KR0163609B1 - 전동기의 속도 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 저분해능의 펄스 엔코더를 이용해서 극 저속 영역의 전동기의 속도 제어를 안정시키고, 또 조정을 용이하게 하고, 속도 추정을 정밀하게 하고, 특히 저속으로부터 고속까지의 속도 제어계의 안정화를 도모할 수 있다.

토크 지령치와 부하 토크 추정치의 편차를 제1연산부(12)에서 연산한다. 이 연산 출력을 제2연산부(13)에서 연산하여 펄스 간격에 있어서의 평균치를 얻는다. 이 평균치와 속도 평균치와의 편차를 제1편차부(14)에서 얻는다. 제1편차부(14)의 편차 출력을 업저버 게인부(16)에서 엔코더 게인배해서 부하 토크 추정치를 얻고, 또 제1연산부(12)의 연산 출력과의 편차를 제2편차부(17)에서 얻는다. 제2편차부(17)의 편차 출력은 속도 추정치로해서 속도 증폭기(19)로 피드백 신호로서 공급하여 전동기의 속도를 제어한다.

Description

전동기의 속도 제어 장치

제1도는 속도 추정의 원리를 설명한 블럭도.

제2도는 속도 추정의 원리를 설명한 블럭도.

제3도는 엔코더 펄스와 속도 제어 주기의 관계를 도시하는 설명도.

제4도는 최소 차원 업저버(observer)에 의한 영속(零速) 업저버의 구성도.

제5도는 본 발명의 한 실시예를 도시하는 구성 설명도.

제6(a)도는 시간 대 속도의 관계를 도시하는 특성도.

제6(b)도는 시간 대 위치의 관계를 도시하는 특성도.

제6(c)도는 시간 대 펄스 수의 관계를 도시하는 특성도.

제6(d)도는 시간 대 속도 평균의 검출치를 도시하는 특성도.

제7도는 평균치 산출의 원리 설명도.

제8도는 ΔT_Ej사이의 평균화 설명도.

제9도는 (T_S-ΔT_Ej-1) 사이의 평균화 설명도.

제10도는 본 발명의 다른 실시예의 주요부를 도시하는 구성 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

12 : 제1연산부 13 : 제2연산부

14 : 제1편차 16 : 업저버 게인

17 : 제2편차부 19 : 속도 증폭기

20 : 가산기 100 : 평균화 처리부

101 : 가변 게인부

본 발명은 속도 검출기에 펄스 엔코더를 이용한 속도 제어계의 극저속 영역에 있어서의 전동기의 속도 제어 장치에 관한 것이다.

펄스 엔코더를 이용한 전동기의 속도 제어계에서는 극저속 영역에서 엔코더 펄스 간격이 속도 제어 주기보다 길어져서, 이 속도 제어 주기에서 정확한 속도 정보를 얻을 수 없게 된다. 따라서, 극저속 영역에서는 속도 제어계가 후술하는 바와 같이 불안정해지는 것으로 공지되어 있다.

전동기의 회전축에 연결된 펄스 엔코더는 전동기의 저속 영역에서 제6(c)도에 도시하는 바와 같은 펄스를 발생한다. 즉, 전동기의 저속 영역에서의 시간(t)에 대한 회전 속도(n_M)는 제6(a)도에 도시하는 바와 같이 직선적으로 변화하나, 시간(t)에 대한 위치(θ)는 제6(b)도에 도시하는 바와 같이 곡선적으로 변화한다. 따라서, 펄스 엔코더에서 얻어지는 펄스는 시간(t)의 경과와 함께 펄스 간격이 제6(c)도와 같이 좁아진다. 제6(c)도의 펄스 정보로부터 이 정보가 변화했을 때에, 펄스 간격 [T_P(j)]와 펄스 변화량에 의해 펄스 간격 [T_P(j)] 간의 평균 속도 [n_M(j)]가 제6(d)도에 도시하는 바와 같이 구해진다. 이러한 이유로 인해, 펄스 간격 [T_P(j)]가 속도 제어주기보다 길면, 이 사이의 속도를 검출할 수 없기 때문에, 전회치의 평균 속도 [n_M(j-1)]을 사용한다. 이러한 이유로 인해, 실제치(진값)의 속도(n_M)과의 편차가 커져서 속도 제어가 불안정해진다.

이와 같은 속도 제어의 불안정을 개선하기 위한 수단으로서 일본국 특개 평제2-307384호 공보가 있다.

상기와 같이 펄스 엔코더를 이용한 속도 제어계에서는 극저속 영역에서 속도 제어계가 불안정해진다. 이러한 문제는 특히, 서보, 엘리베이터 등의 위치 결정의 정밀도가 요구되는 용도에서는 반드시 해결해야 한다. 이러한 이유로 인해, 종래는 리졸버(resolver)나 고 펄스 출력의 엔코더를 이용했다. 그러나, 이와 같은 수단에서는 엔코더 등의 비용이 상승하는 문제가 있다. 또, 일본국 특개평 제2-307384호 공보에 기재된 부하 토크 추정치를 이용하는 수단은 완전 차원 업저버 방식이기 때문에 게인 조정이 매우 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기 사항을 고려한 것으로, 저분해능의 펄스 엔토더를 이용해서 극저속 영역의 전동기를 속도 제어를 안정하게 함과 동시에, 조정이 용이하고, 속도추정의 고정밀화 및 안정화를 도모하며, 특히 저속으로부터 고속까지의 속도 제어계의 안정화를 가능하게 한 전동기의 속도 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 전동기, 이 전동기의 속도를 펄스 출력으로서 송출하는 속도 검출기, 및 최소 차원의 부하 토크 추정치 업저버를 속도 제어 주기와 속도 검출 주기에 있어서의 이산계 모델로 변환하고, 상기 속도 검출기로부터 출력되는 펄스 간격에서의 속도를 추정하는 속도 추정 업저버를 갖는다.

또, 상기 속도 추정 업저버는 토크 지령치와 부하 토크 추정치와의 편차를 업저버 모델 기계 시정수로 적분해서 모델 출력 추정치를 얻는 제1연산부, 이 제1연산부에서 얻어진 모델 출력 추정치로부터 펄스 간격에 있어서의 평균치를 얻는 제2연산부, 이 제2연산부의 출력과 속도 검출기로부터 출력되는 펄스 변화시에 구해지는 평균치 속도와의 편차를 산출하는 제1편차부, 이 제1편차부에서 얻어지는 편차치를 업저버 게인배해서 상기 부하 토크 추정치를 얻는 업저버 게인부, 상기 제1연산부의 모델 출력 추정치와 상기 제1편차부의 편차치와의 편차를 구하는 제2편차부, 이 제2편차부에서 구해진 편차치와 속도 설정치와의 편차치가 피드백 신호로써 공급되는 속도 증폭기, 및 이 속도 증폭기의 출력과 상기 업저버 게인부의 부하 토크 추정치를 가산해서 토크 지령치를 얻는 가산부로 이루어진다.

또, 제2연산부는 속도 제어 주기와 속도 검출 주기와의 타이밍 편차를 보정하는 수단으로 구성하고, 또 업저버 게인부를 가변 게인으로 한 것이다.

전동기 속도가 저속 영역으로 되면, 속도 검출기로부터의 펄스 간격이 속도 제어 주기보다 길어져서, 정확한 속도 정보가 얻어지지 않게 된다. 이러한 이유로 인해, 최소 차원의 부하 토크 추정치 업저버를 이용해서 펄스 사이의 속도를 추정하여 추정 속도를 얻는다. 이 추정 속도를 속도 정보로 한다.

또, 속도 제어 주기와 속도 검출 주기의 타이밍에 편차가 생겼을 때에 제2연산부에서 이것을 보상하고, 또 저속으로부터 고속까지 속도 제어계를 안정화시키기 위해 업저버 게인을 가변으로 했다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하겠다. 먼저, 종래부터 이용되고 있는 부하 토크 추정 업저버(최소 차원 업저버)를 이용한 영속 업저버에 대해 설명한다.

(A) 속도 추정의 원리

최소 차원 업저버에 의한 부하 토크 추정 업저버는 제1도에 도시하는 바와 같은 구성으로 되어 있다. 최소 차원 업저버에서는 업저버 게인(g)이 단지 비례요소이므로, 부하 토크(τ_L)이 인가되면 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]와 속도(n_M)에 편차가 발생한다. 편차는 다음 식(1) 및 식(2)로 표시된다.

완전 차원 업저버에서는 업저버 게이(g)이 PI 요소로 되므로, 정상 상태에서는 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]와 속도(n_M)는 같아진다. 단, 부하 급변시와 같은 과도기에는 성립하지 않는다. 완전 차원 업저버보다 조정 요소가 적은 최소 차원 업저버를 이용해서 속도 추정을 행하려면, 식(2)를 변형하면 속도는 다음 식과 같이 된다.

식 (3)의 관계를 제1도에 추가해서 속도를 제2도의 블록도에서 추정한다.

(B) 영속(零速) 영역에서의 속도 추정

속도 검출기로서 펄스 엔코더를 이용하면, 극저속 영역에서는 속도 제어 주기보다도 엔코더 펄스 간격의 쪽이 길어진다. 제3도에 이 관계가 도시되어 있다.

제3도에 있어서, Ts는 속도 제어 주기, T_P는 엔코더 펄스의 주기, Td는 Ts와 쎄의 차(差)이다. 엔코더 펄스가 입력되면, 이 펄스 주기(Tp)에서 속도의 평균치는 다음 식(4)에서 구해진다.

속도 검출치는 평균치 밖에 검출할 수 없으므로, 업저버의 구성도 이것을 고려해서 제4도와 같은 이산계로 구성한다. 이 제4도의 최소 차원 업저버에 의한 영속 업저버의 구성도에 있어서, 속도 검출치는 평균치 [n_M(j)]이기 때문에, 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]도 이 사이의 평균치로 한다. 이 평균치의 편차를 이용해서 부하 토크 추정치 [τ_L(j)]를 추정한다. 펄스 간격에 있어서 평균치 [n_M(j)]는 다음의 식 (5)에서 구한다.

여기서, 제4도에 도시한 최소 차원 업저버에 의한영속 업저버를 이용한 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 제5도는 본 발명의 한 실시예를 도시하는 것으로, 제4도에 도시한 구성도에 편차기, 속도 증폭기 및 가산기를 설치한 것이다.

제5도에서 토크 지령치 [τ_m※(i)]와 부하 토크 추정치 [τ_L(j)]는 편차기(11)로 공급되고, 이 편차 출력이 제1연산부(12)로 입력된다. 제1연산부(12)는 속도 제어 주기(Ts)를 모델 기계 시정수(T_m※)로 나눈 제산부(12a)와, 이 제산부(12a)의 출력과 적분기(12c)의 출력을 가산하는 가산기(12b)로 구성되어 있다. 제1연산부(12)에서 연산되어 얻어진 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]는 펄스 간격에 있어서의 평균치를 얻는 제2연산부(13)로 입력된다. 제2연산부(13)에서 연산된 출력 [n_M'(j)]은 제1편차부(14)의 플러스 입력단으로 공급되고, 이 마이너스 입력단에는 펄스 엔코더(15)에 의해 검출된 속도 검출 출력의 평균치 [n_M(j)]가 공급된다.

제1편차부(14)의 편차 출력은 업저버 게인부(16)로 공급되고, 여기서 소정의 배수로 되어 출력으로 부하 토크 추정치 [τ_L(j)]를 얻는다. 또, 제1편차부(14)의 편차 출력은 제2편차부(17)의 마어니스 입력단으로 공급된다. 제2편차부(17)의 마이너스 입력단에는 모델 출력 추정치 [n_M(i)]가 공급되고, 이 출력에는 속도 추정치 [n_M(i)]가 얻어진다. 이 추정치 [n_M(i)]와 속도 설정치 [n_M※(i)]는 제3편차부(18)의 마이너스 및 플러스 입력단으로 공급되고, 이 편차 출력이 비례 게인(K_WC)의 속도 증폭기(19)로 공급된다. 속도 증폭기(19)의 출력과 부하 토크 추정치 [τ_L(j)]를 가산기(20)에서 가산하여 토크 지령치(τ_m※)를 얻는다. 이 토크 지령치(τ_m※)는 제4편차부(21)에서 부하 토크와의 편차를 취하여 전동기(22)로 공급하여 이것의 속도를 제어한다.

상기와 같이 구성된 실시예에 있어서, 토크 지령치(τ_m※)와 부하 토크 추정치 [τ_L(j)]와의 편차를 업저버 모델 기계 시정수(T_m※)로 적분해서 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]를 얻는다. 다음에, 이 [n_M'(i)]에서 펄스 간격에 있어서의 평균치를 구하고, 펄스 변화시에 구해지는 평균치 속도 [n_M(j)]와의 편차를 산출한다. 이 편차를 업저버 게인(g)배해서 부하 토크 지정치 [τ_L(j)]를 구한다. 그 후, 업저버 모델 출력 [n_M'(i)]과 제1편차부(14)의 출력과의 편차를 감산함으로써 펄스 사이의 속도를 추정해서 추정 속도 [n_M(i)]를 구한다. 이 n_M(i)를 속도 증폭기(19)로 피드백 신호로서 공급해서 전동기의 속도를 제어한다. 또, 부하 토크 추정치 [τ_L(j)]를 가산기(20)에서 속도 증폭기(19)의 출력과 가산해서 토크 지령치를 얻음으로써 부하 외란을 얻제할 수 있다.

상기 실시예에 있어서, 토크 지령치 [τ_m※(i)]는 직류기 제어의 경우에는 전기자 전류 검출치를 이용하고, 유도기의 벡터 제어의 경우에는 토크분 전류 검출치를 사용한다. 또, 각각의 검출치가 아니고 제어에 이용하는 지령치를 유용해도 좋다.

다음에, 속도 추정 업저버의 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]의 평균치 산출 수단을 개량한 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다. 최소 차원의 부하 토크 추정 업저버를 이용한 속도 추정 수단에 있어서, 펄스 엔코더의 신호가 얻어진 때에 검출할 수 있는 속도 정보는 이 신호 사이의 속도 평균치 [n_M(j)]이다. 따라서, 업저버 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]도 이 사이의 평균치를 산출해서 n_M'(j)를 구하고, n_M'(j)와 n_M(j)의 편차에서 부하 토크 추정치 [τ_L(j)]를 추정한다.

극저속 영역에서는 제3도에 도시하는 엔코더 펄스 간격[Tp(j)]가 길어지고, 이 사이의 속도 제어 주기 호수[n(j)]는 커진다. 따라서, j와 I 사이의 타이밍 편차(예를 들면, Td)의 영향은 적고, Tp(j) 사이의 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]의 평균치 [n_M'(j)]는 식(5)로 근사할 수 있다.

그러나, 극저속 영역보다 속도가 빨라져서 엔코더 펄스 간격[Tp(j)]가 짧아지고, 이 사이의 속도 제어 주기 회수[n(j)]가 작아지면, j와 i 사이의 타이밍 편차를 고려하지 않으면, 정확한 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]의 평균치 [n_M'(j)]가 얻어지지 않게 된다. 그래서, 이하, 평균치 [n_M'(j)]의 산출 수단을 제7도에 의해 설명한다. 단, 설명의 편의상 j~(j+1) 사이에서 검토한다. 제7도에서 평균치 [n_M'(j)]는 속도 제어 주기 사이의 평균치를 구해서, 이것의 총 면적을 시간으로 나누어서 구한다.

먼저, (j, 0)~(j, n)까지의 평균치를 구하면, 다음 식으로 된다.

다음에, 엔코더 펄스 신호(j)와 속도 제어 주기 신호(i)와의 타이밍 편차 기간(Ts-ΔT_Ej-1)과 ΔT_Ej에서의 평균치를 구한다. 여기서, T_Ej사이의 평균값의 산출 수단에 대해 설명한다. 제8도에 도시하는 (j+1) 시점에서 엔코더 펄스가 입력될 때까지는 j 시점에서 추정한 토크 추정치 [τ_L(j)]를 사용해서 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]를 추정한다.

이러한 이유로 인해, (j+1) 시점의 평균치[n_M'_i+1]은 다음 식에서 구해진다.

단, τ_mjn※ : (j, n)번째에서의 토크 지령치에 의해 ΔT_Ej사이에서의 n_M' 평균치는 다음 식(8)에서 구해진다.

다음에, 평균치 (n_M'_j+10)는 다음과 같이 구해진다. (j+1) 시점에서 엔코더 펄스가 입력됨으로써 (j+1) 시점에서의 토크 추정치 [τ_L(j+1)]가 구해진다. 따라서, 평균치 (n_M'j+10)는 다음 식(9)와 같이 된다.

이상의 설명에 의해 엔코더 펄스(j+1)이 입력된 때에, 속도 제어 주기로 실행하는 제4도에서의 (i) 블록부의 연산을 실행해 두면 된다. 단, 이 시점에서의 모델적분 시정수의 계수(T_S/T_m※)는 ΔT_Ej/T_m※로 할 필요가 있다. 또, (j+1) 시점의 다음의 행해지는 속도 제어 주기에 있어서의 제4도의 (i) 블록부의 연산에서의 계수(T_S/T_m※)를 (T_S-ΔT_Ej)/T_m※으로 할 필요가 있다.

다음에, 제9도를 참조해서 (T_S-ΔT_Ej-1) 사이에서의 평균치는 다음 식(10), 식(11) 및 식(12)에서 구해진다.

이상에서, T_P(j+1) 사이의 모델 출력 추정치 [n_M'(i)]의 평균치[n_M'(j+1)]는 다음 식(13)에서 구할 수 있다.

상기 식(13)을 이용함으로써 업저버 모델 출력 평균치 [n_M'(j)]를 산출할 때에 속도 제어 주기 신호(i)와 속도 검출 주기 신호(j)와의 타이밍 편차를 검출할 수 있다.

다음에, 업저버 게인의 개량에 대해 설명한다. 제4도에 도시한 업저버 게인(g)를 속도 제어 주기 동안에 엔코더 펄스가 얻어지는 상태에서의 외란 억제를 고려해서 큰 값으로 설정하면, 극저속 영역과 같은 엔코더 펄스 간격[T_P(j)]가 긴 상태에서는 속도 제어계가 불안정해진다. 따라서, 업저버 게인(g)는 저속 영역을 고려하면, 너무 큰 값을 설정할 수 없으므로, 역으로 고속 영역에서의 외란 억제 효과를 저하시킬 우려가 있다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위해, 업저버 게인(g)를 가변으로 하는 것을 생각할 수 있다. 그래서, 속도 제어 주기 동안에 엔코더 펄스가 얻어지는 상태에서의 업저버 게인을 g로 한다. 저속이 되면, 속도 제어 주기 동안에 엔코더 펄스가 얻어지지 않게 된 때의 가변 게인(Kc)은 다음 식으로 구해진다.

상기 식(14)는 엔코더 펄스 간격[T_P(j+1)]과 속도 제어 주기(T_S)와의 비를 나타내고, 저속으로 될수록 업저버 게인을 저하시키게 된다. 근사적으로는 I와 j 사이의 타이밍 편차를 무시하면 다음의 식(15)로 해도 좋다.

제10도는 본 발명의 다른 실시예의 블록도이고, 제10도에서 참조 번호(100)은 제5도에 있어서의 제2연산부(13)을 개량한 상기 모델 출력 추정치[n_M'(i)]의 평균화 처리부이고, 이 평균화 처리부(100)은 상기 식(13)에서 구해진다. 이 평균화 처리부(100)에서 구한 평균화 처리 출력은 제1편차부(14)의 플러스 입력단으로 공급되고, 이 마이너스 입력단에는 펄스 엔코더(15)에 의해 검출된 속도 검출 출력의 평균치[n_M(j)]가 공급된다.

제1편차부(14)의 편차 출력은 상기 식(14)에 의해 얻어지는 가변 게인(Kc)부(101)로 공급되고, 여기서 저속으로 될수록 게인을 저하시킨 후, 보정 게인부(101)에서 업저버 게인부(16)으로 공급된다. 그 후, 처리는 상기 실시예와 동일하다.

제10도에 도시한 실시예를 이용하면, 속도 제어 주기(i)와 속도 검출 주기(j)와의 타이밍 편차에 의한 오차를 제거할 수 있어서 속도 추정을 정밀하게 하고, 안정화를 도모할 수 있다. 또, 가변 게인으로 했으므로 저속에서 고속까지 속도 제어계의 안정화를 도모할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 속도 검출기에 펄스 엔코더를 이용한 속도 제어계의 극저속 영역에 있어서, 엔코더 펄스 간격이 속도 제어 주기보다 길어져서 정확한 속도 정보가 얻어지지 않는 상황에서도 속도 추정이 가능해지고, 저속 영역의 속도 제어가 최소 차원 업저버와 가산기를 이용하는 것만으로 가능해지고, 특히 최소 차원 업저버이므로 조정 요소가 적고 조정이 간단해진다. 또, 저분해능의 엔코더를 이용할 수 있어서 비용을 저감할 수 있다.

또 본 발명에 따르면, 속도 제어와 속도 검출 주기의 타이밍 편차에 의한 오차를 제거해서, 속도 추정을 정밀하게 하고 안정화할 수 있게 되고, 특히 가변 게인으로 했으므로 저속에서 고속까지의 속도 제어계의 안정을 도모할 수 있게 된다.

Claims (4)

1. 전동기와, 상기 전동기의 속도를 펄스 출력으로서 송출하는 속도 검출기와, 최소 차원의 부하 토크 추정치 업저버를 속도 제어 주기와 속도 검출 주기에 있어서의 이산계(離散系) 모델로 변환하고, 상기 속도 검출기로부터 출력되는 펄스 간격에서의 속도를 추정하는 속도 추정 업저버를 구비하며, 상기 속도 추정 업저버는, 토크 지령치와 부하 토크 추정치와의 편차를 업저버 모델 기계 시정수(時定數)로 적분하여 모델 출력 추정치를 얻는 제1연산부와, 상기 제1연산부에서 얻어진 모델 출력 추정치로부터 펄스 간격에 있어서의 평균치를 얻는 제2연산부와, 상기 제2연산부의 출력과 속도 검출기로부터 출력되는 펄스 변화시에 구해지는 평균치 속도와의 편차를 산출하는 제1편차부와, 상기 제1편차부에서 얻어지는 편차치를 업저버 게인배(倍)하여 상기 부하 토크 추정치를 얻는 업저버 게인부와, 상기 제1연산부의 모델 출력 추정치와 상기 제1편차부의 편차치와의 편차를 구하는 제2편차부를 갖고 제2편차부의 출력을 속도 추정치로 하는 것을 특징으로 하는 전동기의 속도 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2편차부에서 구해진 편차치와 속도 설정치와의 편차치가 피드백 신호로서 공급되는 속도 증폭기, 및 상기 속도 증폭기의 출력과 상기 업저바 게인부의 부하 토크 추정치를 가산하여 토크 지령치를 얻는 가산부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동기의 속도 제어 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2연산부는 속도 제어 주기와 속도 검출 주기와의 타이밍 오차를 보정하는 수단으로 구성한 것을 특징으로 하는 전동기의 속도 제어 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1편차부에서 얻어진 편차치를 업저버 게인배할 때에, 이 게인을 가변 가능하게 하여 업저버 게인부에 제공한 것을 특징으로 하는 전동기의 속도 제어 장치.