KR101156768B1 - 보조 전원을 구비한 모터 드라이브 시스템 - Google Patents

보조 전원을 구비한 모터 드라이브 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 보조 전원을 구비한 모터 드라이브 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 모터 드라이브 시스템은, 2상 또는 3상 교류전원을 직류전원으로 변환시켜 출력하는 컨버터; 상기 컨버터에서 출력되는 직류전원을 서보 모터 구동을 위한 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 3상 인버터; 충전제어신호에 따라 상기 컨버터로부터 인가되는 전원을 충전하고, 방전제어신호에 따라 상기 충전된 전원을 상기 3상 인버터로 공급해주는 보조 전원부; 및 상기 3상 인버터의 요구전류와 상기 컨버터의 허용전류를 비교하고, 상기 비교결과에 따라 상기 충전제어신호 및 상기 방전제어신호를 발생하여 상기 보조 전원부를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 컨버터는, 상기 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환시키는 정류부; 및 상기 정류부에서 출력되는 직류전원을 평활하는 직류 링크부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
서보 모터, 보조 전원, 전기이중층 커패시터, 인버터, 컨버터

Description

보조 전원을 구비한 모터 드라이브 시스템{motor driving system having subsidiary power supply}
도 1은 일반적인 모터 드라이브 시스템을 도시한 도면,
도 2는 PWM 방식 컨버터를 채용한 모터 드라이브 시스템을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 드라이브 시스템을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 3에 도시된 보조 전원부에 대한 회로도,
도 5는 본 발명에 따른 보조 전원부의 동작을 제어하기 위한 제어부의 제어동작을 설명하기 위해 도시한 흐름도, 그리고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 드라이브 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110, 310 : 컨버터 116, 316 : 보조 전원부
130, 331 : 3상 인버터 140, 332 : 서보 모터
170 : 제어부 320 : 컨버터 제어부
330, 340 : 인버터 모듈 335 : 인버터 제어부
본 발명은 모터 드라이브 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 서보 모터를 구동하는 인버터에 추가 전원을 공급해줄 수 있는 보조 전원을 구비한 모터 드라이브 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 컨버터 회로는 서보 드라이브나 전동기 제어장치 등에 사용되며 교류 전원을 직류 전원으로 또는 직류 전원을 교류 전원으로 변환시키는 역할을 수행한다.
도 1은 일반적인 모터 드라이브 시스템을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모터 드라이브 시스템은, 외부로부터 입력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 컨버터(10)와, 상기 컨버터(10)에서 출력되는 직류전원을 서보 모터(30) 구동을 위한 3상 교류전원으로 변환하는 3상 인버터(20) 및 상기 모터 드라이브 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어부(40)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 제어부(40)는 상기 3상 인버터(20)로부터 상기 서보 모터(30)로 인가되는 3상 교류전류를 검출하는 전류센서(25) 및 상기 서보 모터(30)의 회전에 대응하여 소정 펄스 신호를 출력하는 엔코더(35)의 출력신호를 기초로 상기 3상 인버터(20)를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생한다. 또한, 상기 제어부(40)는 전압 검출부(15)에 의해 검출된 전압을 모니터링하여 상기 컨버터(10)에서 출력되는 전원이 상기 3상 인버터(20)에서 요구되는 전원보다 낮은 경우 이상상태가 발생한 것으로 감 지하여 모터 드라이브 시스템의 구동을 정지시킨다.
상기에서 컨버터(10)는 상기 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환시키는 정류부(12)와, 상기 정류부(12)에서 변환된 직류전압을 평활하는 직류 링크부(14)로 구성되어 있다. 상기 직류 링크부(14)는 복수의 전해 커패시터로 구성되어 있다.
그러나, 서보 모터(30) 축에 과도한 관성이 투입되어 서보 모터(30)로 인가되는 전류에 급격한 변동이 발생하는 경우 직류 링크부(14)의 평활 커패시터가 평활 작용을 잃어버린게 된다. 이 경우 직류 링크부(14)의 전류가 순간적으로 상승하게 되어 직류 링크부(14)의 출력전압이 떨어지게 되므로, 3상 인버터(20)의 요구 전력에 빠르게 응답하지 못하는 문제점이 발생한다.
상기 서보 모터(30)를 구동하는 3상 인버터(20)의 요구 전력에 빠르게 응답하기 위해서는 상기 평활 커패시터의 정전용량을 늘려야 한다. 그런데 상기 평활 커패시터의 정전용량을 늘리기 위해서는 상기 평활 커패시터를 증설하여야 하므로 컨버터(10)의 부피가 커지는 문제점이 있다.
한편, 도 2는 PWM 방식 컨버터를 채용한 모터 드라이브 시스템을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 PWM 방식 컨버터를 채용한 모터 드라이브 시스템의 경우, PWM 컨버터(10), 전압 검출부(15), 컨버터 제어부(20), 및 복수의 인버터 모듈(30, 40)로 구성되어 있다.
상기 PWM 컨버터(10)는 상기 컨버터 제어부(20)로부터 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작하여 외부로부터 입력되는 3상 교류전원을 상기 복수의 인버터 모 듈(30, 40)에서 요구되는 직류전원으로 변환하여 출력하는 파워모듈(11)과, 상기 파워모듈(11)에서 출력되는 전압을 안정화시키는 직류 링크부(14)로 구성되어 있다. 상기 컨버터 제어부(20)는 전압 검출부(15)에 의해 검출되는 상기 PWM 컨버터(10)의 출력전압을 모니터링하여 상기 복수의 인버터 모듈(30, 40)로 안정적인 전압이 인가되도록 PWM 신호를 발생한다.
한편, 상기 각 인버터 모듈(30, 40)은 상기 PWM 컨버터(10)에서 출력되는 직류전원을 서보 모터(32) 구동을 위한 3상 교류전원으로 변환하는 3상 인버터(31)와, 상기 3상 인버터(31)에서 상기 서보 모터(32)로 인가되는 3상 교류전류를 검출하는 전류센서(33) 및 상기 서보 모터(32)의 회전에 대응하여 소정의 펄스신호를 출력하는 엔코더(34), 상기 전류센서(33) 및 엔코더(34)의 출력신호를 인가받아 상기 3상 인버터(31)를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생하는 인버터 제어부(35)를 포함한다.
상기한 바와 같이, 모터 드라이브 시스템에 PWM 컨버터(10)를 채용하는 경우 복수의 인버터 모듈(30, 40)를 연결하여 사용할 수 있다. 그런데 상기와 같이 하나의 PWM 컨버터(10)에 복수의 인버터 모듈(30, 40)를 연결하여 사용하는 경우, PWM 컨버터(10) 측에서 바라본 회로 임피던스 등이 복잡하며, 부하 변동을 예측이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 인버터에 추가 전원을 공급할 수 있는 보조 전원 을 채용하여 급격한 부하의 변동에 대해 빠르게 응답할 수 있도록 한 모터 드라이브 시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 모터 드라이브 시스템은, 2상 또는 3상 교류전원을 직류전원으로 변환시켜 출력하는 컨버터; 상기 컨버터에서 출력되는 직류전원을 서보 모터 구동을 위한 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 3상 인버터; 충전제어신호에 따라 상기 컨버터로부터 인가되는 전원을 충전하고, 방전제어신호에 따라 상기 충전된 전원을 상기 3상 인버터로 공급해주는 보조 전원부; 및 상기 3상 인버터의 요구전류와 상기 컨버터의 허용전류를 비교하고, 상기 비교결과에 따라 상기 충전제어신호 및 상기 방전제어신호를 발생하여 상기 보조 전원부를 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 컨버터는, 상기 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환시키는 정류부; 및 상기 정류부에서 출력되는 직류전원을 평활하는 직류 링크부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 전원부는, 상기 컨버터에서 인가되는 전원을 충전하는 전기이중층 커패시터; 및 상기 충방전제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 상기 컨버터에서 인가되는 전원이 상기 전기이중층 커패시터에 충전 및 상기 전기이중층 커패시터에 충전된 전원이 상기 인버터에 공급되도록 하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 전원부는 상기 컨버터에 포함 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 3상 인버터의 요구전류가 상기 컨버터의 허용전류보다 크거나 같은 경우, 상기 충전된 전원을 상기 3상 인버터로 추가 공급 하도록 상기 방전제어신호를 발생하고, 상기 충전된 전원이 일정량이상 방전될 경우 상기 컨버터에서 인가되는 전원을 재충전하도록 상기 방전제어신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.
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이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 드라이브 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 모터 드라이브 시스템(100)은 컨버터(110), 전압 검출부(120), 3상 인버터(130), 서보 모터(140), 전류센서(150), 엔코더(160) 및 제어부(170)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 컨버터(110)는 외부로부터 입력되는 2상 또는 3상 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환시키는 정류부(112)와, 상기 정류부(112)에서 출력되는 직류전원을 평활하는 직류 링크부(114) 및 상기 제어부(170)로부터 인가되는 충전제어신호에 따라 상기 정류부(112)로부터 인가되는 전원을 충전하고, 방전제어신호에 따라 상기 충전된 전원을 상기 3상 인버터(130)로 공급해주는 보조 전원부(116)를 포함한다.
상기 보조 전원부(116)는 도 4에 도시된 바와 같이, 역전류 방지를 위한 제1 및 제2 다이오드(D1, D2), 상기 정류부(112)에서 인가되는 전원을 충전하는 전기이중층 커패시터(116a) 및 상기 제어부(170)에서 발생하는 충방전제어신호에 따라 스위칭동작을 수행하는 스위칭부(116b)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 스위칭부(116b)는 상기 제어부(170)로부터 충전제어신호가 인가되는 경우 상기 제1 다이오드(D1)와 접속되고, 방전제어신호가 인가되는 경우 제2 다이오드(D1)와 접속된다.
상기 제어부(170)로부터 충전제어신호가 인가되어 상기 스위칭부(116b)가 상기 제1 다이오드(D1)와 접속되는 경우, 상기 전기이중층 커패시터(116a)는 정류부(112)에서 인가되는 전원은 충전한다. 이와 달리 상기 제어부(170)로부터 방전제어신호가 인가되어 상기 스위칭부(116b)가 상기 제2 다이오드(D1)와 접속되는 경우, 전기이중층 커패시터(116a)는 충전된 전원을 상기 직류 링크부(114)를 통해 상기 3상 인버터(130)로 공급한다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 전압 검출부(120)는 상기 컨버터(110)의 출력전 압을 검출하여 상기 제어부(170)에 인가한다.
상기 3상 인버터(130)는 상기 제어부(170)로부터 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작하여 상기 컨버터(110)에서 출력되는 직류전원을 서보 모터(140) 구동을 위한 3상 교류전원으로 변환하여 출력한다.
상기 전류센서(150)는 상기 3상 인버터(130)로부터 상기 서보 모터(140)로 인가되는 3상 교류전류를 검출하여 상기 제어부(170)에 인가한다.
상기 엔코더(160)는 상기 서보 모터(140)의 회전에 대응하여 소정 펄스 신호를 출력한다.
상기 제어부(170)는 상기 3상 인버터(130)의 요구전류와 상기 컨버터(110)의 허용전류를 비교하고, 상기 비교결과에 따라 충전제어신호 및 방전제어신호를 발생하여 상기 보조 전원부(116)를 제어한다. 또한, 상기 제어부(170)는 상기 전류센서(150) 및 상기 엔코더(160)의 출력신호를 기초로 상기 3상 인버터(130)를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생한다.
도 5는 본 발명에 따른 보조 전원부(116)의 동작을 제어하기 위한 제어부(170)의 제어동작을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 상기 컨버터(110)에 투입된 교류전원은 정류부(112)에 의해 직류전원으로 변환되고, 상기 정류부(112)에 의해 변환된 직류전원은 직류 링크부(114)의 전해 커패시터 및 상기 보조 전원부(116)의 전기이중층 커패시터(116a)에 충전된다(S210, S220). 이와 같이 상기 컨버터(110)에 전원이 투입되는 경우, 상기 제어부(170)는 상기 정류부(112)로부터 인가되는 전원을 상기 전기이중 층 커패시터(116a)에 충전시키기 위해 상기 스위칭부(116b)로 충전제어신호를 인가한다.
다음으로, 상기 제어부(170)는 상기 3상 인버터(130)의 요구전류가 상기 컨버터(110)의 허용전류보다 크거나 같은가를 판단한다(S230).
상기 230 단계의 판단결과 상기 3상 인버터(130)의 요구전류가 상기 컨버터(110)의 허용전류보다 크거나 같은 것으로 판단되는 경우, 상기 제어부(170)는 상기 전기이중층 커패시터(116a)에 충전된 전원이 상기 3상 인버터(130)로 추가 공급되도록 상기 스위칭부(116b)로 방전제어신호를 인가한다(S240). 상기 방전제어신호에 따라 상기 스위칭부(116b)는 상기 제2 다이오드(D2)와 연결되며, 이에 따라 상기 전기이중층 커패시터(116a)에 충전된 전원은 상기 3상 인버터(130)로 공급된다.
상기 제어부(170)는 상기 전기이중층 커패시터(116a)의 측정전류가 충전요청전류보다 작은 것으로 판단되는 경우, 즉 전기이중층 커패시터(116a)에 충전된 전원이 일정량 이상 방전된 것으로 판단되면(S250), 상기 전기이중층 커패시터(116a)를 재충전시키기 위해 상기 스위칭부(116b)로 충전제어신호를 인가한다(S260). 이 경우 상기 스위칭부(116b)는 상기 제1 다이오드(D1)와 연결되어, 상기 정류부(112)에서 인가되는 전원은 상기 전기이중층 커패시터(116a)에 재충전된다.
상기한 바와 같이, 서보 모터(140) 축에 과도한 관성의 투입 등과 같이 모터 상전류 증가 요인에 의해 3상 인버터(130)의 요구전류가 컨버터(110)의 허용전류보다 큰 경우, 상기 보조 전원부(116)를 제어하여 상기 3상 인버터(130)로 추가 전원이 공급되도록 함으로써, 컨버터(110)에서 부하측의 요구전력에 대해 빠르게 응답 할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 드라이브 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 모터 드라이브 시스템(200)은 PWM 컨버터(310) 및 복수의 인버터 모듈(330, 340)로 구성되어 있으며, 상기 복수의 인버터 모듈(330, 340)은 상기 PWM 컨버터(310)에 병렬 접속되어 있다.
상기 PWM 컨버터(310)는 상기 컨버터 제어부(320)로부터 인가되는 PWM 신호에 따라 스위칭 동작하여 외부로부터 입력되는 3상 교류전원을 상기 복수의 인버터 모듈(330, 340)에서 요구되는 직류전원으로 변환하여 출력하는 파워모듈(312)과, 상기 파워모듈(312)에서 출력되는 전압을 안정화시키는 직류 링크부(314) 및, 상기 컨버터 제어부(320)로부터 인가되는 충전제어신호에 따라 상기 파워모듈(312)로부터 인가되는 전원을 충전하고, 방전제어신호에 따라 상기 충전된 전원을 상기 복수의 인버터 모듈(330, 340)에 공급해주는 보조 전원부(316)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 보조 전원부(316)는 역전류 방지용 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)와 상기 파워모듈(312)에서 인가되는 전원을 충전하는 전기이중층 커패시터(316a) 및 상기 컨버터 제어부(320)로부터 인가되는 충방전 제어신호에 따라 스위칭 동작하는 스위칭부(316b)를 포함하여 구성되어 있다.
상기 각 인버터 모듈(330, 340)은 상기 PWM 컨버터(310)에서 출력되는 직류전원을 서보 모터(332) 구동을 위한 3상 교류전원으로 변환하여 출력하는 3상 인버 터(331)와, 상기 3상 인버터(331)에서 상기 서보 모터(332)로 인가되는 3상 교류전류를 검출하는 전류센서(333) 및 상기 서보 모터(332)의 회전에 대응하여 소정의 펄스신호를 출력하는 엔코더(334), 상기 전류센서(333) 및 엔코더(334)의 출력신호를 인가받아 상기 3상 인버터(331)를 제어하기 위한 PWM 신호를 발생하는 인버터 제어부(335)를 포함한다.
상기 컨버터 제어부(320)는 전압 검출부(315)에 의해 검출되는 상기 PWM 컨버터(310)의 출력전압을 모니터링하여 상기 복수의 인버터 모듈(330, 340)로 안정적인 전압이 인가되도록 PWM 신호를 발생하여 상기 파워모듈(312)을 제어한다.
또한, 상기 컨버터 제어부(320)는 상기 복수의 인버터 모듈(330, 340)의 요구전류와 상기 PWM 컨버터(310)의 허용전류를 비교하고, 상기 비교결과에 따라 충전제어신호 및 방전제어신호를 발생하여 상기 보조 전원부(316)를 제어한다. 예를 들면, 상기 컨버터 제어부(320)는 상기 3상 인버터(331)의 요구전류가 상기 PWM 컨버터(310)의 허용전류보다 크거나 같은 경우, 상기 전기이중층 커패시터(316a)에 충전된 전원을 상기 3상 인버터(331)로 추가 공급하도록 상기 스위칭부(316b)로 방전제어신호를 인가한다. 그리고, 상기 컨버터 제어부(320)는 상기 전기이중층 커패시터(316a)에 충전된 전원이 일정량 이상 방전된 것으로 판단되는 경우 상기 전기이중층 커패시터(316a)를 재충전 시키도록 상기 스위칭부(316b)로 충전제어신호를 인가한다.
한편, 이상에서는 본 발명에 따른 보조 전원부(116, 316)가 컨버터(110, 310)에 포함 구성되는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 보조 전원부(116, 316)를 컨버터(110, 310)에 포함 구성하지 않고, 별도로 구성할 수 있음은 물론이다.
또한, 이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 부하의 전류변동을 감시하여 순간적으로 부하에서 요구되는 전력이 증가하는 경우 보조 전원으로 적용된 전기이중층 커패시터에 충전된 전원이 부하 측에 공급되도록 함으로써, 부하의 급증가로 인해 컨버터의 출력전압이 일시 저하되어 인버터의 요구전력에 대해 빠르게 응답하지 못하는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 인버터에 추가 전원을 공급해줄 수 있는 보조 전원을 채용하는 경우, 적은 용량의 파워모듈로도 인버터에서 요구되는 전력을 안정적으로 공급해줄 수 있다. 따라서, 제조단자를 줄일 수 있음은 물론 컨버터의 소형화가 가능한 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 2상 또는 3상 교류전원을 직류전원으로 변환시켜 출력하는 컨버터;
    상기 컨버터에서 출력되는 직류전원을 서보 모터 구동을 위한 3상 교류 전원으로 변환하여 출력하는 3상 인버터;
    충전제어신호에 따라 상기 컨버터로부터 인가되는 전원을 충전하고, 방전제어신호에 따라 상기 충전된 전원을 상기 3상 인버터로 공급해주는 보조 전원부; 및
    상기 3상 인버터의 요구전류와 상기 컨버터의 허용전류를 비교하고, 상기 비교결과에 따라 상기 충전제어신호 및 상기 방전제어신호를 발생하여 상기 보조 전원부를 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 컨버터는,
    상기 교류전원을 정류하여 직류전원으로 변환시키는 정류부; 및
    상기 정류부에서 출력되는 직류전원을 평활하는 직류 링크부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이브 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 전원부는,
    상기 컨버터에서 인가되는 전원을 충전하는 전기이중층 커패시터; 및
    상기 충전제어신호 및 상기 방전제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 상기 컨버터에서 인가되는 전원이 상기 전기이중층 커패시터에 충전 및 상기 전기이중층 커패시터에 충전된 전원이 상기 인버터에 공급되도록 하는 스위칭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 보조 전원부는 상기 컨버터에 포함 구성되는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 3상 인버터의 요구전류가 상기 컨버터의 허용전류보다 크거나 같은 경우, 상기 충전된 전원을 상기 3상 인버터로 추가 공급하도록 상기 방전제어신호를 발생하고, 상기 충전된 전원이 일정량이상 방전될 경우 상기 컨버터에서 인가되는 전원을 재충전하도록 상기 방전제어신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 모터 드라이버 시스템.
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