면, 영구자석 전동기의 제어 장치(100) 내부에 저장된 초기값 또는 설정값으로 전동기(160)의 동작 모드를 사용자의 선택에 따라 결정하는 것으로, 예를 들면, 전동기(160)에 착자가 필요한 저속 고토크 동작에 대하여 감자 전류(I1)를 0으로, 착자 전류(I2)를 제 1 설정값(I20)으로 설정하고, 감자가 필요한 고속 저토크 동작에 대하여 감자 전류(I3)를 제 2 설정값(I30)으로, 감자 전류(I4)를 0으로 설정할 수 있다.
다음으로, 설정되거나 초기화된 전류를 전동기(160)에 인가하여 전동기(160)를 정격 회전수로 예비 구동한 후(단계 S502), 전동기(160)의 전류 및 전압을 측정하여 전동기(160)의 측정된 전류, 및 측정된 전압에 따른 전동기의 전압 모델에 기반하여 전동기(160)의 자속량을 추정할 수 있다(단계 S503). 이 때, 추정 자속량이 오차 범위 내가 될 때까지 전동기(160)의 착자 또는 감자 전류를 적응적으로 반복 제어할 수 있다.
다음으로, 이와 같이 추정된 자속량에 대응하는 착자 또는 감자 전류에 따라 전동기(160)를 구동할 수 있다.
이하, 도면을 달리하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 저속 모드 동작을 더 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 저속 모드 동작을 나타낸 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 저속 모드 동작방법(600)은 먼저, 자속 모드 동작에 대한 초기화 및 설정이 수행될 수 있다(단계 S601). 예를 들면, 착자 전류(I2)가 제 1 설정값(I20)으로 설정되고, 감자 전류(I1)는 0으로 설정될 수 있다.
다음으로, 설정된 착자 전류가 전동기(160)에 인가되면(단계 S602), 제 1 설정값의 착자 전류(I2)에 의해 전동기(160)가 정격 회전수로 예비 구동할 수 있다(단계 S603). 이때, 전동기(160)의 회전자의 N극을 U 상에 정렬후 착자를 위해 U 상 전류를 +로, V상 및 W 상을 -로 제어하며, 충분한 착자를 위하여 적어도 10 주기 이상의 사인파 형태의 전류 제어가 이루어진다.
다음으로, 예비 구동된 전동기(160)의 전압 및 전류를 측정하고, 전동기의 전압 모델에 따라 q축 전류를 산출하며, 산출된 q축 전류 및 측정된 전류에 기반하여 자속량을 산출할 수 있다(단계 S604).
이 때, 하기의 식과 같은 수학적 모델에 따라 q축 전류를 산출할 수 있고,
Figure 112014060723513-pat00014
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, TSW는 스위칭 간격, Lq는 q축 인덕턴스, Vq *는 q축 전압, Rs는 상저항, ωe는 전기적 각속도,
Figure 112014060723513-pat00015
은 추정 자속량, Ld는 d축 인덕턴스, Id는 d축 전류일 수 있다.
다음으로, 하기의 식과 같은 수학적 모델에 따라 추정 자속량을 산출할 수 있고,
Figure 112014060723513-pat00016
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, Iq M은 상기 산출된 q축 전류, ke는 자속량의 추정 이득, fSW는 스위칭 주파수(1/TSW)일 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 산출된 자속량이 오차 범위 내인지를 판별하여(단계 S605), 오차 범위에 미달한다고 판단한 경우, 즉, 전동기(160)의 착자 자속량이 부족하다고 판단한 경우에는, 착자 자속량을 증가시키기 위해 일정 단위의 추가의 착자 전류(ΔI2)를 전동기(160)로 인가한 후(단계 S606), 단계 S603으로 복귀하여, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 추가의 착자 전류(ΔI2)에 따라 전동기(160)를 정격 회전수 구동후 단계 S604 및 605의 자속량 산출 및 오차범위 판별을 수행한다.
단계 S605의 판단 결과, 산출된 자속량이 오차 범위를 초과한다고 판단한 경우, 즉, 전동기(160)의 착자 자속량이 과도하다고 판단한 경우에는, 착자 자속량을 감소시키기 위해 일정 단위의 추가의 감자 전류(ΔI1)를 전동기(160)로 인가한 후(단계 S607), 단계 S603으로 복귀하여, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 추가의 감자 전류(ΔI1)에 따라 전동기(160)를 정격 회전수 구동후 단계 S604 및 605의 자속량 산출 및 오차 범위 판별을 수행한다.
이와 같이, 단계 S603 내지 단계 S607의 단계를 반복함으로써, 산출된 q축 전류 및 측정된 전류에 기반하여 전류들의 차이가 최소가 되도록 즉, 자속량이 오차 범위 내가 될 때까지 적응적으로 자속량을 산출할 수 있다.
단계 S605의 판단 결과, 산출된 자속량이 오차 범위 내라고 판단한 경우, 추정 자속량에 대응하는 전류를 전동기(160)에 인가함으로써 전동기(160)를 저속 모드로 구동할 수 있다(단계 S608).
이하, 도면을 달리하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 고속 모드 동작을 더 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 고속 모드 동작을 나타낸 순서도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 방법의 고속 모드 동작방법(700)은 먼저, 자속 모드 동작에 대한 초기화 및 설정이 수행될 수 있다(단계 S701). 예를 들면, 감자 전류(I3)가 제 2 설정값(I30)으로 설정되고, 착자 전류(I4)는 0으로 설정될 수 있다.
다음으로, 설정된 감자 전류가 전동기(160)에 인가되면(단계 S702), 제 2 설정값의 감자 전류(I3)에 의해 전동기(160)가 정격 회전수로 예비 구동할 수 있다(단계 S703). 이때, 전동기(160)의 회전자의 N극을 U상에 정렬후 감자를 위해 U 상 전류를 -로, V상 및 W 상을 +로 제어하며, 충분한 감자를 위하여 적어도 10 주기 이상의 사인파 형태의 전류 제어가 이루어진다.
다음으로, 예비 구동된 전동기(160)의 전압 및 전류를 측정하고, 전동기의 전압 모델에 따라 q축 전류를 산출하며, 산출된 q축 전류 및 측정된 전류에 기반하여 자속량을 산출할 수 있다(단계 S704).
이 때, 하기의 식과 같은 수학적 모델에 따라 q축 전류를 산출할 수 있고,
Figure 112014060723513-pat00017
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, TSW는 스위칭 간격, Lq는 q축 인덕턴스, Vq *는 q축 전압, Rs는 상저항, ωe는 전기적 각속도,
Figure 112014060723513-pat00018
은 추정 자속량, Ld는 d축 인덕턴스, Id는 d축 전류일 수 있다.
다음으로, 하기의 식과 같은 수학적 모델에 따라 추정 자속량을 산출할 수 있고,
Figure 112014060723513-pat00019
여기서, Iq는 측정된 q축 전류, Iq M은 상기 산출된 q축 전류, ke는 자속량의 추정 이득, fSW는 스위칭 주파수(1/TSW)일 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 산출된 자속량이 오차 범위 내인지를 판별하여(단계 S705), 오차 범위에 미달한다고 판단한 경우, 즉, 전동기(160)의 감자 자속량이 부족하다고 판단한 경우에는, 감자 자속량을 증가시키기 위해 일정 단위의 추가의 감자 전류(ΔI3)를 전동기(160)로 인가한 후(단계 S706), 단계 S703으로 복귀하여, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 추가의 감자 전류(ΔI3)에 따라 전동기(160)를 정격 회전수 구동후 단계 S704 및 S705의 자속량 산출 및 오차범위 판별을 수행한다.
단계 S705의 판단 결과, 산출된 자속량이 오차 범위를 초과한다고 판단한 경우, 즉, 전동기(160)의 감자 자속량이 과도하다고 판단한 경우에는, 감자 자속량을 감소시키기 위해 일정 단위의 추가의 착자 전류(ΔI4)를 전동기(160)로 인가한 후(단계 S707), 단계 S703으로 복귀하여, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 추가의 착자 전류(ΔI4)에 따라 전동기(160)를 정격 회전수 구동후 단계 S704 및 S705의 자속량 산출 및 오차 범위 판별을 수행한다.
이와 같이, 단계 S703 내지 단계 S707의 단계를 반복함으로써, 산출된 q축 전류 및 측정된 전류에 기반하여 전류들의 차이가 최소가 되도록 즉, 자속량이 오차 범위 내가 될 때까지 적응적으로 자속량을 추정할 수 있다.
단계 S705의 판단 결과, 산출된 자속량이 오차 범위 내라고 판단한 경우, 추정 자속량에 대응하는 전류를 전동기(160)에 인가함으로써 전동기(160)를 고속 모드로 구동할 수 있다(단계 S708).
이와 같은 방법에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 전동기의 제어 장치(100)는 실측된 전동기의 전류를 기반으로 한 전동기 모델에 의해 자속량을 효과적으로 제어할 수 있고, 따라서, 영구자석 전동기의 효율을 향상시킬 수 있으며, 추정된 자속량을 제어하기 때문에, 전동기의 노후 등 환경이 변화에 따라서도 적응적으로 최적의 자속량을 산출할 수 있고, 따라서, 환경과 무관하게 전동기의 효율을 최적 상태로 유지시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 영구자석 전동기의 제어 장치 110 : 설정부
120 : 전류 제어부 130 : 자속량 추정부
132 : 전동기 모델 전류 산출부 134 : 감산기
136 : 자속량 산출부 140 : 전동기 구동부
150 : 측정부 160 : 전동기

Claims (11)

  1. 가변 자속 영구자석 전동기에서, 초기 설정된 착자 및 감자 전류를 조정하기 위한 제어 장치로서,
    초기 설정 착자 전류, 초기 설정 감자 전류 또는 추정 자속량에 대응하는 전류에 따라 전동기를 구동하기 위한 제어 전류를 생성하는 전류 제어부;
    상기 전류 제어부의 제어 전류에 따라 상기 전동기를 구동하는 전동기 구동부;
    상기 전동기의 구동 전압 및 전류를 측정하는 측정부; 및
    상기 전동기를 상기 초기 설정 착자 전류, 상기 초기 설정 감자 전류 또는 상기 추정 자속량에 대응하는 전류로 예비 구동하여, 상기 예비 구동시 측정된 전류, 및 측정된 전압에 따른 상기 전동기의 전압 모델에 기반하여 상기 전동기의 자속량을 추정하고, 상기 추정 자속량이 오차범위 내가 되도록 상기 전동기의 착자 또는 감자 전류를 적응적으로 제어하는 자속량 추정부를 포함하며,
    상기 예비 구동은 적어도 10 주기 이상의 사인파 형태의 전류로 구동하고,
    상기 자속량 추정부는 상기 예비 구동시 상기 추정 자속량이 오차범위를 벗어난 경우, 상기 전류 제어부가 적어도 3회 이상의 착자 또는 감자 전류를 발생하도록 제어하되, 상기 가변 자속 전동기가 저속 모드인 경우, 상기 추정 자속량이 적정 착자 자속량에 미달하면, 일정 단위의 추가 착자 전류를 인가하고, 상기 적정 착자 자속량을 초과하면 일정 단위의 추가 감자 전류를 인가하도록 상기 전류 제어부를 제어하며, 상기 가변 자속 전동기가 고속 모드인 경우, 상기 추정 자속량이 적정 감자 자속량에 미달하면, 일정 단위의 추가 감자 전류를 인가하고, 상기 적정 감자 자속량을 초과하면 일정 단위의 추가 착자 전류를 인가하도록 상기 제어부를 제어하고, 상기 추정 자속량이 오차범위 내인 경우, 해당 자속량에 대응하는 전류로 상기 전동기를 구동하도록 상기 전류 제어부를 제어하는, 영구자석 전동기의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자속량 추정부는,
    상기 예비 구동에 의해 상기 전동기의 전압 모델에 따른 q축 전류를 산출하는 전동기 모델 전류 산출부; 및
    상기 산출된 q축 전류 및 상기 측정된 전류에 기반하여 상기 전류들의 차이가 최소가 되도록 적응적으로 자속량을 산출하는 자속량 산출부를 포함하는, 영구자석 전동기의 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전동기 모델 전류 산출부는 하기의 식에 따라 상기 q축 전류를 산출하고,
    Figure 112015100174700-pat00020

    여기서, Iq는 측정된 q축 전류, TSW는 스위칭 간격, Lq는 q축 인덕턴스, Vq *는 q축 전압, Rs는 상저항, ωe는 전기적 각속도,
    Figure 112015100174700-pat00021
    은 추정 자속량인, Ld는 d축 인덕턴스, Id는 d축 전류인, 영구자석 전동기의 제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 자속량 산출부는 하기의 식에 따라 상기 추정 자속량을 산출하고,
    Figure 112014060723513-pat00022

    여기서, Iq는 측정된 q축 전류, Iq M은 상기 산출된 q축 전류, ke는 자속량의 추정 이득, fSW는 스위칭 주파수(1/TSW)인, 영구자석 전동기의 제어 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 가변 자속 영구자석 전동기에서, 초기 설정된 착자 및 감자 전류를 조정하기 위한 제어 방법으로서,
    상기 초기 설정 착자 전류 또는 상기 초기 설정 감자 전류에 따라 상기 전동기를 적어도 10 주기의 사인파 형태의 전류로 예비 구동하는 단계 -;
    상기 예비 구동시 상기 전동기의 전류 및 전압을 측정하여 상기 측정된 전류, 및 측정된 전압에 따른 상기 전동기의 전압 모델에 기반하여 상기 전동기의 자속량을 추정하고, 상기 추정 자속량이 오차범위 내가 되도록 상기 전동기의 착자 또는 감자 전류를 적응적으로 제어하는 자속량 추정 단계; 및
    상기 추정된 자속량에 대응하는 전류에 따라 상기 전동기를 구동하는 전동기 구동 단계를 포함하고,
    상기 자속량 추정 단계는,
    상기 예비 구동시 상기 추정된 자속량이 오차범위를 벗어난 경우, 적어도 3회 이상의 착자 또는 감자 전류를 발생하도록 제어하되, 상기 가변 자속 전동기가 저속 모드인 경우, 상기 추정된 자속량이 적정 착자 자속량에 미달하면, 일정 단위의 추가 착자 전류를 인가하고, 상기 적정 착자 자속량을 초과하면 일정 단위의 추가 감자 전류를 인가하도록 제어하며, 상기 가변 자속 전동기가 고속 모드인 경우, 상기 추정된 자속량이 적정 감자 자속량에 미달하면, 일정 단위의 추가 감자 전류를 인가하고, 상기 적정 감자 자속량을 초과하면 일정 단위의 추가 착자 전류를 인가하도록 제어하고, 상기 추정된 자속량이 오차범위 내인 경우, 해당 자속량에 대응하는 전류로 상기 전동기를 구동하도록 제어하는, 영구자석 전동기의 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 자속량 추정 단계는,
    상기 예비 구동에 의해 상기 전동기의 전압 모델에 따른 q축 전류를 산출하고, 상기 산출된 q축 전류 및 상기 측정된 전류에 기반하여 상기 전류들의 차이가 최소가 되도록 적응적으로 자속량을 산출하는 단계;
    상기 산출된 자속량이 오차 범위 내인지를 판별하는 단계; 및
    상기 판별 결과에 따라 추가 감자 전류 또는 추가 착자 전류를 인가하여 자속량을 조정하는 단계를 포함하는, 영구자석 전동기의 제어 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 자속량을 산출하는 단계는 하기의 식에 따라 상기 q축 전류를 산출하고,
    Figure 112014060723513-pat00023

    여기서, Iq는 측정된 q축 전류, TSW는 스위칭 간격, Lq는 q축 인덕턴스, Vq *는 q축 전압, Rs는 상저항, ωe는 전기적 각속도,
    Figure 112014060723513-pat00024
    은 추정 자속량인, Ld는 d축 인덕턴스, Id는 d축 전류인, 영구자석 전동기의 제어 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 자속량을 산출하는 단계는 하기의 식에 따라 상기 추정 자속량을 산출하고,
    Figure 112014060723513-pat00025

    여기서, Iq는 측정된 q축 전류, Iq M은 상기 산출된 q축 전류, ke는 자속량의 추정 이득, fSW는 스위칭 주파수(1/TSW)인, 영구자석 전동기의 제어 방법.
  11. 삭제
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