KR20130005187A

KR20130005187A - 매입형 영구자석 동기 전동기의 구동장치

Info

Publication number: KR20130005187A
Application number: KR1020110066622A
Authority: KR
Inventors: 유안노
Original assignee: 엘에스산전 주식회사
Priority date: 2011-07-05
Filing date: 2011-07-05
Publication date: 2013-01-15
Also published as: CN102868348A; JP2013017383A; JP5540040B2; US20130009574A1; ES2853223T3; US8723461B2; CN102868348B; EP2544362A3; EP2544362B1; EP2544362A2; KR101562418B1

Abstract

매입형 영구자석 동기 전동기의 구동 장치가 개시된다. 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 회전자에 부착되어, 상기 회전자의 위치와 속도를 측정하는 회전자 위치 검출부를 포함하는 시스템에서, 지령토크를 수신하여 상기 IPMSM을 구동하기 위한 본 발명의 구동장치는, 상기 지령토크로부터 전류지령을 생성하여 출력하는 출력부; 상기 전류지령을 수정하는 수정부; 과변조된 전압정보를 상기 수정부에 전달하는 전압궤환부; 상기 전류지령을 제어하여, 전압을 출력하는 전류제어부; 전압제한 육각형을 이용하여, 상기 전류제어부의 출력을 인버터가 합성가능한 최대전압으로 제한하는 전압제한부; 및 상기 전압제한부의 출력으로부터, 지령토크를 추종하기 위한 3상의 전압지령을 상기 IPMSM에 인가하는 인버터를 포함한다.

Description

매입형 영구자석 동기 전동기의 구동장치{APPARATUS FOR OPERATING INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE}

본 발명은 전동기의 구동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매입형 영구자석 동기 전동기를 정격 속도 이상의 고속으로 구동할 때 사용하기 위한 매입형 영구자석 동기 전동기의 구동장치에 관한 것이다.

전압형 인버터로 구동되는 매입형 영구자석 동기 전동기는 속도제어 모드나 토크제어 모드에서 동작한다. 매입형 영구 자석 동기 전동기가 속도제어 모드에서 사용되는 경우는 엘리베이터(elevator), 크레인(crane)과 같은 권상(hoist) 부하 분야와, 팬(fan), 펌프(pump)와 같은 가변속(variable speed) 구동분야가 있으며, 토크제어 모드에서 사용되는 경우는 전기 자동차의 견인용(traction) 전동기와 같은 분야가 있다.

일반적으로 속도제어 모드시, 속도제어기의 출력은 토크지령으로 주어지게 되어, 매입형 영구자석 동기 전동기의 속도제어 모드는 토크제어 모드를 포함하고 있다. 결과적으로 속도제어 모드와 토크제어 모드는 모두 토크지령으로부터 전류지령을 구하고, 전류제어를 수행함으로써 영구자석 동기 전동기의 구동이 수행된다.

전압형 인버터는 제한된 직류단 전압(DC-link voltage)과 전류제한 조건하에서 전류제어를 수행하여 토크지령을 추종하게 된다. 그러나, 매입형 영구자석 동기 전동기의 고속구동이 필요한 경우에는 제한된 직류단 전압의 크기와 전류제한으로 인하여 토크지령을 추종(tracking)하기 어렵다.

도 1은, 종래의 매입형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템의 구성도로서, 토크지령으로부터 자속전류와 토크전류를 독립적으로 제어하는 벡터제어(vector control)가 구현된 인버터로 구동되는 시스템을 나타낸 것이다.

종래의 구동 시스템은 인버터(101)와, 매입형 영구자석 동기 전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Machine; 이하, 'IPMSM'이라 함)(102) 및 IPMSM의 회전자(rotor)에 부착되는 회전자 위치 검출기(103)로 구성된다.

인버터부(101)는 지령토크를 입력으로 하여, IPMSM(102)이 지령토크에 따라 구동될 수 있는 전압 Vas, Vbs, Vcs를 출력하고, 회전자 위치 검출기(103)는 회전자 위치와 회전자 속도를 계산 또는 측정한다.

회전자 위치 검출기(103)에서 계산 또는 측정된 회전자 위치는 좌표변환기(106, 110)의 좌표변환에 사용되고, 회전자 속도는 전류지령 생성기(104)가 사용한다.

전류지령 생성기(104)는 지령토크와 회전자 속도, 인버터(108)의 직류단 전원전압에 따라 동기 좌표계(synchronous reference frame)상의 전류지령을 출력한다. IPMSM의 경우, 전류지령 생성기(104)는 통상 참조표(look-up table)를 사용하며, 참조표는 전 구동영역에 대해서 동기 좌표계 상의 d, q축 전류지령을 출력한다.

전류제어기(current regulator)(105)는 105는 전류지령 생성기(104)로부터 구한 전류지령을 제어하여, 동기 좌표계 상의 d, q축 전압을 출력한다.

좌표변환기(106)는 회전자 위치 검출기(103)로부터 구한 회전자의 위치정보를 이용하여 전류제어기(105)의 출력전압을 정지 좌표계(stationary reference frame)상의 전압으로 변환한다.

전압제한기(107)는 전압제한 육각형(voltage limit hexagon)의 내접원(inscribed circle)으로, 좌표변환기(106)의 전압을 인버터(108)가 합성할 수 있는 전압으로 변환한다. 전압제한기(107)의 전압제한 조건은 인버터(108)의 직류단 전원전압에 의해서 결정되며, 전압제한 육각형의 내접원 외부에 위치하는 전압은 그대로 출력되지 못하고 육각형의 내접원 위에 존재하게 된다.

인버터(108)는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor; 'IGBT'라 함) 혹은 전력(power) 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor; 'MOSFET'이라 함)과 같은 전력 반도체를 포함하는 전압형 인버터로, 지령토크를 추종하기 위한 전압지령 Vas, Vbs, Vcs를 IPMSM(102)에 인가한다.

전류센서(current sensor)(109)는 IPMSM(102)과 인버터(108)에 배치되어, 상전류(phase current)를 측정하고, 전류센서(109)에서 측정된 전류는 좌표변환기(110)의 좌표변환에 따라서 전류지령 생성기(104)와 전류제어기(105)로 궤환(feedback)된다.

IPMSM(102)의 동기좌표계 상의 전압 방정식은 다음과 같다.

이때, 윗첨자 'r'은 동기좌표계, 아래첨자 's'는 정지좌표계의 변수를 나타내며, '

'은 회전자의 전기각 속도, '

', '

'은 동기좌표계 상의 고정자 d, q축 전류, '

', '

'는 동기좌표계 상의 고정자 d, q축 전압, '

', '

'는 고정자 상의 동기좌표계 d, q축 회전자 자속,

는 각각 고정자 저항 d, q축 인덕턴스를 나타낸다.

IPMSM(102)의 구동제한조건은 전압제한조건과 전류제한조건으로 나뉘며, 다음과 같이 표현된다.

이때,

는 인버터(108)가 합성할 수 있는 최대전압의 크기를 나타내며,

는 IPMSM(102)의 최대 또는 정격전류를 나타낸다.

도 2는 종래의 IPMSM의 구동영역을 동기좌표계 상의 전류영역에서 도시한 것이다.

'A'는 일정 토크(constant torque) 곡선으로, 일정한 지령토크에 대해서 동기 좌표계 상의 d, q축 전류는 무한의 조합을 가질 수 있다. 'B'는 위의 [수학식 4]와 같이 표시되는 인버터(108)의 인버터의 전류제한 조건이며, 'C'와 'D'는 [수학식 3]과 같이 표시되는 회전자 속도에 따른 전압제한 조건의 예이다. IPMSM(102)의 구동영역 중 전압제한 조건은 회전자 속도에 따라 가변하는데, 회전자 속도가 증가함에 따라 'E'와 같은 방향으로 전압제한 조건의 크기가 줄어들게 된다.

일정한 지령토크에 대해서 인버터(108)에서 제어가능한 동기좌표계 상의 d, q축 전류의 크기는, B의 전류제한 조건의 내부와 C 또는 D의 전압제한 조건의 내부를 모두 만족시키는 범위에서 결정된다.

전압 여유(voltage margin)가 충분한 경우에는, 전압제한 조건은 제한요건으로 영향을 미치지 않게 되어, 단위전류당 최대토크(Maximum Torque Per Ampere: 'MTPA') 구동을 하는 전류지령을 추종하는 것이 IPMSM(102)의 효율면에서 유리하다.

예시로, A의 일정 토크지령이 주어지고, 전압제한 조건이 C와 같은 경우, 지령토크를 추종하기 위한 전류지령은 F에서 구동하는 것이 단위전류당 최대토크 구동점이 된다.

그러나, 회전자 속도가 증가하여 전압제한 조건이 C에서 D로 이동하게 되면, F는 인버터(108)가 제어할 수 없는 전류영역이므로, 출력토크를 최대로 유지하는 G로 구동점이 움직여야 한다.

이러한 전류지령의 이동과정은, IPMSM(102)의 인덕턴스(inductance)가 전류의 크기에 따라 포화(saturation)되기 때문에 비선형(non-linear) 관계를 가진다.

따라서, IPMSM(102)의 구동은 IPMSM(102)의 특성을 미리(off-line) 측정하여 최소 2개 이상의 2차원 참조표(2-D look-up table)를 작성하여 일정 토크와 구동속도, 직류단 전원전압에 따라 도 1의 전류지령 생성기(104)가 동기좌표계 상의 전류지령을 생성하도록 한다. 2차원 참조표는 토크지령과 자속정보를 입력으로 하며, 동기좌표계 상의 d, q축 전류지령을 생성한다. 이 때, 자속정보는 직류단 전원전압을 회전자 속도로 나누어서 구한다.

도 1의 전류지령 생성기(104)와 좌표변환기(110)의 궤환전류는 전류제어기(105)의 입력이 된다. 전류제어기(105)는 비례-적분(Proportional and Integral) 제어기의 형태로 다음의 수학식과 같이 출력전압을 합성한다.

좌표변환기(106)는 전류제어기(105)의 동기좌표계 상의 출력전압을 정지좌표계 상의 전압으로 다음의 수학식과 같이 변환한다.

전압제한기(107)는 정지좌표계 상에서 육각형으로 표현되는 전압제한 조건의 내접원 내에 전압지령이 존재하도록 좌표변환기(106)의 전압을 제한하여 출력하고, 인버터(108)는 전압제한기(107)의 출력전압으로부터 다음과 같은 전압을 합성하여 IPMSM(102)에 전압을 인가한다.

전류센서(109a-109c)는 인버터(108)와 IPMSM(102) 사이의 상전류(phase current)를 측정하여 다음의 수학식에 의해 동기좌표계 상의 전류로 변환하여 전류제어기(105)로 궤환한다.

그러나, 도 1의 IPMSM의 구동 시스템은, 전류지령 생성기(104)에 미리 측정된 참조표를 사용하므로, 대상 IPMSM의 제정수(parameter)가 변할 경우, 그 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 대상 IPMSM의 제정수가 변하지 않는 경우에도, 참조표가 전 구동영역에 대한 성능을 좌우하기 때문에 참조표의 성능에 따라 전동기 구동성능이 결정되는 문제점이 있다.

또한, 인버터에서 합성되는 전압의 양을 제압제한 육각형의 내접원으로 제한하기 때문에, 인버터의 전압 사용율이 저하되고, 이에 따라서 출력토크 역시 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, IPMSM의 고속구동에서, 참조표에 대한 의존도를 줄이는 IPMSM의 구동장치를 제안하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 인버터의 전압 사용율을 증대시켜, 최대한 지령토크를 추종하는 IPMSM의 구동장치를 제안하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은, 최대한 지령토크를 추종하는 전류지령을 생성하여, 제정수 변화에 강인한 IPMSM의 구동장치를 제안하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 회전자에 부착되어, 상기 회전자의 위치와 속도를 측정하는 회전자 위치 검출부를 포함하는 시스템에서, 지령토크를 수신하여 상기 IPMSM을 구동하기 위한, 본 발명의 구동 장치는, 상기 지령토크로부터 전류지령을 생성하여 출력하는 출력부; 상기 전류지령을 수정하는 수정부; 과변조된 전압정보를 상기 수정부에 전달하는 전압궤환부; 상기 전류지령을 제어하여, 전압을 출력하는 전류제어부; 전압제한 육각형을 이용하여, 상기 전류제어부의 출력을 인버터가 합성가능한 최대전압으로 제한하는 전압제한부; 및 상기 전압제한부의 출력으로부터, 지령토크를 추종하기 위한 3상의 전압지령을 상기 IPMSM에 인가하는 인버터를 포함한다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 회전자 위치 검출부로부터 수신하는 회전자의 위치정보를 이용하여, 동기좌표계인 상기 전류제어부의 출력을 정지좌표계 상의 전압으로 변환하는 전압 좌표변환부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 인버터와 상기 IPMSM 사이의 상전류를 각각 측정하는 제1 내지 제3전류센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 제1 내지 제3전류센서로부터 수신하는 정지좌표계인 상전류를, 동기좌표계 상의 전류로 변환하는 전류 좌표변환부를 더 포함하는것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 출력부는, 상기 지령토크의 크기를 제한하는 제한부; 상기 제한부의 출력을, 정규화된 토크로 나누는 연산을 수행하여 정규화된 전류지령을 연산하는 제1연산부; 상기 제1연산부의 출력을 이용하여, 단위전류당 최대토크를 발생하는 1차원 참조표를 저장하는 1차원 참조표부; 및 상기 1차원 참조표부의 출력에 정규화된 전류를 곱하는 연산을 수행하여, 전류지령을 출력하는 제2연산부를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전압궤환부는, 상기 전류제어부의 출력과, 상기 인버터에서 합성되는 전압간의 과변조된 전압을 궤한하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 전압궤환부는, 과변조된 전압의 크기를 적분하고, 고역통과 필터링하여 상기 수정부에 전달하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에서, 상기 수정부는, 상기 지령토크를 최대한 추종하도록 전류지령을 수정하는 전류지령 처리부; 및 상기 전류지령 처리부에 의해 수정된 전류지령으로부터 전류의 크기를 제한하는 전류지령 제한부를 포함하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명은, 이미 작성되어 있는 참조표에 의존하지 않고, 전류제어부의 출력전압과 인버터에서 실제로 합성되는 전압의 차이를 이용하여 두 전압차이를 최소로 유지하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 인버터에서 합성되는 전압의 크기에 대해, 전압제한 육각형을 모두 사용하기 때문에 인버터의 직류단 전원전압 사용율을 증대하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 구동 장치는, 일정 토크를 유지하는 방향으로 전류지령을 수정하므로, IPMSM이 고속으로 구동되는 경우에도 최대한의 토크를 추종하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 매입형 영구자석 동기 전동기 구동 시스템의 구성도이다.
도 2는 종래의 IPMSM의 구동영역을 동기좌표계 상의 전류영역에서 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 구동장치의 일실시예 구성도이다.
도 4는 도 3의 1차원 참조표 출력부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 5는 도 3의 전류지령 수정부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 6은 도 5의 전류지령 처리부의 일실시예 상세 구성도이다.
도 7은 도 5의 전류지령 제한부의 일실시예 상세 구성도이다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나, 또는 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나, '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함한다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 구동장치의 일실시예 구성도로서, 전류지령 수정부를 포함하는 벡터제어(vector control)가 구현된 인버터부로 구동되는 IPMSM의 구동을 설명하기 위한 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구동장치는, 1차원 참조표 출력부(11), 전류지령 수정부(12), 전압궤환부(13), 전류제어부(14), 전압 좌표변환부(15), 전압제한부(16), 인버터(17), 전류센서(18) 및 전류 좌표변환부(19)를 포함하는 인버터부(10)와, 회전자 위치 검출부(30)를 포함하여 구성된다.

인버터부(10)는, 지령토크를 입력으로 하고, IPMSM(20)이 지령토크에 따라 구동될 수 있는 전압인 Vas, Vbs, Vcs를 출력한다.

IPMSM(20)의 회전자(rotor)에는 회전자 위치 검출부(30)가 부착되어, 회전자 위치와 회전자 속도를 계산 또는 측정한다. 회전자 위치 검출부(30)가 측정한 회전자 위치는 전압 좌표변환부(15)와 전류 좌표변환부(19)의 좌표변환에 사용되고, 회전자 속도는 전류지령 수정부(12)에서 사용된다.

1차원 참조표 출력부(11)는 지령토크로부터 단위전류당 최대토크 구동을 하는 동기좌표계 상의 d, q축 전류지령을 생성하여 출력한다. 1차원 참조표 출력부(11)는 오직 지령토크에 대해서 단위전류당 최대토크를 출력하는 동기좌표계 상의 전류지령을 생성한다. 이에 대해서는, 추후 도면을 참조로 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

전류지령 수정부(12)는, 1차원 참조표 출력부(11)로부터 출력되는 단위전류당 최대토크 구동을 가능하게 하는 전류지령으로부터 IPMSM(20)이 고속에서 안정적으로 동작할 수 있도록 전류지령을 수정한다.

전압궤환부(13)는 전류지령 수정부(12)에서 이용되는 궤환전압 정보를 계산한다. 전압궤환부(13)는 전류지령 수정부(12)에 과변조(over-modulated)된 전압정보를 전달하기 위한 것으로, 전압 좌표변환부(15)와 전압제한부(16)의 출력전압의 차이를 구한다.

전류제어부(14)는 전류지령 수정부(12)의 출력인 전류지령을 제어하며, 동기좌표계 상의 d, q축 전압을 출력한다.

전압 좌표변환부(15)는 회전자 위치 검출부(30)로부터 구한 회전자의 위치정보를 이용하여 전류제어부(14)의 출력전압을 정지좌표계 상의 전압으로 변환한다.

전압제한부(16)는 전압제한 육각형으로, 전압 좌표변환부(15)의 출력전압을 인버터(17)가 합성할 수 있는 전압으로 제한한다. 전압제한부(16)의 전압제한 육각형은 인버터(17)가 합성할 수 있는 최대전압으로서, 전압제한 육각형에 의해 인버터(17)의 전압사용율은 최대가 될 수 있다.

전압 좌표변환부(15)의 출력전압이 전압제한부(16)의 전압제한 육각형 외부에 위치하게 될 경우, 인버터(17)에서 합성되는 전압은 전압 좌표변환부(15)의 전압이 그대로 출력되지 못하고, 전압제한부(16)의 육각형 위에 존재하게 된다.

인버터(17)는 IGBT 또는 전력 MOSFET과 같은 전력 반도체를 포함하는 전압형 인버터로서, 지령토크를 추종하기 위한 전압지령 Vas, Vbs, Vcs를 IPMSM(20)에 인가한다.

전류센서(18a-18c)는 IPMSM(20)과 인버터(17) 사이의 상전류를 측정한다. 전류센서(18a-18c)에서 측정된 전류는 전류 좌표변환부(19)의 좌표변환에 따라 전류제어부(14)로 궤환된다.

전류 좌표변환부(19)는 전류센서(18a-18c)가 측정한 정지좌표계 상의 상전류를 동기좌표계로 변환한다.

도 1의 종래의 구동 시스템과 도 3의 본 발명의 구동장치의 차이는 두 가지로 요약된다. 즉, 전류제어부(105와 14)의 입력인 전류지령 수정과, 인버터(108과 17)에 인가되는 최종 출력전압 합성이다.

도 1의 종래의 시스템에서는 전류지령 생성기(104)의 토크지령과 인버터(108)의 직류단 전원전압, 회전자 속도에 따른 최소 2개 이상의 2차원 참조표로부터 전류 제어기(105)의 지령전류를 구하는데 반해, 본 발명의 구동장치에서는 1차원 참조표 출력부(11)의 2개의 1차원 참조표와 전류지령 수정부(12)에 의해서 전류제어부(14)의 지령전류를 계산한다.

또한, 인버터(108, 17)에 인가되는 최종 출력전압의 경우, 종래의 시스템은 전압제한 육각형의 내접원에 의해서 최종 출력전압을 제한하는데 비해서, 본 발명에서는 전압제한 육각형을 최종 출력전압을 제한하는데 사용한다. 따라서, 본 발명의 구동장치에서 합성되는 전압의 크기가 종래의 도 1의 시스템의 그것에 비해 상대적으로 커지게 되어 인버터의 전압 사용율이 증대되고, 출력토크 역시 증가한다.

위와 같은 본 발명의 구동장치의 전류지령 수정방법에 대해 알아본다.

1차원 참조표 출력부(11)는 토크지령으로부터 단위전류당 최대토크를 출력하는 동기좌표계 상의 d, q축 전류지령을 합성한다. 단위전류당 최대토크를 발생하는 전류지령은 IPMSM(20)의 특성을 미리(off-line) 측정하여 구할 수도 있고, 다음과 같이 구할 수도 있다.

IPMSM(20)의 토크에 대한 수학식은 다음과 같다.

위 수학식 16으로부터 단위전류당 최대토크를 출력하는 동기좌표계 상의 d, q축 전류지령을 구하기 위해서, 다음과 같이 토크와 전류를 정규화(normalize)할 수 있다.

수학식 22 및 수학식 23의 관계로부터, 정규화된 d, q축 전류지령을 다음과 같이 구할 수 있고, 이를 이용하여 단위전류당 최대토크를 발생하는 동기좌표계 상의 d, q축 전류 지령을 구할 수 있다.

도 4는 도 3의 1차원 참조표 출력부의 일실시예 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 구동장치의 1차원 참조표 출력부(11)는, 제1제한부(41), 제1연산부(42), 1차원 참조표부(43a, 43b), 제2연산부(44a, 44b)를 포함한다.

제1제한부(41)는 지령토크의 크기를 제한하고, 제1연산부(42)는 제1제한부(41)의 출력을 수학식 17과 같이 정규화된 토크로 나누는 기능을 담당한다.

1차원 참조표부(43a, 43b)는, 수학식 24 및 수학식 25를 이용하여 미리 계산한 1차원 참조표를 저장하며, 그 출력은 수학식 18 및 수학식 19와 같다.

제2연산부(44a, 44b)는 1차원 참조표부(43a, 43b)의 출력에 수학식 21에서 구한 정규화된 전류를 곱하여 동기좌표계 상의 단위전류당 최대토크 구동을 하는 d, q축 전류지령을 구한다.

도 3의 전압궤환부(13)는 전류제어부(14)의 출력과 실제 인버터(17)에서 합성되는 전압간의 과변조된 전압을 궤환하여 전류지령 수정부(12)로 출력하며, 궤환전압을 구하는 과정은 다음과 같다.

먼저, 과변조된 전압의 크기를 수학식 26과 같이 구한다. 이때, 인버터(17)에서 합성되는 전압의 크기는 전압제한 육각형으로 제한된다.

이때, 위 수학식 26은 다음과 같은 관계를 가진다.

도 3의 전류지령 수정부(12)에 사용되는 전압은, 수학식 26을 적분하고 고역 통과 필터(High-pass filter)를 사용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

도 5는 도 3의 전류지령 수정부의 일실시예 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전류지령 수정부(12)는, 전류지령 처리부(51) 및 전류지령 제한부(52)를 포함한다.

전류지령 처리부(51)는 단위전류당 최대토크를 발생하는 전류 지령으로부터 전류지령을 수정하고, 전류지령 제한부(52)는 수정된 전류지령으로부터 전류의 크기를 제한한다.

본 발명에서 제안하는 전류지령 수정은, 지령토크를 최대한 추종하는 것을 목표로 한다. 수학식 16의 일정 토크식으로부터 일정 토크를 유지하는 전류벡터는 다음과 같이 구할 수 있다.

위의 수학식 32로부터 일정 토크를 유지하려는 단위벡터(unit vector)는 다음과 같다.

위 수학식 33에서 일정 토크를 유지하려는 단위벡터와, 수학식 26에서 구한 전압의 크기를 도 3의 전류지령 수정부(12)에서 사용하며, 단위전류당 최대토크를 발생하는 전류지령으로부터, 새로운 전류지령은 다음과 같이 구할 수 있다.

이때, α₁과 α₂는 가변이득(variable gain)으로 속도와 토크에 비례하게 다음과 같이 설정한다.

여기서,

과

는 임의의 비례 이득이고,

는 현재 회전자 속도,

는 회전자 최대속도,

는 토크지령,

는 최대허용 토크지령이다.

이를 도면을 참조로 더욱 상세히 설명한다.

도 6은 도 5의 전류지령 처리부의 일실시예 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전류지령 처리부(51)는 제3연산부(61), 제4연산부(62a, 62b), 제5연산부(63a, 63b) 및 제6연산부(64a, 64b)를 포함한다.

제3연산부(61)는 수학식 31의 연산을 수행하고, 제4연산부(62a, 62b)는 수학식 33에서 구한 일정 토크를 유지하려는 단위벡터를 제3연산부(61)의 출력과 곱셈연산을 수행한다.

제5연산부(63a, 63b)는 수학식 34와 수학식 35의 가변이득을 제4연산부(62a, 62b)의 출력에 곱하고, 제6연산부(64a, 64b)는 도 4의 제2연산부(44a, 44b)의 출력인 단위전류당 최대토크를 발생시키는 전류지령을 수학식 34 및 수학식 35와 같이 수정한다.

도 5의 전류지령 제한부(52)에 대해 설명한다.

전류지령 처리부(51)에 의해 수정된 전류지령은 수학식 4에서 보인 것과 같이, 인버터(17)가 출력할 수 있는 전류범위 내에 존재하여야 한다.

이때, 전류지령의 제한은 d축 전류에 우선권를 부여하여, d축 전류에 수정된 동기좌표계 상의 d축 전류를 정격전류의 크기 내에서 우선적으로 출력하고, q축 전류지령은 정격전류에 대해서 d축 전류의 크기를 뺀 나머지를 허용 범위로 선정한다.

도 7은 도 5의 전류지령 제한부의 일실시예 상세 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전류지령 제한부(52)는, 제2제한부(71), 제7연산부(72), 제8연산부(73) 및 제3제한부(74)를 포함한다.

제2제한부(71)는 도 6의 제4연산부(64a)에서 출력된 수정된 d축 전류가 허용 가능한 전류범위 내에 존재하도록 제한한다. 제7연산부(72)는 제2제한부(71)의 출력 d축 전류와 허용가능한 전류로부터, 양(positive)의 q축 전류 최대 허용범위를 구한다.

제8연산부(73)는 음(negative)의 q축 전류 최대 허용범위를 연산하고, 제3제한부(74)는 제7 및 제8연산부(72, 73)에 의해 연산한 q축 전류의 크기를 제한한다.

본 발명의 IPMSM 구동장치는, 이미 작성되어 있는 참조표에 의존하지 않고, 전류제어부(14)의 출력전압과 인버터(17)에서 실제로 합성되는 전압의 차이를 이용하여 두 전압차이를 최소로 유지시킨다.

이때, 인버터(17)에서 합성되는 전압의 크기는 전압제한 육각형을 모두 사용하기 때문에 인버터(17)의 직류단 전원전압 사용율을 증대킬 수 있다.

또한, 본 발명의 구동 장치는, 일정 토크를 유지하는 방향으로 전류지령을 수정하므로, IPMSM(20)이 고속으로 구동되는 경우에도 최대한의 토크를 추종하는 것이 가능하다.

한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드를 기록하여 구현하는 것이 가능하다. 본 발명의 실시예들이 소프트웨어를 이용하여 실행되는 경우, 본 발명의 구성수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서로 판독 가능한 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.

컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 컴퓨터 시스템이 읽어들일 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함될 수 있다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 컴퓨터 판독가능 기록매체를 분산배치하여 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드가 분산 방식으로 저장되고 실행되도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 인터버부 11: 1차원 참조표 출력부
12: 전류지령 수정부 13: 전압궤환부
14: 전류제어부 15: 전압 좌표변환부
16: 전압제한부 17: 인버터
18: 전류센서 19: 전류 좌표변환부
20: 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)
30: 회전자 위치 검출부

Claims

매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM)의 회전자에 부착되어, 상기 회전자의 위치와 속도를 측정하는 회전자 위치 검출부를 포함하는 시스템에서, 지령토크를 수신하여 상기 IPMSM을 구동하기 위한 장치에 있어서,
상기 지령토크로부터 전류지령을 생성하여 출력하는 출력부;
상기 전류지령을 수정하는 수정부;
과변조된 전압정보를 상기 수정부에 전달하는 전압궤환부;
상기 전류지령을 제어하여, 전압을 출력하는 전류제어부;
전압제한 육각형을 이용하여, 상기 전류제어부의 출력을 인버터가 합성가능한 최대전압으로 제한하는 전압제한부; 및
상기 전압제한부의 출력으로부터, 지령토크를 추종하기 위한 3상의 전압지령을 상기 IPMSM에 인가하는 인버터를 포함하는 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 회전자 위치 검출부로부터 수신하는 회전자의 위치정보를 이용하여, 동기좌표계인 상기 전류제어부의 출력을 정지좌표계 상의 전압으로 변환하는 전압 좌표변환부를 더 포함하는 구동 장치.
제1항에 있어서,
상기 인버터와 상기 IPMSM 사이의 상전류를 각각 측정하는 제1 내지 제3전류센서를 더 포함하는 구동 장치.
제3항에 있어서,
상기 제1 내지 제3전류센서로부터 수신하는 정지좌표계인 상전류를, 동기좌표계 상의 전류로 변환하는 전류 좌표변환부를 더 포함하는 구동 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출력부는,
상기 지령토크의 크기를 제한하는 제한부;
상기 제한부의 출력을, 정규화된 토크로 나누는 연산을 수행하여 정규화된 전류지령을 연산하는 제1연산부;
상기 제1연산부의 출력을 이용하여, 단위전류당 최대토크를 발생하는 1차원 참조표를 저장하는 1차원 참조표부; 및
상기 1차원 참조표부의 출력에 정규화된 전류를 곱하는 연산을 수행하여, 전류지령을 출력하는 제2연산부를 포함하는 구동 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압궤환부는,
상기 전류제어부의 출력과, 상기 인버터에서 합성되는 전압간의 과변조된 전압을 궤한하는 구동 장치.
제6항에 있어서, 상기 전압궤환부는,
과변조된 전압의 크기를 적분하고, 고역통과 필터링하여 상기 수정부에 전달하는 구동 장치.
제7항에 있어서, 상기 수정부는,
상기 지령토크를 최대한 추종하도록 전류지령을 수정하는 전류지령 처리부; 및
상기 전류지령 처리부에 의해 수정된 전류지령으로부터 전류의 크기를 제한하는 전류지령 제한부를 포함하는 구동 장치.