KR101693426B1 - 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치 및 이를 구비하는 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가변 토크 부하에 적용되는 매입형 영구자석 동기 전동기에 대해 통상의 유도 전동기 등에 많이 이용되는 전압/주파수 일정 제어를 기반으로 하여, 벡터 제어와 같은 복잡한 알고리즘의 적용 없이 구현 가능할 수 있도록 하기 위한 범용의 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치와 이를 구비하는 인버터에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치는, 동기 속도 좌표계의 q축 기준 전압을 생성하는 q축 기준 전압 생성부, 부하 변동에 따른 토크 성분 전류의 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압을 생성하는 d축 기준 전압 생성부 및 상기 q축 기준 전압 및 상기 d축 기준 전압을 3상 기준 전압으로 변환하는 3상 기준 전압 생성부를 포함하되, 상기 q축 기준 전압 생성부가, 기준 주파수로부터 전압/주파수 패턴에 따른 q축 기준 패턴 전압을 생성하는 전압/주파수 패턴부, 부하량에 비례하도록 전압/주파수 비율에 대한 보상 전압을 생성하는 전압 보상부 및 상기 q축 기준 패턴 전압 및 상기 보상 전압을 결합하여 상기 q축 기준 전압을 생성하는 결합부 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치 및 이를 구비하는 인버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 가변 토크 부하에 적용되는 매입형 영구자석 동기 전동기에 대해 통상의 유도 전동기 등에 많이 이용되는 전압/주파수 일정 제어를 기반으로 하여, 벡터 제어와 같은 복잡한 알고리즘의 적용 없이 구현 가능할 수 있도록 하기 위한 범용의 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치와 이를 구비하는 인버터에 관한 것이다.
매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)는 유도 전동기보다 효율이 높기 때문에 에너지 절감 등의 차원에서 큰 각광을 받고 있지만, 유도 전동기에 비해 제어가 복잡하다는 단점이 있다.
일반적으로, 매입형 영구자석 동기 전동기는 벡터 제어(자속 기준 제어)를 기반으로 제어한다. 벡터 제어는 위치 센서의 유무에 따라서 센서드(sensored) 또는 센서리스(sensorless)로 구분되며, 성능 확보를 위해 전동기 상수(고정자 저항, d축 인덕턴스, q축 인덕턴스 및 영구자석의 자속)를 필수적으로 알아야 하고, 전동기의 기동시에는 영구자석의 자극 위치를 알아야 한다는 등의 여러 조건들이 요구된다. 따라서, 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어 방식은 범용성이 떨어질 수밖에 없다는 문제점을 갖는다.
전동기의 적용 분야는 매우 다양하지만, 부하에 따라 일정 토크 부하와 가변 토크 부하로 크게 구분 가능한데, 일정 토크 부하에서는 전 속도 영역에서 토크 성능이 확보되어야 하지만, 가변 토크 부하의 경우 통상 속도에 비례하여 토크가 증가되기 때문에 전 속도 영역에서 토크 성능을 확보할 필요는 없다. 대표적인 가변 토크 부하로는 팬, 펌프 부하 등이 있다.
따라서, 이러한 가변 토크 부하에 매입형 영구자석 동기 전동기를 적용한다면 벡터 제어와 같은 고성능 제어가 필요하지 않을 수 있으며, 이에 본 발명에서는 가변 토크 부하에서 매입형 영구 자석 전동기를 사용할 경우, 유도 전동기에 적용되는 간단한 제어 방식인 전압/주파수 일정 제어 방식의 개념을 도입함으로써, 벡터 제어와 같은 복잡한 알고리즘의 적용 없이 전동기의 성능을 확보할 수 있도록 하는 제어 방식을 제안하고자 한다.
본 발명은, 본 발명 출원인의 선행 특허인 대한민국 등록특허공보 제10-1356864호(발명의 명칭: 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치)에 대한 개량된 발명이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1356864호(발명의 명칭: 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 가변 토크 부하에 적용되는 매입형 영구자석 동기 전동기에 대해 통상의 유도 전동기 등에 많이 이용되는 전압/주파수 일정 제어를 기반으로 하여, 벡터 제어와 같은 복잡한 알고리즘의 적용 없이 구현 가능할 수 있도록 하기 위한 범용의 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치에 있어서, 동기 속도 좌표계의 q축 기준 전압을 생성하는 q축 기준 전압 생성부, 부하 변동에 따른 토크 성분 전류의 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압을 생성하는 d축 기준 전압 생성부 및 상기 q축 기준 전압 및 상기 d축 기준 전압을 3상 기준 전압으로 변환하는 3상 기준 전압 생성부를 포함하되, 상기 q축 기준 전압 생성부가, 기준 주파수로부터 전압/주파수 패턴에 따른 q축 기준 패턴 전압을 생성하는 전압/주파수 패턴부, 부하량에 비례하도록 전압/주파수 비율에 대한 보상 전압을 생성하는 전압 보상부 및 상기 q축 기준 패턴 전압 및 상기 보상 전압을 결합하여 상기 q축 기준 전압을 생성하는 결합부 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 전압 보상부는, 상기 토크 성분 전류를 입력받아 필터링을 수행하는 저역 통과 필터부 및 상기 저역 통과 필터부에 의해 필터링 된 상기 토크 성분 전류에 대해, 부하 변동에 따라 전압/주파수 비율을 보상하기 위한 비례 보상부 등으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 d축 기준 전압 생성부는, 입력되는 3상 전류를 제어하여 2상 직류 전류로 변환하는 전류 변환부 및 상기 전류 변환부로부터 생성된 2상 직류 전류 가운데 상기 토크 성분 전류에 대한 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압을 생성하는 전압 제어부 등을 포함할 수 있다.
이때, 상기 전류 변환부는, 아날로그 3상 전류를 입력받아 디지털 신호로 변환하기 위한 신호 변환부, 상기 신호 변환부에 의해 변환된 디지털 신호로부터 정지 좌표계의 2상 교류 전류를 산출하는 제1 좌표 변환부 및 상기 제1 좌표 변환부에 의해 산출된 상기 2상 교류 전류를, 상기 동기 속도 좌표계의 2상 직류 전류로 변환하는 제2 좌표 변환부를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 상기 전압 제어부는, 상기 전류 변환부로부터 생성된 2상 직류 전류 가운데 상기 토크 성분 전류에 대해, 직전 전류와 현 전류 사이의 비교를 통해 오차값을 생성하는 비교부 및 상기 비교부에 의해 생성된 오차값과 비례 이득값(K)의 연산을 통해 d축 기준 전압을 생성하는 비례 제어부 등을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
한편 본 발명은, 3상 전원을 공급받아 상기 매입형 영구자석 동기 전동기에 공급하기 위한 전원으로 변환하는 전력 변환부, 상기 전력 변환부로부터 공급되는 전원에 의해 기동되는 상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 전류를 검출하기 위한 전류 검출부 및 상기 전류 검출부에 의해 검출된 상기 매입형 영구자석 동기 전동기의 전류를 이용하여, 상기 전력 변환부에 의해 생성되는 전원의 전압 및 주파수를 제어하기 위한 제어부 등을 포함하는 인버터를 제공할 수 있는데, 이 경우, 상기 제어부는, 동기 속도 좌표계의 q축 기준 전압을 생성하는 q축 기준 전압 생성부, 부하 변동에 따른 토크 성분 전류의 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압을 생성하는 d축 기준 전압 생성부 및 상기 q축 기준 전압 및 상기 d축 기준 전압을 3상 기준 전압으로 변환하는 3상 기준 전압 생성부 등을 포함할 수 있고, 이때 상기 q축 기준 전압 생성부는, 기준 주파수로부터 전압/주파수 패턴에 따른 q축 기준 패턴 전압을 생성하는 전압/주파수 패턴부, 부하량에 비례하도록 전압/주파수 비율에 대한 보상 전압을 생성하는 전압 보상부 및 상기 q축 기준 패턴 전압 및 상기 보상 전압을 결합하여 상기 q축 기준 전압을 생성하는 결합부 등을 포함하여 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
여기서, 상기 전압 보상부는, 상기 토크 성분 전류를 입력받아 필터링을 수행하는 저역 통과 필터부 및 상기 저역 통과 필터부에 의해 필터링 된 상기 토크 성분 전류에 대해, 부하 변동에 따라 전압/주파수 비율을 보상하기 위한 비례 보상부 등을 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 d축 기준 전압 생성부는, 입력되는 3상 전류를 제어하여 2상 직류 전류로 변환하는 전류 변환부 및 상기 전류 변환부로부터 생성된 2상 직류 전류 가운데 상기 토크 성분 전류에 대한 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압을 생성하는 전압 제어부 등을 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치 및 이를 구비하는 인버터에 의하면, 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어를 위해 복잡한 수식과 전동기 상수가 필요한 벡터 제어를 이용하지 않더라도, 유도 전동기에 일반적으로 이용되는 전압/주파수 일정 제어를 기반으로 하는 전압 제어 방식의 간단한 적용이 가능할 수 있게 되었다. 이에 따라, 여러 가지 장점을 갖는 매입형 영구자석 동기 전동기를 유도 전동기 수준으로 편리하게 이용 가능할 수 있다는 효과가 있다.
아울러, 이와 같은 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치의 범용 이용이 가능할 수 있게 됨으로써, 폭넓은 분야에 다양하게 적용 가능할 수 있을 뿐만 아니라 제조 비용 및 운용 비용 등의 절감이 가능할 수 있게 되었다는 등의 부가적인 장점을 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템을 간략하게 나타낸 설명도이다.
도 2는 도 1에 적용되는 제어부의 구성을 개념적으로 나타낸 설명도이다.
도 3은 도 2의 전력 변환부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 4는 도 2의 전압 제어부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 6은 도 5의 전압 보상부의 구성을 나타낸 설명도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템을 간략하게 나타낸 설명도로써, PWM(Pulse Width Modulation; 펄스폭 변조) 인버터(120)를 이용하여 매입형 영구자석 동기 전동기(160)를 구동시키기 위한 시스템의 구성을 나타내고 있다. 참고로, 도 1과 같은 전동기 구동 시스템은, 본 발명 출원인의 선행 특허인 대한민국 등록특허공보 제10-1356864호(발명의 명칭: 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치)에 따른 것으로, 이와 관련된 구체적인 구성 및 각각의 구성요소들의 기능이나 동작 등과 관련해서는 해당 특허 공보의 도면 및 설명을 참고하도록 한다. 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템의 구성을 간단히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 매입형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템은, 3상 전원부(110), PWM 인버터부(120) 및 매입형 영구자석 동기 전동기(160) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있는데, 3상 전원부(110)는 인버터부(120)에 전원을 공급하는 기능을 수행한다.
여기서, 3상 전원부(110)로부터 전원을 공급받은 인버터부(120)는 이를 전력 변환부(130) 등의 동작을 통해 전동기(160)에 적합한 신호로 변경하는 기능을 수행하게 되는데, 이 과정에서 전류 검출부(140)에 의해 검출되는 전동기의 전류값 정보를 이용하여 제어부(150)에 의해 생성되는 제어 신호가 전력 변환부(130)에 작용됨으로써, 통상의 유도 전동기에 적용되는 전압/주파수 일정 제어 방식과 유사한 방식으로 매입형 영구자석 동기 전동기를 간단히 제어할 수 있도록 한다는 등의 장점을 제공하게 된다.
도 2는 도 1에 적용되는 제어부(150)의 구성을 개념적으로 나타낸 설명도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(150)는 전압/주파수(V/F) 패턴부(152), 3상 기준 전압 생성부(154), 전류 변환부(156) 및 전압 제어부(158) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
통상의 전압/주파수 패턴부(152)는 기준 주파수(fref)로부터 기준 전압(Vref)을 생성하고, 3상 기준 전압 생성부(154)가 이를 이용하여 3상 기준 전압(VasRef, VbsRef, VcsRef)을 생성하도록 구성된다. 하지만, 매입형 영구자석 동기 전동기의 구동을 위한 도 1과 같은 시스템에 있어서는, 전압/주파수 패턴부(152)가 생성한 기준 전압을 동기 속도 좌표계의 q축 기준 전압(VqseRef)으로 이용하고, 전류 변환부(156) 및 전압 제어부(158)가 d축 기준 전압(VdseRef)을 생성하도록 함으로써, 매입형 영구자석 동기 전동기의 부하 변동에 따른 토크 리플을 감소시킬 수 있게 되어, 결과적으로, 유도 전동기 등에 적용되는 전압/주파수 일정 제어 방식과 유사한 방식에 의해 매입형 영구자석 동기 전동기를 간단히 제어할 수 있도록 기능할 수 있게 된다.
다시 말해, 기준 주파수(fref)로부터 전압/주파수 패턴부(152)가 동기 속도 좌표계의 q축 기준 전압(VqseRef)을 생성하고, 전류 변환부(156) 및 전압 제어부(158)가 매입형 영구자석 동기 전동기의 부하 변동에 따른 토크 성분 전류 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압(VdseRef)을 생성하여, 통상 이루어지던 단순 V/F에서의 전압 크기 제어와 함께 추가적으로 d축 전압 제어를 통한 위상 제어까지 함께 수행할 수 있게 되는 것이다.
그리고, 이와 같이 생성된 기준 전압(VdseRef, VqseRef)을 이용해 3상 기준 전압 생성부(154)가 3상 기준 전압(VasRef, VbsRef, VcsRef)을 생성하여 전력 변환부(130)에 공급하게 됨으로써, PWM 인버터(120)의 전압/주파수 일정 제어를 이용한 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어가 이루어질 수 있게 된다.
전압/주파수 패턴부(152)의 경우 통상의 전압/주파수 일정 제어 방식이 적용된 전동기 구동 시스템에 적용되는 전압/주파수 패턴부와 구성 및 기능이 동일하므로, 이하에서는 별도의 도면을 통해 전류 변환부(156) 및 전압 제어부(158)의 구성과 기능 등에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 전류 변환부(156)의 구성을 나타낸 설명도이고, 도 4는 도 2의 전압 제어부(158)의 구성을 나타낸 설명도이다.
먼저 도 3을 참조하면, 전류 변환부(156)는 A/D 변환부(310), 제1 좌표 변환부(320) 및 제2 좌표 변환부(330) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
즉, 전류 변환부(156)의 A/D 변환부(310)는 전류 검출부(도 1의 140)로부터 입력되는 3상 전류(Iu, Iv, Iw)를 입력받아 이를 디지털 신호인 Iu´, Iv´, Iw´로 변환하고, 제1 좌표 변환부(320)는 이를 이용해 정지 좌표계의 2상 교류 전류(Idss, Iqss)를 생성한다. 제1 좌표 변환부(320)가 디지털 신호인 Iu´, Iv´, Iw´를 이용해 2상 교류 전류(Idss, Iqss)를 생성하는 과정에는 다음과 같은 <수학식 1>이 적용된다.
Figure 112015052857816-pat00001
이후, 제2 좌표 변환부(330)는 위와 같이 구해진 정지 좌표계의 2상 교류 전류 Idss, Iqss에 대해 다음의 <수학식 2>를 이용해 동기 속도 좌표계의 2상 직류 전류 Idse, Iqse로 변환한다.
Figure 112015052857816-pat00002
전동기의 부하 변동에 따른 토크 성분 전류 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압(VdseRef)은 전동기의 3상 전류 Iu, Iv, Iw에 대해 전류 검출부(156)로부터 얻어진 토크 성분 전류에 해당하는 Iqse의 관찰을 통해 생성할 수 있는데, 이와 같은 기능은 전압 제어부(158)를 통해 수행된다. 전압 제어부(158)가 비교부(410) 및 비례 제어부(420) 등을 포함하여 구성됨은 도 4에 도시된 바와 같다.
즉, 비교부(410)에서는 현 제어 직전의 전류 Iqse[n-1]과 현 전류 Iqse[n]의 차를 구하게 되며, 비례 제어부(420)는 비교부(410)를 통해 구해진 값에 비례 이득 K를 곱하여 d축 기준 전압을 생성하게 된다.
이때, 비례 제어부(420)를 통해 최종적으로 출력되는 d축 기준 전압(VdseRef)은 다음과 같은 <수학식 3>에 의해 얻어질 수 있다.
Figure 112015052857816-pat00003
다시 말해, 현 전류 Iqse[n]이 직전 전류 Iqse[n-1] 보다 크면 d축 기준 전압을 감소시키고, 반대의 경우는 증가시키는 방향으로 토크 성분 전류(Iqse)를 일정하게 제어함으로써, 매입형 영구자석 동기 전동기의 부하 변동에 따른 토크 리플을 감소시킬 수 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같은 제어 방식을 통해 매입형 영구자석 동기 전동기의 부하 변동에 따른 토크 리플을 감소시킬 수 있게 됨으로써, 유도 전동기 등에 일반적으로 이용되던 전압/주파수 일정 제어 기술을 기반으로 매입형 영구자석 동기 전동기의 간편한 제어가 일정 수준 가능하게 되었음은 전술한 바 있다. 하지만, 이와 같은 기술의 경우 전압/주파수 비율에 대한 보상 방식의 부재로 인해, 부하 상태 등에 따라 매입형 영구자석 동기 전동기에 인가되는 전압 부족이 발생될 수 있으며, 이로 인해 전동기의 불안정 동작을 유발할 수 있다는 등의 문제점이 있었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치는, 전압/주파수 패턴부(510), 3상 기준 전압 생성부(520), 전류 변환부(530), 전압 제어부(540), 전압 보상부(550) 및 결합부(560) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
전압/주파수 패턴부(510)는 전압/주파수 일정 제어 방식이 적용된 통상의 유도 전동기 구동 시스템 등에 적용되는 전압/주파수 패턴부와 동일한 것으로, 인가되는 기준 주파수(fref)를 이용하여 기준 전압(Vqse,VF)을 생성하는 기능을 수행하게 된다. 본 발명의 실시예에 있어서는 전압/주파수 패턴부(510)를 통해 생성되는 기준 전압을 q축 기준 패턴 전압(Vqse,VF)이라 부르기로 한다.
아울러, 전류 변환부(530)가 전동기로부터 3상 전류를 인가받아 동기 속도 좌표계의 2상 직류 전류(Idse, Iqse)를 생성하면, 전압 제어부(540)가 이 가운데 토크 성분 전류(Iqse)의 관찰을 통해, 전동기의 부하 변동에 따른 토크 성분 전류 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압(VdseRef)을 생성하게 되는 과정에 대해서는, 앞서 여러 도면을 통해 상세히 설명한 바 있으므로 구체적인 설명을 생략하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치는, 전압/주파수 패턴부(510)에 의해 생성된 q축 기준 패턴 전압(Vqse,VF)을, 전압 보상부(550)에 의해 생성된 보상 전압(Vqse,comp)과 결합부(560)를 통해 결합시키는 과정에 의해 q축 기준 전압(VqseRef)을 생성하도록 구성함으로써, 부하 상태 등에 따라 전압/주파수 비율에 대한 보상이 이루어질 수 있도록 기능한다.
그리고 이렇게 생성된 q축 기준 전압(VqseRef)과 전압 제어부(540)를 통해 생성된 d축 기준 전압(VdseRef)을 이용해 3상 기준 전압 생성부(520)가 3상 기준 전압(VasRef, VbsRef, VcsRef)을 생성할 수 있도록 하며, 이와 같이 생성된 3상 기준 전압을 이용해 전동기의 제어를 수행함으로써, 토크 성분 전류(Iqse)의 관찰을 통해 전동기의 부하 변동에 따른 토크 성분 전류 맥동을 제한하는 데에서 더 나아가, 부하 상태 등에 따라 전압/주파수 비율에 대한 실시간 보상이 가능할 수 있게 됨으로써, 매입형 영구자석 동기 전동기에 대한 보다 안정적인 제어가 가능할 수 있도록 한다..
도 6은 도 5의 전압 보상부의 구성을 나타낸 설명도이다.
도 6을 참조하면, 전압 보상부(550)는 저역 통과 필터부(552, Low Pass Filter: LPF) 및 비례 보상부(554) 등을 포함하여 구성됨을 확인할 수 있다.
저역 통과 필터부(552)는 전류 변환부(540)로부터 생성되는 토크 성분 전류(Iqse)를 입력받아 필터링을 수행하게 되며, 비례 보상부(554)는 저역 통과 필터부(552)에 의해 필터링 된 토크 성분 전류(Iqse)에 대해, 부하 변동에 대응되도록 전압/주파수 비율을 보상하여 토크 성분 전류(Iqse)의 크기에 비례하는 보상 전압(Vqse,comp)을 생성하는 기능을 수행한다.
부하량에 비례하는 보상 전압(Vqse,comp)은 <수학식 1> 및 <수학식 2>로부터 획득한 q축 전류 Iqse를 저역 통과 필터링 한 Iqse,LPF와 비례 보상(Kcomp)을 이용하여 다음의 <수학식 4>와 같이 구할 수 있다.
Figure 112015052857816-pat00004
따라서, 지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치에 따르면, 기준 주파수(fref)로부터 전압/주파수 패턴부(510)에 의해 동기 속도 좌표계의 q축 기준 패턴 전압(Vqse,VF)을, 전압 보상부로부터 부하량에 비례하는 보상 전압(Vqse,comp)을 생성한 후 이 두 전압의 결합을 통해 q축 기준 전압(VqseRef)을 생성하고, 전류 변환부(530) 및 전압 제어부(540)를 이용하여 매입형 영구자석 동기 전동기의 부하 변동에 따른 토크 성분 전류 맥동을 제한하기 위한 d축 기준 전압(VdseRef)을 생성한 후, 이렇게 생성된 q축 기준 전압(VqseRef)과 d축 기준 전압(VdseRef)을 이용해 3상 기준 전압 생성부(520)가 3상 기준 전압(VasRef, VbsRef, VcsRef)을 생성하고, 이를 PWM 인버터를 이용해 매입형 영구자석 동기 전동기에 공급하도록 구성됨을 알 수 있다.
이에 따라, 도 5 및 도 6을 통해 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치는, 부하에 비례한 보상 전압(Vqse,comp)의 추가적인 공급이 가능해짐으로 인해 전압 부족으로 인한 전동기의 불안정 운전 상태 발생 등을 방지할 수 있게 되었다는 장점을 갖는다.
한편, 본 발명은 이상에서 설명한 바와 같은 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치를 구비하는 전동기 구동용 인버터를 제공할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 인버터는, 도 1과 같은 매입형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템에 구비되는 PWM 인버터로써, 3상 전원부로부터 공급되는 전원을 이용하여 매입형 영구자석 동기 전동기의 구동에 적합한 전원을 공급하는 기능을 수행하게 되는데, 이때, 전동기로부터 검출된 전류값에 따라 생성된 제어 신호를 이용해 전동기 구동 전원을 생성하도록 동작한다.
그리고, 이와 같은 제어 신호의 생성을 위해 도 5 및 도 6을 통해 설명한 바와 같은 매입형 영구자석 동기 전동기 제어 장치를 이용할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같은, 본 발명의 실시예에 따른 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치와 이를 구비하는 인버터가, 복잡한 수식과 전동기 상수를 필수적으로 요구하는 벡터 제어 대신 유도 전동기 등에 일반적으로 이용되는 전압/주파수 일정 제어를 기반으로 하는 간단한 전압 제어 방식을 통해, 여러 가지 장점을 갖는 매입형 영구자석 동기 전동기를 제어 가능하도록 할 수 있으며, 아울러, 이를 통해 매입형 영구자석 동기 전동기용 제어 장치의 범용 이용이 가능할 수 있게 됨으로써, 폭넓은 분야에 다양하게 적용 가능할 수 있을 뿐만 아니라 제조 비용 및 운용 비용 등의 절감이 가능할 수 있게 되었다는 등의 다양한 장점을 제공함에 대해서는 전술한 바 있다.
전술한 바와 같은 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110: 3상 전원부 120: PWM 인버터부
130: 전력 변환부 140: 전류 검출부
150: 제어부 152, 510: 전압/주파수 패턴부
154, 520: 3상 기준 전압 생성부 156, 530: 전류 변환부
158, 530: 전압 제어부 310: A/D 변환부
320: 제1 좌표 변환부 330: 제2 좌표 변환부
410: 비교부 420: 비례 제어부
550: 전압 보상부 552: 저역 통과 필터부
554: 비례 보상부 560: 결합부

Claims (6)

  1. 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)의 제어 장치에 있어서,
    기준 주파수로부터 전압/주파수(V/F) 패턴에 따른 q축 기준 패턴 전압을 생성하는 전압/주파수 패턴부;
    상기 전동기의 3상 전류에 기초하여 토크 성분 전류를 포함하는 2상 직류 전류를 생성하는 전류 변환부;
    비례 보상 및 상기 토크 성분 전류에 기초하여 부하량에 비례하도록 전압/주파수 비율에 대한 보상 전압을 생성하는 전압 보상부;
    상기 q축 기준 패턴 전압 및 상기 보상 전압을 결합하여 동기 속도 좌표계의 q축 기준 전압을 생성하는 결합부;
    상기 토크 성분 전류에 기초하여 d축 기준 전압을 생성하는 전압 제어부; 및
    상기 q축 기준 전압 및 상기 d축 기준 전압을 3상 기준 전압으로 변환하는 3상 기준 전압 생성부;
    를 포함하는 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 보상부는,
    상기 토크 성분 전류를 입력받아 필터링을 수행하는 저역 통과 필터부(Low Pass Filter: LPF); 및
    상기 저역 통과 필터부에 의해 필터링 된 상기 토크 성분 전류와 상기 비례 보상에 기초하여, 부하 변동에 따라 전압/주파수 비율을 보상하기 위한 상기 보상 전압을 생성하는 비례 보상부;
    를 포함하는 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 변환부는,
    아날로그 3상 전류를 입력받아 디지털 신호로 변환하기 위한 신호 변환부;
    상기 신호 변환부에 의해 변환된 디지털 신호로부터 정지 좌표계의 2상 교류 전류를 산출하는 제1 좌표 변환부; 및
    상기 제1 좌표 변환부에 의해 산출된 상기 2상 교류 전류를, 상기 동기 속도 좌표계의 2상 직류 전류로 변환하는 제2 좌표 변환부;를 포함하는 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 제어부는,
    상기 전류 변환부로부터 생성된 상기 2상 직류 전류 가운데 상기 토크 성분 전류에 대해, 직전 전류와 현 전류 사이의 비교를 통해 오차값을 생성하는 비교부; 및
    상기 비교부에 의해 생성된 오차값과 비례 이득값(K)의 연산을 통해 d축 기준 전압을 생성하는 비례 제어부;를 포함하는 매입형 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
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