KR101460444B1 - 유도 전동기 벡터 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동작상 신뢰성이 향상된 직경 연산 없는 와인더 제어 알고리즘으로 동작하는 벡터제어장치를 제공한다. 본 발명은 전동기의 장력을 직경 연산 없이 제어하기 위한 벡터제어장치에 있어서, 제어할 전동기의 직경 연산값을 대신할 보상게인값과 외부에서 제공되는 지령선속도를 연산한 값에 PID 제어부에서 제공되는 PID 출력값을 가산하여, 상기 전동기의 장력을 일정하게 유지 시키기 위한 지령 속도 정보를 제공하는 장력속도 생성부; 및 상기 장력속도 생성부에서 제공하는 지령속도 정보를 수신받아 상기 전동기의 장력 제어를 수행하는 벡터 제어부를 구비하는 벡터 제어 장치를 제공한다.

Description

유도 전동기 벡터 제어장치{VECTOR CONTROLLER OF INDUCTION MOTOR}
본 발명은 인버터 제어 장치에 관련된 것으로 보다 자세하게는 직경 연산 없는 와인더 제어 알고리즘으로 동작하는 벡터제어장치에 관한 것이다.
철강, 제지, 섬유, 필름 산업과 같은 연속적인 제품 생산 라인에서는 여러 대의 전동기가 동시에 롤러들을 구동한다. 연속 공정용 롤러의 제어 목적은 라인의 선속도(Line Speed)를 일정하게 유지함과 동시에 소재에 걸리는 장력을 일정하게 유지하는 것이다. 롤러간의 속도 편차에 의해 과도한 장력이 발생하면 소재가 파단(破斷)될 수 있으며, 너무 낮은 장력이 발생하면 사행(蛇行)의 원인이 될 수 있다. 연속 공정 시스템에서 상위 제어기는 선속도 지령에 따라 소재의 직경 계산, 전동기 지령 토크를 계산하여 인버터에 지령하면 인버터는 지령 토크에 따라 전동기를 구동하게 된다. 따라서, 인버터에서 전동기를 얼마나 정확하게 제어하느냐에 따라 철강, 제지, 섬유, 필름 산업과 같은 연속적인 제품 생산 라인의 롤러들이 안정적으로 구동될 수 있는 것이다.
본 발명은 동작상 신뢰성이 향상된 직경 연산 없는 와인더 제어 알고리즘으로 동작하는 벡터제어장치를 제공한다.
본 발명은 전동기의 장력을 직경 연산 없이 제어하기 위한 벡터제어장치에 있어서, 제어할 전동기의 직경 연산값을 대신할 보상게인값과 외부에서 제공되는 지령선속도를 연산한 값에 PID 제어부에서 제공되는 PID 출력값을 가산하여, 상기 전동기의 장력을 일정하게 유지 시키기 위한 지령 속도 정보를 제공하는 장력속도 생성부; 및 상기 장력속도 생성부에서 제공하는 지령속도 정보를 수신받아 상기 전동기의 장력 제어를 수행하는 벡터 제어부를 구비하는 벡터 제어 장치를 제공한다.
상기 장력속도 생성부는 외부로 입력되는 PID 지령과 PID 피드백값을 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 비교기; 상기 비교기에서 출력되는 PID 값의 오차를 보상하기 위한 PID 출력을 출력하는 PID 제어기; 상기 PID 출력을 판단하여 상기 전동기의 직경값에 대응하는 보상 게인을 연산하는 보상 게인 연산기; 외부에서 상기 전동기의 제어을 위해 제공된 지령속도와 상기 보상게인을 곱한 지령속도를 제공하는 곱셈기; 및 상기 곱셈기에서 출력되는 지령속도와 상기 PID 제어기에서 출력되는 PID 출력을 더하는 가산기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벡터 제어장치가 상기 전동기를 제어하는 최종 지령속도 연산은 다음 식(지령속도[rad/s]= {(선속도지령[rad/s] *　보상게인(CompGain))+PID　출력[rad/s]})에 근거하여 연산되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 유도전동기 벡터 제어장치의 첫 번째 효과는 보상 게인 연산부에서 PID제어기 출력 값을 이용하여 보상 게인을 연산하는 것이다.
본 발명에 의한 유도전동기 벡터 제어장치의 두번째 효과는 연산된 보상 게인을 지령 선속에 적용하여 직경 연산 없이도 PID 제어기 외에 장력을 유지시키기 위한 선속 보상을 함으로서, 직경 연산을 사용하지 않고 장력을 일정하게 유지시키기 위한 직경 연산 없는 와인더 속도 제어 알고리즘을 구현할 수 있다.
도1은 본 발명을 설명하기 위해 제시된 직경 연산 없는 속도 제어 와인더 알고리즘에 대한 블록 구성도.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 직경 연산 없는 속도 제어 와인더 알고리즘에 대한 블록 구성도.
도3은 도2에 도시된 보상게인 연산기를 나타내는 블럭도.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은 연속 공정 라인에서 인버터에 선속도와 기준 장력을 지령하였을 때 직경 연산 기능을 사용하지 않고 실제 소재의 직경 변화에 따른 전동기의 지령 토크를 계산하여 인버터의 일정한 장력을 유지하여 소재의 파단 및 사행이 발생하지 않도록 장력 제어를 할 수 있는 직경 연산 없는 속도 제어 와인더 알고리즘에 관한 것이다.
소재의 직경에 따른 전동기 지령속도 및 장력 제어(Tension Control)를 인버터에서 연산하여 전동기를 구동하게 된다. 이 경우 인버터는 직경 연산 알고리즘을 사용하여 이로부터 구한 직경을 전동기 지령속도 및 장력 제어를 하는데 사용하며, 장력 PID 제어기는 순간적인 장력 보상을 해준다.
본 발명은 벡터 인버터에 와인더 기능을 갖추어 장력 PID 제어기를 이용하여 전동기 지령 토크 및 장력 제어를 하는데 있어서, 소재의 직경 연산을 사용하지 않는 새로운 직경 연산 없는 속도 제어 와인더 알고리즘을 제안하여 인버터의 기능을 향상시키도록 한 것이다.
도1은 본 발명을 설명하기 위해 제시된 유도전동기 벡터 제어장치를 나타내는 블럭도이다.
도1을 참조하여 살펴보면, 유도전동기 벡터 제어장치는 장력속도 생성부(100)와, 벡터 제어부(200)를 포함한다.
장력속도 생성부(100)는 비교기(10), PID 제어기(11), 직경 연산기(12), 가산기(1) 및 지령속도 연산부(2)를 포함한다.
비교기(10)는 외부로부터 입력되는 지령속도와, 외부로부터 입력되는 PID 지령과 실제 PID 피드백값(Fbk)을 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력한다. PID 제어기(11)는 비교기(10)에서 출력되는 PID 값의 오차를 보상하기 위한 PID 출력을 출력한다. 가산기(1)는 외부로부터 입력되는 지령속도와 PID 제어기(11)에서 출력되는 PID 출력을 더한다. 직경 연산기(12)는 지령 선속도 및 최대 선속 지령에서의 전동기의 최고 속도(RPMmax)와 최소 직경(Dmin), 속도 검출기(19)로부터 검출한 회전 속도를 이용하여 직경을 연산한다. 지령속도 연산부(2)는 가산기(1)에서 출력되는 속도에 직경 연산기(12)로부터 구한 직경 값을 적용하여 지령속도를 연산한다.
벡터 제어부(200)는 비교기(3), 속도 제어기(4), 비교기(5), 전류 제어기(6), 전압 좌표변환기(7), 3상 전압변환기(8), 벡터제어 인버터(9), 비교기(13), 슬립 연산기(14), 가산기(15), 적분기(16), 전류 좌표변환기(17), 전류변환기(18)를 구비한다.
비교기(3)는 유도전동기(20)의 회전 속도를 검출하는 속도 검출기(19)와, 속도 검출기(19)에서 검출한 회전 속도(
Figure 112013059823049-pat00001
)와, 지령속도 연산부(2)로부터 출력되는 지령치(
Figure 112013059823049-pat00002
)를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력한다. 비교기(5)는 비교기(3)에서 출력되는 속도에 의한 오차를 보상하기 위한 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00003
)를 출력하는 속도 제어기(4)와, 속도 제어기(4)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00004
)와 실제 토크 전류(
Figure 112013059823049-pat00005
)를 비교하여 출력한다. 비교기(13)는 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00006
)와 실제 출력되는 자속 전류(
Figure 112013059823049-pat00007
)를 비교하여 출력한다. 전류 제어기(6)는 비교기(5)와 비교기(13)에서 비교된 후 출력되는 토크분 전류와 자속분 전류를 제어기를 통해 각각 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00008
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00009
)를 생성하여 출력한다. 전압 좌표변환기(7)는 전류 제어기(6)에서 출력되는 회전좌표에서의 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00010
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00011
)를 회전좌표에서 고정좌표로 변환시켜 출력한다. 3상 전압변환기(8)는 전압 좌표변환기(7)에서 출력된 고정좌표에서의 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00012
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00013
)를 고정좌표의 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00014
,
Figure 112013059823049-pat00015
,
Figure 112013059823049-pat00016
)으로 변환시켜 출력한다. 벡터제어 인버터(9)는 3상 전압변환기(8)의 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00017
,
Figure 112013059823049-pat00018
,
Figure 112013059823049-pat00019
)을 유도전동기(20)로 인가하여 회전시키도록 한다. 2상 전류변환기(18)는 유도 전동기(20)에서 회전시 검출되는 3상 전류(
Figure 112013059823049-pat00020
,
Figure 112013059823049-pat00021
,
Figure 112013059823049-pat00022
)를 받아 고정좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 전류(
Figure 112013059823049-pat00023
,
Figure 112013059823049-pat00024
)를 출력한다. 전류 좌표변환기(17)는 2상 전류변환기(18)에서 출력되는 고정좌표의 전류(
Figure 112013059823049-pat00025
,
Figure 112013059823049-pat00026
)를 회전좌표의 실제 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00027
)와 토크분 전류(
Figure 112013059823049-pat00028
)로 변환시켜 출력한다. 슬립 연산기(14)는속도 제어기(4)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00029
)와 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00030
)와 유도 전동기 회전자 시정수(
Figure 112013059823049-pat00031
)를 이용하여 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00032
)를 계산한다. 가산기(15)는 슬립 연산기(14)에서 계산된 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00033
)와 속도 검출기(19)에서 검출된 속도(
Figure 112013059823049-pat00034
)를 더한다. 적분기(16)는 가산기(15)에서 더한 값을 적분하여 전압 좌표변환기(7)와 전류 좌표변환기(17)에서 사용되는 회전자 자속의 위치(
Figure 112013059823049-pat00035
)를 설정하여 준다.
계속해서, 도1에 도시된 벡터제어장치에 대해 설명한다. 유도전동기(20)가 회전하게 되면 속도 검출기(19)에서 회전속도(
Figure 112013059823049-pat00036
)를 검출하고, 그 검출한 속도를 출력한다. 외부로부터 입력되는 지령속도와, 외부로부터 입력되는 PID 지령과 실제 PID 피드백값(Fbk)을 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 비교기(10)의 출력오차를 보상하기 위한 PID 출력을 출력하는 PID 제어기(11)의 출력을 더하는 가산기(1)로 속도를 출력한다.
지령 선속도 및 최대 선속 지령에서의 전동기의 최고 속도(RPMmax)와 최소 직경(Dmin), 속도 검출기(19)로부터 검출한 회전 속도를 이용하여 직경을 연산하는 직경 연산기(12)로부터 출력된 직경 값을 가산기(1)에서 출력되는 속도에 적용하여 최종 속도 지령(
Figure 112013059823049-pat00037
)을 연산하는 지령속도 연산부(2)의 출력이 비교기(3)의 비반전단자(+)로 입력되면, 비교기(3)는 그의 반전단자(-)로 입력되는 속도 검출기(19)로부터의 회전 속도(
Figure 112013059823049-pat00038
)를 받아 두 값의 오차를 구하여 속도 제어기(4)로 출력한다.
또한 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00039
)를 비교기(13)의 비반전단자(+)로 입력한다. 유도전동기(20)의 회전시 유도전동기(20)에서 검출한 3상 전류(
Figure 112013059823049-pat00040
,
Figure 112013059823049-pat00041
,
Figure 112013059823049-pat00042
)를 2상 전류변환기(18)에서 고정좌표계 2상 전류(
Figure 112013059823049-pat00043
,
Figure 112013059823049-pat00044
)를 각각 출력한다. 2상 전류변환기(18)에서 출력한 고정좌표계 2상 전류(
Figure 112013059823049-pat00045
,
Figure 112013059823049-pat00046
)는 전류 좌표변환기(17)에 입력되어 회전좌표의 실제 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00047
)와 토크분 전류(
Figure 112013059823049-pat00048
)를 출력한다. 이에 전류 좌표변환기(17)에서 출력되는 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00049
)는 비교기(13)의 반전단자(-)로 출력한다. 그러면 비교기(13)는 외부로부터 입력되는자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00050
)와 전류 좌표변환기(17)에서 출력되는 실제 자속 전류(
Figure 112013059823049-pat00051
)와의 오차를 구하여 전류 제어기(6)로 출력한다. 그리고 비교기(5)는 속도제어기(4)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00052
)를 비반전단자(+)로 입력받고 전류 좌표변환기(17)에서 출력되는 실제 토크 전류(
Figure 112013059823049-pat00053
)를 반전단자(-)로 입력받아 두 값의 오차를 구하고, 그 구한 오차를 전류 제어기(6)로 출력한다. 그러면 비교기에서 출력되는 토크분 전류와 비교기에서 출력되는 자속분 전류를 입력으로 받은 전류 제어기(6)는 제어를 통하여 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00054
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00055
) 를 전압 좌표변환기(7)로 출력한다. 전압 좌표변환기(7)는 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00056
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00057
)를 입력으로 받아 3상 전압변환기(8)를 통해 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00058
,
Figure 112013059823049-pat00059
,
Figure 112013059823049-pat00060
)으로 변환시켜 벡터제어 인버터(9)로 제공한다. 이에 벡터제어 인버터(9)는 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00061
,
Figure 112013059823049-pat00062
,
Figure 112013059823049-pat00063
)을 유도전동기(20)에 인가한다. 따라서 유도전동기(20)는 회전하고, 이때 전류 좌표변환기(18)와 2상 전류변환기(17)를 통해 실제 회전좌표로 d 축과 q 축으로 변환한 실제 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00064
)와 토크분 전류(
Figure 112013059823049-pat00065
)를 생성하고, 이렇게 생성된 전류중 자속 전류(
Figure 112013059823049-pat00066
)는 비교기(13)로 출력하고, 토크 전류(
Figure 112013059823049-pat00067
)는 비교기로 출력한다. 그리고 슬립 연산기(14)는 속도 제어기(4)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00068
)와 외부로부터 입력되는자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00069
)와 유도전동기 회전자 시정수를 이용하여 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00070
)를 계산하여 가산기(15)의 일측단자로 출력한다.
그러면, 가산기(15)는 속도 검출기(19)에서 출력되는 속도(
Figure 112013059823049-pat00071
)와 슬립 연산기(14)에서 출력되는 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00072
)을 더하여 적분기(16)로 출력하고, 적분기(16)는 가산기(15)에서 출력되는 값에 대하여 적분한 값즉, 회전자 자속의 위치(
Figure 112013059823049-pat00073
)를 전압 좌표변환기(7)와 전류 좌표변환기(17)로 출력한다. 따라서 전압 좌표변환기(7)와 전류 좌표변환기(17)는 적분기(16)로부터 입력되는 회전자 자속의 위치(
Figure 112013059823049-pat00074
)에 따라 좌표변환을 제어하고, 이후의 동작은 앞에서 언급한 바와 같다.
지금까지 살펴본 벡터제어장치는 장력을 유지시키기 위한 토크 지령을 얻기 위해 기본적으로 연산된 직경 값을 적용하여 지령속도를 출력하게 된다. 이때 직경의 연산을 위해서는 사용자가 와인더 시스템의 정확한 최대 선속, 보빈(Bobbin)직경, 기어비를 알아야 한다. 그러나 실제로 다양한 직경의 보빈이 사용되는 곳이 있거나, 직경 연산을 위한 정확한 측정값을 얻을 수 없을 경우가 있는데, 이때 직경 연산 기능을 사용하지 않게 되면, PID 제어기로만 실제 직경 변화에 따른 토크 지령 변동 값을 보상하게 된다. 이러한 경우, PID 제어기가 포화되어 순간적인 변동에 따라 빠른 제어를 할 수 없게 된다. 따라서 직경 연산기 없이도 PID 제어기 출력 값이 포화되지 않고, 실제적인 직경 변화에 대응할 수 있는 제어 기술에 대한 필요성이 제기된다.
이를 해결하기 위해, 본 발명의 벡터제어장치는 상위 제어기가 인버터에 선속도와 장력을 지령하였을 때, 인가된 선속에 직경값을 대신 할 보상 게인(Comp Gain)값을 적용하여 지령 선속을 연산한 후, 인가된 장력 지령과 장력 센서를 통해 얻은 장력 측정값을 이용하여 연산된 PID 제어기 출력 값을 지령 선속에 더하여 장력을 일정하게 유지시키기 위한 지령속도를 연산한다. 이때, PID 제어기 출력 값은 포화 되지않도록 하기 위해 보상 게인 연산에 사용된다. 계산된 최종 지령속도를 이용하여 전동기를 구동하는 연속 공정 라인에서 직경 연산기를 사용하지 않는 직경 연산 없는 와인더 제어 알고리즘을 구현함으로써 벡터 제어 방식의 인버터의 기능 향상을 기대할 수 있다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 직경 연산 없는 속도 제어 와인더 알고리즘에 대한 블록 구성도이고, 도3은 도2에 도시된 보상게인 연산기를 나타내는 블럭도이다.
도2를 참조하여 살펴보면, 본 실시예에 따른 직경 연산 없는 속도 제어 와인더 알고리즘을 구현하는 벡터 제어장치는 장력속도 생성부(300) 및 벡터 제어부(400)를 구비한다.
장력속도 생성부(300)는 곱셈기(31) 및 가산기(32), 보상 게인 연산기(40), PID 제어기(41) 및 비교기(43)를 포함한다.
곱셈기(31)는 외부에서 전동기(50)의 제어를 위해 제공된 지령속도와 보상게인 연산기(40)에서 출력되는 보상게인을 곱한 지령속도를 제공한다. 가산기(32)는 곱셈기(31)에서 출력되는 지령속도와 PID 제어기(41)에서 출력되는 PID 출력을 더한다. 비교기(43)는 외부로 입력되는 PID 지령과 PID 피드백값(Fbk)을 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력한다. PID 제어기(41)는 비교기(43)에서 출력되는 PID 값의 오차를 보상하기 위한 PID 출력을 출력한다. 보상 게인 연산기(40)는 PID 제어기(41)의 PID 출력을 판단하여 상기 전동기의 직경값에 대응하는 보상 게인을 연산한다.
또한, 속도 검출기(49)는 유도전동기(50)의 회전 속도를 검출한다.
벡터 제어부(400)는 비교기(33), 속도 제어기(34), 비교기(35), 전류 제어기(36), 전압 좌표변환기(37), 3상 전압변환기(38), 벡터제어 인버터(39), 비교기(42), 슬립 연산기(44), 가산기(45), 적분기(46), 전류 좌표변환기(47), 전류변환기(48)를 구비한다.
비교기(33)는 속도 검출기(49)에서 검출한 회전 속도(
Figure 112013059823049-pat00075
)와, 가산기(32)로부터 출력되는 지령치(
Figure 112013059823049-pat00076
)를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력한다. 속도 제어기(34)는 비교기(33)에서 출력되는 속도에 의한 오차를 보상하기 위한 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00077
)를 출력한다. 비교기(35)는 속도 제어기(34)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00078
)와 실제 토크 전류(
Figure 112013059823049-pat00079
)를 비교하여 출력한다. 비교기(42)는 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00080
)와 실제 출력되는 자속 전류(
Figure 112013059823049-pat00081
)를 비교하여 출력한다.
전류 제어기(36)는 비교기(35)와 비교기(42)에서 비교된 후 출력되는 토크분 전류와 자속분 전류를 제어기를 통해 각각 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00082
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00083
)를 생성하여 출력한다.
전압 좌표변환기(37)는 전류 제어기(6)에서 출력되는 회전좌표에서의 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00084
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00085
)를 회전좌표에서 고정좌표로 변환시켜 출력한다.
3상 전압변환기(38)는 전압 좌표변환기(37)에서 출력된 고정좌표에서의 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00086
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00087
)를 고정좌표의 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00088
,
Figure 112013059823049-pat00089
,
Figure 112013059823049-pat00090
)으로 변환시켜 출력한다. 벡터제어 인버터(39)는 3상 전압변환기(38)의 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00091
,
Figure 112013059823049-pat00092
,
Figure 112013059823049-pat00093
)을 유도전동기(50)로 인가하여 회전시키도록 한다.2상 전류변환기(48)는 유도전동기(50)에서 회전시 검출되는 3상 전류(
Figure 112013059823049-pat00094
,
Figure 112013059823049-pat00095
,
Figure 112013059823049-pat00096
)를 받아 고정좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 전류(
Figure 112013059823049-pat00097
,
Figure 112013059823049-pat00098
)를 출력한다.
전류 좌표변환기(17)는 2상 전류변환기(48)에서 출력되는 고정좌표의 전류(
Figure 112013059823049-pat00099
,
Figure 112013059823049-pat00100
)를 회전좌표의 실제 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00101
)와 토크분 전류(
Figure 112013059823049-pat00102
)로 변환시켜 출력한다. 슬립 연산기(44)는 속도 제어기(34)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00103
)와 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00104
)와 유도 전동기 회전자 시정수(
Figure 112013059823049-pat00105
)를 이용하여 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00106
)를 계산한다. 가산기(45)는 슬립 연산기(44)에서 계산된 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00107
)와 속도 검출기(49)에서 검출된 속도(
Figure 112013059823049-pat00108
)를 더한다. 적분기(46)는 가산기(45)에서 더한 값을 적분하여 전압 좌표변환기(37)와 전류 좌표변환기(47)에서 사용되는 회전자 자속의 위치(
Figure 112013059823049-pat00109
)를 설정하여 준다.
이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 유도전동기 벡터 제어장치에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
초기에 설정된 보상게인(Comp Gain) 값이 인가된 지령 선속도에 곱해져 선속 지령이 출력된다. 이 출력된 선속에 PID 제어기(41)의 출력을 더하여 최종 지령속도(
Figure 112013059823049-pat00110
)가 출력된다. 와인더의 운전이 진행됨에 따라 소재의 직경은 변화하게 되고, 이러한 변화에 따라 장력도 변하게 된다. 이때 장력을 일정하게 유지시키기 위해 PID제어기(41)를 통하여 지령속도 값을 변화시키게 되는데, PID 제어기(41)의 출력 값이 일정 설정 값(PID Output 제한 값) 이상이 되면, 보상 게인 연산기(40)에서 보상 게인(Comp Gain) 값을 자동으로 가감하여 지령 선속에 곱셈기(31)를 통하여 그 값을 보상하게 되어, PID 제어기(41)에서 변화시키는 속도 값을 줄일 수 있게 된다. 보상 게인 연산기(40)은 도3과 같이 자세히 나타낼 수 있다.
연산된 보상 게인(Comp Gain)과 PID제어기(11) 출력을 통한 최종 지령속도 연산은 다음 식(1)에 근거하여 연산된다.
지령속도[rad/s]= {(선속도지령[rad/s] *　보상게인(CompGain))+PID　출력[rad/s]} 식(1)
가산기(32)에서 연산한 속도 지령치(
Figure 112013059823049-pat00111
)가 비교기(33)의 비반전 단자(+)로 입력되면, 비교기(33)는 그의 반전단자(-)로 입력되는 속도 검출기(49)로부터의 회전 속도(
Figure 112013059823049-pat00112
)를 받아 두 값의 오차를 구하여 속도 제어기(34)로 출력한다. 속도 제어기(34)의 출력은 비교기(35)의 비반전 단자(+)로 입력된다. 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00113
)를 비교기(42)의 비반전단자(+)로 입력한다. 유도전동기(50)의 회전시 유도전동기(50)에서 검출한 3상 전류(
Figure 112013059823049-pat00114
,
Figure 112013059823049-pat00115
,
Figure 112013059823049-pat00116
)를 2상 전류변환기(48)에서 고정좌표계 2상 전류(
Figure 112013059823049-pat00117
,
Figure 112013059823049-pat00118
)를 각각 출력한다. 2상 전류변환기(48)에서 출력한 고정좌표계 2상 전류(
Figure 112013059823049-pat00119
,
Figure 112013059823049-pat00120
)는 전류 좌표변환기(47)에 입력되어 회전 좌표의 실제 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00121
)와 토크분 전류(
Figure 112013059823049-pat00122
)를 출력한다. 이에 전류 좌표변환기(47)에서 출력되는 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00123
)는 비교기(42)의 반전단자(-)로 출력한다.
그러면, 비교기(42)는 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00124
)와 전류 좌표변환기(47)에서 출력되는 실제 자속 전류(
Figure 112013059823049-pat00125
)와의 오차를 구하여 전류 제어기(36)로 출력한다. 그리고 비교기(35)는 속도 제어기(34)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00126
)를 비반전단자(+)로 입력받고, 전류 좌표변환기(47)에서 출력되는 실제 토크 전류(
Figure 112013059823049-pat00127
)를 반전단자(-)로 입력받아 두 값의 오차를 구하고, 그 구한 오차를 전류 제어기(36)로 출력한다. 그러면 비교기(35)에서 출력되는 토크분 전류와 비교기(42)에서 출력되는 자속분 전류를 입력으로 받은 전류 제어기(36)는 제어를 통하여 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00128
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00129
) 를 전압 좌표변환기(47)로 출력한다. 전압 좌표변환기(37)는 자속분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00130
)와 토크분 전압 지령치(
Figure 112013059823049-pat00131
)를 입력으로 받아 3상 전압변환기(38)를 통해 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00132
,
Figure 112013059823049-pat00133
,
Figure 112013059823049-pat00134
)으로 변환시켜 벡터제어 인버터(39)로 제공한다. 이에 벡터제어 인버터(39)는 3상 전압(
Figure 112013059823049-pat00135
,
Figure 112013059823049-pat00136
,
Figure 112013059823049-pat00137
)을 유도전동기(50)에 인가한다. 따라서 유도전동기(50)는 회전하고, 이 때 전류 좌표변환기(47)와 2상 전류변환기(48)를 통해 실제 회전좌표로 d 축과 q 축으로 변환한 실제 자속분 전류(
Figure 112013059823049-pat00138
)와 토크분 전류(
Figure 112013059823049-pat00139
)를 생성하고, 이렇게 생성된 전류 중 자속 전류(
Figure 112013059823049-pat00140
)는 비교기(42)로 출력하고, 토크 전류(
Figure 112013059823049-pat00141
)는 비교기(35)로 출력한다.
그리고 슬립 연산기(44)는 속도 제어기(34)에서 출력되는 토크 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00142
)와 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(
Figure 112013059823049-pat00143
)와 유도전동기 회전자 시정수(Tr)를 이용하여 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00144
)를 계산하여 가산기(45)의 일측 단자로 출력한다. 그러면 가산기(45)는 속도 검출기(49)에서 출력되는 속도(
Figure 112013059823049-pat00145
)와 슬립 연산기(44)에서 출력되는 슬립 주파수(
Figure 112013059823049-pat00146
)을 더하여 적분기(46)로 출력하고, 적분기(46)는 가산기(45)에서 출력되는 값에 대하여 적분한 값즉, 회전자 자속의 위치(
Figure 112013059823049-pat00147
)를 전압 좌표변환기(37)와 전류 좌표변환기(47)로 출력한다. 따라서 전압 좌표변환기(37)와 전류 좌표변환기(47)는 적분기(46)로부터 입력되는 회전자 자속의 위치(
Figure 112013059823049-pat00148
)에 따라 좌표변환을 제어하고, 이후의 동작은 앞에서 언급한 바와 같다.
지금까지 살펴본 본 실시예에 따른 유도전동기 벡터 제어장치의 첫 번째 효과는 보상 게인 연산부(40)에서 PID제어기(41) 출력 값을 이용하여 보상 게인(Comp Gain)을 연산한다. 두번째 효과는 연산된 보상 게인(Comp Gain)을 지령 선속에 적용하여 직경 연산 없이도 PID 제어기(41) 외에 장력을 유지 시키기 위한 선속 보상을 한다. 이로써 직경 연산을 사용하지 않고 장력을 일정하게 유지시키기 위한 직경 연산 없는 와인더 속도 제어 알고리즘을 구현할 수 있다.
이상에서 대표적인 실예를 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 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 전동기의 장력을 직경 연산 없이 제어하기 위한 벡터제어장치에 있어서,
    제어할 전동기의 직경 연산값을 대신할 보상게인값과 외부에서 제공되는 지령선속도를 연산한 값에 PID 제어부에서 제공되는 PID 출력값을 가산하여, 상기 전동기의 장력을 일정하게 유지시키기 위한 지령 속도 정보를 제공하는 장력속도 생성부; 및
    상기 장력속도 생성부에서 제공하는 지령속도 정보를 수신받아 상기 전동기의 장력 제어를 수행하는 벡터 제어부
    를 구비하는 벡터 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 장력속도 생성부는 외부로 입력되는 PID 지령과 PID 피드백값을 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 비교기;
    상기 비교기에서 출력되는 PID 값의 오차를 보상하기 위한 PID 출력을 출력하는 PID 제어기;
    상기 PID 출력을 판단하여 상기 전동기의 직경값에 대응하는 보상 게인을 연산하는 보상 게인 연산기;
    외부에서 상기 전동기의 제어을 위해 제공된 지령속도와 상기 보상게인을 곱한 지령속도를 제공하는 곱셈기; 및
    상기 곱셈기에서 출력되는 지령속도와 상기 PID 제어기에서 출력되는 PID 출력을 더하는 가산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 벡터 제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 벡터 제어장치가 상기 전동기를 제어하는 최종 지령속도 연산은 다음 식(2)에 근거하여 연산되는 것을 특징으로 하는 벡터 제어장치.
    지령속도[rad/s]= {(선속도지령[rad/s] *　보상게인(CompGain))+PID　출력[rad/s]} 식(2)
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