KR101139028B1 - 고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어방법 - Google Patents

Abstract

2상 스위치드 릴럭턴스 모터 (switched reluctance motor; SRM) 의 고속 운전시 토크를 제어하는 방법으로서, 2상 중 활성화된 상(A상)의 턴온 시점으로부터 비활성화된 상(B상)의 테일 전류가 잔류한 시점까지인 보상 제어 활성화 구간(EN_A) 동안에, 비활성화된 상(B상)으로부터 기인한 부토크(T_cA ^*)를 활성화된 상(A상)의 정토크(T_mA ^*)에 보상하는 것을 특징으로 함으로써, 테일전류에 의해 발생하는 부토크의 영향을 고려하여 고속 운전모드에서의 토크 리플을 현저히 저감시킬 수 있는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어 방법에 관한 것이다.

Description

고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어방법{ＴＯＲＱＵＥ ＣＯＮＴＲＯＬ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＨＩＧＨ ＳＰＥＥＤ ＳＷＩＴＣＨＥＤ ＲＥＬＵＣＴＡＮＣＥ ＭＯＴＯＲ}

본 발명은 고속 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor; SRM)의 토크 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고속 SRM 의 비선형적 특성을 고려하여, 활성화된 상에서 다음 여자되는 상으로 전환되는 오버랩 영역에서 크게 발생하는 토크 리플을 현저히 저감시켜 구동 효율을 증대시키고자 하는, 상기 2상 중 활성화된 상(A상)의 턴온 시점으로부터 비활성화된 상(B상)의 테일 전류가 잔류한 시점까지인 보상 제어 활성화 구간(EN_A) 동안에, 상기 비활성화된 상(B상)으로부터 기인한 부토크를 활성화된 상(A상)의 정토크에 보상하는 것을 특징으로 하는 고속 SRM 의 토크 제어 방법에 관한 것이다.

통상적으로 스위치드 릴럭턴스 모터는 아마추어 코일을 권취하여 자기력을 발생하는 다상의 고정자와, 고정자에서 발생하는 자기력과 티스(teeth)의 상대적인 위치에 따라 발생하는 자기력에 의해 회전하는 회전자와, 위치검출 센싱부와 센서판을 구비하여 회전자의 위치가 가변됨에 따라 소정 각도 분해능으로 위치 검출 펄스를 감지함으로써 회전자의 위치를 검출하는 위치검출부를 주요 구성으로 구비한 릴럭턴스 모터의 일종으로, 회전자에는 복수의 티스가 대칭적으로 형성되어 있고, 다상의 고정자에는 대칭적으로 아마추어 코일이 권취되어 있으며, 위치 검출 센싱부가 회전자의 위치를 검출하여 위치 검출 펄스를 출력함으로써 위치 검출 펄스에 동기시켜 다상의 아마추어 코일을 순차적으로 구동한다.

이러한 스위치드 릴럭턴스 모터는 다상의 고정자에 권취된 아마추어 코일에 공급되는 전원을 스위칭 소자를 통해 제어하게 되는데, 위치 검출부의 위치 검출 펄스에 동기시켜 스위칭 소자의 제어단에 입력 펄스 신호를 인가시킴에 따라 회전자와 고정자 간의 여자 상태를 순차적으로 가변시킴으로써 자기 흡입력에 의해 회전자에 입력 펄스 신호에 대응하는 정방향 회전 토크를 발생시킬 수 있고, 특정 여자 상태를 가변시키지 않을 시에는 일정 위치에서 회전자가 정지하도록 할 수 있으며, 최대 인덕턴스 형상을 기점으로 스위칭 소자에 인가되는 입력 펄스 신호의 위상을 제어함으로써 역회전력을 발생시킬 수도 있는 다양한 구동 제어가 가능함에 따라 다양한 응용 분야에서 유용하게 이용되고 있다. 특히 고속 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)는 컴팩트한 사이즈와 시스템 효율 때문에 블로워, 컴프레셔, 펌프 등의 고속 회전기 시스템에 적용되어 사용되는 경우가 많다.

그런데, 이러한 고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 가장 큰 단점은 타 전동기에 비해 토크리플이 크다는 것이다. 특히 스위치드 릴럭턴스 모터에서 토크리플은 활성화된 상에서 다음 여자되는 상으로 전환되는 오버랩 영역(전류 구간) 에서 크게 나타난다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 SRM 의 토크 제어방법과 관련한 종래기술이 다수 제안되고 있는데, 등록특허 제976029호가 그 일례이다. 상기 종래기술은 4레벨 컨버터를 이용한 SRM의 직접순시토크제어(DITC) 시스템에 관한 것으로, 검출된 상 전류 및 회전자 위치를 이용하여 3-D 토크 룩업(look-up) 테이블에 의해 토크를 추정하는 토크 추정부, 회전자의 위치에 따라 스위칭 룰을 선택하며, 추정된 토크와 기준 토크의 차이(토크 에러)에 대응하여 히스테리시스제어를 기반으로 인입상과 유출상의 상태신호를 생성하는 히스테리시스 제어부, 상태신호를 네 개의 동작모드(모드 1, 모드 0, 모드 -2 및 모드 2)로 구성된 스위칭신호로 전환하는 스위칭 테이블부 및 모드 1에서는 전원단 전압을 SRM에 공급하며, 모드 0에서는 코일의 전류를 전원측으로 환류시키며, 모드 2에서는 전원단 전압 및 부스트 커패시터 전압을 SRM에 공급하며, 모드 -2에서는 코일에 저장된 에너지를 커패시터로 회수하여 SRM 동작을 제어하는 4-레벨 컨버터부를 포함하여 이루어지는 SRM 의 직접 순시토크 제어 시스템에 관하여 개시하고 있다.

그러나, 상기 종래기술에 따르면 기본 제어 원리를 이용하여 비교적 완만한 토크 출력을 도출할 수 있는 이점이 있으나, 오버랩 영역에서 부드러운 토크의 생성을 위해서 복잡한 스위칭 규칙이 요구되며, 제어성능은 이에 의해 결정된 스위칭 규칙에 의해 결정된다는 한계가 있다. 또한, 직접순시제어기법을 이용할 경우에는 부가적인 전류제어기를 이용해야 한다는 문제점도 있다.

또 다른 종래기술인 등록특허 제228695호는 아마추어 코일의 스위치 턴온(turn-on) 및 턴 오프(turn-off) 시간을 최적화하여 토크 리플을 효과적으로 감소시킬 수 있도록 하는, 회전자의 위치를 감지한 위치 신호에 입력받아 회전 속도에 따라 기설정된 속도별 턴온 지연 시간 데이터를 기록한 검색 테이블(Look-Up Table; LUT)에 따라 일정 시간 동안 턴온(turn-on) 지속 시간을 갖고 지연 시간 상한선 내에서 동작하도록 하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 제어방법에 대해 개시하고 있다.

그러나, 상기 종래기술은 오버랩 영역의 토크리플을 특별히 고려하지 않아 오버랩 영역의 테일전류로부터 발생하는 토크 리플의 영향을 배제할 수 없다는 문제점을 여전히 가지고 있다.

한편, SRM 의 토크 제어방법으로서 토크 분배함수를 이용한 방법들도 제안되고 있는데, 이러한 토크 분배함수를 사용한 2상 SRM 의 지령 토크와 전동기의 기계적인 구조에 따른 각 상의 지령 토크 및 지령 전류 그래프가 도 1 에 도시되어 있다. 활성화된 상과 비활성화된 상의 2 상의 토크를 모두 발생하는 오버랩 구간은 전동기의 기계적인 형상에 따른 인덕턴스 상승구간의 중복이 발생하는 구간에 해당하며, 이 구간에서는 2 개 상의 토크의 합이 전체 토크를 결정하게 된다.

이러한 기존의 토크분배함수를 이용한 경우의 SRM 의 고속 운전에서 나타나는 토크 리플이 도 2 에 도시되어 있다. 도 2 에 도시된 바와 같이 고속운전 영역에서 지령토크를 발생하기 위한 전류는 턴오프 각도에서 전류가 소호되기 시작하지만, 토크 오버랩 구간에 대한 시간이 매우 짧아서, 이 구간 내에서 전류가 완전히 소호되지 못하고, 테일 전류가 발생하게 된다. 이 테일 전류는 인덕턴스의 하강구간에서 존재하게 되므로, 부토크를 발생하게 되고 상기 부토크에 의해 전체 토크에는 큰 토크 리플이 발생하게 된다.

즉, 이러한 기존의 토크분배함수를 이용한 SRM 의 토크 제어방법도 간단하지만 고속 운전모드에서 오버랩 영역의 시작과 끝에서의 토크 리플을 완화시킬 수 없다는 문제점이 있다.

한국등록특허 제976029호 한국등록특허 제228695호

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해서 안출한 것으로서, 스위치드 릴럭턴스 모터의 비선형적 특성을 고려하여, 활성화된 상에서 다음 여자되는 상으로 전환되는 오버랩 영역에서 크게 발생하는 토크 리플을 현저히 저감시켜 SRM의 고속 운전 구간에서도 구동 효율을 증대시킬 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어방법을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태에 따른 2상 고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어방법은, 상기 2상 중 활성화된 상(A상)의 턴온 시점으로부터 비활성화된 상(B상)의 테일 전류가 잔류한 시점까지인 보상 제어 활성화 구간(EN_A) 동안에, 상기 비활성화된 상(B상)으로부터 기인한 부토크를 상기 활성화된 상(A상)의 정토크(T_mA ^*)에 보상하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 활성화된 상의 정토크(T_mA ^*)에 보상되는, 상기 비활성화된 상의 테일 전류로부터의 부토크에 대한 토크 보상값(T_cA ^*)은 상기 비활성화된 상에 대한 토크 지령값(T_mB ^*)과 상기 비활성화된 상의 실제 상전류와 회전자 위치각에 따른 룩업 테이블에 의해 계산된 토크값(T_mb)의 차인 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 비활성화된 상의 부토크가 보상된 상기 활성화된 상의 토크(T_mA ^* + T_cA ^*)는 회전자 위치와 토크에 따른 룩업 테이블에 의해 결정된 전류 지령치로 변환되고, 상기 전류 지령치는 PWM 기법에 의해 제어되는 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 PWM 제어된 전류값은 상기 비활성화된 상에 대한 보상제어 활성화 신호의 부(-)값(

)과 논리곱 연산되어 최종 출력되는 것을 또 다른 특징으로 할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 2상 고속 SRM 의 토크제어방법은, 상기 2상 중 활성화된 상(A상)의 턴온 시점으로부터 비활성화된 상(B상)의 테일 전류가 잔류한 시점까지인 보상 제어 활성화 구간(EN_A) 동안에, 상기 비활성화된 상(B상)으로부터 기인한 부토크를 상기 활성화된 상(A상)의 정토크(T_mA ^*)에 보상하는 것을 특징으로 함으로써, 스위치드 릴럭턴스 모터의 비선형적 특성을 고려하면서 오버랩 영역의 테일전류에 의해 발생하는 부토크의 영향을 고려하여 고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 리플을 현저히 저감시키고, 구동 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1 은 종래 기술에 따른 토크 분배 함수 및 전류 지령을 나타내는 그래프이다.
도 2 는 종래 기술에 따른 SRM 고속 운전에서의 토크 리플을 나타내는 그래프이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 토크 제어방법을 나타내는 파형 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 토크 제어방법을 구현하는 토크 분배함수의 제어 블록 다이어그램이다.
도 5 는 토크를 연산하기 위한 룩업 테이블의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 기존의 토크 제어방법을 이용한 토크 해석 결과 그래프이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 토크 제어방법을 이용한 토크 해석 결과 그래프이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 토크 제어방법을 나타내는 파형 그래프이고, 도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 토크 제어방법을 이루는 토크 분배함수의 제어 블록 다이어그램이고, 도 5 는 토크를 연산하기 위한 룩업 테이블의 일 예를 도시한 도면이고, 도 6(a) 및 도 6(b)는 기존의 토크 제어방법을 이용한 해석 결과 그래프이고, 도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 토크 제어방법을 이용한 해석 결과 그래프이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 고속 SRM 토크 제어방법을 설명하기에 앞서, 일반적인 스위치드 릴럭턴스 모터의 전압 방정식과 토크 방정식을 살펴보면 다음의 수학식 1 및 수학식 2 와 같다.

(R :상 권선의 저항,

Θ_rm : 회전자 위치,

ω_rm : 회전자 속도,

L(Θ_rm,i) : 주어진 전류에서 회전자 위치에 따른 인덕턴스)

본 발명은 테일 전류에 의해 발생하는 부토크를 보상하는 새로운 토크 분배 함수에 의한 토크 제어방법을 제안한다. 즉, SRM 의 각 상의 활성/비활성 구간을 선행적으로 설정하고, 비활성화된 상으로부터 기인한 부토크를 현재 활성화되어 있는 상에서 보상하여 토크 리플을 억제하는 방식이다.

도 3 을 참조하여 설명하면, ΔΘ_DA (구간 ㉠)는 A상의 활성화 구간이고, ΔΘ_DB (구간 ㉡) 는 B 상의 활성화 구간이며, 비활성화된 상(구간 ㉠ 을 기준으로 B상)에 대한 전류는 턴오프 각도(Θ_{off (B)})에서 소호되기 시작하지만, 상술한 바와 같이 고속 SRM 의 경우 토크 오버랩 구간(구간 ㉢)에 대한 시간이 매우 짧아서 도 3(c)에 도시된 바와 같이 테일 전류가 발생하게 된다. 이렇게 발생한 테일 전류는 인덕턴스의 하강구간에서 존재하게 되므로, 도 3(b) 에 도시된 바와 같이 부토크를 발생시킨다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 비활성화된 상의 테일전류가 발생한 구간에서 비활성화된 상으로부터 기인한 부토크를 활성화된 상의 정토크에 보상함으로써 토크 리플을 저감시킬 수 있다.

구체적으로는 도 3(d)의 EN_A 구간은 활성화된 상 (여기서는, A상)에 대해 비활성화된 상(여기서는, B상)의 부토크를 보상해주는 구간으로서, 활성화된 상(A상)의 턴온시점부터 비활성화된 상(B상)의 테일 전류가 잔류하는 시점까지로 지정될 수 있다.

또한, 도 3(d)의 EN_B 구간은 활성화된 상(여기서는, B상)에 대해 비활성화된 상(여기서는, A상)의 부토크를 보상해주는 구간으로서, 활성화된 상(B상)의 턴온시점부터 비활성화된 상(A상)의 테일 전류가 잔류하는 시점까지로 지정될 수 있다. 이러한 EN_A 또는 EN_B 는 아래의 수학식 3 에 의해 결정될 수 있다.

즉, 부토크가 발생하는 속도 영역에 진입하게 되면, 턴오프 각도에 진입하는 비활성화된 상의 스위칭은 완전히 오프시켜서 최대한 테일 전류를 감소시키도록 제어하고, 테일 전류에 의해 발생하는 부토크와 토크 오차는 활성화 영역에 있는 상의 전류를 통하여 보상하게 된다.

도 3(a) 의 T_CA ^* 는 비활성화된 상(B 상)의 부토크와 토크차를 보상하기 위한 활성화된 상(A 상)의 보상토크 성분이며, T_CB ^* 는 비활성화된 상(A 상)의 부토크와 토크차를 보상하기 위한 활성화된 상(B 상)의 보상토크 성분으로, 아래의 수학식 4 와 수학식 5 에 의해 계산된다.

여기서, T_mA ^* 와 T_mB ^* 는 각 상에 대한 토크 지령값이고, T_ma 와 T_mb 는 실제 상전류와 회전자 위치각에 따른 룩업 테이블에 의해 계산되어 예측되어진 토크값이다. 도 5 는 상기 T_ma 와 T_mb 를 연산하기 위한 룩업 테이블의 예시적인 도면이다. 상기 룩업 테이블은 0[A]에서 13[A]까지 각 1[A], 1[°]마다 저장되어진 예측된 토크 데이터로 구성될 수 있으며, 이러한 경우 룩업 테이블은 14행 90열의 배열을 가지게 된다.

상술한 바와 같이 비활성화된 상(예를 들어, B 상)의 부토크와 토크차를 보상하기 위한 활성화된 상(예를 들어, A상)의 보상토크 성분(T_cA ^*)이 결정되면, 도 4 에 도시된 바와 같이 이를 활성화된 상(A상)의 토크 지령치(T_mA ^*) 와 합산하여 토크 보상을 해준 후, 전류 지령신호(I_mA ^*)로 변환한다.

마찬가지로, B 상이 활성화되는 경우, B상에 대해서도 동일한 작업이 수행될 수 있는데, 비활성화된 상(A상)의 부토크와 토크차를 보상하기 위한 활성화된 상(B상)의 보상토크 성분(T_cB ^*)이 결정되면, 이를 B상의 토크 지령치(T_mB ^*)와 합산하여 토크 보상을 해준 후, 전류 지령신호(I_mB ^*)로 변환한다.

이 때, 전류 지령신호(I_mA ^*,I_mB ^*)는 SRM 의 비선형적인 인덕턴스 특성을 고려하여 결정되며, 일반적으로 회전자 위치와 토크에 따른 룩업테이블을 사용하여 결정된다. 한편, 상기 전류지령신호는 본 출원인의 특허출원 제2010-0032734호에서 제안하는 비균등 공극형 SRM의 특성에서 토크 지령치와 회전자 위치에 따른 데이터로 만들어진 룩업테이블로써 설계될 수 있다.

이렇게 결정된 전류 지령치와 실제 상 전류의 오차가 전류 제어기에 의해 PWM 제어된다. 한편, PWM 제어 출력값과 상술한 보상제어 활성화신호(EN_A, EN_B)의 부(-)값(

,

)이 논리곱 연산되어 최종 출력된다.

정리하면, 활성화된 상이 A상이라면, 비활성화된 상인 B 상의 부토크와 토크차를 보상하기 위한 A 상의 보상토크 성분(T_CA ^*)을 A상의 토크 지령(T_mA ^*)에 합산하여 토크 보상을 수행하고, 이를 전류 지령치(I_mA ^*)로 변환한 후, 전류 제어기에 의해 PWM 제어를 수행하고, PWM 제어 출력값을 B상의 보상제어 활성화 신호의 부(-)값(

)과 논리곱 연산함으로써 PWM_A 신호를 최종 출력하게 되므로, SRM 의 상전류가 전류 지령치를 추종하게 되면, SRM 의 토크는 토크 지령치를 만족하게 된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 토크 해석 결과가 도 7(a) 및 도 7(b)에 개시되어 있다. 도 7(a)는 10,000rpm 인 경우의 토크 해석 결과이고, 도 7(b)는 30,000rpm 인 경우의 토크 해석 결과이다. 기존의 토크 제어방법에 의한 토크 해석 결과인 도 6(a) 및 도 6(b)와 비교해 볼 때, 비교적 속도가 낮아 테일 전류의 발생이 작은 10,000rpm 인 경우에는 본 발명이 기존 방법보다 토크 리플이 약간 우수하게 나타나지만, 고속인 30,000rpm 인 경우에는 본 발명이 기존 방법에 비하여 토크 리플이 크게 향상됨을 알 수 있다.

상기와 같은 구성을 가짐으로써, 본 발명에 따른 SRM 제어방법에 의하면, 스위치드 릴럭턴스 모터의 비선형적 특성을 고려하여, 활성화된 상에서 다음 여자되는 상으로 전환되는 오버랩 영역에서 크게 발생하는 토크 리플을 현저히 저감시켜 SRM의 고속 운전 구간에서도 구동 효율을 증대시킬 수 있다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (4)

1. 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 (switched reluctance motor; SRM) 의 고속 운전모드에서 토크를 제어하는 방법으로서,
   상기 2상 중 활성화된 상(A상)의 턴온 시점으로부터 비활성화된 상(B상)의 테일 전류가 잔류한 시점까지인 보상 제어 활성화 구간(EN_A) 동안에, 상기 비활성화된 상(B상)으로부터 기인한 부토크(T_cA ^*)를 상기 활성화된 상(A상)의 정토크(T_mA ^*)에 보상하되,
   상기 활성화된 상의 정토크(T_mA ^*)에 보상되는, 상기 비활성화된 상의 테일 전류로부터의 부토크에 대한 토크 보상값(T_cA ^*)은 상기 비활성화된 상에 대한 토크 지령값(T_mB ^*)과 상기 비활성화된 상의 실제 상전류와 회전자 위치각에 따른 룩업 테이블에 의해 계산된 토크값(T_mb)의 차이며,
   상기 비활성화된 상의 부토크가 보상된 상기 활성화된 상의 토크(T_mA ^* + T_cA ^*)는 회전자 위치와 토크에 따른 룩업 테이블에 의해 결정된 전류 지령치로 변환되고, 상기 전류 지령치는 PWM 기법에 의해 제어되되,
   상기 PWM 제어된 전류값은 상기 비활성화된 상에 대한 보상제어 활성화 신호의 부(-)값(

   

   )과 논리곱 연산되어 최종 출력되는 것을 특징으로 하는 고속 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 제어 방법.
   
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