KR20010076855A - Current resolution control apparatus of motor control system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 모터 제어시스템의 전류 분해능 조정장치에 관한 것으로, 특히 토오크분 전류가 줄어들면 직교분 전류를 증대시켜 모터에 일정 크기 이상의 전류를흐르게 함으로써 전류의 분해능을 높일 수 있도록 한 모터 제어시스템의 전류 분해능 조정장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for adjusting the current resolution of a motor control system. Particularly, when the torque component current decreases, the current of the motor control system to increase the resolution of the current by increasing the quadrature current to flow a current larger than or equal to a certain magnitude in the motor. It relates to a resolution adjusting device.
일반적으로 모터 제어시스템에서는 ADC(analog-to-digital converter)를 사용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는데, 통상 10bit(혹은 8비트)의 분해능을 갖는 ADC를 사용한다. ADC의 분해능은 비트(bit) 수에 따라 결정되므로 분해 기능의 비트수가 클수록 고정밀도를 얻을 수 있는 반면, 분해 기능의 비트수가 2비트(4배의 분해능 증가) 커지면 이를 구현하는 구성소자의 증가와 신호처리의 복잡도의 증가로 가격이 비싸지기 때문에 한정된 분야에만 사용되어 왔다.In general, a motor control system uses an analog-to-digital converter (ADC) to convert an analog signal into a digital signal, and typically uses an ADC having a resolution of 10 bits (or 8 bits). The resolution of the ADC is determined by the number of bits, so the higher the number of bits of the resolution function, the higher the accuracy. On the other hand, if the number of bits of the resolution function increases by 2 bits (4 times the resolution), It has been used only in limited fields because of its high price due to the increased complexity of signal processing.
모터 제어시스템에서는 상위제어부에서 서보 제어부로 속도제어명령을 출력하여 모터를 구동시키는데, 모터구동시 전류센서를 통해 검출한 신호는 ADC를 통해 데이타로 변환되고 이 데이타를 이용하여 실제 속도검출값이 주어진 속도명령값을 추종하도록 하는 피이드 루프(feedback loop)를 가지고 있다.The motor control system drives the motor by outputting the speed control command from the host controller to the servo controller. When the motor is driven, the signal detected by the current sensor is converted into data through the ADC and the actual speed detection value is given using this data. It has a feedback loop to follow the speed command value.
모터의 초기구동시 큰 전류가 모터에 흐르고 이후 정상상태에 돌입하게 되면 전류의 크기가 줄어들게 되는데, 이때 분해능이 낮은 저급의 ADC를 사용하면 응답성이 떨어진다.When the motor starts up, a large current flows to the motor and then enters a steady state. Then, the magnitude of the current decreases. At this time, if a low resolution ADC is used, the response is poor.
이를 감안하여 종래기술에서는 도 1과 같이, 저급의 분해능을 갖는 m-bit ADC(3) 이외에 m-bit DAC(digital-to-analog converter), 감산기(2a), 증폭기(2b), 타이밍 스위치(2c), 타이밍제어로직(6)을 추가로 구성하여 분해능을 조정하는 방안을 제시하고 있다.In view of this, in the related art, as shown in FIG. 1, in addition to the m-bit ADC 3 having a lower resolution, an m-bit digital-to-analog converter (DAC), a subtractor 2a, an amplifier 2b, and a timing switch ( 2c), the timing control logic 6 is further configured to propose a method of adjusting the resolution.
종래기술의 동작은 다음과 같다.The operation of the prior art is as follows.
먼저, 입력단자(1)로부터의 아날로그 입력은 타이밍 스위치(2c)를 통하여 m-bit ADC(3)에 입력된다. m-bit ADC(3)의 데이터 변환이 종료되면 그 결과인 m-bit 데이터 값이 출력되는데, 이를 로직(4)에 의해 다시 m-bit DAC(5)에 입력시킨다. 여기서, m-bit ADC(3)로부터 m-bit DAC(5) 까지의 회로에서 오프셋(offset; 정상오차)의 영향이 없다고 가정하면 m-bit DAC(5)의 출력은 m-bit ADC(3)에 입력되는 아날로그 입력과 유사한 값을 같게 된다.First, the analog input from the input terminal 1 is input to the m-bit ADC 3 via the timing switch 2c. When the data conversion of the m-bit ADC 3 is completed, the resulting m-bit data value is output, which is input by the logic 4 to the m-bit DAC 5 again. Here, assuming that there is no influence of offset (normal error) in the circuit from m-bit ADC (3) to m-bit DAC (5), the output of m-bit DAC (5) is m-bit ADC (3). ) Will have the same value as the analog input.
그리고, 감산기(2a)에 의하여 원래의 아날로그 입력에서 m-bit DAC(5)의 출력을 감산한 값 즉, m-bit ADC(3)와 m-bit DAC(5)의 양자화 오차(quantization error) 성분만이 증폭기(2b)로 입력된다.The subtractor 2a subtracts the output of the m-bit DAC 5 from the original analog input, that is, the quantization error of the m-bit ADC 3 and the m-bit DAC 5. Only components are input to the amplifier 2b.
이론적으로 증폭기(2b)는 2m배 만큼 신호를 증폭시킬 수 있다. 증폭된 신호는 타이밍 스위치(2c)가 아래쪽으로 스위칭된 상태에서 다시 m-bit ADC(3)에 입력되고 다시 신호변환 과정을 거쳐 출력된다.In theory, the amplifier 2b can amplify the signal by 2 m times. The amplified signal is input to the m-bit ADC 3 again with the timing switch 2c switched downward, and then output through a signal conversion process.
그러면, 최종적으로 원래의 아날로그 입력신호를 변환시킨 데이터 값(data)은 2m-bit의 값으로 변환된 결과를 얻을 수 있게 된다.Then, the data value (data) obtained by finally converting the original analog input signal can be obtained by converting the value of 2m-bit.
종래기술에 따르면 이론적으로 분해능을 2배 정도로 키울 수 있지만, 이는 불가피하게 발생하는 오프셋(offset)의 영향을 완전히 배제한 이상조건을 전제하고 있기 때문에 실제로 얻어지는 분해능의 증가는 크지 않다. 또한, 부가적으로 DAC와 OP AMP를 응용한 아나로그 회로, 타이밍과 관련된 디지탈 회로가 필요하게 되는데, 특히 전류 피드백의 경우에는 2채널의 피드백이 필요하므로 이와 같은 부가 회로가 2개가 더 들어가게 되어 사이즈나 가격에서 갖고 있던 장점을 소멸시키는 결과를 유발하게 된다.According to the prior art, the resolution can theoretically be increased by about 2 times, but the increase in resolution actually obtained is not large because it assumes an ideal condition that completely excludes the influence of an inevitable offset. In addition, an analog circuit using DAC and OP AMP and a digital circuit related to timing are required. In particular, in the case of current feedback, two channels of feedback are required. This will cause me to dissipate the advantages of the price.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 토오크분 전류가 줄어들면 직교분 전류를 증대시켜 모터에 일정 크기 이상의 전류를 흐르게 하여 전류 분해능을 높일 수 있도록 한 모터 제어시스템의 전류 분해능 조정장치를 제공함에 있다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to increase the orthogonal current when the torque component current is reduced by flowing a current of a predetermined size or more to the motor to increase the current resolution of the motor control system The present invention provides a device for adjusting the current resolution.
도 1은 종래 모터 제어시스템의 전류 분해능 조정장치의 구성도,1 is a configuration diagram of a current resolution adjusting device of a conventional motor control system;
도 2는 본 발명에 따른 모터 제어시스템의 전류 분해능 조정장치의 구성도,2 is a configuration diagram of an apparatus for adjusting current resolution of a motor control system according to the present invention;
도 3은 토오크 전류와 직교분 전류를 설명하기 위한 교류모터의 일반적인 T형 등가회로도.3 is a general T-type equivalent circuit diagram of an AC motor for explaining torque current and quadrature current.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
11 : 교류전원 12 : 정류부11 AC power 12 Rectifier
13 : 필터 14 : 인버터부13: filter 14: inverter section
15 : 모터 16 : 속도검출기15: motor 16: speed detector
17 : 전류센서 18 : 상위제어부17: current sensor 18: host controller
19 : 모터제어부 20 : PWM출력부19: motor control unit 20: PWM output unit
상기와 같은 본 발명은 모터의 속도를 제어하기 위한 제어시스템에 있어서, 인버터부로부터 각 상의 전류를 인가받아 구동하는 모터의 제어시스템에 있어서, 모터의 속도명령값을 출력하는 상위제어부; 모터의 속도를 검출하는 속도검출기; 모터에 인가하는 각 상의 전류를 검출하는 전류검출기; 및 모터의 정격 전류의 크기가 일정 이상이 되도록 상위제어부의 속도명령값과 속도검출기의 속도검출값 및 전류검출기의 전류검출값을 입력받아 토오크분 전류와 직류분 전류를 제어하는 모터제어부에 의하여 달성된다.The present invention as described above in the control system for controlling the speed of the motor, the control system of the motor for driving the current received from each phase from the inverter unit, the upper control unit for outputting the speed command value of the motor; A speed detector for detecting the speed of the motor; A current detector for detecting a current of each phase applied to the motor; And the motor control unit that controls the torque current and the DC current by receiving the speed command value of the upper control part, the speed detection value of the speed detector, and the current detection value of the current detector so that the magnitude of the rated current of the motor is greater than or equal to a certain level. do.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the present invention will be described in detail.
도 2는 본 발명에 따른 모터 제어시스템의 전류 분해능 조정장치의 구성도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명은 교류전원(11)에 연결되어 정류된 직류전압을 출력하는 정류부(12)와, 그 직류전압을 평활하는 평활용 필터(13)와 트랜지스터등의스위칭소자로 구성되어 부하의 모터(15)에 부여하는 전류를 제어하는 인버터부(14)와, 모터(15)의 속도명령값(ω*)을 출력하는 상위제어부(18)와, 상위제어부(18)의 속도명령값(ω*)과 속도검출기(16)에 의해 검출되는 속도검출값(ω) 및 전류검출기(17)에 의해 검출되는 각 상의 전류검출값(Iu, Iv, Iw)를 입력받아 모터(15)에 인가하는 각상의 전압명령값(Vu*,Vv*,Vw*)을 연산하여 출력하는 모터제어부(19) 및 전압명령값(Vu*,Vv*,Vw*)에 따라 인버터부(14)의 스위칭소자를 온/오프시키기 위한 신호를 발생하는 PWM출력부(20)로 구성된다.2 is a configuration diagram of an apparatus for adjusting current resolution of a motor control system according to the present invention. As shown, the present invention comprises a rectifying unit 12 connected to an AC power source 11 for outputting a rectified DC voltage, a smoothing filter 13 for smoothing the DC voltage, and a switching element such as a transistor. Inverter unit 14 for controlling the current applied to the motor 15 of the load, upper control unit 18 for outputting the speed command value? * Of the motor 15, and speed command of the upper control unit 18. The motor 15 receives the value ω * and the speed detection value ω detected by the speed detector 16 and the current detection values Iu, Iv, and Iw of each phase detected by the current detector 17. Of the inverter unit 14 according to the motor control unit 19 and the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * that calculate and output voltage command values Vu *, Vv *, Vw * of respective phases applied to the respective phases. It consists of a PWM output unit 20 for generating a signal for turning on / off the switching element.
상기 모터제어부(19)는 입력받은 속도명령값(ω*)에 따라 전압명령값(Vu*,Vv*,Vw*)을 PWM출력부(20)로 출력하고, 이에 따라 PWM출력부(20)는 펄스폭변조된 신호를 인버터부(14)에 인가하여 스위칭소자를 온,오프시키면 모터(15)는 구동된다. 이때, 전류센서(17)에서 검출된 각 상의 전류검출값(Iu, Iv, Iw)과 속도검출기(16)에 의해 검출된 속도검출값(ω)이 모터제어부(19)로 입력된다.The motor controller 19 outputs the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * to the PWM output unit 20 according to the input speed command value ω *, and accordingly the PWM output unit 20. The motor 15 is driven by applying a pulse width modulated signal to the inverter unit 14 to turn on and off the switching element. At this time, the current detection values Iu, Iv and Iw of each phase detected by the current sensor 17 and the speed detection value ω detected by the speed detector 16 are input to the motor control unit 19.
상기 모터제어부(19)는 속도검출값(ω)이 속도명령값(ω*)을 추종하도록 전압명령값(Vu*,Vv*,Vw*)을 출력한다. 즉, 상기 모터제어부(19)는 속도검출값(ω)과 속도명령값(ω*)으로부터 토오크분 직류명령값(Iq*)와 직교분 전류명령값(Id*)를 연산하고 각 상의 전류검출값(Iu, Iv, Iw)으로부터 토오크분 전류검출값(Iq)와 직교분 전류검출값(Id)를 연산한 다음 토오크분 직류명령값(Iq*)과 토오크분 전류검출값(Iq)의 오차인 토오크분 전류(Iq')를 증폭하여 토오크분 전압명령값(Vq*)을 연산하고, 직교분 전류명령값(Id*)과 직교분 전류검출값(Id)의 오차인 직교분전류(Id')를 증폭하여 직교분 전압명령값(Vd*)을 연산한다. 이어 모터제어부(19)는 연산된 토오크분 전압명령값(Vq*) 및 직교분 전압명령값(Vd*)으로부터 전압명령값(Vu*,Vv*,Vw*)을 연산하여 PWM제어부(20)로 출력한다. PWM제어부(20)에 의하여 인버터부(14)의 스위칭소자는 스위칭되고 이에 따라 모터(15)가 구동하게 된다.The motor controller 19 outputs the voltage command values Vu *, Vv *, Vw * such that the speed detection value ω follows the speed command value ω *. That is, the motor control unit 19 calculates the torque DC command value Iq * and the quadrature current command value Id * from the speed detection value ω and the speed command value ω * and detects the current of each phase. The torque current detection value Iq and the quadrature current detection value Id are calculated from the values Iu, Iv and Iw, and then the error between the torque DC command value Iq * and the torque current detection value Iq is calculated. The torque component current Iq 'is amplified to calculate the torque component voltage command value Vq *, and the quadrature current Id which is an error between the quadrature current command value Id * and the quadrature current detection value Id. ') Is amplified to calculate the quadrature voltage command value (Vd *). Subsequently, the motor controller 19 calculates the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw * from the calculated torque component voltage command value Vq * and the quadrature voltage command value Vd *. Will output The switching element of the inverter unit 14 is switched by the PWM control unit 20 so that the motor 15 is driven.
모터(15)에 흐르는 정격 전류(Irated)는 토오크분 전류(Iq)와 직교분 전류(Id)의 합으로 나타낼 수 있다[Irated = (Iq'2+ Id'2)1/2].The rated current Irated flowing in the motor 15 may be represented by the sum of the torque-part current Iq and the quadrature current Id [Irated = (Iq ' 2 + Id' 2 ) 1/2 ].
도 3에 도시한 일반적인 교류모터의 등가회로를 참고하면, 저항(r1)과 1차누설인덕턴스(L1)과 상호인덕턴스(Lm)과 2차누설인덕턴스(L2)와, 2차저항(r2/s)로 구성된다. 상호인덕턴스(Lm)에 흐르는 전류가 직교분 전류(Id)이고, 2차누설인덕턴스(L2)와 2차저항(r2/s)에 흐르는 전류가 토오크분 전류(Iq)이다. 이 양자는 서로 직교한 전류가 되고, 그 합성전류가 모터의 전류(I1)가 된다.Referring to the equivalent circuit of the general AC motor shown in FIG. It is composed of The current flowing through the mutual inductance Lm is the orthogonal current Id, and the current flowing through the secondary leakage inductance L2 and the secondary resistance r2 / s is the torque component current Iq. Both of these become orthogonal currents, and the combined current becomes the current I1 of the motor.
모터구동 초기와 같이 과도응답구간에서 상기 모터제어부(19)는 직교분 전류(Id')를 0으로 설정하고 토오크분 전류(Iq)를 가변하며, 이에 따라 모터(15)에 흐르는 정격 전류(Irated)는 토오크분 전류(Iq')에 종속되어 변화하게 되어 비교적 큰 전류가 모터(15)에 흐르게 된다.In the transient response section as in the initial stage of motor driving, the motor control unit 19 sets the quadrature current Id 'to 0 and varies the torque-division current Iq, and thus the rated current flowing through the motor 15 is rated. ) Changes depending on the torque component current Iq 'so that a relatively large current flows in the motor 15.
모터가 구동되어 목표속도에 도달하는 정상상태에 돌입하여 토오크분 전류(Iq')가 줄고 이에 따라 모터(15)에 흐르는 정격 전류(Irated)는 줄어드는 경우 전류센서(17)를 통해 감지한 신호를 디지탈변환하여 제어부측으로 출력하는 ADC(미도시)의 분해능이 낮으면 즉 저급의 ADC를 사용하거나 혹은 저급의 전류센서를 사용하면 정밀한 제어가 어려워 모터의 응답특성이 저하되게 된다. 이를 감안하여, 상기 모터제어부(19)는 모터(15)에 흐르는 정격 전류(Irated)가 기준치 이하로 줄어들면 토오크분 전류(Iq')가 줄어들면 직교분 전류(Id')를 의도적으로 증가시켜 모터(15)에 흐르는 정격 전류(Irated)가 일정 크기 이상 흐르도록 한다.When the motor is driven and enters a steady state in which the target speed is reached, the torque current (Iq ') decreases and accordingly the rated current (Irated) flowing in the motor 15 decreases, the signal detected by the current sensor 17 is detected. If the resolution of the ADC (not shown) that is digitally converted and output to the control unit is low, that is, using a low-grade ADC or using a low-grade current sensor, precise control is difficult and the response characteristic of the motor is degraded. In consideration of this, the motor control unit 19 intentionally increases the quadrature current Id 'when the torque-minute current Iq' decreases when the rated current I flowing through the motor 15 decreases below the reference value. The rated current flowing in the motor 15 is allowed to flow over a predetermined size.
즉, 상기 모터제어부(19)는 정격 전류(Irated)가 소정 비율로 저하되면 직교분 전류(Id')를 다음의 관계식에 의거하여 증가시키는데 이를 나타내면 다음과 같다.That is, when the rated current Irated decreases at a predetermined rate, the motor controller 19 increases the quadrature current Id 'based on the following relational expression.
Id' =(Irated2- Iq'2)1/2, ｜Iq｜ ≤ αIrated Id '= (Irated 2 -Iq ' 2 ) 1/2 , ｜ Iq ｜ ≤ αIrated
0 , 그 이외 0, other
상기 식에서 α는 반복 실험을 통해 정해지는 실험치로서 0.5-0.8로 설정하는 것이 바람직하다.In the above formula, α is preferably set to 0.5-0.8 as an experimental value determined through repeated experiments.
이러한 직교분 전류(Id')는 모터의 응답에는 전혀 영향을 주지 않는 더미(dummy) 성분의 전류로서 모터구동시 열로 소모된다.The quadrature current Id 'is a dummy current that does not affect the response of the motor at all and is consumed as heat during motor driving.
이와 같이 모터(15)에 흐르는 정격 전류(Irated)의 크기에 따라 모터제어부(19)가 직교분 전류를 제어하고 이에 따라 속도검출값이 속도명령값을 정확하게 추종하게 되면 모터에 흐르는 정격 전류(Irated)의 크기(Imagnitude)는 항상 다음의 관계식을 만족한다.As such, when the motor controller 19 controls the quadrature current according to the magnitude of the rated current flowing through the motor 15, and the speed detection value accurately follows the speed command value, the rated current flowing through the motor is rated. The magnitude of) always satisfies the following relation.
Imagnitude = (Id'2+Iq'2)1/2≥ αIratedImagnitude = (Id ' 2 + Iq' 2 ) 1/2 ≥ αIrated
즉, 토오크분 전류의 크기가 작은 정상 상태에서는 직교분 전류의 크기가 커지고, 과도 응답시에는 직교분 전류의 값을 다시 억제함으로써, 항상 일정한 크기(정격 전류의 α[%] ) 이상의 전류가 흐르는 것을 보장해 주게 된다.That is, the magnitude of the orthogonal current increases in a steady state where the torque component current is small, and when the transient response is suppressed again, the current of a constant magnitude (α [%] of the rated current) flows at all times. Is guaranteed.
한편, 직교분 전류의 크기가 과도하게 커지면 모터의 효율이 낮아지게 된다. 따라서, 모터의 효율과 응답 특성 간의 트레이드 오프(trade off)를 고려하여 α값을 설정한다.On the other hand, if the magnitude of the quadrature current is excessively large, the efficiency of the motor is lowered. Therefore, the α value is set in consideration of the trade off between the efficiency of the motor and the response characteristic.
이상과 같은 본 발명은 토오크분 전류가 줄어들면 더미 성분의 전류인 직교분 전류를 증가시킴으로써 모터에 흐르는 정격 전류의 크기가 항상 일정 이상 되므로 저급의 전류센서나 ADC를 사용하더라도 정밀도의 감소로 인한 모터의 응답특성 저하를 방지할 수 있으며, 기존과 같이 다수의 구성요소를 요구하지 않으므로 저렴한 비용으로 구현할 수 있는 효과가 있다.In the present invention as described above, when the torque component current decreases, the magnitude of the rated current flowing through the motor is always higher than a certain level by increasing the quadrature current, which is a dummy component current. It can prevent the degradation of the response characteristics, and since it does not require a number of components as in the conventional has the effect that can be implemented at a low cost.
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