KR100617285B1

KR100617285B1 - 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법

Info

Publication number: KR100617285B1
Application number: KR1020040039798A
Authority: KR
Inventors: 최윤영
Original assignee: 현대엘리베이터주식회사
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2006-08-30
Also published as: KR20050114744A

Abstract

본 발명은 동기전동기에서의 엔코더 신호의 진행순서에 따라 엔코더 신호선의 고장여부와 상기 엔코더 신호 및 위상각의 비교에 따라 위상각의 오차여부를 확인할 수 있도록 한 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 엔코더의 펄스신호인 U,V,W상의 신호 조합에 의해 표현되는 6개의 2진코드가 상기 동기전동기의 회전방향에 따른 상기 엔코더의 음 또는 양의 신호에 의하여 순차적으로 진행되는지를 판별하고, 그 결과에 따라 상기 2진코드가 순차적으로 진행되지 않는 경우 상기 2진코드의 몇번째에 해당되는 엔코더의 신호선에 고장이 발생되었는지 판단되는 과정; 및 상기 엔코더의 펄스신호인 U,V,W상에 대한 U상,V상,W상의 각각의 값이 기 정의된 위상각의 범위 이내에 있는지를 판별하고, 그 결과에 따라 위상각의 오차 발생여부가 판단되는 과정으로 이루어진다.

이에 따라, 종래 회전자의 절대적 위치를 검출하기 위해 "U, V, W, A, B, Z" 상과 같은 펄스신호가 모두 필요하지 않으며, 펄스고장을 감지할 수 있는 하드웨어의 구성이 생략될 수 있어 비용 절감효과를 기대할 수 있다.

Description

동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법{DETECTION METHOD USING BY APPARATUS FOR DETECTION AN ENCORDER DEFECT AND A PHASE ANGLE ERROR OF SYNCHRONOUS MOTOR}

도 1은 본 발명의 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법에 이용되는 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 보인 개략적인 블럭 구성도,

도 2는 엔코더 고장 검출방법을 설명하기 위하여 절대 엔코더의 펄스 신호상태를 보인 실시예 도면,

도 3은 도 2의 절대 엔코더의 펄스 신호상태와 위상각을 보인 실시예 도면,

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법을 보인 흐름도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 제어부, 12 : 모터구동부,

20 : 엔코더신호검출부, 22 : 엔코더상태판별부,

30 : 위상각오차판별부.

본 발명은 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엘리베이터에 적용되는 동기전동기의 토오크 제어를 정확하게 행할 수 있도록 엔코더의 고장유무를 별도의 기계장치 없이 엔코더 신호와 회전자의 위치 검출신호만으로 인지할 수 있도록 한 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법에 관한 것이다.

통상, 엘리베이터에 적용되는 카 구동용 전동기는 직류 전동기와 교류 전동기로 분류되고, 상기 교류 전동기는 다시 유도전동기와 동기전동기로 분류된다.

상기 동기전동기는 영구자석이 전동기의 회전자에 부착되고 전동기를 구동시키기 위한 여자 전류성분을 필요로 하지 않으며 부피를 대폭 줄일수 있다라는 점에서 유도전동기와 상이하다.

그러한 동기전동기는 일정한 주파수에서 부하와는 상관없이 일정한 속도로 회전되게 하는 정속도 전동기로서, 이는 고정자에 회전자계를 형성하는 3상권선을 배치하고 코어부재의 적층구조로 이루어진 회전자에 자극을 형성하는 영구자석을 배치하여 구성된다.

그리고, 고정자와 회전자 사이에 발생되는 회전자계에 의해 상기 동기전동기는 구동되며, 3상 권선에 인가되는 전원전압주파수에 비례하고 회전자의 자극수에 반비례하는 속도, 즉 입력전원의 주파수에 동기된 속도로 회전하는 특성을 갖게 된다.

또한, 상기 동기전동기는 상기 회전자에 부착된 영구자석으로부터 자속을 공 급받기 때문에 정확하게 토오크 제어를 행하기 위해서는 회전자의 절대적 위치를 정확하게 파악하는 것이 요구된다.

이에 따라, 상기 회전자의 절대적 위치를 추출하기 위해서 일반적으로 상기 회전자에는 레졸버(Resolver) 또는 절대 엔코더(Absoute Encoder)와 같은 위치 센서가 부착된다. 상기 레졸버 또는 절대 엔코더는 회전자의 위치를 연속적으로 검출할 수 있으며, 또한 벡터 제어에 필요한 회전자의 절대 위치의 정보를 정확하게 알 수 있다.

그러나, 상기 회전자의 절대적 위치를 파악하기 위해 절대 엔코더가 사용되는 경우, 이에 사용되는 펄스 신호가 "U, V, W, A, B, Z" 상과 같이 많이 필요하고 알고리즘이 복잡하며 펄스신호의 고장을 감지할 수 있는 구성이 필수적으로 필요하였다.

이에 따라, 만약 동기전동기에서 엔코더가 고장나거나 위상각에 오차가 발생하였을 경우 전력손실 등의 문제가 야기되는 바 이를 설명하면 다음과 같다.

예컨대, 동기전동기의 고정자 자속과 회전자 자속을 'd', 'q' 정지좌표 및 'd','q' 동기좌표로 각각 표현될 때 그 동기좌표계의 'd-q' 축 상에서의 전압 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

----①

----②

또한, 동기전동기의 회전자 자극의 위치각과 제어각을 정렬하도록 일정한 양의 직류전류를 공급하는 전류제어기의 출력 전압 보상 방정식은,

로 각각 나타난다.

이때, 동기전동기 구동시에 위상각 오차가 발생된다면 상기 'd' 축 전류제어기의 적분방정식은 다음 ③와 같이 나타난다.

----③

여기서 θ는 위상각 오차이다.

그와 같은 적분방정식이 정의된 상태에서 상기 식 ③의 'd'축 전류제어기의 적분항은 항상 '0'값을 가지고 있어야 하지만, 위상각 오차발생에 따라 무효분 전압과 무효분 전류가 발생되어 전력 손실이 일어나는 문제점이 있었던 것이다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 동기전동기의 토오크 제어를 정확하게 행할 수 있도록 장착되는 절대 엔코더의 펄스 신호인 U,V,W 상의 신호 조합에 따른 순서진행에 의하여 엔코더 신호의 고장유무를 판단하고, 또한 그 U,V,W 상의 신호와 회전자의 위치에 의한 위상각을 상호 비교하여 위상각의 오차 여부를 확인하도록 한 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법은, 영구자석형 동기전동기에 장착된 엔코더로부터 출력되는 엔코더 신호를 검출하고 고장유무를 판단하는 수단과, 위상각 오차판별수단에 의해 상기 엔코더와 위상각 오차를 검출하는 방법에 있어서, 상기 엔코더의 펄스신호인 U,V,W상의 신호 조합에 의해 표현되는 6개의 2진코드가 상기 동기전동기의 회전방향에 따른 상기 엔코더의 음 또는 양의 신호에 의하여 순차적으로 진행되는지를 판별하고, 그 결과에 따라 상기 2진코드가 순차적으로 진행되지 않는 경우 상기 2진코드의 몇번째에 해당되는 엔코더의 신호선에 고장이 발생되었는지 판단되는 과정; 및 상기 엔코더의 펄스신호인 U,V,W상에 대한 U상,V상,W상의 각각의 값이 기 정의된 위상각의 범위 이내에 있는지를 판별하고, 그 결과에 따라 위상각의 오차 발생여부가 판단되는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

여기서, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 영구자석형 동기전동기의 구성은 공지된 기술로서 그 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법에 이용되는 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 보인 개략적인 블럭 구성도, 도 2는 엔코더 고장 검출방법을 설명하기 위하여 절대 엔코더의 펄스 신호상태를 보인 실시예 도면, 도 3은 도 2의 절대 엔코더의 펄스 신호상태와 위상각을 보인 실시예 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 소정 신호가 입력되면 영구자석 동기전동기(M)를 구동시키기 위한 3상전압을 출력하는 모터구동부(12), 상기 모터구동부(12)의 회전자에 장착된 절대 엔코더의 신호를 추출하는 엔코더신호검출부(20), 상기 엔코더신호검출부(20)로부터 검출된 엔코더 신호를 판독하여 엔코더의 고장유무를 판단하는 엔코더상태판별부(22)로 구성된다.

또한, 상기 동기전동기(M)으로부터 3상 펄스신호와 위상각 정보를 제공받고 상기 펄스신호에 대한 위상각에 오차가 발생되었는지를 판단하는 위상각오차판별부(30)가 더 포함되어 구성된다.

그리고, 제어부(10)는 상기 모터구동부에서 출력된 3상전압 및 그에 상응하 는 3상 전류를 검출하여 연산과정을 행하고 상기 영구자석 동기전동기(M)의 회전자 위치정보를 추출하며 상기 추출된 회전자의 위치정보에 따라 상기 영구자석 동기전동기(M)가 구동되도록 상기 모터구동부(12)에 제어신호를 출력하는 기능을 수행하는 것 이외에, 상기 엔코더상태판별부(22) 및 위상각오차판별부(30)로부터 고장 신호를 인가받고 동기전동기(M)를 전체적으로 제어할 수 있게 된다.

그와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명한다.

도 2는 엔코더 고장 검출방법을 설명하기 위하여 절대 엔코더의 펄스 신호상태를 보인 실시예 도면으로서, 도 2와 도 4a를 참조하여 엔코더 고장검출과정을 설명한다.

먼저, 상기 동기전동기(M)의 회전자에 장착되는 절대 엔코더의 펄스 신호인 U,V,W 상은 그 신호를 조합하면 위상각 360°에 대해 6가지의 다른 신호모드가 각각 발생되며, 상기 6가지의 신호 모드 즉 절대 엔코더의 U,V,W 상의 신호는 도 2에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다.

그리고 상기 U,V,W상은 각각 120°의 위상차를 나타내며, 상기 U,V,W상의 신호는 상기 위상각이 속해있는 60° 영역외에는 알 수 없어 U상의 0°도가 검출되기 전까지는 최대 30°의 오차를 가지고 동작하게 되고, 또한 상기 위상각 0°가 U상에 동기되어 동작될 때 상기 U,V,W상의 위상각 펄스가 검출된다.

상기와 같이 U,V,W상이 나타날 때, 미도시하고 있는 3상 에지검출수단에 의해 U상 신호가 0에서 1로 바뀌는 시점(즉, 도 2에서 'A'지점)의 각을 옵셋각이라 정의하게 되면, 만약 초기 기동전에 상기 U,V,W 상의 신호가 1,0,0 이라면 위상각 의 초기값은 상기 옵셋각에 90°를 더한 값으로 설정되게 된다.

즉 다시말해, 초기 검출된 U,V,W상의 값이 1,0,1일때, 위상각은 0°와 60° 사이에 위치하게 되고 이때의 초기값으로 30°를 설정한 것으로서 상기 6가지의 신호 모드에 대한 초기값은 다음 [표 1]과 같이 정의된다.

[표 1]

그와 같이 초기값이 설정되어 있는 상태에서(ST100), 동기전동기(M)의 회전방향에 따라 정회전일 경우, 즉 엔코더 신호가 양(+)일 경우에는 순차적으로 5→4→6→2→3→1과 같이 카운트 값이 변화되고, 역회전일 경우 즉 엔코더 신호가 음(-)일 경우에는 1→3→2→6→4→5와 같이 카운트 값이 변화되게 된다(ST102,ST104).

다시말해, 상기 동기전동기(M)의 회전자에 장착된 절대 엔코더의 신호를 추출하는 엔코더신호검출부(20)에 의하여 동기전동기(M)의 회전방향에 따라 상기와 같은 변화되는 카운트값으로 진행되어야 하는바(ST106에서 예), 만약 상기 카운트값으로 진행되지 않는 경우가 발생되면 상기 엔코더신호검출부(20)로부터 검출된 엔코더 신호를 판독하는 엔코더 상태판별부(22)는 상기 엔코더로부터 출력되는 신호가 고장임을 상기 제어부(10)에게로 통보하게 된다(ST108).

한편, 도 3은 절대 엔코더의 펄스 신호상태와 위상각을 보인 실시예 도면이다. 이를 도 4b를 참조하여 설명하기로 한다.

상기 위상각은 상기 3상 펄스의 엔코더 신호의 한 주기에 대하여 0~2π로 설정되는 바(ST110), 동기전동기(M)가 일회전 했을때 상기 위상각은 0에서 2π까지 위상각이 변화하게 된다.

그리고, 동기전동기(M)의 회전방향에 따라 상기 U,V,W 상의 신호와 위상각을 비교한다(ST112).

상기 비교에 따라 상기 엔코더의 신호중 U,V,W 상의 신호가 1,0,1일 경우에는 상기 위상각은 0~π/3이며, U,V,W 상의 신호가 1,0,0이면 상기 위상각은 π/3~2π2/3이며, 마찬가지로 U,V,W 상의 신호가 1,1,0 이면 상기 위상각은 2π/3~π임을 알 수 있다(ST114).

상기와 같이 상기 U,V,W 상의 신호의 6가지 신호모드에 따라 위상각이 각각 정해져있기 때문에, 만약 상기 U,V,W 상의 신호가 0,1,0일 때 π~4π/3가 나타나야 하지만 다른 위상각이 나오게 되면 상기 동기전동기(M)의 위상각을 검출하는 위상각오차판별부(30)에 의해 위상각에 오차가 발생되었음이 인지되어 상기 제어부(10)에게로 알려진다. 즉 U,V,W 상의 신호와 위상각의 일치여부를 판단하고(ST116), 그 판단결과에 따라 위상각의 오차발생을 알 수 있는 것이다(ST118).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법에 따르면, 엔코더 고장여부를 판별하기 위하여 종래 제공되는 하드웨어 장치가 필요없이 엔코더 신호의 진행 순서를 통해 엔코더 신호선의 고장여부를 판별할 수 있으며, 또한 위상각과 엔코더 신호를 상호 비교하여 위상각의 오차 여부를 확인할 수 있기 때문에, 절대 엔코더만을 이용하여 영구자석형 동기전동기를 기동하는 시스템에 적용할 수 있는 효과가 있다.

다시말해, 종래 회전자의 절대적 위치를 파악하기 위해 절대 엔코더가 사용될 때 필요한 "U, V, W, A, B, Z" 상의 펄스신호가 모두 필요하지 않고, 또한 펄스고장을 감지할 수 있는 하드웨어의 구성이 생략될 수 있어 비용 절감효과를 기대할 수 있다.

Claims

삭제
영구자석형 동기전동기에 장착된 엔코더로부터 출력되는 엔코더 신호를 검출하고 고장유무를 판단하는 수단과, 위상각 오차판별수단에 의해 상기 엔코더와 위상각 오차를 검출하는 방법에 있어서,

상기 엔코더의 펄스신호인 U,V,W상의 신호 조합에 의해 표현되는 6개의 2진코드가 상기 동기전동기의 회전방향에 따른 상기 엔코더의 음 또는 양의 신호에 의하여 순차적으로 진행되는지를 판별하고, 그 결과에 따라 상기 2진코드가 순차적으 로 진행되지 않는 경우 상기 2진코드의 몇번째에 해당되는 엔코더의 신호선에 고장이 발생되었는지 판단되는 과정; 및

상기 엔코더의 펄스신호인 U,V,W상에 대한 U상,V상,W상의 각각의 값이 기 정의된 위상각의 범위 이내에 있는지를 판별하고, 그 결과에 따라 위상각의 오차 발생여부가 판단되는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법.
제 2항에 있어서,

상기 U,V,W의 신호가 각각 '1,0,1','1,0,0',1,1,0','0,1,0','0,1,1','0,0,1' 의 6가지 모드로 나타날 때, 상기 엔코더의 신호가 양(+)이면 '5-4-6-2-3-1' 순서대로 진행되는 반면, 상기 엔코더의 신호가 음(-)이면 '1-3-2-6-4-5' 순서대로 진행될 때에는 상기 엔코더 신호가 정상이고, 상기 엔코더의 신호가 상기 순서대로 진행되지 않으면 상기 엔코더 신호가 고장인 것을 특징으로 하는 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법.
제 2항에 있어서,

상기 U,V,W의 신호가 각각 '1,0,1','1,0,0',1,1,0','0,1,0','0,1,1','0,0,1' 의 6가지 모드로 나타나고 상기 위상각이 0~2π인 경우에는, 상기 U,V,W 신호의 각각에 따라 상기 위상각은 '0~π/3','π/3 ~ 2π/3, '2π/3 ~π', 'π~4π/3', '4π/3 ~ 5π/3', 5π/3 ~ 2π'인 것을 특징으로 하는 동기전동기의 엔코더 고장과 위상각 오차 검출장치를 이용한 검출방법.