KR20070089206A - Ｄｃ 링크를 통한 모터 위상 전류 재현을 개선하기 위한회로 - Google Patents

Ｄｃ 링크를 통한 모터 위상 전류 재현을 개선하기 위한회로 Download PDF

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Abstract

DC 링크에 의해 공급되고 PWM 제어기에 의해 제어되는 다상 인버터에 의해 구동되는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치가 개시된다. 이 장치는 DC 링크 내의 센서와; 상기 센서로부터의 출력을 얻음으로써 상기 DC 링크의 전류를 샘플링하는 제 1, 2 샘플링 수단과, 여기서 상기 제 1 샘플링 수단은 상기 다상 인버터의 제 1 스위칭 패턴에 대응하는 제 1 시간 주기 동안 상기 DC 링크의 전류의 제 1 샘플을 얻고, 상기 제 1 샘플을 저장하며, 상기 제 2 샘플링 수단은 상기 제 1 시간 주기 이후의 그리고 상기 다상 인버터의 제 2 스위칭 패턴에 대응하는 제 2 시간 주기 동안 상기 DC 링크의 전류의 제 2 샘플을 얻고, 상기 제 2 샘플을 저장하며; 그리고 상기 제 1 시간 주기 이후의 시간 주기 동안 상기 제 1 샘플을 디지털 신호로 변환하고, 다음의 제 3 시간 주기 동안 상기 제 2 샘플을 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기를 포함한다.
모터 위상 전류, 인버터, 샘플 및 홀드 회로, 연속 샘플링, 스위칭 패턴

Description

ＤＣ 링크를 통한 모터 위상 전류 재현을 개선하기 위한 회로{CIRCUIT TO IMPROVE MOTOR PHASE CURRENT RECONSTRUCTION VIA DC LINK}
관련 출원
본 출원은, 2005년 1월 3일 출원되었으며 그 명칭이 "CIRCUIT TO IMPROVE MOTOR PHASE CURRENT RECONSTRUCTION VIA DC LINKS"인 미국 가 특허 출원 60/641,175의 이득 및 우선권을 주장하며, 그 전체 개시 내용은 본원의 참조로서 인용된다.
디지털 PWM AC 인버터 기반의 모터 구동 시스템에 있어서, 폐쇄 루프 전류 제어를 수행하기 위해서는 양질의 모터 위상 전류의 피드백이 요구된다. 시스템 비용을 줄이고 전류 감지 시스템을 단순화하기 위해, 많은 모터 위상 전류 정보는 DC 링크 전류 정보에 의해 재현(reconstruct)될 수 있다. DC 링크를 통해 모터 위상 전류의 재현을 달성하는 기존의 회로는 A/D 변환기에 결합된 단일의 샘플 및 홀드 회로를 이용한다. 하지만, 이러한 방법은, 활성 전압 벡터를 생성하는 스위칭 패턴의 시간 지속 기간이 작을 때, 라인간(line-to-line) 활성 전압이 PWM 논리로 인해 작아질 때에 전류 재현에 상당한 제한을 부과한다. 본원에서는, 활성 전압 벡터에 대한 시간 지속 기간 제한을 최소화하기 위해, 1개의 샘플 및 홀드 회로 대신에 2 개의 병렬의 샘플 및 홀드 회로들을 이용하는 새로운 방법이 개시된다. 이러한 새로운 회로를 이용하게 되면, 모터 전류 재현의 충실도가 개선되어, 영구 자석 모터들 및 유도 모터들을 포함한 광범위의 AC 모터 응용들에 대해 DC 링크 전류 재현의 이용을 확대시킨다.
전형적인 DC 링크 전류 감지 및 위상 전류의 재현은 모두 디지털 모터 제어 응용에 있어서 하드웨어 및 소프트웨어 알고리즘을 이용한다. 하드웨어 회로는 대개 증폭기, 샘플 및 홀드 회로, 멀티플렉서, 및 A/D 변환기로 구성된다. 샘플 및 홀드 회로의 위치는 서로 다를 수 있지만(도 1 및 2 참조), 공통의 시도로서 단지 1개의 샘플 및 홀드 회로 만을 갖는다. 3상 AC 모터 응용들에서, 3개의 AC 위상 전류를 한번에 제공하기 위해서는 2개의 위상 전류 정보가 재현될 필요가 있다. 도 3은 AC 모터를 갖는 전형적인 인버터 회로를 나타내는 바, 도 4의 PWM 사이클에서의 스위칭 패턴(100)에 대응하는 특정의 전류 흐름을 갖는다. 단일의 션트 저항(R)(도 3) 또는 홀 효과 타입의 전류 센서에 의해 구현될 수 있는 DC 링크 전류 감지는 대개 PWM 사이클 내에서 2개의 위상 전류 정보를 포함한다. 도 4는, 예로서, 위상 U 및 위상 W 전류 정보를 포함한다. DC 링크 상의 2개의 위상 전류 정보 각각의 지속 기간은 PWM 사이클에서의 특정 PWM 스위칭 패턴의 동기화에 따라 달라진다. 도 4에는, 인버터 스위치들의 스위칭 상태들이 나타나 있는 바, "1"은 하이측 스위치가 온임을 의미한다. 따라서, 활성 전압 벡터 상태 "100"은, 하이측 스위치 U1(도 3)이 온(U2는 오프)이고, V1이 오프(V2는 온)이고, W1이 오프(W2는 온)일 때이다. 이것은 도 3의 상태이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 스위칭 상태 또는 활성 전압 벡터(100) 동안, DC 링크의 전류가 위상 전류(IU)인데, 이것은 -(IV + IW)와 같다.
도 1 또는 도 2에 나타낸 통상적인 재현 회로에 의해, 제 1 위상 전류는 샘플 및 홀드 회로(S/H)에 의해 포획된 다음, A/D 변환기에 의해 디지털 전기량으로 변환된다. 이러한 제 1 위상 전류의 샘플링 및 변환 이후, 제 2 위상 전류가 동일한 샘플 및 홀드 회로(S/H)에 의해 포획된 다음, A/D 변환기에 의해 변환된다. 따라서, 이러한 2개의 위상 전류의 아날로그 디지털 변환은 다음과 같이 연속적으로 일어난다:
1) 샘플 및 홀드 회로에 의해 제 1 모터 위상 전류를 포획한다.
2) A/D 변환기에 의해 제 1 모터 위상 전류를 변환한다.
3) 샘플 및 홀드 회로에 의해 제 2 모터 위상 전류를 포획한다.
4) A/D 변환기에 의해 제 2 모터 위상 전류를 변환한다.
전형적인 3상의 중앙 정렬되는 PWM 변조 방식에 있어서, 상기의 연속적인 이벤트는 도 4에 나타낸 PWM 사이클에서 2번 일어난다. 각 위상 전류의 순서는 다음과 같다: 제 1 모터 위상 전류(T1 주기) → 제 2 모터 위상 전류(T2 주기) → 제 2 모터 위상 전류(T2 주기) → 제 1 모터 위상 전류(T1 주기). 2개의 이벤트들은, 어떠한 전류도 흐르지 않을 때에 제로 전압 벡터(111)에 의해 분리된다.
이러한 예에서, 제 1 모터 위상 전류는 모터 위상 U 전류를 나타내고, 제 2 모터 위상 전류는 모터 위상 W 전류를 음의 값으로 나타낸다. 위상 V의 모터 위상 전류는, 3개의 모든 위상 모터 전류들의 합이 제로가 된다는 사실로부터 얻어진다.
이러한 종래의 2상 모터 전류 재현 방법은, 위상 전류의 지속 기간(도 4의 T1 그리고/또는 T2)이, 샘플 및 홀드 회로와 A/D 변환기가 위상 전류 아날로그 값을 포획하고 A/D 변환을 완료하는 데에 요구되는 시간 보다 짧을 때에 한계를 갖는다. 샘플 및 홀드 회로가 아날로그 값을 포획하는 데에 걸리는 통상의 시간은 약 수백 나노세컨드 내지 1 마이크로세컨드이며, A/D 변환을 위한 통상의 시간은 12 비트 A/D 변환기에 대해 수 마이크로세컨드 내지 10 마이크로세컨드이다.
따라서, 실제로 3 마이크로세컨드가 한계인데, 그 아래에서는 전류 재현이 달성될 수 없다. 지속 기간(T1 및 T2)은 활성 전압 벡터의 정확한 시간 기간이다. 도 3의 예에서, 이들은 T1 및 T2 주기에 대해 각각 (100) 및 (110) 벡터이다.
전압 벡터는 공간 벡터 도메인(도 5) 내에서 회전하기 때문에, 해치 영역들로서 나타낸 소위 "섹터 크로싱(sector crossing)" 영역들에 도달할 때에는, 모터 위상 전류 재현이 달성될 수 없다. 이러한 영역들에서, T1 또는 T2중 어느 하나는 매우 작게 될 것이며, 포획과 A/D 변환을 모두 행하기 위한 충분한 시간을 제공하지 않는다.
본 발명은 이러한 문제에 대한 해결책을 제공함으로써, 종래 기술과 비교하여 감소된 지속 기간 펄스 동안 포획 및 A/D 변환을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, DC 링크에 의해 공급되고 PWM 제어기에 의해 제어되는 다상 인버터에 의해 구동되는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치가 제공되는 바, 이 장치는: DC 링크 내의 센서와; 상기 센서로부터의 출력을 얻음으로써 상기 DC 링크의 전류를 샘플링하는 제 1, 2 샘플링 수단(sampling arrangement)과, 여기서 상기 제 1 샘플링 수단은 상기 다상 인버터의 제 1 스위칭 패턴에 대응하는 제 1 시간 주기 동안 상기 DC 링크의 전류의 제 1 샘플을 얻고, 상기 제 1 샘플을 저장하며, 상기 제 2 샘플링 수단은 상기 제 1 시간 주기 이후의 그리고 상기 다상 인버터의 제 2 스위칭 패턴에 대응하는 제 2 시간 주기 동안 상기 DC 링크의 전류의 제 2 샘플을 얻고, 상기 제 2 샘플을 저장하며; 그리고 상기 제 1 시간 주기 이후의 시간 주기 동안 상기 제 1 샘플을 디지털 신호로 변환하고, 다음의 제 3 시간 주기 동안 상기 제 2 샘플을 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기를 포함한다.
본 발명은 도면을 참조한 하기의 상세한 설명으로부터 보다 상세히 설명될 것이다.
도 1은 모터 제어기의 DC 링크로부터의 모터 위상 전류를 결정하는 종래 기술의 회로를 나타낸다.
도 2는 종래의 다른 회로를 나타낸다.
도 3은 모터 제어기의 DC 링크 및 인버터를 나타낸다.
도 4는 인버터의 PWM 사이클을 나타내는 바, 스위칭 패턴들 및 그에 따라 활성 전압 벡터들이 어떻게 생성되는 지를 보여준다.
도 5는 인버터에 대한 공간 벡터 다이어그램을 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 회로의 일 실시예를 나타낸다.
도 7은 3상 변조에 대한 도 6의 회로에 있어서의 스위칭 패턴들 및 샘플 시 간(times)을 나타낸다.
도 8은 2상 변조에 대한 스위칭 패턴들 및 샘플 시간을 나타낸다.
도 9는 인버터 회로의 다른 실시예를 나타낸다.
활성 벡터들(T1 및 T2)의 시간 지속 기간으로 인한 제한을 최소화하기 위해, 새로운 회로가 개발되었으며, 도 6은 이러한 회로의 일 실시예를 나타낸다. 도 6의 회로는 DC 링크 상에 나타나는 2개의 모터 전류 신호들을 포획하기 위한 병렬 연결된 2개의 샘플 및 홀드 회로들(S/H1 및 S/H2)을 갖는다. 이러한 회로에서는, 전압 벡터가 "섹터 크로싱" 영역에 있다고 하더라도, 관련된 모터 위상 전류가 샘플링 타임에 포획될 수 있다. A/D 변환은 반드시 위상 전류 피드백의 아날로그값을 포획한 직후에 처리될 수 있는 것은 아니며, 오히려 이러한 변환은 제 2 위상 전류 포획이 완료된 이후에 일어난다.
이러한 방법의 장점은, 제 1 모터 위상 전류 재현에 대한 A/D 변환에 요구되는 시간을 없앰으로써, 활성 전압 벡터들에 대한 시간 제한(T1 및 T2)을 최소화한다는 것이다.
이러한 회로는 연산 증폭기(A) 및 2개의 병렬의 샘플/홀드 회로들(S/H1 및 S/H2)을 포함한다. 연산 증폭기(A)는 DC 링크 션트 저항(R)을 통해 발생하는 아날로그 입력 전압을 조정하는 데에 이용된다. 연산 증폭기는 시스템에서 나타날 수 있는 공통형 잡음(common mode noise)을 제거하기 위해 차동 모드 증폭기를 포함한다. 2개의 병렬의 샘플/홀드 회로들(S/H1 및 S/H2)은 PWM 스위칭 패턴에 동기됨으 로써 2개의 모터 위상 촙(chop) 전류 정보를 포획하도록 설계된다. 전형적으로, 각각의 샘플 및 홀드 회로는 도시된 바와 같이 스위치 및 캐패시터로 구성된다. 스위치는 전형적으로 직렬의 패스 MOS 트랜지스터(들)에 의해 구현되고, 홀드 캐패시터는 패스 트랜지스터들의 스위치 뒤에 연결되고, 전압 강하의 드룹(droop)없이 아날로그의 포획된 값을 홀드하도록 설계된다. 샘플/홀드 스위치들(T1 및 T2 스위치들)은 대개 각각의 활성 전압 벡터들의 중심점에서 닫히고 열린다. T1 스위치가 열려있는 동안, 캐패시터에 저장되어 있는 아날로그값은 변경되지 않은 상태로 유지되며, 이후의 A/D 변환은 제 1 모터 위상 전류를 디지털화하기 위해 일어난다. 일 실시예에서, 제 1 모터 위상 전류의 A/D 변환이 진행되는 동안, 비록 T1 주기가 매우 작아진다고 하더라도, 스위치(T2)는 제 2 모터 위상 전류를 독립적으로 포획할 수 있다. 일단 제 1 모터 위상 전류와 관련된 A/D 변환이 완료되면, 제 2 모터 위상 전류의 A/D 변환이 스위치(T2)에 대한 홀드 캐패시터 상에 저장된 아날로그값에 기초하여 시작된다. 이러한 방식으로, 본 발명의 회로는 제 2 모터 위상 전류를 포획하는 것과 제 1 모터 위상 전류의 A/D 변환을 수행하는 것 간에 병렬 동작을 수행할 수 있다.
이러한 새로운 방법에서, T1 그리고/또는 T2 기간에 대한 시간 제약은, 홀드 캐패시터 사이즈에 의존하여 전형적으로 5백 나노세컨드 미만인 샘플 및 홀드 회로의 캡춰 시간에 의해서만 제한된다. 따라서, 상기 설명한 종래의 방법과 비교하여, 본 발명의 새로운 방법은 위상 전류들이 결정되지 않는 공간 벡터 도메인의 섹터 크로싱 영역을 상당히 감소시킴으로써, 재현되는 전류 파형의 충실도를 개선하고, 왜곡을 감소시킨다.
도 7은 2개의 개별적인 샘플 및 홀드 동작을 갖는 3상 PWM 변조에서의 전형적인 스위칭 패턴을 나타낸다. 이 예에서는, 비록 T1 주기가 매우 짧게 되더라도, 그 정보는 T1 주기의 중심에서 스위치(T1)의 홀드 캐패시터에 의해 포획된다. T1 주기(S/H1)의 A/D 변환의 지속 기간은 전용 샘플링 및 홀드(S/H2)에 의한 T2 주기의 포획과 겹칠 수 있게 된다.
도 8은 2개의 개별적인 샘플 및 홀드 회로들을 갖는 2상 PWM 변조에서의 전형적인 스위칭 패턴을 나타낸다. 이러한 2상 PWM에서, 위상 W 스위치들은 항상 동일한 상태를 갖는다. 즉, 상위 스위치(W1)는 오프이고, W2는 항상 온이다. T1 주기가 작아지면, 동일한 방식으로, 2개의 행동, 즉 T1 주기의 A/D 변환과 샘플링 및 홀드 회로(S/H2)에 의한 T2 주기 모터 회로의 포획이 일어난다.
따라서, 이러한 새로운 회로는 3상 및 2상의 PWM 변조 방식 모두에서 동작한다.
본 발명은 그 특정 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 많은 다른 변형들, 수정들 및 다른 이용이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명은 본원에서의 특정 개시 내용에 의해 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (14)

  1. DC 링크에 의해 공급되고 PWM 제어기에 의해 제어되는 다상 인버터에 의해 구동되는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치로서,
    상기 DC 링크 내의 센서와;
    상기 센서로부터의 출력을 얻음으로써 상기 DC 링크의 전류를 샘플링하는 제 1, 2 샘플링 수단과, 여기서 상기 제 1 샘플링 수단은 상기 다상 인버터의 제 1 스위칭 패턴에 대응하는 제 1 시간 주기 동안 상기 DC 링크의 전류의 제 1 샘플을 얻고, 상기 제 1 샘플을 저장하며, 상기 제 2 샘플링 수단은 상기 제 1 시간 주기 이후의 그리고 상기 다상 인버터의 제 2 스위칭 패턴에 대응하는 제 2 시간 주기 동안 상기 DC 링크의 전류의 제 2 샘플을 얻고, 상기 제 2 샘플을 저장하며; 그리고
    상기 제 1 시간 주기 이후의 시간 주기 동안 상기 제 1 샘플을 디지털 신호로 변환하고, 다음의 제 3 시간 주기 동안 상기 제 2 샘플을 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 샘플링 수단은 샘플 및 홀드 회로들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링 수단들은, 시간 주기 동안, 상기 샘플링 수단이 그 시간 주기에 대한 상기 DC 링크의 전류를 샘플링하고 상기 A/D 변환기가 이전 시간 주기에 대한 샘플을 디지털 값으로 변환시키도록 동작하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터는 3상 변조되는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 샘플링 수단들은, PWM 주기 동안, 상기 제 1 샘플링 수단이 샘플링하고, 상기 제 2 샘플링 수단이 2번 샘플링한 다음, 상기 제 1 샘플링 수단이 샘플링하도록, 연속적으로 샘플링하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터는 2상 변조되는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 샘플링 수단들은, PWM 주기 동안, 상기 제 1 샘플링 수단이 샘플링하고, 상기 제 2 샘플링 수단이 샘플링한 다음, 상기 제 1 샘플링 수단이 샘플링하도록, 연속적으로 샘플링하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 샘플링 수단들과 상기 A/D 변환기 사이에 배치되는 멀티플렉서 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서에 결합되는 멀티플렉서 회로를 더 포함하고,
    상기 제 1, 2 샘플링 수단은 상기 멀티플렉서로부터의 출력을 제공받고, 상기 A/D 변환기에 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 상기 DC 링크의 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 홀 효과 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 A/D 변환기는 상기 제 2 시간 주기 동안 상기 제 1 샘플을 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 A/D 변환기는 상기 제 3 시간 주기 동안 상기 제 2 샘플을 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 샘플 및 홀드 회로들 각각은 스위치 및 저장 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 부하의 위상 전류들을 재현하는 장치.
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