KR20180133725A - 모터 구동 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동 장치 및 방법에 관한 것으로, PWM 신호의 시지연(time-delay)을 보상하기 위한 시지연 보상주기를 실시간으로 결정하고, 시지연 보상주기를 반영한 PWM 신호에 따라 모터를 구동하는 모터 구동 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치는 코일이 권선된 고정자 및 상기 고정자 내에 배치되며 상기 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 모터, 상기 코일에 교류 전류를 제공하는 인버터, 입력받은 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터의 동작을 제어하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부 및 동일한 목표 속도값에 대한 보상주기 중에서 상기 교류 전류의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하고, 상기 회전자의 속도 및 상기 목표 속도값에 기초하여 목표 지령치를 산출하며, 상기 산출된 목표 지령치와 상기 결정된 시지연 보상주기를 이용하여 상기 PWM 신호 생성부에 입력되는 상기 전압 지령치를 생성하는 지령 신호 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터 구동 장치 및 방법{Apparatus and method for driving motor}
본 발명은 모터 구동 장치 및 방법에 관한 것으로, PWM 신호의 시지연(time-delay)을 보상하기 위한 시지연 보상주기를 실시간으로 결정하고, 시지연 보상주기를 반영한 PWM 신호에 따라 모터를 구동하는 모터 구동 장치 및 방법에 관한 것이다.
정밀 제어가 가능한 소형 모터는 크게 AC 모터, DC 모터, 브러시리스 DC 모터(Brushless DC moter; BLDC), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등으로 구분된다.
이러한 소형 모터는 AV(Audio-Visual) 기기용, 컴퓨터용, 가전용, 산업용 등으로 사용되고 있는데, 특히 가전 분야는 소형 모터의 최대 시장 중에 하나이다. 최근의 가전 제품은 점차 고급화되고 있으며, 이에 따라 가전 제품에 내장되는 고성능 모터에 대한 요구가 증가하고 있다.
특히, 브러시리스 DC 모터는 브러시와 정류자가 없는 모터로서, 기계적인 마찰이 발생하지 않고 이로 인해 마찰에 의한 불꽃 및 노이즈가 발생하지 않으며 속도 제어와 토크 제어가 뛰어나다. 또한, 브러시리스 DC 모터는 소형화가 용이하고, 내구성이 강하며, 수명이 매우 길다는 장점이 있어 많은 가전 제품에 이용되고 있다.
최근에는 크기는 매우 작지만 흡입력이 강한 가정용 청소기에 대한 수요가 늘어가고 있으며, 이에 따라 청소기에 내장되는 브러시리스 DC 모터의 회전 속도가 점차 고속화되고 있다.
브러시리스 DC 모터는 PWM 신호에 따라 구동되는 인버터의 출력 전류를 전원으로 하여 동작하는데, 인버터의 출력 전류에 대한 PWM 제어에 있어서 시지연(time-delay)이 발생하게 되는 문제점이 있다.
도 1은 종래 PWM 신호의 시지연을 설명하기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면 PWM 신호는 일정 주기(Tp)로 발생하는 펄스를 포함한다. 각 펄스의 펄스 폭은 피드백 연산의 결과에 따라 제어된다.
보다 구체적으로, N 시점 이후에 수행되는 피드백 연산의 결과는 N+1 시점에 발생하는 펄스의 펄스 폭을 결정하게 된다. 다만, 해당 피드백 연산의 기초가 되는 전류 값은 N-1 시점에 발생한 펄스에 따른 샘플링 값이므로, 피드백 연산에 따른 펄스 폭 제어가 지연된다.
즉, 전류 샘플링 시점으로부터 전류 샘플링 값에 대한 연산을 거쳐 PWM 신호에 의해 전압이 출력될 때까지의 시지연이 불가피하게 발생한다. 다시 말해, 전체 시지연은 제어 연산을 위한 1 샘플링주기(1Ts)의 시지연과 PWM 발생을 위한 시지연의 합으로 표현된다.
PWM 발생을 위한 시지연은 예측이 힘들고, 모터가 고속으로 회전하는 경우, 펄스 폭의 증감으로 인해 샘플링 시점 또한 시프팅되므로, 시지연 예측이 더욱 어려울 수 있다.
다만, 공간 벡터 PWM(Space Vector PWM; SVPWN)을 이용한 제어의 경우, 유효 전압을 펄스의 중심 부분에 위치시키는 특성을 고려할 때, PWM 주기의 반을 지연 시간으로 근사할 수 있고, 이에 따라 전류 샘플링으로부터 전압 출력이 발생할 때까지 시지연이 발생할 수 있다.
예를 들어, 공간 벡터 PWM에 대한 시지연은 샘플링 주기의 약 1.5배(1.5Ts)일 수 있다. 다시 말해, 공간 벡터 PWM을 이용한 제어에서 발생하는 시지연은 제어 연산을 위한 1 샘플링 주기(1Ts)와 PWM 출력의 평균 지연 시간인 0.5 샘플링 주기(0.5Ts)를 합한 1.5Ts일 수 있다.
상술한 시지연을 보상하지 않는 경우, 출력 전압 또는 출력 전류의 위상과 크기에 오차가 발생되고, 결국 시스템 전체를 불안정하게 하는 문제점이 있다. 따라서, 종래에는 이와 같은 시지연을 방지하기 위해, 시지연을 보상하기 위한 주기(예를 들어, 1.5Ts)를 결정하고, 해당 주기가 반영된 보상함수를 제어 연산에 따른 출력에 곱해줌으로써 시지연을 보상한다.
그러나, 종래 모터 구동 방법에 의하면 시지연을 보상하기 위한 주기를 특정 값으로 고정시킴으로써, 내부적/외부적 요인에 따라 증감하는 시지연에 실시간으로 대응할 수 없는 문제점이 있다.
다시 말해, 종래 모터 구동 방법에 의하면 시지연을 보상하기 위한 주기를 실시간으로 정확하게 파악할 수 없으므로, 모터가 최적의 효율로 구동될 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래 모터 구동 방법에 의하면 시지연을 보상하기 위한 주기를 제어할 수 없으므로, 모터의 최대 토크가 필요한 지점, 즉 모터의 역기전력에 의한 토크 제한 지점에서, 추가적인 토크를 확보할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 PWM 신호의 시지연을 보상하기 위한 시지연 보상주기를 실시간으로 결정하고, 시지연 보상주기를 반영한 PWM 신호에 따라 모터를 구동하는 모터 구동 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 시지연 보상주기를 실시간으로 반영함과 동시에 회전자의 속도가 목표 속도값을 추종하도록 모터를 구동하는 모터 구동 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 모터의 최대 토크가 필요한 경우, 모터가 최대 속도로 구동될 수 있도록 하는 모터 구동 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 보상주기에 따라 인버터에서 출력되는 교류 전류의 크기를 측정하고, 측정된 교류 전류의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하는 시뮬레이터부, 결정된 시지연 보상주기를 반영하여 전압 지령치를 생성하는 지령치 생성부 및 전압 지령치에 따라 인버터로 PWM 신호를 인가하는 PWM 신호 생성부를 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 시지연 보상주기를 실시간으로 결정할 수 있고, 시지연 보상주기를 반영한 PWM 신호에 따라 모터를 구동할 수 있다.
또한, 본 발명은 회전자의 속도가 목표 속도값보다 크면 PWM 신호의 펄스 폭을 감소시키고, 회전자의 속도가 목표 속도값보다 작으면 PWM 신호의 펄스 폭을 증가시키는 PWM 신호 생성부를 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 시지연 보상주기를 실시간으로 반영함과 동시에 회전자의 속도가 목표 속도값을 추종하도록 모터를 구동할 수 있다.
또한, 본 발명은 목표 속도값이 기준 속도값 이상이면 인버터에서 출력되는 교류 전류의 크기와 관계없이 최대 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하는 시뮬레이터부를 포함한다. 이에 따라, 본 발명은 모터의 최대 토크가 필요한 경우 모터가 최대 속도로 구동될 수 있도록 할 수 있다.
본 발명은 PWM 신호의 시지연을 보상하기 위한 시지연 보상주기를 실시간으로 결정하고, 시지연 보상주기를 반영한 PWM 신호에 따라 모터를 구동함으로써, 내부적/외부적 요인에 따라 증감하는 시지연에 즉각적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 시지연 보상주기를 실시간으로 반영함과 동시에 회전자의 속도가 목표 속도값을 추종하도록 모터를 구동함으로써, 모터가 최적의 효율로 구동될 수 있을 뿐만 아니라, 모터의 동작 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 모터의 최대 토크가 필요한 경우, 모터가 최대 속도로 구동될 수 있도록 함으로써, 종래 모터에 비해 추가적인 토크를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 PWM 신호의 시지연을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 블럭도.
도 3은 도 2에 도시된 지령 신호 생성부의 제어 구성을 도시한 블럭도.
도 4는 보상주기에 따라 측정된 교류 전류의 크기를 도시한 그래프.
도 5는 보상주기에 따라 산출된 회전자의 RPM을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 방법을 도시한 순서도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시지연 보상주기를 결정하는 방법을 도시한 순서도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치의 블럭도이다. 이하, 도 2를 참조하여 모터 구동 장치(100)와 이를 구성하는 각 구성요소를 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 장치(100)는 모터(110), 인버터(120), PWM 신호 생성부(130) 및 지령 신호 생성부(140)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 모터 구동 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 2에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
모터(110)는 코일이 권선된 고정자(stator, 미도시) 및 고정자 내에 배치되며 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 회전자(rotor, 미도시)를 포함할 수 있다.
모터(110)는 유도 모터(induction motor), 브러시리스 DC 모터(Brushless DC moter; BLDC), 릴럭턴스 모터(reluctance motor)를 포함할 수 있다. 다만, 이하에서 설명되는 모터(110)는 소형화가 가능하면서도 소음이 적고 신뢰성이 높은 브러시리스 DC 모터인 것이 바람직하다.
또한, 이하에서 설명되는 모터(110)는 3상 코일이 권선된 고정자를 갖고, 3상 교류 전류를 제공받아 동작하는 3상 모터인 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
인버터(120)는 모터(110)를 구성하는 코일에 교류 전류를 제공할 수 있다. 상술한 바와 같이 모터(110)가 3상 모터인 경우, 인버터(120)는 코일에 3상(U, V, W) 교류 전류를 제공할 수 있다.
3상 교류 전류가 모터(110)의 코일에 제공되면, 3상 코일에서 발생되는 자계에 따라 회전자에 포함된 영구자석이 회전할 수 있다. 모터(110)는 회전자의 회전력에 의해 구동될 수 있다.
인버터(120)는 후술하는 PWM 신호에 따라 동작하여, 직류 전압(VDC)을 변환하여 교류 전류로 출력할 수 있다. 이를 위해, 인버터(120)는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작을 수행하는 복수의 전력 스위칭 소자를 포함할 수 있고, 전력 스위칭 소자는 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)일 수 있다.
보다 구체적으로, 인버터(120)에 포함된 전력 스위칭 소자는 각 상에 대한 PWM 신호에 따라 온 및 오프 동작을 수행함으로써, 직류 전압(VDC)을 교류 전류(Ia, Ib, Ic)로 변환하여 모터(110)에 제공할 수 있다.
PWM 신호 생성부(130)는 후술하는 지령 신호 생성부(140)로부터 입력받은 전압 지령치에 기초하여 인버터(120)의 동작을 제어하는 PWM 신호를 생성할 수 있다.
PWM 신호(도 1 참조)는 일정 주기로 발생하는 펄스를 포함할 수 있다. PWM 신호에 포함된 각 펄스의 폭은 출력하고자 하는 전류 또는 전압의 크기에 따라 변경될 수 있다. 보다 구체적으로, 펄스의 폭이 넓을수록 인버터(120)의 출력은 크고, 펄스의 폭이 좁을수록 인버터(120)의 출력은 작을 수 있다.
이와 같은, PWM 신호에 의한 제어를 통해 인버터(120)는 직류 전압(VDC)을 교류 전류(Ia, Ib, Ic)로 변환할 수 있다.
지령 신호 생성부(140)는 동일한 목표 속도값(
Figure pat00001
)에 대한 보상주기 중에서 인버터(120)에서 출력되는 교류 전류의 크기가 최소인 보상 주기를 시지연 보상주기로 결정할 수 있다.
또한, 지령 신호 생성부(140)는 회전자의 속도(
Figure pat00002
) 및 목표 속도값(
Figure pat00003
)에 기초하여 목표 지령치(
Figure pat00004
)를 산출하며, 산출된 목표 지령치(
Figure pat00005
)와 앞서 결정된 시지연 보상주기(Tc)를 이용하여 PWM 신호 생성부(130)에 입력되는 전압 지령치(
Figure pat00006
)를 생성할 수 있다.
전술한 PWM 신호 생성부(130)와 지령 신호 생성부(140)는 제어유닛(150)에 포함될 수 있으며, 제어유닛(150)은 마이컴(MICOM, 미도시)을 구성하는 일 요소일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 지령 신호 생성부의 제어 구성을 도시한 블럭도이다. 이하 도 3을 참조하여, 지령 신호 생성부(140)의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면, 지령 신호 생성부(140)는 위치 추정부(141), 속도 산출부(142), 지령치 생성부(143), 시뮬레이터부(144) 및 3상/2상 축변환부(145)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 지령 신호 생성부(140)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 교류 전류(Iabc) 및 교류 전압(Vabc)은 각각 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic) 및 3상 교류 전압(Va, Vb, Vc)를 하나의 파라미터로 나타낸 것이다. 이에 따라, 교류 전류(Iabc) 및 교류 전압(Vabc)은 각각 인버터(120)에서 3상 모터(110)로 출력되는 전류 및 전압을 나타낼 수 있다.
위치 추정부(141)는 인버터(120)에서 제공되는 교류 전류(Iabc) 및 교류 전압(Vabc) 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 전기각 위치(
Figure pat00007
)를 추정할 수 있다. 보다 구체적으로, 위치 추정부(141)는 인버터(120)에서 제공되는 교류 전류(Iabc) 및 교류 전압(Vabc) 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 위치를 추정하고, 회전자의 위치에 기초하여 전기각 위치(
Figure pat00008
)를 연산할 수 있다.
속도 산출부(142)는 위치 추정부(141)에 의해 추정된 전기각 위치(
Figure pat00009
) 및 교류 전압(Vabc)에 기초하여 회전자의 속도(
Figure pat00010
)를 산출할 수 있다. 보다 구체적으로, 속도 산출부(142)는 위치 추정부(141)에서 추정된 회전자의 위치를 시간으로 나누어 회전자의 속도(
Figure pat00011
)를 산출할 수 있다.
지령치 생성부(143)는 회전자의 속도가 목표 속도값(
Figure pat00012
)을 추종하도록 목표 지령치(
Figure pat00013
, 미도시)를 산출할 수 있다. 여기서 목표 속도값(
Figure pat00014
)은 사용자 또는 외부 디바이스로부터 입력되는 값으로서, 모터(110)의 회전 속도에 대한 목표값일 수 있다.
이를 위해, 지령치 생성부(143)는 전류 지령치 생성부(143a) 및 전압 지령치 생성부(143b)를 포함할 수 있는데, 각각에 대해서는 후술하도록 한다.
전류 지령치 생성부(143a)는 속도 산출부(142)에 의해 산출된 회전자의 속도(
Figure pat00015
) 및 목표 속도값(
Figure pat00016
)에 기초하여 전류 지령치(
Figure pat00017
)를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 전류 지령치 생성부(143a)는 회전자의 속도(
Figure pat00018
) 및 목표 속도값(
Figure pat00019
)에 기초하여 속도 지령치를 산출하고, 산출된 속도 지령치에 기초하여 전류 지령치(
Figure pat00020
)를 생성할 수 있다.
전류 지령치 생성부(143a)는 상술한 전류 지령치(
Figure pat00021
)를 생성하기 위하여, PI 제어(Proportional Integral Control)를 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 전류 지령치 생성부(143a)는 회전자의 속도(
Figure pat00022
)와 목표 속도값(
Figure pat00023
)의 차이인 속도 지령치를 산출하고, 속도 지령치에 기초하여 PI 제어를 수행함으로써 전류 지령치(
Figure pat00024
)를 생성할 수 있다.
한편, 전류 지령치 생성부(143a)는 생성된 전류 지령치(
Figure pat00025
)가 허용 범위를 초과하지 않도록 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전압 지령치 생성부(143b)는 생성된 전류 지령치(
Figure pat00026
) 및 인버터(120)에서 출력되는 교류 전류(
Figure pat00027
)에 기초하여 목표 지령치(
Figure pat00028
)를 생성할 수 있다.
여기서 목표 지령치(
Figure pat00029
) 생성의 기초가 되는 교류 전류(
Figure pat00030
)는 전술한 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)를 축변환하여 생성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3에 도시된 3상/2상 축변환부(145)는 인버터(120)에서 출력되는 3상 교류 전류(Ia, Ib, Ic)를 입력받아 정지 좌표계의 2상 전류(
Figure pat00031
)로 축변환할 수 있다. 또한, 3상/2상 축변환부(145)는 정지 좌표계의 2상 전류(
Figure pat00032
)를 회전 좌표계의 2상 전류(
Figure pat00033
)로 축변환할 수 있다.
전압 지령치 생성부(143b) 회전 좌표계로 축변환된 q축, d축 전류(
Figure pat00034
)와 전류 지령치 생성부(143a)에서 생성된 전류 지령치(
Figure pat00035
)에 기초하여 목표 지령치(
Figure pat00036
)를 생성할 수 있다.
전압 지령치 생성부(143b)는 상술한 목표 지령치(
Figure pat00037
)를 생성하기 위하여 PI 제어를 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 전압 지령치 생성부(143b)는 q축 전류(
Figure pat00038
)와 q축 전류 지령치(
Figure pat00039
) 의 차이에 기초하여 PI 제어를 수행함으로써 q축에 대한 목표 지령치(
Figure pat00040
)를 생성할 수 있다.
또한, 전압 지령치 생성부(143b)는 d축 전류(
Figure pat00041
)와 d축 전류 지령치(
Figure pat00042
)의 차이에 기초하여 PI 제어를 수행함으로써 d축에 대한 목표 지령치(
Figure pat00043
)를 생성할 수 있다.
한편, 전압 지령치 생성부(143b)는 q축 및 d축에 대한 목표 지령치(
Figure pat00044
)가 허용 범위를 초과하지 않도록 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
전술한 목표 지령치(
Figure pat00045
)는 회전자의 속도(
Figure pat00046
)와 목표 속도값(
Figure pat00047
)에 대한 PI 제어를 통해 생성되어 PWM 신호 생성부(130)에 입력될 수 있다. 이에 따라, PWM 신호 생성부(130)는 회전자의 속도(
Figure pat00048
)가 목표 속도값(
Figure pat00049
)을 추종하도록 PWM 신호의 펄스를 제어할 수 있다.
회전자의 속도(
Figure pat00050
)는 인버터(120)에서 모터(110)로 제공되는 전류의 크기에 비례할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 인버터(120)에서 모터(110)로 제공되는 전류의 크기는 PWM 신호에 포함된 펄스의 폭에 비례할 수 있다.
이에 따라, PWM 신호 생성부(130)는 회전자의 속도(
Figure pat00051
)가 목표 속도값(
Figure pat00052
)보다 크면 PWM 신호의 펄스 폭을 감소시키고, 회전자의 속도(
Figure pat00053
)가 목표 속도값(
Figure pat00054
)보다 작으면 PWM 신호의 펄스 폭을 증가시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 회전자의 속도(
Figure pat00055
)와 목표 속도값(
Figure pat00056
)에 대한 PI 제어를 수행하여 목표 지령치(
Figure pat00057
)를 생성하고, 목표 지령치(
Figure pat00058
)에 따라 PWM 신호를 생성함으로써, 회전자의 속도가 목표 속도값을 추종하도록 제어할 수 있고, 이에 따라 모터(110)의 동작 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 인버터(120)의 출력 전류에 대한 PWM 제어에 있어서 한 샘플링 주기(Ts) 이상의 시지연(time-delay)이 발생할 수 있다.
보다 구체적으로, 샘플링된 전류값을 기초로 제어 연산을 수행하고 연산 수행 결과에 기초하여 다음 PWM 신호를 출력하는 동안, 좌표축이 이동할 수 있다. 이에 따라, 출력하고자 하는 각 축에 대한 목표 지령치(
Figure pat00059
)와 실제 출력되는 값에는 위상과 크기의 차이가 발생할 수 있다.
이러한 시지연을 방지하는 방법으로는, 목표 지령치(
Figure pat00060
)에 보상함수를 곱하여 PWM 신호 생성부(130)에 제공하는 방법이 있는데, 이를 위해서는 시지연을 보상하기 위한 주기(이하, 시지연 보상 주기)를 특정해야 한다.
이에 따라, 이하에서는 본 발명이 실시간으로 시지연 보상 주기(Tc)를 결정하는 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
다시 도 3을 참조하면, 시뮬레이터부(144)는 동일한 목표 속도값(
Figure pat00061
)에 대한 보상주기 중에서 인버터(120)에서 제공되는 교류 전류(Iabc)의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기(Tc)로 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 시뮬레이터부(144)는 보상주기에 따른 교류 전류(Iabc)의 크기를 측정하고, 측정된 교류 전류(Iabc)의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기로 결정할 수 있다.
도 4는 보상주기에 따라 측정된 교류 전류의 크기를 도시한 그래프이고, 도 5는 보상주기에 따라 산출된 회전자의 RPM을 도시한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 그래프의 가로축은 보상주기를 나타낸다. 여기서 보상주기는 가변적인 값으로서, 샘플링주기(Ts)를 단위로 하여 표현될 수 있다.
이에 따라, 도 4에 도시된 그래프는 보상주기에 따라 인버터(120)에서 출력되는 피크(peak) 전류 및 전류의 rms 값을 나타내고, 도 5에 도시된 그래프는 보상주기에 따른 회전자의 속도(RPM)를 나타낸다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 회전자의 속도는 보상주기가 증가함에 따라 증가한다. 반면에, 전류의 rms 값은 보상주기가 약 1.60[Ts]가 될 때까지 증가하다가, 1.60[Ts]와 1.75[Ts] 사이 구간에서 감소한 후, 1.75[Ts] 이후 구간에서 다시 증가한다.
다시 말해, 도 4 및 도 5에 도시된 실시예에 따르면 보상주기가 1.75[Ts]일 때, 모터(110)의 단위 전류에 대한 회전자의 속도(RPM/전류)가 가장 크다. 이에 따라, 도 4 및 도 5에 도시된 특성을 갖는 모터(110)는 약 1.75[Ts]의 시지연을 보상하였을 때 최대의 효율로 구동될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 본 발명은 회전자의 속도(
Figure pat00062
)가 목표 속도값(
Figure pat00063
)을 추종하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 동일한 목표 속도값(
Figure pat00064
)이 입력되면, 실제 본 발명의 모터(110)가 구동 중일 때에는 도 5에 도시된 바와 달리 회전자의 속도(
Figure pat00065
)는 보상주기의 변화에도 불구하고 목표 속도값(
Figure pat00066
)에 근사할 수 있다.
다만, 회전자의 속도(
Figure pat00067
)를 목표 속도값(
Figure pat00068
)에 근사시키기 위해 제어되는 교류 전류(Iabc)의 크기는 일정하지 않을 수 있다. 다시 말해, 인버터(120)에서 제공되는 교류 전류(Iabc)의 크기는 보상주기에 따라 일정하지 않을 수 있다.
이에 따라, 도 3에 도시된 시뮬레이터부(144)는 동일한 목표 속도값(
Figure pat00069
)이 입력되는 경우, 보상주기에 따른 교류 전류(Iabc)의 크기를 측정하고, 측정된 교류 전류(Iabc)의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기(Tc)로 결정할 수 있다.
이를 위해, 시뮬레이터부(144)는 보상주기를 변경하는 시뮬레이션을 수행하여 교류 전류의 크기를 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 시뮬레이터부(144)는 인버터(120) 및 모터(110)의 성능 데이터에 기초하여 프로그래밍을 통해 임의로 보상주기를 변경하면서 인버터(120)에서 모터(110)로 출력되는 교류 전류의 크기를 측정할 수 있다.
시뮬레이터부(144)는 임의로 변경되는 보상주기 중에서 교류 전류의 크기가 최소로 측정되는 보상주기를 시지연 보상주기(Tc)로 결정할 수 있다.
또한, 시뮬레이터부(144)는 보상주기와 측정된 교류 전류의 크기에 대한 데이터를 룩업 테이블(Look-Up Table)의 형태로 저장하는 데이터 베이스(미도시)를 더 포함할 수 있다.
다시 말해, 시뮬레이터부(144)는 특정 보상주기에 대한 교류 전류의 크기를 일대일로 대응되도록 룩업 테이블을 구성하고, 룩업 테이블의 구조로 저장된 데이터를 데이터 베이스에 저장할 수 있다.
이에 따라, 시뮬레이터부(144)는 룩업 테이블의 형태로 저장된 데이터 중에서, 교류 전류의 크기가 가장 작은 데이터와 대응되는 보상주기를 시지연 보상주기(Tc)로 결정할 수 있다.
한편, 상술한 바와 달리 시뮬레이터부(144)는 일정 주기마다 기 설정된 시지연 보상주기(Tc)를 변경하면서 인버터(120)에서 제공되는 교류 전류를 측정하고, 측정된 교류 전류가 최소가 되는 보상주기를 새로운 시지연 보상주기(Tc')로 갱신할 수 있다.
보다 구체적으로, 시뮬레이터부(144)는 프로그래밍을 통한 시뮬레이션을 수행하지 않고, 현재 구동중인 모터(110)에 적용되는 시지연 보상주기(Tc)를 임의로 변경할 수 있다.
다시 말해, 기 설정된 시지연 보상주기(Tc)는 내부적 또는 외부적 요인에 의해 더 이상 모터(110)가 최적의 효율로 구동되는 보상주기가 아닐 수 있다. 이에 따라, 시뮬레이터부(144)는 기 설정된 시지연 보상주기(Tc)를 임의로 변경할 수 있다.
시뮬레이터부(144)는 시지연 보상주기(Tc)를 변경함에 따라 측정되는 교류 전류(Iabc)의 크기를 측정하고, 측정된 교류 전류(Iabc)의 크기가 최소가 되는 보상주기를 새로운 시지연 보상주기(Tc')로 갱신할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 전술한 바와 같이 지령 신호 생성부(140)는 목표 지령치(
Figure pat00070
)와 시지연 보상주기(Tc)를 이용하여 PWM 신호 생성부(130)에 입력되는 전압 지령치(
Figure pat00071
)를 생성할 수 있다.
다시 말해, 지령치 생성부(143), 보다 구체적으로 전압 지령치 생성부(143b)는 시뮬레이터부(144)에 의해 결정된 시지연 보상주기(Tc)를 이용하여 전압 지령치(
Figure pat00072
)를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 전압 지령치 생성부(143b)는 시뮬레이터부(144)로부터 시지연 보상주기(Tc)에 대한 정보를 제공받고, 목표 지령치(
Figure pat00073
)에 시지연 보상주기(Tc)가 반영된 보상함수를 곱하여 전압 지령치(
Figure pat00074
)를 생성할 수 있다.
보상함수를 이용하여 PWM 신호의 시지연을 보상하는 방법은 당해 기술분야에서 일반적으로 알려진 방법을 이용하므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 PWM 신호의 시지연을 보상하기 위한 시지연 보상주기를 실시간으로 결정하고, 시지연 보상주기를 반영한 PWM 신호에 따라 모터(110)를 구동함으로써, 내부적/외부적 요인에 따라 증감하는 시지연에 즉각적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.
한편, 시뮬레이터부(144)는 목표 속도값(
Figure pat00075
)이 기준 속도값 이상이면 교류 전류(Iabc)의 크기와 관계없이 최대 보상주기를 시지연 보상주기(Tc)로 결정할 수 있다.
기준 속도값은 모터(110)의 최대 속도에 근사한 값으로 설정될 수 있고, 예를 들어, 모터(110)의 최대 속도의 95%로 설정될 수 있다. 한편, 모터(110)의 최대 속도는 모터(110) 내부 역기전력에 의해 제한되는 최대 토크에 따른 속도일 수 있다.
예를 들어, 사용자가 모터(110)의 최대 속도를 목표 속도값(
Figure pat00076
)으로 입력한 경우, 회전자의 속도는 모터(110) 내부에 발생하는 역기전력에 의해 목표 속도값(
Figure pat00077
)을 추종하지 못할 수 있다.
한편, 앞서 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 일반적으로 회전자의 속도는 보상주기에 비례할 수 있다. 이에 따라, 시뮬레이터부(144)는 목표 속도값(
Figure pat00078
)이 기준 속도값 이상일 때 최대 토크를 확보하기 위해 최대 보상주기를 시지연 보상주기(Tc)로 결정할 수 있다.
여기서 최대 보상주기는 사용자에 의해 임의의 보상주기로 설정될 수 있으나, 기 설정된 시지연 보상주기(Tc)보다 크게 설정되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명은 모터(110)의 최대 토크가 필요한 경우, 모터(110)가 최대 속도로 구동될 수 있도록 함으로써, 종래 모터(110)에 비해 추가적인 토크를 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 방법을 도시한 순서도이다. 이하 도 6을 참조하여 모터를 제어하는 인버터에 PWM 신호를 제공하는 제어유닛의 모터 구동 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
여기서 제어유닛은 도 2에 도시된 제어유닛(150)과 동일하므로, 제어유닛을 구성하는 각 구성요소에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 6을 참조하면, 제어유닛은 인버터로부터 출력되는 교류 전류 및 교류 전압 중 적어도 하나에 기초하여 모터에 포함된 회전자의 전기각 위치를 추정할 수 있다(S110).
이어서, 전기각 위치가 추정되면, 제어유닛은 전기각 위치 및 인버터로부터 출력되는 교류전압 중 적어도 하나에 기초하여 회전자의 속도를 산출할 수 있다(S120).
이어서, 회전자의 속도가 산출되면, 제어유닛은 회전자의 속도 및 목표 속도값에 기초하여 목표 지령치를 생성할 수 있다(S130). 보다 구체적으로, 제어유닛은 산출된 속도 및 목표 속도값에 기초하여 전류 지령치를 생성하고, 생성된 전류 지령치 및 교류 전류에 기초하여 목표 지령치를 생성할 수 있다.
이어서, 목표 지령치가 생성되면, 제어유닛은 동일한 목표 속도값에 대한 보상주기 중에서, 교류 전류의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기로 결정할 수 있다(S140).
이어서, 시지연 보상주기가 결정되면, 제어유닛은 목표 지령치와 시지연 보상주기를 이용하여 전압 지령치를 생성할 수 있다(S150).
이어서, 전압 지령치가 생성되면, 마지막으로 제어유닛은 전압 지령치에 기초하여 생성된 PWM 신호를 인버터에 제공할 수 있다(S160).
여기에서, 단계(S110) 및 단계(S120)는 각각 도 3에 도시된 위치 추정부(141) 및 속도 산출부(142)에 의해 수행될 수 있고, 단계(S130) 및 단계(S150)는 도 3에 도시된 지령치 생성부(143)에 의해 수행될 수 있다.
또한, 단계(S140)는 도 3에 도시된 시뮬레이션부에 의해 수행될 수 있으며, 단계(S160)는 도 3에 도시된 PWM 신호 생성부(130)에 의해 수행될 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만 모터 구동 방법은 목표 속도값이 기준 속도값 이상이면 교류 전류의 크기와 관계없이 최대 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
목표 속도값과 기준 속도값에 대한 정의는 전술한 바와 같고, 최대 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하는 방법 또한 전술한 바 있으므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 시지연 보상주기를 결정하는 방법을 도시한 순서도이다. 이하 도 7을 참조하여, 도 6에 도시된 단계(S140)를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7을 참조하면, 제어유닛은 보상주기를 변경하는 시뮬레이션을 수행하여 보상주기에 따른 교류 전류의 크기를 측정할 수 있다(S141).
이어서, 제어유닛은 보상주기와 측정된 교류 전류의 크기에 대한 데이터를 일대일로 대응시켜 룩업 테이블의 형태로 저장할 수 있다(S142). 이에 따라, 제어유닛은 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스를 더 포함할 수 있다.
이어서, 제어유닛은 룩업 테이블에 저장된 교류 전류의 크기가 최소일 때의 보상주기를 시지연 보상주기로 결정할 수 있다(S143).
여기에서, 단계(S141) 내지 단계(S143)는 단계(S140)의 세부 단계를 구성하므로, 단계(S141) 내지 단계(S143)는 도 3에 도시된 시뮬레이터부(144)에 의해 수행될 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110: 모터 120: 인버터
130: PWM 신호 생성부 140: 지령 신호 생성부

Claims (12)

  1. 코일이 권선된 고정자 및 상기 고정자 내에 배치되며 상기 코일에서 발생된 자기장에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 모터;
    상기 코일에 교류 전류를 제공하는 인버터;
    입력받은 전압 지령치에 기초하여 상기 인버터의 동작을 제어하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성부; 및
    동일한 목표 속도값에 대한 보상주기 중에서 상기 교류 전류의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하고, 상기 회전자의 속도 및 상기 목표 속도값에 기초하여 목표 지령치를 산출하며, 상기 산출된 목표 지령치와 상기 결정된 시지연 보상주기를 이용하여 상기 PWM 신호 생성부에 입력되는 상기 전압 지령치를 생성하는 지령 신호 생성부를 포함하는
    모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지령 신호 생성부는
    상기 인버터에서 제공되는 교류 전류 및 교류 전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 회전자의 전기각 위치를 추정하는 위치 추정부;
    상기 추정된 전기각 위치 및 상기 교류 전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 회전자의 속도를 산출하는 속도 산출부;
    상기 산출된 속도 및 상기 목표 속도값에 기초하여 전류 지령치를 생성하고, 상기 생성된 전류 지령치 및 상기 교류 전류에 기초하여 상기 목표 지령치를 생성하는 지령치 생성부; 및
    동일한 목표 속도값에 대한 보상주기 중에서 상기 교류 전류의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하는 시뮬레이터부를 포함하는 모터 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시뮬레이터부는
    상기 보상주기에 따른 상기 교류 전류의 크기를 측정하고, 상기 측정된 교류 전류의 크기가 최소인 보상주기를 상기 시지연 보상주기로 결정하는 모터 구동 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 시뮬레이터부는
    상기 보상주기를 변경하는 시뮬레이션을 수행하여 상기 교류 전류의 크기를 측정하는 모터 구동 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 시뮬레이터부는
    상기 보상주기와 상기 측정된 교류 전류의 크기에 대한 데이터를 룩업 테이블(Look-Up Table)의 형태로 저장하는 데이터 베이스를 포함하는 모터 구동 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 지령치 생성부는
    상기 시뮬레터이부에 의해 결정된 상기 시지연 보상주기를 이용하여 상기 전압 지령치를 생성하는 모터 구동 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 시뮬레이터부는
    상기 목표 속도값이 기준 속도값 이상이면 상기 교류 전류의 크기와 관계없이 최대 보상주기를 상기 시지연 보상주기로 결정하는 모터 구동 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 지령치 생성부는
    상기 회전자의 속도가 상기 목표 속도값을 추종하도록 상기 목표 지령치를 산출하는 모터 구동 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 신호 생성부는
    상기 회전자의 속도가 상기 목표 속도값보다 크면 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 감소시키고, 상기 회전자의 속도가 상기 목표 속도값보다 작으면 상기 PWM 신호의 펄스 폭을 증가시키는 모터 구동 장치.
  10. 모터를 제어하는 인버터에 PWM 신호를 제공하는 제어유닛의 모터 구동 방법에 있어서,
    상기 인버터로부터 출력되는 교류 전류 및 교류 전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 모터에 포함된 회전자의 전기각 위치를 추정하는 단계;
    상기 추정된 전기각 위치 및 상기 교류 전압 중 적어도 하나에 기초하여 상기 회전자의 속도를 산출하는 단계;
    상기 산출된 속도 및 목표 속도값에 기초하여 전류 지령치를 생성하는 단계;
    상기 생성된 전류 지령치 및 상기 교류 전류에 기초하여 목표 지령치를 생성하는 단계;
    동일한 상기 목표 속도값에 대한 보상주기 중에서, 상기 교류 전류의 크기가 최소인 보상주기를 시지연 보상주기로 결정하는 단계;
    상기 생성된 목표 지령치와 상기 결정된 시지연 보상주기를 이용하여 전압 지령치를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 전압 지령치에 기초하여 생성된 PWM 신호를 상기 인버터에 제공하는 단계를 포함하는 모터 구동 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 동일한 목표 속도값에 대한 상기 교류 전류의 크기가 최소인 시지연 보상주기를 결정하는 단계는
    상기 보상주기를 변경하는 시뮬레이션을 수행하여 상기 보상주기에 따른 상기 교류 전류의 크기를 측정하는 단계;
    상기 보상주기와 상기 측정된 교류 전류의 크기에 대한 데이터를 룩업 테이블(Look-Up Table)의 형태로 저장하는 단계; 및
    상기 룩업 테이블에 저장된 교류 전류의 크기가 최소일 때의 보상주기를 상기 시지연 보상주기로 결정하는 단계를 포함하는 모터 구동 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 목표 속도값이 기준 속도값 이상이면 상기 교류 전류의 크기와 관계없이 최대 보상주기를 상기 시지연 보상주기로 결정하는 단계를 더 포함하는 모터 구동 방법.
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