KR20040002821A

KR20040002821A - 아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법

Info

Publication number: KR20040002821A
Application number: KR1020030089438A
Authority: KR
Inventors: 안진우; 박성준
Original assignee: 안진우; 박성준
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2004-01-07
Also published as: US7009360B2; US20050127864A1; KR100602800B1

Abstract

본 발명은 아날로그 엔코더장치에 의해 검출된 아날로그 센서신호와 스위칭 온/오프 지령신호와의 비교를 통해 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 에스알엠(SRM)이라 함)의 정밀 각도 제어가 가능한 아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법에 관한 것으로, 엔코더 회전자(110)에 동일한 간격으로 회전슬릿(111)이 형성되고, 상기 회전슬릿(111) 사이에 연속적인 명암패턴(112)이 형성되어 상기 엔코더 회전자(110)의 회전시 상기 명암패턴(112)에 비례하여 검출되는 아날로그 센서신호(θ_a~θ_d)와, D/A컨버터(200)에 의해 제어되는 스위칭 온/오프 지령신호를 비교하여, 스위칭 온각(θ_on)은, 스위칭 온 지령신호 (V_on)와 센서신호 θ_a와 θ_o사이의 교차점으로 세팅되고, 스위칭 오프각(θ_off)은, 스위칭 오프 지령신호(V_off)와 센서신호 θ_o와 θ_d사이의 교차점에 세팅되는 것을 특징으로 하는 아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법을 기술적 요지로 한다. 이에 따라 SRM 드라이브의 고성능 스위칭 각 제어에 적합한 저가형의 아날로그 엔코더장치가 제공되어, 마이크로프로세서의 샘플링 주기와 SRM 드라이브의 속도에 영향을 받지 않으며 어떠한 위치에서도 스위칭 온/오프 각을 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

Description

아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법{precise angle control method by analog encoder system}

본 발명은 아날로그 엔코더장치에 의해 검출된 아날로그 센서신호와 스위칭 온/오프 지령신호와의 비교를 통해 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor, 이하 에스알엠(SRM)이라 함)의 정밀 각도 제어가 가능한 아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법에 관한 것이다.

전력용 반도체 소자의 기술개발이 급속히 이루어짐에 따라 고속 스위칭과 소자의 대용량화가 가능하게 되고, 산업의 메카트로닉스화에 따라 다기능, 고성능을 가진 전동기의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

SRM은 단일여자기기(singly excited machine)로 구조가 간단하고 저렴하며 각 상의 분리로 단락사고(short-through fault)에 대해 안정적이며, 직류전동기의 속도-토크 특성을 가지고 있고, 넓은 속도가변범위 및 고속, 정역회전특성이 우수하고 강인하다는 특성을 가지고 있다. SRM에 대한 연구는 선진국을 중심으로 가전기기, 전기자동차, 항공기 및 산업전반에 그 응용영역을 확대해 가는 연구와 개발이 진행되고 있다.

SRM의 구동원리는 여자된 자기회로의 자기저항이 최소가 되는 방향으로 회전자가 힘을 받게 됨으로써 회전력이 발생하게 된다. 이와 같은 현상은 계에 저장된 에너지를 기계적 에너지로 변환함으로써 계의 에너지를 최소화하려는 물리적 의미를 내포하는 것이다. 이와 같은 원리를 이용한 장치로는 간단한 액추에이터로서 인양자석, 선형솔레노이드, 계전기, 스텝스위치 등이 이에 속한다.

도 1은 일반적인 SRM 드라이브 시스템을 보여준다. SRM은 릴럭턴스 토크를 동력화한 전동기로, 이를 최대한 이용하기 위하여 보통 고정자(10)와 회전자(20) 모두가 돌극형 구조로 하고 고정자(10)에만 집중권으로 권선이 감겨져 있다. 이때 토크는 자기회로의 릴럭턴스가 최소화되는 방향으로 발생하며, 상당 발생토크의 크기는 다음 수학식 1에서와 같이 상권선에 흐르는 전류 i의 제곱과 회전자(20) 위치각 θ에 대한 인덕턴스 L의 변화율에 비례한다.

따라서 인덕턴스의 변화율이 최대가 되도록 하고 각 상스위치의 ON/OFF 시점에서 부하에 대응하는 전류의 확립과 소호를 신속히하여 토크 발생 구간을 최대한 활용하여야 한다.

즉 SRM의 제어는 입력전압과 스위칭 ON/OFF각에 영향을 받으며, 전압원에서전류를 효과적으로 상승시키기 위해서는 돌극이 만나기전에 선행스위칭이 필요하다. 스위칭 ON각은 전류를 적절하게 상승시키기 위한 주요한 요소이다. 따라서 최적의 SRM운전특성을 얻기 위해서는 스위칭 ON/OFF각을 정확하게 제어할 필요가 있다.

상기와 같이 SRM의 고정자(10) 상권선은 회전자(20) 위치와 동기되어 여자되어야 하는 토크 발생기구의 특성상 회전자(20) 위치각에 대한 정보가 필수적이다. 회전자(20) 위치각의 검출은 일반적으로 엔코더나 레졸버를 사용하나, 이러한 기계적인 외부 위치센서는 분해능이 높을수록 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다. 따라서 종래에는 설치비용에 대한 부담을 줄이기 위해서 저가형 엔코더를 사용하거나, 또는 이를 완전히 제거하기 위한 센서리스 구동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

단가를 고려하여 저가형 엔코더, 특히 증분형 엔코더(incremental encoder)를 사용하는 경우가 일반적이다. 상기 증분형 엔코더에 의해 위치에 따른 출력펄스수를 증감형 계수기(up or down-counter)에 의해 디지탈 값으로 얻어 마이크로프로세서에 의해 각 상의 신호를 제어하게 된다.

일반적으로 마이크로프로세서와 디지털부호방식의 엔코더 시스템은 고성능화, 데이터 취급의 용이성 그리고 프로그래밍의 유연성 등의 특성으로 인해, 전동기제어에서 많이 사용된다. 증분형 엔코더의 경우, 회전자 위치와 속도의 정확도는 샘플링주기와 엔코더 해상도에 달려있으므로, SRM의 제어성능은 회전자 위치의 정확도와 마이크로프로세서의 성능에 의해 결정된다.

회전자 위치의 절대 측정오차는 엔코더의 해상도에 따른 오차()(수학식 2)와 샘플링 주기중의 회전자 속도에 따른 오차()(수학식 3)에 의해 결정된다.

[rad]

여기서은 회전자 극수,는 엔코더의 해상도,는 마이크로프로세서의 샘플링 주기,은 회전속도이다. 그러므로 절대측정오차는 다음 수학식 4와 같다.

[rad]

도 2는 증분형 엔코더 시스템인 마이크로프로세서에서 속도에 따른 절대 측정 오차를 나타낸다. 저속영역에서는 엔코더 해상도에 의해서, 전동기속도가 증가할수록 샘플링주기에서 전동기 위치의 편차가 커지는 것을 알 수 있다. 일반적으로 1024펄스의 엔코더 시스템과 회전자 극수가 8극인 경우, 전동기 속도가 3000[rpm]이고 200[㎲]의 샘플링주기를 가진다면 최대 전기각 31.6125도의 오차를 가질 수 있다. 이는 토크리플 유발과 전체시스템 가격의 상승을 가져오게 된다.

광학식 엔코더의 경우 스위칭각 제어는 인덕턴스에 정렬되어 있는 광학엔코더의 신호에 의해 수행된다. 도 3은 간단한 엔코더 디스크와 상의 센서신호를 나타내었다. 광학엔코더의 구조는 대단히 간단하면서 저가이지만, 고해상도의 스위칭 각제어는 매우 어렵다. 스위칭 ON/OFF각은 광학엔코더 신호의 상승에지와 하강에지에서 계산되며, 계산된 스위칭각의 정확도는 마이크로프로세서와 회전자속도에 달려있다. 이 경우 토크조절을 위해 PWM기법이 채택되지만 고주파의 스위칭은 스위칭 손실을 야기하게 된다.

또한 상기의 방법은 저가형 엔코더로 그 분해능의 제한으로 인하여 정확한 상의 검출이 어려워 전 운전 범위에서 최적의 운전에 한계가 있으며, 마이크로프로세서에 의한 SRM의 제어방식은 엔코더의 분해능뿐만 아니라 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 의해 제약을 받게 되는 문제점이 있다. 더욱이 이 경우, 전동기의 운전속도가 고속이 될수록 마이크로프로세서에 의한 상 스위치 ON/OFF각의 정확도는 떨어지게 되어 정상운전상태가 불안전하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 아날로그 센서신호가 검출되는 아날로그 엔코더장치에 의해 스위칭 온/오프 각이 아날로그 센서신호와 스위칭 온/오프 지령신호에 의해 결정되어 저가의 고정밀의 각도제어가 가능한 아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법의 제공을 그 목적으로 한다.

도 1 - 종래 기술에 따른 SRM 드라이브 시스템을 나타낸 도.

도 2 - 회전자 속도에 따른 회전자 위치의 측정오차.

도 3 - 종래 기술에 따른 엔코더 장치((a)6/4SRM, (b)8/6SRM)의 센서신호.

도 4 - 본 발명에 따른 아날로그 엔코더장치의 회전자(8/6SRM)를 나타낸 도.

도 5 - 본 발명에 따른 아날로그 엔코더장치에 의한 SRM 각도 제어 원리를 나타낸 도.

도 6 - 본 발명에 따른 제어시스템의 블럭도.

도 7 - 본 발명에 의한 SRM에 장착된 아날로그 엔코더의 출력파형.

도 8 - 본 발명에 의한 제어시스템에서의 신호(위로부터 센서신호, 스위칭 온 신호, 스위칭 오프 신호, 전류).

(a)1750[rpm](횡:1ms/div, 종:2A/div)

(b)800[rpm](횡:2ms/div, 종:2A/div)

도 9 - 본 발명에 의한 2000[rpm]에서 갑작스런 부하 변동에 따른 스위칭 특성(횡:2ms/div, 종:2A/div).

(a)1.3[Nm]에서 2.5[Nm]로 변동

(b)2.5[Nm]에서 1.3[Nm]로 변동

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

10 : 고정자 20 : 회전자

30 : 마이크로프로세서 100 : 아날로그 엔코더장치

110 : 엔코더 회전자 111 : 회전슬릿

112 : 명암패턴 200 : D/A컨버터

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 고안은, 엔코더 회전자에 동일한 간격으로 회전슬릿이 형성되고, 상기 회전슬릿 사이에 연속적인 명암패턴이 형성되어 상기 엔코더 회전자의 회전시 상기 명암패턴에 비례하여 검출되는 아날로그 센서신호(θ_a~θ_d)와, D/A컨버터에 의해 제어되는 스위칭 온/오프 지령신호를 비교하여, 스위칭 온각(θ_on)은, 스위칭 온 지령신호 (V_on)와 센서신호 θ_a와 θ_o사이의 교차점으로 세팅되고, 스위칭 오프각(θ_off)은, 스위칭 오프 지령신호(V_off)와 센서신호 θ_o와 θ_d사이의 교차점에 세팅되는 것을 특징으로 하는 아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법을 기술적 요지로 한다.

이에 따라 SRM 드라이브의 고성능 스위칭 각 제어에 적합한 저가형의 아날로그 엔코더장치가 제공되어, 마이크로프로세서의 샘플링 주기와 SRM 드라이브의 속도에 영향을 받지 않으며 어떠한 위치에서도 스위칭 온/오프 각을 정밀하게 제어할 수 있는 이점이 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 SRM 드라이브 시스템을 나타낸 도이고, 도 2는 회전자 속도에 따른 회전자 위치의 측정오차이고, 도 3은 종래 기술에 따른 엔코더 장치((a)6/4SRM, (b)8/6SRM)의 센서신호이고, 도 4는 본 발명에 따른 아날로그 엔코더장치의 회전자(8/6SRM)를 나타낸 도이고, 도 5는 본 발명에 따른 아날로그 엔코더장치에 의한 SRM 각도 제어 원리를 나타낸 도이고, 도 6은 본 발명에 의한 제어시스템의 블럭도이고, 도 7은 본 발명에 의한 SRM에 장착된 아날로그 엔코더의 출력파형이고, 도 8은 본 발명에 의한 제어시스템에서의 신호(위로부터 센서신호, 스위칭 온 신호, 스위칭 오프 신호, 전류)를 나타낸 도이며 (a)는 드라이브 회전속도가 1750[rpm](횡:1ms/div, 종:2A/div)일 때, (b)800[rpm](횡:2ms/div, 종:2A/div)일 때이고, 도 9는 본 발명에 의한 2000[rpm]에서 갑작스런 부하 변동에 따른 스위칭 특성(횡:2ms/div, 종:2A/div)을 나타낸 도이며 (a)는 1.3[Nm]에서 2.5[Nm]로, (b)는 2.5[Nm]에서 1.3[Nm]로 변동될 때이다.

도4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 아날로그 엔코더장치(100)의 회전자(110)는 투명한 디스크판에 동일한 간격으로 회전슬릿(111)이 형성되고, 상기 회전슬릿(111) 사이에 연속적인 명암패턴(112)이 형성되어 있다.

상기 명암패턴(112)은 인접하는 두개의 회전슬릿(111) 사이에 형성되며, 상기 회전슬릿(111)의 가장자리에서 멀어질수록 점점 더 어두워지게 형성된다. 즉, 상기 명암패턴(112)의 중심부로 갈수록 어두워져 가장 중심부에는 출력신호가 나타나지 않게 형성된다.

상기와 같은 연속적인 명암패턴(112)이 형성된 엔코더 회전자(110)의 회전시, 센서 포토트랜지스터에 의해 종래의 디지털 신호가 아닌, 상기 명암패턴(112)에 비례하는 아날로그 센서신호를 얻을 수 있으며, 이는 상기 명암패턴(112)에 비례하여 삼각파형의 전압값으로 나타나게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 제어시스템의 블럭도를 나타낸 것이다. 마이크로프로세서(30)로서 간단한 PIC프로세서가, 스위칭 각 제어를 위해 2채널 10bit D/A 컨버터(200)가 사용되며, 상기 D/A 컨버터(200)에 의해 스위칭 온/오프 지령신호를 상기 아날로그 엔코더장치(100)에 입력하게 된다.

도 5는 상기 아날로그 엔코더장치(100)에 의한 SRM의 각도 제어의 원리를 나타낸 것으로, 상기 아날로그 엔코더장치(100)에 의한 아날로그 센서신호와 상기 D/A 컨버터(200)에 의해 제어되는 스위칭 온/오프 지령신호에 의해 스위칭 각 제어 방법이 제공되고 있다.

도 5에서 제일 상단에 있는 그래프는 인덕턴스 프로파일에 따른 제안된 엔코더의 출력신호이다. 가운데에 있는 그래프는 아날로그 엔코더장치(100)에 의한 아날로그 센서신호(θ_a~θ_d)와 D/A 컨버터에 의해 제어되는 스위칭 온/오프 지령신호(V_on, V_off)를 나타내었다. 하단에 있는 그래프는 상기 아날로그 센서신호와 상기 스위칭 온/오프 지령신호를 비교하여 교차점을 이루는 위치에서 스위칭 온각(θ_on)과 스위칭 오프각(θ_off)이 세팅되는 것을 나타내었다. 즉 스위칭 온각(θ_on)은 아날로그 센서신호 θ_a와θ_o사이의 내리막에, 스위칭 오프각(θ_off)은 아날로그 센서신호 θ_o와θ_d사이의 오르막에 위치한다.

또한 상기 엔코더 회전자(110)의 명암패턴(112)의 끝부분에는 스텝변화를 주어 간단히 여자각의 제한이 가능하다. 따라서 엔코더 센서신호 패턴의 끝쪽이 계단형태의 신호가 되어 최대 드웰각(dwell angle) β_r내에서 여자 간격을 제한하게 된다.

도 7은 SRM에 장착된 엔코더 장치의 출력파형에 관해 나타낸 것이다. 이 때의 엔코더 장치는 12개의 고정자 돌극과 8개의 회전자 돌극을 가진 것을 사용하였다. 그리고 아날로그 센서신호를 만들어 내는 상 간격으로 3개의 포토센서가 장착되었다. 도시된 바와 같이 스위칭 온/오프 신호는, 아날로그 센서신호와 두개의 스위칭 온/오프 지령신호과의 비교를 통해 두 신호의 교차점에서 결정된다.

도 8은 아날로그 센서신호, 스위칭 온 지령신호(V_on), 스위칭 신호, 상전류(i_A)를 보여준다. 상전류 파형은 아날로그 센서신호와 스위칭 지령신호에 의해 결정된다. 도 8(a)는 전동기의 속도가 1750[rpm]일 때이고, 도 8(b)는 전동기 속도가 800[rpm]일 때를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이 전동기 속도에 상관없이 사용자가 원하는 위치에서 정밀하게 스위칭 온/오프제어가 가능함을 보여주고 있다.

도 9는 본 발명에서 제안한 엔코더 장치와 제어시스템에서 부하변동에 따른 스위칭각 조정과 상전류를 보여준다. 부하는 2000[rpm]에서 1.3[Nm]에서 2.5[Nm](a), 2.5[Nm]에서 1.3[Nm](a)로 변한다. 스위칭각이 스위칭 온 지령신호의 변화에 의해 조절된다. 갑작스런 부하변동에도 불구하고 스위칭각이 적절하게 제어되어, 전동기의 회전과 감속시 매끄러운 토크발생이 가능하다.

이상과 같이 본 발명은 연속적인 명암패턴(112)이 형성된 저가형의 간단한 구조의 아날로그 엔코더장치(100)를 이용하여 상기 명암패턴(112)에 비례하는 아날로그 센서신호를 검출하여, 스위칭 온/오프 각은 분리된 스위칭 온/오프 지령으로 사용자가 원하는 위치 어디에서나 스위칭 각제어가 가능하게 된다.

상기 구성에 의한 본 발명은, SRM 드라이브의 고성능 스위칭 각 제어에 적합한 저가형의 아날로그 엔코더장치가 제공되어, 마이크로프로세서의 샘플링 주기와 SRM 드라이브의 속도에 영향을 받지 않으며 어떠한 위치에서도 스위칭 온/오프 각을 정밀하게 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims

엔코더 회전자(110)에 동일한 간격으로 회전슬릿(111)이 형성되고, 상기 회전슬릿(111) 사이에 연속적인 명암패턴(112)이 형성되어 상기 엔코더 회전자(110)의 회전시 상기 명암패턴(112)에 비례하여 검출되는 아날로그 센서신호(θ_a~θ_d)와, D/A컨버터(200)에 의해 제어되는 스위칭 온/오프 지령신호를 비교하여,

스위칭 온각(θ_on)은,

스위칭 온 지령신호 (V_on)와 센서신호 θ_a와 θ_o사이의 교차점으로 세팅되고,

스위칭 오프각(θ_off)은,

스위칭 오프 지령신호(V_off)와 센서신호 θ_o와 θ_d사이의 교차점에 세팅되는 것을 특징으로 하는 아날로그 엔코더장치에 의한 에스알엠의 정밀 각도 제어방법.