KR102515057B1 - 모터 제어 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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KR102515057B1 KR1020210183574A KR20210183574A KR102515057B1 KR 102515057 B1 KR102515057 B1 KR 102515057B1 KR 1020210183574 A KR1020210183574 A KR 1020210183574A KR 20210183574 A KR20210183574 A KR 20210183574A KR 102515057 B1 KR102515057 B1 KR 102515057B1
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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters

Abstract

본 발명은 모터 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 두 개의 모터에 흐르는 전류의 차이를 통해 두 개의 모터 사이의 위상 오차를 추정하고, 위상 오차와 임계값을 비교하여 감쇠 계수를 조절하고,　보상 전류을 설정함으로써, 하나의 모터 제어 장치를 통해 두 개의 모터를 제어할 수 있다. 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 위와　같은　방법을　이용함으로써, 두 개의 모터 사이의 동기화가 해제되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

모터 제어 장치 및 그 제어 방법{MOTOR CONTROL APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 모터 제어 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
모터 제어 장치는 회전 운동을 하는 회전자와 코일이 감긴 고정자를 구비하는 모터를 구동하기 위한 장치이다.
이와 같은 모터 제어 장치는 전원부로부터 교류 전압을 공급받아서 3상 모터에 공급한다. 이때 전원부로부터 공급된 교류 전압은 모터 제어 장치의 컨버터, 평활화 커패시터, 인버터 등을 거쳐서 3상 모터를 동작 시키기에 적절한 전압으로 변경되어서 3상 모터에 인가된다. 이때 모터 제어 장치의 인버터는 복수 개의 스위칭 소자를 포함하며, 스위칭 소자의 스위칭 동작은 제어부에 의해 제어된다. 그리고 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 3상 모터에 인가되는 전압이 결정되고, 이에 따라 3상 모터의 동작 속도가 결정된다.
이와 같은 모터 제어 장치는 하나의 모터 제어 장치에 두 개의 모터가 연결되어 제어되도록 설계될 수 있다. 이러한 모터 제어 장치는 등록특허 KR 10-1623652에 개시되어 있다.
하나의 모터 제어 장치를 통해 두 개의 모터를 제어하는 방법으로는 평균 전류 제어방법, 마스터-슬레이브 제어방법 등이 있다.
이 중 종래 기술에 따른 마스터-슬레이브 제어방법은 두 개의 모터 중 어느 하나의 모터를 마스터 모터로 사용하여 제어하는 방법이다. 이때 모터 제어 장치는 마스터 모터와 슬레이브 모터의 위상을 동기화 시켜서 전류가 안정적 이도록 하여, 두 개의 모터가 연속적으로 운전 가능하도록 한다. 그러나 마스터 모터 또는 슬레이브 모터에 외력이 가해져서, 마스터 모터와 슬레이브 모터의 위상의 동기화가 해제될 수 있다.
종래에는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 전류의 맥동을 보상하여서, 두 개의 모터의 위상을 동기화 시켰다. 그러나 이와 같은 방법은 마스터 모터와 슬레이브 모터 간의 위상 오차의 주기적인 특성이 고려되지 않아, 위상 오차가 45도 이하일 때는 효과가 작다.
본 발명의 목적은 하나의 모터 제어 장치를 이용하여 두 개의 모터를 제어하는 모터 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 두 개의 모터 사이의 위상 오차를 추정하여 하나의 모터 제어 장치를 이용하여 두 개의 모터를 제어하는 모터 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 두 개의 모터 사이의 위상 오차의 임계값을 설정하여 하나의 모터 제어 장치를 이용하여 두 개의 모터를 제어하는 모터 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 제한값을 설정하여 하나의 모터 제어 장치를 이용하여 두 개의 모터를 제어하는 모터 제어 장치 및 그 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 두 개의 모터에 흐르는 전류를 검출하고, 이를 통해 인버터의 스위칭 소자에 인가되는 전압을 조절함으로써, 하나의 모터 제어 장치를 통해 두 개의 모터를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 두 개의 모터에 흐르는 전류의 차이를 통해 두 개의 모터 사이의 위상 오차를 추정하고, 위상 오차를 이용하여 보상 전류을 설정함으로써, 하나의 모터 제어 장치를 통해 두 개의 모터를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 두 개의 모터 사이의 위상 오차의 임계값을 설정하고, 위상 오차와 임계값을 비교하여 감쇠 계수를 조절함으로써, 하나의 모터 제어 장치를 이용하여 두 개의 모터를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 제한값을 설정하고, 보상 전류가 제한값보다 크면 제한값을 보상 전류로 설정함으로써, 하나의 모터 제어 장치를 이용하여 두 개의 모터를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 하나의 모터 제어 장치를 통해 두 개의 모터를 제어함으로써, 복수 개의 모터를 구동 할 때 모터 제어 장치를 모터 개수만큼 설치하지 않아서 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 두 개의 모터에 흐르는 전류의 차이를 통해 두 개의 모터 사이의 위상 오차를 추정하고 보상 전류를 설정함으로써, 두 개의 모터 사이의 동기화가 해제되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 두 개의 모터 사이의 위상 오차의 임계값을 설정하고 감쇠 계수를 조절함으로써, 위상 오차가 클 때 두 개의 모터의 동기화가 해제되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어방법은 제한값을 설정하고, 보상 전류가 제한값보다 크면 제한값을 보상 전류로 설정함으로써, 두 개의 모터에 공급되는 전압 또는 전류가 급격하게 변하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 내부 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 내부 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 제어부의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 보상 전류 설정부의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 스위칭 전압 조절부의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 모터 제어 장치의 제어부가 인버터의 스위칭 소자에 인가되는 전압을 조절하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 임계값을 설정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 모터 제어 장치 및 그 제어 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 내부 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 내부 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치(100)는 인버터(110) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치(100)는 컨버터(130) 및 평활화 커패시터(140)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치(100)는 센서리스(sensorless) 방식으로 모터를 구동하기 위한 것이다.
인버터(110)는 복수 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)를 포함한다. 인버터(110)는 복수 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)가 온/오프 되는 동작을 통해 직류 전압을 소정 주파수의 3상 교류 전압으로 변환하여 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)에 공급하여 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)를 구동 시킬 수 있다.
인버터(110)는 각각 서로 직렬로 연결되는 상측 스위칭 소자(S1, S3, S5)와 하측 스위칭 소자(S2, S4, S6)를 한 쌍으로 하여, 총 세 쌍의 상, 하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다. 인버터(110)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)는 전력 트랜지스터 일 수 있으며, 예를 들어 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor) 일 수 있다.
인버터(110) 내의 복수 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)는 제어부(120)로부터 인가된 전압에 기초하여 스위칭 동작을 한다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 3상 교류 전압이 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)에 출력된다.
제어부(120)는 인버터(110)를 제어한다. 보다 상세히, 제어부(120)는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)의 3상에 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류를 이용하여 인버터(110) 내의 복수 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 인가되는 전압을 조절한다.
제어부(120)는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 중 어느 하나의 모터를 마스터 모터로 선택하고, 다른 하나의 모터를 슬레이브 모터로 선택하여 마스터-슬레이브 제어방법을 통해 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)를 제어할 수 있다.
마스터-슬레이브 제어방법은 제어부(120)가 제1 모터(200)에 걸리는 부하와 제2 모터(210)에 인가되는 부하를 비교한 후, 상대적으로 더 많은 부하가 인가되는 모터를 마스터 모터로 선택하고, 상대적으로 더 적은 부하가 인가되는 모터를 슬레이브 모터로 선택하여 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)를 제어하는 방법이다. 이때 제어부(120)는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)의 3상에 흐르는 전류를 검출하고, 검출된 전류를 피드백하여 인버터(110) 내의 복수 개의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 인가되는 전압을 조절한다.
이하에서는 제어부(120)가 마스터-슬레이브 제어방법을 이용하여 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)를 제어하고, 제1 모터(200)를 마스터 모터로 선택하고 제2 모터(210)를 슬레이브 모터로 선택한 상황을 가정하여 설명하도록 한다. 그러나 제어부(120)가 제2 모터(210)를 마스터 모터로 선택하고 제1 모터(200)를 슬레이브 모터로 선택한 상황에도 본 발명이 적용될 수 있다.
제어부(120)는 속도 추정부(121), 보상 전류 설정부(122) 및 스위칭 전압 조절부(123)를 포함한다. 이때 제어부(120)의 스위칭 전압 조절부(123)는 전류 지령 설정부(123a), 전류 지령 조절부(123b) 및 전압 조절부(123c)를 포함할 수 있다. 제어부(120)가 포함하는 구성요소들의 보다 상세한 동작에 관하여는 도 3 내지 도 5를 이용하여 후술하도록 한다.
컨버터(130)는 전원부(300)를 통해 인가되는 입력 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력한다. 컨버터(130)는 스위칭 소자 없이 다이오드 등으로 이루어져 별도의 스위칭 동작 없이 정류 동작을 수행할 수 있다.
전원부(300)를 통해 인가되는 입력 교류 전압이 단상 교류 전압인 경우, 컨버터(130)는 4개의 다이오드가 브리지 형태로 구성된 구조일 수 있다. 또한, 입력 교류 전압이 단상 교류 전압인 경우, 컨버터(130)는 2개의 스위칭 소자와 4개의 다이오드가 연결된 하프브리지 형태의 구조일 수 있다.
입력 교류 전압이 3상 교류 전압인 경우, 컨버터(130)는 6개의 다이오드가 브리지 형태로 구성된 구조일 수 있다. 또한, 입력 교류 전압이 3상 교류 전압인 경우, 컨버터(130)는 6개의 스위칭 소자 및 6개의 다이오드가 연결된 구조일 수 있다.
컨버터(130)가 스위칭 소자를 구비한 구조일 경우, 컨버터(130)는 해당 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 승압 동작, 역률 개선 및 직류 전압 변환을 수행할 수도 있다.
평활화 커패시터(140)는 컨버터(130)를 통해 변환된 직류 전압을 평활화하고, 이를 저장한다. 도 2에는 평활화 커패시터(140)로 하나의 커패시터가 도시되어 있으나, 복수 개의 커패시터가 구비되어 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
제1 모터(200) 및 제2 모터(210)는 3상 모터로서, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 3상의 각 상의 고정자의 코일에 소정 주파수의 교류 전압이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)는 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface Mounted Permanent Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM) 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
이하에서는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)가 영구 자석이 대칭으로 형성된 표면 부착형 영구 자석 동기 모터(SPMSM)인 것을 중심으로 기술한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 제어부의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치(100)의 제어부(120)는 속도 추정부(121), 보상 전류 설정부(122) 및 스위칭 전압 조절부(123)를 포함한다. 이때 제어부(120)의 스위칭 전압 조절부(123)는 전류 지령 설정부(123a), 전류 지령 조절부(123b) 및 전압 조절부(123c)를 포함할 수 있다.
제어부(120)는 내부에 포함된 검출부(미도시)를 통해 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)의 3상에 흐르는 전류를 검출할 수 있다. 이때 전류를 검출하기 위해, CT(Current Transformer), 션트 저항 등이 검출부에 사용될 수 있다.
제어부(120)는 검출부를 통해 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)의 3상에 흐르는 전류를 모두 검출할 수 있다. 제어부(120)는 검출부를 통해 3상 중 2상에 흐르는 전류만을 검출한 후, 3상 평형을 이용하여 나머지 1상에 흐르는 전류를 산출할 수 있다.
제어부(120)는 내부에 포함된 변환부(미도시)를 통해 검출부를 통해 검출된 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)의 3상에 흐르는 전류를 변환하여 회전좌표계의 2상 전류로 변환할 수 있다. 즉, 변환부는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)의 3상에 흐르는 전류를 회전좌표계의 d축 전류인 자속 전류와 회전좌표계의 q축 전류인 토크 전류로 변환할 수 있다.
속도 추정부(121)는 제1 모터(200)에 흐르는 전류를 이용하여 제1 모터(200)의 속도를 추정할 수 있다. 이때 속도 추정부(121)는 제1 모터(200)의 속도를 추정하기 위해, 변환부를 통해 변환된 제1 모터(200)의 회전좌표계의 2상 전류를 이용할 수 있다.
보상 전류 설정부(122)는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)에 흐르는 전류의 차이와 제1 모터(200)의 속도를 이용하여 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 위상 오차를 추정할 수 있다. 그리고 보상 전류 설정부(122)는 위상 오차, 감쇠 계수 및 임계값을 이용하여 보상 전류를 설정할 수 있다.
보상 전류 설정부(122)의 보다 상세한 동작은 도 4를 이용하여 설명될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 보상 전류 설정부의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 보상 전류 설정부(122)는 속도 추정부(121)로부터 추정된 제1 모터(200)의 속도와 변환부를 통해 변환된 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)의 회전좌표계의 2상 전류를 입력받는다. 보상 전류 설정부(122)가 입력 받은 값들은 위상 오차 추정부(122a)를 통과한다. 위상 오차 추정부(122a)는 식 1을 이용하여 위상 오차를 추정한다. 이때 식 1은 아래와 같다.
Figure 112021147888407-pat00001
여기서
Figure 112021147888407-pat00002
는 추정된 제1 모터(200)와 제2 모터(210) 간의 위상 오차를 나타낸다.
Figure 112021147888407-pat00003
는 제1 모터(200)를 기준 축으로 할 때, 제1 모터(200)의 자속 전류를 의미한다.
Figure 112021147888407-pat00004
는 제1 모터(200)를 기준 축으로 할 때, 제2 모터(210)의 자속 전류를 의미한다.
Figure 112021147888407-pat00005
는 제1 모터(200)를 기준 축으로 할 때, 제1 모터(200)의 토크 전류를 의미한다.
Figure 112021147888407-pat00006
는 제1 모터(200)를 기준 축으로 할 때, 제2 모터(210)의 토크 전류를 의미한다.
Figure 112021147888407-pat00007
은 제1 모터(200)의 속도를 나타낸다. Rs는 모터(200, 210) 내의 고정자의 저항을 나타낸다. Ls는 모터(200, 210)의 상 인덕턴스를 나타낸다.
Figure 112021147888407-pat00008
는 모터(200, 210)에 포함된 영구 자석으로부터 생기는 쇄교 자속을 나타낸다.
식 1을 통해 확인할 수 있듯이, 제1 모터(200)와 제2 모터(210) 간의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00009
)는 제2 모터(210)의 자속 전류(
Figure 112021147888407-pat00010
)와 제1 모터(200)의 자속 전류(
Figure 112021147888407-pat00011
)의 차이(
Figure 112021147888407-pat00012
)와 제2 모터(210)의 토크 전류(
Figure 112021147888407-pat00013
)와 제1 모터(200)의 토크 전류(
Figure 112021147888407-pat00014
)의 차이(
Figure 112021147888407-pat00015
)를 통하여 추정될 수 있다. 즉, 위상 오차는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)에 흐르는 전류의 차이와 제1 모터(200)의 속도를 이용하여 추정될 수 있다.
즉, 보상 전류 설정부(122)는 내부에 포함된 위상 오차 추정부(122a)에 입력 값들을 통과시킴으로써, 제1 모터(200)와 제2 모터(210) 간의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00016
)를 추정할 수 있다.
그리고 나서 보상 전류 설정부(122)를 위상 오차 추정부 (122a)를 통해 추정된 위상 오차를 속도 오차 추정부(122b)를 통과시킴으로써 속도 오차(
Figure 112021147888407-pat00017
)를 추정할 수 있다. 속도 오차 추정부(122b)는 입력 받은 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00018
)를 PI(Proportional-Integral) 제어기를 통과시킴으로써 PI 제어한다. 그리고 속도 오차 추정부(122b)는 PI 제어기를 통해 PI 제어한 결과를 적분하고, 적분한 결과를 피드백하여 속도 오차(
Figure 112021147888407-pat00019
)를 추정할 수 있다.
속도 오차 추정부(122b)가 단순히 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00020
)를 적분하여 속도 오차(
Figure 112021147888407-pat00021
)를 추정하지 않고, 위와 같이 PI 제어, 적분 및 피드백을 거쳐서 추정함으로써, 속도 오차(
Figure 112021147888407-pat00022
)의 추정 과정에서 발생하는 노이즈를 줄일 수 있다.
그리고 나서 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00023
)와 속도 오차(
Figure 112021147888407-pat00024
)는 곱셈기를 통과하고 보상 전류 연산부(122c)로 입력된다. 보상 전류 연산부(122c)는 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00025
)와 속도 오차(
Figure 112021147888407-pat00026
)가 곱해진 결과에 감쇠 계수(Kdamp)를 곱하여 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00027
)를 연산할 수 있다. 이때 감쇠 계수(Kdamp)는 모터를 얼마나 빠르게 동기화 시킬지 결정하는 계수로, 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다. 즉, 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00028
)는 아래의 식 2와 같이 연산될 수 있다.
Figure 112021147888407-pat00029
이때 감쇠 계수(Kdamp)은 추정된 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00030
)의 크기에 따라 변할 수 있다. 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00031
)가 임계값 이하이면, 스위치(122e)는 오프되어 감쇠 계수(Kdamp)으로 처음 설정된 값이 이용된다.
이는 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00032
)가 임계값 이하이면, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00033
)가 존재하나, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 동기화가 해제될 확률이 낮은 단계인 것이기 때문이다. 따라서 보상 전류 설정부(122)가 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00034
)가 임계값 이하라고 판단하면, 감쇠 계수(Kdamp)를 증가시키지 않고, 감쇠 계수(Kdamp)로 처음 설정된 값을 이용한다.
그러나 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00035
)가 임계값보다 크면, 스위치(122e)는 온 되고, 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00036
)의 음의 값이 PI 제어기(122d)를 통과하여 보상 전류 연산부(122c)에 입력된다. 이에 따라, 감쇠 계수(Kdamp)는 처음 설정된 값보다 증가되고, 보상 전류 연산부(122c)는 증가된 감쇠 계수(Kdamp)를 이용하여 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00037
)를 연산한다.
이는 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00038
)가 임계값 보다 크면, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00039
)가 존재하고, 이로 인하여 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 동기화가 해제될 확률이 높은 단계인 것이기 때문이다. 따라서 보상 전류 설정부(122)가 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00040
)가 임계값 보다 크다고 판단하면 감쇠 계수(Kdamp)를 증가시키고, 증가된 감쇠 계수(Kdamp)를 이용한다.
이와 같이 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00041
)의 크기에 따라 다른 크기의 감쇠 계수를 이용함으로써, 위상 오차가 클 때 보상 전류를 더 크게 하여, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)의 동기화가 해제되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
이때 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00042
)와 비교하는 대상인 임계값은 제2 모터(210)에 걸리는 토크의 변화량이 0이 되도록 하는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 위상 오차와 일정한 마진을 두고 설정된다. 보상 전류 설정부(122)가 임계값을 설정하는 보다 상세한 방법은 도 7을 이용하여 후술하도록 한다.
그리고 나서 연산된 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00043
)는 제한부(122f)를 통과한다. 제한부(122f)는 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00044
)를 미리 설정된 제한값과 비교하여, 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00045
)가 제한값보다 크면 제한값을 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00046
)로 설정한다.
보상 전류 설정부(122)는 제한부(122f)를 통해 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00047
)가 과도해지는 것을 방지한다. 이를 통해, 하기 설명될 전류 지령 조절부(123b)를 통해 출력되는 전류 지령이 급격히 변하는 것을 방지하여, 최종적으로 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)에 공급되는 전압 또는 전류가 급격하게 변하는 것을 방지한다. 이로 인해, 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)를 더욱 안정적으로 제어할 수 있다.
다시 도 3으로 돌아와서, 스위칭 전압 조절부(123)는 목표 속도, 추정된 제1 모터(200)의 속도 및 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00048
)를 이용하여, 인버터(110)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 인가되는 전압을 조절한다.
스위칭 전압 조절부(123)의 보다 상세한 동작은 도 5를 이용하여 설명될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 스위칭 전압 조절부의 상세 구조를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 스위칭 전압 조절부(123)는 전류 지령 설정부(123a), 전류 지령 조절부(123b) 및 전압 조절부(123c)를 포함한다.
전류 지령 설정부(123a)는 사용자로부터 미리 설정된 목표 속도와 추정된 제1 모터(200)의 속도를 이용하여 전류 지령을 설정할 수 있다. 전류 지령 설정부(123a)는 목표 속도와 제1 모터(200)의 속도의 차이값을 연산하고, 연산된 차이값을 PI 제어기를 통과시켜서 전류 지령을 설정할 수 있다.
전류 지령 조절부(123b)는 보상 전류 설정부(122)를 통해 설정된 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00049
)와 전류 지령 설정부(123a)를 통해 설정된 전류 지령을 이용하여 전류 지령을 조절할 수 있다. 전류 지령 조절부(123b)는 전류 지령 설정부(123a)가 설정한 전류 지령에 보상 전류 설정부(122)를 통해 설정된 보상 전류(
Figure 112021147888407-pat00050
)를 더함으로써 전류 지령을 조절할 수 있다.
전압 조절부(123c)는 전류 지령 조절부(123b)를 통해 조절된 전류 지령을 이용하여 인버터(110)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 인가되는 전압을 조절한다. 전압 조절부(123c)는 입력받은 전류 지령을 PI 제어기를 통과시켜서 인버터(110)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 인가되는 전압을 조절할 수 있다.
도 6은 모터 제어 장치의 제어부가 인버터의 스위칭 소자에 인가되는 전압을 조절하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 속도 추정부(121)는 검출부를 통해 제1 모터(200)로부터 검출된 전류를 이용하여 제1 모터(200)의 속도를 추정한다(S600).
그리고 나서 보상 전류 설정부(122)는 검출부를 통해 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)로부터 검출된 전류의 차이와 제1 모터(200)의 속도를 이용하여 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 위상 오차를 추정한다(S610). 위상 오차를 추정할 때, 상기 식 1이 사용될 수 있다.
그 후 보상 전류 설정부(122)는 추정된 위상 오차가 임계값 이하인지 여부를 판단한다(S620).
만일 위상 오차가 임계값 이하이면, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 위상 오차가 존재하나, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 동기화가 해제될 확률이 낮은 단계인 것이다. 따라서 보상 전류 설정부(122)가 위상 오차가 임계값 이하라고 판단하면, 감쇠 계수를 증가시키는 단계(S630)을 생략하고 다음 단계(S640)로 넘어간다.
만일 위상 오차가 임계값 보다 크면, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 위상 오차가 존재하고, 이로 인하여 제1 모터(200)와 제2 모터(210)간의 동기화가 해제될 확률이 높은 단계인 것이다. 따라서 보상 전류 설정부(122)가 위상 오차가 임계값 보다 크다고 판단하면 감쇠 계수를 증가시킨다(S630).
이와 같이 위상 오차의 크기에 따라 다른 크기의 감쇠 계수를 이용함으로써, 위상 오차가 클 때 보상 전류를 더 크게 하여, 제1 모터(200)와 제2 모터(210)의 동기화가 해제되는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
이때 위상 오차와 비교하는 대상인 임계값은 제2 모터(210)에 걸리는 토크의 변화량이 0이 되도록 하는 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 위상 오차와 일정한 마진을 두고 설정된다. 임계값을 설정하는 보다 상세한 방법은 도 7을 이용하여 후술하도록 한다.
그리고 나서 보상 전류 설정부(122)는 위상 오차를 이용하여 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 속도 오차를 추정한다(S640). 이때 속도 오차는 위상 오차를 PI 제어기를 통과시킴으로써 PI 제어하고, PI 제어기를 통해 PI 제어한 결과를 적분하고, 적분한 결과를 피드백하여 추정할 수 있다.
보상 전류 설정부(122)가 단순히 위상 오차를 적분하여 속도 오차를 추정하지 않고, 위와 같이 PI 제어, 적분 및 피드백을 거쳐서 추정함으로써, 속도 오차의 추정 과정에서 발생하는 노이즈를 줄일 수 있다.
그리고 보상 전류 설정부(122)는 위상 오차, 속도 오차 및 감쇠 계수를 곱하여 보상 전류를 설정한다(S650). 보상 전류를 설정할 때, 상기 식 2가 이용될 수 있다.
그리고 보상 전류 설정부(122)는 설정된 보상 전류가 제한값보다 크면 제한값을 보상 전류로 설정할 수 있다. 이를 통해 보상 전류가 과도해져서 전류 지령이 급격히 변하고, 최종적으로 제1 모터(200) 및 제2 모터(210)에 공급되는 전압 또는 전류가 급격하게 변하는 것을 방지할 수 있다.
마지막으로 스위칭 전압 조절부(123)는 목표 속도, 제1 모터(200)의 속도 및 보상 전류를 이용하여 인버터(110)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 인가되는 전압을 조절한다(S660). 스위칭 전압 조절부(123)는 제1 모터(200)의 속도와 목표 속도를 이용하여 전류 지령을 설정한다. 그리고 보상 전류를 이용하여 전류 지령을 조절한다. 그리고 나서 조절된 전류 지령을 이용하여 인버터(110)의 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4, S5, S6)에 인가되는 전압을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 임계값을 설정하는 방법을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 제1 모터(200)와 제2 모터(210) 사이의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00051
)와 제2 모터(210)에 걸리는 토크(TM2)의 관계를 나타낸 그래프를 확인할 수 있다.
제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00052
)가 크면, 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 동기화가 해제될 수 있다. 따라서 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00053
)는 0도를 기준으로 그래프 상의 화살표에 표시된 범위를 벗어나지 않도록 제어하는 것이 바람직하다.
이때 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00054
)가 증가하여 제2 모터(210)에 걸리는 토크(TM2)가 최대값(TM2.max)을 가지는 지점을 지나면, 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 동기화가 해제된다. 따라서 토크(TM2)가 최대값(TM2.max)을 가지는 지점에서의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00055
)가 되기 전에 보상 전류를 더욱 증가시켜서 제1 모터(200) 및 제2 모터(210) 간의 동기화가 해제되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 따라서 임계값은 토크(TM2)가 최대값(TM2.max)을 가지는 지점에서의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00056
)와 일정한 마진을 두고 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 임계값은 토크(TM2)가 최대값(TM2.max)을 가지는 지점에서의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00057
)의 80%의 값을 가지도록 설정될 수 있다. 즉, 임계값은 토크(TM2)가 최대값(TM2.max)을 가지는 지점에서의 위상 오차(
Figure 112021147888407-pat00058
)와 20%의 마진을 가지도록 설정될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
100: 모터 제어 장치 110: 인버터
120: 제어부 121: 속도 추정부
122: 보상 전류 설정부 123: 스위칭 전압 조절부
123a: 전류 지령 설정부 123b: 전류 지령 조절부
123c: 전압 조절부 200: 제1 모터
210: 제2 모터

Claims (14)

  1. 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 제1 모터 및 제2 모터를 구동하는 인버터; 및
    상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 제1 모터에 흐르는 전류를 이용하여 상기 제1 모터의 속도를 추정하는 속도 추정부;
    상기 제1 모터 및 상기 제2 모터에 흐르는 전류의 차이와 상기 제1 모터의 속도를 이용하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 위상 오차를 추정하고, 상기 위상 오차, 미리 설정된 감쇠 계수 및 임계값을 이용하여 보상 전류를 설정하는 보상 전류 설정부; 및
    목표 속도, 상기 제1 모터의 속도 및 상기 보상 전류를 이용하여 상기 인버터의 상기 스위칭 소자에 인가되는 전압을 조절하는 스위칭 전압 조절부를 포함하고,
    상기 감쇠 계수는 상기 위상 오차의 크기에 따라서 변할 수 있는
    모터 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보상 전류 설정부는 상기 위상 오차가 상기 임계값 이하이면, 상기 위상 오차를 이용하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 속도 오차를 추정하고, 상기 위상 오차, 상기 속도 오차 및 상기 감쇠 계수를 곱하여 상기 보상 전류를 설정하는
    모터 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보상 전류 설정부는 상기 위상 오차가 상기 임계값보다 크면, 상기 감쇠 계수를 증가시키고, 상기 위상 오차를 이용하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 속도 오차를 추정하고, 상기 위상 오차, 상기 속도 오차 및 상기 증가된 감쇠 계수를 곱하여 상기 보상 전류를 설정하는
    모터 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보상 전류 설정부는 상기 보상 전류가 제한값보다 크면 상기 제한값을 보상 전류로 설정하는
    모터 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 임계값은 상기 제2 모터에 걸리는 토크의 변화량이 0이 되도록 하는 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 위상 오차와 일정한 마진을 두고 설정되는 값인
    모터 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 전압 조절부는
    상기 제1 모터의 속도와 목표 속도를 이용하여 전류 지령을 설정하는 전류 지령 설정부; 및
    상기 보상 전류를 이용하여 상기 전류 지령을 조절하는 전류 지령 조절부를 더 포함하는
    모터 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭 전압 조절부는
    상기 조절된 전류 지령을 이용하여 상기 스위칭 소자에 인가되는 전압을 조절하는 전압 조절부를 더 포함하는
    모터 제어 장치.
  8. 복수 개의 스위칭 소자를 이용하여 제1 모터 및 제2 모터를 구동하는 인버터를 포함하는 모터를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 제1 모터에 흐르는 전류를 이용하여 상기 제1 모터의 속도를 추정하는 단계;
    상기 제1 모터 및 상기 제2 모터에 흐르는 전류의 차이와 상기 제1 모터의 속도를 이용하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 위상 오차를 추정하는 단계;
    상기 위상 오차, 미리 설정된 감쇠 계수 및 임계값을 이용하여 보상 전류를 설정하는 단계; 및
    목표 속도, 상기 제1 모터의 속도 및 상기 보상 전류를 이용하여 상기 인버터의 상기 스위칭 소자에 인가되는 전압을 조절하는 단계를 포함하고,
    상기 감쇠 계수는 상기 위상 오차의 크기에 따라서 변할 수 있는
    모터 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보상 전류를 설정하는 단계는
    상기 위상 오차가 상기 임계값 이하이면, 상기 위상 오차를 이용하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 속도 오차를 추정하는 단계; 및
    상기 위상 오차, 상기 속도 오차 및 상기 감쇠 계수를 곱하여 상기 보상 전류를 설정하는 단계를 포함하는
    모터 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 보상 전류를 설정하는 단계는
    상기 위상 오차가 상기 임계값보다 크면, 상기 감쇠 계수를 증가시키는 단계;
    상기 위상 오차를 이용하여 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 속도 오차를 추정하는 단계; 및
    상기 위상 오차, 상기 속도 오차 및 상기 증가된 감쇠 계수를 곱하여 상기 보상 전류를 설정하는 단계를 포함하는
    모터 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 보상 전류를 설정하는 단계는
    상기 보상 전류가 제한값보다 크면, 상기 제한값을 보상 전류로 설정하는 단계를 더 포함하는
    모터 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 임계값은 상기 제2 모터에 걸리는 토크의 변화량이 0이 되도록 하는 상기 제1 모터 및 상기 제2 모터 간의 위상 오차와 일정한 마진을 두고 설정되는 값인
    모터 제어 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 전압을 조절하는 단계는
    상기 제1 모터의 속도와 목표 속도를 이용하여 전류 지령을 설정하는 단계; 및
    상기 보상 전류를 이용하여 상기 전류 지령을 조절하는 단계를 포함하는
    모터 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전압을 조절하는 단계는
    상기 조절된 전류 지령을 이용하여 상기 스위칭 소자에 인가되는 전압을 조절하는 단계를 포함하는
    모터 제어 방법.
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