KR102176580B1 - 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법 및 장치. - Google Patents
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Abstract
영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법에 따르면, 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 전동기 전류를 입력받고, 입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정하고, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 추정된 전동기 토크 및 입력된 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득하고, 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령에 대하여 획득된 마찰 토크에 기초하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하고, 보상된 토크 지령을 이용하여 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어한다.
Description
영구자석 동기 전동기에서 토크를 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
영구자석 동기 전동기는 높은 효율과 강한 내구성 등의 장점으로 인하여 전기자동차, 산업용기기, 가전제품 등의 다양한 분야에 활용되고 있다. 다양한 제어 기법의 발달과 더불어 높은 성능으로 영구자석 동기 전동기의 고속 운전이 가능해졌다. 영구자석 동기 전동기의 구동 중에는 전동기의 속도 변화, 주위 온도의 변화, 인버터의 직류링크전압의 변동 및 전동기의 전압, 전류, 주파수 등의 파라미터 변동으로 인하여 전동기의 제어가 불안정해질 수 있다. 이에 따라, 영구자석 동기 전동기의 구동 중에 전동기의 속도 변화, 주위 온도의 변화, 인버터의 직류링크전압의 변동 또는 전동기의 파라미터의 변동에도 부하에 안정적으로 토크를 전달할 수 있는 영구자석 동기 전동기의 제어 방법이 요구된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법 및 이를 수행하는 마찰 토크 보상 장치를 제공하는 데 있다. 또한, 상기 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는 데 있다. 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법 및 마찰 토크 보상 장치가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)의 마찰 토크를 보상하는 방법은 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 전동기 전류를 입력받는 단계; 입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정하는 단계; 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 추정된 전동기 토크 및 상기 입력된 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득하는 단계; 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령에 대하여 상기 획득된 마찰 토크에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 단계; 및 상기 보상된 토크 지령을 이용하여 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 마찰 토크 보상 장치는 입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정하는 토크 추정부; 상기 추정된 전동기 토크 및 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도를 입력받아, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 추정된 전동기 토크 및 상기 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득하는 마찰 토크 획득부; 및 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령에 대하여 상기 획득된 마찰 토크에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 보상부;를 포함하고, 상기 마찰 토크 보상 장치는 상기 입력된 토크 지령에 대하여 마찰 토크가 보상된 토크 지령을 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 제어 장치로 출력한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 제어 시스템은 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 전동기 전류를 입력받고, 입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정하고, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 추정된 전동기 토크 및 상기 입력된 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득하고, 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령에 대하여 상기 획득된 마찰 토크에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하고, 상기 보상된 토크 지령을 출력하는 마찰 토크 보상 장치; 및 상기 마찰 토크 보상 장치로부터 출력된 상기 보상된 토크 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 제어 장치;를 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 회전자의 속도에 따른 상기 영구자석 동기 전동기의 자속 및 상기 영구자석 동기 전동기에서 생성 가능한 최대 자속을 추정하는 자속 추정기; 상기 보상된 토크 지령의 토크 값을 상기 토크 한도값에 따라 제한하여 제한된 토크 지령을 획득하는 토크 제한부; 전류 지령에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 회전자의 속도 및 상기 제한된 토크 지령에 대응하는 전류 지령을 획득하는 전류지령 획득부; 상기 전류지령, 상기 영구자석 동기 전동기에서 검출된 전류 및 상기 회전자의 속도에 기초하여 전압 지령을 생성하는 전류 제어기; 및 상기 전압 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기를 구동하는 인버터의 출력 전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 온/오프 듀티비를 결정하는 펄스폭 변조(PWM, pulse width modulation) 제어부;를 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 제어 펄스 신호를 상기 인버터로 출력하여 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어한다.
상기된 바에 따르면, 영구자석 동기 전동기의 토크 제어를 수행함에 있어서, 전동기의 회전자의 속도 및 직류링크전압의 변동에 따라 변하는 마찰 토크로 인한 토크 손실을 보상함으로써, 영구자석 동기 전동기에 발생하는 토크와 부하에 전달되는 토크 사이의 오차를 줄일 수 있다. 이에 따라, 영구자석 동기 전동기의 토크 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 토크 보상 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 마찰 토크 보상 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 토크 보상 장치를 포함하는 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4는 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 인버터의 직류링크전압의 변동에 따른 토크의 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 마찰 토크 보상 장치를 이용하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 마찰 토크 보상 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 토크 보상 장치를 포함하는 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
도 4는 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 인버터의 직류링크전압의 변동에 따른 토크의 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 마찰 토크 보상 장치를 이용하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 토크 보상 장치를 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 마찰 토크 보상 장치(100)는 토크 추정부(110), 마찰 토크 획득부(120) 및 보상부(130)로 구성된다.
도 1에 도시된 마찰 토크 보상 장치(100)는 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
본 실시예에 따른 마찰 토크 보상 장치(100)는 적어도 하나 이상의 프로세서(processor)에 해당하거나, 적어도 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 따라, 마찰 토크 보상 장치(100)는 마이크로 프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.
도 1의 마찰 토크 보상 장치(100)는 영구자석 동기 전동기(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)의 토크를 제어하는 제어 장치(미도시)에 마찰 토크가 보상된 토크 지령을 출력한다.
영구자석 동기 전동기(미도시)는 영구자석 동기 전동기의 회전자에 위치하는 영구자석을 이용하여 자속(magnetic flux)을 발생시키고, 발생된 자속을 이용하여 고정자에 전류를 흘림으로써 동작한다. 본 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기는 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM, Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)가 될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
제어 장치(미도시)는 마찰 토크 보상 장치(100)에 의해 마찰 토크가 보상된 토크 지령을 수신받고, 수신된 토크 지령에 따라 영구자석 동기 전동기를 구동하는 인버터(미도시)에 제어 펄스 신호를 출력한다. 인버터는 제어 장치로부터 수신된 제어 펄스 신호에 따라 생성된 인버터 출력전압을 영구자석 동기 전동기에 공급한다.
토크 추정부(110)는 입력된 전동기 전류(motor current)에 기초하여 전동기 토크(motor torque)를 추정한다. 이때, 전동기 전류는 영구자석 동기 전동기에서 검출되는 전류를 나타낸다. 전동기 토크는 영구자석 동기 전동기에 발생되는 토크를 나타낸다. 전동기 토크는 영구자석 동기 전동기에서 영구자석 동기 전동기의 부하로 전달되는 토크인 부하 토크와 구별된다. 예를 들면, 토크 추정부(110)는 전동기 전류의 변동을 이용하여 전동기 토크를 추정할 수 있다. 토크 추정부(110)는 추정된 전동기 토크를 마찰 토크 획득부(120)로 출력한다.
마찰 토크 획득부(120)는 추정된 전동기 토크 및 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도를 입력 받아, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 추정된 전동기 토크 및 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득한다.
이때, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블은 영구자석 동기 전동기를 구동하는 인버터의 최대 직류링크전압(dc-link voltage)하에서 검출된 회전자의 속도에 따른 dq축 전류 및 토크 센서에서 검출된 부하 토크를 이용하여 획득된 것이다.
마찰 토크에 관한 룩업 테이블은 dq축 전류에 대응되는 회전자의 속도, 전동기 토크 및 마찰 토크의 대응 관계에 기초하여 획득된 것이다. 예를 들면, 룩업 테이블의 마찰 토크는 전동기 토크와 검출된 부하 토크의 차에 의해 산출되고, 전동기 토크는 전동기 파라미터들 및 검출된 dq축 전류로부터 획득될 수 있다.
보상부(130)는 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령에 대하여 마찰 토크 획득부(120)에서 획득된 마찰 토크에 기초하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상한다. 보상부(130)는 비례 적분 제어기를 이용하여 마찰 토크를 보상할 수 있다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 도 2를 참조한다.
이에 따라, 마찰 토크 보상 장치(100)는 입력된 토크 지령에 대하여 마찰 토크가 보상된 토크 지령을 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 제어 장치로 출력한다.
도 2는 도 1에 도시된 마찰 토크 보상 장치의 일 실시예를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 마찰 토크 보상 장치(100)는 토크 추정부(110), 마찰 토크 획득부(120) 및 보상부(130)로 구성된다. 도 2의 토크 추정부(110)는 파라미터 추정부(111) 및 토크 산출부(112)로 구성된다. 도 2의 보상부(130)는 비례 적분 제어기를 포함한다.
도 2에 도시된 마찰 토크 보상 장치(100)는 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있다. 도 1에서 토크 추정부(110), 마찰 토크 획득부(120) 및 보상부(130)와 관련하여 기재된 내용은 도 2에 도시된 토크 추정부(110), 마찰 토크 획득부(120) 및 보상부(130)에도 적용이 가능하므로, 이와 관련하여 중복된 설명은 생략한다.
토크 추정부(110)는 입력된 전동기 전류 
에 기초하여 전동기 토크 
를 추정한다. 일 실시예에 따르면, 토크 추정부(110)는 파라미터 추정부(111) 및 토크 산출부(112)로 구성될 수 있다.
파라미터 추정부(111)는 전동기 전류 
의 변동에 기초하여 전동기 파라미터들을 추정한다. 이때, 전동기 파라미터들은 영구자석 전동기의 인덕턴스들 
, 
과 영구자석의 쇄교 자속 
이 될 수 있다.
토크 산출부(112)는 추정된 전동기 파라미터들 및 전동기 전류 
에 기초하여 전동기 토크 
를 산출한다. 일 실시예에 따르면, 토크 산출부(112)는 수학식 1에 따라 전동기 토크 
를 산출할 수 있다.
수학식 1에서, 
는 마찰 토크 보상 장치(100)에서 발생되는 전동기 토크를 나타내고, 
는 영구자석 동기 전동기의 회전자의 극수를 나타내고, 
는 전동기 전류에 대한 영구자석 동기 전동기의 영구자석의 쇄교 자속을 나타낸다. 그리고, 
는 d축 인덕턴스, 
는 q축 인덕턴스, 
는 d축 전동기 전류, 
는 q축 전동기 전류를 나타낸다.
토크 산출부(112)는 수학식 1에 의해 산출된 전동기 토크 
를 마찰 토크 획득부(120)로 출력한다.
마찰 토크 획득부(120)는 추정된 전동기 토크 
및 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 
를 입력 받아, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 추정된 전동기 토크 
및 회전자의 속도 
에 대응하는 마찰 토크 
를 획득한다.
룩업 테이블(LUT, Lookup Table)은 입력값에 대응되는 결과값을 배열 또는 연관 배열로 구성한 데이터 구조를 나타낸다. 마찰 토크에 관한 룩업 테이블은 추정된 전동기 토크 
및 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 
에 대응되는 마찰 토크값들 
을 저장한다. 마찰 토크에 관한 룩업 테이블은 연산을 수행하여 획득된 마찰 토크값들 또는 실험적으로 획득된 마찰 토크값들을 저장할 수 있다.
예를 들면, 마찰 토크 획득부(120)에서 사용하는 룩업 테이블은 dq축 전류에 대응되는 회전자의 속도 
, 전동기 토크 
및 마찰 토크 
에 기초하여 획득될 수 있다. 이때, 영구자석 동기 전동기에서 발생되는 전동기 토크 
는 인버터의 최대 직류링크전압(dc-link voltage)에서 회전자의 속도 
에 따른 dq축 전류 
및 전동기 파라미터들을 이용하여 산출될 수 있다. 또는, 전동기 토크 
는 회전자의 속도 
에 따른 dq축 전류 
의 변동을 나타내는 전류맵을 이용하여 산출될 수도 있다. 마찰 토크 
는 토크 센서를 이용하여 영구자석 동기 전동기에서 부하로 전달되는 부하 토크를 검출한 후, 전동기 토크와 검출한 부하 토크의 차를 이용하여 획득될 수 있다.
보상부(130)는 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령 
에 대하여 획득된 마찰 토크 
에 기초하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크 
를 보상한다. 보상부(130)는 비례 적분 제어기를 더 포함할 수 있다. 비례 적분 제어기는 피드백 제어기의 형태로, 비례항(proportional term)과 적분항(integral term)을 이용하여 제어하고자 하는 대상값과 기준이 되는 참조값을 비교하여 오차값을 산출하고, 산출된 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 산출한다.
보상부(130)는 입력된 토크 지령 
에 마찰 토크 
를 더하여 제 1 토크 지령 
을 획득한다. 보상부(130)는 영구자석 동기 전동기에 현재 발생하는 토크에 해당하는 추정된 전동기 토크 
와 제 1 토크 지령 
사이의 오차를 보상한다. 먼저, 보상부(130)는 추정된 전동기 토크 
와 제 1 토크 지령 
사이의 오차를 산출하고, 비례 적분 제어기를 이용하여 제 1 토크 지령 
과 추정된 토크 
의 오차를 보상하는 제어값을 출력한다.
보상부(130)는 비례 적분 제어기로부터 출력된 제어값 및 입력된 토크 지령
에 기초하여 제 2 토크 지령 
을 획득하고, 제 2 토크 지령 
을 제어 장치로 출력한다. 제 2 토크 지령 
은 현재 상태의 마찰 토크 
및 현재 발생하는 토크 
와의 오차가 반영된 값이다.
이에 따라, 마찰 토크 보상 장치(100)는 전동기의 회전자의 속도 
및 직류링크전압 
의 변동에 따라 변하는 마찰 토크 
로 인한 토크 손실을 보상함으로써, 영구자석 동기 전동기에 발생하는 토크와 부하에 전달되는 토크 사이의 오차를 줄일 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰 토크 보상 장치를 포함하는 제어 시스템을 도시한 블록도이다.
제어 시스템은 마찰 토크 보상 장치(100), 제어 장치(200), 인버터(220), 전류 검출기(230), 영구자석 동기 전동기(240), 위치 센서(250)로 구성된다. 또한, 제어 장치(200)는 자속 추정기(211, magnetic flux estimator), 토크 제한부(212), 전류 지령 획득부(213), 전류 제어기(214). 펄스폭 변조부(215), 좌표 변환부(216) 및 속도 산출부(217)로 구성된다.
도 3에 도시된 제어 시스템은 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
도 1 내지 2에서 마찰 토크 보상 장치(100)와 관련하여 기재된 내용은 도 3에 도시된 마찰 토크 보상 장치(100)에도 적용이 가능하므로, 이와 관련하여 중복된 설명은 생략한다.
마찰 토크 보상 장치(100)는 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 
및 전동기 전류 
를 입력 받고, 입력된 전동기 전류 
에 기초하여 전동기 토크 
를 추정한다. 마찰 토크 보상 장치(100)는 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 추정된 전동기 토크 
및 입력된 회전자의 속도 
에 대응하는 마찰 토크 
를 획득한다. 마찰 토크 보상 장치(100)는 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령 
에 대하여 획득된 마찰 토크 
에 기초하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하고, 마찰 토크가 보상된 토크 지령 
을 제어 장치(200)로 출력한다.
제어 장치(200)는 마찰 토크 보상 장치(100)로부터 출력된 마찰 토크가 보상된 토크 지령 
을 수신하고, 수신된 토크 지령 
에 기초하여 영구자석 동기 전동기(240)의 구동을 제어하는 제어 펄스 신호를 인버터로 출력한다.
제어 장치(200)는 제어 펄스 신호를 인버터로 출력함으로써, 영구자석 동기 전동기(240)의 구동을 제어한다. 영구자석 동기 전동기(240)의 구동의 제어는 벡터 제어(vector control) 기법을 통해서 이루어질 수 있다. 이에 따라, 영구자석 동기 전동기(240)의 a, b, c상(phase)으로 표시되는 3상 변수들은 직교 좌표계인 dq축 모델로 변환되어 표시될 수 있다.
일 실시예에 따른 제어 장치(200)는 및 자속 추정기(211), 토크 제한부(212), 전류 지령 획득부(213), 전류 제어기(214), 펄스폭 변조부(215), 좌표 변환부(216) 및 속도 산출부(217)로 구성될 수 있다.
자속 추정기(211)는 회전자의 속도 
, 직류링크전압 
및 전류 제어기(214)의 출력 
에 기초하여, 회전자의 속도 
에 따른 상기 영구자석 동기 전동기의 자속 
및 상기 영구자석 동기 전동기에서 생성 가능한 최대 자속 
을 추정한다.
토크 제한부(212)는 최대 자속 
에 기초하여 보상된 토크 지령의 토크 값 
을 제한하고, 토크 값이 제한된 토크 지령 
를 획득한다. 토크 제한부(212)는 보상된 토크 지령의 토크 값이 제한된 토크 지령 
을 전류 지령 획득부(213)로 출력한다.
전류 지령 획득부(213)는 토크 제한부(212)로부터 제한된 토크 지령 
를 수신하고, 전류 지령에 대한 룩업 테이블을 이용하여 회전자의 속도 
및 제한된 토크 지령 
에 기초하여 전류 지령 
를 획득한다.
전류 지령에 대한 룩업 테이블은 영구자석 전동기의 회전자의 자속 
및 제한된 토크 지령의 토크 값 
에 대응되는 dq축 전류 지령 값들 
을 저장한다. 이때, 전류 지령에 대한 룩업 테이블은 영구자석 전동기의 회전자의 자속 
및 제한된 토크 지령 
의 토크 값에 따라 d축 전류 지령 값 
과 q축의 전류 지령 값 
을 각각 획득한다.
이에 따라, 전류 지령 획득부(213)는 전류 지령에 대한 룩업 테이블을 참조하여 전류 지령 획득부(213)에 입력된 영구자석 전동기의 회전자의 자속 
및 최대 자속에 따라 토크 값이 제한된, 제한된 토크 지령의 토크 값 
에 대응되는 전류 지령 
를 전류 제어기(214)로 출력한다.
전류 제어기(214)는 영구자석 동기 전동기(240)에 원하는 전류가 흐르도록 제어하는 것으로, 전류 지령 
와 영구자석 동기 전동기(240)에서 검출된 전류 
의 오차를 보상한다. 일 실시예에 따르면 전류 제어기(214)는 전류 지령 획득부(213)로부터 수신된 전류 지령 
, 영구자석 동기 전동기(240)에서 검출된 전류 
및 회전자의 속도 
에 기초하여 전압 지령 
을 생성할 수 있다. 전류 제어기(214)는 생성된 전압 지령 
을 펄스폭 변조부(215)로 출력한다.
펄스폭 변조부(215)는 전압 지령에 기초하여 영구자석 동기 전동기(240)를 구동하는 인버터(220)의 출력 전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 온/오프 듀티비를 결정한다. 펄스폭 변조부(215)는 결정된 온/오프 듀티비에 기초하여 인버터(220)의 스위칭 소자(switching device)를 제어하는 제어 펄스 신호를 생성한다. 펄스폭 변조부(215)는 생성된 제어 펄스 신호를 인버터(220)로 출력한다. 이에 따라, 인버터(220)는 수신된 제어 펄스 신호에 기초하여 전압 지령 
에 따른 출력전압을 생성할 수 있다.
좌표 변환부(216)는 전류 검출기(230)에서 검출된 3상 전류 
, 
, 
를 좌표 변환하여 dq축 모델로 표시하고, dq축 모델로 좌표 변환된 회전 좌표계 전류 
를 전류 제어기(214)로 출력한다.
속도 산출부(217)는 입력된 회전자의 위치 
에 기초하여 회전자의 속도 
를 추정한다.
인버터(220)는 제어 장치(200)로부터 인가된 제어 펄스 신호의 온/오프 듀티비에 따라 입력전원을 변환하여, 영구자석 동기 전동기(240)에 인가되는 출력전압을 생성한다. 이때, 인버터(220)는 전압소스 인버터 또는 전류소스 인버터일 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상, 인버터(220)는 전압소스 인버터(Voltage Source Inverter)로 보고 설명한다.
일 실시예에 따른 인버터(220)는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터로, 펄스폭 변조 방식에 의해 구동될 수 있다. 이에 따르면, 제어 펄스 신호의 온/오프 듀티비를 이용하여 인버터(220)로부터 출력되는 출력전압의 크기와 주파수가 제어된다. 예를 들면, 제어 장치(200)는 인버터(220)의 스위칭 소자를 온/오프하는 제어 펄스 신호의 온/오프 듀티비를 조절함으로써 인버터(220)가 출력하는 출력전압을 제어한다. 이때, 제어 펄스 신호는 게이팅(gating) 신호라고도 한다. 제어 장치(200)는 전압의 변조 기법에 따른 몇 가지 펄스폭 변조 기법 중에서 공간 벡터 전압 변조 방식(Space Vector PWM)을 이용할 수 있다.
인버터(220)의 출력전압은 3상 전압으로, 영구자석 동기 전동기(240)는 3상 전압에 의해 구동된다. 영구자석 동기 전동기(240)의 구동의 제어는 벡터 제어(vector control) 기법을 통해서 이루어진다. 이에 따라, 영구자석 동기 전동기(240)의 a, b, c상(phase)으로 표시되는 3상 변수들은 직교 좌표계인 dq축 모델로 변환되어 표시될 수 있다.
전류 검출기(230)는 구동 중인 영구자석 동기 전동기(240)의 전류를 검출하여 검출된 전류를 제어 장치(200)로 출력한다. 전류 검출기(230)는 구동 중인 영구자석 동기 전동기(240)의 3상 전류 
, 
, 
를 검출한다. 예를 들면, 전류 검출기(230)는 션트(shunt) 저항 또는 계기용 변류기(Current Transformer) 등으로 구현될 수 있다. 전류 검출기(230)를 통해서 검출된 전류는 3상 변수에 해당하므로, 직교 좌표계인 dq축 모델로 좌표변환하기 위하여 제어 장치(200)의 좌표 변환부(216)로 출력된다.
영구자석 동기 전동기(240)는 회전자에 영구자석을 이용하여 자속을 발생하고, 발생된 자속을 이용하여 고정자에 전류를 흘림으로써 회전하여, 부하를 구동하는 토크를 발생한다. 본 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기(240)는 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM, Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)가 될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 이하 설명의 편의상, 본 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기(240)는 매입형 영구자석 동기 전동기라 한다.
영구자석 동기 전동기(240)는 인버터(220)로부터 출력된 출력전압에 따라 구동된다. 즉, 영구자석 동기 전동기(240)는 인버터(220)를 통하여 구동 중인 영구자석 동기 전동기(240)에서 검출되는 전류, 회전자의 속도와 위치 및 영구자석 동기 전동기(240)의 구동을 제어하기 위해 입력된 토크 지령에 기초하여 구동이 제어된다.
위치 센서(250)는 영구자석 동기 전동기(240)의 회전자의 위치 
를 검출한다. 예를 들면, 위치 센서(250)는 엔코더(Encoder), 레졸버(Resolver), 홀 센서 등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 위치 센서(250)는 검출된 회전자의 위치 
를 속도 산출부(217)로 출력한다.
도 4는 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 인버터의 직류링크전압의 변동에 따른 토크의 특성을 나타낸 그래프들이다. 도 4의 그래프 (a), (b), (c), (d)에서 가로축은 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도를 나타내고, 세로축은 토크를 나타낸다.
그래프 (a)는 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도의 변동에 따른 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크 및 부하에 전달되는 토크의 특성을 나타낸 것이다. 그래프 (a)에서 
는 회전자의 속도의 변동에 따른 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크의 변화를 나타내고, 
은 회전자의 속도의 변동에 따른 부하에 전달되는 토크의 변화를 나타낸다.
그래프 (a)에서 부하에 전달되는 토크 
은 마찰 토크 
로 인하여 영구자석 동기 전동기에서 발생되는 토크 
와 차이가 난다. 회전자의 속도 
이 빨라질수록, 마찰 토크 
는 더 커지고, 이에 따라, 영구자석 동기 전동기에 발생하는 토크 
와 부하에 전달되는 토크 
사이의 오차가 더 커진다.
그래프 (b)는 마찰 토크의 보상 없이 기존의 자속 추정기(211) 만을 이용하는 경우에, 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 인버터의 직류링크전압의 변동에 따른 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크 및 부하에 전달되는 토크의 특성을 나타낸 것이다. 그래프 (b)에서, 
, 
, 
는 인버터의 직류링크전압의 크기가 각각 
, 
, 
일 때, 회전자의 속도 
의 변동에 따른 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크의 변화를 나타내고, 
, 
, 
는 인버터의 직류링크전압의 크기가 각각 
, 
, 
일 때, 회전자의 속도 
의 변동에 따른 부하에 전달되는 토크의 변화를 나타낸다.
기존의 자속 추정기(211) 만을 이용하는 경우, 그래프 (b)에서와 같이, 인버터의 직류링크전압 
의 크기에 따라 정토크/정출력 영역(constant torque/constant power region)에서 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크 
를 일정 비율로 증가시켜 반영하기 때문에 회전자의 속도 
의 증가에 따른 마찰 토크 성분 
이 고려되지 않는다. 즉, 인버터의 직류링크전압 
의 크기에 따라 발생하는 마찰 토크 
의 영향이 정확히 반영되지 않아, 영구자석 동기 전동기에서 부하로 전달되는 토크를 일정하게 제어하기가 쉽지 않다.
그래프 (c)는 기존의 전류 지령에 대한 자속-토크 룩업 테이블을 이용하여 마찰 토크를 반영하는 경우에, 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 인버터의 직류링크전압의 변동에 따른 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크 및 부하에 전달되는 토크의 특성을 나타낸 것이다.
그래프 (c)에서, 
, 
, 
는 인버터의 직류링크전압의 크기가 각각 
, 
, 
일 때, 회전자의 속도 
의 변동에 따른 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크의 변화를 나타내고, 
, 
, 
는 인버터의 직류링크전압의 크기가 각각 
, 
, 
일 때, 회전자의 속도 
의 변동에 따른 부하에 전달되는 토크의 변화를 나타낸다.
기존의 전류 지령에 대한 자속-토크 룩업 테이블은 고정 직류링크전압 
에서 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크 
를 기준으로 작성된 것으로, 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 
및 인버터의 직류링크전압 
의 변동에 따른 마찰 토크 
의 변동을 정확히 반영하지 못하고 있다. 이에 따라, 그래프 (c)는 정토크 영역(constant torque region)에서 부하에 전달되는 토크 
은 회전자의 속도 
와 상관없이 일정한 토크 값을 유지하게 된다.
그래프 (d)는 본 실시예에 따른 마찰 토크 보상 장치(100)를 이용하는 경우, 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도의 변동에 따른 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크 및 부하에 전달되는 토크의 특성을 나타낸 것이다. 그래프 (d)에서 
는 직류링크전압 
및 회전자의 속도 
의 변동에 따른 마찰 토크를 보상한 토크 지령에 기초하여 영구자석 동기 전동기에서 발생하는 토크의 변화를 나타내고, 
은 회전자의 속도의 변동에 따른 부하에 전달되는 토크의 변화를 나타낸다.
그래프 (d)와 같이, 마찰 토크 보상 장치(100)는 전동기의 회전자의 속도 및 직류링크전압의 변동에 따른 마찰 토크의 크기 변화를 미리 반영한 토크 지령을 영구자석 동기 전동기의 제어 장치로 출력함으로써, 직류링크전압 
및 회전자의 속도 
의 변동에도 영구자석 동기 전동기에서 부하로 전달되는 토크가 일정한 토크 값을 유지하도록 제어할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 제어 장치는 전류 지령에 대한 자속-토크 룩업 테이블을 이용하여 영구자석 동기 전동기의 자속을 제어하는 경우에도, 마찰 토크로 인한 토크 손실을 보상할 수 있어, 영구자석 동기 전동기에서 부하로 전달되는 토크를 일정하게 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 마찰 토크 보상 장치를 이용하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 5에 기재된 방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 마찰 토크 보상 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 하기에 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 3에 도시된 마찰 토크 보상 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 5에 기재된 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
510단계에서 마찰 토크 보상 장치(100)는 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 전동기 전류를 입력 받는다. 이때, 전동기 전류는 영구자석 동기 전동기에서 검출되는 전류를 나타낸다.
520단계에서 토크 추정부(110)는 입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정한다. 전동기 토크는 영구자석 동기 전동기에 발생되는 토크를 나타낸다. 전동기 토크는 영구자석 동기 전동기에서 영구자석 동기 전동기의 부하로 전달되는 토크인 부하 토크와 구별된다.
530단계에서 마찰 토크 획득부(120)는 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 전동기 토크 및 입력된 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득한다. 이때, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블은 dq축 전류에 대응되는 회전자의 속도 및 전동기 토크에 대응되는 마찰 토크값들을 저장한다. 예를 들면, 영구자석 동기 전동기를 구동하는 인버터의 최대 직류링크전압(dc-link voltage)하에서 검출된 회전자의 속도에 따른 dq축 전류 및 토크 센서에서 검출된 부하 토크를 이용하여 획득될 수 있다.
540단계에서 보상부(130)는 입력된 토크 지령에 대하여 획득된 마찰 토크에 기초하여 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상한다. 일 실시예에 따라, 보상부(130)는 비례 적분 제어기를 이용하여 마찰 토크를 보상할 수 있다.
550단계에서 제어 장치(200)는 마찰 토크 보상 장치(100)로부터 출력된 마찰 토크가 보상된 토크 지령을 이용하여 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어한다.
이상에서와 같이, 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하여, 보상된 토크 지령을 영구자석 동기 전동기의 제어 장치에 제공함으로써, 전동기의 회전자의 속도 및 직류링크전압의 변동의 영향 없이, 부하에 전달되는 토크를 일정하게 제어할 수 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 ... 마찰 토크 보상 장치
110 ... 토크 추정부
120 ... 마찰 토크 획득부
130 ... 보상부
110 ... 토크 추정부
120 ... 마찰 토크 획득부
130 ... 보상부
Claims (15)
- 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)의 마찰 토크를 보상하는 방법에 있어서,
영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 전동기 전류를 입력받는 단계;
입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정하는 단계;
마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 추정된 전동기 토크 및 상기 입력된 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득하는 단계;
상기 영구자석 동기 전동기의 토크 지령을 입력받는 단계;
상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 상기 입력된 토크 지령에 대하여 상기 획득된 마찰 토크에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 단계; 및
상기 보상된 토크 지령을 이용하여 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 단계;를 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 룩업 테이블은
상기 영구자석 동기 전동기를 구동하는 인버터의 최대 직류링크전압(dc-link voltage)에서 상기 회전자의 속도에 따른 dq축 전류에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기에서 발생되는 전동기 토크를 획득하는 단계;
토크 센서를 이용하여 상기 영구자석 동기 전동기에서 부하로 전달되는 토크를 검출하는 단계;
상기 전동기 토크와 상기 검출된 토크의 차를 이용하여 마찰 토크를 산출하는 단계; 및
상기 dq축 전류에 대응되는 상기 회전자의 속도, 상기 산출된 전동기 토크 및 상기 산출된 마찰 토크에 기초하여 상기 룩업 테이블을 획득하는 단계;에 의해서 획득되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 전동기 토크를 획득하는 단계는
상기 인버터의 최대 직류링크전압(dc-link voltage)에서 상기 회전자의 속도에 따른 dq축 전류를 검출하는 단계;
상기 검출된 dq축 전류에 기초하여 상기 회전자의 속도에 따른 dq축 전류의 변동을 나타내는 전류맵을 획득하는 단계; 및
상기 전류맵의 dq축 전류 및 전동기 파라미터들을 이용하여 상기 전동기 토크를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 마찰 토크를 보상하는 단계는
상기 입력된 토크 지령에 상기 마찰 토크를 더하여 제 1 토크 지령을 획득하는 단계;
상기 제 1 토크 지령과 상기 추정된 전동기 토크의 오차를 산출하는 단계; 및
상기 제 1 토크 지령과 상기 추정된 토크의 오차를 보상하여 제 2 토크 지령을 획득하는 단계;를 포함하고,
상기 제어하는 단계는
상기 제 2 토크 지령을 이용하여 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 2 토크 지령을 획득하는 단계는
비례 적분 제어기를 이용하여 상기 오차를 보상하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전동기 토크를 추정하는 단계는
상기 전동기 전류의 변동에 기초하여 전동기 파라미터들을 추정하는 단계; 및
상기 추정된 전동기 파라미터들 및 상기 전동기 전류에 기초하여 상기 전동기 토크를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 전동기 파라미터들은 상기 영구자석 동기 전동기의 인덕턴스들과 영구자석의 쇄교 자속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
- 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 마찰 토크 보상 장치에 있어서,
입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정하는 토크 추정부;
상기 추정된 전동기 토크 및 영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도를 입력받아, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 추정된 전동기 토크 및 상기 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득하는 마찰 토크 획득부; 및
상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령에 대하여 상기 획득된 마찰 토크에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 보상부;를 포함하고,
상기 마찰 토크 보상 장치는 상기 입력된 토크 지령에 대하여 마찰 토크가 보상된 토크 지령을 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 제어 장치로 출력하는 것을 특징으로 하는 마찰 토크 보상 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 보상부는 비례 적분 제어기를 더 포함하고,
상기 보상부는 상기 입력된 토크 지령에 상기 마찰 토크를 더하여 제 1 토크 지령을 획득하고, 상기 제 1 토크 지령과 상기 추정된 전동기 토크의 오차를 산출하고, 상기 비례 적분 제어기를 이용하여 상기 제 1 토크 지령과 상기 추정된 토크의 오차를 보상하여 제 2 토크 지령을 획득하고, 상기 제 2 토크 지령을 상기 제어 장치로 출력함으로써 상기 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하는 것을 특징으로 하는 마찰 토크 보상 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 토크 추정부는
상기 전동기 전류의 변동에 기초하여 전동기 파라미터들을 추정하는 파라미터 추정부: 및
상기 추정된 전동기 파라미터들 및 상기 전동기 전류에 기초하여 상기 전동기 토크를 산출하는 토크 산출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 토크 보상 장치. - 제 11 항에 있어서,
상기 파라미터 추정부에서 추정되는 상기 전동기 파라미터들은 상기 영구자석 동기 전동기의 인덕턴스들과 영구자석의 쇄교 자속를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰 토크 보상 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 룩업 테이블은 상기 영구자석 동기 전동기를 구동하는 인버터의 최대 직류링크전압(dc-link voltage)에서 검출된 상기 회전자의 속도에 따른 dq축 전류 및 토크 센서에서 검출된 상기 영구자석 동기 전동기의 부하로 전달되는 토크를 이용하여 획득된 것을 특징으로 하는 마찰 토크 보상 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 룩업 테이블의 마찰 토크는 전동기 토크와 상기 검출된 토크의 차에 의해 산출되고, 상기 전동기 토크는 전동기 파라미터들 및 상기 검출된 dq축 전류로부터 획득되고,
상기 룩업 테이블은 상기 dq축 전류에 대응되는 상기 회전자의 속도, 상기 전동기 토크 및 상기 마찰 토크의 대응 관계에 기초하여 획득된 것을 특징으로 하는 마찰 토크 보상 장치. - 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 제어 시스템에 있어서,
영구자석 동기 전동기의 회전자의 속도 및 전동기 전류를 입력받고, 입력된 전동기 전류에 기초하여 전동기 토크를 추정하고, 마찰 토크에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 추정된 전동기 토크 및 상기 입력된 회전자의 속도에 대응하는 마찰 토크를 획득하고, 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하기 위하여 입력된 토크 지령에 대하여 상기 획득된 마찰 토크에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 마찰 토크를 보상하고, 상기 보상된 토크 지령을 출력하는 마찰 토크 보상 장치; 및
상기 마찰 토크 보상 장치로부터 출력된 상기 보상된 토크 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 제어 장치;를 포함하고,
상기 제어 장치는
상기 회전자의 속도에 따른 상기 영구자석 동기 전동기의 자속 및 상기 영구자석 동기 전동기에서 생성 가능한 최대 자속을 추정하는 자속 추정기;
상기 보상된 토크 지령의 토크 값을 토크 한도값에 따라 제한하여 제한된 토크 지령을 획득하는 토크 제한부;
전류 지령에 관한 룩업 테이블을 이용하여 상기 회전자의 속도 및 상기 제한된 토크 지령에 대응하는 전류 지령을 획득하는 전류지령 획득부;
상기 전류지령, 상기 영구자석 동기 전동기에서 검출된 전류 및 상기 회전자의 속도에 기초하여 전압 지령을 생성하는 전류 제어기; 및
상기 전압 지령에 기초하여 상기 영구자석 동기 전동기를 구동하는 인버터의 출력 전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 온/오프 듀티비를 결정하는 펄스폭 변조(PWM, pulse width modulation) 제어부;를 포함하고,
상기 제어 장치는 상기 제어 펄스 신호를 상기 인버터로 출력하여 상기 영구자석 동기 전동기의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
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