KR20030002979A - 디티씨(ｄｔｃ)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크리플 저감 장치와 그 제어 방법 - Google Patents

디티씨(ｄｔｃ)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크리플 저감 장치와 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 DTC로 구동되는 대용량 유도전동기의 직접 토크 제어의 낮은 스위칭 주파수에서의 토크 리플 저감을 위한 장치와 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 전압벡터가 변경되는 시점에 대하여 편미분하여 토크 리플이 최소화는 시점을 구하고, 속도에 따라 변화하는 각각의 토크 기울기의 값 변화를 고려하여 최적의 스위칭 시점을 결정하여 낮은 스위칭 주파수에서의 토크 리플을 저감시킬 수 있도록 한 유도전동기를 제공하고자 하는 것으로, 토크 기울기를 구하고, 얻어지는 토크기울기 곡선상에서 스위칭 주기 동안 토크리플 제곱값을 연산하여, 연산된 토크리플 제곱값에서의 한 스위칭 주기내에서 인가되는 전압벡터가 변경되는 시점에 대한 편미분을 통하여 스위칭 시점의 후보값을 결정하고, 상기 과정에서의 편미분값의 부호를 확인하고, 스위칭 시점에서의 후보값에서와 한 스위칭 주기의 구간끝값인 0일때의 값과 tsp일때의 값의 크기를 비교하여 최적의 스위칭 시점을 결정하여 인버터를 제어하도록 하는 3레벨 인버터로 구동되는 유도전동기의 토크 리플 저감 장치와 그 제어 방법이다.

Description

디티씨(ＤＴＣ)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크 리플 저감 장치와 그 제어 방법{Torque ripple reduced appratus and method for direct torque control driving induction motor having largeness capacity}
본 발명은 디티씨(DTC)로 구동되는 대용량 유도전동기의 직접 토크제어의 낮은 스위칭 주파수에서의 토크 리플 저감을 위한 장치와 그 제어 방법에 관한 것이다.
2레벨 인버터로 구동되는 유도 전동기의 직접 토크 제어방식에 대해서는 많은 제어 알고리즘이 연구 발표되고 있지만, 3레벨 시스템에 대해서는 그 연구결과가 거의 없는 실정이다.
특히 3레벨의 대용량 시스템에서는 스위칭 소자의 냉각문제로 인해 스위칭 주파수가 1㎑ 이하로 제한되기 때문에, 기존의 직접 토크 제어 기법을 그대로 적용할 경우 스위칭 주파수를 유지하기 위해 히스테리시스 밴드 폭을 크게 하면, 그에 따라 큰 토크리플이 발생하게 되어 소음 및 진동의 문제를 일으키게 된다.
지금까지 발표된 토크리플 저감 기법은 스위칭 주파수를 2~3㎑이상 유지하는 2레벨의 중,소용량 인버터 시스템에 적합한 알고리즘으로 스위칭 주파수의 제약조건이 있는 대용량 시스템에서는 적합하지 않다.
이와 같이, 낮은 스위칭 주파수에 의해 발생되는 리플 때문에 DTC(Direct Torque Control)를 3레벨 인버터로 구동되는 유도 전동기에 적용하기 힘들다.
이에 본 발명에서는 3레벨 인버터에서 전동기 토크리플을 저감시켜, DTC를 적용할 수 있도록 하는 것으로, 빠른 토크 응답성, 간단한 제어기 구조, 전동기 파라미터 변동에 대한 강인성 등, DTC의 특성을 그대로 유지하면서, 리플이 저감되는 대용량, 낮은 스위칭 주파수의 3레벨 직접 토크 제어방식 인버터로 구동되는 유도 전동기의 새로운 토크 리플 저감법을 제안하고자 하는 것이다.
본 발명에서는 전압벡터가 변경되는 시점에 대하여 편미분하여 토크 리플이 최소화되는 시점을 구하고, 속도에 따라 변화하는 각각의 토크 기울기의 값 변화를 고려하여 최적의 스위칭 시점을 결정하여 낮은 스위칭 주파수에서의 토크 리플을 저감시킬 수 있도록 한 유도전동기의 제어장치와 방법을 제공하고자 한 것이다.
도 1은 본 발명 디티씨(DTC)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크 리플 저감 장치의 토크 리플 저감 장치의 블록 구성도.
도 2는 본 발명에 있어서, 토크 기울기를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 있어서, 속도변화에 따른 토크 리플 패턴(기울기)의 변화를 나타낸 그래프.
본 발명 DTC로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크 리플 저감 장치의 구성을 첨부된 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
입력받은 속도 지령치()와 추정된 인버터(120)에 의해 구동되는 전동기의 회전자 속도()에 따라 토크 지령치를 연산하고, 연산된 토크 지령치와 추정된 전동기의 토크()를 연산하여 제어대상의 토크를 결정하는 속도제어부(10)와,
자속 지령치()와 추정된 전동기의 자속크기()의 오차를 연산하여 자속을 결정하는 자속제어부(20)와,
속도제어부(10)로부터 출력된 토크를 기준 토크 패턴에 비교하는 토크비교부(30)와,
자속제어부(20)로부터 출력되는 자속의 변화를 기준 자속 변화 패턴에 비교하는 자속비교부(40)와,
상기 토크비교부(30)와 자속비교부(40)로부터 입력되는 전동기의 출력 토크와 자속 및 전동기의 검출된 고정자 자속()을 고려하여 전압벡터( sk)를 선택하는 전압벡터선택부(50)와,
전압벡터선택부(50)의 출력을 입력받아 토크 리플이 변경되는 시점을 편미분해서 스위칭 시점의 후보를 검출하고, 검출된 스위칭 시점의 후보값에서와 한 스위칭 주기의 구간 끝값인 0일때의 값과 tsp(time for switching period)일때의 값의 크기를 비교하여 리플이 최소화되는 스위칭 시점을 구하여 인버터(120)의 게이팅 시그널(gating signal)을 출력하는 토크 리플 저감부(60)와,
인버터 전압(Vds, Vqs)을 검출하는 인버터 전압연산부(70)와,
인버터로부터 전류(Ids, Iqs)를 검출하는 전류센서부(80)와,
상기 연산된 인버터 전압(Vds, Vqs)과, 계측된 전류(Ids, Iqs)를 이용하여 고정자 자속(), 회전자 자속(), 회전자 속도(), 고정자 저항()을 추정하는 적응 전차원 관측부(adaptive observer)(90)와,
적응 전차원 관측부(90)를 통해 검출되는 고정자 자속()과 회전자 자속()으로부터 토크()를 추정하는 토크 추정부(100)와,
적응 전차원 관측부(90)로 부터의 관측된 고정자 자속()을 통해 자속의 크기()를 추정하는 자속크기 추정부(110)를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 속도 제어부(10)는 속도 지령치()와 적응 전차원 관측부로(90)부터 추정된 회전자 속도()의 오차를 연산하는 제 1연산기(11)와, 제 1연산기(11)의 결과로부터 토크 지령치를 결정하는 PI(Proportional Integral) 제어기(12)와, PI 제어기(12)로부터 결정된 토크 지령치와 토크 추정부(100)로부터 추정된 토크()와의 오차를 연산하는 제 2연산기(13)를 포함하여 구성된다.
상기 자속 제어부(20)는 자속 지령치()와 자속크기추정부(110)에서 추정된 자속의 크기()와의 오차를 연산하는 제 3연산기(21)를 포함하여 구성된다.
미 설명된 부호 91은 자속 관측부(flux observer), 92는 어댑티브스킴(adaptive scheme)이다.
이와 같은 본 발명 장치는 유도전동기를 구동시키기 위한 인버터(120)의 스위칭 시간에 있어, 한 스위칭 주기내에 전압벡터가 변경됨에 따라서 토크기울기 곡선상에서 전압벡터가 변경되는 시점에서 토크리플이 최소화되는 시점을 검출하고자 하는 것으로,
먼저, 본 발명 장치에 대하여 그 동작을 설명하면 다음과 같다.
인버터(120)로 입력되는 게이팅 시그널로부터 전압연산부(70)에서는 인버터 전압(Vds, Vqs)을 연산하게 된다.
또한, 전류센서부(80)에서는 인버터(120)로부터 부하인 유도전동기에 공급되는 전류를 계측하여 인버터 전류(Ids, Iqs)를 적응 전차원 관측부(90)로 출력하게 된다.
적응 전차원 관측부(90)에서는 연산된 인버터 전압(Vds,Vqs)과 계측된 인버터 전류(Ids, Iqs)를 이용하여 고정자 자속(), 회전자 자속(), 회전자 속도(), 고정자 저항()을 추정하게 된다.
토크 추정부(100)에서는 상기 적응 전차원 관측부(90)로부터 추정된 고정자 자속(), 회전자 자속()을 이용하여 토크()를 추정하게 된다.
이와 같이 추정된 토크()는 속도 제어부(10)로 입력되고, 또한 상기 적응 전차원 관측부(90)로부터 추정된 현재의 전동기의 회전자 속도()도 속도 제어부(10)로 입력된다.
여기서, 자속크기 추정부(110)는 적응 전차원 관측부(90)로부터 추정된 고정자 자속()으로부터 자속의 크기()를 추정하여 자속 제어부(20)로 출력한다.
속도 제어부(10)의 제 1연산기(11)에서는 속도 지령치()와 적응 전차원 관측부(90)로부터 입력받은 회전자 속도()와의 오차를 연산하여 PI제어부(12)로 출력하게 되고, PI제어부(12)에서는 이로부터 인버터(120)를 구동하기 위한 토크 지령치를 결정하여 출력하게 된다.
이와 같이 출력되는 토크 출력치는 제 2연산기(13)를 통해 상기 토크 추정부(100)로부터 추정된 토크()와의 오차를 구하게 된다.
자속 제어부(20)에서는, 제 3연산기(21)에서 자속 지령치()와 자속크기추정부(100)에서 추정된 전동기의 자속의 크기()와의 오차를 연산하여 자속을 결정하게 된다.
이와 같이 결정된 자속은 자속비교부(40)로 입력되고, 자속비교부(40)에서는 기준 자속 패턴과 비교하여 그 결과를 전압벡터선택부(50)로 출력한다.
또한, 상기 속도제어부(10)의 제 2연산기(13)를 통해 구해진 최종 토크 지령치는 토크비교부(30)를 통해 기준 토크 패턴과 비교하여 그 결과를 전압벡터선택부(50)로 출력한다.
여기서, 도 2는 토크 기울기 패턴을 나타낸 그래프이고, 도 3은 속도 변화에 따른 토크 리플 패턴의 변화를 나타낸 그래프이다.
전압벡터선택부(50)는 상기 적응 전차원 관측부(110)로부터 구해진 고정자 자속()을 고려하여 입력된 상기 토크비교부(30)와 자속비교부(40)의 결과로부터 전압벡터( sk)를 선택하게 된다.
이후, 토크리플저감부(60)에서는 전압벡터선택부(50)로부터 선택되는 전압벡터( sk)로부터, 토크 리플이 변경되는 시점을 구하고, 변경되는 시점을 편미분해서 스위칭 시점의 후보를 검출하여, 스위칭 시점의 후보 중에서 리플이 최소화되는 스위칭시점을 구하여 인버터(120)의 게이팅 시그널을 출력하게 되는 바,
토크 리플저감부(60)에서 스위칭 시점을 구하는 그 과정을 설명하면 다음과 같다.
토크 기울기를 구하는 과정과,
상기 과정을 통해 얻어지는 토크기울기 곡선상에서 스위칭 주기 동안 토크리플 제곱값을 연산하는 과정과,
연산된 토크리플 제곱값에서의 한 스위칭 주기내에서 인가되는 전압벡터가 변경되는 시점에 대한 편미분을 통하여 스위칭 시점의 후보값을 결정하는 과정과,
상기 과정에서의 편미분값의 부호를 확인하고, 스위칭 시점에서의 후보값에서와 한 스위칭 주기의 구간끝값인 0일때의 값과 tsp일때의 값의 크기를 비교하여 최적의 스위칭 시점을 결정하는 과정의 수순을 포함하여 이루어진다.
이와 같은 실행수순을 갖는 토크리플 저감부(60)에서의 본 발명 토크 리플 저감 제어방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
유도전동기의 수식을 고정자 자속(), 회전자 자속()을 상태로 하여 나타내면 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서,
토크(Te)를 고정자와 회전자 자속으로 표현하면 다음의 수학식 2와 같다.
여기서, P는 전동기 극의 개수
상기 수학식 1의 전동기 수식을 이산화하면 다음의 수학식 3, 4와 같다.
상기 수학식 2,3,4를 이용하여 k+1번째 주기의 토크를 기울기의 증가, 감소에 따라 나누어 표하면 수학식 5와 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
상기 수학식 5,6으로부터 토크기울기는 다음의 수학식 7,8,9와 같이 계산된다.
여기서, s1,s2는 수학식 5에서 전전압벡터와 반전압벡터가 각각 인가되었을때의 토크 기울기를 나타내고, s3는 수학식 6에서 영전압벡터가 인가되었을 때의 토크 기울기를 나타낸다.
여기서,
토크 기울기 s1,s2,s3가 한 스위칭 주기내에서 일정하다고 가정하면 토크 기울기는 도 2에서와 같이, 정의할 수 있다.
전전압벡터, 반전압벡터, 영전압벡터가 한 스위칭 주기내에 순서적으로 인가된다. 이러한 토크 기울기 곡선에서 전압벡터가 바뀌는 시점, ts1, ts2를 토크 리플이 최소화가 되도록 결정해 줄 수 있으며, 속도 변화에 따른 토크의 기울기는 도 3에서와 같이 변화된다.
이와 같이 구한 토크 기울기 값을 이용하여 스위칭 주기 tsp동안 토크리플 제곱값은 다음의 수학식 10과 같이 구할 수있다.
여기서, tsp는 스위칭 주기로써, 전전압벡터, 반전압벡터, 영전압벡터가 순차적으로 1회 반복되는 시간을 의미한다.
상기 수학식 10의 토크리플 제곱값({)의 ts1, ts2에 대한 편미분을 통해서 토크리플이 최소화되는 스위칭 시점을 결정할 수 있는 바,
다음의 수학식 11을 계산하면 스위칭 시점의 후보값을 수학식 12와 수학식 13과 같이 구할 수 있다.
여기서,
각각의 토크 기울기의 값이 속도에 따라 변한다. 그러므로 최종적으로 수학식 12,13의 스위칭 시점의 후보값에서 수학식 10의 2차 편미분값의 부호를 확인하고, 스위칭 시점의 후보값에서와 한 스위칭 주기의 구간 끝값인 0일때의 값과 tsp일때의 값의 크기를 비교하여 최적의 스위칭 시점을 결정하게 된다.
즉, 토크리플 저감부(60)에서는 다음의 주기(k+1번째)주기에서 최소 오차 자승법을 이용하여 전동기의 토크 리플이 최소화되는 시점인 ts1, ts2를 계산하여 ts1에 반전압벡터를 ts2에 영전압벡터를 인가한다.
이상에서와 같은 본 발명은 대용량 3레벨 인버터로 구동되는 유도 전동기 직접 토크 제어에 있어서, 토크 곡선의 기울기를 이용하여 토크 리플이 최소화되는 스위칭 시점을 검출하는 새로운 토크 리플 저감법을 제안하는 것으로, 이와 같은 본 발명을 적용하게 되면, 0.5~1.2㎑의 스위칭 주파수에서 기존의 직접 토크제어에 비해 만족할 만한 토크 리플 저감 효과를 나타낸다.

Claims (3)

  1. 입력받은 속도 지령치()와 추정된 전동기의 회전자 속도()에 따라 토크 지령치를 연산하고, 연산된 토크 지령치와 추정된 전동기의 토크()를 연산하여 제어대상의 토크를 결정하는 속도제어부(10)와,
    자속 지령치()와 추정된 전동기 자속크기()의 오차를 연산하여 자속을 결정하는 자속제어부(20)와,
    속도제어부(10)로부터 출력된 토크를 기준 토크 패턴에 비교하는 토크비교부(30)와,
    자속제어부(20)로부터 출력되는 자속의 변화를 기준 자속 변화 패턴에 비교하는 자속비교부(40)와,
    상기 토크비교부(30)와 자속비교부(40)로부터 입력되는 전동기의 출력 토크와 자속 및 전동기의 검출된 고정자 자속()을 고려하여 전압벡터( sk)를 선택하는 전압벡터선택부(50)와,
    전압벡터선택부(50)의 출력을 입력받아 토크 리플이 변경되는 시점을 편미분해서 스위칭 시점의 후보를 검출하고, 검출된 스위칭 시점의 후보값에서와 한 스위칭 주기의 구간 끝값인 0일때의 값과 tsp일때의 값의 크기를 비교하여 리플이 최소화되는 스위칭 시점을 구하여 인버터(120)의 게이팅 시그널(gating signal)을 출력하는 토크 리플 저감부(60)와,
    인버터 전압(Vds, Vqs)을 검출하는 인버터 전압연산부(70)와,
    인버터로부터 전류(Ids, Iqs)를 검출하는 전류센서부(80)와,
    상기 연산된 인버터 전압(Vds, Vqs)과, 계측된 전류(Ids, Iqs)를 이용하여 고정자 자속(), 회전자 자속(), 회전자 속도(), 고정자 저항()을 추정하는 적응 전차원 관측부(adaptive observe)(90)와,
    적응 전차원 관측부(90)를 통해 검출되는 고정자 자속()과 회전자 자속()을 이용하여 토크()를 추정하는 토크 추정부(100)와,
    적응 전차원 관측부(90)로 부터의 관측된 고정자 자속()을 통해 자속의 크기()를 추정하는 자속크기 추정부(110)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 디티씨(DTC)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크 리플 저감 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 속도 제어부(10)는 속도 지령치()와 적응 전차원 관측부로(90)부터 추정된 회전자 속도()의 오차를 연산하는 제 1연산기(11)와, 제 1연산기(11)의 결과로부터 토크 지령치를 결정하는 PI 제어기(12)와, PI 제어기(12)로부터 결정된 토크 지령치와 토크 추정부(100)로부터 추정된 토크()와의 오차를 연산하는 제 2연산기(13)를 포함하여 구성되며,
    상기 자속 제어부(20)는 자속 지령치()와 자속크기추정부(110)에서 추정된 자속의 크기()와의 오차를 연산하는 제 3연산기(21)를 포함하여 구성됨을특징으로 하는 디티씨(DTC)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크 리플 저감 장치.
  3. 토크 기울기를 구하는 과정과,
    상기 과정을 통해 얻어지는 토크기울기 곡선상에서 스위칭 주기 동안 토크리플 제곱값을 연산하는 과정과,
    연산된 토크리플 제곱값에서의 한 스위칭 주기내에서 인가되는 전압벡터가 변경되는 시점에 대한 편미분을 통하여 스위칭 시점의 후보값을 결정하는 과정과,
    상기 과정에서의 편미분값의 부호를 확인하고, 스위칭 시점에서의 후보값에서와 한 스위칭 주기의 구간끝값인 0일때의 값과 tsp일때의 값의 크기를 비교하여 최적의 스위칭 시점을 결정하는 과정의 수순을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 디티씨(DTC)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크 리플 저감 제어 방법.
KR1020010039583A 2001-07-03 2001-07-03 디티씨(ｄｔｃ)로 구동되는 대용량 유도전동기의 토크리플 저감 장치와 그 제어 방법 KR20030002979A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101220915B1 (ko) * 2011-11-04 2013-02-14 주식회사 오토파워 활성화 함수와 토크 보상기를 이용한 속도 리플 억제 방법
CN110417316A (zh) * 2019-07-19 2019-11-05 南京航空航天大学 一种抑制异步电机直接转矩控制启动电流脉动的方法

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