KR19980058217A - 인버터의 벡터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터의 벡터 제어 장치에 관한 것으로 특히, 지령 전압이 결정되면 그에 대응하는 스위치 상태를 결정함으로써 고속의 스위칭 동작을 가능하도록 창안한 것이다. 이러한 본 발명은 3상을 2상으로 변환하는 3/2 변환부(222)의 정지 좌표계를 회전 좌표계로 변환하는 좌표 변환부(223)와, 이 좌표 변환부(223)의 출력 신호를 입력으로 슬립 속도(Wsl)를 산출하는 슬립 계산부(224)와, 이 슬립 계산부(224)의 출력 신호(Wsl)와 실제 속도(Wr)의 오차(We)에 따른 동기 속도(We)를 계산하는 단위벡터 발생부(226)와, 지령 속도(Wr’)와 실제 속도(Wr)의 오차에 따른 전류 지령(i_q’)를 출력하는 비례적분 제어기(212)와, 이 비례 적분기(212)의 출력 전류(I_q’)와 실제 전류(Iq)의 오차(Iqe)에 따른 전압(Vqe)을 출력하는 비례적분 제어기(214)와, 실제 속도(Wr)에 따른 여자 전류(Id’)를 발생시키는 전류 변환기(215)와, 이 전류 변환기(215)의 전류 지령(i_d’)와 실제 전류(Id)의 오차(Ide)에 따른 전압(Vde)를 출력하는 비례적분 제어기(217)와, 상기 전압(Vqe)(Vde)을 정지 좌표계로 환산하는 좌표 변환부(218)의 2상 출력 신호를 3상으로 변환하는 2/3 변환부(219)와, 이 2/3 변환부(219)의 출력 전압에 따라 인버터의 스위칭 상태를 결정하는 스위칭 상태 결정부(227)로 구성한다.

Description

인버터 벡터 제어 장치

본 발명은 유도 전동기의 인버터에 관한 것으로 특히, 벡터 제어 방식의 인버터에서 시스템의 구성을 단순화한 인버터의 벡터 제어 장치에 관한 것이다.

도1은 종래의 벡터 제어 장치의 블럭도로서 이에 도시된 바와 같이, 전류 트랜스(121)에서 검출한 3상의 전기적 신호를 2상으로 변환하는 3/2 변환부(122)와, 이 3/2 변환부(122)에서 변환된 정지 좌표계를 회전 좌표계로 변환하는 좌표 변환부(123)와, 지령 속도(Wr’)와 실제 속도(Wr)를 덧셈기(111)에서 비교하여 그 오차를 보상하는 제1 비례적분(PI) 제어기(112)와, 이 제1 비례 적분기(112)의 출력 전류(I_q’)와 실제 분류(Iq)의 오차(Iqe)를 덧셈기(113)에서 비교하여 그 차를 보상하는 제2 비례적분(PI) 제어기(114)와, 실제 속도(Wr)에 따른 여자 전류(Id’)를 발생시키는 전류 변환기(115)와, 이 전류 변환기(115)의 출력 전류(Id’)와 실제 전류(Id)의 오차(Ide)를 덧셈기(116)에서 비교하여 그 오차를 보상하는 제3 비례적분 제어기(117)와, 상기 제2, 제3 비레적분 제어기(114)(117)의 출력 신호를 정치 좌표계로 환산하는 좌표 변환부(118)와, 이 좌표 변환부(118)의 2상 출력 신호를 3상으로 변환하여 인버터(120)에 출력하는 2/3 변환부(119)와, 상기 좌표 변환부(123)의 출력 신호(Iae)(Ide)를 입력으로 슬립 속도(Wsl)를 산출하는 슬립 계산부(124)와, 이 슬립 계산부(124)의 출력 신호(wsl)와 실제 속도(Wr)를 비교하여 그 오차(We)를 출력하는 덧셈기(125)와, 이 덧셈기(125)의 출력 신호(We)를 입력으로 상기 좌표 변환부(118)(123)에서 필요한 동기 속도를 계산하는 단위벡터 발생부(126)로 구성된다.

이와같은 종래 장치의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.

유동 전동기의 백터 제어 방식에서는 3상의 유도 전동기를 직류 전동기처럼 동작시키기 위하여 3/2 변환부(122)가 전류 트랜스(121)에서 검출한 3상의 전기적 신호를 2상의 신호로 변환하게 된다.

이때, 도2와 같이 전기적으로 120도의 상차를 갖는 3상의 전기적 신호를 d축과 q축상에 투사하여 d축 성분과 q축 성분으로 나눌 수 있다.

이를 정리하면 아래의 식(1)과 같다.

여기서, θ가‘0’이면 상기 식(1)은 아래의 식(2)와 같이 간단히 정리된다.

이에 따라, 3상의 전기적 신호가 정현파히므로 3/2 변환부(122)에서 2상으로 변환된 량도 정형파이므로 이를 직류 성분의 량으로 환산하기 위하여 좌표 변환부(123)에서 정현파의 주파수로 회전하는 좌표계로 환산하면 직류치의 값(Iqe)(Ide)을 얻을 수 있다.

상기에서 도3과 같이 정지 좌표계를 동기 속도(We)로 회전하는 회전 좌표계로 변환하는 동작은 아래의 식(3)과 같다.

그런데, 3상 유도 전동기의 전압 방정식을 동기 속도(We)로 회전하는 d-q축으로 변환하면 아래의 식(4)와 같이 나타내진다.

이때, 3상 유도 전동기를 직류 전동기처럼 제어하려는 경우 고정자의 q축에 의해 토오크가 제어되도록 하고 여자 전류 성분이 d축 전류를 일정하게 하면 아래의 식(5)의 조건을 만족하여야 한다.

이에 따라, 상기 식(5)의 관계에 의해 슬립식과 자속식을 구하면 아래의 식(6)과 같다.

여기서, Tr = Lr/Rr

즉, 슬립 계산부(124)는 좌표 변한부(123)의 출력 신호(i_qe)(i_de)를 입력으로 상기 식(6)과 같은 연산으로 슬립 속도(W_s1)를 구하게 된다.

이때, 상기 식(3)과 같은 좌표 변환부(123)에서의 좌표 변환시 동기 속도를 대한 정보를 필요로 한다.

따라서, 상기 식(6)과 같이 구한 슬립 주파수(w_s1)와 모터(IM)의 회전수(Wr)를 이용하여 덧셈기(125)가 아래의 식(7)과 같이 동기 속도(W_e)를 구하면 단위벡터 발생부(126)는 그 동기 속도(W_e)로 좌표 변환부(123)의 동작 속도를 제어하게 된다.

W_e= W_s1+Wr ......................... 식(7)

이때, 지령 속도(Wr’)가 주어지면 덧셈기(111)에서 실제 속도(Wr)와 비교하여 차를 구하고 제1 비례적분 제어기(112)가 상기 덧셈기(111)의 비교 결과를 입력으로 필요한 토오크 전류를 계산하여 q축 전류(Iq’)의 크기를 지령 전류로 출력한다.

이에 따라, 덧셈기(113)에서 지령 전류(Iq’)과 좌표 변환부(123)에서의 현재의 전류치(Iqe)를 비교하여 그 차를 구하면 그 차만큼의 전류가 보상되어 모터(IM)의 권선에 흐르도록 제2 비례적분 제어기(114)가 필요한 전압(Vqe)을 계산하여 상기 모터(IM)에 인가된 q축의 전압의 크기를 결정한다.

한편, d축의 전류는 정격속도 이하에서는 일정하게, 정격속도 이상에서는 속도에 따라 감소시켜야 한다.

이때, 전류 변환기(115)가 현재 속도(Wr)에 따른 d축의 전류(Id’)를 생성하면 덧셈기(116)에서 좌표 변환부(123)에서의 현재 전류치(Ide)와 비교하여 그 차를 구하게 된다.

이에 따라, 제3 비례적분 제어기(117)는 덧셈기(116)의 비교 결과를 보상하기 위하여 d축의 전압의 크기(Vde)를 결정한다. 이때, 제3 비례적분 제어기(114)(117)에서 q,d축의 전압(Vqe)(Vde)이 결정되면 좌표 변환부(118)는 모터(IM)에 인가될 수 있도록 단위 벡터 발생부(126)에 의한 동기 속도로 회전 좌표계에서 정지 좌표계로 환산하여 전압(Vq)(Vd)을 2/3 변환부(119)에 출력하게 된다.

이는 정지 좌표계를 회전 좌표계로 환산하기 위하여 좌표 변환부(123)에서의 연산 동작을 보인 상기 식(3)과 같은 행렬의 역행렬을 구함으로써 이루어진다.

따라서, 2/3 변환부(119)는 좌표 변환부(118)의 2상 출력 전압(Vq)(Vd)을 3상 전압(Va,Vd,Vc)으로 변환하여 인버터(120)에 인가함에 의해 유도 전동기(IM)의 회전 속도를 제어하게 된다.

상기 2/3 변환부(119)의 연산 동작을 나타내는 식은 도2에서 2상의 값을 3상으로 변환하는 좌표계로 투사하여 구할 수 있다.

즉, 상기의 동작은 지령 속도(Wr’)와 현재 속도(Wr)의 차에 의해 q축 전류 지령(i_q’)과 속도(Wr)에 따라 d축의 전류 지령(i_d’)이 결정되면 슬립 속도(W_s1)의 계산과 2번의 변환 과정을 거친 현재의 q축 전류와 d축 전류와의 차이에 의해 오차가 발생하고 그 오차를 비례적분 제어기(114)(117)의 입력으로 하여 출력해야할 q축 전압(V_qe)과 d축 전압(V_de)의 크기가 결정된다.

이를 다시 좌표 변환부(118)에서 정치 좌표계로 환산하여 2/3 변환부(119)에서 2상으로 변환하면 모터(IM)에 인가할 수 있는 전압(Va,Vd,Vc)이 구해진다.

이러한 일련의 동작을 한번 수행하면 한번의 스위칭이 이루어진다.

그러나, 종래의 벡터 제어 방식은 3상을 2상으로 변환하고 다시 이를 회전 변환한 다음 지령 속도와 현재 속도의 차에 의해 결정된 q축 및 d축 전류 지령을 보상한 후 다시 2번의 좌표 변환이 종료되어야 새로운 스위칭 상태를 결정할 수 있다.

따라서, 종래에는 스위칭 주파수가 너무 높으면 스위칭 손실이 증가하고 너무 낮은 경우에는 소음의 원인이 되므로 시스템의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 방식은 계산량이 많아 고속의 스위칭이 어렵고 스위칭 주파수를 높이기 위해서는 고속의 프로세서를 필요로 하여 가격 상승의 원인이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 종래 기술의 단점을 개선하기 위하여 유도 전동기를 구동하기 위한 지령 전압이 결정되면 그에 대응하는 스위치 상태를 결정하여 인버터의 스위칭 동작을 제어함으로써 계산량이 많아도 고속의 스위칭 동작을 가능하게 하여 벡터 제어 인버터의 성능을 향상시킬 수 있도록 창안한 인버터의 벡터 제어 장치를 제공함에 목적이 있다.

도1은 종래의 벡터 제어 장치의 블럭도.

도2는 3상을 2상으로의 변환을 보인 예시도.

도3은 정지 좌표에서 회전 좌표로의 변환을 보인 예시도.

도4는 본 발명에 따른 벡터 제어 장치의 블럭도.

도5는 도4에서 지령 전압을 공간 벡터로 표시한 예시도.

도6은 도4에서 인버터의 구성도.

도7은 도4에서 지령에 따른 스위치의 상태를 보인 표.

도8은 도4에서 지령 전압의 합성을 보인 예시도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

211,213,216,225 : 덧셈기 212,214,217 : 비레적인 제어기

215 : 전류 변환기 218,223 : 좌표 변환부

219 : 2/3 변환부 220 : 인버터

221 : 전류 트랜스 222 : 3/2 변환부

224 : 슬립 계산부 226 : 단위벡터 발생부

227 : 스위치 상태 결정부

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 3상의 전기적 신호를 2상으로 변환하는 3/2 변환 수단과, 이 3/2 변환 수단에서 변환된 정지 좌표계를 회전 좌표계로 변환하는 제1 좌표 변환 수단과, 이 제1 좌표 변환 수단의 q,d축의 전류를 입력으로 슬립 속도를 산출하는 슬립 계산 수단과, 이 슬립 계산 수단의 출력 신호와 실제 속도를 비교하여 그 오차를 출력하는 덧셈기와, 이 덧셈기의 출력 신호를 입력으로 상기 제1 좌표 변환수단에서 필요한 동기 속도를 계산하는 단위벡터 발생 수단과, 지령 속도와 실제 속도의 차에 따른 q축의 전류 지령을 계산하는 제1 비례적분(PI) 제어기와, 이 제1 비례적분기의 출력 전류와 실제 q축의 전류의 오차에 따른 q축의 전압을 산출하는 제2 비례적분 제어기와, 실제 속도에 따른 d축의 전류 지령을 발생시키는 전류 변환 수단과, 이 전류 변환 수단의 전류 지령과 실제 d축의 전류의 오차에 따른 d축의 전압을 산출하는 제3 비례적분 제어기와, 상기 단위벡터 발생 수단에서의 동기 속도로 상기 제2, 제3 비례적분 제어기의 출력 신호를 정지 좌표계로 환산하는 제2 좌표 변환수단과 이 제2 좌표 변환 수단의 2상 출력 신호를 3상으로 변환하는 2/3 변환 수단과, 이 2/3 변환 수단의 출력 전압에 따라 스위칭 상태를 결정하는 스위칭 상태 결정 수단으로 구성한다.

이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예는 도4의 블럭도에 도시한 바와 같이, 전류 트랜스(221)에서 검출한 3상의 전기적 신호를 2상으로 변환하는 3/2 변환부(222)와, 이 3/2 변환부(222)에서 변환된 정지 좌표계를 회전 좌표계료 변환하는 좌표 변환부(223)와, 이 좌표 변환부(223)의 출력 신호(Iqe)(Ide)를 입력으로 슬립 속도(Ws1)를 산출하는 슬립 계산부(224)와, 이 슬립 계산부(224)의 출력 신호(Ws1)와 실제 속도(Wr)를 비교하여 그 오차(We)를 출력하는 덧셈기(225)와, 이 덧셈기(225)의 출력 신호(We)를 입력으로 상기 좌표 변환부(223)에서 필요한 동기 속도(We)를 계산하는 단위벡터 발생부(226)와, 지령 속도(Wr’)와 실제 속도(Wr)를 덧셈기(211)에서 비교하여 그 오차를 보상하는 제1 비레적분(PI) 제어기(212)와, 이 제1 비례적분기(212)의 출력 전류(I_q’)와 실제 전류(Iq)의 오차(Iqe)를 덧셈기(213)에서 비교하여 그 차를 보상하는 제2 비례적분(PI) 제어기(214)와, 실제 속도(Wr)에 따른 여자 전류(Id’)를 발생시키는 전류 변환기(215)와, 이 전류 변환기(215)의 출력 전류(Id’)와 실제 전류(Id)의 오차(Ide)를 덧셈기(216)에서 비교하여 그 오차를 보상하는 제3 비례적분 제어기(217)와, 상기 단위벡터 발생부(226)에서의 동기 속도(We)로 상기 제2,제3 비례적분 제어기(214)(217)의 출력 신호를 정지 좌표계로 환산하는 좌표 변환부(218)와, 이 좌표 변환부(218)의 2상 출력 신호를 3상으로 변환하는 2/3 변환부(219)와, 이 2/3 변환부(219)의 출력 전압(Va,Vb,Vc)을 입력으로 스위칭 상태를 결정하여 인버터(220)를 구동하는 스위칭 상태 결정부(227)로 구성한다.

이와같이 구성한 본 발명의 실시예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

유도 전동기의 벡터 제어 방식에서는 3상의 유도 전동기를 직류 전동기처럼 동작시키기 위하여 3/2 변환부(222)가 전류 트랜스(221)에서 검출한 3상의 전기적 신호를 좌표계의 d축과 q축상에 투사하여 2상의 신호(i_q)(i_d)로 변환하게 된다.

이때, 3상의 전기적 신호가 정현파이면 3/2 변환부(222)에서 2상으로 변환된 량도 정형파이므로 이를 직류 성분의 량으로 환산하기 위하여 좌표 변환부(223)에서 정현파의 주파수로 회전하는 좌표계로 환산함에 의해 직류치의 값(Iqe)(Ide)을 얻게 된다.

만일, 3상 유도 전동기를 직류 전동기처럼 제어하려는 겨우 고정자의 q축에 의해 토오크가 제어되도록 하고 여자 전류 성분이 d축 전류를 일정하게 하면 아래의 식(11)의 조건을 만족하여야 한다.

따라서, 상기 식(5)의 관계에 의해 슬립식과 자속식을 구하면 아래의 식(12)와 같다.

여기서, Tr = Lr/Rr

즉, 슬립 계산부(224)는 좌표 변한부(223)의 출력 신호(i_qe)(i_de)를 입력으로 상기 식(12)와 같은 연산으로 슬립 속도(W_s1)를 구하게 된다.

이에 따라, 덧셈기(225)가 상기 식(12)로 구한 슬립 주파수(W_s1)와 모터(IM)의 회전수(Wr)를 입력으로 아래의 식(13)과 같이 연산하여 동기 속도(We)를 산출하면 단위벡터 발생부(226)는 그 동기 속도(We)로 좌표 벼환부(223)의 동작 속도를 제어하게 된다.

W_e= W_s1+W_r................... 식(13)

한편, 덧셈기(211)가 지령 속도(Wr’)와 실제 속도(Wr)의 차를 구하면 제1 비례적분 제어기(212)는 그 차를 입력으로 필요한 토오크 전류를 계산하여 q축 전류(Iq’)의 크기를 지령 전류로 출력한다.

이때, 덧셈기(213)가 지령 전류(Iq’)와 좌표 변환부(223)에서의 현재의 전류치(Iqe)를 비교하여 그 차를 구하면 모터(IM)의 권선에 그 차만큼의 보상된 전류가 흐르도록 제2 비례적분 제어기(214)가 필요한 전압(Vqe)을 계산하여 상기 모터(IM)에 인가된 q축의 전압(V_qe)의 크기를 결정한다.

그런데, d축의 전류는 정격속도 이하에서는 일정하게, 정격속도 이상에서는 속도에 따라 감소시켜야 하는데, 전류 변환기(215)가 현재 속도(Wr)에 다른 d축의 전류(Id’)를 생성하면 덧셈기(216)가 좌표 변화부(223)에서의 현재 전류치(Ide)와 비교하여 그 차를 구하게 된다.

이때, 제3 비례적분 제어기(117)는 덧셈기(216)에서의 차만큼 보상하기 위한 d축의 전압(Vde)을 결정한다.

따라서, 제2,제3 비례적분 제어기(214)(217)에서 q,d축의 오차 전압(Vqe)(Vde)이 결정되면 좌표 변환부(218)는 단위 벡터 발생부(226)에서의 동기 속도(We)로 정지 좌표계를 회전 좌표계로 환산함에 의해 모터(im)에 인가되어야 할 q축과 d축의 전압(Vq)(Vd)을 구하여 2/3 변환부(219)에 출력하게 된다.

이에 따라, 2/3 변환부(219)는 좌표 변환부(218)의 2상 전압(Vq)(Vd)을 3상 전압(Va,Vb,Vc)으로 변환하여 스위치 상태 결정부(227)에 출력하게 된다.

이때, 스위칭 상태 결정부(227)가 3상 입력 전압(Va,Vb,Vc)에 따른 도6과 같은 인버터(220)의 스위치(S1,S2,S3)의 상태를 결정하여 해당 제어 신호를 출력하게 된다.

따라서, 인버터(220)가 스위칭 상태 결정부(227)의 제어 신호에 의해 스위칭되어 유도 전동기(IM)의 회전 속도를 제어하게 된다.

상기에서 2/3 변환부(219)에서 결정된 지령 전압(Va,Vb,Vc)을 공간 벡터상에 표시하면 도5와 같다.

여기서, 도5의 각 꼭지점을 나타내는 벡터는 도6과 같은 인버터(220)에서의 스위치(S1,S2,S3)의 상태 즉, 온/오프에 따라 발생하는 출력 전압을 나타낸다.

예를 들어, V1(100)은 스위칭(S1)이 온이고 스위치(S2)가 오프일 때의 상태를 나타내며 이때, Va=2/3Vdc, Vd=1/3Vdc, Vc=1/3Vdc 의 값을 갖게 된다.

따라서, 스위치 상태 결정부(227)는 스위치( S1,S2,S3)의 조합에 의해 도7의 표와 같이 8개의 스위칭 상태를 갖는다.

상기 스위치 상태 결정부(227)는 지령 전압이 주어졌을 때 인접한 두 벡터로 지령 전압을 합성함으로써 8개의 스위치 상태로 지령 전압을 출력하게 된다.

예를 들어, 도7과 같이, 지령 전압이 Vref이고 인접한 벡터가 a,b라고 할 때 a벡터에 인가되는 시간을 T1, b벡터에 인가되는 시간을 T2라 하면 지령 전압(Vref)은 아래의 식(14)과 같이 시간평균적으로 합성할 수 있다.

상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 별도의 소자를 사용함이 없이 스위치의 상태와 턴온/턴오프 시간을 미리 결정하여 계산량이 많을지라도 고속의 스위칭을 가능하게 함으로써 저속의 마이크로 컴퓨터로도 고성능의 벡터 제어 인버터를 실한할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 3상의 전기적 신호를 2상으로 변환하여 현재의 전류 오차(i_qe)(i_de)를 검출하는 전류 검출 수단과, 지령 속도(Wr’)와 현재 속도(Wr)를 입력으로 전류 지령(iq’)(id’)를 산출하여 상기 전류 검출 수단의 오차 전류(i_qe)(i_de)와 비교함에 의해 그 차에 따른 전압 오차(V_qe)(V_de)를 산출하는 전압 검출 수단과, 이 전압 검출 수단의 출력 전압(V_qe)(V_de)을 회전 좌표계로 환산하는 좌표 변환 수단과, 상기 전류 검출 수단의 전류 오차(i_qe)(i_de)를 입력으로 슬립 속도(W_s1)를 구하여 현재 속도(Wr)와 비교하고 그 차(We)에 대응하는 동기 속도를 구하여 상기 전류 검출 수단 및 상기 좌표 변환 수단의 연산 속도를 제어하는 수단과, 상기 좌표 변환 수단의 출력 전압(V_q)(V_d)을 3상 전압(Va,Vb,Vc)로 변환하는 2/3 변환 수단과, 이 2/3 변환 수단의 3상 전압(Va,Vb,Vc)에 따른 인버터 수단의 스위치 상태를 결정하는 스위치 상태 결정 수단으로 구성한 것을 특징으로 하는 인버터의 벡터 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 스위치 상태 결정 수단은 3/2 변환 수단의 출력 전압에 대한 8개의 스위치 상태 및 턴온/턴오프 시간을 미리 결정하여 저장하도록 구성한 것을 특징으로 하는 인버터의 벡터 제어 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스위치 상태 결정 수단은 지령 전압을 8개의 스위치 상태로 출력하는 것을 특징으로 하는 인버터의 벡터 제어 장치.
4. 제3항에 있어서, 지령 전압을 인접한 2개의 벡터를 시간 평균적으로 합성하는 것을 특징으로 하는 인버터의 벡터 제어 장치.