KR20020014507A - 벡터 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벡터 제어장치에 관한 것으로, 특히 센서리스 벡터 제어와 플럭스 벡터 제어가 가능하도록 한 벡터 제어장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 입력되는 동기속도(we)와 함께 플럭스 성분(d축)의 전류지령치(ids*) 및 실제전류(ids)를 제어하기 위한 q축에 해당하는 전압(Vqs)을 연산하여 출력하는 d축전압 지령부(100)와, q축의 전류(iqs)를 제어하기 위하여 d축에 해당하는 전압(Vds)을 연산하여 출력하는 q축전압 지령부(200)와, 상기 q축전압 지령부(200)에 플럭스 전류(ids)를 공급하여 플럭스를 일정하게 제어하기 위한 d축전류 제어기(201)와, 상기 q축전압(Vqs)과 상기 d축전압(Vds)를 3상의 전압으로 변환시켜 전동기에 공급하기 위한 전압 변환부(300)로 구성한다.

Description

벡터 제어장치{VECTOR CONTROL APPARATUS}

본 발명은 부하에 따라 속도가 변동하는 것을 방지하기 위한 벡터 제어장치에 관한 것으로, 특히 센서리스 벡터 제어 및 플럭스 벡터 제어에 적합하도록 한 벡터 제어장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 V/F 방식에 의한 속도 제어장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 지령주파수(F)가 입력되면 전동기에 인가되는 전기 각속도(We)로 변환시켜 출력하는 각속도 발생부(11)와, 상기 지령주파수(F)가 받으면 V/F의 비율에 맞게 전압(V)을 생성하여 출력하는 전압 생성부(12)와, 상기 각속도 발생부(11)에서 출력되는 전기 각속도(We)와 전압 생성부(12)에서 출력되는 전압(V)을 이용하여 전동기(IM)에 필요한 3상전류를 공급하는 인버터(13)로 구성된다.

도 3은 종래의 벡터 제어장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시된 바와 같이, 속도지령치(wr*)와 실제 검출된 속도(wr)간의 오차를 받아 토오크 성분전류(iqes*)를 생성하는 제1비례 적분제어기(22)와, 전류 지령치(iqes*)(ides*)와 실제 전류(iqes)(ides)간의 오차를 받아 전동기가 속도 지령으로 운전되도록 하는 전압(vqse)(vdse)을 생성하여 출력하는 제2,제3비례 적분제어기(25)(26)와, 상기 전압(vqse)(vdse)을 받아 3상전압으로 바꾸어 전동기를 구동하는 인버터(28)로 공급하는 정지좌표 변환기(27)와, 전동기에 공급되는 3상전류를 받아 d축과 q축의 전류(idse)(qdes)로 바꾸로 출력하는 동기좌표 변환기(29)와, 상기 전류지령치(iqes*)(ides*)를 받아 슬립주파수를 발생시키는 슬립주파수 발생부(30)와, 상기 슬립주파수와 모터의 실제속도(wr)를 이용하여 각속도를 구하여 상기 변환기(27)(28)의 동작을 제어하는 연산제어신호 발생부(31)로 구성된다.

이와 같이 구성된 종래기술에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

산업 현장에서는 속도 검출장치가 필요없고, 제어가 단순한 VVVF(가변전압, 가변 주파수) 방식의 범용 인버터가 널리 사용되고 있다. 상기 범용 인버터는 단순히 유도전동기의 플럭스(flux)를 일정하게 유지하기 위하여 인버터의 출력전압과 출력 주파수의 비율을 일정하게 제어하고, 전동기 속도는 출력 주파수를 가변시켜 제어하는데, 이에 대하여 도 1에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

전동기 속도(rpm)는 지령주파수 F에 의해 결정된다. 즉, rpm = 120 * F/P

P : 전동기 극수, F : 지령주파수

이렇게 결정된 지령주파수(f)를 공급하게 되면 각속도 발생부(11)에서 입력받아 전동기(IM)에 인가되는 전기 각속도(We)로 변환시켜 인버터(13)로 공급한다. 여기서 We = 2πF

이때 인버터(13)에 인가되는 전압는 전동기의 플럭스를 일정하게 유지시키기 위하여 전압 발생부(12)는 V(전압)/F(주파수)의 비율이 일정하게 되도록 지령 주파수에 해당되는 전압(V)을 생성하여 상기 인버터(13)로 공급한다.

그러면 상기 인버터(13)는 전기 각속도(We)와 전압(V)을 이용하여 전동기(IM)에 필요한 3상전압을 생성하여 전동기로 공급한다.

이에따라 상기 전동기(IM)는 부하와 도 2에 도시한 전동기의 슬립-토오크 곡선의 교점에서 운전하게 되며, 그에 해당하는 전류가 흐르게 된다.

결국, 전동기로 전압/주파수(V/F)의 비율을 일정하게 제공하면 플럭스를 일정하게 유지하게 되면 전동기 제어가 가능하게 된다.

그리고, 센서리스 벡터 제어는 속도센서 사용으로 인한 취부의 어려움, 노이즈 문제, 센서가격 및 인버터와 전동기 사이의 거리가 먼 경우 등에 의하여 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 센서리스 알고리즘의 필요성이 크게 대두되고 있다.

이와같은 센서리스 벡터 제어 장치에 대하여 도 3에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

제1연산기(21)에서 속도지령(wr*)과 실제로 검출된 속도(wr)간의 오차를 구하여 제1비례적분 제어기(22)로 제공하면, 상기 제1비례적분 제어기(22)는 토오크 성분의 전류지령치(iqse*)를 만들어 제2연산기(23)의 비반전단자(+)로 제공하고, 제3연산기(24)의 비반전단자(+)로는 자화성분의 전류지령치(idse*)가 제공한다. 여기서 자화성분의 전류지령치(idse*)는 전동기 정격에 의하여 만들어진다.

이때 실제 전동기로 입력되는 전류(ias,ibs,ics)를 동기좌표계 변환기(29)에서 받아 3상을 2상으로 상 변환을 시켜 자화성분(d축성분)의 전류(idse)와 토오크성분(q축전류(iqse)로 분리하여 상기 제2연산기(23)와 제3연산기(24)의 반전단자(-)로 공급한다.

그러면 상기 제2,제3연산기(23)(24)는 전류지령치(iqse*)(idse*)와 실제전류(iqse)(idse)간의 오차를 구하여 제2,제3비례적분 제어기(25)(26)로 제공하고, 상기 제2,제3비례적분 제어기(25)(26)는 d축과 q축의 전압(vqse)(vdse)을 각각 생성하여 정지좌표계 변환기(27)로 전달한다.

이때 슬립주파수 발생부(30)는 전류지령치(iqse*)(idse*)를 이용하여 슬립주파수(wslip)를 구하여 연산제어신호 발생부(31)의 비반전단자(+)로 제공한다. 그리고 전동기(IM)의 속도를 감지하는 속도 센서(32)는 감지한 전동기 속도(wr)를 상기 연산제어신호 발생부(31)의 또 다른 비반전단자(+)로 제공한다.

그러면 상기 연산제어신호 발생부(31)는 슬립주파수(wslip)와 전동기 속도(wr)를 구하여 전동기 운전 동기각속도(we)를 계산하고, 이 계산된 동기각속도(we)를 이용하여 2상전압을 3상 전압으로 변환시키거나 3상 전압을 2상 전압으로 변환시키는 연산제어신호를 생성하여 상기 정지좌표계 변환기(27)와 동기좌표계 변환기(29)로 각각 제공한다.

이에따라 상기 정지좌표계 변환기(27)는 2상의 전압(vqse)(vdse)을 3상의 전압(va,vb,vc)로 변환시켜 인버터(28)를 구동시킨다.

그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서 V/F방식으로 전동기의 속도 제어시 주파수를 제공하게 되는데, 이때 제공된 값은 동기속도(We)에 해당되므로 실제 전동기 속도는 Wr = We(1-slip)와 같이 주어지기 때문에 부하에 따라 변화되는 슬립주파수(slip)에 의해 변화되는 문제점이 있고, 플럭스(flux)를 일정하게 하기 위하여 전압/주파수의 비를 일정하게 유지하여 제어하게 되는데 전압방정식에 포함된 스테이터 저항(Rs)을 무시하는데 이 경우 저속에서는 플럭스가 적게 공급되어 전동기가 원하는 출력 토오크를 발생시키지 못하는 문제점이 있다.

그리고, 벡터 제어방식으로 전동기의 속도 제어시 속도 전영역에서 사용하기 힘든 문제점이 있고, 저속 알고리즘으로 구동할 경우 기본파 전압에 고주파 전압 또는 전류를 추가하여 전동기 자속의 절대위치를 찾아내는 방법으로 저속에서는 유효하나 고속에서는 사용이 불가능하고, 반대로 고속 알고리즘의 경우 고속에서는 유효하나 저속에서는 알고리즘 자체의 구현이 매우 어려워 사용이 힘든 문제점이 있다. 아울러 전류 제어를 기본으로 한 벡터 제어방식이므로 토오크 속도 곡선상의 불안정 영역에서 운전됨으로 속도 추정이 잘못되면 시스템이 불안정해지는 문제점이 있다.

상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 V/F방식의 문제점인 부하에 따른 속도 변동을 방지하고, 저속에서 플럭스 감소에 따른 토오크 감소를 방지하여 기동 토오크 저감을 해결하도록 한 벡터 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 센서리스 알고리즘이 속도영역에 따라 적용이 힘든 문제점을 해결하여 전속도 영역에서 센서리스 벡터제어가 되도록 한 벡터 제어장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 방식이 속도 토오크 곡선상의 불안정 영역에서 동작하는 문제점을 해결하여 어떠한 상황에서도 시스템이 안정 영역에서 운전되도록 하기 위한 벡터 제어장치를 제공함에 있다.

도 1은 종래 V/F 방식에 의한 속도 제어장치에 대한 블록 구성도.

도 2는 도 1에서, 부하와 전동기의 슬립-토오크 곡선 파형도.

도 3은 종래 벡터 제어장치에 대한 블록 구성도.

도 4는 본 발명의 벡터 제어장치에 대한 제1실시예.

도 5는 본 발명에서 동기속도를 공급하는 속도제어기의 상세도.

도 6은 도 4에서, 부하 변동에 따른 속도 파형도.

도 7은 본 발명의 벡터 제어장치에 대한 제2실시예.

도 8은 본 발명에 따른 속도, 플럭스 전류 및 부하에 대한 파형도.

***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****

100 : d축전압 지령부 200 : q축전압 지령부

201 : d축전류 제어기 202 : 로우패스필터

300 : 전압 변환부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 입력되는 동기속도와 함께 플럭스 성분의 전류지령치 및 실제전류를 제어하기 위한 q축에 해당하는 전압을 연산하여 출력하는 d축전압 지령부와, q축의 전류를 제어하기 위하여 d축에 해당하는 전압을 연산하여 출력하는 q축전압 지령부와, 상기 q축전압 지령부 내에 포함되며, 상기 q축전압 지령부에 플럭스 전류를 공급하여 플럭스를 일정하게 제어하기 위한 d축전류 제어기와, 상기 q축전압과 상기 d축전압의 2상 전압을 3상의 전압으로 변환시켜 전동기에 공급하기 위한 전압 변환부를 포함한 것을 특징으로 한다.

전동기 속도를 받아 동기속도를 생성하고, 그 생성된 동기속도를 상기 d축전압 지령부로 공급하는 속도 제어기를 더 포함한 것을 특징으로 한다.

상기에서 d축전류 제어기는 플럭스전류를 저역통과시키는 저역통과필터와, 상기에서 저역통과된 전류에 스테이터 저항값을 곱하여 전압을 생성하는 곱셈기로 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 벡터 제어장치에 대한 블록 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이, 입력되는 동기속도(we)와 함께 플럭스 성분(d축)의 전류지령치(ids*) 및 실제전류(ids)를 제어하기 위한 q축에 해당하는 전압(Vqs)을 연산하여 출력하는 d축전압 지령부(100)와, q축의 전류(iqs)를 제어하기 위하여 d축에 해당하는 전압(Vds)을 연산하여 출력하는 q축전압 지령부(200)와, 상기 q축전압 지령부(200)에 플럭스 전류(ids)를 공급하여 플럭스를 일정하게 제어하기 위한 d축전류 제어기(201)와, 상기 q축전압(Vqs)과 상기 d축전압(Vds)를 3상의 전압으로 변환시켜 전동기에 공급하기 위한 전압 변환부(300)로 구성한다.

상기에서 d축전류 제어기(201)는, d축의 전류(ids)를 받아 불필요한 부분을 제거하는 로우패스필터(202)와, 상기에서 출력되는 전류에 로테이터 저항값을 곱하여 전압을 생성하는 제2곱셈기(203)로 구성한다.

입력되는 전동기 속도(Wr*)를 이용하여 상기 d축전압 지령부(100)로 제공하기 위한 동기속도(we)를 생성하는 속도 제어기를 더 포함한다.

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

V/F방식의 문제점인 부하에 따른 속도 변동을 방지하기 위하여 도 5에 도시한 속도 제어기로 속도지령치(Wr*)로 공급하게 되면, 상기 속도 제어기의 연산기에서 속도지령치와 실제전압의 차이를 구하여 비례적분 제어기(PI)로 공급한다. 그러면 상기 비례적분 제어기(PI)는 비례적분 동작을 수행하여 전동기의 슬립주파수(Wsl)를 구하여 다시 연산기로 제공한다.

그러면 상기 연산기는 상기 슬립주파수(Wsl)와 속도지령치(Wr*)를 더하여 동기속도(we)를 생성하고, 그 생성한 동기속도(we)를 d축전압 지령부(100)로 공급한다.

상기에서와 같이 속도 제어기에서 슬립주파수를 제어함으로써, 부하 변동에 따른 속도 변동을 보상하게 되는 것이다.

이와 같이 속도 변동을 보상한 동기속도(we)를 d축전압 지령부(100)로 제공하면, 상기 d축전압 지령부(100)의 전압 생성부(111)는 전압/주파수(V/F)의 비율이일정하게 되도록 동기속도(we)에 해당하는 전압(V)을 생성하여 제2연산기(112)로 출력시킨다.

이때 제1연산기(113)는 토오크 성분의 전류지령치(ids*)와 자화성분의 실제전류(ids)간의 오차를 구하여 제1비례적분 제어기(114)로 제공하면, 상기 제1비례적분 제어기(114)는 전동기에 전류지령에 해당하는 전류가 흐르도록 하는 전류 오차에 비례하는 전압을 생성하여 상기 제2연산기(112)로 출력시킨다.

상기 d축전압 지령부(100)가 상기에서와 같이 동작할 때 q축전압 지령부(200)의 로우패스필터(221)는 전동기에 흐르는 q축의 실제전류(iqs)를 받아 저역통과시켜 불필요한 부분은 제거하여 제1곱셈기(222)로 전달한다.

그러면 상기 제1곱셈기(222)는 상기 로우패스필터(221)를 통과한 전류(iqs)에 스테이터 저항(Rs)을 곱하여 상기 d축전압 지령부(100)의 제2연산기(112)로 제공한다.

따라서 상기 제2연산기(112)는 전압 생성부(111)의 출력전압, 제1비례적분 제어기(114)의 출력전압, 그리고 로우패스필터(221)과 저항(222)을 통해 출력되는 전압을 더하여 q축전압(Vqs)을 생성하여 전압변환부(300)로 공급한다.

이렇게 q축전압(Vqs)이 생성되어 상기 전압변환부(300)로 입력될 때, 상기 로우패스필터(221)를 통해 필터링된 전류(iqs)는 전압연산부(223)에서 q축전류(iqs)와 동기속도(we)및 인덕턴스값(Lδ)을 곱하여 생성된 전압을 제3연산기(224)의 반전단자(-)로 출력한다.

이때 플럭스(flux)를 일정하게 제어하기 위하여 d축전류 제어기(201)의 로우패스필터(202)는 d축전류(ids)를 제공받아 불필요한 부분을 제거하고, 제2곱셈기(203)는 상기 d축전류(ids)에 스테이터 저항(Rs)을 곱하여 제3연산기(224)의 비반전단자(+)로 출력한다.

상기에서와 같이 d축전류 제어기(201)에 의해 플럭스(flux)를 일정하게 제어해준다.

상기 제3연산기(224)는 d축전류 제어기(201)에서 출력되는 전압에서 상기 전압연산부(223)에서 출력되는 전압을 감산하여 d축전압(Vds)을 생성하고, 이를 전압 변환부(300)로 공급한다.

그러면 상기 전압 변환부(300)는 2상의 전압(Vqs,Vds)을 3상의 전압(Va,Vb,Vc)으로 변환시켜 전동기로 공급한다.

상기 제2연산기(112)에서 생성되는 q축전압(Vqs)과 제3연산기(224)에서 생성되는 d축전압(Vds)을 생성하는 d,q축 전압방정식은 아래의 수학식1과 같이 주어진다.

Vqs = Rs * iqs + we *Ls * ids

Vds = Rs * ids - we *δLs * iqs

δLs(고정자 누설 인덕턴스) = Ls - Lm/Lr ≒ Lls + Llr

ids : d축전류(플럭스 전류), iqs : 토오크 전류

상기 수학식1을 q축전압방정식은 아래의 수학식2와 같이 표현할 수 있다.

Vqs = Rs * iqs + E

E = we *Ls * ids 로, 전동기 역기전력 성분이다.

따라서 역기전력 성분 E를 제어하면 플럭스를 일정하게 유지할 수 있고, d축전압과 q축전압을 이용하여 지령함으로서 벡터 제어가 된다.

이와 같은 경우 센서리스 벡터제어가 가능하게 되므로, 제품화가 힘든 센서리스 벡터 인버터의 제품화가 가능하고, 파라미터 의존성이 적고 시스템이 항상 안정된 영역에서 운전되므로 산업현장에 쉽게 적용이 가능하다.

도 6에 도시한 바와 같이 플럭스가 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

그리고, 플럭스 벡터제어 알고리즘으로 동작시킬 경우 도 7에 도시한 바와 같이 d축전압 지령부(100)의 비례적분제어기(114)와 제2연산기(112) 사이에 곱셈기(115)에 삽입되고, 동기속도(we)에 따라소정의 전압을 공급하는 전압 발생부(116)가 추가된다.

상기 곱셈기(115)는 상기 제1비례적분 제어기(114)에서 출력되는 전압과 전압 발생부(116)에서 출력되는 전압을 곱하여 제1연산기(112)로 제공한다.

그러면 상기 제1연산기(112)는 앞에서 설명한 바와 같이 각각의 전압을 더하여 q축전압(Vqs)을 생성하여 전압 변환부(300)로 공급한다.

따라서 속도 제어분야 및 기동 토오크가 크게 요구되는 분야에 적용이 가능하며, 인버터가 대용량화 됨으로서 발생되는 가,감속시의 토오크 헌팅 등의 문제를 해결하여 모든 산업현장에 사용되는 범용 인버터의 적용이 가능하다.

도 8에서와 같이 부하에 따른 속도 변동이 없고, 플럭스가 일정함을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 센서리스 벡터 인버터의 제품화가 가능하도록 하고, 인버터가 대용량화 됨에 따라 발생되는 가,감속시의 토오크 헌팅을 해결하여 모든 산업현장에서 사용되는 범용 인버터의 적용이 가능하다.

Claims (4)

1. 입력되는 동기속도와 함께 d축의 전류지령치 및 실제전류를 제어하기 위하여 q축에 해당하는 전압을 연산하여 출력하는 d축전압 지령부와, q축의 실제전류를 제어하기 위하여 d축에 해당하는 전압을 연산하여 출력하는 q축전압 지령부와, 상기 q축전압 지령부에 d축의 전류를 공급하여 플럭스를 일정하게 제어하기 위한 d축전류 제어기와, 상기 q축전압과 상기 d축전압를 3상의 전압으로 변환시켜 전동기에 공급하기 위한 전압 변환부를 포함한것을 특징으로 하는 벡터 제어장치.
2. 제1항에 있어서, d축전압 지령부는 d축의 전류지령치와 실제전류의 오차를 받아 비례적분 동작을 수행하여 전류가 전류지령치를 추종할 수 있도록 하기 위한 전압을 출력시키는 제1비례적분 제어기와, 전압/주파수(V/F)의 비율이 일정하게 되도록 입력 동기속도에 해당하는 전압을 생성하는 전압 생성부와, 상기 전압 생성부의 출력전압과 상기 제1비례적분 제어기의 출력전압 이외에 d축전류에 해당하는 전압을 모두 더하여 q축의 전압을 생성하는 제2연산기로 이루어진 것을 특징으로 하는 벡터 제어장치.
3. 제1항에 있어서, d축전류 제어기는, d축의 전류를 받아 불필요한 부분을 제거하는 로우패스필터와, 상기에서 출력되는 전류에 로테이터 저항값을 곱하여 전압을 생성하는 제2곱셈기로 구성한 것을 특징으로 하는 벡터 제어장치.
4. 제1항에 있어서, 입력되는 전동기 속도지령과 전동기 속도의 오차를 이용하여 d축전압 지령부로 입력되는 동기속도를 생성하는 속도 제어기를 더 포함한 것을 특징으로 하는 벡터 제어장치.