KR20100051120A - 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법 - Google Patents

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Abstract

정지 마찰이 존재하면, 자극 위치 추정에 이용하는 오차 토크가 정지 마찰보다 작아진 시점에서, 자극 위치 추정이 완료되기 때문에 자극 편차가 남아 버린다. 정의 정지 마찰보다 작아진 경우에는 정의 자극 편차가, 부의 정지 마찰보다 작아진 경우에는 부의 자극 편차가 남는다고 하는 과제가 있었다.
해결 수단으로서, 자극 오차 추정값의 초기값을 정방향과 부방향으로 변경한 시퀀스를 행함으로써, 정방향 동작과 부방향 동작을 행하여 얻어지는 정의 자극 편차를 포함하는 자극 오차 추정값과 부의 자극 편차를 포함하는 자극 오차 추정값으로부터 참의 자극 오차 추정값을 추정함으로써, 정지 마찰에 의한 추정 오차를 삭감할 수 있다.

Description

교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법{MAGNETIC POLE POSITION ESTIMATION METHOD FOR AC SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 리니어 모터를 포함하는 교류 동기 전동기의 자극 위치의 검출에 관한 것이다.
교류 동기 전동기를 이용한 서보 제어에 있어서는, 토크를 유효하게 발생시키기 위해 전류를 모터의 자속 방향인 d축과 그것에 직교하는 토크 방향인 q축으로 분리하여 각각의 전류 제어를 행하는, 이른바 벡터 제어가 일반적으로 행해진다. 벡터 제어를 행하기 위해서는 정확한 자극 위치의 검출이 필요하다.
리니어 모터에서는, 인크리멘털 인코더(incremental encoder)와 조합하여 이용되는 일이 많으나, 인크리멘털 인코더는 상대 위치밖에 검출할 수 없기 때문에 초기 자극 위치의 검출이 필요하다. 초기 자극 위치 검출의 정밀도가 나쁘면 실(實)모터의 자극 위치와 제어계가 검출한 자극 위치가 어긋나 버리는 축 어긋남 현상이 발생한다.
한편, 회전형 모터에서는, 앱술루트 인코더(absolute encoder)와 조합하여 이용하여, 미리 자극 위치를 검출하여 보존하는 것이 일반적으로 행해진다. 앱설루트 인코더를 이용한 경우에 초기 자극 위치의 검출은 필요없으나, 장착 미스가 있는 경우 등에도 축 어긋남이 발생한다. 축 어긋남이 발생하면, 토크 제어 정밀도의 악화나 최대 발생 토크의 감소 등이 생긴다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2002－247881호 공보
비특허 문헌 1: 전기학회 논문 잡지 D, Vol. 122, No. 9, 2002
종래 기술예 1로서 전기학회 논문 잡지 D, Vol. 122, No. 9, 2002에 기재된 「인크리멘털 인코더 부착 브러시리스 DC 서보 모터의 자극 위치 검출법과 제어」의 기술이 있다. 이 기술은, 실모터의 제어 위치(이하, 실모터 자극 위치)와 제어계가 검출한 자극 위치(이하, 제어 자극 위치)의 d축 위치가 일치하고 있는 경우, d축 전류를 흘려도 토크가 발생하지 않지만, 실모터 자극 위치와 제어 자극 위치가 어긋나 있는 경우에, d축 전류를 흘리면 축 어긋남량에 따른 토크가 발생하는 원리를 이용하고 있다. 구체적으로, 전류 지령에 자극 위치 검출용의 신호를 인가하여, 제어 자극 위치와 실모터 자극 위치의 자극 오차로 발생하는 토크에 의한 모터 속도를 검출하고, 그것을 PI 보정한 것을 이용하여 좌표 변화 위치를 수정하면, 최종적으로 축 어긋남량을 0으로 수속(收束)시킬 수 있고, 자극 위치를 추정할 수 있는 것이다.
그러나 외란(外亂)이 존재하는 경우, 특히 정지 마찰이 큰 경우에는, 자극 위치 추정에 이용하는 토크분이 마찰 토크에 묻혀 버리기 때문에, 큰 추정 오차가 남는 문제가 있다. 이 문제점에 대해, 자극 위치 검출용의 신호의 진폭을 크게 하는 것에 의해 추정 오차를 삭감하는 것이 종래 기술에서는 제안되고 있지만, 그 경우에는 자극 위치 추정시 모터의 이동량이 커지거나 소음이 커지는 등의 과제가 있다. 또, 전류 진폭에는 앰프 용량에 따른 한계가 존재하기 때문에, 자극 위치 검출용의 신호의 진폭을 크게 하는 것에 의해 추정 오차를 삭감하는 수법에는 한계가 있다고 하는 과제가 있다.
한편, 일본 특개 2002－247881호 공보에 기재된 기술이 있다. 이 기술은 모터에 자극 위치 검출용의 전류를 인가하고, 그에 의해 발생한 자계(磁界)를 향하여 자극이 끌어당겨질 때의 위치 정보를 독취(讀取)하고, 그것을 바탕으로 자극 위치를 추정한다. 이 때에, 전류를 인가하는 위상을, 기준 위상 ＋0도, 기준 위상 ＋180도, 기준 위상 -90도, 기준 위상 ＋90도로 시프트시키고 그때마다의 변위 정보를 검출하여, 그 변위 정보로부터 자극 위치를 추정하는 것이다. 검출용의 전류 위상을 기준 위상 -90도, 기준 위상 ＋90도로 시프트시킨 결과를 이용하여 자극 위치를 계산하기 때문에, 정지 마찰의 영향에 의한 자극 검출 정밀도의 악화를 삭감하는 것이 가능하게 된다.
그렇지만 이하의 과제가 있다. 첫번째로, 적당하게 짧은 시간만 지령을 인가하고, 또한 바로 지령을 인가할 방향을 단시간에 전환함으로써 이동량을 작게 하는 수법을 이용하고 있어, 위치 또는 속도의 피드백 제어 루프에 의해 모터의 이동량을 제어하는 방식은 아니기 때문에, 예를 들어 추정용 신호의 진폭에 대해 마찰이 지극히 작은 경우 등, 조건에 따라서는 모터의 실이동량을 충분히 작게 할 수 없다고 하는 과제가 있다. 또한 이 방식은 피드백 제어와 같은 수속 동작이 아니기 때문에 수속하면 다음 시퀸스로 전환하는 방법을 이용하지 못하여, 전환하는 시간을 적당하게 설정할 필요가 있어, 그 조정이 어렵다고 하는 과제가 있다.
두번째로, 대각(對角)인 계자(界磁) 위상 지령을 페어(pair)로 차례로 발생시키는 것에 의해, 미소 회전량으로서 또한 회전 위치가 원래대로 돌아가게 된다고 하는 기재가 있지만, 자극 위치 검출시에 위치 또는 속도의 피드백 제어 루프를 구성하고 있지 않기 때문에, 1회의 검출 모드에 있어서 원래의 위치로 돌아오는 동작은 행해지지 않아, 검출 개시 전후의 자극 위치가 동일하게 되는 것이 보증되지 않는다고 하는 과제가 있다. 정(正)방향과 부(負)방향에서 외란이 다른 경우 등에는, 검출 개시 전후의 모터 위치가 다르게 된다고 하는 과제가 있다. 특히 검출 동작을 다수 반복하면 서서히 위치가 어긋난다고 하는 과제가 있다. 이 과제에 대해 종래 기술에서는 위치ㆍ속도 제어 장치를 가지는 구성에 대해 기재가 되어 있으나, 통상 이용되는 위치ㆍ속도 제어 루프에서 자극 위치가 어긋나 있는 경우에는 루프가 정상적으로 기능하지 않기 때문에 기재된 구성은 의미를 이루고 있지 않다.
세번째로, 본 기술예에서는 자극 추정에 아크탄젠트(arctangent)를 이용하기 때문에, 연산 부하가 크고, 연산 시간이 걸린다고 하는 과제가 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 모터 검출기에 의한 검출 결과를 위치 또는 속도 제어기에 입력하여 모터의 위치 또는 속도를 제어하고, 위치 또는 속도 제어기의 출력인 자극 오차 추정값을 이용하여 좌표 변환을 행하고, 모터에 인가하는 전압 또는 전류의 위상을 변환하여, 자극 오차 추정값을 모터 자극 위치와 제어 자극 위치의 차인 자극 오차 참(true)값에 근접시키는 것에 의해, 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 방법에 있어서, 미리 정해진 기준 위상으로부터 ＋
Figure pct00001
의 위상인 제1 자극 오차 추정값을 입력하는 제1 자극 오차 입력 단계와; 제1 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 정방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 자극 오차 참값에 근접시키는 정방향 이동 단계와; 정방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속했을 때의 위상인 제1 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제1 이동 위상 기억 단계와; 기준 위상으로부터 -
Figure pct00002
의 위상인 제2 자극 오차 추정값을 입력하는 제2 자극 오차 입력 단계와; 제2 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 부방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 자극 오차 참값에 근접시키는 부방향 이동 단계와; 부방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속했을 때의 위상인 제2 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제2 이동 위상 기억 단계와; 제1 이동 위상 기억 단계와, 제2 이동 위상 기억 단계에 의해 기억된 자극 오차 추정 수속값에 기초하여 참의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 단계를 구비한 것이다.
모터 검출기에 의한 검출 결과를 위치 또는 속도 제어기에 입력하여 이 모터의 위치 또는 속도를 제어하고, 위치 또는 속도 제어기의 출력인 자극 오차 추정값을 이용하여 좌표 변환을 행하고, 모터에 인가하는 전압 또는 전류의 위상을 변환하고, 자극 오차 추정값을 모터 자극 위치와 제어 자극 위치의 차인 자극 오차 참값에 근접시키는 것에 의해, 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 방법에 있어서, 미리 정해진 기준 위상으로부터 ＋
Figure pct00003
의 위상인 제1 자극 오차 추정값을 입력하는 제1 자극 오차 입력 단계와; 제1 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 정방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 자극 오차 참값에 근접시키는 정방향 이동 단계와; 정방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속했을 때의 위상인 제1 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제1 이동 위상 기억 단계와; 기준 위상으로부터 -
Figure pct00004
의 위상인 제2 자극 오차 추정값을 입력하는 제2 자극 오차 입력 단계와; 제2 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 부방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 참값에 근접시키는 부방향 이동 단계와; 부방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속했을 때의 위상인 제2 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제2 이동 위상 기억 단계와; 제1 이동 위상 기억 단계와, 제2 이동 위상 기억 단계에 의해 기억된 자극 오차 추정 수속값에 기초하여 참의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 단계로 구성되기 때문에, 추정용 신호의 진폭을 크게 하지 않아도 정지 마찰력에 의한 검출 오차를 삭감할 수 있다. 또, 검출 동작시 모터의 이동량을 삭감할 수 있고, 검출 개시 전후의 자극 위치가 동일하게 되어, 자극을 추정하는 차이의 연산 부하는 작고 연산 시간이 짧아도 된다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 제어 블록 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 위치ㆍ속도 제어부의 제어 블록도의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 자극 위치 추정의 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 자극 위치 추정 동작시 모터 위치(θ m)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 제어 블록 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태 3에 있어서 제어 블록 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 4에 있어서 제어 블록 구성을 나타내는 도면이다.
실시 형태 1.
본 실시 형태에 있어서 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 장치의 구성을 설명한다. 도 1은 본 실시 형태에 있어서 자극 위치 검출의 제어 블록의 구성도를 나타낸다.
전류 제어부(1)는 dq축 전류 지령과 dq축 전류 피드백값에 의해 전류 제어를 행하여 dq축 전압 지령을 출력한다. 전류 제어는 일반적으로 비례 적분 제어가 행해진다. dq／uvw 좌표 변화부(2)는 후술하는 제어 자극 위치 정보를 바탕으로 dq축 전압을 좌표 변환하여 3상 전압을 출력한다. 인버터부(3)는 전압 지령에 기초하여 전력 변환을 행하고, 모터(5)를 구동하는 전압을 발생시킨다. uvw/dq 좌표 변환부(4)는 제어 자극 위치 정보를 바탕으로 3상 전류를 좌표 변환하여 dq축 전류 피드백값을 출력한다. 전기각 연산부(7)는 모터의 회전부 또는 가동부에 접속된 검출기(6)로 검출한 실모터 위치를 전기각 위치로 변환한다. 위치/속도 제어부(8)는 제어 자극 위치인 모터 위치 지령(θ m *)과 검출기(6)로 검출한 모터 자극 위치인 모터 위치(θ m)로부터 위치 제어 또는 속도 제어를 행하여 자극 오차 추정값(θ e)을 출력한다. 또한, 제어 자극 위치 정보는 전기각 연산부(7)로부터 출력된 전기각 위치에 위치/속도 제어부(8)로부터의 자극 오차 추정값(θ e)을 가산한 것을 제어 자극 위치(θ ce)로서 이용하고 있다.
다음으로 도 2를 이용하여 위치/속도 제어부(8)의 일례를 상세하게 설명한다. 도 2는 위치 비례 제어 또한 속도 적분 제어로 구성한 예이다. 위치 비례 게인부(101)는 모터 위치 지령(θ m *)과 모터 위치(θ m)의 편차에 위치 비례 게인을 곱셈하여 모터 속도 지령을 출력한다. 속도 연산부(102)는 모터 위치를 미분 또는 유사 동작을 행하여 모터 속도를 연산한다. 속도 비례 게인부(103)는 모터 속도 지령과 모터 속도의 편차에 속도 비례 게인을 곱셈한다. 속도 적분 연산부(104)는 모터 속도 지령과 모터 속도의 편차에 속도 적분 게인을 곱셈하여 그 결과를 적분기에 가산한다. 위치ㆍ속도 제어부 출력인 자극 오차 추정값은 속도 비례 게인부(103)와 속도 적분 연산부(104)의 출력을 가산한 것으로 한다. 이 위치/속도 제어부(8)에 의해, 자극 오차 추정값은 모터 자극 위치와 제어 자극 위치의 차인 자극 오차 참값에 가까워진다.
다음으로 도 3을 이용하여 본 실시 형태에 있어서 자극 위치 추정 방법을 설명한다. 추정용 전류 신호 Ip로서 일정 진폭의 직류 신호를 인가했을 때, 제어 자극 위치와 실모터 자극 위치에 자극 오차가 존재하면, 이 자극 오차에 따른 오차 토크가 발생한다. 정방향으로 어긋나 있는 경우에는 정의 오차 토크가 발생하고, 부방향으로 어긋나 있는 경우에는 부의 오차 토크가 발생하므로, 모터는 그 오차 토크가 외란 토크로서 작용하는 것에 의해 모터 위치가 이동하는 것을 이용하여 자극 위치를 추정하는 것이다. 여기서는 오차 토크인 외란 토크를 발생시키는 방법으로서, d축 전류에 고정의 추정용 신호를 인가하고, 자극 오차 추정값을 참의 자극 위치로부터 어긋나게 하는 방법을 채용한다.
본 실시 형태에서는, 모터 위치를 이동시키지 않는 제어를 하기 위해, 미리, 모터 위치 지령(θ m *)=0을 부여한다. 위치/속도 제어부(8)는 검출기(6)로 검출한 모터 위치(θ m)의 변화에 따라 위치ㆍ속도 제어를 행하고, 정방향으로 이동하고 있는 경우에는 정의 자극 오차 추정값을, 부방향으로 이동하고 있는 경우에는 부의 자극 오차 추정값을 출력한다. 얻어진 자극 오차 추정값으로 제어 자극 위치를 모터 전기각 위치에 가산하여 제어 자극 위치를 갱신하는 것으로 추정용 전류 신호를 인가할 방향을 변화시켜, 오차 토크를 감소시킬 방향으로 제어가 행해져 최종적으로는 오차 토크가 0으로 되고, 모터 위치가 정지한 곳에서 수속하여, 자극 오차 추정값은 자극 오차 참값에 가까워진다. 그 때의 자극 오차량은 거의 0으로 된다. 이상과 같은 동작에 의해 자극 위치 추정이 행해진다.
또 자극 오차 추정값을 입력한 경우, 자극 위치 추정에 의해 모터 위치가 이동하면, 모터 위치 지령(θ m *=0)과 모터 위치(θ m)에 편차가 발생하기 때문에, 그 편차를 억제하는 방향으로 위치/속도 제어부(8)는 동작하고, 출력인 자극 오차 추정값에 의해 도 1의 dq／uvw 좌표 변환부(2), uvw/dq 좌표 변환부(4)에 이용하는 제어 자극 위치를 제어한다. 모터 위치 지령(θ m *=0)과 모터 위치(θ m)에 편차가 존재하는 동안은, 도 2의 속도 적분 연산부(104)의 적분기에 값이 축적되어서 자극 오차 추정값의 출력을 계속 조작하므로, 모터 위치(θ m)가 모터 위치 지령(θ m *=0)에 가까워져, 최종적으로 수속값에 도달한 시점에서는 모터 위치 지령(θ m *=0)과 모터 위치(θ m)의 편차가 0으로 된다. 이상의 동작에 의해 본 구성에서 자극 오차 추정값은 자극 오차 참값에 가까워져, 자극 위치 추정과 동시에 모터의 속도ㆍ위치 제어가 행해진다. 즉, 모터 검출기(6)에 의한 검출 결과를 위치 또는 속도 제어기(8)에 입력하여 모터의 위치 또는 속도를 제어하고, 위치 또는 속도 제어기(8)의 출력인 자극 오차 추정값(θ e)을 이용하여 좌표 변환을 행하고, 모터에 인가하는 전압 또는 전류의 위상을 변환하여, 자극 오차 추정값(θ e)을 모터 자극 위치와 제어 자극 위치의 차인 자극 오차 참값에 근접시키는 것에 의해, 자극 위치를 추정하는 것이다.
다음으로 실시 형태 1에 있어서 자극 위치 추정 시퀀스를 도 3에 나타낸다. 우선, 시퀀스 S1에서는, 자극 오차 추정값의 초기값을 적당한 각도 상태(예를 들어, β)에서, 자극 위치 추정을 실시한다. 이어서 시퀀스 S2에 있어서, 시퀀스 S1의 자극 오차 추정값의 수속값으로부터 약 -90도 또는 약 ＋90도 어긋난 위치를 자극 오차 추정값(시퀀스 S1에 있어서 β가 플러스인 경우에는 약 -90도이며, 시퀀스 S1에 있어서 β가 마이너스인 경우에는 약 ＋90도임)의 초기값으로서 설정하여 자극 위치 추정을 하고, 기준 위상을 산출한다.
다음으로 시퀀스 S3에 있어서, 시퀀스 S2의 자극 오차 추정값의 수속값인 기준 위상으로부터 ＋90도 어긋난 위치를 자극 오차 추정값의 초기값으로서 설정하고 자극 위치 추정을 실시하여 그 수속값을 기억한다. 다음으로, 시퀀스 S4에 있어서, 시퀀스 S2의 자극 오차 추정값의 수속값인 기준 위상으로부터 -90도 어긋난 위치를 자극 오차 추정값의 초기값으로 설정하고 자극 위치 추정을 실시하여 그 수속값을 기억한다. 또한, 본 실시 형태에서는 S3 및 S4에 있어서 ±90도 어긋나게 하여 설명하였으나, 본원 발명은 이에 한정되지 않으며, S3과 S4의 자극 오차 추정값은 정부가 반대이면 되며, 예를 들어 ±
Figure pct00005
이어도 된다.
마지막으로 시퀀스 S5에 있어서, 시퀀스 S3과 시퀀스 S4에서 얻어진 자극 오차 추정값의 수속값의 평균값을 취하고 그것을 최종의 자극 오차 추정값으로 한다.
자극 오차 추정값(θ e)의 초기값의 입력은, 실시 형태 1에 있어서, 도 2의 속도 적분 연산부(104)의 적분 갱신값에 입력하는 것에 의해 가능하다. 시퀀스 완료 시점에 있어서, 자극 오차 추정값(θ e)의 수속값은 도 2와 같은 구성인 경우 속도 적분 연산부(104)의 적분 갱신값이 거의 그 값이 된다. 따라서, 적분 갱신값을 독출하고, 그 값으로 어긋난 값을 가감산한 결과를, 재차 다시 설정하는 것에 의해 다음의 시퀀스에 있어서 초기값으로 하는 것이 가능하다.
시퀀스 S1, S2의 목적은, 자극 위치를 180도 어긋나 오추정해 버리는 것을 방지하는 것이다. 도 1에서 설명한 제어 블록에 의한 자극 위치 추정에서, 자극 오차가 180도 근방인 경우에는 오차 토크가 발생하지 않기 때문에 자극 위치 추정이 불가능하다. 그러면 한 번의 시퀀스 완료 후에는 자극 오차 0도 또는 180도 중 어느 상태에 있는지 구분이 불가능하다. 따라서, 시퀀스 S1, S2와 같이 90도 어긋나 여자하는 것에 의해 180도 어긋난 상태에서도 반드시 자극 위치 추정이 기능하도록 하는 것이 가능하게 된다. 상기의 결과, 시퀀스 S2의 완료시에는 자극 편차량은 거의 0으로 되어 있어, 제어 자극 위치는 모터 자극 위치에 거의 일치하게 된다.
시퀀스 S3, S4의 목적은 정지 마찰의 영향을 제거하는 것이다. 정지 마찰이 존재하면, 자극 위치 추정에 이용하는 오차 토크가 정지 마찰보다 작아진 시점에서, 자극 위치 추정이 완료되기 때문에 자극 편차가 남아 버린다. 정의 정지 마찰보다 작아진 경우에는 정의 자극 편차가, 부의 정지 마찰보다 작아진 경우에는 부의 자극 편차가 남는다. 따라서 시퀀스 S3, S4에 의해 자극 오차 추정값의 초기값을 정방향과 부방향으로 변경한 시퀀스를 행함으로써, 정방향 동작과 부방향 동작을 행하여 얻어지는 정의 자극 편차를 포함하는 자극 오차 추정값과 부의 자극 편차를 포함하는 자극 오차 추정값으로부터 참의 자극 오차 추정값을 추정함으로써, 정지 마찰에 의한 추정 오차를 삭감하는 것이 가능하게 된다. 정방향 동작시와 부방향 동작시 정지 마찰의 크기가 동일하면 완전하게 상쇄할 수 있게 되기 때문에, 이론적으로는 추정 오차를 완전하게 0으로 하는 것이 가능하다.
정지 마찰의 영향을 상쇄하기 위해, 본 실시 형태에서는 정방향 동작시와 부방향 동작시 자극 오차 추정값의 평균값을 취하고 있지만, 정지 마찰을 양(陽)으로 추정하고 그 결과를 이용하여 참의 자극 오차 추정값을 계산해도 된다. 직류 전류 신호 Ip를 인가한 경우, 정지 마찰의 크기는 하기 식으로 구할 수 있다.
Figure pct00006
또한 시퀀스 S2의 동작 방향에 의한 조건 분기를 이용하면, 시퀀스 S3, S4 중 어느 쪽을 삭감하는 것도 가능하다.
또 각 시퀀스의 자극 오차 추정값의 수속값으로는, 위치/속도 제어부(8)의 출력의 값을 이용하는 것으로 하고 있으나, 위치 또는 속도의 적분 제어를 행하고 있는 경우에는 적분항 출력을 이용해도 된다. 또 위치 제어를 구성한 상태이면 제어 자극 위치 정보를 이용해도 된다.
여기서 위치ㆍ속도 제어 게인의 설계 방법에 대해 설명한다. 1 시퀀스 내에 있어서 모터 위치 θ m의 최대 이동량 △θ max는 하기 식을 이용하여 개략값을 구할 수 있다.
Figure pct00007
여기서 Kt는 토크 정수, Ip는 중첩 신호 진폭, θ err0은 초기 자극 편차량, Jt는 토탈 관성, Wsce는 속도 제어의 비례 응답 대역, Wspie는 속도 제어의 적분 대역이다. 따라서 상기 식으로부터 역산(逆算)하면, △θ max의 목표 이동량을 얻기 위해 필요한 속도 제어 게인 Wsce, Wspie를 계산할 수 있다. 구체적으로, 하기 식을 이용하여 속도 제어의 대역 Wsce를 설계하면, 개략 목표 이동량을 얻을 수 있게 된다.
Figure pct00008
여기서 N은 속도 제어 적분 대역의 비례 응답 대역에 대한 비율이며 일반적인 PI 제어시의 비율로 설정한다. 또 위치 제어를 행하는 경우는, 위치 제어 응답 대역은 상기 식에 있어서 속도 제어의 비례 응답 대역보다 어느 정도 작은 값으로 설정하면 된다. 응답 대역을 높게 설정함으로써 자극 위치 추정시의 모터 위치 이동량을 아주 작아지도록 동작시키는 것이 가능하게 되지만, 적절하지 않은 응답 대역을 설정하면 불안정하게 되어 버리거나, 노이즈로 검출 오차가 증대하는 등의 악영향이 발생한다. 전술한 바와 같이 위치ㆍ속도 제어 게인을 설계하면, 자극 위치 추정시 모터 위치 이동량의 목표값에 대해 적절한 제어 게인으로 동작시키는 것이 가능하게 된다.
도 4에 본 실시 형태에 있어서 모터 위치(θ m)의 동작 파형예를 나타낸다. 도와 같이 1회의 시퀀스마다의 모터 위치(θ m)가 모터 지령 위치(θ m *=0)인 원래의 위치로 돌아오도록 동작시키기 때문에, 복수 회의 시퀀스를 반복해도 모터 위치(θ m)가 자극 위치 추정 전의 위치로부터 어긋나는 일이 없다.
이 실시 형태 1을 적용한 경우는 이하의 효과를 얻을 수 있다. 종래 기술예 1에 대해서는 적은 전류로 정지 마찰의 영향을 제거한 고정밀의 자극 위치 추정을 실시하는 것이 가능하게 된다. 또 전류가 적기 때문에, 자극 위치 추정 동작시의 이동량이나 소음을 크게 하는 문제를 발생시키지 않는다는 장점이 있다.
또 종래 기술예 2에 대해서는 자극 위치가 어긋나 있어도 정상적으로 동작하는 위치ㆍ속도 제어 루프를 갖는 것에 의해, 보다 이동량이 적은 자극 위치 추정이 가능하게 된다. 또 위치 제어를 구성한 경우에는, 자극 위치 추정 동작 전후의 모터 위치(θ m)를 동일하게 유지하는 것이 가능하여, 시퀀스를 복수회 반복해도 위치가 어긋나는 일은 없다.
또한, 본 구성을 실장(實裝)하는 경우는, 일반적인 서보 제어 루프에 애드 온(add-on)만 하는 구성으로 하는 것이 가능하여, 아주 작은 소프트웨어 부하로 실현이 가능하다. 계산 수단에 대해서도 나눗셈 및 아크탄젠트 등의 삼각 함수 연산을 이용하지 않기 때문에, 연산 부하가 경감되어, 극히 단시간에 리얼 타임으로 정밀도 좋게 검출을 행하는 것이 가능하다.
또, 모터의 전기적 돌극성(突極性)을 이용하지 않기 때문에, 표면 자석 모터 등의 비돌극성 모터에서도 이용하는 것이 가능하다.
또, 시퀀스 S2, S3, S4에 있어서 정상 동작한 경우에는 반드시 모터 위치(θ m) 또는 모터 속도의 미동이 발생하기 때문에, 모터 위치(θ m) 또는 모터 속도가 발생하지 않는 경우에는 오동작하고 있다고 간주하는 것에 의해 자극 위치의 오류 검출 방지가 가능하게 된다.
또 정지 마찰을 양으로 추정한 경우에는, 그 정지 마찰 추정값을 자극 검출 후의 서보 제어시에 활용하는 것도 가능하다. 또 자극 오차 추정값의 수속값으로서 적분항 출력을 이용한 경우에는, 노이즈의 영향을 받기 어렵다는 장점이 있다. 또한 자극 오차 추정값의 초기값 설정에 속도 적분 연산부(104)의 적분 갱신값을 이용한 경우에는, 적분기의 메모리의 내용을 고쳐 쓰기만 하기기 때문에 연산이 용이하게 된다고 하는 장점이 있다.
실시 형태 2.
도 5는 본 실시 형태에 있어서 자극 위치 검출의 제어 블록의 구성도를 나타낸다. 도 5로 나타낸 구성 요소 중에서 도 1에 나타낸 구성 요소와 공통되는 것에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
실시 형태 1에서는, 오차 토크인 외란 토크를 발생시키는 방법으로서, d축 전류에 고정의 추정용 신호를 인가하고, 자극 오차 추정값을 참의 자극 위치로부터 어긋나게 하는 방법을 채용하였으나, 본 실시 형태에 있어서는, 자극 오차가 없는 상태(제어 자극 위치와 실모터 자극 위치가 일치하고 있는 상태)에서, 추정용 신호를 d축으로부터 위상이 어긋난 곳에 인가하는 방법을 채용한다. 구체적으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 인가 신호 좌표 변환부(9)에 의해 dq축 전류 지령을 생성하는 점이다. 또한, 실시 형태 2의 제어 블록 구성에 있어서는, 인가 신호 좌표 변환부(9)에서 이용하는 θ p=0을 좌표 변환 원점으로 하여 실시 형태 1의 구성과 등가로 한다.
실시 형태 2의 시퀀스에 있어서는, 실시 형태 1에서 자극 오차 추정값의 초기값을 시퀀스마다 변경한 것을, 자극 오차 추정값 대신에 추정용 전류 신호의 인가 위상을 시퀀스마다 변경할 뿐, 그 이외는 동일하다. 이것은 추정 동작을 행하기 위한 외란 토크를 자극 오차 추정값의 초기값으로 부여하는지, 추정용 인가 신호의 위상으로 부여하는지의 차이뿐, 본질적인 차이는 없다. 따라서 상기의 시퀀스를 행하는 것에 의해 실시 형태 1과 동일한 원리로 정지 마찰에 의한 영향을 억제하는 자극 위치 추정을 행하는 것이 가능하게 된다.
본 실시 형태의 효과는 기본적으로 실시 형태 1과 동일하다. 본 실시 형태의 장점은 위치ㆍ속도 제어에 적분 제어를 이용하지 않는 방법을 이용할 수도 있어, 연산량의 삭감이 가능하다는 것이다.
실시 형태 3.
도 6은 본 실시 형태에 있어서 자극 위치 검출의 제어 블록의 구성도를 나타낸다. 도 6에서 나타낸 구성 요소 중에서 도 1에 나타낸 구성 요소와 공통되는 것에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
실시 형태 3의 구성에서 실시 형태 1과 다른 점은, 자극 오차를 발생시키기 위해, 자극 오차 추정값을 참의 자극 위치로부터 어긋나게 하는 방법이 아닌, 자극 오차가 없는 상태에서, 추정용 신호를 d축으로부터 위상이 어긋난 곳에 인가하는 방법을 채용하는 것, 즉 인가 신호 좌표 변환부(9)에 의해 dq축 전류 지령을 생성하는 점과, 위치/속도 제어부(8)의 출력을 모터 전기각에 가산하지 않고, 인가 신호 좌표 변환부(9)의 좌표 변환 위치로서 이용하는 점이다. 실시 형태 2의 제어 블록 구성과 비교하면, 위치/속도 제어부(8)로부터 출력되는 자극 오차 추정값의 좌표 변환을 전류 제어 전에 행하는지, 전류 제어 후에 행하는지 하는 점이 다르며, 실시 형태 2와 같은 자극 위치 추정 동작을 실시하는 것이 가능하게 된다.
본 실시 형태의 효과는 기본적으로 실시 형태 1과 동일하다. 본 실시 형태의 장점은, dq/uvw 좌표 변환부나 uvw/dq 좌표 변환부의 좌표 변환 위치(제어측 자극 위치) 부분의 소프트웨어를 변경할 필요가 없기 때문에, 나중에 자극 추정 기능을 추가 실장하는 경우에는 유리하다는 것이다.
실시 형태 4.
도 7은 본 실시 형태에 있어서 자극 위치 검출의 제어 블록의 구성도를 나타낸다. 도 7에서 나타낸 구성 요소 중에서 도 1에 나타낸 구성 요소와 공통되는 것에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
실시 형태 4의 구성은 실시 형태 3의 구성으로부터, uvw/dq 좌표 변환부(4)에 의한 dq축 전류 연산 및 전류 제어부(1)에 의한 전류 제어를 중지하고, 추정용 전류 신호를 인가하는 대신에 추정용 전압 신호를 인가하도록 변경한 것이다. 직류 및 저주파에서 전류와 전압의 위상은 거의 동 위상이므로 실시 형태 3과 거의 같은 동작이 기대된다.
본 실시 형태에서는 다른 실시 형태에 비해 자극 위치 추정 연산시의 연산량을 큰 폭으로 삭감할 수 있다. 또 어떠한 이유로 전류 제어 루프를 짤 수 없는 경우에도 본 실시 형태는 적용하는 것이 가능하다. 예를 들어 전류 센서가 존재하지 않는 경우나 고장난 경우 등에도 적용할 수 있다.
본 발명에 있어서 검출용 신호 진폭이나 자극 오차 추정 초기값의 크기를, 시퀀스 내 또는 시퀀스마다 서서히 변경하는 등의 궁리는 용이하게 가능하다. 예를 들어 검출용 신호 진폭을 시퀀스 내에서 서서히 크게 하거나, 자극 오차 추정 초기값을 시퀀스마다 서서히 작게 하는 등 방법에 의해 검출 시간은 길어지지만, 보다 작은 모터 이동량으로 보다 정밀도가 좋은 검출을 행하는 것이 가능하게 된다.
또 본 실시 형태에 있어서 위치ㆍ속도 제어부의 구성은 도 2로 한정되지 않고, 예를 들어 위치 비례ㆍ적분ㆍ미분 제어 등으로도 실시 형태와 동일한 동작을 행하는 것이 가능하다. 또 자극 위치 추정 전후의 모터 위치(θ m)를 동일하게 유지하는 것이 엄밀하게 필요하지 않으면, 위치 제어를 행하지 않고, 속도 지령과 모터 속도에 기초한 속도 비례ㆍ적분 제어를 행해도 된다. 이 경우에서도 적은 이동량으로 정밀도가 좋은 자극 위치 추정을 얻을 수 있는 효과는 동양(同樣)으로 얻을 수 있다. 실시 형태 2 ~ 4의 경우에는, 또한 모터 이동량의 허용값에 여유가 있다면, 속도 비례 제어를 행해도 된다.
또 실시 형태 1 ~ 3에서는 추정용 신호로서 전류 신호를 인가하고 있지만, 전류 루프를 만든 상태에서 추정용 전압 신호를 중첩하여 인가하는 형태나, 제어 자극 위치에 추정용 신호를 가산하는 형태도 가능하다. 자극 위치 추정을 위한 외란 토크를 어디에서 인가할지 하는 문제만 있기 때문에, 그 외의 여러 가지 형태를 취하는 것이 가능하다.
또 실시 형태 1 ~ 2에서는 실모터 자극 위치와 제어 자극 위치의 차인 자극 오차를 추정하는 형태로 되어 있으나, 직접 제어 자극 위치를 추정하는 형태를 취하는 것도 가능하다. 예를 들어 좌표 변환에 이용하는 제어 자극 위치 정보는, 전기각 연산부(7)로부터 출력된 전기각 위치에 위치/속도 제어부(8)로부터의 자극 오차 추정값(θ e)을 가산한 것을 제어 자극 위치(θ ce)로서 이용하고 있지만, 이것을 위치/속도 제어부(8)로부터의 출력을 그대로 제어 자극 위치(θ ce)로서 이용하고 있는 형태로 변경하면 된다.
1：전류 제어부,
2：dq/uvw 좌표 변환부,
3：인버터,
4：uvw/dq 좌표 변환부,
5：모터,
6：검출기,
7：전기각 연산부,
8：위치ㆍ속도 제어부,
9：인가 신호 좌표 변환부,
101：위치 비례 게인부,
102：속도 연산부,
103：속도 비례 게인부,
104：속도 적분 연산부,
θ ce：제어 자극 위치,
θ e: 자극 오차 추정값,
θ m: 모터 위치,
θ m *: 모터 위치 지령,
Ip：추정용 전류 신호,
Vp: 추정용 전압 신호

Claims (7)

  1. 모터 검출기에 의한 검출 결과를 위치 또는 속도 제어기에 입력하여 이 모터의 위치 또는 속도를 제어하고, 이 위치 또는 속도 제어기의 출력인 자극 오차 추정값을 이용하여 좌표 변환을 행하고, 이 모터에 인가하는 전압 또는 전류의 위상을 변환하여, 자극 오차 추정값을 모터 자극 위치와 제어 자극 위치의 차인 자극 오차 참(true)값에 근접시키는 것에 의해, 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 방법에 있어서,
    미리 정해진 기준 위상으로부터 ＋
    Figure pct00009
    의 위상인 제1 자극 오차 추정값을 입력하는 제1 자극 오차 입력 단계와,
    이 제1 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 정(正)방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 자극 오차 참값에 근접시키는 정방향 이동 단계와,
    이 정방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속(收束)했을 때의 위상인 제1 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제1 이동 위상 기억 단계와,
    상기 기준 위상으로부터 -
    Figure pct00010
    의 위상인 제2 자극 오차 추정값을 입력하는 제2 자극 오차 입력 단계와,
    이 제2 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 부(負)방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 자극 오차 참값에 근접시키는 부방향 이동 단계와,
    이 부방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속했을 때의 위상인 제2 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제2 이동 위상 기억 단계와,
    상기 제1 이동 위상 기억 단계와, 상기 제2 이동 위상 기억 단계에 의해 기억된 자극 오차 추정 수속값에 기초하여 참의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 단계를 가지는 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미리 정해진 기준 위상을 추정하기 위하여,
    임의의 위상으로부터 β의 위상인 제3 자극 오차 추정값을 입력하는 제3 자극 오차 입력 단계와,
    이 제3 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 제3 자극 오차 참값에 근접시키는 제3 이동 단계와,
    이 제3 이동 단계에 의해 모터의 이동이 수속한 위상으로부터 약 ±90도의 위상인 제4 자극 오차 추정값을 입력하는 제4 자극 오차 입력 단계와,
    이 제4 자극 오차 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 제4 자극 오차 참값에 근접시키는 제4 이동 단계와,
    이 제4 이동 단계에 의한 모터의 변동이 수속했을 때의 위상을 기준 위상으로서 기억하는 기준 위상 기억 단계를 구비한 것을 특징으로 하는 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    자극 위치 추정 단계는,
    제1 이동 위상 기억 단계에서 기억된 제1 자극 오차 추정 수속값과, 제2 이동 위상 기억 단계에서 기억된 제2 자극 오차 추정 수속값의 평균값에 기초하여 참의 자극 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 교류 동기 모터 자극 위치 추정 방법.
  4. 모터 검출기에 의한 검출 결과를 위치 또는 속도 제어기에 입력하여 이 모터의 위치 또는 속도를 제어하고, 이 위치 또는 속도 제어기의 출력인 자극 오차 추정값을 이용하여 좌표 변환을 행하고, 이 모터에 인가하는 전압 또는 전류의 위상을 변환하고, 자극 오차 추정값을 모터 자극 위치와 제어 자극 위치의 차인 자극 오차 참값에 근접시키는 것에 의해, 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 방법에 있어서,
    미리 정해진 기준 위상으로부터 ＋
    Figure pct00011
    의 위상인 제1 추정용 신호를 인가 신호 좌표 변환부로 입력하는 제1 추정용 신호 입력 단계와,
    이 제1 추정용 신호 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 정방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 자극 오차 참값에 근접시키는 정방향 이동 단계와,
    이 정방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속했을 때의 위상인 제1 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제1 이동 위상 기억 단계와,
    상기 기준 위상으로부터 -
    Figure pct00012
    의 위상인 제2 추정용 신호를 인가 신호 좌표 변환부에 입력하는 제2 추정용 신호 입력 단계와,
    이 제2 추정용 신호 입력 단계에 의해, 모터의 위치를 부방향으로 변동시켰을 때의 모터 검출기에 의한 검출 결과를 이용하여, 자극 오차 추정값을 자극 오차 참값에 근접시키는 부방향 이동 단계와,
    이 부방향 이동 단계에 의한 모터의 이동이 수속했을 때의 위상인 제2 자극 오차 추정 수속값을 기억하는 제2 이동 위상 기억 단계와,
    상기 제1 이동 위상 기억 단계와, 상기 제2 이동 위상 기억 단계에 의해 기억된 자극 오차 추정 수속값에 기초하여 참의 자극 위치를 추정하는 자극 위치 추정 단계를 가지는 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 자극 오차 추정값이 상기 인가 신호 좌표 변환부에 입력되는 것을 특징으로 하는 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 추정용 신호가 제1 추정용 전류 신호이고, 상기 제2 추정용 신호가 제2 추정용 전류 신호인 것을 특징으로 하는 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법.
  7. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 추정용 신호가 제1 추정용 전압 신호이고, 상기 제2 추정용 신호가 제2 추정용 전압 신호인 것을 특징으로 하는 교류 동기 모터의 자극 위치 추정 방법.
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