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KR20010058772A - 전동기의 속도 제어장치 - Google Patents

전동기의 속도 제어장치 Download PDF

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KR20010058772A
KR20010058772A KR1019990066134A KR19990066134A KR20010058772A KR 20010058772 A KR20010058772 A KR 20010058772A KR 1019990066134 A KR1019990066134 A KR 1019990066134A KR 19990066134 A KR19990066134 A KR 19990066134A KR 20010058772 A KR20010058772 A KR 20010058772A
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Abstract

본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치는, 전동기의 회전자의 위치를 검출하는 회전자 위치검출기; 회전자 위치검출기로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 회전속도를 연산하는 회전속도 연산기; 주제어부로부터의 속도지령치와 상기 회전속도 연산기에 의해 연산된 회전속도치와의 편차를 입력받아 회전자의 속도를 제어하는 속도 제어기; 전동기에 인가되는 전류와 상기 회전자 위치검출기로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 자속각을 연산하는 자속각 연산기; 자속각 연산기로부터의 출력신호와 상기 전동기에 인가되는 전류를 입력받아 자속분 전류를 제어하는 자속 연산기; 속도 제어기의 출력과 자속 연산기의 출력과의 편차를 입력받아 부하에 따른 토오크를 제어하는 자속 제어기; 자속 제어기의 출력을 입력받아 부하에 따라 제어하고자 하는 속도 및 토오크에 적합하게 변조한 전압을 출력하는 전압 발생기; 및 전압 발생기로부터의 전압을 입력받아 상기 전동기의 운전에 적합한 전압형태로 변조하여 출력하는 인버터를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 인버터의 구성에 있어서, 전력변환부가 각각 2개씩의 트랜지스터와 다이오드의 조합회로로 구성되므로, 회로구성이 간단하고 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 장점이 있다.

Description

전동기의 속도 제어장치{Speed control system of a motor}
본 발명은 전동기의 속도 제어장치에 관한 것으로서, 특히 단상으로 동작할 수 있는 구조로 되어 있는 동기 릴럭턴스 전동기(synchronous reluctance motor)의 속도를 효과적으로 제어할 수 있는 전동기의 속도 제어장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 3상 동기 릴럭턴스 전동기의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 3상 동기 릴럭턴스 전동기(100)는 인가된 교류 전원에 의해 회전 자계를 형성하는 고정자(101)와, 그 고정자(101)의 내부에 위치되어 고정자(101)에 의해 형성된 회전 자계에 의해 회전하는 회전자(102)를 구비한다.
상기, 회전자(102)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 상호 90°의 간격으로 분할된 4개의 영역이 마련되고, 그 4개의 영역 각각에는 대향하는 영역끼리 대칭적으로 홈(102h)이 형성되어 있다. 여기서, 이 홈(102h)은 d축과 q축 방향의 릴럭턴스의 차를 크게 하여 릴럭턴스 토오크를 발생시켜 회전자를 회전시키기 위한 것이다. 도 2에서 참조 부호 102f는 고정자(101)에 의해 발생된 자계에 따른 자속의 흐름을 나타낸 것이다.
도 3은 종래의 3상 동기 릴럭턴스 전동기의 속도 제어장치의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 종래의 3상 동기 릴럭턴스 전동기의 속도 제어장치는 주제어부(미도시)로부터의 속도지령치와 회전자 위치검출기(309)로부터 검출된 3상 동기 릴럭턴스 전동기(310)의 속도와의 편차를 입력받아 회전자의 속도를 제어하는 속도 제어기(301)와, 회전자 위치검출기(309)로부터의 출력신호를 입력받아 자속 지령을 발생하는 자속 지령 발생기(305)와, 회전자 위치검출기(309)로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 자속각을 연산하는 자속각 연산기(307)와, 자속각 연산기(307)로부터의 출력신호를 이용하여 동기 릴럭턴스 전동기(310)에 입력되는 3상의 전류를 q축 및 d축의 2상으로 좌표 변환하여 출력하는 좌표변환기(308)와, 상기 자속 지령 발생기(305)의 출력신호와 좌표변환기(308)의 출력신호의 편차를 입력받아 자속분 전류를 제어하는 자속 제어기(306)와, 상기 속도 제어기(301)의 출력신호와 좌표변환기(308)의 출력신호의 편차와 상기 자속 제어기(306)의 출력신호를 입력받아 토오크분 전압지령치와 자속분 전압지령치를 생성하는 전류제어기(302)와, 전류제어기(302)로부터 출력된 토오크분 전압지령치와 자속분 전압지령치, 그리고 상기 자속각 연산기(307)로부터 입력받은 신호를 이용하여 3상 전압지령치를출력하는 전압발생기(303)와, 전압발생기(303)로부터의 3상 전압지령치를 입력받아 그에 상응하는 교류 전압을 3상 동기 릴럭턴스 전동기(310)에 공급하는 인버터 (304)로 구성된다. 여기서, 인버터(304)는 도 4에 도시된 바와 같이, 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류부(401)와, 정류부(401)로부터 출력된 직류 전압을 평활하게 하기 위한 평활콘덴서(402)와, 평활콘덴서(402)를 거친 직류 전압을 3상 교류로 변환하여 출력하는 전력변환부(403)로 구성된다. 그리고, 전력변환부(403)는 각각 6개의 트랜지스터(Q1∼Q6)와 프리휠(freewheel) 다이오드(D1∼D6)의 직,병렬 조합회로로 구성된다.
이상과 같은 구성을 갖는 종래 3상 동기 릴럭턴스 전동기의 속도 제어장치에 있어서, 속도 제어기(301)는, 주제어부(미도시)로부터 입력받은 속도지령값과 회전자 위치 검출기(309)로부터 피드백(feedback) 입력되는 동기 릴럭턴스 전동기(310)의 속도값과의 편차를 입력받아 회전좌표계 q축의 토오크분 전류지령치를 출력한다. 그리고, 자속 지령 발생기(305)는 정토오크 영역과 정출력 영역을 구별하여 회전좌표계 d축의 자속분 전류지령치를 출력한다. 그러면, 자속 제어기(306)는 상기 자속 지령 발생기(305)로부터의 자속분 전류지령치와 좌표변환기(308)로부터의 2상 변환된 자속분 전류치의 편차를 입력받아 자속분 전류를 제어한다. 또한, 자속각 연산기(307)는 회전자 위치검출기(309)로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 자속각(θ)을 연산하여 출력하고, 좌표변환기(308)는 그 자속각(θ)을 이용하여 동기 릴럭턴스 전동기(310)에 입력되는 3상의 전류를 q축 및 d축의 2상으로좌표 변환하여 출력한다.
한편, 전류 제어기(302)는 토오크분 전류지령치와 자속분 전류지령치를 입력받아 토오크분 전압지령치와, 자속분 전압지령치를 각각 생성한다. 그러면, 전압 발생기(303)는 전류 제어기(302)로부터 입력받은 토오크분 전압지령치와, 자속분 전압지령치및 자속각 연산기(307)로부터 입력받은 자속각 θ를 이용하여 3상 전압지령치 Vas, Vbs, Vcs를 출력한다. 그에 따라 인버터(304)는 동기 릴럭턴스 전동기(310)에 상기 전압지령치에 대응하는 전압을 인가한다.
그런데, 이상과 같은 종래 전동기의 속도 제어장치는 전술한 바와 같이 인버터(304)의 구성에 있어서, 전력변환부(403)가 6개의 트랜지스터(Q1∼Q6)와 다이오드(D1∼D6)의 조합회로로 구성되므로, 회로구성이 복잡하고, 제작비용이 많이 소요되는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 회로구성이 간단하고 저렴한 비용으로 제작이 가능한 전동기의 속도 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래의 3상 동기 릴럭턴스 전동기의 구성을 개략적으로 나타낸 평면도.
도 2는 도 1의 전동기의 회전자를 나타낸 평면도.
도 3은 종래의 3상 동기 릴럭턴스 전동기의 속도 제어장치의 개략적인 구성도.
도 4는 도 3의 전동기의 속도 제어장치의 인버터의 개략적인 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치의 개략적인 구성도.
도 6은 도 5의 전동기의 속도 제어장치의 인버터의 개략적인 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치가 채용되는 단상 동기 릴럭턴스 전동기의 개략적인 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101,701...고정자 102,702...회전자
102h,702h...홈 301,501...속도 제어기
302...전류 제어기 303,503...전압 발생기
304,504...인버터 305...자속 지령 발생기
306,502...자속 제어기 307,506...자속각 연산기
308...좌표변환기 309,508...회전자 위치검출기
310...3상 동기 릴럭턴스 전동기 401,601...정류부
402,602...평활콘덴서 403,603...전력변환부
505...자속연산기 507...회전속도 연산기
509...단상 동기 릴럭턴스 전동기 701a...고정자 코어
701b...고정자 권선 701c...보빈
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치는,
전동기의 회전자의 위치를 검출하는 회전자 위치검출기;
상기 회전자 위치검출기로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 회전속도를연산하는 회전속도 연산기;
주제어부로부터의 속도지령치와 상기 회전속도 연산기에 의해 연산된 회전속도치와의 편차를 입력받아 회전자의 속도를 제어하는 속도 제어기;
상기 전동기에 인가되는 전류와 상기 회전자 위치검출기로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 자속각을 연산하는 자속각 연산기;
상기 자속각 연산기로부터의 출력신호와 상기 전동기에 인가되는 전류를 입력받아 자속분 전류를 제어하는 자속 연산기;
상기 속도 제어기의 출력과 자속 연산기의 출력과의 편차를 입력받아 부하에 따른 토오크를 제어하는 자속 제어기;
상기 자속 제어기의 출력을 입력받아 부하에 따라 제어하고자 하는 속도 및 토오크에 적합하게 변조한 전압을 출력하는 전압 발생기; 및
상기 전압 발생기로부터의 전압을 입력받아 상기 전동기의 운전에 적합한 전압형태로 변조하여 출력하는 인버터를 포함하는 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치의 개략적인 구성도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치는 전동기(예컨대, 단상 동기 릴럭턴스 전동기)(509)의 회전자의 위치를 검출하는 회전자 위치검출기 (508)와, 그 회전자 위치검출기(508)로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 회전속도를 연산하는 회전속도 연산기(507)와, 주제어부(미도시)로부터의 속도지령치와 상기 회전속도 연산기(507)에 의해 연산된 회전속도치와의 편차를 입력받아 회전자의 속도를 제어하는 속도 제어기(501)와, 상기 전동기(509)에 인가되는 전류와 상기 회전자 위치검출기(508)로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 자속각을 연산하는 자속각 연산기(506)와, 그 자속각 연산기(506)로부터의 출력신호와 상기 전동기(509)에 인가되는 전류를 입력받아 자속분 전류를 제어하는 자속 연산기(505)와, 상기 속도 제어기(501)의 출력과 자속 연산기(505)의 출력과의 편차를 입력받아 부하에 따른 토오크를 제어하는 자속 제어기(502)와, 그 자속 제어기(502)의 출력을 입력받아 부하에 따라 제어하고자 하는 속도 및 토오크에 적합하게 변조한 전압을 출력하는 전압 발생기(503) 및 그 전압 발생기(503)로부터의 전압을 입력받아 상기 전동기(509)의 운전에 적합한 전압형태로 변조하여 출력하는 인버터(504)를 구비한다. 여기서, 인버터(504)는 도 6에 도시된 바와 같이, 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류부(601)와, 정류부(601)로부터 출력된 직류 전압을 평활하게 하기 위한 평활콘덴서(602)와, 평활콘덴서(602)를 거친 직류 전압을 단상 교류로 변환하여 출력하는 전력변환부(603)로 구성된다. 그리고, 전력변환부(603)는 각각 2개의 트랜지스터(Q1)(Q2)와 프리휠 다이오드(D1)(D2)의 직,병렬 조합회로로 구성된다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치가 채용되는 단상 동기 릴럭턴스 전동기의 개략적인 구성도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치가 채용되는 단상 동기 릴럭턴스 전동기(700)는 일반 전동기처럼 기본적으로 고정자(701)와 회전자 (702)로 구성된다. 여기서, 고정자(701)는 자기회로의 경로를 제공하는 고정자 코어(701a)와, 인가된 전류에 의해 자계를 형성하는 고정자 권선(701b)과, 고정자 권선(701b)을 지지하는 보빈(701c)으로 구성된다. 특히, 고정자 코어(701a)의 양 단부에는 도시된 바와 같이, 회전자(702)가 한 쪽 방향으로 토오크를 발생할 수 있도록 하기 위한 경사절단부(701s)(701t)가 마련된다. 또한, 회전자(702)는 릴럭턴스 토오크를 발생시키기 위한 복수의 홈(702h)이 상호 120°간격으로 형성되어 있는 철편들의 적층구조로 구성된다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치의 동작에 대해 설명해 보기로 한다.
회전자 위치검출기(508)에 의해 검출된 단상 동기 릴럭턴스 전동기(509)의 회전자의 위치에 대한 신호가 회전속도 연산기(507)에 입력되면, 회전속도 연산기 (507)는 그 입력된 신호를 바탕으로 회전자의 회전속도를 연산한다. 그러면, 속도 제어기(501)는 주제어부(미도시)로부터의 속도지령치와 상기 회전속도 연산기(507)에 의해 연산된 회전속도치와의 편차를 입력받아 회전자의 속도를 제어하기 위한 전류지령치를 출력한다.
한편, 부하의 전류 상태를 알기 위하여 전동기(509)에 인가되는 전류()가 검출되고, 그 값은 자속 연산기(505)와 자속각 연산기(506)에 각각 입력된다. 그러면, 자속각 연산기(506)는 그 입력값과 상기 회전자 위치검출기(508)로부터 입력받은 신호를 바탕으로 회전자의 자속각을 연산하고, 자속 연산기(505)는 자속각 연산기(506)로부터 입력받은 신호와 상기 전동기(509)에 인가되는 전류값을 바탕으로 자속분 전류를 제어한다. 그에 따라, 자속 제어기(502)는 속도 제어기(501)로부터의 출력(전류지령치)과 자속 연산기(505)의 출력(전류제어분)과의 편차를 입력받아부하에 따른 토오크를 제어한다. 그러면, 전압 발생기(503)는 그 자속 제어기(502)의 출력을 입력받아 부하에 따라 제어하고자 하는 속도 및 토오크에 적합한 전압을 출력하고, 인버터(504)는 그 전압 발생기(503)로부터 입력받은 전압을 펄스 폭 변조(pulse width modulation)하여 최종적으로 전동기(509)에 공급한다.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 전동기의 속도 제어장치는 인버터의 구성에 있어서, 전력변환부가 각각 2개씩의 트랜지스터와 다이오드의 조합회로로 구성되므로, 회로구성이 간단하고 저렴한 비용으로 제작할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 전동기의 회전자의 위치를 검출하는 회전자 위치검출기;
    상기 회전자 위치검출기로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 회전속도를 연산하는 회전속도 연산기;
    주제어부로부터의 속도지령치와 상기 회전속도 연산기에 의해 연산된 회전속도치와의 편차를 입력받아 회전자의 속도를 제어하는 속도 제어기;
    상기 전동기에 인가되는 전류와 상기 회전자 위치검출기로부터의 출력신호를 입력받아 회전자의 자속각을 연산하는 자속각 연산기;
    상기 자속각 연산기로부터의 출력신호와 상기 전동기에 인가되는 전류를 입력받아 자속분 전류를 제어하는 자속 연산기;
    상기 속도 제어기의 출력과 자속 연산기의 출력과의 편차를 입력받아 부하에 따른 토오크를 제어하는 자속 제어기;
    상기 자속 제어기의 출력을 입력받아 부하에 따라 제어하고자 하는 속도 및 토오크에 적합하게 변조한 전압을 출력하는 전압 발생기; 및
    상기 전압 발생기로부터의 전압을 입력받아 상기 전동기의 운전에 적합한 전압형태로 변조하여 출력하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기의 속도 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인버터는 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류부와, 정류부로부터 출력된 직류 전압을 평활하게 하기 위한 평활콘덴서와, 평활콘덴서를 거친 직류 전압을 단상 교류로 변환하여 출력하는 전력변환부로 구성되는 것을 특징으로 하는 전동기의 속도 제어장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전력변환부는 각각 2개의 트랜지스터와 프리휠 다이오드의 직,병렬 조합회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 전동기의 속도 제어장치.
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