KR101852015B1 - Hybrid PI controller and inverter system having the controller - Google Patents

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KR101852015B1 KR1020160134962A KR20160134962A KR101852015B1 KR 101852015 B1 KR101852015 B1 KR 101852015B1 KR 1020160134962 A KR1020160134962 A KR 1020160134962A KR 20160134962 A KR20160134962 A KR 20160134962A KR 101852015 B1 KR101852015 B1 KR 101852015B1
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박성준
양지훈
우동영
레동부
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전남대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a hybrid proportional integral controller and an inverter system having the controller. More specifically, when the modulation ratio of an inverter is kept at a maximum and the rate of application of a converter is controlled, the hybrid proportional integral controller can prevent decrease in the efficiency of the inverter and a motor and torque ripple when driving the inverter in a low speed range by compensating the sensing error of input power and voltage drop according to load with a fine duty ratio. The hybrid proportional integral controller includes a command value calculating part; a proportional integral control part; a converter application ratio calculating part; and an adding part.

Description

하이브리드 비례 적분 제어기 및 그 제어기를 갖는 인버터 시스템{Hybrid PI controller and inverter system having the controller}[0001] Hybrid proportional integral controller and inverter system having the hybrid proportional integral controller [0002]

본 발명은 하이브리드 비례 적분 제어기 및 그 제어기를 갖는 인버터 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 인버터의 변조비는 최대로 유지시키고 컨버터의 시비율을 제어할 때, 입력 전원의 센싱오차 및 부하에 따른 전압 강하분을 미소 시비율로 보상하여 저속 영역에서 인버터를 구동할 때 인버터 및 전동기의 효율저감 및 토크 리플을 개선할 수 있는 하이브리드 비례 적분 제어기 및 그 제어기를 갖는 인버터 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid proportional integral controller and an inverter system having the controller, and more particularly, to a hybrid proportional integral controller and a control method thereof, And more particularly, to a hybrid proportional integral controller capable of reducing the efficiency of the inverter and the motor and improving the torque ripple when the inverter is driven in a low speed region by compensating for a drop ratio with a minute duty ratio, and an inverter system having the controller.

인버터는 직류전압을 교류전압으로 변환하는 전력변환기로써 다양한 산업전반에 이용되고 있다.Inverter is a power converter that converts DC voltage to AC voltage and is used in various industries.

인버터의 출력전압 크기를 결정하는 요소는 입력 직류전압과 변조비이다.The factor that determines the magnitude of the output voltage of the inverter is the input DC voltage and modulation ratio.

일반적으로 인버터의 입력 직류전압은 정격 출력전압을 발생할 수 있는 전압의 크기 보다 크게 설정되고, 출력전압은 변조비에 의해 결정된다.In general, the input DC voltage of the inverter is set to be larger than the magnitude of the voltage capable of generating the rated output voltage, and the output voltage is determined by the modulation ratio.

따라서, 인버터의 변조비가 낮은 감압의 경우 출력에 고주파 성분이 크게 나타나며 이러한 낮은 변조비 운전은 인버터 효율저감과 높은 THD(Total Harmonic Distortion)가 발생하게 하는 원인으로 작용한다.Therefore, when the inverter modulation ratio is low, the high frequency component appears large in the output. This low modulation ratio operation causes the inverter efficiency reduction and high harmonic distortion (THD) to occur.

최근, 인버터의 다기능화를 위해 배터리와 같은 다양한 소스와 접목되는 인버터 시스템의 필요성이 증가하고 있고, 이를 위해 다양한 직류전압 소스와 인버터를 접속하기 위한 DC/DC 컨버터가 이용되고 있다.In recent years, there has been an increasing demand for inverter systems that are combined with various sources such as batteries for multi-functioning of inverters. For this purpose, DC / DC converters for connecting various DC voltage sources and inverters are used.

이 컨버터를 이용하는 경우에도 인버터 출력 전압 속응성 관점에서 인버터의 입력 직류전압은 정격출력전압을 발생할 수 있는 전압보다 크게 설정되어야 하며, 컨버터는 인버터의 변조비와 무관하게 인버터 입력전압 지령치로 제어되어야 하며, 인버터는 이 지령치를 기준으로 변조비가 제어되어야 한다.In the case of using this converter, the input DC voltage of the inverter should be set higher than the voltage capable of generating the rated output voltage from the viewpoint of the inverter output voltage dependency, and the converter should be controlled by the inverter input voltage setpoint regardless of the inverter modulation ratio , The inverter must control the modulation ratio based on this setpoint.

이러한 변조비 제어 방식은 인버터의 동특성이 우수하다는 장점이 있으나 낮은 출력전압을 필요로 하는 경우, 낮은 변조비에 의한 출력전류 전달 펄스폭이 낮아 인버터의 효율이 낮아지는 단점이 있다.Such a modulation ratio control method has an advantage that the inverter has excellent dynamic characteristics. However, when a low output voltage is required, there is a disadvantage that the efficiency of the inverter is lowered due to a low output current pulse width due to a low modulation ratio.

한편, 태양광 발전장치의 인버터는 속응성이 필요하지 않는 장치이며, 엘리베이터용 인버터는 운전 시간에 따른 전동기 운용 패턴이 정해져 있어, 시간에 다른 변조비 예측이 가능한 시스템이다.On the other hand, the inverter of the photovoltaic power generation device is a device which does not require accelerated operation, and the elevator inverter has a predetermined operating pattern of the motor according to the operation time, and it is a system capable of predicting different modulation ratios over time.

이렇게 속응성이 요구되지 않거나 시간 함수로 변조비 예측이 가능한 특정 시스템에서 컨버터의 출력전압을 일정하게 하는 방식 보다는 인버터의 변조비와 연동하여 가변 전압의 형태로 구성할 경우 변조비 증대로 인하여 인버터의 효율 향상과 출력전류의 고주파 저감으로 플렌트 효율향상 및 EMI(Electro Magnetic Interference)를 저감하여 주변기기의 오동작을 방지할 수 있는 장점이 있다.In the case of a system in which the acceleration is not required or the modulation ratio can be predicted with a time function, in the case of a configuration in which the output voltage of the converter is fixed in a form of a variable voltage in conjunction with the modulation ratio of the inverter, It is advantageous to improve the efficiency and reduce the high frequency of the output current to improve the efficiency of the plant and to reduce EMI (Electro Magnetic Interference), thereby preventing malfunction of peripheral devices.

도 1은 인버터에 연결되는 일반적인 부하의 단상 등가 회로를 보여주는 도면이다.Fig. 1 is a diagram showing a general single-phase equivalent circuit connected to an inverter. Fig.

또한, 도 1에서 등가회로는 해석의 편의상 저상성분은 무시하였다.In Fig. 1, the low-temperature component of the equivalent circuit is ignored for convenience of analysis.

또한, 도 1에서 va는 인버터가 계통 연계형 태양광 인버터인 경우 그리드 전압이되고, 부하가 엘리베이터와 같은 전동기일 경우 역기전력이 된다.1, v a is a grid voltage when the inverter is a grid-connected photovoltaic inverter, and a back electromotive force when the load is an electric motor such as an elevator.

또한, 인덕터 L은 태양광 인버터의 경우 댐핑용 인덕터가 되고, 전동기의 경우 누설 인덕터가 된다.The inductor L is a damping inductor for a solar inverter and a leakage inductor for a motor.

한편, 태양광 인버터의 경우 계통의 상전압 변동을 거의 무시할 수 있는 수준으로 낮은 변조비 운영영역을 피하기 위해 특정 상 전압에서만 구동되는 인버터로 생산되고 있다.On the other hand, in the case of a solar inverter, the inverter is driven by only a specific phase voltage in order to avoid a low modulation ratio operating range to a level at which the phase voltage fluctuation of the system is almost negligible.

또한, 전동기 구동용 인버터의 경우 va는 아래의 수학식 1과 같이 전동기 속도 항에 의해 지배되며 가변속 전동기 시스템에서 저속영역에서는 이 전압이 적게 되어 낮은 변조비 운영이 필연적이다.Also, in the case of the inverter for driving the motor, v a is governed by the motor speed term as shown in the following equation (1), and in the low speed region of the variable speed motor system, this voltage is small and the operation of the low modulation ratio is inevitable.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016100838900-pat00001
Figure 112016100838900-pat00001

여기서, Ke는 역기전력 상수, ω는 출력 주파수를 의미한다.Where K e is the counter-electromotive force constant, and? Is the output frequency.

도 2는 도 1의 단상 등가 회로의 페이져도를 보여주는 도면이다.Fig. 2 is a diagram showing a phasor diagram of the single-phase equivalent circuit of Fig. 1. Fig.

도 2를 참조하면, 도 1의 등가 회로에서 전류 ia를 형성하기 위한 인버터 전압은 전압 va와 인덕터 전압 vL의 벡터합으로 계산된다. Referring to FIG. 2, in the equivalent circuit of FIG. 1, the inverter voltage for forming the current i a is calculated by the vector sum of the voltage v a and the inductor voltage v L.

여기서 인덕터 전압은 아래의 수학식 2과 같고 인버터 전압은 아래의 수학식 3과 같다.Here, the inductor voltage is expressed by Equation (2) below and the inverter voltage is expressed by Equation (3) below.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112016100838900-pat00002
Figure 112016100838900-pat00002

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112016100838900-pat00003
Figure 112016100838900-pat00003

또한, 인덕터 전압은 전압 va에 비하여 상대적으로 매우 작으므로 인버터의 출력전압(vinv)은 전압 va에 의하여 결정된다.In addition, since the inductor voltage is relatively small compared to the voltage v a , the output voltage (v inv ) of the inverter is determined by the voltage v a .

또한, 인버터의 출력전압과 인버터의 입력전압의 상관관계는 아래의 수학식 4와 같다.The relationship between the output voltage of the inverter and the input voltage of the inverter is expressed by Equation (4) below.

또한, 상기 인버터의 입력전압은 컨버터와 인버터 사이를 연결하는 DC 링크의 전압으로서 DC 링크전압이라고도 한다.The input voltage of the inverter is also referred to as a DC link voltage, which is the voltage of the DC link connecting the converter and the inverter.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112016100838900-pat00004
Figure 112016100838900-pat00004

여기서, Kinv는 변환효율로써, 삼상인버터의 경우 0.866, 단상 인버터의 경우 1.0이며, M은 변조비, vdc는 DC 링크전압을 의미한다.Where K inv is the conversion efficiency, 0.866 for three-phase inverters, 1.0 for single-phase inverters, M is the modulation ratio, and v dc is the DC link voltage.

위의 수학식 3과 4로부터 인버터의 출력전압과 DC 링크전압이 상관관계는 아래의 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.From Equations (3) and (4), the correlation between the output voltage of the inverter and the DC link voltage can be expressed as Equation (5) below.

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112016100838900-pat00005
Figure 112016100838900-pat00005

상기 수학식 5에서도 알 수 있듯이 DC 링크전압이 큰 경우 변조비가 낮아 지는 단점이 있다.As can be seen from Equation (5), when the DC link voltage is large, the modulation ratio becomes low.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 인버터의 변조비는 단위역률로 유지하고, 컨버터의 시비율을 제어할 때, 입력 전원의 센싱오차 및 부하에 따른 전압 강하분을 미소 시비율로 보상하여 저속 영역에서 인버터를 구동할 때 인버터 및 전동기의 효율저감 및 토크 리플을 개선할 수 있는 하이브리드 비례 적분 제어기 및 그 제어기를 갖는 인버터 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method of controlling an inverter, in which a modulation ratio of an inverter is maintained at a unit power factor, And to improve the torque ripple and the efficiency of the inverter and the motor when the inverter is driven in the low speed region by compensating the small proportional ratio of the inverter and the inverter.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력 전압을 소정의 직류전압인 DC 링크전압으로 변환하는 컨버터와 상기 DC 링크 전압을 스위칭하여 교류인 출력전압을 출력하는 인버터를 포함하는 인버터 장치에서 상기 컨버터의 시비율를 제어하기 위한 하이브리드 비례 적분 제어기로서, 상기 출력전압을 측정하여 상기 DC 링크전압의 지령치를 계산하는 지령치 계산부; 상기 지령치와 상기 DC 링크전압의 계측치를 입력받아 에러값을 계산하고, 상기 에러값으로부터 비례 적분 제어 신호와 상기 입력 전압의 센싱 오차 보정을 위한 센싱 오차 보상용 제어 신호를 출력하는 하이브리드 비례 적분 제어부; 상기 입력 전압, 상기 지령치 및 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호를 입력받고, 상기 입력 전압의 센싱 오차가 보상된 컨버터 시비율을 계산하는 컨버터 시비율 계산부; 및 상기 컨버터 시비율과 상기 비례 적분 제어 신호를 더하여 비례 적분 제어 컨버터 시비율을 계산하고, 상기 비례 적분 제어 컨버터 시비율로 상기 컨버터의 스위칭 동작이 제어되게 하는 가산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비례 적분 제어기를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an inverter device including a converter for converting an input voltage into a DC link voltage, which is a DC voltage, and an inverter for outputting an AC output voltage by switching the DC link voltage. A hybrid proportional-plus-integral controller for controlling a duty ratio, comprising: an instruction value calculation unit for calculating an instruction value of the DC link voltage by measuring the output voltage; A hybrid proportional integral controller for receiving a measured value of the command value and the DC link voltage to calculate an error value and outputting a proportional integral control signal from the error value and a control signal for sensing error compensation for correcting a sensing error of the input voltage; A converter ratio calculator for receiving the input voltage, the command value and the sensing error compensation control signal, and calculating a converter ratio of which the sensing error of the input voltage is compensated; And an adder for adding the converter duty ratio and the proportional integral control signal to calculate a proportional integral control converter duty ratio and controlling the switching operation of the converter at the proportional integral control converter duty ratio And provides a hybrid proportional integral controller.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 지령치는 상기 인버터의 변조비를 '1'로 유지하기 위한 지령치이다.In a preferred embodiment, the command value is an instruction value for maintaining the modulation ratio of the inverter at '1'.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 하이브리드 비례 적분 제어부:는, 상기 DC 링크전압의 지령치와 계측치을 입력받아 에러값을 계산하는 에러값 계산기; 상기 에러값을 입력받아 적분 제어 신호를 계산하여 출력하는 적분 제어기; 상기 적분 제어기와 병렬로 연결되고, 상기 에러값을 입력받아 비례 제어 신호를 계산하여 출력하는 비례 제어기; 상기 적분 제어 신호와 상기 비례 제어 신호를 합하여 비례 적분 제어 신호를 출력하는 비례 적분 제어 신호 출력기; 및 상기 에러값을 입력받아 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호를 계산하는 센싱 오차 보상 제어기;를 포함한다.In a preferred embodiment, the hybrid proportional plus integral control unit comprises: an error value calculator that receives an instruction value and a measurement value of the DC link voltage and calculates an error value; An integral controller for receiving the error value and calculating and outputting an integral control signal; A proportional controller connected in parallel with the integral controller, for calculating and outputting a proportional control signal in response to the error value; A proportional integral control signal output unit for adding the integral control signal and the proportional control signal to output a proportional integral control signal; And a sensing error compensation controller receiving the error value and calculating the sensing error compensation control signal.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호는 시간의 흐름에 따라 입력되는 에러값들을 더하고, 센서 오차 보상용 시정수 적분이득을 곱하여 계산된다.In a preferred embodiment, the sensing error compensation control signal is calculated by adding the error values input in accordance with the passage of time and multiplying by the time constant integral gain for sensor error compensation.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 지령치 계산부는 상기 출력전압의 상전압 및 상전류를 입력받아 정지 2상 좌표 상의 2상 전압 및 2상 전류로 변환하는 좌표 변환기; 상기 2상 전압 및 상기 2상 전류는 전압 최대치 및 전류 최대치로 계산하여 출력하는 전압 및 전류 최대치 계산기; 및 상기 전압 최대치 및 상기 전류 최대치를 이용하여 상기 지령치를 계산하는 지령치 계산기;를 포함한다.In a preferred embodiment, the command value calculator includes a coordinate converter for receiving a phase voltage and a phase current of the output voltage and converting the phase voltage and the phase current into a two-phase voltage and a two-phase current on a stationary two-phase coordinate system; A voltage and current maximum value calculator for calculating and outputting the two-phase voltage and the two-phase current as a voltage maximum value and a maximum current value; And an instruction value calculator for calculating the instruction value using the voltage maximum value and the current maximum value.

또한, 본 발명은 입력 전압을 소정의 직류전압인 DC 링크전압으로 변환하는 컨버터와 상기 DC 링크 전압을 스위칭하여 교류인 출력전압을 출력하는 인버터를 포함하는 인버터 장치; 및 상기 컨버터의 시비율을 제어하는 상기 하이브리드 비례 적분 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 시스템을 더 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an inverter device including a converter for converting an input voltage into a DC link voltage, which is a predetermined DC voltage, and an inverter for switching the DC link voltage to output an AC output voltage; And the hybrid proportional integral controller for controlling the duty ratio of the converter.

또한, 본 발명은 상기 인버터 시스템; 및 엘리베이터의 전동기 위상각을 측정하여 전동기의 상전압을 계산하며, 상기 상전압을 상기 출력전압으로 하여 상기 지령치 계산부로 입력하는 상전압 측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기 제어용 인버터 시스템을 더 제공한다.The present invention also relates to the inverter system; And a phase voltage measuring device for measuring the phase angle of the electric motor of the elevator to calculate a phase voltage of the electric motor and inputting the phase voltage as the output voltage to the command value calculation unit. More.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.

본 발명의 하이브리드 비례 적분 제어기 및 그 제어기를 갖는 인버터 시스템에 의하면, 인버터의 변조비는 최대인 단위역률로 유지하고, 컨버터의 시비율을 제어할 때, 입력 전원의 센싱오차 및 부하에 따른 전압 강하분을 미소 시비율로 보상하여 저속 영역에서 인버터를 구동할 때 인버터 및 전동기의 효율저감 및 토크 리플을 개선할 수 있는 장점이 있다.According to the hybrid proportional plus integral controller of the present invention and the inverter system having the controller, the modulation ratio of the inverter is kept at the maximum unit power factor, and when controlling the rate of the converter, the sensing error of the input power source and the voltage drop Min, it is possible to reduce the efficiency of the inverter and the motor and improve the torque ripple when the inverter is driven in the low speed region.

도 1은 인버터에 연결되는 일반적인 부하의 단상 등가 회로를 보여주는 도면,
도 2는 도 1의 단상 등가 회로의 페이져도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 비례 적분 제어기를 갖는 인버터 시스템의 구성을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템의 하이브리드 비례 적분 제어부의 구성을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 인버터 시스템을 포함하는 엘리베이터 전동기 제어용 인버터 시스템을 보여주는 도면이다.
Figure 1 shows a general single-phase equivalent circuit connected to an inverter,
Fig. 2 is a phaser of the single-phase equivalent circuit of Fig. 1,
3 is a diagram illustrating a configuration of an inverter system having a hybrid proportional integral controller according to an embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a hybrid proportional-plus-integral control unit of an inverter system according to an embodiment of the present invention;
5 is a diagram illustrating an inverter system for controlling an elevator motor including an inverter system according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.Although the terms used in the present invention have been selected as general terms that are widely used at present, there are some terms selected arbitrarily by the applicant in a specific case. In this case, the meaning described or used in the detailed description part of the invention The meaning must be grasped.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 시스템(1000)은 직류인 입력전원을 변환하여 계통(20)에 연계하는 인버터 장치(10)와 상기 인버터 장치(10)의 시비율을 제어하기 위한 하이브리드 비례 적분 제어기(100)를 포함한다.3, an inverter system 1000 according to an embodiment of the present invention includes an inverter device 10 that converts a DC input power source and connects the system to the system 20, And a hybrid proportional integral controller (100) for controlling the hybrid proportional integral controller.

또한, 상기 인버터 장치(10)는 계통(20) 이외에 다양한 부하로 전원을 공급할 수 있고, 예를 들면, 엘리베이터 전동기에 전원을 공급할 수 있다.In addition, the inverter device 10 can supply power to various loads other than the system 20, and can supply power to, for example, an elevator electric motor.

또한, 엘리베이터 전동기에 전원을 공급하기 위한 엘리베이터 전동기 제어용 인버터 시스템(2000)은 도 5에 도시하였으며, 상기 엘리베이터 전동기 제어용 인버터 시스템(2000)은 본 발명의 인버터 시스템(1000)과 전동기(30)의 상전압을 측정하여 상기 인버터 시스템(1000)으로 제공하는 상전압 측정장치(2100)를 포함하여 이루어진다.5 shows an inverter system 2000 for controlling an elevator motor for supplying power to an elevator motor. The inverter system 2000 for controlling an elevator motor includes an inverter system 1000 of the present invention, And a phase voltage measuring device 2100 for measuring the voltage and providing it to the inverter system 1000.

또한, 상기 상전압 측정장치(2100)는 일반적으로 전동기의 회전자 위상각(θ)으로부터 주파수(ω)를 계산하고 주파수로부터 상전압(vabc)을 계산하는 장치이다.The phase voltage measurement device 2100 is a device that calculates frequency (?) From a rotor phase angle (?) Of an electric motor and calculates a phase voltage (v abc ) from a frequency.

또한, 상기 인버터 시스템(1000)에서 상기 하이브리드 비례 적분 제어기(100)만이 별도로 분리되어 제공될 수 있다.Also, in the inverter system 1000, only the hybrid proportional plus integral controller 100 may be separately provided.

즉, 본 발명은 상기 하이브리드 비례 적분 제어기(100), 상기 하이브리드 비례 적분 제어기(100)를 갖는 인버터 시스템(1000) 또는 상기 인버터 시스템(1000)과 상전압 측정장치(2100)를 갖는 엘리베이터 전동기 제어용 인버터 시스템(2000)의 형태로 제공될 수 있다.That is, the present invention can be applied to an inverter system 1000 having the hybrid proportional integral controller 100, the hybrid proportional integral controller 100 or an inverter motor control inverter 1000 having the inverter system 1000 and the phase voltage measurement device 2100 System 2000. In this embodiment,

이하에서는 도 3을 참조하여, 본 발명의 인버터 시스템(1000)의 구성을 상세히 설명한다.Hereinafter, the configuration of the inverter system 1000 of the present invention will be described in detail with reference to FIG.

상기 인버터 시스템(1000)은 인버터 장치(10)와 하이브리드 비례 적분 제어기(100)를 포함하여 이루어진다.The inverter system 1000 includes an inverter device 10 and a hybrid proportional integral controller 100.

상기 인버터 장치(10)는 직류인 입력전원(vin)을 교류인 출력전원(vabc)으로 변환하여 출력한다.The inverter device 10 converts an input power source v in , which is a direct current, into an alternating current output power source v abc .

또한, 상기 인버터 장치(10)는 입력전압(vin)을 소정의 크기의 직류전압(이하, 'DC 링크전압')으로 변환하여 출력하는 컨버터(11)와 상기 DC 링크전압을 스위칭하여 교류인 출력전원(vabc)을 출력하는 인버터(12)를 포함하여 이루어진다.The inverter apparatus 10 further includes a converter 11 for converting an input voltage v in to a DC voltage of a predetermined magnitude and outputting the DC voltage, And an inverter 12 for outputting an output power v abc .

또한, 상기 컨버터(11)는 암 방식의 컨버터로써 스위칭에 의해 DC 링크전압의 크기를 조절할 수 있는 DC/DC 컨버터이다.The converter 11 is a female-type converter, and is a DC / DC converter capable of adjusting the magnitude of the DC link voltage by switching.

상기 하이브리드 비례 적분 제어기(100)는 상기 컨버터(11)의 시비율을 제어하여 상기 인버터(12)에서 원하는 지령치가 출력되게 하는 제어기이다.The hybrid proportional plus integral controller 100 is a controller for controlling a duty ratio of the converter 11 to output a desired command value from the inverter 12. [

또한, 상기 하이브리드 비례 적분 제어기(100)는 상기 인버터의 변조비는 최대, 즉, 1(단위 역률)로 고정하고, 상기 컨버터(11)의 시비율을 제어하여 인버터(12)의 출력전압이 출력되게 한다.The hybrid proportional plus integral controller 100 controls the inverter 11 so that the modulation ratio of the inverter is fixed at a maximum, that is, 1 (unit power factor) .

즉, 본 발명의 하이브리드 비례 적분 제어기(100)는 인버터(12)의 변조비를 최대로 함으로써, 인버터 장치(20)의 효율저감 및 토크 리플을 개선할 수 있는 제어기이다.That is, the hybrid proportional plus integral controller 100 of the present invention is a controller that can improve the efficiency reduction and torque ripple of the inverter device 20 by maximizing the modulation ratio of the inverter 12.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 비례 적분 제어기(100)는 입력전원의 센싱오차 및 부하에 따른 전압 강하분을 미소 시비율로 보상하여 저속 영역에서 인버터를 구동할 때 효율저감 및 토크 리플을 매우 효과적으로 개선할 수 있다.In addition, the hybrid proportional plus integral controller 100 according to an exemplary embodiment of the present invention compensates for the sensing error of the input power source and the voltage drop caused by the load by using a minute ratio, thereby reducing efficiency and torque ripple Can be improved very effectively.

한편, 상기 인버터(12)의 변조비를 1로 고정할 경우 DC 링크전압은 상기 수학식 5로부터 아래의 수학식 6과 같이 변환할 수 있다.Meanwhile, when the modulation ratio of the inverter 12 is fixed to 1, the DC link voltage can be converted from Equation (5) as shown in Equation (6) below.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112016100838900-pat00006
Figure 112016100838900-pat00006

또한, 상기 수학식 6에서도 알 수 있듯이 인버터 변조비를 1로 유지하고자할 경우, DC 링크전압(vdc)은 va와 ia에 의해 결정되며, 출력 전압이 3상인 경우 아래의 수학식 7과 같이 정지 2상 좌표로 좌표변환한 후, 수학식 8과 같이 최대값을 계산함으로써 구할 수 있다.Also, as can be seen from Equation (6), when the inverter modulation ratio is kept at 1, the DC link voltage (v dc ) is determined by v a and i a , and when the output voltage is three phases, , And then calculating the maximum value as shown in equation (8).

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112016100838900-pat00007
Figure 112016100838900-pat00007

여기서, vabc는 상기 인버터(21) 출력전압으로 3상 전압을 의미하며, vα 및 vβ는 정지 2상 좌표 상의 전압이다.Here, v abc denotes a three-phase voltage as an output voltage of the inverter 21, and v ? And v ? Are voltages on stationary two-phase coordinates.

또한, 상기 수학식 7의 2상 전압은 아래의 수학식 8과 같이 최대치 계산에 의해 전압 최대값으로 계산될 수 있다.Also, the two-phase voltage of Equation (7) can be calculated as a maximum voltage value by calculating the maximum value as shown in Equation (8) below.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure 112016100838900-pat00008
Figure 112016100838900-pat00008

또한, 2상 전류의 경우에도 수학식 7 및 8과 동일한 방법으로 전류 최대값으로 계산될 수 잇다.Also, in the case of the two-phase current, the current maximum value can be calculated in the same manner as in Equations (7) and (8).

또한, 상기 인버터(12)의 변조비를 '1'로 고정하기 위해서는 DC링크의 전압과 전류의 함수를 상기 수학식 6으로 설정하면 되며, 이때, vdc는 DC 링크전압의 지령치(vdc_ref)가 된다.In order to fix the modulation ratio of the inverter 12 to '1', a function of the voltage and current of the DC link may be set to Equation (6), where v dc is the set value of the DC link voltage (v dc_ref ) .

또한, 상기 DC 링크전압의 지령치 제어를 위한 상기 컨버터(11)의 시비율은 아래의 수학식 9와 같다.The duty ratio of the converter 11 for the command value control of the DC link voltage is expressed by Equation (9) below.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112016100838900-pat00009
Figure 112016100838900-pat00009

여기서, db는 컨버터 시비율, vdc_ref는 DC 링크전압의 지령치, vin은 컨버터의 입력전압, dstep은 센싱 오차의 보상을 위한 미소 시비율이다.Here, d b is the converter ratio, v dc_ref is the set value of the DC link voltage, v in is the input voltage of the converter, and d step is the microcomputing rate for compensating the sensing error.

또한, 상기 하이브리드 비례 적분 제어기(100)는 도 9의 계산을 통해 센싱 오차가 보상된 컨버터 시비율에 부하에 따른 전압 강하분을 보상하기 위한 비례 적분 제어신호를 더하여 비례 적분 제어 컨버터 시비율을 계산하고 상기 비례 적분 제어 컨버터 시비율을 이용하여 최종적으로 상기 컨버터(11)의 시비율을 제어한다.9, the hybrid proportional plus integral controller 100 adds a proportional integral control signal for compensating a voltage drop due to a load to the converter duty ratio at which the sensing error is compensated to calculate a proportional integral control converter duty ratio And finally controls the duty ratio of the converter 11 using the proportional integral control converter duty ratio.

이를 위해 상기 하이브리드 비례 적분 제어기(100)는 지령치 계산부(110), 하이브리드 비례 적분 제어부(120) 및 컨버터 시비율 계산부(130)을 포함한다.The hybrid proportional plus integral controller 100 includes a command value calculation unit 110, a hybrid proportional integral control unit 120, and a converter ratio calculation unit 130.

상기 지령치 계산부(110)는 상기 인버터(12)의 출력전압(vabc) 및 출력전류(iabc)를 입력받고 상기 수학식 7을 이용하여 2상 전압(vαβ) 및 2상 전류(iαβ)를 계산하는 좌표 변환기(111), 상기 2상 전압(vαβ) 및 2상 전류(iαβ)를 상기 수학식 8을 이용하여 전류 최대값(ip) 및 전압 최대값(vp)로 계산하는 전압 및 전류 최대치 계산기(112), 상기 전류 최대값(ip) 및 전압 최대값(vp)을 상기 수학식 6의 인버터 출력전압(va) 및 출력전류(ia)에 대입하여 DC 링크전압(vdc)를 계산하고, 계산된 DC 링크전압을 DC 링크의 전압 지령치(vdc_ref)로 출력하는 지령치 계산기(113)를 포함하여 이루어진다.The command value calculation unit 110 receives the output voltage v abc and the output current i abc of the inverter 12 and calculates the two-phase voltage v? Beta and the two-phase current i αβ) the calculated coordinate converter 111, the two-phase voltages (v αβ) and 2-phase currents (i αβ) the current maximum value with the use of the equation 8 (i p) and the voltage maximum value (v p) (V a ) and the output current (i a ) of Equation (6) by using the voltage and current maximum value calculator 112, the maximum current value i p and the maximum voltage value v p , And a command value calculator 113 for calculating the DC link voltage v dc and outputting the calculated DC link voltage to the voltage command value v dc_ref of the DC link.

상기 하이브리드 비례 적분 제어부(120)는 비례 적분 제어를 위한 비례 적분 제어 신호(PIout)와 센싱 오차의 보상을 위한 미소 시비율(dstep)인 센싱 오차 보상용 제어 신호를 출력한다.The hybrid proportional plus integral control unit 120 outputs a proportional integral control signal PI out for proportional integral control and a control signal for sensing error compensation which is a small error rate d step for compensating the sensing error.

도 3을 참조하여 더욱 자세하게 설명하면, 상기 하이브리드 비례 적분 제어부(120)는 상기 지령치 계산부(110)에서 계산된 DC 링크의 지령치(vdc_ref)와 계측치(vdc)를 입력받고, 상기 지령치와 상기 계측치의 차이인 에러값(ek)을 계산하는 에러값 계산기(121), 시간의 흐름에 따라 입력되는 상기 에러값을 적분하고 적분 이득(Ki)을 곱하여 적분 제어 신호를 출력하는 적분 제어기(122), 상기 에러값에 비례 이득(Kd)를 곱하여 비례 제어 신호를 출력하는 비례 제어기(123), 상기 적분 제어 신호와 상기 비례 제어 신호를 합하여 비례 적분 제어 신호(PIout)을 출력하는 비례 적분 제어 신호 출력기(124)를 포함한다.3, the hybrid proportional plus integral control unit 120 receives the command value v dc_ref and the measured value v dc of the DC link calculated by the command value calculation unit 110, An error value calculator 121 for calculating an error value e k which is a difference between the measured values, an integrating controller 130 for integrating the error value inputted in accordance with the passage of time and multiplying the error value K i by an integral gain K i , (122), a proportional controller (123) for multiplying the error value by a proportional gain (K d ) to output a proportional control signal, and a proportional integral control signal PI out outputting a sum of the integral control signal and the proportional control signal And a proportional integral control signal output unit 124. [

또한, 상기 적분 제어기(122)의 후단에는 적분 제어 신호의 값을 제한하기 위한 리미터(125)가 더 포함될 수 있다.Further, a limiter 125 for limiting the value of the integral control signal may further be provided at the rear end of the integral controller 122. [

또한, 상기 하이브리드 비례 적분 제어부(120)는 시간의 흐름에 따라 입력되는 상기 에러값을 합산하고, 센싱 오차 보상용 시정수 적분이득(Kd)를 곱하여 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호(dstep)를 출력한다.In addition, the hybrid proportional plus integral control unit 120 sums the error values inputted in accordance with the passage of time and multiplies the error value by a time constant integral gain K d for sensing error compensation to obtain the sensing error compensation control signal d step , .

즉, 상기 하이브리드 비례 적분 제어부(120)는 일반적인 비례 적분 제어기와 비교하여 비례 적분 제어 신호(PIout)이외에 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호(dstep)를 출력한다는데 차이가 있다.That is, the hybrid proportional-plus-integral control unit 120 outputs a control signal (d step ) for sensing error compensation in addition to the proportional integral control signal PI out in comparison with a general proportional-integral controller.

상기 컨버터 시비율 계산부(130)는 상기 입력전압(vin), 상기 지령치(vdc_ref) 및 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호(dstep)을 입력박고, 상기 수학식 9를 이용하여 상기 컨버터 시비율(db)를 계산한다.The converter ratio calculation unit 130 inputs the input voltage v in , the command value v dc_ref and the control signal d step for sensing error compensation, And calculates the rate (d b ).

상기 가산부(140)는 상기 컨버터 시비율(db)과 상기 비례 적분 제어 시호(PIout)를 입력받고, 상기 컨버터 시비율과 상기 비례 적분 제어 신호를 더하여 최종적인 컨버터 시비율인 비례 적분 제어 컨버터 시비율(d)을 계산하고, 상기 비례 적분 제어 컨버터 시비율(d)로 상기 컨버터(11)의 스위칭 동작을 제어한다.The adder 140 receives the converter duty ratio d b and the proportional integral control command PI out and adds the converter duty ratio and the proportional integral control signal to calculate a final proportional integral control Calculates the converter duty ratio d, and controls the switching operation of the converter 11 with the proportional integral control converter duty ratio d.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 비례 적분 제어기(100)에 의하면 인버터(12)의 변조비는 단위역률(최대 변조비)로 유지하고, 컨버터(11)의 시비율을 제어할 때, 입력 전원의 센싱오차 및 부하에 따른 전압 강하분을 미소 시비율로 보상하여 저속 영역에서 인버터를 구동할 때 인버터 및 전동기의 효율저감 및 토크 리플을 개선할 수 있는 장점이 있다.Therefore, according to the hybrid proportional plus integral controller 100 according to the embodiment of the present invention, when the modulation ratio of the inverter 12 is maintained at a unit power factor (maximum modulation ratio) and the rate of application of the converter 11 is controlled, The efficiency of inverter and motor can be reduced and the torque ripple can be improved when the inverter is driven in the low speed range by compensating the sensing error of the input power source and the voltage drop due to the load with the minute ratio.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications will be possible.

1000:인버터 시스템
2000:엘리베이터 전동기 제어용 인버터 시스템
100:하이브리드 비례 적분 제어기 110:지령치 계산부
120:하이브리드 비례 적분 제어부 121:에러값 계산기
122:적분 제어기 123:비례 제어기
124:비례 적분 제어 신호 추력기 125:리미터
126:센싱 오차 보상 제어기 130:컨버터 시비율 계산부
140:가산부
1000: Inverter system
2000: Inverter system for elevator motor control
100: Hybrid proportional integral controller 110: Setpoint calculation unit
120: Hybrid proportional-integral control unit 121: Error value calculator
122: Integral controller 123: Proportional controller
124: proportional integral control signal thruster 125: limiter
126: sensing error compensation controller 130: converter ratio calculation section
140:

Claims (7)

입력 전압을 소정의 직류전압인 DC 링크전압으로 변환하는 컨버터와 상기 DC 링크 전압을 스위칭하여 교류인 출력전압을 출력하는 인버터를 포함하는 인버터 장치에서 상기 컨버터의 시비율를 제어하기 위한 하이브리드 비례 적분 제어기로서,
상기 출력전압을 측정하여 상기 DC 링크전압의 지령치를 계산하는 지령치 계산부;
상기 지령치와 상기 DC 링크전압의 계측치를 입력받아 에러값을 계산하고, 상기 에러값으로부터 비례 적분 제어 신호와 상기 입력 전압의 센싱 오차 보정을 위한 센싱 오차 보상용 제어 신호를 출력하는 하이브리드 비례 적분 제어부;
상기 입력 전압, 상기 지령치 및 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호를 입력받고, 상기 입력 전압의 센싱 오차가 보상된 컨버터 시비율을 계산하는 컨버터 시비율 계산부; 및
상기 컨버터 시비율과 상기 비례 적분 제어 신호를 더하여 비례 적분 제어 컨버터 시비율을 계산하고, 상기 비례 적분 제어 컨버터 시비율로 상기 컨버터의 스위칭 동작이 제어되게 하는 가산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비례 적분 제어기.
A hybrid proportional integral controller for controlling an application rate of the converter in an inverter device including a converter for converting an input voltage into a DC link voltage of a predetermined DC voltage and an inverter for switching the DC link voltage to output an AC output voltage ,
An instruction value calculation unit for calculating an instruction value of the DC link voltage by measuring the output voltage;
A hybrid proportional integral controller for receiving a measured value of the command value and the DC link voltage to calculate an error value and outputting a proportional integral control signal from the error value and a control signal for sensing error compensation for correcting a sensing error of the input voltage;
A converter ratio calculator for receiving the input voltage, the command value and the sensing error compensation control signal, and calculating a converter ratio of which the sensing error of the input voltage is compensated; And
And an adder for adding the converter duty ratio and the proportional integral control signal to calculate a proportional integral control converter duty ratio and to control the switching operation of the converter with the proportional integral control converter duty ratio. Proportional Integral Controller.
제 1 항에 있어서,
상기 지령치는 상기 인버터의 변조비를 '1'로 유지하기 위한 지령치인 것을 특징으로 하는 하이브리드 비례 적분 제어기.
The method according to claim 1,
Wherein the command value is an instruction value for maintaining the modulation ratio of the inverter at " 1 ".
제 1 항에 있어서,
상기 하이브리드 비례 적분 제어부:는,
상기 DC 링크전압의 지령치와 계측치을 입력받아 에러값을 계산하는 에러값 계산기;
상기 에러값을 입력받아 적분 제어 신호를 계산하여 출력하는 적분 제어기;
상기 적분 제어기와 병렬로 연결되고, 상기 에러값을 입력받아 비례 제어 신호를 계산하여 출력하는 비례 제어기;
상기 적분 제어 신호와 상기 비례 제어 신호를 합하여 비례 적분 제어 신호를 출력하는 비례 적분 제어 신호 출력기; 및
상기 에러값을 입력받아 상기 센싱 오차 보상용 제어 신호를 계산하는 센싱 오차 보상 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비례 적분 제어기.
The method according to claim 1,
The hybrid proportional plus integral control unit includes:
An error value calculator for receiving an instruction value and a measurement value of the DC link voltage and calculating an error value;
An integral controller for receiving the error value and calculating and outputting an integral control signal;
A proportional controller connected in parallel with the integral controller, for calculating and outputting a proportional control signal in response to the error value;
A proportional integral control signal output unit for adding the integral control signal and the proportional control signal to output a proportional integral control signal; And
And a sensing error compensation controller receiving the error value and calculating a control signal for compensating the sensing error.
제 3 항에 있어서,
상기 센싱 오차 보상용 제어 신호는 시간의 흐름에 따라 입력되는 에러값들을 더하고, 센서 오차 보상용 시정수 적분이득을 곱하여 계산되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비례 적분 제어기.
The method of claim 3,
Wherein the sensing error compensating control signal is calculated by adding error values inputted in accordance with the passage of time and multiplying the error value by a time constant integral gain for sensor error compensation.
제 3 항에 있어서,
상기 지령치 계산부는 상기 출력전압의 상전압 및 상전류를 입력받아 정지 2상 좌표 상의 2상 전압 및 2상 전류로 변환하는 좌표 변환기;
상기 2상 전압 및 상기 2상 전류는 전압 최대치 및 전류 최대치로 계산하여 출력하는 전압 및 전류 최대치 계산기; 및
상기 전압 최대치 및 상기 전류 최대치를 이용하여 상기 지령치를 계산하는 지령치 계산기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비례 적분 제어기.
The method of claim 3,
Wherein the command value calculation unit receives a phase voltage and a phase current of the output voltage and converts the phase voltage and the phase current of the output voltage into a two-phase voltage and a two-phase current on the stopping two-phase coordinate system;
A voltage and current maximum value calculator for calculating and outputting the two-phase voltage and the two-phase current as a voltage maximum value and a maximum current value; And
And a command value calculator for calculating the command value using the voltage maximum value and the current maximum value.
입력 전압을 소정의 직류전압인 DC 링크전압으로 변환하는 컨버터와 상기 DC 링크 전압을 스위칭하여 교류인 출력전압을 출력하는 인버터를 포함하는 인버터 장치; 및
상기 컨버터의 시비율을 제어하는 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 하이브리드 비례 적분 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 시스템.
A converter for converting an input voltage into a DC link voltage which is a predetermined DC voltage; and an inverter for switching the DC link voltage to output an AC output voltage; And
And a hybrid proportional integral controller according to any one of claims 1 to 5 for controlling the duty ratio of the converter.
제 6 항의 인버터 시스템; 및
엘리베이터의 전동기 위상각을 측정하여 전동기의 상전압을 계산하며, 상기 상전압을 상기 출력전압으로 하여 상기 지령치 계산부로 입력하는 상전압 측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 전동기 제어용 인버터 시스템.
An inverter system according to claim 6; And
And a phase voltage measuring device for measuring the phase angle of the electric motor of the elevator to calculate a phase voltage of the electric motor and inputting the phase voltage as the output voltage to the command value calculation unit.
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