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KR940004959B1 - 유도전동기의 슬립각속도 연산방법 - Google Patents

유도전동기의 슬립각속도 연산방법 Download PDF

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KR940004959B1 KR1019910014206A KR910014206A KR940004959B1 KR 940004959 B1 KR940004959 B1 KR 940004959B1 KR 1019910014206 A KR1019910014206 A KR 1019910014206A KR 910014206 A KR910014206 A KR 910014206A KR 940004959 B1 KR940004959 B1 KR 940004959B1
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Abstract

내용 없음.

Description

유도전동기의 슬립각속도 연산방법
제1도는 본 발명에 적용되는 유도전동기의 슬립각속도 연산장치의 제어블록도.
제2도는 본 발명의 유도전동기의 슬립각속도 연산방법을 도시한 플로우챠트
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 유도전동기 2 : 엔코더
3 : 펄스계수카운터 4 : 속도비례적분제어부
5 : 자속명령값 발생부 6 : 전류변환부
7 : 전압변환부 8 : 자속연산부
9 : 슬립각속도연산부 10 : 자속비례적분제어부
11 : 적분기 12 : 롬 테이블
13 : 기준전류명령값 발생부 14 : 전류비례적분제어기
15 : 삼각파 발생부 16 : 비교기
17 : 펄스폭변조신호발생기 18 : 인버터
19 : 펄스변환기
본 발명은 전류제어형 인버터를 사용하여 유도전동기를 벡터제어할 경우 유도전동기의 전압, 전류 및 속도롤 토대로 슬립각속도를 연산한후 이를 보상토록하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법에 관한 것이다.
일반적으로 유도전동기는 정류자(整流子)를 갖추지 않은 교류전동기로써 회전자(rotor)와 고정자(stator)중 어느 하나만이 전원에 접속되어 있고 다른쪽은 유도에 의해 동작하는 것을 말한다.
그런데 상기 유도전동기는 산업계에서 가장 많이 사용되고 있는 전동기이지만 자기포화(magnetic saturation), 몸체온도의 상승등에 의해서 파라미터(parameter)가 크게 변하며 특히, 회전자 저항의 경우 다른 파라미터들에 비해서 크게 변하는 특성을 가지고 있다.
상기 회전자 저항에 변화하면 전동기 발생토오크가 항상 최대가 되지 못하기 때문에 전동기의 효율이 저하될수 밖에 없고, 이를 방지하기 위해서는 상기 회전자 저항의 변화를 보상하는 방법이나 회전자 저항이 사용되지 않고도 슬립각속도를 연산할 수 있는 방법이 요구되고 있으나, 최근들어 유도전동기의 고성능 동특성을 얻기 위하여 광범위하게 사용되고 있는 백터제어의 경우, 동기 각속도입력시 슬립각속도 연산이 필연적인데 상기 회전자 저항같이 주위온도에 따라 변화가 큰 파라미터를 이용하면 부정확하게 슬립량이 연산되어 전동기의 정상 효율을 발휘할 수 없었던 것이다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 감안하여 이루어진 것으로써, 본 발명의 목적은 유도전동기의 전압, 전류 및 속도를 토대로 슬립량을 연산하여 이를 보상함으로써 효율을 향상시키도록 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 유도전동기의 슬립각속도연산을 아날로그, 디지털, 마이크로프로세서를 사용하여 수행함으로써 연산동작이 간편하게 수행되도록 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 유도전동기의 슬립각속도연산방법은, 유도전동기의 속도 오차를 판별하여 속도비례적분제어하는 제1스텝과, 유도전동기의 회전자 자속 오차를 판별하여 자속 비례적분제어하는 제2스텝과, 유동전동기의 슬립각속도를 연산하여 적분하는 제3스텝과, d-q축 고정자 전류명령값을 연산하여 유도전동기의 상 전류명령값을 발생하는 제4스텝과, 상기 상전류명령값과 유도전동기의 3상전류값 간의 오차를 판별하여 전류를 비례적분 제어하는 제5스텝과, 삼각파와 상기 비례적분제어된 상전류값을 비교하여 기본 펄스폭변조신호를 발생하는 제6스텝과, 상기 기본 펄스폭 변조신호를 분배하는 제7스텝과, 상기 분배된 신호를 이용하여 유도전동기를 제어하는 제8스텝으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와같은 특성을 갖는 본 발명에 의한 유도전동기의 슬립각속도 연산방법은, 가변속제어의 고성능화가 요구되는 분야에 유도전동기를 사용하기 위하여 유도전동기의 백터제어가 요구되는 경우 뿐만아니라, 유도전동기가 열악한 조건에서 사용될 경우 유도전동기의 파라미터(예를 들어 회전자 저항)가 변화함으로써 벡터제어에 의한 고성능제어가 불가능한 분야에 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명에 적용되는 유도전동기의 슬립 각속도 연산장치의 제어블록도이고, 제2도는 발명의 유도전동기의 슬립각속도 연산 방법의 동작순서를 도시한 플로우챠트이다.
제1도에 있어서, (1)은 유동전동기(Induction Motor : IM)이고, (2)는 상기 유도전동기(1)의 현재속도를 검출하여 검출된 현재 속도에 해당하는 펄스 파형을 발생시키는 엔코더(Encoder : E)이미, (3)은 상기 엔코더(2)에 의해 발생 된 펄스 파형의 갯수를 카운트하는 펄스 계수카운터이다.
(4)는 회전자의 정상속도명령값(Wr＊)과 상기 펄스계수카운터(3)로부터 입력된 회전자의 현재속도값(Wr)을 비교하여 발생된 오차값(e1)을 비례적분제어하는 속도 비례적분제어부이고, (5)는 상기 유도전동기(1)의 속도에 따른 자속 명령값을 발생하는 자속 명령값 발생부로써, 정격 속도이상에서도 유도전동기(1)의 운전을 가능토록 하는 휘일드 위크닝(freld weakening)기능도 갖추고 있으며, (6)은 고정자에 고정된 3축에서의 3상 전류(ia, ib, ic)를 회전하는 d-p축에서의 전류(ids, iqs)로 변환하는 전류변화부이다.
(7)은 고정자에 고정된 3축에서의 3상전압(Va, Vb, Vc)을 회전하는 d-q축에서의 전압(Vds,Vqs)으로 변환하는 전압변환부이고. (8)은 상기 전류변환부(6)에 의해 변환된 회전하는 d-q축에서의 전류(ids,iqs)와 전압변환부(7)에 의해 변환된 회전하는 d-q축에서의 전압(Vds,Vqs)을 이용하여 회전자자속(ψdr)을 연산하는 자속연산부이며, (9)는 상기 전류변환부(6)와 전압변환부(7)에 의해 변환된 회전하는 q축에서의 전류값(iqs)과 전압값(Vqs) 그리고 자속연산부(8)에 의해 연산된 회전자자속(ψdr)을 이용하여 슬립각속도(Wsl)를 연산하는 슬립각속도 연산부이다.
(10)은 상기 자속 명령값 발생부(5)에 의해 발생된 회전자의 d축 정상자속 명령값(ψ＊dr)과 자속연산부(8)에 의해 연산된 회전자의 현재의 d축 자속값(ψdr)을 비교하여 발생된 오차값(e3)을 비례적분 제어하는 자속 비례적분제어부이고, (11)은 상기 펄스계수 카운터(3)에 의해 카우트된 유도전동기(1)의 현재속도값(Wr)과 슬립각속도 연산부(9)에 의해 연산된 유도전동기(1)의 슬립각속도(Wsl)을 합산하여 발생된 동기각속도(Ws)를 적분하는 적분기이며, (12)는 회전하는 d-q축에서의 물리량을 고정자에 고정된 3축에 대한 물리량으로 변환하거나 이에 반대되는 역 기능을 수행하기 위하여 사용되는 싸인(sin), 코사인(cosin)값을 저장하고 있는 롬 테이블이다.
(13)은 상기 속도비례적분제어부기(4)와 자속비례적분제어부(10)에서 입력되는 q축 전류명령값(iq＊s) 및 d축 전류명령값(id＊s)을 이용하여 유도전동기(1)의 각상에 대한 전류명령값이 발생되도록 하는 기준 전류명령값 발생부로써, 유도전동기(1)의 각상(a,b,c상)에 대한 전류명령값(ia＊,id＊,ic＊)을 발생하는 부분이다.
상기 기준전류 명령값 발생부(13)는 회전하는 d-q축에서의 d-q축전류 명령값(id＊s,iq＊s)을 고정자축에 고정된 3축(a,b,c축)에 대한 전류명령값(ia＊, ib＊, ic＊)로 변환하는 코디네이트 변환(Coordinatetransform)기능을 가지고 있다.
(14)는 상기 기준전류 명령값을 발생부(13)에 의해 발생된 3상 전류명령값(ia＊, ib＊, ic＊)과 홀센서(도시하지 않음)에 의해 검출된 현재의 3상 전류값(ia,ib,ic)을 비교하여 발생된 오차를 비례적분제어하는 전류비례적분 제어기이고, (15)는 삼각파를 발생하는 삼각파발생기이며, (16)은 상기 전류비례적분 제어기(14)로부터의 입력값과 삼각파 발생기(15)로부터의 입력값을 비교하는 비교기이다.
(17)은 상시 비교기(16)의 비교출력값을 토대로 기본펄스 폭변조(PWM : Pulse Width Modulation)신호를 발생하는 펄스폭 변조신호발생기이고, (18)은 6개의 신호로 분배된 상기 펄스 폭변조신호를 입력받아 유도전동기(1)를 제어하는 인버터로써, 유도전동기(1)를 구동시키기위한 전압을 발생하고, 6개의 파워트랜지스터 또는 MOS-FET나 IGBT로 구성하는 3상 반파 브릿지(Half Bridge)인버티이며, (19)는 상기 인버터(18)로부터 유도전동기(1)에 인가되는 전압을 검출하는 전압검출용 펄스 변화기이다.
이와같이 구성된 유도전동기의 슬립각속도 연산장치를 이용하여 슬립을 연산하는 방법을 더욱 상세히 설명한다.
임의의 동기각속도(Ws)로 회전하는 d-q축에 대한 유도전동기(1)의 동방정식은 다음과 같이 표시된다.
일반적으로 벡터제어에서는 동기 각속도(Ws)를 다음과 같이 제어한다.
즉, 상기 식(2)의 우변항 두번째항이 슬립 각속도(Wsl)를 나타내는 것으로써(Ws=Wr+wsl) 상기 식(1)의 첫 번째 식으로부터 슬립각속도(Wsl)를 연산하면 다음과 같이 주어진다.
여기서 q축 고정자 정압(Vqs)은 전압 검출용 펄스 변환기(19)에 의해 검출된 전압을 토대로 연산되고, 회전자속도(Wr)은 유도전동기(1)의 속도를 검출하는 엔코더(2)의 출력펄스를 토대로 연산되면, q축 고정자 전류(iqs)는 홈센서에 의해 검출한다.
또한, d축 고정자 자속(ψds)은 ψds=Lsids+Lmidr로 부터 연산한다(여기서 Ls는 고정자 인덕턴스이다).
한편, 벡터제어시 d축 회전자전류(idr)는 제로가 되기 때문에 실제 d축 고정자 자속(ψds)은 ψds=Lsids가 된다.
상기 식(3)에서항은 자속이 순시적으로 크게 변할 경우에만 나타나므로 만일 마이크로 프로세서의 연산시 샘플랭 타임(dt)이 작을 경우에는 제로로 볼수 있기 때문에 다음 식으로부터 거의 정확한 슬립 각속도(Wsl)를 연산할 수 있다.
상술한 바와같이, 유동전동기(1)의 슬립각속도 연산에는 회전자저항(Rr)을 이용하지 않는 대신 상대적으로 변화량이 적은 고정자저항(Rs)을 이용하므로 온도변화 및 자속변화에 대해 비교적 정확한 슬립각속도(Wsl)를 연산할 수 있는 것이다.
다음에 제2도를 제1도와 연관하여 설명한다.
먼저, 스템S₁에서는 유도전동기(1)의 회전자의 정상속도명령값(Wr＊)이 외부로부터 입력되고, 엔코더(2)에 의해 검출된 유도전동기(1)의 현재속도값이 펄스 파로 발생되면 펄스계수 카운터(3)에 의해 펄스갯수(현재속도값)가 카운트되어 현재속도값(Wr)으로 입력된다.
그러면, 스텝S₃에서는 가합부(G1)에서 상기 유도전동기의 정상속도 명령값(Wr＊)과 현재 속도값(Wr)을 비교하고 그 비교결과 속도오차가 발생하였을 경우(yes일 경우, Wr＊≠W)에는 스텝S3로 나아가서 속도오차값(e1)을 속도비례적분제어부(4)에 입력하여 비례적분 제어한다. 물론 스템S₂에서의 비교결과 속도오차가 발생되지 않았을 경우(No일 경우 Wr＊＝W)에는 속도오차 판별동작을 계속한다.
이어서, 스텝S₄에서는 홀센서의 의해 검출된 유도전동기의 3상전류(ia,ib,ic : ic는 검출된 상전류(ia,ib)를 토대로 연산된다)를 토대로 연산된 d-q축 고정자 전류(ids,iqs)와 펄스변환기(19)에 의해 검출된 유도전동기의 3상 전압(Va,Vb,Vc)을 토대로 연산된 d-q축 고정자전압(Vds,Vqs)을 이용하여 자속연산부(18)에서 d축 회전자자속(ψdr)을 연산한다.
이에따라 스텝S2에서는, 유도전동기(1)의 속도에 따라 자속명령값 발생부(5)에 의해 발생된 d축 회전자자속(ψ＊dr)과 상기 자속연산부(8)에 의해 연산된 d축 회전자자속(ψdr)을 기압부(G₃)에서 비교하여 그 비교결과 자속오차가 발생하였을 경우 (yes일 경우,ψdr≠dr)에는 스템S6로 나아가서 자속오차값(e3)을 자속비례적분제어부(10)에 입력하여 비례적분제어한다.
이어서 스텝S7에서는 슬립각속도 연산부(9)가 상기 전류변환부(6)에 의해 변환된 q축 고정자전류(iqs)와 전압변환부(7)에 의해 변환된 q축 고정자전압(Vqs)을 입력받아 상술한 식(4)을 이용하여 유동전동기(1)의 슬립각속도(Wsl)를 연산하고, 스템S₃에서는 기합부(G2)에서 유도전동기(1)의 현재 속도값(Wr)과 슬립각속도(Wsl)를 합산하여 동기각속도(Ws)를 적분기(11)를 이용하여 적분해서 롬테이블(12)에 입력한다.
이후, 스템S9에서는 상기 스텝S3와 스텝 S6에서 속도 및 자속을 비례적분함으로써 q축 고정자 전류(iq＊s)와 d축 고정자 전류(id＊s)를 연산하여 기준전류명령값 발생부(13)에 입력하고 스템S10에서는 상기 롬테이블(12)애 입력된 동기각속도(Ws)로 부터 출력된 싸인, 코사인 값을 입력받아 기준전류명령값발생부(13)가상전류명령값(ia＊,ib＊,ic＊)을 발생시키고, 스텝S₁₂에서는 이 상전류명령값(ia＊,ib＊,ic＊)과 홀센서에 의해 검출된 3상전류(ia,ib,ic)를 비교하여 그 비교결과 오차가 발생하였을 경우(yes일 경우, ia＊,ib＊,ic＊=ia,ib,ic)에서는 스템S12으로 나아가서 오차값을 전류비례적분 제어기(14)에 입력하여 비례적분제어한 후 스텝S13으로 나아가서는 비교기(16)의 반전입력단자(-)에 입력된 상기 전류비례적분제어기(14)의 제어출력값과 사각파발생기(15)로 부터 비교기(16)의 비반전입력단자(+)에 입력된 삼각파를 비교하다.
이에따라, 스템S13에서는 상기 비교기(16)의 비교출력값을 펄스폭변조신호 발생기(17)에 입력하여 기본 펄스폭변조 신호를 발생토록 한다음 스텝S14에서 이를 6개의 신호로 분배하고 스텝S15에서는 상기 분배된 6개의 펄스폭 변조신호를 인버터(18)에 인가한다.
그러면, 상기 인버터(18)는 유도전동기(1)에 입력할 3상 전압(Va,Vb,Vc)을 발생시켜 3상전류(ia,ib,ic)가 유기되도록 한 다음 유동전동기(1)애 입력함으로써 유도전동기(1)의 구동을 제어하는 것이다.
한편, 상기 스텝S14에서 펄스폭변조 신호발생기(17)에 의해 발생된 기본 펄스폭변조신호를 6개의 신호로 분배하는 것은 인버터(18)를 구성하는 6개의 스위치 파워 소자를 구동하기 위한 것이며, 상기 스위치 파워소지는 파워트랜지스터 또는 MOS-FET나 IGBT로 구성하는 3상 반파브랏지이다.
이와같이 본 발명의 유도전동기의 슬립각속도 연산방법에 의하면, 마이크로프로세서를 이용한 간단한 연산방법에 의해 유도전동기의 슬립량을 연산하여 이를 보상한 후 유도전동기를 구동제어함으로써 유도전동기의 구동효율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 유도전동기의 속도 오차를 판별하여 속도 비례적분 제어하는 제1스텝과, 유도전동기의 회전자 자속 오차를 판별하여 자속비례적분제어하는 제2스텝과, 유도전동기의 슬립가속도를 연산하여 적분하는 제3스텝과, d-q축 고정자 전류명령값을 연산하여 유도전동기의 상전류명령값을 발생하는 제4스텝과, 상기 상전류명령값과 유도전동기의 3상 전류값간의 오차를 판별하면 전류를 비례적분제어하는 제5스텝과, 삼각파와 상기 비례적분 제어된 상전류값을 비교하여 기본 펄스폭 변조신호를 발생하는 제6스텝과, 상기 기본 펄스폭 변조신호를 분배하는 제7스텝과, 상기 분배된 신호를 이용하여 유도전동기를 제어하는 제8스텝으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유도전동기의, 슬립각속도 연산방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1스텝은 외부에서 입력되는 유도전동기의 정상속도 명령값과 엔코더에 의해 검출된 현재속도값을 비교하여 속도오차 발생여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2스텝은 정상 지속 명령값과 q축 고정자 전류 및 q축 고정자 전압에 토대로 연산된 현재 자속값을 비교하여 자속오차 발생여부를 판별하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3스텝의 슬립각속도는 q축 고정자 전류 및 q축 고정자 전압과 d축 회전자자속을 토대로 연산되는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제3스템에서 적분된 적분출력값은 롬테이블에 입력하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 상전류명령값은 속도 비례적분 제어함으로 발생된 q축 고정자 전류와 자속비례적분 제어함으로써 발생된 d축 고정자 전류를 이용하여 발생하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기본 펄스폭 변조 신호를 6개의 신호로 분배되어 인버터에 입력되는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 슬림각속도 연산방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기본 펄스폭 변조 신호를 6개의 신호로 분배되어 인버터에 입력된 후 유도전동기에 인가될 전압을 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 유도전동기의 슬립각속도 연산방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 롬 테이블에 입력된 적분기 출력값은 기준 전류 명령값 발생부에 입력되어 기준 전류 명령값을 발생토록 하는 것을 특징으로 하는 유도전등기의 슬립각속도 연산방법.
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