KR0179574B1 - 서보모터의 과부하 검출 방법 및 이를 이용한 과부하 보호장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서보모터의 과부하 검출 방법 및 이를 이용한 과부하 보호장치에 관한 것으로, 과부하 보호장치는 서보모터(1); 상온에서의 저항(R₀), 온도(θ), 역기전력정수(K_E)를 저장하고 있는 메모리(6); 상기 서보모터(1)의 상간전압(V_t)을 측정하는 전압측정부(3); 상기 서보모터의 상간전류(I_α)를 측정하는 전류측정부(4); 서보모터의 회전수(N)를 측정하는 속도측정수단(2, 5); 제어신호에 따라 상기 서보모터(1)에 인가되는 전원을 차단하여 과부하로부터 서보모터(1)를 보호하는 차단수단(8); 및 상기 측정된 전압(V_t), 전류(I_a), 회전수(N)를 입력받고 메모리(6)에 저장된 상수값을 읽어와 서보모터 권선의 온도를 산출하고, 산출된 온도를 소정의 기준온도와 비교하여 제어신호를 발생하는 계산수단(7)으로 구성되어 있다.

Description

서보모터의 과부하 검출 방법 및 이를 이용한 과부하 보호장치

제1도는 서보모터의 권선에 온도센서를 부착하여 과부하를 검출하는 종례의 예.

제2도는 일반적인 서보모터의 과부하특성 곡선을 도시한 그래프.

제3도는 본 발명에 따른 서보모터 과부하 검출방법의 순서도.

제4도는 본 발명에 따른 서보모터 과부하 검출장치를 도시한 블럭도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 서보모터 2 : 엔코더

3 : 전압측정부 4 : 전류측정부

5 : 속도측정부 6 : 메모리

7 : 마이크로프로세서 8 : 전원차단부

본 발명은 서보모터의 과부하를 검출하는 방법 및 이를 이용하여 서보모터를 과부하로부터 보호하는 장치에 관한 것으로 특히, 서보모터의 특성치를 이용하여 서보모터의 과부하를 검출하는 방법 및 그 보호장치에 관한 것이다.

일반적으로 서보모터는 로보트, NC 공작장치 등을 구동하는 전기 액츄에이터로서 위치 또는 속도의 급격한 변경명령에 대해 신속히 대응할 수 있는 모터로서, 직류 서보모터와 교류 서보모터로 구분되는데, 대용량을 필요로 하는 곳에서 교류 서보모터를 널리 사용하고 있다. 이러한 서보모터는 과부하에 의해 열이 발생하게 되면 권선이 타버리는 경우가 발생하므로, 과부하를 미리 검출하여 서보모터의 작동을 정지시키는 보호장치가 필요하다.

종래의 과부하 검출기술은 제1도에 도시된 바와 같이, 서보모터의 권선에 직접 온도센서를 설치하여 검출된 권선의 온도가 소정의 기준치를 초과하면 과부하로 단정하거나, 제2도에 도시된 바와 같은 과부하특성 곡선에 따른 데이타를 메모리에 미리 저장한 후 운전시간 대비 과부하량이, 저장된 특성곡선을 벗어나면 과부하로 단정하여 경보를 울리고 서보모터에 인가되는 전원을 차단하여 서보모터를 보호하였다.

그런데 상기와 같은 종래의 기술에서 온도센서를 부착하는 기술은 소형화가 요구되는 소용량 서보모터의 고정자에는 온도센서를 부착하기 어려운 문제점이 있었기 때문에, 소용량 서보모터에서는 과부하 특성곡선에 의한 소프트웨어적인 기술을 주로 사용하였다.

그러나 소프트웨어적인 과부하 검출방법은 서보시스템의 돌발적인 상황을 연속적으로 반영하지 못한다는 문제점이 있다. 예를 들면, 과부하 175%일 때, 과부하 특성곡선에 의하면 약 100초 정도 연속 운전하면 과부하 경보가 발생되야 한다. 그런데 약 50초 경과 후 서보모터가 돌발적인 비상상황(순간 정전 등)에 의해서 전원이 오프되고, 곧 바로 전원이 온되어 약 175%의 과부하가 걸린다고 하면, 이전 50초 경과된 시간은 무시되고, 처음부터 약 100초를 카운트한 후 경보를 발생시키게 된다. 그러나 잠깐동안 서보모터의 전원이 오프되었다 하더라도 과열되어 있던 서보모터는 여전히 열적으로 과부하상태에 놓여 있으므로 100초가 아닌 나머지 50초가 지나면 경보를 발생시켜야 할 것이다. 따라서 소프트웨어적인 과부하 검출방법은 과부하상태가 연속적인 경우에는 충분히 좋은 방법이나, 불연속으로 상태가 변화하는 시스템에서는 정확하지 못한 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 서보모터의 고정자 코일의 과열온도를 특성치를 이용하여 간접적으로 산출하여 열적 과부하를 정확하게 검출하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기와 같은 열적 과부하 검출방법을 이용하여 과부하를 검출하여 서보모터를 보호하는 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 메모리로부터 역기전력정수(K_E)를 읽어오는 단계; 엔코더에 의해 회전속도(N)를 측정하는 단계; 전압 및 전류 측정수단에 의해 선간전압(V_a), 선간전류(I_a)를 측정하는 단계; 상기 역기전력정수(K_E), 회전수(N), 측정된 선간전압(V_a), 측정된 선간전류(I_a)를 입력받아 식에 의해 저항값(R_a)을 계산하는 단계; 메모리로부터 상온에서의 저항, 온도를 읽어오는 단계; 상기 상온에서의 저항(R₀)과 온도(θ₀)를 입력받고 산출된 저항값을 입력받아 식에 따라 과부하시의 온도를 계산하는 단계; 상기 산출된 온도를 설정된 기준온도와 비교하여 초과하면 과부하로 판단하고 초과하지 않으면 상기 과정을 반복하는 과부하 판단단계; 상기 과부하판단 단계에서 과부하로 판정되면 경보를 발생하고, 서보모터를 정지시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 서보모터; 상온에서의 저항(R₀), 온도(θ₀), 역기전력정수(K_E)를 저장하고 있는 메모리; 상기 서보모터의 선간전압(V_a)을 측정하는 전압측정부; 상기 서보모터의 선간전류(I_a)를 측정하는 전류측정부; 서보모터의 회전수(N)를 측정하는 속도측정부; 및 제어신호에 따라 상기 서보모터에 인가되는 전원을 차단하여 과부하로부터 서보모터를 보호하는 차단수단; 및 상기 측정된 선간전압(V_a), 선간전류(I_a), 회전수(N)를 입력받고 메모리에 저장된 상수값들을 읽어와 서보모터 권선의 온도를 산출하고, 산출된 온도를 소정의 기준온도와 비교하여 제어신호를 발생하는 계산수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 기본적인 개념을 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 서보모터의 전압 방정식은 다음 식 1과 같다.

여기서, V_a는 서보모터의 선간전압이고, R_a는 서보모터의 선간저항이며, I_a는 선간전류, K_E는 역기전력정수, N은 모터 회전수이다. 이 식1을 선간저항(R_a)의 항으로 나타내면, 다음 식2와 같다.

서보모터의 역기전력정수(K_E)는 설계시 정해지는 상수이므로, 과부하상태에서 모터에 인가된 선간전압(V_a), 선간전류(I_a), 그 때의 회전수(N)를 알면 그 때의 선간저항(R_a)값을 상기 식2에 따라 구할 수 있다. 그런데, 이 선간저항(R_a)값은 온도의 함수이며, 다음 식3과 같은 관계를 가지고 있다.

이 식3을 온도항으로 변환하면 다음 식4와 같다.

여기서, θ_t는 과부하 온도, θ₀는 상온(예컨데, 25℃)이고, α는 상수로서 구리일 경우 α=234.5이며, R_t는 온도 θ_t도에서의 선간저항이고, R₀는 온도 θ₀도에서의 선간저항이다.

따라서 선간전압(V_a) 및 선간전류 (I_a), 회전수(N)를 측정한 후 상기 식2에 따라 선간저항(R_a)값을 구하면, 상기 식3 및 식4에 의해 해당 선간저항값에 대응하는 온도를 구할 수 있고, 이 온도가 서보모터의 규정된 포화온도(기준온도)를 넘으면, 과부하상태로 간주하여 경보를 발생시키고, 서보모터를 정지시키므로써 서보모터를 과부하로부터 보호할 수 있다.

제3도는 본 발명에 따른 과부하 검출방법을 도시한 순서도이고, 제4도는 본 발명에 따른 과부하 보호장치를 도시한 블럭도이다.

본 발명에 따른 과부하 검출방법은 제3도에 도시된 바와 같이, 메모리(6)로부터 역기전력정수(K_E)를 읽어오는 단계(S1); 엔코더(2)에 의해 서보모터의 회전속도(N)를 측정하는 단계(S2); 전압 및 전류 측정수단(3, 4)에 의해 선간전압, 선간전류를 측정하는 단계(S3); 상기 역기전력정수(K_E), 회전수(N), 측정된 선간전압(V_a), 측정된 선간전류(I_a)를 입력받아 식에 의해 선간저항값을 계산하는 단계(S4); 메모리(6)로부터 상온에서의 저항, 온도(θ₀)를 읽어오는 단계(S11); 상기 상온에서의 저항(R₀)과 온도(θ₀)를 입력받고 산출된 선간저항값을 입력받아 식에 따라 온도를 계산하는 단계(S12); 상기 산출된 온도를 설정된 기준온도와 비교하여 산출된 온도가 기준온도를 초과하면 과부하로 판단하고 초과하지 않으면 상기 과정을 반복하여 과부하 판단단계(S13); 상기 과부하 판단 단계(S14)에서 과부하로 판정되면 경보를 발생하고(S14), 서보모터를 정지시키는 단계(S15)로 구성되어 있다.

또한, 본 발명에 따른 과부하 보호장치는 제4도에 도시된 바와 같이, 서보모터(1); 상온에서의 저항(R₀), 온도(θ₀), 역기전력정수(K_E)를 저장하고 있는 메모리(6); 상기 서보모터(1)의 선간전압(V_a)을 측정하는 전압측정부(3); 상기 서보모터의 선간전류(I_a)를 측정하는 전류측정부(4); 서보모터의 회전수(N)를 측정하는 속도측정수단(2, 5); 제어신호에 따라 상기 서보모터(1)에 인가되는 전원을 차단하여 과부하로부터 서보모터(1)를 보호하는 차단수단(8); 및 상기 측정된 선간전압(V_a), 전류(I_a), 회전수(N)를 입력받고 메모리(6)에 저장된 상수값들을 읽어와 서보모터 권선의 온도를 산출하고, 산출된 온도를 소정의 기준 온도와 비교하여 제어신호를 발생하는 계산수단(7)으로 구성되어 있다. 여기서 계산수단은 마이크로 프로세서로 구현된다.

이어서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 동작을 자세히 설명하기로 한다.

제4도에 있어서, 메모리(6)는 서보모터(1)의 상온에서 특성치, 즉 온도(θ₀), 이 온도에서의 저항값(R₀), 상수 α, 역기전력정수(K_E) 등을 미리 저장하고 있고, 전압측정부(3)는 선간전압(V_a)을 측정하여 마이크로 프로세서(7)로 출력하고, 전류측정부(4)는 선간전류(I_a)의 크기를 측정하여 마이크로 프로세서(7)로 출력하고, 엔코더(2)와 속도측정부(5)는 모터의 회전수(N)를 측정한다.

마이크로 프로세서(7)는 상기 측정된 선간전압(V_a), 선간전류(I_a), 회전수(N)와 메모리(6)에 저장된 서보 특성치(상수값들)를 이용하여 상기 식2에 따라 현재상태에서의 저항값(R_a)을 산출하고, 이어서 이 산출된 저항값(R_a)과 메모리(6)로부터 읽어온 상온에서의 저항값을 이용하여 상기 식4에 따라 현재상태에서의 온도를 계산한다. 이와 같이 계산된 서보모터의 온도가 미리 설정된 기준온도보다 높으면 과부하 상태로 판단하여 경보를 발생하고, 차단부(8)로 제어신호를 출력하여 서보모터(1)에 인가되는 교류전원(U,V,W)을 차단하여 서보모터(1)를 정지시킨다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 상온에서의 저항값과 온도, 역기전력정수 등 기지의 서보모터 특성치와 선간전압, 선간전류, 회전수 등과 같은 측정된 특성치를 이용하여 서보모터의 권선의 온도를 간접적으로 산출하므로써 서보모터의 열적 과부하 상태를 정확하게 검출할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 메모리로부터 역기전력정수(K_E)를 읽어오는 단계; 엔코더에 의해 회전속도(N)를 측정하는 단계; 전압 및 전류 측정수단에 의해 선간전압(V_a), 선간전류(I_a)를 측정하는 단계; 상기 역기전력정수(K_E), 회전수(N), 측정된 선간전압(V_a), 측정된 선간전류(I_a)를 입력받아 식에 의해 저항값(R_a)을 계산하는 단계; 메모리로부터 상온에서의 저항, 온도를 읽어오는 단계; 상기 상온에서의 저항(R₀)과 온도(θ₀)를 입력받고 산출된 저항값을 입력받아 식에 따라 온도를 계산하는 단계; 및 상기 산출된 온도를 설정된 기준온도와 비교하여 산출된 온도가 기준온도를 초과하면 과부하로 판단하고 초과하지 않으면 상기 과정을 반복하는 단계를 포함하는 서보모터의 과부하 검출방법.
2. 서보모터(1); 상기 서보모터의 상온에서의 저항, 해당 온도, 역기전력정수를 저장하고 있는 메모리(6); 서보모터의 선간전압을 측정하는 전압측정부(3); 서보모터의 선간전류를 측정하는 전류측정부(4); 서보모터의 회전수를 측정하는 속도측정수단(2, 5); 제어신호에 따라 서보모터에 인가되는 전원을 차단하여 과부하로부터 서보모터를 보호하는 차단수단(8); 및 상기 측정된 선간전압, 선간전류, 회전수를 입력받고 메모리에 저장된 상수값들을 읽어와 소정 식에 따라 저항값을 계산한 후, 이 저항값으로부터 서보모터 권선의 온도를 산출하고, 산출된 온도를 소정의 기준온도와 비교하여 제어신호를 발생하는 계산수단으로 구성되는 서보모터의 과부하 보호장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 계산수단이 상기 선간저항은 식에 따라 산출하고, 상기 온도는 식에 따라 산출하는 것을 특징으로 하는 서보모터의 과부하 보호장치.