KR20030001850A - current detecting apparatus for motor and current detecting method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 모터의 전류검출장치 및 그 전류검출방법에 관한 것으로, 보다상세하게는 단일의 전류검출센서를 이용하여 모터의 3상 전류를 검출할 수 있는 모터의 전류검출장치 및 전류검출방법에 관한 것이다.The present invention relates to a current detection device of the motor and a current detection method thereof, and more particularly, to a current detection device and a current detection method of the motor capable of detecting a three-phase current of the motor using a single current detection sensor. will be.
3상 모터는 삼각형상으로 결선된 코일을 갖는 3상 모터이다. 모터구동부는 도 5에 도시된 바와 같이, 상용교류전원(AC110/220V)(41)으로부터 모터(45)를 구동하는데 필요한 3상전압을 얻기 위한 것으로, 교류를 직류로 변환하는 직류변환부(42)와, 다시 직류를 교류로 변환하여 3상 전압을 출력하는 DC-AC 인버터부(43)로 구성된다. 인버터부(43)내에는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생시키는 PWM부와 PWM부의 구형파신호에 따라 온오프스위칭되는 도시 않은 트랜지스터가 마련된다. 그리고, 모터구동부는 PWM제어신호에 의해 트랜지스터를 온오프시켜 인버터부(43)의 출력을 개폐(ON/OFF)하고 또한 모터의 회전속도 조절을 위해 그 출력 주파수를 조절하는 기능을 하는 제어부(47)를 더 가진다.A three phase motor is a three phase motor with coils triangularly connected. As shown in FIG. 5, the motor driving unit is configured to obtain a three-phase voltage required to drive the motor 45 from a commercial AC power supply (AC110 / 220V) 41 and converts AC into DC. And a DC-AC inverter unit 43 which converts direct current into alternating current and outputs a three-phase voltage. In the inverter unit 43, a PWM unit for generating a pulse width modulation (PWM) signal and a transistor (not shown) switched on and off in accordance with a square wave signal of the PWM unit are provided. The motor driving unit controls the output of the inverter unit 43 by turning the transistor on and off by a PWM control signal (ON / OFF) and controls the output frequency to adjust the rotational speed of the motor (47). Have more)
일반적으로 제어부(47)는 모터를 제어하기 위해 소정의 듀티값을 갖고 서로 다른 위상을 갖는 PWM제어신호를 발생하여 모터(45)를 동작시킬 뿐만 아니라 모터의 속도 및 토크를 제어하는 것이다. 여기서, 제어부(47)가 모터를 제어하기 위해서는 모터(45)로 공급되는 전류의 정확한 정보가 요구된다.In general, the controller 47 generates a PWM control signal having a predetermined duty value and different phases to control the motor to operate the motor 45 as well as to control the speed and torque of the motor. Here, in order for the controller 47 to control the motor, accurate information of the current supplied to the motor 45 is required.
일반적으로 모터로 공급되는 전류를 검출하는 방법으로 인버터부와 3상 모터간의 연결단에 두개의 홀센서를 설치하여 각 단의 전류를 검출하고, 제어부가 전류검출치에 기초하여 모터를 제어하는 방법이 사용된다.In general, a method of detecting a current supplied to a motor is to install two Hall sensors at a connection terminal between an inverter unit and a three-phase motor to detect current at each stage, and the control unit controls the motor based on the current detection value. This is used.
그런데, 종래의 모터 전류검출장치는 가격이 비교적 높은 두 개의 홀센서를 사용함에 따라 제조원가가 높아지고 홀센서의 부피가 커서 소용량의 제품에 적용하는 것이 곤란하다는 단점이 있다.However, the conventional motor current detection device has a disadvantage in that it is difficult to apply to a small-capacity product because the manufacturing cost is high and the volume of the hall sensor is large due to the use of two Hall sensors having a relatively high price.
따라서, 본 발명의 목적은, 단일의 전류센서와 IPM 소자를 이용하여 3상의 각 전류를 검출할 수 있는 모터의 전류검출장치 및 전류검출방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a current detecting device and a current detecting method of a motor capable of detecting each of three phase currents using a single current sensor and an IPM element.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 전류검출장치의 제어블록도,1 is a control block diagram of a current detection device of a motor according to the present invention;
도 2는 도 1의 모터의 전압과 전류의 위상변이도,2 is a phase shift diagram of voltage and current of the motor of FIG.
도 3은 도 1의 모터의 3상 합산전류의 위상변이도,3 is a phase shift diagram of the three-phase sum current of the motor of FIG. 1;
도 4는 본 발명에 따른 3상 모터의 전류검출방법의 순서도,4 is a flowchart of a current detection method of a three-phase motor according to the present invention;
도 5는 종래의 3상 모터의 전류검출장치이다.5 is a current detection device of a conventional three-phase motor.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1 ; 상용교류전원공급부 2 : 직류변환부One ; Commercial AC Power Supply 2: DC Converter
3 : 커패시터 5 : IPM 소자3: capacitor 5: IPM element
6 : 인버터부 7 : PWM부6: inverter section 7: PWM section
8 : 전류감지부 9 : 3상 모터8: current sensing unit 9: three-phase motor
11 : 제어부 13 : AD컨버터11: control unit 13: AD converter
상기 목적은, 본 발명에 따라, 3상 상용교류전원을 직류로 변환하는 직류변환부와, 상기 직류변환부의 직류전압을 가변주파수의 교류전압으로 변환하는 인버터부를 갖는 3상 모터의 전류검출장치에 있어서, 상기 인버터부내에 마련되어 상기 직류전압을 구형파의 교류전압으로 변환하는 PWM부와, 상기 PWM부에서 인가된 교류전압에 따라 상기 3상 모터의 각 상으로의 전압공급을 온오프시키는 복수의 스위칭소자와 상기 스위칭소자 모두 턴온되었을 때 상기 직류변환부에서 공급되는 합산전류를 감지하는 전류센서를 갖는 IPM 소자와, 상기 IPM 소자로부터 상기 3상 모터로 인가되는 어느 한 상의 기준전류를 감지하는 전류감지부와, 상기 PWM부를 제어하며, 상기 교류전압과 상기 전류감지부에서 감지된 상기 기준전류간의 역률각도를 산출하고 상기 역률각도, 상기 기준전류와 상기 IPM 소자에서 제공되는 3상 합산전류를 연산처리하여 상기 기준전류를 제외한 나머지 두개 상의 전류를 검출하는 연산처리부를 갖는 제어부를 포함하는 것에 의해 달성된다. .The object of the present invention is to provide a current detection device for a three-phase motor having a direct current converter for converting a three-phase commercial AC power supply to a direct current, and an inverter for converting a direct current voltage of the direct current converter into an alternating voltage of variable frequency. And a plurality of switching units provided in the inverter unit for converting the DC voltage into an AC voltage of a square wave, and a plurality of switching to turn on or off voltage supply to each phase of the three-phase motor according to an AC voltage applied from the PWM unit. Both the device and the switching device have an IPM device having a current sensor for sensing the sum current supplied from the DC converter when the device is turned on, and a current sensing for sensing a reference current of any one phase applied from the IPM device to the three-phase motor. And a power factor control unit for controlling the PWM unit, calculating a power factor angle between the AC voltage and the reference current sensed by the current detector. In addition, it is achieved by including a control unit having a calculation processing unit for calculating the reference current and the three-phase summing current provided from the IPM element to detect the remaining two phase current except the reference current. .
여기서, 상기 연산처리부는 상기 역률각도에 의해 상기 기준전류를 검출하며, 상기 합산전류는 소정 위상변이동안 순차적으로 상기 3상 중 어느 하나의 전류의 절대치와 일치함에 기초하여 상기 합산전류와 일치하는 전류를 검출하고, 상기 검출된 전류와 상기 기준전류 및 상기 3상의 전류의 합산치는 '0'임에 기초하여 나머지 하나의 전류를 검출하는 것이 바람직하다.Here, the calculation processing unit detects the reference current by the power factor angle, and the sum current corresponds to the sum current based on the coincidence with the absolute value of any one of the three phases sequentially during a predetermined phase shift. Is detected, and based on the sum of the detected current, the reference current, and the current of the three phases, it is preferable to detect the other current based on '0'.
상기 직류변환부는 코일과 커패시터을 갖는 전파정류회로이며, 전파정류회로를 통해 간단하게 상용교류전원을 직류로 변환할 수 있다.The DC converter is a full-wave rectifier circuit having a coil and a capacitor, it is possible to simply convert a commercial AC power supply to a direct current through a full-wave rectifier circuit.
상기 전류감지부는 센싱저항으로 마련하여 간단하게 구성할 수 있다.The current sensing unit can be configured simply by providing a sensing resistor.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 상기 목적은, 3상 상용교류전원을 직류로 변환하는 직류변환부와, 상기 직류변환부에서 변환된 직류전원을 가변주파수의 교류전원으로 변환하는 PWM부가 마련된 인버터부를 갖는 3상 모터의 전류검출방법에 있어서, 상기 모터의 3상 중 어느 한 상의 기준전류를 검출하는 단계와, 상기 3상의 합산전류를 검출하는 단계와, 상기 3상 합산전류는 상기 모터의 3상 전류 중 어느 하나의 전류의 절대치와 일치함에 기초하여 상기 3상 합산전류와 일치하는 전류를 검출하는 단계와, 상기 3 상의 전류의 합이 '0'임에 기초하여 상기 기준전류와 상기 합산전류를 통해 검출된 전류를 연산처리하여 나머지 하나의 전류를 검출하는 단계를 포함하는 것에 의해서도 달성된다.On the other hand, according to another field of the present invention, the object is provided with a DC conversion unit for converting a three-phase commercial AC power source, and a PWM unit for converting the DC power converted by the DC conversion unit to an AC power of a variable frequency A current detection method for a three-phase motor having an inverter unit, the method comprising: detecting a reference current of any one of the three phases of the motor, detecting the sum of the three phases, and the three-phase summation current of the motor; Detecting a current coinciding with the three-phase combined current based on the coincidence of an absolute value of any one of the three-phase currents; and adding the reference current and the sum based on the sum of the three-phase currents being '0'. It is also achieved by calculating the current detected through the current to detect the other current.
상기 인버터부는 상기 PWM부의 교류전원에 따라 온오프되는 스위칭소자를 갖는 IPM 소자를 포함하며, 상기 3상 합산전류는 상기 IPM 소자로부터 제공받음으로써 용이하게 3상 합산전류를 알 수 있다.The inverter unit may include an IPM element having a switching element turned on and off according to an AC power supply of the PWM unit, and the three-phase sum current may be easily obtained from the IPM element.
상기 기준전류를 검출하는 단계는 상기 PWM부에서 출력되는 전압과 상기 기준전류를 이용하여 역률각도를 산출하는 단계를 더 포함하여 상기 기준전류의 위상변이를 알 수 있다.The detecting of the reference current may further include calculating a power factor angle using the voltage output from the PWM unit and the reference current, thereby determining a phase shift of the reference current.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 전류검출장치의 제어블록도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 모터구동부는 상용교류전원공급부(1)와, 상용교류전압을 직류전압으로 변환하는 직류변환부(2)와, 직류변환부(2)의 직류전압을 교류전압으로 변환하는 인버터부(6)와, 인버터부(6)의 전압에 의해 구동되는 3상 모터(7)와, 3상 모터(9)의 전류를 검출하기 위한 전류감지부(8)와, 전류감지부(8)의 아날로그신호를 디지털로 변화하는 AD컨버터(13)와, 전류감지부(15)의 전류검출지에 기초하여 인버터부(6)에 제어신호를 인가하여 3상 모터(7)의 동작을 제어하는 제어부(11)에 의해 동작된다. 직류변환부(2)는 교류전압을 전파정류하여 직류로 변환하는 코일과 커패시터(3)를 갖는 전파정류회로이다.,1 is a control block diagram of a current detection device of a motor according to the present invention. As shown in the figure, the motor driving unit converts a commercial AC power supply unit 1, a DC converter 2 for converting a commercial AC voltage into a DC voltage, and a DC voltage of the DC converter 2 into an AC voltage. An inverter unit 6, a three-phase motor 7 driven by the voltage of the inverter unit 6, a current sensing unit 8 for detecting current of the three-phase motor 9, and a current sensing unit A control signal is applied to the inverter section 6 on the basis of the AD converter 13 which digitally changes the analog signal of (8) and the current detection point of the current sensing section 15 to operate the three-phase motor 7. It is operated by the control part 11 which controls. The DC converter 2 is a full-wave rectifier circuit having a coil and a capacitor 3 for full-wave rectifying and converting an AC voltage into DC.
인버터부(6)내에는 제어부(11)의 전압제어신호에 따라 전압을 임의의 주파수로 구형파를 발생시키는 PWM(Pulse Width Modulation)부(7)와, 직류변환부(2)의 커패시터(3)에 충전된 전압에 의해 구동되는 IPM(Intelligent Power Module)소자(5)가 마련된다. IPM 소자내에는 도시 않은 6개의 트랜지스터가 3개씩 쌍을 이뤄 상하로 연결설치되어 PWM부(7)의 구형파신호에 따라 온오프 스위칭된다. 그리고 IPM소자(5)내에는 PWM부(7)의 구형파신호에 의해 하부에 마련된 3개의 트랜지스터가 모두 온(ON)상태가 될 경우, 정류부의 커패시터(3)에 충전된 전압이 입력될 때 트랜지스터에 흐르는 전파정류된 전류를 감지하는 전류센서가 내장되어 있다.In the inverter section 6, a PWM (Pulse Width Modulation) section 7 for generating a square wave at an arbitrary frequency in accordance with the voltage control signal of the control section 11, and the capacitor 3 of the DC converter section 2 An IPM (Intelligent Power Module) element 5 which is driven by the voltage charged in the capacitor is provided. In the IPM device, six transistors (not shown) are installed in pairs three by three, and are switched on and off in accordance with the square wave signal of the PWM unit 7. When all three transistors provided below are turned on by the square wave signal of the PWM unit 7 in the IPM element 5, when the voltage charged in the capacitor 3 of the rectifying unit is input, the transistor is input. There is a built-in current sensor to detect the full-wave rectified current flowing in.
여기서, 제어부(11)는 구형파의 폭을 제어하고 전류감지부(15)에서 감지된전류와, IPM소자(5)내 마련된 전류센서에서 읽어들인 전파정류된 전류에 기초하여 각 상의 전류를 검출한다.Here, the control unit 11 controls the width of the square wave and detects the current of each phase based on the current sensed by the current sensing unit 15 and the full-wave rectified current read by the current sensor provided in the IPM element 5. .
도 2는 도 1의 모터의 전압과 전류의 위상변이도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 인버터부(6)로 공급되는 전압(Va)과, 전류감지부(15)에서 감지된 기준전류(Ia)는 3상 모터(9)가 인덕터특성을 가지므로 위상차가 발생한다.FIG. 2 is a phase shift diagram of voltage and current of the motor of FIG. 1. As shown in the figure, the phase difference between the voltage Va supplied to the inverter unit 6 and the reference current Ia sensed by the current sensing unit 15 has an inductor characteristic because the three-phase motor 9 has an inductor characteristic. Occurs.
따라서, 인버터부(6)로 공급되는 전압과, 전류감지부(15)에서 감지된 기준전류간의 전력관계에 의해 역률각도(theta)를 산출하여 기준전류(Ia)의 위상을 구한다. 역률각도(theta)는 모터에 공급되는 전력과, 실제출력전력(Va×Ia)의 관계에 의해 산출된다.Accordingly, the power factor angle theta is calculated based on the power relationship between the voltage supplied to the inverter unit 6 and the reference current sensed by the current sensing unit 15 to obtain the phase of the reference current Ia. The power factor angle theta is calculated by the relationship between the power supplied to the motor and the actual output power Va × Ia.
기준전류(Ia)의 위상변이는 역률각도(theta)를 이용하여 X축을 위상각도(0 ˚ ~ 360˚)축으로 설정하여 전압(Va)에 대해 역률각도(theta)만큼 위상차가 나도록 그래프상에 도시함으로써 알 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 기준전류(Ia)가 음에서 양으로 가는 제로크로싱되는 순간에 제어부가 전압(Va)의 위상값을 읽었다면 그 위상값이 역률각도(theta)가 되고, 기준전류(Ia)가 양에서 음으로 가는 순간에 전압(Va)의 위상값을 읽었다면 360˚- (전압의 위상값)이 역률각도(theta)가 된다.The phase shift of the reference current Ia is set on the graph such that the phase difference is set by the power factor angle (theta) with respect to the voltage Va by setting the X axis as the phase angle (0 ° to 360 °) axis using the power factor angle (theta). This can be seen by showing. As shown in the figure, if the control unit reads the phase value of the voltage Va at the moment when the reference current Ia crosses from negative to positive, the phase value becomes the power factor angle theta, and the reference current ( If Ia) reads the phase value of voltage Va at the moment from positive to negative, 360 °-(phase value of voltage) becomes the power factor angle (theta).
여기서, 제어부(11)에서 역률각도의 연산처리시 위상각이 10bit 디지털신호값으로 변환될 때 2 ^{ 10 } =1024이므로 0˚~ 360˚는 0 ~ 1023으로 변환된다.Here, when the phase angle is converted into a 10-bit digital signal value in the calculation process of the power factor angle in the control unit 11, 0 ° to 360 ° are converted to 0 to 1023 since 2 ^ {10} = 1024.
한편, 전파정류된 전류와 3상의 각 전류의 관계를 도면을 참조하여 서술하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 전파정류된 전류(Is)는 정류부의 커패시터(3)에서전파정류된 것이고, 모터에 공급되는 3상의 각 전류(Ia, Ib, Ic)는 120˚차가 발생하도록 공급된다. 도 3에 도시된 전파정류된 전류(Is)는 60˚를 주기로 소정 구간에서 3상의 전류 중 어느 하나의 상의 전류와 순차적으로 일치한다.On the other hand, when the relationship between the full-wave rectified current and each of the three phase current with reference to the drawings, as shown in Figure 3, the full-wave rectified current Is is a full-wave rectified in the capacitor 3 of the rectifying unit, the motor Each of the currents Ia, Ib, and Ic supplied to the three phases is supplied to generate a 120 degree difference. The full-wave rectified current Is shown in FIG. 3 sequentially coincides with the current of any one of the three phase currents in a predetermined interval at 60 °.
따라서, 전파정류된 전류(Is)와 일치하는 한 상의 전류를 검출하면, 모터의 3상의 전류총합은 '0'이라는 평형관계, 기준전류(Ia), 전파정류된 전류(Is)와 일치하는 전류를 이용하여 나머지 하나의 전류를 검출할 수 있다.Therefore, if one phase current is matched with the full-wave rectified current Is, the total current of the three phases of the motor is equal to '0', the reference current Ia, and the current matched with the full-wave rectified current Is. The other current can be detected using.
여기서, 모터의 3상의 각 전류간의 위상차가 120 ˚ 일 경 우 , 전파정류된 전류(Is)는 60˚~ 120˚와 240˚~ 300˚인 위상에서 기준전류(Ia)와 일치하게 되므로, 두 구간에서는 IPM 소자(5)의 전파정류된 전류(Is)로 각 상의 전류를 검출할 수 없는 무효전류가 된다.Here, when the phase difference between the currents of the three phases of the motor is 120 ˚, the full-wave rectified current Is coincides with the reference current Ia at the phases of 60 ˚-120 ˚ and 240 ˚-300 ˚. In the section, the current Is of the full-wave rectified current Is of the IPM element 5 becomes a reactive current in which the current of each phase cannot be detected.
위에서 서술한 연산처리를 이용한 전류검출방법은 다음과 같다. 도 4는 본 발명에 따른 모터의 전류검출방법의 순서도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 모터의 3상 중 어느 하나의 상의 전류를 기준전류로 검출한다(S1). PWM부의 전압과 기준전류을 이용하여 전력식에 대입하여 역률각도를 산출한다(S3). 역률각도를 이용하여 기준전류의 위상을 검출하고, IPM 소자로부터 3상의 전파정류된 전류을 제공받는다(S5). 3상의 전파정류된 전류의 위상과 일치하는 어느 한 상의 전류를 검출하여(S7), 3상의 전류합이 '0'임에 기초하여 기준전류, 전파정류된 전류와 일치하는 상의 전류를 통해 나머지 한 상의 전류를 검출한다(S9).The current detection method using the above-described calculation processing is as follows. 4 is a flow chart of a current detection method of a motor according to the present invention. As shown in the figure, the current of any one of the three phases of the motor is detected as the reference current (S1). The power factor angle is calculated by substituting the power equation using the voltage and the reference current of the PWM unit (S3). The phase of the reference current is detected using the power factor angle, and the three-phase full-wave rectified current is provided from the IPM element (S5). Detects the current of one phase that matches the phase of the three-phase full-wave rectified current (S7), and based on the current sum of three phases is '0', the remaining current through the reference current and the phase current that matches the full-wave rectified current The current of the phase is detected (S9).
여기서, 실시예에서는 IPM소자로부터 3상의 합산전류를 제공받는 것으로 서술하였으나, 직류변환부의 커패시터에 별도의 전류감지센서를 설치하여 3상의 합산전류를 알 수도 있다.Here, in the exemplary embodiment, the sum of the three phase currents is provided from the IPM element, but the sum current of the three phases may be known by installing a separate current sensing sensor on the capacitor of the DC converter.
이러한 구성에 의하여, 단일의 전류감지센서에서 감지된 기준전류와 IPM 소자를 통해 제공된 3상의 합산전류를 이용하여 3상 모터로 제공되는 각 상의 전류를 검출할 수 있다.With this configuration, it is possible to detect the current of each phase provided to the three-phase motor using the reference current sensed by the single current sensor and the sum of the three phases provided through the IPM element.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 단일의 전류센서와 IPM 소자를 이용하여 3상의 각 전류를 검출할 수 있는 모터의 전류검출장치 및 전류검출방법이 제공된다.As described above, according to the present invention, a current detecting device and a current detecting method of a motor capable of detecting each of three phase currents using a single current sensor and an IPM element are provided.
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