KR0132028B1 - 직류 모터의 토크 제어 장치 - Google Patents

Abstract

D. C.모터와 같은 D. C. 기계의 토크 제어용 장치는 D. C. 모터가 전류제어 시스템(5 및 8)을 사용하여 전력 변환기의 전류 제어를 실행함으로써 구동되고, 전류(lco)는 토크 제어 명령에 높은 응답 특성을 제공하기 위하여 D. C. 모터(1)의 직류(lco)를 토크 제어 명령(Tc)로부터 계산함으로써 유도된다. 부수적으로, 토크 보상 서보 증폭기(10)은 토크 검출 또는 계산치(Td)로부터 전류 제어명령(lcd)를 보상하기 위해 제공되므로 전류 제어에 의해 야기된 토크 에러는 높은 정확성의 토크 제어를 제공하도록 보상된다.

Description

직류 모터의 토크 제어 장치

제1도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 D. C. 기계의 토크 제어 장치의 회로 블럭도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : D. C. 기계 2 : AC-DC 전력 변환기

3A : 토크/전류 계산 회로 5,8 : 전류 제어 시스템

9 : 위상 제어 게이트 회로 10 : 토크 보정 서보 증폭기

11 : 서보 증폭기 12 : 극성 정합 증폭기

13 : 리미터 14 : 가산기

본 발명은 D.C.(직류) 모터와 같은 D.C. 기계의 토크를 제어하기 위한 장치에 관한 것이다.

D.C. 기계는 여러가지 종류의 산업용 기계의 전원 또는 검사 부하로서 이용되도록 고성능 속도 및 토크 응답 특성을 갖추고 있는 것이 특징적이다. 예를 들면, D.C.모터는 엔진 검사 및 차량의 가동 시뮬레이션 검사시의 전력 흡수 부하용으로 사용된다. D.C. 모터는 모터 토크의 제어값 및/또는 모터 속도의 제어값을 수신한다.

이미 제안된 토크 제어 장치는 D.C. 모터의 출력 토크가 토크 계기 대신에 D.C. 모터의 입/출력 전력 및/또는 D.C. 모터의 전류로부터 전기적으로 측정되는 출력 토크 검출 시스템을 포함하고, 토크 제어 시스템의 주 루프(major loop)의 부루프(minor loop)에 제공된 전류 제어 시스템을 포함한다. D.C. 모터는 반전형 병렬 싸이리스터 접속부(reverse parallel thyristor connections) 내의 AC-DC 전력 변환기에 의하여 제어된 D.C. 전력을 수신하고, D.C. 모터의 입/출력 토크는 토크계산 회로에 의해 토크 계산치(Td)로서 검출된다.

상술한 토크 계산치(Td)는 D.C. 모터의 입/출력 전력(P), 회전 속도(N), 기계적 손실, 및 철손(iorn loss)으로부터 구해진다. 토크 계산 회로는 전압(Va) 및 전류(Ia)의 검출치를 수신하여, 전력(P)을 구하고, 펄스 픽업 및 주파수 전압 변환기로부터 검출치를 수신하여 회전 속도(N)를 구하고, 계자(field) 전압(Vcp)으로부터 검출치를 수신하여 기계적 손실 및 철손을 구한다.

전기적으로 토크를 계산하기 위한 또 다른 방법들로는 D.C. 모터의 전류(Ia) 및 자속 밀도(ψ)로부터 토크를 구하는 방법과 전환(스위칭) 방법이 있는데, D.C. 모터의 회전 속도가 느릴 때는 후자의 방법을 사용하여 토크를 계산하는 반면에, D.C. 모터의 회전 속도가 빠를 때는 전자의 방법을 사용하여 토크를 계산한다.

토크 계산 회로에서의 토크 계산치(Td)는 토크 제어 명령(Tc)에 대한 피드백 신호로 작용하고, 토크 계산회로는 토크 서보 증폭기에 의해 토크 제어 계산(비례적분)(PI)을 수신함으로써 토크 서보 증폭기의 출력은 부 루프의 회로 제어 시스템에 의해 회로 제어 명령(Ic)으로서 검색된다.

전류 제어 시스템은 전류 검출 회로에 의해 구해진 전력 변환기의 전류 검출치(Id)를 피드백 신호(Id)로서 제공하도록 동작한다. 상술된 피드백 신호(Id)와 전류 제어 명령(Ic)으로부터, 전류 제어 서보 증폭기에 의해서 전류 제어 계산이 시행되어 전력 변환기의 위상 제어 게이트 회로용의 위상 제어 신호가 구해진다.

상기의 이미 제안된 토크 제어 장치에서는, 토크 제어 시스템의 제어 응답 속도는 이 제어 응답 속도가 부 루프의 전류 제어 시스템의 전류 제어 응답 속도의 1/5 내지 1/10 정도로 설정된 경우 안정화된다.

따라서 토크 제어 시스템의 응답 속도는 저속으로 한정되고, 토크 제어의 응답 특성은 원하는 대로 얻어질 수 있다. 예를 들면, D.C. 모터가 부착된 과도적 싸이리스터가 검사된(tested) 엔진의 큰 출력 변동을 추종할 수 있는 토크를 제어하기가 어럽게 된다.

토크 제어 응답 특성을 향상시키기 위한 이미 제안된 방법 중 하나는 1989년 11월 13일에 출원된 한국 특허 출원 제89-16470호에 대응하는 1990년 5월 21일에 공고된 일본국 제1 특개소 평성 제2-132341호에 기재되어 있다.

상기 한국 특허 출원에 기재된 전기적 토크 계산 회로의 역변환 공식을 이용하여, D.C. 모터를 통해 흐르는 전류(Ia)에 대응하는 전류 명령(Ic)은 토크 제어 명령(Tc) 및 다른 전압(Va)등으로부터 구해져 전류 제어 서보 증폭기에 의해 전류 제어를 행하기 위하여 사용된다.

상술한 후자의 방법에 따라서는 토크 제어부의 단일 제어 시스템인 전류 제어 시스템을 안정화시키기 위하여 토크 제어 시스템의 응답 특성을 감소시키는 것은 불필요하고, 토크 제어 명령(Tc)으로부터 전류 제어 명령(Ic)을 구하는 계산 회로의 계산 속도가 충분히 빠르므로 전류 제어 시스템이 높은 응답 속도를 제공하는 토크 제어가 달성될 수 있다.

그러나, 토크 제어 명령을 전류 제어 명령으로 변환하기 위한 수단을 갖추고 있는, 상기 일본국 제1특개소(한국 특허 출원)에 기재된 이미 제안된 토크 제어 장치는 D.C. 모터의 실제 구해진 토크치에 기초하여 보정이 전혀 행해지지 않기 때문에, 토크 제어 명령(Tc)으로부터 전류 제어 명령(Ic)의 계산에 에러가 포함된다. 즉, 이 에러는 전류 제어 시스템의 제어 에러, 응답 지연, D.C. 모터의 필드 변화에 따른 지연, 및 외부 외란에 의해 발생된다. 따라서, 토크 제어의 정밀도가 감소된다.

본 발명의 목적은 높은 토크 제어 정밀도를 갖는 D.C. 모터와 같은 D.C. 기계용으로서, D.C. 기계에 대한 토크 제어의 보다 높은 응답 특성을 달성할 수 있는 개선된 토크 제어 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적은, AC 전원 장치로부터 D.C. 기계(1)에 제어된 흡수/구동 전류를 공급하도록 구성된 AC-DC 전력 변환기(2), AC-DC 전력 변환기에 접속된 전류 제어 시스템(8), 및 D.C. 모터(1)의 주 회로 전압, 주 회로 전류, 회전 속도(N), 이전에 측정된 기계적 손실 및 철손에 기초하여 토크 제어 명령(Tc)을 전류 제어 명령(Ic)으로 변환시키는 전류 명령 계산 수단(5, 3A, 10)을 구비하고, 상기 전류 제어시스템은 D.C. 기계에 대한 토크 제어를 수행하기 위하여 상기 전류 명령 계산 수단으로부터 전류 제어 명령을 수신하는 D.C. 기계(1)용 토크 제어 장치에 있어서, a) D.C. 기계의 계산 또는 토크 측정 기구에 의해서 D.C. 기계의 입/출력 토크를 구해내기 위한 토크 검출 수단(3A), 및 b)전류 제어 명령을 보정하기 위하여 토크 제어 명령(Tc)과 토크 검출 수단에 의해 구해진 토크 명령치(Td) 사이의 편차에 대한 비례-적분(DI)을 계산하도록 구성된 토크 보정 서보 증폭기(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 제어 장치에 의해 달성될 수 있다.

이하, 본 발명을 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예 및 특징에 대해 상세히 설명하겠다.

제1도는 본 발명에 따른 양호한 실시예인 D.C. 모터와 같은 D.C. 기계용 토크 제어 장치의 회로블럭도를 도시한 것이다.

제1도에 있어서, D.C. 모터(DM)(1)는 반전형 병렬 싸이리스터의 형태로된 AC-DC 전력 변환기(2)로부터 D.C. 전력을 수신한다. 상술한 토크 계산 회로 대신에 토크/전류 계산 회로(3A)가 구비되어 D.C. 모터(1)의 입/출력 토크를 계산하고, 토크 제어 명령을 전류 제어 명령으로 변환시킨다.

토크 보정 서보 증폭기(10)는 토크 제어 명령(Tc)과 토크/전류 계산 회로(3A)로부터의 토크 계산치(Td)사이의 편차에 대한 비례 적분(PI)을 계산하는 서보 증폭기(11), 이 서보 증폭기(11)의 출력 극성을 조절하기 위한 극성 정합 증폭기(12), 이 정합 증폭기(12)의 출력을 제한하는 리미터(13), 및 리미터(13)의 출력 전류(Ic1)에 의해 토크/전류 계산 회로(3A)로부터의 전류 계산치(Ico)을 보정히는 가산기(14)를 포함한다.

서보 증폭기(11)의 적분 계산 소자로 작용하는 캐패시터(C)에는 적분된 전압을 리셋트시키기 위하여 캐태시터(C) 양단에 설치된 스위치(SW)(예를 들면, 아날로그 스위치)가 구비된다. 스위치(SW)는 전력변환기(2)의 전류 인터럽션 기간 중에 위상 제어 게이트 회로(9)로부터 도출된 턴 온 신호에 응답하여 턴온된다.

인터럽션 기간 중에는 서보 증폭기(11)의 적분 동작은 중지된다.

본 발명의 양호한 실시예에서는 토크 제어 명령(Tc)에 대해서 토크/전류 계산 회로(3A)에 의해 구해진 토크 계산치(Td)에서 에러가 발생한 경우, 즉 서보 증폭기(11)에 의해 토크/전류 계산 회로(3A)의 전류 계산치(IC₀)에서 에러가 보정량으로써 도출된 경우, 전류 계산치(Ic0)는 극성 정합 증폭기(12) 및 리미터(13)을 경유하여 가산기(14)에 의해 보정되고, 보정된 전류 계산치는 전류 제어 시스템에서 전류 명령(Ic)로 작용한다.

토크 보정량으로 작용하는 리미터(13)의 출력 전류 계산치(Ic₁)의 레벨은 토크 에러에 대한 보정을 위해 보상되기 때문에, 리미터(13)에 의한 제한 동작이 시행되어 출력(Ic₁)의 레벨은, 예를 들면 D.C. 모터(1)의 정격 전류의 약 ±5%가 된다.

토크 보정 서보 증폭기(10)에 있어서, 약간의 보정량만이 달성되기 때문에, 서보 증폭기(11)의 적분 구간은 극히 짧은 시간 상수가 된다.

상기 양호한 실시예에서는 토크 제어의 높은 응답 특성은 토크 제어 명령(Tc)이 전류 제어 명령(Ic₀)으로 변환된 전류 제어 시스템에 의해 달성될 수 있고, D.C.모터의 입.출력 토크의 토크 계산치(Td)가 토크 제어 명령(Tc)에 관련된 에러를 포함할 때, 토크 보정 증폭기(10)에 의한 전류 제어 명령(Ic₀)의 보정은 상술된 토크 제어 에러의 발생을 억제할 수 있으므로 트크 제에의 정밀도가 향상된다.

토크 제어 응답에 있어서는, 예를 들면 토크 제어의 90% 스텝 응답 시간은 전류 제어의 90% 스텝 응답 시간과 동일하게 될 수 있다.

또한, 전류 제어 시스템의 제어 에러가 준안정 상태(일정 속도 구동 및 일정 가속/감속 구동)의 전류 제어 시스템의 토크 보정에 의해 보상되기 때문에 전류 제어 명령이 토크 제어 명령(Tc)과 대체로 일치되게 하는 토크 제어가 달성될 수 있다. 따라서, 토크 제어의 높은 정밀도가 달성될 수 있다.

다음에, 스위치(SW)에 의한 적분 동작 정지 제어에 의해서 D.C. 모터(1)로의 전력 변환기(2)의 흡수 전류와 D.C. 모터(1)로의 구동 전류 사이의 전환 중에 전체 제어 시스템이 안정화된다.

즉, 제1도에 도시된 반전형 병렬 싸이리스터 접속 형태의 전력 변환기(2)는 흡수 전류와 구동 전류 사이의 전환 중에 20 msec 내지 50 msec의 전환 시간 마진(margin)을 발생시키고, 이 전환 중에는 전력 변환기(2)의 주 회로 전류가 제로(0)가 된다. 따라서, 토크 서보 증폭기(10)의 보정 출력은 리미터(13)의 제한치로 포화되므로, 주회로 전류 전환이 일어난 직후에 제한치와 거의 동일한 변환기(2)의 주 회로 전류의 오버슈트(overshoot)가 발생된다.

상술한 바와 같은 현상은 매우 짧은 과도 상태인 경우에는 특별한 문제가 발생되지 않는다. 그러나, 새시(chassis) 싸이리스터에 대한 제1 실시예의 응용, 특히 D.C. 모터(1)의 토크 제어에서 관성 토크를 포함하는 전기적 관성 제어를 실행하는 싸이리스터에 대한 응용에 있어서는, 주 회로 전류 방향은 경 부하 등속 구동 모드(기계 시스템의 토크 손실에 가까운 부하에서의 구동 모드)에서 자주 전환된다. 전환 중에 토크 오버슈팅이 큰 경우, 전류 관성 제어는 불안정해진다.

이에 관련하여, 싸이리스터가 교차 접속 형태로 이루어진 전력 변환기에 아무런 문제점이 발생되지 않는다 하더라도, 이러한 형태에 의해서 주회로의 구조는 커지게 되고 비용도 많이 들게 된다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 위상 제어 게이트 회로(9)는 주 회로의 전류 인터럽션 기간 중에 적분 동작을 중지시키기 위하여 스위치(SW)에 턴 온 신호를 발생시킨다. 이에 따라서 주 회로 전류 인터럽션 기간 중에 토크 제어 명령(Tc)과 토크 계산치(Td) 사이에서 편차의 적분치가 제로(0)가 될 수 있고, 주 회로 전류전환 직후의 오버슈트가 최소로 될 수 있다. 따라서, 제어 시스템의 안정성이 향상될 수 있다.

특히, 전기적 완성 제어가 시행되는 시스템에 있어서는, 저가속 구동중에 안정성이 향상되고, 싸이리스터가 교차 접속 형태로 형성된 전력 변환기의 안정성과 동일한 안정성이 획득될 수 있다.

또한, D.C. 모터(1)가이 기동 또는 재기동될 때 오버슈트 발생이 나타날 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 축 토크 측정계나 스윙 토크 측정계와 같은 토크 측정 기구에 의해서 D.C. 모터(1)의 토크 검출 동작이 실행되는 경우에, 토크/전류 계산 회로(3A)는 D.C. 모터가 갖고 있는 관성으로 인한 가속 토크에 대해 보정을 행함으로써 동일 동작 및 효과가 달성될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 D.C. 기계용 토크 제어 장치에 있어서,토크 보정 서보 증폭기는 토크 제어 명령으로부터의 계산에 따라 도출된 전류 제어 명령(Ic)에 포함된 에러를 보정하는 작용을 하므로, 토크 제어의 정밀도가 향상될 수 있다. 토크 보정에 필요한 토크 검출은 축 토크 측정계 또는 스윙 토크 측정계에 의해서 전류 제어 명령을 도출하기 위하여 D.C.기계의 전압을 사용하여 계산함으로써 도출된다.

또한, 전력 변환기가 반전형 병렬 접속 싸이리스터로 구성되어 있고, 그 흡수전류와 구동 전류가 적절하게 전환되는 토크 제어에서는 토크 보상 서보 증폭기로부터의 토크 보정 출력이 전류 전환의 주 회로 전류 인터럽션 기간 중에 적분 동작의 중지로 인해 작아지므로 전환 후의 토크 오버슈트가 억제될 수 있다.

본 발명에 따른 토크 제어 장치는 높은 토크 제어 정밀도와 높은 응답 특성이 요구되는 과도적 싸이리스터에도 적용될 수 있다.

토크 제어는 흡수 전류와 구동 전류 사이의 전환이 전기적 관성 제어와 같이 저가속 구동시에 자주 발생되는 경우에 안정될 수 있다.

제1도에 있어서, Vcp는 보상 와인딩(winding) 전압을 나타낸다.

전력 변환기에서 반전형 병렬 접속 싸이리스터을 사용할 수 있도록 하는 것과 같은 본 발명에 의해서 여러가지 효과가 달성될 수 있다.

본 발명은 양호한 실시예에 대해 상세히 설명되었지만, 본 분야에 숙련된 기술자들이라면 첨부된 특허 청구의 범위에서 정해지는 본 발명에 범위를 벗어나지 않고서 양호한 실시예를 여러가지로 변형 및 변경시킬 수 있다.

Claims (4)

1. AC 전원 장치로부터 D.C. 기계(1)에 제어된 흡수/구동 전류를 공급하도록 구성된 AC-DC 전력 변환기(2), 상기 AC-DC 전력 변환기에 접속된 전류 제어 시스템(8), 및 D.C.모터(1)의 주 회로 전압, 주 회로 전류, 회전 속도(N), 이전에 측정된 기계적 손실 및 철손에 기초하여 토크 제어 명령(Tc)을 전류 제어 명령(Ic)으로 변환시키는 전류 명령 계산 수단(5, 3A, 10)을 구비하고, 상기 전류 제어 시스템은 D.C. 기계에 대한 토크 제어를 수행하기 위하여 상기 전류 명령 계산 수단으로 부터 전류 제어 명령을 수신하는 D.C. 기계(1)용 토크 제어 장치에 있어서, a) D.C. 기계의 계산 또는 토크 측정 기구에 의해서 D.C. 기계의 입/출력 토크를 구해내기 위한 토크 검출 수단(3A), 및 b) 전류 제어 명령을 보정하기 위하여 토크 제어 명령(Tc)과 토크 검출 수단에 의해 구해진 토크 명령치(Td) 사이의 편차에 대한 비례-적분(DI)을 계산하도록 구성된 토크 보정 서보 증폭기(10)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 AC-DC 전력 변환기가 반전형 병렬 접속 싸이리스터(2)를 포함하고, 상기 제어 장치가 위상 제어 신호를 AC-DC 전력 변환기(2)로 발생시키고 상기 토크 보정 서보 증폭기(10)의 서보 증폭기(11)의 적분 동작을 중지시키기 위하여 턴 온 신호를 상기 토크 보정 서보 증폭기(10)에 설치된 스위치(SW)로 발생시키는 위상 게이트 제어 회로(9)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 제어 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 토크 보정 서보 증폭기(10)가 상기 서보 증폭기(11)의 캐패시터(C)와 극성 정합 증폭기(12)를 경유하여 상기 서보 증폭기(11)에 접속된 리미터(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 제어 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 D.C. 기계가 D.C. 모터(1)인 것을 특징으로 하는 토크 제어 장치.