KR100316740B1 - 교류타코제너레이터를사용한전동기속도검출장치 - Google Patents

교류타코제너레이터를사용한전동기속도검출장치 Download PDF

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Abstract

교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치가 개신된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치는 상호 120도의 위상차를 갖는 3상의 정현파를 출력하는 타고제너레이터; 타고제너레이터로부터의 제 1,2,3 정현파의 이득을 증폭하는 제 1,2,3 증폭부; 제 1,2,3 증폭부로부터의 신호를 각각 제곱 승산처리하는 제 1,2,3 제곱승산부; 제 1,2,3 제곱승산부로부터의 각각의 신호를 가산하는 가산부; 가산부로부터의 신호의 이득을 증폭하는 제4 증폭부; 제4 증폭부로부터의 신호를 제곱근 승산처리하는 제곱근승산부; 제곱근승산부로부터의 신호의 이득을 증폭하여 전동기의 회전속도를 나타내는 신호로 출력하는 제5 증폭부를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 펄스 엔코더나 직류 타고케너레이터가 아닌 교류 타코제너레이터를 이용하므로, 속도 검출 시간의 지연을 거의 없일 수 있고, 연산 오차가 주는 한계 이외에는 다른 검출 속도 범위의 한계는 존재하지 않게 됨으로써, 고정도 및 고속 응답으로 전동기의 회전속도 검출이 가능하여 전동기의 속도제어를 보다 정밀학 수행할 수 있다.

Description

교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치
본 발명은 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치에 관한 것으로서, 상세하게는 2상 또는 3상 출력의 정현파 교류 타코제너레이터(sinusoidal AC tacho-generator)를 이용하여 전동기 회전속도를 고정도(accuracy) 및 고속응답으로 검출할 수 있도록 한 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치에 관한 것이다.
일반적으로, 최근 전동기 구동분야는 고정도의 속도 추정 이론과 고속 디지털 연산소자의 보급에 힘입어 실제속도에 가까운 속도를 추정하기에 이르렀다.
센서를 이용한 전동기 속도 검출 방법은 엔코더를 이용하는 방법과 타코제너레이터를 이용하는 방법으로 대별된다. 회전에 따라 펄스열이 발생되는 펄스엔코더를 이용하는 방법은 현재 전동기 속도 제어를 디지털로 행하는 경우 가장 많이 이용되고 있다. 이때, 속도에 비례하는 가변 주파수의 펄스열 정보를 속도 정보로 변환하는 방법은 F/V 컨버터(Frequency to Voltage converter)를 이용하는 방법, 일정한 검출 주기 동안에 계수된 엔코더 펄스의 수를 가지고 속도 정보를 얻어내는 기법(이하, M기법이라 칭함), 일정 수의 엔코더 펄스 주기 동안에 계수된 일정 주파수의 클럭 수를 가지고 속도 정보를 얻어내는 기법(이하, T기법이라 칭함), M기법과 T기법을 동시에 이용하는 기법(이하, M/T기법이라 칭함) 등이 있다.
F/V 컨버터를 이용하는 방법은 원리적으로 R-C회로를 이용하는 것이므로 응답을 빠르게 하려면 전압크기에 맥동이 발생하게 되어 전동기 제어시 정상상태 특성이 불량하게 되는 문제점이 있으며, 근본적으로 속도에 따라 펄스열의 주파수가 바뀌게 되므로 저속에서는 더욱 큰 맥동을 가지고 고속이 되면 응답이 느려지는 문제점이 있어 전동기 속도 제어를 위한 속도 정보로는 적합하지 못하다.
M기법 또는 T기법은 현재 가장 널리 사용되는 속도 검출 방법이나 M기법의 경우 저속 영역으로 갈수록 검출 오차가 커지며 어느 한계 이하의 속도에 있어서는속도 검출 자체가 불가능하고, T기법의 경우 M기법과는 반대로 고속 영역으로 갈수록 검출 오차가 커지며 어느 한계 이상의 속도에 있어서는 이 또한 속도 검출 자체가 불가능하게 된다.
또한 M기법과 T기법 모두 디지털 연산기를 이용하게 되는데 회로의 계수 능력에 따라서도 저속 또는 고속의 속도 검출 불가능 영역이 발생하게 되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, M기법의 경우 속도 검출 정도를 높이기 위하여는 긴 검출 주기가 소요되므로 당연히 속도 검출 주기가 가변되는 문제가 발생한다. 최근 전동기의 고성능 제어에는 저속 및 고속 영역 모두에서 좋은 속도 검출 정도를 가지는 M/T기법이 많이 이용되고 있으나, 이 M/T기법에 있어서도 속도 검출 지연이 발생함과 동시에 속도 검출 방법의 구현이 복잡한 단점이 있다.
따라서, 거의 대부분의 고정도 전동기 제어시에는 속도 검출 지연에 의한 영향을 보상하기 위하여 순시 속도 예측기법이 적용되고 있으나 이 또한 속도의 변동이 불규칙적으로 급변하는 경우에는 정확한 순시 속도 예측이 불가능하다.
한편, 타코제너레이터를 이용한 속도 검출 방법의 경우는 단상 교류 타코제너레이터를 이용하는 방법과 직류 타코제너레이터를 이용하는 방법이 있는데 단상 교류 타코제너레이터를 이용하는 경우는 단상 교류 타코제너레이터의 출력이 속도에 비례하는 크기와 주파수를 가진 교류 파형이므로 전동기 제어를 위하여 일정한 크기의 속도 정보를 얻기 위하여는 정현파의 실효치(RMS)를 직류 값으로 변환하는 컨버터를 사용하게 되는데 이 경우는 펄스엔코더를 이용하여 F/V 컨버터를 사용한 경우와 같은 문제점이 발생되므로 실제에 있어서는 교류 전압계를 이용한 속도 표시용으로만 이용되고 있다.
직류 타코제너레이터를 이용하는 경우에는 직류 타코제너레이터의 출력이 속도에 비례하는 직류 전압이므로 활용이 간편하다는 장점이 있으나 브러쉬와 정류자가 있으므로 유지 보수가 필요하다는 문제점이 있으며, 브러쉬와 정류자에 의한 정류과정에서 이상전압이 발생되는 단점이 있어 직류 타코제너레이터의 출력을 필터링하여야 되므로 이에 의한 속도 검출 지연이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 90도 위상차를 갖는 2상 또는 120도 위상차를 갖는 3상 출력의 정현파 교류 타코제너레이터를 이용하여 고정도 및 실시간으로 전동기의 회전속도를 검출할 수 있도록 한 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치의 개략적인 시스템 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치의 개략적인 시스템 구성도,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 개략적인 시스템 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치를 이용하여 전동기의 속도를 검출하기 위해 채용되는 하드웨어 장치의 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치에 채용되는 3상 정현파 타코제너레이터의 출력 파형도.
도 6은 종래 전동기 속도 검출방법에 있어서의 M기법 모의실험 결과를 도시한 그래프.
도 7은 종래 전동기 속도 검출방법에 있어서의 T기법 모의실험 결과를 도시한 그래프.
도 8은 전동기 속도 검출방법에 있어서의 M/T기법 모의실험 결과를 도시한 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치에 채용되는 교류 타코제너레이터의 출력을 이용하고, 선형 연산후 8비트, 100㎲ A/D 변환 모의실험 결과를 도시한 그래프.
도 10은 도 9와 같이 교류 타코제너레이터의 출력을 이용하고, 선형 연산후 16비트, 2㎲ A/D 변환 모의실험 결과를 도시한 그래프.
도 11은 본 발명에 채용되는 3상 타코제너레이터로부터 출력되는 정현파 신호의 상레벨의 전압을 A/D 변환 후, 마이크로프로세서(범용 16비트)를 이용하여 전동기의 속도를 연산한 결과를 도시한 그래프.
도 12는 도 11과 같이 A/D 변환 후, 연산 시간이 5㎲ 정도인 고성능 마이크로프로세서를 이용하여 전동기의 속도를 연산한 결과를 도시한 그래프.
도 13은 도 11의 경우와 동일한 조건하에 3상 출력전압을 샘플홀더로 래치한 후, 순차적으로 동기식 A/D 변환한 경과를 도시한 그래프.
도 14는 변환시간과 연산시간을 도 12의 경우와 같은 정도로 가정하고, 모의 실험한 결과를 도시한 그래프.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치는, 전동기의 회전에 대응하여 120도의 위상차를 갖는 3상의 정현파를 출력하는 타코제너레이터와; 상기 타코제너레이터로부터의 제 1,2,3 정현파의 이득을 증폭하여 출력하는 제 1,2,3 증폭부와; 제 1,2,3 증폭부로부터의 신호를 각각 제곱 승산처리하여 출력하는 제 1,2,3 제곱승산부와; 제 1,2,3 제곱승산부로부터의 각각의 신호를 가산하여 출력하는 가산부와; 가산부로부터의 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 4 증폭부와; 제 4 증폭부로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부와; 제곱근승산부로부터의 신호의 이득을 증폭하여 전동기의 회전속도를 나타내는 신호로 출력하는 제 5 증폭부를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 실싱예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치는, 전동기의 회전에 대응하여 120도의 위상차를 갖는 3상의 정현파를 출력하는 타코제너레이터와; 타코제너레이터로부터의 제 1,2 정현파의 이득을 증폭하여 출력하는 제 1,2 증폭부와; 제 1,2 증폭부로부터의 신호를 각각 제곱 승산처리하여 출력하는 제 1,2 제곱승산부와; 제 1 증폭부로부터의 신호와 제 2 증폭부로부터의 신호를 승산처리하여 출력하는 승산부와; 제 1,2 제곱승산부로부터의 각각의 신호와 승산부로부터의 신호를 가산하여 출력하는 가산부와; 가산부로부터의 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 3 증폭부와; 제 3 증폭부로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부와; 제곱근승산부로부터의 신호의 이득을 증폭하여 전동기의 회전속도를 나타내는 신호로 출력하는 제 4 증폭부를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 교류 타고제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치는, 전동기의 회전에 대응하여 90도의 위상차를 갖는 2상의 정현파를 출력하는 타코제너레이터와; 타코제너레이터로부터의 제 1,2 정현파의 이득을 증폭하여 출력하는 제 1,2 증폭부와; 제 1,2 증폭부로부터의 신호를 각각 제곱 승산처리하여 출력하는 제 1,2 제곱승산부와; 제 1,2 제곱승산부로부터의 각각의 신호를 가산하여 출력하는 가산부와; 가산부로부터의 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 3 증폭부와, 제 3 증폭부로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부와; 제곱근승산부로부터의 신호의 이득을 증폭하여 전동기의 회전속도를 나타내는 신호로 출력하는 제 4 증폭부를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.
한편, 이상과 같은 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치를 이용하여 전동기의 속도를 검출하는 방법은, 전동기의 회전에 대응하여 3상 정현파를 출력하는 타코제너레이터로부터의 제 1,2,3 정현파 신호가 각각 제 1,2,3 디지털 신호(EU,EV,EW)로 변환되어 입력되는 것을 읽는 단계와; 읽은 제 1,2,3 디지털 신호값(EU,EV,EW)과, 타코제너레이터의 권선계수(KW)와, 권수(n), 자속 (Φ)을 이용하여 회전 각속도(ω)를 ω=√(2/3)×1/(KW×n×Φ)×√(EU 2+EV 2+EW 2) 관계식으로 연산하여 검출하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 전동기 속도를 검출하는 다른 방법은, 전동기의 회전에 대응하여 3상 정현파를 출력하는 타코제너레이터로부터의 제 1,2 정현파 신호가 각각 제 1,2 디지털 신호(EU,EV)로 변환되어 입력되는 것을 읽는 단계와; 읽은 제 1,2 디지털 신호값(EU,EV)과, 타코제너레이터의 권선계수(KW)와, 권수(n), 자속(Φ)을 이용하여 회전 각속도(ω)를 ω=2/√3×1/(KW×n×Φ)×√(EU 2+EV 2+(EU×EV)) 관계식으로 연산하여 검출하는 단계를 포함하여 이루어진다.
또한, 전동기의 속도를 검출하는 또 다른 방법은, 전동기의 회전에 대응하여 2상 정현파를 출력하는 타코제너레이터로부터의 제 1,2 정현파 신호가 각각 제 1,2디지털 신호(EA,EB)로 변환되어 입력되는 것을 읽는 단계와, 읽은 제 1,2 디지털 신호값(EA,EB)과, 타코제너레이터의 권선계수(KW)와, 권수(n), 자속(Φ)을 이용하여 회전 각속도(ω)를 ω=1/(KW×n×Φ)×√(EA 2+EB 2) 관계식으로 연산하여 검출하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터 또는 120도 위상차를 갖는 3상 타코제너레이터를 이용하여 전동기의 속도를 검출한다.
어느 경우이든 타코제너레이터의 출력 전압 파형이 완전한 정현파일 경우 적용이 유용한 것으로 만일 고조파가 포함되어 있다면 일정속도에서도 맥동이 있는 것으로 나타나게 되므로 이 점에 유의해야 하며, 이를 보상하기 위하여 각 고조파의 성분의 크기를 오프라인으로 구한 뒤 별도로 제공되는 위상각에 따라 순시적으로 고조파 성분을 보상해야 한다.
이러한 고조파 성분의 보상은 근래의 유한요소법을 이용한 전기기기의 해석 및 설계기법의 발달로 완전한 정현파의 출력을 갖는 타코제너레이터의 제작이 가능하며, 현재 기전력의 파형이 거의 완전한 정현파인 PMSM(Permanent MagnetSynchronous Motor : 영구 자석형 동기 전동기)이 있으므로 이를 그대로 적용할 수도 있다.
특히, 선형 연산 소자 기술이 상당한 수준에 있기 때문에 후술하는 본 발명의 일 실시예에서와 같이 선형 연산 소자로써 구현한다면 속도 검출 시간 지연은 거의 없게 되며, 후술하는 본 발명의 다른 실시예에서와 같이 마이크로프로세서 등을 이용한 디지털 연산의 경우에도 종래의 펄스 엔코더를 이용하는 경우와 달리 속도 검출 주기가 필요치 않으므로 연산시간 이외의 속도 검출 지연 요소가 발생하지 않으며, 또한 연산 오차가 주는 한계 이외에는 다른 검출 속도 범위의 한계는 존재하지 않게 됨으로써, 고정도, 고속 응답의 전동기 제어에 매우 유용하다.
이하 정현파 교류 타코제너레이터를 이용하여 전동기 속도를 연산 검출하기 위한 과정을 설명한다.
먼저, 3상 타코제너레이터를 이용한 속도 연산에 대하여 설명한다.
120도 위상차를 갖는 3상 타코제너레이터의 상전압 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 1로 표시된다.
[수학식 1]
상기수학식 1의 각 변을 제곱하여 각 변을 더한 후 E에 대하여 정리하면수학식 2가 된다.
[수학식 2]
이때, 3상 타코제너레이터의 정현파 유기기전력의 실효치 E는 권선계수 (winding factor)를 Kw, 회전각속도를 ω, 권선수 n, 자속을 Φ라 했을 때수학식 3으로 표현된다.
[수학식 3]
상기수학식 3을 ω에 대하여 정리하여수학식 2에 대입하면수학식 4가 된다.
[수학식 4]
상기수학식 4에서 K1은 일정한 상수값이 되므로 3상 타코제너레이터의 출력전압의 순시치로부터 전동기의 속도를 연산할 수 있게된다.
한편, 상술한수학식 4를수학식 5와 같이 변형하면 120도 위상차의 2상 출력만으로도 연산이 가능하며, 3상 2상 변환을 통하여서도 속도 연산이 가능하게 된다.
[수학식 5]
다음에, 2상 타코제너레이터를 이용한 전동기의 속도 연산 과정을 살펴본다.
90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터의 상전압의 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 6으로 표시된다.
[수학식 6]
3상의 경우와 같은 방법으로 회전 각속도 ω에 대하여 정리하면수학식 7이 된다.
[수학식 7]
상기수학식 7에서도 K3은 일정한 값이 되므로 역시 2상 타코제너레이터의 출력전압의 순시치로부터 전동기의 속도를 연산할 수 있게 된다.
다음에, 상술한 전동기의 속도 연산 과정을 적용한 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치와 그를 이용한 전동기 속도 검출 방법에 대해 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따라 소정의 선형 소자를 이용하여 구성한교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치의 개략적인 시스템 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치는 전동기의 회전에 대응하여 3상의 정현파를 출력하는 3상 타코제너레이터(101)와; 상기 3상 타코제너레이터(101)로부터 출력되는 제 1,2,3 정현파 신호의 이득을 각각 증폭하여 출력하는 제1,2,3 증폭부(102,103,104)와; 상기 제 1,2,3 증폭부(103,104,105)로부터 각각 증폭된 정현파 신호의 상전압 레벨을 제곱 승산 하여 각각 출력하는 제 1,2,3 제곱승산부(105,106,107)와; 상기 제 1,2,3 제곱승산부(105,106,107)로부터의 제곱 승산된 전압 레벨을 갖는 정현파 신호를 가산하여 출력하는 가산부(108)와; 상기 가산부(108)로부터의 가산되어 출력되는 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 4 증폭부(109)와; 상기 제 4 증폭부 (109)로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부(110)와; 상기 제곱근승산부(110)로부터의 신호를 증폭하여 출력하는 제 5 증폭부(111)를 포함하여 구성한다.
이러한 구성은 상술한수학식 4를 이용하여 전동기의 회전속도인 회전 각속도인 ω를 선형 회로 소자를 이용하여 연산하기 위한 것으로서, 제 1,2,3 증폭부 (102,103,104)로부터 출력되는 제 1,2,3 정현파(EU,EV,EW) 신호가 각각 제 1,2,3 제곱승산부(105,106,107)에서 제곱승산되어 가산부(108)에서 가산된다.
다음에, 가산된 신호가 제 4 증폭부(109)를 통해서 이득 증폭 처리되고, 이증폭된 신호가 제곱근승산부(110)에서 제곱근승산되어 제 5 증폭부(111)에서 증폭되어 출력되며, 상기 제 5 증폭부(111)에서는수학식 4에서의 회전 각속도인 ω에서 상수 K1을 고려하므로 그 출력신호는 전동기의 회전속도로 이용할수 있게 된다.
또한 이 아날로그 출력 신호를 A/D 컨버터(미도시)를 이용하여 디지털 신호로 변환하여 서보 제어 수단(미도시)을 통하여 전동기의 회전속도 제어에 사용가능 하다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치의 개략적인 시스템 구성도이다.
이 제2실시예의 경우는 3상의 정현파를 출력하는 3상 타코제너레이터의 2상 정현파만을 이용하여 전동기의 회전속도를 검출하기 위한 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 전동기의 회전에 대응하여 3상의 정현파를 출력하는 3상 타코제너레이터(201)와; 상기 3상 타코제너레이터(201)로부터 출력되는 제 1,2 정현파 신호의 이득을 각각 증폭하여 출력하는 제1,2 증폭부(202,203)와; 상기 제 1,2 증폭부 (202,203)로부터 각각 증폭된 정현파 신호의 상전압 레벨을 제곱 승산하여 각각 출력하는 제 1,2 제곱승산부(204,205)와; 상기 제 1,2 증폭부(202,203)로부터 각각 증폭된 정현파 신호의 상전압 레벨을 승산하여 출력하는 승산부(206)와; 상기 제 1,2 제곱승산부(204,205)로부터의 제곱 승산된 전압 레벨을 갖는 정현파 신호와 승산부(206)으로부터의 신호를 가산하여 출력하는 가산부(207)와; 상기 가산부(207)에서 가산되어 출력되는 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 3 증폭부(208)와;상기 제 3 증폭부(208)로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부(209)와; 상기 제곱근승산부(209)로부터의 신호를 증폭하여 출력하는 제 4 증폭부(210)를 포함하여 구성한다.
이러한 구성은 상술한수학식 5를 이용하여 전동기의 회전속도인 회전 각속도인 ω를 선형 회로 소자를 이용하여 연산하기 위한 것으로서, 제 1,2 증폭부 (202,203)로부터 출력되는 제 1,2 정현파(EU,EV) 신호가 각각 제 1,2 제곱승산부 (204,205)에서 제곱승산되고, 제 1,2 정현파(EU,EV) 신호가 승산부(206)에서 승산 된다.
다음에, 제 1,2 제곱 승산부(204,205)에서 각각 제곱승산된 신호와 승산부 (206)에서 승산된 신호가 가산부(207)에서 가산된다.
그런 다음, 가산된 신호가 제 3 증폭부(208)를 통해서 이득 증폭 처리되고, 이 증폭된 신호가 제곱근승산부(209)에서 제곱근승산되어 제 4 증폭부(210)에서 증폭되어 출력되며, 상기 제 4 증폭부(210)에서수학식 5에서의 회전 각속도인 ω에서 상수 K2를 고려하므로 그 출력신호는 전동기의 회전속도로 이용할 수 있게 된다.
한편,도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치의 개략적인 시스템 구성도이다.
이 제3 실시예의 경우는 2상의 정현파를 출력하는 2상 타코제너레이터를 이용하여 전동기의 회전속도를 검출하기 위한 것으로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 전동기의 회전에 대응하여 2상의 정현파를 출력하는 2상 타코제너레이터(301)와;상기 2상 타코제너레이터(301)로부터 출력되는 제 1,2 정현파 신호의 이득을 각각 증폭하여 출력하는 제1,2 증폭부(302,303)와; 상기 제 1,2 증폭부(302,303)로부터 각각 증폭된 정현파 신호의 상전압 레벨을 제곱 승산하여 각각 출력하는 제 1,2 제곱승산부(304,305)와; 상기 제 1,2 제곱승산부(304,305)로부터의 제곱 승산된 전압 레벨을 갖는 정현파 신호를 가산하여 출력하는 가산부(306)와; 상기 가산부 (306)로부터의 가산되어 출력되는 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 3 증폭부 (307)와; 상기 제 3 증폭부(307)로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부(308)와; 상기 제곱근승산부(308)로부터의 신호를 증폭하여 출력하는 제 4 증폭부(309)를 포함하여 구성한다.
이러한 구성은 상술한수학식 7을 이용하여 전동기의 회전속도인 회전 각속도인 ω를 선형 회로 소자를 이용하여 연산하기 위한 것으로서, 제 1,2 증폭부 (302,303)로부터 출력되는 제 1,2 정현파(EA,EB) 신호가 각각 제 1,2 제곱승산부 (304,305)에서 제곱승산되고, 제곱승산된 각각의 신호가 가산부(306)에서 가산된다.
그런 다음, 가산된 신호가 제 3 증폭부(307)를 통해서 이득 증폭 처리되고, 이 증폭된 신호가 제곱근승산부(308)에서 제곱근승산되어 제 4 증폭부(309)에서 증폭되어 출력되며, 상기 제 4 증폭부(309)에서수학식 7에서의 회전 각속도인 ω에서 상수 K3을 고려하므로 그 출력신호는 전동기의 회전속도로 이용할 수 있게 된다.
한편,도 4는 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치를 이용하여 전동기의 속도를 검출하기 위해 채용되는 하드웨어 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치에 의한 속도 검출방법을 구현하기 위한 하드웨어 장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 전동기의 회전에 기인하여 2상 또는 3상의 정현파를 출력하는 타코제너레이터(401)와; 상기 타코제너레이터(401)로부터의 각각의 정현파 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 1,2,3 증폭부(402,403,404)와; 상기 제 1,2,3 증폭부(402,403,404)로부터의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 제 1,2,3 ADC(405,406,407)와; 상기 제 1,2,3 ADC(405,406,407)로부터의 디지털 값을 각각의 입력포트로 인가받아 상술한수학식 4또는수학식 5또는수학식 7에 의거하여 전동기의 회전 각속도 ω를 연산하여 연산된 값이 전동기의 회전속도를 나타내는 값이 되며, 이 값을 도시되지 않은 서보 제어 수단으로 인가하는 마이크로프로세서(408)를 포함하여 전동기의 회전속도를 제어할 수 있게 된다.
이러한 구성에 있어서, 마이크로프로세서(408)는 타코제너레이터(401)가 3상 정현파 출력을 갖는 타코제너레이터인지 또는 2상 정현파 출력을 갖는 타코제너레이터인지에 대응하여 상술한수학식 4또는수학식5 또는수학식 7에 의거하여 회전 각속도 ω를 연산하여 전동기의 회전속도를 검출하게 된다.
다음에, 본 발명에 따른 다상 정현파 출력을 갖는 타코제너레이터를 이용한 전동기의 상술한 속도검출 방법에 대한 모의실험을 선형 소자를 이용한 경우와 마이크로프로세서를 이용한 디지털 연산의 경우에 대하여 수행하였으며, 비교 평가를위하여 기존의 펄스엔코더를 이용한 속도 검출기법인 M기법, T기법, M/T기법에 대한 모의실험 역시 실제 구현 방법으로 모의실험을 행하였다.
연산 시간에 있어 3상 타코제너레이터를 이용한 경우와 2상 타코제너레이터를 이용한 경우가 차이가 날 뿐 그 특성은 동일할 것이므로, 연산 소요 시간이 다소 더 걸릴 3상 타코제너레이터를 이용한 경우에 대하여서만 모의실험을 수행하였다.
먼저,도 5는 4극을 가정한 3상 타코제너레이터의 3상 출력파형과 이로부터 연산된 전공기의 속도를 나타낸 것으로 선형 연산소자를 이용하는 경우 동 도면에 도시된 바와 같이 시간 지연 없이 순시 속도를 곧바로 연산할 수 있다.
도 6은 회전당 8000펄스를 발생하는 엔코더를 사용하고 샘플링시간 300㎲로 종래 M기법을 사용하였을 때 실제속도 및 검출속도와 속도의 백분율 오차를 보여주는 그래프로서, M기법의 단점인 저속에서 계수할 수 있는 엔코더펄스의 숫자가 작기 때문에 저속에서 다소의 오차를 보이고 있다.
도 7은 1MHz의 클럭을 이용하고 회전당 1000펄스를 발생하는 엔코더로 종래 T기법을 사용하였을 때 검출속도와 백분율 오차를 도시한 그래프로서, 고속에서 엔코더 펄스 한 주기간에 계수된 클럭펄스의 개수가 작아서 오차를 보이고 있음을 알 수 있다. 저속에서도 엔코더펄스의 주파수가 낮아 검출 지연이 발생함에 따라 속도 오차가 크게 나타남을 알 수 있다.
도 8은 1MHz의 클럭과 회전당 2000펄스를 발생하는 엔코더를 사용하여 샘플링시간 300㎲로 종래 M/T기법을 사용하였을 때 검출 속도와 백분율 오차를 도시한그래프로서, 고속에서는 안정되나 저속에서 역시 검출 주기가 길어짐에 따라서 오차값이 큼을 알 수 있다.
상술한도 6내지도 8에서 엔코더의 펄스수를 각각 상이하게 하여 모의실험을 행한 이유는 각각의 속도 검출 방법의 특성상 전체 속도 영역에 있어 전반적으로 우수한 경우를 보이기 위하여 클럭 주파수와 샘플링시간에 적합한 펄스수를 가정했기 때문이다.
한편,도 9는 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치에 채용되는 3상 정현파 타코제너레이터의 출력을 이용하고 선형 연산 소자로 속도를 계산하여 그 결과를 정도 8 비트, 변환시간 100㎲로 A/D 변환한 결과를 도시한 그래프로서, 도 8의 M/T기법을 사용한 결과와 비교하였을 때 보다 우수한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 10은 도 9와 같이 선형 연산소자로 속도를 계산하고 정도 16비트, 변환 시간 2㎲로 A/D 변환한 결과를 도시한 그래프로서, 실제속도와 차이가 없음을 알 수 있다.
도 11은 3상 타코제너레이터로부터 출력되는 정현파 신호의 상레벨의 전압을 A/D 변환하고 마이크로프로세서에서 속도를 연산한 결과를 도시한 그래프로서, 정도 10비트, 채널당 변환시간 42㎲인 A/D 변환 포트가 제공되는 범용 16비트 (One-chip)의 마이크로프로세서인 8096을 이용할 경우를 가산한 것으로 연산시간은 50㎲로 충분히 잡은 경우이다.
이때, 도 11에 도시된 바와 같이 3상의 전압을 비동기로 변환한 결과, 변환시간 만큼의 위상 오차가 발생한 상황이 되어 연산된 속도가 맥동함을 알 수 있다.
한편,도 12는도 11에서와 같이 동일한 A/D 변환기를 이용하고 DSP (Digital Signals Processor)급 정도의 연산시간이 5㎲정도인 고성능 마이크로프로세서를 이용한 결과를 도시한 그래프로서, 연산시간이 매우 작으므로 극저속에서만 속도오차가 있음을 알 수 있다.
다음에,도 13은도 11의 경우와 동일한 조건하에서 3상 출력 전압을 동일 시점에 샘플홀더로 래치한 후 순차적으로 A/D 변환한 동기식 A/D 변환을 적용한 결과를 도시한 그래프로서, A/D 변환시간과 속도 연산시간 지연에 따른 속도오차만이 존재함을 알 수 있다.
그리고,도 14는 A/D 변환시간과 속도 연산시간을도 12의 경우와 같은 정도로 가정하고 모의 실험한 결과를 도시한 그래프로서,도 8의 M/T기법과 비교하였을 때 매우 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
이상의 모의실험으로부터 본 발명에 따른 다상 정현파 교류 타코제너레이터를 이용한 속도검출 장치에 의한 속도 검출 방법은 성능과 실용면에 있어 여타 속도검출 방법에 비하여 우수함을 알 수 있으며, 2상 타코제너레이터를 이용할 경우에는 연산 시간이 덜 소요되어 더욱 우수할 것임을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 속도검출 장치는 속도 검출 시간의 지연을 거의 없일 수 있으며, 연산 오차가 주는 한계 이외에는 다른 검출 속도 범위의 한계는 존재하지 않게 됨으로써, 고정도 및 고속 응답으로 전동기의 회전속도 검출이 가능하여 전동기의 속도 제어를 보다 정밀하게 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 전동기의 회전에 대응하여 120도의 위상차를 갖는 3상의 정현파를 출력하는 타코제너레이터(101)와; 상기 타코제너레이터(101)로부터의 제 1,2,3 정현파의 이득을 증폭하여 출력하는 제 1,2,3 증폭부(102,103,104)와; 상기 제 1,2,3 증폭부 (102,103,104)로부터의 신호를 각각 제곱 승산처리하여 출력하는 제 1,2,3 제곱승산부(105,106,107)와; 상기 제 1,2,3 제곱승산부(105,106,107)로부터의 각각의 신호를 가산하여 출력하는 가산부(108)와; 상기 가산부(108)로부터의 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 4 증폭부(109)와; 상기 제 4 증폭부(109)로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부(110)와; 상기 제곱근승산부(110)로부터의 신호의 이득을 증폭하여 전동기의 회전속도를 나타내는 신호로 출력하는 제 5 증폭부(111)를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치.
  2. 전동기의 회전에 대응하여 120도의 위상차를 갖는 3상의 정현파를 출력하는 타코제너레이터(201)와; 상기 타코제너레이터(201)로부터의 제 1,2 정현파의 이득을 증폭하여 출력하는 제 1,2 증폭부(202,203)와; 상기 제 1,2 증폭부(202,203)로부터의 신호를 각각 제곱 승산처리하여 출력하는 제 1,2 제곱승산부(204,205)와; 상기 제 1 증폭부(202)로부터의 신호와 제 2 증폭부로(203)부터의 신호를 승산처리하여 출력하는 승산부(206)와; 상기 제 1,2 제곱승산부(204,205)로부터의 각각의신호와 승산부(206)로부터의 신호를 가산하여 출력하는 가산부(207)와; 상기 가산부(207)로부터의 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 3 증폭부(208)와; 상기 제 3 증폭부(208)로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부(209)와; 상기 제곱근승산부(209)로부터의 신호의 이득을 증폭하여 전동기의 회전속도를 나타내는 신호로 출력하는 제 4 증폭부(210)를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전속도 검출장치.
  3. 전동기의 회전에 대응하여 90도의 위상차를 갖는 2상의 정현파를 출력하는 타코제너레이터(301)와; 상기 타코제너레이터(301)로부터의 제 1,2 정현파의 이득을 증폭하여 출력하는 제 1,2 증폭부(302,303)와; 상기 제 1,2 증폭부(302,303)로부터의 신호를 각각 제곱 승산처리하여 출력하는 제 1,2 제곱승산부(304,305)와; 상기 제 1,2 제곱승산부(304,305)로부터의 각각의 신호를 가산하여 출력하는 가산부(306)와; 상기 가산부(306)로부터의 신호의 이득을 증폭하여 출력하는 제 3 증폭부(307)와; 상기 제 3 증폭부(307)로부터의 신호를 제곱근 승산처리하여 출력하는 제곱근승산부(308)와; 상기 제곱근승산부(308)로부터의 신호의 이득을 증폭하여 전동기의 회전속도를 나타내는 신호로 출력하는 제 4 증폭부(309)를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 속도 검출장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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