KR20040030327A

KR20040030327A - 전기 모터 구동장치 및 그 구동 제어 시스템

Info

Publication number: KR20040030327A
Application number: KR1020030067654A
Authority: KR
Inventors: 노마히로후미; 마츠이게이죠; 마츠시로히데오; 고토에이지; 아라카와마사시; 다케우치유즈루
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2004-04-09
Also published as: ES2403239T3; JP3675431B2; CN1492574A; EP1406375B1; EP1406375A2; MY136103A; EP1406375A3; CN100356680C; JP2004129356A

Abstract

듀티 보정부(19)로부터 출력된 PWM 신호의 보정된 듀티 정보가, 인버터 모선(母線)에 설치된 전류 검출기(11)에 인가된다. 따라서, 전류 검출기가, 인버터 모선 전류를 검출하면서, 듀티 정보를 참조하여 3상중의 어느 상전류(相電流)가 인버터 모선에 출현하는가를 판단한다. 이어서, 검출된 상전류를 유기 전압의 추정 연산에 이용한다.

Description

전기 모터 구동장치 및 그 구동 제어 시스템{ELECTRIC MOTOR DRIVER AND DRIVE CONTROL SYSTEM THEREOF}

본 발명은 전기 모터 구동장치, 및 임의의 회전수의, 브러시리스 DC 모터 등 전기 모터의 구동을 제어하는 구동 제어 시스템에 관한 것이다.

최근, 공기 조화 시스템에서 사용하는 컴프레서 등 전기 모터를 구동하는 모터 구동장치를 구성함에 있어서, 지구 환경 보호의 관점에서 전력 소비의 감소에 대한 필요성이 점차로 증대되고 있다. 모터 구동장치에서의 절전 기술로서, 인버터가, 임의의 회전수의, 브러시리스 DC 모터 등 고효율 전기 모터를 구동하는 데에 널리 사용된다.

또한, 모터 구동 기술로서, 정현파 전류를 사용하는 정현파 구동 기술이, 고효율 및 저잡음을 구비하고 있으므로, 구형파(矩形波) 전류를 사용하는 구형파 구동 기술 대신에 주목되고 있다.

공기 조화 시스템에서 컴프레서 등 전기 모터가 사용되는 경우에, 전기 모터의 로터의 회전 위치를 검출하는 센서를 장착하기 어려우므로, 회전 위치 센서를 사용하지 않는 방법에 의해서 로터의 회전 위치를 추정함으로써 전기 모터를 구동하는, 위치 센서가 없는 방식의 정현파 구동 기술이 사용되었다. 또한, 로터의 회전 위치의 추정 방법으로서, 전기 모터의 유기(誘起) 전압을 추정하는 방법이 사용되고 있다.(예로서, 특허 문헌 1; 일본국 특허 공개 공보 제2000-350489호 참조)

도 9는 위치 센서가 없는 방식의 정현파 구동 기술을 사용하는 시스템 구성을 나타낸다. 도 9에서, 참조 번호 1은 DC 전원을 나타내고, 2는 인버터, 3은 브러시리스 모터, 4는 스테이터(stator), 5는 로터(rotor), 6은 제어기, 7v와 7w는 전류 센서를 나타낸다. 이러한 구성에서, 브러시리스 모터(3)는 스테이터(4)와 로터(5)를 포함하고, 여기서 스테이터(4)는 중심점인 중성점(中性點)에 Y-결선된 3개의 상권선 (相捲線)(4u, 4v 및 4w)을 구비하고 있고, 로터(5)는 자체에 장착된 자석을 구비하고 있다. U-상(相) 단자(8u), V-상 단자(8v) 및 W-상 단자(8w)는, U-상 권선(4u)의 비접속 단부, V-상 권선(4v)의 비접속 단부 및 W-상 권선(4w)의 비접속 단부에 각각 접속되어 있다.

인버터(2)는, 병렬 접속된, U-상, V-상 및 W-상용(用)의 3개의 직렬회로를 구비하고 있다. 직렬회로의 각각은 전류의 상류와 하류측에 직렬 접속된 1쌍의 스위칭 소자를 포함하고 있다. DC 전원으로부터의 DC 전압 출력이 3개의 직렬회로에 인가된다. U-상용의 직렬회로는 상류측의 스위칭 소자(12u)와 하류측의 스위칭 소자(13u)를 구비하고 있다. V-상용의 직렬회로는 상류측의 스위칭 소자(12v)와 하류측의 스위칭 소자(13v)를 구비하고 있다. W-상용의 직렬회로는 상류측의 스위칭 소자(12w)와 하류측의 스위칭 소자(13w)를 구비하고 있다.

또한, 스위칭 소자(12u, 12v, 12w, 13u, 13v 및 13w)에 병렬로 프리휠 다이오드(freewheel diode)(14u, 14v, 14w, 15u, 15v 및 15w)가 각각 접속되어 있다. 브러시리스 모터(3)의 단자(8u, 8v 및 8w)는, 인버터(2)의 스위칭 소자(12u 및 13u) 사이의 상호 접속점, 스위칭 소자(12v 및 13v) 사이의 상호 접속점, 및 스위칭 소자 (12w 및 13w) 사이의 상호 접속점에, 각각, 접속되어 있다.

브러시리스 모터(3)의 상권선(4v 및 4w)을 통하여 흐르는 전류는 전류 센서 (7v 및 7w)에 의해서 검출되고, 검출된 전류치가 제어기(6)에 인가된다. 제어기(6)는 인가된 전류치에 따라서 유기 전압을 추정하여, 인버터(2)의 구동을 제어하는 제어 신호를 출력한다. 따라서, 상기의 회로 구성에서, 브러시리스 모터(3)의 구동에 있어서의 제어가 실행된다.

상기한 바와 같이, 유기 전압을 추정함으로써 실시되는, 종래의 위치 센서가 없는 방식의 정현파 구동 기술에서는, 구동되는 전기 모터의 상전류(相電流)를 검출하는 데에 전류 센서 등 최소한 2개의 전류 검출기를 사용해야 하고, 이로 인하여, 모터 구동장치를 구성하는 데에 있어서 비용이 증가한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 주요 목적은, 염가의 구성으로써 고정밀도로 상전류를 검출하고, 저속 회전 영역으로부터 고속 회전 영역에서 전기 모터를 훌륭하게 구동시킬 수 있으며, 또한 저속 영역에서 고속 안정성을 갖는 전기 모터 구동장치 및 구동 제어 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 전기 모터 구동장치의 시스템 구성을 나타내는 블록도.

도 2는 전기 모터의 상전류(相電流) 상태의 시간에 따른 변화의 예를 나타내는 도면.

도 3은 PWM 신호의 변화의 예를 나타내는 도면.

도 4는 PWM 신호가 도 3에 나타내는 바와 같이 변화할 때, 전기 모터와 인버터에 흐르는 전류 상태를 나타내는 도면.

도 5는 PWM 신호의 변화의 예를 나타내는 도면.

도 6은 PWM 신호가 도 5에 나타내는 바와 같이 변화할 때, 전기 모터와 인버터에 흐르는 전류 상태를 나타내는 도면.

도 7은 PWM 신호의 변화의 예를 나타내는 도면.

도 8은 속도 PI 연산수단에 의한 속도 비례 게인(gain) KP의 설정치를 나타내는 도면.

도 9는 종래의 예를 나타내는 블록도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 전원 2: 인버터

3: 전기 모터 4: 스테이터(stator)

5: 로터(rotor) 6: 제어기

9: PWM 신호 생성기 10: 베이스(base) 구동기

11: 전류 검출기 16: 인버터 인가전압 검출기

17: 유기 전압 추정기 18: 로터 위치/속도 추정기

19: 듀티(duty) 보정기 20: 각도 PI 연산기

21: 속도 PI 연산기 21a: 메모리

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징은 3상 전기 모터의 각각의 상권선을 통하여 흐르는 각각의 상전류에 따라서 구동이 제어되는 3상 전기 모터를 구동시키는 전기 모터 구동장치를 제공하는 것이다.

전기 모터 구동장치는, DC 전압을 3상 전기 모터를 구동하기 위한 3상 AC 전압으로 변환하는 인버터, 인버터 모선(母線; busbar)에 출현하는 전류를 검출하여 3상 전기 모터의 각각의 상권선을 통하여 흐르는 각각의 상전류를 결정하는 전류 검출수단, 인버터의 전압치 출력과, 전류 검출수단에 의해서 검출된 상전류치로부터 전기 모터의 유기 전압을 추정하는 유기 전압 추정수단, 추정된 유기 전압치에 따라서 상기 전기 모터의 로터의 회전 위치와 회전 속도를 추정하는 회전 위치/속도 검출수단, 목표 속도를 이용하여, 추정된 로터의 회전 위치/속도에 따라서 비례 적분 (PI; proportional-plus-integral) 연산으로써 회전 위치/속도 보정치(補正値)를 연산하는 위치/속도 PI 연산수단, 상기 속도 PI 연산수단에 의해서 산출된 보정치에 따라서 상기 인버터를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성수단, 및 상기 PWM 신호 생성수단에 의해서 생성된 PWM 신호의 듀티(duty)를 보정하는 듀티 보정수단을 포함한다.

이 구성에서, 상기 전류 검출수단이 인버터 모선 전류를 검출하는 동안, 상기 듀티 보정수단은, PWM 신호를 변경하지 않고, 듀티를 보정한다.

속도 PI 연산수단의 속도 비례 게인(gain)(KP)은 전기 모터의 저속 영역에서 속도에 따라서 다단계 방식으로 가변적인 것이 바람직하다.

본 발명의 제2특징은 3상 전기 모터의 구동을 제어하는 구동 제어 시스템을 제공하는 것이다. 상기 구동 제어 시스템은, DC 전압을 3상 전기 모터를 구동하기 위한 3상 AC 전압으로 변환하는 인버터, 인버터 모선에 설치되어서, 인버터 모선에 출현하는 전류를 검출하여 3상 전기 모터의 각각의 상권선을 통하여 흐르는 각각의 상전류를 결정하는 전류 검출수단, 인버터의 전압치 출력과, 전류 검출수단에 의해서 검출된 상전류치로부터 전기 모터의 유기 전압을 추정하는 유기 전압 추정수단, 추정된 유기 전압치에 따라서 상기 전기 모터의 로터의 회전 위치와 회전 속도를 추정하는 회전 위치/속도 검출수단, 목표 속도를 이용하여, 추정된 로터의 회전 위치/속도에 따라서 비례 적분 연산으로써 각도/속도(angular/speed) 보정치를 연산하는 각도/속도 PI 연산수단, 상기 각도/속도 PI 연산수단에 의해서 산출된 보정치에 따라서 인버터를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성수단, 및 상기 PWM 신호 생성수단에 의해서 생성된 PWM 신호의 듀티를 보정하는 듀티 보정수단을 포함한다.

이 구성에서, 상기 듀티 보정부로부터 출력된 PWM 신호의 보정된 듀티 정보가 전류 검출기에 인가되어서, 전류 검출기가, 인버터 모선 전류를 검출하면서, 보정된 듀티 정보를 참조하여 3상중의 어느 상전류가 인버터 모선에 출현하는가를 판단한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

(제1실시예)

도 1은 전기 모터 구동장치와 전기 모터의 조합인, 본 발명의 제1실시예를 실시하는 시스템 구성을 나타낸다. 도 1에서, 참조 번호 1은 DC 전원을 나타내고, 2는 인버터, 3은 브러시리스 모터, 4는 스테이터, 5는 로터, 6은 제어기를 나타낸다. 브러시리스 모터(3)는 스테이터(4)와 로터(5)를 포함하고, 여기서 스테이터(4)는 중심점인 중성점에 Y-결선된 3개의 상권선(相捲線)(4u, 4v 및 4w)을 구비하고 있고, 로터(5)는 자체에 장착된 자석을 구비하고 있으며, 또한 자석에는 자극 N과 S가 있다. U-상(相) 단자(8u)는, U-상 권선(4u)의 비접속 단부, 즉, 중성점의 반대측에 접속되어 있다. 마찬가지로, V-상 단자(8v) 및 W-상 단자(8w)는, V-상 권선(4v)의 비접속 단부 및 W-상 권선(4w)의 비접속 단부에 각각 접속되어 있다.

인버터(2)는, 병렬 접속된, U-상, V-상 및 W-상용의 3개의 직렬회로를 구비하고 있으며, 직렬회로의 각각은 전류의 상류와 하류측에 직렬 접속된 1쌍의 스위칭 소자를 포함하고 있다. DC 전원으로부터의 DC 전압 출력은, 인버터에 인가되는 전압치를 검출하는 전압 검출기를 통하여 인버터(2)의 이들 직렬회로에 인가된다. U-상용의 직렬회로는 상류측의 스위칭 소자(12u)와 하류측의 스위칭 소자(13u)를 구비하고 있다.

마찬가지로, V-상용의 직렬회로는 상류측의 스위칭 소자(12v)와 하류측의 스위칭 소자(13v)를 구비하고 있다. 또한, W-상용의 직렬회로는 상류측의 스위칭 소자(12w)와 하류측의 스위칭 소자(13w)를 구비하고 있다. 또한, 스위칭 소자(12u, 12v, 12w, 13u, 13v 및 13w)에 병렬로 프리휠 다이오드(14u, 14v, 14w, 15u, 15v및 15w)가 각각 접속되어 있다.

브러시리스 모터(3)의 단자(8u, 8v 및 8w)는, 인버터(2)의 스위칭 소자(12u 및 13u) 사이의 상호 접속점, 스위칭 소자(12v 및 13v) 사이의 상호 접속점, 및 스위칭 소자(12w 및 13w) 사이의 상호 접속점에, 각각, 접속되어 있다.

DC 전원(1)으로부터 인버터(2)에 인가된 DC 전압은 인버터(2)에서의 스위칭 소자를 포함하는 직렬회로에 의해서 3상 AC 전압으로 변환됨으로써 브러시리스 모터 (3)를 구동시킨다. 외부로부터 인가된 목표 속도를 실현하기 위하여, 목표 속도와 현재 속도와의 차이에 따라서 보정치를 연산하고, 또한 인버터가 브러시리스 모터에 인가되는 연산된 전압을 출력하기 위하여, 인버터(2)의 스위칭 소자의 구동을 제어하는 제어기(6)에서 PWM 신호를 생성한다.

제어기(6)는 PWM 신호(PWM)를 생성하여 인버터(2)의 스위칭 소자를 구동 제어하는 PWM 신호 생성부(9), 및 베이스(base) 구동기(10)에 의해서 구동 신호(DRV)로 변환되어서 스위칭 소자를 전기적으로 구동시키는 PWM 신호를 보정하는 듀티 보정부(19)를 포함한다. 이어서, 베이스 구동기(10)로부터 인버터(2)에 구동 신호가 인가되어서 스위칭 소자(12u, 12v, 12w, 13u, 13v 및 13w)를 구동시킨다.

또한, 제어기는, 인버터 모선에 설치되어서 인버터 모선 전류를 검출하여 브러시리스 모터(3)의 상전류("is"로서 표시된 iu, iv, iw)를 결정하는 전류 검출기 (11), 및 브러시리스 모터(3)의 유기 전압("es"로서 표시된 eu, ev, ew)을 추정하는 유기 전압 추정부(17)를 포함한다.

또한, 제어기(6)는, 브러시리스 모터(3)의 로터의, 극선(極線; polar)의 각도 θm으로 나타낸 회전 위치와 회전 속도 ωm을 추정하는 로터 위치/속도 추정부 (18), 및 로터의, 각도로 나타낸 극선 위치 정보에 따라서 비례 적분 연산을 실행함으로써 보정치(CRA)를 연산하는 각도 PI 연산부(20), 및 로터의 추정 속도에 따라서 비례 적분 연산을 실행함으로써 보정치(CRS)를 연산하는 속도 PI 연산부(21)를 포함한다.

이어서, 제어기(6)의 동작을 간략하게 설명한다. 인버터 모선의 전류 검출기 (11)에 의해서 검출된 브러시리스 모터(3)의 상전류 "is"=(iu, iv, iw), PWM 신호 생성부(9)에 의해서 연산된 출력 전압 Vs*, 및 전압 검출기(16)에 의해서 검출된 인버터 인가 전압의 정보에 따라서 유기 전압 추정부(17)에서 브러시리스 모터(3)의 유기 전압 es=(eu, ev, ew)를 추정한다.

또한, 브러시리스 모터(3)의 로터의, 각도 θm으로 나타낸 극선 위치와 회전 속도 ωm이 로터 위치/속도 추정부(18)에 의해서 추정된다. 브러시리스 모터(3)의 구동을 제어하는 PWM 신호는 보정치(CRA, CRS)에 따라서 PWM 신호 생성부(9)에 의해서 생성된다. 제1보정치 CRA는, 로터의, 각도로 나타낸 회전 위치 정보 θm에 따라서 각도 PI 연산부에 의해서 실행되는 비례 적분 연산을 통하여 산출한다. 제2보정치 CRS는, 목포 속도 ω*를 참조하여 추정된 회전 속도 ωm에 따라서 속도 PI 연산부(21)에 의해서 실행되는 비례 적분 연산을 통하여 산출한다. 따라서, 로터 속도는 로터의 추정 속도 ωm과 외부로부터 인가되는 목포 속도 ω*와의 편차 등의 정보에 의해서 목표 속도로 되도록 제어된다.

이어서, 유기 전압 추정부(17)의 동작을 설명한다. 전류 검출기(11)는 인버터 모선 전류를 검출함으로써 상권선을 통하여 흐르는 상전류 iu, iv, 및 iw("is"로서 표시된)를 결정하고, 검출된 상전류치는 유기 전압 추정부(17)에 공급된다. 또한, PWM 신호 생성부(9)에 의해서 연산된 출력 전압 Vs*, 및 전압 검출기(16)에 의해서 검출된, 인버터에 인가되는 전압이 유기 전압 추정부(17)에 공급된다. 따라서, 상기의 공급 정보에 따라서 상권선에 인가되는 상전압(vu, vv, 및 vw)이 유기 전압 추정부(17)에 의해서 연산된다.

이론적으로, 상권선에 유기되는 유기 전압치 eu, ev, 및 ew(es로서 표시된)는 이하의 식 (1), (2) 및 (3)에 의해서 상기 상전류치(iu, iv, iw)와 상전압치(vu, vv, vw)로부터 연산된다. 이하의 식에서, R은 저항이고, L은 인덕턴스이며, d(iu)/dt, d(iv)/dt, 및 d(iw)/dt는, 각각, 상전류 iu, iv, 및 iw의 시간 미분치이다.

eu = vu - Rㆍiu - Lㆍd(iu)/dt ....(1)

ev = vv - Rㆍiv - Lㆍd(iv)/dt ....(2)

ew = vw - Rㆍiw - Lㆍd(iw)/dt ....(3)

식 (1), (2) 및 (3)을 상세하게 전개하면, 이하의 식 (4), (5) 및 (6)을 얻을 수 있다.

eu = vu

- Rㆍiu

- (la + La)ㆍd(iu)/dt

- Lasㆍcos (2θm)ㆍd(iu)/dt

- Lasㆍiuㆍd{cos (2θm)}/dt

+ 0.5ㆍLaㆍd(iv)/dt

- Lasㆍcos (2θm - 120°)ㆍd(iv)/dt

- Lasㆍivㆍd{cos (2θm - 120°)}/dt

+ 0.5ㆍLaㆍd(iw)/dt

- Lasㆍcos (2θm - 120°)ㆍd(iw)/dt

- Lasㆍiwㆍd{cos (2θm + 120°)}/dt ....(4)

ev = vv

- Rㆍiv

- (la + La)ㆍd(iv)/dt

- Lasㆍcos (2θm + 120°)ㆍd(iv)/dt

- Lasㆍivㆍd{cos (2θm + 120°)}/dt

+ 0.5ㆍLaㆍd(iw)/dt

- Lasㆍcos (2θm)ㆍd(iw)/dt

- Lasㆍiwㆍd{cos (2θm)}/dt

+ 0.5ㆍLaㆍd(iu)/dt

- Lasㆍcos (2θm - 120°)ㆍd(iu)/dt

- Lasㆍiuㆍd{cos (2θm - 120°)}/dt ....(5)

ew = vw

- Rㆍiw

- (la + La)ㆍd(iw)/dt

- Lasㆍcos (2θm - 120°)ㆍd(iw)/dt

- Lasㆍiwㆍd{cos (2θm - 120°)}/dt

+ 0.5ㆍLaㆍd(iu)/dt

- Lasㆍcos (2θm + 120°)ㆍd(iu)/dt

- Lasㆍiuㆍd{cos (2θm + 120°)}/dt

+ 0.5ㆍLaㆍd(iv)/dt

- Lasㆍcos (2θm)ㆍd(iv)/dt

- Lasㆍivㆍd{cos (2θm)}/dt ....(6)

여기서, d/dt는 시간 미분을 나타내고, 삼각함수에 대한 미분 연산에서 나타나는 dθ/dt로서, 추정된 속도 ωm으로부터 변환된 전기각속도(電氣角速度)를 이용한다. 또한, d(iu)/dt, d(iv)/dt, 및 d(iw)/dt는 1차 오일러 근사법(Euler approximation)으로써 구한다. 또한, W-상 전류치 iw, U-상 전류치 iu 및 V-상 전류치 iv는 이후에 설명하는 식 (14)에 표시된 관계를 갖는다. 여기서, R은 권선의 하나의 상(相)에 대한 저항치를 나타내고, 1a는 권선의 하나의 상에 대한 누설 인덕턴스를 나타내고, La는 권선의 하나의 상에 대한 유효 인덕턴스의 평균치를 나타내며, Las는 권선의 하나의 상에 대한 유효 인덕턴스의 진폭을 나타낸다.

유기 전압 추정부(17)의 동작에 있어서, 식 (4), (5) 및 (6)을 단순화한 이하의 식 (7), (8) 및 (9)가 이용된다. 단순화에 의하면, 상전류치 iu, iv 및 iw는, 정현파이고 또한 전류 지령 진폭 ia 및 전류 지령 위상 βT로부터 구하여져서 단순화되는 것으로 가정한다.

eu = vu

+ Rㆍiaㆍsin(θm + βT)

+ 1.5ㆍ(la + La)ㆍcos(θm + βT)

- 1.5ㆍLasㆍcos(θm - βT) .... (7)

ev = vv

+ Rㆍiaㆍsin(θm + βT - 120°)

+ 1.5ㆍ(la + La)ㆍcos(θm + βT - 120°)

- 1.5ㆍLasㆍcos(θm - βT - 120°) .... (8)

ew = vw

+ Rㆍiaㆍsin(θm + βT - 240°)

+ 1.5ㆍ(la + La)ㆍcos(θm + βT - 240°)

- 1.5ㆍLasㆍcos(θm - βT - 240°) .... (8)

이어서, 로터 위치/속도 추정부(18)의 동작을 이하에 설명한다. 로터(5)의, 각도 θm으로 나타낸 위치와 회전 속도 ωm은, 유기 전압 추정부(17)에 의해서 추정된 추정 유기 전압치 es=(eu, ev 및 ew)를 이용하여 추정한다. 상세하게는, 로터 위치/속도 추정부(18)에 의해서 추정된 각도 θm이 유기 전압의 오차를 이용하여 보정되어서 참값에 수렴함으로써, 추정 속도 ωm이 구하여진다.

우선, 상(相)의 유기 전압 기준치(eum, evm 및 ewm)를 이하의 식으로써 구한다.

eum = emㆍsin(θm + βT)

evm = emㆍsin(θm + βT - 120°)

ewm = emㆍsin(θm + βT - 240°) .... (10)

여기서, 유기 전압 진폭치 em은 추정된 유기 전압 eu, ev 및 ew의 진폭치에 대응시킴으로써 구한다. 이어서, 산출한 유기 전압 기준치(esm)와 유기 전압 추정치 (es)와의 사이의 편차 ε를 계산한다.

이하의 식 (11)에 나타내는 바와 같이, 유기 전압 추정치 es로부터 유기 전압 기준치 esm을 감산함으로써 편차 ε를 구한다.

ε= es - esm ...... (11)

(여기서, s는 상(相) u, v 및 w를 나타낸다)

편차가 0이 될 때 추정 각도 θm이 참값이 된다. 따라서, 추정 각도 θm은, 편차 ε가 0이 되고 또한 그로 인한 보정치(CRA)가 각도 PI 연산부(20)로부터 PWM 신호 생성부(9)에 전송되는 방법으로, 각도 PI 연산부(20)에 의해서 비례 적분 연산 처리된다. 또한, 로터 위치/속도 추정부(18)에서 추정 각도 θm의 변화치를 연산함으로써 속도 ωm을 구하고, 추정 속도 ωm을 속도 PI 연산부(21)에 전송한다.

속도 PI 연산부(21)에서는, 목표 속도 ω*를 실현하기 위하여 목표 속도 ω*와 추정 속도 ωm과의 사이의 차이 Δω를 이용하여, 식 (12)로써 보정치(CRS)를 구한다.

KPΔω+ KIΔω .... (12)

(KP: 비례 게인(gain), KI: 적분 게인)

산출된 보정치(CRS)는 속도 PI 연산부(21)로부터 PWM 신호 생성부(9)에 전송된다. PWM 신호 생성부(9)에서는, 각도 PI 연산부(20)와 속도 PI 연산부(21)로부터의 보정치(CRA, CRS)에 따라서 출력되는 전압 V*를 연산한다. 이어서, 이하의 식 (13)으로써, 전압치 V*로부터 각각의 상(相)에 인가되는 전압 Vs*를 구한다.

Vu* = V*ㆍsin(θm + βT)

Vv* = V*ㆍsin(θm + βT - 120°)

Vw* = V*ㆍsin(θm + βT - 240°) .... (13)

또한, 인버터(2)가 구하여진 전압 Vs*(s: 상 u, v 및 w)를 각각의 상에 인가되도록 출력하기 위해서, PWM 신호는 듀티 보정부(19)에 의해서 보정되고, 베이스 구동기(10)를 통하여 구동 신호(DRV)로서 출력되어서 스위칭 소자(12u, 12v, 12w, 13u, 13v 및 13w)의 각각에 인가된다. 상세하게는, 듀티 보정부(19)는, 전류 검출기 (11)가 인버터 모선 전류를 검출하는 동안 PWM 신호를 변경하지 않고, PWM 신호 생성부에 의해서 생성되는 PWM 신호의 듀티를 보정한다. 이어서, 각각의 스위칭 소자(12u, 12v, 12w, 13u, 13v 및 13w)가 구동 신호(DRV)에 의해서 전기적으로 구동되어서 정현파 교류를 생성하여 각각의 상(相)에 인가됨으로써 브러시리스 모터를 구동한다.

본 발명에 의하면, 추정 각도 θm은 로터 위치/속도 추정부(18)에서 추정 유기 전압치 es와 유기 전압 기준치 esm과의 사이의 편차 ε를 이용하여 연산되고, 이에 따라서, 정현파 상전류를 도통함으로써 브러시리스 모터(3)의 정현파 구동이 실시된다.

여기서, 인버터 모선에 흐르는 전류에 출현하는 브러시리스 모터(3)의 상전류를 도 2 내지 도 6을 참조로 하여 설명한다. 도 2는 브러시리스 모터(3)의 각각의 상권선에 흐르는 상전류의 상태를 전기각의 각 구간마다 나타낸 것이다. 전기각 0~60°구간에서는, 상전류가, U-상 권선(4u)과 W-상 권선(4w)에는 비접속 단부로부터 중성점을 향하여 또한 V-상 권선(4v)에는 중성점으로부터 비접속 단부를 향하여 흐르는 것을 나타내고 있다.

전기각 60~120°구간에서는, 전류가, U-상 권선(4u)에는 비접속 단부로부터 중성점을 향하여 또한 V-상 권선(4v)과 W-상 권선(4w)에는 중성점으로부터 비접속 단부를 향하여 흐르는 것을 나타내고 있다. 따라서, 상권선을 통하여 흐르는 전류의 상태가 전기각 60°마다 변화하는 것을 나타내고 있다.

예로서, 도 2에 있어서 전기각 30°에서 PWM 신호 생성부(9)에 의해서 생성된 PWM 신호가 도 3에 나타내는 바와 같이 변화하는 경우(U, V, W, X, Y 및 Z는 각각 스위칭 소자(12u, 12v, 12w, 13u, 13v 및 13w)를 구동하는 신호이고, 액티브 Hi로 기재), 인버터 모선에는 도 4에 나타내는 바와 같이, 타이밍 (1)에서는 전류가 흐르지 않고(0), 타이밍 (2)에서는 W-상 권선(4w)을 통하여 흐르는 전류, 타이밍 (3)에서는 V-상 권선(4v)을 통하여 흐르는 전류가 나타난다.

또한, 도 2에 있어서 전기각 30°에서 PWM 신호 생성부(9)에 의해서 생성된 PWM 신호가 도 5에 나타내는 바와 같이 변화하는 경우, 인버터 모선에는 도 4에 나타내는 바와 같이, 타이밍 (1)에서는 전류가 흐르지 않고(0), 타이밍 (2)에서는 U-상 권선(4u)을 통하여 흐르는 전류, 타이밍 (3)에서는 V-상 권선(4v)을 통하여 흐르는 전류가 나타난다.

따라서, 인버터(2)의 스위칭 소자(12u, 12v, 12w, 13u, 13v 및 13w)의 상태에 따라서 인버터 모선에 상전류가 나타나는 것을 알 수 있다.

상기와 같이, 근접한 타이밍에서 2개의 상(相)에 대한 전류가 나타나면, 이하의 식 (14)의 관계에 의해서 3상의 각각의 전류를 구할 수 있는 것은 명백하다.

iu + iv + iw = 0 ..... (14)

그러나, 도 2에 있어서 전기각 30°에서 PWM 신호 생성부(9)에 의해서 생성된 PWM 신호가 도 7에 나타내는 바와 같이 변화하는 경우, 인버터 모선에는, 타이밍 (1)에서는 전류가 흐르지 않고(0), 타이밍 (3)에서 V-상 권선(4v)을 통하여 흐르는 전류만 나타난다. 이러한 변화의 PWM 신호가 반복되면, 3상 각각의 전류를 구할 수 없고 유기 전압 추정부(17)가 유기 전압을 추정할 수 없어서, 브러시리스 모터(3)를 구동할 수 없다.

상기 문제를 방지하기 위해서, 듀티 보정부(19)에서는, 브러시리스 모터(3)의 각각의 상권선에 흐르는 상전류의 검출이 필요하게 되는 경우에는, PWM 신호 생성부 (9)에 의해서 생성된 PWM 신호를 검사한다. 신호 변화가 도 7에 나타내는 바와 같은 경우, 생성된 PWM 신호를, 예로서, 도 3에 나타내는 바와 같은 신호로 보정한다.

또한, 인버터 모선 전류가 도 3에 하나의 예로서 나타내고 있지만, 스위칭시에 전류의 진동이 발생한다. 또한, 전류 검출기(11)에는 잡음 등이 중첩된다. 이러한 영향을 제거하기 위하여, PWM 신호 생성부(9)는 저역통과 필터 등(도시되어 있지 않음)을 구비하고 있다.

속도 PI 연산부(21)의 속도 비례 게인(KP)은 전기 모터의 저속 영역에서 속도에 따라서 직선적으로 변화할 수도 있지만, 상기의 보정 및 저역통과 필터로 인하여 펄스 폭이 작은 경우(저속도의 경우), 안정성 및 응답성이 약간 열화(劣化)될 수도 있다. 그러므로, 바람직한 실시예에 있어서, 속도 PI 연산부(21)를 도 8에 나타내는 바와 같이 회전 속도 ω에 따라서 다단계 방식으로 속도 비례 게인 KP의 값을 설정하기에 적합하게 할 수도 있다. 따라서, 부하에 따른 적절한 속도 비례 게인 KP를 설정함으로써 헌팅 또는 과전류의 발생을 방지할 수 있다.

속도 비례 게인 KP가 도 8에서의 라인 (1) 이상으로 증가하면, 제어가 너무 민감하게 되고 인버터(2)의 각각의 스위칭 소자에 과전류가 흐른다. 속도 비례 게인 KP가 라인 (2) 이하로 감소하면, 게인 부족으로 인하여 응답성이 낮아지고 헌팅이 발생할 수도 있다. 그러나, 이러한 문제는 다단계 방식으로 세밀하게 설정함으로써 방지할 수 있다.

또한, 바람직한 실시예에 있어서, 속도 PI 연산부(21)는, 속도 비례 게인 KP 값을 제어기(6)의 외부로부터 판독 가능하고 기록 가능한 방법으로 저장할 수 있는 EEPROM 등 메모리(21a)를 포함할 수도 있다. 따라서, 3상 전기 모터를 사용하는 컴프레서 등의 용량 차이에 의한 부하의 차이에 따른 값을 메모리(21a)에 저장하여 각각의 부하에 대응시킴으로써, 마이크로 컴퓨터의 ROM을 변경하지 않고 전자제어장치를 공유할 수 있다.

또한, 듀티 보정부(19)로부터 출력된 PWM 신호의 듀티 정보가 전류 검출기(11)에 인가된다. 전류 검출기(11)는, 인버터 모선 전류를 검출하면서, 브러시리스 모터(3)의 3상 중의 어느 상의 전류가 인버터 모선에 나타나는가를 판단한다.

따라서, 전류 검출기(11)는 듀티 정보를 참조하여 인버터 모선 전류에 따라서 3상을 통하여 흐르는 각각의 전류를 검출한다. 검출된 3상의 전류치는 이후의 유기 전압 추정부(17)에서의 유기 전압의 추정 연산에 이용된다.

상기한 바와 같이, 인버터 모선 전류를 검출하는 전류 검출기(11)와 듀티 보정부(19)를 설치함으로써, 브러시리스 모터(3)의 각각의 상권선에 흐르는 상전류를 검출할 수 있다. 또한, 속도 비례 게인 KP의 값을 속도 PI 연산부(21)에 의해서 회전 속도에 따른 다단계 방식으로 설정함으로써, 저속 영역에서 안정성을 향상시킬 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 전기 모터 구동장치에 의하면, 인버터와 전기 모터와의 사이에 2개 이상의 전류 검출기를 설치하지 않는 염가의 시스템 구성으로써 저속으로부터 고속 영역에서 정현파 구동을 안정적으로 실시할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 속도 PI 제어의 속도 비례 게인을 판독 가능하고 기록 가능한 메모리에 저장함으로써, 메모리의 데이터를 변경하는 것만으로 각종 부하(3상 전기 모터 또는 사용하는 제품의 차이)에 대응할 수 있으므로, 마이크로 컴퓨터 및 전자제어장치를 공유할 수 있다.

Claims

3상 전기 모터의 각각의 상권선(相捲線)을 통하여 흐르는 각각의 상전류(相電流)에 따라서 구동이 제어되는 3상 전기 모터(3)를 구동시키는 전기 모터 구동장치로서,

3상 전기 모터를 구동하기 위하여 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하는 인버터(2),

인버터 모선(母線; busbar)에 출현하는 전류를 검출하여 3상 전기 모터의 각각의 상권선을 통하여 흐르는 각각의 상전류를 결정하는 전류 검출수단(11),

상기 인버터(2)의 전압치 출력과, 상기 전류 검출수단(11)에 의해서 검출된 상전류치로부터 상기 전기 모터의 유기 전압(es)을 추정하는 유기 전압 추정수단 (17),

추정된 유기 전압치에 따라서 상기 전기 모터의 로터의 회전 위치와 회전 속도(ωm)를 추정하는 회전 위치/속도 검출수단(18),

목표 속도(ω*)를 이용하여, 상기 추정된 로터의 회전 위치/속도에 따라서 비례 적분(PI; proportional-plus-integral) 연산으로써 회전 위치/속도 보정치를 연산하는 위치/속도 PI 연산수단(20, 21),

상기 속도 PI 연산수단(20, 21)에 의해서 산출된 보정치에 따라서 상기 인버터를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성수단(9), 및

상기 PWM 신호 생성수단에 의해서 생성된 PWM 신호의 듀티(duty)를 보정하는듀티 보정수단(19)을 포함하고,

상기 전류 검출수단이 상기 인버터 모선 전류를 검출하는 동안, 상기 듀티 보정수단은, PWM 신호를 변경하지 않고, 듀티를 보정하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 속도 PI 연산수단(21)의 속도 비례 게인(gain)(KP)은 상기 전기 모터의 저속 영역에서 속도에 따라서 다단계 방식으로 가변적인 것인 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동장치.
제1항에 있어서, 상기 속도 PI 연산수단(21)은, 속도 PI 제어의 속도 비례 게인(KP)을 판독 가능하고 기록 가능하게 저장하는 메모리(21a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 구동장치.
3상 전기 모터(3)의 구동을 제어하는 구동 제어 시스템으로서,

3상 전기 모터를 구동하기 위하여 DC 전압을 3상 AC 전압으로 변환하는 인버터(2),

인버터 모선에 설치되어서, 인버터 모선에 출현하는 전류를 검출하여 3상 전기 모터의 각각의 상권선을 통하여 흐르는 각각의 상전류를 결정하는 전류 검출수단 (11),

상기 인버터(2)의 전압치 출력과, 상기 전류 검출수단(11)에 의해서 검출된상전류치로부터 상기 전기 모터의 유기 전압(es)을 추정하는 유기 전압 추정수단 (17),

추정된 유기 전압치에 따라서 상기 전기 모터의 로터의 회전 위치와 회전 속도(ωm)를 추정하는 회전 위치/속도 검출수단(18),

목표 속도(ω*)를 이용하여, 상기 추정된 로터의 회전 위치/속도에 따라서 비례 적분(PI; proportional-plus-integral) 연산으로써 각도/속도(angular/speed) 보정치를 연산하는 각도/속도 PI 연산수단(20, 21),

상기 각도/속도 PI 연산수단(20, 21)에 의해서 산출된 보정치에 따라서 상기 인버터를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성수단(9), 및

상기 PWM 신호 생성수단에 의해서 생성된 PWM 신호의 듀티(duty)를 보정하는 듀티 보정수단(19)을 포함하고,

상기 듀티 보정부(19)로부터 출력된 PWM 신호의 보정된 듀티 정보가 전류 검출기(11)에 인가되어서, 전류 검출기가, 인버터 모선 전류를 검출하면서, 보정된 듀티 정보를 참조하여 3상중의 어느 상전류가 인버터 모선에 출현하는가를 판단하는 것을 특징으로 하는 구동 제어 시스템.