KR102588933B1 - 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

인버터에서 모터로 제공되는 전류를 측정한 전류 검출값이 모터를 구동하기 위한 전류 지령을 추종하도록 하기 위한 전압 지령을 생성하는 전류제어기; 상기 전압 지령에 기반하여 소정 스위칭 주파수로 상기 인버터 내 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 전압 변조부; 및 상기 인버터 제어에 랜덤 펄스폭 변조 방식 적용 시, 상기 스위칭 주파수를 랜덤하게 변경하기 위한 범위가 되는 주파수 변경폭을 설정하고, 상기 주파수 변경폭 내에서 랜덤하게 상기 스위칭 주파수를 결정하는 주파수 결정부;를 포함하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치가 개시된다. 상기 주파수 결정부는, 상기 주파수 변경폭을 점진적으로 증가하거나 감소시켜 상기 랜덤 펄스폭 변조 방식을 적용하거나 중단할 수 있다.

Description

모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING INVERTER DRIVING MOTOR}
본 발명은 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터에 구동 전력을 제공하는 인버터의 펄스폭 변조 주파수를 무작위로 변경하는 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용을 개시하거나 중단할 때 무작위로 결정되는 주파수의 변경폭이 소정 시간 동안 점진적으로 증가, 감소되도록 설정함으로써 인버터 스위칭 소음을 감소시킬 뿐만 아니라 펄스폭 변조 방식의 급격한 전환에 따른 전류 제어성 악화를 방지할 수 있는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 모터를 구동하기 위한 시스템은, 전원 저장 장치(예를 들어, 배터리)와 전원 저장 장치에 저장된 직류 전력을 모터를 구동하기 위한 3상 교류의 전력으로 변환하는 인버터, 모터 및 모터를 구동하고자 하는 토크 지령을 기반으로 생성된 전류 지령과 실제 모터로 제공되는 실측 전류를 기반으로 인버터의 스위칭을 제어하는 컨트롤러로 이루어질 수 있다.
여기서, 인버터는 복수의 스위칭 소자를 포함하며 이 복수의 스위칭 소자가 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 방식으로 제어됨으로써 교류 전력을 생성할 수 있게 된다. 인버터에 의해 생성된 교류전력은 모터로 제공되어 모터가 운전된다.
인버터 내의 스위칭 소자를 제어하기 위한 펄스폭 변조 신호가 고정된 주파수를 갖는 경우, 제어가 단순화되어 제어성이 우수하며 모터 구동 시스템이 전반적으로 안정적으로 제어될 수 있다. 반면, 펄스폭 변조 신호를 고정된 주파수로 인버터를 제어하는 경우, 스위칭 주파수의 정수배에 해당하는 대역에서 강한 고조파 성분이 나타나 전자기적 소음과 진동을 유발하는 단점이 있다.
이러한 고정 스위칭 주파수의 펄스폭 변조 신호에 의한 단점을 해결하기 위해, 스위칭 주파수 대역을 순시적으로 분산하는 랜덤 펄스폭 변조(Random Pulse Width Modulation: RPWM) 기법이 알려져 있다. 랜덤 펄스폭 변조 기법을 적용하는 경우 에너지 분산을 통해 소음이나 진동을 억제할 수 있지만 스위칭 주파수가 무작위로 변경되므로 제어성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 12 샘플 위상 제어를 이용한 6-스텝 제어 기법(참고: KR 10-2016-0007850) 등에 적용되는 다른 변조 방식과 랜덤 펄스폭 변조 방식의 상호 절환시 스위칭 주파수가 급격하게 변화함에 따라 인버터의 전류 제어성이 악화되는 문제가 발생할 수 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2016-0007850 A KR 10-2001-0073638 A KR 10-2010-0062638 A
이에 본 발명은, 모터에 구동 전력을 제공하는 인버터의 펄스폭 변조 주파수를 무작위로 변경하는 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용을 개시하거나 중단할 때 무작위로 결정되는 주파수의 변경폭이 소정 시간 동안 점진적으로 증가, 감소되도록 설정함으로써 인버터 스위칭 소음을 감소시킬 뿐만 아니라 펄스폭 변조 방식의 급격한 전환에 따른 전류 제어성 악화를 방지할 수 있는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
인버터에서 모터로 제공되는 전류를 측정한 전류 검출값이 모터를 구동하기 위한 전류 지령을 추종하도록 하기 위한 전압 지령을 생성하는 전류제어기;
상기 전압 지령에 기반하여 소정 스위칭 주파수로 상기 인버터 내 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 전압 변조부; 및
상기 인버터 제어에 랜덤 펄스폭 변조 방식 적용 시, 상기 스위칭 주파수를 랜덤하게 변경하기 위한 범위가 되는 주파수 변경폭을 설정하고, 상기 주파수 변경폭 내에서 랜덤하게 상기 스위칭 주파수를 결정하는 주파수 결정부;를 포함하며,
상기 주파수 결정부는, 상기 주파수 변경폭을 점진적으로 증가하거나 감소시켜 상기 랜덤 펄스폭 변조 방식을 적용하거나 중단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 결정부는, 상기 인버터 제어에 랜덤 펄스폭 변조 방식과 그 이외의 변조 방식의 적용을 상호 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 점진적으로 증가하거나 감소시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 결정부는, 상기 주파수 변경폭의 최대값을 설정하고, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 그 이외의 변조 방식으로 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 변경하며, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식이 아닌 그 이외의 변조 방식으로 제어하던 중 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 절환하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 결정부는, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 고장 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0으로 일시에 변경하여 비상 운전을 개시하며, 상기 비상 운전 중 고장 해제 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 고장 이전의 주파수 변경폭으로 일시에 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 결정부는, 상기 주파수 변경폭을 결정하는 랜덤 밴드 생성부; 사전 설정된 범위 내에서 랜덤하게 상수를 결정하는 난수 생성부; 상기 스위칭 주파수를 결정하기 위한 기준이 되는 기본 주파수를 생성하는 기본 주파수 생성부; 및 상기 기본 주파수 생성부에서 생성된 기본 주파수에 상기 랜덤 밴드 생성부에서 결정된 주파수 변경폭과 상기 난수 생성부에서 생성된 상수를 곱한 값을 합산하여 상기 스위칭 주파수를 결정하는 덧셈기를 포함하며, 상기 랜덤 밴드 생성부는, 상기 주파수 변경폭의 최대값을 설정하고, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 그 이외의 변조 방식으로 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 변경하며, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식이 아닌 그 이외의 변조 방식으로 제어하던 중 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 절환하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 주파수 구동부는 상기 전류 지령, 상기 전류 검출값, 상기 인버터의 온도, 상기 모터의 온도 및 상기 모터의 속도를 포함하는 모터 구동 정보에 기반하여 상기 주파수 변경폭의 최대값을 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 난수 생성부는, -1 이상 및 1 이하의 범위 내에서 랜덤하게 상수를 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스위칭 주파수에 대응되는 주파수를 갖는 삼각파 형상의 캐리어 신호를 생성하고 상기 전압 지령과 상기 캐리어 신호를 비교하여 구형파 형태의 상기 펄스폭 변조 신호를 생성하는 전압 변조부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
펄스폭 변조 신호의 주파수를 랜덤하게 변경하는 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 모터 구동을 위한 인버터를 제어하는 방법에 있어서,
상기 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 상기 펄스폭 변조 신호의 스위칭 주파수를 결정하기 위한 기준이 되는 기본 주파수를 생성하는 단계;
상기 스위칭 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경폭을 설정하되, 상기 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용 개시 또는 중단 여부에 따라 상기 주파수 변경폭을 점진적으로 증감시키는 단계;
사전 설정된 범위 내에서 랜덤하게 상수를 결정하는 단계; 및
상기 기본 주파수에 상기 주파수 변경폭과 상기 상수를 곱한 값을 더하여 상기 스위칭 주파수를 결정하는 단계;
를 포함하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 증감시키는 단계는, 상기 스위칭 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경폭의 최대값을 결정하는 단계; 상기 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용 개시 또는 중단 여부에 따라 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 증가시키거나 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 감소시키는 단계는, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 그 이외의 변조 방식으로 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 변경하며, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식이 아닌 그 이외의 변조 방식으로 제어하던 중 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 절환하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 최대값을 결정하는 단계는, 상기 전류 지령, 상기 전류 검출값, 상기 인버터의 온도, 상기 모터의 온도 및 상기 모터의 속도를 포함하는 구동 정보를 기반으로 상기 최대값을 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 고장 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0으로 일시에 변경하여 비상 운전을 개시하며, 상기 비상 운전 중 고장 해제 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 고장 이전의 주파수 변경폭으로 일시에 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 결정하는 단계에서 결정된 스위칭 주파수에 대응되는 주파수를 갖는 삼각파 형상의 캐리어 신호를 생성하고, 상기 인버터에서 모터로 제공되는 전류를 측정한 전류 검출값이 상기 모터를 구동하기 위한 전류 지령을 추종하도록 결정된 전압 지령과 상기 캐리어 신호를 비교하여 구형파 형태의 상기 펄스폭 변조 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 상수를 결정하는 단계는, -1 이상 및 1 이하의 범위 내에서 랜덤하게 상기 상수를 결정할 수 있다.
상기 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법에 따르면, 랜덤 펄스폭 변조 방식과 그와 다른 변조 방식 사이의 변조 방식 절환 시, 랜덤하게 주파수를 결정하기 위한 범위가 되는 주파수 변경폭을 연속적이고 점진적으로 변경함으로써, 펄스폭 변조 신호의 주파수의 급격한 변동을 차단하여 인버터의 전류 제어성이 악화되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법에 따르면, 모터 시스템의 고장 발생 상황 또는 고장 해제 상황에서는 상황 발생 시점에 즉시 주파수 변경폭을 변경함으로써, 모터 시스템의 고장 여부에 신속하게 대처할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법이 적용되는 모터 구동 시스템의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치의 주파수 결정부를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치에서 주파수 변경폭을 결정하는 랜덤 밴드 생성부의 여러 예를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법의 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법에 의해 랜덤 펄스폭 변조 방식이 개시 및 중단되는 경우 펄스폭 변조 신호의 주파수 변경폭을 도시한 도면으로, (a)는 랜덤 펄스폭 변조 방식이 개시되는 경우를 도시하며, (b)는 랜덤 펄스폭 변조 방식이 중단되는 경우를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법에 따라 랜덤 펄스폭 변조 기법과 12 샘플 위상 제어를 적용한 6-스텝 제어 기법으로의 절환 시 스위칭 주파수의 변동을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 시스템 고장 발생시 주파수 변경폭 설정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 11은 도 10에 도시된 모터 시스템 고장 발생시 주파수 변경폭 설정 방법에 따른 주파수 변경폭을 도시한 도면으로, (a)는 고장 해소시 주파수 변경폭을 최대 변경폭으로 설정하는 경우를 도시하며, (b)는 고장 발생시 주파수 변경폭을 0으로 설정하는 경우를 도시한다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 다양한 실시 형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치가 적용되는 모터 구동 시스템의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치가 적용되는 모터 구동 시스템, 에너지 저장 장치(10)와 에너지 저장 장치의 양단에 사이에 연결된 직류 링크 커패시터(20)와 인버터(30)와 모터(40)와 회전각 센서(50) 및 컨트롤러(100)를 포함하여 구성될 수 있다.
에너지 저장 장치(10)는 배터리 등과 같이 모터(30) 구동을 위한 전기 에너지를 직류의 형태로 저장하는 요소로서 직류 전력을 출력한다.
직류 링크 커패시터(20)는 에너지 저장 장치(10) 양단에 연결되어 충전에 의해 직류 링크 전압(Vdc)을 형성한다. 이 직류 링크 전압(Vdc)는 인버터(30)의 입력 전압이 된다.
인버터(30)는 에너지 저장 장치(10)에 저장되어 제공되는 직류 전력을 모터 구동을 위한 교류 전력으로 변환하기 위한 요소로서 컨트롤러(100)에서 제공되는 펄스폭변조 신호에 의해 온/오프 상태가 제어되는 복수의 스위칭 소자(S1 내지 S6)를 포함할 수 있다. 인버터(30)의 스위칭이라 함은 인버터에서 출력되는 삼상 전압의 스위칭을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
모터(40)는 인버터(30)로부터 제공되는 삼상 교류전력을 입력 받아 회전력을 발생시키는 요소로서, 당 기술분야에 알려진 다양한 종류의 모터가 채용될 수 있다. 친환경 차량에서는 차량의 구동 휠에 회전력을 제공하는 모터로서 구동모터로 지칭될 수도 있다.
회전각 센서(50)는 모터의 회전자의 위치 즉 모터 회전자의 회전각을 검출하는 요소로서, 모터(40)의 회전자의 각도를 검출하고, 검출된 회전자의 회전각에 대한 정보를 포함하는 회전각 검출 신호를 연속적으로 출력할 수 있다. 예를 들어, 회전각 센서(40)는 레졸버 등으로 구현될 수 있다.
컨트롤러(100)는 기본적으로 모터(40)의 토크를 원하는 값(토크 지령)으로 제어하기 위해 인버터(30)의 스위칭 소자(S1-S6)의 듀티 사이클(듀티 비)를 적절하게 조정하는 펄스폭변조 방식의 제어를 수행할 수 있다. 이러한 제어를 위해, 컨트롤러(100)는 회전각 센서(50)에서 제공되는 신호 및 모터(40)로 제공되는 전류를 검출한 값(Ia, Ib)들을 기반으로 구동 중인 모터(40)의 토크 관련 정보를 도출한다. 이어, 컨트롤러(100)는 외부에서 입력되는 모터(40)에 대한 토크 지령치(모터(40)를 통해 얻고자 하는 토크 목표치)와 현재 구동중인 모터(40)의 토크 관련 정보를 비교한 결과를 기반으로, 모터(40)가 토크 지령치에 대응되는 값을 출력할 수 있도록 인버터(30) 내의 스위칭 소자(S1-S6) 들을 제어한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 컨트롤러(100)는 인버터(30) 내의 스위칭 소자(S1-S6)의 온/오프를 제어하는 펄스폭 변조 신호의 주파수를 랜덤하게 결정하는 랜덤 펄스폭 변조(Random Pulse Width Modulation: RPWM) 방식을 채용하여 펄스폭 변조 신호를 생성한다. 특히, 컨트롤러(100)는, 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용에 의해 모터의 제어성 및 효율이 감소되는 것을 최소화하면서 주파수 집중에 의한 스위칭 소음 발생을 감소시킬 수 있도록, 여러 모터 구동 정보를 활용하여 펄스폭 변조 신호의 주파수 변경폭을 적절히 결정한다.
도 1도 도시된 시스템에서 컨트롤러(100)는 본 발명에 따른 인버터 제어 장치가 될 수 있으며, 컨트롤러(100)에 의해 수행되는 인버터 제어 방법이 본 발명에 따른 인버터 제어 방법이 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도로서, 도 1의 컨트롤러(100)의 세부 구성과 컨트롤러(100)에 의해 제어되는 인버터(30) 및 인버터(30)로부터 3상 전압을 인가 받아 구동되는 모터(40) 등으로 이루어지는 시스템을 도시한 것으로 이해될 수 있을 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치(도 1의 컨트롤러(100))는 외부에서 입력되는 토크 지령 및 모터의 역자속을 입력 받아 그에 대응되는 모터의 전류 지령(IdpREF)을 출력하는 전류 지령맵(110)과, 전류 지령(IdpREF)과 모터(30)로 제공되는 전류를 검출한 전류 검출값을 서로 비교하여 전류 검출값이 전류 지령(IdpREF)을 추종하도록 하기 위한 전압 지령(VdpssREF)을 생성하고 전압 지령(VdpssREF)에 상응하는 인버터(20)의 출력이 발생하도록 펄스폭 변조를 통해 스위칭 소자(S1-S6)의 온/오프를 제어하는 게이트 신호를 생성하는 전류제어 테스크부(120)와, 모터(40)로 제공되는 상전류(Ia, Ib)를 검출한 값을 d/q축 전류(Idq)로 변환하는 좌표 변환부(130) 및 회전각 센서(50)에서 검출된 모터 회전자의 위치를 이용하여 모터(40)의 회전 속도를 도출하는 속도추정부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.
전류 지령맵(110)은 모터(40)에 대한 토크 지령과 모터(40)의 역자속에 동시 매핑 되는 전류 지령(IdpREF)을 사전에 저장할 수 있다. 이에 따라, 전류 지령맵(110)은 외부의 상위 제어기 등에서 입력되는 모터의 토크 지령과 모터에서 출력되는 역자속을 검출한 값을 입력 받아 그에 대응되는 전류 지령(IdpREF)을 출력하게 된다. 전류 지령(IdpREF)은 정지 좌표계의 d/q 축 전류 지령의 형태를 가질 수 있다.
도 2의 실시형태에서, 전류 지령맵(110)은 입력으로 모터(40)에 대한 토크 지령과 모터(40)의 역자속을 입력으로 하여 두 값에 매핑된 전류 지령(IdpREF)을 출력하는 것으로 설명되고 있으나 이는 일례에 불과하며, 다른 형식의 입력값을 기반으로 그에 대한 전류 지령이 매핑된 맵을 이용하여 전류 지령을 출력할 수도 있다. 또한, 전류 지령맵(110)은 전류를 생성하기 위해 적용될 수 있는 방식적인 일례에 불과하며 맵 이외의 방식, 예를 들어 사전 설정된 수학식 등에 특정 입력값을 대입하여 연산을 수행함으로써 전류 지령을 도출할 수도 있다.
전류 제어 테스크부(120)는 전류 제어기(121)와 전압 변조부(123) 및 주파수 결정부(125)를 포함할 수 있다.
전류 제어기(121)는 전류 지령맵(110)으로부터 d/q축 전류 지령(IdpREF)을 제공받고, 좌표 변환부(130)으로부터 모터로 제공되는 전류를 실측한 전류 검출값(Ia, Ib)을 d/q축 전류로 변환한 값(Idq)를 제공받으며, 속도 추정부(140)로부터 추정된 모터의 회전 속도(회전 주파수)(ωr)를 제공 받을 수 있다. 전류 제어기(121)는 제공 받은 정보를 이용하여 전압 지령(VdpssRef)을 생성할 수 있다.
더욱 구체적으로, 전류 제어기(121)는 전류 지령맵(110)에서 출력된 d/q축 전류 지령(IdpREF)과 와 실측된 d/q축 전류(Idq) 사이의 차이 성분을 이용하여 전압 지령(VdpssRef)을 생성할 수 있다. 특히, 전류 제어기(121)는 비례적분(PI) 제어기의 형태로 구현될 수 있으며, d/q축 전류 지령(IdpREF)과 실측된 d/q축 전류(Idq) 사이의 차이 성분의 비례적분하는 방식으로 실측된 d/q축 전류(Idq)가 전류 지령(IdpREF)을 추종하도록 제어할 수 있는 d/q축 전압 지령(VdqssRef)을 생성할 수 있다.
전압 변조부(123)는 전압 지령(VdqssREF)과 주파수 결정부(125)에서 생성된 스위칭 주파수(또는 캐리어 주파수)를 입력 받아 이들을 기반으로 인버터(30) 내의 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 펄스폭 변조 신호를 생성한다. 예를 들어, 전압 변조부(125)는 주파수 결정부(125)에서 결정된 스위칭 주파수(캐리어 주파수)에 따르는 삼각파 형태의 캐리어 신호를 생성하고 이 캐리어 신호와 d/q축 전압 지령(VdqssRef)의 비교를 통해 구형파 형태의 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있다.
전압 변조부(123)에서 출력되는 펄스폭 변조 신호는 인버터(30) 내의 각 스위칭 소자(S1-S6)의 게이트로 제공되어 스위칭 소자(S1-S6)의 온/오프가 결정되며 그에 따라 인버터(30)에서 모터(40)로 제공되는 3상 교류 전압(3상 교류 전류)가 결정될 수 있다.
주파수 결정부(125)는 인버터(30)의 스위칭 주파수를 결정하는 요소로서 사전 설정된 범위 내에서 랜덤하게 스위칭 주파수를 결정하여 전압 변조부(123)로 제공할 수 있다. 특히, 주파수 결정부(125)는 모터(40)의 구동에 관련된 여러 정보를 입력 받고 이 정보를 기반으로 스위칭 주파수의 변경폭을 결정하며, 결정된 변경폭 내에서 랜덤하게 변화되는 스위칭 주파수를 결정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치의 주파수 결정부를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, 주파수 결정부(125)는 펄스폭 변조 신호의 주파수를 변화하기 위한 스위칭 주파수의 변경폭(Frand)을 결정하는 랜덤 밴드 생성부(61)와 랜덤 밴드 생성부(61)에서 결정된 스위칭 주파수 변경폭(Frand)에 승산되는 -1 이상 및 1 이하의 범위 내의 랜덤한 상수인 난수(Krand)를 결정하는 난수 생성부(61)와, 스위칭 주파수의 기준이 되는 기본 주파수(Fbase)를 생성하는 기본 주파수 생성부(65)와 난수(Krand)와 주파수 변경폭(Frand)을 승산하여 결정된 주파수와 상기 기본 주파수(Fbase)를 합산하여 스위칭 주파수(Fsw)를 결정하는 덧셈기(67)을 포함하여 구성될 수 있다.
주파수 결정부(125)는 기본 주파수 생성부(65)에 의해 결정되는 기본 주파수(Fbase)에 랜덤한 주파수 변경값을 더하여 랜덤하게 변경하는 스위칭 주파수(Fsw)를 결정한다. 기본 주파수 생성부(65)는 고정된 스위칭 주파수로 펄스폭 변조 신호를 생성하는 다른 펄스폭 변조 기법에서 적용되는 스위칭 주파수 결정 방식을 이용하여 기본 스위칭 주파수를 결정할 수 있다.
여기에서, 랜덤한 주파수 변경값은 소정의 변경폭 내에서 변경되는데, 이를 위해 랜덤 밴드 생성부(61)는 주파수 변경폭(Frand)을 설정하고 설정된 변경폭에 -1 이상 및 1 이하의 값을 갖는 난수(Krand)를 주파수 변경폭(Frand)에 승산하여 주파수 변경폭 내에서 랜덤하게 주파수 변경값을 결정하게 된다.
덧셈기(67)에 의해 기본 주파수(Fbase)에 주파수 변경값(Krand×Frand)을 합산하여 결정된 스위칭 주파수(Fsw)는 전압 변조부(123)로 제공되고 전압 변조부는 스위칭 주파수(Fsw)(캐리어 주파수에 해당)에 대응되는 주파수를 갖는 펄스폭 변조 신호를 생성한다. 전술한 바와 같이, 전압 변조부(125)는 주파수 결정부(125)에서 결정된 스위칭 주파수(Fsw)(캐리어 주파수)를 따르는 삼각파 형태의 캐리어 신호를 생성하고 이 캐리어 신호와 d/q축 전압 지령(VdqssRef)의 비교를 통해 구형파 형태의 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시형태는, 모터의 구동 환경이나 제어 상태 등과 같은 여러 모터 구동 정보 중 적어도 일부를 이용하여 주파수 변경폭을 결정할 수 있다. 즉, 랜덤 밴드 생성부(61)는 모터 구동 정보를 입력 받고 그를 기반으로 주파수 을 결정할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치에서 주파수 변경폭을 결정하는 랜덤 밴드 생성부의 여러 예를 더욱 상세하게 도시한 블록 구성도이다.
먼저, 도 4를 참조하면, 랜덤 밴드 생성부(61)는 다양한 모터 구동 정보를 입력 받고 입력 받은 모터 구동 정보 각각을 변수로 하는 하나의 비용함수를 이용하여 주파수 변경폭(Frand)을 결정하기 위한 기준이 되는 비용값(Cmon)을 생성하는 비용함수 연산부(611)와, 비용값(Cmon)에 매핑된 주파수 변경폭(Frand)을 사전에 저장하고 비용함수 연산부(611)로부터 연산되어 입력되는 비용값(Cmon)에 매핑된 주파수 변경폭(Frand)을 출력하는 데이터 맵(613)을 포함하여 구성될 수 있다.
비용함수 연산부(611)로 입력되는 모터 구동 정보로는 모터를 구동하기 위한 토크 지령에 대응되는 d/q 전류 지령(Id_ref, Iq _ref), 인버터(30)에서 모터(40)로 제공되는 전류를 검출한 전류 검출값(Id, Iq), 모터(40)의 회전 속도(ωrpm), 인버터(30)의 온도(Tinv) 및 모터(40)의 온도(Tmot) 등이 될 수 있다.
비용함수 연산부(611)는 입력 받은 다양한 모터 구동 정보를 이용하여 적절한 스위칭 주파수 변경폭(Frand)을 결정할 수 있는 기준값(비용값)을 생성하기 위한 비용함수를 포함할 수 있다. 이 비용함수는 입력 받는 모터 구동 정보를 변수로 하는 식으로서 필요에 따라 모터 구동 정보의 종류 별로 가중치를 부가할 수도 있다.
데이터 맵(613)는 비용값(Cmon)에 매핑된 주파수 변경폭(Frand)을 사전에 저장해 두고 비용값(Cmon) 입력이 발생하면 입력된 비용값(Cmon)에 매핑된 주파수 변경폭(Frand)을 출력할 수 있다. 데이터 맵(613)에서 주파수 변경폭(Frand)은 매우 낮은 비용값이나 매우 높은 비용값에 대해서는 그 한계값이 설정된 형태를 가질 수 있다. 즉, 주파수 변경폭(Frand)은 사전에 최대값 및 최소값이 설정될 수 있고, 최대값과 최소값의 사이의 범위에서 비용값에 따라 적절하게 결정될 수 있다. 여기서, 주파수 변경폭(Frand)의 최대값은 모터(40)를 안정적으로 제어할 수 있는 최대 스위칭 주파수를 생성할 수 있는 값이며, 주파수 변경폭(Frand)의 최소값은 0이 될 수 있으며 이는 스위칭 주파수를 기본 주파수로 설정하여 변경시키지 않는 경우에 해당한다.
랜덤 밴드 생성부(61)의 다른 예를 도시한 도 5를 참조하면, 랜덤 밴드 생성부(61)는 d/q 전류 지령(Id_ref, Iq _ref), 인버터(30)에서 모터(40)로 제공되는 전류를 검출한 d/q 전류 검출값(Id, Iq), 모터(40)의 회전 속도(ωrpm), 인버터(30)의 온도(Tinv) 및 모터(40)의 온도(Tmot) 등의 모터 구동 정보 각각에 대해 개별적으로 비용함수를 연산하는 복수의 비용함수 연산부(611a 내지 611e)와 각각의 비용함수 연산부(611a 내지 611e)에서 연산된 비용값(Cmon1 내지 Cmon5) 중 최대값을 선택하는 최대값 선택부(612) 및 비용값(Cmon)에 매핑된 주파수 변경폭(Frand)을 사전에 저장해 두고 최대값 선택부(612)에 의해 선택된 비용값을 입력 받아 그에 대응되는 주파수 변경폭(Frand)을 출력하는 데이터 맵(613)을 포함하여 구성될 수 있다.
도 5에 도시된 예는, 도 4에 도시된 예와는 달리 입력되는 복수의 모터 구동 정보 각각 또는 그 일부를 이용하여 연산된 값에 대해 개별적으로 비용함수 연산부(611a 내지 611e)를 적용하여 복수의 비용값을 연산한 후 연산된 비용값(Cmon1 내지 Cmon5) 중 최대값에 대한 주파수 변경폭(Frand) 결정할 수 있다.
예를 들어, 제1 비용함수 연산부(611a)는 d/q 전류 지령(Id_ref, Iq _ref), 인버터(30)에서 모터(40)로 제공되는 전류를 검출한 d/q 전류 검출값(Id, Iq) 각각의 차이값의 평균값(Ierr)을 변수로 하는 비용함수를 이용하여 비용값을 연산할 수 있다. 제2 비용함수 연산부(611b)는 인버터 온도(Tinv)를 변수로 한 비용함수를 이용하여 비용값을 연산할 수 있으며, 제3 비용함수 연산부(611c)는 모터 온도(Tmot)를 변수로 한 비용함수를 이용하여 비용값을 연산할 수 있다. 또한, 제4 비용함수 연산부(611d)는 d/q 전류 검출값의 평균(Iamp)을 변수로 하는 비용함수를 이용하여 비용값을 연산할 수 있으며, 제5 비용함수 연산부(611e)는 모터(40)의 회전 속도(
Figure 112018072610694-pat00001
rpm)를 변수로 한 비용함수를 이용하여 비용값을 연산할 수 있다.
이렇게 연산된 비용값들 중 스위칭 주파수의 랜덤한 변경에 의해 가장 큰 영향을 받게 되는 정보를 고려하여 스위칭 주파수 변경폭을 결정할 수 있도록, 최대값 선택부(612)는 여러 비용값들(Cmon1 내지 Cmon5) 중 최대값을 선택하고, 도 4에서 설명한 바와 동일하게 데이터 맵(613)이 최대값을 갖는 비용값을 입력으로 하여 주파수 변경폭(Frand)를 결정할 수 있다.
도 4 및 도 5에서, 비용함수는 입력된 모터 구동 정보가 제어성이 저하되는 상태를 나타내는 경향이 커질수록 더 큰 비용값을 출력할 수 있으며, 데이터 맵은 입력 받은 비용값들이 커질수록 주파수 변경폭(Frand)을 감소시키도록 데이터의 매핑이 이루어질 수 있다. 예를 들어, d/q 전류 지령(Id_ref, Iq _ref), 인버터(30)에서 모터(40)로 제공되는 전류를 검출한 d/q 전류 검출값(Id, Iq) 각각의 차이값의 평균값(Ierr)이 커질수록 모터 제어가 적절하게 이루어지지 못하는 것으로 볼 수 있다. 이 경우, 평균값(Ierr)이 커짐에 따라 비용값이 증가하게 되며 데이터 맵에서 출력되는 주파수 변경폭은 감소될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시형태는 제어성의 증대가 요구되는 조건에서, 주파수 변경폭의 감소시켜 소음 감소의 효과를 줄이면서 대신 제어성을 향상시킬 수 있다. 제어성이 떨어지는 구동 정보의 예로, 인버터 온도(Tinv)의 증가, 모터 온도(Tmot)의 증가, d/q 전류 검출값의 평균(Iamp)의 증가 및 모터 회전 속도(
Figure 112018072610694-pat00002
rpm)의 증가 등이 있을 수 있다. 구동 정보에 의해 제어성이 떨어질수록 비용값은 증가하고 이에 따라 주파수 변경폭(Frand)은 감소될 수 있다.
도 4 또는 도 5에 도시된 것과 같은 예로 구현될 수 있는 랜덤 밴드 생성부(61)에 의해 결정된 주파수 변경폭(Frand)에 난수 생성부(63)에 의해 생성된 -1 이상 및 1 이하의 범위 내의 임의의 난수(Krand)가 승산되어 주파수 변경값이 결정되며, 기본 주파수 생성부(65)에 의해 생성된 기본 주파수(Fbase)에 주파수 변경값이 합산됨으로써 스위칭 주파수(Fsw)가 결정된다.
한편, 본 발명은 전술한 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치를 이용한 인버터 제어 방법도 제공한다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법의 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법은, 인버터(30)의 스위칭을 위한 기본 주파수 생성부(65)에서 기본 주파수(Fbase)를 생성하고(S11), 랜덤 밴드 생성부(61)가 모터 구동 정보를 입력 받아 주파수 변경폭(Frand)을 결정하는 단계(S12)로부터 시작될 수 있다. 물론, 통상의 인버터 제어, 예를 들어 외부로부터 입력된 모터(40)의 토크 지령을 기반으로 전류 지령을 생성하고 전류 지령과 모터(40)로 제공되는 실제 전류를 검출한 전류 검출값을 비교하여 전압 지령을 생성하는 등과 같은 제어 역시 모터 구동이 개시되는 즉시 수행될 수 있다.
기본 주파수(Fbase)를 생성하는 단계(S11)에서는 랜덤 펄스폭 변조 방식 이외의 고정 스위칭 주파수를 적용하여 펄스폭 변조 방식에 적용되는 방법을 이용하여 기본 주파수가 생성될 수 있다.
또한, 단계(S12)에서는 도 4 및 도 5를 통해 설명된 것과 같이, 복수의 모터 구동 정보를 모두 변수로 이용하여 하나의 비용값을 생성한 후 그에 대응되는 주파수 변경폭(Frand)을 데이터 맵을 이용하여 결정하거나, 복수의 모터 구동 정보 각각에 대한 비용값을 생성한 후 복수의 비용값 중 최대값을 기반으로 그에 대응되는 주파수 변경폭(Frand)을 결정하는 방식이 선택적으로 적용될 수 있다.
또한, 단계(S11, S12)와 병행하여 난수 생성부(63)은 -1 이상 및 1 이하의 범위에서 랜덤한 값을 갖는 난수(Krand)를 생성할 수 있으며, 단계(S13)에서 주파수 변경폭(Frand)에 난수(Krand)를 승산하여 주파수 변경값을 결정할 수 있다.
이어, 덧셈기(67)는 기본 주파수(Fbase)에 주파수 변경값을 합산하여 인버터(30)를 제어하기 위한 펄스폭 변조 신호의 스위칭 주파수(Fsw)를 결정하여 전압 변조부(123)으로 제공한다(S14).
이어, 전압 변조부(123)는 전압 지령(VdqssREF)과 덧셈기(67)에서 생성된 스위칭 주파수(Fsw)(또는 캐리어 주파수)를 입력 받아 이들을 기반으로 인버터(30) 내의 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 펄스폭 변조 신호를 생성한다(S15). 전술한 바와 같이, 단계(S15)에서는 전압 변조부(125)가 덧셈기(67)에서 생성된 스위칭 주파수(Fsw)(캐리어 주파수)에 해당하는 삼각파 형태의 캐리어 신호를 생성하고 이 캐리어 신호와 d/q축 전압 지령(VdqssRef)의 비교를 통해 구형파 형태의 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있다.
전압 변조부(123)에서 생성된 펄스폭 변조 신호는 인버터(30) 내 스위칭 소자(S1-S6)의 게이트로 제공되어 스위칭 소자(S1-S6)의 온/오프 상태가 제어될 수 있다.
도 6에 도시한 것과 같은 일련의 제어 흐름은 모터가 구동되는 동안 계속 반복되므로, 이러한 제어 흐름이 반복될 때 마다 랜덤하게 스위칭 주파수가 결정될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 여러 실시형태에 다른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법은, 인버터의 스위칭 주파수를 랜덤하게 변경함으로써 특정 주파수에서 큰 고조파 성분이 발생하는 것을 방지하여 스위칭 소음 등을 현저하게 저감할 수 있다.
특히, 본 발명의 여러 실시형태에 다른 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치 및 방법은, 여러 모터 구동 정보를 입력 받고 이를 감안하여 제어성에 영향을 미치는 스위칭 주파수의 변경폭을 결정하므로 모터의 제어성이 감소하는 상태(예를 들어, 모터 전류 지령과 모터로 제공되는 실제 전류의 차이가 큰 상태 또는 모터나 인버터의 온도가 과도하게 상승한 상태 등)에서도 적절한 제어성을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태는 전술한 것과 같은 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용을 개시하거나 중단할 때 무작위로 결정되는 주파수의 변경폭이 소정 시간 동안 점진적으로 증가, 감소되도록 설정할 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 다른 실시형태는, 도 4 및 도 5를 통해 설명된 것과 같이 랜덤밴드 생성부(61)가 주파수 변경폭을 결정한 후, 결정된 주파수 변경폭을 최대 주파수 변경폭으로 하여 소정 시간동안 주파수 변경폭을 0에서부터 최대 주파수 변경폭까지 점진적으로 증가시키거나, 소정 시간동안 주파수 변경폭을 최대 주파수 변경폭에서 0까지 감소시키는 방식으로 랜덤 펄스폭 변조 방식을 적용 개시하거나 중단할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 인버터 제어 기법이 도 7에 도시된다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법은, 인버터(30)의 스위칭을 위한 기본 주파수 생성부(65)에서 기본 주파수(Fbase)를 생성하고(S21), 랜덤 밴드 생성부(61)가 모터 구동 정보를 입력 받아 주파수 변경폭(Frand)을 결정하는 단계(S22)로부터 시작될 수 있다. 단계(S21 및 S22)는 도 6에 도시된 단계(S11 및 S12)와 실질적으로 동일한 단계일 수 있다.
기본 주파수(Fbase)를 생성하는 단계(S21)에서는 랜덤 펄스폭 변조 방식 이외의 고정 스위칭 주파수를 적용하여 펄스폭 변조 방식에 적용되는 방법을 이용하여 기본 주파수가 생성될 수 있으며, 단계(S22)에서는 도 4 및 도 5를 통해 설명된 것과 같이, 랜덤밴드 생성부(61)가 복수의 모터 구동 정보를 모두 변수로 이용하여 하나의 비용값을 생성한 후 그에 대응되는 주파수 변경폭(Frand)을 데이터 맵을 이용하여 결정하거나, 복수의 모터 구동 정보 각각에 대한 비용값을 생성한 후 복수의 비용값 중 최대값을 기반으로 그에 대응되는 주파수 변경폭(Frand)을 결정할 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 실시형태에서는, 랜덤 펄스폭 변조 기법을 개시할 때 단계(S22)에서 결정되는 주파수 변경폭(Frand)을 즉시 적용하지 0에서부터 단계(S22)에서 결정되는 주파수 변경폭(Frand)까지 점진적으로 증가시켜 적용하는 것을 특징으로 한다.
즉, 후속하는 단계(S23)에서, 랜덤밴드 생성부(61)는 단계(S22)에서 결정되는 주파수 변경폭(Frand)을 최대 변경폭으로 설정하고, 랜덤 펄스폭 변조가 개시되는 시점으로부터 사전 설정시간 동안 주파수 변경폭을 0에서 최대 변경폭까지 연속적으로 점진적 증가시키거나, 랜덤 펄스폭 변조가 종료되는 시점으로부터 사전 설정시간 동안 주파수 변경폭을 최대 변경폭에서 0까지 연속으로 점진적으로 감소시킨다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법에 의해 랜덤 펄스폭 변조 방식이 개시 및 중단되는 경우 펄스폭 변조 신호의 주파수 변경폭을 도시한 도면이다. 특히, 도 8의 (a)는 랜덤 펄스폭 변조 방식이 개시되는 경우를 도시하며, 도 8의 (b)는 랜덤 펄스폭 변조 방식이 중단되는 경우를 도시한 도면이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 랜덤 펄스폭 변조 방식이 개시되는 경우, 랜덤밴드 생성부(61)는 랜덤 펄스폭 변조의 개시 시점으로부터 사전 설정된 시간(Ttrans)동안 주파수 변동폭을 0에서부터 단계(S22)에서 결정된 최대 변동폭(Frand)까지 연속적이고 점진적으로 증가시킨다.
또한, 도 8의 (b)를 참조하면, 랜덤 펄스폭 변조 방식이 종료되는 경우, 랜덤밴드 생성부(61)는 랜덤 펄스폭 변조의 종료 시점으로부터 사전 설정된 시간(Ttrans)동안 주파수 변동폭을 단계(S22)에서 결정된 최대 변동폭(Frand)에서 0까지 연속적이고 점진적으로 감소시킨다.
이러한, 단계(S23)에 의해 본 발명의 다른 실시형태는, 랜덤 펄스폭 변조 방식과 다른 변조 방식의 절환 시 펄스폭 변조 신호의 주파수의 급격한 변동을 차단하여 전류 제어성이 악화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 단계(S21, S22, S23)와 병행하여 난수 생성부(63)은 -1 이상 및 1 이하의 범위에서 랜덤한 값을 갖는 난수(Krand)를 생성할 수 있으며, 단계(S23)에서 결정된 주파수 변경폭(점진적으로 증가 또는 감소하는)에 난수(Krand)를 승산하여 주파수 변경값을 결정할 수 있다(S24).
이어, 덧셈기(67)는 기본 주파수(Fbase)에 주파수 변경값을 합산하여 인버터(30)를 제어하기 위한 펄스폭 변조 신호의 스위칭 주파수(Fsw)를 결정하여 전압 변조부(123)으로 제공한다(SS25).
이어, 전압 변조부(123)는 전압 지령(VdqssREF)과 덧셈기(67)에서 생성된 스위칭 주파수(Fsw)(또는 캐리어 주파수)를 입력 받아 이들을 기반으로 인버터(30) 내의 스위칭 소자의 온/오프 상태를 결정하는 펄스폭 변조 신호를 생성한다(S26). 전술한 바와 같이, 단계(S26)에서는 전압 변조부(125)가 덧셈기(67)에서 생성된 스위칭 주파수(Fsw)(캐리어 주파수)에 해당하는 삼각파 형태의 캐리어 신호를 생성하고 이 캐리어 신호와 d/q축 전압 지령(VdqssRef)의 비교를 통해 구형파 형태의 펄스폭 변조 신호를 생성할 수 있다.
전압 변조부(123)에서 생성된 펄스폭 변조 신호는 인버터(30) 내 스위칭 소자(S1-S6)의 게이트로 제공되어 스위칭 소자(S1-S6)의 온/오프 상태가 제어될 수 있다.
이러한 랜덤 펄스폭 변조 방식에서 펄스폭 변조 신호의 주파수 변경폭을 변동시키는 기법은, 특히 랜덤 펄스폭 변조를 적용하던 중 기본 주파수가 모터 속도에 동기하는 12 샘플 위상 제어를 적용한 6-스텝 제어 기법으로 절환하는 과정에서 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법에 따라 랜덤 펄스폭 변조 기법과 12 샘플 위상 제어를 적용한 6-스텝 제어 기법으로의 절환 시 스위칭 주파수의 변동을 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 랜덤밴드 생성부(61)에서 결정된 최대 변경폭 내에서 임의의 주파수를 갖도록 펄스폭 변조 신호가 결정되는 랜덤 펄스폭 변조 방식이 적용되던 중 동기 스위칭 구동을 수행하는 12 샘플 위상 제어를 적용한 6-스텝 제어 기법의 적용이 이루어지도록 절환이 요구되면, 랜덤밴드 생성부(61)는 요구 시점으로부터 사전 설정된 시간(Ttrans) 동안 최대 변경폭(Frand)에서 0까지 주파수 변경폭을 연속적이고 점진적으로 감소시킨다. 이 때, 기본 주파수(Fbase)는 속도에 동기하는 스위칭 구동을 수행하는 12 샘플 위상 제어를 적용한 6-스텝 제어 기법에 의해 결정되는 스위칭 주파수로 절환 된다. 본 발명의 다른 실시형태는, 이 일정 시간(Ttrans) 동안 랜덤 주파수 변경폭을 점진적으로 감소시켜 펄스폭 변조의 스위칭 주파수를 결정함으로써 급격한 스위칭 주파수가 변동하는 것을 방지할 수 있으며, 비동기 스위칭 주파수 운전(RPWM) 방식의 제어에서, 동기 스위칭 방식(12 샘플 위상 제어)으로 제어 방식이 절환될 때 전류 제어성이 악화되는 것을 방지할 수 있게 된다. 도 9에서 작은 원은 스위칭 주파수가 결정된 지점을 의미한다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태는 모터나 인버터 등을 포함하는 모터 시스템에서 고장이 발생하거나 고장이 해소되는 경우 전술한 것과 같은 연속적이며 점진적으로 주파수 변경폭을 적용하지 않고 일 시점에 주파수 변경폭을 최대 변경폭으로 한번에 변경하거나 0으로 한번에 변경할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 모터 시스템 고장 발생시 주파수 변경폭 설정 방법을 도시한 흐름도이다. 또한, 도 11은 도 10에 도시된 모터 시스템 고장 발생시 주파수 변경폭 설정 방법에 따른 주파수 변경폭을 도시한 도면으로, 도 11의 (a)는 고장 해소시 주파수 변경폭을 최대 변경폭으로 설정하는 경우를 도시하며 도 11의 (b)는 고장 발생시 주파수 변경폭을 0으로 설정하는 경우를 도시한다.
모터 시스템이 정상 운전이 이루어지는 경우 도 4 또는 도 5를 통해 설명된 것과 같이 랜덤밴드 생성부(61)에 의해 결정된 주파수 변경폭(Frand) 내에서 랜덤하게 결정된 스위칭 주파수로 인버터를 제어할 수 있다(S31).
모터 시스템 등의 고장이 발생한 것으로 판단되어 제어기 등에서 고장신호가 발생한 경우(S31), 랜덤밴드 생성부(61)는 도 11의 (b)에 도시한 것과 같이 고장 신호 발생 시점에 즉시 주파수 변경폭(Frand)을 0으로 설정하여 랜덤 펄스폭 변조를 중단하고 기본 주파수(Fbase)로 인버터를 제어하는 비상 운전을 실시할 수 있다(S33).
이어, 비상 운전 실시 중에 고장 상황이 종료되어 제어기 등에서 고장해제 신호가 발생한 경우(S34), 랜덤밴드 생성부(61)는 도 11의 (a)에 도시한 것과 같이 고장 해제 신호 발생 시점에 즉시 주파수 변경폭(Frand)을 도 4 또는 도 5를 통해 설명된 것과 같이 결정하거나 고장 발생 이전 주파수 변경폭(Frand)으로 설정하여 랜덤 펄스폭 변조를 다시 개시할 수 있다(S35).
이와 같이, 본 발명의 다른 실시형태는 모터 시스템의 고장이 발생하거나 고장 상태가 해소되는 경우에는 고장 발생 시점 또는 고장 해소 시점에 즉시 주파수 변경폭을 0으로 설정하거나 최대 변경폭으로 설정하여 고장 여부에 신속하게 대처 가능하게 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 에너지 저장 장치 20: 직류 링크 전압(인버터 입력 전압)
30: 인버터 40: 모터
50: 회전각 센서
100: 컨트롤러(모터 구동 인버터 제어 장치)
110: 전류 지령맵 120: 전류제어 테스크부
121: 전류 제어기 123: 전압 변조부
125: 주파수 결정부 61: 랜덤 밴드 생성부
611, 611a-611e: 비용함수 연산부
612: 최대값 선택부 613: 데이터 맵
63: 난수 생성부 65: 기본 주파수 생성부
67: 덧셈기

Claims (16)

  1. 인버터에서 모터로 제공되는 전류를 측정한 전류 검출값이 모터를 구동하기 위한 전류 지령을 추종하도록 하기 위한 전압 지령을 생성하는 전류제어기;
    상기 전압 지령에 기반하여 소정 스위칭 주파수로 상기 인버터 내 스위칭 소자의 온/오프 상태를 제어하는 펄스폭 변조 신호를 생성하는 전압 변조부; 및
    상기 인버터 제어에 랜덤 펄스폭 변조 방식 적용 시, 상기 스위칭 주파수를 랜덤하게 변경하기 위한 범위가 되는 주파수 변경폭을 설정하고, 상기 주파수 변경폭 내에서 랜덤하게 상기 스위칭 주파수를 결정하는 주파수 결정부;를 포함하며,
    상기 주파수 결정부는, 상기 인버터 제어에 랜덤 펄스폭 변조 방식과 그 이외의 변조 방식의 적용을 상호 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 점진적으로 증가하거나 감소시켜 상기 랜덤 펄스폭 변조 방식을 적용하거나 중단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 주파수 결정부는,
    상기 주파수 변경폭의 최대값을 설정하고, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 그 이외의 변조 방식으로 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 변경하며, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식이 아닌 그 이외의 변조 방식으로 제어하던 중 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 절환하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 주파수 결정부는,
    상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 고장 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0으로 일시에 변경하여 비상 운전을 개시하며, 상기 비상 운전 중 고장 해제 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 고장 이전의 주파수 변경폭으로 일시에 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 주파수 결정부는,
    상기 주파수 변경폭을 결정하는 랜덤 밴드 생성부;
    사전 설정된 범위 내에서 랜덤하게 상수를 결정하는 난수 생성부;
    상기 스위칭 주파수를 결정하기 위한 기준이 되는 기본 주파수를 생성하는 기본 주파수 생성부; 및
    상기 기본 주파수 생성부에서 생성된 기본 주파수에 상기 랜덤 밴드 생성부에서 결정된 주파수 변경폭과 상기 난수 생성부에서 생성된 상수를 곱한 값을 합산하여 상기 스위칭 주파수를 결정하는 덧셈기를 포함하며,
    상기 랜덤 밴드 생성부는, 상기 주파수 변경폭의 최대값을 설정하고, 상기 주파수 변경폭의 최대값에서 0으로 또는 0에서 상기 주파수 변경폭의 최대값으로 상기 주파수 변경폭을 점진적으로 증가하거나 감소시켜 상기 랜덤 펄스폭 변조 방식을 적용하거나 중단하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 랜덤 밴드 생성부는,
    상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 그 이외의 변조 방식으로 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 변경하며, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식이 아닌 그 이외의 변조 방식으로 제어하던 중 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 절환하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  7. 청구항 1, 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주파수 결정부는 상기 전류 지령, 상기 전류 검출값, 상기 인버터의 온도, 상기 모터의 온도 및 상기 모터의 속도를 포함하는 모터 구동 정보에 기반하여 상기 주파수 변경폭의 최대값을 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 난수 생성부는, -1 이상 및 1 이하의 범위 내에서 랜덤하게 상수를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위칭 주파수에 대응되는 주파수를 갖는 삼각파 형상의 캐리어 신호를 생성하고 상기 전압 지령과 상기 캐리어 신호를 비교하여 구형파 형태의 상기 펄스폭 변조 신호를 생성하는 전압 변조부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 장치.
  10. 펄스폭 변조 신호의 주파수를 랜덤하게 변경하는 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 모터 구동을 위한 인버터를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 인버터 내 스위칭 소자의 스위칭을 제어하는 상기 펄스폭 변조 신호의 스위칭 주파수를 결정하기 위한 기준이 되는 기본 주파수를 생성하는 단계;
    상기 스위칭 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경폭을 설정하되, 상기 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용 개시 또는 중단 여부에 따라 상기 주파수 변경폭을 점진적으로 증감시키는 단계;
    사전 설정된 범위 내에서 랜덤하게 상수를 결정하는 단계; 및
    상기 기본 주파수에 상기 주파수 변경폭과 상기 상수를 곱한 값을 더하여 상기 스위칭 주파수를 결정하는 단계;
    를 포함하되, 상기 증감시키는 단계는
    상기 스위칭 주파수를 변경하기 위한 주파수 변경폭의 최대값을 결정하는 단계;
    상기 랜덤 펄스폭 변조 방식의 적용 개시 또는 중단 여부에 따라 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 증가시키거나 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 감소시키는 단계를 포함하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 감소시키는 단계는,
    상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 그 이외의 변조 방식으로 절환하는 경우, 상기 주파수 변경폭을 상기 최대값에서 0으로 점진적으로 변경하며, 상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식이 아닌 그 이외의 변조 방식으로 제어하던 중 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 절환하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 상기 최대값으로 점진적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 최대값을 결정하는 단계는, 전류 지령, 전류 검출값, 상기 인버터의 온도, 상기 모터의 온도 및 상기 모터의 속도를 포함하는 구동 정보를 기반으로 상기 최대값을 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법.
  14. 청구항 10에 있어서,
    상기 인버터를 랜덤 펄스폭 변조 방식으로 제어하던 중 고장 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0으로 일시에 변경하여 비상 운전을 개시하며, 상기 비상 운전 중 고장 해제 신호가 발생하는 경우 상기 주파수 변경폭을 0에서 고장 이전의 주파수 변경폭으로 일시에 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법.
  15. 청구항 10에 있어서,
    상기 결정하는 단계에서 결정된 스위칭 주파수에 대응되는 주파수를 갖는 삼각파 형상의 캐리어 신호를 생성하고, 상기 인버터에서 모터로 제공되는 전류를 측정한 전류 검출값이 상기 모터를 구동하기 위한 전류 지령을 추종하도록 결정된 전압 지령과 상기 캐리어 신호를 비교하여 구형파 형태의 상기 펄스폭 변조 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 상수를 결정하는 단계는, -1 이상 및 1 이하의 범위 내에서 랜덤하게 상기 상수를 결정하는 것을 특징으로 하는 모터 구동을 위한 인버터 제어 방법.
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