KR100315258B1 - encoder system for srm driving - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor) 구동용 엔코더장치에 관한 것으로, 종래의 상 스위치 ON/OFF 방식이 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 의해 그 정도가 크게 좌우되고, 특히 고속에서 SRM의 정상상태 운전이 불안전하게 되는 문제점을 해결한 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더장치는, 전동기의 회전축과 맞물려 회전하도록 구성된 원판과; 상기 원판이 회전시 SRM 구동용 인버터를 구성하는 스위칭소자의 게이트신호의 온(on) 시간과 동일한 주기를 갖는 펄스를 출력하도록 상기 원판상에 형성시킨 제1패턴(FW)과; SRM의 인덕턴스 프로파일을 참고하여 SRM의 정/역운전시 동일한 게이트신호를 형성하도록 상기 제1패턴과 적당한 위상차를 가지며, 상기 제1패턴의 내측에 형성시킨 제2패턴(BW)과; 회전에 따라 상기 제1패턴과 제2패턴이 발생하는 출력신호(FW, BW 신호)를 상기 SRM의 상 수(number of phase)와 동일한 개수를 갖는 게이트신호로 가공하여, 상기 게이트신호가 SRM 구동용 인버터 스위칭소자를 순차적으로 온(on)시켜 상기 SRM을 구동시키도록 하는 논리회로를 포함하여 구성된다. 이상과 같은 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더장치를 이용하여 SRM 제어기를 설계하면 스위치 ON, OFF각 지연이 SRM의 운전속도와 관계없이 항상 일정하므로 이를 적절히 보상시켜주면 항상 정확한 위치에서 ON·OFF스위칭을 행할 수 있어 광범위한 속도영역에서 안정된 운전이 가능할 뿐만 아니라, 정·역운전도 가능하다는 이점이 발생한다. 또한, SRM 제어기에 고속의 마이크로프로세서가 필요없으며, 저가형의 엔코더를 이용하므로 SRM 구동시스템의 안정화·저가화를 실현할 수 있다는 이점이 발생한다. 따라서, SRM의 실용화 가능성이 한층 제고된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an encoder device for driving a switched reluctance motor. In the conventional phase switch ON / OFF method, the degree is largely determined by the sampling cycle of the microprocessor, and the steady state of the SRM at high speed is particularly high. It solved the problem of driving unsafe. To this end, the encoder device for driving SRM according to the present invention comprises: a disc configured to rotate in engagement with a rotating shaft of an electric motor; A first pattern (FW) formed on the disc to output pulses having the same period as the on time of the gate signal of the switching element constituting the SRM drive inverter when the disc rotates; A second pattern (BW) having an appropriate phase difference with the first pattern so as to form the same gate signal during forward / reverse operation of the SRM with reference to the inductance profile of the SRM, and formed inside the first pattern; Output signals (FW, BW signals) generated by the first pattern and the second pattern in accordance with the rotation is processed into a gate signal having the same number as the number of phase of the SRM, so that the gate signal is driven SRM And a logic circuit for driving the SRM by sequentially turning on the inverter switching element. When designing the SRM controller using the SRM encoder device according to the present invention as described above, the switch ON, OFF angle delay is always constant regardless of the operating speed of the SRM, so if properly compensated, always ON / OFF switching at the correct position This enables the stable operation in a wide range of speed ranges, as well as the advantages of forward and reverse operation. In addition, the SRM controller does not require a high-speed microprocessor, and since the low-cost encoder is used, there is an advantage that stabilization and low cost of the SRM drive system can be realized. Therefore, the possibility of practical use of SRM is further enhanced.
Description
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched Reluctance Motor)의 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정확한 위치에서 ON/OFF 스위칭을 행할 수 있고, 광범위한 속도영역에서 안정된 운전을 가능하게 하는 SRM 구동용 엔코더장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drive device of a switched reluctance motor, and more particularly, to an SRM drive encoder device capable of performing ON / OFF switching at an accurate position and enabling stable operation in a wide range of speed ranges. It is about.
전력용 반도체 소자의 기술 개발이 급속히 이루어짐에 따라 고속 스위칭과 소자의 대용량화가 가능하게 되고, 산업의 메카트로닉스화에 따라 다기능, 고성능을 가진 전동기의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 스위치드 릴럭턴스 전동기(이하 SRM이라 함)는 단일여자기기(singly excited machine)로 구조가 간단하고 저렴하며 각 상의 분리로 단락사고(shoot-through fault)에 대해 안정적이며, 직류전동기의 속도-토크 특성을 가지고 있고 넓은 속도가변범위 및 고속, 정 역 회전특성이 우수하고 강인하다는 특성을 가지고 있다. SRM에 대한 연구는 선진국을 중심으로 가전기기, 전기자동차, 항공기 및 산업전반에 그 응용영역을 확대해 가는 연구와 개발이 진행되고 있다.With the rapid development of technology for power semiconductor devices, high-speed switching and large capacity of devices are possible, and according to industrial mechatronics, the development of motors with multifunction and high performance is being actively performed. Switched reluctance motor (hereinafter referred to as SRM) is a single excited machine, simple in structure and inexpensive, stable against shoot-through fault by separating each phase, and speed-torque characteristic of DC motor. It has a wide speed variable range, high speed and reverse rotation characteristics, and it is strong. Research on SRM is being conducted in advanced countries, expanding its field of application to home appliances, electric vehicles, aircraft and industries.
SRM은 전자기적인 구조가 간단하고, 고효율, 고토크/관성비, 넓은 범위에서의 가변속운전 등의 장점을 가진 전동기구로서 가전기기, 전기자동차, 항공기 및 산업전반에 그 응용영역을 확대해 가는 연구와 개발이 진행되고 있다.SRM is an electric device with simple electromagnetic structure, high efficiency, high torque / inertia ratio, variable speed operation in a wide range, etc., and is expanding its application area to home appliances, electric vehicles, aircraft, and industrial fields. And development is underway.
SRM의 구동원리는 여자된 자기회로의 자기저항이 최소가 되는 방향으로 회전자가 힘을 받게 됨으로써 회전력이 발생하게 된다. 이와 같은 현상은 계에 저장된 에너지를 기계적 에너지로 변환함으로써 계의 에너지를 최소화하려는 물리적 의미를 내포하는 것이다. 이와 같은 원리를 이용한 장치로는 간단한 액추에이터로서 인양자석, 선형 솔레노이드, 계전기, 스텝 스위치 등이 이에 속한다.The driving principle of the SRM is that the rotational force is generated as the rotor is forced in a direction in which the magnetic resistance of the excited magnetic circuit is minimized. This phenomenon implies a physical meaning of minimizing the energy of the system by converting the energy stored in the system into mechanical energy. Devices using this principle include simple actuators, lifting magnets, linear solenoids, relays, step switches, and the like.
SRM은 릴럭턴스 토크를 극대화하기 위해 회전자와 고정자가 모두 돌극형(salient-pole type)의 구조를 가지며 권선은 고정자에만 집중권으로 감겨 있어 여자전원을 단속적이면서 순차적으로 각 상권선에 인가하여 구동시킨다.In order to maximize the reluctance torque, SRM has both the rotor and the stator structure of salient pole type, and the winding is wound around the stator only, so that the excitation power is intermittently and sequentially applied to each winding line. Let's do it.
SRM의 고정자 상권선은 회전자위치와 동기되어 여자되어야 하는 토크 발생기구의 특성상 회전자 위치각에 대한 정보가 필수적이다. 회전자 위치각의 검출은 일반적으로 엔코더나 레졸버를 사용하나, 이러한 기계적인 외부 위치센서의 분해능이 높을수록 단가가 상승하게 되는 문제점이 있다. 따라서 종래에는 설치비용에 대한 부담을 줄이기 위해서 저가형 엔코더를 사용하거나, 또는 이를 완전히 제거하기 위한 센서리스 구동에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 종래의 기술은 SRM을 구동하는 인버터의 각 상의 스위치를 ON/OFF시키기 위해 마이크로프로세서를 이용하고 있다. 그러나 마이크로프로세서에 의한 SRM의 제어방식에서 상 스위치의 ON/OFF 정도(精度)는 엔코더의 분해능뿐만 아니라 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 의해 제약을 받게 되는 문제점이 있다. 더욱이 이 경우, 전동기의 운전속도가 고속이 될수록 마이크로프로세서에 의한 상 스위치 ON/OFF각의 정확도는 더욱 떨어지게 되어 정상운전상태가 불안전하게 되는 문제점이 있다.The stator winding wire of the SRM requires information on the rotor position angle due to the characteristics of the torque generating mechanism that should be excited in synchronization with the rotor position. Rotor position angle detection generally uses an encoder or resolver, but the higher the resolution of such a mechanical external position sensor, the higher the unit cost. Therefore, in order to reduce the burden on the installation cost, the research on the sensorless driving to use a low-cost encoder, or to completely remove it has been actively conducted. This conventional technique uses a microprocessor to turn on / off the switches of each phase of an inverter driving SRM. However, in the SRM control method by the microprocessor, the degree of ON / OFF of the phase switch is limited by not only the resolution of the encoder but also the sampling cycle of the microprocessor. In this case, the higher the driving speed of the motor, the lower the accuracy of the phase switch ON / OFF angle by the microprocessor, which causes a problem that the normal operation state becomes unstable.
SRM은 릴럭턴스 토크를 동력화한 전동기로, 이를 최대한 이용하기 위하여 보통 고정자와 회전자 모두 돌극형 구조로 하고 고정자에만 집중권으로 권선이 감겨져 있다. 이때 토크는 자기회로의 릴럭턴스가 최소화되는 방향으로 발생하며, 상당 발생토크의 크기는 다음 식(1)에서와 같이 상권선에 흐르는 전류 i 의 제곱과 회전자 위치각 θ에 대한 인덕턴스L의 변화율에 비례한다.SRM is a motor that uses reluctance torque. In order to make the best use of it, the stator and the rotor are usually of salient structure, and the winding is wound around the stator only. At this time, the torque is generated in the direction of minimizing the reluctance of the magnetic circuit, and the magnitude of the generated torque is the current i flowing in the phase winding as shown in the following equation (1). Inductance for the square of and the rotor position angle θLProportional to the rate of change.
따라서 인덕턴스의 변화율이 최대가 되도록 하고 각 상스위치의 ON/OFF 시점에서 부하에 대응하는 전류의 확립과 소호를 신속히 하여 토크 발생 구간을 최대한 활용하여야 한다. SRM의 고정자 권선에 전압을 인가할 경우 상당 전압방정식은 다음 식(2)와 같다.Therefore, the rate of change of the inductance should be maximized and the torque generation section should be utilized to the maximum by establishing and extinguishing the current corresponding to the load at the ON / OFF time of each phase switch. When voltage is applied to the stator winding of SRM, the equivalent voltage equation is given by the following equation (2).
단,: 회전자의 기계적인 각속도 [rad/s]only, : Mechanical angular velocity of the rotor [rad / s]
도1은 상 인덕턴스와 상스위치의 ON/OFF각 변화에 따른 상전류 파형(A,B,C)을 나타내고 있다. 도1에서 θ min 과 θ max 는 각각 고정자와 회전자의 극이 서로 겹쳐지기 시작하여 완전히 일치할 때의 회전자 각도를 나타낸다. 도1(a)는 스위치 OFF각()을 고정시켜 두고 ON 각도(,,)를 가변시킨 경우로써, ON각이 변하면 토크 발생구간의 시작점에서 확립된 전류의 크기는 각기 다르며 이 값은 전동기의 권선저항을 무시하면 거의 ON 각도(,,)에 비례한다. 또한, 3개의 파형(A, B, C) 중 A 및 C의 상전류 파형은 토크 발생구간에서 전류의 변화율이 정(正) 또는 부(負)가 되므로 발생 토크도 일정하지 않고 토크 맥동도 심하다. 그러나 토크 발생 구간에서 일정한 전류를 가지는 B의 상전류 파형은 인덕턴스의 변화율이 일정하면 평활한 토크를 발생하고 토크 맥동이 적어 전동기를 효율적으로 운전하기 위한 기준전류가 된다.1 shows phase current waveforms A, B, and C according to phase inductance and ON / OFF angle change of the phase switch. In Fig. 1, θ min and θ max represent the rotor angles when the poles of the stator and the rotor start to overlap each other and coincide completely. Figure 1 (a) shows the switch OFF angle ( ) And keep the ON angle ( , , ), And the ON angle changes, the magnitude of the current established at the start of the torque generation section is different, and this value is almost the ON angle (ignoring the winding resistance of the motor). , , Is proportional to). In addition, the phase current waveforms A and C of the three waveforms A, B, and C have a positive or negative change rate of the current in the torque generation section, so that the generated torque is not constant and the torque pulsation is severe. However, the phase current waveform of B having a constant current in the torque generation section generates smooth torque when the inductance change rate is constant, and becomes a reference current for efficiently operating the motor due to less torque pulsation.
도1(b)는 스위치 ON각()을 고정하여 두고 OFF각(,,)을 가변시킨 경우로써, OFF각(,,)이 최대 인덕턴스 점에 가까울수록 토크 발생영역의 활용도가 높아져서 정 토크의 발생에 유리하나, 너무 크게 하면 부 토크의 영향을 받을 수 있어 토크 맥동을 유발하고 기계적 출력이 오히려 감소할 수 있다. 그러므로 부하토크와 운전속도에 관계없이 상전류의 형상이 평활한 전류가 되도록 스위치 ON각을 결정하고 부 토크가 발생하지 않도록 OFF 각도를 조정하여야 릴럭턴스토크를 효과적으로 이용할 수 있으며 맥동이 작은 토크를 얻을 수 있다.Figure 1 (b) shows the switch ON angle ( ) And the OFF angle ( , , ), The OFF angle ( , , ) Is closer to the maximum inductance point, which increases the utilization of the torque generating area, which is beneficial to the generation of positive torque, but if it is too large, it may be affected by the negative torque, causing torque pulsation and decreasing the mechanical output. Therefore, the switch ON angle should be determined so that the shape of the phase current becomes smooth current regardless of the load torque and the operating speed, and the OFF angle should be adjusted so that no negative torque is generated so that the reluctance torque can be effectively used, and a small pulsation torque can be obtained. have.
이상과 같은 방식에 의해 지금까지 널리 사용되고 있는, 종래의 SRM 제어기의 일반적인 구성을 도2에 간략히 나타내었다.A general configuration of a conventional SRM controller, which is widely used thus far, is briefly shown in FIG.
도2를 살펴보면, 제어기(10), IGBT 모듈을 사용한 인버터(20), 전류 및 위치센서(40), 전동기(30) 등으로 구성되어 있다. 상기 제어기(10)는 상전류(i)를 제어하기 위한 PWM발생기(5), 속도제어기(3), 엔코더(40)의 출력신호에 의한 속도계산기(9) 등으로 구성되어 있다. 그리고 상기 속도제어기(3)는 기준속도(W*)와 실제속도(W)의 차이(1)를 제어하여 기준토크(T*)를 만든다. 이 기준토크(T*)와 검출된 회전자 위치각(θ)에 의해 원하는 토크를 발생시킬 수 있는 기준전류(i*)를 테이블(7)로부터 구한다. 또한 각각의 전류제어기는 기준전류(i*)와 전류센서를 통해 얻어진 상전류(i)를 비교하여 실제 전류가 기준전류(i*)를 추종하게 한다.2, the controller 10, the inverter 20 using the IGBT module, the current and position sensor 40, the electric motor 30 and the like. The controller 10 is composed of a PWM generator 5 for controlling the phase current i, a speed controller 3, a speed calculator 9 by an output signal of the encoder 40, and the like. And the speed controller 3 controls the difference (1) between the reference speed (W * ) and the actual speed (W) to make a reference torque (T * ). Based on this reference torque T * and the detected rotor position angle θ, a reference current i * capable of generating a desired torque is obtained from the table 7. In addition, each current controller compares the reference current (i * ) with the phase current (i) obtained through the current sensor so that the actual current follows the reference current (i * ).
이와 같은 일반적인 구동시스템에서 SRM은 회전자 위치각에 따라 스위칭이 이루어져야 하므로 회전자의 위치정보가 필수적이다. 일반적으로 회전자 위치각은 레졸버(resolver)나 엔코더(encoder)를 전동기 축에 장치하여 검출하는 것이 보통이며, 특히 단가를 고려하여 증분형 엔코더(incremental encoder)를 사용하는 것이 보통이다. 이 증분형 엔코더(incremental encoder)에 의해 위치에 따른 출력펄스수를 증감형 계수기(up or down-counter)에 의해 디지털 값으로 얻으며, 이를 이용하여 마이크로프로세서에 의해 각 상의 신호를 제어하게 된다.In such a general driving system, since the SRM needs to be switched according to the rotor position angle, position information of the rotor is essential. In general, the rotor position angle is usually detected by installing a resolver or encoder on the motor shaft, and in particular, using an incremental encoder in consideration of the unit cost. The incremental encoder obtains the output pulse number according to the position as a digital value by an up or down-counter, and uses the microprocessor to control the signals of each phase.
그러나 이러한 상스위치 ON/OFF 제어방식은 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 의해 그 정도(精度)가 크게 좌우되며, 특히 고속으로 갈수록 정도(精度)는 낮아지게 되어 SRM의 정상상태 운전이 불안전하게 될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 이러한 제어기는 일반적으로 고속의 DSP로 구현하여 샘플링 주기를 크게 줄이고 있으나, 안정된 운전을 위한 최대속도에는 한계가 있다. 또한, 고속의 DSP를 사용하기 때문에 제어기의 가격이 비싸지게 되어 SRM의 보급을 저해하는 요소로 작용한다는 문제점이 있다.However, the phase switch ON / OFF control method is highly dependent on the sampling cycle of the microprocessor. In particular, the higher the higher the speed, the lower the accuracy, which may lead to unstable operation of the SRM. There is a problem. Therefore, such a controller is generally implemented as a high-speed DSP to significantly reduce the sampling period, but there is a limit to the maximum speed for stable operation. In addition, there is a problem in that the use of a high-speed DSP, the price of the controller becomes expensive, which acts as a factor to inhibit the spread of SRM.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 SRM의 안정 구동에 적합한 저가형의 SRM 구동용 광학식 엔코더장치의 제공을 목적으로 한다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a low-cost SRM driving optical encoder device suitable for stable driving of SRM in order to solve the above problems.
도1은 스위칭소자의 ON 및 OFF각 변화에 따른 상전류 파형도.1 is a phase current waveform diagram according to changes in ON and OFF angles of a switching device.
도2는 종래 기술에 따른 SRM 제어기의 블럭도.2 is a block diagram of an SRM controller according to the prior art.
도3은 SRM의 속도에 따른 스위칭각의 변화.3 is a change in the switching angle according to the speed of the SRM.
도4는 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더.Figure 4 is an encoder for driving the SRM according to the present invention.
도5는 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더의 출력파형.5 is an output waveform of the encoder for driving the SRM according to the present invention.
도6은 본 발명에 따른 SRM 제어기의 실시예.6 is an embodiment of an SRM controller according to the present invention;
도7은 본 발명의 검증에 사용된 SRM의 구조와 인덕턴스 프로파일 및 구동용 인버터회로도.7 is a schematic diagram of the structure and inductance profile of the SRM used in the verification of the present invention and a drive inverter circuit.
도8은 본 발명에 따른 전류제어기의 블럭도 및 동작파형.8 is a block diagram and operating waveforms of a current controller according to the present invention;
도9는 본 발명에 따른 전압제어기의 블럭도 및 동작파형.9 is a block diagram and operation waveform of the voltage controller according to the present invention.
도10은 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더에 의한 SRM의 정/역회전시 각 상의 게이트신호.10 is a gate signal of each phase at the forward / reverse rotation of the SRM by the SRM drive encoder according to the present invention.
도11은 SRM이 6000rpm 일 때 스위칭소자의 게이트신호 및 상전류 파형.11 is a gate signal and phase current waveform of the switching element when the SRM is 6000rpm.
도12는 SRM이 1800rpm 일 때 스위칭소자의 게이트신호 및 상전류 파형.Figure 12 is a gate signal and phase current waveform of the switching element when the SRM is 1800rpm.
도13은 종래기술과 본 발명에서의 상전류 파형 비교.Figure 13 is a comparison of the phase current waveform in the prior art and the present invention.
도14는 본 발명에 따른 SRM 기동시 속도 및 전류파형.14 is a velocity and current waveform during SRM startup according to the present invention.
도15는 본 발명을 적용한 SRM의 부하토크 가변시 상전류 파형.Figure 15 is a phase current waveform at the time of variable load torque of the SRM to which the present invention is applied.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 제어기 20 : PWM 인버터10 controller 20 PWM inverter
30 : 전동기 50 : 80196KB30: electric motor 50: 80196KB
55 : 전류제어기 60 : 전압제어기55: current controller 60: voltage controller
65, 69 : 디코더 67 : 카운터65, 69: decoder 67: counter
73 : 아날로그 스위치 80 : 클래식 인버터73: analog switch 80: classic inverter
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더장치는, 전동기의 회전축과 맞물려 회전하도록 구성된 원판과; 상기 원판이 회전시 SRM 구동용 인버터를 구성하는 스위칭소자의 게이트신호의 온(on) 시간과 동일한 주기를 갖는 펄스를 출력하도록 상기 원판상에 형성시킨 제1패턴(FW)과; SRM의 인덕턴스 프로파일을 참고하여 SRM의 정/역운전시 동일한 게이트신호를 형성하도록 상기 제1패턴과 적당한 위상차를 가지며, 상기 제1패턴의 내측에 형성시킨 제2패턴(BW)과; 회전에 따라 상기 제1패턴과 제2패턴이 발생하는 출력신호(FW, BW 신호)를 상기 SRM의 상 수(number of phase)와 동일한 개수를 갖는 게이트신호로 가공하여, 상기 게이트신호가 SRM 구동용 인버터 스위칭소자를 순차적으로 온(on)시켜 상기 SRM을 구동시키도록 하는 논리회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the encoder device for driving an SRM according to the present invention comprises: a disc configured to rotate in engagement with a rotating shaft of an electric motor; A first pattern (FW) formed on the disc to output pulses having the same period as the on time of the gate signal of the switching element constituting the SRM drive inverter when the disc rotates; A second pattern (BW) having an appropriate phase difference with the first pattern so as to form the same gate signal during forward / reverse operation of the SRM with reference to the inductance profile of the SRM, and formed inside the first pattern; Output signals (FW, BW signals) generated by the first pattern and the second pattern in accordance with the rotation is processed into a gate signal having the same number as the number of phase of the SRM, so that the gate signal is driven SRM And a logic circuit for driving the SRM by sequentially turning on the inverter switching element.
또한, 상기 논리회로는, FW 신호와 BW 신호의 논리적인 관계로부터, FW 신호와 동일한 주기를 갖으며 SRM의 정회전에 이용가능한 동기신호를 추출하는 정회전용 클럭신호와, BW 신호와 동일한 주기를 갖으며 SRM의 역회전에 적합한 동기신호로 이용할 수 있는 역회전용 클럭신호를 추출하는 클럭추출회로와; 상기 클럭추출회로의 출력신호에 동기하여 인버터의 스위칭소자를 순차적으로 온시키는 게이트신호로 가공하는 순차회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In addition, the logic circuit has a same cycle as the BW signal and a clock-only clock signal for extracting a synchronization signal having the same period as the FW signal and available for forward rotation of the SRM from the logical relationship between the FW signal and the BW signal. A clock extraction circuit for extracting a reverse rotation clock signal that can be used as a synchronization signal suitable for reverse rotation of the SRM; And a sequential circuit processing the gate signal for sequentially turning on the switching element of the inverter in synchronization with the output signal of the clock extraction circuit.
또한, 상기 순차회로는, 상기 클럭추출회로의 출력을 클럭입력신호로 하여 카운트하는 카운터와; 상기 카운터의 출력을 디코딩하여 SRM 상의 수와 동일한 수의 연속적인 순차신호로 변환하는 디코더를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.The sequential circuit further includes a counter for counting the output of the clock extraction circuit as a clock input signal; And a decoder which decodes the output of the counter and converts the output of the counter into consecutive sequential signals equal to the number on the SRM.
또한, 상기 클럭추출회로는, FW 신호와 BW 신호의 논리적인 관계를 디코딩하는 디코더와; 상기 디코더의 출력중 정회전용 신호와 역회전용 신호를 선택하는 선택회로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.In addition, the clock extraction circuit includes a decoder for decoding a logical relationship between the FW signal and the BW signal; And a selection circuit for selecting a forward-only signal and a reverse-only signal among the outputs of the decoder.
또한, 상기 선택회로는, 아날로그 스위치를 이용하는 것을 특징으로 한다.The selection circuit is characterized in that an analog switch is used.
이하 첨부한 수식과 도면을 참조하여 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, an SRM driving encoder apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying equations and drawings.
마이크로프로세서를 사용하여 SRM의 상스위치를 제어할 경우 그 제어정도는 엔코더의 분해능()과 샘플링 주기 동안에 회전자 위치각의 변화()에 의해 결정된다. 즉, 회전당 펄스수가 Np인 엔코더에서 기계적 위치각 분해능은 전동기의속도와 무관하며 그 값은 다음 식(3)과 같다.If the microprocessor is used to control the phase switch of the SRM, the control accuracy is determined by the resolution of the encoder. ) And the change in rotor position angle during the sampling period ( Is determined by That is, the mechanical position angle resolution in encoder with pulse number per rotation N p is irrelevant to the speed of the motor.
또한 샘플링 주기 동안에 회전자 위치각(θ)의 변화()는 전동기의 속도에 좌우되며 그 값은 다음 식(4)와 같다.Also, the change in rotor position angle θ during the sampling period ( ) Depends on the speed of the motor and the value is as shown in the following equation (4).
Ts: 마이크로프로세서의 샘플링 주기 [s]T s : Sampling period of the microprocessor [ s ]
마이크로프로세서를 사용한 상스위치 제어 방식에서 ON, OFF각 변동분()는 엔코더의 분해능과 마이크로프로세서의 샘플링 주기에 의해 결정되며, 그 값은 상기 식(3)과 상기 식(4)로부터 다음 식(5)와 같이 주어진다.Variation of ON and OFF angles in the phase switch control method using a microprocessor ( ) Is determined by the resolution of the encoder and the sampling period of the microprocessor, and the value is given from Equation (3) and (4) as shown in Equation (5).
상기 식(5)로 주어지는 ON, OFF각 변동의 크기를 전동기 속도에 따라 도식적으로 나타내면 도3과 같다.The magnitudes of the ON and OFF angular fluctuations given by Equation (5) are shown in FIG. 3 according to the motor speed.
도3을 살펴보면, 속도가 증가함에 따라 샘플링에 의한 오차는 6Ts의 기울기로 증가한다. 또한 엔코더의 분해능과 마이크로프로세스의 위치각 변동이 정수배로 나타나지 않으면 스위칭각 제어에는 저차 고조파성분이 나타나게 된다. 이로인하여 SRM의 토크에도 동일한 저차고조파 성분이 나타나게 되어 안정화 운전에 악영향을 미치게 된다.3, as the speed increases, the error due to sampling increases with a slope of 6T s . In addition, if the resolution of the encoder and the position angle variation of the microprocessor do not appear as integer multiples, the lower harmonic components appear in the switching angle control. As a result, the same low-order harmonic components appear in the torque of the SRM, which adversely affects stabilization operation.
일반적으로 전동기의 속도가 저속인 경우에는 샘플링에 의한 위치각 변동이 엔코더의 각도 분해능( ) 보다 작으므로 ON/OFF각의 변동은 샘플링에 의한 위치각 변동에 지배를 받고, 그 정도는 엔코더의 분해능에 의해 지배를 받게 된다. 그러나 전동기의 속도가 고속이 될수록 엔코더의 분해능은 변동이 없으나 샘플링에 의한 위치각 변동은 크게 나타나게 되며, 이 경우 ON/OFF각의 변동은 샘플링에 의한 위치각 변동에 지배를 받고, 그 정도는 엔코더의 분해능에 의해 지배를 받게 된다. 따라서 엔코더가 갖고 있는 정도와 유사한 분해능을 갖는 ON/OFF 각을 제어하기 위해서는 고속의 샘플링이 요구되며, 이를 위해서는 고성능을 갖는 마이크로프로세서가 필수적이다. 이러한 고속의 마이크로프로세서의 도움을 받지 않고 고정도의 상스위치를 제어하기 위해서는 특별한 제어기법이 필요하다.In general, when the speed of the motor is low, the variation of the position angle due to sampling is caused by the angular resolution of the encoder. ) Smaller than the variation in the ON / OFF angle is governed by the variations in the position of each sample, and the degree are subjected to controlled by the resolution of the encoder. However, the higher the speed of the motor, the more the encoder resolution remains unchanged, but the positional angle fluctuation by sampling becomes large.In this case, the variation of ON / OFF angle is subject to the positional angle fluctuation by sampling, and the degree is It is governed by the resolution of. Therefore, high-speed sampling is required to control the ON / OFF angle with a resolution similar to that of an encoder. A high-performance microprocessor is essential for this purpose. In order to control a high-precision phase switch without the help of such a high speed microprocessor, a special control method is required.
따라서, 본 발명에서는 간단한 엔코더를 이용하여 상스위치의 온, 오프를 정밀하게 제어하기 위하여 도4와 같은 형태의 SRM 구동용 엔코더를 개발하였다.Therefore, in the present invention, in order to precisely control the on / off of the phase switch using a simple encoder, the encoder for driving the SRM as shown in FIG. 4 has been developed.
도4를 살펴보면, 원판에 두 개의 펄스열인 FW 패턴과 BW 패턴이만큼 위상차를 가지고 배치되어 있으며, 도4에는 도시하지 않았지만 각 펄스열(FW, BW)에 설치된 2개의 포토커플러는 동일한 위치에 설치되는 구조로 구성하였다.Referring to Figure 4, the disk has two pulse trains FW pattern and BW pattern As shown in FIG. 4, the two photocouplers provided in the pulse trains FW and BW are arranged in the same position.
상기 포토커플러는 발광소자와 수광소자로 되어 있어 전동기의 축에 맞물려 엔코더의 FW 패턴과 BW 패턴이 회전시 FW 펄스와 BW 펄스를 발생시키기 위한 것으로, 대부분의 광학적 엔코더와 본 발명에 따른 엔코더는 기본원리면에서 유사하다. 다만 본 발명에서는 FW 패턴과 BW 패턴을 구성하는데 있어, SRM 구동용으로 이용하기 위해, 두 패턴(FW,BW)의 위상차를 일률적이 아닌 SRM 인턱턴스 프로파일을 참조하여 결정하고, 그에 맞게 구성해야 한다는 것이 보통의 엔코더와 차이점이다. 종래의 대다수 엔코더는 패턴이 이중 또는 삼중으로 되어 있지만 패턴간의 위상차는로 일률적이다. 그리고 상기 FW 패턴은 정회전을 위해, BW 패턴은 역회전을 위해 사용된다.The photocoupler is composed of a light emitting element and a light receiving element, and is adapted to generate an FW pulse and a BW pulse when the FW pattern and the BW pattern of the encoder rotate in response to the shaft of the motor. Most optical encoders and encoders according to the present invention are basic. Similar in principle. However, in the present invention, in order to configure the FW pattern and the BW pattern, in order to use for driving the SRM, the phase difference between the two patterns (FW, BW) should be determined by referring to the SRM inductance profile, not uniform, and configured accordingly. This is the difference from ordinary encoders. Most conventional encoders have a double or triple pattern, but the phase difference between the patterns As uniform. The FW pattern is used for forward rotation and the BW pattern is used for reverse rotation.
본 발명에 따른 엔코더의 펄스의 주기(δ)는 다음 식(6)에 의해 결정된다.The period δ of the pulse of the encoder according to the present invention is determined by the following equation (6).
단, Ps: 고정자의 극수, Pr: 회전자의 극수Where P s is the number of poles of the stator and P r is the number of poles of the rotor
상기 식(6)에 따라서, 제어하고자 하는 SRM의 고정자 극수와 회전자 극수가 정해지면 상기 식(6)에 대입하여 δ값을 구하고 이에 맞게 엔코더의 FW 패턴을 구성하여야 한다. 물론 기성품으로 시판되고 있다면 식(6)에 의한 계산값을 갖는 엔코더를 구입하여 제어에 이용하면 될 것이다.According to Equation (6), when the number of stator poles and rotor poles of the SRM to be controlled is determined, the value of δ is substituted into Equation (6) and the FW pattern of the encoder is configured accordingly. Of course, if it is commercially available, an encoder having a calculated value according to equation (6) may be purchased and used for control.
상기 식(6)의 펄스폭(δ)은 후술하겠지만 SRM에서 연속적인 토크를 발생시키기 위해 SRM 구동용 인버터의 한 상이 담당해야 할 위치각의 폭이 된다. 그러므로 엔코더 외부 펄스열(FW)에 대한 내부 펄스열(BW)의 위상차()는 SRM의 역회전 운전시 적절한 ON/OFF각을 설정하기 위한 각도가 되며, 이는 SRM의 인덕턴스 프로파일에 의해 결정된다. 따라서, 본 발명에 따른 엔코더를 구성하기 위해서는 제어하고자하는 SRM의 인턱턴스 프로파일을 사전에 알고 있어야 하며, 이 프로파일에 의해 엔코더의 FW 패턴과 BW 패턴의 위상차()를 적절히 결정하여 구성하여야 한다.The pulse width δ of Equation (6), which will be described later, is the width of the position angle that one phase of the SRM drive inverter should be responsible for in order to generate continuous torque in the SRM. Therefore, the phase difference between the internal pulse train BW and the encoder external pulse train FW ) Is the angle to set the proper ON / OFF angle in the reverse rotation operation of the SRM, which is determined by the inductance profile of the SRM. Therefore, in order to configure the encoder according to the present invention, the inductance profile of the SRM to be controlled must be known in advance, and the phase difference between the FW pattern and the BW pattern of the encoder is determined by this profile. ) Should be determined and configured appropriately.
엔코더의 FW상 펄스에는 두 개의 정보가 있다. 그 첫째는 펄스의 상승 edge의 위치각이며, 이 각은 SRM 구동용 인버터의 상스위치 ON 및 OFF 용으로 이용된다. 두 번째 정보는 펄스폭이 되며, 이 값은 상기 상스위치 ON 유지각으로 사용된다.The encoder's FW phase pulse has two pieces of information. The first is the position angle of the rising edge of the pulse, and this angle is used for turning on and off the phase switch of the inverter for driving SRM. The second information is the pulse width, and this value is used as the phase switch ON holding angle.
도5는 8/6극 SRM의 한 상(A상)에 대한 인덕턴스 프로파일(LA)과 엔코더의 FW상 및 BW상 신호와 이때의 게이트신호(Phase A FW, Phase A BW)를 나타낸 것이다. 도5에서 β는 SRM의 인덕턴스 프로파일의 주기를 나타내며 그 값은 다음 식(7)과 같다.FIG. 5 shows an inductance profile L A for one phase (phase A) of an 8 / 6-pole SRM, the FW phase and BW phase signals of the encoder, and the gate signals (Phase A FW, Phase A BW) at this time. In Fig. 5, β represents a period of the inductance profile of the SRM, and its value is expressed by the following equation (7).
상 인덕턴스 프로파일의 최대점으로부터 상 스위치의 ON각이 되는 α는 전동기의 운전조건이나 인덕턴스 프로파일에 의해 설정되는 값이며, ON각이 주어지면 OFF각은 자동적으로 주어진다. 또한 ε은 각 상 인덕턴스의 최대점을 기준으로 한 상 스위치의 OFF각으로서, α와 δ에 의해 결정되며 그 관계식은 다음 식(8)과 같다.Α, which becomes the ON angle of the phase switch from the maximum point of the phase inductance profile, is a value set by the operating conditions of the motor or the inductance profile, and the OFF angle is automatically given when the ON angle is given. Ε is the OFF angle of the phase switch on the basis of the maximum point of each phase inductance, and is determined by α and δ and the relationship is expressed by the following equation (8).
엔코더의 BW상은 역회전시 상스위치 ON, OFF를 위해서 사용되며, FW상과 BW상의 위상차인에 의해 인덕턴스 프로파일 상에서 임의의 상스위치 ON각을 설정할 수 있다. 또한 FW상과 BW상을 기존의 엔코더의 정, 역 판정회로를 그대로 적용하여 회전방향을 감지할 수 있다.Encoder's BW phase is used to turn the phase switch ON and OFF during reverse rotation. It is possible to set any phase switch ON angle on the inductance profile. Also, the direction of rotation can be detected by applying the FW phase and BW phase as the encoder's forward and reverse judgment circuits.
도4에 도시된 엔코더에 의해 전동기의 정회전을 위해서는 Set_FW를 기준으로 각 상스위치를 FW상 클럭으로 4카운트마다 ON 신호로 사용하면 된다. 전동기의 역회전을 위해서는 Set_BW를 기준으로 각 상스위치를 BW상 클럭으로 4 카운트마다 ON 신호로 사용하면 된다. 전동기의 정, 역회전 판정은 FW, BW상을 이용하여 기존의 엔코더에서 사용하는 방식을 그대로 사용한다.For the forward rotation of the motor by the encoder shown in Fig. 4, each phase switch may be used as an ON signal every four counts as the FW phase clock based on Set_FW. For reverse rotation of motor, each phase switch is used as ON signal every 4 counts as BW phase clock based on Set_BW. For the forward / reverse rotation judgment of the motor, the FW and BW phases are used as they are in the existing encoder.
다음으로, 본 발명에 따른 SRM 구동용 엔코더를 SRM의 회전속도와 위치검출에 이용한 SRM 제어기에 대해서 설명한다. SRM 제어기의 실시예를 도6에 블럭도로 나타내었다. 그리고 실험을 통해 본 발명에 따른 엔코더와 이를 이용한 SRM 제어기의 성능에 대해서 설명한다.Next, the SRM controller using the SRM drive encoder according to the present invention for detecting the rotational speed and position of the SRM will be described. An embodiment of an SRM controller is shown in block diagram in FIG. And through the experiments will be described the performance of the encoder and the SRM controller using the same according to the present invention.
실험에 사용된 SRM은 고정자와 회전자의 극이 8/6이고 400W, 3000rpm, 160V 기기로서 도7(a)와 같은 구조를 가지며, 이를 구동시키기 위해 도7(c)와 같은 기존의 클래식 인버터를 사용하였다. 이 전동기의 인덕턴스 프로파일은 도7(b)와 같으며, 이것은 회전자를 1°씩 변화시켜가면서 전류한계치를 7[A]로 하고 이 한계치에 도달할 때까지 전압펄스를 인가하여 그때의 전류파형을 오실로스코프로 측정한 뒤, 전동기의 권선저항을 고려하여 측정한 전압 및 전류데이터에 의해 인덕턴스를 계산하였다. 따라서 얻어진 인덕턴스 프로파일은 SRM의 다이나믹 운전특성을 나타낼 수 있는 비교적 정확한 값이라 할 수 있다.The SRM used in the experiment is a pole of the stator and the rotor of 8/6, 400W, 3000rpm, 160V equipment has a structure as shown in Figure 7 (a), to drive it, the conventional classic inverter as shown in Figure 7 (c) Was used. The inductance profile of this motor is shown in Fig. 7 (b), which changes the rotor by 1 ° and sets the current limit to 7 [A] and applies a voltage pulse until the limit is reached and then the current waveform at that time. After measuring with an oscilloscope, the inductance was calculated from the measured voltage and current data in consideration of the winding resistance of the motor. Therefore, the inductance profile obtained is a relatively accurate value that can represent the dynamic operation characteristics of the SRM.
다음으로, 상기 도7(a), 7(b)와 같은 특성을 지닌 SRM의 회전속도와 위치검출용으로 사용할 엔코더의 FW 패턴의 펄스폭인 δ값과 FW 패턴과 BW 패턴의 위상차인은 앞서의 식(6)과 도7(b)의 인덕턴스 프로파일을 참조하여 결정하고, 이 결정된 값에 맞게 엔코더를 구성하였다. 8/6극 SRM이므로 상기 식(6)에 대입하면 δ=가 된다. 따라서, δ=로 하여 FW을 구성하였다. 그리고는 적당히 설정하였다.Next, the δ value which is the pulse width of the FW pattern of the encoder to be used for the rotational speed and the position detection of the SRM having the characteristics as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b), Is determined by referring to the inductance profile of Equation (6) and FIG. 7 (b), and configured the encoder according to the determined value. Since it is an 8 / 6-pole SRM, substituting in equation (6) above is δ = Becomes Thus, δ = FW was configured. And Was set appropriately.
다음으로, 도6을 참조하여 SRM 제어기의 구성을 자세히 설명한다.Next, the configuration of the SRM controller will be described in detail with reference to FIG.
도6을 간략히 살펴보면, 크게 좌측의 제어기와 우측의 인버터(80)가 있고, 다시 제어기는 마이크로컨트롤러인 80196KB(50)와, 80196KB(50)에서 외부 입력을 받아들이기 위한 주변회로(71, ABS, COMP)와, 80196KB(50)의 출력신호를 이용하여 인버터(80)를 제어하는 전류제어기(55)와 전압제어기(60), 그리고 디코더(65,69)와 아날로그 스위치(73), 카운터(67)를 이용한 디지털 논리회로로 구성되어 있다.6, the controller on the left side and the inverter 80 on the right side are large, and again the controller is a microcontroller 80196KB 50 and a peripheral circuit 71, ABS, for accepting an external input from the 80196KB 50. COMP), current controller 55 and voltage controller 60 for controlling inverter 80 using output signal of 80196KB (50), decoder 65,69, analog switch 73, counter 67 It consists of digital logic circuit using).
FW와 BW 신호가 제1디코더(65)와 클럭발생회로(71)와 80196KB(50)의 HSI0, HSI1 단자로 입력되고, 제1디코더(65)의 D0출력과 D2출력이 아날로그 스위치(73)의 입력측으로 연결되고, 이 아날로그 스위치(73)의 출력은 카운터(67)의 클럭단자로 입력된다. 상기 아날로그 스위치(73)는 80196KB(50)의 P1.3 단자 출력신호의 제어를 받아 제1디코더(65)의 D0출력과 D2출력중 어느 하나를 선택하여 카운터(67)로 출력한다. 상기 80196KB(50)의 P1.3 단자의 출력신호는 정방향/역방향을 선택하는선택신호(Dir)이다.The FW and BW signals are input to the first decoder 65, the clock generation circuit 71, and the HSI0 and HSI1 terminals of the 80196KB (50), and the D0 output and the D2 output of the first decoder 65 are analog switches 73. Is connected to the input side, and the output of this analog switch 73 is input to the clock terminal of the counter 67. The analog switch 73 selects one of the D0 output and the D2 output of the first decoder 65 and outputs the counter 67 to the P1.3 terminal output signal of 80196KB 50. The output signal of the P1.3 terminal of the 80196KB 50 is the selection signal Dir for selecting the forward / reverse direction.
상기 클럭발생회로(71)는 80196KB(50)에서 엔코더를 이용한 속도계산법인 M/T 기법에 의해 전동기의 속도를 측정하기 위해 구성한 논리회로이다. 따라서, 상기 클럭발생회로(71)로 엔코더의 출력신호인 FW 신호와 BW 신호를 입력시켜 단일의 클럭신호(CLK)와 업다운신호(UP/DOWN)로 가공한다.The clock generation circuit 71 is a logic circuit configured to measure the speed of the motor by the M / T technique, which is a speed calculation method using an encoder in 80196KB (50). Therefore, the FW signal and the BW signal, which are output signals of the encoder, are input to the clock generation circuit 71 and processed into a single clock signal CLK and an up-down signal UP / DOWN.
상기 클럭발생회로(71)의 출력신호는 80196KB(50)에서 타이머2(T2CLK, T2UPDN)로 입력되고, 소프트웨어적인 방법(Wr estimation)에 의해 전동기의 속도(Wr)를 계산하도록 구성하였다.The output signal of the clock generation circuit 71 is input to the timer 2 (T2CLK, T2UPDN) at 80196KB (50), and configured to calculate the speed (Wr) of the motor by a software method (Wr estimation).
상기 80196KB(50)는 엔코더의 FW 신호와 BW 신호를 HSI단자(HSI0, HSI1)로 입력받아 내부 프로그램(θestimation)에 의해 전동기의 위상(θ)을 검출한다. 이와 같은 방법으로 위상을 검출하여 전동기의 정/역회전을 판정한다.The 80196KB 50 receives the FW signal and the BW signal of the encoder through the HSI terminals HSI0 and HSI1 to detect the phase θ of the motor by an internal program θestimation. In this way, the phase is detected to determine the forward and reverse rotation of the motor.
상기 제1디코더(65)와 아날로그 스위치(73), 카운터(67) 그리고 후술하는 제2디코더(69)로 이루어진 디지털 논리회로는 본 발명의 요지부분이며 또한, 이에 대한 설명이 길어지므로 다른 부분의 구성설명을 마치고 난 후에 설명하기로 한다.The digital logic circuit including the first decoder 65, the analog switch 73, the counter 67, and the second decoder 69, which will be described later, is an essential part of the present invention. After completing the configuration, it will be described.
다음으로, 카운터(67)의 출력(QA, QB)은 다음 단의 제2디코더(69)로 입력되고, 제2디코더(69)의 출력(Q1, Q2, Q3, Q4)은 인버터(80)의 스위칭소자 즉, 상 스위치(QAU,QBU,QCU,QDU)를 제어하는 구조로 되어 있다. 도6에는 인버터(80)의 1상(A상)에 대한 회로만 도시되어 있다. 클래식 인버터(80)의 나머지 3상(B,C,D)에 대한 회로는 A상에 대한 회로와 유사하므로 생략하였다. 상기 클래식 인버터(80)의자세한 회로는 도7(c)에 도시되어 있다. 참고로 도7(c)에는 입력전압(VC)을 제어하기 위한 스위칭소자(QCH)가 생략되어 있다.Next, the outputs Q A , Q B of the counter 67 are input to the second decoder 69 of the next stage, and the outputs Q1, Q2, Q3, Q4 of the second decoder 69 are connected to the inverter ( The switching element 80, that is, the phase switch Q AU, Q BU, Q CU, Q DU , is controlled. 6 shows only a circuit for one phase (A phase) of the inverter 80. The circuits for the remaining three phases B, C, and D of the classic inverter 80 are similar to those for the A phase and thus are omitted. A detailed circuit of the classic inverter 80 is shown in Fig. 7 (c). For reference, in FIG. 7C, the switching element Q CH for controlling the input voltage V C is omitted.
한편, 80196KB(50)의 P1.0~P1.2 단자의 출력신호가 카운터(67)를 제어하고, 80196KB(50)의 P0.4~P0.7 단자로 제2디코더(69)의 출력(Q0~Q3)이 입력되는 구조로 되어 있다.On the other hand, the output signal of the P1.0 to P1.2 terminal of the 80196KB 50 controls the counter 67, and the output of the second decoder 69 to the P0.4 to P0.7 terminal of the 80196KB 50 ( Q0 to Q3) are input.
상기 80196KB(50)는 제2디코더(69)의 출력(Q0~Q3)을 P0.4~P0.7 단자로 검출하여 전동기의 기동시나 운전시 스위칭 스퀀스가 올바르게 되고 있는지 내부 프로그램(Switching Check & Controller)에 의해 체크한다. 체크하여 만일 오동작이 발생하면 Port1(P1.0~P1.3)을 통하여 스위치 상태를 바꾸게 된다.The 80196KB 50 detects the outputs Q0 to Q3 of the second decoder 69 through the P0.4 to P0.7 terminals to determine whether the switching sequence is correct when starting or operating the motor. Check by). If a malfunction occurs, the switch state is changed through Port1 (P1.0 to P1.3).
다음으로, 80196KB(50) 내부의 PI컨트롤러에서 출력된 PWM1 신호가 로패스필터(LPF)로 입력되고, 로패스필터(LPF)의 출력은 다음 단의 전류제어기(55)로 입력된다. 전류제어기(55)의 출력은 제2디코더(69)의 출력과 함께 AND게이트로 입력되고, 이 AND게이트의 출력은 클래식 인버터(80)의 상 스위치(QAD)를 제어하는 구조로 되어 있다. 한편, PI컨트롤러의 PWM0 출력신호는 전압제어기(60)로 입력되고, 전압제어기(60)의 출력은 인버터(80)의 입력전압(VC)을 제어하기 위한 스위칭소자(QCH)를 제어하는 구조로 되어 있다.Next, the PWM1 signal output from the PI controller in the 80196KB 50 is input to the low pass filter LPF, and the output of the low pass filter LPF is input to the current controller 55 of the next stage. The output of the current controller 55 is input to the AND gate together with the output of the second decoder 69, and the output of the AND gate is configured to control the phase switch Q AD of the classic inverter 80. Meanwhile, the PWM0 output signal of the PI controller is input to the voltage controller 60, and the output of the voltage controller 60 controls the switching element Q CH for controlling the input voltage V C of the inverter 80. It is structured.
상기 전류제어기(55)는 전동기의 기동시 전동기의 초기 위치를 일정하게 하기 위하여 구성한 것으로 도8에 전류제어기(55)의 자세한 구성이 도시되어 있다.The current controller 55 is configured to make the initial position of the motor constant at the start of the motor, and a detailed configuration of the current controller 55 is shown in FIG.
본 발명에서 제안된 방식에 의해 전동기를 구동할 경우 전동기의 초기 위치각에 대한 정보가 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 실시예에서는 SRM의 기동 전에 임의의 한 상에 정격전류를 흘려 초기 위치를 일정하게 하도록 구성하였다. 초기 기동전류를 흘리기 위해서는 전류제어기가 필수적이다.When driving the motor by the method proposed in the present invention there is no information on the initial position angle of the motor. In order to solve this problem, in this embodiment, the initial position is made constant by flowing a rated current on an arbitrary phase before starting the SRM. The current controller is essential for flowing the initial starting current.
도8을 살펴보면, 도8(a)의 전류제어기(55)는 비교기(57)와 플립플롭(59)으로 구성되어 있으며, 피크전류 제어방식으로 전류를 제어하도록 구성하였다. 도8에서 전류지령치(Ia_Ref)는 도6에 도시된 바와 같이 로패스필터(LPF)의 출력신호이고, 실제전류(Ia_Real)는 인버터(80)의 스위칭소자(QAD)의 에미터 단자측에서 피드백하여 검출한 전류이다. 도8(b)는 전류제어기(55)의 각 부의 동작 파형이다.Referring to FIG. 8, the current controller 55 of FIG. 8 (a) is composed of a comparator 57 and a flip-flop 59, and is configured to control current in a peak current control method. In FIG. 8, the current command value I a _ Ref is an output signal of the low pass filter LPF as shown in FIG. 6, and the actual current I a _ Real is an emi of the switching element Q AD of the inverter 80. Current detected by feeding back from the terminal side. Fig. 8B is an operating waveform of each part of the current controller 55. Figs.
스위칭주기마다 플립플롭(59)의 set 단자를 인에이블시켜 스위치를 ON하게 하면 실제전류(Ia_Real)는 증가하게 되고, 비교기(57)에서 전류지령치(Ia_Ref)와 실제 전류(Ia_Real)를 비교하여 실제 전류(Ia_Real)가 지령치 전류(Ia_Ref)보다 커지면 플립플롭(59)의 reset 단자를 인에블시켜 도6에 도시된 스위치(QAD)를 오프하므로 전동기로 유입되는 전류는 감소하게 된다. 이러한 전류제어방식때문에 SRM 제어기의 속응성은 델타변조기법과 동일한 우수한 특성을 갖게 되고, 스위칭주파수를 일정하게 할 수 있다.Switching period whenever you to enable the set terminal of the flip-flop 59 to turn ON the switch, the actual current (I a _Real) is increased, the current command value by the comparator (57), (I a _Ref) and the actual current (I a _Real is compared and the actual current (I a _Real) is larger than the setpoint current (I a _Ref) to enable the reset terminal of the flip-flop 59 to turn off the switch (Q AD ) shown in Figure 6 to the motor The incoming current is reduced. Due to this current control method, the rapid response of the SRM controller has the same excellent characteristics as the delta modulation method, and the switching frequency can be made constant.
다음으로, 상기 전압제어기(60)는 전동기의 속도를 제어하기 위해 구성한 것으로 도9에 자세한 회로가 도시되어 있다.Next, the voltage controller 60 is configured to control the speed of the motor, and a detailed circuit is shown in FIG.
본 발명에서 제안한 제어방식은 상스위치의 ON 및 OFF각이 일정한 형태가 된다. 따라서 전동기의 속도를 제어하기 위해서는 델타변조에 의한 전류제어 방식이나 전압제어 방식을 채택할 필요가 있다. 전류제어 방식은 이미 많은 연구가 이루어져 있으므로 본 발명에서는 설명을 생략한다. 본 실시예에서는 가변전압원으로서 감압쵸퍼(Buck chopper)회로를 채택하였고, 전압제어기(60)는 도6에 도시한 바와 같은 80C196KB(50)로 PI컨트롤러를 구성하고 이 PI컨트롤러의 PWM 신호를 입력으로 하도록 구성하였다.In the control method proposed in the present invention, the ON and OFF angles of the phase switch are constant. Therefore, in order to control the speed of the motor, it is necessary to adopt a current control method or a voltage control method by delta modulation. Since a lot of research has already been made on the current control method, the description is omitted in the present invention. In this embodiment, a decompression chopper circuit is adopted as a variable voltage source, and the voltage controller 60 constitutes a PI controller with 80C196KB (50) as shown in Fig. 6 and inputs the PWM signal of the PI controller as an input. It was configured to.
80C196KB(50)에서 PWM용 카운터(67)는 8 Bit를 사용함으로 그 분해능은 입력 DC전압에 대하여 1/256정도이므로 양호한 DC출력전압을 제어하기가 곤란하다. 따라서 본 실시예에서는 전압분해능을 1/512인 9 Bit로 높이기 위해 80C196KB(50)의 PWM단자에 도9(a)와 같은 T 플립플롭(61)과 EX-OR(63)를 사용한 논리회로를 추가하였다. 도9(b)는 이 전압제어기(60) 각 부의 동작 파형이다.In the 80C196KB 50, since the PWM counter 67 uses 8 bits, its resolution is about 1/256 of the input DC voltage, which makes it difficult to control a good DC output voltage. Therefore, in this embodiment, a logic circuit using a T flip-flop 61 and an EX-OR 63 as shown in FIG. 9 (a) is applied to a PWM terminal of 80C196KB (50) to increase the voltage resolution to 9 bits of 1/512. Added. Fig. 9B shows the operation waveforms of the parts of the voltage controller 60. Figs.
SRM의 여자전압인 DC전압을 제어하기 위해 기동시의 START 신호를 이용하여 T 플립플롭(61)의 출력을 High로 설정하고 PWM주기마다 번갈아 가며 ON 시간과 OFF 시간을 출력하도록 구성하였다. 또한 PWM을 동기시키기 위해 PWM출력을 외부 인터럽터(EXT_INT)로 사용하여 PWM출력의 상승 에지시 새로운 PWM값(PWM Ref)을 80196KB(50) 내부의 PWM 레지스터에 쓰도록 구성하였다.In order to control the DC voltage, which is the excitation voltage of the SRM, the output of the T flip-flop 61 is set to High by using the START signal at startup, and the ON time and the OFF time are alternately outputted every PWM cycle. Also, to synchronize the PWM, the PWM output is used as an external interrupter (EXT_INT) to write a new PWM value (PWM Ref) to the PWM register inside 80196KB (50) on the rising edge of the PWM output.
다음으로, 도6의 좌측 하단을 살펴보면, 가변저항의 일측에 +VC가 연결되어 있고, 이 가변저항의 타측은 -VC가 연결되어 있고, 가변저항은 절대값회로(ABS)와 비교기(COMP)의 입력이 된다. 상기 절대값회로(ABS)의 출력은 80196KB(50)의 A/D컨버터단자(AD0)로 입력되고, 상기 비교기(COMP)의 출력은 80196KB(50)의 P1.4단자로 입력된다.Next, looking at the lower left of Figure 6, + VC is connected to one side of the variable resistor, the other side of the variable resistor is connected to -VC, the variable resistor is an absolute value circuit (ABS) and a comparator (COMP) Becomes the input of. The output of the absolute value circuit ABS is input to the A / D converter terminal AD0 of 80196KB (50), and the output of the comparator COMP is input to the P1.4 terminal of 80196KB (50).
상기 가변저항은 전동기의 속도를 조절하기 위한 가변저항이다. 80196KB(50)의 A/D컨버터기능을 이용하여 사용자의 속도지령치(Wr*)를 디지털값으로 받아들인다. 80196KB(50)의 A/D컨버터는 분해능이 8비트로 정밀하지 못하다. 따라서 본 실시예에서는 보다 정밀한 속도제어를 위해 상기 절대값회로(ABS)와 비교기(COMP)를 부가시키고, 80196KB(50) 내부에서 소프트웨어적으로 8비트 A/D컨버터의 출력과 비교기(COMP)의 출력을 논리합(ADD)시켜 9비트로 분해능을 향상시켰다.The variable resistor is a variable resistor for adjusting the speed of the motor. The speed command value Wr * of the user is received as a digital value by using the A / D converter function of 80196KB (50). The A / D converter of 80196KB (50) is not accurate with 8 bits of resolution. Therefore, in the present embodiment, the absolute value circuit ABS and the comparator COMP are added for more precise speed control, and the output of the 8-bit A / D converter and the comparator COMP in the 80196KB 50 are software-configured. The output is ORed to improve the resolution to 9 bits.
다음으로, 도6의 제1디코더(65)와 아날로그 스위치(73), 카운터(67), 제2디코더(69)로 이루어진 디지털 논리회로에 대해서 설명한다.Next, a digital logic circuit composed of the first decoder 65, the analog switch 73, the counter 67, and the second decoder 69 in FIG. 6 will be described.
상기 디지털 논리회로(65, 67, 69, 73)는 제어기의 응답이 고속으로 이루어지도록 본 실시예에서 신규하게 구성한 것이다. 그리고 본 실시예에서는 상기 디지털 논리회로(65, 67, 69, 73)를 SRM 제어기의 일부로 간주하여 설명하고 있으나, 본 발명에 따라 엔코더가 결정되면 상기 디지털 논리회로의 개략적인 구성도 결정되므로 엔코더와 디지털 논리회로를 하나의 장치로 생각하여 엔코더장치로 간주할 수도 있다.The digital logic circuits 65, 67, 69, and 73 are newly constructed in this embodiment so that the response of the controller is made at a high speed. In the present embodiment, the digital logic circuits 65, 67, 69, and 73 are regarded as part of the SRM controller. However, when the encoder is determined according to the present invention, the schematic configuration of the digital logic circuit is also determined. A digital logic circuit can be thought of as a device and can be regarded as an encoder device.
앞서 설명했다시피 종래에는 마이크로프로세서에 의한 상 스위치 온/오프 제어방식은 마이크로프로세서의 샘플링에 의해 그 정도가 크게 좌우되고, 특히 고속으로 갈수록 그 정도가 낮아지게 되어 SRM의 정상상태 운전이 불안전하게 되었다. 그러나 본 발명에서는 엔코더의 출력신호를 디지털 논리회로를 이용하여 적절히 가공한 다음, 인버터(80)의 상 스위치를 제어하는 방식을 도입하여 제어기를 고속화시켰다. 본 발명에서는 마이크로프로세서(50)가 단지 전동기의 정역을 제어하거나 상 스위치 온/오프신호가 상기 디지털 논리회로(65,67,69, 73)에서 제대로 출력되는지 체크하는 수준이므로 마이크로프로세서(50)가 상 스위치의 게이트신호(Q0~Q3)의 생성에 관여하는 것이 아니다. 상 스위치의 게이트신호(Q0~Q3)는 디코더(65,67)와 아날로그 스위치(73), 카운터(67)로 이루어진 논리회로에 의해 자동으로 생성되므로 제어기가 고속으로 반응한다. 후술하는 도10을 살펴보면 이와 같은 사실을 확인할 수 있을 것이다.As described above, the phase switch on / off control method by the microprocessor is largely influenced by the sampling of the microprocessor, and the degree thereof is lowered at a high speed, and thus the steady state operation of the SRM becomes unstable. However, in the present invention, the output signal of the encoder is properly processed using a digital logic circuit, and then a method of controlling the phase switch of the inverter 80 is introduced to speed up the controller. In the present invention, since the microprocessor 50 merely controls the stationary of the motor or checks whether the phase switch on / off signal is properly output from the digital logic circuits 65, 67, 69, and 73, the microprocessor 50 is It does not participate in the generation of the gate signals Q0 to Q3 of the phase switch. The gate signals Q0 to Q3 of the phase switch are automatically generated by a logic circuit composed of the decoders 65 and 67, the analog switch 73, and the counter 67, so that the controller reacts at high speed. Looking at Figure 10 to be described later will be able to confirm this fact.
다음으로, 상기 제1디코더(65)로는 2 to 4 디코더를 사용하였다. 그리고 카운터(67)로는 2비트 카운터를 사용하였고, 제2디코더(69)로는 2 to 4 디코더를 사용하였다. 이와 같이 구성한 이유에 대해서 설명한다.Next, a 2 to 4 decoder was used as the first decoder 65. As the counter 67, a 2-bit counter was used, and as the second decoder 69, a 2 to 4 decoder was used. The reason for this configuration is explained.
도10은 본 발명에서 제안한 엔코더에 의한 실험용 8/6 SRM의 각 상의 인덕턴스 프로파일(LA, LB, LC, LD)과 엔코더의 출력(FW, BW) 및 정·역회전 운전시의 각 상의 게이트신호(A,B,C,D)를 나타내고 있다. 도10을 살펴보면 각 상 스위치의 게이트신호(A,B,C,D)가 FW, BW 클럭의 4카운트마다 반복되고 있다. 따라서, SRM의 정회전을 위해서는 FW상 클럭을 기준으로 4카운트마다 각 상 스위치의 ON신호로 사용하면 된다는 것을 알 수 있다. 또한, SRM의 역회전을 위해서는 BW상 클럭을 기준으로 4 카운트마다 각 상 스위치의 ON 신호로 사용하면 된다는 것을 도10을 통해 알 수 있다. 그러므로 상기 FW상 클럭과 BW상 클럭을 각 상 스위치의 ON신호로 가공하기 위해서는 A-B-C-D상 순으로 반복되는 순차신호로 만드는 4bit 시프트 레지스터나 4진 카운터(2 bit 카운터)와 2 to 4 디코더를 조합하여 사용하면 간단히 해결할 수 있다. 4bit 시프트 레지스터를 사용할 경우 상 스위치의 초기치를 설정하기 위해서는 4개의 제어선이 필요하나, 4진 카운터와 2 to 4 디코더를 조합하여 사용하면 2개의 제어선을 이용하여 상 스위치를 설정할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 도6에 도시된 바와 같이 FW와 BW 신호를 2 to 4 디코더(67)와 2비트 카운터(69)를 이용하여 상 스위치 게이트신호(A,B,C,D)로 가공하도록 구성하였다. 그러나 본 실시예를 따르지 않고 4비트 시프트 레지스터를 이용하여 구성하는 것도 가능하다.Fig. 10 shows the inductance profile (L A , L B , L C , L D ) of each phase of the experimental 8/6 SRM by the encoder proposed in the present invention, the outputs of the encoder (FW, BW) and the forward and reverse rotations. The gate signals A, B, C, and D of each phase are shown. Referring to Fig. 10, the gate signals A, B, C, and D of each phase switch are repeated every four counts of the FW and BW clocks. Therefore, it can be seen that the forward signal of the SRM may be used as the ON signal of each phase switch every 4 counts based on the FW phase clock. In addition, it can be seen from FIG. 10 that the reverse rotation of the SRM may be used as the ON signal of each phase switch every 4 counts based on the BW phase clock. Therefore, in order to process the FW phase clock and the BW phase clock into the ON signal of each phase switch, a combination of a 4 bit shift register or a ternary counter (2 bit counter) and a 2 to 4 decoder to make a sequential signal repeated in ABCD phase order It's easy to solve. When using the 4-bit shift register, four control lines are required to set the initial value of the phase switch. However, when the combination of the ternary counter and the 2 to 4 decoder is used, the phase switch can be set using the two control lines. Therefore, in the present embodiment, as shown in Fig. 6, the FW and BW signals are processed into phase switch gate signals A, B, C, and D using a 2 to 4 decoder 67 and a 2-bit counter 69. It was configured to. However, it is also possible to configure using a 4-bit shift register without following this embodiment.
그리고 제1디코더(65)와 아날로그 스위치(73)는 FW 신호와 BW 신호로부터 카운터(67)의 클럭신호를 추출하기 위하여 구성한 것이다. 카운터(67)는 입력되는 클럭신호에 동기하여 카운트하게 되고, 입력된 클럭신호의 주기와 동일한 주기를 갖는 신호를 출력해야 한다. 따라서, 본 실시예에서는 FW 신호와 BW 신호의 논리적인 관계로부터 FW 신호와 동일한 주기를 갖는 클럭신호를 추출하기 위하여 제1디코더(65)를 사용하였다. 그리고 전동기가 정회전일 때는 FW 신호에 동기하여야 하므로 제1디코더(65)의 D0단자의 출력신호를 아날로그 스위치(73)를 이용하여 카운터(67)의 클럭신호로 입력하도록 구성하였으며, 전동기가 역회전일 때는 BW 신호에 동기하도록 제1디코더(65)의 D2단자의 출력신호를 아날로그 스위치(73)를 이용하여카운터(67)의 클럭신호로 입력하도록 구성하였다.The first decoder 65 and the analog switch 73 are configured to extract the clock signal of the counter 67 from the FW signal and the BW signal. The counter 67 counts in synchronization with the input clock signal and should output a signal having the same period as the input clock signal. Therefore, in the present embodiment, the first decoder 65 is used to extract the clock signal having the same period as the FW signal from the logical relationship between the FW signal and the BW signal. Since the motor should be synchronized with the FW signal when the motor rotates forward, the output signal of the D0 terminal of the first decoder 65 is input as the clock signal of the counter 67 using the analog switch 73. In this case, the output signal of the D2 terminal of the first decoder 65 is input as the clock signal of the counter 67 using the analog switch 73 so as to be synchronized with the BW signal.
상기와 같이 본 실시예에서는 아날로그 스위치(73)를 이용하여 정회전용 신호와 역회전용 신호를 선택하도록 구성하였다. 그러나 본 실시예를 따르지 않고 릴레이나, 데이터 셀렉터 등을 이용하여 선택하도록 구성하는 것도 가능하다.As described above, in the present embodiment, the analog switch 73 is used to select the forward-only signal and the reverse-only signal. However, it is also possible to configure to select using a relay, a data selector, or the like without following the present embodiment.
다음으로, 도6에 도시된 SRM 제어기의 동작을 간략히 설명한다.Next, the operation of the SRM controller shown in FIG. 6 will be briefly described.
일단 기동을 위해서 SRM의 C상 인덕턴스가 최대인 점에 회전자를 위치시키면 정회전시 A상 인덕턴스가 증가하는 영역에 둘 수 있고, 역회전시 D상 인덕턴스가 증가영역에 둘 수 있다. 따라서 80196KB(50)는 P1.0단자와 P1.1단자로 신호를 출력하여 카운터(67)가 인에이블되어 신호를 출력하면 제2디코더(69)의 Q2단자가 온되도록 미리 세팅해 놓는다. 카운터(67)의 A, B단자가 바로 카운터(67)를 프리세팅(Presetting)하기 위한 단자이다. 카운터(67)가 '10'을 출력하면 제2디코더(69)의 Q2단자가 온이 된다. 그러므로 카운터(67)의 A, B 단자를 '10'으로 세팅해놓으면 카운터(67)가 인에이블되었을 때 '10'부터 카운트하기 시작할 것이다. 다음으로, 80196KB(50)는 P1.2 단자로 신호를 출력하여 카운터(67)의 로드단자(L)를 인에이블시킨다. 그러면 상기 카운터(67)가 이진수'10'을 출력하고, 제2디코더(69)의 Q2단자가 온되고 전류제어기(55)와 공조하여 전동기 회전자의 위치를 원하는 초기 위치에 위치시킨다.Once the rotor is positioned at the point where the C phase inductance of the SRM is maximum for starting, it can be placed in the area where the A phase inductance increases in the forward rotation, and the D phase inductance in the increase region in the reverse rotation. Therefore, the 80196KB 50 outputs a signal to the P1.0 terminal and the P1.1 terminal, and sets the Q2 terminal of the second decoder 69 to be turned on when the counter 67 is enabled to output the signal. The terminals A and B of the counter 67 are terminals for presetting the counter 67. When the counter 67 outputs '10', the Q2 terminal of the second decoder 69 is turned on. Therefore, setting the A and B terminals of the counter 67 to '10' will start counting from '10' when the counter 67 is enabled. Next, 80196KB 50 outputs a signal to the P1.2 terminal to enable the load terminal L of the counter 67. Then, the counter 67 outputs a binary number '10', and the Q2 terminal of the second decoder 69 is turned on and coordinates with the current controller 55 to position the position of the motor rotor at a desired initial position.
전동기의 회전자를 초기 위치에 위치시켰으면 다음으로 전동기를 기동한다.정회전을 위해서는 80196KB(50)의 P1.3 단자 출력신호로 아날로그 스위치(73)를 제어하여 제1디코더(65)의 D0단자의 출력신호를 카운터(67)의 클럭입력으로 선택(DIR단자)한 후 카운터(67)의 로드단자를 이용하여 제2디코더(69)의 Q0가 온 되게 한다. 역회전을 위해서는 80196KB(50)의 P1.3 단자 출력신호로 아날로그 스위치(73)를 제어하여 제1디코더(65)의 D2단자의 출력신호를 카운터(67)의 클럭입력으로 선택한 후 제2디코더(69)의 Q3가 온되게 하면 된다.When the rotor of the motor is in the initial position, the motor is started next. For forward rotation, the analog switch 73 is controlled by the P1.3 terminal output signal of 80196KB (50) to D0 of the first decoder 65. After the output signal of the terminal is selected as the clock input of the counter 67 (DIR terminal), the Q0 of the second decoder 69 is turned on by using the load terminal of the counter 67. For reverse rotation, the analog switch 73 is controlled by the P1.3 terminal output signal of 80196KB (50) to select the output signal of the D2 terminal of the first decoder 65 as the clock input of the counter 67, and then the second decoder. What is necessary is just to make Q3 of (69) turn on.
기동시 및 운전시 스위칭 시퀀스가 올바르게 되는지 확인하기 위해서는 80196KB(50)가 Port0의 상위 4bit(P0.4~P0.7)를 체크한다. 상위 4비트(P0.4~P0.7)를 체크하여 만일 스위칭 스퀀스가 올바르지 않으면 Port0(P1.0, P1.1)을 통하여 카운터(67)의 A, B단자를 적당히 세팅하고, 카운터(67)를 인에이블시켜 제2디코더(69)의 출력을 원하는 상태로 강제로 제어하여 인버터(80)의 상 스위치 상태를 바꾸게 된다.80196KB (50) checks the upper 4 bits (P0.4 ~ P0.7) of Port0 to verify that the switching sequence at startup and operation is correct. Check the upper 4 bits (P0.4 ~ P0.7) and if the switching sequence is not correct, set the A and B terminals of the counter 67 properly through Port0 (P1.0, P1.1), and set the counter (67). ) Is enabled to forcibly control the output of the second decoder 69 to a desired state to change the phase switch state of the inverter 80.
한편, 80196KB(50)는 HSI핀으로 엔코더의 FW, BW상을 입력받는다. 80196KB(50)는 엔코더의 FW, BW상의 위상을 검출하여 내부 프로그램(θestimation)에 의해 전동기가 정회전하고 있는지 역회전하고 있는지를 판정하고, 속도는 80196KB(50)의 타이머2(T2CLK, T2UPDN)를 이용하여 기존의 엔코터에 의한 속도 계산법인 M/T기법에 의해 계산한다.On the other hand, 80196KB (50) receives the FW, BW phase of the encoder to the HSI pin. 80196KB (50) detects the phases of the encoder's FW and BW to determine whether the motor is rotating forward or reverse by internal program (θestimation), and the speed is 80196KB (50) Timer2 (T2CLK, T2UPDN). It calculates by M / T method which is a speed calculation method by the existing encoder.
이상 본 발명에서 제안한 SRM 구동용 엔코더장치와 SRM 제어기에 대한 설명을 마치고 다음으로, 본 발명에서 제안한 SRM 구동용 엔코더장치와 SRM 제어기를 사용하여 행한 SRM 구동실험의 결과를 도면을 참조하여 설명한다.After the description of the SRM driving encoder device and the SRM controller proposed in the present invention, the results of the SRM driving experiment performed using the SRM driving encoder device and the SRM controller proposed in the present invention will be described with reference to the drawings.
SRM이 시계방향으로 회전하고 있을 때를 정회전, 반시계방향으로 회전하고 있을 때를 역회전이라 하면, 도11(a)는 SRM이 6000rpm으로 정회전하고 있을 때, 엔코더의 FW 및 BW에 대한 포토커플러의 출력신호(1, 3)와 이 신호를 비교기를 통과시킨 후의 신호(2, 4)를 나타내고 있다. 상기 비교기는 도면에는 도시하지 않은 비교기로 포토커플러의 출력신호의 파형을 개선하기 위하여 보통 엔코더의 내부에 포토커플러와 함께 내장하는 비교기이다. 일반적으로 포토커플러의 출력신호의 파형을 개선하기 위하여 비교기를 이용하므로 상기 비교기에 대한 설명은 생략하기로 한다.When the SRM rotates clockwise in the forward direction and the counterclockwise rotation in the reverse direction, Fig. 11 (a) shows the photos of the encoder's FW and BW when the SRM rotates forward at 6000 rpm. The output signals 1 and 3 of the coupler and the signals 2 and 4 after passing this signal through the comparator are shown. The comparator is a comparator that is not shown in the drawing, and is a comparator built in the encoder together with a photo coupler in order to improve the waveform of the output signal of the photo coupler. In general, since the comparator is used to improve the waveform of the output signal of the photocoupler, the description of the comparator will be omitted.
이때 비교기의 FW 및 BW 출력신호(2,4)의 위상각 차이에 의해 전동기의 정/역회전을 판단하고, FW 또는 BW의 각 펄스의 상승에지마다 각 상에 순차적으로 게이트신호를 인가한다. 도11(a)에 도시된 바와 같이 포토커플러의 출력신호(1, 3)와 비교기의 출력신호(2, 4) 사이에는 어느 정도 위상지연이 발생하게 된다. 그러나, 이 위상지연은 시간에 대한 위상지연이 아니고 위치에 대한 위상지연이 된다. 따라서 이 위상지연각은 전동기의 속도에 관계없이 항상 일정하므로 이 각도만큼 포토커플러의 위치를 보상해주면 원하는 정확한 위치각에서 스위칭시킬 수 있다.At this time, the forward / reverse rotation of the motor is determined based on the phase angle difference between the FW and BW output signals 2 and 4 of the comparator, and the gate signal is sequentially applied to each phase for each rising edge of each pulse of the FW or BW. As shown in Fig. 11A, a phase delay occurs to some extent between the output signals 1 and 3 of the photocoupler and the output signals 2 and 4 of the comparator. However, this phase delay is not a phase delay over time but a phase delay over a position. Therefore, this phase delay angle is always constant regardless of the speed of the motor, so if the position of the photocoupler is compensated by this angle, it can be switched at the desired position.
전동기 각 상의 게이트신호(1~4)가 도11(b)에 나타나 있으며, B∼D상 신호(2, 3, 4)는 A상의 신호(1)를 15°씩 시프트시켰다. 도11(c)는 A상의 게이트신호(1)와 전류(2)를 나타내고 있다. 도11(c)에 도시된 바와 같이 고속에서도 일정한 회전자 위치각에서 상 스위치를 ON·OFF시킬 수 있으므로 상전류(2)는 거의 동일한 형태를 가지며, 매우 안정되게 속도 및 토오크를 제어할 수 있음을 보이고 있다. 정확하고 안정된 상 스위치의 ON, OFF는 정상상태에서 시스템의 안정도에 큰 도움이 된다.The gate signals 1 to 4 of each motor phase are shown in Fig. 11B, and the B to D phase signals 2, 3 and 4 shift the A phase signal 1 by 15 degrees. Fig. 11C shows the gate signal 1 and current 2 on the A phase. As shown in Fig. 11 (c), since the phase switch can be turned on and off at a constant rotor position angle even at a high speed, the phase current 2 has almost the same shape, and it is possible to control the speed and torque very stably. It is showing. Accurate and stable phase switch ON and OFF are very helpful for the system stability under normal conditions.
도12는 SRM이 1800[rpm]으로 정회전하고 있을 때의 실험 결과 파형이다. 도12(a)는 정회전시 엔코더의 FW 출력신호(1)와 A∼C상 신호(2~4)를 나타내고 있으며, 도12(b)는 BW(1) 및 FW신호(2)와 FW 신호로부터 얻은 A상 신호(3) 및 그때의 A상 전류(4)를 나타내고 있다. 또한 도12(c)는 그때의 A∼D상 전류(1~4)를 나타내고 있다. 도12(c)에 도시된 바와 같이 일정한 회전자 위치각에서 상 스위치를 ON·OFF함으로써 모든 상전류(1~4)는 매 주기마다 항상 동일한 형태를 가지고 있음을 알 수 있다.12 is an experimental result waveform when the SRM rotates forward at 1800 [rpm]. Fig. 12 (a) shows the FW output signal 1 and the A to C phase signals 2 to 4 of the encoder at the forward rotation. Fig. 12 (b) shows the BW (1) and FW signals (2) and FW signals. The A-phase signal 3 obtained from the above and the A-phase current 4 at that time are shown. 12 (c) shows currents A to D of the currents 1 to 4 at that time. As shown in Fig. 12 (c), it can be seen that all phase currents 1 to 4 always have the same shape every cycle by turning the phase switch ON and OFF at a constant rotor position angle.
도13은 SRM이 1800 rpm으로 정회전하고 있을 때 기존의 마이크로프로세서 방식과 제안된 방식에서 상 스위칭 안정도를 비교하기 위한 실험 결과 파형이다. 도13(a)는 도2와 같이 마이크로프로세서를 이용한 기존의 스위칭방식으로 상스위치의 ON, OFF각 제어정도가 떨어져서 상전류 파형이 일정한 형태가 되지 못한다. 이 결과 상 토크에도 상당한 맥동이 있을 것으로 사료된다. 한편, 제안된 상스위칭 방식인 도13(b)에서는 ON, OFF각이 항상 일정한 위치에서 제어되어 상전류 파형은 일정한 형태를 유지하고 있다. 한편 여기서 반드시 언급해야 할 것은 전동기의 속도가 6,000 rpm인 경우이다. 이 속도에서 제안된 방식에 의한 구동실험 결과는 이미 도11에서 전류파형으로 나타내고 있지만, 기존의 마이크로프로세서에 의한 방식의 경우는 구동이 매우 불안정하여 실험결과를 얻을 수 없었음을 밝혀두는 바이다.FIG. 13 is an experimental result waveform for comparing phase switching stability in the conventional microprocessor method and the proposed method when the SRM rotates forward at 1800 rpm. 13 (a) is a conventional switching method using a microprocessor as shown in FIG. 2, the degree of control of the ON and OFF angles of the phase switch is reduced so that the phase current waveform cannot be uniform. As a result, it is considered that there is considerable pulsation in phase torque. On the other hand, in Fig. 13 (b) which is the proposed phase switching method, the ON and OFF angles are always controlled at a constant position, so that the phase current waveform is maintained in a constant shape. On the other hand, it must be mentioned here that the speed of the motor is 6,000 rpm. The driving test results by the proposed method at this speed are already shown as current waveforms in FIG. 11, but the driving results are very unstable in the case of the conventional microprocessor method, and thus the experimental results could not be obtained.
도14는 제안된 방식의 기동특성을 조사하기 위해 속도지령치를 1800 rpm으로 설정한 상태에서 가변전압 방식에 의해 기동시킨 경우의 속도(4) 및 상전류파형(3)을 나타내고 있다. 도14에 도시된 바와 같이 기동 후 약 90 ms 후에 정상상태가 됨을 알 수 있다.Fig. 14 shows the speed 4 and the phase current waveform 3 when starting by the variable voltage method in a state where the speed command value is set to 1800 rpm to investigate the starting characteristic of the proposed method. As shown in Fig. 14, it can be seen that the steady state is about 90 ms after starting.
도15는 정격속도이하에서 전류제어방식에 의해 전동기의 속도와 토크를 제어할 수 있음을 실험으로써 나타낸 것이다. 도15(a) 및 도15(b)는 부하토크가 각각 1 Nm 및 2 Nm인 경우의 각 상전류 파형을 나타낸 것으로, 부하가 변동하더라도 일정한 속도가 됨을 알 수 있으며, 역시 같은 방법에 의해 가변속운전도 가능함을 알 수 있다.Fig. 15 shows by experiment that the speed and torque of the motor can be controlled by the current control method under the rated speed. 15 (a) and 15 (b) show the respective phase current waveforms when the load torques are 1 Nm and 2 Nm, respectively, and it can be seen that the speed becomes constant even if the load changes. It can also be seen that.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 SRM 구동에 적합한 저가형의 엔코더를 제안하였고, 제안된 엔코더의 출력신호를 디코더와 카운터 등을 이용한 디지털 논리회로에 의해 SRM 구동용 인버터의 상 스위치 게이트신호로 가공하는 SRM 구동용 엔코더장치를 제안하였다. 제안된 SRM 구동용 엔코더장치를 이용하여 SRM 제어기를 설계하면 스위치 ON, OFF각 지연이 SRM의 운전속도와 관계없이 항상 일정하므로 이를 적절히 보상시켜주면 항상 정확한 위치에서 ON·OFF스위칭을 행할 수 있어 광범위한 속도영역에서 안정된 운전이 가능할 뿐만 아니라, 정·역운전도 가능하다는 이점이 발생한다.As described above, in the present invention, a low-cost encoder suitable for SRM driving is proposed, and an SRM driving process for outputting the output signal of the proposed encoder into a phase switch gate signal of an SRM driving inverter by a digital logic circuit using a decoder and a counter, etc. We proposed an encoder device. When the SRM controller is designed using the proposed SRM drive encoder device, the switch ON and OFF angle delays are always constant regardless of the operation speed of the SRM. Therefore, if the compensation is properly compensated, the ON / OFF switching can always be performed at the correct position. The advantage is that not only stable operation is possible in the speed range, but also forward and reverse operation are possible.
또한, SRM 제어기에 고속의 마이크로프로세서가 필요없으며, 저가형의 엔코더를 이용하므로 SRM 구동시스템의 안정화·저가화를 실현할 수 있다는 이점이 발생한다. 따라서, SRM의 실용화 가능성이 한층 제고된다.In addition, the SRM controller does not require a high-speed microprocessor, and since the low-cost encoder is used, there is an advantage that stabilization and low cost of the SRM drive system can be realized. Therefore, the possibility of practical use of SRM is further enhanced.
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