KR20070067118A

KR20070067118A - 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법

Info

Publication number: KR20070067118A
Application number: KR1020077007504A
Authority: KR
Inventors: 안젤로 가에타니; 클라우디오 로씨
Original assignee: 씨.에이.알.이.알 카렐리피씨오 일레트리코 로마그놀로 델아이엔쥐. 안젤로 가에타니 이 씨. 에스.엔.씨.
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2007-06-27
Also published as: WO2006024920A1; CN101103518B; ITMO20040218A1; US7378814B2; EP1787385B1; DE602005021122D1; CN101103518A; EP1787385A1; ATE467260T1; US20080001570A1; JP2008512078A

Abstract

권선형 회전자 동기 모터를 제어하는 방법은, 상기 모터의 동작을 나타내는 복수의 전자기적 파라미터들(O, Ia, Ib, Ic)을 측정하는 단계와, 고정자 전류(Ia, Ib, Ic)를 획득하기 위하여 상기 모터의 고정자 상에 전압을 생성하는 단계와, 회전자 전류(Ie)를 획득하기 위하여 상기 회전자 상에 추가 전압을 추가 생성하는 단계를 포함하고, 상기 전압을 생성하는 단계와 상기 추가 전압을 더 생성하는 단계 이전에 상기 고정자 전류와 상기 회전자 전류에 대한 참조값(IdREF, IqREF, IeREF)들을 계산하도록 상기 파라미터들이 처리되고, 상기 참조값들은 주어진 공급 고정자 전류의 최대 가능 토크를 갖는 상기 모터에 의한 생성과 대응된다.

Description

권선형 회전자 동기 모터 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING A WOUND ROTOR SYSCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법에 관한 것으로, 특히 예를 들어, 지게차와 같은 전기 자동차의 견인(traction), 및 자동화 기계, 기계 도구, 승강 기계, 산업 로봇, 및 선박의 추진 수단에 적합하지만, 이에 배타적이지 않다.

적합한 전력 변환기에 연결된 상이한 구성(내부 자석, 하이브리드 모터 등)을 갖는 직류 전류 모터, 유도 모터, 또는 영구자석 동기 모터에 바탕을 둔 구동기를 사용하는 전기 자동차가 알려져 있다. 이러한 종류의 구동기에서, 저속에서 높은 토크에 다다를 수 있는 성능은 모터의 고정자 권선에 높은 전류를 주입하는 것에 의해서만 얻어질 수 있다. 최대 토크는 전자 변환기로부터 획득되는 최대 전류에 의해서 주로 제한된다. 이 제한은 전자 전력 변환기의 암페어당 높은 비용과, 전류와 과부하 시간에 따른 제한된 과부하 성능 때문이 기인한다.

전력 전자 변환기를 크게 하는 것은 모터에 높은 전류를 주입하고 저속에서 원하는 성능에 도달할 수 있게 하는데 보통 채용되는 방법이다.이 방법은 종종 매우 높은 비용이 소요되며, 낮은 전압(<100V)의 표준의 납-산(lead-acid) 배터리군 에 의해 전력을 공급받는 중전기 자동차를 위한 구동기를 구현하는 것을 방해한다.

넓은 속도 영역에 대하여 일정한 전력 동작을 획득할 수 있는 가능성이 내부 영구 자석 모터(Internal Permanent Magnet Synchronous Motor, UPM-SM)의 상이한 구성에 대하여 연구되어왔다. 이러한 종류의 모터에서, 고속에 까지 일정한 전력 동작을 허용하는 기계 파라미터는 저속에서 높은 토크에 도달하는데 필요한 기계 파라미터와는 맞지 않는다.

저속에서 높은 토크를 획득하는 성능을 떨어뜨지리 않고 일정한 전력 영역를 확장하기 위하여 소정의 해결책들이 제시되어왔다. 전술한 해결책들은 표면 자석 부품과 자기 저항 부품을 포함하는 2개의 부분을 갖는 회전자, 고정자 내에 배치되고 영구 표면 자석에 의해 생성된 여자(excitationi) 레벨을 변경시키는 계자권선(field winding), 상기 회전자의 양측면에 있고 자속 경로를 단락시켜 영구 자석에 의해 발생된 고정자의 자속 쇄교수를 감소시키는 가동 부품으로 이루어진다.

넓은 속도 영역에 대하여 일정한 전력 동작을 필요로 하는 산업계의 적용예에서, 내부 영구 자석 동기 모터(IPM-SM)에 대한 대안은 권선형 회전자 동기 모터(wound motor synchronous motor, WR-SM)이다.

특히, 동기 모터는, 예를 들어, 선박 추진수단과 같은 대형 구동기와 압연 구동기에서 사용된다.

도 1은 속도에 대한 함수로서 토크와 전력의 관점에서 WR-SM과 IPM-SM의 기대되는 성능 사이의 비교를 보여준다. 이 비교를 위하여, 양 모터는 동일한 정격 전력과 동일한 정격 전류를 갖는 것으로 가정한다. 도 1에 도시된 바와 같이, WR- SM에 바탕을 둔 구동기는 전기자동차에 일반적인 저속에서의 높은 시동 토크와 넓은 속도 영역에 대해 일정한 전력에서의 동작을 위한 필요 사항을 충족하는데 적합하다. 전기 자동차에서 WR-SM에 바탕을 둔 견인 시스템의 사용은 WO9013454에서 제안된다. 그러나, 이 특허 문서는 WR-SM의 순시값에서의 제어 방법을 제안하지 않는다.

본 발명의 목적은 권선형 회전자 동기 모터의 제어 방법을 획득하는 것이다.

또 다른 목적은 권선형 회전자 동기 모터의 동작이 순간 순간마다 제어될 수 있게 하여, 낮은 속도에서의 높은 시동 토크와 고속에서의 일정한 전력 동작을 획득할 수 있게하는 방법으로 전기 자동차를 구동하도록 권선형 회전자 동기 모터가 배치되게하는 방법을 획득하는 것이다.

본 발명에 따르면, 모터의 동작을 나타내는 복수의 전자기적 엔티티들을 측정하는 단계; 고정자 전류를 획득하기 위하여 상기 모터의 고정자 상에 전압을 생성하는 단계; 회전자 전류를 획득하기 위하여 상기 회전자 상에 추가 전압을 더 생성하는 단계; 및 상기 전압을 생성하는 단계와 상기 추가 전압을 더 생성하는 단계 이전에 상기 고정자 전류와 상기 회전자 전류에 대한 참조값들을 계산하도록 상기 엔티티들을 처리하는 단계;를 포함하고, 상기 참조값들은 공급된 고정자 전류의 암페어 당 획득할 수 있는 최대 토크를 갖는 상기 모터에 의한 생성과 대응되는, 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법이 제고된다.

본 발명에 의하여, 모터의 전체 동작 영역에서 고정자 전류의 암페어당 최대 토크를 얻을 수 있는 권선형 회전자 동기 모터를 제어하는 방법을 획득할 수 있다. 이 방법은 선형 조건에서의 순시 기계값에 대한 연구에 기초를 둔다. 자기 회로의 포화 상태, 즉 비선형상태에서 실제 기계의 동작에 대한 선형 모델의 적용예는 각 동작 지점에 대하여 수행되는 선형화 절차에 의하여 가능해진다. 이 방법은 기계 고정자 자속을 추정하기 위하여 플럭스 추정기(flux estimate)를 사용한다. 추정된 자속은 선형 모델에 삽입되는 파라미터들을 계산하는데 사용된다. 선형 모델에 대한 방정식에 의해 최적 공급 조건이 각 기계 동작 지점에 대해 식별되고, 상기 최적 공급 조건은 각 지점에 존재하는 동작 조건에 따른다.

본 발명에 의하여, 전기 자동차의 견인에 특히 적합한 권선형 회전자 동기 모터의 사용에 기초를 둔 전기 구동기를 제조하는 것이 가능하다.

본 발명의 따른 방법에 의해 제어되는 WE-SM 기반의 구동기는 여자 권선에 과부하를 걸고 적당한 값으로 고정자 전류를 유지하여 고정자에 공급하는 전자 전력 변환기를 과도하게 크게하는 것을 방지함으로써 저속에서 높은 토크를 생성할 수 있다.

또한, 여자 전류를 조절할 수 있는 가능성은 기계가 이론적으로 제한이 없는 속도까지 일정한 전력으로 동작할 수 있게 한다. 또한, 이러한 WR-SM 기기의 토크를 전달하는 특성은 전기 견인 요구사항을 만족한다.

전술한 구동기는 회전자 상의 여자 권선, 여자 권선을 공급하기 위한 브러쉬 슬립 링(brush slip ring), 및 여자 전류를 조절하기 위한 직류/직류 초퍼(chopper)를 필요로한다. 이 구성요소들은 통합된 기술들에 기반을 두며 구동기 비용에서의 상당한 증가를 초래하지 않는다.

본 발명은 비한정적인 예시에 의한 소정의 실시예들을 도시하는 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 용이하게 이해되고 구현될 수 있다:

도 1은 WR-SM과 IPM-SM의 특징 사이의 비교를 도시한 그래프이다;

도 2는 M_sei_e<L_dI_r인 평면 i_d-i_q 상의 WE-SM의 동적 한계를 도시한 도면이다;

도 3a, 3b, 및 3c는 여기 전류 i_e의 서로 다른 값에 대하여 획득한 토크 쌍곡선과, 전압 한계 및 전류 한계 곡선을 도시한 그래프이다;

도 4는 WE-SM의 단일 전력 인자 동작에 대한 벡터도이다;

도 5는 정규화된 평면(

) 상에서 r=3일때의 기계의 동작 조건에 대한 그래프이다;

도 6은 기계의 회전 속도에 대한 함수인, 토크, 전력, 전력 인자 및 공급 전압을 도시한 그래프이다;

도 7은 전이 영역에서 기계의 회전 속도에 따라 회전자의 토크, 전력, 역률 및 공급 전압을 도시한 그래프이다;

도 8은 권선형 회전자 동기 모터의 제어 단계를 도시한 블록도이다;

도 9는 권선형 회전자 동기 모터의 전자기적 엔티티(entity)에 대한 참조 시 스템의 변환에 대해 도시한 도면이다;

도 10은 상기 방법에 의해 사용된 참조값 계산에 대해 도시한 도면이다;

도 11은 권선형 회전자 동기 모터의 동작 영역 선택을 도시한 블록도이다;

도 12는 여기 전류의 정교한 조정을 도시한 도면이다;

도 13은 전자기적 엔티티의 추정 및 조절을 도시한 도면이다; 그리고,

도 14는 자기 자속 추정기의 동작을 도시한 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 주요 기호는 다음과 같다.

명칭(순시값):

- V_r [V] 인버터가 고정자에게 인가할 수 있는 최대 위상 전압의 기본 치수;

- p 기계의 극쌍(polar pair)의 수;

- M_se [H] 고정자 권선과 회전자 권선 사이의 상호 인덕턴스의 최대값;

- i_e [A] 여자 전류;

- I_REF [A] 고정자 전류 기준 치수의 참조값;

- θ [rad] 회전자와 동기화된 참조 시스템 dq의 전기적인 위치;

- ω [rad/s] 회전자의 전기적인 속도

- i_a, i_b, i_c [A] 고정자 상들의 전류;

- i_d, i_q [A] 회전하는 2상 참조 시스템(dq)에서의 고정자 전류 성분;

- i_d ^s,i_q ^s [A] 고정된 2상 참조 시스템(dq^s)에서의 고정자 전류 성분;

- i_dREF, i_qREF [A] 참조 시스템(dq)에서의 고정자 전류 성분 참조값;

- Φ_d, Φ_q [Wb/m2] 참조 시스템(dq)에서의 간극 자속(gap flux) 성분;

- i_eREF [A] 여자 전류의 기준값;

- L_d, L_q [H] 참조 시스템(dq)에서의 "등가 인덕턴스" 파라미터;

- r_s [Ω] 고정자 상 저항;

- V_d ^s, V_q ^s [V] 고정된 참조 시스템(dq^s)에서의 참조 고정자 전압 성분.

본 개시의 첫 부분은 선향 권선형 회전자 비동기 모터의 이론적인 분석에 관한 것이다.

본 설명의 이 부분에서, 선형 WR-SM의 분석이 회전하는 동기 d-q 참조 시스템을 사용하여 수향된다. 회전자의 극에 대해 배열된 d축을 고려하고, 고정자의 저 항을 무시하면, WR-SM 기계의 고정자 전압 방정식은 다음과 같다.

여기서, d축 및 q축 에 대한 자속쇄교수는 다음과 같다.

WR-SM에 의해 생성되는 토크의 표현식은 다음과 같다.

여기서, 첫번째 항은 여자 자속에 기인하는 토크를 나타내며, 두번째 항은 모터의 이방성에 기인하는 토크 기여분이다.

전술한 바와 같이, 기계에 대한 연구는 i_d - i_q 평면에 대해 개발되어 왔다. 이 평면에서, 전류 공급과 전압 공급에 의해 설정된 한계는 다음과 같이 나타내어 질 수 있다.

모터와 관련된 인버터로부터의 전류를 제공하기 위한 용량에 대한 한계는 다음과 같이 표현된다.

여기서, I_r은 인버터에 의해 공급되는 정격 고정자 상전류의 기본 치수이다.

최대 허용 전류에 의해 설정된 한계는 다음과 같이 나타내어질 수 있다.

여기서, V_r은 인버터가 모터에 공급할 수 있는 최대 전압의 크기를 말한다.

전류 한계(수학식 5)는 i_d - i_q 평면상에 중점을 둔 원을 정의한다. 전압 한계(수학식 6)은 다음의 좌표 상에 중점을 둔 타원을 정의한다.

여기서, i_d 및 i_q 방향의 반축(semi-axis)들은 각각 다음과 같다.

L_d>L_q인 기계에서, 타원은 도 2에 도시된 바와 같이 배향된다. 수학식 7에서, 타원의 중점은 여자 전류에 종속한다. 중점은 여자 전류가 증가 또는 감소함에 따라, 음의 i_d 방향으로 또는 원점 방향으로 각각 이동한다.

여자 전류의 주어진 값에 대하여, 회전 속도를 증가시킴으로써 전압 타원은 원점에 이를 때까지 점점 더 작아진다.

i_d - i_q 평면에서, 토크에 대한 표현식인 수학식 4는 다음의 점근선을 갖는 쌍곡선으로 표현될 수 있다.

L_d>L_q에서, 수직 점근선은 i_d<0인 평면에 위치하고, 그 위치는 여자 전류에 종속한다.

주어진 토크값은 전류 원과 전압 타원에 의해 정의된 한계 내에 있는 고정자 전류(i_d, i_q)의 임의의 조합에 대해 획득될 수 있다. 전압 타원이 중점의 위치는 최대 회전 속도를 정의한다. 중점이 전류 원의 내부에 있으면, 회전 속도는 이론적으 로 제한이 없다(ω_MAX=∞). 중점이 전류 원의 외부에 있으면, 이론적인 최대 속도는 작은 전압 타원과 전류 원의 교선에 대응하며, 다음과 같이 주어진다.

여기서, i_d = -I_r, i_q = 0.

여자 전류의 제어는 넓은 속도 영역에 대하여 기계의 최상의 성능을 얻기 위하여 타원의 중점과 토크의 점근선을 이동하는 것을 가능하게 한다. 기계의 최상의 성능은 다음과 같이 여러 가지 방법으로 정의될 수 있다:

- 최대 효율에서의 동작

- 암페어당 최대 토크에서의 동작

- 최대 역률에서의 동작

임의의 회전 속도에 대하여 고정자 전류 암페어당 최대 토크를 공급하는 제어 기술은 아래에서 설명된다. 저속에서, 암페어당 최대 토크는 항상 최대값과 동일한 여자 전류(i_e=i_eM)로 얻어진다.

도 3a, 3b 및 3c는 여자 전류의 상이한 값에 대해 획득된 토크 쌍곡선을 도시한다. 여자 전류가 커지면 커질수록, 동일한 고정자 전류로 생성될 수 있는 토크도 커진다. 이러한 견지에서, 도 3c는 저속에서 기계에 대한 최대 동작 조건을 나 타낸다.

고속에서, 암페어당 최대 토크에서의 기계의 동작은 단일 역률 동작 조건을 달성할 수 있도록 여자 전류를 조정함으로써 얻어질 수 있다. 주어진 속도값에서 가장 높은 토크를 생성하는 i_d, i_q 및 i_e의 조합은 기계의 표준 단위당 표시(standard p.u. representation)에 의하여 알 수 있다. p.u. 표시에서의 전류 성분은

와

이다.

아래에서, 고정자 전류의 크기는 인버터[4]의 정격 전류와 동일하다고 가정하고 분석이 수행될 것이다. 그 결과 p.u. 전류 성분은 다음과 같아진다.

여기서, θ는 고정자 전류를 표시하는 벡터의 위상각이다.

분석적인 전개를 위하여, 다음의 수가 정의된다.

, 철극성비(saliency ratio)

, 타원의 중점의 좌표

a<1 및 a>1에서 타원의 중점은 각각 전류 한계 원을 나타내는 원의 내부 및 외부에 있는 반면, a=1에서 타원의 중점은 축

에서의 전류 한계를 나타내는 원의 교선에 대응한다. 토크에 대한 수학식 4는 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

수학식 15에서 수학식 11 내지 14를 대입하면, 다음과 같다.

수학식 16으로부터 토크는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서, T₀는 다음과 같다.

그리고, 정규화된 토크는 다음과 같다.

수학식 6에 수학식 11 내지 14 및 19를 도입함으로써, p.u 표시에서 전압 한계를 나타내는 타원의 방정식은 다음과 같이 표현된다.

여기서, b는 아래와 같다.

아래에서, 권선형 회전자 동기 모터의 다음과 같은 3개의 동작 영역가 검토된다: 저속 동작 영역, 고속 동작 영역 및 상기 저속 동작 영역와 상기 고속 동작 영역 사이의 과도 속도 영역.

A. 저속 영역

여자 전류의 최대값에 대하여(i_e=i_eM), 전압한계를 나타내는 타원은

에 중점을 두며 a_M은 다음과 같다.

이 여자 전류에 대하여, 최대 토크를 공급하는 전류 벡터각은 θ_B는

으로 설정함으로써 획득되며, 여기서

가 되며, 또한 r' 는 다음과 같다.

θ_B 대하여 수학식 23을 풀이하고, 수학식 19에 대입하면, 최대 토크 t_B가 얻어진다.

수학식 20에 수학식 23을 대입하면 다음 수학식과 같은 결과를 얻는다.

B. 고속 영역

각속도가 ω_B를 넘어서면, 허용 전압에 의해 설정된 한계 때문에 더 이상의 최대 토크 t_B는 획득될 수 없다. 그러나, ω>ω_B인 임의의 각속도에 대하여, 최대 토크가 생성될 수 있게 하며, 적합한 θ와 a 값에 의해 정의되는 전기자 전류 성분과 여기 전류의 조합을 구할 수 있다. 전압 한계를 고려하여, 이 동작 조건이 단일의 역률에서 획득될 수 있다는 것이 확실해진다.

도 4에 도시된 정상 상태 조건에서의 벡터도를 참조하면, 단일 역률 동작 조건은 다음의 수학식에 의해 나타내어질 수 있다.

전류 한계 i_d = I_r cosθ, i_q = I_r sinθ를 수학식 26에 대입하면 다음과 같다.

θ에 대하여 수학식 27을 풀이함으로써, ω>ω_B인 임의의 각속도에서 단일 역률을 보장하는 전기자 전류 벡터의 위상각 θ_H를 결정하는 것이 가능해진다. 답은 다음과 같다.

수학식 27로부터 대응하는 여자 전류는 다음과 같다.

수학식 14에 수학식 29를 대입하면 다음과 같다.

ω토크는 수학식 19에 수학식 28과 30을 도입함으로써 계산될 수 있다. 결과에 따른 토크가 일정한 전력 동작을 갖는다는 것을 검사할 수 있다. 또한, 파라미터 a_H 는 ω→∞에 대한 점근선 값 a_H = 1이라 가정하며, 이는 전압 타원의 중점이 전류 원(즉, a_H = 1 → M_sei_eH = L_dI_r) 위에 위치한다.

C. 과도 속도 영역

여자 전류의 최대값에 의해 저속에서 단일 역률을 갖는 기계 동작이 방해받는다. 수학식 29에서 알 수 있듯이 속도가 더 작아질수록 여자 전류는 커진다.

일반적으로, 최대 여자 전류는 ω_B보다 큰 속도 ω_C에서 도달될 수 있다. EK라서, 단일 역률 동작을 달성할 수 없는 ω_B 와 ω_c 사이의 속도 범위는 제어 기술의 개시를 완전하게 하기 위하여 더 검토되어야 한다.

일정한 토크와 일정한 전력 동작 사이의 과도 영역로 여겨지는 이 속도 범위에서, 최고의 성능은 전압 타원과의 교선에 의해 정의되는 전류 한계 원의 지점들에서 획득될 수 있다. 전류 벡터각은 다음을 구하기 위하여 수학식 20으로부터 계산될 수 있다.

일례로서 도 5는 r=3, a_M=1.8을 갖는 기계에 대하여 p.u. 조건에서의 동작 조건을 나타낸다. 단일 역률 동작이 b_C=4.95보다 작은 b 값에 대하여 획득될 수 있지만, 지점 B는 b_B=6.42에서 획득된다. 매우 높은 속도에서 여자 전류는 a_H=1에 대응하는 값으로 감소한다.

기계 동작의 예

가장 대표적인 기계 엔티티의 양태를 보여주기 위하여, 0부터 최대 기계 속도까지의 수치 시뮬레이션이 수행되었다. 기계 파라미터는 아래의 표에서 주어진다.

WR-SM 파라미터
L_d	90 mH
L_q	30 mH
M_se	420 mH
I_r	18 A
V_r	310 V
i_eM	7 A
p	2

도 6은 위에서 아래로 속도에 대한 토크, 전력, 고정자 전류 각 및 여자 전류를 도시한다.

도 7은 일정한 토크 동작 영역와 일정한 전력 동작 영역 사이의 과도 속도 영역에서의 토크, 전력, 역률 및 공급 전압을 도시한다.

도 6에서, 여자 전류는 과도 영역의 끝단에 대응하는 지점 C까지 최대깝ㅅ을 유지하고, 그 다음 더 높은 속도에서 감소한다.

도 7에서, 역률이 과도 영역에서 0.85에서 1까지 증가하는 것을 알 수 있다.

지점 C에 대응하는 속도보다 더 큰 속도에 대하여는 전력이 일정하지만, 지점 B에 대응하는 속도보다 더 작은 속도에 대해서는 토크가 일정하다. 일정한 속도에서의 WR-SM의 동작은 이론적으로 무제한적인 속도까지 확장된다.

제어 방법에 대한 설명

도 8은 본 발명에 따른 방법의 단계를 도시한 플로우차트이다.

이 플로우차트는 전자기적 엔티티의 획득, 참조 시스템의 변환, 및 순간 속도의 측정에 관한 제1 구역(이하 구역 1이라 한다), 전자기적인 엔티티의 기준값 생성에 관한 제2 구역(이하 구역 2라 한다), 및 자속과 전류 조절의 추정에 관한 제3구역(이하 구역 3이라 한다)을 포함한다. 상기 3개의 구역은 아래에서 상세히 검토된다.

구역 1 - 기준 시스템의 획득 및 변환

도 9에 도시된 도면을 참조하면, 습득된 고정자 전류는 아래의 고정된 2상 참조 시스템(dq^s)과 회전자와 동기화하는 회전하는 2상 시스템(dq)에 보여진 행렬 D 및 T에 의하여 변환된다.

회전하는 참조 시스템(dq)의 위치는 각 θ로 회전자 위치에 의해 식별된다. 전기적 범위에서의 고정자 위치는 적당한 측정 트랜스듀서(transducer, 인코더)dp 의해 측정된다. 속도는 다음의 수학식에 따라 위치에 대한 시간 도함수로 계산된다.

시스템이 이산적이기 때문에, 계산은 유한 차분(finite differences)에서 수행된다.

k번째 구간에서, 아래와 같은 속도가 계산된다:

;

여기서,

ω_k 계산 구간 ΔT에서의 평균속도

ΔT 모든 다수의 계산 구건 T_c와 동일한 계산 구간, 따라서, ΔT=NT_c

Δθ_k 구간 ΔT에서 발생하는 회전

이며, 따라서,

가 된다.

구역 2 - 참조 생성

이 블럭은 기계 제어 방법을 포함한다.

도 11을 참조하면, 인버터가 모터에 공급할 수 있는 회전 속도 ω와 최대 전압 V_x에서, 기계가 필요한 참조값인 I_REF와 동일한 기준 모듈 전류을 흡수하고 최대 생성가능 토크를 발생시키는 기계 전류들(i_dgREF, i_eREF)의 조합이 계산된다.

구역 3에서의 기계 전류의 생성과 기계 파라미터의 추정을 위하여 전류 레귤레이터에 의해 사용되는 고정자 전류(i_dgREF)와 회전자 전류(i_eREF)와 같은 참조값이 생성된다. 이 참조값들을 계산하기 위하여, 구역 3에서 계산된 추정된 기계 파라미터 L_d, L_q와 추정된 자속 Φ_dq가 사용된다.

제어 방법은 상술한 수학식 1 내지 32에 의해 정의되는 바와 같이 동기 기계의 선형모델에 대한 지식에 바탕을 둔다. 실제의 기계는 자기 회로의 포화 상태에서 동작하며, 따라서, 비선형 상태이다. 포화 상태에서 동작하는 기계 모델은 파라미터의 값들이 도 3에 있는 추정기 블록에 의해 계산된 가상 값을 사용하여 순간적으로 갱신되는 선형 모델을 사용하여 획득된다. 파라미터의 추정된 값은 기계의 실제 동작 조건에 종속한다. 따라서, 포화 상태에서 동작하는 기계는 추정된 변수 파라미터를 갖는 선형 모델에 의해 나타내어진다.

순간적으로, 포화 조건에서 기계 모델을 사용함으로써, 가능한 전압 V_dc와 회전 속도 ω에 따라 기계의 동작 영역은 앞에서 검토한 바와 같이 3개의 동작 구역으로 나누어 진다. 즉,:

1) 저속 동작 구역

2) 중간 속도 동작 구역

3) 고속 동작 구역

저속 동작 구역에서, 여자 전류의 값은 최대 허용값 i_e=i_eM에 대응한다. 도 5에 도시된 지점 B인 유일한 동작 지점이 최대의 토크에서 있다. 이 구역에서의 동작은 속도ω_B 까지 가능하다.

중간 속도 동작 구역에서, 여자 전류의 값은 최대 허용 값인 i_e=i_eM과 동일하다. 속도 각각에 대해, 도 5에 도시된 지점 B와 C 사이에 포함된 원호에 의해 설명되는 자취 i_dq - 토크가 최대인 - 가 있다. 이 구역에서의 동작은 속도 ω_B<ω<ω_C 까지 가능하다.

고속 동작 구역에서, 여자 전류(i_e)와 고정자 전류 성분(i_dq)는 고정자 전류당 최대 토크를 얻을 수 있는 방법으로 조절된다. 조절은 기계의 단일 역률 동작에 대응된다. 이 구역에서의 동작은 ω_C보다 큰 속도에 대해 가능하다. 이 구역에서의 동작은 속도의 상한이 없다.

이 세개의 구역에 대한 제어 방법의 관리는 도 11의 블록도에 따라 발생한다.

인버터의 직류 공급 전압(V_dc)과 속도(ω)와 고정자 전류(I_REF) 기준 치수의 참조값에 따라 기계가 작용하는 동작 구역이 식별되는 2개의 선택 블록이 있다. 동작 구역과 주어진 제약(전압 한계, 고정자 전류 한계, 회전자 전류 한계)에 따라 임의의 모터 동작 경우에서 앞에서 보여진 분석적인 표현을 사용함으로써, 제약을 따르고 최대 토크를 생성하는 공급의 구성(i_dq, i_e)을 식별할 수 있다.

단일 역률 동작이 설정되는 고속 동작 구역에서, 여자 전류의 정밀한 조정은 시스템의 성능을 개선하기 위하여 수행되며, 구역 3에 도시된 추정기에 의해 추정된 파라미터에 있어서의 부정확성을 극복할 수 있다. 이러한 정밀한 조정은도 11의 도면에 따라 계산된 여자 전류의 값에 교정된 값을 추가하는 것을 포함한다.

정밀한 조정은 고정자 전류와 고정자 전압을 나타내는 벡터가 동상에 있거나 도는 동일한 모드에 있고, 고정자 전류와 고정자 자속은 직각위상차를 가지는 상태에 도달하는 원리에 기초를 둔다. 회전하는 2상 참조 시스템(dq)에서의 후자의 상태는 다음의 조건에 의해 표현된다.

수학식 32는 자기 고정자 에너지(E_ms)를 나타낸다. E_ms=0에서 동작을 설정하는것은 고정자 전류에 의하여 모터에 무효전력을 공급하지 않는 것에 대응한다. E_ms=0 동작은 계산된 값 E_ms에 적용된 비례-적분 조절기(proportional-integral(PI) regulator)를 사용함으로써 얻어진다.

여자 전류(i_e)의 교정값은 전술한 계산 시스템을 사용하여 얻어진 결과에 더해지며, 그 기여분은 도 12에 도시된 바와 같이 포화기(saturator)에 의해 제한된다.

구역 3 - 자속 추정기 및 전류 조정기(레귤레이터)

이 구역의 추정기 블록에서,

고정자의 자속 쇄교수 성분(Φ_d, Φ_q)이 추정된다. 자속이 알려지면, "가상 인덕턴스(fictitious inductance)" L_d, L_q가 계산된다. 이 파라미터들은 구역 2에서 동기 기계의 비선형 모델에 사용된다. 추정기 블록에서, 고정자에 유도된 역기전력이 계산된다. 이 값은 고정자 전류의 최적 조정을 가능하게 하기 위하여 조절 블록에 의해 사용된다.

또한, 조절기 블록에서, 인버터가 고정자에게 공급하여야 하고 구역 1에서 계산된 참조값에서 전류의 제어를 가능하게 하는 전압의 참조값이 계산된다.

고정된 2상 참조 시스템(dq^s) 에서의 고정자의 자속쇄교수에 대한 추정은 다음의 수학식에 기초를 둔다.

또는, 다음 수학식에서 유도된다.

디지털 제어 시스템에서의 추정기의 구현은 수학식 34가 이산적인 형태로 표현되는 것이 필요하다.

k번째 사이클에서, 다음 사이클(k+1)에서의 자속 값에 대한 계산이 이루어진다. 그 다음, 이 계산으로부터의 자속 값은 구역 2에서의 가상 인덕턴스에 의하여 다음 사이클에서 사용된다.

수학식 35에서,

- 현재 순간에서의 자속 값(Φ^s _dq _(k))과 현재 순간에서 인가된 전압의 값(V^s _dq _(k))은 구역 3에서 이전 순간(k-1)에 계산된다.

- 전류(i^s _dq _(k))는 현재 순간에서 취해진 측정값으로부터 얻는다.

자속의 추정을 안정화하기 위하여, "정상 동작 자속(normal operation flux)"의 값을 나타내는 용어가 소개된다. 이 교정은 정상 동작 동안 추정기의 결과는 "정상 동작 자속"에 수렴하여야 한다는 사실에 바탕을 둔다. "정상 동작 자속"의 값(Φ^s _dq _(k))은 고정된 2상 참조 시스템에서 다음과 같이 계산된다.

따라서, 추정기에 대한 수학식 34는 다음과 같이 수정되야 한다.

G 파라미터는 주정기의 응답에 영향을 준다. 높은 G 값은 더 안정적이고 덜 정밀한 응답을 야기한다. 낮은 L 값은 덜 안정적이고 더 정밀한 응답을 결정한다.

자속 추정기를 만드는데 사용되는 이산 방정식은 다음과 같다.

추정된 자속은 변환 행렬 [T]에 의해 회전하는 2상 기준 시스템(dq)에 보여진다.

추정된 자속에 대응하는 "가상 인덕턴스"의 값은 다음과 같이 주어진다.

여기서, N_d _(k), N_q _(k) 는 d 축과 q 축의 등가 전류이다.

i'_eREF _(k)는 고정자에 대한 회전자ㅇ 전류의 참조값이다. 자속 추정기 블록도는 도 14에 도시된다.

Claims

권선형 회전자 동기 모터를 제어하는 방법에 있어서,

상기 모터의 동작을 나타내는 복수의 전자기적 엔티티들을 측정하는 단계;

고정자 전류를 획득하기 위하여 상기 모터의 고정자 상에 전압을 생성하는 단계;

회전자 전류를 획득하기 위하여 상기 회전자 상에 추가 전압을 추가 생성하는 단계; 및

상기 전압을 생성하는 단계와 상기 추가 전압을 더 생성하는 단계 이전에 상기 고정자 전류와 상기 회전자 전류에 대한 참조값들을 계산하도록 상기 엔티티들을 처리하는 단계;

를 포함하고,

상기 참조값들은 공급된 고정자 전류의 암페어 당 획득할 수 있는 최대 토크를 갖는 상기 모터에 의한 생성과 대응되는, 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제1항에 있어서,

상기 엔티티들은 적어도 상기 고정자 전류, 상기 회전자 전류, 상기 공급 전류 및 상기 회전자의 각위치(angular position)를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 계산하는 단계는, 미리 조절된 회전자 전류에 대해, 상기 고정자 전류의 지정된 크기에 대해, 및 상기 모터에 인가될 수 있는 최대 전압값에 대해 상기 모터에 의해 생성된 최대 토크가 한계값 아래에 있는 상기 회전자의 회전 속도 한계값을 확인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제3항에 있어서,

상기 회전자의 회전 속도의 측정값을 상기 한계값과 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제4항에 있어서,

상기 측정값이 상기 한계값보다 작은 경우, 상기 미리 조절된 최대 회전자 전류값과 동일한 상기 회전자 전류의 참조값을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제5항에 있어서,

상기 고정자 전류의 상기 지정된 크기에 대해 토크가 최대가 되는 상기 고정자 전류 성분의 값들을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제6항에 있어서,

상기 값들과 동일한 상기 고정자 전류의 성분들의 참조값들을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제4항에 있어서,

상기 측정값이 상기 한계값보다 더 큰 경우, 상기 고정자 전류의 상기 지정된 크기와 상기 모터에 인가될 수 있는 상기 최대 고정자 전압값에 대한 상기 모터의 단일 역률 동작 상태에 대응하는 상기 고정자 전류의 성분들의 추가 값들과 상기 회전자 전류의 추가 값을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제8항에 있어서,

상기 동작 상태는, 상기 자기 고정자 자속 및 고정자 전류가 서로 직각일 때 발생하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제8항 또는 제9항에 있어서,

상기 추가 회전자 전류값을 상기 미리 조절된 최대 회전자 전류값과 더 비교하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제10항에 있어서,

상기 추가 회전자 전류값이 상기 미리 조절된 최대 회전자 전류값보다 작은 경우, 상기 추가값과 동일한 상기 회전자 전류의 참조값을 설정하는 단게와, 상기 추가값과 동일한 상기 고정자 전류 성분들의 참조값들을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제10항에 있어서,

회전자 전류의 상기 추가값이 상기 최대의 미리 조절된 회전자 전류값보다 큰 경우, 상기 미리 조절된 최대 회전자 전류값과 동일한 상기 회전자 전류의 참조 값을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제12항에 있어서,

상기 미리 조절된 최대 회전자 전류값에 대해, 상기 고정자 전류의 상기 지정된 크기에 대해, 및 상기 모터에 인가될 수 있는 최대 회전자 전압값에 대해 상기 역률이 최대가 되는 상기 고정자 전류 성분의 또다른 추가값들을 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제13항에 있어서, 상기 또다른 추가값과 동일한 상기 고정자 전류 성분들의 참조값들을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 모터가 동작하는 다른 포화 상태들에 관하여 상기 모터의 자기 회로의 특성들을 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제15항에 있어서,

상기 추정 단계는 상기 다른 포화 상태들을 나타내는 파라미터들을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제16항에 있어서,

상기 처리 단계는 상기 포화 상태들을 나타내는 파라미터들을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제17항에 있어서,

상기 포화 상태를 나타내는 파라미터들은 상기 고정자 전류의 성분들과 이에 대응하는 고정자 자속 성분들 사이의 연관(link)을 정의하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 추정 단계는, 상기 모터의 상기 고정자 자속의 표시를 얻기 위해 상기 전자기 엔티티 및 상기 참조값들을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 생성 단계는, 인버터형 컨버터를 사용함으로써 획득되는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 추가 생성 단계는, 초퍼에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터 제어 방법.
제1항 내지 제21항에 따른 방법을 구현하기 위한 코드를 포함하고 컴퓨터 시스템에 의해 실행되는 프로그램.
제22항에서 정의된 프로그램을 저장하는, 컴퓨터에 의해 판독가능한 매체.