KR100449911B1 - Method for controlling switching angle using self-tuning control of a switched reluctance motor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 및 효율을 최대화시키기 위해 엔코더 펄스 및 상전류값을 이용하여 자기동조 방식으로 턴 온/오프각을 제어하기 위한 스위치드 릴럭턴스 모터의 자기동조 제어에 의한 스위칭각 제어방법을 제공한다.The present invention provides a switching angle control method using self-tuning control of a switched reluctance motor for controlling the turn on / off angle in a self-tuning manner by using an encoder pulse and a phase current value in order to maximize the torque and efficiency of the switched reluctance motor. To provide.
이를 위해 본 발명은 컨버터의 턴-온각을 고정시키고 스위치드 릴럭턴스 모터의 엔코더로부터 발생되는 엔코더 펄스의 출력을 일정시간동안 샘플링하여 이전에 저장된 펄스수와 현재의 펄스수와의 차를 비교함에 의해 최대 토크에 따른 펄스수에 대응하는 턴-오프각을 각각 소정의 각도 편차만큼 가감하여 조정하는 제 1조정단계와, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터에 대해 최대 토크가 발생하는 턴-오프각의 조정이 이루어지면, 상기 컨버터로부터의 상전류값을 입력받아 이전에 저장된 상전류의 최대값과 현재 상전류의 최대값과의 차를 비교하여 최대 속도가 발생하도록 턴-온각을 소정의 각도 편차만큼 가감하여 조정하는 제 2조정단계로 이루어지고, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 및 효율을 최대화시키기 위해 상기 제 1조정단계 및 제 2조정단계를 무한 반복하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.To this end, the present invention fixes the turn-on angle of the converter and samples the output of the encoder pulses generated from the encoder of the switched reluctance motor for a predetermined time to compare the difference between the number of previously stored pulses and the current pulse number. A first adjustment step of adjusting the turn-off angle corresponding to the number of pulses according to the torque by a predetermined angle deviation, and adjusting the turn-off angle at which the maximum torque is generated for the switched reluctance motor. A second adjustment for adjusting the turn-on angle by a predetermined angle deviation so that a maximum speed is generated by comparing the difference between the maximum value of the previously stored phase current and the maximum value of the current phase current by receiving the phase current value from the converter. The first adjusting step and the second adjusting step to maximize the torque and efficiency of the switched reluctance motor. It is characterized in that it is made to repeat the system infinitely.
Description
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 자기동조 제어에 의한 스위칭각 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스위치드 릴럭턴스 모터의 최대 토크 및 효율을 얻기 위해 자기동조 방식을 적용하여 최적의 턴 온/오프각을 결정하기 위한 스위치드 릴럭턴스 모터의 자기동조 제어에 의한 스위칭각 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a switching angle control method by self-tuning control of a switched reluctance motor, and more particularly, by applying a self-tuning method to obtain the maximum torque and efficiency of the switched reluctance motor, an optimum turn on / off angle It relates to a switching angle control method by self-tuning control of a switched reluctance motor for determining the.
최근, 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor; SRM)에 대한 상용화 연구의 진전에 따라 세탁기나 냉장고, 에어컨 등과 같은 각종 가전기기나 다양한 운송기계의 구동장치로서 폭넓게 적용되고 있는 추세이다.Recently, according to the progress of commercialized research on Switched Reluctance Motor (SRM), it is widely applied as a driving device of various home appliances such as a washing machine, a refrigerator, an air conditioner, and various transportation machines.
이러한 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전자에 권선이나 정류자 또는 영구자석이 없고 기계적인 구조상 일반적인 범용 유도 전동기보다 제작비가 절감되고, 각 상의 전력 스위칭 소자가 상 권선과 각각 직렬로 연결되어 있어서 스위칭 소자의 단락이 발생되지 않으며, 모터를 구동하기 위한 컨버터의 회로구성이 일반 유도 전동기나 브러시리스(Brushless) 모터의 컨버터보다 간단함과 더불어, 고 회전력 특성으로 모터 회전속도의 제곱 또는 세제곱에 비례하는 부하토크의 요구에 부합될 수 있다는 장점이 있다.The switched reluctance motor has no winding, commutator or permanent magnet in the rotor, and has a lower manufacturing cost than a general-purpose induction motor due to its mechanical structure, and the power switching elements of each phase are connected in series with each of the phase windings so that a short circuit of the switching elements is prevented. It is not generated and the circuit configuration of the converter for driving the motor is simpler than that of a general induction motor or brushless motor, and the high torque characteristics require load torque proportional to the square or cubic of the motor rotation speed. There is an advantage that can be met.
한편, 이러한 스위치드 릴럭턴스 모터는 관련기기의 구동에 있어서 전압 리플 현상이나 부토크 발생, 자기포화의 영향이 발생하기 쉬워서 정밀분야의 기기에 적용하기가 어렵도록 되어 있는 바, 이러한 악영향을 개선하기 위한 노력이 활발하게 이루어지고 있는 상태이다.On the other hand, such a switched reluctance motor is difficult to be applied to devices in the precision field because of the effects of voltage ripple, negative torque, and magnetic saturation in driving related equipment. Efforts are being made actively.
즉, 도 1은 일반적인 스위치드 릴럭턴스 모터의 회로구성을 나타낸 도면으로서, 동 도면에 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터는 4상 8/6극을 예시적으로 나타내고있다.That is, FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a general switched reluctance motor, and the switched reluctance motor shown in the drawing exemplarily shows four-phase 8/6 poles.
도 1에 도시된 바와 같이, 이러한 스위치드 릴럭턴스 모터는 다상으로 제작되어 각 상에 상권선(4)이 권취되어 있는 고정자(2)와, 상기 고정자(2)의 각 상에 권취된 상권선(4)으로부터의 전류의 위상에 따라 발생되는 자기력을 제공받아 회전되는 회전자(6), 소정의 입력펄스신호에 따라 상권선(4)에 인가되는 전류를 턴-온/오프시키기 위한 스위칭을 수행하는 스위칭소자(TR1,TR2), 상기 상권선(4)으로부터 바생되는 역기전력으로부터 각 스위칭소자(TR1,TR2)을 보호하기 위한 다이오드(D1,D2)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the switched reluctance motor is manufactured in a multi-phase, and includes a stator 2 wound around a phase winding 4 in each phase, and a phase winding wire wound around each phase of the stator 2. Rotor 6, which is rotated by receiving magnetic force generated according to the phase of current from 4), performs switching to turn on / off current applied to phase winding 4 according to a predetermined input pulse signal. Switching elements TR1 and TR2, and diodes D1 and D2 for protecting each of the switching elements TR1 and TR2 from the counter electromotive force generated from the phase winding line 4, respectively.
이러한 구성을 갖는 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동회로는 고정자(2)의 각 상에 권취된 상권선(4)의 전류에 대한 위상을 스위칭소자(TR1,TR2)의 스위칭을 통해 제어하여 회전자(6)를 정회전 또는 역회전시킬 수 있도록 되어 있다.The drive circuit of the switched reluctance motor having such a configuration controls the phase with respect to the current of the phase winding 4 wound on each phase of the stator 2 by switching the switching elements TR1 and TR2 to rotate the rotor 6. ) Can be rotated forward or reverse.
이러한 스위치드 릴럭턴스 모터는 이중 돌극(Doubly Salient Pole)을 갖는 자기적 구조로서 릴럭턴스 토크의 이용을 극대화한 것인데, 토크는 여자 권선의 인덕턴스가 최대로 되는 방향으로 발생하는 원리를 이용한 것이다. 이러한 토크를 생성하기 위해서는 고정자의 상권선에 대한 인덕턴스가 회전자의 위치에 따라서 변화하도록 자기적 구조를 설계하여야 한다.The switched reluctance motor is a magnetic structure having a double salient pole, which maximizes the use of the reluctance torque. The torque is based on the principle that the inductance of the excitation winding is generated in the maximum direction. To generate this torque, the magnetic structure must be designed so that the inductance of the stator's winding wire changes with the position of the rotor.
일반적으로, 모터의 토크는 자기회로의 비선형성 때문에 에너지 계수(Coenergy)로부터 유도되는데, 스위치드 릴럭턴스 모터는 자기의 구조상 다른 상과의 상호 쇄교자속이 거의 없으므로 상간의 상호 인덕턴스를 무시한다. 이에, 모터의 토크를 유도하기 위한 자기적 에너지 계수(Wc)는 하기한 수학식 1에 나타난바와 같다.In general, the torque of the motor is derived from the energy coefficient Coenergy due to the nonlinearity of the magnetic circuit. The switched reluctance motor ignores the mutual inductance between phases because there is little crosslinking flux with other phases in its structure. Accordingly, the magnetic energy coefficient W c for inducing torque of the motor is as shown in Equation 1 below.
여기서, i는 상권선의 전류를 나타내고, L은 인덕턴스를 나타낸다.Here, i represents the current of the phase winding, and L represents the inductance.
한편, 모터 고정자(2)의 각 상에 대한 토크(T)는 회전자(6)의 위치각(θ)에 대한 에너지 계수의 편미분항으로 되는 바, 이는 하기한 수학식 2에 나타난 바와 같다.On the other hand, the torque T for each phase of the motor stator 2 is a partial derivative of the energy coefficient with respect to the position angle θ of the rotor 6, as shown in Equation 2 below.
이 때, 상기 수학식 1의 에너지 계수(Wc)를 수학식 2의 토크식에 대입하게 되면, 토크(T)는 하기한 수학식 3과 같이 정리된다.At this time, when the energy coefficient W c of Equation 1 is substituted into the torque equation of Equation 2, the torque T is summarized as in Equation 3 below.
즉, 상기한 수학식 3에 나타난 바와 같이, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 발생토크는 상전류의 제곱에 비례하고 위치각에 대한 인덕턴스의 기울기에 비례함을 알 수 있는 바, 토크가 전류의 제곱에 비례함으로써 상전류의 방향과 무관하게 토크를 발생시킬 수 있으며, 인덕턴스의 변화율에 따라서 토크는 정 토크(Positive Torque) 또는 부토크(Negative Torque)가 발생한다.That is, as shown in Equation 3, it can be seen that the generated torque of the switched reluctance motor is proportional to the square of the phase current and is proportional to the slope of the inductance with respect to the position angle, so that the torque is proportional to the square of the current. Thus, torque can be generated regardless of the direction of the phase current, and positive torque or negative torque is generated according to the rate of change of inductance.
다음에, 도 2는 도 1에 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크특성을 나타낸파형도이다.Next, FIG. 2 is a waveform diagram showing torque characteristics of the switched reluctance motor shown in FIG.
여기서, 도 2a는 스위치드 릴럭턴스 모터의 각각의 상에 대한 인덕턴스 프로파일을 위치각(θ)에 따라 나타낸 것으로서, 동 도면에서는 인덕턴스가 증가구간(θs∼θ1)과, 감소구간(θ2∼θ3) 및 일정구간(θ1∼θ2, θ3∼θ0)이 존재한다.2A shows an inductance profile for each phase of the switched reluctance motor according to the position angle θ, in which the inductance is increased in the period θ s to θ 1 , and the decrease interval θ 2 to the θ 3 ) and constant intervals θ 1 to θ 2 and θ 3 to θ 0 .
한편, 도 2b와 같이 모터 회전자의 상권선에 일정한 여자전류를 흐르게 하면, 도 2c에 도시된 바와 같이 인덕턴스의 증가구간(θs∼θ1)에서는 정토크가 발생하는 한편, 인덕턴스의 감소구간(θ2∼θ3)에서는 상기 정토크와 동일한 크기의 부토크가 발생하게 된다.On the other hand, as shown in FIG. 2B, when a constant excitation current flows through the upper winding line of the motor rotor, as shown in FIG. 2C, the constant torque occurs in the increase range θ s to θ 1 , while the decrease period of the inductance is shown. At (θ 2 to θ 3 ), negative torque having the same magnitude as the positive torque is generated.
이에, 스위치드 릴럭턴스 모터에 일정하게 여자전류를 인가하게 되면 정토크와 부토크가 서로 상쇄되어서 모터의 축 토크는 제로(Zero)가 되므로 바람직한 회전토크를 얻을 수 없게 되는 바, 그러한 부토크의 발생을 방지하고 효과적인 회전토크를 얻기 위해서는 회전자의 위치를 정밀하게 검출하고 그 회전자의 위치에 따른 스위칭 여자를 수행하는 것이 필요하다.Therefore, if the excitation current is constantly applied to the switched reluctance motor, the positive torque and the negative torque cancel each other, and the axial torque of the motor becomes zero, so that the desired rotational torque cannot be obtained. It is necessary to accurately detect the position of the rotor and to perform the switching excitation according to the position of the rotor in order to prevent the damage and to obtain an effective rotational torque.
즉, 도 3은 스위치드 릴럭턴스 모터의 스위칭각 제어에 의한 전류형상의 변화에 의해 토크특성이 개선되는 상태를 예시적으로 나타낸 파형도이다.That is, FIG. 3 is a waveform diagram exemplarily illustrating a state in which a torque characteristic is improved by a change in current shape by switching angle control of a switched reluctance motor.
도 3a 내지 도 3e에 도시된 바에 따르면, 4상의 8/6극 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 각위치에 따라 스위칭 여자전류를 흐르게 함으로써 이상적인 축 토크를 발생시키도록 하는 4상 스위칭 여자방식을 나타내고 있다.3A to 3E show a four-phase switching excitation method that generates an ideal axial torque by flowing a switching excitation current according to the rotor angular position of a four-phase 8 / 6-pole switched reluctance motor. .
이 때, 해당 스위치드 릴럭턴스 모터의 축에서 발생하는 출력토크는 도 3f에도시된 바와 같이 각 상의 여자전류에 의하여 발생되는 토크들의 합으로 생성되는 바, 그러한 4상의 출력토크(Tout)는 하기한 수학식 4에 나타낸 바와 같다.At this time, the output torque generated in the shaft of the switched reluctance motor is generated as the sum of the torques generated by the excitation current of each phase, as shown in Figure 3f, such output torque (T out ) of the four-phase As shown in Equation 4.
한편, 도 3f에 도시된 바와 같은 출력토크의 파형은 이상적인 상전류에 의하여 얻을 수 있는 것으로서, 실제적인 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 비선형적인 인덕턴스 프로파일에 의하여 상전류의 형상이 결정되기 때문에, 도 3b 내지 도 3e와 같은 이상적인 상전류의 형성이 어렵고, 이 때문에 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 여타의 일반적인 모터에 비하여 큰 맥동성분이 토크에 함유된다.On the other hand, the waveform of the output torque as shown in Figure 3f is obtained by the ideal phase current, the shape of the phase current is determined by the non-linear inductance profile in the actual switched reluctance motor, it is compared with Figures 3b to 3e It is difficult to form the same ideal phase current, and therefore, in a switched reluctance motor, a large pulsation component is contained in the torque as compared with other general motors.
상기한 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전자의 상권선에 인가되는 전류가 펄스 형태의 연속적인 과도현상파로서 회전속도, 인가전압, 턴-온/오프각 및, 부하토크 등과 같은 운전조건에 따라 전류의 파형이 다양하게 변화하게 되는 바, 이러한 펄스 형태의 전류 형상은 일반적인 여타의 모터보다 효율에 미치는 영향이 크다.As described above, the switched reluctance motor is a continuous transient wave in the form of a pulse in which the current applied to the upper winding of the rotor is subjected to operating conditions such as rotation speed, applied voltage, turn-on / off angle, and load torque. Accordingly, the waveform of the current is variously changed, so the pulse current shape has a greater effect on efficiency than other motors in general.
특히, 스위치드 릴럭턴스 모터의 운전조건 중에서 회전자의 위치에 따른 스위칭각의 제어가 모터의 효율에 지대한 영향을 미치고 있는 것으로 알려져 있으며, 모터의 효율을 향상시키기 위해 턴-온/오프각을 조정하여 적정한 전류파형을 형성하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있는 상태이다.In particular, it is known that the control of the switching angle according to the position of the rotor in the operating condition of the switched reluctance motor has a great influence on the efficiency of the motor, and the turn-on / off angle is adjusted to improve the efficiency of the motor. There is an active research to form a proper current waveform.
그러나, 이러한 종래의 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 턴-온/오프각의 조정에 따른 운전특성에서 적정한 턴-오프각보다 늦게 턴-오프를 수행하게 되면 인덕턴스의 감소영역에서 리플전류가 발생되고, 그에 따른 부토크가 발생되어 총 토크는 감소하게 되는 반면에, 턴-오프 시점이 너무 빠르게 되면 충분한 정토크를 얻을 수 없게 된다.However, in the conventional switched reluctance motor, when the turn-off is performed later than the proper turn-off angle in the operating characteristics according to the turn-on / off-angle adjustment, a ripple current is generated in the reduction region of the inductance. While negative torque is generated, the total torque is reduced, while if the turn-off time is too fast, sufficient static torque cannot be obtained.
결과적으로 턴-온각에 관계없이 턴-오프각을 앞으로 이동하게 되면 부토크를 감소시킬 수 있으나, 턴-오프각을 너무 앞으로 이동하게 되면 정토크는 감소하게 되는 것이다. 그와 마찬가지로 턴-오프각을 고정시켜 두고 턴-온각을 조정하면, 정격 토크까지는 효율의 변화는 적으나, 모터의 토크를 증가시키기 위해 보다 늦은 시점에서 턴-온이 되었을 경우에는 전류리플은 적지만 최대 토크를 유지 할 수 없다.As a result, the negative torque can be reduced by moving the turn-off angle forward regardless of the turn-on angle, but the positive torque is reduced by moving the turn-off angle too forward. Similarly, if the turn-off angle is fixed and the turn-on angle is adjusted, there is little change in efficiency until the rated torque, but there is little current ripple when it is turned on later to increase the torque of the motor. Only can not maintain the maximum torque.
그리고, 턴-온 시점이 빠른 경우에는 인덕턴스 감소영역에서 전류리플이 발생하여 역 토크가 발생하게 되는 바, 그에 따라 총 토크가 감소되어 모터의 효율도 감소하게 된다.In addition, when the turn-on time is fast, current ripple occurs in the inductance reduction region, thereby generating reverse torque. Accordingly, the total torque is reduced to reduce the efficiency of the motor.
이에, 최근에는 MAXWELL이나 FLUX와 같은 시뮬레이션 툴을 이용하여 모터의 인덕턴스값을 얻은 이후에, SIMULINK와 같은 프로그램을 통해 적정한 턴-온/오프각을 산출하여 롬 테이블(ROM Table)을 이용하는 방식이 개발되어 있지만, 이러한 방식은 원하는 턴-온/오프각을 얻어내기까지 장시간이 소요될 뿐만 아니라 별도의 시뮬레이션 툴이 구비되어야 하고, 시뮬레이션 과정에서 모터의 운전상태 변화에 대한 값을 소정의 파라미터값으로 적용하기 때문에 정확한 데이터를 산출하기가 어렵다는 문제점이 있다.Recently, after obtaining the inductance value of the motor using a simulation tool such as MAXWELL or FLUX, a method of using a ROM table by calculating an appropriate turn-on / off angle through a program such as SIMULINK has been developed. However, this method not only takes a long time to obtain a desired turn-on / off angle, but also requires a separate simulation tool, and applies a value for a change in the operating state of the motor as a predetermined parameter value during the simulation process. Therefore, it is difficult to calculate accurate data.
따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 및 효율을 최대화시키기 위해 엔코더 펄스 및 상전류값을 이용하여 자기동조 방식으로 턴 온/오프각을 제어하기 위한 스위치드 릴럭턴스 모터의 자기동조 제어에 의한 스위칭각 제어방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to turn-on / off angles in a self-tuning manner by using encoder pulses and phase current values in order to maximize torque and efficiency of a switched reluctance motor. It is to provide a switching angle control method by self-tuning control of a switched reluctance motor for controlling.
도 1은 일반적인 스위치드 릴럭턴스 모터의 회로구성을 나타낸 도면,1 is a view showing a circuit configuration of a general switched reluctance motor,
도 2는 도 1에 도시된 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크특성을 나타낸 파형도,2 is a waveform diagram showing torque characteristics of the switched reluctance motor shown in FIG. 1;
도 3은 스위치드 릴럭턴스 모터의 스위칭각 제어에 의한 전류형상의 변화에 의해 토크특성이 개선되는 상태를 예시적으로 나타낸 파형도,3 is a waveform diagram exemplarily illustrating a state in which torque characteristics are improved by a change in current shape by switching angle control of a switched reluctance motor;
도 4는 본 발명이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터의 턴-온/오프각 조정에 따른 상전류의 형상을 예시적으로 나타낸 그래프도면,Figure 4 is a graph showing the shape of the phase current according to the turn-on / off angle adjustment of the switched reluctance motor to which the present invention is applied,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터에 실제적인 스위칭을 위한 여자를 하는 경우에 스위칭에 의해 형성되는 상전류와 토크의 형상을 예시적으로 나타낸 파형도,5A to 5C are waveform diagrams exemplarily illustrating shapes of phase currents and torques formed by switching in the case of performing excitation for actual switching in a switched reluctance motor to which the present invention is applied;
도 6은 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 가변 및 부하변동에 대해 턴 오프각을 고정시키고 턴-온각을 조정하는 상태를 예시적으로 나타낸 그래프도면,FIG. 6 is a graph showing an example of fixing a turn-off angle and adjusting a turn-on angle with respect to a speed change and a load change of a switched reluctance motor; FIG.
도 7은 스위치드 리럭턴스 모터의 속도 가변 및 부하 변동에 대해 드웰(Dwell) 각을 일정하게 유지하면서 턴-온각을 조정하는 상태를 예시적으로 나타낸 그래프도면,7 is a graph illustrating an example of adjusting a turn-on angle while maintaining a constant dwell angle with respect to speed variation and load variation of a switched reluctance motor.
도 8a 내지 도 8c는 스위치드 릴럭턴스 모터의 턴-온각이 고정되었을 때 턴-오프각의 조정 시점에 따라 변화하는 순시 토크의 형상을 예시적으로 나타낸 그래프도면,8A through 8C are graphs exemplarily illustrating shapes of instantaneous torque that change according to an adjustment timing of a turn-off angle when the turn-on angle of a switched reluctance motor is fixed.
도 9a 내지 도 9c는 스위치드 릴럭턴스 모터에서 적절한 턴-오프각이 결정된 이후에 턴-온각의 조정 시점에 따라 변화하는 순시 토크의 형상을 예시적으로 나타낸 그래프도면,9A to 9C are graphs illustrating the shape of the instantaneous torque that changes according to the adjustment time of the turn-on angle after the appropriate turn-off angle is determined in the switched reluctance motor.
도 10은 본 발명의 제어방법이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터의 스위칭각 제어장치의 구성을 나타낸 도면,10 is a view showing the configuration of a switching angle control device of a switched reluctance motor to which the control method of the present invention is applied;
도 11은 본 발명이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동회로에 대한 구성을 나타낸 도면,11 is a view showing a configuration of a drive circuit of a switched reluctance motor to which the present invention is applied;
도 12는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 자기동조 제어에 의한 스위칭각 제어방법에 대한 동작을 설명하기 위한 플로우차트,12 is a flowchart for explaining an operation of a switching angle control method by self-tuning control of a switched reluctance motor according to the present invention;
도 13a 및 도 13b는 일반적으로 고정된 턴-온/오프각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면,13A and 13B show waveform states of current and voltage measured when a switched reluctance motor is generally operated at a fixed turn-on / off angle;
도 14는 도 13a 및 도 13b와 같이 고정된 턴-온/오프각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면,FIG. 14 is a view showing a waveform state of a speed generated when a switched reluctance motor is operated at a fixed turn-on / off angle as shown in FIGS. 13A and 13B;
도 15a 및 도 15b는 일반적으로 고정된 턴-온각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면,15A and 15B show waveform states of current and voltage measured when a switched reluctance motor is generally operated at a fixed turn-on angle;
도 16은 도 15a 및 도 15b와 같이 고정된 턴-온각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면,FIG. 16 is a view showing a waveform state of a speed generated when a switched reluctance motor is operated at a fixed turn-on angle as shown in FIGS. 15A and 15B;
도 17a 및 도 17b는 엔코더 펄스를 피드백 받아서 턴-온/오프각을 제어하여 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 정상상태에서 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면,17A and 17B are diagrams illustrating waveform states of currents and voltages measured in a steady state when a switched reluctance motor is operated by receiving an encoder pulse and controlling a turn-on / off angle;
도 18은 도 17a 및 도 17b와 같이 엔코더 펄스를 피드백 받아서 턴-온/오프각을 제어하는 경우에 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면,FIG. 18 is a view illustrating a waveform state of a velocity generated when an encoder pulse is fed back to control a turn-on / off angle as in FIGS. 17A and 17B;
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 엔코더 펄스의 피드백 제어와 상전류를 이용하여 최적의 턴-온/오프각 제어를 수행함에 의해 스위치드 릴럭턴스 모터의 정상상태에서 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면,19A and 19B illustrate current and voltage measured in a steady state of a switched reluctance motor by performing an optimum turn-on / off angle control using feedback control and phase current of an encoder pulse according to a preferred embodiment of the present invention. Drawing showing the waveform state of
도 20은 도 19a 및 도 19b와 같이 본 발명에 따른 턴-온/오프각 제어에 의해 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전하는 상태에서 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면이다.20A and 19B are diagrams illustrating waveform states of speeds generated when a switched reluctance motor is operated by turn-on / off angle control according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10:정류기, 12:컨버터,10: rectifier, 12: converter,
14:스위치드 릴럭턴스 모터(SRM), 16:부하,14: switched reluctance motor (SRM), 16: load,
18:엔코더, 20:마이크로 콘트롤러,18: encoder, 20: microcontroller,
T1∼T8:스위칭소자, D1∼D8:다이오드.T1-T8: switching element, D1-D8: diode.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따르면, 컨버터의 턴-온각을 고정시키고 스위치드 릴럭턴스 모터의 엔코더로부터 발생되는 엔코더 펄스의 출력을 일정시간동안 샘플링하여 이전에 저장된 펄스수와 현재의 펄스수와의 차를 비교함에 의해 최대 토크에 따른 펄스수에 대응하는 턴-오프각을 각각 소정의 각도 편차만큼 가감하여 조정하는 제 1조정단계와, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터에 대해 최대 토크가 발생하는 턴-오프각의 조정이 이루어지면, 상기 컨버터로부터의 상전류값을 입력받아 이전에 저장된 상전류의 최대값과 현재 상전류의 최대값과의 차를 비교하여 최대 속도가 발생하도록 턴-온각을 소정의 각도 편차만큼 가감하여 조정하는 제 2조정단계로 이루어지고, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크 및 효율을 최대화시키기 위해 상기 제 1조정단계 및 제 2조정단계를 무한 반복하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 자기동조 제어에 의한 스위칭각 제어방법을 제공한다.According to the present invention to achieve the above object, by fixing the turn-on angle of the converter and sampling the output of the encoder pulse generated from the encoder of the switched reluctance motor for a predetermined time and the number of previously stored pulses and the current pulse number A first adjustment step of adjusting the turn-off angle corresponding to the number of pulses according to the maximum torque by a predetermined angle deviation by comparing the difference of the two and the turn-off of generating the maximum torque for the switched reluctance motor. When the off angle is adjusted, the turn-on angle is set by a predetermined angle deviation to receive the phase current value from the converter and compare the difference between the maximum value of the previously stored phase current and the maximum value of the current phase current. A second adjustment step of adjusting and subtracting, and maximizing the torque and efficiency of the switched reluctance motor. Provided is a switching angle control method by self-tuning control of a switched reluctance motor, characterized in that the first adjustment step and the second adjustment step are repeated indefinitely.
이하, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히설명한다.Hereinafter, the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
즉, 도 4는 본 발명이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터의 턴-온/오프각 조정에 따른 상전류의 형상을 예시적으로 나타낸 그래프도면이다.That is, Figure 4 is a graph showing the shape of the phase current according to the turn-on / off angle adjustment of the switched reluctance motor to which the present invention is applied.
도 4에 도시된 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 상전류의 턴-온/오프각에 의하여 결정되며, 구형파 형태의 펄스를 갖는 모터의 전류 파형은 A,B,C 파형의 세가지의 형상으로 분류된다.As shown in FIG. 4, in a switched reluctance motor, the current current of a motor having a square wave pulse is classified into three shapes of A, B, and C waveforms by the turn-on / off angle of phase current. .
동 도면에서, 토크를 발생하기에 충분한 전류의 확립을 위해서 회전자 위치각(θmin) 이전에 어드밴스(Advance) 각도인 θAD(=θmin-θmax) 만큼의 여유를 갖고 턴-온을 한다. 그리고, 어드밴스 각도에 따라서 확립된 전류는 회전자 위치각(θmin)이후의 토크발생구간에서 전류가 감소, 일정 또는 증가하는 등의 세 가지 형상을 갖게 되는 것이다.Turns have a margin of as much as in the figure, the rotor position in order to establish a sufficient current to generate a torque angle (θ min) prior to the advance (Advance) the angle θ AD (= θ min -θ max ) - a on- do. In addition, the current established according to the advance angle has three shapes such that the current decreases, is constant, or increases in the torque generation section after the rotor position angle θ min .
한편, 상전류의 형상과 운전조건과의 관계를 정식화하기 위해서는 모터 상권선 회로에 대한 전압 방정식을 설정해야 하는 바, 해당 전압 방정식은 하기한 수학식 5에 나타난 바와 같다.On the other hand, in order to formulate the relationship between the shape of the phase current and the operating conditions, it is necessary to set a voltage equation for the motor phase winding circuit, the voltage equation is as shown in Equation 5 below.
여기서, I는 상전류이고, r은 권선의 저항, ω는 회전 각속도, L은 인덕턴스, θ는 회전자의 위치각을 의미한다.Where I is the phase current, r is the resistance of the winding, ω is the rotational angular velocity, L is the inductance, and θ is the position angle of the rotor.
상기 수학식 5에서의 전압 방정식은 회전자 위치각(θ)에 대한 상전류(i)의일차미분 방정식으로서, 해당 수학식으로부터 회전자의 위치각에서 전류 확립구간과 토크 발생구간으로 나누어 상전류와 운전조건과의 관계식을 유도하면 다음과 같다.The voltage equation in Equation 5 is the first differential equation of the phase current i with respect to the rotor position angle θ, and the phase current and the operation are divided by the current establishment section and the torque generation section at the rotor position angle. Derivation of the relationship with the condition is as follows.
여기서, 전류 확립구간에서의 상전류에 대해서는 수학식 5를 참조하면 저항은 작아서 무시할 수 있으므로 제로(Zero)로 가정하고, 해당 전류 확립구간(θon∼θmax)에서는 인덕턴스의 값이 Lmin으로 일정하므로 dL/dθ=0이다. 이에, 이 구간에서의 전압 방정식은 하기한 수학식 6에 나타난 바와 같다.Here, the phase current in the current establishment section is assumed to be zero because the resistance is small and can be ignored by referring to Equation 5, and the inductance value is constant at L min in the current establishment section (θ on θ max ). DL / dθ = 0. Therefore, the voltage equation in this section is as shown in Equation 6 below.
따라서, 회전자의 위치각(θ)에 따른 상전류의 해는 하기한 수학식 7과 같이 나타난다.Therefore, the solution of the phase current according to the position angle [theta] of the rotor is expressed by the following equation (7).
즉, 도 4에서의 회전자 위치각(θmin)에서 확립되는 전류값은 전압과 속도가 일정할 때 어드밴스각도(θAD)의 크기에 의하여 결정된다.That is, the current value established at the rotor position angle θ min in FIG. 4 is determined by the magnitude of the advance angle θ AD when the voltage and speed are constant.
또한, 토크 발생구간에서의 상전류에 대해서는 회전자의 위치각이 θmin< θ <θoff에서 인덕턴스가 선형성을 갖고 직선적으로 증가한다고 하면, 인덕턴스는 하기한 수학식 8과 같은 각도(θ)의 함수로 놓을 수 있다.Also, for the phase current in the torque generation section, if the inductance increases linearly with linearity when the position angle of the rotor is θ min <θ <θ off , the inductance is a function of the angle θ as shown in Equation 8 below. Can be set as
여기서, KL은 인덕턴스의 기울기를 의미한다.Here, K L means the slope of the inductance.
한편, 상기 수학식 8의 함수 방정식을 위치각(θ)에 관하여 미분하면 dL(θ)/dθ=KL이 되고, 전압 방정식은 하기한 수학식 9와 같이 위치각(θ)에 관한 전류(i)의 일차미분 식으로 정리된다.On the other hand, if the functional equation of Equation (8) is differentiated with respect to the position angle (θ), then dL (θ) / dθ = K L , and the voltage equation is the current (Eq. It is summarized by the first derivative of i).
또한, 상기 수학식 9를 di(θ)/dθ에 관하여 다시 정리하면, 하기한 수학식 10과 같이 나타난다.If Equation 9 is rearranged with respect to di (θ) / dθ, it is expressed as Equation 10 below.
상기 수학식 10에서 우항의 분자는 각도에 대한 전류 기울기의 부호를 결정하며, 그 분자 항을 인덕턴스의 기울기(Ki)로 정의하면 하기한 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.In the above Equation 10, the molecule of the right term determines the sign of the current slope with respect to the angle, and when the molecular term is defined as the slope of the inductance K i , it can be expressed as Equation 11 below.
여기서, 상기 인덕턴스의 기울기(Ki)는 도 4에서의 A,B,C 세가지의 전류 파형에 대해서 상전류의 형상을 판단하는 기준이 된다. 즉, 토크 발생구간에서는 인가전압(E), 회전속도(ω), 인덕턴스의 기울기(KL)및 순시전류(i) 등의 운전조건에 의해 상전류의 형상이 결정될 수 있는 것이다.Here, the slope K i of the inductance is a reference for determining the shape of the phase current with respect to three current waveforms A, B, and C in FIG. 4. That is, in the torque generation section, the shape of the phase current may be determined by operating conditions such as the applied voltage E, the rotation speed ω, the inductance slope K L , and the instantaneous current i.
한편, 도 4에 도시된 바와 같은 전류형상 중에서 B의 전류 파형과 같이 전류가 확립된 후, 토크 발생구간에서 일정하게 지속되는 전류 파형은 평정(平頂)(Flat-top) 전류라고 칭해지는데, 상기 수학식 11에서 볼 때 평정 전류의 운전 조건은 Ki가 제로(Zero)이고, 토크 발생구간에서 평정 전류의 초기값을 If라고 하면 인가전압은 하기한 수학식 12에 나타난 바와 같다.On the other hand, after the current is established, such as the current waveform of B in the current shape as shown in Figure 4, the current waveform that is constantly maintained in the torque generation period is called a flat-top current, As shown in Equation 11, when K i is zero and the initial value of I is equal to I f in the torque generation period, the applied voltage is as shown in Equation 12 below.
상기 수학식 12에 있어서, 평정 전류는 모터에 인가되는 전압(E)와 그 모터로부터 발생되는 속도 기전력(ωKLi)이 동일한 값을 갖게 되는 바, 이러한 평정 전류는 다른 두 가지의 전류 파형보다 축에 발생하는 토크의 리플이 적고 효율이 높은 특성을 갖는다.In Equation 12, the rated current has the same value as the voltage E applied to the motor and the velocity electromotive force (ωK L i) generated from the motor. The torque generated in the shaft has a small ripple and high efficiency.
한편, 위치각(θKmin)에서의 평정 전류 초기값(If)는 상기 수학식 7로부터 다음의 수학식 13과 같이 어드밴스 각도(θAD)에 직접 비례한다.Meanwhile, the initial constant current I f at the position angle θK min is directly proportional to the advance angle θ AD as shown in Equation 13 to Equation 13 below.
한편, 평정 전류와 다른 전류들과의 효율특성을 비교 분석하고자 선형적 조건과 상전류 형태와 관계없이 토크와 속도가 일정하다는 가정 속에서 토크 발생구간에서 각 A,B,C의 전류파형에 대한 실효값이 IT로서 모두 같다고 가정하고 다음과 같이 손실, 입출력에 대하여 해석할 수 있게 된다.On the other hand, to compare and analyze the efficiency characteristics between the rated current and other currents, the effectiveness of the current waveforms of A, B, and C in the torque generation section under the assumption that the torque and speed are constant regardless of the linear condition and the phase current type. Assuming that the values are the same as I T , the loss and input and output can be analyzed as follows.
우선, 전류확립구간에서 여자전류는 흐르면서 토크가 발생되지 않기 때문에 이 구간에서 A,B,C의 전류파형에 대한 각각의 손실(Ploss_A, Ploss_B및 Ploss_C)의 관계는 하기한 수학식 14와 같이 나타나게 된다.First, since the excitation current flows in the current establishment section and no torque is generated, the relationship between the respective losses (P loss_A , Pl oss_B and P loss_C ) for the current waveforms of A, B, and C in this section is expressed by Equation 14 below. Will appear as
여기서는 토크 발생구간에서 각 전류의 실효값이 IT로서 같다고 가정하였고 선형적 조건 하에서는 각 전류에 대한 KL이 같다. 따라서, 상기한 수학식 3을 하기한 수학식 15와 같이 정리할 수 있다.Here, it is assumed that the effective value of each current is the same as I T in the torque generation section, and K L for each current is the same under linear conditions. Therefore, Equation 3 can be summarized as in Equation 15 below.
실제로, A,B의 전류파형은 회전자 자극의 중첩각도가 커지면서 전류가 감소하거나 일정하게 유지하므로 포화에 의한 영향이 거의 없어서 선형적으로 볼 수 있다. 그러나, C의 전류파형에서는 회전자의 중첩각도가 커짐과 동시에 전류가 상승하므로 자기회로의 포화가 가중된다. 따라서, C의 전류파형에서는 등가적인 인덕턴스의 기울기(KL)가 작아지기 때문에, 발생되는 토크를 TA, TB및 TC라고 할 때 하기한 수학식 16과 같은 관계를 갖는다.In fact, the current waveforms of A and B can be viewed linearly because there is little effect of saturation since the current decreases or remains constant as the overlap angle of the rotor poles increases. However, in the current waveform of C, since the superposition angle of the rotor increases and the current increases, the saturation of the magnetic circuit is increased. Therefore, since the slope of the equivalent inductance K L becomes small in the current waveform of C, the generated torque has a relationship as shown in Equation 16 below when the generated torques are T A , T B and T C.
여기서, 운전조건으로는 속도와 토크의 변동이 없고 토크 발생구간에서의 입력전력을 P라고 할 때 각 전류의 실효값과 인가전압이 같기 때문에 동일한 입력전력을 갖는다. 그리고 각각의 효율을 ηa, ηb및 ηc라고 할 때 효율은 하기한 수학식 17과 같이 주어진다.Here, the driving conditions have no change in speed and torque, and when the input power in the torque generation section is P, the effective value of each current and the applied voltage are the same, so that they have the same input power. And when each efficiency is (eta) a , (eta) b, and (eta) c , an efficiency is given by following formula (17).
일반적으로, 포화로 인한 발생토크의 감소분은 포화의 정도에 따라 다르며 정격부하에서 자기회로가 적정하게 포화되도록 설계를 한다. 따라서, 포화의 영향이 심한 C의 전류파형은 효율이 가장 낮을 것이고, 전류 확립구간에서의 손실발생은 저항이 매우 작아서 효율에 미치는 영향이 거의 적지만 조건에 의해서 속도와 토크의 변동이 없다면 A의 전류파형보다는 B의 전류파형에 대한 효율이 높게 된다. 그에 따른 효율관계는 하기한 수학식 18과 같이 정리된다.In general, the reduction in torque generated by saturation depends on the degree of saturation and is designed to adequately saturate the magnetic circuit at rated load. Therefore, the current waveform of C, which is highly affected by saturation, will have the lowest efficiency, and the loss in the current establishment section has very small resistance, which has little effect on efficiency. The efficiency of the current waveform of B is higher than that of the current waveform. The resulting efficiency relationship is summarized as in Equation 18 below.
즉, 도 4에서의 전류 형상 중에서 B의 전류파형과 같이 평정 전류 파형은 다른 전류에 비하여 효율이 가장 높음이 증명될 수 있다. 하지만, 상기와 같은 결론은 단지 일정한 속도로 운전하는 경우 토크 값에 변동이 없었을 때 발생할 수 있는 제한적인 경우이고, 실제적으로 일정한 전원을 스위치드 릴럭턴스 모터의 전용 인버터에 인가한 후 턴-온/오프각을 변동하였을 경우에는 운전 속도의 증가와 평균 토크가 증가함을 알 수 있다. 결국, 턴-온각이 B의 전류 파형 상태에서 어드밴스 되었을 때 권선 저항에 의한 손실에 따른 효율의 영향보다 속도와 토크의 변동에 의한 발생되는 효율의 영향이 크기 때문에, A와 같은 전류 파형의 형태 시에 속도와 평균토크가 현저히 증가한다고 가정하면 하기한 수학식 19와 같은 효율관계가 성립하게 된다.That is, it can be proved that, among the current shapes in FIG. 4, the flat current waveform, like the current waveform of B, has the highest efficiency compared to other currents. However, the above conclusion is a limiting case that can only occur when there is no change in torque value when operating at a constant speed, and is actually turned on / off after applying a constant power to a dedicated inverter of a switched reluctance motor. When the angle is changed, it can be seen that the operating speed increases and the average torque increases. After all, when the turn-on angle is advanced in the current waveform state of B, the effect of the efficiency generated by the variation of speed and torque is greater than the effect of efficiency due to the loss due to the winding resistance. Assuming that the speed and the average torque increase significantly, the efficiency relationship shown in Equation 19 is established.
상기한 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 모터의 상전류는 이상적인 평정 전류의 형상에 가깝도록 스위칭을 해야만 토크의 맥동을 최대한 줄일 수 있게 된다.As described above, the phase current of the switched reluctance motor should be switched to be close to the shape of the ideal rated current so that the pulsation of the torque can be reduced as much as possible.
따라서, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 턴-온 및 턴-오프 스위칭시에는 위치각(θmin) 또는 인덕턴스 상승구간(θmin∼θmax)(도 4 참조)에서 턴-온을 행할 때 인덕턴스의 증가로 인하여 전류의 확립이 충분하지 못기 때문에, 토크를 내기 위한 충분한 전류의 확립을 위해서는 그 구간 이전의 최소 인덕턴스 구간(θ0∼θmin)에서 턴-온을 해야 한다.Therefore, in turn-on and turn-off switching of the switched reluctance motor, inductance increases when turning on at a position angle θ min or an inductance rising interval θ min to θ max (see FIG. 4). Due to the insufficient establishment of the current, in order to establish a sufficient current for torque, it is necessary to turn on in the minimum inductance period θ 0 to θ min before the interval.
또한, 전류를 소호하기 위해서는 턴-오프를 행할 때 실제로 전류의 소호시간이 존재하므로 부토크 영역(θ2∼θ3) 이전에 어느 정도의 소호시간을 두고서 턴-오프 해야 한다.In addition, in order to extinguish the current, since the extinguishing time of the current actually exists when the turn-off is performed, it must be turned off with a certain extinguishing time before the negative torque region θ 2 to θ 3 .
다음에, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터에 실제적인 스위칭을 위한 여자를 하는 경우에 스위칭에 의해 형성되는 상전류와 토크의 형상을 예시적으로 나타낸 파형도이다.Next, FIGS. 5A to 5C are waveform diagrams exemplarily illustrating shapes of phase currents and torques formed by switching in the case of exciting an actual switching for a switched reluctance motor to which the present invention is applied.
도 5에 도시된 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 모터의 각 스위칭 구간별 동작특성에 따르면, 최소 인덕턴스구간(θ0∼θmin)에서는 토크를 발생하기에 충분한 상전류의 확립을 위하여 이 구간에서 턴-온을 행하고, 자화(magnetization)구간(θon∼θmin)에서는 권선에 전원을 인가하여 자화하기 위한 구간으로서 이 각도는 어드밴스 각도(ΘAD)라 한다. 이 구간에서 상전류의 파형은 전동기의 회전속도, 인가전압, 권선저항 및 어드밴스 각도 등에 따라 변화하게 되고, 턴-온은 항상 θmin에 앞서θon에서 행하는 것이 바람직하다.As shown in FIG. 5, according to the operating characteristics of each switching section of the switched reluctance motor, turn-on is performed in this section to establish a phase current sufficient to generate torque in the minimum inductance section θ 0 to θ min . In the magnetization section θ on- θ min , the angle is a section for applying magnetization to the windings and this angle is referred to as the advance angle Θ AD . In this section, the waveform of the phase current changes according to the rotational speed of the motor, the applied voltage, the winding resistance and the advance angle, and the turn-on is always preferably performed at θ on before θ min .
또한, 인덕턴스 상승구간(θmin∼θmax)에서는 최소 인덕턴스 구간이 끝나는 위치각(θmin)에서 회전자 자극과 고정자 자극이 중첩하기 시작하는 구간으로서, 그 위치각으로부터 인덕턴스의 값은 증가하여 결국 θmax에서 최대값 Lmax가 된다.In addition, in the inductance rising section θ min θ max , the rotor and stator poles start to overlap at the position angle θ min where the minimum inductance section ends, and the value of the inductance increases from the position angle. At θ max , the maximum value L max is obtained.
한편, 일정한 각속도(ω)로 모터가 회전한다고 가정하고, 자기적인 비선형성을 무시하면 수학식 5와 같으며, 이때 수학식 6의 양단에 상전류(i)를 곱하면 에너지의 흐름은 하기한 수학식 20과 같이 나타나게 된다.On the other hand, assuming that the motor rotates at a constant angular velocity (ω), ignoring the magnetic nonlinearity is as shown in Equation 5, where multiplying the phase current (i) by both ends of Equation 6 is the following equation Equation 20 is shown.
여기서, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터가 동작할 때에는 Ei의 일부는 기계적 출력으로 변환되고, 나머지의 일부는 자기에너지로 축적된다. 그러나, 이 구간에서 턴-오프 되면 자기에너지의 일부는 기계적 출력으로, 일부는 전원으로 반환된다.Here, when the switched reluctance motor is operated, part of Ei is converted into mechanical output, and part of the rest is accumulated as magnetic energy. However, when turned off in this section, some of the magnetic energy is returned to the mechanical output and some to the power source.
또한, θon∼θoff는 인버터의 스위치가 턴-온 되어 있는 구간으로서 이 각도를 드웰(Dwell) 각도(Θdw)라 하고, θmin∼θoff는 실질적인 토크의 발생구간으로서 스위칭에 의한 유효토크의 발생구간이며 이 각도를 토크각도(ΘTQ)라고 정의한다.In addition, θ on to θ off are the sections in which the switch of the inverter is turned on. This angle is referred to as the dwell angle Θ dw , and θ min to θ off are the effective generation periods of the torque. It is the generation period of torque and defines this angle as torque angle (Θ TQ ).
또, θmax∼θ2는 인덕턴스가 Lmax로서 일정하게 유지되는 구간으로 토크가 발생하지 않는 구간이며 데드존(Dead Zone)에 해당되는 바, 이는 고정자 자극과 회전자 자극의 폭의 차이로 인하여 생긴다. 한편, 다음 구간인 인덕턴스 감소구간(θ2∼θ3)에서는 부토크를 억제하기 위해 이 구간을 설정한다.In addition, θ max θ θ 2 is a section in which inductance is kept constant as L max, and is a section in which torque does not occur, and corresponds to a dead zone, which is due to the difference between the width of the stator pole and the rotor pole. Occurs. On the other hand, in the inductance reduction section θ 2 to θ 3 , which is the next section, this section is set to suppress negative torque.
θ2∼θ3에서는 인덕턴스가 Lmin까지 선형적으로 감소하게 되는 바, 이 구간은 부토크를 발생시키며 감자(demagnetizing)하는 구간이며, 이 구간에서 전류가 흐르면 자기적으로 축적된 에너지뿐만 아니라 부토크로 인한 기계적인 에너지가 전원으로 반환하게 된다. 즉, 상기 구간은 회생(Regeneration)동작을 수행하게 되며, 또한 제동(Braking Torque)으로도 활용된다. 이는 회로의 순시 스위칭으로 4상한 동작을 가능하게 하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 가장 중요한 특징중의 하나이다.In θ 2 to θ 3 , the inductance decreases linearly to L min . This section generates negative torque and demagnetizes it. When current flows in this section, Mechanical energy due to torque is returned to the power source. That is, the section performs a regeneration operation and is also used as braking torque. This is one of the most important features of a switched reluctance motor that allows quadrant operation with instantaneous switching of the circuit.
현재, 부하에 따라 스위칭 온각과 스위칭 오프각을 제어하는 방식에는 드웰각의 일정제어와, 토크각의 일정제어가 일반화되어 있는 바, 맥동 토크를 줄이기 위해서는 토크가 발생하는 구간에서 피크 전류의 크기를 가능하면 억제하여야 한다.Currently, the constant control of the dwell angle and the constant control of the torque angle are common in the method of controlling the switching on angle and the switching off angle according to the load. In order to reduce the pulsating torque, it is necessary to adjust the magnitude of the peak current in the section where the torque is generated. If possible, it should be suppressed.
전류의 변동을 억제하기 위해, 토크 발생 구간에서 전류의 크기에 변동이 없는 점호각을 계산할 수 있는 바, 상기 수학식 7에서 인덕턴스 값이 최소인 Lmin으로 일정하므로 dL/dθ=0이고 저항은 작아서 무시할 수 있고 이 구간에서 전압방정식은 하기한 수학식 21과 같이 정리할 수 있다.In order to suppress the fluctuation of the current, it is possible to calculate the firing angle without fluctuation in the magnitude of the current in the torque generating section. Since the inductance value in Equation 7 is constant at the minimum L min , dL / dθ = 0 and the resistance It is small and can be ignored, and the voltage equation can be summarized as in Equation 21 below.
따라서, 회전자의 위치각(θ)에 따른 상전류의 해는 하기한 수학식 22와 같이 나타난다.Therefore, the solution of the phase current according to the position angle θ of the rotor is expressed by the following equation (22).
즉, 확립되는 전류값은 전압과 속도가 일정할 때 어드밴스 각도(θAD)의 크기에 의하여 결정되고, 가변부하에 따라 어드밴스 각도(ΘAD)를 제어하는 것은 부하전류를 검출하여 간단한 피드백회로를 구성함으로써 가능해진다. 이는 부하 토크가 증가하여 요구되는 부하전류가 커짐에 따라 그에 비례하는 어드밴스 각도(ΘAD)를 설정하여 항상 평정 전류를 확립시키는 방식이다.That is, the established current value is determined by the magnitude of the advance angle θ AD when the voltage and speed are constant, and controlling the advance angle Θ AD according to the variable load detects the load current and provides a simple feedback circuit. It becomes possible by configuring. This is a method of establishing a constant current at all times by setting an advance angle Θ AD proportional thereto as the load torque increases and the required load current increases.
한편, 턴-온/오프각의 결정방식에 있어서, 스위치드 릴럭턴스 모터의 컨버터에서 입력전압을 고정시킬 경우에 모터의 토크는 상스위치의 턴-온/오프각으로 제어하게 되는 바, 턴-온각 또는 턴-오프각을 결정하는 방식은 도 6과 도 7의 두 가지 방식 즉, 드웰각의 일정 제어와 토크각의 일정제어로 나눌 수 있다.Meanwhile, in the method of determining the turn-on / off angle, when the input voltage is fixed in the converter of the switched reluctance motor, the torque of the motor is controlled by the turn-on / off angle of the phase switch. Alternatively, the method of determining the turn-off angle may be divided into two methods of FIGS. 6 and 7, that is, constant control of the dwell angle and constant control of the torque angle.
도 6은 스위치드 릴럭턴스 모터의 속도 가변 및 부하변동에 대해 턴 오프각을 고정시키고 턴-온각을 조정하는 상태를 예시적으로 나타낸 그래프도면이다.6 is a graph illustrating an example of fixing a turn-off angle and adjusting a turn-on angle with respect to speed variation and load variation of a switched reluctance motor.
도 6에 도시된 바와 같은 방식은 턴-오프각을 고정하는 방식으로서, 가변 속도 또는 부하 변동에 대해 턴-오프각을 고정시키고 턴-온각을 조정한다. 이는 정격출력까지는 효율의 변동이 적으나 전동기 토크를 증가시키기 위해 턴-온각을 크게 앞으로 이동할 경우 인덕턴스 감소지역에서도 전류가 흐르게 되어 부토크가 발생하며, 이에 따라 효율이 감소하게 된다.6 is a method of fixing the turn-off angle, which fixes the turn-off angle and adjusts the turn-on angle for a variable speed or load variation. The efficiency is small until the rated output, but if the turn-on angle is greatly moved forward to increase the motor torque, current flows even in the inductance reduction area, resulting in negative torque, thereby reducing the efficiency.
또한, 도 7은 스위치드 리럭턴스 모터의 속도 가변 및 부하 변동에 대해 드웰(Dwell) 각을 일정하게 유지하면서 턴-온각을 조정하는 상태를 예시적으로 나타낸 그래프도면이다.7 is a graph illustrating an example of adjusting a turn-on angle while maintaining a constant dwell angle with respect to speed variation and load variation of a switched reluctance motor.
도 7에 도시된 바와 같은 방식은 일정한 드웰각을 제어하는 방식으로서, 가변 속도 또는 부하 변동에 대해 드웰각도(θdw)를 일정하게 유지하면서 턴-온각을 조정한다. 이에, 속도를 증가시키거나 부하가 증가되더라도 일정 속도로 유지하기 위해 턴-온각을 앞으로 이동할 경우 부토크의 영향은 크지 않지만, 정격 출력의 한계가 크므로 과부하 시 불안정하게 구동된다.7 is a method of controlling a constant dwell angle, and adjusts the turn-on angle while keeping the dwell angle θ dw constant for a variable speed or load variation. Therefore, even if the speed is increased or the load is increased, if the turn-on angle is moved forward to maintain a constant speed, the influence of the negative torque is not large, but the drive is unstable at the time of overload because the limit of the rated output is large.
따라서, 턴-온각의 위치와 상전류에 대해 고정 Dwell각 제어 방식 또는 고정 턴-오프각 방식에 의해 결정되는 턴-오프각이 아닌, 적절한 지점에서 턴-오프 해야 할 필요가 있다. 왜냐면 부하변동으로 턴-온각이 변할 때 턴-오프각을 초기값의 설정으로 고효율, 최대 토크를 유지하기는 매우 어렵다.Therefore, it is necessary to turn off at an appropriate point other than the turn-off angle determined by the fixed dwell angle control method or the fixed turn-off angle method with respect to the position of the turn-on angle and the phase current. It is very difficult to maintain high efficiency and maximum torque by setting the turn-off angle as the initial value when the turn-on angle changes due to load variation.
그 반면에, 턴-온각을 고정시켜놓고 턴-오프각을 가변 할 경우에는 턴-오프각이 인덕턴스 프로파일의 최고치 부근일 때, 전류는 인덕턴스 감소영역에서도 흐르게 되므로 큰 부토크가 발생하며 이로 인하여 총 토크는 감소한다.On the other hand, when the turn-off angle is fixed while the turn-on angle is fixed, when the turn-off angle is near the maximum value of the inductance profile, a large negative torque occurs because the current also flows in the inductance reduction region. Torque decreases.
턴-오프각을 앞으로 이동함에 따라, 인덕턴스 감소영역에서 흐르는 전류는 점점 감소하게 되고, 부토크의 발생도 서서히 줄어들면서 총 토크는 증가한다. 그러나 최고 토크가 나타나는 턴-오프각을 지나 더욱 드웰각도(θdw)를 줄일 경우에 총 토크가 줄어드는 현상이 발생하게 되는 바, 이러한 영역에서는 토크의 맥동이 발생하고 효율이 급격히 감소하는 불안정 운전영역으로서 과부하에 대해 한계가 나타난다. 턴-온각이 다를 경우 최대 토크가 나타나는 턴-오프각은 일정한 드웰각도를 유지하지는 않는다.As the turn-off angle moves forward, the current flowing in the inductance reduction region gradually decreases, and the generation of negative torque gradually decreases, increasing the total torque. However, when the dwell angle (θ dw ) is further reduced beyond the turn-off angle where the highest torque appears, the total torque decreases. In this region, torque pulsation occurs and the efficiency decreases drastically. As a limit for overload appears. When the turn-on angles are different, the turn-off angle at which the maximum torque appears does not maintain a constant dwell angle.
다음에, 도 8a 내지 도 8c는 스위치드 릴럭턴스 모터의 턴-온각이 고정되었을 때 턴-오프각의 조정 시점에 따라 변화하는 순시 토크의 형상을 예시적으로 나타낸 그래프도면이다.8A through 8C are graphs exemplarily illustrating shapes of instantaneous torques that change according to an adjustment timing of the turn-off angle when the turn-on angle of the switched reluctance motor is fixed.
도 8a에 따르면, 이 시점에서는 최대토크가 발생하는 턴-오프각보다 앞선 시점에서 턴- 오프를 할 때 나타나는 순시 토크를 보여 준 것으로, 부토크가 발생되지는 않아 효율이 높은 반면 토크가 크지 않아 부하 변동에 불안정하다.According to FIG. 8A, the instantaneous torque shown when turning off at a time earlier than the turn-off angle at which the maximum torque occurs is shown, and since the torque is not generated, the efficiency is high while the torque is not large. Unstable to load fluctuations.
그 반면에, 도 8b에서는 인덕턴스 프로파일의 최고점 근처에 턴-오프를 할 때 나타나는 순시 토크를 보여 준 것으로, 정 토크는 큰 반면 부토크가 크게 발생되어 총 토크는 감소된다.On the other hand, FIG. 8B shows the instantaneous torque that appears when turning off near the highest point of the inductance profile. The positive torque is large while the negative torque is generated largely so that the total torque is reduced.
도 8c에서는 턴-온각 시점이 고정되었을 때 최대 토크를 발생시키는 적절한 턴-오프 시점에서 턴-오프를 할 때 나타나는 순시 토크를 보여 준 것으로, 미소한 부토크가 발생하나 정 토크가 크므로 총 토크의 값은 최대가 된다.Figure 8c shows the instantaneous torque that appears when the turn-off at the appropriate turn-off time to generate the maximum torque when the turn-on angle time is fixed, the minute torque is generated but the positive torque is large, so the total torque Is the maximum value.
다음에, 도 9a 내지 도 9c는 스위치드 릴럭턴스 모터에서 적절한 턴-오프각이 결정된 이후에 턴-온각의 조정 시점에 따라 변화하는 순시 토크의 형상을 예시적으로 나타낸 그래프도면이다.Next, FIGS. 9A to 9C are graphs exemplarily illustrating shapes of instantaneous torques that change according to adjustment timings of turn-on angles after an appropriate turn-off angle is determined in a switched reluctance motor.
도 9a에서는 최대토크가 발생하는 턴-온각보다 뒤선 시점에서 턴-온을 할 때 나타나는 순시 토크를 보여 준 것으로, 이는 부토크의 발생 효율이 높은 반면 총 토크는 크지 않아 부하 변동에 불안정하다.In FIG. 9A, the instantaneous torque that appears when the turn-on is performed after the turn-on angle at which the maximum torque is generated is shown. This is a high torque generation efficiency while the torque is not large, and thus is unstable to the load fluctuation.
그 반면에, 도 9b에서는 최대 토크가 발생하는 턴-온각보다 앞선 시점에서 턴-온을 할 때 나타나는 순시 토크를 보여주고 있는 바, 이는 정 토크가 매우 큰 반면 부토크가 크게 발생하여 총 토크는 감소할 수 밖에 없다.On the other hand, Figure 9b shows the instantaneous torque that appears when the turn-on at a point ahead of the turn-on angle at which the maximum torque occurs, which is very large while the negative torque is generated so that the total torque is It can only decrease.
도 9c는 최대 토크를 발생하는 적절한 턴-온을 하고 그에 따른 적절한 턴-오프각을 찾은 시점으로, 턴-오프각만 제어했을 때 보다 큰 토크를 발생하였고 부 토크영역은 적절한 턴-오프각 제어만 했을 때보다는 약간 크지만 총 토크양은 최대가 됨을 볼 수 있다.FIG. 9C shows a time when the proper turn-on for generating the maximum torque is made and the appropriate turn-off angle is found accordingly, and the torque is generated larger than when only the turn-off angle is controlled. It is slightly larger than it is, but the total torque is maximum.
도 10은 본 발명의 제어방법이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터의 스위칭각 제어장치의 구성을 나타낸 도면이다.10 is a view showing the configuration of a switching angle control device of a switched reluctance motor to which the control method of the present invention is applied.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 방법이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터의 스위칭각 제어장치는 정류기(10)와, 컨버터(12), 스위치드 릴럭턴스 모터(14), 부하(16), 엔코더(18) 및, 마이크로 콘트롤러(20)로 구성된다.As shown in FIG. 10, the switching angle control device of the switched reluctance motor to which the method of the present invention is applied includes a rectifier 10, a converter 12, a switched reluctance motor 14, a load 16, an encoder. 18 and the microcontroller 20.
동 도면에서, 상기 정류기(10)는 외부로부터 인가받은 교류전원을 직류전원으로 변환하여 상기 컨버터(12)에 공급하게 된다.In the same figure, the rectifier 10 converts AC power applied from the outside into DC power and supplies the same to the converter 12.
상기 컨버터(12)는 상기 마이크로 콘트롤러(20)의 제어하에 상기 정류기(10)로부터의 직류전원을 교류로 변환함에 의해, 스위치드 릴럭턴스 모터(14)의 회전자측 상권선에 인가되는 전류를 턴-온/오프 스위칭제어를 수행하여 모터를 구동시키게 된다.The converter 12 turns the current applied to the rotor side winding of the switched reluctance motor 14 by converting the DC power from the rectifier 10 into alternating current under the control of the microcontroller 20. -The motor is driven by performing on / off switching control.
여기서, 상기 컨버터(12)는 도 11에 도시된 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 모터(14)의 각 상권선(A,B,C,D)과 각각 연결되어 있는 다수의 스위칭소자(T1∼T8)와, 다수의 다이오드(D1∼D8)로 구성된다.As illustrated in FIG. 11, the converter 12 includes a plurality of switching elements T1 to T8 connected to respective phase windings A, B, C, and D of the switched reluctance motor 14, respectively. And a plurality of diodes D1 to D8.
상기 다수의 스위칭소자(T1∼T8)는 400V, 10A의 고속 초핑이 용이한 MOSFET와 같은 전계효과 트랜지스터로 이루어지고, 상기 다수의 다이오드(D1∼D8)는 600V, 16A의 고속회복 다이오드(Fast Recovery Diode)로 이루어진다.The plurality of switching elements T1 to T8 are made of a field effect transistor such as a MOSFET capable of fast chopping at 400V and 10A, and the plurality of diodes D1 to D8 are fast recovery diodes of 600V and 16A. Diode).
상기 엔코더(18)는 상기 스위치드 릴럭턴스 모터(14)의 회전자에 대한 위치를 검출하여 엔코더 펄스를 발생하기 위한 위치센서로서, 이는 절대위치(Absolute Position) 엔코더와, 증분형(Increamental) 엔코더, 광커플러(Optical Coupler) 중에 어느 것을 적용하여도 무방하다.The encoder 18 is a position sensor for detecting the position of the rotor of the switched reluctance motor 14 to generate an encoder pulse, which is an absolute position encoder, an incremental encoder, Any of optical couplers may be applied.
상기 마이크로 콘트롤러(20)는 상기 부하(16)의 변동시 또는 모터 속도를 변화시킬때에 최적의 턴-온/오프각을 자기동조방식으로 결정하여 제어하기 위한 것으로서, 임의의 턴-온각(Θon)과 턴-오프각(Θoff)의 지점에서 턴-온/오프를 수행하는 상태에서 상기 엔코더(18)로부터의 엔코더펄스와 상기 컨버터(12)로부터 스위치드 릴럭턴스 모터(14)에 인가되는 상전류값을 인가받아 턴-온각과 턴-오프각을 각각 가감조정하여 최대토크 및 최대 속도가 발생되도록 제어한다.The microcontroller 20 determines and controls the optimum turn-on / off angle by a self-tuning method when the load 16 changes or when the motor speed is changed. applied to the encoder pulse from the encoder 18 and the switched reluctance motor 14 from the converter 12 in the state of performing turn-on / off at the point of on ) and the turn-off angle Θ off . The maximum torque and the maximum speed are generated by adjusting the turn-on angle and the turn-off angle, respectively, by applying the phase current value.
여기서, 상기 마이크로 콘트롤러(20)는 먼저 턴-온각을 고정하고 턴-오프각을 결정하게 되는 바, 샘플링 기간(sampling time)동안에 엔코더 펄스의 수를 이전에 내부의 메모리에 저장된 값과 현재의 값을 비교하여 턴-오프각을 자기동조방식에 의해 각각 ΔΘ만큼 가감해 가면서 최대 토크가 나오도록 한다.Here, the microcontroller 20 first fixes the turn-on angle and determines the turn-off angle. The microcontroller 20 determines the number of encoder pulses during the sampling time and the value previously stored in the internal memory. Comparing the results, the turn-off angle is increased or decreased by ΔΘ respectively by the self-tuning method to obtain the maximum torque.
또한, 상기 마이크로 콘트롤러(20)는 상기 턴-오프각의 가감동작을 계속 반복하여 최적의 턴-오프각이 결정되면, 초기 설정된 임의의 턴-온각에서 상전류 최대값을 현재값과 이전에 저장된 값을 비교하여 턴-온각을 어드밴스 시켜가면서 턴-오프각을 자기동조 시켰던 것과 동일한 방법으로 턴-온각을 ΔΘ만큼 가감하여 최대속도가 나오도록 한다.In addition, when the optimum turn-off angle is determined by continuously repeating the turn-off angle of the turn-off angle, the microcontroller 20 sets the maximum value of the phase current at an initial set turn-on angle to a current value and a previously stored value. Compare and compare the turn-on angle by advancing the turn-on angle and self-tuning the turn-off angle by increasing or decreasing the turn-on angle by ΔΘ to get the maximum speed.
한편, 상기 턴-온각과 턴-오프각은 서로 종속적이기 때문에 상기한 루틴을 여러 번 반복하여 적절한 턴-온/오프각을 결정되게 된다.On the other hand, since the turn-on angle and turn-off angle are dependent on each other, the above-described routine is repeated several times to determine an appropriate turn-on / off angle.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 동작에 대해 도 12의 플로우차트를 참조하여 상세히 설명한다.Next, the operation of the present invention made as described above will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.
먼저, 본 발명의 실시예에서는 초기 설정된 턴-온/오프각을 각각 Θon, Θoff로 설정하고, 적절한 턴-오프각(Θoff)의 초기값을 4상 스위치드 릴럭턴스 모터에서 최대 인덕턴스 프로파일의 위치 30°라고 가정하였을 때, 이 보다 작은 10°를 초기 턴-오프각으로 설정하고 턴-온각은 0°로 설정하게 된다(단계 S10).First, in the embodiment of the present invention initially set the turn-on / off of each respective set to Θ on, Θ off, and the appropriate turn-off angle (Θ off) the initial value of the four-phase switched reluctance maximum inductance profile in the motor of the Assuming a position of 30 °, 10 ° smaller than this is set as the initial turn-off angle and the turn-on angle is set to 0 ° (step S10).
그 상태에서, 마이크로 콘트롤러(20)는 엔코더(18)로부터 입력받은 엔코더 펄스의 현재의 샘플링 시간에서 구해진 펄스 수를 T(n)이라 하고, 바로 이전의 펄스 수를 T(n-1)라고 할 때 그 차이 값을 구하게 되는 바, 그 차이값인 Dif(n)는 하기한 수학식 23과 같이 나타나게 된다(단계 S11).In this state, the microcontroller 20 may call T (n) the number of pulses obtained from the current sampling time of the encoder pulses received from the encoder 18, and the number of pulses immediately before is called T (n-1). When the difference value is obtained, the difference value Dif (n) is represented by Equation 23 (step S11).
그 다음에, 상기 마이크로 콘트롤러(20)에서는 현재의 차이값인 Dif(n)와 이전의 차이값인 Dif(n-1)와의 차이를 구하게 된다(단계 S12).Next, the microcontroller 20 calculates a difference between the current difference value Dif (n) and the previous difference value Dif (n-1) (step S12).
그 상태에서, 상기 마이크로 콘트롤러(20)에서는 현재의 최고속도(H_Speed)가 현재의 엔코딩 펄스수(T(n))보다 작은 지의 여부를 판단하여, 그 현재의 최고속도(H_Speed)가 현재의 엔코딩 펄스수(T(n))보다 작다고 판단되면(단계 S13에서 YES), 현재의 최고속도(H_Speed)와 동일한 엔코딩 펄스수(T(n))를 저장하게 된다(단계 S14).In this state, the microcontroller 20 determines whether the current maximum speed H_Speed is smaller than the current encoding pulse number T (n), and the current maximum speed H_Speed is the current encoding. If it is determined that the number of pulses is smaller than the number of pulses T (n) (YES in step S13), the number of encoding pulses T (n) equal to the current maximum speed H_Speed is stored (step S14).
하지만, 상기 단계 S13의 판단 결과에 따라 상기 마이크로 프로세서(20)에서는 현재의 최고속도(H_Speed)가 현재의 엔코딩 펄스수(T(n))보다 작지 않다고 판단되면, 현재의 속도값에 따른 엔코딩 펄스수(T(n))와 지금까지의 최고 속도값을 비교하여 비교(Compare) 변수로 저장하게 된다(단계 S15).However, if it is determined in the microprocessor 20 that the current maximum speed H_Speed is not smaller than the current encoding pulse number T (n) according to the determination result of step S13, the encoding pulse according to the current speed value is determined. The number T (n) is compared with the maximum speed value thus far and stored as a compare variable (step S15).
그 다음에, 상기 마이크로 콘트롤러(20)는 이전의 속도값에 따른 엔코딩 펄스수(T(n))와 현재의 속도값에 따른 엔코딩 펄스수(T(n-1))가 동일하게 되도록 설정하고, 이전의 속도 차이값(Dif(n-1))과 현재의 속도 차이값(Dif(n))이 동일하게 되도록 설정한다(단계 S16).Then, the microcontroller 20 sets the number of encoding pulses T (n) according to the previous speed value and the number of encoding pulses T (n-1) according to the current speed value to be the same. Then, the speed difference value Dif (n-1) and the current speed difference value Dif (n) are set to be the same (step S16).
한편, 상기 마이크로 프로세서(20)는 상기 단계 S12에서 산출된 이전의 속도 차이값(Dif(n-1))과 현재의 속도 차이값(Dif(n))과의 비교 결과에 따른 결과값(Delta)이 미리 설정된 파라미터값을 변수화한 변수(k)보다 작은지의 여부를 판단하여 작지 않다고 판단되면 상기 단계 S10으로 복귀하여 상기 단계 S10으로부터 단계 S16까지의 과정을 반복적으로 수행하게 된다. 단, 상기 변수(k)는 속도의 허용오차 한계치에 해당된다.On the other hand, the microprocessor 20 is a result value (Delta) according to a comparison result between the previous speed difference value Dif (n-1) calculated in the step S12 and the current speed difference value Dif (n). Is determined to be smaller than the variable k, and if it is determined not to be small, the process returns to step S10 and repeats the process from step S10 to step S16. However, the variable k corresponds to the speed tolerance limit.
하지만, 상기 단계 S17의 판단 결과에 따라 상기 결과값(Delta)이 임의의 변수(k)보다 작다고 판단되면, 상기 차이값인 Dif(n)가 주어진 허용 한계치(m) 이내에서 존재하는 지의 여부를 판단한다(단계 S18).However, if it is determined that the result value Delta is smaller than an arbitrary variable k according to the determination result of step S17, it is determined whether the difference value Dif (n) exists within a given allowable limit value m. It judges (step S18).
상기 판단 결과, 상기 차이값인 Dif(n)가 주어진 허용 한계치(m) 이내에서 존재한다고 판단되면, 즉, m < Dif(n) || Dif(n)<-m일 경우에는 상기 마이크로 프로세서(20)에서는 현 시점이 최대 토크가 형성되는 턴-오프각이므로 최적 턴-오프각(Θop)로 결정하게 되고, 현시점의 턴-오프각에서 루프를 반복하여 하기한 24와 같이 수학식 턴-오프각(Θoff)을 각도 편차(ΔΘ) 만큼 앞으로 이동한다(단계 S19).If it is determined that the difference value Dif (n) exists within a given allowable threshold value m, that is, m <Dif (n) || When Dif (n) <-m, the microprocessor 20 determines the optimum turn-off angle Θ op as the current time is the turn-off angle at which the maximum torque is formed, and the current turn-off angle. The loop is repeated to move the equation turn-off angle Θ off forward by an angle deviation ΔΘ as shown in 24 below (step S19).
또한, 상기 마이크로 프로세서(20)는 상기 차이값(Dif(n))이 턴-오프각을 기준으로 왼쪽 영역에서는 Dif(m) < -m 이라고 판단하는 경우(단계 S20에서 YES), 현시점의 턴-오프각에서 루프를 반복하여 하기한 수학식 25와 같이 턴-오프각(Θoff)을 각도 편차(-ΔΘ)만큼 감소시키게 된다(단계 S21).Further, when the microprocessor 20 determines that the difference value Dif (n) is Dif (m) <-m in the left region based on the turn-off angle (YES in step S20), the current turn By repeating the loop at the off angle, the turn-off angle Θ off is reduced by the angle deviation ΔΘ as shown in Equation 25 (step S21).
즉, 속도가 일정할 경우 턴-오프각(Θoff)은 변화가 되지 않으나, 부하가 가해질 경우 또는 입력 속도가 변화될 경우에 변화하는 가변 턴-온각에 대해 턴-오프각(Θoff)은 자기동조방식에 의해 자동적으로 최적의 턴-오프각을 결정하여 운전하게 되는 것이다.That is, if the speed is constant, the turn-off angle Θ off does not change, but the turn-off angle Θ off for the variable turn-on angle that changes when a load is applied or when the input speed changes. The self-tuning method automatically determines the optimal turn-off angle to operate.
상기한 바와 같이, 적절한 턴-오프각인 Θop을 찾은 후에 턴-온각을 1스텝( 0.5°)씩 초기 설정된 값인 Θon = 0°에서 어드밴스 시켜나가게 되는 바, 상기 마이크로 콘트롤러(20)는 과거의 최대 펄스 수인 H_speed와 현재의 샘플링 된 펄스수인 T(n)의 차이인 비교(Compare)값이 미리 설정된 임의의 변수(k)보다 크다고 판단되면 즉, Compare <= 0이면, 현시점의 턴-온각에서 루프를 반복하여 하기한 수학식 26과 같이 턴-온각(Θon)을 각도 편차(-ΔΘ)만큼 이동하게 된다(단계 S23).As noted above, the appropriate turn-off angle ΘopAfter you find, set the turn-on angle by 1 step (0.5 °)on Since the microcontroller 20 is advanced at 0 °, the microcontroller 20 sets a random variable whose comparison value, which is the difference between the maximum number of past pulses H_speed and the current number of sampled pulses T (n) ( If it is determined to be greater than k), that is, if Compare <= 0, the loop is repeated at the current turn-on angle, and the turn-on angle (Θ)on)of The angle deviation is shifted by -ΔΘ (step S23).
한편, 상기 마이크로 콘트롤러(20)는 현재 프로세서 AD채널에서 변환한 상전류값(N_Ad)과 이전 프로세서의 AD채널에서 변환한 상전류값(O_Ad)의 비교값이 미리 설정된 임의의 변수(x)보다 크다고 판단하게 되는 경우에도(단계 S24에서 YES), 상기 단계 S23으로 진행하여 현시점의 턴-온각에서 루프를 반복하여 하기한 수학식 26과 같이 턴-온각(Θon)을 각도 편차(-ΔΘ)만큼 이동하게 된다.Meanwhile, the microcontroller 20 determines that a comparison value between the phase current value N_Ad converted in the current processor AD channel and the phase current value O_Ad converted in the AD channel of the previous processor is greater than a predetermined variable x. (YES in step S24), the process proceeds to step S23, and the loop is repeated at the turn-on angle of the present time, as shown in Equation 26 below.on)of It will move by the angle deviation (-ΔΘ).
하지만, 상기 마이크로 콘트롤러(20)는 현재 프로세서 AD채널에서 변환 상전류값(N_Ad)과 이전 프로세서의 AD채널에서 변환 상전류값(O_Ad)의 비교값이 미리 설정된 다른 임의의 변수(y) 보다 크다고 판단되면, 즉 Compare < -m일 경우에는 현 시점에서 턴-온각을 루프를 통해 반복하여 하기한 수학식 27과 같이 턴-온각( Θon)을 각도 편차(+ΔΘ)만큼 이동하게 된다(단계 S26).However, when the microcontroller 20 determines that the comparison value of the converted phase current value N_Ad in the current processor AD channel and the converted phase current value O_Ad in the AD channel of the previous processor is greater than any other predetermined variable y, In other words, when Compare <-m, the turn-on angle (Θ) is repeated by repeating the turn-on angle through a loop at the present time.on)of The angle deviation is shifted by + ΔΘ (step S26).
하지만, 상기 단계 S25의 판단 결과에 따라 상기 마이크로 콘트롤러(20)는 현재 프로세서 AD채널에서 변환 상전류값(N_Ad)과 이전 프로세서의 AD채널에서 변환 상전류값(O_Ad)의 비교값이 미리 설정된 다른 임의의 변수(y) 보다 크지 않다고 판단되면, 이 때의 턴-오프각(Θoff)과 턴-온각(Θon)을 적절한 턴-온/오프각(Θop)으로 결정하여 모터의 운전이 정상적으로 실행될 수 있도록 한다(단계 S27).However, according to the result of the determination of step S25, the microcontroller 20 may select another random comparison value of the converted phase current value N_Ad in the current processor AD channel and the converted phase current value O_Ad in the AD channel of the previous processor. If it is determined that it is not larger than the variable y, the operation of the motor is normally performed by determining the turn-off angle Θ off and the turn- on angle Θ on at the appropriate turn-on / off angle Θ op . (Step S27).
결과적으로, 턴-오프각과 턴-온각은 서로 종속적인 관계이므로 턴-오프각을 변화시킬 때와 같이 속도가 일정할 경우 Θoff와 Θon은 거의 변화가 되지 않고, 턴-오프각을 변화시킬 때와 같이 턴-온각을 1스텝만큼 변화시키고 나서 다시 적절한 턴-오프각을 찾게 되는 바, 상기한 방식을 소프트웨어적으로 계속 반복시켜 최적의 턴-온/오프각을 스스로 찾도록 한다.As a result, since the turn-off angle and turn-on angle are mutually dependent, Θ off and Θ on hardly change when the speed is constant, such as when changing the turn-off angle. The turn-on angle is changed by one step as usual, and then the appropriate turn-off angle is found again. The above method is repeatedly repeated in software to find the optimum turn-on / off angle by itself.
한편, 속도가 일정할 경우, 즉 정상상태에서는 Θoff와 Θon은 거의 변화가 되지 않지만, 부하가 가해질 경우 또는 입력전원이 가변 될 경우, 입력속도가 변화될 경우에는 변화하는 상황에 맞추어 리셋 되어 자동적으로 턴-오프각과 턴-온각이 순서적으로 자기동조방식에 의해 최적의 턴-온/오프각을 결정할 수 있도록 한다.On the other hand, when the speed is constant, that is, Θ off and Θ on are almost unchanged in the normal state, but when the load is applied or the input power is changed, when the input speed is changed, it is reset according to the changing situation. The turn-off angle and turn-on angle are automatically determined by the self-tuning method in order to determine the optimum turn-on / off angle.
도 13a 및 도 13b는 일반적으로 고정된 턴-온/오프각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면이고, 도 14는 도 13a 및 도 13b와 같이 고정된 턴-온/오프각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면으로서, 정상상태 시에 측정된 속도는 약 470(rpm)이다.13A and 13B show waveform states of currents and voltages measured when a switched reluctance motor is generally operated at a fixed turn-on / off angle, and FIG. 14 is fixed as shown in FIGS. 13A and 13B. The figure shows the waveform state of the speed generated when the switched reluctance motor is operated at the turned-on / off angle. The speed measured at the steady state is about 470 rpm.
또한, 도 15a 및 도 15b는 일반적으로 고정된 턴-온각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면이고, 도 16은 도 15a 및 도 15b와 같이 고정된 턴-온각으로 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면으로서, 정상상태 시에 측정된 속도는 약 576(rpm)이고, 알고리즘은 기본 세팅값으로 턴-온각은 0°턴-오프각은 10°로 설정하고 자기동조 방식으로 적절한 턴-오프각을 찾도록 하였다.15A and 15B illustrate waveforms of current and voltage measured when a switched reluctance motor is operated at a fixed turn-on angle, and FIG. 16 is fixed as shown in FIGS. 15A and 15B. This is a diagram showing the waveform state of the speed generated when the switched reluctance motor is operated at the turn-on angle.The speed measured at the steady state is about 576 (rpm), and the algorithm is the default setting.The turn-on angle is 0. The turn-off angle was set to 10 ° and the self-tuning method was used to find the appropriate turn-off angle.
도 17a 및 도 17b는 엔코더 펄스를 피드백 받아서 턴-온/오프각을 제어하여 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전한 경우에 정상상태에서 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면이고, 도 18은 도 17a 및 도 17b와 같이 엔코더 펄스를 피드백 받아서 턴-온/오프각을 제어하는 경우에 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면이다.17A and 17B are diagrams illustrating waveform states of current and voltage measured in a normal state when a switched reluctance motor is operated by receiving an encoder pulse and controlling a turn-on / off angle, and FIG. 18 illustrates FIG. 17A. And FIG. 17B is a diagram illustrating a waveform state of a velocity generated when an encoder pulse is fed back to control a turn-on / off angle.
동 도면에서, 초기 운전 조건은 일정한 입력전원과 부하 그리고 오픈루프 제어(open-loop control)로 얻어진 턴-온/오프각을 초기값으로 그대로 두고 자기동조방식으로 턴-온/오프각을 제어하게 되었다.In the figure, the initial operating condition is to control the turn-on / off angle by self-tuning, leaving the turn-on / off angle obtained by constant input power, load, and open-loop control as the initial value. It became.
여기서, 도 17a에서 나타나는 전압 파형은 턴-온/오프각의 흔들림으로 나타나 EMF의 영향으로 전압 파형이 왜곡되었고, 도 18에서는 정상상태에서 약간의 파형이 출렁거림을 결과 파형을 통해 확인할 수 있는 바, 고속 운전상태에서 하나의 제어요소인 엔코더 펄스로 두 개의 제어대상인 턴-온/오프각을 제어하는데는 어느 정도 한계가 있음을 알 수 있다.Here, the voltage waveform shown in FIG. 17A is a turn-on / off angle shake, and the voltage waveform is distorted due to the influence of EMF, and in FIG. 18, a slight waveform slumps in a steady state. In the high-speed operation state, it can be seen that there are some limits in controlling two control target turn-on / off angles with an encoder pulse which is one control element.
다음에, 도 19a 및 도 19b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 엔코더 펄스의 피드백 제어와 상전류를 이용하여 최적의 턴-온/오프각 제어를 수행함에 의해 스위치드 릴럭턴스 모터의 정상상태에서 측정되는 전류 및 전압의 파형 상태를 나타낸 도면이고, 도 20은 도 19a 및 도 19b와 같이 본 발명에 따른 턴-온/오프각 제어에 의해 스위치드 릴럭턴스 모터를 운전하는 상태에서 발생하는 속도의 파형 상태를 나타낸 도면이다.19A and 19B are then measured in the steady state of a switched reluctance motor by performing optimum turn-on / off angle control using feedback control of the encoder pulse and phase current in accordance with a preferred embodiment of the present invention. 20A and 19B are diagrams illustrating waveform states of current and voltage, and FIG. 20 illustrates waveform states of speeds generated when a switched reluctance motor is operated by turn-on / off angle control according to the present invention as shown in FIGS. 19A and 19B. The figure shown.
동 도면에서, 초기 운전 조건은 일정한 입력전원과 부하 그리고 오픈루프 제어(open-loop control)로 얻어진 턴-온/오프각을 초기값으로 그대로 두고, 엔코더 펄스와 상전류 값을 가지고 자기동조 방식으로 턴-온/오프각을 제어하였다.In the figure, the initial operating conditions are set to self-tuning with encoder pulses and phase current, leaving the turn-on / off angle obtained by constant input power and load and open-loop control as initial values. -On / off angle was controlled.
동 도면에서는 기존의 엔코더 펄스만을 이용한 방식보다 EMF의 영향이 현저히 줄어들었음을 전압 파형을 통해 확인 할 수 있고, 정상상태에서 속도 추이가 흔들거림이 줄어들고 속도도 크게 향상됨을 알 수 있다.In the figure, it can be seen from the voltage waveform that the influence of the EMF is significantly reduced compared to the conventional method using only the encoder pulse, and it can be seen that the speed trend is reduced and the speed is greatly improved in the steady state.
결과적으로 엔코더 펄스와 상전류 값을 가지고 제어하였을 경우에는 EMF 영향으로 인한 부토크가 줄어들어 평균토크가 크게 향상되고, 속도의 향상을 통해 고정된 입력전원을 통해서 속도가 증가되면 효율도 동시에 향상될 수 있다.As a result, in case of controlling with encoder pulse and phase current value, the negative torque due to EMF effect is reduced, and the average torque is greatly improved. As the speed is increased through the fixed input power, the efficiency can be improved simultaneously. .
상기한 실시예를 갖는 본 발명은 그 실시양태에 구애받지 않고 그 기술적 요지를 일탕하지 않는 한도 내에서 얼마든지 다양하게 변형하여 실시할 수 있도록 되어 있음은 물론이다.It is a matter of course that the present invention having the above-described embodiments can be variously modified and implemented without departing from the technical spirit of the present invention without departing from the embodiments.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 스위치드 릴럭턴스 모터의 엔코더로부터 발생되는 엔코더 펄스와 상전류를 이용하여 최적의 턴-온/오프각을 찾아서 모터를 운전할 수 있도록 함에 따라, 종래의 자기 동조에 의해 설정된 기본속도에서의 최대토크를 얻어야 하는 제한을 없애는 것이 가능하고, 엔코더 펄스만을 이용하는 방식에서의 한계점으로 대두되는 불안정한 운전 및 속도비의 과도상태를 현저하게 감소시키는 것이 가능할 뿐만 아니라, 정밀제어가 가능하게 되면서 응답속도가 증가될 수 있다는 효과를 갖게 된다.As described above, according to the present invention, by using the encoder pulse and the phase current generated from the encoder of the switched reluctance motor to find the optimal turn-on / off angle to operate the motor, the basic set by the conventional self-tuning It is possible to remove the limitation to obtain the maximum torque in the speed, to significantly reduce the unstable operation and the transient state of the speed ratio, which are the limit points in the method using only the encoder pulse, and to enable precise control. This has the effect that the response speed can be increased.
또한, 별도의 시뮬레이션 장비를 이용하여 최대 토크를 낼 수 있는 턴-온/오프각을 착아야 하는 번거로움이 해소되고, 부하변동이 심하거나 속응성이 크게 요구되지 않는 공장의 제품 생산라인이나, 제철소 뿐만 아니라, 다양한 가전기기에도 폭넓게 적용이 가능하다는 효과를 갖게 된다.In addition, the use of separate simulation equipment eliminates the hassle of turning-on / off angles that can produce the maximum torque, and the production line of the factory that does not require severe load fluctuations or rapid response. As well as steel mills, it is effective to be widely applied to various home appliances.
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