KR20140091958A - 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법 및 장치. - Google Patents

전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법 및 장치. Download PDF

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Abstract

전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법에 따르면, 저역 통과 필터를 이용하여 전동기로 출력되는 출력 전류의 고주파 성분을 제거하여 출력 전류의 기본파 성분을 획득하고, 출력 전류의 기본파 성분을 이용하여 전류 고조파 왜곡률을 산출하고, 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 왜곡률보다 작아지면, 인버터의 출력전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식을 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식에서 상기 인버터의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하고, 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다.

Description

전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법 및 장치.{Method and Apparatus for controlling output voltage of inverter driving motor}
전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
전동기는 전기에너지를 변환하여 기계적인 동력을 제공하는 것으로, 전기 자동차, 산업용 기기 및 가전 제품 등의 다양한 분야에 활용되고 있다. 전동기를 이용하여 안정적으로 높은 효율의 토크를 발생하기 위해서는 전동기를 구동하는 인버터의 효과적인 제어가 중요하다. 이에 따라, 다양한 기법의 펄스 폭 변조방식들이 인버터의 출력전압을 효과적으로 제어하기 위해서 사용된다.
전동기의 출력 전압 또는 전류에 포함된 고조파 성분은 열이나 노이즈 등의 불필요한 손실을 초래하므로, 전동기의 전체 출력 범위에서 고조파 성분은 감소시키고 전동기의 효율은 높일 수 있는 제어 방법이 요구된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다. 또한, 상기 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는 데 있다. 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법 및 장치가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법은 저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)를 이용하여 상기 전동기로 출력되는 출력 전류의 고주파 성분을 제거하여 상기 출력 전류의 기본파 성분을 획득하는 단계; 상기 출력 전류의 기본파 성분을 이용하여 전류 고조파 왜곡률(current Total Harmonic Distortion, current THD)을 산출하는 단계; 상기 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률(reference current THD)을 비교하는 단계; 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지면, 상기 인버터의 출력전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 상기 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식에서 상기 인버터의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 단계; 및 상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 제어 장치는 상기 전동기로 출력되는 출력 전류의 기본파 성분을 획득하기 위해서 상기 출력 전류의 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터(LPF, Low Pass Filter); 상기 출력 전류의 기본파 성분을 이용하에 전류 고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion, THD)을 산출하는 전류 고조파 왜곡률 산출부; 상기 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 상기 인버터의 출력전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식을 상기 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식에서 상기 인버터의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 변조방식 결정부; 및 상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 제어 펄스 신호 생성부;를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 전동기를 구동하는 전동기 구동 시스템은 상기 전동기로 출력되는 출력 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 출력 전류의 전류 고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion, THD)에 기초하여 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식을 결정하고, 상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 제어 장치; 및 상기 제어 펄스 신호에 기초하여 입력전원을 출력전압으로 변환하여 상기 출력전압을 상기 전동기에 공급하는 인버터;를 포함하고, 상기 제어 장치는 상기 출력 전류의 기본파 성분을 획득하기 위해서 상기 출력 전류의 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터(LPF, Low Pass Filter); 상기 출력 전류의 기본파 성분을 이용하에 상기 전류 고조파 왜곡률을 산출하는 전류 고조파 왜곡률 산출부; 상기 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM)에서 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM)으로 변경되도록 결정하는 변조방식 결정부; 및 상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 제어 펄스 신호 생성부;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따라 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상기된 바에 따르면, 전류 고조파 왜곡률에 기초하여 제어 펄스 신호의 펄스 폭 변조방식을 제 1 변조방식 또는 제 2 변조방식으로 변경하도록 결정함으로써, 인버터의 출력 전압의 전체 출력 범위에서 고조파에 의한 왜곡을 최소화하면서도 출력 전압의 효율을 높일 수 있다. 또한, 전동기의 출력, 고조파 왜곡 뿐 아니라 인버터의 발열까지 고려하여 효율적으로 전동기를 구동할 수 있다.
전류 고조파 왜곡률에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정함으로써, 전동기의 출력과 인버터의 스위칭 주파수의 변동에 따라 펄스 폭 변조방식을 적응적으로 변경할 수 있다.
또한, 저역 통과 필터를 이용함으로써 푸리에 변환 등의 연산 없이 전류 고조파 왜곡률을 획득할 수 있어, 연산량을 감소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 제어 장치를 이용하여 전동기의 구동을 제어하는 전동기 구동 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 제어 장치를 이용하여 전동기의 구동을 제어하는 전동기 구동 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 인버터의 스위칭 주파수에 따른 전류 또는 전압의 고조파 왜곡률을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치를 도시한 블록도이다. 도 1 을 참조하면, 제어 장치(100)는 저역 통과 필터(110), 전류 고조파 왜곡률 산출부(120), 변조방식 결정부(130) 및 제어 펄스 신호 생성부(140)로 구성된다.
도 1에 도시된 제어 장치(100)는 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
본 실시예에 따른 제어 장치(100)는 적어도 하나 이상의 프로세서(processor)에 해당하거나, 적어도 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제어 장치(100)는 마이크로 프로세서나 범용 컴퓨터 시스템과 같은 다른 하드웨어 장치에 포함된 형태로 구동될 수 있다.
도 1에 도시된 제어 장치(100)는 전동기(미도시)를 구동하는 인버터(미도시)의 출력전압을 제어한다. 제어 장치(100)는 전동기(미도시)에서 전류 고조파 왜곡률에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성하고, 인버터(미도시)는 제어 펄스 신호에 따라 출력전압을 생성함으로써, 제어 장치(100)는 인버터(미도시)의 출력전압을 제어한다.
저역 통과 필터(LPF, Low Pass Filter, 110)는 전동기(미도시)로 출력되는 출력 전류의 고주파 성분(high frequency component)을 제거한다. 이에 따라, 저역 통과 필터(LPF, Low Pass Filter, 110)에 의해 출력 전류의 고조파 성분(harmonic components)이 제거되고, 출력 전류의 기본파 성분(fundamental component)을 획득될 수 있다. 이때, 전동기(미도시)로 출력되는 출력 전류는 션트(shunt) 저항 또는 계기용 변류기(Current Transformer) 등을 이용하여 검출될 수 있다. 본 실시예에서 제어 장치(100)는 저역 통과 필터를 이용함으로써, 푸리에 변환(Fourier Transform) 등의 연산 없이 전류 고조파 왜곡률을 산출할 수 있다. 이에 따라, 제어 장치(100)는 전류 고조파 왜곡률의 산출에 필요한 연산량을 줄일 수 있다.
전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 출력 전류의 기본파 성분을 이용하에 전류 고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion, THD)을 산출한다. 이때, 고조파 왜곡(Harmonic Distortion)은 기본 주파수 성분의 배수가 되는 고조파 성분에 의해서 발생하는 기본 파형의 왜곡 현상을 나타나는 것으로, 고조파 성분은 전동기(미도시)의 구동에 있어서 EMI(electro magnetic interference) 등의 노이즈로 작용하여 전동기(미도시)의 구동의 오작동을 야기시킨다. 이에 따라, 제어 장치(100)는 실시간으로 고조파 왜곡률을 산출하고, 산출된 고조파 왜곡률에 따라 변조방식을 변경함으로써, 고조파 성분을 제어할 수 있다.
전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 전동기(미도시)의 고조파 성분을 제어하기 위해서 전류 고조파 왜곡률은 산출한다. 고조파 왜곡률은 전류와 전압 각각에 대해서 산출될 수 있다. 본 실시예에서는 전압 고조파 왜곡률이 아닌 전류 고조파 왜곡률을 이용하여 변조방식을 결정한다. 전류 고조파 왜곡률은 전압 고조파 왜곡률과 달리 전동기(미도시)의 출력 및 스위칭 주파수에 따라 변하는 값으로, 전동기(미도시)의 출력 및 스위칭 주파수에 따라 펄스 폭 변조방식을 적응적으로 결정함으로써, 전동기(미도시)의 효율적인 구동이 가능하다.
변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률(reference current THD)을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 제어 펄스 신호의 펄스 폭 변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 결정한다. 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 펄스 폭 변조방식을 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식에서 인버터의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정한다.
이때, 펄스 폭 변조방식은 인버터(미도시)의 출력 전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 방식을 나타낸다. 인버터(미도시)의 스위칭 소자가 제어 펄스 신호에 의해 온/오프로 스위칭됨에 따라 인버터(미도시)에서 출력되는 출력전압의 크기와 주파수가 결정된다. 이에 따라, 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 방식에 따라 전동기(미도시)로 출력되는 출력 전압 및 출력 전류에 포함되는 고조파 성분의 양과 인버터(미도시)의 스위칭 소자의 스위칭 손실 등이 달라진다.
변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률에 따라 제 1 변조방식 과 제 2 변조방식 중 어느 하나의 펄스 폭 변조방식으로 결정한다. 변조방식 결정부(120)는 출력 전압의 전체 출력 범위에서 고조파에 의한 왜곡을 최소화하면서도 인버터(미도시)의 스위칭 효율을 높일 수 있도록 펄스 폭 변조방식을 제 1 변조방식 또는 제 2 변조방식 중 어느 하나로 결정한다.
기준 전류 고조파 왜곡률은 제 1 변조방식에서 제 2 변조방식으로 펄스 폭 변조방식을 변경하는 기준이 되는 전류 고조파 왜곡률의 값을 나타낸다. 이때, 기준 고조파 왜곡률은 제어 장치(100)를 통해서 미리 설정될 수 있다. 기준 고조파 왜곡률은 인버터(미도시)의 스위칭 효율, 전동기(미도시)의 출력 효율, 고조파 성분에 따른 전동기(미도시)의 오작동 발생빈도 등에 기초하여 실험적으로 또는 이론적으로 결정될 수 있다.
제어 장치(100)는 기준 전류 고조파 왜곡률을 기준으로 출력 전류 고조파 왜곡률에 따라 펄스 폭 변조방식을 변경함으로써, 펄스 폭 변조방식을 전동기(미도시)의 출력 전압과 인버터(미도시)의 스위칭 주파수의 변화에 따라 적응적으로 결정할 수 있다.
이에 따라, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 펄스 폭 변조방식을 제 1 변조방식에서 인버터(미도시)의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하여, 인버터(미도시)의 스위칭 소자의 스위칭 손실을 줄일 수 있다. 이에 따라, 전동기(미도시)의 출력 전압의 효율이 높아진다.
반면, 전류 고조파 왜곡률이 지령 고조파 왜곡률보다 커지면, 변조방식 결정부(120)는 펄스 폭 변조방식을 제 2 변조방식에서 다시 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식으로 변경되도록 결정함으로써, 제어 장치(100)는 전동기(미도시)의 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시킨다.
본 실시예에 따라 제 1 변조방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM, Space Vector Pulse Width Modulation)이 될 수 있으며, 제 2 변조방식은 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM, Discontinuous Pulse Width Modulation)이 될 수 있다.
공간 벡터 펄스 폭 변조방식은 인버터(미도시)가 생성 가능한 출력전압을 복소수 공간 상에 공간 벡터(space vector)로 표현하여, 공간 벡터에 따라 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 것이다. 이때, 공간 벡터 펄스 폭 변조방식에 따르면, 3상의 스위칭 소자가 모두 구동된다. 공간 벡터 펄스 폭 변조방식은 다른 펄스 폭 변조방식들과 비교하여 인버터(미도시)에 주어지는 입력 전압 하에서 최대 출력 전압을 획득할 수 있으며, 전동기(미도시)로 출력되는 출력 전압 또는 출력 전류에 포함되는 고조파 성분의 양이 적다.
불연속 펄스 폭 변조방식은 3상의 출력 전압을 출력하는 인버터(미도시)에서 스위칭 소자의 스위칭의 한 주기 내에서 3상의 스위칭 소자들 중 2상의 스위칭 소자만 스위칭되도록 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 것이다. 이에 따라, 불연속 펄스 폭 변조방식은 다른 펄스 폭 변조방식들과 비교하여 인버터(미도시)의 스위칭 소자의 스위칭 횟수를 줄여 스위칭 손실을 최소화할 수 있다.
이에 따라, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 고조파 왜곡률보다 큰 경우, 전동기(미도시)의 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키기 위하여, 펄스 폭 변조방식을 공간 벡터 펄스 폭 변조방식으로 결정하고, 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작은 경우, 인버터(미도시)의 스위칭 손실을 최소화하기 위하여, 펄스 폭 변조방식을 불연속 펄스 폭 변조방식으로 결정할 수 있다.
이에 따라, 제어 장치(100)는 전동기(미도시)의 출력에 포함된 고조파에 의한 왜곡을 최소화하면서도 출력 전압의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 이외에 인버터(미도시)의 온도를 더 참고하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 변조방식 결정부(130)는 인버터(미도시)의 온도와 인버터(미도시)의 기준 온도(reference temperature)를 더 비교한다. 이때, 인버터(미도시)의 온도는 온도 센서(미도시) 등에 의해 검출될 수 있다. 인버터(미도시)의 기준 온도는 제어 장치(100)를 통해서 미리 설정될 수 있다. 인버터(미도시)의 기준 온도는 인버터(미도시)의 스위칭 효율, 전동기(미도시)의 출력 효율, 고조파 성분에 따른 전동기(미도시)의 오작동 발생빈도, 인버터(미도시)의 발열에 따른 오작동 발생빈도 등에 기초하여 실험적으로 또는 이론적으로 결정될 수 있다.
변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 및 인버터(미도시) 온도의 비교 결과들에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정한다. 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 인버터(미도시)의 온도가 인버터(미도시)의 기준 온도보다 작아지면, 펄스 폭 변조방식을 제 1 변조방식에서 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정한다. 이에 따르면, 변조방식 결정부(130)는 출력 전류의 전류 고조파 왜곡률이 줄어들더라도, 인버터(미도시)의 온도가 높은 경우는 펄스 폭 변조방식을 변경하지 않는다. 이에 따라, 제어 장치(100)는 전동기(미도시)의 출력, 고조파 왜곡 뿐 아니라 인버터(미도시)의 발열까지 고려하여 효율적으로 전동기(미도시)를 구동할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 이외에 전동기(미도시)의 온도를 더 참고하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 변조방식 결정부(130)는 전동기(미도시)의 온도와 전동기(미도시)의 기준 온도(reference temperature)를 더 비교한다. 이때, 전동기(미도시)의 온도는 온도 센서(미도시) 등에 의해 검출될 수 있다. 전동기(미도시)의 기준 온도는 제어 장치(100)를 통해서 미리 설정될 수 있다. 전동기(미도시)의 기준 온도는 인버터(미도시)의 스위칭 효율, 전동기(미도시)의 출력 효율, 고조파 성분에 따른 전동기(미도시)의 오작동 발생빈도, 인버터(미도시)의 발열에 따른 오작동 발생빈도 등에 기초하여 실험적으로 또는 이론적으로 결정될 수 있다.
변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 및 전동기(미도시) 온도의 비교 결과들에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정한다. 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 전동기(미도시)의 온도가 전동기(미도시)의 기준 온도보다 작아지면, 펄스 폭 변조방식을 제 1 변조방식에서 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정한다. 이에 따르면, 변조방식 결정부(130)는 출력 전류의 전류 고조파 왜곡률이 줄어들더라도, 전동기(미도시)의 온도가 높은 경우는 펄스 폭 변조방식을 변경하지 않는다. 이에 따라, 제어 장치(100)는 전동기(미도시)의 출력, 고조파 왜곡 뿐 아니라 전동기(미도시)의 발열까지 고려하여 효율적으로 전동기(미도시)를 구동할 수 있다.
또한, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률, 인버터(미도시)의 온도 및 전동기(미도시)의 온도를 모두 참고하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다. 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률, 인버터(미도시)의 온도 및 전동기(미도시) 온도를 각각의 기준(reference)과 비교하고, 이들 비교 결과들에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정한다.
변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 인버터(미도시)의 온도가 인버터(미도시)의 기준 온도보다 작아지고, 전동기(미도시)의 온도가 전동기(미도시)의 기준 온도보다 작아지면, 펄스 폭 변조방식을 제 1 변조방식에서 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정한다. 이에 따라, 제어 장치(100)는 전동기(미도시)의 출력, 고조파 왜곡뿐 아니라 인버터(미도시)의 발열 및 전동기(미도시)의 발열까지 고려하여 효율적으로 전동기(미도시)를 구동할 수 있다.
제어 펄스 신호 생성부(140)는 변조방식 결정부(130)에서 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다. 제어 펄스 신호 생성부(140)는 생성된 제어 펄스 신호를 인버터(미도시)로 출력한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 제어 장치를 이용하여 전동기의 구동을 제어하는 전동기 구동 시스템을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 전동기 구동 시스템(200)은 제어 장치(100), 인버터(230) 및 전류 검출기(240)로 구성된다. 도 2의 제어 장치(100)는 전류 제어기(210), 제 1 좌표 변환부(221), 제 2 좌표 변환부(222), 저역 통과 필터(110), 전류 고조파 왜곡률 산출부(120), 변조방식 결정부(130) 및 제어 펄스 신호 생성부(140)로 구성된다.
도 2에 도시된 전동기 구동 시스템(200)은 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 도 1에서 저역 통과 필터(110), 전류 고조파 왜곡률 산출부(120), 변조방식 결정부(130) 및 제어 펄스 신호 생성부(140)와 관련하여 기재된 내용은 도 2에 도시된 저역 통과 필터(110), 전류 고조파 왜곡률 산출부(120), 변조방식 결정부(130) 및 제어 펄스 신호 생성부(140)에도 적용이 가능하므로, 이와 관련하여 중복된 설명은 생략한다.
도 2에 도시된 제어 장치(100)는 전동기(250)를 구동하는 인버터(230)의 출력전압을 제어한다. 제어 장치(100)는 전동기(250)의 구동을 제어하기 위해서 입력된 제 1 지령신호 idqs r*와 전류 검출기(240)에서 검출된 전류 iabcs에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다. 생성된 제어 펄스 신호는 인버터(230)로 출력되고, 제어 펄스 신호에 따라 인버터(230)의 출력전압이 제어된다.
제 1 좌표 변환부(221)는 전류 검출기(240)에서 검출된 3상의 출력 전류 ias, ibs, ics를 d-q 회전 좌표계(d-q rotating coordinate system)의 전류 벡터 ids r, iqs r로 변환한다. 제 1 좌표 변환부(221)는 전동기(250)의 회전자의 위치 θr를 참조하여, 정지 좌표계의 a, b, c 3상의 출력 전류 ias, ibs, ics를 d-q 회전 좌표계의 전류 벡터 ids r, iqs r로 변환할 수 있다.
예를 들면, 제 1 좌표 변환부(221)는 정지 좌표계의 3상의 출력 전류 ias, ibs, ics를 d-q 정지 좌표계의 전류 벡터 ids s, iqs s로 변환한 후, e-jθ의 연산을 통해서 d-q 동기 회전 좌표계의 전류 벡터 ids r, iqs r로 최종 변환할 수 있다.
제 1 좌표 변환부(221)로부터 출력된 전류 벡터 ids r, iqs r는 전류 제어기(210)와 저역 통과 필터(110)로 입력된다.
저역 통과 필터(110)는 좌표변환된 출력 전류 ids r, iqs r를 이용하여, 출력 전류의 고주파 성분(high frequency component)을 제거한다. 이에 따라, 출력 전류의 고조파 성분이 제거되고, 출력 전류의 기본파 성분에 해당하는 ids_f r, iqs_f r가 획득된다.
전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 출력 전류의 기본파 성분 i_f을 이용하여 전류 고조파 왜곡률 THDi을 산출한다. 이때, 고조파 왜곡률 THDi은 기본파 성분에 대한 전체 고조파 성분의 비로 표현될 수 있다. 전류 고조파 왜곡률은 아래 수학식 1에 따라 연산될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에서, THDi는 출력 전류의 전류 고조파 왜곡률을 나타낸다. idqs r는 전동기(250)로 출력되는 출력 전류를 나타내고, i_f은 출력 전류의 기본파 성분을 나타낸다. 이때, idqs r는 전류 검출기(240)에서 검출되어 제 1 좌표 변환부(221)에 의해 좌표변환된 값이다. i_f은 저역 통과 필터를 이용하여 출력 전류에 대해 고주파 성분이 제거된 값으로, 출력 전류의 기본파 성분에 해당한다.
수학식 1을 참고하면, 분자는 출력 전류에서 기본파 성분을 제거한 값을 실효값으로 표현한 식으로, 출력 전류에 포함된 전체 고조파 성분에 해당한다. 분모는 출력 전류의 기본파 성분으로, 전류 고조파 왜곡률 THDi은 위에서 설명한 바와 같이 출력 전류의 기본파 성분에 대한 전체 고조파 성분의 비로 나타난다.
이때, 수학식 1에서 출력 전류의 기본파 성분의 크기에 해당하는 |idqs r|는 수학식 2에 따라 연산될 수 있다.
Figure pat00002
이때, i_f은 출력 전류의 기본파 성분을 나타낸다. 이때, ids_f r, iqs_f r는 전류 검출기(240)에서 검출되어 제 1 좌표 변환부(221)에 의해 좌표변환된 값이다.
일 실시예에 따라 전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 수학식 1 및 2에 따라 전류 고조파 왜곡률을 산출할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이와 같이, 전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 푸리에 변환 등의 연산 없이 저역 통과 필터를 이용하여 전류 고조파 왜곡률을 쉽게 획득할 수 있어, 연산량을 감소할 수 있다.
변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 산출부(120)에 의해 산출된 전류 고조파 왜곡률 THDi과 기준 전류 고조파 왜곡률 THDi *을 비교하고, 비교 결과에 기초하여 제어 펄스 신호의 펄스 폭 변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 결정한다. 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 펄스 폭 변조방식을 제 1 변조방식에서 인버터의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정한다. 반대로, 전류 고조파 왜곡률이 지령 고조파 왜곡률보다 커지면, 변조방식 결정부(120)는 펄스 폭 변조방식을 제 2 변조방식에서 다시 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식으로 변경되도록 결정한다.
전류 제어기(210)는 좌표변환된 출력 전류 ids r, iqs r 및 전동기의 구동을 제어하기 위해 입력된 제 1 지령신호 idqs r*에 기초하여 제 2 지령신호 vdqs r*를 생성한다. 이때, 제 2 지령신호 vdqs r*는 d-q 회전 좌표계의 전압 벡터에 해당한다.
전류 제어기(210)는 전동기(250)에 원하는 전류가 흐르도록 제어하는 것으로, 제 1 지령신호 idqs r*와 전동기(250)에서 검출된 출력 전류 ids r, iqs r의 오차를 보상하고, 오차가 보상된 제 2 지령신호 vdqs r*를 생성한다.
제 2 좌표 변환부(222)는 제 2 지령신호 vdqs r*를 정지 좌표계의 3상의 지령 전압 vas *, vbs *, vcs *으로 변환한다. 제 2 좌표 변환부(222)는 전동기(250)의 회전자의 위치 θr를 참조하여, d-q 회전 좌표계의 지령전압 벡터 vds r*, vqs r*를 정지 좌표계의 a, b, c 3상의 지령전압 vas *, vbs *, vcs *로 변환할 수 있다.
제어 펄스 신호 생성부(140)는 인버터(230)에서 좌표 변환된 제 2 지령신호 vas *, vbs *, vcs *에 따라 출 인버터(230)의 출력 전압이 출력되도록 변조방식 결정부(130)에서 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다. 제어 펄스 신호 생성부(140)는 생성된 제어 펄스 신호를 인버터(230)로 출력한다.
인버터(230)는 제어 장치(100)로부터 제어 펄스 신호를 수신한다. 인버터(240)는 제어 장치(100)로부터 출력된 제어 펄스 신호에 따라 입력전원을 변환하여, 전동기(250)에 인가되는 출력 전압을 생성한다. 인버터(230)의 출력 전압은 전동기(250)의 구동을 제어하기 위해 입력된 제 1 지령신호와 전류 검출기(240)에서 검출된 전류에 기초하여 제어된다. 이때, 인버터(230)는 전압소스 인버터(Voltage Source Inverter, VSI) 또는 전류소스 인버터(Current Source Inverter, CSI)일 수 있다.
본 실시예에 따른 인버터(230)는 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터로, 펄스 폭 변조 방식에 의해 구동된다. 이에 따르면, 인버터(230)의 스위칭 소자가 제어 펄스 신호에 따라 온/오프로 스위칭되고, 제어 장치(100)에 의해 제어 펄스 신호의 온/오프 펄스 폭이 변조됨으로써 인버터(230)로부터 출력되는 출력전압의 크기와 주파수가 제어된다. 인버터(230)는 제어 펄스 신호에 따라 생성된 출력 전압을 전동기(250)에 공급한다.
전류 검출기(240)는 구동 중인 전동기(250)의 전류를 검출한다. 본 실시예에 따른 제어 장치(100)는 전류 검출기(240)에 의해 실시간으로 검출된 전류에 기초하여 전류 고조파 왜곡률을 획득하고, 획득된 전류 고조파 왜곡률에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정함으로써, 제어 장치(100)는 인버터(230)의 스위칭 주파수와 전동기(260)의 출력 전압의 변동에 따라 적응적으로 펄스 폭 변조방식을 변경할 수 있다. 일 실시예에 따른 전류 검출기(240)는 션트(shunt) 저항 또는 계기용 변류기(Current Transformer) 등으로 구현될 수 있다.
전동기(250)는 인버터(230)로부터 출력된 출력전압에 따라 구동된다. 이에 따라, 전동기(250)는 부하를 구동하는 토오크를 발생한다. 이에 따르면, 전동기(250)는 인버터(230)를 통하여 구동 중인 전동기(250)에서 검출되는 전류 및 전동기(250)의 구동을 제어하기 위해 입력된 제 1 지령신호에 기초하여 구동이 제어된다.
본 실시예에 따라, 제어 장치(100)는 전류 고조파 왜곡률에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정함으로써, 전동기(250)의 전체 출력 범위에서 고조파에 의한 왜곡을 최소화하면서도 전동기(250)의 효율을 최대화할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 이외에 인버터(230)의 온도를 더 참고하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다. 예를 들면, 인버터(230)의 온도는 온도 센서(260)에 의해 검출될 수 있다. 이에 따라, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 및 인버터(230) 온도의 비교 결과들에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 이외에 전동기(250)의 온도를 더 참고하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다. 예를 들면, 전동기(250)의 온도는 온도 센서(270)에 의해 검출될 수 있다. 이에 따라, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률 및 전동기(250) 온도의 비교 결과들에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 변조방식 결정부(130)는 전류 고조파 왜곡률, 인버터(230)의 온도 및 전동기(250)의 온도를 모두 참고하여 펄스 폭 변조방식을 결정할 수 있다. 이에 따라, 제어 장치(100)는 전동기(250)의 출력, 고조파 왜곡뿐 아니라 인버터(230)의 발열 및 전동기(250)의 발열까지 고려하여 효율적으로 전동기(250)를 구동할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 1에 도시된 제어 장치를 이용하여 전동기의 구동을 제어하는 전동기 구동 시스템을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 전동기 구동 시스템(200)은 제어 장치(100), 인버터(230) 및 전류 검출기(240)로 구성된다. 도 2의 제어 장치(100)는 전류 제어기(210), 제 1 좌표 변환부(221), 제 2 좌표 변환부(222), 저역 통과 필터(110), 전류 고조파 왜곡률 산출부(120), 변조방식 결정부(130) 및 제어 펄스 신호 생성부(140)로 구성되고, 제어 펄스 신호 생성부(140)는 옵셋 신호 생성부(310), 제 3 지령신호 생성부(320) 및 비교부(330)로 구성될 수 있다.
도 3에 도시된 전동기 구동 시스템(200)은 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 3에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 도 1 내지 도 2에서 제어 장치(100), 인버터(230) 및 전류 검출기(240)와 관련하여 기재된 내용은 도 3에 도시된 제어 장치(100), 인버터(230) 및 전류 검출기(240)에도 적용이 가능하므로, 이와 관련하여 중복된 설명은 생략한다.
저역 통과 필터(110)는 전동기(250)로 출력되는 출력 전류의 고주파 성분을 제거한다. 이에 따라, 저역 통과 필터(110)에 의해 출력 전류의 고조파 성분이 제거되고, 출력 전류의 기본파 성분이 획득될 수 있다.
전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 출력 전류의 기본파 성분을 이용하에 전류 고조파 왜곡률을 산출한다.
변조방식 결정부(130)는 산출된 전류 고조파 왜곡률에 따라 제 1 변조방식 과 제 2 변조방식 중 어느 하나의 펄스 폭 변조방식으로 결정한다.
옵셋 신호 생성부(310)는 결정된 펄스 폭 변조방식에 대응하는 옵셋 신호(offset signal) Vo를 생성한다. 옵셋 신호는 제로 시퀀스 신호(zero-sequence signal)라고도 한다. 본 실시예에 따른 제어 장치(100)는 변조방식 결정부(130)에서 결정된 펄스 폭 변조방식에 대응하는 옵셋 신호를 생성하여 전동기(250)의 구동을 제어하기 위해 입력된 지령신호에 옵셋 신호를 더해줌으로써 결정된 펄스 폭 변조방식에 따라 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조할 수 있다.
본 실시예에 따른 인버터(230)는 3상의 출력 전압을 출력한다. 이에 따라, 인버터의 3상의 출력 전압에 각각 옵셋 신호를 더해주더라도, 전동기(250)의 부하에 인가되는 전압은 2상의 차로 주어지게 되어, 옵셋 신호 성분이 제거되기 때문이다.
제 3 지령신호 생성부(320)는 전동기(250)의 구동을 제어하기 위해 입력된 제 1 지령신호가 좌표변환된 제 2 지령신호 vas *, vbs *, vcs *와 옵셋 신호 Vo를 수신하고, 좌표변환된 제 2 지령신호 vas *, vbs *, vcs *에 옵셋 신호 Vo를 더하여 제 3 지령신호 vas **, vbs **, vcs **를 생성한다. 제 3 지령신호 생성부(320)는 생성된 제 3 지령신호 vas **, vbs **, vcs **를 비교부(330)로 출력한다.
비교부(330)는 제 3 지령신호 vas **, vbs **, vcs **와 삼각 반송파(triangular carrier wave)의 크기를 비교하고, 비교 결과에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다.
비교부(330)는 제 3 지령신호와 삼각 반송파(triangular carrier wave)의 크기를 비교하여 제어 펄스 신호의 온/오프 상태를 결정한다. 예를 들면, 제 3 지령신호의 크기가 삼각 반송파의 크기보다 큰 경우, 제어 펄스 신호의 상태를 온으로 결정하고, 제 3 지령신호의 크기가 삼각 반송파의 크기보다 작은 경우, 제어 펄스 신호의 상태를 오프로 결정할 수 있다.
비교부(330)는 비교 결과에 따라 결정된 제어 펄스 신호의 온/오프 상태에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다. 이에 따라, 전류 고조파 왜곡률에 따라 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 생성된 제어 펄스 신호가 인버터(230)로 출력된다.
이에 따라, 전류 고조파 왜곡률이 높은 경우 제어 장치(100)는 전동기(250)의 출력 전류에 포함된 고조파 성분의 양을 줄임으로써 고조파 손실을 줄이고, 전류 고조파 왜곡률이 낮은 경우 제어 장치(100)는 펄스 폭 변조 방식을 변경하여 전동기(250)의 출력 전류에 포함된 고조파 성분의 양을 줄이는 대신 전동기(250)의 출력 전압의 효율을 높이게 된다.
또한, 제어 장치(100)는 전류 고조파 왜곡률에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 변경함으로써, 제어 펄스 신호의 펄스 폭 변조방식을 전동기(250)의 출력과 인버터(230)의 스위칭 주파수의 변화에 따라 적응적으로 결정할 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 제어 장치(100)는 모든 출력 범위의 전동기(250)와 모든 스위칭 주파수 범위의 인버터(230)에 적용이 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 도 4에 기재된 방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 제어 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 하기에 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 3에 도시된 제어 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 4에 기재된 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
410단계에서 저역 통과 필터(110)는 전동기(250)로 출력되는 출력 전류의 고주파 성분을 제거하여 출력 전류의 기본파 성분을 획득한다.
420단계에서 전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 출력 전류의 기본파 성분을 이용하여 전류 고조파 왜곡률을 산출한다. 이때, 고조파 왜곡률은 고조파 성분에 의한 신호의 왜곡의 정도를 나타내고, 전류 고조파 왜곡률은 출력 전류의 기본파 성분에 대한 전체 고조파 성분의 비로 나타낼 수 있다.
430단계에서 변조방식 결정부(130)는 420단계에서 산출된 전류 고조파 왜곡률을 수신하고, 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률을 비교한다.
440단계에서 변조방식 결정부(130)는 430단계의 비교 결과에 따라 전류 고조파 왜곡률이 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 펄스 폭 변조방식을 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식에서 인버터(230)의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정한다.
450단계에서 제어 펄스 신호 생성부(140)는 440단계에서 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다. 이와 같이 생성된 제어 펄스 신호는 인버터(230)로 출력된다.
본 실시예에 따르면, 제어 장치(100)는 전류 고조파 왜곡률에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 변경함으로써, 제어 펄스 신호의 펄스 폭 변조방식을 전동기(250)의 출력 전압과 인버터(230)의 스위칭 주파수의 변화에 따라 적응적으로 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 도 5에 기재된 방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 제어 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 하기에 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 3에 도시된 제어 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 5에 기재된 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
510단계에서 저역 통과 필터(110)는 전동기(250)로 출력되는 출력 전류의 고주파 성분을 제거하여 출력 전류의 기본파 성분을 획득한다.
520단계에서 전류 고조파 왜곡률 산출부(120)는 출력 전류의 기본파 성분을 이용하여 전류 고조파 왜곡률을 산출한다.
530단계에서 변조방식 결정부(130)는 520단계에서 산출된 전류 고조파 왜곡률 THDi과 제어 장치(100)에 입력된 기준 전류 고조파 왜곡률 THDi *의 크기를 비교한다. 비교 결과에 따라 전류 고조파 왜곡률 THDi이 기준 전류 고조파 왜곡률 THDi *보다 크면 540단계로 진행하고, 전류 고조파 왜곡률 THDi이 기준 전류 고조파 왜곡률 THDi *보다 작으면 560단계로 진행한다.
540단계에서 변조방식 결정부(130)는 온도 센서(260)에 의해 측정된 인버터(230)의 온도 temp_inv와 제어 장치(100)에 입력된 기준 인버터(230)의 온도 temp_inv *의 크기를 비교한다. 비교 결과에 따라 인버터(230)의 온도 temp_inv가 기준 인버터(230)의 온도 temp_inv *보다 크면 550단계로 진행하고,인버터(230)의 온도 temp_inv가 기준 인버터(230)의 온도 temp_inv *보다 작으면 560단계로 진행한다.
550단계에서 변조방식 결정부(130)는 온도 센서(270)에 의해 측정된 전동기(250)의 온도 temp_mot와 제어 장치(100)에 입력된 기준 전동기(250)의 온도 temp_mot *의 크기를 비교한다. 비교 결과에 따라 전동기(250)의 온도 temp_mot가 기준 전동기(250)의 온도 temp_mot *보다 크면 570단계로 진행하고, 전동기(250)의 온도 temp_mot가 기준 전동기(250)의 온도 temp_mot *보다 작으면 560단계로 진행한다.
560단계에서 변조방식 결정부(130)는 인버터(230)의 출력전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식을 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM)으로 변경되도록 결정한다. 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM)은 전동기(250)의 출력에 포함된 고조파 성분을 감소시킬 수 있다.
570단계에서 변조방식 결정부(130)는 펄스 폭 변조방식을 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM)으로 변경되도록 결정한다. 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM)은 인버터(230)의 스위칭 손실을 줄여 전동기(250)의 효율을 향상시킬 수 있다.
580단계에서 제어 펄스 신호 생성부(140)는 560단계 또는 570단계에서 결정된 펄스 폭 변조방식에 대응하는 옵셋 신호를 생성한다.
590단계에서 제어 펄스 신호 생성부(140)는 570단계에서 생성된 옵셋 신호에 기초하여 제어 펄스 신호를 생성한다. 생성된 제어 펄스 신호는 인버터(230)로 출력된다.
본 실시예에 따른 제어 장치(100)는 전류 고조파 왜곡률이 높은 경우 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM)으로 제어 펄스 신호의 펄스 폭 변조방식을 결정함으로써, 인버터(230)의 출력 전류에 포함된 고조파 성분의 양을 줄일 수 있다. 전류 고조파 왜곡률이 낮은 경우, 제어 장치(100)는 펄스 폭 변조 방식을 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM)으로 변경하여 고조파 성분의 양을 줄이는 대신 인버터(230)의 출력 전압의 효율을 높일 수 있다.
이에 따라, 제어 장치(100)는 전동기(미도시)의 출력, 고조파 왜곡 뿐 아니라 인버터(미도시)의 발열까지 고려하여 효율적으로 전동기(미도시)를 구동할 수 있다.
도 6은 인버터의 스위칭 주파수에 따른 전류 또는 전압의 고조파 왜곡률을 나타낸 그래프이다. 도 6에 도시된 그래프(600)에서 가로축은 인버터(230)의 스위칭 주파수를 나타내고, 세로축은 세로축은 고조파 왜곡률을 나타낸다. THDv(610)은 인버터(230)의 스위칭 주파수에 따른 전압 고조파 왜곡률로, 전동기(250)의 출력 전압에 포함된 고조파 성분의 양을 나타낸다. 전압 고조파 왜곡률인 THDv(610)은 전동기(250)의 출력 전압의 출력 범위에 상관없이 일정한 값을 갖는다.
반면, 전류 고조파 왜곡률은 전동기(250)의 출력 전압의 출력 범위에 따라 그 값이 변한다. 즉, THDi_rated(620), THDi_mid(630), THDi_low(640)은 전동기(250)의 각각의 출력 전압에 대한 인버터(230)의 스위칭 주파수에 따른 전류 고조파 왜곡률을 나타낸다. THDi_rated(620)은 전동기(250)의 출력 전압이 정격 출력 전압일 때의 스위칭 주파수에 따른 전류 고조파 왜곡률을 나타내고, THDi_low(640)은 전동기(250)의 출력 전압이 정격 출력 전압과 비교하여 낮을 때의 전류 고조파 왜곡률을 나타낸다. THDi_mid(630)은 전동기(250)의 출력 전압이 정격 출력 전압과 THDi_low(640)의 출력 전압의 사이에 해당하는 값을 가질 때의 전류 고조파 왜곡률을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 전압 고조파 왜곡률인 THDv(610)은 인버터(230)의 스위칭 주파수에 따라 일정한 값을 갖는 반면, 전류 고조파 왜곡률인 THDi_rated(620), THDi_mid(630), THDi_low(640)은 각각 인버터(230)의 스위칭 주파수에 따라 변동된다. 이에 따르면, 전압 고조파 왜곡률은 전동기(250)의 출력 전압의 출력 범위가 클수록, 인버터(230)의 스위칭 주파수가 작을수록 커진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어 장치(100)는 전압 변조 지수(MI, modulation index)에 따른 전압 고조파 왜곡률에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정하지 않고 전류 고조파 왜곡률에 기초하여 펄스 폭 변조방식을 결정함으로써, 제어 펄스 신호의 펄스 폭 변조방식을 인버터(230)의 스위칭 주파수와 전동기(250)의 출력 전압의 변동에 따라 적응적으로 변경할 수 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 ... 제어 장치
110 ... LPF
120 ... 전류 고조파 왜곡률 산출부
130 ... 변조방식 결정부
140 ... 제어 펄스 신호 생성부

Claims (20)

  1. 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 방법에 있어서,
    저역 통과 필터(Low Pass Filter, LPF)를 이용하여 상기 전동기로 출력되는 출력 전류의 고주파 성분을 제거하여 상기 출력 전류의 기본파 성분을 획득하는 단계;
    상기 출력 전류의 기본파 성분을 이용하여 전류 고조파 왜곡률(current Total Harmonic Distortion, current THD)을 산출하는 단계;
    상기 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률(reference current THD)을 비교하는 단계;
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지면, 상기 인버터의 출력전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 상기 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식에서 상기 인버터의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터의 온도를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 인버터의 온도와 상기 인버터의 기준 온도(reference temperature)를 비교하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 결정하는 단계는 상기 비교 결과들에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 상기 검출된 인버터의 온도가 상기 인버터의 기준 온도보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 제 1 변조방식에서 상기 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전동기의 온도를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 전동기의 온도와 상기 전동기의 기준 온도를 비교하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 결정하는 단계는 상기 비교 결과들에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 상기 검출된 전동기의 온도가 상기 전동기의 기준 온도보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 제 1 변조방식에서 상기 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인버터의 온도를 검출하는 단계;
    상기 전동기의 온도를 검출하는 단계;
    상기 검출된 인버터의 온도와 상기 인버터의 기준 온도를 비교하는 단계; 및
    상기 검출된 전동기의 온도와 상기 전동기의 기준 온도를 비교하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 결정하는 단계는 상기 비교 결과들에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 상기 검출된 인버터의 온도가 상기 인버터의 기준 온도보다 작아지고, 상기 검출된 전동기의 온도가 상기 전동기의 기준 온도보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 상기 제 1 변조방식에서 상기 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 고조파 왜곡률보다 커지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 제 2 변조방식에서 상기 제 1 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 변조방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM)이고, 상기 제 2 변조방식은 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM)인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는 상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 대응하는 옵셋 신호에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 생성하는 단계는
    상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 대응하는 옵셋 신호를 생성하는 단계;
    상기 전동기의 구동을 제어하기 위해 입력된 제 1 지령신호(reference signal)에 상기 옵셋 신호를 더하여 제 3 지령신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제 3 지령신호와 삼각 반송파(triangular carrier wave)의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 전동기의 출력과 상기 인버터의 스위칭 주파수에 따라 변동됨으로써, 상기 펄스 폭 변조방식을 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  11. 전동기를 구동하는 인버터의 출력전압을 제어하는 제어 장치에 있어서,
    상기 전동기로 출력되는 출력 전류의 기본파 성분을 획득하기 위해서 상기 출력 전류의 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터(LPF, Low Pass Filter);
    상기 출력 전류의 기본파 성분을 이용하에 전류 고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion, THD)을 산출하는 전류 고조파 왜곡률 산출부;
    상기 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 상기 인버터의 출력전압을 제어하는 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식을 상기 출력 전류에 포함된 고조파 성분을 감소시키는 제 1 변조방식에서 상기 인버터의 스위칭 주파수를 감소시키는 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 변조방식 결정부; 및
    상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 제어 펄스 신호 생성부;를 포함하는 제어 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 변조방식 결정부는 상기 인버터의 온도와 상기 인버터의 기준 온도(reference temperature)를 더 비교하고, 상기 비교 결과들에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 상기 검출된 인버터의 온도가 상기 인버터의 기준 온도보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 제 1 변조방식에서 상기 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 변조방식 결정부는 상기 전동기의 온도와 상기 전동기의 기준 온도를 더 비교하고, 상기 비교 결과들에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 상기 검출된 전동기의 온도가 상기 전동기의 기준 온도보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 제 1 변조방식에서 상기 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 변조방식 결정부는 상기 인버터의 온도 및 상기 인버터의 기준 온도와 상기 전동기의 온도 및 상기 전동기의 기준 온도를 더 비교하고, 상기 비교 결과들에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 상기 검출된 인버터의 온도가 상기 인버터의 기준 온도보다 작아지고, 상기 검출된 전동기의 온도가 상기 전동기의 기준 온도보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 제 1 변조방식에서 상기 제 2 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 변조방식 결정부는 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 고조파 왜곡률보다 커지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 제 2 변조방식에서 상기 제 1 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 변조방식은 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM)이고, 상기 제 2 변조방식은 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM)인 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 변조방식 결정부는 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 전동기의 출력과 상기 인버터의 스위칭 주파수에 따라 변동됨으로써, 상기 펄스 폭 변조방식을 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 장치.
  18. 전동기를 구동하는 전동기 구동 시스템에 있어서,
    상기 전동기로 출력되는 출력 전류를 검출하는 전류 검출부;
    상기 출력 전류의 전류 고조파 왜곡률(Total Harmonic Distortion, THD)에 기초하여 제어 펄스 신호의 펄스 폭을 변조하는 펄스 폭 변조방식을 결정하고, 상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 제어 장치; 및
    상기 제어 펄스 신호에 기초하여 입력전원을 출력전압으로 변환하여 상기 출력전압을 상기 전동기에 공급하는 인버터;를 포함하고,
    상기 제어 장치는
    상기 출력 전류의 기본파 성분을 획득하기 위해서 상기 출력 전류의 고주파 성분을 제거하는 저역 통과 필터(LPF, Low Pass Filter);
    상기 출력 전류의 기본파 성분을 이용하에 상기 전류 고조파 왜곡률을 산출하는 전류 고조파 왜곡률 산출부;
    상기 전류 고조파 왜곡률과 기준 전류 고조파 왜곡률을 비교하고, 상기 비교 결과에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 고조파 왜곡률보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 공간 벡터 펄스 폭 변조방식(SVPWM)에서 불연속 펄스 폭 변조방식(DPWM)으로 변경되도록 결정하는 변조방식 결정부; 및
    상기 결정된 펄스 폭 변조방식에 기초하여 상기 제어 펄스 신호를 생성하는 제어 펄스 신호 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 인버터의 온도를 검출하는 제 1 온도 센서; 및
    상기 전동기의 온도를 검출하는 제 2 온도 센서;를 더 포함하고,
    상기 변조방식 결정부는 상기 검출된 인버터의 온도 및 상기 인버터의 기준 온도(reference temperature)와 상기 검출된 전동기의 온도 및 상기 전동기의 기준 온도를 더 비교하고, 상기 비교 결과들에 기초하여 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 기준 전류 왜곡률보다 작아지고, 상기 검출된 인버터의 온도가 상기 인버터의 기준 온도보다 작아지고, 상기 검출된 전동기의 온도가 상기 전동기의 기준 온도보다 작아지면, 상기 펄스 폭 변조방식을 상기 공간 벡터 펄스 폭 변조방식에서 상기 불연속 펄스 폭 변조방식으로 변경되도록 결정하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 변조방식 결정부는 상기 전류 고조파 왜곡률이 상기 전동기의 출력과 상기 인버터의 스위칭 주파수에 따라 변동됨으로써, 상기 펄스 폭 변조방식을 적응적으로 결정하는 것을 특징으로 하는 전동기 구동 시스템.
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