KR20200104117A - 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법 및 그를 위한 회로 - Google Patents

교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법 및 그를 위한 회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법은, 피드백 보상을 위한 보상 전압을 산출하는 단계, 상기 보상 전압을 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압에 피드백 보상하는 단계 및 상기 보상된 3상 지령 전압을 이용하여 과변조 동작을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 교류 전동기 구동 시 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 과변조 동작을 수행하면 기존의 과변조 기법만 적용한 경우보다 인버터의 전압 이득이 보상되어 과변조 성능이 개선될 수 있고, 이로 인해 인버터의 과변조 영역 활용 시 교류 전동기의 출력 토크 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

Description

교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법 및 그를 위한 회로{METHOD FOR IMPROVING OVERMODULATION PERFORMANCE OF AN INVERTER FOR THE ENHANCED OUTPUT TORQUE OF AC MOTORS AND CIRCUIT THEREOF}
본 발명은 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인버터의 과변조 동작 시 제한된 지령 전압의 피드백 보상을 통해 종래의 과변조 기법만 적용한 경우보다 인버터의 전압 이득이 증가되어 향상된 교류 전동기의 출력 토크를 얻을 수 있는 인버터의 과변조 성능 개선 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 절약에 의한 지구 환경 보존을 위해 전 세계적으로 에너지 소비가 많은 교류 전동기 구동 시스템의 고효율화에 대한 관심이 더욱 높아지고 있다. 교류 전동기 구동 시스템은 대부분의 전동기 응용 분야에서 그 크기가 제한되기 때문에 이의 고효율화를 위해서는 주어진 조건에서 가능한 큰 출력 토크를 얻는 것이 효율적이다. 이를 위해 교류 전동기 구동 시스템에서 인버터의 전압 변조 범위를 과변조 영역까지 확장하면 선형 변조 영역에서만 제어하는 것보다 교류 전동기의 출력 토크 성능을 향상시킬 수 있다.
이러한 인버터의 과변조 범위에서의 동작을 위해 사용되는 과변조 기법으로는 동일 위상 과변조 기법(Minimum-phase-error overmodulation method), 최소 거리 과변조 기법(Minimum-distance-error overmodulation method), 스위칭 상태 유지 과변조 기법(Switching-state overmodulation method)이 구현의 간단함으로 인해 많이 사용된다. 그러나 이러한 종래 기술에 따른 과변조 기법의 경우, 지령 전압과 인버터 출력 전압의 비선형성으로 인해 인버터의 전압 이득이 1보다 상당히 작아지게 되고, 이에 따라 과변조 성능이 저하되어 인버터의 과변조 영역을 활용하더라도 교류 전동기의 출력 토크 향상 효과가 크지 않다는 문제점이 있다. 따라서 교류 전동기의 출력 토크를 효과적으로 향상시키기 위해서 종래 이용되는 과변조 기법들의 성능을 개선할 수 있는 기술이 요구되는 실정이다. 본 발명은 이와 관련된 것이다.
일본 공개특허공보 제2013-005618호(2013.01.07)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 인버터의 과변조 범위에서의 동작 시 제한된 지령 전압의 피드백 보상을 통해, 종래 과변조 기법만 적용한 경우보다 인버터의 과변조 성능을 개선함으로써 향상된 교류 전동기의 출력 토크 성능을 얻는 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 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법은, 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압을 인가하는 단계, 피드백 보상을 위한 보상 전압을 산출하는 단계 및 상기 보상 전압을 상기 전류 제어기로부터 주어진 초기 3상 지령 전압에 피드백 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법은, 상기 피드백 보상하는 단계 이후, 피드백 보상된 3상 지령 전압에 과변조 동작을 수행하여 출력하는 단계, 상기 출력된 3상 지령 전압을 이용해 인버터의 스위칭 신호를 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보상 전압 산출 단계는, 교류 전동기 구동 시, 전류 제어기로부터 주어진 초기 지령 전압과 과변조 후 수정된 지령 전압의 오차를 산출하는 단계, 저역 통과 필터(LPF: Low-Pass Filter)에 상기 산출된 전압 오차를 통과시켜 고조파를 제거하는 단계 및 상기 저역 통과 필터의 출력 값에 보상 이득(Kc)을 곱하여 보상 전압
Figure pat00001
을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보상 이득(Kc)은, 교류 전동기의 출력의 토크 크기 및 출력 토크에 포함된 고조파 성분을 고려하여 결정될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 보상 전압
Figure pat00002
은,
Figure pat00003
Figure pat00004
에 의해 산출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 과변조를 수행하는 단계는, 동일 위상 과변조 기법, 최소 거리 과변조 기법, 및 스위칭 상태 유지 과변조 기법 중 하나를 이용해 과변조 동작을 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 수행하기 위한 회로는, 교류 전동기 구동 시, 전류 제어기로부터 주어진 초기 지령 전압
Figure pat00005
과 과변조 후 수정된 지령 전압
Figure pat00006
의 오차를 기반으로 보상 전압
Figure pat00007
을 산출하고, 상기 보상 전압
Figure pat00008
을 상기 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압에 피드백 보상하는 보상부 및 보상된 지령 전압을 이용하여 과변조 동작을 수행하는 과변조부, 상기 과변조부의 출력을 이용하여 3상 인버터의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 인버터의 과변조 동작 시 제한된 지령 전압을 전류 제어기로부터 주어진 초기 3상 지령 전압에 피드백 보상함으로써 종래의 과변조 기법만 적용한 경우보다 인버터의 전압 이득이 증가되어 과변조 성능을 개선할 수 있으며, 이로 인해 인버터의 과변조 영역 활용 시 교류 전동기의 출력 토크 성능을 효과적으로 향상시킬 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 인버터의 과변조 성능 개선을 위한 피드백 보상 회로의 블록 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 인버터의 과변조 범위로 주어진 지령 전압 벡터(
Figure pat00009
)에 대해 종래 과변조 기법만 적용한 경우 수정된 지령 전압 벡터의 예시를 나타낸 벡터도이다.
도 4는 도 3에 도시된 종래의 과변조 기법만 적용한 경우의 인버터의 전압 변조 성능을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 보상 전압을 산출하는 단계를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 인버터의 과변조 범위로 주어진 지령 전압 벡터(
Figure pat00010
)에 대해 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 경우 보상된 지령 전압 벡터(
Figure pat00011
)의 예시를 나타낸 벡터도이다.
도 7은 도 6에 도시되어 있는 보상 전의 지령 전압 벡터(
Figure pat00012
)와 보상 후의 지령 전압 벡터(
Figure pat00013
) 각각에 종래의 과변조 기법을 적용한 경우 수정된 지령 전압 벡터의 예시를 나타낸 벡터도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 최소 거리 과변조, 스위칭 상태 유지 과변조 동작을 수행한 경우 향상된 인버터의 전압 변조 성능을 나타낸 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)의 약자속 제어 시 종래의 최소 거리 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 최소 거리 과변조 기법을 적용한 경우의 PMSM의 속도(
Figure pat00014
), 출력 토크(
Figure pat00015
), 과변조 동작에 의해 수정된 a상 지령 전압(
Figure pat00016
)을 나타낸 도면이다.
도 10a 및 10b는 각각 PMSM의 약자속 제어 시 종래의 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우의 PMSM의 속도(
Figure pat00017
), 출력 토크(
Figure pat00018
), 과변조 동작에 의해 수정된 a상 지령 전압(
Figure pat00019
)을 나타낸 도면이다.
도 11은 도 9a 및 9b와 도 10a 및 10b의 가속 성능을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 12는 종래의 최소 거리 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 최소 거리 과변조 기법을 적용한 경우의 d, q축 전류(
Figure pat00020
) 및 출력 토크(
Figure pat00021
)의 동특성을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 13은 종래의 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우의 d, q축 전류(
Figure pat00022
) 및 출력 토크(
Figure pat00023
)의 동특성을 비교하여 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 개시가 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 참조 부호를 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.
본 명세서에서는, 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법이 개시된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선을 위한 피드백 보상 회로의 블록 다이어그램을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선을 위한 피드백 보상 회로는, 교류 전동기 구동 시, 전류 제어기로부터 주어진 초기 지령 전압과 과변조 후 수정된 지령 전압의 오차를 기반으로 보상 전압을 산출하고, 이러한 상기 보상 전압을 상기 초기 지령 전압에 피드백 보상하는 보상부 및 보상된 지령 전압을 이용하여 과변조 동작을 수행하는 과변조부, 상기 과변조부의 출력을 이용하여 3상 인버터의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부를 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 상기 도 1에 도시된 회로를 이용한 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 나타낸 도면으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법은, 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압을 인가하는 단계(S210), 피드백 보상을 위한 보상 전압을 산출하는 단계(S220), 상기 산출된 보상 전압을 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압에 피드백 보상하는 단계(S230) 및 피드백 보상된 3상 지령 전압을 이용하여 과변조 동작을 수행하는 단계(S240)를 포함할 수 있다.
우선 본 발명의 필요성에 대해 설명하기 위하여 전류 제어기로부터 주어진 지령 전압에 대해서 종래의 과변조 기법만 적용하여 과변조 동작이 수행되는 경우, 즉, 보상 전압 산출(S220) 및 피드백 보상 단계(S230) 없이 주어진 3상 지령 전압에 대하여 과변조 동작만이 수행되는 경우의 인버터의 과변조 성능 저하에 대하여 상세히 설명한다.
교류 전동기 구동 시, 인버터의 전압 변조 범위를 선형 변조 영역에서 과변조 영역으로 확장하게 되면 인버터가 선형 변조 영역에서만 동작하는 것과 비교해 교류 전동기의 출력 토크 성능이 향상될 수 있다. 종래 기술에서는 이를 위해 동일 위상 과변조 기법, 최소 거리 과변조 기법 및 스위칭 상태 유지 과변조 기법 등의 과변조 기법을 이용해 인버터의 과변조 동작을 수행한다.
전술한 각 과변조 기법들을 이용하여 과변조 동작을 수행한 후 수정된 지령 전압을 나타낸 벡터도가 도 3에 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 동일 위상 과변조 기법(Minimum-phase-error OVM method)은 3상 인버터의 6개의 유효 전압 벡터로 이루어진 육각형을 벗어나도록 주어진 지령 전압 벡터(
Figure pat00024
)에 대해서 위상은 그대로 유지하면서 그 크기만 육각형 내로 제한하는 방법(
Figure pat00025
)을 의미하고, 최소 거리 과변조 기법(Minimum-distance-error OVM method)은 주어진 지령 전압 벡터(
Figure pat00026
)와 크기 오차가 가장 작도록 지령 전압 벡터를 육각형 내로 제한하는 방법(
Figure pat00027
)을 의미하며, 스위칭 상태 유지 과변조 기법(Switching-state OVM method)은 3상 인버터의 스위칭 상태를 최대한 유지하기 위해 주어진 지령 전압 벡터(
Figure pat00028
)에 근접한 유효 전압 벡터가 우선적으로 인가되도록 지령 전압 벡터를 육각형 내로 제한하는 방법(
Figure pat00029
)을 의미한다.
도 4는 도 3에 도시된 과변조 기법들이 적용된 경우의 인버터의 전압 변조 성능을 나타낸 도면이다.
보다 구체적으로, 도 4는 지령 전압의 변조 지수(
Figure pat00030
)에 대한 인버터 출력 전압의 변조 지수(
Figure pat00031
)의 관계를 나타낸 것으로, 이 때 변조 지수
Figure pat00032
는 아래와 같은 [수학식 1]에 따라 산출된다.
Figure pat00033
(
Figure pat00034
지령 전압 벡터의 크기)
상기와 같은 [수학식 1]을 참조할 때, 인버터의 6스텝 운전 시 지령 전압 벡터의 크기(
Figure pat00035
)는
Figure pat00036
이고, 이 경우 상기 [수학식 1]에 따라 지령 전압의 변조 지수
Figure pat00037
=1이 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 과변조 기법만 적용한 경우, 지령 전압에 대한 인버터 출력 전압의 관계가 비선형적이고, 인버터의 전압 이득이 1보다 상당히 작아져 과변조 성능이 저하된다. 이로 인해 교류 전동기 구동 시 전동기의 출력 토크를 향상시키기 위해 인버터의 과변조 영역을 활용하더라도 출력 토크의 향상 효과는 작게 된다.
본 발명은 이러한 종래 과변조 기법만 사용한 경우에 감소된 인버터의 전압 이득을 증가시키기 위해 교류 전동기 구동 시, 제한된 전압을 전류 제어기로부터 주어진 초기 3상 지령 전압에 피드백 보상함으로써 인버터의 과변조 성능을 개선하는 방법을 제공하며, 이하 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 보상 전압을 산출하는 단계(S220)를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 피드백 보상을 위한 보상 전압을 산출하는 단계(S220)에서는, 우선 교류 전동기 구동 시, 전류 제어기로부터 주어진 지령 전압 (
Figure pat00038
)과 과변조 후 수정된 지령 전압 (
Figure pat00039
)의 오차를 산출한다(S510).
여기서 과변조 후 수정된 지령 전압 (
Figure pat00040
)은 전술한 종래 과변조 기법 중 어느 하나를 적용하여 과변조 동작을 수행한 후 수정된 지령 전압을 의미한다.
상기 전류 제어기로부터 주어진 지령 전압과 과변조 후 수정된 지령 전압(
Figure pat00041
,
Figure pat00042
)은, 도 1에 도시된 3상 지령 전압(
Figure pat00043
), (
Figure pat00044
)을 기초로 아래 [수학식 2]에 의해 산출된다.
Figure pat00045
Figure pat00046
Figure pat00047
(
Figure pat00048
: 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압
Figure pat00049
)의 복소수 공간 벡터,
Figure pat00050
: 과변조 동작 후 수정된 3상 지령 전압
Figure pat00051
)의 복소수 공간 벡터)
S510 단계에서는, 상기 [수학식 2]에 따라 산출된 전류 제어기로부터 주어진 지령 전압(
Figure pat00052
)과 과변조 후 수정된 지령 전압(
Figure pat00053
)의 오차(
Figure pat00054
)를 산출한다.
이처럼 지령 전압의 오차를 산출한 이후, 이러한 산출된 오차를 저역 통과 필터(LPF: Low-Pass Filter)에 통과시킴으로써 고조파 성분을 제거한다(S520).
인버터의 과변조 영역에서의 동작 시에는 지령 전압의 기본파 성분의 크기가 증가함과 동시에 고조파 성분의 크기도 함께 증가하게 되는데, 따라서 본 발명과 같이 지령 전압의 오차 (
Figure pat00055
)를 보상 성분으로 이용하는 경우 이러한 고조파 성분을 제거할 필요가 있다. 이에 본 발명은 산출된 오차에 존재하는 고조파 성분을 저역 통과 필터(LPF: Low-Pass Filter)를 이용하여 제거한다(S520).
이와 같이 산출된 지령 전압의 오차에 존재하는 고조파 성분을 제거한 이후, 상기 저역 통과 필터의 출력 값에 보상 이득(Kc)를 곱하여 최종 보상 전압(
Figure pat00056
)를 산출할 수 있다(S530).
여기서 보상 이득(Kc)은 인버터의 과변조 성능에 영향을 미치는 요소로서, 보상 이득(Kc)의 값이 클수록 인버터의 전압 이득이 증가하여 교류 전동기의 출력 토크가 향상될 수 있으나, 이 경우 출력 토크에 포함된 고조파 성분의 크기가 증가하므로 보상 이득(Kc)은 이를 고려하여 적절한 값으로 선정되어야 한다. (Kc = 1, 2, 3, …)
이상 도 5를 참조하여 보상 전압(
Figure pat00057
)을 산출하는 단계에 대하여 설명하였으며, 전술한 S510 내지 S530 단계에 따라 산출된 보상 전압(
Figure pat00058
)을 수식으로 나타내면, 아래 [수학식 3]과 같다.
Figure pat00059
(
Figure pat00060
,
Figure pat00061
)
다시 도 2에 대한 설명으로 돌아가서, 이상 상술한 S220 단계를 통해 피드백 보상을 위한 보상 전압(
Figure pat00062
)이 산출되면, 상기 보상 전압을 초기 3상 지령 전압 (
Figure pat00063
) 각각에 피드백 보상해준다(
Figure pat00064
Figure pat00065
,
Figure pat00066
)(S230).
이후, 과변조부에서는 피드백 보상된 3상 지령 전압 (
Figure pat00067
Figure pat00068
,
Figure pat00069
)에 대하여 과변조 동작을 수행하고(S240), 그 출력 값을 스위칭 신호 생성부로 입력하여 인버터의 스위칭 신호를 발생시킴으로써 인버터를 제어한다.
도 6은 인버터의 과변조 범위로 주어진 지령 전압 벡터에 대해 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 경우 보상된 지령 전압 벡터(
Figure pat00070
)의 예시를 나타낸 벡터도이다.
보다 구체적으로, 도 6에는 지령 전압 변조 지수(
Figure pat00071
)가 1.2인 경우 [수학식 2]에 의해 산출된 3상 지령 전압
Figure pat00072
)의 복소수 공간 벡터(
Figure pat00073
)와 아래 [수학식 4]에 의해 산출된 피드백 보상 후의 보상된 3상 지령 전압
Figure pat00074
)의 복소수 공간 벡터(
Figure pat00075
)가 나타나있다.
Figure pat00076
Figure pat00077
(
Figure pat00078
: 피드백 보상 후의 보상된 3상 지령 전압
Figure pat00079
)의 복소수 공간 벡터)
또한, 도 7에는 도 6에 도시되어 있는 보상 전의 지령 전압 벡터(
Figure pat00080
)와 보상 후의 지령 전압 벡터(
Figure pat00081
) 각각에 대해 종래의 최소 거리 과변조 기법과 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우에 수정된 지령 전압의 벡터도가 나타나있다. 이 때, 도 7에는 전술한 과변조 기법 중 동일 위상 과변조 기법과 비교해 과변조 성능이 뛰어난 최소 거리 과변조 기법 및 스위칭 상태 유지 과변조 기법에 대하여만 도시되어 있다.
도 7의 (a)는 변조 지수가 1.2인 지령 전압(
Figure pat00082
)에 대해 각각 종래의 최소 거리 과변조 기법(Minimum-distance-error OVM method), 스위칭 상태 유지 과변조 기법(Switching-state OVM method)만 적용한 경우 수정된 지령 전압 벡터(
Figure pat00083
)를 나타내며, 도 7의 (b)는 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우 수정된 지령 전압 벡터(
Figure pat00084
)를 나타낸다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하면 보상된 지령 전압(
Figure pat00085
)에 의해 과변조 동작 후 수정된 지령 전압 벡터(
Figure pat00086
)가 육각형의 꼭지점에 더 가까워지므로 종래의 과변조 기법만 사용한 경우(a)보다 인버터의 전압 활용도를 더 높일 수 있다. 특히, 스위칭 상태 유지 과변조 기법 적용 시 본 발명에 따른 과변조 성능 개선 방법을 사용하면 과변조 동작 후 수정된 지령 전압 벡터(
Figure pat00087
)는 육각형의 꼭지점으로 결정되는데, 이 경우 인버터는 6-스텝 모드로 동작할 수 있으므로 인버터의 전압을 충분히 활용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 과변조 동작을 수행한 경우 향상된 인버터의 전압 변조 성능을 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 전술한 과변조 기법 중 최소 거리 과변조 기법(Minimum-distance-error OVM method) 및 스위칭 상태 유지 과변조 기법(Switching-state OVM method)에 대하여, 종래 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 과변조 동작을 수행한 경우의 인버터의 전압 변조 성능을 비교하여 확인할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8에서 1 과 3은 각각 종래의 최소 거리 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 최소 거리 과변조 기법을 적용한 경우의 인버터의 전압 변조 성능을 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 과변조 성능 개선 방법을 적용한 경우(3) 인버터의 전압 이득이 보상되어 최소 거리 과변조 기법만 적용한 경우(1)보다 전압 변조 성능이 더 높음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 과변조 성능 개선 방법을 사용함으로써 교류 전동기의 출력 토크 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 8에서 2 와 4는 각각 종래의 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우의 인버터의 전압 변조 성능을 나타낸다. 위의 경우와 마찬가지로 과변조 성능 개선 방법을 적용한 경우(4) 인버터의 전압 이득 보상에 의해 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우(2)보다 전압 변조 성능이 더 높은 것을 확인 할 수 있다. 특히, 이러한 과변조 성능 개선 방법을 스위칭 상태 유지 과변조 기법에 적용한 경우 인버터의 전압 변조 성능이 더 높으므로 이 경우 더 향상된 출력 토크 성능을 얻을 수 있다.
이처럼 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 과변조 동작을 수행하면 종래의 과변조 기법만 적용한 경우보다 인버터의 과변조 성능을 개선할 수 있으며, 이 경우 교류 전동기의 출력 토크 성능을 효과적으로 향상시키는 것이 가능해진다. 이하 도면을 참조하여 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)의 약자속 제어 시에 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 적용한 경우의 인버터의 전압 변조 성능 및 PMSM의 과도 특성을 종래의 과변조 기법만 적용한 경우와 비교하여 살펴본다.
도 9a 및 도 9b는 각각 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)의 약자속 제어 시 종래 최소 거리 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 최소 거리 과변조 기법을 적용한 경우의 PMSM의 속도(
Figure pat00088
), 출력 토크(
Figure pat00089
), 과변조 동작에 의해 수정된 a상 지령 전압(
Figure pat00090
)을 나타낸 도면이다.
도 9a 내지 도 9b를 참조하면, 도 9a에서와 같이 종래 최소 거리 과변조 기법만 적용한 경우 1.2의 지령 전압 변조 지수(
Figure pat00091
)에 대한 인버터의 출력 전압 변조 지수(
Figure pat00092
)는 0.969로 제한되어 인버터의 과변조 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 이와 비교해, 도 9b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 과변조 동작을 수행한 경우 인버터의 출력 전압 변조 지수(
Figure pat00093
)는 0.996으로 증가하며, 이러한 인버터의 전압 이득 보상에 의해 인버터의 과변조 성능이 개선될 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 각각 PMSM의 약자속 제어 시 종래 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용한 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우의 PMSM의 속도(
Figure pat00094
), 출력 토크(
Figure pat00095
), 과변조 동작에 의해 수정된 a상 지령 전압(
Figure pat00096
)을 나타낸 도면이다.
도 10a 내지 도 10b를 참조하면, 도 10a에서와 같이 종래 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우 1.2의 지령 전압 변조 지수(
Figure pat00097
)에 대한 인버터의 출력 전압 변조 지수(
Figure pat00098
)는 0.988로 제한되어 인버터의 과변조 성능이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 이와 비교해, 도 10b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 과변조 동작을 수행한 경우 인버터의 출력 전압 변조 지수(
Figure pat00099
)는 1로 증가하며, 이 경우 본 발명에 따른 과변조 성능 개선 방법을 최소 거리 과변조 기법에 적용한 경우(9b)보다 인버터의 과변조 성능 개선 효과가 더 큼을 확인할 수 있다.
도 11은 도 9a 및 9b와 도 10a 및 10b의 가속 성능을 비교하여 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 9a 및 10a는 각각 종래의 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용된 경우이며, 9b 및 10b는 각각 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 최소 거리 과변조, 스위칭 상태 유지 과변조 동작을 수행한 경우이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 9b 및 10b의 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 적용한 경우 9a 및 10a의 종래의 과변조 기법만 적용한 경우와 비교해 동일한 속도에 도달하는 시간이 더 짧으며, 이를 통해 본 발명에 따른 과변조 성능 개선 방법에 의해 교류 전동기의 출력 토크 성능이 향상될 수 있음을 알 수 있다.
도 12 및 도 13은 인버터의 전압 변조 성능이 동일할 때, 종래의 과변조 기법만 적용한 경우와 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 과변조 동작을 수행한 경우의 d, q축 전류(
Figure pat00100
) 및 출력 토크(
Figure pat00101
)의 동특성을 비교하여 나타낸 도면이다.
보다 구체적으로, 도 12 및 도 13에 도시된 1은 각각 종래의 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용한 경우 d, q축 전류(
Figure pat00102
)의 동특성을 나타내며, 2는 각각 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 사용하여 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법을 적용한 경우 d, q축 전류(
Figure pat00103
)의 동특성을 나타내며, 3은 1.16초에서 1.31초까지의 출력 토크(
Figure pat00104
)의 동특성을 확대하여 나타낸다.
도 12 및 도 13의 3에 도시된 바와 같이, 인버터의 전압 변조 성능이 동일할 때 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법 모두 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법이 적용된 경우가 종래의 과변조 기법만 적용한 경우보다 출력 토크의 동특성이 더 우수한 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법 및 실제 적용에 따른 효과에 대하여 설명하였다. 본 발명에 의하면, 인버터의 과변조 영역 활용 시, 종래의 최소 거리 과변조 기법, 스위칭 상태 유지 과변조 기법만 적용된 경우와 비교하여, 본 발명에 따른 인버터의 과변조 성능 개선 방법을 적용한 경우 인버터의 전압 이득이 보상됨으로써 과변조 성능이 개선될 수 있으며, 이로 인해 인버터의 과변조 영역 활용 시 교류 전동기의 출력 토크 성능을 효과적으로 향상시킬 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.

Claims (7)

  1. 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압을 인가하는 단계;
    피드백 보상을 위한 보상 전압을 산출하는 단계; 및
    상기 보상 전압을 상기 전류 제어기로부터 주어진 3상 지령 전압에 피드백 보상하는 단계;
    를 포함하는 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피드백 보상하는 단계 이후,
    피드백 보상된 3상 지령 전압에 과변조 동작을 수행하여 출력하는 단계;
    상기 출력된 3상 지령 전압을 이용해 인버터의 스위칭 신호를 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 과변조 동작을 수행하여 출력하는 단계는,
    동일 위상 과변조 기법, 최소 거리 과변조 기법, 및 스위칭 상태 유지 과변조 기법 중 적어도 어느 하나를 이용해 과변조 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보상 전압을 산출하는 단계는,
    전류 제어기로부터 주어진 초기 지령 전압과 과변조 후 수정된 지령 전압의 오차를 산출하는 단계;
    저역 통과 필터(LPF: Low-Pass Filter)에 상기 산출된 오차를 통과시켜 고조파를 제거하는 단계;
    상기 저역 통과 필터의 출력 값에 보상 이득(Kc)를 곱하여 보상 전압을 산출하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보상 이득(Kc)은,
    교류 전동기의 출력의 토크 크기 및 출력 토크에 포함된 고조파 성분을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 보상 전압은,
    Figure pat00105

    Figure pat00106

    에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 교류 전동기의 출력 토크 향상을 위한 인버터의 과변조 성능 개선 방법.
  7. 전류 제어기로부터 주어진 초기 지령 전압과 과변조 후 수정된 지령 전압의 오차를 기반으로 보상 전압을 산출하고, 상기 보상 전압을 상기 초기 지령 전압에 피드백 보상하는 보상부;
    상기 보상부에서 얻어진 3상 지령 전압을 이용하여 인버터의 과변조 동작을 수행하는 과변조부;
    상기 과변조부의 출력을 이용하여 3상 인버터의 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부;
    를 포함하는, 회로.
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