KR101995864B1 - 인버터 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인버터 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 직류단에 소용량 커패시터를 사용하여 안정적으로 3상 전동기를 운전하기 위한 인버터 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치는 직류단 전압이 계통주파수의 2배 주파수로 맥동하는 인버터를 제어하는 인버터 제어장치에 있어서, 상기 인버터의 출력 전류값을 감지하는 전류 감지부; 상기 인버터의 직류단 전압값을 감지하는 전압 감지부; 및 상기 출력 전류값 및 상기 직류단 전압값을 기초로 주기적으로 변동하는 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 생성하고, 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 기초로 전류 지령값을 생성하고, 상기 전류 지령값을 기초로 3상 모터를 구동하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 인버터의 직류단에 소용량 커패시터를 사용하여 전동기를 안정적으로 가변속 제어할 수 있고, 인버터 회로의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 소용량 커패시터를 사용함으로써 초기에 커패시터를 충전하기 위한 회로를 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

인버터 제어장치 및 그 제어방법{INVERTER CONTROL APPARATUS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 인버터 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 직류단에 소용량 커패시터를 사용하여 안정적으로 3상 전동기를 운전하기 위한 인버터 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 q축 전류 지령값의 파형을 도시한 도면이다.
도1을 참조하면, 직류단 전압값의 파형(a1)과, 사다리꼴 형태의 q축 전류 지령값의 파형(a2)과, 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값의 파형(a3)이 도시되어 있다.
소용량 커패시터를 사용하는 인버터로 영구자석 동기 전동기를 안정적으로 구동하기 위해서는 회전자 기준 q축 전류 지령값 및 회전자 기준 d축 전류 지령값의 생성이 중요하다.
종래에는, 회전자 기준 q축 전류 지령은 모양에 따라 정현파 제곱 형태로 변조하는 방식과 사다리꼴 형태로 변조하는 방식이 있었다.
하지만, 정현파 제곱형태로 변조하는 방식은 인덕턴스와 고정자 저항에 의한 전압 강하를 고려하지 않았을 뿐만 아니라, 입력 전원의 전압 측정을 위한 전압 센서와 같은 별도의 수단을 구비하여야 한다는 문제점이 있었다.
또한, 사다리꼴 형태로 변조하는 방식은 입력 전류의 고조파 성분을 제거할 수 없는 문제점이 있었다.
종래에는, 회전자 기준 d축 전류 지령은 전압방정식([수학식 1])과 전압제한식([수학식 2])을 사용하는 방법을 사용하거나, 직류단 전압이 부족한 특정 영역에서만 d축 전류를 음으로 제어하는 방법을 사용하였다.
[수학식 1]
Figure 112012059664647-pat00001
[수학식 2]
Figure 112012059664647-pat00002
하지만, 인버터의 직류단에 소용량 커패시터를 사용하는 경우에는, 인버터의 직류단 전압이 두배의 전원 주파수로 맥동함에 따라 등속상태에서도 전압 제한원이 변하게 되어 순시적으로 d축 전류를 변동하는 것은 오히려 시스템의 안정성을 저해하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 직류단 전압의 맥동을 줄이기 위해서 “평균 전압 제한원”을 이용하여 회전자 기준 q축 전류 지령값 및 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 입력 전류의 고조파 규제를 만족시키기 위해서 입력 전원의 역률을 1로 제어해야 하는데, 이때, 회전자 기준 q축 전류 지령값이 계통 주파수(전원 주파수)의 정현파 제곱 형태가 될 수 있도록 “계통 주파수를 추정하는 방법”을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치는 직류단 전압이 계통주파수의 2배 주파수로 맥동하는 인버터를 제어하는 인버터 제어장치에 있어서, 상기 인버터의 출력 전류값을 감지하는 전류 감지부; 상기 인버터의 직류단 전압값을 감지하는 전압 감지부; 및 상기 출력 전류값 및 상기 직류단 전압값을 기초로 주기적으로 변동하는 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 생성하고, 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 기초로 전류 지령값을 생성하고, 상기 전류 지령값을 기초로 3상 모터를 구동하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 제어부는 상기 출력 전류값을 기초로 출력 토크 지령값을 생성하는 속도 제어부; 및 상기 출력 토크 지령값에 대응하는 전류 지령값을 생성하는 전류 지령 생성부를 포함한다.
또한, 상기 전류 지령 생성부는 상기 직류단 전압값을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 추정하는 계통각 추정부를 포함한다.
또한, 상기 전류 지령 생성부는 상기 계통각을 기초로 상기 계통각과 동기된 정현파 제곱 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값을 생성하는 q축 전류 지령 생성부를 더 포함한다.
또한, 상기 전류 지령 생성부는 주기적으로 변동하는 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 산출하고, 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값과 상기 회전자 기준 q축 전류 지령값을 기초로 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 d축 전류 지령 생성부를 포함한다.
또한, 상기 계통각 추정부는 상기 직류단 전압값을 제곱하여 직류단 전압 제곱값을 생성하는 직류단 전압 제곱 연산부; 상기 직류단 전압 제곱값 및 상기 2배 계통주파수를 기초로 상기 계통주파수의 2배 주파수를 가지는 2배 계통주파수 성분값을 생성하는 대역 통과 필터부; 상기 2배 계통주파수 성분값으로부터 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값을 생성하는 위상 지연부; 상기 90도 위상 지연값, 상기 2배 계통주파수 성분값에 “-1”을 곱한값, 및 상기 2배 계통각을 기초로 위상차를 갖으며 상수값인 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값 및 동기 좌표계 기준 q축 가상 전압값을 생성하는 제5 좌표 변환부; 및 상기 고정자 기준 d축 가상 전압값 및 상수값 “0”을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 생성하는 위상 동기화부를 포함한다.
또한, 상기 위상 지연부는 위상을 지연시키는 전역 통과 필터 또는 2차 일반 적분기를 포함한다.
또한, 상기 위상 동기화부는 수신된 신호의 위상을 동기화 시키고, 출력 신호의 주파수를 일정하게 유지하는 위상 동기화 회로(PLL)를 포함한다.
또한, 상기 q축 전류 지령 생성부는 상기 계통각을 갖는 단위 정현파 제곱 파형을 생성하는 정현파 제곱 연산부; 상기 출력 토크 지령값에 대응하는 q축 전류 지령값을 생성하는 q축 전류 지령 변환부; 상기 단위 정현파 제곱 파형과 상기 q축 전류 지령값을 곱하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하는 제1곱셈기; 상기 출력 토크 지령값과 회전자 기준 q축 전류 지령값에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값을 생성하는 전류 이득 설정부; 및 상기 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값과 상기 전류 이득값을 곱하여 회전자 기준 q축 전류 지령값을 생성하는 제2곱셉기를 포함한다.
또한, 상기 전류 이득 설정부는 전류 이득값을 “2”로 하는 것을 포함한다.
또한, 상기 d축 전류 지령 생성부는 상기 직류단 전압값을 기초로 주기적으로 변동하는 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 산출하고, 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 기초로 회전자 기준 q축 전류 마진값을 생성하는 전류 마진 연산부; 상기 출력 토크 지령값을 기초로 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값을 생성하는 전류 마진 지령부; 및 상기 회전자 기준 q축 전류 마진값에서 상기 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값을 뺀 오차값을 생성하는 제1 가산기를 포함한다.
또한, 상기 전류 마진 연산부는 상기 직류단 전압값을 기초로 d축에 인가할 수 있는 전압의 순시적인 최대값을 의미하는 회전자 기준 d축 전압 경계값을 생성하는 d축 전압 경계값 연산부; 전압값을 전류값으로 변경하는 단위 이득값을 생성하는 단위 이득값 연산부; 상기 회전자 기준 d축 전압 경계값 및 상기 단위 이득값을 기초로 회전자 기준 q축 전류 경계값 생성하는 q축 전류 경계값 변환부; 및 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값에서 상기 회전자 기준 q축 전류 지령값을 빼서 회전자 기준 q축 전류 마진값을 생성하는 q축 전류 마진 연산부를 포함한다.
또한, 상기 전류 마진 지령부는 전류 제한에 의해서 발생 토크가 부족할 경우에 회전자 기준 d축 전류 지령값을 양(+)으로 설정하여 상기 회전자 기준 d축 전류 지령값이 음(-)으로 설정되도록 하는 것을 포함한다.
또한, 상기 전류 마진 지령부는 정상 상태이거나 전류가 제한에 걸리지 않을 경우에는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값은 “0”으로 설정하는 것을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치의 제어방법은, 전류 감지부, 전압 감지부, 및 제어부를 포함하며, 직류단 전압이 계통주파수의 2배 주파수로 맥동하는 인버터를 제어하는 인버터 제어장치의 제어방법에 있어서, 상기 인버터 제어장치가 상기 인버터의 출력 전류값 및 상기 인버터의 직류단 전압값을 감지하고; 상기 인버터 제어장치가 상기 출력 전류값 및 상기 직류단 전압값을 기초로 주기적으로 변동하는 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 산출하고; 상기 인버터 제어장치가 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값을 기초로 전류 지령값을 생성하고; 상기 인버터 제어장치가 상기 전류 지령값을 기초로 3상 모터를 구동하는 것을 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 전류 지령값을 생성하는 것은 상기 직류단 전압값을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 추정하는 것을 포함하니다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 전류 지령값을 생성하는 것은 상기 계통각을 기초로 상기 계통각과 동기된 정현파 제곱 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값을 생성하는 것을 더 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 전류 지령값을 생성하는 것은 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값과 상기 회전자 기준 q축 전류 지령값을 기초로 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 것을 더 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 상기 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 추정하는 것은, 상기 직류단 전압값을 제곱하여 직류단 전압 제곱값을 생성하고; 상기 직류단 전압 제곱값 및 상기 2배 계통주파수를 기초로 계통주파수의 2배 주파수를 가지는 2배 계통주파수 성분값을 생성하고; 상기 2배 계통주파수 성분값으로부터 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값을 생성하고; 상기 90도 위상 지연값 및 상기 2배 계통주파수 성분값에 “-1”을 곱한값, 및 상기 2배 계통각을 기초로 위상차를 갖으며 상수값인 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값 및 동기 좌표계 기준 q축 가상 전압값을 생성하고; 상기 고정자 기준 d축 가상 전압값 및 상수값 “0”을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 생성하는 생성하는 것을 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 상기 회전자 기준 q축 전류 지령값을 생성하는 것은, 상기 계통각을 갖는 단위 정현파 제곱 파형을 생성하고; 출력 토크 지령값을 기초로 상기 출력 토크 지령값에 해당하는 q축 전류 지령값을 생성하고; 상기 단위 정현파 제곱 파형과 상기 q축 전류 지령값을 곱하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하고; 상기 출력 토크 지령값과 상기 회전자 기준 q축 전류 지령값에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값을 생성하고; 상기 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값과 상기 전류 이득값을 곱하여 회전자 기준 q축 전류 지령값을 생성하는 것을 포함한다.
또한, 상기 전류 이득값은 “2”인 것을 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 상기 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 것은, 상기 직류단 전압값을 기초로 d축에 인가할 수 있는 전압의 순시적인 최대값을 의미하는 회전자 기준 d축 전압 경계값을 생성하고; 전압값을 전류값으로 변경하는 단위 이득값을 생성하고; 상기 회전자 기준 d축 전압 경계값 및 상기 단위 이득값을 기초로 회전자 기준 q축 전류 경계값 생성하고; 상기 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값에서 상기 회전자 기준 q축 전류 지령값을 빼서 회전자 기준 q축 전류 마진값을 생성하고; 출력 토크 지령값을 기초로 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값을 생성하고; 상기 회전자 기준 q축 전류 마진값에서 상기 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값을 뺀 오차값을 생성하고; 상기 오차값을 저역통과필터 및 비례적분기에 순차적으로 입력하여 회전자 기준d축 전류 지령값을 생성하는 것을 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 상기 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 것은, 전류 제한에 의해서 발생 토크가 부족할 경우에 회전자 기준 d축 전류 지령값을 양(+)으로 설정하여 상기 회전자 기준 d축 전류 지령값이 음(-)으로 설정되도록 하는 것을 포함한다.
또한, 상기 인버터 제어장치가 상기 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 것은, 정상 상태이거나 전류가 제한에 걸리지 않을 경우에는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값은 “0”으로 설정하는 것을 포함한다.
본 발명에 의하면, 인버터의 직류단에 소용량 커패시터를 사용하여 전동기를 안정적으로 가변속 제어할 수 있고, 인버터 회로의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 소용량 커패시터를 사용함으로써 초기에 커패시터를 충전하기 위한 회로를 제거할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 계통 주파수를 추정하는 방법을 사용함으로써 역률 개선을 위한 부가적인 회로를 제거할 수 있는 효과가 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 부품 수를 줄여 가격을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 q축 전류 지령값의 파형을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터의 제어장치를 도시한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부를 도시한 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전류 지령 생성부를 도시한 블럭도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 의한 계통각 추정부를 도시한 블럭도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 계통각 추정부의 입력 파형 및 연산파형을 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 기준 q축 전류 지령 생성부를 도시한 블럭도이다.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 출력 토크 지령값의 파형과 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값의 파형을 도시한 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 평균 전압 제한원 및 부하 토크 곡선을 도시한 도면이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 기준 d축 전류 지령 생성부를 도시한 블럭도이다.
도 7c는 회전자 기준 d축 전류 지령값 및 회전자 기준 q축 전류 지령값의 생성을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 기준 d축 및 q축 전류 지령값을 생성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 계통각 추정방법을 도시한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 q축 전류 지령값을 생성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 d축 전류 지령값을 생성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 1kW 에어컨의 압축기를 5400 r/min로 제어했을 때 전동기 구동 파형을 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 입력 전원의 전류와 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 입력 전류의 고조파 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터의 제어장치를 도시한 블럭도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치(1)는 3상 모터를 구동하고, 직류단 전압이 계통주파수의 2배 주파수로 맥동하는 인버터를 제어하는 인버터 제어장치(1)에 있어서, 전류 감지부, 전압 감지부, 및 제어부를 포함하며, 제어부는, 전류 감지부로부터 인버터의 출력 전류값을 전달받고 전압 감지부로부터 인버터의 직류단 전압값을 전달받아서 계통각 또는 계통주파수를 추정하고, 계통각과 동기되며 정현파 제곱 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값을 생성하고, 주기적으로 변동하는 전압 제한값을 계통주파수의 반주기 동안 평균하여 평균 q축 전류값을 생성하고, 이를 바탕으로 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 제어부를 포함한다.
3상 모터(M)는 영구자석 동기모터를 포함하며, 이에 한정되지 않는다.
전원부(2)는 단상 AC 교류전원을 공급한다. 전원부(2)는 단상 입력전원(Vin)과 내부 인덕터(Ls)를 포함할 수 있다.
정류부(3)는 전원부(2)로부터 입력된 교류전류를 직류전류로 변환시킬 수 있다. 정류부(3)는 순방향 저항은 작고 역방향 저항은 충분히 커서 한쪽 방향으로만 전류를 통과시키는 정류 작용이 가능하다. 정류부(3)는 4개의 다이오드(D1 내지 D4)를 사용하는 Full-Bridge 다이오드 정류기를 포함한다.
직류단(4)는 정류부(3)에 의해서 변환된DC전압을 저장하는 커패시터(C)와, 커패시터(C)에 직렬로 연결된 2개의 저항(R1, R2)를 포함할 수 있다.
커패시터(C)는 정류부(3)에 의해서 변환된DC전압을 충전하고, 충전된 DC전압을 저항(R1, R2)를 통해서 방전할 수 있다.
이때, 커패시터(C)의 용량에 따라서DC전압을 충전 및 방전하는데 걸리는 시간이 달라지는데, 커패시터(C)의 용량이 클수록 전압을 방전하는데 걸리는 시간이 길어진다.
따라서, 커패시터(C)의 용량이 큰 경우에는, 커패시터(C)에 인가되는 반파 정류된 전압 파형을 평활화시키는 기능을 할 수 있다. 즉, 커패시터(C)는 전압이 바뀌는 맥류(脈流)를 일정한 전압으로 바꾸는 기능을 할 수 있다.
하지만, 본 발명은 커패시터(C)의 용량이 작은 경우에 3상 모터(M)를 안정적으로 제어할 수 있는 기능을 제공한다.
따라서, 커패시터(C)의 용량이 작은 경우에는 커패시터(C)에 충전된 전압이 빠르게 방전되기 때문에, 커패시터(C)에 충전된 전압은 큰 맥동을 갖게 된다.
이때, 커패시터(C)는 용량이 5 (uF) ~ 수십 (uF)인 것을 포함한다. 또한, 커패시터는 필름 커패시터를 포함할 수 있다.
직류단 캐패시터(C)의 용량을 통상의 1000~수1000에서 소용량(5~수십)으로 줄여 직류단에 전해(Electrolytic) 캐패시터 사용을 배제한 인버터를 단상 전해capacitor-less 인버터라고 부른다.
소용량의 커패시터(C)는 용량이 작기 때문에 정류 전압(Vdc)은 큰 맥동을 갖는데, 본 발명은 스위칭 신호를 적절히 설정하여 입력 전류의 고조파를 감소시키고, 역률을 개선할 수 있다.
커패시터(C)에 직렬로 연결된 2개의 저항(R1, R2)에는 전압 분배법칙에 의하여 커패시터(C)에 충전된 전압이 각 저항(R1, R2)의 비율에 따라서 인가된다.
인버터부(5)는 직류전력을 교류전력으로 변환할 수 있다. 인버터부(5)는 직류단(4)에 저장된 DC 전압을 부하조건에 따른 주파수 및 크기의 AC 전압으로 변환할 수 있다.
인버터부(5)는 6개의 스위치(S1 내지 S6)를 포함한다. 인버터부(5)는 게이트 드라이버(8)로부터 스위치를 온 또는 오프하는 신호를 전달 받으면, 6개의 스위치를 온 또는 오프하여 3상 교류전류를 생성할 수 있다.
스위치(S1 내지 S6)는 회로의 개패 소자로 이용되는 스위칭 트랜지스터를 포함할 수 있다.
3상 교류전류는 주파수가 같고 위상이 다른 3개의 기전력에 흐르는 교류전류를 말한다. 일반적으로는 대칭 3상 기전력에 의해 흐르는 교류전류를 말하며, 서로 위상이 120도 다르고, 진폭이 같은 3개의 정현파 교류전류가 동시에 흐르고 있는 전류이다.
전류 감지부(6)는 인버터부(5)의 출력 전류를 감지할 수 있다. 인버터부(5)의 출력 전류는 3상 모터(M)에 입력된다.
전류 감지부(6)는 인버터부(5)의 하위 스위치와 접지부분에 Shunt 저항을 추가한 형태의 3-Shunt 방식 또는 1-Shunt 방식을 이용할 수 있다.
전류 감지부(6)는 3상 모터(M) 전류(a상, b상, c상 중의 2상 또는 3상 분)를 감지하고, 감지한 출력 전류값을 제어부(9)로 전송할 수 있다. 구체적으로는, 제어부(9)의 A/D변환부(미도시)로 전달할 수 있다.
전압 감지부(7)는 직류단(4)의 전압을 감지할 수 있다. 직류단(4)에는 2개의 저항(R1, R2)에 커패시터(C)에 충전된 전압이 인가되는데, 전압 감지부(7)는 어느 하나의 저항(R1 또는 R2)에 인가되는 전압을 감지하여 커패시터(C)에 충전된 전압을 감지할 수 있다.
이때, 소용량의 커패시터(C)를 사용하는 경우에는, 커패시터(C)의 전압이 맥동하게 되며, 전압 감지(7)는 맥동하는 전압을 감지할 수 있다.
전압 감지부(7)는 직류단(4)의 전압을 감지하고, 직류단 전압값을 제어부(9)로 전달할 수 있다.
게이트 드라이버(8)는 제어부(9)로부터 스위칭 제어신호를 전달 받고, 스위치(S1 내지 S6)를 온 또는 오프하는 신호를 인버터부(5)로 전달한다.
제어부(9)는 전류 감지부(6)로부터 전류 감지 정보를 전달받고 전압 감지부(7)로부터 전압 감지 정보를 전달받아서, 회전자 기준 q축 전류 지령값과 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성한다.
그리고, 제어부(9)는 회전자 기준 q축 전류 지령값 및 회전자 기준 d축 전류 지령값을 이용하여 3상 모터를 안정적으로 구동하기 위한 스위칭 신호를 생성하고, 이를 게이트 드라이버(8)로 전달한다.
제어부(9)에 대해서는 이하 도3에서 자세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부를 도시한 블럭도이다.
일반적으로, 교류 전동기의 전압 방정식에 존재하는 시변 미분방정식의 복잡함을 해결하고, 과도상태를 해석하기 위하여 주로 사용되는 기준 좌표계로는, 고정자측을 기준으로 하는 정지 좌표계 및 동기 속도로 회전하는 동기 좌표계가 사용된다.
이하에서, 위첨자 r은 회전자 기준(동기 좌표계)을 의미하며, 위첨자 s는 고정자 기준(정지 좌표계)을 의미하고, 위첨자 *는 지령을 의미하며, r*는 회전자 기준(동기 좌표계)의 지령값을 의미하고, 아래 첨자 s는 전동기의 고정자(stator)를 의미한다.
제어부(9)는 회전자 각위치 추정부(10), 회전자 각속도 추정부(20), A/D변환부(30), 제1좌표변환부(40), 속도 제어부(50), 전류 지령 생성부(60), 전류 제어부(70), 제2 좌표 변환부(80), 과변조부(90), 제3 좌표 변환부(100), 제4 좌표 변환부(110), SVPWM 변조부(120)를 포함할 수 있다.
회전자 각위치 추정부(10)는 위치 센서를 사용하지 않고 회전자의 위치를 추정할 수 있다.
회전자 각위치 추정부(10)는 회전자 각위치 추정값(
Figure 112012059664647-pat00003
, 11)을 생성할 수 있다.
회전자 각속도 추정부(20)는 회전자 각위치 추정부(10)로부터 전달 받은 회전자 각위치 추정값(11)을 미분 연산하여 회전자 각속도 추정값(
Figure 112012059664647-pat00004
, 21)을 생성할 수 있다.
A/D변환부(30)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
A/D변환부(30)는 전류 감지부(6)으로부터 아날로그 신호인 인버터부(50)의 출력 상전류 감지 신호를 전달받고, 디지털 신호인 3상 모터 입력 상전류값(32, 33, 34)을 생성할 수 있다.
A/D변환부(30)는 전압 감지부(7)로부터 아날로그 신호인 직류단(4)의 전압 감지 신호를 전달받고, 디지털 신호인 직류단 전압값(36)을 생성할 수 있다.
이하, 3상 모터 입력 상전류값(32, 33, 34)은 설명의 편의를 위해서 전류 감지부(6)으로부터 전달 받는 것으로 하고, 직류단 전압값(36)은 전압 감지부(7)로부터 전달받는 것으로 한다.
제1좌표변환부(40)는 3상 모터 입력 상전류값(32, 33, 34)을 회전자 기준의 2상 전류(41, 42)로 좌표 변환한다.
제1좌표변환부(40)는 전류 감지부(6)로부터 3상 모터 입력 상전류값(32, 33, 34)을 전달받고 회전자 각위치 추정부(10)로부터 회전자 각위치 추정값(11)을 전달받는다. 그리고, 제1좌표변환부(40)는 90도 위상차를 갖는 상수값인 회전자 기준 d축 전류값(41) 및 회전자 기준q축 전류값(42)을 생성할 수 있다.
속도 제어부(50)는 시스템의 Main MCU로부터 회전자 각속도 지령값(51)을 전달 받거나 자체적으로 이를 생성할 수 있다. 또한, 속도 제어부(50)는 회전자 각속도 추정부(20)로부터 회전자 각속도 추정값(21)을 전달 받을 수 있다.
속도 제어부(50)는 회전자 각속도 추정값(21)이 회전자 각속도 지령값(51)을 추종하기 위해서 필요한 각속도에 대응하는 출력 토크 지령값(53)을 생성할 수 있다.
여기에서, 출력 토크 지령값(53)은 실제로 필요한 토크값에서 전류 제한에 의하여 발생되는 토크인 안티 와인드업(Anti-Wind up) 값을 뺀 값을 의미할 수있다.
전류 지령 생성부(60)는 속도 제어부(50)로부터 출력 토크 지령값(53)을 전달 받을 수 있고, 제3 좌표변환부(100)로부터 회전자 기준 d축 전압 제한값(101) 및 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)을 전달받을 수 있고, 전압 감지부(7)로부터 직류단 전압값(36)을 전달받을 수 있다.
전류 지령 생성부(60)는 출력 토크 지령값(53)에 대응하는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61) 및 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.
전류 지령 생성부(60)에 대해서는 도 4에서 자세히 설명하기로 한다.
전류 제어부(70)는 전류 지령 생성부(60)로부터 회전자 기준 d축 전류 지령값(61) 및 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 전달 받고, 제1 좌표 변환부(40)로부터 회전자 기준 d축 전류값(41) 및 회전자 기준 q축 전류값(42)을 전달받을 수 있다.
전류 제어부(70)는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61) 및 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 대응하는 회전자 기준 d축 전압 지령값(71) 및 회전자 기준 q축 전압 지령값(72)을 생성할 수 있다.
제2 좌표 변환부(80)는 전류 제어부(70)로부터 회전자 기준 d축 전압 지령값(71) 및 회전자 기준 q축 전압 지령값(72)을 전달 받을 수 있고, 회전자 각위치 추정부(10)로부터 회전자 각위치 추정값(11)을 전달받을 수 있다.
제2 좌표 변환부(80)는 회전자 기준d축 전압 지령값(71) 및 회전자 기준 q축 전압 지령값(72)에 대응하는 90도 위상차를 갖는 교류값인 고정자 기준 d축 전압 지령값(81) 및 고정자 기준 q축 전압 지령값(82)을 생성할 수 있다.
과변조부(90)는 제2 좌표변환부(80)로부터 고정자 기준 d축 전압 지령값(81) 및 고정자 기준 q축 전압 지령값(82)을 전달받고, 전압 감지부(7)로부터 직류단 전압값(36)을 전달받을 수 있다.
과변조부(90)는 고정자 기준d축 전압 지령값(81) 및 고정자 기준 q축 전압 지령값(82)에대응하는 고정자 기준 d축 전압 제한값(91) 및 고정자 기준 q축 전압 제한값(92)을 생성할 수 있다.
제3 좌표 변환부(100)는 과변조부(90)로부터 고정자 기준 d축 전압 제한값(91) 및 고정자 기준 q축 전압 제한값(92)을 전달받고, 회전자 각위치 추정부(10)로부터 회전자 각위치 추정값(11)를 전달 받을 수 있다.
제3 좌표 변환부(100)는 고정자 기준 d축 전압 제한값(91) 및 고정자 기준 q축 전압 제한값(92)에 대응하는 90도 위상차를 갖는 상수값인 회전자 기준 d축 전압 제한값(101) 및 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)을 생성할 수 있다.
제4 좌표 변환부(110)는 과변조부(70)로부터 고정자 기준 d축 전압 제한값(91) 및 고정자 기준 q축 전압 제한값(92)을 전달받을 수 있다.
제4 좌표 변환부(110)는 고정자 기준 d축 전압 제한값(91) 및 고정자 기준 q축 전압 제한값(92)에 대응하는 3상 교류값인 3상 전압 기준값(111, 112, 113)을 생성할 수 있다.
SVPWM 변조부(120)는 제4 좌표 변환부(110)로부터 3상 전압 기준값(111, 112, 113)을 전달 받고, 회전자 각위치 추정부(10)로부터 회전자 각위치 추정값(11)을 전달받을 수 있다.
SVPWM 변조부(120)는 3상 전압 기준값(111, 112, 113)에 대응하는 인버터부(5)의 6개의 스위치(미도시)의 스위칭 제어신호(121 내지126)를 생성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전류 지령 생성부를 도시한 블럭도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전류 지령 생성부(60)는 전동기 전압 방정식의 모터 제정수를 정확하게 몰라도 제정수의 오차를 고려할 수 있으며, 계통각 추정을 통해서 보다 신뢰성이 높은 제어방법을 제공할 수 있다.
도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 전류 지령 생성부(60)는 계통각 추정부(200), q축 전류 지령 생성부(300), d축 전류 지령 생성부(400)를 포함한다.
계통각 추정부(200)는 전압 감지부(7)로부터 직류단 전압값(36)을 전달 받을 수 있다. 계통각 추정부(200)는 계통각(201), 계통주파수(202), 2배 계통각(251), 및 2배 계통주파수(252)를 생성할 수 있다.
q축 전류 지령 생성부(300)는 속도 제어부(미도시)로부터 출력 토크 지령값(53)을 전달 받고, 계통각 추정부(200)로부터 계통각(201)을 전달받을 수 있다. q축 전류 지령 생성부(300)는 계통각과 동기된 정현파의 제곱 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.
d축 전류 지령 생성부(400)는 속도 제어부로부터 출력 토크 지령값(53)을 전달 받고, 전압 감지부(7)로부터 직류단 전압값(36)을 전달 받고, q축 전류 지령 생성부(300)로부터 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 전달 받고, 제3 좌표 변환부(미도시)로부터 회전자 기준 d축 전압 제한값(101) 및 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)을 전달받을 수 있다. 또한, 출력값인 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 피드백으로 전달받을 수 있다.
d축 전류 지령 생성부(400)는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 생성할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 의한 계통각 추정부를 도시한 블럭도이다.
계통각 추정부(200)는 입력 전원 전압을 별도의 전압 측정 센서를 이용하여 측정하지 않고, 직류단 전압값(36)을 이용하여 전원 전압의 계통각(201)을 추정할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 계통각 추정부(200)는 직류단 전압값(36)을 전달받고 계통각(201), 계통주파수(202), 2배 계통각(251), 및 2배 계통주파수(252)를 생성할 수 있다.
계통각 추정부(200)는 직류단 전압 제곱 연산부(210), 대역 통과 필터부(220), 위상 지연부(230), 제5 좌표 변환부(240), 및 위상 동기화부(250)를 포함할 수 있다.
직류단 전압 제곱 연산부(210)는 전압 감지부(7)로부터 직류단 전압값(36)을 전달받고, 직류단 전압 제곱값(211)을 생성할 수 있다. 직류단 전압 제곱값(211)은 직류단 전압값(36)을 제곱한 값이다.
대역 통과 필터부(220)는 직류단 전압 제곱 연산부(210)로부터 직류단 전압 제곱값(211)을 전달받고, 위상 동기화부(250)로부터 2배 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00005
, 252)를 전달받을 수 있다. 대역 통과 필터부(220)는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(
Figure 112012059664647-pat00006
, 221)을 생성할 수 있다.
대역 통과 필터부(220)는 계통 주파수의 2배값을 중심주파수로 갖는 것을 포함한다.
예를 들어, 대역 통과 필터부(220)는 계통주파수(50Hz 또는 60Hz)의 2배 주파수를 초기값으로 설정하고, 모터를 구동할 때를 제외하고는 2배 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00007
, 252)를 궤환하여 사용할 수 있다.
대역 통과 필터부(220)는 [수학식3]에 의한 연산을 수행할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012059664647-pat00008
[수학식 3]에서,
Figure 112012059664647-pat00009
는 직류단 전압 제곱값이고,
Figure 112012059664647-pat00010
는 계통 주파수이고,
Figure 112012059664647-pat00011
는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)으로, 계통 주파수의 2배값을 중심주파수로 가지는 대역 통과 필터부(220)를 통과 했을 때의 전압값이다.
직류단 전압값(36)을 제곱할 경우
Figure 112012059664647-pat00012
성분이 존재하는데, 이 값이 계통 주파수의 2배값을 중심주파수로 가지는 대역 통과 필터부(220)를 통과할 수 있다.
위상 지연부(230)는 대역 통과 필터부(220)로부터 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)을 전달받을 수 있다. 위상 지연부(230)는 2배 계통주파수 성분값(221)으로부터 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값(
Figure 112012059664647-pat00013
, 231)을 생성할 수 있다.
위상 지연부(230)는 [수학식 4]에 의한 연산을 수행한다.
[수학식 4]
Figure 112012059664647-pat00014
[수학식 4]에서,
Figure 112012059664647-pat00015
는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)이고, SOGI(Second Order General Integrator)는 2차 일반 적분기이고, APF는 전역 통과 필터이고,
Figure 112012059664647-pat00016
는 2배 계통주파수 성분값(221)의 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값(231)이다.
예를 들어, 위상 지연부(230)는 전역 통과 필터 또는 2차 일반 적분기를 포함할 수 있다.
제5 좌표 변환부(240)는 위상 지연부(230)로부터 90도 위상 지연값(231)을 전달받고, 대역 통과 필터부(220)로부터 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(
Figure 112012059664647-pat00017
, 221)에 “-1”을 곱한값(232)를 전달 받고, 위상 동기화부(250)로부터 2배 계통각(
Figure 112012059664647-pat00018
, 251)을 전달받을 수 있다.
[수학식 5]에 의해서 고정자 기준 d축 가상 전압값(
Figure 112012059664647-pat00019
, 231) 및 고정자 기준 q축 가상 전압값(
Figure 112012059664647-pat00020
, 232)을 정의할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112012059664647-pat00021
[수학식 5]에서,
Figure 112012059664647-pat00022
는 고정자 기준 d축 가상 전압값(231)이고,
Figure 112012059664647-pat00023
는 2배 계통주파수 성분값(221)의 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값(231)이다. 고정자 기준 d축 가상 전압값(231)과 90도 위상 지연값(231)은 편의상 동일한 번호를 사용한다. 또한,
Figure 112012059664647-pat00024
는 고정자 기준 q축 가상 전압값(232)이고,
Figure 112012059664647-pat00025
는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)이다.
고정자 기준 q축 가상 전압값(232)은 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)에 “-1”을 곱한값이다.
제5 좌표 변환부(240)는 고정자 기준 d축 가상 전압값(231), 고정자 기준 q축 가상 전압값(232), 및 2배 계통각(
Figure 112012059664647-pat00026
, 251)을 이용하여, 위상차를 갖는 상수값인 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값(241) 및 동기 좌표계 기준 q축 가상 전압값(미도시)을 생성할 수 있다.
제5 좌표 변환부(240)는 [수학식 6]에 의한 연산을 수행한다.
[수학식 6]
Figure 112012059664647-pat00027
[수학식 6]에서,
Figure 112012059664647-pat00028
는 2배 계통각이고,
Figure 112012059664647-pat00029
는 고정자 기준 d축 가상 전압값(231) 및 고정자 기준 q축 가상 전압값(232)이고,
Figure 112012059664647-pat00030
는 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값(241), 동기 좌표계 기준 q축 가상 전압값이다.
위상 동기화부(250)는 제5 좌표 변환부(240)로부터 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값(241)을 전달받고, 별도로 상수값 “0”(243)을 전달받을 수 있다. 위상 동기화부(250)는 2배 계통각(
Figure 112012059664647-pat00031
, 251), 2배 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00032
, 252), 계통각 (
Figure 112012059664647-pat00033
, 201), 및 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00034
또는
Figure 112012059664647-pat00035
, 202)를 생성할 수 있다.
위상 동기화부(250)는 위상 동기화 회로(미도시, PLL : Phase Lock Loop)를 포함할 수 있다. 위상 동기화 회로는 수신된 신호의 위상을 동기시키고, 출력 신호의 주파수를 항상 일정하게 유지하도록 구성된 주파수 부귀한 회로를 의미한다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 계통각 추정부의 입력 파형 및 연산파형을 도시한 도면이다.
도 5b를 참조하면,
Figure 112012059664647-pat00036
의 값을 나타내는 직류단 전압값(36)의 파형(a4)이 도시되어 있다.
또한,
Figure 112012059664647-pat00037
의 값을 나타내는 2배 계통주파수 성분값(221)의 파형(a5)이 도시되어 있다.
Figure 112012059664647-pat00038
의 값을 나타내는 2배 계통주파수 성분값(221)에 대하여 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값(231)의 파형(a6)이 도시되어 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 기준 q축 전류 지령 생성부를 도시한 블록도이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 출력 토크 지령값의 파형과 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값의 파형을 도시한 도면이다.
q축 전류 지령부(300)는 속도 제어부(미도시) 및 계통각 추정부(미도시)로부터 각각 출력 토크 지령값(53) 및 계통각(201)을 전달받고, 계통각(201)에 동기된 정현파 제곱 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.
q축 전류 지령부(300)는 전원부(미도시)의 역률을 1로 제어하기 위해서, 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 전원부의 계통각(201)을 갖는 정현파 제곱의 형태로 생성할 수 있다.
q축 전류 경계값(417)이란 실제의 회전자 기준 q축 전류값(42)이 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)를 정확히 추종할 수 있는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 한계값을 의미한다. 즉, q축 전류 경계값(417)이란 현재 동작점에서 실현 가능한 최대 q축 전류의 크기를 말한다.
d축 전류 지령부(미도시)는 q축 전류 경계값(417) 내에서 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 생성되도록 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 생성할 수 있다.
따라서, q축 전류 지령부(300)는 역률과 고조파 측면에서 유리한 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 파형을 결정할 수 있다.
도 6a 및 도6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 q축 전류 지령 생성부(300)는 정현파 제곱 연산부(310), q축 전류 지령 변환부(320), 및 전류 이득 설정부(330)을 포함할 수 있다.
정현파 제곱 연산부(310)는 계통각 추정부(200)로부터 계통각(201)을 전달받고, 단위 정현파 제곱 형태이며 계통각(201)을 갖는 단위 정현파 제곱 파형(311)을 생성할 수 있다.
회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 모양은 전원부(미도시)로부터의 입력 전류가 입력 전압과 동상인 정현파(sinusoidal wave)의 형태가 되어야 전원부의 역률이 1이 된다.
따라서, 최적의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 모양을 결정하기 위해서 인버터의 출력 전력값(
Figure 112012059664647-pat00039
)을 계산하면 [수학식7] 및 [수학식 8]와 같다.
[수학식 7]
Figure 112012059664647-pat00040
[수학식 8]
Figure 112012059664647-pat00041
[수학식 7] 및 [수학식 8]에서,
Figure 112012059664647-pat00042
는 회전자 기준 d축 전압 지령값이고,
Figure 112012059664647-pat00043
는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)이고,
Figure 112012059664647-pat00044
는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이고,
Figure 112012059664647-pat00045
는 회전자 기준 q축 전압 지령값이고,
Figure 112012059664647-pat00046
은 고정자의 권선 저항값이고,
Figure 112012059664647-pat00047
는 d축 인덕던스이고,
Figure 112012059664647-pat00048
는 q축 인덕턴스이고,
Figure 112012059664647-pat00049
은 회전자 각속도이고,
Figure 112012059664647-pat00050
는 회전자 기준 q축 고정자의 자속값이고,
Figure 112012059664647-pat00051
는 인버터의 출력 전력값이다.
[수학식 7] 및 [수학식 8]에서, 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 일정한 값으로 제어하고 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을
Figure 112012059664647-pat00052
형태로 제어할 경우, 미분 항에 해당하는 전압(
Figure 112012059664647-pat00053
)을 무시할 수 있다.
따라서, q축 전류 지령부(300)는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을
Figure 112012059664647-pat00054
형태로 생성하여 전원부의 역률을 1로 제어할 수 있다.
q축 전류 지령 변환부(320)는 속도 제어부(미도시)로부터 출력 토크 지령값(53)을 전달받고, 출력 토크 지령값(53)에 해당하는 q축 전류 지령값(321)을 생성할 수 있다.
제1곱셈기(340)는 정현파 제곱 연산부(310)로부터 단위 정현파 제곱 파형(311)을 전달받고, q축 전류 지령 변환부(320)로부터 q축 전류 지령값(321)을 전달받을 수 있다. 제1곱셈기(340)는 이를 이용하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 제1곱셈기(340)는 단위 정현파 제곱 파형(311)과 q축 전류 지령값(321)을 곱하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)을 생성할 수 있다.
전류 이득 설정부(330)는 출력 토크 지령값(53)과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값(
Figure 112012059664647-pat00055
, 64)의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값(
Figure 112012059664647-pat00056
, 331)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 전류 이득 설정부(330)는 속도 제어기(미도시)의 출력값인 출력 토크 지령값(53)과 전원주파수의 2배로 맥동하는 인버터(미도시)가 3상 모터(미도시)로 전달할 수 있는 토크의 평균값이 같도록 하는 전류 이득값(331)을 생성할 수 있다.
제2곱셈기(350)는 제1곱셈기(340)로부터 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)을 전달받고, 전류 이득 설정부(330)로부터 전류 이득값(331)을 전달받을 수 있다. 제2곱셈기(350)는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 제2곱셈기(350)는 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)과 전류 이득값(331)을 곱하여 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.
도6b를 참조하면, 출력 토크 지령값(53)의 파형(a7)이 도시되어 있고, 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)에 의해 생성된 토크값의 파형(a8)이 도시되어 있다.
이 경우에는, A 영역과 같이 정상 상태에서 토크가 주기적을 부족한 현상이 발생할 수 있고, 부하의 변동에 의한 속도 맥동 외에 주기적으로 발생되지 않는 토크가 누적되어서 모터(미도시) 속도의 맥동이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 전류 이득 설정부(330)는 속도 제어부(미도시)의 출력값인 출력 토크 지령값(53)과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의한 전류 지령 성형 토크값(64)의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값(331)을 [수학식 9]을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112012059664647-pat00057
[수학식 9]에서,
Figure 112012059664647-pat00058
는 속도 제어부(미도시)의 출력값인 출력 토크 지령값(53)이고,
Figure 112012059664647-pat00059
는 전류 이득값(331)이고,
Figure 112012059664647-pat00060
는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값(64)이고,
Figure 112012059664647-pat00061
는 계통각(201)이고,
Figure 112012059664647-pat00062
는 계통주파수(202)이다.
예를 들어, 전류 이득 설정부(330)는 전류 이득값(331)을 “2”로 설정하여 속도 제어부의 출력값인 출력 토크 지령값(53)과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값(64)의 평균값을 동일하게 할 수 있다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 의한 평균 전압 제한원 및 부하 토크 곡선을 도시한 도면이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 기준 d축 전류 지령 생성부를 도시한 블럭도이고, 도 7c는 회전자 기준 d축 전류 지령값 및 회전자 기준 q축 전류 지령값의 생성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a를 참조하면, d축 및 q축 전류 평면에 순시 전압 제한원(a9), 평균 전압 제한원(a10), 및 부하 토크 곡선(a11, a12)이 도시되어 있다.
예를 들어, 부하 토크 곡선(a11, a12)은 모터 발생 토크 곡선을 포함한다.
커패시터의 용량이 큰 모터 구동 시스템에서는 직류단 전압값(36)의 변동을 무시할 만하기 때문에 모터의 속도에 의해서만 순시 전압 제한원(a9)이 변동한다. 하지만, 소용량의 커패시터를 직류단(미도시)에 사용하는 경우에는, 고정된 속도에서도 직류단 전압값(36)이 2배의 계통 주파수(202)로 크게 변동하게 된다. 따라서 새로운 “평균 전압 제한원(a10)”을 정의한다.
순시 전압 제한원(a9)은 특정 모터 속도에서 주기적으로 변동하는 전압 제한값을 d축 및 q축 전류 평면에 표현한 것이다.
평균 전압 제한원(a10)은 특정 모터 속도에서 주기적으로 변동하는 전압 제한값을 전원 주파수의 반주기 동안 평균하여 d축 및 q축 전류 평면에 표현한 것이다.
평균 전압 제한 곡선을 정상 상태에서 [수학식 10] 및 [수학식 11]에 의해서 구해질 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112012059664647-pat00063
[수학식 10]에서,
Figure 112012059664647-pat00064
는 직류단 전압값(36)의 최대값이고,
Figure 112012059664647-pat00065
는 계통각(201)이다.
[수학식 11]
Figure 112012059664647-pat00066
[수학식 11]에서,
Figure 112012059664647-pat00067
는 회전자 기준 q축 전류값이고,
Figure 112012059664647-pat00068
는 d축 인덕턴스이고,
Figure 112012059664647-pat00069
는 q축 인덕턴스이고,
Figure 112012059664647-pat00070
은 회전자 각속도이고,
Figure 112012059664647-pat00071
는 회전자 기준 q축 고정자의 자속값이고,
Figure 112012059664647-pat00072
는 회전자 기준 d축 전류값이고,
Figure 112012059664647-pat00073
는 직류단 전압 제곱값이다.
순시적인 전압 제한값 내에서 실현 가능한 회전자 기준 q축 전류값은 [수학식 10] 및 [수학식 11]로부터 계산이 가능하다. 이 값을 직류단 전압의 한 주기 동안 평균하면 1주기 동안 흘릴 수 있는 회전자 기준 q축 전류값 평균값을 구할 수 있다.
회전자 기준 d축 전류값을 변화시키면서 회전자 기준 q축 전류값의 평균값을 구하여 전류 평면에 도시하면 평균 전압 제한원(a10)이 완성된다.
하지만, [수학식 11]에 의하여 평균 전압 제한원을 생성할 경우에는 전동기 제정수에 대한 고려가 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 전동기 제정수에 대한 고려 없이도 정확한 평균 전압 제한원을 구하기 위하여, 회전자 기준 d축 전압 경계값(413)을 이용할 수 있다. 이에 대하여는 이하에서 [수학식12]를 통하여 자세히 설명한다.
도 7a를 참조하면, d축 및 q축 평면에 순시 전압 제한원(a9)과 평균 전압 제한원(a10)이 도시되어 있다.
예를 들어, 전동기 토크를 2.5[Nm]로 평균적으로 제어하기 위해서는 평균 전압 제한원(a10)과 모터 발생 토크 곡선(a12)가 만나는 지점인 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)이 약 -2.5[A], 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 약 8[A]로 유지되어야 함을 알 수 있다.
도7b를 참조하면, d축 전류 지령 생성부(400)는 전류 마진 연산부(410), 전류 마진 지령부(420), 제1 가산기(430), 저역 통과 필터(440), 및 비례 적분기(450)를 포함할 수 있다.
전류 마진 연산부(410)는 회전자 기준 q축 전류 마진값(419)을 생성할 수 있다. 전류 마진 연산부(410)는 d축 전압 경계값 연산부(412), 단위 이득 연산부(414), q축 전류 경계값 변환부(416), 및 q축 전류 마진 연산부(418)를 포함할 수 있다.
d축 전압 경계값 연산부(412)는 제3 좌표 변환부(미도시)로부터 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)을 전달받을 수 있고, 전압 감지부(미도시)로부터 직류단 전압값(36)을 전달 받을 수 있다. d축 전압 경계값 연산부(412)는 회전자 기준 d축 전압 경계값(413)을 생성할 수 있다.
d축 전압 경계값 연산부(412)는 [수학식 12]에 의한 연산을 수행한다. 여기서, [수학식12]는 [수학식11]을 전압에 관한 수식으로 변경한 것이다.
[수학식 11]를 전압에 관한 수학식으로 변경하면 [수학식 12]과 같다.
[수학식 12]
Figure 112012059664647-pat00074
[수학식 12]에서,
Figure 112012059664647-pat00075
는 직류단 전압 제곱값(211)이고,
Figure 112012059664647-pat00076
는 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)이고,
Figure 112012059664647-pat00077
는 회전자 기준 d축 전압 경계값(413)이다.
회전자 기준 d축 전압 경계값(413)은 주기적으로 변동하는 직류단 전압값(36)과 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)을 반영했을 때 d축에 인가할 수 있는 전압의 순시적인 최대값을 의미한다.
[수학식 12]는 회전자 기준 q축 전압 제한값(
Figure 112012059664647-pat00078
)을 궤환하여 사용한다.
이 성분에는 회전자 기준 q축에 나타나는 역기전력 성분(
Figure 112012059664647-pat00079
)과 전류 지령을 생성하기 전 샘플링까지의 과도 전압(
Figure 112012059664647-pat00080
)이 반영되어 있어, [수학식 12]를 사용할 경우 [수학식11]보다 정확하며, 전동기 제정수가 필요 없는 장점을 얻을 수 있다.
단위 이득 연산부(414)는 제3 좌표 변환부(미도시)로부터 회전자 기준 d축 전압 제합값(101)를 전달받을 수 있고, 비례적분기(450)로부터 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 전달받을 수 있고, q축 전류 지령 생성부(미도시)로부터 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 전달받을 수 있다. 단위 이득 연산부(414)는 단위 이득값(=
Figure 112012059664647-pat00081
=
Figure 112012059664647-pat00082
, 415)을 생성할 수 있다.
예를 들면, q축 인덕턴스값(
Figure 112012059664647-pat00083
)의 경우 부하조건에 따라서 크게 변하므로, 제정수 오차에 강인한 제어기를 설계하기 위해서는 단위 이득값(415)은 d축 전압 방정식([수학식13])에 의해서 구할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112012059664647-pat00084
[수학식 13]에서,
Figure 112012059664647-pat00085
는 회전자 기준 d축 전압값이고,
Figure 112012059664647-pat00086
는 고정자의 권선 저항값이고,
Figure 112012059664647-pat00087
는 회전자 기준 d축 전류값이고,
Figure 112012059664647-pat00088
는 d축 인덕턴스값이고,
Figure 112012059664647-pat00089
회전자 각속도이고,
Figure 112012059664647-pat00090
는 q축 인덕턴스값이다.
q축 전류 경계값 변환부(416)는 d축 전압 경계값 연산부(412)로부터 회전자 기준 d축 전압 경계값(413)을 전달받고, 단위 이득 연산부(414)로부터 단위 이득값(415)을 전달받을 수 있다.
q축 전류 경계값 변환부(416)는 회전자 기준 q축 전류 경계값(
Figure 112012059664647-pat00091
, 417)을 생성할 수 있다.
회전자 기준 q축 전류 경계값(417)은 현재 동작점(속도 및 부하조건)에서 실현 가능한 최대 회전자 기준 q축의 전류값을 의미한다.
회전자 기준 q축 전류 경계값(417)은 회전자 기준 d축 전압 경계값(413) 및 단위 이득값(415)을 기초로 얻어진다.
그리고 나서, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)을 q축 전류 경계값 변환부(416)와 q축 전류 마진 연산부(418) 사이에 위치한 저역 통과 필터(미도시)에 입력하면 저역 통과 필터의 출력값으로 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값을 생성할 수 있다.
이는, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)을 직류단 전압의 한 주기 동안 평균한 값을 의미한다.
또한, 도 7b에는 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)이 q축 전류 경계값 변환부(416)에서 q축 전류 마진 연산부(418)로 입력되는 것으로 표시되어 있으나, 이는 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값이 q축 전류 마진 연산부(418)로 입력되는 것을 포함한다.
따라서, 본 발명에서는 [수학식 12]를 이용하여 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값을 구할 수있다.
그리고 나서, 회전자 기준 d축 전류값을 변화시키면서 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값을 구하여 이를 전류 평면에 도시하면 평균 전압 제한원(a10)이 완성된다.
회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값은 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)의 생성을 위해서 사용된다.
q축 전류 마진 연산부(418)는 q축 전류 경계값 변환부(416)로부터 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값을 전달받고, q축 전류 지령 생성부(300)로부터 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 전달받을 수 있다. q축 전류 마진 연산부(418)는 회전자 기준 q축 전류 마진값(419)을 생성할 수 있다.
회전자 기준 q축 전류 마진값(419)은 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 차이를 이용하여 얻어진다.
예를 들어, 회전자 기준 q축 전류 마진값(419)은 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값에서 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 뺀 값을 의미할 수 있다.
전류 마진 지령부(420)는 속도 제어부(미도시)로부터 출력 토크 지령값(53)을 전달 받고, 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 생성할 수 있다.
여기에서, 출력 토크 지령값(53)은 실제로 필요한 토크값에서 전류 제한에 의하여 발생되는 토크인 안티 와인드업(Anti-Wind up) 값을 뺀 값을 의미할 수 있다.
따라서, 전류 마진 지령부(420)는 전류 제한에 의하여 부족해진 토크값(안티 와인드업, Anti-Wind up)을 보상해 주기 위해서 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 양(+)의 방향으로 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 전류 마진 지령부(420)는 토크 출력의 안티 와인드업(Anti-Wind up) 값인
Figure 112012059664647-pat00092
Figure 112012059664647-pat00093
로 나누어 등가의 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 생성할 수 있다.
전류 제한에 의해서 토크의 안티 와인드업 현상이 발생했을 때에는(예를 들어, 발생 토크가 부족할 때), d축 전류 지령 생성부(400)는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 음(-)의 방향으로 증가시켜 전류 제한 내에서 회전자 기준 q축 전류 밀도를 높일 수 있다.
예를 들어, 생성해야 하는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값보다 크면, 전류 마진 지령부(420)는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 양(+)의 값으로 증가시킨다.
그 결과, 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)은 음(-)의 방향을 증가하게 되고, 증가된 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)에 대응하는 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값도 증가된다.
그리고, 증가된 회전자 기준d축 전류 지령값(61)에 대응하는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)은 감소한다.
반대로, 정상 상태이거나 전류가 제한에 걸리지 않으면, 전류 마진 지령부(420)는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 “0”으로 설정할 수 있다.
이 경우에는, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 같도록 회전자 기준 d축 전류값(61)이 결정된다.
따라서, 어떤 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 대해서도, d축 전류 지령 생성부(400)는 최적의 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 생성할 수 있다.
정리하면, 전류가 제한되어서 발생 토크가 부족할 경우에는, d축 전류 지령 생성부(400)는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 음(-)의 방향으로 증가시켜 q축 전류 경계값 내에서 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 생성될 수 있도록 한다.
반대로, 정상 상태이거나 전류가 제한되지 않는 경우에는, d축 전류 지령 생성부(400)는 q축 전류 마진 지령값(421)을 “0”으로 한다. 이 경우에는, 어떤 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성해도 정상 상태에서는 d축 전류가 최적의 값으로 결정된다.
제1 가산기(430)는 회전자 기준 q축 전류 마진값(419) 및 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 전달받고, 회전자 기준q축 전류 마진값(419)에서 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 뺀 오차값(423)을 생성할 수 있다.
저역 통과 필터(440)는 오차값(423)의 평균값을 구할 수 있다. 도 7b에서는 저역 통과 필터(440)가 하나만 도시되어 있지만, 저역 통과 필터는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62), 회전자 기준 q축 전류 경계값(417), 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)에 대하여 각각의 평균값을 구하기 위해 배치될 수 있다.
비례 적분기(450)는 제1 가산기(430)로부터 오차값(423)의 평균값을 전달받고, 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 생성할 수 있다.
전류가 제한되면, 전류 마진 지령부(420)는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 양(+)의 값으로 증가시킨다. 그 결과, 오차값(423)의 평균값은 크기가 점점 증가하게 되고, 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)은 음(-)의 방향을 증가하게 되고, 증가된 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)에 대응하는 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값도 증가된다.
그리고, 증가된 회전자 기준d축 전류 지령값(61)에 대응하는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)은 감소한다.
도 7c를 참조하면, 회전자 기준 d축 전류 지령값 및 회전자 기준 q축 전류 지령값은 빗금친 영역에서 생성될 수 있다.
즉, 회전자 기준 d축 전류 지령값은 [0~P0](예를 들어,
Figure 112012059664647-pat00094
)인 범위에서 생성이 가능하다.
속도 제어부(미도시)는 등속상태를 유지할 수 있도록 출력 토크 지령값(53)을 생성한다.
전류 지령 생성부(미도시)는 부하 토크 곡선 2.5[Nm](a12)을 발생시키기 위해서 P1지점(회전자 기준 q축 전류 지령값 = 8.5[A], 회전자 기준 d축 전류 지령값 = 0[A])에 해당하는 명령을 내릴 수 있다.
하지만, 순시 전압 제한원(a9 중에서 220[V]~250[V] 사이에 위치하는 곡선)의 전압이 인가되는 상황에서는 회전자 기준 q축 전류값이 8.5[A]가 되도록 할 수 없다.
즉, 회전자 기준 q축 전류 지령값은8.5[A]이지만, 실제로 생성할 수 있는 회전자 기준q축 전류값은 7.0[A]이기 때문이다.
이 경우, 발생 토크가 부하 토크보다 낮아져서 모터는 감속하게 된다.
이것을 보상하기 위해서, 전류마진 지령부(420)는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 전류마진 지령부(420)는 토크를 더 발생시키기 위해서(8.5[A] 보다 큰 값인 9.5[A]를 생성하기 위해서) 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 1.0[A]로 생성할 수 있다.
위에서, 전류마진 지령부(420)가 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 생성하는 것은 평균적으로 토크에 대한 전류 마진을 확인하는 것으로 볼 수 있다. 즉, 회전자 기준 q축 전류 경계값의 평균값이 1[A]만큼 상승해야 한다는 것을 볼 수 있다.
한편, 전류 마진 연산부(410)는 직류단 전압이 맥동하는 순시적인 상태를 체크하는 것으로볼 수 있다.
회전자 기준 d축 전류 지령값(61)이 0[A]인 경우, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)은 맥동하는 전압에 의해서 0~15[A]의 범위로 계속해서 변할 수 있다.
여기에서, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값은 7.0[A](P3)과 같은 값을 갖게 되는데, 이 값은 실제로 생성될 수 있는 회전자 기준 q축 전류값의 한계를 나타낸다.
따라서, q축 전류 지령 생성부(300)가 8.5[A](P1)에 해당하는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성하더라도, 실제로 생성되는 회전자 기준 q축 전류값은 7.0[A](P3)에 불과하다.
q축 전류 마진 연산부(418)은 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값(7.0[A])과 회전자 기준 q축 전류 지령값(8.5[A])의 차인 -1.5[A]를 생성한다. 즉, 회전자 기준 q축 전류 마진값(419)은 -1.5[A]이다.
회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)과 회전자 기준 q축 전류 마진값(419)의 오차값이 저역통과 필터(440)와 비례적분기(450)를 통과하게 되면, 음(-)의 값인 회전자 기준 d축 전류 지령값이 생성된다.
이러한 과정을 반복적으로 수행하게 되면, 회전자 기준 전류 지령값(62)은 P1지점에서 P2지점으로 수렴하고, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값은 P3에서 P2로 수렴하게 된다.
즉, 부족한 토크를 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)으로 만회하기 때문에, 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)은 점진적으로 감소하게 되어 P2지점으로 수렴하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터의 제어방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치(1) 제어방법은 3상 모터를 구동하고, 직류단 전압이 계통주파수의 2배 주파수로 맥동하는 인버터를 제어하는 인버터 제어장치(1)의 제어방법에 있어서, 인버터 제어장치(1)는 전류 감지부, 전압 감지부, 및 제어부를 포함하며, 인버터 제어장치(1)는, 전류 감지부로부터 인버터의 출력 전류값을 전달받고 전압 감지부로부터 인버터의 직류단 전압값을 전달받아서 계통각 또는 계통주파수를 추정하고, 계통각과 동기되며 정현파 제곱 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값을 생성하고, 주기적으로 변동하는 전압 제한값을 계통주파수의 반주기 동안 평균하여 회전자 기준 q축 전류값의 평균값을 생성하고, 이를 바탕으로 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성하는 제어부를 포함한다.
인버터 제어장치(1)는 전류 감지부(6)으로부터 아날로그 신호인 인버터부(50)의 출력 상전류 감지 신호를 전달받고, 전압 감지부(7)로부터 아날로그 신호인 직류단(4)의 전압 감지 신호를전달받을 수 있다.(1000)
인버터 제어장치(1)는 위치 센서를 사용하지 않고 회전자의 위치를 추정할 수 있다. 즉, 인버터 제어장치(1)는 회전자 각위치 추정값(
Figure 112012059664647-pat00095
, 11)을 생성할 수 있다. 그리고, 인버터 제어장치(1)는 회전자 각위치 추정값(11)을 미분 연산하여 회전자 각속도 추정값(
Figure 112012059664647-pat00096
, 21)을 생성할 수 있다. (1100)
인버터 제어장치(1)는 전류 감지부(6)으로부터 아날로그 신호인 인버터부(50)의 출력 상전류 감지 신호를 전달받고, 디지털 신호인 3상 모터 입력 상전류값(32, 33, 34)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 전압 감지부(7)로부터 아날로그 신호인 직류단(4)의 전압 감지 신호를 전달받고, 디지털 신호인 직류단 전압값(36)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 3상 모터 입력 상전류값(32, 33, 34)을 회전자 기준의 2상 전류(41, 42)로 좌표 변환한다.
인버터 제어장치(1)는 3상 모터 입력 상전류값(32, 33, 34), 회전자 각위치 추정값(11)을 이용하여90도 위상차를 갖는 상수값인 회전자 기준 d축 전류값(41) 및 회전자 기준 q축 전류값(42)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 회전자 각속도 지령값(51) 및 회전자 각속도 추정값(21)을 이용하여 출력 토크 지령값(53)을 생성할 수 있다.(1200)
인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53), 회전자 기준 d축 전압 제한값(101), 회전자 기준 q축 전압 제한값(102), 및 직류단 전압값(36)을 이용하여 회전자 기준 d축 전류 지령값(61) 및 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.(1300)
인버터 제어장치(1)가 회전자 기준 d축 전류 지령값(61) 및 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성하는 것에 대해서는 도 4에서 자세히 설명하기로 한다.
인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61), 회전자 기준 q축 전류 지령값(62), 회전자 기준 d축 전류값(41), 및 회전자 기준 q축 전류값(42)을 이용하여 회전자 기준 d축 전압 지령값(71) 및 회전자 기준 q축 전압 지령값(72)을 생성할 수 있다.(1400)
인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 d축 전압 지령값(71), 회전자 기준 q축 전압 지령값(72), 및 회전자 각위치 추정값(11)을 이용하여 90도 위상차를 갖는 교류값인 고정자 기준 d축 전압 지령값(81) 및 고정자 기준 q축 전압 지령값(82)을 생성할 수 있다.(1500)
인버터 제어장치(1)는 고정자 기준 d축 전압 지령값(81), 고정자 기준 q축 전압 지령값(82), 및 직류단 전압값(36)을 이용하여 고정자 기준 d축 전압 제한값(91) 및 고정자 기준 q축 전압 제한값(92)을 생성할 수 있다.(1600)
인버터 제어장치(1)는 고정자 기준 d축 전압 제한값(91), 고정자 기준 q축 전압 제한값(92), 및 회전자 각위치 추정값(11)을 이용하여 90도 위상차를 갖는 상수값인 회전자 기준 d축 전압 제한값(101) 및 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 고정자 기준 d축 전압 제한값(91) 및 고정자 기준 q축 전압 제한값(92)을 이용하여 3상 교류값인 3상 전압 기준값(111, 112, 113)을 생성할수 있다.(1700)
인버터 제어장치(1)는 3상 전압 기준값(111, 112, 113) 및 회전자각위치 추정값(11)을 이용하여인버터부(미도시)의 6개의 스위치(미도시)의 스위칭 제어신호(121 내지 126)를 생성할 수 있다.(1800)
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 기준 d축 및 q축 전류 지령값을 생성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치(1)는 전동기 전압 방정식의 모터 제정수를 정확하게 몰라도 제정수의 오차를 고려할 수 있으며, 계통각 추정을 통해서 보다 신뢰성이 높은 제어방법을 제공할 수 있다.
도9를 참조하면, 인버터 제어장치(1)는 직류단 전압값(36)을 이용하여 계통각(201), 계통주파수(202), 2배 계통각(251), 및 2배 계통주파수(252)를 생성할 수 있다.(1310)
인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53), 계통각(201)을 이용하여 계통각과 동기된 정현파의 제곱 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.(1320)
인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53), 직류단 전압값(36), 회전자 기준 q축 전류 지령값(62), 회전자 기준 d축 전압 제한값(101), 회전자 기준 q축 전압 제한값(102), 및 피드백으로 전달받은 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 이용하여 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 생성할 수 있다.(1330)
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 계통각 추정방법을 도시한 흐름도이다.
인버터 제어장치(1)는 직류단 전압값(36)을 이용하여, 직류단 전압 제곱값(211)을 생성할 수 있다.(1312)
직류단 전압 제곱값(211)는 직류단 전압값(36)을 제곱한 값이다.
인버터 제어장치(1)는 직류단 전압 제곱값(211) 및 2배 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00097
, 252)를이용하여 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(
Figure 112012059664647-pat00098
, 221)을 생성할 수 있다.(1314)
예를 들어, 인버터 제어장치(1)는 계통주파수(50Hz 또는 60 Hz)의 2배 주파수를 초기값으로 설정하고, 모터를 구동할 때를 제외하고는 2배 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00099
, 252)를 궤환하여 사용할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 [수학식3]에 의한 연산을 수행할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112012059664647-pat00100
[수학식 3]에서,
Figure 112012059664647-pat00101
는 직류단 전압 제곱값이고,
Figure 112012059664647-pat00102
는 계통 주파수이고,
Figure 112012059664647-pat00103
는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)이다.
인버터 제어장치(1)는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)을 이용하여 2배 계통주파수 성분값(221)으로부터 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값(
Figure 112012059664647-pat00104
, 231)을 생성할 수 있다.(1316)
인버터 제어장치(1)는 [수학식 4]에 의한 연산을 수행한다.
[수학식 4]
Figure 112012059664647-pat00105
[수학식 4]에서,
Figure 112012059664647-pat00106
는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)이고, SOGI(Second Order General Integrator)는 2차 일반 적분기이고, APF는 전역 통과 필터이고,
Figure 112012059664647-pat00107
는 2배 계통주파수 성분값(221)의 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값(231)이다.
예를 들어, 인버터 제어장치(1)는 전역 통과 필터 또는 2차 일반 적분기를 포함할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 좌표변환을 수행할 수 있다.(1317)
즉, 인버터 제어장치(1)는 고정자 기준 d축 가상 전압값(231), 고정자 기준 q축 가상 전압값(232), 및 2배 계통각(251)을 이용하여 위상차를 갖는 상수값인 동기 좌표계 기준d축 가상 전압값(241) 및 동기 좌표계 기준 q축 가상 전압값(미도시)을 생성할 수 있다.
[수학식 5]에 의해서 고정자 기준 d축 가상 전압값(
Figure 112012059664647-pat00108
, 231) 및 고정자 기준 q축 가상 전압값(
Figure 112012059664647-pat00109
, 232)을 정의할 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112012059664647-pat00110
[수학식 5]에서,
Figure 112012059664647-pat00111
는 고정자 기준 d축 가상 전압값(231)이고,
Figure 112012059664647-pat00112
는 2배 계통주파수 성분값(221)의 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값(231)이다. 고정자 기준 d축 가상 전압값(231)과 90도 위상 지연값(231)은 편의상 동일한 번호를 사용한다. 또한,
Figure 112012059664647-pat00113
는 고정자 기준 q축 가상 전압값(232)이고,
Figure 112012059664647-pat00114
는 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)이다.
고정자 기준 q축 가상 전압값(232)은 직류단 전압 제곱값(211)의 2배 계통주파수 성분값(221)에 “-1”을 곱한값이다.
인버터 제어장치(1)는 고정자 기준 d축 가상 전압값(231), 고정자 기준 q축 가상 전압값(232),및 2배 계통각(
Figure 112012059664647-pat00115
, 251)을 이용하여, 위상차를 갖는 상수값인 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값(241) 및 동기 좌표계 기준 q축 가상 전압값(미도시)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 [수학식 6]에 의한 연산을 수행한다.
[수학식 6]
Figure 112012059664647-pat00116
[수학식 6]에서,
Figure 112012059664647-pat00117
는 2배 계통각이고,
Figure 112012059664647-pat00118
는 고정자 기준 d축 가상 전압값(231) 및 고정자 기준 q축 가상 전압값(232)이고,
Figure 112012059664647-pat00119
는 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값(241), 동기 좌표계 기준 q축 가상 전압값(242)이다.
인버터 제어장치(1)는 동기 좌표계 기준 d축 가상 전압값(241) 및 상수값 “0”(243)을 이용하여 2배 계통각(
Figure 112012059664647-pat00120
, 251), 2배 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00121
, 252), 계통각 (
Figure 112012059664647-pat00122
, 201), 및 계통주파수(
Figure 112012059664647-pat00123
또는
Figure 112012059664647-pat00124
, 202)를 생성할 수 있다.(1318)
인버터 제어장치(1)는 위상 동기화 회로(미도시, PLL : Phase Lock Loop)를 포함할 수 있다. 위상 동기화 회로는 수신된 신호의 위상을 동기시키고, 출력 신호의 주파수를 항상 일정하게 유지하도록 구성된 주파수 부귀한 회로를 의미한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 q축 전류 지령값을 생성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
인버터 제어장치(1)는 전원부(미도시)의 역률을 1로 제어하기 위해서, 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 전원부의 계통각(201)을 갖는 정현파 제곱의 형태로 생성할 수 있다.
q축 전류 경계값이란 실제의 회전자 기준q축 전류가 회전자 기준 q축 전류 지령값를 정확히 추종할 수 있는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 한계값을 의미한다.
인버터 제어장치(1)는 q축 전류 경계값 내에서 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 생성되도록 회전자 기준 d축 전류 지령값을 생성할 수 있다.
따라서, 인버터 제어장치(1)는 역률과 고조파 측면에서 유리한 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 파형을 결정할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 계통각(201)을 이용하여 계통각(201)을 갖는 단위 정현파 제곱 파형(311)을 생성할 수 있다.
회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 모양은 전원부(미도시)로부터의 입력 전류가 입력 전압과 동상인 정현파(sinusoidal wave)의 형태가 되어야 전원부의 역률이 1이 된다.
따라서, 최적의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 모양을 결정하기 위해서 인버터의 출력 전력값(
Figure 112012059664647-pat00125
)을 계산하면 [수학식7] 및 [수학식 8]와 같다.
[수학식 7]
Figure 112012059664647-pat00126
[수학식 8]
Figure 112012059664647-pat00127
[수학식 7] 및 [수학식 8]에서,
Figure 112012059664647-pat00128
는 회전자 기준 d축 전압 지령값이고,
Figure 112012059664647-pat00129
는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)이고,
Figure 112012059664647-pat00130
는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이고,
Figure 112012059664647-pat00131
는 회전자 기준 q축 전압 지령값이고,
Figure 112012059664647-pat00132
은 고정자의 권선 저항값이고,
Figure 112012059664647-pat00133
는 d축 인덕던스이고,
Figure 112012059664647-pat00134
는 q축 인덕턴스이고,
Figure 112012059664647-pat00135
은 회전자 각속도이고,
Figure 112012059664647-pat00136
는 회전자 기준 q축 고정자의 자속값이고,
Figure 112012059664647-pat00137
는 인버터의 출력 전력값이다.
[수학식 7] 및 [수학식 8]에서, 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 일정한 값으로 제어하고 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을
Figure 112012059664647-pat00138
형태로 제어할 경우, 미분 항에 해당하는 전압(
Figure 112012059664647-pat00139
)을 무시할 수 있다.
따라서, 인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을
Figure 112012059664647-pat00140
형태로 생성하여 전원부의 역률을 1로 제어할 수 있다.(1322)
인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53)을 이용하여 출력 토크 지령값(53)에 해당하는 q축 전류 지령값(321)을 생성할 수 있다.(1324)
인버터 제어장치(1)는 단위 정현파 제곱 파형(311) 및 q축 전류 지령값(321)을 이용하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 인버터 제어장치(1)는 단위 정현파 제곱 파형(311)과 q축 전류 지령값(321)을 곱하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)을 생성할 수 있다.(1326)
인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53)과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값(
Figure 112012059664647-pat00141
, 64)의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값(
Figure 112012059664647-pat00142
, 331)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53)과 전원주파수의 2배로 맥동하는 인버터(미도시)가 3상 모터(미도시)로 전달할 수 있는 토크의 평균값이 같도록 하는 전류 이득값(331)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322) 및 전류 이득값(331)을 이용하여 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)를 생성할 수 있다.
예를 들어, 인버터 제어장치(1)는 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)과 전류 이득값(331)을 곱하여 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성할 수 있다.(1328)
도6b를 참조하면, 출력 토크 지령값(53)의 파형(a7)이 도시되어 있고, 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값(322)에 의해 생성된 토크값의 파형(a8)이 도시되어 있다.
이 경우에는, A 영역과 같이 정상 상태에서 토크가 주기적을 부족한 현상이 발생할 수 있고, 부하의 변동에 의한 속도 맥동 외에 주기적으로 발생되지 않는 토크가 누적되어서 모터(미도시) 속도의 맥동이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53)과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의한 전류 지령 성형 토크값(64)의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값(331)을 [수학식 9]을 이용하여 구할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112012059664647-pat00143
[수학식 9]에서,
Figure 112012059664647-pat00144
는 출력 토크 지령값(53)이고,
Figure 112012059664647-pat00145
는 전류 이득값(331)이고,
Figure 112012059664647-pat00146
는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값(64)이고,
Figure 112012059664647-pat00147
는 계통각(201)이고,
Figure 112012059664647-pat00148
는 계통주파수(202)이다.
예를 들어, 인버터 제어장치(1)는 전류 이득값(331)을 2로 설정하여 속도 제어부의 출력값인 출력 토크 지령값(53)과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값(64)의 평균값을 동일하게 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 d축 전류 지령값을 생성하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7a를 참조하면, d축 및 q축 전류 평면에 순시 전압 제한원(a9), 평균 전압 제한원(a10), 및 모터 발생 토크 곡선(a11, a12)이 도시되어 있다.
커패시터의 용량이 큰 모터 구동 시스템에서는 직류단 전압값(36)의 변동을 무시할 만하기 때문에 모터의 속도에 의해서만 순시 전압 제한원(a9)이 변동한다. 하지만, 소용량의 커패시터를 직류단(미도시)에 사용하는 경우에는, 고정된 속도에서도 직류단 전압값(36)이 2배의 계통 주파수(202)로 크게 변동하게 된다. 따라서 새로운 “평균 전압 제한원(a10)”을 정의한다.
순시 전압 제한원(a9)은 특정 모터 속도에서 주기적으로 변동하는 전압 제한값을 d축 및 q축 전류 평면에 표현한 것이다.
평균 전압 제한원(a10)은 특정 모터 속도에서 주기적으로 변동하는 전압 제한값을 전원 주파수의 반주기 동안 평균하여 d축 및 q축 전류 평면에 표현한 것이다.
평균 전압 제한 곡선을 정상 상태에서 [수학식 10] 및 [수학식 11]에 의해서 구해질 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112012059664647-pat00149
[수학식 10]에서,
Figure 112012059664647-pat00150
는 직류단 전압값(36)의 최대값이고,
Figure 112012059664647-pat00151
는 계통각(201)이다.
[수학식 11]
Figure 112012059664647-pat00152
[수학식 11]에서,
Figure 112012059664647-pat00153
는 회전자 기준 q축 전류값이고,
Figure 112012059664647-pat00154
는 d축 인덕던스이고,
Figure 112012059664647-pat00155
는 q축 인덕턴스이고,
Figure 112012059664647-pat00156
은 회전자 각속도이고,
Figure 112012059664647-pat00157
는 회전자 기준 q축 고정자의 자속값이고,
Figure 112012059664647-pat00158
는 회전자 기준 d축 전류값이고,
Figure 112012059664647-pat00159
는 직류단 전압 제곱값이다.
순시적인 전압 제한값 내에서 실현 가능한 회전자 기준 q축 전류값은 [수학식 10] 및 [수학식 11]로부터 계산이 가능하다. 이 값을 직류단 전압의 한 주기 동안 평균하면 1주기 동안 흘릴 수 있는 회전자 기준 q축 전류값 평균값을 구할 수 있다.
회전자 기준 d축 전류값을 변화시키면서 회전자 기준 q축 전류값의 평균값을 구하여 전류 평면에 도시하면 평균 전압 제한원(a10)이 완성된다.
하지만, [수학식 11]에 의하여 평균 전압 제한원을 생성할 경우에는 전동기 제정수에 대한 고려가 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 전동기 제정수에 대한 고려 없이도 정확한 평균 전압 제한원을 구하기 위하여, 회전자 기준 d축 전압 경계값(413)을 이용할 수 있다. 이에 대하여는 이하에서 [수학식 12]를 통하여 자세히 설명한다.
도 7a를 참조하면, d축 및 q축 평면에 순시 전압 제한원(a9)과 평균 전압 제한원(a10)이 도시되어 있다.
예를 들어, 전동기 토크를 2.5[Nm]로 평균적으로 제어하기 위해서는 평균 전압 제한원(a10)과 모터 발생 토크 곡선(a12)가 만나는 지점인 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)이 약 -2.5[A], 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 약 8[A]로 유지되어야 함을 알 수 있다.
도12를 참조하면, 인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 q축 전압 제한값(102), 직류단 전압값(36)을 이용하여 회전자 기준 d축 전압 경계값(413)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 [수학식12]에 의한 연산을 수행한다. 여기서, [수학식12]는 [수학식11]을 전압에 관한 수식으로 변경한 것이다.
[수학식 11]를 전압에 관한 수학식으로 변경하면 [수학식 12]과 같다.
[수학식 12]
Figure 112012059664647-pat00160
[수학식 12]에서,
Figure 112012059664647-pat00161
는 직류단 전압 제곱값(211)이고,
Figure 112012059664647-pat00162
는 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)이고,
Figure 112012059664647-pat00163
는 회전자 기준 d축 전압 경계값(413)이다.
회전자 기준 d축 전압 경계값(413)은 주기적으로 변동하는 직류단 전압값(36)과 회전자 기준 q축 전압 제한값(102)을 반영했을 때 d축에 인가할 수 있는 전압의 순시적인 최대값을 의미한다.
[수학식 12]는 회전자 기준 q축 전압 제한값(
Figure 112012059664647-pat00164
)을 궤환하여 사용한다.
이 성분에는 회전자 기준 q축에 나타나는 역기전력 성분(
Figure 112012059664647-pat00165
)과 전류 지령을 생성하기 전 샘플링까지의 과도 전압(
Figure 112012059664647-pat00166
)이 반영되어 있어, [수학식 12]를 사용할 경우 [수학식11]보다 정확하며, 전동기 제정수가 필요 없는 장점을 얻을 수 있다.(1331)
인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 d축 전압 제합값(101), 회전자 기준 d축 전류 지령값(61),및 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 이용하여 단위 이득값(=
Figure 112012059664647-pat00167
=
Figure 112012059664647-pat00168
, 415)을 생성할 수 있다.
예를 들면, q축 인덕턴스값(
Figure 112012059664647-pat00169
)의 경우 부하조건에 따라서 크게 변하므로, 제정수 오차에 강인한 제어기를 설계하기 위해서는 단위 이득값(415)은 d축 전압 방정식([수학식13])에 의해서 구할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112012059664647-pat00170
[수학식 13]에서,
Figure 112012059664647-pat00171
는 회전자 기준 d축 전압값이고,
Figure 112012059664647-pat00172
는 고정자의 저항값이고,
Figure 112012059664647-pat00173
는 회전자 기준 d축 전류값이고,
Figure 112012059664647-pat00174
는 d축 인덕턴스값이고,
Figure 112012059664647-pat00175
는 회전자 각속도이고,
Figure 112012059664647-pat00176
는 q축 인덕턴스값이다.(1332)
인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 d축 전압 경계값(413) 및 단위 이득값(415)을 이용하여 회전자 기준 q축 전류 경계값(
Figure 112012059664647-pat00177
, 417)을 생성할 수 있다.
회전자 기준 q축 전류 경계값(417)은 현재 동작점(속도 및 부하조건)에서 실현 가능한 최대 회전자 기준 q축 전류의 크기를 의미한다. 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)은 회전자 기준 d축 전압 경계값(413) 및 단위 이득값(415)을 기초로 얻어진다.
회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값은 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)의 생성을 위해서 사용된다.
즉, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)을 직류단 전압의 한 주기 동안 평균하면 1주기 동안 흘릴 수 있는 q축 전류의 평균치를 구할 수 있는데, 회전자 기준 d축 전류값을 변화시키면서 회전자 기준 q축 전류값의 평균값을 구하여 전류 평면에 도시하면 평균 전압 제한원(a10)이 완성된다.
예를 들어, 생성해야 하는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 평균값이 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값보다 크면, 인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 음(-)으로 설정하여 회전자 기준 q축 전류의 경계값(417)의 평균값을 증가시킬 수 있다.(1333)
인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 q축 전류 경계값(417) 및 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 이용하여 회전자 기준 q축 전류 마진값(419)을 생성할 수 있다. 회전자 기준 q축 전류 마진값(419)은 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 차이를 이용하여 얻어진다.(1334)
인버터 제어장치(1)는 출력 토크 지령값(53)을 이용하여 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 생성할 수 있다.
여기에서, 출력 토크 지령값(53)은 실제로 필요한 토크값에서 전류 제한에 의하여 발생되는 토크인 안티 와인드업(Anti-Wind up) 값을 뺀 값을 의미할 수 있다.
따라서, 인버터 제어장치(1)는 전류 제한에 의하여 부족해진 토크값(안티 와인드업, Anti-Wind up)을 보상해 주기 위해서 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 양(+)의 방향으로 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 인버터 제어장치(1)는 토크 출력의 안티 와인드업(Anti-Wind up) 값인
Figure 112012059664647-pat00178
값을
Figure 112012059664647-pat00179
로 나누어 등가의 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 생성할 수 있다.(1335)
전류 제한에 의해서 토크의 안티 와인드업(Anti-wind up)현상이 발생했을 때에는, 인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 d축 전류를 음(-)의 방향으로 증가시켜 전류 제한 내에서 회전자 기준 q축 전류 밀도를 높일 수 있다.
예를 들어, 생성해야 하는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값보다 크면, 인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 양(+)의 값으로 증가시킨다.
그 결과, 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)은 음(-)의 방향을 증가하게 되고, 증가된 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)에 대응하는 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값도 증가된다.
그리고, 증가된 회전자 기준d축 전류 지령값(61)에 대응하는 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)은 감소한다.
반대로, 정상 상태이거나 전류가 제한에 걸리지 않으면, 인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 “0”으로 할 수 있다.
이 경우에는, 회전자 기준 q축 전류 경계값(417)의 평균값과 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)의 평균값이 같도록 회전자 기준 d축 전류값(61)이 결정된다.
따라서, 어떤 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)에 대해서도, 인버터 제어장치(1)는 최적의 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 생성할 수 있다.
다시 설명하면, 전류가 제한되어서 발생 토크가 부족할 경우에는, 인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 음(-)의 방향으로 증가시켜 q축 전류 경계값 내에서 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)이 생성될 수 있도록 한다.
반대로, 정상 상태이거나 전류가 제한되지 않는 경우에는, 인버터 제어장치(1)는 q축 전류 마진 지령값(421)을 “0”으로 한다. 이 경우에는, 어떤 형태의 회전자 기준 q축 전류 지령값(62)을 생성해도 정상 상태에서는 d축 전류가 최적의 값으로 결정된다.
인버터 제어장치(1)는 회전자 기준 q축 전류 마진값(419) 및 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 이용하여, 회전자 기준q축 전류 마진값(419)에서 회전자 기준 q축 전류 마진 지령값(421)을 뺀 오차값(423)을 생성할 수 있다.
인버터 제어장치(1)는 오차값(423)을 저역통과필터 및 비례적분기에 순차적으로 입력하여, 회전자 기준 d축 전류 지령값(61)을 생성할 수 있다.(1336)
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 1kW 에어컨의 압축기를 5400 r/min로 제어했을 때 전동기 구동 파형을 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 회전자 기준 q축 전류 지령값의 파형(a13), 회전자 기준 q축 전류 측정값의 파형(a14), 회전자 기준 d축 전류 지령값의 파형(a16), 및 회전자 기준 d축 전류 측정값의 파형(a17)이 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 부하의 토크를 증가시키면, 회전자 기준 q축 전류 지령값 및 회전자 기준 q축 전류 측정값이 모두 증가하는 것을 볼 수 있다(a15).
또한, 부하의 토크를 증가시키면, 평균 전압 제한을 통해서 생성된 회전자 기준 d축 전류 지령값은 증가하는 회전자 기준 q축 전류값을 합성하기 위한 전압 마진 확보를 위해서 음(-)으로 증가하는 것을 볼 수 있다(a18).
도 14는 본 발명의 일 실시예에 의한 입력 전원의 전류와 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 입력 전원의 전류 파형(a19)와 입력 전원의 전압 파형(a20)이 도시되어 있다.
일반적인 부하 토크 크기일 때, 입력전류의 고조파와 역률을 구해보면, 역률이 97.3%로 계산되는 것을 볼 수 있다. 이는 q축 전류가 계통 전압에 동기되어
Figure 112012059664647-pat00180
의 형태로 수정되고 있기 때문이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 입력 전류의 고조파 분석 결과를 도시한 도면이다.
도 15을 참조하면, 본 발명의 입력 전류의 고조파(a21)는 IEC 61000-3-2 Class A 의 규제치(a22)를 만족함을 볼 수 있다.
1 : 인버터 제어장치 2 : 전원부
3 : 정류부 4 : 직류단
5 : 인버터부 6 : 전류 감지부
7 : 전압 감지부 8 : 게이트 드라이버
9 : 제어부 10 : 회전자 각위치 추정부
20 : 회전자 각속도 추정부 30 : A/D 변환부
40 : 제1 좌표변환부 50 : 속도 제어부
60 : 전류지령 생성부 70 : 전류 제어부
80 : 제2 좌표 변환부 90 : 과변조부
100 : 제3 좌표 변환부 110 : 제4 좌표 변환부
120 : SVPWM 변조부

Claims (24)

  1. 직류단 전압이 계통주파수의 2배 주파수로 맥동하는 인버터를 제어하는 인버터 제어장치에 있어서,
    상기 인버터의 출력 전류값을 감지하는 전류 감지부;
    상기 인버터의 직류단 전압값을 감지하는 전압 감지부; 및
    정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하고, 상기 출력 전류값과 상기 직류단 전압값을 기초로 상기 직류단 전압값의 변동에 의한 q축 전류 지령값의 한계를 나타내는 q축 전류 경계값을 생성하고, 상기 q축 전류 경계값을 시스템 주파수의 반주기 동안 평균한 q축 전류 경계값의 평균값을 산출하고, 상기 q축 전류 경계값의 상기 평균값과 상기 q축 전류 지령값을 기초로 d축 전류 지령값을 산출하는 제어부를 포함하는 인버터 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 출력 전류값을 기초로 출력 토크 지령값을 생성하는 속도 제어부; 및
    상기 출력 토크 지령값에 대응하는 전류 지령값을 생성하는 전류 지령 생성부를 포함하는 인버터 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류 지령 생성부는 상기 직류단 전압값을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 추정하는 계통각 추정부를 포함하는 인버터 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전류 지령 생성부는 상기 계통각을 기초로 상기 계통각과 동기된 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하는 q축 전류 지령 생성부를 더 포함하는 인버터 제어장치.
  5. 제4항에 있어서
    상기 전류 지령 생성부는 주기적으로 변동하는 q축 전류 경계값의 평균값을 산출하고, 상기 q축 전류 경계값의 평균값과 상기 q축 전류 지령값을 기초로 d축 전류 지령값을 생성하는 d축 전류 지령 생성부를 포함하는 인버터 제어장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 계통각 추정부는,
    상기 직류단 전압값을 제곱하여 직류단 전압 제곱값을 생성하는 직류단 전압 제곱 연산부;
    상기 직류단 전압 제곱값 및 상기 2배 계통주파수를 기초로 상기 계통주파수의 2배 주파수를 가지는 2배 계통주파수 성분값을 생성하는 대역 통과 필터부;
    상기 2배 계통주파수 성분값으로부터 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값을 생성하는 위상 지연부;
    상기 90도 위상 지연값, 상기 2배 계통주파수 성분값에 “-1”을 곱한값, 및 상기 2배 계통각을 기초로 위상차를 갖으며 상수값인 d축 가상 전압값 및 q축 가상 전압값을 생성하는 제5 좌표 변환부; 및
    상기 d축 가상 전압값 및 상수값 “0”을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 생성하는 위상 동기화부를 포함하는 인버터 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 위상 지연부는 위상을 지연시키는 전역 통과 필터 또는 2차 일반 적분기를 포함하는 인버터 제어장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 위상 동기화부는 수신된 신호의 위상을 동기화 시키고, 출력 신호의 주파수를 일정하게 유지하는 위상 동기화 회로(PLL)를 포함하는 인버터 제어장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 q축 전류 지령 생성부는,
    상기 계통각을 갖는 단위 정현파 제곱 파형을 생성하는 정현파 제곱 연산부;
    상기 출력 토크 지령값에 대응하는 q축 전류 지령값을 생성하는 q축 전류 지령 변환부;
    상기 단위 정현파 제곱 파형과 상기 q축 전류 지령값을 곱하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하는 제1곱셈기;
    상기 출력 토크 지령값과 q축 전류 지령값에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값을 생성하는 전류 이득 설정부; 및
    상기 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값과 상기 전류 이득값을 곱하여 q축 전류 지령값을 생성하는 제2곱셉기를 포함하는 인버터 제어장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 이득 설정부는 전류 이득값을 “2”로 하는 것을 포함하는 인버터 제어장치.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 d축 전류 지령 생성부는,
    상기 직류단 전압값을 기초로 주기적으로 변동하는 q축 전류 경계값의 평균값을 산출하고, 상기 q축 전류 경계값의 평균값을 기초로 q축 전류 마진값을 생성하는 전류 마진 연산부;
    상기 출력 토크 지령값을 기초로 q축 전류 마진 지령값을 생성하는 전류 마진 지령부; 및
    상기 q축 전류 마진값에서 상기 q축 전류 마진 지령값을 뺀 오차값을 생성하는 제1 가산기를 포함하는 인버터 제어장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전류 마진 연산부는,
    상기 직류단 전압값을 기초로 d축에 인가할 수 있는 전압의 순시적인 최대값을 의미하는 d축 전압 경계값을 생성하는 d축 전압 경계값 연산부;
    전압값을 전류값으로 변경하는 단위 이득값을 생성하는 단위 이득값 연산부;
    상기 d축 전압 경계값 및 상기 단위 이득값을 기초로 q축 전류 경계값 생성하는 q축 전류 경계값 변환부; 및
    상기 q축 전류 경계값의 평균값에서 상기 q축 전류 지령값을 빼서 q축 전류 마진값을 생성하는 q축 전류 마진 연산부
    를 포함하는 인버터 제어장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전류 마진 지령부는 전류 제한에 의해서 발생 토크가 부족할 경우에 d축 전류 지령값을 양(+)으로 설정하여 상기 d축 전류 지령값이 음(-)으로 설정되도록 하는 것을 포함하는 인버터 제어장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전류 마진 지령부는 정상 상태이거나 전류가 제한에 걸리지 않을 경우에는 q축 전류 마진 지령값은 “0”으로 설정하는 것을 포함하는 인버터 제어장치.
  15. 전류 감지부, 전압 감지부, 및 제어부를 포함하며, 직류단 전압이 계통주파수의 2배 주파수로 맥동하는 인버터를 제어하는 인버터 제어장치의 제어방법에 있어서,
    상기 인버터 제어장치가 상기 인버터의 출력 전류값 및 상기 인버터의 직류단 전압값을 감지하고;
    정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하고,
    상기 출력 전류값과 상기 직류단 전압값을 기초로 상기 직류단 전압값의 변동에 의한 q축 전류 지령값의 한계를 나타내는 q축 전류 경계값을 생성하고,
    상기 q축 전류 경계값을 시스템 주파수의 반주기 동안 평균한 q축 전류 경계값의 평균값을 산출하고,
    상기 q축 전류 경계값의 상기 평균값과 상기 q축 전류 지령값을 기초로 d축 전류 지령값을 산출하는 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 q축 전류 지령값을 생성하는 것은
    상기 직류단 전압값을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 추정하는 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 q축 전류 지령값을 생성하는 것은
    상기 계통각을 기초로 상기 계통각과 동기된 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하는 것을 더 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  18. 삭제
  19. 제16항에 있어서,
    상기 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 추정하는 것은,
    상기 직류단 전압값을 제곱하여 직류단 전압 제곱값을 생성하고;
    상기 직류단 전압 제곱값 및 상기 2배 계통주파수를 기초로 계통주파수의 2배 주파수를 가지는 2배 계통주파수 성분값을 생성하고;
    상기 2배 계통주파수 성분값으로부터 위상이 90도 지연된 90도 위상 지연값을 생성하고;
    상기 90도 위상 지연값 및 상기 2배 계통주파수 성분값에 “-1”을 곱한값, 및 상기 2배 계통각을 기초로 위상차를 갖으며 상수값인 d축 가상 전압값 및 q축 가상 전압값을 생성하고;
    상기 d축 가상 전압값 및 상수값 “0”을 기초로 계통각, 계통주파수, 2배 계통각, 및 2배 계통주파수 중에서 적어도 하나를 생성하는 생성하는 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 q축 전류 지령값을 생성하는 것은,
    상기 계통각을 갖는 단위 정현파 제곱 파형을 생성하고;
    출력 토크 지령값을 기초로 상기 출력 토크 지령값에 해당하는 q축 전류 지령값을 생성하고;
    상기 단위 정현파 제곱 파형과 상기 q축 전류 지령값을 곱하여 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값을 생성하고;
    상기 출력 토크 지령값과 상기 q축 전류 지령값에 의해 생성된 전류 지령 성형 토크값의 평균을 동일하게 만들어주는 전류 이득값을 생성하고;
    상기 정현파 제곱 형태의 q축 전류 지령값과 상기 전류 이득값을 곱하여 q축 전류 지령값을 생성하는 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 전류 이득값은 “2”인 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 d축 전류 지령값을 생성하는 것은,
    상기 직류단 전압값을 기초로 d축에 인가할 수 있는 전압의 순시적인 최대값을 의미하는 d축 전압 경계값을 생성하고;
    전압값을 전류값으로 변경하는 단위 이득값을 생성하고;
    상기 d축 전압 경계값 및 상기 단위 이득값을 기초로 q축 전류 경계값 생성하고;
    상기 q축 전류 경계값의 평균값에서 상기 q축 전류 지령값을 빼서 q축 전류 마진값을 생성하고;
    출력 토크 지령값을 기초로 q축 전류 마진 지령값을 생성하고;
    상기 q축 전류 마진값에서 상기 q축 전류 마진 지령값을 뺀 오차값을 생성하고;
    상기 오차값을 저역통과필터 및 비례적분기에 순차적으로 입력하여 d축 전류 지령값을 생성하는 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 d축 전류 지령값을 생성하는 것은,
    전류 제한에 의해서 발생 토크가 부족할 경우에 d축 전류 지령값을 양(+)으로 설정하여 상기 d축 전류 지령값이 음(-)으로 설정되도록 하는 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 d축 전류 지령값을 생성하는 것은,
    정상 상태이거나 전류가 제한에 걸리지 않을 경우에는 q축 전류 마진 지령값은 “0”으로 설정하는 것을 포함하는 인버터 제어장치의 제어방법.
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