KR101385977B1 - Driving system for controlling electromagnetic actuator in magnetic levitations and magnetic bearings - Google Patents

Driving system for controlling electromagnetic actuator in magnetic levitations and magnetic bearings Download PDF

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Abstract

The present invention relates to a PWM driving system of an electromagnetic actuator for magnetic levitation and magnetic bearing systems capable of effectively providing a high control voltage so that the electromagnetic actuator of magnetic bearing and magnetic levitation systems can be applied to a light load. The present invention provides the PWM driving system of the electromagnetic actuator for the magnetic levitation and magnetic bearing systems comprising; an electromagnetic driving control circuit connected to both ends of a coil which is wound around an electromagnetic; and a control unit including a direction determination unit and a duty controller for controlling the opening and closing of a switching element regarding the electromagnetic driving control circuit. The electromagnetic driving control circuit comprises; a power unit; and an H-bridge switching circuit including a first switching element connected to an anode of the power and one end of the coil, and a second switching element connected to a cathode of the power unit and the other end of the coil. The second switching element is operation-controlled according to a code of a coil control voltage by the direction determination unit. The first switching element is duty-controlled according to a ratio of the coil control voltage to an input voltage from the power unit by the duty controller. The PWM driving system performs a driving control of the electromagnetic with three output voltage states (Vdc, 0, -Vdc). [Reference numerals] (10) Control unit; (11) Duty controller; (13) PI controller; (17) Magnetic rise / magnetic bearing (location) controller; (AA) Gap measuring sensor; (BB) Gap

Description

자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템 {Driving system for controlling electromagnetic actuator in magnetic levitations and magnetic bearings}PWM driving system for electromagnetic actuators for magnetic levitation and magnetic bearing systems {Driving system for controlling electromagnetic actuator in magnetic levitations and magnetic bearings}

본 발명은 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기 베어링 및 자기 부상 시스템의 전자석 액추에이터에 있어서 큰 부하에 관하여 적용 가능하도록 큰 제어 전압을 효과적으로 제공할 수 있는 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a PWM drive system of an electromagnet actuator for a magnetic levitation and magnetic bearing system, and more particularly, to provide a large control voltage effectively to be applicable to a large load in an electromagnet actuator of a magnetic bearing and a magnetic levitation system. The present invention relates to a PWM drive system of an electromagnet actuator.

최근 고청정, 고효율의 구동 시스템을 구현할 수 있도록 자기력을 응용한 자기 부상 및 자기 베어링 시스템 등이 주목받고 있다.Recently, magnetic levitation and magnetic bearing systems using magnetic force to realize high clean and high efficiency driving systems have been attracting attention.

가령, 반도체 제조 공정 등에서 기계적 접촉이나 윤활부분에서의 마찰 등에 따른 미세 먼지 입자에 의한 손상을 방지하기 위한 설비로, 비접촉식인 자기 부상 시스템을 적용한 설비 등이 다양하게 연구되고 있다.For example, as a facility for preventing damage caused by fine dust particles due to friction in mechanical contact or lubrication in a semiconductor manufacturing process or the like, a facility to which a non-contact magnetic levitation system is applied has been studied in various ways.

이러한 자기부상을 이용한 이송 시스템은 이송체를 자기력으로 부상(浮上)시켜 운행하므로 마찰에 따른 에너지 손실을 최소화할 수 있으며, 기계적인 접촉이나 마찰 없이 무소음, 저진동, 초청정 이송시스템을 구현할 수 있다. 그리고, 자기부상 시스템에서는 마찰이 존재하지 않아 정밀도를 높일 수가 있으며, 마찰을 줄이기 위한 윤활제를 사용하지 않아 친환경적인 특성을 가진다.Since the conveying system using the magnetic levitation floats the conveying body with magnetic force, it can minimize energy loss due to friction, and can realize a noiseless, low vibration, ultra-clean conveying system without mechanical contact or friction. In addition, in the magnetic levitation system, there is no friction, so that the precision can be increased, and since the lubricant is not used to reduce the friction, it has environmentally friendly characteristics.

또한, 자기 부상 시스템과 마찬가지로 자기력을 응용하여 회전 부재를 지지하거나 가이드로 기능하는 자기 베어링, 자기 가이드들도 이러한 특성들을 공유하는 것으로서, 상술한 바와 같이 고효율, 고정밀도 및 친환경적인 특성을 가진다.In addition, as in the magnetic levitation system, magnetic bearings that support a rotating member or function as a guide, and magnetic guides share these characteristics, and as described above, have high efficiency, high precision, and environmentally friendly characteristics.

이러한 자기 부상 시스템이나, 자기 베어링 등과 같은 시스템에서는 상황에 따라 높은 자기력을 필요로 하며, 이러한 높은 자기력을 형성하기 위하여 전자석 액추에이터를 이용하고 있다.In such a magnetic levitation system or a magnetic bearing system, a high magnetic force is required depending on the situation, and an electromagnetic actuator is used to form such a high magnetic force.

이러한 전자석 액추에이터는 전자석 코어에 코일을 감아 이루어지며, 상기 코일에 대한 전류 제어를 위한 제어 회로가 연결된다.The electromagnet actuator is made of a coil wound around an electromagnet core, and a control circuit for controlling current for the coil is connected.

종래에는 이러한 제어 회로로서 아날로그적 동적 특성을 부여하여 유연한 제어를 수행할 수 있는 선형 전력 증폭기(Linear Power Amplifier)가 적용될 수 있다.Conventionally, as such a control circuit, a linear power amplifier capable of performing flexible control by giving analog dynamic characteristics may be applied.

그러나, 이러한 선형 전력 증폭기는 경부하의 구동에는 적합한 반면, 전압 및 전류를 높이는 것이 어려워, 고전압이 필요한 중부하의 경우에는 적용이 어려운 단점이 존재하여, 큰 힘을 필요로 하는 통상적인 시스템에는 적용이 어려운 문제점이 존재하였다.However, while such linear power amplifiers are suitable for light load driving, it is difficult to increase the voltage and current, and there is a disadvantage in that they are difficult to apply in the case of heavy loads requiring high voltage, which makes them difficult to apply in a typical system requiring large force. There was a problem.

한편, 이러한 전자석 액추에이터에 관한 제어 회로로서, H-브릿지 스위칭 회로가 사용될 수 있다.On the other hand, as a control circuit for such an electromagnet actuator, an H-bridge switching circuit can be used.

도 1은 종래의 H-브릿지 스위칭 회로를 도시하고 있는 것이며, 도 2는 도 1의 회로에서 각각의 스위칭 소자에 대한 제어 패턴을 도시한 것이다.FIG. 1 shows a conventional H-bridge switching circuit, and FIG. 2 shows a control pattern for each switching element in the circuit of FIG.

종래의 전자석 액추에이터의 코일 전류에 관한 제어는 소정의 듀티에 대한 스위칭 소자의 온/오프 제어로 수행되었으며, 이러한 제어가 수행됨에 따라 부하에 걸리는 전압은 제어 신호의 한 주기 동안 Vdc와 -Vdc 에 해당하는 2개 상태에 대한 2극 전압으로 변동되면서 제어된다.The control of the coil current of the conventional electromagnet actuator is performed by on / off control of the switching element for a predetermined duty, and as such control is performed, the voltage applied to the load corresponds to Vdc and -Vdc during one period of the control signal. Is controlled by varying the dipole voltage for two states.

이러한 제어 회로에서 부하에 걸리는 전압은 도 3에 도시되어 있다.The voltage across the load in this control circuit is shown in FIG. 3.

도 3에 나타낸 바와 같이, 제어가 수행되는 한 주기 동안의 평균 전압(Vavg)은 전압 그래프 상에서 X영역과 Y영역 면적의 차에 해당되므로, 한 주기 동안의 평균 전압은 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.As shown in FIG. 3, the average voltage Vavg during one period during which the control is performed corresponds to the difference between the area of the X region and the Y region on the voltage graph, and thus, the average voltage during the period can be expressed as follows.

Vavg = (2D-1)Vdc, 0 < D < 1 (1)Vavg = (2D-1) Vdc, 0 <D <1 (1)

즉, 상기 식은 D=0.5일 때 Vavg=0, D=1일 때 Vavg=Vdc, D=0일 때 Vavg=-Vdc 인 관계에 있다.That is, the above equation has a relationship of Vavg = 0 when D = 0.5, Vavg = Vdc when D = 1, and Vavg = -Vdc when D = 0.

그러나, 이러한 H-브릿지 스위칭 회로의 경우, 스위칭 써지에 의한 EMI 노이즈로 인하여 전압을 크게 키우는 것이 어렵고, 높은 인덕턴스로 인하여 큰 제어 전압이 요구되므로, 상술한 바와 같이 도 2에서와 같은 PWM 제어 방식으로는 자기 부상 시스템 또는 자기 베어링 시스템에서의 제어 정밀도가 저하되고, 진동이 발생하는 문제점이 존재하였다.
However, in the case of such an H-bridge switching circuit, it is difficult to increase the voltage largely due to the EMI noise caused by the switching surge, and a large control voltage is required because of the high inductance. The problem is that the control accuracy in the magnetic levitation system or the magnetic bearing system is lowered and vibration occurs.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 큰 하중의 부하에 대한 고속 구동이 요구되는 작동 환경에서도 고출력의 구동이 가능한 전자석 액추에이터의 구동 시스템에 있어서, 출력 전압의 제어 정밀도를 향상시키고, 스위칭 손실을 저감시키는 한편, 자기 부상 또는 자기 베어링 시스템에서의 진동을 저감하여 안정적이고 정밀한 구동이 가능한 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been devised to improve the above-mentioned point, and improves the control accuracy of the output voltage in the driving system of an electromagnet actuator capable of driving high power even in an operating environment requiring high speed driving against a large load. It is an object of the present invention to provide a PWM drive system of an electromagnet actuator for magnetic levitation and magnetic bearing systems, which can stably and precisely drive a drive by reducing switching loss and reducing vibration in a magnetic levitation or magnetic bearing system.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 전자석에 권선된 코일의 양단에 연결되는 전자석 구동 제어 회로와; 상기 전자석 구동 제어 회로에 대한 스위칭 소자의 개폐를 제어하는 듀티 제어기 및 방향 결정기를 포함하는 제어부;를 포함하며, 상기 전자석 구동 제어 회로는 전원부와, 상기 전원부의 양극과 상기 코일의 일단에 연결된 제1스위칭 소자와 상기 전원부의 음극과 상기 코일의 타단에 연결된 제2스위칭 소자를 포함하는 H-브릿지 스위칭 회로로 구성되며, 상기 방향 결정기에 의하여 상기 제2스위칭 소자는 코일 제어 전압의 부호에 따라 동작 제어되고, 상기 듀티 제어기에 의하여 상기 제1스위칭 소자는 코일 제어 전압과 상기 전원부로부터의 입력 전압의 비에 따라 듀티 제어되어, 세 가지 출력 전압 상태(Vdc, 0, -Vdc) 전자석의 구동 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템을 제공한다.The present invention to achieve the above object, the electromagnet drive control circuit connected to both ends of the coil wound on the electromagnet; And a controller including a duty controller and a direction determiner for controlling opening and closing of the switching element with respect to the electromagnet driving control circuit, wherein the electromagnet driving control circuit includes a power supply unit, a first terminal connected to an anode of the power supply unit and one end of the coil; And an H-bridge switching circuit including a switching element, a negative electrode of the power supply unit, and a second switching element connected to the other end of the coil, wherein the second switching element controls the operation according to a sign of a coil control voltage by the direction determiner. The first switching element is duty-controlled by the duty controller according to a ratio of a coil control voltage and an input voltage from the power supply to control driving of the electromagnet in three output voltage states Vdc, 0, -Vdc. Provided is a PWM drive system of an electromagnetic actuator for magnetic levitation and magnetic bearing system, characterized in that performing All.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 듀티 제어기와 방향 결정기의 입력 측에는 듀티 제어기와 방향 결정기에 입력되는 코일 제어 전압을 산출하는 비례적분 제어기가 연결 구성되고, 상기 비례적분 제어기는 지령 전류와 궤환 전류의 차에 대해 비례적분 제어를 하여 코일 제어 전압을 산출하도록 구성된다.In one embodiment of the present invention, a proportional integral controller for calculating a coil control voltage input to the duty controller and the direction determiner is connected to an input side of the duty controller and the direction determiner, wherein the proportional integral controller is configured of the command current and the feedback current. And proportional integral control on the difference to calculate the coil control voltage.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 듀티 제어기와 방향 결정기의 입력 측에는 듀티 제어기와 방향 결정기에 입력되는 코일 제어 전압을 산출하는 비례제어기가 연결 구성되고, 상기 비례제어기는 오차보상기에서 출력되는 전류값과 궤환 전류의 차에 대해 비례 제어를 하여 코일 제어 전압을 산출하도록 구성되며, 상기 오차보상기는 입력받은 지령 전류에 (R+kp)/kp의 게인을 승산하여 산출한 전류값을 비례제어기 측으로 출력하도록 구성된다. 여기서, R은 상기 코일의 저항값이며, kp는 비례제어 게인이다.In another embodiment of the present invention, a proportional controller for calculating a coil control voltage input to the duty controller and the direction determiner is connected to an input side of the duty controller and the direction determiner, and the proportional controller is connected to the current value output from the error compensator. Configured to calculate the coil control voltage by proportionally controlling the difference of the feedback current, and the error compensator outputs the current value calculated by multiplying the input command current by (R + kp) / kp to the proportional controller side. It is composed. Where R is the resistance of the coil and kp is the proportional control gain.

본 발명의 구현예에서, 상기 제어부는 각 제어 주기 Ts마다 듀티 제어기를 통해 코일 제어 전압 Vc로부터 아래 ⅰ), ⅱ) 및 ⅲ)에 따라 듀티 제어를 수행하도록 구성된다.In an embodiment of the invention, the control unit is configured to perform duty control according to the following i), ii) and i) from the coil control voltage Vc through the duty controller for each control period Ts.

ⅰ) Vc>0인 경우, Da=Vc/Vdc, Db=1Iii) Da = Vc / Vdc, Db = 1 when Vc> 0

ⅱ) Vc=0인 경우, Da=0, Db=1 or Da=1, Db=0Ii) when Vc = 0, Da = 0, Db = 1 or Da = 1, Db = 0

ⅲ) Vc<0인 경우, Da=1 - (-Vc/Vdc), Db=0I) When Vc <0, Da = 1-(-Vc / Vdc), Db = 0

위에서, Vc는 코일 제어 전압, Da는 듀티 제어기의 출력 제어신호, Db는 방향 결정기의 출력 제어신호이다.
In the above, Vc is the coil control voltage, Da is the output control signal of the duty controller, Db is the output control signal of the direction determiner.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템은 큰 하중의 부하 구동을 위한 충분한 출력을 제공하면서도 향상된 정밀도를 제공하는 자기 부상 및 자기 베어링 시스템을 구현가능한 효과가 있다.As described above, the PWM drive system of the electromagnet actuator according to the present invention has the effect of realizing a magnetic levitation and magnetic bearing system that provides an improved accuracy while providing sufficient output for driving a large load.

또한, 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템에서는 종래 두 가지 출력 전압 상태(Vdc, -Vdc)를 가지는 제어 방식에 비하여, 세 가지 출력 전압 상태(Vdc, 0, -Vdc)를 가지도록 제어함으로써, 제어되는 리플 전류의 크기를 줄일 수 있으며, 스위칭 손실을 저감할 수 있는 효과가 있다.
In addition, in the PWM drive system of the electromagnet actuator according to the present invention, compared to the conventional control method having two output voltage states (Vdc, -Vdc), by controlling to have three output voltage states (Vdc, 0, -Vdc) Therefore, the size of the controlled ripple current can be reduced, and switching losses can be reduced.

도 1은 일반적인 H-브릿지 스위칭 회로를 도시하고 있는 것이고,
도 2는 도 1의 회로에서 각각의 스위칭 소자에 대한 제어 패턴을 도시한 것이고,
도 3은 종래 기술에 따라 제어된 H-브릿지 스위칭 회로에서 부하에 걸리는 전압을 도시한 것이고,
도 4a 내지 4c는 각각 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전자석 구동 제어 회로 및 그 제어부를 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템에서 각 스위칭 소자에서의 스위칭 신호 및 비대칭 형태의 출력 전압을 각각 도시한 것이고,
도 7은 도 6에서의 각 스위칭 소자의 상태 변화에 따른 전자석 구동 제어 회로를 도시한 것이고,
도 8은 본 발명의 다른 구현예에 따른 전자석 구동 제어 회로 및 그 제어부를 개략적으로 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템에서 한 주기(Ts) 동안 전자석 액추에이터의 코일 양단에 인가되는 전압을 종래와 비교하여 나타낸 것이고,
도 10은 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템에서의 리플전류 감소비를 나타낸 것이다.
1 shows a typical H-bridge switching circuit,
2 shows a control pattern for each switching element in the circuit of FIG. 1,
3 shows the voltage applied to the load in the H-bridge switching circuit controlled according to the prior art,
Figures 4a to 4c schematically show the configuration of the PWM drive system of the electromagnet actuator according to the present invention, respectively
FIG. 5 schematically illustrates an electromagnet driving control circuit and a controller thereof according to an embodiment of the present invention;
Figure 6 shows the switching signal and the asymmetrical output voltage of each switching element in the PWM drive system of the electromagnet actuator according to the present invention, respectively
FIG. 7 illustrates an electromagnet driving control circuit according to a state change of each switching device in FIG. 6.
FIG. 8 schematically illustrates an electromagnet drive control circuit and a control unit according to another embodiment of the present invention,
9 shows the voltage applied to both ends of the coil of the electromagnet actuator for one period (Ts) in the PWM drive system of the electromagnet actuator of the present invention, compared with the conventional
Figure 10 shows the ripple current reduction ratio in the PWM drive system of the electromagnet actuator according to the present invention.

본 발명은 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템에 관한 것으로, 전자석 액추에이터의 코일에 인가되는 전압을 세 가지 출력 전압 상태(Vdc, 0, -Vdc)로 효과적으로 구현함으로써 자기 부상 시스템 및 자기 베어링 시스템의 구동용으로 적합한 전자석 액추에이터의 구동 시스템을 제공한다.The present invention relates to a PWM drive system of an electromagnet actuator for a magnetic levitation and magnetic bearing system, and provides a magnetic levitation system by effectively implementing a voltage applied to a coil of an electromagnet actuator in three output voltage states (Vdc, 0, -Vdc). Provided is a drive system of an electromagnet actuator suitable for driving a magnetic bearing system.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 구동 시스템에 관하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail with respect to the drive system of the electromagnet actuator according to the present invention.

전자석을 포함하는 액추에이터의 구동 시, PWM 인가 전압에 의한 노이즈 때문에, EMI를 발생시키게 되고, 센서 등의 측정값에 심각한 왜곡을 일으키므로, 이를 방지하기 위해서는 시스템의 인가 전압을 줄이는 것이 필요하다.When the actuator including the electromagnet is driven, EMI is generated due to noise caused by the PWM applied voltage, and serious distortion is caused to the measured values of the sensor and the like. Therefore, it is necessary to reduce the applied voltage of the system.

자기부상 및 자기베어링을 포함하는 제어 시스템은 전자석 액추에이터 및 정밀 위치 측정센서를 포함한다. 이때 전자석 액추에이터가 발생하는 힘은 전류의 제곱에 비례하거나, 감긴 코일 턴수의 제곱에 비례한다.Control systems, including magnetic levitation and magnetic bearings, include electromagnet actuators and precision position sensors. At this time, the force generated by the electromagnetic actuator is proportional to the square of the current or the square of the number of coil turns wound.

고부하의 자기 부상 시스템 또는 고속 회전을 위한 자기 베어링 시스템과 같이, 큰 힘을 필요로 하는 고 인덕턴스 액추에이터는 상대적으로 힘의 슬루율(Force Slew rate)이 작다.High inductance actuators that require large forces, such as high load magnetic levitation systems or magnetic bearing systems for high speed rotation, have relatively low force slew rates.

그러므로, 작은 힘의 슬루율을 보완하기 위해서는 전자석 코일에 인가되는 전압을 키워야 하나, 이 경우 EMI 및 센서 노이즈가 증대되는 문제가 발생한다.Therefore, in order to compensate for the slew rate of the small force, it is necessary to increase the voltage applied to the electromagnet coil. In this case, EMI and sensor noise are increased.

본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여, 작은 입력 전압을 가지면서, 큰 슬루율(Slew rate)을 가지도록, 기존 2 전압 상태를 가지는 구조의 전자석 액추에이터의 코일 구동 시스템을 3가지 전압 상태를 갖는 전자석 액추에이터의 구동 시스템으로 변경하여 구성한다.In order to solve this problem, in the present invention, a coil drive system of an electromagnet actuator having a structure having an existing two voltage state, having a small input voltage and a large slew rate, has an electromagnet having three voltage states. It is configured by changing to the drive system of the actuator.

따라서, 본 발명에서는 풀 브릿지 PWM 컨버터 및 하프 브릿지 PWM 컨버터의 하드웨어를 가지면서, 각 제어 주기(Ts) 마다 출력 전압을 Vdc와 0 또는 -Vdc와 0 또는 0(Vc=0일 경우) 중 하나의 형태를 가지도록 제어하고, 이를 통하여 세 가지 출력 전압 상태(Vdc, 0, -Vdc)를 구현함으로써 기존 두 가지 출력전압 상태(+Vdc, -Vdc)를 가지도록 제어하는 방법에 비하여 제어되는 리플 전류의 크기를 줄일 수 있고, 스위칭 횟수를 줄여 스위칭 손실을 저감할 수 있는 전자석 액추에이터의 구동 시스템을 제안한다.Therefore, in the present invention, having the hardware of a full bridge PWM converter and a half bridge PWM converter, the output voltage of each of the control period (Ts) Vdc and 0 or -Vdc and 0 or 0 (if Vc = 0) Controlled to have a shape, and through this, three output voltage states (Vdc, 0, -Vdc) are implemented to control the ripple current compared to the method of controlling to have two output voltage states (+ Vdc, -Vdc). We propose a driving system of an electromagnet actuator which can reduce the size of the circuit and reduce the switching loss by reducing the number of switching.

자기 베어링 및 자기 부상 시스템에서 사용되는 전자석의 전류는 항상 양수이며, 전압은 양수(+), 음수(-) 두 극성을 가진다.Electromagnets used in magnetic bearings and magnetically levitated systems are always positive, and the voltage has both positive (+) and negative (-) polarities.

본 발명에서는 이를 구현하기 위하여 기존의 풀-브릿지 PWM 컨버터나, 하프-브릿지 PWM 컨버터를 이용한다. 또한, 본 발명에서는 이러한 H-브릿지 PWM 컨버터에 관하여 출력 전압(Vo)을 3개의 전압 상태(Vdc, 0, -Vdc)로 조절하면서 하나의 제어 주기 동안 코일 제어 전압에 따라 설정된 듀티비에 따라 출력이 온 듀티 제어되도록 하는 제어 방식을 통하여, 리플 전류를 크게 저감시킬 수 있는 전자석 액추에이터의 구동 시스템을 제공한다.In the present invention, a conventional full-bridge PWM converter or a half-bridge PWM converter is used. Also, in the present invention, the output voltage Vo is adjusted to three voltage states Vdc, 0, and -Vdc with respect to the H-bridge PWM converter, and is output according to the duty ratio set according to the coil control voltage during one control period. Through a control scheme for controlling the on duty, a driving system of an electromagnet actuator capable of greatly reducing ripple current is provided.

자기 베어링 및 자기 부상 시스템과 같은 전자력을 이용하는 위치제어시스템에 사용되는 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템의 구성은 도 4a 내지 4c에 도시되어 있으며, 특히, 도 4a에서는 자기 부상 시스템에서의 구성의 일부를 개략적으로 도시하고 있다.The configuration of the PWM drive system of the electromagnet actuator according to the present invention used in a position control system using an electromagnetic force such as a magnetic bearing and a magnetic levitation system is shown in FIGS. 4A to 4C, in particular, in the magnetic levitation system in FIG. 4A. A part of the diagram is schematically shown.

도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 구동 시스템에서는 타겟레일과 일정한 간격을 유지하도록 설치된 전자석 코어(1)에 감겨진 코일(2)의 양단이 전자석 구동 제어 회로(3)에 연결되도록 구성된다.As shown in FIG. 4A, in the driving system of the electromagnet actuator according to the present invention, both ends of the coil 2 wound on the electromagnet core 1 installed to maintain a constant distance from the target rail are connected to the electromagnet drive control circuit 3. It is configured to be connected.

본 발명의 바람직한 구현예에 따른 전자석 액추에이터의 구동 시스템에서는 일정한 전압을 발생시켜 코일(2) 측으로 공급하는 전원부(4)와, 이러한 전원부(4)와 코일(2) 간의 연결을 단속하는 복수의 스위칭 소자(T1,T2)를 포함하는 H-브릿지 스위칭 회로로 구성되는 전자석 구동 제어 회로(3)를 포함하고, 상기 전자석 구동 제어 회로(3)는 스위칭 소자의 개폐 제어에 따라 코일 구동을 제어하게 된다.In the drive system of the electromagnet actuator according to the preferred embodiment of the present invention, a power supply unit 4 for generating a constant voltage and supplying it to the coil 2 side, and a plurality of switching to control the connection between the power supply unit 4 and the coil 2. An electromagnet drive control circuit 3 comprising an H-bridge switching circuit including elements T1 and T2, wherein the electromagnet drive control circuit 3 controls the coil drive in accordance with the opening and closing control of the switching element. .

이러한 전원부(4), 및 전원부(4)와 전자석 코일(2) 사이에 연결되는 전자석 구동 제어 회로 즉, 단상 인버터는 도 4b와 같이 도시될 수 있다.The power supply unit 4 and the electromagnet drive control circuit, that is, the single-phase inverter connected between the power supply unit 4 and the electromagnet coil 2 may be illustrated as shown in FIG. 4B.

도 4b에 나타낸 바와 같이, 상기 전원부(4)는 실제 인가되는 전압을 공급하는 입력 전원(5) 및 상기 전원(5)으로부터 DC 전압(Vdc)을 생성하는 DC/DC 컨버터(혹은 DC 링크)(6)를 포함하여 구성된다. As shown in FIG. 4B, the power supply unit 4 includes an input power supply 5 for supplying an actually applied voltage and a DC / DC converter (or DC link) for generating a DC voltage Vdc from the power supply 5 ( 6) is configured to include.

상기 DC/DC 컨버터(6)는 AC 혹은 DC 입력 전원으로부터 가변되는 DC 전압(Vdc)을 생성시키는 역할을 하는 것으로, 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 혹은 벅-부스트 컨버터 구조로 구성될 수 있으며, 입력 전압(Vin)을 받아 DC 전압(Vdc)을 출력시킨다.The DC / DC converter 6 serves to generate a variable DC voltage (Vdc) from an AC or DC input power source, and may be configured as a buck converter, boost converter, or buck-boost converter structure, and input voltage It receives (Vin) and outputs DC voltage (Vdc).

상기 단상 인버터는 생성된 DC 전압(Vdc)으로부터 가변하는 코일 제어 전류(io)를 생성시키는 역할을 하는 것으로, DC 전압(Vdc)을 입력받아 전자석 코일(2)에 흐르는 코일 제어 전류(io)를 제어하며, 전력용 엠프(파워엠프)를 사용하는 리니어 인버터 혹은 PWM 인버터로 구성될 수 있으며, PWM 인버터는 풀 브릿지(Full-Bridge) 인버터나 하프 브릿지(Half-Bridge) 인버터의 구조를 가지는 것이 사용될 수 있다.The single-phase inverter serves to generate a variable coil control current (i o ) from the generated DC voltage (Vdc), the coil control current (i o ) flowing to the electromagnet coil 2 receives the DC voltage (Vdc) ), And can be configured as a linear inverter or a PWM inverter using a power amplifier (power amplifier), the PWM inverter has a structure of a full-bridge (Half-Bridge) inverter or a half-bridge (Half-Bridge) inverter May be used.

단상 PWM 인버터를 사용할 시에는 도 4c에 나타낸 바와 같이, L-C 필터 또는 R-C 필터 혹은 L-C-R 필터를 사용하여 전자석 액추에이터 코일에 인가되는 제어 전압 Vc가 연속이 되도록 한다. 이는 전자석 엑추에이터에서 발생하는 EMI 노이즈를 저감시켜서 전자석 엑추에이터 가까이에 배치되는 갭 측정용 센서에 노이즈가 발생하지 않도록 한다.When a single phase PWM inverter is used, as shown in FIG. 4C, the control voltage Vc applied to the electromagnet actuator coil is continuous by using an L-C filter, an R-C filter, or an L-C-R filter. This reduces the EMI noise generated by the electromagnet actuators so that no noise is generated in the gap measurement sensor placed near the electromagnet actuators.

본 구현예에서는 전자석 구동 제어 회로로서 도 1과 같은 일반적인 구조의 단상 PWM 인버터를 사용할 수 있으며, 도 1을 참조하면, 전자석 구동 제어 회로는 전원부의 양극과 코일의 일단에 연결된 제1스위칭 소자(T1)와 상기 전원부의 음극과 상기 코일(혹은 부하)의 타단에 연결된 제2스위칭 소자(T2), 그리고 상기 전원부의 양극과 제2스위칭 소자(T2)의 일단에 연결된 제3스위칭 소자(T3)와 전원부의 음극과 제1스위칭 소자(T1)의 일단에 연결된 제4스위칭 소자(T4)를 포함하여 구성되는 풀 브릿지 스위칭 회로로 구성될 수 있다.In this embodiment, a single-phase PWM inverter having a general structure as shown in FIG. 1 may be used as the electromagnet driving control circuit. Referring to FIG. 1, the electromagnet driving control circuit may include a first switching element T1 connected to an anode of a power supply unit and one end of a coil. ) And a second switching device T2 connected to the cathode of the power supply unit and the other end of the coil (or load), and a third switching device T3 connected to one end of the anode and the second switching device T2 of the power supply unit; It may be configured as a full bridge switching circuit including a fourth switching device (T4) connected to the cathode of the power supply unit and one end of the first switching device (T1).

이때, 도 1에서 스위칭 소자 T3과 T4를 오프시켜 다이오드(D3,D4)로 동작시키면 단상 하프 브릿지 인버터가 된다. In this case, when the switching elements T3 and T4 are turned off and operated as the diodes D3 and D4 in FIG. 1, the single-phase half-bridge inverter becomes.

코일 구동 전류(io)가 양의 값임을 고려하면, 단상 하프 브릿지 회로의 PWM 제어는 PWM 제어 주기 Ts 내에서 스위칭 소자 T2를 코일 구동에 필요한 코일 제어 전압 Vc의 부호에 따라 + 이면 온 시키고 - 이면 오프 시키며, 스위칭 소자 T1을 코일 제어 전압(Vc)의 크기에 비례하여 온 시키거나(Vc≥0인 경우) 코일 제어 전압 Vc의 크기에 비례하여 오프 시킨다(Vc≤0인 경우). Considering that the coil drive current io is a positive value, PWM control of the single-phase half-bridge circuit turns ON the switching element T2 according to the sign of the coil control voltage Vc necessary for driving the coil within the PWM control period Ts, and then-if The switching element T1 is turned off in proportion to the magnitude of the coil control voltage Vc (when Vc ≥ 0) or off in proportion to the magnitude of the coil control voltage Vc (when Vc ≤ 0).

도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전자석 구동 제어 회로 및 그 제어부를 개략적으로 도시한 것이다.5 schematically illustrates an electromagnet driving control circuit and a controller thereof according to an embodiment of the present invention.

도 5에서는 본 발명에 따른 전자석 구동 제어 회로의 바람직한 예로, 두 개의 스위칭 소자와 두 개의 다이오드로 구성된 하프 브릿지 형태의 스위칭 회로를 도시하고 있다.In FIG. 5, a half bridge type switching circuit including two switching elements and two diodes is shown as a preferred example of an electromagnet driving control circuit according to the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 두 개의 스위칭 소자는 상기 전원부(4)의 양극과 전자석 코일(2)의 일단에 연결된 제1스위칭 소자(T1)와 상기 전원부(4)의 음극과 상기 코일(2)의 타단에 연결된 제2스위칭 소자(T2)로 구성된다.As shown in FIG. 5, the two switching elements include a first switching element T1 connected to an anode of the power supply unit 4 and one end of an electromagnet coil 2, a cathode of the power supply unit 4, and the coil ( And a second switching element T2 connected to the other end of 2).

한편, 상기 전자석 구동 제어 회로(3)의 제1 및 제2스위칭 소자(T1,T2)를 제어하는 제어부(10)는 제1스위칭 소자(T1) 및 제2스위칭 소자(T2)의 개폐 제어를 위한 신호를 송출한다.On the other hand, the control unit 10 for controlling the first and second switching elements (T1, T2) of the electromagnet drive control circuit 3 controls the opening and closing control of the first switching element (T1) and the second switching element (T2). Sends a signal for

이러한 제어부(10)는 출력에서의 온 듀티 구간을 결정하기 위한 듀티 제어기(11) 및 출력 전압의 부호를 결정하기 위한 방향 결정기(12)를 포함하도록 구성된다.The controller 10 is configured to include a duty controller 11 for determining the on duty period at the output and a direction determiner 12 for determining the sign of the output voltage.

도 5를 참조하여, 이러한 제어부(10)의 구성을 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 바람직한 구현예에서는 상기 듀티 제어기(11) 및 방향 결정기(12)에 의하여 코일 구동을 위한 코일 제어 전압 Vc로부터 제1스위칭 소자(T1) 및 제2스위칭 소자(T2)를 제어한다.Referring to FIG. 5, the configuration of the control unit 10 will be described in detail. According to a preferred embodiment of the present invention, the duty controller 11 and the direction determiner 12 are used to control the coil control voltage Vc from the coil control voltage Vc. The switching element T1 and the second switching element T2 are controlled.

상기 코일 제어 전압 Vc는 코일 구동을 위하여 입력되는 목표 전압값으로, 본 구현예에서는 시스템상으로 입력되는 지령 전류(iref)에 현재 검출되는 부하(코일)에서의 현재 전류값 즉, 궤환 전류(ifb)를 피드백하여, 비례적분(PI) 제어기(13)를 통하여 코일 제어 전압값(Vc)을 산출한다.The coil control voltage Vc is a target voltage value input for driving the coil. In the present embodiment, the current value of the load (coil) currently detected by the command current i ref input into the system, that is, the feedback current ( i fb ) is fed back to calculate the coil control voltage value Vc through the proportional integration (PI) controller 13.

도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 코일 제어 전압값(Vc)은 지령 전류(iref)와 궤환 전류(ifb)의 차(에러)에 대해서 비례적분 제어를 하여 산출함으로써 얻을 수 있으며, 상기 지령 전류(iref)로는 자기 부상 및 자기 베어링 시스템의 위치제어기(17)로부터 산출되는 출력값을 사용한다.As shown in Fig. 5, the coil control voltage value Vc can be obtained by performing proportional integral control on the difference (error) between the command current irf and the feedback current ifb, and the command current irf is obtained. ) Uses the output value calculated from the magnetic levitation and position controller 17 of the magnetic bearing system.

상기 비례적분 제어기(13)를 통해 산출된 코일 제어 전압값(Vc)은 방향 결정기(12)에 입력되고, 상기 방향 결정기(12)에서는 코일 제어 전압 Vc의 부호에 따라 제2스위칭 소자(T2)를 온/오프 제어한다.The coil control voltage value Vc calculated through the proportional integral controller 13 is input to the direction determiner 12, and the direction switch 12 receives the second switching element T2 according to the sign of the coil control voltage Vc. Control on / off.

또한, 본 구현예에서는 상기 비례적분 제어기(13)로부터 산출된 코일 제어 전압값(Vc)이 듀티 제어기(11)로 입력되고, 상기 듀티 제어기(11)에서는 코일 제어 전압 Vc의 크기 및 부호에 따라 제1스위칭 소자(T1)에 대한 듀티 제어를 수행한다.In addition, in this embodiment, the coil control voltage value Vc calculated from the proportional integral controller 13 is input to the duty controller 11, and the duty controller 11 according to the magnitude and sign of the coil control voltage Vc. Duty control is performed on the first switching device T1.

이러한 듀티 제어기(11)에서는 코일 제어 전압 Vc와 상기 전원부(4)로부터의 입력 전압(Vdc)의 크기 비 및 상기 입력 전압(Vdc)의 부호에 따라 온 듀티 영역을 결정하도록 듀티 제어한다.The duty controller 11 performs duty control to determine an on duty region according to the magnitude ratio of the coil control voltage Vc and the input voltage Vdc from the power supply unit 4 and the sign of the input voltage Vdc.

본 구현예에 따른 전자석 액추에이터의 구동 시스템에서는 상기한 바와 같은 구성의 제어부(10)에 의하여, 제1 및 제2스위칭 소자(T1,T2)를 개폐 제어함으로써 한 제어주기 Ts 내에서(또는 각 제어주기 Ts 마다) Vdc와 0 또는 -Vdc와 0 혹은 0(Vc=0일 경우)과 같은 형태로 출력 전압을 형성하여 세 가지 출력 전압 상태(Vdc, 0, -Vdc)로 전자석의 구동 제어가 수행되도록 한다.In the drive system of the electromagnet actuator according to the present embodiment, the control unit 10 having the above-described configuration controls the opening and closing of the first and second switching elements T1 and T2 within one control period Ts (or each control). Each period Ts) Vdc and 0 or -Vdc and 0 or 0 (if Vc = 0) to form the output voltage to drive control of the electromagnet in three output voltage states (Vdc, 0, -Vdc) Be sure to

본 구현예에서의 듀티 제어기의 구체적인 구조는 아래 ⅰ) 내지 ⅲ)에 나타낸 바와 같다.The specific structure of the duty controller in this embodiment is as shown in iv) to iv) below.

ⅰ) Vc>0인 경우, Da=Vc/Vdc, Db=1Iii) Da = Vc / Vdc, Db = 1 when Vc> 0

ⅱ) Vc=0인 경우, Da=0, Db=1 or Da=1, Db=0(이전 상태에 따른 히스테리시스 영역)Ii) when Vc = 0, Da = 0, Db = 1 or Da = 1, Db = 0 (hysteresis region according to previous state)

ⅲ) Vc<0인 경우, Da=1 - (-Vc/Vdc), Db=0I) When Vc <0, Da = 1-(-Vc / Vdc), Db = 0

Da는 듀티 제어기의 출력 제어신호로서 제1스위칭 소자의 듀티비이고, Db는 방향결정기의 출력 제어신호로서 제2스위칭 소자의 듀티비이며, 상술한 바와 같이, 제2스위칭 소자는 1 또는 0의 듀티값을 가지도록 구성되어, 제어주기 Ts 동안 단순히 온/오프 제어되도록 구성된다.Da is the duty ratio of the first switching element as the output control signal of the duty controller, Db is the duty ratio of the second switching element as the output control signal of the rudder, and as described above, the second switching element is 1 or 0. It is configured to have a duty value, so that it is simply controlled on / off during the control period Ts.

한편, 도 6에서는 위 ⅰ) 내지 ⅲ)에 따른 듀티 제어를 수행하는 듀티 제어기(11) 및 방향 결정기(12)를 포함하는 제어부(10)에 의하여 코일(2)의 전류 제어(혹은 전자석의 구동 제어)를 수행하는 제어 과정에서 각 스위칭 소자(T1,T2)에서의 스위칭 신호 및 출력 전압을 각각 도시하고 있으며, 도 7에서는 도 6에서의 각 스위칭 소자의 상태에 따른 전자석 구동 제어 회로를 도시하고 있다.Meanwhile, in FIG. 6, the current control (or driving of the electromagnet) of the coil 2 is performed by the controller 10 including the duty controller 11 and the direction determiner 12 performing the duty control according to the above (i) to (i). Control signal and output voltages of the switching elements T1 and T2 are respectively shown in FIG. 7, and FIG. 7 shows an electromagnet driving control circuit according to the state of each switching element in FIG. have.

첨부된 도 6에 도시된 그래프로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 구현예에 따른 전자석 구동 제어 회로(3)에서는 제1스위칭 소자(T1)의 온 듀티 영역에 따라 출력 전압의 크기가 결정되고, 제2스위칭 소자(T2)의 개폐에 따라 출력 전압의 부호가 결정된다.As can be seen from the graph shown in FIG. 6, in the electromagnet drive control circuit 3 according to the present embodiment, the magnitude of the output voltage is determined according to the on duty region of the first switching element T1. The sign of the output voltage is determined by opening and closing of the two switching elements T2.

이러한 전자석 구동 제어 회로에서의 구체적인 작동을 살펴보면, 도 6의 첫번째 주기 및 두번째 주기에서는 코일 출력 전압 Vo가 각각 Vdc와 0 및 -Vdc와 0의 형태로 제어되어 세 가지 상태(Vdc, 0, -Vdc)로 제어되는 예를 도시하고 있다. Looking at the specific operation of the electromagnet drive control circuit, in the first cycle and the second cycle of Figure 6 the coil output voltage Vo is controlled in the form of Vdc and 0, and -Vdc and 0, respectively, three states (Vdc, 0, -Vdc) An example controlled by) is shown.

첫번째 주기에서는 코일 제어 전압 Vc이 양인 상태로서, 코일 제어 전압값(Vc)에 따라 상기 ⅰ)에 의하여 설정된 제1스위칭 소자(T1)의 듀티비(Da)에 따라 온 듀티 구간이 설정되고, 제2스위칭 소자(T2)가 온(Db=1) 상태를 유지한다.In the first period, the coil control voltage Vc is a positive state, and the on duty period is set according to the duty ratio Da of the first switching element T1 set by i) according to the coil control voltage value Vc. 2 The switching element T2 remains on (Db = 1).

첫번째 주기에서 제1스위칭 소자(T1)의 온 듀티 구간에서의 전자석 구동 제어 회로는 ⅰ)에 따라 도 7의 (a)에 도시된 회로와 같이 구성될 수 있으며, 해당 구간에서 부하(즉, 코일)에 걸리는 출력 전압(Vo)은 Vdc가 된다.In the first period, the electromagnet driving control circuit in the on duty section of the first switching element T1 may be configured as shown in FIG. 7A according to i), and the load (that is, the coil ), The output voltage (Vo) is applied to Vdc.

또한, 첫번째 주기에서 제1스위칭 소자(T1)의 오프 듀티 구간에서의 전자석 구동 제어 회로는 ⅰ)에 따라 도 7의 (b)에 도시된 회로와 같이 구성될 수 있으며, 이 구간에서 부하에 걸리는 출력 전압(Vo)은 0- 가 된다.In addition, the electromagnet drive control circuit in the off duty section of the first switching element T1 in the first period may be configured as shown in FIG. The output voltage Vo is 0-.

한편, 두번째 주기에서는 코일 제어 전압 Vc가 음인 상태로서, 코일 제어 전압값에 따라 ⅲ)에 의하여 설정된 제1스위칭 소자(T1)의 듀티비(Da)에 따라 온 듀티 구간이 설정되고, 제2스위칭 소자(T2)가 오프(Db=0) 상태를 유지한다.Meanwhile, in the second period, the coil control voltage Vc is in a negative state, and the on duty period is set according to the duty ratio Da of the first switching element T1 set by i) according to the coil control voltage value, and the second switching is performed. The element T2 remains off (Db = 0).

따라서, 두번째 주기에서 제1스위칭 소자(T1)의 온 듀티 구간에서의 전자석 구동 제어 회로는 ⅲ)에 따라 도 7의 (c)에 도시된 회로와 같이 구성될 수 있으며, 해당 구간에서 부하에 걸리는 출력 전압(Vo)은 0+가 된다.Therefore, the electromagnet driving control circuit in the on-duty section of the first switching element T1 in the second period may be configured as shown in FIG. The output voltage Vo becomes 0+.

또한, 두번째 주기에서 제1스위칭 소자(T1)의 오프 듀티 구간에서의 전자석 구동 제어 회로는 ⅲ)에 따라 도 7의 (d)에 도시된 회로와 같이 구성될 수 있으며, 이 구간에서 부하에 걸리는 출력 전압(Vo)은 -Vdc가 된다.In addition, the electromagnet drive control circuit in the off duty section of the first switching element T1 in the second period may be configured as shown in FIG. The output voltage Vo is -Vdc.

따라서, 본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 구동 시스템에서는 본 구현예에서와 같은 전자석 구동 제어 회로가 코일 제어 전압값(Vc)에 따라 일정한 크기와 방향을 갖는 단극성 출력 전압을 생성하도록 제어할 수 있다.Therefore, in the drive system of the electromagnet actuator according to the present invention, the electromagnet drive control circuit as in the present embodiment can be controlled to generate a monopolar output voltage having a constant magnitude and direction in accordance with the coil control voltage value Vc.

한편, 본 구현예에 따른 전자석 구동 제어 회로의 제어 방식에 의한 평균 전압은 다음과 같다.On the other hand, the average voltage by the control method of the electromagnet drive control circuit according to the present embodiment is as follows.

Vavg = DVdc, 0<D<1 (2-a)Vavg = DVdc, 0 <D <1 (2-a)

Vavg = (D-1)(-Vdc), 0<D<1 (2-b)Vavg = (D-1) (-Vdc), 0 <D <1 (2-b)

여기서 Dn =1-D로 하면 아래 식과 같이 정리할 수 있다.Here, Dn = 1-D can be summarized as follows.

Vavg = -DnVdc, 0<Dn<1 (2-c)Vavg = -DnVdc, 0 <Dn <1 (2-c)

그러므로, 본 발명의 바람직한 구현예로부터 제안된 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템의 제어 방식을 따르면, 종래 대비 PWM 제어에 의한 리플전류가 감소되고 리플전류에 의한 외란이 줄게 되어 설정된 듀티비 D=Ton/Ts(Ts는 제어 주기, Ton은 온 듀티 상태)와 출력 전압 Vo의 관계에 따라 제어 정밀도가 향상되어진다. 이에 관한 구체적인 설명은 도 9와 도 10을 참조로 하여 후술하도록 한다. Therefore, according to the control method of the PWM drive system of the electromagnet actuator proposed from the preferred embodiment of the present invention, the duty ratio D = T on / set to reduce the ripple current by the PWM control and the disturbance by the ripple current compared to the conventional The control accuracy is improved by the relationship between T s (T s is the control period and T on is the on-duty state) and the output voltage V o . A detailed description thereof will be described later with reference to FIGS. 9 and 10.

또한, 본 구현예에서와 같이, 2개의 스위칭 소자를 포함하도록 구성된 하프 브릿지 형태의 전자석 구동 제어 회로의 경우, 하나의 스위칭 소자는 온/오프 제어에 따라 전압에 대한 방향 제어의 기능을 수행하는 스위칭 소자에 해당하므로, 전자석 액추에이터의 코일 구동 시스템의 스위칭 손실을 저감할 수 있게 된다.In addition, in the case of the half-bridge type electromagnet drive control circuit configured to include two switching elements, as in the present embodiment, one switching element performs switching to perform a function of direction control with respect to voltage according to on / off control. Since it corresponds to an element, the switching loss of the coil drive system of an electromagnet actuator can be reduced.

본 발명의 구현예에 따른 전자석 액추에이터의 코일 구동 시스템에 있어서, 기존의 두 가지 출력 전압 상태를 갖도록 제어한 방식의 경우와 본 발명에 따라 세 가지 출력 전압 상태를 갖도록 제어한 방식의 경우를 시뮬레이션 실험한 결과, 본 발명에 따라 세 가지 출력 전압 상태를 갖도록 제어되는 경우, 발생하는 리플 전류가 종래 대비 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다.In the coil drive system of an electromagnet actuator according to an embodiment of the present invention, a simulation experiment for the case of the control method to have two existing output voltage states and the case of the control method to have three output voltage states according to the present invention As a result, when it is controlled to have three output voltage states according to the present invention, it can be seen that the generated ripple current is significantly reduced compared with the conventional.

한편, 본 발명의 다른 구현예에 의하면 제어부(10)는 도 8에 나타낸 바와 같이 듀티제어기(11)와 방향결정기(12)의 입력 측에 연결되는 비례제어기(14)와 오차보상기(15)를 포함하여 구성될 수 있다.Meanwhile, according to another exemplary embodiment of the present invention, the controller 10 may include the proportional controller 14 and the error compensator 15 connected to the input side of the duty controller 11 and the direction determiner 12 as shown in FIG. 8. It can be configured to include.

상기 비례제어기(14)는 지령 전류(iref)와 궤환 전류(ifb)의 차(에러)에 대해서 비례 제어하여 코일 제어 전압 Vc를 출력하여 발생시키며, 상기 오차보상기(15)는 비례 제어에 의해 발생하는 오차(에러)를 보상하여 '0'으로 만들기 위해, 입력되는 지령 전류(iref)에 (R+kp)/kp의 게인을 승산하여(곱하여) 출력한다.The proportional controller 14 generates a coil control voltage Vc by proportionally controlling the difference (error) between the command current irf and the feedback current ifb, and the error compensator 15 is generated by proportional control. To compensate for the error (error) to make '0', the input current (iref) is multiplied (multiplied) by the gain of (R + kp) / kp.

즉, 본 구현예에서는 오차보상기(15)가 지령 전류(iref)를 입력으로 하여 비례 제어에 의해 발생하는 오차를 보상하기 위해 지령 전류(iref)에 (R+kp)/kp의 게인을 승산한 전류값을 산출하여 출력하면, 이 출력 전류(오차보상기의 출력)를 지령 전류 혹은 제어명령으로 사용하여 비례제어(오차보상기(15)의 출력 전류와 궤환 전류(ifb)의 차에 대한 비례제어)를 수행한다. 여기서, R은 코일의 저항값이며, kp는 비례제어 게인이다.That is, in this embodiment, the error compensator 15 multiplies the gain of (R + kp) / kp by the command current (iref) to compensate for the error caused by the proportional control by using the command current (iref) as an input. When the current value is calculated and output, the output current (output of the error compensator) is used as a command current or a control command for proportional control (proportional control of the difference between the output current of the error compensator 15 and the feedback current ifb). Perform Where R is the resistance of the coil and kp is the proportional control gain.

다시 말해, 상기 비례제어기(14)는 오차보상기(15)에서 출력되는 전류값과 전자석 코일(2)에서 피드백되는 궤환 전류(ifb) 간 차에 대해 비례 제어를 하여 코일 제어 전압 Vc를 발생시키며, 이에 따라 궤환 전류(ifb)는 지령 전류(iref)를 오차 없이 추종하게 된다.In other words, the proportional controller 14 generates a coil control voltage Vc by proportionally controlling the difference between the current value output from the error compensator 15 and the feedback current ifb fed back from the electromagnetic coil 2. Accordingly, the feedback current ifb follows the command current irf without error.

본 발명에 따른 전자석 액추에이터의 구동 시스템에서, 비례제어기(14)의 전달함수가 C(s)=kp이고, 플랜트의 전달함수가 G(s)=1/(Ls+R)이므로, 폐루프 제어 전달함수는 T(s)=kp/(Ls+R+kp)가 되며, 이를 다시 정리하면 In the drive system of the electromagnet actuator according to the present invention, since the transfer function of the proportional controller 14 is C (s) = kp and the transfer function of the plant is G (s) = 1 / (Ls + R), closed-loop control The transfer function is T (s) = kp / (Ls + R + kp).

Figure 112012089536110-pat00001
Figure 112012089536110-pat00001

이 되어 스텝제어 입력에 대해서 항상 정상상태 오차가 kp/(R+kp)배만큼 발생한다. 따라서, 상기와 같은 오차보상기(15)를 통해 지령 전류(iref)와 궤환 전류(ifb)의 차(오차)를 보상할 수 있다.As a result, a steady state error always occurs by kp / (R + kp) times for the step control input. Therefore, the difference (error) between the command current iref and the feedback current ifb may be compensated for through the error compensator 15 as described above.

비례 제어시 궤환 전류(ifb)를 사용함에 의해 발생되는 외란으로 인해 시스템이 불안정하게 되는데, 상기 오차보상기(15)를 통해 궤환 전류(ifb)와의 오차를 보상하여 시스템을 안정화할 수 있다.The system becomes unstable due to the disturbance generated by using the feedback current ifb in proportional control. The error compensator can stabilize the system by compensating for an error with the feedback current ifb.

도 8에는 이러한 오차보상기(15)의 입력 측에 연결되는 비례적분미분(PID) 제어기(16)를 도시하고 있으며, 본 발명의 구현예에는 정상상태 위치오차를 '0'으로 만들기 위한 정밀한 위치제어기의 일 예로 비례적분미분(PID) 제어기(16)가 사용될 수 있다.FIG. 8 shows a proportional integral derivative (PID) controller 16 connected to the input side of such error compensator 15. In an embodiment of the present invention, a precise position controller for making a steady state position error '0' An example of proportional integral derivative (PID) controller 16 may be used.

상기 비례적분미분 제어기(16)는 지령 공극 Xref와 공극 X 간에 차(위치에러)에 대해 비례적분미분 제어를 하여 출력값을 산출하는 것으로, 비례적분미분 제어기가 산출한 출력값은 지령 전류(iref)로서 오차보상기에 입력된다. 여기서, 지령 공극 Xref는 전자석 코어와 타겟레일 사이의 지령 공극으로 자기 부상 및 자기 베어링 시스템에 입력되는 제어신호이고, X는 전자석 액추에이터의 전자석과 타겟레일 사이의 공극이다.The proportional integral derivative controller 16 performs proportional integral control on the difference (position error) between the command pore Xref and the pore X to calculate an output value. It is input to the error compensator. Here, the command gap Xref is a control signal input to the magnetic levitation and magnetic bearing system as a command gap between the electromagnet core and the target rail, and X is a gap between the electromagnet and the target rail of the electromagnet actuator.

본 발명에서 자기부상 및 자기베어링 시스템의 비례적분미분(PID) 제어기(16)는 아우터 컨트롤 루프(outer control loop)를 구성하고, 오차보상기는 이너 컨트롤 루프(inner control loop)를 구성할 수 있다.In the present invention, the proportional integral derivative (PID) controller 16 of the magnetic levitation and magnetic bearing system may constitute an outer control loop, and the error compensator may constitute an inner control loop.

보통 이너 컨트롤 루프 즉, 오차보상기(15)가 비례적분미분(PID) 제어기(16) 대비 최소 10배 이상 응답이 빨라야 하며, 이를 위해서는 높은 제어 전압이 요구되고, 이는 전원부(4) DC 전압(Vdc)의 전압 상승이 요구됨을 의미한다.In general, the inner control loop, that is, the error compensator 15 has to respond at least 10 times faster than the proportional integral derivative (PID) controller 16, and this requires a high control voltage, which is required by the power supply unit 4 DC voltage (Vdc). ) Means a voltage rise is required.

따라서 오차보상기(15)가 지령 전류(iref)와 궤환 전류(ifb) 간의 오차를 '0'으로 완전히 보상하지 못하여 정상상태 오차가 일부 발생하더라도, 상기 비례적분미분 제어기(16)가 위치오차(지령 공극 Xref와 전자석과 타겟레인 사이의 공극 X 간에 차)값을 입력으로 하여 산출한 출력값(비례적분미분 제어를 통해 산출한 값)을 지령 전류(iref)로서 오차보상기(15)에 입력해주기 때문에, 결과적으로 자기부상 및 자기베어링 시스템의 정밀한 위치제어가 가능하게 된다.Therefore, even if the error compensator 15 does not completely compensate the error between the command current irf and the feedback current ifb with '0' and a part of the steady state error occurs, the proportional integral derivative controller 16 may cause a position error (command). Since the output value (calculated through proportional derivative control) calculated by inputting the value of the gap Xref and the gap X between the electromagnet and the target lane as an input, is input to the error compensator 15 as the command current (iref), As a result, precise position control of the magnetic levitation and magnetic bearing system is possible.

즉, 전술한 바와 같이 지령 공극 Xref와 공극 X 간 차에 대해 비례미분적분 제어를 하여 오차보상기로 입력되는 지령 전류를 산출함으로써 지령 공극 Xref와 공극 X간 차로 인해 발생하는 위치오차가 '0'이 되며, 이에 따라 자기부상 및 자기베어링 시스템의 위치제어가 오차 없이 정밀하게 잘 이루어질 수 있게 된다.That is, as described above, the position error generated by the difference between the command gap Xref and the air gap X is calculated by calculating the command current inputted to the error compensator by performing proportional derivative control on the difference between the command gap Xref and the air gap X. Accordingly, the position control of the magnetic levitation and magnetic bearing system can be made precisely and without error.

도 8과 같은 본 발명의 구현예에서 코일 제어 전압 Vc를 입력받아 방향 결정기(12) 및 듀티 제어기(11)를 통해 제1 및 제2 스위칭 소자(T1,T2)를 개폐 제어하는 과정은 전술한 바와 같이 동일하게 이루어진다. In the embodiment of the present invention as shown in FIG. 8, the process of opening and closing the first and second switching elements T1 and T2 through the direction determiner 12 and the duty controller 11 by receiving the coil control voltage Vc is described above. The same is done as

이러한 본 발명의 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템을 통해 PWM 제어시 리플 전류(혹은 피크 전류)를 저감시킬 수 있게 됨에 따라 리플 전류에 의한 외란힘을 줄일 수 있고, 순시 리플 전류가 감소함으로 인해 필요한 전류 용량이 감소되어 파워서플라이의 용량이 작아져도 무방하게 된다.Through the PWM drive system of the electromagnet actuator of the present invention, it is possible to reduce the ripple current (or peak current) during PWM control, thereby reducing the disturbance force caused by the ripple current, and reducing the instantaneous ripple current so that the required current capacity is reduced. This can be reduced so that the capacity of the power supply can be reduced.

또한, 도 9에 나타낸 바와 같이, 한 주기(Ts) 동안 전자석 액추에이터의 코일 양단에 인가되는 전압이 종래에는 2Vdc인데 비해 본 발명에서는 Vdc가 되므로 전압에 의한 노이즈가 감소하는 효과를 얻을 수 있고, 이에 전자석 액추에이터 가까이에 위치하게 되는 갭 측정 센서 등에 미치는 영향을 줄일 수 있으며, 또한 코일 절연에 필요한 내압을 줄이는 효과를 얻을 수 있다.In addition, as shown in Figure 9, the voltage applied to both ends of the coil of the electromagnet actuator for one period (Ts) is conventionally 2Vdc, but in the present invention is Vdc, so that the effect of reducing noise due to voltage can be obtained. The effect on the gap measuring sensor, which is located near the electromagnet actuator, can be reduced, and the effect of reducing the breakdown voltage required for coil insulation can be obtained.

통상적으로 전자석 액추에이터는 인덕턴스에 의한 전압강하(

Figure 112012089536110-pat00002
)가 저항에 의한 전압강하(Ri0)에 비해 훨씬 크므로, PWM 제어시의 짧은 순간 동안 저항은 무시될 수 있다.Typically, electromagnet actuators have a voltage drop due to inductance (
Figure 112012089536110-pat00002
) Is much larger than the voltage drop Ri 0 by the resistor, so the resistance can be neglected for a short time during PWM control.

따라서, 전자석 구동 제어 회로의 전압강하(V0)는 Therefore, the voltage drop V 0 of the electromagnet drive control circuit

Figure 112012089536110-pat00003
Figure 112012089536110-pat00004
로 근사화되며,
Figure 112012089536110-pat00005
로 나타낼 수 있다. 이에 k번째 제어 주기에서의 제어 전류 i0(k)에 대한 수식을 보면, 기존 PWM 방식은
Figure 112012089536110-pat00003
end
Figure 112012089536110-pat00004
Is approximated by
Figure 112012089536110-pat00005
. Therefore, the formula for the control current i 0 (k) in the k-th control period shows that the conventional PWM method

Figure 112012089536110-pat00006
(3)
Figure 112012089536110-pat00006
(3)

로 나타낼 수 있고, 본 구현예에서의 PWM 제어방식은 PWM control scheme in this embodiment

Figure 112012089536110-pat00007
(4)
Figure 112012089536110-pat00007
(4)

로 나타낼 수 있다..

PWM 제어에 의한 피크 전류 리플의 크기, 즉 리플 전류의 크기 △i0(k)는, 기존의 PWM 제어방식은 The magnitude of the peak current ripple by PWM control, that is, the magnitude of ripple current Δi 0 (k),

Figure 112012089536110-pat00008
(5)
Figure 112012089536110-pat00008
(5)

로 나타낼 수 있고, 본 구현예에서의 PWM 제어방식은 PWM control scheme in this embodiment

Figure 112012089536110-pat00009
(6)
Figure 112012089536110-pat00009
(6)

로 나타낼 수 있다..

아울러, 도 9에서와 같이, 기존 방식에서 X영역과 Y영역의 면적 차가 본 방식에서 Z영역의 면적과 동일하다는 사실을 이용하면, 듀티는 아래 식 (7)과 같아진다.In addition, as shown in FIG. 9, using the fact that the area difference between the X area and the Y area in the conventional method is equal to the area of the Z area in the present method, the duty becomes as shown in Equation (7) below.

Figure 112012089536110-pat00010
(7)
Figure 112012089536110-pat00010
(7)

이를 상기 식 (5)에 대입하면,Substituting this in the above formula (5),

Figure 112012089536110-pat00011
(8)
Figure 112012089536110-pat00011
(8)

이 된다..

상기 식 (8)과 (6)을 비교하면, 기존 방식에 의한 리플 전류의 최대값이 듀티가 작을 경우에는 10배 이상 커짐을 알 수 있다. 실제 자기부상 및 자기베어링 시스템은 안정된 정상상태에서는 높은 인덕턴스 때문에 전류의 변화율이 높지 않기 때문에 듀티가 0 근처가 된다.Comparing the above formulas (8) and (6), it can be seen that the maximum value of the ripple current by the conventional method increases by 10 times or more when the duty is small. In practice, magnetic levitation and magnetic bearing systems have a duty near zero because the rate of change of current is not high due to the high inductance at stable steady state.

전자석에서 발생하는 힘은 코일에 흐르고 있는 전류의 제곱에 비례하고 공극의 제곱에 반비례한다.The force generated in the electromagnet is proportional to the square of the current flowing in the coil and inversely proportional to the square of the void.

PWM 스위칭에 의한 전류 리플을 △ip 라고 하고, 전자석 코일에 흐르는 평균전류를 I0라고 하면, 전자석 코일의 출력 전류 i0 = I0 + △ip라고 할 수 있고, 전자석에서 발생하는 힘 f는 아래 식이 성립한다.If the current ripple due to PWM switching is Δip and the average current flowing through the electromagnet coil is I 0 , the output current i 0 = I 0 + Δ i p of the electromagnet coil, and the force f generated by the electromagnet is The following formula holds.

Figure 112012089536110-pat00012
Figure 112012089536110-pat00012

PWM 스위칭 시에, PWM 주파수만큼 전자석 엑추에이터에서 발생하는 외란 힘은 △ip에 비례하는 텀(term)과 △i2 p에 비례하는 텀으로 생각할 수 있다. 이때, 도 10에 나타낸 바와 같이, 스위칭 리플전류가 10배 줄어들면 전자석에서 발생하는 외란은 100배 이상 감소함을 알 수 있고, Dopt가 0.1 이하로 작은 값일 때에는 PWM 외란에 의한 영향을 상당히 줄일 수 있음을 알 수 있다.During the PWM switching, the disturbance force generated in the electromagnetic actuator as the PWM frequency can be thought of as a term which is proportional to the term (term) and △ p 2 i which is proportional to △ ip. At this time, as shown in FIG. 10, when the switching ripple current is reduced by 10 times, it can be seen that the disturbance generated in the electromagnet is reduced by 100 times or more, and when the Dopt value is smaller than 0.1, the influence of the PWM disturbance can be considerably reduced. It can be seen that.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Modified forms are also included within the scope of the present invention.

1 : 전자석 코어
2 : 전자석 코일
3 : 전자석 구동 제어 회로
4 : 전원부
10 : 제어부
11 : 듀티 제어기
12 : 방향 결정기
13 : 비례적분 제어기
14 : 비례제어기
15 : 오차보상기
16 : 비례적분미분 제어기
1: electromagnet core
2: electromagnet coil
3: electromagnet drive control circuit
4: power supply
10:
11: duty controller
12: direction determiner
13: proportional integral controller
14: proportional controller
15: Error compensator
16: proportional integral derivative controller

Claims (5)

전자석에 권선된 코일의 양단에 연결되는 전자석 구동 제어 회로와;
상기 전자석 구동 제어 회로에 대한 스위칭 소자의 개폐를 제어하는 듀티 제어기 및 방향 결정기를 포함하는 제어부;를 포함하며,
상기 전자석 구동 제어 회로는 전원부와, 상기 전원부의 양극과 상기 코일의 일단에 연결된 제1스위칭 소자와 상기 전원부의 음극과 상기 코일의 타단에 연결된 제2스위칭 소자를 포함하는 H-브릿지 스위칭 회로로 구성되며,
상기 방향 결정기에 의하여 상기 제2스위칭 소자는 코일 제어 전압의 부호에 따라 동작 제어되고, 상기 듀티 제어기에 의하여 상기 제1스위칭 소자는 코일 제어 전압과 상기 전원부로부터의 입력 전압의 비에 따라 듀티 제어되어, 세 가지 출력 전압 상태(Vdc, 0, -Vdc)로 전자석의 구동 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템.
An electromagnet drive control circuit connected to both ends of the coil wound on the electromagnet;
And a controller including a duty controller and a direction determiner for controlling opening and closing of the switching element with respect to the electromagnet driving control circuit.
The electromagnet driving control circuit includes an H-bridge switching circuit including a power supply unit, a first switching element connected to an anode of the power supply unit and one end of the coil, and a second switching element connected to a cathode of the power supply unit and the other end of the coil. ,
The second switching element is operation controlled by the direction determiner according to the sign of the coil control voltage, and by the duty controller the first switching element is duty controlled according to the ratio of the coil control voltage and the input voltage from the power supply. , PWM drive system of the electromagnet actuator for the magnetic levitation and magnetic bearing system, characterized in that for performing the drive control of the electromagnet in three output voltage states (Vdc, 0, -Vdc).
청구항 1에 있어서,
상기 듀티 제어기와 방향 결정기의 입력 측에는 듀티 제어기와 방향 결정기에 입력되는 코일 제어 전압을 산출하는 비례적분 제어기가 연결 구성되고, 상기 비례적분 제어기는 지령 전류와 궤환 전류의 차에 대해 비례적분 제어를 하여 코일 제어 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템.
The method according to claim 1,
A proportional integral controller for calculating a coil control voltage input to the duty controller and the direction determiner is connected to an input side of the duty controller and the direction determiner, and the proportional integral controller controls the proportional integral with respect to the difference between the command current and the feedback current. A PWM drive system for an electromagnet actuator for magnetic levitation and magnetic bearing systems, the coil control voltage being calculated.
청구항 1에 있어서,
상기 듀티 제어기와 방향 결정기의 입력 측에는 듀티 제어기와 방향 결정기에 입력되는 코일 제어 전압을 산출하는 비례제어기가 연결 구성되고, 상기 비례제어기는 오차보상기에서 출력되는 전류값과 궤환 전류의 차에 대해 비례 제어를 하여 코일 제어 전압을 산출하는 것을 특징으로 하는 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템.
The method according to claim 1,
A proportional controller for calculating a coil control voltage input to the duty controller and the direction determiner is connected to an input side of the duty controller and the direction determiner, and the proportional controller controls the proportion of the difference between the current value output from the error compensator and the feedback current. The PWM drive system of the electromagnet actuator for magnetic levitation and magnetic bearing system, characterized in that for calculating a coil control voltage.
청구항 3에 있어서,
상기 오차보상기는 입력받은 지령 전류에 (R+kp)/kp의 게인을 승산하여 산출한 전류값을 비례제어기 측으로 출력하는 것을 특징으로 하는 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템.
The method of claim 3,
The error compensator is a PWM drive system of an electromagnet actuator for magnetic levitation and magnetic bearing system, characterized in that for outputting the current value calculated by multiplying the received command current (R + kp) / kp gain to the proportional controller side.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 각 제어 주기(Ts) 마다 듀티 제어기를 통해 코일 제어 전압(Vc)으로부터 아래 ⅰ), ⅱ) 및 ⅲ)에 따라 듀티 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 자기부상 및 자기베어링 시스템용 전자석 액추에이터의 PWM 구동 시스템.
ⅰ) Vc>0인 경우, Da=Vc/Vdc, Db=1
ⅱ) Vc=0인 경우, Da=0, Db=1 or Da=1, Db=0
ⅲ) Vc<0인 경우, Da=1 - (-Vc/Vdc), Db=0
The method according to claim 1,
The control unit performs duty control according to the following i), ii) and i) from the coil control voltage Vc through the duty controller for each control period Ts. The electromagnetic actuator for the magnetic levitation and magnetic bearing system. PWM drive system.
Iii) Da = Vc / Vdc, Db = 1 when Vc> 0
Ii) when Vc = 0, Da = 0, Db = 1 or Da = 1, Db = 0
I) When Vc <0, Da = 1-(-Vc / Vdc), Db = 0
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