KR19980074454A - Motor driving device by space vector control - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공간벡터 제어에 의한 모터구동장치에 관한 것으로서, 특히, 소정 주기의 삼각파를 발생하고, 상기 삼각파의 반주기를 샘플링주기로 하고, 상기 샘플링주기마다 소정의 펄스신호를 발생하는 삼각파발생부; 공간벡터 전압지령을 입력받아 저장하고, 상기 펄스신호에 응답하여 저장된 전압지령을 출력하는 명령입력부; 복수의 스위치를 갖고, 상기 복수의 스위치의 스위칭상태에 따라 모터를 구동하기 위한 삼상전압을 발생하는 인버터부; 및 상기 삼각파발생부 및 명령입력부로부터 각각 제공되는 삼각파와 전압지령에 응답하여 상기 복수의 스위치를 제어하기 위해 공간벡터 제어방식에 의해 한주기 샘플링구간의 양단에 절반의 영전압스위칭시간을 설정하고, 일단의 영전압 스위칭시간동안 온상태를 유지하는 게이트신호를 발생하는 게이트신호발생부를 구비하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a motor driving apparatus by space vector control, and more particularly, comprising: a triangular wave generator for generating a triangular wave with a predetermined cycle, setting the half cycle of the triangular wave as a sampling cycle, and generating a predetermined pulse signal for each sampling cycle; A command input unit for receiving and storing a space vector voltage command and outputting a stored voltage command in response to the pulse signal; An inverter unit having a plurality of switches and generating a three-phase voltage for driving a motor according to the switching state of the plurality of switches; And setting half zero voltage switching times at both ends of one cycle sampling section by a space vector control method to control the plurality of switches in response to the triangular wave and voltage command provided from the triangular wave generator and the command input unit, respectively. And a gate signal generator for generating a gate signal that remains on for a period of zero voltage switching time.

따라서, 본 발명에서는 공간백터상에서 전압지령의 위치에 따른 스위칭시간을 산출하고, 두 주기의 샘플링구간동안 연속되는 게이트신호를 생성함으로써, 종래의 공간벡터제어와 동일한 결과를 얻고, 종래의 펄스폭변조(PWM) 방식에 의한 모터구동보다 높은 성능을 얻을 수 있다.Therefore, the present invention calculates the switching time according to the position of the voltage command on the space vector and generates a continuous gate signal during the sampling period of two cycles, thereby obtaining the same result as the conventional space vector control, and the conventional pulse width modulation. Higher performance than motor drive by (PWM) method can be obtained.

Description

공간벡터제어에 의한 모터구동장치Motor driving device by space vector control

본 발명은 공간벡터제어에 의한 모터구동장치에 관한 것으로서, 특히, 삼각파 비교방법의 구조에서 공간벡터제어를 이용하여 인버터의 스위칭소자를 제어하기 위한 게이트신호를 전압지령에 가장 가까운 공간벡터전압으로 선정하여 스위칭소자의 스위칭 시간을 샘플링 주기내에 계산하고, 그 계산된 값에 따라 게이트신호를 생성함으로써, 모터의 제어효율을 극대화하기 위한 공간벡터 제어에 의한 모터 구동장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a motor driving apparatus using space vector control. In particular, in the structure of a triangular wave comparison method, a gate signal for controlling a switching element of an inverter using space vector control is selected as a space vector voltage closest to a voltage command. The present invention relates to a motor driving apparatus and method by space vector control for maximizing control efficiency of a motor by calculating a switching time of a switching element within a sampling period and generating a gate signal according to the calculated value.

현재 산업현장에서는 여러종류의 모터들이 사용되고 있으며, 이들 모터의 드라이버들은 대부분 펄스폭변조(PWM; Pulse Width Modulation) 스위칭 방식을 사용하고 있다. 전압형에 있어서, 상기 스위칭 방식은 전류제어기의 전압지령과 기준 삼각파의 전압레벨을 비교하여 두 전압신호 크기의 대소에 따라 펄스신호를 발생하고, 이 펄스신호로 인버터의 스위칭 상태를 변화시킴으로써, 모터의 전류가 실제전류를 추종하도록 한다.Currently, many types of motors are used in the industrial field, and most of the drivers of these motors use a pulse width modulation (PWM) switching method. In the voltage type, the switching method compares the voltage command of the current controller with the voltage level of the reference triangular wave to generate a pulse signal according to the magnitude of the two voltage signals, and changes the switching state of the inverter with the pulse signal, Let the current of follow the actual current.

상기 펄스폭변조 스위칭 방식을 사용할 경우 방방제어방식에 비해 정상상태 특성 및 주파수 특성이 우수한 장점을 얻을 수 있으나, 각상에 인가할 수 있는 최대치의 직류전압의 절반(Vdc/2)으로 제한되는 데, 이는 삼상전압의 합이 영(Zero)이어야 한다는 제약조건에서 도출된 결과이다. 따라서, 펄스폭변조 스위칭 방식은 6스텝 방법의 기본파신호의 78%로 성능효율이 제한된다는 문제점이 있다.When the pulse width modulation switching method is used, the steady state characteristics and the frequency characteristics can be obtained in comparison with the control method, but are limited to half of the maximum DC voltage (Vdc / 2) that can be applied to each phase. This is the result of the constraint that the sum of three phase voltages should be zero. Therefore, the pulse width modulation switching method has a problem that the performance efficiency is limited to 78% of the fundamental wave signal of the six-step method.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 삼각파 비교방법의 구조에서 공간벡터제어를 이용하여 인버터의 스위칭소자를 제어하기 위한 게이트신호를 전압지령에 가장 가까운 공간벡터전압으로 선정하여 스위칭소자의 스위칭 시간을 샘플링 주기내에 계산하고, 그 계산된 값에 따라 게이트신호를 생성함으로써, 모터의 제어효율을 극대화하기 위한 공간벡터 제어에 의한 모터 구동장치 및 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to select a gate signal for controlling the switching device of the inverter using the space vector control in the structure of the triangular wave comparison method as the space vector voltage closest to the voltage command to solve the above problems. The present invention provides a motor driving apparatus and method by space vector control for maximizing control efficiency of a motor by calculating a switching time within a sampling period and generating a gate signal according to the calculated value.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는 소정 주기의 삼각파를 발생하고, 상기 삼각파의 반주기를 샘플링주기로 하고, 상기 샘플링주기마다 소정의 펄스신호를 발생하는 삼각파발생부; 공간벡터 전압지령을 입력받아 저장하고, 상기 펄스신호에 응답하여 저장된 전압지령을 출력하는 명령입력부; 복수의 스위치를 갖고, 상기 복수의 스위치의 스위칭상태에 따라 모터를 구동하기 위한 삼상전압을 발생하는 인버터부; 및 상기 삼각파발생부 및 명령입력부로부터 각각 제공되는 삼각파와 전압지령에 응답하여 상기 복수의 스위치를 제어하기 위해 공간벡터 제어방식에 의해 한주기 샘플링구간의 양단에 절반의 영전압스위칭시간을 설정하고, 일단의 영전압 스위칭시간동안 온상태를 유지하는 게이트신호를 발생하는 게이트신호발생부를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the device of the present invention comprises a triangular wave generator for generating a triangular wave of a predetermined period, a half cycle of the triangular wave as a sampling period, and generating a predetermined pulse signal for each sampling period; A command input unit for receiving and storing a space vector voltage command and outputting a stored voltage command in response to the pulse signal; An inverter unit having a plurality of switches and generating a three-phase voltage for driving a motor according to the switching state of the plurality of switches; And setting half zero voltage switching times at both ends of one cycle sampling section by a space vector control method to control the plurality of switches in response to the triangular wave and voltage command provided from the triangular wave generator and the command input unit, respectively. And a gate signal generator for generating a gate signal that remains on for a period of zero voltage switching time.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은 공간벡터 전압지령을 입력받아 저장하는 단계; 소정 주기의 삼각파를 발생하고, 상기 삼각파의 반주기를 샘플링주기로 하고, 상기 샘플링주기마다 소정의 펄스신호를 발생하는 단계; 상기 펄스신호에 응답하여 저장된 전압지령을 출력하는 단계; 상기 단계들에서 출력된 삼각파와 전압지령에 응답하여 공간벡터 제어방식에 의해 한주기 샘플링구간의 양단에 절반의 영전압스위칭시간을 설정하고, 일단의 영전압 스위칭시간동안 온상태를 유지하는 게이트신호를 발생하는 단계; 상기 게이트신호에 따라 스위칭상태를 변화시키면 모터 구동전압을 발생하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the method of the present invention comprises: receiving and storing a space vector voltage command; Generating a triangular wave with a predetermined period, using a half period of the triangular wave as a sampling period, and generating a predetermined pulse signal for each sampling period; Outputting a stored voltage command in response to the pulse signal; In response to the triangular wave and voltage command outputted in the above steps, half of zero voltage switching time is set at both ends of one cycle sampling section by the space vector control method, and the gate signal is kept on for one zero voltage switching time. Generating a; And generating a motor driving voltage when the switching state is changed according to the gate signal.

도 1 은 본 발명에 의한 모터구동장치를 설명하기 위한 블록도.1 is a block diagram for explaining a motor drive apparatus according to the present invention.

도 2 은 도 1 에 나타낸 삼각파발생부의 동작에 따른 개략적인 파형도..2 is a schematic waveform diagram according to the operation of the triangular wave generator shown in FIG.

도 3 는 본 발명에 따른 모터구동장치의 공간벡터제어를 설명하기 위한 공간전압 벡터도.3 is a space voltage vector diagram for explaining the space vector control of the motor drive apparatus according to the present invention.

도 3 은 도 1 에 나타낸 게이트신호 발생부의 출력파형을 나타낸 파형도.3 is a waveform diagram showing an output waveform of the gate signal generator shown in FIG. 1;

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명.* Explanation of symbols for the main parts of the drawings.

10; 삼각파발생부20; 명령입력부10; Triangle wave generator 20; Command input section

40; 인버터부60; 게이트신호 발생부40; Inverter section 60; Gate signal generator

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 은 본 발명에 의한 모터구동장치의 블록 구성도로서, 도시된 바와 같이, 소정 주기의 삼각파를 발생하고, 상기 삼각파의 반주기를 샘플링주기(TS)로 하고, 샘플링주기(TS)마다 소정의 펄스신호(P)를 발생하는 삼각파발생부(10)와, 공간벡터 전압지령(V)을 입력받아 저장하고, 펄스신호(P)에 응답하여 저장된 전압지령을 출력하는 명령입력부(20)와, 복수의 스위치(SW1∼SW6)를 갖고, 상기 복수의 스위치(SW1∼SW6)의 스위칭상태에 따라 모터(M)를 구동하기 위한 삼상전압(U,V,W)을 발생하는 인버터부(40)와, 상기 삼각파발생부(10) 및 명령입력부(20)로부터 각각 제공되는 삼각파와 전압지령에 응답하여 복수의 스위치(SW1∼SW6)를 제어하기 위해 공간벡터 제어방식에 의해 한주기 샘플링구간의 양단에 절반의 영전압스위칭시간(T0/2) 각각을 설정하고, 일단의 영전압 스위칭시간동안 온상태를 유지하는 게이트신호를 발생하는 게이트신호발생부(60)로 구성된다.1 is a block diagram of a motor driving apparatus according to the present invention. As shown in FIG. A triangular wave generator 10 for generating a pulse signal P, a command input unit 20 for receiving and storing a space vector voltage command V * and outputting a stored voltage command in response to the pulse signal P; And an inverter unit 40 having a plurality of switches SW1 to SW6 and generating three-phase voltages U, V, and W for driving the motor M according to the switching states of the plurality of switches SW1 to SW6. ) And one cycle sampling interval by the space vector control method to control the plurality of switches SW1 to SW6 in response to the triangular wave and voltage command provided from the triangular wave generator 10 and the command input unit 20, respectively. Half of zero voltage switching time (T0 / 2) is set at both ends, and one set of zero It consists of a gate signal generating section 60 for generating a gate signal that maintains the ON state during the switching time.

상기와 같이 구성된 바람직한 실시예의 동작 전반에 관하여 도 2 및 도 3 의 도면을 인용하여 기술하면 다음과 같다.Referring to the drawings of FIGS. 2 and 3 with reference to the overall operation of the preferred embodiment configured as described above are as follows.

도 2 를 참조하여, 중앙처리장치(CPU)에 의해서 산출된 전압지령(V)이 명령입력부(20)에 입력되면, 버퍼로 구성된 명령입력부(20)는 전압지령(V)을 저장한다 . 한편, 삼각파 발생부(10)는 삼각파(T)를 발생하여 게이트신호 발생부(60)에 공급하고, 이와 동시에 상기 삼각파의 반주기를 샘플링주기(TS)로 매 샘플링주기마다 소정의 펄스신호(P)를 발생한다. 이 신호는 명령입력부(20)에 제공된다.Referring to FIG. 2, when the voltage command V calculated by the CPU is input to the command input unit 20, the command input unit 20 configured as a buffer stores the voltage command V . . Meanwhile, the triangular wave generator 10 generates a triangular wave T and supplies the triangular wave T to the gate signal generator 60, and at the same time, the half cycle of the triangular wave is a sampling period TS, and a predetermined pulse signal P is applied every sampling period. Will occur). This signal is provided to the command input unit 20.

그러면 명령입력부(20)는 펄스신호(P)에 응답하여 저장되어 있던 전압지령(V)을 게이트신호 발생부(60)에 공급하고, 이어 게이트신호 발생부(40)는 인버터(40)로 하여금 모터(M)를 제어할수 있도록 공간벡터제어방식에 의해 인버터(40)의 복수의 스위치(SW1∼SW6)를 스위칭시키기 위한 도 4 와 같이 나타낸 게이트신호(S1,S2, S3)를 발생한다.Then, the command input unit 20 supplies the voltage command V stored in response to the pulse signal P to the gate signal generator 60, and then the gate signal generator 40 supplies the inverter 40. Gate signals S1, S2, and S3 shown in FIG. 4 are generated for switching the plurality of switches SW1 to SW6 of the inverter 40 by the space vector control method so that the motor M can be controlled.

상기한 공간벡터제어는 통상 도 2 에 나타낸 바와 같이 6개의 스위칭 벡터 즉, 공간백터전압이 방사형의 원을 형성하고 있으며, 6개의 스위칭 벡터를 각 스위칭 순간에 채택하여 모터의 자속이 원을 따라가도록 한다.In the space vector control, as shown in FIG. 2, six switching vectors, that is, space vector voltages form a radial circle, and six switching vectors are adopted at each switching moment so that the magnetic flux of the motor follows the circle. do.

본 발명은 상기한 공간벡터상에서 전압지령이 기준벡터로부터 소정의 위상각(α)을 이루며 두 벡터 사이에 존재하도록 한다. 위상각(α)는 로터의 회전각에 따라 결정된다.The present invention allows the voltage command to exist between the two vectors at a predetermined phase angle α from the reference vector on the space vector. The phase angle α is determined according to the rotation angle of the rotor.

상기 전압지령에 필요한 시간치는 다음의 수학식에 의해서 구해진다.The time value required for the voltage command is obtained by the following equation.

[수학식][Equation]

여기서, T1은 제 1 스위칭 벡터의 시간정보를, T2는 제 2 스위칭 벡터의 시간정보를, TS는 샘플링 주기를, α는 전기각을, V는 전압지령을 각각 나타낸다.Here, T1 denotes time information of the first switching vector, T2 denotes time information of the second switching vector, TS denotes a sampling period, α denotes an electric angle, and V * denotes a voltage command.

상기 수학식에 나타낸 값은 한 주기내에서 T1이온되는 시간과 T2가 온되는 는 시간의 정보를 나타내고, T1과 T2의 합을 TS에서 뺀 양이 영전압 T0를 공금하는 상태로 된다.The value shown in the above equation represents information of the time when T1 is turned on and the time when T2 is turned on in one cycle, and the amount obtained by subtracting the sum of T1 and T2 from TS is in the state of supplying zero voltage T0.

일례로, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 전기각(α)을 갖는 전압지령(V)이 중앙처리장치(CPU)에 의해 내려졌을 때 처음에는 제로벡터 V0(0.0.0) 즉, 스위치 SW1,SW2,SW3 각각이 오프상태로 주어지고, T1의 시간동안 공간적으로 V1(1.0.0)으로 이동하고, T2의 시간동안 V2(1.0.1)으로 이동하고, T2 이후에 다시 제로벡터 V7(1.1.1)으로 이동하여 영전압명령을 수행하게 된다. 스위칭시간이 T1과 T2일 때 인버터(80)의 스위칭 상태는 전압지령의 위치에 따라 다른 형태를 가진다. 이는 전압지령이 T1과 T2의 벡터합이기 때문이다. 따라서, 전압지령(V)의 위치변화에 따른 각 경우에 대해서는 프로세스에서 미리 지정된 모양으로 변환하여 출력하면 된다.For example, as shown in FIG. 3, when the voltage command V * having the electric angle α is issued by the CPU, the first vector V0 (0.0.0), that is, the switch SW1, SW2 and SW3 are each turned off, move spatially to V1 (1.0.0) for the time T1, move to V2 (1.0.1) for the time T2, and again zero vector V7 (1.1 after T2. Go to .1) to execute the zero voltage command. When the switching times are T1 and T2, the switching state of the inverter 80 has a different form depending on the position of the voltage command. This is because the voltage command is a vector sum of T1 and T2. Therefore, in each case according to the positional change of the voltage command V * , the process may be converted into a predetermined shape in the process and output.

도 4 를 참조하여, 도 3 과 같은 전압지령이 주어진 경우에는 인버터부(40) 스위치(SW1)을 스위칭시키기 위한 게이트신호(S1)는 첫 번재 샘플링주기(TS)의 선단부의 스위칭시간(T0/2)에서 오프되고, 다음 샘플링주기(TS)의 후단부의 영전압 스위칭시간(T0/2)에서 오프되는 대칭형상의 구조를 가진다. 게이트신호(S2)는 한주기의 샘플링구간(TS)에서 (T0/2+T1)의 시간동안 온상태를 유지하고, 게이트신호(S3)는 한주기의 샘플링구간(TS)에서 (T0/2+T1+T2)의 시간동안 온상태를 유지하게 된다.Referring to FIG. 4, when the voltage command as shown in FIG. 3 is given, the gate signal S1 for switching the switch SW1 of the inverter unit 40 is the switching time T0 / of the tip of the first sampling period TS. 2), and has a symmetrical structure that is turned off at the zero voltage switching time T0 / 2 at the rear end of the next sampling period TS. The gate signal S2 remains on for a period of (T0 / 2 + T1) in the sampling period TS of one period, and the gate signal S3 of (T0 / 2 + T1 + T2) of the sampling period TS of one period. It stays on for hours.

따라서 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 본 발명에서는 공간백터상에서 전압지령의 위치에 따른 스위칭시간을 산출하고, 두 주기의 샘플링구간동안 연속되는 게이트신호를 생성함으로써, 종래의 공간벡터제어와 동일한 결과를 얻고, 종래의 펄스폭변조(PWM) 방식에 의한 모터구동보다 높은 성능을 얻을 수 있다.Therefore, as described above, in the present invention, the present invention calculates the switching time according to the position of the voltage command on the space vector, and generates a continuous gate signal for two periods of sampling period, thereby achieving the same result as the conventional space vector control. In addition, it is possible to obtain higher performance than motor driving by the conventional pulse width modulation (PWM) method.

본 발명은 고속회전으로 직류전압의 효율적 이용이 요구되는 유도기 제어기에 적용할 경우 상당한 효과가 기대된다.The present invention is expected to have a significant effect when applied to an induction controller that requires the efficient use of DC voltage at high speed.

Claims (4)

소정 주기의 삼각파를 발생하고, 상기 삼각파의 반주기를 샘플링주기로 하고, 상기 샘플링주기마다 소정의 펄스신호를 발생하는 삼각파발생부; 공간벡터 전압지령을 입력받아 저장하고, 상기 펄스신호에 응답하여 저장된 전압지령을 출력하는 명령입력부; 복수의 스위치를 갖고, 상기 복수의 스위치의 스위칭상태에 따라 모터를 구동하기 위한 삼상전압을 발생하는 인버터부; 및 상기 삼각파발생부 및 명령입력부로부터 각각 제공되는 삼각파와 전압지령에 응답하여 상기 복수의 스위치를 제어하기 위해 공간벡터 제어방식에 의해 한주기 샘플링구간의 양단에 절반의 영전압스위칭시간을 설정하고, 일단의 영전압 스위칭시간동안 온상태를 유지하는 게이트신호를 발생하는 게이트신호발생부를 구비하는 것을 특징으로 하는 공간벡터제어에 의한 모터구동장치.A triangular wave generator for generating a triangular wave of a predetermined period, using a half period of the triangular wave as a sampling period, and generating a predetermined pulse signal for each sampling period; A command input unit for receiving and storing a space vector voltage command and outputting a stored voltage command in response to the pulse signal; An inverter unit having a plurality of switches and generating a three-phase voltage for driving a motor according to the switching state of the plurality of switches; And setting half zero voltage switching times at both ends of one cycle sampling section by a space vector control method to control the plurality of switches in response to the triangular wave and voltage command provided from the triangular wave generator and the command input unit, respectively. And a gate signal generator for generating a gate signal that remains on for a period of zero voltage switching time. 제 1 항에 있어서, 상기 전압지령이 공간백터상에서 위치할시 상기 전압지령의 근방에 위치한 스위칭벡터에 따른 게이트신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 공간벡터제어에 의한 모터구동장치.The motor driving device according to claim 1, wherein when the voltage command is located on a space vector, a gate signal is generated according to a switching vector located near the voltage command. 제 1 항에 있어서, 상기 전압지령에 필요한 시간치는 다음의 수식:The time value required for the voltage command according to claim 1, wherein: (여기서, T1은 제 1 스위칭 벡터의 시간정보를, T2는 제 2 스위칭 벡터의 시간정보를, TS는 샘플링 주기를, α는 전기각을, V는 전압지령을 각각 나타낸다.)에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 공간벡터제어에 의한 모터구동장치.(T1 denotes time information of the first switching vector, T2 denotes time information of the second switching vector, TS denotes a sampling period, α denotes an electric angle, and V * denotes a voltage command.) Motor drive device by space vector control, characterized in that the. 공간벡터 전압지령을 입력받아 저장하는 단계; 소정 주기의 삼각파를 발생하고, 상기 삼각파의 반주기를 샘플링주기로 하고, 상기 샘플링주기마다 소정의 펄스신호를 발생하는 단계; 상기 펄스신호에 응답하여 저장된 전압지령을 출력하는 단계; 상기 단계들에서 출력된 삼각파와 전압지령에 응답하여 공간벡터 제어방식에 의해 한주기 샘플링구간의 양단에 절반의 영전압스위칭시간을 설정하고, 일단의 영전압 스위칭시간동안 온상태를 유지하는 게이트신호를 발생하는 단계; 상기 게이트신호에 따라 스위칭상태를 변화시키면 모터 구동전압을 발생하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 공간벡터제어에 의한 모터구동장치.Receiving and storing a space vector voltage command; Generating a triangular wave with a predetermined period, using a half period of the triangular wave as a sampling period, and generating a predetermined pulse signal for each sampling period; Outputting a stored voltage command in response to the pulse signal; In response to the triangular wave and voltage command outputted in the above steps, half of zero voltage switching time is set at both ends of one cycle sampling section by the space vector control method, and the gate signal is kept on for one zero voltage switching time. Generating a; And a motor driving voltage is generated when the switching state is changed according to the gate signal.
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