KR101225165B1 - 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법에 관한 것으로, 부하변동이 큰 시스템에서 센서없이 영구자석 동기모터를 기동시킬 때 기동실패를 최소화하도록 하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서, 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 증가시켜 상기 영구자석 동기모터를 강제 정렬시키는 단계; 강제 정렬 후 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 감소시켜 상기 영구자석 동기모터를 강제 기동시키는 단계; 및 강제 기동이 시작된 후 기계모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보와 전기모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보를 혼합하는 크로스오버 함수의 x-축을 기계모델에 의해 추정된 위치정보를 기준으로 제어하는 단계를 포함하는 것이다.

Description

센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법{Method to control starting of sensorless Permanent Magnet Synchronous Motor}

도 1은 종래 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어 패턴도,

도 2는 일반적인 센서리스 영구자석 동기모터의 기계모델로 위치 및 속도정보를 추정하기 위한 블록도,

도 3은 종래 센서리스 영구자석 동기모터의 기동 실험 파형도,

도 4는 본 발명에 의한 센서리스 영구자석 동기모터의 속도제어 구성도,

도 5는 일반적인 벡터전류제어기의 구성도,

도 6은 본 발명에 의한 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어 패턴도,

도 7은 본 발명 센서리스 영구자석 동기모터의 기동 시 d-축, q-축 전류 지령치 연산 알고리즘을 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 의한 센서리스 영구자석 동기모터의 크로스오버 함수,

도 9는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동 시 추정된 위치와 제어에 사용하는 위치정보,

도 10은 본 발명 센서리스 영구자석 동기모터의 기동 실험 파형도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 영구자석 동기모터 20 : 인버터

30 : 전류추정부 40,50 : 제1 및 제2위치속도 추정기

60 : 위치속도 혼합기 70 : 속도제어기

80 : 전류지령변환기 90 : 벡터전류제어기

본 발명은 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어에 관한 것으로, 특히 센서가 없는 영구자석 동기모터를 기동시킬 때 기동실패를 최소화하는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법에 관한 것이다.

통상, 영구자석 동기모터의 고정자(stator)는 코일에 전류를 흘려 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. 영구자석 동기모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 영구자석 동기모터의 연속적인 회전자계의 형성이 필요하며, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상 코일에 흐르는 전류의 전환(commutation)을 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 전환을 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다.

여기서 전환이란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다.

이러한 영구자석 동기모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치 검출을 위해 홀센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver) 소자, 엔코더(encoder)와 같은 위치검출센서를 이용하였다.

이러한 위치검출센서는 제조 원가가 비싸고, 압축기의 경우 압축기 내부의 온도 등 환경적인 문제로 인하여 영구자석 동기모터에 사용할 수 없기 때문에 영구자석 동기모터의 전압, 전류정보 등을 이용하여 회전자의 위치를 간접적으로 검출하는 센서리스(sensorless) 제어방식이 모색되었다.

이러한 센서리스 영구자석 동기모터는 센서가 없어 회전자의 초기위치를 알 수 없기 때문에 강제적인 기동방법을 택하고 있다. 센서가 없이 영구자석 동기모터를 구동하기 위해서는 도 1의 강제 정렬구간처럼 전기각 0도로 d-축 전류를 공급하여 모터를 강제 정렬시키고, 일정시간이 지나면 도 2의 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 이용하여 강제 기동을 시킨다. 이후 전기모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보와 크로스오버 함수를 통해 혼합하여 기동한 후, 센서리스 구간으로 전환하여 모터를 구동시킨다.

그런데, 이러한 센서리스 영구자석 동기모터는 부하가 크게 변동하는 조건에서는 강제 정렬 수행 시 부하의 변동에 의해서 모터의 강제 정렬이 정확히 이루어지지 않아 강제 정렬 후 강제 기동 시 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 이용하여 모터를 기동할 때 실제와 값이 맞지 않아 기동 실패의 가능성이 크다.

즉, 도 1과 같이 d-축 전류를 바로 인가하면 모터가 흔들리게 되어 모터 부하에 따라 강제 정렬하는 시간이 늘어날 수 있으며, 강제 기동 시 d-축 전류를 바로 '0'으로 인가하면 모터의 부하가 클 경우에는 강제 정렬시킨 위치에서 움직일 수 있다. 이렇게 강제 정렬 후 모터가 움직이면 강제 기동이 실패하게 된다.

또한, 강제 기동이 성공한 후에는 전기모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보와 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 크로스오버 함수로 혼합하여 사용하는데, 이때 혼합하는 위치가 속도 지령치로 되어 있기 때문에 실제 속도와 속도 지령치가 항상 같지 않아 기동에 실패할 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 종래 센서리스 영구자석 동기모터를 기동할 때의 실험 파형을 도 3에 도시하였다. 도 3은 강제 정렬 시 d-축 지령치가 바로 인가될 때의 A상 전류와 강제 기동 시 d-축 지령치를 바로 '0'으로 인가할 때의 A상 전류의 실험 파형을 나타낸 것으로, 도 3에서 보듯이, 강제 정렬 시 모터 축이 크게 흔들리고, 강제 기동 시 부하가 클 경우 순간적으로 모터 축이 흔들려 기동에 실패할 수 있음을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 부하변동이 큰 시스템에서 센서없이 영구자석 동기모터를 기동시킬 때 기동실패를 최소화하는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서, 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 증가시켜 상기 영구자석 동기모터를 강제 정렬시키는 단계; 및 강제 정렬 후 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 감소시켜 상기 영구자석 동기모터를 강제 기동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 강제 기동이 시작된 후 기계모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보와 전기모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보를 혼합하는 크로스오버 함수의 x-축을 기계모델에 의해 추정된 위치정보를 기준으로 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서, 상기 영구자석 동기모터의 강제 정렬 시 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 증가시켜 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서, 상기 영구자석 동기모터의 강제 기동 시 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 감소시켜 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 영구자석 동기모터의 강제 기동 시 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 및 q-축 전류의 임의 방정식에 의해 d-축 전류 지령치를 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서, 상기 영구자석 동기모터의 강제 기동이 시작된 후, 기계모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보와 전기모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보를 혼합하는 크로스오버 함수의 x-축을 기계모델에 의해 추정된 위치정보를 기준으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 센서리스 영구자석 동기모터의 속도제어 구성도이고, 도 5는 일반적인 벡터전류제어기의 구성도이다.

도 4에서, 본 발명 센서리스 영구자석 동기모터의 속도제어장치는 영구자석 동기모터(10)에 3상 전압을 공급하기 위한 전압소스 인버터(20), 상 전압 인가에 따른 전류추정기(30), 역기전력과 자속을 이용하여 위치와 속도를 추정하는 전기모델을 기반으로 한 제1위치속도 추정기(40), 회전체의 관성계수와 토오크를 이용하여 위치와 속도를 추정하는 기계모델을 기반으로 한 제2위치속도 추정기(50), 전기모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보와 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 크로스오버 함수로 혼합하는 위치속도 혼합기(60), 측정된 또는 추정된 속도와 지령을 비교하여 토오크 지령을 발생하는 속도제어기(70), 토오크 지령을 전류 지령으로 변환하는 전류지령 변환기(80), 지령 전류와 추정 및 측정한 전류와 비교하여 전압을 발생하는 벡터전류제어기(90)를 포함한다.

상기 전류추정기(30)는 여러 가지 형태로 구성될 수 있다. 첫 번째 영구자석 동기모터(10)의 3상에 세 개의 전류변환기(Current Transducer)나 직렬의 션트(shunt)저항을 이용하여 3상 전류를 직접 검출한다. 두 번째는 두 개의 전류변환기나 직렬의 션트저항으로 2상의 전류 검출 후 나머지 1상은 2상 전류값으로 구할 수 있다. 세 번째는 dc bus측의 하나의 직렬 션트저항이나 인버터(20)의 아래쪽 스위치들과 접지사이에 직렬로 두 개나 세 개의 션트저항으로 3상 전류를 재구성하여 추정할 수 있다. 네 번째는 세 번째 방법과 동일하나 션트저항이 인버터(20) 스위 치의 외부에 위치하지 않고 내부에 있는 방식으로 추정할 수 있다. 이외 다른 방법으로도 3상 전류의 검출이 가능하며, 이는 종래에 사용하고 있는 일반적인 방식이다.

상기 전류지령변환기(80)는 속도제어기(70)의 출력인 토오크를 전류로 변환하는 역할을 하는데, 회전좌표계의 q-축 전류 지령에 해당한다.

상기 벡터전류제어기(90)는 도 5에 도시한 바와 같이, 측정 및 추정한 3상 전류를 정지좌표계로 변환하는 3상/정지좌표계 변환부(91), 추정위치로부터 정지좌표계에서 회전좌표계로 변환하는 정지좌표계/회전좌표계 변환부(92), 회전좌표계의 d-축, q-축 전류와 지령 전류와 비교하여 전압을 발생하는 전류제어부(93), 회전좌표계 전압을 정지좌표계로 변환하는 회전좌표계/정지좌표계 변환부(94), 정지좌표계 전압을 3상 전압으로 발생하는 PWM발생부(95)로 구성되며, 이는 종래에 사용하고 있는 일반적인 방식이다.

이하, 상기와 같이 구성된 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법의 동작과정 및 작용효과를 설명한다.

도 6은 본 발명에 의한 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어 패턴도로서, 영구자석 동기모터(10)의 기동 시 강제 정렬, 강제 기동, 센서리스 구동으로 전환할 때의 시간에 따른 벡터전류제어기(90)의 d-축, q-축 전류 지령치를 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명 센서리스 영구자석 동기모터의 기동 시 d-축, q-축 전류 지령치 연산 알고리즘을 나타낸 도면이다.

먼저, 센서가 없이 영구자석 동기모터(10)를 기동할 경우에는 강제 정렬이 매우 중요하다. 따라서 도 6에 도시한 바와 같이, 영구자석 동기모터(10)를 강제 정렬시키는데, d-축 전류를 바로 인가하면 영구자석 동기모터(10)의 축이 크게 흔들릴 수 있으므로 d-축 전류 지령치를 기울기를 주어 서서히 인가하여 영구자석 동기모터(10)의 흔들림을 최소화시킨다.

강제 정렬이 되면 도 2에 도시한 기계모델을 기반으로 한 제2위치속도 추정기(50)에서 추정한 위치 및 속도정보를 이용하여 강제 기동을 시키는데, 도 7에 도시한 바와 같이, d-축 전류 지령치를 서서히 감소시킨다. 이는 d-축 전류 지령치를 바로 '0'으로 인가하면 부하가 클 때, 영구자석 동기모터(10)의 축이 움직여 강제 기동 시 기계모델에 의해 제2위치속도 추정기(50)에서 추정한 위치와 실제 위치가 같지 않아 기동에 실패하기 때문이다.

따라서, 도 7의 ①번처럼 d-축 전류 지령치와 q-축 전류 지령치를 원의 방정식을 통해 d-축 전류 지령치를 인가하면 가장 부드럽게 기동할 수 있는데, 이는 연산하는데 시간이 많이 소요되므로 도 7의 ②번처럼 일정 기울기로 감소시켜 d-축 전류 지령치를 인가시킨다.

강제 기동을 시작한 후에는 도 6에 도시한 바와 같이, 강제 기동과 센서리스 구동을 혼합하는 구간과 센서리스 구동으로 전환하는 구간을 거치게 되는데, 이때에는 도 8의 크로스오버 함수를 이용한다.

도 8에서 알 수 있듯이, 크로스오버 함수의 x-축은 기계모델에 의해 제2위치속도 추정기(50)에서 추정한 위치정보이다. 종래 센서리스 영구자석 동기모터(10) 의 기동제어에서는 크로스오버 함수의 x-축을 속도 지령치를 이용하였는데, 이 경우에는 실제 기계모델에 의해 추정한 속도와 속도 지령치가 다를 수 있으므로 크로스오버 함수를 이용하여 혼합하여 기동하는데 실패할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 기계모델과 전기모델을 혼합할 때 사용하는 위치속도 혼합기(60)의 크로스오버 함수를 도 8에 도시한 바와 같이, 수정하여 크로스오버 함수의 x-축을 기계모델에 의해 추정한 위치정보를 적용하면 강제 기동시의 실제 위치와 추정한 위치가 같기 때문에 크로스오버 함수를 이용하여 혼합하여 기동하는데 실패를 최소화할 수 있다.

도 9는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동 시 추정된 위치와 제어에 사용하는 위치정보로서, 도 9의 (a)는 기계모델에 의해 추정한 위치정보와 혼합구간을 표시하며, 도 9의 (b)는 기계모델에 의해 추정한 위치정보와 전기모델에 의해 추정한 위치정보를 혼합하여 실제 제어에 사용하는 위치정보를 표시한다.

도 9의 (c)에서 알 수 있듯이, 전기모델에 의해 추정한 위치정보는 저속에서 오차가 크기 때문에 일정속도 이상에서 적용해야 한다.

도 10은 본 발명 센서리스 영구자석 동기모터의 기동 실험 파형도로서, 강제 기동 시 d-축 전류를 일정 기울기로 증가시켜 영구자석 동기모터(10)의 축이 흔들림을 최소화하고, 강제 정렬 시 d-축 전류를 q-축 전류와 임의의 방정식으로 얻은 값으로 인가하여 부하가 크더라도 영구자석 동기모터(10)의 축이 움직이지 않도록 구현하였다.

상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법에 의하면, 부하변동이 큰 시스템에서 센서없이 영구자석 동기모터를 기동시킬 때 강제 정렬 후 강제 기동 시 기동 실패를 최소화하기 위한 알고리즘을 개선하였고, 기계모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보와 전기모델에 의해 추정한 위치 및 속도정보를 혼합하는 크로스오버 함수를 수정하여 기동 실패율을 최소한으로 줄일 수 있다는 효과가 있다.

상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (6)

1. 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서,

   벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 증가시켜 상기 영구자석 동기모터를 강제 정렬시키는 단계; 및

   강제 정렬 후 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 감소시켜 상기 영구자석 동기모터를 강제 기동시키는 단계;

   강제 기동이 시작된 후 기계모델에 의해 추정된 위치정보에 따라 기계모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보와 전기모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보를 혼합하여 강제 기동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서,

   상기 영구자석 동기모터의 강제 기동 시 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 지령치를 일정 기울기로 감소시켜 인가하되,

   상기 영구자석 동기모터의 강제 기동 시 벡터제어의 회전좌표계 d-축 전류 및 q-축 전류가 원의 방정식의 관계를 가지도록 d-축 전류 지령치를 인가하는 것을 특징으로 하는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법.
5. 삭제
6. 센서리스 벡터제어를 통해 영구자석 동기모터를 기동하는 방법에 있어서,

   상기 영구자석 동기모터의 강제 기동이 시작된 후, 기계모델에 의해 추정된 위치정보에 따라 기계모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보와 전기모델에 의해 추정된 위치 및 속도정보를 혼합하여 강제 기동을 제어하는 것을 특징으로 하는 센서리스 영구자석 동기모터의 기동제어방법.

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