KR100446962B1

KR100446962B1 - 3상 교류전동기의 전류제어장치

Info

Publication number: KR100446962B1
Application number: KR10-2000-0049551A
Authority: KR
Inventors: 박제도
Original assignee: 엘지산전 주식회사
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2004-09-01
Also published as: KR20020016290A

Abstract

본 발명은 3상 교류전동기의 전류 제어장치에 관한 것으로, 스케일링 에러 또는 오프셋등 각종 전류의 검출에서 발생하는 오차에 의한 속도 맥동의 성분을 분석하여 능동 적으로 전류를 안정되게 보상함으로써 토크 맥동을 저감하도록 한 것이다. 이를 위하여 사용자에 의해 발생하는 속도지령치와 현재 전동기의 속도검출치를 입력받아 비교하여 그에 따른 속도오차를 출력하는 제1 비교기와; 상기 제1 비교기의 속도오차를 입력받아 원하는 주파수성분을 추출하는 FFT와; 상기 FFT에서 추출된 주파수성분에 소정 게인을 승산하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 보상값계산부와; 상기 보상값계산부로 출력되는 토크전류보상치의 위상과 기설정된 에러레벨 설정치의 위상을 비교하여 그에 따른 위상오차를 출력하는 제2 비교기와; 상기 제2 비교기의 위상오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 위상제어기와; 상기 제1 비교기의 속도오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류지령치를 출력하는 속도제어기와; 상기 위상제어기의 토크전류보상치와 상기 속도제어기의 토크전류지령치를 가산하여 그에 따른 토크전류를 출력하는 가산기로 구성한다.

Description

3상 교류전동기의 전류제어장치{CURRENT CONTROL APPARATUS FOR THREE PHASE ALTERNATING-CURRENT MOTOR}

본 발명은 3상 교류전동기의 전류제어장치에 관한 것으로, 특히 스케일링 에러 또는 오프셋등 각종 전류의 검출에서 발생하는 오차에 의한 속도 맥동의 성분을 분석하여 능동적으로 전류를 안정되게 보상함으로써 토크 맥동을 저감하도록 한 3상 교류전동기의 전류제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 동기주파수의 토크맥동의 원인으로는 전류센서에 의한 오프셋전류와 A/D컨버터에 의한 오프셋전류가 있다.

첫번째, 상기 전류센서에 의한 오프셋전류는, 전류센서의 양,부전원이 정확한 대칭이 아니기 때문에 센서의 출력에 오프셋이 있게 되는데, 즉 전류가 흐르지 않는 상태에서도 센서의 출력전압이 '0'이 아닌값을 갖게 된다.

두번째, A/D컨버터에 의한 오프셋전류는, A/D컨버터 내부에 있는 오피앰프에 의해 직류 오프셋이 나타나고, 그 크기는 A/D컨버터의 분해능과 밀접한 관계가 있는데, 보통 1~3LSB의 오프셋이 있으므로 이에 스케일된 오프셋 전류가 존재하게 되고, 측정하는 전류범위가 커질수록 오프셋전류도 커지게 된다.

여기서, 상기 오프셋전류에 의한 영향을 설명한다.

각 상의 전류를 A/D변환기에서 읽을 때, 아래와 같이 오프셋이 존재한다고 가정하면,

상기 값들을 정지좌표계로 변환하면 아래와 같다.

만약, 정상상태에서 전류제어기가 정지좌표계에서 아래와 같이 제어한다고 가정하면,

여기서, 실제 전류는 도1과 같이 중심이 이동된 원의 궤적을 그린다.

이를 다시 변환하면 아래와 같은 수식으로 표현된다.

따라서, 실제로 전동기로 들어가는 전류는 아래의 수식과 같다.

따라서,라고 하면 다음식을 유도할수 있다.

라하면,

따라서,

마찬가지로, D축에 대해서도 다음을 구할 수 있다.

전류제어기가 충분한 성능을 가져 측정된 전류가 지령전류를 정확히 추종한다고 하면 다음과 같이 된다.

7

의 시정수가 크기 때문에은의 영향을 받지 않는다.

따라서, 발생토크는 다음과 같고, 전류제어기는 전류검출의 오차를 제어할 수는 없으므로 토크전류 오프셋에 의한 토크를 외란으로 보면 다음과 같게 된다.

위식을 대입하면,

상기 식에서 전류의 오프셋이 도2와 같이 토크와 속도에 동기주파수의 맥동을 발생시킴을 알수 있다.

상기 오프셋에 의한 토크맥동의 크기는 오프셋의 크기에 따라 달라지는데, CT에서 나오는 오프셋은 분해능,변환하는 전류의 범위에 반비례하거나 비례한다.

그리고, 전류제어를 수행하기 위하여 흐르는 전류를 검출하는데, 이는 CT에서 정해진 비율로 스케일링(K1)된 전압으로 나타나게 되고, 이를 A/D컨버터의 아나로그전압 입력범위를 맞추기 위해서 다시 적당히 스케일링(K2)하면 상기 A/D컨버터에서 비트수에 따라 디지탈값으로 변환한다(K3).

제어보드에서는 A/D컨버터의 디지탈출력값을 다시 스케일링()에서 원래의 신호값을 생성하게 되는데, 이과정에서 전류값에 오차가 발생할 수 있다.

여기서, 스케일링 오차에 의한 영향을 설명하면, 실제 흐르는 전류가이고,

와가 각 상에서 실제전류와 A/D컨버터를 통해 씨피유가 인식한 전류값 사이의 스케일 팩터라고 할때(정상적인 경우,와는 '1'), 전류제어가 정확히 된다고 가정하면, 정상상태에서 검출된 전류는 다음과 같다.

상기 값들을 정지좌표계로 변환하면 다음과 같다.

정상상태에서 전류제어기가 정지좌표계에서 다음과 같이 제어한다고 하면,

이때, 실제전류는 도3과 같이 타원의 궤적을 그린다.

여기서, 전류의 오차는 도4와 같이, 동기주파수의 두배로 맥동하게 되고, 이로 인해 동기 주파수 두배의 토크맥동이 발생하게 되는데, 실제 흐르는 전류는 다음과 같다.

상기 수식을 변환하면,

상기 전류제어가 정확하다고 가정된 정상상태이므로,이 된다.

따라서,

상기의 전류오차에 의한 토크를 외란으로 생각하면 다음과 같이 된다.

즉, 스케일링 에러에 의한 외란 토크는 동기주파수 2배의 맥동항과 상수항을 포함하고 있는데, 상수항은 정상상태에서는 제거되므로 토크에는 동기주파수 2배의 진동이 발생하게 된다.

상술한 오프셋전류에 의한 영향을 제거하기 위하여, 인버터 초기화 동작시 전류가 흐르지 않는 영전류 상태를 이용하는데, 즉 영전류 상태의 전류를 읽어 그때 읽히는 값을 오프셋전류로 검출하여 그 평균값을 전류검출시 보상한다.

그리고, 인버터를 도5와 같이 두개의 상으로만 전류가 흐르게 제어한후, 각 상의 CT의 출력을 비교하여 편차를 구한다음, 오프라인으로 계수를 계산하여 순시전류 검출시 보정한다.

그리고, 속도오차에서 주파수성분을 추출한후, 그 주파수성분에 고정된 게인을 승산하여 토크전류보상치를 구하는 전류제어 방법이 있는데, 도6은 일반적인 3상 교류전동기의 전류제어장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 사용자에 의해 발생하는 속도지령치와 현재 전동기의 속도검출치를 입력받아 비교하여 그에 따른 속도오차를 출력하는 비교기(1)와; 상기 비교기(1)의 속도오차를입력받아 원하는 주파수성분을 추출하는 FFT(2)와; 상기 FFT(2)에서 추출된 주파수성분에 소정 게인을 승산하여 그에 따른 보상값을 계산하는 보상값계산부(3)와; 상기 비교기(1)의 속도오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류지령치를 출력하는 속도제어기(4)와; 상기 보상값계산부(3)의 토크전류보상치와 상기 속도제어기(4)의 토크전류지령치를 가산하여 그에 따른 토크전류를 출력하는 가산기(5)로 구성되며, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명한다.

먼저, 비교기(1)는 사용자에 의해 발생하는 속도지령치와 현재 전동기(미도시)의 속도검출치를 입력받아 비교하여 그에 따른 속도오차를 출력하고, FFT(2)는 상기 비교기(1)의 속도오차를 입력받아 원하는 주파수성분을 추출한다.

이때, 보상값계산부(3)는 상기 FFT(2)에서 추출된 주파수성분에 소정 게인을 승산하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력한다.

한편, 속도제어기(4)는 상기 비교기(1)의 속도오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류지령치를 출력한다.

이후, 가산기(5)는 상기 보상값계산부(3)의 토크전류보상치와 상기 속도제어기(4)의 토크전류지령치를 가산함으로써 보상된 토크전류를 출력한다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 있어서, 오프라인에서 측정한 값을 온라인에서 순시적으로 사용하므로 시간적으로 변화하는 상황에 대처하기 어렵고, 스케일링 에러를 검출하여 보상하는 경우에 그 스케일링에러를 검출하기가 하드웨어적으로 어려우면, 또한 온라인에서 검출한 정보를 그대로 토크전류에 보상하는 방법은속도에러에서 얻은 정보에 전동기 관성, 부하의 시간지연 요소나 기타 다른 외란에 의한 에러가 섞여있게 되므로 안정된 보상을 수행하지 못하는 문제점이 있었다.

따라서, 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 본 발명은 속도오차에서 추출되는 특정 주파수의 오차신호를 기반으로 하여 보상전류지령치의 위상을 능동적으로 제어할 수 있도록 한 3상 교류전동기의 전류제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 오프셋이 존재할 때, 정지좌표계의 dq전류궤적을 나타낸도.

도2는 오프셋이 존재할 때, 2상 전류 검출을 보인도.

도3은 스케일링 에러가 존재할 때, 정지좌표계의 dq전류궤적을 나타낸도.

도4는 스케일링 에러가 존재할 때, 2상 전류 검출을 보인도.

도5는 종래의 전류검출에러를 오프라인에서 튜닝하는 모습을 보인도.

도6은 종래 3상 교류전동기의 전류제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도7은 본 발명 3상 교류전동기의 전류제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*****

1,6:비교기 2:FFT

3:보상값계산부 4:속도제어기

5:가산기 7:위상제어기

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사용자에 의해 발생하는 속도지령치와 현재 전동기의 속도검출치를 입력받아 비교하여 그에 따른 속도오차를 출력하는 제1 비교기와; 상기 제1 비교기의 속도오차를 입력받아 원하는 주파수성분을 추출하는 FFT와; 상기 FFT에서 추출된 주파수성분에 소정 게인을 승산하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 보상값계산부와; 상기 보상값계산부로 출력되는 토크전류보상치의 위상과 기설정된 에러레벨 설정치의 위상을 비교하여 그에 따른 위상오차를 출력하는 제2 비교기와; 상기 제2 비교기의 위상오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 위상제어기와; 상기 제1 비교기의 속도오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류지령치를 출력하는 속도제어기와; 상기 위상제어기의 토크전류보상치와 상기 속도제어기의 토크전류지령치를 가산하여 그에 따른 토크전류를 출력하는 가산기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 3상 교류전동기의 전류제어장치에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도7은 본 발명 3상 교류전동기의 전류제어장치에 대한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와같이 사용자에 의해 발생하는 속도지령치와 현재 전동기의 속도검출치를 입력받아 비교하여 그에 따른 속도오차를 출력하는 제1 비교기(1)와; 상기 제1 비교기(1)의 속도오차를 입력받아 원하는 주파수성분을 추출하는 FFT(2)와; 상기 FFT(2)에서 추출된 주파수성분에 소정 게인을 승산하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 보상값계산부(3)와; 상기 보상값계산부(3)로부터 출력되는 토크전류보상치의 위상과 기설정된 에러 레벨 설정치의 위상을 비교하여 그에 따른 위상오차를 출력하는 제2 비교기(6)와; 상기 제2 비교기(6)의 위상오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 위상제어기(7)와; 상기 제1 비교기(1)의 속도오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류지령치를 출력하는 속도제어기(4)와; 상기 위상제어기(7)의 토크전류보상치와 상기 속도제어기 (4)의 토크전류지령치를 가산하여 그에 따른 토크전류를 출력하는 가산기 (5)로 구성하며, 이와같이 구성한 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 제1 비교기(1)는 사용자에 의해 발생하는 속도지령치와 현재 전동기의 속도검출치를 입력받아 비교하여 그에 따른 속도오차를 출력하고, FFT(2)는 상기 상기 제1 비교기(1)의 속도오차를 입력받아 원하는 주파수성분을 추출한다.

상기 FFT(2)는 퓨리에 급수를 이용하여 주파수성분을 추출하는데, 이를 수식으로 표현하면 아래와 같다.

그다음, 보상값계산부는 상기 FFT(2)에서 추출된 주파수성분에 소정 게인을 승산하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하고, 제2 비교기는 상기 보상값계산부 (3)로부터 출력되는 토크전류보상치의 위상과 기설정된 에러 레벨 설정치의 위상을 비교하여 그에 따른 위상오차를 출력한다.

그러면, 위상제어기(7)은 상기 제2 비교기(6)의 위상오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력한다.

한편, 속도제어기(4)는 상기 제1 비교기(1)의 속도오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류지령치를 출력하고, 가산기(5)는 상기 위상제어기 (7)의 토크전류보상치와 상기 속도제어기(4)의 토크전류지령치를 가산하여 그에 따른 토크전류를 출력한다.

다시 말해서, 본 발명은 맥동신호와 설정된 에러레벨을 입력으로 하는 위상제어기를 구비하여 특정주파수의 에러크기를 최소화하는 방향으로 위상을 제어하고, 그 제어된 위상을 가지는 토크전류보상치를 토크전류지령치에 가산하여 토크맥동을 감소시킨다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 속도오차에서 추출해내는 특정주파수의 오차신호를 기반으로 보상전류지령치의 위상을 능동적으로 제어함으로써 토크맥동을 제거하는 효과가 있다.

Claims

사용자에 의해 발생하는 속도지령치와 현재 전동기의 속도검출치를 입력받아 비교하여 그에 따른 속도오차를 출력하는 제1 비교기와; 상기 제1 비교기의 속도오차를 입력받아 원하는 주파수성분을 추출하는 FFT와; 상기 FFT에서 추출된 주파수성분에 소정 게인을 승산하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 보상값계산부와; 상기 보상값계산부로 출력되는 토크전류보상치의 위상과 기설정된 에러레벨 설정치의 위상을 비교하여 그에 따른 위상오차를 출력하는 제2 비교기와; 상기 제2 비교기의 위상오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류보상치를 출력하는 위상제어기와; 상기 제1 비교기의 속도오차를 입력받아 이를 소정 제어하여 그에 따른 토크전류지령치를 출력하는 속도제어기와; 상기 위상제어기의 토크전류보상치와 상기 속도제어기의 토크전류지령치를 가산하여 그에 따른 토크전류를 출력하는 가산기를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 3상 교류전동기의 전류제어장치.