KR101723333B1 - 모터 제어 장치 - Google Patents

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히사노리 야마사키
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

전압 지령치에 근거하여 3상 전압을 생성하여 모터에 공급하는 전력 변환부와, 전압 지령치와 전류 피드백치에 근거하여 전동기의 유기 전압을 추정하는 유기 전압 추정부와, 데드 타임 외란 전압 보상부와, 추정된 유기 전압의 기본파 성분에 근거하여 전력 변환부에서 생기는 데드 타임 외란 전압을 보상하기 위한 데드 타임 외란 보상 전압 수정부를 구비한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROL DEVICE}
본 발명은, 스위칭 소자로 구성된 2개의 암(arm)의 온(ON) 동작과 오프(OFF) 동작의 반복에 의해서 소망의 전력을 출력하는 전력 변환기에 의해 모터(회전기)를 구동하는 모터 제어 장치에 관한 것으로, 특히 펄스폭 변조(Pulse-Width Modulation, 간략히, 이하에서는 PWM라 한다)를 이용하여 스위칭 소자를 구동하는 전력 변환기를 이용한 모터 제어 장치에 관한 것이다.
모터(회전기와 같음. 이하 마찬가지로) 제어의 분야에서는 전압 및 전류 등의 전기적 상태량으로부터 모터의 위치나 속도 및 토크 등의 기계적 상태량을 추정하는 기술의 전개가 진행되고 있다. 이들의 기술 영역에서는, 당연, 소스가 되는 전압 및 전류 등의 전기적 상태량을 외란의 영향을 받지 않고 정확하게 취득하는 것이 중요하다.
특히, 전압의 취득에 악영향을 미치는 외란으로서 전력 변환기에 생기는 데드 타임 외란 전압(dead-time disturbance voltage)을 들 수 있다. 이하, 이 데드 타임 외란 전압에 대해 설명한다.
전력 변환기에서는, 출력단에 설치되는 전력 변환 수단을 구성하는 2개의 암의 파워 디바이스 소자가, 전압 지령에 근거하여 스위칭 동작을 실시하여 교류 전압을 생성하고, 교류 부하로 출력하지만, 2개의 암의 파워 디바이스 소자의 동시 도통에 의한 단락 파괴 방지를 목적으로 하여, 2개의 암의 파워 디바이스 소자를 동시에 오프 동작 상태로 제어하는 기간을 마련하고 있다. 이 기간은 데드 타임으로 불리고 있지만, 이 데드 타임에 의해서, 전력 변환 수단이 받는 전압 지령과 그것에 근거하여 전력 변환 수단이 실제로 부하로 출력하는 전압과의 사이에 오차가 생긴다.
이 데드 타임에 기인하는 오차 전압은, 데드 타임 기간 Td, 캐리어 주파수 fc, 직류 전압 Vdc로부터 결정되고, 도 1의 실선으로 나타내는 파형으로 되는 것이 알려져 있다.
즉, Td×Vdc의 미소 면적을 갖는 펄스 형상의 전압이 3상 출력 전류 [i](기호[ ]는, 대괄호 내의 양이 벡터인 것을 나타낸다. 이하 마찬가지로)의 각각의 극성에 동기하여, [i]의 반주기 당 fc회 상승하는 외란 전압이다.
도 1의 실선 파형으로부터, 이 데드 타임 외란 전압은 시간 평균으로 생각하면 이하의 식(1)으로 나타내는, 전력 변환 수단으로부터의 3상 출력 전류 [i]의, 각각의 극성과 역극성이며, 진폭이 VTd=Td×fc×Vdc인 3상 구형파 형상의 전압과 등가인 것을 알 수 있다.
Figure 112015127931104-pct00001
식(1)을 도시하면 도 1의 파선(기호 "Q"로 나타내고 있다)과 같은 파형으로 된다. 이 파형으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 데드 타임 외란 전압은, 3상분 모두 모터 전기각 1 주기당 6도의 상승 혹은 하락을 갖고, 모터가 발생하는 토크에 대해서 모터 전기각의 6배 차수 성분(이하, 6f 성분이라 한다)으로 진동하는 외란(이하, 토크 리플이라 한다)을 일으키게 된다. 또, 모터 전기각의 6배 차수 성분으로 진동하는 외란을 이하에서는 6f 토크 리플이라 한다. 또, 도 1 중, 기호 "P"로 나타내고 있는 정현파(sin파) 형상의 실선의 곡선은 U상 전류 파형을 나타낸다.
식(1)에 근거하면, 식(2)에 나타내는, 식(1)과 역상의 전압(즉, 상전류와 같은 극성을 갖고, 진폭이 VTd인 3상 구형파 형상의 전압)을 전력 변환기에 입력되는 전압 지령의 각 상에 미리 가산함으로써, 데드 타임에 기인하는 외란 전압을 보상하는 것이 가능해진다.
Figure 112015127931104-pct00002
식(2)을 도시하면 도 1의 점선(기호 "R"로 나타내고 있다)과 같은 파형으로 된다.
이상은, 데드 타임 외란 전압의 발생과 그 보상에 관한 공지 기술이다(예를 들면 비특허문헌 1 참조).
그러나, 전력 변환기 중의 파워 디바이스 소자에 있어서는 온 동작 및 오프 동작의 응답 지연이나 파워 디바이스 소자와 다이오드의 온 전압 강하 등의 오차 요인이 존재함으로써, 제어기 상에서 설정하는 데드 타임 기간 Td와 실제로 전력 변환기 중에서 발생하는 데드 타임 기간의 사이에는 오차가 생기게 된다.
이들 온 동작 및 오프 동작의 응답 지연이나 파워 디바이스 소자와 다이오드의 온 전압 강하라 불리는 오차 시간을 정확하게 측정할 수 있으면, 그 만큼의 수정을 실시하면 좋게 되지만, 실제로 이들 오차 시간을 정확하게 측정하는 것은 곤란하다. 그래서, 이들 실제의 소자에서 발생하는 지연에 대처하는 방법의 하나로서, 데드 타임 외란 전압을 최적으로 추정하고 데드 타임 외란 보상 전압을 생성하는 기술이 제안되고 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).
이러한 기술은, 전기적 상태량만의 관측에 근거하여 소자의 지연을 수반하는 데드 타임 외란 전압을 추정 가능하고, 간이성 및 편리성의 관점으로부터 데드 타임 외란 전압을 추정하는데 있어서 유용한 기술이다.
[선행기술문헌]
[비특허문헌]
(비특허문헌 1) 스기모토, 코야마, 타마노이, 「AC 서보 시스템의 이론과 설계의 실제」, 종합 전자 출판, 1990, pp.54-57 및 pp.72-85
[특허문헌]
(특허문헌 1) 일본 공개 특허 공보 제 2004-064948 호
그렇지만, 특히, 상술한 전기적 상태량으로부터 기계적 상태량을 추정하는 처리를 갖춘 제어 장치에, 이러한 전기적 상태량에 포함되는 외란을 추정하기 위한 처리를 추가하면, 서로 간섭하여 적절한 동작을 해친다고 하는 문제가 있다.
특히, 기계적 상태량으로서 토크를 추정하는 것을 목적으로 하고 있는 경우, 데드 타임 외란 전압에 의해서 6f 토크 리플이 발생하는 한편, 모터 자신도 6f 토크 리플을 일으키는 것이 알려져 있고, 양자가 동일 주기의 신호로 된다. 따라서, 동일 주파수 상에서 2개의 상이한 물리량의 추정 연산이 중복하게 되어, 그 분리가 곤란해진다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 전기적 상태량으로부터의 추정 연산에 근거하는 데드 타임 외란 전압 보상 기술의 간이성이나 편리성을 유지하면서 기계적 상태량의 추정 연산을 실시하는 것을 가능하게 하는 것이다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치는,
모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출기,
상기 모터에 인가되는 3상의 전류 중, 적어도 2상의 전류를 검출하는 전류 검출부,
상기 3상의 전류의 소정 좌표 상에서의 값과, 상기 모터의 회전 자계 상의 좌표인 dq 좌표 상에서의 값을, 서로 변환하는 좌표 변환부,
상기 전류의 제어 입력인 전류 지령치와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 좌표 변환부에서 dq 좌표 변환된 전류 피드백치의 차에 근거하여, 전압의 제어 입력인 전압 지령치를 생성하는 전류 제어부,
상기 전압 지령치에 근거하여 상기 전류 검출부에 입력되는 3상 전압을 생성하여 상기 모터에 소정의 전력을 공급하는 전력 변환기,
상기 전압 지령치와 상기 전류 피드백치에 근거하여 상기 모터의 유기 전압을 추정하는 유기 전압 추정부,
상기 전력 변환기에 설치된 2개의 스위칭 소자의 단락 방지 기간인 데드 타임에 의해 상기 전류 검출부에 생긴 출력에 대한 외란을 보상하는 전압인 데드 타임 외란 보상 전압을 생성하는 데드 타임 외란 전압 보상부,
상기 전류 지령치에 따라서 상기 데드 타임 외란 보상 전압을 수정함과 아울러, 상기 유기 전압 추정부와, 추정된 상기 유기 전압의 기본파 성분에 근거하여 상기 데드 타임 외란 보상 전압의 오차를 연산하여 기억하는 데드 타임 외란 보상 전압 기억부를 갖는 데드 타임 외란 보상 전압 수정부
를 구비하되,
상기 데드 타임 외란 보상 전압을 취득하기 위한 상기 모터의 운전 패턴에 의해, 상기 전류 지령치를 설정하는 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드와, 상기 모터의 토크를 추정하고, 추정한 토크에 근거하여 토크 리플을 억제하는 토크 리플 억제 제어 모드의 2개의 동작 모드를 갖고, 상기 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드의 동작이 완료된 후에, 상기 토크 리플 억제 제어 모드로 이행하는 것이다.
전기적 상태량의 관측에 근거하여 간이하게 데드 타임 외란 보상을 실시할 수 있는 효과에 더하여, 전기적 상태량의 관측에 근거하는 데드 타임 외란 보상과 기계적 상태량 추정의 2개의 동작을 서로 간섭하지 않고 실시할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 데드 타임 외란 전압의 개요에 대해 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 모터 제어 장치의 제 1 동작 모드의 구성의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 모터 제어 장치의 제 1 동작 모드의 구성의 다른 예를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 모터 제어 장치의 제 2 동작 모드의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 모터 제어 장치의 제 1 동작 모드에 있어서의 기억 수단에 기억되는 데드 타임 외란 보상 전압 맵의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 모터 제어 장치의 제 1 동작 모드에 있어서의 기억 수단의 동작 원리를 설명하는 도면이다.
도 7은 모터 정수인 인덕턴스 L의 지령 전류 진폭치에 대한 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 모터 정수인 토크 정수 Kt의 지령 전류 진폭치에 대한 특성의 일례를 나타내는 도면이다.
실시의 형태 1.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명에 있어서의 제 1 실시의 형태의 일례를 나타내는 블럭도이다. 본 실시의 형태는 도 2, 도 3에서 나타내는 제 1 동작 모드로서의 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드와, 도 4에서 나타내는 제 2 동작 모드로서의 기계적 상태량 추정 모드의 2개의 동작 모드를 갖는다. 그리고, 우선 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드로서의 동작을 실시한 후에 기계적 상태량 추정 모드로 이행하는 시퀀스를 갖추고 있다.
기계적 상태량 추정 모드로서, 모터의 토크를 추정하고, 추정한 토크에 근거하여 토크 리플을 억제하는 토크 리플 억제 제어 모드를 갖춘 장치를 예를 들어 설명한다.
도 2 및 도 3에 있어서, 모터 제어 장치는, 전류 제어부(1), dq-3상 변환기(2), 3상-dq 변환기(3), 전력 변환기(4), 전류 검출부(5), 감산기(6 및 7), 회전 위치 검출기(8), 데드 타임 외란 보상 전압 수정부(100)를 갖는다. 그리고, 전력 변환기(4)를 통해서 교류 회전기로서의 PM 모터(이하 단순히 모터라 한다)(9)를 제어한다.
또, 데드 타임 외란 전압 보상부(11)에는 전류 검출부(5)에서 검출된 3상 출력 전류 [i]가 입력되고 있고, 3상 출력 전류 [i]에 근거하여 식(2)에 나타낸 3상 구형파의 데드 타임 외란 보상 전압 [v*Td]를 생성하여 출력하고, 가산기(12)에 입력한다.
본 실시의 형태에 있어서는, 전류 제어부(1), dq-3상 변환기(2), 3상-dq 변환기(3), 전력 변환기(4), 전류 검출부(5), 감산기(6 및 7), 회전 위치 검출기(8), 모터(9) 및 데드 타임 외란 전압 보상부(11), 가산기(12)에 의해서 모터의 토크 제어 장치(본 실시의 형태에서는 이것을 전류 제어 장치로 바꿔 말할 수 있다)의 구성이 이루어지고 있고, 이들로부터 q축 전류 지령치 iq* 및 d축 전류 지령치 id*와 q축 전류 검출치 iq 및 d축 전류 검출치 id의 각각의 차분에 근거하여, iq* 및 id*와 동일한 전류를 흘려, 토크 지령치 τ*와 동일한 토크를 발생시키도록, 토크 제어(본 실시의 형태에서는 이것을 전류 제어로 바꿔 말할 수 있다)를 실시하여 모터(9)를 구동한다(토크 제어 동작(혹은 전류 제어 동작)의 상세한 것에 대해서는, 예를 들면 비특허문헌 1 참조).
또, 토크 지령치 τ*와 q축 전류 지령치 iq*의 관계는 이하의 식(3)과 같이 나타낸다.
Figure 112015127931104-pct00003
단, Kt는 모터의 토크 정수, Pm는 극쌍의 수(the number of pole pairs), φf는 자석 자속을 나타내는 것이다.
우선, 제 1 동작 모드인 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드의 동작에 대해 설명한다.
본 모터 제어 장치에는, 이하의 (a), (b), (c)의 3개의 특징을 갖는 데드 타임 외란 보상 전압 취득용 운전 패턴이 설정되어 있다.
(a) 모터(9)에는 0이 아닌 소정의 회전 속도 ωtd 이상의 속도가 주어지고, 회전하고 있다.
(b) q축 전류 지령치 iq*를 0으로 한다.
(c) d축 전류 지령치 id*로서 복수의 값이 설정되고, 각각의 id*에 있어서 본 동작 모드의 동작을 반복해서 실시한다.
본 동작 모드에 있어서는, 이 데드 타임 외란 전압 취득용 운전 패턴에 따라서 각 지령치가 설정되어, 모터(9)가 구동하는 것으로 한다. 이때의 데드 타임 외란 보상 전압 수정부(100)의 동작에 대해 설명한다.
유기 전압 추정부(10)에서는 모터 정수와, d축 전류 검출치 id 및 q축 전류 검출치 iq로 이루어지는 벡터 [idq]와, 모터(9)에의 전압 지령치 vd*, vq*로 이루어지는 벡터 [v*dq]와, 인코더 등의 회전 위치 검출기(8)에 의해서 검출된 모터의 전기각 θre에 근거하여, 이하의 식(4)의 연산에 의해서 모터의 추정 유기 전압으로서의 유기 전압 추정치 벡터 [edq]를 추정한다.
Figure 112015127931104-pct00004
여기서, R는 모터의 권선 저항, L는 자기 인덕턴스, Pm는 극쌍의 수, s는 미분 연산자, I는 단위 행렬, J는 교대 행렬, ωrm는 기계 각속도, ωre는 전기 각속도를 나타내고 있다.
그리고, 유기 전압 추정치 벡터 [edq]를 데드 타임 외란 보상 전압 기억부(101)에 입력한다. 다음으로 데드 타임 외란 보상 전압 기억부(101)의 동작에 대해 설명한다. 유기 전압 추정치 벡터 [edq] 중의 d축 유기 전압 추정치 ed의 기본파 성분 ed_bar에 대해서, 이하의 식(5)의 연산에 의해서 데드 타임 외란 보상 전압 진폭 오차 ΔVTd를 구한다.
Figure 112015127931104-pct00005
이상의 동작을 복수의 id*의 각각의 경우에 있어서 반복한다. 그리고, 예를 들면 선형 보간 등의 임의의 근사 방법을 이용하여, 도 5에 나타내는 id*, iq*로 이루어지는 모터의 전류 진폭 지령치 i*(아래의 식(6) 참조)에 대한 ΔVTd의 맵을 작성하여 데드 타임 외란 보상 전압 기억부(101)에 대해 기억한다.
Figure 112015127931104-pct00006
후술하는 제 2 동작 모드에 있어서 id*, iq*의 값을 각각 설정하여 모터 제어를 실시하는 경우에는, 상기 i*를 식(6)에 의해서 계산하고, 맵으로부터 그것에 대응한 값을 호출하는 것이다. 그리고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 이 기억부에 기억한 맵의 값을 데드 타임 외란 전압 보상부(11)에 입력하고, i*에 대한 새로운 전압 지령치 [v*Td]를 결정하도록 설정함으로써, 본 동작 모드는 동작 종료가 되고 제 2 동작 모드로 이행한다.
이하, 식(5)의 원리에 대해 설명한다.
지금, 데드 타임 외란 전압 보상부(11)에서는 식(2)에 근거하는 데드 타임 외란 전압 보상을 행하고 있지만, 이미 설명한 바와 같이 식(2)에서 이용하는 데드 타임 외란 보상 전압 진폭 VTd는, 전력 변환기의 스위칭 소자 등의 지연으로 인한 오차 ΔVTd를 갖기 때문에, 이 값만큼 VTd를 수정할 필요가 있다.
여기서, 식(4)에 있어서의 [idq]는 전압 지령치에 근거하는 구동 전류 [i*M]와 데드 타임 외란 전압에 의해서 발생하는 외란 전류 [i*Td]를 포함하기 때문에, 유기 전압 추정치 벡터 [edq]는 [i*Td]에 따른 오차 전압을 포함하게 된다.
그런데, 유기 전압의 기본파 성분에만 주목하면, d축상의 유기 전압은 0이 되므로, d축 유기 전압 추정치 ed의 기본파 성분 ed_bar로부터 d축상의 유기 전압의 기본파 성분 0을 공제하면 [i*Td]에 따른 유기 전압 추정치의 기본파 성분의 추정 오차를 구할 수 있다.
한편, 본 실시의 형태 1에서는, d축 전류 지령치 id*를 임의의 어느 일정한 값으로 하고, q축 전류 지령치 iq*를 0으로 하여 전류 제어를 실시하고 있다. 이때, dq축상에 나타나는 데드 타임 외란 전압의 영향에 대해서 생각한다. 이것은, 식(1)에 있어서의 [vTd]의 3상-dq 변환에 의해, 도 6에 나타내는 바와 같이, 통전한 축에는 반파 형상의 외란(도면 내의 기호 "S"로 나타나는 곡선을 참조), 통전하지 않는 축에 톱니파 형상의 외란(도면 내의 기호 "T"로 나타나는 선을 참조)으로 되어 나타남을 알 수 있다.
여기서, 도 6은, ΔVTd=VTd의 경우에 있어서, dq축에서 본 ΔVTd의 영향을 나타내는 그래프이며, 종축은, 정규화한 파워인 p.u.단위로 나타낸 ΔVTd/VTd의 값, 횡축은 라디안(rad) 단위로 나타낸 전기각 위상을 나타낸다. 도면 내의 기호 "S"로 나타낸 곡선은, 통전축의 오차 전압(반파 형상)을 나타내고, 기호 "Sa"로 나타낸 파선은, 이 오차 전압의 평균치(단위：p.u.)를 나타낸다. 또, 기호 "T"로 나타낸 선은 비통전시의 오차 전압을 나타내며, 톱니파 형상이다.
따라서, 도 6으로부터, 기본파 성분의 오차(도면 내의 화살표 A 참조)만을 보면, 그 영향은, 통전하고 있는 축에만 나타남을 알 수 있다.
도 6에 있어서의 반파 형상의 오차 전압의 직류치를 간이하게 계산하면, 도 6에 있어서의 반파의 산(山)의 값이 이하에 나타내는 식(7)에 의해, 골(谷)의 값이 식(8)에 의해 주어진다.
Figure 112015127931104-pct00007
Figure 112015127931104-pct00008
따라서, 전기각 위상에 있어서 π/2와 π/3의 중간을 취하면(가산 평균을 취하면) (π/2+π/3)/2=5π/12이기 때문에, 구한 전류치는,
Figure 112015127931104-pct00009
으로 된다(도면 내의 오차 전압 평균치인 직선 Sa 참조).
따라서 추정 유기 전압의 기본파 성분에만 주목한 오차 전압과, 3상 구형파로서의 데드 타임 외란 보상 전압 진폭 오차 ΔVTd의 사이에는 이하의 식(10)이 성립된다.
Figure 112015127931104-pct00010
이 식(10)으로부터 식(5)이 유도된다.
다음으로, 제 2 동작 모드인 토크 리플 억제 제어 모드의 동작에 대해 설명한다.
이것은 기계적 상태량을 추정하는 기술의 응용예의 하나이며, 모터의 토크의 추정치에 근거하여, 토크 리플을 억제하는 것을 가능하게 하는 것이다.
도 4에 있어서, 모터 제어 장치는 제 1 동작 모드와 비교하여 새롭게 가산기(13), 토크 리플 보상부(200)를 구비하며, 토크 리플 보상부(200)는 유기 전압 추정부(10)와 토크 리플 보상 지령 생성부(201)를 구비한다.
본 동작 모드에 있어서는 데드 타임 외란 보상 전압 기억부(101)에는 dq축 전류 지령치 id*, iq*가 입력되고, 그것에 대응한 ΔVTd를 데드 타임 외란 전압 보상부(11)에 입력한다.
그리고, 데드 타임 외란 전압 보상부(11)에서는 식(2) 대신에, 이하의 식(11)을 이용하여 데드 타임 외란 보상 전압 진폭 VTd를 수정한 데드 타임 외란 보상 전압 v*Td를 생성하여 가산기(12)에 출력하고, 데드 타임 외란 보상을 행한다.
Figure 112015127931104-pct00011
다음으로 본 동작 모드에 있어서의 토크 리플 억제 제어의 동작, 즉 토크 리플 보상부(200)의 동작에 대해 설명한다.
유기 전압 추정부(10)에서는 제 1 동작 모드와 마찬가지로 유기 전압 추정치 벡터 [edq]를 연산하여 토크 리플 보상 지령 생성부(201)에 입력한다. 토크 리플 보상 지령 생성부(201)에서는 유기 전압 추정치 벡터 [edq]와 dq축 검출 전류 [idq]에 근거하여, 이하의 식(12)에 의해서 모터의 토크 τ를 추정한다.
Figure 112015127931104-pct00012
여기서, [iT dq]는, 벡터 [idq]의 전치(transpose)를 나타낸다.
그리고, 토크 추정치 τ에 포함되는 진동 성분을 추출하여 그 진동을 상쇄하는 토크 리플 보상 신호 iq*rip를 계산하여 가산기(13)에 입력한다. 또, 이 토크 추정치 τ에 근거하는 토크 리플 보상 신호 τ*rip의 생성 방법에 관해서는 다수의 공지 기술이 있지만, 본 발명에서는 임의의 공지 기술을 이용하는 것이 가능하다.
가산기(13)은 토크 리플 보상 신호 iq*rip를 q축 전류 지령치 iq*에 가산하고, 그 값을 새롭게 q축 전류 지령치로 하여, 감산기(6)에 입력한다. 이것에 의해서, 모터(9)에서는 q축 전류 지령치 iq*(즉, 토크 지령τ*)에 따른 토크에 더하여, 토크 리플 보상 신호 iq*rip에 근거하는 맥동 토크가 토크 리플과 역위상으로 발생하게 되어, 이 맥동 토크와 토크 리플이 서로 상쇄됨으로써 토크 리플이 억제되게 된다.
유기 전압 추정치 벡터 [edq]와 그것에 근거하여 식(4)로부터 계산되는 추정 토크는 토크 리플에 동기한 진동 성분을 포함하고 있지만, 그 주요 성분인 6f 성분은 데드 타임 외란 전압으로 유래하는 성분과 모터 자신이 발생시키고 있는 성분이 중첩되어 모터 자신이 발생시키고 있는 성분만을 추출하는 것은 곤란하다.
그러나, 본 실시의 형태에 있어서는 제 1 동작 모드에서의 동작시에 기억한 데드 타임 외란 전압 보상치를 이용한 데드 타임 외란 보상이 작용하고 있는 것에 의해 데드 타임 외란 전압에 유래하는 6f 성분은 상쇄되기 때문에, 모터 자신이 발생시키고 있는 6f 성분만을 추출하는 것이 가능해진다.
또, 제 1 동작 모드에 있어서의 데드 타임 외란 보상 전압 진폭 오차 ΔVTd의 취득시에는, d축에만 통전하고 있기 때문에, 모터(9)에서 토크를 발생시키지 않고 동작시킬 수 있다.
또, 제 2 동작 모드에서는, 유기 전압 추정부(10)는 데드 타임 외란 전압 보상 동작에 관여하지 않기 때문에, 데드 타임 외란 보상 동작이 토크 리플 억제 제어와 간섭하지 않는다.
또, 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이, 모터 정수인 L의 전류에 대한 의존 특성(도면 내의 기호 "Lv"로 나타내는 실선을 참조. 점선 "Lc"는 L의 전류에 대한 의존이 없는 경우의 특성을 나타낸다)을 알고 있는 경우에는, 데드 타임 외란 보상 전압 취득용 운전 패턴으로 id*, iq*를 설정하는 것과 아울러, 유기 전압 추정부(10)에 있어서, id*, iq*로 이루어지는 전류 진폭 지령치 i*에 대한 L의 값을 Lv로 설정함으로써, 모터의 파라미터 변동에 유래하는 외란의 영향을 배제하여, 성능 향상으로 연결하는 것도 가능하다.
이상과 같이 본 실시의 형태에서는 제 1 동작 모드로부터 제 2 동작 모드에 이르는 각 시퀀스를 차례로 실행해 감으로써, 전기적 상태량의 관측에 근거하여 간이하게 데드 타임 외란 보상을 실시할 수 있는 효과에 더하여, 전기적 상태량의 관측에 근거하는 데드 타임 외란 보상과 기계적 상태량의 추정을 서로 간섭하지 않고 실행할 수 있는 효과를 갖는다.
실시의 형태 2.
본 실시의 형태는, 제 1 실시의 형태와 마찬가지로 도 2, 도 3에서 나타내는 제 1 동작 모드로서의 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드와, 도 4에서 나타내는 제 2 동작 모드로서의 기계적 상태량 추정 모드의 2개의 동작 모드를 갖는다. 그리고, 우선 데드 타임 외란 보상량 기억 모드로서의 동작을 실시한 후에 기계적 상태량 추정 모드로 이행하는 시퀀스를 갖추고 있다.
기계적 상태량 추정 모드로서, 모터의 토크를 추정하고, 추정한 토크에 근거하여 토크 리플을 억제하는 토크 리플 억제 제어 모드를 갖춘 장치를 예를 들어 설명한다.
본 실시의 형태 2에서는, 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드에 있어서, 제 1 실시의 형태와는 상이한 이하의 (d), (e), (f)의 3개의 특징을 갖는 데드 타임 외란 보상 전압 취득용 운전 패턴이 설정되어 있다.
(d) 모터(9)에는 0이 아닌 어느 회전 속도 ωtd 이상의 속도가 주어지고, 회전하고 있다.
(e) d축 전류 지령치 id*를 0으로 한다.
(f) q축 전류 지령치 iq*로서 복수의 값이 설정되고, 각각의 iq*에 있어서 본 동작 모드의 동작을 반복해서 실시한다.
이상과 같이, 주로 q축의 통전에 근거하는 동작이 행해지게 된다. 유기 전압 추정부(10)에서는 식(4)에 따른 유기 전압 추정치 벡터 [edq]가 연산되어, 데드 타임 외란 보상 전압 기억부(101)에 입력된다.
여기서 데드 타임 외란 보상 전압 기억부(101)에서는 [edq] 중의 q축 유기 전압 추정치 eq의 기본파 성분 eq_bar에 대해서, 식(5) 대신에, 이하의 식(13)의 연산을 실시한다.
Figure 112015127931104-pct00013
이상의 동작을 복수의 iq*의 각각의 경우에 있어서 반복하고, 모든 경우에 식(13)에 따른 데드 타임 외란 보상 전압 진폭 오차 ΔVTd를 연산한다. 그리고, 선형 보간 등의 임의의 근사 방법을 이용하여 id*, iq*로 이루어지는 전류 진폭 지령치 i*에 대한 ΔVTd의 맵을 작성하여, 기억부에 기억함으로써, 본 동작 모드는 동작 종료로 되어 제 2 동작 모드로 이행한다.
여기서, 식(13)의 원리에 대해서는, 기본적으로는 식(5)의 경우와 마찬가지이다. 즉, q축 전류 지령치 iq*를 임의의 어느 일정한 값으로 하고, d축 전류 지령치 id*를 0으로 하여 전류 제어를 실시하고 있기 때문에, 유기 전압 추정치의 기본파 성분의 추정 오차는 [edq] 중의 q축 성분에만 나타나게 된다.
한편으로 유기 전압의 기본파 성분에만 주목하면, q축상의 유기 전압은 자석 자속 φf 및 전기각 회전 속도 ωre로부터 ωreφf로 나타나기 때문에, q축 유기 전압 추정치 ed의 기본파 성분 eq_bar로부터 q축상의 유기 전압의 기본파 성분 ωreφf를 공제하면 유기 전압 추정치의 기본파 성분의 추정 오차를 구할 수 있다.
따라서, 본 실시의 형태에 있어서는 추정 유기 전압의 기본파 성분에만 주목한 오차 전압과 3상 구형파로서의 데드 타임 외란 전압 진폭 오차 ΔVTd의 사이에는 이하의 등식이 성립된다.
Figure 112015127931104-pct00014
식(14)으로부터 식(13)이 유도된다.
또, 제 2 동작 모드인 토크 리플 억제 제어 모드에 관해서는, 제 1 실시의 형태와 마찬가지의 동작을 실시하는 것이다.
또, 예를 들면 도 7에 나타내는 바와 같이, 모터 정수인 L의 전류에 대한 의존 특성(도면 내의 기호 "Lv"로 나타나는 실선을 참조)을 알고 있는 경우에는, 데드 타임 외란 보상 전압 취득용 운전 패턴으로 id*, iq*를 설정하는 것과 아울러, 유기 전압 추정부(10)와 데드 타임 외란 보상 전압 기억부(101)에 있어서, id*, iq*로 이루어지는 전류 진폭 지령치 i*에 대한 L의 값을 Lv로 설정함으로써, 모터의 파라미터 변동에 유래하는 외란의 영향을 배제하여, 성능 향상으로 연결하는 것도 가능하다.
혹은, id*, iq*로 이루어지는 전류 진폭 지령치 i*에 대해서, 토크가 포화해 나가는 성질을 갖는 모터에 대해서, 그 전류에 대한 토크의 포화 특성(도면 내의 기호 "Ktv"로 나타나는 실선을 참조. 점선 "Ktc"는 Kt의 전류에 대한 의존이 없는 경우의 특성을 나타낸다)을 알고 있는 경우에는, 그것을 도 8에 나타내는 형태로 i*에 대한 토크 정수 Kt의 포화 곡선 Ktv로서 나타낼 수 있다.
식(3)에 나타내는 바와 같이 φf=Kt/Pm이므로, 식(13)에 있어서의 φf에, 도 8에 나타내는 Kt의 포화 곡선 Ktv로부터 φf=Kt/Pm로서 구한 각 전류 진폭 지령치 i*에 대한 φf를 이용함으로써, 모터의 파라미터 변동에 유래하는 외란의 영향을 배제하여, 성능 향상으로 연결하는 것도 가능하다.
이상과 같이 본 실시의 형태에서는 제 1 실시의 형태와 마찬가지로 제 1 동작 모드로부터 제 2 동작 모드에 이르는 각 시퀀스를 차례로 실행해 나감으로써, 전기적 상태량의 관측에 근거하여 간이하게 데드 타임 외란 보상을 실시할 수 있는 효과에 더하여, 전기적 상태량의 관측에 근거하는 데드 타임 외란 보상과 기계적 상태량의 추정을 서로 간섭하지 않고 실행할 수 있는 효과를 갖는다. 또, 본 발명은, 그 발명의 범위 내에 있어서, 각 실시의 형태를 자유롭게 조합하거나, 각 실시의 형태를 최적, 변형, 생략하는 것이 가능하다.
1 : 전류 제어부 2 : dq-3상 변환기
3 : 3상-dq 변환기 4 : 전력 변환기
5 : 전류 검출부 6, 7 : 감산기
8 : 회전 위치 검출기 9 : PM 모터(모터)
10 : 유기 전압 추정부 11 : 데드 타임 외란 전압 보상부
12, 13 : 가산기 100 : 데드 타임 외란 보상 전압 수정부
101 : 데드 타임 외란 보상 전압 기억부
200 : 토크 리플 보상부 201 : 토크 리플 보상 지령 생성부

Claims (9)

  1. 모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출기,
    상기 모터에 인가되는 3상의 전류 중, 적어도 2상의 전류를 검출하는 전류 검출부,
    상기 3상의 전류의 소정 좌표상에서의 값과, 상기 모터의 회전 자계상의 좌표인 dq 좌표상에서의 값을, 서로 변환하는 좌표 변환부,
    상기 전류의 제어 입력인 전류 지령치와, 상기 전류 검출부에서 검출된 전류가 상기 좌표 변환부에서 dq 좌표 변환된 전류 피드백치의 차에 근거하여, 전압의 제어 입력인 전압 지령치를 생성하는 전류 제어부,
    상기 전압 지령치에 근거하여 상기 전류 검출부에 입력되는 3상 전압을 생성하여 상기 모터에 소정의 전력을 공급하는 전력 변환기,
    상기 전압 지령치와 상기 전류 피드백치에 근거하여 상기 모터의 유기 전압을 추정하는 유기 전압 추정부,
    상기 전력 변환기에 설치된 2개의 스위칭 소자의 단락 방지 기간인 데드 타임(dead time)에 의해 상기 전류 검출부에 생긴 출력에 대한 외란을 보상하는 전압인 데드 타임 외란 보상 전압을 생성하는 데드 타임 외란 전압 보상부,
    상기 전류 지령치에 따라 상기 데드 타임 외란 보상 전압을 수정함과 아울러, 상기 유기 전압 추정부와, 추정된 상기 유기 전압의 기본파 성분에 근거하여 상기 데드 타임 외란 보상 전압의 오차를 연산하여 기억하는 데드 타임 외란 보상 전압 기억부를 갖는 데드 타임 외란 보상 전압 수정부
    를 구비하되,
    상기 데드 타임 외란 보상 전압을 취득하기 위한 상기 모터의 운전 패턴에 의해, 상기 전류 지령치를 설정하는 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드, 및 상기 모터의 토크를 추정하고, 추정한 토크에 근거하여 토크 리플을 억제하는 토크 리플 억제 제어 모드의 2개의 동작 모드를 갖고,
    상기 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드의 동작이 완료된 후에, 상기 토크 리플 억제 제어 모드로 이행하는
    것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기 전압 추정부와, 이 유기 전압 추정부에서 추정된 유기 전압에 따라 상기 모터가 발생하는 토크 리플을 억제하는 토크 리플 보상 지령 생성부
    를 포함한 토크 리플 보상부를 구비한 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드에서는, 상기 토크 리플 보상 지령 생성부는 휴지 상태에 있고, 상기 모터의 운전 패턴이 입력되고, 이 운전 패턴에 따라서 상기 모터가 구동하고 있는 상태에서, 상기 데드 타임 외란 보상 전압 수정부가 동작하여, 상기 데드 타임 외란 보상 전압 기억부에서는, 연산된 데드 타임 외란 보상 전압의 오차에 근거하여 상기 전류 지령치에 대응하는 데드 타임 외란 보상 전압 수정 맵을 작성하여 기억하고,
    상기 토크 리플 억제 제어 모드에서는, 상기 데드 타임 외란 보상 전압 기억부로부터는 상기 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드에 있어서 기억된 상기 전류 지령치에 대응한 데드 타임 외란 보상 전압 수정치가 출력되어, 상기 데드 타임 외란 전압 보상부에 입력되고, 수정된 데드 타임 외란 보상 전압에 의해서 데드 타임 외란 전압이 보상된 상태에서 상기 토크 리플 보상 지령 생성부가 동작하여 토크 리플 억제 제어를 실시하는
    것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터의 운전 패턴에서는, 상기 모터에는 제로가 아닌 어느 일정치 이상의 속도가 주어지고, q축 전류 지령치를 제로로 하여 통전시키지 않고, d축 전류 지령치로서 복수의 전류 지령치가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터의 운전 패턴에서는, 상기 모터에는 제로가 아닌 어느 일정치 이상의 속도가 주어지고, d축 전류 지령치를 제로로 하여 통전시키지 않고, q축 전류 지령치로서 복수의 전류 지령치가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데드 타임 외란 보상 전압의 연산 수단은 3상 전압의 진폭치로서 데드 타임 외란 전압 보상치를 연산하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데드 타임 외란 보상 전압 조정 모드에서는 d축 전류만을 통전시킨 경우에 식(5)에 의해서, 또, q축 전류만을 통전시킨 경우에 식(13)에 의해서, 데드 타임 외란 보상 전압 수정치 ΔVTd를 연산하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
    (식 5)
    Figure 112017015498920-pct00025

    (식 13)
    Figure 112017015498920-pct00026

    여기서, ed_bar는 상기 모터의 d축 유기 전압 추정치 ed의 기본파 성분이고, eq_bar는 상기 모터의 q축 유기 전압 추정치 eq의 기본파 성분이고, ωre는 전기각 회전 속도이고, φf는 자석 자속이다.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유기 전압 추정부는 상기 모터의 인덕턴스 혹은 유기 전압 정수(토크 정수)를 상기 전류 지령치에 의존하여 변화시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  9. 삭제
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