KR20110120922A

KR20110120922A - 밸브 제어 장치

Info

Publication number: KR20110120922A
Application number: KR1020117019846A
Authority: KR
Inventors: 나오키 이마무라; 마사히로 이에자와; 사토시 가와무라; 요시타카 오니시
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-11-04
Also published as: US8395345B2; KR101203250B1; JPWO2010087224A1; WO2010087224A1; US20110273127A1; JP5258906B2; DE112010000768T5; CN102301582A; CN102301582B

Abstract

리턴 토크가 작용하는 밸브 기구에 대하여, 전기각 분해능이 코스(coarse)한 위치 검출 센서가 구비된 브러시리스 DC 모터로 구동되는 밸브의 응답을 고속화함과 아울러, 밸브가 기계단에 충돌하지 않고 소프트 랜딩할 수 있는 밸브 제어 장치를 얻는다. 밸브의 개방 방향 또는 폐쇄 방향으로 리턴 토크가 부여되는 밸브 기구의 개폐 제어에 있어서, 브러시리스 DC 모터의 목표 위치 지령과 펄스 출력식의 위치 검출 센서를 이용한 코스(coarse)한 모터의 현재 위치의 위치 편차를 기초로 q축 전류 지령을 출력하는 위치 제어계와, q축 전류 지령과 펄스 출력식의 위치 검출 센서를 이용한 코스한 모터의 현재 위치를 기초로 상 전압 지령을 전류 센서리스로 출력시키는 가상적인 전류 피드백가 포함된 전류 제어계를 마련하였다.

Description

밸브 제어 장치{VALVE CONTROL DEVICE}

본 발명은, 예컨대, 전자 스로틀이나 배기 가스 재순환에 사용되는 밸브가 브러시리스 DC 모터에 의해 구동되는 밸브 제어 장치에 관한 것이다.

모터로 구동되는 시스템의 속도 제어나 위치 제어를 할 때에, 지령과 실제값의 편차에 따라 모터로의 전압 지령을 생성하는 「전압 제어 방식」과, 모터의 권선에 흐르는 실제 전류를 피드백하여, 전류 지령에 실제 전류가 일치하도록 제어하는 「전류 제어 방식」이 있다.

후자의 전류 제어 방식은, 모터 권선의 인덕턴스 성분을 강제적으로 극복하고 제어를 걸기 때문에, 전류 제어계의 제어 대역 내에서 상기 인덕턴스 성분에 의한 전류 지연을 무시할 수 있어, 모터의 저속역으로부터 고속역까지 안정한 토크 제어를 가능하게 한다. 한편, 전압 제어 방식은, 전압 지령에 대해 모터 권선의 인덕턴스 성분에 의한 전류 지연의 영향을 무시할 수 없기 때문에, 전류 제어 방식과 비교하여 토크의 추종성이 악화되어, 응답이 진동적으로 되는 결점이 있다.

그런데, 종래 기술로서, 내연 기관의 액츄에이터 제어 장치에서, 운전 상태를 제어하는 토크 모터에 대한 요구 전류에 근거한 요구 DUTY에 따라 출력 DUTY를 설정할 때에, 회로 상의 제약 등에 기인하여 요구 DUTY에 따른 출력 DUTY가 설정되지 않는 경우를 회피하기 위해서, 출력 DUTY가 전원 전압값과 전류 경로의 저항값에 따른 출력 전류로의 변환 처리와, 또 토크 모터의 권선 인덕턴스 성분에 따라 평활화 처리된 추정 전류를 이용하여 역(逆)기전력을 추정하고, 이것을 요구 DUTY에 가산함으로써, 요구 DUTY와 출력 DUTY를 일치시키는 것이 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

또한, 바이어싱 수단에 의한 리턴 스프링과 직류 모터의 모터 토크의 토크 밸런스에 의해 밸브를 개폐 동작하는 토크 밸런스 구동 방식의 밸브에 대해, 직류 모터를 피드포워드 제어계와 피드백 제어의 조합에 의해 제어하고, 또한, 위치의 정상 편차에 따라 상기 피드포워드 제어계와 피드백 제어에 의한 조작량을 보정하는 것이 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).

특허문헌 1에 기재된 발명에 따르면, 액츄에이터의 응답 지연이 없어 추종 안정성이 향상된다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 발명에 따르면, 피드포워드 제어계에 의해서, 리턴 토크분의 모터 토크 발생용의 구동 전압이 밸브 개폐 방향에 따라 항상 가해지고, 그것에 의한 현재값과 목표값의 위치 편차분을 보정하도록, 피드백 제어계(특허문헌 2에서는 PID 제어)가 작용하기 때문에, 밸브의 개폐 방향에 의존하지 않고 피드백 제어량을 작게 하여 진동의 발생을 억제할 수 있다고 되어 있다.

또, 특허문헌 2에 기재된 발명에 의하면, 위치 편차에 따라 피드포워드 제어계에서 연산되는 구동 듀티와 피드백 제어계의 연산부의 계수를 보정함으로써, 환경 온도 등의 요인으로 변화되는 밸브의 작동 특성에 따른 최적의 제어를 할 수 있다고 되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2000-130229호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2000-234564호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 액츄에이터 제어 장치에서는, 응답이 고속으로 됨에 따라 제어 연산에서의 샘플링 주기의 영향을 무시할 수 없어 현재 검출 위치에 지연이 생기고, 이 때문에 토크 모터의 권선 전류를 정확히 추정할 수 없기 때문에, 고속 구동시에 응답이 진동적으로 된다고 하는 과제가 있었다. 또한, 스로틀 개방 센서의 분해능이 코스(coarse)한 경우, 역(逆)기전압 연산 처리에서 요하는 각속도 정보가 진동적으로 되고, 역(逆)기전압을 정확히 추정할 수 없는 결과, 요구 DUTY와 출력 DUTY가 일치하지 않는다고 하는 과제가 있었다. 또한, 특허문헌 1에 기재된 액츄에이터는 브러시 부가 DC 모터이고, 브러시의 보수성의 과제도 있었다.

또한, 특허문헌 2에 기재된 밸브 제어 장치는, 목표값와 현재값의 편차에 따른 모터의 구동 듀티를 PID 제어로 생성하는 전압 제어 방식이며, 당해 방식으로 리턴 토크가 작용하는 방향으로 밸브를 제어하는 경우, 리턴 토크의 가속 작용으로 모터가 고속 회전함에 따라, 위치 제어계의 응답이 모터 토크 변화에 추종할 수 없게 된다. 그 결과, 예컨대, 리턴 토크가 작용하는 방향이 밸브 폐쇄 방향인 경우, 토크의 추종 지연으로 밸브 폐쇄 동작시에 밸브의 응답이 진동적으로 되거나, 또는 밸브가 기계단과 충돌하여 버린다고 하는 과제가 있었다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 액츄에이터가 브러시리스 DC 모터이고, 당해 브러시리스 DC 모터에 펄스 출력식의 센서를 구비한 밸브 제어 장치에 있어서, 전기각(電氣角) 분해능이 코스(coarse)한 센서 출력을 기초로 상(phase) 전류 지령과 유기 전압을 연산하고, 또 샘플링 주기의 영향을 전류 제어에 이용하는 위치에 대해 위상 보정을 행함으로써 억제하고, 정밀도 좋게 상 전류를 추정할 수 있는 가상적인 전류 피드백을 하는 전류 제어계를 갖고, 당해 제어계에 의해서 직접적으로 모터 토크를 제어하기 때문에, 토크에 기여하는 토크분 전류를 효율적으로 발생시켜 밸브의 응답 속도를 고속화시키면서, 밸브를 기계단과 충돌시키지 않고 소프트 랜딩(soft landing)할 수 있는 밸브 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 밸브 제어 장치는, 밸브의 개방 방향 또는 폐쇄 방향으로 리턴 토크가 부여되는 밸브 기구에 대해, 상기 리턴 토크와 대향하여 모터에 의한 토크를 부여하는 모터의 제어에 의해서 상기 리턴 토크와 모터 토크의 밸런스로 밸브를 개폐 제어하는 밸브 제어 장치로서, 위치 검출 센서에서 검출된 모터의 현재 위치인 전기각 검출 위치를 기계각 검출 위치로 환산하는 검출 위치 환산기와, 모터의 목표 위치 지령과 상기 기계각 검출 위치의 편차에 근거하여 q축 전류 지령을 출력하는 위치 제어계와, 상기 전기각 검출 위치에 근거하여 상기 q축 전류 지령을 모터 각 상의 상 전류 지령으로 분배하고, 상기 상 전류 지령과 피드백된 각 상의 추정 전류의 전류 편차에 근거하여 각 상의 상 전압 지령을 생성하고, 상기 전기각 검출 위치 및 미리 실측된 유기 전압에 근거하여 각 상의 추정 유기 전압을 구하고, 상기 추정 유기 전압 및 상기 상 전압 지령에 근거하여 각 상의 추정 전류를 구함과 아울러, 최종적으로 실사용 전압 범위 내에서 포화 처리한 상 전압 지령을 출력하는 전류 제어계를 구비하는 것이다.

본 발명에 따른 밸브 제어 장치에 의하면, 전기각 분해능이 코스(coarse)한 센서이고, 가상적인 전류 피드백를 갖는 전류 제어계를 구성할 수 있다. 그리고, 당해 전류 제어계에서 직접적으로 토크를 제어하기 때문에, 모터의 응답을 고속화할 수 있다. 또한, 상기 전류 제어계에 의한 광대역의 토크 제어로 특히 모터 저속 회전시에 리턴 토크와 대향한 모터 토크를 효과적으로 발생시켜, 리턴 토크가 가속측에 생기더라도 모터 토크로 속도를 완화하여, 밸브가 기계단과 충돌하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 전류 센서도 불필요한 구성이므로, 제어 시스템을 저비용화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치를 포함하는 제어 시스템의 전체 구성을 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 위치 제어계의 구성을 연속계의 전달 함수로 나타내는 블록도,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 전류 제어계의 구성을 나타내는 블록도,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 모터의 포워드 회전(forward rotation)시의 U상 전류 지령과 V상 전류 지령을 나타내는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 모터의 리버스 회전(reverse rotation)시의 U상 전류 지령과 V상 전류 지령을 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 정현파 상(sinusoidal-wave phase) 전류 지령으로부터 구형파 상(square-wave phase) 전류 지령으로의 구체적인 파형 정형 방법을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 유기 전압의 기본파(fundamental harmonic)에 대해 구형파 유기 전압을 생성하는 모양을 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 정규화 유기 전압을 기본파로 근사한 모양을 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 각 상의 유기 전압을 추정하기 위한 구체적인 파형 정형 방법을 나타내는 도면,
도 11은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 모터 전기각의 위상 보정을 나타내는 도면,
도 12는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 밸브 폐쇄 제어로 환경 온도 30℃와 120℃ 각각의 추정 유기 전압과 실제 유기 전압의 거동(擧動)을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 밸브 폐쇄 제어로 환경 온도 30℃와 120℃ 각각의 추정 상 전류와 실제 상 전류의 거동을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면,
도 14는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 밸브 폐쇄 제어로 환경 온도 30℃와 120℃ 각각의 밸브 위치 지령, 밸브 실제 위치, 모터 각속도, q축 전류 지령의 거동을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면,
도 15는 본 발명의 실시예 2에 따른 밸브 제어 장치의 전류 제어계의 구성을 나타내는 블록도,
도 16은 본 발명의 실시예 3에 따른 밸브 제어 장치의 전류 제어계의 구성을 나타내는 블록도이다.

이하, 본 발명의 밸브 제어 장치의 바람직한 실시예에 대해 도면을 이용하여 설명한다.

(실시예 1)

본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치에 대해 도 1로부터 도 14까지를 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치를 포함하는 제어 시스템의 전체 구성을 나타내는 블록도이다. 또, 이후에서는, 각 도면 중, 동일 부호는 동일 또는 상당 부분을 나타낸다.

도 1에 있어서, 제어 시스템은 밸브 제어 장치(1)와, 위치 검출 센서(100)와, 구동 회로(110)와, 브러시리스 DC 모터(120)와, 밸브(130)가 마련되어 있다.

도 1에 있어서, 밸브(130)를 구동하는 액츄에이터는 브러시리스 DC 모터(120)이다. 또한, 브러시리스 DC 모터(120)에는, 예컨대, 홀 IC(Hall IC)와 같은 펄스 출력식의 위치 검출 센서(100)가 구비되어 있다. 이 위치 검출 센서(100)의 분해능은 전기각 1주기에서 6스텝 변화, 즉 전기각의 분해능은 60deg로 한다.

밸브(130)에는, 바이어싱 수단으로서 도시하지 않은 스프링이 연결되어 있고, 예컨대, 스프링에 의한 리턴 토크가 밸브의 밸브 폐쇄 방향으로 작용하도록 미리 스프링에는 프리로드(preload)가 인가되어 있는 것으로 한다. 한편, 브러시리스 DC 모터(120)에는, 모터 회전축과 연동한 도시하지 않은 동력 전달 기구를 통해서 스프링과 연결되어 있고, 밸브가 밸브 폐쇄 동작할 때에는, 프리로드에 의한 토크(리턴 토크)로 밸브가 기계단에 눌려진 상태로 된다.

밸브 제어 장치(1)는, 밸브(130)의 목표 위치 지령 θm_com과 위치 검출 센서(100)로부터 얻어지는 전기각 검출 위치 θe(현재 위치)를 기초로, 구동 회로(110)에 대해 상 전압 지령을 인가하는 것이다. 그리고, 구동 회로(110)에서는, 밸브 제어 장치(1)의 출력인 상 전압 지령을 기초로, PWM 방식으로 도시하지 않은 파워 소자를 스위칭한다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2에 있어서, 밸브 제어 장치(1)는, 밸브(130)의 폐쇄 방향으로 리턴 토크가 부여되는 밸브 기구에 대해, 이 리턴 토크와 대향하여 브러시리스 DC 모터(120)에 의한 토크를 부여하는 모터의 제어에 의해서 리턴 토크와 모터 토크의 밸런스로 밸브를 개폐 제어하는 밸브 제어 장치(1)로서, 위치 제어계(80)와, 전류 제어계(10)와, 검출 위치 환산기(95)가 마련되어 있다.

도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 위치 제어계의 구성을 연속계의 전달 함수로 나타내는 블록도이다.

도 3에 있어서, 위치 제어계(80)는 Ki(81)와, Kp·s(82)와, s²(83)와, 필터(84)와, Kd(85)와, 1/s(86)와, 포화 처리기(87)가 마련되어 있다.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 전류 제어계의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 4에 있어서, 전류 제어계(10)는 전류 지령 분배기(20)와, 2개의 전류 제어기(30)와, 포화 처리기(40)와, 필터(50)와, 유기 전압 추정기(60)와, 2개의 전류 추정기(70)와, 위상 보정기(90)가 마련되어 있다.

다음으로, 본 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치의 동작에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 위치 제어계(80)는, 밸브 제어 장치(1)의 상류에 있는 컴퓨터로부터의 밸브(130)의 목표 위치(목표 개방도) 지령 θm_com과, 브러시리스 DC 모터(120)에 구비된 위치 검출 센서(100)에서 검출되는 전기각 검출 위치 θe를 검출 위치 환산기(95)에서 환산한 기계각 검출 위치 θm에 근거하여, q축 전류 지령 iq_com을 생성한다. 검출 위치 환산기(95)에서는, 전기각으로부터 기계각으로의 환산 처리를 행한다. 구체적으로는, 모터극쌍수(the number of motor pole pairs)를 p로 하여, 기계각 검출 위치 θm을 θe/p로 환산한다.

여기서, q축 전류 지령 iq_com을 생성하는 구체적인 위치 제어계(80)의 구성은, 예컨대, 도 3에 나타내는 바와 같은 속도형 알고리즘의 미분 선행형 PI-D 제어로 한다. 또, 위치 제어계(80)의 구성은, 미분 선행형 PI-D 제어 이외에, I-PD 제어 등의 다른 구성이라도 좋다. 이와 같이, 목표 위치 지령 θm_com과 기계각 검출 위치 θm의 편차에 대해 PI 연산(81,82)한 값과, 기계각 검출 위치 θm에 대해 미분 연산(83)과 당해 미분값을 평활화하는 필터 처리(84)를 실시한 값을 차분하고, 당해 차분값에 대해 속도 이득 Kd를 승산(85)함으로써 q축 전류 지령 iq_com을 얻는다.

또, q축 전류 지령 iq_com에는 포화 처리기(87)에서 출력 제한하고, 또, q축 전류 지령 iq_com이 출력 제한을 초과한 경우에는, 적분 이득 Ki의 작용에 의한 적분 연산(81)을 중지하는 안티-와인드업 처리(anti-windup processing)를 실시한다. 이와 같이 함으로써, 적분 연산에 의한 조작량의 와인드업(windup)이 요인으로 발생하는 위치 응답의 오버슈트(overshoot)를 억제한다.

다음으로, 위치 제어계(80)의 출력인 q축 전류 지령 iq_com과, 위치 검출 센서(100)로부터 얻어지는 전기각 검출 위치 θe를 기초로 구동 회로(110)에 대해 상 전압 지령을 출력하는 전류 제어계(10)의 동작에 대하여 도 4를 이용해서 설명한다.

전류 제어계(10)는, 전술한 바와 같이, 전류 지령 분배기(20), 전류 제어기(30), 포화 처리기(40), 필터(50), 유기 전압 추정기(60), 전류 추정기(70), 및 위상 보정기(90)로 구성된다.

우선, 전류 지령 분배기(20)에서는, q축 전류 지령 iq_com을 U상 전류 지령 iu_com과 V상 전류 지령 iv_com으로 분배하는 처리를 행하지만, 전기각 분해능이 60deg로 코스(coarse)하고, 당해 지령 분배의 처리에서는 3상 모터의 전류 제어에서는 일반적인 삼각 함수에 의한 연산은 연산 부하 경감을 고려하여 채용하지 않는다.

본 실시예에서는, 도 5과 도 6에 나타낸 바와 같이, 이상적으로는 삼각 함수를 이용한 연산 처리에 의해서 정현파로서 얻어지는 U상 전류 지령과 V상 전류 지령을, 전기각 검출 위치 θe의 검출 구간마다 구형파 형상으로 근사하는 처리를 행한다. 도 5는 모터의 포워드 회전(forward rotation)시의 U상 전류 지령과 V상 전류 지령을, 도 6은 모터의 리버스 회전(reverse rotation)시의 U상 전류 지령과 V상 전류 지령을 각각 나타내고 있다. 또, 도 5와 도 6에 있어서, 실선은 구형파 형상으로 근사한 구형파 상 전류 지령을, 파선은 삼각 함수 연산에 의한 이상적인 정현파 상 전류 지령을 각각 나타내고 있다.

정현파 상 전류 지령으로부터 구형파 상 전류 지령으로의 구체적인 파형 정형 방법은, 도 5과 도 6을 참조하여, 도 7과 같이 정리된다. 모터의 회전 방향은, q축 전류 지령 iq_com의 부호, 또는 전기각 검출 위치 θe를 전류 제어계(10)의 내부에 구성되는 필터(50)로 연산한 전기각속도 θe_dot의 부호, 또는 q축 전류 지령 iq_com과 전기각속도 θe_dot의 양쪽의 부호로 판정하면 좋다. 또한, 상 전류 지령의 반치폭(half amplitude) i_max는 다음 식(1)으로 연산한다.

이상, 정현파 상 전류 지령을 구형파 상 전류 지령으로 파형 정형하는 방법을 설명하였다. 이와 같이, 토크 변화에 추종할 목적으로 구성하는 전류 제어계(10)에 관해서는, 위치 검출 센서(100)의 전기각 분해능이 60deg로 코스(coarse)한 경우에도, 전기각의 검출 구간마다(검출 구간은 전기각 분해능에 대응) 구형파 상으로 파형 정형함으로써, 삼각 함수를 이용하는 일없이 상 전류 지령을 생성할 수 있다.

다음으로, 전류 제어기(30)에 대하여 설명한다. 이것은, 전류 지령 분배기(20)의 출력인 U상 전류 지령 iu_com 및 V상 전류 지령 iv_com과, 후술하는 U상 추정 전류 iu_est 및 V상 추정 전류 iv_est를 각각 차분 연산한 전류 편차인 iu_com-iu_est, iv_com-iv_est로부터 U상 전압 지령과 V상 전압 지령을 생성하는 것이며, 예컨대, 공지기술인 전류 편차에 비례한 제어기 출력으로 되도록 비례 이득만으로 구성한다.

또한, 포화 처리기(40)는, 구동 회로(110)측의 전압 레벨에 따라 U상 전압 지령, V상 전압 지령, W상 전압 지령의 반치폭을 제한하는 것이다. 또, W상 전압 지령 vw_b는, 전류 제어기(30)의 출력으로서 얻어지는 U상 전압 지령과 V상 전압 지령을 각각 vu_b, vv_b로 하여, 다음 식 (2)로 연산한다.

다음으로, 유기 전압 추정기(60)에 대하여 도 8로부터 도 10까지를 이용해서 설명한다. 유기 전압 추정기(60)에서는, 전기각 검출 위치 θe, 전기각속도 θe_dot, 브러시리스 DC 모터(120)의 유기 전압의 측정값을 이용하여, U상 추정 유기 전압 eu_est와 V상 추정 유기 전압 ev_est를 연산한다.

전기각속도 θe_dot는, 전기각 분해능마다 검출되는 전기각 검출 위치 θe를 미분하고, 또 당해 미분값을 평활화하는 필터(50)의 출력으로서 얻어지며, 필터(50)의 작용으로 진동이 작은 전기각속도 θe_dot를 산출할 수 있다.

브러시리스 DC 모터(120)의 유기 전압의 측정값은, 예컨대, 도 9의 파선과 같이 얻어진다. 또, 세로축은 측정시의 모터 회전수로 유기 전압을 나누어 정규화한 유기 전압이다. 도 9와 같이, 정규화한 유기 전압은, 전기각 1배 성분(기본파) 이외에 전기각 3배 성분 등의 고조파 성분을 포함하고 있다.

유기 전압 추정기(60)에서는, 전기각 1배 성분의 유기 전압만을 정보로서 이용한다. 구체적으로는, 도 9의 파선으로 나타낸 정규화 유기 전압을 전기각 1배 성분까지 최소 자승 근사하고, 얻어진 반치폭 v_norm을 추정 연산에 이용한다. 또, v_norm은 양의 실수이다.

다음으로, 전기각 1배 성분의 유기 전압 모델을 유기 전압 추정기(60)에 포함시키고, 구형파 형상으로 파형을 정형하는 방법을 나타낸다. 이것은 도 10과 같이 정리된다. 모터의 회전 방향은 전기각 검출 위치 θe를 전류 제어계(10)의 내부에 구성되는 필터(50)로 연산한 전기각속도 θe_dot의 부호로 판정하면 좋다. 또한, 유기 전압의 반치폭 v_max는 다음 식 (3)으로 연산된다.

이와 같이, 유기 전압 추정기(60)에서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 전기각 검출 위치 θe, 전기각속도 θe_dot, 브러시리스 DC 모터(120)의 유기 전압 측정값을 전기각 1배 성분만을 정현파 근사하여 얻어지는 정규화 유기 전압의 반치폭 v_norm을 이용해서, 전기각의 검출 구간마다(검출 구간은 전기각 분해능에 대응) 구형파 형상으로 파형 정형한 것을 U상 추정 유기 전압 eu_est, V상 추정 유기 전압 ev_est로서 연산한다.

다음으로, 전류 추정기(70)에 대하여 설명한다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 전류 추정기(70)는, 포화 처리기(40)의 출력으로서 얻어지는 U상 전압 지령 vu_com 및 V상 전압 지령 vv_com과, 전술한 유기 전압 추정기(60)의 출력으로서 얻어지는 U상 추정 유기 전압 eu_est 및 V상 추정 유기 전압 ev_est를 기초로, U상과 V상에 각각 흐르는 상 전류를 추정하고자 하는 것이다.

예컨대, 3상 모터의 상 전류를 개별적으로 피드백하는 일반적인 전류 제어에서는, 전류 제어계(10)의 이득(전류 제어기(30)의 비례 이득)을 전류 응답이 발진하지 않을 정도까지 높게 설정하고, 즉 전류 제어의 대역폭을 넓혀 응답성을 향상시킨다.

한편, 전류 센서가 사용되지 않는, 즉 전류 피드백을 할 수 없는 상태이더라도, 유기 전압의 추정 정밀도나 전류 추정기(70)의 모델화의 정밀도가 좋고, 전류 제어계(10)의 이득(전류 제어기(30)의 비례 이득)을 전류 응답이 발진하지 않을 정도까지 높게 설정하고 있으면, 실제 상 전류와 추정 상 전류는 일치하여, 전류 응답은 향상한다. 그래서, 이러한 상태에서는, 상 전압 지령은 3상 모터의 실제 상 전압과 일치하고 있는 것으로 간주한다.

U상 추정 전류 iu_est와 V상 추정 전류 iv_est를 연산하기 위해서, 전류 추정기(70)로서, 예컨대, 1상당 권선 저항을 R, 1상당 권선 인덕턴스를 L로 한 1차 지연 요소로서 간이적으로 모델화한다. 그리고, 전류 추정기(70)의 구체적인 연산은, 전류 제어계(10)의 샘플링 주기를 ΔTc로 하여, 다음 식 (4)과 식 (5)로 인가한다. 여기서, n은 샘플링수이며, 양의 정수이다.

이상이, 전류 추정기(70)를 1차 지연 요소로서 모델화한 경우의 U상 추정 전류 iu_est와 V상 추정 전류 iv_est의 연산 방법이다.

이와 같이, 밸브(130)의 개폐 제어시에, 유기 전압 추정기(60)에 의해서 얻어지는 U상과 V상의 추정 유기 전압과, U상과 V상의 상 전압 지령과, 3상 모터 1상당 전압과 전류의 관계를 1차 지연 요소로 모델화한 전류 추정기(70)를 이용하여, 식 (4)과 식 (5)에서 연산되는 각 상의 추정 전류를 상 전류 지령으로 피드백하는 구성으로 함으로써, 전류 센서를 불필요로 하는 가상적인 전류 피드백을 구성할 수 있다.

그런데, 밸브(130)의 개폐 제어에서 모터 각속도가 증대해 가면, 전류 제어계(10)의 샘플링 주기의 영향으로 전기각 검출 위치의 취입이 지연되어 버리는 결과, 전류 제어계(10)에서 연산하고 있는 전류 지령 분배기(20)의 출력인 상 전류 지령과 유기 전압 추정기(60)의 출력인 추정 유기 전압이, 실제 상 전류나 실제 유기 전압의 응답에 대해 지연되는 결과, 밸브(130)의 응답성이 저하되는 경우가 있다. 이러한 상황의 경우에는, 이하에 설명하는 바와 같이, 전류 제어계(10)의 샘플링 주기의 영향에 의한 전기각 검출 위치의 위상 지연량분을, 전류 제어계(10)에서 제어 연산에 이용하는 새로운 모터 현재 위치에 가미함으로써 응답성 저하를 회피한다.

이 위상 지연량 dθe는 전류 제어계(10)의 샘플링 주기를 ΔTc, 모터 구동 중인 전기각 1주기를 T -θe로 하여, 다음 식 (6)으로 연산된다.

그리고, 전류 지령 분배기(20)의 출력인 상 전류 지령이나, 유기 전압 추정기(60)의 출력인 추정 유기 전압에는, 위상 보정기(90)에서 설정한 위상 지연량 dθe를 가미하여, 도 11의 파선으로 나타내는 dθe분만큼 위상 보정한 새로운 모터 현재 위치를 전류 지령 분배기(20)와 유기 전압 추정기(60)에서 각각 연산하고, 당해 새로운 모터 현재 위치를 참조한 각 출력이 적용된다. 본 실시예 1에 있어서, 당해 위상 지연량 dθe는, 예컨대, 모터의 최대 각속도로부터 결정한 고정값을 설정한다. 이렇게 함으로써, 전류 제어계(10)의 샘플링 주기에 의한 각 상의 전류 지령의 연산 지연이나, 유기 전압의 연산 지연을 억제할 수 있다.

본 실시예 1에 의하면, 전기각 분해능이 코스(coarse)한 위치 검출 센서(100)에서, 구동 중인 브러시리스 DC 모터(120)의 유기 전압과 상 전류를 정밀도 좋게 추정할 수 있다. 또한, 당해 추정값을 이용하여 가상적인 전류 피드백을 전류 제어계(10) 내에서 구성하기 때문에, 전류 센서가 불필요하고, 제어 시스템을 저비용화할 수 있다.

이상, 본 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치(1)의 기본적인 동작에 대해 설명하였다. 다음으로, 밸브 제어 장치(1)의 효과를 나타내기 위해서, 이하, 계산예를 구체적으로 설명한다.

목표 위치 지령을 230step 전개(全開)(1step는 전기각으로 60deg에 상당)로부터 밸브(130)의 기계단에 상당하는 0step 전폐(全閉)의 스텝 입력을 가했을 때의 각종 시간 응답을 도 12, 도 13, 및 도 14에 각각 나타낸다.

밸브(130)는 밸브 폐쇄 방향으로 리턴 토크가 작용하는 구성이며, 밸브(130)가 전폐(全閉)하기 직전에서 모터 각속도 변화를 완화하는 리턴 토크에 대향한 모터 토크를 유효하게 발생할 수 있는 효과를 나타내기 위해서, 전개(全開) 230step으로부터 전폐(全閉) 0step의 입력을 인가하고 있다. 또한, 환경 온도에 대해서도 안정한 밸브의 위치 응답이 얻어지는 효과를 나타내기 위해서, 환경 온도를 30℃와 120℃의 2경우를 상정한다. 환경 온도에 따라 변화될 수 있는 마찰 부하나 모터의 권선 저항이나 권선 인덕턴스 등은 그 환경 온도에 대응한 수치를 인가한다. 또한, 전류 제어계(10)에서 이용하는 전기각 검출 위치는 모터 각속도 증대에 따라 제어 주기의 영향으로 지연되지만, 여기서는, 상기 전기각 위상 지연의 보정량을 위상 보정기(90)에서 45deg의 고정값으로 하여, 전류 지령 분배기(20)와 유기 전압 추정기(60) 각각의 연산에 고려하고 있다.

도 12로부터 도 14까지에 있어서, (a)는 환경 온도가 30℃인 경우인 거동을, (b)는 환경 온도가 120℃인 경우의 거동을 각각 나타내고 있다. 또한, 도 12와 도 13에 관해서는, 도 14에 나타내는 밸브 실제 동작 중의 상 유기 전압과 상 전류의 각종 시간 파형이고, 도 12로부터 도 14까지의 가로축의 시간 스케일은 모두 동일하다.

도 12는 각 상의 실제 유기 전압의 거동을 파선으로, 추정 유기 전압의 거동을 실선으로 나타내고 있다. 파선으로 나타낸 실제 유기 전압과 실선으로 나타낸 추정 유기 전압에서, 전압 진폭이 다른 영역이 나타난다. 이것은, 전류 제어계(10)의 샘플링 주기마다 취입하는 전기각 검출 위치 θe가, 밸브(130)의 밸브 폐쇄 속도가 증대함에 따라 정확한 규칙 순서, 즉 전기각 1주기에서 6스텝의 변화를 할 수 없게 되기 때문에 발생하고 있는 것이다. 단, 당해 현상은, 예컨대, 전류 제어계(10)의 샘플링 주기를 작게 하는 것에 의해 개선 가능하다.

도 13은 각 상의 실제 상 전류의 거동을 파선으로, 각 상의 추정 전류의 거동을 실선으로 나타내고 있다. 상기 추정 유기 전압의 추정 정밀도의 영향이 있지만, 실제 상 전류와 추정 상 전류는 잘 일치하고, 이 결과는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 모터의 전기적 특성을 1상 권선 저항 성분과 권선 인덕턴스 성분의 직렬 결합으로 모델화한 간이적인 1차 지연 요소라도 가상적인 전류 피드백가 실현 가능한 것을 명시하고 있다.

도 14에 있어서, 환경 온도 30℃의 각종 시간 응답을 (a)로, 환경 온도 120℃의 각종 시간 응답을 (b)로 하고 있으며, 예컨대 (a)의 그래프에서는, 1단째에 밸브 위치 지령과 밸브 실제 위치를 각각 파선과 실선으로, 2단째에 모터 각속도를 실선으로, 3단째에 q축 전류 지령을 실선으로 나타내고 있다. (b)도 (a)와 같은 표기이다. 환경 온도 30℃와 환경 온도 120℃ 모두, 전폐(全閉) 바로 전의 저속 회전역으로 q축 전류 지령이 리턴 토크의 작용 방향과 대향하여 효과적으로 발생되고, 밸브 실제 위치는 기계단(0step)에 충돌없이 소프트 랜딩(soft landing)되어 있는 모양이 알 수 있다.

또한, 밸브(130)의 마찰 부하와 같은 기계적 특성이나, 모터(120)의 권선 저항과 같은 전기적 특성은 환경 온도에 의해서 변화될 수 있지만, 전개(全開) 230step으로부터 10% 개방도(23step)에 이르는 응답 시간은, 환경 온도 30℃에서 162㎳, 환경 온도 120℃에서 151㎳로, 환경 온도 변화에 대해서도 응답 시간의 차이가 11㎳로 작아, 응답 시간의 편차가 작은 안정한 밸브의 거동을 실현할 수 있다.

이상, 본 실시예 1에 의하면, 액츄에이터가 브러시리스 DC 모터(120)이고, 이 브러시리스 DC 모터(120)에 펄스 출력식의 위치 검출 센서(100)를 구비한 밸브 제어 장치(1)에 있어서, 전기각 분해능이 코스(coarse)한 센서 출력을 기초로 상 전류 지령과 유기 전압을 연산하고, 또 샘플링 주기의 영향을 전류 제어에 이용하는 위치에 대해 위상 보정을 행함으로써 억제하여, 정밀도 좋게 상 전류를 추정할 수 있는 가상적인 전류 피드백을 하는 전류 제어계(10)를 갖고, 당해 전류 제어계(10)에 의해서 직접적으로 모터 토크를 제어하기 때문에, 토크에 기여하는 토크분 전류를 효율적으로 발생시켜 밸브(130)의 응답 속도를 고속화시키면서, 밸브(130)를 기계단과 충돌시키지 않고 소프트 랜등(soft landing)할 수 있다.

(실시예 2)

본 발명의 실시예 2에 따른 밸브 제어 장치에 대하여 도 15를 참조하면서 설명한다. 도 15는 본 발명의 실시예 2에 따른 밸브 제어 장치의 전류 제어계의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 15에 있어서, 본 발명의 실시예 2에 따른 밸브 제어 장치(1)의 전류 제어계(10A)는, 상기의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치(1)의 전류 제어계(10)에서 위상 지연량 dθe를 모터 최대 각속도로부터 결정되는 고정값으로서 위상 보정기(90)에서 설정하고 있었던 것을, 모터 각속도에 따라 최적의 위상 보정량을 인가하는 위상 보정기(90A)를 구비하는 것이 다르다. 따라서, 상기의 실시예 1에서는 위상 보정량(dθe와 동일)이 일정하던 것에 반하여, 본 실시예 2에서는 모터 각속도에 따라 위상 보정량도 변화된다.

본 실시예 2에 따른 밸브 제어 장치(1)는, 상기의 실시예 1에서 설명한 전류 제어계(10)에서, 모터 각속도에 따라 최적의 위상 보정량을 인가하는 위상 보정기(90A)를 구비함으로써, 밸브(130)의 개폐 제어에서 모터 각속도가 증대해 나갈 때의 전류 제어계(10A)의 샘플링 주기의 영향에 의한 전기각 검출 위치의 취입의 위상 지연을 자동으로 조정시켜, 밸브의 응답성, 특히 모터 시동시나 모터 정지시의 특성을 향상하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 15에서는, 실시예 1의 위상 보정기(90) 대신에, 위상 보정기(90A)에서 위상 보정한다. 이 위상 보정기(90A)는, 앞서 설명한 바와 같이, 전류 제어계(10A)의 샘플링 주기의 영향에 의한 전기각 검출 위치의 취입의 위상 지연분의 위상을 보정한다.

그 구체적인 위상 보정량 dθe는, 전류 제어계(10A)의 샘플링 주기를 ΔTc로 하여, 다음 식 (7)로 연산된다. 그리고, 당해 위상 보정량 dθe를 가미한 새로운 모터 현재 위치를 참조하여, 전류 지령 분배기(20)에서 각 상의 상 전류 지령을, 유기 전압 추정기(60)에서 각 상의 추정 유기 전압을 각각 연산한다.

이 식 (7)은 전기각속도 θe_dot의 함수로 되어 있고, 따라서, 임의의 모터 각속도에 대하여 최적의 위상 보정량을 자동으로 조정할 수 있다. 그 결과, 실제 상 전류와 실제 유기 전압 각각의 위상에 대하여, 전류 제어계(10A)에서 연산하고 있는 상 전류 지령과 추정 유기 전압 각각의 위상 지연분이 작아지도록 조정되어, 밸브(130)의 응답성을 향상할 수 있다.

(실시예 3)

본 발명의 실시예 3에 따른 밸브 제어 장치에 대하여 도 16를 참조하면서 설명한다. 도 16은 본 발명의 실시예 3에 따른 밸브 제어 장치의 전류 제어계의 구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명의 실시예 3에 따른 밸브 제어 장치(1)는, 상기의 실시예 1에 따른 밸브 제어 장치(1)의 전류 제어계(10)에서, 상 전압 지령 대신에 실제 상 전압을 이용하여 각 상의 추정 전류를 연산하는 것이다.

실제 상 전압을 이용하는 경우, PWM 캐리어 주파수에 동기한 노이즈를 감쇠시키기 위해서 U상 실제 전압, V상 실제 전압을 각각 필터(91), 필터(92)에서 평활화하여 전류 추정에 이용한다. 또, 필터(91, 92)에는 전류 제어계(10B)의 샘플링 주기에 의한 위상 지연을 보정하기 위한 위상 보정 연산을 추가하더라도 좋다. 이러한 구성으로 함으로써, 실시예 1 또는 실시예 2와 동등한 효과를 얻을 수 있다.

또, 실시예 1로부터 실시예 3까지 나타낸 전류 추정기(70)의 권선 인덕턴스 L과 권선 저항 R은, 예컨대, 환경 온도 상한값에서의 값과 환경 온도 하한값에서의 값의 산술 평균을 고정값으로서 이용하더라도 좋고, 도시하지 않은 밸브 제어 장치(1)의 상류에 위치하는 상위 컨트롤러로부터 온도 정보가 인가되면, 미리 계측해 둔 온도와 권선 저항 및 온도와 권선 인덕턴스의 맵핑을 이용하여, 값을 갱신하더라도 좋다.

또한, 실시예 1로부터 실시예 3까지에 있어서, 밸브 구동시의 모터 전원 전압의 변동에 대처하기 위해서, 모터 전원 전압을 참조하여 위치 제어계(80)의 출력인 q축 전류 지령을 보정하더라도 좋다.

또한, 밸브 기구를 구동하는 브러시리스 DC 모터(120)에 구비되는 위치 검출 센서(100)의 전기각 분해능이 30deg의 경우에도, 상 전류 지령이나 추정 유기 전압의 구형파 근사 연산은 전술한 실시예 1에서 나타낸 방법과 마찬가지로 실시할 수 있다.

1: 밸브 제어 장치
10, 10A, 10B: 전류 제어계
20: 전류 지령 분배기
30: 전류 제어기
40: 포화 처리기
50: 필터
60: 유기 전압 추정기
70: 전류 추정기
80: 위치 제어계
87: 포화 처리기
90, 90A: 위상 보정기
91, 92: 필터
95: 검출 위치 환산기
100: 위치 검출 센서
110: 구동 회로
120: 브러시리스 DC 모터
130: 밸브

Claims

밸브의 개방 방향 혹은 폐쇄 방향으로 리턴 토크가 부여되는 밸브 기구에 대하여, 상기 리턴 토크와 대향하여 모터에 의한 토크를 부여하는 모터의 제어에 의해 상기 리턴 토크와 모터 토크의 밸런스로 밸브를 개폐 제어하는 밸브 제어 장치로서,
위치 검출 센서에서 검출된 모터의 현재 위치인 전기각(電氣角) 검출 위치를 기계각(機械角) 검출 위치로 환산하는 검출 위치 환산기와,
모터의 목표 위치 지령과 상기 기계각 검출 위치의 편차에 근거하여 q축 전류 지령을 출력하는 위치 제어계와,
상기 전기각 검출 위치에 근거하여 상기 q축 전류 지령을 모터의 각 상(phase)의 상 전류 지령으로 분배하고, 상기 상 전류 지령과 피드백된 각 상의 추정 전류의 전류 편차에 근거하여 각 상의 상 전압 지령을 생성하고, 상기 전기각 검출 위치 및 미리 실측된 유기 전압에 근거하여 각 상의 추정 유기 전압을 구하고, 상기 추정 유기 전압 및 상기 상 전압 지령에 근거하여 각 상의 추정 전류를 구함과 아울러, 최종적으로 실제 사용 전압 범위 내에서 포화 처리한 상 전압 지령을 출력하는 전류 제어계
를 구비한 밸브 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 전류 제어계는,
전류 제어계의 샘플링 주기에서 지연되는 모터의 현재 위치의 위상을 보정하기 위한 위상 보정량을 출력하는 위상 보정기와,
상기 위상 보정량 및 상기 전기각 검출 위치에 근거하여 상기 q축 전류 지령을 모터 각 상의 상 전류 지령으로 분배하는 전류 지령 분배기와,
상기 상 전류 지령과 피드백된 각 상의 추정 전류의 차분 연산으로 얻어지는 전류 편차에 근거하여 상 전압 지령을 생성하는 전류 제어기와,
상기 상 전압 지령을 실제 사용 전압 범위 내에서 포화 처리하여 출력하는 포화 처리기와,
상기 모터의 현재 위치인 전기각 검출 위치를 평활화하여 모터의 현재 속도인 전기각속도를 구하는 필터와,
상기 위상 보정량, 상기 전기각 검출 위치, 상기 전기각속도 및 미리 실측된 유기 전압에 근거하여 각 상의 유기 전압을 추정하는 유기 전압 추정기와,
상기 유기 전압 추정기의 출력인 추정 유기 전압 및 상기 포화 처리기의 출력인 상 전압 지령에 근거하여 각 상의 전류를 추정하고, 이 추정 전류를 상기 전류 제어기로 피드백하는 1차 지연 요소의 전류 추정기를 포함하는
밸브 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 전류 지령 분배기는,
상기 위상 보정기로부터의 위상 보정량에 근거하여 보정 연산한 새로운 모터의 현재 위치인 전기각 검출 위치와, 상기 q축 전류 지령에 근거하여, 상기 전기각 검출 위치의 검출 구간마다 파형 정형하여 구형파의 각 상의 상 전류 지령을 생성하는
밸브 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 유기 전압 추정기는,
상기 위상 보정기로부터의 위상 보정량에 근거하여 보정 연산한 새로운 모터의 현재 위치인 전기각 검출 위치와, 상기 전기각속도와, 미리 실측된 유기 전압에 근거하여, 상기 전기각 검출 위치의 검출 구간마다 파형 정형하여 구형파의 각 상의 추정 유기 전압을 생성하는
밸브 제어 장치.