KR20100084439A - 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치 - Google Patents

직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치에 관한 것으로, 컨버터, 인버터 및 제어부를 포함하여 구성되며, DC 링크 가변을 통해 역기전력이 낮은 저속운전 영역에서 감압하고 반대로 역기전력이 높은 고속운전 영역에서 승압시킬 수 있는 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 2-스위치 벅-부스트 컨버터를 사용하여 부하의 정격 전압 범위를 넓힐 수 있으므로 부하에서 필요로 하는 전압에 따라 새로운 전력 변환 시스템을 추가하지 않고도 PAM 인터터 시스템에 적용할 수 있고, 배터리 출력 전압과 독립적으로 DC 링크 전압을 제어하기 위해 역기전력이 낮은 저속영역구간과 역기전력이 높은 고속영역구간에서도 항상 선형성을 유지하며 제어할 수 있는 효과가 있다.
벅-부스트 컨버터, 인버터, 전동기, PAM

Description

직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치{Electric Motor Driving Device for Control DC Link Voltage}
본 발명은 전동기 구동장치에 관한 것으로 전류 및 토크의 리플을 감소시킬 수 있고 선형적인 제어가 가능한 직류 링크 가변형 전동기 구동 장치에 관한 것이다.
최근 산업계에서 사용되고 있는 전동기 드라이브 시스템은 고성능, 고신뢰성, 경제성 등의 요구로 대부분은 PWM(Pulse Width Modulation) 방식의 인버터를 사용하고 있다. 하지만 PWM 인버터의 경우 DC 링크 전압을 항상 일정한 값으로 유지하므로 컨버터 출력 전압을 전동기 속도에 따라 가변할 수 없다.
이런 경우 DC 링크 전압을 가변할 수 있는 PAM(Pulse Amplitude Modulation) 인버터 시스템보다 전류 및 토크 리플이 커지며, 특히 센서리스 운전의 경우 이로 인해 속도리플이 발생하여 속도 제어가 어렵게 된다.
또한, 공작기계와 마이크로머신 같은 정밀 제어가 요구되는 시스템에서는 토크 리플 및 속도 리플이 큰 악영향을 주기 때문에 인버터의 출력 전압을 제어하는데 있어 DC 링크를 가변하고 인버터로 주파수를 제어하는 PAM 인버터 시스템의 연 구가 수행되고 있다.
일반적으로 사용되고 있는 PAM 인버터 시스템은 첫째, DC 링크 앞단에 벅(Buck) 컨버터 또는 부스터(Boost) 컨버터로 구성하여 속도에 따라 DC 링크 전압의 크기를 제어하거나 둘째, 정류기를 통해 교류 입력 전압을 직류 전압으로 변환할 때 발생되는 역률 및 고조파 제거를 위해 벅 컨버터에 PFC(P{ower Factor Correction) 제어 방법을 적용하여 전동기의 토크 리플을 감소시키고 있다.
그러나, 이와 같은 PAM 인버터 시스템은 DC 링크 앞단에 벅 컨버터 또는 부스터 컨버터만을 사용함으로써 컨버터 출력 전압을 입력 전압보다 강압하거나 또는 승압만 할 수 있어 넓은 범위에 적용하기에 한계가 있다.
따라서 본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로, DC 링크 앞단에 벅 컨버터와 부스터 컨버터의 두 가지 기능이 가능하고 큰 범위의 입력 전압을 시스템에 적용할 수 있는 2-스위치 벅-부스터 컨버터(Buck-Boost Converter)로 구성된 직류 링크 가변형 전동기 구동장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치는 컨버터, 인버터 및 컨버터의 출력전압을 전동기의 실제 속도값과 비교하여 제어하는 제어부를 포함한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 드라이브 장치는 2-스위치 벅-부스트 컨버터를 사용하여 부하의 정격 전압 범위를 넓힐 수 있으므로 부하에서 필요로 하는 전압에 따라 새로운 전력 변환 시스템을 추가하지 않고도 PAM 인터터 시스템에 적용할 수 있는 우수한 효과가 있다.
또한, 배터리 출력 전압과 독립적으로 DC 링크 전압을 제어하기 위해 역기전력이 낮은 저속영역구간과 역기전력이 높은 고속영역구간에서도 항상 선형성을 유지하며 제어할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 드라이브 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 드라이브 장치의 회로도를 도시한 것으로, 상기 직류 링크 전압 가변형 전동기 드라이브 장치는 컨버터(10), 인버터(20) 및 제어부(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 컨버터(10)는 2-스위치 벅-부스트 컨버터를 사용할 수 있고, 인버터(20)는 4-스위치 인버터를 사용할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 2-스위치 벅-부스트 컨버터(10)는 벅(Buck), 부스트(Boost) 컨버터에 스위치와 다이오드를 하나씩 추가한 형태고 구성되며, 배터리 전압이 DC 링크 전압보다 높으면 벅 모드(Buck mode)로 동작하고, 낮으면 부스트 모드(Boost mode)로 동작한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2-스위치 벅-부스트 컨버터가 부스트 모드로 동작하는 회로도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2-스위치 벅-부스트 컨버터가 벅 모드로 동작하는 회로도를 도시한 것이다.
도 2를 참고하면, 부스트 모드에서는 스위치 S1이 항상 온(on) 상태를 유지하고 스위치 S2가 펄스 크기 변환을 하며, 다이오드 D1은 역바이어스되어 오프(off)된다. 반면, 도 3을 참조하면, 벅 모드에서는 스위치 S2가 항상 오프(off)로 동작하고 S1이 펄스 크기 변환을 제어한다. 이에 따라 2-스위치 벅-부스트 컨버터의 출력 이 전동기의 역기전력에 비례하여 제어될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 4-스위치 인버터의 구조를 도시한 도면이며, 3상 BLDC(Brushless DC Motor) 전동기를 구동하는 장치이다.
BLDC 전동기는 반주기마다 120도의 전도 구간과 60도의 비전도 구간을 가지며, 사다리꼴 형태의 역기전력이 수평으로 일정한 값을 가지는 120도 구간에서 일정한 토크를 발생하기 위해 준구형파 형태의 전류를 구현한다.
또한, A, B상의 전류를 각각 독립적으로 제어해 C상으로 유입되는 전류를 차단함으로써 파형의 왜곡을 해결할 수 있다.
본 발명에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치는 출력단에 2-스위치 벅-부스트 컨버터와 직렬 연결된 4-스위치 인버터로 구성되며, 상기 제어부(30)는 한 상을 DC 링크 커패시터의 중성점에 연결해 전동기를 제어한다.
또한, 상기 제어부(30)는 홀(Hall) 센서, 레졸버 또는 엔코더 등의 회전자 센서를 이용하여 회전자의 위치를 검출하고, 그 값을 미분하여 실제 속도를 구한다.
또한, 상기 제어부(30)에서 측정된 속도값은 컨버터 출력 기준값과 실제 속도값으로 나누어지며, 실제 속도값은 기준값과 비교된 후 에러 값을 생성한다. 에러 값은 제어부(30)를 통해 전류 기준값을 발생하고 전동기의 일정토크 제어를 위해 히스테리시스 전류전어 기법으로 준구형파 전류 형태로 제어한다.
컨버터 출력 기준값은 전동기의 역기전력에 따라 제어되며, 아래 [수학식1]을 이용하여 구할 수 있다. 상기 역기전력은 전동기 속도에 비례한다.
ω*Te = (ea*ia + eb*ib + ec*ic)
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치를 이용하여 제어하는 경우의 전압을 시뮬레이션한 결과이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치를 이용하여 제어하는 경우의 실험파형을 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치는 저속일 때, DC 링크 전압을 전동기에서 요구하는 최소전압으로 제어되며, 속도가 상승할 수록 선형적으로 전압을 상승시킨다. 따라서, 컨버터와 인버터 출력단 사이에서 발생되는 낮은 전위차로 인해 DC 링크 전압을 가변하지 않는 PWM 인버터보다 전류 리플을 감소시킬 수 있다.
상기 전류 리플의 기울시는 [수학식2]에 의하여 계산된다.
di/dt = (Vdc-Vout)/L
본 발명에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치는 전동기의 속도 및 배터리의 입력 전압에 의하여 벅 모드와 부스트 모드가 결정된다.
즉, 본 발명에 따른 전동기 구동장치는 전동기의 속도에 따라 2-스위치 벅-부스트 컨버터의 DC 링크 전압이 가변된다.
도 5를 참조하면, 모드 Ⅰ은 전동기가 정지된 상태에서 기동하기 시작할 때 2-스위치 벅-부스트 컨버터의 출력 전압은 최소 DC 링크 전압을 유지한다. 모드 Ⅱ에서는 전동기의 속도가 증가함에 따라 역기전력이 증가하며, 따라서 2-스위치 벅-부스트 컨버터의 출력전압 역시 역기전력보다 큰 값을 유지하도록 속도가 비례하여 증가한다. 모드 Ⅲ에서 전동기의 속도는 정격 속도에 도달하고 2- 스위치 벅-부스트 컨버터의 출력은 전동기의 역기전력보다 큰 값이 되도록 일정한 전압을 출력하도록 제어된다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 드라이브 장치의 회로도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 2-스위치 벅-부스트 컨버터가 부스트 모드로 동작하는 회로도를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2-스위치 벅-부스트 컨버터가 벅 모드로 동작하는 회로도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 4-스위치 인버터의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치를 이용하여 제어하는 경우의 전압을 시뮬레이션한 결과이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치를 이용하여 제어하는 경우의 실험파형을 나타낸 도면이다.

Claims (10)

  1. 배터리 전압을 직류 링크 전압으로 출력하는 컨버터;
    상기 컨버터로부터 전달된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동기로 전달하는 인버터; 및
    상기 전동기 구동 속도를 측정하여 상기 직류 링크 전압의 크기가 가변되도록 제어신호를 생성하는 컨버터 제어부를 포함하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  2. 배터리 전압과 직류 링크 전압에 따라 벅 모드(Buck mode) 또는 부스트 모드(Boost mode)로 스위칭하여 배터리 전압을 직류 링크 전압으로 출력하는 벅-부스트 컨버터;
    상기 컨버터로부터 전달된 직류 링크 전압을 교류 전압으로 변환하여 전동기로 전달하는 인버터; 및
    상기 전동기 구동 속도를 측정하여 상기 직류 링크 전압을 가변하는 제어신호를 생성하는 컨버터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는 상기 배터리 전압이 직류 링크 전압보다 크면 상기 벅-부스트 컨버터가 벅 모드(Buck mode)로 동작하고, 상기 배터리 전압이 직류 링크 전압보다 작으면 부스트 모드(Boost mode)로 동작되도록 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터는 2개의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 PWM 신호에 따라 제1 스위치 또는 제2 스위치를 온오프시켜 벅 모드 또는 부스트 모드로 스위칭하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터는 2개의 다이오드, 인덕터를 더 포함하며, 상기 제1 스위치의 드레인 단자가 배터리와 연결되고, 상기 제1 스위치의 소스 단자, 제1 다이오드의 캐소드 단자 및 인덕터의 일단이 공통노드로 연결되며, 상기 인덕터의 타단, 제2 스위치의 드레인 단자 및 제2 다이오드의 애노드 단자가 공통노드로 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터가 부스트 모드로 동작하는 경우, 상기 제1 스위치의 게이트 신호가 인가되어 온 상태로 유지되며, 상기 제2 스위치가 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 벅-부스트 컨버터가 벅 모드로 동작하는 경우, 상기 제2 스위치가 오프 상태로 유지되며, 상기 제1 스위치가 PWM 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는 전동기 구동 시작 시 상기 전동기가 구동될 수 있는 최소 전압으로 상기 직류 링크 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨버터 제어부는 상기 전동기 구동 속도가 증가하면 상기 컨버터 또는 벅-부스트 컨버터의 직류 링크 전압이 증가되도록 제어신호를 생성하고, 상기 전동기 구동 속도가 감소되면 상기 컨버터 또는 벅-부스트 컨버터의 직류 링크 전압이 감소되도록 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전동기의 측정된 구동 속도와 설정된 기준 구동 속도를 비교하여 에러값을 생성하고, 상기 에러값을 이용하여 상기 전동기로 전달되는 전류 주파수를 제어하는 주파수 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직류 링크 전압 가변형 전동기 구동장치.
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