KR19990062203A - 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치 및 방법 - Google Patents

유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치 및 방법에 관한 것으로, 종래의 기술에 있어서는 데드타임 보상시 전류의 극성을 판별하여 보상하여야 함으로써, 오프셋 전류의 영향을 무시할 수 없고, 오프셋 전류를 정확히 보상하지 못할 경우 데드타임 보상이 제대로 되지 않으며, 또한 데드타임 및 전류 오프셋에 의한 인버터 출력전압의 왜곡(토크 리플레 의한 영향)의 영향으로 저주파 영역에서 심각한 토크 리플을 초래함으로써, 유도전동기의 유기 기전력이 주파수에 비례하여 단자전압의 데드타임 및 전류 오프셋이 유도전동기가 극 저속으로 구동될 때 심각한 토크 리플을 유발하여(데드타임은 1차 주파수의 6배 리플을, 전류 오프셋은 1배의 리플을 유발한다) 속도제어성능 및 위치제어성능에 나쁜 영향을 미치는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 데드타임 보상시 전류 오프셋을 함께 보상하는 장치 및 방법을 제공함으로써, 데드타임 및 전류 오프셋의 영향에 의한 인버터 출력전압의 왜곡을 '0'으로 두고, 보상신호를 발생하여, 정확한 데드타임 및 전류 오프셋을 보상하며, 또한 인버터 출력전압의 왜곡을 '0'으로 억제하여 극 저속 영역 및 고속 영역까지 유도전동기의 양호한 토크를 발생하도록 함으로써, 속도제어성능 및 위치제어성능이 향상되는 효과가 있다.

Description

유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치 및 방법
본 발명은 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 유도전동기를 인버터로 구동할 경우 인버터의 암단락에 의한 스위칭 소자 의 보호를 위해 스위칭 신호에 소정의 시간(데드타임)동안 암 스위치가 동시에 오픈되는 시간이 필요함으로써, 발생하는 출력전압의 왜곡에 의한 유도 전동기의 토크제어 특성에 나쁜 영향을 미치기되는 문제점을 데드타임 보상시 전류 오프셋을 함께 보상함으로써, 출력전압의 왜곡을 방지하는 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 유도전동기의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 단상 또는 3상의 교류전원(1)과; 상기 단상 또는 삼상의 교류 전원(1)의 출력을 직류로 변환하는 정류부(2)와; 직류전압을 평활하게 하는 평활부(3)와; 변조신호에 의해 직류를 가변 주파수의 전압으로 출력하는 인버터(4)와; 상기 인버터(4)에서 출력하는 전류를 검출하는 전류검출부(5)와; 전동기의 속도를 검출하는 속도검출부(6)와; 전동기의 운전을 제어하는 운전제어부(7)와; 상기 속도검출부(6)에서 검출된 신호와 상기 전류검출부(5)에서 검출된 전류검출신호에 의해 속도지령을 출력하는 속도제어부(8)와; 상기 속도제어부(8)의 속도지령에 의해 펄스폭 변조신호를 출력하는 펄스폭 변조부(9)와; 상기 인버터(4)의 출력에 의해 구동하는 유도전동기(10)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래 장치의 동작 과정을 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 도 1에서 속도제어부의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 운전제어부(7)에서 출력한 속도지령(Wr*)과 속도검출부(6)에서 검출하여 출력한 속도검출신호(Wr)의 차를 제1 감산기(21)에서 감산되어 속도제어기(20)에 입력되며, 이 속도제어기(20)의 출력을 각 주파수 연산부(23)에서 상기 속도검출신호(Wr)와 함께 각 주파수 연산을 수행하고, 유도전동기(10)에 입력되는 전류검출신호의 a상전류(ia), b상전류(ib)가 입력되어져 오프셋 전류를 보정하는 오프셋 전류보정부(27)에 의하여 오프셋 전류가 보정된 전류값 ia´,ib´,ic´가 2상 동기좌표 변환기(25)에 입력되어 토크전류와 자속전류로 분류되며, 상기 속도제어기(20)의 출력과 상기 토크전류를 감산하는 제2 감산기(22)를 거쳐 전류제어기(24)로 입력되고, 상기 전류제어기(24)의 출력이 전압지령부(26)에 의하여 전압지령(PWM)을 발생하여 엘리베이터의 속도를 제어한다.
도 3은 도 2에서 오프셋 전류 보정부의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 엘리베이터가 정지하고 있는 상태에서 들어온 전류검출신호(ia, ib)는 오프셋 전류를 연산하는 오프셋 전류 연산부(30)와 보정 이득부(29)에 의해 엘리베이터 운전시 제3,4, 감산부(28a, 28b)에 의하여 오프셋 전류가 보정된 전류값(ia´,ib´)으로 되고, 이를 제5 감산기(28c)에서 연산하여[(ia´+ ib´) = ic´] 3상의 전류(ia´,ib´,ic´)가 출력된다.
이와 같이 구성된 종래 장치의 동작 과정을 첨부한 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4는 도 2의 구성을 상세히 보인 블록도이고, 도 5는 종래 데드타임에 의한 인버터의 출력전압 왜곡을 보인 파형도로서, 이에 도시된 바와 같이 도 1에서 운전제어부(7)의 속도지령(Wr*)과 속도검출신호(Wr)의 차를 감산하는 감산기(21)의 출력신호를 속도제어기(20)의 입력으로 하여 상기 속도제어기(20)는 토크성분 전류지령(Iqe*)을 출력하고, 이 토크성분 전류지령(Iqe*)은 토크성분 전류를 제어하는 토크 전류제어기(37)로 입력되며, 자속성분 전류지령(ide*)은 일정한 값으로 하여 자속성분 전류를 제어하는 자속전류 제어기(38)로 입력된다.
상기 토크성분 전류(Iqe) 자속성분 전류(ide)는 도 3의 오프셋 전류 보정부(27)의 출력신호(ia´,ib´,ic´)가 2상 동기좌표 변환기(33)에 입력되고, 이를 각 주파수 연산부(23)의 출력(Qe)에 의하여 상기 출력신호(ia´,ib´,ic´)가 자속성분전류(ide)와 토크성분전류(Iqe)로 분해되며, 이 자속성분전류(ide)와 자속성분 전류지령(ide*)은 자속전류제어기(38)로 입력되고, 토크성분전류(iqe)와 속도제어기의 출력인 토크성분지령(Iqe*)은 토크전류 제어기(37)로 입력되어 각각 토크출력전압인 Vqe와 Vde가 발생하며, 이 출력전압과 각 상의 전류극성을 판단하는 전류극성 판단부(31)와 데드타임 보상전압 이득부(32)의 출력에 의하여 상기 2상 동기좌표 변환기(33)의 출력신호(데드타임 보상전압 : Vqedead, Vdedead)가 발생되고, 이를 각 전류제어기(37, 38)의 출력과 더하여 데드타임이 보상된 전압지령(Vqe', Vde')이 발생되며, 이 전압지령의 동기좌표상의 값을 3상 정지좌표 변환기(36)를 통하여 3상의 전압지령(Vas*, Vbs*, Vcs*)을 발생한다.
상기와 같이 종래의 기술에 있어서는 데드타임 보상시 전류의 극성을 판별하여 보상하여야 함으로써, 오프셋 전류의 영향을 무시할 수 없고, 오프셋 전류를 정확히 보상하지 못할 경우 데드타임 보상이 제대로 되지 않으며, 또한 데드타임 및 전류 오프셋에 의한 인버터 출력전압의 왜곡(토크 리플레 의한 영향)의 영향으로 저주파 영역에서 심각한 토크 리플을 초래함으로써, 유도전동기의 유기 기전력이 주파수에 비례하여 단자전압의 데드타임 및 전류 오프셋이 유도전동기가 극 저속으로 구동될 때 심각한 토크 리플을 유발하여(데드타임은 1차 주파수의 6배 리플을, 전류 오프셋은 1배의 리플을 유발한다) 속도제어성능 및 위치제어성능에 나쁜 영향을 미치는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 데드타임 보상시 전류 오프셋을 함께 보상함으로써, 출력전압의 왜곡을 방지하는 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 유도전동기의 구성을 보인 블록도.
도 2는 도 1에서 속도제어부의 구성을 보인 블록도.
도 3은 도 2에서 오프셋 전류 보정부의 구성을 보인 블록도.
도 4는 도 2의 구성을 상세히 보인 블록도.
도 5는 종래 데드타임에 의한 인버터의 출력전압 왜곡을 보인 파형도.
도 6은 본 발명 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치의 구성을 보인 블록도.
도 7은 도 6에서 오프셋 전류 보정부의 구성을 보인 블록도.
도 8은 도 7에서 오프셋 전류 조정부의 구성을 보인 블록도.
도 9는 도 6에서 인버터 출력왜곡 전압 조정부의 구성을 보인 블록도.
도 10은 본 발명의 동작 흐름도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
6 : 속도검출부 7 : 운전제어부
8 : 속도제어부 9 : 펄스폭 변조 발생부
23 : 각 주파수 연산부 24 : 전류제어기
26 : 전압지령부 27, 40 : 오프셋 전류 보정부
29 : 보정 이득부 30 : 오프셋 전류 연산부
31 : 전류극성 판단부 32 : 데드타임 보상전압 이득부
25,33 : 2상 동기좌표 변환기 37 : 토크전류 제어기
38 : 자속전류 제어기 41 : 데드타임 전압 보정부
42 : 인버터 출력왜곡 전압 조정부 43 : 데드타임 보상전류 연산부
44 : 오프셋 전류 조정부 45 : a상 전류 오프셋 조정부
46 : b상 전류 오프셋 조정부 47 : 정상운전시 오프셋 조정부
61 : 데드타임 보상판단 및 조정부 62 : 전류 오프셋 보상판단 및 조정부
63 : 스위칭 시점의 전류보상 판단 및 조정부
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 가변 주파수, 전압의 출력이 가능한 인버터를 구비한 유도전동기 제어장치에 있어서, 전류검출신호를 입력받아 오프셋 조정신호에 의해 오프셋 전류를 조정하는 오프셋 전류 보정부와; 전류극성 판단부에서 출력한 각 상의 전류 극성을 입력받아 상기 오프셋 전류 보정부의 신호에 의해 데드타임 보상전류를 출력하는 데드타임 전압 보정부와; 전압지령의 왜곡을 검출하여 이 검출신호의 출력에 의하여 보상신호를 발생하는 인버터 출력왜곡전압 조정부를 구비함을 특징으로 한다.
그리고, 방법에 있어서는 데드타임 보상모드인가를 판단하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 판단결과 보상모드이면 저속운전 지령을 발생하고, 속도와 전류를 판독하여 속도 및 전류를 제어하는 제2 단계와; 상기 제2 단계의 수행이 끝나면 속도지령이 설정된 시간을 경과하였는가를 판단하는 제3 단계와; 상기 제3 단계의 판단결과 경과하지 않았으면 전체전압에 데드타임 및 전류 오프셋에 의한 리플이 설정된 백분율이하 수준인가를 판단하는 제4 단계와; 상기 제4 단계의 판단결과에 설정된 백분율 이상이면 데드타임 전압의 크기를 조정하고, 전압의 주파수를 분석하여 상기 제2 단계로 돌아가는 제5 단계와; 상기 제4 단게의 판단결과 설정된 백분율 수준이하 이면 전류검출 오프셋을 조정하거나 전류검출 지연을 조정하고, 전압의 주파수를 분석하여 상기 제2 단계로 돌아가는 제6 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 6은 본 발명 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치의 구성을 보인 블록도이고, 도 7은 도 6에서 오프셋 전류 보정부의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 오프셋 전류보정부(40)는 전류검출신호(ia, ib)의 신호를 입력으로 받아 오프셋 전류조정부(44)에 오프셋 조정신호가 발생되면 도 8과 같이 오프셋 전류를 조정하게 되며, 데드타임 보상전류 연산부(43)는 도 9의 스위칭 시점의 전류 보상판단 및 조정부(63)의 신호(B)에 의하여 동작하고, 이때 오프셋 전류가 보정된 전류 ia', ib', ic'의 전류를 입력받아 스위칭 시점의 전류를 정확히 연산하며, 스위칭 시점의 전류 보상값은 ia˝, ib˝, ic˝가 된다.
이와 같이 구성한 본 발명에 따른 실시예의 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
데드타임 동안 스위칭 소자에는 전류가 흐르지 못하고, 다이오드를 통해서 흐르게 되는데, 만약 전류가 부하 쪽으로 흐르고 있다면 인버터의 아래상 다이오드가 도통하고, 전류가 부하 측에서 흘러들어 온다면 위상 다이오드가 도통되며, 한상에 대한 펄스패턴으로 위상 스위치를 턴-온할 때 아래상 스위치를 먼저 턴-오프한 후 상기 위상 스위치를 턴-온하며, 이때 데드타임이 시간을 확보해 주며, 전압지령과 실제전압과의 관계는 다음 식과 같다.
Van = Van*- Vdead(전류의 극성에 따라 부호 결정) ------------- (식 1)
펄스폭변조 인버터의 전압 왜곡은 스위칭소자의 전압강하 특성에도 기인하여 전류가 양인 경우에는
Van = Vdc/2 - 스위칭 소자 전압강하(위상 스위치 도통시) ------- (식 2)
Van = Vdc/2 - 다이오드 전압강하(아래상 스위치 도통시) -------- (식 3)
가 되며, 따라서 전압 왜곡은
실제 인버터 출력전압 = 지령전압 - 데드타임에 의한 전압강하 - 스위칭 소자의 전압강하 ------------ (식 4)
가 된다.
그러므로, 왜곡전압의 보상값은 데드타임에 의한 전압강하 + 스위칭 소자의 전압강하이므로,
(1/6)*(Vdc*(M/Ts)-Vce)*(2*sign(ias)-sign(ibs)-sign(ics)) ------- (식 5)
가 되고, 여기서 Ts는 스위칭 주기의 시간이고, M은 데드타임이다.
또한, 영 전류 부근에서 소자의 기생 커패시턴스의 영향으로 위상이 턴-오프한 후, 일정 데드타임 후 아래상을 도통하여도 아래상에는 전류가 흐르지 않고, 위상의 기생 커패시턴스를 먼저 충전시킨 후 아래상으로 전류가 흐른다.
따라서, 인버터의 전압 왜곡은 데드타임에 의존하여 존재하는 것이 아니라 스위칭 소자의 특성에 의하여 출력전압의 왜곡이 발생함으로 이를 쉽게 보상할 수 없다.
또한, 모든 왜곡 현상은 식 5에서 알 수 있듯이 전류의 극성에 의존함으로 영 전류 부근의 전류 검출이 매우 중요함을 알 수 있다.
그러기 때문에 실제 스위칭 순간의 전류 극성의 판단이 매우 곤란하고, 보상 전압의 크기를 정확히 보상하여도 스위칭 순간의 전류 극성을 정확히 보상하지 않으면 보상의 효과가 완전하지 않음을 알 수 있다.
그러므로, 본 발명은 극저속 운전시 모터의 데드타임에 의한 모터의 유기 전압이 매우 낯은 것에 착안하여 모터를 극저속으로 운전상태에서 자동으로 데드타임을 보상하는 방법을 첨부한 도 9 및 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 9는 도 6에서 인버터 출력왜곡 전압 조정부위 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 데드타임 보상판단 및 조정부(61)에서 크기를 조정하면 최소의 전압 왜곡의 크기를 구할 수 있고, 회전 자계 좌표계에 여자 전류 지령을 일치하여 토크
전류 및 1차 각 주파수가 제어되므로, 각 상의 보상 전압은 다음과 같다.
a상 보상전압 = A * (2 * sign(ias) - sign(ibs) - sign(ics)) ----- (식 6)
b상 보상전압 = A * (2 * sign(ibs) - sign(ics) - sign(ias)) ----- (식 7)
c상 보상전압 = A * (2 * sign(ics) - sign(ias) - sign(ibs)) ----- (식 8)
상기에서 A는 크기의 조정이 가능하다.
회전 좌표상에서의 전압은 완벽하게 보상된다면 직류성분의 전압지령이 발생하지만 보상이 되지 않을 경우 도 5에서와 같은 전압지령이 출력된다. 이 출력전압 또는 회전 좌표상의 전류, 속도 리플 등의 관찰에서 보상의 상태를 관측할 수 있다.
출력전압과 회전 좌표상의 지령전압을 0으로 하기 위해서는 전압지령에 1차 각 주파수의 6배의 리플 파형에 근거하여 관측하는 것이 용이하고, 1차 각 주파수의 6배 리플이 회전 좌표상에 포함되지 않았다면 데드타임 보상이 정확히 되고 있음을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 동작 흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 보상 전압의 크기를 서서히 증가하면 회전 좌표상에서 출력전압의 리플은 감소하다가 보상전압의 크기가 실제 보상전압의 크기보다 커지면 다시 리플이 증가함으로, 전압의 리플이 최소가 되는 사점의 전압 크기를 결정한다. 여기서 전류의 극성(전류 오프셋)을 정확하게 보정하지 않는 관계로 회전 좌표상에서의 저압 리플은 완전히 소거되지 않으며, 이는 오프셋 전류를 완벽하게 보정하지 못한데 기인한 것으로, 오프셋 전류가 동기 좌표상에서 일정한 크기와 위상이 있기 때문에 오프셋 전류의 위상을 연산하여 보정하는 것은 매우 곤란함으로, 도 8의 a상전류 오프셋 조정부(45)와 b상전류 오프셋 조정부(46)에서 한상의 오프셋 전류를 0으로 두고, 타상의 오프셋 전류를 임의로 변화하여 오프셋 전류의 리플이 최소화 되는 점을 구한 후, 타상의 오프셋 전류값도 같은 방법으로 구한다.
따라서, 최소값에 도달하면 검출한 전류 또는 전류 지령값에서 오프셋 전류를 조정하면서 출력전압의 리플이 감소하는 방향으로 오프셋 값을 증가하여 전압의 리플이 최소가 되는 시점의 오프셋 전류의 크기를 결정한다.
여기서는 전류의 시점과 실제 스위칭 시점의 전류가 일치하지 않은 관계로 회전 좌표상에서의 전압 리플은 완전히 소거되지 않고, 적은 값을 유지한다.
sign(ias') = sign(ias-offset), sign(ibs') = sign(ibs'-offset), sign(ics') = sign(ics'-offset)라 하면
a상 보상전압 = A * (2 * sign(ias') - sign(ibs') - sign(ics')) ----- (식 9)
b상 보상전압 = A * (2 * sign(ibs') - sign(ics') - sign(ias')) ----- (식 10)
c상 보상전압 = A * (2 * sign(ics') - sign(ias') - sign(ibs')) ----- (식 11)
이 되며, 여기서 모터의 전류를 실제 인버터가 스위칭하는 시점의 전류를 구하면 다음과 같다.
상기 수학식에서 한 주기 동안의 실제 모터에서는 역 기전력이 일정하다고 가정하면 한 주기 앞의 전류는 다음 수학식에서 구할 수 있다.
상기 수학식2에서 구한 전류값을 이용하여도 무방하나 실제 부하의 정확한 상태를 알 수 없고, 검출지연과 검출시점에 의하여 정확히 보정할 수 없으므로, 시험에 의하여 보정하는 것이 효과적이다.
그러므로, 도 9의 스위칭 시점의 전류보상 판단 및 조정부(63)에서 상수를 변수로 두고 1.5∼2.5까지 변화하여 최소값에 도달하면 검출한 전류 또는 전류 지령값에서 스위칭 시점의 전류를 연산하여 보정하면 출력전압의 리플이 최소가 되는 시점의 전류의 검출지염 및 위상을 보상하여 최종적으로 보상전압이 결정된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치 및 방법은 데드타임 및 전류 오프셋의 영향에 의한 인버터 출력전압의 왜곡을 0으로 두고, 보상신호를 발생함으로써, 정확한 데드타임 및 전류 오프셋을 보상하여 인버터 출력전압의 왜곡을 0으로 억제하여 극 저속 영역 및 고속 영역까지 유도전동기의 양호한 토크를 발생하도록 하여 속도제어성능 및 위치제어성능이 향상되는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 가변 주파수, 전압의 출력이 가능한 인버터를 구비한 유도전동기 제어장치에 있어서, 전류검출신호를 입력받아 오프셋 조정신호에 의해 오프셋 전류를 조정하는 오프셋 전류 보정부와; 전류극성 판단부에서 출력한 각 상의 전류 극성을 입력받아 상기 오프셋 전류 보정부의 신호에 의해 데드타임 보상전류를 출력하는 데드타임 전압 보정부와; 전압지령의 왜곡을 검출하여 이 검출신호의 출력에 의하여 보상신호를 발생하는 인버터 출력왜곡전압 조정부를 구비함을 특징으로 하는 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상장치.
  2. 데드타임 보상모드인가를 판단하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 판단결과 보상모드이면 저속운전 지령을 발생하고, 속도와 전류를 판독하여 속도 및 전류를 제어하는 제2 단계와; 상기 제2 단계의 수행이 끝나면 속도지령이 설정된 시간을 경과하였는가를 판단하는 제3 단계와; 상기 제3 단계의 판단결과 경과하지 않았으면 전체전압에 데드타임 및 전류 오프셋에 의한 리플이 설정된 백분율이하 수준인가를 판단하는 제4 단계와; 상기 제4 단계의 판단결과에 설정된 백분율 이상이면 데드타임 전압의 크기를 조정하고, 전압의 주파수를 분석하여 상기 제2 단계로 돌아가는 제5 단계와; 상기 제4 단게의 판단결과 설정된 백분율 수준이하 이면 전류검출 오프셋을 조정하거나 전류검출 지연을 조정하고, 전압의 주파수를 분석하여 상기 제2 단계로 돌아가는 제6 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 유도전동기의 데드타임 및 전류 오프셋 보상방법.
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