KR970000028B1 - 직류 기계의 토크 측정 장치 - Google Patents

직류 기계의 토크 측정 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

직류 기계의 토크 측정 장치
제1도는 본 발명의 양호한 실시예에 따른 D.C.기계의 토크 측정 장치의 회로 블럭도.
제2도는 제1도에 도시된 실시예에 사용된 속도 함수 발생기의 특성 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 제1토크 계산 블럭 2 : 제2토크 계산 블럭
3 : 제1승산기 4 : 제1속도 함수 발생기
5 : 제2승산기 6 : 제2속도 함수 발생기
7 : 가산기
본 발명은 D.C.(직류) 모터와 같은 D.C.기계의 토크를 입·출력 전력 및 전류값에 따라 전기적으로 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
일본국 제2특개소 제62-42478호(1987.9.8.)에는 이미 제안된 전기적인 토크 측정 장치가 예시되어 있다.
상술한 일본국 제2특개소에 있어서, D.C.기계의 입·출력 전력(P)(VA)와 회전 속도(N)(rpm)사이의 비로부터 D.C.기계의 효과적인 계산 방법에 따라 토크(T)가 전기적으로 측정된다.
식(1)에서, 전력(P)는 파라메타로서 D.C.기계의 전기작 전류로 인한 저항손실, 브러쉬 손실 등을 망라한 D.C.전류 부하 손실(PE)를 포함하고, 파라메타로서 회전 속도로 인한 아이언(iron) 손실, 기계적 손실 등을 망라한 고정 손실(PM)을 포함한다.
여기에서, Va는 D.C.기계(D.C.모터) 양단의 단자 전압을 나타내고, la는 D.C.모터로 흐르는 전류를 나타낸다.
이하, 상술한 바와 같은 토크 측정 방법을 KW방법이라 한다.
토크(T)를 전기적으로 측정하는 다른 방법이 후술되어 있다.
여기에서, K는 계수를 나타내고, ψ는 D.C.모터의 자속 밀도를 나타내며, Tm은 D.C.기계(모터)의 기계적 손실 및 아이언 손실의 총합의 변환된 토크치를 나타내고, 회전속도가 비교적 낮은 경우에 거의 일정한 값을 유지하지만, 회전 속도가 비교적 높은 경우에 복잡하게 변한다. Tm은 식(3)의 우측에 고유하게 포함되어 있으나 이하에서는 이것을 생략하기로 한다.
계수 (K)는 회전 속도 또는 계자 전류(field current)의 함수로서 먼저 설정된다. 식(3)에서 토크(T)를 계산한 후, 계수(K)는 회전 속도의 함수로서 이미 설정된 아이언 손실 및 기계적 손실로부터 유도된 토크를 보상한다. 전류를 이용하여 토크를 측정하는 이러한 방법을 이하에서는 전류 계수 방법이라 한다.
상술한 토크 측정 방법(KW)는 다음과 같은 이유로 인해 전류 계수 방법을 이용하는 것보다 측정 정확도가 높다.
즉, D.C.모터의 총 손실은 약 5% 정격 출력 전력이다. 부수적으로, 이러한 손실이 각각 부품에 분산되고 이미 측정된 부품에 관련된 각 손실의 변화가 관찰된 경우, 각 손실은 각 부품에 대해 약 3%라는 것을 나타낸다. 더욱이, 최대 쿠퍼(copper) 손실이 KW방법을 이용하여 보상된 경우, 정격 출력 전력의 1% 이하의 에러를 나타내는 총 손실은 10%이다.
그러므로, KW방법은 전류 계수 방법에 비해 측정 정확도가 높다. 특히, 디지탈 계산 방법이 KW방법에 채택된 경우, 보다 높은 정확도의 토크 측정 방법이 달성될 수 있다.
그러나, KW방법에 있어서, 회전 속도가 떨어지기 때문에, 주 회로 전압(Va)는 더 작아지므로, 각 측정 항목에 대해 결정된 에러 요소는 상대적으로 커지게 된다.
특히, 속도 (N)이 식(1)에 나타낸 바와 같이 분모 측에 배치된 경우, 토크 측정 정확도는 정격 회전 속도에서 토크 측정 정확도가 ±0.1%를 나타낼지라도 D.C.모터의 정격 회전 속도의 10% 속도에서 최하로 떨어진 1%를 나타낸다. 더욱이, 속도(N)이 더 떨어졌기 때문에, KW방법을 이용하는 측정 정확도는 속도(N)과 반비례 관계로 더 떨어진다. 그러므로, KW방법을 이용할 경우, 토크 측정가능한 한계는 D.C.모터의 최대 속도의 5%이다.
이에 관련하여, 전류 계수 방법을 이용하는 토크 측정은 측정 에러의 증가를 나타내는 것은 아니다. 그러나, 계자 전류의 변와에 의해 발생된 에러 및 D.C.모터의 주변 온도에 따른 D.C.모터의 회전자와 고정자 사이의 자속 회로를 구성하는 갭 길이의 변화로 인해, KW방법에 비해 전류 계수 방법에서는 에러가 더 크게 발생된다.
상술한 측정 정확도에 따른 문제점을 해결하기 위해, 회전 속도(N)이 측정방법의 한계인 소정의 낮은 속도 이상일 경우 KW방벙의 토크 측정 방법이 채택되는 전환 방법, 및 회전 속도(N)이 소정의 낮은 속도 이하일 경우 채택되는 전류 계수 방법을 이용하는 전환 방법이 제안된다.
그러나, 상술한 바와 같은 측정 전환 방법에서, 전환이 달성된 경우 유도된 측정치는 KW방법을 이용하여 얻어진 측정치의 전류 계수 방법을 이용하여 얻어진 측정치 사이의 차에서 유도된다.
그러므로, 토크 측정치를 나타내는 피드백 신호가 D.C.모터의 토크 제어장치에 채택되는 토크 제어 시스템에 이용되는 경우, 토크 변환으로 인한 충격은 토크 측정 방법의 전환 속도에 가깝게 D.C.모터를 구동 중에 종종 발생한다. 그러므로, 불안정한 토크 제어가 발생된다.
본 발명의 목적은 KW방법의 토크 측정 방법과 전류 계수 방법의 측정 방법과의 사이의 전환 속도에서 D.C.기계를 구동시키는 중에 불연속적으로 측정된 토크치를 제거하는 D.C.모터와 같은 D.C.기계용 토크 측정 장치를 제공하기 위한 것이다.
상술한 목적은 D.C.기계용 토크 측정 장치를 제공함으로써 달성될 수 있는데, 이 토크 측정 장치는 D.C.기계의 입·출력 전력 및 회전 속도로부터 제1토크 계산치(Tp)를 유도하는 제1토크 계산 블럭(1); D.C.기계의 자속 및 전류로부터 제2토크 계산치(TI)를 유도하는 제2토크 계산 블럭(2)를 가지고 있고, 회전속도가 설정된 회전 속도(No)를 나타낼 때 제1 및 제2토크 계산치들 중 하나로부터 토크 측정 출력을 제공하기 위해 제1토크 계산치(Tp)와 제2토크 계산치(TI)를 전환함으로써 토크 측정 출력을 제공하는 토크 측정 장치는, (a) 회전 속도(N)이 설정된 회전 속도(NO)보다 작은 제1회전 속도(N1) 이하의 값을 나타내는 경우 0을 나타내고, 회전 속도(N)이 설정된 회전속도(NO)보다 높은 제2회전 속도(N2)와 같거나 높은 값을 나타내는 경우 1을 나타내며, 회전 속도 (N)이 제1회전 속도(N1)과 제2회전 속도(N2) 사이의 값을 나타내는 경우 0에서1로 점진적으로 증가하는 제1계수(K1)을 제공하는 제1속도 함수 발생기(4); (b) 제1속도 함수 발생기(4)의 제1계수(K1)의 특성과의 반대 특성을 나타내는 제2계수(K2)를 제공하는 제2속도 함수 발생기(6); (c) 제1의 승산된 토크 측정치를 제공하기 위해 제1토크 계산치(Tp)에 제1계수(KI)만큼 승산하고, 제2승산된 토크 측정치를 제공하기 위해 제2토크 계산치(TI)에 제2계수(K2)만큼 승산하며, 토크 측정 출력을 제공하기 위해 제1과 제2의 승산된 토크 측정치를 가산하는 수단을 포함하고 있다.
이하, 본 발명을 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예 및 특정에 대해 보다 상세히 설명하겠다.
제1도에는 본 발명에 따른 양호한 실시예인D.C.모터와 같은 D.C.기계용 토크 측정 장치의 회로 블럭도가 도시되어 있다.
제1도에 있어서, 제1토크 계산 블럭(1)은 KW방법을 이용하여 토크 계산치(Tp)를 유도하는 기능을 한다. KW방법은 상술한 바와 같다. 다시 말하면, 토크 계산 블럭(1)은 D.C.모터의 전류(la), 전압(Va), 보상 자장 유도 전압(Vcp) 및 회전 속도(N)을 수신하여, 상술한 식(1) 및 식(2)를 이용하여, 토크(Tp)를 계산한다.
이미 설정된 속도(N)에 따라 변환된 기계적 손실 및 아이언 손실 특성에 있어서, 측정된 속도(N)의 손실은 고정된 손실(PM) 및 전류 부하 손실(PE)에 포함된다.
한편, 제2토크 계산 블럭(2)는 상술한 바와 같이 전류 계산 방법을 이용하여 토크 계산치(TI)를 유도하는 기능을 한다.
다시 말하면, 제2토크 계산 블럭(2)는 전류(la), 회전 속도(N) 및 계자 전류(1f)를 수신하여 상술한 식(3)을 이용하여 토크(TI)를 계산한다.
이러한 계산에 있어서, 기계적 손실 및 아이언 손실로 인한 토크 특성을 유도하기 위해서, 회전 속도(N)이 검색되어 토크 계산치(TI)를 최종적으로 출력하기 위해 식(3)으로부터 유도된 토크치를 보상하는데 이용된다.
제1승산기(3)은 제1속도 함수 발생기(4)로부터 유도된 계수(KI)만큼 승산된, 제1토크 블럭(1)로부터 유도된 토크 계산치(Tp)인 토크(Tp1)을 유도하도록 작용한다.
이와 마찬가지로, 제2승산기(4)는 제2속도 함수 발생기(6)으로부터 유도된 계수(K2)만큼 승산된, 제2토크 계산 블럭(2)로부터 유도된 토크 계산치(TI)인 토크 (TI1)을 유도하도록 작용한다.
제1 및 제2속도 함수 발생기(4 및 6)은 제2도에 도시한 바와 같이 속도(N)에 대한 함수인 계수(K1,K2)를 발생시킨다.
다시 말하면, 제1속도 함수 발생기(4)는 KW방법과 전류 계수 방법 사이의 속도 전환 지점으로 작용하는 전환 회전 속도(N0)보다 약간 낮은 제1의 설정된 회전 속도(N1) 이하의 값을 속도(N)이 나타내는 경우 계수(K1=0)을 제공하고, 전환 회전 속도(N0)보다 약간 높은 제2의 설정된 회전 속도(N2) 이상의 값을 속도(N)이 나타내는 경우 계수(K1=1)을 제공하며, K1=0에서 K1=1로 일정하게 증가되는 계수(K1)을 제공한다.
이와 대조적으로, 제2속도 함수 발생기(6)은 속도(N)이 설정된 회전 속도(N1) 이하인 것을 나타내는 경우 계수(K2=1)을 제공하고, 속도(N)이 설정된 회전 속도(N2) 이상인 것을 나타내는 경우 K2=0을 제공하며, 속도(N)이 설정한 회전 속도(N1과 N2) 사이의 값을 나타내는 경우, K2=1에서 K2=0으로 일정하게 증가되는 계수(K2)를 제공한다.
그러므로, 속도 함수 발생기(4 및 6)의 계수 (K1및 K2)가 서로 반전된 특성을 제공하기 때문에, 이들의 합은 모든 속도 범위에서 항상 1로 설정되고, 계수(K1및 K2) 사이의 보완 관계는 K1=1-K2로서 설정된다.
제1 및 제2승산기(3 및 5)의 출력(TpI및 TI1)은 전기적으로 측정된 토크 출력을 제공하기 위해 가산기(7)에 의해 가산된다.
본 발명의 실시예에 있어서, D.C.모터의 회전 속도(N)이 설정된 회전 속도(N2) 이상인 경우, 제 1토크 계산 블럭(1)로부터 유도된 토크 계산치(Tp)는 제1속도 함수 발생기(4)의 계수기 K=1이지만, 제2속도 함수 발생기(6)의 계수가 K=0이기 때문에 토크 측정 출력으로서 직접 검색된다.
부수적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, D.C.모터의 회전 속도(N)이 설정된 회전 속도(NI) 이하인 경우, 토크 계산치(TI)는 제1속도 함수 발생기(4)의 계수가 K1=0이지만, 제2속도 함수 발생기(6)의 계수가 K2=0이기 때문에 토크 측정 출력으로 직접 검색된다.
이때, 회전 속도(N)이 설정된 회전 속도(N1과 N2) 사이의 값, 즉 KW방법과 전류 계수 방법 사이의 전환 영역에 해당하는 값을 나타내는 경우, 제1 및 제2승산기(3 및 5) 및 가산기(7)로 구성된 전환 계산 수단은 제1 및 제2토크 계산 블럭(1 및 2)의 출력(Tp및 TI)의 중량 평균치를 토크 측정 출력으로서 검색하도록 작용한다. 따라서, KW방법과 전류 계수 방법을 이용하여 유도된 토크 계산값들 사이에 차가 존재하는 경우에도, 토크 측정 출력은 계산 방법의 전환 중에 완만하게 전이될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 속도 함수 발생기(4 및 6)의 함수가 계수(K1및 K2)의 1차 함수(비례 함수)이지만, 이의 함수는 2차 함수(2차 곡선)으로 변할 수 있다.
KW방법을 이용하는데 채택되는 제1토크 계산 블럭(1)은 아이언 손실 및 기계적 손실의 특성이 KW유니트로 유도되어 속도(N)으로 나누어지는 식을 이용하지만, 제1토크 계산 블럭(1)은 이러한 특성들을 N.m 유니트로 유도하도록 구성되어 승산기(M1)의 출력에 직접 가산하도록 구성될 수 있는데, 이러한 보상 토크 발생 수단은 상술한 일본국 제2특개소 62-42487호의 제2도에 관련하여 설명된 바와 같이 전류 계수 방법을 이용한 제2토크 계산 블럭(2)가 공통적으로 이용되고 있다.
더욱이, 제1도에 도시된 양호한 실시예에 있어서, D.C.모터의 토크 측정 출력의 관성으로 인한 과도 토크 성분을 포함시키기 위해, D.C.모터의 설정치와 같은 관성 설정치와 속도(N)의 가속 성분의 계산치 사이의 적(績)은 가산기(7)에 과도 토크로서 입력된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 토크 측정 장치에 있어서, KW방법을 이용하여 유도된 토크 계산치(Tp) 및 전류 계수 방법을 이용하여 유도된 계산치(TI)는 토크 측정 출력을 제공하기 위하여 일정한 범위로서 회전 속도(N0)를 서로 전환하고, 토크 측정 출력은 토크 계산치(Tp및 TI)에 의해 특성이 서로 반전되는 속도 함수 발생기 쌍으로부터 유도된 계수 (K1및 K2)의 승산 후에 토크 계산치의 추가에 의해 얻어진다. 그러므로, 회전 속도의 전환 영역에서 토크 계산치들 사이의 전환이 원만하게 전이되는 것이 계속될 수 있다. 따라서, 토크 측정 장치가 D.C.모터와 같은 D.C.기계용 토크 제어 장치에 적용되는 경우 토크 변환에 따른 충격은 전혀 발생하지 않는다.
본 발명은 양호한 실시예에 대해 상세히 설명되었지만, 본 분야에 숙련된 기술자들이라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 양호한 실시예를 여러 가지로 변형 및 변경시킬 수 있다. 그러므로, 본 발명은 첨부된 특허청구의 범위내에서만 제한한다.

Claims (4)

  1. D.C.기계의 입·출력 전력 및 회전 속도로부터 제1토크 계산치(Tp)를 유도하는 제1토크계산 블럭(1); D.C.기계의 자속 및 전류로부터 그리고 D.C.기계의 기계적 손실 토크 또는 아이언 손실 토크로부터 제2토크 계산치(TI)를 유도하는 제2토크 계산 블럭을 가지고 있고, 회전 속도가 설정된 회전 속도(N0)를 나타낼 때 제1 및 제2토크 계산치들 중 하나로부터 토크 측정 출력을 제공하기 위해 제1토크 계산치(Tp)와 제2토크 계산치(TI)를 전환함으로써 토크 측정 출력을 제공하는 D.C.기계용 토크 측정 장치에 있어서, (a) 회전 속도(N)이 설정된 회전 속도(N0)보다 낮은 제1회전 속도(N1) 이하의 값을 나타내는 경우 0을 나타내고, 회전 속도(N)이 설정된 회전 속도(N0)보다 높은 제2회전 속도(N2)와 같거나 높은 값을 나타내는 경우 1을 나타내며, 회전 속도(N)이 제1회전 속도(N1)과 제2회전 속도(N2) 사이의 값을 나타내는 경우 0에서 1로 점진적으로 증가하는 제1계수(K1)을 제공하는 제1속도 함수 발생기(4),(b) 제1속도 함수 발생기(4)의 제1계수(K1)의 특성과 반대 특성을 나타내는 제2계수(K2)를 제공하는 제2속도 함수 발생기(6), 및 (c) 제1의 승산된 토크 측정치를 제공하기 위해 제1토크 계산치(Tp)에 제1계수(K1)만큼 승산하고, 제2승산된 토크 측정치를 제공하기 위해 제2토크 계산치(T1)에 제2계수(K2)만큼 승산하며, 토크 측정 출력을 제공하기 위해 제1과 제2의 승산된 토크 측정치를 가산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2계수(K1및K2)는, 회전 속도(N)이 제1회전 속도(N1)과 제2회전 속도(N2) 사이의 값을 나타내는 경우 1차 함수인 것을 특징으로 하는 토크 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2계수(K1및 K2)는, 회전 속도(N)이 제1회전 속도(N1)과 제2회전 속도(N2) 사이의 값을 나타내는 경우 2차 함수인 것을 특징으로 하는 토크 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 토크 측정 장치는 D.C.기계를 구성하는 D.C.모터가 가지고 있는 관성과, 회전 속도에서 D.C.모터의 과도 상태에서 회전 속도에서 토크 출력까지 토크 측정 출력으로서 유도된 가속 성분 사이의 적을 가산하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 측정 장치.
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