KR20090094780A - 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법 및 장치 - Google Patents

에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자극(폴)센서 없이 폐루프 위치제어를 수행하고, 모터변수에 의존하지 않으며, 검출한 상대위치와 전류 정보를 이용하는 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법 및 장치에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법에 있어서, 에이씨 영구자석동기모터가 적용될 분야에 적합한 지령위치패턴을 설정하고, 지령위치패턴을 발생하는 단계; 지령위치패턴을 이용하여 지령속도를 계산하고, 지령속도를 이용하여 지령전류를 계산하는 단계; 지령전류가 속하는 지령위치구간들을 지령위치패턴에 의해 판단하고, 각 지령위치구간들에서 지령전류의 적분값 및 지령전류의 최종검출위치를 메모리에 저장하는 단계; 메모리로부터 호출된 지령전류의 적분값 및 상대위치 이동량(각 지령위치구간에서 위치이동량)을 이용하여 초기자극위치를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 지령전류의 적분값 대신에 지령전류의 절대치 적분값을 이용하여 초기자극위치를 추정할 수 있다. 또한 지령전류의 적분값 혹은 절대치 적분값 대신에 실제전류의 적분값 혹은 절대치 적분값을 이용하여 초기자극위치를 추정할 수 있다.
영구자석동기모터, 위치제어, 초기자극위치

Description

에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법 및 장치{Method and apparatus for estimating initial pole position of AC permanent magnet synchronous motor}
본 발명은 에이씨 영구자석동기모터(AC permanent magnet synchronous motor)의 초기자극위치추정(initial pole-position estimation) 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자극센서(magnetic pole sensor) 없이 폐루프 위치제어(full position closed loop control)를 수행하고, 모터변수에 의존하지 않으며, 검출한 상대위치와 전류 정보를 이용하는 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
영구자석동기모터를 기동시킬 때는 자극검출기(magnetic pole sensor)로부터 검출된 초기자극위치의 정보를 필요로 하는데, 영구자석동기모터는 정확하게 검출된 초기자극위치의 정보를 기초로 지령치(위치, 속도, 전류 등)에 따라 동작하도록 되어있다. 만약 검출된 초기자극위치의 정보가 영구자석동기모터의 초기자극위치로부터 ± 90도 만큼 오차가 존재하면 토크가 발생하지 않아 영구자석동기모터를 움직일 수 없으며, 만약 ± 90도 이상 오차가 존재하면 지령속도에 대하여 반대방향 으로 역회전을 하게 되는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제 때문에 영구자석동기모터에 있어서는 초기자극위치의 정보가 매우 중요하므로, 검출된 초기자극위치에 대한 정확한 정보를 얻기 위하여 지금까지 여러 가지의 초기자극추정 방법이 고안되었다.
영구자석동기모터는 공작기계 및 반도체공정과 같은 산업용 서보드라이브 분야에 폭 넓게 사용해 왔으며 적절한 제어기법을 사용하여 에너지 절감과 좋은 성능을 얻을 수 있다. 영구자석동기모터(회전형 및 리니어형 모터)를 제어하기 위해서는 초기자극위치(IPP; Initial Pole Position)의 정보가 반드시 필요하며, 일반적으로 자극(폴)센서로 검출하여 얻어진 초기자극위치(초기폴위치)의 정보를 근거로 하여 영구자석동기모터가 지령에 따라 움직이도록 제어한다.
소형화 및 저가격화와 같은 요구사항이나 초기자극위치의 오차를 발생시킬지 모르는 기계적인 설치결함가능성 때문에 모터에 자극센서를 설치하는 것을 제한하고 있다. 특히 영구자석 리니어동기모터를 구동할 때에는 값비싼 자극센서를 필요로 하며 초기자극위치의 신호를 왜곡시킬만한 열, 먼지, 전기적인 노이즈, 기계적인 진동 등에 노출되기 때문에 자극센서를 설치하지 않는 것이 반드시 필요하다.
그런데, 초기자극위치의 정보를 정확히 알지 못한다면 모터자체의 성능을 최대로 발휘할 수 없다. 예를 들면, 영구자석동기모터는 지령토크보다 작은 실제토크를 얻게 되거나 또는 영구자석동기모터가 불안정해질 수 있다. 또한, 기동시에 영구자석동기모터가 지령속도에 대해 반대방향으로 동작하여 제어할 수 없게 된다. 최근에 에이씨 영구자석동기모터에 대한 초기자극위치추정 방법이 제안되어 왔다. 상기 초기자극위치추정 방법의 원리는 전류제어루프 혹은 속도제어루프에서 제어측 및 모터측에 설정한 각각의 좌표계가 서로 일치시키도록 하고 있다. 이들 추정알고리즘은 좋은 추정결과를 보여주지만 추정시의 움직임정도(스트로크)가 크고 기계적인 외란에 약하고 구현이 복잡하다는 문제점이 여전히 남아 있다.
종래 기술로서 대한민국 특허출원번호 10-2002-7003520(2002년 03월 16일 출원)에는 "에이씨 동기모터의 초기자극 추정장치"가 개시되어 있다.
상기 종래 기술은 속도이득 제어부와, 모드구간 판단수단과, 상기 모드구간 판단수단의 결과에 따라 제1 또는 제2 주기구간을 선택하고, 제1 주기구간이 선택될 경우, 지령속도가 데이터 획득용 속도구간 안에 있는지의 여부를 판단하고, 데이터 획득용 속도구간에서 지령 토크로부터 제1 지령토크 데이터를 계산하는 제1 지령토크 연산수단과, 제2 주기구간이 선택될 경우, 지령속도가 데이터 획득용 속도구간 안에 있는지의 여부를 판단하고, 데이터 획득용 속도구간에서 지령토크로부터 제2 지령토크 데이터를 계산하는 제2 지령토크 연산수단 및 제1 및 제2 지령토크 데이터 정보를 이용하여 추정초기자극위치를 계산하는 추정초기자극위치 연산수단 들을 갖고 있는 에이씨 동기모터 제어기내에 장치되는 에이씨 동기모터용 초기자극 추정장치를 개시하고 있다. 그러나 상기 종래기술은 폐루프 위치제어에서 개시하지 않고 있으며, 또한 상대위치 이동량 정보를 이용하거나 전류적분을 이용하는 초기자극위치추정 방법 및 장치에 관해서는 개시하고 있지 않다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 위치제어루프와 같은 폐루프제어를 적용하고, 검출한 상대위치와 전류 정보를 이용하여 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 위치제어루프와 같은 폐루프제어를 적용하고, 상대위치 이동량 정보와 함께 전류의 적분 또는 전류 절대값의 적분을 이용하여 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법에 있어서, a) 상기 영구자석동기모터가 적용될 분야에 적합한 지령위치패턴을 설정하고, 상기 지령위치패턴을 발생하는 단계; b) 상기 지령위치패턴을 이용하여 지령속도를 계산하고, 상기 지령속도를 이용하여 지령전류를 계산하고, 상기 지령전류를 이용하여 지령전압을 획득하는 단계; c) 상기 지령전류가 속하는 지령위치구간들을 판단하고, 각 지령위치구간들에서 실제전류 또는 지령전류의 적분값 및 상대위치 이동량(각 지령위치구간에서 위치 이동량)을 메모리에 저장하는 단계; d) 상기 메모리로부터 호출된 전류의 적분값 및 상기 상대위치 이동량을 이용하여 상기 초기자극위치를 추정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, a) 단계시 상기 지령위치패턴을 설정한 후에, 상기 지령위치패턴으로부터 데이터 추정구간을 설정하는 단계 및 초기자극위치 추정방법을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, b) 단계시 상기 지령속도는 상기 지령위치에서 검출위치를 차감한 후에 위치게인을 곱하여 계산되고, 상기 지령전류는 상기 지령속도에서 검출속도를 차감한 후에 속도게인을 곱하여 계산되고, 상기 지령전압은 상기 지령전류에서 검출전류를 차감한 후에 전류게인을 곱하여 계산되는 것을 특징으로 한다.
또한, c) 단계의 상기 지령위치구간은 제1 지령위치구간 및 제2 지령위치구간을 포함하고, 상기 제1 지령위치구간에서는 쉬프트위치가 +45도이고, 제2 지령위치구간에서는 쉬프트위치가 -45도인 것을 특징으로 한다.
또, d) 단계시 상기 초기자극위치 추정은 하기 식을 이용하는 것을 특징으로 한다.
Figure 112009013161094-PAT00001
(여기서,
Figure 112009013161094-PAT00002
는 초기자극위치 추정값,
Figure 112009013161094-PAT00003
는 상대위치 이동량,
Figure 112009013161094-PAT00004
는 지령전류 또는 실제전류, 첨자 1 및 2는 각각 제1 및 제2 지령위치구간의 첨자를 표시한다.)
아울러, d) 단계시 상기 초기자극위치 추정은 하기 식을 이용할 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00005
(여기서,
Figure 112009013161094-PAT00006
는 초기자극위치 추정값,
Figure 112009013161094-PAT00007
는 상대위치 이동량,
Figure 112009013161094-PAT00008
는 지령전류 또는 실제전류, 첨자 1 및 2는 각각 제1 및 제2 지령위치구간의 첨자를 표시한다.)
또한, 제1 지령위치구간에서의 쉬프트위치와 제2 지령위치구간에서의 쉬프트위치가 서로 90도 차이가 되도록 각 지령위치구간의 쉬프트위치를 설정하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 식의 우변 첫항은 제1 지령위치구간에서의 쉬프트위치에 마이너스로 취하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정장치는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정장치에 있어서, 상기 영구자석동기모터를 구동시키기 위한 PWM전력변환부; 구동된 상기 영구자석동기모터의 3상교류전류를 검출하기 위한 3상교류전류검출부; 구동된 상기 영구자석동기모터의 상대위치를 검출하기 위한 상대위치검출부; 상기 상대위치검출부에서 검출된 상대위치로부터 검출속도를 계산하는 검출속도연산부; 및 상기 검출속도 및 지령전류를 이용하여 상기 영구자석동기모터의 초기자극위치를 추정하기 위한 초기자극위치추정부를 포함하되, 상기 초기자극위치추정부는 상기 지령전류 또는 실제전류의 적분값과 상기 상대위치 이동 량를 이용하여 상기 초기자극위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 적분값은 지령전류 또는 실제전류의 절대치 적분값을 이용하여 상기 초기자극위치를 추정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상대위치 정보와 함께 전류의 적분 또는 전류 절대값의 적분을 이용하여 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치를 추정함으로써 보다 정확하게 초기자극위치를 추정할 수 있다.
본 발명은 구현하기 쉽고, 폐루프 위치제어를 통해 추정시에도 거의 정지 상태임에도 불구하고 추정정밀도가 매우 좋으며, 모터구조에 구애받지 않고 적용할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우는 해당되는 발명의 상세한 설명 부분에서 그 의미를 기재하였으므로 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로 본 발명을 파악하여야 한다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명이 상기 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초기자극위치추정 방법의 원리를 도시하는 그림이다. 2개의 d-q좌표계를 가정하여 한 개의 좌표계는 제어측 좌표계(가상좌 표계, q좌표계), 다른 한 개의 좌표계는 모터측 좌표계(실제 좌표계, d좌표계)라고 칭하자. 예를 들어 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치가 제어측 좌표계에 놓여 있으며 또한 모터측 좌표계의 d축방향으로 향한다고 한다면 본 그림에서 보여준 실제의 IPP(초기자극위치)는 임의의 제어측 좌표계의 d축으로부터 임의각도만큼 떨어져 있게 된다. 전용 자극(폴)센서 없이 실제 초기자극위치를 검출하기위해서는 관련된 지령신호와 검출신호와 같은 정보를 이용함으로써 추정해야만 한다.
"일정한 자속의 조건하에 초기자극위치의 편차각과 관계없이 영구자석동기모터를 지령속도 또는 지령위치에 따라 제어하기 위해서는 동일한 토크(torque) 혹은 추력(thrust force)이 필요하다"라는 기본원리를 통해 초기자극위치를 추정할 수 있다.
지령토크
Figure 112009013161094-PAT00009
이 제어측 q축(
Figure 112009013161094-PAT00010
)에 주어진 경우에는 실제토크가 지령토크와 IPP 오차가 포함된 아래의 수학식1로 표현되며, 지령추력
Figure 112009013161094-PAT00011
이 제어측 q축(
Figure 112009013161094-PAT00012
)에 주어진 경우에는 실제토크가 지령토크와 IPP 오차가 포함된 아래의 수학식2로 표현된다. 그리고 쉬프트위치함수(
Figure 112009013161094-PAT00013
과
Figure 112009013161094-PAT00014
)는 제1 쉬프트위치
Figure 112009013161094-PAT00015
와 제2 쉬프트위치
Figure 112009013161094-PAT00016
가 서로 90도를 유지한다면 어떤 값으로도 설정가능하다.
Figure 112009013161094-PAT00017
Figure 112009013161094-PAT00018
여기서,
Figure 112009013161094-PAT00019
,
Figure 112009013161094-PAT00020
,
Figure 112009013161094-PAT00021
,
Figure 112009013161094-PAT00022
는 실제적인 절대위치,
Figure 112009013161094-PAT00023
는 피드백상대위치를 의미한다.
전류제어기에서의 위치정보는 아래의 수학식3에 의해 설정가능하며, 임의 제어측 좌표계에서의 초기자극위치의 방향을 설정할 수 있는 쉬프트함수를 포함하고 있다.
Figure 112009013161094-PAT00024
여기서,
Figure 112009013161094-PAT00025
는 추정정밀도를 높이기 위한 보상위치(compensation position)이고,
Figure 112009013161094-PAT00026
는 디폴트 IPP이다.
IPP 추정알고리즘의 원리에 따라 제1 쉬프트위치모드와 제2 쉬프트위치모드에 요구되는 필요한 토크 혹은 추력은 동일하다. 따라서 수학식1의
Figure 112009013161094-PAT00027
과 수학식2의
Figure 112009013161094-PAT00028
가 동일하게 되어, 아래의 수학식4와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112009013161094-PAT00029
토크와 q축전류를 사용하여 수학식4를 풀면, IPP의 편차각(오차)이 아래의 수학식5에 의해 계산되어지고, 추정 IPP로 대체될 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00030
상기와 같이 추정 IPP를 계산하는 방법 외에, 본 발명은 새로운 IPP 추정알고리즘을 제공한다.
실제속도 또는 실제위치가 각 쉬프트위치모드에서 동일하다면, 수학식5가 IPP 추정을 위해 이용될 수 있다. 그러나 실제속도 또는 실제위치는 각 쉬프트 위치모드에서 항상 동일한 것은 아니다. 따라서 IPP 추정의 정밀도를 향상시키기 위 해 실제속도 또는 실제위치가 각 쉬프트위치모드에서 고려되어야 한다. 짧은 동작에 있어서, 어떤 위치에 관계없이 부하가 일정하다고 가정하면 운동방정식의 부하 항은 아래의 수학식6과 같이 초기자극위치추정을 위해 무시될 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00031
여기서
Figure 112009013161094-PAT00032
는 댐핑 성분(damping factor),
Figure 112009013161094-PAT00033
은 부하,
Figure 112009013161094-PAT00034
는 관성을 의미한다. 수학식6을 적분하면 수학식7이 생성되고, 수학식8과 같이 재배열될 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00035
Figure 112009013161094-PAT00036
각 쉬프트위치모드에 대해 쉬프트위치를 ±45도로 설정한다. 수학식1 및 수학식2를 각 쉬프트위치모드에 따라 수학식8에 대입하면, 아래의 수학식9 및 수학식10이 얻어진다.
Figure 112009013161094-PAT00037
Figure 112009013161094-PAT00038
여기서
Figure 112009013161094-PAT00039
는 피드백 상대위치이며 각 쉬프트위치모드에서의 상대위치 이동량(
Figure 112009013161094-PAT00040
)이고, 1 및 2는 각각 제1 및 제2 쉬프트위치모드의 첨자를 표시한다.
만일
Figure 112009013161094-PAT00041
과
Figure 112009013161094-PAT00042
의 조건이라면, 수학식9 및 수학식10으로부터 아래의 수학식11 및 수학식12를 얻을 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00043
Figure 112009013161094-PAT00044
수학식11 및 수학식12로부터 아래의 수학식13과 같은 비례관계를 얻을 수 있 다.
Figure 112009013161094-PAT00045
IPP 오차(
Figure 112009013161094-PAT00046
)계산을 위해 수학식13을 풀면, 아래의 수학식14를 얻을 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00047
IPP 오차(
Figure 112009013161094-PAT00048
)와 추정 IPP가 동일하기 때문에, 추정 IPP(
Figure 112009013161094-PAT00049
또는
Figure 112009013161094-PAT00050
)는 수학식14에 의해 계산될 수 있다.
토크 방정식인 아래의 수학식15를 수학식14에 대입하면, 토크 정보 대신에 q축 전류를 통해 아래의 수학식16으로 표현되는 추정 IPP가 계산될 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00051
Figure 112009013161094-PAT00052
수학식15에서
Figure 112009013161094-PAT00053
는 모터의 폴쌍수(pole pair),
Figure 112009013161094-PAT00054
는 자속이며, 수학식15 및 수학식16에서
Figure 112009013161094-PAT00055
는 q축 전류로서 지령전류 또는 실제전류를 나타내며, 1 및 2는 각각 제1 및 제2 쉬프트위치모드의 첨자를 표시한다.
일반적으로 수학식16은 에이씨 영구자석동기모터의 IPP를 계산하는데 이용될 수 있다. 그러나 동일 위치구간 내에서 q축 전류의 적분구간에 따라 q축 전류에 대한 적분값이 서로 다르기 때문에 IPP 추정의 정밀도가 일정하지 않다. 만일 q축 전류의 적분구간이 잘못 설정되면, 지령위치 패턴이 같다고 하더라도 적분값이 작아지거나 무시될 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하고 추정정밀도를 향상시키기 위해서는 q축 적분값이 최대가 되어야 한다. 이것은 적분값이 크면 클수록 IPP 추정정밀도가 높아지는 것을 의미한다. 상기와 같은 조건에 따라 q축 전류의 절대값을 수학식16에 대입하면, 수학식16을 대신하여 아래의 수학식17이 IPP 추정을 계산하는데 이용될 수 있다.
Figure 112009013161094-PAT00056
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 IPP 추정을 위해 이용되는 지령위치 패턴(reference position profile)을 도시한다. IPP 계산은 제1 및 제2 쉬프트위치모드(지령위치 구간)에서 유효한 2개의 피드백 q축 전류 및 위치(상대위치 이동량)를 획득한 후에 수행된다. 실제 dq축과 가상 dq축 사이에 IPP 편차각이 존재하면, 도 3에서 도시되는 것처럼 발생토크(혹은 추력)가 지령토크(혹은 추력)에 비해 감소하게 된다. 이들 관계는 아래의 수학식18 및 수학식19에 의해 표현되고, 도4에서 이에 대한 모습이 도시된다.
Figure 112009013161094-PAT00057
Figure 112009013161094-PAT00058
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IPP 편차각에 따른 지령토크(혹은 지령추력)과 발생토크(혹은 발생추력)와의 관계를 도시한다. 도 4를 참조하면, 발생토크는 위치 편차각(deviated position)을 가지는 코사인 함수에 따라 감소된다. 만일 IPP 편차가 90°~270°의 범위 내라면, 발생토크는 지령토크에 대하여 음수이고, 모터는 제어될 수 없다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 장치를 도시한다. 도 5를 참조하면, 상기 초기자극위치추정 장치는 초기자극위치추정부(100), 위치제어부(200), 속도제어부(300), 전류제어부(400), PWM전력변 환부(500), 전류검출부(500), 영구자석동기모터(700), 상대위치검출부(800) 및 검출속도연산부(900)를 포함한다.
상기 초기자극위치추정부(100)는 1) 제1 쉬프트위치모드 또는 제2 쉬프트위치모드로 위치모드를 변환하는 기능, 2) S커브 형태를 가지는 지령위치패턴을 발생하는 기능, 3) 추정정밀도를 향상시키기 위해 보정된 위치를 조정하는 기능, 4) 전류 및 상대위치 이동량 정보를 이용하여 IPP를 계산하는 기능을 포함한다.
영구자석동기모터(700)는 지령전류에 따라 전류제어부(400) 및 PWM전력변환부(500)에 의해 구동된다. 상기 영구자석동기모터(700)는 자극(폴)센서가 없는 에이씨 영구자석동기모터이다. 3상교류전류검출부(600)가 영구자석동기모터(700)의 전류(
Figure 112009013161094-PAT00059
)를 검출하며, 상대위치검출부(800)가 영구자석동기모터(700)의 상대위치(
Figure 112009013161094-PAT00060
)을 검출한다. 검출속도연산부(900)는 상기 상대위치검출부(800)에 의하여 검출된 상대위치(
Figure 112009013161094-PAT00061
)로부터 검출속도(
Figure 112009013161094-PAT00062
)를 계산한다.
위치제어부(200)는 지령위치와 검출한 상대위치를 차감한 후에 위치게인을 곱하여 지령속도를 계산하며, 속도제어부(200)는 상기 지령속도에서 상기 검출속도연산부(900)로부터 계산한 검출속도를 차감한 후에 속도게인을 곱하여 지령전류를 계산하며, 전류제어부(400)는 상기 지령전류에서 상기 3상전류검출부(600)로부터 검출한 전류를 차감한 후에 전류게인을 곱하여 지령전압을 계산하여 PWM전력변환부(500)에 입력하여 영구자석동기모터(700)를 구동한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법을 도시한다.
먼저, 디폴트 초기자극위치를 임의각으로 설정하고(S601), 초기자극위치 추정을 위한 안전영역을 판별한다(S602).
본 발명에서 사용하는 추정식을 이용하여 초기자극위치 추정을 위해서는 우선 초기자극위치가 제 4상한 영역에 있어야 하며, 만약에 다른 영역(제 1상한, 제 2상한, 제 3상한)에 놓여 있다면 제 1 쉬프트위치구간 및 제 2 쉬프트위치구간에서 동시에 필요한 전류 및 상대위치 이동량을 계산할 수 없기 때문에 안정영역을 판단할 수 있도록 해야 한다. 상기 안정영역판단은 지령속도(혹은 위치)와 검출속도(혹은 검출위치)와의 관계를 통해 실시한다. 도 1에서의 IV로 표시된 부분이 제 4상한 구간이며, 본 발명을 개시하기 위해 필요한 안전영역판단수단이다.
그 다음에 지령위치 패턴을 설정한다(S603). 예를 들면, 도 2에서 지령위치의 진폭(①), 정지시간(②), 일정지령위치 구간시간(S커브의 정점), S커브 지령위치 구간시간(③) 등을 설정하며, 적용될 응용분야에 최적의 지령위치 패턴을 설정한다.
그 다음에 설정된 지령위치 패턴을 기초로 하여 데이터 취득구간(도 2의 ③)을 설정하고(S604), 초기자극위치의 추정방법을 설정한다(S605). 예를 들면 전류 적분을 이용하여 초기자극위치를 추정할 것인지, 또는 전류적분의 절대치를 이용하여 초기자극위치를 추정할 것인지 설정한다.
그 다음에 설정된 지령위치 패턴을 발생하고(S606), 지령위치에서 검출위치를 차감한 후 위치게인을 곱하여 지령속도를 계산하며(S607), 상기 지령속도에서 검출속도를 차감한 후 속도게인을 곱하여 지령전류를 계산한다(S608).
그 다음에 제1 지령위치구간(제1 쉬프트위치모드), 제2 지령위치구간(제2 쉬프트위치모드)을 판별하고, 그 결과에 따라 제1 지령위치구간으로부터 제2 지령위치구간으로 전환동작을 수행한다(S609).
제1 지령위치구간에서는, 쉬프트위치(
Figure 112009013161094-PAT00063
)에 +45도를 대입하고(S610), 제1 지령위치구간에서의 데이터 취득구간에 해당되면(S611) 초기자극위치 추정 데이터를 취득하고, 상기 데이터를 제1 메모리에 저장한다(S612). 예를 들면, 제1 메모리에는 지령전류 또는 검출전류의 적분값과 데이터취득 최종구간에서의 검출위치(제 1 지령위치구간에서의 상대위치 이동량)가 저장된다.
제2 지령위치구간에서는, 쉬프트위치(
Figure 112009013161094-PAT00064
)에 -45도를 대입하고(S620), 제2 지령위치구간에서의 데이터 취득구간에 해당되면(S621) 초기자극위치추정 데이터를 취득하고, 상기 데이터를 제2 메모리에 저장한다(S622). 예를 들면, 제1 메모리에는 지령전류 또는 검출전류의 적분값과 데이터취득 최종구간에서의 검출위치(제 2 지령위치구간에서의 상대위치 이동량)가 저장된다.
그 다음에 제2 지령위치구간이 종료되면(S623), 메모리로부터 제1 및 제2 호출 데이터를 호출한다(S624). 예를 들면, 제1 호출데이터는 상기 제1 메모리에 저장된 지령전류 또는 검출전류의 적분값과 데이터취득 최종구간에서의 검출위치(제 1 지령위치구간에서의 상대위치 이동량)를 포함하고, 제2 호출데이터는 상기 제2 메모리에 저장된 지령전류 또는 검출전류의 적분값과 데이터취득 최종구간에서의 검출위치(제 2 지령위치구간에서의 상대위치 이동량)를 포함한다.
그 다음에 상기 제1 호출데이터 및 제2 호출데이터를 이용하여 초기자극위치를 추정한다(S625).
도 7은 IPP 오차가 특정한 값으로 주어진 경우에 IPP 추정결과를 도시한다. 도 7은 부하가 존재하지 않는 경우에 IPP 편차각(오차)이 +15도일 때 IPP 추정 결과를 나타낸다. 도 7에서, 위에서 첫 번째 그래프는 지령위치[deg] 및 피드백 위치[deg]를 나타내며, 두 번째 그래프는 지령 속도[rpm] 및 피드백 속도[rpm]을 나타내고, 세 번째 그래프는 q축 지령 전류[A] 및 q축 피드백 전류[A]를 나타내며, 네 번째 그래프는 q축 전류를 기준으로 한 절대치 적분값[A]을 나타내고, 다섯 번째 그래프는 IPP 편차각[deg] 및 IPP 추정값[deg]을 나타낸다.
도 7에 도시된 것처럼, 모터가 움직이는 거리는 지령위치 피크 내로 억제되고, 추정은 매우 짧은 순간에 수행된다. 각 위치 간격동안 축적되는 q축 전류 절대치의 적분값 때문에 매우 높은 추정 정밀도가 얻어진다. 수학식16을 이용한 적분값과 수학식 17을 이용한 절대치 적분값은 각각 IPP를 추정하기 위해 이용될 수 있다.
추정 결과는 아래의 표1과 같다. 표1은 임의의 IPP 편차각에서 추정값의 변동은 수학식17을 이용하는 경우에 더 작다는 것을 보여준다. 따라서 본 발명에 따 른 전류의 절대치 적분을 이용한 IPP 추정방법은 자극(폴)센서를 가지지 않는 정밀한 서보모터와 같은 응용분야에서 매우 효율적이고 경제적이다.
Figure 112009013161094-PAT00065
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초기자극위치추정 방법의 원리를 도시하는 도면
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 IPP 추정을 위해 이용되는 지령위치 패턴을 도시하는 도면
도 3은 본 발명의 일실시예에 IPP 편차각에 따른 기계적 거동을 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IPP 편차각에 따른 발생추력과 지령추력과의 관계
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 장치를 나타내는 블록도
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 에이씨 영구자석동기모터의 초기자극위치추정 방법을 나타내는 흐름도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 IPP 오차가 특정한 값으로 주어진 경우에 IPP 추정결과를 나타내는 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 초기자극위치추정부 200 : 위치제어부
300 : 속도제어부 400 : 전류제어부
500 : PWM전력변환부 600 : 3상교류전류검출부
700 : 영구자석동기모터 800 : 상대위치검출부
900 : 검출속도연산부

Claims (10)

  1. 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법에 있어서,
    a) 상기 영구자석동기모터가 적용될 분야에 적합한 지령위치패턴을 설정하고, 상기 지령위치패턴을 발생하는 단계;
    b) 상기 지령위치패턴을 이용하여 지령속도를 계산하고, 상기 지령속도를 이용하여 지령전류를 계산하고, 상기 지령전류를 이용하여 지령전압을 계산하는 단계;
    c) 상기 지령전류가 속하는 지령위치구간들을 판단하고, 각 지령위치구간들에서 실제전류 또는 지령전류의 적분값 및 상대위치 이동량(각 지령위치구간에서 위치 이동량)을 메모리에 저장하는 단계;
    d) 상기 메모리로부터 호출된 전류의 적분값 및 상기 상대위치 이동량을 이용하여 상기 초기자극위치를 추정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    a) 단계시 상기 지령위치패턴을 설정한 후에, 상기 지령위치패턴으로부터 데이터 추정구간을 설정하는 단계 및 초기자극위치 추정방법을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    b) 단계시 상기 지령속도는 상기 지령위치에서 검출위치를 차감한 후에 위치게인을 곱하여 계산되고, 상기 지령전류는 상기 지령속도에서 검출속도를 차감한 후에 속도게인을 곱하여 계산되고, 상기 지령전압은 상기 지령전류에서 검출전류를 차감한 후에 전류게인을 곱하여 계산되는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    c) 단계의 상기 지령위치구간은 제1 지령위치구간 및 제2 지령위치구간을 포함하고, 상기 제1 지령위치구간에서는 쉬프트위치가 +45도이고, 제2 지령위치구간에서는 쉬프트위치가 -45도인 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    d) 단계시 상기 초기자극위치 추정은 하기 식을 이용하는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
    Figure 112009013161094-PAT00066
    (여기서,
    Figure 112009013161094-PAT00067
    는 초기자극위치 추정값,
    Figure 112009013161094-PAT00068
    는 상대위치 이동량,
    Figure 112009013161094-PAT00069
    는 지령전류 또는 실제전류, 첨자 1 및 2는 각각 제1 및 제2 지령위치구간의 첨자를 표시한다.)
  6. 제 1 항에 있어서,
    d) 단계시 상기 초기자극위치 추정은 하기 식을 이용하는 것을 특징으로하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
    Figure 112009013161094-PAT00070
    (여기서,
    Figure 112009013161094-PAT00071
    는 초기자극위치 추정값,
    Figure 112009013161094-PAT00072
    는 상대위치 이동량,
    Figure 112009013161094-PAT00073
    는 지령전류 또는 실제전류, 첨자 1 및 2는 각각 제1 및 제2 지령위치구간의 첨자를 표시한다.)
  7. 제 4 항에 있어서,
    제1 지령위치구간에서의 쉬프트위치와 제2 지령위치구간에서의 쉬프트위치가 서로 90도 차이가 되도록 각 지령위치구간의 쉬프트위치를 설정하는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 식의 우변 첫항은 제1 지령위치구간에서의 쉬프트위치에 마이너스로 취하는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정방법.
  9. 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정장치에 있어서,
    상기 영구자석동기모터를 구동시키기 위한 PWM전력변환부;
    구동된 상기 영구자석동기모터의 3상교류전류를 검출하기 위한 3상교류전류검출부;
    구동된 상기 영구자석동기모터의 상대위치를 검출하기 위한 상대위치검출부;
    상기 상대위치검출부에서 검출된 상대위치로부터 검출속도를 계산하는 검출속도연산부; 및
    상기 검출속도 및 지령전류를 이용하여 상기 영구자석동기모터의 초기자극위치를 추정하기 위한 초기자극위치추정부를 포함하되,
    상기 초기자극위치추정부는 상기 지령전류 또는 실제전류의 적분값과 상기 상대위치 이동량를 이용하여 상기 초기자극위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적분값은 지령전류 또는 실제전류의 절대치 적분값을 이용하여 상기 초기자극위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 영구자석동기모터의 초기자극위치 추정장치.
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