KR20030038187A - 에스알엠 구동용 복합형 엔코더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로프로세서를 베이스로한 SRM 구동에 적합한 엔코더에 관한 것으로 4 bit 절대치 엔코더와 펄스 엔코더의 복합 형태를 취하고 있다.일반적인 증분형 엔코더는 전원투입 후 초기 기동시 회전자 위치각에 대한 정보를 얻을 수 없어 외부의 힘으로 한 회전을 회전시킨 후 위치제어에 입력되거나 엔코더신호검출 카운터에 축전기를 추가하여 카운터 값에 대한 정보를 유지하는 형태를 취하고 있다.이러한 증분형 엔코더는 전기자동차에 장착한 전동기구의 위치검출기로 사용할 경우 축전지의 방전 후 초기기동에 문제가 될 수 있다. 그러나 이러한 문제를 해결하기 위해서 높은 분해능을 갖는 절대치 엔코더를 사용할 경우 경제적인 면에서 매우 불리하다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서 제안된 혼합형 엔코더는 6/4 및 8/6 SRM 구동을 위해 최소의 분해능(15도)을 갖는 절대치 엔코더와 펄스엔코더의 조합으로 구성되어 있다. 따라서 본 발명은 일반적으로 사용되는 6/4 및 8/6 SRM구동에 적합한 구조를 취하고있다.

Description

에스알엠 구동용 복합형 엔코더{ Compound encoder for srm drive }

본 발명은 마이크로프로세서를 베이스로한 SRM 구동에 적합한 엔코더에 관한 것이다. 특히 본 발명은 4 bit 절대치 엔코더와 펄스 엔코더의 복합 형태를 취하고 있다.

SRM은 릴럭턴스 토오크를 극대화하기 위해 회전자와 고정자가 모두 돌극형의 구조를 가지며 권선은 고정자에만 집중권으로 감겨 있어 전자계 구조상 단속적인여자 전원이 각 상 권선에 순차적으로 인가되어 구동되므로 낮은 스위칭 주파수로 운전이 가능하여 고속 운전이 가능한 장점을 갖고있다. 또한 기계적인 구조가 매우 간단하고 견고하며 다른 전동기구에 비하여 효율이 높고, 견인특성이 좋으며 고속회전 특성이 우수하여 특히 견인용 전동기구와 전기자동차의 구동부에 대한 응용이 활발히 연구되고 있다. 반면에 펄스형의 여자전원에 의해 SRM의 고효율 및 고성능 운전을 위해서는 인덕턴스 프로파일에 동기화한 제어가 필수적이므로 회전자 위치에 따른 적절한 스위칭 동작을 위해서는 회전자 위치각에 대한 정보를 검출하기 위한 위치 검출 장치가 필수적이라는 취약점을 가지고 있다. 회전자 위치각의 검출은 일반적으로 엔코더나 레졸버를 사용되고 있다. 레졸버는 연속적인 회전자 위치와 속도를 검출할 수 있다는 장점이 있지만. 복잡한 부가적인 회로를 필요로 하며, 절대치 엔코더는 회전자의 절대위치 검출에 대한 장점에 비해 부피가 크고, 분해능이 높을 수 록 단가가 상승하게 된다. 따라서 설치비용에 대한 부담을 줄이기 위해서 저가형 엔코더를 사용하거나 증분형 엔코더를 사용하여 속도 및 회전자 위치를 검출하게 된다. 하지만 증분형 엔코더는 회전자의 초기 기동시에 절대위치를 검출하기 매우 어려워서 특히 견인 및 전기자동차용 구동부의 초기 기동에 문제를 발생시키기도 한다. 한편 각 상의 스위치를 온·오프시켜 SRM을 구동하기 위하여 마이크로 프로세서를 이용하고 있다. 그러나 마이크로 프로세서에 의한 SRM의 제어방식에서 상 스위치의 온·오프 정도는 엔코더의 분해능뿐만 아니라 마이크로 프로세서의 샘플링 주기에 의해 제약을 받게 된다. 더욱이 이 경우, 전동기의 운전속도가 고속이 될수록 마이크로 프로세서에 의한 상스위치 온·오프각의 정확도는 더욱 떨어지게 되어 정상운전상태가 불안전하게 된다. 따라서 SRM구동에 적합한 엔코더에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 SRM 구동에 적합한 경제적인 회전자 위치 및 속도 검출방식에 관한 발명으로서 기존의 증분형 엔코더와 절대치 엔코더의 장점을 복합한 혼합형 엔코더를 제안한다. 제안된 엔코더는 6/4 및 8/6 극 SRM 구동에 필수적인 15°의 전기적인 분해능을 절대치 방식으로 검출하고, 여자 전원의 제어 및 속도 검출을 위해서 증분형 펄스 신호를 사용하는 혼합 구조형 엔코더이다. 또한 본 발명으로 인하여 SRM의 안정적 구동에 적합한 저가형의 SRM 구동용 복합식 엔코더 장치의 제공을 목적으로 한다.

도 1 제안된 엔코더의 회전 원판

도 2 제안된 엔코더의 출력 파형

도 3 제작된 엔코더의 사진

도 4 SRM 구동에 적용된 엔코더의 출력파형

도 5 SRM 구동시 엔코더 2bit 출력에 대한 게이트신호의 파형

도 6 SRM 무부하 운전시의 엔코더 신호와 인버터 한상의 게이트신호에 따른 한 상의 상전류

일반적인 SRM의 상스위치 제어방식은 제어기로 마이크로 프로세서를 사용하는경우 엔코더와 같은 위치센서로 회전자 위치정보에 의해 상 스위치의 온, 오프를 결정한다. 현재 전동기의 회전자 센서로 널리 사용되고 있는 증분형 엔코더의 경우에는 초기 기동시 회전자 위치각에 대한 정보를 얻을 수 없어 외부의 힘으로 회전시킨 후 제어를 행하거나 엔코더 신호검출 카운터에 축전기를 추가하여 카운터 값에 대한 정보를 유지하는 형태를 취하고 있다. 이러한 증분형 엔코더는 전기자동차에 장착한 전동기구의 위치검출기로 사용할 경우 축전지의 방전 후 초기기동에 문제가 될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서 높은 분해능을 갖는 절대치 엔코더나 레졸버를 사용할 경우 경제적인 면에서 매우 불리하기 때문에 SRM에 적용하기에 적합하지 않다.

본 발명에서 제안된 엔코더는 6/4 및 8/6 SRM 구동을 위해 최소의 분해능 (15°)을 갖는 절대치 엔코더와 증분형 펄스 엔코더의 복합구조로 구성되어 일반적으로 사용되는 6/4 및 8/6 SRM 구동에 적합한 구조를 취하고 있다. 6/4 SRM의 경우 전기각 360°는 기계각 90°에 해당되며 한 상의 실제적인 기계각은 30°에 해당된다. 또한 8/6 SRM의 경우에는 전기적인 위치각 360°는 기계각 60°에 해당되며 한 상이 담당해야할 기계적 위치각은 15°에 해당된다. 따라서 엔코더의 펄스 주기를 15°로 한다면 6/4 및 8/6 SRM에서 한 상이 담당해야할 주기를 절대치로 표현이 가능하게된다. 또한 6/4와 8/6의 최소공배수는 180°이 되어 기계각 180°가 되면 두 SRM의 전기각의 정수배가 되므로 기계각 180°에 해당하는 각도만으로 전기각 360°를 표현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에서 제안된 엔코더의 회전 원판을 보여주고 있고, 도 2는 제안된 엔코더의 출력 파형을 나타낸 것이다. 최상위 비트는 회전자의 기계적인 위치를 360분주한 증분형 펄스로 여자제어를 위한 위치각 및 회전자 속도를 검출하기 위한 신호로 사용되고, 하위의 4비트 절대위치는 6/4 및 8/6 SRM의 각 상의 회전자 위치를 표현하게 된다. 제안된 엔코더는 엔코더의 출력정보를 표현하는 회전원판과 고정원판으로 구성되어 있으며, 5개의 수광 및 발광 적외선 다이오드를 통하여 출력 신호를 검출하게 된다. 그림 하단의 Table은 Gray -> binary를 보여주고 있다.

도 3은 제작된 엔코더의 사진을 나타내고 있다. 절대치 신호를 위한 4비트는 절대위치 변환을 용이하게 하기위해 그레이 코드화 하였으며 수광 다이오드의 반응 속도에 대한 출력 신호를 보정하기 위하여 각 출력신호에 대한 비교회로를 적용하여 제작하였다.

본 발명에서 제안된 엔코더의 검증을 위하여 5kW급 6/4 SRM에 적용하여 그 운전 성능을 실험하였다. 시험기의 정격속도는 6000rpm이며 요구되는 엔코더의 최대 출력주파수는 36㎑이다.

도 4는 SRM 운전에 적용된 엔코더의 출력파형을 나타내고 있다. 엔코더의 출력신호는 기계적인 위치각 15°의 간격으로 상승 에지가 나타나므로 8/6 및 6/4 SRM 모두에 적용하여 한 상의 주기적으로 표현이 가능함을 알 수가 있다.

도 5는 SRM 운전시 엔코더 2bit 출력에 대한 게이트신호의 파형을 나타내고 있다. 엔코더 신호의 두 bit는 서로 15°의 상차각을 가지므로 이 관계에 의해 게이트 신호가 발생함을 알 수 있다.

도 6은 SRM 무부하 운전시의 엔코더 신호와 인버터 한 상의 게이트신호에 따른 한 상의 상전류를 나타내고 있다.

본 발명에서 제안된 SRM용 복합형 엔코더는 기존의 절대치 엔코더와 증분형 엔코더의 장점을 결합한 구조이다. SRM의 한 상에 대한 구조적인 위치 정보는 절대치 정보를 적용하고, 속도 및 고정도 여자전원의 제어를 위해서 1°간격의 정밀도를 가지는 360 분주 증분형 펄스를 출력하도록 하였다. 제안된 엔코더는 기존의 범용 절대치 엔코더에 비해 SRM 전용화된 신호만을 출력하게 되므로 그레이 코드에서 절대위치의 변환이 용이하고 경제적인 제작이 가능하다. 또한 기존의 증분형 엔코더에서 문제가 되는 초기 기동문제를 쉽게 해결함으로서, 전 부하로 초기 기동하는 응용 분야에 그 활용이 기대된다.

Claims (1)

1. 회전자의 절대위치 정보는 절대치 엔코더부, 속도 및 고정도 여자제어를 위한 정보는 증분형 엔코더부에서 신호를 발생시키는 복합형 엔코더 장치로 SRM 구동을 위한 전용 신호만을 생성하며, 그레이코드로 신호를 출력하게 되어 절대위치 변환이 용이하고, SRM초기 기동이 쉬운 SRM 전용 복합형 엔코더 장치.