KR0120289B1 - 영구자석 동기모터의 과부하검출 장치 - Google Patents

영구자석 동기모터의 과부하검출 장치

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Abstract

본 발명은 영구자석 동기모터의 과부하 검출장치에 관한 것으로, 영구자석 동기모터(7)의 권선에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서(6)와 ; 상기 전류센서(6)의 아날로그 출력을 디지탈로 변환하는 아날로그/디지탈 변환기(8) ; 상기 아날로그/디지탈 변환기(8)의 출력을 입력하여 3상을 2상 좌표로 변환하는 3상/2상 좌표 변환부(10) ; 상기 3상/2상 좌표 변환부(10)의 출력을 입력한 후 현재의 부하량을 계산하는 적용부하량 연산부(12) ; 및 상기 적용부하량 연산부(12)의 출력을 미리 설정된 기준테이블값과 비교하여 과부하를 판단하는 과부하 비교/판단부(13)를 구비하여 상기 영구자석 동기모터(7)의 권선에 흐르는 전류를 감지하여 과부하가 검출되면 주전원을 차단하고 과부하 상태를 표시하여 상기 영구자석 동기모터(7)를 보호한다.

Description

영구자석 동기모터의 과부하검출 장치
제1도는 본 발명에 따른 영구자석 동기모터의 과부하 검출장치를 도시한 블록도.
제2도는 본 발명에 따른 영구자석 동기모터의 과부하 검출방법을 도시한 흐름도.
제3도는 종래의 과부하 제어회로를 도시한 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1,8 : 아날로그/디지탈 변환기 2 : 속도 비례.적분제어기
3 : 전류 비례.적분제어기 4 : 2상/3상 좌표변환부
5 : 펄스폭변조 및 인버터 6 : 전류센서
7 : 영구자석동기모터 9 : 타이머/카운터
10 : 3상/2상 좌표변환부 11 : 피드백 속도 연산부
12 : 적용부하량 연산부 13 : 과부하 비교/판단부
14 : 주전원차단부 15 : 과부하표시부
16 : 마이크로 프로세서 17 : 엔코더
30 : 직류전압원 31 : 커패시터
32~34 : 열동형계전기 35 : 제어부
37 : 모터
본 발명은 영구자석 동기모터의 과부하검출 장치에 관한 것으로 특히, 영구자석 동기모터의 권선에 흐르는 전류를 아날로그/디지탈 변환기를 통해 마이크로 프로세서 내부로 읽어 들여 현재 적용된 부하상대를 계산한 후 미리 설정해 둔 기준테이블값과 비교하여 과부하를 검출하도록 된 영구자석 동기모터의 과부하검출장치에 관한 것이다.
일반적으로, 영구자석 동기모터란 자기회로구성이 영구자석필드를 가진 동기모터로서, 자계를 형성하는 방법에 따라 영구자석형 동기모터와 인덕터 모터로 구분되는 바, 영구자석형 동기모터는 스테이터코일(고정자권선)에 교류전류를 흘려서 스테이터에 회전자계를 발생시켜 영구자석을 사용한 로터(회전자)에 발생하는 토크를 이용하는 것이고, 인덕터모터는 로터의 자극과 스테이터 자극과의 상호 흡인, 반발작용에 의한 토크를 이용한 것이다.
즉, 영구자석형 동기모터의 로터회전은 스테이터에서의 유도작용과 관계없는 영구자석 로터의 자속을 이용한다.
이러한 영구자석 동기모터의 특성을 살펴보면, 전원주파수와 완전동기하는 저렴한 정속도모터이고, 주파수변환장치를 이용하여 가변속도 운전도 가능하며 필드에 페라이트 영구자석을 사용하므로 유도모터에 비해 효율이 좋고 보수가 용이하며 정지시 유지토크가 있다.
한편, 상기와 같은 영구자석 동기모터는 동기회전수를 바꾸기 위해서는 주파수를 변화시켜야 하므로, 인버터 등과 같은 속도제어 및 구동회로를 사용한다.
제3도는 종래의 일반적인 영구자석 동기모터를 구동하기 위한 인버터를 도시한 개략도로서, 교류전원을 정류하여 직류전압을 출력하는 직류전압원(30)과 상기 직류전압원(30)의 출력을 충적하는 대용량의 커패시터(31)와 스위칭 트랜지스터(Q1~Q6)와 상기 스위칭 트랜지스터(Q1~Q6)를 온오프시키도록 제어하는 제어부(35)와 상기 트랜지스터(Q1~Q6)를 통해 인가되는 전원에 따라 회전하는 모터(37)와 직류전압원(30)과 스위칭 트랜지스터(Q1~Q6) 사이에, 아울러 상기 트랜지스터(Q1~Q6)와 모터(37) 사이에 위치하여 과부하시 차단되는 열동형 계전기(32~34)로 이루어진다.
상기와 같은 구성에서 제어부(35)는 모터(37)의 회전수를 제어하기 위하여 소정 주파수로 상기 트랜지스터(Q1~Q6)을 온오프시키기 위한 제어신호를 발생하며 상기 트랜지스터들(Q1~Q6)은 상기 제어부(35)의 제어에 따라 온오프되어 모터(37)를 구동시킨다. 이때 직렬로 연결된 한쌍의 트랜지스터(Q1과 Q2쌍, Q3과Q4쌍, Q5와 Q6쌍)가 동시에 온되면 소자가 파괴되므로, 제어부(35)는 상기 트랜지스터쌍이 동시에 온되지 않도록 적절한 데드타임을 설정할 필요가 있다.
또한, 상기 열동형 계전기들(32~34)은 과전류상태를 감지하면 자동으로 차단되어 모터 및 회로를 보호하는 역할을 수행한다.
이상에서 설명한 바와 같이 영구자석 동기모터의 과부하를 검출하여 상기 모터 및 회로를 보호하기 위한 종래의 과부하 검출장치는 하드웨어로 구성되어 있기 때문에 부품에 따른 제어장치의 신뢰성 저하 및 제조 비용의 상승과 같은 문제점이 있었고, 모터 및 제어장치의 용량을 변경할 경우에 용량변경에 따라 수반되는 과부하특성 곡선을 유연하게 적용하지 못하여 신속하고 정확한 과부하검출이 어려운 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 영구자석 동기모터의 권선에 흐르는 전류를 아날로그/디지탈 변환한 후 마이크로 프로세서로 읽어들여 현재의 부하상태를 계산한 후 미리 설정된 기준테이블값과 비교하여 과부하상태를 검출할 수 있은 영구자석 동기모터의 과부하검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 영구자석 동기모터의 과부하 검출장치는, 지령속도를 궤환된 속도와 비교하여 영구자석 동기모터를 제어하며 상기 영구자석 동기모터의 권선에 흐르는 전류를 감지하여 과부하가 검출되면 주전원을 차단하고 과부하 상태를 표시하여 상기 모터를 보호하는 과부하 검출장치에 있어서, 영구자석 동기모터의 권선에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서와 ; 상기 전류센서의 아날로그 출력을 디지탈로 변환하는 아날로그/디지탈 변환기 ; 상기 아날로그/디지탈 변환기의 출력을 입력하여 3상을 2상 좌표로 변환하는 3상/2상 좌표변환부 ; 상기3상/2상 좌표 변환부의 출력을 입력한 후 현재의 부하량을 계산하는 적용부하량 연산부 ; 상기 적용부하량 연산부의 출력을 미리 설정된 기준테이블값과 비교하여 과부하를 판단하는 과부하 비교/판단부를 구비한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 예시도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명에 따른 영구자석 동기모터의 제어계통을 도시한 블록도로서, 지령속도(W* r)를 아날로그-디지탈 변환하는 아날로그/디지탈 변환기(1)와 상기 아날로그/디지탈 변환기(1)의 출력과 궤환(feed-back)된 속도를 비례, 적분하는 속도 비례.적분제어기(2)와 상기 속도 비례.적분제어기(2)의 출력(i* qs)과 기준전류(i* ds)를 비례, 적분 제어하는 전류 비례.적분제어기(3)와 상기 전류 비례.적분제어기(3)의 출력을 입력하여 2상을 3상으로 변환하는 2상/3상 좌표변환부(4)와 상기 2상/3상 좌표변환부(4)의 출력(V* us,V* vs,V* ws)을 입력한 우 펄스폭 변조하여 모터 구동신호를 출력하는 펄스폭 변조 및 인버터(5)와 상기 펄스폭 변조 및 인버터(5)의 출력에 따라 회전하는 영구자석 동기모터(7)와 상기 모터(7)의 속도를 감지하는 엔코더(17)와 상기 엔코더(17)의 출력을 입력하여 펄스를 카운팅하고 주기를 계산하는 타이머/카운터(9)와 상기 타이머/카운터(9)의 출력을 입력한 후 상기 모터(7)의 회전속도를 연산하는 피드백 속도 연산부(11)와 상기 펄스폭 변조 및 인버터(5)의 출력으로부터 모터의 권선에 흐르는 전류를 검출하여 과부하상태를 검출하는 과부하상태 검출장치(20)와 과부하가 검출되면 상기 과부하 검출장치(20)의 출력에 따라 주전원을 차단시키는 주전원차단부(14)와 상기 과부하가 검출되면 상기 과부하 검출장치(20)의 출력에 따라 과부하상태를 표시해 주는 과부하표시부(15)로 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 과부하 검출장치(20)는 영구자석 동기모터(7)의 권선에 흐르는 전류는 검출하는 전류센서(6)와 ; 상기 전류센서(6)의 아날로그 출력을 디지탈로 변환하는 아날로그/디지탈 변환기(8) ; 상기 아날로그/디지탈 변환기의 출력(ius, iws)을 입력하여 3상을 2상 좌표로 변환하는 3상/2상 좌표변환부(10) ; 상기 3상/2상 좌표변환부 출력(iqs, ids)을 입력한 수 현재의 부하량을 계산하는 적용부하량 연산부(12) ; 상기 적용부하량 연산부(12)의 출력을 미리 설정된 기준테이블값과 비교하여 과부하를 판단하는 과부하 비교판단부(13)를 구비하여 상기 모터(7)의 현재의 부하량을 계산한 후 기준부하량과 비교하여 과부하를 검출하면 주전원을 차단시키도록 주전원 차단부(14)를 제어하고, 과부하상태를 표시하도록 과부하표시부(15)를 제어한다.
또한, 상기 속도 비례.적분 제어기(2)와 전류 비례.적분 제어기(3)와 2상/3상 좌표변환부(4)와 3상/2상 좌표변환부(10)와 피드백 속도 연산부(11)와 적용부하량 연산부(12)와 과부하 비교/판단부(13)는 하나의 마이크로 프로세서(16)로 구현할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 과부하상태 검출장치가 동작하는 것을 각 구성블럭별로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 마이크로 프로세서(16)는 디지탈로 변환된 지령속도(Wr *)를 입력하여 3상 제어전압을 펄스폭변조 및 인버터(5)로 출력하여 영구자석 동기모터(7)를 구동시키고, 상기 영구자석 동기모터(7)의 회전속도는 엔코더(17)에 의해 검출된 후 속도제어를 위해 다시 마이크로 프로세서(16)로 궤환된다.
이때, 본 발명에 따른 과부하 검출장치(20)는 펄스폭 변조 및 인버터(5)의 3상 출력이 상기 영구자석 동기모터(7)의 권선에 흘려 주는 3상 전류중에서 u상과 w상의 권선에 흐르는 전류를 전류센서(6)로 감지하여 소정 시간동안 상기 영구자석 동기모터(7)에 인가되는 부하량을 연산하고, 상기 연산된 부하량이 미리 설정된 기준부하량과 큰지 혹은 작은지를 비교하여 부하상태를 모니터하다가 상기 연산된 부하량이 설정된 기준부하량보다 클 경우에 과부하로 인지하여 주전원을 차단시키고, 과부하상태를 표시하도록 한다.
여기서, 전류센서(6)는 홀소자를 이용하여 구현되며 상기 영구자석 동기모터(7)의 u상과 w상 전류를 검출하고, 아날로그/디지탈 변환기(8)는 상기 u상과 w상 전류를 디지탈 데이타로 변환시켜 마이크로 프로세서(16)로 처리할 수 있도록 한다.
마이크로 프로세서(16)에 의해 구현되는 3상/2상 좌표변환부(10)는 연산을 위해 u, v, w축의 3상 입력을 q, d축으 2상으로 좌표 변환하고, 적용부하량 연산부(12)는 마이크로 프로세서에 의해 구현되어 다음 식1에 따라 현재의 부하량을 계산한다.
과부하 비교/판단부(13)는 다음 표1과 같은 과부하검출을 위한 기준테이블값을 메모리에 미리 내장하고 있다가 소정시간에 계산된 현재 부하량(Pk)이 기준테이블값(Pn)보다 크면 과부하상태로 판단하여 주전원을 차단하도록 주전원차단부(14)를 제어하고, 과부하표시부(15)를 구동시켜 과부하상태를 표시한다. 여기서, 주전원차단부(14)는 릴레이를 이용하여 구현할 수 있고, 과부하표시부(15)는 램프로 구현하여 사용자가 램프의 점등을 보고서 과부하상태를 인지할 수 있도록 한다.
상기 표1에 있어서, 상기 기준부하량(P1~Pn)은 과부하를 검출하기 위한 기준값으로서, 'tn'에서의 기준부하량 'Pn'은 다음 식2와 같이 계산된다.
상기 식2에서, R은 영구자석 동기모터의 저항값이고, i* qs는 q축 전류를 나타내고, i* 2s는 d축 전류를 나타낸다.
제2도는 본 발명에 따른 과부하 검출방법의 단계를 도시한 흐름도로서, 시간변수와 부하량변수를 0으로 초기화시키는 초기화단계(201)와 모터의 상전류를 검출하는 단계(202)와 상기 검출된 상전류를 입력한후 3상을 2상으로 좌표 변환하는 단계(203)와 상기 좌표 변환된 전류(iqs, ids)로부터 최대 전류(ipeak)를 계산하는 단계(204)와 상기 계산된 최대전류로부터 실효전류(irms)를 계산하는 단계(205)와 상기 실효전류로부터 부하전력증분값(△P)을 계산하는 단계(206)와 상기 부하전력증분을 누적하여 부하전력을 적산하는 단계(207)와 설정된 시간을 비교하여 판단하는 단계(208)와 설정된 시간이 아니면 시간을 적산한 후 다음 시간에 대해 상기 단계들을 반복하는 단계(212)와 설정된 시간이 되면 계산된 부하전력(Pk)과 설정된 부하전력(Pn)을 비교하여 계산된 부하(Pk)가 설정된 부하(Pn)보다 작으면, 다시 초기화한 후 상기 과정을 반복하는 단계(210,211)와 계산된 부하(Pk)가 설정된 부하(Pn)보다 크면 과부하상태로 인지하여 주전원을 차단하고, 과부하상태를 표시하는 과부하상태 처리단계(213)로 이루어진다.
상기와 같은 단계로 구성되는 본 발명에 따른 과부하 검출방법을 각 단계별로 자세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 초기화단계(201)에서는 시간 변수값과 부하전력 변수값을 0으로 초기화한 후 소정 시간간격(t)으로 시간을 증가시키면서 소정 시간동안(t0~tn) 부하량을 비교할 수 있도록 한다. 여기서, 시간간격(t)은 홀센서가 감지한 전류를 디지탈로 변환시키기 위한 샘플링 클럭과도 관련되어 결정되어 간격이 조밀할수록 과부하검출의 정밀도는 증가하나 계산량이 그만큼 많아지게 된다.
모터의 상전류 검출단계(202)에서는 모터(7)의 권선에 흐르는 u상의 전류(ius)와 w상의 전류(iws)를 홀센서를 사용하여 검출한다. 검출된 전류는 3상/2상 좌표변환 단계(203)에서 iqs=f(ius, iws), ids=f(ius=iws)로 좌표가 변환되고, 이어서 최대전류 계산단계(204), 실효전류 계산단계(205), 부하전력증분 계산단계(206)에서 다음 식3 및 4에 따라 최대전류(ipeak) 및 실효전류(irms) 를 구한 후 식5에 따라 부하전력증분값(P)을 계산한다.
부하전력증분값(P)이 계산되면, 부하전력 적산단계(207)에서 이전(k-1)단계에서의 부하전력(Pk-1)과 누산되어 현재(k)의 부하전력(Pk)을 적산하고(Pk=Pk-1+P), 현재의 시간(t)이 설정된 시간(tn)과 같은지(t=tn?)를 판단한 후, 같지 않으면 시간을 증가시키고, 같으면 계산된 부하전력(Pk)과 설정된 부하전력(Pn)을 비교하여 계산된 현재의 부하전력(Pk)이 설정된 부하전력(Pn) 보다 크면, 과부하로 판단하여 과부하상태 처리단계(213)에서 주전원을 차단시키고 과부하상태를 표시한다. 산된 현재의 부하량(Pk)이 설정된 부하량(Pn)보다 작으면 부하량변수와 시간을 0으로 초기화시킨 후 상기 과정을 반복하여 과부하상태를 계속 감시한다(210,211,212).
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의해 영구자석 동기모터의 부하상태를 마이크로 프로세서를 이용하여 감시하므로써 부하용량의 변동에 따라 다양한 기준테이블을 작성하여 정확한 과부하검출을 가능하게 하며, 사용되는 부품수를 줄여 제조비용을 절감시키는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 지령속도를 궤환된 속도와 비교하여 영구자석 동기모터(7)를 제어하며 상기 영구자석 동기모터(7)의 권선에 흐르는 전류를 감지하여 과부하가 검출되면 주전원을 차단하고 과부하 상태를 표시하여 상기 모터(7)를 보호하는 과부하 검출장치에 있어서, 영구자석 동기모터(7)의 권선에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서(6)와 ; 상기 전류센서(6)의 아날로그 출력을 디지탈로 변환하는 아날로그/디지탈 변환기(8) ; 상기 아날로그/디지탈 변환기(8)의 출력을 입력하여 3상을 2상 좌표로 변환하는 3상/2상 좌표변환부(10) ; 상기 3상/2상 좌표변환부(10)의 출력을 입력한 후 현재의 부하량을 계산하는 적용부하량 연산부(12) ; 및 상기 적용부하량 연산부(12)의 출력을 미리 설정된 기준테이블값과 비교하여 과부하를 판단하는 과부하 비교/판단부(13)를 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 과부하 검출장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 과부하 검출장치는 마이크로 프로세서로 구현되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기모터의 과부하 검출장치.
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