KR960014606B1 - 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법

제1도는 종래의 브러쉬없는 직류전동기의 제어를 위한 블럭도.

제2도는 본 발명의 블럭도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,11 : 위치제어부 2,12 : 속도제어부

3,13 : 연산기 4,14 : 루크업 테이블

5,15 : 전류제어부 6,16 : 인버터

7,17 : 브러쉬없는 직류전동기 8,18 : 속도검출기

9,19 : 위치검출기

본 발명은 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법에 관한 것으로, 특히 계자로서 영구자석을 사용한 브러쉬없는 직류전동기에서 토오크의 리플이 발생하지 않도록 하면서 토오크를 정밀하게 제어하여 선형시스템과 같이 동작하도록 한 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 동기전동기는 입력주파수와 같은 속도로 회전하므로 정확한 속도를 얻게되는 장점이 있는 반면에 부하나 전원공급 등의 상태가 급격히 변화할때 전원주파수의 회전속도가 서로 어긋나게 되면 탈조하게되는 단점이 있으므로 그 용도가 상당히 제한적이었다.

그러므로, 상기와 같은 단점을 보완하기 위하여 1970년대초부터 동기전동기를 필드 오리엔테이션(Field Orientation) 제어방법으로 제어하도록 함으로써 정격범위내의 임의의 주파수에서 임의의 부하가 걸려도 탈조현상이 발생하지 않도록 하였으며, 상기의 제어방법은 영구자석의 발전에 따라 1980년대에는 소형전동기의 정밀제어에 적용하였고 요즈음에는 로보트와 선반 및 공정의 자동화에 필수적인 요소가 되었다.

그러나 현대에는 더욱 정밀한 속도 및 토오크의 제어가 요구되고 있으므로 계자로서 영구자석을 사용한 브러쉬없는 직류전동기(BLDCM: Brussless DC Motor)의 정밀제어가 더욱 중요한 사항이 되었다.

이와 같은 요구를 만족시켜주기 위해서는 브러쉬없는 직류전동기의 토오크를 정밀하게 제어하여야 하며, 또한 정밀한 토오크 제어를 위해서는 영구자석으로부터 발생되는 기자력(MMF : Magneto Motive Force)를 정현파로 만들어 주어야 하지만, 정현파 기자력을 얻을 수 있도록 영구자석을 부착하기가 어려워 현대의 기술로는 거의 불가능한 방법으로 되어 있다.

제1도에 도시한 것과 같이 사용자가 제어반을 통하여 설정한 위치지령값(θ^*)과 위치궤환신호(θ)를 입력받는 위치제어부(1)에서는 연산을 수행하여 속도지령(ω^*)을 출력하도록 하고, 상기의 위치제어부(1)로부터 속도지령(ω^*)을 입력받으면서 속도궤환신호(ω)를 궤환입력받는 속도제어부(2)에서는 속도제어의 연산을 수행하여 그 결과인 토오크 전류지령값(IM^*)을 출력하도록 하며, 상기의 속도제어부(2)로부터의 직류의 토오크 전류지령값(IM^*)을 입력받으면서 상기의 위치궤환신호(θ^*)에 해당하는 루크업 테이블(Look-Up Table)(4)의 저장데이타를 읽어들이는 연산기(3)에서는 변환연산을 수행한 후 3상의 전류지령값(Ia^*)(Ib^*)(Ic^*)을 출력하도록 하고, 상기 연산기(3)로부터 3상의 전류지령값(Ia^*)(Ib^*)(Ic^*)을 입력받으면서 3상의 전류궤환신호(Ia)(Ib)(Ic)를 궤환입력받는 전류제어부(5)에서는 전압지령값(Va^*)(Vb^*)(Vc^*)을 출력하도록 하며 상기의 전류제어부(5)로부터 3상의 전압지령값(Va^*)(Vb^*)(Vc^*)을 입력받는 인버터(6)에서는 게이트신호를 생성하면서 입력전압을 변환하는 3상의 전압값(Va)(Vb)(Vc)을 출력하여 브러쉬없는 직류전동기(7)를 동작시킴으로써 속도검출기(8)에 의해 현재 회전하고 있는 속도를 계산하여 속도궤환신호(ω)를 출력하도록 하는 동시에 위치검출기(9)에 의해 기준축 위치에서의 절대위치변량을 계산하여 위치궤환신호(θ)를 궤환출력하도록 하였었다.

그러나 상기와 같은 종래의 브러쉬없는 직류전동기의 제어방법에 의하여서는 정밀토오크의 제어에 한계가 따를 수 밖에 없으며 결국은 토오크의 리플이 발생하면서 속도의 정밀제어에 나쁜 영향을 주게되는 단점이 있었다.

이에 따라 본 발명은 영구자석의 형상이나 부착방법에 의하지 않고 동기전동기의 토오크를 정밀하게 제어하도록 한 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사용자의 위치지령을 입력받는 위치제어부에서 속도지령을 출력하도록 하고, 이 속도지령을 입력받는 속도제어부에서는 토오크전류지령값을 출력하도록 하며, 이를 입력받는 연산기에서는 위치궤환신호에 따라 루크업 테이블에서 해당 데이타를 함수의 상태로 읽어서 3상의 전류지령값으로 출력하도록 하며, 상기 3상의 전류지령값을 입력받는 전류제어부에서 3상의 전압지령값을 생성하도록 하며 이를 입력받는 인버터에서 브러쉬없는 직류전동기의 토오크를 정밀제어할 수 있도록 한 것이다.

이하 본 발명을 첨부 도면에 의거 상세히 기술하여 보면 다음과 같다.

사용자가 제어반을 통하여 설정한 위치지령값(θ^*)을 입력받으면서 위치궤환신호(θ)를 혼합기(11a)를 통해 궤환입력받아 위치제어에 따른 연산을 수행하여 속도지령값(ω^*)을 생성출력하는 위치제어부(11)와, 상기 위치제어부(11)로부터 속도지령값(ω^*)을 입력받으면서 혼합기(12a)를 통해 속도궤환신호(θ)를 궤환입력받아 속도제어에 따른 연산을 수행하여 그 결과인 토오크 전류지령값(IM^*)을 출력하는 속도제어부(12)와, 상기 속도제어부(12)로부터 직류의 토오크전류지령값(IM^*)을 입력받으면서 상기의 위치궤환신호(θ)에 해당하는 데이타를 루크업 테이블(Look-Up Table)(14)에서 각 상(a)(b)(c)의 함수값 fa(θ),fb(θ),fc(θ)을 각각 입력받아 변환연산을 수행한후 각 상에 따른 전류지령값(Ia^*)(Ib^*)(Ic^*)을 출력하는 연산기(13)와, 상기 연산기(13)으로부터 3상의 전류지령값(Ia^*)(Ib^*)(Ic^*)을 각각 입력받으면서 혼합기(15d)(15e)(15f)를 통해 3상의 전류궤환신호(Ia)(Ib)(Ic)를 각각 a상 전류제어부(15a)와 b상 전류제어부(15b) 및 c상 전류제어부(15c)로 궤환입력받아 3상의 전압지령값(Va^*)(Vb^*)(Vc^*)을 출력하는 전류제어부(15)와, 상기의 전류제어부(15)로부터 3상의 전압지령값(Va^*)(Vb^*)(Vc^*)을 입력받으면서 게이트신호를 생성하여 전력용 반도체(IGBT)의 제어에 따른 입력전원의 변환공급으로 브러쉬없는 직류전동기(17)를 제어하는 인버터(16)와, 상기의 브러쉬없는 직류전동기(7)에 근접설치되어 현재 회전하고 있는 속도와 기준축 위치에서의 절대위치연량을 계산하여 속도궤환신호(ω)와 위치궤환신호(θ)를 궤환출력하는 속도검출기(18) 및 위치검출기(19)들로 구성한 것인 바, 본 발명의 요지는 상기의 브러쉬없는 직류전동기(17)를 전기적인 동적방정식과 기구적인 동적방정식으로 토오크를 정밀제어하도록 한 것인 바, 이를 상세히 나타내면 다음과 같다.

즉, 전기적인 동적방정식은

이를 라플라스 변환해서 ik에 대해 정리하면,

…………………………………… (1)

그리고

………………… (2)

여기서 S는 라플라스 연산자, L은 인덕턴스, R은 상저항, Kt는 토오크 상수, Ke 전동기의 역기전력상수, gk(θ)은 역기전력, ik은 각 상의 전류, Te는 전체발생 토오크, θ는 회전자 위치, ω는 회전자 각속도이다.

또한 기계적인 동적방정식은

따라서

…………………………………… (3)

여기서 J는 관성모멘트 B는 댐핑(Damping)계수, Tc는 외부의 부하토오크이다.

상기와 같은 전기적 동적방정식의 (1)식을 각 상에 대하여 구한후 (2)식에 대입하여 전체발생토오크(Te)를 구하고, 이를 다시 (3)식에 대입하여 브러쉬없는 직류전동기의 회전자 각속도를 얻을 수 있도록 한 것이다.

이와 같이 구성한 본 발명의 브러쉬없는 선형제어방법은 사용자의 위치지령값(θ^*)을 입력받은 위치제어부(11)에서 속도지령값(ω^*)을 출력하고, 이를 입력받는 속도제어부(12)에서 전류지령값(IM^*)을 출력하며, 상기의 전류지령값(IM^*)을 출력하며, 상기의 전류지령값(IM^*)을 입력받는 연산기(13)에서는 위치궤환신호(θ)에 해당하는 루크업 테이블(14)의 데이타를 각 상의 함수값 fa(θ),fb(θ),fc(θ)을 입력받아 전류지령값(Ia^*)(Ib^*)(Ic^*)을 출력함으로써 전류제어부(15)에서 전압지령값(Va^*)(Vb^*)(Vc^*)을 출력하여 인버터(16)에 의해 브러쉬없는 직류전동기(17)을 제어하도록 한 것으로서, 각 상의 실제전류가 각 상 전류명령을 완벽히 추종한다고 가정하면 발생토오크식은 아래와 같다.

…… (4)

여기서, Kt : 토오크 상수, g(θ) : 역기전력, ij, j=a,b,c : 각 상전류 명령, θ : 회전자 위치

전류명령 : ik^*, k=1,2,3을 다음과 같이 선정할때,

………………………………………… (5)

여기서, u : 토오크 입력

상기식(4)의 발생토오크 Te를 완전히 선형화하는 즉 Te=Ktㆍu로 만드는 fk(θ)는 다음과 같이 표현되어진다.

… (6)

여기서, F(θ)=g(θ)-g(θ-4π/3)

G(θ)=|F(θ)+1/2F(θ-4π/3)|²+3/4|F(θ-4π/3)|²

h(θ)=주기가 2π인 임의의 자유함수

상기 (6)식에 부합하는 fk(θ)를 얻어 이를 루크업 테이블(14)에 저장해 둠으로서 전동기(17)에서 발생되는 토오크는 속도제어부(12) 출력(Im^*)과 정확히 일치하는 제어를 실현할 수 있다.

더우기 상기 (6)식에서 h(θ)함수는 주기가 2π이기만 하면 되므로 이를 적절히 이용하게 되면 하기식에서 상술하게 될 전력을 최소화하는 방법, 전류 제한하에서 최대 토오크를 발생시키는 방법, 전류제어기의 추종성을 좋도록 하는 방법 등을 구현할 수 있다.

먼저 전력을 최소화하는 방법은 상기 (6)식에서

………………………………………………………… (7)

로 간단히 선택하므로서 전동기를 선형제어함과 동시에 전동기(17) 내부의 저항에 의해 발생되는 열손실을 최소화할 수 있다.

또한 보통 인버터(16)는 그 용량이 정해져 있어 거기에 따라 전류로 제한되어질 수 밖에 없는데 이러한 전류 제한하에서 최대 토오크를 발생시키기 위한 h(θ)는 다음 (8)식으로 얻을 수 있다.

즉,

… (8)

여기서,

상기 (8)식을 만족하는 h(θ) 선택해서 (6)에 대입하여 fk(θ)(k=1,2,3)를 구하여 이를 제어에 이용하면, 전동기를 선형제어할 뿐아니라 제한된 전류범위 내에서 최대 토오크를 얻을 수 있다.

또 다른 h(θ)값 즉 하기 (9)식과 같은 h(θ)를 선택하게 되면 전류제어부(15)가 전류지령(ia^*)(ib^*)(ic^*)에 잘 추종하게 되는데, 일반적으로 전류제어부(15)는 전류명령의 시간에 대한 미분값이 작을수록 전류지령에 추종하기가 용이해지므로,

…………………………………… (9)

(9)식의 조건에 맞는 h(θ)는 일반적으로는 구하기 어려우며 수치해석적인 방법으로 얻을 수 있다.

상기 3가지 방법이외에도 h(θ)를 적절히 선택하므로서 많은 다른 유용한 제어특성을 얻을 수 있다.

따라서 본 발명의 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법에 의하여서는 고정자 전류를 제어하는 토오크 제어를 수행하고, 이 토오크 제어방식에 의해 토오크를 리픈없이 선형적으로 제어할 수 있도록 하고, 선형제어 및 고정자의 권선저항에서 열로 소비되는 전력을 최소화하며, 전류를 제한하는 중에 최대의 토오크를 발생시키도록 하고, 전류명령의 시간에 대한 미분값을 최소화하여 전류제어성능을 보장하도록 함으로써 리플이 발생하지 않도록 하면서 토오크를 정밀제어할 수 있도록 한 것이다.

Claims (6)

1. 계자로서 영구자석을 사용한 브러쉬없는 직류전동기의 제어방법에 있어서, 각 상의 실제전류가 전류명령에 추종한다는 가정하에 토오크에 발생식을 설정하는 단계와, 발생토오크를 완전하게 선형화하는 함수의식을 설정하는 단계와, 선형제어와 고정자의 권선저항에서 열로 소비되는 전력을 최소화하는 단계와, 완전한 선형제어를 하면서 전류를 제한하는 중에 최대의 토오크를 발생하도록 하는 단계와, 각 상의 전류명령의 시간에 대한 미분값을 최소화하여 전류제어성능을 보장하는 단계들에 의해 수행됨을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법.
2. 제1항에 있어서, 발생토오크(Te)는 Te=Kt-[g(θ)ia^*+g(θ-2/3π)ib^*+g(θ-4/3π)ic^*) Kt : 토오크 상수, g(θ) : 역기전력, θ : 회전자 위치의 식을 만족하도록 하여 전기적인 제어방식을 구하도록 한 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법.
3. 제1항에 있어서, 발생토오크(Te)는 ik^*=uㆍfk(θ)여기서, k=1,2,3(각 상을 표시)

   u : 토오크 지령에 비례하는 상수값 F(θ)=g(θ)-g(θ-4π/3) G(θ)=|F(θ)+1/2ㆍF(θ-4π/3)|²+3/4ㆍ|F(θ-4π/3)|²h(θ)=주기가 2π인 임의의 자유함수 인 상기 조건을 만족하는 각 상 전류지령 ik^*(k=1,2,3)을 생성하므로 발생토오크(Te)가 상수값(u)에 완전히 비례하도록 한 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, h(θ)=1/2로 고정시키고, 각 상 전류 ik(k=1,2,3)을 발생시키므로서 열로 소비되는 전력손실량이 적어지도록 한 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, h(θ)가,

   여기서,의 식을 만족하는 각 상 전류지령 ik^*(k=1,2,3)을 발생시키므로써 제한된 전류하에서 최대 토오크를 발생시키도록 한 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법.
6. 제1 또는 제3항에 있어서,인 h(θ)를 선택하여 각 상 전류지령 ik^*(k=1,2,3)을 발생시키므로서 전류지령의 시간에 대한 변화량을 최소화하여 전류제어부의 제어성능을 보장토록한 브러쉬없는 직류전동기의 선형제어방법.