KR101738670B1

KR101738670B1 - 모터 제어 장치

Info

Publication number: KR101738670B1
Application number: KR1020130035943A
Authority: KR
Inventors: 유지 이데; 사토시 야마자키
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2012-04-16
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2017-05-22
Also published as: JP5462906B2; KR20130116800A; CN103378787B; CN103378787A; JP2013223329A; TWI581556B; TW201347394A

Abstract

벡터 제어에 의해 모터를 고속으로 가감 속도 시킨다.
주어진 토크 명령의 크기를 일정한 범위의 크기로 제한하는 토크 명령 제한부(115)와 토크 명령 제한부(115)에 의해 크기가 제한된 토크 명령을 이용해 q전류 명령(IqC)를 출력하는 q축 전류 연산기(114)와 모터(150)에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속과 모터(150)의 회전 속도에 응한 크기로 출력되는 2차 자속 명령을 이용하여 자속 명령을 출력하는 자속 제어기(134)와 q축 전류 연산기(114)가 출력하는 q전류 명령(IqC)와 자속 제어기(134)로부터 얻는 d축 전류 명령(IdC)를 이용하여 모터(150)을 구동하는 모터 구동부(155)를 포함한다.

Description

모터 제어 장치{Motor Control System}

본 발명은 벡터 제어에 의해 모터를 고속으로 가감속시킬 수 있는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

태핑(tapping) 가공을 하는 공작기계의 주축에는, 가공 정밀도의 향상 및 가공 시간의 단축화를 위해, 관성이 작고 고속으로 회전할 수 있는 주축 모터가 요구된다.

일반적으로, 주축 모터에는 동기기 또는 유도기가 이용된다. 특히, 공작기계의 비용을 우선시하는 경우에는 희토류 원소를 사용하지 않는 유도기를 이용하는 경우가 많다.

종래의 유도기는 관성을 크게 하고 그 관성에 의한 동작 안정성을 중시하고 있다. 유도기를 이용해 고속의 가감 속도가 요구되는 태핑 가공을 하기 위해서는, 저관성의 유도기를 이용할 필요가 있기 때문에, 동작 안정성은 제어계에 의해 향상시킬 필요가 있다.

이 때문에, 종래의 저관성 유도기의 고속의 가감 속도 제어는 약화 계자제어를 실시하지 않는 모터 사양으로 하여 동작 안정성을 확보한다. 그러나, 약화 계자제어를 행하지 않는 경우, 저속 영역에서 출력할 수 있는 토크가 작아져서 저속 영역에서 부하의 큰 절삭(저속 중절삭((低速重切削))을 할 수가 없다는 문제가 있다. 또, 인버터 용량이 커져서, 모터 제어장치의 비용이 비싸진다는 문제가 있다.

저속 영역에서 출력할 수 있는 토크를 크게 하고, 모터 제어장치의 비용도 고려하여 제약이 있는 인버터 용량 내에서 모터를 고속까지 회전시키는 경우에는 모터를 정출력(定出力) 제어하게 된다.

정출력 영역에서는 모터의 회전 속도의 상승에 반비례 시켜 모터의 자속을 저감하는 약화 계자제어를 행하고, 모터의 단자전압이 인버터가 출력할 수 있는 허용 전압 이하가 되도록 제어한다. 그러나, 약화 계자제어를 하면 약한 계자에 의한 제어 특성의 열화가 생성되기 쉽기 때문에 약한 계자에 수반하는 제어 특성의 열화를 방지하는 제어계가 필요하게 된다.

도 4는 종래의 벡터 제어를 이용하는 모터 제어장치이다. 도 4의 모터 제어장치는 다음과 같이 동작한다.

우선, 속도 명령을 인코더(10)로부터의 속도 피드백과 비교하여, 속도 제어기(12)에 의해 q축(토크) 전류 명령(IqC)을 구한다. q축 전류 명령(IqC)을 좌표변환기(14)로부터의 q축 전류 피드백(IqF)과 비교하여, q축 전류 제어기(16)에 의해 q축 전압 명령(VqC)을 구한다.

한편, 필요로 하는 자속에 대응하는 여자 전류 명령을 d축 전류 명령(IdC)으로서 준다. d축 전류 명령(IdC)를 좌표변환기(14)로부터의 d축 전류 피드백(IdF)과 비교하여, d축 전류 제어기(18)에 의해 d축 전압 명령(VdC)을 구한다.

q축 전류 명령(IqC)과 d축 전류 명령(IdC)을 입력하고 미끄럼 주파수 연산기(20)에 의해 미끄럼 주파수 명령(ωs)을 구한다. 미끄럼 주파수 명령(ωs)과 인코더(10)로부터의 모터 회전 속도(ωm)가 가산되어 1차 주파수 명령(ω1)이 구해진다.

1차 주파수 명령(ω1)을 적분하여 고정자 위치 명령(θmc)를 구하고 고정자 위치 명령(θmc)을 좌표변환기(22)에 입력한다. q축 전압 명령(VqC), d축 전압 명령(VdC) 및 고정자 위치 명령(θmc)은 좌표변환기(22)에 의해 좌표변화되고 고정자 위치 명령(θmc)으로부터 3상 전압 명령(VUC), (VVC), (VWC)이 구해진다. 3상 전압 명령(VUC), (VVC), (VWC)은 PWM 제어기(24), 전력 변환기(26)를 통해 모터(30)에 공급되며 3상 전압 명령(VUC), (VVC), (VWC)에 응해 모터(30)가 구동된다.

q축 전류 피드백(IqF)과 d축 전류 피드백(IdF)은 고정자 위치 명령(θmc)을 바탕으로 모터 전류(IU), (IV)를 좌표변화 하는 것으로 구한다. d축 전류 명령(IdC)은 도에 나타내는 대로 정출력 영역에서는 모터 속도 상승에 반비례하여 저감시켜서, 약화 계자제어를 한다.

도 4의 모터 제어장치에서는 약한 계자에 의해 토크 명령에 대해서 실제로 출력되는 토크가 바뀌고, 모터(30)가 고속으로 회전하는 만큼 출력되는 토크가 작아진다. 이것은, 토크 명령으로부터 실제의 모터 토크까지의 이득이, 고속 영역에서는 저하하는 것을 의미한다. 이 때문에, 정토크 영역에서 높은 속도 제어 이득을 설정하면, 고속 영역에서는 응답이 낮은 토크 제어계에 대해서 높은 속도 이득을 설정하게 되어, 제어계의 동작이 불안정하게 되며 심한 경우에는 발진해 버릴 우려가 있다. 태핑 가공에서는 주축 모터와 수직축모터의 제어를 동기시킬 필요가 있으며, 높은 제어 이득이 필요하기 때문에 약한 계자영역까지 높은 응답 특성이 요구된다.

또, d축 전류 제어기(18)에 의해 자속을 제어하고 있지만, 자속과 d축 전류에는 다음 식과 같은 관계가 있어서 d축 전류의 변화에 대해서 자속은 늦게 추종 한다.

φ2 d=1/(1＋L2/R2×s)×M×I1d

위의 식에 있어서, φ2d：2차 자속, L2：2차 유도계수, R2：2차 저항, M：상호유도, Id：1차측 d축 전류를 각각 가리킨다.

이 때문에, 도 4의 제어계로 저관성의 모터(30)를 고속으로 가감 속도 시키면, 모터(30)의 속도의 변화에 대해서 자속의 변화를 추종하지 못하고, 모터(30)의 전압 포화가 생겨 토크의 진동이 생긴다.

도 4의 모터 제어장치에 있어서의 자속의 응답 지연을 개선하기 위해서는, 도 5에 도시된 것 같은 모터 제어장치와 같이, 도 4의 모터 제어장치에 자속 제어기(32)와 자속 연산기(34)를 추가하는 것이 고려된다.

도 5에 나타내는 모터 제어장치에서는 필요로 하는 자속을 자속 명령φ2C로서 주며 자속 명령(φ2C)과 좌표변환기(14)로부터의 d축 전류 피드백(IdF)을 바탕으로 자속 연산기(34)로 구한 자속(φ2)을 비교하여, 자속 제어기(32)에 의해 d축 전류 명령(IdC)을 제어한다.

도 5에 나타내는 모터 제어장치에서는, 자속 제어기(32)에 의해 고속으로 자속이 제어되기 때문에, 모터(30)를 고속으로 가감 속도 시켜도 자속이 늦어지지 않게 추종할 수 있어 모터(30)의 전압 포화가 생기지 않고, 토크의 진동은 생기지 않는다.

그러나, 자속을 고속 응답시키기 때문에, d축 전류가 크게 변화하고 d축 전류와 q축 전류의 합계치가 인버터의 허용 전류치를 넘어 버려서, 과전류가 되는 가능성이 있다는 문제가 있다.

이러한 인버터의 허용 전류치의 제약을 고려하여, d축 전류 및 q축 전류를 제어하는 방법의 하나로 아래와 같이 특허 문헌 1에 나타난 기술이 있다. 특허 문헌 1에서는 자속 명령과 그 미분치를 바탕으로 토크 전류 명령을 구하며 여자 전류를 바탕으로 토크 전류 명령을 제한한다. 그리고, 제한 후의 토크 전류 명령과 추정 자속에 의해 미끄럼 주파수를 연산하여 모터의 토크를 제어한다.

[특허문헌1] 특개평08-163900호 공보

그러나, 특허 문헌 1에 개시되는 방법에서는 자속 명령을 미분하여 여자 전류 명령을 연산하기 때문에 자속 명령이 변화했을 때에 여자 전류가 급변한다. 또, 여자 전류를 바탕으로 토크 전류를 제한하기 때문에, 여자 전류가 급변하면 모터의 토크가 급변한다는 문제가 있다. 태핑 가공에 대해서는 토크가 급변하는 것은 바람직하지 않다.

또한, 특허 문헌 1에 개시되는 방법에서는 여자 전류 명령을 이용하여 자속을 추정하기 때문에, 고속 영역에서 인버터 출력으로 전압 포화를 일으켰을 경우, 여자 전류가 여자 전류 명령대로 흐르지 않고, 추정 자속의 오차가 커진다는 문제가 있다. 이 오차가 큰 추정 자속으로부터 토크 전류 명령을 산출하기 때문에, 토크 전류 명령이 작아져서, 충분한 토크를 출력할 수 없다는 문제도 있다. 고속 영역에서는 모터의 유도성 전압이 높아지기 때문에 전원 전압이 저하했을 경우 등은 인버터 출력에 전압 포화를 발생하기 쉬워진다.

게다가 토크 명령으로부터 토크 전류 명령을 구하는 구성에 있어서, 여자 전류 명령에 근거하여 토크 전류 명령을 제한하고 있다. 이 때문에, 여자 전류 명령이 변화해도 토크 명령은 제한을 받지 않고 여자 전류가 변화했을 때에 토크 명령의 제한치가 판단되지 않는다는 문제가 있다. 회전 속도에 의해 자속 명령이 바뀌며, 거기에 따라 여자 전류 명령도 바뀌기 때문에, 각 상태에서의 토크 명령의 제한치를 파악하면서 제어를 하지 않으면 토크의 과부족을 일으킬 우려가 있다.

특히 토크를 제한하여 사용하고 싶은 경우에는 각 상태에서의 토크 명령의 제한치까지 밖에 토크를 제한할 수 없다. 또, 모터를 출력할 수 있는 최대 토크는 토크 명령 제한치에 의해 정해지며, 이 최대 토크에 의해 가감 속도 시간이 정해지기 때문에, 토크 명령 제한치의 파악은 중요하다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 모터 제어장치의 문제를 해소하기 위해서 이루어진 것으로 벡터 제어에 의해 모터를 고속으로 가감 속도 시킬 수 있는 모터 제어장치의 제공을 목적으로 한다.

이와 같이, 종래의 모터의 벡터 제어에서는, 약한 계자에 의한 특성의 열화가 있으며, 저관성 유도기의 안정적인 가감 속도 제어를 실시할 수 없었다.

본 발명에 따른 모터 제어장치는 인버터 용량의 제약 내에서, 고속의 자속 제어를 실현하며, 더욱이 약한 계자에 수반하는 여자 전류의 급변을 억제하여 급격한 토크 변동을 억제하고 여자 전류가 변화했을 때에도 최대에 출력할 수 있는 토크 명령을 파악할 수 있으며 또한, 약한 계자를 행해도 토크 명령에 대한 실제의 모터 토크의 저하가 적고, 고속 영역까지 속도 제어계의 응답의 저하가 적은 모터의 벡터 제어를 실현한다.

상기의 벡터 제어를 실현하는 본 발명에 따른 모터 제어장치는 주어진 토크 명령의 크기를 일정한 범위의 크기로 제한하는 토크 명령 제한부, 상기 토크 명령 제한부에 의해 크기가 제한된 토크 명령을 이용하여 제1 전류 명령을 출력하는 전류 연산기, 상기 모터에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속과 상기 모터의 회전 속도에 응하는 크기로 출력되는 2차 자속 명령을 이용하여 자속 명령을 출력하는 자속 제어기, 그리고 상기 전류 연산기가 출력하는 상기 제 1 전류 명령과 상기 자속 제어기로부터 얻는 제2 전류 명령을 이용하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함한다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 모터 제어장치에 의하면, 약한 계자에 의한 특성의 열화가 개선되어 정출력 영역을 설치한 모터를 이용한 저속 중절삭과 고속 태핑이 양립할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예 1에 따른 모터 제어장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예 2에 따른 모터 제어장치의 블럭도이다.
도 3은 도 1및 도 2의 블럭도에 있어서의 주요 부분의 파형도이다.
도 4는 종래의 모터 제어장치의 일례를 나타내는 블럭도이다.
도 5는 종래의 모터 제어장치의 일례를 나타내는 블럭도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어장치는 저관성의 유도기의 벡터 제어에 대하여, 인버터의 출력전압이 포화했다고 하더라도 자속 추정 오차를 작게 억제한다. 인버터 용량이 제약되고 있었다고 하더라도 고속의 자속 제어를 실현한다. 약한 계자에 수반하는 여자 전류의 급변을 억제하여 급격한 토크 변동이 생기지 않도록 하고, 여자 전류가 변화했을 때도 출력이 최대가 되는 토크 명령을 파악한다. 약화 계자제어를 행해도 토크 명령에 대한 실제의 모터 토크의 저하가 적고, 고속 영역까지 속도 제어계의 응답의 저하가 적으며, 고응답으로 험난한 가감 속도를 실현한다.

다음으로 도면을 참조하면서, 상기와 같은 특성을 발휘하는 본 발명의 실시 예에 따른 모터 제어장치를 [실시 예 1]과[실시 예 2]로 나누어 설명한다.

[실시 예 1]

[모터 제어장치의 구성]

도 1은 본 발명의 실시 예 1에 따른 모터 제어장치(100)의 블럭도이다.

모터 제어장치(100)는 q축 전압 명령 VqC 을 주는 시스템으로서 제한기(112), q축 전류 연산기(114), 토크 제한치 연산기(116), 좌표변환기(118), 인코더(120), q축 제어기(122), 속도 연산기(125)를 포함한다. 또한 제한기(112)와 토크 제한치 연산기(116)로 토크 명령 제한부(115)를 구성한다.

제한기(112)는 토크 제한치 연산기(116)에 의해 연산된 토크 제한치(TLIM)를 이용하여, 주어진 토크 명령에 제한을 건다.

q축 전류 연산기(114)는 제한기(112)를 통하여 출력되는 토크 명령과 자속 연산기(140)로부터 출력되는 자속(φ2)으로부터 q축 전류 명령(IqC)을 출력한다.

토크 제한치 연산기(116)는 d축 전류 명령(IdC)과 자속 연산기(140)로부터 출력되는 자속(φ2)과 최대 1차 전류 명령(IPC)으로부터 제한기(112)에게 주는 토크 제한치(TLIM)를 연산한다.

좌표변환기(118)는 모터(150)에 공급하는 U상의 전류(IU)와 V상의 전류(IV)로부터 q축 전류 피드백(IqF)과 d축 전류 피드백(IdF)을 구한다.

인코더(120)는 모터(150)의 회전 위치(θm)를 출력한다.

q축 제어기(122)는 q축 전류 연산기(114)로부터의 q축 전류 명령(IqC)을 좌표변환기(118)로부터의 q축 전류 피드백(IqF)을 이용하여 감산하며, 감산 후의 q축 전류 명령으로부터 q축 전압 명령 (VqC)을 출력한다.

속도 연산기(125)는 인코더(120)가 검출하는 모터(150)의 회전 위치(θm)를 이용하여 모터 속도(모터의 회전 속도)(ωm)를 연산한다.

또, 모터 제어장치(100)는 d축 전압 명령(VdC)을 주는 시스템으로서, 저역통과 필터(130), 피드 순방향(feed forward) 보상기(132), 자속 제어기(134), 저역통과 필터(136), 미끄럼 주파수 연산기(138), 자속 연산기(140), d축 제어기(142)를 포함한다.

저역통과 필터(130)는 2차 자속 명령(φ2c)의 고주파분(급격한 변동)을 제거한다.

피드 순방향 보상기(132)는 저역통과 필터(130)를 통과하여 고주파분이 제거된 2차 자속 명령(φ2c)으로부터 전류 명령을 출력한다.

자속 제어기(134)는 저역통과 필터(130)를 통과하여 고주파분이 제거된 2차 자속 명령(φ2c)으로부터 자속 연산기(140)에 의해 연산된 자속(φ2)을 감산하여, 감산 후의 자속 명령으로부터 출력하는 전류 명령을 제어한다.

저역통과 필터(136)는 자속 제어기(134)로부터 출력되는 전류 명령의 고주파분을 제거한다.

미끄럼 주파수 연산기(138)는 q축 전류 연산기(114)에서 구한 q축 전류 명령(IqC)과 자속 연산기(140)로 연산된 자속(φ2)을 입력으로 하여, 모터(150)의 미끄럼 주파수(ωs)를 연산한다.

자속 연산기(140)는 좌표변환기(118)가 출력하는 d축 전류 피드백(IdF)을 이용하여 자속(φ2)을 연산한다.

그리고, 모터 제어장치(100)는 모터(150)에 전력을 공급하는 시스템으로서 좌표변환기(160), PWM 제어기(162), 전력 변환기(164)를 포함한다.

좌표변환기(160)는 q축 제어기(122)가 출력하는 q축 전압 명령(VqC)과 d축 제어기(142)가 출력하는 d축 전압 명령(VdC)으로부터 모터(150)의 U, V, W상에 인가해야 할 3상 전압 명령(VUC), (VVC), (VWC)을 출력한다.

PWM 제어기(162)는 좌표변환기(140)가 출력하는 3상 전압 명령(VUC), (VVC), (VWC)에 응하여 전력 변환기(164)의 게이트 신호를 출력한다.

전력 변환기(164)는 PWM 제어기(162)가 출력하는 게이트 신호에 응하여 내부의 전력 반도체를 스위칭하여 소망하는 파형의 3상 전압을 모터(150)에 공급한다.

또한 좌표변환기(118), q축 제어기(122), d축 제어기(142), 좌표변환기(160), PWM 제어기(162) 및 전력 변환기(164)는 모터 구동부(155)를 구성한다.

［모터 제어장치의 동작］

도 1에 도시된 바와 같이 주어진 속도 명령은 속도 연산기(125)로부터 출력되는 모터 속도(ωm)와 비교된다. 주어진 토크 명령은 제한기(112)에서 설정되는 토크 제한치(TLIM)에 의해 ±TLIM를 넘지 않는 범위로 제한된다.

토크 제한치(TLIM)는 토크 제한치 연산기(116)에 의해 다음과 같이 구한다. 토크 제한치 연산기(116)는, d축 전류 명령(IdC)과 최대 1차 전류 명령(IPC)으로부터 아래와 같은 식에 근거하여 연산한다. 연산한 토크 제한치(TLIM)는 제한기(112)에서 설정된다.

TLIM=Pm×M/L2×φ2×(IPC2－IdC2) 1/2

위의 식에서, φ2：2차 자속, L2：2차 유도계수,　M：상호유도, Pm：극대수(極對數)를 각각 가리킨다.

제한기(112)를 통하여 최대치가 ±TLIM 로 제한된 토크 제한 후의 토크 명령은 q축 전류 연산기(114)에 입력되며 q축 전류 연산기(114)는 토크 제한 후의 토크 명령에 근거하여 q축 전류 명령(IqC)을 구한다. q축 전류 연산기(114)는 아래와 같은 연산을 행하여 q축 전류 명령(IqC)을 구한다.

IqC=L2/(Pm×M×φ2)×(토크 제한 후의 토크 명령)

다음으로, q축 전류 명령(IqC)은 좌표변환기(118)로부터 출력되는 q축 전류 피드백(IqF)과 비교된다. q축 전류 명령(IqC)으로부터 q축 전류 피드백(IqF)이 감산된 전류 명령은 q축 제어기(122)에 입력되며 q축 제어기(122)로부터 q축 전압 명령(VqC)이 출력된다.

도 1의 2차 자속 명령(φ2C)과 모터 속도(ωm)의 관계를 나타내는 그래프에 도시된 것 같이, 본 실시 예에서 2차 자속 명령(φ2C)이 정토크 영역에서는 모터(150)의 회전 속도와는 관계없이 일정치로 하며, 정출력 영역에서는 모터(150)의 회전 속도에 반비례시켜 저감 한다. 즉, 약화 계자제어를 행한다.

2차 자속 명령(φ2C)은 저역통과 필터(130)에 의해 고주파분이 제거된다. 저역통과 필터 처리 후의 자속 명령은 피드 순방향 보상기(132)에 입력되며 피드 순방향 보상기(132)로부터는 전류 명령이 출력된다. 피드 순방향 보상기(132)는 필터 처리 후의 자속 명령이 1/M배가 되는 구성을 가진다.

또, 저역통과 필터 처리 후의 자속 명령은 좌표변환기(118)가 출력하는 d축 전류 피드백(IdF)을 이용하여 자속 연산기(140)가 연산한 자속(φ2)과 비교된다.

자속 연산기(140)는 비례 적분 제어를 하는 구성을 가진다. 자속 연산기(140)는 다음과 같이 하여 d축 전류 피드백(IdF)으로부터 자속(φ2)을 구한다.

φ2=1/(1＋L2/R2×s)×M×IdF

저역통과 필터 처리 후의 자속 명령으로부터 자속(φ2)이 감산된 자속 명령은 자속 제어기(134)에 입력된다. 자속 제어기(134)는 입력한 자속 명령으로부터 전류 명령을 구하며, 구한 전류 명령은 저역통과 필터(136)를 통하여 고주파분이 제거된다.

피드 순방향 보상기(132)가 출력하는 전류 명령은 저역통과 필터(136)를 통하여 출력되는 전류 명령과 가산되어 d축 전류 명령(IdC)이 구해진다.

다음으로, d축 전류 명령(IdC)은 좌표변환기(118)로부터 출력되는 d축 전류 피드백(IdF)과 비교된다. d축 전류 명령(IdC)으로부터 d축 전류 피드백(IdF)이 감산된 전류 명령은 d축 제어기(142)에 입력되며 d축 제어기(142)로부터 d축 전압 명령(VdC)이 출력된다.

한편, 자속 연산기(140)가 연산한 자속(φ2)은 q축 전류 명령(IqC)과 함께 미끄럼 주파수 연산기(138)에 입력된다. 미끄럼 주파수 연산기(138)는 다음과 같이 하여 미끄럼 주파수 명령(ωs)을 구한다.

ωs=M×R2/L2×(IqC/2)

위의 식에 있어서, R2는 2차 저항을 나타낸다.

미끄럼 주파수 연산기(138)가 구한 미끄럼 주파수 명령(ωs)에 속도 연산기(125)로부터 출력되는 모터 속도(ωm)가 가산되어 1차 주파수 명령(ω1)이 구해진다. 1차 주파수 명령(ω1)을 적분하여 고정자 위치 명령(θmc)을 구하고 구한 고정자 위치 명령(θmc)은 좌표변환기(118), (160)로 출력된다.

좌표변환기(118)는 q축 전류 피드백(IqF)과 d축 전류 피드백(IdF)을, 고정자 위치 명령(θmc)을 이용하여 모터 전류(IU), (IV)를 좌표변화 하는 것에 의해, 구한다.

좌표변환기(160)는 q축 제어기(122)가 출력하는 q축 전압 명령(VqC)과 d축 제어기(142)가 출력하는 d축 전압 명령(VdC) 및 고정자 위치 명령(θmc)을 입력하며, 좌표변화를 행하여 3상 전압 명령 (VUC), (VVC), (VWC)을 구한다.

3상 전압 명령 (VUC), (VVC), (VWC)은 PWM 제어기(162), 전력 변환기(164)를 통하여 모터(150)에 공급되며 모터(150)는 3상 전압 명령 (VUC), (VVC), (VWC)에 응하여 구동된다.

이상과 같이, 본 실시 예에 따른 모터 제어장치(100)에서는 자속 명령을 저역통과 필터(130)에 통하는 것으로 자속 명령의 급격한 변동을 억제한다. 또, 자속 제어기(134)로부터 출력되는 자속을 저역통과 필터(136)에 통하는 것으로 d축 전류의 급격한 변동을 억제한다.

일반적으로, 인버터의 최대 1차 전류의 제약 내에서 q축 전류 명령 및 d축 전류 명령을 제한하면, d축 전류의 급격한 변동은 q축 전류의 급격한 변동을 가져오며, 특히 d축 전류가 급격하게 커졌을 경우에는, q축 전류가 급격하게 작아져서, 토크가 크게 변동해 버린다. 본 실시 예에 따른 모터 제어장치(100)에서는 자속 제어기(134)의 출력에도 저역통과 필터(136)를 삽입하는 것에 의해, d축 전류 명령의 급격한 변동을 억제한다. 이것에 의해, 약화 계자제어에 수반하는 d축 전류 명령의 변동이 q축 전류 명령에 미치는 영향을 저감한다.

또, 피드 순방향 보상기(132)에 의해 자속 제어기(134)에 의한 응답 지연을 보상하여, 자속 응답이 저하하지 않게 한다. 그리고, 최대 1차 전류의 제약 내에서, d축 전류 명령에 근거하여 토크 명령을 제한하며, 제한된 토크 명령으로부터 q축 전류 명령을 구하는 것으로, 인버터 용량의 제약 내에서 고속의 자속 제어를 실현한다.

이와 같이, d축 전류 명령에 근거하여 토크 명령을 제한하기 때문에, d축 전류가 변화했을 때에도 최대로 출력할 수 있는 토크 명령을 파악할 수 있게 된다. 또, 토크 명령을 자속으로 제산하여 q축 전류 명령을 산출하기 때문에, 자속에 반비례하여 q축 전류 명령이 증가하고, 약화 계자제어를 행해도 토크 명령 그대로의 토크가 출력된다.

이 때문에, 속도 제어계의 응답도 약화 계자제어의 영향을 받지 않고, 고속 영역까지 속도 제어계의 응답이 저하하지 않는다. 또, d축 전류 피드백으로부터 자속을 연산하기 때문에 인버터의 출력전압이 포화했을 경우에는 d축 전류가 작아지며 자속 연산치가 인버터의 전압 포화의 영향을 받지 않는다.

더욱이 2차 저항 R2는 모터의 코일 온도를 검출, 또는 추정하여 보상을 행하고, 코일 온도 변화시에 특성이 악화되는 것을 방지한다. 또한, 토크 명령 저역통과 필터나 노치 필터를 토크 명령에 삽입하여 기계 시스템의 고주파 공진을 억제하도록 해도 좋다. 그리고, q축 전류 제어계 및 d축 전류 제어계의 내부를 3상 전류 제어계로 구성해도 좋다.

［실시 예 2］

［모터 제어장치의 구성］

도 2는 본 발명의 실시 예 2에 따른 모터 제어장치(200)의 블럭도이다. 도 2에서 도 1과 동일한 구성요소에는 도 1과 동일한 부호를 교부한다.

모터 제어장치(200)는 실시 예 1에 따른 모터 제어장치(100)와 비교하여, q축 전압 명령(VqC)을 주는 시스템으로서 속도 제어기(110)를 설치한 것만 다르다.

속도 제어기(110)는 주어진 속도 명령을 속도 연산기(125)로부터의 속도 피드백을 이용하여 감산하고, 감산 후의 속도 명령으로부터 토크 명령을 출력한다.

제한기(112)는 토크 제한치 연산기(116)에 의해 연산된 토크 제한치(TLIM)를 이용하여, 속도 제어기(110)가 출력하는 토크 명령에 제한을 건다.

q축 전류 연산기(114), 토크 제한치 연산기(116), 좌표변환기(118), 인코더(120), q축 제어기(122), 속도 연산기(125)의 기능은 실시 예 1에 따른 모터 제어장치와 동일하다.

d축 전압 명령(VdC)을 주는 시스템으로서 저역통과 필터(130), 피드 순방향 보상기(132), 자속 제어기(134), 저역통과 필터(136), 미끄럼 주파수 연산기(138), 자속 연산기(140), d축 제어기(142)를 가지는 것도 실시 예 1에 따른 모터 제어장치와 동일하다. 또, 이러한 구성요소의 기능도 실시 예 1에 따른 모터 제어장치와 동일하다.

［모터 제어장치의 동작］

실시 예 2에 따른 모터 제어장치(200)의 동작은 실시 예 1에 따른 모터 제어장치(100)와 비교하여 토크 명령이 속도 제어기(110)로부터 출력되는 것만이 다르다.

즉, 도 2에 도시된 것 같이, 주어진 속도 명령은 속도 연산기(125)로부터 출력되는 모터 속도(ωm)와 비교된다. 주어진 속도 명령으로부터 모터 속도(ωm)가 감산된 속도 명령은 속도 제어기(110)에 입력되며 속도 제어기(110)로부터 토크 명령이 출력된다. 토크 명령은 제한기(112)에서 설정되는 토크 제한치(TLIM)에 의해±TLIM를 넘지 않는 범위로 제한된다.

이후의 동작은 실시 예 1에 따른 모터 제어장치(100)와 동일하다.

［실시 예 1, 실시 예2에 따른 모터 제어장치의 주요 부분의 파형］

도 3은 도 1 및 도 2의 블럭도에 있어서의 주요 부분의 파형도이며, 모터(150)에 저관성 유도기를 이용했을 경우의 동작 파형을 나타낸다.

도면에서 속도 명령을 단계적으로(stepwise) 가속 및 감속하는 경우의 각 부의 동작 파형을 나타내고 있다. 자속 명령은 도에 도시된 것 같이 회전 속도에 의해 약한 계자로 되어 있지만, 자속이 자속 명령에 추종하는 것을 알 수 있다.

또, 도에 도시된 것 같이 자속의 변화에 의해 d축 전류 명령이 변화하고 있지만, 자속 명령이 입력되는 저역통과 필터(130)나 자속 제어기(134)의 출력측의 저역통과 필터(136)에 의해, d축 전류 명령의 급격한 움직임은 억제된다.

또, d축 전류 명령이나 자속의 변화에 근거하여 토크 제한치(TLIM)가 변화하며, 토크 명령이 회전 속도의 상승과 함께 저감하여 정출력 특성이 실현되는 것을 간파할 수 있다.

또, 도에 도시된 것 같이, d축 전류 명령이 변화했을 때의 q축 전류 명령도 급격하게 변화고 있지않은 것을 알 수 있다.

또, 도에 도시된 것 같이, 모터의 상전류(phase current)는 d축 전류를 크게 변화시키는 것에도 관계없이, 과전류는 되지 않고 최대 1차 전류 이하로 억제되는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 실시 예 1 및 실시 예2에 따른 모터 제어장치(100), (200)에 의하면, 저관성 유도기의 벡터 제어에 대하여 인버터의 출력전압 포화시도 자속 연산 오차가 작고, 인버터 용량의 제약 내에서, 고속의 자속 제어를 실현될 수 있다. 게다가, 약한 계자에 수반하는 여자 전류의 급변을 억제하여 급격한 토크 변동을 억제하고, 여자 전류가 변화했을 때에도 최대로 출력할 수 있는 토크 명령을 파악할 수 있다. 또, 약한 계자를 행해도 토크 명령에 대한 실제의 모터 토크의 저하가 적고, 고속 영역까지 속도 제어계의 응답의 저하가 적은 특성을 얻을 수 있다.

따라서, 실시 예 1 및 실시 예2에 따른 모터 제어장치(100), (200)에서는, 약한 계자에 의한 제어 특성의 열화가 방지되어 자속 응답이 고속으로 고회전 속도까지 속도 응답의 저하가 적기 때문에, 정출력 영역을 설치한 모터를 이용한 저속도 중절삭과 고속 태핑을 양립할 수 있다.

100, 200 모터 제어장치
110　속도 제어기
112　제한기
114　q축 전류 연산기
115　토크 명령 제한부
116　토크 제한치 연산기
118　좌표변환기
120　인코더
122　q축 제어기
130　저역통과 필터
132　피드 순방향 보상기
134　자속 제어기
136　저역통과 필터
138　미끄럼 주파수 연산기
140　자속 연산기
142　d축 제어기
150　모터
155　모터 구동부
160　좌표변환기
162　PWM 제어기
164　전력 변환기

Claims

모터에 대해 주어진 토크 명령의 크기를 일정한 범위의 크기로 제한하는 토크 명령 제한부;
상기 토크 명령 제한부에 의해 크기가 제한된 토크 명령을 이용하여 제1 전류 명령을 출력하는 전류 연산기;
상기 모터에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속과 상기 모터의 회전 속도에 응한 크기로 출력되는 2차 자속 명령을 이용하여 제2 전류 명령을 출력하는 자속 제어기; 그리고,
상기 전류 연산기가 출력하는 상기 제1 전류 명령과 상기 자속 제어기로부터 얻는 상기 제2 전류 명령을 이용하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하며,
상기 토크 명령 제한부는,
주어진 최대 1차 전류 명령, 상기 제2 전류 명령 및 상기 모터에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속을 이용하여 토크 제한치를 연산하는 토크 제한치 연산기; 그리고,
상기 토크 제한치 연산기에 의해 연산된 토크 제한치를 이용하여 주어진 토크 명령의 크기를 일정한 범위의 크기로 제한하는 제한기를 포함하는 모터 제어장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 전류 연산기는, 상기 모터에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속의 크기에 따라서 다른 크기의 제1 전류 명령을 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 제어장치.
제 1항에 있어서,
상기 모터의 회전 속도에 응하는 크기로 출력되는 2차 자속 명령은 상기 모터가 일정한 회전 속도에 이를 때까지는 일정한 크기를 유지하며, 상기 모터가 일정한 회전 속도를 넘으면 모터 회전 속도가 빨라짐에 따라 그 크기를 작게 하는 모터 제어장치.
제 1항에 있어서,
상기 모터에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속과 상기 제1 전류 명령을 이용하여 상기 모터의 미끄럼 주파수를 연산하는 미끄럼 주파수 연산기를 더 포함하며,
상기 모터 구동부는 상기 주파수 연산기로 연산된 미끄럼 주파수와 상기 모터의 회전 위치를 검출하는 인코더로부터 얻을 수 있는 모터의 회전 속도를 더 이용하여 상기 모터를 구동하는 모터 제어장치.
제 1항에 있어서,
상기 모터의 회전 속도에 응하는 크기로 출력되는 2차 자속 명령의 급격한 변동을 억제하는 제1 저역통과 필터를 상기 자속 제어기의 전단에 설치한 모터 제어장치.
제 6항에 있어서,
상기 자속 제어기로부터 출력되는 전류 명령의 급격한 변동을 억제하는 제2 저역통과 필터를 상기 자속 제어기의 후단에 더 설치한 모터 제어장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1 저역통과 필터를 통과한 상기 2차 자속 명령을 이용하여 상기 제 2저역통과 필터를 통과하는 전류 명령의 지연을 보상하는 피드 순방향 보상기를 더 포함하는 모터 제어장치.
모터의 회전 속도로부터 얻은 토크 명령의 크기를 일정한 범위의 크기로 제한하는 토크 명령 제한부;
상기 토크 명령 제한부에 의해 크기가 제한된 토크 명령을 이용하여 제1 전류 명령을 출력하는 전류 연산기;
상기 모터에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속과 상기 모터의 회전 속도에 응하는 크기로 출력되는 2차 자속 명령을 이용하여 제2 전류 명령을 출력하는 자속 제어기; 그리고,
상기 전류 연산기가 출력하는 상기 제1 전류 명령과 상기 자속 제어기로부터 얻는 상기 제2 전류 명령을 이용하여 상기 모터를 구동하는 모터 구동부를 포함하며,
상기 토크 명령 제한부는,
주어진 최대 1차 전류 명령, 상기 제2 전류 명령 및 상기 모터에 흐르는 전류로부터 얻을 수 있는 자속을 이용하여 토크 제한치를 연산하는 토크 제한치 연산기; 그리고,
상기 토크 제한치 연산기에 의해 연산된 토크 제한치를 이용하여 상기 모터의 회전 속도로부터 얻은 토크 명령의 크기를 일정한 범위의 크기로 제한하는 제한기를 포함하는 모터 제어장치.
삭제
제 1항 및 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터는 유도 전동기인 모터 제어장치.
제 11항에 있어서,
상기 제1 전류 명령은 q축 전류 명령이며, 상기 제2 전류 명령은 d축 전류 명령이며, 상기 모터 구동부는 벡터 제어에 의해 상기 유도 전동기를 구동하는 모터 제어장치.