KR100776255B1 - 단일 전류센서를 이용한 3상 모터 제어시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일 전류센서를 이용하여 3상 모터를 제어 시 3상의 전류를 복원하기 위해 인가하는 기준 전압의 변조 방식을 개선하여 모터에서 발생하는 리플의 발생을 저감할 수 있어 모터의 소음 및 진동의 발생을 방지할 수 있다. 이를 위해 본 발명은 전류 복원기의 3상 전류와 전류 지령에 따라 기준 전압 벡터를 출력하는 전류 제어기, 상기 전류 제어기로부터 제공받은 기준전압 벡터를 변조 및 보상하고, 상기 기준전압 벡터에 대한 변조 및 보상의 순서를 변경하는 벡터 조정기를 구비한다.

Description

단일 전류센서를 이용한 3상 모터 제어시스템{System For Controlling 3-Phase Motor Using Single DC-link Current Sensor}

도 1은 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어시스템을 나타낸 도면이다.

도 2는 단일 전류 센서를 이용하여 모터를 구동할 수 없는 불가능 영역을 나타내는 도면이다.

도 3은 기준 전압 벡터를 변조 및 보상하는 방법을 도시한 도면이다.

도 4는 기존 방법에 따라 변조 시 기준 전압 벡터를 d-q 성분으로 나타낸 벡터 패턴이다.

도 5는 본 발명에 따른 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어시스템의 블록 구성도이다.

도 6은 본 발명에 따라 변조 시 기준 전압 벡터를 d-q 성분으로 나타낸 벡터 패턴이다.

도 7은 기존의 기준 전압 벡터들을 동일하게 변조하는 방법을 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명에 따라 새로운 벡터 패턴을 적용할 필요가 있는 영역을 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명에 따라 기준 전압 벡터에 대해 PWM 주기마다 변조와 보상하 는 순서를 나타내는 도면이다.

도 10a는 기준 전압 벡터에 대한 기존 방법을 적용한 경우로서 고주파 대역 및 저주파 대역에서 리플이 발생되는 것을 나타내는 그래프이고, 도 10b는 기준 전압 벡터에 대하여 개선된 방법을 적용한 경우로서 고주파 대역 및 저주파 대역에서 리플이 현저하게 저감되는 것을 나타내는 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

300 : 벡터 조정기

310 : 변조보상기

320 : 벡터패턴 변환기

본 발명은 단일 전류센서를 이용하여 3상 모터를 제어 시 부하에 나타나는 리플을 저감할 수 있는 단일 전류센서를 이용한 3상 모터의 제어시스템에 관한 것이다.

일반적으로 3상 모터 제어를 위해서는 3개 또는 2개의 전류 센서를 사용한다.

제조 원가의 절감을 위해 3상 모터를 구동하기 위해 단일 전류 센서를 사용하는 시스템이 개발되었다.

도 1에 도시한 바와 같이, 단일 전류센서를 적용한 3상 모터 제어시스템은 직류 링크(DC-link)에 단일 전류 센서를 설치하고 그 단일 전류 센서로부터 측정한 전류로부터 모터에 인가하는 3상의 전류 정보(Iu, Iv, Iw)를 복원하여 모터를 제어한다.

3상의 전류 복원을 위해서 모터 제어의 기준이 되는 전압인 기준 전압을 변경하게 되는데, 이때 SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation: 공간 벡터 PWM) 방식을 사용하여 구현한다. 이러한 공간 벡터 PWM 방식을 적용 시 기준 전압 벡터를 가지고 인버터 구동을 하지 못하는 영역이 있으며, 도 2에서 빗금친 영역이 그 영역이다. 그래서 이러한 불가능 영역에 진입할 경우에 대비하여 기준 전압 벡터를 변경하는 방법이 있다.

기존과 같이 기준 전압 벡터를 변경 시 기준 전압 벡터에 리플이 발생할 수 있고 이로 인하여 모터에 전류 리플 또는 속도 리플이 발생하여 소음 및 진동을 초래한다. 모터 소음과 진동의 발생은 원가의 절감을 위해 단일 전류 센서를 사용하는 3상 모터 제어시스템에 대한 이용을 제한하는 요인이 되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 기술을 감안하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 단일 전류센서를 이용하여 3상 모터를 제어 시 기준 전압 벡터의 변조에 따른 리플의 발생을 저감할 수 있도록 한 단일 전류센서를 이용한 3상 모터 제어시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인버터를 이용하여 3상 모터를 구동 하기 위한 3상 모터 제어 시스템에 있어서, 상기 인버터의 직류 전류를 측정하는 단일 전류 센서; 상기 단일 전류센서의 측정 전류를 이용하여 3상 전류를 복원하는 전류 복원기; 상기 전류 복원기의 3상 전류와 전류 지령에 따라 기준 전압 벡터를 출력하는 전류 제어기; 상기 전류 제어기로부터 제공받은 기준전압 벡터를 변조 및 보상하고, 상기 기준전압 벡터에 대한 변조 및 보상의 순서를 변경하는 벡터 조정기; 상기 벡터 조정기에 의해 조정된 기준전압 벡터를 이용하여 상기 인버터의 스위치 소자를 구동하기 위한 스위치 패턴을 상기 인버터에 인가하는 공간벡터 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 벡터 조정기는 상기 기준전압 벡터가 모터 구동이 불가능한 영역에 있는 경우 상기 기준전압 벡터를 유효 영역으로 바꾸기 위하여 변조하고 보상하는 변조보상기와, 상기 불가능한 영역에 상기 기준 전압 벡터에 대하여 변조 및 보상의 순서를 이전과 반대로 바꾸기 위해 상기 기준 전압 벡터에 더해지는 전압 벡터의 벡터 패턴을 변화시키는 벡터패턴 변환기를 포함한다.

상기 벡터패턴 변환기는 상기 기준 전압 벡터에 대한 변조의 연속성이 커지게 상기 벡터 패턴을 변환한다.

상기 벡터패턴 변환기는 상기 불가능영역 내에서 변조 및 보상하는 상기 기준전압 벡터의 이동 방향이 같아지도록 전압 벡터의 벡터 패턴을 변화시킨다.

상기 변조보상기는 상기 벡터패턴 변환기의 요구에 따라 상기 기준 전압 벡터의 변조와 보상의 순서를 결정한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면에 따라 설명한다.

본 발명에 따른 단일 전류센서를 이용한 3상 모터 제어시스템은, 커패시터 하단의 직류 링크(DC-link)에 단일 전류 센서를 설치하는 도 1의 구성을 동일하게 적용할 수 있다.

단일 전류 센서로부터 측정한 전류로부터 3상 전류를 복원하는 경우, 기준 전압 벡터가 도 2의 빗금친 영역에 있으면 3상 인버터에 의한 모터 구동이 불가능하다.

이와 같이 빗금친 영역에 있는 경우에 대비하여 기준 전압 벡터를 변조하는 방식에 관련된 기술은 본 출원인에 의해 출원된 바 있다(출원번호 10-2006-0003888, 2006. 1. 13 출원).

본 출원인이 제안한 기준 전압 벡터의 변조 방식은 도 3에 도시한 바와 같이, 기준 전압 벡터가 Sector 1의 불가능 영역 1, 2, 3에 위치하는 경우에는 모터 구동이 가능하게 되는 유효한 범위의 영역 4로 보내기 위해 기준 전압 벡터를 변조한다. 예를 들어, 도 3에서 A벡터가 불가능 영역 2에 있는 경우, 변조 전압 벡터 A'로 변조하고, 다시 변조된 전압 벡터 A'를 보상하기 위한 보상 전압 벡터 A''를 이용하여 보상한다. 여기서 변조 전압 벡터 A'는 기준 전압 벡터 A에 a 벡터를 더하여 얻어지고, 보상 전압 벡터 A''는 a' 벡터에 크기가 같고 반대 방향을 갖는 a'벡터를 더하여 얻는다.

이와 같이 불가능 영역에 있는 기준 전압 벡터는 실제 모터 구동에 적용되지 않고 대신에 PWM 한 주기의 반 동안 기준 전압 벡터를 변조하기 위한 변조 전압 벡터를 인가하고 나서 PWM 한 주기의 나머지 반 동안 변조에 따른 보상을 위해 보상 전압 벡터를 인가한다.

이와 같이 PWM 한 주기의 반 동안 변조가 이루어지는 구간에는 인버터의 트랜지스터(s1, s2, s3, s1',s2',s3')에 대한 스위치 패턴 정보와 전류 샘플 정보를 2회 얻을 수 있고, 이로부터 3상 전류 정보를 연산할 수 있다.

이와 같이 PWM의 한 주기에서 반 동안 변조하고 나머지 반 동안 보상하는 경우, d-q 직교 좌표의 성분으로 변조 및 보상 전압 벡터를 분해하면 도 4와 같이 불연속적인 전압이 나타나고, 이러한 불연속 전압에 의해 모터에서 전류 리플과 속도 리플이 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 3상 모터 제어 시스템은 기준 전압 벡터의 변조 방식을 개선하여 적용한다.

속도 제어기(100)는 속도 지령과 모터 검출 속도를 입력받아 전류 지령을 출력하고, 전류 복원기(700)는 인버터(500)에 설치된 단상 전류센서(510)에 의해 측정된 전류와 인버터의 트랜지스터에 대한 스위치 패턴을 저장하는 스위치 패턴 저장기(800)로부터 제공되는 스위치 패턴을 이용하여 3상 전류를 복원하고 복원된 3상 전류를 전류제어기(200)로 제공한다

전류 제어기(200)는 전류 지령과 전류복원기(700)로부터 복원된 3상 전류를 입력받고 그에 따른 기준 전압 벡터를 벡터 조정기(300)에 인가한다.

벡터 조정기(300)는 변조 보상기(310)와 벡터 패턴 변환기(320)를 포함한다.

변조보상기(310)는 기준 전압 벡터가 공간 벡터 영역의 유효 영역에 있으면 변조 및 보상하지 않고 기준 전압 벡터가 공간 벡터 영역의 불가능 영역에 있으면 유효 영역으로 벗어나기 위해 기준 전압 벡터에 대하여 변조 및 보상한다.

기준 전압의 벡터 변조 시 불연속적인 전압에 의해 발생하는 리플을 저감하기 위해서, 벡터 패턴 변환기(320)는 도 4의 벡터 패턴을 개선하여 도 6과 같은 새로운 벡터 패턴을 적용한다.

도 6의 벡터 패턴은 도 4의 벡터 패턴에 비하여 연속성이 높다.

설명의 편의상 도 4의 벡터 패턴을 적용하는 경우의 예를 도 7에 따라 설명한다. 제1 내지 제4기준전압 벡터(B)(C)(D)(E)가 불가능 영역에서 순서대로 나타나는 경우 이러한 제1 내지 제4기준전압 벡터에 대해서 순차적으로 변조 및 보상이 이루어지게 된다. 이때, 아래 불가능 영역(La-Lr)에 위치하는 제 1 내지 제3 기준전압 백터에 대해서는 아래쪽 방향(B1, C1, D1)으로 변조 되고 나서 위쪽 방향(B2, C2, D2)으로 보상이 이루어진다. 이후, 위쪽 불가능 영역에 위치하는 제4기준전압 벡터(E)에 대해서는 위쪽 방향(E1)으로 변조가 이루어지고 나서 아래쪽 방향(E2)으로 보상이 이루어지게 된다. 이와 같이 불가능 영역에 있는 제1 내지 제4기준 전압 벡터에 대하여 변조와 보상이 이루어지는 조건이 다르게 되면 리플의 심화되어 발생된다.

그런데 제4기준 전압 벡터에 대해 도 6과 같은 벡터 패턴이 만들어지게 하기 위해서는 보상을 먼저 하고 나서 변조한다. 이에 따라 제1 내지 제4기준 전압벡터에 대한 변조 및 보상 시 아래쪽으로 움직이고 나서 위쪽으로 움직이게 되므로 그러한 기준 전압 벡터에 대한 이동 방향이 같아지게 된다.

새로운 벡터 패턴을 적용할 필요가 있는 경우 벡터 패턴 변환기(320)에서 새 로운 벡터 패턴을 적용하기 위한 패턴 적용 신호를 변조보상기(310)에 인가한다.

여기서 벡터 패턴 변환기(320)는, 도 8과 같이, 빗금친 영역에 기준 전압 벡터가 위치하는 경우 새로운 벡터 패턴 변환기를 적용하기 위하여 패턴 적용 신호를 변조보상기(310)에 인가한다.

변조 보상기(310)는 패턴 적용 신호가 입력되지 않은 경우에는 변조하고 나서 보상하고 패턴 적용 신호가 입력되는 경우 보상하고 나서 변조한다. 즉, 도 9에 도시한 바와 같이, PWM 한 주기내에서 변조 1과 보상 1을 차례로 하고, 이후부터 패턴 적용 신호에 의하여 다음 PWM 한 주기내에서 보상 2와 변조 2, 그 다음 PWM 주기내에서 보상 3과 변조 3을 한다.

이와 같이 변조 보상기(310)는 패턴 적용 신호에 따라 기준 전압 벡터를 변조 및 보상하고, 이렇게 조정된 기준 전압 벡터를 공간벡터 변조기(400)에 제공한다.

공간벡터 변조기(400)는 벡터 조정기(300)에 의해 조정된 기준 전압 벡터를 입력받고 인버터(500)의 트랜지스터를 스위치하기 위한 스위치 패턴에 상응하는 전류 지령을 인버터(500)에 인가하고, 인버터(500)는 스위치 패턴에 상응하는 전류 지령에 따라 각 트랜지스터를 턴 온하여 3상 전류를 모터(600)에 인가한다.

도 10a에 도시한 바와 같이 기준 전압 벡터에 대한 기존 방법을 적용한 경우에는 고주파 대역 및 저주파 대역에서 리플이 발생되지만, 도 10b에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 기준 전압 벡터에 대하여 개선된 방법을 적용한 경우 고주파 대역 및 저주파 대역에서 리플이 현저하게 저감되었다.

이상과 같이 본 발명은 단일 전류센서를 이용하여 3상 모터를 제어 시 3상의 전류를 복원하기 위해 인가하는 기준 전압의 변조 방식을 개선하여 모터에서 발생하는 리플의 발생을 저감할 수 있어 모터의 소음 및 진동의 발생을 방지한다.

Claims (5)

1. 인버터를 이용하여 3상 모터를 구동하기 위한 3상 모터 제어 시스템에 있어서,

   상기 인버터의 직류 전류를 측정하는 단일 전류 센서; 상기 단일 전류센서의 측정 전류를 이용하여 3상 전류를 복원하는 전류 복원기; 상기 전류 복원기의 3상 전류와 전류 지령에 따라 기준 전압 벡터를 출력하는 전류 제어기; 상기 전류 제어기로부터 제공받은 기준전압 벡터를 변조 및 보상하고, 상기 기준전압 벡터에 대한 변조 및 보상의 순서를 변경하는 벡터 조정기; 상기 벡터 조정기에 의해 조정된 기준전압 벡터를 이용하여 상기 인버터의 스위치 소자를 구동하기 위한 스위치 패턴을 상기 인버터에 인가하는 공간벡터 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 벡터 조정기는 상기 기준전압 벡터가 모터 구동이 불가능한 영역에 있는 경우 상기 기준전압 벡터를 유효 영역으로 바꾸기 위하여 변조하고 보상하는 변조보상기와, 상기 불가능한 영역에 상기 기준 전압 벡터에 대하여 변조 및 보상의 순서를 이전과 반대로 바꾸기 위해 상기 기준 전압 벡터에 더해지는 전압 벡터의 벡터 패턴을 변화시키는 벡터패턴 변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 벡터패턴 변환기는 상기 기준 전압 벡터에 대한 변조의 연속성이 커지게 상기 벡터 패턴을 변환하는 것을 특징으로 하는 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어 시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 벡터패턴 변환기는 상기 불가능영역 내에서 변조 및 보상하는 상기 기준전압 벡터의 이동 방향이 같아지도록 전압 벡터의 벡터 패턴을 변화시키는 것을 특징으로 하는 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어 시스템.
5. 제2항에 있어서, 상기 변조보상기는 상기 벡터패턴 변환기의 요구에 따라 상기 기준 전압 벡터의 변조와 보상의 순서를 결정하는 것을 특징으로 하는 단일 전류 센서를 이용한 3상 모터 제어 시스템.

Images