KR102308492B1 - 모터 구동장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

개시된 발명의 일 측면에 따른 모터 구동장치는 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부, 직류전압과 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부, 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부; 및 모터의 회전속도 및 토크부하에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

모터 구동장치 및 그 제어방법{MOTOR OPERATING DEVICE AND METHOD FOR THE SAME}

개시된 발명은 모터 구동장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

모터를 운전하기 위해서는 회전자에서 발생하는 영구자석의 자속과 전기적으로 직각 또는 임의의 각도를 갖도록 고정자의 자속을 제어해야 한다. 이를 위해서 회전자가 어느 의치에 있는가를 항상 검출하여 회전자의 위치에 따라 고정자의 자속 발생위치를 결정하도록 인버터의 스위칭 소자들의 스위칭 상태를 결정해야 한다. 이때, 회전자의 위치를 검출하기 위하여 레졸버(Resolver), 인코더(Absolute Encoder), 홀센서(Hall sensor) 등을 사용하거나, 모터에 인가되는 전압 또는 전류로부터 회전자의 위치를 검출하는 센서리스(sensorless) 방식을 사용하여, 위치 검출 회로를 통하여 검출되는 모터의 역기전력(Back ElectroMotive Force: Back-EMF)으로 회전자의 위치를 검출할 수 있다.

그러나, 모터의 회전속도가 증가하면 부하가 함께 증가하여, 모터에 인가되는 구동전류는 회전자의 위치에 따른 유발 전류에 동기화되지 못하고 지연이 발생한다. 또한, 릴럭턴스 토크와 같이 부가적인 토크가 존재하는 경우, 모터의 회전속도로 인한 부하 영향뿐만 아니라, 부가적인 토크로 인한 부하의 영향을 받고, 이로 인해 추가적인 전류 지연이 발생한다.

개시된 발명의 일 측면은 모터에서 발생하는 부하를 고려하여 모터 구동을 제어하는 모터 구동장치 및 그 제어방법을 제공하고자 한다

개시된 발명의 일 측면에 따른 모터 구동장치는 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부, 직류전압과 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부, 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부, 및 모터의 회전속도 및 토크부하에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함한다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 토크부하 증가에 따른 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여, 구동전류의 위상이 변하도록 제어할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 제어할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 리드각 변화값은 모터의 종류에 따라 상이한 것일 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 회전속도에 따른 부하 및 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 토크부하에 기초하여 전력변환부를 제어할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상을 구동전류의 위상과 덧셈 연산할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 구동전류의 위상이 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상만큼 앞서도록 제어할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 리드각을 입력 받아 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 1 위상쉬프터, 및 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값을 입력받아 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 2 위상쉬프터를 포함할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제 2 위상쉬프터는 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받을 수 있다.

개시된 발명의 다른 측면에 따른 모터 구동장치는 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부, 직류전압과 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부, 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부, 및 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함한다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 대응하는 리드각을 구동전류에 인가하도록 전력변환부를 제어할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는 추가적으로 모터의 회전속도 증가에 따른 구동 전류의 지연 정도에 따라 구동전류의 위상이 변하도록 제어할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 제어부는, 모터의 회전속도에 따른 구동전류의 지연 정도, 및 릴럭턴스 토크로 인한 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 산출하는 위상제어부, 구동전류와 기준전류를 기초로 기준전압을 산출하는 전류제어부, 기준전압을 기초로 모터를 구동하기 위한 구동전압을 산출하고, 구동전압을 펄스 폭 변조하여 전력변환부를 제어하는 제어신호를 출력하는 출력신호 생성부를 포함할 수 있다.

개시된 발명의 또 다른 측면에 따른 모터 직류전류를 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법은, 모터의 회전속도와 구동전류를 검출하고, 회전속도와 구동전류를 기초로 모터의 부하에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성하고, 생성된 기준전류에 기초하여 모터를 구동하는 것을 포함한다.

또한, 실시 형태에 따라 기준전류를 생성하는 것은, 회전속도에 따른 구동전류의 위상 지연값을 구동전류의 위상에 더하고, 모터의 토크부하에 따른 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 생성하는 것을 포함할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 기준전류를 생성하는 것은, 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산하여 기준전류를 생성할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 기준전류를 생성하는 것은, 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성할 수 있다.

또한, 실시 형태에 따라 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받는 것은, 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받는 것일 수 있다.

개시된 발명의 일 측면에 따르면, 모터의 회전속도 및 부하를 고려하여 효율적으로 모터를 제어하는 모터 구동장치를 제공할 수 있다.

개시된 발명의 다른 일 측면에 따르면 회전자의 토크부하에 의해 변경된 전류 위상에 기반하여 모터를 제어하는 모터 구동장치 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.

도 1은 전원장치, 및 모터, 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터구동장치를 도시한 도면이다.
도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 정류부를 도시한 도면이다.
도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 2레벨 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다.
도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 3레벨 다이오드 클램프드 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다.
도 5는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부 및 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다.
도 6은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치의 제어부의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 8은 일 실시예에 의한 위상제어부의 블록도이다.
도 9는 모터의 부하 특성에 대한 그래프이다.
도 10은 모터의 회전속도 증가에 따른 위상 지연 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 의한 위상제어부의 제어 순서도이다.
도 12는 표면부착형 영구자석 동기 모터 및 매입형 영구자석 동기 모터의 외관에 대한 간략한 도면이다.
도 13은 매입형 영구자석 동기 모터의 자속경로에 대한 그래프이다.
도 14는 모터의 종류에 따른 리드각의 특성 그래프이다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람

직한 예에 불과할 뿐이며, 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형예가 있음을 밝혀 둔다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 전원장치, 및 모터, 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터구동장치를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)는 전원(2)으로부터 전기 에너지를 공급받아 모터(3)에 구동 전류를 공급함으로써 모터(3)를 구동한다.

전원장치(2)는 가정용으로 이용되는 110V/220V의 상용 교류전원 또는 산업용으로 이용되는 고전압 교류전원일 수 있으며, 태양광 발전기 등을 통해 공급되는 직류전원을 채용할 수도 있다.

모터(3)는 세탁기, 냉장고, 또는 공기조화기 등 가전제품에 이용되는 모터뿐만 아니라, 산업용으로 이용되는 모터일 수 있다.

구동장치(1)는 전원장치(2)으로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부(10), 직류전압 및 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부(20), 평활부(20)로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터(3)에 구동전류를 제공하는 전력변환부(30), 모터(3)의 구동전류를 감지하는 전류감지부(50), 모터(3)에 포함된 회전자(미도시)의 위치를 감지하는 위치감지부(50), 및 구동장치(1)의 동작 전반을 제어하는 제어부(100), 제어부(100) 의 제어신호에 따라 전력변환부(30)를 제어하는 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 신호 생성부(60)를 포함한다.

도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 정류부를 도시한 도면이다.

도 2(a) 및 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 정류부(10)는 전원장치

(2)로부터 공급되는 전원에 따라 그 구성이 달라질 수 있다. 예를 들어, 전원장치(2)로부터 공급되는 전원이 2상 교류전원인 경우 도 2(a)에 도시된 바와 같이 2쌍의 다이오드를 전류가 한 방향으로 도통되도록 배열된 다이오드 브리지를 채용할 수 있으며, 전원장치(2)로부터 공급되는 전원이 3상 교류전원인 경우 도 2(b)에 도 시된 바와 같이 3쌍의 다이오드를 전류가 한 방향으로 도통되도록 배열된 3상 다이오드 브리지를 채용할 수 있다.

다만, 도 1에 도시된 전원장치(2)가 직류전원을 공급하는 경우에는 정류부(10)가 생략될 수 있으며, 정류부(10)는 역률을 개선하기 위한 PFC(Power Factor Correction) 회로를 더 포함할 수 있다.

도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 2레벨 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이고, 도 4는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부와 3레벨 다이오드 클램프드 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이고, 도 5은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 평활부 및 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 전력변환부를 도시한 도면이다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 평활부(20)는 전력변환부(30)의 구성에 따라 그 구성이 변경되므로 평활부(20)와 전력변환부(30)를 함께 설명한다.

도 3을 참조하면, 전력변환부(30)로써 2레벨 인버터를 채용한 경우 평활부(20)는 정류부(10)의 출력노드 사이에 배치된 콘덴서(C21)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 평활부(20)는 정류부(10)로부터 리플이 포함된 직류전압을 제공받고, 콘덴서(C21)를 통하여 리플을 제거하여, 상단 출력노드 Nh를 통하여 Vdc/2(V)를 출력하고 하단 출력노드 Nl를 통하여 -Vdc/2(V)를 출력한다.

또한, 2레벨 인버터는 평활부(20)의 출력노드 Nh과 Nl 사이에 직렬로 연결된 세 쌍의 스위치(S21과 S22, S23과 S24, S25와 S26)를 포함하며, 세 쌍의 스위치(S21과 S22, S23과 S24, S25와 S26)의 도통 또는 차단에 따라 2레벨 인버터는 출력노드 U, V 및 W를 통하여 Vdc/2(V) 또는 -Vdc/2(V)를 출력한다.

도 4를 참조하면, 전력변환부(30)로써 3레벨 다이오드 클램프드 인버터를 채용한 경우 평활부(30)는 정류부(10)의 출력노드 사이에 직렬로 배치되고동일한 용량을 갖는 한 쌍의 콘덴서(C41, C42)를 포함한다. 구체적으로, 평활부(20)는 정류부(10)로부터 리플이 포함된 직류전압을 입력받고, 한 쌍의 콘덴서(C41, C42)를 통하여 리플을 제거하여 상단 출력노드 Nh를 통하여 Vdc/2(V)를 출력하고 중앙 출력노드 Nc를 통하여 0(V)를 출력하고 하단 출력노드 Nl를 통하여 -Vdc/2(V)를 출력한다.

또한, 3레벨 다이오드 클램프드 인버터는 평활부(20)의 출력노드 Nh과 Nc, Nc와 Nl 사이에 각각 직렬로 연결된 한 쌍의 스위치 S41과 S42, S43과 S44, S45와 S46, S47과 S48, S49와 S50, S51과 S52를 포함하며, 상술한 한 쌍의 스위치가 연결되는 노드와 평활부(20)의 출력노드 Nc 사이에 마련된 6개의 다이오드 D42, D43, D46, D47, D50, 및 D51를 포함한다. 3레벨 다이오드 클래프드 인버터는 상술한 12개의 스위치의 개폐에 따라 출력노드 U, V, W를 통하여 Vdc/2(V), 0(V), 및 -Vdc/2(V)를 출력한다.

도 5를 참조하면, 전력변환부(30)로써 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 경우 평활부(30)는 정류부(10)의 출력노드 사이에 직렬로 배치되고 동일한 용량을 갖는 한 쌍의 콘덴서(C1, C2)를 포함한다. 구체적으로, 평활부(20)는 정류부(10)로부터 리플이 포함된 직류전압이 입력받고, 한 쌍의 콘덴서(C1, C2)를 통하여 리플을 제거하여 출력노드 Nh를 통하여 Vdc/2(V)를 출력하고 출력노드 Nc를 통하여 0(V)를 출력하고 출력노드 Nl를 통하여 -Vdc/2(V)를 출력한다.

또한, 3레벨 직접 스위칭 인버터는 평활부(20)의 출력노드 Nh와 출력노드 U, V, 및 W 사이에 마련되는 세 개의 스위치S1, S5, 및 S9, 평활부(20)의 출력노드 Nc와 출력단자 U, V, W 사이에 직렬 배치되는 한 쌍의 스위치 S2와 S3, S6과 S7, S10과 S11, 및 평활부(20)의 출력노드 Nl와 출력단자 U, V, W 사이에 마련되는 세 개의 스위치 S4, S8, 및 S12를 포함한다. 또한, 각각의 스위치는 하나의 트랜지스터와 하나의 다이오드가 병렬로 배치된다.

출력노드 U에 관하여 구체적으로 설명하면 출력노드 U와 노드 Nh 사이에는 스위치 S1이 배치되고 출력노드 U와 노드 Nc 사이에는 스위치 S2 및 스위치S3가 직렬로 배치되고 출력노드 U와 노드 Nl 사이에는 스위치 S4가 배치된다.

또한, 스위치 S1이 도통되면 출력노드 U를 통하여 Vdc/2(V)의 전압이 출력되고, 스위치 S2 및 S3가 도통되면 출력노드 U를 통하여 0(V)의 전압이 출력되고, 스위치S4가 도통되면 출력노드 U를 통하여 -Vdc/2(V)의 전압이 출력된다. 또한, 출력노드V 및 출력노드 W에 대하여도 동일한 구조를 갖는다.

이하에서는 전력변환부(30)가 3레벨 직접 스위칭 인버터를 채용한 것으로 가정하여 설명한다.

다시 도 1을 참조하면, 전류감지부(40)는 전력변환부(30)로부터 모터(3)로 공급되는 3상 구동전류(Iabc)를 감지한다. 전류감지부(40)는 전력변환부(30)로부터 모터(3)로 구동전류를 공급하기 위한 도선 상에 션트 저항(shunt resistor)(미도시)을 직렬로 연결하고, 션트 저항(미도시) 양단에 인가되는 전압을 검출함으로써 모터(3)의 구동전류를 감지할 수 있다.

위치감지부(50)는 모터(3)의 회전자(미도시)의 위치를 감지한다. 위치감지부(50)는 레졸버(Resolver), 홀센서(hall sensor) 또는 엔코더(encoder)를 채용할 수 있다. 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)는 전류감지부(40)와 위치감지부(50)를 별도의 구성으로 하였으나, 이에 한정되지는 않으며 전류감지부(40)에 의하여 감지된 전류(예를 들어, 역기전력)를 기초로 모터(3)의 회전자의 위치를 추정하는 경우 위치감지부(50)를 생략할 수 있다.

스위칭신호 생성부(60)는 제어부(100)의 제어신호에 따라 전력변환부(30)의 각각 스위치를 개폐하기 위한 스위칭 신호를 생성한다. 제어부(100)로부터 출력되는 제어신호의 전압과 전력변환부(30)의 스위치를 개폐하기 위한 전압은 차이가 있다. 예를 들어, 전원장치(1)가 220V 교류전원을 공급하는 경우 평활부(20)로부터 전력변환부(30)로 310V의 직류전원이 공급되므로 전력변환부(30)의 스위치를 개폐하기 위한 신호는 적어도 수십V의 전압이 요구되는 반면 제어부(100)는 통상 3. 3V 내지 5V의 제어신호를 출력하므로 제어부(100)의 제어신호에 따라 전력변환부(60)의 스위치를 개폐하기 위한 스위칭신호 생성부(60)가 요구된다.

이하에서는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)의 제어부(100)의 구성을 도시한 도 6을 참조하여 제어부(100)는 설명한다.

도 6을 참조하면, 제어부(100)는 속도연산부(110), 제1좌표변환부(120), 위상제어부(130), 전류제어부(140), 제2좌표변환부(150), 옵셋 연산부(160), 출력전압 생성부(170), 및 펄스 폭 변조부(180)를 포함한다.

속도연산부(110)는 상술한 위치감지부(50)가 감지한 모터(3)의 회전자(미도시)의 위치를 기초로 회전자(미도시)의 회전속도(ωrm)를 산출한다. 구체적으로 속도연산부(110)는 회전자(미도시)의 위치를 시간에 대하여 미분함으로써 회전자(미도시)의 회전속도(ωrm)를 산출할 수 있다.

제1좌표변화부(120)는 위치감지부(50)에 의하여 감지된 회전자(미도시)의 위치를 기초로 전류감지부(40)에 의하여 감지된 3상 구동전류(Ia, Ib, Ic) (이하에서는 Ia, Ib, Ic를 일체로 Iabc라 한다. )를 직교좌표계 상의 dq축 구동전류(Id, Iq)(이하에서는 Id, Iq를 일체로 Idq라 한다. )로 변환한다.

위상제어부(130)는 속도연산부(110)에 의하여 산출된 회전자(미도시) 회전속도(ωrm)를 기초로 dq축 기준전류(Id*, Iq*)(이하에서는 Id*, Iq*를 일체로 Idq*라 한다. )를 산출한다. 구체적으로, 위상제어부(130)는 회전속도(ωrm)에 의한 모터(3)의 전류 지연을 최소화하기 위한 dq축 기준전류(Idq*)를 출력한다. 기준전류(idq*)는 모터의 부하 특성에 따라 차이가 있으며, 기준전류(idq*)를 산출하는 방법은 아래에서 자세히 설명한다.

전류제어부(140)는 위상제어부(130)에 의하여 산출된 dq축 기준전류(Idq*)와 제1좌표변환부(130)에 의하여 산출된 dq축 구동전류(Idq)를 기초로 dq축기준전압(Vd*, Vq*)(이하에서는 Vd*, Vq*를 일체로 Vdq*라 한다. )을 산출한다. 구체적으로, 전류제어부(140)는 dq축 기준전류(Idq*)와 dq축 구동전류(Idq)의 차이를 최소화하기 위한 dq축 기준전압(Vdq*)를 출력한다.

제2좌표변환부(150)는 위치감지부(50)에 의하여 감지된 회전자(미도시)의 위치를 기초로 전류제어부(140)에 의하여 산출된 dq축 기준전압(Vdq*)를 3상기준전압(Vas*, Vbs*, Vcs*)(이하에서는 Vas*, Vbs*, Vcs*를 일체로 Vabcs*라 한다. )로 변환한다.

옵셋 연산부(160)는 위상제어부(130)에 의하여 산출된 dq축 기준전류(Idq*) 및 전류제어부(140)에 의하여 산출된 dq축 기준전압(Vdq*)를 기초로 옵셋 전압(Vsn)을 출력한다.

출력전압 생성부(170)은 제2좌표변환부(150)에 의하여 산출된 3상 기준전압(Vabcs*)과 옵셋 연산부(160)에 의하여 산출된 옵셋 전압(Vsn)을 합하여 3상 구동전압(Van*, Vbn*, Vcn*)(이하에서는 Van*, Vbn*, Vcn*를 일체로 Vabcn이라 한다. )를 생성한다.

또한, 출력전압 생성부(170)는 3상 구동전압(Vabcn)을 펄스 폭 변조하여 전력변환부(30)의 각 스위치를 개폐하기 위한 제어신호를 생성하고, 스위칭신호 생성부(60)로 출력한다.

도 7은 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치의 제어방법을 도시한 순서도이다.

도 7을 참조하면, 모터 구동장치(1)는 모터(3)의 3상 구동전류

(iabc) 및 회전자의 위치를 감지한다(210).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 회전자의 위치를 기초로 3상 구동전류(iabc)를 dq축 구동전류(idq)로 변환한다(215).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 감지된 모터의 회전자의 위치를 기초로 회전자의 회전속도(ωrm)를 산출한다(220).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 모터의 회전속도(ωrm) 및 모터의 토크부하를 기초로 dq축 기준전류(Idq*)를 산출한다(230). 기준전류(idq*)는 모터의 부하 특성에 따라 차이가 있으며, 기준전류(idq*)를 산출하는 방법은 아래에서 자세히 설명한다.

다음으로, 모터 구동장치(1)는 dq축 기준전류(Idq*)와 dq축 구동전류(Idq)의 차이를 기초로 dq축 기준전압(Vdq*)를 산출한다(240).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 회전자의 위치를 기초로 dq축 기준전압(Vdq*)를 3상 기준전압(Vabcs*)으로 변환한다(245).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 dq축 기준전류(Idq*)와 dq축 기준전압(Vdq*)를 기초로 옵셋 전압(Vsn)을 산출한다(250).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 3상 기준전압(Vabcs*)과 옵셋 전압(Vsn)을 합하여 3상 구동전압(Vabcn)를 산출한다(260).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 3상 구동전압(Vabcn)을 펄스 폭 변조하여 전력변환부(30)를 제어하기 위한 제어신호를 생성한다(270).

다음으로, 모터 구동장치(1)는 제어신호에 따라 전력변환부(30)를 제어하여 모터(3)를 구동하기 위한 3상 구동전류(Iabc)를 생성한다(280).

이하에서는 개시된 발명의 일 실시예에 의한 모터 구동장치(1)가 위상제어부(130)를 통해 기준전류(idq*)를 산출하는 방법에 대하여 설명한다.

도 8은 일 실시예에 의한 위상제어부(130)의 블록도이다.

도 8에 따르면, 위상제어부(130)는 구동전류(idq)의 위상을 변환시키는 제 1 위상쉬프터(130-1), 및 제 2 위상쉬프터(130-2)를 포함한다.

제 1 위상쉬프터(130-1)는 모터의 회전속도(wrm) 및 리드각(Lead Angle)을 기초로 구동전류(idq)의 위상을 변환시킨다.

구체적으로 제 1 위상쉬프터(130-1)는 지연되는 위상을 고려하여, 구동 전류의 위상을 변환시키기 위한 리드각(lead angle)을 구동전류의 위상에 덧셈 연산하고, 그 결과를 제 1 기준 전류로서 출력하는 덧셈 연산기로서 구현될 수 있다.

리드각은 구동전류의 위상을 변환시키기 위한 제 1 위상쉬프터의 입력 값이고, 별도의 저장부(미도시)에 의해 미리 저장된 값일 수 있고, 입력부(미도시)를 통해 사용자 또는 제조자에 의해 입력받는 값일 수 있다. 또한, 별도의 리드각 산출부(미도시)에 의해 산출된 값일 수 있다. 이와 관련하여 후술한다.

도 9는 모터의 부하 특성에 대한 그래프이고, 도 10은 모터의 회전속도 증가에 따른 위상 지연 그래프이다.

도 9를 참조하면, 모터의 부하 특성에 의해, 무부하 상태에서 모터의 회전속도가 점진적으로 증가하는 경우 모터에 부하(L)가 발생하고, 부하는 모터의 회전속도에 비례한다. 이때, 모터에 발생하는 부하(L)는 회전속도에 대하여 비례하는 인덕턴스(L[H])일 수 있다.

또한, 도 10a를 참조하면, 무부하의 상태에서는 모터의 유발전류(예를 들어, 역기전력)와 구동전류(idq) 간 위상차가 발생하지 않으나, 도 10b를 참조하면, 부하가 증가하는 경우, 모터의 유발전류(예를 들어, 역기전력)과 구동전류(idq) 간의 위상차가 발생한다.

이와 같이 부하(L)가 증가한 경우, 모터에 인가되는 구동전류(idq)의 위상 지연이 증가하는데, 부하가 인덕턴스(L[H])인 경우 모터에 발생한 인덕턴스로 인하여 모터에 인가되는 구동전류(idq)가 회전자에 동기화되지 못하고 위상 지연이 발생한다.

따라서, 회전자(미도시)의 회전속도(wrm)에 따라 구동전류의 위상을 미리 앞서게 하는 리드각을 구동 전류에 인가할 필요가 있고, 제 1 위상쉬프터는 도 10c와 같이 속도연산부(110)가 산출한 모터의 회전속도(wrm)에 대응하는 리드각(a)을 구동전류의 위상에 덧셈 연산하고, 그 결과를 제 1 기준 전류로서 출력한다.

다시 도 8을 참조하면, 제 2 위상쉬프터는 모터의 종류에 따라 상이한 모터의 부하 특성을 고려하여 제 1 위상쉬프터로부터 출력된 제 1 기준 전류의 위상을 변화시키고 그 결과를 제 2 기준 전류로서 출력하는 곱셈 연산기로서 구현될 수 있다. 제 1 위상쉬프터 및 제 2 위상쉬프터의 제어방법과 관련된 설명은 도 11를 참조하여 후술한다.

도 11은 일 실시예에 의한 위상제어부의 제어 순서도이다.

도 11에 따르면, 제 1 위상쉬프터는 구동전류(idq)의 위상이 리드각만큼 앞서도록 제어한다(310). 즉 제 1 위상쉬프터는 구동전류(idq)의 위상 및 리드각을 더하여 제 1 기준 전류를 출력한다.

다시 도 9 및 도 10b를 참조하면, 무부하의 상태에서 모터의 회전속도가 증가하는 경우, 모터에는 회전속도 증가로 인한 부하(예를 들어, 인덕턴스)가 발생하고, 부하의 증가로 인한 구동전류의 지연이 발생한다.

즉, 모터의 회전속도(wrm)에 비례하여 구동전류의 지연되는 위상이 증가한다.

도 10c를 참조하면, 일 실시예에 따른 제 1 위상쉬프터는 모터의 회전속도(wrm) 증가로 유발된 인덕턴스에 기초하여 리드각(a)을 산출할 수 있고, 리드각(a)을 구동전류(idq)의 위상에 더할 수 있다. 한편, 리드각(a)은 외부 별도의 리드각 산출부(미도시)에 의해 산출된 것일 수 있고, 인덕턴스에 비례하는 소정의 값일 수 있다.

한편, 모터의 종류에 따라 위상이 지연되는 원인이 상이할 수 있고, 예를 들어, 회전속도 증가에 의한 전류 지연 외에 릴럭턴스(reluctance) 토크로 인한 전류 지연 또한 발생할 수 있다.

모터는 일반적으로 널리 사용되는 유도모터와 에너지 절약을 목적으로 도입이 증가하고 있는 동기모터가 있는데, 동기모터는 영구자석을 붙이는 방법에 따라, 회전자표면에 영구자석을 붙인 표면부착형 영구자석 동기 모터(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor, SPMSM)와 회전자 안에 영구자석을 내장시킨 매입형 영구자석 동기 모터Interior Permanent Magnet Synchronous Motor, IPMSM)의 두 종류가 있다.

영구자석을 회전자 내부에 삽입한 매입형 영구자석 동기 모터는 구조적인 특징으로 인해 마그네틱 토크(Magnetic Torque) 및 릴럭턴스 토크(Reluctace Torque)가 존재한다.

도 12a는 표면부착형 영구자석 동기 모터이고, 도 12b는 매입형 영구자석 동기모터의 외관에 대한 간략한 도면이다.

표면부착형 영구자석 동기 모터는 표면에 부착한 영구자석 투자율이 진공투자율과 거의 같기 때문에 영구자석이 존재하는 부분의 자기저항이 공극(Air Gap)과 동일하다. 따라서 표면부탁형 영구자석 동기 모터는 릴럭턴스 토크가 존재하지 않고 마그네틱 토크만 발생한다.

반면, 도 13을 참조하면, 회전자 철심 속에 영구자석을 매입한 도 12b의 매입형 영구자석 동기 모터는, 전기자 권선이 만드는 d축 방향의 자속 경로에서는 자기적으로 공극과 등가인 영구자석이 놓여 있어 자기저항이 크고 q축 방향의 자속 경로에서는 자속이 철심만 관통하므로 자기저항이 작다.

이러한 자기저항의 차이는 매입형 영구자석 동기 모터에서 마그네틱 토크 이외에 릴럭턴스 토크를 발생시키는 요인이 된다.

따라서, 매입형 영구자석 동기 모터는 영구자석으로부터 기인하는 마그네틱 토크 외에 회전자 위치에 따른 자기저항 차이로부터 발생하는 릴럭턴스 토크가 더해지므로 최대 출력 토크를 발생시킬 수 있다.

매입형 영구자석 동기 모터의 토크는 수학식 1로서 표현될 수 있다.

여기서 Pn은 극짝수,

는 영구자석에 의한 전기자쇄교자속 실효치,

, ie는 상전류 실효치,

, β는 전류 위상각, Ld는 d축 인덕턴스, Lq는 q축 인덕턴스, Tm은 마그네틱 토크, Tr은 릴럭턴스 토크를 의미한다.

수학식 1을 참조하면, 마그네틱 토크는 전류에 영구자석에 의한 전기자 쇄교자속량에 비례하고, 릴럭턴스 토크는 d축 및 q축의 인덕턴스 차에 비례하고, 구동전류(Ia)의 제곱에 비례한다.

즉, 매입형 영구자석 동기 모터의 발생토크는 마그네틱 토크 성분과 릴럭턴스 토크가 더해져서 발생하고, 릴럭턴스 토크로 인하여 매입형 영구자석 동기 모터는 전류가 증가하고, 이로인한 추가적인 리드각을 인가할 필요가 있다.

도 14는 모터의 종류에 따른 리드각의 특성 그래프이다.

도 14a는 표면부착형 영구자석 동기 모터로서, 마그네틱 토크 성분에 의한 리드각만 고려하여 구동전류(idq)가 인가될 수 있으나, 도 13b의 매입형 영구자석 동기 모터는 릴럭턴스 토크가 존재하기 때문에 이에 의한 리드각 변화도 고려하여 구동전류(idq)를 인가하여야 한다.

따라서, 일 실시예에 따른 제 2 위상쉬프터는 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값에 기초하여, 구동전류(idq)의 위상을 변화시킬 수 있다(320).

구체적으로 제 2 위상쉬프터는 모터 종류에 따라 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 기울기로서 입력받고, 기울기를 현재 토크부하와 곱셉 연산하여 구동전류(idq)의 리드각을 산출하고, 구동전류(idq)의 위상을 변화시킨 제 2 기준전류(idq*)를 산출할 수 있다.

한편, 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값은 구동전류(idq)의 위상을 변화시키기 위한 제 2 위상쉬프터의 입력 값이고, 미리 저장부(미도시)에 저장된 것일 수 있고, 사용자 또는 제조자로부터 입력부(미도시)를 통해 입력 받은 것일 수 있다. 또한, 별도의 리드각 산출부(미도시)에서 산출된 값일 수 있다.

리드각 산출부(미도시)는 예를 들어 위상차 검출 토크센서로 구현될 수 있고, 위상차 검출 토크센서는 토크부하에 의하여 생기는 리드각(위상차)을 검출하는 것으로서, 자기식과 광학식의 검출방법이 있고 반드시 이에 한정되지는 아니한다.

이와 같은 모터 구동장치 및 그 제어방법의 실시예에 따라 모터의 회전속도 및 부하를 고려하여 효율적으로 모터를 제어할 수 있고, 회전자의 토크부하에 의해 변경된 전류 위상에 기반하여 모터를 제어할 수 있다.

이상에서는 개시된 발명의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 개시된 발명으로부터 개별적으로 이해될 수 없다.

1: 모터 구동장치
2: 전원
3: 모터
10: 정류부
20: 평활부
30: 전력 변환부
40: 전류 감지부
50: 위치 감지부
60: 스위칭 신호 생성부
100: 제어부

Claims (20)

1. 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부;
   상기 직류전압과 상기 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부;
   상기 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부; 및
   상기 모터의 회전속도 및 토크부하에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 상기 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 상기 변화값을 상기 모터의 토크부하와 곱셉 연산하는 모터 구동장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 토크부하 증가에 따른 상기 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여, 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 모터 구동장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 모터 구동장치.
4. 삭제
5. 제1항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 리드각 변화값은 모터의 종류에 따라 상이한 것인 모터 구동장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 모터의 회전속도에 따른 부하 및 상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 토크부하에 기초하여 상기 전력변환부를 제어하는 모터 구동장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상을 상기 구동전류의 위상과 덧셈 연산하는 모터 구동장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 구동전류의 위상이 상기 모터의 회전속도에 따라 지연되는 위상만큼 앞서도록 제어하는 모터 구동장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 리드각을 입력 받아 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 1 위상쉬프터, 및 모터의 토크부하 증가에 따른 리드각 변화값을 입력받아 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 제 2 위상쉬프터를 포함하는 모터 구동장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 위상쉬프터는 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받는 모터 구동장치.
11. 전원장치로부터 공급되는 교류전압과 교류전류를 직류전압과 직류전류로 정류하는 정류부;
    상기 직류전압과 상기 직류전류에 포함된 리플을 제거하는 평활부;
    상기 평활부로부터 직류전류를 제공받아 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부; 및
    상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 상기 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는 상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따른 리드각의 변화값을 입력받고, 상기 변화값을 모터의 토크부하와 곱셉 연산하는 모터 구동장치.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 모터의 릴럭턴스 토크로 인한 토크부하에 대응하는 리드각을 상기 구동전류에 인가하도록 상기 전력변환부를 제어하는 모터 구동장치.
13. 삭제
14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는 추가적으로 상기 모터의 회전속도 증가에 따른 상기 구동 전류의 지연 정도에 따라 상기 구동전류의 위상이 변하도록 제어하는 모터 구동장치.
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 모터의 회전속도에 따른 상기 구동전류의 지연 정도, 및 상기 릴럭턴스 토크로 인한 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 산출하는 위상제어부;
    상기 구동전류와 상기 기준전류를 기초로 기준전압을 산출하는 전류제어부;
    상기 기준전압을 기초로 상기 모터를 구동하기 위한 구동전압을 산출하고, 상기 구동전압을 펄스 폭 변조하여 상기 전력변환부를 제어하는 제어신호를 출력하는 출력신호 생성부를 포함하는 모터 구동장치.
16. 직류전류를 교류전류로 변환하여 모터에 구동전류를 제공하는 전력변환부를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법에 있어서,
    상기 모터의 회전속도와 상기 구동전류를 검출하고;
    상기 회전속도와 상기 구동전류를 기초로 상기 모터의 부하에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성하고;
    상기 생성된 기준전류에 기초하여 상기 모터를 구동하는 것을 포함하고,
    상기 기준전류를 생성하는 것은,
    상기 모터의 토크부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받고;
    상기 변화값을 상기 모터의 토크부하와 곱셉 연산하여 기준전류를 생성하는 것인 모터 구동장치의 제어방법.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기준전류를 생성하는 것은,
    상기 회전속도에 따른 상기 구동전류의 위상 지연값을 상기 구동전류의 위상에 더하고;
    상기 모터의 토크부하에 따른 상기 구동전류의 리드각 변화값에 기초하여 기준전류를 생성하는 것을 포함하는 모터 구동장치의 제어방법.
18. 삭제
19. 제 16 항에 있어서,
    상기 기준전류를 생성하는 것은,
    상기 모터의 릴럭턴스 토크에 따라 상이한 위상을 갖는 기준전류를 생성하는 것인 모터 구동장치의 제어방법.
20. 제 16항에 있어서,
    상기 부하에 따른 리드각의 변화값을 입력받는 것은, 모터의 종류에 따라 상이한 리드각 변화값을 입력받는 것인 모터 구동장치의 제어방법.

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