KR101306846B1 - 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치 - Google Patents

모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치 Download PDF

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Abstract

모터의 회전 속도와 부하의 회전 속도의 동기화를 통하여, 최적의 회전 속도 및 운전 토크을 구현하여 모터를 이용하는 다양한 생산 설비에서의 전력 에너지를 손실을 최소화할 수 있는 모터 제어 장치가 개시된다. 상기 모터 제어 장치는: 상기 모터의 목표 회전 속도 및 운도 토크를 설정하는 회전속도/운전토크 설정부; 상기 모터에 공급되는 운전 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 검출된 운전 전류로부터 q축 전류를 환산해 내는 전류 치환부; 회전속도 검출센서 없이 상기 q축 전류로부터 모터의 현재 회전 속도를 검출하는 회전속도 검출부; 상기 목표 회전 속도 및 상기 현재 회전 속도에 근거하여 목표 q축 전류를 추적하는 목표 q축 전류 추적부; 상기 목표 q축 전류 및 상기 환산된 q축 전류에 근거하여 목표 dq축 전압을 추적하는 목표 dq축 전압 추적부; 상기 목표 dq축 전압으로부터 목표 운전 전압을 환산하는 전압 치환부; 및 상기 목표 운전 전압에 대한 PWM 신호를 발생하고 그 PWM 신호에 따라 모터에 공급되는 운전 전압의 크기를 조절하는 목표 운전 전압 발생부를 포함한다.

Description

모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치 { A speed and torque optimal control apparatus for motor-based mechanism }
본 발명은 모터의 회전 속도 및 회전 토크를 제어하는 모터 제어 장치, 즉, 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치에 관한 것이다.
모터 제어는 모터의 출력인 토크와 속도를 제어하는 것인데, 산업용 기기에서 부하단의 입력이 되는 모터 출력 토크와 회전 속도를 알 수 있는 방법이 없는 것이 산업계의 문제이다. 이는 모터와 부하단 사이에 토크미터와 타코메터 설치하면 되지만, 설치에 소요되는 비용문제뿐만 아니라, 기기의 부착은 정밀제어에 방해요소가 되기 때문에 기술적으로 부착할 수 없다. 따라서 부하단의 입력인 모터 출력 토크를 알 수 없으므로 부하기기의 효율을 산정할 수 없고, 부하단의 동작상태 및 전력에너지 손실이 파악되지 못하고 있는 실정이다.
Loop 제어에서 Feed-Back요소인 토크가 없으므로 입력전력 요소에 의한 어림계산으로 산정되어 제어하기 때문에 오차로 인한 모순을 내포하고 있어 충분한 여유분을 갖고 제어하기 때문에 전력에너지 절감이 느슨하게 행해지고 있다. 회전 속도와 토크를 모르기 때문에 기본설비들의 동작 상태를 파악할 수가 없고 문제가 생겼을 때 해당 기기의 Working상태를 가늠하는 정도이다. 그로 인하여, 모터 구동에 소요되는 전력을 한계 이하로 줄일 수 없었다.
기존 기술 sensored F.O.C(Filed Oriented Control)[특허문헌 1]와 D.T.C(Direct Torque Control)[비특허문헌 1]는 정확하지만 실제로 센서를 부착할 수 없기 때문에 사용 할 수 없고, Sensorless F.O.C[특허문헌 2]는 sensored F.O.C 보다 오차율이 높기 때문에 사용하기 곤란하다.
[특허문헌 1] 한국공개특허 제10-2009-0081051호 (2009.07.28. 공개) [특허문헌 2] 한국공개특허 제10-2011-0003659호 (2011.01.13. 공개)
[비특허문헌 1] "Improved direct torque control of induction motor with dither injection", Sadhana Vol. 33, Part 5, October 2008, pp. 551-564.
본 발명의 실시 예들은 상기한 문제점을 해결하기 위한 모터 제어 장치에 관한 것이다.
본 실시 예들은 속도 및 토크 센서 없이 모터의 회전 속도 및 회전 토크를 최적 제어할 수 있는 모터 제어 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예들은 모터의 구동에 소요되는 전력을 한계 이하로 절감할 수 있는 모터 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 디큐 변환을 이용한 모터 제어 장치는: 부하에 회전력을 공급하는 모터; 상기 모터의 목표 회전 속도 및 운도 토크를 설정하는 회전속도/운전토크 설정부; 상기 모터에 공급되는 운전 전류를 검출하는 전류 검출부; 상기 검출된 운전 전류로부터 q축 전류를 환산해 내는 전류 치환부; 회전속도 검출센서 없이 상기 q축 전류로부터 모터의 현재 회전 속도를 검출하는 회전속도 검출부; 상기 목표 회전 속도 및 상기 현재 회전 속도에 근거하여 목표 q축 전류를 추적하는 목표 q축 전류 추적부; 상기 목표 q축 전류 및 상기 환산된 q축 전류에 근거하여 목표 dq축 전압을 추적하는 목표 dq축 전압 추적부; 상기 목표 dq축 전압으로부터 목표 운전 전압을 환산하는 전압 치환부; 및 상기 목표 운전 전압에 대한 PWM 신호를 발생하고 그 PWM 신호에 따라 모터에 공급되는 운전 전압의 크기를 조절하는 목표 전압 발생부를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따르면, 상기 디큐 변환을 이용한 모터 전류 제어 시스템은 모터에 공급되는 운전 전류로부터 모터의 회전 속도 및 토크를 검출할 수 있다. 그런 만큼, 부하의 회전 속도 및/또는 토크와 동기되게 모터의 회전 속도 및/또는 토크가 제어될 수 있다. 그에 따라, 모터의 회전 속도 및 회전 토크가 최적 제어될 수 있을 뿐만 아니라 모터의 구동에 소모되는 전력이 최소화될 수 있다.
게다가, 모터의 회전 속도 및 토크의 검출을 통해 부하(즉, 산업 설비)의 동작 상태가 파악될 수 있다. 그런 만큼, 부하의 계획 정비가 가능하다. 따라서, 부하의 돌발 사태가 미연에 방지될 수 있고, 나아가 생산 기회 손실이 최소화될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2는 직각 좌표계의 3상 운전 전류로부터 극좌표계의 d축 전류 및 q축 전류로의 변환을 설명하는 도면이다.
도 3은 비례-적분 제어의 특성을 설명하는 그래프이다.
도 4는 목표 q축 전류의 변화를 설명하는 그래프이다.
도 6은 목표 d축 전압의 변화를 설명하는 그래프이다.
도 7은 목표 q축 전압의 변화를 설명하는 그래프이다.
도 8은 모터의 회전 속도의 변화 특성을 설명하는 그래프이다.
도 9는 모터의 회전 토크의 변화 특성을 설명하는 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 따른 모터 제어 장치가 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 본 발명의 실시 예들의 상세한 설명에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어 장치를 도시하는 블록도이다.
도 1에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어 장치는 부하(12)에 연결된 모터(10)의 회전 속도 및 회전 토크를 제어할 수 있다. 상기 모터(10)는 회전 동력을 상기 부하(12)에 공급할 수 있다. 이러한 모터(10)로는 3상 전압용 모터가 사용될 수 있다. 상기 부하(12)는 상기 모터(10)로부터의 회전력에 의해 구동될 수 있다.
모터(10)의 회전 속도 및 토크를 제어하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어 장치는 회전속도/운전토크 설정부(20), 전류 검출부(22), 전류 치환부(24), 회전 속도 검출부(26)를 포함할 수 있다. 또한, 모터 제어 장치는 목표 q축 전류 추적부(28), 목표 dq축 전압 추적부(30), 전압치환부(32), 목표 운전 전압 발생부(34)을 포함할 수 있다. 구성요소들 중 전류 치환부(24), 회전 속도 검출부(26), 목표 q축 전류 추적부(28), 목표 dq축 전압 추적부(30), 전압치환부(32), 목표 운전 전압 발생부(34)는 프로세서에 의해 수행되는 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 더 나아가, 회전속도/운전토크 설정부(20), 전류 치환부(24), 회전 속도 검출부(26), 목표 q축 전류 추적부(28), 목표 dq축 전압 추적부(30), 전압치환부(32)는 퍼스널 컴퓨터에 의해 구현될 수도 있다.
회전속도/운전토크 설정부(20)는 운용자 또는 작업자로부터 모터(10)의 회전 속도 및 운전 토크에 관한 명령을 입력하여 모터(10)의 목표 회전 속도(Nsp) 및 운전 토크(sp)를 설정할 수 있다. 이러한 회전속도/운전토크 설정부(20)는 운용자 또는 작업자가 조작할 수 있는 퍼스널 컴퓨터(Personal Computer) 또는 키 패널 보드에 의해 구현될 수 있다.
전류 검출부(22)는 모터(10)에 공급되는 운전 전류(Iabc)를 검출(또는 측정)하여 그 검출된 운전 전류(Iabc)를 전류 치환부(24)에 공급할 수 있다. 전류 검출부(22)의해 검출된 운전 전류(Iabc)는 직각 좌표계로 표현되는 상전류들(즉, "Ia,Ib,Ic")을 포함할 수 있다. 이에 더하여, 전류 검출부(22)는 모터(10)에 공급되는 운전 전압(Vabc)과 운전 전류(Iabc) 간의 위상차()를 검출할 수 있다. 위상차()의 검출을 위하여, 전류 검출부(22)는 모터(10)에 공급되는 운전 전압(Vabc)도 검출하고, 그 검출된 3상 운전 전압(Vabc)과 운전 전류(Iabc)의 위상을 비교할 수 있다. 이렇게 검출된 위상차()는 운전 전류(Iabc)와 함께 q축 전류는 전류 치환부(24)에 공급될 수 있다.
전류 치환부(24)는 전류 검출부(22)로부터의 검출된 3상 운전 전류(Iabc)로부터 모터(10)의 q축 전류를 환산할 수 있다. 이를 위하여, 전류 치환부(24)는 검출된 운전 전류(Iabc)를 이용한 다이렉트 쿼드레이튜어 변환(Direct Quadrature Transformation; 이하 "dq 변환"이라 함)(즉, 직각좌표-극좌표 변환)을 수행할 수 있다.
참고로, 3상 시스템에 있어서, 직각 좌표계의 전압 및 전류는 극 좌표계의 변환을 통하여 벡터 형태로 치환될 수 있다. 극 좌표계를 이루는 d축, q축 및 o축 중에서, d축은 "direct-축"으로 명명되는 것으로서 힘을 경감시키는 발산축에 해당한다. 그리고, q축은 "quadrature-축"으로 명명되는 것으로서 회전시키는 힘의 축에 해당한다. 다시 말하여, q축은 토크축(Torque Axis)이 될 수 있다. 따라서, q축 전류(Iq)는 검출된 운전 전류(Iabc)를 이용하는 수학식 1과 같은 dq 변환을 통하여 얻어질 수 있다.
Figure 112013041506666-pat00001
상기 수학식 1에 의해 얻어지는 q축 전류(Iq)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013041506666-pat00002
다른 형태로, q축 전류 치환부(24)는 검출된 운전 전류(Iabc)와 함께 검출된 위상차()를 이용하는 dq 변환을 수행하여 q축 전류(Iq)를 산출할 수 있다. 실제로, 모터의 고정자에 적용된 극좌표계로의 변환은, 도 2에 도시된 바와 같이, 3개의 권선이 120의 위상차()로 분리될 수 있게 하고, 3개의 상 운전 전류(Ia, Ib, Ic)는 해당 상 전압과 "" 만큼 위상 지연된 상태로 각속도()로 회전되게 할 수 있다. 그런 만큼, d축은 하나의 권선을 기준으로 하는 "=t"의 각을 갖을 수 있고, d축 전류(Id) 및 q축 전류(Iq)는 일정한 DC(Direct Current) 값을 갖을 수 있다. 다시 말하여, q축 전류 치환부(24)는 운전 전류(Iabc)와 함께 위상차()를 이용하여 q축 전류(Iq)를 산출함으로서 위상차()가 보상되게 할 수 있다. 이렇게 산출된 q축 전류(Iq)는 회전 속도 검출부(26) 및 목표 dq축 전압 추적부(30)에 공급될 수 있다.
회전 속도 검출부(26)는 전류 치환부(24)에서 산출된 q축 전류(Iq)로부터 모터(10)의 현재 회전속도(Niqpv)를 검출할 수 있다. q축 전류(Iq)는 2차 함수 계산식(y = a*x2 + b*x + c )을 통해 현재 회전속도(Niqpv)로 치환되어 이상적인 회전속도로 최적화 될 수 있다. 부하에 따른 수 차례의 반복실험 데이터, 즉 q축 전류(Iq)를 입력(x)으로 설정하고, 출력(y)를 현재 운전속도로 맞추어 출력(y)에 대한 입력(x)의 최적화 파라메타(a,b,c)를 구할 수 있다. 0.75Kw, 정격효율 82% 4극 유도전동기를 예로 들면, 'a = -30.542, b = -101.8, c = 1733.8'의 최적 파라메타가 도출될 수 있고, 그에 따라 최대 오차율이 대략 0.16% 이하인 최적의 회전 속도가 도 3과 같이 도출 할 수 있다. 회전 속도 검출부(26)에 의해 검출된 모터(10)의 현재 회전 속도(Niqpv)는 목표 q축 전류 추적부(28)에 공급될 수 있다.
목표 q축 전류 추적부(28)는 회전 속도, 운전 토크 설정부(20)로부터의 목표 회전 속도(Nsp), 운전 토크(sp) 및 회전 속도 검출부(26)로부터의 모터(10)의 현재 회전 속도(Niqpv)에 근거하여 도 4에 도시된 바와 같은 비례-적분(Proportional-Integration) 제어를 수행하여 목표 q축 전류(Iqsp)를 추적할 수 있다. 목표 q축 전류 추적부(28)에 의해 산출되는 목표 q축 전류(Iqsp)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 초기에 급격히 증가했다가 시간이 경과함에 따라 비선형적으로 감소하는 형태로 변하게 될 것이다. 이러한 목표 q축 전류(Iqsp)는 목표 q축 전류 추적부(28)로부터 목표 dq축 전압 추적부(30)에 공급될 수 있다.
목표 dq축 전압 추적부(30)는 q축 전류 추적부(28)로부터의 목표 q축 전류(Iqsp) 및 전류 치환부(24)로부터의 q축 전류(Iq)에 근거하여 도 4에 도시된 바와 같은 비례-적분(Proportional-Integration) 제어를 수행하여 목표 dq축 전압(Vdq)를 추적할 수 있다.
목표 dq축 전압 추적부(30)에 의해 산출되는 목표 dq축 전압(Vdq)는 목표 발산 전압(Vd) 및 목표 q축 전압(Vq)를 포함할 수 있다. 목표 발산 전압(Vd)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 초기에 급격하게 감소했다가 증가한 후 미세하게 변동하는 형태로 변할 수 있다. 이와는 달리, 목표 q축 전압(Vq)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 초기에 급격한 증가 및 감소(즉, 임펄스적인 변화) 후 시간에 경과함에 따라 특정 전압에 수렴하는 형태로 증가될 것이다. 이렇게 얻어진 목표 dq축 전압(Vdq)는 목표 운전 전압 발생부(34)에 공급될 수 있다.
전압 치환부(32)는 목표 dq축 전압 추적부(30)로부터의 목표 dq축 전압(Vdq)로부터 목표 운전 전압(Vabc)을 환산해 낼 수 있다. 목표 운전 전압(Vabc)는 3개의 상전압들(즉, a-상, b-상 및 c-상의 목표 운전 전압들(Va, Vb, Vc))을 포함할 수 있다. 이를 위하여, 전압 치환부(32)는 목표 dq축 전압(Vdq)을 이용하여 수학식 3과 같은 역 dq 변환(즉, 극좌표-직각좌표 변환)을 수행할 수 있다.
Figure 112013041506666-pat00003
수학식 3에 있어서, "Vo"는 "극좌표계의 o축의 목표 전압"에 해당하는 것으로 상수값과 같은 고정 매개 변수의 형태로 주어질 수 있다. 전압 치환부(32)에 의해 치환-산출된 목표 운전 전압(Vabc)는 목표 운전 전압 발생부(34)에 공급될 수 있다.
목표 운전 전압 발생부(34)는 목표 운전 전압(Vabc)의 크기에 따라 펄스의 폭(즉, 충격계수)이 변화되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 발생할 수 있다. PWM 신호는 3개의 PWM 신호(즉, a-축, b-축 및 c-축의 PWM 신호들)을 포함할 수 있다. 목표 운전 전압 발생부(34)는 PWM 신호의 펄스 폭에 따라 모터(10)에 공급되는 운전 전압(Vabc)의 크기를 조절할 수 있다. 모터(10)에 공급되는 운전 전압(Vabc)은 3개의 상전압(즉, a-상, b-상 및 c-상의 운전 전압들(Va,Vb,Vc))을 포함할 수 있다. 조절된 운전 전압(Vabc)에 의해 구동되는 모터(10)의 회전 속도는, 도 7에 도시된 바와 같이, 시간이 경과함에 따라 비선형적으로 상승하여 회전속도/운전토크 설정부(20)에서 설정된 목표 회전 속도에 수렴하게 된다. 반면, 모터(10)의 회전 토크는, 도 8에 도시된 바와 같이, 초기에 급격히 상승하였다가 시간이 경과함에 따라 비선형적으로 감소하여 특정한 값에 수렴하게 된다.
이러한 형태로, 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어 장치는 모터에 공급되는 운전 전류로부터 모터의 회전 속도 및 토크를 검출하고 그 검출된 모터의 회전 속도 및 토크에 근거하여 모터의 운전 전압을 PWM 제어할 수 있다. 그런 만큼, 모터의 회전 속도 및 회전 토크가 최적 제어될 수 있다. 그에 따라, 모터가 효과적으로 제어될 수 있을 뿐만 아니라, 모터 구동에 소모되는 전력이 최소화될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 모터 제어 장치를 실시하기 위한 실시 예들에 불과하다. 그런 만큼, 본 발명은 한 실시 예들에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에 기재된 바와 같이 본 발명의 요지 및 기술적 정신을 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 포함하는 것으로 보호되어야 할 것이다.
10 ; 모터 12 ; 부하
20 ; 회전 속도 설정부 22 ; 전류 검출부
24 ; 전류 치환부 26 ; 회전 속도 검출부
28 ; 목표 q축 전류 추적부 30 ; 목표 dq 전압 추적부
32 ; 전압 치환부 34 ; 목표 운전 전압 발생부

Claims (6)

  1. 부하에 회전력을 공급하는 모터;
    상기 모터의 목표 회전 속도 및 운도 토크를 설정하는 회전속도/운전토크 설정부;
    상기 모터에 공급되는 운전 전류를 검출하는 전류 검출부;
    상기 검출된 운전 전류로부터 q축 전류를 환산해 내는 전류 치환부;
    회전속도 검출센서 없이 상기 q축 전류로부터 모터의 현재 회전 속도를 검출하는 회전속도 검출부;
    상기 목표 회전 속도 및 상기 현재 회전 속도에 근거하여 목표 q축 전류를 추적하는 목표 q축 전류 추적부;
    상기 목표 q축 전류 및 상기 환산된 q축 전류에 근거하여 목표 dq축 전압을 추적하는 목표 dq축 전압 추적부;
    상기 목표 dq축 전압으로부터 목표 운전 전압을 환산하는 전압 치환부; 및
    상기 목표 운전 전압에 대한 PWM 신호를 발생하고 그 PWM 신호에 따라 모터에 공급되는 운전 전압의 크기를 조절하는 목표 운전 전압 발생부를 포함하고,
    상기 회전속도 검출부는 q축 전류로부터 다음 [수식 2]의 2차 함수 계산식을 통해 회전속도를 검출하는 것을 특징으로 하는 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치.
    [수식 2]
    y = a*x2 + b*x + c
    단, y는 회전속도이고, x는 q축 전류이고,
    a,b,c는 반복실험에 의한 구해진 계수임.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 치환부는 수학식 1과 같은 디큐변환을 이용하여 상기 q축 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치.
    수학식 1
    Figure 112013068577911-pat00004

    여기서, "Iq"는 상기 토크 전류, 그리고 "Ia", "Ib" 및 "Ic"는 상기 검출된 운전 전류에 포함된 상전류들이다.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 치환부는 수학식 2를 이용하여 상기 목표 dq축 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치.
    수학식 2
    Figure 112013068577911-pat00005

    여기서, "Vabc"는 목표 운전 전압이고, "Vd"는 목표 d축 전압이고, "Vq"는 목표 q축 전압이고, "Vo"는 매개변수의 형태로 주어질 수 있는 o-축 전압이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 검출부는 상기 모터에 공급되는 상기 운전 전압에 대한 상기 검출된 운전 전류의 위상차를 추가로 검출하고,
    상기 전류 치환부는 상기 운전 전압과 상기 운전 전류와의 위상차가 반영되게끔 상기 q축 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 q축 전류 추적부는 비례-적분 제어를 수행하여 상기 목표 q축 전류를 추적하는 것을 특징으로 하는 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 dq축 전압 추적부는 비례-적분 제어 및 비례-적분-미분 제어 중 어느 하나를 수행하여 상기 목표 dq축 전압을 추적하는 것을 특징으로 하는 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치.
KR1020130053163A 2013-05-10 2013-05-10 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치 KR101306846B1 (ko)

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