KR100935007B1 - 압력편차를 이용한 에스알엠의 직접토크 제어장치 및 방법 - Google Patents

압력편차를 이용한 에스알엠의 직접토크 제어장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치는 지령 압력 및 펌프의 실제 압력의 차이인 압력편차를 계산하는 압력편차계산부, 압력편차 및 회전자의 위치에 대응하여 스위칭 패턴을 결정하여 스위칭 상태를 제어하는 스위칭 상태 제어부, 및 스위칭 상태에 대응하여 전압을 에스알엠(SRM)에 공급하는 컨버터부를 포함한다.
압력제어, SRM, 스위칭

Description

압력편차를 이용한 에스알엠의 직접토크 제어장치 및 방법{Apparatus and Method for direct torque control of SRM by pressure difference}
도 1는 압력제어부 및 속도 제어부를 포함하는 SRM의 제어시스템의 일 예,
도 2는 본 발명에 따른 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치의 블럭도를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치의 상세도,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 한상 여자 영역 및 두상 여자 영역에서의 스위칭 상태를 압력편차에 따라 도시한 도면,
도 5a는 본 발명에 따른 컨버터부의 구조의 일 예 도시한 도면,
도 5b는 본 발명에 따른 컨버터부의 동작 상태의 일 예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 SRM의 구동과정의 흐름도,
도 7a 및 도 7b는 각각 한상 여자 영역과 두상 여자 영역에서의 SRM 구동과정의 흐름도,
도 8은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과의 일 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 발명의 압력 반응 실험의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명은 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 기준 압력 및 펌프의 실제 압력의 차이를 이용하여 직접적이고도 순시적으로 SRM의 토크를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
스위치 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 'SRM'이라 한다)는 1838년 Davidsion에 의해 최초 제안되어진 가변여자에 의한 전동기구로, 최근 각광을 받고 있는 브러쉬레스 전동기(Breashless Motor)의 한 종류이다.
SRM은 회전자와 고정자가 돌극형 구조를 가지며, 고정자에만 권선이 위치한 집중권 방식의 간단한 구조를 취하고 있다. SRM은 단위체적당 높은 토크를 가지며, 직류 직권전동기와 같이 높은 견인특성을 가지며 제작이 용이하고, 경제적인 면에서 유리한 장점을 가지고 있다.
최근 각 분야에서 자동화 및 친환경화에 따른 전동력 응용범위 확대 전력전자소자의 고용량화, 저가격화에 힘입어 SRM 적용이 활발하게 진행되고 있다.
유압펌프시스템은 높은 파워와 부드러운 토크 특성으로 인하여 산업응용에 매우 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 유압펌프시스템은 신속한 동적특성을 가지면서 높은 순간 출력을 공급하는 것이 필요하다.
일반적으로 가변속도모터를 구비한 유압펌프시스템은 유압펌프시스템의 압력을 제어하기 위해 PI 컨트롤러로 구성되는 속도제어기를 이용한다. 이로 인해 PI 제어기의 제어 이득 및 동적 특성을 설정(setting)하는데 어려운 문제점이 있었다. 또한 토크 제어뿐만 아니라 속도 제어를 위해 복잡한 장치가 필요한 문제점이 있었다.
종래의 유압펌프시스템에 있어서, 비용 및 모터 구동의 단순성 때문에 유도 전동기가 많이 사용되었다. 그런데, 가변 부하 조건을 갖는 일반적 유압펌스 시스템에서 유도 전동기를 이용한 단순 구동 방식은 고 효율 유압펌프시스템에 적합하지 않은 문제점이 있었다. 또한 유도 전동기의 가변 속도 제어를 위해서는 추가의 인버터 시스템이 필요한 문제점이 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 SRM 드라이브의 스위칭 패턴을 간단하게 구현할 수 있는 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 복잡한 제어기의 구성과 제어이득의 설정 없이, 압력을 제어하기 위한 간단한 제어 규칙을 가지는 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 직접적이고도 신속한 압력 제어가 가능할 뿐만 아니라 높은 운전 효율(high efficiency)을 얻을 수 있는 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 유압펌프의 소비전력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 SRM 드라이브로 유압펌프시스템의 동작 압력을 일정하게 제어할 수 있는 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치는 지령 압력 및 펌프의 실제 압력의 차이인 압력편차를 계산하는 압력편차계산부, 압력편차 및 회전자의 위치에 대응하여 스위칭 패턴을 결정하여 스위칭 상태를 제어하는 스위칭 상태 제어부, 및 스위칭 상태에 대응하여 전압을 에스알엠(SRM)에 공급하는 컨버터부를 포함하는 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치는 SRM에 과전류가 흐르지 않도록 컨버터부로부터 전류를 감지하여 스위칭 상태를 제어하는 전류제한부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
압력편차계산부는 펌프의 용량에 따라 소정의 값을 갖는 지령압력 및 펌프로부터 측정된 실제압력을 이용하여 압력편차를 계산하는 것이 바람직하다.
컨버터부는 비대칭 컨버터 구조이며, 스위칭 방법으로 SRM에 적정 전압을 공 급하는 것이 바람직하다.
스위칭 상태가 동작모드(1), 동작모드(-1) 및 동작모드(0)인 경우에, 컨버터부는 직류-링크 전압, 제로 바이어스 전압 및 마이너스 직류-링크 전압을 각각 SRM에 공급하는 것이 바람직하다.
압력편차는 설정편차-2, 설정편차-1, 설정편차1 및 설정편차2로 나뉘어지며, 압력편차가 설정편차-1인 경우, 스위칭상태는 동작모드(0)로 되어 권선에 축적된 에너지만을 자기 에너지로 환류시키며, 압력편차가 설정편차-2인 경우에는, 스위칭상태는 동작모드(-1)가 되어 권선에 축적된 에너지를 전원측으로 빠르게 환수시키며, 압력편차가 설정편차2인 경우에는, 스위칭상태는 토크 발생을 위해 동작모드(1)가 되어 여자전류를 상권선에 공급하며, 압력편차가 설정편차1인 경우에는, 스위칭상태는 동작모드(0)가 되어 전원측으로부터 공급되는 여자 전류는 차단하고 동작모드(1)에 의해 축적된 에너지만 환류시켜 자기에너지로 변환하는 것이 바람직하다.
스위칭 상태는 밴드 내에서는 자기 상태를 유지하는 히스테리시스 루프 특성을 갖는 것이 바람직하다.
회전자의 위치는 엔코더를 이용하여 감지되는 것이 바람직하다.
스위칭 상태 제어부는 회전자의 위치에 대응하여 한상 여자 영역 및 두상 여자 영역으로 구분하여, 한상 여자 영역에서는 현재 운전되고 있는 상이 압력편차에 대응하여 스위칭 상태를 변화시킴으로서 SRM의 토크를 발생시키며, 두상 여자 영역에서는 현재 운전되고 있는 상이 SRM의 주된 토크를 발생시키고 이전의 상은 소정 의 압력편차보다 커지는 영역에서 SRM의 토크를 보조적으로 발생시키는 것이 바람직하다.
한상 여자 영역은 압력편차가 설정편차-1 보다 작아지면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(0)으로 변화시키며, 압력편차가 설정편차1 보다 커지면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(0)에서 동작모드(1)로 변화시키며, 다른 상의 스위칭 상태는 오프상태를 유지하는 것이 바람직하다.
두상 여자 영역은 압력편차가 설정편차1 보다 작은 경우에는 이전 상은 동작모드(-1)을 유지하고 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시키며, 압력편차가 설정편차2보다 커지면 이전 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(-1)에서 동작모드(1)로 변화시키며, 압력편차가 다시 설정편차1보다 작아지는 경우에는 이전 상의 스위칭 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(-1)로 변화시키고 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어방법은 회전자의 위치 및 압력편차를 이용하여 한상 여자 영역인지 두상 여자 영역인지 여부를 구별하는 단계, 한상 여자 영역인 경우에는 현재 운전되고 있는 상이 SRM의 토크를 발생시키는 단계, 및 두상 여자 영역인 경우에는 현재 운전되고 있는 상이 SRM의 주된 토크를 발생시키고 이전의 상은 SRM의 토크를 보조적으로 발생시키는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
한상 여자 영역에서 토크를 발생시키는 단계는 압력편차가 설정편차-1보다 작으면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(0)으로 변화시키는 과정, 및 압력편차가 설정편차1보다 크면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(0)에서 동작모드(1)로 변화시키는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.
두상 여자 영역에서 토크를 발생시키는 단계는 압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상은 동작모드(-1)을 유지하며, 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화키는 과정, 압력편차가 설정편차2보다 크면 이전 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(-1)에서 동작모드(1)로 변화시키며, 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화키는 과정, 압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상의 스위칭 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(0)로 변화시키며, 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시키는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.
유압펌프시스템은 건축 기계, 운송수단의 브레이크 시스템 및 자동 제어 시스템 분야에 매우 광범위하게 이용된다. 유압펌프시스템은 빠른 동적 특성을 갖고 대상 플랜에 지속적으로 일정한 높은 출력을 제공할 수 있는 장점이 있다.
유압펌프시스템의 대부분의 응용에 있어서, 높은 동작 특성을 얻기 위해서는 유압펌프시스템의 동작 시 부하 토크가 매우 크게 변하고 펌프의 모터는 일반적으로 최대 부하 조건으로 구동을 시작하는 것이 요구된다. 최근에는 부하에 지속적으로 일정하고 빠른 동작 특성을 위해 고성능 모터 드라이브가 선호되고 있다.
최근, 광범위한 산업 응용에서 SRM(Switched Reluctance Motor)이 연구되고 있는데, 이는 기계적 힘(mechanical force) 및 비용적 측면에서 유리하기 때문이다.
SRM의 장점은 다음과 같다.
첫째, SRM은 단순성, 저비용성, 구조적 강건성으로 인해 가변-속도 및 견인 응용에 있어서 적합하다. 둘째, SRM은 구조가 단순할 뿐만 아니라 각각의 상이 분리되기 때문에 상간 단락의 문제가 발생하지 않는다. 세째, SRM은 높은 출력 대 무게(power-to-weight) 및 토크 대 무게(torque-to-weight) 비율을 갖고 있으며, 탁월한 구동 특성을 지닌 광범위한 동작 속도 범위를 갖는다. 이러한 장점 때문에, SRM은 최대 부하 조건으로 정지 및 구동을 자주 반복하는 유압펌프시스템에 적합하다.
도 1은 압력제어부 및 속도 제어부를 포함하는 SRM의 제어시스템의 일 예이다.
도 1을 참조하면 압력제어부(100)는 압력제어기(110)와 토크/속도 제어기(120)를 포함한다. 이러한 압력제어부(100)를 포함하는 SRM 구동장치는 압력제어기(110)에서는 파라미터 선택의 문제점, 토크/속도 제어기(120)에서는 속도 및 토크의 제어가 필요한 문제점이 있었다.
도 2는 본 발명에 따른 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치의 블럭도를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 압력 편차를 이용하여 SRM을 직접 제어하는 장치는 지령 압력 및 펌프의 실제 압력의 차이인 압력편차를 계산하는 압력편차계산부(210), 압력편차 및 회전자의 위치에 대응하여 스위칭 패턴을 결정하여 스위칭 상태를 제어하는 스위칭 상태 제어부(220), 스위칭 상태에 대응하여 전압을 에스알엠(SRM)에 공급하는 컨버터부(230), 및 과전류가 흐르지 않도록 컨버터부(230)로부터 전류를 감지하여 스위칭 상태를 제어하는 전류제한부(240)를 포함한다. 본 발명에 따르면, SRM은 회전자의 위치에 따라 하나의 상만 동작하는 영역(한상 여자 영역)과 두 개의 상이 동작하는 영역(두상 여자 영역)으로 구분되어, 각각의 제어 규칙을 가지게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어하는 장치의 상세도이다. 도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 SRM의 구동장치 중 압력 제어를 위한 속도/토크 제어기(120)가 제거되었다. 따라서 다음과 같은 장점들이 있다. 첫째, 압력 제어기(110)의 파라미터 선택의 문제점을 감소시킬 수 있다. 둘째, 속 도 및 토크 제어가 필요한 종래의 유압시스템에 비해 제어 구조를 단순화할 수 있다. 셋째, 직접적인 압력 제어(direct pressure control)를 통해 속도 제어 루프의 낮은 동적 특성(low dynamic performance)을 회피할 수 있다.
압력편차계산부(210)는 지령 압력(Pref)과 실제 압력(Pact)의 값을 이용하여 압력 편차를 계산하게 된다. 압력 편차는 지령압력과 실제압력의 차를 의미한다.
실제압력은 펌프의 압력센서(262)로부터 측정되는 것이 바람직하다.
지령 압력은 사용자의 입력에 의해 결정되는 것이 바람직하며, 지령압력은 펌프 용량에 따라 다른 값을 갖는다. 지령 압력은 펌프 시스템의 외부에 부착된 버턴 또는 사용자 인터페이스를 통하여 입력되는 것이 바람직하다.
스위칭 상태 제어부(230)는 유압펌프의 압력 편차를 이용한 단순한 제어방법으로 SRM 드라이브의 스위칭 패턴을 결정한다. 스위칭 패턴은 회전자(로터)의 위치에 따라 단상 여자 영역과 두상 여자 영역으로 구분할 수 있다.
도 4a는 본 발명에 따른 한상 여자 영역에서의 스위칭 상태를 압력편차에 따라 도시한 도면이다. 도 4b는 본 발명에 따른 한상 여자 영역에서의 스위칭 상태를 압력편차에 따라 도시한 도면이다.
이하에서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 스위칭 패턴을 결정하는 상태신호의 제어규칙을 설명한다. 이러한 상태 신호는 간단하게 스위칭 신호로 전환될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 가로축은 압력 편차를, 세로축은 스위칭의 상태를 의미한다. 세로축의 1, 0, -1은 각각 상 스위칭이 동작 상태, 제로 상태, 오프 상태임를 의미한다.
S(k-1), S(k), S(k+1)는 각각 회전자 위치에 따른 각 상을 나타낸다. 만약 SRM이 3상이고, A→B→C 상으로 운전되고, 현재 상이 A 상이라면, S(k)는 A상을 나타내며, S(k+1)은 B상, S(k-1)는 C상을 나타내게 된다. 현재상의 위치는 SRM의 회전자 위치에 따라 구조적으로 결정된다. 즉, 상 S(k)는 현재 운전되는 상을 의미하며, 상 S(k+1)은 다음에 여자되어야 할 상(다음 상)을 의미한다.
본 발명에 따른 제어 규칙은 일반적인 PI, PID제어에서 필요한 제어이득(control gain)의 설정 없이 압력의 히스테리시스 밴드를 이용하여 간단하게 설계되었다.
본 발명에서, SRM은 회전자의 위치에 따라 두 개의 동작 영역을 갖는다. 즉, 하나의 상만 동작하는 영역(한상 여자 영역)과 두 개의 상이 동작하는 영역(두상 여자 영역)으로 구분되어, 이에 따른 각각의 제어 규칙을 가지게 된다. SRM의 경우 같은 크기의 전류를 공급하더라도 회전자의 위치에 따라 인덕턴스가 다르며, 따라서 다른 크기의 토크가 발생한다. 두 개의 동작영역으로 나누어지는 이유는 회전자의 위치에 따라 한상에서 발생된 토크가 펌프의 압력 요구치를 충족하지 못할 경우 다음에 여자될 상을 동시에 여자시켜 토크 발생구간을 중첩시킴으로써 토크를 보완하여 압력편차를 줄일 수 있도록 한 것이다.
한상 여자 영역에서, SRM의 토크는 현재 운전되고 있는 상에 의해서 발생되며, 압력 편차에 따라 현재 운전되는 상의 스위칭 상태가 변하게 된다. 두 상 여자 영역에서는 현재 상이 주된 토크를 발생하도록 스위칭 상태를 조정하게 되며, 이전의 상은 압력 편차가 매우 커지는 영역에서 보조적으로 토크를 발생하는 스위칭 동작을 한다.
도 4a를 참조하여 한상 여자 영역을 설명하면 다음과 같다.
한상 여자 영역에서, 현재 여자가 이루어지는 상 S(k)는 출력 토크를 제어하는 주된 상이다. 그리고 다음 여자가 이루어지는 상 S(k+1)는 현재 위치에서 토크를 발생하지 못하므로 오프 상태를 유지한다. 설정편차1(제1압력편차), 설정편차2(제2압력편차), 및 0은 각각 압력 편차로서 상태 변화 판단 조건이 된다. 이 압력 편차의 기준은 사용자에 의해 설정되는 것이 바람직하다.
실제압력이 기준압력보다 높아 압력편차가 설정편차-1보다 작아지면, 현재상의 스위칭 상태는 1에서 0으로 변하게 된다. 현재 상의 스위칭 상태가 0이고, 실제압력이 기준압력보다 더 높아 압력편차가 설정편차-2보다 작아지면, 현재상의 스위칭 상태는 0에서 -1로 변하게 된다.
설정편차-1은 기준압력에 비해 실제 압력이 미소하게 커서, 즉 압력편차가 음의 값을 가져 압력을 공급하지 않아도 되는 상태를 나타내며, 이때는 도 5b에 표시된 것과 같이 스위칭상태를 동작모드(0)으로 유지하여 권선에 축적된 에너지만을 자기 에너지로 환류시키게 된다.
설정편차-2는 기준압력에 비해 실제 압력이 크게 커서, 즉 압력편차가 음으로 커져 압력을 공급을 중단하여야 하는 상태를 나타내며, 이때는 스위칭상태를 도 5b의 동작모드(-1)과 같이 스위치를 한상에 대한 스위치를 모두 OFF하여 권선에 축적된 에너지를 전원 측으로 빠르게 환수시켜야 한다.
설정편차2의 경우는 실제 압력이 기준압력보다 크게 작은 경우이며, 스위칭상태는 토크 발생을 위해 도 5b에 나타난 동작상태 1을 이용하여 여자전류를 상권선에 공급하게 된다.
설정편차1은 기준압력이 실제압력보다 미소하게 커서, 스위칭상태를 도 5b에 나타낸 동작모드(0)을 이용하여 전원측으로부터 공급되는 여자 전류는 차단하고 동작모드(1)에 의해 축적된 에너지만 환류시켜 자기에너지로 변환하게 된다.
현재 상의 스위칭 상태가 동작모드(-1)인 경우, 압력 편차가 설정편차-1보다 커지게 되면, 현재상의 스위칭 상태는 동작모드(-1)에서 동작모드(0)로 변하게 된다. 현재 상의 스위칭 상태가 동작모드(0)에서, 압력 편차가 설정편차1보다 커지게 되면, 현재상의 스위칭 상태는 동작모드(0)에서 동작모드(1)로 변하게 된다.
한상 여자 영역에서 현재 여자되는 상 이후에 여자 될 다음 상(S(k+1))의 스 위칭 상태는 오프를 유지하게 된다.
도 4b를 참조하여 두상 여자 영역을 설명하면 다음과 같다.
두상 여자 영역에서, 현재 상 S(k)는 압력제어를 위한 주된 토크를 발생한다. 하지만, 현재 여자 되는 상S(k)의 여자에 의한 토크를 통해 발생된 압력이 지령 압력을 충족하지 못하는 경우에는 이전에 오프되었던 상이 다시 여자되어 부족한 토크를 발생하여야 한다. 이는 SRM의 상 전환 영역에서 두 상의 조합에 의해 필요한 토크를 발생시켜야 하기 때문이다. S(k)가 지령압력을 충족하지 못하는 경우는 위에서 설명한 바와 같이 SRM의 한상에서 발생되는 토크는 회전자의 위치에 따른 인덕턴스변화와 여자전류의 공급시점에 따라서 토크의 발생량이 다르고 이에 따른 리플이 있기 때문에 발생하는 것이다.
도 4b에서 압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상(S(k-1))의 스위칭은 항상 동작모드(-1)를 유지하게 되며, 현재 상의 스위칭 상태는 한상 여자 영역과 같이 압력편차에 따라 스위칭 상태가 결정된다. 만약 두상 여자 영역에서 압력편차가 설정편차2보다 커지게 되면, 이때는 이전 상의 스위칭 상태가 동작모드(-1)에서 동작모드(1)로 활성화 되어 부족한 토크를 공급하게 된다.
만약 압력 편차가 설정편차1보다 다시 작아지게 되면, 스위칭 상태는 동작모드(1)에서 다시 동작모드(-1)로 변한다.
현재상의 스위칭 상태는 압력편차에 따라 한상 여자 영역과 동일하게 결정된다.
도 5a는 본 발명에 따른 컨버터부의 구조의 일 예 도시한 도면이다. 도 5b는 본 발명에 따른 컨버터부의 동작 상태의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 컨버터부(230)의 바람직한 일 예인 비대칭 컨버터(asymmetric converter)의 구조가 표시되어 있다. 이러한 비대칭 컨버터는 SRM의 제어에 광범위하게 사용되는데, 견고성 및 제어의 용이성 측면에서 유리하기 때문이다.
도 5b를 참조하면, 유압펌프시스템에서 평활한(smoothing) 작동유-압력을 획득하기 위해, 비대칭 컨버터는 스위칭 상태에 대응하여 SRM에 적정한 전압을 공급한다. 가능한 스위칭 상태는 동작모드(1), 동작모드(0), 동작모드(-1)이다. 이러한 상태에 대응하여 직류-연결 전압, 제로 바이어스 및 마이너스 직류-연결 전압이 SRM의 상 권선(phase winding)에 각각 공급된다.
본 발명에서는 비대칭적 컨버터의 스위칭 상태를 이용하는 것이 바람직하다. 스위칭 상태는 회전자의 위치 및 유압펌프의 압력 편차에 따라 변한다. 또한 밴드 내에서는 자기 상태를 유지하는 히스테리시스(hysteresis) 루프가 본 발명에 이용 된다. 따라서 기준압력으로 펌프시스템을 직접 제어할 수 있다.
전류제한부(240)는 SRM에 과도한 전류가 흐르는 것을 방지한다. 스위칭 상태 제어부(220)로부터 측정된 실제 전류를 이용함으로써 SRM에 흐르는 과전류를 직접 제한할 수 있다. 실제전류는 전류센서(262)를 이용하여 측정하는 것이 바람직하다.
도 4a와 도 4b의 스위칭 상태는 과전류가 흐르지 않는 경우에 스위치가 동작하는 상태이다. 만일 스위칭 상태 제어부(220)에서 과전류가 발생하면, 모든 스위치의 상태는 동작모드(-1)로 모든 스위치가 오프 상태로 된다.
도 6은 본 발명에 따른 SRM의 동작과정의 흐름도이다.
회전자의 위치를 이용하여 한상 여자 영역인지 두상 여자 영역인지 여부를 구별한다(S400).
만일 한상 여자 영역인 경우에는 현재 운전되고 있는 상이 SRM의 토크를 발생시킨다(S500).
한상 여자 영역이 아닌 경우, 즉 두상 여자 영역인 경우에는 현재 운전되고 있는 상이 SRM의 주된 토크를 발생시키고 이전 상은 SRM의 토크를 보조적으로 발생시킨다(S600).
도 7a 및 도 7b는 각각 한상 여자 영역과 두상 여자 영역에서의 SRM 제어 과정의 흐름도이다.
도 7a를 참조하여 한상 여자 영역에서의 동작원리를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
압력편차가 설정편차-1보다 작으면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(0)으로 변화시킨다. 다른상의 스위칭 상태는 동작모드(-1)을 유지한다(S510, S520). 여기서 다른 상이란 S(k+1)을 의미한다.
만일 압력편차가 설정편차1보다 크면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(0)에서 동작모드(1)로 변화시킨다. 다른 상의 스위칭 상태는 동작모드(-1)을 유지한다(S530, S540).
도 7b를 참조하여 두상 여자 영역에서의 동작원리를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상은 동작모드(0), 동작모드(-1)을 유지한다. 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시킨다(S610, S620).
압력편차가 설정편차2보다 크면 이전 상의 스위칭의 상태를 동작모드(-1)에서 동작모드(1)로 변화시킨다. 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시킨다(S630, S640).
압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상의 스위칭 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(-1)로 변화시킨다. 현재 운전되고 있는 상은 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시킨다(S650, S660).
표 1은 본 발명에 따른 SRM의 견본 파라미터의 일 예를 보여준다.
[표 1]
Figure 112007071265057-pat00001
표 1에 MATLAB 시뮬레이션과 실험에 사용된 파라미터 값이 제시되어 있다. SRM의 인덕턴스 및 정적 토크(static torque) 특성이 FEM (Finite-Element-Method)으로 정확하게 계산되어 있다. 이러한 시뮬레이션을 통해 본 발명에 따른 SRM 구동장치의 성능보다 상세하고 명확하게 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과의 일 예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, SRM이 3000[rpm]으로 동작할 때, 기준 압력은 2[Mpa]임을 알 수 있다. 도 6의 각 그림은 각 상의 전압, 각 상의 전류, 단상 토크와 전체 토크, 실제 압력을 각각 나타낸다. 이러한 시뮬레이션 결과는 본 발명이 평탄한 출력 토크 및 평탄한 압력을 발생시킨다는 것을 잘 보여준다.
도 9는 본 발명에 따른 발명의 압력 반응 실험의 일 예를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 기준 압력이 1[Mpa]에서 2[Mpa]로 단계적으로 상승할 때, 실제 압력도 기준압력의 변화에 대응하여 신속하게 상승하는 것을 보여준다. 따라서, 본 발명에 따른 SRM 구동장치는 매우 빠른 동적운전특성을 보이는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에서는 압력 편차를 이용하여 SRM의 토크를 직접 제어할 수 있는 유압펌프시스템을 제공한다. 본 발명에서는 PI컨트롤러 및 속도 컨트롤러 대신에 히스테리시스 특성의 제어장치 및 제어방법을 사용함으로써, PI 파라미터 설정을 제거 · 구조의 단순화 · 신속한 동적 응답 특성을 갖는다. 또한 두 개의 동작 영역은 유압펌프시스템이 지속적이고 일정한 압력을 얻을 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 단순한 제어방법 및 유압펌프의 압력 편차를 이용하여 SRM 드라이브의 스위칭 패턴을 결정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존 제어방식에서 요구되었던 어떠한 제어이익(control gain)없이 압력의 히스테리시스 밴드를 이용함으로써 제어장치를 간단하게 설계할 수 있다. '어떠한 제어이익이 없이'의 의미는 기존 PI 또는 PID제어를 수행할 때 필요한 kp, ki kd등의 제어이득을 의미하는 것으로, 이러한 파라메터는 제어되는 대상 시스템의 특성에 따라 다르게 나타나므로 설정하는데 어려움이 있다. 본 발명에서는 압력의 편차에 따른 히스테리시스 동작을 수행하므로 이러한 제어이득의 설정이 필요없다.
본 발명에 따르면, 직접적인 순간 압력 제어가 가능하며 높은 운전효율(high efficiency)을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 미리 조절된 작동유-압력을 유지하는 동안 최소의 전력을 소비를 하도록 드라이브 시스템을 설정할 수 있다.
본 발명에 따르면, 파워 및 작동유-압력 신호를 피드백함으로써 유압펌프의 전력 소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 SRM 드라이브로 유압펌프시스템의 동작 압력을 순시적으로 제어할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, SRM을 이용한 다양한 장치나 시스템 등에 적용될 수 있을 것이다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (14)

  1. 지령 압력 및 펌프의 실제 압력의 차이인 압력편차를 계산하는 압력편차계산부;
    상기 압력편차 및 회전자의 위치에 대응하여 스위칭 패턴을 결정하여 스위칭 상태를 제어하는 스위칭 상태 제어부; 및
    상기 스위칭 상태에 대응하여 전압을 에스알엠(SRM)에 공급하는 컨버터부를 포함하며,
    상기 압력편차는 설정편차-2, 설정편차-1, 설정편차1 및 설정편차2로 나뉘어지며,
    상기 압력편차가 설정편차-1인 경우, 상기 스위칭상태는 동작모드(0)로 되어 권선에 축적된 에너지만을 자기 에너지로 환류시키며,
    상기 압력편차가 설정편차-2인 경우에는, 상기 스위칭상태는 동작모드(-1)가 되어 권선에 축적된 에너지를 전원측으로 빠르게 환수시키며,
    상기 압력편차가 설정편차2인 경우에는, 상기 스위칭상태는 토크 발생을 위해 동작모드(1)가 되어 여자전류를 상권선에 공급하며,
    상기 압력편차가 설정편차1인 경우에는, 상기 스위칭상태는 동작모드(0)가 되어 전원측으로부터 공급되는 여자 전류는 차단하고 동작모드(1)에 의해 축적된 에너지만 환류시켜 자기에너지로 변환하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SRM에 과전류가 흐르지 않도록 상기 컨버터부로부터 전류를 감지하여 상기 스위칭 상태를 제어하는 전류제한부;를 더 포함하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    압력편차계산부는
    상기 펌프의 용량에 따라 소정의 값을 갖는 지령압력 및 펌프로부터 측정된 실제압력을 이용하여 압력편차를 계산하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터부는 비대칭 컨버터 구조이며,
    스위칭 방법으로 상기 SRM에 적정 전압을 공급하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 상태가 동작모드(1), 동작모드(-1) 및 동작모드(0)인 경우에, 상기 컨버터부는 직류-링크 전압, 제로 바이어스 전압 및 마이너스 직류-링크 전압을 각각 상기 SRM에 공급하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 상태는 밴드 내에서는 자기 상태를 유지하는 히스테리시스 루프 특성을 갖는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전자의 위치는 엔코더를 이용하여 감지되는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 상태 제어부는 상기 회전자의 위치에 대응하여 한상 여자 영역 및 두상 여자 영역으로 구분하여,
    상기 한상 여자 영역에서는 현재 운전되고 있는 상이 압력편차에 대응하여 스위칭 상태를 변화시킴으로서 상기 SRM의 토크를 발생시키며,
    상기 두상 여자 영역에서는 현재 운전되고 있는 상이 상기 SRM의 주된 토크를 발생시키고 이전의 상은 소정의 압력편차보다 커지는 영역에서 상기 SRM의 토크를 보조적으로 발생시키는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 한상 여자 영역은
    상기 압력편차가 설정편차-1보다 작아지면 상기 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(0)으로 변화시키며,
    상기 압력편차가 설정편차1보다 커지면 상기 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(0)에서 동작모드(1)로 변화시키며,
    다른 상의 스위칭 상태는 오프상태를 유지하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 두상 여자 영역은
    상기 압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상은 동작모드(-1)을 유지하고 상기 현재 운전되고 있는 상은 상기 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시키며,
    상기 압력편차가 설정편차2보다 커지면 이전 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(-1)에서 동작모드(1)로 변화시키며,
    상기 압력편차가 다시 설정편차1보다 작아지는 경우에는 이전 상의 스위칭 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(-1)로 변화시키고 상기 현재 운전되고 있는 상은 상기 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시키는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어장치.
  12. 회전자의 위치 및 압력편차를 이용하여 한상 여자 영역인지 두상 여자 영역인지 여부를 구별하는 단계,
    한상 여자 영역인 경우에는 현재 운전되고 있는 상이 SRM의 토크를 발생시키는 단계 및
    두상 여자 영역인 경우에는 현재 운전되고 있는 상이 SRM의 주된 토크를 발생시키고 이전의 상은 SRM의 토크를 보조적으로 발생시키는 단계를 포함하며,
    상기 압력편차는 설정편차-2, 설정편차-1, 설정편차1 및 설정편차2로 나뉘어지며,
    상기 압력편차가 설정편차-1인 경우, 스위칭상태는 동작모드(0)로 되어 권선에 축적된 에너지만을 자기 에너지로 환류시키며,
    상기 압력편차가 설정편차-2인 경우에는, 상기 스위칭상태는 동작모드(-1)가 되어 권선에 축적된 에너지를 전원측으로 빠르게 환수시키며,
    상기 압력편차가 설정편차2인 경우에는, 상기 스위칭상태는 토크 발생을 위해 동작모드(1)가 되어 여자전류를 상권선에 공급하며,
    상기 압력편차가 설정편차1인 경우에는, 상기 스위칭상태는 동작모드(0)가 되어 전원측으로부터 공급되는 여자 전류는 차단하고 동작모드(1)에 의해 축적된 에너지만 환류시켜 자기에너지로 변환하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 한상 여자 영역에서 토크를 발생시키는 단계는
    압력편차가 설정편차-1보다 작으면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(0)으로 변화시키는 과정, 및
    압력편차가 설정편차1보다 크면 현재 운전되고 있는 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(0)에서 동작모드(1)로 변화시키는 과정,을 포함하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 두상 여자 영역에서 토크를 발생시키는 단계는
    압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상은 동작모드(-1)을 유지하며, 현재 운전되고 있는 상은 상기 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화키는 과정,
    압력편차가 설정편차2보다 크면 이전 상의 스위칭의 상태신호를 동작모드(-1)에서 동작모드(1)로 변화시키며, 현재 운전되고 있는 상은 상기 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화키는 과정,
    압력편차가 설정편차1보다 작은 경우에는 이전 상의 스위칭 상태신호를 동작모드(1)에서 동작모드(0)로 변화시키며, 현재 운전되고 있는 상은 상기 한상 여자 영역과 동일하게 스위칭의 상태신호를 변화시키는 과정,을 포함하는 압력편차를 이용한 SRM의 직접토크 제어방법.
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