KR20080104877A - 모터 드라이버 시스템 및 모터 드라이버 보호방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터의 고속회전이나 과부하시 모터제어를 안정되게 하는 모터 드라이버 시스템 및 모터 드라이버 보호방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 모터 드라이버 시스템은 지령전압이 한계전압을 초과하지 않도록 하는 모터보호부와 지령전류가 한계전류를 초과하지 않도록 하는 전류제한부를 포함하여, 모터제어를 안정되게 한다.

모터, 전동기, 과부하, 제어, 보호

Description

모터 드라이버 시스템 및 모터 드라이버 보호방법{Motor Driver System and method for protecting motor drive}

도 1은 일반적인 전류각 제어방식에 따른 모터 드라이버 시스템의 블럭도,

도 2는 모터의 속도-토크 특성 그래프,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 드라이버 시스템에 관한 블럭도,

도 4는 전류와 전압한계선 그래프,

도 5는 본 발명의 일실시예로 지령전압이 한계전압을 추종하도록 하는 모터 드라이버 시스템의 블럭도,

도 6은 본 발명의 일실시예로 지령전류값이 한계전류를 초과하지 않도록 하는 모터 드라이버 시스템의 블럭도,

도 7은 도 6의 모터 드라이버 시스템의 제어방법의 흐름이 도시된 순서도,

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 드라이버 시스템의 블록도,

도 9와 도 10은 각각 본 발명의 일실시예에 따른 모터 드라이버의 제어방법의 흐름이 도시된 순서도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

820: 전류제한부 860: 모터보호부

본 발명은 모터의 고속회전이나 과부하시 모터제어를 안정되게 하는 모터 드라이버 시스템 및 모터 드라이버 보호방법에 관한 것이다.

모터제어는 모터의 회전자가 원하는 회전속도로 회전하게 한다. 즉, 모터 회전자의 회전속도를 관측하거나 추정하여 관측, 추정된 속도가 지령속도를 추종하도록 한다. 인버터 구동부는 지령속도에 따라 가변되는 지령전압에 따라 모터 구동용 3상 전압을 생성한다. 지령전압을 생성하기 위해서 지령전류가 생성되는 것이 일반적이다.

그러나, 모터의 고속회전 또는 과부하 시 상기 지령전류나 지령전압이 한계 이상의 값을 가질 수 있다. 이런 경우 모터의 제어가 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 지령전류각을 가변시켜 지령전압이 설정전압을 추종하도록 하여 상기 지령전압이 DC 전압원 한계를 초과하지 않도록 하는 데 있다.

또한, 지령전류각의 가변으로 지령전류값이 변경될 수 있는데 변경된 지령전류값이 한계전류값을 초과되지 않도록 한다. 또한, 지령전류각에 따라 상기 한계전류값을 변경시켜 고속이나 과부하시의 모터 제어 안정성을 향상시키는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터 드라이버 시스템은 모터 구동용 3상 전압을 모터로 인가하는 인버터, 모터의 속도가 지령속도를 추종하도록 지령전압을 생성해 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동부, 및 상기 지령전압의 크기인 지령전압값이 모터 구동용 전원의 전압값을 초과하지 않도록 상기 인버터 구동부를 제어하는 모터 보호부를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 모터 드라이버 시스템은 모터의 속도(ω)가 지령속도(ω^*)를 추종하도록 지령전류값(

)을 출력하는 속도제어부, 상기 지령전류값 및 기설정된 지령전류각값(θ^*)을 이용해 dq축 지령전류값(i_d ^*, i_q ^*)을 출력하는 지령전류발생부, 상기 모터의 dq축 전류(i_d, i_q)가 상기 dq축 지령전류값(i_d ^*, i_q ^*)을 추종하도록 지령전압(V_α ^*, V_β ^*)을 출력하는 지령전압발생부, 및 상기 지령전압의 크기인 지령전압값(V^*)이 설정전압(V_limit)보다 큰 경우 상기 지령전압값(V^*)이 설정전압(V_limit)을 추종하도록 지령전류각값(θ^*)을 가변시켜 상기 지령전류발생부로 전달하는 모터보호부를 포함한다.

한편, 본 발명에 따른 모터 드라이버 보호방법은 모터 속도가 지령속도를 추종하도록 지령전압을 생성하는 단계, 상기 지령전압을 감지하는 단계, 및 상기 지령전압의 크기인 지령전압값이 모터 구동용 전원의 전압값을 초과하지 않도록 상기 지령전압을 제어하는 단계를 포함한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

모터를 구동하는 드라이브에 있어서 성능 이외에 중요한 것이 안정성이다. 통상적인 동기 릴럭턴스 모터(Synchronous Reluctance Motor)는 모터제품 설계시에 실험치로 구한 최대토크를 내는 고유한 전류각 범위가 있다. 전류각(θ_i)은 모터에 인가된 전류를 측정하여 동기좌표계로 변환한 값인 i_d 와 i_q가 이루는 각도를 의미한다.(도 4의 θ₁,θ₂ 참조) 즉, 전류각(θ_i)과 동기좌표계상의 모터의 전류(i_d, i_q) 사이에는 수학식1과 같은 관계가 성립한다.

도 1은 일반적인 전류각 제어방식에 따라 모터를 구동하는 시스템의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 모터의 추정속도(

)가 지령속도(ω^*)를 추종하도록 지령전류값(

)을 출력하는 속도제어부(110)와, 지령전류값(

)과 지령전류각값(θ^*)을 이용하여 d축 지령전류값(i_d ^*)과 q축 지령전류값(i_q ^*)을 출력하는 지령전류발생부(130)와, 정지좌표계 αβ축 지령전압값 V_α ^*, V_β ^*를 출력하는 지령전압발생부(140)와, 직류전원으로부터 3상 전압을 발생시켜 모터를 구동하는 인버터(150)로 구성된다.

이때, 지령전류발생부(130)는 고정된 지령전류각값(θ^*)을 사용한다. 이 지 령전류각값은 정격속도에서 최대 효율을 발생시키는 값을 실험적으로 구해 속도나 부하에 관계없이 고정시켜 사용한다.

고정된 지령전류각값을 사용하는 상기 일반적인 제어방식은 속도나 부하에 관계없이 전류각이 일정하였다. 이로 인해 고속이나 과부하시 한계이상의 지령전압이나 지령전류값이 입력될 수도 있었다. 이 경우 그 부하를 감당하지 못해 속도제어가 불안정하게 되고 최악의 경우 모터나 드라이브가 소손될 수 있었다.

도 2는 팬 모터의 속도-토크 특성 그래프이다. 모터의 base 속도인 ω_b까지는 전압원 여유가 있어 모터가 최대 토크인 T_max까지 출력을 낼 수 있으나 ω_b 이상의 속도에서는 DC 전압원의 한계로 점차적으로 토크가 감소하게 된다. 즉 일반적인 전류각제어는 정격토크(T_nom)와 정격속도(ω_nom)에서의 전류각을 얻어 전속도 영역에서 고정하여 사용하였다. 이로 인해 토크가 감소하는 ω_b 속도이상인 부하점 P를 초과하는 영역에서는 한계 이상의 지령전압값을 모터에 인가함으로써 모터 제어가 불안정하였다. 왜냐하면, 전류각에 따라 지령전류가 결정되고, 지령전류에 따라 지령전압이 결정되기 때문이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지령전압값이 전압한계값을 초과되지 않도록 하는 모터보호부를 포함하는 모터 드라이버 시스템에 관한 블럭도이다.

속도제어부(310)는 지령속도(ω^*)와 추정속도(

)의 오차를 0이 되도록 하는 지령전류값(

)을 출력한다. 추정속도(

)는 센서리스 알고리즘 등에 의해 추정 된 값이다. 만일 Hall IC 등과 같은 센서를 통해 관측된 값이면 속도제어부(310)는 추정속도 대신 관측속도를 지령속도와 오차가 0이 되도록 하는 지령전류값을 출력한다. 지령전류발생부(330)는 속도제어부의 출력인 지령전류값(

)과 지령전류각값(θ^*)을 이용하여 d축 지령전류값(i_d ^*)과 q축 지령전류값(i_q ^*)을 출력한다. 상기 i_d ^*, i_q ^*와 감지된 실제 전류 i_d, i_q 와의 차이가 비교되어 지령전압발생부(340)에 입력된다. 지령전압발생부(340)는 이러한 차이에 대응하는 정지좌표계 αβ축 지령전압값 V_α ^*, V_β ^*를 출력한다. 인버터부(350)는 지령전압(V_α ^*, V_β ^*)을 입력받아 직류전원으로부터 3상 전압을 발생시켜 모터를 구동한다.

모터보호부(360)는 모터에 인가되는 전압(V^*)을 관측하여 그 전압이 DC 전압원 한계를 초과하는지 비교한다. DC 전압원 한계의 초과 여부는 모터에 인가되는 전압(V^*)이 미리 설정된 전압(V_limit)을 초과하는지 여부로 판단한다. 초과시, 모터보호부(360)는 지령전류각값(θ^*)을 가변시켜 지령전압이 설정전압(V_limit)을 추종하도록 한다. 모터에 인가되는 전압(V^*)은 지령전압발생부의 출력을 감지하여 구할 수 있다. 또는 수학식2에 따라 그 크기를 측정할 수 있다.

본 발명의 일실시예로, 모터보호부(360)는 지령전압(V^*)이 한계전압(V_limit)을 초과하면 지령전압이 한계전압을 추종하도록 도 4의 θ₁ ^*에서 θ₂ ^*로 지령전류각값을 증가시켜 도 4(전류와 전압한계선 그래프)의 한계전압곡선 내에 dq축 전류가 위치하게 한다. 즉, dq축 지령전류가 I₁ ^*에서 I₂ ^*로 변경된다. 이로써 모터에 인가되는 전압이 한계전압을 유지하면서 모터 제어가 안정되게 한다.

상기 지령전류각값(θ^*)이 제어할 수 있는 최대값을 넘게 되면 모터가 역전되거나 전류의 리플이 커져 제어가 불안정해 질 수 있다. 이에 지령전류각값은 최대임계각도를 넘지 말아야 한다. 최대임계각도는 모터의 특성 등에 따라 실험적으로 결정될 일이나, 일반적으로 83˚~93˚를 넘지 않는 것이 바람직하다. 모터보호부(360)는 지령전류각값이 디큐축 지령전류에서 리플이 발생하지 않는 범위에서 증가하게 한다.

도 5는 도 3의 모터보호부(360)의 일실시예로 지령전압이 한계전압에 추종되도록 하게 하는 블럭도이다. 고속이나 과부하가 발생하여 DC 전압 한계를 초과하는 경우 PI제어기(비례적분제어기)를 통해 지령전압(V^*)과 한계전압(V_limit)의 오차가 0이 되도록 지령전류각값을 증가시켜 모터인가전압은 최대가 되게 하여 제어의 안정 성을 높인다.

도 6은 지령전류값(

)이 설정전류 즉 한계전류(

)를 초과하지 않도록 하는 블럭도이며 도 7은 전류제한부의 동작방법의 일실시예에 따른 순서도이다.

한계전류(

)는 모터가 포화되어 더 이상 출력을 발생하지 못하는 전류 레벨을 말한다. 모터보호부(660)에서 전류각을 증가하면 모터에 인가되는 전류도 증가한다. 팬 모터와 같이 용량이 작을 경우에 전류가 일정값 이상이 인가되면 모터가 포화되어 더 이상 출력을 발생하지 못해 속도제어가 불안정해진다. 전류제한부(620)는 속도제어부(610)으로부터 지령전류값(

)을 입력받아 이를 전류한계값(

)과 그 크기를 비교한다(S710). 전류제한부(620)는 전류한계값을 초과하면 지령전류값(

)을 전류한계값으로 바꾸어(S720) 지령전류발생부(630)에 바뀐 지령전류값으로 전달한다. 만일, 한계전류값으로 바꾸지 않는 경우(S730), 기존 지령전류값이 그대로 유지된다. 지령전압발생부(640)는 입력된 지령전류에 따라 지령전압을 발생시키고, 인버터(650)는 그에 따라 모터 구동용 3상 전압을 생성하여 모터를 구동시킨다.

한편, 필요에 따라 전류각별 전류한계값을 미리 저장해놓고, 가변된 전류각에 따라 매번 전류한계값을 변경할 수도 있다.

도 8과 도 9는 지령전류각값(θ^*)에 따른 전류한계값(

)을 변경하는 모터 드라이버 시스템의 블럭도 및 제어방법의 순서도이다. 전류한계값은 모터가 포화되 어 더 이상 출력을 발생하지 못하는 전류 레벨 값을 말하는데, 전류각마다 전류한계값이 달라진다. 일반적으로 최적 전류각보다 더 큰 전류각에서 더 큰 포화전류레벨을 가진다. 즉, 전류각이 증가하면 전류도 증가하지만 전류한계값도 커진다. 이 원리를 이용하여 전류제한부(820)는 모터보호부(860)에서 지령전류각값(θ^*)을 입력받아, 지령전류값각(θ^*)이 증가되면 전류한계값(

)을 증가시키고 증가된 전류한계값까지 지령전류값(

)을 증가시켜 지령전류발생부(830)에 전달한다. 지령전압발생부(840)는 입력된 지령전류에 따라 인버터(850)로 지령전압을 생성하여 출력한다.

전류제한부(820)는 지령전류각값(θ^*)과 설정된 전류각값(θ_A)과 비교하여(S910), θ_A 이하에서는 정격속도-정격토크에서의 전류각에 따른 전류한계값(I_A)으로(S920), θ_A 이상에서는 I_A 보다는 늘어난 전류값(I_B)를 전류한계값으로(S930) 전류한계값(

)을 재설정한다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 모터 드라이버의 제어방법으로 한계전압이나 한계전류를 초과하지 않고 제어하는 것에 대한 순서도이다. 도 8을 참조한다.

모터보호부(860)는 지령전압값(V^*)을 감지하여(S1010) 그 크기를 한계전압(V_limit)과 비교한다(S1020). 시스템에 인가되는 전압에는 한계가 있으며, 그 한계 이상의 전압을 지령하면 모터 드라이버 시스템의 제어가 곤란해 지기 때문이다. 만 일 지령전압이 한계전압을 초과하면 지령전압을 한계전압 이하로 낮추어야 한다. 즉, 모터보호부(860)는 만일 지령전압값이 한계전압을 초과하면, 전류각(θ^*)의 크기를 조정하여 지령전압의 크기가 조정되도록 한다(S1030). 단 전류각을 너무 키워 한계각도 이상이 되면 회전이 역전되거나 제어가 곤란해지므로 임계각도(θ_limit) 이내이어야 한다. 따라서, 모터보호부(860)는 조정된 전류각을 미리 설정한 임계각도와 비교하여(S1040) 초과되었으면 전류각을 임계각도로 설정한다(S1050). 그러나, 임계각도 내인 경우 상기 조정된 전류각이 유지된다.

한계전류는 상기 전류각에 따라 그 크기가 달라진다. 만일, 전류각이 조정된 경우 그 전류각에 맞추어서 전류한계값을 재설정하면 최대출력을 낼 수 있다. 본 실시예에서는 미리 전류각별 전류한계값(I_A,I_B)을 저장하고, 상기 조정 또는 유지된 전류각의 지정된 전류각(θ_A)의 전류각값에 따라 전류한계값이 결정되도록 한다.

본 실시예의 경우 조정 또는 유지된 전류각이 Q_A이하일 경우, 전류한계값이 I_A가 되도록, 그리고 Q_A 초과일 경우 I_B가 되도록 저장해 놓았다. 이 경우, 전류제한부(820)는 조정 또는 유지된 전류각이 저장된 전류각 Q_A를 초과하는지 확인한다.(S1060)

초과하는 경우, 전류제한부(820)는 전류합계값을 I_B로 한다(S1075).

이하인 경우 전류한계값은 I_A이다(S1070).

그 후, 전류제한부(820)는 지정전류값이 상기 전류한계값을 초과하는지 확인한다.(S1080)

초과한다면 전류제한부(820)는 지령전류값을 전류한계값으로 변경한다.(S1090) 그러나, 그렇지 않은 경우 지령전류값은 그대로 유지한다.

지령전류값이 한계전류를 초과하는 경우 역시 제어가 불안정해지거나 곤란할 수 있다. 이에 전류제한부(820)는 지령전류값을 한계전류값과 비교하여(S1080) 한계전류를 초과하면 지령전류값을 한계전류값으로 변경한다(S1080).

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 모터에 인가되는 전압을 관측하여 한계전압을 초과하는 경우 전류각을 증가시키고 전류각에 따라 지령전류값을 변경시켜 고속이나 과부하에서의 모터 제어 안정성이 향상되게 한다.

또한 모터에 인가되는 전압이나 전류를 드라이브에서 제공할 수 있는 최대값들을 이용할 수 있게 하여 드라이브의 성능이 향상되게 한다.

Claims (17)

1. 모터 구동용 3상 전압을 모터로 인가하는 인버터;

   모터의 속도가 지령속도를 추종하도록 지령전압을 생성해 상기 인버터로 출력하는 인버터 구동부; 및

   상기 지령전압의 크기인 지령전압값이 모터 구동용 전원의 전압값을 초과하지 않도록 상기 인버터 구동부를 제어하는 모터 보호부를 포함하여 구성되는 모터 드라이버 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 인버터 구동부는 상기 모터의 속도가 지령속도를 추종하도록 지령전류값을 생성하는 속도제어부;

   상기 지령전류값과 지령전류각값을 이용해 디큐측 지령전류를 생성하는 지령전류 발생부; 및

   상기 모터의 디큐축 전류가 상기 디큐축 지령전류를 추종하도록 지령전압을 생성하는 지령전압 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 모터 보호부는 상기 지령전압값이 상기 모터 구동용 전원의 전압값보다 작지 아니한 경우 상기 지령전류 발생부의 지령전류각값을 가변하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 모터 보호부는 상기 지령전류각값을 상기 디큐축 지령전류에서 리플이 발생하지 않는 범위에서 증가하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 지령전류의 크기인 지령전류값의 한계값을 생성하여 상기 지령전류 발생부로 출력하는 전류제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 전류제한부에서 생성되는 지령전류값의 한계값을 상기 모터 보호부의 지령전류값에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
7. 모터의 속도(ω)가 지령속도(ω^*)를 추종하도록 지령전류값(

   

   )을 출력하는 속도제어부;

   상기 지령전류값 및 기설정된 지령전류각값(θ^*)을 이용해 디큐축 지령전류 값(i_d ^*, i_q ^*)을 출력하는 지령전류발생부;

   상기 모터의 디큐축 전류(i_d, i_q)가 상기 디큐축 지령전류값(i_d ^*, i_q ^*)을 추종하도록 지령전압(V_α ^*, V_β ^*)을 출력하는 지령전압발생부; 및

   상기 지령전압의 크기인 지령전압값(V^*)이 설정전압(V_limit)보다 큰 경우 상기 지령전압값(V^*)이 설정전압(V_limit)을 추종하도록 지령전류각값(θ^*)을 가변시켜 상기 지령전류발생부로 전달하는 모터 보호부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 모터보호부는 상기 지령전류각값(θ^*)을 임계각도 범위 내에 있도록 하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 지령전류값을 입력받아 상기 지령전류값이 설정된 전류한계값을 초과하는 경우, 지령전류값을 전류한계값으로 조정하여 상기 조정된 지령전류값을 지령전류발생부로 전달하는 전류제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 전류제한부는 상기 모터보호부로부터 상기 지령전류각값을 입력받아 지령전류각값에 따른 전류한계값을 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 전류제한부는 상기 모터보호부로부터 상기 지령전류각값을 입력받아 설정전류각(θ_A)과 비교하여 그 초과 여부에 따라 전류한계값을 다르게 하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
12. 모터 속도가 지령속도를 추종하도록 지령전압을 생성하는 단계;

    상기 지령전압을 감지하는 단계; 및

    상기 지령전압의 크기인 지령전압값이 모터 구동용 전원의 전압값을 초과하지 않도록 상기 지령전압을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 제어방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 지령전압 제어단계는 지령전류각값을 증가시키는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 제어방법.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 지령전류각값은 최대 임계각도를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 제어방법.
15. 제 13 항에 있어서,

    상기 지령전류각값이 증가됨에 따라 지령전류값이 증가되어 전류한계값을 초과하는 경우 전류한계값으로 지령전류값을 조정하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 제어방법.
16. 제 15 항에 있어서,

    상기 지령전류각값에 따라 전류한계값을 변경하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 제어방법.
17. 제 15 항에 있어서,

    상기 지령전류각값과 설정 전류각을 비교하여 그 크기에 따라 전류한계값을 다르게 하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 제어방법.

Images