KR102138496B1 - 3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템 및 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법 - Google Patents

3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템 및 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법 Download PDF

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Abstract

3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템 및 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법을 공개한다. 본 발명은 3상 전류를 인가받아 구동되는 3상 교류 전동기, 3상 교류 전동기에서 발생하는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 동력 전달 부재, 동력 전달 부재에 의해 변환된 직선 운동에 따라 유압을 발생하는 실린더, 3상 교류 전동기로 인가되는 3상 전류를 감지하고, 감지된 3상 전류의 전류 값과 외부에서 인가되는 명령에 응답하여 3상 교류 전동기를 제어하기 위한 3상 전류를 출력하는 제어부, 를 포함하고, 제어부는 2개의 전류 센서를 구비하여 3상 교류 전동기로 인가되는 3상 전류 중 2상의 전류를 측정하며, 측정된 2상의 전류 중 하나가 전류 센서의 측정 범위를 초과하면, 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류로부터 나머지 2상의 전류를 획득하는 것을 특징으로 한다.

Description

3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템 및 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법{Hydraulic control system using three-phase motor and method for controlling three-phase motor for hydraulic control system}
본 발명은 3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템 및 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법에 관한 것으로, 특히 전류 센서의 측정 범위 이상의 전류로 구동되는 3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템 및 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법에 관한 것이다.
유압(Hydraulics)이란 물이나, 기름 등의 유압유를 이용하여 힘이나, 운동을 발생시키는 것을 의미하며, 유압 제어 시스템은 동력을 전달하는 매체인 유압유에 인가되는 압력을 제어하기 위한 시스템으로 산업 전반에서 광범위하게 활용되고 있다.
도1 은 종래의 3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템의 활용예로서 차량에 사용되는 전동식 부스터를 나타낸다.
도1 은 한국 공개 특허 제10-2012-0119150호에 개시된 전동부스터 방식 제동 장치로서, 마스터 실린더(200), 서브 마스터 실린더(300), 모터(500), 동력전달부재(600), 유압전환부재(700)를 포함한다. 리저버(100)는 오일을 보관하며, 마스터 실린더(200)와 서브마스터 실린더(300)에 오일을 공급해주는 역할을 한다. 마스터 실린더(200)는 내부에 직렬 연결된 제1피스톤(210)과 제2피스톤(220)을 포함하며, 제2유압 라인(②) 및 제3유압 라인(③)과 연결된다. 서브 마스터 실린더(300)는 브레이크 페달(400)과 연결되어 브레이크 페달(400)의 작용력에 따라 내부의 서브 피스톤(310)이 운동하도록 구성된다. 모터(500) 및 동력전달부재(600)는 마스터 실린더(200)의 제1피스톤(210)이 운동하도록 하기 위한 구성이다. 동력전달부재(600)는 볼 스크류(ball screw)로 구현될 수 있다. 볼 스크류는 모터(500)의 회전 운동을 직선 운동으로 바꾸어 제1피스톤(210)에 그 운동력을 전달한다. 유압전환부재(700)는 서브 마스터 실린더(300)로부터의 유압의 흐름을 페달 시뮬레이터(800)로 전환하거나 마스터 실린더(200)로 연결된 제1유압 라인(①)으로 전환하기 위한 구성이다. 유압전환부재(700)는 제1밸브(710)와 제2밸브(720)를 포함한다. 제1밸브(710)는 서브 마스터 실린더(300)로부터의 유압의 흐름을 페달 시뮬레이터(800)로 전환하기 위한 밸브이며, 제2밸브(720)는 서브 마스터 실린더(300)로부터의 유압의 흐름을 제1유압 라인(①)으로 전환하기 위한 밸브이다. 제1밸브(710)는 NC(Normal Close) 타입이며, 제2밸브(720)는 NO(Normal Open) 타입이다. 제1밸브(710) 및 제2밸브(720)는 솔레노이드 밸브이다.
현재 유압 제어 시스템에서 유압유에 압력을 인가하기 위한 수단으로는 3상 교류 전동기가 많이 이용되고 있으며, 도 1 에서 모터(500)가 3상 교류 전동기로 구현된다. 도1 의 구성에서 실제 유압을 생성하기 위해서는 모터(500)인 3상 교류 전동기의 동작이 중요하므로, 결과적으로 3상 교류 전동기의 구동 제어가 매우 중요하다.
도2 는 도1 의 3상 교류 전동기 제어 장치의 구조를 나타낸다.
도1 을 참조하면, 도2 의 3상 교류 전동기 제어 장치는 브레이크 페달(400)과 같은 압력 인가 수단을 통해 압력(P)가 인가되면, 압력 제어부(PC), 속도 제어부(SC) 및 전류 제어부(CC)가 순차적으로 동작하며, 일정한 토크에 대해 일정한 부하가 형성되는 특징을 가지는 유압제어 시스템의 특성상, 빠른 응답을 위해 전류 제어부(CC)로 전향 보상을 제공하기 위한 압력 전향 제어부(PFC)를 구비한다. 전류 제어부(CC)에서 출력되는 신호는 SVPMW(space vector pulse width modulation(SVPWM))에 의해 펄스 신호 변환되고, 펄스 신호는 인버터(IVT)를 통해 3상 교류 전동기인 SPMSM(표면부착형 영구자석 동기 모터, Surface mounted Permanent Magnet Synchronous Motor)를 구동하기 위한 3상 전류로 변환된다. 이때 SPMSM(SPMSM)으로 인가되는 3상 전류는 전류 센서(미도시)를 통해 감지되어 전류 제어부(CC)의 전류 제어에 활용된다. 한편 SPMSM(SPMSM)의 회전 속도는 속도 감지 센서(미도시)에 의해 감지되어 속도 제어부(SC)로 인가되고, 이로 인해 발생한 마스터 실린더(200)의 압력은 압력 감지 센서(미도시)를 통해 압력 제어부(PC)로 인가되어 SPMSM(SPMSM)을 제어하는데 활용된다.
상기에서는 압력 인가 수단을 통해 압력(P)가 인가되는 것으로 설명하였으나, 여기서 압력(P)은 유압 시스템을 제어하기 위한 외부 명령으로 다른 형태로도 제공될 수 있다.
도3 은 종래의 3상 전류 감지 회로 구성을 나타낸다.
도3 은 도1 에서와 같이 차량에 사용되는 경우로, 전류 감지 회로가 차량의 ECU에서 구현되는 경우를 나타내었다. 상기한 바와 같이, 3상 교류 전동기에 인가되는 3상 전류는 전류 제어부(CC)로 피드백되어 전류 제어에 활용된다. 도3 은 기존에 산업 전반에서 주로 활용하고 있는 3상 전류의 감지 방식이다. 도3 에서 3상 교류 전동기로 흐르는 3상 전류는 SVPWM(SVPWM)에 의해 FET 타입의 전력 모듈 소자(Power FET)에서 출력된다. 전력 모듈 소자(Power FET)에서 출력된 3상 전류는 3상 교류 전동기의 고정자 권선으로 인가되어, 3상 교류 전동기를 여자시킨다. 그리고 3상 전류 감지 회로는 2개의 트랜스 타입의 전류 센서(CS1, CS2)를 구비하여 3상 교류 전동기로 인가되는 3개의 전류 중 2개의 전류를 감지하여 전류 감지 신호(Ias, Ics)를 로우 패스 필터로 인가한다.
전류 감지 신호(Ias, Ics)는 로우 패스 필터에서 고주파수의 잡음이 제거되어 MCU로 전송되고, MUC는 ADC를 이용하여 전류 감지 신호(Ias, Ics)를 디지털 신호로 변환한다. 그리고 변환된 디지털 신호는 MCU의 내부 제어 로직에서 분석되어 3상 교류 전동기로 인가되는 3상 전류를 해석한다.
도4 는 이상적인 3상 전류의 파형을 나타낸다.
도3 에서 3상(a상, b상 및 c상) 전류 중 2개의 상(a상 및 c상)만을 감지하여 3상 전류를 분석하는 것은 이상적인 3상 전류가 서로 120도의 위상차를 갖는 정현파로 발생하기 때문이다. 이러한 3상 전류 간의 관계를 이용하면, 2상의 전류 정보만 획득되어도 수학식 1에 따라 나머지 상의 전류 정보를 획득할 수 있다.
Figure 112013090744664-pat00001
실질적인 3상 전류를 분석하기 위해서는 3상 전류의 각 상을 모두 전류 센서를 통해 감지하는 것이 정확하지만, 이는 3상의 합이 0이라는 가정을 기저로 하는 d-q 좌표 변환에 위배되어 미세 오차의 원인이 되고, 추가되는 전류 센서에 의해 비용 상승이 발생하므로, 일반적으로 사용되지 않는다.
도5 는 전류 센서에서 감지되는 3상 전류의 일예를 나타낸다.
실제로 흐르는 3상 전류에 비해 전류 센서의 용량이 부족한 경우, 전류 센서에서 감지 가능한 용량을 초과하여 3상 전류가 흐르게 되어 도5 에서와 같이 피크 부분이 잘린 형태로 각 상의 전류가 감지된다. 가령 전류 센서가 -150 ~ 150[A]의 측정 범위를 가지면, -150[A] 이하 및 150[A]이상의 상전류는 측정되지 못하고, 포화된 상전류 센서에 의해 실제값과 달리 -150[A] 또는 150[A]의 전류 값만을 측정하게 된다.
이러한 전류 성분의 감지 손실은 3상 교류 전동기로 인가되는 정확한 3상 전류의 전류량을 파악하지 못하게 하므로, 3상 교류 전동기의 출력 토크 감소와 전류 제어부 내부의 전류 제어 오차의 원인으로 작용하게 된다.
그러나 도1 에 도시된 바와 같은 차량용 브레이크 유압 제어 시스템과 같이 차량 엔진룸 내부 등의 가혹한 온도 환경에 적용되는 시스템에 사용되는 전류센서는 측점 범위에 따라 가격에서 큰 차이를 가지므로, 비용적인 측면에서 측정 범위가 넓은 전류 센서를 사용하기 어렵다는 문제가 있다. 또한 일부 센서들은 PCB 상에 온보드로 장착 가능한 형태에서 가혹한 환경에서도 넓은 측정 범위를 갖도록 하기 위해 별도로 실장되는 형태로 변경되어야 하는 경우도 발생한다. 이는 시스템의 경량화 및 설계에도 문제점으로 작용한다.
본 발명의 목적은 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 유압 제어 시스템은 3상 전류를 인가받아 구동되는 3상 교류 전동기; 상기 3상 교류 전동기에서 발생하는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 동력 전달 부재; 상기 동력 전달 부재에 의해 변환된 직선 운동에 따라 유압을 발생하는 실린더; 상기 3상 교류 전동기로 인가되는 상기 3상 전류를 감지하고, 감지된 상기 3상 전류의 전류 값과 외부에서 인가되는 명령에 응답하여 상기 3상 교류 전동기를 제어하기 위한 상기 3상 전류를 출력하는 제어부; 를 포함하고, 상기 제어부는 2개의 전류 센서를 구비하여 상기 3상 교류 전동기로 인가되는 상기 3상 전류 중 2상의 전류를 측정하며, 상기 측정된 2상의 전류 중 하나가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하면, 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류로부터 나머지 2상의 전류를 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 a상, b상 및 c상을 갖는 상기 3상 전류에서 상기 a상 전류의 위상을 기준으로 복수개의 구간으로 구분하고, 구분된 복수개의 구간별로 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류를 기준 상 전류로 설정하고, 상기 나머지 2상의 전류는 구간별 기준 상 전류를 위상 천이하여 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 기준 상 전류의 위상에 120도 및 240도 위상 천이하여 나머지 2상 전류의 위상을 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 복수개의 구간을 6개의 구간으로 구분하고, 6개의 구간 각각에 대해 상기 전류 센서에 의해 측정되는 상기 2상의 전류 중 기준 상 전류로 사용되는 하나의 상 전류가 미리 설정되어 저장되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 6개의 구간을 상기 3상 전류의 a상, b상 및 c상 각각의 극성을 이용하여 판별하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 측정된 2상의 전류의 상기 상 전류의 크기가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않으면, 상기 측정된 2상의 전류와 나머지 한상의 전류의 합이 0인 것을 이용하여 상기 나머지 한상의 전류를 획득하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법은 3상 전류를 인가받아 구동되는 3상 교류 전동기와 상기 3상 교류 전동기를 제어하여 유압을 발생하는 제어부를 포함하는 유압 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법에 있어서, 상기 제어부가 상기 3상 교류 전동기로 인가되는 상기 3상 전류 중 2상의 전류를 측정하는 단계; 상기 제어부가 상기 측정된 2상의 전류 중 하나가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하는지 판별하는 단계; 상기 측정된 2상의 전류 중 하나가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하면, 상기 제어부가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류로부터 나머지 2상의 전류를 획득하는 단계; 및 상기 3상 전류의 전류 값과 외부에서 인가되는 명령에 응답하여 상기 3상 교류 전동기를 제어하기 위한 상기 3상 전류를 출력하는 단계; 를 포함한다.
상기 2상의 전류를 획득하는 단계는 a상, b상 및 c상을 갖는 상기 3상 전류에서 상기 a상 전류의 위상을 기준으로 복수개의 구간으로 구분하는 단계; 상기 구분된 복수개의 구간별로 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류를 기준 상 전류로 설정하는 단계; 및 구간별 기준 상 전류를 위상 천이하여 상기 나머지 2상의 전류를 획득하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템 및 유압 제어 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법은 3상 교류 전동기에 인가되는 전류보다 측정 범위가 좁은 2개의 전류 감지 센서만을 구비하여도 3상 교류 전동기에 인가되는 3상의 전류를 판별하고, 판별된 3상의 전류를 이용하여 3상 교류 전동기에 인가되어야 할 3상 전류를 정확하게 제어할 수 있다. 그러므로 전류 센서의 측정범위가 좁더라도 좁은 측정 범위에 따른 오차를 보상할 수 있음에 따라 저비용의 전류 센서를 사용할 수 있고, 경량화 및 실장이 용이하여 설계 및 제조 비용을 줄일 수 있다.
도1 은 종래의 3상 교류 전동기를 이용하는 유압 제어 시스템의 활용예로서 차량에 사용되는 전동식 부스터를 나타낸다.
도2 는 도1 의 3상 교류 전동기 제어 장치의 구조를 나타낸다.
도3 은 종래의 3상 전류 감지 회로 구성을 나타낸다.
도4 는 이상적인 3상 전류의 파형을 나타낸다.
도5 는 전류 센서에서 감지되는 3상 전류의 일예를 나타낸다.
도6 은 본 발명에 따른 3상 전류 감지 판별 방법의 개념을 나타낸다.
도7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 교류 전동기의 3상 전류 측정 방법을 나타낸다.
도8 및 도9 는 각각 기존의 방식과 본 발명의 3상 전류 측정 방식에 따라 3상 전류를 측정한 결과를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도6 은 본 발명에 따른 3상 전류 감지 판별 방법의 개념을 나타낸다.
도6 의 (a)는 3상 전동기로 인가되는 3상 전류와 전류 센서의 측정 범위를 나타낸다.
도6 의 (a)에 도시한 바와 같이 3상 전동기에 인가되는 3상 전류는 이상적으로 서로 120도의 위창차를 갖는 정현파이다. 그러므로 이상적인 3상 전류를 감지하기 위해서는 이론적으로 하나의 전류 센서만을 구비하여 1상의 전류를 감지하고, 나머지 2상의 전류에 대해서는 감지된 1상의 전류로부터 120도 및 240도의 위상차를 발생하여 3상의 전류를 모두 획득할 수 있다. 그러나 실제 전류는 이상적으로 인가되지 않을 뿐만 아니라 전류 센서의 오차를 감안해야 하며, 신뢰성을 확보하기 위해 기존에는 상기한 바와 같이 2개의 전류 센서를 이용하고 있다. 본 발명에서도 마찬가지로 2개의 전류 센서를 이용한다. 그리고 2개의 전류 센서는 3상 전류 중 a상 전류(Ias)와 c상 전류(Ics)를 감지하는 것으로 가정한다.
한편 전류 센서는 기본적으로 전류에 대해 측정 가능한 측정 범위를 갖는다. 이러한 측정 범위는 포화 상태로서 도6 의 (a)에서는 전류 센서의 측정 한계를 saturation limit 로 표시하였다. (a)에 도시된 바와 같이 전류 센서의 측정 범위가 3상 전류의 진폭보다 좁은 경우에는 도5 에 도시된 바와 같이 전류 센서가 정확한 상전류를 측정하지 못하게 됨에 따라, 측정된 상전류를 기초로 나머지 상전류를 계산하는 경우에 오차가 발생하게 된다. 그러나 (a)에서 2구간 및 5구간(②, ⑤)을 살펴보면, a상 전류(Ias)와 b상 전류(Ibs)는 전류 센서의 측정 범위 내에 포함되는 데 반해 c상 전류(Ics)는 전류 센서의 측정 범위를 초과한다. 즉 전류 센서는 c상 전류(Ics)에 대해 제대로 측정할 수 없다. 그리고 상기에서 전류 센서는 3상 전류 중 a상 전류(Ias)와 c상 전류(Ics)를 감지하는 것으로 가정하였으므로, b상 전류(Ibs)는 측정되지 않는다. 그러나 3상 전류는 이상적으로 서로 120도의 위상차를 갖는 정현파로 구성되므로, 측정된 a상 전류(Ias)를 이용하여 b상 전류(Ibs) 및 c상 전류(Ics)를 용이하게 추정할 수 있다. 즉 전류 센서의 측정 범위 내에서 신뢰할 수 있도록 측정된 a상 전류(Ias)에 각각 120도 및 240도의 위상 천이를 주어 b상 전류(Ibs) 및 c상 전류(Ics)를 획득한다.
한편 4구간 (④)에서는 a상 전류(Ias)가 전류 범위를 초과한다. 그에 반해 c상 전류(Ics)가 전류 센서의 측정 범위 내에 포함되어 신뢰성 있게 측정된다. 따라서 c상 전류(Ics)에 -120도 및 -240도의 위상차를 주어 a상 전류(Ias) 및 b상 전류(Ibs) 를 획득할 수 있다.
그리고 3구간 및 6구간(③, ⑥)에서는 측정되는 a상 전류(Ias)와 c상 전류(Ics)가 모두 전류 센서의 전류 측정 범위 내에 포함된다. 그러므로, 수학식 1을 이용하여 측정되지 않은 b상 전류(Ibs)를 획득할 수도 있으나, 계산을 단순화를 위해서는 측정된 a상 전류(Ias) 또는 c상 전류(Ics) 중 하나를 선택하여 나머지 2상의 전류를 획득할 수 있다.
(a)를 기초로 각 구간별 신뢰할 수 있는 상을 구분하면 표1 과 같이 나타날 수 있다.
Figure 112013090744664-pat00002
표1 에서 구간은 각 (a)의 각 구간을 나타내고, 사용 가능은 각 구간별 신뢰성 있게 획득되는 상 전류를 나타낸다. 그리고 3구간 및 6구간(③, ⑥)에서는 []는 다른 상 전류를 획득하기 위해 선택된 상전류를 나타낸다. 표1 에서 각 구간별로 선택된 상 전류를 기준 상전류로 설정할 수 있으며, 기준 상전류는 각 구간별로 미리 결정될 수 있다. 그리고 나머지 2개의 상 전류는 기준 상 전류로부터 획득할 수 있다.
도6 의 (b)는 (a)의 구간을 d-q 평면에 적용한 예이다. (b)의 d-q 평면은 3상 의 전압 또는 전류를 d, q, 0 축으로 이루어진 직교 좌표계 상으로 좌표 변환한 것이다.
(b) 및 표1 을 참조하면, 기준 상 전류가 측정되는 각 영역의 범위는 표2 와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112013090744664-pat00003
표2 에서는 각 구간을 60도 단위로 구분하였다. 여기서 3상 전류에 대해 60도 단위로 구분하는 것은 3상 전류에 대한 전류 측정 센서의 측정 범위가 상한과 하한의 양방향에서 초과할 수 있으므로, 360도 구간에 대해 3상 전류의 정피크 및 부피크로 각각 구분한 것이다.
그리고 3상 전동기의 구동 중에 각 구간을 판별하는 방법은 도1 로부터 3상 전류의 극성을 분석하여 판별할 수 있다.
Figure 112013090744664-pat00004
표3 에 기술된 바와 같이 3상 전류의 극성은 각 구간에서 서로 상이하게 나타나므로, 3상 전류의 극성을 분석하면 현재 구간을 판별할 수 있으며, 각 구간에 따른 신뢰할 수 있는 상전류는 표1 에 따라 획득할 수 있다.
그리고 기준 상전류가 획득되면, 수학식 2 및 3에 의해 나머지 상 전류의 크기를 계산할 수 있다.
Figure 112013090744664-pat00005
Figure 112013090744664-pat00006
여기서 θ는 a 상을 기준으로 하는 3상 교류 전동기의 회전각이며, 이는 3상 교류 전동기에 부착된 위치 센서인 엔코더를 통해 미리 알 수 있다. 그리고 |lm|은 상전류 크기이다.
수학식 2는 기준 상전류가 a상 전류(Ias)인 경우에 상 전류의 크기를 계산하는 수학식이며, 수학식 3은 기준 상전류가 c상 전류(Ics)인 경우에 상 전류의 크기를 계산하는 수학식이다. 이는 상기에서 2개의 전류 센서가 측정하는 상 전류가 a상 전류(Ias) 및 c상 전류(Ics)를 측정하는 것으로 가정한 것으로, 만일 전류 센서가 b상 전류(Ibs)를 측정한다면, 상 전류의 크기는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013090744664-pat00007
그리고 전동기의 회전각(θ)에 120도 및 240도를 위상 천이함으로써, 나머지 2 상 전류의 위상을 획득할 수 있고, 획득된 2상 전류의 위상을 코사인 함수에 대입한 후 상전류 크기(|lm|)을 곱하여 나머지 2상의 전류를 획득할 수 있다.
결과적으로 본 발명은 3상 전류 중 2상의 전류를 측정하여 3상 교류 전동기의 동작을 제어하는 유압 시스템에서 전류 센서의 측정 범위 포화에 의해 측정되는 2상의 전류를 신뢰할 수 없는 경우에, 신뢰할 수 있는 하나의 상 전류를 선택하고, 선택된 상 전류로부터 나머지 2상의 전류를 획득한다.
도7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 3상 교류 전동기의 3상 전류 측정 방법을 나타낸다.
본 발명에서 3상 전류 측정 방법은 우선 3상 전류 중 2개의 상 전류에 대해 전류 센서를 이용하여 상전류를 측정한다(S10). 여기서 3상 전류 중 2개의 상만을 측정하는 것은 상기한 바와 같이 3상의 합이 0이라는 가정을 기저로 하는 d-q 좌표 변환에 위배되어 미세 오차의 원인이 되고, 추가되는 전류 센서에 의해 비용 상승의 원인이 되기 때문이다.
그리고 측정되는 2개의 상 전류가 전류 센서의 측정 범위를 초과하여 전류 센서에서 감지되는 측정 상 전류가 포화되는지 판별한다(S20). 여기서 측정 상 전류의 포화 여부는 이전 측정된 상전류 크기의 변화를 기초로 판별할 수도 있으며, 전류 센서에 미리 설정된 측정 범위를 통해서 판별할 수도 있다.
만일 측정 상 전류가 포화되는 것으로 판별되면, 표1 에 따라 신뢰할 수 있는 상 전류를 기초로 나머지 2개의 상 전류를 계산하여 3상 전류를 획득한다(S30).
그러나 전류 센서에서 감지되는 측정 상 전류가 포화되지 않는 것으로 판별되면, 즉 측정되는 2개의 상 전류가 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 것으로 판별된다면, 수학식 1의 기존의 방식에 따라 3개의 상 전류 중 측정된 2개의 상 전류를 이용하여 나머지 하나의 상 전류를 계산한다(S40).
비록 본 발명에서는 측정되는 2개의 상 전류 중 하나의 상 전류 만으로도 나머지 2개의 상 전류를 획득할 수 있다는 점에 기초하여 3상 전류를 획득하는 방법을 개시하였으나, 하나의 상 전류만을 기초로 나머지 2개의 상 전류를 획득하는 기법은 전류 센서의 오류 발생 등의 문제가 발생하는 경우를 고려하면, 2개의 상 전류를 모두 측정하여 나머지 하나의 상 전류를 획득하는 기법에 비해 신뢰도가 낮다. 이에 본 발명은 3상 전류가 전류 센서의 측정 범위를 초과하는지 여부에 따라 2가지 기법을 병행 사용할 수 있도록 하여 3상 교류 전동기 제어의 신뢰성을 높일 수 있다.
도7 에서는 설명의 편의를 위하여 단순히 3상 교류 전동기에 인가되는 3상 전류를 측정하는 방법에 대해서만 나타내었으나, 측정된 3상 전류의 전류값은 도1 및 도2 에 나타낸 바와 같이 다시 3상 교류 전동기의 제어를 위해 전류 제어부로 피드백 되고, 전류 제어부는 피드백된 3상 전류를 통해 3상 교류 전동기의 동작을 분석하여 다시 3상 교류 전동기를 구동하기 위한 3상 전류를 출력한다.
도8 및 도9 는 각각 기존의 방식과 본 발명의 3상 전류 측정 방식에 따라 3상 전류를 측정한 결과를 나타낸다.
도8 에 도시된 바와 같이 3상 전류의 크기가 전류 센서의 측정 범위를 초과하는 포화상태가 발생되면 기존에는 b상 전류가 정현파로 구현되지 않는다. 그러나 도9 에서는 신뢰할 수 있는 하나의 상 전류를 이용하여 나머지 2개의 상 전류를 획득하므로, 3상 전류가 모두 정현파로 구현됨을 알 수 있다. 즉 기존 방식보다 더욱 정확한 3상 전류를 측정할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 3상 전류를 인가받아 구동되는 3상 교류 전동기;
    상기 3상 교류 전동기에서 발생하는 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 동력 전달 부재;
    상기 동력 전달 부재에 의해 변환된 직선 운동에 따라 유압을 발생하는 실린더;
    상기 3상 교류 전동기로 인가되는 상기 3상 전류를 감지하고, 감지된 상기 3상 전류의 전류 값과 외부에서 인가되는 명령에 응답하여 상기 3상 교류 전동기를 제어하기 위한 상기 3상 전류를 출력하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는,
    2개의 전류 센서를 통해 상기 3상 교류 전동기로 인가되는 상기 3상 전류 중 2상의 전류를 측정하고,
    상기 측정된 2상의 전류 중 하나가 전류 센서의 측정 범위를 초과하는 경우, 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류에 기반하여 나머지 2상의 전류를 식별하고,
    상기 측정된 2상의 전류가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 경우, 상기 측정된 2상의 전류에 기반하여 나머지 하나의 상 전류를 식별하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제어부는
    a상, b상 및 c상을 갖는 상기 3상 전류에서 상기 a상 전류의 위상을 기준으로 복수개의 구간으로 구분하고, 구분된 복수개의 구간별로 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류를 기준 상 전류로 설정하고, 상기 나머지 2상의 전류는 구간별 기준 상 전류를 위상 천이하여 획득하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 기준 상 전류의 위상에 120도 및 240도 위상 천이하여 나머지 2상 전류의 위상을 획득하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복수개의 구간을 6개의 구간으로 구분하고, 6개의 구간 각각에 대해 상기 전류 센서에 의해 측정되는 상기 2상의 전류 중 기준 상 전류로 사용되는 하나의 상 전류가 미리 설정되어 저장되는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 6개의 구간을 상기 3상 전류의 a상, b상 및 c상 각각의 극성을 이용하여 판별하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 기준 상 전류가 a상 전류이면 수학식
    Figure 112013090744664-pat00008

    (여기서 Ias는 a상 전류이고, θ는 a 상을 기준으로 하는 3상 교류 전동기의 회전각이며, 이는 3상 교류 전동기에 부착된 위치 센서인 엔코더를 통해 미리 알 수 있다. 그리고 |lm|은 상전류 크기이다)
    에 따라 상기 상 전류의 크기를 판별하고,
    상기 기준 상 전류가 b상 전류이면 수학식
    Figure 112013090744664-pat00009

    (여기서 Ibs는 b상 전류이다.)
    에 따라 상기 상 전류의 크기를 판별하며,
    상기 기준 상 전류가 c상 전류이면 수학식
    Figure 112013090744664-pat00010

    (여기서 Ics는 c상 전류이다.)
    에 따라 상기 상 전류의 크기를 판별하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 회전각을 각각 120도 및 240도 위상 천이하여 기준 상 전류가 아닌 나머지 2상 전류의 위상을 획득하고, 획득된 상기 2상 전류의 위상을 코사인함수에 대입한 후 상기 상 전류의 크기를 곱하여 상기 나머지 2상 전류를 획득하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 측정된 2상의 전류의 상기 상 전류의 크기가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않으면, 상기 측정된 2상의 전류와 나머지 한상의 전류의 합이 0인 것을 이용하여 상기 나머지 한상의 전류를 획득하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템.
  9. 3상 전류를 인가받아 구동되는 3상 교류 전동기와 상기 3상 교류 전동기를 제어하여 유압을 발생하는 제어부를 포함하는 유압 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법에 있어서,
    상기 제어부가 상기 3상 교류 전동기로 인가되는 상기 3상 전류 중 2상의 전류를 측정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 측정된 2상의 전류 중 하나가 전류 센서의 측정 범위를 초과하는지 판별하는 단계;
    상기 측정된 2상의 전류 중 하나가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하면, 상기 제어부가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류에 기반하여 나머지 2상의 전류를 식별하는 단계;
    상기 측정된 2상의 전류가 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 경우, 상기 측정된 2상의 전류에 기반하여 나머지 하나의 상 전류를 식별하는 단계; 및
    상기 3상 전류의 전류 값과 외부에서 인가되는 명령에 응답하여 상기 3상 교류 전동기를 제어하기 위한 상기 3상 전류를 출력하는 단계; 를 포함하는 유압 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 2상의 전류를 획득하는 단계는
    a상, b상 및 c상을 갖는 상기 3상 전류에서 상기 a상 전류의 위상을 기준으로 복수개의 구간으로 구분하는 단계;
    상기 구분된 복수개의 구간별로 상기 전류 센서의 측정 범위를 초과하지 않는 하나의 상 전류를 기준 상 전류로 설정하는 단계; 및
    구간별 기준 상 전류를 위상 천이하여 상기 나머지 2상의 전류를 획득하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 유압 시스템의 3상 교류 전동기 제어 방법.
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