KR19990043946A - Speed-torque characteristic adjustment method of switched reluctance motor - Google Patents

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스위치드 리럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, SRM)는 기존 교류전동기에 비해 우수한 운전특성을 가지고 있어 가변속 구동원으로의 적용이 다양하게 검토되고 있다. 그러나 SRM은 속도-토오크특성이 직류직권특성 이어서 속도변동률이 높으며 가변속운전에 어려움이 많다. 본 제안에서는 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식을 제안한다.Switched Reluctance Motors (SRMs) have superior operating characteristics compared to existing AC motors and are being considered for various applications as variable speed drive sources. However, SRM has high speed fluctuation rate due to the DC-torque characteristic of speed-torque, and it is difficult for variable speed operation. In this paper, we propose a method that can actively adjust the speed-torque characteristics of SRM to suit the load characteristics.

Description

스위치드 릴럭턴스 전동기의 속도-토오크특성 조정방식Speed-torque characteristic adjustment method of switched reluctance motor

스위치드 리럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, SRM)는 기존 교류전동기에 비해 우수한 운전특성을 가지고 있어 가변속 구동원으로의 적용이 다양하게 검토되고 있다. 그러나 SRM은 속도-토오크특성이 직류직권특성 이어서 속도변동률이 높으며 가변속운전에 어려움이 많다. 본 제안에서는 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식을 제안한다.Switched Reluctance Motors (SRMs) have superior operating characteristics compared to existing AC motors and are being considered for various applications as variable speed drive sources. However, SRM has high speed fluctuation rate due to the DC-torque characteristic of speed-torque, and it is difficult for variable speed operation. In this paper, we propose a method that can actively adjust the speed-torque characteristics of SRM to suit the load characteristics.

도 1은 SRM에서의 속도-토오크의 조정원리를 보여주는 것으로 인가전압 및 dwell ahgle을 조정하면 도에서와 같이 속도-토오크를 원하는 형태로 조정할 수 있을 것이다.Figure 1 shows the speed-torque adjustment principle in SRM. If the applied voltage and the dwell ahgle are adjusted, the speed-torque may be adjusted to a desired shape as shown in FIG.

SRM의 전압방정식은 식 (1)과 같다.The voltage equation of SRM is shown in equation (1).

속도-토오크특성을 조정하기 위하여 기준속도에 대한 전동기의 속도궤환루우프를 구성한다. 이때 전동기의 속도검출은 간단한 디스크형 엔코더에 의하여 펄스 신호로 검출하며 동시에 기준속도도 펄스화한다. 이때, 전동기속도는 FM/V 컨버터로 직류화하고, 기준속도 V/FR컨버터로 형성시키되 FM/V와 V/FR컨버터는 변환이득을 조정하여 주파수/전압의 변환정수를 달리하여 결합시킨다.In order to adjust the speed-torque characteristic, the speed feedback loop of the motor with respect to the reference speed is constructed. At this time, the speed detection of the motor is detected by a pulse signal by a simple disk encoder, and the reference speed is also pulsed. At this time, the motor speed is DC to F M / V converter, and it is formed to reference speed V / F R converter, but F M / V and V / F R converter adjust the conversion gain to change the conversion constant of frequency / voltage. Combine.

지금, 도 2에서 FM/V 및 V/FR컨버터의 변환식은Now, the conversion formula of the F M / V and V / F R converter in FIG.

이므로 이들을 결합시키면 다음과 같은 주파수 조건에서 同定(identification)한다.Therefore, when these are combined, they are identified under the following frequency conditions.

그리하여 양 F/V 컨버터의 바이어스 전압의 조정에 의하여 도 3과 같이 SRM의 스위칭주파수 및 속도를 조정할 수 있게 한다. 여기서,의 변환정수이고는 그것들의 바이어스 전압이다.Thus, as shown in FIG. 3, the switching frequency and speed of the SRM can be adjusted by adjusting the bias voltages of both F / V converters. here, Is And Is the conversion constant of And Is their bias voltage.

SRM에서의 속도-토오크특성은 여자기전력의 전류의 크기에 의하여 제어된다. 그리고 전류의 크기는 선행각(advance angle)에 의하여 제어된다.The speed-torque characteristic in SRM is controlled by the magnitude of the current of the excitation electromotive force. And the magnitude of the current is controlled by the advance angle.

동기기에서는 부하토오크가 증감하면 상차각의 증감이 생기게 되고 이것의 정현값에 비례하는 토오크출력이 속응성있게 대응하게 한다.In the synchronizer, when the load torque increases or decreases, the phase difference increases and decreases, and the torque output proportional to its sine value responds quickly.

본 제안에서 토오크제어는 이러한 원리를 도입하여, SRM에서 부하토오크가 증감하면 별도의 연산장치 없이 전류의 dwell angle을 증감시키고 동시에 순시 전류의 자승에 비례하는 효과적인 토오크출력을 갖게하여 전동기의 동특성 향상시킬 수 있게 하였다.Torque control in this proposal introduces this principle, and if load torque is increased or decreased in SRM, the dwell angle of current is increased and decreased without additional computing device, and at the same time, it has effective torque output proportional to the square of instantaneous current to improve the dynamic characteristics of the motor. Made it possible.

도 4는 일정속도에서 부하토오크의 변동에 따라 dwell angle이 가변하여 안정한 운전을 유지하는 제어개념도를 보여주고 있다. 지금 도 4(a)는 부하토오크와 발생 토오크가 평형을 이루고 있는 한 상태를 나타내고 있다. 이때 부하토오크가 감소하면 발생토오크가 부하토오크 보다 더 커져 순간적으로 회전자는 가속된다. 도 4(b)에서와 같이 회전자속도가 빨라진 만큼 회전자 위치센서로부터 나오는 펄스신호는 상대적으로 앞당겨서 발생하여 dwell angle이 줄어들고 전류의 크기가 작아지고 발생토오크도 작아진다. 그리하여 발생토오크와 부하토오크가 평형되는 도통각에서 동작하게 되고 회전자속도는 여전히 기준속도와 같게 된다.Figure 4 shows a control conceptual diagram of maintaining a stable operation by varying the dwell angle in accordance with the change of the load torque at a constant speed. 4A shows a state where the load torque and the generated torque are in equilibrium. At this time, when the load torque decreases, the generated torque becomes larger than the load torque and the rotor is momentarily accelerated. As shown in (b) of FIG. 4, as the rotor speed increases, the pulse signal from the rotor position sensor is generated relatively early, so that the dwell angle is reduced, the magnitude of current is reduced, and the generated torque is also reduced. Thus, it operates at the conduction angle where the generated torque and the load torque are balanced, and the rotor speed is still equal to the reference speed.

반대로 부하토오크가 증가하게 되면, 발생토오크가 부하토오크보다 작아 순시적으로 회전자는 감속하게 된다. 따라서 스위치 오프신호가 시간적으로 늦어진 만큼 도 4(c)와 같이 dwell angle 이 넓어지게 되어 발생토오크가 증가하여 부하토오크에 대응하게 된다.On the contrary, when the load torque increases, the generated torque is smaller than the load torque and the rotor decelerates instantaneously. Therefore, as the switch-off signal is delayed in time, the dwell angle becomes wider as shown in FIG. 4 (c), and the generated torque increases to correspond to the load torque.

이러한 동작은 도 5에서 부하가 증가할 경우의 펄스신호를 검토함으로서 확인할 수 있다. 기준속도신호는 속도명령에서 얻어지며 회전자 속도신호는 회전자에 부착된 속도엔코더로부터 얻을 수 있다. 이 두신호로부터 dwell angle을 생성할 수 있으며, 스위칭-온 각은 속도기준신호로부터, 스위칭-오프각은 회잔자 속도신호로부터 얻는다. 이때 회전자엔코더는 스위칭-오프각에 맞추어 회전자에 설치하였다. 도 6은 회전자엔코더의 형태로 6/4형 SRM에 적당한 형상이다.This operation can be confirmed by examining the pulse signal when the load increases in FIG. The reference speed signal is obtained from the speed command and the rotor speed signal can be obtained from the speed encoder attached to the rotor. From these two signals, a dwell angle can be generated, with the switching-on angle derived from the speed reference signal and the switching-off angle derived from the gray residue speed signal. At this time, the rotor encoder was installed in the rotor according to the switching-off angle. 6 is a shape suitable for 6/4 type SRM in the form of a rotor encoder.

속도-토오크 조정 동작은 FM/V와 V/FR컨버터로 구성된 속도제어기에서 도 2와 같은 원리로 동작되며 이를 전속도영역에서 행하면 도 7과 같이 된다.The speed-torque adjustment operation is operated in the same manner as in FIG. 2 in a speed controller composed of an F M / V and a V / F R converter.

두 컨버터의 정합시, 식(1)의 전압방정식에서의 임피던스전압강하 성분에 대한 reference model에의 보상분으로는 부하전류의 평균치 IL의 변환치를 기준값 V/FR에 귀환시키고, 속도 역기전력 성분에 대한 보상분으로는 dwell angle의 변환치를 전동기속도궤환값 FM/V에 궤환시켜 그들의 바이어스 전압을 조정한다. 이때 식(3)은 다음의 식(4)와 같은 관계식을 갖게 된다.When the two converters are matched, as a compensation to the reference model for the impedance drop component in the voltage equation of Equation (1), the converted value of the average value I L of the load current is returned to the reference value V / F R , As a compensation for this, the converted value of the dwell angle is fed back to the motor speed feedback value F M / V to adjust their bias voltage. Equation (3) has a relational expression as in Equation (4) below.

여기서 fo는 시스템이 동정된 상태에서의 전동기속도주파수이고,는 부하전류의 귀환계수이며,는 dwell angle θDW의 귀환보상계수이다.Where f o is the motor speed frequency with the system identified, Is the load current Feedback coefficient, Is the feedback compensation coefficient of dwell angle θ DW .

여기서, 부하전류의 귀환정수,및 power (dwell) angle의 궤환게수,를 조정하는 구동시스템을 구성하면 도 8과 같이 된다.Where the feedback constant of the load current, And feedback coefficient of power (dwell) angle, If the drive system for adjusting the configuration is configured as shown in FIG.

도 9는 전압조정기(voltage regulator)의 구성도로 얻어진 dwell angle을 이용하여 SRM에 적당한 상전압을 인가하기 위하여 램프형 PWM 펄스전압을 만든다.9 is a ramp-type PWM pulse voltage to apply an appropriate phase voltage to the SRM using the dwell angle obtained from the schematic diagram of the voltage regulator.

도 10은 제안한 제어시스템으로 조정된 토오크특성을 보여주고 있다.10 shows the torque characteristics adjusted by the proposed control system.

스위치드 리럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, SRM)는 기존 교류전동기에 비해 우수한 운전특성을 가지고 있어 가변속 구동원으로의 적용이 다양하게 검토되고 있다. 그러나 SRM은 속도-토오크특성이 직규직권특성 이어서 속도변동률이 높으며 가변속운전에 어려움이 많다. 본 제안에서는 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식을 제안한다.Switched Reluctance Motors (SRMs) have superior operating characteristics compared to existing AC motors and are being considered for various applications as variable speed drive sources. However, SRM has high speed fluctuation rate because of speed-torque characteristic of direct current, which makes it difficult for variable speed operation. In this paper, we propose a method that can actively adjust the speed-torque characteristics of SRM to suit the load characteristics.

기술분야 - 스위치드 릴럭턴스 전동기의 속도제어Technology-Speed Control of Switched Reluctance Motors

종래의 기술 - 속도-토오크의 조정을 운전중 조정하며 미리 설정하여 조정하지 않음Conventional technology-Adjusts speed-torque during operation, not preset

SRM은 속도-토오크특성이 직류직권특성 이어서 속도 변동률이 높으며 가변속운전에 어려움이 많다. 본 제안에서는 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식SRM has high speed fluctuation rate because of speed-torque characteristic of DC series. In this proposal, the speed-torque characteristic of SRM can be actively adjusted to the load characteristic.

제 1도는 전압 및 dewll angle 조정에 의한 속도-토오크의 조정Figure 1 shows the adjustment of speed-torque by adjusting voltage and dewll angle

제 2도는 두컨버터의 정합시 이득조정 원리2 is a principle of gain adjustment when matching two converters.

제 3도는 컨버터이득조정에 의한 속도-토오크특성 조정원리3 shows the speed-torque characteristic adjustment principle by converter gain adjustment.

제 4도는 동적 속도제어원리 (a) 설정 값 (b) 부하감소 (c) 부하증가4 shows the dynamic speed control principle (a) setting value (b) load reduction (c) load increase

제 5도는 부하증가에 따른 dwell angle 변화5 is a change in the dwell angle with increasing load

(r) 속도기준신호 (p) 회전자속도신호 (d)dwell각신호(r) Speed reference signal (p) Rotor speed signal (d) Dwell angle signal

제 6도는 회전자엔코더6 is a rotor encoder

제 7도는 컨버터 변환이득조정에 의한 속도-토오크의 조정7 shows speed-torque adjustment by converter conversion gain adjustment.

제 8도는 토오크-속도 특성조정을 위한 제어시스템8 is a control system for torque-speed adjustment

제 9도는 전압조정기(voltage regulator)의 구성도9 is a schematic diagram of a voltage regulator

제 10도는 제안한 제어시스템으로 조정된 토오크특성10 shows torque characteristics adjusted by the proposed control system.

속도-토오크특성을 조정하기 위하여 기준속도에 대한 전동기의 속도궤환루우프를 구성한다. 이때 전동기의 속도검출은 간단한 디스크형 엔코더에 의하여 펄스신호로 검출하며 동시에 기준속도도 펄스화한다. 이때, 전동기속도는 FM/V 컨버터로 직류화하고, 기준속도는 V/FR컨버터로 형성시키되, FM/V와 V/FR컨버터는 그림 2와 같이 변환이득을 조정하여 주파수/전압의 변환정수를 달리하여 결합시킨다.In order to adjust the speed-torque characteristic, the speed feedback loop of the motor with respect to the reference speed is constructed. At this time, the speed detection of the motor is detected as a pulse signal by a simple disc encoder, and at the same time, the reference speed is also pulsed. At this time, the motor speed is DC to the F M / V converter and the reference speed is formed to the V / F R converter, but the F M / V and V / F R converter adjust the conversion gain as shown in Fig. 2 to adjust the frequency / voltage. Combine with different conversion constants.

그리하여 양 F/V 컨버터의 바이어스 전압의 조정에 의하여 도 3과 같이 SRM의 스윙칭주파수 및 속도를 조정할 수 있게 한다.Thus, by adjusting the bias voltages of both F / V converters, the swinging frequency and speed of the SRM can be adjusted as shown in FIG. 3.

스위치드 리럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, SRM)는 기존 교류전동기에 비해 우수한 운전특성을 가지고 있어 가변속 구동원으로의 적용이 다양하게 검토되고 있다. 그러나 SRM은 속도-토오크특성이 직류직권특성 이어서 속도변동률이 높으며 가변속운전에 어려움이 많다. 본 제안에서는 SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식을 제안하여 전동기 토오크이용률을 향상하도록 함.Switched Reluctance Motors (SRMs) have superior operating characteristics compared to existing AC motors and are being considered for various applications as variable speed drive sources. However, SRM has high speed fluctuation rate due to the DC-torque characteristic of speed-torque, and it is difficult for variable speed operation. In this proposal, we propose a method that can actively adjust the speed-torque characteristic of SRM to fit the load characteristics to improve the motor torque utilization rate.

Claims (1)

SRM의 속도-토오크 특성을 부하특성에 맞도록 능동적으로 조정할 수 있는 방식.A method in which the speed-torque characteristic of SRM can be actively adjusted to match the load characteristic. SRM의 전압방정식은 식(1)과 같다.The voltage equation of SRM is shown in equation (1). 속도-토오크특성을 조정하기 위하여 기준속도에 대한 전동기의 속도궤환루우프를 구성한다. 이때 전동기의 속도검출은 간단한 디스크형 엔코더에 의하여 펄스신호로 검출하며 동시에 기준속도도 펄스화한다. 이때, 전동기속도는 FM/V 컨버터로 직류화하고, 기준속도는 V/FR컨버터로 형성시키되, 도 2와 같이 FM/V와 V/FR컨버터는 변환이득을 조정하여 주파수/전압의 변환정수를 달리하여 결합시킨다.In order to adjust the speed-torque characteristic, the speed feedback loop of the motor with respect to the reference speed is constructed. At this time, the speed detection of the motor is detected as a pulse signal by a simple disc encoder, and at the same time, the reference speed is also pulsed. At this time, the motor speed is DC to the F M / V converter, the reference speed is formed by the V / F R converter, as shown in Figure 2 F M / V and V / F R converter by adjusting the conversion gain frequency / voltage Combine with different conversion constants. 지금, FM/V 및 V/FR컨버터의 변환식은Now, the conversion equation for the F M / V and V / F R converters is 이므로 이들을 결합시키면 다음 같은 주파수 조건에서 同定(identification)한다.Therefore, when these are combined, they are identified under the following frequency conditions. 그리하여 양 F/V 컨버터의 바이어스 전압의 조정에 의하여 SRM의 스위칭주파수 및 속도를 조정할 수 있게 한다. 여기서는 V/FR및 FM/V의 변환정수이고는 그것들의 바이어스 전압이다.Thus, it is possible to adjust the switching frequency and speed of the SRM by adjusting the bias voltage of both F / V converters. here Is the conversion constant of V / F R and F M / V And Is their bias voltage. SRM에서의 속도-토오크특성은 여자기전력의 전류의 크기에 의하여 제어된다. 그리고 전류의 크기는 선행각(advance angle)에 의하여 제어된다.The speed-torque characteristic in SRM is controlled by the magnitude of the current of the excitation electromotive force. And the magnitude of the current is controlled by the advance angle. 동기기에서는 부하토오크가 증감하면 상차각의 증감이 생기게 되고 이것의 정현값에 비레하는 토오크출력이 속응성있게 대응하게 한다.In the synchronizer, when the load torque is increased or decreased, the phase difference angle is increased and the torque output corresponding to its sine value is responded quickly. 본 제안에서 토오크제어는 이러한 원리를 도입하여, SRM에서 부하토오크가 증감하면 별도의 연산장치 없이 전류의 dwell angle을 증감시키고 동시에 순시 전류의 자승에 비례하는 효과적인 토오크출력을 갖게하여 전동기의 동특성 향상시킬 수 있게 하였다.Torque control in this proposal introduces this principle, and if load torque is increased or decreased in SRM, the dwell angle of current is increased and decreased without additional computing device, and at the same time, it has effective torque output proportional to the square of instantaneous current to improve the dynamic characteristics of the motor. Made it possible. 속도-토오크 조정 동작은 FM/V와 V/FR컨버터로 구성된 속도제어기에서 도 2와 같은 원리로 동작되며 이를 전속도영역에서 행하면 도 7과 같이 된다.The speed-torque adjustment operation is operated in the same manner as in FIG. 2 in a speed controller composed of an F M / V and a V / F R converter. 두 컨버터의 정합시, 식(1)의 전압방정식에서의 임피던스전압강하 성분에 대한 reference model에의 보상분으로는 부하전류의 평균치의 변환치를 기준값 FM/V에 귀환시켜 그들의 바이어스 전압을 조정한다. 이때 식(3)은 다음의 식(4)와 같은 관계식을 갖게 된다.When the two converters match, the average value of the load current is the compensation to the reference model for the impedance drop component in the voltage equation of equation (1). The bias value is adjusted by returning the conversion value to the reference value F M / V. Equation (3) has a relational expression as in Equation (4) below. 여기서는 시스템이 동정된 상태에서의 전동기속도주파수이고,는 부하전류의 귀환계수이며,는 dwell angle θDW의 귀환보상계수이다.here Is the motor speed frequency with the system identified, Is the load current Feedback coefficient, Is the feedback compensation coefficient of dwell angle θ DW . 여기서, 부하전류의 귀환정수,및 power(dwell) angle의 귀환계수,를 조정하는 구동시스템을 구성하면 도 8과 같이 된다.Where the feedback constant of the load current, And the feedback coefficient of the power (dwell) angle, If the drive system for adjusting the configuration is configured as shown in FIG.
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