WO2014181942A1 - 교류 모터의 제어 방법 - Google Patents

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석줄기
김세환
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영남대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a control method of an alternating current motor, and more particularly, to a control method of an alternating current motor capable of safe and efficient driving under high speed and direct current voltage limitation conditions.
  • variable speed motor driving technology the application of variable speed electric motors instead of steam turbines or hydraulic drive sources is rapidly increasing in various industrial applications including turbo compressors.
  • the biggest advantage of the variable speed motor drive system is its high efficiency and low vibration.
  • AC motors including permanent magnet synchronous motors (PMSM) are widely used as electric motors for such high-speed applications because of their excellent efficiency.
  • a speed sensor is needed for the wide speed control of such a variable speed AC motor.
  • the speed sensor has structural problems of its own, and the process of designing and processing the motor is complicated, and the axial length of the motor increases when attached. There is a problem that miniaturization of the entire system becomes difficult.
  • the conventional current control method has to use the voltage only within the linear limit voltage at high speed, the efficiency is low, there is a problem that there is instability due to digital delay time for the closed loop current control.
  • the present invention is to provide a control method of an AC motor capable of driving stably and efficiently under high speed and DC terminal voltage limit conditions.
  • the step of receiving a torque command value, generating a command current from the torque command value, using the generated command current CVC current control mode Generating a command voltage in the step of switching to an HVMC voltage control mode when the command voltage enters a voltage limit region, generating a command voltage in the HVMC voltage control mode, and the CVC current control mode or HVMC Controlling the torque of the AC motor by using the command voltage generated in the voltage control mode.
  • the AC motor may switch to the HVMC voltage control mode.
  • the generating of the command voltage in the CVC current control mode may include: calculating the current command value by dividing the torque command value by a torque constant, subtracting a current value fed back from the AC motor, and subtracting the subtracted value. And generating the command voltage using the same.
  • the constant torque region may operate in the CVC current control mode, and the weak magnetic flux region may operate in the HVMC voltage control mode.
  • the voltage limiting region corresponds to a circle boundary line inscribed in the hexagonal space voltage vector of the dq axis.
  • the command voltage has the voltage limiting region as the limit voltage, and in the HVMC voltage control mode.
  • the reference voltage may have a limit voltage corresponding to a boundary of the hexagonal space voltage vector.
  • a voltage corresponding to a point where a constant torque trajectory and the rotating hexagonal space voltage vector intersect may be determined as the command voltage.
  • Vectors of the command voltages (v * d_HVMC and v * q_HVMC ) on the d-axis and the q-axis selected at the crossing points may be expressed as follows.
  • ⁇ r is the rotational speed of the AC motor
  • P is the number of poles
  • L s is the inductance of the stator
  • ⁇ pm is the linkage flux of the AC motor
  • T e * is the torque command value
  • the method may further include estimating the position of the AC motor using the torque command value, the current of the AC motor, the command voltage generated in the CVC current control mode or the HVMC voltage control mode.
  • the AC motor is a permanent magnet synchronous motor (PMSM), the torque line may be made in a straight form.
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the current control method is used at a low speed, and the voltage control method utilizing the entire voltage limit is used at high speed and voltage limit conditions, so that the AC motor can be efficiently and safely controlled at high speed and voltage limit conditions. Can be.
  • the maximum voltage is utilized in the HVMC voltage control mode, which allows motor torque to be much larger than using the CVC current control method only in the weak magnetic flux region, thereby minimizing the CVC operating area and increasing efficiency.
  • FIG. 1 is a graph showing a rotation speed and torque change of a permanent flux synchronous motor (PMSM) in a turbo charger (EATC) system according to an embodiment of the present invention.
  • PMSM permanent flux synchronous motor
  • EATC turbo charger
  • FIG. 2 is a block diagram of a permanent magnet synchronous motor control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a view for explaining a control method of the permanent magnet synchronous motor control apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for describing a space voltage vector having a hexagonal shape.
  • 5 and 6 are diagrams for explaining a process for deriving a stator voltage in the HVMC voltage control mode.
  • FIG. 8 shows an experimental result using the permanent magnet synchronous motor control method according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a control method of an AC motor, and the AC motor according to an embodiment of the present invention may be applied to an electrically assisted turbo charger (EATC) system capable of operating at high speed.
  • the turbocharger consists of a turbine and a compressor connected by a common shaft attached to a bearing system, which converts energy from the engine's exhaust to compressed air.
  • the AC motor according to the embodiment of the present invention is composed of a stator and a rotor, and includes all kinds of AC motors driven by AC power.
  • a permanent magnet synchronous motor (PMSM) will be described as an AC motor.
  • Permanent magnet synchronous motors are motors that use permanent magnets. Permanent magnet synchronous motors (PMSMs) allow turbochargers to operate faster than with exhaust gas. This allows turbocharger (EATC) systems to generate more energy and increase combustion efficiency. And turbocharger (EATC) systems generate boost only when a certain amount of kinetic energy is present in the exhaust gas.
  • FIG. 1 is a graph showing a rotation speed and torque change of a permanent flux synchronous motor (PMSM) in a turbo charger (EATC) system according to an embodiment of the present invention.
  • PMSM permanent flux synchronous motor
  • EATC turbo charger
  • the position sensorless control is required from the point of rotation speed ( ⁇ rpm ) of the permanent flux synchronous motor PMSM from 5000r / min, while the boost threshold is about 50,000r / min. Begins at the point.
  • the permanent flux synchronous motor (PMSM) also delivers a value equivalent to 136% of the measured torque while the rotational speed ( ⁇ rpm ) is accelerated from 50,000 r / min to 100,000 r / min, and the torque value (T e ) It is gradually decreased at the point of 0.9 seconds.
  • FIG. 2 is a block diagram of a permanent magnet synchronous motor control apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a view for explaining a control method of a permanent magnet synchronous motor control apparatus according to an embodiment of the present invention
  • 4 is a diagram for describing a space voltage vector having a hexagonal shape.
  • the permanent magnet synchronous motor control apparatus provides the command voltage values V dq r * of the final magnetic flux axis (D axis) and the rotational force axis (Q axis) to the permanent flux synchronous motor (PMSM) 305.
  • a calculator 310 a current vector controller 320, a voltage vector controller 330, a position velocity estimator 340, and a PWM controller 350.
  • the permanent magnet synchronous motor (PMSM) 305 is a synchronous motor using a permanent magnet, and has excellent characteristics of high speed durability and high driving speed, so that it can be used as a motor for industrial and hybrid electric vehicles.
  • the permanent magnet synchronous motor (PMSM) 305 has an inductance symmetrical unlike the embedded permanent magnet synchronous motor (IPMSM).
  • the permanent magnet synchronous motor includes a stator and a rotor, in which v r dq and i r dq represent stator voltage vectors and current vectors of the dq axis in the basic frame of the rotor, respectively. .
  • R s represents the stator resistance
  • ⁇ r is the angle of rotation of the rotor
  • ⁇ r is the angular velocity of the rotor
  • K T represents the torque constant.
  • J is also Represents a matrix.
  • L s is the inductance of the stator
  • ⁇ pm is a permanent flux linkage (PM flux linkage)
  • the stator voltage of the permanent magnet synchronous motor is proportional to the sum of the permanent magnet linkage flux ( ⁇ pm ) and the stator inductance (L s ), which is the permanent magnet linkage flux ( ⁇ pm ) or the stator inductance (L s).
  • Increasing) may lower the boost threshold shown in FIG. 2.
  • the rotation speed of the permanent magnet synchronous motor PMSM is increased.
  • the boost threshold can be lowered, thereby enabling position sensorless control of the permanent magnet synchronous motor PMSM even at a low speed.
  • the current vector controller 320 when the rotational speed of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) is low, the current vector controller 320 operates in a current vector controller (CVC) current control mode. 330 operates in a hexagonal voltage modulation controller (HVMC) voltage control mode.
  • CVC current vector controller
  • HVMC hexagonal voltage modulation controller
  • the current vector control unit 320 includes a torque (T e) is in the constant torque region of the low-speed is kept constant to operate the permanent magnet synchronous motor (PMSM) in the current control mode CVC (Current vector controller), the voltage vector control ( 330) operates the torque (T e) a reduction in area of high-speed stands for (flux weakening region) in the permanent magnet synchronous motor as HVMC (Hexagon voltage modulation controller) voltage control mode (PMSM).
  • HVMC Harmonic modulation controller
  • the computing unit 310 calculates the share of the input torque command (T e *), a torque constant (K T), the command current vector (i r * dq). The operation unit 310 subtracts the current value i r dq fed back from the rotor of the permanent magnet synchronous motor PMSM from the calculated command current vector i r * dq .
  • the current vector control unit 320 formed of a PI (proportional-integral) current vector regulator (PI_CVC) uses the difference value between the command current vector (i r * dq ) and the current (i r dq ) of the fed-up coordinate system stator.
  • the voltage vector v r * dq_CVC is output.
  • the synchronous coordinate system stator current i r dq fed back is controlled by the current control vector unit 320 to follow the command current vector i r * dq , and the command by the current control.
  • the voltage vector v r * dq_CVC is transferred to the permanent magnet synchronous motor (PMSM) 305 within the voltage limit.
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the PWM controller 350 performs PWM switching control of the operation of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) 305 in response to the output command voltage (v r * dq ).
  • the position speed estimator 340 estimates the position and rotation speed of the permanent magnet (PMSM) in the area corresponding to the position sensorless. That is, as shown in Figure 3, the torque reference value (T e *), the command voltage vector (v r * dq) coordinate-converted command voltage vector and the coordinate transformation (v s * dq), the stator current vector (i r dq)
  • the position speed estimating unit 340 may determine the angular velocity of the rotor ( ) And rotation angle ( ) To compensate for the torque error.
  • command voltage vector (v * dq_CVC ) is always as shown in FIG. Within a linear voltage corresponding to the radius, where V dc represents the DC link voltage.
  • reference numerals V 1 to V 6 denote voltages of the vector sum of the d-axis applied voltage v r * ds and the q-axis applied voltage v r * qs , and are inscribed in a hexagonal region. Is the area where voltage synthesis is possible linearly. Denotes the maximum synthesized voltage value that can be linearly synthesized voltage in the circle region.
  • the hexagonal region indicates a region where voltage synthesis is possible by a space vector pulse width modulation (PWM) method, and the hatched region except the inscribed circle region of the hexagonal region is a nonlinear voltage modulation region.
  • PWM space vector pulse width modulation
  • stator voltage v r ds may be expressed by Equation 2 below.
  • the stands in area voltage vector controller 330 Operates in HVMC voltage control mode.
  • the HVMC voltage control mode is to utilize all of the hexagons shown in FIG. 4, and the hexagonal boundary line shown in FIG. 4 corresponds to a limit voltage for utilizing the maximum voltage in a wide driving region to improve efficiency.
  • FIG. 5 and 6 are diagrams for explaining a process for deriving a stator voltage in the HVMC voltage control mode.
  • FIG. 5 is a diagram for describing a process for deriving stator voltages v r q and v r d between a torque line and a rotating hexagon on a synchronized dq voltage.
  • the point where the constant torque trajectory and the rotating hexagon intersect becomes the command voltage vector v * dq_HVMC in the HVMC voltage control mode.
  • the torque line (constant torque trajectory) is parallel to the q-axis and formed in a straight line. If other motors, including embedded permanent magnet synchronous motors (IPMSM), are used instead of permanent magnet synchronous motors (IPMSM), the torque lines may be curved.
  • IPMSM embedded permanent magnet synchronous motors
  • IPMSM permanent magnet synchronous motors
  • the command voltage vector (v * dq_HVMC ) on the d-axis and the q-axis selected at the intersection point may be expressed by Equations 4 and 5 below.
  • M n and B n represent constant values given in the respective hexagonal sectors.
  • HVMC voltage control mode is a way to find the above the hexagon limit to rotate the voltage that satisfies the current with respect to the torque command (T e * ) input as shown in Figure 5, the intersection is a command because the hexagon is rotated It vibrates on a constant torque trajectory.
  • the torque value is adjusted around the set torque line by selecting the command voltage vector v * dq_HVMC (marked in red in FIG. 5).
  • the HVMC voltage control mode is switched in the weak magnetic flux region to improve the voltage utilization rate in the weak magnetic flux region. . Therefore, the command voltage vector (v * dq_CVC ) is extended to the outer portion of the circle inscribed in the hexagon, and then adjusted to the hexagonal voltage limit using the minimum magnitude-error overmodulation to be output as the command voltage vector (v * dq_HVMC ). It is possible to use the maximum voltage in the weak magnetic flux region.
  • the HVMC Switch when the command voltage enters the voltage limit region (outer part of the circle inscribed in the hexagon) as the rotation speed of the permanent magnet synchronous motor PMSM increases, the HVMC Switch to voltage control mode. It can also switch to HVMC voltage control mode, even at low speeds, even when voltage limitations occur due to a lack of available voltage.
  • the d-axis voltage component v r d selected according to the increase of the rotation speed increases in the negative direction while the q-axis voltage component v r q decreases. Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to realize automatic driving of the weak magnetic flux region and use of the maximum voltage even without a separate control operation or coefficient correction.
  • FIG. 7 shows the trajectory of the current vectors i r q and i r d of the stator according to the torque command value on the dq current plane.
  • the stator's current vector in the CVC current control mode moves along a constant torque line while the mode is changed. Also, the magnitude of the current vector decreases in the HVMC voltage control mode because the maximum voltage is used in the HVMC voltage control mode.
  • This feature increases the PM flux linkage (PM pm ) of the permanent magnet synchronous motor (PMSM), enabling sensorless operation even at low speeds.
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the problem of abnormal current change at very high speed can be solved by lowering the reference speed boundary.
  • This limitation of the CVC current control mode region has the advantage of increasing the efficiency of the inverter through low PWM switching frequency.
  • FIG 8 shows the experimental results using the permanent magnet synchronous motor control method according to an embodiment of the present invention
  • each graph is an estimated rotor speed ( ⁇ rpm ), torque command (T e * ) and the actual permanent magnet the torque of the synchronous motor (PMSM) (T e), shows the change in the current (i r dq), flux-linkage of the estimated stator (flux linkage, ⁇ s) passing through the stator.
  • the weak magnetic flux region proceeds at a rotational speed of about 120,000 r / min. That is, according to the embodiment of the present invention, since the high speed is converted to the HVMC voltage mode, the torque ( ⁇ rpm ) of the permanent magnet synchronous motor PMSM can be prevented from decreasing before 120,000 r / min.
  • the rotational speed of the permanent magnet synchronous motor (PMSM) from 50,000 r / min to 150,000 r / min in about 0,55 seconds (0.1 ⁇ 0.65 seconds) Acceleration can be greatly improved compared to the prior art in that ( ⁇ r ) can be increased.
  • PMSM permanent magnet synchronous motor
  • the permanent magnet (PSMS) synchronous motor control apparatus is to be installed in the EATC system coupled to the automatic engine plant, the CVC current control mode by not operating the current control mode in the weak magnetic flux region Mode conversion can proceed smoothly from HVMC voltage control mode.
  • the maximum voltage is utilized in the HVMC voltage control mode, which allows motor torque to be much larger than using the CVC current control method only in the weak magnetic flux region, thereby minimizing the CVC operating area and increasing efficiency.

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  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

본 발명은 교류 모터의 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 토크 지령치를 입력받는 단계, 상기 토크 지령치로부터 지령 전류를 생성하고, 생성된 상기 지령 전류를 이용하여 CVC 전류 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계, 상기 지령 전압이 전압 제한 영역에 진입할 경우 HVMC 전압 제어 모드로 절환하고, 상기 HVMC 전압 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계, 그리고 상기 CVC 전류 제어 모드 또는 HVMC 전압 제어 모드에서 생성된 지령 전압을 이용하여 상기 교류 모터의 토크를 제어하는 단계를 포함한다. 이에 따르면, 저속에서는 전류제어방식을 사용하며, 고속에서는 전체 전압 제한을 활용한 전압제어방식을 이용하여 안전하고 고속으로 효율성있게 교류 모터를 제어할 수 있다.

Description

교류 모터의 제어 방법
본 발명은 교류 모터의 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고속 및 직류단 전압제한 조건에서 안전적이고 효율성있는 구동이 가능한 교류 모터의 제어 방법에 관한 것이다.
최근 가변속 전동기 구동 기술의 발달로 터보 압축기를 포함한 각종 산업 응용분야에서 증기 터빈이나 유압식 구동원 대신에 가변속 전동기의 응용이 급격히 증대되고 있다. 가변속 전동기 구동 시스템의 가장 큰 장점은 효율이 높고 진동이 적다는데 있다. 또한 가변속 전동기를 고속으로 운전할 경우에 산업 생산성이 향상될 뿐만 아니라, 별도의 증속 기어없이 직결 방식으로 구동함으로써, 기계적 소음을 크게 줄일 수 있다. 특히 영구자석 동기 모터(PMSM)을 포함한 교류 모터는 효율 면에서 특성이 매우 우수하기 때문에 이러한 고속 응용분야의 전동기로 널리 사용되고 있다.
그러나, 이러한 가변속 교류 모터의 광범위한 속도 제어를 위해서는 속도 센서가 필요한데, 속도센서는 구조적으로 그 자체의 신뢰성 문제가 있을 뿐만 아니라 전동기를 설계, 가공하는 공정이 복잡해지고 부착시 전동기의 축방향 길이가 늘어나 전체 시스템의 소형화가 곤란해지는 문제점이 있다.
따라서, 산업 현장에서의 이러한 문제점 때문에 고속 구동 응용 분야에서는 가변속 전동기의 속도 센서리스 운전이 요구되고 있다.
또한 종래의 전류 제어 방식은 고속에서 전압을 선형제한 전압 내에서만 사용해야 하므로, 효율성이 떨어지며, 폐루프 전류 제어를 위해서 디지털 시지연에 의한 불안정성이 존재하는 문제가 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 국내공개특허 제2007-0107539호(2007.11.07 공개)에 개시되어 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 고속 및 직류단 전압제한 조건에서 안정적이고 효율성있는 구동이 가능한 교류 모터의 제어 방법을 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 교류 모터의 제어 방법은, 토크 지령치를 입력받는 단계, 상기 토크 지령치로부터 지령 전류를 생성하고, 생성된 상기 지령 전류를 이용하여 CVC 전류 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계, 상기 지령 전압이 전압 제한 영역에 진입할 경우 HVMC 전압 제어 모드로 절환하고, 상기 HVMC 전압 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계, 그리고 상기 CVC 전류 제어 모드 또는 HVMC 전압 제어 모드에서 생성된 지령 전압을 이용하여 상기 교류 모터의 토크를 제어하는 단계를 포함한다.
상기 교류 모터의 회전 속도가 증가하여 상기 지령 전압이 전압 제한 영역에 진입할 경우 상기 HVMC 전압 제어 모드로 절환할 수 있다.
상기 CVC 전류 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계는, 상기 토크 지령치를 토크 상수로 나누어 상기 전류 지령치를 산출하는 단계, 상기 교류 모터로부터 피드백된 전류 값을 차감하는 단계, 그리고 상기 차감된 값을 이용하여 상기 지령 전압을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
정토크 영역에서는 상기 CVC 전류 제어 모드로 동작하고, 약자속 영역에서는 상기 HVMC 전압 제어 모드로 동작할 수 있다.
상기 전압 제한 영역은 d-q축의 육각형 공간 전압 벡터에 내접하는 원의 경계선에 대응하는 영역이며, 상기 CVC 전류 제어 모드에서는, 상기 지령 전압은 상기 전압 제한 영역을 한계 전압으로 가지며, 상기 HVMC 전압 제어 모드에서는, 상기 지령 전압이 상기 육각형 공간 전압 벡터의 경계선에 대응하는 한계 전압을 가질 수 있다.
상기 HVMC 전압 제어 모드에서는, 토크 선(constant torque trajectory)과 회전하는 상기 육각형 공간 전압 벡터가 교차하는 지점에 대응하는 전압을 상기 지령 전압으로 결정할 수 있다.
상기 교차하는 지점에서 선택된 d축과 q축에서의 상기 지령 전압의 벡터(v* d_HVMC, v* q_HVMC)는 각각 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2013010783-appb-I000001
,
Figure PCTKR2013010783-appb-I000002
여기서, ωr은 상기 교류 모터의 회전 속도, P는 폴(pole)의 개수, Ls는 고정자의 인덕턴스, λpm 은 상기 교류 모터의 쇄교자속, Te *는 토크 지령치를 나타낸다.
상기 토크 지령치, 상기 교류 모터의 전류, 상기 CVC 전류 제어 모드 또는 HVMC 전압 제어 모드에서 생성된 지령 전압을 이용하여 상기 교류 모터의 위치를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 교류 모터는 영구자석 동기모터(PMSM)이며, 상기 토크 선은 직선 형태로 이루어질 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 저속에서는 전류제어방식을 사용하며, 고속 및 전압제한 조건에서는 전체 전압 제한을 활용한 전압제어방식을 이용함으로써, 안전하고 고속 및 전압제한 조건으로 효율성 있게 교류 모터를 제어할 수 있다.
또한 HVMC 전압 제어 모드에서 최대 전압을 활용하기 때문에, 약자속 영역에서 CVC 전류 제어 방식만을 사용하는 것보다 훨씬 큰 전동기 토크를 구현할 수 있으므로, CVC 동작 영역을 최대한 줄이고, 효율성을 증대시킬 수 있다. 그리고 초고속에서 CVC 전류 제어 동작으로 발생하는 전류 왜곡 현상을 방지할 수 있고, 낮은 속도에서도 센서리스 동작을 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 충전기(EATC) 시스템에서 영구자속 동기모터(PMSM)의 회전 속도와 토크 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 육각형 형태의 공간 전압 벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 HVMC 전압 제어 모드에서 고정자 전압을 도출하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 d-q 전류 평면 상에서 토크 지령 값에 따른 고정자의 전류 벡터 궤적을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 방법을 이용한 실험 결과를 나타낸 것이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 발명은 교류 모터의 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 교류 모터는 고속으로 운전이 가능한 전기적으로 보조되는 터보 충전기(EATC, Electrically Assisted Turbo-Charger) 시스템에 적용될 수 있다. 터보 충전기는 베어링 시스템에 부착된 공통 축(common shaft)에 의해 연결된 터빈(Turbine)과 압축기(Compressor)로 이루어져 있으며, 엔진의 배기 가스로부터 압축된 공기로 에너지를 변환시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 교류 모터는 고정자와 회전자로 구성되어 있으며, 교류 전원으로 운전되는 모든 종류의 교류 모터를 포함한다. 이하에서는 설명의 편의상 교류 모터로서 영구자석 동기 모터(PMSM)를 예로 들어 설명한다.
영구자석 동기모터(PMSM, Permanent magnet synchronous motor)는 영구 자석을 이용하는 모터로서, 영구자석 동기모터(PMSM)는 배기 가스를 이용하는 경우보다 더욱 고속으로 터보 충전기가 동작할 수 있도록 해준다. 이로 인하여, 터보 충전기(EATC) 시스템은 더 많은 에너지를 생성하고 연소과정을 효율성도 증대시킬 수 있다. 그리고 터보 충전기(EATC) 시스템은 일정량의 운동 에너지가 배기 가스에 존재할 때에만 부스트(boost)를 생성한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터보 충전기(EATC) 시스템에서 영구자속 동기모터(PMSM)의 회전 속도와 토크 변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 나타낸 실험 결과와 같이, 영구자속 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωrpm)가 5000r/min 지점부터 위치 센서리스 제어가 요구되는 반면, 부스트 역치(boost threshold)는 약 50,000r/min 지점에서 시작된다. 또한 영구자속 동기모터(PMSM)는 회전 속도(ωrpm)가 50,000r/min에서 100,000r/min으로 가속되는 동안 측정된 토크의 136%에 해당하는 값을 전달하며, 토크 값(Te)은 0.9 초인 시점에서 점차적으로 저하된다. 즉, 도 1에 따르면 영구자속 동기모터(PMSM)는 회전 속도(ωrpm)가 증가하더라도 토크 값(Te)이 일정하게 유지되지 못하고 일정 속도 이상에서는 점차적으로 감소하는 약자속 영역에 진입하게 된다는 것을 알 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 8을 이용하여 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 장치의 동작에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 장치의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 육각형 형태의 공간 전압 벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 따른 영구자석 동기 모터 제어 장치는 영구자속 동기모터(PMSM)(305)에 최종 자속축(D축)과 회전력축(Q축)의 지령 전압값(Vdq r*)을 제공하는 것으로서, 연산부(310), 전류 벡터 제어부(320), 전압 벡터 제어부(330), 위치 속도 추정부(340) 및 PWM 제어부(350)를 포함한다.
먼저, 영구자석 동기모터(PMSM)(305)는 영구자석을 이용하는 동기 모터로서, 고속 내구력 및 고속 운전성이 우수하여 산업용 및 하이브리드 전기 자동차용 모터로 사용되기에 적합한 특성을 가진다. 영구자석 동기모터(PMSM)(305)는 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)와 달리 인덕턴스가 대칭을 형성한다.
영구자석 동기모터(PMSM)는 고정자(stator)와 회전자(rotor)를 포함하는데, 도 3에서 vr dq 와 ir dq는 각각 회전자의 기본 프레임에서 d-q 축의 고정자 전압 벡터와 전류 벡터를 나타낸다. Rs는 고정자 저항을 나타내고, θr 은 회전자의 회전 각도이고, ωr 은 회전자의 각속도이며, KT는 토크 상수를 나타낸다. 또한 J는
Figure PCTKR2013010783-appb-I000003
행렬을 나타낸다.
또한 Ls는 고정자의 인덕턴스이고, λpm 은 영구자석 쇄교자속(PM flux linkage)이며, 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2013010783-appb-M000001
영구자석 동기모터(PMSM)의 고정자 전압은 영구자석 쇄교자속(λpm)과 고정자의 인덕턴스(Ls)의 합에 비례하는데, 영구자석 쇄교자속(λpm) 또는 고정자의 인덕턴스(Ls)가 증가하면 도 2에 나타낸 부스트 역치(boost threshold)를 낮출 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 영구자석 쇄교자속(λpm)을 높임으로써 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도를 증가시키도록 한다. 이와 같이 영구자석 쇄교자속(λpm)을 증가시킴으로써 부스트 역치(boost threshold)를 낮출 수 있으며, 이에 따라 낮은 속도에서도 영구자석 동기모터(PMSM)의 위치 센서리스 제어가 가능하게 된다.
이하에서는 도 2 및 도 3를 통하여 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 방법에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예에 따르면 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전속도가 저속인 경우에는 전류 벡터 제어부(320)는 CVC(Current vector controller) 전류 제어 모드로 동작시키고, 고속인 경우에는 전압 벡터 제어부(330)는 HVMC(Hexagon voltage modulation controller) 전압 제어 모드로 동작시킨다. 즉, 전류 벡터 제어부(320)는 토크(Te)가 일정하게 유지되는 저속의 정토크 영역에서는 CVC(Current vector controller) 전류 제어 모드로 영구자석 동기모터(PMSM)를 동작시키고, 전압 벡터 제어부(330)는 토크(Te)가 감소하는 고속의 약자속 영역(flux weakening region)에서는 HVMC(Hexagon voltage modulation controller) 전압 제어 모드로 영구자석 동기모터(PMSM)를 동작시킨다.
먼저 토크 지령치(Te *)가 입력되면, 연산부(310)는 입력된 토크 지령치(Te *)를 토크 상수(KT)로 나누어 지령 전류 벡터(ir* dq)를 산출한다. 그리고 연산부(310)는 산출된 지령 전류 벡터(ir* dq)에서 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전자로부터 피드백된 전류 값(ir dq)을 차감한다.
PI(propotional-integral) 전류 벡터 조정기(PI_CVC)로 이루어진 전류 벡터 제어부(320)는 지령 전류 벡터(ir* dq)와 피드백된 동기좌표계 고정자의 전류(ir dq)의 차이값을 이용하여 지령 전압 벡터(vr* dq_CVC)를 출력한다. 이와 같이 저속의 CVC 전류 제어 모드에서는 피드백된 동기좌표계 고정자 전류(ir dq)는 전류 제어 벡터부(320)에 의하여 지령 전류 벡터(ir* dq)를 추종하도록 제어되며, 전류 제어에 의한 지령 전압 벡터(vr* dq_CVC)는 전압 제한 내에서 영구자석 동기모터(PMSM)(305)로 전달된다.
여기서, PWM 제어부(350)는 출력된 지령 전압(vr* dq)에 대응하여 영구자석 동기모터(PMSM)(305)의 동작을 PWM 스위칭 제어하도록 한다.
한편, 위치 속도 추정부(340)는 위치 센서리스에 해당하는 영역에서 영구 자석(PMSM)의 위치와 회전 속도를 추정한다. 즉, 도 3에 나타낸 것처럼, 토크 지령치(Te *), 지령 전압 벡터(vr* dq)가 좌표 변환된 지령 전압 벡터(vs* dq), 고정자 전류 벡터(ir dq)가 좌표 변환된 지령 전류 벡터(is dq)가 위치 속도 추정부(340)에 입력되면, 위치 속도 추정부(340)는 회전자의 각속도(
Figure PCTKR2013010783-appb-I000004
)와 회전각(
Figure PCTKR2013010783-appb-I000005
)을 추정하여 토크 오차를 보상할 수 있도록 한다.
그리고, 지령 전압 벡터(v* dq_CVC)는 도 4에서 보는 바와 같이 항상
Figure PCTKR2013010783-appb-I000006
이내 반경에 대응하는 선형 전압을 가지며, 이때 Vdc는 DC 링크 전압을 나타낸다.
도 4에 대하여 설명하면, 참조부호 V1 내지 V6은 d축 인가 전압(vr* ds)과 q축 인가 전압(vr* qs)의 벡터 합의 전압들을 가리키고, 육각형의 영역에 내접하는 원의 영역은 선형적으로 전압 합성이 가능한 영역이며,
Figure PCTKR2013010783-appb-I000007
은 원의 영역에서 선형적으로 전압 합성이 가능한 최대 합성 전압값을 가리킨다. 또한 육각형 영역은 공간 벡터 PWM(Pulse Width Modulation) 방식에 의하여 전압 합성이 가능한 영역을 가리키고, 육각형 영역의 내접 원의 영역이 제외된 빗금 영역은 비선형 전압변조 영역이다.
한편, 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전자가 고속으로 회전할 경우, 고정자 전압(vr ds)은 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2013010783-appb-M000002
그리고, 영구자석 동기모터(PMSM)의 토크(Te)는 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2013010783-appb-M000003
여기서, P는 폴(pole)의 개수이다.
영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωr)가 증가하면, 전류 제어에 의한 지령 전압 벡터(v* dq_CVC)는 선형 전압 한계치(linear voltage limit boundary)에 접근하게 된다. 또한, 수학식 3에서와 같이 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωr)가 증가함에 따라 토크 값(Te)은 감소하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωr)가 증가하더라도 토크 값(Te)이 감소되는 것을 방지하기 위해, 약자속 영역에서는 전압 벡터 제어부(330)는 HVMC 전압 제어 모드로 동작한다. HVMC 전압 제어 모드는 도 4에 나타낸 육각형을 모두 활용하기 위한 것으로, 도 4에 나타낸 육각형 경계선은 효율성 향상을 위하여 넓은 구동 영역에서 최대 전압을 활용하기 위한 한계 전압에 해당한다.
도 5 및 도 6은 HVMC 전압 제어 모드에서 고정자 전압을 도출하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이다. 먼저, 도 5는 동기화된 d-q 전압 상에서 토크 선과 회전하는 육각형 사이의 고정자 전압(vr q, vr d)을 도출하기 위한 과정을 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따르면 토크 선(constant torque trajectory)과 회전하는 육각형이 교차하는 지점이 HVMC 전압 제어 모드에서의 지령 전압 벡터(v* dq_HVMC)가 된다.
여기서, 토크 선(constant torque trajectory)은 q축과 평행하며 직선 형태로 이루어진다. 만일 영구자석 동기모터(IPMSM) 대신에 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM)를 비롯한 다른 전동기를 사용할 경우에는 토크 선은 곡선 형태로 이루어질 수 있다.
교차 지점에서 선택된 d축과 q축에서의 지령 전압 벡터(v* dq_HVMC)는 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2013010783-appb-M000004
수학식 5
Figure PCTKR2013010783-appb-M000005
여기서, Mn과 Bn은 각각의 육각형 섹터에서 주어지는 상수 값을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 HVMC 전압 제어 모드는 도 5와 같이 입력된 토크 지령(Te *)에 대하여 현재 이를 만족하는 전압을 회전하는 육각형 제한 위에서 찾는 방식이며, 육각형이 회전하기 때문에 교점은 지령토크 선(constant torque trajectory) 위에서 진동하는 형태가 된다.
본 발명의 실시예에 따르면 지령 전압 벡터(v* dq_HVMC)(도 5에서 빨간색으로 표시함)를 선택함에 따라 토크 값은 설정된 토크 선 주변에서 조절된다.
영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωr)가 증가함에 따라 도 5에 나타낸 지령토크 선(constant torque trajectory)은 음의 방향으로 이동하게 되며, 다양한 지령토크에 대한 회전하는 육각형 사이의 교차점을 시계열적으로 도시하면 도 6와 같이 나타난다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωr)가 증가함에 따라 약자속 영역에서의 전압 이용율을 향상시키기 위하여 약자속 영역에서 HVMC 전압 제어 모드로 절환된다. 따라서, 지령 전압 벡터(v* dq_CVC)는 육각형에 내접하는 원의 바깥 부분까지 확장된 후, 최소 크기-에러 과변조를 이용한 육각형 전압 한계치로 조절되어 지령 전압 벡터(v* dq_HVMC)로 출력되므로, 약자속 영역에서의 최대 전압 사용이 가능해진다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도가 증가함에 따라 지령 전압이 전압 제한 영역(육각형에 내접하는 원의 바깥 부분)에 진입할 경우 CVC 전류 제어 모드에서 HVMC 전압 제어 모드로 절환한다. 또한 회전 속도가 저속이더라도 가용 전압이 부족하여 전압 제한이 발생할 경우에도 HVMC 전압 제어 모드로 절환할 수 있다.
이하에서는 회전자의 속도가 증가함에 따라 약자속 영역에서 HVMC 전압 제어 모드로 변경되는 과정에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 수학식 3을 통해 알 수 있듯이, 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωr)가 증가하면 음의 d축 방향으로 토크 값(Te)은 이동한다.
그러면, 회전 속도의 증가에 따라 선택되는 d축 전압 성분(vr d)은 음의 방향으로 증가하는 반면 q축 전압 성분(vr q)은 감소하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 별도의 제어 동작이나 계수 보정이 없더라도 자동적인 약자속 영역의 구동과 최대 전압 이용을 구현할 수 있다.
도 7은 d-q 전류 평면 상에서 토크 지령 값에 따른 고정자의 전류 벡터(ir q, ir d) 궤적을 나타낸 것이다. CVC 전류 제어 모드에서의 고정자의 전류 벡터는 모드가 변경되는 동안 토크 상수 선(constant torque line)을 따라서 이동한다. 또한 전류 벡터의 크기는 HVMC 전압 제어 모드에서 감소하는 것을 알 수 있는데, 이는 HVMC 전압 제어 모드에서는 최대 전압을 이용하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면 약자속 영역에서 HVMC 전압 제어 모드를 사용할 경우, CVC 전류 제어 모드만 사용할 경우에 비하여 전동기의 암페어당 토크 생성이 증가한다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 특징은 영구자석 동기모터(PMSM)의 영구 자석 쇄교 자속(PM flux linkage, λpm)의 증가를 가져오므로, 낮은 속도에서도 센서리스 동작이 가능하도록 해준다. 게다가 초고속에서 비정상적인 전류 변화 문제는 기준 속도의 경계를 낮춤으로써 해결이 가능하다. 이와 같이 CVC 전류 제어 모드 영역을 제한하면 낮은 PWM 스위칭 주파수를 통하여 인버터의 효율성을 증가시키도록 해주는 장점이 생긴다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 모터 제어 방법을 이용한 실험 결과를 나타낸 것으로, 각각의 그래프는 추정된 회전자의 속도(ωrpm), 토크 지령(Te *) 및 실제 영구자석 동기모터(PMSM)의 토크(Te), 고정자에 흐르는 전류(ir dq), 추정된 고정자의 쇄교 자속(flux linkage, λs)의 변화를 나타낸다.
본 실험예에서는 회전자의 속도가 75,000r/min(t=0.25초)일 때, CVC 전류 모드에서 HVMC 전압 모드로 변환되는 것으로 설정을 하였으며, DC 링크 전압은 약 48V로 설정하였다.
도 8에 나타낸 실험예에 나타난 것처럼, 본 발명의 실시예에 따르면 회전자의 속도(ωrpm)가 증가함에 따라 CVC 전류 모드에서 HVMC 전압 모드로 변환시킴으로써, 변환 시점(0.25초) 이후에도 영구자석 동기모터(PMSM)의 토크(Te)가 도 1에서와 같이 감소되지 않고, 토크 지령(Te *)를 만족시키면서 추종된다는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면 약자속 영역에서는 전류 제어 모드를 동작시키지 않기 때문에 CVC 전류 제어 모드에서 HVMC 전압 제어 모드로 부드럽게 모드 변환이 진행되며, CVC 모드에서 HVMC 모드로 변환되는 과정에서 토크의 왜곡 현상은 발생하지 않음을 알 수 있다.
그리고, 영구자석 쇄교 자속(λm)이 증가됨에 따라 부스트 역치(boost threshold)가 감소되며, 이에 따라 회전 속도가 50,000r/min(t=0.1초) 이상이 되면 영구자석 동기모터(PMSM)의 위치 센서리스 제어가 가능하게 되며, 회전 속도가 50,000r/min 이상인 경우, 회전자의 위치는 정지된 기본 프레임에서는 위치 속도 추정부(340)를 통하여 추정될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면 영구자석 쇄교 자속(λs)이 증가되었음에도 불구하고, 약자속 영역은 회전 속도가 120,000r/min 부근에서 진행된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 고속에서는 HVMC 전압 모드로 변환되기 때문에, 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωrpm)가 120,000r/min 이전에 토크가 감소되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 결과에 나타난 것처럼, 본 발명의 실시예에 따르면 도 1과 달리 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωrpm)가 계속 증가하더라도 약자속 영역에 진입하기 전까지 토크 값(Te)이 유지되도록 할 수 있다.
또한, 도 6에 나타난 결과처럼, 본 발명의 실시예에 따르면, 약 0,55초(0.1 ~ 0.65초)만에 50,000r/min에서 150,000r/min까지 영구자석 동기모터(PMSM)의 회전 속도(ωr)를 증가시킬 수 있다는 점에서, 종래기술에 비하여 가속성을 크게 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 영구자석(PSMS) 동기 모터 제어 장치는 자동 엔진 플랜트에 결합된 EATC 시스템에 설치하기 위한 것으로, 약자속 영역에서는 전류 제어 모드를 동작시키지 않음으로써, CVC 전류 제어 모드에서 HVMC 전압 제어 모드로 부드럽게 모드 변환이 진행될 수 있다.
또한 HVMC 전압 제어 모드에서 최대 전압을 활용하기 때문에, 약자속 영역에서 CVC 전류 제어 방식만을 사용하는 것보다 훨씬 큰 전동기 토크를 구현할 수 있으므로, CVC 동작 영역을 최대한 줄이고, 효율성을 증대시킬 수 있다.
그 결과, 본 발명의 실시예에 따르면 초고속에서 CVC 전류 제어 동작으로 발생하는 전류 왜곡 현상을 방지할 수 있고, 낮은 속도에서도 센서리스 동작을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (9)

  1. 토크 지령치를 입력받는 단계,
    상기 토크 지령치로부터 지령 전류를 생성하고, 생성된 상기 지령 전류를 이용하여 CVC 전류 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계,
    상기 지령 전압이 전압 제한 영역에 진입할 경우 HVMC 전압 제어 모드로 절환하고, 상기 HVMC 전압 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계, 그리고
    상기 CVC 전류 제어 모드 또는 HVMC 전압 제어 모드에서 생성된 지령 전압을 이용하여 교류 모터의 토크를 제어하는 단계를 포함하는 교류 모터의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 교류 모터의 회전 속도가 증가하여 상기 지령 전압이 전압 제한 영역에 진입할 경우 상기 HVMC 전압 제어 모드로 절환하는 교류 모터의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 CVC 전류 제어 모드에서의 지령 전압을 생성하는 단계는,
    상기 토크 지령치를 토크 상수로 나누어 상기 전류 지령치를 산출하는 단계,
    상기 교류 모터로부터 피드백된 전류 값을 차감하는 단계, 그리고
    상기 차감된 값을 이용하여 상기 지령 전압을 생성하는 단계를 포함하는 교류 모터의 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    정토크 영역에서는 상기 CVC 전류 제어 모드로 동작하고, 약자속 영역에서는 상기 HVMC 전압 제어 모드로 동작하는 교류 모터의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전압 제한 영역은 d-q축의 육각형 공간 전압 벡터에 내접하는 원의 경계선에 대응하는 영역이며,
    상기 CVC 전류 제어 모드에서는,
    상기 지령 전압은 상기 전압 제한 영역을 한계 전압으로 가지며,
    상기 HVMC 전압 제어 모드에서는,
    상기 지령 전압이 상기 육각형 공간 전압 벡터의 경계선에 대응하는 한계 전압을 가지는 교류 모터의 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 HVMC 전압 제어 모드에서는,
    토크 선(constant torque trajectory)과 회전하는 상기 육각형 공간 전압 벡터가 교차하는 지점에 대응하는 전압을 상기 지령 전압으로 결정하는 교류 모터의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 교차하는 지점에서 선택된 d축과 q축에서의 상기 지령 전압의 벡터(v* d_HVMC, v* q_HVMC)는 각각 다음과 같이 표현되는 교류 모터의 제어 방법:
    Figure PCTKR2013010783-appb-I000008
    ,
    Figure PCTKR2013010783-appb-I000009
    여기서, ωr은 상기 교류 모터의 회전 속도, P는 폴(pole)의 개수, Ls는 고정자의 인덕턴스, λpm 은 상기 교류 모터의 쇄교자속, Te *는 토크 지령치를 나타낸다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 토크 지령치, 상기 교류 모터의 전류, 상기 CVC 전류 제어 모드 또는 HVMC 전압 제어 모드에서 생성된 지령 전압을 이용하여 상기 교류 모터의 위치를 추정하는 단계를 더 포함하는 교류 모터의 제어 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 교류 모터는 영구자석 동기모터(PMSM)이며, 상기 토크 선은 직선 형태로 이루어진 교류 모터의 제어 방법.
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