KR101898755B1

KR101898755B1 - 모터 제어 장치 및 그것을 사용한 작업 기계

Info

Publication number: KR101898755B1
Application number: KR1020147003427A
Authority: KR
Inventors: 가즈아키 도바리; 가즈야 세키네
Original assignee: 히다찌 겐끼 가부시키가이샤
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2018-09-13
Also published as: EP2747272A4; EP2747272B1; US9698716B2; CN103858332B; WO2013024828A1; EP2747272A1; KR20140051941A; US20140176028A1; CN103858332A

Abstract

본 발명의 목적은, 모터 상수의 설정 오차도 포함하여 보상하여, 고정밀도의 토크 제어가 가능한 모터 제어 장치를 제공하는 데 있다. 모터 제어 장치(100)는, 모터(MOT)에 대한 토크 지령값으로부터 구해진 전류 지령값이, 모터(MOT)에 전력 변환기(INV)를 통해 공급되는 전류에 대한 전류 검출값에 일치하도록, 모터에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 갖는다. 제어부는, 모터가 출력하는 토크를 추정하고, 추정된 모터의 토크 추정값이, 토크 지령값에 일치하도록 모터에 공급되는 전류를 제어한다. 토크 추정 연산부(120)는 모터가 출력하는 토크를 추정한다. 위상 오차 지령 연산부(125)는 토크 추정값과 토크 지령값의 편차로부터, 위상 오차의 지령값을 산출한다. 속도 추정 연산부(150)는 위상 오차의 지령값에, 위상 오차 추정값이 일치하도록 속도 추정값을 출력한다.

Description

모터 제어 장치 및 그것을 사용한 작업 기계 {MOTOR CONTROL DEVICE AND WORK MACHINE USING SAME}

본 발명은, 모터 제어 장치 및 그것을 사용한 작업 기계에 관한 것으로, 특히 영구 자석 동기 모터를 토크 제어하기에 적합한 모터 제어 장치 및 그것을 사용한 작업 기계에 관한 것이다.

종래, 토크 제어하는 모터 제어 장치에 있어서, 모터의 전기 상수를 연산하는 모터 상수 연산부를 구비하고, 직교하는 2개의 축(d축 및 q축) 중 한쪽의 축 상에서 정의되는 전기 상수의 설정값을, 동일한 축 상에서 정의되는 상태 변수를 이용한 함수식으로 보정하고, 또한 다른 쪽의 축 상에서 정의되는 상태 변수를 이용한 함수식으로 보정하는 것이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).

이러한 방식에 의해, 영구 자석 동기 모터의 전기 상수를 보다 간편하게 설정할 수 있다. 그 결과, 그 정확한 전기 상수를 토크 제어에 이용함으로써, 고(高)토크시에 있어서도, 보다 고정밀도의 토크 제어가 가능해져, 고응답 또한 고효율로 모터를 구동시킬 수 있다.

일본 특허 공개 제2009-136085호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 것에서는, 모터 상수의 설정 오차 등에 대해서서는 언급되어 있지 않다. 모터 상수의 설정 오차가 있으면, 그 오차분만큼 토크 제어의 정밀도가 저하되게 된다.

본 발명의 목적은, 모터 상수의 설정 오차도 포함하여 보상하여, 고정밀도의 토크 제어가 가능한 모터 제어 장치 및 그것을 사용한 작업 기계를 제공하는 데 있다.

(1) 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 모터에 대한 토크 지령값으로부터 구해진 전류 지령값이, 상기 모터에 전력 변환기를 통해 공급되는 전류에 대한 전류 검출값에 일치하도록, 상기 모터에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 갖는 모터 제어 장치이며, 상기 제어부는, 상기 모터가 출력하는 토크를 추정하고, 추정된 상기 모터의 토크 추정값이, 상기 토크 지령값에 일치하도록 상기 모터에 공급되는 전류를 제어하도록 한 것이다.

(2) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는 상기 제어부는, 상기 모터가 출력하는 토크를 추정하는 토크 추정 연산부와, d축 및 q축 전류 지령값과, d축 및 q축 전류 검출값과, 속도 추정값과, 모터 상수의 설정값에 기초하여, d축 및 q축 전압 지령값을 산출하는 전압 벡터 연산부와, 상기 전압 벡터 연산부가 출력하는 d축 및 q축 전압 지령값과, 상기 속도 추정값과, 상기 d축 및 q축 전류 검출값과, 상기 모터 상수의 설정값에 기초하여, 상기 모터의 회전 위상의 추정값과 상기 모터의 회전 위상값의 편차인 위상 오차의 추정값인 위상 오차 추정값을 출력하는 위상 오차 추정 연산부와, 상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차로부터, 위상 오차의 지령값을 산출하는 위상 오차 지령 연산부와, 상기 위상 오차 지령 연산부가 출력하는 위상 오차의 지령값에, 상기 위상 오차 추정 연산부가 출력하는 위상 오차 추정값이 일치하도록, 상기 속도 추정값을 출력하는 속도 추정 연산부를 구비하도록 한 것이다.

(3) 상기 (2)에 있어서, 바람직하게는, 상기 토크 추정 연산부는 상기 d축 전압 지령값과 상기 d축 전류 검출값의 승산값과, 상기 q축 전압 지령값과 상기 q축 전류 검출값의 승산값을 가산한 제1 전력 신호로부터, d축 및 q축 전류 검출값을 각각 제곱하고, 그들을 가산한 값에, 상기 모터의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고, 상기 감산값을 상기 속도 추정값으로 제산한 결과에, 상수를 곱하여 산출하도록 한 것이다.

(4) 상기 (3)에 있어서, 바람직하게는, 상기 위상 오차 추정 연산부는 상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차에 적분 게인을 곱하여 적분 연산하여, 상기 위상 오차의 지령값을 산출하도록 한 것이다.

(5) 상기 (2)에 있어서, 바람직하게는, 상기 토크 추정 연산부는 상기 전력 변환기에 대한 3상의 전압 지령값과 3상의 전류 검출값을, 3상의 각 상마다 승산하고, 그들 승산값을 가산한 제1 전력 신호로부터, 상기 3상의 전류 검출값을 각 상마다 제곱하고, 그들을 가산한 값에, 상기 모터의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고, 상기 감산값을 상기 속도 추정값으로 제산한 결과에, 상수를 곱하여 산출하도록 한 것이다.

(6) 상기 (2)에 있어서, 바람직하게는, 상기 토크 추정 연산부는 상기 전력 변환기의 직류 전압과 직류 전류를 승산한 결과에, 상수를 곱한 제1 전력 신호로부터, 상기 d축 및 q축 전류 검출값을 각각 제곱하고, 그들을 가산한 값에, 상기 모터의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고, 상기 감산값을 상기 속도 추정값으로 제산한 결과에, 상수를 곱하여 산출하도록 한 것이다.

(7) 상기 (1)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어부는 상기 모터가 출력하는 토크를 추정하는 토크 추정 연산부와, d축 및 q축 전류 지령값과, d축 및 q축 전류 검출값과, 속도 추정값과, 모터 상수의 설정값에 기초하여, d축 및 q축 전압 지령값을 산출하는 전압 벡터 연산부와, 상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차로부터, q축 인덕턴스의 수정값을 산출하는 q축 인덕턴스 수정 연산부와, 상기 전압 벡터 연산부가 출력하는 d축 및 q축 전압 지령값과, 상기 속도 추정값과, 상기 d축 및 q축 전류 검출값과, 상기 모터 상수의 설정값과, 상기 q축 인덕턴스의 수정값에 기초하여, 상기 모터의 회전 위상의 추정값과 상기 모터의 회전 위상값의 편차인 위상 오차의 추정값인 위상 오차 추정값을 출력하는 위상 오차 추정 연산부와, 상기 위상 오차 지령 연산부가 출력하는 위상 오차의 지령값이 0으로 되도록, 상기 속도 추정값을 출력하는 속도 추정 연산부를 구비하도록 한 것이다.

(8) 상기 (7)에 있어서, 바람직하게는, 상기 q축 인덕턴스 수정 연산부는 상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차에 적분 게인을 곱하여 적분 연산하여, 상기 q축 인덕턴스 수정값을 산출하도록 한 것이다.

(9) 또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 영구 자석 동기 전동기에 대한 토크 지령값으로부터 구해진 전류 지령값이, 상기 영구 자석 동기 전동기에 전력 변환기를 통해 공급되는 전류에 대한 전류 검출값에 일치하도록, 상기 영구 자석 동기 전동기에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 갖고, 영구 자석 동기 전동기의 토크 제어를 행하는 모터 제어 장치이며, 상기 제어부는, 상위 제어 장치로부터 부여되는 제1 토크 지령값에 상기 전력 변환기의 전력 정보로부터 구한 토크 추정값이 일치하도록, 제2 토크 지령값을 연산하고, 상기 제2 토크 지령값에 따라서 토크 제어를 행하도록 한 것이다.

이러한 구성에 의해, 모터 상수의 설정 오차도 포함하여 보상하여, 고정밀도의 토크 제어가 가능해진다.

(10) 상기 (9)에 있어서, 바람직하게는, 상기 영구 자석 동기 전동기의 자극 위치를 검출하는 위치 검출기를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 위치 검출기에 의해 검출된 자극 위치로부터 산출된 속도 검출값과, 상기 제2 토크 지령값으로부터 구한 d축 및 q축의 전류 지령값과, 전류 검출값과, 모터 상수의 설정값에 따라서, d축 및 q축의 전압 지령값의 연산을 행하여, 상기 전력 변환기의 출력 전압을 제어하도록 한 것이다.

(11) 상기 (9)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어부는 상기 제2 토크 지령값으로부터 구한 d축 및 q축의 전류 지령값과, 전류 검출값과, 속도 추정값과, 모터 상수의 설정값에 따라서, d축 및 q축의 전압 지령값의 연산을 행하여, 전력 변환기의 출력 전압을 제어하고, 상기 속도 추정값을 적분하여 구한 회전 위상 추정값과 상기 영구 자석 동기 전동기의 회전 위상값의 편차인 위상 오차가 위상 오차의 지령값에 일치하도록 상기 속도 추정값을 연산하도록 한 것이다.

(12) 상기 (10)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어부는 상기 토크 추정값을 산출하는 토크 추정값 연산부를 구비하고, 상기 토크 추정값 연산부는, d축의 전압 지령값과 전류 검출값의 승산값과 q축의 전압 지령값과 전류 검출값의 승산값을 가산한 제1 전력 신호로부터, d축 및 q축의 전류 검출값을 각각 제곱한 가산값에 상기 영구 자석 동기 전동기의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고, 상기 감산값을 속도 추정값으로 제산한 결과에 상수를 곱하여 상기 토크 추정값을 산출하도록 한 것이다.

(13) 상기 (10)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어부는 상기 토크 추정값을 산출하는 토크 추정값 연산부를 구비하고, 상기 토크 추정값 연산부는, 상기 전력 변환기의 직류 전압과 직류 전류를 승산한 결과에 상수를 곱한 제1 전력 신호로부터, 3상의 전류 검출값을 각 상마다 제곱한 가산값에 모터의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고, 상기 감산값을 속도 추정값으로 제산한 결과에 상수를 곱하여 상기 토크 추정값을 산출하도록 한 것이다.

(14) 상기 (10)에 있어서, 바람직하게는, 상기 제어부는 상기 토크 추정값을 산출하는 토크 추정값 연산부를 구비하고, 상기 토크 추정값 연산부는, 상기 전력 변환기의 직류 전압과 직류 전류를 승산한 결과에 상수를 곱한 제1 전력 신호로부터, d축 및 q축의 전류 검출값을 각각 제곱하고, 그들을 가산한 값에, 상기 영구 자석 동기 전동기의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고, 상기 감산값을 속도 추정값으로 제산한 결과에, 상수를 곱하여 상기 토크 추정값을 산출하도록 한 것이다.

(15) 상기 (9)에 있어서, 바람직하게는, 상기 상위 제어 장치로부터 부여되는 상기 제1 토크 지령값과 토크 출력값의 편차는, 영구 자석 동기 전동기의 전류값의 제곱에 비례하고, 전동기 속도에 반비례하는 것이다.

(16) 또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 영구 자석 동기 전동기와, 직류를 3상 교류로 변환하고, 상기 영구 자석 동기 전동기에 공급하여, 상기 영구 자석 동기 전동기의 출력 토크를 가변하는 전력 변환기와, 상기 영구 자석 동기 전동기에 대한 토크 지령값으로부터 구해진 전류 지령값이, 상기 영구 자석 동기 전동기에 상기 전력 변환기를 통해 공급되는 전류에 대한 전류 검출값에 일치하도록, 상기 영구 자석 동기 전동기에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 갖는 작업 기계이며, 상기 제어부는, 상위 제어 장치로부터 부여되는 제1 토크 지령값에 상기 전력 변환기의 전력 정보로부터 구한 토크 추정값이 일치하도록, 제2 토크 지령값을 연산하고, 상기 제2 토크 지령값에 따라서 토크 제어를 행하도록 한 것이다.

(17) 상기 (16)에 있어서, 바람직하게는, 상기 작업 기계는 휠 로더이며, 상기 휠 로더는, 상기 영구 자석 동기 전동기로서, 차륜을 구동시키는 주행 구동용 모터와, 엔진을 어시스트하는 어시스트 모터를 구비하고, 상기 주행 구동용 모터를 제어하는 모터 제어 장치는, 상기 (10)에 기재된 제어부를 구비하고, 상기 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치는, 상기 (11)에 기재된 제어부를 구비하도록 한 것이다.

(18) 상기 (16)에 있어서, 바람직하게는, 상기 작업 기계는 휠 로더이며, 상기 휠 로더는, 상기 영구 자석 동기 전동기로서, 차륜을 구동시키는 주행 구동용 모터와, 엔진을 어시스트하는 어시스트 모터를 구비하고, 상기 주행 구동용 모터를 제어하는 모터 제어 장치 및 상기 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치는, 상기 (10)에 기재된 제어부를 구비하도록 한 것이다.

(19) 상기 (16)에 있어서, 바람직하게는, 상기 작업 기계는 유압 셔블이며, 상기 유압 셔블은, 상기 영구 자석 동기 전동기로서, 하부 주행체에 대해 상부 선회체를 선회시키는 선회 모터와, 엔진을 어시스트하는 어시스트 모터를 구비하고, 상기 선회 모터를 제어하는 모터 제어 장치는, 상기 (10)에 기재된 제어부를 구비하고, 상기 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치는, 상기 (11)에 기재된 제어부를 구비하도록 한 것이다.

(20) 상기 (16)에 있어서, 바람직하게는, 상기 작업 기계는 유압 셔블이며, 상기 유압 셔블은, 상기 영구 자석 동기 전동기로서, 하부 주행체에 대해 상부 선회체를 선회시키는 선회 모터와, 엔진을 어시스트하는 어시스트 모터를 구비하고, 상기 선회 모터를 제어하는 모터 제어 장치 및 상기 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치는, 상기 (10)에 기재된 제어부를 구비하도록 한 것이다.

본 발명에 따르면, 모터 상수의 설정 오차도 포함하여 보상하여, 고정밀도의 토크 제어가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명하는 도면이다.
도 2a는 종래의 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서, 토크 지령을 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크를 나타내는 도면이다.
도 2b는 종래의 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서, 교류의 모터 전류를 나타내는 도면이다.
도 2c는 종래의 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서, 위상 오차의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 위상 오차 지령 연산부의 동작 설명도이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서, 토크 지령을 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크를 나타내는 도면이다.
도 5b는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서, 모터 전류를 나타내는 도면이다.
도 5c는 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서, 위상 오차의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 다른 구성의 설명도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 q축 인덕턴스 수정 연산부의 동작 설명도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 위상 오차 추정 연산부의 동작 설명도이다.
도 12는 본 발명의 각 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 적용하는 작업 차량의 구성도이다.
도 13은 본 발명의 각 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 적용하는 작업 차량의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.
도 15a는 모터 상수의 설정값에 오차가 없는 경우에 있어서, 토크 지령을 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크를 나타내는 도면이다.
도 15b는 모터 상수의 설정값에 오차가 없는 경우에 있어서, 교류의 모터 전류를 나타내는 도면이다.
도 16a는 모터 상수의 설정값에 오차가 있는 경우에 있어서, 토크 지령을 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크를 나타내는 도면이다.
도 16b는 모터 상수의 설정값에 오차가 있는 경우에 있어서, 교류의 모터 전류를 나타내는 도면이다.
도 17a는 모터 상수의 설정값에 오차가 없는 경우에 있어서, 토크 지령을 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크를 나타내는 도면이다.
도 17b는 모터 상수의 설정값에 오차가 없는 경우에 있어서, 교류의 모터 전류를 나타내는 도면이다.
도 18a는 모터 상수의 설정값에 오차가 있는 경우에 있어서, 토크 지령을 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크를 나타내는 도면이다.
도 18b는 모터 상수의 설정값에 오차가 있는 경우에 있어서, 교류의 모터 전류를 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다.
도 20은 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 수정 연산부의 동작 설명도이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서의 출력 토크의 변동의 설명도이다.
도 22는 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서의 출력 토크의 변동의 설명도이다.
도 23은 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 다른 구성의 설명도이다.
도 24는 본 발명의 제5 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.
도 25는 본 발명의 제5 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다.
도 26은 본 발명의 제6 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.
도 27은 본 발명의 제6 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 동작 설명도이다.
도 28은 본 발명의 각 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 적용하는 작업 기계의 구성도이다.

이하, 도 1∼도 6을 이용하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

우선, 도 1을 이용하여, 본 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.

도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 의한 모터 구동 시스템은, 모터 제어 장치(100)와, 전력 변환기(INV)와, 영구 자석 동기 모터(PM 모터 ; 교류 모터)(MOT)와, 토크 지령 설정부(TS)로 구성되어 있다.

영구 자석 동기 모터(PM 모터 ; 교류 모터)(MOT)는, 영구 자석 및 계자 권선을 구비한 회전자와, 전기자 권선을 구비한 고정자로 구성된다. 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 영구 자석의 자속에 의한 토크 성분과, 전기자 권선의 인덕턴스에 의한 토크 성분을 합성한 토크를 출력한다. 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 도 12를 이용하여 후술하는 바와 같이, 작업 차량에 사용되는 모터이다. 본 실시 형태의 모터 제어 장치(100)는 이러한 모터(MOT)를 제어하기 위해 사용된다.

전력 변환기(INV)는, 3상 교류의 전압 지령값 Vu*, Vv*, Vw*에 기초하여, 직류 전원(B)으로부터 공급되는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하고, 영구 자석 동기 모터(MOT)에 공급하여, 영구 자석 동기 모터(MOT)의 출력 토크를 가변한다.

전류 검출기(SI)는, 영구 자석 동기 모터(MOT)의 3상의 교류 전류 Iu, Iv, Iw를 검출한다.

토크 지령 설정부(TS)는, 모터 제어 장치(100)에 대해 영구 자석 동기 모터(MOT)가 출력하는 토크의 지령값인 토크 지령값 τ*를 출력한다. 토크 지령값 τ*는, 「0」을 포함하는 「정부극성」의 값이다. 토크 지령 설정부(TS)는, 모터 제어 장치(100)에 대한 상위의 제어 장치의 내부에 구비된다.

모터 제어 장치(100)는 좌표 변환부(110)와, 위상 오차 추정 연산부(115)와, 토크 추정 연산부(120)와, 위상 오차 지령 연산부(125)와, 속도 추정 연산부(130)와, 위상 연산부(135)와, d축 전류 지령 설정부(140)와, 전류 지령 변환 연산부(145)와, d축 전류 제어 연산부(150)와, q축 전류 제어 연산부(155)와, 전압 벡터 연산부(160)와, 좌표 변환부(165)와, 차 연산부 DF1, DF2, DF3, DF4를 구비하고 있다.

좌표 변환부(110)는, 영구 자석 동기 모터(MOT)에 공급되는 3상의 교류 전류 Iu, Iv, Iw의 전류 검출기(SI)에 의한 검출값인 전류 검출값 Iuc, Ivc, Iwc와, 위상 연산부(135)에 의해 추정된 회전 위상의 추정값 θ_dc로부터, d축 및 q축의 전류 검출값 Idc, Iqc를 출력한다.

위상 오차 추정 연산부(115)는, 전압 벡터 연산부(160)가 출력하는 전압 지령값 Vdc*, Vqc*와, 속도 추정 연산부(130)에 의해 추정된 속도 추정값 ω^과, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Idc, Iqc와, 미리 설정되어 있는 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)에 기초하여, 회전 위상의 추정값 θ_dc와 영구 자석 동기 모터(MOT)의 회전 위상값 θ_d의 편차인 위상 오차 Δθ(＝(θ_dc－θ_d))의 추정 연산에 의해, 위상 오차 추정값 Δθ_c를 출력한다. 여기서, 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)는 위상 오차 추정 연산부(115)의 내부에 설정값으로서 유지되어 있다. 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)의 값으로서는, 본 실시 형태의 모터 제어 장치(100)에 의해 구동 제어되는 영구 자석 동기 모터(MOT)의 설계값을 설정 유지하고 있다. 또한, 실제로 사용되는 개개의 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)의 값은, 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)의 설계값과는 다른 것이지만, 양자의 오차 및 개개의 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)가 경시 변화됨으로써 발생하는 설정값과의 오차는, 이하에 설명하는 토크 추정 연산부(120) 및 위상 오차 지령 연산부(125)를 사용함으로써, 보상되는 것이다.

토크 추정 연산부(120)는, 전압 벡터 연산부(160)가 출력하는 전압 지령값 Vdc*, Vqc*와, 속도 추정 연산부(130)에 의해 추정된 속도 추정값 ω^과, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Idc, Iqc를 사용하여, 출력 토크의 추정 연산을 행하여, 토크 추정값 τ^을 출력한다.

차 연산부 DF1은, 토크 지령 설정부(TS)가 출력하는 토크 지령값 τ*와, 토크 추정 연산부(120)가 산출한 토크 추정값 τ^의 편차(τ*－τ^)를 산출한다. 위상 오차 지령 연산부(125)는, 차 연산부 DF1이 출력하는 편차(τ*－τ^)를 비례·적분 연산하고, 그 출력값을 위상 오차의 지령값 Δθ_c*로서 출력한다.

차 연산부 DF2는, 위상 오차 추정 연산부(115)가 출력하는 위상 오차 Δθ와, 위상 오차 지령 연산부(125)가 출력하는 위상 오차의 지령값 Δθ_c*의 차(Δθ_c*－Δθ)를 연산하고, 출력한다.

속도 추정 연산부(130)는, 차 연산부 DF2가 출력하는 차(Δθ_c*－Δθ)가 0으로 되도록, 즉, 위상 오차 지령 연산부(125)가 출력하는 위상 오차의 지령값 Δθ_c*에, 위상 오차 지령 연산부(125)가 출력하는 위상 오차의 추정값 Δθ_c가 일치하도록, 속도 추정값 ω^을 출력한다.

또한, 여기서, 「위상 오차의 지령값 Δθ_c*에, 위상 오차의 추정값 Δθ_c가 일치한다」라 함은, 위상 오차의 지령값 Δθ_c*와 위상 오차의 추정값 Δθ_c가 엄밀하게 일치하는 경우뿐만 아니라, 위상 오차의 지령값 Δθ_c*에 대해 위상 오차의 추정값 Δθ_c가 어느 허용 범위 내로 되는 경우도 포함하는 것이다.

위상 연산부(135)는 속도 추정 연산부(130)가 산출한 속도 추정값 ω^을 적분하여, 얻어진 회전 위상의 추정값 θ_dc를 좌표 변환부(110, 165)에 출력한다.

d축 전류 지령 설정부(140)는, 「0」 혹은 「부극성」의 값인 d축의 전류 지령값 Id*를 출력한다.

전류 지령 변환 연산부(145)는, 토크 지령 설정부(TS)로부터의 토크 지령값 τ*와, d축 전류 지령 설정부(140)가 출력하는 d축의 전류 지령값 Id*와, 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(Ld, Lq, Ke)를 이용하여, q축의 전류 지령값 Iq*를 산출한다. 여기서, 전기 상수(Ld, Lq, Ke)는 전류 지령 변환 연산부(145)의 내부에 설정값으로서 유지되어 있다. 전기 상수(Ld, Lq, Ke)의 값으로서는, 본 실시 형태의 모터 제어 장치(100)에 의해 구동 제어되는 영구 자석 동기 모터(MOT)의 설계값을 설정 유지하고 있다.

차 연산부 DF3은, d축 전류 지령 설정부(140)가 출력하는 제1 d축의 전류 지령값 Id*와, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Idc의 편차(Id*－Idc)를 산출한다.

d축 전류 제어 연산부(150)는, 차 연산부 DF3이 산출한 편차(Id*－Idc)로부터, 제2 d축의 전류 지령값 Id**를 출력한다.

차 연산부 DF4는, 전류 지령 변환 연산부(145)가 출력하는 제1 q축의 전류 지령값 Iq*와, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Iqc의 편차(Iq*－Iqc)를 산출한다.

q축 전류 제어 연산부(155)는, 차 연산부 DF4가 산출한 편차(Iq*－Iqc)로부터, 제2 q축의 전류 지령값 Iq**를 출력한다.

전압 벡터 연산부(160)는, d축 전류 제어 연산부(150)가 출력하는 제2 d축의 전류 지령값 Id**와, q축 전류 제어 연산부(155)가 출력하는 제2 q축의 전류 지령값 Iq**와, 속도 추정값 ω^과, 미리 설정되어 있는 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)에 기초하여, d축 및 q축의 전압 지령값 Vdc*, Vqc*를 각각 출력한다.

좌표 변환부(165)는, 전압 벡터 연산부(160)가 출력하는 전압 지령값 Vdc*, Vqc*와, 위상 연산부(135)가 추정한 회전 위상의 추정값 θ_dc로부터, 3상 교류의 전압 지령값 Vu*, Vv*, Vw*를 각각 출력한다.

즉, 본 실시 형태에서는, 모터에 대한 토크 지령값 τ*로부터 구해진 q축 전류 지령값 Iq* 및 설정되어 있는 d축 전류 지령값 Id*가, 모터에 전력 변환기를 통해 공급되는 전류 Iu, Iv, Iw에 대한 d축 및 q축 전류 검출값 Idc, Iqc에 일치하도록, 모터에 공급되는 전류를 제어하고 있다. 또한, 여기서, 「d축 및 q축 전류 검출값 Idc, Iqc에, d축 및 q축 전류 지령값 Id*, Iq*가 일치한다」라 함은, d축 및 q축 전류 검출값 Idc, Iqc와 d축 및 q축 전류 지령값 Id*, Iq*가 엄밀하게 일치하는 경우뿐만 아니라, d축 및 q축 전류 검출값 Idc, Iqc에 대해 d축 및 q축 전류 지령값 Id*, Iq*가 어느 허용 범위 내로 되는 경우도 포함하는 것이다. 이상의 피드백 제어에 의해, 모터의 토크가 토크 지령값에 일치하도록 모터에 공급되는 전류가 제어된다. 단, 모터 상수에 오차가 있으면, 실제로 모터로부터 출력되는 토크값은, 토크 지령값과는 다르게 된다.

다음에, 본 실시 형태의 모터 제어 장치(100)의 동작에 대해 설명하지만, 우선, 본 실시 형태의 특징인 「토크 추정 연산부(120)」 및 「위상 오차 지령 연산부(125)」를 사용하지 않는 경우의, 위치 센서리스 제어 방식의 기본 동작에 대해 설명한다.

영구 자석 동기 모터(MOT)의 출력 토크 τ는, 이하의 식(1)에 의해 나타낼 수 있다.

여기서, Pm : 모터의 극대수, Ke : 발전 계수, Ld : d축의 인덕턴스, Lq : q축의 인덕턴스, Id : 모터의 d축 전류, Iq : 모터의 q축 전류이다.

여기서, 제어축인 회전 위상의 추정값 θ_dc와 모터축인 회전 위상값 θ_d의 편차인 위상 오차 Δθ(＝(θ_dc－θ_d))가 발생한 경우, 제어축((dc－qc)축) 상의 전류 검출값 Idc, Iqc로부터, 모터축((d－q)축) 상의 모터 전류 Id, Iq에의 좌표 변환 행렬은, 식(2)로 된다.

여기서, 식(2)에 있어서, 도 1에 있어서의 d축 전류 지령 설정부(140)가 출력하는 d축의 전류 지령값 Id*를 「제로」로 설정하여(Id*＝Idc＝0), 전류 제어를 행하면, 식(2)는 식(3)으로 된다.

식(3)을 출력 토크식인 식(1)에 대입하면, 식(4)가 얻어진다.

일반적으로, q축 인덕턴스 Lq는, d축 인덕턴스 Ld와 식(5)와 같은 관계에 있으므로,

식(4)에 있어서, 위상 오차 ττ가 발생하면, 출력 토크의 제2항 성분은,

Δθ＞0인 경우 : 증가 방향

Δθ＜0인 경우 : 감소 방향

으로 된다. 즉, 위상 오차 Δθ가 「부극성」으로 발생하면, 출력 토크 τ는 감소하게 된다.

한편, 도 1의 전압 벡터 연산부(160)에서는, 제2 d축 및 q축의 전류 지령값 Id**, Iq**와 속도 추정값 τ^ 및 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)의 설정값을 이용하여 연산되는, d축 및 q축의 전압 지령값 Vdc*, Vqc*는, 식(6)으로 된다.

여기서, 위상 오차 Δθ가 존재하는 경우, 제어측에서 연산한 모터의 인가 전압 Vd, Vq는 식(7)로 된다.

한편, d축 및 q축의 모터 인가 전압 Vd, Vq는, 위상 오차 Δθ와, 전류 검출값 Idc, Iqc와, 모터 상수를 사용하여 나타내면, 식(8)로 된다.

여기서, 식(7)＝식(8)의 관계로부터, d축의 전류 지령값 Id*를 「제로」로 설정하고, q축의 전류 지령값 Iq*에 소정값으로 부여하면, d축 및 q축의 전류 제어 연산부(150, 155)의 출력값 Id**, Iq**는, 식(9)로 된다.

여기서,

또한, 위상 오차 추정 연산부(115)에서는, d축 및 q축의 전류 검출값 Idc, Iqc와, 속도 추정값 τ^과, 모터 상수를 이용하여, 위상차 추정값 Δθ_c를 식(10)에 따라서 연산한다.

여기서, 식(6), 식(9)를 식(10)에 대입하면, 식(11)이 얻어진다.

속도 추정 연산부(130)는, 위상 오차 추정 연산부(115)의 출력값인 위상 오차의 추정값 Δθ_c가, 위상 오차의 지령값 Δθ_c*(＝0)에 일치하도록 속도 추정값 τ^을 연산한다. 일정 속도에서는, 식(11)의 분자항은 「제로」로 되므로, 식(12)가 성립된다.

여기서, 식(12)에 있어서, 위상 오차 Δθ에 대해 정리하면, 식(13)을 얻을 수 있다.

즉, 모터 전류를 흘림으로써 q축 인덕턴스 Lq가 감소 방향으로 변화, 혹은 q축 인덕턴스에 대한 모터 상수의 설정값 Lq*에 오차가 있는 경우에는, 식(13)의 관계에서, 위상 오차 Δθ가 발생한다.

Lq*＞Lq인 경우 : Δθ는 「부」

Lq*＜Lq인 경우 : Δθ는 「정」

식(13)의 결과를 식(4)에 적용시키면,

Lq*＞Lq인 경우, Δθ는 「부」로 되어, 출력 토크는 감소 방향,

Lq*＜Lq인 경우, Δθ는 「정」으로 되어, 출력 토크는 증가 방향,

으로 된다.

여기서, 도 2를 이용하여, 상술한 토크의 감소에 대해 설명한다.

도 2는, 종래의 모터 제어 장치를 이용한 모터 구동 시스템에 있어서의 출력 토크의 변동의 설명도이다.

본 실시 형태의 특징인 「토크 추정 연산부(120)」 및 「위상 오차 지령 연산부(125)」를 이용하지 않는 경우의 토크 제어 특성에 대해 설명한다.

도 1의 제어 장치에 있어서, 위상 오차의 지령값 Δθ_c*는 「0」, 「전압 벡터 연산부(160)」와 「위상 오차 추정 연산부(115)」에 설정하는 q축 인덕턴스에 대한 모터 상수의 설정값 Lq*는, Lq*＞Lq의 관계로 설정하고 있다(출력 토크가 감소하는 방향).

도 2a는 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크 τ를 나타내고, 도 2b는 교류의 모터 전류 Iu를 나타내고, 도 2c는 위상 오차 Δθ의 관계를 나타낸다.

토크 지령 τ*는, 도 2a에 파선으로 나타내는 바와 같이 100％ 부여하고 있으므로, 도 2b에 나타내는 바와 같이, 교류의 모터 전류 Iu도 100％ 발생하고 있지만, 실제의 위상 오차 Δθ는, 도 2c에 나타내는 바와 같이, 정상적으로 예를 들어, -30(deg) 발생하고 있다. 그로 인해, 실제의 출력 토크 τ는, 도 2a에 나타내는 바와 같이, 예를 들어 80％까지 감소한다.

그것에 대해, 본 실시 형태에서는, 「토크 추정 연산부(120)」, 「위상 오차 지령 연산부(125)」를 도입함으로써, 토크 지령 τ*와 같은 출력 토크 τ가 얻어지는 고정밀도의 토크 제어를 실현할 수 있는 것이다.

다음에, 도 3 및 도 4를 이용하여, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 있어서, 「토크 추정 연산부(120)」, 「위상 오차 지령 연산부(125)」를 이용한 경우의, 동작 원리에 대해 설명한다.

도 3은, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 이용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다. 도 4는, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 이용하는 위상 오차 지령 연산부의 동작 설명도이다.

모터의 자속축으로부터 본 유효 전력 P는, 식(14)로 된다.

여기에, 식(3)을 대입함으로써, 제어의 기준축 상에서의 유효 전력의 연산값 Pc를, 식(15)에 의해 얻을 수 있다.

도 3에 나타내는 「토크 추정 연산부(120)」는, 식(15)의 유효 전력의 연산값 Pc를 이용하여, 출력 토크 τ의 추정 연산을 행한다.

식(15)로부터, 영구 자석 동기 모터의 동손 성분(R×Iqc²)을 감산하고, 그 연산값을 속도 추정값 τ^로 제산하고 나서, 상수(3/2×Pm)를 곱하는 식(16)의 연산을 행함으로써, 토크 추정 연산부(120)는 식(4)의 출력 토크 τ를 고정밀도로 추정할 수 있다.

또한, 도 4에 나타내는 「위상 오차 지령 연산부(125)」에 있어서는, 토크 지령 τ*에 출력 토크 추정값 τ^이 추종하도록, 토크 지령 τ*와 출력 토크 추정값 τ^의 편차에 적분 게인 A를 곱하여 적분 연산(혹은 비례＋적분 연산이어도 됨)을 행하여, τ 위상 오차의 지령값 Δθ_c*를 작성한다.

속도 추정 연산부(130)는, 이 지령값 Δθ_c*에 위상 오차의 추정값 Δθ_c가 일치하도록, τ도 추정값 τ^를 연산한다.

이러한 피드백·루프를 짬으로써, 모터 상수에 오차가 있었다고 해도, 그 오차를 보상하여, 고정밀도의 토크 제어를 실현할 수 있다.

여기서, 도 5를 이용하여, 본 실시 형태에 있어서의 출력 토크의 변동에 대해 설명한다.

도 5는, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서의 출력 토크의 변동의 설명도이다.

본 발명을 이용한 경우의 토크 제어 특성에 대해 설명한다.

도 1의 제어 장치에 있어서, 「전압 벡터 연산부(160)」와 「위상 오차 추정 연산부(115)」에 설정하는 Lq*는, Lq*＞Lq의 관계로 설정하고 있다(도 2와 동일한 조건).

도 5a는 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크 τ를 나타내고, 도 5b는 모터 전류 Iu를 나타내고, 도 5c는 위상 오차 Δθ의 관계를 나타내고 있다.

도 2의 경우와 마찬가지로, 도 5a에 파선으로 나타내는 바와 같이 토크 지령 τ*를 100％ 부여하고 있지만, 시각 t1의 점으로부터, 도 5c에 파선으로 나타내는 위상 오차의 지령값 Δθ_cτ가 정상적으로는 예를 들어 +20(deg) 발생하고, 제어축의 위상을 진행함으로써, 실제의 위상 오차 Δθ는 「제로」로 되어, 도 5a에 나타내는 바와 같이, 토크 지령 τ*와 같은 출력 토크 100％를 달성할 수 있다.

다음에, 도 6을 이용하여, 본 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 다른 구성에 대해 설명한다.

도 6은, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 다른 구성의 설명도이다.

도 3에 나타낸 것에서는, 토크 추정 연산부(120)는 d축 및 q축의 전압 지령값과 전류 검출값을 이용하여 추정 연산을 행하였지만, 그 대신에, 도 6에 나타내는 구성으로 해도 되는 것이다. 즉, 토크 추정 연산부(120a)는, 3상의 전압 지령값(Vu*, Vv*, Vw*)과, 3상의 전류 검출값(Iuc, Ivc, Iwc)을 이용하여, 출력 토크 τ의 추정 연산을 행한다.

구체적으로는, 이하의 식(17)의 연산을,

행함으로써, 식(16)과 동등하게, 식(4)의 출력 토크 τ를 고정밀도로 추정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 위치 센서를 사용하지 않는 영구 자석 동기 모터의 제어 장치에 있어서, 위치 센서리스 제어계의 위상 오차(제어의 기준축과 모터의 자속축의 위상차)의 추정 연산에 설정하는 q축 인덕턴스에 오차가 발생되어 있는 경우라도, 유효 전력값으로부터 연산한 토크 추정값이 토크 지령값에 일치하도록, 위상 오차의 지령값을 연산함으로써, 토크 지령값과 같은 출력 토크를 실현할 수 있는 것으로 된다. 이와 같이, 모터 상수의 설정 오차도 포함하여 보상하여, 고정밀도의 토크 제어가 가능해진다.

다음에, 도 7 및 도 8을 이용하여, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

도 7은, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 이용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다. 도 8은, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 이용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다.

본 실시 형태의 모터 제어 장치(100a)가, 도 1에 나타낸 모터 제어 장치(100)와 다른 점은, 도 1의 모터 제어 장치(100)에 있어서의 토크 추정 연산부(120) 대신에, 토크 추정 연산부(120b)를 구비하도록 한 점이다.

직류 전원(B)은, 전력 변환기(INV)에 직류 전압을 공급하고, 직류 전압 E_DC와 직류 전류 I_DC를 토크 추정 연산부(120b)에 출력한다.

토크 추정 연산부(120b)는, 전력 변환기의 정보(E_DC, I_DC)와, d축 및 q축의 전류 검출값(Idc, Iqc)과, 속도 추정값 τ^을 사용하여, 출력 토크 τ^의 추정 연산을 행한다.

즉, 도 1에 나타낸 토크 추정 연산부(120)는 제어계의 전압·전류 정보를 이용하여 출력 토크의 추정 연산을 행하였지만, 본 예에서는, 토크 추정 연산부(120b)는 전력 변환기의 직류 전압과 직류 전류의 정보를 이용하여 출력 토크의 추정 연산을 행하도록 하고 있다.

도 8에 나타내는 바와 같이, 토크 추정 연산부(120b)는 이하의 식(18)의 연산을 행함으로써,

식(16)과 동등하게 식(4)의 출력 토크 τ를 고정밀도로 추정할 수 있다.

본 실시 형태에 의해서도, 모터 상수의 설정 오차도 포함하여 보상하여, 고정밀도의 토크 제어가 가능해진다.

다음에, 도 9∼도 11을 이용하여, 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

도 9는 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다. 도 10은, 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 q축 인덕턴스 수정 연산부의 동작 설명도이다. 도 11은, 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 위상 오차 추정 연산부의 동작 설명도이다.

본 실시 형태의 모터 제어 장치(100b)가, 도 1에 나타낸 모터 제어 장치(100)와 다른 점은, 도 1의 모터 제어 장치(100)에 있어서의 위상 오차 추정 연산부(115) 및 위상 오차 지령 연산부(125) 대신에, 위상 오차 추정 연산부(115a) 및 q축 인덕턴스 수정 연산부(125a)를 구비하도록 한 점이다. 또한, 위상 오차 지령값 설정부(170)를 구비하고 있다.

즉, 도 1이나 도 7에 나타낸 예에서는, 토크 지령 τ*에 출력 토크 추정값 τ^이 추종하도록, 위상 오차의 지령값 Δθ_c*를 작성하고 있다.

그것에 대해, 본 예에서는, 위상 오차의 지령값 Δθ_c* 대신에 q축 인덕턴스 수정값 ΔLq*를 작성하고, q축 인덕턴스에 대한 모터 상수의 설정값 Lq*와 q축 인덕턴스 수정값 ΔLq*의 가산값으로, 위상 오차의 추정값 Δθ_c1의 추정 연산을 행하도록 하고 있다.

위상 오차 추정 연산부(115a)는, 전압 벡터 연산부(160)가 출력하는 전압 지령값 Vdc*, Vqc*와, 속도 추정 연산부(130)에 의해 추정된 속도 추정값 ω^과, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Idc, Iqc와, 미리 설정되어 있는 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)와, q축 인덕턴스의 수정값 ΔLq*에 기초하여, 회전 위상의 추정값 θ_dc와 영구 자석 동기 모터(MOT)의 회전 위상값 θ_d의 편차인 위상 오차 Δθ의 추정 연산에 의해, 위상 오차 추정값 Δθ_c1을 출력한다.

q축 인덕턴스 수정 연산부(125a)는, 차 연산부 DF1이 출력하는 편차(τ*－τ^)를 비례·적분 연산하고, 그 출력값을 q축 인덕턴스의 수정값 ΔLq*로서 출력한다.

도 10에 나타내는 바와 같이, q축 인덕턴스 수정 연산부(125a)는 토크 지령값 τ*에 출력 토크 추정값 τ^이 추종하도록, 토크 지령값 τ*와 출력 토크 추정값 τ^의 편차에 적분 게인 B를 곱하여 적분 연산을 행하여, q축 인덕턴스의 수정값 ΔLq*를 작성한다. 또한, 여기서, 적분 연산 대신에, 비례＋적분 연산이어도 되는 것이다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 위상 오차 추정 연산부(115a)는 전압 벡터 연산부(160)가 출력하는 전압 지령값 Vdc*, Vqc*와, 속도 추정 연산부(130)에 의해 추정된 속도 추정값 ω^과, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Idc, Iqc와, 미리 설정되어 있는 영구 자석 동기 모터(MOT)의 전기 상수(R, Ld, Lq, Ke)와, q축 인덕턴스의 수정값 ΔLq*에 기초하여, 위상 오차의 추정값 Δθ_c1을 식(19)에 따라서 연산한다.

차 연산부 DF2는, 위상 오차 추정 연산부(115a)가 출력하는 위상 오차 Δθ와, 위상 오차 지령값 설정부(170)가 출력하는 위상 오차의 지령값 Δθ_c*의 차(Δθ_c*－Δθ)를 연산하고, 출력한다. 또한, 위상 오차 지령값 설정부(170)가 출력하는 위상 오차의 지령값 Δθ_c*는, 여기서는, 「제로」이다. 따라서, 차 연산부 DF2는, 위상 오차 추정 연산부(115a)가 출력하는 위상 오차 Δθ를 그대로 출력하고 있다.

본 예에서도, q축 인덕턴스를 수정함으로써, 도 1에 있어서의 위상 오차 지령 연산부(125)를 설치한 경우와 동등한 토크 제어 특성을 실현할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는, 토크 추정 연산부(120)에 있어서, d축 및 q축의 전압 지령값과 전류 검출값을 사용하여 추정 연산을 행하였지만,

도 6에 나타내는 토크 추정 연산부(120a), 도 8에 나타내는 토크 추정 연산부(120b)를 사용해도 되는 것이다.

이하, 도 1∼도 11에 나타낸 제1∼제3 실시 형태에 대한 변형예에 대해 설명한다. 제1∼제3 실시 형태에서는, 제1 전류 지령값(Id*, Iq*)과 전류 검출값(Idc, Iqc)으로부터, 제2 전류 지령값(Id**, Iq**)을 작성하여, 이 전류 지령값을 이용하여 벡터 제어 연산을 행하고 있다.

그것에 대해, 예를 들어 제1 전류 지령값(Id*, Iq*)과 전류 검출값(Idc, Iqc)으로부터, 전압 보정값(ΔVd*, ΔVq*)을 작성하여, 이 전압 보정값(ΔVd*, ΔVq*)과, 제1 전류 지령값(Id*, Iq*)과, 속도 추정값 ω^과, 모터(MOT)의 전기 상수를 이용하여, 이하의 식(20)에 따라서,

전압 지령값(Vdc*, Vqc*)을 연산하도록 해도 되는 것이다.

또한, 제1∼제3 실시 형태에 대해, 제1 d축의 전류 지령 Id*(＝0)와, q축의 전류 검출값 Iqc의 1차 지연 신호 Iqctd와, 속도 추정값 ω^과, 모터(MOT)의 전기 상수를 이용하여, 이하의 식(21)에 따라서,

전압 지령값(Vdc*, Vqc*)을 연산하도록 해도 되는 것이다.

또한, 제1∼제3 실시 형태에서는, 고가의 전류 검출기(SI)에서 검출한 3상의 교류 전류 Iu, Iv, Iw를 검출하는 방식이었지만, 전력 변환기(INV)의 과전류 검출용으로 장착하고 있는 1 션트 저항에 흐르는 직류 전류 I_DC로부터, 3상의 모터 전류 Iu^, Iv^, Iw^을 재현하고, 이 재현 전류값을 이용할 수도 있다.

다음에, 도 12 및 도 13을 이용하여, 본 발명의 각 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 적용하는 작업 차량의 구성에 대해 설명한다.

도 12 및 도 13은, 본 발명의 각 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 적용하는 작업 차량의 구성도이다.

도 12는, 작업 차량의 일례로서, 포크리프트(201)의 구성을 나타내고 있다.

포크리프트(201)는, 그 차체(202)의 전방부에 좌우 한 쌍의 전방 차륜(구동륜)(203)이 설치됨과 함께, 후방부에 좌우 한 쌍의 후방 차륜(환향륜)(204)이 설치되고, 그리고 차체(202)의 전방부이며 상방에는 운전부(205)가 설치된다. 상기 차체(202)의 전단부에는 상하 방향으로 신축 가능한 마스트(206)가 차폭 방향의 마스트 연결축(207)을 통해 전후 방향으로 틸팅 가능하게 장착됨과 함께, 전후 틸팅을 행하게 하는 틸트 실린더(208)가 차체(202)와 마스트(206) 사이에 설치된다.

상기 마스트(206)는, 차체(202)측의 좌우 한 쌍의 외측 프레임(209)과, 이 외측 프레임(209)에 내측 프레임 롤러를 통해 안내되어 승강 가능한 좌우 한 쌍의 내측 프레임(211)으로 이루어지고, 그리고 외측 프레임(209)과 내측 프레임(211) 사이에 리프트 실린더(212)가 설치되어 있다. 또한, 내측 프레임측에 브래킷 롤러(213)를 통해 안내되어 승강 가능한 리프트 브래킷(214)이 설치됨과 함께, 마스트(206)와 리프트 브래킷(214) 사이에 리프트 연동 수단(215)이 설치되어 있다. 상기 리프트 브래킷(214)에는, 보유 지지 프레임체(220)를 통해 좌우 한 쌍의 포크(221)가 설치되어 있다. 상기 운전부(205)에는, 좌석(222)이나, 이 좌석(222)의 전방에 위치되는 핸들(223) 등이 배치되고, 그리고 상방에는 헤드 가드(224)가 배치되어 있다. 또한 좌석(222)의 후방이며 차체(202) 상에는 카운터 웨이트(225)가 설치되어 있다.

도 1에 나타낸 모터 제어 장치(100)에 의해 제어되는 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 차륜(구동륜)(203)을 구동시키는 주행 구동용 모터이다.

도 13은, 작업 차량의 다른 예로서, 유압 셔블(301)의 구성을 나타내고 있다.

건설 기계로서의 크롤러식 유압 셔블(301)은, 자주(自走) 가능한 하부 주행체(302)와, 상기 하부 주행체(302) 상에 선회 가능하게 탑재되고, 상기 하부 주행체(302)와 함께 차체를 구성하는 상부 선회체(303)와, 상기 상부 선회체(303)의 전방측에 부앙동(俯仰動) 가능하게 설치되고, 토사의 굴삭 작업 등을 행하는 작업 장치(304)에 의해 대략 구성되어 있다. 상부 선회체(303)의 선회 프레임(305)은 지지 구조체로 이루어지는 차체 프레임으로서 구성되어 있다.

도 1에 나타낸 모터 제어 장치(100)에 의해 제어되는 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 하부 주행체(302)에 대해 상부 선회체(303)를 선회시키기 위한 선회 모터이다.

또한, 이하, 도 14∼도 23을 이용하여, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

우선, 도 14를 이용하여, 본 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.

도 14는, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 의한 모터 구동 시스템은, 모터 제어 장치(100)와, 전력 변환기(INV)와, 영구 자석 동기 모터(PM 모터 ; 교류 모터)(MOT)와, 위치 검출기(PD)와, 토크 지령 설정부(TS)로 구성되어 있다.

영구 자석 동기 모터(PM 모터 ; 교류 모터)(MOT)는, 영구 자석 및 계자 권선을 구비한 회전자와, 전기자 권선을 구비한 고정자로 구성된다. 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 영구 자석의 자속에 의한 토크 성분과, 전기자 권선의 인덕턴스에 의한 토크 성분을 합성한 토크를 출력한다. 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 도 28을 사용하여 후술하는 바와 같이, 작업 기계에 사용되는 모터이다. 본 실시 형태의 모터 제어 장치(100)는 이러한 모터(MOT)를 제어하기 위해 사용된다.

전력 변환기(INV)는, 3상 교류의 전압 지령값 Vu*, Vv*, Vw*에 기초하여, 직류 전원(B)으로부터 공급되는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여, 영구 자석 동기 모터(MOT)에 공급하여, 영구 자석 동기 모터(MOT)의 출력 토크를 가변한다.

위상 검출기(PD)는, 모터의 위치 θ를 검출할 수 있는 리졸버나 인코더이며, 위치 검출값 θ_dc를 출력한다

모터 제어 장치(100)는 좌표 변환부(110)와, 속도 연산부(415)와, 토크 추정 연산부(120)와, 토크 수정 연산부(425)와, d축 전류 지령 설정부(140)와, 전류 지령 변환 연산부(145)와, d축 전류 제어 연산부(150)와, q축 전류 제어 연산부(155)와, 전압 벡터 연산부(160)와, 좌표 변환부(165)와, 차 연산부 DF1, DF2, DF3, DF4를 구비하고 있다.

속도 연산부(415)는, 위치 검출기(PD)에 의해 검출된 위치 검출값 θ_dc가 입력되고, PM 모터(1)의 속도 검출값 ω를 출력한다.

토크 추정 연산부(120)는, 전압 벡터 연산부(160)가 출력하는 전압 지령값 Vdc*, Vqc*와, 속도 추정 연산부(130)에 의해 추정된 속도 추정값 ω^과, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Idc, Iqc를 이용하여, 출력 토크의 추정 연산을 행하여, 토크 추정값 τ^을 출력한다.

차 연산부 DF1은, 토크 지령 설정부(TS)가 출력하는 토크 지령값 τ*와, 토크 추정 연산부(120)가 산출한 토크 추정값 τ^의 편차(τ*－τ^)를 산출한다.

토크 수정 연산부(425)는, 차 연산부 DF1의 출력인 편차(τ*－τ^)를 비례·적분 연산하여, 토크 지령의 수정값 Δτ*를 출력한다.

가산부(AD1)는, 토크 지령 설정부(TS)가 출력하는 토크 지령값 τ*와, 토크 수정 연산부(425)가 출력하는 토크 지령의 수정값 Δτ*를 가산한다.

차 연산부 DF2는, d축 전류 지령 설정부(140)가 출력하는 제1 d축의 전류 지령값 Id*와, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Idc의 편차(Id*－Idc)를 산출한다.

d축 전류 제어 연산부(150)는, 차 연산부 DF2가 산출한 편차(Id*－Idc)로부터, 제2 d축의 전류 지령값 Id**를 출력한다.

차 연산부 DF3은, 전류 지령 변환 연산부(145)가 출력하는 제1 q축의 전류 지령값 Iq*와, 좌표 변환부(110)가 출력하는 전류 검출값 Iqc의 편차(Iq*－Iqc)를 산출한다.

q축 전류 제어 연산부(155)는, 차 연산부 DF3이 산출한 편차(Iq*－Iqc)로부터, 제2 q축의 전류 지령값 Iq**를 출력한다.

즉, 본 실시 형태에서는, 모터에 대한 토크 지령값 τ*로부터 구해진 q축 전류 지령값 Iq* 및 설정되어 있는 d축 전류 지령값 Id*가, 모터에 전력 변환기를 통해 공급되는 전류 Iu, Iv, Iw에 대한 d축 및 q축 전류 검출값 dc, Iqc에 일치하도록, 모터에 공급되는 전류를 제어하고 있다. 이상의 피드백 제어에 의해, 모터의 토크가 토크 지령값에 일치하도록 모터에 공급되는 전류가 제어된다. 단, 모터 상수에 오차가 있으면, 실제로 모터로부터 출력되는 토크값은, 토크 지령값과는 다르게 된다.

다음에, 본 실시 형태의 모터 제어 장치(100)의 동작에 대해 설명하지만, 우선, 본 실시 형태의 특징인 「토크 추정 연산부(120)」 및 「토크 수정 연산부(425)」를 사용하지 않는 경우의 제어 방식의 기본 동작에 대해 설명한다.

전류 지령 변환 연산부(145)에 있어서, 토크 지령 τ*와 d축의 전류 지령 Id* 및 PM 모터(MOT)의 전기 상수를 이용하여, 식(22)에 의해 토크 지령 τ*에 상응한 q축의 전류 지령 Iq*를 연산한다.

d축의 전류 제어 연산부(150)에는, d축의 전류 지령값 Id*와 전류 검출값 Idc가 입력되고, q축의 전류 제어 연산부(155)에는 d축의 전류 지령값 Iq*와 전류 검출값 Iqc가 입력된다.

여기서는, d축의 전류 제어 연산부(150) 및 q축의 전류 제어 연산부(155)는 식(23)에 따라서, 전류 지령값 Id*, q*에, 각 성분의 전류 검출값 Idc, Iqc가 추종하도록, 비례·적분 연산을 행하여, 제2 d축 및 q축의 전류 지령값 Id**, q**를 출력한다.

여기서, Kpd : d축의 전류 제어의 비례 게인, Kid : d축의 전류 제어의 적분 게인, Kpq : q축의 전류 제어의 비례 게인, Kiq : q축의 전류 제어의 적분 게인이다.

또한, 전압 벡터 연산부(160)에 있어서, 얻어진 제2 전류 지령값 Id**, Iq**와 모터 상수(R, Ld, Lq, Ke) 및 속도 검출값 ω를 사용하여, 식(24)에 나타내는 전압 지령값 Vdc**, Vqc**를 연산하고, 3상의 PWM 인버터의 출력을 제어한다.

여기서, 모터 상수(R, Ld, Lq, Ke)는, 전압 벡터 연산부(160)의 내부에 설정값으로서 유지되어 있다. 모터 상수(R, Ld, Lq, Ke)의 값으로서는, 본 실시 형태의 모터 제어 장치(100)에 의해 구동 제어되는 영구 자석 동기 모터(MOT)의 설계값을 설정 유지하고 있다. 또한, 실제로 사용되는 개개의 영구 자석 동기 모터(MOT)의 모터 상수(R, Ld, Lq, Ke)의 값은, 영구 자석 동기 모터(MOT)의 모터 상수(R, Ld, Lq, Ke)의 설계값과는 다른 것이지만, 양자의 오차 및 개개의 영구 자석 동기 모터(MOT)의 모터 상수(R, Ld, Lq, Ke)가 경시 변화됨으로써 발생하는 설정값과의 오차는, 후술하는 토크 추정 연산부(120) 및 위상 오차 지령 연산부(125)를 사용함으로써, 보상되는 것이다.

한편, 리졸버, 인코더, 자극 위치 검출기 등의 위치 검출기(PD)에서는, 모터의 위치 θ를 검출하고, 위치 검출값 θ_dc를 얻는다.

좌표 변환부(110, 165)에서는, 이 위치 검출값 θ_dc를 사용하여, 식(25)나 식(26)에 나타내는 좌표 변환을 행하고 있다.

이상이, 토크 추정 연산부(120), 토크 수정 연산부(425)를 사용하지 않는 경우의, 토크 제어의 기본 동작이다.

다음에, 토크 추정 연산부(120), 토크 수정 연산부(425)를 설치하지 않은 경우의, 제어 특성에 대해 설명한다.

우선, 도 15∼도 18을 사용하여, 「전류 지령 변환 연산부(145)」와 「전압 벡터 연산부(160)」에 설정하는 모터 상수의 오차가 토크 제어 특성에 미치는 영향에 대해 설명한다.

도 15 및 도 17은, 모터 상수의 설정값에 오차가 없는 경우의 출력 토크의 변동의 설명도이다. 도 16 및 도 18은, 모터 상수의 설정값에 오차가 있는 경우의 출력 토크의 변동의 설명도이다.

각 도a는 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크 τ를 나타내고, 각 도b는 교류의 모터 전류 Iu를 나타낸다.

[1] Id*＝0 설정의 경우

도 14의 제어 장치에 있어서, d축의 전류 지령 Id*＝0 설정에서, 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시키는 동작을 행한다.

모터 상수의 설정값에 오차가 없는 경우는, 도 15에 나타내는 바와 같이, 오차가 없는 이상적인 상태에서는, 도 15b에 나타내는 바와 같이, 100％의 u상의 교류 전류 Iu를 발생시키고 있으므로, 도 15a에 나타내는 바와 같이, 토크 지령 τ*대로 100％의 출력 토크 τ를 얻을 수 있다.

모터 상수의 설정값에 오차가 있는 경우는, 여기서는, Lq*＞Lq, Ke*＞Ke의 관계에서 오차를 부여하고 있다.

도 16a에 나타내는 바와 같이, 토크 지령 τ*를 100％ 부여하고 있지만, 출력 토크 τ는 83％로 되어 있다. 이것은 「전류 지령 변환 연산부(145)」에 있어서, 식(27)을 연산할 때, q축의 전류 지령값 Iq*가 감소하고 있기 때문이다. 그 결과, 도 16b에 나타내는 바와 같이, u상의 교류 전류 Iu가 83％로 되어 있다.

이것은, 식(27)의 분모 성분에 Ke*가 포함되어 있으므로, Ke*에 설정 오차가 존재하면 토크에 상응한 전류를 흘릴 수 없게 된다.

[2] 최대 토크 제어 Id*＜0 설정의 경우

다음에, 도 14의 제어 장치에 있어서, d축의 전류 지령 Id*＜0 설정에서, 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시키는 동작을 행한다.

PM 모터(MOT)의 출력 토크 τ는 식(28)이다.

이 식(28)을 전개하면, 식(29)를 얻는다.

우변의 제1항은 「자석 토크 성분」, 제2항이 「릴럭턴스 토크 성분」이다. d축의 전류 지령 Id*를 수식(30)에 의해 발생시킴으로써, 릴럭턴스 토크 성분을 활용하여, 동일 토크에 있어서 모터 전류의 최소화를 행할 수 있다.

모터 상수의 설정값에 오차가 없는 경우는, 도 17a에 나타내는 바와 같이, 오차가 없는 이상적인 상태에서는, 토크 지령 τ*대로 100％의 출력 토크 τ를 얻을 수 있고, 도 17b에 나타내는 바와 같이, u상의 교류 전류 Iu는 88％로 되어 있다. 즉, 도 15보다 적은 전류로 동일 토크를 출력할 수 있다.

모터 상수의 설정값에 오차가 있는 경우는, Lq*＞Lq, Ke*＞Ke의 관계에서 오차를 부여하고 있다. 이 경우, 도 18a에 나타내는 바와 같이, 토크 지령 τ*를 100％ 부여하고 있지만, 출력 토크 τ는 81％로 되어 있어, 도 16에 비해 2％ 토크가 감소하고 있다. 도 18b에 나타내는 바와 같이, u상의 교류 전류 Iu도 74％로 감소하고 있다.

이것은 「전류 지령 변환 연산부(145)」에 있어서, 식(22)와 식(30)을 연산할 때, 분모 성분에 Ke*와 Lq*가 포함되어 있으므로, 그 설정 오차에 의해 토크 지령 τ*에 상응한 d축 및 q축의 전류 지령값을 발생시킬 수 없기 때문이다.

따라서 본 발명에서는, 「토크 추정 연산부(120)」, 「토크 수정 연산부(425)」를 도입함으로써, 토크 지령 τ*와 같은 출력 토크 τ가 얻어지는 고정밀도의 토크 제어를 실현한다.

다음에, 도 19 및 도 20을 이용하여, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 있어서, 「토크 추정 연산부(120)」, 「토크 수정 연산부(425)」를 사용한 경우의, 동작 원리에 대해 설명한다.

도 19는, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다. 도 20은, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 수정 연산부의 동작 설명도이다.

모터의 자속축으로부터 본 유효 전력 P는 식(31)로 된다.

또한, 제어의 기준축(dc－qc) 상에서 연산하는 추정값 P^은 식(31)로 된다.

도 19에 나타내는 「토크 추정 연산부(120)」에서는, 이 유효 전력의 추정값 P^을 사용하여, 출력 토크 τ의 추정 연산을 행한다.

여기서, 「모터의 자속축으로부터 관측하는 유효 전력 P」와 「기준축(dc－qc) 상에서 연산하는 추정값 P^」는 일치하는 것을 이용하여, 토크 추정 연산부(120)는 식(32)로부터, PM 모터(MOT)의 동손 성분인 R×(Idc²＋Iqc²)를 감산하고, 그 연산값을 속도 검출값 ω로 제산한 후, 상수((3/2)×Pm)을 곱하는 식(33)의 연산을 행함으로써, 식(28)의 출력 토크 τ를 고정밀도로 추정할 수 있다.

또한, 도 20에 나타내는 「토크 지령 수정부(425)」에 있어서는, 토크 지령 τ*에 출력 토크 추정값 τ^이 추종하도록, τ*와 τ^의 편차에 적분 게인 A를 곱하여 적분 연산(혹은 비례＋적분 연산이어도 됨)을 행하여, 토크 지령의 수정값 Δτ*를 작성한다.

이 수정값 Δτ*를 상위로부터 부여되는 제1 토크 지령값 τ*에 가산하여, 새로운 제2 토크 지령값 τ**를 연산하고, 전류 지령 변환 연산부(145)에 있어서, 식(22)에 의해 q축의 전류 지령값 Iq*의 연산을 행한다.

이러한 피드백·루프를 짬으로써, 고정밀도의 토크 제어를 실현할 수 있다.

여기서, 도 21 및 도 22를 이용하여, 본 실시 형태에 있어서의 출력 토크의 변동에 대해 설명한다.

도 21 및 도 22는, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템에 있어서의 출력 토크의 변동의 설명도이다.

각 도의 (A)는, 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크 τ를 나타내고, 각 도의 (B)는 교류의 모터 전류 Iu를 나타낸다.

본 발명을 사용한 경우의 토크 제어 특성에 대해 설명한다.

도 14의 제어 장치에 있어서, 「전류 지령 변환 연산부(145)」와 「전압 벡터 연산부(160)」에 설정하는 모터 상수의 설정값(Lq*, Ke*)에, Lq*＞Lq, Ke*＞Ke의 관계에서 오차를 부여하고 있다(도 15, 도 16과 동일한 조건).

[1] Id*＝0 설정의 경우

도 21에는, 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크 τ와 u상의 교류 전류 Iu의 관계를 나타낸다. 시각 t1에 있어서, 토크 지령 수정의 제어동작을 실행하고 있다. 도 15의 경우와 마찬가지로, 도 21의 (A)에 나타내는 바와 같이, τ*를 100％ 부여하고 있다. 시각 t1로부터 「파선」으로 나타내는 제2 토크 지령값 τ**는 정상적으로 120％ 발생하고 있고, 토크 지령값의 크기를 수정함으로써, 토크 지령 τ*와 같은 출력 토크 100％를 실현할 수 있다.

[2] 최대 토크 제어 Id*＜0 설정의 경우

도 22에는, 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크 τ와 u상의 교류 전류 Iu의 관계를 나타낸다.

도 18의 경우와 마찬가지로,τ*를 100％ 부여하고 있다. 시각 t1로부터 「파선」으로 나타내는 제2 토크 지령값 τ**는 정상적으로 123％ 발생하고 있고, 토크 지령값의 크기를 수정함으로써, 토크 지령 τ*와 같은 출력 토크 100％를 실현할 수 있다.

즉, PM 모터(MOT)의 모터 상수의 설정 오차에 대해 로버스트화할 수 있다.

다음에, 도 23을 사용하여, 본 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 다른 구성에 대해 설명한다.

도 23은, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 다른 구성의 설명도이다.

도 19에 나타낸 것에서는, 토크 추정 연산부(120)는 d축 및 q축의 전압 지령값과 전류 검출값을 사용하여 추정 연산을 행하였지만, 그 대신에, 도 23에 나타내는 구성으로 해도 되는 것이다. 즉, 토크 추정 연산부(120a)에서는, 3상의 전압 지령값(Vu*, Vv*, Vw*)과 3상의 전류 검출값(Iuc, Ivc, Iwc)을 사용하여, 출력 토크 τ의 추정 연산을 행한다.

식(34)의 연산을 행함으로써도 식(33)과 동등하게 출력 토크 τ를 고정밀도로 추정할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 유효 전력값으로부터 연산한 토크 추정값이, 상위로부터 부여되는 토크 지령값에 일치하도록, 새로운 제2 토크 지령값을 연산함으로써, 온라인적으로 보상을 행하여 토크 지령값과 같은 출력 토크를 실현할 수 있는 것으로 된다. 이와 같이, 모터 상수의 설정 오차도 포함하여 보상하여, 고정밀도의 토크 제어가 가능해진다.

다음에, 도 24 및 도 25를 사용하여, 본 발명의 제5 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

도 24는, 본 발명의 제5 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다. 도 25는, 본 발명의 제5 실시 형태에 의한 모터 제어 장치에 사용하는 토크 추정 연산부의 동작 설명도이다.

본 실시 형태의 모터 제어 장치(100a)가, 도 14에 나타낸 모터 제어 장치(100)와 다른 점은, 도 14의 모터 제어 장치(100)에 있어서의 토크 추정 연산부(120) 대신에, 토크 추정 연산부(120b)를 구비하도록 한 점이다.

식(35)의 연산을 행함으로써, 식(33)과 동등하게 식(28)의 출력 토크 τ를 고정밀도로 추정할 수 있다.

본 실시 형태에 의해서도, 고정밀도의 토크 제어가 가능해진다.

다음에, 도 26∼도 27을 사용하여, 본 발명의 제6 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

도 26은, 본 발명의 제6 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 사용한 모터 구동 시스템의 구성에 대해 설명한다. 도 27은, 본 발명의 제6 실시 형태에 의한 모터 제어 장치의 동작 설명도이다.

본 실시 형태의 모터 제어 장치(100b)가, 도 14에 나타낸 모터 제어 장치(100)와 다른 점은, 도 14의 모터 제어 장치(100)에 있어서의 위치 검출기(PD)를 사용하지 않는 센서리스 방식이며, 도 14의 모터 제어 장치(100)에 있어서의 위치 검출기(PD), 속도 연산부(415) 대신에, 위상 오차 추정 연산부(117), 속도 추정 연산부(130), 위상 연산부(135)를 구비하도록 한 점이다.

위상 오차 추정 연산부(117)는, 전압 지령값 Vdc*, Vqc*와 전류 검출값 Idc, Iqc와 속도 검출값 ω 및 모터 상수에 기초하여, 위치 추정값 θ_dc^과 PM 모터(MOT)의 위치 θ의 편차인 위상 오차 Δθ(＝θ_dc^－θ)의 추정 연산을 행한다.

전압 지령값 Vdc*, Vqc*와 전류 검출값 Idc, Iqc와 속도 검출값 ω 및 모터 상수에 기초하여, 위치 추정값과 모터의 위치의 편차인 위상 오차 Δθ_c를 식(36)에 의해 연산한다.

속도 추정 연산부(130)는, 위상 오차의 추정값 Δθ_c를 「제로」로 하도록, 속도 추정값 ω^의 추정 연산을 행한다.

위상 연산부(135)는, 속도 추정값 ω^을 적분하고, 위치 추정값 θ_dc^의 추정 연산을 행한다. 이러한 위치 센서리스 제어 방식에서도 상기 실시예와 마찬가지로 동작한다.

도 14의 제어 장치에 있어서, 「전류 지령 변환 연산부(145)」와 「전압 벡터 연산부(160)」에 설정하는 모터 상수의 설정값(Lq*, Ke*)에, Lq*＞Lq, Ke*＞Ke의 관계에서 오차를 부여하고 있다(도 22와 동일한 조건).

도 27은, 최대 토크 제어(Id*＜0 설정)에 있어서, 토크 지령 τ*를 100％ 스텝 변화시킨 경우의 출력 토크 τ과 u상의 교류 전류 Iu의 관계를 나타내고 있다.

시각 t1로부터 「파선」으로 나타내는 제2 토크 지령값 τ**는 정상적으로 125％ 발생하고 있고, 토크 지령값의 크기를 수정함으로써, 위치 센서리스 제어시라도 토크 지령 τ*와 같은 출력 토크 100％를 달성할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 센서리스의 경우에는, 본 실시 형태에 의해서도, 고정밀도의 토크 제어가 가능해진다.

또한, 이상의 각 실시 형태에서는, 제1 토크 지령 τ*와 토크 지령의 수정값 Δτ*를 가산하여 제2 토크 지령 τ**를 작성하였지만, 제1 토크 지령 τ*를 가산하지 않고 토크 지령의 수정값 Δτ*를 직접 제2 토크 지령 τ**로 해도 된다.

또한, 각 실시 형태에서는, 제1 전류 지령값 Id*, Iq*와 전류 검출값 Idc, Iqc로부터 제2 전류 지령값 Id**, Iq**를 작성하고, 이 전류 지령값을 이용하여 벡터 제어 연산을 행하였다.

그것에 대해 제1 전류 지령값 Id*, Iq*와 전류 검출값 Idc, Iqc의 편차를 비례＋적분 연산하여, 전압 보정값 ΔVd*, ΔVq*를 작성하고, 이 전압 보정값 ΔVd*, ΔVq*와, 제1 전류 지령값 Id*, Iq*, 속도 검출값 ω, PM 모터(MOT)의 모터 상수를 이용하여, 식(37)에 따라서 전압 지령값 Vdc*, Vqc*를 연산하는 벡터 제어 연산 방식을 적용할 수도 있다.

또한, 제1 d축의 전류 지령 Id*＝0 및 q축의 전류 검출값 Iqc의 1차 지연 신호 Iqctd 및 속도 지령값 ω*, 모터(MOT)의 모터 상수를 사용하여, 식(38)에 따라서 전압 지령값 Vdc*, Vqc*를 연산하는 벡터 제어 연산 방식에도 적용할 수 있다.

또한, 각 실시 형태에서는, 고가인 전류 검출기(PD)에서 검출한 3상의 교류 전류 Iu∼Iw를 검출하는 방식이었지만, 전력 변환기(INV)의 과전류 검출용으로 장착하고 있는 1 션트 저항에 흐르는 직류 전류 I_DC로부터, 3상의 모터 전류 Iu^, Iv^, Iw^을 재현하고, 이 재현 전류값을 이용하는 「저비용의 전동 차량 시스템」에도 대응할 수 있다.

다음에, 도 28 및 도 13을 이용하여, 본 발명의 각 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 적용하는 작업 기계의 구성에 대해 설명한다.

도 28 및 도 13은, 본 발명의 각 실시 형태에 의한 모터 제어 장치를 적용하는 작업 기계의 구성도이다.

도 28은, 작업 기계의 일례로서, 휠 로더의 구성을 나타내고 있다.

본 예의 휠 로더(501)는, 차량의 중심 부근에서 중절되어 스티어링을 꺾는 아티큘레이트 타입의 차량이며, 프로펠러 샤프트의 중절되는 부분에 센터 조인트(CJ)(515)가 조립되어 있음과 함께, 이 센터 조인트(515)보다 전방측의 프론트 프레임(550)과 후방측의 리어 프레임(560)을 갖고 있다(도 28 참조). 그리고, 센터 조인트(CJ)(515)를 사이에 두고 전후의 프로펠러 샤프트 각각에, 주행용 전동기로서 제1 전동기(M1)와, 제2 전동기(M2)가 배치되어 있다. 주행용 전동기가 회전하면, 그 동력은 프로펠러 샤프트로 전달되어, 디퍼렌셜 기어(Dif) 및 기어(G)를 통해 차륜(513)이 회전 구동하는 것이다.

또한, 엔진을 구동시키면 유압 펌프가 작동하고, 이 유압 펌프로부터 압유가 유압 작업 장치(작업 장치)(505)로 공급된다. 유압 작업 장치(505)에 공급된 압유는, 제어 밸브(C/V)를 통해 버킷, 리프트, 스티어링으로 공급되어 있고, 도시하지 않은 운전실로부터 작업자가 조작 레버 등을 조작함으로써, 버킷, 리프트, 스티어링은 소정의 동작을 행할 수 있도록 되어 있다.

모터 제어 장치에 의해 제어되는 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 차륜을 구동시키는 주행 구동용 모터와, 엔진을 어시스트하는 어시스트 모터이다. 주행 구동용 모터는, 리졸버 등의 위치 검출기(PD)를 사용하고 있다. 그로 인해, 주행 구동용 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서는, 도 14에 나타낸 모터 제어 장치(100)나 도 24에 나타낸 모터 제어 장치(100a)가 사용된다. 어시스트 모터는, 위치 검출기(PD)를 사용하고 있지 않은 것이다. 그로 인해, 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서는, 도 26에 나타낸 모터 제어 장치(100b)가 사용된다.

또한, 다른 예로서, 주행 구동용 모터를 제어하는 모터 제어 장치나, 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서는, 각각, 도 14에 나타낸 모터 제어 장치(100)나 도 24에 나타낸 모터 제어 장치(100a)를 사용할 수도 있다.

또한, 작업 기계의 다른 예로서, 도 13의 유압 셔블(301)의 구성에도 적용할 수 있다.

건설 기계로서의 크롤러식 유압 셔블(301)은, 자주 가능한 하부 주행체(302)와, 상기 하부 주행체(302) 상에 선회 가능하게 탑재되고, 상기 하부 주행체(302)와 함께 차체를 구성하는 상부 선회체(303)와, 상기 상부 선회체(303)의 전방측에 부앙동 가능하게 설치되어, 토사의 굴삭 작업 등을 행하는 작업 장치(304)에 의해 대략 구성되어 있다. 상부 선회체(303)의 선회 프레임(305)은 지지 구조체로 이루어지는 차체 프레임으로서 구성되어 있다.

모터 제어 장치에 의해 제어되는 영구 자석 동기 모터(MOT)는, 하부 주행체(302)에 대해 상부 선회체(303)를 선회시키기 위한 선회 모터와, 엔진을 어시스트하는 어시스트 모터이다. 선회 모터는, 리졸버 등의 위치 검출기(PD)를 사용하고 있다. 그로 인해, 선회 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서는, 도 14에 나타낸 모터 제어 장치(100)나 도 24에 나타낸 모터 제어 장치(100a)가 사용된다. 어시스트 모터는, 위치 검출기(PD)를 사용하고 있지 않은 것이다. 그로 인해, 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서는, 도 26에 나타낸 모터 제어 장치(100b)가 사용된다.

또한, 다른 예로서, 선회 모터를 제어하는 모터 제어 장치나, 어시스트 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서는, 각각, 도 14에 나타낸 모터 제어 장치(100)나 도 24에 나타낸 모터 제어 장치(100a)를 사용할 수 있다.

B : 직류 전원
INV : 전력 변환기
MOT : 영구 자석 동기 모터
SI : 전류 검출기
TS : 토크 지령 설정부
100, 100a, 100b : 모터 제어 장치
110 : 좌표 변환부
115, 115a, 117 : 위상 오차 추정 연산부
120, 120a, 120b : 토크 추정 연산부
125 : 위상 오차 지령 연산부
125a : q축 인덕턴스 수정 연산부
130 : 속도 추정 연산부
135 : 위상 연산부
140 : d축 전류 지령 설정부
145 : 전류 지령 변환 연산부
150 : d축 전류 제어 연산부
155 : q축 전류 제어 연산부
160 : 전압 벡터 연산부
165 : 좌표 변환부
170 : 위상 오차 지령값 설정부
415 : 속도 연산부
425 : 토크 수정 연산부

Claims

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모터에 대한 토크 지령값으로부터 구해진 전류 지령값이, 상기 모터에 전력 변환기를 통해 공급되는 전류에 대한 전류 검출값에 일치하도록, 상기 모터에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 갖는 모터 제어 장치이며,
상기 제어부는, 상기 모터가 출력하는 토크를 추정하고, 추정된 상기 모터의 토크 추정값이, 상기 토크 지령값에 일치하도록 상기 모터에 공급되는 전류를 제어하고,
상기 제어부는,
상기 모터가 출력하는 토크를 추정하는 토크 추정 연산부와,
d축 및 q축 전류 지령값과, d축 및 q축 전류 검출값과, 속도 추정값과, 모터 상수의 설정값에 기초하여, d축 및 q축 전압 지령값을 산출하는 전압 벡터 연산부와,
상기 전압 벡터 연산부가 출력하는 d축 및 q축 전압 지령값과, 상기 속도 추정값과, 상기 d축 및 q축 전류 검출값과, 상기 모터 상수의 설정값에 기초하여, 상기 모터의 회전 위상의 추정값과 상기 모터의 회전 위상값의 편차인 위상 오차의 추정값인 위상 오차 추정값을 출력하는 위상 오차 추정 연산부와,
상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차로부터, 위상 오차의 지령값을 산출하는 위상 오차 지령 연산부와,
상기 위상 오차 지령 연산부가 출력하는 위상 오차의 지령값에, 상기 위상 오차 추정 연산부가 출력하는 위상 오차 추정값이 일치하도록, 상기 속도 추정값을 출력하는 속도 추정 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 토크 추정 연산부는,
상기 d축 전압 지령값과 상기 d축 전류 검출값의 승산값과, 상기 q축 전압 지령값과 상기 q축 전류 검출값의 승산값을 가산한 제1 전력 신호로부터,
d축 및 q축 전류 검출값을 각각 제곱하고, 그들을 가산한 값에, 상기 모터의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고,
상기 감산값을 상기 속도 추정값으로 제산한 결과에, 상수를 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
제3항에 있어서, 상기 위상 오차 추정 연산부는, 상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차에 적분 게인을 곱하여 적분 연산하여, 상기 위상 오차의 지령값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 토크 추정 연산부는,
상기 전력 변환기에 대한 3상의 전압 지령값과 3상의 전류 검출값을, 3상의 각 상마다 승산하고, 그들 승산값을 가산한 제1 전력 신호로부터,
상기 3상의 전류 검출값을 각 상마다 제곱하고, 그들을 가산한 값에, 상기 모터의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고,
상기 감산값을 상기 속도 추정값으로 제산한 결과에, 상수를 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 토크 추정 연산부는,
상기 전력 변환기의 직류 전압과 직류 전류를 승산한 결과에, 상수를 곱한 제1 전력 신호로부터,
상기 d축 및 q축 전류 검출값을 각각 제곱하고, 그들을 가산한 값에, 상기 모터의 저항값을 곱한 제2 전력 신호를 감산하고,
상기 감산값을 상기 속도 추정값으로 제산한 결과에, 상수를 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
모터에 대한 토크 지령값으로부터 구해진 전류 지령값이, 상기 모터에 전력 변환기를 통해 공급되는 전류에 대한 전류 검출값에 일치하도록, 상기 모터에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 갖는 모터 제어 장치이며,
상기 제어부는, 상기 모터가 출력하는 토크를 추정하고, 추정된 상기 모터의 토크 추정값이, 상기 토크 지령값에 일치하도록 상기 모터에 공급되는 전류를 제어하고,
상기 제어부는,
상기 모터가 출력하는 토크를 추정하는 토크 추정 연산부와,
d축 및 q축 전류 지령값과, d축 및 q축 전류 검출값과, 속도 추정값과, 모터 상수의 설정값에 기초하여, d축 및 q축 전압 지령값을 산출하는 전압 벡터 연산부와,
상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차로부터, q축 인덕턴스의 수정값을 산출하는 q축 인덕턴스 수정 연산부와,
상기 전압 벡터 연산부가 출력하는 d축 및 q축 전압 지령값과, 상기 속도 추정값과, 상기 d축 및 q축 전류 검출값과, 상기 모터 상수의 설정값과, 상기 q축 인덕턴스의 수정값에 기초하여, 상기 모터의 회전 위상의 추정값과 상기 모터의 회전 위상값의 편차인 위상 오차의 추정값인 위상 오차 추정값을 출력하는 위상 오차 추정 연산부와,
상기 위상 오차 추정 연산부가 출력하는 상기 위상 오차 추정값이 0으로 되도록, 상기 속도 추정값을 출력하는 속도 추정 연산부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
제7항에 있어서, 상기 q축 인덕턴스 수정 연산부는, 상기 토크 추정 연산부가 추정한 상기 토크 추정값과 상기 토크 지령값의 편차에 적분 게인을 곱하여 적분 연산하여, 상기 q축 인덕턴스 수정값을 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
영구 자석 동기 전동기에 대한 토크 지령값으로부터 구해진 전류 지령값이, 상기 영구 자석 동기 전동기에 전력 변환기를 통해 공급되는 전류에 대한 전류 검출값에 일치하도록, 상기 영구 자석 동기 전동기에 공급되는 전류를 제어하는 제어부를 갖고,
영구 자석 동기 전동기의 토크 제어를 행하는 모터 제어 장치이며,
상기 제어부는, 상위 제어 장치로부터 부여되는 제1 토크 지령값에 상기 전력 변환기의 전력 정보로부터 구한 토크 추정값이 일치하도록, 제2 토크 지령값을 연산하고,
상기 제2 토크 지령값에 따라서 토크 제어를 행하고,
상기 모터 제어 장치는, 상기 영구 자석 동기 전동기의 자극 위치를 검출하는 위치 검출기를 구비하고,
상기 제어부는, 상기 위치 검출기에 의해 검출된 자극 위치로부터 산출된 속도 검출값과, 상기 제2 토크 지령값으로부터 구한 d축 및 q축의 전류 지령값과, 전류 검출값과, 모터 상수의 설정값에 따라서, d축 및 q축의 전압 지령값의 연산을 행하여, 상기 전력 변환기의 출력 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는, 모터 제어 장치.
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