WO2024043399A1 - 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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torque
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angular velocity
axis
motor
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PCT/KR2022/017366
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강정구
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엘지전자 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/24—Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements

Definitions

  • This specification relates to an apparatus and method for controlling an inverter-driven sensorless motor, and more specifically, to an apparatus and method for maintaining the torque of an inverter-driven sensorless motor constant.
  • HAVC Heating, Ventilating and Air Conditioning
  • BLDC Brushless Direct Current
  • BLDC motors use permanent magnets instead of coils in the rotor, eliminating brushes, and require a circuit to create an external rotating magnetic field. That is, in a BLDC motor, when current is initially applied to the stator coil to form an electric or magnetic field, a magnetic repulsion force is generated in the stationary rotor with an opposing magnetic field, causing the rotor to rotate. In order to use this magnetic repulsion, it is necessary to detect the position of the rotor.
  • the BLDC motor In order to detect the position of the rotor, the BLDC motor must include a position detection element, such as a Hall element, an encoder, etc.
  • a position detection element such as a Hall element, an encoder, etc.
  • sensorless BLDC motors without sensors are generally used in air conditioning systems.
  • system air conditioners are used with multiple indoor units connected to one outdoor unit.
  • the capacity and required temperature may be different for each indoor unit, and in order to simultaneously satisfy the capacity and temperature conditions of multiple indoor units, it is necessary to precisely control the motor of the outdoor unit.
  • This specification takes this situation into consideration, and the purpose of this specification is to provide an apparatus and method for controlling the torque of a sensorless motor driven by an inverter.
  • Another purpose of this specification is to provide an apparatus and method for estimating the torque of a motor to control the torque of the motor.
  • a control device for an inverter-driven sensorless motor includes a position estimation unit for estimating the angular velocity and position of the rotor of the motor; A power estimation unit for estimating the input power of the motor; a torque control unit for estimating a torque value based on the angular velocity estimate value and the input power estimate value output by the position estimator and the power estimator, respectively, and generating an angular velocity command value based on the torque command value and the torque estimate value; a speed control unit for generating current command values of d-axis and q-axis components based on the angular velocity command value and the angular velocity estimate value; Generates a pulse width modulation (PWM: Pulse Width Modulation) signal for starting the rotor based on the current command values of the d- and q-axis components output by the speed control unit and the current values of the d- and q-axis components flowing through the motor.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • a control method of an inverter-driven sensorless motor includes outputting an angular velocity command value based on a torque error; Generating current command values of d-axis and q-axis components based on the speed command value and the angular velocity estimate value; Generating a pulse width modulation (PWM) signal for starting the rotor based on the current command values of the d-axis and q-axis components and the current values of the d-axis and q-axis components flowing in the motor; and generating a drive signal based on the PWM signal to drive the motor, wherein outputting the angular velocity command value includes estimating a torque value based on the input power estimate and the angular velocity estimate of the motor; generating a torque error based on the torque command value and the torque estimate value; and adjusting the angular velocity command value based on the torque error.
  • PWM pulse width modulation
  • the torque of the motor can be estimated more accurately.
  • the torque of the motor can be controlled more precisely.
  • the motor can quickly reach the angular speed corresponding to the desired target torque, thereby reducing unnecessary power consumption.
  • the speed of the motor can be varied according to the changing load while maintaining the torque of the motor constant at the desired value.
  • FIG. 1 shows the configuration of a control device for an inverter-driven sensorless motor according to an embodiment of this specification in functional blocks;
  • FIG. 1 shows in detail the configuration of the torque control unit of Figure 1
  • FIG. 3 shows in detail the configuration of the current control unit of Figure 1
  • Figures 4a and 4b show an operation flowchart of a method for controlling an inverter-driven sensorless motor according to an embodiment of the specification.
  • control device and method of the inverter driven sensorless motor described in this specification can be described as follows.
  • a control device for an inverter-driven sensorless motor includes a position estimation unit for estimating the angular velocity and position of a rotor of the motor; A power estimation unit for estimating the input power of the motor; a torque control unit for estimating a torque value based on the angular velocity estimate value and the input power estimate value output by the position estimator and the power estimator, respectively, and generating an angular velocity command value based on the torque command value and the torque estimate value; a speed control unit for generating current command values of d-axis and q-axis components based on the angular velocity command value and the angular velocity estimate value; Generates a pulse width modulation (PWM: Pulse Width Modulation) signal for starting the rotor based on the current command values of the d- and q-axis components output by the speed control unit and the current values of the d- and q-axis components flowing through the motor.
  • the torque control unit includes: a torque estimator for estimating a torque value based on an input power estimate value and an angular velocity estimate value; a fourth summation unit for calculating a torque error value based on the torque command value and the torque estimate value; and an angular velocity setting unit for setting an angular velocity command value based on the torque error value.
  • the torque estimator may calculate the torque estimate value to be proportional to the input power estimate value divided by the angular velocity estimate value.
  • the angular velocity setting unit maintains the angular velocity command value if there is no torque error, adjusts the angular velocity command value upward if the torque command value is greater than the torque estimate value and the torque error is greater than 0, and if the torque error is less than 0, the angular velocity setting unit maintains the angular velocity command value.
  • the angular velocity command value can be adjusted downward.
  • the angular velocity setting unit may vary the step of adjusting the angular velocity command value upward or downward to be proportional to the absolute value of the torque error.
  • the power estimator may estimate the input power based on the current and voltage of each of the d-axis and q-axis components supplied to the motor.
  • the current control unit includes first and second proportional integrators for respectively outputting voltage command values of d-axis and q-axis components based on current command values of d-axis and q-axis components output by the speed control unit; a coordinate conversion unit for converting a voltage value in a two-axis coordinate system based on the voltage command value output from the first and second proportional integrators and the position estimate value of the rotor output from the position estimation unit; a PWM generation unit configured to generate a three-phase PWM signal based on the fixed two-axis coordinate system value converted by the coordinate conversion unit; A three-phase/two-phase conversion unit for converting the three-phase current detected by a current detector mounted on the wiring between the inverter and the motor into an equivalent two-phase current value; and a vector rotation unit for generating currents of d-axis and q-axis components based on the two-phase current value and the position estimate value of the rotor output by the position estimation unit.
  • the first and second proportional integrators are configured to operate the d-axis based on the difference between the current command value of the d-axis and q-axis components output by the speed control unit and the current of the d-axis and q-axis components output by the vector rotation unit.
  • the voltage command values of the and q-axis components can be generated.
  • the position estimation unit may estimate the angular velocity and position of the rotor based on the two-axis coordinate system voltage value output by the coordinate conversion unit and the two-phase current value converted by the three-phase/two-phase conversion unit.
  • a method of controlling an inverter-driven sensorless motor includes outputting an angular velocity command value based on a torque error; Generating current command values of d-axis and q-axis components based on the speed command value and the angular velocity estimate value; Generating a pulse width modulation (PWM) signal for starting the rotor based on the current command values of the d-axis and q-axis components and the current values of the d-axis and q-axis components flowing in the motor; and generating a drive signal based on the PWM signal to drive the motor, wherein outputting the angular velocity command value includes estimating a torque value based on the input power estimate and the angular velocity estimate of the motor; generating a torque error based on the torque command value and the torque estimate value; and adjusting the angular velocity command value based on the torque error.
  • PWM pulse width modulation
  • the step of adjusting the angular velocity command value includes maintaining the angular velocity command value if there is no torque error, adjusting the angular velocity command value upward if the torque command value is greater than the torque estimate value and the torque error is greater than 0, and adjusting the angular velocity command value upward when there is a torque error. If is less than 0, the angular velocity command value can be adjusted downward.
  • the step of adjusting the angular velocity command value may vary the step of adjusting the angular velocity command value upward or downward to be proportional to the absolute value of the torque error.
  • the torque value may be proportional to the input power estimate divided by the angular velocity estimate.
  • the method of controlling an inverter-driven sensorless motor may further include estimating input power based on the current and voltage of each of the d-axis and q-axis components supplied to the motor.
  • a system includes a motor that does not include a sensor for rotor position detection; A control device for outputting pulse width modulation (PWM) to control the speed or torque of the motor; and an inverter for generating a drive signal for driving the motor based on the PWM signal, and the control device includes: a position estimation unit for estimating the angular velocity and position of the rotor; A power estimation unit for estimating the input power of the motor; a torque control unit for estimating a torque value based on the angular velocity estimate value and the input power estimate value output by the position estimator and the power estimator, respectively, and generating an angular velocity command value based on the torque command value and the torque estimate value; a speed control unit for generating current command values of d-axis and q-axis components based on the angular velocity command value and the angular velocity estimate value; and a current control unit for generating a PWM signal based on the current command values of the d-axis and q-axis
  • a control device for controlling a sensorless motor that does not include a detection element for detecting the position of the rotor requires a position estimator to accurately estimate the position of the rotor, and the position output by the position estimator.
  • a speed controller that controls speed based on the estimated value or angular velocity estimate is placed in front of the current controller.
  • a control device for controlling a sensorless motor requires a torque controller to constantly control the torque of the motor with a torque command value input from a host (not shown).
  • This specification presents the configuration of a torque controller needed for a control device to control a sensorless motor driven by an inverter to control the torque of the motor to a desired value, and the connection relationship with existing components of the control device.
  • Figure 1 shows the configuration of a control device for an inverter-driven sensorless motor according to an embodiment of this specification in functional blocks.
  • the control device of the inverter-driven sensorless motor shown in FIG. 1 is only an example, and its components are not limited to the embodiment shown in FIG. 1, and some components may be added, changed, or deleted as necessary. It can be.
  • the control device for an inverter driven sensorless motor includes a torque control unit 100, a speed control unit 200, a current control unit 300, an inverter 400, and a position weight. It may include a government unit 600 and a power estimation unit 700.
  • An air conditioning system such as an air conditioner or air conditioner, may be configured to basically include the control device and motor 500 shown in FIG. 1. Motor 500 may be a sensorless BLDC motor.
  • the torque control unit 100 estimates the torque of the motor 500, compares it with the target torque value, and outputs a control command to control the angular speed of the rotor of the motor 500 based on the comparison result.
  • the torque control unit 100 receives an angular velocity estimate value (Wr ⁇ ) from the position estimator 600, a power estimate value (p ⁇ ) from the power estimator 700, and
  • the target torque value (or torque command value) (Tm*) can be input from an external host (not shown).
  • the torque control unit 100 estimates the torque of the motor 500 based on the angular velocity estimate value (Wr ⁇ ) and the power estimate value (p ⁇ ), and compares the torque estimate value with the torque command value (Tm*) to provide torque.
  • the error may be calculated, an angular velocity command value (Wr*) may be obtained based on the torque error, and this may be output to the speed control unit 200.
  • FIG. 2 specifically shows the configuration of the torque control unit of FIG. 1.
  • the torque control unit 100 may include a torque estimation unit 110, a fourth summing unit 120, and an angular velocity setting unit 130.
  • the torque estimator 110 may estimate the torque of the motor 500 based on the angular velocity estimate value (Wr ⁇ ) and the power estimate value (p ⁇ ), where the torque is the input power (or output power) of the motor 500. ) is proportional to the value divided by the angular velocity, so the power estimate value (p ⁇ ) output by the power estimation unit 700 is multiplied by a predetermined gain and divided by the angular velocity estimate value (Wr ⁇ ) output by the position estimation unit 600
  • the torque of the motor 500 can be estimated, that is, the torque estimate value (T ⁇ ) can be output.
  • the fourth summation unit 120 outputs the difference between the target torque value (Tm*) input from the host and the torque estimate value (T ⁇ ) output by the torque estimation unit 110 as a torque error value (Te).
  • the angular velocity setting unit 130 generates and outputs an angular velocity command value (Wr*) based on the torque error value (Te).
  • the angular velocity setting unit 130 maintains the angular velocity command value (Wr*) at the current value if the torque error value (Te) obtained by subtracting the torque estimate value (T ⁇ ) from the target torque value (Tm*) is close to zero, If the torque error value (Te) is greater than 0, the angular velocity is judged to be low and the angular velocity command value (Wr*) is adjusted upward. If the torque error value (Te) is less than 0, the angular velocity is judged to be high and the angular velocity command value (Wr*) is adjusted upward. can be adjusted downward.
  • the torque error value (Te) is defined as a value obtained by subtracting the target torque value (Tm*) from the torque estimate value (T ⁇ ), the angular velocity setting unit 130, on the contrary, if the torque error value (Te) is greater than 0, the angular velocity If it is judged to be high, the angular velocity command value (Wr*) may be adjusted downward, and if the torque error value (Te) is less than 0, the angular velocity may be judged to be low and the angular velocity command value (Wr*) may be adjusted upward.
  • the angular velocity setting unit 130 may vary the step or step of adjusting the angular velocity command value (Wr*) upward or downward in proportion to the absolute value of the torque error value (Te). That is, the angular velocity setting unit 130 increases the step of the adjustment value when the absolute value of the torque error value (Te) is large, and decreases the step of the adjustment value when the absolute value of the torque error value (Te) is small. , Reduce the phenomenon in which the torque error value (Te) repeatedly jumps from a negative value to a positive value or from a positive value to a negative value, and allow the torque estimate value (T ⁇ ) to gradually converge to the target torque value (Tm*). You can.
  • the speed control unit 200 outputs a control signal for controlling the angular speed of the motor 500 based on the angular speed command value (Wr*) output by the torque control unit 100.
  • the angular speed command value output by the torque control unit 100 (Wr*) and the angular velocity estimate value (Wr ⁇ ) output by the position estimation unit 600 may be calculated as an angular velocity error value by the first summing unit 10 and input to the speed control unit 200.
  • the first summation unit 10 may be included in the speed control unit 200, in which case the speed control unit 200 receives the angular velocity command value (Wr*) and the angular velocity from the torque control unit 100 and the position estimation unit 600.
  • the estimated value (Wr ⁇ ) may be input and the angular velocity error value may be calculated internally based on this.
  • the speed control unit 200 can generate a current command value for controlling the angular velocity of the motor 500 so that the angular velocity error value converges to 0 based on the angular velocity error value.
  • the current command is divided into d-axis and q-axis components. Values (id*, iq*) can be output.
  • the d-axis corresponds to the magnetic flux axis
  • the q-axis corresponds to the torque axis.
  • the speed control unit 200 may generate a current command value (iq*) of the q-axis component, which is the torque axis, by applying, for example, a proportional integrator (or PI controller), which is a combination of a proportional device and an integrator, to the angular velocity error value. Additionally, the speed control unit 200 may output a zero value as the current command value (id*) of the d-axis component, which is the magnetic flux axis.
  • a proportional integrator or PI controller
  • the d-axis component current (id) flowing in the motor 500 is a component that creates magnetic flux and is called an excitation current, but does not participate in torque generation.
  • the q-axis component current (iq) is called torque current and is involved in generating torque of the motor 500.
  • the second and third summation units 20 and 30 that generate current error values (ide, iqe) of the d-axis and q-axis components may be included within the current control unit 300.
  • the current control unit 300 receives the current command values (id*, iq*) of the d-axis and q-axis components from the speed control unit 200, and generates internally the current values (id) of the d-axis and q-axis components flowing to the motor 500.
  • iq can also be used to generate current error values (ide, iqe) of d-axis and q-axis components.
  • the current control unit 300 starts the rotor of the motor 500 based on the current error values (ide, iqe) of the d-axis and q-axis components and the position estimate value ( ⁇ ) output by the position estimation unit 600.
  • Pulse Width Modulation (PWM) signals (PWM1 to PWM6) can be generated and output to the inverter 400.
  • FIG. 3 specifically shows the configuration of the current control unit of FIG. 1.
  • the current control unit 300 includes a first proportional integrator 310, a second proportional integrator 320, a coordinate conversion unit 330, a PWM generator 340, a 3-phase/2-phase conversion unit 350, and a vector conversion unit. It may include (360).
  • the first proportional integrator 310 and the second proportional integrator 320 are the current command values (id*, iq*) of the d-axis and q-axis components output by the speed control unit 200, or the d-axis and q-axis components, respectively. Based on the current error values (ide, iqe) of , the voltage command values (Vd, Vq) of the d-axis and q-axis components are generated and output. It is possible to generate voltage command values (Vd, Vq) of d- and q-axis components that are set to zero.
  • the voltage command values (Vd, Vq) of the d-axis and q-axis components output by the first proportional integrator 310 and the second proportional integrator 320 are supplied to the power estimation unit 700 and input to the motor 500. It can be used to calculate the input power.
  • the coordinate conversion unit 330 converts the voltage command values (Vd, Vq) output by the first proportional integrator 310 and the second proportional integrator 320 into voltage values (V, V) in a two-axis coordinate system.
  • the position estimate value ( ⁇ ) output by the position estimation unit 600 can be used.
  • the PWM generator 340 may generate pulse width modulation (PWM) signals (PWM1 to PWM6) based on the voltage values (V, V) of the two-axis coordinate system converted by the coordinate conversion unit 330.
  • PWM1 to PWM6 may be three-phase, for example.
  • the PWM signals (PWM1 to PWM6) are converted into a driving current for driving the motor 500 by the inverter 400 and applied to the motor 500.
  • the three-phase/two-phase converter 350 detects at least one of the three-phase currents Ia, Ib, and Ic detected by the current detectors 40 and 50 mounted on at least a portion of the wiring between the inverter 400 and the motor 500. Convert two or more into equivalent two-phase currents (i, i).
  • the vector rotation unit 360 is based on the two-phase current (i, i) converted and output by the three-phase/two-phase conversion unit 350 and the position estimate value ( ⁇ ) output by the position estimation unit 600, Generate current values (id, iq) of d-axis and q-axis components.
  • the current values (id, iq) of the d-axis and q-axis components generated by the vector rotation unit 360 are supplied to the second and third addition units 20 and 30, and the d-axis output by the speed control unit 200 and can be added as a negative value to the current command values (id*, iq*) of the q-axis components and used to generate current error values (ide, iqe) of the d-axis and q-axis components.
  • the current values (id, iq) of the d-axis and q-axis components generated by the vector rotation unit 360 are supplied to the power estimation unit 700 and can be used to calculate the input power input to the motor 500. there is.
  • the inverter 400 generates three-phase currents (Ia, Ib, Ic), which are driving signals, based on the PWM signals (PWM1 to PWM6) output by the current control unit 300 and supplies them to the motor 500. Run .
  • the position estimation unit 600 estimates the position of the rotor using the voltage and current applied to the motor 500.
  • the position estimation unit 600 stores in advance the induction coefficients (Ld, Lq) and resistance (R) of the d-axis and q-axis components of the armature coil of the motor 500, and Based on the current, voltage, and stored information, calculate the estimated value (Ed) of the d-axis component of the induced voltage generated in the armature coil by the magnetic flux generated by the permanent magnet, and calculate the estimated value (Ed) of the induced voltage of the d-axis component.
  • the angular velocity estimate value (Wr ⁇ ) of the rotor is output to the torque control unit 100 and the speed control unit 200.
  • the angular velocity estimate value (Wr ⁇ ) is used to estimate the torque of the motor 500 or generate an angular velocity error value. It can be used.
  • the position estimation unit 600 can calculate the rotational position estimation value ( ⁇ ) of the rotor by integrating the angular velocity estimation value (Wr ⁇ ) and output this to the current control unit 300.
  • the power estimation unit 700 receives the current values (id, iq) and voltage command values (Vd, Vq) of the d-axis and q-axis components as input from the current control unit 300, and operates the motor 500 based on these.
  • the input power is calculated and output to the torque control unit 100, and the torque control unit 100 can estimate the torque of the motor 500 based on the input power.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate an operation flowchart of a method for controlling an inverter-driven sensorless motor according to an embodiment of the specification, and FIGS. 4A and 4B relate to the operation of the torque control unit 100.
  • the torque estimation unit 110 of the torque control unit 100 receives the angular velocity estimation value (Wr ⁇ ) and the power estimation value (p ⁇ ) from the position estimation unit 600 and the power estimation unit 700, respectively, and based on these, The torque of the motor 500 can be estimated (S410).
  • the torque estimate value (T ⁇ ) can be obtained by multiplying the power estimate value (p ⁇ ) by a predetermined gain and then dividing by the angular velocity estimate value (Wr ⁇ ).
  • the fourth summation unit 120 of the torque control unit 100 calculates a torque error value ( Te) can be generated (S420), and the torque error value (Te) can be calculated by subtracting the torque estimate value (T ⁇ ) from the target torque value (Tm*).
  • the angular velocity setting unit 130 of the torque control unit 100 may generate an angular velocity command value (Wr*) based on the torque error value (Te) and output it to the speed control unit 200 (S430).
  • the angular velocity setting unit 130 may adjust the angular velocity command value (Wr*) according to the torque error value (Te), that is, depending on the magnitude of the target torque value (Tm*) and the torque estimate value (T ⁇ ).
  • the angular velocity setting unit 130 checks whether the torque error value (Te) is 0 or close to 0 (S431), and if the torque error value (Te) is 0 or close to 0 (Yes in 431), the angular velocity
  • the command value (Wr*) can be maintained at the current value (S432).
  • the angular speed setting unit 130 checks whether the torque error value (Te) is greater than 0 (S433), and when the torque error value (Te) is greater than 0 (Yes in S433), the angular speed of the motor 500 is low. By determining this, the angular velocity command value (Wr*) can be adjusted upward so that the angular velocity of the motor 500 can increase (S434).
  • the angular velocity setting unit 130 determines that the angular velocity of the motor 500 is high when the torque error value Te is less than 0 (No in S433) and sets the angular velocity command value so that the angular velocity of the motor 500 can be reduced. (Wr*) can be down-regulated (S435).
  • the angular velocity setting unit 130 may vary the upward or downward adjustment step in proportion to the absolute value of the torque error value (Te). there is.
  • the angular velocity setting unit 130 increases the step of adjusting the angular velocity command value (Wr*) upward or downward, and the absolute value of the torque error value (Te) increases.
  • the steps for adjusting the angular velocity command value (Wr*) upward or downward can be made small.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

이 명세서는 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계; 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계; d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 모터를 구동하는 단계를 포함하고, 각속도 명령 값을 출력하는 단계는, 모터의 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러를 생성하는 단계; 및 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법
이 명세서는 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 인버터 구동 센서리스 모터의 토크를 일정하게 유지하는 장치와 방법에 관한 것이다.
최근 대부분의 공조 시스템(HAVC: Heating, Ventilating and Air Conditioning)에는 효율을 높이기 위해, 즉 전력 소모를 줄이고 소음을 줄이기 위해 인버터로 구동하는 모터가 채용되고 있고, 또한 모터의 기계적 수명을 길게 유지하기 위해서 브러시를 제거한 브러시리스 직류(BLDC: Brushless Direct Current) 모터가 채용되고 있다.
BLDC 모터는 회전자에 코일 대신에 영구 자석을 사용하여 브러시를 제거한 구조로 외부에 회전 자계를 형성하기 위한 회로를 필요로 한다. 즉, BLDC 모터에서, 초기에 고정자의 코일에 전류를 가하여 전기장이나 자기장을 형성시키면, 이와 반대되는 자기장을 가지고 정지하고 있는 회전자에 자기적 반발력이 발생하여 회전자가 회전하게 된다. 이러한 자기적 반발력을 이용하기 위해서는 회전자의 위치를 감지할 필요가 있다.
회전자의 위치를 검출하기 위해서, BLDC 모터는 위치 검출 소자, 예를 들어 홀 소자, 인코더 등을 포함해야 한다. 하지만, 최근에는 이러한 위치 검출 소자의 비용마저 줄이기 위해, 공조 시스템에 센서가 없는 센서리스 BLDC 모터가 일반적으로 채용되고 있다.
한편, 최근 공조 시스템은 여러 장치가 연결되어 복잡해지는 추세, 예를 들어 시스템 에어컨은 하나의 실외기에 여러 실내기가 연결되어 사용되고 있는 추세이다. 각 실내기마다 용량이나 요구되는 온도가 다를 수 있고, 여러 실내기의 용량과 온도 조건을 모두 동시에 만족시키기 위해서는, 실외기의 모터를 정밀하게 제어할 필요가 있다.
특히, 공조 시스템에서 모터에 연결되는 장치가 상황에 따라 바뀌어 부하가 변동하는 것과 관련하여, 모터의 입력 또는 출력 파워, 즉 모터의 토크를 정밀하게 제어하는 것이 중요해지고 있다.
(선행기술 1) 한국 공개특허공보 10-2004-0036364호 (2004.04.30. 공개)
(선행기술 2) 일본 공개특허공보 특개 2004-242430호 (2004.08.26. 공개)
이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 인버터로 구동되는 센서리스 모터의 토크를 제어하는 장치와 방법을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 다른 목적은, 모터의 토크를 제어하기 위해 모터의 토크를 추정하는 장치와 방법을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 실시예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 이 명세서의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는, 모터의 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부; 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부; 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부; 각속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부; 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하기 위한 전류 제어부; 및 전류 제어부가 출력하는 PWM 신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 명세서의 다른 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계; 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계; d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 모터를 구동하는 단계를 포함하고, 각속도 명령 값을 출력하는 단계는, 모터의 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러를 생성하는 단계; 및 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 모터에 입력되는 전류와 전압을 이용하여 센서리스 모터의 토크를 직접 추정함으로써, 모터의 토크를 좀더 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 좀더 정확하게 추정된 토크를 목표 토크와 비교하여 모터의 각속도를 조절함으로써, 모터의 토크를 좀 더 정교하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 센서 없이 모터를 제어하면서도 모터에 부과되는 부하 변동에도 모터 토크를 원하는 값으로 일정하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 모터가 원하는 목표 토크에 해당하는 각속도에 빠르게 진입할 수 있게 되어, 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있게 된다.
또한, 시스템 부하가 바뀌더라도 모터의 토크를 원하는 값으로 일정하게 유지하면서 바뀌는 부하에 맞추어 모터의 속도를 가변할 수 있게 된다.
이 명세서에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 이 명세서의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 토크 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 1의 전류 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이고,
도 4a와 도 4b는 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이 명세서에 기재된 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치와 방법은 아래와 같이 설명될 수 있다.
일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는, 모터의 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부; 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부; 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부; 각속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부; 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하기 위한 전류 제어부; 및 전류 제어부가 출력하는 PWM 신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 토크 제어부는, 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하기 위한 토크 추정부; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러 값을 계산하기 위한 제4 합산부; 및 토크 에러 값에 기초하여 각속도 명령 값을 설정하기 위한 각속도 설정부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 토크 추정부는 입력 파워 추정 값을 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례하도록 토크 추정 값을 계산할 수 있다.
일 실시예에서, 각속도 설정부는, 토크 에러가 없으면 각속도 명령 값을 유지하고, 토크 명령 값이 토크 추정 값보다 커 토크 에러가 0보다 크면 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 토크 에러가 0보다 작으면 각속도 명령 값을 하향 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각속도 설정부는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변할 수 있다.
일 실시예에서, 파워 추정부는 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 입력 파워를 추정할 수 있다.
일 실시예에서, 전류 제어부는, 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 각각 출력하기 위한 제1 및 제2 비례 적분기; 제1 및 제2 비례 적분기가 출력하는 전압 명령 값 및 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 2축 좌표계 전압 값으로 변환하기 위한 좌표 변환부; 좌표 변환부가 변환한 고정 2축 좌표계 값에 기초하여 3상의 PWM 신호를 생성하기 위한 형성하는 PWM 생성부; 인버터와 모터 사이 배선에 장착된 전류 검출기에서 검출된 3상 전류를 등가인 2상 전류 값으로 변환하기 위한 3상/2상 변환부; 및 2상 전류 값 및 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류를 생성하기 위한 벡터 회전부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 비례 적분기는, 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값과 벡터 회전부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류의 차이에 기초하여 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 위치 추정부는 좌표 변환부가 출력하는 2축 좌표계 전압 값과 3상/2상 변환부가 변환한 2상 전류 값에 기초하여 회전자의 각속도와 위치를 추정할 수 있다.
다른 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계; 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계; d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 모터를 구동하는 단계를 포함하고, 각속도 명령 값을 출력하는 단계는, 모터의 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러를 생성하는 단계; 및 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 토크 에러가 없으면 각속도 명령 값을 유지하고, 토크 명령 값이 토크 추정 값보다 커 토크 에러가 0보다 크면 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 토크 에러가 0보다 작으면 각속도 명령 값을 하향 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변할 수 있다.
일 실시예에서, 토크 값은 입력 파워 추정 값을 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례할 수 있다.
일 실시예에서, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 입력 파워를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 시스템은, 회전자 위치 검출을 위한 센서를 포함하지 않는 모터; 모터의 속도나 토크를 제어하기 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)를 출력하기 위한 제어 장치; 및 PWM 신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함하고, 제어 장치는, 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부; 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부; 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부; 각속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부; 및 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 PWM 신호를 생성하기 위한 전류 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서(disclosure)에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 명세서의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 명세서(disclosure)의 용어는 document, specification, description 등의 용어로 대체할 수 있다.
일반적으로, 회전자의 위치를 검출하기 위한 검출 소자를 포함하지 않는 센서리스 모터를 제어하기 위한 제어 장치는, 회전자의 위치를 정확하게 추정하기 위한 위치 추정기를 필요로 하고, 위치 추정기가 출력하는 위치 추정 값이나 각속도 추정 값에 기초하여 속도를 제어하는 속도 제어기를 전류 제어기 앞단에 배치한다.
센서리스 모터를 제어하기 위한 제어 장치는, 호스트(미도시)로부터 입력되는 토크 명령 값으로 모터의 토크를 일정하게 제어하기 위해서, 토크 제어기를 필요로 한다.
이 명세서는, 인버터로 구동되는 센서리스 모터를 제어하는 제어 장치가 모터의 토크를 원하는 값으로 제어하기 위해 필요한 토크 제어기의 구성 및 제어 장치의 기존 구성 요소와의 연결 관계를 제시한다.
도 1은 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이다. 여기서, 도 1에 도시된 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는 일 실시예일 뿐이고, 그 구성 요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성 요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
도 1에 도시한 것과 같이, 이 명세서의 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는, 토크 제어부(100), 속도 제어부(200), 전류 제어부(300), 인버터(400), 위치 추정부(600) 및 파워 추정부(700)를 포함할 수 있다. 에어컨이나 냉난방기와 같은 공조 시스템은 도 1에 도시한 제어 장치와 모터(500)를 기본으로 포함하여 구성될 수 있다. 모터(500)는 센서리스 BLDC 모터일 수 있다.
토크 제어부(100)는, 모터(500)의 토크를 추정하고 이를 목표 토크 값과 비교하고 비교 결과에 기초하여 모터(500) 회전자의 각속도를 제어하기 위한 제어 명령을 출력한다.
토크 제어부(100)는, 모터(500)의 토크를 추정하기 위해 위치 추정부(600)로부터 각속도 추정 값(Wr^)을, 파워 추정부(700)로부터 파워 추정 값(p^)을, 그리고 외부 호스트(미도시)로부터 목표 토크 값(또는 토크 명령 값)(Tm*)을 입력 받을 수 있다.
토크 제어부(100)는, 각속도 추정 값(Wr^)과 파워 추정 값(p^)에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정하고, 토크 추정 값을 토크 명령 값(Tm*)과 비교하여 토크 에러를 계산하고, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값(Wr*)을 얻고, 이를 속도 제어부(200)에 출력할 수 있다.
도 2는 도 1의 토크 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이다.
토크 제어부(100)는 토크 추정부(110), 제4 합산부(120) 및 각속도 설정부(130)를 포함할 수 있다.
토크 추정부(110)는 각속도 추정 값(Wr^)과 파워 추정 값(p^)에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정할 수 있는데, 토크는 모터(500)의 입력 파워(또는 출력 파워)를 각속도로 나눈 값에 비례하므로, 파워 추정부(700)가 출력하는 파워 추정 값(p^)에 소정 게인을 곱한 후 위치 추정부(600)가 출력하는 각속도 추정 값(Wr^)으로 나누어 모터(500)의 토크를 추정, 즉 토크 추정 값(T^)을 출력할 수 있다.
제4 합산부(120)는 호스트로부터 입력되는 목표 토크 값(Tm*)과 토크 추정부(110)가 출력하는 토크 추정 값(T^)의 차이 값을 토크 에러 값(Te)으로 출력한다.
각속도 설정부(130)는 토크 에러 값(Te)에 기초하여 각속도 명령 값(Wr*)을 생성하여 출력한다. 각속도 설정부(130)는, 목표 토크 값(Tm*)에서 토크 추정 값(T^)을 뺀 토크 에러 값(Te)이 제로에 가깝다면 각속도 명령 값(Wr*)을 현재 값으로 유지하고, 토크 에러 값(Te)이 0보다 크면 각속도가 낮다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 조절하고, 토크 에러 값(Te)이 0보다 작으면 각속도가 높다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 하향 조절할 수 있다.
토크 에러 값(Te)을 토크 추정 값(T^)에서 목표 토크 값(Tm*)을 뺀 값으로 정의한다면, 각속도 설정부(130)는, 반대로 토크 에러 값(Te)이 0보다 크면 각속도가 높다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 하향 조절하고, 토크 에러 값(Te)이 0보다 작으면 각속도가 낮다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 조절할 수도 있다.
이때, 각속도 설정부(130)는, 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 또는 하향 조절하는 값을 토크 에러 값(Te)의 절대 값에 비례하게 그 단계 또는 스텝을 가변할 수 있다. 즉, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 클 때에는 조절하는 값의 스텝을 크게 하고 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 작을 때에는 조절하는 값의 스텝을 작게 하여, 토크 에러 값(Te)이 마이너스 값에서 플러스 값으로 또는 플러스 값에서 마이너스 값으로 반복하여 널뛰기하는 현상을 줄이고, 토크 추정 값(T^)이 점진적으로 목표 토크 값(Tm*)에 수렴하도록 할 수 있다.
속도 제어부(200)는 토크 제어부(100)가 출력하는 각속도 명령 값(Wr*)에 기초하여 모터(500)의 각속도를 제어하는 제어 신호를 출력하는데, 토크 제어부(100)가 출력하는 각속도 명령 값(Wr*)과 위치 추정부(600)가 출력하는 각속도 추정 값(Wr^)은 제1 합산부(10)에 의해 각속도 에러 값으로 연산되어 속도 제어부(200)에 입력될 수 있다.
또는, 제1 합산부(10)는 속도 제어부(200)에 포함될 수 있고, 이 경우 속도 제어부(200)는 토크 제어부(100)와 위치 추정부(600)로부터 각속도 명령 값(Wr*)과 각속도 추정 값(Wr^)을 입력 받고, 내부에서 이에 기초하여 각속도 에러 값을 계산할 수도 있다.
즉, 속도 제어부(200)는 각속도 에러 값에 기초하여 각속도 에러 값이 0으로 수렴하도록 모터(500)의 각속도 제어를 위한 전류 명령 값을 생성할 수 있는데, d축과 q축 성분으로 나눈 전류 명령 값(id*, iq*)을 출력할 수 있다. 여기서 d축은 자속 축에 해당하고 q축은 토크 축에 해당한다.
속도 제어부(200)는, 각속도 에러 값에, 예를 들어 비례기와 적분기가 결합된 비례 적분기(또는 PI 제어기)를 적용하여 토크 축인 q축 성분의 전류 명령 값(iq*)을 생성할 수 있다. 또한, 속도 제어부(200)는 자속 축인 d축 성분의 전류 명령 값(id*)으로는 제로 값을 출력할 수 있다.
일반적으로 모터(500)에 흐르는 d축 성분의 전류(id)는 자속을 만드는 성분으로 여자 전류로 불리지만, 토크 발생에는 관여하지 않는다. 반면, q축 성분의 전류(iq)는 토크 전류로 불리고, 모터(500)의 토크 발생에 관여한다.
속도 제어부(200)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*)과 모터(500)에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)의 차이 값인 d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ids, iqs)이 각각 제2 및 제3 합산부(20, 30)에서 생성되어, 전류 제어부(300)에 입력된다.
또는, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)을 생성하는 제2 및 제3 합산부(20, 30)는 전류 제어부(300) 내부에 포함될 수 있는데, 이 경우 전류 제어부(300)는 속도 제어부(200)로부터 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*)을 입력 받고, 내부에서 생성하여 모터(500)에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)을 이용하여 d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)을 생성할 수도 있다.
전류 제어부(300)는, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe) 및 위치 추정부(600)가 출력하는 위치 추정 값(^)에 기초하여, 모터(500) 회전자를 기동하기 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호(PWM1 ~ PWM6)를 생성하여 인버터(400)에 출력할 수 있다.
도 3은 도 1의 전류 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이다.
전류 제어부(300)는 제1 비례 적분기(310), 제2 비례 적분기(320), 좌표 변환부(330), PWM 생성부(340), 3상/2상 변환부(350) 및 벡터 변환부(360)를 포함할 수 있다.
제1 비례 적분기(310)와 제2 비례 적분기(320)는 각각, 속도 제어부(200)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*) 또는 d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)에 기초하여, d축과 q축 성분의 전압 명령 값(Vd, Vq)을 생성하여 출력하는데, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)이 제로가 되도록 하는 d축과 q축 성분의 전압 명령 값(Vd, Vq)을 생성할 수 있다.
제1 비례 적분기(310)와 제2 비례 적분기(320)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전압 명령 값(Vd, Vq)은 파워 추정부(700)에 공급되어, 모터(500)에 입력되는 입력 파워를 계산하는 데 사용될 수 있다.
좌표 변환부(330)는 제1 비례 적분기(310)와 제2 비례 적분기(320)가 출력하는 전압 명령 값(Vd, Vq)을 2축 좌표계의 전압 값(V, V)으로 변환하는데, 이때 위치 추정부(600)가 출력하는 위치 추정 값(^)을 이용할 수 있다.
PWM 생성부(340)는 좌표 변환부(330)에서 변환된 2축 좌표계의 전압 값(V, V)에 기초하여 펄스 폭 변조(PWM) 신호(PWM1 ~ PWM6)를 생성할 수 있는데, PWM 신호(PWM1 ~ PWM6)는 예를 들어 3상일 수 있다. PWM 신호(PWM1 ~ PWM6)는 인버터(400)에 의해 모터(500)를 구동하기 위한 구동 전류 형태로 변환되어 모터(500)에 인가된다.
3상/2상 변환부(350)는, 인버터(400)와 모터(500) 사이 배선 중 적어도 일부에 장착된 전류 검출기(40, 50)에 의해 검출되는 3상 전류 Ia, Ib, Ic 중 적어도 둘 이상을 등가인 2상 전류(i, i)로 변환한다.
벡터 회전부(360)는, 3상/2상 변환부(350)가 변환하여 출력하는 2상 전류(i, i) 및 위치 추정부(600)가 출력하는 위치 추정 값(^)에 기초하여, d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)을 생성한다.
벡터 회전부(360)가 생성하는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)은, 제2 및 제3 가산부(20, 30)에 공급되어, 속도 제어부(200)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*)에 마이너스 값으로 합산되어, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)을 생성하는데 이용될 수 있다.
또한, 벡터 회전부(360)가 생성하는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)은 파워 추정부(700)에 공급되어, 모터(500)에 입력되는 입력 파워를 계산하는 데 사용될 수 있다.
인버터(400)는 전류 제어부(300)가 출력하는 PWM 신호(PWM1 ~ PWM6)에 기초하여 구동 신호인 3상 전류(Ia, Ib, Ic)를 생성하여 모터(500)에 공급하여 모터(500)를 구동한다.
위치 추정부(600)는 모터(500)에 인가되는 전압과 전류를 이용하여 회전자의 위치를 추정하는데, 전류 제어부(300)로부터 입력되는 2축 좌표계의 전압 값(V, V)과 2상 전류(i, i)를 이용한다.
또한, 위치 추정부(600)는, 모터(500)의 전기자 코일의 d축과 q축 성분의 유도 계수(Ld, Lq) 및 저항(R)을 미리 저장하고, 전류 제어부(300)에서 전송되는 전류와 전압 및 저장된 정보에 기초하여, 영구 자석이 만드는 자속에 의해서 전기자 코일 내에 발생하는 야기 전압의 d축 성분의 추정 값(Ed)을 계산하고, d축 성분의 야기 전압 추정 값(Ed)을 회전자의 각속도 추정 값(Wr^)으로 하여 토크 제어부(100)와 속도 제어부(200)에 출력하는데, 각속도 추정 값(Wr^)은 모터(500)의 토크를 추정하거나 각속도 에러 값을 생성하는데 이용될 수 있다.
또한, 위치 추정부(600)는, 각속도 추정 값(Wr^)을 적분함으로써 회전자의 회전 위치 추정 값(^)을 계산할 수 있고, 이를 전류 제어부(300)에 출력할 수 있다.
파워 추정부(700)는, 전류 제어부(300)로부터 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)과 전압 명령 값(Vd, Vq)을 입력으로 받고, 이에 기초하여 모터(500)에 입력되는 입력 파워를 계산하고, 이를 토크 제어부(100)에 출력하고, 토크 제어부(100)는 입력 파워에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정할 수 있다.
도 4a와 도 4b는 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것으로, 도 4a와 도 4b는 토크 제어부(100)의 동작에 대한 것이다.
토크 제어부(100)의 토크 추정부(110)는 위치 추정부(600)와 파워 추정부(700)로부터 각각 각속도 추정 값(Wr^)과 파워 추정 값(p^)을 수신하고, 이에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정할 수 있는데(S410), 토크 추정 값(T^)은 파워 추정 값(p^)에 소정 게인을 곱한 후 각속도 추정 값(Wr^)으로 나누어 구할 수 있다.
토크 제어부(100)의 제4 합산부(120)는, 호스트로부터 입력되는 목표 토크 값(Tm*)과 토크 추정부(110)가 출력하는 토크 추정 값(T^)에 기초하여 토크 에러 값(Te)을 생성할 수 있는데(S420), 토크 에러 값(Te)은 목표 토크 값(Tm*)에서 토크 추정 값(T^)을 뺀 값으로 계산할 수 있다.
토크 제어부(100)의 각속도 설정부(130)는 토크 에러 값(Te)에 기초하여 각속도 명령 값(Wr*)을 생성하여 속도 제어부(200)에 출력할 수 있다(S430).
각속도 설정부(130)의 동작은 도 4b에 구체적으로 설명되어 있다.
각속도 설정부(130)는 토크 에러 값(Te)에 따라, 즉 목표 토크 값(Tm*)과 토크 추정 값(T^)의 대소 여부에 따라 각속도 명령 값(Wr*)을 조절할 수 있다.
각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)이 0인지 여부 또는 0에 가까운지 여부를 확인하고(S431), 토크 에러 값(Te)이 0이거나 0에 가까우면(431에서 Yes) 각속도 명령 값(Wr*)을 현재 값으로 유지할 수 있다(S432).
반면, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)이 0보다 큰지 확인하여(S433), 토크 에러 값(Te)이 0보다 클 때(S433에서 Yes) 모터(500)의 각속도가 낮다고 판단하여 모터(500)의 각속도가 증가할 수 있도록 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 조절할 수 있다(S434).
또한, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)이 0보다 작을 때(S433에서 No) 모터(500)의 각속도가 높다고 판단하여 모터(500)의 각속도가 감소할 수 있도록 각속도 명령 값(Wr*)을 하향 조절할 수 있다(S435).
각속도 설정부(130)는, S434 단계와 S435 단계에 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 또는 하향 조절할 때, 토크 에러 값(Te)의 절대 값에 비례하게 상향 또는 하향 조절하는 단계를 가변할 수 있다.
즉, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 클 때에는 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 또는 하향 조절하는 단계를 크게 하고, 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 작을 때에는 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 또는 하향 조절하는 단계를 작게 할 수 있다.
상향 또는 하향 조절하는 각속도 명령 값(Wr*)의 단계를 가변함으로써, 토크 에러 값(Te)이 마이너스 값에서 플러스 값으로 또는 플러스 값에서 마이너스 값으로 반복하여 널뛰기하는 현상을 줄일 수 있고, 토크 추정 값(T^)이 점진적으로 목표 토크 값(Tm*)으로 수렴하도록 할 수 있다.
이 명세서는 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (19)

  1. 모터의 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부;
    상기 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부;
    상기 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부;
    상기 각속도 명령 값과 상기 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부;
    상기 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 상기 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 상기 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하기 위한 전류 제어부; 및
    상기 전류 제어부가 출력하는 PWM 신호에 기초하여 상기 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 토크 제어부는,
    상기 입력 파워 추정 값과 상기 각속도 추정 값에 기초하여 상기 토크 값을 추정하기 위한 토크 추정부;
    상기 토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러 값을 계산하기 위한 제4 합산부; 및
    상기 토크 에러 값에 기초하여 상기 각속도 명령 값을 설정하기 위한 각속도 설정부를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 토크 추정부는 상기 입력 파워 추정 값을 상기 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례하도록 상기 토크 추정 값을 계산하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 각속도 설정부는, 상기 토크 에러가 없으면 상기 각속도 명령 값을 유지하고, 상기 토크 명령 값이 상기 토크 추정 값보다 커 상기 토크 에러가 0보다 크면 상기 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 상기 토크 에러가 0보다 작으면 상기 각속도 명령 값을 하향 조절하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 각속도 설정부는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 파워 추정부는 상기 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 상기 입력 파워를 추정하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전류 제어부는,
    상기 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 각각 출력하기 위한 제1 및 제2 비례 적분기;
    상기 제1 및 제2 비례 적분기가 출력하는 전압 명령 값 및 상기 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 2축 좌표계 전압 값으로 변환하기 위한 좌표 변환부;
    상기 좌표 변환부가 변환한 고정 2축 좌표계 값에 기초하여 3상의 PWM 신호를 생성하기 위한 형성하는 PWM 생성부;
    상기 인버터와 상기 모터 사이 배선에 장착된 전류 검출기에서 검출된 3상 전류를 등가인 2상 전류 값으로 변환하기 위한 3상/2상 변환부; 및
    상기 2상 전류 값 및 상기 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 상기 d축과 q축 성분의 전류를 생성하기 위한 벡터 회전부를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 비례 적분기는 상기 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값과 상기 벡터 회전부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류의 차이에 기초하여 상기 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 생성하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 위치 추정부는 상기 좌표 변환부가 출력하는 2축 좌표계 전압 값과 상기 3상/2상 변환부가 변환한 2상 전류 값에 기초하여 상기 회전자의 각속도와 위치를 추정하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  10. 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계;
    상기 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계;
    상기 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하고,
    상기 각속도 명령 값을 출력하는 단계는,
    상기 모터의 입력 파워 추정 값과 상기 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계;
    토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 상기 토크 에러를 생성하는 단계; 및
    상기 토크 에러에 기초하여 상기 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 상기 토크 에러가 없으면 상기 각속도 명령 값을 유지하고, 상기 토크 명령 값이 상기 토크 추정 값보다 커 상기 토크 에러가 0보다 크면 상기 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 상기 토크 에러가 0보다 작으면 상기 각속도 명령 값을 하향 조절하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 토크 값은 상기 입력 파워 추정 값을 상기 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 상기 입력 파워를 추정하는 단계를 더 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  15. 회전자 위치 검출을 위한 센서를 포함하지 않는 모터;
    상기 모터의 속도나 토크를 제어하기 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)를 출력하기 위한 제어 장치; 및
    상기 PWM 신호에 기초하여 상기 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부;
    상기 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부;
    상기 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부;
    상기 각속도 명령 값과 상기 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부; 및
    상기 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 상기 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 상기 PWM 신호를 생성하기 위한 전류 제어부를 포함하는,
    시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 토크 제어부는 상기 입력 파워 추정 값을 상기 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례하도록 상기 토크 추정 값을 계산하는, 시스템.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 토크 제어부는, 상기 토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 계산되는 토크 에러가 없으면 상기 각속도 명령 값을 유지하고, 상기 토크 명령 값이 상기 토크 추정 값보다 커 상기 토크 에러가 0보다 크면 상기 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 상기 토크 에러가 0보다 작으면 상기 각속도 명령 값을 하향 조절하는, 시스템.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 토크 제어부는 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변하는, 시스템
  19. 제15 항에 있어서,
    상기 파워 추정부는 상기 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 상기 입력 파워를 추정하는, 시스템.
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