KR0183952B1 - 유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명인 유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치 및 방법은 인버터로부터의 선간전압을 디지탈화하고 3가지 전압의 형태에 따라 주파수 변조한 후 카운트하여 선간전압을 검출함으로써 하드웨어면에서 매우 간단하며, 디지탈 회로이므로 노이즈에 강하다. 또한, 전원회로 부분이 간편하고, 저렴한 가격이므로 회로구성이 가능하다.

뿐만 아니라, 종래의 전압검출장치에 사용되던 전압분배회로를 만들기 위한 정밀 대용량 저항이 필요없게 된다.

Description

유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치 및 방법

제1도는 종래 기술의 회로도이다.

제2도는 본 발명의 개략적인 구성 블럭도이다.

제3도는 인버터의 최종 출력부의 회로도이다.

제4도는 선간전압검출부의 회로도이다.

제5a, b도는 주파수변조부의 회로도이다.

제6도는 본 발명의 흐름도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 인버터 200 : 선간전압검출부

202 : 주파수변조부 204 : 카운트부

206 : 마이크로프로세서

본 발명은 유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치 및 방법에 관한 것으로, 인버터의 출력전압을 간단한 하드웨어와 소프트웨어를 통해 디지탈 방식으로 검출하는 전압검출장치에 관한 것이다.

현재 산업체에서 사용되고 있는 동력원으로 가장 널리 쓰이고 있는 것이 유도전동기(Induction Motor; 약해서 IM이라고 함)이다. 근래 마이크로프로세서(Microprocessor)와 전력 스위칭 소자(Power Transistor,IGBT,Thyristor등)의 눈부신 발달에 힘입어 전동기의 에너지 변환장치(Energy Converter) 분야로 급속한 발전을 이루었다.

특별히 유도전동기에 이용되는 에너지 변환장치를 상용전원으로부터 3상 교류전력으로 변환시킨다 하여 인버터(Inverter)라 하는데, 본 발명은 인버터에서 필요되어지는 3상 선간 전압정보를 효율적인 디지탈 방식으로 검출하는 장치 및 방법이다.

본 발명은 대전력 스위칭 신호를 TTL 레벨의 디지탈 신호로 변환시키고 마이크로프로세서가 효율적으로 위 정보를 처리하는 알고리즘 및 회로이므로 각종 전동기(DC 모터,AC 동기모터,BLDC등) 제어분야 뿐만 아니라 각종 에너지 변환장치(Chopper,정류기, 싸이클로 컨버터등)에 활용가능하다.

기존의 선간 전압검출장치(이하 전압센서라고 함)는 아날로그 방식으로 신호처리를 하는 형태가 일반적이다. 자세한 회로도는 제1도에 도시하고 있다.

제1도에 의하면, A, B, C 상의 전압을 저항(R1) 3개와 저항(R2) 3개로 구성된 전압분배회로(104)를 구성하고 중성점을 접지(Grounding)시킨다. 여기서, R1≫R2이며 R1은 5W 이상의 시멘트 저항이다.

3개의 연산증폭기(106)의 전압팔로우어를 구성하고 차동증폭기(108)를 구성하고 차동증폭기(108) 출력을 로우패스 필터(110)를 통하여 필터링시킨 다음에 절연증폭기(112)를 통하여 디지탈 제어부로 선간 전압정보를 넘긴다. 즉, 이 전압은 아날로그-디지탈 변환기(A/D Converter; 주로 ADC라고 함)를 통해 디지탈 값으로 변환된 후 마이크로프로세서로 보내진다.

종래기술에 있어서의 문제점은 다음과 같다.

전압분배회로(104)에 쓰인 3개의 저항(R1)과 3개의 저항(R2)의 저항값이 각각 정확히 일치해야 정밀한 3상 전압분배회로를 구성할 수 있다. 보통 저항(R1)은 저항(R2)에 비해 상당히 큰 전압을 분배시키므로 최소 5W 이상의 시멘트저항을 사용해야 하지만(30kΩ 정도) 사실상 시멘트저항의 정밀도가 그리 높지 않으므로 정밀한 전압분배회로의 구성이 어렵다.

또한, 전압신호는 대부분 20kHz 정도의 스위칭 주파수를 가지며, 따라서 연산증폭기들은 회전율(Slew Rate)이 높은 고가의 제품을 사용하여야 한다.

그리고, 아날로그 부분과 디지탈 부분은 각각 독립된 접지와 전원(±15V)을 사용하여야 하는데, 이때 절연증폭기(112)를 사용하여야 하고, 또한 아날로그-디지탈 변환기를 사용하여야 한다. 물론, 절연증폭기 및 아날로그-디지탈 변환기는 가격면에서 상당히 고가이다.

따라서, 본 발명의 목적은 펄스폭변조된 3상전압을 3가지 구간으로 구분하고 타이머를 이용하여 구간별로 카운트하여 선간 전압검출을 디지탈화함으로써 정확한 전압검출 및 저가의 전압검출장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치는 3상전압을 출력하는 인버터로부터의 제1, 2, 3출력전압을 입력으로 하여 포토다이오드와 수광트랜지스터간의 광신호 전달을 이용함으로써 별도의 분리증폭기가 없이도 절연됨은 물론 상기 제2출력전압을 기준으로 하여 상기 제1, 3출력전압이 각각 상기 제2출력전압보다 높은지 또는 그 이하인지를 나타내는 4개의 디지탈신호를 출력함으로써 선간 전압을 검출하는 선간전압검출수단; 상기 제1, 2, 3, 4디지탈신호를 입력으로 하고 3가지 종류의 클럭신호를 기준클럭으로 하여 상기 제1디지탈시호와 제2디지탈신호가 같은 로직레벨상태일 때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제1디지탈 신호만 하이레벨상태일 때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제2디지탈 신호만 하이레벨상태일 때 상기 제3클럭신호의 주파수를 제1주파수변조신호에 실어주고, 상기 제3디지탈신호와 제4디지탈신호가 같은 로직레벨상태일 때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제3디지탈 신호만 하이레벨상태일 때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제4디지탈신호만 하이레벨상태일 때 상기 제3클럭신호의 주파수를 제2주파수변조신호에 실어주는 주파수변조수단; 상기 제1, 2주파수변조신호를 입력으로 하여 각 신호를 카운트함으로써 제1, 2카운트신호를 출력하는 카운트수단; 및 상기 제1, 2카운트신호를 입력으로 하여 상기 제1, 2, 3출력전압을 계산함으로써 계산결과를 이용하여 상기 인버터를 제어하기 위한 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 유도전동기의 디지탈방식 전압검출방법은 3상전압을 출력하는 인버터로부터의 제1, 2, 3출력전압을 입력으로 하여 포토다이오드와 수광트랜지스터간의 광신호 전달을 이용함으로써 별도의 분리증폭기가 없어도 절연됨은 물론 상기 제2출력전압을 기준으로 하여 상기 제1, 3출력전압이 각각 상기 제2출력전압보다 높은지 또는 그 이하인지를 나타내는 4개의 디지탈신호를 출력함으로써 선간 전압을 검출하는 선간전압검출수단; 상기 제1, 2, 3, 4디지탈신호를 입력으로 하고 3가지 종류의 클럭신호를 기준클럭으로 하여 상기 제1디지탈신호와 제2디지탈신호가 같은 로직레벨상태일 때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제1디지탈신호만 로직레벨상태일 때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제2디지탈신호만 하이레벨상태일 때 상기 제3클럭신호의 주파수를, 제1주파수변조신호에 실어주고 상기 제3디지탈신호와 제4디지탈신호가 같은 로직레벨상태일 때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제3디지탈 신호만 하이레벨상태일 때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제4디지탈신호만 하이레벨상태일 때 상기 제3클럭신호의 주파수를 제2주파수변조신호에 실어주는 주파수변조수단과; 및 상기 제1, 2주파수변조신호를 입력으로 하여 각 신호를 카운트함으로써 제1, 2카운트신호를 출력하는 카운트수단을 구비한 장치를 이용한 유도전동기의 디지탈방식 전압검출방법에 있어서, 상기 카운트수단으로부터 상기 제1, 2카운트신호를 읽어오는 과정; 상기 제1, 2카운트신호에서 소정의 바이어스값만큼을 각각 빼주는 과정; 사이 바이어스 감산과정의 결과에다 오실로스코프를 통해 실측한 값과 상기 바이어스 감산과정의 결과값과의 비율로 정해지는 전압스케일값을 각각 곱하는 과정; 및 상기 카운트수단으로부터의 출력신호를 읽어온지 소정의 주기가 된 후 상기 읽어오는 과정으로 돌아가는 과정을 포함함을 특징으로 하는 유도전동기의 디지탈방식 전압검출방법이다.

상기 유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치의 구성에 있어서, 상기 카운트수단으로부터 상기 제1, 2카운트신호를 읽어오는 과정; 상기 제1, 2카운트신호에서 소정의 바이어스값만큼을 각각 빼주는 과정; 상기 바이어스 감산과정의 결과에 오실로스코프를 통해 실측한 값과 상기 바이어스 감산과정의 결과값과의 비율로 정해지는 전압스케일값을 각각 곱하는 과정; 및 상기 카운트수단으로부터의 출력신호를 읽어온지 소정의 시간이 된 후 상기 읽어오는 과정으로 돌아가는 과정을 포함함을 특징으로 한다

이하 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

제2도는 본 발명의 개략적인 구성 블럭도이다.

본 발명인 유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치는 인버터(100), 유도전동기(102), 포토커플러(200), 주파수변조부(202), 타이머(204) 및 마이크로프로세서(206)로 구성되어 있다.

본 발명인 전압검출장치의 기술적인 원리를 설명하자면 다음과 같다.

3상전압은 기본적으로 펄스폭변조(Pulse Width Modulation; 약해서 PWM이라고 함)되어있는 파형이므로 원천적으로 +Vdc, 0, -Vdc의 세가지 전압형태를 갖는 디지탈 형태의 것이다. 따라서, 이를 전부 아날로그 신호로 처리하여 전원을 분리시키고 수많은 고가의 부품을 쓰게 되면 자체적인 단점뿐만 아니라 PWM파의 디지탈적인 요소를 전혀 이용하지 못한다.

따라서, PWM된 신호(즉, 선간전압으로 보면 +Vdc, 0, -Vdc의 세값을 갖는 신호)를 +Vdc인 구간, 0볼트인 구간 및 -Vdc인 구간으로 구분하고 타이머(204)를 이용하여 구간별로 카운트하여 그 값을 계산한다. 즉, 선간전압의 검출을 모두 디지탈화하는 것이다. 이로써, 종래 기술의 단점을 보완하고 하드웨어면에서 간단한 전압센서를 만들 수 있게 되는 것이다.

제3도는 인버터의 최종 출력부의 회로도로서, 3상 유도전동기(102)로 연결되는 스위칭소자(IGBT)의 3상 출력단(A상,B상,C상)을 나타낸다.

제4도는 선간전압검출부의 회로도로서, 포토커플러들(PC1,PC2,PC3,PC4)로 구성된다.

제3도 및 제4도에서 보듯이 선간전압은 스위칭소자의 출력단, 즉 유도전동기(102)에 직접 연결되는 각각의 상(A상,B상,C상)에서 검출한다.

선간전압(V_AB와 V_BC)은 스위칭 상태에 따라 +Vdc, -Vdc, 또는 0볼트의 세종류의 값을 갖는다. 이에 따라 포토커플러들(PC1 내지 PC4)은 온 또는 오프 상태로 되어 VAB+, VAB-, VBC+, VBC-로 구성된 4개의 신호가 TTL 호환가능 레벨로 생성된다.

이에 관한 자세한 내용은 다음의 표 1에 설명되어 있다.

표 1에서 A상, B상, C상의 0과 1의 의미는 다음과 같다.

0 : 각상의 브리지상의 아랫단 스위칭소자가 액티브인 상태

1 : 각상의 브리지상의 윗단 스위칭소자가 액티브인 상태 포토커플러의 출력(VAB+, VAB-, VBC+, VBC-)을 가지고 PAL(Programmable Array Logic) 로직으로 구성된 주파수변조부(202)를 통해서 세가지 종류의 기준클럭(0Hz, 2.5MHz, 5MHz)으로 V, V신호를 3단계 주파수 변조를 시켜서 출력한다.

제5a, b도는 주파수변조부의 회로도이다.

V전압의 주파수 변조의 과정과 주파수변조부(202)의 입출력 회로가 도시된 제5a도를 참조로 하여 다음의 표 2에서 설명하고 있다.

V에 관한 설명도 V와 등가하다.

주파수변조부(202)의 출력신호를 마이크로프로세서(206)의 주변기기 일종인 타이머8254(204)를 통해 마이크로프로세서(206)가 읽어들인다. 나머지는 소프트웨어적인 처리를 통해서 실제전압을 검출하게 된다.

이에 대한 본 발명인 유도전동기의 디지탈방식 전압검출방법을 흐름도가 도시되어 있는 제6도를 참조로 하고 전압검출장치에 관한 제2도 내지 제5a, b도와 결부시켜 설명하기로 한다.

우선, 새로운 카운터값을 타이머(204)로부터 읽어들이는 소프트웨어적 처리의 주기는 500μsec로 한다.

마이크로프로세서(206)는 타이머(204)로부터 V및 V를 읽어온다.(제600단계)

표 2에서 나타난 바와 같이 주파수 변조된 신호는 2.5MHz의 바이어스가 있다. 즉, V가 Vdc[V]이면 5MHz, 0볼트이면 2.5MHz, -Vdc[V]이면 0Hz이다.

따라서, 2.5MHz를 500μsec 동안 카운트한 값인 1250(=2.5×500)을 타이머(204)로부터의 출력값으로부터 빼준다.(제602단계)

제602단계의 값은 실제전압과 스케일 차이만 있을 뿐 동일한 위상을 갖는 교류신호의 샘플링 값에 해당한다. 이제 최종적으로 전압 스케일( )을 곱하여 실제전압값을 얻는다.(제604단계)

여기서, 전압 스케일( ) 값은 오실로스코프를 통해 실측한 값과 제602단계의 측정값과의 비율로 정한다.

타이머(204)로부터 데이타를 읽어온지 500μsec가 되었는지를 판단하여(제606단계), 주기인 500μsec가 되었을 경우에는 제600단계로 돌아가고, 주기인 500μsec가 아직 되지 않았을 경우에는 500μsec가 될 때까지 기다린 후 제600단계로 돌아간다.(제608단계)

따라서, 본 발명은 인버터로부터의 선간전압을 디지탈화하고 3가지 전압의 형태에 따라 주파수 변조한 후 카운트하여 선간전압을 검출함으로써 하드웨어면에서 매우간단하며, 디지탈 회로이므로 노이즈에 강하다. 또한, 전원회로부분이 간편하고, 저렴한 가격으로 회로구성이 가능하다.

뿐만 아니라, 종래의 전압검출장치에 사용되던 전압분배회로를 만들기 위한 정밀 대용량 저항이 필요없게 된다.

Claims (3)

1. 3상전압을 출력하는 인버터로부터의 제1, 2, 3출력전압을 입력으로 하여 포토다이오드와 수광트랜지스터간의 광신호 전달을 이용함으로써 별도의 분리증폭기가 없이도 절연됨은 물론 상기 제2출력전압을 기준으로 하여 상기 제1, 3출력전압이 각각 상기 제2출력전압보다 높은지 또는 그 이하인지를 나타내는 4개의 디지탈신호를 출력함으로써 선간 전압을 검출하는 선간전압검출수단; 상기 제1, 2, 3, 4디지탈신호를 입력으로 하고 3가지 종류의 클럭신호를 기준클럭으로 하여 상기 제1디지탈신호와 제2디지탈신호가 같은 로직레벨상태일때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제1디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제2디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제3클럭신호의 주파수를 제1주파수변조신호에 실어주고, 상기 제3디지탈신호와 제4디지탈신호가 같은 로직레벨상태일때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제3디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제4디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제3클럭신호의 주파수를 제2주파수변조신호에 실어주는 주파수변조수단; 상기 제1, 2주파수변조신호를 입력으로 하여 각 신호를 카운트함으로써 제1, 2카운트신호를 출력하는 카운트수단; 및 상기 제1, 2카운트신호를 입력으로 하여 상기 제1, 2, 3출력전압을 계산함으로써 계산결과를 이용하여 상기 인버터를 제어하기 위한 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 유도전동기의 디지탈방식 전압검출장치.
2. 3상전압을 출력하는 인버터로부터의 제1, 2, 3출력전압을 입력으로 하여 포토다이오드와 수광트랜지스터간의 광신호 전달을 이용함으로써 별도의 분리증폭기가 없이도 절연됨은 물론 상기 제2출력전압을 기준으로 하여 상기 제1, 3출력전압이 각각 상기 제2출력전압보다 높은지 또는 그 이하인지를 나타내는 4개의 디지탈신호를 출력함으로써 선간 전압을 검출하는 선간전압검출수단; 상기 제1, 2, 3, 4디지탈신호를 입력으로 하고 3가지 종류의 클럭신호를 기준클럭으로 하여 상기 제1디지탈신호와 제2디지탈신호가 같은 로직레벨상태일때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제1디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제2디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제3클럭신호의 주파수를 제1주파수변조신호에 실어주고, 상기 제3디지탈신호와 제4디지탈신호가 같은 로직레벨상태일때 상기 제1클럭신호의 주파수를, 상기 제3디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제2클럭신호의 주파수를, 상기 제4디지탈신호만 하이레벨상태일때 상기 제3클럭신호의 주파수를 제2주파수변조신호에 실어주는 주파수변조수단; 상기 제1, 2주파수변조신호를 입력으로 하여 각 신호를 카운트함으로써 제1, 2카운트신호를 출력하는 카운트수단을 구비한 장치를 이용한 유도전동기의 디지탈방식 전압검출방법에 있어서, 상기 카운트수단으로부터 상기 제1, 2카운트신호를 읽어오는 과정; 상기 제1, 2카운트신호에서 소정의 바이어스값만큼을 각각 빼주는 과정; 상기 바이어스 감산과정의 결과에다 오실로스코프를 통해 실측한 값과 상기 바이어스 감산과정의 결과값과의 비율로 정해지는 전압스케일값을 각각 곱하는 과정; 및 상기 카운트수단으로부터의 출력신호를 읽어온지 소정의 주기가 된후 다시 상기 읽어오는 과정으로 돌아가는 과정을 포함함을 특징으로 하는 유도전동기의 디지탈방식 전압검출방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 제1클럭신호가 2.5MHz이고 상기 주기가 500μsec인 경우에 상기 바이어스값은 두 수의 곱인 1250임을 특징으로 하는 유도전동기의 디지탈방식 전압검출방법.