KR20000020961A - 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도 모터의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유도 모터의 데드 타임을 보상하여 출력 전압 파형 왜곡 및 토크 리플을 저감시킬 수 있는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법에 관한 것으로서, 별도의 하드 웨어를 사용하지 않을 뿐만 아니라 데드 타임 보상 방법을 단순화시킬 수 있는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 3상 인버터 출력 기준치와 실제 출력 전압의 평균 오차값을 구하는 단계와, 상기한 평균 오차값에 따라 3상 정지 좌표계의 각상 전압 보상값을 구하는 단계를 포함하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법에 있어서,

상기한 3상 전압 보상값을 2상 정지 좌표계의 보상 전압으로 변환하는 단계와,

상기한 2상 정지 좌표계의 보상 전압을 퓨리에 해석하여 기본파와 기수차 고조파로 분리하는 단계와,

2상 회전 좌표계 전류 기준치와 인버터 출력 주파수로부터 전류 벡터 위상을 구하는 단계와,

상기한 위상을 퓨리에 해석된 2상 정지 좌표계 보상 전압에 대입하여 보상 전압을 구하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

Description

벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법

본 발명은 유도 모터의 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유도 모터의 데드 타임을 보상하여 출력 전압 파형 왜곡 및 토크 리플을 저감시킬 수 있는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 유도 모터의 구동은 출력 전압과 주파수를 동시에 제어할 수 있는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터를 많이 사용하게 된다.

상기한 PWM 인버터는 출력 전압을 합성하고 고조파를 저감시키기 위하여 다양한 제어 방법이 개발되었고, 스위칭 소자의 특성이 개선됨에 따라 고주파 스위칭(5∼15㎑)이 가능하게 되었다.

고주파 스위칭이 가능하게 됨에 따라 인버터 출력 파형의 기본파 성분이 증가하게 되고, 고차 고조파가 점차 감소하게 됨으로써 PWM 인버터의 성능이 향상되었다.

여기서, 상기한 스위칭 소자의 턴 온(turn-on), 턴 오프(turn-off) 시간중 인버터 브리지의 단락 방지를 위하여, PWM 패턴 사이에 데드 타임이 필수적으로 삽입되어야 한다.

즉, 데드 타임은 스위칭 소자의 턴 온, 턴 오프시 약 2∼5㎲ 정도의 시간 지연이 일어나도록 한 것인 바, 이를 도7과 도8에 따라 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전류가 양의 방향일 경우; 제1스위치(A⁺)가 턴 온 되면, 데드 타임(T_d)동안 제1, 2스위치가 온 상태가 됨으로써 제2다이오드(D^-)를 통해 전류가 흐르게 됨으로써 데드 타임동안 출력 전압 오차Td가 발생되고, 다시, 제1스위치의 턴 온 지연 시간(t_on) 후 제1스위치만을 통해 전류가 흐르게 되는 바, 결과적으로, 인버터의 출력 전압 오차는 Td＋ton이 되는 것이다.

다음, 전류가 음의 방향일 때; 제2스위치가 턴 온 되면, 제1스위치로 흐르던 전류가 턴 오프 지연시간(t_off) 후 제2스위치의 제2다이오드를 통해 전류가 흐르게 되는 바, 결과적으로, 인버터의 출력 전압 오차는 toff가 되는 것이다.

전류가 음의 방향일 경우; 제1스위치가 턴 온 되면, 제2스위치를 통해 흐르던 전류가 턴 오프 시간 지연 후 제1스위치의 제1다이오드를 통해 흐르게 되는 바, 결과적으로, 출력 전압 오차는 toff가 되는 것이다.

또한, 제2스위치가 턴 온 되면, 데드 타임동안 제1, 2스위치가 온상태가 됨으로써 제1다이오드를 통해 전류가 흐르고 됨으로써 데드 타임동안 출력 전압 오차Td가 발생되고, 다시 제2스위치의 턴 온 시간 지연 후 제2스위치를 통해 전류가 흐르게 되는 바, 결과적으로, 인버터 출력 전압 오차는 Td ＋ton이 되는 것이다.

상기한 바와 같이 데드 타임에 의해 전압 오차가 발생되고, 상기한 전압 오차는 인버터 출력 전압의 파형을 왜곡시킴과 아울러 기본파 성분을 감소시키고 결과적으로 전류 리플을 발생시킴으로써 토크 리플에 의한 유도 모터의 성능을 감소시키게 된다.

도7에서의 인버터 출력 전압의 기준값과 실제 출력 전압값의 오차는 하기한 수학식1에 의해 계산되어 진다.

(i_A〈0)

(δT = T_d＋ t_on－ t_off일 때)

T_d: 데드 타임

t_on: 스위칭 소자의 턴 온 시간

t_off: 스위칭 소자의 턴 오프 시간

상기한 데드 타임에 의한 전류 리플 및 토크 리플을 감소시키기 위하여, 데드 타임에 의한 오차 전압을 미리 계산하여 전류 극성에 따라 3상 전압 지령치를 전향 보상하거나, 순시 인버터 전압의 극성 변화 시간을 피드백하여 게이트 펄스 시간을 보상하는 방법이 사용되고 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 데드 타임에 의한 오차 전압을 미리 계산하고 이에 따라 3상 전압 지령치를 전향 보상하거나, 순시 인버터 전압의 극성 변화 시간을 피드백하여 게이트 펄스를 보상하는 것은, 3상에 대하여 각각 보상을 실시해야 할 뿐만 아니라 인버터 전압을 피드백하기 위한 별도의 하드 웨어가 필요한 문제점이 있다.

또한, 상기한 보상 시 순시 전류가 제로가 되는 부근에서 센서의 부정확성, 시스템 잡음등으로 인하여 전류의 극성을 정확하게 판별하지 못함으로써 보상값이 부정확하게 되고, 이로 인해 유도 모터의 출력값을 정확하게 제어하지 못하게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 하드 웨어를 사용하지 않을 뿐만 아니라 데드 타임 보상 방법을 단순화시킬 수 있는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 실현하기 위하여 본 발명은 3상 인버터 출력 기준치와 실제 출력 전압의 평균 오차값을 구하는 단계와, 상기한 평균 오차값에 따라 3상 정지 좌표계의 각상 전압 보상값을 구하는 단계를 포함하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법에 있어서,

상기한 3상 전압 보상값을 2상 정지 좌표계의 보상 전압으로 변환하는 단계와,

상기한 2상 정지 좌표계의 보상 전압을 퓨리에 해석하여 기본파와 기수차 고조파로 분리하는 단계와,

2상 회전 좌표계 전류 기준치와 인버터 출력 주파수로부터 전류 벡터 위상을 구하는 단계와,

상기한 위상을 퓨리에 해석된 2상 정지 좌표계 보상 전압에 대입하여 보상 전압을 구하는 단계를 포함함을 특징으로 한다.

도1은 본 발명에 따른 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법의 플로우 차트,

도2는 본 발명에 따른 유도 모터용 데드 타임 보상 방법에서 인버터 출력 전압 기준값과 실제 출력 전압과의 오차값을 2상 정지 좌표계의 보상 전압으로 도시한 그래프,

도3은 본 발명에 따른 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법에서 전류 벡터도를 도시한 그래프,

도4a는 본 발명에 따른 실시예에서 과도 상태일 때 보상전의 속도, 토크 전류, 자속 전류를 도시한 그래프,

도4b는 과도 상태일 때 보상후의 속도, 토크 전류, 자속 전류를 도시한 그래프,

도5a는 정상 상태일 때 보상전의 속도, 토크 전류, 자속 전류를 도시한 그래프,

도5b는 정상 상태일 때 보상후의 속도, 토크 전류, 자속 전류, 보상 전압을 도시한 그래프,

도6a는 속도를 -50rpm에서 +50rpm으로 급변시켰을 때 보상전의 속도, 토크 전류, 자속 전류를 도시한 그래프,

도6b는 속도를 -50rpm에서 +50rpm으로 급변시켰을 때 보상후의 속도, 토크 전류, 자속 전류를 도시한 그래프,

도7은 일반적인 유도 모터용 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 인버터의 한 상(phase)을 나타낸 회로도,

도8은 일반적인 벡터 제어 유도 모터용 인버터에서 출력 전압 및 게이트 펄스를 도시한 그래프.

도1은 본 발명에 따른 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법을 도시한 플로우 차트로서, 상기한 수학식1에 따라 인버터 출력 전압값과 실제 출력 전압값의 오차값(δU_d)을 계산하게 된다.

오차값이 계산되면 상기한 오차값의 크기를 전류 극성에 따라 전향 보상하여 3상 정지 좌표계의 상전압 보상 성분(ΔU_an, ΔU_bn,ΔU_cn)을 구한다.

오차값이 3상 상전압 보상 성분으로 계산되면 하기한 수학식2에 이를 대입하여 2상 정지 좌표계의 상전압 보상 성분으로 변환한다.

ΔU_an, ΔU_bn, ΔU_cn: 상기한 수학식1에서 계산된 전압 오차값의 크기를 전류 극성에 따라 전향 보상한 3상 정지 좌표계에서의 보상 성분이다.

상기한 수학식2에 따른 전압의 변환은 도2에 도시된 그래프에서 나타나는 바, 상기한 그래프에서 a 부분은 3상 정지 좌표계에서의 전류 및 보상 전압을 나타낸 것이고, b 부분은 2상 정지 좌표계로 이를 변환한 것이다.

2상 정지 좌표계의 보상 성분(ΔU_ds, ΔU_qs)이 계산되면 도3에 도시된 전류 벡터도와, 벡터 제어 유도 모터에서 2상 회전 좌표계의 전류 기준값(Id, Iq)와 정지 좌표계의 전류 기준값(Ids, Iqs)의 관계를 나타내는 하기한 수학식3에 따라 2상 회전 좌표계의 전류 기준값을 구하게 된다.

ω_e: 인버터 출력 주파수

상기한 도3은 2상 회전 좌표계(d축, q축)와 2상 정지 좌표계(ds축, qs축)으로 이루어진 공간 좌표계를 나타낸 것으로서, 전류 벡터의 크기(Is)와 위상(ψ)과, 2상 회전 좌표계의 전류 기준값(Id, Iq)과 2상 정지 좌표계의 전류 기준값(Ids, Iqs)과의 관계를 나타내고 있다.

즉, 상기한 수학식3과 도3으로부터 2상 정지 좌표계의 전류 기준값을 회전 좌표계의 전류 기준값으로 변환한 후 전류 벡터의 위상(ψ)을 계산하게 되는 것이다.

상기한 전류 벡터의 위상(ψ)은 하기한 수학식4에 따라 계산된다.

상기한 수학식4에 따라 전류 벡터의 위상이 결정되면 수학식2에 따라 변환된 2상 정지 좌표계의 보상 성분(ΔU_ds, ΔU_qs)을 퓨리에 해석(Fourier Analysis)하게 되는 바, 퓨리에 해석후의 보상 성분은 하기한 수학식5에 따라 나타나게 된다.

(단, ψ : 전류 벡터의 위상, )

상기한 수학식5에서는 3차, 9차등과 같은 영상 전압은 나타나지 않고, 7차 이상의 고조파는 비교적 작은 값이기 때문에 인버터 출력 전압에 영향을 주지 않게 되는 바, 상기한 전류 벡터의 위상(ψ)을 수학식5에 대입하면 데드 타임 보상 전압값이 구해지는 것이다.

상기한 바와 같은 데드 타임 보상 방법의 실험예를 설명하면, 2.2KW, IPM으로 구성된 전압형 인버터, DSP 제어 보드로 시스템이 구성되어 있고, PWM 패턴에 삽입된 데드 타임은 5㎲이며, PWM 스위칭 주파수는 10㎑이고, 직류 링크 전압은 310V이다.

도4a는 모터의 동작이 과도 상태일 때, 데드 타임 보상을 하지 않은 속도, 토크 전류, 자속 전류, 상전류를 도시한 그래프이고, 도4b는 데드 타임 보상을 실시한 그래프인 바, 데드 타임 보상을 하지 않은 경우 전류 제어가 정확히 이루어지지 않게 되고, 이로 인해 속도가 정상 상태로 되는데 필요한 시간T가 매우 길어지게 된다.

즉, 데드 타임 보상을 실시한 도4b에서의 T'에 비해 매우 긴 시간이 필요하게 되는 바, 데드 타임 보상에 따른 모터의 동작 시 응답 특성이 대폭 향상됨을 알 수 있게 된다.

또한, 도5a는 정상 상태에서 데드 타임 보상을 하지 않은 속도, 토크 전류, 자속 전류, 상전류를 도시한 그래프이고, 도5b는 보상 전압에 따라 데드 타임 보상을 실시한 그래프인 바, 데드 타임 보상 후 전류에 리플 성분이 대폭 감소되었으며, 상전류가 거의 순수한 정현파를 나타낸다.

즉, 모터의 정상 상태 구동 시 모터의 속도 제어가 매우 정밀하게 이루어질 수 있게 되는 것이다.

상기한 도6a는 데드 타임 보상을 하지 않고 속도 지령치를 +50rpm에서 -50rpm으로 급속 반전시켰을 때 속도, 토크 전류, 토크 전류 지령치, 상전류를 도시한 그래프로서, 토크 전류가 토크 전류 지령치를 추종하지 못하고, 결과적으로 지령치에 대한 응답 특성이 나쁘게 됨을 알 수 있다.

이에 비해, 데드 타임 보상을 실시한 도6b에서는 토크 전류와 토크 전류 지령치가 정확히 일치됨으로써 지령치에 대한 모터의 응답 특성이 대폭 향상됨으로 알 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명은 2상 회전 좌표계 전류 기준치와 인버터 출력 주파수에서 전류 벡터의 위상을 구하고, 이를 통해 2상 정지 좌표계에서 기본파와 5, 7차 고조파만을 전향 보상함으로써 별도의 장치를 설치하지 않고도 인버터 출력 전압의 왜형을 정확히 보상할 수 있게 된다.

즉, 통상적인 벡터 제어기의 소프트웨어를 본 발명과 같이 구성함으로써 비교적 간단하게 데드 타임 보상 효과를 얻을 수 있고, 이로 인해 유도 모터의 다이내믹 응답 특성과 정상 상태 특성을 개선할 수 있는 잇점이 있는 것이다.

Claims (5)

1. 3상 인버터 출력 기준치와 실제 출력 전압의 평균 오차값을 구하는 단계와, 상기한 평균 오차값에 따라 3상 정지 좌표계의 각상 전압 보상값을 구하는 단계를 포함하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법에 있어서,

   상기한 3상 전압 보상값을 2상 정지 좌표계의 보상 전압으로 변환하는 단계와,

   상기한 2상 정지 좌표계의 보상 전압을 퓨리에 해석하여 기본파와 기수차 고조파로 분리하는 단계와,

   2상 회전 좌표계 전류 기준치와 인버터 출력 주파수로부터 전류 벡터 위상을 구하는 단계와,

   상기한 위상을 퓨리에 해석된 2상 정지 좌표계 보상 전압에 대입하여 보상 전압을 구하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기한 3상 보상 전압을 2상 정지 좌표계의 전압 보상값으로 변환하는 것을 하기한 식에 따르는 것을 특징으로 하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법.

   (단, ΔU_an, ΔU_bn, ΔU_cn은 전압 오차값의 크기를 전류 극성에 따라 전향 보상한 3상 정지 좌표계에서의 보상값.)
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 2상 정지 좌표계의 데드 타임 보상 전압을 퓨리에 해석하여 하기한 식으로 나타냄을 특징으로 하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법.

   (단, ψ : 전류 벡터의 위상, )
4. 제3항에 있어서, 2상 회전 좌표계 전류 기준치와 인버터 출력 주파수로부터 전류 벡터 위상을 하기한 식에 따라 구하는 것을 특징으로 하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법.

   (단, , ω_e는 인버터 출력 주파수)
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 기본파, 5차, 7차 고조파만을 전향 보상함을 특징으로 하는 벡터 제어 유도 모터용 데드 타임 보상 방법.