KR102162033B1 - 단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법 - Google Patents

단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법 Download PDF

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KR102162033B1 KR1020190155699A KR20190155699A KR102162033B1 KR 102162033 B1 KR102162033 B1 KR 102162033B1 KR 1020190155699 A KR1020190155699 A KR 1020190155699A KR 20190155699 A KR20190155699 A KR 20190155699A KR 102162033 B1 KR102162033 B1 KR 102162033B1
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허찬녕
김현범
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지엠비코리아 주식회사
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Abstract

본 발명은 단상 BLDCM의 옵셋 오차 보상 방법에 관한 것으로, 속도 제어기를 갖는 단상 BLDCM의 가변속 구동에 따른 자속 추정기를 통해 DC offset 오류를 포함한 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00063
) 측정하고, 측정된 전류는 회전자 위치각 추정기에 의해 회전자 위치각이 추정된 후, PLL를 통해 노이즈를 제거함으로써, 단상 BLDCM의 센서리스 운전 시 옵셋 오차 보상은 물론 전류 및 속도 맥동을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법{Compensation Method for Offset Error of Single-phase Permanent Magnet Synchronous Motors}
본 발명은 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 검출 및 보상 방법에 관한 것으로, 특히 속도 제어기를 갖는 단상 영구자석 동기전동기의 가변속 구동에 따른 옵셋 오차의 영향을 분석하고 이로 인한 전류 및 속도 맥동을 저감시키기 위한 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 영구자석 동기전동기는 기계적 정류 동작에 의한 소음과 진동, 브러시 마모 및 과전압을 야기하는 직류 전동기를 대신하여 산업전반에 영구자석 동기전동기의 사용이 증대되고 있다.
가전제품과 자동화설비 등의 산업현장에서는 3상 영구자석 동기전동기가 고효율 및 고토크를 위해 많이 채택되고 있으며, 저가격 및 낮은 무게를 요하는 기술 분야에서도 단상 영구자석 동기전동기의 연구개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
단상 영구자석 동기전동기를 벡터 제어함에 있어 3상 영구자석 동기전동기와 마찬가지로 전류 정보가 필수적이고 이를 위해 전류 센서 및 아날로그 신호처리 회로가 요구된다. 특히 고정자 전류 정보를 획득하는 과정에서 필연적으로 오차성분을 포함하게 되고 이로 인해 전동기 구동 시스템의 성능이 저하될 수 있다. 일반적으로 전류측정과정에서 전류 센서, 아날로그 신호처리 회로 및 A/D 변환기의 비선형적인 특성으로 인하여 스케일 오차와 옵셋 오차가 야기되고 이를 기반으로 벡터 제어를 수행하면 속도 및 전류에 맥동이 발생한다. 특히, 전류정보를 기반한 센서리스 운전 시 옵셋 오차에 의해 추정된 회전자 위치 정보 또한 왜곡될 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 단상 영구자석 동기전동기의 고정자 전류를 정확하게 측정해야 하고 전류측정에 따른 오차를 보상해야 한다.
한편, 대한전기학회 학술대회 논문집(2018.7,795-795(1 pages)의 단상 영구자석 동기전동기의 센서리스 운전 시 옵셋 오차 영향에 관한 연구(A Study in the Effect of Error Sensorless Operation of Single-Phase PMSM)에 의하면, 단상 영구자석 동기전동기의 센서리스 운전 시 전류측정과정에서 전류 센서 및 아날로그 신호처리 회로의 비선형적인 특성에 따른 스케일 오차 및 옵셋 오차에 대한 영향을 분석한 바 있다.
그러나 위 논문의 실험결과에서는 단상 영구자석 동기전동기의 센서리스 운전 시 스케일 오차 및 옵셋 오차에 대한 영향은 분석되어 있으나, 이를 해결하기 위하여 단상 영구자석 동기전동기의 고정자 전류 측정 및 옵셋 오차를 보상하는 방법은 결여되어 있다.
따라서 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 자속 추정기와 회전자 위치각 추정기 및 노이즈 제거를 위한 PLL를 통해 속도 제어기를 갖는 단상 BLDCM의 가변속 구동에 따른 옵셋 오차로 인한 전류 및 속도 맥동을 저감시키도록 한 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법을 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 속도 제어기를 갖는 단상 BLDCM의 가변속 구동에 따른 동기 좌표계 DQ축 전류 성분인 DC offset 오류를 포함한 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00001
) 측정하는 단계와; 상기 측정된 상전류인 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00002
)로 전동기 전압방정식에 의한 역기전력 정보를 취득하여 모델링을 통해 자속을 추정하기 위한 자속 추정기(Flux Estimator)가 사용되며, 전류 측정 오류에 의해 발생된 상기 DC offset 영향인 발산을 방지하기 위해서는 적분기궤환방식이 채택되는 단계와; 상기 자속 추정기로부터 추정된 자속 값을 회전자 위치각 추정기(Angle Estimator)로 전송시켜 전역통과필터(APF,All Pass Filter) 특성을 이용하여 가상의 q축 자속 성분을 생성하여 아크탄젠트(Arc-tangent) 함수[
Figure 112019123033411-pat00003
]를 취하여 추정된 회전자 위치각을 얻는 단계와; 상기 추정된 회전자 위치각 정보를 토대로 속도를 추정하는 과정에서 발생되는 노이즈 영향을 줄이기 위한 PLL(Phase-Locked Loop)을 사용하여 회전자 위치각 및 속도를 추정하는 단계를 포함하여, 상기 단상 BLDCM의 센서리스 운전 시 옵셋 오차 보상과 동시에 전류 및 속도 맥동을 저감시키는 것을 특징으로 하는 단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 자속 추정기의 적분기(
Figure 112019123033411-pat00004
) 출력 값을 이용한 보상 알고리즘은, 상기 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00005
)를 감지하기 위해 입력 신호에서 직접 사용되며, 상기 자속 추정기의 적분기 출력 값은 LPF(Low Pass Filter)를 통해 상기 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00006
)를 추출한 후, I 컨트롤러(
Figure 112019123033411-pat00007
)를 사용하여 상기 측정된 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00008
)의 옵셋 오차를 보상하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 자속 추정기의 적분기(
Figure 112019123033411-pat00009
) 출력 값은, 상기 단상 BLDCM의 운전 주파수에 해당되는 기본 주파수와 전류 측정 과정에서 야기된 옵셋 오차에 대한 상기 적분기 출력 값을 저역통과필터(LPF, Low Pass Filter)를 이용하여 옵셋 성분만을 안정적으로 추출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 단상 BLDCM의 옵셋 오차 보상 방법은, 옵셋 오차를 포함한 단상 영구자석 동기전동기(BLDCM)의 전류는,
Figure 112019123033411-pat00010
---(1)이고,
상기 식 (1)로부터 옵셋 오차를 포함한 정지 좌표계 D축 전류를 전역통과필터(APF, All Pass Filter)를 이용하여 90°위상을 지연되는 정지 좌표계 Q축 전류 성분은,
Figure 112019123033411-pat00011
---(2)이며,
여기서, 상기
Figure 112019123033411-pat00012
은 DC offset error이며
Figure 112019123033411-pat00013
은 Peak value of current이고
Figure 112019123033411-pat00014
는 PLL angle임.
위 식 (2)에 대해 회전자 위치각으로 좌표변환 된 최종 동기 좌표계 DQ축 전류 성분은,
Figure 112019123033411-pat00015
---(3)과 같이 생성되며,
위 식 (3)의 동기 좌표계 DQ축 전류 성분에 운전 주파수의 1배에 해당되는 맥동과 옵셋 오차를 포함한 기본 주파수 고조파 성분을 저감시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 측정된 DC offset 오류를 이용한 토크 분석은, 위 식 (3)에 의해 단상 영구자석 동기전동기의 전기적 입력에 운전 주파수 1배의 맥동으로 유효전력은 식 (4)와 같이 감소하며,
Figure 112019123033411-pat00016
---(4) 상기 감소된 유효전력으로 기계적 출력(혹은 토크)은 식 (5)와 같은
Figure 112019123033411-pat00017
---(5) 토크 및 속도 맥동이 발생되는 것을 저감시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은, 속도 제어기를 갖는 단상 BLDCM의 가변속 구동에 따른 자속 추정기를 통해 DC offset 오류를 포함한 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00018
) 측정하고 측정된 전류는 회전자 위치각 추정기에 의해 회전자 위치각이 추정된 후, PLL를 통해 노이즈를 제거함으로써, 단상 BLDCM의 센서리스 운전 시 옵셋 오차 보상은 물론 전류 및 속도 맥동을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 단상 BLDCM의 등가회로
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 전류 측정 경로의 오류를 설명하기 의한 블록도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 자속 추정기의 적분기 출력 값 보드선도를 나타낸 그래프
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 전체 기술적 구성을 나타낸 블록도
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 DC offset 보상을 위한 자속 추정기를 나타낸 블록도
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 60,000rpm, 실측 전류의 5% DC offset 1A 보상 전후를 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 60,000rpm, 실측 전류의 5% DC offset -1A 보상 전후를 나타낸 그래프
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 보상 전후 동기좌표계 dq축 전류의 맥동(DC offset 1A)을 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 보상 전후 동기좌표계 dq축 전류의 맥동(DC offset -1A)을 나타낸 그래프
도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 회전자 위치각 추정기를 나타낸 블록도
도 11은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에 대한 위상 동기화 기법을 이용한 PLL 블록도
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 구성을 개략적으로 나타낸 단상 BLDCM의 등가회로를 나타낸다.
단상 BLDCM의 등가회로를 살펴보면, 직류단을 포함한 풀 브리지 인버터(FBI, Full Bridge Inverter, 100)와 단상 영구자석 동기전동기(BLDCM, Brushless DC Motor, 200)를 포함하고 있다.
상기 풀 브리지 인버터(100)와 단상 영구자석 동기전동기(200) 사이에는 단상 BLDCM 구동을 위한 위치 정보 센서 없이 고정자 전류와 전류 제어기의 출력 지령 전압을 통한 수학적 모델링 방식으로 회전자 위치 정보를 획득하여 단상 영구자석 동기전동기의 속도 및 전류 제어를 수행할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시 예는 단상 BLDCM 구동을 위한 위치 정보 센서 없는 센서리스(Sensorless) 제어수단을 통해 해결함으로써 단상 영구자석 동기전동기의 센서리스 운전 시 전류측정 과정에서 전류 센서 및 아날로그 신호처리 회로의 비선형적인 특성에 따른 스케일 오차 및 옵셋 오차에 대한 영향을 해결할 수 있는 특징이 있다.
도 2는 단상 BLDCM의 전류 제어를 위한 단상 영구자석 동기전동기의 전류측정 경로를 보여주고 있으며, 단상 BLDCM의 상전류는 전류센서, 아날로그 신호처리회로 및 A/D 변환기 등을 통해 측정된다.
도 2를 참조하면, 전류 측정 시 측정 경로를 구성하는 전류 센서, 아날로그 신호처리회로, A/D 변환기 등의 비선형적인 특성으로 인해 옵셋 및 스케일 오차가 발생하게 된다.
다시 말해서, DC 오프셋(DC offset) 오류로 인해 홀 효과 센서의 불균형과 아날로그 회로 및 H 브리지 인버터의 두 암 사이의 임피던스의 불균형이 발생하고, 스케일 오류로 전류센서와 A/D변환기 및 정합회로의 비선형성으로 토크 및 속도 리플(혹은 맥동)이 발생하게 된다.
한편, 단상 시스템 인버터의 경우는 3상 영구자석 동기전동기의 벡터 제어와 달리 하나의 전류센서로 상전류가 측정되므로 dq 변환을 위해서는 APF(All Pass Filter)의 특성을 적용하는 가상의 q축 전류를 사용한다.
또한, 단상 영구자석 동기전동기의 구동을 위해서는 3상 영구자석 동기전동기와 달리 좌표변환을 위하여 실제 전류와 90°의 위상차를 가지는 가상의 지령 전류가 생성되어야 한다. 이를 위하여 일반적으로 전역통과필터(APF, All Pass Filter)가 사용된다.
여기서, 상기 전역통과필터(APF; All Pass Filter)는 특정 주파수를 갖는 파형을 입력되었을 때, 크기는 입력파형의 폭과 같고, 위상은 90°뒤지는 파형이 출력되는 수단으로 고정자 전류에 대한 가상의 전류를 발생시켜 q축 전류 정보를 생성시키다. 또 단상 영구자석동기전동기(BLDCM)는 전류를 측정하는 과정에서는 스케일 오차와 옵셋 오차가 야기되는데, 스케일 오차의 경우는 속도 제어기 동작에 의해서 전동기의 속도 및 토크 맥동에 미치는 영향은 존재하지 않기 때문에 속도 제어기가 있는 단상 시스템에서는 전혀 고려되지 않는다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법에서는, 사전에 DC 오프셋 오류를 포함한 전류 분석과 DC 오프셋 오류를 이용한 토크 분석 및 DC 오프셋에 의한 PLL 생성 각도의 영향 분석을 수행한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 DC 오프셋 오류를 포함한 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00019
) 분석은 다음과 같다.
즉, 옵셋 오차를 포함한 단상 영구자석 동기전동기(BLDCM)의 전류는 다음 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019123033411-pat00020
--------------------------------------(1)
옵셋 오차를 포함한 정지 좌표계 D축 전류를 전역통과필터(APF, All Pass Filter)를 이용하여 90°위상을 지연되는 정지 좌표계 Q축 전류 성분을 아래의 식 (2)와 같이 생성할 수 있다.
Figure 112019123033411-pat00021
---------------------------------(2)
여기서, 상기
Figure 112019123033411-pat00022
은 DC offset error이며,
Figure 112019123033411-pat00023
은 Peak value of current이고,
Figure 112019123033411-pat00024
는 PLL angle이다.
위 식 (2)에 대하여, 회전자 위치각으로 좌표변환하게 되면 최종적으로 동기 좌표계 DQ축 전류 성분은 다음과 같다.
즉, 식 (3)에서 알 수 있듯이, 동기 좌표계 DQ축 전류 성분에 운전 주파수의 1배에 해당되는 맥동과 옵셋 오차를 포함한 기본 주파수 고조파 성분이 존재함을 알 수 있다.
Figure 112019123033411-pat00025
-----(3)
다음은, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 DC 오프셋 전류를 이용한 토크 분석은 다음과 같다.
위 식 (3)으로 인하여 단상 영구자석 동기전동기의 전기적 입력에 운전 주파수 1배의 맥동을 야기하고 식 (4)와 같이 유효전력은 감소하게 된다.
Figure 112019123033411-pat00026
-------------(4)
상기 감소된 전기적 입력(혹은 유효전력 감소)은 기계적 출력(혹은 토크) 역시 다음 식 (5)와 같은 토크 및 속도 리플이 발생하게 된다.
Figure 112019123033411-pat00027
-------------(5)
그리고 본 발명의 실시 예에 따른 상기 DC 오프셋 전류에 의한 PLL 생성 각도의 영향 분석은 다음과 같다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 자속 추정기 내부의 전달함수는 식 (6)과 같으며,
Figure 112019123033411-pat00028
Figure 112019123033411-pat00029
Figure 112019123033411-pat00030
----(6)
여기서,
Figure 112019123033411-pat00031
는 자속 추정기의 비례 이득이고
Figure 112019123033411-pat00032
는 적분이득이다.
위 식 (6)으로부터 주파수 변화에 따른 보드선도로 표현하면 도 3과 같이 나타낼 수 있다.
한편, 도 3의 자속 추정기의 적분기 출력 값 보드선도를 참조하면, 직류성분을 포함한 저주파 및 고주파 대역에서 감쇄효과가 큼을 알 수 있다. 기본적으로 자속 추정기의 적분기 출력항에 포함된 DC 오프셋 성분이 감쇠되는 것을 확인할 수 있다.
또한, DC 오프셋은 측정된 추정 자속 내의 DC 오프셋은 작게 유지되기 때문에 각도에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 검출 및 보상 방법에 대한 보상 알고리즘을 상세하게 설명한다.
도 4는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 검출 및 보상 방법에 대한 전체 기술적 구성을 나타낸 블록도이다.
먼저 전체 기술적 구성은, 전류 제어기의 출력 지령 전압 및 고정자 상전류를 통해 회전자측의 영구자석 쇄교자속을 추정하고 APF를 적용하여 가상의 Q축 쇄교자속을 생성한 후 아크 탄젠트 연산을 통해 회전자 위치각을 추정한다. 이후 아크 탄젠트 동작에 따른 노이즈 영향을 줄이기 위해 PI 제어기로 구성된 PLL을 구현하여 안정적인 회전자 위치각을 추정하도록 구성되어 있다.
도 5는, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 도 4에 대한 자속 추정기(Flux Estimator, 300)를 나타내며, DC offset를 보상하는 방법에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 자속 추정기(Flux Estimator, 300)는, 중/고속 운전에 유리한 센서리스(Sensorless) 제어의 선형 모델 기법 중 하나인 자속 추정(Flux Estimation)을 이용한 기법을 나타낸다.
이는 측정된 상전류인 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00033
)로 전동기 전압방정식에 의한 역기전력 정보를 취득하여 모델링을 통해 자속을 추정하는 것으로, 전류 측정 에러에 의해 발생된 DC offset 영향인 발산을 방지하기 위한 적분기 궤환 방식을 채택하였다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 자속 추정기(Flux Estimator)의 적분기(
Figure 112019123033411-pat00034
) 출력 값을 이용한 보상 알고리즘은, DC 오프셋 구성 요소인 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00035
)를 감지하기 위해 입력 신호에서 직접 사용되며, 상기 자속 추정기의 적분기 출력 값은 LPF(Low Pass Filter)를 통해 DC 오프셋 구성 요소인 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00036
)를 추출한 후, I 컨트롤러(
Figure 112019123033411-pat00037
)를 사용하여 상기 측정된 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00038
)의 옵셋 오차를 보상하도록 한다.
도 5의 자속 추정기(Flux Estimator)의 적분기(
Figure 112019123033411-pat00039
) 출력 값은, 단상 BLDCM의 운전 주파수에 해당되는 기본 주파수와 전류 측정 과정에서 야기된 옵셋 오차를 포함하고 있다. 따라서, 적분기(
Figure 112019123033411-pat00040
) 출력 값에 LPF를 이용하여 옵셋 성분만을 안정적으로 추출(혹은 검출)할 수 있다. 이후 해당되는 옵셋 성분이 ‘0’으로 수렴이 되도록 측정된 상전류에 보상을 하여 옵셋 오차를 최소화시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 도 6 내지 도 9를 참조하면, 60,000rpm, 실측 전류의 5% DC offset ±1A 인가에 따른 60,000rpm, DC offset 보상 전후의 속도 맥동 및 동기좌표계 dq축 전류의 맥동 감소여부를 각각 나타낸 그래프이다.
먼저 도 6은, 상기 자속 추정기(Flux Estimator)의 적분기(
Figure 112019123033411-pat00041
) 출력 값을 통해 검출(혹은 추출)된 DC 오프셋 구성 요소인 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00042
)를 I 컨트롤러(
Figure 112019123033411-pat00043
)로 보상한 결과를 나타낸 그래프이다.
통합 자속 링키지의 제어 DC 오프셋에 의한 DC 오프셋 보상 실험 조건은 60,000 [rpm], 실측 전류의 5% DC offset 1A를 인가하였다.
실험결과, 도 6에서 보는 바와 같이, 보상 전 동기 좌표계 D축 전류와 속도에 운전 주파수의 1배 맥동을 포함하고 있지만, 제안된 보상기를 적용한 후 단상 BLDCM의 속도 및 동기 좌표계 D축 전류의 맥동이 감소됨을 확인할 수 있다.
다음은, 도 7에서 보는 바와 같이, DC 오프셋 보상 실험 조건은 60,000 [rpm], 실측 전류의 5% DC offset -1A를 인가하였다. 도 7에서 보는 바와 같이, 보상 전 동기 좌표계 D축 전류와 속도에 운전 주파수의 1배 맥동을 포함하고 있지만, 제안된 보상기를 적용한 후 단상 BLDCM의 속도 및 동기 좌표계 D축 전류의 맥동이 감소됨을 확인할 수 있다.
그리고 도 8에서 보는 바와 같이, 실험 조건은 60,000 [rpm], 실측 전류의 5% DC offset 1A를 인가하였을 경우의 동기 좌표계 DQ축 전류의 맥동을 보여주고 있다. DQ축 전류 역시 운전 주파수 1배의 맥동을 포함하고 있지만, 제안된 보상기를 적용한 후 단상 BLDCM의 전류의 맥동이 감소됨을 확인할 수 있다.
그리고 도 9에서 보는 바와 같이, 실험 조건은 60,000 [rpm], 실측 전류의 5% DC offset -1A를 인가하였을 경우의 동기 좌표계 DQ축 전류의 맥동을 보여주고 있다. DQ축 전류 역시 운전 주파수 1배의 맥동을 포함하고 있지만, 제안된 보상기를 적용한 후 단상 BLDCM의 전류의 맥동이 감소됨을 확인할 수 있다.
도 10은, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 도 4에 대한 APF(All Pass Filter)를 이용한 회전자 위치각 추정기(Angle Estimator, 400)에 대한 블록도를 나타낸다.
도 10에서 보는 바와 같이, 상기 회전자 위치각 추정기(Angle Estimator,400)는, 상기 자속 추정기(Flux Estimator, 300)로부터 추정된 자속 값을 전역통과필터(APF, All Pass Filter) 특성을 이용하여 가상의 q축 자속성분을 생성하여 Arctangent 함수[
Figure 112019123033411-pat00044
]를 취함으로써 추정된 회전자 위치각을 얻을 수 있다.
도 11은, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 도 4에 대한 위상 동기화 기법을 이용한 PLL(Phase-Locked Loop, 500)에 대한 블록도를 나타낸다.
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 PLL(Phase-Locked Loop,500)은, 직류 부궤환(Negative Feedback) 회로에 의해 기준 신호의 주파수와 동일한(또는 분주, 체배된) 주파수의 안정된 발진 출력을 얻는 회로. 기준이 되는 입력 주파수의 위상과 전압제어발진기(VCO) 출력의 위상차를 비교 검출하는 위상 비교기와 고주파 성분을 제거하고 PLL의 동기 특성이나 응답 특성을 결정하는 저역 루프 필터, 분주기, 인가된 직류 전압에 의해 주파수가 선형적으로 변화하는 VCO로 구성된다. '위상이 고정된다(Phase Locked)'는 것은 출력 주파수가 입력 주파수와 완전 동일하고, 단지 위상만 차이가 있다는 것을 의미하므로, 기준 신호로서 크리스탈과 같은 높은 안정도의 발진기를 사용한 안정된 주파수의 발진원이 송수신기에 사용된다. 출력 주파수를 m:n으로 분주하여 위상 비교기에 인가하면 기준 신호 주파수의 m/n배 분주나 체배된 출력 주파수를 얻을 수 있으므로 이동 통신 등의 채널 설정에 주로 쓰인다. 또한, VCO의 직류 입력에 변조 신호를 인가하면 간단한 위상변조기가 되며, 주파수 변조(FM)나 주파수편이방식(FSK: Frequency Shift Keying)의 복조기로 사용할 수 있고, 디지털 회로에서는 클록이나 동기 신호 재생 회로로 많이 쓰인다.
도 11에서 보는 바와 같이, 상기 PLL(Phase-Locked Loop, 500)은, 상기 도 10에서 추정된 회전자 위치각 정보를 토대로 속도를 추정하는 과정에서 문제가 되는 노이즈 영향을 줄이기 위한 PLL을 적용하여 회전자 위치각 및 속도를 추정하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법은 단상 BLDCM에서 DC 오프셋 및 스케일 오류의 영향으로 상전류가 왜곡되고 자속의 추정 오프셋과 각도의 영향으로 속도 및 토크 리플이 발생하므로, 단상 시스템에서는 스케일 오류가 고려되지 않으나 DC 오프셋으로 인한 플럭스 링키지(Flux Linkage)의 영향은 반드시 고려해야 한다.
따라서 본 발명은 위에서 언급된 고정자 플럭스 제어를 통한 DC 오프셋 보상이나 간단한 소프트웨어 및 구현, 상전류의 DC 오프셋 보상, 속도 및 토크 리플 감소 방법 등으로 종래 문제점을 해결할 수 있는 독특한 특징이 있다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 단상 영구자석 동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법은 속도 제어기를 갖는 단상 BLDCM의 가변속 구동에 따른 자속 추정기를 통해 DC offset 오류를 포함한 오프셋 전류(
Figure 112019123033411-pat00045
) 측정하고 측정된 전류는 회전자 위치각 추정기에 의해 회전자 위치각이 추정된 후, PLL를 통해 노이즈를 제거함으로써, 단상 BLDCM의 센서리스 운전 시 옵셋 오차 보상은 물론 전류 및 속도 맥동을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 풀 브리지 인버터 200 : 단상 영구자석 동기전동기
300 : 자속 추정기 400 : 회전자 위치각 추정기
500 : PLL

Claims (5)

  1. 단상 영구자석동기전동기(BLDCM)의 센서리스 운전에 따른 동기 좌표계 DQ축 전류 성분인 DC offset 오류를 포함한 오프셋 전류(
    Figure 112020063128118-pat00046
    ) 측정하는 단계와;
    상기 측정된 상전류인 오프셋 전류(
    Figure 112020063128118-pat00047
    )로 전동기 전압방정식에 의한 역기전력 정보를 취득하여 모델링을 통해 자속을 추정하기 위한 자속 추정기(Flux Estimator)가 사용되며, 전류 측정 오류에 의해 발생된 상기 DC offset 영향인 발산을 방지하기 위해서는 적분기궤환방식이 채택되는 단계와;
    상기 자속 추정기로부터 추정된 자속 값을 회전자 위치각 추정기(Angle Estimator)로 전송시켜 전역통과필터(APF,All Pass Filter) 특성을 이용하여 가상의 q축 자속 성분을 생성하여 아크탄젠트(Arc-tangent) 함수[
    Figure 112020063128118-pat00048
    ]를 취하여 추정된 회전자 위치각을 얻는 단계와;
    상기 추정된 회전자 위치각 정보를 토대로 속도를 추정하는 과정에서 발생되는 노이즈 영향을 줄이기 위한 PLL(Phase-Locked Loop)을 사용하여 회전자 위치각 및 속도를 추정하는 단계를 포함하여
    상기 단상 BLDCM의 센서리스 운전 시 옵셋 오차 보상과 동시에 전류 및 속도 맥동을 저감시키고,
    상기 자속 추정기의 적분기(
    Figure 112020063128118-pat00049
    ) 출력 값을 이용한 보상 알고리즘은, 상기 오프셋 전류(
    Figure 112020063128118-pat00050
    )를 감지하기 위해 입력 신호에서 직접 사용되며, 상기 자속 추정기의 적분기 출력 값은 LPF(Low Pass Filter)를 통해 상기 오프셋 전류(
    Figure 112020063128118-pat00051
    )를 추출한 후, I 컨트롤러(
    Figure 112020063128118-pat00052
    )를 사용하여 상기 측정된 오프셋 전류(
    Figure 112020063128118-pat00053
    )의 옵셋 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 자속 추정기의 적분기(
    Figure 112020063128118-pat00054
    ) 출력 값은, 상기 단상 BLDCM의 운전 주파수에 해당되는 기본 주파수와 전류 측정 과정에서 야기된 옵셋 오차에 대한 상기 적분기 출력 값을 저역통과필터(LPF, Low Pass Filter)를 이용하여 옵셋 성분만을 안정적으로 추출되는 것을 특징으로 하는 단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 단상 BLDCM의 옵셋 오차 보상 방법은, 옵셋 오차를 포함한 단상 영구자석 동기전동기(BLDCM)의 전류는,
    Figure 112019123033411-pat00055
    ---(1)이고,
    상기 식 (1)로부터 옵셋 오차를 포함한 정지 좌표계 D축 전류를 전역통과필터(APF, All Pass Filter)를 이용하여 90°위상을 지연되는 정지 좌표계 Q축 전류 성분은,
    Figure 112019123033411-pat00056
    ---(2)이며,
    여기서, 상기
    Figure 112019123033411-pat00057
    은 DC offset error이며
    Figure 112019123033411-pat00058
    은 Peak value of current이고
    Figure 112019123033411-pat00059
    는 PLL angle임.
    위 식 (2)에 대해 회전자 위치각으로 좌표변환 된 최종 동기 좌표계 DQ축 전류 성분은,
    Figure 112019123033411-pat00060
    ---(3)과 같이 생성되며,
    위 식 (3)의 동기 좌표계 DQ축 전류 성분에 운전 주파수의 1배에 해당되는 맥동과 옵셋 오차를 포함한 기본 주파수 고조파 성분을 저감시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 측정된 DC offset 오류를 이용한 토크 분석은,
    위 식 (3)에 의해 단상 영구자석 동기전동기의 전기적 입력에 운전 주파수 1배의 맥동으로 유효전력은 식 (4)와 같이 감소하며,
    Figure 112019123033411-pat00061
    ---(4)
    상기 감소된 유효전력으로 기계적 출력(혹은 토크)은 식 (5)와 같은
    Figure 112019123033411-pat00062
    ---(5)
    토크 및 속도 맥동이 발생되는 것을 저감시키는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 단상 영구자석동기전동기의 옵셋 오차 보상 방법.
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