KR100310028B1 - Detection method of motor rotation angle using AC tacho generator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 정현파 교류 타코제너레이터를 이용하여 전동기의 회전각을 검출하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법에 관한 것으로, 2상 또는 3상 정현파 교류 타코제너레이터와 마이크로프로세서를 이용하여 회전각속도를 ω, 타코제너레이터의 정현파 출력 상전압을 EU,EV,EW(3상일 경우), EA,EB(2상일 경우)라 했을 때, 수학식The present invention relates to a method of detecting a rotation angle of an electric motor using an AC tacho generator for detecting a rotation angle of an electric motor using a sinusoidal AC tachogenerator. More particularly, the present invention relates to a motor rotation angle detection method using a two- or three- , And the sinusoidal output phase voltage of the tachogenerator is E U , E V , and E W (in case of three phases) and E A and E B (in case of two phases)
Description
본 발명은 전동기 회전각 검출 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 정현파 교류 타코제너레이터(sinusoidal AC tacho-generator)를 이용하여 회전각을 검출하는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법에 관한 것이다.The present invention relates to a motor rotation angle detection method, and more particularly, to a motor rotation angle detection method using an AC tacho generator that detects a rotation angle using a sinusoidal AC tacho-generator.
전동기의 고정도 위치제어를 위해서는 전동기의 회전각 검출은 매우 중요하다.Detection of the rotation angle of the motor is very important for the position control of the motor.
전동기의 회전각를 검출하는 방법으로는 펄스 엔코더(pulse encoder)를 이용하는 방법, 펄스 엔코더와 홀 센서를 함께 이용하는 방법, 레졸버(resolver)나 절대 엔코더를 이용하는 방법이 있다.As a method of detecting the rotation angle of the motor, there are a method using a pulse encoder, a method using a pulse encoder and a hall sensor together, and a method using a resolver or an absolute encoder.
그러나 펄스 엔코더를 사용하는 방법은 펄스 엔코더의 출력으로써 전동기의 회전 변위량을 측정할 수는 있으나 자극의 위치나 회전자의 절대 위치 정보는 얻을 수 없다. 따라서 자극의 위치나 회전자의 절대 위치 정보를 얻기 위해서는 펄스 엔코더와 홀 센서를 함께 이용하든지, 레졸버나 절대 엔코더를 사용하여야 하는데 좋은 정도의 것은 상당히 고가이며, 절대 엔코더를 이용할 경우 속도 정보는 마이크로프로세서 등의 디지털 연산기로 위치값을 미분하여 속도를 검출하게 되므로 디지털 연산기가 반드시 필요하고, 저속의 경우 미분 주기가 길어야 정도를 높일 수 있으므로 속도 검출 지연 또한 문제가 된다.However, the method using the pulse encoder can measure the rotational displacement of the motor as the output of the pulse encoder, but the position of the magnetic pole and the absolute position information of the rotor can not be obtained. Therefore, in order to obtain the position of the magnetic pole or the absolute position information of the rotor, it is necessary to use a pulse encoder and a Hall sensor together or a resolver or an absolute encoder. A digital arithmetic unit is indispensable for detecting a speed by differentiating a position value with a digital arithmetic unit such as a microcomputer.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 순시 전동기의 회전각를 정확하게 검출할 수 있는 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of detecting an angle of rotation of an instantaneous electric motor using an AC tacho generator capable of accurately detecting a rotation angle of the instantaneous electric motor.
도 1은 본 발명을 구현하기 위한 회전각 연산장치의 구성 블록도 1 is a block diagram of a rotation angle computing device for implementing the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출 과정을 보인 블록도 2 is a block diagram showing a motor rotation angle detection process using an AC tacho generator according to the present invention.
도 3내지도 5는 본 발명의 실험 결과도 3 to 5 are graphs showing experimental results of the present invention
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Description of the Related Art [0002]
10 : 타코제너레이터 20 : 이득 증폭부10: Tacho generator 20: Gain amplifier
30 : A/D 변환부 40 : 마이크로프로세서30: A / D conversion unit 40: Microprocessor
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 2상 또는 3상 정현파 교류 타코제너레이터와 마이크로프로세서를 이용하여 전동기의 회전각를 검출하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that a rotation angle of an electric motor is detected by using a two-phase or three-phase sinusoidal AC tacho generator and a microprocessor.
본 발명의 다른 특징은 전동기의 회전속도를 검출하여 "0" 속도인 경우 회전각의 검출이 불가능하므로, 이전의 회전각을 그대로 이용하는 것이다.Another feature of the present invention is to detect the rotational speed of the electric motor and to detect the rotational angle in the case of the " 0 "
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 구현에 필요한 회전각 검출장치의 블록도로서, 전동기의 회전속도에 비례하는 정현파 교류 전압을 출력하는 타코제너레이터(10)와; 전동기 회전각 검출 오차를 최소화하기 위한 다수개의 이득 증폭기(gain amplifier)로 구성되는 이득 증폭부(20)와; 상기 이득 증폭부(20)에서 출력되는 아날로그 신호 출력을 마이크로프로세서(40)에서 처리 가능한 디지털 신호로 변환하여 출력하는 다수개의 A/D 변환기로 구성되는 A/D 변환부(Analog to Digital converter : 30) 및 상기 A/D 변환부(30)에서 입력되는 신호를 이용하여 전동기의 회전각를 검출하는 마이크로프로세서(40)로 구성된다. FIG. 1 is a block diagram of a rotation angle detecting apparatus necessary for the realization of the present invention, which comprises a tachogenerator 10 for outputting a sinusoidal AC voltage proportional to a rotation speed of a motor; A gain amplifier (20) composed of a plurality of gain amplifiers for minimizing the detection error of the rotation angle of the electric motor; An A / D converter (analog-to-digital converter) 30 configured by a plurality of A / D converters for converting an analog signal output from the gain amplifier 20 into a digital signal that can be processed by the microprocessor 40 And a microprocessor 40 for detecting the rotation angle of the motor by using the signal input from the A / D converter 30.
이와 같이 구성된 장치를 이용한 본 발명의 전동기 회전각 검출 방법을 설명하면 타코제너레이터(10)의 출력은 이득 증폭부(20)를 거쳐 A/D 변환부(30)에서 디지털 신호로 변환되어 마이크로프로세서(40)에 입력된다.The output of the tachogenerator 10 is converted into a digital signal by the A / D converter 30 via the gain amplifier 20, 40).
그러면 마이크로프로세서(40)는도 2의 흐름도에 나타낸 과정을 수행함으로써 전동기의 회전각를 검출하게 된다.The microprocessor 40 is detected gakreul rotation of the motor by performing the process shown in the flowchart of FIG.
즉, 입력되는 타코제너레이터(10)의 출력신호를 읽는 데이터 읽기 과정과; 상기 과정에서 읽어들인 타코제너레이터(10)의 출력신호를 이용하여 회전속도를 구하는 회전속도 연산 과정과; 상기 과정에 연산된 속도가 "0" 속도인지를 판단하는 "0" 속도 판단 과정과; 상기 과정의 판단 결과 "0" 속도가 아니면 회전각을 연산하고, 판단 결과 "0" 속도이면 이전의 회전각을 유지하는 회전각 연산 과정을 수행함으로써 전동기의 회전각를 검출한다.That is, a data reading process of reading the output signal of the input tachogenerator 10; A rotational speed calculating process of obtaining a rotational speed by using an output signal of the tach generator 10 read in the above process; A " 0 " speed determination process for determining whether the speed computed in the above process is a " 0 "speed; As a result of the above process, if the speed is not " 0 ", the rotation angle is calculated, and if it is the " 0 " speed, the rotation angle calculation process for maintaining the previous rotation angle is performed to detect the rotation angle of the motor.
이하, 전동기의 회전각 연산 과정을 먼저 설명한 다음 전동기 회전속도 연산 에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the calculation process of the rotation angle of the motor will be described first, and then the calculation of the rotation speed of the motor will be described in detail.
120도 위상차를 갖는 3상 타코제너레이터를 이용하는 경우를 설명하면, 먼저 타코제너레이터의 상전압 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 1로 표시된다.When a three-phase tachogenerator having a phase difference of 120 degrees is used, the phase voltage of the tachogenerator is represented by E, and the phase voltage is expressed by Equation (1 ).
상기수학식 1의 각 변을 제곱하여 각 변을 더한 후 상전압의 실효치 E에 대해 정리하면수학식 2가 된다.By the square of the sides of the equation (1) summarized for the effective value of the voltage E after adding the respective sides are the following expression (2).
수학식 1및수학식 2를 이용하여 ωt에 대하여 정리하면수학식 3또는수학식 4가 되므로, 마이크로프로세서(40)는수학식 3또는수학식 4를 이용하여 회전각을 연산할 수 있다. Equation 3 or Equation 4 is summarized for Equation (1) using Equations (1) and (2 ), so that the microprocessor 40 can calculate the rotation angle using Equation (3) or Equation (4 ).
여기서수학식 4는 120도 위상차의 2상 출력만을 이용하여 구한 것이다. Equation (4) is obtained by using only a two-phase output having a phase difference of 120 degrees.
90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우를 설명하면, 3상 타코제너레이터를 이용하는 경우와 마찬가지로 90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터의 출력은 각각 이득 증폭부(20), A/D 변환부(30)를 거쳐 디지털 신호로 변환되어 마이크로프로세서(40)에 입력되고, 마이크로프로세서(40)는수학식 7을 이용하여 전동기의 회전각을 연산한다.Phase tach generator having a phase difference of 90 degrees will be described. As in the case of using a three-phase tachogenerator, outputs of a two-phase tachogenerator having a phase difference of 90 degrees are input to a gain amplifier 20, an A / (30), and is input to the microprocessor (40). The microprocessor (40) calculates the rotation angle of the motor using Equation (7 ).
여기서수학식 7이 얻어지는 과정을 설명하면, 90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터의 상전압 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 5로 표시되고,수학식 5의 각 변을 제곱하여 각 변을 더한 후 상전압의 실효치 E에 대하여 정리하면수학식 6이 된다.수학식 5및수학식 6을 이용하여 ωt에 대하여 정리하면수학식 7을 얻을 수 있다.Here will be described the process is obtained the equation (7), by 90 degrees the phase voltage when the phase voltage effective value of the two-phase taco generator having a phase difference E d is represented by equation (5), squares the respective sides of Equation (5), each (6) is summarized with respect to the effective value E of the phase voltage. Equation (7) can be obtained by summarizing? T using Equations (5) and (6 ).
수학식 3,수학식 4및수학식 7의 경우 아크사인 연산에 의존하므로 회전각을 θ라하면 그 연산 범위가
3상인 경우에는 EV> EW이면 2, 3 상한에 속하고, EW> EV인 경우에는 1,4 상한에 속한다. 또한 2상인 경우에는 EB> 0 이면 2, 3 상한에 속하고, EB< 0 이면 1, 4 상한에 속한다. 따라서 2, 3 상한에 속하는 경우에는 연산된 회전각 θ는 θ'(π - θ)로 보정한다.In case of 3 phase, E V > E W belongs to 2, 3 upper limit, and when E W > E V , it belongs to 1,4 upper limit. If E B > 0, it belongs to 2, 3 upper limit. If E B <0, it belongs to 1, 4 upper limit. Therefore, in case of belonging to 2, 3 upper limit, the calculated rotation angle θ is corrected to θ '(π - θ).
이와 같이 3상 타코제너레이터 또는 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우,도 1에서 이득 증폭부(20) 및 A/D 변환부(30)는 회전각 연산에 이용하는 타코제너레이터의 출력신호의 수만큼 이득 증폭기와 A/D 변환기가 필요하다. 1 , the gain amplifier 20 and the A / D converter 30 are connected to the gain amplifier and the A / D converter 30 by the number of output signals of the tach generator used for the calculation of the angle of rotation, respectively, in the case of using the 3-phase tachogenerator or 2-phase tachogenerator, An A / D converter is required.
즉, 3상 타코제너레이터를 이용하고, 출력되는 3상 신호를 모두 이용하는 경우에는 이득 증폭기와 A/D 변환기가 각각 3개가 필요하고, 출력되는 3상 신호 중에서 2상 신호만 이용하는 경우와 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우에는 각각 2개의 이득 증폭기와 A/D 변환기가 필요하다.That is, when a three-phase tachogenerator is used and three output signals are used, three gain amplifiers and three A / D converters are required. In the case of using only two-phase signals among three- When using a generator, two gain amplifiers and an A / D converter are required, respectively.
한편, 전동기가 멈추어 있을 경우에는 타코제너레이터의 각 상전압이 0이므로 회전각 검출을 위한 회전각 연산이 불가능하다. 그러나 미세한 움직임이라도 있게되면 곧바로 회전각의 연산이 가능하며, 정지시에는 정지 직전의 연산된 회전각을 유지시키는 방법을 적용한다. 이를 위해서는 회전속도를 연산하여 "0" 속도인지를 판단하여야 한다.On the other hand, when the motor is stopped, since the phase voltage of the tachogenerator is zero, it is impossible to calculate the rotation angle for detecting the rotation angle. However, if there is a slight movement, the rotation angle can be computed immediately, and when the rotation is stopped, the computed rotation angle just before the stop is maintained. To do this, the rotational speed must be calculated to determine whether it is a "0" speed.
회전속도를 연산하는 방법을 설명한다.A method of calculating the rotation speed will be described.
먼저 120도 위상차를 갖는 3상 타코제너레이터를 이용하는 경우에는 상전압 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 1로 표시되고, 상전압의 실효치 E는수학식 2로 표현된다.When a three-phase tacho generator having a phase difference of 120 degrees is used, each phase voltage is expressed by Equation (1 ) and the effective value E of the phase voltage is expressed by Equation (2 ).
이 때, 3상 타코제너레이터의 정현파 유기기전력의 실효치 E는 권선계수(winding factor)를 Kw, 회전각속도를 ω, 권선수 n, 자속을 Φ라 했을 때수학식 8로 표현된다.In this case, the effective value E of the sinusoidal organic electromotive force of the three-phase tachogenerator is expressed by Equation (8 ) when the winding factor is Kw, the rotational angular velocity is ω, the winding current is n, and the magnetic flux is Φ.
수학식 8을 ω에 대하여 정리하여수학식 2에 대입하면수학식 9가 된다.Substituting equation (2) are summarized for the equation (8) in ω is the equation (9).
수학식 9에서 K1은 일정한 상수값이 되므로 3상 타코제너레이터의 출력전압의 순시치로부터 전동기의 회전속도를 연산할 수 있게 된다. In Equation (9) , since K 1 is a constant value, the rotational speed of the electric motor can be calculated from the instantaneous value of the output voltage of the three-phase tachogenerator.
수학식 9를수학식 10과 같이 변형하면 120도 위상차의 2상 출력만으로도 연산이 가능하며 3상 2상 변환을 통하여서도 회전속도 연산이 가능하다. If Equation (9) is transformed as shown in Equation (10) , it is possible to operate with only a two-phase output with a phase difference of 120 degrees, and a rotational speed can be calculated through a three-phase two-phase conversion.
또한 90도 위상차를 갖는 2상 타코제너레이터를 이용하는 경우에는 상전압의 실효치를 E라 했을 때 각 상전압은수학식 5로 표시되고, 3상의 경우와 같은 방법으로 ω에 대하여 정리하면수학식 11을 얻는다.When a two-phase tacho generator having a phase difference of 90 degrees is used, each phase voltage is expressed by Equation (5 ) when the effective value of the phase voltage is E, and Equation (11) is summarized for? .
수학식 11에서도 K3은 일정한 값이 되므로 역시 2상 타코제너레이터의 출력전압의 순시치로부터 전동기의 회전속도를 연산할 수 있다.In Equation 11 K 3 is a constant value, so may also be calculated from the rotational speed of the electric motor instantaneous value of the output voltage of the two-phase generator taco.
마이크로프로세서(40)는 상기수학식 9내지수학식 11을 이용하여 전동기의 회전속도를 연산하고, 연산된 전동기의 회전속도가 "0"인 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 회전각의 연산이 불가능하므로 정지 직전의 연산된 회전각을 전동기 제어에 이용할 수 있도록 한다.The microprocessor 40 calculates the rotation speed of the electric motor using Equations (9) to (11 ) above. When the calculated rotation speed of the electric motor is " 0 ", as described above, So that the immediately preceding calculated rotation angle can be used for motor control.
도 3은 정속시 회전각 연산 결과를 나타낸 것이고,도 4는 가변속시 회전각 연산 결과를 나타낸 것이며,도 5는 실제 "0"속도 발생 상황에 대한 실험결과를 나타낸 것으로 "0" 속도가 발생하면 "0" 속도 이전의 회전각을 유지하고 전동기가 다시 회전을 시작하면 새로운 회전각을 연산하여 출력함을 알 수 있다. FIG. 3 shows the result of the rotation angle calculation at the constant speed, FIG. 4 shows the result of the rotation angle calculation at the variable speed, FIG. 5 shows the experimental result of the actual "0" It can be seen that the rotation angle before the " 0 " speed is maintained and when the motor starts to rotate again, a new rotation angle is calculated and output.
상술한 바와 같은 본 발명의 교류 타코제너레이터를 이용한 전동기 회전각 검출방법은 3상 또는 2상 정현파 교류 타코제너레이터와 마이크로프로세서를 이용하여 전동기 회전각를 검출함으로써 그 구현이 간편하며 순시 전동기 회전각을 정확하게 검출할 수 있어, 고정도 전동기 제어에 효과적으로 이용될 수 있다.As described above, the motor rotation angle detection method using the AC tacho generator of the present invention can detect the rotation angle of the motor using a three-phase or two-phase sine wave ac tacho generator and a microprocessor, And can be effectively used for high-precision motor control.
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