KR20070078950A - 와인더용 벡터 인버터 제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연속적인 제품 생산 라인의 선속도와 소재에 걸리는 장력을 일정하게 유지하여 소재의 파단이나 사행을 방지하기 위한 와인더용 벡터 인버터 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명은 유도 전동기의 회전속도를 검출하는 속도 검출기와, 외부로부터 선속도 지령치 및 최소 직경치를 입력받고, 상기 속도 검출기로부터 전동기의 회전 속도값을 입력받아 소재의 직경을 연산하여 출력하는 직경 연산부와, 외부로부터 선속도 지령치 및 최소 직경치를 입력받고, 상기 직경 연산부로부터 소재의 직경치를 입력받아 지령 속도를 연산하여 출력하는 지령속도 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

와인더용 벡터 인버터 제어장치 {APPARATUS FOR CONTROLLING VECTOR INVERTER FOR WINDER}
도 1은 종래의 와인더용 벡터 인버터 제어장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 와인더용 벡터 인버터 제어장치의 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
210: PID 제어기 217: 속도 검출기
219: 지령속도 연산부 220: 속도 연산부
본 발명은 유동전동기의 운전을 제어하는 와인더용 벡터 인버터 제어장치에 관한 것으로서, 상세하게는 라인의 선속도와 소재에 걸리는 장력을 일정하게 유지하여 소재의 파단이나 사행을 방지하기 위한 와인더용 벡터 인버터 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 철강, 제지, 섬유, 필름 산업과 같은 연속적인 제품 생산 라인에서는 여려 대의 전동기가 동시에 롤러들을 구동한다. 연속 공정용 롤러에서 와인더용 벡터 인버터를 사용하여 제어하는 목적은 라인의 선속도(Line Speed)를 일정 하게 유지함과 동시에 소재에 걸리는 장력을 일정하게 유지하는 것인데, 왜냐하면 롤러간의 속도 편차에 의해 과도한 장력이 발생하면 소재가 파단(破斷)될 수 있으며, 너무 낮은 장력이 발생하면 사행(蛇行)의 원인이 될 수 있기 때문이다.
도 1은 종래기술의 구성을 나타낸 것으로서, 도 1에 따라 종래기술의 동작에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
속도 검출기(117)는 유도전동기(118)의 회전시, 상기 유도전동기(118)의 회전속도(ωr)를 검출하여 출력한다.
제4비교기(109)는 외부로부터 입력되는PID 지령과 실제 PID Fbk를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하며, PID 제어기(110)는 상기 제4비교기(109)의 출력오차를 보상하기 위한 PID 신호를 출력한다.
또한, 제1 가산기(101)는 외부로부터 입력되는 지령 속도와 상기 PID 제어기(110)에서 출력되는 PID신호를 더하여 속도 지령치(ωr*)를 출력하고, 제1 비교기(102)는 비반전단자(+)로는 상기 제1 가산기(101)에서 출력되는 속도 지령치(ωr*)를, 반전단자(-)로는 상기 속도 검출기(117)로부터의 상기 유도전동기(118)의 회전속도(ωr)를 입력받아 두 값의 오차를 구하여 속도 제어기(103)로 출력한다.
그리고, 2상 전류변환기(116)는 상기 유도전동기(118)의 회전시 상기 유도전동기(118)에서 검출한 3상 전류(ias, ibs, ics)를 고정좌표계의 2상 전류(ids s, iqs s)로 변환하여 출력하며, 전류 좌표변환기(115)는 적분기(114)로부터 입력되는 회전자의 자속위치(θ)에 근거한 좌표변환을 제어하여, 상기 고정좌표계의 2상 전류(ids s, iqs s)를 회전좌표의 실제 자속분 전류(ids e)와 토오크분 전류(iqs e)로 변환하여 출력한다.
이에 대하여, 제3 비교기(111)는 비반전단자(+)로는 외부로부터 입력되는 자속분 전류 지령치(ids e *)를, 반전단자(-)로는 상기 전류 좌표변환기(115)의 자속분 전류(ids e)를 입력받아 두 값의 오차를 구하고, 그 오차를 출력한다.
그리고 제2 비교기(104)는 상기 속도 제어기(103)의 토오크 전류 지령치(ids e*)를 비반전단자(+)로, 상기 전류 좌표변환기(115)의 실제 토오크 전류(iqs e)를 반전단자(-)로 입력받아 두 값의 오차를 구하고, 그 오차를 출력한다.
전류 제어기(105)는 상기 제3 비교기(111)의 출력과 상기 제2 비교기(104)의 출력에 근거한 전류 제어를 통하여 자속분 전압 지령치(Vds e)와 토오크분 전압 지령치(Vqs e) 를 출력한다.
또한, 전압 좌표변환기(106)는 적분기(114)로부터 입력되는 회전자의 자속위치(θ)에 근거한 좌표변환을 제어하여, 상기 전류제어기(105)기의 출력을 자속분 전압 지령치(Vds e*)와 토오크분 전압 지령치(Vqs e*)로 변환하여 출력하고, 3상 전압변 환기(107)는 상기 전압 좌표변환기(106)의 출력을 3상 전압(Vas e, Vbs e, Vcs e)으로 변환시켜 출력한다.
이에 벡터 인버터(108)는 3상 전압(Vas e, Vbs e, Vcs e)을 상기 유도전동기(118)에 인가한다. 따라서 상기 유도전동기(118)는 회전하고, 이 때 상기 전류 좌표변환기(116)와 상기 2상 전류변환기(115)를 통해 실제 회전좌표로 d 축과 q 축으로 변환한 실제 자속분 전류(ids e)와 토오크분 전류(iqs e)를 생성하고, 이렇게 생성된 전류중 상기 자속분 전류(ids e)는 상기 제3 비교기(111)로 출력되고, 토오크 전류(iqs e)는 제2 비교기로 출력된다.
그리고 슬립 연산기(112)는 상기 속도 제어기(103)의 토오크 전류 지령치(ids e*), 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(ids e *) 및 유도전동기 회전자 시정수(Tr)를 이용하여 슬립 주파수(ωsl)를 계산하여 출력한다.
그러면 상기 제2 가산기(113)는 상기 속도 검출기(117)에서 출력되는 상기 유도전동기(118)의 회전속도(ωr)와 상기 슬립 연산기(112)에서 출력되는 슬립 주파수(ωsl)을 더하여 출력하고, 상기 적분기(114)는 상기 가산기(113)의 출력을 적분한 값 즉, 회전자 자속의 위치(θ)를 상기 전압 좌표변환기(106)와 상기 전류 좌표변환기(115)로 출력한다.
따라서 상기 전압 좌표변환기(106)와 상기 전류 좌표변환기(115)는 상기 적분기(114)로부터 입력되는 회전자 자속의 위치(θ)에 따라 좌표변환을 제어하고, 이후의 동작은 앞에서 언급한 바와 같다.
상기에서 설명한 바와 같이 종래 기술에서는 상위 제어기(PLC, 마이컴 등)에 의한 계산된 지령속도와 장력 제어를 하기 위해 로드셀(LOAD CELL)이나 댄서(DANCER)를 장착하여 이 센서에서의 기준값(PID 지령)을 설정한 후 센서의 피드백되는 값(PID fbk)의 오차를 보정하여 최종 인버터 속도 지령치(ωr*)를 생성한 후 인버터를 동작시켜 유도 전동기를 구동함으로써 연동 공정 라인을 구동하며, 따라서 연속 공정 시스템에서 상위 제어기는 선속도 지령에 따라 소재의 직경 계산, 전동기 지령 속도를 계산하여 인버터에 지령하고, 인버터는 지령 속도에 따라 전동기를 구동하는 수동적인 입장이다.
이와 같은 종래의 방식에서는 인버터는 소재를 모두 감은 만경 상태가 되었을 때 정지할 수 있는 것이 상위 제어기에 의한 수동적 입장이 되고, 또한 상위 제어기에서 소재의 직경에 따른 인버터 지령 속도를 계산하여 인버터에 지령속도를 인가할 때 부정확한 지령 속도를 인가할 수 있어 장력에 대한 제어가 원활하게 이루어지지 않을 수 있으며, 따라서, 소재의 파단 및 사행 발생의 원인을 제공하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 목적은 상위 제어기가 인버터에 선속도를 지령하였을 때 인버터는 인가된 선속도에 따라 소재의 직경을 계산하고, 소재의 직경에 따른 전동기 구동 속도를 계산한 후, 이를 최종 지령 속도로 하여 전동기를 구동하는 연속 공정 라인에서의 적정한 장력을 제어함으로써, 소재의 파단 이나 연속공정 롤러의 사행을 방지하기 위한 와인더용 벡터 인버터 제어장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유도 전동기의 회전속도를 검출하는 속도 검출기와; 외부로부터 선속도 지령치 및 최소 직경치를 입력받고, 상기 속도 검출기로부터 전동기의 회전 속도값을 입력받아 소재의 직경을 연산하여 출력하는 직경 연산부와; 외부로부터 선속도 지령치 및 최소 직경치를 입력받고, 상기 직경 연산부로부터 소재의 직경치를 입력받아 지령 속도를 연산하여 출력하는 지령속도 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제 2도는 본 발명인 유도전동기의 벡터 인버터 제어장치에 관한 일실시예를 나타낸 블록 구성도로서, 이하 상세히 설명하겠다.
유도전동기(218)가 회전할 때 회전속도(ωr)를 검출하여 출력하는 속도 검출기(217)와; 외부로부터 선속도 지령 및 최소 직경을, 상기 속도 검출기(217)로부터 회전속도(ωr)를 입력받아 소재의 직경을 연산하여 출력하는 직경 연산부(220)와; 외부로부터 선속도 지령 및 최소 직경을, 상기 직경 연산부(220)로부터 소재의 직경을 입력받아 지령속도를 연산하여 출력하는 지령속도 연산부(219)와; 외부로부터 입력되는 PID 지령과 실제 PID Fbk 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 제4 비교기(209)와; 상기 제4 비교기에서 출력되는 PID 값의 오차를 보상하기 위한 PID 신호를 출력하는 PID 제어기(210)와; 상기 지령 속도 연산부(220)에서 출력되는 지령 속도와 상기 PID 제어기(210)에서 출력되는 PID 신호를 더하는 제1 가산기(201)와; 상기 유도전동기(118)의 회전속도를 검출하는 속도 검출기(217)와; 상기 속도 검출기(217)에서 검출한 회전속도(ωr)와, 상기 제1 가산기(201)로부터 출력되는 회전속도 지령치(ωr*)를 비교하고 그 비교에 따른 오차를 출력하는 제1 비교기(202)와; 상기 제1 비교기(202)에서 출력되는 속도에 의한 오차를 보상하기 위한 토오크분 전류 지령치(iqs e*)를 출력하는 속도 제어기(203)와; 상기 속도 제어기(203)에서 출력되는 토오크분 전류 지령치(iqs e*)와 실제 토오크분 전류(iqs e)를 비교하여 출력하는 제2 비교기(204)와; 외부로부터 입력되는 자속분 전류 지령치(ids e*)와 실제 출력되는 자속분 전류(ids e)를 비교하여 출력하는 제3 비교기(211)와; 상기 제2 비교기(204)와 제3 비교기(211)에서 비교된 후 출력되는 토오크분 전류(iqs e)와 자속분 전류(ids e)를 제어기를 통해 각각 자속분 전압 지령치(Vds e*)와 토오크분 전압 지령치(Vqs e *)를 생성하여 출력하는 전류 제어기(205)와; 상기 전류 제어기(205)에서 출력되는 회전좌표계의 자속분 전압 지령치(Vds e*)와 토오크분 전압 지령치(Vqs e*)를 회전좌표에서 고정좌표로 변환시켜 출력하는 전압 좌표변환기(206)와; 상기 전압 좌표변환기(206)에서 출력된 고정좌표에서의 자속분 전압 지령치(Vds e*)와 토오크분 전압 지령치(Vqs e*)를 고정좌표의 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)으로 변환시켜 출력되는 3상 전압변환기(207)와; 상기 3상 전압변환기(207)의 3상 전압(Vas, Vbs, Vcs)을 상기 유도전동기(118)로 인가하여 회전시키도록 하는 벡터 인버터(208)와; 상기 유도전동기(118)의 회전시 검출되는 3상 전류(ias, ibs, ics)를 받아 고정좌표계의 d축과 q축으로 변환시킨 전류(ids s, iqs s)를 출력하는 2상 전류변환기(216)와; 상기 2상 전류변환기(216)에서 출력되는 고정좌표계의 전류(ids s, iqs s)를 회전좌표계의 실제 자속분 전류(ids e)와 토오크분 전류(iqs e)로 변환시켜 출력하는 전류 좌표변환기(15)와; 상기 속도 제어기(3)에서 출력되는 토오크분 전류 지령치(iqs e*)와 상기 외부로부터 입력되는 자속분 전류 지령치(ids e*)와 유도 전동기 회전자 시정수(Tr)를 이용하여 슬립 주파수(ωsl)를 계산하는 슬립 연산기(212)와; 상기 슬립 연산기(212)에서 계산된 슬립 주파수(ωsl)와 속도 검출기(217)에서 검출된 회전속도(ωr)를 더하는 제2 가산기(213)와; 상기 제2 가산기(213)에서 더한 값을 적분하여 상기 전압 좌표변환기(206)와 상기 전류 좌표변환기(215)에서 사용되는 회전자 자속의 위치(θ)를 설정하여 주는 적분기(14)로 구성된다.
이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 벡터 인버터 제어장치에서 종래와 구별되는 특징적 구성을 언급하자면 직경 연산부(220)과 지령속도 연산부(219)라 할 수 있으며, 더 넓은 범위까지 언급을 하면 직경 연산부(220)에 유도 전동기(218)의 회전 속도(ωr)를 출력하도록 연결되는 속도 검출기(217)까지가 종래와 달라지는 부분이라 할 수 있다.
직경 연산부(220)는 소재의 직경을 외부의 상위 제어기(미도시)로부터 입력받는 것이 아니라 직접적으로 연산하여 인버터 제어장치로 제공함으로써 소재 만경시 정확한 지령 속도 출력의 기초 정보를 직접 제공하게 되고, 지령 속도 연산부(219) 또한 종래 상위 제어기로부터 계산되어 입력되던 지령 속도를 본 발명에서는 직접 연산하되 직경 연산부(220)로부터 직접 연산되어 정확히 제공되는 소재의 직경 정보를 기초로 외부에서 입력되는 선속도 지령과 최소 직경을 이용하여 정확한 지령 속도를 계산해 낼 수 있으며 상위 제어기에 의한 의존도에서 탈피하도록 구성된 것이다.
이와 같이 구성된 본 발명에 대한 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.
속도 검출기(217)는 유도전동기(218)가 회전할 때, 상기 유도전동기(218)의 회전속도(ωr)를 검출하여 출력하며, 직경 연산부(220)는 외부로부터 선속도 지령 및 최소 직경을, 상기 속도 검출기(217)로부터 상기 유도전동기(218)의 회전속도(ωr)를 입력받아 소재의 직경을 연산하여 출력한다.
여기서, 상기 직경 연산부(220)는 속도 검출기(17)에서 검출한 상기 유도전동기(118)의 회전속도(ωr)와 외부로부터 입력되는 최소 직경 및 선속도 지령을 이용하여 식 (1)을 근거로 직경을 연산한다.
Figure 112006007461682-PAT00001
식 (1)
여기서, 전동기 속도[%]는 속도검출기(217)에서 검출된 회전속도(ωr)가 상기 직경연산부(220)에서 퍼선트 단위로 변환되어 얻어진다.
다음으로, 지령속도 연산부(219)는 외부로부터 선속도 지령 및 최소 직경을, 상기 직경 연산부(220)로부터 소재의 직경을 각각 입력받아 지령속도를 연산하여 출력하는데, 이때 지령 속도는 식 (2)를 근거로 연산된다.
Figure 112006007461682-PAT00002
식 (2)
여기서, 지령 속도를 연산하는 기본 수식은 상기 식 (2)에 근거하지만, 외부로부터 인가되는 선속도 지령과 상기 직경 연산부(211)에서 연산한 직경은 퍼센트[%] 단위로 입력된다. 그리고, 기어비는 제조단계에서 구조적으로 정해지고, 선속도 지령의 범위는 0[%] ~ 100[%] 이며, 직경 연산부에서 연산된 직경의 범위는 최소직경[%] ~ 100[%]이다.
또한, 선속도 지령은 제조단계에서 구조적으로 정하여지는 최대 전동기 속도의 퍼센트[%] 단위로 입력하면 지령 속도 연산부에서 회전속도[rpm] 단위로 환산하여 지령 속도를 출력한다.
Figure 112006007461682-PAT00003
식 (3)
그리고, 상기 직경 연산부(220)는 속도 검출기(17)에서 검출한 상기 유도전동기(118)의 회전속도(ωr)와 외부로부터 입력되는 최소 직경 및 선속도 지령을 이용하여 식 (3)을 근거로 직경을 연산하며, 이와 같이 연산된 직경은 상기 식 (1)에 의하여 지령 속도의 연산에 이용된다.
Figure 112006007461682-PAT00004
식 (1)
또한, 제1 가산기(201)는 상기 지령 속도 연산부(219)에서 연산한 지령 속도와, 제4 비교기(209)의 출력 오차를 보상하기 위한 PID 제어기(210)의 출력인 PID 신호를 더하여 속도 지령치(ωr*)를 출력하고, 제1 비교기(202)는 비반전단자(+)로 입력되는 상기 PID 제어기(210)의 속도 지령치(ωr*)와 반전단자(-)로 입력되는 속도 검출기(217)에서 출력되는 상기 유도전동기(218)의 회전속도(ωr) 오차를 구하여 그 오차를 출력한다.
그리고, 2상 전류변환기(216)는 상기 유도전동기(218)의 회전시 상기 유도전동기(218)에서 검출한 3상 전류(ias, ibs, ics)를 고정좌표계의 2상 전류(ids s, iqs s)로 변환하여 출력하며, 전류 좌표변환기(215)는 적분기(214)에서 출력되는 회전자의 자속위치(θ)에 근거한 좌표변환을 제어하여, 상기 고정좌표계의 2상 전류(ids s, iqs s)를 회전좌표의 실제 자속분 전류(ids e)와 토오크분 전류(iqs e)로 변환하여 출력한다.
이에 대하여, 제3 비교기(211)는 비반전단자(+)로 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(ids e *)를, 반전단자(-)로는 상기 전류 좌표변환기(215)의 자속분 전류(ids e)를 각각 입력받아 두 값의 오차를 구하고, 그 오차를 출력한다.
그리고 제2 비교기(204)는 비반전단자(+)로 상기 속도 제어기(203)의 토오크분 전류 지령치(ids e *)를, 반전단자(-)로는 상기 전류 좌표변환기(215)의 실제 토오크분 전류(iqs e)를 각각 입력받아 두 값의 오차를 구하여 그 오차를 출력하며, 전류 제어기(205)는 상기 제3 비교기(211)의 출력과 상기 제2 비교기(204)의 출력에 근거한 전류 제어를 통하여 자속분 전압 지령치(Vds e)와 토오크분 전압 지령치(Vqs e) 를 출력하다.
또한, 전압 좌표변환기(206)는 적분기(214)로부터 입력되는 회전자의 자속위치(θ)에 근거한 좌표변환을 제어하여, 상기 전류제어기(205)기의 출력을 자속분 전압 지령치(Vds e*)와 토오크분 전압 지령치(Vqs e*)로 변환하여 출력하고, 3상 전압변환기(207)는 상기 전압 좌표변환기(206)의 출력을 3상 전압(Vas e, Vbs e, Vcs e)으로 변환시켜 출력한다.
이에, 벡터 인버터(208)는 3상 전압(Vas e, Vbs e, Vcs e)을 상기 유도전동기(218)에 인가한다. 따라서 상기 유도전동기(218)는 회전하고, 이 때 상기 전류 좌표변환기(216)와 상기 2상 전류변환기(215)를 통해 실제 회전좌표로 d 축과 q 축으로 변환한 실제 자속분 전류(ids e)와 토오크분 전류(iqs e)를 생성하고, 이렇게 생성된 전류 가운데 상기 자속분 전류(ids e)는 상기 제3 비교기(211)로 출력되고, 토오크 전류(iqs e)는 제2 비교기(204)로 출력된다.
그리고 슬립 연산기(212)는 상기 속도 제어기(203)의 토오크 전류 지령치(ids e*), 외부로부터 입력되는 자속 전류 지령치(ids e *) 및 유도전동기 회전자 시정수(Tr)를 이용하여 슬립 주파수(ωsl)를 계산하여 출력한다.
그러면, 상기 제2 가산기(213)는 상기 속도 검출기(117)에서 출력되는 상기 유도전동기(218)의 회전속도(ωr)와 상기 슬립 연산기(212)에서 출력되는 슬립 주파수(ωsl)을 더하여 출력하고, 상기 적분기(214)는 상기 가산기(213)의 출력을 적 분한 값 즉, 회전자 자속의 위치(θ)를 상기 전압 좌표변환기(206)와 상기 전류 좌표변환기(215)로 출력한다.
따라서, 상기 전압 좌표변환기(206)와 상기 전류 좌표변환기(215)는 상기 적분기(214)로부터 입력되는 회전자 자속의 위치(θ)에 따라 좌표변환을 제어한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 외부로부터 직접 선속도와 최소 직경을 입력받아 인버터 시스템 내부에서 소재의 직경이 연산되고, 이 연산된 소재의 직경과 상기 선속도 및 최소 직경을 이용하여 지령속도가 상위제어기가 아닌 인버터 시스템 내부에서 연산됨으로써, 상위 제어기의 의존도를 탈피할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 유도 전동기의 회전속도를 검출하는 속도 검출기와;
    외부로부터 선속도 지령치 및 최소 직경치를 입력받고, 상기 속도 검출기로부터 전동기의 회전 속도값을 입력받아 소재의 직경을 연산하여 출력하는 직경 연산부와;
    외부로부터 선속도 지령치 및 최소 직경치를 입력받고, 상기 직경 연산부로부터 소재의 직경치를 입력받아 지령 속도를 연산하여 출력하는 지령속도 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 와인더용 벡터 인버터 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 직경 연산부는,
    하기의 수학식에 의해, 일정한 소재의 직경을 연산하는 와인더용 벡터 인버터 제어장치
    [수학식]
    Figure 112006007461682-PAT00005
  3. 제 1항에 있어서, 상기 지령속도 연산부는,
    하기의 수학식에 의해, 일정한 지령속도를 연산하는 와인더용 벡터 인버터 제어장치
    [수학식]
    Figure 112006007461682-PAT00006
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