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KR101401474B1 - 위치나 속도 센서가 없는 전동기 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

위치나 속도 센서가 없는 전동기 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101401474B1
KR101401474B1 KR1020120149688A KR20120149688A KR101401474B1 KR 101401474 B1 KR101401474 B1 KR 101401474B1 KR 1020120149688 A KR1020120149688 A KR 1020120149688A KR 20120149688 A KR20120149688 A KR 20120149688A KR 101401474 B1 KR101401474 B1 KR 101401474B1
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KR
South Korea
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signal
motor
current
voltage
generating
Prior art date
Application number
KR1020120149688A
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English (en)
Inventor
하정익
정성호
Original Assignee
서울대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

전동기 제어 장치 및 그 방법이 개시된다. 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기; 전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 고주파 전압 주입기; 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 전류 제어기; 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 인버터; 전동기의 고정자 전류 신호를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 아날로그 신호 증폭기; 및 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 각 추정기를 포함하되, 전류지령 생성기는, 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 전류 지령을 생성하는, 전동기 제어 장치가 개시된다.

Description

위치나 속도 센서가 없는 전동기 제어 장치 및 그 방법 {Circuit and method for controlling motor without any position or speed sensor}
본 방법은 전동기 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전동기의 센서리스 구동을 위한 제어 회로 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 각종 산업기기에는 구동력을 발생시키기 위해서 전동기가 구비된다. 이러한 전동기들은 공급되는 전류, 회전축의 회전수 등을 감지하여 이를 보상하거나 제어함으로써 발생하는 토크를 조정하게 된다. 예컨대, 전동기의 한 종류인 교류 전동기는 고정자에 교류 전류를 흐르게 하여 전동기를 제어할 수 있다. 교류 전류 생성을 위해서는 주파수와 위상에 대한 기준이 필요하며 이는 회전자의 위치 정보 혹은 속도 정보와 관련이 있다. 따라서, 전동기 회전자의 정확한 위치정보를 얻기 위해서는 리졸버(resolver), 엔코더(encoder) 등과 같은 센서를 전동기의 회전자 축에 부착해야 한다. 그러나, 리졸버, 엔코더 등과 같은 센서는 일반적으로 가격이 고가일 뿐만 아니라, 별도의 복잡한 하드웨어가 제어회로에 부착되어야 하는 단점이 있다. 또한, 상기 센서들은 진동 및 습도 등의 주위환경에 대한 영향을 많이 받기 때문에 사용환경에 제한을 받고, 전동기의 회전축에 센서가 부착됨으로써 전동기의 크기증대와 같은 부수적인 문제도 발생한다.
이러한 문제점을 피하기 위해서 전동기 회전자의 위치를 파악하는 센서를 구비하지 않고도, 전동기의 각 파라미터값을 이용하여 원하는 토크를 발생할 수 있도록 제어할 수 있는 센서리스 전동기(Sensorless motor)가 많이 사용되고 있으며 저속 혹은 영속 영역에서는 신호주입을 통한 위치 정보 추정 기술이 주를 이루고 있다.
그러나 신호주입 센서리스 알고리즘 적용시 주입하는 신호의 최대 주입 주파수는 스위치 소자 특성에 의해 제한되기 때문에 주로 가청 주파수 대역 신호가 사용될 수 밖에 없었다. 주입 신호로 인한 소음으로 산업용 전동기 어플리케이션에서의 신호 주입을 통한 센서리스 알고리즘 적용에 걸림돌이 되었다. 특히 전기 자동차나 로봇, 가전 시스템 영역에서의 신호주입 센서리스 알고리즘이 적용하기 어려웠다. 이에 주입 주파수를 높여 가청 주파수 이상의 신호를 주입하는 방법에 대한 연구가 진행 되었지만, 높은 주파수의 신호를 주입할수록 더 큰 전압을 주입해야 하는 문제가 발생하였기 때문에, 전동기 구동을 위한 전압 확보에 어려움이 있었다.
한국등록특허공보 제10-1115019호
본 발명의 일 측면에 의하면, 적은 크기의 신호 전압 주입으로도 전동기의 센서리스 제어를 구현하여 발생 소음을 최소화할 수 있다. 특히, 가청 주파수 대역의 소음 때문에 적용이 어려웠던, 전기 자동차나 로봇, 가전 시스템에 전동기의 센서리스 제어를 적용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 센서리스 제어를 위해 주입하는 전압의 크기를 줄일 수 있어 전동기 구동을 위한 여유 전압을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기; 전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 고주파 전압 주입기; 상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 전류 제어기; 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 인버터; 전동기의 고정자 전류를 증폭하여 증폭 전류신호를 생성하는 아날로그 신호 증폭기; 및 상기 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 각 추정기를 포함하되, 상기 전류지령 생성기는, 상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 전류 지령을 생성하는, 전동기 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기; 전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 고주파 전압 주입기; 상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 전류 제어기; 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 제1좌표변환기; 상기 정지좌표계로 기준 좌표가 변환된 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 인버터; 전동기의 고정자 전류를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 아날로그 신호 증폭기; 및 상기 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 각 추정기를 포함하되, 상기 제1좌표변환기는, 상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를, 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는, 전동기 제어 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 단계; 전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 단계; 상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 단계; 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 단계; 전동기의 고정자 전류를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 단계; 상기 증폭 전류 신호 에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 전류 지령을 생성하는 단계는, 상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 전류 지령을 생성하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 측면에 의하면 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 단계; 전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 단계; 상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 단계; 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 단계; 상기 정지좌표계로 기준 좌표가 변환된 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 단계; 전동기의 고정자 전류를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 단계; 및 상기 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 단계는, 상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를, 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 적은 크기의 신호 전압 주입으로도 전동기의 센서리스 제어를 구현하여 발생 소음을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 특히, 전기 자동차나 로봇, 가전 시스템에 전동기의 센서리스 제어를 적용할 수 있어서, 위치 센서의 부착 없이도 전동기를 제어할 수 있게 된다. 그로 인해 시스템 가격을 줄일 수 있으며, 인 휠 모터의 경우 축 방향 길이를 줄일 수 있어 공간 확보 측면에도 유리하다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 센서리스 제어를 위해 주입하는 전압의 크기를 줄일 수 있어 전동기 구동을 위한 여유 전압을 확보할 수 있다. 전동기에 높은 전압을 인가할 수 있어서, 전동기를 더 자유롭게 회전시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동기 제어 장치(100) 및 전동기(1)와의 제1관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 아날로그 신호 증폭기(60)의 제 1예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 아날로그 신호 증폭기(60)의 제 2예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 신호처리기(80)의 제 1예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동기 제어 장치(110) 및 전동기(1)와의 제2관계를 나타낸 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동기 제어 장치(100) 및 전동기(1)와의 제1관계를 나타낸 도면이다.
도 1의 설명에 앞서, dq로 표시된 전류, 전압에 대해서 간단히 살펴본다. 교류 전동기 구동에 사용되는 전압과 전류는 교류성분이다. 3상 고정자 권선을 통과하는 전류는 전동기의 회전주파수와 같거나 비슷한 교류성분 전류인데, 각상은 서로 120도 위상 차가 존재하며, 위상 순서대로 UVW 혹은 RST로 표현한다. "페이저"라는 개념을 이용하여 이러한 전류 성분을 벡터로 표현할 수 있다. 벡터 이론에서, 평면에 존재하는 특정 벡터는 표현할 때 2개의 기준 벡터의 합으로 그 벡터를 표현할 수 있다. 이 원리를 이용하여 UVW 삼상 전류를 서로 90도 위상차가 나는 dq기준 벡터를 이용하여 흔히 표현한다.
전동기(1)는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 모터(motor)를 말한다. 전동기는 전원의 종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서의 전동기(1)는 교류 전동기를 지칭한다. 교류전동기는 다시 3상 교류용과 단상 교류용으로 구분될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 교류 전동기의 종류를 특별히 제한하지는 않지만, 설명의 편의를 위하여 3상 교류 전동기 위주로 기술하기로 한다.
전동기 제어 장치(100)는 센서리스로 전동기(1)의 구동을 제어한다. 전동기 제어 장치(100)는 전류지령 생성기(10), 고주파 전압 주입기(20), 전류 제어기(30), 인버터(40), 제 1아날로그 디지털 변환기(50), 아날로그 신호 증폭기(60), 제 2아날로그 디지털 변환기(70), 신호 처리기(80), 각 추정기(90)를 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 열거한 구성요소 중 일부만 포함할 수도 있다.
전류 지령 생성기(10)는 전동기의 구동 즉 전동기(1) 내부의 회전자를 회전시키기 위하여 필요한 전류 지령(
Figure 112012106015303-pat00001
)을 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 전류 지령 생성기(10)는 도시하지는 않았지만 기 생성된 토크 지령 신호(
Figure 112012106015303-pat00002
)에 기반하여 필요한 전류 지령(
Figure 112012106015303-pat00003
)을 생성할 수 있다. 다른 실시예에서, 전류 지령 생성기(10)는 각 추정기(90)에 의하여 추정된 전동기(1) 회전자의 추정각(
Figure 112012106015303-pat00004
)에 기반하여 전류 지령(
Figure 112012106015303-pat00005
)을 생성할 수 있다.
고주파 전압 주입기(20)는 전동기(1)의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00006
)를 주입하는 역할을 한다. 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00007
)는 전류 제어기(30)의 출력인 전압 지령 신호(
Figure 112012106015303-pat00008
)에 사용되는 전동기(1) 구동용 주파수보다 훨씬 높은 주파수의 전압이다.
전류 제어기(30)는 전류 지령(
Figure 112012106015303-pat00009
) 및 전동기(1)의 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00010
)에 기반하여 전압 지령 신호(
Figure 112012106015303-pat00011
)을 생성하는 역할을 한다. 실제 전동기(1)의 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00012
)와 전류 지령(
Figure 112012106015303-pat00013
)을 감안한 피드백을 통해, 전압 지령 신호(
Figure 112012106015303-pat00014
)을 생성함으로써 전동기(1)를 안정적으로 제어할 수 있다.
인버터(40)는 전압 지령 신호(
Figure 112012106015303-pat00015
) 및 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00016
)의 합(
Figure 112012106015303-pat00017
)에 기반하여 전동기(1)의 고정자에 전압(
Figure 112012106015303-pat00018
)을 인가하는 역할을 한다. 전동기(1)의 고정자는 인가된 전압(
Figure 112012106015303-pat00019
)으로 회전자를 회전시킨다. 인버터(40)는 단상 인버터와 다상 인버터 모두 가능하며 극수와 상관없이 다극 인버터도 가능하다. 일 실시예에서, 3상 인버터는 IGBT 소자와 역병렬 다이오드로 구성된 양방향 스위치 6개를 직 병렬 연결하여 구현된다.
제1아날로그 디지털 변환기(50)는 전동기(1)의 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00020
)를 양자화하여 디지털 고정자 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00021
)를 생성하는 역할을 한다. 즉, 제 1아날로그 디지털 변환기(50)는 아날로그 신호인 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00022
)를 양자화하여 이산값(discrete value)으로 표현(샘플링)하며 일 실시예에서 제1아날로그 디지털 변환기(50)는 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 포함할 수 있다. 제1아날로그 디지털 변환기(50)에서 변환된 디지털 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00023
)는 전류 제어기(30)의 입력이 되어, 전류 제어기(30)가 피드백을 통해 전류를 제어할 수 있도록 한다.
아날로그 신호 증폭기(60)는, 전동기(1)의 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00024
)를 증폭하여 증폭 전류신호를 생성하는 역할을 한다. 아날로그 신호 증폭기(60)는 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00025
)를 증폭하는 기능을 갖추고 있으면 충분하고, 증폭기의 종류를 특별히 제한하지 아니한다.
일 실시예에서, 아날로그 신호 증폭기(60)는 상기 증폭 전류 신호를 필터링하여 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00026
)를 생성하는 필터부를 더 포함할 수 있다. 필터부는 대역통과필터(Band Pass Filter) 내지 고역통과필터(High Pass Filter)를 포함할 수 있다. 도 2, 도 3을 참조하여, 필터부를 포함한 아날로그 신호 증폭기(60)에 대해서 살펴보자.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 아날로그 신호 증폭기의 제 1예를 나타낸 도면으로, Operational Amplifier(Op Amp)를 이용한 비반전 고역통과필터이다. 고역통과필터를 아날로그 신호 증폭기(60)로 사용할 경우 주입 주파수 신호를 포함한 다른 높은 주파수 신호도 함께 증폭시킨다. 고역통과필터에서 통과영역 주파수 신호는 입력 위상보다 출력 위상을 더 앞서게 만들기 때문에, 전류 센서에 의한 위상 지연을 보상 하는데 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 아날로그 신호 증폭기(60)의 제 2예를 나타낸 도면이다. 아날로그 신호 증폭기(60)의 제 2예는 두 개의 Op Amp을 이용해 대역통과필터를 구현한 것으로, 반전 고역통과필터와 반전 저역통과필터를 직렬 연결하여 대역 통과 필터를 설계하였다. 도시하지는 않았지만, 하나의 OP Amp를 이용해 대역 통과 필터를 설계할 수도 있다. 대역통과기능을 구현하기만 한다면 그 형태를 제한하지 않는 것은 자명할 것이다. 고역통과필터와 반전 저역통과필터의 개별 이득이 곱해져 전체의 이득으로 계산되며 코너 주파수 또한 개별적으로 조절 가능하다. 대역통과필터를 아날로그 신호 증폭기(60)로 사용할 경우 주입한 신호를 증폭 및 추출할 수 있기 때문에 디지털 필터를 이용해 주입 신호에 따른 전류반응 신호를 따로 추출하는 과정이 별도로 필요하지 않게 된다. 또한 주입 주파수 신호에 대해서는 입력 대비 출력신호의 위상변화가 존재하지 않기 때문에 신호 처리가 손쉬운 장점이 있다
제2아날로그 디지털 변환기(70)는 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00027
)를 양자화하여 디지털 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00028
)를 생성하는 역할을 한다. 즉, 제2아날로그디지털변환기(50)는 아날로그 신호인 고정자 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00029
)를 양자화하여 이산값(discrete value)으로 표현하며 일 실시예에서 제2아날로그 디지털 변환기(70)는 제1아날로그 디지털 변환기(50) 와 마찬가지로 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 포함할 수 있다. 제2아날로그 디지털 변환기(70)에서 변환된 디지털 고정자 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00030
)는 신호 처리기(80)의 입력이 되어, 신호 처리기(80)가 전동기(1) 회전자의 각(
Figure 112012106015303-pat00031
)과 전동기(1) 회전자의 추정각(
Figure 112012106015303-pat00032
)의 차이인 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00033
)를 산출할 수 있게 한다.
신호 처리기(80)는 디지털 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기(1) 회전자의 각(
Figure 112012106015303-pat00034
)과 전동기(1) 회전자의 추정각(
Figure 112012106015303-pat00035
)의 차이인 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00036
)를 산출하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 신호 처리기는 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00037
)는 수학식 1에서 도출할 수 있다.
Figure 112012106015303-pat00038
수학식 1에서
Figure 112012106015303-pat00039
는 신호주입 주파수,
Figure 112012106015303-pat00040
는 고주파 주입전압,
Figure 112012106015303-pat00041
는 자속축 인덕턴스이며,
Figure 112012106015303-pat00042
는 토크축 인덕턴스,
Figure 112012106015303-pat00043
는 실제 회전자의 각도(위치),
Figure 112012106015303-pat00044
는 추정된 회전자의 각도(위치),
Figure 112012106015303-pat00045
는 실제 회전자와 추정된 회전자의 각도(위치)의 차를 뜻한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 신호처리기의 제 1예를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 4는 고주파 전압 주입기(20)에서 스위칭 주파수와 동일한 주파수를 가지는 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00046
)를 주입하였을 때의 신호처리기(80) 이다. 아날로그 신호 증폭기(60)의 출력인 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00047
)를 제 2 아날로그 디지털변환기(70)를 통해 샘플링하게 되는데, 정현파 형태를 이루는 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00048
)에서 최대지점과 최소지점을 샘플링하며, 이전샘플링 값과 현재 샘플링 값의 차이로부터 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00049
)의 크기 정보를 추출해 낸다.
각 추정기(90)는 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00050
)에 기반하여 전동기 회전자의 추정각(
Figure 112012106015303-pat00051
)을 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서, 각 추정기는 PI제어기를 이용해 설계될 수 있으며, 추정각(
Figure 112012106015303-pat00052
)의 전달함수는 수학식 2와 같다.
Figure 112012106015303-pat00053
여기서
Figure 112012106015303-pat00054
는 각 추정기의 제어 대역폭,
Figure 112012106015303-pat00055
는 각 추정기(90)의 감쇄비이다. D-Q 전류 변화량 측정 시 발생하는 최대 양자화 오차는
Figure 112012106015303-pat00056
이므로, 단위 비트 당 최대 각 오차는 수학식 3과 같다.
Figure 112012106015303-pat00057
제2아날로그 디지털 변환기(70)는 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00058
)를 양자화하여 디지털 고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00059
)를 생성하는 역할을 한다.
고주파 증폭 전류 신호(
Figure 112012106015303-pat00060
)는 제2아날로그 디지털 변환기(70)를 통해 디지털 값으로 변환된다. 하지만, 2아날로그 디지털 변환기(70) 데이터 출력 비트의 크기는 물리적으로 제한되므로, 아날로그 입력 신호는 양자화된 값으로 변환되어 인식된다. 예를 들어 ±160A까지 측정 가능한 센싱 시스템에서 14bit 아날로그 디지털 변환기(70)를 사용한다면, 단위 비트당 측정 가능한 전류의 크기는 0.0195A/bit이다. 즉, 아날로그 전류 값에서 0.0195A이상의 차이가 있을 때 디지털 시스템이 인식 할 수 있음을 의미한다.
각 추정기(90)에서는 최대 단위 비트당 각 추정 오차는 90도 이하 일 때 이론적인 센서리스 각 추정이 가능하다. 최대 단위 비트당 각 추정 오차가 작을수록 각 추정기(90)가 안정적으로 동작을 하게 된다. 적용 시스템 및 각 추정기의 성능에 따라 센서리스가 가능한 최대 단위 비트당 각 추정 오차가 달라 진다. 최대 단위 비트당 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00061
)는 고주파 주입 전압(
Figure 112012106015303-pat00062
)의 주파수와 비례 하고, 고주파 주입 전압(
Figure 112012106015303-pat00063
)의 크기는 반비례 하는 관계를 가진다. 그러므로 높은 주파수 신호를 주입할 경우 더 큰 주입 전압을 사용 해야 한다. 예로, 11kW 전동기의
Figure 112012106015303-pat00064
가 3.6mH,
Figure 112012106015303-pat00065
가 4.3mH이며, 단위 비트당 측정 가능한 전류의 크기가 0.0195A/bit인 측정 시스템에서 센서리스가 가능한 최대 단위 비트당 각 추정 오차가 45도 라고 하자. 8kHz의 주입 신호를 사용 한다면, 27V 주입으로도 센서리스 운전이 가능하지만, 16kHz의 주입신호를 사용한다면, 최소 54V이상의 전압을 주입해야 센서리스 운전이 가능하다. 종래 시스템에서는 최대 단위 비트당 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00066
)를 줄이기 위해 높은 주입 주파수 사용시, 큰 전압을 사용해야 하지만, 제안된 아날로그 신호 증폭기(60)로 고정자 전류(
Figure 112012106015303-pat00067
)를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하고, 제1 아날로그 디지털 변환기(50)에서 샘플링 할 경우, 증폭비와 반비례하는 크기만큼의 작은 전압을 사용하면서도 센서리스 알고리즘의 구현이 가능하다. 이로써 센서리스 구동시의 소음을 저감할 수 있고, 전동기 구동을 위한 전압여유분을 확보할 수 있다. 예로, 앞서 언급한 동일한 시스템에서 2배의 증폭비를 가지는 아날로그 신호 증폭기(60)를 사용한다고 하면, 16kHz 신호를 주입할 때 54V가 아닌 27V만을 주입 하고도 전동기(1)의 센서리스 제어가 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 전동기 제어 장치(100) 및 전동기(1)와의 제2관계를 나타낸 도면이다. 도 1의 실시예와 다른 점은, 제어 회로의 입력, 출력이 되는 전류, 전압들은 좌표계를 표시한 점이다. 또한, 제 1좌표 변환기(32), 제 2좌표 변환기(52), 제 1필터(53), 각 보상기(92)의 구성요소가 추가되었다. 도 1과의 차이점을 중심으로 상세히 살펴보자.
전술한 바와 같이, UVW 삼상 전류는 서로 90도 위상차가 나는 dq기준 벡터를 이용하여 흔히 표현하는데, 이렇게 변환된 값을 정지 좌표계의 dq 고정자 전류
Figure 112012106015303-pat00068
라고 한다. 하지만 제어적인 입장에서 회전 주파수와 같거나 비슷한 주파수로 회전하는 값을 원하는 값으로 제어하기가 어려워진다. 그래서 나타내고자 하는 벡터와 동일한 주파수로 회전하는 기준 좌표계를 사용하여 그 벡터를 표현하는 방식을 주로 사용 한다. (즉, 날아가는 공을 정지 상태에서 잡지 않고, 날아가는 속도와 동일한 속도로 뛰어가면서 잡으면, 공을 잡는 사람 입장에서는 공이 마치 정지해 있는 것처럼 보이는 원리라 할 수 있다.) 즉, 전동기 회전 속도와 동일한 주파수로 회전하는 "회전자 좌표계" 기준 좌표계를 사용한다. 이렇게 변환된 전류를 회전 좌표계 고정자 전류(회전자 좌표계에서 바라본 고정자전류)
Figure 112012106015303-pat00069
라고 한다. 센서리스 제어 알고리즘에서는 실제 회전자 위치를 정확하게 아는 것이 아니고, 알고리즘적으로 추정하는 값이기 때문에 “추정된 회전자 좌표계”라는 용어를 사용한다.
제 1좌표 변환기(32)는 전압 지령 신호(
Figure 112012106015303-pat00070
) 및 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00071
)의 합을 추정된 동기좌표계(
Figure 112012106015303-pat00072
)에서 정지좌표계(
Figure 112012106015303-pat00073
)로 기준 좌표 변환하는 역할을 한다. 제 2좌표 변환기(52)는 전동기(1) 회전자의 보상각(
Figure 112012106015303-pat00074
)에 기반하여 상기 디지털 전류를 정지좌표계(
Figure 112012106015303-pat00075
)에서 추정된 동기좌표계(
Figure 112012106015303-pat00076
)로 기준 좌표 변환하는 역할을 한다.
일 실시예에서, 신호처리기(81)는 제1좌표 변환기(32)의 추가에 따라, 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00077
)를 수학식 4에서 도출할 수 있다. 추정된 동기 좌표계 보다 45도 뒤처진 임의의 측정 좌표계 전류
Figure 112012106015303-pat00078
에 대한 함수로 표현되어 있다.
Figure 112012106015303-pat00079
제 1필터(53)는 디지털 전류(
Figure 112012106015303-pat00080
)를 필터링하여 벡터 전류(
Figure 112012106015303-pat00081
)를 생성하는 역할을 한다. 일 실시예에서 제 1필터(53)는 저역통과필터를 포함할 수 있다.
각 보상기(92)는 전동기(1) 회전자의 추정각(
Figure 112012106015303-pat00082
), 상기 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00083
) 및 상기 인버터(41)에서 제공하는 직류 전압(
Figure 112012106015303-pat00084
)에 기반하여, 각 추정 오차(
Figure 112012106015303-pat00085
)를 보상하여 전동기(1) 회전자의 회전자의 보상각(
Figure 112012106015303-pat00086
)을 생성하는 역할을 한다. 인버터(41)의 비선형성과 전동기(1) 인덕턴스의 비선형성 등에 의해 각 추정 오차가 존재할 수 있다. 각 추정 오차는 인버터(41) 직류단 DC전원단의 전압 대비 주입전압의 크기, 고주파 전압 신호 주입 주파수, 고주파 전압 신호 각도, 전류의 크기 등에 따른 왜곡 현상으로 분석된다. 이를 보상하기 위해서는 각 추정기(91) 출력 값에 예상되는 각 오차만큼 더해주어 각 추정 오차를 보상한다. 이 보상 알고리즘은 고정된 주입 주파수 시스템에서 인버터(41) 직류단 DC전원단의 전압(
Figure 112012106015303-pat00087
) 대비 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00088
)의 크기, 고주파 전압 신호(
Figure 112012106015303-pat00089
)의 위치(각도)에 대한 순람표를 미리 작성하여 시스템에 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 전동기
10, 11: 전류 지령 생성기
20, 21: 고주파 전압 주입기
30, 31: 전류 제어기
32: 제 1좌표변환기
40, 41: 인버터
50, 51: 제1아날로그 디지털 변환기
52: 제 2좌표변환기
60, 61: 아날로그 신호 증폭기
70, 71: 제2아날로그 디지털 변환기
80, 81: 신호처리기
90, 91: 각 추정기
92: 각 보상기
100, 110: 전동기 제어 장치

Claims (19)

  1. 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기;
    전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 고주파 전압 주입기;
    상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 전류 제어기;
    상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 인버터;
    전동기의 고정자 전류 신호를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 아날로그 신호 증폭기; 및
    상기 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 각 추정기를 포함하되,
    상기 전류 지령 생성기는, 상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 전류 지령을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그 신호 증폭기는,
    상기 증폭 전류 신호를 필터링하여 고주파 증폭 전류 신호를 생성하는 필터부를 더 포함하고,
    상기 각 추정기는, 상기 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 필터부는,
    아날로그 고역통과필터 또는 아날로그 대역통과필터를 포함하는, 전동기 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고주파 증폭 전류 신호를 양자화하여 디지털 고주파 증폭 전류 신호를 생성하는 아날로그 디지털 변환기를 더 포함하고,
    상기 각 추정기는, 상기 디지털 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 디지털 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 각과 추정각 사이의 각 추정 오차를 산출하는, 신호 처리기를 더 포함하고,
    상기 각 추정기는, 상기 각 추정 오차에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전동기 회전자의 추정각, 상기 고주파 전압 신호의 크기 및 상기 인버터에서 제공하는 직류단 전압의 크기를 기반으로, 아날로그 신호 증폭기 사용으로 발생하는 각 오차를 예상하여 전동기 회전자의 보상각을 생성하는 각 보상기를 더 포함하고,
    상기 전류 지령 생성기는, 상기 전동기 회전자의 보상각에 기반하여 전류 지령을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  7. 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성기;
    전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 고주파 전압 주입기;
    상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 전류 제어기;
    상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 제1좌표변환기;
    상기 정지좌표계로 기준 좌표가 변환된 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 인버터;
    전동기의 고정자 전류 신호를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 아날로그 신호 증폭기; 및
    상기 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 각 추정기를 포함하되,
    상기 제1좌표변환기는, 상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를, 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는, 전동기 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 아날로그 신호 증폭기는,
    상기 증폭 전류 신호를 필터링하여 고주파 증폭 전류 신호를 생성하는 필터부를 더 포함하고,
    상기 각 추정기는, 상기 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 필터부는,
    아날로그 고역통과 또는 대역통과 필터를 포함하는, 전동기 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    전동기의 고정자 전류 신호를 양자화하여 디지털 전류 신호를 생성하는 제1아날로그 디지털 변환기;
    상기 고주파 증폭 전류 신호를 양자화하여 디지털 고주파 증폭 전류 신호를 생성하는 제2아날로그 디지털 변환기; 및
    상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 상기 디지털 전류 신호를 정지좌표계에서 추정된 동기좌표계로 기준 좌표 변환하는 제2좌표변환기를 포함하되,
    상기 전류 제어기는, 상기 전류 지령 및 상기 정지좌표계에서 추정된 동기좌표계로 기준 좌표를 변환된 디지털 전류 신호에 기반하여, 전압 지령 신호를 생성하는, 전동기 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 디지털 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 각과 추정각 사이의 각 추정 오차를 산출하는, 신호 처리기를 더 포함하고,
    상기 각 추정기는, 상기 각 추정 오차에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전동기 회전자의 추정각, 상기 고주파 전압 신호의 크기 및 상기 인버터에서 제공하는 직류단 전압의 크기를 기반으로, 아날로그 신호 증폭기 사용으로 발생하는 각 오차를 예상하여 전동기 회전자의 보상각을 생성하는 각 보상기를 더 포함하고,
    상기 전류지령 생성기는, 상기 전동기 회전자의 보상각에 기반하여 전류 지령을 생성하는, 전동기 제어 장치.
  13. 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 단계;
    전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 단계;
    상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 단계;
    인버터에 의해, 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 단계;
    전동기의 고정자 전류 신호를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 단계;
    상기 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 전류 지령을 생성하는 단계는,
    상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 전류 지령을 생성하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 증폭 전류 신호를 생성하는 단계는,
    상기 증폭 전류 신호를 필터링하여 고주파 증폭 전류신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계는,
    상기 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 증폭 전류 신호를 필터링하여 고주파 증폭 전류 신호를 생성하는 단계는,
    아날로그 고역통과 또는 대역통과 필터를 통해 상기 증폭 전류 신호를 필터링하여 고주파 증폭 전류 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 고주파 증폭 전류 신호를 양자화하여 디지털 고주파 증폭 전류 신호를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계는,
    상기 디지털 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 디지털 고주파 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 각과 추정각 사이의 각 추정 오차를 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계는,
    상기 각 추정 오차에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 전동기 회전자의 추정각, 상기 고주파 전압 신호의 크기 및 상기 인버터에서 인가하는 전압의 크기를 기반으로, 아날로그 신호 증폭기 사용으로 발생하는 각 오차를 예상하여 전동기 회전자의 보상각을 생성하는 각 보상기를 더 포함하고,
    상기 전류 지령을 생성하는 단계는, 상기 전동기 회전자의 보상각에 기반하여 전류 지령을 생성하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
  19. 전동기의 구동을 위하여 필요한 전류 지령을 생성하는 단계;
    전동기의 센서리스 제어를 위하여 필요한 고주파 전압 신호를 주입하는 단계;
    상기 전류 지령 및 전동기의 고정자 전류에 기반하여 전압 지령 신호를 생성하는 단계;
    상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 단계;
    상기 정지좌표계로 기준 좌표가 변환된 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호에 기반하여 전동기의 고정자에 전압을 인가하는 단계;
    전동기의 고정자 전류를 증폭하여 증폭 전류 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 증폭 전류 신호에 기반하여 전동기 회전자의 추정각을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 단계는,
    상기 전동기 회전자의 추정각에 기반하여 상기 전압 지령 신호 및 고주파 전압 신호를, 추정된 동기좌표계에서 정지좌표계로 기준 좌표 변환하는 단계를 더 포함하는, 전동기 제어 방법.
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