KR102272110B1 - 속도와 토크를 안정적으로 제어하는 모터 제어 장치 - Google Patents

속도와 토크를 안정적으로 제어하는 모터 제어 장치 Download PDF

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권용길
다까미츠 이시이
권예성
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Abstract

본 발명은, 모터에 전력을 공급하는 인버터; 모터의 회전속도에 대응하는 펄스를 생성하는 펄스 발생수단; 모터로 공급되는 전류를 감지하는 전류 감지수단; 펄스 발생수단과 전류 감지수단을 통해 각각 획득한 펄스 정보와 전류 정보를 피드백하고 비례적분연산을 수행하여 토크지령과 속도지령을 생성하는 PI제어부와, 상기 토크지령과 상기 속도지령을 이용하여 PWM제어신호를 생성한 후 상기 인버터에 공급하는 벡터제어부를 구비하는 제어 CPU를 포함하며, 상기 PI제어부는, 모터의 펄스 피드백 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR)보다 크거나 같으면 목표슬립 S1(t)을 산출하고 상기 목표슬립 S1(t)를 이용하여 상기 속도지령을 보정하는 모터 제어 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 비교적 간단하고 저렴한 센서를 사용하면서도 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있으므로 모터의 생산 단가를 크게 낮출 수 있는 이점이 있다. 또한 새로운 모터 제어 알고리즘을 적용하여 모터의 속도제어, 슬립 제어, 토크 제어, 위치 제어 등을 보다 안정적으로 수행할 수 있다.

Description

속도와 토크를 안정적으로 제어하는 모터 제어 장치{Motor control device which can control speed and torque stably}
본 발명은 모터 제어장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 다양한 센서 조합을 통해 모터의 속도와 전류를 검출하고 이를 이용하여 모터의 속도와 토크를 안정적으로 제어할 수 있는 모터 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 모터의 성능 요소에는 회전속도와 토크가 포함되며, 장치의 운전속도 및/또는 부하가 일정하지 않은 경우에는 회전속도 및/또는 토크를 실시간으로 제어하기 위하여 모터 제어 장치를 사용한다.
모터 제어 장치의 제어방식은, VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)제어, 센서리스 벡터제어, 센서 피드백 벡터제어 등으로 구분되며, 정밀제어가 요구되는 로봇, 전기자동차, 정밀기계 등에서는 일반적으로 센서 피드백 벡터제어 방식이 적용되고 있다.
센서 피드백 벡터제어는, 모터 회전축의 단부에 설치된 엔코더(encoder), 모터 전원선에 설치된 홀 이펙트 전류센서 등의 센서에서 검출한 신호를 피드백하여 속도와 토크를 제어하는 방식이다.
구체적으로는, 엔코더가 모터 회전에 대응하여 출력하는 펄스 신호를 이용하여 모터의 속도, 위치, 위상각 등을 제어하는 한편, 모터에 인가되는 전류의 세기를 조절하여 모터의 토크를 제어한다.
그런데 엔코더, 전류센서 등의 센서를 사용하면 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있는 이점은 있으나, 고가의 부품이기 때문에 모터의 생산단가가 높아지는 문제가 있다.
따라서, 엔코더, 전류센서 등과 같은 전통적인 센서를 대신하여 비교적 간단하고 저렴한 센서를 사용하면서도 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있는 제어 기법을 개발할 필요가 있다.
특히, 최근 들어 컴퓨터 및 통신 기술의 발전으로 인해 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)의 연산속도와 통신속도가 획기적으로 빨라졌을 뿐만 아니라 메모리 기술의 발전으로 인해 데이터 저장용량이 극대화되었으므로 이를 활용한 새로운 모터 제어 기법을 개발할 필요가 있다.
또한 모터의 속도제어, 슬립 제어, 토크 제어, 위치 제어 등을 보다 안정적으로 수행할 수 있는 새로운 모터 제어 기법을 개발할 필요가 있다.
한국등록특허 제10-1306846호(2013.09.10 공고)
본 발명은 이러한 배경에서 안출된 것으로서. 비교적 간단하고 저렴한 센서를 사용하면서도 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있는 모터 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 또한 모터의 속도제어, 슬립 제어, 토크 제어, 위치 제어 등을 보다 안정적으로 수행할 수 있는 새로운 모터 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 모터에 전력을 공급하는 인버터; 모터의 회전속도에 대응하는 펄스를 생성하는 펄스 발생수단; 모터로 공급되는 전류를 감지하는 전류 감지수단; 펄스 발생수단과 전류 감지수단을 통해 각각 획득한 펄스 정보와 전류 정보를 피드백하고 비례적분연산을 수행하여 토크지령과 속도지령을 생성하는 PI제어부와, 상기 토크지령과 상기 속도지령을 이용하여 PWM제어신호를 생성한 후 상기 인버터에 공급하는 벡터제어부를 구비하는 제어 CPU를 포함하며, 상기 PI제어부는, 모터의 펄스 피드백 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR)보다 크거나 같으면 다음의 수학식을 이용하여 목표슬립 S1(t)을 산출하고 상기 목표슬립 S1(t)를 이용하여 상기 속도지령을 보정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치를 제공한다.
Figure 112021006904994-pat00001
(SmaxL: 모터가 정격주파수(fR)에서 최대부하일 때의 슬립값, SHIGH: 모터의 현재 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR) 보다 클 때의 상승 슬립값, C3: 상수)
본 발명의 일 양상에 따른 모터 제어 장치에서, 상기 PI제어부는, 상기 수학식을 통해 산출된 목표슬립 S1(t)이 슬립허용값(SLIM) 보다 크면, 산출된 목표슬립 S1(t)을 슬립허용값(SLIM)으로 보정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 모터 제어 장치에서, 상기 PI제어부는, 모터의 펄스 피드백 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR)보다 작으면 다음의 수학식을 이용하여 목표슬립 S2(t)을 산출하고 상기 목표슬립 S2(t)를 이용하여 상기 속도지령을 보정할 수 있다.
Figure 112021006904994-pat00002
(SmaxL: 모터가 정격주파수(fR)에서 최대부하일 때의 슬립값, So: 모터가 전력이 공급된 상태에서 정지하고 있을 때의 슬립값, SLIM: 해당 모터의 슬립허용값(최대슬립))
또한 본 발명의 일 양상에 따른 모터 제어 장치에서, 상기 PI제어부는 모터의 토크보정기준값(A)을 다음의 수학식을 이용하여 산출하고, 상기 토크보정기준값(A)이 직전 주기의 목표토크(T)보다 크면 상기 직전 주기의 목표토크(T)를 다음 주기의 토크지령값(T(t))으로 설정하고, 상기 토크보정기준값(A)이 상기 직전 주기의 목표토크(T)보다 작거나 같으면 직전 주기의 목표토크(T)를 보정하여 다음 주기의 토크지령값(T(t))을 산출할 수 있다.
Figure 112021006904994-pat00003
(Kp: 비례이득, Ki: 적분이득, e(t): 모터의 속도편차, ∑e(t)는 모터의 누적 속도편차, C1, C2: 상수)
또한 본 발명의 일 양상에 따른 모터 제어 장치에서, 상기 펄스 발생수단은, 모터의 회전축 단부에 결합된 엔코더(encoder)이거나, 모터의 내부에서 회전자의 회전방향을 따라 동일한 각도 간격으로 다수 개 설치된 위치감지센서이고, 상기 전류 감지수단은, 모터에 연결된 전원선에서 모터에 인가되는 전류를 직접 감지하는 전류센서이거나, 인버터의 내부에서 검출된 전압을 이용하여 모터에 인가되는 전류를 간접적으로 추론하는 전류추정수단일 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 모터 제어 장치에서, 상기 전류추정수단은, 상기 인버터 내부의 (-)전원선에 설치된 션트저항(R)의 선단 또는 후단에서 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 전압 피드백 라인; 상기 전압 피드백 라인을 통해 입력된 전압 값을 사전 실험이나 기계 학습을 통해 저장해 둔 테이블과 대비하여 모터로 인가되는 전류의 세기를 추론하는 전류세기 판단부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 모터 제어 장치에서, 상기 인버터 내부의 (+)전원선과 (-)전원선의 사이에는, 직렬로 연결된 제1 스위칭소자(Q1), 제2 스위칭소자(Q2) 및 제1 분압저항(R1), 직렬로 연결된 제3 스위칭소자(Q3), 제4 스위칭소자(Q4) 및 제2 분압저항(R2), 직렬로 연결된 제5 스위칭소자(Q5), 제6 스위칭소자(Q6) 및 제3 분압저항(R3) 이 서로 병렬로 배치되고, 상기 전류추정수단은, 상기 제1 분압저항(R1)과 상기 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 제1 전압 피드백 라인과, 상기 제2 분압저항(R2)과 상기 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 제2 전압 피드백 라인과, 상기 제3 분압저항(R3)과 상기 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 제3 전압 피드백 라인과, 상기 제1 내지 제3 전압 피드백 라인을 통해 각각 입력된 전압 값을 사전 실험이나 기계 학습을 통해 저장해 둔 테이블과 대비하여 모터로 인가되는 전류의 세기를 추론하는 전류세기 판단부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 모터 제어 장치에서, 상기 PI제어부는 상기 펄스 발생수단에서 생성한 펄스를 카운트하여 위치제어를 수행하되, 가속구간은 n(n=2 보다 큰 정수) 개의 서브 가속구간으로 분할하고 각 서브 가속구간마다 목표 속도를 설정하고 목표 속도를 달성하기 위한 속도 지령을 생성하되, 각 서브 가속구간마다 설정된 개수의 펄스가 감지되면 다음 서브 가속구간의 목표 속도를 달성하기 위한 속도지령을 생성하고, 감속구간은 m(m=2 보다 큰 정수) 개의 서브 감속구간으로 분할하고 각 서브 감속구간마다 목표 속도를 설정하고 목표 속도를 달성하기 위한 속도 지령을 생성하되, 각 서브 감속구간마다 설정된 개수의 펄스가 감지되면 다음 서브 감속구간의 목표 속도를 달성하기 위한 속도지령을 생성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 비교적 간단하고 저렴한 센서를 사용하면서도 모터의 속도와 토크를 정밀하게 제어할 수 있으므로 모터의 생산 단가를 크게 낮출 수 있는 이점이 있다. 또한 새로운 모터 제어 알고리즘을 적용하여 모터의 속도제어, 슬립 제어, 토크 제어, 위치 제어 등을 보다 안정적으로 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 장치의 구성을 나타낸 도면
도 2는 엔코더를 대신하는 위치감지센서의 설치 위치를 예시한 단면도
도 3과 도 4는 위치감지센서의 다양한 설치 개수를 예시한 단면도
도 5과 도 6은 각각 전류 추정을 위해 인버터 내부에서 전압을 검출하는 전압 피드백 구성을 예시한 도면
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토크제어 방법을 나타낸 흐름도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 슬립제어 방법을 나타낸 흐름도
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 위치제어 프로파일을 나타낸 도면
도 10과 도 11은 각각 가속구간과 감속구간의 위치제어 방법을 나타낸 개념도
도 12와 도 13은 각각 가속구간과 감속구간의 위치제어 방법을 나타낸 흐름도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
참고로 본 명세서에 첨부된 도면에는 실제와 다른 치수 또는 비율로 표시된 부분이 있으나 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것이므로 이로 인해 본 발명의 범위가 제한적으로 해석되어서는 아니됨을 미리 밝혀 둔다. 또한 본 명세서에서 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우는 다른 구성요소와 직접적으로 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우뿐만 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결, 결합 또는 전기적으로 연결되는 경우도 포함한다. 또한 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 직접 연결 또는 결합되는 경우는 중간에 다른 요소 없이 연결 또는 결합되는 것을 의미한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없다면 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 본 명세서에서 전, 후, 좌, 우, 위, 아래 등의 표현은 보는 위치에 따라 달라질 수 있는 상대적인 개념이므로 본 발명의 범위가 반드시 해당 표현으로 제한되어서는 아니된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어장치는, 도 1의 구성도에 나타낸 바와 같이, 전원부(50), 정류부(60), 모터(M)에 구동전력을 공급하는 인버터(200), 제어 CPU(100) 등을 포함한다.
전원부(50)는 배터리, 태양전지 등일 수도 있고, AC전원일 수도 있다.
정류뷰(60)는 전원부(50)가DC전원인 경우에는 DC출력을 안정화 및/또는 평활화 하는 역할을 하며, 전원부(50)가 AC전원인 경우에는 DC전원으로 변환하는 역할을 한다.
인버터(200)는 다수의 스위칭 소자(FET, IGBT 등)를 이용하여 정류부(60)에서 출력된 DC를 모터 구동용 AC로 변환하는 역할을 한다. 전원부(50)의 전력은 전원변환부를 거쳐 제어 CPU(100)로도 공급된다.
인버터(200)를 구성하는 다수의 스위칭 소자의 게이트 단자 또는 베이스 단자에는 제어 CPU(100)에서 생성된 PWM신호가 입력된다.
제어 CPU(100)의 프로세서(processor)는 메모리에 저장된 모터 제어 프로그램을 실행하여 모터(M)를 제어한다.
제어 CPU(100)는 설정 또는 입력된 파라미터, 펄스 피드백 신호, 전류 피드백 신호 등을 이용하여 인버터(200)의 출력을 제어함으로써 모터(M)의 속도와 토크를 제어한다. 구체적으로는, 제어 CPU(100)는 벡터제어부(130)에서 출력하는 PWM신호의 주파수, 듀티비(duty ratio) 등을 조절하여 인버터(200)의 출력을 제어함으로써 모터(M)의 속도와 토크를 제어한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는, 모터(M)의 회전에 대응하는 펄스를 생성하는 펄스 발생수단을 포함하며, 펄스 발생수단은 모터(M)의 회전축의 단부에 결합되는 엔코더(70)와 모터 내부에 설치된 위치감지센서(도2의 85) 중에서 선택될 수 있다.
엔코더(70)는 종래의 모터 제어장치에서 흔히 사용되는 것이므로 이에 대한 설명은 생략한다.
위치감지센서(85)는 엔코더(70)를 대신하기 위해 사용하는 것으로서, 모터(M)의 회전속도에 대응하는 주파수의 펄스 신호를 생성하는 역할을 한다.
도 2의 종단면도 및 도 3의 횡단면도에 나타낸 바와 같이, 위치감지센서(85)는 모터(M)의 고정부(81)에 설치되고 모터(M)의 회전부(82)에는 피감지부(86)가 설치될 수 있다.
위치감지센서(85)는 회전축(83)을 중심으로 하는 원주 방향을 따라 2개 이상이 서로 동일한 각도 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 도면에 예시한 바와 같이 3개의 위치감지센서(85a, 85b, 85c)가 설치된 경우에는 서로 120도 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
만일 도 4에 예시한 바와 같이, 6개의 위치감지센서(85a, 85b, 85c, 85d, 85e, 85f)가 설치된 경우에는 서로 60도 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
위치감지센서(85)는 모터의 회전각과 회전속도를 검출하기 위한 것이며, 회전부(82)가 회전하면서 피감지부(86)가 각 위치감지센서(85a, 85b, 85c)의 앞을 통과할 때마다 소정의 전기적 신호를 생성한다.
즉, 위치감지센서(85)가 3개 설치된 경우에는 1회전 마다 3개의 전기적 신호(펄스)가 생성되며, 6개 설치된 경우에는 1회전 마다 6개의 전기적 신호(펄스)를 생성된다.
다만, 본 발명의 실시예에서는, 보다 정밀한 제어를 위하여 모터(M)가 1회전할 때마다 각 위치감지센서(85)에서 발생한 펄스를 그대로 사용하지 않고, 펄스 주파수를 체배하여 사용한다.
예를 들어, 1회전마다 3 펄스가 발생하는 경우에 4체배하면 12펄스, 8체배하면 24펄스, 12체배하면 36펄스가 되므로 필요에 따라 적절한 주파수 체배를 적용하여 보다 정밀한 제어를 할 수 있다.
위치감지센서(85a, 85b, 85c)가 피감지부(86)를 감지하여 펄스신호를 출력하는 방식은 특별히 한정되지 않는다. 일 예로서, 피감지부(86)는 발광 다이오드이고 위치감지센서(85a, 85b, 85c)는 빛을 감지하여 소정의 신호를 출력하는 수광센서일 수 있다. 다른 예로서, 피감지부(86)는 자석이나 전도성 물체이고, 위치감지센서(85a, 85b, 85c)는 자석이나 전도성 물체가 접근하면 자기장, 정전용량, 저항 등의 변화를 감지하여 소정의 신호를 출력하는 근접센서일 수도 있다.
위치감지센서(85a, 85b, 85c)는 도 2 내지 도 4에 나타낸 것과 반대로 설치될 수도 있다. 즉, 위치감지센서(85a, 85b, 85c)는 모터(M)의 회전부(82)의 외측면에 설치되고 피감지부(86)는 모터(M)의 고정부(81)의 내측에 설치될 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는, 모터(M)에 인가되는 전류의 세기를 감지하는 전류 감지수단을 포함한다.
전류 감지수단은, 인버터(200)와 모터(M) 사이의 전원선에서 직접 전류 세기를 측정하는 홀 이펙트 전류센서(90)와 인버터(200)의 내부에서 검출된 전압을 이용하여 간접적으로 추정하는 전류추정수단 중에서 선택될 수 있다.
홀 이펙트 전류센서(90)는 종래의 모터 제어장치에서 흔히 사용되는 것으로서, 제어 CPU(100)는 전류 피드백 라인(92)을 통해 획득한 전류센서(90)의 검출값을 이용하여 모터 토크 제어를 위한 토크 지령을 산출할 수 있다.
전류추정수단은, 전류센서(90)를 대신하는 것으로서, 모터(M)로 인가되는 전류의 세기를 간접적으로 추론하는 역할을 한다.
도 5는 전류추정수단의 일 실시예를 나타낸 것으로서, 인버터(200)의 (-)전원선에 설치된 션트저항(R)의 선단이나 후단에서 전압을 검출하여 제어 CPU(100)로 전송하는 전압 피드백 라인(94)과, 전압 피드백 라인(94)에 설치되어 검출된 전압을 제어 CPU(100)에 적합한 전압으로 강하시키는 전압강하부(96)와, 전압 피드백 라인(94)을 통해 입력된 전압 값을 이용하여 모터(M)에 인가된 전류의 세기를 추론하는 전류세기 판단부(도면에는 나타내지 않았음)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서는, 사전 실험이나 기계 학습을 거쳐 모터(M) 운전 중에 생성되는 각종 데이터를 테이블 형태로 저장하고, 전류세기 판단부는 전압 피드백 라인(94)을 통해 검출된 션트저항 선단 또는 후단의 전압을 이용하여 테이블에서 모터(M)로 인가되는 현재 전류를 추정하고, 이를 근거로 현재의 부하, 속도 조건에서 최적의 토크 지령을 생성할 수 있다.
한편 사전 실험이나 기계 학습을 거쳐 테이블에 저장되는 데이터는, 모터(M)의 회전속도, 펄스 피드백 주파수, 펄스 변동률, 슬립 크기, 인버터(200) 내부의 소정 위치(예, 션트 저항의 선단 또는 후단, 스위칭소자에 연결된 분압저항의 선단 등)에서의 전압, 전류, 인버터(200)에서 모터(M)에 인가되는 전압, 전류 등의 데이터 중에서 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
전류세기 판단부는 PI제어부(120)에 포함될 수도 있고, 제어 CPU(100) 내의 다른 위치에 포함될 수도 있다.
도 6은 전류추정수단의 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 인버터(200)에서 (+)전원선과 (-)전원선의 사이에 서로 병렬로 배치된 제1, 2 스위칭 소자(Q1, Q2) 쌍, 제3, 4 스위칭 소자(Q3, Q4) 쌍 및 제5, 6 스위칭 소자(Q5,Q6) 쌍과, 제2 스위칭 소자(Q2)와 (-)전원선 사이에 설치된 제1 분압저항(R1)과, 제4 스위칭 소자(Q4)와 (-)전원선 사이에 설치된 제2 분압저항(R2)과, 제6 스위칭 소자(Q6)와 (-)전원선 사이에 설치된 제3 분압저항(R3)과, 제1 분압저항(R1)과 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 제어 CPU(100)로 전송하는 제1 전압 피드백 라인(94a)과, 제2 분압저항(R2)과 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 제어 CPU(100)로 전송하는 제2 전압 피드백 라인(94b)과, 제3 분압저항(R3)과 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 제어 CPU(100)로 전송하는 제3 전압 피드백 라인(94c)과, 제1 내지 제3 전압 피드백 라인(94a, 94b, 94c)에 각각 설치되어 검출된 전압을 제어 CPU(100)에 적합한 전압으로 강하시키는 전압강하부(96)와, 제1 내지 제3 전압 피드백 라인(94a, 94b, 94c)을 통해 각각 입력된 전압 값을 이용하여 모터(M)에 인가된 전류의 세기를 추론하는 전류세기 판단부(도면에는 나타내지 않았음)를 포함한다.
이때 전류세기 판단부는 제1 내지 제3 전압 피드백 라인(94a, 94b, 94c)을 통해 각각 입력된 3개 전압 값의 평균값을 산출하고 이를 기초로 모터(M)에 인가된 전류의 세기를 추론할 수 있다. 이와 달리, 3개 전압 값 중에서 최고값 또는 최저값을 제외한 2개의 값을 평균하여 평균값을 산출하고 이를 기초로 모터(M)에 인가된 전류의 세기를 추론할 수도 있다.
또한 이 경우에도, 전류세기 판단부는 사전 실험이나 기계 학습을 거쳐 모터(M) 운전 중에 생성되는 각종 데이터를 테이블 형태로 저장하고, 위에서 산출된 전압 평균값을 이용하여 테이블에서 모터(M)로 인가되는 현재 전류를 추정하고, 이를 근거로 현재의 부하, 속도 조건에서 최적의 토크 지령을 생성할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는, 앞서 설명한 엔코더(70), 위치감지센서(85), 전류센서(90), 전류추정수단을 용도에 따라 적절히 조합하여 사용할 수 있다.
예를 들어, 고정밀 고가형 모터에는 엔코더(70)와 전류센서(90)를 설치하고, 중정밀 중가형 모터에는 엔코더(70)와 전류추정수단을 설치하고, 중정밀 중저가형 모터에는 위치센서(85)와 전류센서(90)를 설치하고, 저정밀 저가형 모터에는 위치센서(85)와 전류추정수단을 설치할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제어 CPU(100)는, 지령생성부(110), PI제어부(120), 벡터제어부(130), 미분제어부(140), 외부 인터페이스(160), 사용자 인터페이스(170), 저장부(180) 등을 포함할 수 있다.
제어 CPU(100)는 하나의 반도체 칩으로 구성될 수 있으며, 지령생성부(110), PI제어부(120), 벡터제어부(130), 미분제어부(140), 후술하는 제1 및 제2 비교기(151,152) 등의 기능은 제어 CPU(100)의 프로세서에 의해 실행되는 제어 프로그램을 통해 소프트웨어적으로 구현될 수 있다.
지령생성부(110)는 외부인터페이스(160) 또는 사용자인터페이스(170)를 통해 입력된 명령을 PI제어부(120), 벡터제어부(130), 미분제어부(140) 등으로 전달하는 역할을 한다.
구체적으로 설명하면, 지령생성부(110)는 여자전류지령을 벡터제어부(130)로 전달하고, 토크정수를 제1비교기(151)로 전달하고, 슬립정수를 제2비교기(152)로 전달할 수 있다.
제1 비교기(151)는 지령생성부(110)에서 전달된 토크정수와 PI제어부(120)에서 출력된 토크지령을 비교 연산하여 결과값을 벡터제어부(130)로 전달하고, 제2 비교기(152)는 지령생성부(110)에서 전달된 슬립정수와 PI제어부(120)에서 출력된 속도지령을 비교 연산하여 결과값을 벡터제어부(130)로 전달할 수 있다.
또한 지령생성부(110)는 슬립허용값, 초기토크지령, 적분리미트(limit), 적분시정수, 적분이득, 비례이득, 속도지령 등의 제어 파라미터를 PI제어부(120)로 전달할 수 있다. 또한 지령생성부(110)는 필터정수를 미분제어부(140)로 전달할 수 있다.
지령생성부(110)로부터 전달되는 이들 제어 파라미터는 모터 제어장치를 초기에 튜닝할 때 모터(M)의 용량, 부하, 토크범위 등을 고려하여 결정되며, 사용자 인터페이스(170)를 통해 입력되어 저장부(180)에 저장될 수 있다.
지령생성부(110)로부터 전달되는 제어 파라미터를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
여자전류지령은 모터(M) 내에 자계를 발생시키기 위해 공급되는 전류값을 나타내는 정수이고, 토크정수는 모터(M)에 공급되는 최대전류값을 나타내는 정수이고, 슬립정수는 모터(M)의 슬립량을 나타내는 정수이다.
슬립허용값은 외부부하에 따라 모터의 슬립을 허용하는 범위를 의미하며, 이 값이 크면 부드러운 운전이 가능하지만 응답특성이 느리고, 이 값이 작으면 응답특성이 빠른 대신 부드러운 운전이 어렵기 때문에 사전에 모터의 특성 및 용도를 고려하여 적절한 값이 설정되어야 한다.
초기토크지령은 운전 초기에 모터(M)가 발휘해야 할 토크를 지정한 값으로서, 예를 들어 최대토크에 대한 비율로 설정될 수 있다.
PI제어부(120)는 운전초기에는 이와 같이 지령생성부(110)로부터 전달된 초기토크지령을 목표토크값으로 설정하여 모터(M)의 토크를 제어하며, 설정된 시간이 경과하거나 설정된 조건을 충족한 경우에는 후술하는 바와 같이 토크보정을 수행하여 부하 대비 최적의 토크를 발휘할 수 있도록 보정된 토크지령을 벡터제어부(130)로 전달한다.
적분리미트는 토크제어시 과도한 데이터의 생성을 방지하기 위한 상한값이고, 적분시정수는 토크제어시 급격한 변화가 일어나지 않도록 하는 필터값이다.
적분이득은 엔코더(70) 또는 위치감지센서(85)에서 출력된 펄스 피드백 신호의 주파수(속도) 편차를 적분할 때 보정량을 부여하는 값이고, 비례이득은 엔코더(70) 또는 위치감지센서(85)에서 출력된 펄스 피드백 신호의 주파수(속도) 편차에 비례하여 모터의 헌팅을 방지하기 위해 부여하는 값이다.
속도지령은 모터(M)가 실제 발휘해야 할 속도를 지정한 목표속도값으로서, 사용자 인터페이스(170)를 통해 입력된 명령에 따라 생성될 수도 있고 외부 인터페이스(160)를 통해 입력된 명령에 따라 생성될 수도 있다.
필터정수는 미분제어부(140)가 엔코더(70) 또는 위치감지센서(85)에서 출력된 펄스 피드백 신호를 이용하여 속도를 산출할 때 사용되는 시정수로서 모터마다 용량과 개별 특성에 따라 다르게 설정될 수 있다.
PI제어부(120)는 비례적분제어 연산을 수행하여 모터(M)의 속도와 토크를 제어하기 위한 속도지령과 토크지령을 생성하여 벡터제어부(130)로 전달하는 역할을 한다.
본 발명의 실시예에서는 보다 정확한 토크제어와 속도제어를 위하여 PI제어부(120)에서 새로운 제어방법을 적용하여 토크지령과 속도지령을 주기적으로 보정하며, 이를 통해 모터(M)가 부하 변동에 대응하여 최적의 토크를 발휘함으로써 안전성 향상, 전력소비절감, 과열방지 등의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 보다 정밀한 속도 제어가 가능해진다. 구체적인 제어 방법에 대해서는 후술하기로 한다.
PI제어부(120)에서 산출된 토크지령과 속도지령은 각각 제1 비교기(151)와 제2 비교기(152)를 거쳐 벡터제어부(130)로 전달된다.
제1 비교기(151)는 연산된 토크지령과 토크정수를 대비하여 토크정수 이내의 값을 벡터제어부(130)로 전달하며, 이를 통해 모터(M)에 공급되는 전류가 최대전류를 초과하지 않도록 제한한다.
제2 비교기(152)는 속도지령과 슬립정수를 비교연산하여 보정된 속도지령을 벡터제어부(130)로 전달한다.
벡터제어부(130)는 PWM발생부(도면에는 나타내지 않았음)를 포함하며, PI제어부(120)에서 산출되어 제1 비교기(151)와 제2 비교기(152)를 거쳐 각각 입력된 토크지령과 속도지령을 이용하여 벡터제어 연산을 수행하고, PWM발생부를 통해 PWM신호를 출력한다. 출력된 PWM신호는 인버터(200)의 각 스위칭소자로 공급된다.
PWM발생부는 벡터제어 연산의 결과값과 전류 피드백 라인(92) 또는 전압 피드백 라인(94)을 통해 피드백된 모터 인가 전류값을 이용하여 PWM신호를 생성할 수 있다.
미분제어부(140)는 펄스 발생수단(70, 85)를 통해 피드백된 펄스를 이용하여 모터(M)의 속도를 산출하며, 산출과정에서는 지령생성부(110)에서 전달된 필터정수를 이용할 수 있다.
외부 인터페이스(160)는 예를 들어 다축 공작기계, 다축 로봇, 전기자동차 등의 주제어부와의 통신을 지원하며, 사용자 인터페이스(170)는 입력수단(키보드, 버튼, 터치스크린 등), 디스플레이, 스피커 등을 통한 입출력을 지원한다.
저장부(180)는 본 발명의 실시예에 따른 제어를 수행하는 제어프로그램, 사용자 인터페이스(170) 또는 외부 인터페이스(160)를 통해 입력된 제어 파라미터 등의 정보를 저장한다. 특히 본 발명의 실시예에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 모터(M)의 종류 또는 부하의 종류마다 사전 실험이나 기계 학습을 수행하여 운전 중에 생성되는 각종 데이터를 테이블 형태로 저장하고, 인버터의 내부에서 검출된 전압 피드백 정보를 기초로 토크 제어를 수행할 수 있다.
도면에는 저장부(180)가 제어 CPU(100)의 내부에 구비되는 것으로 나타내었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 저장부(180)는 제어 CPU(100)의 외부에 별도로 설치될 수도 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다양한 모터 제어 방법을 설명한다.
1. 토크 제어
먼저 도 7의 흐름도를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 토크 제어방법을 설명한다.
PI제어부(120)는 설정된 주기마다 또는 설정된 조건을 충족할 때마다 토크지령을 출력하여 벡터제어부(130)로 전달한다. (ST11)
이어서 PI제어부(120)는 펄스 발생수단 -즉, 엔코더(70) 또는 위치감지센서(85) -에서 생성된 속도정보를 이용하여 직전 토크지령값을 보정하고 보정된 토크지령을 벡터제어부(130)로 전달한다.
구체적으로 설명하면, PI제어부(120)는 아래의 수학식 1을 이용하여 모터(M)의 토크보정기준값(A)을 주기적으로 산출하고, 이를 이용하여 직전 토크지령값의 보정 여부를 판단한다.
<수학식 1>
Figure 112021006904994-pat00004
위 수학식 1에서 Kp와 Ki는 각각 비례이득과 적분이득이고, C1과C2는 모터의 특성에 따라 실험적으로 결정되는 상수이다. 또한 e(t)는 모터의 속도편차로서 목표주파수에서 펄스 발생수단(70,85)을 통해 피드백된 현재 주파수를 뺀 값을 의미하고, ∑e(t)는 모터의 누적 속도편차이다.
펄스 발생수단(70,85)에서 피드백된 주파수 정보는 미분제어부(140)에서 산출되어 PI제어부(120)로 전달될 수 있다. (ST12, ST13)
이와 같이 토크보정기준값(A)이 산출되면, PI제어부(120)는 산출된 토크보정기준값(A)을 직전 토크지령값, 즉, 목표 토크(T)와 대비한다. 여기서 목표 토크(T)는 PI제어부(120)가 직전 주기에 여자전류지령값, 토크정수, 초기토크지령값 등을 이용하여 산출하여 벡터제어부(130)로 전달한 토크지령값을 의미한다. (ST14)
만일, ST14단계에서, 토크보정기준값(A)이 목표 토크(T) 보다 크면, PI제어부(120)는 토크지령을 보정하지 않고 목표 토크(T)와 동일한 값의 토크지령, 즉, T(t) =T 를 벡터제어부(130)로 전달하고, 벡터제어부(130)는 이를 기초로 벡터제어를 수행한다. (ST15, ST17)
만일, ST14 단계에서, 토크보정기준값(A)이 목표 토크(T) 보다 작거나 같으면, 목표 토크(T)를 설정된 범위 내에서 증가시키거나 감소시키는 보정을 수행하고, 보정된 토크지령, 즉 T(t) =T±err 을 벡터제어부(130)로 전달하며, 벡터제어부(130)는 보정된 토크지령을 기초로 벡터제어를 수행한다. 예를 들어, 벡터제어부(130)는 보정된 토크지령에 따라 모터(M)에 인가되는 PWM신호의 듀티비를 변경함으로써 모터의 토크를 변경할 수 있다. (ST16. ST17)
한편 일반적으로 모터(M)의 토크는 인가되는 전류의 세기에 비례하므로 PI제어부(120)는 기본적으로 전류 피드백 라인(92) 또는 전압 피드백 라인(94)을 통해 피드백되는 검출값을 이용하여 비례적분제어 연산을 수행하고, 이를 이용하여 토크제어 파라미터를 조절한다.
그런데 본 발명의 실시예에 따른 토크제어방법에 의하면, 펄스 발생수단(70,85)을 통해 피드백된 현재주파수와 목표주파수의 편차를 이용하여 토크제어 파라미터를 조절함으로써 토크를 속도와 연계하여 실시간으로 제어할 수 있고, 이를 통해 모터(M)가 설정된 속도에서 보다 안정된 토크를 발휘할 수 있게 되는 이점이 있다.
2. 슬립 제어
다음으로 도 8의 흐름도를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 슬립 제어방법을 설명한다.
모터(M)의 슬립(slip)은 동기속도와 실제속도의 차이를 동기속도 대비 비율로 나타낸 것이다. 일반적으로 슬립이 작고 일정할수록 모터의 효율이 높기는 하지만 모터(M)의 슬립은 토크와 직접적인 관계가 있으므로 부하 변동에 대응하여 토크 제어가 필요한 경우에는 속도 대비 슬립을 적절히 제어하는 것이 바람직하다.
먼저 PI제어부(120)는 설정된 주기마다 또는 설정된 조건을 충족할 때마다 속도지령을 출력하여 벡터제어부(130)로 전달한다. (ST21)
이어서 PI제어부(120)는 펄스 발생수단 -즉, 엔코더(70) 또는 위치감지센서(85) -에서 생성된 속도정보를 이용하여 직전 속도지령값을 보정하고 보정된 속도지령을 벡터제어부(130)로 전달한다.
본 발명의 실시예에서는, 모터의 슬립 특성과 현재 속도 등을 감안하여 목표 슬립 S(t)를 산출하고, 목표 슬립 S(t)를 달성하도록 속도지령을 보정하여 벡터제어부(130)로 전달한다.
구체적으로 설명하면, 먼저 PI제어부(120)는 펄스 발생수단(70, 85)을 통해 피드백된 모터(M)의 현재 주파수(fF(t))를 주기적으로 검출하고, 현재 주파수(fF(t))를 모터(M)의 정격주파수(fR)와 대비한다. (ST22, ST23)
만일, ST23 단계에서 현재 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR)보다 크거나 같으면, 아래의 수학식 2에 의해 다음 주기의 목표슬립 S1(t)을 산출한다.
<수학식 2>
Figure 112021006904994-pat00005
여기서 SmaxL은 모터가 정격주파수(fR)에서 최대부하일 때의 슬립값이고, SHIGH는 모터의 현재 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR) 보다 클 때의 상승 슬립값이고, C3은 모터의 특성에 따라 실험적으로 결정되는 상수이다. (ST24)
이와 같은 방식으로 목표슬립 S1(t)이 산출되면, PI제어부(120)는 산출된 목표 슬립 S1(t)을 해당 모터의 슬립허용값(최대슬립) (SLIM)과 대비한다.
이어서 만일 산출된 목표 슬립 S1(t)이 해당 모터의 슬립허용값(SLIM) 보다 작으면 산출된 목표슬립 S1(t)를 달성하도록 속도지령을 보정하여 벡터제어부(130)로 전달한다.
이와 달리 산출된 목표 슬립 S1(t)이 해당 모터의 슬립허용값(SLIM) 보다 크거나 같으면 산출된 목표 슬립 S1(t)을 슬립허용값(SLIM)으로 보정하고, 이를 기초로 속도지령을 보정하여 벡터제어부(130)로 전달한다. (ST25, ST26, ST27)
한편, ST23 단계에서 현재 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR)보다 작으면, 아래의 수학식 3에 의해 목표 슬립 S2(t)을 산출한다.
<수학식 3>
Figure 112021006904994-pat00006
여기서 SmaxL은 모터가 정격주파수(fR)에서 최대부하일 때의 슬립값이고, So는 모터가 전력이 공급된 상태에서 정지하고 있을 때의 슬립값이고, SLIM 은 해당 모터의 슬립허용값(최대슬립)이다. (ST28)
이와 같은 방식으로 목표 슬립 S2(t)이 산출되면, PI제어부(120)는 산출된 목표 슬립 S2(t)을 달성하도록 속도지령을 보정하여 벡터제어부(130)로 전달한다. (ST29)
본 발명의 실시예에서는 이와 같이 모터의 현재 속도와 슬립 특성을 고려하여 속도를 제어함으로써, 특히 모터가 고속으로 동작하거나 큰 토크가 필요한 경우에도 속도를 안정적으로 제어할 수 있는 이점이 있다.
3. 위치 제어
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 위치 제어방법을 설명한다.
모터의 위치제어는 부하의 이동거리와 속도를 제어하기 위하여 모터의 회전수와 속도를 제어하는 것을 의미한다. 예를 들어, 엘리베이터 도어나 자동문에 설치된 모터는 도 9에 예시한 바와 같이, 동작 시점과 종점 사이에 가속구간, 등속구간, 감속구간을 포함하는 속도 프로파일을 기준으로 위치 제어를 수행한다.
특히, 본 발명의 실시예에서는, 가속구간과 감속구간을 각각 다수의 서브구간으로 분할하여 펄스 발생수단(70,85)에서 생성된 펄스 주파수를 기준으로 각 서브구간마다 속도를 단계적으로 가속 또는 감속하는 위치 제어 방법을 적용한다.
먼저 가속구간의 경우에, 예를 들어 전체 가속시간은 2초, 목표속도는 30Hz, 서브 가속구간의 개수를 10단계로 가정하면, 벡터제어부(130)가 도 10에 예시한 바와 같이, 가속지령이 입력된 시점부터 펄스 발생수단(70,85)에서 피드백되는 펄스를 카운트하고 이를 기초로 각 서브 가속구간의 속도를 3Hz, 6Hz, 9Hz ,,,의 순서로 단계적으로 가속할 수 있다.
만일, 모터(M)가 도 3에 예시한 바와 같이 3개의 위치센서(85a, 85b, 85c)를 포함하는 8극 모터이고, 피드백되는 펄스 주파수를 12체배하여 사용하면, t=0 시점에 가속지령이 입력된 후 모터의 회전수가 0.15이고 5.4개의 펄스가 검출되면 최초의 서브 가속구간인 0.2초 동안 3Hz 로 회전한 것으로 판단할 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 모터의 초당 회전수 rps = 2*회전주파수(Hz)/모터극수이므로, 가속지령 후 0.2초 동안 3Hz로 회전한다면 rps=2*3/8 = 0.75 이고, 0.2초 동안의 회전수는 0.75*0.2 = 0.15 이고 출력되는 펄스 수는 0.15*36 = 5.4개가 된다.
PI제어부(120)는 펄스 피드백라인(72)을 통해 5.4개의 펄스 - 실제로는, 예를 들어 사사오입을 적용하여 5개의 펄스 - 가 입력되면, 모터 속도가 3Hz에 도달한 것으로 판단하고, 다음 서브 가속구간 0.2초 동안에는 6Hz로 회전하라는 새로운 속도 지령을 출력한다.
따라서 다음 0.2초 동안에는, 모터의 rps=2*6/8 =1.5 이고, 0.2초 동안의 회전수는 1.5*0.2 = 0.3 이고 출력되는 펄스 수는 0.3*36 = 10.8개가 되며, 가속지령 후 누적 펄스 수는 16.2 가 된다.
PI제어부(120)는 펄스 피드백라인(72)을 통해 10.8개의 펄스 - 실제로는, 예를 들어 사사오입을 적용하여 11개의 펄스 - 가 입력되거나 누적 펄스의 개수가 16.2개 - 실제로는, 예를 들어 사사오입을 적용하여 16개 -가 되면, 모터 속도가 6Hz에 도달한 것으로 판단하고, 다음 가속 서브구간 0.2초 동안 9Hz로 회전하라는 새로운 속도 지령을 출력한다.
이러한 과정은 목표속도(30Hz)에 도달할 때까지 속도를 3Hz씩 단계적으로 증가시키면서 반복적으로 수행되며, 아래 표 1은 이 과정에서 각 서브 가속구간마다 산출된 회전수, 펄스수, 누적 펄스수를 예시한 것이다.
[표 1]
Figure 112021006904994-pat00007
다음으로 감속 구간의 경우에, 예를 들어 전체 감속시간은 2초, 목표속도는 0Hz, 서브 감속구간의 개수를 10단계로 가정하면, 벡터제어부(130)는 도 11에 예시한 바와 같이, 감속지령이 입력된 시점부터 펄스 발생수단(70,85)에서 피드백되는 펄스를 카운트하고 이를 기초로 속도를 각 서브 가속구간의 속도를 27Hz, 24Hz, 21Hz ,,, 의 순서로 단계적으로 감속할 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 감속지령 후 최초 서브 감속구간인 0.2초 동안 27Hz로 회전한다면 rps=2*27/8 = 6.75 이고, 0.2초 동안의 회전수는 6.75*0.2 = 1.35 이고 출력되는 펄스 수는 1.35*36 = 48.6개가 된다.
PI제어부(120)는 펄스 피드백라인(72)을 통해 48.6개의 펄스 - 실제로는, 예를 들어 사사오입을 적용하여 49개의 펄스 - 가 입력되면, 모터 속도가 27Hz에 도달한 것으로 판단하고, 다음 서브 감속구간 0.2초 동안에는 24Hz로 회전하라는 새로운 속도 지령을 출력한다.
따라서 다음 0.2초 동안에는, 모터의 rps=2*24/8 =6 이고, 0.2초 동안의 회전수는 6*0.2 = 1.2 이고 출력되는 펄스 수는 1.2*36 = 43.2개가 되며, 감속지령 후 누적 펄스 수는 91.8이 가 된다.
PI제어부(120)는 펄스 피드백라인(72)을 통해 43.2개의 펄스 - 실제로는, 예를 들어 사사오입을 적용하여 43개의 펄스 - 가 입력되거나 누적 펄스의 개수가 91.8개 - 실제로는, 예를 들어 사사오입을 적용하여 92개 -가 되면, 모터 속도가 24Hz에 도달한 것으로 판단하고, 다음 0.2초 동안 21Hz로 회전하라는 새로운 속도 지령을 출력한다.
이러한 과정은 목표속도(0Hz)에 도달할 때까지 속도를 3Hz씩 단계적으로 감소시키면서 반복적으로 수행되며, 아래 표 2는 이 과정에서 각 서브 감속구간마다 산출된 회전수, 펄스수, 누적 펄스수를 예시한 것이다.
[표 2]
Figure 112021006904994-pat00008
한편, 도 12는 앞서 설명한 가속 구간에서의 위치제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
먼저 모터 제어장치의 저장부(180)에 위치제어 파라미터를 저장한다. 위치제어 파라미터는, 모터극수, 위치감지센서(85)의 개수, 주파수 체배수, 목표속도, 가속시간, 서브 가속구간의 개수, 서브 가속구간의 시간, 감속시간, 서브 감속구간의 개수, 서브 감속구간의 시간 등의 정보를 포함할 수 있다. (ST31)
이어서 PI제어부(120)는 소정의 가속지령을 생성하여 벡터제어부(130)로 전달한다. (ST32)
먼저, PI제어부(120)는 제1 서브 가속구간 중에 제1 목표속도(예, 3Hz)에 도달하라는 속도지령을 출력하고, 펄스 피드백 라인(72)을 통해 입력되는 펄스를 카운트한다. (ST33, ST34, ST35)
이어서, 피드백 펄스수 또는 누적 펄스수가 제1 서브 가속구간의 목표 펄스(예, 5개)에 도달하는지 여부를 확인하고, 목표 펄스에 도달한 경우에는 제2 서브 가속구간 중에 제2 목표속도(예, 6Hz)에 도달하라는 속도지령을 출력하고, 펄스 피드백 라인(72)을 통해 입력되는 펄스를 카운트한다. (ST36, ST37, ST38)
이러한 과정을 설정된 n개의 서브 가속구간마다 수행하면, 모터의 속도는 목표 속도(예, 30Hz)에 도달하게 되며, 이후에는 해당 목표 속도를 기준으로 등속 지령을 출력한다. (ST39)
다음으로 도 13은 앞서 설명한 등속 및 감속 구간에서의 위치제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
구체적으로 살펴보면, 먼저 등속구간에서도 펄스 카운트를 지속적으로 수행하고, 등속구간의 누적 펄스수가 목표 펄스에 도달하면 PI제어부(120)는 소정의 감속지령을 생성하여 벡터제어부(130)로 전달한다. (ST40, ST41, ST42)
이어서 PI제어부(120)는 제1 서브 감속구간 중에 제1 목표속도(예, 27Hz)에 도달하라는 속도지령을 출력하고, 펄스 피드백 라인(72)을 통해 입력되는 펄스를 카운트한다. (ST43, ST44, ST45)
이어서, 피드백 펄스수 또는 누적 펄스수가 제1 서브 감속구간의 목표 펄스(예, 48개)에 도달하는지 여부를 확인하고, 목표 펄스에 도달한 경우에는 제2 서브 감속구간 중에 제2 목표속도(예, 24Hz)에 도달하라는 속도지령을 출력하고, 펄스 피드백 라인(72)을 통해 입력되는 펄스를 카운트한다. (ST46, ST47, ST48)
이러한 과정을 설정된 m개의 서브 감속구간마다 수행하면, 모터의 속도는 목표 속도(예, 0Hz)에 도달하여 정지하게 된다. 이때, 감속 서브 구간의 개수(m)는 가속 서브 구간의 개수(n)와 같을 수도 있고 다를 수도 있다. (ST49)
한편 앞서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는, 모터의 구조, 동작원리, 교류모터, 직류모터 등에 상관없이 모든 유형의 모터에 적용될 수 있다. 예를 들어, 유도모터, 동기모터, 인로더 타입 IMPM모터, 아웃로더 타입 IMPM모터, BLDC 모터 등과 같은 다양한 유형의 모터에 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 방법이 적용될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는, 로봇용 모터, 공작기계용 모터, 전기자동차용 모터, 엘리베이터용 모터, 자동문용 모터, 산업용 모터, 운송기기용 모터, 가전기기용 모터 등과 같은 다양한 용도의 모터에 제한 없이 적용될 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치는, 전기자동차의 각 바퀴마다 장착되어 서로 독립적으로 구동하는 4개의 모터를 한꺼번에 제어하는 용도로 사용될 수도 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어장치가 모터(M)의 토크, 속도, 슬립, 위치 등을 제어하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.
그러나 모터 제어 방식이 반드시 소프트웨어로 구현되어야 하는 것은 아니며, 전부 또는 일부 기능은 하드웨어로 구현될 수도 있고, 소프트웨어와 하드웨어의 조합으로 구현될 수도 있다. 이때 하드웨어는 주문형 반도체(ASIC)를 포함할 수도 있다.
또한 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며 구체적인 적용 과정에서 다양하게 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.
50: 전원부 60: 정류부 70: 엔코더
72, 74: 펄스 피드백 라인 81: 고정부 82: 회전부
83: 회전축 85: 위치감지센서 86: 피감지부
90: 전류센서 92: 전류 피드백 라인
94: 전압 피드백 라인 96: 전압강하부 100: 제어 CPU
110: 지령생성부 120: PI제어부 130: 벡터제어부
140: 미분제어부 151: 제1 비교기 152: 제2 비교기
160: 외부 인터페이스 170: 사용자 인터페이스 180: 저장부
200: 인버터 M: 모터 R: 션트저항

Claims (8)

  1. 모터에 전력을 공급하는 인버터;
    모터의 회전속도에 대응하는 펄스를 생성하는 펄스 발생수단;
    모터로 공급되는 전류를 감지하는 전류 감지수단;
    펄스 발생수단과 전류 감지수단을 통해 각각 획득한 펄스 정보와 전류 정보를 피드백하고 비례적분연산을 수행하여 토크지령과 속도지령을 생성하는 PI제어부와, 상기 토크지령과 상기 속도지령을 이용하여 PWM제어신호를 생성한 후 상기 인버터에 공급하는 벡터제어부를 구비하는 제어 CPU
    를 포함하며,
    상기 PI제어부는, 모터의 펄스 피드백 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR)보다 크거나 같으면 아래의 수학식 중에서 목표슬립 S1(t)를 산출한 후 산출된 목표슬립 S1(t)를 이용하여 상기 속도지령을 보정하며,
    모터의 펄스 피드백 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR)보다 작으면 아래의 수학식 중에서 목표슬립 S2(t)를 산출한 후 산출된 목표슬립 S2(t)를 이용하여 상기 속도지령을 보정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
    Figure 112021038010661-pat00009

    Figure 112021038010661-pat00025

    (SmaxL: 모터가 정격주파수(fR)에서 최대부하일 때의 슬립값, SHIGH: 모터의 현재 주파수(fF(t))가 정격주파수(fR) 보다 클 때의 상승 슬립값, So: 모터가 전력이 공급된 상태에서 정지하고 있을 때의 슬립값, SLIM: 해당 모터의 슬립허용값(최대슬립), C3: 상수)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PI제어부는, 상기 수학식을 통해 산출된 목표슬립 S1(t)가 슬립허용값(SLIM) 보다 크면, 산출된 목표슬립 S1(t)를 슬립허용값(SLIM)으로 보정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 PI제어부는 모터의 토크보정기준값(A)을 다음의 수학식을 이용하여 산출하고, 상기 토크보정기준값(A)이 직전 주기의 목표토크(T)보다 크면 상기 직전 주기의 목표토크(T)를 다음 주기의 토크지령값(T(t))으로 설정하고, 상기 토크보정기준값(A)이 상기 직전 주기의 목표토크(T)보다 작거나 같으면 직전 주기의 목표토크(T)를 보정하여 다음 주기의 토크지령값(T(t))을 산출하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
    Figure 112021006904994-pat00011

    (Kp: 비례이득, Ki: 적분이득, e(t): 모터의 속도편차, ∑e(t)는 모터의 누적 속도편차, C1, C2: 상수)
  5. 제1항, 제2항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 펄스 발생수단은, 모터의 회전축 단부에 결합된 엔코더(encoder)이거나, 모터의 내부에서 회전자의 회전방향을 따라 동일한 각도 간격으로 다수 개 설치된 위치감지센서이고,
    상기 전류 감지수단은, 모터에 연결된 전원선에서 모터에 인가되는 전류를 직접 감지하는 전류센서이거나, 인버터의 내부에서 검출된 전압을 이용하여 모터에 인가되는 전류를 간접적으로 추론하는 전류추정수단인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전류추정수단은,
    상기 인버터 내부의 (-)전원선에 설치된 션트저항(R)의 선단 또는 후단에서 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 전압 피드백 라인;
    상기 전압 피드백 라인을 통해 입력된 전압 값을 사전 실험이나 기계 학습을 통해 저장해 둔 테이블과 대비하여 모터로 인가되는 전류의 세기를 추론하는 전류세기 판단부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 인버터 내부의 (+)전원선과 (-)전원선의 사이에는, 직렬로 연결된 제1 스위칭소자(Q1), 제2 스위칭소자(Q2) 및 제1 분압저항(R1), 직렬로 연결된 제3 스위칭소자(Q3), 제4 스위칭소자(Q4) 및 제2 분압저항(R2), 직렬로 연결된 제5 스위칭소자(Q5), 제6 스위칭소자(Q6) 및 제3 분압저항(R3) 이 서로 병렬로 배치되고,
    상기 전류추정수단은,
    상기 제1 분압저항(R1)과 상기 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 제1 전압 피드백 라인과,
    상기 제2 분압저항(R2)과 상기 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 제2 전압 피드백 라인과,
    상기 제3 분압저항(R3)과 상기 (-)전원선 사이의 전압을 검출하여 상기 제어 CPU로 전송하는 제3 전압 피드백 라인과,
    상기 제1 내지 제3 전압 피드백 라인을 통해 각각 입력된 전압 값을 사전 실험이나 기계 학습을 통해 저장해 둔 테이블과 대비하여 모터로 인가되는 전류의 세기를 추론하는 전류세기 판단부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  8. 제1항, 제2항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 PI제어부는 상기 펄스 발생수단에서 생성한 펄스를 카운트하여 위치제어를 수행하되,
    가속구간은 n(n=2 보다 큰 정수) 개의 서브 가속구간으로 분할하고, 각 서브 가속구간마다 목표 속도를 설정하고 목표 속도를 달성하기 위한 속도 지령을 생성하되, 각 서브 가속구간마다 설정된 개수의 펄스가 감지되면 다음 서브 가속구간의 목표 속도를 달성하기 위한 속도지령을 생성하고,
    감속구간은 m(m=2 보다 큰 정수) 개의 서브 감속구간으로 분할하고, 각 서브 감속구간마다 목표 속도를 설정하고 목표 속도를 달성하기 위한 속도 지령을 생성하되, 각 서브 감속구간마다 설정된 개수의 펄스가 감지되면 다음 서브 감속구간의 목표 속도를 달성하기 위한 속도지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101306846B1 (ko) 2013-05-10 2013-09-10 한국디지탈콘트롤 주식회사 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치
JP2016144361A (ja) * 2015-02-04 2016-08-08 株式会社デンソー 車載用電動機制御装置
KR101739929B1 (ko) * 2017-03-10 2017-05-26 (주) 한사 다수의 모터를 독립적으로 제어하는 모터 제어장치
KR20190063258A (ko) * 2017-11-29 2019-06-07 엘지전자 주식회사 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101306846B1 (ko) 2013-05-10 2013-09-10 한국디지탈콘트롤 주식회사 모터로 동작되는 기계에 대한 회전속도 및 토크 최적제어 장치
JP2016144361A (ja) * 2015-02-04 2016-08-08 株式会社デンソー 車載用電動機制御装置
KR101739929B1 (ko) * 2017-03-10 2017-05-26 (주) 한사 다수의 모터를 독립적으로 제어하는 모터 제어장치
KR20190063258A (ko) * 2017-11-29 2019-06-07 엘지전자 주식회사 모터 구동장치 및 이를 구비하는 홈 어플라이언스

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102368877B1 (ko) 2021-08-12 2022-03-03 충남대학교산학협력단 독립 구동형 전기 플랫폼의 슬립 제어 시스템

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