KR101875864B1 - 옵셋 전압을 이용한 일정 스위칭 주파수의 랜덤 pwm 장치 및 방법 - Google Patents

옵셋 전압을 이용한 일정 스위칭 주파수의 랜덤 pwm 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

옵셋 전압을 이용한 랜덤 PWM 발생장치는
랜덤변수를 발생시키는 랜덤변수 발생부; 상기 랜덤변수 발생부에서 발생된 랜덤변수를 이용하여 옵셋 전압을 설정하는 옵셋 전압 설정부; 입력신호의 전압지령과 상기 옵셋 전압 설정부에서 설정된 옵셋 전압을 합하여 극 전압지령을 출력하는 극 전압지령 출력부; 상기 극 전압 지령 출력부에서 출력된 극 전압지령을 바탕으로 인버터 구동 펄스를 발생시키는 PWM 발생부;
를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 옵셋전압을 이용한 랜덤 PWM 발생 장치 및 방법을 통해 추가적인 회로나 복잡한 계산 없이 간단하게 구현할 수 있다.

Description

옵셋 전압을 이용한 일정 스위칭 주파수의 랜덤 PWM 장치 및 방법 {A novel Random PWM technique with a constant switching frequency utilizing an offset voltage}
본 발명은 인버터의 진동과 소음 저감을 위한 랜덤 PWM 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
교류 전동기 구동 시스템에서 가변속 구동을 위하여 통상 PWM 인버터가 사용된다. 일반적으로 PWM 인버터의 변조기법은 잡음 전력을 특정 주파수에 집중시켜서 고조파가 집중적으로 발생하여 전자기적 잡음과 가청 소음을 유발하게 된다.
또한, 이런 고조파들은 진동을 유발하며 전자기파 간섭(EMI) 문제도 발생시키게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 여러 연구가 진행되어 왔다. 종래에는 20kHz 이상으로 스위칭 주파수를 높여 가청주파수 대역에서 발생하는 소음을 줄이는 방법이 대표적이었다. 그러나 스위칭 주파수가 높을수록 스위칭 손실은 증가하게 되고 대용량의 인버터에서는 소자문제로 스위칭 주파수를 높이는 데 한계가 존재했다.
스위칭 주파수를 높이지 않고 이런 문제를 해결하기 위해 최근에는 랜덤(Random) PWM 방법이 연구되고 있다. 이 방법은 인버터로 구동되는 에너지 변화장치로부터 발생되는 가청 스위칭 소음의 전력을 광대역 주파수 영역으로 확산함으로써 불쾌감을 주는 소음을 저감한다.
이러한 랜덤 PWM 기법은 구현 기법에 따라 Random Carrier Frequency PWM(이하 RCFWM)과 Random Pulse Position PWM(이하 RPPPWM)으로 분류된다. RCFPWM 기법은 매 샘플링 주기마다 스위칭 주파수를 랜덤하게 변조하는 기법으로서 가변 주파수 반송파를 발생시키기 위한 추가적인 회로가 필요하기 때문에 시스템이 복잡해지고 비용이 증가하는 단점이 존재한다. 또한, 전류 제어주기가 지속적으로 바뀌기 때문에 전류대역폭 선정에 대한 어려움이 존재한다. RPPPWM 기법은 매 샘플링 주기를 일정하게 유지하면서 변조구간 내에서 펄스의 위치를 랜덤하게 결정함으로써 실제적인 유효 벡터를 랜덤하게 위치하는 기법으로서 그 구현방법이 복잡한 단점이 존재한다.
따라서 기존의 랜덤 PWM 방식을 보완하여 추가적인 회로나 복잡한 계산 없이 간단하게 구현할 수 있는 랜덤 PWM 발생장치 및 방법이 요구되었다.
옵셋 전압을 이용한 PWM 방법은 기존의 여러 전압변조방식들을 통합적인 개념으로 쉽게 구현할 수 있다. 옵셋 전압에 따라 극전압 지령이 달라질 수 있으며 이에 따라 고조파 특성이 달라질 수 있다. 이때 인버터의 출력전압을 극전압이라고 하고 극전압지령은 각 상 위치의 상태를 결정하는 전압이다. 수학식1에 따라 이러한 극 전압 지령(
Figure 112017009352113-pat00001
)은 상전압 지령(
Figure 112017009352113-pat00002
)과 옵셋 전압(
Figure 112017009352113-pat00003
)의 합으로 주어진다.
Figure 112017009352113-pat00004
예를 들면 SPWM에서는 상전압지령이 곧 극전압 지령이므로 옵셋 전압(
Figure 112017009352113-pat00005
)은 0이다. SVPWM에서 옵셋 전압은 수학식 2를 만족해야 한다.
Figure 112017009352113-pat00006
이러한 옵셋 전압(
Figure 112017009352113-pat00007
)은 임의의 값으로 선정할 수 있다. 상 전압 지령에 동일한 옵셋 전압을 더하여 생성된 극전압을 가지고 전압을 변조하더라도 실제 부하의 선간 전압과 상전압에는 그 전압성분이 나타나지 않기 때문이다. 그러나 옵셋 전압의 크기는 극전압지령치가 수학식 3과 같은 조건을 만족하도록 선정해야 한다.
본 발명의 발명자는 위와 같은 옵셋 전압을 이용한 PWM 방법으로 기존의 랜덤 PWM 방법을 보완하여 THD(Total Harmonic Distortion)특성을 유지하면서 추가적인 회로나 복잡한 계산 없이 간단하게 구현할 수 있는 랜덤 PWM 발생장치 및 방법을 모색하였다.
KR 10-2005-0012421 A (2005.02.02)
본 발명은 인버터 시스템에서 기존의 랜덤 PWM 방법을 보완한 랜덤 PWM방법을 통해 특정 주파수 대역에 집중된 고조파를 적절하게 확산시킴으로써 고조파로 인한 소음과 진동, 전자기파 간섭(EMI) 문제를 해결하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 랜덤 PWM 발생 장치는,
랜덤변수를 발생시키는 랜덤변수 발생부; 상기 랜덤변수 발생부에서 발생된 랜덤변수를 이용하여 옵셋 전압을 설정하는 옵셋 전압 설정부; 입력신호의 전압지령과 옵셋 전압 설정부에서 설정된 옵셋 전압을 합하여 극 전압지령을 출력하는 극 전압지령 출력부; 상기 극 전압 지령 출력부에서 출력된 극 전압지령을 바탕으로 인버터 구동 펄스를 발생시키는 PWM 발생부; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 랜덤 변수 발생부는 극 전압지령이
Figure 112017009352113-pat00009
범위 내의 값을 만족하도록 랜덤변수를 발생시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 랜덤 변수 발생부는 전압 변조 주기마다 변하는 랜덤 변수를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 따른 랜덤 PWM 발생 장치에서 인버터 구동 펄스를 발생시키는 랜덤 PWM 방법은,
랜덤변수를 발생시키는 제1단계; 상기 제1단계에서 발생된 랜덤변수를 이용하여 옵셋 전압을 설정하는 제2단계; 입력신호의 전압지령과 상기 제2단계에서 설정된 옵셋 전압을 합하여 극 전압지령을 출력하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 출력된 극 전압지령을 바탕으로 인버터 구동 펄스를 발생시키는 제4단계;
를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1단계는 극 전압지령이
Figure 112017009352113-pat00010
범위 내의 값을 만족하도록 랜덤변수를 발생시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1단계는 전압 변조 주기마다 변하는 랜덤 변수를 발생시킬 수 있다.
본 발명에 의한 옵셋 전압을 이용한 일정 스위칭 주파수의 랜덤 PWM 발생 장치 및 방법을 통해 추가적인 회로나 복잡한 계산과 알고리즘 없이 간단하게 구현할 수 있다.
또한, 3상 인버터 뿐만 아니라 단상 인버터 및 멀티레벨 인버터에도 쉽게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 랜덤 PWM 발생 장치를 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 2는 종래의 SVPWM 발생 장치 및 방법에 따른 선간전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 랜덤 PWM 발생장치 및 방법에 따른 선간전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 종래의 SVPWM방법과 본 발명의 랜덤 PWM 방법에 따른 HSF를 나타낸 그래프이다.
도 5는 단상인버터구동시스템에서의 종래의 SPWM발생 장치 및 방법과 본 발명의 랜덤PWM 발생 장치 및 방법에 따른 출력전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 종래의 SPWM 방법과 본 발명의 랜덤 PWM 방법에 따른 HSF를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 유지하면서 다른 구성부가 사용될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안된다.
도 1은 3상 인버터 시스템에서 본 발명에 따른 옵셋 전압을 이용한 새로운 랜덤 PWM 발생장치의 개략적인 회로도(100)이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 랜덤 PWM 발생장치는 입력부(105), 랜덤 변수 발생부(115), 옵셋 전압설정부(125), 극 전압지령 출력부(110), PWM 발생부(120)를 포함한다.
랜덤 변수 발생부는 극전압지령이
Figure 112017009352113-pat00011
의 범위 내의 값을 만족할 수 있는 랜덤변수범위를 설정하여 랜덤변수를 발생시킨다. 이때 발생된 랜덤변수는 전압변조주기마다 변하는 랜덤변수일 수 있다. 옵셋 전압 설정부(120)는 랜덤변수 발생부(115)에서 발생된 랜덤변수를 이용하여 옵셋전압을 설정한다. 예를 들어, 종래의 옵셋 전압을 이용한 랜덤 PWM 발생장치 및 방법에서 SPWM의 옵셋 전압은 상전압지령이 곧 극전압지령이므로 상기 수학식 1에 따라 옵셋전압 (
Figure 112017009352113-pat00012
)은 0이고, SVPWM의 옵셋전압은 상기 수학식 2를 만족한다.
그러나 본 발명에 따른 옵셋 전압을 이용한 새로운 랜덤(Random) PWM 발생장치 및 방법은 랜덤변수를 이용하여 옵셋 전압으로 활용한다. 랜덤(Random) 변수는
Figure 112017009352113-pat00013
로 정한다. 또한, 편의상
Figure 112017009352113-pat00014
를 활용한 SPWM방법을 랜덤(S), SVPWM방법을 랜덤(SV)라고 정한다. 랜덤(S)의 옵셋 전압(
Figure 112017009352113-pat00015
)은 상전압지령(
Figure 112017009352113-pat00016
)과 극전압지령(
Figure 112017009352113-pat00017
)이 정현파로 동일하기 때문에 수학식 4를 만족하고, 랜덤(SV)의 옵셋 전압은 수학식 5를 만족한다.
Figure 112017009352113-pat00018
Figure 112017009352113-pat00019
극 전압지령 출력부는 입력신호의 전압지령과 옵셋전압 설정부에서 설정된 옵셋 전압을 합하여 극 전압지령을 출력한다.
PWM발생부는 극 전압지령출력부에서 출력된 극 전압지령을 바탕으로 인버터 구동펄스를 발생시킨다.
도 2는 종래의 SVPWM 발생장치 및 방법의 선간전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도2(a)는 MI=0.2일 때의 스펙트럼이고 도2(b)는 MI=0.9일때의 스펙트럼이다. 도2(a),(b)둘다 특정 주파수 대역에 고조파가 집중되었으며 도2(a)에서는 가장 크기가 큰 고조파의 상대적인 크기도 기본파 크기의 약 95% 정도로 고조파 확산 효과의 측면에선 나쁜 특성을 가진다. 도2(b)에서는 기본파 크기의 약 35%로 랜덤 PWM방법보다 고조파 확산 효과의 측면에서 나쁜 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
도3은 본 발명에 따른 랜덤 PWM발생 장치 및 방법에서의 선간전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도3(a)는 MI=0.2일 때의 스펙트럼이고 도3(b)는 MI=0.9일 때의 스펙트럼이다. 도2와 비교해보면, 랜덤 PWM의 고조파 확산 효과를 확인할 수 있다. 랜덤 PWM을 적용했을 경우 집중된 고조파들을 확산시킬 수 있었으며 크기가 가장 큰 고조파의 상대적인 크기도 약 18%로 매우 줄어든 모습을 확인할 수 있다. 가장 크기가 큰 고조파의 상대적인 크기에 대해서 검토해보면 기본파 크기의 약 32%정도의 크기를 가진다.
도4는 종래의 SVPWM 방법과 본 발명에 따른 랜덤 PWM 방법에 따른 HSF(Harmonic Spread Factor)를 나타낸 그래프이다. HSF는 고조파 확산지수로서 고조파 스펙트럼 확산효과를 평가하기 위한 표준편차 개념이다. 그래프를 보면 HSF의 감소율은 MI=0.2인 조건에서 랜덤 PWM을 적용했을 때, 종래의 PWM(SPWM, SVPWM)을 적용했을 때보다 HSF가 약 76% 감소했으며, MI=0.9인 조건에서는 약 16% 감소했다.
표1은 종래의 PWM과 본 발명에 따른 랜덤 PWM 방법에 따른 THD를 표로 나타낸 것이다.

MI
 THD
SPWM SVPWM Random(S) Random(SV)
0.2 236.08% 230.09% 235.68% 235.14%
0.4 157.61% 157.63% 157.76% 157.31%
0.6 121.49% 121.55% 121.45% 121.52%
0.8 95.53% 95.50% 95.54% 95.40%
0.9 76.86% 76.91% 76.85% 76.70%
표 1에 나타낸 것처럼 랜덤 PWM 발생장치 및 방법을 적용해도 THD 특성에는 영향을 주지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
도5는 단상 인버터 구동시스템에서 종래의 SPWM 발생장치 및 방법과 본 발명에 따른 랜덤 PWM발생 장치 및 방법에 따른 출력전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도5(a)는 종래의 SPWM 발생장치 및 방법에서의 출력전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 것이다. SPWM 발생 장치 및 방법을 적용함에 따라 특정 주파수 대역에서 고조파가 집중됨을 확인할 수 있으며 가장 크기가 큰 고조파는 기본파 크기의 95% 정도의 크기를 가지는 것을 볼 수있다.
도5(b)는 본 발명에 따른 랜덤 PWM 발생장치 및 방법에서의 출력전압의 고조파 스펙트럼을 나타낸 것이다. 도5(a)와 대응되는 결과로서, 랜덤 PWM 발생장치 및 방법을 적용함에 따라 집중된 고조파가 확산된 것을 확인할 수 있고, 가장 크기가 큰 고조파의 크기도 기본파 크기의 약 20%로 현저하게 줄어든 모습을 볼 수 있다.
도6은 종래의 SPWM 방법과 본 발명에 따른 랜덤 PWM방법의 HSF(Harmonic Spread Factor)를 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 HSF의 감소율은 MI=0.2인 조건에서 랜덤 PWM을 적용했을 때, 종래의 PWM(SPWM,SVPWM)을 적용했을 때보다 HSF가 약 76% 감소했으며, MI=0.9인 조건에서는 약 4% 감소했다.
표2는 종래의 SPWM방법과 본 발명에 따른 랜덤 PWM방법에 따른 THD를 표로 나타낸 것이다.

MI
 HSF(Harmonic Spread Factor)
SPWM Random PWM
0.2 8.593 2.072
0.4 5.555 2.440
0.6 3.938 2.727
0.8 2.753 2.308
0.9 2.114 2.029
따라서, 옵셋 전압을 이용한 PWM 방법은 3상 인버터 구동시스템에서 주로 사용되었으나, 랜덤 PWM 방법은 단상 인버터 구동시스템에서도 사용 할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 옵셋 전압을 이용한 일정스위칭 주파수의 랜덤 PWM 발생 장치 및 방법은 기존의 방법을 개선하여 추가적인 회로나 복잡한 계산이나 알고리즘 없이 단순히 전압변조지수를 계산하여 랜덤변수를 이용한 옵셋전압을 통해 간단하게 구현할 수 있다.
또한, THD의 특성에 영향을 미치지 않고, 3 상 인버터 구동시스템뿐만 아니라 단상 인버터 구동시스템에서도 제안된 랜덤 PWM 발생장치 및 방법을 적용하여 그 효과를 확인할 수 있었다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 유지하면서 3상 인버터 뿐만 아니라 단상 인버터 및 멀티레벨 인버터에서 인버터 소음 저감을 위한 다양한 랜덤 PWM 발생장치로 구현될 수 있다.
105: 입력부
110: 극 전압 지령출력부
115: 랜덤 변수 발생부
120: PWM 발생부
125: 옵셋 전압 설정부

Claims (6)

  1. 옵셋 전압을 이용한 랜덤 PWM 발생 장치에 있어서,
    전압변조주기마다 변하는 랜덤변수를 발생시키는 랜덤변수 발생부;
    상기 랜덤변수 발생부에서 발생된 랜덤변수를 이용하여 옵셋 전압을 설정하는 옵셋 전압 설정부;
    입력신호의 전압지령과 옵셋 전압 설정부에서 설정된 옵셋 전압을 합하여 극 전압지령을 출력하는 극 전압지령 출력부; 및
    상기 극 전압 지령 출력부에서 출력된 극 전압지령을 이용하여 인버터 구동 펄스를 발생시키는 PWM 발생부;
    를 포함하고,
    랜덤(S)의 옵셋 전압(
    Figure 112018001771166-pat00028
    )은 상전압지령(
    Figure 112018001771166-pat00029
    )과 극전압지령(
    Figure 112018001771166-pat00030
    )이 정현파로 동일하면 하기의 식 1를 만족하고, 랜덤(SV)의 옵셋 전압은 하기의 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 랜덤(Random) PWM 발생장치.
    Figure 112018001771166-pat00031
    ... (식 1)
    Figure 112018001771166-pat00032
    .... (식 2)
    이때, 상기 V*max는 상기 전압지령의 최대값이고, 상기 V*min은 상기 전압지령의 최소값이며, 상기 Vrd는 랜덤(Random) 변수이고, 상기 랜덤(S)은 상기 랜덤 변수(Vrd)를 활용한 SPWM 기법이며, 상기 랜덤(SV)은 상기 랜덤 변수(Vrd)를 활용한 SVPWM 기법을 가리킴.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 랜덤변수 발생부는 극 전압지령이
    Figure 112018001771166-pat00020
    범위 내의 값을 만족하도록 랜덤변수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 랜덤(Random) PWM 발생 장치.
  3. 삭제
  4. 옵셋 전압을 이용한 랜덤 PWM 발생 장치에서 인버터 구동 펄스를 발생시키는 랜덤 PWM 방법에 있어서,
    전압변조주기마다 변하는 랜덤변수를 발생시키는 제1단계;
    상기 제1단계에서 발생된 랜덤변수를 이용하여 옵셋 전압을 설정하는 제2단계;
    입력신호의 전압지령과 상기 제2단계에서 설정된 옵셋 전압을 합하여 극 전압지령을 출력하는 제3단계; 및
    상기 제3단계에서 출력된 극 전압지령을 이용하여 인버터 구동 펄스를 발생시키는 제4단계;
    를 포함하고,
    랜덤(S)의 옵셋 전압(
    Figure 112018001771166-pat00033
    )은 상전압지령(
    Figure 112018001771166-pat00034
    )과 극전압지령(
    Figure 112018001771166-pat00035
    )이 정현파로 동일하면 하기의 식 3을 만족하고, 랜덤(SV)의 옵셋 전압은 하기의 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는 랜덤 PWM 방법.
    Figure 112018001771166-pat00036
    ... (식 3)
    Figure 112018001771166-pat00037
    ... (식 4)
    이때, 상기 V*max는 상기 전압지령의 최대값이고, 상기 V*min은 상기 전압지령의 최소값이며, 상기 Vrd는 랜덤(Random) 변수이고, 상기 랜덤(S)은 상기 랜덤 변수(Vrd)를 활용한 SPWM 기법이며, 상기 랜덤(SV)은 상기 랜덤 변수(Vrd)를 활용한 SVPWM 기법을 가리킴.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1단계는 극 전압지령이
    Figure 112017009352113-pat00021
    범위 내의 값을 만족하도록 랜덤변수를 발생시키는 것을 특징으로 하는 랜덤 PWM 방법
  6. 삭제
KR1020170012514A 2017-01-26 2017-01-26 옵셋 전압을 이용한 일정 스위칭 주파수의 랜덤 pwm 장치 및 방법 KR101875864B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US10862394B2 (en) 2019-04-22 2020-12-08 Hyundai Motor Company System and method for improving resolution of voltage command of low voltage DC-DC converter

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