KR102563557B1 - 소나 시스템에서의 펄스 폭 변조 기법 선택 방법 및 이를 수행하는 장치들 - Google Patents

소나 시스템에서의 펄스 폭 변조 기법 선택 방법 및 이를 수행하는 장치들 Download PDF

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Abstract

소나 시스템의 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수에 기초한 펄스 폭 변조 기법 선택 방법 및 장치에 관한 기술이 개시된다. 일 실시예에 따른 펄스 폭 변조 방식(pulse width modulation)을 제어하는 방법은, 상기 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차를 획득하는 동작; 상기 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수(modulation index)를 획득하는 동작; 및 상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수에 기초하여 상기 인버터의 펄스 폭 변조 방식을 결정하는 동작을 포함할 수 있다.

Description

소나 시스템에서의 펄스 폭 변조 기법 선택 방법 및 이를 수행하는 장치들{METHOD OF SELECTING A PULSE WIDTH MODULATION IN A SONAR SYSTEM AND DEVICES PERFORMING THE SAME}
아래 개시는 소나 시스템에서의 펄스 폭 변조 기법 선택 방법 및 이를 수행하는 장치들에 관한 것이다.
소나 시스템의 탐지 성능은 소나 트랜스듀서로 입력되는 전압의 고조파 품질에 의해 변화한다. 전압의 고조파 품질을 향상시키는 방법에는 하드웨어적 설계를 변경하는 방법 또는 펄스 폭 변조(pulse width modulation) 방식을 변경하는 방법이 있다. 하드웨어를 변경하는 방법은 변경에 시간 및 비용이 요구되고, 소프트웨어만을 변경(예: 펄스 폭 변조 방식 변경)하는 방법은 시간 및 비용 측면에서 효율적일 수 있다.
실시예들은 하드웨어의 변경 없이 소나 시스템의 탐지 성능을 향상시키는 기술을 제공할 수 있다.
다만, 기술적 과제는 상술한 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
일 실시예에 따른 소나 시스템에 포함된 인버터의 펄스 폭 변조 방식(pulse width modulation)을 제어하는 방법은, 상기 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차를 획득하는 동작; 상기 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수(modulation index)를 획득하는 동작; 및 상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수에 기초하여 상기 인버터의 펄스 폭 변조 방식을 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 결정하는 동작은, 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블에 상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수를 매핑함으로써 상기 펄스 폭 변조 방식을 선택하는 것일 수 있다.
상기 NWTHD 테이블은, 상기 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수에 가중치를 부여한 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic distortion)의 연산 값이 저장된 것일 수 있다.
상기 인버터는 3-레그 2-상 인버터로 구현된 것일 수 있다,
상기 펄스 폭 변조 방식은, 연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation) 또는 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation)일 수 있다.
일 실시예에 따른 소나 시스템에 포함된 인버터의 펄스 폭 변조 방식(pulse width modulation)을 제어하는 방법은, 제1 펄스 폭 변조 방식을 이용한 상기 인버터의 제1 출력 전압을 획득하는 동작; 제2 펄스 폭 변조 방식을 이용한 상기 인버터의 제2 출력 전압을 획득하는 동작; 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블을 생성하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 생성하는 동작은, 상기 제1 출력 전압으로부터 제1 NWTHD 값을 계산하는 동작; 상기 제2 출력 전압으로부터 제2 NWTHD 값을 계산하는 동작; 상기 제1 NWTHD 값에서 상기 제2 NWTHD 값을 뺄셈 연산하는 동작; 및 뺄셈 연산된 값을 상기 NWTHD 테이블에 저장하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 제1 NWTHD 값 및 상기 제2 NWTHD값은, 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수에 가중치를 부여한 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic)일 수 있다.
상기 제1 펄스 폭 변조 방식은 연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation)이고, 상기 제2 펄스 폭 변조 방식은 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation)일 수 있다.
상기 불연속적 펄스 폭 변조 방식은, 아래의 수학식을 통해 인버터의 극전압을 결정할 수 있다.
[수학식]
(는 극전압, 는 직류 전압, 는 상 간의 전기적 위상차, 는 DC 클램핑 구간의 위상, 는 위상, 은 상전압의 크기 성분, M은 전압 변조 지수, 는 기본파의 각속도)
일 실시예에 따른 소나 시스템은, 인버터; 및 인버터 컨트롤러를 포함하며, 상기 인버터 컨트롤러는 인버터로부터 출력 전압의 전기적 위상차를 획득하고, 상기 인버터로부터 출력 전압의 전압 변조 지수(modulation index)를 획득하고, 상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수에 기초하여 펄스 폭 변조 방식을 결정할 수 있다.
상기 인버터 컨트롤러는, 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블에 상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수를 매핑함으로써 상기 펄스 폭 변조 방식을 선택할 수 있다.
상기 NWTHD 테이블은, 상기 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수에 가중치를 부여한 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic distortion)의 연산 값이 저장될 수 있다.
상기 인버터는 3-레그 2-상 인버터로 구현될 수 있다.
상기 펄스 폭 변조 방식은, 연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation) 또는 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation)일 수 있다.
일 실시예에 따른 전고조파 왜곡률 분석 장치는, 하나 이상의 인스트럭션을 저장하는 메모리; 및 상기 인스트럭션을 실행시키기 위한 프로세서를 포함하고, 상기 인스트럭션이 실행될 때, 상기 프로세서는, 제1 펄스 폭 변조 방식을 이용한 상기 인버터의 제1 출력 전압을 획득하고, 제2 펄스 폭 변조 방식을 이용한 상기 인버터의 제2 출력 전압을 획득하고, 상기 제1 출력 전압 및 상기 제2 출력 전압에 기초하여 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블을 생성할 수 있다.
상기 프로세서는, 상기 제1 출력 전압으로부터 제1 NWTHD 값을 계산하고, 상기 제2 출력 전압으로부터 제2 NWTHD 값을 계산하고, 상기 제1 NWTHD 값에서 상기 제2 NWTHD 값을 뺄셈 연산하고, 뺄셈 연산된 값을 상기 NWTHD 테이블에 저장할 수 있다.
상기 제1 NWTHD 값 및 상기 제2 NWTHD값은, 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수에 가중치를 부여한 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic)일 수 있다.
상기 제1 펄스 폭 변조 방식은 연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation)이고, 상기 제2 펄스 폭 변조 방식은 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation)일 수 있다.
도 1은 소나 시스템의 구성도의 일 예를 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 소나 시스템의 구성도의 일 예를 나타낸다.
도 3은 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차에 기초한 소나 시스템의 탐지 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 펄스 폭 변조 방식에 따른 인버터의 출력 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 불연속적 펄스 폭 변조 방식에 따른 인버터의 극전압 및 상전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 일 실시예에 따른 소나 시스템의 NWTHD의 해석 결과의 예들을 나타낸다.
도 8은 NWTHD 테이블의 일 예를 나타낸다.
도 9은 일 실시예에 따른 전고조파 왜곡률 분석 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 소나 시스템의 구성도의 일 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 소나 시스템(100)은 배터리(110), 인버터(120), 저역 통과 필터(130), 임피던스 매칭 변압기(140), 및 소나 트랜스듀서(150)를 포함할 수 있다.
배터리(110)는 소나 시스템(100)에 전기적인 에너지를 공급하기 위한 전원일 수 있다. 배터리(110)는 소나 시스템(100)의 사용 목적 및 장착 환경에 따라 축전지 또는 직류 전원 장치로 구현될 수 있다.
소나 트랜스듀서(150)는 소나 시스템(100)의 최종 부하로 교류 형태의 전기 에너지를 공급받아 음향에너지로 전환 후 전방의 매질에 방사할 수 있다.
인버터(120)는 배터리(110)로부터 전원(예: 직류 전원)을 공급받아 원하는 주파수 및 원하는 크기의 교류 전압을 생성할 수 있다. 인버터(120)는 소나 트랜스듀서(150)가 요구하는 주파수 및 크기의 교류 전압을 합성할 수 있다. 인버터(120)는 3-레그 2-상 인버터로 구현될 수 있다.
저역 통과 필터(130)는 구형파 형태인 인버터(120)의 출력 파형을 정현파 형태로 변환하여 소나 트랜스듀서(150)로 출력할 수 있다.
임피던스 매칭 변압기(140)는 임피던스 매칭 및 승압 겸용으로 사용될 수 있다. 임피던스 매칭 변압기(140)는 소나 트랜스듀서(150)의 무효 전력을 보상하기 위해 사용될 수 있다.
소나 시스템(100)의 탐지 성능은 인버터(120)의 출력 전압의 고조파 품질에 영향을 받을 수 있다. 인버터(120)의 출력 전압의 고조파 품질을 향상시키는 방법에는 소나 시스템(100)의 구성을 변경하는 방법 및 펄스 폭 변조 방식(예: 연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation), 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation))를 제어하는 방법이 있다. 이하에서는 구성을 변경하는 방법보다 낮은 비용이 요구되는 펄스 폭 변조 방식을 제어하는 방법, 및 장치를 설명하기로 한다.
도 2는 일 실시예에 따른 소나 시스템의 구성도의 일 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 소나 시스템(200)은 배터리(210), 인버터(220), 저역 통과 필터(230), 임피던스 매칭 변압기(240), 소나 트랜스듀서(250), 및 인버터 컨트롤러(260)를 포함할 수 있다. 소나 시스템(200)은 전고조파 왜곡률 분석 장치(300)로부터 정보를 획득할 수 있다. 전고조파 왜곡률 분석 장치(300)는 인버터(220)로부터 정보를 획득할 수 있다.
도 2의 배터리(210), 인버터(220), 저역 통과 필터(230), 임피던스 매칭 변압기(240), 및 소나 트랜스듀서(250)는 도 1의 배터리(110), 인버터(120), 저역 통과 필터(130), 임피던스 매칭 변압기(140), 및 소나 트랜스듀서(150)에 대응할 수 있다. 배터리(110), 인버터(120), 저역 통과 필터(130), 임피던스 매칭 변압기(140), 및 소나 트랜스듀서(150)와 관련된 설명은 이미 기술되어 있으므로, 배터리(210), 인버터(220), 저역 통과 필터(230), 임피던스 매칭 변압기(240), 및 소나 트랜스듀서(250)에 관련된 설명은 생략하기로 한다.
인버터 컨트롤러(260)는 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차 및 전압 변조 지수를 획득할 수 있다. 인버터 컨트롤러(260)는 획득된 전기적 위상차 및 획득된 전압 변조 지수에 기초하여 인버터(220)의 펄스 폭 변조 방식(예: 연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation), 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation))을 결정할 수 있다. 예를 들어, 인버터 컨트롤러(260)는 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블에 획득된 전기적 위상차 및 획득된 전압 변조 지수를 매핑함으로써 연속적 펄스 폭 변조 방식 및 불연속적 펄스 폭 변조 방식 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
인버터 컨트롤러(260)에 저장되는 NWTHD 테이블은 전고조파 왜곡률 분석 장치(300)로부터 생성되는 것일 수 있다. NWTHD 테이블에는 전압 변조 지수에 가중치를 부여한 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic distortion)의 연산 값이 저장될 수 있다.
전고조파 왜곡률 분석장치(300)는 NWTHD 테이블을 생성할 수 있다. 예를 들어, 전고조파 왜곡률 분석장치(300)는 제1 펄스 폭 변조 방식(예: 연속적 펄스 폭 변조 방식)을 이용한 인버터(220)로부터 제1 출력 전압을 획득할 수 있다. 전고조파 왜곡률 분석장치(300)는 제2 펄스 폭 변조 방식(예: 불연속적 펄스 폭 변조 방식)을 이용한 인버터(220)로부터 제2 출력 전압을 획득할 수 있다. 전고조파 왜곡률 분석장치(300)는 제1 출력 전압으로부터 제1 NWTHD 값을 계산할 수 있다. 전고조파 왜곡률 분석장치(300)는 제2 출력 전압으로부터 제2 NWTHD 값을 계산할 수 있다. 제1 NWTHD 값 및 제2 NWTHD값은 전압 변조 지수에 가중치를 부여한 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic)일 수 있다. 전고조파 왜곡률 분석장치(300)는 제1 NWTHD 값에서 제2 NWTHD 값을 뺄셈 연산하여 뺄셈 연산된 값을 저장함으로써 NWTHD 테이블을 생성할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 NWTHD 테이블의 변수에 해당하는 전기적 위상차 및 전압 변조 지수를 설명하도록 한다.
도 3은 인버터의 출력 전압의 전기적 위상차에 기초한 소나 시스템의 탐지 방향을 설명하기 위한 도면이다.
인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차는 소나 트랜스듀서(250)에서 방사되는 음향 신호에 영향을 미칠 수 있다. 인접한 소나 트랜스듀서(250)에서 방사되는 음향 신호의 합성에 의해 소나 시스템(200)의 탐지 방향이 결정될 수 있다. 인접한 소나 트랜스듀서(250)에서 방사되는 음향 신호가 서로 동상일 경우 소나 시스템(200)에서 전방을 탐지하기 위한 음향 신호가 방사될 수 있다. 인접한 소나 트랜스듀서(250)에서 방사되는 음향신호가 서로 위상차를 가질 경우 소나 시스템(200)에서 측방을 탐지하기 위한 음향 신호가 방사될 수 있다. 인접한 소나 트랜스듀서(250)에서 방사되는 음향 신호의 위상차는 인접한 소나 트랜스듀서(250)에 전압을 공급하는 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차에 의해 결정될 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차는 인버터(220)의 출력 전압의 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic distortion)의 변화를 야기할 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차는 전고조파 왜곡률의 수학적 분석에서 변수로 사용될 수 있다.
인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수(modulation index)는 인버터(220)의 출력 전압의 크기와 직접적으로 연관되는 변수일 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수가 증가할수록 인버터(220)의 출력 전압의 크기가 증가할 수 있고, 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수가 감소할수록 인버터의(220) 출력 전압의 크기가 감소할 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수(modulation index)는 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic distortion))과 직접적으로 연관되는 변수일 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수가 증가할수록 인버터(220)의 출력 전압의 전고조파 왜곡률이 감소할 수 있고, 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수가 감소할수록 인버터(220)의 출력 전압의 전고조파 왜곡률이 증가할 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수는 전고조파 왜곡률의 수학적 분석에서 변수로 사용될 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여, 인버터(220)의 출력 전압을 설명하고, 인버터(220)의 출력 전압에 기초하여 인버터(220)에서 사용되는 연속적 펄스 폭 변조 방식 및 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 설명하도록 한다.
도 4는 펄스 폭 변조 방식에 따른 인버터의 출력 전압을 설명하기 위한 도면이다.
인버터(220)는 3-레그 2-상 인버터로 구현될 수 있다. 인버터(220)의 각 레그(예: ,, )에서 출력되는 전압인 극전압(예: ,, )은 출력 노드(예: a, b, c)와 접지 노드(예: N) 간의 전위차를 나타낼 수 있다. 부하 Z에 인가되는 상전압(예: , )은 인버터(220)의 출력 전압으로서 극전압 간의 전위차로 결정될 수 있다. 상전압(, )은 수학식 1을 이용해 계산될 수 있다.
소나 시스템(200)에서 요구되는 상전압은 수학식 2를 이용해 계산될 수 있다.
수학식 2에서, 은 상전압의 크기 성분, M은 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수, 는 기본파의 각속도, 는 상 간의 전기적 위상차일 수 있다.
이하에서는, 인버터(220)의 출력 전압(예: 상전압(, ))에 기초하여 연속적 펄스 폭 변조 방식을 설명하도록 한다.
연속적 펄스 폭 변조 방식은 인버터(220)의 극전압(,, )을 제어하여 소나 시스템(200)에서 요구되는 인버터(220)의 출력 전압(, )을 만족시키는 방식일 수 있다. 연속적 펄스 폭 변조 방식의 극전압(,, )은 수학식 3을 이용해 계산될 수 있다.
수학식 3에서, 는 일 수 있고, 는 일 수 있다.
이하에서는, 인버터(220)의 출력 전압(, )에 기초하여 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 설명하도록 한다. 불연속적 펄스 폭 변조 방식은 인버터(220)의 극전압(,, )을 제어하여 소나 시스템에서 요구되는 출력 전압(, )을 만족시키는 방식일 수 있다. 불연속적 펄스 폭 변조 방식의 극전압(,, )은 수학식 4을 이용해 계산될 수 있다.
수학식 4에서, 는 직류 전압일 수 있고, 는 상 간의 전기적 위상차일 수 있고, 는 DC 클램핑 구간의 위상일 수 있고, 는 위상일 수 있고, 는 일 수 있고, 는 일 수 있다.
도 5 및 도 6은 불연속적 펄스 폭 변조 방식에 따른 인버터의 극전압 및 상전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 가 15도일 때의 극전압 및 상전압을 그래프로 표현할 수 있다. 일 때의 극전압 및 상전압 그래프는 구간 1의 그래프에 대응한다. 일 때 값이 로 고정된 것을 확인할 수 있다. 일 때의 극전압 및 상전압 그래프는 구간 4의 그래프에 대응한다. 일 때 값이 -로 고정된 것을 확인할 수 있다. 일 때의 극전압 및 상전압 그래프는 구간 3, 구간 5의 그래프에 대응한다. 구간 3에서 가 증가함에 따라 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 구간 5에서 가 감소함에 따라 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 일 때의 극전압 및 상전압 그래프는 구간 2, 구간 6의 그래프에 대응한다. 구간 2에서, 이 증가함에 따라 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 구간 6에서, 이 감소함에 따라 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 6d를 참조하면, 가 15도, 30도, 45도, 및 60도일 때의 극전압 및 상전압을 그래프로 표현할 수 있다. 가 30도, 45도, 및 60도 일 때의 극전압 및 상전압을 그래프로 표현하는 방법은 가 15도일 때의 극전압 및 상전압을 그래프로 표현하는 방법과 별반 다르지 않으므로, 가 30도, 45도, 및 60도 일 때 극전압 및 상전압의 그래프에 관한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
펄스 폭 변조 방식(예: 연속적 펄스 폭 변조 방식, 불연속적 펄스 폭 변조 방식)을 이용하여 인버터(220)는 직류 전원을 구형파로 변환할 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압인 구형파는 고조파 성분을 가질 수 있고, 펄스 폭 변조 방식에 따라 구형파의 고조파 품질은 다를 수 있다. 펄스 폭 변조 방식에 따라 인버터(220)의 출력 전압의 고조파 품질을 평가하는 데에 전고조파 왜곡률이 사용될 수 있다.
이하에서는 상술한 펄스 폭 변조 방식(예: 연속적 펄스 폭 변조 방식, 불연속적 펄스 폭 변조 방식)에 따른 인버터(220)의 출력 전압의 전고조파 왜곡률을 상세하게 설명하도록 한다.
전고조파 왜곡률은 고조파 품질을 평가하는 데에 사용되는 지표일 수 있다. 펄스 폭 변조 방식에 따른 인버터(220)의 출력 전압의 전고조파 왜곡률은 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수의 변화에 따라 수학적으로 해석될 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 전고조파 왜곡률을 평가하기 위한 지표로는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion)가 사용될 수 있다. NWTHD는 수학식 5를 이용해 계산될 수 있다.
수학식 5에서, M은 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수이고, V는 인버터(220)의 출력 전압이고, h는 인버터(220)의 출력 전압의 고조파 차수일 수 있다. 수학식 5는 인버터(220)의 출력 전압의 고조파 차수(h) 및 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수에 가중치를 부여한 식일 수 있다.
인버터(220)의 출력 전압의 수학적 해석에는 이중 푸리에 급수가 이용될 수 있다. 이중 푸리에 급수는 수학식 6과 같을 수 있다.
수학식 6을 이용해 연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압을 표현하면 수학식 7과 같을 수 있다.
수학식 7의 성분 간의 관계는 수학식 8과 같을 수 있다.
수학식 8을 이용해 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압을 표현하면 수학식 9와 같을 수 있다.
수학식 9의 성분 간의 관계는 수학식 10과 같을 수 있다.
수학식 7의 전압()을 수학식5에 대입함으로써 연속적 펄스 변조 방식에 따른 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값을 구할 수 있다. 수학식 9의 전압()을 수학식5에 대입함으로써 불연속적 펄스 변조 방식에 따른 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값을 구할 수 있다.
이하에서는 실시예에 따른 NWTHD 테이블의 해석 결과를 설명하기로 한다.
도 7a 내지 도 7c는 일 실시예에 따른 소나 시스템의 NWTHD의 해석 결과의 예들을 나타내고, 도 8은 NWTHD 테이블의 일 예를 나타낸다.
도 7a는 연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값을 그래프로 표현한 것일 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값은 수학식 5, 수학식, 7 및 수학식 8에 따라 계산된 것일 수 있다.
도 7b는 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값을 그래프로 표현한 것일 수 있다. 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값은 수학식 5, 수학식, 9 및 수학식 10에 따라 계산된 것일 수 있다.
도 7c에 도시된 바와 같이, 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수는 유리한 펄스 폭 변조 방식의 선택에 이용될 수 있다.
도 8은 도 7a 내지 도 7c에서 설명한 내용에 기초하여 생성된 NWTHD 테이블의 일 예를 나타내는 것일 수 있다. 전고조파 왜곡률 분석장치(300)는 연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값에서 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값을 뺄셈한 값을 NWTHD 테이블에 저장할 수 있다.
도 8에 도시된 NWTHD 테이블에서 음영으로 색칠된 영역은 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값보다 연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값이 더 큰 영역에 해당할 수 있다. NWTHD 테이블에서, 음영에 해당하지 않는 영역(예: 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값이 더 큰 영역)에서는 연속적 펄스 폭 변조 방식이 선택되고, 음영에 해당하는 영역(예: 연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용한 인버터(220)의 출력 전압의 NWTHD 값이 더 큰 영역)에서는 불연속적 펄스 폭 변조 방식이 선택되는 것이 더 유리할 수 있다. 예를 들어, 전기적 위상차가 60도이고, 전압 변조 지수가 0.9인 경우 연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용하는 것보다 불연속적 펄스 폭 변조 방식을 이용하는 것이 더 유리할 수 있다.
도 1내지 도 8를 참조하여 상술한 바와 같이, 실시예에 따른 펄스 폭 변조 방식 제어 방법은 하드웨어의 변경 없이 고조파 품질을 향상시킬 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 전고조파 왜곡률 분석 장치의 개략적인 블록도를 나타낸다.
전고조파 왜곡률 분석 장치(900)는 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터(220) 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWHTD값에 기초하여 펄스 폭 변조 방식을 제어할 수 있다. 전고조파 왜곡률 분석 장치(900)는 메모리(910) 및 프로세서(930)를 포함할 수 있다. 도 10의 전고조파 왜곡률 분석 장치(900)는 도 2의 전고조파 왜곡률 분석 장치(300)에 대응될 수 있다.
전고조파 왜곡률 분석 장치(1000)에서 생성된 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블은 인버터 컨트롤러(260)에 저장될 수 있다.
메모리(910)는 프로세서(930)에 의해 실행가능한 인스트럭션들(또는 프로그램)을 저장할 수 있다. 예를 들어, 인스트럭션들은 프로세서(930)의 동작 및/또는 프로세서(930)의 각 구성의 동작을 실행하기 위한 인스트럭션들을 포함할 수 있다.
프로세서(930)는 메모리(910)에 저장된 데이터를 처리할 수 있다. 프로세서(930)는 메모리(910)에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드(예를 들어, 소프트웨어) 및 프로세서(930)에 의해 유발된 인스트럭션(instruction)들을 실행할 수 있다.
프로세서(930)는 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 하드웨어로 구현된 데이터 처리 장치는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(Application-Specific Integrated Circuit), FPGA(Field Programmable Gate Array)를 포함할 수 있다.
프로세서(930)에 의해 수행되는 동작은 도 1 내지 도 8를 참조하여 설명한 인버터(220)의 출력 전압의 전기적 위상차 및 인버터(220)의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWHTD값에 기초하여 펄스 폭 변조 방식을 제어하는 동작과 실질적으로 동일하다. 이에, 상세한 설명은 생략하도록 한다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 저장할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (15)

  1. 소나 시스템에 포함된 3-레그 2-상 인버터의 펄스 폭 변조 방식(pulse width modulation)을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압 간의 전기적 위상차를 획득하는 동작;
    상기 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수(modulation index)를 획득하는 동작; 및
    상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수에 기초하여 상기 인버터의 펄스 폭 변조 방식을 결정하는 동작
    을 포함하는, 펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 동작은,
    3-레그 2-상 인버터의 출력 전압 간의 전기적 위상차 및 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블에, 상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수를 매핑함으로써 상기 펄스 폭 변조 방식을 선택하는 동작
    을 포함하는, 펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 NWTHD 테이블은,
    3-레그 2-상 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수에 가중치를 부여한, 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic distortion)의 연산 값이 저장된,
    펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 폭 변조 방식은,
    연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation) 또는 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation)인,
    펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  6. 소나 시스템에 포함된 3-레그 2-상 인버터의 펄스 폭 변조 방식(pulse width modulation)을 제어하는 방법에 있어서,
    제1 펄스 폭 변조 방식을 이용한 상기 3-레그 2-상 인버터의 제1 전압을 획득하는 동작;
    제2 펄스 폭 변조 방식을 이용한 상기 3-레그 2-상 인버터의 제2 전압을 획득하는 동작; 및
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압에 기초하여, 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압 간의 전기적 위상차 및 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블을 생성하는 동작
    을 포함하고,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 각각은,
    3-레그 2-상 인버터의 출력 전압이 이중 푸리에 급수로 해석된 것인,
    펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 생성하는 동작은,
    상기 제1 전압으로부터 제1 NWTHD 값을 계산하는 동작;
    상기 제2 전압으로부터 제2 NWTHD 값을 계산하는 동작;
    상기 제1 NWTHD 값에서 상기 제2 NWTHD 값을 뺄셈 연산하는 동작; 및
    뺄셈 연산된 값을 상기 NWTHD 테이블에 저장하는 동작
    을 포함하는, 펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 NWTHD 값 및 상기 제2 NWTHD값은,
    3-레그 2-상 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수에 가중치를 부여한, 전고조파 왜곡률(THD: total harmonic)인,
    펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 펄스 폭 변조 방식은 연속적 펄스 폭 변조 방식(continuous pulse width modulation)이고,
    상기 제2 펄스 폭 변조 방식은 불연속적 펄스 폭 변조 방식(discontinuous pulse width modulation)인,
    펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 불연속적 펄스 폭 변조 방식은,
    아래의 수학식을 통해 3-레그 2상 인버터의 극전압을 결정하는,
    펄스 폭 변조 방식 제어 방법.
    [수학식]





    (는 극전압, 는 직류 전압, 는 상 간의 전기적 위상차, 는 DC 클램핑 구간의 위상, 는 위상, 은 상전압의 크기 성분, M은 전압 변조 지수, 는 기본파의 각속도)
  11. 하드웨어와 결합되어 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  12. 3-레그 2-상 인버터; 및
    인버터 컨트롤러
    를 포함하며,
    상기 인버터 컨트롤러는
    상기 3-레그 2-상 인버터로부터 출력 전압 간의 전기적 위상차를 획득하고,
    상기 3-레그 2-상 인버터로부터 출력 전압의 전압 변조 지수(modulation index)를 획득하고,
    상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수에 기초하여 펄스 폭 변조 방식을 결정하는,
    소나 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 인버터 컨트롤러는,
    3-레그 2-상 인버터의 출력 전압 간의 전기적 위상차 및 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블에, 상기 획득된 전기적 위상차 및 상기 획득된 전압 변조 지수를 매핑함으로써 상기 펄스 폭 변조 방식을 선택하는,
    소나 시스템.
  14. 하나 이상의 인스트럭션을 저장하는 메모리; 및
    상기 인스트럭션을 실행시키기 위한 프로세서
    를 포함하고,
    상기 인스트럭션이 실행될 때, 상기 프로세서는,
    제1 펄스 폭 변조 방식을 이용한 3-레그 2-상 인버터의 제1 전압을 획득하고,
    제2 펄스 폭 변조 방식을 이용한 상기 3-레그 2-상 인버터의 제2 전압을 획득하고,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압에 기초하여, 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압 간의 전기적 위상차 및 3-레그 2-상 인버터의 출력 전압의 전압 변조 지수를 변수로 하는 NWTHD(normalized weighted total harmonic distortion) 테이블을 생성하고,
    상기 제1 전압 및 상기 제2 전압 각각은,
    3-레그 2-상 인버터의 출력 전압이 이중 푸리에 급수로 해석된 것인,
    전고조파 왜곡률 분석 장치.

  15. 제14항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제1 전압으로부터 제1 NWTHD 값을 계산하고,
    상기 제2 전압으로부터 제2 NWTHD 값을 계산하고,
    상기 제1 NWTHD 값에서 상기 제2 NWTHD 값을 뺄셈 연산하고,
    뺄셈 연산된 값을 상기 NWTHD 테이블에 저장하는,
    전고조파 왜곡률 분석 장치.

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