KR20200002574A - 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서와, 출력 전류 또는 검출된 위치 정보에 기초하여, 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부를 포함하며, 인버터 제어부는, 출력 전류 또는 검출된 위치에 기초하여, 모터의 고정자 자속을 관측하되, 전류 모델 기반 관측기와 전압 모델 기반 관측기를 구비하는 하이브리드 보델 기반 관측기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 자속 관측시 왜곡을 최소화할 수 있게 된다.

Description

모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량{Motor driving apparatus, and vehicle including the same}
본 발명은 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 자속 관측시 왜곡을 최소화할 수 있는 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 관한 것이다.
모터 구동을 위해, 교류 전원을 모터로 구동하는 모터 구동장치가 필요하다.
모터 중 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)는 고효율, 고출력 밀도 및 넓은 속도 범위와 같은 우수한 특성 덕분에 자동차 산업 등에서, 널리 사용된다.
한편, 동기 모터 구동시, 손실을 최소화하면서 정확한 토크 제어가, 중요한 문제 중 하나이다. 그러나 자기 포화, 교차 커플 링 효과, 공간 고조파 및 온도 영향에 의한 모터의 인덕턴스 편차는 전반적인 작동 조건에서 높은 효율을 유지하기 어렵게 만든다.
또한, 장애 탐지 및 진단은 동기모터의 안정적인 작동을 추구하는 또 다른 문제이며 매개 변수 추정 기술에 크게 의존하게 된다.
이러한 목표 달성을 위해, 동기 모터의 고정자 자속은, 다양한 작동 조건 하에서 실시간으로 정확하게 추정되어야 한다.
즉, 모터 구동장치를 통한 모터의 안정적이고 효율적인 작동을 위해, 고정자 자속은 저속을 포함한 넓은 속도 범위에서 관찰되어야 한다.
그러나, dc 오프셋뿐만 아니라 저차 고조파가 여러 가지 이유로 추정된 자속에 포함된다. 이러한 왜곡으로 인하여, 모터 구동이 안정적으로 수행되지 못하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은, 자속 관측시 왜곡을 최소화할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, dc 오프셋과 고조파 자속 오차를 억제할 수 있는 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서와, 출력 전류 또는 검출된 위치 정보에 기초하여, 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부를 포함하며, 인버터 제어부는, 출력 전류 또는 검출된 위치에 기초하여, 모터의 고정자 자속을 관측하되, 전류 모델 기반 관측기와 전압 모델 기반 관측기를 구비하는 하이브리드 보델 기반 관측기를 포함할 수 있다.
한편, 인버터 제어부는, 전압 모델 기반 관측기와 관련한 주파수 적응 자속 관측기와, 자속 하모닉 추출기를 더 포함할 수 있다.
한편, 자속 하모닉 추출기는, 5차 및 7차 고조파 추출기를 포함할 수 있다.
한편,
한편, 인버터 제어부는, 전류 모델 기반 관측기와 관련한 오차 보상 루프와 자속 하모닉 추출기를 더 포함할 수 있다.
한편, 자속 하모닉 추출기는, 6차 고조파 추출기를 포함할 수 있다.
한편, 오차 보상 루프는, 축 변환 및 주파수 적응 자속 관측기가 다단으로 구현될 수 있다.
한편, 인버터 제어부는, 전류 모델 기반 관측기의 출력에 복소항을 승산시킬 수 있다.
한편, 인버터 제어부는, 전류 모델 기반 관측기와 전압 모델 기반 관측기에서, 크로스 오버 주파수를 기준으로 전이가 수행되도록 제어할 수 있다.
한편, 크로스 오버 주파수는, 전류 모델 기반 관측기 보다 전압 모델 기반 관측기에 대응하는 임계 주파수를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치 및 이를 구비하는 전기 차량은, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터와, 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부와, 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서와, 출력 전류 또는 검출된 위치 정보에 기초하여, 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부를 포함하며, 인버터 제어부는, 출력 전류 또는 검출된 위치에 기초하여, 모터의 고정자 자속을 관측하되, 전류 모델 기반 관측기와 전압 모델 기반 관측기를 구비하는 하이브리드 보델 기반 관측기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 자속 관측시 왜곡을 최소화할 수 있게 된다. 구체적으로, dc 오프셋과 고조파 자속 오차를 억제할 수 있게 된다. 결국, 저속에서 고속까지 다양한 속도 범위에서 높은 동적 성능을 유지하면서, 기본 고정자 자속을 안정적으로 추정할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부는, 전압 모델 기반 관측기와 관련한 주파수 적응 자속 관측기와, 자속 하모닉 추출기를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 자속 오차를 억제할 수 있게 된다.
한편, 자속 하모닉 추출기는, 5차 및 7차 고조파 추출기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 6차, 12차 등의 고조파를 제거할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부는, 전류 모델 기반 관측기와 관련한 오차 보상 루프와 자속 하모닉 추출기를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, 자속 오차를 억제할 수 있게 된다.
한편, 자속 하모닉 추출기는, 6차 고조파 추출기를 포함할 수 있다. 이에 따라, 6차, 12차 등의 고조파를 제거할 수 있게 된다.
한편, 오차 보상 루프는, 축 변환 및 주파수 적응 자속 관측기가 다단으로 구현될 수 있다. 이에 따라, 자속 오차를 억제할 수 있게 된다.
한편, 인버터 제어부는, 전류 모델 기반 관측기의 출력에 복소항을 승산시킬 수 있다. 이에 따라, 전류 모델 기반 관측기 및 전압 모델 기반 관측기 사이의 부드러운 전이를 구현할 수 있다.
한편, 인버터 제어부는, 전류 모델 기반 관측기와 전압 모델 기반 관측기에서, 크로스 오버 주파수를 기준으로 전이가 수행되도록 제어할 수 있다. 전류 모델 기반 관측기 및 전압 모델 기반 관측기 사이의 부드러운 전이를 구현할 수 있다.
한편, 크로스 오버 주파수는, 전류 모델 기반 관측기 보다 전압 모델 기반 관측기에 대응하는 임계 주파수를 포함할 수 있다. 이에 따라, 전류 모델 기반 관측기 및 전압 모델 기반 관측기 사이의 부드러운 전이를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 일예이다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도 6은 주파수 적응 관측기의 블록도를 예시한다.
도 7은 주파수 적응 자속 관측기의 블록도를 예시한다.
도 8은 ω 변동에 따른 주파수 적응 자속 관측기의 주파수 응답을 예시한다.
도 9는 자속 하모닉 추출기의 블록도의 일예이다.
도 10은 자속 하모닉 추출기와 결합된 전압 모델 기반 관측기의 블록도의 일예이다.
도 11은 5 차 및 7 차 고조파 추출기를 가지는 전압 모델 관측기의 보드 선도를 도시한다.
도 12는 전류 모델 관측기의 블록도의 일예이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 모델 기반의 관측기의 블록도의 일예이다.
도 14a 내지 도 15c는 도 13의 설명에 참조되는 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 단순히 본 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되는 것으로서, 그 자체로 특별히 중요한 의미 또는 역할을 부여하는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 차량의 차체를 나타내는 개략적인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 차량(100)은, 전원을 공급하는 배터리(205), 배터리(205)로부터 전원을 공급받는 모터 구동장치(200), 모터 구동장치(200)에 의해 구동되어 회전하는 모터(250), 모터(250)에 의해 회전되는 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155), 노면의 진동이 차체에 전달되는 것을 차단하는 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165), 차체의 경사각을 검출하는 경사각 검출부(190)를 포함할 수 있다. 한편, 한편 모터(250)의 회전속도를 기어비에 기초하여, 변환하는 구동기어(미도시)가 추가적으로 구비될 수 있다.
경사각 검출부(190)는, 차체의 경사각을 검출하며, 검출된 경사각은 후술하는 전자 제어부(410)에 입력된다. 경사각 검출부(190)는, 자이로 센서 또는 수평 게이지 센서 등으로 구현될 수 있다.
한편, 도면에서는 경사각 검출부(190)가 배터리(205) 상에 배치되는 것으로 도시하나 이에 한정되지 않으며, 앞바퀴(150), 뒷바퀴(155) 또는 앞바퀴(150)와 뒷바퀴(155) 모두에 배치될 수 있다.
배터리(205)는 모터 구동장치(200)에 전원을 공급한다. 특히, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급한다.
이러한 배터리(205)는, 복수개의 단위셀의 집합으로 형성될 수 있다. 복수개의 단위셀은 일정한 전압을 유지하기 위해 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS)에 의해 관리될 수 있으며, 배터리 관리 시스템에 의해 일정한 전압을 방출할 수 있다.
예를 들어, 배터리 관리 시스템은, 배터리(205)의 전압(Vbat)을 검출하고, 이를 전자 제어부(미도시), 또는 모터 구동장치(200) 내의 인버터 제어부(250)에 전달할 수 있으며, 배터리 전압(Vbat)이 하한치 이하로 하강하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 저장된 직류 전원을 배터리로 공급할 수 있다. 또한, 배터리 전압(Vbat)이 상한치 이상으로 상승하는 경우, 모터 구동장치(200) 내의 커패시터(C)에 직류 전원을 공급할 수도 있다.
배터리(205)는 충전 및 방전이 가능한 2차 전지로 구성됨이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 전원입력케이블(120)에 의해서 직류전원을 공급받는다. 모터 구동장치(200)는 배터리(205)로부터 받는 직류전원을 교류전원으로 변환하여 모터(250)에 공급한다. 변환되는 교류전원은 삼상교류전원이 바람직하다. 모터 구동장치(200)는 모터 구동장치(200)에 구비된 삼상출력케이블(125)을 통하여 모터(250)에 삼상 교류전원을 공급한다.
도 1의 모터 구동장치(200)는 세 개의 케이블로 구성된 삼상 출력케이블(125)을 도시하였으나, 단일의 케이블 내에 세 개의 케이블이 구비될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)에 대해서는 도 3 이하에서 후술한다.
모터(250)는, 회전하지 않고 고정되는 고정자(130)와, 회전하는 회전자(135)를 포함한다. 모터(250)는 입력케이블(140)이 구비되어 모터 구동장치(200)에서 공급되는 교류전원을 인가 받는다. 모터(250)는, 예를 들어, 삼상 모터일 수 있으며, 각상의 고정자의 코일에 전압 가변/주파수 가변의 각상 교류 전원이 인가되는 경우, 인가되는 주파수에 기초하여, 회전자의 회전 속도가 가변하게 된다.
모터(250)는, 유도 모터(induction motor), BLDC 모터(blushless DC motor), 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등 다양한 형태가 가능하다.
한편, 모터(250)의 일측에는 구동기어(미도시)가 구비될 수 있다. 구동기어는 모터(250)의 회전에너지를 기어비에 기초하여, 변환시킨다. 구동기어에서 출력되는 회전에너지는 앞바퀴(150) 및/또는 뒷바퀴(155)에 전달되어 차량(100)이 움직이도록 한다.
전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)는 차체에 대하여 각각 앞바퀴(150) 및 뒷바퀴(155)를 지지한다. 전륜현가장치(160) 및 후륜현가장치(165)의 상하방향은 스프링 또는 감쇠기구에 의해 지지하여, 노면의 진동이 차체에 닿지 않도록 한다.
앞바퀴(150)에는 조향장치(미도시)가 더 구비될 수 있다. 조향장치는 차량(100)을 운전자가 의도하는 방향으로 주행시키기 위하여 앞바퀴(150)의 방향을 조절하는 장치이다.
한편, 도면에서는 도시하지 않았지만, 차량(100)은, 차량 전반의 전자 장치들의 제어를 위한 전자 제어부(Electronic Controller)를 더 포함할 수 있다. 전자 제어부(미도시)는, 각 장치들이 동작, 표시 등을 할 수 있도록 제어한다. 또한, 상술한 배터리 관리 시스템을 제어할 수도 있다.
또한, 전자 제어부(미도시)는, 차량(100)의 경사각 검출하는 경사각 검출부(미도시), 차량(100)의 속도를 검출하는 속도 검출부(미도시), 브레이크 페달의 동작에 따른 브레이크 검출부(미도시), 악셀 페달의 동작에 따른 악셀 검출부(미도시) 등으로부터의 검출 신호에 기초하여, 다양한 운전 모드(주행 모드, 후진 모드, 중립 모드, 및 주차 모드 등)에 따른 운전 지령치치를 생성할 수 있다. 이때의 운전 지령치치는, 예를 들어, 토크 지령치치 또는 토크 지령치치일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 차량(100)은, 배터리 및 모터를 이용한 순수 전기 차량은, 물론, 엔진을 사용하면서, 배터리 및 모터를 이용하는 하이브리드 전기 차량을 포함하는 개념일 수 있다. 이때, 하이브리드 전기 차량은, 배터리와 엔진 중 적어도 어느 하나를 선택 가능한 절환 수단, 및 변속기를 더 구비할 수도 있다. 한편, 하이브리드 전기 차량은, 엔진에서 출력되는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 구동하는 직렬 방식과, 엔진에서 출력되는 기계 에너지와 배터리에서의 전기 에너지를 동시에 이용하는 병렬 방식으로 나뉠 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 일예이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예 따른 모터 구동 시스템(10)은, 차량(100)과, 서버(500)를 구비할 수 있다.
여기서, 서버(500)는, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 제조사가 운영하는 서버이거나, 모터 구동장치(200) 또는 차량(100)의 운전자의 이동 단말기 등에 대응할 수 있다.
한편, 차량(100)은, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 제어부(170), 모터 구동부(200)를 구비할 수 있다.
입력부(120)는, 조작 버튼, 키 등을 구비하며, 차량(100)의 전원 온/오프, 동작 설정 등을 위한 입력 신호를 출력할 수 있다.
통신부(130)는, 주변 기기, 예를 들어, 서버(500)와, 유선 또는 무선으로 데이터를 교환하거나, 원격지의 서버 등과, 무선으로 데이터를 교환할 수 있다. 예를 들어, 4G 또는 5G 등의 이동 통신, 적외선(IR) 통신, RF 통신, 블루투스 통신, 지그비 통신, WiFi 통신 등을 수행할 수 있다.
한편, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량(100)의 동작에 필요한 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 구동부(200)의 동작시의 동작 시간, 동작 모드 등에 대한 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 소비 전력 정보, 추천 운전 정보, 현재 운전 정보, 관리 정보를 포함하는 관리 데이터를 저장할 수 있다.
또한, 차량(100)의 메모리(140)는, 차량의 동작 정보, 운전 정보, 에러 정보를 포함하는 진단 데이터를 저장할 수 있다.
제어부(170)는, 차량(100) 내의 각 유닛을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(170)는, 입력부(120), 통신부(130), 메모리(140), 구동부(200) 등을 제어할 수 있다.
모터 구동부(200)는, 모터(250)를 구동하기 위해, 구동부로서, 모터 구동장치라 명명될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 모터(250)에 흐르는 출력 전류(io)를 검출하는 출력 전류 검출부(E)와, 출력 전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다.
한편, 출력 전류(io)에 기초한 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)는, 외부의 서버(500)로 전송될 수 있으며, 서버(500)로부터 전류 지령치(i*d,i*q)를 수신할 수도 있다. 그리고, 통신부(130)로부터 수신되는 전류 지령치에 기초하여, 인버터 제어부(430)는, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호를 출력할 수도 있다.
이에 따라, 서버(500)에서 실시간으로 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치에 기초하여 모터(250)를 구동할 수 있게 된다. 따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200) 내의 통신부(130)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 관한 전압 정보를 서버(500)로 전송할 수 있다. 이에 따라, 다양한 조건 하의 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)의 상세한 동작에 대해서는, 도 3을 참조하여 기술한다.
도 3은 도 2의 모터 구동장치의 내부 블록도의 일예를 예시한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 모터(250)를 구동하기 위한 구동장치로서, 복수의 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 모터(250)에 교류 전원을 출력하는 인버터(420)와, 인버터(420)를 제어하는 인버터 제어부(430)를 포함할 수 있다, 또한, 인버터 제어부(430)에 각종 저장된 데이터를 제공하는 메모리(270)를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B), 모터(250)에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부(E)를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른, 모터(250)는, 인버터(420)에 의해 구동되는 3상 모터일 수 있다.
한편, 인버터 제어부(430)는, 연산된 최대 토크에 대응하는 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, 인버터(420)에 스위칭 제어 신호(Sic)를 출력할 수 있다.따라서, 모터(250)의 최대 토크 구동이 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 인버터 제어부(430)는, 실시간으로 전류 정보(id,iq)와 토크 지령치(T*)를 연산하고, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
한편, 모터 구동장치(200)는, 인버터(420)의 입력 단인 dc단 전압(Vdc)을 저장하는 커패시터(C)와, dc단 전압(Vdc)을 검출하는 dc단 전압 검출부(B)를 더 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 전류 정보(id,iq), 토크 지령치(T*), 및 검출된 dc단 전압(Vdc)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 연산하고, 전류 지령치(i*d,i*q)를 이용하여, 모터(250)를 구동한다. 이에 따라 고효율 구동을 위한 정확성이 향상되게 된다.
도 4는 도 3의 모터 구동장치의 내부 회로도의 일예이다.
도면을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터 구동장치(200)는, 인버터(420), 인버터 제어부(430), 출력전류 검출부(E), dc단 전압 검출부(Vdc), 위치 검출 센서(105)를 포함할 수 있다.
dc단 커패시터(C)는, 입력되는 전원을 저장한다. 도면에서는, dc단 커패시터(C)로 하나의 소자를 예시하나, 복수개가 구비되어, 소자 안정성을 확보할 수도 있다.
한편, dc단 커패시터(C)에 공급되는 입력 전원은, 배터리(205)에 저장된 전원 또는 컨버터(미도시)에서 레벨 변환된 전원일 수 있다.
한편, dc단 커패시터(C) 양단은, 직류 전원이 저장되므로, 이를 dc 단 또는 dc 링크단이라 명명할 수도 있다.
dc 단 전압 검출부(B)는 dc단 커패시터(C)의 양단인 dc 단 전압(Vdc)을 검출할 수 있다. 이를 위하여, dc 단 전압 검출부(B)는 저항 소자, 증폭기 등을 포함할 수 있다. 검출되는 dc 단 전압(Vdc)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 입력될 수 있다.
인버터(420)는, 복수개의 인버터 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)를 구비하고, 스위칭 소자(Sa~Sc,S'a~S'c)의 온/오프 동작에 의해 직류 전원(Vdc)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원(Va,Vb,Vc)으로 변환하여, 삼상 동기 모터(250)에 출력할 수 있다.
인버터(420)는, 각각 서로 직렬 연결되는 상암 스위칭 소자(Sa,Sb,Sc) 및 하암 스위칭 소자(S'a,S'b,S'c)가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상, 하암 스위칭 소자가 서로 병렬(Sa&S'a,Sb&S'b,Sc&S'c)로 연결된다. 각 스위칭 소자(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)에는 다이오드가 역병렬로 연결된다.
인버터(420) 내의 스위칭 소자들은 인버터 제어부(430)로부터의 인버터 스위칭 제어신호(Sic)에 기초하여 각 스위칭 소자들의 온/오프 동작을 하게 된다. 이에 의해, 소정 주파수를 갖는 삼상 교류 전원이 삼상 동기 모터(250)에 출력되게 된다.
인버터 제어부(430)는, 센서리스 방식을 기반으로, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
이를 위해, 인버터 제어부(430)는, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력전류(io)를 입력받을 수 있다.
인버터 제어부(430)는, 인버터(420)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)를 인버터(420)의 각 게이트 단자에 출력할 수 있다. 이에 따라, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는, 게이트 구동 신호라 명명할 수도 있다.
한편, 인버터 스위칭 제어신호(Sic)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 출력전류 검출부(E)에서 검출되는 출력 전류(io)를 기초로 생성되어 출력된다.
출력전류 검출부(E)는, 인버터(420)와 삼상 모터(250) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출한다. 즉, 모터(250)에 흐르는 전류를 검출할 수 있다.
출력전류 검출부(E)는 각 상의 출력 전류(ia,ib,ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 검출부(E)는 인버터(420)와 모터(250) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current trnasformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
검출된 출력전류(io)는, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(430)에 인가될 수 있으며, 검출된 출력전류(io)에 기초하여 스위칭 제어신호(Sic)가 생성된다.
한편, 삼상 모터(250)는, 고정자(stator)와 회전자(rotar)를 구비하며, 각상(a, b, c 상)의 고정자의 코일에 소정 주파수의 각상 교류 전원이 인가되어, 회전자가 회전을 하게 된다.
이러한 모터(250)는, 예를 들어, 표면 부착형 영구자석 동기전동기(Surface-Mounted Permanent-Magnet Synchronous Motor; SMPMSM), 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM), 및 동기 릴럭턴스 전동기(Synchronous Reluctance Motor; Synrm) 등을 포함할 수 있다. 이 중 SMPMSM과 IPMSM은 영구자석을 적용한 동기 전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)이며, Synrm은 영구자석이 없는 것이 특징이다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터(250)는, 매입형 영구자석 동기전동기(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)를 위주로 기술한다.
도 5는 도 4의 인버터 제어부의 내부 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 5의 인버터 제어부(430)는, 출력 전류 검출부(320)로부터, 검출되는 출력 전류(io)를 입력받고, 위치 검출 센서(105)로부터 모터(250)의 회전자 위치 정보(θ)를 수신할 수 있다.
위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 자극 위치(θ)를 검출할 수 있다. 즉, 위치 검출 센서(105)는, 모터(250)의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.
이를 위해, 위치 검출 센서(105)는, 인코더(encoder)나 리졸버(resolver) 등을 포함할 수 있다.
다음의 설명에서 사용 좌표계와 좌표축에 대해 여기에서 정의한다.
αβ 좌표계는, 고정축인 α와 β 축을 축으로 하는 이차원 고정 좌표계이다. α 및 β 축은 서로 직교하며, β 축은 α 축으로부터 전기각 90˚ 만큼 앞선다.
dq 좌표계는 회전축인 d와 q축 축으로 하는 이차원 회전 좌표계이다. 모터(250)의 영구 자석이 만드는 자속의 회전 속도와 같은 속도로 회전하는 회전 좌표계에서 영구 자석이 만드는 자속의 방향에 따른 축이 d축이며, d축에서 전기각 90˚ 위상이 앞선 축이 q축이다.
도 5를 참조하면, 인버터 제어부(430)는, 속도 연산부(320), 축변환부(310), 토크 연산부(325), 전류 지령 생성부(330), 전압 지령 생성부(340), 축변환부(350), 및 스위칭 제어신호 출력부(360)를 포함할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 축변환부(310)는, 출력 전류 검출부(E)에서 검출된 삼상 출력 전류(ia,ib,ic)를 입력받아, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)로 변환한다.
한편, 축변환부(310)는, 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)를 회전좌표계의 2상 전류(id,iq)로 변환할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 속도 연산부(320)는, 축변환부(310)에서 변환된 정지좌표계의 2상 전류(iα,iβ)에 기초하여, 모터(250)의 회전자 위치(
Figure pat00001
)를 추정한다. 또한, 추정된 회전자 위치(
Figure pat00002
)에 기초하여, 연산된 속도(
Figure pat00003
)를 출력할 수 있다.
인버터 제어부(430) 내의 토크 연산부(325)는, 연산된 속도(
Figure pat00004
)에 기초하여, 현재의 토크(T)를 연산할 수 있다
인버터 제어부(430) 내의 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성한다.
예를 들어, 전류 지령 생성부(330)는, 연산된 현재 토크(T)와, 토크 지령치(T*)에 기초하여, PI 제어기(335)에서 PI 제어를 수행하며, 전류 지령치(i*d,i*q)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전류 지령 생성부(330)는, 전류 지령치(i*d,i*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
다음, 전압 지령 생성부(340)는, 축변환부에서 2상 회전 좌표계로 축변환된 d축, q축 전류(id,iq)와, 전류 지령 생성부(330) 등에서의 전류 지령치(i*d,i*q)에 기초하여, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 생성한다.
예를 들어, 전압 지령 생성부(340)는, q축 전류(iq)와, q축 전류 지령치(i*q)의 차이에 기초하여, PI 제어기(344)에서 PI 제어를 수행하며, q축 전압 지령치(V*q)를 생성할 수 있다. 또한, 전압 지령 생성부(340)는, d축 전류(id)와, d축 전류 지령치(i*d)의 차이에 기초하여, PI 제어기(348)에서 PI 제어를 수행하며, d축 전압 지령치(V*d)를 생성할 수 있다. 한편, d축 전압 지령치(V*d)의 값은, d축 전류 지령치(i*d)의 값은 0으로 설정되는 경우에 대응하여, 0으로 설정될 수도 있다.
한편, 전압 지령 생성부(340)는, d 축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)가 허용 범위를 초과하지 않도록 그 레벨을 제한하는 리미터(미도시)를 더 구비할 수도 있다.
한편, 생성된 d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)는, 축변환부(350)에 입력된다.
축변환부(350)는, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00005
)와, d축, q축 전압 지령치(V*d,V*q)를 입력받아, 축변환을 수행한다.
먼저, 축변환부(350)는, 2상 회전 좌표계에서 2상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이때, 속도 연산부(320)에서 연산된 위치(
Figure pat00006
)가 사용될 수 있다.
그리고, 축변환부(350)는, 2상 정지 좌표계에서 3상 정지 좌표계로 변환을 수행한다. 이러한 변환을 통해, 축변환부(350)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)를 출력하게 된다.
스위칭 제어 신호 출력부(360)는, 3상 출력 전압 지령치(V*a,V*b,V*c)에 기초하여 펄스폭 변조(PWM) 방식에 따른 스위칭 제어 신호(Sic)를 생성하여 출력할 수 있다.
출력되는 인버터 스위칭 제어 신호(Sic)는, 게이트 구동부(미도시)에서 게이트 구동 신호로 변환되어, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자의 게이트에 입력될 수 있다. 이에 의해, 인버터(420) 내의 각 스위칭 소자들(Sa,S'a,Sb,S'b,Sc,S'c)이 스위칭 동작을 하게 된다.
한편, 동기 모터 구동시, 손실을 최소화하면서 정확한 토크 제어가, 중요한 문제 중 하나이다. 그러나 자기 포화, 교차 커플 링 효과, 공간 고조파 및 온도 영향에 의한 모터의 인덕턴스 편차는 전반적인 작동 조건에서 높은 효율을 유지하기 어렵게 만든다.
이에 따라, 모터 구동장치를 통한 동기모터의 안정적이고 효율적인 작동을 위해, 고정자 자속은 저속을 포함한 넓은 속도 범위에서 관찰되어야 한다.
한편, dc 오프셋뿐만 아니라 저차 고조파가 여러 가지 이유로 추정된 자속에 포함된다. 이러한 왜곡으로 인하여, 모터 구동이 안정적으로 수행되지 못하는 문제가 있다.
이에 따라, 본 발명에서는, 자속 관측시 왜곡을 최소화할 수 있는 모터 구동장치를 제공한다. 특히, dc 오프셋과 고조파 자속 오차를 억제할 수 있는 모터 구동장치를 제공한다.
한편, 자속의 정확한 추정을 위해, 전류 모델 기반 관측기, 전압 모델 기반 관측기, 하이브리드 모델 기반 관측기 등이 사용될 수 있다.
먼저, 전압 모델 기반 관측기는, 역기전력(EMF)을 통합하여 고속으로 정확한 고정자 자속 추정을 제공하는 IPMSM의 고정자 전압 방정식을 기반으로 구현된다.
순수한 적분기는 매력적인 접근법처럼 보이지만, dc, 즉 0 Hz에서 무한 이득으로 인해 자속 관측기에 부적합하다.
다른 초기 조건과 DC 드리프트(DC drift)는 dc 오프셋뿐만 아니라 적분기의 출력 포화도를 초래한다.
한편, DC 드리프트 문제를 극복하기 위해, 저역 통과 필터(LPF)가 사용될 수 있으나, 추가 위상 및 크기 보정이 필요하다.
또한, 인버터의 비선형성 및 공간 고조파가 저조한 고조파를 생성하므로 보상하지 않으면 원치 않는 고조파 자속이 발생하게 된다.
이러한 고조파 자속 저감을 위해, 추정된 자속의 진폭과 위상 오차를 최소화하면서 순수 적분기의 입력에서 외란을 제거하는 외란 관측기가 사용될 수 있다. 그러나, 외란 관측기에서의 게인 설정이 간단하지 않으며 저속에서 고조파 자속을 완전히 제거할 수 없다는 문제가 있다.
한편, 전류 모델 기반 관측기는, 동기 모터의 인덕턴스 모델에 의존하기 때문에 인버터 비선형성과 같은 저속에서 측정 오차에 강하다.
그러나, 이 방법은 자기 포화 또는 온도 효과로 인한 기계 변수의 변화에 더 민감하다는 문제가 있다.
한편, 하이브리드 모델 기반 관측기는, 전압 모델 기반 관측기와, 전류 모델 기반 관측기의 장점을 결합하기 위해 사용된다.
본 발명에서는, dc 오프셋 및 고조파와 같은 왜곡을 최소화하기 위해 전압 모델(Voltage Model) 및 전류 모델(Current Model)을 포함하는 하이브리드 모델(Hybrid Model)기반의 자속 관측기(Flux Observer)를 사용하여, 고정자 자속을 추정하는 것으로 한다.
특히, 본 발명에서는, 왜곡을 최소화하는 주파수 적응 자속 관측기(frequency adaptive flux observer)를 채택하여, dc 오프셋과 고조파 자속 오차를 억제하는 것으로 한다.
주파수 적응 자속 관측기(frequency adaptive flux observer)는, 전압 지령치에서 직접 기본 자속을 추출하도록 최적화되어 있다.
모터(250) 중 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)의 고정자 전압 방정식을 기반으로 고정 좌표계에서의 고정자 쇄교 자속인 λdqs = [λds, λqs]T는, 다음의 수학식 1에서와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00007
여기서, Rs, vdqs 및 idqs는, 각각 고정자 저항, 고정자 전압, 및 고정자 전류를 각각 나타낸다.
수학식 1에 따르면, 고정자 자속이, 저항 전압 강하와 분리된 전압 항, 즉 역기전력, v를 적분함으로써 추정될 수 있음을 보여준다.
그러나, 신호 처리의 순수한 적분기(pure integrator)는, 전술한 적분기의 입력에서 직류 드리프트뿐만 아니라 초기 적분 조건에 취약하다. 이러한 교란은 실제로 적분기를 저역 통과 필터(LPF)로 대체함으로써 최소화할 수 있다. 그러나, 저역 통과 필터(LPF)는 여분의 보상 알고리즘없이 추정된 자속에 의도하지 않은 크기 및 위상 오차를 일으킨다.
그리드 동기화, 즉 PLL 알고리즘에 적용된 고조파 필터링 외에도 전압 추정 과정에서 DC 바이어스를 제거하기 위해, 주파수 적응 원형 추적 관측기(Frequency Adaptive Circle Tracing Observer)가 제안될 수 있다.
도 6은 주파수 적응 관측기(frequency adaptive observer)의 블록도를 예시한다.
도면을 참조하면, z는 ac 및 dc 성분을 포함하는 원본 신호이고, 추정된 ac 성분이다. 원래의 신호 z로부터 추정된 신호로의 전달 함수와 외란은 각각 수학식 2와 수학식 3으로 정의될 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
수학식 2와 3은, d(s)로 정의된 대역 통과 필터가 z에 적용되어, ω를 제외한 모든 주파수에서 원하지 않는 성분을 완화키는 것을 보여준다. 게다가, n(s)로 정의된 노치 필터로 캐스 캐이드된 저역 통과 필터가 z에서 dc 성분을 추출하기 위해 사용된다. n(s)의 컷오프 주파수(cut off frequency) 및 대역 정지 주파수(band stop frequency)는 ω에 동기화된다. ω가 0에 가까울지라도 z에서의 방해를 제거하는 데 사용할 수 있다.
한편, 고정자 자속은 순수한 적분기(1/s), 및 주파수 적응 원형 추적 관측기(FACTO), d(s)의 계단식 조합으로 쉽게 추정할 수 있다.
추가된 적분기는 기존의 적분기와 결합하여, 도 7의 주파수 적응 자속 관측기와 같은 통합된 적분기로 구현될 수 있다.
도 7은 주파수 적응 자속 관측기(frequency adaptive flux observer)의 블록도를 예시한다.
도면을 참조하면, 위치 검출 센서(105)에 기초하여 연산되는 모터의 전기 속도(ωr)는 제안된 관측기의 이득 ω를 업데이트하는 데 사용될 수 있다.
한편, 불안정한 작동을 방지하기 위해, ωr이 반전되어도 속도의 절대값인 |ω|를 사용하여, 폴(pole)을 좌측 평면에 배치해야한다.
한편, 전압 신호(v)로부터 추정된 기본 자속 및 외란에 대한 전달 함수는, 수학식 4와 5와 같이 각각 유도될 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
도 8은 ω 변동에 따른 주파수 적응 자속 관측기의 주파수 응답을 예시한다.
도면을 참조하면, 주파수 적응 자속 관측기(FAO)는 ω에서 순수한 적분기와 동일한 특성을 가지며, 크기 및 위상 오차가 없다.
0 Hz에서의 크기는 무한대에서 유한값으로 변경되며 순수한 적분기와 비교할 때 ω 이상의 고주파 대역에서 크기가 최소화된다.
적분기의 출력에 포함된 교란은, 도 8의 (b)와 같은 루프를 통해 거부될 수 있다. 이는 추정된 자속의 포화가 방지되고 주파수 적응 자속 관측기(FAO)에 의해 고조파 자속이 약화됨을 보여준다.
한편, 고정자 자속은, 다음의 수학식 6과 같이, 정의된 전압 모델에 의해 추정될 수 있다.
Figure pat00012
위 첨자 '*'는 기준값을 나타낸다. 주파수 적응 자속 관측기(FAO)에서, 추정된 자속의 고조파 성분은 vdqs*의 외란 중 2차 저역 통과 필터링된 것으로 간주 될 수 있다.
수학식 2와 6의 순수한 적분기는, 도 7에 제시된 주파수 적응 자속 관측기로 대체될 수 있다.
한편, idqs. ω가 높으면 고속 동작에서 충분한 하모닉 제거 능력을 나타낼 때 무시할 수 있다. 그러나, 기본 주파수가 고조파 주파수에 가까울 때, |ω|가 감소하면, 제거가 효과적이지 않을 것이다.
한편, 고조파 성분을 찾아내기 위해, 도 9와 같은 자속 하모닉 추출기(flux harmonic extractor, FHE)가 사용될 수 있다.
도 9는 자속 하모닉 추출기의 블록도의 일예이다.
한편, 오차 신호로부터 추정 고조파 신호로의 전달 함수는, 다음의 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00013
e는 에러 신호를 나타내며, λh는 추정 하모닉 신호를 나타낼 수 있다.
도 10은 자속 하모닉 추출기(Flux Harmonic Extractor; FHE)와 결합된 전압 모델 기반 관측기의 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 자속 하모닉 추출기의 입력은, 내부 피드백 루프의 입력과 연결되며, 출력은 외부 적분기의 출력에 연결되어, 추정된 자속의 고조파를 취소할 수 있다.
한편, 자속 하모닉 추출기와 결합된 내부 피드백 루프는 hω에서 노치 특성을 가지며, 이는 고조파 성분을 완화시키는데 도움이 된다.
한편, v로부터 T(s)로의 전달 함수는 자속 하모닉 추출기가 삽입될 때, 수학식 8과 같이 변경될 수 있다.
Figure pat00014
한편, 고조파 추출기는 T(s)의 분모에 영향을 미친다. 우선, ω에서의 크기 및 위상 응답에 아무런 영향을 미치지 않으나, 전달 함수(T(s))의 크기는 고조파 성분에 대한 대역 정지 응답을 나타내는 hω에서 영이 될 수 있다.
도 11은 5 차 및 7 차 고조파 추출기를 가지는 전압 모델 관측기의 보드 선도를 도시한다.
도면을 참조하면, ω 이하의 저주파수 대역에서 고조파 추출기의 주파수 응답은, 고조파 추출기가 없는 주파수 응답과 유사하다.
한편, ω에 대한 크기 및 위상 오차가 없으며 ω에서 적분기 특성을 만족시킬 수 있다. 더욱이, 5ω 및 7ω에서의 진폭 이득은 현저하게 감쇠(attenuate)된다. 즉, 고조파 추출기 덕분에 고조파 자속이 완전히 제거될 수 있다.
한편, 고조파 추출기가 있는 관측기의 크기는 , 고조파 추출기가 없는 관측기와 비교할 때, ω와 hω 사이에서 약간 증가하지만, 자속 관측기의 정상 상태 성능에는 거의 영향을 미치지 않게 된다.
그러나, 이는 과도 성능, 예를 들어, 오버 슈트(overshoot)를 저하시킬 수 있다.
이러한 과도 응답에 대해, 도 10의 자속 하모닉 추출기를 재배치하여, 과도 응답을 개선할 수 있다.
예를 들어, 주파수 적응 자속 관측기(frequency adaptive flux observer) 이전에 고조파 추출기를 배치하는 것에 의해, 고조파 전압을 줄일 수 있다. 한편, 자속 하모닉 추출기의 위치와 개수는, 필터링과 동적 성능 사이의 균형을 고려하여 결정되어야 한다.
한편, 현재 모델은 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00015
여기서 Ls와 λf는 각각 고정자 인덕턴스와 영구 자석의 쇄교 자속을 나타낼 수 있다. 한편, 위 첨자 'r'은 회전 좌표계의 변수를 의미한다.
수학식 9에 의하면, 정지 상태를 포함하여 저속 작동에서 바람직한 특성을 가지게 된다.
한편, 고정자 자속은 현재 모델의 경우 전류 신호를 기반으로 안정적으로 추정되지만, 전압 신호는 인버터 비선형성으로 작은 오차에서도 발산될 수 있다.
그러나, 현재 모델은 Ls 및 λf와 같은 정확한 동기 모터의 파라미터를 필요로 한다. 이에 따라, 파라미터 변동에 취약하게 된다.
도 12는 전류 모델 관측기의 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, PI 전류 관측기의 적분항은, dc 성분의 형태로 자속 오차 정보를 포함한다.
한편, 자속 오차의 연산은, 하기의 수학식 10에 의해 연산될 수 있다.
자속 오차 연산시, DC 성분뿐만 아니라 고조파가 있기 때문에, 신호 처리의 시간 지연을 최소화하면서 필터링이 수행되어야 한다.
자속 오차의 연산을 위해, 도 12의 오차 보상 루프(1230)는, 축 변환(coordinate transformation), 주파수 적응 자속 관측기(frequency adaptive flux observer) 등이 다단(cascade)으로 구성될 수 있다.
한편, 고정 좌표계의 주파수 적응 자속 관측기(frequency adaptive flux observer)(FAO)는, dc 오프셋 및 고조파를 최소화할뿐만 아니라 기본 구성 요소의 행렬 계산을 수학식 10에 따라 수행할 수 있다.
Figure pat00016
한편, 전류 모델 기반 관측기는 현재 모델과 현재 관측기로부터의 고조파에 더 민감하다.
따라서, 추정된 자속(flux)은, 6차, 12차 등의 고조파 제거를 위해, 노치 필터를 통해 처리될 수 있다.
한편, 오차 보상 루프를 차단하는 경우, 저속에서 보다 견고한 추정 성능을 달성할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 모델 기반의 관측기의 블록도의 일예이다.
도면을 참조하면, 도 12의 하이브리드 모델 기반의 관측기(1300)는, 수정된 고피나스 스타일 관측기(modified Gopinath-style observer)로서, 고피나스 스타일 관측기(1310), 전압 모델 기반 관측기(1350), 전류 모델 기반 관측기(1320), 주파수 적응 자속 관측기와 자속 하모닉 추출기(1340), 오차 보상 루프와 자속 하모닉 추출기(1325) 등을 구비할 수 있다.
전류 모델 기반 관측기 및 전압 모델 기반 관측기 사이의 부드러운 전이를 구현할 수 있다.
한편, 전류 모델 기반 관측기와 전압 모델 기반 관측기 사이의 부드러운 전이를 위해, 도 13에서와 같이, 전류 모델 기반 관측기의 출력에 복소항이 승산될 수 있다. 이에 따라, 선형화되어 전이되는 동안, 파라미터 변동에 대한 견고성을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 크로스 오버 주파수인 ωo 근처에서, 수학식 11과 같이, 부드러운 전이를 제공할 수 있다.
Figure pat00017
한편, 수학식 11에 의하면, 전압 모델 기반 관측기가 ωo 초과에서 우월한 성능을 보이나, 전류 모델 기반 관측기는 ωo 미만에서 우월한 성능을 보여주는 것을 알 수 있다.
따라서, ωo는, 전류 모델 기반 관측기 보다 전압 모델 기반 관측기가 더 정확한 임계 주파수를 기반으로 선택되어야한다.
한편, 전류 모델 기반 관측기의 추정 오차는 오차 보상 루프에 의해 보상될 수 있다.
한편, 기본 자속이 외란과 구별된 후에 고정자 저항의 부정확성이 자속 오차에 지배적으로 영향을 미칠 수 있다.
고정자 저항 오차(ΔRs)로부터 유발되는 오차는, 다음의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00018
수학식 12에 따르면, 전류 모델 기반 관측기 및 전압 모델 기반 관측기에서 동일할 수 있다.
한편, ωo는 고정자 저항 및 인덕턴스 오차에 대한 정상 상태 성능에 아무런 영향을 주지 않기 때문에, 제안된 하이브리드 모델 기반 관측기에 대해 쉽게 설정될 수 있다. 즉, 제안된 관측기는 ωo에 관계없이 넓은 동작 영역에서 자기 포화 및 고조파에 대해 견고할 수 있다.
도 14a는 저역 통과 필터를 가지는 전압 모델 기반 관측기에서의 토크 지령치의 시간 변화에 따른 실제 고정자 자속과 추정된 고정자 자속의 차이를 보여주는 도면이다.
도 14b는 주파수 적응 자속 관측기를 가지는 전압 모델 기반 관측기에서의 토크 지령치의 시간 변화에 따른 실제 고정자 자속과 추정된 고정자 자속의 차이를 보여주는 도면이다.
도 14c는 주파수 적응 자속 관측기와 자속 하모닉 추출기를 가지는 전압 모델 기반 관측기에서의 토크 지령치의 시간 변화에 따른 실제 고정자 자속과 추정된 고정자 자속의 차이를 보여주는 도면이다.
도 14c에서의 자속 하모닉 추출기는, 5차 및 7차 고조파 추출기일 수 있다.
도 14b와 같이, 외란이 저역 통과 필터에 의해서 차단되더라도, 추정된 자속은 여전히, 도 14a 같이, 이 dc 오프셋과 고조파를 가지게 된다.
한편, 5차 및 7차 고조파 추출기를 추가하는 경우, 도 14c와 같이, 6차 고조파 성분을 완전히 제거할 수 있게 된다.
도 15a는 저역 통과 필터를 가지는 전류 모델 기반 관측기에서의 토크 지령치의 시간 변화에 따른 실제 고정자 자속과 추정된 고정자 자속의 차이를 보여주는 도면이다.
도 15b는 주파수 적응 자속 관측기를 가지는 전류 모델 기반 관측기에서의 토크 지령치의 시간 변화에 따른 실제 고정자 자속과 추정된 고정자 자속의 차이를 보여주는 도면이다.
도 15c는 주파수 적응 자속 관측기와 자속 하모닉 추출기를 가지는 전류 모델 기반 관측기에서의 토크 지령치의 시간 변화에 따른 실제 고정자 자속과 추정된 고정자 자속의 차이를 보여주는 도면이다.
도 15c에서의 자속 하모닉 추출기는, 6차 고조파 추출기일 수 있다.
도 15a에서는, 캐시캐이드 필터의 크기 및 위상 지연으로 인한, 저주파 고조파가 포함되는 것을 보여준다.
한편, 도 15b에서는, 자속 오차의 추출에 따라, 크기 및 위상 오차가 작아지는 것을 알 수 있다.
한편, 6차 고조파 추출기를 추가하는 경우, 도 15c와 같이, 6차 고조파 성분을 억제할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량은, 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량의 동작방법은, 모터구동장치, 및 이를 구비하는 차량에 구비된 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체에 프로세서가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 프로세서가 읽을 수 있는 기록매체는 프로세서에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (10)

  1. 복수의 스위칭 소자를 구비하고, 모터에 교류 전원을 출력하는 인버터;
    상기 모터에 흐르는 출력 전류를 검출하는 출력 전류 검출부;
    상기 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서;
    상기 출력 전류 또는 검출된 위치 정보에 기초하여, 상기 인버터에 스위칭 제어 신호를 출력하는 인버터 제어부;를 포함하며,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 출력 전류 또는 검출된 위치에 기초하여, 상기 모터의 고정자 자속을 관측하되, 전류 모델 기반 관측기와 전압 모델 기반 관측기를 구비하는 하이브리드 보델 기반 관측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 전압 모델 기반 관측기와 관련한 주파수 적응 자속 관측기와, 자속 하모닉 추출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자속 하모닉 추출기는,
    5차 및 7차 고조파 추출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 전류 모델 기반 관측기와 관련한 오차 보상 루프와 자속 하모닉 추출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자속 하모닉 추출기는,
    6차 고조파 추출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 오차 보상 루프는,
    축 변환 및 주파수 적응 자속 관측기가 다단으로 구현되는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 전류 모델 기반 관측기의 출력에 복소항을 승산시키는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인버터 제어부는,
    상기 전류 모델 기반 관측기와 상기 전압 모델 기반 관측기에서, 크로스 오버 주파수를 기준으로 전이가 수행되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 크로스 오버 주파수는,
    상기 전류 모델 기반 관측기 보다 상기 전압 모델 기반 관측기에 대응하는 임계 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 모터 구동장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량.
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