KR102131003B1 - 5레그 인버터 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

5레그 인버터 제어 장치가 개시된다. 본 발명의 5레그 인버터 제어 장치는 제1 전동기로 흐르는 제1 전동기 전류와 제2 전동기로 흐르는 제2 전동기 전류의 위상차가 기 설정된 설정위상차가 되도록 제1 전동기 전류와 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 위상차 제어부; 및 제1 전동기의 슬립각속도와 상기 제2 전동기의 슬립각속도가 동일하도록 제1 전동기 전류와 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 슬립각속도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

5레그 인버터 제어 장치{FIVE-LEG INVERTER CONTROL APPARATUS}
본 발명은 5레그 인버터 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 5레그 인버터의 공통레그로 흐르는 전류를 제어하는 5레그 인버터 제어 장치에 관한 것이다.
기존에 2대의 전동기를 독립적으로 운전(토크제어)하기 위해서는 3레그 인버터 2대를 각각 전동기에 연결하여 운전하였다. 5레그 인버터는 2개의 전동기를 각각 독립적으로 운전(토크제어)할 수 있는 토폴로지로 하나의 레그가 2대의 전동기와 모두 연결된 구조를 갖는다. 따라서 5레그 인버터는 레그 1개를 감소(스위칭소자를 2개 감소)시켜 경제적이고 높은 신뢰성을 갖는다.
5레그 인버터에서 2대의 전동기가 연결되어 있는 공통레그의 전류는 두 전동기로 공급되는 전류의 합으로 운전상태(전동기1 전류위상과 전동기2 전류위상)에 따라 다른 레그와 비교하여 최대 2배의 전류가 흐를 수 있다. 이에, 종래에는 이런 상황을 대비하여 공통 레그 스위칭소자의 전류정격을 다른 레그의 2배로 선정하였다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1535744호(2015.07.03)의 '다수의 모터를 이용하는 차량 구동 제어 장치'에 개시되어 있다.
종래의 5레그 인버터 제어방법은 공통레그의 전류를 제어하지 않는다. 따라서 하드웨어 설계에 있어 공통 레그에 흐를 수 있는 최대 전류를 다른 레그의 2배로 하여 스위칭소자를 선정하였고, 각 전동기의 속도제어를 위해서 각각의 속도제어기로부터 토크지령을 출력한다.
이에, 종래의 5레그 인버터에 있어서, 공통 레그에는 고사양의 스위칭소자를 사용할 수밖에 없어 비용이 증가하고, 공통 레그와 다른 레그를 위해 각각 다른 스위칭소자를 사용(2종류의 스위칭소자 사용)함에 따라 5레그 인버터 설계 및 제작에 어려움이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 공통 레그의 전류를 다른 레그의 전류보다 낮게 유지하여 모든 레그에 동일한 스위칭소자를 사용할 수 있도록 함으로써 경제성과 설계편의성을 향상시킨, 5레그 인버터 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 5레그 인버터 제어 장치는 제1 전동기로 흐르는 제1 전동기 전류와 제2 전동기로 흐르는 제2 전동기 전류의 위상차가 기 설정된 설정위상차가 되도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 위상차 제어부; 및 상기 제1 전동기의 슬립각속도와 상기 제2 전동기의 슬립각속도가 동일하도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 슬립각속도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기 중 토크가 상대적으로 더 큰 토크의 전동기를 기준 전동기로 설정하여 나머지 전동기의 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 설정위상차는 공통레그를 통해 흐르는 공통전류가 최소가 되게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기의 지령속도와 상기 제1 전동기의 실제속도를 이용하여 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 q축 전류를 생성하는 속도제어기; 및 상기 제1 전동기 전류의 전류위상과 상기 제2 전동기 전류의 전류위상이 상기 설정 위상차가 되도록 상기 제2 전동기의 제2 전동기 q축 전류를 생성하는 위상제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 슬립각속도 제어부는 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 d축 전류 및 상기 제2 전동기에 대한 제2 전동기 d축 전류를 산출하는 d축 전류 산출기; 상기 제1 전동기의 회전자각속도와 상기 제2 전동기의 회전자각속도의 오차를 기반으로 보상전류를 생성하는 슬립각속도 제어기; 및 상기 보상전류를 상기 제2 전동기 d축 전류에 합산하여 상기 제2 전동기 d축 전류를 보상하는 보상기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 5레그 인버터 제어 장치는 공통레그에 연결된 제1 전동기의 지령속도와 상기 제1 전동기의 실제속도를 이용하여 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 q축 전류를 생성하는 속도제어기; 및 상기 제1 전동기 전류의 전류위상과 상기 공통레그에 연결된 제2 전동기 전류의 전류위상이 기 설정된 설정 위상차가 되도록 상기 제2 전동기의 제2 전동기 q축 전류를 생성하는 위상제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제1 전동기의 토크는 상기 제2 전동기의 토크보다 상대적으로 더 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 설정위상차는 상기 공통레그를 통해 흐르는 공통전류가 최소가 되게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 5레그 인버터 제어 장치는 제1 전동기로 흐르는 제1 전동기 전류와 제2 전동기로 흐르는 제2 전동기 전류의 위상차가 기 설정된 설정 위상차가 되고 상기 제1 전동기의 슬립각속도와 상기 제2 전동기의 슬립각속도가 동일하도록, 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 적어도 하나를 제어하는 제어모듈; 및 상기 제어모듈로부터 출력되는 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류를 통해 지령전압을 생성하여 인버터부에 입력하는 지령전압 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 제어모듈은 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류의 위상차가 기 설정된 설정위상차가 되도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 위상차 제어부; 및 상기 제1 전동기의 슬립각속도와 상기 제2 전동기의 슬립각속도가 동일하도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 슬립각속도 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기 중 토크가 상대적으로 더 큰 토크의 전동기를 기준 전동기로 설정하여 나머지 전동기의 전류를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 지령전압 출력부로부터 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기의 각 상으로 공급되는 전류에 따라 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기 각각의 토크출력을 검출하고, 상기 제1 전동기의 토크출력과 상기 제2 전동기의 토크출력을 비교하여 비교 결과에 따라 상기 기준 전동기를 검출하는 기준 전동기 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 위상차 제어부는 공통레그를 통해 흐르는 공통전류가 최소가 되도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기의 지령속도와 상기 제1 전동기의 실제속도를 이용하여 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 q축 전류를 생성하는 속도제어기; 및 상기 제1 전동기 전류의 전류위상과 상기 제2 전동기 전류의 전류위상이 상기 설정 위상차가 되도록 상기 제2 전동기의 제2 전동기 q축 전류를 생성하는 위상제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 상기 슬립각속도 제어부는 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 d축 전류 및 상기 제2 전동기에 대한 제2 전동기 d축 전류를 산출하는 d축 전류 산출기; 상기 제1 전동기의 회전자각속도와 상기 제2 전동기의 회전자각속도의 오차를 기반으로 보상전류를 생성하는 슬립각속도 제어기; 및 상기 보상전류를 상기 제2 전동기 d축 전류에 합산하여 상기 제2 전동기 d축 전류를 보상하는 보상기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 5레그 인버터 제어 장치는 전동기의 슬립각속도 제어를 통해서 2대의 전동기가 독립적인 운전을 수행하더라도 동일한 속도로 제어할 수 있고, 공통 레그의 전류를 다른 레그의 전류보다 낮게 유지하여 모든 레그에 동일한 스위칭소자를 사용할 수 있어 경제성과 설계편의성을 향상시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터와 2개의 전동기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전동기와 제2 전동기의 6개의 지령전압으로부터 5레그 지령전압으로 변환하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터 제어 장치의 블록 구성도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 유도전동기에 대한 제어실험파형을 나타낸 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 유동전동기에 대한 실험파형을 아타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터 제어 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터와 2개의 전동기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전동기와 제2 전동기의 6개의 지령전압으로부터 5레그 지령전압으로 변환하는 과정을 나타낸 도면이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터 제어 장치의 블록 구성도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 유도전동기에 대한 제어실험파형을 나타낸 도면이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 유동전동기에 대한 실험파형을 아타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 5레그 인버터는 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52) 각각을 독립적으로 운전(토크제어)할 수 있는 토폴로지로써, 하나의 레그 즉, 공통레그(C)가 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)에 모두 연결된다. 따라서, 5레그 인버터는 하나의 레그와 2개의 스위칭 소자를 감소시켜 경제적이고 높은 신뢰성을 얻을 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)의 구동을 위한 지령전압은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018081581848-pat00001
여기서, 전압변조범위를 증가시키기 위해서는 제1 전동기(51)와 제 2전동기에 아래의 수학식 2와 같이 옵셋전압(V offset,i )이 더해진다.
Figure 112018081581848-pat00002
이와 같이, 옵셋전압(V offset,i )이 더해진 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)의 최종지령전압은 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112018081581848-pat00003
상기한 수학식 3을 통해 산출된 총 6개의 지령전압은 5레그 지령전압으로 변환되는데, 특히 공통레그(C)의 전류(IC_peak)는 공통레그(C)에서 제1 전동기(51)로 흐르는 제1 전동기 전류의 크기(I 1 )와 위상(θ 1 ), 및 제2 전동기(52)로 흐르는 제2 전동기 전류의 크기(I 2 )와 위상(θ 2 )에 의해서 결정되며, 수학식 4와 같이 표현된다.
Figure 112018081581848-pat00004
수학식 4를 참조하면, 제1 전동기 전류(I 1 )와 제2 전동기 전류(I 2 )의 위상차(δ = θ 1 - θ 2 )가 180도일 때 공통레그(C)에 흐르는 전류가 최소가 된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에서는, 제1 전동기 전류(I 1 )와 제2 전동기 전류(I 2 )의 위상차를 180도가 되도록 제어함으로써 공통레그(C)의 전류를 다른 레그(A,B,D,E) 이하로 유지한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터 제어 장치는 제어모듈(10), 지령전압 출력부(20) 및 기준 전동기 검출부(30)를 포함한다.
기준 전동기 검출부(30)는 지령전압 출력부(20)로부터 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)의 각 상으로 공급되는 실제 전류에 따라 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52) 각각의 토크를 산출하고, 제1 전동기(51)의 토크와 제2 전동기(52)의 토크를 비교하여 비교 결과에 따라 기준 전동기를 검출한다.
여기서, 기준 전동기는 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52) 중 어느 하나이다.
본 실시예에서는 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52) 중 토크가 상대적으로 큰 전동기를 기준 전동기로 설정하여 나머지 전동기의 전류를 제어하며, 이 경우 상기한 바와 같이 제1 전동기 전류(I 1 )와 제2 전동기 전류(I 2 )의 위상차가 180도가 되도록 제어한다. 이에 대해서는 후술한다.
기준 전동기 검출부(30)는 제1 실제 전류 검출기(31), 제2 실제 전류 검출기(32), 토크 산출기(33) 및 토크 비교기(34)를 포함한다.
제1 실제 전류 검출기(31)는 인버터부(Five-Leg Voltage Source Inverter;FLVSI)(40)로부터 제1 전동기(51)의 각 상에 인가되는 전류(ia1, ia1, ic1)와 위상(θ 1 )을 검출하고, 이들 제1 전동기(51)의 각 상에 인가되는 전류(ia1, ib1, ic1)와 제1 전동기(51)의 위상(θ 1 )을 이용하여 실제 제1 전동기 q축 전류(I qe,1 )와 실제 제1 전동기 d축 전류(I de,1 )를 산출한다.
제2 실제 전류 검출기(32)는 인버터부(40)로부터 제2 전동기(52)의 각 상에 인가되는 전류(ia2, ib2, ic2)와 제2 전동기(52)의 위상(θ 2 )을 검출하고, 이들 제2 전동기(52)의 각 상에 인가되는 전류(ia2, ia2, ic2)와 제2 전동기(52)의 위상(θ 2 )을 이용하여 실제 제2 전동기 q축 전류(I qe,2 )와 실제 제2 전동기 d축 전류(I de,2 )를 산출한다.
토크 산출기(33)는 제1 실제 전류 검출기(31)에 의해 검출된 실제 제1 전동기 q축 전류(I qe,1 )와 실제 제1 전동기 d축 전류(I de,1 )을 이용하여 제1 전동기(51)의 토크(TIM,1)를 산출하고, 실제 제2 전동기 q축 전류(I qe,2 )와 실제 제2 전동기 d축 전류(I de,2 )을 이용하여 제2 전동기(52)의 토크(TIM,1)를 산출한다.
토크 비교기(34)는 토크 산출기(33)에 의해 산출된 제1 전동기(51)의 토크(TIM,1)와 제2 전동기(52)의 토크(TIM,1)를 비교하여 비교 결과에 따라 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52) 중 어느 하나를 기준 전동기로 설정한다. 이 경우, 토크 비교기(34)는 제1 전동기(51)의 토크(TIM,1)와 제2 전동기(52)의 토크(TIM,2) 중 상대적으로 그 토크가 큰 전동기를 기준 전동기로 설정한다.
제어모듈(10)은 토크 비교기(34)에 의해 기준 전동기가 검출되면 검출된 기준 전동기를 기준으로, 공통레그(C)와 연결된 제1 전동기(51)로 흐르는 제1 전동기 전류와 제2 전동기(52)로 흐르는 제2 전동기 전류의 위상차 중 어느 하나를 제어하고, 제1 전동기(51)의 슬립각속도와 제2 전동기(52)의 슬립각속도가 동일하도록 제1 전동기 전류(I 1 )와 제2 전동기 전류(I 2 ) 중 어느 하나를 제어한다.
제어모듈(10)은 상기한 바와 같이 제1 전동기(51)의 토크와 제2 전동기(52)의 토크 중 상대적으로 그 토크가 큰 전동기를 기준 전동기로 설정하고, 해당 기준 전동기를 기준으로 나머지 전동기의 전류를 제어하는 바, 제1 전동기 전류와 제2 전동기 전류 중 어느 하나가 제어될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 전동기(51)가 기준 전동기로 검출된 것을 예시로 설명한다. 그러나, 도 3에서는 제1 전동기(51)가 기준 전동기로 검출된 경우(Case 1) 및 제2 전동기(52)가 기준 전동기로 검출된 경우(Case 2)가 모두 도시(동일한 도면부호로 표시됨)되었다. 그러나, 이들 Case 1과 Case 2가 별도의 하드웨어 또는 소프트웨어로 이루어지는 것은 아니다.
제어모듈(10)은 위상차 제어부(11) 및 슬립각속도 제어부(12)를 포함한다.
위상차 제어부(11)는 제1 전동기(51)의 토크와 제2 전동기(52)의 토크 중 그 토크가 상대적으로 큰 토크의 전동기를 기준 전동기로 하여 나머지 전동기의 전류를 제어하되, 제1 전동기 전류와 제2 전동기 전류의 위상차가 기 설정된 설정위상차가 되도록 제1 전동기 전류와 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어한다.
여기서, 설정위상차는 공통레그(C)를 통해 흐르는 전류가 나머지 다른 레그(B, C, D, E)를 통해 흐르는 전류 이하로 하는 위상차이며, 예컨대, 공통레그(C)를 통해 흐르는 전류가 최소가 되도록 하는 위상차이다. 설정위상차로는 180도가 채용될 수 있다.
위상차 제어부(11)는 속도제어기(111) 및 위상제어기(112)를 포함한다.
속도제어기(111)는 제1 전동기(51)의 지령속도(ωr,1)와 제1 전동기(51)의 실제속도(ω * r,1)를 이용하여 제1 전동기(51)에 대한 제1 전동기 q축 전류(I * qe,1 )를 생성한다.
위상제어기(112)는 제1 전동기 전류의 위상(θ 1 )과 제2 전동기 전류의 위상(θ 2 )이 설정 위상차가 되도록 제2 전동기(52)의 제2 전동기 q축 전류(I * qe,2 )를 생성하는 것으로써, 제어변수 산출기(1121) 및 각도 제어기(1122)를 포함한다.
제어변수 산출기(1121)는 제1 전동기 전류의 위상(θ 1 )과 제2 전동기 전류의 위상(θ 2 )를 이용하여 아래의 수학식 5와 같이 제어변수(θ q )를 검출한다.
Figure 112018081581848-pat00005
여기서, δ는 제1 전동기 전류의 위상(θ 1 )과 제2 전동기 전류의 위상(θ 2 )의 위상차(θ 1 - θ 2 )이다.
각도 제어기(1122)는 상기한 수학식 5에서 제어변수(θ q )가 0이 되는 제2 전동기(52)의 q축 전류지령(I * qe,2 )를 생성한다. 즉, 각도 제어기(1122)는 수학식 5를 기초로 제1 전동기 전류의 위상(θ 1 )과 제2 전동기 전류의 위상(θ 2 )의 위상차(θ 1 - θ 2 )가 설정 위상차, 즉 180도가 되는 제2 전동기의 q축 전류지령(I * qe,2 )를 생성한다.
한편, 전류위상차(δ)를 180도로 유지하면서 속도제어를 수행하기 위해서는 제1 전동기(51)와 제2 전동기(520 각각에서 부하토크에 맞는 토크를 발생시켜야 하는데, 이를 위해서는 제1 전동기(51)의 슬립각속도(ω sl,1 )와 제2 전동기(52)의 슬립각속도(ω sl,2 )가 동일하여야 한다.
이에, 슬립각속도 제어부(12)는 제1 전동기(51)의 슬립각속도(ω sl,1 )와 제2 전동기(52)의 슬립각속도(ω sl,2 )가 동일하도록 제1 전동기 전류와 제2 전동기 전류를 제어한다.
슬립각속도(ω sl,1 , ω sl,2 )는 아래의 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112018081581848-pat00006
여기서, Rr,x는 유도전동기의 고정자 저항이고, Lr,x는 유도전동기의 고정자 인덕턴스이며, I * qe,x 는 유도전동기의 q축 전류이며, I * qe,x 는 유도전동기의 d축 전류이다.
슬립각속도 제어부(12)는 d축 전류 산출기(122), 슬립각속도 제어기(123) 및 보상기(124)를 포함한다.
d축 전류 산출기(122)는 제1 전동기(51)에 대한 제1 전동기 d축 전류 및 제2 전동기(52)에 대한 제2 전동기 d축 전류 각각을 아래의 수학식 7을 통해 산출한다.
Figure 112018081581848-pat00007
여기서, 제1 전동기(51)에 대한 제1 전동기 d축 전류는 I* de,1=I* de,rate,1이다(도 3 참조). 또한, Vll,rated,x는 정격선간전압이고, frated,x는 정격주파수이다.
슬립각속도 제어기(123)는 이러한 제1 전동기(51)의 회전자각속도와 제2 전동기(52)의 회전자각속도의 오차(ω r,1 -ω r,2 )를 기반으로 보상전류를 생성한다.
즉, 슬립각속도 제어기(123)는 제1 전동기(51)의 회전자각속도와 제2 전동기(52)의 회전자각속도를 아래의 수학식 8과 같이 고정자각속도(ω e,1 , ω e,2 )와 슬립각속도(ω sl,1 , ω sl,2 )의 차로 산출한다.
Figure 112018081581848-pat00008
슬립각속도 제어기(123)는 이러한 제1 전동기(51)의 회전자각속도와 제2 전동기(52)의 회전자각속도의 오차(ω r,1 -ω r,2 )를 이용하여 보상전류(I* de,comp,2)를 생성한다.
여기서, 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)의 위상제어는 고정자각속도(ω e,1 , ω e,2 )를 동일하게 제어하는 것이고, 슬립각속도제어는 슬립각속도(ω sl,1 , ω sl,2 )를 동일하게 제어하는 것이므로, 상기한 수학식 8에 의해서 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)의 속도가 동일하게 제어된다.
보상기(124)는 슬립각속도 제어기(123)로부터 출력된 보상전류(I* de,comp,2)를 제2 전동기(52)로부터 출력된 d축 전류(I* de,rate,2)에 합산하여 최종적으로 제2 전동기 d축 전류(I* de,2)를 생성한다. 즉, I* de,2=I* de,rate,2+I* de,comp,2이다.
지령전압 출력부(20)는 제어모듈(10)로부터 출력되는 제1 전동기 전류와 제2 전동기 전류를 이용하여 인버터부(40)에 지령전압을 입력함으로써, 인버터부(40)를 통해 각 레그에서 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)에 공급되는 전류를 제어한다.
이 경우, 지령전압 출력부(20)는 위상차 제어부(11)로부터 입력된 제1 전동기 q축 전류(I * qe,1 )와 제2 전동기 q축 전류(I * qe,2 ), 및 슬립각속도 제어부(12)로부터 입력된 제1 전동기 d축 전류(I * de,1 )와 제2 전동기 d축 전류(I * de,2 )를 이용하여 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52)의 각 레그(A, B, C, D, E)의 전류를 출력한다.
이 경우, 지령전압 출력부(20)는 제1 전동기 q축 전류(I * qe,1 )와 실제 제1 전동기 q축 전류(I qe,1 ) 간의 오차를 PI(Proportional Integral Control) 제어하여 제1 전동기 전압 기준치(V* qe,1)를 산출하고, 제2 전동기 q축 전류(I * qe,2 )와 실제 제2 전동기 q축 전류(I qe,2 ) 간의 오차를 PI 제어하여 제2 전동기 전압 기준치(V* qe,2)를 산출한다. 또한, 지령전압 출력부(20)는 제1 전동기 d축 전류(I * de,1 )와 실제 제1 전동기 d축 전류(I de,1 ) 간의 오차를 PI 제어하여 제1 전동기 전압 기준치(V* de,1)를 산출하고, 제2 전동기 d축 전류(I * de,2 )와 실제 제2 전동기 d축 전류(I de,2 ) 간의 오차를 PI 제어하여 제2 전동기 전압 기준치(V* de,2)를 산출한다.
참고로, 본 실시예에서는 PI 제어를 예시로 설명하였으나, 제1 전동기 q축 전류(I * qe,1 )와 실제 제1 전동기 q축 전류(I qe,1 ) 간의 오차를 제1 전동기 전압 기준치(V* qe,1)를 산출할 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
이어, 지령전압 출력부(20)는 상기한 제1 전동기 전압 기준치(V* de,1)와 제1 전동기 전압 기준치(V* qe,1)와 같은 dq축 동기좌표계를 abc축 회전좌표계로 변환하고, 제2 전동기 전압 기준치(V* de,2)와 제2 전동기 전압 기준치(V* qe,2)와 같은 dq축 동기좌표계를 abc축 회전좌표계로 각각 변환하여 수학식 1 내지 3에 나타난 바와 같은 지령전압을 생성한 후, 이들 6개의 지령전압을 수학식 4를 통해 5레그 지령전압으로 변환한다.
이러한 5레그 지령전압에 따라, 인버터부(40)가 PWM 제어하여 제1 전동기(51)와 제2 전동기(52) 각각에 전류를 인가한다.
도 4 및 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터 제어 장치의 실험 결과가 도시되었다.
도 4는 2개의 유도전동기가 다른 부하 조건(T L,1 = 7Nm, T L,2 = 3Nm], [400-600-800rpm 변환])으로 제어되었을 때의 실험 결과이다.
도 4 의 (b)는 위상제어만 적용된 경우(400rpm)로써, I c 는 I c1 또는 I c2 보다 작지만, 두 전동기의 속도오차발생하고 있음을 알 수 있고, 도 4 의 (c)는 위상제어와 슬립각속도제어가 적용된 경우(600rpm)로써, I c 는 I c1 또는 I c2 보다 작고 두 전동기 동일 속도로 운전하고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 4 의 (d)는 위상제어와 슬립각속도제어가 적용된 경우(800rpm)로써, I c 는 I c1 또는 I c2 보다 작고 두 전동기 동일 속도 운전하고 있음을 수 있다.
도 5 는 2개의 유도전동기가 다른 부하 조건([T L,1 , T L,2 변환], [800rpm])으로 제어되었을 때의 실험 결과이다.
도 5를 참조하면, TL,1은 8Nm에서 3Nm로 변경되고, 3Nm에서 8Nm로 변경되었다. TL,1는 3Nm에서 8Nm로 변경되고 8Nm에서 3Nm로 변경되었다. TL,1이 감소하면 I* qe1과 ωsl,1은 감소된다. 동시에, I* de,2는 슬립 제어에 의해 증가되고, I* qe,2는 증가된 I* de,2에 따라 구동 토크를 적절하게 생성하기 위해 슬립각속도 제어에 의해 감소된다. 그러므로, I* de,1은 ωsl,2를 증가시키기 위해 슬립각속도 제어에 의해 감소되고, I* qe1은 감소된 I* de,1에 따라 구동 토크를 적절하게 생성하도록 슬립각속도 제어에 의해 증가된다. 이러한 실험 결과로부터 2개 전동기의 공통전류를 최소화하고 동일 속도 구동을 보장하기 위한 속도 제어 성능이 확인될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 5레그 인버터 제어 장치는 전동기의 슬립각속도 제어를 통해서 2대의 전동기가 독립적인 운전을 수행하더라도 동일한 속도로 제어할 수 있고, 공통 레그의 전류를 다른 레그의 전류보다 낮게 유지하여 모든 레그에 동일한 스위칭소자를 사용할 수 있어 경제성과 설계편의성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.
10: 제어모듈 11: 위상차 제어부
111: 속도제어기 112: 위상제어기
1121: 제어변수 산출기 1122: 각도 제어기
12: 슬립각속도 제어부 122: d축 전류 산출기
123: 슬립각속도 제어기 124: 보상기
20: 지령전압 출력부 30: 기준 전동기 검출부
31: 제1 실제 전류 검출기 32: 제2 실제 전류 검출기
33: 토크 산출기 34: 토크 비교기
40: 인버터부 51: 제1 전동기
52: 제2 전동기

Claims (15)

  1. 제1 전동기로 흐르는 제1 전동기 전류와 제2 전동기로 흐르는 제2 전동기 전류의 위상차가 기 설정된 설정 위상차가 되도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 위상차 제어부; 및
    상기 제1 전동기의 슬립각속도와 상기 제2 전동기의 슬립각속도가 동일하도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 슬립각속도 제어부를 포함하고,
    상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기의 지령속도와 상기 제1 전동기의 실제속도를 이용하여 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 q축 전류를 생성하는 속도제어기; 및 상기 제1 전동기 전류의 전류위상과 상기 제2 전동기 전류의 전류위상이 상기 설정 위상차가 되도록 상기 제2 전동기의 제2 전동기 q축 전류를 생성하는 위상제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기 중 토크가 상대적으로 더 큰 토크의 전동기를 기준 전동기로 설정하여 나머지 전동기의 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 설정위상차는 공통레그를 통해 흐르는 공통전류가 최소가 되게 설정되는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 슬립각속도 제어부는
    상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 d축 전류 및 상기 제2 전동기에 대한 제2 전동기 d축 전류를 산출하는 d축 전류 산출기;
    상기 제1 전동기의 회전자각속도와 상기 제2 전동기의 회전자각속도의 오차를 기반으로 보상전류를 생성하는 슬립각속도 제어기; 및
    상기 보상전류를 상기 제2 전동기 d축 전류에 합산하여 상기 제2 전동기 d축 전류를 보상하는 보상기를 포함하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  6. 공통레그에 연결된 제1 전동기의 지령속도와 상기 제1 전동기의 실제속도를 이용하여 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 q축 전류를 생성하는 속도제어기; 및
    상기 제1 전동기 전류의 전류위상과 상기 공통레그에 연결된 제2 전동기 전류의 전류위상이 기 설정된 설정 위상차가 되도록 상기 제2 전동기의 제2 전동기 q축 전류를 생성하는 위상제어기를 포함하는 5레그 인버터 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제1 전동기의 토크는 상기 제2 전동기의 토크보다 상대적으로 더 큰 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 설정위상차는 상기 공통레그를 통해 흐르는 공통전류가 최소가 되게 설정되는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  9. 제1 전동기로 흐르는 제1 전동기 전류와 제2 전동기로 흐르는 제2 전동기 전류의 위상차가 기 설정된 설정 위상차가 되고 상기 제1 전동기의 슬립각속도와 상기 제2 전동기의 슬립각속도가 동일하도록, 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 적어도 하나를 제어하는 제어모듈; 및
    상기 제어모듈로부터 출력되는 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류를 통해 지령전압을 생성하여 인버터부에 입력하는 지령전압 출력부를 포함하고,
    상기 제어모듈은 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류의 위상차가 상기 설정 위상차가 되도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 위상차 제어부; 및 상기 제1 전동기의 슬립각속도와 상기 제2 전동기의 슬립각속도가 동일하도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 슬립각속도 제어부를 포함하고,
    상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기의 지령속도와 상기 제1 전동기의 실제속도를 이용하여 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 q축 전류를 생성하는 속도제어기; 및 상기 제1 전동기 전류의 전류위상과 상기 제2 전동기 전류의 전류위상이 상기 설정 위상차가 되도록 상기 제2 전동기의 제2 전동기 q축 전류를 생성하는 위상제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 위상차 제어부는 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기 중 토크가 상대적으로 더 큰 토크의 전동기를 기준 전동기로 설정하여 나머지 전동기의 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 지령전압 출력부로부터 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기의 각 상으로 공급되는 전류에 따라 상기 제1 전동기와 상기 제2 전동기 각각의 토크출력을 검출하고, 상기 제1 전동기의 토크출력과 상기 제2 전동기의 토크출력을 비교하여 비교 결과에 따라 상기 기준 전동기를 검출하는 기준 전동기 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 위상차 제어부는 공통레그를 통해 흐르는 공통전류가 최소가 되도록 상기 제1 전동기 전류와 상기 제2 전동기 전류 중 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 위상차 제어부는
    상기 제1 전동기의 지령속도와 상기 제1 전동기의 실제속도를 이용하여 상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 q축 전류를 생성하는 속도제어기; 및
    상기 제1 전동기 전류의 전류위상과 상기 제2 전동기 전류의 전류위상이 상기 설정 위상차가 되도록 상기 제2 전동기의 제2 전동기 q축 전류를 생성하는 위상제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 슬립각속도 제어부는
    상기 제1 전동기에 대한 제1 전동기 d축 전류 및 상기 제2 전동기에 대한 제2 전동기 d축 전류를 산출하는 d축 전류 산출기;
    상기 제1 전동기의 회전자각속도와 상기 제2 전동기의 회전자각속도의 오차를 기반으로 보상전류를 생성하는 슬립각속도 제어기; 및
    상기 보상전류를 상기 제2 전동기 d축 전류에 합산하여 상기 제2 전동기 d축 전류를 보상하는 보상기를 포함하는 것을 특징으로 하는 5레그 인버터 제어 장치.
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