KR102426117B1 - 전동기 제어 시스템 및 그에 대한 방법 - Google Patents

전동기 제어 시스템 및 그에 대한 방법 Download PDF

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KR102426117B1 KR1020210164759A KR20210164759A KR102426117B1 KR 102426117 B1 KR102426117 B1 KR 102426117B1 KR 1020210164759 A KR1020210164759 A KR 1020210164759A KR 20210164759 A KR20210164759 A KR 20210164759A KR 102426117 B1 KR102426117 B1 KR 102426117B1
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Abstract

본 발명은 전류주파수 제어모드에서, 초기 회전자 지령속도로서 입력되어 기준 토크를 출력하는 속도 제어부와, 초기 회전자 지령속도가 입력 및 적분되어 전류주파수 회전자각도를 출력하는 적분부와, 전동기의 역기전력을 추정하는 회전 추정부와, 그리고 전동기의 현재 회전자속도를 검출하고, 검출된 현재 회전자속도와 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도를 비교하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는 현재 회전자속도가 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상이라고 판단하는 경우, 상기 회전 추정부가 상기 전동기의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 추정된 회전자위치를 나타내는 센서리스 회전자각도를 산출하도록 하고, 센서리스 회전자각도와 적분부로부터의 전류주파수 회전자각도 간의 각도 편차를 줄이기 위한 전류를 생성할 수 있는 시스템 및 그의 방법을 개시한다.
따라서, 본 발명에 따르면, 전류주파수 제어모드가 센서리스 제어모드로 안정적으로 전환됨으로써, PMSM의 오버 슈트 또는 탈조 현상을 방지할 수 있다.

Description

전동기 제어 시스템 및 그에 대한 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING MOTOR}
본 발명은 전동기 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 영구자석 동기 전동기(PMSM, Permanent Magnet Synchronous Motor)를 보다 안정적으로 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
영구자석 동기 전동기는 효율이 높고 단위 체적당 토크 및 출력이 높으며 빠른 동특성(dynamic characteristic)을 얻을 수 있기 때문에 고성능 서보(servo) 응용 분야에 주로 사용되어 왔다.
영구자석 동기 전동기에서는, 회전자 자속이 회전자에 부착된 영구자석으로부터 발생하므로, 전동기가 발생하는 토크를 순시적으로 정확하게 제어하기 위해서는 영구자석이 발생시키는 자속의 절대 위치, 즉 회전자의 절대 위치를 정확하게 알아야 한다. 이를 위해, 회전자에 센서를 부착하여 회전자의 회전각 및 속도를 측정할 수도 있으나, 비용 및 크기 문제로 인해 회전자의 속도 및 위치를 측정하는 센서 없이, 전동기의 회로 방정식을 이용하여 역기전력을 추정하여 회전자의 위치 및 속도를 계산하는 다양한 센서리스 알고리즘이 제안되었으며, 이에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, 역기전력을 추정하기 위해서는 회전자가 역기전력이 검출되는 속도까지 증가되어야 하기 때문에, 전동기가 정지 상태나 저속으로 동작될 시에는 센서리스 제어로는 회전자의 위치를 검출할 수 없다.
이에 따라, 최근에는 초기 제어동작에서 초기 지령전류를 이용하여 전동기의 회전자의 속도를 증가시키는 전류주파수 제어모드와, 회전자가 특정 속도 이상이 되면, 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 기술이 발전되고 있다.
그 중, 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 기술은 전동기가 안정적으로 동작되도록 하는 것이기 때문에 특히나 중요하다. 상기와 같은 제어모드들 간의 전환이 제대로 수행되지 않으면, 전동기에서 오버 슈트가 발생하거나, 동기 이탈(탈조) 현상이 일어난다. 다시 말해, 전류주파수 제어모드가 일정 주파수에 일정한 전류를 인가하는 개루프 방식이기 때문에, 이와 같은 방식은, 전동기에 걸리는 부하가 다양한 상황에서 동작할 경우, 전류주파수 제어모드에 의한 회전자각도와 센서리스 제어모드에서 추정된 회전자각도와의 차이가 상당하게 발생되게 하고, 이러한 상황에서 전환을 할 시에, 오버슈트가 발생하거나 탈조로 이어질 수 있다.
KR 10-1078250 B1
본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 전동기가 센서리스 제어모드로 동작하기 전에, 전류주파수 제어모드에서 초기 지령전류를 조정하여 전류주파수 제어모드를 센서리스 제어모드로 안정적으로 전환하는 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 목적은, 전류주파수 제어모드에서 초기 지령전류가 입력되어 전동기 회전자의 속도가 발생하기 때문에, 회전자의 속도에 적합한 토크를 제공하는 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전동기 제어 시스템은, 전류주파수 제어모드에서, 전동기의 동작 개시를 위해 초기 지령전류가 입력되면 상기 전동기의 회전자속도가 발생되고, 상기 발생된 회전자속도가 초기 회전자 지령속도로서 입력되어 기준 토크를 출력하는 속도 제어부, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 초기 회전자 지령속도가 입력 및 적분되어, 회전자위치를 나타내는 전류주파수 회전자각도를 출력하는 적분부, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 역기전력을 추정하는 회전 추정부, 및 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 전동기에 인가된 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 현재 회전자속도를 검출하고, 상기 검출된 현재 회전자속도와 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도를 비교하는 제어부를 포함하며, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 제어부는 상기 현재 회전자속도가 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상이라고 판단하는 경우, 상기 회전 추정부는 상기 전동기의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 추정된 회전자위치를 나타내는 센서리스 회전자각도를 산출할 수 있다.
또한, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 제어부는 상기 전류주파수 회전자각도와 상기 센서리스 회전자각도 간의 각도 편차를 감소시키기 위한 제어 지령전류를 생성함으로써, 상기 초기 지령전류를 상기 제어 지령전류로 조정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제어 지령전류로 인해, 상기 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 제어모드들 간의 전환이 안정적으로 수행된다고 판단하는 경우, 제어모드 스위치를 제어하여, 상기 전류주파수 제어모드를 상기 센서리스 제어모드로 전환할 수 있다.
또한, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 기준 토크를 출력하기 위해, 상기 속도 제어부에 다음 식과 같은 토크 값(T)을 제공할 수 있고,
Figure 112021136570290-pat00001
여기서, P는 상기 회전자의 극수이고, Φm는 상기 전동기의 영구자석의 자속이고, iq 및 id 각각은 상기 초기 지령전류에 대한 상기 전동기의 d축 및 q축의 전류이며, 그리고 Ld 및 Lq 각각은 상기 d축 및 q축의 인덕턴스이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전동기 제어 방법은, 전류주파수 제어모드에서, 전동기의 동작 개시를 위해 초기 지령전류가 입력되면 상기 전동기의 회전자속도가 발생되고, 상기 발생된 회전자속도가 초기 회전자 지령속도로서 입력되어 기준 토크를 출력하는 단계, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 초기 회전자 지령속도가 입력 및 적분되어, 회전자위치를 나타내는 전류주파수 회전자각도를 출력하는 단계, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 전동기에 인가된 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 현재 회전자속도를 검출하고, 상기 검출된 현재 회전자속도가 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상인지를 판단하는 단계, 및 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 검출된 현재 회전자속도가 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상이라고 판단하는 경우, 상기 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 추정된 회전자위치를 나타내는 센서리스 회전자각도를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전동기 제어 방법은, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 전류주파수 회전자각도와 상기 센서리스 회전자각도 간의 각도 편차를 감소시키기 위한 제어 지령전류를 생성함으로써, 상기 초기 지령전류를 상기 제어 지령전류로 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전동기 제어 방법은, 상기 제어 지령전류로 인해, 상기 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 제어모드들 간의 전환이 안정적으로 수행된다고 판단하는 경우, 제어모드 스위치를 제어하여, 상기 전류주파수 제어모드를 상기 센서리스 제어모드로 전환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전동기 제어 방법은, 상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 기준 토크를 출력하기 위해, 다음 식과 같은 토크 값(T)을 제공할 수 있고,
Figure 112021136570290-pat00002
여기서, P는 상기 회전자의 극수이고, Φm는 상기 전동기의 영구자석의 자속이고, iq 및 id 각각은 상기 초기 지령전류에 대한 상기 전동기의 d축 및 q축의 전류이며, 그리고 Ld 및 Lq 각각은 상기 d축 및 q축의 인덕턴스이다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 초기 지령전류를 조정하여 전류주파수 제어모드가 센서리스 제어모드로 안정적으로 전환됨으로써, PMSM의 오버 슈트 또는 탈조 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전류주파수 제어모드에서 전동기 회전자의 속도에 맞는 토크를 출력할 수 있기 때문에, 전류주파수 제어모드가 센서리스 제어모드로 더욱 안정적으로 전환될 수 있다.
첨부 도면은 추가적인 이해를 제공하기 위해 포함되며, 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성한다. 도면은 하나 이상의 실시예(들)를 도시하고, 상세한 설명과 함께 다양한 실시예의 원리 및 작동을 설명하는 역할을 한다. 이와 같이, 본 발명은 첨부 도면과 함께 다음의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 제어부를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 두 제어모드들 간의 회전자각도 차이를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 일실시예의 목적, 장점, 및 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 일실시예의 설명들에 의해 더욱 명백해질 것이다.
본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명의 일실시예를 설명함에 있어서, 본 발명의 일실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 제어 시스템(10)을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전동기 제어 시스템(10)은 속도 제어부(100), MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 제어부(200), 제1 및 제2 제어모드 스위치(300a, 300b), 전류 제어부(400), 과변조부(500), SVPWM(Space Vector Voltage Pulse width Modulation) 처리부(600), PWM 인버터부(700), 전동기(800), 전류 감지부(900), 벡터 로테이터부(1000), 적분부(1100), 회전 추정부(1200), 및 제어부(1300)를 포함할 수 있다. 여기서, 속도 제어부(100), MTPA 제어부(200), 전류 제어부(400), 과변조부(500), SVPWM 처리부(600), PWM 인버터부(700), 벡터 로테이터부(1000), 적분부(1100), 회전 추정부(1200), 및 제어부(1300)는 각각의 동작을 수행하기 위해 하나의 프로세서, 또는 서로 다른 프로세서에 포함된 프로그램의 모듈일 수 있거나, 상기와 같은 동작을 수행하기 위한 프로세서 또는 프로그램의 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들면, 회전 추정부(1200), 및 제어부(1300) 등은 입력되는 데이터를 계산 또는 산출하기 위해 프로세서 등의 정보처리수단을 포함할 수 있다.
속도 제어부(100)는 전류주파수 제어모드에서, 전동기(800)의 동작 개시를 위해 초기 지령전류(i* s)가 입력되면 전동기(800)의 회전자속도가 발생되고, 발생된 회전자속도가 초기 회전자 지령속도(ω*)로서 입력되어 기준 토크를 출력할 수 있다.
구체적으로, 속도 제어부(100)는, 전동기(800)를 동작시키기 위해 전류주파수 제어모드에서 초기 지령전류(i* s)가 입력된 후에, 전동기 회전자의 속도가 발생되고 발생된 회전자의 속도가 초기 회전자 지령속도(ω*)로서 입력되도록 구성될 수 있다. 또한, 초기 회전자 지령속도(ω*)가 발생하기 때문에, 속도 제어부(100)는 전동기(800)가 전류주파수 제어모드로 수행될 시에 기준 토크(T)를 출력할 수 있도록 속도 제어부(100)에 수학식 1과 같은 토크 값(T)을 제공해야 한다.
Figure 112021136570290-pat00003
여기서, P는 상기 회전자의 극수이고, Φm는 전동기의 영구자석의 자속이고, iq 및 id 각각은 초기 지령전류(i* s)에 대한 전동기의 d축 및 q축 전류이며, 그리고 Ld 및 Lq 각각은 상기 d 축 및 q축의 인덕턴스이다.
추가로, 속도 제어부(100)는, 센서리스 제어모드에서, 이하에서 설명될 회전 추정부(1200)에서 출력된, 추정된 회전자속도(
Figure 112021136570290-pat00004
)를 입력받아, 상기 추정된 회전자속도(
Figure 112021136570290-pat00005
)에 해당하는 기준 토크(T')를 MTPA 제어부(200)로 출력할 수 있다.
MTPA 제어부(200)는 센서리스 제어모드에서, 기준 토크(T')가 입력되면 단위전류당 최대 토크 전류쌍을 계산하여 d축 및 q축의 지령전류(i* d, i* q)를 출력할 수 있다. 즉, 센서리스 제어모드에서, MTPA 제어부(200)는 속도 제어부(100)로부터의 기준 토크(T')에 따라 단위전류당 최대 토크를 발생하는 지령전류(i* d, i* q)를 출력할 수 있다.
제1 및 제 2 제어모드 스위치(300a, 300b)는 전류주파수 제어모드를 센서리스 제어모드로 스위칭할 수 있다. 예를 들면, 이하에서 설명된 바와 같이, 제1 제어모드 스위치(300a)는 전류주파수 제어모드의 제어 지령전류(i* sc)를, 센서리스 제어모드에서 사용되는 전류(i* d, i* q)로 전환할 수 있고, 제2 제어모드 스위치(300b)는 전류주파수 제어모드의 전류주파수 회전자각도(θif)를, 센서리스 제어모드에서 사용되는 추정회전자각도인 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00006
)로 전환할 수 있다.
전류 제어부(400)는 제어모드에 따른 출력된 전류가 입력되면, 상기 전류에 해당하는 전압을 출력할 수 있다. 예를 들면, 전류 제어부(400)는 전류주파수 제어모드에서, 초기 지령전류(i* s)가 입력되면, 초기 지령전류(i* s)에 해당하는 d축 및 q축의 지령전압(v* d, v* q)을 출력할 수 있고, 센서리스 제어모드에서는, MTPA 제어부(200)로부터 출력된 지령전류(i* d, i* q)에 해당하는 센서리스 제어모드의 지령전압(v* d, v* q)을 출력할 수 있다.
과변조부(500)는 그 뒤에 설치된 SVPWM 처리부(600)에 입력될 전압의 이용률을 높이기 위해 사용될 수 있으며, SVPWM 처리부(600)는 출력 전류의 고조파 비율, 스위칭 주파수 및 응답 특성을 개선시킬 수 있다. 특히, SVPWM 처리부(600)는 제어모드에 따른 전압(v* d, v* q)을 a, b, c 3 상으로 변환하여 출력할 수 있다.
여기서 과변조부(500) 및 SVPWM 처리부(600)의 구성을 설명하였지만, 이들 구성 대신에, 제어모드에 따른 전압(v* d, v* q)을 a, b, c 3 상으로 변환하여 출력할 수 구성, 예를 들면 이하의 벡터 로테이터부(1000)와는 다른 또 벡터 로테이터부가 사용될 수 있음은 물론이다.
PWM 인버터부(700)는 출력된 3 상 전압을 전동기(800)에 인가하여 전동기(800)가 기준 토크에 따라 구동되도록 할 수 있다. 즉, PWM 인버터부(700)는 상기 출력된 전압(v* d, v* q)을 기반으로 전동기(800)가 제어모드에 따라 상술된 기준 토크에 해당하는 토크를 출력하도록 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성하여 전동기(800)에 인가할 수 있다.
전류 감지부(900)는 전동기(800)로부터 피드백전류(ia, ib, ic)를 벡터 로테이터부(1000)로 출력하기 위해, 전동기의 전류를 감지할 수 있다.
벡터 로테이터부(1000)는 제어모드에 따라 적분부(1100) 또는 회전 추정부(1200)로부터 출력된 회전자각도를 사용하여 전동기(800)로부터 피드백받은 피드백전류(ia, ib, ic)를 a, b 및 c 상으로부터 γ축 및 δ축 전류로 변환할 수 있다. 여기서, 회전자각도는 회전자의 위치를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 벡터 로테이터부(1000)는 전류주파수 제어모드에서 적분부(1100)로부터 출력된 전류주파수 회전자각도(θif)를, 또는 센서리스 제어모드에서는 회전 추정부(1200)로부터 출력된 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00007
)를 사용하여 전동기(800)로부터의 피드백전류(ia, ib, ic)를 a, b 및 c 상으로부터 γ축 및 δ축 전류(iγ, iδ)로 변환하여, 회전 추정부(1200)로 입력될 수 있다.
적분부(1100)는 전류주파수 제어모드에서, 초기 회전자 지령속도(ω*)가 입력 및 적분되어, 회전자위치를 나타내는 전류주파수 회전자각도(θif)를 출력할 수 있다. 다시 말해, 적분부(1100)는 전류주파수 제어모드에서, 입력된 초기 회전자 지령속도(ω*)를 적분하여 회전자의 위치를 나타내는 전류주파수 회전자각도(θif)를 출력할 수 있다.
회전 추정부(1200)는 전류주파수 제어모드에서, 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 전동기(800)의 역기전력을 추정할 수 있다. 예를 들면, 회전 추정부(1200)는 전류주파수 제어모드에서, 초기 지령전류 및 전압을 기반으로 한 변환된 전류(iγ, iδ) 및 지령전압(v* d, v* q)을 이용하여 전동기(800)의 역기전력을 추정할 수 있다. 또한, 회전 추정부(1200)는 전류주파수 제어모드 이후의 센서리스 제어모드에서도 변환된 전류(iγ, iδ) 및 지령전압(v* d, v* q)을 이용하여 전동기의 역기전력을 계속해서 추정할 수 있다.
즉, 회전 추정부(1200)는, 이하에서 설명될 제어부(1300)의 제어에 따라, 전류주파수 제어모드 또는 센서리스 제어모드에서, 변환된 전류(iγ, iδ) 및 지령전압(v* d, v* q)을 이용하여 전동기의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여 추정된 회전자 위치, 즉 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00008
) 및 추정된 회전자속도(
Figure 112021136570290-pat00009
)를 산출할 수 있다. 특히, 센서리스 제어모드에서, 회전자속도(
Figure 112021136570290-pat00010
)를 속도 제어부(100)로 입력하여, 속도 제어부(100)가 회전자속도(
Figure 112021136570290-pat00011
)에 해당하는 기준 토크를 MTPA 제어부(200)로 출력하도록 할 수 있다.
도 2는 발명의 일실시예에 따른 전동기 제어 시스템(10)의 제어부(1300)를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전류주파수 제어모드에 의한 전류주파수 회전자각도(θif)와, 전환될 센서리스 제어모드에서 추정된 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00012
)와의 차이를 도시한 그래프이다.
제어부(1300)는 전류주파수 제어모드에서, 전동기(800)에 인가된 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 전동기(800)의 현재 회전자속도(ωif)를 검출하고, 현재 회전자속도(ωif)가 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상인지를 판단하기 위해, 상기 검출된 현재 회전자속도와 전동기(800)의 기설정된 역기전력 검출속도를 비교할 수 있다. 제어부(1300)가 전류주파수 제어모드에서, 현재 회전자속도가 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상이라고 판단하는 경우, 회전 추정부(1200)는 전동기(800)의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 추정된 회전자위치를 나타내는 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00013
)를 산출할 수 있다.
제어부(1300)는, 전류주파수 제어모드에서, 전류주파수 회전자각도(θif)와 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00014
) 간의 각도 편차를 감소시키기 위한 제어 지령전류(isc *)를 생성함으로써, 초기 지령전류(i* s)를 제어 지령전류(i* sc)로 조정할 수 있다.
또한, 제어부(1300)는 제어 지령전류(i* sc)로 인해, 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 제어모드들 간의 전환이 안정적으로 수행된다고 판단하는 경우, 제어모드 스위치(300a, 300b)를 제어하여, 전류주파수 제어모드를 센서리스 제어모드로 전환할 수 있다.
이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 제어부(1300)는 판단부(1320), 조정부(1340) 및 저장부(1360)를 포함할 수 있다.
판단부(1320)는 전동기(800)에 연결되어, 전류주파수 제어모드에서, 전동기에 인가된 초기 지령전류(i* s) 및 지령전압(v* d, v* q)을 이용하여, 전동기(800)의 현재 회전자속도(ωif)를 검출할 수 있다. 또한 판단부(1320)는 검출된 현재 회전자속도(ωif)와 기설정된 역기전력 검출속도를 비교하여, 현재 회전자속도(ωif)가 기설정된 역기전력 검출속도 이상인지를 판단할 수 있다.
만약 판단부(1320)가, 회전자속도(ωif)가 역기전력 검출속도 이상이라고 판단하면, 판단부(1320)는, 회전 추정부(1200)가 전류(iγ, iδ) 및 지령전압(v* d, v* q)을 이용하여 전동기의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 전류주파수 제어모드로부터 전환될 센서리스 제어모드에 대한 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00015
)를 산출하도록 제어 신호(CS)를 전송하여 제어할 수 있다. 여기서, 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00016
)는 회전자의 추정된 위치를 나타낼 수 있다.
조정부(1340)는 전류주파수 제어모드에서, 적분부(1100)로부터 출력된 전류주파수 회전자각도(θif)와, 회전 추정부(1200)로부터 추정된 위치를 나타내는 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00017
)를 입력받는다. 도 3을 참조하면, 조정부(1340)가 입력받은 전류주파수 회전자각도(θif)와 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00018
) 간의 각도 편차를 볼 수 있다. 이러한 각도 편차는 전동기(800)의 부하에 비례하고, 전류주파수 제어모드에서 인가하는 전류량에 반비례하는 특성을 가진다. 따라서, 상기와 같은 특성을 이용하여, 조정부(1340)는 각도 편차를 비례 적분하여 감소시키기 위한 제어 지령전류(i* sc)를 생성하여, 주파수전류 제어모드로 스위칭된 제1 제어모드 스위치(300a)로 출력할 수 있다.
그 후, 조정부(1340)는 제어 지령전류(i* sc)로 인해, 각도 편차가 최대한 줄여졌다고, 바람직하게는 각도 편차가 없다고 판단하면, 제1 및 제2 제어모드 스위치(300a, 300b)를 제어하여, 전류주파수 제어모드를 센서리스 제어모드로 전환할 수 있다. 즉, 조정부(1340)는 초기 지령전류(i* s)를 제어 지령전류(i* sc)로 조정하여 각도 편차를 감소시키고, 감소된 각도 편차로 인해 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 제어모드들 간의 전환이 안정적으로 수행된다고 판단하면, 제1 제어모드 스위치(300a)를 제어하여 전류주파수 제어모드에서 사용되는 전류(i* sc)를, 센서리스 제어모드에서 사용되는 전류(i* d, i* q)로 전환할 수 있고, 제2 제어모드 스위치(300b)를 제어하여 전류주파수 모드에서 사용되는 전류주파수 회전자각도(θif)를, 센서리스 제어모드에서 사용되는 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00019
)로 전환할 수 있다.
저장부(1360)는 판단부(1320) 및 조정부(1340)에 관한 데이터를 저장할 수 있다. 특히, 저장부(1360)는 전동기(800)의 역기전력 검출속도를 미리 설정하여 저장할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전동기 제어 방법(S400)을 나타낸 흐름도이다.
우선, S410 단계에서, 속도 제어부(100)는 전류주파수 제어모드에서, 전동기의 동작 개시를 위해 초기 지령전류(i* s)가 입력되면 전동기(800)의 회전자속도가 발생되고, 발생된 회전자속도가 초기 회전자 지령속도(ω*)로서 입력되어 기준 토크(T)를 출력할 수 있다. 상기 기준 토크를 출력하기 위해, 상술된 수학식 1과 같은 토크 값(T)이 속도 제어부(100)에 제공될 수 있다.
그 후, S420 단계에서, 적분부(1100)는 전류주파수 제어모드에서, 초기 회전자 지령속도(ω*)가 입력 및 적분되어, 회전자위치를 나타내는 전류주파수 회전자각도(θif)를 출력할 수 있다.
S430 단계에서, 제어부(1300)는 전류주파수 제어모드에서, 전동기(800)에 인가된 초기 지령전류(i* s) 및 전압(v* d, v* q)을 이용하여 전동기(800)의 현재 회전자속도(ωif)를 검출하고, 상기 검출된 현재 회전자속도(ωif)가 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상인지를 판단하기 위해 이 둘의 속도를 비교할 수 있다.
그 후 S440 단계에서, 제어부(1300)는 전류주파수 제어모드에서, 현재 회전자속도(ωif)가 전동기(800)의 기설정된 역기전력 검출속도 이상이라고 판단하는 경우, S450 단계에서 회전 추정부(1100)는 초기 지령전류(i* s)(구체적으로는, 벡터 로테이터부(1000)로부터의 전류(iγ, iδ)) 및 전압(v* d, v* q)을 이용하여 전동기(800)의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 추정된 회전자위치를 나타내는 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00020
)를 산출할 수 있다. 제어부(1300)가 상기와 같은 제어모드에서, 현재 회전자속도(ωif)가 전동기(800)의 기설정된 역기전력 검출속도 미만이라고 판단하는 경우에는 제어 방법은 S430 단계로 진행될 수 있다.
S460 단계에서, 제어부(1300)는 전류주파수 제어모드에서, 전류주파수 회전자각도(θif)와 센서리스 회전자각도(
Figure 112021136570290-pat00021
) 간의 각도 편차를 감소시키기 위한 제어 지령전류(i* sc)를 생성함으로써, 초기 지령전류(i* s)를 제어 지령전류(i* sc)로 조정할 수 있다.
S470 단계에서, 제어부(1300)는 전류주파수 제어모드에서, 제어 지령전류(i* sc)로 인해, 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 제어모드들 간의 전환이 안정적으로 수행된다고 판단하는 경우, 제어모드 스위치(300a, 300b)를 제어하여, 전류주파수 제어모드를 센서리스 제어모드로 전환할 수 있다.
본 발명의 전동기 제어 시스템 및 그에 대한 방법은 전동기 제어 시스템에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 전동기 제어 시스템 100: 속도 제어부
200: MTPA 제어부 300a, 300b: 제1 및 제2 제어모드 스위치
400: 전류 제어부 500: 과변조부
600: SVPWM 처리부 700: PWM 인버터부
800: 전동기 900: 전류 감지부
1000: 벡터 로테이터부 1100: 적분부
1200: 회전 추정부 1300: 제어부

Claims (8)

  1. 전류주파수 제어모드에서, 전동기의 동작 개시를 위해 초기 지령전류가 입력되면 상기 전동기의 회전자속도가 발생되고, 상기 발생된 회전자속도가 초기 회전자 지령속도로서 입력되어 기준 토크를 출력하는 속도 제어부;
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 초기 회전자 지령속도가 입력 및 적분되어, 회전자위치를 나타내는 전류주파수 회전자각도를 출력하는 적분부;
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 역기전력을 추정하는 회전 추정부; 및
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 전동기에 인가된 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 현재 회전자속도를 검출하고, 상기 검출된 현재 회전자속도와 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도를 비교하는 제어부;를 포함하며,
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 현재 회전자속도가 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상이라고 상기 제어부가 판단하는 경우, 상기 회전 추정부는 상기 전동기의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 추정된 회전자위치를 나타내는 센서리스 회전자각도를 산출하는, 전동기 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 제어부는
    상기 전류주파수 회전자각도와 상기 센서리스 회전자각도 간의 각도 편차를 감소시키기 위한 제어 지령전류를 생성함으로써, 상기 초기 지령전류를 상기 제어 지령전류로 조정하는, 전동기 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 제어 지령전류로 인해, 상기 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 제어모드들 간의 전환이 안정적으로 수행된다고 판단하는 경우, 제어모드 스위치를 제어하여, 상기 전류주파수 제어모드를 상기 센서리스 제어모드로 전환하는, 전동기 제어 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 기준 토크를 출력하기 위해, 상기 속도 제어부에 다음 식과 같은 토크 값(T)을 제공하고,
    Figure 112021136570290-pat00022

    여기서, P는 상기 회전자의 극수이고, Φm는 상기 전동기의 영구자석의 자속이고, iq 및 id 각각은 상기 초기 지령전류에 대한 상기 전동기의 d축 및 q축의 전류이며, 그리고 Ld 및 Lq 각각은 상기 d축 및 q축의 인덕턴스인, 전동기 제어 시스템.
  5. 전류주파수 제어모드에서, 전동기의 동작 개시를 위해 초기 지령전류가 입력되면 상기 전동기의 회전자속도가 발생되고, 상기 발생된 회전자속도가 초기 회전자 지령속도로서 입력되어 기준 토크를 출력하는 단계;
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 초기 회전자 지령속도가 입력 및 적분되어, 회전자위치를 나타내는 전류주파수 회전자각도를 출력하는 단계;
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 전동기에 인가된 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 현재 회전자속도를 검출하고, 상기 검출된 현재 회전자속도가 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상인지를 판단하는 단계; 및
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 검출된 현재 회전자속도가 상기 전동기의 기설정된 역기전력 검출속도 이상이라고 판단하는 경우, 상기 초기 지령전류 및 전압을 이용하여 상기 전동기의 역기전력을 추정하고, 추정된 역기전력을 기반으로 하여, 추정된 회전자위치를 나타내는 센서리스 회전자각도를 산출하는 단계;를 포함하는, 전동기 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 전류주파수 회전자각도와 상기 센서리스 회전자각도 간의 각도 편차를 감소시키기 위한 제어 지령전류를 생성함으로써, 상기 초기 지령전류를 상기 제어 지령전류로 조정하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어 지령전류로 인해, 상기 전류주파수 제어모드로부터 센서리스 제어모드로 전환되는 제어모드들 간의 전환이 안정적으로 수행된다고 판단하는 경우, 제어모드 스위치를 제어하여, 상기 전류주파수 제어모드를 상기 센서리스 제어모드로 전환하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 전류주파수 제어모드에서, 상기 기준 토크를 출력하기 위해, 다음 식과 같은 토크 값(T)을 제공하고,
    Figure 112021136570290-pat00023

    여기서, P는 상기 회전자의 극수이고, Φm는 상기 전동기의 영구자석의 자속이고, iq 및 id 각각은 상기 초기 지령전류에 대한 상기 전동기의 d축 및 q축의 전류이며, 그리고 Ld 및 Lq 각각은 상기 d축 및 q축의 인덕턴스인, 전동기 제어 방법.
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