KR20160058676A - 6단계 모드로 전기 기계를 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

6단계 모드로 전기 기계를 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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정식 임
지훈 장
본호 배
밀란 에이. 바데라
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지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
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Abstract

전기 기계에 전기적으로 연결된 인버터를 제어하기 위한 전압원 인버터 컨트롤러는, 전류 명령 생성기, 6단계 플럭스 컨트롤러 및 전류 레귤레이터를 포함한다. 6단계 플럭스 컨트롤러는, 전기 기계를 6단계 모드로 동작시킬 때, 전기 기계의 약플럭스(flux-weakening) 속력/부하 동작 영역에서 플럭스를 레귤레이트하기 위한 플럭스 모디파이어(modifier)를 생성한다. 전류 명령 생성기는 원하는 토크를 dq0-dq 트랜스포머로 입력되고 플럭스 모디파이어와 결합되어 수정-플럭스 직접-직교(dq) 전류 요청을 결정하는 3상의 원하는 전류로 변환한다. 전류 레귤레이터는 비례 적분 피드백 컨트롤러, 안티 와인드업(anti-windup) 요소, dq 전압 제한 요소 및 전압 크기 제한기를 포함한다. 비례 적분 피드백 컨트롤러와 안티 와인드업 요소는 수정-플럭스 dq 전류 요청에 대하여 폐쇄 루프 전류 제어를 수행하여 명령 dq 전압을 결정한다.

Description

6단계 모드로 전기 기계를 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING AN ELECTRIC MACHINE IN A SIX-STEP MODE}
본 개시 내용은 일반적으로 교류(AC) 모터/제너레이터를 제어하는 것에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, AC 모터/제너레이터를 제어하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
동기 프레임 전류 레귤레이터는 3상(three-phase) 영구 자석 동기 전기 모터(전기 기계)와 같은 AC 모터/제너레이터의 전류 제어를 위하여 채용된다. 넓은 주파수 범위에 대하여 동적 제어를 제공함으로써, 동기 프레임 전류 레귤레이터는 많은 산업적 애플리케이션에 적합하다.
3상 영구 자석 동기 전기 모터(전기 기계)와 같은 AC 모터/제너레이터의 제어는 3상 펄스폭 변조(PMW) 인버터를 이용하여 이루어진다. PWM 인버터는 예를 들어 공간 벡터 PWM(SVPWM(space vector PWM)) 모드와 6단계(six-step) 모드를 포함하는 여러 상이한 동작 모드로 제어될 수 있다. 기본 주파수에서의 인버터의 출력 전압 크기는 인버터가 6단계 모드로 동작할 때에만 최대에 도달한다. 이러한 전압 크기 특성 때문에, 6단계 모드에서의 동작은 전압 크기가 토크 성능의 주요 제한 인자인 약계자 영역(field weakening region)에서의 알려진 SVPWM 동작 또는 불연속 공간 벡터 PWM(DPWM(discontinuous space vector PWM)) 동작에 비하여 전기 기계의 토크 능력을 증가시킬 수 있다. 그러나, 전압 크기는 6단계 모드로 제어 가능하지 않다. 전압 각도만이 6단계 모드로 조정될 수 있다. 이는 보통의 SVPWM 모드 또는 DPWM 모드에서의 동작에 비교하여 제어 가능성에 있어서 1 자유도(DOF(Degree-Of-Freedom))의 손실과 동일하다. 이러한 DOF 손실 때문에, 6단계 모드로 동작하는 PWM 인버터를 갖는 비동기 프레임 전류 레귤레이터를 채용하는 것은 도전적인 것으로 증명되었다.
영구 자석 동기 다상(multi-phase) AC 전기 기계에 전기적으로 연결된 인버터를 제어하기 위한 전압원 인버터 컨트롤러는, 전류 명령 생성기, 6단계 플럭스 컨트롤러 및 전류 레귤레이터를 포함한다. 6단계 플럭스 컨트롤러는 전기 기계를 6단계 모드로 동작시킬 때, 전기 기계의 약플럭스(flux-weakening) 속력/부하 동작 영역에서 플럭스를 레귤레이트하기 위한 플럭스 모디파이어(modifier)를 생성한다. 전류 명령 생성기는 원하는 토크를 dq0-dq 트랜스포머로 입력되고 플럭스 모디파이어와 결합되어 수정-플럭스 직접-직교(dq) 전류 요청을 결정하는 3상의 원하는 전류로 변환한다. 전류 레귤레이터는 비례 적분 피드백 컨트롤러, 안티 와인드업(anti-windup) 요소, dq 전압 제한 요소 및 전압 크기 제한기를 포함한다. 비례 적분 피드백 컨트롤러와 안티 와인드업 요소는 수정-플럭스 dq 전류 요청에 대하여 폐쇄 루프 전류 제어를 수행하여 명령 dq 전압을 결정한다. 이것은 명령 dq 전압에 제한을 부과하는 dq 전압 제한 요소와 전압 크기 제한기를 포함하고, 인버터는 전기 기계를 6단계 모드로 구동하기 위하여 제한된 명령 dq 전압을 펄스폭 변조 고정자 전류로 변환한다.
본 발명의 전술한 특징 및 이점과 다른 특징 및 이점은, 첨부된 도면과 함께 취해질 때, 첨부된 특허청구범위에서 정의된 바와 같은, 본 개시 내용을 수행하기 위한 최선의 형태 및 다른 실시예의 일부에 대한 이어지는 설명으로부터 명백하다.
이제 하나 이상의 실시예가, 예로서, 다음과 같은 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 개시 내용에 따라 다상 AC 전기 모터/제너레이터(전기 기계)에 전기적으로 연결된 인버터를 6단계 모드로 제어하기 위하여 전류 레귤레이터와 6단계 플럭스 컨트롤러를 포함하는 전압원 인버터 컨트롤러를 개략적으로 도시한다;
도 2는 본 개시 내용에 따라 6단계 모드로 전기 기계를 제어하기 위한 시스템에서 컨트롤러에 의해 채용될 수 있는 전류 레귤레이터의 일 실시예를 개략적으로 도시한다; 그리고,
도 3은, 본 개시 내용에 따라, 6단계 모드가 금지되는 제1 속력/토크 동작 영역과 6단계 모드가 허용되는 제2 속력/토크 동작 영역을 포함하는 임계 토크 캘리브레이션의 일 실시예를 포함하는, 전기 기계의 일 실시예의 동작을 언제 6단계 모드로 제어할지를 결정하기 위한 6단계 인버터 제어 루틴의 일 실시예를 개략적으로 도시한다.
표현이 소정의 예시적인 실시예를 단지 예시하기 위한 것이고 이를 제한하는 것이 아닌 도면을 도시하면, 도 1은 본 개시 내용에 따라 다상 AC 전기 모터/제너레이터(전기 기계)(40)에 전기적으로 연결된 인버터(30)를 제어하기 위한 전압원 인버터(VSI(Voltage Source Inverter)) 컨트롤러(100)를 개략적으로 도시한다. 전기 기계(40)는 바람직하게는 성상(star) 구조로 배열된 고정자 및 회전자를 포함하는 영구 자석 동기 장치이지만, 여기에서 설명된 개념은 그렇게 제한적이지 않다. VSI 컨트롤러(100)는 PWM 모드 및 6단계 모드 중 하나로 인버터(30)의 동작을 선택적으로 제어한다.
VSI 컨트롤러(100)는 고전압 DC 전원에 전기적으로 연결된 인버터(30)를 통해 전기 기계(40)로부터의 토크 출력을 제어한다. 전기 기계(40)의 토크 출력을 레귤레이트하기 위하여 인버터 상태 사이에서 스위칭하는 제어 방법은 PWM 모드 또는 6단계 모드로 동작하는 것을 포함한다. PWM 모드에서, 인버터(30)는 2개의 0이 아닌 상태와 1개의 0인 상태 사이에서 빠르게 스위칭한다. VSI 컨트롤러(100)는 PWM 듀티 사이클을 특정함으로써 어느 비율의 시간이 3개의 상태 중 하나에 소비되어야 하는지 특정한다. VSI 컨트롤러(100)는 업데이트 주파수가 회전자 회전의 주파수보다 상당히 더 높도록 규칙적인 간격으로 PWM 듀티 사이클을 업데이트한다. 6단계 모드에서, 인버터(30)는 고정자의 각각의 권선(winding)에서 AC 전압 및 전류를 생성하도록 전기 기계(40)의 회전자의 사이클마다 한 번씩 6개의 0이 아닌 상태를 통해 사이클을 이룬다. 회전자 사이클은 모터 극(pole)에 상대적으로 정의되며, 회전자의 완전한 회전(revolution)에 반드시 대응할 필요는 없다.
VSI 컨트롤러(100)는 6단계 모드로 전기 기계(40)의 동작을 제어하기 위하여 인버터(30)의 동작을 제어하기 위한 전류 레귤레이터(20) 및 6단계 플럭스 컨트롤러(50)를 포함한다. AC 전압의 진폭은 고전압 전력원을 인버터(30)에 전기적으로 연결하는 고전압 DC 버스에서의 DC 전압의 크기에 의해 좌우된다. 토크는 DC 전압, 회전자 속력 및 이러한 의사 정현파 AC 전압 신호와 회전자 위치 사이의 위상 차이에 의해 좌우되고, 6단계 모드에서 제어 시스템을 동작시키는 것에 의해 더 제어된다. VSI 컨트롤러(100)는 시컨스에서 다음 상태로 언제 스위칭할지를 나타내는 명령을 인버터(30)에 발행한다.
VSI 컨트롤러(100)로의 입력은 원하는 토크 Te*(11)와 원하는 외부 전압 |udq*|(13)을 포함한다. 전류 명령 생성기(10)는 원하는 토크 Te*(11)를 dq0-dq 트랜스포머(15)로 입력되는 3상(dq0)의 원하는 전류 ir* dq0(12)로 변환한다. dq0-dq 트랜스포머(15)는 수정-플럭스 직접-직교(dq) 전류 요청 ir* dq(17)를 결정하기 위하여 플럭스 모디파이어 Δβ(52)를 채용한다. 플럭스 모디파이어 Δβ(52)는 본 명세서에서 설명되는 바와 같은 6단계 플럭스 컨트롤러(50)에 의해 결정된다. dq0-dq 트래랜스포머(15)는 플럭스 모디파이어 Δβ(52)를 원하는 토크 Te*(11)와 회전자의 회전 속력 ω에 기초하여 계산된 플럭스 항 β와 결합한다. dq0-dq 트랜스포머(15)는 수정된 플럭스(β+Δβ)를 채용하여 수정-플럭스 직접-직교(dq) 전류 요청 ir* dq(17)을 재계산하며, 이는 알려진 dq0-dq 변환 방법을 채용하여 dq0의 원하는 전류 ir* dq0(12)를 수정-플럭스 dq 전류 요청 ir* dq_new(17)로 변환하는 것을 포함한다. d0-dq 변환은 3상의 AC 수, 예를 들어, ua, ub 및 uc를 dq 성분, 예를 들어, ud 및 uq로 감소시켜, 필터링과 제어를 용이하게 하고, 유효 전력 및 무효 전력이 dq 성분을 제어함으로써 독립적으로 제어된다.
6단계 플럭스 컨트롤러(50)는 전기 기계(40)를 6단계 능동(active) 모드로 동작시킬 때 동작한다. 전기 기계(40)의 일 실시예의 동작을 언제 6단계 능동 모드로 제어할지를 결정하는 프로세스는 도 3을 참조하여 설명된다. 6단계 플럭스 컨트롤러(50)는 다음과 같이 동작한다. 원하는 외부 전압 |udq*|(13)의 크기는 6단계 플럭스 컨트롤러(50)로 입력되는 외부 전압 에러 항(47)을 결정하기 위하여 상이한 요소(45)를 사용하는 명령된 외부 전압 |udq _out|(23)의 크기만큼 감소된다. 6단계 플럭스 컨트롤러(50)는 비례 이득 kp(66)를 외부 전압 에러 항(47)에 적용하고, 시간 지연(64)과 상부 및 하부 적분 경계(65)에 영향을 받는 적분 이득 ki(63)를 외부 전압 에러 항(47)에 적용한다. 결과는 가산 요소(67)에 의해 더해지고, 상부 및 하부 플럭스 경계(68)와 방향 부호(69)에 종속되며, 음의 플럭스(-)는 음의 토크, 즉 전력 재생 모드에서의 전기 기계(40)의 동작과 관련되고, 양의 플럭스(+)는 양의 토크, 즉 dq 전류 명령에 대하여 플럭스 모디파이어 Δβ(52)를 결정하기 위한 토크 생성 모드에서의 전기 기계(40)의 동작과 관련된다. 6단계 플럭스 컨트롤러(50)는 전기 기계(40)의 약플럭스(flux-weakening) 속력/부하 동작 영역에서 플럭스를 증가시킨다. 전류 명령 및 전류 명령 각도(β)는 시계 방향으로 변화한다. 실제 dq 전류는 명령된 외부 전압 |udq|(23)의 크기가 6단계
Figure pat00001
보다 작을 때까지 그 명령을 따르며, |udq|의 크기가 완전한 6단계에 도달하면, 실제 dq 전류는 완전한 6단계 전압 크기에 의해 정의되는 타원을 따라 이동하다. 그러나, 명령된 외부 전압 |udq|가 완전한 6단계 크기에 도달할 때, 실제 전류는 안팎으로의 이동을 가질 수 있다. 이러한 종류의 전류 이동은 모터 속력이 중간 범위에 있다면 중요할 수 있으며, 따라서 컨트롤러는 전류 명령이 최대일 때 6단계 능동 모드에 있다. 실제 전류의 크기는 그 명령보다 더 클 수 있으며, 이는 인버터 및 모터를 손상시킬 수 있다. 따라서, 도 2을 참조하여 설명되는 바와 같이, 전압 클램핑이 채용된다.
6단계 플럭스 컨트롤러(50)는 인버터(30)와 전기 기계(40)를 6단계 능동 모드로 동작시킬 때 약플럭스 컨트롤러를 대신한다. 외부 전압 |udq|*의 크기와 원하는 외부 전압|udq _out| 사이의 차이는 dq 전류 명령의 각도와 대응하는 플럭스 β를 변경한다. 외부 전압 크기 |udq|*의 명령은 일 실시예에서 1.2의 다시 명령된 캘리브레이션 인자를 이용하여 6단계 전압에 따라 결정된다.
6단계 플럭스 컨트롤러(50)는 외부 전압의 크기를 6단계 한계보다 더 크게 유지하기 때문에 PWM 정렬 플래그의 지터링(jittering)을 방지한다. 이 특징은 모터 온도가 높고 이에 따라 자기 플럭스를 약화시킬 때 특히 유용하다. 외부 전압 크기가 전류 에러와 동일하기 때문에, 6단계 플럭스 컨트롤러(50)는 실제 전류의 크기를 명령 전류의 크기에 가능한 한 가까이 유지하는데 도움을 준다. 다른 말로 하면, 6단계 플럭스 컨트롤러는 완전한 6단계 전압과 전류 명령의 크기와 함께 사용 가능한 동작점을 자동으로 찾는다.
수정-플럭스 dq 전류 요청 ir* dq_new(17)는 차이 요소(18)를 이용하여 전류 피드백 항 ir* dq_fdbk(37)만큼 감소된다. 전류 피드백 항 ir* dq_fdbk(37)은 인버터(30)와 전기 기계(40) 사이의 모니터링된 전류 명령 uabc(35)로부터 유도된다. 수정-플럭스 dq 전류 요청 ir* dq_new(17)와 dq 전류 피드백 항 ir* dq_fdbk(37) 사이의 차이를 포함하는 전류 레귤레이터 입력 항(19)은, dq 전압 명령 udq(22)를 생성하기 위하여 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이 동작하는 전류 레귤레이터(20)로 입력된다. 전류 레귤레이터 입력 항(19)은 도 2를 참조하여 도시되고 설명되는 d-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir ds(51)와 q-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir qs(53)를 포함한다.
dq 전압 명령 udq(22)는 바람직하게는 AC 모터(40)에 전기적으로 결합되는 펄스폭 변조(PWM) 전압원 인버터인 인버터(30)에 대한 입력으로서 제공된다. dq 전압 명령 udq(22)에 응답하여, 인버터(30)는 전기 기계(40)로부터의 회전 및 토크 출력을 구동하기 위하여 전기 기계(40)의 권선에서 고정자 전류를 생성하는 AC 전류 명령 uabc(35)를 생산한다. 역변환 모듈(36)은 AC 전류 명령 uabc(35)를 알려진 dq-abc 변환 방법을 이용하여 전류 피드백 항 dq 전류 피드백 ir* dq_fdbk(37)으로 변환한다.
역변환 모듈(36)은 AC 전류 명령 uabc(35), 예를 들어 3상 정현파 고정자 전류 ias, ibs 및 ics를, 도 2를 참조하여 도시되고 설명되는 d-축 동기 프레임 명령 전류 Ir * ds(201)와 q-축 동기 프레임 명령 전류 Ir * qs(203)에 대응하는 d-축 동기 프레임 명령 전류 Ir * ds(51)와 q-축 동기 프레임 명령 전류 Ir * qs(53)를 포함하는 전류 피드백 항 ir* dq_fdbk(37)을 포함하는 직접-직교(dq) 항으로 변환한다.
일 실시예에서, 감지 장치는 AC 신호를 샘플링하고, 이와 같은 측정량 및 다른 측정량을 컨트롤러(10)에 공급하기 위하여 전기 기계(40)에 결합될 수 있다. 측정량은 공급 전위, 예를 들어, 배터리 전위 또는 고전압 DC 버스 전압 Vdc 및 3상 정현파 고정자 전류 ias, ibs 및 ics를 포함할 수 있지만, 전기 기계(40)가 중성선이 없는 Y-연결 기계일 때 상 전류 중 2개의 측정이 충분할 수 있다. 전기 기계(40)의 회전 속력 ω과, 전기 기계(40)의 회전자 위상각 θr은, 바람직하게는, 리졸버(resolver) 또는 홀 효과(Hall-effect) 센서와 같은 임의의 적합한 회전 속력/위치 센서일 수 있는 센서(41)로 모니터링된다.
VSI 컨트롤러(100)는 전류 레귤레이터(20)를 통해 전기 기계(40)를 제어하기 위하여 수정 명령 전류, 명령 전압, 토크 명령 등의 형태로 동작 입력을 결정하기 위하여 미리 정해진 제어 파라미터에 대하여 명령 전류를 최적화하기 위하여 하나 이상의 프로그램을 실행한다. VSI 컨트롤러(100)의 하나 이상의 컴포넌트는 소프트웨어 또는 펌웨어, ASIC(Application Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어, 전자 회로, 하나 이상의 소프트웨어 또는 펌웨어 프로그램을 실행하는 프로세서(공유, 전용 또는 그룹) 및 메모리, 조합 논리 회로 및/또는 다른 적합한 컴포넌트, 또는 이들의 조합으로 구체화될 수 있다. 일 실시예에서, VSI 컨트롤러(100)는 하나 이상의 컨트롤러 동작과 관련된 하나 이상의 처리 모듈로 분할될 수 있다. 예를 들어, 전류 레귤레이터(20)는 이러한 처리 모듈 중 하나로서 구현될 수 있다. 도시되지 않지만, 컨트롤러(10)는 명령 전류원, 토크 모듈 및 약계자 전압 제어 모듈과 같은 추가 모듈을 포함할 수 있다.
컨트롤러, 제어 모듈, 모듈, 컨트롤, 제어부, 프로세서와 같은 용어 및 유사한 용어는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)(들), 전자 회로(들), 설명된 기능을 제공하기 위하여 하나 이상의 소프트웨어 또는 펌웨어 프로그램 또는 루틴, 조합 논리 회로(들), 입/출력 회로(들) 및 장치, 신호 조절 및 버퍼 회로를 실행하는, 예를 들어 마이크로프로세서(들)인 중앙 처리 유닛(들)과 관련된 메모리 및 저장 장치(리드 온리, 프로그래머블 리드 온리, 랜덤 액세스, 하드 드라이브 등)를 지칭한다. 소프트웨어, 펌웨어, 프로그램, 명령어, 제어 루틴, 코드, 알고리즘 및 유사한 용어는 캘리브레이션 및 룩업 테이블을 포함하는 컨트롤러가 실행 가능한 임의의 명령어 세트를 의미한다. 각각의 컨트롤러는, 감지 장치 및 다른 네트워크 연결된 컨트롤러로부터의 입력을 모니터링하고 액추에이터의 동작을 제어하기 위하여 제어 및 진단 루틴을 실행하는 것을 포함하는, 원하는 기능을 제공하기 위하여 제어 루틴(들)을 실행한다. 루틴은 예를 들어 100 마이크로초마다인 규칙적인 간격으로 실행될 수 있다. 컨트롤러 사이, 그리고 컨트롤러, 액추에이터 및/또는 센서 사이의 통신은 직접 유선 링크, 네트워크 연결된 통신 버스 링크, 무선 링크 또는 임의의 다른 적합한 통신 링크를 이용하여 성취될 수 있다.
도 2는 AC 전기 모터/제너레이터를 제어하기 위한 시스템 내의 컨트롤러, 예를 들어, 도 1을 참조하여 설명된 VIS 컨트롤러(100)에 의해 채용될 수 있는 전류 레귤레이터(20)의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 전류 레귤레이터(20)는 전압 크기 제한기(290)를 통해 각각 명령된 6단계 직접 및 직교 전압 Vr ds(211) 및 Vr qs(213)로 변환될 수 있는 명령된 직접 및 직교 전압 Vr * ds(281) 및 Vr * qs(283)를 생성한다. 인버터(30)는 전기 모터, 예를 들어, 도 1을 참조하여 설명된 전기 기계(40)를 구동하기 위하여 명령된 직접 및 직교 전압 Vr * ds(281) 및 Vr * qs(282)와 명령된 6단계 직접 및 직교 전압 Vr ds(211) 및 Vr qs(213)를 펄스폭 변조 고정자 전류 ias, ibs 및 ics로 변환한다.
전류 레귤레이터(20)는 전류 명령 보상을 포함하는 안티 와인드업(anti-windup) 요소와 dq-전압 제한 요소(280)를 포함하는 복합(complex) PI 컨트롤러이며, 따라서, 헤비 와인드업(heavy wind-up) 조건에서 안정성을 제공한다. 전류 레귤레이터(20)로의 입력은 d-축 동기 프레임 명령 전류 Ir * ds(201)와 q-축 동기 프레임 명령 전류 Ir * qs(203)를 포함하는 명령 입력을 포함한다. 전류 레귤레이터(20)로의 피드백 입력은 d-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir ds(51)와 q-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir qs(53)를 포함한다.
안티 와인드업 스킴은 6단계 PWM 모드에서의 동작을 다음과 같이 제한한다. 차이 블록(247, 277)은 각각 명령된 6단계 직접 및 직교 전압 Vr ds(211) 및 Vr qs(213)과 대응하는 명령된 직접 및 직교 전압 Vr * ds(281) 및 Vr * qs(282)의 차이를 계산한다. 결과는, 각각, 가산 블록(221, 251)에서 d-축 동기 프레임 명령 전류 Ir * ds(201) 및 q-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir qs(53)에 대한 덧셈을 위하여, 이득 kad(241)및 kqd(271) 중 하나가 곱해지고, 제2 이득 kd(243) 및 kq(273) 중 하나가 곱해진다. 제2 이득 kd(243) 및 kq(273)는 각각 안티 와인드업을 위한 전류 명령 보상을 제공한다. 차이 블록(223, 253)은 각각 결과와 d-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir ds(51) 및 q-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir qs(53) 사이의 차이를 계산한다.
차이 블록(223, 253)으로부터 계산된 차이는 크로스오버(cross-over) 피드백 제어 파라미터를 포함하는 복합 비례 적분 제어를 받는다. 복합 비례 적분 제어는, 바람직하게는 도 2를 참조하여 도시된 바와 같이 배열된, 비례 이득 kpd(229) 및 kpq(259), 적분 차이 요소(225, 255), 지연기(227, 257), 곱셈기(230, 260), 크로스오버 적분기 이득 k'id 및 k'iq(245, 275), 적분기 이득 kid 및 kiq(231, 261), 가산 요소(233, 237, 263, 267), 적분기 클램프(287), 이득 Rd(239) 및 Rq(269), 및 가산 요소(235, 265)를 포함한다. 가산 요소(235, 265)의 출력은 최대 전압 Vlim에 기초하여 출력 전압을 클램핑하고 각각 DC 명령 전압 Vr * ds(281) 및 Vr * qs(283)를 생산하는 dq-전압 제한 요소(280)로 입력된다. DC 명령 전압 Vr * ds(281) 및 Vr * qs(283)은 각각 전기 기계를 제어하기 위하여 명령된 6단계 직접 및 직교 전압 Vr ds(211) 및 Vr qs(213)을 계산하는 전압 크기 제한기(290)로 입력된다.
안티 와인드업은 가산 블록(221, 251) 각각에서 d-축 동기 프레임 명령 전류 Ir* ds(201)와 q-축 동기 프레임 고정자 전류 Ir qs(203)의 덧셈을 위하여 각각의 이득 kad(241)및 kqd(271) 및 각각의 제2 이득 kd(243) 및 kq(273)을 곱하는 것으로 달성된다. 안티 와인드업 보상은 다음과 같이 동작한다. 정상 상태 dq 전류 명령이 전압 한계에 가까울 때, 안티 와인드업 알고리즘은 실제 dq 전류에서 정상 상태 에러를 생성할 수 있다. 이 정상 상태 전류 에러의 양은 안티 와인드업 요소에 의해 사용된 전압 에러와 동일하고, 다음과 같이 결정된다.
Figure pat00002
상술한 수학식을 이용하여, 전류 명령 자체는 정상 상태 에러를 제거하기 위하여 다음과 같이 보상될 수 있다.
Figure pat00003
캘리브레이션 프로세스에서 어느 정도의 자유도를 제공하기 위하여, 2개의 추가 이득이 현재 보상의 양을 조정하기 위하여 생성된다. 최종 수학식은 다음과 같다.
Figure pat00004
적분기 클램핑을 포함하는 dq 전압 명령의 외부 원(outer circle) 한계는 dq-전압 제한 요소(280)에서 vlim(282)로서 도시된다.
6단계 능동 모드에서, 전류 명령은 6단계 모드와 PWM 모드 사이의 지터링을 방지하기 위하여 전압 제한으로 결정된다. 그러나, 이것은 적분기 요소에서 축적될 수 있는 dq 전류에서의 정상 상태 에러를 야기할 수 있다. 적분기 포화를 방지하기 위하여, 추가 전압 제한이 채용된다. 따라서, 전류 컨트롤러는 dq-전압 제한 요소(280)와 전압 크기 제한기(290)를 포함한다. 전류 컨트롤러의 출력이 dq-전압 제한 요소(280)로 클램핑될 때, 적분기는
Figure pat00005
(285)가 곱해지며, 이는 위상 정보가 보존되면서 적분기가 클램핑되게 한다.
또한, 이러한 외부 전압은 6단계 능동 모드에서의 전류 에러의 표시자(indicator)로서 사용될 수 있고, 이는 인버터 출력 전압의 크기가 6단계 능동 모드에서 6 단계
Figure pat00006
에 고정되기 때문이다. 다른 말로 하면, 이 전압이 더 높게 증가함에 따라, 실제 dq 전류는 그 명령에 비하여 더 많은 정상 상태 에러를 가진다. 이 때문에, 이러한 외부 전압은 6단계 플럭스 컨트롤러(50)에서 소비된다.
복합 PI 제어는 크로스오버 적분기 이득 k'id 및 k'iq(245, 275)를 각각 가산 요소(267, 237)에서 반대하는 q, d 적분기에 적용함으로써 달성된다.
피드백 제어는 적분기 클램프(287)에 의해 클램핑되고 곱셈기(230, 260) 모두에서 적분기로 삽입되는 전압
Figure pat00007
(285)를 생성하는 제1 전압 제한 요소(280)에 의해 달성된다.
6단계 모드에서의 동작은 전압 크기 제한기(290)에 의해 제한된다.
전류 에러를 포함하는 안타 와인드업을 갖는 복합 PI 컨트롤러는 먼저 안티 와인드업 항으로 적분되고, 그 다음 적분된 전류 에러는 크로스 커플링을 위하여 분기된다. 따라서, 전압 클램핑은 실제 dq 전류에 적용된다.
동작시, 컨트롤러(10)는 컨트롤러(10)의 메모리에 저장된 명령 전류 테이블로부터 명령 전류를 검색할 수 있다. 명령 전류 테이블은 바람직하게는 하나 이상의 미리 결정된 제어 파라미터에 대하여 최적화되고, 원하는 제어 파라미터(들)를 최적화하기 위하여 임의의 개수의 모델로부터 유도될 수 있다. 추가로, 명령 전류 테이블은 명령 전류원이 적합한 양의 d-축 및 q-축 전류를 전기 기계(40)로 공급하여 원하는 토크(예를 들어, 높은 효율을 갖는 것)를 생산하고 전류 레귤레이션 안정성을 유지하게 하도록 전기 기계(40)의 전압 및 전류 한계에 기초하여 미리 결정될 수 있다. 인버터 전압 제한은 공급 전압에 기초하여 미리 결정될 수 있다.
도 3은 본 명세서에서 설명된 전기 기계(40)의 일 실시예의 동작을 언제 6단계 능동 모드로 제어할지를 결정하기 위한 6단계 활성화 루틴의 일 실시예를 개략적으로 도시한다. 표 1은 요지로서 제공되며, 숫자가 붙여진 블록과 대응하는 기능은 6단계 능동 루틴(300)에 대응하여 다음과 같이 설명된다.
블록 블록 내용
302 시작
304 6단계 임계 토크를 선택
306 명령 토크가 임계 토크보다 큰가?
308 6단계 능동 루틴을 허용
310 6단계 능동 루틴을 금지
312 인덱스
314 종료
6단계 활성화 루틴(300)은 계속 진행 중인 동작 동안 주기적으로, 예를 들어 매 100 마이크로초마다 한 번 또는 매 500 마이크로초마다 한 번 실행되는 스케쥴링된 작업이다. 6단계 능동 루틴(300)을 개시함에 따라(302), 6단계 임계 토크가 모터 속력에 기초하여 선택된다(304). 임계 토크 캘리브레이션 테이블은 그래프로 도시되며, 수직축(320)에서의 명령 모터 토크에 관련된 수평축(330)에서의 모터 속력을 포함한다. 영역(323)은 6단계 능동 루틴이 허용되는 속력/부하 동작 영역을 나타내고, 전기 기계(40)의 약플럭스 속력/부하 동작 영역에 더 관련된다. 최소 속력(334)을 포함하는 선(324)은 명령 모터 토크를 증가시키는 것과 관련된 영역(323) 및 영역(325) 사이의 임계 토크의 윤곽을 그린다. 최소 속력(332)을 포함하는 선(322)은 명령 모터 토크를 감소시키는 것과 관련된 영역(323) 및 영역(325) 사이의 임계 토크의 윤곽을 그린다. 선(324)과 관련된 토크는 6단계 능동 루틴을 허용하는 것과 관련된 영역의 전체에 걸쳐 선(322)과 관련된 토크보다 더 크다. 영역(323, 325) 사이의 이러한 속력/토크 윤곽은 6단계 능동 루틴(300)으로의 히스테리시스(hysteresis)의 도입을 허용한다. 임계 토크 캘리브레이션 테이블은 검색 가능한 다차원 테이블, 수학식으로서 소프트웨어에서 구현될 수 있거나 또는 임의의 적합한 실행 가능한 형태로 구현될 수 있다.
명령 토크가 임계 토크 캘리브레이션 테이블을 참조하여 결정되는 바와 같이 명령된 토크에 대한 임계 토크보다 더 클 때(306의 1), 6단계 능동 제어 루틴이 허용되고(308), 도 1 및 2를 참조하여 설명된 VSI 컨트롤러(100)가 6단계 인버터 제어를 이용하여 전기 기계(40)를 제어하도록 채용된다.
명령 토크가 임계 토크 캘리브레이션 테이블을 참조하여 결정되는 바와 같이 명령된 토크에 대한 임계 토크보다 더 작을 때(306의 0), 6단계 능동 제어 루틴이 금지되고(310), 전기 기계(40)의 제어는 PWM 인버터 제어를 이용하여 달성된다. 반복이 인덱싱되고(312) 종료한다(314).
본 명세서에서 설명된 VSI 컨트롤러(100)는 전기 기계를 6단계 모드로 제어할 때 폐쇄 루프 전류 제어를 제공하기 위하여 6단계 플럭스 컨트롤러 및 6단계 활성화 루틴의 조합으로 수정된 전류 레귤레이터를 제공한다. 6단계 모드와 PWM 모드 사이의 전이는 전류 및 토크 스파이크(spike)를 최소화하는데 필요할 수 있는 과도 응답 관리 회로 또는 알고리즘을 채용하지 않으면서 실행될 수 있다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 도면은 본 발명을 뒷받침하고 설명하지만, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서만 정의된다. 특허청구범위의 발명을 실시하기 위한 최선의 형태 및 다른 실시예가 상세하게 설명되었지만, 다양한 대체적인 설계 및 실시예가 첨부된 특허청구범위에서 정의된 본 발명을 실시하는데 존재한다.

Claims (10)

  1. 영구 자석 동기 다상(multi-phase) AC 전기 기계에 전기적으로 연결된 인버터를 제어하기 위한 전압원 인버터 컨트롤러에 있어서,
    전류 명령 생성기;
    6단계 플럭스 컨트롤러; 및
    전류 레귤레이터
    를 포함하고,
    상기 6단계 플럭스 컨트롤러는 상기 전기 기계를 6단계 모드로 동작시킬 때, 상기 전기 기계의 약플럭스(flux-weakening) 속력/부하 동작 영역에서 플럭스를 레귤레이트하기 위한 플럭스 모디파이어(modifier)를 생성하고;
    상기 전류 명령 생성기는 원하는 토크를 dq0-dq 트랜스포머로 입력되고 상기 플럭스 모디파이어와 결합되어 수정-플럭스 직접-직교(dq) 전류 요청을 결정하는 3상의 원하는 전류로 변환하고;
    상기 전류 레귤레이터는 비례 적분 피드백 컨트롤러, 안티 와인드업(anti-windup) 요소, dq 전압 제한 요소 및 전압 크기 제한기를 포함하고, 상기 비례 적분 피드백 컨트롤러와 상기 안티 와인드업 요소는 상기 수정-플럭스 dq 전류 요청에 대하여 폐쇄 루프 전류 제어를 수행하여 명령 dq 전압을 결정하며;
    상기 dq 전압 제한 요소와 상기 전압 크기 제한기는 상기 명령 dq 전압에 제한을 부과하고; 그리고,
    상기 인버터는 상기 전기 기계를 상기 6단계 모드로 구동하기 위하여 제한된 상기 명령 dq 전압을 펄스폭 변조 고정자 전류로 변환하는,
    전압원 인버터 컨트롤러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 6단계 플럭스 컨트롤러는 상기 인버터에 입력된 전압 명령의 크기에 기초하여 결정되는 외부 전압 에러 항에 적용되는 비례 적분 컨트롤러를 포함하는,
    전압원 인버터 컨트롤러.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비례 적분 피드백 컨트롤러는 크로스오버 적분기 이득을 적용하는 비례 적분 피드백 제어를 포함하는,
    전압원 인버터 컨트롤러.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비례 적분 피드백 컨트롤러는 상기 크로스오버 적분기 이득을 반대하는 적분기들에 적용하는,
    전압원 인버터 컨트롤러.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안티 와인드업 요소는 d-축 동기 프레임 명령 전류 및 q-축 동기 프레임 고정자 전류의 각각에 더하기 위하여 명령된 6단계 직접 및 직교 전압과 제2 이득이 곱해진 대응하는 명령된 직접 및 직교 전압 사이의 차이를 곱하는 것으로 결정된 전류 명령 보상을 포함하는,
    전압원 인버터 컨트롤러.
  6. 전기 기계에 전기적으로 연결되는 인버터를 제어하기 위한 컨트롤러에 있어서,
    플럭스 모디파이어(modifier)를 생성하는 6단계 플럭스 컨트롤러;
    원하는 토크를 dq0-dq 트랜스포머로 입력되고 상기 플럭스 모디파이어와 결합되어 수정-플럭스 직접-직교(dq) 전류 요청을 결정하는 3상의 원하는 전류로 변환하는 전류 명령 생성기;
    상기 수정-플럭스 dq 전류 요청에 대하여 폐쇄 루프 전류 제어를 수행하여 명령 dq 전압을 결정하는 비례 적분 피드백 컨트롤러 및 와인드업(anti-windup) 요소; 및
    상기 명령 dq 전압에 제한을 부과하는 dq 전압 제한 요소와 전압 크기 제한기
    를 포함하고,
    상기 인버터는 상기 전기 기계를 6단계 모드로 구동하기 위하여 제한된 상기 명령 dq 전압을 펄스폭 변조 고정자 전류로 변환하는,
    인버터를 제어하기 위한 컨트롤러.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 6단계 플럭스 컨트롤러는 상기 전기 기계를 6단계 모드로 동작시킬 때 폐쇄 루프 플럭스 제어를 위하여 상기 플럭스 모디파이어를 생성하는,
    인버터를 제어하기 위한 컨트롤러.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 6단계 플럭스 컨트롤러는 상기 인버터에 입력된 전압 명령의 크기에 기초하여 결정되는 외부 전압 에러 항에 적용되는 비례 적분 컨트롤러를 포함하는,
    인버터를 제어하기 위한 컨트롤러.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 비례 적분 피드백 컨트롤러는 크로스오버 적분기 이득을 적용하는 비례 적분 피드백 제어를 포함하는,
    인버터를 제어하기 위한 컨트롤러.
  10. 제9항에 있어서,
    크로스오버 적분기 이득을 적용하는 비례 적분 피드백 제어를 포함하는 상기 비례 적분 피드백 컨트롤러는, 상기 크로스오버 적분기 이득을 반대하는 적분기들에 적용하는 상기 비례 적분 피드백 컨트롤러를 포함하는,
    인버터를 제어하기 위한 컨트롤러.
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