KR950010191B1 - 유도전동기의 회전자저항 추정장치 - Google Patents

유도전동기의 회전자저항 추정장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

유도전동기의 회전자저항 추정장치
제1도는 단일도로서 회전자자속 추정방법을 이용한 유도전동기 제어씨스템 블럭도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1-4 : P1제어기 5 : 회전자저항 변화량연산부
6 : 롬테이블(ROM TABLE) 7 : 30-20변환기
8 : 제어기 9 : 20-30변환기
10 : 디지탈-아나로그변환기 11 : 삼각파발생기
12 : 비교기 13 : PWM신호분배기
14 : 인버터 15 : 타이머카운터
16 : 회전자자속 추정기
본 발명은 유도전동기 회전자저항 추정방법에 관한 것으로, 특히, 회전자저항을 추정(Estimation)함에 있어, 회전자저항의 변화량에 대한 이차방정식을 구하여 회전자저항의 변화를 추정할 수 있어, 변화량을 보상하고, 회전자저항의 변화로부터 기인하는 제어성능의 저하를 방지하고, 유도전동기의 고성능 동특성을 유지토록 하는 유도전동기 회전자저항 추정방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
일반적으로, 유도전동기 제어에 있어서, 필수적인 회전자측의 제어변수들이 간접적인 방법에 의해서만 추정될 수 있고, 제어변수들이 서로 결합된 비선형 다변수씨스템(non linear coupled multivariable system)으로 표시되기 때문에 제어가 쉽지 않다.
그러나, 유도전동기의 구조특성상, 가격이 저렴하고 코깅 토오크(Cogging Torque)가 작으며, 전계약화(field weakening) 영역이 크다는 장점을 가지고 있고 그 반면에 회전자자속을 발생시켜야 하기 때문에 효율이 떨어지고, 관성이 크며, 관성대 토오크의 비가 작고, 발생된 토오크에 비해 응답속도가 느린 단점이 있었다.
이러한 단점을 개선하려는 노력으로 최근에는 벡터제어방법 즉, 자속기준 제어방법에 의해 제어하는 기술이 소개되어 직류 전동기의 동특성을 얻을 수 있게 되었다.
그러나, 이 방법의 경우 회전자저항의 정확성이 제어성능에 있어 중요한 영향을 미치게 되는데, 전동기 몸체의 온도가 자속의 레벌에 따라 변화하기 때문에 벡터제어의 경우 이러한 변화에 대한 회전자저항의 변화를 보상하는 방법이 필수요건이었다.
따라서 본 발명은 상술한 바와같은 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 구성 및 작용효과를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
속도제어와 회전자자속 제어를 수행하는 PI제어기(1,2)와, 유도전동기의 토오크와 고정자 d축 전류 ids를 제어하는 PI제어기(3,4)와, 회전자저항의 변화를 추정하기 위해서 회전자저항의 변화량을 연산처리하는 회전자저항 변화량연산부(5), 고정자축에 고정된 축을 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축으로 환산하고, 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축을 고정자축에 고정된 축으로 환산하는 롬테이블(ROM Table : 6)과 고정자축에 고정된 축을 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축으로 환산하는 3ø-2ø변환기(7), 상기 변환기(7)로부터 주어지는 Vds, Vgs 연산 알고리즘을 계산하는 제어기(8), 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축을 고정자축에 고정된 축으로 환산하는 2ø-3ø변환기(9)와, 유동전동기 상전압 Vas, Vbs의 기본명령을 출력하기 위한 디지탈-아나로그변환기(10), 상기 유도전동기 상전압 Vas, Vbs의 기본명령을 PWM(펄스폭변조)하기 위한 삼각파발생기(11), 비교기(12)와, 기본 PWM신호를 분배하여 인버터(14)의 파워소자(a+-c-)를 구동하는 PWM신호분배기(13)와, 유도전동기를 구동하기 위한 전력을 공급하는 PWM인버터(14), 펄스발생기(PG)의 출력을 병렬데이터로 변환하여, 유도전동기의 회전속도를 측정하는 카운터(15), 회전자속을 추정하기 위한 회전자자속 추정기(16)로 조합되어 구성된 것이다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
벡터제어방법에서의 유도전동기가 고성능 응답특성을 갖도록 제어하기 위해서는, 회전자자속에 대한 정확한 측정이 필수적이고 이를 실현화하게 된다면, 유도전동기 파라미터의 변화에 대하여 완벽한 장점을 지니게 된다.
그러나 회전자자속을 측정할 경우, 홀센서(Hall Sensor)나 자속 측정코일을 통하여 회전자자속에 대한 정보를 얻을 수 있게 되나, 이 경우에는 슬롯리플(Slot Ripple)과 자기통로의 포화에 의해 측정자속이 왜곡되고, 저속에서 자속측정이 부정확하고, 홀센서 등의 장착이 쉽지 않게 된다.
이를 토대로 근래에는 전동기 방정식에 의해 구성한 자속관측자에 의한 간접방법을 널리 사용하고 있다.
이는 유도전동기 회전자 인덕턴스, 회전자/고장자 상호 인덕턴스, 회전자저항의 정보가 필수적이고, 이중 가장 중요한 파라미터는 회전자저항인 반면에 인덕턴스의 중요성은 덜한 편이다.
회전자저항의 경우, 외부온도나 몸체의 온도상승에 따라 크게 변하는 특징을 가지고 있으며, 실제 현장에서의 자속명령은 일정하게 주기 때문에, 자속레벨에 따른 인덕턴스의 변화는 작고 또한 온도변화에 따른 인덕턴스의 변화가 작기 때문에 회전자저항만의 변화치를 추정하는 방법이 필수적이고 그 방법은 다음과 같다.
임의의 동기속도 WS로 회전하는 d-g축에서의 유도전동기의 동방정식은 아래와 같이 표시된다.
ids(고정자 d축 전류) =-alids+WSigs+a20dr+pa3wr0gr+CVds
ids(고정자 g축 전류) =-Wsids+aligs+pa3wrødr+a20gr+CVgs
øds(회전자 d축 전류) =-a40dr+a5ids+(WS-pwr) øgr
øds(회전자 g축 전류) =-a40gr+a5igs+(WS-pwr) ødr
WR(회전자속도) =-[bwr+KT(ødrigs-øgrids)-TL]/J
여기에서 P는 극대수, J는 관성모먼트, b는 댐핑계수, Rs, Rr은 고정자, 회전자저항, Ls, Lr은 고정자, 회전자 상호 인덕턴스, TL은 부하토오크이다.
또한, al은 c(Rs+M2Rr/Lr2), a2는 CM Rr/Lr2, a3는 CM/Lr, a4는 Rr/Lr, a5는 M Rr/Lr KT3/2ㆍP/2ㆍM/Lr인 것이다.
벡터제어의 경우 임의의 동기속도 WS는 다음과 같이 주어진다.
WS=pwr+a5igs/ødr…………………………………제2식
그리고 회전자자속은 다음의 식으로부터 추정(EsTimation)된다.
ødr=-a40dr+a5ids…………………………………제3식
전술한 제2식과 제3식에서 보면 벡터제어의 경우, 제1식에서의 회전자 g축 전류 øgr은 "0"가 됨을 알 수 있다.
그러나 회전자저항 Rr이 변화하는 경우, 제3식에 의해 추정된 회전자자속은 유도전동기의 실제 회전자자속과 차이를 나타내기 때문에 회전자 g축 전류 øgr이 "0"가 되지 않는다.
이와같은 현상은 회전자저항을 정확히 추정하여야 피할 수 있게 된다.
이때의 회전자저항을 추정하기 위하여 다음 두 식을 정의할 수 있다.
P =-a5WSs(ødrsidss+øgrsigss)R/r
P*=-a5WS ødr* ids/Rr…………………………제4식
여기에서 첨자 S는 정상상태를 나타내며 0dr*는 회전자자속의 명령값이 된다.
그리고 변화하기 이전의 회전자저항을 Rr이라고 한다면 다음의 2차 방정식을 얻을 수 있게 된다.
(ΔRr/Lr)2+2a4(ΔRr/Lr)-Ko=0…………………제5식
여기에서 a4=Rr/Lr이고, Rr-Rr은 ΔRr로 정의한다.
또한, K0=-K1K2(1+K1)
K1=ΔP │RV│2/Lr WSs│Wℓsødr*│2
K=│a4│+│WSℓs│2…………………………………………………제6식
이때의 ΔP=P-P*이고 WSℓs=a igss/ødrs이다.
계속해서 제5식을 풀게 되면 다음식을 구할 수 있게 된다.
제7식을 계산하기 위해서는 ΔP를 측정해야 하는데 이 경우 Vds, Vgs를 다음과 같이 제거하면
ΔP는 다음과 같이 주어진다.
제9식의 ΔP로 전부 주어지는 값으로써 계산할 수 있게 되므로 제7식의 회전자저항 변화량을 연산할 수 있게 된다.
이상의 식을 토대로 회전자저항 추정방법을 이용한 유도전동기의 벡터제어방법이 구현되도록 회전자저항의 변화값을 마이크로 프로세서에 의해서 계산되며, 유도전동기 제어알고리즘들도 마이크로 프로세서로 연산한다.
본 발명의 도면 제1도에서 보는 바와같이 점선부분은 마이크로 프로세서내에서 연산되는 부분을 나타낸다.
한편, 회전자속도와 자속의 명령이 입력되면, 타이머/카운터(15)로부터 계산된 회전자속도와, 회전자자속 추정기(16)에 의해 추정된 회전자자속이 귀한(Feedback)된다.
이때, 회전자저항 변화량 연산부(5)에 의해 회전자자속 추정기(16)에서 회전자저항의 변화에 영향을 받는 값들이 보상된다.
한편, PI제어기(1,2)가 작동하고, 각 PI제어기(1,2)의 출력에 추정된 회전자자속과 3ø-2ø변환기(7)에 의해 계산된 고정자 d축 전류 ids가 귀환되고, PI제어기(3,4)가 작동하면서 그 출력은 제어기(8)에 입력되어 Vds, Vgs를 출력한다.
측정된 회전자속도 Wr, 추정된 회전자자속 ødr과 고정자 d축 전류 ids로부터 회전자속도 Wr가 연산되고, 이 값이 적분되어 θs가 연산되며 Sinθs와 Cosθ의 롬테이블(ROM Table : 6)에 입력되어 Sinθs와 Cosθs를 발생시킨다. 여기서 a5에서의 회전자저항값은 그 변화값이 보상되고, 앞서 출력된 Vds, Vgs와 Sinθs와 Cosθs로부터 유도전동기의 상전압 명령값 Vas, Vbs를 20-30변환기(9)에서 계산한 후, 디지탈-아나로그변환기(10)를 거쳐 출력하게 되고, Vcs값은 Vas와 Vbs를 더한 후 반전시키므로, 얻어진다.
출력된 Vas, Vbs, Vcs값은 삼각파발생기(11)에 발생된 삼각파와 비교하여, 기본 PWM신호를 발생시키고, 이 기본 PWM신호는 PWM신호분배기(13)에 의해 PWM인버터(14)에 인가되는 6개의 PWM신호를 발생시키게 된다.(즉, 유도전동기를 구동하는 전압을 발생한다)
이어서, 유도전동기의 ias, ibs는 홀센서로 검출된 뒤 증폭되어 아나로그/디지탈변환기(A/D)에 의해 디지탈값으로 변환되어, 마이크로 프로세서에 입력된 후 회전하는 d-g축에 저항값으로 환산한다.
이상에서 본 바와같이 본 발명은 온도등의 변화에 대하여 변화량이 가장 큰 회전자저항을 추정할 수 있어, 그에따른 변화량을 보상할 수 있기 때문에 유도전동기의 고성능 동특성을 얻기 위한 벡어제에 있어서 회전자저항의 변화로부터 기인하는 제어성능의 저하를 방지하여 유도전동기를 항상 고성능 동특성을 갖도록 제어할 수 있으므로, CNC(컴퓨터수치제어), 롤링-밀 등 각종 고성능 동특성을 요구하는 산업용 구동기계 등에 필연적으로 사용될 수 있는 발명인 것이다.

Claims (1)

  1. 속도제어와 회전자자속 제어를 수행하는 PI제어기(1,2)와, 유도전동기의 토오크와 고정자 d축 전류 ids를 제어하는 PI제어기(3,4)를 구비하되, 회전자저항의 변화를 추정하기 위해서는 회전자저항 변화량을 연산처리하는 회전자저항 변화량 연산부(5)와, 고정자축에 고정된 축을 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축으로 환산하고, 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축을 고정자축에 고정된 축으로 환산하는 롬테이블(ROM Table : 6)을 전기적으로 연결하면서, 고정자축에 고정된 축을 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축으로 환산하는 3ø-2ø변환기(7)와 상기 변환기(7)로부터 주어지는 Vds, Vgs 연산 알고리즘을 계산하는 제어기(8)와, 임의의 동기속도로 회전하는 d-g축을 고정자축에 고정된 축으로 환산하는 2ø-3ø변환기(9)를 연결하게 하면서 유도전동기 상전압 Vas, Vbs의 기본명령을 PWM(펄스폭변조)하기 위한 삼각파발생기(11), 비교기(12)와, 기본 PWM신호를 분배하여 인버터(14)의 파워소자(a+-c-)를 구동하는 PWM신호분배기(13)를 갖추는 한편, 유도전동기를 구동하기 위한 전력을 공급하는 PWM인버터(14) 및 펄스발생기(PG)의 출력을 병렬데이터로 변환하여, 유도전동기의 회전속도를 측정하는 카운터(15)와, 회전자속을 추정하기 위한 회전자자속 추정기(16)로 조합되어서 구성됨을 특징으로 하는 유도전동기의 회전자저항 추정장치.
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