KR100620997B1 - Velosity control apparatus and method for motor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모터의 속도제어장치 및 방법에 관한 것으로, 한 구간을 임의의 등분으로 구분하여 그 구분된 여러개의 구간에서의 속도를 추정하고, 그 구간별 속도의 평균속도를 구하여, 그 평균속도와 각 구간의 속도를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 속도리플을 보상하도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 토크리플이 심한 부하특성을 갖는 압축기에 적용되는 모터의 속도제어장치에 있어서, 임의의 구간별 속도를 추정하고, 그 구간별 속도를 이용하여 평균속도를 산출하여 출력함과 아울러, 상기 평균속도와 구간별 속도와의 차이값을 연산하여 속도 리플로 출력하는 속도 추정수단과; 상기 속도추정수단에서 출력되는 속도리플이 최소가 되도록 비례 및 적분성분을 갖는 제어기에 통과시키고, 그에 따른 속도 리플 보상치를 출력하는 속도리플 보상수단과; 상기 속도 추정수단에서 출력되는 평균속도를 속도지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 토오크 전류 지령치를 출력하는 토오크 전류 지령치 발생수단과; 상기 토오크 전류지령치와 속도리플 보상치 및 실제 토오크 전류치를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 최종 토오크 전류 지령치를 발생하는 비교수단을 포함하여 구성한다.The present invention relates to an apparatus and a method for controlling a speed of a motor, by dividing a section into arbitrary equal parts, estimating the speed in the divided sections, obtaining an average speed of the section-specific speed, and The speed of each section is compared and the speed ripple is compensated based on the comparison result. To this end, the present invention, in the speed control apparatus of the motor applied to the compressor having a high torque ripple load characteristics, and estimates the speed for any section, and calculates and outputs the average speed using the speed for each section Speed estimating means for calculating a difference value between the average speed and the speed for each section and outputting a speed ripple; Speed ripple compensation means for passing through a controller having a proportional and integral component such that the speed ripple output from the speed estimating means is minimized, and outputting a speed ripple compensation value accordingly; Torque current command value generating means for comparing the average speed output from said speed estimating means with a speed command value and outputting a torque current command value based on the comparison result; And comparing means for comparing the torque current command value with the speed ripple compensation value and the actual torque current value, and generating a final torque current command value based on the comparison result.
Description
도1은 일반적인 Single Rotary Compressor의 구조를 나타낸 개략도.1 is a schematic diagram showing the structure of a typical single rotary compressor.
도2는 도1에 있어서, 압축부의 동작원리를 보인도.2 is a view showing the operation principle of the compression unit in FIG.
도3은 도1에 있어서, 부하특성을 보인도.3 is a view showing a load characteristic in FIG.
도4는 일반적인 모터의 속도제어장치에 대한 구성을 보인 실시예의 블록도.Figure 4 is a block diagram of an embodiment showing a configuration for a speed control device of a general motor.
도5는 종래 토크 보상방식을 보인도.Figure 5 shows a conventional torque compensation method.
도6은 종래 속도 오차 보상 원리의 일실시예를 보인도.Figure 6 shows one embodiment of a conventional speed error compensation principle.
도7은 본 발명에 따른 속도 리플 보상원리의 일실시예를 보인도.Figure 7 shows an embodiment of the speed ripple compensation principle according to the present invention.
도8은 본 발명 모터의 속도제어장치에 대한 일실시예의 구성을 보인 블록도.Figure 8 is a block diagram showing the configuration of one embodiment of a speed control apparatus of the present invention motor.
도9는 본 발명 모터의 속도제어방법에 대한 다른 실시예의 구성을 보인 동작흐름도.Figure 9 is a flow chart showing the configuration of another embodiment of the speed control method of the present invention motor.
*****도면의 주요부분에 대한 부호의 설명********** Description of the symbols for the main parts of the drawings *****
100:속도추정기 200:속도리플 보상부100: speed estimator 200: speed ripple compensation unit
300:토오크 전류 지령치 발생부 400:비교기300: torque current command value generator 400: comparator
본 발명은 모터의 속도제어장치에 관한 것으로, 특히 기계적인 한 바퀴에 해당하는 속도뿐만 아니라 한 주기내에서 일어나는 속도리플을 구하여 적합한 보상이 가능하도록 한 모터의 속도 제어장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a speed control device for a motor, and more particularly, to a speed control device and a method for obtaining a speed ripple occurring in a cycle as well as a speed corresponding to a mechanical wheel so that suitable compensation is possible.
일반적으로, 압축기(Compressor)는 그 압축방식에 따라 부하 특성이 매우 다르고, 특히 Single Rotary Compressor의 경우 압축 방식 특성상 기계적인 한 주기 부하의 토크 리플이 매우 크게 나타나며 일반적인 속도 제어기에 사용할 경우에는 속도 리플 역시 심하게 나타날 수 있다.In general, compressor has very different load characteristics according to its compression method.In particular, Single Rotary Compressor has very high torque ripple of mechanical single cycle load due to the characteristics of compression method. It can be severe.
도1은 일반적인 Single Rotary Compressor의 구조를 나타낸 개략도로서, 압축부는 모터의 회전자와 축으로 연결되어 있고, Vane은 모터의 축과 동심이 어긋나 있다. 1 is a schematic view showing a structure of a general single rotary compressor, in which a compression unit is connected to a rotor and a shaft of a motor, and a vane is concentric with the shaft of the motor.
이에 따라, 도2와 같이 모터의 회전시 압축부의 Vane이 동시에 회전하지만 압축 행정이 이루어지게 되고, 압축부 Vane의 기계적 1회전에 압축 행정 1회가 이루어지게 되며, 압축 특성상 도3과 같이 모터에 인가되는 부하는 매우 큰 토크 리플을 갖게 된다. Accordingly, as shown in FIG. 2, the compression section of the compressor rotates at the same time, but the compression stroke is made, and the compression stroke is performed once per mechanical rotation of the compression section vane. The applied load will have a very large torque ripple.
상기 도3에서, 'θ'는 기계적인 회전각을 의미하고, 회전각과 부하 리플간의 관계는 모터 회전자를 압축부와 연결할 때의 위치 선정에 의해 정의된다.In Fig. 3, 'θ' means a mechanical rotation angle, and the relationship between the rotation angle and the load ripple is defined by positioning when connecting the motor rotor to the compression unit.
도4는 일반적인 모터의 속도제어장치에 대한 구성을 보인 블록도이다.Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a speed control device of a general motor.
압축기는 고온, 고압의 특성상 센서의 사용이 불가능하므로, 가변속용의 인버터 타입의 경우 센서리스 제어가 필수적인데, 사용되는 모터에 따라 세부적인 구 성은 다를수 있으나 전체적인 구성은, 상기 도4와 같이, 최외곽에 속도 제어기, 내부에 전류제어기로 이루어지고, 속도추정시 전류나 전압을 검출하여 이용한다.Since the compressor cannot use a sensor due to the characteristics of high temperature and high pressure, in the case of an inverter type for variable speed, sensorless control is essential. The detailed configuration may vary depending on the motor used, but the overall configuration is as shown in FIG. It consists of a speed controller on the outside and a current controller on the inside, and detects and uses current or voltage during speed estimation.
이때, 상기 도4와 같은 속도제어장치는, 상기 도3의 (a)와 같은 부하특성을 갖게 되므로, 도 3의 (b)와 같이 리플이 발생하는 속도특성을 갖게 된다.At this time, the speed control device as shown in FIG. 4 has a load characteristic as shown in FIG. 3 (a), and thus has a speed characteristic in which ripple occurs as shown in FIG.
이때, 상기 속도제어시 발생하는 리플은, 압축기의 진동 및 소음, 그리고 성능 저하의 원인이 된다. At this time, the ripple generated during the speed control causes vibration, noise, and performance degradation of the compressor.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 종래기술에서는, 도5와 같이 부하특성을 미리 오프-라인 방식으로 구해놓고 이에 맞추어 토크를 제어할 수 있도록 룩업 테이블(Lookup Table)을 만들어 사용한다.. Accordingly, in order to solve the above problems, the prior art uses a lookup table to obtain the load characteristics in an off-line manner and control torque accordingly as shown in FIG. 5.
여기서, 상기 도5는 종래 토크 보상 방식을 보인도로서, 120도 통전 방식을 사용하는 BLDC에서 많이 사용되고, 120도 통전방식에 open phase에서 역기전력 (EMF)를 측정하여 구동하는 센서리스의 경우에는 그 방식상의 특성에 의해 60도 간격으로만 위치의 센싱이 가능하므로, 한 주기에 6개의 보상만이 가능하다.5 is a diagram showing a conventional torque compensation method, which is widely used in a BLDC using a 120-degree conduction method, and in the case of a sensorless that operates by measuring back EMF in an open phase in a 120-degree conduction method. Due to the characteristic of the method, the position sensing is possible only at an interval of 60 degrees, so only six compensations are possible in one cycle.
그러나, 상기 그림 5와 같이, 룩업 테이블 Lookup Table)을 사용하는 방식에서는, 그 룩업 테이블(Lookup Table)을 구할 때 사용된 위치에서만 보상이 가능하므로 기준 위치를 잡을 필요가 있게 되고, 이러한 경우, 상기 기준위치의 오차는 모든 토크 보상에 역효과를 나타내는 문제점이 있다.However, as shown in FIG. 5, in the method of using a lookup table lookup table, it is necessary to set a reference position because compensation is possible only at the position used when the lookup table is obtained. The error of the reference position has a problem that adversely affects all torque compensation.
이를 해결하기 위하여, 정현파 센서리스 제어를 통하여, 세밀한 순간의 속도제어가 가능하게 되어, 평균값을 이용하여 속도리플을 보상하는 방식이 제안되었다.In order to solve this problem, it is possible to control the speed in minute moments through the sine wave sensorless control, and a method of compensating the speed ripple using an average value has been proposed.
그러나, 상기 평균값을 이용하여 속도리플을 보상하는 방식은, 세부적인 속도리플을 구할 수 없어서 정확한 보상이 이루어질 수 없는데, 즉 도6에서 보는 바와같이 기계적인 속도제어는 매우 잘 되고 있으나, 세부적으로는 속도리플에 의한 진동이 발생할 수 밖에 없음을 알 수 있다.However, in the method of compensating the speed ripple using the average value, since the detailed speed ripple cannot be obtained, accurate compensation cannot be achieved, that is, mechanical speed control is very well as shown in FIG. It can be seen that vibration caused by the speed ripple is inevitably generated.
즉, 속도 지령이 22Hz라고 할 경우, 기계적으로 한주기의 속도는 22Hz를 유지하게 되는데, 한 주기내에서의 세부적인 속도리플을 보면 부하의 변동에 따라 각 구간별로 속도 리플리 심하게 나타나게 된다.In other words, if the speed command is 22Hz, the speed of one cycle is mechanically maintained at 22Hz. When the speed ripple is shown in one cycle, the speed ripple is severely displayed in each section according to the load variation.
예를 들어, 4극 모터의 경우에 기계적인 한바퀴는 전기적으로 두바퀴에 해당되며, 이러한 경우에는 실제로 세부적인 속도 리플을 정확하게 알아야만 부하보상이 이루어질 수 있다.For example, in the case of a four-pole motor, a mechanical wheel is electrically equivalent to two wheels. In this case, load compensation can only be achieved by actually knowing the detailed speed ripple.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 한 구간을 임의의 등분으로 구분하여 그 구분된 여러개의 구간에서의 속도를 추정하고, 그 구간별 속도의 평균속도를 구하여, 그 평균속도와 각 구간의 속도를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 속도리플을 보상하도록 한 모터의 속도제어장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by dividing one section into arbitrary equal parts, estimating the speed in several divided sections, obtaining the average speed of the section-specific speed, and the average speed It is an object of the present invention to provide a speed control apparatus and a method for comparing a speed of each section with a speed and compensating for speed ripple based on the comparison result.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 토크리플이 심한 부하특성을 갖는 압축기에 적용되는 모터의 속도제어장치에 있어서,
임의의 구간별 속도를 추정하고, 그 구간별 속도를 이용하여 평균속도를 산출하여 출력함과 아울러, 상기 평균속도와 구간별 속도와의 차이값을 연산하여 속도 리플로 출력하는 속도 추정수단과;
상기 속도추정수단에서 출력되는 속도리플이 최소가 되도록 비례 및 적분성분을 갖는 제어기에 통과시키고, 그에 따른 속도 리플 보상치를 출력하는 속도리플 보상수단과;
상기 속도 추정수단에서 출력되는 평균속도를 속도지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 토오크 전류 지령치를 출력하는 토오크 전류 지령치 발생수단과;
상기 토오크 전류지령치와 속도리플 보상치 및 실제 토오크 전류치를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 최종 토오크 전류 지령치를 발생하는 비교수단을 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.In the present invention for achieving the above object, in the speed control apparatus of a motor applied to a compressor having a torque ripple load characteristics,
Speed estimating means for estimating an arbitrary speed for each section, calculating and outputting an average speed using the speed for each section, and calculating a difference value between the average speed and the speed for each section and outputting a speed ripple;
Speed ripple compensation means for passing through a controller having proportional and integral components such that the speed ripple output from the speed estimating means is minimized, and outputting a speed ripple compensation value accordingly;
Torque current command value generating means for comparing the average speed output from said speed estimating means with a speed command value and outputting a torque current command value based on the comparison result;
And comparing means for comparing the torque current command value with the speed ripple compensation value and the actual torque current value, and generating a final torque current command value based on the comparison result.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 임의의 구간별 속도를 계산하고, 그 구간별 속도를 이용하여 평균속도를 산출하는 과정과;
상기 평균속도와 구간별 속도와의 차이값이 최소값이 되도록 비례 및 적분성분을 갖는 제어기에 통과시키고, 그 통과한 값을 속도리플 보상치로 결정하는 단계와;
상기 평균속도와 속도지령치를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 토오크전류 지령치를 연산하는 과정과;
상기 속도리플 보상치와 토오크 전류 지령치 및 실제 토오크 전류를 가산하여 최종 전류 지령치를 생성하고, 그 최종 전류 지령치로 부하를 보상하는 과정으로 수행함을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, the process of calculating the speed for any section, using the speed for each section to calculate the average speed;
Passing through the controller having proportional and integral components such that the difference between the average speed and the speed for each section becomes a minimum value, and determining the passed value as a speed ripple compensation value;
Comparing the average speed with the speed command value and calculating a torque current command value based on the comparison result;
The speed ripple compensation value, the torque current command value and the actual torque current are added to generate a final current command value, and the load is compensated by the final current command value.
이하, 본 발명에 의한 모터의 속도제어장치에 대한 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the operation and effect of the motor speed control apparatus according to the present invention will be described in detail.
우선, 본 발명은, 도7과 같이, 소프트웨어적으로 내부에서 구간을 나누여, 각 구간에서의 속도와 평균속도를 구하면, 각 구간별 속도리플을 검출할 수 있어, 구간별로 속도리플을 보상할 수 있다는 점에 착안하였음을 밝혀 두는 바이다.First, the present invention, as shown in Figure 7, by dividing the interval within the software, and when the speed and average speed in each section can be obtained, the speed ripple for each section can be detected, to compensate for the speed ripple for each section It is to be noted that the present invention was conceived.
즉, 도7의 (a)와 같이, 부하에 의해 기계적으로 한주기 내에서 속도리플이 존재하게 되면, 위치 추정에 있어서, 각의 증가는 매 구간마다 증가율이 다르게 되는데, 이렇게 특정각을 기눈으로 구간을 등분하고 그 각도 만큼 증가하는데 걸리는 시간을 측정하여 구간사이의 속도를 추정한다.That is, as shown in Figure 7 (a), if the speed ripple exists mechanically in one period due to the load, in the position estimation, the increase of the angle is different in each interval, the rate of increase is different, Estimate the speed between sections by measuring the time it takes to divide the sections and increase them by the angle.
도7의 (b)는 기준각을 '0도와 180도,360도'를 예로 든 것이고, 4극 모터를 예로 하였으므로 기계적인 한 주기내에 4개의 구간이 생기게 되는데, 이 각구간에서 해당되는 속도에서 모든 구간의 속도로부터 구한 평균속도를 감산하여 세부적인 구간에서의 속도리플을 추정할 수 있기 때문에 본 발명에서 제안된 방식으로 부하 보상이 가능한데, 이를 도8 및 도9를 참조하여 설명한다.Figure 7 (b) is a reference angle '0 degrees, 180 degrees, 360 degrees' is taken as an example, since a four-pole motor is taken as an example, there are four sections within a mechanical period, at the corresponding speed in each section Since the speed ripple in the detailed section can be estimated by subtracting the average speed obtained from the speeds of all sections, the load compensation can be performed in the manner proposed in the present invention, which will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
도8은 본 발명 모터의 속도제어장치에 대한 일실시예의 구성을보인 블록도이다.Figure 8 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of a speed control apparatus of the present invention motor.
도8에 도시한 바와같이, 본 발명은, 일반적인 구성은 종래 도4와 동일하고, 다만, 임의의 구간별 속도를 추정하고, 그 구간별 속도를 이용하여 평균속도를 산출하여 출력함과 아울러, 상기 평균속도와 구간별 속도와의 차이값을 연산하여 속도 리플로 출력하는 속도 추정기(100)와; 상기 속도추정기(100)에서 구간별로 출력되는 속도리플을 비례 및 적분성분을 갖는 제어기에 통과시키고, 그에 따른 속도 리플 보상치를 출력하는 속도리플 보상부(200)와; 상기 속도 추정기(200)에서 출력되는 평균속도를 속도지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 토오크 전류 지령치를 출력하는 토오크 전류 지령치 발생부(300)와; 상기 토오크 전류지령치와 속도리플 보상치 및 실제 토오크 전류치를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 최종 토오크 전류 지령치를 발생하는 비교기(400)를 더 포함하여 구성하며, 이와같은 본 발명의 속도 보상 동작을 설명한다.As shown in Fig. 8, the present invention has the same general structure as in Fig. 4, except that the speed for each section is estimated, the average speed is calculated and output using the speed for each section, A speed estimator (100) for calculating a difference value between the average speed and the speed for each section and outputting a speed ripple; A
먼저, 속도추정기(100)는, 임의의 구간별 속도를 추정하고, 그 구간별 속도를 이용하여 평균속도를 산출하며, 상기 평균속도와 구간별 속도와의 차이값을 연산하여 속도 리플로 출력한다.First, the
이때, 상기 속도추정기(100)는 모터의 극수에 따라, 한 주기내의 구간 갯수를 결정하고, 또한 임의의 정해진 각도를 증가하는데 필요한 시간을 측정하여 구간별 속도를 계산한다.At this time, the
그 다음, 속도리플 보상부(200)는 상기 속도추정기(100)에서 구간별로 출력되는 속도리플을 비례 및 적분성분을 갖는 제어기에 통과시키고, 그에 따른 속도 리플 보상치를 출력한다.Then, the
즉, 상기 속도리플 보상부(200)는 평균속도와 구간별 속도와의 차이값이 최소가 되도록 비례 및 적분성분을 갖는 제어기에 통과시키고, 그 통과한 값을 속도리플 보상치로 결정하여 출력한다.That is, the
한편, 토오크 전류 지령치 발생부(300)는 상기 속도 추정기(200)에서 출력되는 평균속도를 속도지령치와 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 토오크 전류 지령치를 비교기(400)에 인가하고, 이에 따라 상기 비교기(400)는 상기 토오크 전류지령치와 속도리플 보상치 및 실제 토오크 전류치를 가산하여 그에따른 최종 토오크 전류 지령치를 전류제어기(미도시)에 인가하여 부하를 보상한다.Meanwhile, the torque current command
보다 상세하게, 도9를 참조하여 본 발명을 설명하면, 우선 임의의 구간별 속 도를 계산하고(SP1), 그 구간별 속도를 이용하여 평균속도를 산출한다(SP2)More specifically, the present invention will be described with reference to Fig. 9, first, a speed for each section is calculated (SP1), and the average speed is calculated using the speed for each section (SP2).
이때, 임의의 정해진 각도를 증가하는데 필요한 시간을 측정하여 구간별 속도를 계산한다.At this time, by measuring the time required to increase any predetermined angle to calculate the speed for each section.
그 다음, 상기 평균속도와 구간별 속도를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 속도리플 보상치를 연산하는데(SP3), 평균속도와 구간별 속도와의 차이값이 최소가 되도록 비례 및 적분성분을 갖는 제어기에 통과시키고, 그 통과한 값을 속도리플 보상치로 결정한다.Next, the average speed and the speed for each section are compared, and the speed ripple compensation value is calculated based on the comparison result (SP3), and has a proportional and integral component such that the difference between the average speed and the speed for each section is minimized. Pass it through the controller and determine the value passed as the speed ripple compensation value.
그 다음, 상기 평균속도와 속도지령치를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 토오크전류 지령치를 연산한 다음(SP4), 상기 속도리플 보상치와 토오크 전류 지령치 및 실제 토오크 전류를 가산하여 최종 전류 지령치를 생성하고(SP5), 그 최종 전류 지령치로 부하를 보상한다(SP6).Then, the average speed and the speed command value are compared, and the torque current command value is calculated based on the comparison result (SP4), and then the final current command value is added by adding the speed ripple compensation value, the torque current command value and the actual torque current. Generate (SP5) and compensate the load with the final current command value (SP6).
즉, 본 발명은 한 구간을 임의의 등분으로 구분하여 그 구분된 여러개의 구간에서의 속도를 추정하고, 그 구간별 속도로 평균속도를 구한 다음, 그 평균속도와 각 구간의 속도의 차이를 구하여 그 차이값을 속도리플로 검출하고 그 속도리플을 보상하는 것이다. That is, the present invention divides one section into arbitrary equal parts, estimates the speed in the divided sections, calculates the average speed by the speed of each section, and then obtains the difference between the average speed and the speed of each section. The difference is detected by the speed ripple and the speed ripple is compensated for.
상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.The specific embodiments or examples made in the detailed description of the present invention are intended to clarify the technical contents of the present invention to the extent that they should not be construed as limited to these specific embodiments and should not be construed in consultation. Various changes can be made within the scope of.
이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 한 구간을 임의의 등분으로 구분하여 그 구분된 여러개의 구간에서의 속도를 추정하고, 그 구간별 속도의 평균속도를 구하여, 그 평균속도와 각 구간의 속도를 비교하고, 그 비교결과에 근거하여 속도리플을 보상함으로써, 부하특성에 의해 발생하는 속도리플을 제거하여 속도 제어성능을 향상시키는 효과가 있다. As described in detail above, the present invention divides one section into arbitrary equal parts, estimates the speed in the divided sections, calculates the average speed of the sections, and calculates the average speed and the speed of each section. By comparing with and compensating for the speed ripple based on the comparison result, the speed ripple caused by the load characteristic is eliminated, thereby improving the speed control performance.
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