KR100385163B1 - 전기 모터 드라이브의 입력전압 변화에 대한 보상방법 및 장치 - Google Patents

전기 모터 드라이브의 입력전압 변화에 대한 보상방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위치된 자기 저항 기계에 전송되는 직류 링크 전압의 변화를 보상하기 위하여 디지탈 회로 소자를 이용한다. 본 발명의 상기 디지탈 전압 보상 시스템은 직류 링크 전압 및 실제 로터 속도를 주기적으로 표본화하여, 상기 표본들을 직류 링크 전압의 변화를 보상하기 위하여 보상된 속도 신호를 추출하는 마이크로컨트롤러에 디지탈 형태로 제공한다.

Description

전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상 방법 및 장치
본 발명은 일반적으로 전기 모터 시스템에서 직류 링크 전압 변화를 보상하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 직류 링크 전압에서의 변화를 보상하기 위하여 직류 링크 전압에 해당하는 디지탈 값을 주기적으로 판독하여 속도 표시 신호를 조정하는 스위치된 자기 저항 드라이브를 작동하기 위한 디지탈 회로 소자 및 방법에 관한 것이다. 조정된 속도 신호는 스위치된 자기 저항 드라이브에 대한 전력 공급 타이밍을 조정하기 위하여 이용되는 제어기에 전송된다.
전기 모터는 작업을 위하여 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 전환시킨다. 전기 모터는 모터내에서 1개 이상의 권선을 교차하는 전압을 인가하여 결과적으로 자기장을 형성하도록 권선에 전력을 공급함으로써 작동한다. 자기장에 의한 자력의 기계적인 힘은 전기 모터내의 로터를 차례로 움직이게 한다. 전기 모터의 효율성은 부분적으로는 모터에 인가되는 전압의 타이밍 및 크기에 따라 좌우된다. 인가된 전압의 크기는 스위치된 자기 저항 기계의 경우에 특히 중요하다.
종래에는, 스위치된 자기 저항 모터는 다른 유형의 모터와 효과적으로 경쟁할 수 없다고 간주되었다. 문제점 중의 일부는 상기 스위치된 자기 저항 모터를 제어하기가 곤란하다는 것이었다. 그러나, 최근에 모터 디자인에 대한 더 나은 이해 및 전기적으로 제어되는 스위칭의 적용으로부터 광범위한 크기, 동력 및 속도에 걸쳐서 높은 레벨의 성능을 갖는 강한 스위치된 자기 저항 드라이브가 유래되었다.여기에서 "모터"라는 용어는 특별한 정의가 이루어지지 않는 한 발생 모드에서의 동일한 기계를 포함한다는 것은 자명하다.
스위치된 자기 저항 모터의 디자인 및 작동에 대한 일반 원리는 주지되어 있으며, 예를 들면, 1993년 6될 21일에서 24일에 독일의 뉘른베르크에서의 PCIM 93 컨퍼런스 및 전시회에서 스테펜슨 및 블레이크에 의하여 개시된 스위치된 자기 저항 모터 및 드라이브의 특성, 디자인 및 적용(The characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives)에 논의되어 있다.
스위치된 자기 저항 모터는 일반적으로 모터의 이동부("로터" 로 칭함)에 권선 또는 영구 자석이 없이 구성된다. 대부분의 스위치된 자기 저항 모터의 고정부분("고정자" 로 칭함)은 단일 방향의 전류를 이송하는 고정자 극들의 주위에 권선된 전선 코일을 포함한다. 한 유형의 스위치된 자기 저항 모터에서, 반대의 고정자 극들 주위에 권선된 코일은 직렬 또는 병렬로 연결되어 잠재적으로 다상의 스위치된 자기 정항 모터의 1위상 권선을 형성한다. 모터링 토크는 로터의 각도 위치에 동기되는 소정의 순서대로 위상 권서 각각을 교차하는 전압을 인가함으로써 발생되어, 서로 접근하는 로터 및 고정자의 극들간에 서로 당기는 자력이 발생되게 한다.
대표적인 작동에 있어서, 상기 스위치된 자기 저항 모터의 위상 권선이 스위치-온될 때마다(또는 전력이 공급될 때마다), 자속(Magnetic Flux)이 상기위상 권선에 의하여 형성되어 이 위상 권선에 결합된 2개의 반대 고정자 극들을 반대 극성의 전자석으로 전환시킨다. 상기 전력이 공급된 위상 권선에 의하여 생성된 전자기장(Electro-magentic Field)은 고정극들 상에 흡인을 발생시킨다. 스위치된 자기 저항 모터용 제어기의 일반적인 구성 및 작동은 일반적으로 이해되며 여기에서는 배경 설명을 목적으로 설명된다.
스위치된 자기 저항 모터에 의하여 발전되는 속도 및 관련 토크를 유지하기 위하여, 모터의 위상 권선에 언제 그리고 어떻게 많은 전압이 인가되는지를 면밀히 제어할 필요가 있다. 공급 전압이 크게 변화할 수 있으므로, 공급 전압에 있어서의 변화를 무시하는 제어 계획으로는 사용자가 요구하는 대로 기계를 제어하는 능력이 현저히 감소됨을 경험할 수 있다. 이는 위상 권선에 의하여 발생되는 프럭스가 인가된 전압의 양에 직접적으로 관련되어 있기 때문이다. 따라서, 공급전압의 변화는 결과적으로 원하는 정도보다 다소 많거나 적은 프럭스를 상기 위상 권선에 의하여 생성시킬 수 있다. 모터의 프럭스(Flux)에 있어서의 이러한 바람직스럽지 못한 변화는 위상 권선에 대한 전력 공급으로 인하여 너무 강하거나 또는 너무 약한 전자석을 생성되어 모터의 성능을 저하시킬 수 있게 된다.
여러 스위치된 자기 저항 모터는 배터리 공급 또는 보다 일반적으로는 교류 공급 전압을 직류 전압으로 정류하거나 전환함으로써 얻어지는 직류 전압으로써 작동된다. 본 출원에서 스위치된 자기 저항 모터에 제공되는 (배터리, 정류기 등으로부터) 직류 전압은 "직류 링크 전압" 으로 칭한다. 당 업계에 자명한 바와 같이, 스위치된 자기 저항 모터 시스템에 이용 가능한 상기 직류 링크 전압은 종종 일정하기 않을 수 있다. 교류 공급 전압의 변화, 모터 시스템이 작동하는 전기적인 환경에 있어서의 변화 및 상기 직류 링크 전압을 제공하는 데에 이용되는 전기적인 성분에 있어서의 변화는 종종 시간이 흐름에 따라 직류 전압에 변화를 초래한다. 상기 직류 링크 전압에 있어서의 이러한 변화들은 보상되지 않는 경우 스위치된 자기 저항 드라이브의 성능을 저하시킬 수 있다.
이상에서와 같이, 스위치된 자기 저항 드라이브에 있어서 전압이 언제 그리고 어떻게 위상 권선에 인가되는 지는 매우 중요하다. 대부분의 공지된 위치된 자기 저항 드라이브에서, 모터의 속도와 원하는 토크, 그리고 위상 권선에 전압이 인가되는 시간 및 양의 관계는 특성화로 언급되는 공정을 통하여 경험적으로 결정된다. 특성화에 있어서, 모터의 작동 파라미터는 작동 조건의 광범위한 변화에 걸쳐서 결정된다. 이러한 작동 파라미터는 아날로그 또는 디지탈 회로("제어 법칙표" 로 칭함)에 저장된다. 드라이브의 작동 동안, 상기 제어 시스템은 모터의 속도 및 원하는 토크를 표시하는 신호와 함께 제어 법칙표를 제공한다. 제어 법칙표를 포함하는 회로 소자는 위상 권선에 대한 전력공급을 제어하는 신호를 차례로 출력한다. 제어 법칙표를 갖는 모터 제어기의 사용은 일반적으로 이해되므로 상세한 설명은 생략한다.
일부 모터에 대한 상기 특성화는 모터 시스템에 유용한 직류 링크 전압이 불변한다고 가정하는 공정에서 이루어진다. 상기 직류 링크 전압이 일반적으로 변화할 것을 인지하면, 특성화는 때때로 상기 직류 링크 전압이 최저 예상치에 있다는 가정하에 이루어진다. 즉, 특성화는 "최악의 조건" 의 직류 링크전압을 가정하여 이루어진다. 이러한 유형의 특성화는 스위치된 자기 저항 드라이브를 원하는 최적의 직류 링크 값보다는 최악의 조건(가끔 발생할 수 있음)으로 작동하도록 하기도하므로 부적절하다. 기타의 모터들은 그들의 최적의 직류 링크 전압에서 특성화된다. 이러한 모터들의 경우, 작동 동안에 상기 직류 링크 전압에서의 변화에 대한 보상이 이루어져야 하며, 그렇지 않을 경우에는 드라이브의 그 성능이 저하된다.
일부 공지되어 있는 스위치된 자기 저항 드라이브는 직류 링크 전압에서의 변화를 보상하지 않는다. 이러한 시스템들에는 필연적으로 작동상의 문제점들이 발생하게 되며 그러한 변화로부터 효율성이 저하가 초래된다. 기타의 스위치된 자기 저항 드라이브는 아날로그 시스템을 이용하여 직류 링크 전압의 변화를 보상한다. 일반적으로, 이러한 시스템들은 상기 직류 링크 전압의 변화를 상기 제어 법칙표에 제공되는 속도 신호를 조정함으로써 보상하여, 제어기에 제공되는 속도 신호는 모터의 실제 속도가 아닌 상기 직류 링크 전압을 표시하는 신호에 의하여 수정된 실제 속도 신호를 표시하는 수정된 속도 신호가 된다.
대표적인 아날로그 직류 링크 보상 회로에 있어서, 모터의 회전 속도에 해당하는 아날로그 피드백 신호는 상기 직류 링크 전압에 해당하는 충격 계수(Duty Cycle)를 갖는 펄스를 이용하여 고정된 주파수에서 표본화된다. 이러한 표본화는 제어기 회로에 제공되는 수정된 아날로그 속도 신호를 출력하며, 상기 제어기 회로는 제어 법칙표를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 직류 링크 값이 원하는 직류 링크 값이거나 또는 이와 유사한 경유, 상기 속도 피드백 신호는 대략 90%의 충격 계수를 갖는 펄스를 이용하여 표본화될 수 있다. 이는 제 1 값의 수정된 속도 신호를 출력한다. 상기 직류 링크 값이 원하는 직류 링크 전압이하로 떨어질 때, 표본화 펄스의 충격 계수는 100%까지 증가될 수 있으며, 마찬가지로 제어기에 제공되는 수정된 아날로그 속도 신호를 마찬가지로 증가시킨다. 반대로, 만일 상기 직류 링크 전압이 증가되면, 표본화 펄스의 충격 계수는 감소되며, 제어기에 제공되는 수정된 아날로그 속도 신호의 값 역시 감소시킨다. 제어 법칙표를 포함할 수 있는 상기 제어기는 상기 수정된 신호를 수신하여 직류 링크 전압의 변화를 보상하도록 상기 모터의 권선에 대한 전력 공급을 제어하는 신호를 출력한다.
이러한 아날로그 직류 링크 보상 시스템은 일반적으로 여러 가지 단점이 있다. 특히, 이러한 아날로그 시스템은 모든 아날로그 시스템에 내재되어 있는 낮은 정확도 및 성능이 한계로 인한 단점이 있다. 또한, 이러한 아날로그 시스템은 경비가 비싼 성분을 필요로 하며 제한된 작동 범위 내에서만 작동이 가능하다. 예를 들면, 상술된 바의 아날로그 표본화 기술의 사용은 표본화 펄스의 충격 계수가 100%를 넘지 않는 범위까지로 제한된다. 더욱이, 디지탈 제어기가 모터 제어 시스템에 집적되면, 아날로그 직류 링크 보상기는 추가적인 값비싼 회로 소자를 필요로 하게 된다.
주지의 아날로그 시스템에 대한 이상과 같은 단점으로부터, 상당한 범위까지 직류 링크 전압을 커버할 수 있는 정확하며 비교적 저렴한 직류 링크 전압보상 시스템에 대한 요구가 대두되었다.
본 발명은 첨부된 특허 청구의 범위 독립항에 의하여 정의된다. 본 발명의 특징은 상기 독립항에 대한 각각의 종속항에서 바람직하게 언급되어 있다.
본 발명은 일반적으로 전기 드라이브 시스템에서 직류 링크 전압의 변화를 보상하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 주지의 아날로그 직류 링크 보상 시스템에 관련한 여러 단점을 극복하여 직류 링크의 보상을 정확하고 효율적으로 실행하기 위한 디지탈 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 디지탈 회로 소자는 상기 직류 링크 전압 및 실제 로터 속도를 표시하는 디지탈 신호를 주기적으로 판독하는 데에 사용된다. 상기 디지탈 회로 소자는 상기 직류 링크 전압의 변화를 보상하기 위하여 로터 속도에 대한 디지탈 표시를 조정하는데에 새로운 접근 방식을 이용한다. 보상된 속도 신호는 제어 법칙표를 포함할 수 있는 제어기에 전송되어 스위치된 자기 저항 드라이브의 코일 전력 공급 타이밍을 조정하는 데에 이용된다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의하면, 주지의 스위치된 자기 저항 드라이브 제어기의 상기 문제점들은 직류 링크 전압에 대한 변화의 보상을 실행하기 위하여 직류 전압을 표시하는 신호를 디지탈로 처리하도록 마이크로컨트롤러를 이용함으로써 극복된다.
본 발명의 기타 특징 및 장점들은 도면을 참조로 하여 예로써 상세히 설명된 하기의 실시예 들로부터 명백해진다.
제 1도는 스위치된 자기 저항 모터 (특히, 로터(12)로 표시됨)를 위한 디지탈 직류 링크 전압의 보상 시스템(10)을 도시한 블럭 다이어그램이다. 상기 전압 보상 시스템(10)은 또한 로터(12)의 위치를 표시하는 로터 위치 센서 출력 신호(16)를 발생시키기 위하여 로터 위치 센서(RPT:14)를 포함하는데, 이는 상기 로터와 함께 회전되도록 부착되어 있는 부재의 영향을 받는다.
로터 위치 정보는 로터 변환기(RPT)를 포함하거나, 또는 모터 전류, 전압및/또는 인덕턴스로부터 정보를 예측하는 등 여러 선택적인 수단을 이용함으로써 얻을 수 있다는 것은 당업계에 자명하다. 상기 센서(14)는 도시를 목적으로 한 제 1도에 블럭 형태로 도시되어 있다.
소정 시간에 걸쳐서 상기 로터 위치의 변화를 모니터함으로써 모터의 속도를 결정하는 것이 가능하다. 제 1도에서, 속도 측정 블럭(18)은 로터 센서 출력 신호(16)를 수신하고 로터의 실제 회전 속도에 해당하는 실제 속도 신호(20)를 출력하는 기능을 수행한다. 상기 속도 측정 블럭(18)의 구성은 당업계에서 자명한 것으로 특별히 선택적 RPT에 따라서 좌우된다. 상기 실제 속도신호(20)는 디지탈 직류 링크 전압 보상 블럭(24)에 제공된다.
로터의 회전 속도를 감지하는 데에 더하여, 본 발명의 회로는 또한 상기 직류 링크 전압(24)를 감지한다. 제 1 도의 실시예에 있어서, 아날로그-디지탈 변환기(ADC:26)는 직류 링크 전압(24)을 표본화하여 상기 직류 링크 전압의 전압 크기를 표시하는 디지탈 출력(28)으로 변환시킨다. 상기 ADC(26)는 이러한 출력(28)을 디지탈 직류 링크 전압 보상기 블럭(22)으로 전송한다. 일 실시예에서, 상기 ADC 출력(28)은 28개의 서로 상이한 전압 레벨을 표시하기 위하여 8개의 데이타 비트로 이루어진다.
상기 디지탈 직류 링크 전압 보상 블럭(22)은 실제 속도 신호(20) 및 상기 ADC 전압 출력(28)을 수신하여, 상기 스위치된 자기 저항 모터에 결합된 모터 제어기(32)로 전송되는 디지탈 보상 속도 신호(30)를 출력한다. 일 실시예에서, 상기디지탈 보상 속도 신호(30)는 직류 링크 전압(24)의 변화와 반대로 조정된다. 예를 들면, 직류 링크 전압(24)의 상승은 보다 작은 값으로 보상된 속도 신호(30)을 출력시키고, 반대로 직류 링크 전압(24)의 하강은 보다 큰 값으로 보상된 속도 신호(30)를 출력시킨다. 상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기(22)로 부터의 디지탈 속도 보상 신호(30)는 일 실시예에서 제어 법칙 표를 포함하는 모터 제어기(32)에 인가된다. 상기 모터의 제어는 상기 보상된 속도 신호를 이용함으로써 이루어진다.
종래의 방식에서와 같이 실제 속도 신호가 기타의 모터 제어 특성(본 발명에서는 논의되지 않음)에 대해서도 이용될 수 있음은 모터 제어의 당업계에서 자명하다.
상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기(22)는 여러 상이한 방식으로 실행될 수 있다. 예를 들면, 개별의 디지탈 성분, 또는 특정한 디지탈 직접회로의 적용이 상기 직류 링크 전압 보상기의 작동에 이용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 모터롤러사의 MC68HC11 마이크로컨트롤러와 같은 디지탈 마이크로컨트롤러가 본 발명의 디지탈 직류 링크 전압 보상 방법에 이용될 수 있으며, 상기 실시예에서는 동일한 마이크로컨트롤러가 모터 제어기(32)로서 이용될 수 있다. 이 실시예는 모터 제어기(32)를 작동시키기 위하여 기존에 필요했던 중요한 추가 회로소자 없이도 직류 링크 전압 보상을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
제 2도를 참조하면, 상기 직류 링크 전압 보상 시스템(10)내에서 상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기(22)를 작동시키기 위한 바람직한 방법을 도시하는 플로우챠아트가 도시된다. 특히, 제 2 도는 상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기(22)가실제의 속도 신호(20)를 보상된 속도 신호(30)로 전환시킬 수 있는 본 발명에 의한 방법을 도시한다.
과정의 시작으로서, 상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기는 우선 실제 직류 링크 전압을 결정한다. 이는 실제 직류 링크 전압에 해당하는 ADC(26)에 의하여 제공되는 디지탈 값을 판독함으로써 이루어진다. 모터의 작동에 영향을 미치는 상기 직류 링크 전압(24)의 과도기적인 변화를 피하기 위하여, 상기 직류 링크 전압(24)은 소정의 시간 주기 동안 평균화된다. 제 2 도에 도시된 본 발명의 실시예에서 이러한 판독 및 평균화는 다음과 같이 이루어진다.
스텝(34)에서 상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기(22)는 상기 ADC(26)의 8비트 디지탈 출력을 판독한다. 스텝(36)에서 상기 직류 링크 전압에 해당하는 디지탈 값은 십진값 123과 120 사이의 십진값에 해당하는 값으로 규격화된다. 상기 규격화 범위는 상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기(22)가 드라이브의 제어 시스템으로 하여금 속도 및 토크를 정확히 제어할 수 있게 하여 이를 보상할 수 있는 직류 링크 전압의 범위에 해당한다.
시간이 흐름에 따라 상기 직류 링크 전압의 평균화를 수행하기 위하여, 상기 ADC(26)로부터의 디지탈 신호 판독 처리는 256회 반복된다. 상기 256회의 판독은 서로 더해져서 평균 직류 링크 전압을 얻기 위하여 256으로 나뉘어진다. 본 발명에서, 이러한 가산 및 제산은 링크-섬(link-sum)이라는 이진 저장 레지스터를 사용함으로써 이루어진다. 각각의 규격화된 직류 링크 전압 판독은 스텝(38)에서 실행 총계를 표시하는 이진 변수 링크-섬에 대해진다. 다음의 스텝(40)에서는, 카운터가256회의 판독이 링크-섬에 가산되었는지를 추적하여, 아닐 경우에는 상기 과정을 반복하고 또 한 세트의 직류 링크 전압 판독을 취한다. 그러나, 정확히 256회의 판독이 상기 링크-섬에 가산되었을 경우에는, 스텝(42)에서 127이 링크-섬에 가산된다. 링크-섬에 127을 가산하는 것은 스텝(42)에서 링크-섬의 끝수가 버림되는 대신 효과적으로 반올림될 수 있게 한다. 상기 카운터는 전압 표본화(42)의 또 다른 반올림으로써 제로(0)로 재설정된다. 스텝(42)에서, 링크-섬은 8공간 우측으로 이동되어 링크-섬을 28(=256)으로 효과적으로 제산함으로써 평균 직류 링크 전압을 추출하도록 링크-섬이 평균화된다. 256으로 제산하는 것과는 반대로 링크-섬을 우측으로 8 공간 이동하는 것의 장점을 훨씬 단시간 내에 동일한 효과가 성취된다는 것이다. 제산은 단순한 수의 이동보다 훨씬 많은 시간을 소비한다. 시간의 절약은 본 발명을 특별히 적용하게 되는 실제 시간 시스템에서 특히 중요하다.
상기 평균 직류 링크 전압이 일단 결정되면, 본 발명의 상기 디지탈 직류 링크 보상기(22)는 상기 직류 링크 전압에 있어서의 임의의 변화를 보상하기 위하여 상기 실제 모터 속도 신호(20)를 조정하기 위한 보상 계수를 결정한다. 본 발명은 디지탈 회로소자를 이용하므로, 상기 보상 계수는 실제의 직류 링크 전압과 상기 보상 계수와의 임의의 관계에 의하여 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 실제 직류 링크 값과 보상 계수간의 관계는 상기 보상 계수가 실제 직류 링크 전압을 감소시키면서 증가되고, 또한 실제 직류 링크 전압을 증가시키면서 감소되도록 설정된다.
제 3 도의 라인(A)는 직류 링크 전압(규격화된 ADC 값으로 수평축에 표시됨)과 보상 계수(수직축에 표시됨) 간의 바람직한 관계를 도시한다. 제 3 도에서, 상기 직류 링크 값과 상기 보상 계수간의 관계는 다음과 같다. 상기 보상 계수는 상기 실제 직류 링크 전압에 의하여 제산된 최적의 직류 링크 전압과 동일하다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 최적의 직류 링크 전압은 1350VDC이 될 수 있는데, 이는 규격화된 ADC갑 172(256 디지탈 표시로 제산된 2000볼트 환산에 기초함)로 변환된다. 상기 실제 직류 링크 전압이 1350VDC(ADC가 172)일 경우, 직류 링크 전압의 변화가 없으므로 실제 속도 신호가 수정될 필요가 없기 때문에 상기 보상 계수는 1.0이 되어야 한다. 동일한 예를 이용하여, 상기 실제 직류 링크 전압이 1550(ADC값 198)이면, 보상 계수는 1350/1550 또는 약 0. 87이 되어야 한다. 상기 2가지 예는 제 3 도의 라인(A)에 대하여 도시된 것이다. 실제 직류 링크 전압이 1056 볼트(ADC값 135)일 때, 보상 계수는 대략 1.28이어야 한다. 실제 직류 링크 전압이 1550 볼트(ADC값 198)일 때, 보상 계수는 대략 0. 87이다. 제 3 도의 라인(A)에 표시되는 직류 링크 전압 및 보상 계수간의 관계는 본 발명을 실행하는 데에 이용될 수 있는 여러 가능한 관계 중 하나임은 당업계에 자명하다.
실제 직류 링크 전압을 표시하는 규격화된 ADC값에 대한 보상 계수를 실제로 추출하는 것은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 간단한 순람표가 이용될 수 있고, 또는 보상 계수가 다른 임의의 방식으로 계산될 수 있다. 제 2 도에 나타낸 실시예에서는 보상 계수가 계산된다.
제 3 도의 라인(A)은 비선형의 최적 보상 계수에 대한 일정한 기울기의 근사치를 나타낸다. 복잡한 수학적 관계를 정확히 설명하기는 때때로 곤란하고, 보다 단순한 근사값이 그 자체로서 종종 디지탈 시스템에서 실행될 수 있는 양호한 실용적인 대체물로 이용됨은 당업계에 자명하다. 따라서, 제 2 도에 도시된 실시예에서는 보상 계수와 전압 변화 간에 정확한 비선형의 최적의 관계를 실행하지 않고, 아래에 설명되는 바와 같이 라인(A)로 표시되는 관계에 연관된 선형의 근사치를 실행한다.
라인(A)로 표시된 관계는 Y=MX+C로 표현될 수 있으며, 여기에서 Y는 보상계수, M은 라인(A)의 기울기, X는 실제 직류 링크 전압에 해당하는 디지탈 값, C는 오프셋을 나타낸다. 라인(A)의 특성을 결정하기 위하여 라인(A)의 기울기가 계산되었다. 제 3 도의 실시예에서, 기울기(M)는 대략 -0.00646이 되는데, 상기 소수 0.00646은 디지탈로 표현하기에 곤란하므로 디지탈 시스템에서 이용될 수 있는 전체 십진 정수를 출력하기 위하여 큰 승산 계수(이 예에서는 213또는 8192)로 승산되었다. 이 실시예에서 초기의 기울기는 대략 -53이었다. 상기 방정식의 우변은 213으로 승산되고 좌변 역시 같은 수로 승산되어야, 실제 직류 링크 값이 원하는 직류 링크값과 동일해졌을 경우(또는 규격화된 ADC값이 172일 경우)에 계산된 보상계수(Y)가 1보다는 213또는 8192가 되었다. 이러한 수를 이용하여 상기 값(C)가 -17308이 되도록 계산되었다.
실제 직류 링크 전압이 최적의 직류 링크 전압과 동일할 때 -17308에서의 오프셋(C)를 선택하는 것은 원하는 보상 계수를 발생시키는 반면, 상기 최적의 직류 링크 전압보다 훨씬 크거나 작은 직류 링크 전압에서는 오프셋 오류를 발생시킨다는 것이 주지되었다. 이는 라인(A)로 도시된 원하는 보상 계수와 다소 상이한 보상 계수를 초래하였다. 따라서, 다른 기울기를 선택하여 상기 상이한 기울기에 대한 최고 및 최저 직류 링크 예상치에서의 상대적인 오프셋 오류들을 비교하도록 결정하였다. 백분율 오차와 높은 끝단에서의 과보상이 상호 분석 교환되었다.
제 4 도는 -53, -54, -55, -56, 및 -57의 기울기에 대한 이러한 계산의 일예를 도시한다. 제 4 도는 챠트는 기울기(M), 계산된 오프셋(C)의 절대값, 및 최고 및 최저의 직류 링크 전압 예상치에 대하여 라인(A)에 의하여 표시되는 원하는 보상 계수로부터의 백분율 오차의 절대값을 나타낸다. 본 발명예에서는 기울기로 -55가 백분율 오차와 고전압에서의 과보상간의 바람직한 교환을 나타내기 때문에 선택되었다. 낮은 실제 직류 링크 전압에서 불충분한 것보다는 높은 실제 직류 링크 전압에서 너무 많은 직류 링크 보상을 갖는 것이 오히려 더 나으므로 최적 직류 링크 전압 예상치가 기울기를 결정하는 데에 이용되었다. 기울기 -55가 이용을 때, 상기 계산된 오프셋 계수(C)는 17, 652가 된다.
기울기 -55의 선택은 여기에 설명된 구체예에 대하여 이루어진 것이다. 모터의 구성, 원하는 작동 지점 및 시스템 고안의 목표에 따라서 기타 적절한 기울기가 용이하게 선택될 수 있다.
기울기 -55가 이용되는 실시예를 도시한 제 2 도를 다시 참조하면, 스텝(44)에서 얻어진(상기 방정식에서 X에 해당하는) 평균 직류 링크 전압은 스텝(46)에서기울기 값 55로 승산된다. 이 기울기의 부정적인 특성은 이해될 수 있으므로 제 2도의 실시예에는 사용하지 않는다. 스텝(46)에서 평균 링크 전압을 55로 승산하는 것은 해당하는 직류 링크 전압 변화의 결정을 가능하게 한다. 상기 방정식 Y=MX+C을 완성하기 위해서는, Y- 보상 계수를 발생시키기 위하여 스텝(48)에서의 17,652로부터 상기 평균 직류 링크 전압을 55로 승산하여 얻어진 값을 추출할 필요가 있다.
보상 계수를 계산하면, 본 발명의 상기 디지탈 직류 링크 전압 보상기는 상기 보상 계수를 반영하도록 측정된 모터 속도(20)를 조정해야 한다. 이는 일반적으로 보상된 속도 신호(30)를 출력하기 위하여 상기 보상 계수에 의하여 실제 모터 속도(20)를 승산함으로써 이루어진다. 이는 상술된 바와 같이 제어기(32)에 인가된다.
제 2 도의 실시예에서, 환산, 규격화 및 승산 계수는 상기 실제 속도 신호(20)를 보상된 속도 신호(30)로 전환시키는 데에 이용된다. 이러한 환산 계수, 규격화 계수, 및 승수는 디지탈 시스템에서 본 발명 방법의 실행을 최적화 하고 실제 직류 링크 전압으로부터 보상 계수를 계산하는 데에 이용되는 환산 및 오프셋 계수에 대한 보상에 이용된다. 이들 계수 및 승수는 본 발명으로부터 벗어나진 않는 한 변화가능하며 조정 가능하다.
제 2도는 실시예에서, 실제 속도 신호(20)는 속도 측정 블럭(18)으로부터 수신되어 스텝(50)에서 디지탈 직류 링크 전압 보상기 블럭(22)에 의하여 판독 된다. 실제 속도를 아는 것은 직류 링크 전압 변화에 의하여 변경되는 기준선을 제공한다. 실제 속도 신호가 스텝(50)에서 일단 판독되면, 이는 스텝(52)에서 규격화된다. 여기에서 규격화는 215-1=32767 보다 큰 값을 32,767과 동일해지도록 제한해야 한다. 이 스텝은 보상된 속도 신호를 출력하는 데에 이용되는 최대 속도 신호가 32,767보다 결코 크지 않음을 보장한다.
스텝(54)에서, 디지탈 형태로 규격화된 실제 속도는 보상된 속도 신호(30)를 표시하는 디지탈 출력을 제공하기 위하여 스텝(48)에서 계산된 디지탈 보상계수에 의하여 승산된다. 디지탈 보상 속도 신호(30)는 상술된 바와 같이 모터 작동을 제어하기 위하여 모터 제어기(32)에 제공된다.
제 2 도의 실시예에서, 디지탈 보상 속도 신호는 우선 환산된 후 모터 제어기에 제공되기 전에 제한된다. 제 2 도에 있어서, 환산은 스텝(58)에서 발생하는데, 여기에서 보상 속도 신호는 스텝(56)의 환산된 보상 속도를 제공하기 위하여 제산기에 의하여 213(8,192)* 27(128)= 220(1,048,576)과 동일해 지도록 제산된다. 제산기의 212(8,192) 성분은 이와 동일한 수로 기울기의 승산을 오프셋한다. 212(8,192) 성분은 보상되지 않은 속도를 8비트 범위로 낮게 환산시키는 것을 돕는다. 이렇게 환산된 보상 속도를 8비트 범위로 조정하는 것은 스텝(58)에서 8비트 이상의 값을 버림 처리함으로써 완료된다. 그러므로, 제 2 도는 실시예에서 스텝(58)은 결과적으로 스위치된 자기 저항 모터 제어기(32)에 전송되는 8비트로 환산된 보상 속도 신호(30)를 출력한다.
상기 보상된 속도 신호(30)는 펄스 크기, 주기 및 타이밍을 직류 링크 전압에서의 변화에 기초하여 조정하는 방법을 상기 스위치된 자기 저항 모터 제어기(32)에 제공하는 기능을 한다. 보상된 속도 신호(30)는 상술된 본 발명의 일 실시예에서 규격화되고 버림처리된 수용가능한 직류 링크 전압(24)의 범위내에서 작용한다.
이상에서 직류 링크 전압에서의 변화에 대응하여 속도 표시 신호를 조정하는 링크 직류 링크 전압 보상 시스템 및 방법을 설명하였다.
첨부물(A)인 프로그램 리스트는 본 발명에 의한 직류 링크 전압 보상 시스템을 구성하는 데에 이용될 수 있는 소프트웨어 루틴의 리스트이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 직류 링크 전압의 변화에 대응하여 로터 속도 신호를 조정하는 디지탈 직류 링크 전압 보상 시스템을 제공한다. 상기 디지탈 전압 보상 시스템은 절감된 비용으로 개선된 정확도 및 보다 나은 로터속도 및 토크의 제어를 제공한다.
본 발명은 다양한 수정 및 선택적인 형태에도 적용가능하며 여러 구체적인 실시예들은 예로써 도면에 도시되고 상세하게 설명된 것이다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정한 형태에 한정되지 않고 첨부된 특허 청구의 범위에 정의된 본 발명의 범위내에서의 모든 수정, 대체 및 변경들을 포함함을 알 수 있다.
제 1도는 본 발명의 실시예에 의한 직류 링크 전압 보상 시스템의 블럭다이어그램
제 2도는 본 발명의 일 실시예에 의한 직류 링크 전압 보상 시스템을 실행하기 위한 방법을 도시한 플로우 챠아트.
제 3도는 본 발명의 사용으로 실행될 수 있는 직류 링크 전압과 보상 계수 사이의 가능한 관계를 도시한 그래프.
제 4도는 평균 직류 링크 전압의 디지탈 표시와 보상 계수 사이의 수용가능한 관계를 결정하는 데에 이용되는 표이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 디지탈 직류 링크 전압 보상 시스템
12 : 로터
14 : 로터 위치 센서(RPT)
18 : 속도 측정 블럭
22 : 디지탈 직류 링크 전압 보상기 블럭
26 : 아날로그-디지탈 변환기(ADC)
32 : 모터 컨트롤러

Claims (13)

  1. 로터 및 속도 신호에 대응하여 기계를 제어하는 제어기를 갖는 전기 기계를 포함하는 전기 기계 드라이브에 인가된 소정의 직류 링크 전압으로부터 실제의 직류 링크 전압의 편차를 보상하기 위한 방법으로서,
    상기 실제 직류 링크 전압을 주기적으로 표본화하고, 상기 표본화된 직류 링크 전압을 디지탈 링크 전압 표시로 전환시키며 ;
    실제 로터 속도를 주기적으로 표본화하고, 상기 표본화된 로터 속도를 디지탈 속도 표시로 전환시키고 ;
    보상된 속도 신호를 제공하기 위하여 상기 디지탈 링크 전압 표시에 따라 상기 디지탈 속도 표시를 수정하며;
    상기 보상된 속도 신호를 상기 전기 기계 제어기에 전송하고 상기 기계의 제어하에 상기 보상된 속도 신호를 이용하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디지탈 속도 표시는 상기 보상된 속도 신호를 출력하기 위하여 디지탈 링크 전압 표시로부터 발생되는 보상 계수로 승산되는 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보상 계수는 상기 실제 직류 링크 전압에 의하여 제산되는 소정의 직류 링크 전압에 해당하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 각각의 디지탈 링크 전압 표시는 다수개의 표본들의 평균인 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 디지탈 직류 링크 전압 표시를 소정의 범위내로 제한시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 디지탈 속도 표시를 소정의 범위로 제한시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상 방법.
  7. 로터를 갖는 전기 기계를 포함하는 전기적 드라이브내에서 소정의 직류 링크 전압으로부터 실제의 직류 링크 전압의 편차를 보상하기 위한 보상 시스템으로서,
    상기 실제의 직류 링크 전압을 주기적으로 표본화하여 표본화된 직류 링크 전압을 디지탈 링크 전압 표시로 전환시키기 위한 수단과 ;
    실제의 로터 속도를 주기적으로 표본화하여 표본화된 로터 속도를 디지탈 속도 표시로 전환시키기 위한 수단과 ;
    보상된 속도 신호를 출력하기 위하여 상기 디지탈 링크 전압 표시에 따라 상기 디지탈 속도 표시를 수정하는 수단 ; 및
    상기 보상된 속도 신호에 따라 상기 기계를 제어하는 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 실제 직류 링크 전압을 표본화하는 수단은 디지탈 링크 전압 표시로서, 다수개의 표본화된 직류 링크 전압의 평균을 출력하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 디지탈 속도 표시를 수정하는 수단은 상기 디지탈 링크 전압 표시를 소정의 범위내로 제한시키는 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 디지탈 속도 표시를 수정하는 수단은 상기 디지탈 속도 표시를 소정의 범위내로 제한시키는 수단으로 더 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 표본화된 직류 링크 전압을 소정의 범위내로 제한시키는 수단과 ;
    다수개의 전압 표본들을 누산하는 수단과 ;
    상기 전압 표본들을 평균화하는 수단으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 보상된 로터 속도 신호를 발생시키는 수단은,
    낮은 레벨이하의 모든 전압 표본들은 상기 낮은 레벨과 동일하게 하고 높은 레벨이상의 모든 전압 표본들은 상기 높은 레벨과 동일하게 함으로써 표본화된 전압을 제한하는 디지탈 수단과,
    다수개의 상기 전압 표본들을 평균화하고 반올림하는 디지탈 수단과 ;
    보상 계수를 출력하기 위하여 상기 평균화되고 반올림된 전압 표본들을 승산하는 수단과 ;
    상기 실제 로터 속도를 검출하는 수단과 ;
    상기 디지탈 속도 표시를 소정의 임계치 이상으로 제한하는 디지탈 수단과 ;
    임시 로터 속도 신호를 출력하기 위하여 상기 디지탈 속도 표시를 보상 계수로 승산하는 디지탈 수단과 ;
    환산된 임시 로터 속도 신호를 출력하기 위하여 소정의 제산기로 상기 임시 로터 속도 신호를 제산하는 수단과 ;
    상기 보상된 속도 신호를 출력하기 위하여 소정이 양보다 큰 상기 환산된 임시 로터 속도 신호를 제한하는 수단으로 더 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 보상된 속도 신호를 출력하는 수단은 마이크로 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터 드라이브의 입력 전압 변화에 대한 보상장치.
KR1019960012063A 1995-04-20 1996-04-19 전기 모터 드라이브의 입력전압 변화에 대한 보상방법 및 장치 KR100385163B1 (ko)

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