KR101635678B1 - 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법 - Google Patents

전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 순간적으로 구동전원이 인버터에서 요구하는 전압보다 낮아지는 경우 구동하는 모터의 회생전력을 이용하여 정상범위의 전압으로 승압하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법은, 인버터에서 상위 제어기로부터 구동명령을 수신하여 속도와 토크에 의해 구동모터의 구동을 제어하는 모터 구동제어 모드를 수행하는 단계와, 상기 인버터에서 모터 구동제어 모드를 수행하는 중에 구동전원이 최저전압 제한치 이하로 강하하는 것으로 저전압 오류 여부를 판단하는 단계와, 상기 인버터에서 저전압 오류로 판단한 경우에 모터 구동제어 모드에서 전압제어 모드로 전환하여 구동모터의 회생전력을 이용해 구동전원의 전압을 정상전압 범위로 승압하여 복귀하는 단계 및 상기 인버터에서 정상전압 범위 복귀 후 모터 구동제어 모드로 전환하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법 {Instantaneous voltage drop compensating method of electric motor drive system}
본 발명은 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 순간적으로 구동전원이 인버터에서 요구하는 전압보다 낮아지는 경우 구동하는 모터의 회생전력을 이용하여 정상범위의 전압으로 승압하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 AC모터(교류전동기) 구동장치에는 두 개의 전압입력단으로 인가되는 DC전압을 서로 120°의 위상차를 나타내는 3상(U,V,W) AC전압으로 변환하여 AC모터에 공급하는 인버터가 구비된다.
상기 인버터는 PWM(Pulse Width Modulation) 명령카운터로부터 출력되는 전압지령에 따른 게이트 드라이브신호가 6개의 IGBT 스위칭소자의 게이트로 인가되면 상기 스위칭소자가 스위칭작용을 하여 3상 AC전압을 출력한다.
상기 인버터로 인가되는 DC전압은 인버터의 6개의 스위칭 소자 중 서로의 컬렉터와 이미터가 공통접속된 2개의 스위칭소자가 온/오프됨에 따라서 상기 AC모터로 공급되는 3상 AC전압으로 변환된다.
이와 같이 AC모터를 구동하는 인버터는 통상 전력용 반도체 스위치로 구성되며, 배터리(Battery)와 같은 직류 전원 또는 상용 교류 전원을 정류한 직류 전원을 입력함으로, 이용 가능한 구동전원(직류단(DC Link) 전압)이 한정된다.
전기식 모터구동시스템에서 인버터가 모터에 인가할 수 있는 최대 고정자 상전압은 주로 이 구동전원에 의해 결정된다.
상기 전기식 모터구동시스템이 어떤 운용조건에 의해 급격하게 가속하는 경우가 종종 발생한다.
이때 구동전원의 용량이 충분하지 않거나 구동전원의 동특성이 충분하지 않아 인버터에서 요구하는 최저전압 이하로 전압강하가 발생할 경우, 인버터의 출력전압(고정자 상전압)의 선형성이 깨지게 되어 제어 성능이 심하게 왜곡되고, 고조파도 증가하여 전체 전기식 모터구동시스템의 성능이 저하되는 문제점이 있었다.
공개번호 특2002-0069891호(공개일자 2002년09월05일) 등록번호 제10-0911521호(등록일자 2009년08월03일)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 순간적으로 구동전원이 인버터에서 요구하는 전압보다 낮아지는 경우 구동하는 모터의 회생전력을 이용하여 정상범위의 전압으로 승압함으로써, 구동전원의 용량 및 동특성에 관계없이 구동전원 및 모터 구동제어 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명이 제공하고자 하는 목적은 모터 구동제어 중단을 위해 구동전원을 차단하는 경우 자체적으로 순시전압 강하인지 구동전원 차단인지를 판단함으로써, 구동전원 차단시 발생할 수 있는 오류를 제거할 수 있는 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법은, (a) 인버터에서 상위 제어기로부터 구동명령을 수신하여 속도와 토크에 의해 구동모터의 구동을 제어하는 모터 구동제어 모드를 수행하는 단계;
(b) 상기 인버터에서 모터 구동제어 모드를 수행하는 중에 구동전원이 최저전압 제한치 이하로 강하하는 것으로 저전압 오류 여부를 판단하는 단계;
(c) 상기 인버터에서 저전압 오류로 판단한 경우에 모터 구동제어 모드에서 전압제어 모드로 전환하여 구동모터의 회생전력을 이용해 구동전원의 전압을 정상전압 범위로 승압하여 복귀하는 단계; 및
(d) 상기 인버터에서 정상전압 범위 복귀 후 모터 구동제어 모드로 전환하는 단계;
를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법은, (a) 인버터에서 상위 제어기로부터 구동명령을 수신하여 속도와 토크에 의해 구동모터의 구동을 제어하는 모터 구동제어 모드를 수행하는 단계;
(b) 상기 인버터에서 모터 구동제어 모드를 수행하는 중에 구동전원이 최저전압 제한치로 이하로 강하하는 것으로 저전압 오류 여부를 판단하는 단계;
(e) 상기 인버터에서 저전압 오류로 판단한 경우에 그 저전압 오류가 순시 전압강하에 의한 것인지 아니면 구동전원 차단에 의한 것인지 판단하는 단계;
(f) 상기 인버터에서 순시 전압강하로 판단한 경우에 모터 구동제어 모드에서 전압제어 모드로 전환하여 구동모터의 회생전력을 이용해 구동전원의 전압을 구동전원 차단여부를 판단하는 기준치 전압으로 승압하는 단계; 및
(g) 상기 인버터에서 기준치 전압으로 승압 후 모터 구동제어 모드로 전환하는 단계;
를 포함하여 구성된다.
또한, (h) 상기 (e)단계에서 구동전원 차단으로 판단한 경우에 모터 구동제어를 중지하고 모터구동시스템을 초기화하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기준치 전압은 최저전압 제한치와 공칭전압 사이의 전압값인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (e)단계에서 전압제어 모드와 모터 구동제어 모드를 소정시간 동안 교번 수행해서 반복되는 구동전원 전압의 상승 및 하강 상태를 모니터링하여, 저전압 오류가 순시 전압강하에 의한 것인지 아니면 구동전원 차단에 의한 것인지 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (e)단계에서의 교번 시간을 상기 (b)단계에서의 구동전원이 최저전압 제한치 이하로 강하하는 시간보다 크게 설정한 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 (e)단계에서 전압제어 모드로 구동전원의 전압을 기준치 전압까지 상승하고, 모터 구동제어 모드로 구동전원의 전압을 최저전압 제한치까지 하강하는 것을 특징으로 한다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 순간적으로 구동전원이 인버터에서 요구하는 전압보다 낮아지는 경우 구동하는 모터의 회생전력을 이용하여 정상범위의 전압으로 승압함으로써, 구동전원의 용량 및 동특성에 관계없이 구동전원 및 모터 구동제어 성능을 안정적으로 유지할 수 있다.
또한, 모터 구동제어 중단을 위해 구동전원을 차단하는 경우 자체적으로 순시전압 강하인지 구동전원 차단인지를 판단함으로써, 구동전원 차단시 발생할 수 있는 오류를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명에 적용되는 전기식 모터구동시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 시스템의 순시 전압강하에 의한 구동전원의 전압 오류 발생 파형도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 순시 전압강하 보상방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 도 3의 보상방법에 의한 구동전원의 파형도이다.
도 5는 도 3에 나타낸 구동전원 차단 여부 판단 단계를 설명하기 위한 파형도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명한다.
도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명에 적용되는 전기식 모터구동시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 전기식 모터구동시스템은 배터리(10), 발전기(20), 고전압 분배기(30), 상위 제어기(40), 다수의 인버터(50a,50b,…,50n) 및 다수의 구동모터(60a,60b,…,60n)를 포함하여 구성된다.
배터리(10)는 발전기(20)에서 생성된 전력 및 구동장치에서 발생하는 회생전력을 저장하고 있다가 구동장치에서 구동제어에 필요로 하는 전원(구동전원)을 공급한다.
발전기(20)는 모터구동시스템의 전원을 생성한다.
고전압 분배기(30)는 구동전원을 다수의 인버터로 분기하여 주며 이상 발생 시 전원분배제어의 역할을 수행한다.
상위 제어기(40)는 모터구동시스템의 구동특성을 제어하고 이를 위해 다수의 인버터(50a,50b,…,50n)에 구동명령을 인가한다.
인버터(50a,50b,…,50n)는 상위 제어기(40)의 구동명령에 의해 구동모터(60a,60b,…,60n)의 구동을 제어하기 위한 고정자 상전압 즉, 3상 AC전압을 출력한다.
여기서 전기식 모터구동시스템에서는 일반적으로 상기 인버터(50a,50b,…,50n)가 PWM 방식에 의해 제어되며, 인버터(50a,50b,…,50n)가 구동모터(60a,60b,…,60n)에 인가할 수 있는 최대 고정자 상전압은 주로 구동전원(Vd)에 의해 결정된다.
인버터(50a,50b,…,50n)가 PWM 방식에 의해 구현될 경우 인버터(50a,50b,…,50n)에서 출력되는 최대 고정자 상전압(Vs max)은 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014082807105-pat00001
여기서 a는 제어 여분을 조정하는 상수로서 대개 0.9 ~ 0.95로 설정된다.
상기 인버터(50a,50b,…,50n)는 구동전원의 저전압 오류 발생 여부를 판단하고, 저전압 오류 발생 원인이 순시 전압강하에 의한 것인지 아니면 구동전원 차단에 의한 것인지 판단하며, 저전압 오류라고 판단한 경우에 구동모터의 회생전력을 이용하여 구동전원을 정상전압 범위로 복귀시킨다.
도 2는 도 1에 나타낸 시스템의 순시 전압강하에 의한 구동전원의 전압 오류 발생 파형도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전기식 모터구동시스템의 운용조건에 의해 급격하게 가속할 때, 구동전원(Vd)의 용량이 충분하지 않거나 구동전원(Vd)의 동특성이 충분하지 않아 인버터(50a,50b,…,50n)에서 요구하는 최저전압 제한치로 전압강하가 발생하면 인버터(50a,50b,…,50n)의 출력전압 즉, 고정자 상전압의 선형성이 깨지게 되어 제어 성능이 심하게 왜곡되고, 고조파도 증가하여 결국 전체 전기식 모터구동시스템의 성능이 저하된다.
도 2에서 구동전원의 전압 레벨은 최고전압 제한치, 공칭전압(nominal voltage)(V2), 최저전압 제한치(V0), 구동전원 차단전압으로 나뉘며, 상기 최고전압 제한치는 고전압 오류가 발생하기 시작하는 전압이다.
상기 최저전압 제한치(V0)는 저전압 오류가 발생하기 시작하는 전압으로서 그 이하의 전압이 되면 구동모터(60a,60b,…,60n)의 제어가 불가능하고, 전체 모터구동시스템에 비정상 현상이 발생한다.
상기 구동전원 차단전압은 저전압 오류로 인해 구동전원이 차단되는 전압이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 순시 전압강하 보상방법을 나타내는 순서도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 각 인버터(50a,50b,…,50n)는 상위 제어기(40)로부터 구동명령을 수신하여(S302) 회전 속도와 출력 토크에 의해 구동모터(60a,60b,…,60n)의 구동을 제어하는 모터 구동제어 모드를 수행한다(S304).
상기 인버터(50a,50b,…,50n)는 모터 구동제어 모드를 수행하는 중에 저전압 오류가 발생하는지 판단한다(S306).
이때 인버터(50a,50b,…,50n)에서는 구동전원의 전압이 모터구동시스템의 급격한 가속이나 구동전원 차단 등의 원인에 의해 순간적으로 최저전압 제한치(V0) 이하로 떨어지는 경우에 저전압 오류가 발생한 것으로 판단한다.
상기 인버터(50a,50b,…,50n)는 저전압 오류가 발생하지 않는 것으로 판단한 경우는 상기 S302단계로 되돌아간다.
상기 저전압 오류가 발생한 것으로 판단한 경우에 인버터(50a,50b,…,50n)는 모터 구동제어 모드에서 전압제어 모드로 전환하여(S308) 구동모터(60a,60b,…,60n)의 회생전력을 이용해 구동전원의 전압을 승압하여 정상전압 범위로 복귀한다(S310).
상기 310단계에서 또 다른 실시예로 구동전원의 전압을 구동전원 차단여부를 판단하는 기준치 전압으로 승압할 수 있다(V1).
여기서 구동전원 차단여부를 판단하는 기준치 전압(V1)은 도 4에 도시된 바와 같이 최저전압 제한치(V0)와 공칭전압(V2) 사이의 값으로 설정한다.
도 4에서 ▲로 표시한 위치에서 인버터(50a,50b,…,50n)는 구동전원 차단여부를 확인한 후, 구동전원 차단이 아닌 경우 다시 모터 구동제어모드로 전환하여(S320) S302단계 이후를 다시 수행하게 된다.
즉, 실제로 전기식 모터구동시스템을 운용할 때 구동전원이 최저전압 제안치 이하로 강하시 인버터(50a,50b,…,50n)에서는 구동전원의 차단으로 인한 전압강하인지 모터구동시스템의 급가속에 의해 발생한 전압강하인지 판단할 필요가 있다.
본 발명에서는 일정시간 동안 전압제어 모드와 모터 구동제어 모드를 소정시간 동안 교번하여 구동전원의 차단으로 인한 전압강하인지, 아니면 급가속에 의해 발생한 순시 전압강하인지를 판단한다(S312).
도 5에서 전압제어 모드로 구동전원의 전압을 기준치 전압(V1)까지 상승하고, 모터 구동제어 모드로 구동전원의 전압을 최저전압 제한치(V0)까지 하강하는 동작을, 소정시간(t2) 동안 수회 교번하여 전압 상승/하강 상태를 모니터링함으로써 구동전원 차단 여부를 판단한다.
만약 순시 전압강하인 경우에는 구동전원이 모터구동시스템에 정상적으로 인가되어있기 때문에 소정시간 동안 전압을 유지시켜주면 도 4와 같이 모터 구동제어 모드로 복귀시 공칭전압(V0)으로 전압이 상승하게 되고, 구동전원이 차단되는 경우에는 도 5와 같이 모터 구동제어 모드로 복귀시 다시 최저전압 제한치(V0) 이하로 전압이 하강한다.
따라서 모터구동시스템에서 발생할 수 있는 순시 전압강하 발생시간(t1)보다 길게 전압제어 모드와 모터 구동제어 모드의 교번시간(t2)을 설정하면 저전압 오류의 발생 원인이 순시 전압강하인지 구동전원 차단인지 판단할 수 있다.
이와 같이 하여 상기 S312단계에서 저전압 오류의 발생 원인이 구동전원 차단으로 판단한 경우 모터 구동제어를 중지한(S314) 후 모터구동시스템을 초기화한다(S316).
만약 저전압 오류의 발생 원인이 구동전원 차단이 아니고 순시 전압강하로 판단한 경우 다시 모터 구동제어 모드로 전환한(S318) 후 S302단계로 되돌아가, 인버터(50a,50b,…,50n)는 구동명령을 수신하여 정상적인 모터 구동제어 모드를 수행할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 순시 전압강하시 정상적으로 모터 구동모드로 복귀하여 안정적으로 모터구동시스템을 운용할 수 있고, 구동전원 차단시에도 모터구동시스템의 안전성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
10: 배터리 20: 발전기
30: 고전압 분배기 40: 상위 제어기
50a,50b,…,50: 인버터 60: 구동모터

Claims (7)

  1. 삭제
  2. (a) 인버터에서 상위 제어기로부터 구동명령을 수신하여 속도와 토크에 의해 구동모터의 구동을 제어하는 모터 구동제어 모드를 수행하는 단계;
    (b) 상기 인버터에서 모터 구동제어 모드를 수행하는 중에 구동전원이 최저전압 제한치로 이하로 강하하는 것으로 저전압 오류 여부를 판단하는 단계;
    (e) 상기 인버터에서 저전압 오류로 판단한 경우에 그 저전압 오류가 순시 전압강하에 의한 것인지 아니면 구동전원 차단에 의한 것인지 판단하는 단계;
    (f) 상기 인버터에서 순시 전압강하로 판단한 경우에 모터 구동제어 모드에서 전압제어 모드로 전환하여 구동모터의 회생전력을 이용해 구동전원의 전압을 구동전원 차단여부를 판단하는 기준치 전압으로 승압하는 단계; 및
    (g) 상기 인버터에서 기준치 전압으로 승압 후 모터 구동제어 모드로 전환하는 단계를 포함하되,
    (h) 상기 (e)단계에서 구동전원 차단으로 판단한 경우에 모터 구동제어를 중지하고 모터구동시스템을 초기화하는 단계를 더 수행하는 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기준치 전압은 최저전압 제한치와 공칭전압 사이의 전압값인 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 (e)단계에서 전압제어 모드와 모터 구동제어 모드를 소정시간 동안 교번 수행해서 반복되는 구동전원 전압의 상승 및 하강 상태를 모니터링하여, 저전압 오류가 순시 전압강하에 의한 것인지 아니면 구동전원 차단에 의한 것인지 판단하는 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (e)단계에서의 교번 시간을 상기 (b)단계에서의 구동전원이 최저전압 제한치 이하로 강하하는 시간보다 크게 설정한 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (e)단계에서 전압제어 모드로 구동전원의 전압을 기준치 전압까지 상승하고, 모터 구동제어 모드로 구동전원의 전압을 최저전압 제한치까지 하강하는 전기식 모터구동시스템의 순시 전압강하 보상방법.
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