KR19980074228A - 직류모터의 전류제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류모터의 전류제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 아날로그 제어기로 구성되는 종래의 직류모터 제어장치에 있어서 마이크로 컴퓨터를 이용한 디지탈 PWM 전류제어기와 소프트웨어에 의한 직류모터를 제어하는 방법을 제공하여 직류모터의 제어에 있어서 회로의 구성이 간단해질뿐만 아니라 높은 구동신뢰성과 저가격의 제어기를 실현할 수 있다.

Description

직류모터의 전류제어 장치 및 방법

본 발명은 직류모터의 제어장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 컴퓨터를 이용한 디지탈 PWM(Pulse Width Modulation: 이하“PWM”이라 한다) 전류제어기와 이를 이용한 제어방법을 적용함으로써 고신뢰성을 유지하면서도 저가격과 간단한 회로구성으로 직류모터를 제어할 수 있는 직류모터의 전류제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 3의 모터구동용 전력증폭기(20) 부분은 본 발명이 적용되는 모터 구동용 회로의 일예를 나타낸 것으로서, 직류직권모터에 적용한 것이며 특히 배터리를 동력원으로 하는 전동지게차의 주행 모터, 유압용 모터, 조향펌프용 모터 및 소형전기차의 각종 모터의 제어등 물류용 모터의 전류제어 장치에 실제 적용되고 있는 것이다.

상기와 같은 직류모터(이하“모터”로 약칭한다)는 배터리(BAT.)로부터 전류를 공급받아 회전하여 동력을 발생시키는데, 그 속도제어는 모터 양단에 걸리는 전압을 변화시켜 회전수를 변하게 하는 방법을 사용한다. 이러한 제어방법으로 종래에는 아날로그 방식을 흔히 사용하였으며 크게 저항을 이용하는 제어와 전력용 반도체 소자를 이용하는 제어로 나눌수 있고, 전력용 반도체 소자를 이용하는 제어는 채용되는 반도체 소자에 따라 다시 트랜지스터 초퍼(Chopper)방식, 반도체 정류기(Semiconductor Rectifier: SCR) 초퍼방식 그리고 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: 이하“FET”라 한다) 초퍼방식으로 나눌수 있다.

상기 저항을 이용한 제어방법은 모터에 직렬로 복 수개의 저항기를 접속하고 마그네트 콘택터를 단속해 줌으로써 저항치를 가변, 모터단자의 전압을 변화시켜 회전수를 제어하는 것이며, 반도체를 이용한 제어는 상기한 전력용 반도체 소자의 온/오프(On/Off) 작용 즉, 초퍼(Chopper) 작용으로 모터단자의 전압과 회전수를 변화시켜 주는 것이다. 그리고 이러한 종래의 모터제어에 있어서, 상기 저항제어시의 마그네트 콘택터의 단속이나 전력용 반도체 소자의 초퍼동작을 위한 구동회로는 아날로그 방식을 흔히 사용하였다.

그러나 상술한 바와 같은 아날로그식의 전압제어 방식을 적용하면 배터리 전원전압의 변동, 유한한 크기의 입력단 콘덴서필터의 제약, 온도에 따른 모터 내부의 저항값 변화, 전류크기에 따른 모터 내부의 인덕턴스의 변화에 의한 토크제어가 불안정하다는 문제가 있었다. 뿐만 아니라, 모터 전력회로의 과전류에 의한 부품파열의 문제, 아날로그 방식의 제어기 설계시에 회로가 복잡해지고 이에 따르는 신뢰성 및 가격이 상승한다는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 아날로그 방식의 모터제어기를 마이크로 컴퓨터를 이용한 디지탈 방식으로 바꾸고 그에따른 제어방법을 제공함으로써 신뢰도는 떨어뜨리지 않으면서도 회로를 간단화 하고 따라서 저가형의 제어기를 실현할 수 있는 직류모터의 전류제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명이 적용된 직류모터의 전류제어 장치 및 방법을 나타낸 개념도,

도 2는 도 1의 디지탈 PWM 신호의 발생을 나타낸 타이밍도,

도 3은 본 발명이 적용된 직류모터의 전류제어 장치의 일 실시예를 나타낸 회로도,

도 4는 도 3의 디지탈 PWM 전류제어기의 구성을 나타낸 블록도,

도 5는 본 발명이 적용된 직류모터의 전류제어 방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.

* 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 *

10 : 디지탈 PWM 전류제어기

20 : 모터구동용 전력증폭기

30 : 전류검출기

11 : 입력신호 인터페이스부

12 : 마이크로 컴퓨터

13 : 출력신호 인터페이스부

21 : 모터의 계자권선

22 : 모터의 전기자권선

23 : 회생/역행 절환콘택터

M_f,M_f´ : 전진용 콘택터

M_r,M_r´ : 후진용 콘택터

BAT. : 배터리

C1,C2 : 콘덴서

D1 : 플라이휘일 다이오드

D2 : 플러깅 다이오드

D3 : 회생 다이오드

Q1 : FET 초퍼

Q2 : 회생여자 FET

R : 제한저항

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직류모터의 전류제어 장치 및 방법의 특징은 마이크로 컴퓨터를 이용한 디지탈 PWM 전류제어기와 제어방법을 직류모터의 제어에 채용한 것에 있다.

이하, 본 발명에 따른 직류모터의 전류제어 장치 및 방법의 바람직한 하나의 실시예를 첨부된 도 1 내지 도 5의 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용된 직류모터의 전류제어 장치 및 방법의 일 실시예를 나타낸 개념도로서, 가속기(Accelerator) 입력신호와 같은 외부신호가 디지탈 PWM 전류제어기(10)로 인가되고, 디지탈 PWM 전류제어기(10)의 출력신호가 모터구동용 전력증폭기(20)로 입력되며, 이 모터구동용 전력증폭기(20)의 출력신호인 출력전압은 전류검출기(30)를 통하여 상기 디지탈 PWM 전류제어기(10)의 또다른 입력으로 궤환(Feedback)되어 가해진다.

이와같이 구성된 직류모터의 전류제어 장치 및 방법의 동작은 먼저, 원하는 만큼의 모터제어를 위한 전류명령치가 외부 가속기 등으로부터 디지탈 PWM 전류제어기(10)로 입력되면 디지탈 PWM 전류제어기(10)는 또다른 입력단자를 통해 전류검출기(30)의 출력전류를 전류추종치로서 인가받은 후 이들을 A/D 변환기를 통하여 디지탈 신호로 변환시키고, 상기 두 디지탈 신호의 차에 의하여 제어신호를 발생시키는 한편 내부적으로 가지고 있는 카운터를 이용하여 원하는 제어를 수행하기 위한 PWM 주파수와 동일한 주파수의 톱니파 기준신호를 발생시킨다.

위와같은 과정을 거친 후 디지탈 PWM 전류제어기(10)는 상기 톱니파 기준신호와 제어신호를 비교하여 그 차에 따라 모터구동용 전력증폭기(20)내에 있는 모터제어용 FET 초퍼의 게이트를 구동시키기 위해 디지탈 PWM 신호를 출력한다.

상기 디지탈 PWM 신호에 의해 모터구동용 전력증폭기(20)가 구동되면 출력단자로 출력전압을 검출할 수 있으며, 이 단자에 전류검출기(30)를 설치하여 모터구동시에 흐르는 전류를 검출함이 가능하고 검출된 전류는 궤환되어 상기한 바와 같이 전류추종치로서 다시 디지탈 PWM 전류제어기(10)로 가해져 제어신호를 발생시키기 위한 하나의 변수로 작용한다.

도 2는 상기한 도 1의 디지탈 PWM 전류제어기(10)의 출력신호인 디지탈 PWM 신호의 발생원리를 나타낸 타이밍도로서 상기한 제어신호가 톱니파 기준신호보다 크면 디지탈 PWM 신호는 고전위(High)로 모터구동용 전력증폭기(20)내의 FET 초퍼를 온(On)시켜주고, 제어신호가 톱니파 기준신호보다 작으면 디지탈 PWM 신호는 저전위(Low)로 FET 초퍼를 오프(Off)시킨다.

여기서, 상기 톱니파 기준신호와 디지탈 PWM 신호의 주파수는 동일하므로 전류명령치와 전류추종치의 차인 제어신호의 크기에 따라 상기 디지탈 PWM 신호의 진폭만이 변할뿐이며, 이 진폭이 클수록 더 많은 제어전류가 발생하여 모터의 회전수를 높여준다.

도 3은 본 발명이 적용된 직류모터의 전류제어 장치의 일 실시예를 나타낸 회로도로서, 적용되는 회로는 직류직권 모터의 FET 초퍼 전력회로이며 크게 디지탈 PWM 전류제어기(10)와 모터구동용 전력증폭기(20) 그리고 전류검출기(30)로 구성되어 있다.

상기 모터구동용 전력증폭기(20)는 배터리(BAT.)의 극성과 전류의 흐름방향이 동일한 1 상한(Quadrant) 동작뿐만 아니라 전류가 배터리(BAT.) 극성과는 반대로 흐르는 2 상한에서의 동작도 수행할 수 있도록 구성된 것이며, 2 상한에서의 동작은 계자권선(21)을 중심으로한 후진용 콘택터( M_r,M_r´)로부터 전기자 권선(22), 회생 다이오드(D3), 배터리(BAT.)의 (+)극, 배터리의 (-)극, 그리고 플라이휘일 다이오드(D1)의 경로로 회생제동(Regenerative Braking)전류가 흐르게 된다.

회생제동이란, 모터의 신속한 속도제어시 빠른 제동을 위하여 필요한 기능이며 제동중 모터회전의 관성력에 의한 운동에너지로 인하여 발생되는 전기에너지를 효과적으로 유도하기 위한 회로의 동작방법이다. 즉, 모터의 플러깅(Plugging) 작동시 회전중인 모터 전원전압의 방향은 갑자기 반대로 바뀌게 되는데, 이때 관성력에 의해 발생된 발전전류를 배터리로 되돌려 주어 재충전(회생)해 주거나 전기적 제동에너지로 소비한다. 그러므로 상기 2 상한에서의 동작은 배터리의 사용시간을 연장시켜 줄뿐만 아니라 부드러운 제동을 가능하게 해준다.

이와같은 모터구동용 전력증폭기(20)의 구성에서 극성 콘덴서(C1,C2)는 안정된 배터리 전압을 공급하기 위함만이 아니라 서지(Surge) 및 고주파 노이즈를 흡수하기 위한 것이고, 플러깅 다이오드(D2)는 전기자권선(22)에 플러깅 전류가 흐르도록 해주는 것이며, 회생/역행 절환 콘택터(23)는 모터의 회생/역행 동작을 절환하기 위한 것으로 역행동작시에만 접속된다. 제한저항(R)과 회생여자 FET(Q2)는 회생제동시 상기 회생/역행 절환 콘택터(23)가 개방된 상태에서 계자권선(21)에 계자여자전류를 공급하기 위한 소자들이다. 그리고 콘택터 M_f,M_f´ 는 전진 회전시 계자권선(21)과 연결되며, 콘택터 M_r,M_r´ 는 후진 회전시 연결되는 것이다. 또한, 상기 회생/역행 절환 콘택터(23)와 모터의 제어신호를 공급하는 FET 초퍼(Q1)는 모터의 전진 및 후진역행시에만 전류흐름에 참여하고, 회생제동시에는 끊어진다.

전류검출기(30)는 모터의 전기자권선을 통하여 흐르는 전류의 양을 검출하여 디지탈 PWM 전류제어기(10)로 궤환시켜주는 구성요소이며, 상기 디지탈 PWM 전류 제어기(10)는 마이크로 컴퓨터를 포함하며 배터리(BAT.)로부터 모터로 흐르는 전류의 양을 제어해주기 위한 것이다.

도 4는 도 3의 디지탈 PWM 전류제어기(10)의 구성을 나타낸 블록도로서, 마이크로 컴퓨터(12)를 적용하여 출력신호 인터페이스부(13)에 포함된 FET 초퍼(Q1)의 게이트 구동회로와 전류검출기(30)의 출력신호를 감지하기 위한 입력신호 인터페이스부(11)에 포함된 차동증폭기단 및 DC 레벨 시프트단 또한 상기 차동증폭기단으로부터 모터의 궤환전류가 전달될 때 전류추종치를 아날로그 신호에서 디지탈 신호로 변환하는 A/D 변환기(12a)와 타이머 및 기준신호 발생용 카운터(12b)로 구성되며, 이외에도 상기 마이크로 컴퓨터(12)의 동작에 필료한 램(RAM), 롬(ROM), 중앙처리장치(CPU), 입출력신호 및 데이타를 마이크로 컴퓨터(12)와 각 인터페이스부와 연결하는 입출력 포트들 그리고 상기한 마이크로 컴퓨터(12)의 각 구성요소를 통제하는 통제회로(Supervisory Circuit)부를 포함한다.

도 5는 본 발명이 적용된 직류모터의 전류제어 방법의 일 실시예를 나타낸 순서도로서, 도 4의 디지탈 PWM 전류제어기(10)의 구성부분중의 하나인 마이크로 컴퓨터(12)에 의해 제어되며, 그 제어과정은 다음과 같다.

디지탈 PWM 제어기(10)에 외부신호가 인가되기전에 먼저 카운터를 초기화 시키는 과정(S1)이 필요한데, 이는 본 제어과정을 수행하기 위해 기준이 되는 시간을 설정하기 위한 것이며, 상기 마이크로 컴퓨터(12)내에 위치한 클럭 발생기로부터 인가받게 되는 클럭주파수를 기준으로 하여 임의의 원하는 카운터값을 얻게된다.

이와같이 카운터값이 설정되고 외부로부터 가속기등을 통해 디지탈 PWM 전류제어기(10)로 원하는 만큼의 모터제어를 위한 전류명령치와 전류검출기(30)로부터 전류추종치가 입력되면, 이 값들은 A/D 변환기에 의해 아날로그 신호에서 디지탈 신호로 변환되게되고 그 차이값은 제어신호로 된다(S2).

한편 상기한 카운터 초기화 과정(S1)에서 발생한 카운터값을 이용하여 마이크로 컴퓨터(12)는 원하는 제어를 수행하기 위한 PWM 주파수와 동일한 주파수를 갖는 톱니파 기준파형을 발생시킨다(S3). 따라서 발생되는 파형의 주파수는 상기 카운터값에 따라 변화되는 종속적인 관계를 갖게 된다. 그리고 생성된 톱니파 기준파형은 제어신호와 비교되기 위하여 디지탈 PWM 전류제어기(10)내의 마이크로 컴퓨터(12)가 동작하는 전압값의 범위내로 스케일링(Scaling) 과정을 거친다(S4).

상술한 과정을 거친 후, 제어신호와 톱니파 신호의 크기를 비교하여 제어신호가 크면 디지탈 PWM 전류제어기(10)의 디지탈 출력 즉, 디지탈 PWM 신호의 값은 1(고전위)로 되어 모터구동용 전력증폭기(20) 내에 위치하는 FET 초퍼(Q1)를 온시키고, 제어신호가 작을 경우에는 상기 디지탈 PWM 신호의 값은 0(저전위)으로 되어 상기 FET 초퍼(Q1)를 오프시키게 된다(S5).

상기 디지탈 PWM 신호에 의해 모터구동용 전력증폭기(20)가 동작하여 모터제어가 시작되고 전류검출기(30)에 의해 모터의 동작전류가 검출되면, 이 실제 전류값을 상기한 디지탈 PWM 제어기(10)로 궤환시켜주기 위해 입력신호 인터페이스부(11)에서 마이크로 컴퓨터(12)가 동작하는 전압값의 범위내의 아날로그 값으로 변환한 후, 다시 마이크로 컴퓨터(12)에서 A/D 변환을 거쳐 디지탈 값의 전류추종치로 최종 변환된다(S6).

상기와 같이 변환된 전류추종치는 다시 제어신호를 발생시키기 위해 역시 디지탈 값으로 변환된 전류명령치와 비교되며(S2), 전술한 전 과정을 계속적으로 반복한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 직류모터의 전류제어 장치 및 방법에 의하면, 마이크로 컴퓨터를 이용한 디지탈 방식의 직류모터용 제어기와 그에맞는 제어방법을 제공함으로써 신뢰도는 떨어뜨리지 않으면서도 회로를 간단화 하고 따라서 저가형인 직류모터의 전류제어기를 실현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 직류모터 제어를 위한 외부로부터의 전류명령치와 실제 모터 구동전류를 전류추종치로서 인가받아 디지탈 신호로 변환하고, 이 두 신호의 차에 의하여 제어신호를 발생시키는 한편 내부적으로 가지고 있는 카운터를 이용하여 원하는 PWM 제어주파수와 동일한 주파수의 톱니파 기준신호를 발생시키고, 이 신호와 상기 제어신호를 비교하여 그 차에 따른 디지탈 PWM 신호를 발생시키는 디지탈 PWM 전류제어기와,

   상기 디지탈 PWM 전류제어기의 출력신호를 인가받아 모터를 포함하는 회로를 구동하는 모터구동용 전력증폭기와,

   상기 모터구동용 전력증폭기의 동작시 모터에 흐르는 전류를 검출하여 상기 디지탈 PWM 전류제어기로 궤환시키는 전류검출기로 구성됨을 특징으로 하는 직류모터의 전류제어 장치.
2. 카운터의 출력을 임의의 값으로 설정하는 카운터 초기화 과정과,

   외부 제어입력신호와 실제 모터에 흐르는 실제 전류값을 A/D 변환하여, 그 차에 해당하는 제어신호를 생성하는 과정과,

   상기 카운터의 출력값을 이용하여 톱니파 기준신호를 생성하고, 이 기준신호를 상기 제어신호와 비교하기 위하여 신호처리하는 과정과,

   상기 제어신호와 톱니파 기준신호의 크기를 판단하여, 제어신호가 큰 경우에 고전위의 디지탈 PWM 신호를 발생하여 모터구동용 FET 초퍼를 온시키고, 제어신호가 작을 경우에는 저전위의 디지탈 PWM 신호를 발생하여 모터구동용 FET 초퍼를 오프시키는 과정과,

   상기 과정에 의해 모터가 동작하는 경우에 실제 모터에 흐르는 전류값을 A/D 변환한 후, 궤환값인 전류추종치로서 상기 제어신호 생성과정으로 인가시키는 전류추종치 A/D 변환과정의 순으로 제어됨을 특징으로 하는 직류모터의 전류제어 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 디지탈 PWM 신호의 주파수는 상기 카운터 초기화 과정에서 카운터의 출력값을 임의로 조정해 줌으로써 변화시킬 수 있는 직류모터의 전류제어 방법.