KR20190067886A - 영구 자석 동기 모터용 폐 루프 자속 약화 - Google Patents

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KR20190067886A
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Abstract

폐 루프 자속 약화 방법 및 장치가 제공된다. 폐 루프 자속 약화 장치는 q-축 기준 전압과 q-축 전압의 차를 구하는 차분 회로, q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 모터의 고정자의 d-축 전류로 변환하는 콘트롤러, 및 모터의 고정자의 d-축 전류 및 모터의 고정자의 피드 포워드 d-축 전류를 가산함으로써 d-축 기준 전류를 얻는 합산 회로를 포함할 수 있다.

Description

영구 자석 동기 모터용 폐 루프 자속 약화
본 출원은 그 전체가 본원에 참고로 인용된 2016년 10월 25일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/333,249호에 대한 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 폐 루프 자속 약화 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 영구 자석 동기 모터에 에너지 절감을 제공하는 폐 루프 자속 약화 방법 및 장치에 관한 것이다.
영구 자석 동기 모터(PMSM)는 세탁기, 전기 자동차, 냉장고 및 공기 압축기와 같은 다양한 장치에 사용된다. 이러한 응용의 대부분은 PMSM이 플럭스 약화 없이 전압에 의해 제한되는 모터의 최대 속도인 공칭 속도 초과하여 오랜 시간 동안 작동하도록 요구한다. 공칭 속도를 초과한 작동은 모터가 비효율적인 자속 약화 영역 또는 약 계자 영역에서 작동해야 한다.
자속 약화 영역에서 모터를 제어하기 위한 여러 솔루션이 제안되었다. 도 1은 PMSM을 위한 제어 회로의 블록도를 도시한다. 도 1을 참조하면, d-축 기준 전류(Idref)(100)는 모터(110)의 동작을 제어하는 회로의 일부로서 제1 차분 회로(difference circuit)(105)에 입력된다. d-축 기준 전류(Idref)는 다양한 방식으로 결정될 수 있다.
예를 들어, d-축 기준 전류(Idref)는 다양한 모터 속도에 대한 d-축 기준 전류(Idref)를 제공하는 룩업 테이블(LUT)을 사용하여 결정될 수 있다. 그러나 이 방법은 LUT를 생성하기 위해 d-축 기준 전류 Idref를 결정하기 위해 모터를 다른 속도로 작동해야 한다. 또한 제어할 다른 유형의 모터마다 서로 다른 LUT가 필요하다.
LUT에 대한 대안으로, d-축 기준 전류 Idref는 R. Krishnan, PMSM Flux Wekening Operation, 영구 자석 동기 및 브러시리스 DC 모터 드라이브, CRC 2010 (http://www.eecs.ucf.edu/~tomwu/course/eel6208/notes/27%20PMSM%20Flux%20Weakening%20Operation.pdf)에 설명된 개방 루프 방정식을 사용하여 결정할 수 있다. 그러나 개방 루프 방식에서는 계산된 d-축 기준 전류 Idref가 정확한지 여부에 대한 표시가 없다.
또 다른 대안으로서, 폐 루프 시스템이 d-축 기준 전류(Idref)를 결정하는데 사용될 수 있다. 이러한 폐 루프 시스템의 대부분은 피드 포워드 입력없이 모터 V2max의 최대 전압을 사용하여 d-축 기준 전류 Idref를 계산한다. 그러나 이 방법은 모터 변형을 기반으로 컨트롤러를 조정하는데 상당한 노력이 필요하다. 따라서, 상당한 수동 튜닝을 요구하지 않고 d-축 기준 전류(Idref)를 정확하게 결정하는 개선된 제어 회로가 필요하다. 또한 피드 포워드 입력을 사용하지 않고 d-축 기준 전류 Idref를 계산하는 LUT, 개방 루프 방정식 및 폐쇄 루프 시스템은 효율성이 제한되어 있으므로보다 효율적인 제어 회로가 필요하다.
하나 이상의 예시적인 실시예의 일 측면에 따르면, 모터를 제어하기 위한 기준 전류를 생성하는 장치가 제공된다. 이 장치는 q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 구하는 차분 회로, q-축 기준 전압과 q-축 전압의 차를 모터의 고정자의 d-축 전류로 변환하는 콘트롤러, 및 모터의 고정자의 증분 d-축 전류와 모터의 고정자의 피드 포워드 d-축 전류를 더함으로써 d-축 기준 전류를 얻는 합산 회로를 포함할 수 있다.
q-축 기준 전압 Vqref는 다음의 식
Figure pct00001
에 기초하여 결정될 수 있다. 여기서 V2max는 모터에 적용할 수 있는 최대 전압의 제곱이고, V2d는 모터의 d-축 전압의 제곱이다.
모터의 고정자의 피트 포워드 d-축 전류 Ids_ feedfw는 다음의 방정식
Figure pct00002
을 기초로 결정될 수 있다. 여기서, rs는 모터의 고정자 저항, iqref는 q-축 기준 전류, Lqs는 모터의 고정자의 인덕턴스,
Figure pct00003
는 시간에 대한 q-축 기준 전류의 미분, E는 모터의 역기전력,
Figure pct00004
는 모터의 전기 속도, Lds는 모터의 고정자의 d-축 인덕턴스이다. 실제로, 저역 통과 디지털 필터는
Figure pct00005
와 E를 결정하는데 사용될 수 있다.
차분 회로는 차분 회로의 양의 입력에서 q-축 기준 전압을 수신하고 차분 회로의 음의 입력에서 q-축 전압을 수신할 수 있다.
하나 이상의 예시적인 실시예의 다른 측면에 따르면, 모터를 제어하기 위해 사용되는 기준 전류를 생성하는 장치가 제공된다. 이 장치는 q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 구하는 차분 회로, q-축 기준 전압과 q-축 전압의 차분을 모터의 고정자의 증분 q-축 전압으로 변환하는 콘트롤러, 모터의 고정자의 q-축 전압을 모터의 고정자의 증분 d-축 전류로 변환하는 게이트, 및 모터의 고정자의 d-축 전류 및 모터의 고정자의 피드 포워드 d-축 전류를 합산함으로써 d-축 기준 전류를 얻는 합산 회로를 포함할 수 있다.
하나 이상의 예시적인 실시예의 또 다른 측면에 따르면, 모터를 제어하기 위한 기준 전류를 생성하는 방법이 제공된다. 이 방법은 모터의 q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 구하는 단계; q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 모터의 고정자의 d-축 전류로 변환하는 단계, 모터의 고정자의 증분 d-축 전류 및 모터의 고정자의 피드 포워드 d-축 전류를 더함으로써 d-축 기준 전류를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1은 하나 이상의 예시적인 실시 예에 따른 PMSM을 위한 제어 회로의 블록도를 도시한다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따라 d-축 기준 전류(Idref)를 결정하기 위한 폐 루프 자속 약화 회로를 도시한다.
도 3은 하나 이상의 예시적인 실시 예에 따른 PMSM을 위한 제어 회로의 블록도를 도시한다.
도 4는 다른 예시적인 실시 예에 따라 d-축 기준 전류(Idref)를 결정하기 위한 폐 루프 자속 약화 회로를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 하며, 도면 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다. 예시적인 실시예들은 본 명세서에 설명된 예시적인 실시예들에 제한되지 않고 다양한 형태로 구현 될 수 있다. 명확한 설명을 위해 잘 알려진 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 2는 예시적인 실시 예에 따라 d-축 기준 전류(Idref)를 결정하기 위한 폐 루프 자속 약화 회로를 도시한다. 도 1과 2를 참조하면, q-축 기준 전압(Vqref) 및 q-축 전압(Vq)은 q-축 기준 전압(Vqref)과 q-축 전압(Vq) 간의 차를 PI 콘트롤러(205)에 출력하는 차분 회로(200)에 입력된다. PI 콘트롤러(205)는 당해 기술 분야에서 잘 알려진 PI 콘트롤러 일 수 있고, 그 기능의 설명은 본 개시의 다른 양태를 모호하게 하는 것을 피하기 위해 여기서 생략된다.
PI 콘트롤러(205)는 q-축 기준 전압(Vqref)과 q-축 전압(Vq) 간의 차를 입력 받아 모터의 고정자의 보정 d-축 전류(Ids_corr)를 출력한다. 합산 회로(210)는 보정 d-축 고정자 전류(Ids_corr)를 수신하여 그것을 고정자의 피드 포워드 d-축 전류(Ids_feedfw)에 가산하여 d-축 기준 전류(Idref)를 얻는다. 도 1을 참조하면, 도 2의 예시적인 회로에 의해 결정된 d-축 기준 전류(Idref)는 제1 차분 회로(105)에 d-축 기준 전류(Idref)(100)로서 입력될 수 있다.
q-축 기준 전압 Vqref는 다음의 식 1(Equation 1)을 이용하여 구할 수 있다:
Figure pct00006
식 1에서, V2max는 모터에 인가될 수 있는 최대 전압의 제곱을 나타내며, V2d는 d-축 전압의 제곱을 나타낸다. 일단 q-축 기준 전압 Vqref가 알려지면 고정자의 피드 포워드 d-축 전류 Ids_feedfw는 다음의 식 2(Equation 2)에 따라 결정될 수 있다.
Figure pct00007
식 2에서, rs는 모터의 고정자 저항을 나타내고, iqref는 q-축 기준 전류를 나타내고, Lqs는 모터의 고정자의 q-축 인덕턴스를 나타내고,
Figure pct00008
는 시간에 대한 q-축 기준 전류의 미분을 나타내고, E는 모터의 역기전력(EMF)을 나타내고, ω는 모터의 전기 속도를 나타내고, 그리고 Lds는 모터의 고정자의 d-축 인덕턴스를 나타낸다. 실제로, 저역 통과 디지털 필터는
Figure pct00009
와 E를 결정하는데 사용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제2 차분 회로(115)는 모터의 기준 속도(wref) 및 모터의 측정된 속도(w)를 수신하고 두 신호 간의 차이를 PI 콘트롤러(120)로 출력한다. PI 콘트롤러(120)는 식 2에서 고정자의 피드 포워드 d-축 전류 Ids_feedfw를 계산하기 위해 사용되는 q-축 기준 전류 iqref를 출력한다. 제3 차분 회로(125)는 모터의 q-축 기준 전류(iqref) 및 q-축 전류(iq)를 입력받아 그 차를 출력한다. 전술한 바와 같이, d-축 기준 전류(Idref)(100)는 모터의 d-축 전류(id)와 d-축 기준 전류(Idref)100) 간의 차를 출력하는 제1 차분 회로(105)에 입력된다.
PI 콘트롤러(130)는 q-축 기준 전류(iqref)와 제3 차분 회로(125)에 의해 출력된 모터의 q-축 전류(iq) 간의 차이를 수신한다. PI 콘트롤러(130)는 도 2의 차분 회로(200)에 입력되는 q-축 전압(Vq)을 출력한다. PI 콘트롤러(135)는 d-축 기준 전류(Idref)(100)와 제1 차분 회로(105)에 의해 출력된 모터의 d-축 전류(id) 사이의 차이를 수신한다. PI 콘트롤러(135)는 식 1에서 q-축 기준 전압(Vqrerf)을 산출하기 위한 d-축 전압(Vd)을 출력한다. q-축 전압(Vq) 및 d-축 전압(Vd)은 모터 (110)의 회전자 위치를 나타내는 각도 θ를 사용하여 각각 q-축 전압(Vq) 및 d-축 전압(Vd)을 Vα 및 Vβ로 변환하는 제1 변환부(140)에 입력된다. 공간 벡터 변조기(145)는 전압 신호(Vα, Vβ)를 3-상 브리지(150)에 입력되는 3 상 전압 신호 (Va, Vb, Vc)로 변환한다. 3-상 브릿지(150)는 모터(110)에 의해 수신되는 3개의 상 전류 ia, ib 및 ic를 출력한다. 3상 전류 ia, ib 및 ic는 3상 전류 ia, ib 및 ic를 전류 신호 iα 및 iβ로 환하는 제2 변환부(155)에 입력된다. 전류 신호 iα 및 iβ는 로터의 위치에 기초하여 전류 신호 iα 및 iβ를 q-축 전류 iq 및 d-축 전류 id로 변환하는 제3 변환 부(160)에 입력된다. q-축 전류(iq) 및 d-축 전류(id)는 각각 제3 차분 회로(125) 및 제1 차분 회로(105)에 입력된다. 위치 및 속도 감지 회로(165)는 모터(110)에 연결되어 모터(110)의 속도 및 회전자의 위치를 감시한다. 위치 및 속도 감지 회로(165)는 모터의 속도(ω)를 제2 차분 회로(115)로 출력하고, 회전자(8)의 위치(θ)를 제1 및 제3 변환부(140, 160)로 출력한다. 위치 및 속도 감지 회로(165)는 인코더 또는 리졸버와 같은 하드웨어 기반일 수도 있고, 속도 및 각도 추정기와 같은 소프트웨어 기반일 수도 있다.
도 3은 하나 이상의 예시적인 실시 예에 따른 PMSM을 위한 제어 회로의 블록도를 도시한다. 도 3에 도시된 제어 회로는 도 1에 도시된 제어 회로와 유사하므로 여기서는 중복을 피하기 위해 도 1과의 차이점만을 설명한다. 도 3을 참조하면, 예시적인 실시 예에 따른 제어 회로는 도 2에 도시된 제어 회로를 포함할 수 있는 폐 루프 자속 약화 회로(300)를 포함할 수 있다. 폐 루프 자속 약화 회로(300)는 입력으로서 q-축 기준 전류 iqref 및 d-축 전압 Vd를 수신하여 d-축 기준 전류 idref를 생성한다. 또한, 도 3의 위치 및 속도 감지 회로(365)는 도 1의 위치 및 속도 감지 회로(165)와 마찬가지로, 모터의 속도(ω) 및 회전자의 위치(θ)를 출력 할 뿐만 아니라, 폐 루프 자속 약화 회로(300)에 입력되어 d-축 기준 전류(idref)를 결정하는데 사용되는 역기전력(EMF E)을 출력한다.
도 4는 하나 이상의 예시적인 실시 예에 따른 폐쇄 루프 자속 약화 회로를 도시한다. 도 4를 참조하면, q-축 기준 전압(Vqref)과 q-축 전압(Vq)은 차분 회로(400)에 입력되고, 차분 회로(400)는 q-축 기준 전압(Vqref)과 q-축 전압(Vq)의 차분을 PI 콘트롤러(405)로 출력한다. 이는 차분 회로(400)의 음극 단자에 q-축 기준 전압(Vqref)이 입력되고, 차분 회로(400)의 양극 단자에 q-축 전압(Vq)이 입력되는 것을 제외하고, 도 2에 도시된 예시적인 회로와 유사하다. PI 콘트롤러(405)는 q-축 기준 전압(Vqref)과 q-축 전압(Vq)의 차를 입력받아 정상 상태에 가까운 고정자의 보정 q-축 전압
Figure pct00010
을 출력한다. 정상 상태에 가까운 고정자의 보정 q-축 전압
Figure pct00011
는 정상 상태에 가까운 고정자의 보정 q-축 전압
Figure pct00012
를 ω와 Lds의 곱으로 나눈 게이트 K(410)에 의해 수신된다. 여기서 ω는 모터의 전기 속도를 나타내고, Lds는 고정자의 보정 d-축 전류 Ids_corr를 얻기 위한 모터의 고정자의 d-축 인덕턴스를 나타낸다. 따라서, 폐 루프 자속 약화 회로에 대한 선형화 된 플랜트 전달 함수는 다음의 식 3(Equation 3)과 같이 주어진다:
Figure pct00013
식 3에서,
Figure pct00014
는 정상 상태에 가까운 고정자에서 교란된 d-축 전류를 나타낸다. 도 4의 구성에서, 플랜트 전달 함수는 단일 이득을 가지며, 폐쇄 루프 피드 포워드 회로가 제어 회로의 최소 튜닝으로 다양한 모터에 대한 제어 회로의 일부로서 사용될 수 있게 한다.
도 4를 더 참조하면, 합산 회로(415)는 보정 d-축 고정자 전류(Ids_corr)를 수신하여 이를 고정자의 피드 포워드 d-축 전류(Ids_feedfw)에 가산하여 d-축 기준 전류(Idref)를 얻는다. 도 4에 도시된 폐 루프 자속 약화 회로는 도 3에 도시된 폐 루프 자속 약화 회로(300)로서 사용될 수 있다. 선택적으로, 도 2에 도시된 폐 루프 자속 약화 회로는 도 3에 도시된 폐 루프 자속 약화 회로(300)로서 사용될 수 있다.
여기에 기술된 예시적인 폐 루프 자속 약화 회로는 하드웨어 및/또는 소프트웨어로 구체화될 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시 예의 폐 루프 약화 회로는 어드레싱 가능한 저장 매체에 상주하고 하나 이상의 프로세서상에서 실행되도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시 예는, 예를 들어, 소프트웨어 구성 요소, 객체 지향 소프트웨어 구성 요소, 클래스 구성 요소 및 태스크 구성 요소, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 예시적인 실시 예와 관련하여 설명되고 예시되었지만, 본 명세서에 개시된 예시적인 실시 예에 한정되지 않고 본 발명의 개념의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (13)

  1. 모터를 제어하기 위해 사용되는 기준 전류를 생성하는 장치에 있어서,
    q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 구하는 차분 회로;
    상기 q-축 기준 전압과 상기 q-축 전압 간의 상기 차를 상기 모터의 고정자의 보정용 d-축 전류로 변환하는 콘트롤러; 및
    상기 모터의 고정자의 d-축 전류 및 상기 모터의 고정자의 피드 포워드 d-축 전류를 가산함으로써 d-축 기준 전류를 얻는 합산 회로를 포함하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 q-축 기준 전압 Vqref는 다음의 식
    Figure pct00015
    에 기초하여 결정되고;
    여기서 V2max는 상기 모터에 인가될 수 있는 최대 전압의 제곱이고;
    V2d는 상기 모터의 d-축 전압의 제곱인 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피드 포워드 d-축 전류 Ids_feedfw는 다음의 식에 따라 결정되고;
    Figure pct00016

    여기서, rs는 상기 모터의 고정자 저항이고;
    iqref는 q-축 기준 전류이고;
    Lqs는 상기 모터의 고정자의 q-축 인덕턴스이고;
    Figure pct00017
    는 시간에 대한 q-축 기준 전류의 미분이고;
    E는 상기 모터의 역기전력이고;
    ω는 상기 모터의 전기 속도이고; 그리고
    Lds는 상기 모터의 고정자의 d-축 인덕턴스인 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차분 회로는 그 차분 회로의 양의 입력에서 q-축 기준 전압을 수신하고 그 차분 회로의 음의 입력에서 q-축 전압을 수신하는 장치.
  5. 모터를 제어하기 위해 사용되는 기준 전류를 생성하는 장치에 있어서,
    q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 구하는 차분 회로;
    상기 q-축 기준 전압과 상기 q-축 전압 간의 상기 차이를 상기 모터의 고정자의 보정 q-축 전압으로 변환하는 콘트롤러;
    상기 모터의 고정자의 보정 q-축 전압을 상기 모터의 고정자의 d-축 전류로 변환하는 게이트; 및
    상기 모터의 고정자의 d-축 전류 및 상기 모터의 고정자의 피드 포워드 d-축 전류를 가산함으로써 d-축 기준 전류를 얻는 합산 회로를 포함하는 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 q-축 기준 전압 Vqref는 다음의 식
    Figure pct00018
    에 기초하여 결정되고;
    여기서 V2max는 상기 모터의 최대 전압의 제곱이고;
    V2d는 상기 모터의 d-축 전압의 제곱인 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 피드 포워드 d-축 전류 Ids_feedfw는 다음의 식에 따라 결정되고;
    Figure pct00019

    여기서, rs는 상기 모터의 고정자 저항이고;
    iqref는 q-축 기준 전류이고;
    Lqs는 상기 모터의 고정자의 q-축 인덕턴스이고;
    Figure pct00020
    는 시간에 대한 q-축 기준 전류의 미분이고;
    E는 상기 모터의 역기전력이고;
    ω는 상기 모터의 전기 속도이고; 그리고
    Lds는 상기 모터의 고정자의 d-축 인덕턴스인 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 차분 회로는 그 차분 회로의 음의 입력에서 q-축 기준 전압을 수신하고 그 차분 회로의 양의 입력에서 q-축 전압을 수신하는 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 게이트는 상기 모터의 고정자의 q-축 전압을 상기 모터의 전기 속도와 상기 모터의 고정자의 d-축 인덕턴스의 곱으로 나눔으로써 상기 모터의 고정자의 q-축 전압을 상기 모터의 고정자의 d-축 전류로 변환하는 장치.
  10. 모터를 제어하기 위해 사용되는 기준 전류를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 모터의 q-축 기준 전압과 q-축 전압 간의 차를 구하는 단계;
    상기 q-축 기준 전압과 상기 q-축 전압 간의 상기 차를 상기 모터의 고정자의 보정용 d-축 전류로 변환하는 단계; 및
    상기 모터의 고정자의 d-축 전류 및 상기 모터의 고정자의 피드 포워드 d-축 전류를 가산함으로써 d-축 기준 전류를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 q-축 기준 전압과 상기 q-축 전압 간의 상기 차를 상기 모터의 고정자의 d-축 전류로 변환하는 단계는,
    상기 q-축 기준 전압과 상기 q-축 전압 간의 상기 차를 상기 모터의 고정자의 q-축 전압으로 변환하는 단계; 및
    상기 모터의 고정자의 q-축 전압을 상기 모터의 고정자의 d-축 전류로 변환하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 q-축 기준 전압 Vqref를 다음의 식
    Figure pct00021
    에 기초하여 결정하는 단계를 더 포함하고;
    여기서 V2max는 상기 모터의 최대 전압의 제곱이고; 그리고
    V2d는 상기 모터의 d-축 전압의 제곱인 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 피드 포워드 d-축 전류 Ids_feedfw를 다음의 식을 기초로 결정하는 단계를 더 포함하고;
    Figure pct00022

    여기서, rs는 상기 모터의 고정자 저항이고;
    iqref는 q-축 기준 전류이고;
    Lqs는 상기 모터의 고정자의 q-축 인덕턴스이고;
    Figure pct00023
    는 시간에 대한 q-축 기준 전류의 미분이고;
    E는 상기 모터의 역기전력이고;
    ω는 상기 모터의 전기 속도이고; 그리고
    Lds는 상기 모터의 고정자의 d-축 인덕턴스인 방법.
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