KR102547385B1 - 인버터 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전동기의 정지 상태에서 전동기의 제어에 이용되는 전동기의 제정수를 추정하기 위한 인버터 제어 장치로서, 전동기의 회전 방지를 위한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성부와, 전류 지령과 전동기의 전류를 측정한 측정 전류를 기초로 전압 지령을 생성하는 전류 제어부와, 전압 지령을 한 주기 동안 구간 별로 정적분하여 전류 지령의 진폭에 대한 전압 지령의 진폭의 비인 매개 변수를 산출하는 변수 산출부와, 매개 변수를 기초로 전동기의 제정수를 추정하는 제정수 추정부를 포함하는 인버터 제어 장치를 제공한다.

Description

인버터 제어 장치{APPARATUS FOR CONTROLLING INVERTER}
본 발명은 인버터 제어 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 전동기의 제정수를 추정하기 위한 인버터 장치에 관한 것이다.
일반적으로 인버터는 전기적으로 직류(DC)를 교류(AC)로 변환하는 역변환 장치로서, 산업계에서 사용되는 인버터는 상용 전원으로부터 공급된 전력을 입력 받아 자체적으로 전압과 주파수를 가변하여 전동기에 공급함으로써 전동기 속도를 고효율로 이용하게 제어하는 일련의 장치로 정의된다.
이러한 인버터는, 가변전압 가변주파수(Variable Voltage Variable Frequency; VVVF) 방식에 의해 제어되며, 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 출력 따라 전동기에 입력되는 전압과 주파수를 가변할 수 있다.
도 1은 일반적인 인버터의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 인버터(10)는 3상의 교류 전원을 인가 받아, 정류부(11)가 이를 정류하고, 평활부(12)는 정류부(11)가 정류한 직류 전압을 평활하여 저장한다. 그리고, 인버터부(13)는 평활부(12)인 직류 링크 커패시터에 저장된 직류 전압을 PWM 제어 신호에 따라 소정 전압 및 주파수를 가지는 교류 전압을 출력하여, 이를 전동기에 제공한다.
한편, 인버터(10)를 제어하는데 필요한 전동기의 정지 좌표계 회전자 자속을 추정하기 위해서는 전동기의 제정수 정보가 필요하다. 그러나, 전동기의 제정수 정보는 일반적으로 전동기 제작사가 제공하지 않으며, 제공하더라도 공정 상 오차가 발생하기 때문에 제정수 정보를 추정해서 사용한다.
만약, 제정수 정보에 오차가 발생하는 경우 전동기의 제어 성능이 저하되어 운전 효율이 저하되거나 운전 실패를 야기하게 된다.
일반적으로 제정수 정보는 전동기의 회전 상태에서 추정하지만 전동기의 회전이 불가능한 경우가 존재하기 때문에 전동기의 정지 상태에서 제정수 추정 방법이 필요한 실정이다.
본 발명은 제어 성능을 향상 시키고 전동기의 제정수 오차에 따른 운전 효율 저감을 방지할 수 있는 인버터 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 데드 타임 등의 인버터 비선형성으로 인해 발생되는 전압 왜곡에 강인한 인버터 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 전동기의 정지 상태에서 전동기의 제어에 이용되는 전동기의 제정수를 추정하기 위한 인버터 제어 장치로서, 전동기의 회전 방지를 위한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성부와, 전류 지령과 전동기의 전류를 측정한 측정 전류를 기초로 전압 지령을 생성하는 전류 제어부와, 전압 지령을 한 주기 동안 구간 별로 정적분하여 전류 지령의 진폭에 대한 전압 지령의 진폭의 비인 매개 변수를 산출하는 변수 산출부와, 매개 변수를 기초로 전동기의 제정수를 추정하는 제정수 추정부를 포함하는 인버터 제어 장치를 제공한다.
여기서, 매개 변수는, 전류 지령의 진폭에 대한 전압 지령의 코사인 성분의 진폭의 비인 제1 매개 변수와, 전류 지령의 진폭에 대한 전압 지령의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제2 매개 변수를 포함할 수 있다.
또한, 변수 산출부는, 전압 지령의 한 주기를 1/4 구간씩 나누어 전압 지령에 대한 정적분을 구간 별로 수행하여 제1 내지 제4 적분값을 산출하고, 제1 내지 제4 적분값을 기초로 제1 및 제2 매개 변수를 산출할 수 있다.
또한, 변수 산출부는, 제1 적분값에서 제2 적분값을 뺀 제1 적분 차이값, 제3 적분값에서 제2 적분값을 뺀 제2 적분 차이값, 제4 적분값에서 제3 적분값을 뺀 제3 적분 차이값 및 제4 적분값에서 제1 적분값을 뺀 제4 적분 차이값을 조합하여 제1 및 제2 매개 변수를 산출할 수 있다.
또한, 전류 지령은 일정 주파수를 갖는 하나의 정지 좌표계 d축 전류일 수 있다.
또한, 전류 지령은, 제1 주파수를 갖는 정지 좌표계 d축 전류 지령인 제1 전류 지령과, 제1 주파수 보다 낮은 제2 주파수를 갖는 정지 좌표계 d축 전류 지령인 제2 전류 지령을 포함할 수 있다.
또한, 변수 산출부는, 제1 전류 지령의 진폭에 대한 전압 지령의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제3 매개 변수를 산출하고, 제2 전류 지령의 진폭에 대한 전압 지령의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제4 매개 변수를 산출할 수 있다.
또한, 제정수 추정부는, 제3 매개 변수를 기초로 과도 인덕턴스를 추정하고, 제4 매개 변수를 기초로 상호 인덕턴스 및 회전자 저항을 추정할 수 있다.
또한, 전압 지령은 정지 좌표계 d축 전압 지령일 수 있다.
또한, 전동기의 제정수는 상호 인덕턴스, 과도 인덕턴스 및 회전자 저항 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전동기의 정지 상태에서 비교적 정확하게 전동기의 제정수를 추정하여 전동기를 제어하기 때문에, 제어 성능을 향상 시킬 수 있고 전동기의 제정수 오차에 따른 운전 효율 저감을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전압 지령의 한 주기를 1/4 구간씩 나누어 전압 지령에 대한 정적분을 구간 별로 수행하여 전동기의 제정수를 추정하기 때문에, 데드 타임 등과 같이 인버터 비선형성에 의해 발생되는 전압 왜곡을 제거할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 인버터의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어 장치를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치가 적용되는 인버터 제어 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 도 4의 전류 지령 생성부의 상세 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치의 상세 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 변수 산출부를 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 8은 정지 좌표계 d축 전류 지령 및 데드 타임 등에 의한 전압 왜곡 및 전압 적분 구간을 도시한 그래프이다.
도 9는 서로 다른 두 개의 주파수 지령을 갖는 전류 지령을 이용해 전동기의 제정수를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.
'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어 장치를 설명하기 위한 회로 구성도이다.
도 2를 참조하면, 인버터 제어 장치(200)는, 전동기(400)를 구동하기 위한 속도 지령(ωrm *)을 입력 받아 전동기(400)에 인가할 전압 지령의 크기 및 위상을 결정하고 이에 해당하는 3상의 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 전압을 합성하여 최종 전압 지령(Vabcn *)을 인버터(100)의 인버터부(130)로 출력한다.
인버터부(130)는 평활부(120)의 직류단 전압으로부터 3상의 교류 전압(Van, Vbn, Vcn) 및 교류 전류(ias, ibs, ics)을 출력하여 전동기(400)에 전력을 공급한다. 이때 3상의 교류 전압(Van, Vbn, Vcn)은 인버터부(130)의 스위치의 온오프 상태에 따라 결정된다.
인버터부(130)에서, 각 상은 2개의 스위치가 직렬 연결되어 구성되며, 각 상은 서로 독립적으로 동작하여 출력 전압을 생성한다. 이때 각 상의 출력 전압은 서로 120도의 위상차를 가지도록 제어된다.
인버터(100)는 에너지원인 3상 전원(500)으로부터 교류 전원을 수신하고, 수신한 교류 전원을 정류부(110)를 통해 직류 전원으로 변환한다. 이때 정류부(110)는 예를 들어, 다이오드로 구성되는 것으로서, 전류는 항상 단방향으로 도통한다.
평활부(120)는 커패시터 또는 배터리 등으로 구성되며, 일정한 전압을 유지한다. 인버터부(130)의 3상 스위치는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하며, 스위치의 온오프에 의해 인버터(100)의 출력 전압을 제어한다.
전동기(400)는 인버터(100)의 부하로 기능하며, 인버터 제어 장치(200)는 속도 지령(ωrm *)과 동일한 속도로 전동기(400)가 회전하도록 인버터부(130)의 스위칭 상태를 결정하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어 장치의 구성도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어 장치(200)는 속도 제어부(210), 전류 제어부(220), 제1 내지 제3 좌표 변환부(230, 270, 280), PWM 제어부(240), 속도 추정기(260) 및 자속 관측기(290)를 포함하여 구성될 수 있다.
속도 제어부(210)는 속도 지령(ωrm *)을 추종하기 위해 속도 추정기 (260)에 의해 추정된 전동기(400)의 속도(ωrm)를 입력 받으며, 속도 지령(ωrm *)과 측정 속도(ωrm)의 차이로부터 동기 좌표계 d축 및 q축 전류 지령(idqs e *)을 출력한다.
전류 제어부(220)는 속도 제어부(210)의 출력인 동기 좌표계 d, q축 전류 지령(idqs e*)을 추종하기 위해, 측정된 전동기(400)의 동기 좌표계 d, q축 전류(idqs e)를 입력 받으며, 전류 지령(idqs e *)과 측정 전류(idqs e)의 차이로부터 동기 좌표계 d축 및 q축 전압 지령(Vdqs e *)을 출력한다.
이때 전류 지령(idqs e *)은
Figure 112021094670092-pat00001
의 벡터로 표현가능하고, 측정 전류(idqs e)는
Figure 112021094670092-pat00002
의 벡터로 표현가능하다.
제1 좌표 변환부(230)는 동기 좌표계 d축 및 q축 물리량을 abc 물리량으로 변환하고, 제2 좌표 변환부(270)는 abc 물리량을 동기 좌표계 d, q축 물리량으로 변환하고, 제3 좌표 변환부(280)는 abc 물리량을 정지 좌표계 d, q축 물리량으로 변환한다.
구체적으로, 제1 좌표 변환부(230)는 동기 좌표계 d축 및 q축 전압 지령(Vdqs e*)을 a상, b상 및 c상 전압 지령(Vabcs*)으로 변환하기 위해 아래의 수학식 1을 이용한다.
Figure 112021094670092-pat00003
여기서,
Figure 112021094670092-pat00004
이고,
Figure 112021094670092-pat00005
이다.
상기 수학식 1에서 사용한 각(θe)은 속도 추정기(260)에 의해 추정된 전동기(400)의 동기 전기각이다.
또한, 제2 좌표 변환부(270)는 a상, b상 및 c상 전류(iabcs)를 동기 좌표계 d축 및 q축 전류(idqs e)로 변환하기 위해 아래의 수학식 2를 이용한다.
Figure 112021094670092-pat00006
여기서,
Figure 112021094670092-pat00007
이고,
Figure 112021094670092-pat00008
이다.
상기 수학식 2에서 사용한 각(θe)은 속도 추정기(260)에 의해 추정된 전동기(400)의 동기 전기각이다.
또한, 제3 좌표 변환부(280)는 a상, b상 및 c상 전압 지령(Vabcs*)을 정지 좌표계 d축 및 q축 전압 지령(Vdqs s*)로 변환하기 위해 아래의 수학식 3을 이용하고, a상, b상 및 c상 전류(iabcs)를 정지 좌표계 d축 및 q축 전류(idqs s)로 변환하기 위해 아래의 수학식 4를 이용한다.
Figure 112021094670092-pat00009
Figure 112021094670092-pat00010
여기서,
Figure 112021094670092-pat00011
이다.
PWM 제어부(240)는 a상, b상 및 c상 전압 지령(Vabcs*)을 극전압(pole voltage) 지령(Vabcn*)으로 변환하여 펄스폭 변조(PWM)를 수행한다. 여기서
Figure 112021094670092-pat00012
이다.
인버터(250)는 PWM 제어부(240)에 의해 형성된 극전압 지령(Vabcn*)을 극전압(Vabcn)으로 합성하여 전동기(400)로 출력한다. 여기서,
Figure 112021094670092-pat00013
이다.
속도 추정기(260)는, 엔코더 또는 레졸버 등의 위치 센서로서, 좌표 변환부(280)로부터 정지 좌표계 d축 및 q축 전류(idqs s)를 입력 받고, 자속 관측기(290)로부터 전동기(400)의 정지 좌표계 회전자 자속(λdqr s)을 입력 받아, 좌표 변환부(230, 270)에서 수행하는 좌표 변환을 위한 전동기(400)의 동기 전기각(θe)을 추정하고, 속도 제어부(210)에서 속도 지령(ωrm *)을 추종을 위한 전동기(400)의 속도(ωrm)를 추정한다.
자속 관측기(290)는 좌표 변환부(280)로부터 정지 좌표계 d축 및 q축 전압 지령(Vdqs s*)과 정지 좌표계 d축 및 q축 전류(idqs s)를 입력 받아 전동기(400)의 정지 좌표계 전압 방정식을 이용하여 전동기(400)의 정지 좌표계 회전자 자속(λdqr s)을 추정한다. 여기서, 고정자 저항(Rs), 회전자 저항(Rr), 고정자 자기 인덕턴스(Ls), 과도 인덕턴스(σLs), 상호 인덕턴스(Lm) 등의 전동기(400)의 제정수가 사용된다.
이와 같이, 자속 관측기(290)가 전동기(400)의 정지 좌표계 회전자 자속(λdqr s)을 추정하기 위해서는 전동기(400)의 제정수 정보가 필요하다. 그러나, 전동기(400)의 제정수 정보는 일반적으로 전동기 제작사가 제공하지 않으며, 제공하더라도 공정 상 오차가 발생하기 때문에 제정수 정보를 추정해서 사용한다.
만약, 제정수 정보에 오차가 발생하는 경우 전동기(400)의 제어 성능이 저하되어 운전 효율이 저하되거나 운전 실패를 야기하기 때문에 정확하게 제정수 정보를 추정해야 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치가 적용되는 인버터 제어 장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 5는 도 4의 전류 지령 생성부의 상세 구성도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치의 상세 구성도이다.
일반적으로 제정수 정보는 전동기(400)의 회전 상태에서 추정하지만 전동기(400)의 회전이 불가능한 경우가 존재하기 때문에 전동기(400)의 정지 상태에서 제정수 추정 방법이 필요하다. 이에 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치(300)는 전동기(400)의 정지 상태에서 제정수를 추정하는 방법을 제시한다.
전류 지령 생성부(215)는 전동기(400)의 제정수를 추정하기 위한 전류 지령을 생성한다. 이 때, 전류 지령 생성부(215)는 전동기(400)의 회전 방지를 위해 정지 좌표계 d축 및 q축 전류 지령(idqs s *)을 생성한다. 여기서,
Figure 112021094670092-pat00014
이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 전류 지령 생성부(215)는 곱셈기(215a) 합산기(215b)를 포함한다.
곱셈기(215a)는 전류 지령의 진폭(Im)과 일정 주파수(ωinj)를 갖는 코사인 함수(cosωinjt)를 곱하여 전류 지령의 교류 성분을 생성한다. 그리고, 합산기(215b)는 전동기(400)의 회전을 방지하기 위해 교류 성분에 옵셋 전류(Ioffset)인 직류 성분을 합산하여 정지 좌표계 d축 전류 지령(ids s *)을 생성한다.
전류 지령 생성부(215)는 전동기의 회전 방지를 위해 정지 좌표계 d축 전류 지령(ids s*)만 생성한다. 이 때, 정지 좌표계 q축 전류 지령(iqs s *)은 0이다.
최종적으로 생성된 정지 좌표계 d축 및 q축 전류 지령(idqs s *)은 아래의 수학식 5와 같이 표현된다.
Figure 112021094670092-pat00015
전류 제어부(225)는 측정된 전동기(400)의 정지 좌표계 d축 전류(ids s)를 입력 받으며, 전류 지령(ids s *)과 측정 전류(ids s)의 차이로부터 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s*)을 출력한다. 여기서, 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)은 아래의 수학식 6과 같이 표현된다.
Figure 112021094670092-pat00016
여기서, Vmd는 전압 지령(Vds s *)의 코사인 성분의 진폭이고, Vmq는 전압 지령(Vds s*)의 사인 성분의 진폭이고, Voffset는 직류 전압이다.
제4 좌표 변환부(235)는 정지 좌표계 d축 및 q축 물리량을 abc 물리량으로 변환하고, 제5 및 제6 좌표 변환부(275, 285)는 abc 물리량을 정지 좌표계 d, q축 물리량으로 변환한다.
구체적으로, 제4 좌표 변환부(235)는 정지 좌표계 d축 및 q축 전압 지령(Vdqs s*)을 a상, b상 및 c상 전압 지령(Vabcs*)으로 변환하기 위해 아래의 수학식 7을 이용한다.
Figure 112021094670092-pat00017
한편, 제5 및 제6 좌표 변환부(275, 285)는 abc 물리량을 정지 좌표계 d, q축 물리량으로 변환하는 구성으로서 전술한 도 3의 제3 좌표 변환부(280)와 동일하다.
좌표 변환부(275)는 a상, b상 및 c상 전류(iabcs)를 정지 좌표계 d축 및 q축 전류(idqs s)로 변환하여 전류 제어부(225)로 출력한다.
좌표 변환부(285)는 a상, b상 및 c상 전압 지령(Vabcs*)을 정지 좌표계 d축 및 q축 전압 지령(Vdqs s*)로 변환하고, a상, b상 및 c상 전류(iabcs)를 정지 좌표계 d축 및 q축 전류(idqs s)로 변환하여 제정수 추정 장치(300)로 출력한다.
PWM 제어부(240)는 a상, b상 및 c상 전압 지령(Vabcs*)을 극전압(pole voltage) 지령(Vabcn*)으로 변환하여 펄스폭 변조(PWM)를 수행하고, 인버터(250)는 PWM 제어부(240)에 의해 형성된 극전압 지령(Vabcn*)을 극전압(Vabcn)으로 합성하여 전동기(400)로 출력한다.
전동기(400)의 a상, b상 및 c상 전류(iabcs) 좌표 변환을 위해 좌표 변환부(275, 285)으로 입력된다.
정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)은 아래의 수학식 8을 이용하여 추정할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00018
여기서, s는 미분 연산자의 라플라스 변환이고, σLs는 과도 인덕턴스이고, Ls는 고정자 자기 인덕턴스이고, Lm은 상호 인덕턴스이고, Lr은 회전자 자기 인덕턴스이다.
또한, 회전자 시정수(τr)는 아래의 수학식 9와 같이 회전자 저항(Rr) 및 회전자 자기 인덕턴스(Lr)에 의해 정의된다.
Figure 112021094670092-pat00019
또한, 과도 인덕턴스(σLs)는 아래의 수학식 10과 같이 고정자 자기 인덕턴스(Ls)이고, 상호 인덕턴스(Lm) 및 회전자 자기 인덕턴스(Lr)에 의해 정의된다.
Figure 112021094670092-pat00020
상기 수학식 8에 상기 수학식 5를 대입하면 아래의 수학식 11을 유도할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00021
상기 수학식 11에서 회전자 시정수(τr)의 5배에 해당하는 시간을 5τr으로 정의하면, 5τr 이상의 시간에서 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)은 아래의 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00022
한편, 인버터의 비선형성을 고려하여 데드 타임에 의한 전압 왜곡 등을 Vdist라고 정의하면, 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)에는 전압 왜곡(Vdist)이 포함되어, 상기 수학식12는 아래의 수학식13과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00023
이하, 전술한 수학식들을 기초로 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치(300)를 설명하겠다.
도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치(300)는, 전동기(400)의 정지 상태에서 전동기(400)의 제어에 이용되는 전동기의 제정수를 추정하는 장치로서, 변수 산출부(310) 및 제정수 추정부(320)를 포함하여 구성될 수 있다.
변수 산출부(310)는 일정 주파수(ωinj)를 갖는 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s*)을 입력 받는다. 여기서, 전압 지령(Vds s *)은 전술한 수학식 6과 같이 코사인 성분 및 상기 사인 성분을 포함하는 교류 성분과 직류 성분을 포함한다.
정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)은 전술한 바와 같이 전동기(400)의 정지 좌표계 전압 방정식(수학식 8 참조)에 정지 좌표계 d축 전류 지령(ids s *) (수학식 5 참조)을 대입하여 산출된다.
변수 산출부(320)는 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)을 한 주기 동안 구간 별로 정적분하여 제1 및 제2 매개 변수(A, B)를 산출할 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 매개 변수(A, B)는, 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)을 나타내는 상기 수학식 6 및 12에서 코사인 성분과 사인 성분의 진폭을 각각 대비함으로써, 아래의 수학식 14와 같이 정의될 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00024
상기 수학식 14를 참조하면, 제1 매개 변수(A)는 정지 좌표계 d축 전류 지령(ids s*)의 진폭(Im)에 대한 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)의 코사인 성분의 진폭(Vmd)의 비로 정의되고, 제2 매개 변수(B)는 정지 좌표계 d축 전류 지령(ids s *)의 진폭(Im)에 대한 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *) 사인 성분의 진폭 (Vmq)의 비의 음(-)의 값으로 정의된다.
상기 수학식 13의 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)을 t1부터 t2까지 정적분을 수행하면 아래의 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00025
상기 수학식 15를 참조하면, 동일한 구간의 적분을 이용한다면 직류 성분과 전압 왜곡 성분을 제거할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 사인 함수 및 코사인 함수는 90도의 위상 차이가 나타나기 때문에, 전압 지령(Vds s *)의 주파수(ωinj) 주기를 1/4 구간씩 나누어 적분을 수행하면 사인 성분 및 코사인 성분의 진폭을 알 수 있으며, 이를 이용하여 제1 및 제2 매개 변수(A, B)를 산출할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 변수 산출부를 구체적으로 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하면, 변수 산출부(310)는 연산부(311) 및 조합부(312)를 포함하여 구성될 수 있다.
연산부(311)는 정지 좌표계 d축 전압 지령(Vds s *)의 한 주기를 1/4 구간씩 나누어 전압 지령(Vds s *)에 대한 정적분을 구간 별로 수행하여 제1 내지 제4 적분값(Int1~Int4)을 산출할 수 있다.
구체적으로, 연산부(311)는, 전압 지령(Vds s *)을 입력 받아, 구체적으로, 연산부(311)는, 전압 지령(Vds s *)을 입력 받아,
Figure 112021094670092-pat00026
부터
Figure 112021094670092-pat00027
까지의 정적분을 수행하여 제1 적분값(Int1)을 산출하고(501),
Figure 112021094670092-pat00028
부터
Figure 112021094670092-pat00029
까지의 정적분을 수행하여 제2 적분값(Int2)을 산출하고(502),
Figure 112021094670092-pat00030
부터
Figure 112021094670092-pat00031
까지의 정적분을 수행하여 제3 적분값(Int3)을 산출하고(503),
Figure 112021094670092-pat00032
부터
Figure 112021094670092-pat00033
까지 정적분을 수행하여 제4 적분값(Int4)을 산출할 수 있다(504).
여기서,
Figure 112021094670092-pat00034
는 회전자 시정수(τr)의 5배에 해당하는 시간, 즉, 5τr 이상의 시간을 의미하며,
Figure 112021094670092-pat00035
은 전압 지령(Vds s *)의 주파수의 주기를 의미하며 아래의 수학식 16에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00036
전술한 제1 내지 제4 적분값(Int1~Int4)은 아래의 수학식 17과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00037
연산부(310)는, 제1 적분값(Int1)에서 제2 적분값(Int2)을 뺀 제1 적분 차이값(Int12)을 산출하고(505), 제3 적분값(Int3)에서 제2 적분값(Int2)을 뺀 제2 적분 차이값(Int32)을 산출하고(506), 제4 적분값(Int4)에서 제3 적분값(Int3)을 뺀 제3 적분 차이값(Int43)을 산출하고(507), 제4 적분값(Int4)에서 제1 적분값(Int1)을 뺀 제4 적분 차이값(Int41)을 산출할 수 있다(508).
제1 내지 제4 적분 차이값(Int12~Int41)은 아래의 수학식 18과 같이 정리할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00038
조합부(312)는 상기 수학식 18의 제1 내지 제4 적분 차이값(Int12~Int41)을 조합하여 데드 타임 등의 인버터 비선형성에 의한 전압 왜곡을 최소화하면서 제1 및 제2 매개 변수(A, B)를 아래의 수학식 19와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00039
여기서, θ는 TStart일 때의 전류 지령 각으로서 ωinj과 TStart의 곱이다.
도 8은 정지 좌표계 d축 전류 지령(601) 및 데드 타임 등에 의한 전압 왜곡(602) 및 전압 적분 구간(I1~I4)을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 적절한 옵셋 전류(Ioffset)가 존재할 때, 전압 왜곡이 거의 대칭을 이루게 되며, 이로 인해 제1 내지 제4 적분 차이값(Int12~Int41)은 대칭으로 인해 전압 왜곡이 소거됨을 확인할 수 있다.
다시, 도 6을 참조하면, 제정수 추정부(320)는 변수 산출부(310)에 의해 산출된 제1 및 제2 매개 변수(A, B)를 기초로 전동기(400)의 제정수를 추정할 수 있다. 여기서, 전동기(400)의 제정수는 상호 인덕턴스(Lm), 과도 인덕턴스(σLs) 및 회전자 저항(Rr) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수학식 8 및 10을 연립하여 정리하면, 아래의 수학식 20과 같이 회전자 시정수(τr)를 산출할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00040
또한, 과도 인덕턴스(σLs), 회전자 저항(Rr) 및 상호 인덕턴스(Lm)는 아래의 수학식 21 내지 23에 의해 각각 정의될 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00041
Figure 112021094670092-pat00042
Figure 112021094670092-pat00043
여기서, 고정자 저항(Rs) 및 고정자 자기 인덕턴스(Ls)는 사전에 알고 있는 값이다.
이와 같이, 제정수 추정부(320)는 제1 및 제2 매개 변수(A, B)를 상기 수학식 20에 대입하여 회전자 시정수(τr)를 산출할 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 매개 변수(A, B)와 회전자 시정수(τr)를 상기 수학식 21에 대입하여 과도 인덕턴스(σLs)를 산출할 수 있고, 회전자 시정수(τr)를 상기 수학식 22에 대입하여 회전자 저항(Rr)를 산출할 수 있고, 과도 인덕턴스(σLs)를 상기 수학식 23에 대입하여 상호 인덕턴스(Lm)를 산출할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치(300)는 전동기(400)의 정지 상태에서 비교적 정확하게 전동기(400)의 제정수를 추정하여 전동기(400)를 제어하기 때문에, 제어 성능을 향상 시킬 수 있고 전동기(400)의 제정수 오차에 따른 운전 효율 저감을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 전동기 제정수 추정 장치(300)는 전압 지령(Vds s*)의 한 주기를 1/4 구간씩 나누어 전압 지령(Vds s *)에 대한 정적분을 구간 별로 수행하여 산출된 제1 내지 제4 적분값(Int1~Int4)을 이용하여 전동기(400)의 제정수를 추정하기 때문에, 데드 타임 등의 인버터 비선형성에 의해 발생되는 전압 왜곡을 제거할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에로서 서로 다른 두 개의 주파수 지령을 갖는 전류 지령을 이용해 전동기의 제정수를 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제정수 추정 장치(300)는 수학식 19의 제1 및 제2 매개 변수(A, B) 중 제2 매개 변수(B)만을 이용하여 제정수를 추정할 수 있다.
먼저, 전류 지령 생성부(215)는, 비교적 높은 제1 주파수(ωhigh)를 갖는 정지 좌표계 d축 전류 지령(ids s *)인 제1 전류 지령을 생성할 수 있다. 그리고, 전류 제어부(225)는 제1 전류 지령과 전동기(400)의 전류를 측정한 측정 전류를 기초로 전압 지령(Vds s *)을 생성할 수 있다.
여기서, 변수 산출부(310)는 전압 지령(Vds s *)을 한 주기 동안 구간 별로 정적분하여 제1 전류 지령(ids s *)의 진폭에 대한 전압 지령(Vds s *)의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제2 매개 변수(B)를 산출할 수 있다. 여기서, 제1 전류 지령에 따른 제2 매개 변수(B)를 제3 매개 변수(Bhigh)라 지칭하겠다.
제1 제정수 추정부(321)는 제3 매개 변수(Bhigh)를 입력 받아 제3 매개 변수(Bhigh)를 기초로 아래의 수학식 24와 같이 과도 인덕턴스(σLs)를 추정할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00044
다음, 전류 지령 생성부(215)는, 제1 주파수(ωhigh) 보다 낮은 제2 주파수(ωlow)를 갖는 정지 좌표계 d축 전류 지령(ids s *)인 제2 전류 지령을 생성할 수 있다. 그리고, 전류 제어부(225)는 제2 전류 지령과 전동기(400)의 전류를 측정한 측정 전류를 기초로 전압 지령(Vds s *)을 생성할 수 있다.
여기서, 변수 산출부(310)는 전압 지령(Vds s *)을 한 주기 동안 구간 별로 정적분하여 제2 전류 지령(ids s *)의 진폭에 대한 전압 지령(Vds s *)의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제2 매개 변수(B)를 산출할 수 있다. 여기서, 제2 전류 지령에 따른 제2 매개 변수(B)를 제4 매개 변수(Blow)라 지칭하겠다.
제2 제정수 추정부(321)는 제4 매개 변수(Blow)를 입력 받아 제4 매개 변수(Blow)를 기초로 아래의 수학식 25와 같이 회전자 시정수(τr)를 산출할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00045
제2 제정수 추정부(321)는 회전자 시정수(τr) 및 과도 인덕턴스(σLs)를 기초로 수학식 26 및 27과 같이 회전자 저항(Rr) 및 상호 인덕턴스(Lm)를 추정할 수 있다.
Figure 112021094670092-pat00046
Figure 112021094670092-pat00047
여기서, 고정자 자기 인덕턴스(Ls)는 사전에 알고 있는 값이다.
전술한 일정 주파수를 갖는 하나의 전류 지령을 이용해 전동기의 제정수를 추정하는 방법은 고정자 저항(Rs) 및 고정자 자기 인덕턴스(Ls)가 필요하지만, 서로 다른 두 개의 주파수를 갖는 두 개의 전류 지령을 이용해 전동기의 제정수를 추정하는 방법은 고정자 자기 인덕턴스(Ls)만 필요하다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 인버터
200: 인버터 제어 장치
300: 제정수 추정 장치
310: 변수 산출부
320: 제정수 추정부

Claims (10)

  1. 전동기의 정지 상태에서 상기 전동기의 제어에 이용되는 상기 전동기의 제정수를 추정하기 위한 인버터 제어 장치로서,
    상기 전동기의 회전 방지를 위한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성부;
    상기 전류 지령과 상기 전동기의 전류를 측정한 측정 전류를 기초로 전압 지령을 생성하는 전류 제어부;
    상기 전압 지령을 한 주기 동안 구간 별로 정적분하여 상기 전류 지령의 진폭에 대한 상기 전압 지령의 진폭의 비인 매개 변수를 산출하는 변수 산출부; 및
    상기 매개 변수를 기초로 상기 전동기의 제정수를 추정하는 제정수 추정부를 포함하고,
    상기 매개 변수는
    상기 전류 지령의 진폭에 대한 상기 전압 지령의 코사인 성분의 진폭의 비인 제1 매개 변수; 및
    상기 전류 지령의 진폭에 대한 상기 전압 지령의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제2 매개 변수를 포함하고,
    상기 변수 산출부는
    상기 전압 지령의 한 주기를 1/4 구간씩 나누어 상기 전압 지령에 대한 정적분을 구간 별로 수행하여 제1 내지 제4 적분값을 산출하고, 상기 제1 내지 제4 적분값을 기초로 상기 제1 및 제2 매개 변수를 산출하는
    인버터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변수 산출부는
    상기 제1 적분값에서 상기 제2 적분값을 뺀 제1 적분 차이값, 상기 제3 적분값에서 상기 제2 적분값을 뺀 제2 적분 차이값, 상기 제4 적분값에서 상기 제3 적분값을 뺀 제3 적분 차이값 및 상기 제4 적분값에서 상기 제1 적분값을 뺀 제4 적분 차이값을 조합하여 상기 제1 및 제2 매개 변수를 산출하는
    인버터 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 지령은
    일정 주파수를 갖는 하나의 정지 좌표계 d축 전류인
    인버터 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 지령은
    제1 주파수를 갖는 정지 좌표계 d축 전류 지령인 제1 전류 지령; 및
    상기 제1 주파수 보다 낮은 제2 주파수를 갖는 정지 좌표계 d축 전류 지령인 제2 전류 지령을 포함하는
    인버터 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 변수 산출부는
    상기 제1 전류 지령의 진폭에 대한 상기 전압 지령의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제3 매개 변수를 산출하고,
    상기 제2 전류 지령의 진폭에 대한 상기 전압 지령의 사인 성분의 진폭의 비의 음의 값인 제4 매개 변수를 산출하는
    인버터 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제정수 추정부는
    상기 제3 매개 변수를 기초로 과도 인덕턴스를 추정하고, 상기 제4 매개 변수를 기초로 상호 인덕턴스 및 회전자 저항을 추정하는
    인버터 제어 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 지령은
    정지 좌표계 d축 전압 지령인
    인버터 제어 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기의 제정수는
    상호 인덕턴스, 과도 인덕턴스 및 회전자 저항 중 적어도 어느 하나를 포함하는
    인버터 제어 장치.
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