KR20220159667A - 2상 모터 구동 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

2상 모터 구동 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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권선구
정재훈
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Abstract

본 발명은, 전원전압 및 펄스폭변조신호에서 제어되는 스위칭 소자를 이용하여 모터의 제1 상을 구동하는 상위 및 하위의 제1 스위칭 소자의 적어도 한 조와, 상기 모터의 제2 상을 구동하는 상위 및 하위의 제2 스위칭 소자의 적어도 한 조에 의하여 스위칭되는 두 개의 위상으로 구동하는 상기 모터에서 단일의 전류 감지기로 상전류를 계측하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 제1 상에 제1 전압지령과 제2 전압지령과 캐리어를 비교하여 상기 제1 스위칭 소자의 상태를 결정하고, 상기 제2 상에 상기 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령과 상기 캐리어를 비교하여 상기 제2 스위칭 소자의 상태를 결정하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

2상 모터 구동 시스템 및 그 제어방법 {System for driving two-phase motor and method for controlling same}
본 발명은 모터 구동 시스템에 관한 것으로, 특히, 2상 입력 전원을 가지는 2상 모터의 구동 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 모터의 구동 및 제어를 위해 직류 전원으로부터 교류 전원을 발생하는 전력 변환 장치인 인버터를 사용하는데, 모터의 구동 및 제어를 위해서 단상, 2상 또는 3상으로 시스템을 구성할 수 있다.
모터 및 구동장치가 청소기와 같은 소형 제품에 적용되기 위해서 제한된 체적 내에서 출력을 증가시키고, 모터의 운전 속도의 상승과 더불어 유로 효율 개선할 필요가 있다. 또한, 작은 체적을 차지하는 모터 설계 용량을 증가시킬 필요성이 있다.
이러한 모터의 구동시 부하 변동에 의한 모터의 출력 토크를 제어하거나 가변속 제어 기술 적용을 위해서는 상전류 측정이 필수적일 수 있다.
저가형 인버터 회로 구성을 위해서는 위와 같은 상전류 정보를 상-션트로 직접 측정하는 방식 적용은 불합리할 수 있다. 이는 높은 공통 모드 전압에서도 동작하는 차동 증폭기 회로와 플로팅된 전압을 입력 받는 절연 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하여 정밀한 아날로그 회로 설계가 필요하기 때문이다.
따라서 인버터부의 고장 감지를 위해 일반적으로 적용될 수 있는 직류단 션트 저항을 활용한 상전류 측정 및 복원 회로를 적용이 효과적일 수 있다.
직류단 션트 저항을 이용하는 방식에서는 스위칭 상태의 변화에 따라 '전류 천이 상태'가 발생하고 전류 정보 취득을 위해서는 스위칭 상테가 유지되어야 하는 '최소 시간'이 필요할 수 있다.
이와 같은 최소 시간 보다 짧은 유효 전압 벡터가 인가되거나 스위칭 상태의 변화가 발생할 때에 전류 측정이 불가능할 수 있다.
따라서 이와 같은 상황을 극복하고 항상 상전류 측정이 가능한 모터의 구동 시스템을 구현할 필요성이 대두된다.
해결하고자 하는 기술적 과제는 직류단 단일 션트 저항을 이용한 인버터에서 직류단 전류를 이용하여 상전류를 측정함에 있어서, 항상 상전류를 측정할 수 있는 2상 모터 구동 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
즉, 전류 측정 불가영역이 없이 항상 상전류를 측정 및 복원할 수 있는 2상 모터 구동 시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
나아가, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 여기에서 언급하지 않은 추가적인 기술적 효과들도 있다. 당업자는 명세서 및 도면의 전취지를 통해 이해할 수 있다.
본 발명에 의하면, 직류단 단일 션트 저항을 이용한 인버터에서 직류단 전류를 이용하여 상전류를 측정함에 있어서, 유효 전압 벡터가 인가되는 시간 간격 및 구간의 정 가운데 시점에서 상전류를 측정할 수 있다.
또한, 펄스폭변조신호를 이용하여 인버터부를 제어함에 있어서, 두 상에 바이폴라 펄스폭변조 방식 및 유니폴라 펄스폭변조 방식을 적용함으로써, 전류 측정 불가영역이 없이 항상 상전류를 측정 및 복원할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은, 전원전압 및 펄스폭변조신호에서 제어되는 스위칭 소자를 이용하여 모터의 제1 상을 구동하는 상위 및 하위의 제1 스위칭 소자의 적어도 한 조와, 상기 모터의 제2 상을 구동하는 상위 및 하위의 제2 스위칭 소자의 적어도 한 조에 의하여 스위칭되는 두 개의 위상으로 구동하는 상기 모터에서 단일의 전류 감지기로 상전류를 계측하는 2상 모터 구동 시스템을 제공할 수 있다.
이때, 제1 전압지령에 의한 제1 상을 구동하는 제1 스위칭 소자의 스위칭 지속시간이 상전류를 측정하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정할 수 있다.
구체적으로, 제1 상에 제1 전압지령 및 제2 전압지령에 의하여 유니폴라 펄스폭변조 방식에 의한 구동신호를 전달하고, 제2 상에 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령에 의하여 바이폴라 펄스폭변조 방식에 의한 구동신호를 전달할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 별도의 타이머 트리거 아날로그-디지털 컨버터(Timer Triggered ADC)의 방식 적용이 불필요하고, 추가적인 측정 전압 벡터의 인가 없이, 펄스폭변조(PWM) 인터럽트 발생 시점(PWM 캐리어의 피크(Peak))에서 상전류 측정 및 복원이 가능한 2상 모터 구동 시스템 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
보다 구체적인 일 관점으로서, 본 발명은, 전원전압 및 펄스폭변조신호에서 제어되는 스위칭 소자를 이용하여 모터의 제1 상을 구동하는 상위 및 하위의 제1 스위칭 소자의 적어도 한 조와, 상기 모터의 제2 상을 구동하는 상위 및 하위의 제2 스위칭 소자의 적어도 한 조에 의하여 스위칭되는 두 개의 위상으로 구동하는 상기 모터에서 단일의 전류 감지기로 상전류를 계측하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법에 있어서, 상기 제1 상에 제1 전압지령과 제2 전압지령과 캐리어를 비교하여 상기 제1 스위칭 소자의 상태를 결정하고, 상기 제2 상에 상기 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령과 상기 캐리어를 비교하여 상기 제2 스위칭 소자의 상태를 결정하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1 전압지령에 의한 상기 제1 상을 구동하는 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 지속시간이 상기 상전류를 측정하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정될 수 있다.
또한, 상기 제1 상은 유니폴라 펄스폭변조 방식에 의하여 구동되고, 상기 제2 상은 바이폴라 펄스폭변조 방식에 의하여 구동될 수 있다.
또한, 상기 최소시간은 상기 스위칭 소자에 구동신호가 인가된 후 상기 상전류를 측정가능한 최소시간에 해당할 수 있다.
또한, 상기 최소시간은 상기 캐리어의 전압이 상기 제1 전압지령보다 큰 피크 영역에 존재할 수 있다.
또한, 상기 최소시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭에 의하여 흐르는 전류의 안정화 시간 및 아날로그-디지털 변환시간을 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐리어의 피크 영역에서 상기 최소시간에 해당하는 시간동안 상기 제1 상에는 영벡터가 인가될 수 있다.
또한, 상기 제1 전압지령은 상기 전원전압에서 상기 캐리어의 피크 영역에서 상기 최소시간을 확보하기 위한 전압인 Vml을 뺀 크기에 해당할 수 있다.
또한, 상기 Vm1은 하기의 수학식1에 의하여 결정될 수 있다.
<수학식 1>
Figure pat00001
여기서, 상기 Ts는 펄스폭변조신호의 주기, 상기 Tmin은 상기 최소시간, 그리고 상기 Vdc는 상기 전원전압에 해당할 수 있다.
또한, 제1 상 및 제2 상은 매 전기각 90도마다 서로 교번할 수 있다.
보다 구체적인 다른 관점으로서, 본 발명은, 2상 전동기에서 단일의 감지기로 상전류를 계측하는 2상 모터 구동 시스템에 있어서, 전원부; 상기 전원부로부터 공급되는 전압을 이용하여 모터의 제1 상을 구동하는 상위 및 하위의 제1 스위칭 소자의 적어도 한 조와, 상기 모터의 제2 상을 구동하는 상위 및 하위의 제2 스위칭 소자의 적어도 한 조를 포함하는 인버터부; 상기 전원부 및 상기 인버터부에 연결되어, 상기 모터의 제1 상에 연결되는 코일 및 제2 상에 연결되는 코일 중 적어도 하나의 상전류를 감지하는 전류 감지기; 및 상기 인버터부에 펄스폭변조 신호를 인가하여 펄스폭변조 제어를 수행하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제어부는 상기 제1 상에 제1 전압지령 및 제2 전압지령에 의하여 유니폴라 펄스폭변조 방식에 의한 구동신호를 전달하고, 상기 제2 상에 상기 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령에 의하여 바이폴라 펄스폭변조 방식에 의한 구동신호를 전달할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 전압지령에 의한 상기 제1 상을 구동하는 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 지속시간이 상기 상전류를 계측하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 제1 상에 제1 전압지령과 제2 전압지령과 캐리어의 전압을 비교하여 상기 제1 스위칭 소자의 상태를 결정하고, 상기 제2 상에 상기 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령과 상기 캐리어의 전압을 비교하여 상기 제2 스위칭 소자의 상태를 결정할 수 있다.
또한, 2조의 상기 제1 스위칭 소자 및 2조의 상기 제2 스위칭 소자가 구비되거나, 또는, 1조의 상기 제1 스위칭 소자 및 2조의 상기 제2 스위칭 소자가 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면 아래와 같은 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 직류단 단일 션트 저항을 이용한 인버터에서 직류단 전류를 이용하여 상전류를 측정함에 있어서, 유효 전압 벡터가 인가되는 시간 간격 및 구간의 정 가운데 시점에서 상전류를 측정할 수 있다.
또한, 펄스폭변조 신호를 이용하여 인버터부를 제어함에 있어서, 두 상에 바이폴라 펄스폭변조 방식 및 유니폴라 펄스폭변조 방식을 적용함으로써, 전류 측정 불가영역이 없이 항상 상전류를 측정 및 복원할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 별도의 타이머 트리거 아날로그-디지털 컨버터(Timer Triggered ADC)의 방식 적용이 불필요하고, 추가적인 측정 전압 벡터의 인가 없이, 펄스폭변조(PWM) 인터럽트 발생 시점(PWM 캐리어의 피크(Peak))에서 상전류 측정 및 복원이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 유효 전압 벡터 다이아그램이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 인버터부 스위칭 패턴을 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 상전류를 측정하기 위한 최소시간을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 유니폴라 PWM 방식에서 전압 지령과 스위칭 패턴을 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 6는 본 발명의 제2 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 유효 전압 벡터 다이아그램이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 측정방법을 나타내는 다이아그램이다.
도 8는 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 유효 전압 벡터 다이아그램이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 인버터부 스위칭 패턴을 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 인버터부 스위칭 패턴을 나타내는 도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템을 나타내는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 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 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 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 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
나아가, 설명의 편의를 위해 각각의 도면에 대해 설명하고 있으나, 당업자가 적어도 2개 이상의 도면을 결합하여 다른 실시예를 구현하는 것도 본 발명의 권리범위에 속한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 2상 모터 구동 시스템은, 크게, 2상 모터(200)와, 이 모터(200)를 구동하는 전력 변환 장치(100)를 포함할 수 있다.
2상 모터(200)는 동기 좌표계 d축, q축 중에서 d축과 연결되는 제1 상의 제1 권선(L1)과 q축과 연결되는 제2 권선(L2)을 포함할 수 있다. 이하의 설명에서, d축, d상, 제1 상 등의 용어는 서로 혼용될 수 있다. 더불어, q축, q상, 제2 상 등의 용어는 서로 혼용될 수 있다.
이때, 제1 권선(L1)은 제1 단(211)과 제2 단(212) 사이에 연결될 수 있고, 제2 권선(L2)은 제3 단(213)과 제4 단(214) 사이에 연결될 수 있다.
이러한 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)은 전기적으로 절연된 병렬구조를 가질 수 있다. 즉, 모터(200)에서 제1 권선(L1)과 제2 권선(L2)은 서로 전기적으로 연결되지 않을 수 있다. 도 1을 참조하면 중심점(210)에서 제1 단(211)과 제3 단(213)은 전기적으로 서로 분리되어 있는 것을 알 수 있다.
이러한 2상 모터(200)를 구동하는 전력 변환 장치(100)는 직류 전압을 공급하는 전원부(110) 및 이 전원부(110)에 연결되어 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 2상 모터(200)를 구동하는 인버터부(140)를 포함할 수 있다.
여기서, 전원부(110)의 구체적인 일례는 DC-링크 회로일 수 있다. 따라서, 이하, 전원부(110)는 DC-링크 회로(110)라고 칭할 수도 있다. 이하에서는 이 둘의 용어를 병기하기로 한다.
DC-링크 회로(110)는 중성점(o)을 포함할 수 있다.
도 1에서, DC-링크 회로(110)는 이러한 중성점(o)의 양측에 위치하는 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)를 이용하여 간략하게 표현되어 있다.
일례로, 이러한 DC-링크 회로(110)는 배터리 시스템에 의하여 구현될 수 있다.
그러나, 다른 예로, 이러한 DC-링크 회로(110)는 계통 전원을 정류하는 정류부(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 정류부에서 정류된 직류 전압이 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)에 축적될 수 있다. 이러한 제1 캐패시터(C1) 및 제2 캐패시터(C2)는 DC-링크(DC-link) 캐패시터라고 칭할 수 있다.
인버터부(140)는 2상 모터(200)를 구동하기 위한 2상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 일례로, 모터(200)는 청소기를 구동하는 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 청소기를 구동하기 위한 모터일 수 있고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다. 즉, 전력 변환 장치(100)는 모터 구동장치와 동일한 구성요소일 수 있다.
그러나 여기서 모터(200)는 이러한 청소기용 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 에어컨, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
인버터부(140)는 제1 권선(L1)과 연결되는 제1 스위칭 소자(Sa, Sb) 및 제2 권선(L2)과 연결되는 제2 스위칭 소자(Sc, Sd)를 포함할 수 있다. 여기서, 설명의 편의상 제1, 제2의 표현은 서로 바뀔 수 있다. 예를 들어, 제1 스위칭 소자가 Sc, Sd에 해당될 수 있다.
본 실시예에 의하면, 제1 스위칭 소자(Sa, Sb) 및 제2 스위칭 소자(Sc, Sd)는 동일한 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
이때, 제1 스위칭 소자(Sa, Sb)는 두 세트의 스위칭 소자(Sa, Sb)를 포함하고, 이때, 각 세트는 한 쌍의 스위칭 소자(Sa1, Sa2, Sb1, Sb2)를 포함할 수 있다. 이와 마찬가지로, 제2 스위칭 소자(Sc, Sd)는 두 세트의 스위칭 소자(Sc, Sd)를 포함하고, 이때, 각 세트는 한 쌍의 스위칭 소자(Sc1, Sc2, Sd1, Sd2)를 포함할 수 있다.
이러한 제1 스위칭 소자(Sa, Sb) 중 Sa1, Sb1는 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sa2, Sb2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다. 마찬가지로, 제2 스위칭 소자(Sc, Sd) 중에서 Sc1, Sd1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sc2, Sd2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다.
이와 같은 인버터부(140)의 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc, Sd)는 DC-링크 회로(110)에서 출력되는 직류 전원을 소정 주파수의 2상 교류 전원으로 변환하여, 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터부(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Sa1, Sb1, Sc1, Sd1) 및 하측 스위칭 소자(Sa2, Sb2, Sc2, Sd2)가 각각 한 쌍이 되며, 총 네 쌍의 상, 하측 스위칭 소자가 연결될 수 있다. 이러한 인버터부(140)를 4-leg 인버터라고 칭할 수 있다.
인버터부(140)의 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc, Sd)는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
전력 변환 장치(100)는 이러한 인버터부(140)를 제어하는 제어부(150)를 포함할 수 있다.
제어부(150)는, 인버터부(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어 신호를 인버터부(140)에 인가할 수 있다. 인버터 제어 신호는 펄스 폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(ids/iqs) 및 DC-링크 회로(110)의 DC-링크 전압에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(ids/iqs)는, 출력 전류 감지부로부터 검출될 수 있다. 즉, 제어부(150)는 인버터부(140)에 펄스폭변조(PWM) 신호를 인가하여 펄스폭변조 제어를 수행할 수 있다.
제어부(150)는 인버터부(140)에 포함되는 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc, Sd)의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 도시되지 않음)를 포함한 구성일 수 있다. 여기서, 게이트 구동부는 인버터부(140)에 포함될 수 있다. 즉, 인버터부(140)는 게이트 구동부를 포함한 통합 전력 모듈(Integrated Power Module; IPM)을 이용할 수 있다.
DC-링크 회로(110)와 인버터부(140) 사이에는 이들 DC-링크 회로(110)와 인버터부(140) 사이에 연결되어 모터(200)의 제1 상에 연결되는 코일(L1) 및 제2 상에 연결되는 코일(L2) 중 적어도 하나의 상전류를 감지하는 전류 감지기(Rdc)가 구비될 수 있다. 이러한 전류 감지기(Rdc)로 단일의 션트 저항이 이용될 수 있다.
이와 같이, 2상 모터(200)의 고정자 권선은 2-병렬 구조로 구성될 수 있다. 이때, 고정자의 2-병렬 구조는 전기적으로 절연되어 있을 수 있다. 따라서, 절연 2상 모터(200)를 구비할 수 있으며, 이때, 모터(200)에 중성점은 존재하지 않을 수 있다.
이러한 모터 어셈블리의 특성 때문에 고정자의 2-병렬 구조는 모터(200) 내에서는 전기적으로 분리되는 것이 유리할 수 있다.
한편, 별도로 도시되지 않았으나, 모터 구동장치(100)는, DC-링크 전압을 검출하는 DC-링크 전압 감지부, 입력 전압 감지부 및 입력 전류 감지부를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 계통으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급할 수 있다.
도시되지 않았으나, DC-링크 회로(110)는 교류 전원을 정류하는 정류부를 포함할 수 있다. 이러한 정류부는, 교류 전원을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전력을 인버터부(140) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 유효 전압 벡터 다이아그램이다. 또한, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 인버터부 스위칭 패턴을 나타내는 도이다.
부하 변동시 모터(200)의 출력 토크를 제어하거나 가변속 제어 기술 적용을 위해서는 상전류 측정이 필수적일 수 있다.
저가형 인버터 회로 구성을 위해서는 위와 같은 상전류 정보를 상-션트로 직접 측정하는 방식 적용은 불합리할 수 있다. 이는 높은 공통 모드 전압에서도 동작하는 차동 증폭기 회로와 플로팅된 전압을 입력 받는 절연 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하여 정밀한 아날로그 회로 설계가 필요하기 때문이다.
따라서 인버터부(140)의 고장 감지를 위해 일반적으로 적용될 수 있는 직류단 션트 저항(Rdc)을 활용한 상전류 측정 및 복원 회로를 적용이 효과적일 수 있다.
직류단 션트 저항(Rdc)을 이용하는 방식에서는 스위칭 상태의 변화에 따라 '전류 천이 상태'가 발생하고 전류 정보 취득을 위해서는 스위칭 상테가 유지되어야 하는 '최소 시간(Tmin; minimum width)'이 필요할 수 있다.
이와 같은 최소 시간 보다 짧은 유효 전압 벡터가 인가되거나 스위칭 상태의 변화가 발생할 때에 전류 측정이 불가능할 수 있다. 이때, 전압 지령이 전류 측정 불가 영역에 위치한다고 정의할 수 있다.
모터(200)의 속도 및 위치는 전류 감지기(Rdc)를 통하여 센서리스 방식으로 구현될 수 있다. 이러한 센서리스 방식에 의하면, 전류 감지부(Rdc)를 통해 감지된 전류를 이용하여 위치 추정부에서는 모터(200)의 회전자 위치를 추정할 수 있고, 이를 이용하여 모터(200)의 속도 및 위치가 검출될 수 있다. 이러한 위치 추정부에서 추정된 모터의 회전자 위치는 저역 통과 필터를 통하여 피드백될 수 있다.
즉, 센서를 포함하지 않는 센서리스 방식으로 모터(200)의 속도 및 위치를 감지하는 경우에는, 전류 감지부(Rdc)를 이용하여 감지된 전류를 이용하여 속도 및 위치를 추정할 수 있다.
속도 제어부는 목표 속도(속도 지령) 및 전류 감지부(Rdc)를 통하여 감지된 모터(200)의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성할 수 있다. 전류 감지부(Rdc)에서 감지된 전류는 전류 제어부로 피드백될 수 있다.
속도 제어부와 전류 제어부 사이에는 토크 제어부가 구비되어, 전류 지령치를 d축 전류 지령치와 q축 전류 지령치로 분리할 수 있다.
또한, 전류 제어부는 이러한 속도 제어부에서 출력되는 목표 전류에 기초하여 목표 전압(전압 지령)을 생성할 수 있다.
구동신호 생성부에서는 전류 제어부에서 생성된 목표 전압 및 전류 감지부(Rdc)에서 감지된 모터(200)의 위치에 기초하여 구동 신호(PWM 신호)를 생성할 수 있다.
이러한 구동 신호(PWM 신호)에 의하여 인버터부(140)에서는 구동 전압이 생성되고, 이러한 구동 전압에 의하여 모터(200)가 구동될 수 있다.
이와 같이, 제어부(150)는, 목표 속도 및 전류 감지부(Rdc)를 통하여 감지된 모터(200)의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부(152) 및 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 제어부(150)의 속도 제어부에서는 모터(200)의 속도 제어 조건을 검출하고, 이에 따른 속도 지령을 생성할 수 있다.
이와 같은 제어부(150)에서 전류 감지기(Rdc)를 통하여 구현되는 센서리스 방식은 일반적으로 이용되는 방식으로서 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 여기서 언급한 위치 추정부, 저역 통과 필터, 속도 제어부, 토크 제어부, 구동신호 생성부 등의 구성은 제어부(150) 내에 구현될 수 있으나, 각각 별도의 구성으로 구현될 수도 있음은 물론이다.
이상과 같이, 제어부(150)는 목표 전류에 기초하여 목표 전압(전압 지령)을 생성할 수 있고, 전류 감지기(Rdc)를 통하여 구현되는 센서리스 방식을 이용하여 보터의 속도를 추정하여 피드백할 수 있다. 이에 따라, 제어부(150)에서는 모터(200)를 원하는 속도로 구동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 도 3을 참조하면, 제어부(150)에서는 제1 상에 제1 전압지령(Vco*)과 제2 전압지령(Vdo*)과 캐리어(삼각파)를 비교하여 제1 스위칭 소자(Sc, Sd)의 상태를 결정하고, 제2 상에 제1 전압지령(Vco*)과 제2 전압지령(Vdo*) 사이의 값을 가지는 제3 전압지령(Vabo*)과 캐리어(전압)를 비교하여 제2 스위칭 소자(Sa, Sb)의 상태를 결정할 수 있다.
이때, 제1 전압지령(Vco*)에 의한 제1 상을 구동하는 제1 스위칭 소자(Sc, Sd)의 스위칭 지속시간이 상전류를 측정하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 상전류를 측정하기 위한 최소시간을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상전류를 측정하기 위한 최소시간(Minimum Width)은 지령이 도달하고 스위칭이 시작되고 난 후(Switch On), 실제 신호가 도달하기까지의 시간(Dead-Time), 일정 지연 시간(Delay), 실제 스위칭 소자(Sa, Sb) 동작이 시작되기까지의 마진(Margin), 스위칭이 시작되고 난 후에 불안정 상태 이후 안정화되는 시간(즉, 전류 안정화 시간; Ringing/Steady), 그리고 아날로그-디지털 변환시간(AD Conversion Time)을 포함할 수 있다.
이와 같이, 직류단 션트 저항(Rdc)을 이용하는 방식에서는 스위칭 상태의 변화에 따라 '전류 천이 상태'가 발생하고 전류 정보 취득을 위해서는 스위칭 상테가 유지되어야 하는 '최소 시간(Tmin; minimum width)'이 필요할 수 있다.
이와 같은 최소 시간 보다 짧은 유효 전압 벡터가 인가되거나 스위칭 상태의 변화가 발생할 때에 전류 측정이 불가능할 수 있다. 이때, 전압 지령이 전류 측정 불가 영역에 위치한다고 정의할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 모터(200) 구동 시, 상전류 측정이 항상 가능한 상태가 되도록 하기 위하여, 제1 전압지령(Vco*)에 의한 제1 상을 구동하는 제1 스위칭 소자(Sc, Sd)의 스위칭 지속시간이 상전류를 측정하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정될 수 있다.
다른말로 표현하면, 제어부(150)는 제1 상에 제1 전압지령(Vco*)과 제2 전압지령(Vdo*)에 의하여 유니폴라 펄스폭변조(Unipolar PWM) 방식에 의한 구동신호를 전달하고, 제2 상에 제1 전압지령(Vco*)과 제2 전압지령(Vdo*) 사이의 값을 가지는 제3 전압지령(Vabo*)에 의하여 바이폴라 펄스폭변조(Bipolar PWM) 방식에 의한 구동신호를 전달할 수 있다.
PWM 캐리어(도 3의 삼각파) 주파수의 피크(peak) 점에서, 바이폴라 펄스폭변조(Bipolar PWM) 방식을 적용한 권선에 흐르는 상전류는 직류단 션트 저항으로 흐르게 하고, 유니폴라 펄스폭변조(Unipolar PWM) 방식을 적용한 권선에 흐르는 상전류의 전류 경로는 차단하게 할 수 있다.
이와 같이, 제2 상에 해당하는 권선에는 바이폴라 펄스폭변조(Bipolar PWM) 방식을 적용하고, 제1 상에 해당하는 권선에는 유니폴라 펄스폭변조(Unipolar PWM) 방식을 적용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 3에서 도시된 스위칭 패턴으로 제어하는 제어부(150)에 의하여 인버터부(140)에는 도 2의 상측 점으로 표현한 전압 지령값을 출력한다. 여기에서 4-레그(leg) 인버터부(140)는 총 12개의 유효 전압 벡터(V1 내지 V12), 그리고 4개의 전압 벡터를 가지게 된다.
도 2를 함께 참조하면, PWM 캐리어 주파수의 피크 점에서 전압 벡터 V3 (0100)가 인가되는데, 유효 전압 벡터({Sa , Sb} = {0, 1})는 제2 상 고정자 권선에 인가되고, 동시에 제1 상 권선에는 영벡터({Sc , Sd} = {0, 0})가 인가된다.
제2 상 전압 지령은 '0' 에 가깝고 제1 상 전압 지령의 크기는 'Vdc - Vm1' 이므로, 피크 점은 제2 상 상전류 'ias'를 측정할 수 없는 전류 측정 불가 영역 'Aa' 에 해당한다.
그러나 유니폴라 PWM 방식을 적용하는 제1 상에는 항상 영벡터가 인가되기 때문에 바이폴라 PWM 방식을 적용하는 제2 상 전류는 항상 측정 가능한 상태가 됨을 알 수 있다.
그러므로, 본 발명의 실시예에 의하면, 모터(200)의 상전류가 항상 측정 가능한 상태가 됨을 알 수 있다.
부하 변동시 모터(200)의 출력 토크를 제어하거나 가변속 제어 기술 적용을 위해서는 상전류 측정이 필수적일 수 있다. 즉, 부하 변동 상황에서 모터(200)의 일정한 출력을 유지하기 위해서는 가변속 및 센서리스 제어, 토크 및 전류 제어 기법의 적용이 필요한데, 이를 위해서는 상전류 측정이 필수적이다.
만일, 상전류 측정에 있어서, 전체 시스템의 부피와 비용을 고려하지 않는다면 정확도와 해상도 측면에서 홀 센서 방식이 유리할 수 있다. 그러나 부피 및 비용의 제약이 있는 경우에는 이러한 방식을 사용하는 것이 부적합할 수 있다.
소형 가전 제품, 구체적인 예로, 무선 핸디형 진공 청소기용 팬 모터 구동 회로에서는 부피와 가격의 제약 때문에 앞서 기술한 홀 센서 기반의 전류 측정 방식이 부적합할 수 있다. 이런 이유에 의하여 소형 가전제품 분야에서는 단일 직류단 션트 저항을 통해 전류를 측정하는 방식을 주로 채택하고 있다.
이와 같이, 단일 직류단 션트 저항을 통해 상전류를 측정하는 경우에, 위에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 상전류를 측정할 수 없는 전류 측정 불가 영역 없이, 항상 상전류를 측정할 수 있다. 따라서, 부하 변동 상황에서 모터(200)의 일정한 출력을 최적의 상태로 유지할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 실시예에 의하면, 제1 전압지령(Vco*)에 의한 제1 상을 구동하는 제1 스위칭 소자(Sc, Sd)의 스위칭 지속시간이 상전류를 측정하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정될 수 있다.
이때, 최소시간(Tmin)은 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc, Sd)에 구동신호가 인가된 후 상전류를 측정가능한 최소시간에 해당할 수 있다.
또한, 최소시간(Tmin)은 캐리어의 전압이 제1 전압지령(Vco*)보다 큰 피크 영역에 존재할 수 있다.
이때, 제1 전압지령(Vco*)은 전원전압(Vdc; DC-링크 회로(110)의 최대 전압)에서 캐리어의 피크 영역에서 최소시간을 확보하기 위한 전압인 Vml을 뺀 크기에 해당할 수 있다.
도 5는 유니폴라 PWM 방식에서 전압 지령과 스위칭 패턴을 설명하기 위한 다이어그램이다.
이와 같이, 두 고정자 권선에 공통적으로 유니폴라 PWM 방식으로 제어하여, PWM 주기(Ts) 내에서 유효 전압 벡터를 인가하는 스위칭 패턴 사이의 시간 간격이 최소시간(Tmin)보다 짧아지면 상전류의 측정과 복원을 할 수 없을 수 있다.
반면에, 본 발명의 실시예에서와 같이, 제2 상 고정자 권선만 바이폴라 PWM 방식으로 변경하면 PWM 캐리어의 피크점에서 샘플링한 직류단 션트 저항에 흐르는 전류는 제2 상 고정자 권선에 흐르는 전류와 동일하게 될 수 있다. 따라서, 상전류 추정 및 측정이 가능하게 될 수 있다.
여기에서 최소시간과 동일한 개념인 최소 전압 지령(Vm1)과의 관계는 수학식 1을 활용하여 최종적으로 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, Ts는 펄스폭변조신호의 주기, Tmin은 상전류 측정을 위한 최소시간, 그리고 Vdc는 전원전압(일례로, DC-링크 회로(110)의 최대 전압)에 해당할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 직류단 단일 션트 저항을 이용한 인버터에서 직류단 전류를 이용하여 상전류를 측정함에 있어서, 유효 전압 벡터가 인가되는 시간 간격 및 구간의 정 가운데 시점에서 상전류를 측정할 수 있다.
또한, 펄스폭변조 신호를 이용하여 인버터부를 제어함에 있어서, 두 상에 바이폴라 펄스폭변조 방식 및 유니폴라 펄스폭변조 방식을 적용함으로써, 전류 측정 불가영역이 없이 항상 상전류를 측정 및 복원할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 별도의 타이머 트리거 아날로그-디지털 컨버터(Timer Triggered ADC)의 방식 적용이 불필요하고, 추가적인 측정 전압 벡터의 인가 없이, 펄스폭변조(PWM) 인터럽트 발생 시점(PWM 캐리어의 피크(Peak))에서 상전류 측정 및 복원이 가능한 2상 모터 구동 시스템 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
도 6는 본 발명의 제2 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 유효 전압 벡터 다이아그램이다.
위에서 설명한 제1 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템에 의하면, 두 고정자 권선 중 하나의 권선은 바이폴라 PWM 방식을 적용하므로 다른 하나의 권선에 비해서 철손이 집중될 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 이러한 철손의 부담을 경감할 수 있는 방법 및 시스템을 제안하고자 한다.
본 실시예에 의하면, 모터(200) 회전에 따라 특정 각도 또는 범위에서, 매 PWM 주기마다, 각 고정자 권선의 PWM 방식을 교번하는 방식을 제안한다.
즉, 위에서 설명한 제1 실시예의 응용으로서, 본 실시예에 의하면, 제1 상 및 제2 상은 매 전기각 90도마다 서로 교번할 수 있다.
도 6을 참조하면, 유효 전압 벡터 다이아그램에서, V1(1000) 벡터의 지령 후에 V2(0010) 벡터의 지령까지의 영역에서는 위에서 설명한 제1 실시예에서와 같이, 제1 상에는 유니폴라 PWM 방식이 적용되고, 제2 상에서는 바이폴라 PWM 방식이 적용될 수 있다.
그러나 이후, V2(0010) 벡터의 지령 이후 V3(0100) 벡터의 지령까지의 영역에서는, 즉, 전기각 90도 이후에, 제1 상에는 바이폴라 PWM 방식이 적용되고, 제2 상에서는 유니폴라 PWM 방식이 적용될 수 있다.
그리고 다음 V3(0100) 벡터의 지령 후에 V4(0001) 벡터의 지령까지의 영역에서는, 다시 위에서 설명한 제1 실시예에서와 같이, 제1 상에는 유니폴라 PWM 방식이 적용되고, 제2 상에서는 바이폴라 PWM 방식이 적용될 수 있다.
이후, 도 6에서 도시된 바와 같이, 이러한 PWM 방식은 계속해서 전환되어 적용될 수 있다. 이러한 방식은 도 1을 참조하여 설명한 4-레그 인버터부(140)에 적용될 수 있다.
이와 같이, 바이폴라 PWM 방식과 유니폴라 PWM 방식이 매 전기각 90도마다 교번될 수 있으며, 따라서, 이를 교번(Alternating) PWM 방식이라고 칭할 수 있다. 이를 통해 두 고정자 권선이 철손을 분담할 수 있다.
그 외의 사항은 위에서 설명한 제1 실시예와 관련된 설명이 동일하게 적용될 수 있다. 따라서 중복되는 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 측정방법을 나타내는 다이아그램이다. 도 8는 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 유효 전압 벡터 다이아그램이다. 또한, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 인버터부 스위칭 패턴을 나타내는 도이다.
제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템은 상전류 측정이 가능한 유효 전압 벡터가 인가되는 임의의 시점에 전류 샘플링을 수행하는 방식일 수 있다.
도 7을 참조하면, 영역 I은 제1 실시예에서 설명한 제2 상 전압 지령이 제1 상 전압 지령보다 크고, 영역 II는 그 반대의 경우에 해당할 수 있다. 또한, 영역 III는 제1 실시예에서 설명한 방식을 적용하는 영역에 해당할 수 있다.
도 9를 참조하면, 두 상에 모두 유니폴라 PWM 방식이 적용된 영역 I에서의 스위칭 패턴을 나타내고 있다. 도 9에서, 해당 조건을 충족할 때, 전압 지령이 큰 제2 상 상전류를 구간 b와 c에서 각각 측정한 값의 평균을 취하면 제2 상의 상전류를 측정할 수 있다.
이러한 실시예에 의하면, PWM 캐리어가 시작되는 시점과 동기화된 추가적인 타이머 기능을 설정하여 구간 d와 c의 가운데 시점에서 제2 상 전류를 측정하게 된다.
물론, 이와 같은 멀티 샘플링 방식 외에 t1 또는 t2 시점에서 단일 샘플링 후 PWM 캐리어 피크점과의 시간 차이를 이용한 비례식으로 보상하는 방식을 사용할 수도 있다. 여기서 t1, t2는 수학식 3 및 4에 따른다.
Figure pat00004
Figure pat00005
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템의 인버터부 스위칭 패턴을 나타내는 도이다.
도 7에서 도시된 영역 II는 제1 상 전압 지령이 제2 상 전압 지령보다 큰 범위를 의미하고, 영역 I에서와 동일한 과정으로 제1 상 전류가 측정될 수 있다.
도 10에서 도시된 구간 l과 m의 중간 위치에서 전류 샘플링을 하게 되면 유효 전압 벡터 V2(0010) 인가되는 구간에서 제1 상 전류를 측정할 수 있게 된다. 이 때의 측정 시점은 앞서 살펴본 t1, t2과 같이 정의된 수식으로 동일하게 결정될 수 있다.
다음으로, 영역 III은 유효 전압 벡터 인가 시간이 최소 시간 이내에 해당하거나, 제1 상 및 제2 상 전압 지령이 유사한 수준이기 때문에 직류단 전류에 두 상전류의 합만이 나타나는 경우에 해당할 수 있다. 이 영역에서는 위에서 설명한 제 1 실시예의 방법에 의해서 상전류의 측정이 가능할 수 있다.
그 외의 사항은 위에서 설명한 제1 실시예와 관련된 설명이 동일하게 적용될 수 있다. 따라서 중복되는 설명은 생략한다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 11을 참조하면, 인버터부(140)는 제1 권선(L1)과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트(141) 및 제2 권선(L2)과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트(142)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 제1 스위칭 소자 세트(141)와 제2 스위칭 소자 세트(142)는 서로 다른 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
이때, 제1 스위칭 소자 세트(141)는 한 쌍의 스위칭 소자(Sa: Sa1, Sa2)를 포함하고, 제2 스위칭 소자 세트(142)는 두 쌍의 스위칭 소자(Sb: Sb1, Sb2/Sc: Sc1, Sc2)를 포함할 수 있다.
이러한 제1 스위칭 소자 세트(141) 중 Sa1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sa2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다. 마찬가지로, 제2 스위칭 소자 세트(142) 중에서 Sb1, Sc1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sb2, Sc2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다.
이와 같은 인버터부(140)의 스위칭 소자(Sa, Sb, Sc)는 DC-링크 회로(110)에서 출력되는 직류 전원을 소정 주파수의 2상 교류 전원으로 변환하여, 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터부(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Sa1, Sb1, Sc1) 및 하측 스위칭 소자(Sa2, Sb2, Sc2)가 각각 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 연결될 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 인버터부(140)의 제1 스위칭 소자 세트(141)와 제2 스위칭 소자 세트(142)는 서로 다른 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
따라서, 인버터부(140)에서 모터(200)의 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L2)으로 인가되는 전류는 비대칭일 수 있다. 또한, 이 제1 권선(L1) 및 제2 권선(L2) 사이의 전기적인 위상 차이는 90도 또는 270도일 수 있다.
일반적으로 삼상을 이용하는 모터의 경우는 두 상 사이의 위상 차이가 120도가 될 수 있고, 단상 모터의 경우에는 두 상 사이의 위상 차이가 180도가 될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 의한 2상 모터의 경우에는 두 상 사이의 전기적인 위상 차이는 90도 또는 270도일 수 있는 것이다.
이와 같이, 2상 모터(200)의 고정자 권선은 2-병렬 구조로 구성되고, 두 권선(L1, L2)의 위상 차이는 90도 범위를 가질 수 있다. 이때, 고정자의 2-병렬 구조는 전기적으로 절연되어 있을 수 있다. 따라서, 절연 2상 모터(200)를 구비할 수 있으며, 이때, 모터(200)에 중성점은 존재하지 않을 수 있다.
전기적인 결선을 형성(모터 중성점)하면, 이 권선(L1)과 인버터부(140)와 연결된 전기 회로로 다른 권선(L2)의 상전류의 sqrt(2)(즉,
Figure pat00006
)배 만큼의 전류가 유입되므로 인버터 전류 정격을 비대칭적으로 설계하는 것이 유리할 수 있다.
이러한 모터 어셈블리의 특성 때문에 고정자의 2-병렬 구조는 모터(200) 내에서는 전기적으로 분리되는 것이 유리할 수 있다.
이때, 제어부(150)는 모터(200)의 제1 상은 중성점(n)과 하프 브릿지(half-bridge)로 동작시키고 제2 상은 풀 브릿지(full-bridge)로 동작시킬 수 있다.
본 실시예에 의하면, 2상의 인버터(140)를 이용하는 경우에도, 전압 이용률은 3상 모터 구동을 위한 3상의 인버터와 동일할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 의한 모터 구동 시스템은 청소기와 같은 저전압 고전류 응용 제품에 유리할 수 있다.
또한, 본 실시예에 의한 2상 모터는, 일반적인 단상 모터와 구조적으로는 유사함에도 불구하고 토크 리플의 임의 제어가 가능한 효과가 있다. 또한, 병렬 회로 구성이 용이하여 권선 간의 파라미터 불균형에 대응이 용이한 장점이 있다. 따라서 모터 설계의 자유도가 증가할 수 있다.
이와 같은 3-레그 인버터로 2상 전동기를 구동하는 경우에는 인버터 중성단과 하프 브릿지로 구동되는 고정자 권선에는 바이폴라 PWM 방식에 의하여 상전류 측정이 가능하다.
도 11을 참조하면, 제1 상 고정자 권선은 인버터 중성점과 하프 브릿지와 연결되어 있고, 제2 상은 풀 브릿지와 연결되어 있다고 가정할 수 있다.
이 때에 제1 상은 두 개의 스위칭 소자로 구동해야 하므로 유니폴라 PWM 방식 적용이 불가능하기도 하지만, 상전류 측정을 위해서라도 제1 상 고정자 권선에는 바이폴라 PWM 방식을 적용하고 이를 통해 획득된 전류 정보를 이용해서 센서리스 제어를 수행할 수 있다.
이런 이유 때문에 3-레그 인버터를 이용한 2상 모터 시스템의 구동 방법은 4-레그 인버터의 경우와 공통된다고 볼 수 있다.
도 12는 본 발명의 제5 실시예에 의한 2상 모터 구동 시스템을 나타내는 회로도이다.
도 12를 참조하면, 인버터부(140)는 제1 권선(L1)과 연결되는 제1 스위칭 소자 세트(143) 및 제2 권선(L2)과 연결되는 제2 스위칭 소자 세트(144)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 제1 스위칭 소자 세트(143)와 제2 스위칭 소자 세트(144)는 동일한 수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
이때, 제1 스위칭 소자 세트(143)는 한 쌍의 스위칭 소자(Sa: Sa1, Sa2)를 포함하고, 제2 스위칭 소자 세트(144)는 한 쌍의 스위칭 소자(Sb: Sb1, Sb2)를 포함할 수 있다.
이러한 제1 스위칭 소자 세트(143) 중 Sa1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sa2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다. 마찬가지로, 제2 스위칭 소자 세트(144) 중에서 Sb1은 상부(upper arm) 스위칭 소자라 칭할 수 있고, Sb2는 하부(lower arm) 스위칭 소자라고 칭할 수 있다.
이와 같은 인버터부(140)의 스위칭 소자(Sa, Sb)는 DC-링크 회로(110)에서 출력되는 직류 전원을 소정 주파수의 2상 교류 전원으로 변환하여, 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터부(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Sa1, Sb1) 및 하측 스위칭 소자(Sa2, Sb2)가 각각 한 쌍이 되며, 총 두 쌍의 상, 하측 스위칭 소자가 연결될 수 있다.
션트 저항이 전원부(110)와 인버터부(140) 사이의 상단이나 하단에 위치하는 경우에는 2개의 고정자 권선 모두에 바이폴라 PWM 방식을 적용하더라도 전기각 기준 반 주기 동안만 직류단 션트 저항으로 상전류의 경로가 형성이 된다.
따라서 측정된 반 주기 동안의 상전류 정보를 이용해서 나머지 구간의 상전류를 의사적인(pseudo) 방법으로 생성해야 한다.
그러나, 도 12에서 도시하는 바와 같이, 인버터 중성단에 션트 저항(Rdc)가 위치하는 NSS(Neutral Shunt Sensing) 방식을 이용하면 상전류 측정이 가능하다.
즉, 2개의 고정자 권선 모두에 바이폴라 PWM 방식을 적용한다면, 모든 주기에서 직류단 션트 저항(Rdc)으로 상전류의 경로가 형성이 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 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 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전력 변환 장치 110: 전원부(DC-링크 회로)
140: 인버터부 150: 제어부
200: 모터

Claims (20)

  1. 전원전압 및 펄스폭변조신호에서 제어되는 스위칭 소자를 이용하여 모터의 제1 상을 구동하는 상위 및 하위의 제1 스위칭 소자의 적어도 한 조와, 상기 모터의 제2 상을 구동하는 상위 및 하위의 제2 스위칭 소자의 적어도 한 조에 의하여 스위칭되는 두 개의 위상으로 구동하는 상기 모터에서 단일의 전류 감지기로 상전류를 계측하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 제1 상에 제1 전압지령과 제2 전압지령과 캐리어를 비교하여 상기 제1 스위칭 소자의 상태를 결정하고, 상기 제2 상에 상기 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령과 상기 캐리어를 비교하여 상기 제2 스위칭 소자의 상태를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 전압지령에 의한 상기 제1 상을 구동하는 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 지속시간이 상기 상전류를 측정하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 상은 유니폴라 펄스폭변조 방식에 의하여 구동되고, 상기 제2 상은 바이폴라 펄스폭변조 방식에 의하여 구동되는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 최소시간은 상기 스위칭 소자에 구동신호가 인가된 후 상기 상전류를 측정가능한 최소시간에 해당하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 최소시간은 상기 캐리어의 전압이 상기 제1 전압지령보다 큰 피크 영역에 존재하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 최소시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭에 의하여 흐르는 전류의 안정화 시간 및 아날로그-디지털 변환시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 캐리어의 피크 영역에서 상기 최소시간에 해당하는 시간동안 상기 제1 상에는 영벡터가 인가되는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전압지령은 상기 전원전압에서 상기 캐리어의 피크 영역에서 상기 최소시간을 확보하기 위한 전압인 Vml을 뺀 크기에 해당하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 Vm1은 하기의 수학식1에 의하여 결정되고,
    <수학식 1>
    Figure pat00007

    상기 Ts는 펄스폭변조신호의 주기, 상기 Tmin은 상기 최소시간, 그리고 상기 Vdc는 상기 전원전압에 해당하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  9. 제1항에 있어서, 제1 상 및 제2 상은 매 전기각 90도마다 서로 교번하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템의 제어방법.
  10. 2상 전동기에서 단일의 감지기로 상전류를 계측하는 2상 모터 구동 시스템에 있어서,
    전원부;
    상기 전원부로부터 공급되는 전압을 이용하여 모터의 제1 상을 구동하는 상위 및 하위의 제1 스위칭 소자의 적어도 한 조와, 상기 모터의 제2 상을 구동하는 상위 및 하위의 제2 스위칭 소자의 적어도 한 조를 포함하는 인버터부;
    상기 전원부 및 상기 인버터부에 연결되어, 상기 모터의 제1 상에 연결되는 코일 및 제2 상에 연결되는 코일 중 적어도 하나의 상전류를 감지하는 전류 감지기; 및
    상기 인버터부에 펄스폭변조 신호를 인가하여 펄스폭변조 제어를 수행하는 제어부를 포함하여 구성되고,
    상기 제어부는 상기 제1 상에 제1 전압지령 및 제2 전압지령에 의하여 유니폴라 펄스폭변조 방식에 의한 구동신호를 전달하고, 상기 제2 상에 상기 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령에 의하여 바이폴라 펄스폭변조 방식에 의한 구동신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 전압지령에 의한 상기 제1 상을 구동하는 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 지속시간이 상기 상전류를 계측하기 위한 최소시간 이상이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 최소시간은 상기 스위칭 소자에 구동신호가 인가된 후 상기 상전류를 측정가능한 최소시간에 해당하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 최소시간은 상기 캐리어의 전압이 상기 제1 전압지령보다 큰 피크 영역에 존재하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 최소시간은 상기 스위칭 소자의 스위칭에 의하여 흐르는 전류의 안정화 시간 및 아날로그-디지털 변환시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 캐리어의 피크 영역에서 상기 최소시간에 해당하는 시간동안 상기 제1 상에는 영벡터가 인가되는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제1 전압지령은 상기 전원전압에서 상기 캐리어의 피크 영역에서 상기 최소시간을 확보하기 위한 전압인 Vml을 뺀 크기에 해당하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 Vm1은 하기의 수학식1에 의하여 결정되고,
    <수학식 1>
    Figure pat00008

    상기 Ts는 펄스폭변조신호의 주기, 상기 Tmin은 상기 최소시간, 그리고 상기 Vdc는 상기 전원전압에 해당하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  18. 제10항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 상에 제1 전압지령과 제2 전압지령과 캐리어의 전압을 비교하여 상기 제1 스위칭 소자의 상태를 결정하고, 상기 제2 상에 상기 제1 전압지령과 제2 전압지령 사이의 값을 가지는 제3 전압지령과 상기 캐리어의 전압을 비교하여 상기 제2 스위칭 소자의 상태를 결정하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  19. 제10항에 있어서, 제1 상 및 제2 상은 매 전기각 90도마다 서로 교번하는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
  20. 제10항에 있어서, 2조의 상기 제1 스위칭 소자 및 2조의 상기 제2 스위칭 소자가 구비되거나, 또는, 1조의 상기 제1 스위칭 소자 및 2조의 상기 제2 스위칭 소자가 구비되는 것을 특징으로 하는 2상 모터 구동 시스템.
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