KR940000642B1 - 가변자기저항 타입의 디렉트 드라이브 (Variable Reluctance type Direct Drive) 모터의 속도제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

가변자기저항 타입의 디렉트 드라0|브(Variable Reluctance type Direct Drive)모터의 속도제어장치 및 제어방법

제1도는 본 발명에 의한 제어시스템의 개략적인 블록도

제2도는 본 발명의 마이크로 프로세서를 이용한 가변자기저항 타입의 D/D 모터 제어시스템도.

제3도는 본 발명의 동작순서를 도시한 플로우 챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 마이크로 프로세서 11 : 홀 센서

12,13 : 전치증폭기

14,15 : 아날로그/디지털변환기(A/D con.veter)

17 : 리졸버/디지털 변환기(R/D Converter) 18 : 래치

20,21 : 디지털/아날로그 변환기(D/AConverter)

22 : 펄스폭 변조(PWM)신호 발생기

본 발명은 비선형 궤환 기법을 이용하여 가변자기저항 타입의 디렉트 드라이브 모터(이하, VRT D/D 모터라 칭한다)를 고성능 제어하기 위한 VRT D/D 모터의 속도제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

현재, 조립로보트가 공장에 도입된지가 여러해 지났으며, 여러가지 형식의 로보트가 라인에서 활용되고 있다.

그 사이에 로보트의 용도도 확대하여 지금은 로보트가 공장의 자동화에 없어서는 안되는 존재가 되고 있으며, 용도가 확대됨에 따라 좀더 나은 고속화, 고정밀도화 및 저소음화가 요구되고 있는 것이 현실이다.

그런데, 상기와 같은 요구사항을 실현하기 위해서는 마찰, 백래쉬(back lash)진동 등 감속기 고유의 문제때문에 종래의 로보트 구동방식이 가지는 단점을 해결해야할 필요성이 대두되고 있다.

이와 같은 관점하에서 작금에는 감속기가 가지는 탄성진동이 해소되며 강성이 높아져서 고속화가 가능하고, 감속기의 백래쉬가 없어져서 기계적 정밀도가 향상되고, 기계효율이 높음과 동시에 고정밀도의 힘 제어가 가능하고, 감속기 및 백래쉬 조정장치가 불필요하여 간단한 구조가 되므로 신뢰성을 향상시키며, 발진(發塵)의 원인이 되는 구동기구가 간단해지기 때문에 크린 로보트에의 용융도 가능한 D/D 모터가 꾸준히 개발되고 있다.

본 발명은 상기 D/D 모터에서 진일보한 VRT D/D 모터에 관한것으로써, 물론 VRT D/D 모터는 토오크 리플이 VC 동기형 D/D 모터보다 크고, 전류-토오크 비선형인 단점이 있지만 출력의 효율이 양호하고 영구자석을 사용하지 않으므로 가격이 싼 장점이 있을 뿐만 아니라, 구조적으로도 유도(Induction)또는 동기(Svnchrounous) 모터에 비해서 제작이 용이하고 경제적이며 원리적으로 한 방향의 전류만으로도 구동이 가능하므로 파워인버터는 적은 용량의 파워소자(power device)로 구성될수 있는 장점이 있다.

상기와 같은 이유들로 인하여 근래 VRT D/D 모터의 제어에 관해 관심이 높아지고 있는 것이다.

그러나, 종래의 VRT D/D 모터에 대한 제어방식은, 모터의 엄밀한 동적모델에 의한것이 아니고 여러가지 가정을 통하여 세운 근사적인 기계적 동적 모델만을 이용하여 전자적인 변환(Commutation)방법에 의한 온-오프 제어방식을 이용하므로 제어기 구조가 간단해 지는 장점이 있는 반면에, 온-오프 방식에 의해서 발생하는 저속에서의 코깅(Cogging)현상 (코깅 토크와 같은 로터 회전각의 함수가 되는 변동분)과 토요크리플 및 근사적인 모델에 의한 오차등으로 인하여 고정밀도의 속도 및 위치제어에는 사용이 부적절하다는문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 일부 개량하기 위해서 최근 모터의 각 상간에 커플링(coupling)이 없다는 가정하에서 비선형궤환 선형화기법을 도입한 제어기가 개발되었으나 이 또한 변환 방식에 기초한 온-오프 방식이라는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 여러가지 문제점을 감안하여 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은, VRT D/D 모터의 엄밀한 동적 모텔을 세우고 이 모델을 비선형 궤환 선형화기법을 기초로 하여 속도제어토록 하는 VRT D/D 모터의 속도 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 VRT D/D 모터의 속도 제어장치는, 마이크로 프로세서와,D/D 모터와, 상기 D/D 모터의 현재위치 빛 속도를 감지하는 리졸버와,상 기 D/D 모터의 상 전류를 검출하는 홀 센서와, 상기 리졸버의 감지데이타를 디지털 데이타로 변환하는 R/D 변환기와, 상기 R/D 변환기에 의한 디지털 데이타를 마이크로 프로세서에 입력하는 래치와,상기 홀 센서의 감지신호를 증폭하는 제l 제2전치중폭기와, 상기 제 l,제2천치증폭기에 의해 증폭된 D/D 모터의 상 전류를 디지털 데이타로 변환하는 제1,제2 A/D 변환기와, 상기 제1,제2 A/D 변환기를 인에이블시켜 변환된 디지털 데이타가 마이크로프로세서에 입력되도록하는 제 1어드레스 디코우더와, 상기 마이크로 프로세서에 의해 발생된 상전압명령값을 아날로그 신호로 변환하는 제1, 제2 D/A 변환기와, 상기 제1, 제2 D/A 변환기에 의해 변환된 아날로그신호를 토대로 펄스폭 변조신호를 발생하는 펄스폭 변조신호발생기와, 상기 펄스폭 변조신호발생기에 의해 발생된 펄스폭 변조신호를 분배받아서 MOS-FET에 인가하여 제어되도록 하는 드라이브 보드로 이루어진 것을 특정으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 VRT D/D 모터의 속도제어방법은,D/D 모터의3상중 2상에 흐르는 전류를 감지하는 제 1스텝과, 상기 제 1스텝에서 감지된 D/D 모터의 전류량을 일정레벨로 증폭하는 제2스텝과. 상기 증폭된 전류량을 디지털 데이터로 변환하여 리드하는 제3스텝과, 상기 리드된 전류량에 대한 데이터값을 d-q 변환하는 제4스텝과, R/D 변환기를 통하여 D/D 모터의 현재위치 및 속도를 계산하는 제5스텝과, d축에 대한 전압 및 q축에 대한 전압을 역 d-q 변환하여 모터의 상 전압명령 값을 발생하는 제6스텝과, 상기 발생된 모터의 상 전압명령값을 토대로 기본 펄스폭 변조신호를 발생하는 제7스텝과, 상기 펄스폭 변조신호를 분배하여 각각의 MOS-FET 인버터를 온·오프시키는 제8스텝으로 혹 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조로하여 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명에 의한 제어시스템의 개략적인 블록도이고, 제2도는 마이크로 프로세서를 이용한 가변자기저항 타입의 D/D 모터 제어시스템도이며, 제3도는 본 발명의 동작순서를 도시한 플로우차트이다.

D/D 모터는 자기포화(mag1etic saturation), 철손 및 히스테리시스 손실을 무시하고, 공주(air gap)의 자기 원동력(MMF ; Magnetic Motive Force)이 정현파적으로 분포한다는 가정하에서 다음과 같은 동적모델로 표시된다.

여기서 Kp.Ki는 비례이득·적분이득이고 iq^*와 W^*는 q축 전류(iq)와 각속도(W)의 기준명령값이다.

상술한 설명을 근거로하여 도면을 설명한다.

제 1도에 있어서, (1)은 D/D 모터이고, (2)는 상기 D/D 모터(1)의 현재위치 및 속도를 감지하는 리졸버이며, (3)은 상기 리졸버82)에 의해 감지된 D/D 모터81)의 현재위치 및 속도를 디지털 데이타로 변환하는 리졸버/디지털 변환기 (Resolver/Digital(R/D)변환기)이다.

또,(4)는 원하는 속도응답특성을 얻도록 상기 R/D 변환기(3)의 데이타값을 기준 상전류 명령값 및 기준각속도 명령값과 비교하는 속도제어기이고, (5)는 상기 속도제어기(4)에 의한 입력 및 d-q 변환된 전류값을 토대로 비선형궤환 입력을 가하는 비선형궤환기이며, (6)은 d-q축에 대한 속도전압을 역으로 d-q 변환하여 발생된 D/D 모터(l)의 상전압 명령값을 토대로 펄스폭변조(Pulse width Modulation:PWM)신호를 발생하는 펄스폭 변조파 신호발생기이다.

또한, (7)은 상기 펄스폭 변조신호발생기(6)의 신호를 분배받아서, MOS-FET를 온 또는 오프시킴으로써 D/D 모터(1)의 구동을 제어하는 MOS-FET 인버터이다.

이와 같이 구성되어 있는 본 발명에 의한 VRT D/D 모터의 속도제어장치는,D/D 모터(1)의 현재위치 및 속도를 리졸버(2)에서 감지하면 그 데이타를 R/D 변환기(3)에 의해 디지털 데이타로 변환한 후 속도제어기(4)에 데이타값(W)으로 입력한다.

그러면, 상기 속도제어기(4)에는 q축에 대한 전류(iq)의 기준 전류명령값(iq^*)과 각속도(W)에 대한 기준각속도 명령값(W^*)이 입력되고 있으므로 이 값을 상기 R/D 변환기(3)로부터 입력되는 데이타값(W)과 비교하여 속도응답특성을 얻기위한 입력값()을 구성한다(식(13)).

상기 입력값()은 비선형 궤환기(5)에 입력되며, 상기 바선형 궤환기(5)에는 D/D 모터(1)의 상 전류(ia,ib)를 d-q 변환(C)함으로써 발생된 d축에 대한 전류(id)와 q축에 대한 전류(iq)가 입력되고 있으므로 상기 입력값()및 전류값(id,iq)을 토대로 식(11)빛 식(12)을 이용하여 d축에 대한 전압(Vd) 및 q축에 대한 전압(Vq)을 계산한 후 이값을 역으로 역 d-q 변환(V)한다.

상기 역 d-q 변환(V)에 따라 D/D 모터(1)의 상전압 명령값(Va,Vb,Vc)이 발생되며,이 값이 펄스폭변조 신호발생기(6)에 입력되어 필스폭 변조신호를 발생한 후 6개의 MOS-FET를 구동하기 위한 6개의신호로 분배되어 MOS-.FET 인버터(7) 에 입력된다.

그러면, 상기 MOS-FET 인버터(7)가 그 신호에 따라 온 또는 오프되어 D/D모터(1)을 제어하는 것이다.

제2도에 있어서, 마이크로프로셰서(10)를 중심으로 어드레스버스(A1~A3)에는 제1어드레스 디코우더(16)가 접속되고,어드레스버스(A0~A15)에는 제2어드레스 디코우더(19)가 접속되어,상기 제1어드레스 디코우더(16)는 D/D모터(1)의 3상중 a상 및 b상에 흐르는 전류량을 디지털 데이터로 변환토록 하여 데이타버스(DO~D11)를 이용하여 마이크로프로세서(10)에 입력하므로 상기 마이크로프로세서(10)에 의한 전류판별이 가능토록 하고, 상기 제2어드레스 디코우더(19)는 D/D모터(1)의 속도 및 위치를 감지한 리졸버(2)의 감지데이타를 R/D변환기(3)에 의해 디지털 데이타로 변환시킨 후 래치(18)를 통해 데이타버스(D0~Dl5)로 상기 마이크로프로세서(10)에 입력시켜서 VRT D/D모터(1)의 현재위치 및 속도 판별이 가능하도록 한다.

또한, 상기 제1어드레스 디코우더(l6)는 제1, 제2 D/A변환기(20,21)의 출력값을 펄스폭 변조 신호발생(22)에 입력도록 하며, 상기 기본 펄스폭 변조 신호발생기(22)에서 발생된 PWM 신호는 필스폭 변조 신호 분배기(23)에 의해 분배되어 게이트 드라이브 보도(24)에 인가된다.

이어서, 제3도를 제 1도 및 제2도와 연관하여 설명한다.

먼저, 스텝 S1에서 D/D모터(25)의 3상중 2상(a상 및 b상)에 흐르는 전류를 홀 센서(11)에 의해 검출하고, 스텝 S2에서는 상기 홀 센서(11)에 의해 검출된 전류를 제1, 제2전치중폭기(前置增福器,12,l3)를 사용하여 중폭한다.

즉, 전기계로의 변환기의 출력 적어서 그대로는 제1, 제2 A/D변환기(14,15)의 입력으로 인가할 수 없므로 그 출력을 적당한 레벨까지 상승시켜서 제1,제2 A/D변환기(14,15)에 입력하는 것이다.

이후, 스텝S3에서 마이크로세서(10)는 제1어드레스 디코우더(16)에 의해 어드레스(A1∼A3)를 디코우도 하도록 하고 제1,제2 A/D변환기(14,15)를 인에이블시켜서 상기 제1, 제2전치증폭기(12,13)에 의해 증폭되어 입력된 D/D모터(1)애 흐르는 전류량을 디지털 데이타로 변환한 후 데이타 라인(D0~D11)을 통해 입력시켜서 그 변환된 데이타를 리드한다.

상기 스텝 S3에서의 D/D모터(1)의 전류량 리드가 완료되면 스텝 S4로 나아가서 상기 리드된 데이타 값을 d-q 변환(C)하고, 스텝 S5에서는 리졸버(2)에 외해 검출된 D/D모터(1)의 현재위치 및 속도에 대한 데이타를 R/D변환기(3)에 의해 디지털 데이타로 변환하여 D/D모터(1)의 현재위치 빛 속도를 판별한다.

즉, 마아크로프로세서(10)는 제2어드레스 디코우더(19)가 어드레스 (A0~A15)를 디코우하도록 하고, 상기 제2어드레스 디코우더(19)에 의해 디지털 데이타로 변환된 D/D모터(1)의 회전자의 절대 위치량을 래치(18)를 통해 읽어들임으로써 D/D모터(1)의 현재위치 빛 속도 판별이 가능해지는 것이다.

이후,스텝 S6에서 상술한 식(13)에 의해 U₁,U₂를 발생시킨 다음, 상기 발생된 Ul·U2폴 이용하여 d축전압 (Vd) 및 q축 전압(Vq)를 연산한다.

즉, 식(11)에 의해 연산하는 것이다. d,q축 전압(Vd,Vq)값이 상기 스탭 S6에서 구해짐에 따라 스텝 S7에서는 상기 d,q축 전압값(Vd,Vq)을 역으로 d-q변환(V)하여 D/D모터(1)의 상 전압 명령값(Va,Vb,Vc)을 발생시키고 스텝 S8에서는 상기 스텝 S7에서 발생된 상 전압 명령값(Va,Vb,Vc)을 제 1어드레스 디코우더(16)의해 인에이블된 제1,제2 D/A변환기(20,21)를 통해서 기본 펄스폭 변조파 발생산호기(22)에 출력한다.

그러면, 상기 기본 펄스폭 변조 신호발생기(22)에 의해 발생된 기본 펄스폭 변조 신호는, 스텝 S9에서 펄스폭 변조 신호 분배기(23)를 통하여 MOS-FET 인버터의 6개 MOS-FET를 구동하기 위한 신호를 발생하여 게이트 드라이브 보드(24)에 입력하여 MOS-FET 언버터를 온 또는 오프 시킴으로써 D/D모터(1)의 구동을 제어하는 것이다.

이와 같이, 본 발명의 VRT D/D모터의 속도제어장치 및 제어방법에 의하면,VRT D/D모터의 d-q변환된 모델을 사용하므로 제어기의 구성이 간단해지고, 단순궤한 선형화기법에 의해 우수한 동 특성을 가지는속도응답을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, VRT D/D모터의 파라미터값이 필요치 않으므로 변화에 대해서도 강하다는 뛰어난 효과가 있는 것이다.

Claims (9)

1. 마이크로프로세서와, D/D모터와, 상기 D/D모터의 현재위치 및 속도를 감지하는 리졸버와, 상기 D/D모터의 상 전류를 검출하는 홀 센서와,상기 리졸버의 감지데이타를 디지털 데이타로 변환하는 R/D변환기와, 상기 R/D변환기에 의한 다지털 데이타를 마이크로프로세서에 입력하는 래치와 상기 홀 센서의 감지 신호를 중폭하는 제1 제2전치증폭기와, 상기 제1,제2전치중폭기에 의해 증폭된 D/D모터의 상 전류폴 디지털 데이타로 변환하는 제1,제2 A/D변환기변환기와, 상기 제1,제2 A/D변환기변환기를 인에이블 시켜 변환된 디지털 데이타가 마이크로프로세서에 입력되도록 하는 제 1어드레스 디코우더와,상기 마이크로프로세서에 의해 발생된 상 전압명령값을 아날로그 신호로 변환하는 제1,제2 D/A변환기와, 상기 제1,제2 D/A변환기에 의해 변환된 아날로그 신호를 토대로 펄스폭 변조 발생기에 의해 발생된 펄스폭 변조 신호발생기와, 상기 펄스폭 변조 신호발생기에 의해 발생된 펄스폭 변조 선호를 분배 받아서 MOS-FET에 인가하는 게이트 드라이브 보드로 이루어진 것을 특징으로 하는 VRT D/D모터의 속도제어장치.
2. 제 1항에 있어서,상기 마이크로프로세서는 제2어드레스 디코우더에 의해 인에이블 된 래치로부터D/D모터의 회전자의 절대위치량을 읽어들여셔 D/D모터의 현재위치 및 속도를 판별하는 것을 특징으로 하는 VRT D/D모터의 속도제어장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로프로세서는 제1,제2 A/D변환기로부터 입력된 모터의 상 전류값을 토대로 d축 전류와 q축 전류량을 연산하여 제1,제2 D/A변환기에 입력시키는 것을 특징으로 하는VRT D/D모터의 속도제어장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제1,제2 D/A변환기는 제 1어드레스 디코우더에 의해 인에이블 되는 것을 특징으로 하는 VRT D/D모터의 속도제어장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 드라이브 보드는, 펄스폭 변조 신호분배기에 의해 6개로 분대된 펄스폭변조 신호를 입력받아 MOS-FET를 제어하는 것을 특징으로 하는 VRT D/D모터의 속도제어장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 홀 센서는 D/D모터에 인가되는 3상 전류중 2상에 대한 전류플 감지하는 것을 특징으로 하는 VRT D/D모터의 속도제어장치.
7. D/D모터의 3상중 2상에 흐르는 전류를 감지하는 제 1스텝과,상가 제 1스텀으로 감지된 D/D모터의 전류량을 일정레벨로 중폭하는 제2스텝과.상기 증폭된 전류량을 디지털 데이타로 변환하여 리드하는 제3스텝과, 상기 리드된 전류량에 대한 데이타값을 d-q 변환하는 제4스텝과, R/D변환기를 통하여 D/D모터의 현재위치 및 속도를 계산하는 제5스텝과, d축에 대한 전압 및 q축에 대한 전압을 역 d-q 변환하여 발생된 모터의 상 전압명령값을 토대로 기본 펄스폭 변조 신호를 발생하는 제7스텝과, 상기 펄스폭 변조 신호를 분배하여 MOS-FET 인버터를 온·오프 시키는 제8스텝으로 이루어진 것을 특징으로 하는 VRTD/D모터의 속도제어방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 모터의 전류량 감지 및 모터의 위치, 속도 감지는 마이크로프로세서에 의한 한샘플링 시간 이내에 감지되는 것을 특징으로 하는 VRT D/D모터의 속도제어방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 폴스폭 변조파 신호는 MOS-FET를 제어하기 위하여 6개의 신호로 분배되는 것을 특징으로 하는 VRT D/D모터의 속도제어방법.