KR100415724B1 - 에스알엠의 자동토크 제어 방식을 위한 전자식 엔코더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor) 구동용 엔코더 장치에 관한 것으로, 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, SRM)는 이중돌극형 구조의 릴럭턴스 전동기와 스위칭용 전력변환장치를 이용한 브러쉬레스형 가변속 구동기구이다.

SRM은 회전자의 위치에 따라 상권선의 여자가 결정되며, 각 상의 여자시기와 여자기간에 따라 운전특성은 크게 변한다. 그러므로 SRM을 적절히 구동하기 위해서는 반드시 회전자의 위치정보가 필요하다. 그러나 고분해능을 갖는 절대 위치센서를 사용하는 것은 경제성을 고려한 구동방식에서는 적절하지 못하며, 저렴하고 단순한 위치 센서가 필요하다.

근래에는 홀 센서나 옵토인터럽터를 사용한 분해능이 낮은 위치센서로서 얻어낸 신호를 이용하여 SRM을 운전하는 방식이 이용되고 있다. 그러나 이 방식은 전동기의 기동, 정상속도 및 고속도 운전, 제동 등의 운전모드에 따라 상 여자각이 고정되므로 이를 연속적으로 조정할 수 없어 고성능 구동에는 적합하지 못하다.

본 발명에서는 운전 모드에 관계없이 연속적인 상 여자각 조정이 가능한 전자식 위치검출방식을 제안한다. 이 방식은 SRM의 회전자 철심과 형상이 같은 원판상의 적절한 위치에 광센서를 부착하여 얻은 신호를 소프트웨어로 간단히 처리한 것으로서, 디지털 구동방식에 적합하며 운전특성을 향상시킬 수 있다.

Description

에스알엠의 자동토크 제어 방식을 위한 전자식 엔코더 { Electronic encoder for automatic torque control of SRM }

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)의 구동장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 SRM의 자동토오크 제어방식을 위한 전자식 엔코더장치에 관한 것이다.

SRM에서의 토오크는 자기회로(magnetic circuit)의 릴럭턴스가 최소가 되려는 방향으로 작용한다. 즉, 발생 토오크는 전류의 제곱에 비례하므로 전류의 방향과는 무관하여 전동기를 구동하는 인버터의 구성 및 동작을 쉽게 하며, 토오크의 방향은 인덕턴스 변화율에 의해 결정된다. 그러므로 전동기의 평균 토오크는 회전자의 위치에 따라 권선의 여자 전류를 적절히 조정함으로써 제어할 수가 있다.

SRM은 기존 교류전동기에 비해 우수한 운전특성을 가지고 있어 가변속 구동원으로의 적용이 다양하게 검토되고 있다. 그러나 SRM은 속도-토오크의 제어를 위해서는 전동기의 속도뿐 만 아니라 회전자의 위치를 알아야 하며, 회전자위치를 계속적으로 검출해야하는 것은 SRM제어의 제한요소이다. 이러한 제한을 해소하기 위한 방식이 자동 토오크제어 방식이다.

SRM의 상여자를 위한 회전자 위치검출방식은 회전자의 절대 위치를 이용하는 방법과 상대적인 위치를 이용하는 방법이 있다. 절대위치 검출방법은 정지시에도 회전자 위치를 알 수 있어 전동기의 기동 및 운전이 편리하다. 이 방법은 레졸버나절대형 엔코더와 같이 고분해능의 위치센서를 사용해야 하므로 가격이 높아 실용화 적용에는 적합하지 못하다. 이에 비해 상대위치 검출방법은 자기식 또는 광전식 증분형 엔코더를 사용하며, 이는 가격면에서 다소 유리하나, SRM에 적용하기 위해서는 별도의 보조회로가 요구되는 불편이 따른다. 한편 상전압과 전류를 이용하거나 인접상의 유도전압을 검출하여 위치를 계산하는 간접위치 추정방식도 제안되고 있다. 그러나 이방식도 전압과 전류를 검출하기 위한 센서가 부가적으로 필요 할 뿐만 아니라 복잡한 신호처리와 상대적으로 큰 오차 때문에 아직 실용화되지 못하고 있다.

따라서, 경제성을 가지면서 회전자의 절대위치를 알 수 있는 검출기의 필요성이 대두되었으며, 최근 구성이 간단하고 가격이 저렴한 회전자 위치검출방식이 제안되었다. 그러나 이 방식은 여자구간을 연속적으로 조정할 수 없으며, 기동 및 설정한 속도 영역에 따라 여자구간을 단계적으로 조정하여야 하므로 전동기의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식은 불가능하다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 SRM의 속도, 토오크특성의 제어를 위한 자동 토오크제어 방식에서의 전자식 엔코더는 위치검출기능을 이용하여 스위칭 온, 오프각(드웰각)제어에 사용되도록 고안한 간단한 전자식 위치 검출엔코더의 제공을 목적으로 한다.

도 1 동적 속도제어 원리

도 2 부하증가에 따른 드웰각 변화

도 3 회전자 엔코더

일반적인 SRM 구동시스템에서 속도제어를 위해서는 회전자 위치 및 속도정보를 알아야 하고, 이로부터 속도제어기 및 전류장치(commutation logic unit)에서 인버터에 인가할 신호를 만든다.

광센서를 이용하여 회전자 위치를 검출하기 위해서는 위치센서용 원판과 옵토인터럽터가 필요하다.

도 1은 SRM에서의 속도-토오크의 조정원리를 보여주는 것으로 인가전압 및 드웰각(dwell angle)을 조정하면 그림에서와 같이 속도-토오크를 원하는 형태로 조정할 수 있을 것이다.

SRM의 전압방정식은 식 (1)과 같다.

속도-토오크특성을 조정하기 위하여 기준속도에 대한 전동기의 속도 궤환 루우프를 구성한다. 이때 전동기의 속도검출은 간단한 디스크형 엔코더에 의하여 펄스신호로 검출하며 동시에 기준속도도 펄스화한다.

SRM에서의 속도-토오크특성은 여자기전력의 전류의 크기에 의하여 제어된다. 그리고 전류의 크기는 선행각(advance angle)에 의하여 제어된다. 동기기에서는 부하토오크가 증감하면 상차각의 증감이 생기게 되고 이것의 정현값에 비례하는 토오크출력이 속응성있게 대응하게 한다. 본 제안에서 토오크제어는 이러한 원리를 도입하여, SRM에서 부하토오크가 증감하면 별도의 연산장치 없이 전류의 드웰각(dwell angle)을 증감시키고 동시에 순시 전류의 자승에 비례하는 효과적인 토오크출력을 갖게하여 전동기의 구동특성 향상시킬 수 있게 하였다.

도 1은 일정속도에서 부하 토오크의 변동에 따라 드웰각(dwell angle)이 가변하여 안정한 운전을 유지하는 제어개념도를 보여주고 있다. 지금 도 1(a)는 부하 토오크와 발생 토오크가 평형을 이루고 있는 한 상태를 나타내고 있다. 이때 부하 토오크가 감소하면 발생 토오크가 부하 토오크보다 더 커져 순간적으로 회전자는 가속된다. 도 1(b)에서와 같이 회전자속도가 빨라진 만큼 회전자 위치센서로부터 나오는 펄스신호는 상대적으로 앞당겨서 발생하여 드웰각(dwell angle)이 줄어들고 전류의 크기가 작아지고 발생 토오크도 작아진다. 그리하여 발생 토오크와 부하 토오크가 평형되는 도통각에서 동작하게 되고 회전자속도는 여전히 기준속도와 같게 된다.

반대로 부하토오크가 증가하게 되면, 발생 토오크가 부하 토오크보다 작아 순시적으로 회전자는 감속하게 된다. 따라서 스위치 오프신호가 시간적으로 늦어진 만큼 그림 1(c)와 같이 드웰각(dwell angle)이 넓어지게 되어 발생 토오크가 증가하여 부하 토오크에 대응하게 된다.

이러한 동작은 도 2에서 부하가 증가할 경우의 펄스신호를 검토함으로서 확인할 수 있다. 기준속도신호는 속도명령에서 얻어지며 회전자 속도신호는 회전자에부착된 속도엔코더로부터 얻을 수 있다. 이 두 신호로부터 드웰각(dwell angle)을 생성할 수 있으며, 스위칭-온 각은 속도기준신호로부터, 스위칭-오프각은 회전자 속도신호로 부터 얻는다. 이때 회전자 엔코터는 스위칭-오프각에 맞추어 회전자에 설치하였다. 도 3은 회전자 엔코더의 형태로 8/6형 SRM에 적당한 형상이다. 엔코더판은 회전자형상과 관계없이 슬롯과 치를 15˚씩 만든 원판과 옵토인터럽터 1조로 구성된다. 엔코더판을 회전자의 형상에 관련된 적절한 위치에 고정시킨다. 옵토인터럽터를 이용하여 펄스신호를 만들면 상승엣지신호를 상스위칭 오프 신호로 사용한다. 도 2(a)에서 SRM 운전속도에 비례하는 펄스신호의 상승부는 스위칭 온 신호로 사용하므로 스위칭 온 과 스위칭 오프 간격이 드웰각이 되며, 이각은 부하에 비례하여 도 1과 같이 자동적으로 조정된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식에서 전동기의 속도제어를 위해 별도의 속도검출기를 필요로 하지 않으며 전자식엔코더의 출력을 이용하여 상스위칭을 할 수 있다. 따라서 본 발명으로 SRM 구동시스템의 안정화와 저가화를 실현할 수 있다.

Claims (1)

1. 기준속도에 따른 펄스와 회전자의 회전속도에 따른 펄스의 상차각을 이용하여 에스알엠를 제어하는 자동토크제어방식에 있어서,

   가장자리에 치와 슬릿이 형성된 원판형상을 이루며, 상기 에스알엠의 회전자에 부설되어 상기 회전자와 함께 회전하게 되는 엔코더판과;

   상기 엔코더판의 회전에 따른 슬릿의 위치변화를 파악하여 회전속도펄스를 생성하게 되는 위치센서;를 구비하여,

   기준 속도펄스의 상승엣지신호가 스위칭온각을, 엔코더의 회전에 따른 펄스의 상승엣지신호가 스위칭오프각을 발생하도록 구성하게되는 것을 특징으로 하는 에스알엠의 자동토크 제어 방식을 위한 전자식 엔코더.