KR101763487B1 - 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법 - Google Patents

3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법에 관한 것으로, 3상 영구자석 동기전동기의 운전 시 PI 속도 제어기를 통해 실제 운전속도를 제어하기 위한 속도지령을 출력한다. 또한, 상기 3상 영구자석 동기전동기의 고성능 운전을 위한 전류센서로부터 측정된 각 상에 대한 샘플링 과정에서 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error)를 포함한 전류정보가 측정될 경우, 3상 영구자석 동기전동기 구동 시 전류측정오차에 의한 맥동성분으로 인해 구동시스템 전체의 운전 성능에 영향을 미치는 것을 개선시키기 위해 좌표변환기를 통해 동기좌표계 d, q축 전류의 변환정보와 상기 PI 속도 제어기로부터 출력되는 속도지령이 합산시켜 동기좌표계 q축 전류지령을 만든다. 이때, 상기 q축 전류지령을 통해 3상 영구자석 동기전동기의 2개의 AC-DC-AC 인버터를 갖는 구동시스템에 대한 운전을 단속하고, 단속 이후에는 상기 전류센서로부터 측정된 각 상의 전류정보에 옵셋(offset) 오차로 인한 동기주파수의 1배와 스케일(scaling) 오차로 인한 동기주파수의 2배 맥동성분이 존재할 경우, 동기좌표계 PI 전류 제어기의 적분기(
Figure 112015115846229-pat00118
)의 후단에 위치한 향상된 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기의 제1 PR 제어기와 제2 PR 제어기를 갖는 각각 위치시켜 출력되는 상기 고조파 성분인 동기주파수의 1배와 2배를 선택적으로 저감시켜 속도 및 토크의 맥동성분들을 효과적으로 저감시킬 수 있다.

Description

3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법{Reduction method of current measurement errors for high performance operation of three phase PMSM}
본 발명은 전동기 구동 시스템에 대한 전류측정오차 저감방법에 관한 것으로 특히, 3상 영구자석 동기전동기의 각 상에 대한 전류측정 시 야기되는 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error)에 의한 맥동을 저감시키는 개선된 PR제어기를 통해 전체적인 시스템의 운전 성능을 개선할 수 있도록 한 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법에 관한 것이다.
최근 산업계의 여러 응용 분야에 인버터가 장착된 교류 전동기 구동 시스템의 고성능 속도 및 토크제어가 요구되고 있다. 고성능 속도 및 토크제어는 전체 시스템의 성능을 판단하는 중요한 요소이기 때문에 빠른 과도응답과 만족스러운 정상상태 특성이 요구된다.
교류 전동기 구동 시스템에서 고성능의 속도 및 토크제어를 위해 그동안 제어기 자체 성능의 개선과 토크 맥동의 보상에 관한 많은 연구가 진행되어왔다. 일반적으로 교류 전동기(예를 들어, 3상 영구자석 동기전동기)를 구동하기 위해 벡터제어를 널리 사용한다. 특히, 전류제어를 근간으로 하는 벡터 제어에서 뛰어난 운전 성능을 확보하기 위해서는 전류의 정보가 매우 중요한 요소로서 정밀한 전류의 측정은 필수적이다.
실제 3상 영구자석 동기전동기 구동 시스템에서 전류의 정보는 각 상전류로부터 전류센서를 통해 변환된 값을 샘플링하는 방법으로 얻는다. 그러나 전류 정보의 검출 경로에 위치한 아날로그 회로의 비이상적인 요소에 의하여 오차 성분을 포함하여 측정하게 된다. 이러한 비이상적인 요소는 센서 자체의 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error), 전류 측정 경로에 위치한 연산증폭기의 옵셋 오차, 아날로그 신호를 AD컨버터 입력 범위에 맞게 조정하기 위한 회로의 이득 오차로 발생한다. 또한 AD 컨버터의 옵셋 오차와 비선형성, 미싱 코드(missing code)에 의해 발생할 수 있으며 측정경로의 아날로그 회로의 전원의 불균형으로 발생할 수 있다. 이러한 이유로 발생한 전류의 정보에서 최종적으로 스케일 오차와 옵셋 오차의 형태로 나타난다. 전류의 검출 경로에서 옵셋과 스케일 오차가 포함되어 전류제어기의 전류 정보로 사용될 경우 각각 동기주파수의 1배와 2배의 전류 및 토크의 맥동을 야기시키고 전체 시스템의 성능 악화를 초래한다.
3상 영구자석 동기전동기와 같은 교류 전동기 구동시스템의 벡터제어를 위한 전류측정경로상의 오차 성분이 발생되는데, 그 오차 성분은 옵셋 오차와 스케일 오차를 포함한 전류 정보를 전류제어에 사용할 경우 각각 동기 주파수의 1배와 2배의 맥동을 야기하고 그 결과 전체 시스템의 성능 악화를 초래할 수 있다. 따라서 교류 전동기의 제어 성능을 향상 혹은 개선시키기 위해서는 이러한 오차 성분을 고려한 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기를 사용하여 저감함으로써 시스템의 성능 악화를 예방할 수 있다.
PR 제어기는 특정한 주파수에서 개루프 이득이 무한대이며 대역폭이 좁기 때문에 특정주파수의 맥동성분을 선택적으로 저감할 수 있고 위상지연이 없는 제어특성을 가진다. 그러나 무한대의 이득으로 인하여 시스템의 안정성이 저하되는 단점이 존재한다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 향상된 PR제어기를 사용하면 특정 주파수에서의 이득을 조절할 수 있으며 동기 좌표계 d, q축 전류에 발생하는 고조파 성분을 선택적으로 저감할 수 있다. 그러므로, 동기 주파수의 1배와 2배에 해당하는 옵셋과 스케일 오차를 선택적으로 저감하여 전동기 제어의 높은 성능을 실현할 수 있다.
한편, 국내등록특허공보 제10-1381599호(2014.03.31)의‘비례 공진 제어기를 이용한 계통연계 인버터의 고조파 왜곡보상 회로 및 그 방법’에는 비례공진(PR)제어기를 이용한 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상 및 계통측 3상 전류를 d, q축 전류정보로 변환한 후 변환된 정보를 PR제어기를 통해 계통측 출력에 보상함으로써 맥동을 저감하는 방식이 개시되어 있다(도 1 참조).
그러나 이 특허기술은 비례공진(PR) 제어기를 이용하여 고조파 성분을 보상한 시스템에서는 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하기 위한 방법인 반면에, 교류 전동기의 구동시스템에서 전류센서 및 전류측정경로상의 아날로그회로에서 발생하는 옵셋(Offset)과 스케일(Scaling) 오차로 인한 특정주파수 성분을 갖는 맥동 성분을 보상하지 못한다.
또한, 이 특허기술은 계통측 3상 전류를 d축, q축 전류정보로 변환한 후 변환된 정보를 PR 제어기를 통해 계통측 출력에 보상함으로써 맥동을 저감하는 방식이지만, 속도 및 전류 제어기의 적분기 출력을 기반으로 전류측정오차에 의한 맥동 성분인 동기 주파수 1배와 2배의 교류성분을 제안된 PR 제어기를 통해 보상해주는 수단이 결여되어 있다.
그리고 이 특허기술은 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 비례공진(PR)제어기를 사용하여 저감하는 반면에, 교류 전동기 구동시스템의 벡터제어 적용 시 전류센서 및 전류측정경로상의 아날로그회로에서 발생하는 옵셋과 스케일 오차에 의한 맥동성분을 동기좌표계 PI 전류 제어기의 적분기 출력으로부터 검출한다. 동기좌표계 PI 전류 제어기에서 저감되지 않는 교류성분인 동기주파수의 1배와 2배에 해당하는 맥동성분을 PR 제어기를 사용하여 보상해주는 수단이 개시되어 있지 않다는 점에서 3상 영구자석 동기전동기와 같은 구동시스템에 적용할 수 없는 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명에서는 전류의 옵셋과 스케일 오차에 의한 동기 주파수의 1배와 2배의 맥동성분을 저감하기 위해 개선된 비례공진(PR : Proportional Resonant)제어기를 통해 맥동 성분을 선택적으로 저감할 수 있는 전혀 새로운 방법을 제안한다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 보다 상세하게는, 측정된 전류정보에 포함된 옵셋과 스케일 오차에 의한 맥동성분을 개선된 PR 제어기를 통해 저감시키는 방법을 구현함으로써, 전류 정보를 기반으로 하는 인버터가 구비된 교류 전동기 구동시스템과 전력변환장치의 제어 성능의 개선으로 산업현장에서 널리 사용 가능토록 한 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법을 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 교류 전동기의 전류측정오차 저감방법에 있어서, 상기 방법은 3상 영구자석 동기전동기의 운전 시 PI 속도 제어기(100)를 통해 실제 운전속도를 제어하기 위한 속도지령을 출력하는 제1 단계와; 상기 3상 영구자석 동기전동기의 고성능 운전을 위한 전류센서(400)로부터 측정된 각 상에 대한 전류의 정보로 좌표변환기(200)를 통해 동기좌표계 d, q축 전류의 변환정보와 상기 PI 속도 제어기(100)로부터 출력되는 속도지령이 합산기(+)에서 합쳐져서 동기좌표계 q축 전류지령을 만드는 제2 단계와; 상기 q축 전류지령을 통해 3상 영구자석 동기전동기의 2개의 AC-DC-AC 인버터를 갖는 구동시스템에 대한 운전을 단속하는 제3 단계 및; 상기 전류센서(400)로부터 측정된 각 상의 전류정보에 옵셋(offset) 오차로 인한 동기주파수의 1배와 스케일(scaling) 오차로 인한 동기주파수의 2배 맥동성분이 존재할 경우, 동기좌표계 PI 전류 제어기(300)의 적분기(
Figure 112017030004638-pat00125
)와 상기 적분기 후단에 위치한 향상된 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)를 복수개로 구성하여 출력되는 고조파 성분에 해당하는 상기 동기주파수의 1배와 2배 중에서 어느 하나를 선택적으로 저감시켜 속도 및 토크의 맥동성분들을 저감시키는 제4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 복수개의 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)는, 상기 전류정보에 옵셋(offset) 오차로 인한 동기주파수 1배의 맥동성분인 고조파를 저감시키는 제1 PR 제어기(500a)와, 상기 스케일(scaling) 오차로 인한 동기주파수 2배의 맥동성분인 고조파를 저감시키는 제2 PR 제어기(500b)를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 전류측정 시 야기되는 옵셋 오차와 스케일 오차에 의한 맥동이 교류 전동기 구동시스템에 미치는 영향을 저감하여 전체적인 시스템의 운전 성능의 개선과 간단한 맥동 저감 기법의 활용으로 인해서 마이크로프로세서의 부담을 줄일 수 있다.
(2) 본 발명은 정확한 전류정보의 획득을 위해 고가의 전류센서를 구매하지 않고도 본 발명의 적용에 따른 저가의 전류센서를 사용함으로써, 구매 비용을 절감하고 동일한 운전 성능을 확보할 수 있다.
(3) 본 발명은 고가의 전류센서를 장착한 구동시스템에 대비하여 저가의 전류센서를 사용하여 우수한 운전성을 확보할 수 있고 타 제품에 비해 제작비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 제품에 본 발명을 적용하여 전류측정오차에 의한 맥동을 저감할 수 있기 때문에 전체적인 제품의 품질이 향상으로 제품에 대한 신뢰성과 안전성을 동시에 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 비례공진제어기를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법에 대한 전류측정경로에서의 오차 발생을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법에 대한 제어기 전체 블록도를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전을 위한 좌표변환기를 구체적으로 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법에 대한 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기 사용 전 3상 영구자석 동기전동기의 실험파형을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법에 대한 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기 사용 후 3상 영구자석 동기전동기의 실험파형을 나타낸 도면
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법의 핵심 기술적 구성은 크게, 3상 영구자석 동기전동기의 속도 제어를 위한 PI 속도 제어기(100), 전류센서(400)로부터 동기좌표계 d, q축 전류 정보로 변환하는 좌표변환기(200), 동기좌표계 d, q축 전류 중에서 q축 전류를 제어하여 3상 영구자석 동기전동기의 운전을 수행하기 위한 동기좌표계 PI 전류 제어기(300), AC-DC-AC 인버터의 각 상에 대한 전류 정보를 검출하는 전류센서(400) 및 3상 영구자석 동기전동기의 운전 시 발생하는 동기주파수의 1배 및 2배의 맥동성분을 보상하기 위한 향상된 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)로 구성되어진다.
이러한 본 발명의 기술적 구성은, 3상 영구자석 동기전동기와 같은 교류 전동기 구동시스템에서 전류센서(400)로부터 측정된 전류 정보의 경우 벡터제어 시 매우 중요한 요소이다. 그런데 전류센서 및 전류측정경로상의 아날로그 회로에서 옵셋(Offset)과 스케일(Scaling) 오차를 포함한 전류정보가 측정될 때 교류 전동기 구동 시 속도와 토크 맥동을 초래하고 시스템 성능이 악화되는 문제점이 발생한다.
따라서 본 발명은 해당 맥동 성분들을 저감하기 위한 방법으로 3상 영구자석 동기전동기의 동기좌표계 d, q축 전류에 포함된 동기주파수의 1배와 2배의 맥동성분을 보상하기 위해 향상된 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)를 사용하여 옵셋과 스케일 오차에 의한 동기주파수의 1배 및 2배의 맥동성분을 저감시키도록 한 것에 그 특징이 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 PI(Proportional Integral, 비례적분) 속도 제어기(100)는, 3상 영구자석 동기전동기의 운전 시 속도지령에 따라 실제 운전속도를 제어하기 위한 수단이다.
여기서, 상기 비례적분(PI : Proportional Integral)은 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분제어를 비례제어(Proportional Control)에 병렬로 연결해서 사용한다. 비례제어는 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적당한 비례 상수 이득을 곱해서 제어 신호를 만든다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 상기 좌표변환기(200)는, 상기 전류센서(400)로부터 측정된 3상 영구자석 동기전동기에 대한 각 상의 전류정보를 수신 받아 정지좌표계 좌표변환기(210)에서 정지좌표계 d, q축 전류 정보로 변화하여 동기좌표계 좌표변환기(220)로 전송하며 동기좌표계 d, q축 전류 정보로 다시 변환하게 된다.
또한, 상기 좌표변환기(200)에서 동기좌표계 d, q축 전류로 변환된 정보는 3상 영구자석 동기전동기의 운전을 수행하기 위한 동기좌표계 PI 전류 제어기(300)로 전송시켜 동기좌표계 PI 전류 제어기(300)로 하여금 2개의 AC-DC-AC 인버터를 갖는 구동시스템의 운전을 단속하게 된다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 동기좌표계 PI(Proportional Integral) 전류 제어기(300)는, 상기 좌표변환기(200)의 동기좌표계 좌표변환기(220)의 d, q축 중에서 q축 전류값을 제어하여 2개의 AC-DC-AC 인버터를 갖는 구동시스템의 운전을 단속하게 된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 전류센서(400)는, 전류측정오차 저감기법이 사용될 수 있는 벡터제어가 가능한 3상 영구자석 동기전동기 혹은 AC-DC-AC 3상 인버터와 같은 각 상에 설치되어 전류의 정보를 샘플링 하는 수단이다. 샘플링 과정에서 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error)를 포함한 전류정보가 측정될 경우 3상 영구자석 동기전동기 구동 시 전류측정오차에 의한 맥동 성분으로 인해 구동시스템 전체의 운전 성능에 문제점을 발생시킨다.
다시 말해서, 벡터제어가 가능한 3상 영구자석 동기전동기와 같은 각 상에 설치되어 전류의 정보를 샘플링 과정에서 전류정보의 검출 경로에 위치한 아날로그 회로의 비이상적인 요소에 의하여 오차 성분을 포함하여 측정하게 된다. 이러한 비이상적인 요소는 센서 자체의 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error)로 발생하며, 전류 측정 경로에 위치한 연산증폭기(410) 및 LPF(420) 단계에서의 옵셋 오차, 아날로그 신호를 A/D컨버터(430) 입력 범위에 맞게 조정하기 위한 회로에서의 이득 오차가 발생한다. 또한 A/D컨버터의 옵셋 오차와 비선형성, 미싱 코드(missing code)에 의해 발생할 수 있으며 측정경로의 아날로그 회로의 전원의 불균형으로 발생할 수 있다. 이러한 이유로 발생한 전류의 정보에서 최종적으로 스케일 오차와 옵셋 오차의 형태로 나타난다. 전류의 검출 경로에서 옵셋과 스케일 오차가 포함되어 전류제어기의 전류 정보로 사용될 경우 각각 동기주파수의 1배와 2배의 토크의 맥동을 야기시키고 전체 시스템의 성능 악화를 초래한다.
또한, 상기 전류센서(400)로부터 측정된 각 상 전류의 정보는 상술한 좌표변환기(200)를 통해 동기좌표계 d, q축 전류의 정보로 변환된다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 상기 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)는, 상기 좌표변환기(200)의 동기좌표계 좌표변환기(220)에서 d축 전류 정보를 제외한 q축 전류정보에 포함된 고조파 성분들을 선택적으로 보상하기 위한 수단으로, 상기 전류센서(400)로부터 측정된 3상 영구자석 동기전동기의 각 상의 전류정보에 고조파 성분이 존재할 때 상기 동기좌표계 PI 전류 제어기(300) 후단에 위치하여 출력되는 고조파성분을 선택적으로 저감시켜 출력되는 전류의 맥동을 저감시킨다.
상기 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)는, 상기 전류정보에 옵셋(offset) 오차로 인한 동기주파수의 1배 맥동성분인 고조파를 저감시키는 제1 PR 제어기(500a)와, 스케일(scaling) 오차로 인한 동기주파수의 2배 맥동성분인 고조파를 저감시키는 제2 PR 제어기(500b)를 갖는다.
여기서, 3상 영구자석 동기전동기에서 옵셋 오차(Offset Error)의 영향으로 발생한 동기주파수의 1배에 해당하는 맥동성분과 스케일 오차(Scaling Error)의 영향으로 발생한 동기 주파수의 2배에 해당하는 맥동성분을 선택적으로 저감시킬 수 있는 것은 상기 제1 PR 제어기(500a) 및 제2 PR 제어기(500b)가 그 역할을 담당하게 된다.
다시 말해서, 상기 동기좌표계 PI 전류 제어기(Synchronous Reference Frame PI Current Regulator,300)의 적분기(
Figure 112015115846229-pat00027
)로부터 출력되는 신호는 상기 제1/제2 PR 제어기(500a,500b)의 입력으로 사용된다. 즉 상기 제1 PR 제어기(500a)는 옵셋 오차(Offset Error)에 의한 맥동성분, 즉 동기주파수의 1배를 보상하기 위한 것이고, 제2 PR 제어기(500b)는 스케일 오차(Scaling Error)에 의한 맥동성분, 즉 동기주파수의 2배를 보상하기 위한 것이다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법은, 3상 영구자석 동기전동기의 운전 시 PI 속도 제어기(100)를 통해 실제 운전속도를 제어하기 위한 속도지령을 출력한다. 또한, 상기 3상 영구자석 동기전동기의 고성능 운전을 위한 전류센서(400)로부터 측정된 각 상에 대한 전류의 정보, 즉 샘플링 과정에서 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error)를 포함한 전류정보가 측정될 경우, 3상 영구자석 동기전동기 구동 시 전류측정오차에 의한 맥동성분으로 인해 구동시스템 전체의 운전 성능에 문제점을 발생시키는 것을 개선시키기 위해서는 좌표변환기(200)를 통해 동기좌표계 d, q축 전류의 변환정보와 상기 PI 속도 제어기(100)로부터 출력되는 속도지령이 합산기(+)에서 합쳐져서 동기좌표계 q축 전류지령을 만든다. 이때, 상기 q축 전류지령을 통해 3상 영구자석 동기전동기의 2개의 AC-DC-AC 인버터를 갖는 구동시스템에 대한 운전을 단속하게 된다. 그리고 상기 운전 단속 이후에는 상기 전류센서(400)로부터 측정된 각 상의 전류정보에 옵셋(offset) 오차로 인한 동기주파수의 1배와 스케일(scaling) 오차로 인한 동기주파수의 2배 맥동성분이 존재할 경우, 동기좌표계 PI 전류 제어기(300)의 적분기(
Figure 112015115846229-pat00028
)의 후단에 위치한 제1 PR 제어기(500a)와 제2 PR 제어기(500b)를 갖는향상된 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)를 위치시켜 출력되는 상기 고조파 성분인 동기주파수 1배와 2배를 선택적으로 저감시켜 속도 및 토크의 맥동성분들을 저감시킬 수 있는 독특한 특징이 있다고 할 것이다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1 PR 제어기(
Figure 112015115846229-pat00029
_offset,500a)의 전달함수는 다음과 같다.
Figure 112015115846229-pat00030
여기서,
Figure 112015115846229-pat00031
은 옵셋 오차에 의해 발생하는 맥동성분을 저감하기 위한 비례이득(proportional gain),
Figure 112015115846229-pat00032
은 옵셋 오차에 의해 발생하는 맥동성분을 저감하기 위한 공진이득(resonant gain),
Figure 112015115846229-pat00033
는 차단 주파수(cutoff frequency),
Figure 112015115846229-pat00034
은 회전 주파수(rotation frequency)인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제2 PR 제어기(
Figure 112015115846229-pat00035
_scale,500b)의 전달함수는 다음과 같다.
Figure 112015115846229-pat00036
여기서,
Figure 112015115846229-pat00037
은 스케일 오차에 의해 발생하는 맥동성분을 저감하기 위한 비례이득(proportional gain),
Figure 112015115846229-pat00038
은 스케일 오차에 의해 발생하는 맥동성분을 저감하기 위한 공진이득(resonant gain),
Figure 112015115846229-pat00039
는 차단 주파수(cutoff frequency),
Figure 112015115846229-pat00040
은 회전 주파수(rotation frequency)인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법을 위한 3상 영구자석 동기전동기에 대한 수학적 모델링을 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 3상 전압방정식은 아래의 식 (1)과 같다.
Figure 112015115846229-pat00041
(1)
Figure 112015115846229-pat00042
Figure 112015115846229-pat00043
3상 영구자석 동기전동기 각 상의 전압은
Figure 112015115846229-pat00044
,
Figure 112015115846229-pat00045
,
Figure 112015115846229-pat00046
이고 등가저항은
Figure 112015115846229-pat00047
, 등가인덕턴스는
Figure 112015115846229-pat00048
, 고정자 각 상의 전류는
Figure 112015115846229-pat00049
,
Figure 112015115846229-pat00050
,
Figure 112015115846229-pat00051
이며 각 상의 역기전력은
Figure 112015115846229-pat00052
,
Figure 112015115846229-pat00053
,
Figure 112015115846229-pat00054
이다. 식 (1)의 전압방정식을 좌표 변환하여 동기 좌표계로 표현된 식은 식 (2)와 같다.
Figure 112015115846229-pat00055
(2)
Figure 112015115846229-pat00056
Figure 112015115846229-pat00057
와
Figure 112015115846229-pat00058
는 동기좌표계 d, q축 전압이고 등가저항은
Figure 112015115846229-pat00059
, 등가인덕턴스는
Figure 112015115846229-pat00060
,
Figure 112015115846229-pat00061
와
Figure 112015115846229-pat00062
는 d, q축 전류이다.
Figure 112015115846229-pat00063
와
Figure 112015115846229-pat00064
는 자속 쇄교수와 전기 각속도이다.
다시 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법을 위한 '전류측정오차의 영향'에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 전류센서(400)를 통해 측정된 전류의 정보가 OP 앰프를 갖는 연산증폭기(410) 및 LPF(420)를 거쳐 A/D컨버터(430)에서 디지털화되어 전류 데이터가 전달되는 과정을 보여준다. 이때 전류 측정 경로의 비이상적인 요소들로 인하여 실제 전류와 측정된 전류의 정보는 오차를 가지게 된다. 발생한 오차는 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error)의 형태로 나타난다.
1) 옵셋 오차(Offset Error)의 영향
옵셋 오차는 센서와 측정 경로에 위치한 소자의 전압 불균형과 연산 증폭기 자체의 특성으로 인하여 나타난다. 실제 측정된 상전류는 식 (3)과 같다.
Figure 112015115846229-pat00065
(3)
Figure 112015115846229-pat00066
Figure 112015115846229-pat00067
식 (3)에서
Figure 112015115846229-pat00068
,
Figure 112015115846229-pat00069
,
Figure 112015115846229-pat00070
는 센서 및 ADC를 통한 각상의 전류,
Figure 112015115846229-pat00071
,
Figure 112015115846229-pat00072
,
Figure 112015115846229-pat00073
는 오차 없는 각 상의 전류,
Figure 112015115846229-pat00074
,
Figure 112015115846229-pat00075
,
Figure 112015115846229-pat00076
는 각 상의 옵셋 전류 오차이다. 측정된 실제 상전류의 정보는 최종적으로 동기 좌표계로 좌표 변환된다. 동기 좌표계 d, q 축 전류 오차 (
Figure 112015115846229-pat00077
,
Figure 112015115846229-pat00078
)는 식 (4)와 같다.
Figure 112015115846229-pat00079
(4)
Figure 112015115846229-pat00080
옵셋의 영향으로 발생한 전류의 맥동은 동기 주파수의 1배에 해당하는 맥동 성분을 포함하며 토크와 속도의 맥동을 발생시킨다. 옵셋 오차에 의한 토크 맥동(
Figure 112015115846229-pat00081
)은 식 (5)와 같다.
Figure 112015115846229-pat00082
(5)
상기 식 (5)에서 는 회전자 영구자석 극의 개수이다.
2) 스케일 오차(Scaling Error)의 영향
스케일 오차는 센서 자체에서 발생할 수 있으며 A/D컨버터회로의 이득오차에 의해 발생할 수 있다. 스케일 오차 계수를 각각
Figure 112015115846229-pat00083
,
Figure 112015115846229-pat00084
라 할 경우, 스케일 오차가 포함된 각 상전류의 식은 (6)과 같다.
Figure 112015115846229-pat00085
(6)
Figure 112015115846229-pat00086
Figure 112015115846229-pat00087
동기 좌표계로 변환된 d, q축 전류의 정보에서 동기주파수 2배의 전류맥동성분은 식 (7)과 같은 맥동성분으로 나타난다.
Figure 112015115846229-pat00088
(7)
Figure 112015115846229-pat00089
스케일 오차의 영향으로 발생한 동기 좌표계 d축과 q축의 맥동성분인
Figure 112015115846229-pat00090
와
Figure 112015115846229-pat00091
는 동기 주파수의 2배의 맥동을 가지며 속도와 토크의 맥동을 발생시켜 전체 시스템의 성능 악화를 초래한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 향상된 2개의 제1/제2 PR 제어기(500a,500b)를 사용하여 전체 시스템의 성능 악화를 개선시키도록 한 것에 그 특징이 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법은 3상 영구자석 동기전동기의 전류센서로부터 발생하는 옵셋 오차(Offset Error)와 스케일 오차(Scaling Error)에 의한 동기주파수 1배와 2배의 맥동성분을 저감시키기 위해 향상된 2개의 제1/제2 PR 제어기(500a,500b)가 사용된다.
상기 2개의 제1/제2 PR 제어기(500a,500b)는 전류센서(400)로부터 측정된 각 상 전류의 정보가 좌표변환기(200)를 통해 동기좌표계 d축 전류 및 q축 전류의 정보로 변환되는 것을 활용하게 된다. 변환된 정보는 동기좌표계의 PI 전류 제어기(300)에서 수신 받아 시스템 구동기(AC-DC-AC 인버터× 2EA)를 위해 사용된다. 그런데 전류센서(400)로부터 측정된 각 상의 전류정보에 옵셋(offset)과 스케일(scaling) 오차와 같은 오차 성분이 존재한다면 각 상의 전류정보에 동기주파수 1배와 2배 맥동을 가지게 되어 결국은 시스템 구동기의 성능 악화를 초래한다. 그러므로 PI 속도 제어기(100)의 후단에 향상된 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)를 위치시켜 출력되는 고조파 성분, 즉 3상 영구자석 동기전동기에서는 옵셋 오차의 영향으로 발생한 동기 주파수의 1배에 해당하는 맥동 성분과 스케일 오차의 영향으로 발생한 동기 주파수의 2배에 해당하는 맥동 성분을 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)를 통해서 선택적으로 저감할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법에 대한 '실험 결과'를 나타낸다.
도 5는 제안된 전류측정오차 저감기법을 적용하지 않은 3상 영구자석형 동기전동기의 5[rpm]으로 회전 시 FFT(Fast Fourier Transform)로 분석한 파형이다. d, q축 전류를 FFT로 분석하였고 각각 동기주파수의 1배와 2배에 해당하는 맥동성분이 포함되어있음을 확인할 수 있다.
도 6의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 전류측정오차 저감기법을 적용한 후 5[rpm]으로 회전 시 FFT(Fast Fourier Transform)로 분석한 파형이다. FFT 분석결과 동기주파수의 1배와 2배에 해당하는 맥동성분이 저감되었음을 확인할 수 있다. 도 6의 (b)는 맥동성분이 저감된 시스템의 운전성능을 시험한 것으로 도 5의 d, q축 전류에 비하여 전류맥동이 줄어든 것을 확인할 수 있으며 속도지령을 5[rpm]에서 10[rpm]으로 변화시켰을 때 속도 지령치를 잘 추종함을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 보상법은 종래기술에서 비례공진(PR) 제어기를 이용하여 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 보상하는 방법과 달리, 교류 전동기의 구동시스템(예를 들어, 3상 영구자석 동기전동기)에서 전류센서 및 전류측정경로상의 아날로그회로에서 발생하는 옵셋 오차와 스케일 오차로 인한 특정주파수 성분을 갖는 맥동을 보상하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 종래기술의 계통측 3상 전류를 d, q축 전류정보로 변환한 후 변환된 정보에 포함된 맥동성분을 비례공진(PR) 제어기를 통해 PI 속도 제어기 출력에 보상함으로써 맥동을 저감하는 방식이다. 구동시스템에서의 전류 제어기의 적분기 출력을 기반으로 전류측정오차에 의한 맥동성분인 동기 주파수 1배 및 2배의 맥동성분을 2개의 제1/제2 PR 제어기(500a,500b)를 사용하여 보상해주는 것이다.
그리고 본 발명의 실시 예에서는 종래기술의 계통 전압의 왜곡으로 발생한 계통전류의 고조파를 비례공진(PR) 제어기를 사용하여 저감하는 것과 달리, 교류 전동기 구동시스템의 벡터제어 적용 시 전류센서 및 전류측정경로상의 아날로그회로에서 발생하는 옵셋 오차와 스케일 오차에 의한 맥동성분을 동기좌표계 PI 전류제어기의 적분기 출력을 검출신호로 활용하고 검출된 동기주파수의 1배와 2배에 해당하는 맥동성분을 2개의 제1/제2 PR 제어기(500a,500b)를 사용하여 보상해주도록 한 것에 그 특징이 있다고 할 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
PI 속도 제어기 200 : 좌표변환기
300 : 동기좌표계 PI 전류 제어기 400 : 전류센서
500 : 비례공진(PR) 제어기 500a : 제1 PR 제어기
500b : 제2 PR 제어기

Claims (6)

  1. 교류 전동기의 전류측정오차 저감방법에 있어서,
    상기 방법은 3상 영구자석 동기전동기의 운전 시 PI 속도 제어기(100)를 통해 실제 운전속도를 제어하기 위한 속도지령을 출력하는 제1 단계와;
    상기 3상 영구자석 동기전동기의 고성능 운전을 위한 전류센서(400)로부터 측정된 각 상에 대한 전류의 정보로 좌표변환기(200)를 통해 동기좌표계 d, q축 전류의 변환정보와 상기 PI 속도 제어기(100)로부터 출력되는 속도지령이 합산기(+)에서 합쳐져서 동기좌표계 q축 전류지령을 만드는 제2 단계와;
    상기 q축 전류지령을 통해 3상 영구자석 동기전동기의 2개의 AC-DC-AC 인버터를 갖는 구동시스템에 대한 운전을 단속하는 제3 단계 및;
    상기 전류센서(400)로부터 측정된 각 상의 전류정보에 옵셋(offset) 오차로 인한 동기주파수의 1배와 스케일(scaling) 오차로 인한 동기주파수의 2배 맥동성분이 존재할 경우,
    동기좌표계 PI 전류 제어기(300)의 적분기(
    Figure 112017030004638-pat00126
    )와 상기 적분기 후단에 위치한 향상된 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)를 복수개로 구성하여 출력되는 고조파 성분에 해당하는 상기 동기주파수의 1배와 2배 중에서 어느 하나를 선택적으로 저감시켜 속도 및 토크의 맥동성분들을 저감시키는 제4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법.
  2. 제1항 있어서,
    상기 복수개의 비례공진(PR : Proportional Resonant) 제어기(500)는, 상기 전류정보에 옵셋(offset) 오차로 인한 동기주파수 1배의 맥동성분인 고조파를 저감시키는 제1 PR제어기(500a)와,
    상기 스케일(scaling) 오차로 인한 동기주파수 2배의 맥동성분인 고조파를 저감시키는 제2 PR 제어기(500b)를 갖는 것을 특징으로 3상 영구자석 동기전동기의 운전 성능 개선을 위한 전류측정오차 저감방법.
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