KR20180062200A - Ipmsm 토크 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 IPMSM 토크 제어 시스템은 기준토크(Te)에 기준전류(Is)를 추가하는 기준전류생성부; 상기 기준전류생성부의 기준전류(Is)를 입력으로 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 생성하는 단위전류당 최대토크제어부(MTPA); 상기 MTPA의 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 입력으로 제어 기준 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)을 생성하는 전류 제어기; 및 상기 제어 기준 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)을 입력으로 모터를 구동하는 전류(Ia, Ib, Ic)를 출력하는 PWM 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

IPMSM 토크 제어 시스템{Torque Control System for IPMSM}

본 발명은 IPMSM 토크 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최적의 기준 전류를 적용하여 토크 지령에 대한 전류 지령값 변환이 쉬운 IPMSM 토크 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 도 1과 같이 속도 및 전류 제어기 구성에서 속도제어기 출력에 기준토크에 토크상수(Kt)를 나누어 기준전류(Is)를 생성후 전류제어기 입력으로 인가하는 것이 가장 일반적이다. 이때 기준전류(Is)에 해당하는 전류는 모터의 종류에 따라 다양하게 생성된다. 표면 부착형 영구자석 동기전동기(SPMSM)의 경우는 Q축 전류가 토크에 기여하는 요소가 되며, 매입형 영구자석 동기전동기(IPMSM)의 경우 최적의 D, Q축 전류 성분 조합에 그 토크가 달리 형성된다.

IPMSM 모터의 정격 범위안에서 토크 제어를 하는 방법에는 단위전류당 최대 토크(MTPA) 제어가 일반적인 방식으로 IPMSM에 특성에서 나타나는 돌극비에 따른 릴럭턴스 토크를 적절히 이용하는 방식으로 SPMSM제어 보다 동일 전류에서 좀 더 큰 토크를 발생시킬 수 있다.

반면 IPMSM은 토크곡선이 비선형을 띠고 있어 단순히 Q축 전류만 제어하는것이 아니라 토크궤적에 따라 D축 전류를 적절하게 제어하여야 단위 전류당 최대 토크를 발생시킬 수 있다.

하지만 IPMSM의 단위전류당 최대 토크 제어는 그 계산 과정과 수식이 복잡하고 계산량이 많으며 수식이 모두 만족되는 모터가 설계되기는 어렵다. 그래서 최적의 D,Q축 전류를 찾는 실험을 통해 전류 맵을 구성하여 테이블을 적용하는 방식이 가장 일반적으로 많이 적용된다.

하지만 테이블 구성은 프로그램을 위한 MCU에 메모리자원을 많이 사용하며 테이블의 사이 값은 별도의 선형보간을 하여 구성하는 방법이 추가로 필요하다. 그리고 모터가 바뀔 때마다 테이블을 구성을 위한 실험 후 다시 프로그램 메모리에 전류맵 테이블을 다운로드 해야 하는 번거로움들이 있으며 단일 모터 구동 드라이브 시스템에서 용량이 다른 여러 IPMSM모터를 구동하고자 할 경우 모든 모터의 전류 맵 테이블을 모두 메모리에 저장해야 하기 때문에 상당히 많은 양의 메모리를 소비하게 된다.

IPMSM의 단위전류당 최대토크제어(MTPA)에 적용을 위한 d, q전류의 궤적을 도 2에 도시한 바와 같이, SPMSM경우는 q축 전류만이 토크에 관여하여 d축 전류는 0으로 제어해도 충분한 토크가 형성된다. 반면 IPMSM은 토크곡선이 비선형을 띠고 있어 단순히 q축 전류만 제어하는 것이 아니라 토크 궤적에 따라 d축 전류를 적절하게 제어하여야 단위 전류당 최대 토크(Te)를 발생시킬 수 있다.

토크는 모델식으로부터 계산에 의해 구할 수 있으나 인덕턴스는 전류의 크기에 비선형적이므로 돌극비(인덕턴스 차이)로 형성되는 IPMSM 모터의 릴럭턴스 토크 성분으로 인해 전체 토크는 비선형으로 나타나게 되며 전류에 대한 토크를 구하는 수식이 어렵고 복잡하다.

상기 토크식에서 수식만으로 그래프를 전개했을 경우 Im² 항으로 2차 증가 함수 형태로 전류대비 토크 특성이 나타난다. 실제로 전류를 증가시킴에 따라 증가형 2차 함수 형태로 무한정 토크가 증가하는 실제 모터는 존재하지 않으며, 대부분 일정영역 이상 증가하게 되면 포화지점에 도달하여 전류를 증가시켜도 토크는 더 이상 증가되지 않는 형태의 실제 특성이 나타난다. 따라서 수식을 이용할 경우 일정 영역까지만 토크식에 대한 실제 발생되는 토크가 만족된다.

도 3에서 붉은색은 모터의 이론식에 근거해 발생되는 전류대비 토크 그래프이며, 푸른색이 실제 모터의 토크 특성을 나타낸다. 마지막으로 녹색은 IPMSM을 MTPA제어가 아닌 SPMSM 제어시 Q축만을 제어했을 경우 나타나는 토크 특성이다. 즉 IPMSM모터를 SPMSM처럼 제어시에는 토크의 선형성을 유지한다.

그러나 MTPA를 적용시에는 이론적인 토크식은 무한정 증가하는 증가함수 형태지만 실제 모터는 단위전류당 SPMSM모터제어시 보다 더 큰 토크를 발생시키는 장점이 있지만 토크의 특성은 비선형적인 토크 특성을 보이고 있다.

따라서, 기존의 SPMSM모터처럼 토크제어를 하기 위해 지령토크에 대해 하나의 토크상수로 전류제어기의 지령 전류 생성할 경우 정확한 토크 특성이 나타나지 않고 비선형특성에 따른 토크 오차가 발생되어 실제 시스템에서는 반영하기 어렵게 된다. 이를 극복하기 위해 별도의 토크센서를 부착하여 토크제어를 실시하는 것은 가격 증가가 발생된다.

여러 불합리한 부분을 해결하기 위한 가장 간단한 방법은 d, q축 전류에 따른 토크를 2차원 d, q축 전류에 대한 토크를 MAP(Table) 데이터를 구하여 전류제어기 입력으로 사용하는 방법이 가장 간단하다.

그러나, 테이블을 구성하는 것은 앞에서도 이야기 하였듯이 모터가 변경될 경우 전체 토크 실험을 다시 실시하여 DSP프로그램 메모리 영역에 해당 토크 전류 테이블을 다시 프로그램 해야 하는 번거로움과 정밀한 토크 제어를 위해 많은 양의 메모리를 소비하게 되며 값과 값 사이는 선형보간으로 사이값에 해당하는 부분을 별도로 계산해야 하는 번거로움이 있다. 특히 다양한 종류의 모터를 구동하는 양산되는 단일 모터 제어기 시스템에서는 각각의 모터마다 모두 테이블을 구성해야 하는 번거로움과 더 많은 메모리를 차지하게 된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 최적의 기준 전류를 적용하여 정확한 토크를 발생시키는 IPMSM 토크 제어 시스템을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 일실시예에 따른 기준토크(Te)에 기준전류(Is)를 추가하는 기준전류생성부; 상기 전류생성부의 기준전류(Is)를 입력으로 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 생성하는 단위전류당 최대토크제어부(MTPA); 상기 MTPA의 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 입력으로 제어 기준 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref))을 생성하는 전류 제어기; 및 상기 제어 기준 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)을 입력으로 모터를 구동하는 전류(Ia, Ib, Ic)를 출력하는 PWM 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPMSM 토크 제어 시스템을 제공한다.

상기 PWM 인버터 전단에 출력 전류의 고조파 비율, 스위칭 주파수 및 응답 특성을 향상시키는 공간벡터 PWM; 상기 모터의 전류의 변동분 정보를 입력 받아 회전자의 위치(θe)를 계산하는 회전자 위치 계산부; 및 상기 회전자 위치 계산부의 회전자의 위치(θe)를 입력받고, 상기 PWM 인버터에서 출력하는 3개의 전류(Ia, Ib, Ic)중 2개의 전류(Ia, Ic)를 선택, 좌표 변환후 전류 제어기의 입력단에 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 입력하는 전류제어기부;를 더 포함한다.

토크(Te) 인가시 흐르는 상기 기준전류생성부의 기준전류(Is)는 하기 수학식 1 내지 2로 나타내고, 역으로 환산시에는 수학식 3,4로 나타낼수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, 토크에 0≤Te≤MAX제한[Nm] 제한 구간을 두었을 때 a_{4 ,} a₃, a_{2 ,} a₁는 토크 입력에 대한 전류 생성시 다항식의 계수로 적용된다.

[수학식 3]

[수학식 4]

여기서, 전류에 0≤ I_peak≤MAX제한[A_peak] 제한을 두었을 때 b_{4 ,} b₃, b_{2 ,} b₁는 전류입력에 대한 토크 환산시 다항식의 계수로 적용된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 모터에 대한 전류 맵을 구성한 테이블을 필요로 하지 않고, 최적의 기준 전류로 정확한 토크를 발생하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 IPMSM 토크 제어시스템의 구성도이다.
도 2는 SPMSM과 IPMSM의 MTPA 적용을 위한 전류의 궤적을 나타낸 그림이다.
도 3은 이론값 및 실험값에 따른 전류 대비 토크 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IPMSM 토크 제어시스템의 구성도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명은 기준토크(Te)에 기준전류(Is)가 생성되는 기준전류생성부를 추가하여 생성된 기준전류(Is)를 기반으로 일반적인 MTPA 알고리즘 입력으로 적용 후 출력된 D, Q축 전류를 이용하여 전류 제어기를 실행하는 방법으로 제안한다. 즉, MTPA 알고리즘의 입력단에 들어가는 기준전류 생성부를 추가하여 토크 제어시 투입 전류에 대해 비선형적인 토크 특성을 가지는 IPMSM모터를 토크 제어하는 방법을 제안한다.

그러면 본 발명의 일 실시예에 따른 IPMSM 토크 제어 시스템에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 IPMSM 토크 제어 시스템의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 IPMSM 토크 제어 시스템은 기준토크(Te)에 기준전류(Is)를 추가하는 기준전류생성부(10), 상기 기준전류생성부(10)의 출력인 기준전류(Is)를 입력으로 d, q축의 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 생성하는 단위전류당 최대토크제어부(MTPA, 20), 상기 MTPA의 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 입력으로 제어 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)을 생성하는 전류 제어기(30), 및 상기 제어전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)을 입력으로 모터(60)를 구동하는 전류(Ia, Ib, Ic)를 출력하는 PWM 인버터(50)를 포함하여 구성한다.

실제 발생되는 전류대비 토크 그래프는 도 3과 같이 수식에 대한 토크식(증가형 2차함수)을 일정구간까지는 만족되며 따라가다 일정구간 이상 지난 후 더 이상 증가되지 않고 일정하게 증가하거나 아래로 꺽이는 양상을 나타낸다. 이것을 그래프 자체만의 특성을 살펴보면 구간을 정의하였을 때 증가 및 감소가 동시에 존재하는 변곡점이 2개가 존재하는 3차 혹은 4차 방정식 형태로 나타남을 알 수 있다. 즉 3, 4차의 토크입력에 대한 전류변환식을 생성하여 MTPA알고리즘의 기준전류를 실제 모터의 토크 특성과 거의 동일한 형태의 값으로 변환이 가능하다.

따라서, 상기 전류 제어기(30)의 입력단에 단위전류당 최대토크제어부(MTPA,20)와 토크 인가시 흐르는 전류생성부(10)의 기준전류(Is)는 수학식 1,2로 나타내고, 역으로 환산시에는 수학식 3,4로 나타내며, 3개 또는 4개의 계수만을 파라미터로 두어 기준토크(Te)에 대한 전류를 생성할 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, 토크에 0≤Te≤MAX제한[Nm] 제한 구간을 두었을 때 a_{4 ,} a₃, a_{2 ,} a₁는 토크 입력에 대한 전류 생성시 다항식의 계수로 적용되며, 모터마다 그 값은 달리 나타나게 된다.

[수학식 3]

[수학식 4]

여기서, 전류에 0≤ I_peak≤MAX제한[A_peak] 제한을 두었을 때 b_4, b₃, b_2, b₁는 전류입력에 대한 토크 환산시 다항식의 계수로 적용된다. 이 또한 적용되는 모터마다 달리 나타나게 된다.

본 발명은 MTPA입력단에 토크입력에 대한 기준전류 생성 수식을 추가하여 토크에 대한 정확한 MTPA알고리즘의 입력 전류를 생성할 수 있다.

또한, 본 발명의 IPMSM 토크 제어 시스템은, 전류를 정확하게 제어하는 상기 PWM 인버터(50) 전단에 출력 전류의 고조파 비율, 스위칭 주파수 및 응답 특성을 향상시키는 공간벡터 PWM(40)를 더 포함하고, 상기 모터(60)의 전류의 변동분 정보를 입력 받아 회전자의 위치(θe)를 계산하는 회전자 위치 계산부(70), 상기 회전자 위치 계산부(70)의 회전자의 위치(θe)를 입력받고, 상기 PWM 인버터(50)에서 출력하는 3개의 전류(Ia, Ib, Ic)중 2개의 전류(Ia, Ic)를 선택후, 좌표변환된 전류(Idse, Iqse)를 입력으로하는 전류제어기부(30), 실제 전류(Ia, Ic)를 입력으로 으로하여 좌표변환된 전류(Idse, Iqse)를 생성하는 좌표 변환부(80)를 포함할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

10: 전류생성부 20: 단위전류당 최대토크제어부
30: 전류 제어기 40: 공간벡터 PWM
50: PWM 인버터 60: 모터
70: 위치오차 계산부 80: 전류선택부

Claims (3)

1. 기준토크(Te)에 기준전류(Is)를 추가하는 기준전류생성부;
   상기 전류생성부의 기준전류(Is)를 입력으로 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 생성하는 단위전류당 최대토크제어부(MTPA);
   상기 MTPA의 실제 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 입력으로 제어 기준 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref))을 생성하는 전류 제어기; 및
   상기 제어 기준 전압(Vas_ref, Vbs_ref, Vcs_ref)을 입력으로 모터를 구동하는 전류(Ia, Ib, Ic)를 출력하는 PWM 인버터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 IPMSM 토크 제어 시스템.
2. 제 1항에서,
   상기 PWM 인버터 전단에 출력 전류의 고조파 비율, 스위칭 주파수 및 응답 특성을 향상시키는 공간벡터 PWM;
   상기 모터의 전류의 변동분 정보를 입력 받아 회전자의 위치(θe)를 계산하는 회전자 위치 계산부; 및
   상기 회전자 위치 계산부의 회전자의 위치(θe)를 입력받고, 상기 PWM 인버터에서 출력하는 3개의 전류(Ia, Ib, Ic)중 2개의 전류(Ia, Ic)를 선택, 좌표 변환후 전류 제어기의 입력단에 기준전류(Idse_ref, Iqse_ref)를 입력하는 전류제어기부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IPMSM 토크 제어 시스템.
   
3. 제 1항에서,
   토크(Te) 인가시 흐르는 상기 기준전류생성부의 기준전류(Is)는 하기 수학식 1 내지 2로 나타내고, 역으로 환산시에는 수학식 3,4로 나타내는 것을 특징으로 하는 IPMSM 토크 제어 시스템.
   [수학식 1]
   

   

   
   [수학식 2]
   

   

   
   (여기서, 토크에 0≤Te≤MAX제한[Nm] 제한 구간을 두었을 때 a_{4 ,} a₃, a_{2 ,} a₁는 토크 입력에 대한 전류 생성시 다항식의 계수로 적용됨)
   [수학식 3]
   

   

   
   [수학식 4]
   

   

   
   (여기서, 전류에 0≤ I_peak≤MAX제한[A_peak] 제한을 두었을 때 b_{4 ,} b₃, b_{2 ,} b₁는 전류입력에 대한 토크 환산시 다항식의 계수로 적용됨)

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