KR20200092171A - 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치 및 방법 - Google Patents

영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치는, 영구자석 동기기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)의 단위 전류 당 최대 토크(MTPA: Maximum Torque Per Ampere) 제어가 가능하도록 하는 고정자 전압을 산출하는 MTPA 제어부, 고정자 주파수를 변동시켜 상기 영구자석 동기기의 부하 변동에 따른 동기 이탈을 방지하는 안정화부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, PMSM의 센서리스 V/f 제어 운전에 있어서, 위치 센서 없이도 d축 전류 및 부하 정보를 추정하여 구동 시스템의 MTPA 제어 및 안정화를 달성할 수 있다.

Description

영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치 및 방법{EFFICIENCY IMPROVEMENT TECHNIQUE IN THE V/F OPERATION FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 효율 향상을 위한 MTPA 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 위치 센서가 구비되지 않은 영구자석 동기기의 V/f 운전에 있어서, d축 전류를 추정하여 효율 향상 및 시스템 안정화를 구현하는 MTPA 제어 및 안정화 방법에 관한 것이다.
최근 환경보호와 에너지 절감의 필요성이 증가함에 따라 기계장치의 동력원으로서 영구자석형 동기 전동기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)의 수요가 크게 증가하고 있으며, 높은 전력밀도와 효율, 우수한 동특성으로 인해 다양한 전동기 구동분야에 사용되고 있다. 통상적으로 이러한 PMSM의 토크 제어를 위해서 위치 센서를 이용한 벡터 제어 기법이 이용되나, 위치 센서의 비용 및 설치 문제로 인해 저가의 범용 분야에서는 위치 센서가 없는 제어 기법이 이용되고 있다.
PMSM을 위치 센서 없이 구동하는 방법으로는 센서리스 벡터 제어 기법과 V/f(Voltage/frequency) 운전 기법이 있는데, 센서리스 벡터 제어 기법의 경우 순시 토크 제어를 위해 정확한 회전자 자속의 위치 정보를 측정하는 과정에서 제어 알고리즘을 복잡하게 만들며 빠른 제어 주기를 요구하는 고속 응용분야에서는 고성능의 마이크로컨트롤러를 필요로 하는 등의 문제점으로 인해, 팬, 펌프, 블로워 등의 범용 분야에서는 간단한 알고리즘으로 구현이 가능한 V/f 제어 기법이 이용된다.
그러나 PMSM의 V/f 운전 시에는 단위 전류당 최대 토크를 발생시키는 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 제어가 이루어지지 않아 구동 효율이 감소하거나, 혹은 특정 운전 주파수 이상의 회전자 주파수에서 구동이 불안정하여 부하 변동 시 탈조의 가능성이 있어, 이를 해결하기 위한 V/f 제어에 있어서의 MTPA 제어 기술 및 안정화 기술이 요구되는 실정이다.
본 발명은 PMSM의 센서리스 V/f 제어 운전에 있어서, 위치 센서 없이도 d축 전류 및 부하 정보를 추정하여 구동 시스템의 MTPA 제어 및 안정화를 달성할 수 있는 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0055070호(2009.06.02)
본 발명은 PMSM의 센서리스 V/f 제어 운전에 있어서, 위치 센서 없이도 d축 전류 및 부하 정보를 추정하여 구동 시스템의 MTPA 제어 및 안정화를 달성할 수 있는 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치는, 영구자석 동기기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)의 단위 전류 당 최대 토크(MTPA: Maximum Torque Per Ampere) 제어가 가능하도록 하는 고정자 전압을 산출하는 MTPA 제어부, 고정자 주파수를 변동시켜 상기 영구자석 동기기의 부하 변동에 따른 동기 이탈을 방지하는 안정화부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 MTPA 제어부는, 고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 영구자석 동기기에서 발생하는 d축 전류 성분을 추정하는 좌표 변환부, 상기 좌표 변환부에 의해 추정된 d축 전류 성분을 이용하여 MTPA 제어를 위한 q축 전류 지령을 산출하는 부하 정보 추정부, 회전자 주파수 지령 및 q축 전류 지령을 이용해 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출하는 고정자 전압 연산부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 좌표 변환부는, 제어기가 선정한 qc 축에서
Figure pat00001
만큼 이동된 d-q축에서 고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 d축 전류를 추정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 부하 정보 추정부는, 상기 좌표 변환부에 의해 추정된 d축 전류가 MTPA 제어에 요구되는 d축 전류로 제어 되도록 하는 q축 전류 지령을 산출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고정자 전압 연산부는,
Figure pat00002
에 따라 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출 할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 안정화부는, 비례이득(Proportional gain)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고정자 주파수의 변동 성분
Figure pat00003
는,
Figure pat00004
에 따라 산출될 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 방법은, MTPA 제어부가 영구자석 동기기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)의 단위 전류 당 최대 토크(MTPA: Maximum Torque per Ampere) 제어가 가능하도록 하는 고정자 전압을 산출하는 단계, 안정화부가 고정자 주파수를 변동시켜 상기 영구자석 동기기의 부하 변동에 따른 동기 이탈을 방지하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고정자 전압을 산출하는 단계는, 고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 영구자석 동기기에서 발생하는 d축 전류 성분을 추정하는 단계, 상기 추정된 d축 전류 성분을 이용하여 MTPA 제어를 위한 q축 전류 지령을 산출하는 단계, 회전자 주파수 지령 및 q축 전류 지령을 이용해 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 d축 전류 성분을 추정하는 단계는, 제어기가 선정한 qc 축에서
Figure pat00005
만큼 이동된 d-q축에서 고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 d축 전류를 추정할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 q축 전류 지령을 산출하는 단계는, 상기 추정된 d축 전류가 MTPA 제어에 요구되는 d축 전류가 되도록 하는 q축 전류 지령을 산출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고정자 전압을 산출하는 단계는,
Figure pat00006
에 따라 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 동기 이탈을 방지하는 단계는,
Figure pat00007
에 따라 산출된 고정자 주파수의 변동 성분
Figure pat00008
만큼 고정자 주파수를 변동시킬 수 있다.
본 발명에 의하면, PMSM의 V/f 제어 운전에 있어서, 위치 센서 없이도 d축 전류 및 부하 정보를 추정하여 구동 시스템의 MTPA 제어 및 안정화를 달성할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2a는 MTPA 제어를 위한 적절한 고정자 전압이 인가된 경우 각 전압 및 전류의 분배를 나타낸 벡터도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 MTPA 제어를 위한 고정자 전압보다 낮은 고정자 전압이 인가된 경우의 예시를 나타낸 벡터도이다.
도 2c는 도 2a에 도시된 MTPA 제어를 위한 고정자 전압보다 높은 고정자 전압이 인가된 경우의 예시를 나타낸 벡터도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 정보 추정 부(120)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4 b는 각각 종래 기술 및 본 발명에 따른 SPMSM의 V/f 제어 시 회전자의 속도를 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 도 1에 도시된 안정화부(200)를 구비한 SPMSM의 V/f 제어에 있어서 부하 변동이 발생하는 경우의 회전자 주파수와 d축 전류 오차에 의한 고정자 주파수 및 d, q축 고정자 전류를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 종래 기술 및 본 발명에 따른 IPMSM의 V/f 제어 시 회전자의 속도를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는, 도 1에 도시된 안정화부(200)를 구비한 IPMSM의 V/f 제어에 있어서 부하 변동이 발생하는 경우의 회전자 주파수와 d축 전류 오차에 의한 고정자 주파수 및 d, q축 고정자 전류를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치를 포함한 영구자석 동기기의 제어 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치는 MTPA 제어부(100), 그리고 안정화부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
MTPA 제어부(100)는 영구자석 동기기(이하, PMSM)의 MTPA 제어가 가능하도록 적절한 고정자 전압을 산출하여 인가하고, 안정화부(200)는 PMSM의 V/f 운전 시 부하 변동에 의해 발생할 수 있는 동기 이탈을 안정화시키는 역할을 수행한다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MTPA 제어부(100)에 대하여 상세히 설명한다.
PMSM의 단위 전류당 최대 토크를 발생시키는 MTPA 제어를 위해서는 적절한 d축 및 q축 전류의 분배가 요구되는데, 이러한 전류 분배를 위해서는 적절한 크기의 고정자 전압을 인가하여 이를 d, q축으로 분배하여야 한다. 특히 표면 부착형 영구자석 동기기(SPMSM: Surface mounted PMSM)의 경우, MTPA 제어를 위해서는 적절한 고정자 전압의 d, q축 분배를 통해 d축 전류를 0으로 하고 고정자 전류를 모두 q축으로만 흘려주어야 한다. 매입형 영구자석 동기기(IPMSM: Interior PMSM)의 경우 MTPA 제어를 위해서는 적절한 d축 전류를 요구하며, 이 때의 d-q축 전류는 부하 상황에 따라 달라질 수 있다. 이때, MTPA 제어에 요구되는 d-q축 전류
Figure pat00009
,
Figure pat00010
에 대응하는 회전자 좌표계 d축, q축에 대한 고정자 전압
Figure pat00011
,
Figure pat00012
와 전압각
Figure pat00013
, 그리고 고정자 전압
Figure pat00014
는 각각 아래 [수학식1]과 같다.
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
한편, 표면부착형 영구자석 동기전동기의 정상상태 출력토크(
Figure pat00020
)는 아래 [수학식2], 매입형 영구자석 동기 전동기의 정상상태 출력토크(
Figure pat00021
)는 아래 [수학식3]과 같다.
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
부하 조건에 따라 실제 q축과
Figure pat00026
만큼의 전압각 차이가 있는 qc축 상에 고정자 전압
Figure pat00027
를 인가하는 경우, 상기 인가하는 고정자 전압의 크기에 따라 실제 d축, q축 상으로의 전압 분배 및 전류 분배가 달라지며, 이에 따라 MTPA 제어가 이루어지거나 혹은 이루어지지 않을 수 있다.
도 2a는 SPMSM을 기준으로, MTPA 제어를 위한 적절한 고정자 전압이 qc축 상에 인가된 경우 각 전압 및 전류의 분배를 나타낸 벡터도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, [수학식 1]로부터 결정된 MTPA 제어를 위한 적절한 고정자 전압(
Figure pat00028
)이 인가된 경우에는 [수학식 2]로부터 결정된 운전 전압각
Figure pat00029
는 상기 [수학식 1]에 의해 산출된 MTPA 제어를 위한 전압각
Figure pat00030
과 동일하게 되며, 이 때 d축 전류(
Figure pat00031
)은 0이 되고, 고정자 전류는 모두 q축 전류(
Figure pat00032
)로 분배되어 MTPA 제어가 이루어질 수 있다.
한편, 인가 전압이 [수학식 1]로부터 결정된 MTPA 제어를 위한 고정자 전압의 크기(
Figure pat00033
)보다 낮거나 높은 경우, 즉, MTPA 제어에 요구되는 고정자 전압의 크기를 적절하게 인가하지 못한 경우에는 [수학식 2]로부터 결정된 운전 전압각
Figure pat00034
는 상기 [수학식 1]에 의해 산출된 MTPA 제어를 위한 전압각
Figure pat00035
과 다르게 되어, 고정자 전압이 MTPA 제어를 위해 요구되는 d축, q축 전압의 크기
Figure pat00036
,
Figure pat00037
로 적절히 분배되지 않아 MTPA 제어가 이루어지지 않을 수 있다.
도 2b는 도 2a에 도시된 MTPA 제어를 위한 고정자 전압보다 낮은 고정자 전압이 인가된 경우의 예시를 나타낸 벡터도, 그리고 도 2c는 도 2a에 도시된 MTPA 제어를 위한 고정자 전압보다 높은 고정자 전압이 인가된 경우의 예시를 나타낸 벡터도이다.
도 2b에서와 같이 고정자 전압(
Figure pat00038
)의 크기가 도 2a에 도시된 MTPA 제어를 위한 고정자 전압의 크기보다 작은 경우, [수학식 2]로부터 결정되는 운전 전압각
Figure pat00039
는 [수학식 1]에 의해 산출된 MTPA 제어를 위한 전압각
Figure pat00040
보다 커지게 되고, 이에 따라 d축 전압과 q축 전압이 적절히 분배되지 못하여 고정자 전류의 d축 성분(
Figure pat00041
)이 발생하게 되어 MTPA 제어가 이루어지지 않는다.
또한, 도 2c에서와 같이 고정자 전압(
Figure pat00042
)의 크기가 도 2a에 도시된 MTPA 제어를 위한 고정자 전압의 크기보다 큰 경우에는, [수학식 2]로부터 결정되는 운전 전압각
Figure pat00043
는 [수학식 1]에 의해 산출된 MTPA 제어를 위한 전압각
Figure pat00044
보다 작아지게 되고, 이 경우에도 d축 전압과 q축 전압이 적절히 분배되지 못하여 고정자 전류의 d축 성분(
Figure pat00045
)이 발생하게 되어 MTPA 제어가 이루어지지 않는다.
한편, 이처럼 고정자 전압(
Figure pat00046
)의 크기가 MTPA 제어를 위해 적절하지 않은 경우뿐만 아니라, 부하가 변동한 경우에도 MTPA 제어가 이루어지지 않을 수 있다.
일정한 고정자 전압(
Figure pat00047
) 하에서, 부하의 증가 또는 감소에 따라 고정자 전류(
Figure pat00048
)는 d-q 평면 상에서 원의 궤적을 따라 이동하며, 이러한 원의 궤적은 도 2b 및 도 2c에 도시되어 있다.
도 2b는 일정한 고정자 전압 하에서 부하의 증가로 운전 전압각이 증가하여 고정자 전류가 원 궤적을 따라 반시계방향으로 이동한 경우를 나타내며, 도 2c는 일정한 고정자 전압 하에서 부하의 감소로 운전 전압각이 감소하여 고정자 전류가 원 궤적을 따라 시계방향으로 이동한 경우를 나타낸다.
도 2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 운전 전압각
Figure pat00049
가 MTPA 제어를 위한 전압각
Figure pat00050
과 동일한 경우를 제외하고는 d축 전류(
Figure pat00051
) 성분이 존재함을 알 수 있는데, 이와 같은 경우에는 MTPA 제어가 이루어지지 않는다.
이에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MTPA 제어부(100)는 PMSM의 V/f 운전 시 발생하는 d축 전류 성분을 추정하고, 이를 통해 얻을 수 있는 부하 정보를 기반으로 MTPA 제어를 위한 적절한 고정자 전압이 인가되도록 함으로써 PMSM의 V/f 운전 시에도 MTPA 제어가 가능하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 MTPA 제어부(100)는 좌표 변환부(110), 부하 정보 추정부(120), 고정자 전압 연산부(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
좌표 변환부(110)는 고정자 전류(
Figure pat00052
)를 좌표 변환하여 실제 PMSM에 발생하는 d축 전류(
Figure pat00053
) 성분을 추정한다.
일 실시 예에 따르면, 좌표 변환부(110)는 제어기가 선정한 qc축에서 MTPA 제어를 위한 전압각인
Figure pat00054
만큼 이동된 d-q축에서 고정자 전류를 좌표 변환하여 실제 d축 전류(
Figure pat00055
) 성분을 추정할 수 있다.
일반적으로 PMSM 제어에 있어서 실제 d축 고정자 전류의 크기를 산출하기 위해서는 회전자의 위치 정보가 필요한데, 본 발명과 같이 위치 센서가 없이 구동되는 경우에는 위치 센서가 없어 회전자의 위치를 정확히 산출할 수 없다. 따라서 좌표 변환부(110)는, MTPA 제어를 위해 필요한 고정자 전압이 인가된 경우의 qc축과 실제 q축 사이의 각에 해당하는
Figure pat00056
만큼 qc --축을 이동시켜 실제 d-q 축을 추정하고, 추정된 d-q 축에서 고정자 전류를 좌표 변환함으로써 실제 d축 전류를 추정할 수 있다. 이에 따라 좌표 변환부(110)는 별도의 센서 없이도, 부하 정보 산출을 위한 d축 전류 성분을 추정할 수 있는 것이다.
부하 정보 추정부(120)는 좌표 변환부(110)에 의해 추정된 d축 전류(
Figure pat00057
)가 MTPA 제어에 요구되는 d축 전류로 제어되도록(특히, SPMSM의 경우 d축 전류가 0이 되도록) 제어기(Controller)를 통해 부하 정보 즉, q축 전류 지령(
Figure pat00058
)을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 부하 정보 추정부(120)의 제어기(Controller)를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 부하 정보 추정부(120)는 피드백(feedback) 제어기의 일종으로, 적분(Integral) 제어기 혹은 비례적분(Proportional-Integral) 제어기가 사용될 수 있으며, 제어하고자 하는 대상에 대한 시스템으로부터의 출력값을 측정하고, 이를 기준값(reference value)과 비교하여 상기 기준값과의 오차를 수정하기 위한 제어 값을 산출해내는 기능을 수행한다. 본 발명에서는 제어기에서 부하 정보 즉, MTPA q축 전류 지령(
Figure pat00059
)을 출력하며, 이는 MTPA 제어에 요구되는 d축 전류 즉,
Figure pat00060
를 흘려주기 위한 상기 [수학식 1]의
Figure pat00061
를 산출하는데 사용된다.
전술한 바와 같이, SPMSM의 MTPA 제어를 위해서는 d축 전류 성분이 0이 되어야 하는데, V/f 운전 시 적절하지 못한 고정자 전압 또는 부하 변동에 따라 실제 SPMSM의 구동에 있어서는 d축 전류가 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 부하 정보 추정부(120)는 MTPA d축 전류 지령 및 좌표 변환부(110)에 의해 추정된 실제 d축 전류(
Figure pat00062
)를 입력값으로 하여, d축 전류 성분을 0으로 하기 위한 q축 전류 지령(
Figure pat00063
)을 산출하고, 이를 고정자 전압 연산부(130)로 인가한다. 여기서는 SPMSM의 MTPA제어를 위한 예시로 부하 정보 추정부(120)가 d축 전류 성분을 0으로 하기 위한 q축 전류 지령(
Figure pat00064
)을 산출하는 것으로 설명하였으나, 반드시 d축 전류 성분의 기준값이 0이어야만 하는 것은 아니고, IPMSM의 경우와 같이 0이 아닌 적절한 d축 전류 성분을 생성하기 위한 q축 전류 지령(
Figure pat00065
)을 산출할 수 있다.
고정자 전압 연산부(130)는 q축 전류 지령(
Figure pat00066
) 및 회전자 주파수 지령(
Figure pat00067
) 값을 이용해 고정자 전압(
Figure pat00068
)을 산출할 수 있다. 이 때 고정자 전압 연산부(130)에 입력되는 q축 전류 지령(
Figure pat00069
)값은 앞서 설명한 부하 정보 추정부(120)에 의해 산출된 d축 전류 성분이 0이 되도록 산출된 값으로, 고정자 전압 연산부(130)는 부하 정보 추정부(120)로부터 입력받은 q축 전류 지령(
Figure pat00070
) 및 회전자 주파수 지령(
Figure pat00071
) 값을 이용해 아래 [수학식 4] 에 따라 MTPA 제어를 위한 고정자 전압(
Figure pat00072
)을 산출할 수 있다.
Figure pat00073
고정자 전압 연산부(130)에 의해 산출된 고정자 전압은, 실제 PMSM의 제어를 위해 공간 벡터 PWM(SVPWM: Space Vector PWM)으로 인가되어, PMSM의 MTPA 제어가 이루어지도록 한다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안정화부(200)에 대하여 설명한다.
PMSM의 V/f 제어에 있어서, 특정 인가 주파수 이상에서는 구동 시스템이 불안정한 구동 특성을 보이며, 이에 따라 부하변동에 따라 동기 이탈의 가능성이 있다. 이와 같은 불안정한 구동을 안정화시키기 위하여는 고정자 주파수를 회전자 주파수와 일치하도록 적절히 제어할 필요가 있다.
상기 도 2에 따르면, 부하 변동으로 인해 d축 전류가 변동함을 알 수 있다. 부하가 증가하면 도 2b와 같이 d축 전류는 음의 방향으로 증가하며, 부하가 감소한 경우에는 도 2c와 같이 d축 전류는 양의 방향으로 증가한다. 이처럼 부하 변동은 d축 전류의 변동으로 나타나게 되므로 d축 전류의 변동 성분 즉, d축 전류 오차로부터 부하 변동의 따른 회전자 주파수의 변동을 알 수 있다. 이에 부하 변동에 의해 변동되는 회전자 주파수가 동기속도를 유지할 수 있도록 d축 전류 오차를 이용해 고정자 주파수를 회전자 주파수에 맞게 변동하면 부하 변동에도 탈조를 방지하고 안정적인 구동이 가능해진다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 안정화부(200)는 비례이득(Proportional gain)으로 구성될 수 있는데, d축 전류 오차로부터 부하 변동 정보를 얻고, 이를 이용해 PMSM 구동 시스템의 안정화를 위한 댐핑 요소를 산출하며, 고정자 주파수가 회전자 주파수와 동기화될 수 있도록 적절히 보정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 안정화부(200)가 안정화를 위해 회전자 주파수에 따라 변동해주는 고정자 주파수의 변동 성분
Figure pat00074
는 아래 [수학식 5]에서와 같이 d축 전류의 변동 즉, d축 전류 오차(
Figure pat00075
)에 비례이득 k를 곱하여 산출될 수 있다.
Figure pat00076
[수학식 5]와 같이 본 발명에 따른 안정화 기법을 이용한 경우, 모든 회전자 주파수 영역대에서 부하 변동이 발생한 경우라도 구동 시스템의 안정화가 가능하며, 이하 도면을 참조하여 이러한 본 발명에 따른 안정화 기법을 이용한 경우 V/f 제어의 동작을 종래 기술과 비교하여 살펴본다.
도 4a 및 도 4b는 각각 종래 기술 및 본 발명에 따른 SPMSM의 V/f 제어 시 회전자의 속도를 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 도 4b를 참조하면, 도 4a에서와 같이 종래 기술에 따른 개루프(open-loop) V/f 제어 시에는 4200r/min(350Hz)의 속도에서 구동 시스템이 불안정한 상태로 구동하는 것을 확인할 수 있다. 이와 비교해, 본 발명에 따른 안정화부(200)가 구비된 V/f 제어 시에는 도 4b에서 도시된 바와 같이 4200r/min(350Hz)의 높은 속도에서도 구동 시스템이 안정적으로 유지된다.
도 5a 및 도 5b는, 도 1에 도시된 안정화부(200)를 구비한 V/f 제어에 있어서 부하 변동이 발생하는 경우의 회전자 주파수와 d축 전류 오차에 의한 고정자 주파수 및 d, q축 고정자 전류를 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 회전자의 속도가 4200r/min의 정상상태 속도에 도달(약 3초 시점)한 이후, 6초에서 0%에서 100%의 부하 변동을 발생시킨 경우에도 d축 고정자 전류가 0으로 제어되며 d축 전류 변동에 의한 고정자 주파수의 변동으로 회전자 주파수가 동기속도를 유지하는 안정적인 구동함을 확인할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 종래 기술 및 본 발명에 따른 IPMSM의 V/f 제어 시 회전자의 속도를 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 도 6a에서와 같이 종래 기술에 따른 개루프(open-loop) V/f 제어 시에는 2000r/min(133Hz)의 속도에서 구동 시스템이 불안정한 상태로 구동하는 것을 확인할 수 있다. 이와 비교해, 본 발명에 따른 안정화부(200)가 구비된 V/f 제어 시에는 도 6b에서 도시된 바와 같이 2000r/min(133Hz)의 높은 속도에서도 구동 시스템이 안정적으로 유지된다.
도 7a 및 도 7b는, 도 1에 도시된 안정화부(200)를 구비한 V/f 제어에 있어서 부하 변동이 발생하는 경우의 회전자 주파수와 d축 전류 오차에 의한 고정자 주파수 및 d, q축 고정자 전류를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 회전자의 속도가 2000r/min의 정상상태 속도에 도달(약 2초 시점)한 이후, 4초에서 0%에서 100%의 부하 변동을 발생시킨 경우에도 d축 고정자 전류가 IPMSM에서 요구하는 MTPA d축 전류로 제어되며 d축 전류 변동에 의한 고정자 주파수의 변동으로 회전자 주파수가 동기속도를 유지하는 안정적인 구동함을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치의 구성 및 이를 이용한 MTPA 제어 방법, 그리고 실제 적용에 따른 효과에 대하여 설명하였다. 본 발명에 의하면, PMSM의 센서리스 V/f 제어 운전에 있어서, 위치 센서 없이도 d축 전류 및 부하 정보를 추정하여 구동 시스템의 MTPA 제어 및 안정화를 달성할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 실시 예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: MTPA 제어부
110: 좌표 변환부
120: 부하 정보 추정부
130: 고정자 전압 연산부
200: 안정화부
210: 비례이득

Claims (13)

  1. 영구자석 동기기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)의 단위 전류 당 최대 토크(MTPA: Maximum Torque Per Ampere) 제어가 가능하도록 하는 고정자 전압을 산출하는 MTPA 제어부;
    고정자 주파수를 변동시켜 상기 영구자석 동기기의 부하 변동에 따른 동기 이탈을 방지하는 안정화부;
    를 포함하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MTPA 제어부는,
    고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 영구자석 동기기에서 발생하는 d축 전류 성분을 추정하는 좌표 변환부;
    상기 좌표 변환부에 의해 추정된 d축 전류 성분을 이용하여 MTPA 제어를 위한 q축 전류 지령을 산출하는 부하 정보 추정부;
    회전자 주파수 지령 및 q축 전류 지령을 이용해 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출하는 고정자 전압 연산부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 좌표 변환부는,
    제어기가 선정한 qc축에서
    Figure pat00077
    만큼 이동된 d-q축에서 고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 d축 전류를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 부하 정보 추정부는,
    상기 좌표 변환부에 의해 추정된 d축 전류가 MTPA 제어에 요구되는 d축 전류로 제어 되도록 하는 q축 전류 지령을 산출하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 고정자 전압 연산부는,
    Figure pat00078

    에 따라 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 안정화부는,
    비례이득(Proportional gain)을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 주파수의 변동 성분
    Figure pat00079
    는,
    Figure pat00080
    Figure pat00081

    에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  8. MTPA 제어부가 영구자석 동기기(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)의 단위 전류 당 최대 토크(MTPA: Maximum Torque per Ampere) 제어가 가능하도록 하는 고정자 전압을 산출하는 단계;
    안정화부가 고정자 주파수를 변동시켜 상기 영구자석 동기기의 부하 변동에 따른 동기 이탈을 방지하는 단계;
    를 포함하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고정자 전압을 산출하는 단계는,
    고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 영구자석 동기기에서 발생하는 d축 전류 성분을 추정하는 단계;
    상기 추정된 d축 전류 성분을 이용하여 MTPA 제어를 위한 q축 전류 지령을 산출하는 단계;
    회전자 주파수 지령, d축 및 q축 전류 지령을 이용해 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 d축 전류 성분을 추정하는 단계는,
    제어기가 선정한 qc 축에서
    Figure pat00082
    만큼 이동된 d-q축에서 고정자 전류를 좌표 변환하여 상기 d축 전류를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 q축 전류 지령을 산출하는 단계는,
    상기 추정된 d축 전류가 MTPA 제어에 요구되는 d축 전류가 되도록 하는 q축 전류 지령을 산출하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 고정자 전압을 산출하는 단계는,
    Figure pat00083

    에 따라 MTPA 제어를 위한 고정자 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 동기 이탈을 방지하는 단계는,
    Figure pat00084
    Figure pat00085

    에 따라 산출된 고정자 주파수의 변동 성분
    Figure pat00086
    만큼 고정자 주파수를 변동시키는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기기의 V/f 운전 시 MTPA 제어 방법.
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