KR20150004025A - 인버터에서 출력전류 검출을 위한 전압지령 수정장치 - Google Patents

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Abstract

인버터에서 출력전류 검출을 위한 전압지령 수정장치가 개시된다. 본 발명의 장치는, PWM 전압지령을 비교하여, PWM 전압지령이 위치하는 전압육각형에서의 섹터를 판별하고, 샘플링 최소시간을 샘플링 최소 PWM으로 변환하고, 이를 이용하여 전류검출 불가영역 내에 상기 PWM 전압지령이 위치하는 영역을 판별하여, 판별된 영역을 바탕으로, 최소한의 주입전압을 이용하여 조정전압(전류검출 가능영역으로 이동한 전압)과 복원전압(조정전압의 차이를 보상한 전압)을 결정하여, 상기 PWM 전압지령을 수정한다.

Description

인버터에서 출력전류 검출을 위한 전압지령 수정장치{APPARATUS FOR MODIFYING VOLTAGE COMMAND FOR DETECTING OUTPUT CURRENT IN INVERTER}
본 발명은 인버터에서 출력전류 검출을 위한 전압지령 수정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 3상 인버터는 3상의 교류 전동기를 가변 주파수로 구동하는 것으로서, 전력효율이 높고, 순시적인 토크제어가 가능하여, 다양하게 사용되고 있다.
3상 인버터에서는, 보통 출력전류를 검출하여 제어나 보호에 이용된다. 최근 가전이나 산업용 인버터에서 저가형 전류검출방식이 제시되었는데, 그 중 하나가 션트저항(shunt resistor)을 이용하는 것이다. 션트저항을 이용하여 인버터의 출력전류를 검출하는 것은 종래 홀 효과(Hall effect)를 이용한 전류센서를 이용하는 것에 비해 가격이 저렴하므로, 인버터의 단가를 낮출 수 있다.
이와 같이, 션트저항을 이용하여 인버터의 출력전류를 정확하게 검출하기 위해서는, 인버터 스위칭 패턴에 있어서 특정한 조건을 만족하여야 한다.
도 1은 션트저항을 이용하여 인버터 출력전류를 검출하는 것을 설명하기 위한 회로도이다.
도면에 도시된 바와 같이, DC 링크 커패시터(110)의 DC 전압이 스위칭부(120)에 의해 AC 전압으로 변환되어 모터(200)로 인가되며, 스위칭부(120)의 하부 스위치가 온(ON)되면 인버터 출력전류가 션트저항(130)으로 흐르게 되므로, 절연 또는 비절연 연산증폭기(140)가 션트저항(130)의 전압을 측정하여 전류를 검출하는 원리를 이용한다.
이러한 인버터 출력전류를 검출하기 위해서는, 전류를 샘플링하여야 하는데, 이때 인버터 전압지령이 전류검출 불가영역에 있는 경우에는 인버터 전압지령을 수정하여야 한다.
도 1과 같은 3상 인버터에서, 스위칭부(120)는 보통 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM)에 의해 가변크기 및 가변주파수의 AC 전압을 합성한다. 이러한 PWM 제어 중, 공간벡터 PWM(Space Vector PWM; SVPWM) 제어에 대해 설명한다.
도 2는 SVPWM 방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 한 상의 스위치는 (a)와 같이 상부 스위치(120a)와, 하부 스위치(120b)로 구성된다. 이를 등가적으로 (b)와 같이 스위치로 표현할 수 있다. (c) 및 (d)는 2개의 스위칭 상태를 정의하고, (c)와 같은 상태를 Sa=1, (d)와 같은 상태를 Sa=0으로 정의한다.
스위칭 한 주기에서 출력전압은 온(ON) 시퀀스 전압과 오프(OFF) 시퀀스 전압으로 구성된다. 온 시퀀스는, 한 상에서 상부 스위치(120a)의 상태가 오프에서 온으로 변하는 단계를 말하며, 오프 시퀀스는 온에서 오프로 변하는 단계이다. 각 상의 스위치의 상태를 조합하면, 도 3과 같이 육각형의 꼭지점에 해당하는 전압벡터를 생성할 수 있다. 도 3은 전압벡터의 일예시도이다.
도 3에서, 육각형의 내부의 전압은 PWM 제어를 사용하여 합성할 수 있다. 스위치의 상태 변화를 최소화하는 것이 스위칭 손실을 줄일 수 있으므로, 보통 전압지령을 포함하는 삼각형의 세 꼭지점에 해당하는 스위칭 상태를 조합하여 전압벡터를 합성한다.
이때, 영벡터(zero vector)는, 모든 상의 스위치가 온이거나 오프인 전압벡터를 말하고, 모터(200)의 상간 전압차가 없기 때문에 전력이 전달되지 않는다. 또한 유효벡터는 영벡터가 아닌 육각형의 꼭지점에 위치한 전압벡터를 말한다.
도 4는 삼각파를 이용하여 극전압(Van, Vbn, Vcn)을 PWM 방법에 의해 합성하는 것을 나타내는 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 스위칭 상태가, 000(역벡터)→100(유효벡터)→110(유효벡터)→111(영벡터)→110(유효벡터)→100(유효벡터)→000으로 변하며, 각 벡터를 인가할 때 한상의 스위치만 변하므로, 스위칭 횟수가 최소화된다.
도 5는 도 3 및 도 4의 관계를 설명하기 위한 예시도이다. 도 4에서 T1 및 T2의 유효시간은, 도 3의 전압육각형에 도시될 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 전류검출이 불가능한 영역을 설명하기 위한 예시도이고, 도 7은 션트저항에서 발생하는 스위칭 리플을 설명하기 위한 일예시도이다. 도 6의 (a)와 (b)에서 음영표시된 영역이 전류검출이 불가능한 영역이다.
(a)와 같이, 다각형으로 전류검출이 불가능한 영역이 발생하는 이유는, 도 7과 같이 스위치가 오프된 후에는 션트저항에 스위칭 리플이 발생하는데, 스위칭 리플이 없어지고 난 후, 전압을 측정하여야 정확한 전류를 검출할 수 있기 때문이며, 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002

수학식 1은 2상의 전류를 읽고 나머지 한 상은 3상의 전류의 합이 영인 것을 이용해서 간접적으로 계산하는 방식을 사용할 경우에 유효하다. 3상 모두 Tmin의 시간을 확보하려면, 영벡터 인가 시간이 Tmin보다 크다는 조건이 추가된다.
이 조건이 추가될 경우, 도 6의 (a)와 같이 전류검출 가능영역이 육각형 전체적으로 줄어들게 된다. 하지만, 2상만 Tmin의 시간을 확보하는 조건일 경우에는 (b)와 같이 세 개의 보다 작은 영역만 검출불가 영역이 되어, 검출가능 영역이 넓어지게 된다. 따라서, 2상의 전류를 읽는 방식이 보다 우수하다고 할 수 있다.
도 8은 검출불가 영역과 검출가능 영역의 경계를 설명하기 위한 예시도로서, 이등변 삼각형의 두 변이 같은 기하학적인 성질을 이용하고 있다.
도 9는 전류 샘플링의 시점을 설명하기 위한 예시도로서, 모든 상의 스위칭 상태가 0인 경우 전류를 샘플링하게 됨을 알 수 있다.
션트저항에서의 전류검출은 오프 시퀀스 전압 이후에 수행하므로, 오프 시퀀스 전압을 전류검출 가능영역으로 이동하고, 온 시퀀스 전압에서 그 차이만큼 보상하여, 전류검출 가능영역을 확장할 수 있다.
종래에는, 이러한 전류의 검출불가 영역을 S1, S2, S3과 같이 세개의 영역으로 나누어 전압을 조정한다.
도 10은 전류의 검출불가 영역을 3개로 나눈 것을 설명하기 위한 것이다.
각 영역(S1, S2, S3)에서 주입전압(Vdss_inj, Vqss_inj)을 계산하여, 원래의 전압(원래전압)과 주입전압의 합(조정전압)을 오프 시퀀스에서의 전압지령으로 사용하고, 원래전압에서 주입전압을 뺀 전압(보상전압)을 온 시퀀스에서의 전압지령으로 사용하여, 온 시퀀스와 오프 시퀀스의 전압의 평균이 원래전압(Vdss_org, Vqss_org)과 같도록 하는 것이다.
이러한 종래의 방법에서, 원래전압지령이 어느 영역에 포함되는지를 판단하여야 하는데, 이때 요구되는 계산이 많기 때문에 CPU의 속도가 느린 경우에는 부담이 발생한다.
이하에서는, 종래의 영역을 판별하여 주입전압을 계산하는 과정을 설명한다.
도 11은 종래 주입전압 결정과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 종래의 주입전압 결정은, 섹터를 판단하고(S111), 섹터1로 전압지령을 이동한다(S112). 섹터1로 전압지령을 이동하여 계산하는 것은, 다른 섹터와 섹터1은 대칭 또는 회전이동을 하면 동일한 위치에 있게 되어, 동일한 주입전압의 식을 이용할 수 있기 때문이다.
S111은, 수학식 2의 직선의 방정식을 이용하여, 원전압지령이 어느 섹터에 존재하는지 판단한다. 고정소수점 연산을 사용할 경우,
Figure pat00003
의 계산은 수학식 3과 같이 나타낼 수 있고, 따라서 나눗셈 연산이 필요하다. 이때, 두개의 직선의 방정식에 포함된
Figure pat00004
의 개수는 모두 2개이므로, S111에서는 최대 2개의 나눗셈 연산이 필요하다.
Figure pat00005
Figure pat00006
S112에서는, 수학식4 내지 수학식 8을 사용한다. 이때에도
Figure pat00007
이 포함되어 있으므로, 나눗셈 연산이 요구된다. 수학식 4는 섹터2를 섹터1로, 수학식5는 섹터3을 섹터1로, 수학식 6은 섹터4를 섹터1로, 수학식 7은 섹터5를 섹터1로, 수학식 8은 섹터6을 섹터1로 이동하는 식을 각각 나타낸다.
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
도 11에서, 섹터1로 전압지령을 이동한 후에는, 영역을 판별하여 주입전압을 계산하고(S113), 원래의 섹터로 다시 이동한다(S114).
S113에서 영역을 구분하기 위한 직선의 방정식에 대해 설명한다. 영역1(S1)과 전류 검출가능 영역을 나누는 직선의 방정식은 수학식 9와 같다.
Figure pat00013
영역1(S1) 및 영역2(S2)를 구분하는 직선은 도 10의 직선 FG이며, 점 F는 J와 D를 1:2로 내분하는 점이고, 점 G는 A와 C를 2:3으로 내분하는 점이다. 이를 이용하여 직선 FB의 방정식과 직선 AC의 방정식을 구하면, 수학식 10 및 수학식 11과 같다.
Figure pat00014
Figure pat00015
이와 같이, 직선의 방정식을 이용하여 영역을 판별하고, 영역을 판별한 후에는, 해당 영역의 주입전압이 수학식 12와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021

이와 같이, 주입전압을 결정할 경우에도 나눗셈 연산이 마찬가지로 요구된다. S113에서 주입전압을 결정한 후, 원래의 섹터로 다시 변환하는데, 이 과정에서 나눗셈 연산이 또 요구된다. 원전압지령과 주입전압을 더한 전압은 dq 전압이므로, ABC상 전압으로 변환한 후, SVPWM 제어를 이용하여 PWM지령으로 변환한다.
고정 소수점 연산에서 나눗셈 연산은 여러 개의 명령어를 이용하여 처리되며, 예를 들어 TI사의 TMS320F2809(동작클럭 60MHz)에서는 1.05㎲가 소요된다. 종래의 방법에서 단계별 나눗셈 횟수를 정리하면 다음 표와 같다.
계산과정 나눗셈 횟수
섹터결정 4
영역결정 11
주입전압 계산 5
조정/복원전압 계산 4
이와 같이, 종래의 전류검출 방법에 의하면, 많은 계산량을 요하는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 나눗셈 연산을 필요로 하지 않아, 적은 계산으로 빠른 시간 내에 원하는 전압을 계산하고, 주입되는 전압의 크기를 최소화하는, 인버터에서 출력전류 검출을 위한 전압지령 수정장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 3상 인버터에서 출력되는 2상 전압지령을 3상 전압지령으로 변환하는 변환부; 상기 3상 전압지령을 공간 벡터 펄스폭 변조(SVPWM)을 이용하여 극전압지령으로 변환하는 적용부; 상기 극전압 지령을 이용하여 PWM 전압지령을 생성하는 생성부; 및 상기 PWM 전압지령이 전압육각형 내의 전류검출 불가영역에 위치하는 경우, 상기 PWM 전압지령을 수정하는 수정부를 포함하는 인버터 제어장치에서, 본 발명의 일실시예의 인버터 출력전류 검출을 위한 전압지령 수정장치는, 상기 PWM 전압지령을 비교하여, 상기 PWM 전압지령이 위치하는 전압육각형에서의 섹터를 판별하는 제1판별부; 샘플링 최소시간을 샘플링 최소 PWM으로 변환하고, 이를 이용하여 전류검출 불가영역 내에 상기 PWM 전압지령이 위치하는 영역을 판별하는 제2판별부; 및 판별된 영역을 바탕으로, 최소한의 주입전압을 이용하여 조정전압(전류검출 가능영역으로 이동한 전압)과 복원전압(조정전압의 차이를 보상한 전압)을 결정하여, 상기 PWM 전압지령을 수정하는 지령수정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1판별부는, 상기 섹터의 판별에 의해, 상기 3상의 PWM 전압지령에서 최대전압, 중간전압 및 최소전압을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2판별부는, PWM 삼각파의 최대값에서 샘플링 최소 PWM을 차감한 전압이 중간전압보다 크거나 같은 경우, 전류검출 가능영역으로 판단하여 상기 PWM 전압지령을 수정하지 않을 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2판별부는, 복원전압이 최대전압보다 작거나 같은 경우, 영역1로 판별할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 영역1은, 조정전압과 복원전압의 영벡터 인가시간이 변하지 않는 영역으로 정의될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지령수정부는, 상기 전압육각형의 기하학적 성질을 이용하여, 각 전압벡터의 인가시간을 계산하여 상기 PWM 전압지령에 적용하여 조정전압과 복원전압을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2판별부는, 복원전압의 영벡터 인가시간이 0보다 큰 경우, 영역2로 판별할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 영역2는, 복원전압의 영벡터 인가시간이 상기 PWM 전압지령의 영벡터 인가시간보다 작아지는 영역으로 정의될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지령수정부는, 상기 전압육각형의 기하학적 성질을 이용하여, 각 전압벡터의 인가시간을 계산하여 상기 PWM 전압지령에 적용하여 조정전압과 복원전압을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2판별부는, 중간전압과 최소전압의 차가, PWM 삼각파의 최대값의 2배와 최소전압을 2로 나눈 값의 차보다 작으면 영역3으로 판별할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 영역3은, 조정전압의 영벡터 인가시간도 변화하는 영역으로 정의될 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지령수정부는, 주입전압에 의해 상기 PWM 전압지령이 전류측정 불가영역을 벗어나는 제1조건과, 보상전압이 전압육각형 내에 존재하여야 하는 제2조건을 만족하는 영역에서 최소 전압이 주입되도록 주입전압을 결정하여, 이를 통해 조정전압과 복원전압을 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2판별부는, 중간전압과 최소전압의 차가, PWM 삼각파의 최대값의 2배와 최소전압을 2로 나눈 값의 차보다 크거나 같으면 영역4로 판별할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 지령수정부는, 전압 오차의 양을 고려하여 전류측정 가능영역 내에서 조정전압과 복원전압을 결정할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 줄어든 계산량으로 인해 계산 시간이 단축되며, 섹터와 무관하게 일정한 연산시간이 소요되게 하는 효과가 있다.
또한, 영역3에서 주입전압의 크기를 최소화할 수 있으며, 영역4를 추가하여 전류샘플링이 단절되는 구간이 없도록 하는 효과가 있다.
도 1은 션트저항을 이용하여 인버터 출력전류를 검출하는 것을 설명하기 위한 회로도이다.
도 2는 SVPWM 방식을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 전압벡터의 일예시도이다.
도 4는 삼각파를 이용하여 극전압(Van, Vbn, Vcn)을 PWM 방법에 의해 합성하는 것을 나타내는 예시도이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 관계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 전류검출이 불가능한 영역을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 션트저항에서 발생하는 스위칭 리플을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 8은 검출불가 영역과 검출가능 영역의 경계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 9는 전류 샘플링의 시점을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10은 전류의 검출불가 영역을 3개로 나눈 것을 설명하기 위한 것이다.
도 11은 종래 주입전압 결정과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예의 전압지령 수정장치가 적용되는 인버터 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 13은 도 12의 전압지령 수정부의 상세 구성도이다.
도 14는 섹터의 정의를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 15는 샘플링 최소시간과 샘플링 최소 PWM의 관계를 나타낸 일예시도이다.
도 16은 도 13의 영역판별부가 영역을 판별하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 17은 본 발명에서 정의되는 영역을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 18은 도 17의 영역1을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 19는 영벡터 인가시간이 동일하게 되는 전압벡터의 이동을 보여주는 일예시도이다.
도 20은 영역1에서 본 발명의 전압지령의 수정에 의한 스위칭 시점의 변화를 설명하기 위한 것이다.
도 21은 도 17의 영역2를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 22는 영역2에서 본 발명의 전압지령의 수정에 의한 스위칭 시점의 변화를 설명하기 위한 것이다.
도 23은 도 17의 영역3을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 24는 영역3에서 본 발명의 전압지령의 수정에 의한 스위칭 시점의 변화를 설명하기 위한 것이다.
도 25는 영역3에서 주입전압과 보상전압을 결정하는 방식을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 26은 도 17의 영역4를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 27은 종래 전압지령 수정에 소요되는 시간과 본 발명에 의해 소요되는 시간을 비교한 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 12는 본 발명의 일실시예의 전압지령 수정장치가 적용되는 인버터 제어장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 인버터 제어장치는, 변환부(10), SVPWM 적용부(20), 전압지령 생성부(30), 전압지령 수정부(40)를 포함하며, 데드타임 보상부(50)를 더 포함할 수 있다.
변환부(10)는, 3상 인버터의 출력전압인 2상의 dq 전압지령을 3상 전압지령으로 변환하며, 다음 수학식을 사용한다.
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
SVPWM 적용부(20)는 변환부(10)에 의해 변환된 3상 전압을 SVPWM을 사용하여 극전압지령으로 변환한다. 이때, SVPWM 적용부(20)는 다음 수학식을 사용한다.
Figure pat00025
Figure pat00026
Figure pat00027
Figure pat00028
Figure pat00029
이때, Vsn은 옵셋전압이며, 상전압의 최대값과 최소값을 평균한 후 음의부호를 붙여 계산한다.
지령전압 생성부(30)는, SVPWM 적용부(20)가 계산한 극전압을 다음의 수학식 15에 의해 PWM 전압지령으로 계산한다. 이때 Npeak는 삼각파(캐리어)의 최대값으로서, 삼각파는 -Npeak에서 Npeak의 범위를 가진다.
Figure pat00030
Figure pat00031
Figure pat00032
전압지령 계산부(30)가 계산한 전압지령에 따라 도 1의 인버터의 스위칭부(120)의 스위칭 시점이 결정되는데, 전압지령 수정부(40)는, 전압지령 생성부(30)가 계산한 전압지령이 전압 육각형 내의 전류검출 불가영역에 위치하는 경우, 이를 수정한다. 이에 대해서는 추후 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
데드타임 보상부(50)는, 한 상의 상부 및 하부의 스위치(120a, 120b)가 모두 오프상태인 경우, 출력전압이 전류의 크기와 극성에 의해 결정되는 것에 의해 발생하는 출력전압의 오차를 줄이기 위해 전압지령을 조정한다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 일실시예를 상세히 설명한다.
도 13은 도 12의 전압지령 수정부(40)의 상세 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전압지령 수정부(40)는, 섹터판별부(41), 영역판별부(42) 및 지령수정부(43)를 포함한다.
섹터판별부(41)는, 전압지령 생성부(30)가 생성한 PWM 전압지령을 수신하여, 이 전압지령을 비교하여 섹터를 판별한다. SVPWM 적용부(20)가 상전압을 극전압으로 변경할 때, 3상 모두 동일 크기의 옵셋전압을 더하는 것이므로, 대소관계는 변하지 않는다. 또한, PWM 전압지령은 극전압에 일정한 값을 곱한 값이므로, 대소관계에 영향을 주지 않는다.
도 14는 섹터의 정의를 설명하기 위한 일예시도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 또한, 위 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 설명한 바와 같이, 섹터는 6개로 구분되며, 본 발명에서는 도 14와 같이 정의될 수 있다.
따라서, 섹터판별부(41)는, 다음 표과 같이 PWM 전압지령을 비교하여, 섹터를 판별할 수 있다.
대소관계 섹터 Nmax Nmid Nmin
Na>Nb>Nc 1 Na Nb Nc
Nb>Na>Nc 2 Nb Na Nc
Nb>Nc>Na 3 Nb Nc Na
Nc>Nb>Na 4 Nc Nb Na
Nc>Na>Nb 5 Nc Na Nb
Na>Nc>Nb 6 Na Nc Nb
영역판별부(42)는 도 7에서 설명한 바와 같은 샘플링 최소시간(Tmin)을, 샘플링 최소 PWM으로 변환하고, 이를 이용하여 영역을 판별한다. 영역판별에 관해서는, 아래에서 설명한다.
도 15는 샘플링 최소시간과 샘플링 최소 PWM의 관계를 나타낸 일예시도이다. 샘플링 최소시간과 샘플링 최소 PWM은 다음 수학식 16에 의해 결정될 수 있다. 이때, Nhigh는 다음 수학식 17과 같이 정의된다.
Figure pat00033
Figure pat00034
또한, 지령수정부(43)는, 판별된 영역을 바탕으로, 조정 PWM 전압지령과, 복원 PWM 전압지령을 결정하여 원래의 PWM 전압지령을 수정한다. 수정전 전압지령, 조정 전압지령, 복원 전압지령은, 다음 수학식 17과 같은 벡터로 정의된다.
Figure pat00035
Figure pat00036
Figure pat00037

도 16은 도 13의 영역판별부가 영역을 판별하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 17은 본 발명에서 정의되는 영역을 설명하기 위한 일예시도이다. 도 17은 도 6의 (b)의 전류검출 불가영역(영역1, 영역2, 영역3, 영역4)와, 전류검출 가능영역(영역0)을 확대한 것이다. 이때, 영역판별에 사용되는 Nadj는 수학식 18의 벡터와 상이한 것으로, Nmid에서 Nhigh를 차감한 값이다. 영역과 관련한 상세한 설명은, 추후 도면을 참조로 하기로 한다.
영역판별부(42)는, Nmid에서 Nhigh(수학식 17)를 차감한 값이 0보다 작거나 같은 경우(S10), 해당 전압지령은 영역0인 것으로 판별한다. 영역0에 대해서는 전류검출이 가능한 영역이므로, 전압지령에 대한 수정이 요구되지 않는다.
영역판별부(42)는, Nmid+Nadj가 Nmax보다 작거나 같은 경우(S11), 영역1로 판별한다. 이때 Nadj는 Nmid-Nhigh이다. 즉, Nmid-Nadj는 조정전압이고, Nmid+Nadj는 복원전압이므로, 복원전압이 최대지령보다 작아 섹터를 유지하면 영역1로 판별한다.
영역판별부(42)는, 복원전압의 0벡터 인가시간이 0보다 큰경우(S12), 영역2로 판별한다. 복원전압의 영벡터 인가시간은, 다음과 같이 정의된다.
Figure pat00038
또한, 영역판별부(42)는, 다음 식을 만족하는 경우 영역3으로 판별하고, 영역3이 아닌 경우 영역4(전류검출 불가영역)로 판별한다(S13).
Figure pat00039
이와 같이 영역판별부(42)가 영역을 판별한 경우, 지령수정부(43)는 조정 PWM 전압지령과 복원 PWM 전압지령을 각각 표 3 및 표 4와 같이 수정할 수 있다. 다만, 영역0에 속하는 경우, 지령의 수정이 요구되지 않음은 이미 설명한 바와 같다.
Figure pat00040
Figure pat00041
Figure pat00042

위에서 알 수 있는 바와 같이, 나눗셈 연산은 2로 나누는 것 외에는 없으며, 2로 나누는 연산은 쉬프트 연산을 사용하는 것이므로, 사실상 나눗셈 연산이 존재하지 않는 것이 된다.
이하에서는, 본 발명에서 정의하는 영역과 영역에서 조정전압과 복원전압을 얻는 과정을 설명한다. 본 발명에서는 종래 방식과 마찬가지로 3개의 영역으로 나누어서 전압지령을 수정하지만, 영역이 달리 정의된다.
도 18은 도 17의 영역1을 설명하기 위한 일예시도이다. 본 발명에서는, 영역1을, 조정전압과 복원전압의 영벡터 인가시간(T0)이 변하지 않는 영역으로 정의한다.
종래와 비교하면, 주입전압은 동일하지만 주입전압의 크기를 계산할 때 dq축 전압으로 계산하지 않고 도 18과 같은 기하학적 성질을 이용하여, 각 전압벡터의 인가시간을 직접 계산하여, 각 상의 전압지령에 바로 적용하는 것이며, 이에 의해 계산량을 줄일 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 여러가지 전압벡터를 도 18과 같이 정의하기로 한다.
원래전압은, 도 12의 전압지령 생성부(30)가 생성한, 수정전의 원래의 전압지령이며, 주입전압벡터는, 전류검출이 가능하도록 전류검출 가능영역으로 이동한, 오프 시퀀스에서의 전압에서 원래전압을 뺀 전압벡터이다.
보상전압벡터는 온 시퀀스에서의 전압에서 원래전압을 뺀 전압벡터이며, 주입전압벡터와 크기는 같고 방향이 반대이다. 조정전압벡터는 원래전압벡터와 주입전압벡터를 더한 벡터이고, 복원전압벡터는 조정전압벡터와 복원전압벡터의 평균이 원래전압벡터와 같도록 하는 벡터로서, 원래전압과 보상전압을 더한 벡터이다.
도 19는 영벡터 인가시간이 동일하게 되는 전압벡터의 이동을 보여주는 일예시도이다.
이미 설명한 바와 같이, 영벡터 인가시간은 전체 스위칭 주기에서 유효벡터가 인가되는 시간(T1+T2)을 뺀 시간이다. 도 19에 도시된 바와 같이,
Figure pat00043
,
Figure pat00044
를 연결하는 선분과 평행한 선분 위를 이동하게 될 경우, T1+T2는 일정한 것을 알 수 있다. 영역1에서의 전압보상은 이러한 기하학적인 성질을 이용하는 것이다.
도 20은 영역1에서 본 발명의 전압지령의 수정에 의한 스위칭 시점의 변화를 설명하기 위한 것이다.
중간전압의 스위칭 시점부터 오프 시퀀스의 끝 시점까지의 시간(Tb)이 전류 검출 보장시간(Tmin)보다 작은 경우에 이를 확보하기 위해서 조정시간(Tadj)을 사용하여 스위칭 시점을 변경하게 된다. 최대전압의 지령과 최소전압의 지령은 변하지 않고, 중간전압만 변하는 것을 알 수 있다. 조정시간을 사용하여 중간 전압의 스위칭 전압을 변경하여도, 온 시퀀스와 오프 시퀀스에서의 유효벡터 인가시간은 동일하다.
도 21은 도 17의 영역2를 설명하기 위한 일예시도이다. 영역2는 복원전압의 영벡터 인가시간이 줄어드는 영역이다. 도 22는 영역2에서 본 발명의 전압지령의 수정에 의한 스위칭 시점의 변화를 설명하기 위한 것이다. 조정전압에서는 중간전압이 변하게 되며, 복원전압에서는 영벡터 인가시간이 줄어들기 때문에 최소 전압, 최대 전압의 스위칭 시점도 모두 변하게 된다. 영역1 및 영역2에서는 T1+T2=T1'+T2'의 관계가 성립하게 되며, 보상전압은 섹터2에 존재하게 된다.
도 23은 도 17의 영역3을 설명하기 위한 일예시도이고, 도 24는 영역3에서 본 발명의 전압지령의 수정에 의한 스위칭 시점의 변화를 설명하기 위한 것이다. 영역3에서는 조정전압의 영벡터 인가시간도 변화한다. 종래의 방식인 도 10에서의 영역2와 영역3을 더한 영역이며 주입전압이 최소가 되는 방식으로 전압을 계산한다.
조정전압(P8)과 보상전압(P4)을 계산하는 과정은 다음과 같다. P0는 원래전압이고, 이 점에서 P1과 같이 변에 직각이 되는 점을 계산한다. P2는 P0를 중심으로 P1과 대칭이 되는 점이다. P3는 T2성분을 2ΔT만큼 줄인 점이고, P4는 T1성분을 ΔT만큼 늘인 점이다. P5는 T1성분을 0으로 만든 점이다. P6는 수선을 그어서 전류검출 가능영역으로 이동했을 때의 점이다. P7은 T2성분을 2ΔT만큼 늘인 점이다. P8은 T1성분을 2ΔT만큼 늘인 점이다.
다음 표는, P0 내지 P8을 나타낸 것이다.
Figure pat00045
본 발명은, 최소의 전압을 주입하는 방식을 사용한다. 도 25는 영역3에서 주입전압과 보상전압을 결정하는 방식을 설명하기 위한 일예시도이다.
영역1 및 영역2에서는 법선을 사용하여 조정전압벡터를 결정하므로, 최소전압벡터가 사용되는 것은 자명하다. 영역3에서, 주입전압에 의해 원래전압은 측정 불가능한 영역을 벗어나야 하며(a), 보상전압은 합성가능한 육각형 이내에 존재하여야 한다(b). (a) 조건과 (b) 조건을 만족하는 영역 중 원래의 전압과 가장 가까운 점을 (c)와 같이 결정하는 것이다.
따라서, 종래의 방식에 의한 주입전압보다 작은 전압을 주입하여, 평균 전압대비 고주파 주입성분이 더하여져 발생하는 전류리플을 작게 할 수 있다.
도 26은 도 17의 영역4를 설명하기 위한 일예시도이다.
영역4에서는 전압육각형 안에 조정전압벡터와 복원전압벡터를 위치하는 것이 불가능하다. 그러나, 최소한의 샘플링 시간을 얻기 위해, 정확한 전압합성이 희생된다. 본 발명에서는, 도 26과 같이, 전압 오차의 양을 고려하여, 전류검출 가능영역 조정전압과 복원전압이 결정될 수 있다.
도 27은 종래 전압지령 수정에 소요되는 시간과 본 발명에 의해 소요되는 시간을 비교한 일예시도이다.
종래의 방식에 의하면, 섹터를 판별하는 과정에 의해 섹터별로 계산시간이 다르지만, 본 발명은 섹터와 무관하게 동일한 연산시간을 가지며, 종래 방식에 비해 1/3 내지 1/7로 연산시간이 단축되는 것을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명은, 종래 방식에 비해 줄어든 계산량으로 더 나은 결과를 얻을 수 있으며, 따라서 CPU의 속도가 느린 경우에도 구현이 가능한 장점이 있다. 즉, 본 발명은 나눗셈 연산을 요구하지 않으며, 덧셈, 뺄셈 및 쉬프트 연산으로 필요한 계산을 수행할 수 있기 때문이다.
또한, 본 발명은 섹터와 무관하게 일정한 연산시간이 소요되는 장점이 있으며, 영역3에서 주입전압의 크기를 최소화할 수 있으며, 또한 영역4를 추가하여, 전류샘플링이 단절되지 않도록 한다.
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: 변환부 20: SVPWM 적용부
30: 전압지령 생성부 40: 전압지령 수정부
40: 데드타임 보상부 41: 섹터판별부
42: 영역판별부 43: 지령수정부

Claims (14)

  1. 3상 인버터에서 출력되는 2상 전압지령을 3상 전압지령으로 변환하는 변환부;
    상기 3상 전압지령을 공간 벡터 펄스폭 변조(SVPWM)을 이용하여 극전압지령으로 변환하는 적용부;
    상기 극전압 지령을 이용하여 PWM 전압지령을 생성하는 생성부; 및
    상기 PWM 전압지령이 전압육각형 내의 전류검출 불가영역에 위치하는 경우, 상기 PWM 전압지령을 수정하는 수정부를 포함하는 인버터 제어장치에서, 인버터 출력전류 검출을 위한 전압지령 수정장치에 있어서,
    상기 PWM 전압지령을 비교하여, 상기 PWM 전압지령이 위치하는 전압육각형에서의 섹터를 판별하는 제1판별부;
    샘플링 최소시간을 샘플링 최소 PWM으로 변환하고, 이를 이용하여 전류검출 불가영역 내에 상기 PWM 전압지령이 위치하는 영역을 판별하는 제2판별부; 및
    판별된 영역을 바탕으로, 최소한의 주입전압을 이용하여 조정전압(전류검출 가능영역으로 이동한 전압)과 복원전압(조정전압의 차이를 보상한 전압)을 결정하여, 상기 PWM 전압지령을 수정하는 지령수정부를 포함하는 전압지령 수정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1판별부는,
    상기 섹터의 판별에 의해, 상기 3상의 PWM 전압지령에서 최대전압, 중간전압 및 최소전압을 결정하는 전압지령 수정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2판별부는,
    PWM 삼각파의 최대값에서 샘플링 최소 PWM을 차감한 전압이 중간전압보다 크거나 같은 경우, 전류검출 가능영역으로 판단하여 상기 PWM 전압지령을 수정하지 않는 전압지령 수정장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제2판별부는,
    복원전압이 최대전압보다 작거나 같은 경우, 영역1로 판별하는 전압지령 수정장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 영역1은,
    조정전압과 복원전압의 영벡터 인가시간이 변하지 않는 영역으로 정의되는 전압지령 수정장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 지령수정부는,
    상기 전압육각형의 기하학적 성질을 이용하여, 각 전압벡터의 인가시간을 계산하여 상기 PWM 전압지령에 적용하여 조정전압과 복원전압을 결정하는 전압지령 수정장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 제2판별부는,
    복원전압의 영벡터 인가시간이 0보다 큰 경우, 영역2로 판별하는 전압지령 수정장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 영역2는,
    복원전압의 영벡터 인가시간이 상기 PWM 전압지령의 영벡터 인가시간보다 작아지는 영역으로 정의되는 전압지령 수정장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 지령수정부는,
    상기 전압육각형의 기하학적 성질을 이용하여, 각 전압벡터의 인가시간을 계산하여 상기 PWM 전압지령에 적용하여 조정전압과 복원전압을 결정하는 전압지령 수정장치.
  10. 제2항에 있어서, 상기 제2판별부는,
    중간전압과 최소전압의 차가, PWM 삼각파의 최대값의 2배와 최소전압을 2로 나눈 값의 차보다 작으면 영역3으로 판별하는 전압지령 수정장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 영역3은,
    조정전압의 영벡터 인가시간도 변화하는 영역으로 정의되는 전압지령 수정장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 지령수정부는,
    주입전압에 의해 상기 PWM 전압지령이 전류측정 불가영역을 벗어나는 제1조건과, 보상전압이 전압육각형 내에 존재하여야 하는 제2조건을 만족하는 영역에서 최소 전압이 주입되도록 주입전압을 결정하여, 이를 통해 조정전압과 복원전압을 결정하는 전압지령 수정장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제2판별부는,
    중간전압과 최소전압의 차가, PWM 삼각파의 최대값의 2배와 최소전압을 2로 나눈 값의 차보다 크거나 같으면 영역4로 판별하는 전압지령 수정장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 지령수정부는,
    전압 오차의 양을 고려하여 전류측정 가능영역 내에서 조정전압과 복원전압을 결정하는 전압지령 수정장치.
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