KR20140110744A

KR20140110744A - 모터 회전 위치 검출 장치, 세탁기 및 모터 회전 위치 검출 방법

Info

Publication number: KR20140110744A
Application number: KR1020140023990A
Authority: KR
Inventors: 도시후미 히나타; 사리 마에카와
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2014-09-17
Also published as: US20140253001A1; CN104038130A; JP2014176157A; KR101554416B1

Abstract

본 발명의 실시 형태의 모터 회전 위치 검출 장치에 의하면, 제어 전류 명령 출력 수단은, 입력되는 제어 명령에 따라 토크 및 여자 전류 명령을 생성 출력하고, 제어 전압 명령 출력 수단은, 토크 및 여자 전류 명령에 따라 모터의 구동 수단에 출력하는 전압 명령을 생성한다. 검출용 전압 명령 발생 수단은, 회전 위치를 검출하기 위해 교류의 검출용 전압 명령을 발생하고, 좌표 변환 수단은, 임의의 회전 주파수에서 얻어지는 위상각에 기초하여, 모터 전류를 d-q 직교 좌표계로 표시되는 여자/토크 성분으로 벡터 변환한다. 위치 추정 오차량 산출 수단은, 상기 전압 명령과 좌표 변환 수단에 의해 변환되는 전류로부터 모터의 돌극성에 기초한 위치 추정 오차량을 산출한다. 회전 위치 검출 수단은, 상기 위치 추정 오차량의 주파수 및 위상을 연산하고, 상기 위상을 모터의 회전 위치로 변환한다. 명령값 기억 수단에는, 모터가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서 토크 전류 명령을 임의의 값으로 출력했을 때에, 회전 위치 검출 수단으로부터 얻어지는 회전 위치의 오차가 없어지도록 출력된 여자 전류 명령의 값이 기억된다. 그리고, 제어 전류 명령 출력 수단은, 모터의 제어 명령에 따라 상기 토크 전류 명령을 생성하면, 당해 명령에 대응한 여자 전류 명령을 명령값 기억 수단으로부터 판독하여 설정한다.

Description

모터 회전 위치 검출 장치, 세탁기 및 모터 회전 위치 검출 방법{APPARATUS FOR DETECTING ROTATION POSITION OF MOTOR, WASHING MACHINE AND METHOD FOR DETECTING ROTATION POSITION OF MOTOR}

본 발명의 실시 형태는, 자기적 돌극성(突極性; saliency)을 갖는 영구 자석 모터의 회전 위치를 검출하는 장치, 및 이 장치를 구비하여 구성되는 세탁기 및 모터 회전 위치 검출 방법에 관한 것이다.

최근, 세탁기 등에서는, 영구 자석 모터를 벡터 제어하는 구성을 채용함으로써 회전 제어 정밀도나 세탁기 성능이 향상되고 있으며, 소비 전력의 저감이나 운전 중에 발생하는 진동의 저감 등이 도모되고 있다. 영구 자석 모터에 벡터 제어를 적용하여 고정밀도이면서도 고속으로 제어하는 경우, 모터의 자극 제어 위치에 따라 전류를 제어하기 때문에, 위치 센서가 필요로 된다. 그러나, 위치 센서를 부가하면, 그만큼의 비용이 상승할 뿐만 아니라 배치 스페이스를 확보하거나, 위치 센서와 제어 장치 사이를 접속하는 배선이 증가한다는 등의 문제가 파생된다. 또한, 상기 배선에 대하여 단선 등이 발생할 우려에 따른 신뢰성의 저하나, 유지 보수의 문제도 있다.

이러한 문제에 대하여, 자기적 돌극성을 갖는 영구 자석 모터나 자기 저항 모터에 대하여 그 돌극성을 이용하여 회전 위치를 검출하는 센서리스 방식이 있다.모터의 인덕턴스는 자극 위치에 따라 변화되기 때문에, 고주파 전류 또는 고주파 전압을 모터에 인가하여 모터 전류ㆍ전압을 검출하고, 그로부터 인덕턴스 변화에 기인하는 위치 추정 오차량을 산출한다. 그리고, PI 제어에 의해 위치 추정 오차량의 변화를 제로로 수렴시킴으로써 회전 위치를 추정할 수 있다. 그러나, d축과 q축의 인덕턴스의 비율인 돌극비(Lq/Ld)가 작아짐에 따라 추정 정밀도가 저하되고, 위치 추정이 곤란해진다.

이에 대하여, 검출한 자극 위치에 기초하여 모터의 속도ㆍ전류를 제어하는 벡터축과, 모터의 위치 추정값 분포를 관측하는 벡터축을 각각 독립적으로 벡터 제어하여 회전 위치를 검출하는 방식이 있다. 이 방식에서는, 위치 추정 오차량의 크기가 아닌 그 변화 응답의 위상에 착안하고 있다. 위치 추정 오차량을 관측하는 벡터축을 임의로 회전시킴으로써 위치 추정 오차량의 시간적인 변화 상태를 형성하고, 그 변화 응답으로부터 위상 성분을 추출하여 회전 위치를 검출한다(예를 들어 일본 특허 공개 제2010-90971호 공보 참조).

그러나, 영구 자석 모터는 구조상, 전류를 인가하는 벡터에 따라서는 자기 포화의 발생이나 dq축간의 간섭의 영향에 의해, 위치의 추정에 필요한 정보인 돌극비가 변화되고, 경우에 따라서는 극소가 되기 때문에, 회전 위치의 안정적인 검출이 곤란해질 우려가 있다.

따라서, 돌극비가 극소가 되는 상태를 피하여, 회전 위치를 안정적으로 검출할 수 있는 모터 회전 위치 검출 장치, 및 그 모터 회전 위치 검출 장치를 구비하여 이루어지는 세탁기 및 모터 회전 위치 검출 방법을 제공한다.

실시 형태의 모터 회전 위치 검출 장치에 의하면, 제어 전류 명령 출력 수단은 입력되는 모터의 제어 명령에 따라 토크 전류 명령 및 여자 전류 명령을 생성 출력하고, 제어 전압 명령 출력 수단은, 토크 전류 명령 및 여자 전류 명령에 따라 모터의 구동 수단에 출력하는 전압 명령을 생성한다. 검출용 전압 명령 발생 수단은, 회전 위치를 검출하기 위해 교류의 검출용 전압 명령을 발생하고, 좌표 변환 수단은, 임의의 회전 주파수에서 얻어지는 위상각에 기초하여 전류 검출 수단에 의해 검출되는 모터 전류를 d-q 직교 좌표계로 표시되는 여자 성분과 토크 성분으로 벡터 변환한다.

위치 추정 오차량 산출 수단은, 상기 전압 명령과 좌표 변환 수단에 의해 변환되는 전류에 기초하여 모터의 돌극성에 기초한 위치 추정 오차량을 산출한다. 그러면, 회전 위치 검출 수단은, 산출된 위치 추정 오차량의 주파수 및 위상을 연산함으로써, 위치 추정 오차량의 위상을 모터의 회전 위치로 변환한다.

제어 전류 명령 출력 수단의 명령값 기억 수단에는, 모터가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서 토크 전류 명령을 임의의 값으로 출력했을 때에, 회전 위치 검출 수단으로부터 얻어지는 회전 위치의 오차가 없어지도록 출력된 여자 전류 명령의 값이 기억되어 있다. 그리고, 모터의 제어 명령에 따라 상기 토크 전류 명령을 생성하면, 당해 토크 전류 명령에 대응한 여자 전류 명령을 명령값 기억 수단으로부터 판독하여 설정한다.

또한, 실시 형태의 세탁기에 의하면, 자기적 돌극성을 갖는 영구 자석 모터와, 이 모터의 회전 위치를 검출하는 청구항 1 또는 2에 기재된 모터 회전 위치 검출 장치와, 상기 전압 명령을, 모터의 회전 위치에 기초하여 다상 구동 전압 신호로 변환하는 전압 변환 수단과, 다상 구동 전압 신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동 수단을 구비하고, 모터가 발생하는 회전 구동력에 의해 세탁 운전을 행한다.

도 1은, 일 실시 형태이며, 모터를 벡터 제어하는 제어 장치의 구성을 도시하는 기능 블록도이다.
도 2는, 표면형 영구 자석 모터의 구성을 도시하는 횡단면도이다.
도 3은, 드럼식 세탁 건조기의 종단 측면도이다.
도 4는, 벡터 제어할 때에 d-q축 좌표상에 있어서 모터의 돌극비가 변화되는 것을 설명하는 도면이다.
도 5는, 로터를 고정하여 q축 전류 명령 Iq_ref를 제로로부터 상승시켰을 때, 회전 위치 θ2의 오차가 없어지도록 d축 전류 명령 Id_ref의 값을 조정한 상태, 및 그에 따라 얻어지는 위치 추정 오차량의 변화를 도시하는 도면이다.
도 6의 (b)는 도 5의 처리를 행한 결과 얻어진 q축 전류 명령 Iq_ref, d축 전류 명령 Id_ref의 조합의 일례, 도 6의 (a)는 상기 조합에 따른 d-q 좌표축상의 전류 벡터의 궤적을 도시하는 도면이다.
도 7은, 회전 위치 검출부, 위치 추정 오차량 산출부, 각도 보정값 산출부의 작용을 중심으로 나타내는 흐름도이다.
도 8은, 실제로 모터를 제어한 경우의 도 5에 상당하는 도면이다.
도 9의 (a)는 종래 기술, 도 9의 (b)는 본 실시 형태에 있어서의 위치 추정 오차량 성분의 변화를 도시하는 도면이다.

이하, 일 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는, 표면형의 영구 자석 모터(SPM 모터)의 구성을 도시하는 횡단면도이다. 고정자(1)는, 고정자 철심(2)과 고정자 권선(3)을 포함한다. 고정자 철심(2)은, 원환상의 본체부(2a)의 외주측으로 돌출되도록 형성된, 예를 들어 36개의 티스(teeth)(2b)를 구비하고 있다. 이들의 티스(2b)에는, 3상의 고정자 권선(3)이 각각 권취 장착되어 있다. 한편, 회전자(4)는, 고정자(1)의 외주측에 배치되는 원환상의 회전자 철심(5)과, 영구 자석(6)을 포함한다. 복수, 예를 들어 26개의 영구 자석(6)은, N극(6N)과 S극(6S)을 갖고, 회전자 철심(5)의 내주측에 형성된 오목부에 극성이 교대로 반전하도록(N, S, N, S) 배치되어 있다. 이에 따라, 아우터 로터형이며, 52극/36 슬롯의 모터(16)가 구성되어 있다.

도 3은 드럼식 세탁 건조기의 종단 측면도이다. 외부 상자(22)는, 드럼식 세탁 건조기(21)의 외각을 형성하고, 전방면에 원 형상으로 개구되는 세탁물 출입구(23)를 갖고 있다. 이 세탁물 출입구(23)는 도어(24)에 의해 개폐된다. 외부 상자(22)의 내부에는, 배면이 폐쇄된 바닥이 있는 원통 형상의 수조(25)가 배치되어 있으며, 이 수조(25)의 배면 중앙부에는 세탁용 모터로서의 영구 자석 모터(16)의 고정자가 나사 고정에 의해 고착되어 있다. 그리고, 수조(25)는 서스펜션(11)에 의해 지지되어 있다.

영구 자석 모터(16)의 회전축(26)은, 후단부(도 3에서는 우측의 단부)가 영구 자석 모터(16)의 회전자에 고정되어 있고, 전단부(도 3에서는 좌측의 단부)가 수조(25) 내에 돌출되어 있다. 회전축(26)의 전단부에는, 배면이 폐쇄된 바닥이 있는 원통 형상의 드럼(27)이 수조(25)에 대하여 동축 형상이 되도록 고정되어 있다. 이 드럼(27)은, 영구 자석 모터(16)의 구동에 의해 회전축(26)과 일체적으로 회전한다. 또한, 드럼(27)에는, 공기 및 물을 유통 가능한 복수의 유통 구멍(28)과, 드럼(27) 내의 세탁물의 끌어올림이나 풀기를 행하기 위한 복수의 배플(29)이 설치되어 있다.

급수 밸브(30)는 수조(25)에 접속되어 있으며, 당해 급수 밸브(30)가 개방되면 수조(25) 내에 급수된다. 또한, 배수 밸브(31)를 갖는 배수 호스(32)는 수조(25)에 접속되어 있으며, 당해 배수 밸브(31)가 개방되면 수조(25) 내의 물이 배출된다. 전후 방향으로 연장되는 통풍 덕트(33)는, 수조(25)의 하방에 설치되어 있다. 이 통풍 덕트(33)의 전단부는, 전방부 덕트(34)를 통해 수조(25) 내에 접속되어 있으며, 후단부는 후방부 덕트(35)를 통해 수조(25) 내에 접속되어 있다. 송풍팬(36)은, 통풍 덕트(33)의 후단부에 설치되어 있다. 수조(25) 내의 공기는, 송풍팬(36)의 송풍 작용에 의해 도면 중의 화살표로 나타낸 바와 같이 전방부 덕트(34)로부터 통풍 덕트(33) 내로 보내져, 후방부 덕트(35)를 통해 수조(25) 내로 복귀된다.

증발기(37)는 통풍 덕트(33) 내부의 전단부측에 배치되어 있으며, 후단부측에는 응축기(38)가 배치되어 있다. 히트 펌프(40)는, 증발기(37) 및 응축기(38), 압축기(39)나 도시하지 않은 스로틀 밸브와 함께 구성되어 있다. 통풍 덕트(33) 내를 흐르는 공기는, 증발기(37)에 의해 제습되고 응축기(38)에 의해 가열되어, 수조(25) 내에 순환된다.

도 1은, 모터(16)를 벡터 제어하는 모터 제어 장치(41)의 구성을 기능 블록으로 나타낸 것이다. 인버터 회로(구동 수단)(42)를 제외한 구성 부분은, 마이크로 컴퓨터가 실행하는 소프트웨어 처리로 실현되고 있다. 마이크로 컴퓨터에는, 구체적으로는 도시하지 않지만 입출력 포트, 시리얼 통신 회로, 전류 검출 신호 등의 아날로그 신호를 입력하기 위한 A/D 컨버터, PWM 처리를 행하기 위한 타이머 등이 구비되어 있다.

모터 전류 검출부(전류 검출 수단)(43u, 43v, 43w)는, 인버터 회로(42)의 출력선에 설치된 전류 검출기이며, U상, V상, W상의 전류 Iu, Iv, Iw를 검출한다. 이들의 모터 전류 검출부(43u, 43v, 43)로부터 출력되는 전류 검출 신호는, 모터 제어 장치(41) 내부의 A/D 변환기(도시하지 않음)에 입력되어 디지털 데이터로 변환된다. 제1 좌표 변환부(제1 좌표 변환 수단)(44)는, 3상의 전류 Iu, Iv, Iw를 2상의 전류 Iα, Iβ로 변환한다. 그리고, 제1 좌표 변환부(44)는, 후술하는 회전 위치 검출부(48)측으로부터 명령되는 회전 위상각 θ1에 기초하여, 정지 좌표계의 전류 Iα, Iβ를 회전 좌표계(xy 좌표계)의 전류 Idx, Iqy로 변환한다.

교류 전압 인가부(검출용 전압 명령 발생 수단)(63)는, 모터(16)의 운전 주파수보다 충분히 높은 주파수(예를 들어 수 100Hz 정도)의 교류 전압을 회전 위치 검출용의 전압 명령 Vdx_ref, Vqy_ref로서 출력한다. 이들의 전압 명령 Vdx_ref, Vqy_ref는, x축, y축을 따라 위상이 서로 90도 상이한 동일한 진폭(예를 들어 모터 정격 전류의 1/10 정도)의 정현파 형상 전압이다. 그리고, 상기 전압 명령 Vdx_ref, Vqy_ref는, 제1 전압 변환부(52)에 입력되어 있다.

제2 좌표 변환부(제2 좌표 변환 수단)(47)는, 3상 전류 Iu, Iv, Iw를 2상 전류 Iα, Iβ로 변환한다. 그리고, 제2 좌표 변환부(47)는, 회전 위치 검출부(회전 위치 검출 수단, 주파수 검출 수단)(48)에서 산출된 회전 위치 θ2에 보정을 가한 회전 위치 θ3, 또는 회전 위치 추정부(회전 위치 추정 수단)(49)에서 산출된 회전 위치 θ4에 기초하여, 정지 좌표계의 전류 Iα, Iβ를 회전 좌표계(dq 좌표계)의 전류 Id, Iq로 변환한다.

속도 제어부(제어 전류 명령 출력 수단)(50)는, 상위 시스템에 의해 명령되는 속도 제어 명령 ω_ref에 기초하여 q축 전류 명령 Iq_ref를 후술하는 전환부(60)를 통해 부여되는 모터 속도 ω가 속도 제어 명령 ω_ref에 추종하도록 산출한다. 또한, 속도 제어부(50)는, q축 전류 명령 Iq_ref의 값에 따라 출력해야 할 d축 전류 명령 Id_ref의 값이 설정되어 있는 명령값 테이블(50T)(명령값 기억 수단)을 구비하고 있다. 그리고, 속도 제어부(50)는, d축 전류 명령 Id_ref에 대해서는 명령값 테이블(50T)에 기초하여 설정한다. 이 명령값 테이블(50T)에 대해서는 후술한다.

전류 제어부(제어 전압 명령 출력 수단)(51)는, 속도 제어부(50)에서 출력된 dq축의 전류 명령 Id_ref, Iq_ref에 기초하여, 제2 좌표 변환부(47)에서 변환된 전류 Id, Iq를 제어하여 전압 명령 Vd, Vq를 출력한다. 제1 전압 변환부(제1 전압 변환 수단)(52)는, 상기 위상각 θ1에 기초하여 xy 변환계의 전압 명령 Vdx, Vqy를 전압 명령 Vu1, Vv1, Vw1로 변환한다. 제2 전압 변환부(제2 전압 변환 수단)(53)는, 전환부(60)를 통해 부여되는 회전 위치 θ에 기초하여 dq 변환계의 전압 명령 Vd, Vq를 전압 명령 Vu2, Vv2, Vw2로 변환한다.

전압 합성부(전압 명령 합성 수단)(54)는, 제1 전력 변환부(52)로부터 출력되는 Vu1, Vv1, Vw1과 제2 전력 변환부(53)로부터 출력되는 Vu2, Vv2, Vw2를 각각 더하여 전압 명령 Vu, Vv, Vw를 산출한다. 또한, 전압 합성부(54)는, 전압 명령 Vu, Vv, Vw에 기초하여 생성된 PWM 신호 Vup, Vun, Vvp, Vvn, Vwp, Vwn을 인버터 회로(42)에 출력한다. 또한, 도 1에 있어서는 편의상 전압 합성부(54)가 전압 명령 Vu, Vv, Vw를 인버터 회로(42)에 부여하도록 기재하였다. 인버터 회로(42)는, 구체적으로는 도시하지 않지만 6개의 IGBT(반도체 스위칭 소자)가 3상 풀브릿지 접속되어 구성되어 있다.

대역 통과 필터(55)는, 통과 영역이 제1 좌표 변환부(44)에 의해 변환된 xy 좌표계의 전류 Idx, Iqy 및 교류 전압 인가부(63)의 출력인 교류 전압 Vdx_ref, Vqy_ref의 주파수 성분을 추출하도록 설정되어 있다. 위치 추정 오차량 산출부(위치 추정 오차량 산출 수단)(56)는, 대역 통과 필터(55)의 출력인 Idx', Iqy', Vdx', Vqy'의 교류 전류의 주파수 성분으로부터, 모터(16)의 자기적 돌극성에 기초한 인덕턴스의 각도 분포와 동일한 경향을 갖는 위치 추정 오차량을 산출한다.

예를 들어, 대역 통과 필터(55)의 출력인 상기 Idx', Iqy', Vdx', Vqy'd로부터 하기 수학식 1과 같이 H를 연산한다.

<수학식 1>

H=Vqy'×Iqy'-Vdx'×Idx'

그리고, 위치 추정 오차량 L은, 상기 H를 대역 통과 필터에 출력하여 전류 명령 주파수의 2배의 주파수 성분을 제거한 후, 직류 성분만을 추출함으로써 얻어진다.

또한, 위치 추정 오차량 산출부(56)는, 기준값 기억부(56M)(기준값 기억 수단)를 구비하고 있다. 기준값 기억부(56M)에는, 속도 제어부(50)의 명령값 테이블(50T)에 기억되는 q축 전류 명령 Iq_ref와 d축 전류 명령 Id_ref의 조를 얻을 때에, 추정 회전 위치의 오차가 제로가 된 경우에 산출된 위치 추정 오차량의 값이 기준값으로서 기억되어 있다. 그리고, 위치 추정 오차량 산출부(56)는, 실제로 모터(16)를 제어할 때에 위치 추정 오차량 L을 산출하면, 위치 추정 오차량 L과 상기 기준값의 편차 ΔL을 구하고, 각도 보정값 산출부(57)에 출력한다.

회전 위치 검출부(48)는, 위치 추정 오차량 산출부(56)에 의해 산출된 위치 추정 오차량 L(0)의 주파수ㆍ위상 성분을 추출한다. 추출된 위상 성분 θL1은 모터(16)의 회전 위치의 2배의 주파수에 대응하는 위상이기 때문에, 1/2의 주파수를 갖는 위상 성분 θL2로 변환한다. 그리고, θL2에 θ1을 첨가하고, 모터의 회전 위치 θ2를 산출하면, θ2의 미분 값으로부터 모터의 회전 주파수 ω1을 산출한다. 또한, 상기 회전 주파수 ω1은, 내부의 지연기에 의해 지연되어 1 제어 주기 전에 구해진 주파수 ω1(1)이 되고, 그 주파수 ω1(1)에 소정 주파수 ω0이 가산된다. 그리고, 가산 결과의 주파수 [ω1(1)+ω0]을 적분하여 얻어진 위상각 θ1이 제1 좌표 변환부(44) 및 제1 전압 변환부(52)에 출력된다.

각도 보정값 산출부(57)(위치 보정 수단)는, 입력되는 편차 ΔL의 값에 따라 각도 보정값 θcomp를 가산기(58)에 출력한다. 가산기(58)는, 회전 위치 검출부(48)로부터 입력되는 회전 위치 θ2에 각도 보정값 θcomp를 가산하고, 회전 위치 θ3으로서 전환부(60)에 출력한다.

회전 위치 추정부(49)는, 수학식 2의 d축 모터 전압 방정식을 사용하여, 모터의 속도 ω2를 추정 연산한다. 또한, 모터 속도 ω2를 적분함으로써 회전 위치 θ4를 산출한다.

<수학식 2>

Vd=RㆍId-ωㆍLqㆍIq

또한, Lq는 모터(16)의 인덕턴스의 q축 성분이다.

전환부(60)는, 제2 좌표 변환부(47), 속도 제어부(50), 제2 전력 변환부(53)에서 사용하는 모터 주파수 ω에 회전 위치 검출부(48)의 검출값 ω1, 회전 위치 추정부(49)의 추정값 ω2 중 어느 것을 사용하는지를 선택하여 출력함과 함께, 제2 좌표 변환부(47) 및 제2 전압 변환부(53)에서 사용하는 회전 위치 θ에, 회전 위치 검출부(48)의 검출값 θ2에 보정을 가한 θ3, 회전 위치 추정부(49)의 추정값 θ4 중 어느 것을 사용하는지를 선택하여 출력한다.

또한, 이상의 구성에 있어서, 모터(16)를 제외한 것이 모터 제어 장치(41)를 구성하고 있으며, 모터 제어 장치(41)로부터 인버터 회로(42)를 제외한 것이 모터 회전 위치 검출 장치(61)를 구성하고 있다. 또한, 모터 제어 장치(41)에 모터(16)를 첨가한 것이 모터 구동 시스템(62)을 구성하고 있다. 또한, 이상의 구성은, 특허문헌 1의 도 14에 도시되어 있는 제2 실시예의 구성을 기초로 하고 있다.

이어서, 본 실시 형태의 작용에 대하여 도 4 내지 도 8도 참조하여 설명하지만, 위치 추정 오차량 L을 산출하여 회전 위치를 검출하기 위한 기본적인 작용에 대해서는 특허문헌 1과 마찬가지이기 때문에 설명을 생략한다. 도 4는, d, q축 전류에 의해 모터를 벡터 제어할 때에 모터의 구조적ㆍ자기적 특성에 따라, d-q축 좌표상에서 모터의 돌극비가 매우 작아지는 영역(극소값을 포함하는 확대가 있는 영역, 극소 영역)과, 매우 커지는 영역(극대값을 포함하는 확대가 있는 영역, 극대 영역)이 존재하는 것을 나타내고 있다.

또한, 도면 중의 d, q축은, 실제의 회전 각도에 기초한 좌표축인 것에 비해, d1, q1축은 추정된 회전 각도에 기초한 좌표축이다.

그리고, 도면 중에 실선으로 나타낸 바와 같이 d, q축 각 전류의 값에 따라 정해지는 전류 벡터의 궤적이 극소 영역에 관계되면, 위치 추정이 곤란해지는 경우가 있다. 또한, 전류 벡터의 궤적이 극대 영역에 관계된 경우에는, 위치 추정 오차량의 진폭이 맥동했을 때에, 모터 제어 장치(41)를 구성하는 마이크로 컴퓨터 내의 연산 처리에 있어서 오버 플로우가 발생할 우려가 있다. 따라서, 극대 영역에 이르는 상황에 대해서도 피하는 것이 바람직하다.

제어시의 전류 벡터에 대해서는, 제어의 주체가 되는 q축 전류 명령 Iq_ref를 출력할 때에 d축 전류 명령 Id_ref도 부여하면, 궤적을 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 도면 중에 파선으로 나타낸 바와 같이 벡터 제어를 행할 때의 전류 벡터 궤적이 극소 영역 및 극대 영역을 피할 수 있도록, 출력해야 할 q축 전류 명령 Iq_ref에 대응한 d축 전류 명령 Id_ref의 값을 미리 구해 둔다. 그리고, 실제로 모터(16)를 제어할 때에 그 조합을 사용한다. 이하, 그 수단법에 대하여 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다.

도 5는, 모터(16)의 로터(4)를 고정하여, 즉 회전 위치가 일정한 상태에서 (d)에 도시한 바와 같이 q축 전류 명령 Iq_ref를 제로로부터 상승시켰을 때, (b)에 나타내는 회전 위치 검출부(48)로부터 얻어지는 회전 위치 θ2의 오차가 없어지도록, d축 전류 명령 Id_ref의 값을 (c)에 도시한 바와 같이 조정했을 때의 각 신호의 변화의 상태를 나타내고 있다. 또한, 위치 검출에는 인코더 등을 사용하여 정확한 각도를 얻고 있다. 이때의 q축 전류 명령 Iq_ref, d축 전류 명령 Id_ref의 각 조합에 따라, 위치 추정 오차량 산출부(56)에 의해 산출되는 위치 추정 오차량 L의 값을 (a)에 나타낸다. 이 값을 (a)의 상부에 도시한 바와 같이 기준 진폭값으로서 취득해 둔다.

도 6의 (b)는, q축 전류 명령 Iq_ref, d축 전류 명령 Id_ref의 조합의 일례이다. 또한, 도 6의 (a)는, 상기 조합에 따른 d-q 좌표축상의 전류 벡터의 궤적을 나타내고 있다. 그리고, 이들 명령값의 조합을 상술한 속도 제어부(50)에 명령값 테이블(50T)로서 기억시킨다. 또한, 위치 추정 오차량 L의 기준 진폭값은, 위치 추정 오차량 산출부(56)의 기준값 기억부(56M)에 기억시킨다.

여기서, 도 6에 도시한 바와 같이 얻어진 전류 벡터의 궤적은, 상술한 바와 같이 위치 추정 오차량 L에 기초하여 회전 위치 θ2가 오차 없이 확실하게 얻어진 것이다. 그 결과, 상기 궤적은, 도 4에 도시하는 돌극비의 극소 영역을 피한 전류 벡터의 궤적이 되어 있다. 또한, 이때 d축 전류 명령 Id_ref에는 당연히 상한을 설정하고 있기 때문에, 상기 궤적은 돌극비의 극대 영역도 피한 궤적이 되어 있다.

이어서, 실제로 모터(16)를 벡터 제어할 때의 제어 내용에 대하여 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다. 도 7은, 회전 위치 검출부(48), 위치 추정 오차량 산출부(56), 각도 보정값 산출부(57)의 작용을 중심으로 나타내는 흐름도이다. 속도 제어부(50)는 속도 제어 명령 ω_ref와, 전환부(60)를 통해 부여되는 모터 속도 ω와의 편차에 기초하여, 예를 들어 PI 제어 연산을 행함으로써 q축 전류 명령 Iq_ref를 산출한다(S1). 그로부터, 그 q축 전류 명령 Iq_ref의 값에 따라 출력해야 할 d축 전류 명령 Id_ref를 명령값 테이블(50T)에 기초하여 설정한다(S2).

제1 좌표 변환부(44)는, 각 상전류 Iu, Iv, Iw가 입력되면(S3), X-Y축상에서 3상/2상 변환을 행하고, 2상 전류 신호 Idx, Iqy를 출력한다(S4). 대역 통과 필터(55)는, 2상 전류 신호 Idx, Iqy 및 교류 전압 인가부(63)로부터의 2상 전압 신호 Vdx_ref, Vqy_ref가 입력되면, 그들을 필터링하여 고조파 성분을 추출한다. 그리고, 전류 신호 Idx',Iqy' 및 전압 신호 Vdx',Vqy'을 위치 추정 오차량 산출부(56)에 출력한다(S5). 그러면, 위치 추정 오차량 산출부(56)는, 위치 추정 오차량 L의 변화량을 그들의 입력 신호에 기초하여 산출한다(S6).

여기서 도 8의 (a)를 참조한다. 실제로 모터(16)를 센서리스 구동하여 벡터 제어를 행하면, 실제의 회전 위치와 추정한 회전 위치 사이에 약간이지만 오차가 발생한다. 그러면, 오차에 수반되는 각도의 어긋남에 의해 돌극비가 변화되어, 위치 추정 오차량 L의 진폭도 도면 중에 파선으로 나타내는 바와 같이 변화된다. 따라서, 위치 추정 오차량 산출부(56)에서 산출되는 위치 추정 오차량 L의 값은, 기준값 기억부(56M)에 기억되어 있는 기준 진폭 값으로부터 어긋남 ΔL이 발생한다. 그 어긋남에는, 상술한 인과 관계에 기초하여, 회전 위치 검출부(48)에서 얻어지는 회전 위치의 오차와 상관 관계가 있기 때문에(도 8의 (b) 참조), 이 관계성을 이용하여 각도의 보정을 행한다.

다시 도 7을 참조한다. 위치 추정 오차량 산출부(56)는, 기준값 기억부(56M)에 기억되어 있는 기준 진폭값을 판독하면, 산출한 위치 추정 오차량 L과의 편차 ΔL을 구하여 각도 보정값 산출부(57)에 출력한다(S7). 그러면, 각도 보정값 산출부(57)는, 편차 ΔL에 따라 각도 보정값 θcomp를 결정하여 가산기(58)에 출력하고(S8), 각도 보정이 행해져 회전 위치 θ3이 전환부(60)에 출력된다(S9). 즉, 이와 같이 회전 위치 θ2를 보정하면 도 8의 (b)에 도시하는 각도 오차를 저감할 수 있기 때문에, 보정 후의 회전 위치 θ3의 정밀도가 향상된다.

여기서, 도 9의 (a)에 도시하는 종래 기술과 같이, PI 제어에 의해 위치 추정 오차량의 변화량을 제로로 하는 제어 방식에서는, 위치 추정 오차량 성분의 진폭을 상술한 각도의 보정에 사용할 수 없다. 이에 대해, 본 실시 형태와 같이(도 9의 (b) 참조) 위치 추정 오차량을 관측하기 위한 좌표축을 별도 설치하고, 소정의 회전 수차를 부여하는 방식에서는, 위치 추정 오차량은 항상 변화되기 때문에, 그 진폭 정보를 각도 보정에 사용하는 것이 가능해진다. 또한, 위치 추정 오차량의 변화 주파수는 모터(16)의 실제의 회전수와, 관측 좌표의 회전수 T와의 차의 2배가 되어 나타난다.

이상과 같이 본 실시 형태에 의하면, 위치 추정 오차량 산출부(56)는 전압 명령 Vdx_ref, Vqy_ref와 제1 좌표 변환부(44)에 의해 변환되는 전류 Idx, Iqy에 기초하여, 모터(16)의 돌극성에 기초한 위치 추정 오차량 L을 산출한다. 그러면, 회전 위치 검출부(48)는 산출된 위치 추정 오차량 L의 주파수 및 위상을 연산함으로써, 위치 추정 오차량 L의 위상을 모터(16)의 회전 위치 θ2로 변환한다.

속도 제어부(50)의 명령값 테이블(50T)에는, 모터(16)가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서 토크 전류 명령 Iq_ref를 임의의 값으로 출력했을 때에, 회전 위치 검출부(48)로부터 얻어지는 회전 위치 θ2의 오차가 없어지도록 출력된 여자 전류 명령 Id_ref의 값을 기억한다. 그리고, 속도 제어부(50)는, 모터(16)의 제어 명령 ω_ref에 따라 토크 전류 명령 Iq_ref를 생성하면, 당해 토크 전류 명령 Iq_ref에 대응한 여자 전류 명령 Id_ref를 명령값 테이블(50T)로부터 판독하여 설정한다. 따라서, 돌극비의 극소 영역 및 극대 영역을 피하면서 모터(16)를 벡터 제어할 수 있기 때문에, 회전 위치 검출부(48)로부터 항상 높은 검출 정밀도의 회전 위치 θ2를 얻을 수 있다.

또한, 위치 추정 오차량 산출부(56)는, 모터(16)가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서, 임의의 토크 전류 명령과 명령값 테이블(50T)에 기억되는 여자 전류 명령 Id_ref가 부여되었을 때에 산출된 위치 추정 오차량 L의 기준값이 기억되는 기준값 기억부(56M)를 구비한다. 그리고, 위치 추정 오차량 산출부(56)는, 모터(16)가 구동 제어되고 있을 때에 산출되는 위치 추정 오차량 L과, 상기 기준값과의 차분 ΔL을 출력한다. 각도 보정값 산출부(57)는, 상기 차분 ΔL에 따라 회전 위치의 보정값 θcomp를 산출하고, 당해 보정값 θcomp에 의해 회전 위치 검출부(48)에 의해 변환된 회전 위치 θ2를 보정한다. 따라서, 실제로 모터(16)를 센서리스 구동하여 벡터 제어를 행한 경우에, 실제의 회전 위치와 추정한 회전 위치 사이에 오차가 발생하여도, 그 오차를 보정하여 회전 위치의 검출 정밀도를 한층 더 향상시킬 수 있다.

또한, 드럼식 세탁 건조기(21)는, 영구 자석 모터(16)와, 이 모터(16)의 회전 위치를 검출하는 모터 회전 위치 검출 장치(61)와, 인버터 회로(42)를 구비하고, 모터(16)를 센서리스 벡터 제어하여, 모터(16)가 발생하는 회전 구동력에 의해 세탁 운전을 행하기 때문에, 홀 IC의 위치 센서를 구비하지 않고도 모터(16)의 자극 위치 θ를 검출하여 벡터 제어할 수 있고, 저비용이며 운전 성능이 높은 세탁기를 구성할 수 있다.

본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 이 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 신규의 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

특허문헌 1에 있어서의 제1 실시예의 구성을 베이스로 해도 좋다. 이 경우, 특허문헌 1에 있어서의 검출용 전류 명령 발생 수단과, 전류 제어 수단을 첨가한 것이 검출용 전압 명령 발생 수단이 된다.

모터 전류는 반드시 3상 모두를 검출하는 필요는 없으며, 2상만 검출하고 나머지 1상의 전류를 연산으로 구해도 좋다.

제1 좌표 변환부(44)에 부여하는 위상각 θ1은, 반드시 모터 주파수 ω1에 기초하여 설정할 필요는 없고, 모터(16)의 회전 주파수와 상이한 주파수에 기초한 위상각이면 된다. 또한, 모터(16)가 회전하고 있는 경우에는 위상각 θ1을 부여하지 않고, 관측 좌표계의 회전을 정지시켜도 좋다.

모터의 회전 위치를 추정할 뿐의 구성이면, 제2 좌표 변환부(47), 회전 위치 추정부(49), 속도 제어부(50), 전류 제어부(51), 제2 전압 변환부(53) 및 전압 제어부(59)는 불필요하다.

이너 로터형의 영구 자석 모터에 적용해도 좋다. 또한, 매립형의 영구 자석 모터(IPM 모터)에 적용해도 좋다.

예를 들어, 돌극비가 비교적 큰 모터이며, 실제의 제어시에 있어서의 회전 위치의 추정 오차가 매우 작아지는 경우에는, 각도 보정값 산출부(57)를 삭제해도 좋다.

건조 기능을 갖지 않는 세탁기에 적용해도 좋다.

세탁 건조기나 세탁기로 한정되지 않으며, 예를 들어 공기 조화기의 히트 펌프 시스템을 구성하는 압축기용 모터 등, 자기적 돌극성을 갖는 영구 자석 모터를 사용하는 것이면 적용이 가능하다.

Claims

모터 회전 위치 검출 장치로서,
자기적 돌극성(突極性; saliency)을 갖는 영구 자석 모터의 제어 명령이 입력되면, 상기 제어 명령에 따라 토크 전류 명령 및 여자 전류 명령을 생성 출력하는 제어 전류 명령 출력 수단과,
상기 토크 전류 명령 및 여자 전류 명령에 따라, 상기 모터의 구동 수단에 출력되는 전압 명령을 생성하는 제어 전압 명령 출력 수단과,
상기 모터의 회전 위치를 검출하기 위해 교류의 검출용 전압 명령을 발생하는 검출용 전압 명령 발생 수단과,
상기 모터에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단과,
임의의 회전 주파수에서 얻어지는 위상각에 기초하여, 상기 전류 검출 수단에 의해 검출되는 전류를 d-q 직교 좌표계로 표시되는 여자 성분과 토크 성분으로 벡터 변환하는 좌표 변환 수단과,
상기 검출용 전압 명령과 상기 좌표 변환 수단에 의해 변환되는 전류에 기초하여, 상기 모터의 특성에 기초한 위치 추정 오차량을 산출하는 위치 추정 오차량 산출 수단과,
상기 위치 추정 오차량 산출 수단에 의해 산출된 위치 추정 오차량의 주파수 및 위상을 연산함으로써, 상기 위치 추정 오차량의 위상을 상기 모터의 회전 위치로 변환하는 회전 위치 검출 수단을 구비하고,
상기 제어 전류 명령 출력 수단은, 상기 모터가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서 상기 토크 전류 명령을 임의의 값으로 출력했을 때에, 상기 회전 위치 검출 수단으로부터 얻어지는 상기 회전 위치의 오차가 없어지도록 출력된 여자 전류 명령의 값이 기억되어 있는 명령값 기억 수단을 구비하고,
상기 모터의 제어 명령에 따라 상기 토크 전류 명령을 생성하면, 당해 토크 전류 명령에 대응한 여자 전류 명령을 상기 명령값 기억 수단으로부터 판독하여 설정하는 것을 특징으로 하는 모터 회전 위치 검출 장치.
제1항에 있어서,
상기 위치 추정 오차량 산출 수단은, 상기 모터가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서, 임의의 토크 전류 명령과 상기 기억 수단에 기억되는 여자 전류 명령이 부여되었을 때에 산출된 위치 추정 오차량의 기준값이 기억되는 기준값 기억 수단을 구비하고,
상기 모터가 구동 제어되고 있을 때에 산출되는 위치 추정 오차량과, 상기 기준값과의 차분을 출력하고,
상기 차분에 따라 상기 회전 위치의 보정값을 산출하면, 당해 보정값에 의해 상기 회전 위치 검출 수단에 의해 변환된 회전 위치를 보정하는 위치 보정 수단을 구비하는, 모터 회전 위치 검출 장치.
세탁기로서,
자기적 돌극성을 갖고, 세탁 운전을 행하기 위한 회전 구동력을 발생하는 영구 자석 모터와,
제1항의 구성을 구비하고, 상기 모터의 회전 위치를 검출하는 모터 회전 위치 검출 장치와,
상기 전압 명령을 상기 모터의 회전 위치에 기초하여 다상 구동 전압 신호로 변환하는 전압 변환 수단과,
상기 다상 구동 전압 신호에 기초하여 상기 모터를 구동하는 구동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 세탁기.
세탁기로서,
자기적 돌극성을 갖고, 세탁 운전을 행하기 위한 회전 구동력을 발생하는 영구 자석 모터와,
제2항의 구성을 구비하고, 상기 모터의 회전 위치를 검출하는 모터 회전 위치 검출 장치와,
상기 전압 명령을 상기 모터의 회전 위치에 기초하여 다상 구동 전압 신호로 변환하는 전압 변환 수단과,
상기 다상 구동 전압 신호에 기초하여 상기 모터를 구동하는 구동 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 세탁기.
모터 회전 위치 검출 방법으로서,
자기적 돌극성을 갖는 영구 자석 모터의 제어 명령이 입력되면, 상기 제어 명령에 따라 토크 전류 명령 및 여자 전류 명령을 생성 출력하는 공정과,
상기 토크 전류 명령 및 여자 전류 명령에 따라, 상기 모터의 구동 수단에 출력되는 전압 명령을 생성하는 공정과,
상기 회전 위치를 검출하기 위해 교류의 검출용 전압 명령을 발생하는 공정과,
임의의 회전 주파수에서 얻어지는 위상각에 기초하여, 모터에 흐르는 전류를 d-q 직교 좌표계로 표시되는 여자 성분과 토크 성분으로 벡터 변환하는 공정과,
상기 검출용 전압 명령과 상기 좌표 변환 수단에 의해 변환되는 전류에 기초하여, 상기 모터의 특성에 기초한 위치 추정 오차량을 산출하는 공정과,
상기 산출된 위치 추정 오차량의 주파수 및 위상을 연산함으로써, 상기 위치 추정 오차량의 위상을 상기 모터의 회전 위치로 변환할 때에,
상기 모터가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서 상기 토크 전류 명령을 임의의 값으로 출력했을 때에, 상기 회전 위치 검출 수단으로부터 얻어지는 상기 회전 위치의 오차가 없어지도록 출력된 여자 전류 명령의 값을 명령값 기억 수단에 미리 기억해 두는 공정과,
상기 모터의 제어 명령에 따라 상기 토크 전류 명령을 생성하면, 당해 토크 전류 명령에 대응한 여자 전류 명령을 상기 명령값 기억 수단으로부터 판독하여 설정하는 공정을 포함하는, 모터 회전 위치 검출 방법.
제5항에 있어서,
상기 모터가 임의의 회전 위치를 유지한 상태에서, 임의의 토크 전류 명령과 상기 기억 수단에 기억되는 여자 전류 명령이 부여되었을 때에 산출된 위치 추정 오차량의 기준값을 기준값 기억 수단에 기억하고,
상기 모터가 구동 제어되고 있을 때에 산출되는 위치 추정 오차량과, 상기 기준값과의 차분을 출력하고,
상기 차분에 따라 상기 회전 위치의 보정값을 산출하면, 당해 보정값에 의해 상기 회전 위치 검출 수단에 의해 변환된 회전 위치를 보정하는, 모터 회전 위치 검출 방법.