KR20100010528A - 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및보상방법 - Google Patents

영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및보상방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및 보상방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, PWM(Pulse Width Modulation)인버터로 영구자석 동기 전동기(PMSM)를 구동시킴에 있어 PWM인버터의 데드타임(dead time)과 전력용 반도체 스위치의 비선형적 동작 특성에 의해 발생되는 출력전압의 왜곡을 보상할 수 있는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및 보상방법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, PWM인버터(40)의 데드타임 및 비선형적 동작 특성에 의해 발생되는 PWM인버터(40)의 출력오차를 보상하기 위한 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상방법에 있어서, 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 회전자 위치(
Figure 112008052756478-PAT00001
) 정보로부터 2상 정지좌표계의 단위 역기전력 벡터(
Figure 112008052756478-PAT00002
)을 획득하는 단계(S210); 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00003
)에 대한 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 회전자 위치(
Figure 112008052756478-PAT00004
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00005
)을 획득하는 단계(S220); 영구자석 동기 전동기(PMSM)에 인가되는 2상 정지좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00006
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00007
,
Figure 112008052756478-PAT00008
)을 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00009
)에 대하여 산출하고, 산출한 전류 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00010
,
Figure 112008052756478-PAT00011
)과 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00012
)으로부터 2상 정지좌표계의 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00013
)을 획득하는 단계(S230); 상기 획득한 단위 역기전력 벡터(
Figure 112008052756478-PAT00014
), 회전자 위치(
Figure 112008052756478-PAT00015
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00016
) 및 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00017
)으로부터 PWM인버터(40)의 출력 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00018
)를 획득하는 단계(S240); 2상 동기회전좌표계 상의 인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00019
)에 상기 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00020
)을 가산하는 단계(S260);를 포함하여 이루어진다.
데드타임 보상, dead time compensation, 영구자석 동기 전동기, PMSM, PWM, 인버터

Description

영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및 보상방법{Dead-time Compensator and Method for Permanent Magnet Synchronous Drives}
본 발명은 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및 보상방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, PWM(Pulse Width Modulation)인버터로 영구자석 동기 전동기(PMSM)를 구동시킴에 있어 PWM인버터의 데드타임(dead time)과 전력용 반도체 스위치의 비선형적 동작 특성에 의해 발생되는 출력전압의 왜곡을 보상할 수 있는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및 보상방법에 관한 것이다.
PWM(PWM: Pulse Width Modulation) 전압형 인버터(VSI: Voltage Stiff Inverter)는 고효율 및 고성능 특성을 갖는 영구자석 동기전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동제어장치에 일반적으로 채용되고 있다.
도 1은 일반적인 영구자석 동기 전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동제어장치의 블록구성도이다.
상기 도 1을 참조하면, 영구자석 동기전동기 구동제어장치는, 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 회전자(rotor)의 회전 각 위치(
Figure 112008052756478-PAT00021
, rotor electrical position)를 검출하는 엔코더(50)와; 영구자석 동기 전동기(PMSM)에 인가되는 3상 정지좌표계 전류를 검출하여(
Figure 112008052756478-PAT00022
및
Figure 112008052756478-PAT00023
, 전류검출기(72)에 의해 검출됨) 2상 정지좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00024
)로 변환하는 3상정지/2상정지좌표변환부(71)와; 2상 정지좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00025
)를 2상 동기회전좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00026
)로 변환하는 정지/회전좌표변환부(70)와; 동기회전좌표계의 기준 전류신호(
Figure 112008052756478-PAT00027
)에서 상기 변환한 2상 동기회전좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00028
)를 감산한(감산기(11)에 의해 감산됨) 전류를 입력받아 2상 동기회전좌표계의 기준 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00029
)을 출력하는 전류제어기(10)와; 영구자석에 의해 q-축에 유기되는 역기전력과, 고정자 인덕턴스에 의해 d,q-축 전류의 상호 간섭으로 유기되는 기전력을 전향보상하기 위한 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00030
)을, 상기 2상 동기회전좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00031
)와 상기 각 위치(
Figure 112008052756478-PAT00032
)의 각속도(
Figure 112008052756478-PAT00033
)를 이용하여 산출하는 비간섭제어항생성부(60)와; 상기 2상 동기회전좌표계 기준 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00034
)에 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00035
)을 가산하여 얻는 2상 동기회전좌표계 상의 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00036
)을 2상 정지좌표계의 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00037
)으로 변환하는 회전/정지좌표변환부(20)와; 상기 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00038
)에 따라 3상 전압지령신호(
Figure 112008052756478-PAT00039
)를 생성하여 PWM인버터(40)에 전달하는 PWM신호발생부(30)와; 3상 전압지령신 호(
Figure 112008052756478-PAT00040
)에 따라 전력용 반도체 스위치 소자를 턴온 및 턴오프하여 영구자석 동기 전동기(PMSM)에 전기를 인가하는 PWM인버터(40);를 포함하여 구성된다.
그리고, 도 2는 동기회전좌표계 상에서 데드타임 및 인버터 비선형 동작특성에 의한 인버터의 출력전압 오차를 고려하여 영구자석 동기 전동기의 전향보상(feed-forward compensation) 비간섭(de-coupling) 전류제어 흐름도를 도시한 간략 구성도이다.
상기 도 1과 도 2를 참조하면 동기 전동기(PMSM)에서 발생하는 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00041
)은 전향보상되지만, PWM인버터(40)의 데드타임 및 스위칭 소자의 비선형 특성에 따른 왜곡은 보상되지 못함을 알 수 있다.
일반적으로, 상기한 전압형 PWM 인버터(40, PWM-VSI)는 출력 파형의 기본파 성분을 증가시키고 또한 고조파 성분을 감소시키기 위하여 고주파 스위칭 소자를 채택하며, 또한 브리지(bridge) 회로로 구성되는 전력용 반도체 스위치 소자들이 각각 턴온(turn-on) 및 턴오프(turn-off) 동작할 때에는 단락을 방지하기 위하여 스위칭 신호에 지연 시간(일명 데드타임 : dead time)을 갖게 한다. 또한 전력용 반도체 스위치 소자들은, 부하조건 및 온도환경 등 전동기 운전조건 및 환경의 영향에 따라 스위칭 지연시간(switching delay time)이 변하고 스위치 및 환류다이오드(freewheeling diode)의 전압강하(voltage drop)의 크기가 변하여, 비선형 특성을 가지고 있다.
하지만, 상기한 데드타임과 인버터의 비선형 특성은 전압형 PWM 인버터의 3상 고정좌표계 출력 전압의 크기의 왜곡과 고조파 왜곡(일명 데드타임 효과: dead-time effects)을 동반하게 하며, 결과적으로 모터에 공급되는 전류의 왜곡 및 토크의 맥동을 발생시키는 문제점이 있었다. 더욱이, 이러한 인버터 출력전압 왜곡은 고성능 또는 센서리스(position sensorless) 제어를 목적으로 전동기 구동제어 응용의 경우에, 자속, 회전자 위치 또는 회전자 속도를 추정하는 추정장치에 심각한 질적 저하를 유발함으로써 전동기 구동제어장치의 전반적인 제어 성능을 저감시킬 수 있다.
이러한 데드타임 효과를 보상하기 위하여, 종래에는 인버터 출력전압 평균 오차값 기반하는 방법("On-Line Dead-Time Compensation Technique for Open-Loop PWM-VSI Drives," IEEE Trans. Power Electronics, vol. 14, pp.683-689, July 1999) 및 PWM 펄스를 기반으로 하는 방법("Pulse-Based Dead-Time Compensation for PWM Voltage Inverters," IEEE Trans. Industrial Electronics, vol. 44, pp.191-197, Apr. 1997)과 이러한 방법들에서 파생된 보상 기술들이 주로 제시되었다.
하지만, 이들 방법들은 전동기 상전류의 극성에 의존하여 보상하는 기술로서, 전류의 극성 검출이 정확해야만 보상이 제대로 이루어 질 수 있다. 그러나 전류의 제로 크로싱(zero-crossing) 부근에서는 고속의 PWM 스위칭에 의한 고주파 전류 맥동이 존재하기 때문에 전류의 극성을 정확히 검출하기 위하여 복잡한 소프트웨어 혹은 하드웨어 구성이 필요한 문제가 있었다. 더욱이, 상기 종래기술들은 전 동기의 운전 조건에 따라 변하는 스위칭 지연시간(switching delay time), 스위치 및 환류다이오드(freewheeling diode)의 전압강하(voltage drop) 등이 변하는 인버터의 비선형 요소를 정확히 고려할 수 없기 때문에 데드타임 보상을 정확하게 하지 못하는 단점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은, 인버터의 데드타임과 비선형 특성에 기인하는 전류 왜곡을 보상하되 간단한 구성으로 이루어져 용이하게 적용할 수 있는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및 보상방법를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, PWM인버터(40)의 데드타임 및 비선형적 동작 특성에 의해 발생되는 PWM인버터(40)의 출력오차를 보상하기 위한 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상방법에 있어서, 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 회전자 위치(
Figure 112008052756478-PAT00042
) 정보로부터 2상 정지좌표계의 단위 역기전력 벡터(
Figure 112008052756478-PAT00043
)을 획득하는 단계(S210); 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00044
)에 대한 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 회전자 위치(
Figure 112008052756478-PAT00045
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00046
)을 획득하는 단계(S220); 영구자석 동기 전동기(PMSM)에 인가되는 2상 정지좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00047
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00048
,
Figure 112008052756478-PAT00049
)을 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00050
)에 대하여 산출하고, 산출한 전류 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00051
,
Figure 112008052756478-PAT00052
)과 2상 정지좌표계 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00053
)을 이용하여 2상 정지좌표계의 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00054
)을 획득하는 단계(S230); 상기 획득한 단위 역기전력 벡터(
Figure 112008052756478-PAT00055
), 회전자 위치(
Figure 112008052756478-PAT00056
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00057
) 및 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00058
)으로부터 PWM인버터(40)의 출력 오차전 압(
Figure 112008052756478-PAT00059
)를 획득하는 단계(S240); 2상 동기회전좌표계 상의 PWM인버터(40) 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00060
)에 상기 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00061
)을 포함되게 하는 단계(S260);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한 본 발명은, 영구자석 동기 전동기 구동제어장치에 결합되어, PWM인버터(40)의 데드타임 및 비선형적 동작 특성에 의해 발생되는 PWM인버터(40)의 출력오차를 보상하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기에 있어서,
회전자의 전기각 위치(
Figure 112008052756478-PAT00062
)을 입력받아 2상 정지좌표계의 단위 역기전력벡터(
Figure 112008052756478-PAT00063
)를 획득하는 단위역기전력벡터연산부(120); 회전자의 전기각 위치(
Figure 112008052756478-PAT00064
)를 입력받아 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00065
)에 대한 회전자 위치 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00066
)을 획득하는 회전자위치증가분연산부(130); 영구자석 동기 전동기(PMSM)에 인가되는 고정자 전류의 2상 정지좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00067
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00068
,
Figure 112008052756478-PAT00069
)을 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00070
)에 대하여 산출하고, 전류 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00071
,
Figure 112008052756478-PAT00072
)과 2상 정지좌표계 인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00073
)으로부터 2상 정지좌표계의 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00074
)을 획득하는 고정자쇄교자속증가분연산부(110); 상기 구성들(110, 120, 130)에서 각각 획득한 단위 역기전력벡터(
Figure 112008052756478-PAT00075
), 회전자 위치 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00076
) 및 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00077
)을 입력받아 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00078
)을 획득하는 인버터오차전압연산부(140); 상기 획득한 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00079
)을 저역신호만을 통과시켜 필터링된 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00080
)을 출력하는 저역통과필터(150);를 포함하는 오차전압추정부(100)와;
상기 필터링된 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00081
)을 2상 동기회전좌표계의 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00082
)에 포함하도록 가산하는 가산기(22);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
따라서, 상기 설명한 바와 같이 본 발명은, 보상 방식이 전동기의 상전류의 극성에 의존하지 아니하고, 동기 전동기에 공급되는 전류와 동기 전동기의 회전자 각 위치를 검출하여 왜곡 전류를 보상하므로, 제로 크로싱 범위의 전류 데이터를 측정하는 복잡한 구성이 필요 없다.
또한, 본 발명은, 인버터 출력전압의 오차를 추정할 시에 데드타임과 인버터의 비선형 동작특성이 충분히 반영된 상전류 값을 이용하기 때문에 데드타임 및 인버터 비선형 특성에 기인한 영향을 효과적으로 보상할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
먼저, 일반적인 영구자석 동기 전동기의 전향보상 비간섭 전류제어 흐름도를 도시한 도 2를 참조하여, 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 전압방정식을 동기회전좌표계 형식(synchronous reference frame)으로 표현하면 다음의 <식1>과 같이 정의된다. 이와 같은 <식1>의 전압방정식은, d-축 전류(자속분 전류 신호)와 q-축 전류(토크분 전류 신호)를 입력으로 하여 dq-축 전압을 정의한 것으로서, 당업자에게 자명한 기술이므로 본 발명의 설명에서는 간략하게 기술한다.
<식1>
Figure 112008052756478-PAT00083
여기서, 위첨자 'e'는 2상 동기회전좌표계 상의 값을 표시하는 것이며, 상기 도 2 및 <식1>의 각 물리량을 정의하면 다음과 같다.
Figure 112008052756478-PAT00084
: PWM인버터 출력 지령전압벡터(d-축전압, q-축전압)
Figure 112008052756478-PAT00085
: 고정자의 기준 전류벡터
Figure 112008052756478-PAT00086
: 고정자의 전류벡터(d-축전류, q-축전류)
Figure 112008052756478-PAT00087
: 미분 연산자
Figure 112008052756478-PAT00088
,
Figure 112008052756478-PAT00089
: 고정자 인덕턴스(inductance), 저항(resistance)
Figure 112008052756478-PAT00090
,
Figure 112008052756478-PAT00091
: 회전자의 전기적 각위치, 각속도
Figure 112008052756478-PAT00092
: 회전자 쇄교자속
Figure 112008052756478-PAT00093
: 데드타임에 의한 인버터 출력전압의 오차전압벡터(d-축전압, q-축전압)
Figure 112008052756478-PAT00094
: 역기전력벡터
상기 도 2을 살펴보면, PWM인버터(40)에서는 데드타임 및 인버터의 비선형 동작 특성에 의해 왜곡된 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00095
)이 발생하고, 전류제어기(10)의 출력전압(
Figure 112008052756478-PAT00096
)에 전향보상 비간섭(de-coupling) 제어전압(
Figure 112008052756478-PAT00097
)를 더하여 상기 <식1>의 각 축의 전압방정식에서 확인할 수 있는 회전자의 각속도(
Figure 112008052756478-PAT00098
)와 상전류(
Figure 112008052756478-PAT00099
)에 의한 간섭항(coupling term)을 보상함으로써 각 축 전류제어기(10)의 벡터제어 성능을 얻을 수 있다.
본 발명은 상기 PWM인버터(40)의 데드타임과 인버터의 비선형 동작특성에 의해 발생되는 인버터의 출력 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00100
)을 보상하기 위한 것으로, 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00101
)을 추정하고 추정한 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00102
) 값에 의해 보상된 PWM인버터 출력의 지령전압벡터(
Figure 112008052756478-PAT00103
)를 생성하도록 구성된다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 하기의 도 3 및 도 4를 설명함에 앞서, 본 발명의 실시예에 따른 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00104
)의 추정 방정식을 상세히 설명한다.
오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00105
)은 회전자의 전기적 위치(
Figure 112008052756478-PAT00106
)에 의존적이므로 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00107
)을 추정하기 위한 전동기의 전압방정식은 회전자 위치(
Figure 112008052756478-PAT00108
) 정보를 충분히 포함하는 2상 정지좌표계 형식의 전압방정식(stationary model equation)으로 표현되어야 한다. 2상 정지좌표계 형식의 전압방정식은 상기 <식1>의 파크변환(Park's Transformation)으로부터 구할 수 있으며 <식2>와 같이 표현될 수 있다.
<식2>
Figure 112008052756478-PAT00109
여기서, 위첨자 's'는 정지좌표계(Stationary Coordinate) 상의 값을 표시하고, 'p'는 미분연산자를 의미하고, 'P'는 정지좌표계 변수를 동기회전좌표계 변수로 변환하는 파크(Park) 행렬을 나타내며 상기 'P'와 그의 역행렬은 다음 <식3>과 같다.
<식3>
Figure 112008052756478-PAT00110
,
Figure 112008052756478-PAT00111
그리고, 파크행렬(P)에 따라 상기 <식2>의 각 물리량을 정의하면 다음과 같다.
Figure 112008052756478-PAT00112
: 2상 정지좌표계에서의 PWM인버터 출력 지령전압벡터(d-축전압, q-축전압)
Figure 112008052756478-PAT00113
: 2상 정지좌표계에서의 고정자 전류벡터(d-축전류, q-축전류
Figure 112008052756478-PAT00114
:
Figure 112008052756478-PAT00115
에 대한 단위 역기전력벡터
또한, 샘플링 주파수(sampling frequency)가 충분히 큰 이산시스템(discrete system)이라 가정하면, <식2>는 이산신호방정식(difference equation)을 얻을 수 있으며, 이러한 이산신호방정식을 이용하여 고정자 쇄교자속의 증가분(increment of stator flux linkage)을 d-축 및 q-축 성분으로 나타내면 하기의 <식4,5>를 얻을 수 있다.
<식4>
Figure 112008052756478-PAT00116
<식5>
Figure 112008052756478-PAT00117
상기 <식4,5>에서
Figure 112008052756478-PAT00118
는 샘플링 주기(sampling period)이고, Δ는 단위 샘플링주기
Figure 112008052756478-PAT00119
동안에 발생되는 해당 물리량의 증가분을 의미하는 연산자이며,
Figure 112008052756478-PAT00120
및
Figure 112008052756478-PAT00121
는 동기회전좌표계 상의 d-축 및 q-축의 인버터 출력전압의 오차 추정값을 나타낸다.
상기 <식5>의 연립방정식을 풀어
Figure 112008052756478-PAT00122
및
Figure 112008052756478-PAT00123
의 방정식을 얻는 과정은 다음과 같다. 먼저, d-축 성분에
Figure 112008052756478-PAT00124
를 곱하고 q-축 성분에
Figure 112008052756478-PAT00125
를 곱한 후에 d-축 성분에서 q-축 성분을 감산하면, 하기의 <식6>을 얻을 수 있고, 또한 상기 <식5>에서 d-축 성분에
Figure 112008052756478-PAT00126
를 곱하고 q-축 성분에
Figure 112008052756478-PAT00127
를 곱한 후에 d-축 성분에 q-축 성분을 가산하면 하기의 <식7>을 얻을 수 있다.
<식6>
Figure 112008052756478-PAT00128
<식7>
Figure 112008052756478-PAT00129
결국,
Figure 112008052756478-PAT00130
임을 이용하여 상기 <식6,7>을 각각 추정 오차전압
Figure 112008052756478-PAT00131
및
Figure 112008052756478-PAT00132
로 정리하면 하기의 <식8>을 얻을 수 있다.
<식8>
Figure 112008052756478-PAT00133
상기 <식8>에 있어서, 벡터연산자(x)는 외적(outer product)을, 벡터연산자(·)는 내적(inner product)를 나타낸다.
상기 <식8>과 같이 추정한 동기회전좌표계의 인버터 출력 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00134
)은 실제에는 전류 검출부(72)에서 전류를 검출할 때 발생되는 측정 잡음이 상기 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00135
)의 산출과정에서 증폭되어 출력되는 것을 방지하기 위하여, 상기 산출한 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00136
)을 저역통과필터(LPF: Low Pass Filter)로 필터링하므로써 데드타임 및 인버터 비선형성을 보상할 수 있는 하기 <식9>와 같은 보상 전압을 구하는 것이 바람직하다.
<식9>
Figure 112008052756478-PAT00137
상기에서 설명한 본 발명의 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00138
) 추정 방정식(식8)과 저역통과필터(LPF)를 포함하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기 및 이를 이용한 보상방법을 하기의 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 데드타임 보상기의 구성 중에 오차전압추정부(100)의 블록구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 데드타임 보상기를 포함하여 구성되는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 블록구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 데드타임 보상방법의 순서도이다.
상기 도 3을 참조하면, 오차전압추정부(100)는 2상 정지좌표계의 실측 고정자 전류(
Figure 112008052756478-PAT00139
)와 인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00140
)과 회전자의 위치(
Figure 112008052756478-PAT00141
)를 입력받아 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00142
)을 추정하여 저역통과필터링하여 출력한다. 이를 위해 상기 오차전압추정부(100)는, 상기에서 설명한 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00143
) 추정 방정식(식8)을 구현하기 위한 고정자쇄교자속증가분연산부(110), 단위역기전력벡터연산부(120), 회전자위치증가분연산부(130) 및 인버터오차전압연산부(140)와; 측정 잡음을 제거하기 위한 저역통과필터(150, LPF)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기는 상기 오차전압추정부(100)와, 상기 오차전압추정부(100)에서 출력되는 필터링된 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00144
)을 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00145
)에 가산하는 가산기(22)를 포함하여 구성된다.
이를 상기 <식4>, <식8> 및 <식9>를 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 단위역기전력벡터연산부(120)는 회전자의 전기각 위치(
Figure 112008052756478-PAT00146
)을 입력받아 다음 식에 따라 2상 정지좌표계의 단위 역기전력벡터(
Figure 112008052756478-PAT00147
)를 계산한다(S210).
Figure 112008052756478-PAT00148
상기 회전자위치증가분연산부(130)는 회전자의 전기각 위치(
Figure 112008052756478-PAT00149
)을 입력받아 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00150
)에 대한 회전자 위치 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00151
)을 계산한다(S220).
상기 고정자쇄교자속증가분연산부(110)는 영구자석 동기 전동기(PMSM)에 인가되는 고정자 전류의 2상 정지좌표계 전류(
Figure 112008052756478-PAT00152
)의 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00153
,
Figure 112008052756478-PAT00154
)을 단위 샘플링 주기(
Figure 112008052756478-PAT00155
)에 대하여 산출하고, 산출한 전류 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00156
,
Figure 112008052756478-PAT00157
)과 인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00158
)으로부터 2상 정지좌표계의 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00159
)을 다음 식에 따라 계산한다(S230).
Figure 112008052756478-PAT00160
상기 인버터오차전압연산부(140)는, 상기 구성들(110, 120, 130)에서 각각 계산한 단위 역기전력벡터(
Figure 112008052756478-PAT00161
), 회전자 위치 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00162
) 및 고정자 쇄교자속 증가분(
Figure 112008052756478-PAT00163
)을 입력받아 다음 식에 따라 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00164
)을 계산한다(S240).
Figure 112008052756478-PAT00165
그리고, 상기 저역통과필터(150)는 상기 계산한 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00166
)를 저역신호만을 통과시켜 잡음이 제거된 필터링된 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00167
)을 출력한다(S250).
다음으로 상기 오차전압추정부(100)의 저역통과필터(150)에서 출력되는 필터링된 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00168
)은 가산기(22)에 의해 비간섭제어항생성부(60)의 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00169
)에 더해지게 되므로, 필터링된 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00170
)과 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00171
)이 가산기(21)에 의해 2상 동기회전좌표계 기준 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00172
)에 더해져 2상 동기회전좌표계의 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00173
)이 생성되는 것이다(S260).
본 발명의 실시예에 따라 생성되는 상기 2상 동기회전좌표계의 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00174
)에 대해 구체적으로 설명하면, 영구자석에 의해 q-축에 유기되는 역기전력은
Figure 112008052756478-PAT00175
이고, 고정자 인덕턴스에 의해 d,q-축 전류의 상호 간 섭으로 나타나는 기전력을 포함하는 상호 간섭항은
Figure 112008052756478-PAT00176
이므로, 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00177
)는
Figure 112008052756478-PAT00178
가 된다.
따라서, 상기 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00179
)에 추정 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00180
)이 더해져 생성되는 수정된 비간섭 제어 성분전압(
Figure 112008052756478-PAT00181
)은 가산기(21)에서 의해 전류제어기(10)의 출력 전압(
Figure 112008052756478-PAT00182
)에 더해지므로, 동기회전좌표계의 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00183
)은 하기 <식10>과 같이 이루어진다.
<식10>
Figure 112008052756478-PAT00184
그리고, 상기 <식10>으로 이루어지는 PWM인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00185
)이 회전/정지좌표변환부(20)에서 2상 정지좌표계의 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00186
)으로 변환된 후에 PWM신호발생부(30)에 입력되어 3상의 인버터 출력 지령전압이 출력되므로서, PWM인버터(40)의 스위칭 동작에 따른 데드타임(dead time) 및 비선형 동작특성에 의해 발생하는 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00187
)을 보상할 수 있게 된다.
상기 도 1 및 도 3에서는 엔코더(50)로 회전자의 전기각 위치(
Figure 112008052756478-PAT00188
)를 측정하 는 것으로 도시하였으나, 본 발명은 엔코더(50)를 구비하지 않는 센서리스 구동제어장치에도 적용될 수 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명은 그 적용할 수 있는 구동제어장치가 상기 도 1에 도시된 영구자석 동기 전동기의 구동제어장치에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예에서 설명하였듯이 2상 정지좌표계의 실측 전류(
Figure 112008052756478-PAT00189
)와 인버터 출력 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00190
)과 회전자의 위치(
Figure 112008052756478-PAT00191
)를 입력받아 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00192
)을 추정하여 추정한 오차전압을 2상 동기회전좌표계의 고정자 지령전압(
Figure 112008052756478-PAT00193
)에 가산하도록 구성되는 것임에 유의해야 한다.
도 6은 본 발명의 실시예를 적용하여 얻은 구체적인 실험결과이다.
도 6a와 도 6b는, 각각 데드타임(dead time)을 보상하기 전과 보상한 후의 실험결과를 나타내며, 실험조건은 영구자석 동기 전동기는 정격 750W, 인버터에 공급되는 직류전압(dc-link voltage)은 310V, PWM의 펄스 주기는 66㎲, 데드타임(dead time)은 3㎲, 고정자 전류는 3A, 회전자 각속도는 200r/min(전기적으로 10Hz), 보상을 위한 샘플링 주기는 33㎲로 하였다.
상기 도 6a를 살펴보면, 정지좌표계의 dq-축 전류는 x-y 좌표에 도시한 바와 같이 데드타임에 의한 왜곡으로 인하여 육각형(hexagonal) 형태를 이루고, a상 전류(a-phase current)와 동기회전좌표계의 dq-축 전류(d-axis current, q-axis current)에는 리플(ripple)이 심하게 발생함을 알 수 있다. 이와 같은 리플 성분에 의해 왜곡된 a상 전류의 주파수 성분을 분석한 결과를 살펴보면 5차 및 7차 고조파 성분(5th harmonics, 7th harmonics)이 기본파 성분(fundamental component)과 비교하여 심하게 나타남을 알 수 있다.
반면에 데드타임을 보상한 후의 도 6b를 살펴보면, 정지좌표계의 dq-축 전류는 x-y 좌표에 도시한 바와 같이 정현파 형태를 이루고, a상 전류(a-phase current)와 동기회전좌표계의 dq-축 전류(d-axis current, q-axis current)에서 리플 성분이 상기 도 6a에 비해 현저하게 감소하였음을 알 수 있다. 그리고, a상 전류 주파수 성분을 분석한 결과에 따르면, 5차 및 7차 고조파 성분이 대략 20dB만큼 감소하였음을 확인할 수 있었다.
그리고, 도 6c는 오차전압추정부(100)에서 추정된 동기회전좌표계의 왜곡전압(
Figure 112008052756478-PAT00194
)의 측정값을 나타내는 도면이다. 상기 도 6c를 살펴보면 왜곡에 의한 dq-축 오차전압의 크기는 대략 20V임을 알 수 있고, dq-축 오차전압을 종래기술("On-Line Dead-Time Compensation Technique for Open-Loop PWM-VSI Drives," IEEE Trans. Power Electronics, vol. 14, pp.683-689, July 1999)에 따라 이론적으로 계산하면 19.5V이므로, 본 발명에 따라 추정되는 오차전압(
Figure 112008052756478-PAT00195
)은 이론값에 매우 근접하게 됨을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
도 1은 일반적인 영구자석 동기전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor) 구동제어장치의 블록구성도.
도 2는 상기 도 1에 있어서 영구자석 동기 전동기의 전향보상(feed-forward compensation) 비간섭(de-coupling) 전류제어 흐름도를 도시한 간략 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 데드타임 보상기의 구성 중에 오차전압추정부(100)의 블록구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 데드타임 보상기를 포함하여 구성되는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 블록구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 데드타임 보상방법의 순서도.
도 6은 본 발명의 실시예를 적용하여 얻은 구체적인 실험결과.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 전류제어기 11 : 감산기
20 : 회전/정지좌표변환부 21 : 가산기
22 : 가산기 30 : PWM신호발생부
40 : PWM인버터 50 : 엔코더
60 : 비간섭제어항생성부 70 : 정지/회전좌표변환부
71 : 3상정지/2상정지좌표변환부
100 : 오차전압추정부
110 : 고정자쇄교자속증가분연산부
120 : 단위역기전력벡터연산부
130 : 회전자위치증가분연산부
140 : 인버터오차전압연산부
150 : 저역통과필터

Claims (5)

  1. PWM인버터(40)의 데드타임 및 비선형적 동작 특성에 의해 발생되는 PWM인버터(40)의 출력오차를 보상하기 위한 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상방법에 있어서,
    영구자석 동기 전동기(PMSM)의 회전자 위치(
    Figure 112008052756478-PAT00196
    ) 정보로부터 2상 정지좌표계의 단위 역기전력 벡터(
    Figure 112008052756478-PAT00197
    )을 획득하는 단계(S210);
    단위 샘플링 주기(
    Figure 112008052756478-PAT00198
    )에 대한 영구자석 동기 전동기(PMSM)의 회전자 위치(
    Figure 112008052756478-PAT00199
    )의 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00200
    )을 획득하는 단계(S220);
    영구자석 동기 전동기(PMSM)에 인가되는 2상 정지좌표계 전류(
    Figure 112008052756478-PAT00201
    )의 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00202
    ,
    Figure 112008052756478-PAT00203
    )을 단위 샘플링 주기(
    Figure 112008052756478-PAT00204
    )에 대하여 산출하고, 산출한 전류 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00205
    ,
    Figure 112008052756478-PAT00206
    )과 2상 정지좌표계 PWM인버터 출력 지령전압(
    Figure 112008052756478-PAT00207
    )을 이용하여 2상 정지좌표계의 고정자 쇄교자속 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00208
    )을 획득하는 단계(S230);
    상기 획득한 단위 역기전력 벡터(
    Figure 112008052756478-PAT00209
    ), 회전자 위치(
    Figure 112008052756478-PAT00210
    )의 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00211
    ) 및 고정자 쇄교자속 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00212
    )으로부터 PWM인버터(40)의 출력 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00213
    )를 획득하는 단계(S240);
    2상 동기회전좌표계 상의 PWM인버터(40) 출력 지령전압(
    Figure 112008052756478-PAT00214
    )에 상기 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00215
    )을 포함되게 하는 단계(S260);
    를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (S240)단계에서 획득한 PWM인버터(40)의 출력 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00216
    )을 저역통과필터(150)로 필터링하여, 필터링된 출력 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00217
    )으로서 상기 (S260)를 수행하게 하는 필터링 단계(S250);를 더 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (S210)단계에서 2상 정지좌표계의 단위 역기전력벡터(
    Figure 112008052756478-PAT00218
    )는
    Figure 112008052756478-PAT00219
    이고,
    상기 (S230)단계에서 고정자 쇄교자속 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00220
    )의 획득식은
    Figure 112008052756478-PAT00221
    으로 이루어지고,
    상기 (S240)단계에서 PWM인버터(40)의 출력 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00222
    )의 획득식은
    Figure 112008052756478-PAT00223
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상방법.
  4. 영구자석 동기 전동기 구동제어장치에 결합되어, PWM인버터(40)의 데드타임 및 비선형적 동작 특성에 의해 발생되는 PWM인버터(40)의 출력오차를 보상하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기에 있어서,
    회전자의 전기각 위치(
    Figure 112008052756478-PAT00224
    )을 입력받아 2상 정지좌표계의 단위 역기전력벡터(
    Figure 112008052756478-PAT00225
    )를 획득하는 단위역기전력벡터연산부(120); 회전자의 전기각 위치(
    Figure 112008052756478-PAT00226
    )를 입력받아 단위 샘플링 주기(
    Figure 112008052756478-PAT00227
    )에 대한 회전자 위치 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00228
    )을 획득하는 회전자위치증가분연산부(130); 영구자석 동기 전동기(PMSM)에 인가되는 고정자 전류의 2상 정지좌표계 전류(
    Figure 112008052756478-PAT00229
    )의 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00230
    ,
    Figure 112008052756478-PAT00231
    )을 단위 샘플링 주기(
    Figure 112008052756478-PAT00232
    )에 대하여 산출하고, 전류 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00233
    ,
    Figure 112008052756478-PAT00234
    )과 2상 정지좌표계 인버터 출력 지령전압(
    Figure 112008052756478-PAT00235
    )으로부터 2상 정지좌표계의 고정자 쇄교자속 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00236
    )을 획득하는 고정자쇄교자속증가분연산부(110); 상기 구성들(110, 120, 130)에서 각각 획득한 단위 역기전력벡터(
    Figure 112008052756478-PAT00237
    ), 회전자 위치 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00238
    ) 및 고정자 쇄교자속 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00239
    )을 입력받아 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00240
    )을 획득하는 인버터오차전압연산부(140); 상기 획득한 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00241
    )을 저역신호만을 통과시켜 필터링된 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00242
    )을 출력하는 저역통과필터(150);를 포함하는 오차전압추정부(100)와;
    상기 필터링된 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00243
    )을 2상 동기회전좌표계의 PWM인버터 출력 지령전압(
    Figure 112008052756478-PAT00244
    )에 포함하도록 가산하는 가산기(22);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 오차전압추정부(100)는,
    회전자의 전기각 위치(
    Figure 112008052756478-PAT00245
    ), 2상 정지좌표계 전류() 및 인버터 출력 지령전압(
    Figure 112008052756478-PAT00247
    )를 입력받고,
    Figure 112008052756478-PAT00248
    에 따라 단위 역기전력벡터(
    Figure 112008052756478-PAT00249
    )를 획득하고,
    Figure 112008052756478-PAT00250
    에 따라 2상 정지좌표계 전류(
    Figure 112008052756478-PAT00251
    )의 증가분(
    Figure 112008052756478-PAT00252
    ,
    Figure 112008052756478-PAT00253
    )을 획득하여,
    Figure 112008052756478-PAT00254
    에 따라 오차전압(
    Figure 112008052756478-PAT00255
    )을 획득하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 구동제어장치의 데드타임 보상기.
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