KR100967665B1 - Motor speed control system and speed control method in low speed area - Google Patents
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Abstract
저속 영역에서의 전동기 속도 제어 시스템 및 속도 제어 방법을 제공한다. 전동기 속도 제어 시스템은 전동기의 저속 영역에서의 속도 제어 루프 내의 시간 지연 및 속도 제어기의 대역폭을 측정하는 측정부와, 전동기의 속도에 따른 폐루프 극점을 설정하고, 폐루프 극점에서의 위상을 선정하는 위상 선정부 및 폐루프 극점의 위치 변화 및 위상 조건을 고려한 폐루프 극점의 보상을 위한 속도 제어기의 PID 이득이 선정되었는지 여부를 판단하고, 속도 제어기의 PID 이득이 선정되어 있을 경우, 속도 제어기의 PID 이득을 통해 전동기의 속도 변동에 따라 속도 제어기의 이득 조정을 수행하는 제어부를 포함한다.A motor speed control system and a speed control method in a low speed region are provided. The motor speed control system includes a measuring unit that measures the time delay in the speed control loop and the bandwidth of the speed controller in the low speed region of the motor, sets a closed loop pole according to the speed of the motor, and selects a phase at the closed loop pole. Determines whether the PID gain of the speed controller is selected for the compensation of the closed loop pole considering the position change and phase condition of the phase selection unit and the closed loop pole, and if the PID gain of the speed controller is selected, the PID of the speed controller It includes a control unit for adjusting the gain of the speed controller according to the speed change of the motor through the gain.
속도 제어기, PID 이득, 전동기 Speed controller, PID gain, electric motor
Description
본 발명은 저속 영역에서의 전동기 속도 제어 시스템 및 속도 제어 방법에 관한 것으로, 저속 영역 운전에 따른 측정 시간 지연을 고려하여 선정한 PID 이득을 통해, 저속 영역 운전에서의 속도 제어 성능을 향상시키는 저속 영역에서의 전동기 속도 제어 시스템 및 속도 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a motor speed control system and a speed control method in a low speed region, and through a PID gain selected in consideration of a measurement time delay according to the low speed region operation, in a low speed region to improve the speed control performance in the low speed region operation. The present invention relates to an electric motor speed control system and a speed control method.
산업용 전동기 구동 응용 분야에서는 전 운전영역에서 위치 추종에 대한 높은 정밀도와 빠른 응답 특성이 절대적으로 요구된다. 이와 같은 위치 추종에 대한 속응성과 정밀도의 문제는 속도 제어기의 특성과 연관지어 고려해야만 한다. 대부분의 산업용 전동기 구동 시스템은 PI(Proportional and Integral) 형태의 전류 혹은 토크 제어기를 최하위에 배치시키고, 다음에 P(Proportional) 혹은 PI 형태의 속도 제어기, 최상위 제어기로 P 형태의 위치 제어기가 사용되는 직렬 제어 구조이다. 즉, 이러한 구조에서 위치 제어의 특성은 속도 제어기의 속응성과 정밀도에 의존하는데, 결국 위치 제어의 응답성은 속도 제어 루프의 최대 주파수 대역 선정에 의해서 결정된다. 이러한 속도 제어기의 최대 주파수 대역은 가변 샘플링 방식에 의한 속도 검출 시간 및 내부 전류 제어 루프와의 간섭(interaction)에 의해서 제한되나, 일반적으로 이를 고려한 정확한 선정 방법은 알려져 있지 않다. 따라서 산업현장에서 전동기 구동 장치의 초기 설치 시에는 기계마다 실험에 의한 시행착오적인 방법으로 속도 제어기의 최대 주파수 대역을 설정하기 위해 많은 시간을 낭비하게 된다.In industrial motor drive applications, high precision and fast response to position tracking in all operating areas are absolutely required. This problem of speed response and precision for position tracking must be considered in connection with the characteristics of the speed controller. Most industrial electric motor drive systems have a current or torque controller in the form of a PI (Proportional and Integral) at the bottom, followed by a speed controller in the form of P (Proportional) or PI, followed by a P-position position controller as the highest controller. Control structure. That is, the characteristics of the position control in such a structure depend on the speed response and the precision of the speed controller. Consequently, the response of the position control is determined by the selection of the maximum frequency band of the speed control loop. The maximum frequency band of such a speed controller is limited by the speed detection time by the variable sampling method and the interaction with the internal current control loop, but in general, the exact selection method considering this is not known. Therefore, during the initial installation of the motor drive device in the industrial field, a lot of time is wasted to set the maximum frequency band of the speed controller in a trial and error method by experiment for each machine.
도 1은 종래 가변 샘플링 방식을 이용한 전동기 구동 시스템을 도시한다.1 illustrates a motor driving system using a conventional variable sampling method.
속도 검출을 위한 가변 샘플링 방식(M/T 방식)으로 구성된 도 1의 블록도에 있어서, 전동기 구동 시스템(10)은 속도 제어기(12), 전류 제어기(14), (SVPWM) 인버터(16), 전동기 축에 설치된 엔코더(20), 및 가변 샘플링 방식으로 속도를 계산하는 M/T 계산기(22)로 구성될 수 있다. In the block diagram of FIG. 1 composed of a variable sampling method (M / T method) for speed detection, the
속도 제어기(12)는 폐루프 제어기를 이용하여 전동기(18)의 지령 속도에 대한 실제 속도를 검출하여 최종적으로 전동기(18)의 속도 제어를 수행한다. 그리고, 전류 제어기(14)는 속도 제어기(12)의 출력인 전류 지령에 따라 전동기(18)의 출력 전류를 피드백 받아 전류 제어를 수행한다. 또한, 인버터(16)(예를 들어, PWM 인버터)는 직류 전압원의 입력 전원으로부터 출력 전압의 크기 및 주파수를 동시에 제어하여 복소수 공간에서 공간 벡터로 표현된 3상 지령 전압을 변조한다. 또한, 전동기(18)는 제어 대상에 해당되며, 엔코더(20)는 전동기(18) 속도 측정을 위한 장치로 회전각의 증가분을 측정하며, 일반적으로 증분형 엔코더(Incremental Encoder)가 사용된다. 측정 시간(Ts)은 주어진 샘플링 시간(Tc) 이후에 처음으로 발생되는 엔코더 펄스에 동기(Synchronize)되고, M/T 계산기(22)는 이를 통해 속도 계산을 수행한다.The
도 2는 전동기의 운전 속도 영역에 따른 가변 샘플링 방식의 출력 특성을 나타내는 개념도이다. 도 3은 전동기의 저속 영역 운전에 따른 가변 샘플링 방식의 출력 특성을 나타내는 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating output characteristics of a variable sampling method according to an operating speed range of an electric motor. 3 is a conceptual diagram illustrating output characteristics of a variable sampling method according to a low speed region operation of an electric motor.
도 2에 도시된 바와 같이, 가변 샘플링 방식은 일반적인 속도 영역에서 좋은 특성을 갖지만, 주어진 샘플링 시간(Tc) 동안에 하나의 엔코더 펄스도 들어오지 않는 영역에서는 다음 엔코더 펄스가 들어올 때까지 속도 계산을 하지 않고 대기하게 된다. 따라서, 속도 제어 루프 내에 Ts - Tc 만큼의 지연 시간(Td)이 발생하게 되고, 그 값은 속도에 반비례한다.As shown in Fig. 2, the variable sampling scheme has good characteristics in the general speed range, but does not calculate the speed until the next encoder pulse arrives in the region in which no encoder pulse is input for a given sampling time Tc. Done. Therefore, a delay time Td by Ts-Tc occurs in the speed control loop, and its value is inversely proportional to the speed.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 저속 영역 운전시 지연 시간(Td)이 증가하는 것을 알 수 있다. 속도 제어 루프 내에서 지연 시간은 속도에 반비례하며, 이로 인해 속도 제어기의 주파수 대역폭을 제한하게 된다. Here, as shown in FIG. 3, it can be seen that the delay time Td increases during the low speed region operation. Within the speed control loop, the delay time is inversely proportional to speed, which limits the frequency bandwidth of the speed controller.
상기된 바와 같이, 가변 샘플링 방식에 의한 문제점으로 인해 저속 영역 운전시 속도 제어기의 주파수 대역폭이 변동하게 되고, 이를 속도 제어기 설계에 반영하지 못할 경우 전동기의 저속 영역 운전 성능에 악영향을 미칠 수 있다.As described above, due to the problem caused by the variable sampling method, the frequency bandwidth of the speed controller during the low speed region operation is changed, and if it is not reflected in the speed controller design, it may adversely affect the low speed region operation performance of the motor.
따라서, 전동기의 저속 영역 운전시 수반되는 속도 측정 시간 지연 및 주파수 대역폭의 변화를 반영하여, 기존의 전동기 구동 시스템의 성능을 향상시킬 필요성이 제기된다.Accordingly, there is a need to improve the performance of the conventional motor drive system by reflecting the change of the speed measurement time delay and the frequency bandwidth that are involved in the low speed region operation of the motor.
본 발명은 전동기 속도 제어 시스템 및 속도 제어 방법을 제공하여, 저속 영역 운전에 따른 측정 시간 지연을 고려하여 선정한 PID 이득을 통해, 저속 영역 운전에서의 속도 제어 성능을 향상 시키는 데에 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a motor speed control system and a speed control method to improve speed control performance in low speed region operation through a PID gain selected in consideration of a measurement time delay caused by low speed region operation.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 전동기 속도 제어 시스템은 전동기의 저속 영역에서의 속도 제어 루프 내의 시간 지연 및 속도 제어기의 대역폭을 측정하는 측정부와, 전동기의 속도에 따른 폐루프 극점을 설정하고, 폐루프 극점에서의 위상을 선정하는 위상 선정부 및 폐루프 극점의 위치 변화 및 위상 조건을 고려한 폐루프 극점의 보상을 위한 속도 제어기의 PID 이득이 선정되었는지 여부를 판단하고, 속도 제어기의 PID 이득이 선정되어 있을 경우, 속도 제어기의 PID 이득을 통해 전동기의 속도 변동에 따라 속도 제어기의 이득 조정을 수행하는 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, the motor speed control system according to an embodiment of the present invention, the measurement unit for measuring the time delay and the bandwidth of the speed controller in the speed control loop in the low speed region of the motor, and the closed loop according to the speed of the motor Determines whether the PID gain of the speed controller is selected to set the pole, and to determine the phase in the closed loop pole and the compensation of the closed loop pole in consideration of the position change and phase condition of the closed loop pole, If the PID gain of the controller is selected, and includes a control unit for adjusting the gain of the speed controller according to the speed change of the motor through the PID gain of the speed controller.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전동기 속도 제어 방법은 전동기의 저속 영역에서의 속도 제어 루프 내의 시간 지연 및 속도 제어기의 대역폭을 측정하는 (a) 단계와, 전동기의 속도에 따른 폐루프 극점을 설정하고, 폐루프 극점에서의 위상을 선정하는 (b) 단계와, 폐루프 극점의 위치 변화 및 위상 조건을 고려한 폐루프 극점의 보상을 위한 속도 제어기의 PID 이득이 선정되었는지 여부를 판단하는 (c) 단계 및 속도 제어기의 PID 이득이 선정되어 있을 경우, 속도 제어기의 PID 이득을 통해 전동기의 속도 변동에 따라 속도 제어기의 이득 조정을 수행하는 (d) 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of controlling a speed of a motor, the method comprising the steps of (a) measuring a time delay and a bandwidth of a speed controller in a speed control loop in a low speed region of the motor, and setting a closed loop pole according to the speed of the motor. (B) selecting a phase at the closed loop pole, and (c) determining whether the PID gain of the speed controller is selected for the compensation of the closed loop pole in consideration of the positional change and the phase condition of the closed loop pole. And (d) if the PID gain of the speed controller is selected, adjusting the gain of the speed controller according to the speed change of the motor through the PID gain of the speed controller.
본 발명의 전동기 속도 제어 시스템 및 속도 제어 방법에 따르면 다음과 같은 장점이 있다.According to the motor speed control system and the speed control method of the present invention has the following advantages.
첫째, 전동기의 저속 영역 운전시 수반되는 속도 측정 시간 지연 및 주파수 대역폭의 변화를 반영하여, 기존의 전동기 구동 시스템의 성능을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다. First, there is an advantage that can improve the performance of the conventional motor drive system by reflecting the speed measurement time delay and the change in the frequency bandwidth accompanying the low speed region operation of the motor.
둘째, 저속 영역 운전시 속도에 따른 속도 제어기의 PID 이득을 적용하여 속도 지령의 변동에 따른 빠른 동특성(선정 최대 주파수 대역)을 얻을 수 있는 장점도 있다.Second, there is an advantage that the fast dynamic characteristics (selected maximum frequency band) according to the speed command change can be obtained by applying the PID gain of the speed controller according to the speed during the low speed region operation.
셋째, 속도 제어기의 대역폭을 고려한 PID 이득을 적용하여 외란 토크에 대하여 강인성을 유지함으로써 기존의 전동기 구동 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 장점도 있다.Third, there is an advantage that can improve the performance of the conventional motor drive system by maintaining the robustness against disturbance torque by applying the PID gain considering the bandwidth of the speed controller.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and the general knowledge in the art to which the present invention belongs. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.
전류 제어기와 전동기가 결합된 시스템의 전달 함수를 통해 해당 전달 함수의 극점과 영점을 얻을 수 있다. 여기서, 극점과 영점은 전달 함수의 분모가 0(zero)가 되는 근을 말하며 영점은 분자가 0이 되는 근을 의미한다. 이런 시스템을 속도 제어기를 통해 제어하게 될 경우, 속도 제어기의 이득에 의해 시스템이 영향을 받게 된다. 이를 위해 속도 제어기 이득을 선정하기 위한 방법으로 각 전달 함수의 극점과 영점을 계산한 후, 각 점에 해당하는 위상을 계산하여 계산된 위상이 안정된 조건을 만족하도록 보상할 각도를 속도 제어기 이득에서 맞추어 주게 된다. 이를 위해 위상 조건이 필요하고, 계산된 위상 조건을 통해 얻은 값으로 방정식을 도출하고 이로부터 각각의 속도 제어기 이득을 얻을 수 있는 다항식을 얻어 해당 미지수인 이득을 결정하게 된다. 이하, 보다 구체적으로 설명하기로 한다.The pole function and zero point of the transfer function can be obtained from the transfer function of the system in which the current controller and the motor are combined. Here, the pole and the zero refer to the root of which the denominator of the transfer function becomes zero, and the zero refers to the root of which the numerator becomes zero. When such a system is controlled through a speed controller, the system is affected by the gain of the speed controller. To do this, calculate the poles and zeros of each transfer function as a method for selecting the speed controller gains, and then calculate the phases corresponding to each point and adjust the angles to compensate for the calculated phases to satisfy the stable conditions. Is given. To do this, a phase condition is required, and the value obtained from the calculated phase condition is derived to determine the gain of the corresponding unknown by obtaining a polynomial from which the speed controller gain can be obtained. It will be described in more detail below.
도 4는 산업 표준형 속도 제어 구조의 블록도를 도시한다.4 shows a block diagram of an industry standard speed control structure.
도 4에 도시된 바와 같이, 속도 제어기 C(S)(12)는 토크분 전류 지령 i * q (s)을 생성한다. 그리고, 대역폭 ω c 에 해당하는 전류 제어기(14) PI 이득 K p 와 K i 에 의해 전동기 토크분 전류 i q (s)가 제어된다. 도 4에 있어서, , 및 은 각각 전동기 속도 지령, 실제 속도, 토크 상수, 관성 및 마찰 계수를 나타낸다. 또한, 및 는 전동기 고정자 저항과 인덕턴스 및 전류제어 루프의 지연 시간이다. 는 평균 속도 검출에 의한 속도 검출 지 연과 속도 제어 루프 계산에 의한 지연 시간을 의미한다.As shown in Fig. 4, the speed controller C (S) 12 generates the torque component current command i * q (s) . Then, the motor torque component current i q (s) is controlled by the
도 4의 전류 제어기(14) 내의 전류 제어 루프의 지연 시간(τ c )을 무시하고, 전류 제어기(14)의 이득을 로 설정하면 전류 제어기(14)의 개루프 전달함수()는 수식 1과 같이 정의될 수 있다. Ignoring the delay time τ c of the current control loop in the
[수식 1][Equation 1]
수식 1에 있어서, 는 전류 제어기(14)의 대역폭을 나타내며, 앞서 기술된 수식 1의 개루프 전달함수를 전류 지령과 실제 전류 사이의 폐루프 전달 함수()로 나타내면 수식 2와 같이 정의할 수 있다.In
[수식 2][Equation 2]
수식 1과 수식 2를 통해, 전동기의 고정자 저항()와 인덕턴스() 및 대역폭()에 의해 전류 제어기(14)의 비례 이득과 적분 이득을 결정하면, 오버슈 트(Overshoot) 없는 전류 제어기(14)를 설계할 수 있다.Through
이하, 수식 3은 평균 속도 검출에 의한 속도 검출 지연과 속도 제어 루프 계산에 의한 지연(τ s )을 무시한 상태에서, 도 4에 도시된 속도 제어기(12)의 개루프 전달 함수()를 정의한 것이다. Hereinafter,
[수식 3][Equation 3]
수식 3에 있어서, 는 전류 제어기(14)의 대역폭, , 및 은 토크 상수, 관성 및 마찰 계수를 나타내며, 속도 제어 구조는 수식 3과 같이 간략한 전달함수로 정의할 수 있다.In
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Z-영역으로 변환한 후의 속도 제어 구조의 블록도로, 속도 제어기(12)의 샘플링 주기에 따라 속도의 검출과 속도 제어기(12)의 출력인 전류 지령(i * q (s))이 발생함을 알 수 있다.5 is a block diagram of a speed control structure after the conversion to the Z-region according to an embodiment of the present invention. It can be seen that i * q (s) ) occurs.
이어서 설명하면, Z-영역에서의 전류 제어기(14)와 전동기의 개루프 전달함수는 바람직하게는 이하 수식 4와 같이 정의될 수 있다. 참고로, Z-변환은 선형 이산 시스템의 해석에 쓰이는 수학적인 도구이다.In the following description, the open loop transfer function of the
[수식 4][Equation 4]
상기 수식 4에 있어서, 변수 , 는 , 로 전류 제어기(14)의 대역폭()과 전동기의 토크 상수() 및 관성()으로 정의될 수 있으며, 는 속도 제어기(12)의 샘플링 주기로 정의될 수 있다. 수식 4에 나타난 바와 같이, 저속 영역에서 가변 샘플링 방식을 사용할 경우, 속도에 따라 속도 제어기(14)의 샘플링 주기(T)가 변한다는 것을 알 수 있다.In
도 5에 도시된 속도 제어기(12)의 전달 함수()는 수식 5와 같으며, 수식 5를 Z-영역으로 변환한 속도 제어기(12)의 이득은 수식 6과 같이 정의될 수 있다.Transfer function of the
[수식 5][Equation 5]
[수식 6][Equation 6]
상기 수식 6에 있어서, , 및 는 각각 속도 제어기(12)의 비례 이득, 적분 이득 및 미분 이득을 나타낸다.In the
수식 6의 속도 제어기(12)의 비례 이득, 적분 이득 및 미분 이득을 통해 Z-변환에서의 안정도(Stability)를 만족하는 이득을 설계할 수 있다. The proportional gain, the integral gain and the derivative gain of the
상기 수식 5에 기술된 바와 같이, 속도 제어기(12)는 PID로 구성된 속도 제어기(12)의 전달 함수로 상기 , , 를 통해 전동기의 속도 제어를 수행하며 전류 지령을 출력한다.As described in
그리고, Z.O.H(Zero Order Hold; 제로-오더홀딩장치)의 전달함수(52)는 디지털 시스템에서 연속적으로 변하는 신호를 샘플된 이산 신호로 샘플링 주기 동안 유지한다.The
또한, 전류 제어기/전동기의 개루프 전달함수(54)는 전류 제어기(14)의 내부 시간 지연을 무시하고, 속도 제어기(12)의 내부 시간 지연은 샘플링 주기에 반영한다. 여기서, 마찰 계수는 매우 작다고 가정한다.In addition, the open
한편, Z-영역에서의 폐루프 극점의 위치를 계산하면, 바람직하게는 수식 7과 같이 정의될 수 있다.Meanwhile, when the position of the closed loop pole in the Z-region is calculated, it may be preferably defined as in
[수식 7][Formula 7]
상기 수식 7에 있어서, 과 는 (), ()로 표현할 수 있으며, 여기서 은 고유 진동수, 은 감쇠비를 의미하며, 매우 작은 감쇠의 경우 시스템 응답은 요동하고, 대단히 큰 감쇠의 경우 응답은 요동이 없다. 또한 , 는 각각 속도 제어기의 샘플링 주기 및 주파수 대역폭을 나타낸다.In the
그리고, 상기 수식 7을 통해 주파수 대역폭과 감쇠비와의 관계는 바람직하게는 수식 8과 같이 정의될 수 있다.In addition, the relationship between the frequency bandwidth and the attenuation ratio may be defined as
[수식 8][Equation 8]
상기 수식 8에 있어서, ω BW , T는 각각 속도 제어기(12)의 대역폭, 속도 제어기의 샘플링 주기를 의미한다.In
수식 8을 통해 속도 제어기(12)의 대역폭(ω BW )과 연관된 속도 제어 구조의 감쇠비를 결정할 수 있으며, 운전 속도에 따른 속도 제어기의 대역폭과 감쇠비 및 계산된 폐루프 극점은 도 6과 같이 나타낼 수 있다.
한편, 상기 수식 7에서 계산된 폐루프 극점(closed-loop pole)을 통해 위상 조건을 고려한 폐루프 극점에서의 각 극점과 영점의 위상을 측정하여 안정도 조건을 만족하기 위한 속도 제어기(12)의 PID 이득이 선정되었는지를 판단하고, 속도 제어기(12)의 이득 선정을 통해 이를 보상해야 한다. 이로 인해 상기 수식 4의 극점 및 영점의 위상과 상기 수식 6의 극점과 영점의 위상을 계산하여 최종적인 속도 제어기(12)의 PID 이득을 통해 보상되어야할 위상을 고려한 다항식은 수식 9와 수식 10으로 정의될 수 있다.Meanwhile, the PID of the
[수식 9][Equation 9]
[수식 10][Equation 10]
여기서, 수식 6의 속도 제어기(12)의 이득을 선정하기 위해서는 안정도 경계 조건인 Z-영역에서의 단위원 인 관계를 만족하는 이득을 선정하여야 안정된 제어기를 설계할 수 있기 때문에 위의 조건을 적용하여 안정된 제어기 이득 선정을 위한 실시예는 수식 11과 같이 정의 될 수 있다.Here, in order to select the gain of the
[수식 11][Equation 11]
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 속도에 따른 폐루프 극점 및 속도 제어기 대역폭을 나타낸다.6 shows a closed loop pole and speed controller bandwidth according to speed in accordance with an embodiment of the present invention.
예를 들어, 전동기의 기계각 1회전당 3600 펄스를 기준으로 하였을 경우, 소정 전동기 속도(61)에서 측정된 시간 지연에 따른 속도 제어기의 대역폭 (62)과 감쇠비(63), 와 의 비(64) 및 Z-변환하였을 때의 폐루프 극점(65)을 나타낸다. 여기서, 수식 7과 수식 8이 사용될 수 있으며, 수식 7을 통해 폐루프 극점(65)을 구할 수 있고, 수식 8을 통해 속도 제어기의 대역폭(62)과 감쇠비(63)가 산출될 수 있다. 그리고, 속도가 낮아질수록 속도 측정 지연 시간 증가에 의해 속도 제어기의 샘플링 주기(T)가 변화하며 이로 인해 속도 제어기(12)의 주파수 대역폭이 감소하고 있음을 알 수 있다.For example, based on 3600 pulses per machine rotation of the motor, the
또한, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 저속 영역에서의 속도에 따라 수식 9 내지 수식 11을 적용하여 계산된 최종적인 속도 제어기의 PID 이득을 나타낸다.7 shows the PID gain of the final speed controller calculated by applying
보다 구체적으로 상술하면, 도 7은 상기 도 6에서 정리된 Z-변환된 폐루프 극점을 속도 제어기(12)의 PID 제어기를 이용하여 보상할 경우, 각 폐루프 극점을 보상하기 위해 계산된 속도 제어기의 PID 이득(72)을 나타낸 것이다.More specifically, FIG. 7 is a speed controller calculated to compensate each closed loop pole when the Z-converted closed loop pole summarized in FIG. 6 is compensated using the PID controller of the
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 M/T 속도 측정 시간 지연을 고려한 속도 제어 방법의 순서도이다. 또한, 도 9는 도 8의 각 단계들을 수행하기 위한 전동기 속도 제어 시스템(100)이다.8 is a flowchart illustrating a speed control method considering a M / T speed measurement time delay according to an embodiment of the present invention. 9 is a motor
측정부(110)는 전동기의 저속 영역에서의 속도 제어 루프 내의 시간 지연 및 속도 제어기(12)의 대역폭을 측정한다(S61). 이때, 측정부(110)는 일정 주파수 성 분을 포함한 속도 지령을 인가한 후 출력된 실제 속도의 위상 지연(phase delay)를 측정하여 위상 지연이 -45도 일때의 주파수를 측정할 수 있다.The measuring unit 110 measures the time delay and the bandwidth of the
다음으로, 위상 선정부(120)는 전동기의 속도에 따른 Z-영역에서의 폐루프 극점을 설정한다(S62). 여기서, 상기 수식 7과 수식 8이 이용될 수 있으며, 위상 선정부(120)는 폐루프 극점에서의 위상을 계산하고, 속도 제어기(12)의 PID 제어기(미도시)에서 보상해야 할 위상을 선정하게 된다.Next, the
다음으로, 제어부(130)는 Z-영역에서의 폐루프 극점의 위치 변화 및 위상 조건(phase condition)을 고려하여 시스템이 Z-영역에서 안정하기 위한 조건을 만족하기 위해 속도 제어기(12)의 PID 이득을 선정함으로써 안정 조건에 해당하는 위상을 보상하기 위한 속도 제어기(12)의 PID 이득이 선정되었는지 여부를 판단한다(S63). 여기서, 상기 수식 9 내지 수식 11이 적용될 수 있으며, 제어부(130)는 위상 조건과 폐루프 극점일때의 크기가 1이 되어야할 안정도 조건을 만족하는 최종적인 이득을 선정하게 된다.Next, the
여기서, 제어부(130)는 속도 제어기의 PID 이득이 선정되어 있을 경우, 도 7의 시간 지연과 속도에 따른 PID 이득 관계를 통해 속도 변동에 따라 자동적으로 속도 제어기(12)의 이득 조정을 수행한다(S64). 보다 구체적으로, 제어부(130)는 시간 지연에 따른 속도 제어기의 이득(PID)이 변하는 것을 함수화 하여, 속도 변동에 따른 속도 제어기(12)의 이득 변경이 자동으로 변경되도록 한다. 이후, 속도 제어기는 상기 속도 제어기의 전달함수로 비례 이득, 적분 이득 및 미분 이득을 통해 상기 전동기의 속도 제어를 수행하고, 전류 지령을 출력하게 된다. Here, when the PID gain of the speed controller is selected, the
따라서, 전동기 구동 시스템을 나타내는 도 10에 있어서, 도 9의 과정을 통해 시간 지연에 따른 속도 제어기의 이득(PID) 변경이 함수화되어, 속도 변동에 따른 속도 제어기의 이득 변경이 자동으로 변경되므로, 저속 영역 운전에서의 속도 제어 성능이 향상되게 된다.Therefore, in FIG. 10 showing the electric motor drive system, the gain (PID) change of the speed controller according to the time delay is functionalized through the process of FIG. 9, so that the gain change of the speed controller according to the speed change is automatically changed. Speed control performance in area operation is improved.
상기 도 9에서 도시된 각각의 구성요소는 일종의 '모듈'로 구성될 수 있다. 상기 '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다.Each component illustrated in FIG. 9 may be configured as a kind of 'module'. The 'module' refers to a hardware component such as software or a field programmable gate array (FPGA) or an application specific integrated circuit (ASIC), and the module plays a role. However, modules are not meant to be limited to software or hardware. A module may be configured to reside on an addressable storage medium and may be configured to execute one or more processors. The functionality provided by the components and modules may be combined into a smaller number of components and modules or further separated into additional components and modules.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. I can understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.
도 1은 종래 가변 샘플링 방식을 이용한 전동기 구동 시스템을 도시한다.1 illustrates a motor driving system using a conventional variable sampling method.
도 2는 전동기의 운전 속도 영역에 따른 가변 샘플링 방식의 출력 특성을 나타내는 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating output characteristics of a variable sampling method according to an operating speed range of an electric motor.
도 3은 전동기의 저속 영역 운전에 따른 가변 샘플링 방식의 출력 특성을 나타내는 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating output characteristics of a variable sampling method according to a low speed region operation of an electric motor.
도 4는 산업 표준형 속도 제어 구조의 블록도를 도시한다.4 shows a block diagram of an industry standard speed control structure.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Z-영역으로 변환한 후의 속도 제어 구조의 블록도이다.5 is a block diagram of a speed control structure after converting to a Z-region in accordance with an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 속도에 따른 폐루프 극점 및 속도 제어기 대역폭을 도시한다.FIG. 6 illustrates closed loop pole and speed controller bandwidth according to speed in accordance with an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 제어기 PID 이득을 도시한다.7 shows a speed controller PID gain in accordance with an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 M/T 속도 측정 시간 지연을 고려한 속도 제어 방법의 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a speed control method considering a M / T speed measurement time delay according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 제어 시스템의 블록도이다.9 is a block diagram of a speed control system according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기 구동 시스템을 도시한다.10 illustrates an electric motor drive system according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of symbols on main parts of the drawings>
12: 속도 제어기 14: 전류 제어기12: speed controller 14: current controller
16: 인버터 18: 전동기16: inverter 18: electric motor
20: 인코더 22: M/T 계산기20: Encoder 22: M / T Calculator
110: 측정부 120: 위상 선정부110: measuring unit 120: phase selector
130: 제어부130: control unit
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