KR0130537B1 - 토크리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템 - Google Patents

토크리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템

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KR0130537B1
KR0130537B1 KR1019940012091A KR19940012091A KR0130537B1 KR 0130537 B1 KR0130537 B1 KR 0130537B1 KR 1019940012091 A KR1019940012091 A KR 1019940012091A KR 19940012091 A KR19940012091 A KR 19940012091A KR 0130537 B1 KR0130537 B1 KR 0130537B1
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Abstract

이 발명은 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템에 관한 것으로 전동기의 토크 리플을 최소화시킴으로써 전동기 및 부하장치의 미세진동 또는 떨림 현상을 감소시키고, 속도명령에 대한 추종성능이 향상되도록 하기 위하여, 위치정보로부터 선택된 전류명령의 파형에 전류명령의 크기를 곱하여 전류명령을 생성하기 위한 전류명령 발생회로(14)와; 모터에 실제 흐르는 전류가 상기 전류명령 발생회로(14)에서 출력된 전류명령에 비례미적분 방식으로 추종되도록 하며, 상기 전류명령으로부터 스위칭 동작을 위한 온/오프 신호를 생성하도록 하는 전류제어기(15)와; 상기 전류제어기(15)에서 출력되는 온/오프 신호에 의해 스위칭 소자(Q1∼Q6)가 온/오프 동작을 수행하여 전원장치(18)에 의하여 3상코일(17)에 의도하는 전류량이 인가되도록 하는 인버터 회로(16)로 구성되어 동작하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템에 관한 것이다.

Description

토크리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템
제1도는 브러쉬없는 직류전동기의 구조를 도시한 단면도이고,
제2도는 브러쉬없는 직류전동기의 수학적 모델을 도시한 구성 블록도이고,
제3도는 사다리꼴 형태의 역기전력에 대한 전류파형을 도시한 파형도이고,
제4도는 종래의 토크 제어방식을 구현하는 전류제어회로 및 인버터의 회로도이고,
제5도는 종래의 토크 제어방식을 구현하는 전류 파형도이고,
제6도는 실제 전류명령과 토크 파형을 도시한 파형도이고,
제7도는 위치 및 속도 제어기를 포함한 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템의 블록선도이고,
제8도는 전류제어형 펄스폭변조 방식 인버터의 회로도이고,
제9도는 상기 제8도의 전류제어형 펄스폭변조 방식 인버터에 적용되는 복소평면에서의 전압 및 전류의 벡터도이고,
제10도는 삼각과 비교방식에 의한 펄스폭변조 신호를 발생하는 원리를 설명하는 블록도 및 파형도이고,
제11도는 실제로 구현되는 삼각파 비교 전류 제어기의 구성블럭도이고,
제12도는 실제로 구현되는 히스테리시스 방식 전류 제어기의 구성 블록도이고,
제13도는 완벽한 전류제어시 브러쉬없는 직류전동기의 위치 및 속도 제어 블록선도이고,
제14도는 이 발명의 실시예에 따른 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템의 구성 블록도이고,
제15도는 상기 제14도의 전류 측정회로의 상세 회로도이고,
제16도는 상기 제14도의 비례 미적분 제어기의 상세 회로도이고,
제17도는 상기 제14도의 데드 타임 발생기의 상세 회로도이고,
제18도는 상기 제14도의 게이트 구동회로의 상세 회로도이고,
제19도는 상기 제14도의 전류명령 발생회로의 상세 회로도이다.
산업상의 이용분야 : 브이티알(VTR:Video Tape Recoder),컬러 프린터(Color Printer)등의 산업전자 제품이나 로봇, 수치제어 공작기계(Numeric Control Machine)등의 자동화기기들에는 수많은 각종의 전동기가 구동장치로 사용되며, 최근의 자동화 추세 및 경향에 따라 그 수요는 계속 급증하고 있다.
전동기는 크게 직류전동기(DC moter)와 교류전동기(AC moter)의 두 종류로 구분할 수 있으며, 직류전동기는 제어가 용이하며 많이 사용되어 왔으나, 주기적인 브러쉬(brush)의 교환이 필요한 단점이 있는 반면, 교류전동기는 이러한 유지보수 작업이 불필요하다.
그리고, 교류전동기는 제어가 어려운 관계로 최근까지 고품질의 산업제품에는 사용되지 못하였으나 마이크로 프로세서 및 전력전자 기술의 발달로 그 제어기술이 크게 진보하여 최근에 이르러는 직류전동기들이 교류전동기로 대체되어 가는 추세이다.
특히, 이중에서 고성능 서보(servo)용으로 많이 쓰는 교류전동기로는 브러쉬없는(Brushless) 직류전동기와 싱크로(Synchro) 교류전동기를 들 수 있는데 전자는 후자에 비해 제작비용이 적게 드는 반면 제어가 어려워 초정밀 성능을 요하지 않는 자동화기기나 산업전자 제품에 가장 많이 사용되고 있다.
이 발명은 상기와 같은 브러쉬없는 직류전동기용 드라이버(driver)기술과 관련된 것으로서 전동기의 토크 리플(torque ripple)을 최소화시키는 기법이며, 이러한 기법에 의하여 전동기의 미세진동 제거등의 고성능 구동이 가능하고 타분야로의 기술활용이 기대된다.
종래 기술 :
1) 브러쉬없는 직류전동기의 동작원리
제1도에 도시된 바와 같이 3상 브러쉬없는 직류전동기의 구조는 교류 동기 전동기의 구조와 유사하다. 회전자(13)는 극대수(Pole pair number)가 P인 영구자석으로 이루어져 있고, 고정자 철심(12)에는 권선(11)이 감겨져 있어서 이 권선(11)을 통하여 3상 전류가 공급된다.
영구자석으로 이루어진 회전자(13)가 ω의 속도로 회전하면서 자속을 발생시키고 이 자속이 고정자 권선(11)에 흐르는 전류를 끊어줌으로써 암페어의 법칙(F=I×B)에 의해 고정자 철심(12)과 회전자(13) 사이에 회전력이 발생된다. 제1도의 회전자(13)에 도시된 화살표는 자속의 방향을 도시한 것이다.
2) 브러쉬없는 직류전동기의 동적 방정식 유도
3상 브러쉬없는 직류전동기의 동적 방정식을 유도하기 위하여 다음과 같은 가정을 한다.
① 전동기가 선형 영역에서 동작하고 히스테리시스 손실은 무시된다.
② 회전자와 고정자 사이의 공극은 회전자의 반경에 의해 일정하다.
③ 각 상간의 상호 인덕턴스는 회전자의 위치에 관계없이 일정하다.
전동기의 상전압은 저항에 의한 전압 강하분과 자속 쇄교수의 시간에 대한 미분값의 합이므로 상전압 방정식은 다음과 같다.
식(3,2,1)에서 Vk는 상에 입력되는 전압이고, ik, rk,λk는 각각 상전류, 상저항, 자속 쇄교수이다.
한 상에 쇄교되는 자속은 그 상에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자속, 다른 상 전류에 의해 쇄교되는 자속, 영구자석으로 된 회전자에 의해 쇄교되는 자속으로 구분할 수 있고 전동기사 선형영역에서 동작한다는 가정(①)에 의하면 자속 쇄교수(λk)는 식 (3, 2, 2)와 같다.
여기서 Lj k : 상 j와 k 사이의 상호 인덕턴스
Lk k : 자기 인덕턴스
λm k : 회전자와 상 k사이의 자속 쇄교수
상기 식(3, 2, 2)를 식 (3, 2, 1)에 대입하면
여기서 θ : 회전자의 위치
상기 식(3, 2, 3)에서 우변의 마지막 항은 전동기의 역기전압에 해당하고 회전자에 의해서 고정자 상에 쇄교되는 자속의 회전자 위치에 대한 미분값과 회전자 속도와의 곱으로 나타난다. 따라서, 고속 상태인 경우 값이 큰 역기정압이 전동기에 인가되는 전압 대부분을 상쇄시키므로 일정크기의 전류를 흘려주기가 어렵게 되고 그에 따라 원하는 토크를 발생시키지 못한다.
가정 ③에 의하여 다음과 같이 정의할 수 있다.
회전자에 의해서 고정자 상에 쇄교되는 자속의 θ에 대한 미분값은 전동기 고유의 함수가 되고, 각 상은 서로 ⅔π 만큼의 위상차가 있으므로 식 (3, 2, 5)와 같이 정의 할 수 있다.
그리고, 3상이 Y결선 형태로 연결되므로 3상 전류합은 제로가 된다.
상기 식 (3,2,3),(3,2,4),(3,2,5),(3,2,6)에 의하여
식(3,2,7)을 3상에 대해 다시 쓰면
한 상에 의해 발생되는 토크를 계산하기 위해서 Coenergy 개념을 도입한다.
발생 토크 Tk 는 Wc의 θ에 대한 편미분이므로
상기 식 (3,2,10)에서 보면 한 상에 의하여 발생되는 토크는 상 전류와 전동기 고유의 함수 g(θ)의 곱으로 표시한다. 전체 발생 토크T는 T1,T2,T3의 합이므로 식(3,2,5),(3,2,10)에 의하여 식 (3,2,11)과 같이 주어진다.
상기 식(3,2,11)에서 g(θ)는 전동기의 고유 함수로서 사다리꼴 형태, 정현파 형태, 혹은 정현파와 유사한 형태(Quasi-sinusoidal form)가 될 수 있다. 따라서, 원하는 토크를 발생시키기 위히서는 g(θ)의 형태에 따라 적당한 전류명령을 구하고 실제 전류는 식 (3, 2, 8)에 나타난 동적 방정식에 의하여 지배받기 때문에 상 전압을 조절하여 실제 전류가 전류명령을 추종하게 만들어야 한다. 그리고, 식 (3,2,11)에서 보면 발생 토크가에 대한 함수로 나타내는데 에 무관한 발생 토크를 얻을려면 전류명령 또한 에 대한 함수가 되어야 한다.
기계적인 부분의 동적 방정식은 식 (3,2,12)와 같고 J와 B는 각각 전동기의 관성 모멘트, 마찰 계수에 해당한다.
3) 브러쉬 없는 직류전동기의 수학적 모델
상기 식 (3,2,8),(3,2,11)을 토대로 한 브러쉬없는 직류전동기의 수학적 모델은 제2도에 도시되어 있다.
4) 종래의 브러쉬없는 직류전동기의 토크 제어방식
-토크 리플을 최소화하는 전류명령 유도
브러쉬없는 직류전동기의 동적 방정식은 다음과 같다.
상기 식 (4,1,4)에서 보면 발생 토크는 전류뿐만 아니라 θ에 대한 함수가 된다.g(θ)항은 전동기 고유의 함수이므로 원하는 토크를 발생시키려면 상전류를 제어해야 한다. 상 전류가 일반 직류 전동기처럼 전류에 직접 비례하도록 하기 위해서는 전류제어기에 의해 실제 전류가 전류 명령을 완벽하게 추종한다는 가정하에서 발생 토크가 θ에 의존하지 않도록 만드는 전류 명령을 구해야 한다. 토크와 전류가 서로 비례하도록 하는 전류명령을 찾기 위하여 식 (4,1,5)와 같은 정의를 한다. iM*(t)는 속도 제어기에서 출력되는 토크 명령이고 fk(θ)는 θ에 의존하지 않는 즉, 토크 리플이 없는 발생 토크를 만드는 전류명령 파형이다.
상기 식 (4,1,1),(4,1,2),(4,1,3)에 의하여 지배받는 상 전류가 전류 제어기에 의하여 식(4,1,5)에 나타난 전류 명령을 완벽하게 추종한다고 가정하면 식 (4,1,5)를 식 (4,1,4)에 대입하여 발생 토크를 얻을 수 있다.
만약, 식 (4, 1, 7)이 만족되면 발생 토크는 전류에 비례하게 되고 오직 iM*의 함수가 되므로 θ에 대한 토크 리플을 존재 하지 않는다.
그러면 g(θ)에 대해서 식 (4,1,7)를 만족하는 fk(θ)를 찾아본다. g(θ)가 사다리꼴 형태라면 선형 영역과 일정한 영역이 있다. 선형 영역에서는 전류 명령을 제로로 하고 일정 영역에서는 전류 명령을 일정하게 해주면 토크 리플이 존재하지 않는다.
최종적으로 식 (4,1,7)을 만족시키는 fk(θ)는 식 (4,1,9)와 같고 제3도에 도시된 바와 같이 구형파가 된다.
그러면,
실제 전류가 구형파 형태인 전류 명령을 완벽하게 따라가면 최종적으로 발생 토크는 iM*(t)에 비례하게 된다.
한편, 브러쉬없는 직류 전동기의 토크 리플을 개선하기 위한 것으로서, 대한민국 특허출원 공고번호 제93-4030호(공고일자: 서기 1993년 5월 19일)에 '브러쉬리스 직류전동기의 토오크리플 개선방법'이 개시된 바 있다.
상기한 '브러쉬리스 직류전동기의 토크리플 개선방법'은 스위칭 순간에 약간의 기울기를 주는 선형전압 구동법을 이용한 것으로서, 이는 선형전압구동법에서 구동전류를 최소화하여 토크 맥동지수를 최소 회전시키도록 한 후 가능한한 평균 토크를 최대화하도록 통전각과 스위칭 순간의 기울기 즉, 인버터단에 있는 능동증폭기의 슬루레이트(Slew Rate)를 조정함으로써, 기존의 정전류 구동법이 갖는 문제를 해결시켜 토크 리플을 향상시킬 수 있는 최적 구동전류로 구동시키도록 하기 위한 것이다.
그런데, 상기한 '브러쉬리스 직류전동기의 토크리플 개선방법'은 출력전류의 하모닉스(harmomics)를 최소화한는 것으로서, 출력전류와 출력토크의 관계가 명확히 밝혀져 있지 않다.
즉, 출력토크는 역기 전력과 출력전류의 곱이므로 출력전류의 하모닉스 만을 줄인다고 해서 출력토크의 리플이 제거되는 것이 아니며, 이를 위해서는 역기전력 파형에 어떤 제한이 있어야 한다.
또한, 상기 기술은 전류명령을 인가하기 위해 인버터단 증폭기의 슬루레이트를 조절하는 근사적인 방법을 사용하고 있는데, 현실적으로는 보다 정확한 전류제어 방식이 요구되고 있다.
이 발명이 해결하려는 문제점 :
1)종래의 토크 제어 구현방식
종래의 토크 제어회로와 인버터는 제4도에 도시되어 있다. 제5도에 도시된 전류 명령 그림을 보면 π/6만큼의 각 영역마다 2개의 상은 각각 iM*,-iM*만큼의 전류가 흐르고 나머지 한 상은 전류가 흐르지 않게 된다.
따라서, 각 선각의 전류가 iM'로 일정하게 제어를 해주면 된다.
예를 들어 0에서 π/6 사이에서는 a상에서 b상으로 흐르는 선간 전류가 iM*가 되도록 제어를 한다. 그리고 c상의 전류 명령은 제로가 되는데 제어를 하는 것보다 단선시키는 것이 편리하다.
토크 제어회로와 인버터 회로에서 각 구성요소의 역할은 다음과 같다.
(1) 디로테이터(Derotator) : 회전자의 위치에 따라 3상 전류 중에서 1상 전류를 궤환한다.
(2) 에러 증폭기(Errir amplifier) : 전류 에러 신호를 증폭한다.
(3) 펄스폭 변조기(PMW amlifier) :증폭된 에러신호를 펄스폭변조(PWM : Pulse Width Modulation)신호로 변환시킨다.
(4) 로테이터(Rotator) : 펄스폭변조 신호를 가지고 제어하려는 2개의 상선간에 BUS전압과 -BUS 전압을 공급한다. 그리고, 나머지 한 상은 단선시킨다.
(5) 커뮤테이션 로직(Commutation logic) : 회전자 위치 정보를 받아서 제어하려는 2개의 상을 선택한다.
전류 제어기로서는 고이득 제어기(High gain cintroller)를 사용하는데 위치 및 속도 제어기를 포함한 전체적인 브러쉬없는 직류 전동기 제어 시스템을 블록 다이어그램으로 도시하면 제7도와 같다.
역기전력 g(θ)ω 를 무시한 상태에서 iM', i1사이의 전달함수를 구하면 아래와 같다.
그러면 제어루프의 대역폭은 (R+K)/L가 된다. 그런데 전류명령 i1*는 구형과 형태이므로 무한대의 주파수 성분을 가지므로 i1*이 i1*를 따라가기 위해서는 K가 무한대가 되어야 한다. 그러나, 무한대의 K는 실제적으로 실현불가능하기 때문에 실제 전류는 제6도에 도시된 바와 같고, 그러한 전류 제어에러 때문에 1회전마다 6번의 토크 리플을 발생하게 된다. 그리고, 고속 회전시에는 역기전력 g(θ)ω가 커지게 되어 전규 제어 입력 전압 V1을 많이 상쇄한 전압이 전동기에 인가되므로 전류 제어 성능이 떨어지게 되고 토크 리플이 커지게 된다.
상기 토크 리플은 1회전마다 6번 발생되므로 식(4,2,2)와 같이 푸리에 급수로 전개할 수 있다.
고속 회전시에는 리플의 주파수가 커져 전동기의 관성에 의해 로우패스필터링되므로 문제점이 적은 반면 저속 회전시에는 리플 주파수가 충분히 전동기를 통과하여 속도 리플로 나타나기 때문에 속도제어가 부정확해지는 문제점이 발생한다.
분제점을 해결하기 위해 이 발명에서 강구된 기술적 원리 :
토크 리플을 최소화하기 위한 전류명령의 발생원리
기존의 토크 제어방식에서는 전류명령이 불연속 함수인 구형파이므로 실제전류가 명령을 잘 추종하지 못하는 데에서 오는 토크 리플이 생긴다. 이 발명에 따른 토크 제어에서는 실제 전류가 전류명령을 잘 따라간다는 가정하에서 푸리에 급수를 이용하여 연속 함수이면서 토크 리플을 최소화하는 전류명령을 구한다.
일반적으로 다음과 같이 가정한다.
가정 : 전동기의 고정자 결선 형태가 대칭이고 회전자의 자속 분포가 극축(Pole axis)에 대하여 대칭이다.
g(θ)는 주기가 2π인 주기함수 이므로 θ에 대하여 푸리에 급수로 전개할 수 있고 기함수이므로 코사인 항이 존재하지 않으며, 가정에 의하면 짝수번째의 조화항 또한 존재하지 않는다.
전류명령 또한 주기함수이므로 푸리에 급수 전개할 수 있고, 3상 전류 합은 제로이므로 sin(3nθ)항은 존재하지 않는다.
한 상에 의한 토크를 계산하기 위하여 식 (5,1,2)와 식 (5,1,3)을 곱하면
그리고, 나머지 상에 대하여
상기 식 (5,1,4), 식 (5,1,5), 식 (5,1,6)을 더하면 6의 배수 조화항만 남게 된다.
여기서
식 (5,1,2)에서 E15이상을 무시하자. T0, T12항을 제로로 만들기 위한 I5, I7을 구한다.
식 (5,1,8),(5,1,9)를 풀면,
다음과 같은 정의를 한다.
그러면 토크 리플 T6, T12를 제거하는 최종적인 전류 명령은 식 (5, 1, 14)와 같다.
리플이 제거된 최종 토크는
식 (5,1,15)에서 주파수가 충분히 큰 T18, T24항은 전체의 광성에 의해 로우패스 필터링 되므로 문제가 없다.
이 발명의 구성 및 전반적인 동작 설명 :
제8도는 3상 브러쉬없는 직류 전동기를 부하로 하는 전류 제어형 펄스폭변조 방식 인버터의 기본 회로이다. 전동기에 전류를 공급하는 전력 증폭기를 선형 영역에서 동작시키는 것은 전력 트랜지스터의 과다한 전력 소비로 바람직하지 못하여 이 전력 소비를 줄이는 방법으로 전력 트랜지스터를 스위칭 영역에서 동작시켜 전력 소비를 최소화시킨다. 이러한 방법이 펄스폭변조 인버터 방식이다.
각 상의 전류 명령은 실제 전류와 순시적으로 비교되며 전류 제어기를 통해 트랜지스터의 동작 신호가 출력된다. 제8도에서 전류 명령 벡터를 I*라 하고 실제로 흐르는 전류 벡터를 i라고 할 때, 전류 및 전압 성분을 복소 평면에 나타내면 제8도와 같이 되며, 이 때 전류 에러 벡터 △i는 식 (5,2,1)으로 주어진다.
그리하여 출력 전압 벡터 V1∼V8을 이용하여 실제 전류 벡터 iii를 전류 명령 벡터i'에 추종시켜 전류를 제어한다.
제9도에 도시된 것은 전류 벡터와 3상 좌표축을 복소 평면에 나타낸 것으로 각 상의 전류 에러 △ia,△ib,△ic는 전류 에러 벡터 △i를 각 상에 투영시킴으로서 나타낼 수 있다. 그런데, 실제 전류를 전류 명령에 완전히 추종시키기 위해서는 식 (5,2,1)에서 △i를 0으로 하는 펄스폭변조 이버터의 출력 벡터를 선택하게 되는데 실제로 출력 전압이 이산적이기 때문에 △i를 0으로 하는 것은 불가능하고 전류 에러 벡터에 어떤 허용 범위를 설정하여 전류 에러 벡터가 그 허용 범위내에 있도록 전압 벡터를 선택한다.
전압 벡터를 선택하는 방법으로는 즉, 전류 제어 방식으로는 크게 히스테리시스 제어 방식과 삼각파와 비교 방식이 있다. 삼각파와 비교 방식은 전류 에러 신호를 삼각파 비교하여 펄스폭 변조 신호를 발생시킨다. 삼각파 비교 방식은 고이득 전류 제어기 (High gain controller)에 해당되는 데 그 근거를 설명하면 다음과 같다.
제10도에 도시된 바와 같이 전류 에러 신호가 E로 일정할 때, 전동기에 인가되는 전압 Va(t)는 주파수가 삼각파 주파수로 일정한 주기 함수 이다. Va(t)를 푸리에 급수 전개하면 식 (5,2,2)와 같다.
여기서,
삼각파의 주파수 (1/T=f)를 전동기 시정수보다 충분히 크게 하여 고주파 성분을 전동기에 의하여 제거하면 삼각파 비교 방식의 전달 함수는 식 (5,2,3)과 같다.
따라서, B 가 상당히 크면 고이득 전류 제어기가 된다.
한 상에 대해 두 스위칭 소자가 동시에 온(ON)되는 것을 방지하기 위하여 스위칭 소자의 턴오프(Turn-off) 시간보다 긴 데드 타임(Dead time)을 발생시키고 비교기의 입력에 발생되는 노이즈를 고려하여 히스테리시스 폭을 설정한다. 따라서, 실제로 구현되는 삼각파 비교 방식의 블록 다이어그램은 제11도에 도시되어 있다.
제12도에 도시된 히스테리시스 방식은 전류 에러 신호를 삼각파와 비교하지 않고 직접 비교기에 전달되어 펄스폭변조 신호를 발생시킨다. 히스테리시스 방식은 구현하기가 삼각파 방식에 비해 용이하고 실제 전류가 전류 명령을 잘 추종하지만 스위칭 주파수가 일정하지 않으므로 소음이 심하다는 단점을 가진다. 삼각파 비교 방식과 마찬가지고 비교기에 히스테리시스 폭과 데드 타임 발생기를 설정함으로 실제 전류는 리플을 가진다.
그러한 리플은 주파수가 상당히 크기 때문에 전동기의 시정수에 의하여 충분히 제거된다고 가정할 수 있다. 그러면 전동기 토크가 전류에 직접 비례하게 되므로 전동기의 응답이 빨라지게 되고 속도 제어가 용이해진다. 이러한 히스테리시스 전류 제어기를 a,b,c의 삼 상에 모두 사용하였을 때 브러쉬없는 직류 전동기 시스템은 제13도에 도시된 바와 같이 전동기의 저항과 인덕턴스를 고려하지 않고 나타낼 수 있다. 그러면, 전체 시스템이 선형 시스템이 되어 분석이 용이해진다.
실시예 :
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
제14도는 이 발명의 실시예에 따른 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템의 구성 블록도이고, 제15도는 상기 제14도의 전류 측정회로의 상세 회로도이고, 제16도는 상기 제14도의 비례 미적분 제어기의 상세 회로도이고, 제17도는 상기 제14도의 데드 타임 발생기의 상세 회로도이고, 제18도는 상기 제14도의 게이트 구동 회로의 상세 회로도이고, 제19도는 상기 제14도의 전류명령 발생회로의 상세 회로도이다.
상기 제14도에 도시되어 있듯이, 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전도기 제어시스템은, 전류명령 발생회로(14)와, 전류 제어기(current cntroller)(15)와, 인버터(inverter) 회로 (16)와, 3상 코일(17)과, 전원장치(18)로 구성된다.
전류 제어기(15)는 보다 상세하게 전류 측저오히로(151)와, 비례미적분 제어기(153)와, 데드타임 발생기(155)와, 게이트 드라이버(157)로 구성된다.
모터의 3상을 a,b,c상으로 표기하였는데, 제15도 이하의 도면 및 명세서에서는 그 각각을 u,v,w상으로 표기하기로 한다.
제19도를 참조하여 전류명령 발생회로(14)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
제19도에 도시된 전류명령 발생회로(14)는 위치정보(θ)로부터 u상과 w상의 상전류 명령(Iu', Iw')을 생성하기 위한 것이다. 전류명령의 파형에 관한 데이터는 롬*141,142)에 매핑(mapping) 방식으로 저장되어 있으며, 위치정보((θ)에 입력되면 롬(141)에서는 f((θ)에 관한 데이터가 출력되고, 롬(142)에서는 f((θ+⅔π)에 관한 데이터가 출력된다.
롬(141,142)에서 출력된 전류명령의 파형에 관한 데이타(f((θ), f((θ+⅔π))는 멀티 디지털 /아날로그 변환기에서 아날로그 신호로 변환된 후 연산 증폭기(145,146)에 의해 전류명령의 크기에 해당하는 토크 명령(I')과 곱해져서 상전류 명령을 만들어 낸다. 각각의 멀티 디지털 /아날로그 변환기(143,144)의 출력단에 연결된 연산 증폭기(147,148)는 바이폴라 출력을 얻기 위한 것이다.
상기 연산 증폭기 (147,148)에서 풀력되는 상전류 명령(Iu', Iw')은 제14도에 도시된 전류 제어기(15)내의 비례미적분 제어기(153)에 입력된다.
제15도를 참조하여 전류 측정회로(151)의 동작을 살펴보면, 전류 측정회로(151)는 모터의 u상과 w상에 실제로 흐르는 전류를 측정한다. 상기 전류 측정회로(151)는 전류 트랜스듀서(1510,1512)와 저역통과 필터(LPT : Low Pass filter)를 이루는 연산 증폭기(1514,1516) 및 저항(R,R1,R2), 콘덴서(C,C1,C2)로 구성된다.
전류 트랜스듀서(1510,1512)는 모터의 u상과 w상에 흐르는 전류량을 검출하기 위한 것이며, 연산 증폭기(1514,1516) 및 저항(R,R1,R2), 콘덴서(C,C1,C2)로 구성된 저역통과 필터를 통해 상기 검출된 전류량에 포함되어 있는 저주파수 영역의 노이즈가 제거되도록 하고 있다.
상기 저역통과 필터에서 저항(R42)과 콘덴서(C40) 또는 저항(R45)과 콘덴서(C41)의 소자값을 조절함으로써 통과대역의 대역 폭이 조절될 수 있다.
상기 전류 측정회로(151)의 출력신호(Iuf', Iwf')와 전류명령 발생회로(14)의 출력신호(Iu', Iw')를 입력으로 하는 비례 미적분 제어기 (153)의 상세 회로는 제16에 도시되어 있다.
비례 미적분 제어기(153)는 u상과 w상의 전류명령(Iu', Iw')과 전류피드백(Iuf,Iwf)을 받아 3상의 출력 펄스(u,v,w)를 생성하기 위한 것이다. v상은 연산 증폭기(1532)를 사용하여 u상 및 w상의 전류명령(Iu', Iw')과 전류 피드백(Iuf,Iwf)으로부터 합성해 낼 수 있다.
각 연산 증폭기(1531,1533,1536)의 이득값은 저항(R141,R142) 및 콘덴서(C141), 또는 저항(R143,R144) 및 콘덴서(C142), 또는 저항(R145,R146) 및 콘덴서(C143)의 소자값을 적절히 선택함으로써 조정할 수 있다. 연산 증폭기(1531)는 u상, 연산증폭기(1536)는 v상, 연산 증폭기(1533)는 w상을 위한 것이며, 상기 각 연산 증폭기(1531,1533,1536)에 의해 입력신호는 비례미적분 된다.
상기 연산 증폭기(1531,1533,1536)에서 출력된 전압은 비교기(compurator)로 동작하는 연산 증폭기(1534,1535,1537)에 입력되어 펄스폭(pulse width)이 변환되어 출력된다. 상기 각 연산 증폭기(1534,1535,1537)의 비반전 입력단에는 레퍼런스 전압으로써 삼각파가 인가된다.
비교기로 동작하는 상기 연산 증폭기(1534,1535,1537)의 출력전압(u,v,w)은 데드 타임 발생기(155)에 입력되며, 데드 타임 발생기(155)의 상세한 회로는 제17도에 도시되어 있다.
데드 타임 발생기(155)는 비례 미적분 제어기(153)의 연산 증폭기(1534,1535,1537)에서 출력되는 펄스폭 변조된 3상 출력신호(u, v, w)로부터 인버터 회로(!6)내의 파워 트랜지스터(power transitor)의 실제 온/오프 신호를 생성하기 위한 것으로, 한 상의 파워 트랜지스터의 상하단이 동시에 온 되는 것을 피하기 위해 데드 타임을 준다.
상기 데드 타임은 저항(RA1)과 콘덴서(C51∼C56)의 소자값의 조합으로 만들며, 그 크기는 td≒ RA1×C51 과 같다.
즉, 데드 타임 발생기(155)에 입력된 신호는 증폭기(1551,1553,1555) 또는 반전기(1552,1554,1556)를 통과한 후, 저항(RA1) 및 콘덴서(C51∼C56)에 의해 데드 타임이 형성되고, 반전기(1557∼1562)를 거쳐 커넥터(1563)에 입력되어 게이트 구동회로(157)에 전달된다.
상기 커넥터(1563)의 출력신호를 입력으로 하는 게이트 구동회로(157)의 상세한 회로는 제18도에 도시되어 있다.
상기 게이트 구동회로(157)는 데드 타임 발생기(155)에서 받은 파워 트랜지스터 온/오프 신호를 제12도에 도시한 인버터 회로(16)의 각 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)의 베이스단에 인가하는 동작을 수행한다.
즉, 데드 타임 발생기(155)의 커넥터(1563)에서 출력된 신호는 증폭기가 내장된 포토 커플러(1571∼1576)에 의해 신호처리 된후, 각 포토 커플러(1571∼1576)에 연결된 저항(R161∼R166)을 거쳐 인버터 회로(16)의 각 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)의 베이스단에 인가된다. 상기한 증폭기가 내장된 포토 커플러(1571∼1576)로는 HCPL 3101을 사용하였으나 이 발명의 기술적 범위는 여기에 한정되지 않는다
인버터 회로(16)의 트랜지스터(Q1∼Q6) 베이스단의 온/오프 속도는 게이트 구동회로(157)의 출력단에 연결된 저항(R161∼R166)의 소자값을 선택함으로써 조절할 수 있다. 또한, 포토 커플러(1571∼1576)에 연결된 콘덴서(C161∼C166)에 인가되는 전원(P1∼P4, N1∼N4)은 트랜지스터(Q1∼Q6)의 베이스단을 구동하는 전압레벨을 생성하기 위한 것이다.
상기 게이트 구동회로(157)의 출력신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)는 인버터 회로(16)의 파워 트랜지스터(Q1∼Q6) 베이스단에 각각 인가되며, 각 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)의 턴온 또는 턴오프의 스의핑 동작에 따라 전원장치(18)의 전압이 3상 코일에 인가되도록 한다.
상기 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)의 온/오프 타이밍에 따라 3상 코일 (17)에 인가되는 전류량이 가변되며, 상술한 이 발명의 제어에 따라 모터의 토크 리플이 최소화 될 수 있다.
이 발명의 효과 :
이 발명의 원리에 따르면, 토크 리플을 최소화함으로써 전동기와 이에 따른 부하장치에서의 떨림 등 미세진동의 감소가 가능하고 이에 따른 전동기 적용상에서 문제해결이 가능하다. 또한, 속도명령에 대한 전동기의 추종성능이 향상되어 보다 정밀한 속도제어가 가능하다.

Claims (8)

  1. 전류명령의 파형에 관한 정보가 저장되어 있으며, 위치정보에 따라 대응하는 전류명령의 파형을 출력시키는 롬(141,142)과, 상기 롬(141,142)에서 출력되는 전류명령의 파형에 관한 데이터를 아날로그 신호로 변환하기 위한 디지털/아날로그 변환기 (143,144)와, 상기 디지털/아날로그 변확기(143,144)에서 출력되는 전류명령의 파형에 전류명령의 크기를 곱하도록 하기 위한 연산증폭기(145,146)와, 상기 연산 증폭기(145,146)의 풀력단에 연결되어 바이폴라 레벨의 출력신호를 얻기 위한 연산 증폭기(147,148)로 이루어지는 전류명령 발생회로(14)와; 모터에 실제 흐르는 전류가 상기 전류명령 발생회로(14)에서 출력된 전류명령에 비례비적분 방식으로 추종되도록 하며, 상기 전류명령으로부터 스위칭 동작을 위한 온/오프 신호를 생성하도록 하는 전류 제어기(15)와;
    상기 전류 제어기(15)에서 출력되는 온/오프 신호에 의해 스위칭 소자(Q1∼Q6)가 온/오프 동작을 수행하여 전원장치(18)에 의하여 3상코일(17)에 의도하는 전류량이 인가되도록 하는 인버터 회로(16)로 구성되어짐을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기한 전류 제어기(15)는 모터의 3상 코일(17)에 실제로 흐르는 전류량을 검출하기 위한 전류 측정회로(151)와; 상기 전류 측정회로(151)에서 출력된 전류가 비례미적분 방식에 의해 전류명령 발생회로(14)에서 생성된 전류명령에 추종하도록 하기 위한 비례미적분 제어기(153)와; 인버터 회로(16)의 한 상의 파워 트랜지스터(Q1∼Q6) 상하단이 동시에 턴온되지 않도록 상기 비레미적분 제어기(153)의 출력신호에 데드 타임이 형성되게 하는 데드 타임 발생기(155)와; 상기 데드 타임 발생기(155)의 출력신호를 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)의 베이스단에 인가하기 위한 전압레벨로 승압시키도록 하기 위한 게이트 구동회로(157)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
  3. 제3항에 있어서, 상기한 전류 측정회로(151)는 모터의 u상과 w상에 흐르는 전류량을 검출하기 위한 전류 트랜스듀서(1510,1512)와 상기 전류 트랜스듀서(1510, 1512)에서 검출된 전류의 저주파수 영역의 노이즈를 제거하기 위한 저역통과 필터(1514,C1,R1;1516,C2,R2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
  4. 제4항에 있어서,상기한 저역통과 필터(1514,C1,R1;1516,C2,R2)의 대역폭은 저항(R1,R2) 또는 콘덴서(C1,C2)의 소자값을 변화시킴으로써 가변 가능함을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기한 비례미적분 제어기(153)는 u상 및 W상의 전류명령과 전류 피드백으로부터 V상의 전류명령을 합성하기 위한 연산 증폭기(1532)와; 각 상의 전류명령을 비례 미적분하기 위한 연산 증폭기 (1531,1533,1536)와; 상기 연산 증폭기 (1531,1533,1536)의 출력신호를 삼각파에 의해 비교되도록 하여 온/오프의 펄스폭 변환된 신호를 생성하기 위한 연산 증폭기 (1534,1535,1537)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
  6. 제6항에 있어서, 상기한 연산 증폭기 (1531,1533,1536)의 이득값은 저항(R141,R142) 및 콘덴서(C141), 또는 저항(R143,R144) 및 콘덴서(C142), 또는 저항(R145,R146) 및 콘덴서(C143)의 소자값을 적절히 선택함으로써 조절함을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
  7. 제3항에 있어서, 상기한 데드 타임 발생기(155)는 저항(RA1) 및 콘덴서(C51∼C56)의 소자값의 조합으로 데드 타임을 형성함을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
  8. 제3항에 있어서, 상기한 게이트 구동회로(157)는 상기 데드 타임 발생기(155)의 출력신호를 신호처리 하기 위한 증폭기가 내장된 포토 커플러(1571∼1576)와; 상기 포토 커풀(1571∼1576)에 인가되어 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)의 베이스단을 구동하기 위한 레벨로 전압을 승압시키기 위한 전원(P1∼P4,N1∼N4)과; 상기 포토 커플러(1571∼1576)의 출력신호를 파워 트랜지스터(Q1∼Q6)의 베이스단에 전달하기 위한 저항(R161∼R166)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 토크 리플을 최소화시킨 브러쉬없는 직류전동기 제어시스템.
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