KR19990032700A - 유도전동기 벡터 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도전동기 벡터 제어장치에 관한 것으로, 종래에는 유도전동기의 여러 가지 상수들을 이용한 슬립 연산기의 슬립주파수는 전류변환기에 의하여 구해지는 고정자 전류값과 인버터에 입력된 값들로 생성하게 되는데, 이 경우 회전자 시정수가 변동하게 되면 회전자 자속의 위치를 잘못 추정함으로써 과도상태 및 정상상태에서의 제어성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 슬립연산기 입력에 회전자 시정수 추정기를 사용하여 운전 중에 변화하는 유도전동기 상수를 추정 보상함으로써, 회전좌표계로 변환하기 위하여 사용되는 회전자 자속축의 위치를 정확히 구해냄으로 인해 전류제어기 및 속도제어기의 응답성을 향상시켜 벡터제어 인버터의 성능을 향상시키도록 한 것이다.

Description

유도전동기 벡터 제어장치

본 발명은 슬립주파수형 벡터제어방식의 인버터에 의해 제어되는 유도전동기를 장시간 운전시킬 경우 회전자 시정수가 변동하여 벡터제어 인버터의 성능이 저하되는 것을 방지하기 위한 것으로, 특히 실제 회전자 자속의 크기와 지령치 회전자 자속의 크기를 비교하여 회전자 시정수의 대소를 판별한 후 이 판별에 의해 회전수 시정수를 보상함으로써 벡터제어 인버터의 성능을 향상시키도록 한 유도전동기 벡터 제어장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 유도전동기 벡터 제어장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 유도전동기(11)의 회전속도를 검출하는 속도 검출기(12)와, 상기 속도 검출기(12)에서 검출한 회전속도에 따라 정토오크 영역과 정출력 영역을 구별하여 회전자 자속 지령치를 생성하는 지령치 발생기(3)와, 상기 지령치 발생기(3)에서 생성된 회전자 자속 지령치와 자속 추정기(14)에서 추정된 회전자 자속 추정치를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 제2비교기(4)와, 상기 제2비교기(4)에서 출력되는 자속에 대한 오차를 보상하기 위한 자속전류 지령치( i_ds ^* )를 출력하는 자속 제어기(5)와, 상기 속도 검출기(12)에서 검출한 회전속도( ω_r )와 외부로 부터 입력되는 속도지령치( ω_r ^* )를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 제1비교기(1)와, 상기 제1비교기(1)에서 출력되는 속도에 의한 오차를 보상하기 위한 토오크 전류 지령치( i_qs ^* )를 출력하는 속도 제어기(2)와, 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 실제의 토오크 전류 지령치( i_qs ^* )와 전류변환기에서 출력되는 실제의 토오크전류( i_qs )를 비교하여 출력하는 제3비교기(7)와, 상기 자속 제어기(5)에서 출력되는 자속전류 지령치( i_ds ^* )와 전류변환기에서 출력되는 자속전류( i_ds )를 비교하여 출력하는 제4비교기(6)와, 상기 제3비교기(7)와 제4비교기(6)에서 비교된 후 출력되는 토오크분 전류와 자속분 전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 생성하여 출력하는 전류 제어기(8)와, 상기 전류 제어기(8)에서 출력되는 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 정지좌표계의 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )으로 변환시켜 출력하는 좌표변환기(9)와, 상기 좌표변환기(9)의 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )을 유도전동기(11)로 인가하여 회전시키도록 하는 벡터제어 인버터(10)와, 상기 유도전동기(11)에서 회전시 그로 부터 검출되는 2상전류( i_as,i_cs )를 받아 회전자 좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 전류( i_qs,i_ds )를 출력하는 전류변환기(13)와, 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류 지령치( i_qs ^* )와 유도전동기 상수값들을 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기(15)와, 상기 슬립 연산기(15)에서 계산된 슬립주파수와 속도검출기(12)에서 검출된 속도( ω_r )를 더하는 가산기(16)와, 상기 가산기(16)에서 더해진 값을 적분하여 상기 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)에서 사용되는 회전자 자속의 위치(θ)를 설정하여 주는 적분기(17)로 구성된다.

이와같이 구성된 종래 기술에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

유도전동기(11)가 회전하게 되면 속도 검출기(12)에서 회전속도를 검출하고, 그 검출한 속도( ω_r )를 출력한다.

외부로 부터 입력되는 속도지령치( ω_r ^* )가 제1비교기(1)의 비반전단자(+)로 입력되면, 상기 제1비교기(1)는 그의 반전단자(-)로 입력되는 속도 검출기(12)로 부터의 회전속도( ω_r )를 받아 두 값의 차를 구하여 속도 제어기(2)로 출력한다.

이때 지령치 발생기(3)는 상기 속도 검출기(12)에서 검출한 속도( ω_r )에 따라 정토오크 영역과 정출력 영역을 구별하여 회전자 자속의 지령치를 생성하여 제2비교기(4)의 비반전단자(+)로 출력한다.

그러면 상기 제2비교기(4)는 그의 반전단자(-)로 자속 추정치( λ_dr )를 받아 회전자 자속 지령치와의 차를 구하여 자속 제어기(5)로 제공한다.

따라서 상기 자속 제어기(5)는 상기 제2비교기(4)에서 비교한 오차를 보상하기 위하여, 회전자 자속 오차에 따른 자속 전류 지령치( i_ds ^* )를 제4비교기(6)의 비반전단자(+)로 출력한다.

상기 유도전동기(11)의 회전시 그 유도전동기(11)에서 검출한 2상전류( i_as,i_cs )를 전류변환기(13)에서 회전좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 전류( i_ds )( i_qs )를 각각 출력한다.

이에 상기 전류변환기(13)에서 출력되는 자속전류( i_ds )는 상기 제4비교기(6)의 반전단자(-)로 출력한다.

그러면 상기 제4비교기(6)는 자속 제어기(5)에서 출력되는 자속 전류명령치( i_ds ^* )와 전류변환기(13)에서 출력되는 실제의 자속전류( i_ds )와의 오차를 구하여 전류 제어기(8)로 출력한다.

그리고 제3비교기(7)는 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류지령치( i_qs ^* )를 비반전단자(+)로 입력받고 전류변환기(13)에서 출력되는 토오크 전류( i_qs )를 반전단자(-)로 입력받아 두 값의 오차를 구하고, 그 구한 오차를 상기 전류 제어기(8)로 출력한다.

그러면 상기 전류 제어기(8)는 제3비교기(7)에서 출력되는 토오크분 전류와 제4비교기(6)에서 출력되는 자속분 전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 생성하여 좌표변환기(9)로 출력한다.

상기 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 입력받은 좌표변환기(9)는 좌표변환을 통하여 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )으로 변환시켜 벡터제어 인버터(10)로 제공한다.

이에 상기 벡터제어 인버터(10)는 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )을 유도전동기(11)로 인가한다.

따라서 유도전동기(11)는 회전하고, 이때 전류변환기(13)는 상기 유도전동기(11)에서 2상전류( i_as )( i_cs )를 검출한 후 회전좌표계로 d축과 q축으로 변환한 자속전류( i_ds )와 토오크전류( i_qs )를 생성하고, 이렇게 생성된 전류중 상기 자속전류( i_ds )는 자속 추정기(14)와 제4비교기(6)로 각각 출력하고 토오크전류( i_qs )는 제3비교기(7)로 출력한다.

그러면 상기 자속 추정기(14)는 전류변환기(13)로 부터 입력되는 자속전류( i_ds )에 따른 자속 추정치( λ_dr )를 추정하여 제2비교기(4)로 전달한다.

그리고 슬립 연산기(15)는 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류지령치( i_qs ^* )와 유도전동기 상수값들을 이용하여 슬립주파수를 계산하여 가산기(16)의 일측단자로 출력한다.

그러면 상기 가산기(16)는 속도 검출기(12)에서 출력되는 속도( ω_r )와 슬립 연산기(15)에서 출력되는 슬립주파수를 더하여 적분기(17)로 출력하고, 상기 적분기(17)는 가산기(16)에서 출력되는 값에 대하여 적분한 값 즉, 회전자 자속의 위치( θ )를 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)로 각각 출력한다.

따라서 상기 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)는 적분기(17)로 부터 입력되는 회전자 자속의 위치( θ )에 따라 좌표변환를 제어하고, 이후의 동작은 앞에서 언급한 바와 같다.

다시말하면, 슬립주파수형 벡터제어는 슬립 연산기(15)를 통하여 생성된 슬립주파수와 속도 검출기(12)를 통해 검출된 속도( ω_r )를 가산기(16)를 통하여 더한 후에 적분기(17)를 거쳐 적분한 값 즉, 회전자 자속의 위치( θ )로 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)를 제어하는 것이다.

즉, 슬립주파수형 벡터제어장치는 회전자 자속의 위치 θ 를 슬립 연산기(15)를 통하여 추정하는 방식이다.

그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서 슬립 연산기에 사용되는 값들은 유도전동기를 운전하기 이전에 유도전동기를 테스트하여 필요한 상수를 운전 전에 구한 후 설정하여 준다. 이때 구하여진 유도전동기의 상수들은 운전중에 발열 등에 의하여 변동하는 값들이다. 유도전동기의 상수라고 함은 회전자 시정수를 의미하며, 회전자 인덕턴스와 회전자 저항의 비이다.

이러한 상수들을 이용한 슬립 연산기의 슬립주파수는 전류변환기에 의하여 구해지는 고정자 전류값과 인버터에 입력된 값들로 생성하게 되는데, 이 경우 회전자 시정수가 변동하게 되면 회전자 자속의 위치를 잘못 추정함으로써 과도상태 및 정상상태에서의 제어성능이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 운전중에 슬립연산기에 사용되는 유도전동기 상수들의 변화를 회전자 자속의 지령치와 자속 추정기를 통한 회전자 시정수의 대소를 판별하여 회전자 시정수를 추정하여 보상하도록 하여 벡터제어 인버터의 성능을 향상시키도록 한 유도전동기 벡터 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 장시간 운전시 변동하는 회전자 시정수를 정확히 추정하여 보상함으로써 벡터제어 장치의 정상상태 및 과도상태의 제어성능을 향상시키도록 한 유도전동기 벡터 제어장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래 유도전동기 벡터 제어장치에 대한 블록 구성도.

도 2는 자속분 및 토오크분 전류에 대한 전류벡터도.

도 3은 본 발명 유도전동기 벡터 제어장치에 대한 블록 구성도.

도 4는 도 3에서, 회전자 시정수 추정기의 상세도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 제1비교기 2 : 속도 제어기

3 : 지령치 발생기 8 : 전류 제어기

9 : 좌표변환기 10 : 벡터제어 인버터

11 : 유도전동기 12 : 속도 검출기

13 : 전류변환기 14 : 자속 추정기

15 : 슬립 연산기 16 : 가산기

17 : 적분기 20 : 회전자 시정수 추정기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유도전동기의 회전속도를 검출하는 속도 검출기와, 상기 속도 검출기에서 검출한 회전속도에 따라 정토오크 영역과 약계자영역으로 구별하여 회전자 자속전류 지령치를 생성하여 출력하는 지령치 발생기와, 상기 속도 검출기의 회전속도와 외부로 부터 입력되는 속도지령치를 비교하여 속도에 대한 오차를 구하는 제1비교기와, 상기 제1비교기에서 구한 속도에 대한 오차를 보상하기 위한 토오크 전류 지령치를 출력하는 속도 제어기와, 상기 속도 제어기에서 출력되는 토오크 전류 지령치와 전류변환기에서 출력되는 실제의 토오크전류를 비교하여 토오크분 전류를 구하는 제3비교기와, 상기 지령치 발생기에서 출력되는 자속전류 지령치를 비반전단자로 입력받고 전류변환기에서 출력되는 실제의 자속전류를 반전단자로 받아 자속분 전류를 구하는 제4비교기와, 상기 제3비교기와 제4비교기에서 출력되는 토오크분 전류와 자속분 전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치와 토오크분 전압지령치를 생성하여 출력하는 전류 제어기와, 상기 전류 제어기에서 출력되는 자속분 전압지령치와 토오크분 전압지령치를 정지좌표계의 3상전압으로 변환시켜 출력하는 좌표변환기와, 상기 좌표변환기의 3상전압을 유도전동기로 인가하여 회전시키도록 하는 벡터제어 인버터와, 회전시 상기 유도전동기에서 검출되는 2상전류를 받아 회전자 좌표계의 전류로 변환하여 출력하는 전류변환기와, 상기 전류변환기에서 출력되는 자속전류에 따라 회전자 자속을 추정하는 자속 추정기와, 상기 자속추정기에서 추정한 회전자 자속과 지령치 발생기에서 발생한 자속전류 지령치를 각각 입력받아 두 신호의 차를 검출하고 그 검출한 차를 이용하여 상기 슬립 연산기의 회전자 시정수 T_r 을 변경하여 회전자 시정수 변동을 보상하는 회전자 시정수 추정기와, 상기 속도 제어기에서 출력되는 토오크 전류 지령치와 유도전동기 상수값들을 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기와, 상기 슬립 연산기에서 계산된 슬립주파수와 속도검출기에서 검출된 속도를 더하는 가산기와, 상기 가산기에서 더해진 값을 적분하여 상기 좌표변환기와 전류변환기에서 사용되는 회전자 자속의 위치를 설정하여 주는 적분기를 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 유도전동기 벡터 제어장치 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 유도전동기(11)의 회전속도( ω_r )를 검출하는 속도 검출기(12)와, 상기 속도 검출기(12)에서 검출한 회전속도( ω_r )에 따라 정토오크 영역과 약계자영역으로 구별하여 회전자 자속전류 지령치( i_ds ^* )를 생성하여 출력하는 지령치 발생기(3)와, 상기 속도 검출기(12)의 회전속도( ω_r )와 외부로 부터 입력되는 속도지령치( ω_r ^* )를 비교하여 속도에 대한 오차를 구하는 제1비교기(1)와, 상기 제1비교기(1)에서 구한 속도에 대한 오차를 보상하기 위한 토오크 전류 지령치( i_qs ^* )를 출력하는 속도 제어기(2)와, 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류 지령치( i_qs ^* )와 전류변환기에서 출력되는 실제의 토오크전류( i_qs )를 비교하여 토오크분 전류를 구하는 제3비교기(7)와, 상기 지령치 발생기(3)에서 출력되는 자속전류 지령치( i_ds ^* )를 비반전단자(+)로 입력받고 전류변환기에서 출력되는 실제의 자속전류( i_ds )를 반전단자(-)로 받아 자속분 전류를 구하는 제4비교기(6)와, 상기 제3비교기(7)와 제4비교기(6)에서 출력되는 토오크분 전류와 자속분 전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 생성하여 출력하는 전류 제어기(8)와, 상기 전류 제어기(8)에서 출력되는 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 정지좌표계의 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )으로 변환시켜 출력하는 좌표변환기(9)와, 상기 좌표변환기(9)의 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )을 유도전동기(11)로 인가하여 회전시키도록 하는 벡터제어 인버터(10)와, 회전시 상기 유도전동기(11)에서 검출되는 2상전류( i_as,i_cs )를 받아 회전자 좌표계의 전류( i_qs,i_ds )로 변환하여 출력하는 전류변환기(13)와, 상기 전류변환기(13)에서 출력되는 자속전류( i_ds )에 따라 회전자 자속( λ_dr )을 추정하는 자속 추정기(14)와, 상기 자속추정기(14)에서 추정한 회전자 자속( λ_dr )과 지령치 발생기(3)에서 발생한 자속전류 지령치( i_ds ^* )를 각각 입력받아 두 신호의 차를 검출하고 그 검출한 차를 이용하여 상기 슬립 연산기(15)의 회전자 시정수 T_r 을 변경하여 회전자 시정수 변동을 보상하는 회전자 시정수 추정기(20)와, 상기 속도 제어기(2)에서 출력되는 토오크 전류 지령치( i_qs ^* )와 유도전동기 상수값들을 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기(15)와, 상기 슬립 연산기(15)에서 계산된 슬립주파수와 속도검출기(12)에서 검출된 속도( ω_r )를 더하는 가산기(16)와, 상기 가산기(16)에서 더해진 값을 적분하여 상기 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)에서 사용되는 회전자 자속의 위치(θ)를 설정하여 주는 적분기(17)로 구성한다.

그리고, 상기에서 회전자 시정수 추정기(20)는, 도 4에 도시한 바와같이, 지령치 발생기(3)에서 출력되는 자속전류 지령치( i_ds ^* )와 자속 추정기(14)에서 출력되는 자속 추정치( λ_dr )의 오차(E)를 구하는 비교기(21)와, 상기 비교기(21)에서 비교한 오차(E)를 이용하여 회전자 시정수의 대소를 판단하고 이 판단에 의해 회전자 시정수를 보상하는 대소 판단기(22)로 구성한다.

이와같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

유도전동기의 고정자 전압의 상태 방정식은 아래의 식(1)과 같이 나타난다.

..(1)

상기 식(1)로 부터 직교 회전자좌표계 d,q축으로 표시된 유도전동기의 전압 방정식을 구하면 아래의 식(2)와 같이 나타난다.

..........(2)

그리고, 식(1)로 부터 슬립 연산기에 사용되는 슬립( ω_sl )와 회전자 상태방정식은 각각 식(3)과 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.

........................................ (3)

.................... (4)

유도전동기 벡터 제어장치는 유도전동기에 흐르는 3상의 변수값들을 서로 직교하는 d,q축으로 변화하여 서로 간섭이 일어나지 않도록 상호 독립적으로 제어하는 장치로, 이때 유도전동기의 속도제어를 위하여 고정자 전류의 자속전류 i_ds 를 일정하게 하고, 토오크전류 i_qs 를 제어하여 속도를 제어하게 된다.

이러한 조건에서 유도전동기에 인가되는 주파수와 동일한 속도로 이동하는 회전자 좌표계의 d축에 회전자 자속의 축을 일치시키면, d축의 자속이 유도전동기의 자속과 같아지고, q축의 자속분은 존재하지 않는 아래의 식(5)의 조건을 가정할 수 있다.

.................................... (5)

이러한 슬립주파수형 벡터 제어기에서 회전자 자속축 즉, 동기속도로 회전하는 d축을 잘못 추정했을 경우를 예로 추정방식에 대하여 설명한다.

도 2는 회전자 자속의 위치 즉, θ 를 잘못 추정한 경우의 전류 지령치와 실제 유도전동기(11)에 영향을 미치는 자속분 전류( i_ds )와 토오크분 전류( i_qs )에 대한 벡터도로서, 회전좌표계 d축이 정지좌표계α축으로 부터 θ 만큼 이동했다고 했을 때, i_s ^* 를 회전자 자속의 d축에 직각 사영했을 때 자속분 전류는 i_ds 만큼의 크기를 가지게 된다.

그러나 제어기에서 θ 의 각을 잘못 추정, 즉 슬립연산기에서 사용되는 회전자 시정수( T_r )의 값이 실제값보다 크게되어 실제 회전자 자속축은 d축에 있으나, d'축으로 추정한 경우는 i_s ^* 를 d'축에 사영한 경우 i′_ds 만큼의 크기를 가지게 된다.

고정자 전류의 자속분전류 지령치 전류의 크기는 i′_ds 가 되지만 실제 축은 회전자 자속의 실제축은 d'축이 되므로 회전자 자속을 생성하는 자속분 전류는 실제 지령치보다 큰 값으로 작용하게 된다.

따라서 회전자 시정수 T_r 을 크게 추정한 경우는 자속의 지령치 보다 실제자속이 크게 나타나는 것이 된다.

그러므로 장시간 운전중에 변하는 회전자 시정수 T_r 을 정확히 추정하여 보상해주어야 하는데, 이는 도 3에 의해 가능하며, 이에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

유도전동기(11)에 공급되는 전압에 의해 상기 유도전동기(11)가 회전하게 되고, 이때 속도 검출기(12)는 상기 유도전동기(11)의 회전속도( ω_r )를 검출하여 제1비교기(1)의 반전단자(-)와 지령치 발생기(13)로 각각 출력한다.

이에 상기 제1비교기(1)는 비반전단자(+)로 외부로 부터 입력되는 속도 지령치( ω_r ^* )와 반전단자(-)로 입력되는 회전속도( ω_r )의 오차를 구하여 속도 제어기(2)로 제공한다.

그러면 상기 속도 제어기(2)는 제1비교기(1)에서 출력되는 속도에 대한 오차를 보상하기 위하여, 상기 오차에 따른 토오크 전류지령치( i_qs ^* )를 제3비교기(7)의 비반전단자(+)로 제공한다.

이때 지령치 발생기(13)는 속도 검출기(12)에서 검출한 속도( ω_r )를 이용하여 정토오크 영역과 약계자영역을 구별하여 회전자 자속의 지령치를 생성하고, 그 회전자 자속 지령치에 대응하는 자속전류 지령치( i_ds ^* )를 생성한다.

이렇게 생성된 회전자 자속 지령치는 회전자 시정수 추정기(20)로 입력되고, 자속 전류 지령치( i_ds ^* )는 제4비교기(6)의 비반전단자(+)로 입력된다.

상기 유도전동기(11)가 회전하면 전류변환기(13)는 유도전동기(11)에서 2상전류( i_as,i_cs )를 검출하여 회전좌표계의 d축과 q축으로 변환한 자속전류( i_ds )와 토오크 전류( i_qs )를 출력하는데, 상기 자속전류( i_ds )는 자속 추정기(14)와 제4비교기(6)의 반전단자(-)로 각각 출력하고, 상기 토오트 전류( i_qs )는 상기 제3비교기(7)의 반전단자(-)로 출력한다.

그러면 상기 제3비교기(7)는 비반전단자(+)로 입력되는 속도 제어기(2)의 토오크 전류지령치( i_qs ^* )와 반전단자(-)로 입력되는 전류변환기(13)의 실제 토오크전류( i_qs )의 차를 구하여 전류 제어기(8)로 출력하고, 상기 제4비교기(6)는 그의 비반전단자(+)로 입력되는 지령치 발생기(3)의 자속전류 지령치( i_ds ^* )와 반전단자(-)로 입력되는 전류변환기(13)의 실제 자속전류( i_ds )의 오차를 구하여 상기 전류 제어기(8)로 출력한다.

따라서 상기 전류 제어기(8)는 토오크분 전류와 자속분 전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 생성하여 좌표변환기(9)로 출력한다.

상기 자속분 전압지령치( V_ds ^* )와 토오크분 전압지령치( V_qs ^* )를 입력받은 좌표변환기(9)는 좌표변환을 통하여 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )으로 변환시켜 벡터제어 인버터(10)로 제공한다.

이에 상기 벡터제어 인버터(10)는 3상전압( V_as,V_bs,V_cs )을 유도전동기(11)로 인가한다.

따라서 유도전동기(11)는 회전하고, 이때 전류변환기(13)는 상기 유도전동기(11)에서 2상전류( i_as )( i_cs )를 검출한 후 회전좌표계로 d축과 q축으로 변환한 자속전류( i_ds )와 토오크전류를 생성하고, 이렇게 생성된 전류중 상기 자속전류( i_ds )는 자속 추정기(14)와 제4비교기(6)로 각각 출력하고 토오크전류( i_qs )는 제3비교기(7)로 출력한다.

이때 자속 추정기(14)는 전류변환기(13)로 부터 입력되는 자속전류( i_ds )에 따른 자속 추정치( λ_dr )를 추정하여 회전자 시정수 추정기(20)로 출력한다.

그러면 상기 회전자 시정수 추정기(20)는 지령치 발생기(3)에서 출력되는 지령치와 자속 추정기(14)에서 추정한 자속 추정치를 이용하여 회전자 시정수를 계산한다.

상기 회전자 시정수 추정기(20)에 대하여 도 4에 의거하여 살펴보면, 비교기(21)에서 그의 비반전단자(+)로 지령치 발생기(3)에서 발생되는 지령치를 입력받고, 반전단자(-)로 자속 추정기(14)에서 추정한 자속 추정치( λ_dr )를 입력받아 두 값의 오차(E)를 구하고, 그 구한 오차(E)를 대소 판단기(22)로 출력한다.

이에 따라 상기 대소 판단기(22)는 슬립연산기(15)의 회전자 시정수( T_r )의 대소를 판별하고, 이 판별에 의하여 회전자 시정수를 보상한다.

즉, 지령치 발생기(3)의 회전자 자속 지령치가 자속 추정기(14)의 회전자 자속 추정치 보다 크면 실제의 회전자 시정수( T_r )의 값이 상기 슬립연산기(15)에 사용된 회전자 시정수 보다 작게 추정된 경우가 된다.

이때 슬립연산기(15)에 사용된 회전자 시정수 T_r 은 의 형태로 연산이 이루어지므로, T_r 의 역수를 생각해보면 자속의 지령치가 회전자 자속의 추정치보다 크게 나타날 때는 실제 전동기의 이 슬립연산기(15)의 보다 크게 계산된 형태이므로, 아래의 식(6)의 형태에서와 같이 슬립연산기(15)의 을 감소시키면 된다.

그리고, 반대의 경우에는 슬립연산기(15)의 의 값을 아래의 식(6)의 형태를 사용하면 의 값이 증가됨을 알 수 있다.

.............................. (6)

상기 식(6)에서 지령치 발생기(3)의 출력과 자속 추정기(14)의 차(E)에 곱하는 k의 값은 양수이며, 유도전동기(11) 운전시 변동하게 되는 회전자 시정수는 회전자 리덕턴스 및 회전자 저항의 비이다.

운전중 발열에 의해 변동하는 회전자 시정수의 변동은 느린 속도로 변하게 되므로 k 값은 매우 작은 값이 되어도 된다.

상기에서와 같은 방식으로 슬립연산기(15)의 회전자 시정수( T_r )가 회전자 시정수 추정기(20)에 의해 변동되면, 상기 슬립연산기(15)의 슬립주파수가 변하여 가산기(16)에 전달된다.

그러면 상기 가산기(16)의 슬립연산기(15)의 슬립주파수와 속도검출기(9)에서 출력되는 속도( ω_r )를 더하고 그 더한 값을 적분기(17)로 출력한다.

따라서 적분기(17)는 가산기(16)에서 출력되는 값을 적분하는데, 그 적분된 값이 회전자 자속의 위치( θ )가 되며, 상기 위치( θ )는 좌표변환기(9)와 전류변환기(13)에 각각 입력되어 좌표변환시 제어값이 된다.

이상에서와 같이 슬립연산기(15)의 입력에 회전자 시정수 추정기(20)를 사용하여 유도전동기(11)의 운전 중에 변화하는 유도전동기 상수를 추정 보상하여, 회전좌표계로 변환하기 위하여 사용되는 회전자 자속의 위치( θ )를 정확히 구해냄으로써 전류제어기 및 속도 제어기의 응답성을 향상시킨다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 실제 회전자 자속의 크기와 지령치 회전자 자속의 크기를 비교함으로써 회전자 시정수의 대소를 판별한 후 이 판별에 의하여 회전자 시정수를 보상함으로써 정확한 회전자 자속축을 추정함으로써 벡터제어 인버터의 성능을 향상시키도록 한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 속도를 제어하기 위한 토오크 전류 지령치와 실제의 토오크전류의 토오크분 전류와 자속을 제어하기 위한 자속전류 지령치와 실제의 자속전류의 자속분 전류를 회전좌표 제어를 통하여 각각 자속분 전압지령치와 토오크분 전압지령치를 생성하여 출력하는 전류 제어기와, 상기의 출력을 이용하여 정지좌표계의 3상전압으로 변환시키고 그 전압을 벡터제어 인버터를 거쳐 유도전동기로 인가하여 회전토록 좌표변환기와, 상기 유도전동기로 부터 2상전류를 검출하여 회전좌표계의 전류로 변환시켜 출력하는 전류변환기로 이루어진 벡터 제어장치 있어서, 상기 유도전동기의 속도를 검출하는 속도검출기의 속도에 따라 따라 정토오크 영역과 약계자영역으로 구별하여 회전자 자속전류 지령치를 생성하고, 아울러 그 회전자 자속전류 지령치에 대응하는 회전자 자속전류를 생성하여 출력하는 지령치 발생기와, 상기 전류변환기에서 출력되는 자속전류에 따른 회전자 자속을 추정하는 자속 추정기와, 상기 자속추정기에서 추정한 회전자 자속과 지령치 발생기에서 발생한 자속전류 지령치를 각각 입력받아 두 신호의 오차를 검출하고 그 검출한 오차를 이용하여 회전자 시정수를 추정하여 보상하는 회전자 시정수 추정기와, 상기 회전자 시정수 추정기에서 보상한 회전자 시정수와 토오크 전류 지령치 및 유도전동기 상수값들을 이용하여 슬립주파수를 계산하는 슬립 연산기와, 상기 슬립 연산기에서 계산된 슬립주파수와 속도검출기에서 검출된 속도를 더하고 그 더한 값을 적분하여 회전자 자속의 위치를 구하여 상기 좌표변환기와 전류변환기로 각각 출력하는 가산기 및 적분기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유도전동기 벡터 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 회전자 시정수 추정기는 지령치 발생기에서 출력되는 자속전류 지령치와 자속 추정기에서 출력되는 자속 추정치의 오차를 구하는 비교기와, 상기 비교기에서 비교한 오차를 이용하여 회전자 시정수의 대소를 판단하고 이 판단에 의해 회전자 시정수를 보상하는 대소 판단기로 구성된 것을 특징으로 하는 유도전동기 벡터 제어장치.