KR100310028B1 - 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법 - Google Patents
교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 정현파 교류 타코제너레이터를 이용하여 전동기의 회전각을 검출하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법에 관한 것으로, 2상 또는 3상 정현파 교류 타코제너레이터와 마이크로프로세서를 이용하여 회전각속도를 ω, 타코제너레이터의 정현파 출력 상전압을 EU,EV,EW(3상일 경우), EA,EB(2상일 경우)라 했을 때, 수학식
Description
본 발명은 전동기 회전각 검출 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 정현파 교류 타코제너레이터(sinusoidal AC tacho-generator)를 이용하여 회전각을 검출하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법에 관한 것이다.
전동기의 고정도 위치제어를 위해서는 전동기의 회전각 검출은 매우 중요하다.
전동기의 회전각를 검출하는 방법으로는 펄스 엔코더(pulse encoder)를 이용하는 방법, 펄스 엔코더와 홀 센서를 함께 이용하는 방법, 레졸버(resolver)나 절대 엔코더를 이용하는 방법이 있다.
그러나 펄스 엔코더를 사용하는 방법은 펄스 엔코더의 출력으로써 전동기의 회전 변위량을 측정할 수는 있으나 자극의 위치나 회전자의 절대 위치 정보는 얻을 수 없다. 따라서 자극의 위치나 회전자의 절대 위치 정보를 얻기 위해서는 펄스 엔코더와 홀 센서를 함께 이용하든지, 레졸버나 절대 엔코더를 사용하여야 하는데 좋은 정도의 것은 상당히 고가이며, 절대 엔코더를 이용할 경우 속도 정보는 마이크로프로세서 등의 디지털 연산기로 위치값을 미분하여 속도를 검출하게 되므로 디지털 연산기가 반드시 필요하고, 저속의 경우 미분 주기가 길어야 정도를 높일 수 있으므로 속도 검출 지연 또한 문제가 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 순시 전동기의 회전각를 정확하게 검출할 수 있는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명을 구현하기 위한 회전각 연산장치의 구성 블록도
도 2는 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출 과정을 보인 블록도
도 3내지도 5는 본 발명의 실험 결과도
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 타코제너레이터 20 : 이득 증폭부
30 : A/D 변환부 40 : 마이크로프로세서
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 2상 또는 3상 정현파 교류 타코제너레이터와 마이크로프로세서를 이용하여 전동기의 회전각를 검출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징은 전동기의 회전속도를 검출하여 "0" 속도인 경우 회전각의 검출이 불가능하므로, 이전의 회전각을 그대로 이용하는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 구현에 필요한 회전각 검출장치의 블록도로서, 전동기의 회전속도에 비례하는 정현파 교류 전압을 출력하는 타코제너레이터(10)와; 전동기 회전각 검출 오차를 최소화하기 위한 다수개의 이득 증폭기(gain amplifier)로 구성되는 이득 증폭부(20)와; 상기 이득 증폭부(20)에서 출력되는 아날로그 신호 출력을 마이크로프로세서(40)에서 처리 가능한 디지털 신호로 변환하여 출력하는 다수개의 A/D 변환기로 구성되는 A/D 변환부(Analog to Digital converter : 30) 및 상기 A/D 변환부(30)에서 입력되는 신호를 이용하여 전동기의 회전각를 검출하는 마이크로프로세서(40)로 구성된다.
이와 같이 구성된 장치를 이용한 본 발명의 전동기 회전각 검출 방법을 설명하면 타코제너레이터(10)의 출력은 이득 증폭부(20)를 거쳐 A/D 변환부(30)에서 디지털 신호로 변환되어 마이크로프로세서(40)에 입력된다.
그러면 마이크로프로세서(40)는도 2의 흐름도에 나타낸 과정을 수행함으로써 전동기의 회전각를 검출하게 된다.
즉, 입력되는 타코제너레이터(10)의 출력신호를 읽는 데이터 읽기 과정과; 상기 과정에서 읽어들인 타코제너레이터(10)의 출력신호를 이용하여 회전속도를 구하는 회전속도 연산 과정과; 상기 과정에 연산된 속도가 "0" 속도인지를 판단하는 "0" 속도 판단 과정과; 상기 과정의 판단 결과 "0" 속도가 아니면 회전각을 연산하고, 판단 결과 "0" 속도이면 이전의 회전각을 유지하는 회전각 연산 과정을 수행함으로써 전동기의 회전각를 검출한다.
이하, 전동기의 회전각 연산 과정을 먼저 설명한 다음 전동기 회전속도 연산 에 대해 상세히 설명한다.
120도 위상차를 갖는 3상 타코제너레이터를 이용하는 경우를 설명하면, 먼저 타코제너레이터의 상전압 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 1로 표시된다.
상기수학식 1의 각 변을 제곱하여 각 변을 더한 후 상전압의 실효치 E에 대해 정리하면수학식 2가 된다.
수학식 1및수학식 2를 이용하여 ωt에 대하여 정리하면수학식 3또는수학식 4가 되므로, 마이크로프로세서(40)는수학식 3또는수학식 4를 이용하여 회전각을 연산할 수 있다.
여기서수학식 4는 120도 위상차의 2상 출력만을 이용하여 구한 것이다.
90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우를 설명하면, 3상 타코제너레이터를 이용하는 경우와 마찬가지로 90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터의 출력은 각각 이득 증폭부(20), A/D 변환부(30)를 거쳐 디지털 신호로 변환되어 마이크로프로세서(40)에 입력되고, 마이크로프로세서(40)는수학식 7을 이용하여 전동기의 회전각을 연산한다.
여기서수학식 7이 얻어지는 과정을 설명하면, 90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터의 상전압 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 5로 표시되고,수학식 5의 각 변을 제곱하여 각 변을 더한 후 상전압의 실효치 E에 대하여 정리하면수학식 6이 된다.수학식 5및수학식 6을 이용하여 ωt에 대하여 정리하면수학식 7을 얻을 수 있다.
수학식 3,수학식 4및수학식 7의 경우 아크사인 연산에 의존하므로 회전각을 θ라하면 그 연산 범위가 이므로 먼저 상한을 판단하여 필요한 경우 상한에 따른 보정을 해야 한다.
3상인 경우에는 EV> EW이면 2, 3 상한에 속하고, EW> EV인 경우에는 1,4 상한에 속한다. 또한 2상인 경우에는 EB> 0 이면 2, 3 상한에 속하고, EB< 0 이면 1, 4 상한에 속한다. 따라서 2, 3 상한에 속하는 경우에는 연산된 회전각 θ는 θ'(π - θ)로 보정한다.
이와 같이 3상 타코제너레이터 또는 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우,도 1에서 이득 증폭부(20) 및 A/D 변환부(30)는 회전각 연산에 이용하는 타코제너레이터의 출력신호의 수만큼 이득 증폭기와 A/D 변환기가 필요하다.
즉, 3상 타코제너레이터를 이용하고, 출력되는 3상 신호를 모두 이용하는 경우에는 이득 증폭기와 A/D 변환기가 각각 3개가 필요하고, 출력되는 3상 신호 중에서 2상 신호만 이용하는 경우와 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우에는 각각 2개의 이득 증폭기와 A/D 변환기가 필요하다.
한편, 전동기가 멈추어 있을 경우에는 타코제너레이터의 각 상전압이 0이므로 회전각 검출을 위한 회전각 연산이 불가능하다. 그러나 미세한 움직임이라도 있게되면 곧바로 회전각의 연산이 가능하며, 정지시에는 정지 직전의 연산된 회전각을 유지시키는 방법을 적용한다. 이를 위해서는 회전속도를 연산하여 "0" 속도인지를 판단하여야 한다.
회전속도를 연산하는 방법을 설명한다.
먼저 120도 위상차를 갖는 3상 타코제너레이터를 이용하는 경우에는 상전압 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 1로 표시되고, 상전압의 실효치 E는수학식 2로 표현된다.
이 때, 3상 타코제너레이터의 정현파 유기기전력의 실효치 E는 권선계수(winding factor)를 Kw, 회전각속도를 ω, 권선수 n, 자속을 Φ라 했을 때수학식 8로 표현된다.
수학식 8을 ω에 대하여 정리하여수학식 2에 대입하면수학식 9가 된다.
수학식 9에서 K1은 일정한 상수값이 되므로 3상 타코제너레이터의 출력전압의 순시치로부터 전동기의 회전속도를 연산할 수 있게 된다.
수학식 9를수학식 10과 같이 변형하면 120도 위상차의 2상 출력만으로도 연산이 가능하며 3상 2상 변환을 통하여서도 회전속도 연산이 가능하다.
또한 90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우에는 상전압의 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 5로 표시되고, 3상의 경우와 같은 방법으로 ω에 대하여 정리하면수학식 11을 얻는다.
수학식 11에서도 K3은 일정한 값이 되므로 역시 2상 타코제너레이터의 출력전압의 순시치로부터 전동기의 회전속도를 연산할 수 있다.
마이크로프로세서(40)는 상기수학식 9내지수학식 11을 이용하여 전동기의 회전속도를 연산하고, 연산된 전동기의 회전속도가 "0"인 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 회전각의 연산이 불가능하므로 정지 직전의 연산된 회전각을 전동기 제어에 이용할 수 있도록 한다.
도 3은 정속시 회전각 연산 결과를 나타낸 것이고,도 4는 가변속시 회전각 연산 결과를 나타낸 것이며,도 5는 실제 "0"속도 발생 상황에 대한 실험결과를 나타낸 것으로 "0" 속도가 발생하면 "0" 속도 이전의 회전각을 유지하고 전동기가 다시 회전을 시작하면 새로운 회전각을 연산하여 출력함을 알 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법은 3상 또는 2상 정현파 교류 타코제너레이터와 마이크로프로세서를 이용하여 전동기 회전각를 검출함으로써 그 구현이 간편하며 순시 전동기 회전각을 정확하게 검출할 수 있어, 고정도 전동기 제어에 효과적으로 이용될 수 있다.
Claims (3)
- 2상 또는 3상 정현파 교류 타코제너레이터를 이용하며, 입력되는 타코제너레이터의 출력신호를 읽는 데이터 읽기 과정과; 상기 과정에서 읽어들인 타코제너레이터의 출력신호를 이용하여 회전속도를 구하는 회전속도 연산 과정과; 상기 과정에 연산된 속도가 "0" 속도인지를 판단하는 "0" 속도 판단 과정과; 상기 과정의 판단 결과 "0" 속도가 아니면 회전각을 연산하고, 판단 결과 "0" 속도이면 이전의 회전각을 유지하는 회전각 연산 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기의 회전각 검출방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 회전각 연산 과정은 3상 타코제너레이터를 이용하는 경우 디지털신호로 변환된 정현파 신호(EU,EV,EW)를 이용하여 회전각(ωt)을
- 제 1항에 있어서, 상기 회전각 연산 과정은 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우 디지털신호로 변환된 정현파 신호(EA,EB)를 이용하여 회전각(ωt)을
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