KR20000054900A - 에스알엠 모터의 속도 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에스알엠 모터의 속도 제어방법에 관한 것으로, 종래에는 에스알엠 모터의 속도를 PWM 전압제어 또는 전류제어로 조절할 경우 높은 스위칭주파수를 필요로 함에따라 고가의 FET나 IGBT 소자를 사용해야 하므로 가격이 상승하고, 소음이 발생하는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 초기 기동시에는 PWM 전압제어로 일정속도까지 가속시키고 속도가 둔해지는 시점부터는 드웰 제어를 행하여 모터 속도를 제어함으로써 소음을 줄일 수 있고, 저속형 파워소자로도 넓은 속도 제어가 가능하여 가격을 낮출 수 있고, 낮은 스위칭 주파수로 운전하여 스위칭손실을 절감시키도록 한 것이다.

Description

에스알엠 모터의 속도 제어방법{SPEED CONTROL METHOD FOR SWITCHED RELUCTANCE MOTOR}
본 발명은 저가격의 소자로 속도를 조절하기 위하여 최소 스위칭을 하면서 모터 속도를 제어하기 위한 에스알엠 모터의 속도 제어방법에 관한 것으로, 특히 PWM 전압제어와 드웰 제어를 병행하여 모터 속도를 제어함으로써 소음을 줄일 수 있도록 한 에스알엠 모터의 속도 제어방법에 관한 것이다.
도 2는 6/4 구조를 갖는 에스알엠 모터의 구동회로도로서, 이에 도시한 바와같이, 입력되는 전원을 평활시켜 얻어지는 직류전압을 에스알엠 모터로 공급하는 직류 링크 커패시터(C)와, 병렬로 N상의 수 만큼 각각 연결되는 N개의 모터 권선(La,Lb,Lc)과, 이 모터 권선(La,Lb,Lc)에 상,하로 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)(Q2a,Q2b,Q2c)와, 상기 상위 스위치소자(Q1a,Q1b,Q1c)의 에미터와 하위 스위치소자(Q2a,Q2b,Q2c)의 에미터 사이에 연결된 프리휠 다이오드(FRD2,FRD4,FRD6)와, 상기 상위 콜렉터와 하위 스위치소자(Q2a,Q2b,Q2c)의 에미터 사이에 연결된 프리휠 다이오드(FRD3,FRD5,FRD7)로 구성한다.
이와같이 구성된 종래기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 3에 의거하여 드웰 제어에 의한 모터 속도를 제어하는 방법에 대하여 살펴보면, 직류 링크 커패시터(C)가 입력되는 전원을 평활시켜 만들어진 직류전압을 에스알엠(SRM) 모터로 공급한다.
따라서 에스알엠(SRM) 모터는 회전하게 되고, 이에따라 모터 내부에 포토 인터럽터와 각 상에 연계된 슬롯을 갖는 디스크를 설치함으로써 회전자의 위치를 포토센서에서 검출하게 되고, 그 검출한 회전자 위치에 따라 도 3a에서와 같은 신호를 출력한다.
도 3a는 저속 운전시의 신호 파형도로서, 저속운전에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
고정자 권선 A상에 전기가 유기될 수 있도록, 하이상태의 A상의 게이트신호를 모터 권선(La)에 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)의 게이트로 각각 공급된다.
따라서 상기 A상의 상, 하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)가 동시에 턴온된다.
상기 A상의 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)가 온됨에 따라 모터 권선(La)으로 전류가 흐르게 되고, 이에따라 A상의 모터 권선(La)에 전기를 유기시킬 수 있게 된다.
이렇게 소정의 드웰 타임(T) 동안 A상의 모터 권선(La)에 전류가 흐르게 한다음 로우상태의 게이트신호를 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)로 출력한다.
따라서 상기 상, 하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)는 동시에 턴오프되고, A상의 모터 권선(La)에 유기된 자속은 프리휠 다이오드(FRD3), 직류 링크 커패시터(C), 프리휠 다이오드(FRD2), 모터 권선(La)에 의해 제거되면서 모터는 원활하게 회전하게 된다.
그런다음 다시 고정자 권선 B상에 전기가 유기될 수 있도록, 하이상태의 B상의 게이트신호를 모터 권선(Lb)에 직렬연결된 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)의 게이트로 각각 공급된다.
따라서 상기 B상의 상, 하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 동시에 턴온된다.
상기 B상의 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 온됨에 따라 모터 권선(Lb)으로 전류가 흐르게 되고, 이에따라 B상의 모터 권선(Lb)에 전기를 유기시킬 수 있게 된다.
이렇게 소정의 드웰 타임 동안 B상의 모터 권선(Lb)에 전류가 흐르게 한다음 로우상태의 게이트신호를 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)로 출력한다.
따라서 상기 상, 하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)는 동시에 턴오프되고, B상의 모터 권선(Lb)에 유기된 자속은 프리휠 다이오드(FRD5), 직류 링크 커패시터(C), 프리휠 다이오드(FRD4), 모터 권선(Lb)에 의해 제거되면서 모터는 원활하게 회전하게 된다.
그리고, C상의 경우도 상기에서와 같은 동작에 의해 동작된다.
이와같은 일을 반복하게 됨으로써, 에스알엠 모터는 회전하게 된다.
그리고, 도 3b에서와 같이 중속으로 동작하는 경우에는, 저속으로 동작하는 경우보다 드웰 타임(T)이 길고, 오프 타임이 짧아진다.
마찬가지로 고속으로 동작하는 경우는 도 3c에서와 같이 오프 타임이 없이, 드웰 타임이 길고, 그 드웰 타임이 각 상에 대하여 연속으로 출력되어 고속으로 동작하게 된다.
두 번째로, 도 4에 의거하여 PWM 전압제어에 의한 모터 속도를 제어하는 방법에 대하여 살펴보면, 도 2에서 직류 링크 커패시터(C)가 입력되는 전원을 평활시켜 만들어진 직류전압을 에스알엠(SRM) 모터로 공급하면 에스알엠(SRM) 모터는 회전하게 된다.
이때 모터 내부에 포토 인터럽터와 각 상에 연계된 슬롯을 갖는 디스크를 설치함으로써 회전자의 위치를 포토센서에서 검출하게 되고, 그 검출한 회전자 위치신호를 미도시된 마이크로 컴퓨터로 제공한다.
그러면 상기 마이크로 컴퓨터는 각 상을 제어하기 위한 신호를 출력하게 되는데, 먼저 고정자 권선 A상에 전기가 유기될 수 있도록 하위 스위치소자(Q2a)로는 도 4b에서와 같이 하이상태의 PWM펄스를 공급하고, 상위 스위치소자(Q1a)로는 도 4a에서와 같이 일정한 듀티를 갖는 펄스를 공급한다.
그러면 상기 하위 스위치소자(Q2a)는 턴온상태가 되고, 상위 스위치소자(Q1a)는 턴온/턴오프가 반복되면서 모터 권선(La)에 전류를 공급하는데, 이때 상기 모터 권선(La)에 흐르는 전류는 도 4c에서와 같이 흐르게 된다.
그리고, B상에 전기가 유기될 수 있도록 A상의 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)에 제공하던 PWM펄스를 차단시키고, B상의 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)로 공급한다.
그러면 상기 B상의 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 온되고 이에따라 B상의 모터 권선(Lb)에 전류가 흐르게 된다.
다시 B상이 오프되고 C상이 온되어 상기에서와 같은 동작을 반복한다.
그리고 모터 속도를 증가시키기 위해서는 도 4a에 도시한 펄스의 듀티를 증가시킨다.
이와같은 일을 반복하게 됨으로써, 에스알엠 모터는 PWM 전압제어로 회전하게 된다.
세 번째로, 도 5에 의거하여 전류제어에 의한 모터 속도를 제어하는 방법에 대하여 살펴보면, 도 2에서 직류 링크 커패시터(C)가 입력되는 전원을 평활시켜 만들어진 직류전압을 에스알엠(SRM) 모터로 공급하면 에스알엠(SRM) 모터는 회전하게 된다.
이때 모터 내부에 포토 인터럽터와 각 상에 연계된 슬롯을 갖는 디스크를 설치함으로써 회전자의 위치를 포토센서에서 검출하게 되고, 그 검출한 회전자 위치신호를 미도시된 마이크로 컴퓨터로 제공한다.
그러면 상기 마이크로 컴퓨터는 각 상을 제어하기 위한 신호를 출력하게 되는데, 먼저 고정자 권선 A상에 전기가 유기될 수 있도록 하위 스위치소자(Q2a)로는 도 5b에서와 같이 하이상태의 PWM펄스를 공급하고, 상위 스위치소자(Q1a)로는 도 5a에서와 같이 듀티가 일정하지 않는 펄스를 공급한다.
그러면 상기 하위 스위치소자(Q2a)는 턴온상태가 되고, 상위 스위치소자(Q1a)는 턴온/턴오프가 반복되면서 모터 권선(La)에 전류를 공급하는데, 이때 도 5c에서와 같이 히스테리시스 밴드(Hysteresys band)를 두어 전류의 상한치와 하한치가 일정한 밴드내에 들도록 한다.
즉, 상기 도 5c에 도시한 바와같이 전류가 히스테리시스 밴드에 들도록 상위 스위치소자(Q1a)에 인가하는 펄스의 폭을 가변시킨다.
이렇게 하여 A상에 전기가 유기될 수 있도록 한다음 B상에 전기가 유기될 수 있도록 하기 위하여, A상의 상,하위 스위치소자(Q1a)(Q2a)에 제공하던 PWM펄스를 차단시키고, B상의 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)로 공급한다.
그러면 상기 B상의 상,하위 스위치소자(Q1b)(Q2b)가 온되고 이에따라 B상의 모터 권선(Lb)에 전류가 흐르게 된다.
다시 B상이 오프되고 C상이 온되어 상기에서와 같은 동작을 반복한다.
이와같은 일을 반복하게 됨으로써, 에스알엠 모터는 전류제어로 회전하게 된다.
그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서, 에스알엠 모터의 속도를 제어하기 위하여는 PWM 전압제어 또는 전류제어로 조절함에 있어, 스위치소자를 온/오프시키기 위한 스위칭주파수는 모터의 기계적 공진주파수 보다 높아야 하므로 고가의 FET, 또는 IGBT 소자를 필요로 하고, 소음이 발생하는 문제점과, 팬의 부하가 과도하게 높아졌을 때 모터와 인버터를 보호하기 위하여 전류센서를 부착하고 전류치로서 이를 보호하였으나 복잡한 회로가 필요하고, 가격 상승의 원인이 되는 문제점이 있다.
따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 초기 기동시 PWM 전압제어로 일정 속도이상에 도달시켜 놓고 이후에는 드웰 제어를 실시하도록 하여 저속형 파워소자로서도 넓은 속도제어가 가능하도록 한 에스알엠 모터의 속도 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 낮은 스위칭 주파수로 운전하여 스위칭손실을 절감하여 효율을 상승시킬 수 있도록 한 에스알엠 모터의 속도 제어방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전류검출을 하지 않고도 과부하에 대하여 안정하게 동작하도록 함으로써, 인버터의 신뢰성을 높일 수 있도록 한 에스알엠 모터의 속도 제어방법을 제공함에 있다.
도 1은 6/4 구조를 갖는 에스알엠 모터의 구조도.
도 2는 6/4 구조를 갖는 에스알엠 모터의 구동회로도.
도 3은 도 2에서, 드웰(dwell) 제어로 모터의 속도를 조절하기 위한 운전 파형도.
도 4는 도 2에서, PWM 전압제어로 모터의 속도를 조절하기 위한 운전 파형도.
도 5는 도 2에서, 전류 제어로 모터의 속도를 조절하기 위한 운전 파형도.
도 6은 본 발명 에스알엠 모터의 속도 제어시 파형도.
도 7은 드웰 타임과 속도와의 관계를 보여주는 특성도.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
10 : 회전자20 : 고정자
C : 직류 링크 커패시터FRD : 프리휠 다이오드
La,Lb,Lc : 모터 권선Q1 : 상위 스위치소자
Q2 : 하위 스위치소자
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 초기 기동시 PWM 제어로 모터속도를 증가시키는 제1단계와, 상기에서 증가된 모터속도를 체크하는 제2단계와, 상기에서 모터속도가 일정속도 이하이면 계속해서 속도를 증가시키고, 일정속도 이상이면 부하에 따라 드웰 제어로 모터속도를 조절하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
본 발명 에스알엠 모터의 속도 제어방법은 초기 기동시 PWM 제어로 모터속도를 증가시키는 제1단계(S101)와, 상기에서 증가된 모터속도를 체크하는 제2단계(S102)와, 상기에서 모터속도가 일정속도 이하이면 계속해서 속도를 증가시키고, 일정속도 이상이면 부하에 따라 드웰 제어로 모터속도를 조절하는 제3단계(S103)와, 상기에서 조절되는 모터속도와 설정속도를 비교하여 부하가 정상상태인지 과부하상태인지를 체크하는 제4단계(S104)와, 상기에서 정상상태이면 드웰 제어로 계속해서 조절하고 과부하상태이면 동작을 정지시키는 제5단계(S105)로 이루어진다.
이와같이 각 단계로 이루어진 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
초기 기동시 도 2에서 직류 링크 커패시터(C)가 입력되는 전원을 평활시켜 만들어진 직류전압을 에스알엠(SRM) 모터로 공급한다.
이때 모터 내부에 포토 인터럽터와 각 상에 연계된 슬롯을 갖는 디스크를 설치함으로써 회전자의 위치를 포토센서에서 검출하게 되고, 그 검출한 회전자 위치신호를 미도시된 마이크로 컴퓨터로 제공한다.
그러면 상기 마이크로 컴퓨터는 각 상을 제어하기 위한 신호를 출력하게 되는데, 먼저 고정자 권선 A상에 전기가 유기될 수 있도록 하위 스위치소자(Q2a)로는 도 4b에서와 같이 하이상태의 PWM펄스를 공급하고, 상위 스위치소자(Q1a)로는 도 4a에서와 같이 일정한 듀티를 갖는 펄스를 공급한다.
그러면 상기 하위 스위치소자(Q2a)는 턴온상태가 되고, 상위 스위치소자(Q1a)는 턴온/턴오프가 반복되면서 모터 권선(La)에 전류가 흐르게 된다.
이와같이 A상에 대하여 동작시킨 다음 A상의 모터 권선(La)에 공급되는 전류를 차단시키고 바로 B상에 전기가 유기될 수 있도록 B상의 스위치소자(Q1b)(Q2b)로 PWM 펄스를 제공하여 모터 권선(Lb)에 전류가 흐르도록 한다.
다시 상기 B상의 모터 권선(Lb)에 공급되는 전류를 차단하고, 연이어서 C상에 전기가 유기될 수 있도록 C상의 스위치소자(Q1c)(Q2c)로 PWM 펄스를 제공하여 모터 권선(Lc)에 전류가 흐르도록 한다.
이상에서와 같은 동작을 반복하여 모터를 회전시키고, PWM 제어를 낮은 듀티(DUTY)부터 높은 듀티로 일정하게 듀티를 증가시켜 PWM 펄스를 각 상의 스위치소자로 제공한다.
따라서 모터속도를 가속시킨다.
이렇게 모터속도를 가속시켜 일정속도에 도달하도록 한다.(S101)
이때 초기 기동에서 일정속도까지 가속되는 시간은 대약 3초에서 4초 가량이 소요된다.
이렇게하여 초기 기동시에는 PWM 제어로 일정속도까지 가속된 후 가속이 둔해지는 부분부터는 드웰 제어로 모터속도를 제어한다.
즉, 마이크로 컴퓨터는 현재 속도를 알고 있으므로, 현재속도가 드웰 제어를 실시하고자하는 속도에 도달했는지 아직 도달하지 못했는지를 체크한다.(S102)
체크 결과, 현재속도가 설정되어 있는 속도에 도달하면 마이크로 컴퓨터는 드웰 제어를 실시하면 된다.(S103)
즉, 도 3에 도시한 바와같이 저속운전, 중속운전, 고속운전에 따라 드웰 타임(T)을 조절한 게이트신호를 순차적으로 각 상의 스위치소자로 제공하여 모터가 회전하도록 하면 된다.
이와같이 드웰 제어에 대한 설명은 종래에서 도 3에 의거하여 설명한 동작과 동일하므로 생략하기로 한다.
참고로, 드웰 제어시 드웰 타임과 속도와의 관계는 도 7에 도시한 바와같다.
상기에서와 같이 드웰 제어에 의해 모터 속도를 조절할 때, 마이크로 컴퓨터는 현재 모터속도와 설정속도를 비교하여 부하가 정상상태인지 과부하상태인지를 체크한다.(S104)와,
체크 결과, 부하가 정상상태로 판단되면 계속해서 드웰 제어로 모터속도를 조절하고, 부하가 과부하 상태로 판단되면 동작을 정지시킨다.(S105)
이렇게 동작을 정지시킴으로써 과부하에 의한 모터의 과열을 방지하고, 회로를 보호한다.
결국 본 발명은 도 6에서와 같이 초기 기동시에는 PWM 제어로 일정속도까지 가속시킨 후 속도가 둔해지는 시점에서 드웰 제어로 모터속도를 조절한다.
따라서, 본 발명은 초기 기동시에는 PWM 전압제어로 일정속도까지 가속시키고 속도가 둔해지는 시점부터는 드웰 제어를 행하여 모터 속도를 제어함으로써 소음을 줄일 수 있고, 저속형 파워소자로도 넓은 속도 제어가 가능하여 가격을 낮출 수 있고, 낮은 스위칭 주파수로 운전하여 스위칭손실을 절감시키도록 한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 초기 기동시 PWM 제어로 모터속도를 가속시키는 제1단계와, 상기에서 증가된 모터속도를 체크하는 제2단계와, 상기에서 모터속도가 일정속도 이하이면 계속해서 속도를 증가시키고, 일정속도 이상이면 부하에 따라 드웰 제어로 모터속도를 조절하는 제3단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 에스알엠 모터의 속도 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 제3단계에서 드웰 제어에 의한 모터속도를 감지하여 설정속도와 비교하여 부하가 과부하상태로 판단되면 동작을 정지시켜 모터 과열을 방지하도록 하는 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 에스알엠 모터의 속도 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1단계에서 모터를 일정속도까지 가속하는 시간은 약 3-4초인 것을 특징으로 하는 에스알엠 모터의 속도 제어방법.
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