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KR20150011779A - 필터와 결합된 전류검출센서의 시간 지연보상기법을 적용한 모터의 구동장치 - Google Patents

필터와 결합된 전류검출센서의 시간 지연보상기법을 적용한 모터의 구동장치 Download PDF

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KR20150011779A
KR20150011779A KR1020140092598A KR20140092598A KR20150011779A KR 20150011779 A KR20150011779 A KR 20150011779A KR 1020140092598 A KR1020140092598 A KR 1020140092598A KR 20140092598 A KR20140092598 A KR 20140092598A KR 20150011779 A KR20150011779 A KR 20150011779A
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성소영
박종원
임용곤
김승근
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 모터의 구동장치에 관한 것으로서, 모터의 회전자 위치 정보를 검출하는 회전자 위치 검출부와, 모터에 전력을 공급하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동부와, 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부와, 전류 검출부에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 출력하는 필터와, 필터에 의한 지연시간이 미리 기록되어 있고, 필터를 통해 입력된 신호로부터 지연시간을 보상하여 모터 구동 제어신호를 모터 구동부에 출력하는 모터 제어유니트를 구비한다. 이러한 모터의 구동장치에 의하면, 필터에 의한 시간 지연량을 미리 산출하여 기억해놓은 값을 이용하여 보상되게 모터의 구동을 제어할 수 있어 구동 효율을 높일 수 있는 장점을 제공한다.

Description

필터와 결합된 전류검출센서의 시간 지연보상기법을 적용한 모터의 구동장치{motor driver}
본 발명은 모터의 구동장치에 관한 것으로서, 상세하게는 모터에 공급되는 전류를 검출하여 모터의 구동을 제어하는 모터 구동장치에 관한 것이다.
일반적으로 모터에 공급되는 전류를 검출하여 모터의 회전속도를 제어하는 경우 모터에 공급되는 전류를 검출하는 전류검출센서로부터 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하는 로우패스 필터와 같은 필터를 적용하고, 이러한 예는 국내 공개 특허 제1994-0019956호의 모터 구동회로에 개시되어 있다.
그런데, 이러한 필터는 전류검출신호를 지연시켜 출력시키게 되기 때문에 저속으로 모터의 구동을 제어하는 경우에는 필터에 의한 시간 지연이 모터의 구동 효율에 크게 영향을 미치지 않으나, 모터의 회전속도가 빠르면, 이러한 시간 지연에 의해 회전자의 위치 정보에 대응되는 전력공급 시기가 어긋나고 그에 따른 구동 효율이 저감되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 필터에 의한 시간 지연을 보상하여 모터의 구동시기를 정밀하게 제어할 수 있는 모터의 구동장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 모터의 구동장치는 모터와; 상기 모터의 회전자 위치 정보를 검출하는 회전자 위치 검출부와; 상기 모터에 전력을 공급하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동부와; 상기 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부와; 상기 전류 검출부에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 출력하는 필터와; 상기 필터에 의한 지연시간이 미리 기록되어 있고, 상기 필터를 통해 입력된 신호로부터 상기 지연시간을 보상하여 상기 회전자 위치 검출부의 출력신호에 대응한 상기 모터 구동 제어신호를 상기 모터 구동부에 출력하는 모터 제어유니트;를 구비하고, 상기 모터 제어유니트는 상기 필터에 의한 지연시간이 기록된 지연시간 룩업테이블과; 상기 회전자 위치 검출부의 출력신호에 대해 상기 필터를 통해 입력된 신호에 대한 지연시간을 상기 지연시간 룩업테이블을 참조하여 보상한 위상각 신호를 생성하는 지연위상 보상기와; 상기 지연위상 보상기로부터 제공되는 위상각 신호와 상기 필터를 통해 입력된 신호를 이용하여 상기 모터 구동부를 제어하는 모터전류 제어부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 필터는 상기 베셀, 엘립틱, 가우시안, 유한충격반응(FIR) 필터 중 적어도 하나가 적용된다.
본 발명에 따른 모터의 구동장치에 의하면, 필터에 의한 시간 지연량을 미리 산출하여 기억해놓은 값을 이용하여 회전자의 속도에 의한 지연 위상각을 자동으로 계산하여 지연위상 신호를 보상하여 모터의 구동을 제어할 수 있어 구동 효율을 높일 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 구동장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 제어유니트의 상세 블록도이고,
도 3은 본 발명에 적용되는 필터의 주파수에 따른 지연시간을 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 도 8은 지연시간을 보상하지 않은 경우와 지연시간을 보상한 경우에 대해 실험한 결과를 비교하여 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 모터의 구동장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 구동장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 모터의 구동장치(100)는 회전자 위치 검출부(110), 모터 구동부(120), 전류 검출부(130), 필터(140) 및 모터 제어유니트(150)를 구비한다.
모터(10)는 모터 구동부(120)를 통해 공급된 전력에 의해 회전자(12)를 회전시킨다.
회전자 위치 검출부(110)는 모터(10)의 회전자(12)의 극위치 정보를 검출한다.
회전자 위치 검출부(110)는 회전자(12)의 위치를 검출할 수 있는 홀센서, 엔코더 등 공지된 다양한 센서가 적용될 수 있다.
모터 구동부(120)는 모터 제어유니트(150)에 제어되어 모터(10)에 전력을 공급하여 모터(10)를 구동한다.
전류 검출부(130)는 모터(10)에 인가되는 전류를 검출한다.
전류 검출부(130)는 모터구동부(120)로부터 모터(10)로 이어지는 전력공급선(15) 외부에서 공급 전류에 대응되어 유기되는 에너지를 검출하는 전류 센서가 적용되었다.
필터(140)는 전류 검출부(130)에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 출력한다.
필터(140)는 로우패스 필터가 적용된다.
필터(140)는 차단(cut-off) 주파수를 초과하는 신호는 제거하고, 차단 주파수 이하의 신호는 통과하는 것이 적용된다.
바람직하게는 필터(140)는 베셀(Bessel), 엘립틱(Eliptic), 가우시안(Gaussian), 유한충격반응(FIR; finite Impulse Response) 필터 중 적어도 하나가 적용된다.
여기서, 베셀(Bessel), 엘립틱(Eliptic), 가우시안(Gaussian), 유한충격반응(FIR; finite Impulse Response) 필터는 설정된 차단 주파수 이하에서는 주파수와 관계없이 지연시간(delay time)이 일정하다.
참고로 도 3에서는 차단 주파수를 1KHz로 적용하여 설계한 베셀(Bessel), 엘립틱(Eliptic), 가우시안(Gaussian) 및 FIR 필터에 대해 시간지연값을 주파수에 따라 나타내 보인 그래프로서, 도시된 바와 같이 컷오프(cut-ㅇff) 주파수인 1KHz까지 지연시간이 주파수와 관계없이 일정함을 알 수 있다.
따라서, 적용되는 필터(140)에 대응되는 지연시간은 상수값으로 기록하여 저장하고, 보상 위상각을 산출하기 위한 연산시에도 주파수에 관계없이 기록된 지연시간 값을 이용하면 되기 때문에 연산의 복잡성을 억제할 수 있다.
모터 제어유니트(150)는 필터(140)에 의한 지연시간이 미리 지연보상 룩업테이블(LUT)(181)에 기록되어 있고, 회전자 위치 검출부(110)의 출력신호로부터 계산된 모터(10)의 속도를 이용하여 산출된 위상각에 지연시간을 보상한 위상각을 산출하여 모터 구동 제어신호를 모터 구동부(120)에 출력한다.
모터 제어유니트(150)는 필터(140)에 의한 지연시간이 기록된 지연시간 룩업테이블(181)과, 회전자 위치 검출부(110)의 출력신호에 대해 필터(140)를 통해 입력된 신호에 대한 지연시간을 지연시간 룩업테이블(181)을 참조하여 보상한 위상각 신호를 생성하는 지연위상 보상기(153)와, 지연위상 보상기(153)로부터 제공되는 위상각 신호와 필터(140)를 통해 입력된 전류값 신호를 이용하여 설정된 목표 회전속도가 되게 모터 구동부(120)를 제어하는 모터전류 제어부(151)를 구비한다.
이러한 모터 제어유니트(150)의 제어 과정을 도 2를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 2를 참조하면, 지연위상 보상기(153)는 제1승산기(153a), 제1합산기(153b)를 구비하고, 전류 제어부(151)는 제1 내지 제4상변환기(161)(162)(171)(172), 제2 내지 제3합산기(164)(165)(167), 제1 및 제2 PI 제어기(168)(169) 및 PWM 변조부(173)를 구비한다.
먼저, 제1상변환기(161)는 모터 구동부(120)로 적용된 인버터(120a)로부터 직류(DC LINK)를 스위칭하여 3상 모터(10)로 인가되는 3상(a, b, c)신호 중 2상의 신호 예를 들면 a, b 상에 대해 전류검출부(130)를 거쳐 필터(140)를 통해 출력되는 신호(ifa, ifb)를 수신하여 상변환한다. 제1상변환기(161)는 a, b, c 상 중 두 개의 상을 α축 및 β축 상으로 변환한다. 즉 제1상변환기(161)는 클라크 변환(Clarke Transform)을 수행하여 인버터(120a)의 a상 전류 신호(ia), b상 전류 신호(ib)를 필터(140)를 거쳐 수신하여, α축 전류 신호(iα) 및 β축 전류 신호(iβ)로 상변환하여 제2상변환기(162)로 전달한다.
제2상변환기(162)는 제1상변환기(161)가 제공한 α축 전류 신호(iα) 및 β축 전류 신호(iβ)를 d축 피드백 전류 신호(id) 및 q축 피드백 전류 신호(iq)로 변환한다. 제2상변환기(162)는 파크 변환(Park Transform)을 수행한다.
여기서 제2상변환기(162)는 지연위상 보상기(153)에 의해 보상된 위상신호(
Figure pat00001
)를 반영하여 d축 피드백 전류 신호(id) 및 q축 피드백 전류 신호(iq)로 변환한다.
한편, 지연위상 보상기(153)는 회전자 위치 검출부(110)에서 출력되는 회전자 위치(θ) 정보에 대해 지연시간(Tg)에 대응되는 보상각(
Figure pat00002
)을 합산하여 생성된 보상된 위상신호(
Figure pat00003
)를 제2상변환기(162)에 제공한다.
여기서, 지연위상 보상기(153)는 지연시간(Tg)이 보상된 위상신호(
Figure pat00004
)로부터 구한 각속도(ωe)에 지연시간 룩업테이블(181)에 기록된 지연시간(Tg)를 승산하는 제1승산기(153a)와, 제1승산기(153a)에서 출력되는 보상각(
Figure pat00005
)을 회전자 위치 검출부(110)에서 출력되는 회전자 위치(θ) 에 합산하는 제1합산기(143b)로 되어 있다.
속도 산출기(155)는 보상된 위상신호(
Figure pat00006
)를 미분하여 현재 각속도(ωe) 정보를 산출한다.
한편, 제2합산기(164)는 상위 제어기(미도시)로부터 제공되는 각속도 지령 정보(ωref)에서 필터(140)에 의한 지연시간이 보상되게 속도 산출기(S)(155)가 제공하는 각속도 정보(ωe)를 차감한 각속도 차이정보를 속도 제어기(speed controller)(165)에 제공한다.
속도 제어기(165)는 각속도 차이정보에 대응되는 d, q 축상의 속도 조정 전류값을 제3 및 제4 합산기(166)(167)에 출력한다.
제3합산기(166)는 속도 제어기(165)에서 출력되는 q 축상의 속도 조정 전류값에서 제2상변환기(162)에 의해 생성된 q 축상의 전류 피드백 신호(iq)를 차감하여 제1 PI 제어기(168)에 제공한다.
제4합산기(167)는 속도 제어기(165)에서 출력되는 d축상의 속도 조정 전류값에서 제2상변환기(162)에 의해 생성된 d축상의 전류 피드백 신호(id)를 차감하여 제2 PI 제어기(169)에 제공한다.
제1 PI 제어기(168))는 수신된 q축 전류 정보로부터 q축 전압 신호(Vq)를 생성하고, 생성된 q축 전압 신호(Vq)를 제3상변환기(171)에 전달한다.
제2 PI 제어기(169)는 수신된 d축 전류 정보로부터 d축 전압 신호(Vd)를 생성하고, 생성된 d축 전압 신호(Vd)를 제3상변환기(171)에 전달한다.
제3상변환기(171)는 d축 및 q축 전압 신호(Vd, Vq)를 α축 및 β축 전압 신호(Vα, Vβ)로 상변환한다.
즉, 제3 상변환기(171)는 파크 역변환(Inverse Park Transform)을 수행한다.
이러한 제3 상변환기(171)는 제1 PI 제어기(168) 및 제2 PI 제어기(169)로부터 q축 전압 신호(Vq) 및 d축 전압 신호(Vd)를 수신하고, 수신된 신호를 α축 전압 신호(Vα) 및 β축 전압 신호(Vβ)로 전환한 후 신호 변환부(172)에 전달한다.
제4 상변환기(172)는 제3상변환기(171)에서 출력되는 α축 전압 신호(Vα) 및 β축 전압 신호(Vβ)를 인버터(172)를 제어하기 위한 3상(a, b, c) 제어 신호로 변환하여 출력한다. 여기서, 제4 상변환기(172)는 클라크 역변환(Inverse Clarke Transform)을 수행하여 2상의 물리량을 3상 고정 좌표계 물리량으로 변환하여 PWM 변조부(173)에 제공한다.
즉, 제4 상변환기(172)는 α축 전압 신호(Vα)와 β축 전압 신호(Vβ)를 3상의 물리량으로 변환하여 PWM 변조부(173)에 제공한다.
PWM 변조부(173)는 제4 상변환기(172)에서 출력되는 신호로부터 3상 구동신호에 대응되는 펄스신호를 생성하여 인버터(120a)에 출력한다.
인버터(120a)는 PWM 변조부(173)에서 출력되는 펄스 신호에 대응되는 구동전류가 모터(10)에 인가되게 스위칭한다.
이러한 모터의 구동장치(100)에 대해 필터(140)에 의한 시간지연을 보상하지 않은 경우와 시간지연을 보상하는 경우에 대해 실험한 비교 결과가 도 4 내지 도 8에 도시되어 있다.
도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 필터(140)에 의한 시간지연을 보상하지 않은 경우에 비해 시간지연을 보상하는 경우 구동전류가 12.3%가 저감되었다.
도 4에서 with GDC로 표기된 그래프가 본 발명에 따라 지연시간이 보상된 것에 대한 실험결과이고, without GDC로 표기된 그래프가 지연시간을 보상하지 않은 것에 대한 실험결과이다.
또한, 실험결과가 도시된 도 4 내지 도 8에서, 실선으로 표기된 그래프(with GDC)가 본 발명에 따라 지연시간이 보상된 것에 대한 실험결과이고, 점선으로 표기된 그래프(without GDC)가 지연시간을 보상하지 않은 것에 대한 실험결과이다.
도 4 내지 도 8을 통해서도 알 수 있는 바와 같이 모터의 구동장치(100)에 대해 필터(140)에 의한 시간지연을 보상하지 않은 경우와 시간지연을 보상하는 경우에 대해 비교한 결과, 동일 시간 동안 시간지연을 보상하지 않은 경우에 비해 모터(10)의 회전속도를 더 빠르게 올릴 수 있었으며, 동일하게 인가된 전류량에 대해 더 큰 토크를 낼 수 있음을 확인할 수 있다.
또한 지연시간을 보상하지 않았을 때는 모터(10)의 회전 속도가 증가함에 따라서 토크당 전류값이 작아지지만 지연시간을 보상한 경우 토크당 전류의 값이 일정하게 유지되어 고속 제어에 훨씬 유리함을 알 수 있다.
110: 회전자 위치 검출부 120: 모터 구동부
130: 전류 검출부 140: 필터
150: 모터 제어유니트

Claims (3)

  1. 모터와;
    상기 모터의 회전자 위치 정보를 검출하는 회전자 위치 검출부와;
    상기 모터에 전력을 공급하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동부와;
    상기 모터에 인가되는 전류를 검출하는 전류 검출부와;
    상기 전류 검출부에서 출력되는 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 출력하는 필터와;
    상기 필터에 의한 지연시간이 미리 기록되어 있고, 상기 필터를 통해 입력된 신호로부터 상기 지연시간을 보상하여 상기 회전자 위치 검출부의 출력신호에 대응한 상기 모터 구동 제어신호를 상기 모터 구동부에 출력하는 모터 제어유니트;를 구비하고,
    상기 모터 제어유니트는
    상기 필터에 의한 지연시간이 기록된 지연시간 룩업테이블과;
    상기 회전자 위치 검출부의 출력신호에 대해 상기 필터를 통해 입력된 신호에 대한 지연시간을 상기 지연시간 룩업테이블을 참조하여 보상한 위상각 신호를 생성하는 지연위상 보상기와;
    상기 지연위상 보상기로부터 제공되는 위상각 신호와 상기 필터를 통해 입력된 신호를 이용하여 상기 모터 구동부를 제어하는 모터전류 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 모터의 구동장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터는 상기 베셀, 엘립틱, 가우시안, 유한충격반응(FIR) 필터 중 적어도 하나가 적용된 것을 특징으로 하는 모터의 구동장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 필터는 차단 주파수를 초과한 신호는 제거하고, 차단주파수 이하의 신호는 통과하는 것이 적용되고,
    상기 전류검출부는 상기 모터구동부로부터 상기 모터로 이어지는 전력공급선로의 외부에서 공급 전류에 대응되어 유기되는 에너지를 검출하는 전류 센서가 적용된 것을 특징으로 하는 모터의 구동장치.
KR1020140092598A 2013-07-23 2014-07-22 필터와 결합된 전류검출센서의 시간 지연보상기법을 적용한 모터의 구동장치 KR20150011779A (ko)

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