KR101849358B1 - 영구자석 모터의 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터의 제어 방법은 모터의 전압, 및 각속도를 획득하는 단계; 획득된 전압 및 각속도를 이용하여 상기 영구자석의 온도를 추정하는 단계; 추정된 온도로부터 상기 영구자석 모터의 토크를 추정하는 단계; 및 추정된 토크에 기초하여 상기 영구자석 모터를 제어하는 단계;를 포함한다.

Description

영구자석 모터의 제어 방법 및 장치{Apparatus and method of controlling a Permanent Magnet Synchronous motor}
영구자석 모터의 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 상세히, 영구자석 모터의 온도를 추정하고, 이를 이용하여 영구자석 모터를 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
영구자석 모터는 표면부착형 영구자석 모터(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor; SPMSM)과 매입형 영구자석 모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)의 두 가지 타입으로 크게 분류할 수 있다.
영구자석 모터에 소정의 토크를 발생시키기 위해서는 모터에 전류를 인가한다. 한편, 영구자석 모터는 여러가지 변수에 의해 동일한 전류를 인가하더라도 발생되는 토크의 양이 미세하게 변화할 수 있다. 따라서, 토크 지령치에 대응하는 전류를 인가하더라도 실제로 다른 토크가 발생할 수 있다. 이러한 오차를 보상하기 위하여, 실제로 발생된 토크를 정확하게 추정 또는 측정하고, 측정된 실제 토크에 기초하여 전류를 보상하는 등, 영구자석 모터를 제어할 필요성이 요구된다.
일반적으로, 토크센서를 이용하면 모터의 토크를 측정할 수 있다. 하지만, 실제로 모터가 어플리케이션(예를 들면, 세탁기, 에어컨 등의 장치)에 적용될 때에는 비용의 한계로 값싼 토크센서가 함께 적용되기 때문에, 정확한 토크를 측정하는 데에 어려움이 있다. 따라서, 다른 변수들을 이용하여 모터의 토크를 추정하는 방법이 제안된다.
예를 들어, 모터의 토크 오차를 발생시키는 요인의 예로 온도가 있다. 영구자석은 온도에 따라 쇄교자속이 변화한다. 동일한 전류를 인가하더라도 영구자석의 온도가 바뀌면 영구자석 모터에 발생하는 토크가 변화한다. 따라서, 영구자석의 온도를 이용하면 정확한 토크를 추정할 수 있다.
예컨대, 공개 특허공보 2011-0062238(발명의 명칭: 하이브리드 차량용 모터 온도 측정 방법)에 기재된 발명에 따르면, 모터에 직접 부착된 온도센서를 이용하여 모터온도를 측정하거나, 온도센서의 선형성을 이용하여 모터온도를 추정한다.
그러나, 온도 센서를 이용하여 영구자석 외부의 고정자(stator)의 온도를 측정하는 등의 방법으로 주변의 온도를 측정하는 경우, 측정된 온도가 영구자석 자체의 정확한 온도는 아니라는 문제가 있다. 영구자석 자체의 정확한 온도는 모터가 계속하여 회전하기 때문에 실질적으로 측정이 어렵다.
한국공개특허공보 제 2011-0062238
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 영구자석 모터의 제어 방법 및 장치를 제공하고자 한다. 상세히, 영구자석 모터의 온도를 추정하고, 추정된 온도로부터 영구자석 모터의 토크를 추정하여 영구자석 모터를 제어하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 영구자석 모터의 제어 방법은 상기 모터의 전압, 및 각속도를 획득하는 단계; 획득된 상기 전압 및 상기 각속도를 이용하여 상기 영구자석의 온도를 추정하는 단계; 추정된 상기 온도로부터 상기 영구자석 모터의 토크를 추정하는 단계; 및 추정된 상기 토크에 기초하여 상기 영구자석 모터를 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 획득하는 단계는, 상기 모터의 q축전압, d축전류, 및 각속도를 획득하고, 상기 온도를 추정하는 단계는, 상기 획득된 q축전압, d축전류, 및 각속도와 상기 영구자석 모터의 인덕턴스, 기설정된 기준온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 상기 영구자석의 온도상승계수를 이용하여 상기 영구자석의 온도를 추정한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 온도를 추정하는 단계는 하기 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00001
상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 온도를 추정하는 단계는 하기 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00002
상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, R_a는 상기 영구자석 모터의 상저항, i_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전류, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
본 발명의 다른 측면에 따라, 상기 기준온도는 0도이고, 상기 온도를 추정하는 단계는 하기 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00003
상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|0℃는 상기 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수이다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 토크를 추정하는 단계는, 상기 모터의 마그네틱(magnetic) 토크 및 릴럭턴스(reluctance) 토크를 추정하고, 상기 마그네틱 토크와 상기 리럭턴스 토크로부터 상기 모터의 네트(net) 토크를 추정한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 획득하는 단계는, 기설정된 기준 온도에서 상기 모터의 역기전력 및 상기 기준 온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자석을 더 획득하고, 상기 토크를 추정하는 단계는, 상기 기준 온도에서의 상기 모터의 역기전력, 상기 기준 온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 추정된 상기 온도에서의 쇄교자속에 기초하여 상기 토크를 추정한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 토크를 추정하는 단계는 하기의 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00004
여기서, T는 상기 영구자석 모터의 네트(net) 토크, T_m은 마그네틱 토크, T_r은 릴럭턴스 토크, P_n은 상기 영구자석의 극쌍수, 는 상기 영구자석의 쇄교자속, i_q는 q축 전류, L_d는 d축 인덕턴스, L_q는 q축 인덕턴스, i_d는 d축 전류이다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 제어하는 단계는, 토크지령치와 추정된 상기 토크의 비교 결과에 따라 상기 영구자석 모터에 인가되는 구동전압 또는 구동전류를 제어한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 제어하는 단계는 상기 토크지령치와 추정된 상기 토크의 오차를 보상하기 위하여 상기 영구자석 모터에 인가되는 보상전류 또는 보상전압을 제어한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 영구자석 모터의 제어 장치는 상기 모터의 전압, 및 각속도를 획득하는 입력부; 획득된 상기 전압 및 상기 각속도를 이용하여 상기 영구자석의 온도를 추정하는 온도 추정부; 추정된 상기 온도로부터 상기 영구자석 모터의 토크를 추정하는 토크 추정부; 및 추정된 상기 토크에 기초하여 상기 영구자석 모터를 제어하는 제어 신호를 출력하는 출력부;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 입력부는, 상기 모터의 q축전압, d축전류, 및 각속도를 획득하고, 상기 온도 추정부는, 상기 획득된 q축전압, d축전류, 및 각속도와 상기 영구자석 모터의 인덕턴스, 기설정된 기준온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 상기 영구자석의 온도상승계수를 이용하여 상기 영구자석의 온도를 추정한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 온도 추정부는 하기 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00005
상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 온도 추정부는 하기 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00006
상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, R_a는 상기 영구자석 모터의 상저항, i_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전류, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 기준온도는 0도이고, 상기 온도 추정부는 하기 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00007
상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, id는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|0℃는 상기 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수이다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 토크 추정부는, 상기 모터의 마그네틱(magnetic) 토크 및 릴럭턴스(reluctance) 토크를 추정하고, 상기 마그네틱 토크와 상기 리럭턴스 토크로부터 상기 모터의 네트(net) 토크를 추정한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 입력부는, 기설정된 기준 온도에서 상기 모터의 역기전력 및 상기 기준 온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자석을 더 획득하고, 상기 토크 추정부는, 상기 기준 온도에서의 상기 모터의 역기전력, 상기 기준 온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 추정된 상기 온도에서의 쇄교자속에 기초하여 상기 토크를 추정한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 토크 추정부는 하기의 수학식을 이용한다.
Figure 112013061723759-pat00008
여기서, T는 상기 영구자석 모터의 네트(net) 토크, T_m은 마그네틱 토크, T_r은 릴럭턴스 토크, P_n은 상기 영구자석의 극쌍수, Φ_a는 상기 영구자석의 쇄교자속, i_q는 q축 전류, L_d는 d축 인덕턴스, L_q는 q축 인덕턴스, i_d는 d축 전류이다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 출력부는, 토크지령치와 추정된 상기 토크의 비교 결과에 따라 상기 영구자석 모터에 인가되는 구동전압 또는 구동전류를 제어하는 제어신호를 출력한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 출력부는 상기 토크지령치와 추정된 상기 토크의 오차를 보상하기 위하여 상기 영구자석 모터에 인가되는 보상전류 또는 보상전압을 제어하는 제어신호를 출력한다.
영구자석의 온도를 정확하게 추정하고 이에 기반하여 모터의 토크를 추정함으로써, 영구자석 모터에 발생된 실제 토크를 정확하게 추정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 제어장치(200)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 영구자석 모터의 제어 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 2가지 타입의 영구자석 모터의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터의 제어 방법의 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
한편, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다. 본 실시예들의 특징을 명확히 설명하기 위하여 이하의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터(100)는 고정자(110), 회전자(120), 하우징(130)을 포함한다.
고정자(110)는 고정자 심, 고정자 심에 감겨있는 코일, 및 고정자 심과 코일 사이에 배치된 절연부재 등을 포함한다. 고정자(110)에 전기가 공급되면 회전자(120)와 상호작용을 하여 회전자(120)를 회전시키는 회전력을 발생시킨다.
소정자 심의 소재로는 철과 같은 강자성체가 사용될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
회전자(120)는 영구자석(121)과 회전축(122)을 구비하며, 고정자(110)와는 공극(D)을 사이에 두고 이격된다. 영구자석(121)은 복수개의 영구자석으로 구성되며, 회전자(120)의 내부에 배치된다.
회전축(122)은 회전자(120)가 회전하는 중심이 되는 축으로, 베어링(135)을 개재하여 하우징(130)에 설치된다. 본 실시예의 회전축(122)은 중실축의 형성을 가지고 있지만, 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전축은 중공축의 형상을 가질 수 있다.
도 1에 도시된 회전자(120)의 구성은 회전자의 일 예일 뿐이며, 본 발명에 적용 가능한 회전자의 구성은 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 회전자에는 공지된 여러가지 로터(rotor) 구성이 그대로 적용 가능하므로, 구체적인 설명은 생략한다.
한편 도 1을 참조하면, 영구자석 모터(100)를 제어하는 제어장치(200)가 구비된다. 제어장치(200)는 영구자석 모터(100)의 입력 전류 및 전압을 제어한다. 예를 들어, 제어장치(200)는 영구자석 모터(100)의 토크 지령치와 실제 발생 토크와의 오차를 보상하기 위하여 영구자석 모터(100)의 전류 및 전압을 제어한다.
도 2는 제어장치(200)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 제어장치(200)는 입력부(210), 온도 추정부(220), 토크 추정부(230), 출력부(240)를 포함한다.
입력부(210)는 영구자석 모터(100)의 전류, 전압, 각속도 등의 값을 획득한다. 상세히, 입력부(210)는 영구자석 모터(100)의 각속도 ω, 영구자석 모터(100)에 인가되는 q축 전압 및 d축 전류 값을 입력 받는다.
입력부(210)는 후술되는 수학식의 적용을 위하여, 기설정된 기준 온도에서의 영구자석 모터(100)의 역기전력, 및 기준온도에서의 영구자석(121)의 쇄교자속을 더 획득할 수 있다.
입력부(210)가 입력받는 각종 측정치들은 영구자석 모터의 종류 및 실시예에 따라 다양하게 조절 가능하므로, 상기 예시에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 입력부(210)는 획득한 각종 측정값들을 온도 추정부(220)에 출력한다.
온도 추정부(220)는 입력부(210)로부터 획득한 영구자석 모터(100)의 전류, 전압, 각속도 등의 값을 이용하여 영구자석 모터(100) 내의 영구자석(도 1의 121)의 온도를 추정한다.
예를 들어, 온도 추정부(220)는 영구자석 모터(100)의 각속도 ω, 영구자석 모터(100)에 인가되는 q축 전압 및 d축 전류 값을 이용하여 영구자석(121)의 온도를 추정한다. 온도 추정부(220)가 영구자석 모터(100)의 각속도 ω, 영구자석 모터(100)에 인가되는 q축 전압 및 d축 전류 값을 이용하여 영구자석(121)의 온도를 추정하는 구체적인 방법에 대하여서는 후술한다.
마찬가지로, 온도 추정부(220)가 영구자석(121)의 온도를 추정하기 위해 이용하는 측정값들은 영구자석 모터의 종류 및 실시예에 따라 다양하게 바꾸어질 수 있으므로, 상기 예시에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 온도 추정부(220)는 추정된 온도를 토크 추정부(230)로 출력한다.
토크 추정부(230)는 온도 추정부(220)로부터 획득한 영구자석(도 1의 121)의 온도를 이용하여 영구자석 모터(100)의 토크를 추정한다. 토크 추정부(230)는 토크를 추정하기 위하여 입력부(210)에 의해 획득된 기설정된 기준 온도에서의 영구자석 모터(100)의 역기전력, 및 기준온도에서의 영구자석(121)의 쇄교자속을 더 이용할 수 있다.
예를 들어, 토크 추정부(230)는 영구자석 모터(100)의 마그네틱(magnetic) 토크 및 릴럭턴스(reluctance) 토크를 추정하고, 추정된 마그네틱 토크와 리럭턴스 토크로부터 영구자석 모터(100)의 네트(net) 토크를 추정한다.
토크 추정부(230)에 의해 추정되는 토크는 영구자석 모터(100)에 발생시키고자 하는 토크 지령치와 구분된다.
예를 들어, 영구자석 모터(100)에 인가되는 전류 및 전압은, 발생시키고자 하는 토크 지령치에 대응하여 결정된다. 그러나, 여러가지 오차로 인해 영구자석 모터(100)에는 토크 지령치와 다른 토크가 발생될 수 있다. 토크 추정부(230)에 의해 추정되는 토크는 실제로 영구자석 모터(100)에 발생된 토크이며, 토크 지령치와는 차이가 있을 수 있다. 토크 추정부(230)는 추정된 토크를 출력부(240)에 출력한다.
출력부(240)는 토크 추정부(230)로부터 획득한 토크에 기초하여 영구자석 모터(100)를 제어하기 위한 제어신호를 생성하여 출력한다. 예를 들어, 영구자석 모터(100)에 전류 및 전압을 인가하는 구동부(도 3의 400)가 구비될 수 있고, 출력부(240)는 구동부에 제어신호를 출력할 수 있다.
예를 들어, 출력부(240)는 토크지령치와 토크 추정부(230)에 의해 추정된 토크의 비교 결과에 따라 영구자석 모터(100)에 인가되는 구동전압 또는 구동전류를 제어하는 제어신호를 구동부에 출력할 수 있다. 상세히, 출력부(240)는 토크지령치와 추정된 실제 토크의 오차를 보상하기 위하여, 영구자석 모터(100)에 인가되는 보상전류 또는 보상전압을 제어할 수 있다.
도 3은 영구자석 모터의 제어 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 영구자석 모터의 제어 시스템은, 영구자석 모터(100), 제어장치(200), 측정장치(300), 구동부(400)를 포함한다. 다만, 도 3에 도시된 영구자석 모터의 제어 시스템은 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 전력을 제공하는 전력장치 등이 더 구비될 수 있음은 물론이다.
도 3을 참조하면, 측정장치(300)는 영구자석 모터(100)의 전류, 전압, 각속도 등의 값을 측정하여 제어장치(200)에 제공한다. 예를 들어, 측정장치(300)는 영구자석 모터(100)의 각속도를 측정하고, 구동부(400)가 영구자석 모터(100)에 인가하는 전류 및 전압 값들을 측정한다. 측정장치(300)는 상기 측정값들을 제어장치(200)의 입력부(210)에 제공한다.
제어장치(200)는 제어 신호를 생성하여 구동부(400)에 출력한다.
구동부(400)는 영구자석 모터(100)에 구동전압 및 전류를 공급한다. 구동부(400)는 인버터를 포함할 수 있으며, 구동부(400)에 포함된 인버터는 직류전압을 3상 교류전압으로 변환하는 등, 영구자석 모터(100)의 각 상에 적합한 구동전압 및 전류로 변환할 수 있다.
예를 들어, 구동부(400)는 제어장치(200)로부터 입력된 제어 신호에 기초하여 영구자석 모터(100)에 전압 및 전류를 인가할 수 있다.
이하에서는, 도 2의 온도 추정부(220)가 영구자석(121)의 온도를 추정하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 온도와 쇄교자속의 관계식이 마련된다.
대부분의 영구자석은 온도가 높아짐에 따라 쇄교자속 수가 감소하게 된다. 이와 같은 온도와 쇄교자속의 관계는 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112013061723759-pat00009
Figure 112013061723759-pat00010
여기서, Φ_a 는 고정자(110)의 권선(winding)에 쇄교하는 자속, Φ_a |ref는 기준온도에서 권선에 쇄교하는 자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM은 현재 영구자석의 온도, T_PM|ref는 기준온도에서 영구자석의 온도이다. 기준온도는 상온인 섭씨 20도로 설정되거나, 섭씨 0도로 설정될 수 있다. 그러나, 상기 온도들은 기준온도의 예시일 뿐이므로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
수학식 1의 Φ_a|ref는 아래의 수학식 2에 의해 구해진다.
Figure 112013061723759-pat00011
여기서, E|ref는 기준온도에서의 역기전력, ω는 전기각속도이다. E|ref의 값과 ω의 값은 실험을 통해 측정 가능하다.
다음으로, 토크방정식이 마련된다.
토크방정식을 설명하기에 앞서 영구자석 모터의 분류를 간단히 설명한다. 영구자석 모터는 표면부착형 영구자석 모터(SPMSM)과 매입형 영구자석 모터(IPMSM)로 크게 나누어진다. 영구자석 모터에서 파생된 모터로, 스포크 타입 및 인셋(inset) 타입 모터가 있으나, 토크 메커니즘 및 전압방정식이 영구자석 모터와 동일하다. 따라서, 이하에서는 영구자석 모터를 표면부착형과 매입형으로 크게 나누어 설명한다.
도 4는 2가지 타입의 영구자석 모터의 단면도를 개략적으로 도시한 것이다. 도 4의 단면도는 영구자석 모터를 회전축에 직교하는 방향으로 자른 단면도이다.
도 4의 (a)는 표면부착형 영구자석 모터, 도 4의 (b)는 매입형 영구자석 모터의 단면도이다.
각 영구자석 모터는 고정자(411), 권선(412), 공극(413), 영구자석(414), 회전자(415)를 포함한다. 도 4의 (b)를 참조하면, 매입형 영구자석 모터는 베리어(421)을 더 포함한다. 베리어(412)는 영구자석(414)의 쇄교자속이 권선(411)을 통과하도록 유도한다.
도 4를 참조하면, 표면부착형 영구자석 모터에서는 영구자석(414)이 회전자(415)의 표면에 원형으로 부착되나, 매입형 영구자석 모터에서는 영구자석(414)이 각을 이루며 부착되어, 돌극(sailent pole)이 발생한다. 즉, 매입형 영구자석 모터에서는 d축 인덕턴스와 q축 인덕턴스의 차이로 인해 릴럭턴스(reluctance) 토크가 발생하므로 네트(net) 토크값이 증가한다. 표면부착형 영구자석 모터에서는 d축 인덕턴스와 q축 인덕턴스의 차가 0이므로, 마그네틱 토크만 존재할 뿐 릴럭턴스 토크가 존재하지 않는다.
영구자석 모터의 토크 방정식은 아래의 수학식 3으로 표현된다.
Figure 112013061723759-pat00012
표면부착형 영구자석 모터에서는 마그네틱 토크만 존재하므로, 표면부착형 영구자석 모터의 토크 방정식은 아래의 수학식 4로 간단하게 정리된다.
Figure 112013061723759-pat00013
여기서, T는 영구자석 모터의 네트 토크, T_m은 마그네틱 토크, T_r은 릴럭턴스 토크, P_n은 극쌍수, i_d는 d축 전류, i_q는 q축 전류, L_d는 d축 인덕턴스, L_q는 q축 인덕턴스이다. 극쌍수 P_n은 영구자석의 극 개수를 2로 나눈 값으로, 도 4에 도시된 영구자석 모터의 경우 극쌍수는 2이다.
P_n은 모터의 형상이 정해지면 상수 값으로 결정된다. 따라서 수학식 3에서 변수는 Φ_a , i_d, i_q, L_d, L_q이다. 여기서, L_d, L_q는 고정자의 심의 포화나 전류의 크기 등 상황에 따라 변화하지만, 일정한 환경이 유지된다고 가정하면 상수가 된다. 그러면 변수는 Φ_a, i_d, i_q이다.
다시 수학식 3 및 수학식 4를 참고하면, 영구자석 모터의 토크는 Φ_a가 커질수록 함께 커진다. 반대로, Φ_a가 작아지면 함께 작아진다. 수학식 1에서 나타내었듯이, 영구자석의 온도가 높아지면 영구자석에 의한 쇄교자속이 감소한다. 따라서, 영구자석의 온도가 높아지면 영구자석 모터의 토크 역시 감소함을 알 수 있다.
다음으로, 3상의 전압 및 전류가 d-q변환되어 직류모터와 같이 제어되도록 하는 전압방정식이 수학식 5와 같이 마련된다.
Figure 112013061723759-pat00014
여기서, v_d와 v_q는 각각 d축, q축 전압, R_a는 상저항, p는 미분 연산자를 나타내고 있다. 본 실시예에서는 정상상태를 가정하여 미분 텀을 삭제한다. 이에 따라 수학식 5에서 v_q에 대한 전압방정식만을 정리하면 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112013061723759-pat00015
다음으로, 전압방정식인 수학식 6과, 쇄교자속의 온도관계식인 수학식 1로부터, 아래의 수학식 7을 얻을 수 있다.
Figure 112013061723759-pat00016
수학식 7에서, 상저항 R_a가 매우 작고, R_a에 의한 전압강하(R_a×i_q)가 v_q와 비교하여 무시할 만큼 작다고 가정하면, 수학식 7은 아래의 수학식 8과 같이 정리된다.
Figure 112013061723759-pat00017
수학식 8에서 영구자석 모터의 구동에 따라 변하는 변수는 v_q, i_d이다. 나머지는 상수이거나 측정 가능하여 상수로 여길 수 있는 값이다. v_q, i_d는 영구자석 모터 구동 단계에서 측정 가능하다. 따라서 v_q, i_d를 측정하고, 측정된 값을 수학식 8에 대입하면 현재 영구자석 모터의 온도 T_PM을 얻을 수 있다.
영구자석 모터가 표면부착형 영구자석 모터인 경우, 수학식 8은 아래의 수학식 9와 같이 간단하게 정리된다.
Figure 112013061723759-pat00018
수학식을 더욱 간단히 정리하기 위하여, 기준온도인 T_PM|ref를 0으로 설정한다면, 수학식 8은 아래의 수학식 10으로, 수학식 9는 아래의 수학식 11로 정리된다. 수학식 10은 매립형 영구자석 모터를 포함하는 모든 영구자석 모터에 적용 가능하며, 수학식 11은 표면부착형 영구자석 모터에 적용 가능하다.
Figure 112013061723759-pat00019
Figure 112013061723759-pat00020
수학식 10 및 수학식 11을 참조하면, 본 실시예에서 영구자석 모터의 q축 구동전압 v_q 와 d축 구동전류 i_d를 측정하고, 측정값 및 상수를 수학식에 대입하면 영구자석 모터가 각속도 ω로 회전할 때의 영구자석의 온도를 추정할 수 있다. 표면부착형 영구자석 모터에 대한 수학식 11에서는 영구자석 모터의 구동전압 v만 측정하면, 영구자석 모터가 각속도 ω로 회전할 때의 영구자석의 온도를 추정할 수 있다.
이와 같이 추정된 영구자석의 온도를 수학식 1에 대입하면, 영구자석의 쇄교자속을 구할 수 있고, 구해진 쇄교 자속과 영구자석 모터의 전류 및 전압 측정값을 수학식 3 또는 4에 대입하면 최종적으로 영구자석 모터의 토크를 추정할 수 있는 것이다.
즉, 영구자석 모터에 인가되는 전압 또는 전류 등 측정 가능한 값들을 대입함으로써, 영구자석의 온도를 추정할 수 있고, 추정된 온도를 이용하여 영구자석 모터의 실제 토크를 추정할 수 있다.
이와 같이 추정된 토크와, 영구자석 모터에 발생시키고자 하였던 토크지령치와의 차이에 기초하여 제어장치(200)는 영구자석 모터(100)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어장치(200)는 추정된 토크와 토크지령치와의 차이를 보상하도록, 영구자석 모터(100)에 전류 또는 전압을 인가하는 구동부(400)에 제어신호를 출력할 수 있다.
구동부(400)는 제어장치(200)의 제어신호에 따라, 영구자석 모터(100)에 보상전류 또는 보상전압을 인가할 수 있다. 예를 들어, 구동부(400)는 제어장치(200)의 제어신호에 따라 영구자석 모터(100)에 실제로 토크지령치와 동일한 토크가 발생하도록 하는 보상전류 또는 보상전압을 인가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터의 제어 방법의 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 단계(51)에서 입력부(210)는 영구자석 모터(100)의 전압 및 각속도를 획득한다. 예를 들어, 단계(51)에서 입력부(210)는 영구자석 모터(100)의 q축전압, d축전류, 및 각속도를 획득한다.
단계(52)에서 온도 추정부(220)는 단계(51)에서 획득된 전압 및 각속도를 이용하여 영구자석(121)의 온도를 추정한다. 예를 들어, 단계(52)에서 온도 추정부(220)는 단계(51)에서 획득된 q축전압, d축전류, 및 각속도와 영구자석 모터의 인덕턴스, 기설정된 기준온도에서의 영구자석의 쇄교자속, 및 영구자석의 온도상승계수를 이용하여 영구자석의 온도를 추정한다.
예를 들어, 단계(52)에서 온도 추정부(220)는 전술된 수학식 8을 이용한다. 또는 단계(52)에서 온도 추정부(220)는 전술된 수학식 7을 이용한다. 상기 기준온도는 0도일 수 있고, 이 때 온도 추정부(220)는 전술된 수학식 10을 이용한다.
단계(53)에서 토크 추정부(230)는 단계(52)에서 추정된 온도로부터 영구자석 모터(100)의 토크를 추정한다. 예를 들어, 단계(53)에서 토크 추정부(230)는 모터의 마그네틱(magnetic) 토크 및 릴럭턴스(reluctance) 토크를 추정하고, 마그네틱 토크와 리럭턴스 토크로부터 상기 모터의 네트(net) 토크를 추정한다.
예를 들어, 토크 추정부(230)는 기준 온도에서의 상기 모터의 역기전력, 상기 기준 온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 추정된 상기 온도에서의 쇄교자속에 기초하여 상기 토크를 추정한다. 이를 위하여, 기설정된 기준 온도에서 상기 모터의 역기전력 및 상기 기준 온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자석은 사전에 미리 측정, 또는 추정되어 단계(51)에서 획득될 수 있다.
예를 들어, 토크 추정부(230)는 전술된 수학식 3을 이용한다.
단계(54)에서 출력부(240)는 단계(53)에서 추정된 토크에 기초하여 영구자석 모터(100)를 제어한다. 예를 들어, 출력부(240)는 단계(53)에서 추정된 토크에 기초하여 영구자석 모터(100)를 제어하는 제어 신호를 출력한다.
예를 들어, 단계(54)에서 출력부(240)는 영구자석 모터에 발생시키고자 하였던 토크지령치와, 단계(53)에서 추정된 실제 발생 토크의 비교 결과에 따라 영구자석 모터에 인가되는 구동전압 또는 구동전류를 제어한다.
예를 들어, 단계(54)에서 출력부(240)는 토크지령치와 추정된 실제 토크의 오차를 보상하기 위하여 영구자석 모터에 인가되는 보상전류 또는 보상전압을 제어한다.
이를 위하여, 예를 들어 출력부(240)는 영구자석 모터에 구동전류 또는 구동전압을 인가하는 구동부(400)에 제어신호를 전송한다. 출력부(240)로부터 획득한 제어 신호에 기초하여 구동부(400)는 영구자석 모터에 새로운 구동전류 또는 구동전압을 인가할 수 있고, 이에 따라 토크지령치와 실제 토크의 오차가 보상될 수 있다.
상기된 바와 같은 실시예들에 따르면, 영구자석 모터의 전류 또는 전압 등, 측정 가능한 값들을 이용하여 모터 내부의 영구자석 자체의 온도를 정확하게 추정할 수 있다. 또한, 추정된 온도를 이용하여 영구자석 모터의 실제 구동 토크를 정확하게 추정할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터의 제어 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있으며, 균등한 다른 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 영구자석 모터
121: 영구자석
200: 제어장치
210: 입력부
220: 온도추정부
230: 토크추정부
240: 출력부
300: 측정장치
400: 구동부

Claims (20)

  1. 영구자석 모터의 제어 방법에 있어서,
    상기 모터의 q축 전압, d축 전류 및 각속도를 상기 영구자석 모터 구동 중에 측정한 값을 획득하는 단계;
    획득된 상기 q축 전압, d축 전류 및 각속도를 변수로 이용하고, 지저장된 상기 영구자석 모터의 인덕턴스, 기설정된 기준온도, 상기 기설정된 기준 온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 상기 영구자석의 온도상승계수를 상수로 이용하여, 상기 영구자석의 온도를 추정하는 단계;
    추정된 상기 온도로부터 상기 영구자석 모터의 토크를 추정하는 단계; 및
    추정된 상기 토크에 기초하여 상기 영구자석 모터를 제어하는 단계;를 포함하고,
    상기 온도를 추정하는 단계는 하기 수학식 1 또는 수학식 2 중 어느 하나를 이용하는
    영구자석 모터 제어 방법.
    (수학식 1)
    Figure 112018013881947-pat00034

    (수학식 2)
    Figure 112018013881947-pat00035

    상기 수학식 1에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
    상기 수학식 2에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, R_a는 상기 영구자석 모터의 상저항, i_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전류, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 기준온도는 0도이고,
    상기 온도를 추정하는 단계는 하기 수학식을 이용하는 영구자석 모터 제어 방법.
    Figure 112017072246913-pat00023

    상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|0℃는 상기 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수이다.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 토크를 추정하는 단계는,
    상기 모터의 마그네틱(magnetic) 토크 및 릴럭턴스(reluctance) 토크를 추정하고, 상기 마그네틱 토크와 상기 릴럭턴스 토크로부터 상기 모터의 네트(net) 토크를 추정하는
    영구자석 모터 제어 방법.
  7. [청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제1 항에 있어서,
    상기 획득하는 단계는, 기설정된 기준 온도에서 상기 모터의 역기전력 및 상기 기준 온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자속을 더 획득하고,
    상기 토크를 추정하는 단계는,
    상기 기준 온도에서의 상기 모터의 역기전력, 상기 기준 온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 추정된 상기 온도에서의 쇄교자속에 기초하여 상기 토크를 추정하는
    영구자석 모터 제어 방법.
  8. [청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제7 항에 있어서,
    상기 토크를 추정하는 단계는 하기의 수학식을 이용하는 영구자석 모터 제어 방법.
    Figure 112013061723759-pat00024

    여기서, T는 상기 영구자석 모터의 네트(net) 토크, T_m은 마그네틱 토크, T_r은 릴럭턴스 토크, P_n은 상기 영구자석의 극쌍수, Φ_a는 상기 영구자석의 쇄교자속, i_q는 q축 전류, L_d는 d축 인덕턴스, L_q는 q축 인덕턴스, i_d는 d축 전류이다.
  9. [청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제1 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는,
    토크지령치와 추정된 상기 토크의 비교 결과에 따라 상기 영구자석 모터에 인가되는 구동전압 또는 구동전류를 제어하는
    영구자석 모터 제어 방법.
  10. [청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제9 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 토크지령치와 추정된 상기 토크의 오차를 보상하기 위하여 상기 영구자석 모터에 인가되는 보상전류 또는 보상전압을 제어하는
    영구자석 모터 제어 방법.
  11. 영구자석 모터의 제어 장치에 있어서,
    상기 모터의 q축 전압, d축 전류 및 각속도를 상기 영구자석 모터 구동 중에 측정한 값을 획득하는 입력부;
    획득된 상기 q축 전압, d축 전류 및 각속도를 변수로 이용하고, 상기 영구자석 모터의 인덕턴스, 기설정된 기준온도, 상기 기설정된 기준온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 상기 영구자석의 온도상승계수를 상수로 이용하여 상기 영구자석의 온도를 추정하는 온도 추정부;
    추정된 상기 온도로부터 상기 영구자석 모터의 토크를 추정하는 토크 추정부; 및
    추정된 상기 토크에 기초하여 상기 영구자석 모터를 제어하는 제어 신호를 출력하는 출력부;를 포함하고,
    상기 온도 추정부는 하기 수학식 1 또는 수학식 2 중 어느 하나를 이용하는
    영구자석 모터 제어 장치.
    (수학식 1)
    Figure 112018013881947-pat00025

    (수학식 2)
    Figure 112018013881947-pat00036

    상기 수학식 1에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
    상기 수학식 2에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, R_a는 상기 영구자석 모터의 상저항, i_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전류, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|ref는 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수, T_PM|ref는 상기 기준온도이다.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 기준온도는 0도이고,
    상기 온도 추정부는 하기 수학식을 이용하는 영구자석 모터 제어 장치.
    Figure 112017072246913-pat00027

    상기 수학식에서 T_PM은 상기 영구자석의 온도, v_q는 상기 영구자석 모터의 q축 전압, ω는 상기 영구자석 모터의 각속도, L_d는 상기 영구자석 모터의 d축 인덕턴스, i_d는 상기 영구자석 모터의 d축 전류, Φ_a|0℃는 상기 기준온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, k_temp는 영구자석의 온도상승계수이다.
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 토크 추정부는,
    상기 모터의 마그네틱(magnetic) 토크 및 릴럭턴스(reluctance) 토크를 추정하고, 상기 마그네틱 토크와 상기 릴럭턴스 토크로부터 상기 모터의 네트(net) 토크를 추정하는
    영구자석 모터 제어 장치.
  17. [청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제11 항에 있어서,
    상기 입력부는, 기설정된 기준 온도에서 상기 모터의 역기전력 및 상기 기준 온도에서의 상기 영구자석의 쇄교자속을 더 획득하고,
    상기 토크 추정부는,
    상기 기준 온도에서의 상기 모터의 역기전력, 상기 기준 온도에서 상기 영구자석의 쇄교자속, 및 추정된 상기 온도에서의 쇄교자속에 기초하여 상기 토크를 추정하는
    영구자석 모터 제어 장치.
  18. [청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제17 항에 있어서,
    상기 토크 추정부는 하기의 수학식을 이용하는 영구자석 모터 제어 장치.
    Figure 112013061723759-pat00028

    여기서, T는 상기 영구자석 모터의 네트(net) 토크, T_m은 마그네틱 토크, T_r은 릴럭턴스 토크, P_n은 상기 영구자석의 극쌍수, Φ_a는 상기 영구자석의 쇄교자속, i_q는 q축 전류, L_d는 d축 인덕턴스, L_q는 q축 인덕턴스, i_d는 d축 전류이다.
  19. [청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제11 항에 있어서,
    상기 출력부는,
    토크지령치와 추정된 상기 토크의 비교 결과에 따라 상기 영구자석 모터에 인가되는 구동전압 또는 구동전류를 제어하는 제어신호를 출력하는
    영구자석 모터 제어 장치.
  20. [청구항 20은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]
    제19 항에 있어서,
    상기 출력부는
    상기 토크지령치와 추정된 상기 토크의 오차를 보상하기 위하여 상기 영구자석 모터에 인가되는 보상전류 또는 보상전압을 제어하는 제어신호를 출력하는
    영구자석 모터 제어 장치.
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