KR940005140B1 - 유도전동기 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

유도전동기 제어장치 및 제어방법

제1도는 종래 유도전동기 제어방식을 나타낸 회로도.

제2도는 본 발명이 적용되는 유도전동기 제어입력의 연산블록선도.

제3도는 본 발명이 적용되는 유도전동기 제어시스템의 회로도.

제4도는 본 발명의 동작순서를 도시한 플로우챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 속도명령값 입력단자 32 : 비교기

35 : 고정자 q측 전류발생기 36: 유지기

3 : 상변화기 38 : 연산기

39 : 카운터 40 : 상변환기

41 : PWM 펄스발생기 보호회로 43 : 적분기

44 : 사인, 코사인 테이블 45 : 슬립연산기

46 : 가산기 47 : 펄스인코더

48 : 비교기 51 : 마이크로프로세서

52 : 구동용 인버터

본 발명은 가변구조제어에 의한 유도전동기 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

종래 유도전동기는 제1도에 도시되어 있는 바와 같이 비교기(1)에서 유도전동기 속도명령값과 실제속도값을 비교하여 속도오차를 계산하고, 다른 비교기(3)에서 회전자 d축 자속명령값과 자속연산부(6)에서 연산된 회전자 d축 자속 측정값을 뺀 오차를 계산한다. 이 오차값들은 각각 PI제어기(2,4)를 통과하고 상변환기(5)를 통과하고 상변환기(5)를 거쳐 유도전동기 a,b,c상의 전류명령값이 된다. 상기 상변환기(5)는 입력되는 2상의 입력치를 3상의 출력치로 변화시키는 기능을 한다.

유도전동기의 실게 회전속도는 카운터(15)를 거쳐 계산되고, 이 값은 속도피이드백과 슬립각속도 연산을 위하여 사용된다. 슬립각속도는 유도전동기 고정자 d축 전류(ids)와 q축 전류(iqs)로 부터 얻어지며, 이 유도전동기 고정자 d축 전류(ids)와 q축 전류(iqs)는 유도전동기 a,b상 전류와 c상 전류를 3ø→2ø를 변환하여 얻어지며, 상기 c상 전류는 상기 a상 전류와 b상 전류를 가산한 후 반전시켜 얻어진다.

고정자 d축 전류(ids)는 회전자 d축 자속을 연산하기 위하여 자속연산부(6)에 입력되며, 이 자속연산부(6)는 회전자의 d축 자속측정값을 발생시키게 된다.

슬립각속도와 유도전동기 실제속도는 합하여져 적분기(9)를 통한 후 사인 코사인 테이블(Sin Cos TABLE, 21)에 입력되어 2상에서 3상으로의 변환 몇 3상에서 2상으로의 변환을 위한 Sin, Cosθ값을 발생시킨다.

상변환기(5)에서 연산된 유도전동기의 a, b, c상 전류명령값들은 실제 a, b, c상 전류값과 비교부(16,17,18)에서 비교되어 그 오차값들을 발생한 후 전류제어기(10,11,12)에서 입력되고 이곳에서 제어된 전류는 PWM펄스발생기 보호회로(13)에 입력되게 되고, 상기 PWM 펄스발생기 보호회로(13)는 상기 전류제어기(10,11,12)에서 출력되는 전류에 상응하는 PWM 신호를 발생시켜 이를 구동용 인버터(19)에 공급하게 되는 것이다.

제1도에 있어서, 도면부호(7)은 3상전류를 2상전류로 변환시키는 상변환기이며, (8)은 슬립연산기이고, (14)는 입력되는 2개의 신호를 합한 후 그 합한 값에 (-1)을 곱하여 출력시키는 연산기이다. 또한, (19)는 파워인버터이고 (20)은 펄스인코더이다.

그런데, 이러한 종래 유도전동기는 유도전동기의 파라미터 즉 회전자와 고정자의 저항, 회전자와 고정자의 인덕턴스, 상호인덕턴스, 유도전동기의 댐핑(damping)계수, 초기값(inertia)를 변화에 민감하게 변화한다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 유도전동기의 파라미터 변환에 대하여 민감하지 않은 상태로 제어될 수 있고, 마이크로프로세서가 이용됨으로써 구조가 간단하게 이루어지는 가변구조 제어에 의한 유도전동기의 제어장치 및 제어방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 제어장치는 비교기와 고정자 q축 전류명령발생기, 가변구조제어기, 슬립연산기, 3상에서 2상으로의 변환기, 적분기, 연산기, 카운터, 펄스발생기 보호회로, 펄스인코더, 롬테이블, 2상에서 3상으로의 변환기 및 자속유지기로 이루어지는 유도전동기 제어장치에 있어서, 상기 비교기의 출력이 입력되는 고정자 q축 전류명령발생기와, 상기 고정자 q축 전류명령발생기의 출력이 입력되는 다른 비교기, 상기 비교기의 출력과 또다른 비교기의 출력이 함께 입력되는 가변구조제어기 및, 상기 가변 구조제어기의 출력과 자속유지기의 출력이 입력되는 2상 - 3상 변환기로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구조를 갖는 제어장치는 다음의 방법에 의하여 제어되게 된다. 즉, 본 발명 제어장치는 회전자 d축과 자속명령ødr이 주어지고, 속도제어를 위한 속도명령값이 입력되는 제1스텝과, 유도전동기에 부착된 인코더 출력이 카운터에 의해 카운팅되고 마이크로프로세서에 입력되어 속도가 계산되며, 또한 유도전동기 각상의 전류 ia, ib, ic가 검출되어 마이크로프로세서에 입력되는 제2스텝과, 마이크로프로세서에 내에서 ids, iqs와 회전자 각속도 Wr이 연산되고, 그 결과로부터 속도오차값 Werr(=Wref-Wr)과 전류오차값 ierr=(iref-iqs)가 연산되는 제3스텝과, 계산된 값들로부터 가변구조제어 입력(u, Ws1)이 연산되며, 이 값과 앞서 연산된 값들로부터 고정자 d축 전압(vds)와 고정자 q축 전압(vps)가 연산된후 유도전동기 상전압(Va,Vb,Vc)이 계산되는 제4스텝과, 상기 상전압(Va,Vb,Vc)으로부터 삼각파 비교방식에 의해서 구동제어용 인버터를 구동하기 위한 PWM 신호를 발생하는 제5스텝과, 상기 PWM 신호는 MOSFET나 구동제어용 트랜지스터를 스위칭시켜 유도전동기에 인가되는 실제전압을 발생시켜, 유도전동기를 원하는 자속과 속도로 운전시키는 제6스텝으로 이루어지는 방법에 의하여 제어되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조로하여 상세히 설명한다.

제2도는 본 발명이 적용되는 유도전동기 제어입력의 연산블록도이고, 제3도는 본 발명이 적용되는 유도 전동기 제어시스템의 회로도이며, 제4도는 본 발명의 동작순서를 도시한 플로우챠트이다.

제2도에 대한 설명은 이후에 이루어지며, 우선 제3도에 대해서 설명한다.

제3도에 있어서, 도면부호(31)은 속도명령값 입력단자를 나타내며, 지정된 속도명령값은 비교기(32)에 입력되고, 이 비교기(32)는 카운터(39)로 부터 피이드되는 속도궤한량과 비교된 속도오차(Werr)를 출력한다. 한편 속도명령값은 고정자 q축 전류발생기(35)에 입력되고 전류발생기(35)는 속도명령값에 대응하는 고정자 q축 전류명령값(iref)을 발생시키게 되며 이곳에서 발생된 고정자 q축 전류명령값(iref)은 비교기(48)에서 실제 고정자 q축 전류의 피이드백값과 비교되어 고정자 q축 전류의 오차값(ierr)을 발생시킨다.

이와 같이 하여 발생된 속도오차값과 고정자 q축 전류오차값은 가변구조 제어기(Variable Structure System, 34)에 입력되어 유도전동기를 구동하기 위한 고정자 q축 전압명령값을 발생시킨다. 또한 유지기(36)로부터는 유도전동기 회전자 자속값을 일정하게 유지하기 위한 일정값 크기의 Vds가 상변환기(40)로 입력된다.

따라서, 유도전동기의 고정자 d축 전압과 q축 전압명령값이 발생되게 되어 이 값들이 상변환기(40)에 입력되며 (아래의) 식(1)에 의하여 유도전동기 고정자의 a,b,c상에 대한 고정자 전압명령값(Va,Vb,Vc)를 발생시킨다. 이 값들은 PWM 펄스발생기 보호회로(41)에 입력되어 구동용 인버터의 FET(전계효과 트랜지스터)로 구성된 스위칭 소자들을 ON/OFF시키기 위한 PWM 신호들을 발생시키게 된다.

상기 식(1)에 있어서, 사용되는 Sinθ, Cosθ 값은 유도전동기의 속도와, 슬립연산기(45)에서 ids, iqs로부터 연산된 슬립각속도를 가산기(46)에서 더한 후, 그 가산된 값을 적분기(43)를 통해 사인, 코사인 테이블에 인가하고, 상기 사인, 코사인 테이블(44)에서는 이에 대응되는 사인파 신호와 코사인파 신호를 발생시킨다.

한편, 펄스인코더(47)는 유도전동기 속도에 비례하는 펄스열을 발생시키며, 이 펄스열은 카운터(39)에 의해서 계산되어 유도전동기의 속도정보를 발생시킨다. 이와 같이 하여 계산된 유도전동기 실제속도는 비교기(32)에 속도오차를 연산하기 위하여 입력된다. 그리고 또한 카운터(39)에서 연산된 속도는 적분기(43)에 입력되어 유도전동기 회전자의 위치에 해당되는 Sin, Cos값을 발생시킨다.

이와 같이 발생된 Sin, Cos 값들은 위에서 언급한 식(1)에서 사용되어 Va,Vb,Vc를 발생시킨다.

한편, 변류기(CT)에 의해서 측정된 유도전동기 고정자의 a상, b상의 전류(ia,ib)는 연산기에 의해 C상 전류(ic)를 발생시키고, 이와 같이 하여 얻어진 ia, ib, ic는 아래의 변환식(2)에 의해 ids와 Iqs값으로 변화되고 이중, Iqs값은 전류명령값(iref)와 비교되어 전류오차값(ierr)을 발생시킨다.

한편 유도전동기(50)는 자기포화(magnetic saturation), 철손 및 히스테리시스 손실을 무시하고, 공극(air gap)의 자기 원동력이 정현파적으로 분포한다는 가정하에서, 임의의 동기 각속도 Ws로 회전하는 d-q축에서의 유도전동기(50)의 특정 방정식은 다음과 같이 주어진다.

여기서 유도전동기는 2극이고, Rs(Rr)는 고정자(회전자) 저항, Ls(Lr)는 고정자(회전자) 자기인덕턴스, Lm는 고정자/회전자 상호인덕턴스, σ는, Wr는 회전자 전기각속도, Vds(Vqs)는 d(q)축 전압, ids(iqs)는 d(q)축 전류, T_L는 토오크외란, P는, J는 회전자 관성 모멘트, B는 댐핑(damping)계수, ødr(øqr)은 d(q)축 회전자 자속을 각각 표시한다.

만약 Ws가 다음과 같이 제어된다면 øqr을 항상 0으로 만들 수 있다.

Ws를 식(4)와 같이 제어할 경우를 백터제어라고 하며, 이 경우 유도전동기의 특성 방정식은 다음과 같이 표시된다.

(5)식에서 Vds의 값을 일정한 직류값(Vd-LsσWsㆍIqs)으로 제어하면 ids의 값을 항상 일정하게 유지시킬 수 있다. 즉 ødr의 값을 항상 일정하게 유지할 수 있다. 이러한 상태에서 가변속 구조제어를 행하기 위하여 다음의 상태방정식을 도출한다.

여기서, Wref와 Iref는 회전자 속도와 q축 전류명령값을 각각 나타내고, 직류값으로 주어진다.

그리고,

와 같이 표시될 수 있다.

한편,는 유도전동기의 슬립각속도를 나타내며 일반적으로 Ws1로 표시한다.

다음에는 가변구조제어기의 구성에 대해 설명한다.

가변구조제어기를 구성하기 위하여 다음의 스위치함수를 정의한다.

여기서 H는 초평면(Hyperplane)에서의 벡터위치를 나타내고, Sr은 초평면을 구성하기 위하여 정의된 값이며, H1, H2는 상수이고, G1도 상수이며, X1은 전동기 실제속도와 명령값 사이의 오차이다.

이제, 가변구조제어입력(u, Ws1)을 구하기 위하여 스윗칭함수(H)를 식(6), (7), (8)으로부터 다시 표시하면 다음과 같다.

여기서

이라 두면,

이 경우, F1을 저주파 성분이라 가정하여 F1의 미분치를 0으로 근사시켰다. 이제 슬라이딩 모드(Sliding mode)를 위한 가변제어입력은 H·H<0을 만족하도록 다음과 같이 정리할 수 있다.

전술한 식(7")의 F1성분중 T1 값을 유도전동기의 최대 출력과 같도록 식(7''')의 전류값(Iref)을 결정하면, 별도의 외란관측기(Disturbance Torque Observer)의 설계가 필요하지 않고, 유도전동기의 출력보다 작은 외란은 영향은 상기 식(12)으로 표시되는 제어입력(u)의 성분(-K3)에 의해서 보상되는 효과가 있게 된다.

본 발명에 따른 스위칭함수를 이용한 가변 구조제어를 이용한 유도전동기 제어입력의 연산블록선도가 제2도에 도시되어 있다. 유도전동기의 d축에 인가되는 전압은 식(5)의 첫번째 방정식으로부터 구할 수 있으며, 유도전동기 제어시스템이 동작을 시작할 경우, 입력(vds)을 먼저 인가하여ødr을 발생시킨 후, 입력(Vqs)은 사용하여 전류(iqs)를 제어하여 토오크를 발생시킨다. 따라서 입력(Vds)는 제2도 상측에 있는 블록선도와 같이 구성되며, 전류(iqs)를 발생시키기 위한 입력(Vqs)은 가변구조제어입력(u, ws1)으로 부터 즉, 식(71''')의 관계식으로부터 계산되어지므로 제2도 하측에 있는 블록선도와 같이 구성된다.

본 발명에 따른 유도전동기 제어장치를 실현시키기 위하여, 마이크로프로세서시스템을 이용한 유도전동기 제어시스템을 제3도와 같이 구성시킨다. 한편, 상변환기(40)내에서는 동기속도(Ws)로 회전하는 d-q축에서 Vds, Vqs의 값을 유도전동기의 고정자 축에 고정된 a, b, c축에서의 Va, Vb, Vc를 계산하는 기능이 포함되어 있으며, 상변환기(37)내에서는 고정자축에 고정된 a, b, c축에서의 전류값(ia,ib,ic)들을 d-q축에서의 전류값(ids,iqs)로 변환시키는 기능을 포함하고 있다.

제4도를 참조하여 본 발명의 동작 단계에 대해 설명한다.

1) 속도제어를 위한 속도명령값이 입력되며, 이에 앞서 회전자 d축에 대한 자속명령(ødr)이 주어진다(S1).

2) 유도전동기(50)에 부착된 인코더 출력이 카운터(39)에 의해 카운팅된 후 마이크로프로세서에 입력되어 속도가 계산된다. 그리고, 유도전동기 각상의 전류(ia,ib,ic)가 검출되어 마이크로프로세서에 입력된다(S2).

3) 마이크로프로세서(51)내에서 ids, iqs와 회전자 각속도(Wr)가 연산되고, 그 결과로부터 Werr(=Wref-Wr), lerr(=lref-iqs)가 연산된다(S3).

4) 계산된 값들로부터 식(12)으로 주어지는 가변구조 제어기 입력이 연산된다. 이 값과 앞서 연산된 값들로 부터 제2도에 도시된 방식으로 Vds, Vqs가 연산되며, 유도전동기 상전압(Va,Vb,Vc)가 계산된다(S4).

5) 상전압(Va,Vb,Vc)는 삼각파 비교방식에 의해서 MOSFET나 혹은 구동용 트랜지스터로 구성되는 구동용 인버터(52)를 구동시키기 위해 PWM(펄스폭변조) 신호를 발생시킨다(S5).

6) PWM 신호는 MOSFET나 구동용 트랜지스터를 스위칭시켜 유도전동기에 인가되는 실제 전압을 발생시키며, 유도전동기를 원하는 자속과 속도로 운전시킨다(S6).

이와 같이 본 발명에 따른, 유도전동기의 제어방법에 의해, 유도전동기의 속도제어에 있어서, 별도의 외란관측기 설계가 필요하지 않고, 유도전동기의 출력보다 작은 외란의 영향이 제어입력의 소정 성분에 의해서 보상되는 효과가 있게 된다.

Claims (7)

1. 비교기와 고정자 q축 전류명령발생기, 슬립연산기, 3상에서 2상으로 상변환기, 적분기, 연산기, 카운터, 펄스발생기/보호회로, 펄스인코더, 롬테이블, 2상에서 3상으로의 변환기 및 자속유지기로 이루어지는 유도전동기 제어장치에 있어서, 상기 비교기(31)의 출력이 입력되는 고정자 q축 전류명령발생기(35)와, 상기 고정자 q축 전류명령발생기(35)의 출력이 입력되는 다른 비교기(48), 상기 비교기(48)의 출력과 또다른 비교기(32)의 출력이 함께 입력되는 가변구조제어기(34) 및, 상기 가변구조제어기(34)의 출력과 자속유지기(36)의 출력이 입력되는 2상-3상 변환기(40)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도전동기 제어장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 비교기(31,48)와 고정자 q축 명령발생기(35), 가변구조제어기(34), 자속유지기(36) 및 상기 상변환기(40)는 마이크로프로세서내에 구성되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 제어장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 2상에서 3상으로의 상변환기(40) 출력은 PWM 펄스발생기 보호회로 (41)에 입력되며, 이 PWM 펄스발생기 보호회로(41)의 출력신호에 의해 구동용 인버터(52)가 스위칭되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 제어장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 구동용 인버터는 MOSFET로 구성되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 제어장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 구동용 인버터는 구동제어용 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 유도전동기 제어장치.
6. 유도전동기의 속도를 제어하는 유도전동기 제어방법에 있어서, 회전자 d축과 자속명령 ødr이 주어지고, 속도제어를 위한 속도명령값이 비교기(31)에 입력되는 제1스텝과, 유도전동기에 부착된 인코더 출력이 카운터에 의해 카운팅되고 마이크로프로세서에 입력되어 속도가 계산되며, 유도전동기 각 상의 전류(ia,ib,ic)가 검출되어 마이크로프로세서에 입력되는 제2스텝, 마이크로프로세서내에서의 ids, iqs와, 회전자 각속도(Wr)이 연산되고, 그 결과로부터 Werr(=,Wref-Wr), ierr=(iref-iqs)가 연산되는 제3스텝, 상기 계산된 값들로부터 가변구조제어기 입력이 연산되며, 이 값과 앞서 연산된 값들로부터 Vds,Vqs가 연산된 후 유도전동기 상전압(Va,Vb,Vc)이 계산되는 제4스텝, 상기 상전압(Va,Vb,Vc)과 삼각파 비교방식에 의해서 구동제어용 인버터를 구동하기 위한 PWM 신호를 발생하는 제5스텝 및, 상기 PWM 신호에 의해 구동 제어용 인버터를 스위칭시켜 유도전동기에 인가되는 실제전압을 발생시키고, 유도전동기를 원하는 자속과 속도로 운전시키는 제6스텝으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유도전동기 제어방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 제4스텝의 가변구조 제어기에서는 스위칭함수를 사용하여 유도전동기 속도오차와 유도전동기 고정자 q축 전류오차를 제거시키는 것을 특징으로 하는 유도전동기 제어방법.