KR950004836B1 - 교류 전동기의 상전압 측정장치 및 그 측정방법 - Google Patents
교류 전동기의 상전압 측정장치 및 그 측정방법 Download PDFInfo
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Abstract
내용 없음.
Description
제1도는 본 발명의 일실시예에 의한 교류 전동기의 상전압 측정장치를 나타낸 블록도.
제2도는 발명의 일실시예에 따른 교류전동기의 상전압 측정장치의 상세회로도.
제3도는 본 발명에 따른 상전압 측정방법의 동작순서를 도시한 플로우챠트.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 전압 분압기 2 : 저대역 필터
3 : A/D변환기 4 : 포토커플러
5 : 인버터 6 : PWM신호분배기
7 : 베이스 드라이버 8 : 멀티플라잉 D/A변환기
20 : PWM신호발생기
본 발명은 전동기를 제어하는 인버터의 파워소자(예를들면, 파워트랜지스터, MOS-FET, IGBT, Thyristor) 구동용 펄스폭 변조(PWM:Pulse Width Modulation, 이하 PWM이라한다)신호를 이용하여 교류전동기(유도전동기)의 상전압을 측정할 수 있는 교류전동기의 상전압 측정장치 및 그 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 유도전동기의 제어에 사용되는 벡터 제어방식은 유도전동기의 고정자 전류를 회전하는 d-q축에서의 등가치로 변환하고 d축을 회전자 자속 위상(phasor)과 일치시킴으로써 d축 등가 성분은 자속성분 전류, q축 등가 성분은 토오크 성분 전류로 상호 분리하여 교류전동기를 다른 여자 직류 전동기와 유사한 특성을 갖도록 제어하는 것이다.
이와같은 벡터 제어방식에 의해 구동되는 유도전동기의 고성능 동특성 및 정밀성이 요구되는 수치제어(NC: Numerical Control)공작기계 및 로보트 시스템에까지 널리 사용되고 있다.
그런데, 상기 벡터제어를 실현하기 위해서는 회전자 자속의 정확한 검출이 필요하게 되며 회전자 자속을 정확하게 검출할 수만 있다면 벡터 제어방식은 전동기 파라미터의 변화에 강인한 특성을 가지게 되므로, 회전자 자속의 정확한 검출은 상당히 중요한 요소가 되는 것이다.
상기 회전자 자속을 정확하게 검출하기 위해서 교류전동기에 공급되는 상(相)전압을 검출해야 하는데, 상기 상전압의 검출은 매우 까다로우므로 그 대안으로써, 상기 회전자 자속을 d축 전류 명령값과 전동기 파라미터 값을 이용하여 간접적으로 계산하는 방법이 널리 사용되고 있다.
물론, 회전자 자속을 검출하기 위한 수단으로써 홀센서, 자속 측정코일(flux sensing coil)등이 있으나, 슬롯리플, 장착상의 어려움등으로 인해 널리 사용되지는 않고 있다.
종래의 경우, 상기 회전자 자속을 연산하기 위한 유도전동기의 상전압을 측정하는 수단으로써 펄스 변환기를 사용하였으나, 이 경우 상기 펄스변환기의 장착상의 어려움, 포화문제, 부피문제등이 제기되었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 감안하여 이루어진 것으로써 본 발명의 목적은, 전동기의 파라미터 중에서 변화가 가장 심한 회전자 저항에 대하여 강인한 유도전동기의 상전압을 이용하여 고정자 기준 회전자 자속을 계산할 수 있는 교류전동기의 상전압 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 비교적 간단한 회로구성에 의해서 전동기의 상전압을 측정함으로써, 구성이 간단하고 제조원가를 절감할 수 있는 교류전동기의 상전압 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 교류전동기의 상전압 측정장치는, 인버터에 인가되는 직류전압을 분합하는 전압분압기와, 상기 전압분압기의 출력신호에 포함된 잡음을 제거하는 저대역 필터와, 상기 전압분압기의 출력신호에 포함된 잡음을 상기 저대역 필터에서 제거한 신호를 디지털 데이터로 변환하는 A/D변환기와, 상기 A/D 변환기에서 출력되는 디지털신호에 따라 온/오프되어 전동기에 공급되는 주전원을 분리하는 포토커플러와, PWM신호를 발생하는 PWM신호발생기와, 상기 PWM신호발생기로부터 PWM신호를 받아서 복수개의 PWM신호로 분배하는 PWM신호분배기와, 상기 PWM신호분배기로부터 분배된 PWM신호를 받아 모터(M)를 구동시키도록 인버터에 출력하는 베이스드라이버와, 상기 PWM신호와 전압분압기의 출력을 승산하여 상전압을 발생하는 멀티플라잉 D/A변환기로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 교류전동기의 상전압 측정방법은, 인버터에 인가되는 직류전압을 분압하는 제1스텝과, 상기 제1스텝에서 분압된 신호에 포함되어 있는 잡음을 제거하는 제2스텝과, 상기 제2스텝에서 잡음이 제거된 분압 전압을 디지털 데이터로 변환하는 제3스텝과, 상기 제3스텝에서 변환된 디지털 데이터를 포토커플러에 의해 주전원측과 제어기 전원간을 분리하는 제4스텝과, 상기 제4스텝에서 포토커플러를 통과한 디지털 데이터와 PWM신호를 승산하여 상전압을 발생하는 제5스텝으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와같은 특징을 가진 본 발명에 의한 교류전동기의 상전압 측정장치 및 그 측정방법은 벡터 제어방식을 사용할 경우 직류전동기 및 동등 이상의 제어성능을 발휘할수 있는 유도전동기의 제어에 있어서, 정격속도 이상에서의 운전이 필요하거나 효율적인 제어가 요구될 경우 적용되는 회전자 자속을 이용한 유도전동기 제어시스템에 사용됨과 동시에 유동전동기의 제어에 있어서, 고정자의 q축 전류 정보와 회전자 자속의 정보가 직접적으로 요구되는 직접 벡터제어(direct vector control)방식이 요구되는 분야에 상용될수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 일실시예에 의한 교류전동기의 상전압 측정장치를 나타낸 블록도이고, 제2도는 본 발명의 실시예에 따른 교류전동기의 상전압 측정장치의 상세회로도이고, 제3도는 본 발명에 따른 상전압 측정방법의 동작순서를 도시한 플로우챠트이다.
제1도 및 제2도에 있어서, (1)은 인버터에 인가되는 직류전원을 후술하는 아날로그/디지털변환기(이하 A/D변환기라 한다)에 적합한 레벨로 맞추기 위하여 분압하는 전압분압기로써 이 전압분배기(1)는 저항(R1)과 저항(R2)으로 구성되어 있고, (2)는 상기 전압분압기(1)에 의해 분합된 출력에 포함되어 있는 잡음을 제거하기 위하여 저항(R3)과 콘덴서(C1)로 구성된 저대역 필터이며, (3)은 상기 전합분압기(1)의 출력을 디지털 데이터로 변환시키는 A/D변환기로써, 이 A/D변환기(3)는 비트(bit)수가 클수록 더욱 정확한 직류전원값의 크기를 디지털 데이터로 변환시킬 수 있다.
(4)는 상기 A/D변환기(3)에 의해 변환된 전압분압기(1)의 출력을 전동기 제어기 쪽으로 전송하기 위한 포토커플러로써, 이 포토커플러(4)는 상기 A/D변환기(3)의 데이터 출력단자(Dψ~Dn) 만큼의 갯수가 병렬로 접속되어 있고, (5)는 모터(M)의 구동을 제어하기 위하여 6개의 MOS-FET로 구성된 인버터이며, (6)은 후술하는 펄스폭변조발생기(20)(이하, PWM신호발생기라 한다)에서 발생된 기본 펄스폭 변조신호(Sa,Sb,Sc)를 복수개의 PWM신호로 분배하기 위한 PWM신호분배기이다.
(7)는 상기 PWM신호분배기(6)에 의해 분배된 PWM신호에 의해 모터(M)를 구동제어하기 위해 인버터(5)에 전송하는 베이스드라이버이며, (8)은 상기 PWM신호(Sa,Sb)와 포토커플러(4)를 통과한 전압분압기(1)의 출력을 승산하여 전동기의 상전압(Vas,Vbs)을 측정하는 멀티플라잉 디지털/아날로그 변환기(이하, 멀티플라잉 D/A변환기라 한다)로써, 포토커플러(4)의 갯수 만큼의 데이터입력단자(Dψ-Dn)를 가지고 있다.
또한, 상기 멀티플라잉 D/A변환기(3)의 기준단자에는 전동기의 A,B상에 대한 전류명령값과 전류피이드백값의 차를 비례적분 제어한 후, 삼각파와 비교한 결과 또는 상기 전류명령값과 전류피이드백 값을 히스테리시스 제어한 결과로부터 얻어지는 기본 PWM신호(Sa,Sb)가 입력되고 있다.
또한, 상기 베이스드라이버(7)는 6개의 베이스드라이버가 병렬로 접속되어 인버터(5)를 구성하는 MOS-FET 또는 트랜지스터에 각각 연결되어 PWM신호분배기(6)에 의해 분배된 PWM신호를 이용하여 모터(M)의 구동제어가 가능토록 한다.
상기 설명에 있어서, PWM신호발생기(20)는 일정한 주기의 구형파 신호를 받아서 펄스폭을 변조하여, 그 변조된 신호를 상기 PWM신호분배기(6) 및 멀티블라잉 D/A변환기(8)에 출력하는 것이다.
이와같이 구성된 본 발명에 의한 교류전동기의 상전압 측정장치에 의해 측정된 상전압으로부터 회전자 자속을 검출하는 계산식은 다음과 같다.
ψxr : x축 회전자 자속
ψyr : y축 회전자 자속
ixs : x축 고정자 전류
iys : y축 고정자 전류
Vxs : x축 고정자 인가전압
Vys : y축 고정자 인가전압
Rs : 고정자 저항
Ls : 고정자 인덕턴스
Lr : 회전자 인덕턴스
M : 상호 인덕턴스
따라서,
Vsa, Vbs, Vcs : 3상 고정자 축에서의 a, b, c상 전압
ias, ibs, ics : 3상 고정자 축에서의 a, b, c상 전류
상기 식(1)(2)(3)(4)으로부터 알 수 있듯이 회전자 자속을 검출하기 위해서는 전동기에 공급되는 상전압을 제3도에 도시된 플로우챠트에 따라서 측정할 수 있다.
다음에, 제1도 및 제2도에 도시된 바와같은 구성을 가진 본 발명의 작용을 제3도에 도시된 플로우챠트를 참조하여 설명한다.
본 발명에 의한 교류전동기의 상전압 측정방법이 개시되면, 먼저, 스텝 S1에서 모터(M)의 구동을 제어하는 인버터(5)에 인가되는 직류전압을 전압분압기(1)에서 분압한다.
한편, 상기 인버터(5)에 모터구동용 제어신호로 입력되는 PWM신호는 PWM신호발생기에 의해 발생되어 PWM신호분배기(6)에 의해 분배된 후, 베이스드라이버단(7)을 통해서 인버터(5)를 구성하는 6개의 MOS-FET에 각각 인가된다.
상기 스텝 S1에서 고정자의 상전압을 측정하기 위한 데이터로서의 인버터 구동용 직류전압에 대한 분압이 행해지면 스텝 S2로 나아가서 저대역 필터(2)에서 상기 전압분압기(1)로부터 출력되는 출력전압에 포함되어 있는 잡음을 제거한다.
상기 저대역필터(2)에서는 잡음지수가 높은 고역 주파수 부분은 차단하고, 잡음지수가 낮은 저역주파수 만을 통과시킴으로써 잡음을 제거하는 것이다.
상기 전압분압기(1)에 의해 분압된 후 잡음이 제거된 분압전압은 스텝 S3에서 A/D변환기(3)에 입력되어 아날로그데이타를 디지털 데이터로 변환하고, 스텝 S4로 나아가서 상기 A/D변환기(3)에서 변환된 디지털데이타는 A/D변환기(3)의 데이터출력단자(Dψ~Dn)를 통해 포토커플러(4)에 입력된다.
그러면, 그후 스텝 S5로 나아가서 상기 포토커플러(4)에 의해 디지털 데이터가 멀티플라잉 D/A변환기(8)의 데이터입력단자(Dψ~Dn)에 입력되어 아날로그 신호로 변환된 후, 스텝 S6로 나아가서는 PWM신호발생기에 의해 발생되어 상기 D/A변환기(8)에 입력되는 기본 PWM신호(Sa,Sb)와 분압전압을 승산한다.
상기 스텝 S6의 수행에 따라 상전압(Vas,Vbs)이 산출되었으므로 스텝 S7에서는 상술한 회전자 자속 연산식을 이용하여 회전자 자속을 연산하여 그에 따른 위상차의 적절한 보상조치가 행해지도록 한다.
이와같이 본 발명의 교류전동기의 상전압 측정장치 및 측정방법에 의하면, 펄스변환기를 사용하지 않고도 교류전동기의 상전압을 측정한 후 회전자 자속을 연산토록 하여 적절히 보상토록 함으로써 모터의 구동효율을 향상시킴과 동시에 원가를 절감할수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 인버터에 인가되는 직류전압을 분압하는 전압분압기와, 상기 전압분압기의 출력신호에 포함된 잡음을 제거하는 저대역 필터와, 상기 전압분압기의 출력신호에 포함된 잡음을 상기 저대역 필터에서 제거한 신호를 디지털 데이터로 변환하는 A/D변환기와, 상기 A/D변환기에서 출력되는 디지털신호에 따라 온/오프되어 전동기에 공급되는 주전원을 분리하는 포토커플러와, PWM신호를 발생하는 PWM신호발생기와, 상기 PWM신호발생기로부터 PWM신호를 받아서 복수개의 PWM신호로 분배하는 PWM신호분배기와, 상기 PWM신호분배기로부터 분배된 PWM신호를 받아 모터(M)를 구동 시키도록 인버터에 출력하는 베이스드라이버와, 상기 PWM신호와 전압분압기의 출력을 승산하여 상전압을 발생하는 멀티플라잉 D/A변환기로 이루어진 것을 특징으로 하는 교류전동기의 상전압 측정장치.
- 제1항에 있어서, 상기 포토커플러는 A/D변환기의 각각의 데이터단자(Dψ~Dn)에 연결되도록 복수개가 병렬로 접속된 것을 특징으로 하는 교류전동기의 상전압 측정장치.
- 인버터에 인가되는 직류전압을 분압하는 제1스텝과, 상기 제1스텝에서 분압된 신호에 포함되어 있는 잡음을 제거하는 제2스텝과, 상기 제2스텝에서 잡음이 제거된 분압 전압을 디지털 데이터로 변환하는 제3스텝과, 상기 제3스텝에서 변환된 디지털 데이터를 포토커플러에 의해 주전원측과 제어기 전원간을 분리하는 제4스텝과, 상기 제4스텝에서 포토커플러를 통과한 디지털 데이터와 PWM신호를 승산하여 상전압을 발생하는 제5스텝으로 이루어진 것을 특징으로 하는 교류전동기의 상전압 측정방법.
- 제3항에 있어서, 상기 제3스텝에서의 잡음 제거 동작은 저대역 필터에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 교류전동기의 상전압 측정방법.
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