KR20210126917A - 모터 구동용 전력 변환 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히, 삼상 입력 전원을 가지는 모터 구동용 전력 변환 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 모터 구동용 전력 변환 장치에 있어서, 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 정류부; 다수의 스위칭 소자를 포함하여 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터; 상기 인버터와 상기 모터 사이에 흐르는 출력 전류를 검출하는 전류 감지부; 및 상기 인버터에서 출력되어 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압보다 작도록 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

모터 구동용 전력 변환 장치 및 그 제어 방법 {Power transforming apparatus for driving motor and method for controlling same}
본 발명은 전력 변환 장치에 관한 것으로, 특히, 삼상 입력 전원을 가지는 모터 구동용 전력 변환 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 모터의 구동 및 제어를 위해 직류 전원으로부터 교류 전원을 발생하는 전력 변환 장치인 인버터를 사용하는데, 모터의 구동 및 제어를 위해서 삼상 인버터로 시스템을 구성할 수 있다.
삼상 인버터는 서로 독립적으로 동작할 수 있는 세 쌍의 스위칭 소자를 포함하고, 각 스위칭 소자의 스위칭 상태에 따라 인버터의 출력 전압과 출력 선간 전압, 부하의 부하 전압 등을 제어할 수 있다.
이러한 전력 변환 장치의 구동을 위해서는 직류단 전압의 저장 및 평활이 요구되며, 이러한 역할은 전류단(DC-링크) 캐패시터가 담당한다.
그러나, 이러한 캐패시터는 수명이 비교적 짧은 편이고, 이러한 캐패시터의 열화 고장으로 인한 정전용량 감소는 필터 성능의 저하를 일으키고 결과적으로 상전류의 불평형과 직류 전압 맥동증가에 의해 제어 성능 저하 및 시스템의 이차적인 고장을 유발할 수 있다. 더욱이, 이러한 캐패시터로서 보통 크기가 큰 전해 캐패시터를 이용하며 이는 이러한 전력 변환 장치를 구비하는 제품의 크기를 증가시킨다.
따라서, 이러한 전해 캐패시터를 제거하기 위한 시도가 있었다. 선행기술문헌1은 이러한 전해 캐패시터를 포함하지 않는 인버터 시스템을 나타내고 있다.
그러나 이러한 선행기술문헌1에 게재된 인버터 시스템은 계통 쪽 능동 소자 스위치를 온/오프를 위한 게이트 신호를 생성하는 부가적인 보조 다이오드 회로를 요구한다. 또한, 이러한 선행기술문헌1은 엘리베이터 구동을 위한 인버터 시스템으로서 빠른 동특성을 요구하지 않기 때문에 낮은 직류단 전압을 이용하여도 문제가 없다. 그러나 이러한 선행기술문헌1은 빠른 동특성을 요구하는 서보 모터 구동에는 이용될 수 없다.
더욱이, 서보 모터에는 토크 제어 모드가 존재하고, 이러한 토크 제어 시 토크 정밀도가 중요한 요소이다. 그러나 선행기술문헌1에 게재된 인버터 시스템에 의하면 전압이 부족한 상태에서는 전류가 정상 상태 오차가 발생할 수 있고, 이로 인해서 토크 제어 시 정상상태 오차 발생할 수 있는 문제점이 있다.
따라서, 전해 캐패시터를 이용하지 않으면서 이와 같은 문제점이 존재하지 않는 전력 변환 장치의 개발이 요구된다.
1. 공개특허 10-2009-0043913호 (2009년 5월 7일 공개)
해결하고자 하는 기술적 과제는 전해 캐패시터를 포함하지 않는 모터 구동용 전력 변환 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 빠른 토크 지령 변화에도 전압 부족 현상으로 인한 동특성 저하가 발생하지 않는 모터 구동용 전력 변환 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
또한, 전압 부족 현상이 발생하지 않기 때문에, 토크 제어시 정상상태 오차가 발생하지 않는 전력 변환 장치 및 그 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에 의하면, 서보 모터용 전력 변환 장치에서 직류단(DC-링크) 평활화 전해 캐패시터를 제거를 통하여 제품 사이즈 감소시킬 수 있는 전력 변환 장치를 제공할 수 있다.
따라서, 전력 변환 장치의 고장율이 감소할 수 있고, 이로 인한 시스템 신뢰성 증가, 전력 변환 장치 크기의 감소, 초기 충전 회로 제거를 통한 회로 단순화, 입력 전류 고조파 특성 개선 등의 장점을 구현할 수 있다.
또한, 이와 같이, 전력 변환 장치의 전해 캐패시터 제거로 인한 전압 부족 현상을 방지하기 위한 서보 모터 및 제어 과정을 설계하여, 기저 속도에서의 최대 부하에서 전동기의 터미널 선간 전압의 피크 값은 입력 전압의 선간 전압 피크의 86% 이하로 설계할 수 있다.
따라서, 모터의 기저 속도, 최대 부하 조건에서 전압이 부족하지 않고, 빠른 동특성을 확보할 수 있다.
구체적인 일례로서, 본 발명은, 모터 구동용 전력 변환 장치에 있어서, 교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 정류부; 다수의 스위칭 소자를 포함하여 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터; 상기 인버터와 상기 모터 사이에 흐르는 출력 전류를 검출하는 전류 감지부; 및 상기 인버터에서 출력되어 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압보다 작도록 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압에서 상기 정류부의 출력 전압의 전압 변동을 뺀 값 이하가 되도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 순수 직류 성분의 최대값 이하가 되도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압 변동의 최소값 이하가 되도록 상기 인버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 모터에 입력되는 전압은, 상기 정류부의 출력 전압의
Figure pat00001
배 이하일 수 있다.
또한, 상기 정류부와 상기 인버터 사이에 위치하여, 상기 직류 전압의 스위칭 전압 변동을 억제하기 위한 스너버 캐패시터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 스너버 캐패시터는 상기 정류부와 직접 연결될 수 있다.
또한, 상기 스너버 캐패시터는 상기 인버터 사이에 직접 연결될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 목표 속도 및 상기 전류 감지부를 통하여 감지된 상기 모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부; 및 상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하되, 상기 목표 전압이 상기 정류부의 출력 전압보다 작도록 하는 전류 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 생성된 목표 전압 및 상기 전류 감지부에서 감지된 상기 모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 구동신호 생성부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
구체적인 다른 예로서, 본 발명은, 다수의 스위칭 소자를 포함하여 정류부에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터를 포함하는 전력 변환 장치를 제어하는 방법에 있어서, 목표 속도 및 전류 감지부를 통하여 감지된 상기 모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 단계; 상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하되, 상기 목표 전압이 상기 정류부의 출력 전압보다 작도록 하는 단계; 및 상기 생성된 목표 전압 및 상기 감지된 상기 모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압에서 상기 정류부의 출력 전압의 전압 변동을 뺀 값 이하가 되도록 상기 목표 전압을 생성할 수 있다.
또한, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 순수 직류 성분의 최대값 이하가 되도록 상기 목표 전압을 생성할 수 있다.
또한, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압 변동의 최소값 이하가 되도록 상기 목표 전압을 생성할 수 있다.
본 발명에 의하면 아래와 같은 효과가 있다.
먼저, 본 발명에 의하면 전해 캐패시터를 구비하지 않는 전력 변환 장치에서, 이에 따른 최적의 제어 설계에 의하여 빠른 토크 지령 변화에도 전압 부족 현상으로 인한 동특성 저하가 발생하지 않을 수 있다.
또한, 전압 부족 현상이 발생하지 않기 때문에, 토크 제어시 정상상태 오차가 발생하지 않을 수 있다.
따라서, 전력 변환 장치의 고장율이 감소할 수 있고, 이로 인한 시스템 신뢰성이 증가할 수 있고, 전력 변환 장치의 크기가 감소할 수 있다.
또한, 초기 충전 회로를 제거 가능하여 회로를 단순화할 수 있고, 입력 전류 고조파 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 3은 계통 전압 신호를 나타내는 신호도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 정류부를 통과한 직류단 전압 신호를 나타내는 신호도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 제어 전압을 설명하기 위한 신호도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부의 세부를 나타내는 블럭도이다.
도 7은 일반적인 전해 캐패시터가 없는 전력 변환 장치에서 정상상태에서의 토크 제어 특성을 나타내는 신호도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치에서 정상상태에서의 토크 제어 특성을 나타내는 신호도이다.
도 9는 일반적인 전해 캐패시터가 없는 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 일례를 나타내는 신호도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 일례를 나타내는 신호도이다.
도 11은 일반적인 전해 캐패시터가 없는 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 다른 예를 나타내는 신호도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 다른 예를 나타내는 신호도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
나아가, 설명의 편의를 위해 각각의 도면에 대해 설명하고 있으나, 당업자가 적어도 2개 이상의 도면을 결합하여 다른 실시예를 구현하는 것도 본 발명의 권리범위에 속한다.
또한, 층, 영역 또는 모듈과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력 변환 장치(100)는 삼상 계통 전원(10)을 정류하는 정류부(110), 정류부(110)에서 정류된 DC 전압을 이용하여 삼상 교류 전류를 출력하는 인버터(140), 인버터(140)를 제어하는 인버터 제어부(150), 그리고 정류부(110)와 인버터(140) 사이에 위치하는 DC-링크(DC-link) 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다.
이러한 인버터(140)는 삼상 교류 전류를 출력하며, 이러한 출력 전류는 모터(200)에 공급된다. 여기서, 모터(200)는 공기 조화기를 구동하는 압축기 모터일 수 있다. 이하, 모터(200)는 산업용 또는 상업용 로봇을 구동하기 위한 서보 모터일 수 있고, 전력 변환 장치(100)는 이러한 서보 모터를 구동하는 모터 구동장치인 것을 예로 설명한다. 즉, 전력 변환 장치(100)는 모터 구동장치와 동일한 구성요소일 수 있다.
그러나 여기서 모터(200)는 서보 모터에 제한되지 않으며, 주파수 가변된 교류 전압을 이용하는 다양한 응용제품, 예를 들어, 에어컨, 냉장고, 세탁기, 전동차, 자동차, 청소기 등의 교류 모터에 이용될 수 있다.
한편, 모터 구동장치(100)는, DC-링크 전압(Vp)을 검출하는 DC단 전압 감지부(F), 입력 전압 감지부(E), 입력 전류 감지부(D), 출력 전류 감지부(G)를 더 포함할 수 있다.
모터 구동장치(100)는, 삼상 계통(10)으로부터의 교류 전원을 공급받아, 전력 변환하여, 모터(200)에 변환된 전력을 공급할 수 있다. 이하, 삼상 계통(10)은 삼상 교류 전원과 동일한 의미일 수 있다. 따라서, 삼상 계통과 교류 전원은 동일한 도면 부호를 이용하여 설명한다.
정류부(110)는, 교류 전원(10)을 입력받아 정류하고, 이와 같이 정류된 전력을 컨버터(120) 측으로 출력한다. 이를 위해, 정류부(110)는 브리지 다이오드를 이용한 전파 정류 회로를 이용할 수 있다.
입력 전압 감지부(E)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전압(Vs)을 검출할 수 있다. 예를 들어, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전압 감지부(E)는 전압 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Vs)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어 신호(Si)의 생성을 위해, 제어부(150)에 인가될 수 있다.
다음, 입력 전류 감지부(D)는 입력 교류 전원(10)으로부터의 입력 전류(Is)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 정류부(110) 전단에 위치할 수 있다.
입력 전류 감지부(D)는 전류 검출을 위해, 전류센서, CT(current transformer), 션트 저항 등을 포함할 수 있다. 검출된 입력 전압(Is)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어 신호(Si)의 생성을 위해, 제어부(150)에 인가될 수 있다.
DC 전압 감지부(F)는 DC-링크 캐패시터(C1)의 맥동하는 전압(Vp)을 검출한다. 이러한 전원 검출을 위해, 저항 소자, OP AMP 등이 사용될 수 있다. 검출된 DC-링크 캐패시터(C1)의 전압(Vp)은, 펄스 형태의 이산 신호(discrete signal)로서, 인버터 제어부(150)에 인가될 수 있으며, DC-링크 캐패시터(C1)의 직류 전압(Vp)에 기초하여 인버터 제어 신호(Si)가 생성될 수 있다.
여기서, DC-링크 캐패시터(C1)는 정류부(110)와 인버터(140) 사이에 위치하여, 정류부(110)에 의하여 정류된 직류 전압의 스위칭 전압 변동을 억제하기 위한 스너버(snubber) 캐패시터일 수 있다. 이하, DC-링크 캐패시터(C1)는 스너버 캐패시터와 동일한 도면부호를 이용하여 설명한다.
이러한 스너버 캐패시터(C1)는 정류부(110)와 인버터(140) 사이에 직접 연결될 수 있다. 즉, 스너버 캐패시터(C1)는 전원의 입력측에서 보면 정류부(110)와 직접 연결될 수 있고, 전원의 출력측에서 보면 인버터(140)와 직접 연결될 수 있다.
즉, 스너버 캐패시터(C1)는 인버터(140)에 포함된 스위칭 소자들의 스위칭으로 인한 스위칭 소자 양단의 전압 상승으로 인해　스위칭 소자가 파괴되는 것을 막기 위해 구성되는 것으로서, 용량이 수 uF 이하의 소용량 캐패시터일 수 있다. 이러한 캐패시터(C1)는 일반적인 DC-링크용 전해 캐패시터와 구별될 수 있다.
통상적으로 전력 변환 장치는 DC-링크 캐패시터가 평활화 캐패시터인 전해 캐패시터와 스너버 캐패시터인 필름 캐패시터를 포함한다.
여기서, 본 발명에서 DC-링크 캐패시터(C1)는 상술한 스너버 캐패시터용 필름 캐패시터일 수 있다. 즉, 별도의 대용량의 전해 캐패시터는 포함되지 않을 수 있다. 이하, DC-링크 캐패시터(C1)는 스너버 캐패시터(C1)로서 전해 캐패시터가 아닌 필름 캐패시터를 의미할 수 있다. 이에 대해서는 자세히 후술한다.
한편, 인버터(140)는, 복수 개의 인버터 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')를 구비하고, 정류부(110)에 의하여 정류된 직류 전원(Vp)을 소정 주파수의 삼상 교류 전원으로 변환하여, 삼상 서보 모터(200)에 출력할 수 있다.
구체적으로, 인버터(140)는 각각 서로 직렬 연결되는 상측 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc) 및 하측 스위칭 소자(Qa', Qb', Qc')가 한 쌍이 되며, 총 세 쌍의 상,하측 스위칭 소자가 서로 병렬로 연결될 수 있다.
인버터(140)의 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')는, 전력 트랜지스터를 이용할 수 있으며, 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar mode transistor; IGBT)를 이용할 수 있다.
제어부(150)는, 인버터(140)의 스위칭 동작을 제어하기 위해, 인버터 제어 신호(Si)를 인버터(140)에 출력할 수 있다. 인버터 제어 신호(Si)는 펄스폭 변조 방식(PWM)의 스위칭 제어신호로서, 모터(200)에 흐르는 출력 전류(io) 및 DC-링크 캐패시터(C1) 양단인 DC-링크 전압(Vp)에 기초하여 생성되어 출력될 수 있다. 이때의 출력 전류(io)는, 출력전류 감지부(G)로부터 검출될 수 있으며, DC-링크 전압(Vp)은 DC-링크 전압 감지부(F)로부터 검출될 수 있다.
제어부(150)는 인버터(140)에 포함되는 스위칭 소자(Qa, Qb, Qc, Qa', Qb', Qc')의 게이트 단에 PWM 신호를 전달하는 게이트 구동부(gate driver; 도시되지 않음)를 포함한 구성일 수 있다. 여기서, 게이트 구동부는 인버터(140)에 포함될 수 있다. 즉, 인버터(140)는 게이트 구동부를 포함한 통합 전력 모듈(Integrated Power Module; IPM)을 이용할 수 있다.
출력전류 감지부(G)는, 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력전류(io)를 검출할 수 있다. 즉, 출력전류 감지부(G)는 모터(200)에 흐르는 전류를 검출한다. 출력전류 감지부(G)는 각 상의 출력 전류(ia, ib, ic)를 모두 검출할 수 있으며, 또는 삼상 평형을 이용하여 두 상의 출력 전류를 검출할 수도 있다.
출력전류 감지부(G)는 인버터(140)와 모터(200) 사이에 위치할 수 있으며, 전류 검출을 위해, CT(current transformer), 션트 저항 등이 사용될 수 있다.
이와 같이, 출력전류 감지부(또는 전류 감지부; G)는 인버터(140)와 모터(200) 사이에 흐르는 출력 전류를 검출할 수 있다. 이때, 제어부(150)는 인버터(140)에서 출력되어 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 출력 전압보다 작도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
도 3은 계통 전압 신호를 나타내는 신호도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 정류부를 통과한 직류단 전압 신호를 나타내는 신호도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치의 제어 전압을 설명하기 위한 신호도이다.
도 3을 참조하면, 계통 전압(10)은 선간 전압을 나타내고 있다. 이러한 계통 전압(10)은 삼상의 교류 전압 신호가 일정 위상 차이로 반복되어 발생하는 것을 알 수 있다.
이러한 선간 전압은 정류부(110)를 통과하면 도 4와 같이 전파 정류된 상태가 될 수 있다. 즉, 삼상 계통 전압은 전파 정류되어, 도 4와 같이 직류화된 전압 신호로 변경될 수 있다. 이때, 정류부(110)의 최대 출력 전압은 Vp에 해당하고 일정 맥동(리플(ripple); 전압 변동)이 발생할 수 있다.
도 5를 참조하면, 이러한 정류부(110)의 출력 전압 중 맥동(전압 변동)을 제외한 순수 직류 성분의 최대값을 VR이라고 정의할 수 있다. 이러한 정류부(110)의 순수 직류 성분의 최대값(VR)은 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)에서 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)의 전압 변동을 뺀 값(VR)에 해당할 수 있다. 또한, 이때 맥동(리플)의 최소값을 rmin이라고 정의할 수 있다. 한편, VR은 정류부(110)의 출력 전압 변동의 최소값에 해당할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제어부(150)는, 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)에서 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)의 전압 변동을 뺀 값(VR) 이하가 되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(150)는, 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 순수 직류 성분의 최대값(VR) 이하가 되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
다시 말하면, 제어부(150)는, 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 출력 전압 변동의 최소값(rmin) 이하가 되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
이러한 정류부(110)의 순수 직류 성분의 최대값(VR) 또는 정류부(110)의 출력 전압 변동의 최소값(rmin)은 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)의
Figure pat00002
배에 해당할 수 있다. 따라서, 제어부(150)는, 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)의
Figure pat00003
배가 되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
이와 같은 제어부(150)의 전력 변환 장치 제어 과정은 마이크로 컴퓨터(micro computer) 등의 반도체 IC에 의하여 구현될 수 있다.
즉, 이러한 제어부(150)에 의하여 이루어지는 제어 과정은, 목표 속도 및 전류 감지부(G)를 통하여 감지된 모터(200)의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 단계; 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하되, 이 목표 전압이 정류부(110)의 출력 전압보다 작도록 하는 단계 및 이와 같이 생성된 목표 전압 및 감지된 모터(200)의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 제어부의 세부를 나타내는 블럭도이다.
도 6을 참조하면, 위에서 설명한 제어부(150)의 세부 구성이 도시되어 있고, 여기에 인버터(140) 및 모터(200)가 함께 표현되어 있다.
일례로, 이러한 제어부(150)는 비례 적분 제어(Proportional Integral Control) 방식의 모터 제어 방법을 주로 이용할 수 있다.
즉, 이러한 비례 적분 제어 방식의 제어부(150)는, 속도 제어부(152), 전류 제어부(154), 구동신호(PWM) 생성부(155), 전류 감지부(156) 및 위치 추정부(157)를 포함할 수 있다.
여기서, 전류 감지부(156)는 위에서 설명한 전류 감지부(G)와 동일할 수 있다.
모터(200)의 속도 및 위치는 전류 감지부(156)를 통하여 센서리스 방식으로 구현될 수 있다. 즉, 전류 감지부(156)를 통해 감지된 전류를 이용하여 위치 추정부(157)에서는 모터의 회전자 위치(θM)를 추정할 수 있고, 이를 이용하여 모터(200)의 속도 및 위치가 검출될 수 있다. 이러한 위치 추정부(157)에서 추정된 모터의 회전자 위치(θM)는 저역 통과 필터(158)를 통하여 피드백될 수 있다.
즉, 센서를 포함하지 않는 센서리스 방식으로 모터(200)의 속도 및 위치를 감지하는 경우에는, 전류 감지부(156)를 이용하여 감지된 전류를 이용하여 속도 및 위치를 추정할 수 있다.
속도 제어부(152)는 목표 속도(속도 지령치: Wr *) 및 전류 감지부(156)를 통하여 감지된 모터(200)의 속도(WM)에 기초하여 목표 전류를 생성할 수 있다. 전류 감지부(156)에서 감지된 전류는 전류 제어부(154)로 피드백될 수 있다.
속도 제어부(152)와 전류 제어부(154) 사이에는 토크 제어부(153)가 구비되어, 전류 지령치(I*)를 d축 전류 지령치(Id *)와 q축 전류 지령치(Iq *)로 분리할 수 있다.
또한, 전류 제어부(154)는 이러한 속도 제어부(152)에서 출력되는 목표 전류(I*: 전류 지령치)에 기초하여 목표 전압(Vdq *: 전압 지령치)을 생성할 수 있다.
구동신호 생성부(155)에서는 전류 제어부(154)에서 생성된 목표 전압(Vdq *) 및 전류 감지부(156)에서 감지된 모터(200)의 위치에 기초하여 구동 신호(PWM 신호)를 생성할 수 있다.
이러한 구동 신호(PWM 신호)에 의하여 인버터(140)에서는 구동 전압이 생성되고, 이러한 구동 전압에 의하여 모터(200)가 구동될 수 있다.
경우에 따라, 속도 제어부(152)의 전단에는 주파수 가변부(도시되지 않음)가 위치하여, 인버터의 속도별 효율에 따라 스위칭 주파수를 가변할 수 있다.
이와 같이, 제어부(150)는, 목표 속도 및 전류 감지부(156)를 통하여 감지된 모터(200)의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부(152) 및 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하되, 이 목표 전압이 정류부(110)의 출력 전압보다 작도록 하는 전류 제어부(154)를 포함할 수 있다.
즉, 제어부(150)의 전류 제어부(154)는 위에서 설명한 바와 같이, 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)에서 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)의 전압 변동을 뺀 값(VR) 이하가 되도록 인버터(140)를 제어하기 위한 목표 전압을 생성할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 전류 제어부(154)는 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 순수 직류 성분의 최대값(VR) 이하가 되도록 인버터(140)를 제어하여 목표 전압을 생성할 수 있고, 또한, 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 출력 전압 변동의 최소값(rmin) 이하가 되도록 인버터(140)를 제어하기 위한 목표 전압을 생성할 수 있다.
다시 말하면, 전류 제어부(154)는 모터(200)에 입력되는 전압이 정류부(110)의 최대 출력 전압(Vp)의
Figure pat00004
배가 되도록 인버터(140)를 제어하기 위한 목표 전압을 생성할 수 있다. 최대 출력 전압(Vp)의
Figure pat00005
배는 정류부(110)의 출력 선간 전압 피크의 대략 86%에 해당할 수 있다.
또한, 제어부는, 이와 같이 생성된 목표 전압 및 전류 감지부(156)에서 감지된 모터(200)의 위치에 기초하여 PWM 구동 신호를 생성하는 구동신호(PWM) 생성부(155)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 이와 같은 비례 적분 제어 방식의 제어부(150) 및 도 2에서 도시한 회로를 이용하여 모터(200)를 구동하는 구체적인 사항을 설명한다.
도 7은 일반적인 전해 캐패시터가 없는 전력 변환 장치에서 정상상태에서의 토크 제어 특성을 나타내는 신호도이다.
도 7(a)에서, Vdc는 직류단(DC-링크) 전압의 크기를 나타내며, 0.5Vdc, -0.5Vdc는 극전압 영전위 기준 직류단 전압 제한을 표현한다. 또한, v* an, v* bn, v* cn 은 각각 삼상, 예를 들어, a상, b상, c상의 극전압 지령을 표현한다.
도 7(a)을 참조하면, 일반적인 전력 변환 장치에서 전해 캐패시터가 없는 상태로 구동하면 전압 지령이 직류단 전압에 의해서 제한되며, 이로 인해 원하는 전압 지령을 합성하지 못할 수 있다.
도 7(b)은 일반적인 전력 변환 장치에서 전해 캐패시터가 없는 상태로 구동하는 경우의 전류 지령과 전류를 표현하고 있다.
도 7(b)에서, 위 첨자 '*'는 지령을 의미하고, 아래 첨자 'd'와 'q'는 각각 동기 좌표계에서 d와 q축을 의미한다.
도 7(b)을 참조하면, 도 7(a)에서 도시 및 설명하는 전압 제한으로 인한 영향으로 인해, 전류 지령을 추종하지 못하고, 동기 속도의 고조파 전류 성분을 생성하는 것을 알 수 있다.
이로 인해서 모터의 토크는 원하는 값으로 제어되지 못하고 토크 제어 시 정상상태 오차가 발생할 수 있다. 또한, 전류의 고조파 성분은 토크에 고조파 맥동을 만들 수 있다. 이와 같은 토크의 고조파는 정상상태에서 속도 맥동을 일으킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치에서 정상상태에서의 토크 제어 특성을 나타내는 신호도이다.
일반적으로, 자석의 쇄교 자속은 아래의 수학식 1과 같이 정의된다.
Figure pat00006
여기서 a는 a상을 의미한다. 따라서 λa _PM은 자석의 a상 쇄교 자속을 정의한다. Rstator는 고정자의 반지름, laxis는 모터의 축방향 길이, Na는 권선의 감긴 형태를 표현하는 권선 함수, 그리고 Brad는 라디얼(radial) 방향의 자속 밀도를 의미한다.
이러한 자석의 쇄교 자속을 감소시키기 위해서는 이 변수들을 수정하여 설계할 수 있다.
예를 들어 권선의 턴 수를 변화시켜, Na를 변화시킨 경우를 가정해보자. 이 경우 턴 수를 Nt라고 정의하면 동기 좌표계 d축, q축에서 정의한 자석의 쇄교 자속(λPM )과 인덕턴스(Lds, Lqs)는 아래 수학식 2와 같은 관계를 갖는다.
Figure pat00007
이러한 관계를 사용하여, 앞서 제시한 조건을 만족하도록 설계한 경우의 전류 제어 특성은 도 8에서 도시하는 바와 같다.
도 8에서 도시하는 바와 같이, 전압 지령들은 전압제한에 걸리지 않고, 전류 또한 지령을 잘 추종하는 것을 알 수 있다. 따라서 토크의 정상상태 오차도 발생하지 않고, 전압 부족으로 인한 전류/토크/속도 맥동도 발생하지 않을 수 있다.
도 9는 일반적인 전해 캐패시터가 없는 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 일례를 나타내는 신호도이다.
위에서 도 7을 참조하여 설명한 전압 부족으로 인한 현상을 직접적으로 보기 위해서 약자속 제어는 하지 않고, 위치제어 시 속도제한을 하는 경우를 보여준다.
도 9를 참조하면, 위치가 증가하면서 속도제한에 걸리는 것을 알 수 있고, 곧 전압 제한에 걸려서 전류가 제어가 되지 않는 것을 알 수 있다.
전류제어의 정상상태 에러는 토크의 정상상태 에러로 발생한다. 따라서 속도제어부는 속도를 유지하기 위해서 토크 지령을 증가시키는 것을 확인할 수 있다.
이러한 작용으로 인해서 위치 제어는 크게 영향을 받지 않을 수 있다(하기의 도 10과 비교).
한편, 속도 제어의 응답성은 A 영역에서 확인 가능하다. 도 9를 참조하면, 속도 지령에 도달하는데 걸리는 시간은 8.6ms이다.
또한, 속도 제어 시의 정상상태 특성은 B 영역에서 확인할 수 있다. B 영역은 동기속도의 고조파 성분의 전류 맥동이 토크의 맥동을 만들고, 속도의 맥동을 만드는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 일례를 나타내는 신호도이다.
도 10은 위에서 설명한 방법과 같은 조건에서 제안된 방법을 적용하여 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타내고 있다.
도 10을 참조하면, 위치가 증가하면서 속도제한에 걸리지만 전압이 부족하지 않기 때문에, 전류는 지령값을 정상상태 오차 없이 추종하는 것을 알 수 있다.
이때, 속도 제어의 응답성은 A 영역에서 확인 가능하다. 도 10을 참조하면, 속도 지령에 도달하는데 걸리는 시간은 7.3ms이다. 즉, 위에서 설명한 일반적인 경우의 결과 비교하여 속도 지령에 도달하는데 걸리는 시간이 빨라진 것을 확인할 수 있다.
또한, 속도 제어에서의 정상상태 특성은 B 영역에서 확인할 수 있다. B 영역에서 전압 부족으로 인한 전류 맥동이 없고, 따라서 토크/속도 맥동이 없는 것을 알 수 있다.
도 11은 일반적인 전해 캐패시터가 없는 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 다른 예를 나타내는 신호도이다.
도 11의 경우는 도 9에서 설명한 조건과 동일하며, 속도 제한을 더 높여서, 제한된 조건하에서 실현 가능한 가장 빠른 위치 제어 동특성을 나타내고 있다.
이때, 속도 맥동을 허용하는 조건에서 일반적인 제어 과정에 의하여 최대로 동작할 수 있는 속도는 5100r/min 수준이고, 지령의 95%에 도달할 때의 시간은 109.211ms이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 전력 변환 장치에서 위치제어 특성의 다른 예를 나타내는 신호도이다.
도 12의 경우는 도 10에서 설명한 조건과 동일하며, 속도 제한을 더 높여서, 제한된 조건하에서 최대 빠른 위치 제어 동특성을 볼 수 있다.
이때, 속도 맥동을 허용하는 조건에서, 본 발명에서 제안된 제어 과정에 의하여 최대로 동작할 수 있는 속도는 5900r/min 수준이다. 또한, 지령의 95%에 도달할 때의 시간은 94.8 ms이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 종래의 전해 캐패시터가 없는 전력 변환 장치의 일반적인 제어 과정에 비하여 동특성이 향상된 것을 알 수 있다.
도 11과 도 12는 일반적으로 정상적인 제어 상태라고 볼 수 없다. 그러나 이러한 결과를 통해서, 본 발명의 일 실시예에서 제안된 전력 변환 장치의 제어 과정은 종래의 일반적인 경우에 비하여 직류단 전압에서 더 빠른 동특성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 의하면 전해 캐패시터를 구비하지 않는 전력 변환 장치에서, 이에 따른 최적의 제어 설계에 의하여 빠른 토크 지령 변화에도 전압 부족 현상으로 인한 동특성 저하가 발생하지 않을 수 있다.
또한, 전압 부족 현상이 발생하지 않기 때문에, 토크 제어시 정상상태 오차가 발생하지 않을 수 있다.
따라서, 전력 변환 장치의 고장율이 감소할 수 있고, 이로 인한 시스템 신뢰성이 증가할 수 있고, 전력 변환 장치의 크기가 감소할 수 있다.
또한, 초기 충전 회로를 제거 가능하여 회로를 단순화할 수 있고, 입력 전류 고조파 특성을 개선할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 3상 계통 100: 전력 변환 장치
110: 정류부 140: 인버터
150: 제어부 200: 모터

Claims (15)

  1. 모터 구동용 전력 변환 장치에 있어서,
    교류 전원으로부터 입력되는 교류를 정류하는 정류부;
    다수의 스위칭 소자를 포함하여 상기 정류부에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터;
    상기 인버터와 상기 모터 사이에 흐르는 출력 전류를 검출하는 전류 감지부; 및
    상기 인버터에서 출력되어 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압보다 작도록 상기 인버터를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압에서 상기 정류부의 출력 전압의 전압 변동을 뺀 값 이하가 되도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 순수 직류 성분의 최대값 이하가 되도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압 변동의 최소값 이하가 되도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 모터에 입력되는 전압은, 상기 정류부의 출력 전압의
    Figure pat00008
    배 이하인 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정류부와 상기 인버터 사이에 위치하여, 상기 직류 전압의 스위칭 전압 변동을 억제하기 위한 스너버 캐패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스너버 캐패시터는 상기 정류부와 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스너버 캐패시터는 상기 인버터 사이에 직접 연결된 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    목표 속도 및 상기 전류 감지부를 통하여 감지된 상기 모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 속도 제어부; 및
    상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하되, 상기 목표 전압이 상기 정류부의 출력 전압보다 작도록 하는 전류 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 생성된 목표 전압 및 상기 전류 감지부에서 감지된 상기 모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 구동신호 생성부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모터 구동용 전력 변환 장치.
  11. 다수의 스위칭 소자를 포함하여 정류부에서 출력되는 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 모터를 구동하는 인버터를 포함하는 전력 변환 장치를 제어하는 방법에 있어서,
    목표 속도 및 전류 감지부를 통하여 감지된 상기 모터의 속도에 기초하여 목표 전류를 생성하는 단계;
    상기 목표 전류에 기초하여 목표 전압을 생성하되, 상기 목표 전압이 상기 정류부의 출력 전압보다 작도록 하는 단계; 및
    상기 생성된 목표 전압 및 상기 감지된 상기 모터의 위치에 기초하여 구동 신호를 생성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압에서 상기 정류부의 출력 전압의 전압 변동을 뺀 값 이하가 되도록 상기 목표 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 순수 직류 성분의 최대값 이하가 되도록 상기 목표 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 모터에 입력되는 전압이 상기 정류부의 출력 전압 변동의 최소값 이하가 되도록 상기 목표 전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 모터에 입력되는 전압은, 상기 정류부의 출력 전압의
    Figure pat00009
    배 이하인 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치의 제어 방법.
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