KR100930198B1 - 속도 제어신호 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하로부터 궤환되는 부하검출신호를 PID(Proportional Integral Derivative) 제어하고, PID 제어한 출력신호에 속도 명령신호를 효율적으로 반영하여 부하의 속도제어의 성능을 향상시키는 것으로서 PID 제어신호 제한부가 속도 제어신호의 최대 값에 대한 속도 명령신호 값의 비율을 계산하고, 계산한 비율에 따라 PID 제어기가 출력하는 PID 제어신호의 값을 조절함으로써 최종 출력하는 속도 제어신호에서 PID 제어신호가 차지하는 비율이 일정하게 되어 부하 구동장치가 부하를 전체 속도 범위에서 안정하게 구동시킨다.

인버터, 속도지령, PID 제어, 리미터, 속도 명령신호, 속도 제어신호

Description

속도 제어신호 발생장치{Apparatus for generating speed control signal}

본 발명은 전동기 등과 같은 소정의 부하를 구동시키는 인버터 등의 부하 구동장치에 있어서, 부하 구동장치가 부하를 구동시키기 위한 속도 제어신호를 발생하는 속도 제어신호 발생장치에 관한 것이다.

보다 상세하게는 부하로부터 궤환되는 부하 검출신호를 PID(Proportional Integral Derivative) 제어기가 PID 제어하고, 그 PID 제어한 출력신호에 속도 명령신호를 효율적으로 반영하여 부하의 속도제어의 성능을 향상시킬 수 있는 속도 제어신호 발생장치에 관한 것이다.

부하로부터 궤환(Feedback)되는 부하 검출신호를 PID 제어기로 PID 제어하여 부하의 속도 제어신호를 발생하는 속도 제어신호 발생장치는 부하 검출신호를 PID 제어한 PID 제어기의 출력신호에 사용자가 설정한 속도 명령신호를 가산하여 최종 출력하는 속도 제어신호를 발생하고 있다.

팬 및 펌프 등과 같이 응답성이 상대적으로 느린 부하일 경우에 속도 명령신 호를 사용하지 않고, PID 제어기의 출력신호만으로 최종 속도 제어신호를 발생할 수도 있다.

그러나 신선(Wire drawing) 라인, 제지 라인 및 비닐 라인 등과 같이 매우 짧은 주기로 장력 제어를 해야 하거나, 응답성이 빠르고 부하의 작은 변화에도 전체적인 시스템의 성능이 크게 좌우되는 부하를 제어할 경우에는 최종 출력하는 속도 제어신호 중에서 속도 명령신호가 대부분을 차지하고, 상대적으로 PID 제어기의 출력신호가 차지하는 비율은 상대적으로 작아야만 된다.

왜냐 하면, 궤환 받은 부하 검출신호는 그 특성이 매우 비주기적이고, 불규칙한 변동폭을 가지고 있어 PID 제어기의 출력신호 역시 불안정해질 수 밖에 없기 때문이다.

만일 속도 명령신호의 크기에 관계없이 PID 제어기가 출력하는 출력신호의 크기가 항상 일정하다면, 속도 명령신호의 크기가 낮을 경우에 최종 속도 제어신호에서 PID 제어기의 출력신호가 차지하는 비율이 매우 커지기 때문에 부하의 저속 구동영역에서 속도제어의 성능이 매우 나빠지게 된다.

따라서, 최종 출력하는 속도 제어신호에 포함되는 PID 제어기의 비율을 속도 명령신호에 따라 일정하게 제어함으로써 부하를 저속부터 고속까지 구동시키는 광범위한 속도 영역에서 부하 구동장치의 속도제어 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 속도 제어신호 발생장치의 구성을 보인 블록도이다. 여기서, 부호 100은 감산기이다. 상기 감산기(100)는 부하(도면에 도시되지 않았음)를 PID 제어하기 위한 PID 기준신호에서 부하로부터 궤환되는 부하 검출신호를 감산하여 PID 에러신호를 발생한다.

부호 110은 PID 제어기이다. 상기 PID 제어기(110)는 상기 감산기(100)에서 출력되는 PID 에러신호를 PID 제어한다.

부호 120은 가산기이다. 상기 가산기(120)는 상기 PID 제어기(110)의 출력신호에 사용자가 설정하는 속도 명령신호를 가산하여 부하를 구동시킬 속도 제어신호를 발생한다.

이러한 구성을 가지는 속도 제어신호 발생장치에서 PID 기준신호는 도 2a에 도시된 바와 같이 사용자가 직접 설정하는 PID 제어기(110)의 기준 값이고, 부하 검출신호는 수 ㎳∼수십 ㎳의 매우 짧은 주기로 부하의 상태를 검출하여 궤환되는 부하 검출신호이다. 예를 들면, 부하가 펌프일 경우에 현재 수압 값이 전기적인 신호로 변환되어 부하 검출신호로 입력되고, 부하가 장력 제어일 경우에 현재 장력 값이 전기적인 신호로 변환되어 부하 검출신호로 입력된다.

상기 PID 기준신호와 부하 검출신호는 감산기(100)로 입력되어 PID 기준신호에서 부하 검출신호를 감산한 PID 에러신호가 계산된다.

상기 계산된 PID 에러신호는 PID 제어기(110)에서 PID 제어되어 도 2b에 도시된 바와 같이 PID 제어신호가 출력된다. 즉, PID 제어기(110)에서 PID 에러신호의 비례(Proportional) 제어 값, PID 에러신호의 비례적분(Proportional Integral) 제어 값 및 PID 에러신호의 비례미분(Proportional Derivative) 제어 값이 합해져 PID 제어신호가 출력된다.

상기 PID 제어기(110)가 출력하는 PID 제어신호의 값은 궁극적으로 상기 부하 검출신호가 상기 PID 기준신호를 추종하도록 하는 값이다.

그리고 속도 명령신호는 사용자가 직접 입력하는 것으로서 키패드(도면에 도시되지 않았음) 또는 아날로그 입력에 의해 도 2c에 도시된 바와 같이 속도 명령신호의 값을 조절할 수 있다.

상기 속도 명령신호는 상기 PID 제어기(110)의 출력신호와 함께 가산기(120)로 입력되어 가산되고, 가산기의 출력신호가 부하를 구동시키는 최종 속도 제어신호로 출력된다. 즉, 부하를 구동시키기 위하여 최종적으로 출력하는 속도 제어신호는 상기 속도 명령신호에 상기 PID 제어기(110)의 출력신호를 가산한 것이다.

예를 들면, PID 제어기(110)에서 출력되는 신호의 주파수가 10㎐이고, 속도 명령신호의 주파수가 30㎐라고 가정할 경우에 최종 출력하는 속도 제어신호는 10㎐+30㎐=40㎐가 된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래의 속도 제어신호 발생장치는 도 2c에 도시된 속도 명령신호의 변화에 관계없이 PID 제어기(110)가 출력하는 신호의 크기는 도 2b에 도시된 바와 같이 거의 변화가 없으므로 속도 명령신호의 낮을 경우에 최종 출력하는 속도 제어신호에서 PID 제어기(110)의 출력신호가 차지하는 비율이 매우 커지게 된다.

그러므로 부하로부터 궤환되는 부하 검출신호의 크기가 지속적 또는 순간적으로 크게 변화되어 PID 제어기(110)의 출력신호의 변화가 크게 되면, PID 제어기(110)의 출력신호의 변화가 그대로 최종 출력하는 속도 제어신호에 반영되어 부하 구동장치가 속도 명령신호에 따라 부하를 구동시키지 못하게 된다.

예를 들면, 도 2c와 같이 속도 명령신호의 주파수가 50㎐일 경우에 PID 제어기(110)가 출력하는 신호의 주파수는 도 2b에 도시된 바와 같이 약 10㎐(실제로 PID 제어기(100)의 출력신호는 실시간으로 조금씩 변화가 있음)이므로 가산기(120)가 최종 출력하는 속도 제어신호의 주파수는 약 50㎐+10㎐=60㎐가 된다.

이러한 경우에 최종 출력하는 속도 제어신호에서 속도 명령신호가 차지하는 비율은

이고, 최종 출력하는 속도 제어신호에서 PID 제어기(110)의 출력신호가 차지하는 비율은

가 된다.

이와 같이 최종 출력하는 속도 제어신호에서 속도 명령신호가 차지하는 비율이 클 경우에 PID 제어기(110)의 출력신호의 변화가 크더라도 PID 제어기(110)의 출력신호가 최종 출력하는 속도 제어신호에 비교적 큰 영향을 주지 않게 된다.

그러나 속도 명령신호의 주파수가 예를 들면, 4㎐일 경우에도 PID 제어기(110)가 출력하는 신호의 주파수는 속도 명령신호에 관계없이 약 10㎐이므로 가 산기(120)가 최종 출력하는 속도 제어신호의 주파수는 약 4㎐+10㎐=16㎐가 될 것이다.

그러면, 가산기(120)가 최종 출력하는 속도 제어신호에서 속도 명령신호가 차지하는 비율은

이고, PID 제어기(110)의 출력신호가 차지하는 비율은

가 된다.

이와 같이 최종 출력하는 속도 제어신호에서 속도 명령신호가 차지하는 비율이 낮고, PID 제어기(110)의 출력신호가 차지하는 비율이 높은 상태에서 궤환되는 부하 검출신호의 변화가 크게 되어 PID 제어기(110)의 출력신호의 변화가 커지게 되면, 최종 출력하는 속도 제어신호의 변화도 커지게 되어 부하의 속도제어 성능이 저하되게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해소하기 위하여 발명한 것으로서 속도 명령신호의 크기에 따라 PID 제어기에서 출력되는 신호의 레벨을 조절하여 최종 출력하는 속도 제어신호에서 PID 제어기의 출력신호가 차지하는 비율을 일정하게 조절함으로써 부하의 저속부터 고속까지의 광범위한 속도 제어영역에서 동일한 성능으로 속도 제어를 할 수 있는 속도 제어신호 발생장치를 제공한다.

본 발명의 속도 제어신호 발생장치에 따르면, 최종 출력하는 속도 제어신호 의 최대값에 대한 속도 명령신호의 값의 비율을 계산하고, 계산한 비율로 PID 제어신호의 값을 조절한다.

그러므로 본 발명의 속도 제어신호 발생장치는, PID(Proportional Integral Derivative) 기준신호에서 부하 검출신호를 감산한 PID 에러신호를 PID 제어하는 PID 제어기와, 외부에서 입력되는 속도 명령신호의 크기에 따라 PID 제어기의 출력신호의 값을 제한하여 최종 출력하는 속도 제어신호에서 상기 PID 제어기의 출력신호의 값이 차지하는 비율이 일정하게 되도록 조절하는 PID 제어신호 제한부와, 상기 속도 명령신호와 상기 PID 제어신호 제한부의 출력신호를 가산하여 최종 속도 제어신호를 발생하는 가산기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 PID 제어신호 제한부는 상기 속도 제어신호의 최고 값에 대한 상기 속도 명령신호의 비율을 계산하는 나눗셈기와, 상기 나눗셈기의 출력신호를 상기 PID 제어기의 출력신호에 곱하여 상기 가산기로 출력하는 곱셈기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

상기 나눗셈기와 곱셈기의 사이에 상기 나눗셈기가 계산한 비율의 크기를 제한하는 리미터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 리미터의 제한하는 비율의 범위는 0.1∼1의 범위이고, 리미터가 제한하는 비율의 하한 범위는 사용자가 조절 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 속도 제어신호의 최대 값에 대한 속도 명령신호의 비율에 따라 PID 제어기에서 출력되는 PID 제어신호의 값을 가변시킴으로써 최종 출력하는 속도 제어신호에서 PID 제어신호가 차지하는 비율이 일정하게 되고, 이로 인하여 부하 구동장치가 구동시키는 부하를 전체 속도 범위에서 안정하게 제어할 수 있다.

이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다. 따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.

도 3은 본 발명의 속도 제어신호 발생장치의 구성을 보인 블록도이다. 여기서, 부호 300은 감산기이다. 상기 감산기(300)는 부하(도면에 도시되지 않았음)를 PID(Proportional Integral Derivative) 제어하기 위한 PID 기준신호에서 부하로부터 궤환되는 부하 검출신호를 감산하여 PID 에러신호를 발생한다.

부호 310은 PID 제어기이다. 상기 PID 제어기(110)는 상기 감산기(100)에서 출력되는 PID 에러신호를 PID 제어한다.

부호 320은 PID 제어신호 제한부이다. 상기 PID 제어신호 제한부(320)는 속도 명령신호의 크기에 따라 상기 PID 제어기(310)의 출력신호의 크기를 제한한다.

상기 PID 제어신호 제한부(320)는 나눗셈기(322), 리미터(324) 및 곱셈기(326)를 포함한다. 상기 나눗셈기(322)는 속도 제어신호의 최대 주파수에 대한 속도 명령신호의 주파수의 비율을 계산한다. 예를 들면, 상기 나눗셈기(322)는 상기 속도 명령신호를 미리 설정된 최대 주파수 신호로 나누어 최대 주파수에 대한 속도 명령신호의 주파수의 비율을 계산한다.

상기 리미터(324)는 상기 나눗셈기(322)의 출력신호의 범위를 제한한다. 예를 들면, 상기 리미터(324)는 나눗셈기(322)의 출력신호의 비율을 0.1∼1의 범위로 제한한다.

상기 곱셈기(326)는 상기 리미터(324)의 출력신호를 상기 PID 제어기(310)의 출력신호에 곱하여 PID 제어신호를 제한단다.

부호 330은 가산기이다. 상기 가산기(330)는 상기 PID 제어신호 제한부(320)의 출력신호에 사용자가 설정하는 속도 명령신호를 가산하여 부하를 구동시킬 속도 제어신호를 발생한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 속도 제어신호 발생장치에서 PID 기준신호는 도 4a에 도시된 바와 같이 사용자가 직접 설정하는 PID 제어기(310)의 기준 값이고, 부하 검출신호는 수 ㎳∼수십 ㎳의 매우 짧은 주기로 부하의 상태를 검출하여 궤환되는 부하 검출신호이다. 예를 들면, 부하가 펌프일 경우에 현재 수압 값이 전기적인 신호로 변환되어 부하 검출신호로 입력되고, 부하가 장력 제어일 경우에 현재 장력 값이 전기적인 신호로 변환되어 부하 검출신호로 입력된다.

상기 PID 기준신호와 부하 검출신호는 감산기(300)로 입력되어 PID 기준신호에서 부하 검출신호를 감산한 PID 에러신호가 계산된다.

상기 계산된 PID 에러신호는 PID 제어기(310)에서 PID 제어되어 PID 제어신호가 출력된다. 즉, PID 제어기(310)에서 PID 에러신호의 비례(Proportional) 제어 값, PID 에러신호의 비례적분(Proportional Integral) 제어 값 및 PID 에러신호의 비례미분(Proportional Derivative) 제어 값이 합해져 PID 제어신호로 출력된다.

그리고 속도 명령신호는 사용자가 직접 입력하는 것으로서 키패드 또는 아날로그 입력에 의해 도 4b에 도시된 바와 같이 속도 명령신호의 값을 조절할 수 있다.

상기 속도 명령신호는 PID 제어신호 제한부(320)의 나눗셈기(322)에 입력되어 속도 제어신호의 최대 주파수에 대한 속도 명령신호의 주파수의 비율이 계산된다. 즉, 나눗셈기(322)는 속도 명령신호의 주파수를 속도 제어신호의 최대 주파수로 나누어 속도 제어신호의 최대 주파수에 대한 속도 명령신호의 주파수의 비율이 계산된다.

상기 나눗셈기(322)에서 계산된 주파수 비율은 리미터(324)에 입력되어 0.1∼1의 범위로 제한된다.

예를 들면, 속도 제어신호의 최대 주파수가 60㎐로 설정되어 있고, 현재 사용자가 입력하는 속도 명령신호의 주파수가 30㎐라고 가정할 경우에 나눗셈기(322)에서 계산된 주파수 비율은

가 되고, 리미터(324)의 제한 범위는 0.1∼1이 므로 상기 나눗셈기(322)에서 출력된 0.5는 리미터(324)를 그대로 통과하게 된다.

그리고 예를 들면, 속도 제어신호의 최대 주파수가 60㎐로 설정되어 있고, 현재 사용자가 입력하는 속도 명령신호의 주파수가 3㎐라고 가정할 경우에 나눗셈기(322)에서 계산된 주파수 비율은

가 되고, 리미터(324)의 제한 범위는 0.1∼1이므로 상기 나눗셈기(322)에서 출력된 0.05는 리미터(324)에서 제한되어 0.1이 출력된다.

여기서, 상기 리미터(324)가 제한하는 하한 값은 사용자가 설정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 리미터(324)에서 제한된 출력신호는 곱셈기(326)에서 상기 PID 제어기(310)의 출력신호에 곱해지게 된다.

그러면, 상기 PID 제어기(310)가 출력하는 PID 제어신호는 도 4c에 도시된 바와 같이 곱셈기(326)에서 속도 명령신호에 따라 크기가 조절된다. 예를 들면, PID 제어기(310)에서 출력되는 PID 제어신호의 주파수가 10㎐이고, 속도 명령신호의 주파수가 30㎐이며, 속도 제어신호의 최대 주파수가 60㎐라고 가정하면, 나눗셈기(322)에서 출력되는 주파수 비율이 0.5가 되고, 그 0.5가 리미터(324)를 통해 곱셈기(326)에서 PID 제어신호의 주파수인 10㎐에 곱셈되어 5㎐가 출력된다. 즉, 곱셈기(326)에서 출력되는 PID 제어신호는 도 4b에 도시된 속도 명령신호에 따라 PID 제어신호 제한부(320)에서 도 4c에 도시된 바와 같이 조절되어 출력된다.

상기 곱셈기(326)의 출력신호는 가산기(330)에서 속도 명령신호인 30㎐와 가 산되어 최종 출력되는 속도 제어신호의 주파수는 35㎐가 된다.

한편, 상기에서는 속도 제어신호 발생장치가 출력하는 속도 제어신호를 주파수를 기준으로 하여 설명하였다. 본 발명을 실시함에 있어서는 주파수 신호를 사용하지 않고, 전류 값 또는 전압 값 등으로 속도 제어신호를 출력할 수도 있다.

이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명은 부하의 구동속도를 제어하는 인버터 등의 부하 구동장치에서 속도 명령신호에 따라 PID 제어신호의 값을 조절하여 저속부터 고속까지 부하의 광범위한 속도 제어영역에서 동일한 성능으로 부하의 속도를 제어한다.

도 1은 종래의 속도 지령신호 발생장치의 구성을 보인 블록도,

도 2a 내지 도 2c는 도 1의 각 부의 동작 파형도,

도 3은 본 발명의 속도 지령신호 발생장치의 바람직한 구성을 보인 블록도, 및

도 4a 내지 도 4c는 도 3의 각 부의 동작 파형도이다.

Claims (5)

1. PID(Proportional Integral Derivative) 기준신호에서 부하 검출신호를 감산한 PID 에러신호를 PID 제어하는 PID 제어기;

   외부에서 입력되는 속도 명령신호의 크기에 따라 PID 제어기의 출력신호의 값을 제한하여 최종 출력하는 속도 제어신호에서 상기 PID 제어기의 출력신호의 값이 차지하는 비율이 일정하게 되도록 조절하는 PID 제어신호 제한부; 및

   상기 속도 명령신호와 상기 PID 제어신호 제한부의 출력신호를 가산하여 최종 속도 제어신호를 발생하는 가산기를 포함하여 구성된 속도 제어신호 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 PID 제어신호 제한부는;

   상기 속도 제어신호의 최고 값에 대한 상기 속도 명령신호의 비율을 계산하는 나눗셈기; 및

   상기 나눗셈기의 출력신호를 상기 PID 제어기의 출력신호에 곱하여 상기 최종 출력하는 속도 제어신호에서 상기 PID 제어기의 출력신호의 값이 차지하는 비율이 일정하게 되도록 조절한 후 상기 가산기로 출력하는 곱셈기를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 속도 제어신호 발생장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 나눗셈기와 곱셈기의 사이에;

   상기 나눗셈기가 계산한 비율의 크기를 제한하는 리미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 속도 제어신호 발생장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 리미터의 제한하는 비율의 범위는;

   0.1∼1의 범위인 것을 특징으로 하는 속도 제어신호 발생장치.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 리미터의 제한하는 비율의 하한 범위는;

   사용자가 조절 가능한 것을 특징으로 하는 속도 제어신호 발생장치.

Images