KR820001770B1 - 직류 모우터 제어방식 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

직류 모우터 제어방식

제1도는 지령 속도와 실제 속도의 차(e)와 오차 전압(v)과의 관계를 예시한 그래프.

제2도는 가속 및 감속제어시의 오차전압(v), 즉 점호 위상각(firing phase angle)의 클램프 레벨(clamp level)설정 설명 그래프.

제3도는 모우터 회전수에 대한 모우터 기자력(magnetomotive force)의 특성 그래프.

제4도는 가속시의 클램프 레벨 설정의 일예의 설명도.

제5도는 저속시의 동작 설명도.

제6도는 고속시의 동작 설명도.

제7도는 감속시의 클램프 레벨의 설정예의 설명도.

제8도는 감속시의 동작 설명도.

제9도는 본 발명의 방식을 적용한 DC모우터 제어계의 블록다이어그램.

제10도는 가속 제어 회로도.

제11도는 감속 제어 회로도.

본 발명은 계 자극(field poles)에 영구자석을 포함하는 직류 모우터의 제어 방식의 개량에 관한 것이다.

계 자극에 영구자석을 포함하는 종래의 직류 모우터에 있어서는 전기자 전류(armature current)가 비정상적으로 커졌을 경우 전기자 반작용에 의하여 영구자석이 감자(demagnetization)되는 위험성이 있었다.

따라서, 종래 기술에 있어서는 영구자석을 감자로부터 보호 하기 위하여 전기자 전류를 감시하여 전기자 전류가 사전에 설정한 일정치를 초과한 경우 다이리스터 제어회로에 공급되는 오차 전압을 클램프(clamp)하여 다이리스터의 점호 위상이 그 이상 커지지 않도록 하여서 전기자 전류가 그 이상으로 증가되는 것을 방지하는 방식이 채택 시행되고 있었다.

그러나, 이 방법에 있어서 전류 검출기에 의한 비정상 전류검출 레벨은 모우터의 실제 속도에는 관계없이 일정 레벨로 설정하고 있었기 때문에 저속으로부터 고속에 걸쳐 전반적으로 안정된 감자 방지는 불가능하고 전류 검출기의 동작 지연에 의하여 정격 이상의 전기자 전류가흘러서 영구 자석의 감자가 야기되어 버리는 등 결함을 완전히 해소할 수는 없었다.

본 발명의 목적은 다이리스터 제어회로에 있어서의 점호위상의 제어범위의 상한(upper limit)을 직류모우터의 실제 속도에 따라 설정하게함으로써 전기자의 비정상 전류를 방지하여 영구 자석의 감자를 방지하는데 있다. 이하 첨부 도면에 의거 본 발명에 의한 제어방식을 상세히 설명하겠다.

제1도는 지령 속도와 실제 속도와의 오차(v)와 다이리스터 점호 위상 제어회로에 공급되는 오차 전압(e)과의 관계를 나타내는 특성도로써, 여기서 횡축은 속도 지령과 귀환 전압과의 오차(e)를 나타내고, 종축은 점호 위상 제어 회로에 공급되는 출력(v)을 나타내고 있다. 출력(v)은 후술하는 바와 같이 점호위상 제어회로에 공급되고 이 회로에 있어서는 출력(v)에 비례한 위상각으로 다이리스터의 점호(firing)를 행한다.

오차(e)와 출력전압(v)은 비례 관계를 유지하고 있는데, 오차(e)는 어느 값 이상으로 되면 출력(v)은 그 이상 증가되지 않고 그 값에 클램프된다. 본 발명의 기본 사상은 오차전압(v)의 클램프전압(vℓ), 즉 점호 위상각의 상한을 직류 모우터의 실제속도에 의존하여 변화시키는 것이다.

제2도는 모우터 속도(회전수)와 클램프 전압(V_max)과의 관계도로서, 횡축은 모우터의 회전수(N), 종축은 클램프전압(V_max)을 나타내었는데, 이 클램프 전압(V_max)은 점호 위상각의 최대 위상각(θ_max)에 대응한다.

제2도 g1에 나타낸 바와 같이 종래의 제어방식에 있어서는 모우터의 회전수(N)의 전역에 대하여 일정레벨은 (V₃)를 클램프 전압으로 하고 있었다.

이에 대하여 본 발명의 제어방식에 의하면 모우터 가속시 및 정상시에 있어서는 제2도 g2로 나타낸 바와 같이 회전수(N)의 제로(0)로부터 최대치(N_max)의 변화영역에 대하여 클램프 전압은 V₂에서 V₃까지 직선적으로 변화하도록 정해져 있다. 또한, 감속시에 있어서는 회전수 N_max에서 제로까지의 변화 영역에 대하여 클램프 전압이 0에서 V₁, V₁에서 V₂와 같이 절선(折線)적으로 변화하도록 설정되어 있다.

제2도 g2, g3와 같이 클램프 전압치를 설정하는 의의를 제3도 내지 제8도를 참조하여 설명하겠다.

먼저, 제3도에 나타낸 바와 같이 직류 모우터의 전기자에는 회전수(N)에 비례한 기자력(EN)이 유기되어 있다.

제4도에 나타낸 바와 같이 가속시에 있어서 클램프전압은 저속 영역에 있을때, 예를 들어 회전수 N₁에 서는 4V, 회전수 최대인 때는 7V로 설정되어 있다.

오차전압(v)에 대한 다이리스터의 점호 위상제어는 제5도에 나타낸 바와 같이 행하여지는 것이다. 즉, 교류전원전압 V_A의+150°에서 -30°의 범위에서 최대치로부터 제로까지 직선적으로 변화하는 톱니파형(VK)과 오차전압(v)이 일치된 시점에서 다이리스터가 점호된다. 따라서, 다이리스터의 점호위상의 제어는 +150°에서 -30°의 범위에서 가능하게 되는데, 저속의 경우 전기자의 기자력(EN₁)은 작으므로 점호 위상각의 최대치를 θN₁에 제한한다.

이 경우, D₁의 범위에서 점호위상 제어는 행하여지고, D₂의 범위에서만 사선으로 나타내는 전류가 전기자에 흐른다.

즉, 제5도의 경우 오차전압(v)의 가변폭을 제로에서 V_maxN₁으로하고, V_maxN₁일때 점호 위상각이 최대치 θN₁가 되도록 하고 있다. 모우터의 속도가 증대되면 기자력도 증가하므로 클램프 전압도 이에 대응해서 높게한다.

제6도에 예시한 바와 같이 모우터가 고속 회전하고 있을 때에는 전기자의 기자력은 EN₂로 놓게 되기 때문에 점호 위상의 제어범위는 저속의 경우에 비해서 +150°에 보다 가까운 범위까지 넓히지 않으면 안된다. 제6도의 경우 점호 위상각의 최대치는 θN₂를 초과하지 않도록 오차전압(v)의 값은 V_maxN₁에서 클램프된다. 이 결과 점호위상은 D₃의 범위에서 제어 가능하고, D₄의 범위에서 사선으로 나타내는 전류가 모우터에 공급된다.

이상과 같이 저속인 경우 점호 위상각의 상한은 작아도되며, 고속으로 될 수록 큰 위상각에서의 점호제어가 필요하게 된다. 특히, 저속인 경우 전류제한 회로의 고장등으로 인해 오차전압이 비정상적으로 상승하면 큰 위상 각도에서 점호가 이루어져 모우터에 대전류가 흐르게 되고 영구자석이 감자되는 원인으로 된다. 또한, 점호 위상각의 상한을 저속 구동의 경우에 최적인 일정 각도 위치에 고정적으로 설정하면 고속 구동시에 있어서의 위상제어 범위가 극히 좁아지거나 전류 제어가 불가능하게 되어 버린다.

따라서, 본 발명의 제어방식에 있어서는 가속 제어의 경우 클램프 전압, 즉 최대 위상각을 모우터 속도에 맞추어 저속 영역에서는 작게, 고속 영역에서는 커지도록 제어하고 있다.

다음에, 제7도 및 제8도에 의거하여 감속제어에 관하여 설명하겠다.

제7도에 나타낸 바와 같이 감속제어의 경우 클램프 전압은 고속 영역에서 저속 영역으로 제로레벨에서 점차 증가하도록 설정되어 있다. 제7도의 예에서 회전수 N₃일때 클램프 전압은 V_maxN₃으로 제한되어 있다.

고속에서 감속하는 경우는 지령전압이 역전하므로 오차 전압은 역극성으로 되어 제8도에 예시한 바와 같이 교류전원의-1/2cycle에 대하여 위상제어가 이루어진다.

이 경우 전기자 기자력(EN₃)은 교류전압(V_A)과 역극성으로 되어 있기 때문에 비교적 작은 위상각 범위에서 도충분히 전류를 유통시킬 수가 있다. 따라서 제7도 및 제8도의 에에서는 회전수(N₃)에 있어서 클램프 전압을 V_maxN₃에서 클램프하고 위상각의 제어의 상한을 θN₃에 설정하고 있다. 즉, D₅범위에 있어서 위상각 제어가 가능하다. 이렇게 함으로써 고속으로부터의 감속시에 점호 위상각이 비정상적으로 커져서 대전류가 전기자에 흐르는 것을 방지할 수 있다.

제9도는 본 발명 방식을 적용한 직류 모우터 구동계의 블록다이어그램을 예시한 것이다.

제9도는 직류 모우터에 대한 주지의 제어회로에 기초를 두고 감속제어회로(DCC)및 가속제어회로(ACC)가 부가 설계되어 있는 점에 특징이 있다.

직류 모우터(DM)는 영구자석(PM)을 포함하는 계 자극과 전기자(AM)로 구성되며 전기자 전류 검출기(ACD) 및 전기자 회전 속도 검출기(TG)를 구비하고 있다.

속도 지형회로(CVC)에서 지령 속도를 나타내는 전압신호가 가속, 감속 제한회로(ADL)에 인가되면 이가, 감속 제한회로(ADL)는 이 신호를 전압 신호(V_c)로 변화시켜 차동 증폭기(DFA)의 한 입력단자에 인가한다. 이 차동 증폭기(DFA)나머지 다른 입력 단자에는 모우터(DM)의 회전수에 비례한 전압신호(V_a)가 인가되어 양 신호의 차이를 나타내는 오차신호(e=V_c-V_a)를 발생시켜 위상 보상 회로(PCC)에 공급한다. 이 위상 보상 회로(PCC)는 잡음등의 특정의 주파수 성분을 제거하는 기능을 가진 회로로써 상기오차(e)에 비례한 오차 전압(v)을 출력한다.

절대치 및 제한 회로(ALC)는 오차전압(v)의 절대치를 마련함과 동시에 그 값이 일정치 이상으로 되지않도록 제한하는 기능을 갖는다.

전압 위상 변환회로(VPC)는 후술하는 교류 전원전압과 동일 주기를 가지며 소정의 위상관계에 있는 톱니파형과 상기 오차전압(v)을 비교하여 소정의 점호 위상을 결정한다.

방향 절환회로(DRD)는 절대치 및 제한회로(ALC)의 입력, 즉 오차전압(v)의 플러스 (+), 마이너스 (-)에 따라 게이트 펄스 발생기(GPG)를 제어한다. 즉, 게이트 펄스 발생기(GPG)는 전압위상 변환회로(VPC)에 의하여 결정된 위상각 위치에서후술하는 다이리스터를 점호하기 위하여 상기 방향 절환회로(DRD)의 출력에 대응하여 게이트 펄스를 발생시킨다.

다이리스터 회로(SCR)는 3상 교류전원(U)(V)(W)과 직류 모우터(DM)간에 접속되어 3상 전파 역병렬회로를 구성하고 있다. 전류 제한회로(CLC)는 전기 자전류가 일정치 이상으로 되었을 때 전류 검출기(ACD)로 부터의 전압신호에 응답하여 절대치 및 제한회로(ALC)에 있어서의 출력전압, 즉 오차전압(v)을 그 이상 증가시키지 않도록하는 작용을 한다.

이상은 주지의 제어회로의 설명으로서 지령전압(V_c)과 속도 귀환전압(V_a)이 일치되도록 다이리스터의 점호 위상각이 제어되고 모우터는 지령속도에 일치되도록 제어된다. 또한 전류 검출기(ACD)와 제한회로(CLC)로 구성되는 전류 귀환 루우프에 의하여 전기자 전류가 소정치를 초과하지 않도록 제어된다.

그러나, 본 발명에 있어서는 전술한 이유에 의하여 모우터 속도 검출신호에 응답하여 작동하는 가속 제어회로(ACC)와 감속 제어회로(DCC)를 구비하여 오차전압(v)의 변환 범위에 제한을 가한다.

즉, 가속 제어회로(ACC)는 속도에 응답하여 오차전압(v)의 클램프 레벨을 제2도의 g2와 같이 설정하고 감속제어회로 (DCC)는 속도에 응하여 오차전압(v)의 클램프 레벨을 제2도의 g3과 같이 설정하는 역활을 한다.

제10도는 가속 제어회로의 일예를 예시한 것으로 연산 증폭기(OP1)(OP2) 다이오우드(D₁∼D₃) 및 저항기(R₁)(R₂)등으로 구성되어 있다.

상기 회로의 전반 F점까지는 절대치를 구성하고 있고, 입력전압, 즉 모우터 속도에 비례하는 전압(V_a)에 대하여 F점의 전압은 속도의 절대치에 비례한 전압(V_f)으로 된다. F점 이후는 레벨 시프트 회로(level shift circuit)를 구성하고 있어 고정전압 (VB)과 저항기(R1)(R2)에 의하여 결정되는 값, 즉

VB만큼 제로속도점(zero speed point)의 출력전압을 시프트한다. 즉, G점의 출력전압

(V_f+V_B)로 된다. 가속제어회로의 출력단자(T₁)는 제9도의 B단자에 접속되는데 다이오우드(D₃)가 출력 단자(T₁)쪽으로 향하여 역방향으로 접속되어 있으므로 제9도의 절대치 및 제한회로 (ALC)의 출력전압, 즉 오차전압(v)은 가속제어 회로의 출력전압(V_out)에 의하여 클램프된다.

제11도는 감속제어 회로의 일예를 예시한 것으로, 연산 증폭기(OP₃∼OP₅), 제어다이오우드 (Z₁∼Z₄), 저항기 (R₃∼R₅) 및 다이오우드 (D₄)(D₅)로 구성되어있다.

상기 감속제어 회로는 하나의 함수 발생 회로를 구성하고, 입력단자(T₂)에는 모우터의 속도 검출전압(V_a)이 인가되고 출력단자 (T₃)는 제9도의 A단자에 접속된다.

연산증폭기 (OP₃)의 출력단자 (c)의 출력전압 (V_c)이 일정치 보다 작은 범위에서는

의 구배(句配)로 V_a에 비례하여 변화하고, 일정치 이상이 되면

의 구배로 약간 완만하게 직선적으로 증대한다. 연산 증폭기 (OP₄)(OP₅)의 출력단자(D)(E)의 전압 (VD)(VE)은 예시한 바와 같이 변화한다. 즉, VD는 마이너스 위치를 취하고 모우터가 플러스 방향으로 회전하고 있을때, 즉 검출전압(V_a)이 마이너스의 영역에서는 전압(V_a)의 절대치가 최대치에서 제로로 이행됨에 따라 전압 VD의 값이 제로로부터 마이너스의 방향으로 증가하고, V_a가 제로 일때 제너 전압(V_ze)에 일치된 마이너스 전압으로 된다. 또한, E단자의 출력전압(V_E)은 플러스의 값으로 변화하고 모우터가 역방향으로 회전하고 있을때, 즉 전압(V_a)이 플러스의 값을 나타내는 영역에서 변화하고, V_a가 최대치 일때 제로레벨이고 V_a가 제로일때 점차 증대되어 플러스 저압(V_ze)을 나타내게 된다.

상기 출력단자(D)는 순방향 다이오우드(D₄)(출력 단자 E는 역방향 다이오우드 D₅)를 거쳐 출력단자(T₃)에 각각 접속되어 제9도의 A단자에 접속된다. 따라서 제9도의 A단자의 오차전압은 모우터가 플러스 방향으로 고속 회전하고 있는 경우에는 지령 전압을 내려 감속시켰을 때 마이너스 전압으로 되는데, 이 전압은 제11도의 클램프 전압(V_D)에 의하여 클램프됨으로 급격히 큰 마이너스 전압으로 되는 일은 방지된다. 따라서, 점호위상각이 급격히 커져서 과대 전류가 생기는 일을 방지할 수 있다.

또한, 모우터를 역방향으로 고속 회전하고 있는 경우에 지령치의 절대치를 내려서 감속시킨 때에는 전술한 바와는 반대로 A단자의 오차 전압은 플러스가 되는데, 제11도의 V_E단자에 의하여 클램프됨으로 급격히 큰 위상각으로 되어 대전류가 흐르게 되는 일은 없다. 감속시 클램프 레벨을 비선형으로 하고 있는 이유는 고속시에 있어서의 감속만큼 위상각을 좁히는 일이 필요하기 때문인데 선형으로서도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 모우터의 실제속도에 대응하여 오차전압, 즉 점호위상각의 상한을 클램프하도록 하였기 때문에 전기자 전류가 과대하여져서 영구 자석이 감자되는 것을 방지할 수가 있다. 또한 전류 제한회로가 작동 불능 또는 응답이 지연되는 경우에도 과대 전류를 방지할 수 있다.

본 발명은 상술한 바 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 신규 개념의 범위를 이탈하는 일 없이 여러가지 수정 및 변형이 가능하다.

Claims (1)

1. 지령속도와 모우터의 실제 속도와의 차를 나타내는 오차 신호에 응답하여 다이리스터의 점호 위상각을 제어하는 계자극에 영구자석을 포함하는 직류모우터의 제어방식에 있어서, 상기 오차 신호의 클램프 레벨을 모우터의 실제속도에 대응하여 변화시켜서 다이리스터의 점호 위상각의 상한을 제한하여 전기자의 과대 전류를 방지시키는 것을 특징으로 하는 직류 모우터의 제어방식.

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