KR20130030754A - 모터 제어 장치 - Google Patents

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KR20130030754A
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아키라 다나베
히로유키 세키구치
히데토시 이케다
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

모터(1)의 동작을 지령하는 신호와 모터 동작의 검출 결과인 검출 신호의 차분에 기초해서 보정전 토크 지령을 산출하는 추종 제어부(3)와, 검출 신호로부터 모터가 발생하는 토크 리플과 동일한 모터 위치에 의존한 주기의 기준 주기 신호를 산출하는 기준 주기 신호 연산부(8)와, 검출 신호에 기초해서 산출한 보정 토크 지령을 보정전 토크 지령에 더해서 보정후 토크 지령을 산출하는 보정 토크 연산 수단(5, 11)과, 보정후 토크 지령에 기초해서 모터를 구동하는 구동 전류를 출력하는 전류 제어부(4)와, 기준 주기 신호와 보정후 토크 지령으로부터 보정후 토크 지령의 진폭, 기준 주기 신호에 대한 위상을 차례로 추정하는 진폭 위상 추정부(7)를 구비하고, 보정 토크 연산 수단은 진폭 위상 추정부가 추정한 보정후 토크 지령의 진폭, 위상을 이용해서 보정 토크 지령과 보정후 토크 지령의 차가 작아지도록 보정 토크 지령을 차례로 갱신한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROL DEVICE}
본 발명은 공작 기계 등의 산업용 기계 장치를 구동하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.
산업용 기계 장치를 구동하는 모터를 제어하는 장치에서는, 모터의 특성에 따라서, 회전 위치(회전 각도)에 따라 토크의 맥동이 발생한다는 것이 알려져 있으며, 토크 리플이라고 불린다.
예컨대, 영구 자석 동기 모터에서는, 모터 내부의 자속 변화에 왜곡를 갖는 것에 기인하여 발생하는 코깅 토크가 있고, 모터 1회전(기계각이라고도 함)당 모터의 구조(극수나 슬롯수)에 의해서 정해지는 회전수(피크의 수라고도 한다)의 맥동이 발생한다. 이러한 토크 리플은 기계 장치의 동작에 악영향을 미치는 경우가 있기 때문에, 제어 장치에 의해서 억제하는 방식이 제안되어 있다.
토크 리플을 억제하는 제어 장치로서는, 토크 리플이 회전 위치에 따라 주기적으로 발생한다는 점을 고려해서, 회전 위치에 따라 동일한 각도 주기의 보정 토크 지령을 이용함으로써 상기 토크 리플을 상쇄시키는 것이 알려져 있다. 여기서, 발생하는 토크 리플의 진폭, 위상은 모터 제조시의 격차 등에 따라 모터마다 다르기 때문에, 보정 토크 지령의 진폭, 위상도 모터마다 설정할 필요가 있다.
이와 같이, 모터마다 보정 토크 지령의 진폭, 위상을 구하여 토크 리플을 억제하는 제어 장치로서는, 예컨대 이하 같은 기술이 제안되어 있다. 즉, 정현파 형상이 되는 보정 토크 지령의 위상을 전체 범위(0도부터 360도)에서 소정의 피치 폭으로 변경하는 단계를 행하고, 다음으로 보정 토크 지령의 진폭을 소정의 피치 폭으로 변경하는 단계를 행하며, 보정 토크 지령의 위상, 및 진폭 변경마다 토크 리플의 크기를 FFT 연산 수단에 의해서 해석함으로써, 토크 리플의 크기가 최소가 되는 보정 토크 지령의 진폭, 위상을 결정하는 기술이 개시되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
또한, 상술한 보정 토크 지령을 더한 후의 신호가 되는 보정후 토크 지령을 설정한 조건에 따라서 샘플링하는 샘플링부와, FFT 연산에 의해 푸리에 계수를 산출하는 FFT 연산부와, 푸리에 계수에 기초해서 보정값을 연산하는 보정값 연산부를 구비하고, 상기 샘플링부에 의해 샘플링을 행하는 단계와, 샘플링된 보정후 토크 지령의 푸리에 계수를 구하고 보정 토크 지령을 갱신하는 단계를 설정한 반복 회수만큼 실행함으로써 토크 리플 보정값을 산출하는 기술이 개시되어 있다(예컨대, 특허 문헌 2 참조).
일본 특허 제 4144018 호 공보 일본 특허 공개 제 2010-63343호 공보
그러나, 상기 종래의 기술에 의하면, 예컨대, 특허 문헌 1에 개시된 기술에서는, 보정 토크 지령의 진폭, 위상을 각각 다른 단계에서 탐색할 필요가 있었다. 또한, 특히 위상에 대해서는 전체 범위에서의 탐색이 필요했다. 이 때문에, 조정 작업에 시간이 필요하다는 점이나 조정에 관한 처리가 증대된다는 문제가 있었다.
아울러, 특허 문헌 1에 개시된 기술에서는, 소정의 피치 폭을 이용한 탐색을 행하고 있기 때문에, 조정 작업에 요하는 시간과 최종적인 조정 정밀도는 트레이드 오프의 관계가 되어, 조정 시간과 고 정밀도화를 양립시키기 어렵다는 문제가 있었다.
또한, 특허 문헌 2에 개시된 기술에서는, 보정후 토크 지령을 샘플링하는 단계와 FFT 연산에 의해 푸리에 계수를 산출하여 보정 토크 지령을 갱신하는 단계를 반복 실행할 필요가 있었다. 특히, 모터의 회전 위치(회전 각도)에 의존한 토크 리플의 진폭, 위상을 구할 필요가 있다.
그러나, 통상의 데이터 샘플링에서는 일정한 시간마다 샘플링을 행하기 때문에, 샘플링한 데이터와 모터 각도의 관계가 대응지어지도록 FFT 연산을 행할 필요가 있고, 오프라인에서의 데이터 조작이 필수적이었다. 이로써, 조정 작업에 시간이 필요하다는 점이나 조정에 관한 처리가 증대된다는 문제가 있었다.
또한, 특허 문헌 2에 개시된 기술에서는, 토크 리플의 주파수에 맞춰서 충분히 해석 가능한 데이터의 수의 샘플링을 행할 필요가 있기 때문에, 대규모의 메모리가 필요하게 된다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기를 감안해서 이루어진 것으로, 토크 리플을 억제하는 보정 토크 지령을 보다 간이한 처리로 또한 단시간에 정밀도 좋게 추정하는 모터 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 모터의 동작을 지령하는 동작 지령 신호와 상기 모터의 동작의 검출 결과인 검출 신호와의 차분에 기초해서 보정전 토크 지령을 산출하는 추종 제어부와, 상기 검출 신호에 기초해서, 상기 모터가 발생하는 토크 리플과 동일한 모터 위치에 의존한 주기의 기준 주기 신호를 산출하는 기준 주기 신호 연산부와, 상기 검출 신호에 기초해서 산출한 보정 토크 지령을 상기 보정전 토크 지령에 더함으로써 보정후 토크 지령을 산출하는 보정 토크 연산 수단과, 상기 보정후 토크 지령에 기초해서 상기 모터를 구동하는 구동 전류를 출력하는 전류 제어부와, 상기 기준 주기 신호와 상기 보정후 토크 지령에 기초해서, 상기 보정후 토크 지령의 진폭 및 상기 기준 주기 신호에 대한 위상을 차례로 추정하는 진폭 위상 추정부를 구비하며, 상기 보정 토크 연산 수단은, 상기 진폭 위상 추정부가 추정한 상기 보정후 토크 지령의 진폭 및 위상을 이용해서, 상기 보정 토크 지령과 상기 보정후 토크 지령의 차가 작아지도록 상기 보정 토크 지령을 차례로 갱신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 보정전 토크 지령 또는 보정후 토크 지령에 있어서의 진폭, 위상을 차례로 추정한 결과에 기초해서 보정 토크 지령의 진폭, 위상을 각각 갱신시킬 수 있기 때문에, 진폭과 위상을 개별 단계에서 결정할 필요가 없어, 간이한 처리 또한 단시간에 토크 리플을 억제하는 보정 토크 지령을 구할 수 있다. 또한, 샘플링에 의한 FFT 연산을 반복할 필요가 없어, 간이한 처리 또한 단시간에 토크 리플을 억제하는 보정 토크 지령을 구할 수 있다는 효과를 낸다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 진폭 위상 추정부의 구성을 나타내는 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 보정 토크 지령의 추정 동작을 나타내는 벡터도,
도 4는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 제어계 구성을 나타내는 블록도,
도 5는 본 발명의 실시예 1에 있어서의 보정 토크 지령의 진폭의 추정 결과를 나타내는 파형도,
도 6은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 보정 토크 지령의 위상의 추정 결과를 나타내는 파형도,
도 7은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 보정 토크 지령의 추정 동작을 나타내는 위치 편차의 파형도,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도,
도 9는 본 발명의 실시예 3에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도,
도 10은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 다른 모터 제어 장치를 나타내는 블록도,
도 11은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도,
도 12는 본 발명의 실시예 4에 있어서의 별도의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
이하에, 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 실시예를 도면에 기초해서 구체적으로 설명한다. 한편, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.
(실시예 1)
이하, 본 발명의 실시예 1에 따른 모터 제어 장치에 대해서 도 1 내지 도 7을 이용해서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시예 1에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 모터 제어 장치에는 위치 지령이나 속도 지령 등의 모터(1)의 동작에 관한 동작 지령 신호 R가 입력된다.
검출기(2)는 모터(1)에 연결되어 있으며, 모터(1)의 위치나 속도 등을 검출한다. 그리고, 그 검출 결과를 검출 신호 Rf로서 출력한다. 비교기(10)는 동작 지령 신호 R와 검출기(2)로부터 출력되는 검출 신호 Rf의 편차를 연산한다. 추종 제어부(3)는, 비교기(10)로부터 인가된 동작 지령 신호 R와 검출 신호 Rf의 편차에 따라서 비례, 적분 연산을 포함하는 처리에 의해 토크 지령을 출력한다. 추종 제어부(3)에는, 이들 비례, 적분 연산을 포함하는 처리를 위한 게인값 등이 설정되어 있다.
전류 제어부(4)는, 입력되는 토크 지령에 근거하여 모터(1)를 구동하는 구동 전류를 출력한다. 이와 같이 모터 제어 장치에 있어서의 기본적인 동작으로서, 동작 지령 신호 R에 추종하도록 모터(1)를 구동하게 된다.
다음으로 가산기(9)는 상기 제어계에 대해 외란 토크 τd를 가산하고 있다. 여기서, 외란 토크 τd는 토크 리플에 의한 영향을 나타내고 있다. 통상, 모터의 구조에 기인하여 발생하는 맥동 성분은 모터 내부에서 발생하는 것이다. 또한, 도 1에 있어서 외란 토크 τd는 전류 제어부(4)의 출력측에서 가산하고 있지만, 전류 제어부(4)의 응답 대역이 충분히 높아서 외란 토크 τd에 비해 무시할 수 있는 경우나, 전류 제어부(4)와 모터(1)를 모두 제어 대상으로 하는 경우에는 전류 제어부(4)의 입력측에서 가산되도록 등가적으로 변환하는 것이 가능하다. 이하, 본 실시예에 있어서 설명을 간이하게 하기 위해서 외란 토크 τd가 전류 제어부(4)의 입력측에서 가산되는 것으로 해서 설명한다.
가산기(11)는, 추종 제어부(3)가 출력하는 토크 지령에 대해 보정 토크 지령 τc을 가산하고 있다. 보정 토크 지령 τc은 상술한 외란 토크 τd의 영향을 억제하기 위해서 더해지는 것으로, 도 1에 있어서 마이너스 부호가 붙여져서 가산기(11)에서 가산됨으로써, 보정 토크 지령 τc와 외란 토크 τd가 일치하면 외란 토크 τd는 상쇄되어, 토크 리플이 억제되게 된다.
이하의 실시예의 설명에 있어서, 추종 제어부(3)로부터 출력되는 토크 지령을 보정전 토크 지령 τ1이라 하고, 가산기(11)에 있어서 τ1로부터 보정 토크 지령 τc을 감산(즉, τ1과 -τc를 가산)한 후의 토크 지령, 즉 전류 제어부(4)에 입력하는 토크 지령을 보정후 토크 지령 τ2이라 하기로 한다.
기준 주기 신호 연산부(8)는, 검출기(2)가 출력한 검출 신호 Rf에 기초해서, 모터의 회전 위치에 따라 발생하는 토크 리플과 같은 각도 주기의 기준 주기 신호를 연산에 의해 산출한다. 진폭 위상 추정부(7)는 가산기(11)로부터 주어진 보정후 토크 지령 τ2과 기준 주기 신호 연산부(8)가 출력하는 기준 주기 신호에 기초해서, 모터의 회전 위치에 따른 보정후 토크 지령 τ2의 진폭 및 위상을 모터 구동 중에 차례로 추정한다. 여기서, 진폭 위상 추정부(7)의 상세한 동작에 관해서는 후술한다.
진폭 위상 설정부(6)는 진폭 위상 추정부(7)에서 추정된 진폭, 위상의 추정 결과를 받고, 이들 추정 결과에 기초해서 보정 토크 지령 τc의 진폭, 위상 설정값을 설정하여, 보정 토크 연산부(5)에 출력한다.
보정 토크 연산부(5)는, 진폭 위상 설정부(6)에 의해 설정되는 진폭, 위상과, 검출기(2)로부터 출력된 검출 신호 Rf에 기초해서 모터(1)의 회전 위치에 따른 보정 토크 지령 τc을 산출하여 출력한다.
보정 토크 연산부(5)에 의해 산출되는 보정 토크 지령 τc은, 예컨대 기준 주기 신호 연산부(8)가 출력하는 기준 주기 신호와 같은 주기, 즉 토크 리플과 같은 각도 주기를 갖는 주기적으로 변동하는 값으로, 모터(1)의 회전각에 의존한 값이다. 이 경우, 보정 토크 연산부(5)는, 토크 리플과 같은 각도 주기를 갖는 기준 주기 신호를 기준 주기 신호 연산부(8)로부터 얻어도 되고, 검출기(2)로부터 출력된 검출 신호 Rf에 기초해서 생성해도 상관없다.
다음으로, 진폭 위상 추정부(7)의 추정 동작에 대해서 도 2를 이용해서 구체적으로 설명한다. 도 2는 진폭 위상 추정부(7)의 구성을 나타내는 블록도이다. 우선, 도 2에 있어서, 추정 대상의 신호가 되는 보정후 토크 지령 τ2이 토크 리플에 의해서 이하의 (1) 식에 표시되는 주기 신호라고 한다.
τ2=Asin(θ+α) (1) 식
여기서, (1) 식에 있어서, 기준 각도 θ는 모터의 회전 위치에 따라 발생하는 토크 리플의 주기적인 변화를 나타내고 있으며, 모터 1회전당 발생하는 토크 리플의 횟수를 이미 알고 있다면, 모터의 위치나 속도로부터 구할 수 있다. 또한, 모터가 일정 속도로 구동하고 있는 경우에는 각 주파수 ω와 시간 t을 이용해서 θ=ωt로 나타낼 수 있어, 보정후 토크 지령 τ2은 일정 주기로 진동하는 신호가 된다. 또한, 진폭 A, 위상 α의 값이 추정 대상의 파라미터가 된다.
위상 수정부(71)는, 기준 주기 신호 연산부(8)로부터 출력되는 토크 리플과 같은 각도 주기의 기준 주기 신호, 예컨대 sin(θ)와, 위상 추정값에 기초해서 기준 주기 신호의 위상을 수정한 주기 신호를 출력한다. 여기서, 위상 추정값을 β이라고 하면, 위상 수정부(71)로부터 출력되는 주기 신호는 이하의 (2) 식 및 (3) 식과 같이 나타내어진다.
cos(θ+β) (2) 식
sin(θ+β) (3) 식
승산기(72)에는, 상술한 (1) 식으로 나타내어지는 보정후 토크 지령 τ2과, 상기 (2) 식으로 나타내어지는 기준 주기 신호가 입력되어 이들을 승산한다. 따라서, 승산기(72)의 출력 신호는 이하의 (4) 식이 된다.
τ2·cos(θ+β)=(A/2)(sin(2θ+α+β)+sin(α-β)) (4) 식
직류 성분 연산부(73)는, 예컨대 로우 패스 필터에 의해서, 승산기(72)의 출력 신호인 상기 (4) 식의 직류 성분이 되는 (A/2)sin(α-β)를 연산한다. PI 제어부(74)는, 입력되는 직류 성분의 값에 기초해서 직류 성분이 최소가 되도록 위상 추정값 β를 변화시킨다. 여기서, 직류 성분이 최소가 되면 보정후 토크 지령 τ2의 위상α과 위상 추정값 β가 같아지기 때문에, 차례로 위상 α의 추정을 실현할 수 있다.
승산기(75)에는, 상술한 (1) 식으로 나타내어지는 보정후 토크 지령 τ2과, 상기 (3) 식으로 나타내어지는 기준 주기 신호가 입력되어 이들을 승산한다. 따라서, 승산기(75)의 출력 신호는 이하의 (5) 식이 된다.
τ2·sin(θ+β)=-(A/2)(cos(2θ+α+β)-cos(α-β)) (5) 식
직류 성분 연산부(76)는, 예컨대 로우 패스 필터에 의해서, 승산기(75)의 출력 신호인 상기 (5) 식의 직류 성분이 되는 (A/2)cos(α-β)를 연산한다. 여기서, 직류 성분의 값은, 보정후 토크 지령 τ2의 위상α과 위상 추정값 β가 같은 경우에는, A/2이 된다.
게인(77)은, 직류 성분 연산부(76)로부터 입력되는 직류 성분을 증폭하여, 진폭 추정값을 출력한다. 이상과 같이, 위상 추정값 β의 추정에 따라 차례로 모터의 회전 위치에 따른 주기 신호의 진폭의 추정을 실현할 수 있다.
다음으로 보정 토크 지령 τc의 추정 동작에 대해서 도 3을 이용해서 구체적으로 설명한다. 도 3은, 보정 토크 지령의 추정 동작을 나타내는 벡터도이다. 도 3에서는, 토크 리플이 발생하는 주파수에 있어서의 각 토크 신호의 진폭, 위상의 정보를 복소 평면 상에서의 벡터로서 나타내고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 보정전 토크 지령 τ1에 대해 보정 토크 지령 τc을 감산함으로써 보정후 토크 지령 τ2이 구해진다는 점에서, τ1, -τc, τ2의 관계는 도 3에 있어서의 점선으로 나타낸 바와 같이 벡터의 합성으로서 나타낼 수 있다.
여기서, 토크 리플에 의한 영향을 이상적으로 억제할 수 있는 상태에서는, 보정전 토크 지령 τ1에 있어서의 진폭이 0이 되기 때문에, -τc와 τ2가 일치하게 된다. 이러한 점에서, 이상적인 억제 상태와의 오차로서 -τc와 τ2의 차이를 보정 토크 지령 τc의 갱신량으로서 이용한다. 여기서, 상기 갱신 처리는, 진폭 위상 추정부(7)에 의해 보정후 토크 지령 τ2의 진폭 및 위상을 구함으로써 보정 토크 지령 τc을 -τ2로 갱신하는 것과 등가가 된다.
다음으로 본 실시예에 있어서의 보정 토크 지령 τc의 산출 방법에 따라, τc가 τd로 수속하는 것을, 도 4를 이용해서 설명한다. 도 4는, 도 1에 대응한 제어계의 구성을 전달 함수로 나타낸 블록도이다.
도 4는, 일반적인 피드백 제어계의 구성으로, 추종 제어부(3)에 대응하는 제어기(12)의 전달 함수를 C(s), 전류 제어부(4), 모터(1), 및 검출기(2)로 이루어지는 제어 시스템(13)의 전달 함수를 P(s)로서 나타내고 있다. 기타, 도 1과 같은 구성 요소에 대해서는 같은 부호로 하고, 설명을 생략한다.
도 4에 나타내는 제어계에서, 감도 함수 S, 상보 감도 함수 T는 각각, 이하의 (6) 식, 및 (7) 식과 같이 된다.
S=1/(1+CP) (6) 식
T=CP/(1+CP) (7) 식
상기 감도 함수 S, 상보 감도 함수 T를 이용하고, 보정후 토크 지령 τ2에 관해서 토크 리플의 주파수 성분에만 착안한 설명이라고 하면, 보정후 토크 지령 τ2은 보정 토크 지령 τc과 외란 토크 τd에 의해 이하의 (8) 식으로 나타낼 수 있다.
τ2=-S·τc-T·τd (8) 식
다음으로, 상술한 바와 같이, 본 실시예에서는 보정 토크 지령 τc을 -τ2로 갱신하기 때문에, (8) 식에 의해서 구해진 -τ2를 τc로서 이용한다. (8) 식로 나타내어지는 τ2을 임의의 k회째의 갱신 상태라고 하면, k+1회째에 있어서의 보정후 토크 지령 τ2(k+1)은 이하의 (9) 식이 된다.
τ2(k+1)=-S(S·τc(k)+T·τd)-T·τd
=-S(S·τc(k)+T·τd)-(1-S)τd (9) 식
마찬가지로, k+2회째, k+3회째로 갱신한 경우, k+n회째에 있어서의 보정후 토크 지령 τ2(k+n)은 이하의 (10) 식이 된다.
τ2(k+n)=-Sn(S·τc(k)+T·τd)-(1-Sn)τd (10) 식
여기서 상기 (10) 식에 있어서, 토크 리플의 주파수에 있어서의 감도 함수 S가 1보다 작은 경우에는, Sn은 갱신을 반복함으로써 0으로 수속하게 된다. 즉, 보정후 토크 지령 τ2은 -τd로 수속하게 되기 때문에, -τ2로 갱신을 반복하는 τc는 외란 토크 τd로 수속하게 된다.
이상과 같이 하여 토크 리플을 억제하는 보정 토크 지령 τc을 구하는 것이 가능해진다. 여기서, 감도 함수 S는 일반적으로는 제어 대역 내에서 1보다 작아지기 때문에, 토크 리플의 주파수가 제어 대역 내라면 수속하게 된다.
또한, 상술한 설명에서는 보정 토크 지령 τc을 -τ2로 갱신하는 처리에 있어서, 추정된 -τ2의 진폭 및 위상을 그대로 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상의 갱신값으로서 이용하는 것으로서 설명했다. 그러나, 갱신전의 τc와-τ2를 비교함으로써 오차를 연산하여, 적어도 오차가 작아지도록 상기 오차에 학습용 게인을 곱한 값을 갱신전의 τc에 더함으로써 τc를 갱신하는 처리로 하는 것도 실현 가능하다.
이러한 구성으로 한 경우, 보정 토크 지령 τc의 갱신량을 학습용 게인에 의해서 설정하는 것이 가능해진다. 따라서, 보정 토크 지령 τc이 급준하게 변화되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 토크 리플의 진폭 및 위상에 격차가 있는 경우에도 평균적인 보정 토크 지령 τc을 구할 수 있다.
또한, 상술한 τc와 -τ2의 오차의 연산 결과로부터, 양자의 차의 절대값 등이 소정값 이하가 된 경우에는, τc의 갱신이 충분히 수속된 것으로 판단하여, 갱신 처리를 정지시키는 구성으로 하는 것도 가능하다.
다음으로 본 실시예에 있어서의 보정 토크 지령 τc의 추정 동작에 대해서 도 5 내지 도 7을 이용해서 설명한다. 도 5 내지 도 7은, 본 실시예에 있어서의 보정 토크 지령 τc의 추정 동작을 나타내는 파형도이다.
도 5 내지 도 7에서는, 모터 1 회전당 30[회]의 토크 리플이 발생하는 모터를 모의하여, 20[r/min]의 일정 속도로 구동 중에 보정 토크 지령 τc을 추정하는 동작에 대해 시뮬레이션을 행한 결과를 나타내고 있다.
도 5 및 도 6은 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상의 추정 결과를 나타내고 있고, 보정 개시점인 1[sec]의 시점부터 추정 동작을 시작하고 있다. 또한, 각 도면의 파선은 외란 토크로서 더하고 있는 토크 리플의 진폭, 위상을 나타내고 있고, 추정 동작에 의해서 보정 토크 지령 τc과 외란 토크 τd의 진폭, 위상이 일치하고 있다는 점을 확인할 수 있다. 여기서, 외란 토크 τd의 진폭은 1[p.u.]로 정규화하고 있어, 위상은 30[°]로 하고 있다.
또한, 도 7은 추정 동작에 따른 보정 효과를 나타내고 있고, 모터 회전시에 있어서의 위치 편차가 보정 토크 지령 τc의 추정 동작에 따라서 저감하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 여기서, 진동 성분의 크기는 1[sec]까지의 크기가 1[p.u.]이 되도록 정규화하고 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 있어서의 모터 제어 장치에 있어서는, 모터(1)의 회전 위치에 따른 보정후 토크 지령 τ2의 진폭 및 위상을 차례로 추정하고, 그 추정 결과에 기초해서 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상을 각각 갱신한다.
이로써, 토크 리플을 억제하는 보정 토크 지령 τc을 차례로 갱신할 수 있다. 즉, 순차적인 추정에 의해 샘플링이 불필요하게 되어서, 대규모 메모리가 필요없어서 단시간 또한 간이한 처리로 토크 리플에 의한 주기적인 진동을 억제하는 보정 토크 지령 τc을 구할 수 있다.
(실시예 2)
이하, 본 발명의 실시예 2에 의한 모터 제어 장치에 대해서 도 8을 이용해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 여기서, 도 1과 동일한 부호는 동일 구성 요소를 나타내고 있고, 설명을 생략한다.
도 8에 있어서, 진폭 위상 추정부(7a)는 모터(1)의 회전 위치에 따른 보정전 토크 지령 τ1의 진폭 및 위상을 추정한다. 진폭 위상 추정부(7a)의 구성은 도 2에 나타낸 진폭 위상 추정부(7)의 구성과 마찬가지지만, 보정후 토크 지령 τ2 대신 보정전 토크 지령 τ1이 입력된다. 이로써, 기준 주기 신호 연산부(8)로부터 출력되는 기준 주기 신호를 이용해서 보정전 토크 지령 τ1의 진폭 및 위상이 추정된다.
진폭 위상 설정부(6a)는, 상기 진폭 위상 추정부(7a)에서의 보정전 토크 지령 τ1의 진폭 및 위상의 추정 결과와, 보정 토크 연산부(5a)에서 설정되어 있는 추정시의 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상으로부터, 새로운 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상의 설정값을 산출하여 보정 토크 연산부(5a)로 출력한다.
보정 토크 연산부(5a)는, 상기 진폭 위상 설정부(6a)에 의해 설정되는 진폭 및 위상과, 검출기(2)로부터 출력된 검출 신호 Rf에 기초해서 모터의 회전 위치에 따른 보정 토크 지령 τc을 산출해서 출력한다.
이와 같이 본 실시예에 있어서는, 보정전 토크 지령 τ1의 추정값과 추정시의 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상에 기초해서 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상의 갱신을 행한다.
다음으로, 보정 토크 지령 τc의 추정 동작에 대해서 도 3을 이용해서 구체적으로 설명한다. 상술한 바와 같이, 도 3에 있어서 보정 토크 지령 τc을 -τ2에 가까워지도록 갱신시킴으로써 토크 리플을 억제하는 것이 가능해진다.
여기서, 본 실시예에 있어서는, 보정전 토크 지령 τ1의 진폭 및 위상이 추정됨과 아울러, 추정시의 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상은 이미 알고 있다는 점에서, 도 3에 나타낸 벡터의 합성 연산에 의해 보정후 토크 지령 τ2의 진폭, 위상을 구하는 것이 가능해진다. 이 경우에도 실시예 1와 같은 보정 토크 지령 τc의 갱신 처리를 실현할 수 있다는 것은 분명하다.
구체적으로는, 예컨대, 실시예 1과 같이 상기한 바와 같이 해서 구해진 보정후 토크 지령 τ2의 부호를 반전한 -τ2의 진폭, 위상을 그대로 갱신 후의 보정 토크 지령 τc의 진폭, 위상으로서 이용해도 된다. 혹은, 적어도 τc와 -τ2의 오차, 즉 추정된 보정전 토크 지령 τ1의 절대값이 작아지도록, τ1에 학습용 게인을 곱한 값을 갱신전의 τc에 더함으로써 τc를 갱신하는 처리를 행해도 된다. 이로써, 실시예 1에서 설명한 것과 같이 보정 토크 지령 τc이 급준하게 변화되는 것을 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 있어서의 모터 제어 장치에 있어서는, 보정전 토크 지령 τ1에 있어서의 진폭 및 위상을 차례로 추정하여, 그 추정 결과와 추정시의 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상으로부터 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상을 각각 갱신한다.
이로써, 토크 리플을 억제하는 보정 토크 지령 τc을 차례로 갱신할 수 있기 때문에, 단시간 또한 간이한 처리로 토크 리플에 의한 주기적인 진동을 억제하는 보정 토크 지령 τc을 구할 수 있다.
(실시예 3)
이하, 본 발명의 실시예 3에 따른 모터 제어 장치에 대해서 도 9를 이용해서 설명한다. 도 9는, 본 발명의 실시예 3에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 여기서, 도 1과 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타내고 있으며, 설명은 생략한다.
도 9에 있어서, 보정 토크 판정부(14)는 진폭 위상 설정부(6b)에 의해 설정되는 보정 토크 지령 τc의 진폭이 미리 설정되는 소정값 이상인지 여부를 판정하고, 판정 결과를 진폭 위상 설정부(6b)에 출력한다.
진폭 위상 설정부(6b)는, 보정 토크 판정부(14)에 의해서 보정 토크 지령 τc의 진폭이 소정값 이상이라고 판정된 경우에는, 보정 토크 지령 τc의 진폭 및 위상의 추정 동작을 정지하고, 보정 토크 지령 τc에 의한 보정을 정지하는 신호를 보정 토크 연산부(5)에 출력한다. 즉, 보정 토크 지령 τc을 보정전 토크 지령 τ1에 더하지 않도록 한다.
또한, 도 8에 나타낸 보정전 토크 지령 τ1의 진폭 및 위상을 추정하여 보정 토크 지령 τc을 갱신하는 모터 제어 장치에 보정 토크 판정부(14)를 구비하여, 상기와 마찬가지의 동작을 행해도 된다.
이 경우, 도 10에 나타낸 바와 같이, 보정 토크 판정부(14)는 진폭 위상 설정부(6d)에 의해 설정되는 보정 토크 지령 τc의 진폭이 미리 설정되는 소정값 이상인지 여부를 판정하고, 판정 결과를 진폭 위상 설정부(6d)에 출력한다. 그 후의 진폭 위상 설정부(6d)의 동작은 상기 진폭 위상 설정부(6b)와 마찬가지이다. 도 10에서, 도 8과 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타내고 설명은 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예 3에 있어서의 모터 제어 장치에 있어서는, 실시예 1에 나타낸 수속 조건(제어계의 감도 함수가 1보다 작은 경우) 이외의 조건하에서 추정 동작을 실시한 경우에 있어서, 추정 동작이 불안정하게 되어서 과대한 보정 토크 지령이 보정전 토크 지령에 가산되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 안정된 추정 동작을 실현하는 것이 가능해진다. 즉, 운전 조건에 따라 보정 토크 지령의 추정이 오동작하는 것을 방지할 수 있다.
(실시예 4)
이하, 본 발명의 실시예 4에 따른 모터 제어 장치에 대해서 도 11을 이용해서 설명한다. 도 11은, 본 발명의 실시예 4에 있어서의 모터 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 여기서, 도 1과 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타내고 있고, 설명은 생략한다.
도 11에 있어서, 추정 동작 판정부(15)는 추종 제어부(3)에서 설정된 게인값과 검출 신호 Rf에 기초해서 보정 토크 지령 τc의 추정 동작이 수속하는 조건이 되는지 여부를 판정하여, 판정 결과를 진폭 위상 설정부(6c)에 출력한다.
여기서, 추정 동작이 수속하는 조건은, 실시예 1에서 설명한 바와 같이 토크 리플의 주파수가 제어 대역 내라는 점이 된다. 모터 1회전당 발생하는 토크 리플의 횟수를 이미 알고 있다면, 토크 리플의 주파수는 모터의 위치나 속도로부터 구할 수 있다. 또한, 제어 대역은 추종 제어부(3)에 있어서 설정된 게인값에 의존한다. 따라서, 추정 동작 판정부(15)는, 양자를 비교함으로써 추정 동작이 수속하는지 여부를 판정할 수 있다.
추정 동작 판정부(15)에 의해서, 보정 토크 지령 τc의 추정 동작이 수속하지 않는 조건이라고 판정된 경우에는, 진폭 위상 설정부(6c)는 보정 토크 연산부(5)에 출력하는 설정값을 고정으로 하고 보정 토크 지령 τc의 갱신을 정지시킨다.
또한, 도 8에 나타낸 보정전 토크 지령 τ1의 진폭 및 위상을 추정하여 보정 토크 지령 τc을 갱신하는 모터 제어 장치에 추정 동작 판정부(15)를 구비하여 상기와 마찬가지의 동작을 행해도 된다.
이 경우, 도 12에 나타낸 바와 같이, 추정 동작 판정부(15)가 보정 토크 지령 τc의 추정 동작이 수속하지 않는 조건이라고 판정한 경우에는, 진폭 위상 설정부(6e)는 보정 토크 연산부(5a)에 출력하는 설정값을 고정으로 하고 보정 토크 지령 τc의 갱신을 정지시킨다. 도 12에서, 도 8과 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타내고 설명은 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예 4에 있어서의 모터 제어 장치에 의하면, 실시예 1에서 나타낸 수속 조건(제어계의 감도 함수가 1보다 작은 경우) 이외의 조건하에서 추정 동작을 행하는 것을 방지할 수 있어, 안정된 추정 동작을 실현하는 것이 가능해진다.
또한, 실시예 4에 있어서의 모터 제어 장치에 의하면, 상기 수속 조건을 자동적으로 판별하여, 추정 동작의 실행/정지를 전환하는 것이 가능해지기 때문에, 모터 구동 중에 있어서의 보정 토크 지령 τc의 갱신을 상시 실시할 수 있다. 즉, 보정 토크 지령의 추정이 안정 동작하는 조건을 자동 판별함으로써 보정 토크 지령의 상시 유효화를 실현할 수 있다. 따라서, 예컨대 경년 변화와 같이 토크 리플의 특성이 변화된 경우에도 대응할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 모터 제어 장치는, 보정 전후 모두의 토크 지령의 특징량인 진폭 및 위상을 차례로 추정하고, 이것을 이용해서 보정 토크를 학습하는 방식으로 되어 있어, 진폭 및 위상을 동시에 또한 간이한 처리로 구할 수 있다. 진폭 및 위상의 파라미터를 동시에 간이한 처리로 추정할 수 있기 때문에, 단시간에 추정이 가능하다. 또한, 순차적인 처리를 행함으로써, 메모리가 불필요하게 되어서, 보정 토크 지령의 상시 유효화가 가능해진다.
또한, 본원 발명은 상기 실시예로 한정되는 것이 아니라, 실시 단계에서는 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변형하는 것이 가능하다. 또한, 상기 실시예에는 다양한 단계의 발명이 포함되어 있고, 개시된 복수의 구성 요건에 있어서의 적당한 조합에 의해 여러 가지 발명이 추출될 수 있다. 예컨대, 실시예에 나타낸 전체 구성 요건 중에서 몇 개의 구성 요건이 삭제되어도, '해결하려는 과제'에서 설명한 과제를 해결할 수 있고, '발명의 효과'에서 언급된 효과를 얻을 수 있는 경우에는, 이 구성 요건이 삭제된 구성이 발명으로서 추출될 수 있다. 또한, 다른 실시예에 걸친 구성 요소를 적절히 조합해도 된다.
(산업상 이용 가능성)
이상과 같이, 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 모터의 특성에 의해 발생하는 토크 리플을 간이하고 또한 단시간에 정밀도 좋게 억제하는 모터 제어에 유용하고, 특히, 산업용 기계 장치를 구동하는 모터의 모터 제어 장치에 적합하다.
1 : 모터 2 : 검출기
3 : 추종 제어부 4 : 전류 제어부
5, 5a : 보정 토크 연산부 6, 6a, 6b, 6c, 6d, 6e : 진폭 위상 설정부
7, 7a : 진폭 위상 추정부 8 : 기준 주기 신호 연산부
9, 11 : 가산기 10 : 비교기
12 : 제어기 13 : 제어 시스템
14 : 보정 토크 판정부 15 : 추정 동작 판정부
71 : 위상 수정부 72, 75 : 승산기
73, 76 : 직류 성분 연산부 74 : PI 제어부
77 : 게인

Claims (6)

  1. 모터의 동작을 지령하는 동작 지령 신호와 상기 모터의 동작의 검출 결과인 검출 신호의 차분에 기초해서 보정전 토크 지령을 산출하는 추종 제어부와,
    상기 검출 신호에 기초해서, 상기 모터가 발생하는 토크 리플과 동일한 모터 위치에 의존한 주기의 기준 주기 신호를 산출하는 기준 주기 신호 연산부와,
    상기 검출 신호에 기초해서 산출한 보정 토크 지령을 상기 보정전 토크 지령에 더함으로써 보정후 토크 지령을 산출하는 보정 토크 연산 수단과,
    상기 보정후 토크 지령에 기초해서 상기 모터를 구동하는 구동 전류를 출력하는 전류 제어부와,
    상기 기준 주기 신호와 상기 보정후 토크 지령에 기초해서, 상기 보정후 토크 지령의 진폭 및 상기 기준 주기 신호에 대한 위상을 차례로 추정하는 진폭 위상 추정부를 구비하며,
    상기 보정 토크 연산 수단은, 상기 진폭 위상 추정부가 추정한 상기 보정후 토크 지령의 진폭 및 위상을 이용해서, 상기 보정 토크 지령과 상기 보정후 토크 지령의 차가 작아지도록 상기 보정 토크 지령을 차례로 갱신하는 것
    을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  2. 모터의 동작을 지령하는 동작 지령 신호와 상기 모터의 동작의 검출 결과인 검출 신호와의 차분에 기초해서 보정전 토크 지령을 산출하는 추종 제어부와,
    상기 검출 신호에 기초해서, 상기 모터가 발생하는 토크 리플과 동일한 모터 위치에 의존한 주기의 기준 주기 신호를 산출하는 기준 주기 신호 연산부와,
    상기 검출 신호에 기초해서 산출한 보정 토크 지령을 상기 보정전 토크 지령에 더함으로써 보정후 토크 지령을 산출하는 보정 토크 연산 수단과,
    상기 보정후 토크 지령에 기초해서 상기 모터를 구동하는 구동 전류를 출력하는 전류 제어부와,
    상기 기준 주기 신호와 상기 보정전 토크 지령에 기초해서, 상기 보정전 토크 지령의 진폭 및 상기 기준 주기 신호에 대한 위상을 차례로 추정하는 진폭 위상 추정부를 구비하며,
    상기 보정 토크 연산 수단은, 상기 진폭 위상 추정부가 추정한 상기 보정전 토크 지령의 진폭 및 위상을 이용하여, 상기 보정 토크 지령과 상기 보정후 토크 지령의 차가 작아지도록 상기 보정 토크 지령을 차례로 갱신하는 것
    을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보정 토크 연산 수단에서 갱신된 상기 보정 토크 지령의 진폭이 소정의 임계값 이상인지 여부를 판정하는 보정 토크 판정부를 더 구비하고,
    상기 보정 토크 지령의 진폭이 임계값 이상인 경우에는, 상기 보정 토크 연산 수단은 상기 보정 토크 지령을 상기 보정전 토크 지령에 더하지 않는 것
    을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추종 제어부에서 상기 보정전 토크 지령의 산출을 위해 설정된 게인값과 상기 검출 신호로부터 획득한 상기 토크 리플의 주파수로부터, 상기 주파수가 제어 대역 내인지 여부를 판정하는 추정 동작 판정부를 더 구비하고,
    상기 주파수가 제어 대역을 초과한 경우에는, 상기 보정 토크 연산 수단은 상기 보정 토크 지령의 갱신을 행하지 않는 것
    을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 진폭 위상 추정부는, 상기 기준 주기 신호에 기초해서 생성한 주기 신호와 보정후 토크 지령을 차례로 승산한 신호에 기초해서 상기 보정후 토크 지령의 진폭 및 상기 기준 주기 신호에 대한 위상을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 진폭 위상 추정부는, 상기 기준 주기 신호에 기초해서 생성한 주기 신호와 보정전 토크 지령을 차례로 승산한 신호에 기초해서 상기 보정전 토크 지령의 진폭 및 상기 기준 주기 신호에 대한 위상을 추정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
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