KR20020038642A - 2상 변조된 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭변조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기의 전압, 주파수 제어를 위해 공간전압벡터 변조법에 의해 발생된 펄스의 위치를 랜덤하게 위치시킴으로써, 발생되는 전압, 전류의 고조파 스펙트럼이 연속적으로 되게 하여 날카로운 가청소음을 저감시켜주는 랜덤 펄스폭변조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 방법은 공간전압벡터 변조기법에 의해 펄스폭을 결정하는 단계와, 펄스를 랜덤하게 위치시키면서도 지령된 공간전압벡터를 구현시킬 수 있도록 상별 펄스 재배치 순서를 결정하는 단계와, 펄스의 위치를 무작위로 위치시킬 수 있는 범위를 결정하는 단계와, 상기 범위 내에서 펄스위치를 지정하는 랜덤수 발생부로 구성된 것을 특징으로 하며, 상기 공간전압벡터 변조기법에 의해 얻어진 펄스폭에 영벡터를 합성하는 방법에 따라 분류되는 2상변조기법을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은 상기와 같은 단계들을 통해 펄스폭 변조를 하게 되면, 스위칭 주파수의 기본 주파수에만 잡음전력 주파수가 집중되어, 다른 주파수 영역에서는 완만한 스펙트럼 분포를 이룰 수 있어 날카로운 가청스위칭 소음을 다량 완화시키는 효과를 제공한다.

Description

2상 변조된 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭변조 방법{A method for 2 phase modulated separately random pulse position pulse width modulation }

본 발명은 전력변환 시스템에서 출력을 제어하기 위하여 사용되는 펄스폭변조기법에 의해 발생되는 잡음전력의 스펙트럼을 넓은 주파수 대역이 되도록하여, 특정 대역의 주파수에 집중된 잡음전력에 따른 날카로운 가청소음을 완화시키기 위한 펄스폭변조기법에 관한 것이다.

일반적으로, 전력변환 시스템에서 사용되는 펄스폭변조기법은 일정 스위칭 주파수를 갖는 방법을 사용함으로써, 잡음전력의 스펙트럼을 전력전자소자의 스위칭 주파수의 정수배에 집중시켜 특정 주파수대역의 고조파 전류와 가청 스위칭 소음을 유발하는 단점을 가지고 있다.

현재의 전력변환 시스템에서 특정 대역 주파수에서만 발생되는 잡음전력의 주파수를 넓은 영역으로 분포시키는 방법으로는 삼각파 반송파 비교방식을 기반으로 랜덤 주파수 펄스폭변조기법과, 공간전압벡터기법을 기본으로 하는 랜덤 펄스위치 펄스폭변조기법이 있는데, 삼각파 반송파 기반의 랜덤 주파수 펄스폭 변조기법은 아나로그 방식으로서 랜덤 주파수 발생을 위한 복잡한 하드웨어를 추가로 필요로하는 단점이 있으며, 공간전압벡터 기반의 랜덤 펄스 위치 펄스폭변조방법은 펄스의 위치를, 1스위칭 주기 내에서, 초기 부분에 위치 시킬것인가, 또는 마지막부분에 위치 시킬것인가에 대한 선택만을 무작위로 선택하는 방법으로 펄스 위치 결정에 대한 자유도가 낮아 전압, 전류의 스펙트럼의 연속성이 떨어지는 단점이 있으며, 3상 변조을 기반으로 함으로써 잡음전력의 주파수 성분중 스위칭 주파수의 정수배에 해당하는 주파수 특성에 의한 고주파수 소음이 남아 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 방법의 단점을 해결하기 위한 것으로서, 2상변조 공간전압벡터 기반의 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭 변조기법을 사용하여, 연속적인 전압, 전류 스펙트럼을 얻어, 가청 스위칭소음을 저감하기 위한 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명인 2상 변조된 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭변조 방법을 실행하기 위한 순서도,

도 2는 전압원 인버터의 스위칭 조합에 의해 나타나는 종래의 공간전압 벡터도,

도 3a는 지령 전압벡터가 도 2 공간전압벡터도의 홀수 섹터인 1번 섹터에 존재할 때의 2개의 유효벡터와 1개의 영벡터의 시간 분배에 의해 구현되는 지령 공간전압벡터 구현도,

도 3b는 도3a의 지령전압벡터를 2개의 유효벡터와 1개의 영벡터의 시간적인 재배치에 의해 만들어지는 펄스 파형도,

도 3c는 도 3b에서 가장 펄스폭이 큰 상의 랜덤위치 가능범위 내에서 결정되는 랜덤변위에 의한 펄스 위치 변위도,

3d는 도 3b에서 두 번째로 펄스폭이 큰 상의 랜덤위치 가능범위 내에서 결정되는 랜덤변위에 의한 펄스 위치 변위도,

도 4a는 지령 전압벡터가 도 2, 공간전압벡터도의 짝수 섹터인 2번 섹터에존재할 때의 2개의 유효벡터와 1개의 영벡터의 시간 분배에 의해 구현되는 지령 공간전압벡터 구현도,

도 4b는 지령 전압벡터가 도 2의 공간전압벡터도의 짝수 섹터인 2번 섹터에 존재할 때의 2상 변조된 공간전압벡터 변조에 의해 얻어진 유효벡터의 재배치도,

도 4c은 도 4b에서 가장 펄스폭이 큰 상의 랜덤위치 범위에서의 결정되는 랜덤변위에 의한 펄스 위치 변위도,

4d는 도 4b에서 두 번째로 펄스폭이 큰 상의 랜덤위치 가능범위 내에서 결정되는 랜덤변위에 의한 펄스 위치 변위도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11:지령전압입력부,12:공간전압벡터변조부,

13:2상변조부,14:펄스폭 크기순서 정렬부,

15:상 수 증가및 판별부16:각 상별 랜덤위치 가능 범위 지정부,

17:랜덤변위 발생부18:펄스위치변경부,

31:최장펄스32:최단펄스

33:제1랜덤범위34:제2랜덤범위

35:제1랜덤변위38:제2랜덤변위

41:최단펄스42:최장펄스

43:제2랜덤범위44:제1랜덤범위

45:제2랜덤변위48:제1랜덤변위

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 전압,주파수 변환을 위한 전압형 인버터를 기반으로, 지령 전압벡터를 구현하기위한 공간전압벡터 변조부(12)와, 변조된 유효벡터와 영벡터의 적절한 시간적 재배치를 통하여 펄스의 형태 완성하는 2상변조부(13)와, 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭 변조를 위하여 펄스들을 폭 크기 순서로 정렬시키는 펄스폭크기 순서 정렬부(14)와, 상기 펄스폭 크기별 정렬부를 통하여 각 상별로 펄스 위치를 랜덤하게 위치 시킬 수 있는 가능 범위를 결정하는 각 상별 랜덤위치 범위 지정부(16)와, 상기 랜덤범위 지정부에서 얻은 랜덤범위에서 특정한 랜덤변위를 결정하는 랜덤변위 발생부(17)와, 상기 랜덤변위 발생부에서 결정된 랜덤변위에 의해 펄스의 위치를 결정하는 펄스위치 변경부(18)로 구성된다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 2상변조 공간전압벡터로 표현되는 펄스의 위치를 각 상별로 지정된 범위안에서 랜덤하게 위치시킴으로써, 전력변환된 전력중 잡음전력의 스펙트럼을 연속적이게 하여, 가청스위칭 주파수 소음을줄이는 효과를 얻을 수 있도록 한다.

이하, 본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.즉, 도 1은 본 발명에 따른 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭 변조 방법을 나타내는 순서도이고, 도 2는 기존의 전압형 인버터의 스위치 조합으로 이룰 수 있는 6개의 유효전압벡터 V100, V110, V010, V011, V001, V101과 2개의 영벡터 V000, V111를 나타내는 공간전압 벡터도이고, 도 3a와 도 4a는 지령전압벡터가 상기 공간전압벡터도의 각각 1번섹터와 2번섹터에 위치할 때의 이웃하는 2개의 유효벡터와 영벡터의 시간적인 합성을 통하여 지령전압벡터가 구현되는 것을 보여주며, 도 3b 4b는 2상변조된 공간전압벡터를 시간축에서 재합성한 1제어주기동안의 펄스 파형이고, 도 3c와 도4c는 랜덤펄스위치 펄스폭변조를 위해, 세 상 중 가장 펄스폭이 큰 펄스로부터 얻어진 랜덤위치 가능범위에서 선택된 제1랜덤변위에 의한 펄스의 재 배치도 이며, 도 3d와 도 4d는 펄스의 폭이 두번째로 긴 펄스로 부터 얻어진 랜덤위치 가능범위에서 선택된 제2 랜덤변위에 의한 펄스의 재배치도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법은 기존의 공간전압벡터 변조법을 기반으로 하고 있으며, 공간전압벡터 변조법에 따르면, 지령전압벡터의 이웃하는 2개의 유효벡터 중 선행벡터 V2와 후행 벡터 V1의 인가 시간 T1, T2와 영벡터 V0의 인가시간 T0을 다음 수식과 같이 정의하고 있다.

지령벡터가 도2의 공간전압벡터도의 홀수섹터에 위치하면, 지령전압벡터는 도 3a와 같이 유효벡터의 시간적인 분할을 통하여 구현되는 벡터 V1, V2와 영벡터 V0의 합성으로 구현되며, 유효벡터 인가순서를 V0(V000) -> V1(V100) -> v2(V110)로 하고 이것의 인가시간의 순서는 T0 -> T1 -> T2가 되게 재배치하면, 도 3b와 같이 1제어주기동안 1스위칭 주기를 갖는 펄스형태를 갖게할 수 있으며 이때, 영벡터는 V000만을 사용하여 2상변조가 되게 한다.

지령벡터가 도2의 공간전압벡터도의 짝수섹터에 위치하면, 지령전압벡터는 도 4a와 같이 유효벡터의 시간적인 분할을 통하여 구현되는 벡터 V1, V2와 영벡터 V0의 합성으로 구현되며, 유효벡터 인가순서를 V0(V000) -> V2(V010) -> V1(V110)으로 하고 이것의 인가시간의 순서는 T0 -> T2 -> T1이 되게 재배치하면, 도 4b와 같이 1제어주기동안 1스위칭 주기를 갖는 펄스형태를 갖게할 수 있으며 이때, 영벡터는 V000만을 사용하여 2상변조가 되게 한다.

이렇게 얻어진 펄스는 그 형태가 1제어주기(Tsw) 시간축의 우측에 정렬된 형태이며, 이들 펄스를 얼마 만큼 좌측으로 이동시킬 것인가는 랜덤함수를 이용하여 결정하면 랜덤펄스위치 펄스폭 변조가 이루어 지며, 상세한 설명은 다음과 같다.

지령전압벡터가 공간전압벡터도의 1번 섹터에 위치하면, 도 3b와 같은 펄스파형이 얻어지고, 가장 긴 펄스(31)를 갖는 상의 랜덤위치 가능구간은 영벡터 V000 구간(33) 즉, T0가 되며, 두번째로 긴 펄스(32)를 갖는 상의 랜덤위치 가능범위는 T1(34)이 된다.

이렇게 얻어진 랜덤가능 구간(33,34)에 랜덤함수를 적용하여, 펄스의 위치를 좌측으로 랜덤하게 이동시킬 랜덤변위를 얻는데, 도 3c에서와 같이 먼저, 펄스의 길이가 가장 긴 펄스의 랜덤가능 범위(34)에서 랜덤함수를 이용하여 랜덤변위를 얻어 제 1랜덤변위(35)를 정하고, 펄스31과 펄스32는 좌측으로 제1랜덤변위(35)만큼 이동한다. 다음으로 도 3d에서와 같이, 두번째로 긴 펄스의 랜덤가능 범위 T1(34)에서 랜덤함수를 이용하여 랜덤변위를 얻어 제 2랜덤 변위(38)를 정하고, 얻어진 제 2랜덤 변위(38) 만큼 펄스32를 좌측으로 이동시킨다.

도 3d는 지령전압벡터가 공간전압벡터도상 1번 섹터에 있을때, 2상 변조된 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭 변조된 1제어주기 동안의 3상의 펄스 형태이며, 이의 유효벡터 배치 순서는 V000 -> V100 -> V110 -> V100 -> V000 의 순서이며, 그 시간적인 배치는 T01 -> T11 -> T2 -> T12 -> T02로, 영벡터가 양 바깥쪽으로 랜덤하게 시간분할 되어 재배치되었고, 후행백터 V100 이 그 안쪽으로 역시 랜덤하게 시간 분할되어 재배치 되었고, 선행백터 V110이 제일 안쪽으로 배치 되어 있다.

지령전압벡터가 1번섹터 외 다른 홀수섹터에 위치하게 되면 1번섹터의 경우처럼 도3b, 도3c, 도3d와 같은 방법으로 랜덤 펄스위치 펄스폭변조를 행한다.

지령전압벡터가 공간전압벡터도의 2번 섹터에 위치하면, 도 4b와 같은 펄스 파형이 얻어지고, 가장 긴 펄스(42)를 갖는 상의 랜덤위치 가능범위는 영벡터 V000의 구간(44) 즉, T0가 되며, 두번째로 긴 펄스(41)를 갖는 상의 랜덤위치 가능범위는 T2(43)이 된다.

이렇게 얻어진 랜덤가능 구간(43,44)에 랜덤함수를 적용하여, 펄스의 위치를 좌측으로 랜덤하게 이동시킬 랜덤변위를 얻는데, 도 4c에서와 같이, 먼저 펄스의 길이가 가장 긴 펄스의 랜덤가능 범위(44)에서 랜덤함수를 이용하여 랜덤변위를 얻어 제 1랜덤변위(45)를 정하고, 펄스41과 펄스42는 좌측으로 제1랜덤변위(45)만큼 이동한다. 다음으로 도 4d에서와 같이, 두번째로 긴 펄스의 랜덤가능 범위 T2(43)에서 랜덤함수를 이용하여 랜덤변위를 얻어 제 2랜덤 변위(48)를 정하고, 얻어진 제 2랜덤 변위(48) 만큼 펄스41를 좌측으로 이동시킨다.

도 4d는 지령전압벡터가 공간전압벡터도상 2번 섹터에 있을때, 2상 변조된 각 상별 랜덤 펄스위치 펄스폭 변조된 1제어주기 동안의 3상의 펄스 형태이며, 이의 유효벡터 배치 순서는 V000 -> V010 -> V110 -> V010 -> V000 의 순서이며, 그 시간적인 배치는 T01 -> T21 -> T1 -> T22 -> T02로, 영벡터가 양 바깥쪽으로 랜덤하게 시간분할 되어 재배치되었고, 선행백터 V010이 그 안쪽으로, 역시 랜덤하게 시간 분할되어 재배치 되었고, 후행백터 V110이 제일 안쪽으로 배치 되어 있다.

지령전압벡터가 공간전압벡터도의 2번섹터 외 다른 짝수섹터에 위치하게 되면 2번섹터의 경우처럼 도4b, 도4c, 도4d와 같은 방법으로 랜덤 펄스위치 펄스폭변조를 행한다.

상기와 같은 절차를 통하여 펄스의 위치를 랜덤하게 변화 시키면, 최초 지령전압벡터는 유지되면서 스위칭 주파수 스펙트럼을 선형화 시키는 효과를 얻을 수있다.

이상과 같은 발명에 따라 전력변환을 위한 펄스폭변조를 행하면, 종래의 아나로그방식의 반송파 기반의 펄스폭 변조기법이나, 공간전압벡터 기반의 펄스폭 변조 기법이 안고 있는 고정 스위칭 주파수의 정수배 주파수에서 발생되는 가청스위칭 소음을 저감할 수 있게 된다.

또한 기존의 랜덤펄스 위치 펄스폭 변조에 비하여 펄스의 위치를 결정할 수 있는 자유도를 높임으로써 기존 랜덤펄스 위치 펄스폭 변조에 비하여, 주파수 대역 스펙트럼이 매우 선형적으로 되며, 스펙트럼 특성이 스위칭 주파수쪽으로 잡음전력이 모이고, 다른 스위칭 주파수 정수배에 해당하는 주파수 대역의 스펙트럼은 상당부분 완화시키는 역활을 함으로써, 높은 주파수대역에서 발생하는 가청소음을 상당부분 제거하는 효과를 제공한다.

Claims (1)

1. 전력변환장치의 펄스폭변조방법에 있어서, 잡음전력의 주파수 스펙트럼을 연속적으로 만들어 가청주파수 소음을 완화 시킬 목적의 랜덤 펄스 위치 펄스폭변조기법에 있어서, 유효벡터의 시간적 분배치를 결정하는 공간전압벡터 변조부와, 영벡터로 V000만을 사용하는 종래의 2상 변조부와, 펄스 위치 변경의 순서를 결정하기 위해 필요한 펄스폭 크기별 정렬부와, 각 상별로 랜덤위치 범위를 지정하는 랜덤위치 범위지정부와, 랜덤위치 범위에서 랜덤위치를 결정하는 랜덤수 발생부와, 2상변조에 의해 발생된 2개의 펄스에 대해서만 랜덤위치 펄스를 구현하는 펄스위치 변경부로 구성된 것을 특징으로 하는 각 상별 랜덤위치 펄스폭 변조방법.