KR20150108150A - 교류 신호 실효 값 산출기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인버터 등의 전력변환기에 있어서, 교류신호의 실효값을 즉각적으로 계산하여 제공할 수 있는 산출회로에 관한 것으로서, 새 샘플값과 삭제되는 샘플값의 차이를 적분하여 교류신호 실효 값을 매 샘플주기마다 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

교류 신호 실효 값 산출기{A generator of the RMS value of the AC signal based on digital implementation}

본 발명은 인버터 등의 전력변환기에 있어서, 교류신호의 실효값을 즉각적으로 계산하여 제공할 수 있는 방법 및 산출회로에 관한 것이다.

인버터 등의 전력 변환기에서는 계통 전압/전류 등의 교류 신호 실효 값의 측정이 필요하며 경우에 따라서 실효 값의 측정이 매 제어 주기 마다 수행되어야 할 필요가 있다.

일반적으로 교류 신호 실효 값의 측정을 위해서는 측정하려는 교류 신호의 주기(AC signal period)를 알아야 한다.

종래에는 PLL 등의 주파수 검출기를 이용하여 교류 신호의 주기를 측정하는바, 도 1 및 도 2와 같이 교류 신호(AC signal)의 특정 주기(AC sigal period) 동안 버퍼(Buffer)에 샘플링된 샘플값을 저장하고(s10), 해당 주기(AC sigal period)가 지나면 상기 버퍼의 모든 샘플값을 이용하여 적분하고(s20), 제곱근 평균값을 구하여 실효값을 산출한다(s30).

상기와 같은 디지털 방식의 실효값 산출기 구현을 위한 의사 코드는 아래와 같다.

sumOfSquare = 0

for sampledValue in Buffer{

sumOfSquare += sampledValue* sampledValue

}

rms = sqrt(sumOfSquare/sizeof(Buffer))

상술한 종래의 방식에 따르면, 실효값을 얻기 위해서는 교류신호 한 주기에 해당하는 시간에 더하여 샘플링된 값을 연산하는데 소요되는 시간을 합친 대기시간이 소요된다.

또한 실효값을 특정하는 샘플 주기는 실효값의 정확도와 상관관계가 있는 것이기 때문에, 주기를 길게 잡으면 실효값의 정확도는 증가하나 빠른 진단이 요구되는 경우에는 샘플주기가 짧아져야 한다.

종래기술인 공개특허 1999-0044983호를 보면, 교류신호의 실효값을 구하는 방법이 개시되어 있으며, 샘플주기를 50ms에 근접하도록 조절하여 빠른 실효값을 얻는 내용을 제안하고 있다.

그러나 이는 단순히 샘플주기를 조절하여 실효값 산출주기를 짧게 하는 것이지 샘플주기마다 각 실효값 계산을 위한 대기시간은 그대로 존속하는 것이어서 도 1, 도 2 및 상기 의사코드로 설명한 종래기술에 해당한다.

따라서 종래기술에 의하면, 실효값 측정주기 즉, 샘플 주기가 아무리 빨라진 다해도 교류 신호 실효 값의 측정에 소요되는 시간은 최소한 교류 신호의 한 주기와 연산시간이 필요하게 되므로, 전력 변환기 등의 제어에서 해당 실효 값이 필요한 경우 즉각적인 실효 값 반영에 어려움이 있었다.

본 발명은 마이크로 프로세서 등을 이용하여 교류 신호의 실효 값을 디지털 방식으로 측정하는 시스템에 있어서, 실효 값을 즉각적으로 산출하여 제공할 수 있도록 한다.

본 발명은 상기 과제를 달성하기 위하여, 교류신호의 한 주기에 해당하는 교류신호들을 저장할 수 있는 용량의 버퍼를 구비하여, 매 샘플주기마다 새로 샘플된 교류 신호를 제곱하여 상기 버퍼에 추가하고 가장 오래된 샘플은 삭제하는 과정을 반복함으로써 상기 버퍼에는 측정하려는 교류 신호의 한 주기에 해당하는 샘플 값들이 항상 존재하도록 하는 버퍼갱신부; 상기 버퍼에 새로 샘플된 값과 삭제되는 샘플 값의 차이를 추가함으로써 한 주기의 교류신호 적분값을 계산하는 적분기; 및 상기 적분된 값에 대하여 제곱근 평균값 연산을 수행하여 교류신호 실효 값을 산출하는 평균값 연산부;를 포함하여, 마이크로 프로세서 기반으로 교류신호의 실효값을 즉각적으로 제공하는 교류신호 실효값 산출기룰 제공한다.

본 발명에 따르면, 교류신호 실효값 계산을 위한 대기 시간을 없애고 매 샘플 주기 마다 교류신호 실효 값을 즉각적으로 제공할 수 있다.

도 1은 종래기술의 실효값 계산 주기를 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래기술의 실효값 산출과정을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 실효값 계산 주기를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실효값 산출기의 구성 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실효값 산출기의 의사회로를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 실효값 산출 처리과정의 순서도이다.

본 발명에서는 검출하려는 교류 신호의 주파수가 고정되어 있음을 전제로 하며, 교류 신호 실효 값 검출(교류 신호의 한 주기)에 필요한 버퍼의 크기는 다음과 같이 결정될 수 있다.

버퍼의 크기 = 교류 신호 샘플 주파수/교류 신호 주파수

종래에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 샘플된 교류 신호들에 대하여 한 주기(AC signal period) 동안 샘플링(Sampling)한 후 실효 값을 계산(RMS calculation)하는 반면, 본 발명에서는 도 3과 같이, 한 주기(AC signal period) 중 매 샘플주기(k, k+1, k+2...)마다 실효값을 계산하는 것을 특징으로 한다.

즉, 매 교류 신호 샘플 주기 마다 버퍼에 새로 샘플된 교류신호를 제곱하여 추가하고 오래된 샘플은 삭제하는 작업을 반복수행하는바, 샘플주기가 k에서 k+1, k+2로 순차 진행하면서 버퍼의 한쪽에는 새로 샘플된 교류신호가 추가되고 다른 한쪽에서는 가장 오래된 샘플이 삭제되면서, 버퍼에는 교류신호 한 주기의 모든 샘플 값이 갱신 및 유지되는 과정이 매 샘플주기마다 반복되는 것이다.

이렇게 함으로써 버퍼에는 측정하려는 교류 신호의 한 주기에 해당하는 샘플된 값들이 매 샘플주기마다 항상 존재하게 된다.

도 4는 본 발명에 따른 실효값 산출기의 구성관계를 나타내는 블록도이며, 도 5는 본 발명에 따른 실효값 산출기의 의사회로도로서, 도 5에는 도 4의 구성을 점선으로 표시하여 회로상 데이터 연계과정과 프로세서의 기능 블럭의 구성관계를 함께 파악할 수 있도록 하였다.

연산소자와 저장장치를 포함한 마이크로 프로세서 기반의 디지털 방식으로 실효값을 계산하는 본 발명은 프로세서의 기능적 구분으로 볼 때, 버퍼갱신부(10), 적분기(20) 및 평균값 연산부(30)로 나뉠 수 있다.

버퍼갱신부(10)는 소정 크기의 버퍼(101)(Buffer)를 구비하여 매 샘플 주기마다 새 샘플(New sample)을 추가하고 가장 오래된 샘플은 삭제하는 작업을 수행한다.

상기 버퍼(101)는 교류 신호 샘플 주파수를 교류 신호 주파수로 나눈 값으로 하여 고정되거나, 적어도 그보다 커야만 한 주기의 샘플 값을 모두 저장할 수 있다.

상기 버퍼(101)에 새 샘플값을 저장할 때는 해당 값을 제곱하여 저장하는 것이 처리속도에서 유리하다.

적분기(20)는 버퍼갱신부(10)가 제공하는 새로 갱신된 버퍼의 값들을 가지고 새 샘플값과 삭제되는 샘플값의 차이값에 대하여 적분을 수행하여 적분값(sum OfSquare)을 출력한다.

단, 각 샘플값들에 대한 제곱연산이 상기 버퍼갱신부에서 실행되지 않는 경우라면, 상기 적분기(20)에서 제곱연산을 수행하여 차이값을 산출하여야 한다.

평균값 연산부(30)는 상기 적분기(20)가 출력하는 적분값(sumOfSquare)을 입력받아 버퍼크기(sizeofBuffer)로 나누어 평균값을 구하고, 이를 제곱근 연산(sqrt) 함으로써 실효값(rms)을 산출한다. 단, 결과에 영향이 없는 한 제곱근과 평균값 연산은 그 연산순서가 변경될 수 있다.

도 6은 실효값 산출 처리과정을 순서도로 표현한 것인바, 샘플주기가 k, k+1, k+2로 진행되는 과정에서, 새 샘플값이 추가되고 가장 오래된 샘플값이 삭제되는 단계(s100), 새 샘플값과 삭제되는 값의 차이를 구하는 단계(s200), 상기 단계의 차이값을 적분하는 단계(s300), 및 상기 단계의 적분값에 대하여 제곱근의 평균값을 구하는 실효값 산출 단계(s400)를 샘플주기가 진행하면서 매 샘플주기마다 수행하여 실효값의 즉각적 제공을 가능하게 한다.

샘플주기 k일 때 새 샘플값이 추가되어 버퍼(101)가 갱신되면(s100(k)), 다음 샘플주기 k+1에서 새 샘플값이 추가됨과(s100(k+1))동시에, 샘플주기 k에서 샘플된 값에 대한 차이값 산출단계(s100(k)), 샘플주기 k-1의 샘플값에 대한 적분단계(s100(k-1)), 및 샘플주기 k-2의 샘플값에 대한 실효값 산출단계(s100(k-2))가 수행된다.

이와 같이, 본 발명의 실효값 산출은 매 샘플주기마다 모든 단계가 서로 다른 샘플주기의 샘플값에 대해서 동시에 구동되는 병렬식 처리 방식에 의하므로, 매 샘플주기마다 새로운 실효값이 제공되는 것이다.

단, 도 6에서는 병렬식 처리과정을 설명하기 위하여 차이값 산출(s200), 차이값 적분(s300), 및 실효값 산출(s400)의 과정이 각각 한 샘플주기가 소요되는 것으로 편의상 도시하였으나, 실제로는 샘플값 갱신(s100)을 제외한 나머지 단계의 연산 소요시간은 샘플주기 와는 다른 주기로 진행되는 것임을 이해하여야 한다.

따라서 종래기술에서는 실효값을 얻기 위해 한 사이클의 교류신호 주기와 연산시간을 기다려야 하지만, 본 발명은 늦어도 매 샘플주기마다 대기시간 없이 실효값을 즉각적으로 얻을 수 있도록 구성된 것이다.

본 발명의 기술적 특징을 설명함에 있어서, 실시예를 통해 불가피하게 구체적인 용어를 사용하였으나, 권리범위는 실시예가 내포하는 기술사상을 기준으로 정해지는 것인바, 당업자에게 자명한 범주에서의 구성 변경 및 대체는 본 발명의 권리범위로 인정될 수 있다.

10 : 버퍼갱신부 20 :적분기
30 : 평균값 연산부

Claims (5)

1. 마이크로 프로세서 기반으로 교류신호의 실효값을 디지털 방식으로 계산하는 산출기에 있어서,
   매 샘플주기마다 새로 샘플된 교류 신호값을 버퍼에 추가하고 가장 오래된 샘플은 삭제하는 버퍼갱신부;
   상기 버퍼에 새로 샘플된 값과 삭제되는 샘플 값의 차이를 적분하여 한 주기의 교류신호 적분값을 출력하는 적분기; 및
   상기 적분값에 대하여 제곱근 평균값 연산을 수행하여 교류신호 실효값을 출력하는 평균값 연산부;를 포함하여,
   교류신호의 매 샘플 주기마다 교류 신호 실효 값을 즉각적으로 제공하는 교류신호 실효값 산출기.
2. 제1항에 있어서, 상기 버퍼는 교류신호 한 주기에 해당하는 샘플값들을 모두 저장할 수 있는 크기인 것을 특징으로 하는 교류신호 실효값 산출기.
3. 제1항에 있어서, 상기 버퍼의 크기는 교류 신호 샘플 주파수를 교류 신호 주파수로 나눈 값으로 고정된 것을 특징으로 하는 교류신호 실효값 산출기.
4. 제1항에 있어서, 상기 갱신저장부는 새로 샘플된 교류신호값을 추가할 때 해당 샘플값을 제곱하여 저장하는 것을 특징으로 하는 교류신호 실효값 산출기.
5. 제1항에 있어서, 상기 실효값 연산부는 적분값을 버퍼크기로 나눈 평균값을 제곱근하여 산출하는 것을 특징으로 하는 교류신호 실효값 산출기.
   
   
   

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