KR20130106505A - 센서리스 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20130106505A KR1020120028087A KR20120028087A KR20130106505A KR 20130106505 A KR20130106505 A KR 20130106505A KR 1020120028087 A KR1020120028087 A KR 1020120028087A KR 20120028087 A KR20120028087 A KR 20120028087A KR 20130106505 A KR20130106505 A KR 20130106505A
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Abstract

본 발명은 동기 전동기의 센서리스 제어 시 회전자의 탈조를 감지할 수 있는 센서리스 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 센서리스 제어 방법은 전동기로 인가할 속도 지령을 출력하는 단계; 상기 속도 지령에 따라 출력된 전압이 상기 전동기로 공급되면 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 단계; 상기 검출된 전류 및 속도 지령에 따라 출력된 전압에 근거하여 회전자의 자속을 산출하는 단계; 상기 산출된 자속으로부터 회전자 각을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 회전자 각과 센서리스 제어 알고리즘에 의해 추정된 회전자 각을 비교한 결과에 따라, 상기 회전자의 탈조를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 센서리스 제어 방법 및 장치에 따르면, 센서리스 알고리즘에 근거하여 추정된 회전자 각과 전압 방정식을 이용하여 산출된 회전자 각을 비교하여 회전자의 탈조를 감지하므로, 센서리스 알고리즘만을 이용하는 경우에 비하여 탈조 감지 성능을 향상시킬 수 있으며, 회전자의 탈조를 실시간으로 감지할 수 있다.

Description

센서리스 제어 방법 및 장치{Sensorless control method and apparatus thereof}
본 발명은 센서리스 제어 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동기 전동기의 센서리스 제어 시, 회전자의 탈조를 감지할 수 있는 센서리스 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
전동기(電動機, electric motor)는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 전동기는 전원의 종류에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 분류된다. 교류 전동기는 단상 교류용 전동기와 3상 교류용 전동기로 구분되며, 각각에 유도 전동기와 동기전동기가 있다.
동기 전동기는 회전자에 부착된 영구자석으로부터 자속을 공급받기 때문에 벡터제어를 위해서는 항상 회전자의 정확한 위치 정보를 알아야 한다. 회전자의 위치 정보를 얻기 위해서는 레졸버(Resolver)나 엔코더(Encoder) 등의 위치 검출 센서를 전동기의 축에 부착해야 한다. 그러나 위치 검출 센서는 가격이 고가이고, 별도의 복잡한 하드웨어가 마련되어야 하는 단점이 있다. 또한 전동기의 축에 위치 검출 센서를 부착하는 것으로 인하여 전동기의 크기 및 전동기의 관성이 증가하는 문제가 있다.
이러한 문제를 극복하기 위해 센서리스 제어에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 센서리스 제어란 위치 검출 센서를 사용하지 않고 간접적으로 회전자의 위치를 얻는 제어 방식을 말한다.
센서리스 제어에서는 위치 검출 센서가 없기 때문에 탈조 발생 여부를 검출하는 것이 어렵다. 그런데 탈조가 발생한 상태에서 전동기에 계속해서 전류를 인가하고 제어를 시도할 경우, 과전류로 인해 전동기가 손상된다.
종래의 센서리스 제어에서는 전동기에 속도 지령을 인가하고 일정 시간이 지난 후 목표속도에 도달하지 못하면 탈조로 판단하는 탈조 검출 방식을 사용하고 있다. 그러나 이러한 탈조 검출 방식은 부하 토크가 바뀌는 경우나, 정밀 속도 제어를 요구하지 않는 곳에서는 활용이 불가능하다. 또한 실제로 회전자는 회전하지 않고 있으나, 센서리스 알고리즘의 비정상적인 동작으로 인하여 회전자가 회전하고 있는 것으로 추정하는 경우도 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 동기 전동기의 센서리스 제어 시 회전자의 탈조를 감지할 수 있는 센서리스 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 센서리스 제어 방법은 전동기로 인가할 속도 지령을 출력하는 단계; 상기 속도 지령에 따라 출력된 전압이 상기 전동기로 공급되면 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 단계; 상기 검출된 전류 및 상기 속도 지령에 따라 출력된 전압에 근거하여 회전자의 자속을 산출하는 단계; 상기 산출된 자속으로부터 회전자 각을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 회전자 각과 센서리스 제어 알고리즘에 의해 추정된 회전자 각을 비교한 결과에 따라, 상기 회전자의 탈조를 감지하는 단계를 포함한다.
상기 회전자의 자속을 산출하는 단계는 상기 전동기의 정지 좌표계 상에서의 전압 방정식을 이용하여 상기 회전자의 자속을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 산출된 자속으로부터 회전자 각을 산출하는 단계는 상기 정지 좌표계에서 d축의 자속과 q축의 자속을 이용하여 상기 회전자 각을 산출하는 단계를 포함한다.
상기 회전자의 탈조를 감지하는 단계는 상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되는 경우, 상기 회전자가 정상적으로 회전하고 있는 것으로 판단하고, 상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 변하는 경우, 상기 회전자가 탈조된 것이라 판단하는 단계를 포함한다.
상기 회전자의 탈조를 감지한 결과에 따라 상기 전동기를 제어하는 단계를 더 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 센서리스 제어 장치는 전동기로 인가할 속도 지령을 출력하는 속도 지령부; 상기 속도 지령에 따라 출력된 전압이 상기 전동기로 공급되면 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 검출된 전류 및 상기 속도 지령에 따라 출력된 전압에 근거하여 회전자의 자속을 산출하고, 상기 산출된 자속으로부터 회전자 각을 산출하는 회전자 각 산출부; 및 상기 산출된 회전자 각과 센서리스 제어 알고리즘에 의해 추정된 회전자 각을 비교한 결과에 따라, 상기 회전자의 탈조를 감지하는 탈조 감지부를 포함한다.
상기 회전자 각 산출부는 상기 전동기의 정지 좌표계 상에서의 전압 방정식을 이용하여 상기 회전자의 자속을 산출한다.
상기 회전자 각 산출부는 상기 정지 좌표계에서 d축의 자속과 q축의 자속을 이용하여 상기 회전자 각을 산출한다.
상기 탈조 감지부는 상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되는 경우, 상기 회전자가 정상적으로 회전하고 있는 것으로 판단하고, 상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 변하는 경우, 상기 회전자가 탈조된 것이라 판단한다.
상기 속도 지령부는 상기 탈조 감지부의 감지 결과에 따라 상기 전동기를 제어하는 제어 신호를 생성한다.
본 발명에 의한 센서리스 제어 방법 및 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
센서리스 알고리즘에 근거하여 추정된 회전자 각과 전압 방정식을 이용하여 산출된 회전자 각을 비교하여 회전자의 탈조를 감지하므로, 센서리스 알고리즘만을 이용하는 경우에 비하여 탈조 감지 성능을 향상시킬 수 있다.
센서리스 제어 시 회전자의 탈조를 실시간으로 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서리스 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 전동기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 회전자의 좌표계를 도시한 도면이다.
도 4는 탈조가 발생하지 않은 경우, 센서리스 알고리즘에 근거하여 추정된 회전자 각과 전압 방정식에 근거하여 산출된 회전자 각을 도시한 도면이다.
도 5는 탈조가 발생한 경우, 센서리스 알고리즘에 근거하여 추정된 회전자 각과 전압 방정식에 근거하여 산출된 회전자 각을 도시한 도면이다.
도 6은 센서리스 알고리즘에 근거하여 추정된 회전자 각과 전압 방정식에 근거하여 산출된 회전자 각의 차이를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서리스 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 의한 센서리스 제어 방법 및 장치에 대해 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서리스 제어 장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 센서리스 제어 장치는 상용전원(100), 정류부(110), 인버터부(120), 전동기(200), 속도 지령부(300), 속도 제어부(310), 전류 제어부(320), 제1 좌표계 변환부(330a), 제2 좌표계 변환부(330b), PWM 생성부(340), 전류 검출부(350), 제3 좌표계 변환부(360a), 제4 좌표계 변환부(360b), 회전자 각 추정부(370), 회전자 각 산출부(380) 및 탈조 감지부(390)를 포함할 수 있다.
정류부(110)는 상용전원(100)에서 출력된 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환한다. 일 예로, 정류부(110)는 2상 브리지로 구성된 4개의 다이오드(미도시)와 평활 캐패시터(미도시)를 포함할 수 있으며, 이를 통해 전파 정류를 수행할 수 있다. 다른 예로, 정류부(110)는 배전압 회로를 구비할 수 있으며, 이를 통해 반파 정류를 수행할 수도 있다.
인버터부(120)는 평활 캐패시터의 직류전압을 전동기(200)를 구동하는 주파수를 가진 전압으로 변환한다. 인버터부(120)는 3상 브리지 형태로 접속된 6개의 스위칭 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 PWM 생성부(340)에서 출력되는 전류 신호에 따라 온/오프되어, 정류부(110)에서 인가받은 전압을 3상 전압으로 변환시켜 전동기(200)에 인가한다.
속도 지령부(300)는 전동기(200)에 인가할 속도 지령(
Figure pat00001
)을 출력한다. 속도 지령부(300)에서 출력된 속도 지령(
Figure pat00002
)은 속도 제어부(310)로 제공된다.
속도 제어부(310)는 속도 지령부(300)로부터 속도 지령을 입력받아, 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전류 지령(
Figure pat00003
)과 토크분 전류 지령(
Figure pat00004
)을 산출한다. 산출된 자속분 전류 지령(
Figure pat00005
)과 토크분 전류 지령(
Figure pat00006
)은 전류 제어부(320)로 제공된다.
전류 제어부(320)는 속도 제어부(310)로부터 자속분 전류 지령(
Figure pat00007
)과 토크분 전류 지령(
Figure pat00008
)을 입력받아, 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전압 지령(
Figure pat00009
)과 토크분 전압 지령(
Figure pat00010
)을 산출한다. 산출된 자속분 전압 지령(
Figure pat00011
)과 토크분 전압 지령(
Figure pat00012
)은 제1 좌표계 변환부(330a)로 제공된다.
제1 좌표계 변환부(330a)는 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전압 지령(
Figure pat00013
)과 토크분 전압 지령(
Figure pat00014
)을 각각 정지 좌표계에서의 자속분 전압 지령(
Figure pat00015
)과 토크분 전압 지령(
Figure pat00016
)으로 변환한다. 제1 좌표계 변환부(330a)에서 출력된 2상의 전압 지령은 제2 좌표계 변환부(330b)로 제공된다.
제2 좌표계 변환부(330b)는 제1 좌표계 변환부(330a)에서 출력된 2상의 전압 지령을 이것과 등가인 3상의 전압으로 변환한다. 변환된 3상의 전압은 PWM 생성부(340)로 제공된다.
PWM 생성부(340)는 제공받은 3상의 전압에 기초하여 펄스 폭 변소된 전류 신호를 출력한다. 그러면 인버터부(120)의 스위칭 소자는 PWM 생성부(340)에서 출력되는 전류 신호에 따라 온/오프되어, 정류부(110)에서 인가받은 전압을 3상 전압으로 변환시켜 전동기(200)에 인가한다. 여기서 도 2를 참조하여 전동기(200)에 대하여 간략히 설명하기로 한다.
도 2는 도 1의 전동기의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
전동기(200)는 도 2에 도시된 바와 같이, 고정자(210) 및 회전자(220)로 이루어진다. 고정자는 U, V, W 세 개의 코일(211, 212, 213)을 구비한다. 회전자(220)는 영구자석으로 이루어지며, 고정자(210)에 대하여 회전 가능하도록 배치된다. 고정자(210)의 각 코일(211, 212, 213)에 전압이 인가되면, 각 코일(211, 212, 213)은 자기장을 발생시키는데, 이 자기장에 의해 회전자(220)가 회전하게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 전류 검출부(350)는 인버터부(120)의 출력단과 전동기(200)의 입력단 사이에 연결되어, 전동기(200)에 흐르는 전류를 검출한다. 구체적으로, 속도 지령부(300)에서 출력된 속도 지령에 따른 3상의 전압이 전동기(200)의 각 코일(211, 212, 213)로 공급되면, 전류 검출부(250)는 전동기(200)의 각 코일(211, 212, 213)에 흐르는 3상의 전류를 검출한다. 전류 검출부(350)에서 검출된 3상의 전류는 제3 좌표계 변환부(360a)로 제공된다.
제3 좌표계 변환부(360a)는 전류 검출부(350)에 의해 검출된 3상의 전류를 이것과 등가인 2상의 전류(
Figure pat00017
,
Figure pat00018
)로 변환한다. 이 때, 2상의 전류 및 2상의 전압은 정지 좌표계로 표시될 수 있다.
제4 좌표계 변환부(360b)는 정지 좌표계로 변환된 2상의 전류(
Figure pat00019
,
Figure pat00020
)를 동기 회전 좌표계의 2상의 전류(
Figure pat00021
,
Figure pat00022
)로 변환한다(이하의 설명에서는 동기 회전 좌표계로 변환된 2상의 전류
Figure pat00023
및
Figure pat00024
를 '검출 전류'라 칭하기로 한다). 정지 좌표계에서 동기 회전 좌표계로의 변환은 공지의 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
회전자 각 추정부(370)는 센서리스 알고리즘에 근거하여 회전자의 위치(
Figure pat00025
)와 속도(
Figure pat00026
)를 추정한다. 센서리스 알고리즘의 예로는 마쯔이(Matsui) 알고리즘을 들 수 있다.
마쯔이 알고리즘은 제4 좌표계 변환부(360b)로부터 입력받은 검출 전류
Figure pat00027
및
Figure pat00028
와 전류 제어부(320)로부터 입력받은 지령 전압
Figure pat00029
및
Figure pat00030
을 기초로 하여 회전자의 위치(
Figure pat00031
)와 속도(
Figure pat00032
)를 추정한다. 여기서, 검출 전류
Figure pat00033
및
Figure pat00034
는 각각 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전류와 토크분 전류를 나타낸다. 그리고
Figure pat00035
및
Figure pat00036
는 각각 동기 회전 좌표계에서의 자속분 전압 지령과 토크분 전압 지령을 나타낸다. 이 때, *는 지령을 의미한다. 회전자 각 추정부(370)는 회전자의 위치(
Figure pat00037
)와 속도(
Figure pat00038
)를 추정하기 위해, 지난 제어 주기에서 측정된 전류와 지난 제어 주기의 속도 지령에 따라 출력된 전압을 바탕으로 전동기(200)의 수학적 모델을 통해 이번 제어 주기의 전류
Figure pat00039
및
Figure pat00040
을 추정한다.
일반적인 영구자석 동기 전동기(200)의 수학적 모델은 아래의 식 1과 같다.
[식 1]
Figure pat00041
식 1에서
Figure pat00042
는 스테이터 권선 저항,
Figure pat00043
는 회전자(220)의 속도,
Figure pat00044
는 전동기(200)의 d축 인덕턴스,
Figure pat00045
는 전동기(200)의 q축 인덕턴스,
Figure pat00046
는 영구자석에 의한 자속,
Figure pat00047
는 미분을 나타낸다.
그리고 센서리스 알고리즘에 의해 추정된 회전자(220)의 위치는 실제 동기 회전 좌표계에서 회전자의 위치와 다른 위치에 존재하는데, 이것을
Figure pat00048
축이라고 가정한다. 여기서 도 3을 참조하여 회전자(220)의 좌표계에 대해서 간략히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 회전자(220)의 좌표계는 d-q축으로 이루어진 동기 회전 좌표계와,
Figure pat00049
축으로 이루어진 추정 좌표계가 있다.
동기 회전 좌표계에서 d축은 회전자(220)의 자속 방향의 위치를 말한다. 그리고 q축은 d축에서부터 회전 방향으로 90도 진행한 축을 말한다.
추정 좌표계에서
Figure pat00050
축은 가상의 회전자의 위치를 말한다. 그리고
Figure pat00051
축은
Figure pat00052
축에서부터 회전 방향으로 90도 진행한 축을 말한다.
이 때, 동기 회전 좌표계의 d-q축과 추정 좌표계의
Figure pat00053
축의 위치 오차를
Figure pat00054
라고 정의할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의한 센서리스 제어 장치는 위치 오차
Figure pat00055
가 0이 되도록 전동기(200)를 제어한다.
한편, 위치 오차
Figure pat00056
가 충분히 작다고 가정하면, 식 1은 아래의 식 2와 같이 표현된다.
[식 2]
Figure pat00057
식 2에서
Figure pat00058
및
Figure pat00059
는 각각 회전자의 추정 좌표계에서의
Figure pat00060
축의 전압값 및
Figure pat00061
축의 전압값이다. 그리고
Figure pat00062
및
Figure pat00063
는 각각 회전자의 추정 좌표계에서의
Figure pat00064
축의 전류값 및
Figure pat00065
축의 전류값이다.
Figure pat00066
는 회전자가 회전하면서 발생하는 역기전력을 나타낸다.
한편, 디지털 시스템에서는 식 2를 아래의 식 3과 같은 차분 방정식으로 표현하여 처리한다.
[식 3]
Figure pat00067
식 3에서
Figure pat00068
및
Figure pat00069
은 n 스텝에서 측정된 전류 값이고,
Figure pat00070
및
Figure pat00071
은 각각 n-1 스텝에서 측정된 전류 값이다. 또한,
Figure pat00072
및
Figure pat00073
은 각각 n-1 스텝에서 측정된 각 축의 전압 값을 의미하며,
Figure pat00074
는 샘플링 주기를 의미한다.
한편, 회전자의 위치로 가정한
Figure pat00075
축이 실제의 동기 회전 좌표계인 d-q축과 일치하는 경우, 위치 오차
Figure pat00076
는 0이 되고(
Figure pat00077
=0), 역기전력
Figure pat00078
는
Figure pat00079
를 만족한다(
Figure pat00080
). 따라서 아래의 식 4와 같이, 추정된 전류의 차분 방정식을 구할 수 있다.
[식 4]
Figure pat00081
식 4에 의하면, n 스텝에서의
Figure pat00082
축과
Figure pat00083
축의 추정된 전류값
Figure pat00084
및
Figure pat00085
은 n-1 스텝에서 측정된 전류값
Figure pat00086
,
Figure pat00087
,
Figure pat00088
및
Figure pat00089
을 이용하여 추정될 수 있다.
그리고 위치 오차
Figure pat00090
가 충분히 작다고 가정하면 식 3과 식 4의 차분은 아래의 식 5와 같이 근사화되어 표현될 수 있다.
[식 5]
Figure pat00091
식 5에서
Figure pat00092
는
Figure pat00093
축 전류 오차 즉,
Figure pat00094
축 전류의 추정치와 측정치의 오차를 나타낸다. 그리고
Figure pat00095
는
Figure pat00096
축 전류 오차 즉,
Figure pat00097
축 전류의 추정치와 측정치의 오차를 나타낸다. 식 5에 의하면,
Figure pat00098
축 전류 오차
Figure pat00099
는 위치 오차
Figure pat00100
에 비례하고,
Figure pat00101
축 전류 오차
Figure pat00102
는 역기전력의 오차(
Figure pat00103
)에 비례함을 알 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 회전자 각 추정부(370)는 상술한 바와 같이, 회전자의 추정 위치(
Figure pat00104
) 및 추정 속도(
Figure pat00105
)를 생성할 수 있다. 그러나 이는 일 예일 뿐이며, 다른 센서리스 제어 알고리즘이 적용될 수도 있다. 회전자 각 추정부(370)에 의해 추정된 위치 즉, 회전자 각(
Figure pat00106
)은 탈조 감지부(390)로 제공된다.
한편, 회전자 각 산출부(380)는 정지 좌표계에서의 전압 방정식에 근거하여 회전자(220)의 자속을 산출할 수 있다. 영구자석 동기 전동기의 정지 좌표계 상에서의 전압 방정식은 다음과 같다.
[식 6]
Figure pat00107
식 6에서
Figure pat00108
는 정지 좌표계에서의 d축의 전압 및 q축의 전압을 동시에 표현한 것이다. 그리고
Figure pat00109
는 정지 좌표계에서의 d축의 전류 및 q축의 전류를 동시에 표현한 것이다. 그리고
Figure pat00110
는 정지 좌표계에서의 d축의 자속 및 q축의 자속을 동시에 표현한 것이다. 이하의 식에서 위첨자가 'e'인 것은 회전 좌표계를 의미하며, 위첨자가 's'인 것은 정지 좌표계를 의미한다. 그리고 아래첨자 중에서 마지막에 기재된 's'는 스테이터를 의미한다.
식 6을 자속에 대한 식으로 정리하면 다음의 식 7과 같다.
[식 7]
Figure pat00111
회전자 각 산출부(380)는 식 7을 이용하여 회전자(220)의 자속(
Figure pat00112
)을 산출한다.
이 후, 회전자 각 산출부(380)는 산출된 자속(
Figure pat00113
)으로부터 회전자 각()을 산출한다. 자속(
Figure pat00115
)으로부터 회전자 각(
Figure pat00116
)을 산출하는 식은 다음의 식 8과 같다.
[식 8]
Figure pat00117
식 8에서
Figure pat00118
는 q축의 자속을 의미하며,
Figure pat00119
는 d축의 자속을 의미한다. 회전자 각 산출부(380)에 의해 산출된 회전자 각(
Figure pat00120
)은 탈조 감지부(390)로 제공된다.
탈조 감지부(390)는 회전자 각 산출부(380)에 의해 산출된 회전자 각(
Figure pat00121
)과 회전자 각 추정부(370)에 의해 추정된 회전자 각(
Figure pat00122
)을 비교하여, 두 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되지 않는 경우, 탈조가 발생한 것으로 판단한다. 여기서 탈조 감지에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 4 내지 도 6을 참조하기로 한다.
도 4 및 도 5는 시간에 따른 회전자 각의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4는 탈조가 발생하지 않은 경우, 자속에 근거하여 산출된 회전자 각(
Figure pat00123
)과 센서리스 알고리즘에 근거하여 추정된 회전자 각(
Figure pat00124
)을 도시한 도면이다. 도 5는 탈조가 발생한 경우, 자속에 근거하여 근거하여 산출된 회전자 각(
Figure pat00125
)과 센서리스 알고리즘에 근거하여 추정된 회전자 각(
Figure pat00126
)을 도시한 도면이다.
탈조가 발생하지 않은 상태라면, 도 4에 도시된 바와 같이 두 회전자 각의 차이는 일정한 값으로 유지된다. 그런데 만약 회전자(220)에 탈조가 발생한 상태라면, 도 5에 도시된 바와 같이 두 회전자 각의 차이는 시간이 지남에 따라 계속 변한다.
도 6의 (a)는 탈조가 발생하지 않은 경우, 두 회전자 각의 차이를 나타낸 것이며, 도 6의 (b)는 탈조가 발생한 경우, 두 회전자 각의 차이를 나타낸 것이다. 도 6의 (a)를 참조하면, 탈조가 발생하지 않은 상태에서는 시간이 지남에 따라 두 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되고 있는 것을 알 수 있다. 이에 비하여, 도 6의 (b)를 참조하면, 탈조가 발생한 상태에서는 시간이 지남에 따라 두 회전자 각의 차이가 계속 변하는 것을 알 수 있다.
이처럼 탈조 감지부(390)는 두 회전자 각을 비교하여, 두 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되는지 그렇지 않은지에 따라서 탈조를 감지한다. 이 때, 두 회전자 각의 차이가 반드시 특정한 값으로 제한되는 것은 아니다. 즉, 탈조 감지부(390)는 두 회전자 각의 차이가 크던 작던, 두 회전자 각의 차이가 일정하게 유지된다면 탈조가 발생하지 않은 것으로 판단할 수 있는 것이다.
탈조 발생 시 두 회전자 각 간에 차이가 나는 원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
앞의 식 8에서
Figure pat00127
은 정지 좌표계로, 이론적 설명이 매우 복잡하다. 따라서 동기 회전 좌표계로 전동기 모델을 표현한 전압 방정식 식 1을 재정리하면 다음과 같다.
[식 9]
Figure pat00128
탈조하여 회전하지 않는 경우는 정상적으로 회전하는 경우와 달리, 속도 항인
Figure pat00129
이 0이 되어, 전압 방정식은 아래와 같이 나타난다.
[식 10]
Figure pat00130
따라서, 회전자가 실제 회전하는 경우와 탈조가 발생하여 회전하지 않는 경우의 전압이 서로 달라지게 된다. 결국 이 전압을 바탕으로 산출된 회전자 각(
Figure pat00131
)은 회전자 각 추정부(370)에서 추정된 회전자 각(
Figure pat00132
)과 차이를 보이게 된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서리스 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
속도 지령부(300)의 속도 지령에 따라 인버터부(120)에서 출력된 전압이 전동기(200)로 공급되면, 전류 검출부(350)는 전동기(200)의 각 코일(211, 212, 213)에 흐르는 전류를 검출한다(S610). 전동기(200)의 각 코일(211, 212, 213)에 흐르는 전류는 인버터부(120)의 출력단에서 검출된다.. 상기 S610 단계는 3상의 전류를 검출하는 단계와, 검출된 3상의 전류를 2상의 전류로 변환하는 단계와, 2상 전류의 좌표계를 정지 좌표계에서 동기 회전 좌표계로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
동기 회전 좌표계로 변환이 완료되면, 회전자 각 추정부(370)는 센서리스 제어 알고리즘을 이용하여 회전자 각을 추정한다(S620). 이 때, 센서리스 제어 알고리즘으로는 마쯔이(Matsui) 알고리즘을 예로 들 수 있다. 마쯔이 알고리즘은 동기 회전 좌표계로 변환된 검출 전류(
Figure pat00133
및
Figure pat00134
)와, 동기 회전 좌표계 상의 출력 전압(
Figure pat00135
및
Figure pat00136
)을 이용하여 회전자 각을 추정한다.
한편, 회전자 각 산출부(380)는 전압 방정식에 근거하여 회전자(220)의 자속을 산출할 수 있다(S630). 이 때, 회전자 각 산출부(380)는 정지 좌표계로 변환된 검출 전류(
Figure pat00137
및
Figure pat00138
)와, 정지 좌표계 상의 출력 전압(
Figure pat00139
및
Figure pat00140
)을 식 7에 대입하여, 회전자(220)의 자속(
Figure pat00141
)을 산출할 수 있다.
회전자의 자속(
Figure pat00142
)이 산출되면, 회전자 각 산출부(380)는 산출된 자속(
Figure pat00143
)에 근거하여 회전자 각을 산출할 수 있다(S640). 이 때, 회전자 각 산출부(380)는 식 8을 이용하여 회전자 각(
Figure pat00144
)을 산출할 수 있다.
이 후, 탈조 감지부(390)는 S620 단계에서 추정된 회전자 각(
Figure pat00145
)과, S640 단계에서 산출된 회전자 각(
Figure pat00146
)을 비교하여 탈조를 감지한다(S650).
구체적으로, 두 회전자 각(
Figure pat00147
과
Figure pat00148
)을 비교한 결과, 두 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지된다면, 탈조 감지부(390)는 회전자(220)가 정상적으로 회전하고 있다고 판단한다. 이 때, 두 회전자 각의 차이가 반드시 특정한 값을 가질 필요는 없으며, 두 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되기만 하면 회전자(220)가 정상적으로 회전하고 있다고 판단한다.
만약, 두 회전자 각(
Figure pat00149
과
Figure pat00150
)을 비교한 결과, 두 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되지 않고 계속 변한다면, 탈조 감지부(390)는 탈조가 발생한 것으로 판단한다.
속도 지령부(300)는 탈조 감지부(390)의 감지 결과에 따라 전동기(200)를 제어한다(S660). 구체적으로, 탈조 감지부(390)에 의해 탈조가 감지되지 않았다면, 속도 지령부(300)는 인버터부(120)의 스위칭 소자를 온/오프시키는 제어 신호를 발생시킨다. 만약 탈조 감지부(390)에 의해 탈조가 감지된 경우, 속도 지령부(300)는 전동기(200)의 동작을 정지시킬 수 있는 제어 신호나 전동기(200)의 속도를 감소시킬 수 있는 제어 신호를 생성하여 인버터부(120)의 스위칭 소자로 제공할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예들을 설명하였다. 전술한 실시예들에서 센서리스 제어 장치를 구성하는 일부 구성요소들은 일종의 '모듈(module)'로 구현될 수 있다. 여기서, '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.
일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 게다가, 상기 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내에서 하나 또는 그 이상의 CPU를 실행할 수 있다.
전술한 실시예들에 더하여, 본 발명의 실시예들은 전술한 실시예의 적어도 하나의 처리 요소를 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 코드/명령을 포함하는 매체 예를 들면, 컴퓨터 판독 가능한 매체를 통해 구현될 수도 있다. 상기 매체는 상기 컴퓨터 판독 가능한 코드의 저장 및/또는 전송을 가능하게 하는 매체/매체들에 대응할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 코드는, 매체에 기록될 수 있을 뿐만 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, 마그네틱 저장 매체(예를 들면, ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학 기록 매체(예를 들면, CD-ROM 또는 DVD)와 같은 기록 매체, 반송파(carrier wave)와 같은 전송매체를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따라 상기 매체는 합성 신호 또는 비트스트림(bitstream)과 같은 신호일 수도 있다. 상기 매체들은 분산 네트워크일 수도 있으므로, 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드는 분산 방식으로 저장/전송되고 실행될 수 있다. 또한 더 나아가, 단지 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 상용전원
110: 정류부
120: 인버터부
200: 모터
210: 고정자
211, 212, 213: 코일
220: 회전자
300: 속도 지령부
310: 속도 제어부
320: 전류 제어부
330a: 제1 좌표계 변환부
330b: 제2 좌표계 변환부
340: PWM 생성부
350: 전류 검출부
360a: 제3 좌표계 변환부
360b: 제4 좌표계 변환부
370: 회전자 각 추정부
380: 회전자 각 산출부
390: 탈조 감지부

Claims (10)

  1. 전동기로 인가할 속도 지령을 출력하는 단계;
    상기 속도 지령에 따라 출력된 전압이 상기 전동기로 공급되면 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 단계;
    상기 검출된 전류 및 상기 속도 지령에 따라 출력된 전압에 근거하여 회전자의 자속을 산출하는 단계;
    상기 산출된 자속으로부터 회전자 각을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 회전자 각과 센서리스 제어 알고리즘에 의해 추정된 회전자 각을 비교한 결과에 따라, 상기 회전자의 탈조를 감지하는 단계를 포함하는, 센서리스 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자의 자속을 산출하는 단계는
    상기 전동기의 정지 좌표계 상에서의 전압 방정식을 이용하여 상기 회전자의 자속을 산출하는 단계를 포함하는, 센서리스 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 산출된 자속으로부터 회전자 각을 산출하는 단계는
    상기 정지 좌표계에서 d축의 자속과 q축의 자속을 이용하여 상기 회전자 각을 산출하는 단계를 포함하는, 센서리스 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자의 탈조를 감지하는 단계는
    상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되는 경우, 상기 회전자가 정상적으로 회전하고 있는 것으로 판단하고,
    상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 변하는 경우, 상기 회전자가 탈조된 것이라 판단하는 단계를 포함하는, 센서리스 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자의 탈조를 감지한 결과에 따라 상기 전동기를 제어하는 단계를 더 포함하는, 센서리스 제어 방법.
  6. 전동기로 인가할 속도 지령을 출력하는 속도 지령부;
    상기 속도 지령에 따라 출력된 전압이 상기 전동기로 공급되면 상기 전동기에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출부;
    상기 검출된 전류 및 상기 속도 지령에 따라 출력된 전압에 근거하여 회전자의 자속을 산출하고, 상기 산출된 자속으로부터 회전자 각을 산출하는 회전자 각 산출부; 및
    상기 산출된 회전자 각과 센서리스 제어 알고리즘에 의해 추정된 회전자 각을 비교한 결과에 따라, 상기 회전자의 탈조를 감지하는 탈조 감지부를 포함하는, 센서리스 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 회전자 각 산출부는
    상기 전동기의 정지 좌표계 상에서의 전압 방정식을 이용하여 상기 회전자의 자속을 산출하는, 센서리스 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 회전자 각 산출부는
    상기 정지 좌표계에서 d축의 자속과 q축의 자속을 이용하여 상기 회전자 각을 산출하는, 센서리스 제어 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 탈조 감지부는
    상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 일정한 값으로 유지되는 경우, 상기 회전자가 정상적으로 회전하고 있는 것으로 판단하고,
    상기 산출된 회전자 각과 상기 추정된 회전자 각의 차이가 변하는 경우, 상기 회전자가 탈조된 것이라 판단하는, 센서리스 제어 장치.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 속도 지령부는
    상기 탈조 감지부의 감지 결과에 따라 상기 전동기를 제어하는 제어 신호를 생성하는, 센서리스 제어 장치.
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