KR101543976B1 - 모터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

미리 보정파 정보를 기억부에 준비하고, 모터의 발생 토크에 맥동을 생성시키는 구동 상태를 규정하는 상태량(토크 지령, 모터 속도)을 감시하여, 그 상태량의 양음에 따른 보정파 정보를 기억부로부터 선택하고, 그 선택한 보정파 정보에 기초하여 주기적 토크 맥동(토크 리플, 코깅 토크)에 대한 정현파 모양의 보정파를 생성하여, 모터를 구동 제어하기 위하여 상위 장치로부터 입력되는 토크 지령을 대신하여, 그 토크 지령과 상기 생성된 보정파를 합성한 보정 토크 지령에 기초하여, 모터를 구동 제어한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROL DEVICE}

본 발명은 모터 제어 장치에 관한 것으로, 특히, 영구(永久) 자석을 이용하는 모터를 구동 제어하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

모터는 고정자(固定子)와 회전자(回轉子)의 상대 각도에 의존하여 토크를 발생시키지만, 영구 자석을 이용하는 모터가 발생시키는 토크는, 고조파(高調波) 성분을 가지고 맥동(脈動)하고 있다. 이 토크의 맥동은, 다음의 2개로 나뉜다. 하나는, 진폭이 발생 토크의 크기에 따라 변화하는 토크 리플(torque ripple)이라고 불리고 있는 것이다. 또 하나는, 진폭이 발생 토크의 크기에 의존하지 않고 고정치를 나타내는 코깅 토크(cogging torque)라고 불리고 있는 것이다. 이와 같은 토크의 맥동은, 모터의 속도 불균일(speed unevenness)이나 위치 편차의 요인도 되기 때문에, 종래부터, 이 토크 맥동을 제어적으로 저감시키려고 하는 여러 가지의 시도가 이루어지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 ~ 3 등).

예를 들면 특허 문헌 1에서는, 토크의 맥동을 모터의 발생 토크에 의존하지 않는 고정 진폭형의 코깅 토크와, 발생 토크에 비례하는 가변 진폭형의 토크 리플로 나누어, 실제의 토크에 반영하는 시각에서의 모터 각도를 예측하여 토크 리플을 보정하는 예측 제어의 기술이 개시되어 있다. 또, 코깅 토크 및 토크 리플 각각의 보정 데이터는 모터의 1 회전분의 각도(0도≤θn＜360도：n=1, 2, …, N)에 대응한 N개의 데이터로서 기억 장치에 기억하는 것과 같은 기술이 개시되어 있다.

또, 예를 들면 특허 문헌 2에서는, 토크 리플의 보정파(補正波)를 주파수마다 진폭과 위상의 데이터로서 선택하여, m개의 정현파(正弦波) 신호를 만들어 합성함으로써 토크 리플의 보정파를 얻고 있다. 또, 토크 리플에는 모터의 전기각(電氣角) 주파수의 정수배가 아닌 것이 존재하는 점을 주장하고 있고, 모터의 기계 위치에 의존한 토크 리플을 없애기 위한 토크 리플 보정 방법이 개시되어 있다.

또, 예를 들면 특허 문헌 3에서는, 토크 리플의 6차 고조파 성분을 보정하기 위한 위상이나 진폭의 파라미터를 출력 토크의 양음(positive or negative)에 따라 선택하고, 이것에 기초한 보정파를 이용하여 모터를 구동 제어하는 기술이 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본국 특개평 11－299277호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2005－80482호 공보 특허 문헌 3: 일본국 특개 2010－239681호 공보

그러나 상기 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 코깅 토크 및 토크 리플의 보정 데이터를 모터의 1 회전분의 각도(0도≤θn＜360도：n=1, 2, …, N)에 대응한 N개의 데이터로서 기억 장치에 기억하고 있다. 이 때문에, 정밀도가 좋은 토크 리플 보정을 행하기 위해서는, 제어 장치 등에 필요로 하는 기억 장치의 용량이 커져 버린다고 하는 문제가 있다.

또, 상기 특허 문헌 2에 기재된 기술에서는, 토크 리플에는 모터의 전기각 주파수의 정수배가 아닌 것이 존재하는 점을 주장하고 있지만, 그 각(角)주파수의 선택에 관한 구체적인 방법에 대해서는 공개도 시사도 이루어지지 않아서, 양호한 토크 리플 보정 효과를 얻기 위해서는 추가적인 기술 개발이 요구된다.

또, 상기 특허 문헌 3에 기재된 기술에서는, 토크의 양음에 의해서 토크 리플의 보정파의 진폭 및 위상을 변화시키는 기술을 개시하고 있지만, 코깅 토크에 관한 보정 방법에 대해서는 공개도 시사도 이루어져 있지 않고, 또, 각주파수에 대해서도 전기(電氣) 6차 고조파에 관한 기술뿐이어서, 보다 양호한 토크 리플 보정을 행하기 위해서는 추가적인 기술 개발이 요구된다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 간이한 구성으로, 모터의 발생 토크에 맥동을 생성시키는 구동 상태를 규정하는 상태량(狀態量)의 양음에 따라 적절히 2 종류의 토크 맥동을 감소시키는 보정을 행할 수 있는 모터 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 입력되는 토크 지령에 기초하여 모터를 구동 제어하는 모터 제어 장치에 있어서, 상기 모터의 발생 토크에 맥동을 생성시키는 구동 상태를 규정하는 상태량이 양극성인지 음극성인지의 양음을 판정하는 양음 판정부와, 보정파 정보를 격납하는 기억부로부터, 상기 양음 판정부의 판정 결과가 나타내는 양음에 따른 보정파 정보를 선택하는 보정파 정보 선택부와, 상기 선택된 보정파 정보에 기초하여, 주기적 토크 맥동에 대한 정현파 모양의 보정파를 생성하는 보정파 생성부를 구비하고, 상기 입력되는 토크 지령을 대신하여, 그 토크 지령과 상기 생성된 보정파를 합성(合成)한 보정 토크 지령에 기초하여 상기 모터를 구동 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 미리 보정파 정보를 기억부에 준비하고, 모터의 발생 토크에 맥동을 생성시키는 구동 상태를 규정하는 상태량(토크 지령, 모터 속도)을 감시하여, 그 상태량이 양극성(positive polarity)인지 음극성(negative polarity)인지에 따른 보정파 정보를 기억부로부터 선택하고, 그 선택한 보정파 정보에 기초하여 주기적 토크 맥동(토크 리플, 코깅 토크)에 대한 정현파 모양의 보정파를 생성하고, 모터를 구동 제어하기 위하여 상위 장치로부터 입력되는 토크 지령을 대신하여, 그 토크 지령과 상기 생성된 보정파를 합성한 보정 토크 지령에 기초하여, 모터를 구동 제어하므로, 적절히 토크의 2 종류의 맥동(토크 리플, 코깅 토크)을 감소시키는 보정을 행할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 모터 제어 장치가 적용되는 모터 구동 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예 1에 따른 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 2에 도시된 토크 제어부의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 4는 양토크(positive torque) 및 음토크(negative torque)의 발생시에 있어서의 토크 맥동 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 토크 맥동 파형을 차수(次數) 분해한 결과의 진폭을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 토크 맥동 파형을 차수 분해한 결과의 위상 오프셋을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 의한 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 도 7에 도시된 토크 제어부의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에 의한 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 9에 도시된 토크 제어부의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 11은 도 10에 도시된 4개의 보정파 정보 기억부의 수납 내용의 일 예를 설명하는 도면이다.
도 12는 고조파(보정파)의 진폭 비율과 토크 지령의 절대치의 관계를 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예 4로서, 도 9에 도시된 토크 제어부의 다른 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 14는 본 발명의 실시예 5에 의한 모터 제어 장치를 포함하는 모터 구동 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 15는 본 발명의 실시예 6에 의한 모터 제어 장치를 포함하는 모터 구동 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 16은 본 발명의 실시예 7로서, 구동하는 모터의 구성예를 나타내는 개념도이다.
도 17은 본 발명의 실시예 7로서, 구동하는 모터의 다른 구성예를 나타내는 개념도이다.
도 18은 도 16이나 도 17에 도시된 모터에 있어서 구동력을 발생시키는 경우의 자속(磁束)의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 19는 도 16이나 도 17에 도시된 모터에서의 어느 모터 단면에 있어서의 토크 리플 파형을 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 실시예를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 모터 제어 장치를 포함하는 모터 구동 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예 1에 따른 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 3은 도 2에 도시된 토크 제어부의 구성예를 나타내는 블록도이다. 본 실시예 1에서는, 발생 토크의 맥동 중 토크 리플을 저감시키는 보정 방식에 대해서 설명한다.

먼저, 적용되는 시스템의 개요를 간단하게 설명한다.

도 1에 있어서, 모터(1)는 영구 자석을 이용하는 모터이며, 토크 맥동으로서 토크 리플과 코깅 토크를 발생시킨다. 이 모터(1)에는 위치 센서(2)가 장착되어 있다. 인버터 회로(3)는 복수의 스위칭 소자(일반적으로는 IGBT나 MOSFET이 이용됨)에 의한 3상(相)의 브릿지 회로를 구비하고 있다. 캐패시터(4)는 모터(1)의 동력원이 되는 직류 전력을 주지의 방법으로 축적하고 있는 직류 전원이다. 인버터 회로(3)와 모터(1)를 접속하는 전원 케이블에는, 전류 센서(5)가 배치되어 있다.

인버터 회로(3)에 있어서의 3상의 브릿지 회로는, 직류 전원인 캐패시터(4)의 양극단과 음극단의 사이에 형성 배치되어 있다. 구체적으로는, 3상의 브릿지 회로는, 캐패시터(4)의 양극단과 음극단의 사이에, 2개의 스위칭 소자가 쌍을 이루어 직렬 접속되고, 이 직렬 회로의 3개가 병렬로 접속되는 형태로 형성되어 있다.

인버터 회로(3)는 실시예 1에 따른 모터 제어 장치(6a)로부터, 3상의 브릿지 회로를 구성하는 복수의 스위칭 소자를 온·오프시키는 구동 신호 pu, nu, pv, nv, pw, nw가 입력되면, 복수의 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 캐패시터(4)에 축적된 직류 전력이 임의의 주파수 및 전압의 3상 교류 전력으로 변환되어, 모터(1)에 공급된다. 이것에 의해서, 모터(1)가 회전 구동되어, 모터(1)에 소정의 토크가 발생한다.

이때의 모터 위치 Theta가 위치 센서(2)에 의해 검출되어, 피드백 신호로서 실시예 1에 따른 모터 제어 장치(6a)에 입력된다. 또, 이때의 모터(1)에 흐르고 있는 3상의 모터 전류가 전류 센서(5)에 의해 검출되고, A／D 컨버터(7)에 의해 디지털화되어 3상의 디지털 모터 전류 Iu, Iv, Iw가 되어, 피드백 신호로서, 실시예 1에 따른 모터 제어 장치(6a)에 입력된다.

실시예 1에 따른 모터 제어 장치(6a)는, 상위 장치(8)가 출력하는 토크 지령 Tref와, 피드백 신호인 모터 위치 Theta 및 3상의 디지털 모터 전류 Iu, Iv, Iw에 기초하여, 종전과 같이 인버터 회로(3)로의 구동 신호 pu, nu, pv, nv, pw, nw를 연산 생성한다.

이때, 이 실시예 1에 따른 모터 제어 장치(6a)는, 상위 장치(8)가 출력하는 토크 지령 Tref를, 2 종류의 토크 맥동 중 하나(토크 리플)를 발생시키는 구동 상태를 규정하는 상태량으로서 취득하고, 그것과 모터 위치 Theta에 기초하여, 주기적으로 발생하는 토크 리플을 저감시키는 제어를 행하고, 그 제어 결과를 인버터 회로(3)에 주는 구동 신호 pu, nu, pv, nv, pw, nw의 연산 생성에 반영시키도록 되어 있다.

이하, 이 실시예 1에 관련되는 부분에 대해서 구체적으로 설명한다. 모터 제어 장치(6a)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 토크 제어부(10a)와, 전류 제어부(11)와, 전압 제어부(12)를 구비하고 있다.

토크 제어부(10a)는, 예를 들면 후술하는 도 3에 도시된 구성에 의해, 종전의 동작으로서, 상위 장치(8)로부터의 토크 지령 Tref에 따라 전류 제어부(11)에 주는 d축 및 q축의 전류 지령 idref, iqref를 연산한다. 이 종전의 동작에 더하여, 이 실시예 1에서는, 상위 장치(8)로부터의 토크 지령 Tref를, 토크 리플을 발생시키는 모터(1)의 구동 상태를 규정하는 상태량으로서 취득하고, 그것과 모터 위치 Theta에 기초하여, 주기적으로 발생하는 토크 리플을 저감시키기 위한 제어를 행하고, 그 토크 리플 저감 제어의 결과를, 전류 제어부(11)에 주는 d축 및 q축의 전류 지령 idref, iqref에 반영하는 것을 행한다. 구체적으로는, 후술한다.

전류 제어부(11)는 3상 2상 변환부(13)와, 감산기(14, 15)와, 예를 들면 PID 제어부(16, 17)를 구비하고 있다. 또한, PID 제어부(16, 17)를 대신하여, PI 제어부가 이용되는 경우도 있다.

3상 2상 변환부(13)는 A／D 컨버터(7)에 의해 디지털화된 3상의 디지털 모터 전류 Iu, Iv, Iw를, 모터 위치 Theta에 있어서의 d축 전류 id 및 q축 전류 iq로 변환한다. 감산기(14)는, 토크 제어부(10a)가 출력하는 d축 전류 지령 idref와 3상 2상 변환부(13)가 변환 출력하는 d축 전류 id의 차분(差分)(d축 전류 편차)을 구해 그것을 PID 제어부(16)로 출력한다. 감산기(15)는, 토크 제어부(10a)가 출력하는 q축 전류 지령 iqref와 3상 2상 변환부(13)가 변환 출력하는 q축 전류 iq의 차분(q축 전류 편차)을 구해 그것을 PID 제어부(17)로 출력한다. PID 제어부(16, 17)는, 감산기(14, 15)가 출력하는 d축 및 q축의 각 전류 편차가 작아지게 되도록 하는 PID 제어를 행하여, 전압 제어부(12)에 주는 d축 전압 지령 Vdref 및 q축 전압 지령 Vqref를 설정한다.

전압 제어부(12)는 2상 3상 변환부(18)와 PWM 제어부(19)를 구비하고 있다.

2상 3상 변환부(18)는, 전류 제어부(11)가 출력하는 d축 전압 지령 Vdref 및 q축 전압 지령 Vqref를, 모터 위치 Theta에 있어서의 3상의 전압 지령 Vuref, Vvref, Vwref로 변환한다. PWM 제어부(19)는, 2상 3상 변환부(18)가 변환 출력하는 3상의 전압 지령 Vuref, Vvref, Vwref로부터 PWM 신호인 구동 신호 pu, nu, pv, nv, pw, nw를 생성하여, 인버터 회로(3)로 출력한다.

그런데, 토크 제어부(10a)는, 예를 들면 도 3에 도시된 바와 같이, 전류 지령 생성부(22)의 입력단에, 보정파 연산부(20)와 토크 지령 합성부(21)가 추가된 구성이 되어 있다. 보정파 연산부(20)는 보정파 정보 선택부(24)와, 토크 지령 양음 판정부(25)와, 토크 리플 보정파 생성부(26)를 구비하고 있다. 보정파 정보 선택부(24)는 양용(陽用) 보정파 정보를 격납하는 기억부(28)와, 음용(陰用) 보정파 정보를 격납하는 기억부(29)와, 선택 회로(30)를 구비하고 있다.

상위 장치(8)가 출력하는 토크 지령 Tref는, 토크 지령 합성부(21)에 입력됨과 아울러, 모터(1)의 구동 상태를 규정하는 상태량으로서, 토크 지령 양음 판정부(25) 및 토크 리플 보정파 생성부(26)에 입력된다. 토크 리플 보정파 생성부(26)에는, 선택 회로(30)의 출력(보정파 정보)과 모터 위치 Theta가 입력된다.

토크 지령 양음 판정부(25)는 상위 장치(8)로부터 입력되는 토크 지령 Tref가 양극성인지 음극성인지의 양음을 판정하여, 그 판정 결과를 선택 회로(30)로 출력한다. 선택 회로(30)는 토크 지령 양음 판정부(25)의 판정 결과에 따라서, 기억부(28)와 기억부(29) 중 어느 한쪽에 격납되는 보정파 정보를 선택하여, 토크 리플 보정파 생성부(26)에 출력한다.

토크 리플 보정파 생성부(26)는, 상위 장치(8)로부터 입력되는 토크 지령 Tref(즉 모터(1)의 상태량)와, 선택 회로(30)가 선택한 보정파 정보에 기초하여 모터 위치 Theta에 있어서의 정현파 모양의 토크 리플 보정파 Ttr을 생성하여, 토크 지령 합성부(21)에 출력한다. 토크 리플 보정파 Ttr의 진폭은, 토크 지령 Tref에 의해 발생하는 토크의 진폭에 의존하고 있다.

토크 지령 합성부(21)는 상위 장치(8)로부터 입력되는 토크 지령 Tref와, 토크 리플 보정파 생성부(26)에 의해 생성된 토크 리플 보정파 Ttr을 합성하여 보정 토크 지령 Tref2를 생성한다.

전류 지령 생성부(22)는 토크 지령 합성부(21)에 의해 생성된 보정 토크 지령 Tref2에 기초하여, d축 전류 지령 idref 및 q축 전류 지령 iqref를 생성하여, 전류 제어부(11)로 출력한다. 이것에 의해서, 전류 제어부(11) 및 전압 제어부(12)의 협동 작업에 의해, 모터(1)의 발생 토크에 있어서의 토크 리플을 감소시키는 보정 동작이 실시된다.

여기서, 기억부(28, 29)에 격납되는 보정파 정보에 대해서 설명한다. 토크 리플 보정파 Ttr의 생성에 이용하는 보정파 정보는 고조파 차수 정보와, 고조파(보정파)의 진폭의 토크 지령 Tref에 대한 비율(진폭 비율)과, 고조파(보정파)의 위상(오프셋 위상)으로 구성된다. 기억부(28, 29)에는 고조파 차수 정보와 그것에 대한 진폭 비율 및 위상(오프셋 위상)이 관련지어져 격납되어 있다.

먼저, 도 4 ~ 도 6을 참조하여, 모터(1)가 토크를 발생시키는 경우, 그 발생 토크가 양극성인지 음극성인지에 따라서 토크 맥동(즉 토크 리플)의 고조파 차수 성분이 다른 점에 대해서 구체적으로 설명한다. 또한, 도 4는 양토크 및 음토크의 발생시에 있어서의 토크 맥동 파형을 나타내는 도면이다. 도 5는 도 4에 도시된 토크 맥동 파형을 차수 분해한 결과의 진폭을 나타내는 도면이다. 도 6은 도 4에 도시된 토크 맥동 파형을 차수 분해한 결과의 위상 오프셋을 나타내는 도면이다.

도 4 (a)에서는 양토크 발생시의 토크 맥동 파형이 도시되고, 도 4 (b)에서는 음토크 발생시의 토크 맥동 파형이 도시되어 있다. 도 4 (a)(b)는, 모터(1)를 동일 회전 방향으로 회전시키면서 일정 부하를 인가하여 토크를 발생시켰을 경우의 토크 맥동 파형을 실험적으로 토크 미터로 취득한 결과를 나타내고 있다. 실험에 있어서는, 토크의 시간 평균치의 절대치가 동일해지도록 했다. 도 4의 (a)와 (b)에서는, 토크 맥동 파형이 분명하게 다른 것을 알 수 있다.

도 5에 있어서, 도 5 (a)에 도시된 양토크 발생시에는 8차와 48차가 발생해 있지만, 도 5 (b)에 도시된 음토크 발생시에는, 8차와 48차는 거의 발생해 있지 않다. 이것으로부터, 양토크 발생시의 토크 맥동을 보정하는 경우는, 8차와 48차의 보정파를 생성하는 쪽이 바람직하지만, 음토크 발생시의 토크 맥동을 보정하는 경우에는 8차와 48차의 보정파를 생성하지 않는 쪽이, 연산 시간의 효율화를 위해서 바람직하는 것을 알 수 있다. 그 결과, 보정파 정보인 고조파 차수 정보를 격납하는 기억부의 용량을 저감시킬 수 있다.

따라서 본 실시예 1에 따른 모터 제어 장치(6a)에서는, 모터(1)가 토크를 발생시키는 경우에, 그 발생 토크가 양극성인지 음극성인지에 따라서, 토크 맥동(즉 토크 리플)의 고조파 차수 성분이 다른 점에 주목하여 양용의 기억부(28)와 음용의 기억부(29)를 별개로 준비하고, 기억부(28)에는 양용 고조파 차수 정보를 메인으로 하는 양용 보정파 정보를 격납하고, 기억부(29)에는 음용 고조파 차수 정보를 메인으로 하는 음용 보정파 정보를 격납해 두어, 모터의 상태량인 토크 지령 Tref의 양음에 따라 대응하는 고조파 차수 정보를 선택할 수 있도록 하고, 그 선택된 고조파 차수 정보와 모터 위치 Theta에 기초하여 토크 리플 보정파를 생성하는 구성으로 했다.

이때, 모터(1)의 회전 기계 주파수는 회전 속도에 의존하여, 인버터 회로(3)에 의해 주파수 변환된 교류 전력에 의해 구동되는 모터(1)는 여러가지 회전 속도로 회전할 수 있기 때문에, 기억부(28, 29)에 격납하는 고조파 차수 정보로서는, 모터(1)의 회전 기계 주파수를 1차로 하고, 그 배수 n(n은 자연수)으로 이루어진 복수의 고조파 차수를 격납하는 것이 바람직하다. 그러면, 예를 들면, 50Hz로 회전하고 있는 모터(1)의 토크로서, 100Hz로 진동하고 있는 성분을 보정하는 경우에는, 「n=2」를 설정할 수 있기 때문에, 적절한 보정을 행할 수 있다.

또, 종래, 전기 주파수를 1차로 하는 생각도 있었지만, 이 생각에서는, 모터(1)에 포함되는 영구 자석의 편차나, 그 외의 공작 오차에 기인하는 전기각 주파수의 소수배의 차수에 대응하는 것이 어렵게 되기 때문에, 회전 기계 주파수를 1차로 한 고조파 차수를 설정하는 것이 바람직하다.

그리고 기억부(28, 29)에 격납하는 보정파 정보로서는, 고조파 차수 정보 외에, 토크 지령 Tref에 대해 토크 리플 보정파 생성부(26)가 생성하는 토크 리플 보정파(즉 고조파 성분)의 진폭 비율 An, 및 위상 오프셋량 θn도 고조파 차수 n과 관련지어 격납하는 것이 바람직하다. 그쪽이, 도 5에 도시된 바와 같이, 24차의 진폭은 양토크시 (a)와 음토크시 (b)에서 크게 달라져 있어, 단순하게 차수 n만 전환하는 것보다도 진폭 비율 An도 동시에 전환하는 쪽이, 토크 맥동(토크 리플)을 저감시키는 효과가 크다고 생각된다. 또, 위상 오프셋량 θn에 대해서도 마찬가지이다.

도 6에 있어서, 위상 오프셋량 θn은, 양토크 발생시 (a)와 음토크 발생시 (b)에서 다르다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 24차 고조파의 위상 오프셋량 θn은, 양토크 발생시 (a)의 경우는 -150˚이고, 음토크 발생시 (b)의 경우는 ＋135˚로, 다르다. 따라서 위상 오프셋량 θn도 고조파 차수 n과 동시에 전환하는 것이 바람직하다.

토크 리플 보정파 생성부(26)가 생성하는 정현파 모양의 토크 리플 보정파 Ttr을 상술한 배수(고조파 차수) n, 고조파(토크 리플 보정파 Ttr)의 진폭 비율 An 및 위상 오프셋량 θn을 이용하여 수식으로 표현하면, 식 (1)과 같이 된다.

[수 1]

또한, 후술하는 도 11 (a)(b)에, 기억부(28, 29)의 기억 내용의 일 예를 나타내고 있다. 이에는, 차수에 대해, 진폭 비율 및 위상 오프셋량이 관련지어져 격납되어 있는 것이 도시되어 있다.

이상과 같이, 본 실시예 1에 의하면, 2 종류의 토크 맥동 중 하나인 토크 리플을 감소 보정하는 구성으로서, 미리 보정파 정보를 기억부에 준비하고, 토크 리플을 발생시키는 모터의 구동 상태를 규정하는 상태량인, 상위 장치로부터 입력되는 토크 지령을 감시하여, 취득한 토크 지령이 양극성인지 음극성인지를 판단하고, 그 양음에 따른 보정파 정보를 기억부로부터 선택해, 그 선택한 보정파 정보에 기초하여 주기적 토크 맥동(토크 리플)에 대한 정현파 모양의 보정파를 생성하여, 상위 장치로부터 입력되는 토크 지령을 대신하여, 그 토크 지령과 상기 생성된 보정파를 합성한 보정 토크 지령에 기초하여, 전류 제어부에 주는 d축 및 q축의 전류 지령을 생성하는 구성으로 했으므로, 적절히 토크의 맥동(토크 리플)을 감소시키는 보정을 행할 수 있다.

이때, 기억부에 격납되는 보정파 정보는 고조파 차수 정보와, 그것에 대응하는 진폭 비율 및 위상으로 이루어지지만, 고조파 차수 정보는, 토크 지령이 양극성인지 음극성인지에 따라서 다르므로, 기억부에는 토크 지령의 양음에 따라 필요한 고조파 차수 정보만을 유지해 두면 좋다. 따라서 고조파 차수 정보에 대응하여 보존해야 할 진폭 비율이나 위상 등의 정보도 적어도 되어, 기억부의 용량을 작게 할 수 있다.

실시예 2

도 7은 본 발명의 실시예 2에 의한 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 8은 도 7에 도시된 토크 제어부의 구성예를 나타내는 블록도이다. 본 실시예 2에서는, 발생 토크의 맥동 중 코깅 토크를 감소시키는 보정 방식에 대해서 설명한다. 모터 구동 시스템의 구성 요소는, 도 1과 마찬가지이므로 도시를 생략하고, 도 7 (모터 제어 장치)과 도 8 (토크 제어부)을 나타냈다.

도 7에 있어서, 본 실시예 2에 의한 모터 제어 장치(6b)는, 도 2(실시예 1)에 도시된 모터 제어 장치(6a)에 있어서, 토크 제어부(10a)를 대신하여, 토크 제어부(10b)가 마련되어 있다. 그 외의 구성은, 도 2와 마찬가지이다.

토크 제어부(10b)에는 상위 장치(8)로부터 토크 지령 Tref가 입력되는 것 외에, 2 종류의 토크 맥동 중 또 하나(코깅 토크)를 발생시키는 구동 상태를 규정하는 모터(1)의 상태량인 모터 속도가 입력된다. 모터 속도는 검출된 모터 위치 Theta로부터 구한 것이다.

그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 토크 제어부(10b)는, 도 3 (실시예 1)에 도시된 토크 제어부(10a)에 있어서, 보정파 연산부(20)를 대신하여 보정파 연산부(34)가 마련되어 있다. 보정파 연산부(34)는, 보정파 연산부(20)에 있어서의, 보정파 정보 선택부(24)를 대신한 보정파 정보 선택부(35)와, 토크 지령 양음 판정부(25)를 대신한 모터 속도 판정부(36)와, 토크 리플 보정파 생성부(26)를 대신한 코깅 토크 보정파 생성부(37)를 구비하고 있다. 보정파 정보 선택부(35)는 양용 보정파 정보를 격납하는 기억부(38)와, 음용 보정파 정보를 격납하는 기억부(39)와, 선택 회로(40)를 구비하고 있다. 기억부(38, 39)에 격납되는 보정파 정보는, 코깅 토크 보정용의, 고조파 차수, 보정파의 진폭 및 위상으로 이루어진다.

코깅 토크는 발생 토크의 크기에 의존하지 않고 고정의 크기로 발생하지만, 모터의 축단(軸端)에 접속되는 도르래나 기어, 볼 스크루(ball screw) 등의 기구 부품의 형상 편차나 백래시(backlash) 등의 전달계(轉達系)의 구조에 기인하여, 모터의 정회전시와 역전시에 있어서 다른 고조파 차수의 맥동을 일으킬 수 있다. 이 때문에, 예를 들면 모터의 위치 결정 운전을 행하는 경우에, 정회전 상태로부터 모터를 정지시키는 경우와, 역전 상태로부터 모터를 정지시키는 경우에 있어서, 양호한 위치 결정 특성을 얻기 위해서 필요한 코깅 토크 보정의 고조파 차수가 다르게 되는 일이 일어난다.

이에, 본 실시예 2에서는, 모터(1)의 속도를, 검출된 모터 위치 Theta로부터 구해서 감시하고, 그 모터 속도의 양음을 모터 속도 양음 판정부(36)에 의해 판정하고, 그 판정 결과에 기초하여, 양용 보정파 정보 기억부(38)의 격납 정보를 이용할지, 음용 보정파 정보 기억부(39)의 격납 정보를 이용할지를 선택 회로(40)에 의해서전환하는 구성으로 했다.

코깅 토크 보정파 생성부(37)는 보정파 정보 기억부(38, 39) 중 어느 한쪽에 에 격납되는 보정파 정보를 이용하여 모터 위치 Theta에 있어서의 정현파 모양의 코깅 토크 보정파 Tco를 생성하여, 토크 지령 합성부(21)에 출력한다. 코깅 토크 보정파 Tco의 진폭은, 토크 지령 Tref의 진폭에 의존하지 않고 일정치이다.

토크 지령 합성부(21)는 상위 장치(8)로부터 입력되는 토크 지령 Tref와, 코깅 토크 보정파 생성부(37)에 의해 생성된 코깅 토크 보정파 Tco를 합성하여 보정 토크 지령 Tref2를 생성한다.

전류 지령 생성부(22)는 토크 지령 합성부(21)에 의해 생성된 보정 토크 지령 Tref2에 기초하여, d축 전류 지령 idref 및 q축 전류 지령 iqref를 생성하여, 전류 제어부(11)로 출력한다. 이것에 의해서, 전류 제어부(11) 및 전압 제어부(12)의 협동 작업에 의해, 모터(1)의 발생 토크에 있어서의 코깅 토크를 감소시키는 보정 동작이 실시된다.

여기서, 기억부(38, 39)에 격납되는 보정파 정보에 대해서 설명한다. 코깅 토크 보정파 Tco의 생성에 이용하는 보정파 정보는 고조파 차수 정보와, 고조파(보정파)의 진폭과, 고조파(보정파)의 위상으로 구성된다. 기억부(38, 39)에는, 고조파 차수 정보와, 그것에 대한 고조파(보정파)의 진폭 및 고조파(보정파)의 위상이 관련지어져 격납되어 있다.

먼저, 고조파 차수 정보로서는, 복수의 고조파 차수를 모터의 회전 기계 주파수를 1차로 하고, 그 배수 n(n은 자연수)을 격납하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 모터(1)의 회전 기계 주파수는 회전 속도에 의존하고, 인버터 회로(3)에 의해 주파수 변환된 전력에 의해 구동되는 모터(1)는 여러가지 회전 속도로 회전할 수 있기 때문이다. 그러면, 예를 들면, 50Hz로 회전하고 있는 모터(1)의 토크로서, 100Hz로 진동하고 있는 성분을 보정하는 경우에는, 「n=2」를 설정할 수 있기 때문에, 적절한 보정을 행할 수 있다.

또, 종래, 전기 주파수를 1차로 하는 생각도 있었지만, 이 생각에서는, 모터(1)에 포함되는 영구 자석의 편차나, 그 외의 공작 오차에 기인하는 전기각 주파수의 소수배의 차수에 대응하는 것이 어렵게 되기 때문에, 회전 기계 주파수를 1차로 한 고조파 차수를 설정하는 것이 바람직하다.

또, 기억부(38, 39)에는, 고조파 차수 n 외에, 그 차수 n의 고조파의 진폭 Bn 및 위상 오프셋량 θn도 고조파 차수 n과 관련지어 격납하는 것이 바람직하다. 실시예 1에서는, 토크 지령 Tref에 대한 당해 고조파 차수의 토크 맥동 성분의 진폭 비율 An을 격납하고 있던 것에 반해, 본 실시예 2에서는, 토크 맥동의 진폭 Bn을 격납하고 있는 점이 다르다. 이것은, 코깅 토크가 발생 토크에 의존하지 않기 때문이다.

이상의 설명을 수식으로 정리하면, 코깅 토크 보정파 생성부(37)가 생성하는 정현파 모양의 코깅 토크 보정파 Tco는, 상술한 배수(고조파 차수) n, 고조파(코깅 토크 보정파 Tco)의 진폭 Bn, 및 위상 오프셋량 θn을 이용하여, 식 (2)로 표현된다.

[수 2]

또한, 후술하는 도 11 (c)(d)에, 기억부(38, 39)의 기억 내용의 일 예를 나타내고 있다. 이에는, 차수에 대해, 진폭 및 위상 오프셋량이 관련지어져 격납되어 있는 것이 도시되어 있다.

이상과 같이, 본 실시예 2에 의하면, 또 하나의 토크 맥동인 코깅 토크를 감소 보정하는 구성으로서, 미리, 보정파 정보를 기억부에 준비하고, 코깅 토크를 발생시키는 모터의 구동 상태를 규정하는 상태량인 모터 속도를 감시하여, 모터 속도가 양극성인지 음극성인지를 판단하고, 그 양음에 따른 보정파 정보를 기억부로부터 선택해, 그 선택한 보정파 정보에 기초하여 주기적 토크 맥동(코깅 토크)에 대한 정현파 모양의 보정파를 생성하고, 상위 장치로부터 입력되는 토크 지령을 대신하여, 그 토크 지령과 상기 생성된 보정파를 합성한 보정 토크 지령에 기초하여, 전류 제어부에 주는 d축 및 q축의 전류 지령을 생성하는 구성으로 했으므로, 적절히 토크의 맥동(코깅 토크)을 감소시키는 보정을 행할 수 있다.

이때, 기억부에 격납하는 보정파 정보는 고조파 차수 정보와, 그것에 대응하는 진폭 및 위상으로 이루어지지만, 고조파 차수 정보는, 모터 속도가 양극성인지 음극성인지에 따라서 다르므로, 기억부에는, 모터 속도의 양음에 따라 필요한 고조파 차수 정보만을 유지해 두면 좋다. 따라서 고조파 차수 정보에 대응하여 보존해야 할 진폭이나 위상 등의 정보도 적어도 되어, 기억부의 용량을 작게 할 수 있다.

실시예 3

도 9는 본 발명의 실시예 3에 의한 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다. 도 10은 도 9에 도시된 토크 제어부의 구성예를 나타내는 블록도이다. 본 실시예 3에서는, 실시예 1에서 설명한 토크 리플 보정 방식과, 실시예 2에서 설명한 코깅 토크 보정 방식을 병행하여 실시하는 경우에 대해서 설명한다. 모터 구동 시스템의 구성 요소는, 도 1과 마찬가지이므로 도시를 생략하고, 도 9 (모터 제어 장치)와 도 10(토크 제어부)을 나타냈다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예 3에 의한 모터 제어 장치(6c)에서는, 토크 제어부(10c)에, 상위 장치(8)가 출력하는 토크 지령 Tref가 취득됨과 아울러, 그 토크 지령 Tref가 1개의 상태량으로서 입력되고, 모터 속도가 또 하나의 상태량으로서 입력된다.

도 10에 있어서, 토크 제어부(10c)에 있어서의 보정파 연산부(41)는, 예를 들면, 도 3에 도시된 보정파 연산부(20)와, 도 8에 도시된 보정파 연산부(34)와, 가산기(42)로 구성할 수 있다. 가산기(42)는, 도 3에 도시된 보정파 연산부(20)에 의해 생성되는 토크 리플 보정파 Ttr과, 도 8에 도시된 보정파 연산부(34)에 의해 생성되는 코깅 토크 보정파 Tco를 가산하여 토크 지령 합성부(21)에 출력한다.

토크 지령 합성부(21)는 상위 장치(8)로부터 입력되는 토크 지령 Tref와, 가산기(42)에 의해 가산된 토크 리플 보정파 Ttr 및 코깅 토크 보정파 Tco를 합성하여, 그것을 보정 토크 지령 Tref2로서 전류 지령 생성부(22)로 출력한다.

이것에 의해서, 토크 리플 보정 및 코깅 토크 보정의 효과를, 모터의 상태량인 토크 지령 Tref 및 모터 속도에 따라 적절히, 또한 동시에 얻는 것이 가능해진다.

또한, 도 10에 도시된 보정파 연산부(41)에서는, 가산기(42)에 의해, 토크 리플 보정파 Ttr과 코깅 토크 보정파 Tco를 가산하여 토크 지령 합성부(21)에 출력하는 구성을 나타내고 있지만, 가산기(42)를 생략하여 토크 리플 보정파 Ttr과 코깅 토크 보정파 Tco를 직접 토크 지령 합성부(21)에 입력시켜, 토크 지령 합성부(21) 내에서 토크 리플 보정파 Ttr과 코깅 토크 보정파 Tco를 가산하는 구성이어도 좋다.

도 11은 도 10에 도시된 4개의 고조파 차수 정보 기억부의 수납 내용의 일 예를 설명하는 도면이다. 도 11 (a)는 보정파 정보 기억부(28)의 수납 내용의 일 예를 나타내고, 도 11 (b)는 보정파 정보 기억부(29)의 수납 내용의 일 예를 나타내고, 도 11 (c)는 보정파 정보 기억부(38)의 수납 내용의 일 예를 나타내고, 도 11 (d)는 보정파 정보 기억부(39)의 수납 내용의 일 예를 나타내고 있다. 도 11 (a)(b)에서는, 차수와, 진폭 비율과, 위상 오프셋량이 도시되고, 도 11 (c)(d)에서는, 차수와, 진폭과, 위상 오프셋량이 도시되어 있다. 또한, 도 11에서는, 설명의 편의를 위해, 양을 「p」로 표기하고, 음을 「n」으로 표기하고 있다. 예를 들면, 진폭 비율에서는, 양용이 「Ap」라고 표기되고, 음용이 「An」이라고 표기되고 있다. 이하에 나타내는 「n」은, 실시예 1 ~ 3에서 설명한 것처럼, 「자연수」이다.

도 11에서는, 차수 등을 모두 다른 부호로 표현하고 있지만, 일부는 동일한 차수가 설정되어도 좋고, 코깅 토크 및 토크 리플에 의한 토크 맥동을 저감시킬 수 있도록 결정하면 좋다.

또, 도 11에서는, 모든 조합에 있어서의 고조파 차수 정보가 m세트의 차수, 진폭 비율(코깅 토크에 있어서는 진폭), 위상 오프셋량의 정보로 되어 있지만, 그 세트수는 동일하지 않아도 좋다.

또한, 진폭 비율 An은 고정치라도 좋지만, 토크 지령이나 모터 속도의 함수 {An(Tref, Theta)}로 하여도 좋다. 이와 같이 설정하면, 보다 상세하게 모터의 구동 상태에 따른 토크 지령의 개조(re-creation)가 행해지므로, 토크의 맥동을 저감시키는 효과가 높아진다.

이에 더하여, 위상 오프셋량 θn은 고정치라도 좋지만, 토크 지령이나 모터 속도의 함수 {θn(Tref, Theta)}로 해도 좋다. 이와 같이 설정하면, 보다 상세하게 모터의 구동 상태에 따른 토크 지령의 개조가 행해지므로, 토크의 맥동을 저감시키는 효과가 커진다.

다음으로, 도 12는 고조파(보정파)의 진폭 비율 An과 토크 지령 Tref의 절대치의 관계를 나타내는 도면이다. 도 12에서는, 감자(減磁) 개시 토크 Tdemag와 감자 경계선 Ldemag가 도시되어 있다. 감자 개시 토크 Tdemag는, 모터(1)가 이 감자 개시 토크 Tdemag 이상의 토크를 발생시키려고 하면, 모터(1) 내에 가지는 영구 자석이 열과 역자계에 의해 복합 감자를 일으키는 경계의 토크치이다. 또, 감자 경계선 Ldemag는, 토크 지령 Tref와 진폭 비율 An에 기초하여 생성된 토크 리플 보정파 Ttr과 원래의 토크 지령 Tref의 합성파(보정 토크 지령 Tref2)가 감자 개시 토크 Tdemag를 넘지 않기 위한 경계선이다.

보정 토크 지령 Tref2는, 감자 개시 토크 Tdemag를 넘지 않도록 제한할 필요가 있다. 이를 위해서는, 다음의 2개 방법 중 적어도 1개를 실시하면 좋다.

먼저 제1 방법으로서, 도 12에 도시된 바와 같이, 진폭 비율 An은, 지령 토크 Tref의 절대치가 감자 개시 토크 Tdemag 이상의 영역에 있어서 영(零)인 것이 바람직하다. 이 감자 개시 토크 Tdemag는, 파라미터로서 모터 제어 장치 내의 기억 장치에 격납해 두던지, 미리 보정파 정보 기억부(28, 29)에 격납하는 고조파 차수 정보에 있어서의 진폭 비율 An의 함수에 포함시켜 두면 좋다.

또, 제2 방법으로서, 진폭 비율 An은, 토크 지령 Tref의 절대치가 감자 개시 토크 Tdemag보다도 작은 영역에 있어서, 감자 경계선 Ldemag보다도 작은 영역(도 12의 해칭(hatching) 부분)으로 설정되는 것이 바람직하다.

여기서, 보정 토크 지령 Tref2가 감자 개시 토크 Tdemag를 넘지 않도록 하기 위한, 토크 지령 Tref와 진폭 비율 An과 감자 개시 토크 Tdemag의 관계, 및 감자 경계선 Ldemag를 규정하는 식을 나타낸다.

보정 토크 지령 Tref2는,

Tref2=｜Tref｜＋An×｜Tref｜×sin(n×Theta＋θn)

으로 표현될 수 있다. 이 보정 토크 지령 Tref2의 최대치는, sin(n×Theta＋θn)=1일 때이므로,

｜Tref2｜max=｜Tref｜＋An×｜Tref｜ …(3)

가 된다. 이｜Tref2｜max가 감자 개시 토크 Tdemag를 넘지 않도록 하려면,

｜Tref｜＋An×｜Tref｜≤Tdemag …(4)

가 성립할 필요가 있다. 식 (4)를 정리하면,

｜Tref｜(1＋An)≤Tdemag

(1＋An)≤Tdemag／｜Tref｜

An≤(Tdemag／｜Tref｜)－1 …(5)

가 된다. 이 식 (5)에 있어서의 등호를 채용한 다음의 식 (6)이 감자 경계선 Ldemag를 나타내는 식이다.

An=(Tdemag／｜Tref｜)－1 …(6)

따라서 식 (5)로부터, 진폭 비율 An을 토크 지령 Tref의 함수로서 유지하는 경우, 그 함수 곡선이 도 12의 해칭 부분에 존재해야 하는 것을 이해할 수 있다. 즉, 진폭 비율 An은, 토크 지령 Tref의 절대치가 감자 개시 토크 Tdemag보다도 작은 영역에 있어서, 식 (5)의 관계를 충족하는 영역, 환언하면, 식 (6)에 표현된 감자 경계선 Ldemag보다도 작은 영역에 존재해야 하는 것이다.

이상과 같이, 본 실시예 3에 의하면, 실시예 1에서 설명한 토크 리플 보정 방식과, 실시예 2에서 설명한 코깅 토크 보정 방식을 병행하여 실시할 수 있다.

또, 토크 리플 보정 방식의 실시에서는, 양용 보정파 정보 기억부(28) 및 음용 보정파 정보 기억부(29)에 격납하는 보정파 정보에 있어서의 어느 고조파 차수에 대한 진폭 비율을 미리 감자 개시 토크 Tdemag 이상의 영역에서 영으로 하거나, 감자 경계선 Ldemag보다도 작은 영역으로 함으로써, 모터(1)가 가지는 영구 자석의 감자에 의한 모터(1)의 기능 손실을 방지할 수 있다고 하는 효과가 있다.

실시예 4

도 13은 본 발명의 실시예 4로서, 도 9에 도시된 토크 제어부의 다른 구성예를 나타내는 블록도이다. 도 13에 도시된 토크 제어부(10d)에서는, 도 10에 도시된 토크 제어부(10c)에 있어서, 보정파 연산부(41)를 대신하여 보정파 연산부(43)가 마련되어 있다. 보정파 연산부(43)에서는, 토크 지령 Tref가 입력되는 「감자 회피를 위한 토크 지령 생성 수단(44)」이, 선택 회로(30)의 출력단과 토크 리플 보정파 생성부(26)의 입력단의 사이에 마련되어 있다.

실시예 3에서 설명한 것처럼, 진폭 비율 An은, 토크 지령 Tref의 절대치가 감자 개시 토크 Tdemag보다도 작은 영역에 있어서, 감자 경계선 Ldemag보다도 작은 영역(도 12의 해칭 부분)으로 설정된다. 즉, 진폭 비율 An은,

0≤An≤{(Tdemag／｜Tref｜)－1} …(7)

의 영역 내로 규정된다.

감자 회피를 위한 토크 지령 생성 수단(44)은, 선택 회로(30)가 기억부(28, 29)에 보존되는 진폭 비율 An이 고정치인 것 등이 이유로, 기억부(28, 29) 중 어떤 것도 선택하지 않는 경우에, 토크 지령 Tref의 절대치에 대해 식 (7)을 적용하는 가변 리미터로서 기능하여, 식 (7)에 규정되는 영역 부분에서의 진폭 비율 An(감자 회피를 위한 토크 지령)을 생성하여, 그것을 토크 리플 보정파 생성부(26)에 출력한다.

즉, 감자 회피를 위한 토크 지령 생성 수단(44)은, 선택 회로(30)가 기억부(28, 29) 중 어느 것도 선택하지 않는 경우에, 식 (7)에 규정되는 영역 부분에서의 진폭 비율 An을, 토크 지령 Tref의 절대치가, 리미터 상한치측에 있는 경우는 식 (6)에 기초하여 가변 생성하고, 리미터 하한치측에 있는 경우는 제로로 고정한다.

이와 같이 구성함으로써, 실시예 3에 있어서, 양용 보정파 정보 기억부(28) 및 음용 보정파 정보 기억부(29)에 격납하는 보정파 정보에 대해서, 도 12를 이용하여 설명한 특별한 설정을 행하는 일 없이, 모터(1)가 가지는 영구 자석의 감자에 의한 모터(1)의 기능 손실을 방지할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또한, 실시예 4에서는, 실시예 3으로의 적용예를 나타냈지만, 실시예 1에도 마찬가지로 적용할 수 있다.

실시예 5

도 14는 본 발명의 실시예 5에 의한 모터 제어 장치를 포함하는 모터 구동 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다. 또한, 도 14에서는, 도 1 (실시예 1)에 도시된 구성 요소와 동일 또는 동등한 구성 요소에는 동일한 부호가 부여되어 있다. 여기에서는, 본 실시예 5에 관련되는 부분을 중심으로 설명한다.

도 14에 있어서, 본 실시예 5에 의한 모터 제어 장치(6d)는, 도 1 (실시예 1)에 도시된 모터 제어 장치(6a)에 있어서, 보정파 정보 입력 수단(50)을 접속할 수 있도록 한 것이다. 보정파 정보 입력 수단(50)은 키보드나 터치 패널, 프레스 버튼 등으로 구성된다.

즉, 도시를 생략했지만, 도 2 (모터 제어 장치(6a))와 도 3 (토크 제어부(10a))을 참조하여 설명하면, 모터 제어 장치(6a) 내, 또는, 토크 제어부(10a) 내에, 보정파 정보 기억부(28, 29)에 대한 기록 제어 회로가 마련되어 있고, 그 기록 제어 회로가, 토크 리플 보정 방식에 있어서, 보정파 정보 입력 수단(50)을 조작하여 입력된 고조파 차수 정보, 진폭 비율, 및 위상 오프셋량을 1 세트로 하여 보정파 정보 기억부(28, 29)에 기록하도록 되어 있다.

이와 같이 구성함으로써, 모터 제어 장치(6d)가 구동하는 모터(1)가 변경되었을 경우 등에 있어서, 당해 모터(1)에 적합한 토크 리플 보정용의 양용 및 음용의 보정파 정보를 입력하여, 보정파 정보 기억부(28, 29)에 설정할 수 있다.

또한, 본 실시예 5에서는, 실시예 1로의 적용예를 나타냈지만, 실시예 2 ~ 4에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 즉, 보정파 정보 입력 수단(50)을 조작하여 코깅 토크 보정용의 양용 및 음용의 보정파 정보(고조파 차수 정보, 진폭, 및 위상의 세트)를 보정파 정보 기억부(38, 39)에 설정할 수 있다.

실시예 6

도 15는 본 발명의 실시예 6에 의한 모터 제어 장치를 포함하는 모터 구동 시스템의 구성예를 나타내는 블록도이다.

도 15에 있어서, 본 실시예 6에 의한 모터 제어 장치(6e)는, 도 14에 도시된 보정파 정보 입력 수단(50)에 더하여, 보정파 정보 표시 수단(60)도 접속할 수 있도록 되어 있다. 보정파 정보 표시 수단(60)은 LED 표시기나 PC용 모니터 등으로 구성된다.

즉, 도시를 생략했지만, 도 2 (모터 제어 장치(6a))와 도 3 (토크 제어부(10a))을 참조하여 설명하면, 모터 제어 장치(6a) 내, 또는, 토크 제어부(10a) 내에, 보정파 정보 기억부(28, 29)에 대한 기록 제어 회로와 판독 제어 회로가 마련되어 있고, 보정파 정보 입력 수단(50)을 조작하여 입력된 보정파 정보를 기록 제어 회로가 고조파 차수 정보 기억부(28, 29)에 기록한다.

또, 보정파 정보 입력 수단(50)을 조작하여 표시 출력의 지시가 입력되면, 판독 제어 회로가 보정파 정보 기억부(28, 29) 중 지정된 기억부의 내용을 보정파 정보 표시 수단(60)에 표시한다.

이와 같이 구성함으로써, 모터 제어 장치(6d)가 구동하는 모터(1)가 변경되었을 경우 등에 있어서, 당해 모터(1)에 적절한 토크 리플 보정용의 양용 및 음용의 보정파 정보를 입력하여, 보정파 정보 기억부(28, 29)에 설정할 수 있다. 이에 더하여, 격납되어 있는 토크 리플 보정용의 보정파 정보를 확인할 수 있게 되기 때문에, 적절히 토크의 맥동(토크 리플)을 보정할 수 있다.

또한, 본 실시예 6에서는, 실시예 5(즉 실시예 1)로의 적용예를 나타냈지만, 실시예 2 ~ 4에도 마찬가지로 적용할 수 있다.

실시예 7

실시예 1 ~ 6에서 나타낸 모터 제어 장치가 구동하는 모터(1)는, 영구 자석식 모터로서, 그 계자측과 전기자측 중 적어도 한쪽에 있어서, V자 모양의 경사 스큐 슬롯(skew slot) 혹은 V자 모양의 스텝 스큐 슬롯(step skew slot)이 형성되어 있다. 본 실시예 7에서는, 도 16 ~ 도 19를 참조하여, 그 V자 모양의 경사 스큐 슬롯 혹은 V자 모양의 스텝 스큐 슬롯의 구조에 대해서 설명한다.

도 16과 도 17은, 본 발명의 실시예 7로서, 구동하는 모터의 구성예를 나타내는 개념도이다. 도 18은 도 16이나 도 17에 도시된 모터에 있어서 구동력을 발생시키는 경우의 자속의 흐름을 설명하는 도면이다. 도 19는, 도 16이나 도 17에 도시된 모터에서의 어느 모터 단면에 있어서의 토크 리플 파형을 나타내는 도면이다.

도 16에서는, V자 모양의 경사 스큐 슬롯의 형성예가 도시되어 있다. 도 17에서는, V자 모양의 스텝 스큐 슬롯의 형성예가 도시되어 있다. 도 16 (a) 및 도 17 (a)는, 구동하는 모터(1)의 윤(輪)절단 단면도이다. 예를 들면, 도 16 (a) 및 도 17 (a)에 도시된 바와 같이, 모터(1)는 전기자(71)와 축(74)의 외주에 고정된 계자(72)(로터)가, 갭을 통하여 거의 동심(同心) 모양으로 배치되어, 도시하지 않은 지지 기구에 회전 가능하도록 지지되어 있다.

도 16 (b) 및 도 17 (b)는, 도 16 (a) 및 도 17 (a)에 도시된 갭 중심 지름(73)을 포함하는 전기자(71) 및 계자(72)와 동심 모양의 평면으로부터 전기자(71)측을 본 도면이므로, 도 16 (b) 및 도 17 (b)에서는, 전기자(71)의 내주측(內周側) 표면이 보이게 된다. 도 16 (b)에 도시된 바와 같이, V자 모양의 경사 스큐 슬롯에서는, 전기자 코어(75) 및 슬롯 오프닝(76)은, 알파벳의 V자가 90˚ 오른쪽 방향으로 회전한 양태로 교대로 원주(周) 방향으로 다수 개 배열되어 있다. V자는 전기자(71)의 축방향의 중심(77)에 대해서 대략 선대칭으로 되어 있다. 또, V자 모양의 스텝 스큐 슬롯도, 도 17 (b)에 도시된 바와 같이, V자 모양의 경사 스큐 슬롯와 마찬가지의 구조를 하고 있다.

또한, 도 16 (a) 및 도 17 (a)에서는, 전기자(71)가 계자(72)의 외측에 배치되는 이른바 인너 로터 타입(inner rotor type)의 모터를 도시하고 있지만, 내외(內外)가 반대인 아우터 로터 타입(outer rotor type)에서도 본 발명은 적용 가능하다.

모터에 있어서의 스큐 기술은, 전기자 코어를 축방향으로 각도를 쉬프팅(shift)함으로써 여러가지 고조파 문제를 해결하기 위한 기법이지만, 스큐의 구조는, 도 16이나 도 17에 도시된 것과 같은 구조로 한정되는 것은 아니다. 토크 리플의 고조파 차수가 양토크시와 음토크시에서 다르다고 하는 본 발명이 주목하는 현상은, 모터의 자기 구조에 기인하여 발생하는 것이다. 즉, 토크 리플의 고조파 차수가 양토크시와 음토크시에서 다른 현상은, 스큐의 구조가 V자 모양이 아니어도, 또 전기자의 축방향의 중심(77)에 대해서 회전 대칭이 되지 않아도 현저하게 일어날 수 있는 현상이다.

이 토크 리플의 고조파 차수가 양토크시와 음토크시에서 다른 현상을 설명하는 이론은, 토크 리플에 대해서 예를 들면 도 16 (b)을 이용하여 설명하면, 축방향의 중심(77)에 존재하는 전기자 코어(75)가 발생시키는 토크 리플로부터 축방향의 단(端)(78)에 존재하는 전기자 코어(75)가 발생시키는 토크 리플까지를 적분(積分)하면, 토크 리플 중의 어느 특정의 고조파 차수의 성분이 캔슬된다고 하는 이론이다.

그러나 이 이론은, 도 16 (a)에서 도시된 바와 같이 2 차원 단면에서 생각했을 경우의 토크 리플이 어느 축방향 위치에 있어서도 동일하다고 하는 가정에 기초하고 있으며, 실제는 3 차원적인 축방향의 단부에서의 축방향으로의 자속 누설(magnetic flux leak) 등이 있어, 각 단면에 있어서의 토크 리플은 동일하지 않다. 또, 동일한 회전 위치에서 동일한 모터 단면에 있어서도 양토크를 출력하는 경우와 음토크를 출력하는 경우에서, 도 18에 도시된 바와 같이, 자속의 흐르는 방식이 다르고, 나아가 토크 리플이 다르다.

도 19는 전자계 FEM(유한 요소법)에 의해서 어느 모터 단면의 토크 파형을 해석한 결과를 나타낸다. 도 19 (a)는 양토크를 출력했을 경우를 나타내고, 도 19 (b)는 음토크를 출력했을 경우를 나타내고 있다. 도 19 (a)(b) 모두, 가로축은 동일 위치(기계각)로 되어 있다. 도 19 (a)(b)로부터, 동일한 회전 위치에서 동일한 모터 단면에 있어서도, 양토크를 출력하는 경우와, 음토크를 출력하는 경우에서 토크 리플의 위상이 다른 것을 알 수 있다. 이 현상과 3 차원적인 영향을 조합하면, 양토크시의 토크 리플의 고조파 차수와, 음토크시의 토크 리플의 고조파 차수가 다르다고 하는 현상이 생기는 경우가 있다.

따라서 V자 모양의 경사 스큐 슬롯 혹은 스텝 스큐 슬롯을 마련하고 있는 영구 자석식에 모터(1)를 구동하는 경우에, 양토크와 음토크에서 토크 리플에 나타나는 고조파 차수가 다르기 때문에, 실시예 1 ~ 6에 제시한 모터 제어 장치를 이용함으로써 효과적으로 토크 맥동을 저감시킬 수 있다.

단, 실시예 1 ~ 6에 도시된 모터 제어 장치가 구동 제어하는 모터(1)는, 영구 자석식 모터이기는 하지만, 반드시 V자 모양의 경사 스큐 슬롯 혹은 스텝 스큐 슬롯을 마련하고 있는 것이 요건이 아니고, 이하와 같이 구성되어 있다. 도 16이나 도 17에 되시된 부호를 이용하여 나타내면, 슬롯을 가지는 강판(鋼板)을 적층한 전기자 코어(75)와, 그 슬롯에 전기자 코일을 배설한 전기자(71)와, 상대적 회전 방향으로 서로 자극이 이극(異極)이 되도록 배설된 영구 자석을 가지는 계자(72)를 가지고, 전기자(71)와 계자(72)가 공극(空隙)을 통하여 서로 회전 가능하도록 지지되어 있고, 그 공극으로부터 관측할 수 있는 전기자 코어(75)의 표면 및 자극의 표면을 관측했을 경우에, 전기자 코어(75)의 표면과 자극의 표면 중 적어도 한쪽 표면이, 전기자 코어(75)의 적층 방향의 중심선의 어느 일점을 중심으로 하여 비회전 대칭으로 되어 있는 영구 자석식 모터이다.

실시예 8

본 실시예 8에서는, 실시예 7에서 설명한, 슬롯을 가지는 강판을 적층한 전기자 코어와, 그 슬롯에 전기자 코일을 배설한 전기자와, 상대적 회전 방향으로 서로 자극이 이극이 되도록 배설된 영구 자석을 가지는 계자를 가지고, 전기자와 계자가 공극을 통하여 서로 회전 가능하도록 지지되어 있는 영구 자석식 모터를, 계자측의 자극수를 P, 전기자측의 슬롯수를 Q라고 표기했을 경우에, 자극수 P와 슬롯수 Q의 비 P／Q가,

2／3＜P／Q＜4／3

으로 되도록 구성되어 있다.

이와 같은 영구 자석식 모터(1)에 있어서는, 전기각에 대한 토크 맥동의 차수가, 소수가 되기 쉽기 때문에, 예를 들면, 각 극을 구성하는 자석의 형상이나 착자량(着磁量)에 편차가 많은 경우에는, P차와 그 자연수 배차수의 토크 맥동이 생기기 쉽다.

그러나 이 명세서에서는, 토크 맥동의 고조파 차수를, 회전 기계각 주파수를 1차로서 정의하고 있기 때문에, 전기각 주파수에 대해서는 소수가 되는 차수에서도, 간단하게 보정파를 생성할 수 있도록 되어, 토크 맥동을 저감시킬 수 있다.

즉, 비 P／Q가, 2／3＜P／Q＜4／3으로 되어 있는 영구 자석식 모터(1)는 실시예 1 ~ 6에서 제시한 모터 제어 장치에 의해 구동 제어하면, 효과적으로 토크 맥동을 저감시킬 수 있다.

여기서, 공작 오차에 의해 발생하는 P차나 Q차는, 이들의 맥동이 작아지도록 생산 방법을 추구하는 것도 비용 등에 의한 타협점이 있어, 일정한 수준보다 작게 하는 것이 어렵다.

그러나 비 P／Q가, 2／3＜P／Q＜4／3이 되는 것 같은 영구 자석식 모터(1)에서는, 토크 리플이나 코깅 토크가 일반적으로 발생하는 성분인 전기각 주파수에 대한 6차나, P와 Q의 최소 공배수의 차수의 성분은, 통상의 모터 설계를 행하면 작아진다. 이것은, 고조파 차수 정보로서는, P와 Q 중 적어도 한쪽을 설정하면 좋은 것을 나타내고 있다.

즉, 본 실시예 8에서는, P차와 Q차 중 적어도 한쪽을 고조파 차수 정보로서 설정하는 것만으로, 모터 구동 시스템으로서 토크 맥동이 작은 시스템을 제공할 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 간이한 구성으로, 모터의 발생 토크에 맥동을 생성시키는 구동 상태를 규정하는 상태량의 양음에 따라 적절히 2 종류의 토크 맥동을 감소시키는 보정을 행할 수 있는 모터 제어 장치로서 유용하다.

1: 모터
2: 위치 센서
3: 인버터 회로
4: 캐패시터
5: 전류 센서
6a, 6b, 6c, 6d, 6e: 모터 제어 장치
7: A／D 컨버터
8: 상위 장치
10a, 10b, 10c, 10d: 토크 제어부
11: 전류 제어부
12: 전압 제어부
13: 3상 2상 변환부
14, 15: 감산기
16, 17: PID 제어부
18: 2상 3상 변환부
19; PWM 제어부
20, 34, 41: 보정파 연산부
21: 토크 지령 합성부
22: 전류 지령 생성부
24: 보정파 정보 선택부
25: 토크 지령 양음 판정부
26: 토크 리플 보정파 생성부
28, 38: 양용 보정파 정보를 격납하는 기억부
29, 39: 부용 보정파 정보를 격납하는 기억부
30, 40: 선택 회로
36: 모터 속도 양음 판정부
37: 코깅 토크 보정파 생성부
42: 가산기
50: 보정파 정보 입력 수단
60: 보정파 정보 표시 수단
71: 전기자
72: 계자(로터)
73: 갭 중심지름
74: 축
75: 전기자 코어
76: 슬롯 오프닝

Claims (17)

1. 입력되는 토크 지령에 기초하여 모터를 구동 제어하는 모터 제어 장치에 있어서,
   상기 모터의 발생 토크에 맥동(脈動)을 생성시키는 구동 상태를 규정하는 상태량이 양극성인지 음극성인지의 양음(陽陰)을 판정하는 양음 판정부와,
   보정파 정보를 격납하는 기억부로부터, 상기 양음 판정부의 판정 결과가 나타내는 양음에 따른 보정파 정보를 선택하는 보정파 정보 선택부와,
   상기 선택된 보정파 정보에 기초하여, 코깅 토크를 보정하기 위한 보정파를 생성하는 보정파 생성부를 구비하고,
   상기 모터의 상태량은 모터 속도이고,
   상기 보정파 정보 선택부는, 상기 기억부에 상기 보정파 정보로서 격납되는 고조파 차수 정보 중에서 상기 양음 판정부의 판정 결과가 나타내는 양음에 따른 차수를 선택하고,
   상기 보정파 생성부는, 상기 선택된 차수에 기초하여, 진폭이 상기 토크 지령에 의존하지 않는 일정치인 보정파를 생성하고,
   상기 입력되는 토크 지령을 대신하여, 그 토크 지령과 상기 생성된 보정파를 합성(合成)한 보정 토크 지령에 기초하여 상기 모터를 구동 제어하여 코깅 토크를 보정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 보정파 정보 선택부는
   추가로 상기 기억부에 상기 보정파 정보로서 상기 고조파 차수 정보와 관련지어져 격납되어 있는 보정파의 진폭도 선택하여, 상기 보정파 생성부에 주는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 보정파 정보 선택부는
   추가로 상기 기억부에 상기 보정파 정보로서 상기 고조파 차수 정보와 관련지어져 격납되어 있는 보정파의 위상도 선택하여, 상기 보정파 생성부에 주는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 기억부에 상기 고조파 차수 정보를 포함하는 보정파 정보를 설정할 수 있는 입력 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 기억부에 격납되는 상기 고조파 차수 정보를 포함하는 보정파 정보를 표시할 수 있는 표시 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 모터의 상태량은 상기 입력되는 토크 지령을 포함하며,
   상기 보정파 정보 선택부는 상기 기억부에 상기 보정파 정보로서 격납되어 있는 고조파 차수 정보 중에서 상기 양음 판정부의 판정 결과가 나타내는 양음에 따른 차수를 선택하고,
   상기 보정파 생성부는 상기 선택된 차수에 기초하여, 진폭이 상기 토크 지령에 의존하는 보정파를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 보정파 정보 선택부는
   추가로 상기 기억부에 상기 보정파 정보로서 상기 고조파 차수 정보와 관련지어져 격납되어 있는, 보정파의 진폭의 상기 토크 지령에 대한 진폭 비율도 선택하여, 상기 보정파 생성부에 주는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 진폭 비율은, 상기 토크 지령의 절대치가 감자(減磁) 개시 토크보다도 큰 영역에 있어서 제로인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
   상기 진폭 비율 An은, 상기 토크 지령 Tref의 절대치가 감자 개시 토크 Tdemag보다도 작은 영역에 있어서, 다음 식
   An≤(Tdemag／｜Tref｜)－1
   의 관계를 충족하는 영역으로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
10. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보정파 정보 선택부는,
    추가로 상기 기억부에 상기 보정파 정보로서 상기 고조파 차수 정보와 관련지어져 격납되어 있는 보정파의 위상도 선택하여, 상기 보정파 생성부에 주는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
11. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기억부에, 상기 고조파 차수 정보를 포함하는 보정파 정보를 설정할 수 있는 입력 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
12. 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기억부에 격납되는 상기 고조파 차수 정보를 포함하는 보정파 정보를 표시할 수 있는 표시 수단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
13. 청구항 1 내지 청구항 4, 및 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터는
    슬롯(slot)을 가지는 강판(鋼板)을 적층한 전기자 코어와,
    상기 슬롯에 전기자 코일을 배설한 전기자와,
    이동 방향으로 서로 자극(磁極)이 이극(異極)이 되도록 배설된 영구 자석을 가지는 계자(界磁)를 가지고,
    상기 전기자와 상기 계자가 공극(空隙)을 통하여 서로 이동 가능하게 지지되어 있고,
    상기 공극으로부터 관측할 수 있는 상기 전기자 코어의 표면 및 상기 자극의 표면을 관측했을 경우에, 상기 전기자 코어의 표면과 상기 자극의 표면 중 적어도 한쪽 표면이, 상기 전기자 코어의 적층 방향의 중심선의 어느 일점을 중심으로 하여 비회전 대칭인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
14. 청구항 1 내지 청구항 4, 및 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터가
    슬롯을 가지는 강판을 적층한 전기자 코어와,
    상기 슬롯에 전기자 코일을 배설한 전기자와,
    이동 방향으로 서로 자극이 이극이 되도록 배설된 영구 자석을 가지는 계자를 가지고,
    상기 전기자와 상기 계자가 공극을 통하여 서로 이동 가능하게 지지되고,
    상기 슬롯의 수를 Q, 상기 자극의 수를 P로 했을 경우에, 비 P／Q는
    2／3＜P／Q＜4／3
    이 성립하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 기억부에 상기 보정파 정보로서 격납하는 고조파 차수 정보의 차수로서, 적어도 자극수 P와 슬롯수 Q 중 어느 한쪽을 설정한 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
16. 삭제
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