KR100304790B1 - 전동기속도제어기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 전동기 속도 제어기는 제어 명령에 따라 제1 전압을 출력하는 함수 발생기와, 상기 제1 전압과 제2 전압을 더한 신호와 제어 명령을 입력받아 펄스 신호를 생성하는 펄스폭 변조 발생기와, 펄스 신호를 입력받아 유도 전동기를 제어하는 신호를 생성하는 인버터와, 유도 전동기의 전압 강하를 보상하기 위한 상기 제2 전압을 출력하는 전압 보상부와, 유도 전동기의 출력의 역률각 ρ을 검출하여 sinρ값을 계산하고, sinρ값을 통해 상기 제어 명령을 수정함으로써 유도 전동기의 속도를 보상하는 전동기 속도 보상부를 포함한다.

본 발명의 전동기 속도 제어기는 역률 계산에 의해 속도 오차를 보상할 수 있다.

Description

전동기 속도 제어기

본 발명은 전동기의 속도를 제어하기 위한 제어기에 관한 것으로서, 특히 부하의 변동에 따라서 변화하는 역률각을 이용하여 전동기 속도의 변화를 보상하는 제어기에 관한 것이다.

유도 전동기는 고정자 회로에 단일 주파수의 교류를 공급해 단락 되어 있는 회전자를 전자 유도에 의해 회전시키는 전동기이다. 유도 전동기는 동기 속도( ω_s )근처에서 일정 범위 내의 각속도로 움직인다. 유도 전동기가 일정 범위 내의 각속도에서 작동하기 위해서는 각속도의 증감에 따른 속도 내지 토크의 보상이 따라야 하는데, 이러한 보상을 해주는 제어기가 필요한 것이다.

전동기의 속도를 정확하게 제어하기 위해 종래에는 전동기에 속도 센서를 부착하여 속도를 검출함으로써 전동기의 속도를 제어하였다. 그러나, 이 방법은 전동기 제어에 있어 정확성을 기할 수 있는 장점이 있으나, 속도 센서를 부가적으로 부착하여야 하며, 이러한 점 때문에 산업 설비에 일반적으로 이용되는 범용의 목적으로는 사용하기 어렵다는 문제점이 있었다.

이러한 이유로 전동기의 속도 검출 없이 오프 루프(open loop)로 명령치에 의한 단순한 제어만을 하는 것이 일반적이었다. 이러한 오픈 루프 제어 방법에서는, 저속 운전시 전동기의 1차측 저항에서의 전압 강하가 전동기 입력 전압의 많은 부분을 차지함에 따라 저속 운전시 전동기가 제대로 작동하지 않는 경우가 발생한다. 이를 보상하기 위해 출력 전류를 검출하여 초기 기동시의 일차 저항과 검출된 전류의 곱, 즉, 일차 저항에 의한 전압 강하분을 계산하여 입력 전압 값에 가산하여 전압 강하분을 보상한다.

도 1은 종래의 일반적인 오픈 루프형 전동기 제어기의 블럭도를 도시한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 오픈 루프형 전동기 제어기는 전동기 구동부(10)와 전압 보상부(20)로 이루어진다.

전동기 구동부(10)는 함수 발생기(11), 이득기(12), 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM) 발생기(13), 인버터(inverter)(14), 정류기(15), 유도 전동기(16)로 이루어지며, 전압 보상부(20)는 전동기 1차 저항(22)과 전류 검출 이득기(21)로 이루어진다.

함수 발생기(11)는 주파수 제어 명령치 f1에 의해 소정의 전압 v1을 출력하며, 함수 발생기의 출력 전압 v1과 전압 보상부(20)로부터의 보상 전압 v2를 합한 전압 vc는 이득기(12)에 전달되어 소정 전압으로 증폭된다. 이득기(12)로부터의 전압과 상기 주파수 제어 명령치 fc는 PWM 발생기(13)에 입력되어 소정의 펄스 신호를 출력한다. 이 펄스 신호는 인버터를 제어하여 소정의 주파수와 크기를 갖는 교류 전압을 출력하도록 하며, 이 교류 전압은 유도 전동기(16)를 구동시킨다.

한편, 전류 검출 이득기(21)는 유도 전동기의 전류값을 검출하여 소정의 이득을 곱하고, 이 값은 전동기의 1차 저항(22)을 통해 보상 전압 v2로 된다. 이 보상 전압 v2는 상기한 바와 같이, 함수 발생기의 출력 전압 v1에 더해져 PWM 발생기(13)에 전해지고, 이에 따라 전동기의 전압 강하가 보상된다.

이와 같은 종래의 오픈-루프 제어기는 속도 센서없이 출력 전압의 크기와 전류값을 검출하여 속도와 토크를 연산하고, 이를 이용하여 출력 전압의 보상과 토크 저감의 문제점을 해결한다. 그러나, 이 방법 또한 마이크로 프로세서나 디지털 프로세서 등과 같은 고가의 소자를 이용하여 연산하여야 하며, 이에 따라 제품의 가격이 상승한다는 문제점이 있다. 또한 연산에 이용되는 여러가지 파라미터의 동적 변동에 대한 변화를 계산해주어야 하기 때문에 범용의 전동기 제어기에는 사용하기 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 속도 센서를 부착하는 일없이 단지 전동기 출력의 역률각을 이용하여 전동기의 속도 오차를 보상함으로써, 저가의 전동기 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.

도 1은 종래의 오픈 루프(open-loop)형 제어기를 나타내는 도면이다.

도 2는 유도 전동기의 등가 회로를 나타내는 도면이다.

도 3은 유도 전동기의 각단에 흐르는 전류의 벡터도이다.

도 4는 본 발명에 의한 역률을 이용한 전동기 속도 제어 회로를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 속도 오차 보상 원리에 관한 토크-슬립 곡선을 도시한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전동기 속도 제어기는

제어 명령에 따라 제1 전압을 출력하는 함수 발생기와, 상기 제1 전압과 제2 전압을 더한 신호와 제어 명령을 입력받아 펄스 신호를 생성하는 펄스폭 변조 발생기와, 펄스 신호를 입력받아 유도 전동기를 제어하는 신호를 생성하는 인버터와, 유도 전동기의 전압 강하를 보상하기 위한 상기 제2 전압을 출력하는 전압 보상부와, 유도 전동기의 출력의 역률각 ρ을 검출하여 sinρ값을 계산하고, sinρ값을 통해 상기 제어 명령을 수정함으로써 유도 전동기의 속도를 보상하는 전동기 속도 보상부를 포함한다.

여기서, 전압 보상부는 유도 전동기의 전류를 검출하여 소정의 이득을 곱하는 제1 이득기와, 제1 이득기에 연결된 저항을 포함한다.

전동기 속도 보상부는 펄스폭 변조 발생기에서 발생한 전압의 위상과 유도 전동기의 전류의 위상을 비교하여 역률각ρ을 검출하는 역률각 검출부와, 역률각ρ으로부터 sinρ을 계산하는 sinρ계산부와, sinρ계산부로부터의 출력에 소정의 이득을 곱하는 제2 이득기와, 제2 이득기로부터의 출력을 제한하기 위한 보상치 제한기를 포함하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 전동기 속도 보상부는 유도 전동기의 전류의 극성이 바뀌는 지점을 검출하는 극성 판별기를 더 포함하고, 역률각ρ 검출기는 극성 판별기의 출력과 펄스폭 변조 발생기의 출력으로부터 역률각 ρ를 검출하는 것이 바람직하다.

이하에서, 도면을 참조하여 유도 전동기의 역율, 전류, 토크, 전압 등간의 관계를 살펴본 후, 이를 활용한 본 발명이 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 2는 유도 전동기의 등가 회로를 도시한 것으로서, 상대적으로 영향이 적은 1차 인덕턴스와 2차 인덕턴스를 무시한 유도 전동기의 등가 회로를 나타낸다.

도 3은 도 1의 각단의 전류에 대한 벡터도를 나타낸 것이다.

도 2의 전압과 전류의 관계를 도 3을 참조하고 역률을 이용해 표현하면, 수학식 1, 2, 3과 같이 된다.

여기서, E는 전동기의 입력 전압이고, I₀은 E단자에 흐르는 전류이고 , Ir은 회전자에 흐르는 전류이고, R1은 고정자 등가 저항이고, Rr은 회전자 등가 저항이고 , δ는 E가 Ir보다 앞선 각을 나타내고, ρ 는 E가 Is 보다 앞선 각(역률각)을 나타내고, S는 슬립을 나타낸다.

여기서 전동기의 표현하는데 사용하는 슬립(S)에 대해 설명한다.

슬립 로 정의되고, ω_s 는 고정자 전류의 주파수(즉, 동기 속도)이고, ω_m 은 회전자의 기계적 회전속도이다. 슬립(S)은 고정자 전류의 주파수와 회전자의 각속도의 차의 비를 나타내고, 달리 말하면, 동기 속도와 어느 정도 차로 전동기의 회전자가 회전하고 있는 가를 나타낸다.

상기한 수학식 3을 정리하면 수학식 4와 같이 된다.

수학식 2와 수학식 4를 제곱하여 더해서 정리하면,

로 되며, 수학식 5를 정리하면,

가 된다.

수학식 6에서, Is, I₀, Rr, E 가 상수라면, S² ∝ sinρ 의 관계가 성립한다. 여기서, 슬립 S의 변동이 0.2 미만이라면, S ∝ sinρ 의 관계가 성립한다.

본 발명의 실시예에서는 전동기의 슬립이 0.2미만에서 동작하며 이에 따라 S ∝ sinρ 의 관계가 유도 전동기에서 성립한다.

전동기는 부하가 증가하면 발생 토크가 증가하고, 이로 인해 전동기 회전자의 속도가 감소하여 슬립(S)이 커진다. 즉, 슬립은 전동기의 부하 증가에 따른 전동기 속도의 변화의 대소를 나타내고, 상기한 sinρ 는 슬립에 비례하므로, sinρ 의 대소는 전동기 속도의 변화를 알 수 있게 한다.

본 발명에 의한 전동기 속도 제어회로는, 출력단에서 sinρ 를 계산하여 전동기 속도의 변화를 알고 이에 의해 속도 변화를 보상하는 회로이다.

본 발명에 따른 전동기 속도 제어 회로를 도 4와 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 전동기 속도 제어기를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 전동기 속도 제어기는 전동기 구동부(100), 전압 보상부(200), 전동기 속도 보상부(300)로 구성되어 있다.

전동기 구동부(100)는 함수 발생기(110), 제1 이득기(120), PWM 발생기(130), 인버터(140), 정류기(150), 유도 전동기(160)로 이루어지며, 전압 보상부(200)는 전동기 1차저항(220)과 제2 이득기(210)로 이루어진다.

전동기 속도 보상부(300)는 극성 판별기(310), 역률각ρ 검출기(320), sinρ 계산기 (330), 제3 이득기(340), 보상치 제한기(350)로 이루어진다.

함수 발생기(110)는 주파수 제어 명령치 fc에 의해 소정의 전압 v1을 출력하며, 함수 발생기(110)의 출력 전압 v1과 전압 보상부(200)로부터의 보상 전압 v2을 합한 전압 vc는 이득기(120)를 통해 PWM 발생기(130)에 입력된다. PWM 발생기(130)는 제1 이득기로부터의 출력 신호와 상기 주파수 제어 명령치 fc를 입력받아 소정의 펄스 신호를 출력한다. 이 펄스 신호는 인버터를 제어하여 소정의 주파수와 크기를 갖는 교류 전압을 출력하도록 하며, 이 교류 전압은 유도 전동기(160)를 구동시킨다. 이 때, 교류 전압의 주파수는 유도 전동기의 속도를 제어한다.

도1의 오픈-루프 전동기 속도 제어기와 같은 방식으로, 제2 이득기(210)는 전동기의 출력 전류를 검출해 전동기의 1차 저항(220)과 곱하여 1차 저항에 의한 전압 강하분을 보상한다.

극성 판별기(310)는 유도 전동기의 전류의 극성이 0이 되는 점, 즉 전류의 극성이 + 에서 -로 바뀌는 점( 또는 극성이 -에서 +로 바뀌는 점)을 판별한다.

역률각(ρ) 검출기(320)는 PWM 발생기(130)와 극성 판별기(310)의 출력 값으로부터 역률각ρ를 계산한다. 즉, 역률각(ρ) 검출기(320)는 PWM 발생기(130)에서 출력한 전압의 위상과 극성 판별기(310)에서 검출한 전류의 위상을 비교하여 역률각 ρ을 계산한다.

이 역률각ρ은 sinρ 계산기(330)를 통해 sinρ 값을 출력한다. 이 sinρ 값은 앞서 설명한 바와 같이 슬립(S)에 비례하고, 슬립은 전동기의 속도 변화치를 나타내므로, sinρ 값으로부터 전동기의 속도 오차를 구할 수 있고, 이 오차를 보상할 수 있게 된다. 즉, 이 sinρ 값은 제3 이득기(340)를 통해 보상치 제한기(350)에 입력된다. 보상치 제한기(350)로부터의 출력 신호는 주파수 제어 명령치 f1을 수정하여 제어 명령치 fc를 출력하여 전동기의 속도를 제어하도록 한다.

여기서, 토크(Torque)와 슬립간 관계 곡선 도 5룰 참조하여, sinρ 값의 변화치를 통한 본 발명의 제어 원리를 살펴본다.

슬립(S)이 0에 가까울수록 고정자의 동기속도( ω_s )가 회전자의 회전속도( ω_m )와의 차가 줄어듦을 나타내고, 슬립(S)이 1에 가까울수록 그 차가 커짐을 나타낸다.

도 5의 그래프의 가로축은 슬립을 나타내는 축이고, 세로축은 토크를 나타내는 축이다. X, Y, Z선은 부하치를 나타내는 부하 곡선이고, 정상 상태에서 전동기가 C점에서 동작한다고 가정한다.

전동기의 부하가 증가하면, 부하 곡선이 X에서 Y로 올라간다. 이로 인해 동작점이 C에서 A로 변한다. 이 경우 슬립이 증가하여 동기 속도( ω_s )와 회전자의 회전속도( ω_m )의 차가 커진다. 이러한 변화는 sinρ 값의 변화로 파악되고, sinρ 값은 슬립(S)에 상기한 바와 같이 근사적으로 비례한다. sinρ 의 변화치 Δsinρ 의 값에 적절한 비례상수를 곱하여 보상기를 통해 보상하면 동작점을 D점으로 옮길 수 있고, 슬립의 크기는 부하가 증가하더라도 변화가 없게 되어 회전자의 속도는 정상 상태와 변화가 없게 된다.

전동기의 부하가 감소하면, 부하 곡선이 X에서 Z로 내려간다. 이로 인해 동작점이 C에서 E로 변한다. 이 경우 슬립이 감소하여 동기 속도와 회전자의 회전속도의 차가 감소한다. 이 변화 역시 sinρ 값의 변화로부터 알 수 있고, sinρ 의 변화치 Δsinρ 에 적절한 비례상수를 곱하여 보상기를 통해 보상하면 동작점을 B로 옮길 수 있다. 따라서, 슬립의 크기는 부하가 감소해도 변화가 없게 되어 회전자의 회전속도는 정상 상태와 변함없게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 역률 계산에 의해 속도 오차를 보상함으로써 속도 오차가 작고 저렴한 전동기 속도 제어기를 구현할 수 있다.

Claims (5)

1. 제어 명령에 따라 제1 전압을 출력하는 함수 발생기와, 상기 제1 전압과 제2 전압을 더한 신호와, 상기 제어 명령을 입력받아 펄스 신호를 생성하는 펄스폭 변조 발생기와, 상기 펄스 신호를 입력받아 유도 전동기를 제어하는 신호를 생성하는 인버터와, 상기 유도 전동기의 전압 강하를 보상하기 위한 상기 제2 전압을 출력하는 전압 보상부와, 상기 펄스폭 변조 발생기와 상기 유도 전동기의 출력으로부터 상기 유도 전동기의 역률각 ρ을 검출하여 sinρ값을 계산하고, 상기 계산되는 sinρ값의 변화값을 통해 상기 제어 명령을 수정함으로써 유도 전동기의 속도를 보상하는 전동기 속도 보상부를 포함하는 전동기 제어기.
2. 제1 항에서, 상기 전압 보상부는 상기 유도 전동기의 전류를 검출하여 소정의 이득을 곱하는 제1 이득기와, 상기 제1 이득기에 연결된 저항을 포함하는 전동기 제어기.
3. 제1항에서, 상기 전동기 속도 보상부는 상기 펄스폭 변조 발생기에서 발생한 전압의 위상과 상기 유도 전동기의 전류의 위상을 비교하여 역률각ρ을 검출하는 역률각 검출부와, 상기 역률각ρ로부터 sinρ을 계산하는 sinρ계산부를 포함하는 전동기 제어기.
4. 제3항에서, 상기 전동기 속도 보상부는 유도 전동기의 전류의 극성이 바뀌는 지점을 검출하는 극성 판별기를 더 포함하고, 상기 역률각ρ 검출기는 상기 극성 판별기의 출력과 상기 펄스폭 변조 발생기의 출력으로부터 역률각 ρ를 검출하는 전동기 제어기.
5. 제3항 또는 제4항에서, 상기 전동기 속도 보상기는 상기 sinρ계산부로부터의 출력을 소정의 이득을 곱하는 제2 이득기와, 상기 제2 이득기로부터의 출력을 제한하기 위한 보상치 제한기를 더 포함하는 전동기 제어기.