KR100214667B1

KR100214667B1 - 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치

Info

Publication number: KR100214667B1
Application number: KR1019960020803A
Authority: KR
Inventors: 홍찬욱
Original assignee: 이종수; 엘지산전주식회사
Priority date: 1996-06-11
Filing date: 1996-06-11
Publication date: 1999-08-02
Also published as: KR980006794A

Abstract

본 발명은 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치에 관한 것으로, 특히 유도전동기의 고조파 성분을 억제하여 속도 맥동을 저감시킬 수 있는 유도전동기의 구동 인버터의 속도제어장치에 관한 것으로, 속도지령에 따라 스위칭동작을 수행하여 전동기를 구동하는 구동 인버터의 속도제어장치에 있어서, 전동기의 속도를 입력받아 토크맥동을 보상하는 보상전류를 출력하는 보상전류발생부와, 상기 전류지령과 보상전류를 합성하여 최종적인 전류지령을 출력하는 제2감산기를 포함하여 구성하여, 전동기 속도를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 통해 주파수 분석을 하여 전원주파수의 정수 배의 주파수, 즉 전원주파수와 같은 주파수에서 존재하는 속도맥동, 전원주파수의 두배의 주파수에서 존재하는 직류옵셋에 의한 속도맥동 및 전원주파수의 6배의 주파수에서 존재하는 데드타임에 의한 속도맥동에 대한 보상을 실시함으로써 보상전류를 생성 출력하게 되어 인버터가 입력 전류지령에 따라 전동기를 구동할 수 있도록 하는 것이다.

Description

유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치

제1도는 종래 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치의 구성도.

제2도는 제1도의 감산기(111)로 입력되는 전동기의 속도(W_m)를 시간에 따라 나타낸 도.

제3도는 제1도의 전동기 속도(W_m)를 고속 푸리에 변환을 통한 주파수 분석도.

제4도는 본 발명 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치의 구성도.

제5도는 제4도의 보상전류 발생부(418)의 주파수분석기(421)의 상세 구성도.

제6도 제5도의 FFT 분석기의 상세 구성도.

제7도 제4도의 전동기속도(W_m)를 고속 푸리에 변환을 통한 주파수 분석도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

411 : 제1감산기 412 : 속도제어부

413 : 제2감산기 414 : 전류제어부

415 : 인버터 416 : 펄스발생부

417 : 펄스증폭부 418 : 보상전류발생부

421 : 주파수분석기 422 : 승산부

423 : 가산기 501~503 : FFT 분석기

601∼603 : 직장부 604∼607 : 승산기

608 : 가산기

본 발명은 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치에 관한 것으로, 특히 유도전동기 출력토크의 고주파 성분을 억제하여 속도 맥동을 저감시킬 수 있는 유도전동기의 구동 인버터의 속도제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 인버터가 장착된 유도전동기의 고성능 가변속 제어가 늘어나면서 인버터로 구동되는 유도전동기가 기존의 직류 전동기 시스템을 대체해 나가고 있다. 이와 함께 이 인버터로 구동되는 유도전동기의 빠른 과도 응답 특성과 안정된 정상 상태 특성, 즉 전동기 출력토크의 빠른 응답 특성과 정상상태에서의 낮은 토크 맥동이 요구되어 지고 있다. 그런데 직류옵셋(Offset), 전동기의 각 상마다 고정자 저항값이 다르게 되는 등의 상 불평형과 같은 인버터-유도전동기 시스템의 불완전한 특성에 기인하는 토크의 고조파 성분이 존재하게 되어 전동기 속도에 맥동이 발생하여 시스템의 성능을 저하시키고 있다.

제1도는 종래 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치의 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 전동기(M)의 속도를 검출하여 그에 따른 펼스를 발생하는 펄스발생부(115)와, 상기 출력 펄스를 전동기 회전수에 상응하는 신호로 변환하는 펄스증폭부(116)와, 이 변환된 출력 펄스와 속도지령(u*)에 대한 오차를 계산하는 감산기(111)와, 상기 오차에 비례적분제어를 수행하여 전류지령(i*)을 계산하는 속도제어부(112)와, 상기 전류지령(i*)에 따른 전압(v*)을 발생하는 전류제어부(113)와, 상기 전압(v*)을 인가 받아 상기 전동기(M)를 구동하는 구동전압을 출력하는 인버터(114)로 구성된 것으로, 상기의 감산기(111), 속도제어부(112), 전류제어부(113)는 인버터(114)의 운전을 제어하는 중앙 연산처리장치(미도시)내에 소프트웨어로 구현이 이루어지며, 이의 동작은 다음과 같다.

속도지령(u*)이 입력되면 이 속도지령(u*)에 비례상수(kp_s)와 적분상수(ki_s)를 갖는 제어를 속도제어부(112)에서 수행하여 지령전류(i*)가 발생되고 이 지령전류(i*)에 전류제어 이득(K)이 곱해져서 전압지령(v*)을 생성한다. 이 전압지령(v*)은 인버터(114)에 가해지고 인버터(114)의 스위칭소자(도면 미도시)가 스위칭동작을 수행하여 전동기(M)의 구동전압을 출력함으로써 상기 속도지령(u*)에 따라 전동기(M)가 구동되며, 이후, 전동기(M) 축에 취부 되어진 펄스발생부(115)에서 전동기(M)의 회전수에 비례하는 주파수의 펄스 열이 출력되고 이 펄스는 펄스증폭부(116)에서 증폭되어 감산기(111)에서 상기 속도지령(u*)과의 오차가 구해져서 다시 상기 속도제어부(112)로 인가된다.

이와 같이 동작하는 일반적인 종래 장치는 연산증폭기 및 아날로그/디지탈 변환기(도면 미도시)에 의한 직류옵셋, 전동기(M)의 각 상마다 고정자 저항값이 다르게 되는 등의 상 불평형 및 인버터(114)의 스위칭 소자의 안전한 동작을 보장하기 위한 데드타임등에 의해 전동기 출력토크에 고조파 성분이 발생하게 된다. (참고문헌 : D. Antic. J. B Klaassens, W. Deleroi. Side Effects in Low-Speed AC Drives, Power Electronics Specialists Conference Record. pp908~1002,1994)

다시 말하면 전동기 출력토크(t_e)는 전동기(M)가 속도지령(u*)대로 구동하는 데 필요한 직류성분 토크에 직류옵셋에 의한 전원주파수 성분, 상 불평형에 의한 전원주파수 2배의 고조파 성분, 데드타임에 의한 전원주파수 6배의 성분 등이 중첩되어져 아래 식(1)과 같이 나타난다.

t = t_dc+ t₁+ t₂+ t₆··· (1)

여기서, t_dc는 전류지령에 의한 직류성분, t₁은 직류옵셋에 의한 전원주파수성분, t₂는 상 불평형에 의한 전원주파수 2배성분, t₆은 데드타임에 의한 전원주파수 6배성분이다. 그런데 유도전동기(M)의 속도(W_m)는 관성을 J, 부하토크를 t₁로 할 때 아래 식(2)와 같이 되며

상기 식(1)에서의 출력토크(t_e)의 토크맥동은 전동기(M)의 속도(W_m)에 그대로 반영되어 속도 맥동을 발생시키게 된다.

제2도는 속도지령(u*)을 기준으로 상기 펄스증폭부(116)를 통해 감산기(111)로 입력되는 전동기의 속도(W_m)를 시간에 따라 나타낸 도로서, 식(1)에서 출력 토크(t_dc)를 제외한 나머지 고조파 성분들이 전동기 속도(W_m)에 그대로 반영됨으로 인해 전동기 속도(W_m)가 출력토크의 맥동에 의해 속도지령(u*)을 중심으로 상하로 변하고 있음을 알 수 있다.

제3도는 상기 제2도와 같이 나타나는 전동기 속도(W_m)를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 통해 주파수 분석을 한 것으로, 전원주파수(f_e)와 같은 주파수에서 속도맥동이 존재하고, 전원주파수( f_e)의 두배의 주파수(2f_e)에서는 직류옵셋에 의한 속도맥동이 존재하고, 전원주파수(f_e)의 6배의 주파수(6f_e)에서는 데드타임에 의한 속도맥동이 존재함을 보인다.

이러한 속도맥동은 전체 시스템의 성능을 저하시키게 된다.

그러나, 이 속도맥동은 상기 속도제어부(112)의 대역폭을 최고 맥동주파수 이상으로 높임으로서 억제할 수 있으나 전동기(M)의 속도를 높이면 전원주파수(f_e)도 증가하고 이에 따른 속도리플의 주파수도 같이 증가하게 되어 속도제어부(112)의 대역폭도 증가시켜야 하는데, 상기 속도제어부(112)의 대역폭을 증가시키는데는 한계가 있음으로 인해 맥동을 억제하는 데에도 한계가 존재하게 되어 상기한 바와 같은 속도맥동으로 인한 전체 시스템의 성능 저하에 대한 문제점을 해결할 수 없게 된다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전동기 속도를 고속푸리에 변환으로 주파수 분석하여 고조파 토크에 의해 발생된 속도맥동의 크기를 구하고 계산된 속도맥동에 적절한 보상이득을 곱해 주어 토크맥동을 상쇄하도록하는 보상전류를 출력하고, 종래의 속도제어부에서 출력되는 전류지령과 보상전류를 합성한 전류지령에 의해 전동기의 토크맥동을 억제할 수 있게 창안한 것으로, 이를 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

제4도는 본 발명 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치의 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 전동기(M)와, 그 전동기(M)의 속도를 검출하여 그에 따른 펄스를 발생하는 펄스발생부(416)와, 상기 출력펄스를 상기 전동기(M)의 회전수에 상응하는 신호로 변환하는 펄스증폭부(417)와, 이 변환된 출력펄스(W_m)와 속도지령(u*)에 대한 오차를 계산하는 제1감산기(411)와, 상기 오차에 비례적분제어를 수행하여 전류지령(i_pi)을 계산하는 속도제어부(412)와, 상기 출력펄스(W_m), 즉 전동기(M)의 속도를 입력받아 토크맥동을 보상하는 보상전류(i_comp)를 출력하는 보상전류발생부(418)와, 상기 전류지령(i_pi)과 보상전류(i_comp)를 합성하여 최종적인 전류지령(i*)을 출력하는 제2감산기(413)와, 상기 새로운 전류지령(i*)에 따른 전압(v*)을 발생하는 전류제어부(414)와, 상기 전압(v*)을 인가 받아 상기 전동기(M)를 구동하는 구동전압을 출력하는 인버터(415)로 구성한다.

상기 보상전류발생부(418)는 전동기의 속도(W_m)를 주파수 분석하는 주파수분석기(421)와, 상기 주파수분석기(421)에서 출력되는 속도맥동의 전원주파수 성분, 전원주파수의 2배성분, 전원주파수의 6배성분의 크기에 보상이득(K1)(K2)(K3)을 각각 곱해 주는 승산부(422)와, 상기 승산부(422)의 출력을 합산함으로써 보상전류(i_comp)를 발생하여 이를 상기 제2감산기(413)로 출력하는 가산기(423)로 구성한다.

또한 상기 주파수분석기(421)는 제5도 및 제6도에 도시한 바와 같이, 전동기의 속도를 고속 푸리에 변환을 수행하는 3개의 FFT 분석기(501∼503)로 이루어지며 각 FFT분석기(501∼503)는 서로 동일한 구조로서, 현단계 속도(W_m(n-1))의 샘플링된 값을 저장하는 저장부(601) 및 이와 직렬 연결되어 n번째 샘플링 주기 전의 속도입력(W_mo)까지 샘플링된 값을 저장하는 다수의 저장부(602)(603)와, 푸리에 변환식에 따라 상기 저장부(601∼603)에 저장되어 있는 샘플링된 검출속도에 각각 계수를 곱하는 승산기(604∼607)와, 이 승산기(604∼607)의 계산값을 합산하는 가산기(608)로 구성한다.

상기의 보상전류발생부(418)는 속도제어부(412)의 속도제어루프내에 위치하며, 일정한 샘플링주기마다 연산이 이루어진다. 보상전류발생부(418)의 연산은 인버터(415)의 운전을 제어하는 중앙연산처리장치(미도시)내에 소프트웨어로 구현된다.

이와 같이 구성한 본 발명 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치의 작용 및 효과를 제3도 내지 제7도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

전동기(M)에 취부되어 있는 펄스발생부(416)에서 전동기(M)의 회전수에 비례하는 주파수를 갖는 펄스열이 출력되고 이 펄스는 펄스증폭부(417)에서 일정한 샘플링 주기(T)마다 검출 증폭되고 이 변환된 출력펄스(W_m)와 입력되는 속도지령(u*)에 대한 오차가 제1감산기(411)에서 계산되어 속도제어부(412)로 입력되고 이 속도제어부(412)에서는 비례상수(kp_s)와 적분상수(ki_s)를 갖는 제어를 수행하여 전동기(M)가 속도지령(u*)대로 운전되도록 하는 전류지령(i_pi)을 연산하여 출력한다.

한편, 상기 출력펄스(W_m)는 제5도의 보상전류발생부(418)의 주파수분석기(421)의 고속푸리에 변환을 수행하는 3개의 FFT분석기(501~503)로 입력되어 첫 번째 FFT 분석기(501)에서는 전원주파수분(f_e)의 고조파 속도 맥동의 크기(ml)가 검출되며, 두 번째 FFT 분석기(502)에서는 전원주파수의 2배의 주파수 성분(2f_e)의 속도 맥동의 크기(m2)가 검출되며, 세 번째 FFT분석기(503)에서는 전원주파수의 6배의 주파수 성분(6f_e)의 속도 맥동의 크기(m6)가 검출된다.

전원주파수분의 고주파 속도 맥동의 크기(m1)를 검출하는 것에 대하여 제6도를 참조하여 설명한다.

현재속도(W_m(n-1))가 입력되면 이 현재 속도(W_m(n-1))는 저장부(601)에 저장되며 이 저장부(601)에 직렬 연결된 다른 저장부(601)에는 한 주기 이전 속도 (W_m(n-2))가 저장되며 또다른 저장부(603)에는 n주기 이전에 샘플링된 속도(W_mo)가 저장된다.

이때, z^-1은 z변환 연산자로 샘플링 주기가 한 주기 지연됨을 의미한다.

또한, 상기 속도 W_m(n-1),W_m(n-2)···W_mo는 각각 승산기(604∼607)에서 아래 식(3)과 같이 지수 함수로 표현되는 소정의 계수(B_i)와 곱해지며,

여기서 n은 전체 샘플링 개수를 나타내고 k는 현재의 샘플링 주기를 나타낸다.

이후, 상기 각각의 승산기(604∼607)에서 계산된 값은 가산기(608)에서 합해지며 이를 표현하면 아래 식(4)와 같이 푸리에 변환식이 된다.

여기서, Ω주파수 분해능으로서 샘플링주기(T)와 데이터 개수(n)에 의해 아래 식(5)와 같이 결정되며 전원주파수(f_e)로 설정되도록 T와 n을 조정함으로써 푸리에 변환을 수행하여 얻을 수 있는 최소 주파수의 크기로 이 Ω정수배인 주파수 성분의 크기, 즉 전원주파수의 배수의 주파수를 갖는 속도 맥동의 크기를 구할 수 있게 된다.

이와 같이 상기 식(4)의 k값으로 '1'을 대입하여 푸리에 변환식을 연산하면 상기 첫 번째FFT 분석기(501)에서 전원주파수분의 고조파 속도 맥동의 크기(m1)가 검출되어 출력된다.

또한, 두 번째 FFT 분석기(502) 역시 제6도와 동일하게 저장부(601∼603) 및 승산기(604~607) 및 가산기(608)로 구성되어 상기 식(3)의 k값으로 '2'를 대입하여 연산하면 전원주파수의 2배의 주파수 성분(2f_e)의 속도 맥동의 크기 (m2)가 검출되며, 세 번째 FFT 분석기(503) 역시 제6도와 동일하게 구성되어 상기 식(4)의 k값으로 '6'을 대입하여 연산하면 전원주파수의 6배의 주파수 성분(6f_e)의 속도 맥동의 크기(m6)가 검출되며 아래 식(6)과 같다.

이후, 상기 속도맥동의 전원주파수의 각 주파수 성분(f_e)(2f_e)(6f_e)에 보상이득(K1)(K2)(K3)이 승산부(422)에서 곱해지고 곱해진 값은 가산기(423)에서 합산되어 상기 속도맥동의 크기를 줄이도록 하는 보상전류(i_comp)로 출력되며 이 보상 전류(i_comp)는 제2감산기(413)에서 상기속도제어부(412)의 전류지령(i_pi)과 감산되어 최종 전류지령(i*)을 연산하게 된다.

이 전류지령(i*)은 전류제어부(414)에서 전압(v*)을 발생하고 이에 따라 인버터(415)는 전동기(M)를 구동하게 된다.

제7도에서 점선으로 표시한 부분(711-713)은 제3도와 같은 종래 장치에 의한 전동기 속도를 주파수 분석한 것이며, 실선(714-716)은 본 발명에 의한 전동기속도를 주파수 분석한 것으로, 각 전원주파수 성분(f_e, 2f_e, 6f_e)에서 속도 맥동, 직류옵셋에 의한 속도 맥동 및 데드타임에 의한 속도 맥동이 크게 감소함을 보여준다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 전원주파수 성분의 배수의 주파수에서 발생하는 속도맥동을 구하고 이에 각각의 보상이득을 곱하여 보상전류를 생성 출력하게 되어 인버터가 입력 속도지령에 따라 속도맥동없이 전동기를 구동할 수 있도록 함으로써 전동기의 토크맥동을 억제하여 전동기의 속도맥동을 저감하는 효과가 있다.

Claims

전동기의 속도를 검출하여 그에 따른 펄스를 발생하는 펄스발생부와, 상기 펄스발생부의 출력펄스를 전동기 회전수에 상응하는 신호로 변환하는 펄스증폭부와, 이 변환된 출력펄스와 속도지령에 대한 오차를 계산하는 제1감산기와, 상기 오차에 제어를 수행하여 전류지령을 계산하는 속도제어부와, 이 전류지령에 따른 전압지령을 발생하는 전류제어부와, 상기 전압지령을 인가 받아 전동기를 구동하는 구동전압을 출력하는 인버터와 전동기로 구성된 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치에 있어서, 상기 전동기의 속도를 입력받아 이를 주파수 분석하여 속도 맥동의 크기를 구하고 이 각각에 보상이득을 곱하여 토크맥동을 보상하도록하는 보상전류를 출력하는 보상전류발생부와, 상기 전류지령과 보상전류를 합성하여 새로운 전류지령을 상기 전류제어부로 출력하는 제2감산기를 포함하여 전동기의 속도맥동을 저감하도록 구성된 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치.
제1항에 있어서, 보상전류발생부는 전동기의 속도를 주파수 분석하는 주파수분석기와, 상기 주파수분석기에서 출력되는 속도맥동의 크기에 보상이득을 곱해주는 승산부와, 상기 승산부의 출력들을 합산함으로써 보상전류를 발생하여 이를 상기 제2감산기로 출력하는 가산기로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 유도전동기 구동 인버터의 속도제어장치.