KR20200126814A

KR20200126814A - 전동 컴프레셔의 인버터 제어 장치 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20200126814A
Application number: KR1020190050964A
Authority: KR
Inventors: 윤태민
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-09

Abstract

본 발명은 전동 컴프레셔에서 전압 벡터를 인가하는 인버터를 제어하기 위한 장치 및 방법에 대한 것으로, 유효 전압 벡터가 인가되면 인가된 유효 전압 벡터로부터 합성되는 전압 지령에 따라 회전 속도가 제어되는 3상 모터와, 공간 벡터 변조 방식(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)방식에 따라 서로 다른 유효 전압 벡터를 상기 3상 모터에 인가하는 인버터(Inverter), 및 유효 전압 벡터가 인가될 때마다, 유효 전압 벡터의 인가에 필요한 벡터 인가 시간과 상기 인버터로부터 상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하기 위한 안정화 시간을 비교하고, 상기 안정화 시간이 상기 벡터 인가 시간을 초과하는 경우 상기 안정화 시간과 상기 벡터 인가 시간의 차를 초과 시간으로 검출하며, 검출된 적어도 하나의 초과 시간만큼 더 인가된 적어도 하나의 유효 전압 벡터에 대해 상반된 방향을 가지는 적어도 하나의 역전압 벡터를 결정하고, 결정된 적어도 하나의 역전압 벡터가, 기 설정된 스위칭 주기의 절반이 되는 시점을 기준으로 인가되도록 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전동 컴프레셔의 인버터 제어 장치 및 제어 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLLING INVERTER OF ELECTRIC COMPRESSOR}

본 발명은 전동 컴프레셔에서 전압 벡터를 인가하는 인버터를 제어하기 위한 장치 및 방법에 대한 것이다.

통상적으로 에어컨 등에 사용되는 전동 컴프레셔는 그 구동을 위해 모터가 사용된다. 이러한 전동 컴프레셔의 모터는 공간 벡터 변조 방식(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)방식에 따라, 3상 지령 전압을 복소 공간의 공간 벡터를 변조하는 방식을 통해 제어될 수 있다.

이러한 공간 벡터 변조 방식은 지령 전압과 인접한 2개의 유효 벡터와 영전압 벡터를 이용하여 합성하여 3상 모터를 제어하는 3상 지령 전압을 생성하는 것으로, 사인파 변조 방식(Sine Pulse Width Modulation, SPWM)보다 더 높은 전압 이용률을 가지는 이점 때문에, 상기 3상 모터를 제어하는 방식으로 널리 사용되고 있다.

이러한 공간 벡터 변조 방식에서 상기 유효 벡터들은, 복수의 스위치를 포함하는 인버터(inverter)를 통해 인가될 수 있다. 즉, 컨버터(converter)를 통해 직류로 전환된 전원이, 상기 인버터에 구비된 복수의 스위치 제어를 통해 복수의 유효 전압 벡터로 인가되고, 인가된 유효 전압 벡터들의 합성에 따라 임의의 주파수와 전압을 가지는 교류로 변환됨으로써 3상 모터의 회전 속도가 제어될 수 있다.

한편 이처럼 인버터를 통해 인가되는 유효 전압 벡터들을 통해 3상 모터를 제어하는 경우, 상기 유효 전압 벡터를 통해 인가되는 전류가 검출되어야 정확하게 상기 3상 모터를 제어할 수 있다.

여기서 상기 유효 전압 벡터들로부터 인가되는 전류를 검출하기 위해서는 전류를 판별하기 위해 아날로그-디지털 변환(Analog to Digital Converting, ADC) 및 판별된 전류값을 증폭하는데 소요되는 소정의 시간(이하 하드웨어 안정화 시간)을 필요로 한다. 즉 최소 상기 하드웨어 안정화 시간이 경과해야 3상 모터에 인가되는 전류가 판별될 수 있다.

그런데 상기 하드웨어 안정화 시간이 유효 전압 벡터가 인가되는 시간을 초과할 수 있다. 이 경우 전류가 판별된 다른 유효 전압 벡터가 인가되기 전에 인가되는 전류가 판별되어야 하므로, 최소 상기 하드웨어 안정화 시간이 경과된 이후에 유효 전압 벡터가 인가되어야 한다는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 통상의 인버터는, 상기 하드웨어 안정화 시간이 경과된 이후에 유효 전압 벡터가 인가되도록, 인버터에서 유효 전압 벡터들이 인가되는 한 주기, 즉 스위칭 주기 전체 내에서 각 유효 전압 벡터가 인가되는 시간을 쉬프트(shift)되도록 한다. 이러한 경우, 하나의 스위칭 주기 내에서 상기 쉬프트가 수행되는 것으로 상기 하나의 주기 내에서 3상 모터에 인가되는 전류 및 전압의 크기는 동일하고, 이에 따라 3상 모터의 제어에는 문제가 없으나, 상기 스위칭 주기의 절반에 해당되는 시점을 기준으로 하는 경우 유효 전압 벡터가 한쪽으로 편중된다는 문제가 있다.

따라서 이처럼 유효 전압 벡터를 소정 시간 쉬프트하는 경우, 영점, 즉 절반의 주기를 기준으로 전반 스위칭 주기와 후반 스위칭 주기가 대칭을 이루는 사인파(sine wave) 형태를 가지지 못하고, 일 방향으로 편중된 교류 전류가 3상 모터에 인가되는 바, 이러한 일그러진 교류 파형으로 인해 리플(ripple) 전류가 발생한다는 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 공간 벡터 변조(SVPWN) 방식에 따라 3상 모터를 제어할 때, 상기 리플 전류의 발생을 최소화할 수 있는 인버터를 제어하는 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치는, 유효 전압 벡터가 인가되면 인가된 유효 전압 벡터로부터 합성되는 전압 지령에 따라 회전 속도가 제어되는 3상 모터와, 공간 벡터 변조 방식(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)방식에 따라 서로 다른 유효 전압 벡터를 상기 3상 모터에 인가하는 인버터(Inverter), 및 유효 전압 벡터가 인가될 때마다, 유효 전압 벡터의 인가에 필요한 벡터 인가 시간과 상기 인버터로부터 상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하기 위한 안정화 시간을 비교하고, 상기 안정화 시간이 상기 벡터 인가 시간을 초과하는 경우 상기 안정화 시간과 상기 벡터 인가 시간의 차를 초과 시간으로 검출하며, 검출된 적어도 하나의 초과 시간만큼 더 인가된 적어도 하나의 유효 전압 벡터에 대해 상반된 방향을 가지는 적어도 하나의 역전압 벡터를 결정하고, 결정된 적어도 하나의 역전압 벡터가, 기 설정된 스위칭 주기의 절반이 되는 시점을 기준으로 인가되도록 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 스위칭 주기의 절반이 되는 시점인 기준 시점으로부터, 상기 적어도 하나의 초과 시간들의 합에 대응하는 시간을 역산하여 상기 역전압 벡터가 인가될 시점을 결정하고, 결정된 역전압 벡터 인가 시점으로부터, 각 초과 시간에 대응하는 역전압 벡터들을 순차적으로 인가하도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 기준 시점 이전에 인가된 상기 역전압 벡터들과 상기 유효 전압 벡터들이, 상기 기준 시점 이후의 스위칭 주기 동안에 동일하게 인가되도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 기준 시점 이후의 스위칭 주기 동안에 인가되는 역전압 벡터들과 유효 전압 벡터들은, 상기 기준 시점 이전에 인가된 상기 역전압 벡터들과 상기 유효 전압 벡터들에, 상기 기준 시점을 기준으로 서로 대칭되는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 인버터는, 상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 감지부를 더 포함하며, 상기 전류 감지부는, 상기 인버터에 구비된 복수의 스위치에 연결된 하나의 션트(shunt) 저항 및, 상기 션트 저항으로부터 검출되는 전압을 증폭하기 위한 적어도 하나의 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 안정화 시간은, 상기 인버터에 입력되는 직류 전류로 전류를 변환하는 컨버터(Converter)의 안정화에 소요되는 시간과, 상기 증폭기의 전압 증폭에 소요되는 시간을 포함하는 시간임을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 방법은, 3상 모터에 인가될 유효 전압 벡터들이 인가될 때마다, 상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하기 위한 안정화 시간, 각 유효 전압 벡터가 인가되기 위해 필요한 벡터 인가 시간을 비교하는 제1 단계와, 상기 제1 단계의 비교 결과들에 따라, 상기 안정화 시간과 각 벡터 인가 시간의 차이인 초과 시간들을 적어도 하나 검출하는 제2 단계와, 상기 초과 시간들에 근거하여 역전압 벡터들이 인가될 역전압 벡터 인가 시간을 산출하는 제3 단계와, 기 설정된 스위칭 주기의 절반이 되는 시점을 기준 시점으로, 상기 산출된 역전압 벡터 인가 시간을 역산하여 역전압 벡터가 인가될 시점을 결정하는 제4 단계와, 상기 검출된 적어도 하나의 초과 시간 동안 상기 3상 모터에 인가된 유효 전압 벡터에 근거하여, 상기 적어도 하나의 초과 시간 각각에 대응하는 적어도 하나의 역전압 벡터를 결정하는 제5 단계와, 상기 결정된 역전압 벡터 인가 시점으로부터 상기 적어도 하나의 초과 시간 각각에 대응하는 적어도 하나의 역전압 벡터를 인가하도록 인버터(inverter)를 제어하는 제6 단계 및, 상기 기준 시점 이전에 인가된 상기 역전압 벡터들과 상기 유효 전압 벡터들이, 상기 기준 시점 이후의 스위칭 주기 동안에 동일하게 인가되도록 상기 인버터를 제어하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시 예에 있어서, 상기 적어도 하나의 역전압 벡터는, 상기 적어도 하나의 초과 시간만큼 더 인가된 적어도 하나의 유효 전압 벡터 각각과 상반된 방향을 가지는 유효 전압 벡터임을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 인버터 제어 장치 및 제어 방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 본 발명은 하드웨어 안정화 시간이 유효 벡터 인가에 소요되는 시간을 초과하는 경우, 초과된 시간에 인가된 벡터에 대응하는 역전압 벡터를, 스위칭 주기의 절반에 대응하는 시점을 기준으로 인가하고, 상기 역전압 벡터가 인가된 전반 스위칭 주기에 대칭되도록 후반 스위칭 주기를 제어함으로써, 상기 스위칭 주기의 전반 및 후반이 서로 대칭되도록 할 수 있다. 이에 본 발명은 3상 모터에 인가되는 교류 전류가 전반 스위칭 주기와 후반 스위칭 주기가 서로 대칭을 이룸으로써, 전류 파형의 일그러짐으로부터 발생하는 리플 전류의 발생이 억제될 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치의 구조를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치에 구비된 인버터의 구조의 예를 보다 자세히 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치에서, 인버터를 통해 인가되는 유효 전압 벡터들의 예 및, 하나의 스위칭 주기에서 인가되는 유효 전압 벡터가 인가되는 이상적인 경우의 예를 도시한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치에서, 유효 전압 벡터들을 인가하는 인버터를 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치에서, 전반 스위칭 주기에서 역전압 벡터가 인가되는 과정을 도시한 개념도들이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 유효 전압 벡터들이 인가된 스위칭 주기의 예와, 통상적인 인버터 제어 방법에 따라 유효 전압 벡터들이 인가된 스위칭 주기의 예를 도시한 예시도이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다." 또는 "포함한다." 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서 본 명세서에 개시된 각 실시 예들 뿐만 아니라 적어도 하나의 실시 예들의 조합역시 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있음은 물론이다.

우선 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)의 구조를 도시한 블록도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)에 구비된 인버터의 구조의 예를 보다 자세히 도시한 예시도이다. 그리고 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)에서, 인버터를 통해 인가되는 유효 전압 벡터들의 예 및, 하나의 스위칭 주기에서 인가되는 유효 전압 벡터가 인가되는 이상적인 경우의 예를 도시한 예시도이다.

먼저 도 1을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)는 제어부(100)와, 상기 제어부(100)에 연결되며, 상기 제어부(100)에 의해 제어되는 인버터(110), 그리고 상기 인버터(110)에 의해 기 설정된 방식(예 : SVPWM 방식)에 따른 유효 전압 벡터가 인가되는 모터(120)를 포함하여 구성될 수 있다. 그러나 도 1에 도시된 구성요소들은 인버터 제어 장치(1)를 구현하는데 있어서 필수적인 것은 아니어서, 본 명세서 상에서 설명되는 인버터 제어 장치(1)는 위에서 열거된 구성요소들 보다 얼마든지 더 많거나, 또는 더 적은 구성요소들을 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 구성 요소들 중 모터(motor)(120)는 3상 모터로서, 상기 인버터(Inverter)(110)를 통해 인가되는 유효 전압 벡터에 따른 교류 전류에 의해 회전이 제어될 수 있다.

그리고 인버터(110)는, 컨버터(converter, 도시되지 않음)를 통해 전환된 직류로 전류를 임의의 주파수와 전압을 가지는 교류 전류로 변환하여 연결된 모터(120)에 인가할 수 있다. 이러한 변환을 위해 인버터(110)는 SVPWM 방식과 같은 변조 방식을 통해 상기 직류 전류를 교류 전류로 변환할 수 있으며, 상기 전류 변환을 위한 복수의 소자들을 포함할 수 있다.

일 예로 상기 복수의 소자들은 복수의 스위치들일 수 있다. 이러한 경우 인버터(110)는 도 2에서 보이고 있는 바와 같이, 상단 및 후단에 서로 대응되도록 각각 배치된 세 쌍, 총 6개의 스위치를 포함할 수 있다. 그리고 각 스위치를 통해 조합되는 3자리(U, V, W)의 2진수로 유효 전압 벡터들이 모터(120)로 인가될 수 있으며, 상기 유효 전압 벡터들의 합성을 통해 모터(120)를 제어하기 위한 지령 전압이 결정될 수 있다.

한편 도 3의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)에서, 인버터를 통해 인가되는 유효 전압 벡터들의 예들을 보이고 있다. 도 3의 (a)에서 보이고 있는 제1 벡터(V1) 내지 제6 벡터(V6)는 각각 인버터(110)에서 인가되는 U,V,W 신호값이 각각 (1,0,0), (1,1,0), (0,1,0), (0,1,1), (0, 0, 1), 및 (1, 0, 1)일 때 인가될 수 있다.

한편 인버터(110)는 제어부(100)의 제어에 따라 모터(120)의 회전을 제어하기 위해, 상기 모터(120)에 인가되는 유효 전압 벡터들을 인가할 수 있다. 즉, 인버터(110)는 상기 모터(120)에 인가되는 유효 전압 벡터들을 상기 제어부(100)의 제어에 따라 변경하며, 이를 위해 각 스위치들을 제어할 수 있다. 이 경우 인버터(110)가 스위치들을 제어하여 다른 유효 전압 벡터가 인가되기까지는 상기 스위치들의 안정화 및 제어를 위해 소정의 시간이 소요된다. 이하 이를 유효 전압 벡터 인가 시간이라고 하기로 한다.

한편, 제어부(100)가 정밀하게 모터(120)의 회전을 제어하기 위해서는 상기 모터(120)에 인가되는 전류의 크기를 정확하게 검출하여야 한다. 이를 위해인버터(110)는 모터(120)로 인가되는 전류의 크기를 감지하고 감지된 값을 제어부(100)에 입력하기 위한 전류 감지부(112)를 포함할 수 있다.

여기서 상기 모터(120)에 인가되는 전류의 크기는, 인버터(110)에 구비된 스위치들을 통해 인가되는 전류들의 합일 수 있다. 따라서 전류 감지부(112)는 도 2에서 보이고 있는 바와 같이, 각 스위치들에 연결되는 션트(shunt) 저항(200)을 포함할 수 있다. 그리고 션트 저항(200)으로부터 검출되는 전압을 증폭할 수 있는 증폭부(210)를 포함할 수 있다.

이에 따라 전류 감지부(112)는 각 스위치들을 통해 인가되는 전류와 상기 션트 저항(200)의 저항값에 따라 검출되는 전압값으로, 상기 스위치들을 통해 모터(120)로 인가되는 전류의 크기를 검출할 수 있다. 이 경우 검출되는 전압의 크기는 매우 작으므로, 상기 증폭기(210)를 통해 증폭하고 증폭된 전압값을 제어부(100)에 입력할 수 있다.

한편 이처럼 유효 전압 벡터 시간에 따라 유효 전압 벡터들이 인가되는 경우, 도 3의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이, 스위칭 주기, 즉 유효 전압 벡터들이 인가되는 한 주기의 절반(300)을 중심으로, 전반 스위칭 주기와 후반 스위칭 주기가 완벽하게 대칭을 이루는 스위칭 주기가 생성될 수 있다.

도 3의 (b)를 참조하여 살펴보면, S1, S2, S3는 각각 U, B, W 신호의 값들에 대응할 수 있다. 그리고 S1, S2, S3 각각에서 낮은 값은 0을, 높은 값은 1이 인가되는 경우일 수 있다. 이처럼 전반의 스위칭 주기와 후반의 스위칭 주기가 대칭을 이루는 경우, 양의 값을 가지는 반 주기와 음의 값을 가지는 반 주기가 서로 대칭을 이루는 사인파(sine wave)와 같은 교류 파형이 생성될 수 있다. 이러한 경우 파형의 일그러짐이 없으므로, 왜곡으로 인한 리플 전류가 발생하지 않을 수 있다.

그런데 제어부(100)가 정밀하게 모터(120)의 회전을 제어하기 위해서는 상기 모터(120)에 인가되는 전류의 크기를 정확하게 검출하여야 한다. 그리고 이를 위해서는 상술한 바와 같이, 전류의 크기를 검출하기 위해서는, 교류 전류가 직류 전류로 변환하는 컨버터(도시되지 않음)가 안정화되는데 소요되는 시간 및, 전류 감지부(112)에서 션트 저항(200)을 통해 검출된 전압이 증폭기(210)를 통해 증폭하는데 소요되는 시간 등, 전류의 감지에 필요한 소정의 시간을 필요로 한다. 이하 상기 전류의 감지에 필요한 최소한의 시간을 하드웨어 안정화 시간이라고 하기로 한다.

한편 상기 하드웨어 안정화 시간은, 상술한 바와 같이 전류의 감지에 필요한 최소한의 시간을 의미하므로, 제어부(100)는 상기 하드웨어 안정화 시간이 경과되어야 모터(120)에 인가되는 전류를 센싱할 수 있다. 그런데 상기 하드웨어 안정화 시간이 상기 유효전압벡터 인가 시간보다 긴 경우, 제어부(100)가 전류 센싱을 하기 전에 다른 유효전압 벡터가 인가될 수 있다. 따라서 제어부(100)는 상기 하드웨어 안정화 시간이 경과된 이후에 유효전압 벡터가 인가되도록, 상기 하드웨어 안정화 시간 또는 유효전압 벡터 인가 시간 중 큰 값을 가지는 시간이 경과된 이후에 유효전압 벡터가 인가되도록 인버터(110)를 제어할 수 있다. 이에 제1 유효전압 벡터가 인가된 상태에서, 상기 유효전압 벡터 인가 시간을 초과하는 하드웨어 안정화 시간만큼, 다른 유효전압 벡터(제2 유효전압 벡터)가 인가되는 시간이 지연될 수 있으며, 이에 따라 상기 초과되는 시간만큼, 상기 제1 유효전압 벡터가 인가되는 시간이 더 길어질 수 있다.

이러한 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)의 제어부(100)는, 상기 유효전압 벡터 인가 시간을 초과하는 하드웨어 안정화 시간(이하 초과 시간)을 검출할 수 있다. 일 예로 제어부(100)는 먼저 유효 전압 벡터 인가 시간과 하드웨어 안정화 시간을 비교하고, 하드웨어 안정화 시간이 더 큰 경우, 상기 하드웨어 안정화 시간과 상기 유효 전압 벡터 인가 시간의 차이를 상기 초과 시간으로 검출할 수 있다.

그리고 제어부(100)는 전체 스위칭 주기의 절반을 중심으로 전반 스위칭 주기에, 상기 검출된 초과 시간만큼 상기 더 인가된 제1 유효전압 벡터에 반대 방향에 대응하는 벡터, 즉 역전압 벡터를 인가함으로써, 상기 더 인가된 제1 유효전압 벡터를 보상할 수 있다. 그리고 나머지 스위칭 주기, 상기 전제 스위칭 주기의 절반을 중심으로 후반 스위칭 주기를 상기 전반 스위칭 주기와 동일하게 유효 전압 벡터들(역전압 벡터 포함)이 인가되도록 인버터(110)를 제어할 수 있다. 이에 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)는 전체 스위칭 주기의 절반을 중심으로 전반 스위칭 주기와 후반 스위칭 주기가 대칭을 이룰 수 있으며, 이 경우 모터(120)에 인가되는 교류 전류는 양의 값을 가지는 반 주기와 음의 값을 가지는 반 주기가 서로 대칭을 이루므로 파형의 왜곡으로 인한 리플 전류의 발생이 억제될 수 있다.

한편 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)에서, 제어부(100)가 인버터(110)를 제어하는 동작 과정을 도시한 흐름도이다. 그리고 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)에서, 전반 스위칭 주기에서 역전압 벡터가 인가되는 과정을 도시한 개념도들이다.

먼저 도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)의 제어부(100)는 모터(120)를 제어하기 위해 제1 유효 전압 벡터를 인가할 수 있다(S400). 일 예로 상기 제1 유효 전압 벡터는 가장 먼저 모터(120)에 인가되는 유효전압 벡터로서, S1, S2, S3의 값이 (0,0,0)이 아닌 값이 인가되는 경우를 의미할 수 있다. 즉, 도 5의 (a)에서 S1의 값이 ‘1’로 변경될 때, 인버터(110)는 (1,0,0)의 값에 대응하는 벡터(제1 벡터, V1)를 모터(120)에 인가할 수 있다.

그러면 제어부(100)는 안정화 시간(제1 안정화 시간)이, 제2 유효 전압 벡터가 인가되는데 소요되는 시간을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다(S402). 그리고 S402 단계의 판단 결과 제1 안정화 시간이, 제2 유효 전압 벡터 인가 시간 이하인 경우(즉 제1 안정화 시간이, 제2 유효 전압 벡터 인가 시간을 초과하는 시간(제1 초과 시간, T1)이 ‘0’인 경우)라면, 제2 유효 전압 벡터를 인가할 수 있다(S406).

그러나 제1 안정화 시간이 제2 유효 전압 벡터가 인가되는데 소요되는 시간을 초과하는 경우라면, 제1 안정화 시간이 제2 유효 전압 벡터 인가 시간을 초과하는 시간(T1)만큼 제2 유효 전압 벡터 인가를 지연시킬 수 있다. 그리고 상기 제1 초과 시간이 지연된 이후에 상기 제2 유효 전압 벡터를 인가할 수 있다(S404).

이를 도 5의 (a)를 참조하여 살펴보면, 제2 유효 전압 벡터 인가 시간(531)을, 제1 초과 시간(T1, 511)만큼 초과하는 제1 하드웨어 안정화 시간으로 인해, 제2 유효 전압 벡터(도 5의 (a)에서 S2의 값이 ‘1’로 변경되어 (1,1,0)의 값에 대응하는 벡터(제2 벡터, V2))가 상기 제1 초과 시간(T1, 511)만큼 지연되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 상기 제1 초과 시간(T1, 511)만큼 제1 유효 전압 벡터(V1, 521)가 더 인가되는 것을 알 수 있다.

한편 상기 S404 단계 또는 S406 단계에서 제2 유효전압 벡터(V2)가 인가되는 경우, 제어부(100)는 안정화 시간(제2 안정화 시간)이, 제3 유효 전압 벡터가 인가되는데 소요되는 시간을 초과하는지 여부를 판단할 수 있다(S408). 그리고 S408 단계의 판단 결과 제2 안정화 시간이, 제3 유효 전압 벡터 인가 시간 이하인 경우(즉 제2 안정화 시간이, 제3 유효 전압 벡터 인가 시간을 초과하는 시간(제2 초과 시간, T2)이 ‘0’인 경우)라면, 제3 유효 전압 벡터를 인가할 수 있다(S412).

그러나 제2 안정화 시간이 제3 유효 전압 벡터가 인가되는데 소요되는 시간을 초과하는 경우라면, 제2 안정화 시간이 제3 유효 전압 벡터 인가 시간을 초과하는 시간(T2)만큼 제3 유효 전압 벡터 인가를 지연시킬 수 있다. 그리고 상기 제2 초과 시간이 지연된 이후에 상기 제3 유효 전압 벡터를 인가할 수 있다(S410).

이를 도 5의 (a)를 참조하여 살펴보면, 제3 유효 전압 벡터 인가 시간(532)을, 제2 초과 시간(T2, 512)만큼 초과하는 제2 하드웨어 안정화 시간으로 인해, 제3 유효 전압 벡터(도 5의 (a)에서 S3의 값이 ‘1’로 변경되어 (1,1,1)의 값에 대응하는 벡터(제3 벡터, V3))가 상기 제2 초과 시간(T2, 512)만큼 지연되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 상기 제2 초과 시간(T2, 512)만큼 제2 유효 전압 벡터(V2, 522)가 더 인가되는 것을 알 수 있다.

한편 상기 S410 단계 또는 S412 단계에서 제3 유효전압 벡터(V3)가 인가되는 경우, 제어부(100)는 역전압 벡터가 인가될 시간을 산출할 수 있다(S414). 여기서 제어부(100)는 상기 제1 초과 시간(T1) 및 제2 초과 시간(T2)을 합한 시간만큼 상기 역전압 벡터가 인가될 시간을 결정할 수 있다.

이 경우 상기 제1 초과 시간(T1)이 0인 경우(예 : S406 단계를 통해 제2 유효 전압 벡터가 인가되는 경우), 제어부(100)는 제2 초과 시간(T2)을 상기 역전압 벡터가 인가될 시간으로 결정할 수 있다. 또는 상기 제2 초과 시간(T2)이 0인 경우(예 : S412 단계를 통해 제3 유효 전압 벡터가 인가되는 경우), 제어부(100)는 제1 초과 시간(T1)을 상기 역전압 벡터가 인가될 시간으로 결정할 수 있다. 또는 상기 제1 안정화 시간 및 제2 안정화 시간이, 각각 상기 제2 유효전압 벡터 인가 시간 및 제3 유효전압 벡터 인가 시간 이하임에 따라 상기 제1 초과 시간(T1) 및 제2 초과 시간(T2)이 모두 0인 경우 제어부(100)는 상기 S414 단계에서 역전압 벡터가 인가될 시간을 설정하지 않을 수도 있다.

한편 상기 S414 단계에서 역전압 벡터가 인가될 시간이 결정되면, 제어부(100)는 전체 스위칭 주기의 절반이 되는 시점을 기준 시점으로, 상기 기준 시점으로부터 상기 S412 단계에서 결정된 역전압 벡터 인가 시간을 역산하여 상기 역전압 벡터가 인가될 시점(T_R)을 결정할 수 있다(S416).

예를 들어 상기 S402 단계에서 제1 안정화 시간이 제2 유효 전압 벡터 인가 시간을 제1 초과 시간(T1) 만큼 초과하고, 상기 S408 단계에서 제2 안정화 시간이 제3 유효 전압 벡터 인가 시간을 제2 초과 시간(T2) 만큼 초과하는 경우, 제어부(100)는 도 5의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이 제1 초과 시간(T1)과 제2 초과 시간(T2)을 합한 시간만큼 역전압 벡터가 인가될 시간을 결정할 수 있다. 그리고 전체 스위칭 주기의 절반이 되는 시점(500)을 기준으로, 상기 결정된 역전압 벡터 인가 시간을 역산하여, 역전압 벡터가 인가될 시점(T_R : 550)을 결정할 수 있다. 이 경우 상기 결정된 시점(T_R : 550)으로부터 기준 시점(500)에 이르는 시간은 제1 역전압 벡터 인가 시간(T1', 551)과 제2 역전압 벡터 인가 시간(T2', 552)을 포함할 수 있다.

그리고 제어부(100)는 상기 S416 단계에서 결정된 역전압 벡터 인가 시점(T_R)으로부터 순차적으로 제1 초과 시간(T1)에 대응하는 제1 역전압 벡터 인가 시간(T1') 동안, 상기 제1 벡터(V1)에 대응하는 역전압 벡터, 즉 제1 역전압 벡터(V1')를 인가하도록 인버터(110)를 제어할 수 있다(S418). 이 경우 상기 제1 역전압 벡터(V1')는, 상기 제1 초과 시간(T1, 511)만큼 더 인가된 제1 유효 전압 벡터(V1, 521)에 반대되는 방향의 벡터일 수 있다. 이에 따라 상기 S402 단계에서 제1 안정화 시간이 제2 유효 전압 벡터 인가 시간을 초과함에 따라 제1 초과 시간(T1) 동안 더 인가된 제1 벡터(V1)가 보상될 수 있다.

그리고 제어부(100)는 제1 역전압 벡터 인가 시간(T1')이 경과되면, 제2 역전압 벡터 인가 시간(T2') 동안 상기 제2 벡터(V2)에 대응하는 역전압 벡터, 즉 제2 역전압 벡터(V2')를 인가하도록 인버터(110)를 제어할 수 있다(S420). 이 경우 상기 제2 역전압 벡터(V2')는, 상기 제2 초과 시간(T2, 512)만큼 더 인가된 제2 유효 전압 벡터(V2, 522)에 반대되는 방향의 벡터일 수 있다. 이에 따라 상기 S408 단계에서 제2 안정화 시간이 제3 유효 전압 벡터 인가 시간을 초과함에 따라 제2 초과 시간(T2) 동안 더 인가된 제2 벡터(V2)가 보상될 수 있다.

이러한 도 4의 S418 단계 내지 S420 단계를 도 6을 참조하여 살펴보면, 도 6의 (a)는 제1 역전압 벡터(V1')가 인가되는 도 4의 S418 단계의 예를, 도 6의 (b)는 제2 역전압 벡터(V2')가 인가되는 도 4의 S420 단계의 예를 도시하고 있는 것이다.

상기 도 4의 S416 단계에서, 역전압 벡터를 인가할 시점(T_R)이 결정되면, 본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)의 제어부(100)는, 도 6의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이 먼저 제1 초과 시간(T1, 511)에 대응하는 제1 역전압 벡터 인가 시간(T1', 551) 동안 제1 벡터(V1, 521)에 대응하는 제1 역전압 벡터(V1', 601)를 인가하도록 인버터(110)를 제어할 수 있다.

따라서 제어부(100)는, 도 6의 (a)에서 보이고 있는 바와 같이, 제1 벡터(V1, 521)가 S1, S2, S3의 값이 (1, 0, 0)인 경우, 이에 상반되는 방향의 벡터, 즉, S1, S2, S3의 값이 (0, 1, 1)을 가지는 제1 역전압 벡터(V1', 601)가 제1 역전압 벡터 인가 시간(T1', 551) 동안 인가되도록 인버터(110)를 제어할 수 있다.

한편 제1 역전압 벡터 인가 시간(T1', 551) 동안 제1 역전압 벡터(V1', 601)가 인가되면, 제어부(100)는 도 6의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이 제2 초과 시간(T2, 512)에 대응하는 제2 역전압 벡터 인가 시간(T2', 552) 동안 제2 벡터(V2, 522)에 대응하는 제2 역전압 벡터(V2', 602)를 인가하도록 인버터(110)를 제어할 수 있다.

따라서 제어부(100)는, 도 6의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이, 제2 벡터(V2, 522)가 S1, S2, S3의 값이 (1, 1, 0)인 경우, 이에 상반되는 방향의 벡터, 즉, S1, S2, S3의 값이 (0, 0, 1)을 가지는 제2 역전압 벡터(V2', 602)가 제2 역전압 벡터 인가 시간(T2', 552) 동안 인가되도록 인버터(110)를 제어할 수 있다.

한편 도 4의 S420 단계에서, 제1 및 제2 역전압 벡터가 모두 인가되면, 제어부(100)는 기준 시점, 즉 전체 스위칭 주기의 절반이 되는 시점을 중심으로, 전반 스위칭 주기에 대칭되게 후반 스위칭 주기에 인가되는 유효 전압 벡터들이 인가되도록 인버터(110)를 제어할 수 있다(S422). 즉 제어부(100)는 상기 제2 역전압 벡터(V2'), 제1 역전압 벡터(V1')가 상기 기준 시점을 중심으로 순차적으로 인가되도록 인버터(110)를 제어할 수 있다.

도 7은 이처럼 본 발명의 실시 예에 따라 유효 전압 벡터들이 인가된 스위칭 주기의 예와, 통상적인 인버터 제어 방법에 따라 유효 전압 벡터들이 인가된 스위칭 주기의 예를 도시한 예시도이다.

먼저 도 7의 (a)를 참조하여 살펴보면, 도 7의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따라 유효 전압 벡터들이 인가되는 경우의 스위칭 주기를 도시한 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 인버터 제어 장치(1)의 경우, 제어부(100)가 유효전압 벡터가 인가되는 시간을 초과하는 하드웨어 안정화 시간을, 역전압 벡터를 인가하여 보상함으로써, 도 7의 (a)에서 보이고 있는 경우와 같이, 전체 스위칭 주기의 절반이 되는 시점(700)을 기준으로, 전반 스위칭 주기(711)에 인가되는 유효전압 벡터들과 후반 스위칭 주기(712)에 인가되는 유효전압 벡터들이 정확하게 서로 대칭을 이루고 있음을 알 수 있다.

이에 본 발명의 실시 예에 따른 인버터(110)로부터 모터에 인가되는 교류 전류는, 전압이 0이 되는 영점(기준점: 700)을 중심으로 양(+) 전압이 인가되는 시간(711)과 음(-) 전압이 인가되는 시간(712)이 일치하게 된다. 따라서 전류의 왜곡이 발생하지 않으며, 이에 따라 상기 전류 왜곡에 따른 리플 전류의 발생이 적어지게 된다. 뿐만 아니라 본 발명의 경우 전반 스위칭 주기(711)와 후반 스위칭 주기(712)가 서로 대칭되므로, 스위칭 주기의 전반 및 후반 각각에 대해 전류를 검출할 수 있다. 이에 따라 하나의 스위칭 주기에 대해 2번의 샘플링이 가능하므로 전류 해상도(resolution)를 크게 높일 수 있다는 효과가 있다.

그러나 통상적인 인버터 제어 방법에 따라 유효 전압 벡터들이 인가된 스위칭 주기를 보이고 있는 도 7의 (b)를 참조하여 살펴보면, 통상적인 경우, 전체 스위칭 주기 내에서, 유효전압 벡터가 인가되는 시간을 초과하는 하드웨어 시간들만큼 유효전압 벡터가 인가되는 시점이 지연, 즉 쉬프트(shift)되도록 함을 알 수 있다.

이에 따라 도 7의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이, 전반 스위칭 주기(711)에 인가되는 유효전압 벡터들과 후반 스위칭 주기(712)에 인가되는 유효전압 벡터들이 서로 비대칭을 이루게 되며, 이에 따라 통상적인 경우 인버터로부터 모터에 인가되는 교류 전류는, 전압이 0이 되는 영점(기준점: 700)을 중심으로 양(+) 전압이 인가되는 시간(751)과 음(-) 전압이 인가되는 시간(752)이 서로 달라질 수 있음을 알 수 있다. 따라서 통상적인 인버터 제어 방법에 따르는 경우, 전류의 왜곡이 발생하고 그에 따른 리플 전류가 발생할 수 있음을 알 수 있다.

한편 상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석 되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 인버터 제어 장치
100 : 제어부 110 : 인버터
112 : 전류 감지부 120 : 모터

Claims

유효 전압 벡터가 인가되면 인가된 유효 전압 벡터로부터 합성되는 전압 지령에 따라 회전 속도가 제어되는 3상 모터;
공간 벡터 변조 방식(Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM)방식에 따라 서로 다른 유효 전압 벡터를 상기 3상 모터에 인가하는 인버터(Inverter); 및,
유효 전압 벡터가 인가될 때마다, 유효 전압 벡터의 인가에 필요한 벡터 인가 시간과 상기 인버터로부터 상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하기 위한 안정화 시간을 비교하고, 상기 안정화 시간이 상기 벡터 인가 시간을 초과하는 경우 상기 안정화 시간과 상기 벡터 인가 시간의 차를 초과 시간으로 검출하며,
검출된 적어도 하나의 초과 시간만큼 더 인가된 적어도 하나의 유효 전압 벡터에 대해 상반된 방향을 가지는 적어도 하나의 역전압 벡터를 결정하고, 결정된 적어도 하나의 역전압 벡터가, 기 설정된 스위칭 주기의 절반이 되는 시점을 기준으로 인가되도록 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 스위칭 주기의 절반이 되는 시점인 기준 시점으로부터, 상기 적어도 하나의 초과 시간들의 합에 대응하는 시간을 역산하여 상기 역전압 벡터가 인가될 시점을 결정하고,
결정된 역전압 벡터 인가 시점으로부터, 각 초과 시간에 대응하는 역전압 벡터들을 순차적으로 인가하도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 기준 시점 이전에 인가된 상기 역전압 벡터들과 상기 유효 전압 벡터들이, 상기 기준 시점 이후의 스위칭 주기 동안에 동일하게 인가되도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 장치.
제3항에 있어서,
상기 기준 시점 이후의 스위칭 주기 동안에 인가되는 역전압 벡터들과 유효 전압 벡터들은,
상기 기준 시점 이전에 인가된 상기 역전압 벡터들과 상기 유효 전압 벡터들에, 상기 기준 시점을 기준으로 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 인버터는,
상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 감지부를 더 포함하며,
상기 전류 감지부는,
상기 인버터에 구비된 복수의 스위치에 연결된 하나의 션트(shunt) 저항; 및,
상기 션트 저항으로부터 검출되는 전압을 증폭하기 위한 적어도 하나의 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 장치.
제5항에 있어서, 상기 안정화 시간은,
상기 인버터에 입력되는 직류 전류로 전류를 변환하는 컨버터(Converter)의 안정화에 소요되는 시간과, 상기 증폭기의 전압 증폭에 소요되는 시간을 포함하는 시간임을 특징으로 하는 인버터 제어 장치.
3상 모터에 인가될 유효 전압 벡터들이 인가될 때마다, 상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하기 위한 안정화 시간, 각 유효 전압 벡터가 인가되기 위해 필요한 벡터 인가 시간을 비교하는 제1 단계;
상기 제1 단계의 비교 결과들에 따라, 상기 안정화 시간과 각 벡터 인가 시간의 차이인 초과 시간들을 적어도 하나 검출하는 제2 단계;
상기 초과 시간들에 근거하여 역전압 벡터들이 인가될 역전압 벡터 인가 시간을 산출하는 제3 단계;
기 설정된 스위칭 주기의 절반이 되는 시점을 기준 시점으로, 상기 산출된 역전압 벡터 인가 시간을 역산하여 역전압 벡터가 인가될 시점을 결정하는 제4 단계;
상기 검출된 적어도 하나의 초과 시간 동안 상기 3상 모터에 인가된 유효 전압 벡터에 근거하여, 상기 적어도 하나의 초과 시간 각각에 대응하는 적어도 하나의 역전압 벡터를 결정하는 제5 단계;
상기 결정된 역전압 벡터 인가 시점으로부터 상기 적어도 하나의 초과 시간 각각에 대응하는 적어도 하나의 역전압 벡터를 인가하도록 인버터(inverter)를 제어하는 제6 단계; 및,
상기 기준 시점 이전에 인가된 상기 역전압 벡터들과 상기 유효 전압 벡터들이, 상기 기준 시점 이후의 스위칭 주기 동안에 동일하게 인가되도록 상기 인버터를 제어하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 역전압 벡터는,
상기 적어도 하나의 초과 시간만큼 더 인가된 적어도 하나의 유효 전압 벡터 각각과 상반된 방향을 가지는 유효 전압 벡터임을 특징으로 하는 인버터 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 기준 시점 이후의 스위칭 주기 동안에 인가되는 역전압 벡터들과 유효 전압 벡터들은,
상기 기준 시점 이전에 인가된 상기 역전압 벡터들과 상기 유효 전압 벡터들에, 상기 기준 시점을 기준으로 서로 대칭되는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 방법.
제7항에 있어서, 상기 인버터는,
상기 3상 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 감지부를 더 포함하며,
상기 전류 감지부는,
상기 인버터에 구비된 복수의 스위치에 연결된 하나의 션트(shunt) 저항; 및,
상기 션트 저항으로부터 검출되는 전압을 증폭하기 위한 적어도 하나의 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인버터 제어 방법.
제10항에 있어서, 상기 안정화 시간은,
상기 인버터에 입력되는 직류 전류로 전류를 변환하는 컨버터(Converter)의 안정화에 소요되는 시간과, 상기 증폭기의 전압 증폭에 소요되는 시간을 포함하는 시간임을 특징으로 하는 인버터 제어 방법.