KR20160071479A - 모터 제어 장치 - Google Patents

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KR20160071479A
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angle
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KR1020167012863A
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신이치 후루타니
슈야 사노
게이타 호리이
히로토 다케이
가즈야 이나즈마
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

돌극성을 가지지 않는 동기 모터여도, 동작 개시 후 신속하게 원반 어긋남 고장을 검지하여 이상 동작을 억제하는 것이 가능한 모터 제어 장치를 얻기 위해서, 동기 모터인 모터에 접속된 인코더(위치 센서)의 출력 신호로부터 모터 검출 속도를 검출하여 출력하는 모터 속도 검출부와, 인코더의 출력 신호로부터 모터 검출 전기각을 검출하여 출력하는 모터 전기각 검출부와, 모터 전압 및 모터 전류와, 모터 검출 속도를 입력으로 하여, 모터 전압 및 모터 전류로부터 모터 추정 전기각을 추정하여 출력하는 모터 전기각 추정부와, 모터 검출 전기각 및 모터 추정 전기각을 입력으로 하여, 모터 검출 전기각 및 모터 추정 전기각으로부터 인코더가 정상 동작하고 있는지 여부를 판정하여, 인코더가 정상 동작하고 있을 때에는 모터 검출 전기각을 출력하고, 인코더가 정상 동작하고 있지 않을 때에는 모터 추정 전기각을 출력하는 전환부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROL DEVICE}
본 발명은 모터 제어 장치에 관한 것이다.
종래, 회전자가 고정자의 전류 또는 전압의 주파수에 동기하는 동기 모터로서 영구 자석형 동기 모터, 권선 계자형 동기 모터 및 동기 릴럭턴스 모터(synchronous reluctance motor)가 알려져 있다.
예를 들면, 특허 문헌 1에는, 모터의 유기 전압에 기초하여 전기각(electric angle)의 추정을 행하고, 전기 회로 모델에 기초한 추정 전기각을 이용하여 고장 판별을 행하는 기술이 개시되어 있다. 일반적으로, 모터의 유기 전압은, 모터 속도가 높을수록 진폭이 커진다. 반대로 모터 저속시에는 유기 전압의 진폭은 작고, 예를 들면 인버터 데드 타임과 같은 전압 외란이나 스위칭 노이즈의 영향을 받아, 추정하는 전기각의 정밀도가 현저하게 저하한다. 이 때문에, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 모터가 가속하고 나서 잠시 후, 그 속도가 임계치 이상이 되고 나서 전기각의 추정을 행하는 구성으로 하고 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2010－029031호 공보
그렇지만, 상기 종래의 기술에 의하면, 모터가 가속하고 나서 전기각의 추정을 행하기까지 시간을 필요로 한다. 그 때문에, 원반 어긋남 고장(disk displacement fault)의 검지에 지연이 생기게 된다고 하는 문제가 있었다.
원반 어긋남 고장은 모터 제어 장치가 기동하기 전부터 발생해 있는 경우가 있어, 모터의 동작 개시시에 원반 어긋남이 생겨 있는지 여부를 판별해 두지 않으면, 모터의 기동과 동시에 의도하지 않은 방향으로 모터가 회전하게 된다. 동기 모터가 어떠한 기구(예를 들면, 로봇 또는 이송 기구(feed mechanism))의 구동력원으로서 이용되고 있는 경우에는, 이러한 고장시에는, 의도하지 않는 회전에 의해 기구가 이상 동작하여, 당해 기구 자체 또는 당해 기구 주변에 존재하는 그 외의 물체를 파괴해 버릴 우려가 있어, 모터를 가능한 한 빨리 정지시킬 필요가 있다.
또한, 모터의 유기 전압이 아니라, 모터의 회전 위치에 의해 고정자측에서 본 인덕턴스값이 변화하는 돌극성(salient-pole property)을 이용하여 모터 저속시에 모터의 전기각이나 전기각 주파수를 추정하는 기술은, 돌극성을 가지지 않는 모터(예를 들면 표면 자석형 영구 자석 모터)에 대해서는 적용할 수 없다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 돌극성을 가지지 않는 동기 모터여도, 동작 개시 후 신속하게 원반 어긋남 고장을 검지하여 이상 동작을 억제하는 것이 가능한 모터 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 돌극성을 가지지 않는 동기 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서, 동기 모터인 모터에 접속된 인코더(위치 센서)의 출력 신호로부터 상기 모터의 속도를 검출하여, 상기 모터의 모터 검출 속도를 출력하는 모터 속도 검출부와, 상기 인코더의 상기 출력 신호로부터 상기 모터의 전기각을 검출하여, 모터 검출 전기각을 출력하는 모터 전기각 검출부와, 상기 모터의 모터 전압 및 모터 전류와, 상기 모터 검출 속도를 입력으로 하여, 상기 모터 전압 및 상기 모터 전류로부터 상기 모터의 전기각을 추정하고, 모터 추정 전기각을 출력하는 모터 전기각 추정부와, 상기 모터 검출 전기각 및 상기 모터 추정 전기각을 입력으로 하여, 상기 모터 검출 전기각 및 상기 모터 추정 전기각으로부터 상기 인코더가 정상 동작하고 있는지 여부를 판정하여, 상기 인코더가 정상 동작하고 있을 때에는 상기 모터 검출 전기각을 출력하고, 상기 인코더가 정상 동작하고 있지 않을 때에는 상기 모터 추정 전기각을 출력하는 전환부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 돌극성을 가지지 않는 동기 모터여도, 동작 개시 후 신속하게 원반 어긋남 고장을 검지하여 이상 동작을 억제하는 것이 가능한 모터 제어 장치를 얻을 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1a는 실시 형태 1에 따른 모터 제어 장치의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 1b는 비교예로서의 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2a는 실시 형태 1에 따른 모터 제어 장치의 전기각 추정부의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2b는 비교예로서의 모터 제어 장치의 전기각 추정부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2c는 실시 형태 3에 따른 모터 제어 장치의 전기각 추정부의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
이하에, 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1a는 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 실시 형태 1의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1a에 도시하는 동기 모터 제어 장치(1)는 인버터(2), 전류 검출부(3) 및 인코더(5)(위치 센서)에 접속되어 있다. 인버터(2) 및 인코더(5)는 모터(4)에 접속되어 있고, 인버터(2)와 모터(4)의 사이에 전류 검출부(3)가 배치되어 있다. 또한, 모터(4)로서는, 예를 들면 영구 자석형 동기 모터를 이용한다.
도 1a에 도시하는 동기 모터 제어 장치(1)는, 속도 지령부(11)와, 속도 제어부(13)와, 전류 제어부(15)와, 좌표 변환부(17, 22)와, PWM 처리부(19)와, 속도 환산부(7)와, 전기각 환산부(8)와, 전기각 추정부(24)와, 전환부(26)를 구비한다.
여기서, 종래의 모터 제어 장치의 구성을 참조한다. 도 1b는 비교예인 종래의 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1a에 도시하는 동기 모터 제어 장치(1)와 마찬가지로, 도 1b에 도시하는 동기 모터 제어 장치(1a)도 인버터(2), 전류 검출부(3) 및 인코더(5)에 접속되고, 인버터(2) 및 인코더(5)는 모터(4)에 접속되어 있고, 인버터(2)와 모터(4)의 사이에 전류 검출부(3)가 배치되어 있다.
동기 모터 제어 장치(1a)는 제어부, 처리부, 환산부 및 변환부를 구비하지만, 이들은, 출력한 값이 다른 제어부, 처리부, 환산부 또는 변환부를 거쳐 다시 입력되는 구성이다.
인코더(5)는 인코더 신호(6)를 출력한다. 인코더 신호(6)는 모터(4)의 회전자 위치(각도) 정보에 상당한다. 인코더 신호(6)는 속도 환산부(7) 및 전기각 환산부(8)에 입력된다.
속도 환산부(7)는 인코더 신호(6)에 대해서 미분을 행하거나, 또는 차분을 취하여 모터(4)의 회전자의 회전 속도를 속도 신호(10)로서 출력한다. 속도 신호(10)는 속도 제어부(13)에 입력된다.
속도 제어부(13)에는, 속도 신호(10) 및 속도 지령부(11)가 출력하는 속도 지령(12)이 입력된다. 속도 제어부(13)는 속도 신호(10)와 속도 지령(12)이 일치하도록 제어 처리를 행하여 전류 지령(14)을 출력한다. 속도 제어부(13)는, 예를 들면, PI(비례 적분) 제어, 피드 포워드 제어를 행한다.
동기 모터의 속도를 제어하려면 동기 모터의 토크를 제어하지만, 여기서 예에 이용한 영구 자석형 동기 모터에서는 모터 토크와 모터 전류가 비례하므로 속도 제어부(13)의 출력은 전류 지령이 된다. 이 전류 지령(14)은 전류 제어부(15)에 입력된다.
전류 제어부(15) 및 좌표 변환부(17)로 구성되는 전류 제어계는, 2축 직교 회전 좌표(dq축)상에 구축된다. 대부분의 경우, d축은 모터 회전자 자속 방향으로 설정되고, 이때 q축 전류는 모터 토크를 발생시키는 전류가 되므로, 속도 제어부(13)가 출력하는 전류 지령(14)은 q축 전류 지령에 상당한다.
전류 제어부(15)는 PI 제어, 모터(4)의 dq축 사이의 전자 간섭을 억제하는 비간섭화 제어를 행한다. 전류 제어부(15)에는, 전류 지령(14) 및 회전 좌표상의 검출 전류 신호(23)가 입력되고, 제어 처리를 행하여 전압 지령(16)을 출력한다.
회전 좌표상의 검출 전류 신호(23)는 dq축상의 신호이지만, 좌표 변환부(22)에 3상 정지 좌표상의 검출 전류 신호(21)가 입력되어 하기의 식 (1)에 의해 계산된다. 또한, 3상 정지 좌표상의 검출 전류 신호(21)는 전류 검출부(3)로부터 출력된다.
[수 1]
Figure pct00001
식 (1)에 있어서, Id, Iq는 회전 좌표상의 검출 전류 신호(23)에 상당하고, Iu, Iv, Iw는 3상 정지 좌표상의 검출 전류 신호(21)에 상당한다. 또, 식 (1)에 있어서, θe는 검출 전기각이며, 전기각(9)에 상당하고, 모터 회전자 자속의 각도를 나타내는 위상 신호이다. 또한, 전기각(9)은 인코더 신호(6)가 입력된 전기각 환산부(8)로부터 출력되어, 좌표 변환부(17) 및 좌표 변환부(22)에 입력된다.
식 (1)에 있어서의 계수
Figure pct00002
와 2개의 행렬(2행 2열의 행렬과 2행 3열의 행렬)이 3상 정지 좌표로부터 회전 좌표로의 변환 계수에 상당한다. 회전 좌표상의 검출 전류 신호(23)는 전류 제어부(15)에 입력되므로, 전류 제어부(15)가 출력하는 전압 지령(16)은 회전 좌표(dq축)상의 신호가 된다.
좌표 변환부(17)는 입력된 전압 지령(16)을 하기의 식 (2)에 의해 3상 정지 좌표상의 전압 지령으로 변환하여 전압 지령(18)으로서 출력한다.
[수 2]
Figure pct00003
식 (2)에 있어서, Vd*, Vq*는 전압 지령(16)에 상당하고, Vu*, Vv*, Vw*가 전압 지령(18)에 상당한다.
PWM 처리부(19)는 전압 지령(18)을 스위칭 지령(20)으로 변환하여 출력한다. 스위칭 지령(20)이 입력된 인버터(2)는, 스위칭 지령(20)에 따라서 동작하여, 전압 지령(18)에 따른 전압을 모터(4)에 출력한다.
좌표 변환부(17) 및 좌표 변환부(22)에 입력되는 전기각(9)은, 동기 모터의 회전자 자속 위상에 의해서 결정된다. 구체적으로는, 회전자 자속 벡터 방향이 d축이 되도록 결정된다.
그런데, 극수(極數) P의 모터에서는, 모터 회전자 일회전에 대해 전기각은 그 극쌍수(number of pole pairs)배, 즉 P/2 회전한다. 인코더(5)는 인코더 신호(6)의 제로 위상과, 극쌍수개 존재하는 전기각의 제로 위상 중 어느 하나를 일치시키도록 조정한 후, 모터 회전자축에 장착되어 있다. 이때, 인코더 신호(6)를 θ, 전기각(9)을 θe, 모터극수를 P라고 하면, 전기각(9)은, 하기의 식 (3)으로 나타내진다.
[수 3]
Figure pct00004
마찬가지로, 각각의 미분치인 속도 신호(10)와 전기각 주파수에 대해서는, 속도 신호(10)를 ωr이라고 하고, 전기각 주파수를 ωre라고 하면, 하기의 식 (4)의 관계가 성립한다.
[수 4]
Figure pct00005
다음으로, 인코더(5)에 대해 설명한다. 인코더(5)는 모터(4)의 회전자축에 직접 연결(直結)된 원반과 고정자에 접속된 주변 회로부에 의해서 구성되어 있다. 이 원반은, 회전자축과 직접 연결되어 있기 때문에, 모터(4)의 회전에 따라 회전한다. 예를 들면, 인코더(5)가 광학식 인코더인 경우에는, 회전자축에 직접 연결된 원반에는 원반 내의 각도에 따른 슬릿이나 반사 구조가 마련되어 있고, 이 원반에 광을 조사하고 그 반사 또는 투과의 유무에 의해, 고정자에 접속된 주변 회로부가 원반 내의 각도를 판독한다. 이 원반은 모터 회전자축에 대해 정해진 위치 관계로 접속되어 있기 때문에, 원반 내의 각도로부터 모터 회전자축의 위치의 환산은 용이하고, 고정자에 접속된 주변 회로부에서 처리를 행하여 모터(4)의 회전자 위치를 출력한다.
또한, 여기에서는, 인코더(5)가 광학식 인코더인 예에 대해 설명했지만, 이것으로 한정되지 않고, 다른 방식의 인코더를 이용해도 된다. 다른 방식의 인코더로서는, 예를 들면, 자기를 이용하여 원반 내의 각도를 판독하는 방식의 인코더를 들 수 있다.
이와 같이, 인코더(5)는 모터 회전자축에 따라서 회전하고, 스스로의 각도 정보를 기재한 물체에 대해, 외부로부터 비접촉으로 원반 내에 있어서의 각도를 판독하여, 위치 신호로서 출력하는 방식이면 좋다.
그런데, 이와 같이 이용되는 인코더(5)에, 고장이 발생하는 일이 있다. 이러한 고장 모드로서, 예를 들면, 센서 케이블의 단선, 모터 혹은 주위의 열, 또는 자기 발열에 의한 주변 회로부의 땜납 크랙(soldering crack)을 들 수 있다. 이러한 고장 중에서, 원반 어긋남(disk displacement)이라고 불리는 고장에 대해서는, 검출하는 것이 곤란하다.
또한, 원반 어긋남이란, 모터의 회전자축과 원반이, 예를 들면 충격에 의해 잠시 분리되어 재고정됨으로써 일어나는 현상으로서, 재고정 위치가 본래의 접속 위치로부터 어긋나 버리는 것을 말한다.
이와 같이, 모터의 회전자축과 원반이 본래의 접속 위치로부터 어긋난 위치에 고정되면, 인코더(5)로부터의 회전 각도 정보는 실제 모터 회전자 위치에 대해서 오프셋 오차를 가진다. 원반 어긋남은, 센서 케이블의 단선 또는 땜납 크랙과는 달리, 전기적인 검출이 곤란하다. 또, 원반 어긋남에서는, 인코더 신호는 일견(一見) 정상적으로 출력되기 때문에, 예를 들면 신호 데이터의 패리티 검사를 행하는 것과 같은 부호화 처리에 기초한 검출도 곤란하다.
이와 같이, 검출이 곤란한 원반 어긋남은, 동기 모터 제어 장치(1) 내의 신호에 영향을 미친다. 먼저, 속도 신호(10)의 계산에는 큰 영향은 없다. 속도 신호(10)는 인코더 신호(6)에 대해서 미분 상당의 처리를 행하고 있기 때문에, 인코더 신호(6)에 오프셋 오차가 포함되어 있어도 속도 신호(10)에는 오프셋 오차는 포함되지 않기 때문이다. 그러나 속도 제어계의 내측에 마련한 전류 제어계에는, 이 원반 어긋남에 의한 영향이 강하게 작용하여 정상적인 동작이 곤란한 것으로 하여, 그 결과로서 속도 제어계도 정상 동작이 곤란해져 버린다.
일반적으로, 모터의 일회전에 대해서 모터의 전기각은 극쌍수배 회전하므로, 원반 어긋남에 의한 오프셋 오차는 전기각 환산으로 수배로 증폭되어 나타난다. 예를 들면, 8극의 영구 자석형 동기 모터에 있어서는, 원반 어긋남 고장에 의해 모터 회전자축 위치에 대해서 인코더(5)로부터 30도의 오프셋 오차가 부여되어 출력되는 경우에, 전기각상에서는 8/2=4배로 증폭되어, 오프셋 오차는 30×4=120도가 된다.
전기각의 오차가 90도 미만인 경우에는, Iq 대신에 Id를 흘리게 되기 때문에, 모터에 흐르는 실제 Iq의 감소에 의해 모터의 토크가 저하하거나, 또는 Id의 증가에 의한 강한 자속에 의해 전압 포화(飽和)가 발생하여 전류 제어 응답의 저하가 발생한다. 또, 모터에는 전기자 반작용이 있어 전압 포화 자체에 의해서도 모터 전류가 억제되어 모터 토크가 감소하는 경우도 있다. 즉, 전기각의 오차가 90도 미만에서는 모터의 토크 특성이 저하된다. 이것은 전기각의 오차가 커질수록 현저해진다.
전기각의 오차가 90도를 넘으면 모터에 흐르는 실제 Iq와 제어 장치에 있어서의 Iq의 극성의 반전이 생긴다. 예를 들면, 전기각의 오차의 값이 180도(π[rad］)에 도달하면 좌표 변환의 식은 하기의 식 (5)가 된다.
[수 5]
Figure pct00006
여기서, θeE는 오차를 포함한 전기각이다.
식 (1)과 식 (5)의 비교로부터 분명한 것처럼, 전기각의 오차가 180도이면, 좌표 변환 후의 전류는 극성이 반전된다. 이것은, 예를 들면 제어 장치상에서 동기 모터를 가속시키기 위해서 토크 전류 Iq를 흘리려고 시도해도, 실제로는 동기 모터의 Iq가 감속 방향의 전류 성분으로 되어 버려, 가속을 하지 못하거나, 또는 의도하지 않은 방향으로 모터가 회전해 버리는 것이 된다.
이러한 원반 어긋남에 대해서는, 모터의 전기각 추정에 기초한 방법이 유효하다. 먼저, 제어 장치 내에 모터의 전기 회로 모델을 구축하고 모터의 전압 신호와 전류 신호를 입력한다. 다음으로, 이들 신호와 전기 회로 모델을 이용하여 모터의 유기 전압을 계산하고, 그것으로부터 전기각을 추정한다. 이 유기 전압은, 모터 회전자 자속의 회전에 의해 발생하는 것으로 회전자 자속에 대해 90도 앞선 성분이 된다. 이 유기 전압의 위상을 계산할 수 있으면, 회전자 자속의 위상도 계산할 수 있다. 이 회전자 자속의 위상이 전기각에 상당한다. 이와 같이 유기 전압으로부터 전기각을 추정하고, 인코더(5)로부터 얻은 검출 전기각과의 비교를 행함으로써, 인코더(5)의 원반 어긋남 고장을 판별할 수 있다.
이에, 본 발명에 있어서는 전기각의 추정을 행하는 것이 가능한, 도 1a에 도시하는 동기 모터 제어 장치(1)를 이용한다. 도 1a에 도시하는 동기 모터 제어 장치(1)는, 도 1b에 도시하는 종래의 동기 모터 제어 장치(1a)에 대해서 전기각 추정부(24)와 전환부(26)가 마련되어 있는 점이 다르다.
전기각 추정부(24)는, 모터 제어 방식으로 일반적으로 센서리스 제어로서 알려져 있는 방식을 응용하고 있고, 주로 영구 자석 동기 모터의 회로 방정식으로부터 도출된 자속 옵저버(observer) 및 전기각 주파수를 추정하는 구성을 구비한다. 여기서 자속 옵저버를 이용한 일반적인 센서리스 제어에 대해 설명한다.
자속 옵저버의 연산에는 모터의 전기각 주파수를 이용하지만, 여기에서는 센서리스 제어이기 때문에 실제 전기각 주파수는 모르므로, 추정한 전기각 주파수를 이용한다. 상술한 센서리스 제어 방식은 자속 옵저버로부터 추정한 추정 자속으로부터 영구 자석 동기 모터의 추정 전류를 계산한다. 추정 전류와 검출 전류의 오차는, 자속 옵저버 연산에 이용한 추정 전기각 주파수에 오차가 있다고 하는 적응 식별(adaptive identification)의 개념에 기초하여, 추정 전기각 주파수의 피드백 수정을 행해 간다. 모터의 전기각 주파수는 모터의 회전자 속도의 극쌍수배가 되기 때문에, 추정한 전기각 주파수를 극쌍수로 나눈 값이 모터의 회전자 속도의 추정치가 된다. 또, 추정 전기각은 추정 전기각 주파수에 대해서 적분을 행함으로써 얻을 수 있다.
도 2b는 자속 옵저버를 이용하여 전기각 주파수를 추정하는 전기각 추정부의 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2b에 도시하는 전기각 추정부는, 전류 추정 오차 연산부(100), 적응 식별부(102), 축 오정렬(misalignment) 보정부(104), 적분부(107) 및 좌표 변환부(108, 109)를 구비한다. 전류 추정 오차 연산부(100)는 상술한 것처럼, q축 전류의 추정 오차를 계산한다.
전류 추정 오차 연산부(100)는, 하기의 식 (6)~(8)의 계산을 행한다. 자속 옵저버는 식 (6)이다.
[수 6]
Figure pct00007
[수 7]
Figure pct00008
[수 8]
Figure pct00009
여기서, φds _ est는 d축 고정자 추정 자속이고, φqs _ est는 q축 고정자 추정 자속이고, φdr _ est는 d축 회전자 추정 자속이다. R은 권선 저항이고, Ld는 d축 인덕턴스이고, Lq는 q축 인덕턴스이다. 또, ω_ est는 보정 후 추정 전기각 주파수(106)이고, ωre _ est는 추정 전기각 주파수(103)이다. Vds, Vqs는 전압 지령(110)이다(Vds는 d축 전압, Vqs는 q축 전압). h11·h12·h21·h22·h31·h32는 피드백 게인이다. ΔIds, ΔIqs는 전류 추정 오차(101)이다(ΔIds는 d축 전류 추정 오차, ΔIqs는 q축 전류 추정 오차). Ids _ est는 d축 전류의 추정치이고, Iqs _ est는 q축 전류의 추정치이다. Ids, Iqs는 검출 전류 신호(111)이다(Ids는 d축 전류, Iqs는 q축 전류).
적응 식별부(102)는 입력된 전류 추정 오차(101)에 처리를 행하여, 추정 전기각 주파수(103)를 출력한다. 적응 식별부(102)는 PI 제어를 행하고, 하기의 식 (9)의 연산을 행한다.
[수 9]
Figure pct00010
여기서, K1은 적응 비례 게인이고, K2는 적응 적분 게인이다.
축 오정렬 보정부(104)는, 이들 센서리스 제어계가 동작하는 2축 직교 회전 좌표의 d축을 모터 회전자 자속과 일치시키도록 추정 전기각 주파수(103)의 보정을 행하기 위해서, 하기의 식 (10)에 의해 ωcmp의 연산을 행하여 보정 신호(105)를 출력한다.
[수 10]
Figure pct00011
여기서, h41, h42는 피드백 게인이다. 추정 전기각(25)은 추정 전기각 주파수(103)와 보정 신호(105)에 대해서, 적분부(107)에서 적분 처리를 행함으로써 얻어진다.
전류 추정 오차 연산부(100)의 계산에서는, 상기의 식에 나타내지는 것처럼 모터 전압 및 모터 전류가 필요하지만, 검출 전류 신호(21) 및 전압 지령(18)으로부터 추정 전기각(25)을 이용하여 좌표 변환으로 계산한다.
이와 같이 전기각 추정부를 인코더 신호(6)의 정보를 이용하지 않는 구성으로 하면, 인코더 고장시에 추정 전기각(25)을 전기각(9)의 대체로서 이용할 수 있다.
자속 옵저버의 계산에는 모터의 전압을 이용하지만, 대부분의 경우, 전압 지령(18)에 의해서 대용한다. 그렇지만, 전압 지령(18)과 실제로 모터에 인가되는 전압에는 인버터의 데드 타임이나 파워 모듈의 순전압(順電壓) 효과에 의한 오차가 존재한다. 또, 모터의 유기 전압이 작은 저속도 운전 영역에서는, 상대적으로 전압 오차의 감도가 높아지고, 전기각 주파수나 전기각의 추정 정밀도가 현저하게 저하한다. 그 때문에, 모터가 가속하고 잠시 후 밖에, 추정한 전기각이나 전기각 주파수를 이용할 수 없다.
이에, 본 발명에서는, 속도 정보만 이용 가능한 인코더 원반 어긋남 고장의 성질을 이용하여, 전기각 주파수를 추정하는 대신에 인코더 신호(6)로부터 얻은 전기각 주파수를 이용하여 전기각을 추정한다. 즉, 도 2a에 도시하는 전기각 추정부(24)를 채용한다.
도 2a는 전기각 추정부(24)의 구성의 일례를 나타낸다. 도 2a에 도시하는 전기각 추정부(24)는 적응 식별부(102)를 대신하여 게인(112)을 구비한다. 게인(112)에는 속도 신호(10)가 입력된다. 속도 신호(10)가 입력된 게인(112)은, 전기각 주파수(113)를 출력한다. 게인(112)은 극쌍수이고, 식 (4)의 계산에 상당한다. 출력된 전기각 주파수(113)는, 도 2b에 있어서의 추정 전기각 주파수(103)를 대신하여 추정 전기각(25)의 계산에 이용된다.
전기각 추정부(24)를 도 2a에 도시하는 구성으로 하면, 모터 회전 속도의 상승을 기다리는 일 없이 모터 기동시부터 저속 운전 영역에 있어서도 추정 전기각(25)을 얻을 수 있다.
따라서 상술한 것처럼, 모터 기동시에는 이미 발생해 있던 원반 어긋남 고장에 대해서, 추정 전기각 신호를 시간적으로 빠르게 공급할 수 있어, 원반 어긋남 고장의 검지의 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
추가로는, 모터의 저속 운전 영역에서도 인코더 고장 검지 후의 모터의 전류 제어를 계속할 수 있으므로, 고장 검지의 응답 특성의 향상과 함께, 인코더 고장시의 모터의 이상 동작을 종래보다도 억제하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 이상 동작을 없애, 모터를 구동원으로 하는 기구 및 당해 기구 주변에 존재하는 물체의 파괴도 방지할 수 있다.
그런데, 도 2b에서는, 추정 전기각 주파수(103)를 자속 옵저버에 피드백하는 구성이기 때문에, 추정 전기각 주파수(103)는 실제 전기각 주파수에 대해서 시간 지연을 야기하게 된다. 그렇지만, 도 2a의 구성으로 하면, 추정 전기각(25)의 응답 특성도 향상되어, 결과적으로 인코더 고장시에 있어서의 모터의 이상 동작을 종래 보다도 억제하는 것도 가능하다.
다음으로, 전환부(26)에 대해 설명한다. 전환부(26)는 추정 전기각(25)과 전기각(9)의 비교를 행하여, 인코더의 동작이 정상이라고 판단되면, 전기각(9)을 좌표 변환 전기각(27)에 할당하는 것이다. 이와 같이 하여 원반 어긋남 고장이 발생했을 경우에도, 동기 모터 전류 제어를 계속할 수 있다.
특히, 모터를 긴급 정지시키는 경우에는, 추정 전기각(25)의 이용에 의해 감속 방향의 토크 전류를 모터에 흘릴 수 있기 때문에, 모터 전원선을 단락하여 제동을 행하는 경우와 비교하여, 매우 단시간에 모터를 정지시킬 수 있다.
전환부(26)로 고장 검지할 때에는, 상술한 것처럼 추정 전기각(25)과 전기각(9)의 오차가 일정치(오프셋치)인 것을 이용하여, 이 오차가 임계치 이상이고, 또한 그 상태가 설정한 시간 이상 계속되는 경우에 원반 어긋남 고장이 발생한 것이라고 판단한다. 이러한 구성으로 함으로써 이상 판정의 오판정을 방지할 수 있다.
상술한 자속 옵저버에서는 모터 전압의 대용으로서 전압 지령을 이용하고 있지만, 인버터는 데드 타임이나 파워 모듈의 순전압 강하 또는 그 외 노이즈에 의해, 전류 제어계가 그 영향을 캔슬할 수 있도록 동작하기 때문에, 전압 지령에는 그것에 기초한 진동 성분이 유입되어 있는 일이 많다. 이 때문에, 자속 옵저버에 의한 추정 전기각(25)도 맥동(脈動)하는 일이 있고, 과도적으로는 위상 추정 오차의 임계치를 넘는 일이 있다. 상술한 것처럼, 설정한 시간만큼 기다림으로써, 검지에 이르기까지 다소의 시간적인 로스를 야기하지만, 고장 검출의 오검지 발생을 억제할 수 있어, 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 의하면, 모터의 전기각의 추정에 있어서 인코더 속도 정보를 이용함으로써, 인코더의 원반 어긋남 고장 발생시에, 모터 기동시부터 저속 운전 영역에 있어서도 모터의 전기각의 추정을 행할 수 있다. 또, 모터의 전기각의 추정 응답성을 향상시키는 것도 가능하기 때문에, 고장 검지까지의 시간을 단축시키고, 모터의 이상 동작을 억제시킬 수 있다.
실시 형태 2.
실시 형태 1에서는, 전기각 추정부(24)는 자속 옵저버에 기초한 구성으로 하고 있지만, 본 실시 형태에서는, 모터 전압이나 모터 전류로부터 유기 전압을 구하고, 전기각을 추정하는 구성으로 한다. 영구 자석 동기 모터의 회로 방정식은, 하기의 식 (11)로 나타내진다. 또한, 이 식 (11)은, 회전 좌표상의 식이다.
[수 11]
Figure pct00012
여기서, 첨자를 dd, qq로 하고 있지만, 이것은, 모터 회전자 자속이 d축과 일치하는 일반적인 2축 회전 직교 좌표와 구별하기 위함이다. 즉, dd축과 qq축은 2축 직교 회전 좌표의 축이지만, d축, q축과는 위상차가 있는 좌표축이다. 또, R은 모터의 권선 저항, L는 인덕턴스, ωre는 전기각 주파수, p는 미분 연산자이다. 전압 지령(18)과 검출 전류 신호(21)는 3상 정지 좌표상이고, 추정 전기각에 의해 식 (1)에 나타내는 좌표 변환를 적용하면, Vdd, Vqq, Idd, Iqq가 얻어진다. 이것을 식 (11)에 대입하면 유기 전압 Edd, Eqq가 얻어진다.
모터 회전자 자속이 d축과 일치하는 경우에는, 유기 전압은 q축에만 나타난다. 즉, dd축의 유기 전압치가 제로가 되면, dd축과 d축은 일치하고 있다고 말할 수 있다. 이 때문에, 하기의 식 (12)로 계산되는 위상 보정항 θc로 좌표 변환용의 위상을 보정한다.
[수 12]
Figure pct00013
인코더 신호로부터 계산한 전기각을 단순하게 적분한 위상을 θB라고 하면, θB는 식 (13)으로 나타내진다.
[수 13]
Figure pct00014
그리고 모터 정회전시의 모터 추정 전기각 θe_ est는 식 (14)로 얻을 수 있고, 모터 역전(逆轉)시의 모터 추정 전기각 θe_ est는 식 (15)로 얻을 수 있다.
[수 14]
Figure pct00015
[수 15]
Figure pct00016
실시 형태 1에서 설명한 자속 옵저버에 의한 전기각의 추정 방식은 각 게인의 설정에 있어서 조정이 필요하지만, 이 모터 회로 방정식에 기초한 전기각을 추정하는 구성은 조정 요소를 제거하고 있어, 용이하게 전기각 추정부(24)를 구성하는 것이 가능하다. 인코더 원반 어긋남 고장 검지에 대한 본질적인 역할은 실시 형태 1과 같고, 마찬가지의 효과가 얻어진다.
실시 형태 3.
본 실시 형태에서는, 실시 형태 1, 2에 있어서의 전기각 추정부(24)를 대신하여 전기각 추정부(24a)를 구비하는 모터 제어 장치에 대해 설명한다. 전기각 추정부(24a)에서는, 전기각 추정부의 인코더로부터의 속도 신호(10)를 사용할지 여부를 전환할 수 있다. 또한, 전기각 추정부(24)를 대신하여 전기각 추정부(24a)를 구비하는 것을 제외하면, 실시 형태 1, 2와 같은 구성이다.
도 2c는 전기각 추정부(24a)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2c에 도시하는 전기각 추정부(24a)는, 판정부(114)와 전기각 주파수 전환부(116)를 구비하는 점이 실시 형태 1, 2의 전기각 추정부(24)와 다르다.
판정부(114)는 전기각 주파수의 절대치를 계산하여, 그 절대치가 임계치 이상일 때는 전기각 추정 연산용 전기각 주파수(117)에 추정 전기각 주파수(103)를 할당하고, 그 절대치가 임계치 미만일 때는 전기각 추정 연산용 전기각 주파수(117)에 전기각 주파수(113)를 할당하도록, 지시 신호(115)를 출력한다. 이러한 구성으로 함으로써, 모터 고속 운전시의 이상 판정 범위를 확장할 수 있다.
전기각 주파수 전환부(116)는 지시 신호(115)에 따라서 전환 동작을 행한다.
인코더(5)로부터의 속도 신호(10)를 이용하지 않고 전기각의 추정을 행하는 경우에는, 상술한 것처럼 전기각의 추정의 정밀도는, 모터 회전 속도가 상승하면 향상된다. 따라서 모터 회전 속도의 절대치가 임계치 이상이면, 인코더(5)의 원반 어긋남 고장 검지용으로 사용할만한 정밀도가 된다. 모터의 회전 속도가 상승하더라도 인코더(5)로부터의 속도 신호(10)를 계속해서 사용해도 된다.
그렇지만, 전기각의 추정에 인코더 정보를 이용하면, 인코더(5)가 다른 고장 모드(예를 들면, 센서 케이블의 단선)에 의해 고장났을 경우에 대응할 수 없다.
이에, 본 실시 형태에서는, 인코더(5)로부터 얻은 검출 속도의 절대치에 기초하여, 전기각의 추정에 이용하는 전기각 주파수의 전환을 행한다. 전기각 주파수의 절대치가 임계치 미만일 때는, 전기각 추정 연산용 전기각 주파수(117)에 전기각 주파수(113)를 할당하도록 전환을 행하여, 인코더(5)로부터의 전기각 주파수를 전기각의 추정에 이용한다. 전기각 주파수의 절대치가 임계치 이상일 때는, 전기각 추정 연산용 전기각 주파수(117)에 추정 전기각 주파수(103)를 할당하도록 전환을 행하여, 인코더(5)로부터의 전기각 주파수를 이용하는 일 없이 전기각 주파수의 추정을 행함으로써, 전기각을 추정한다.
전기각 추정부(24a)의 구성으로 함으로써, 모터 기동시를 포함하는 저속시에 있어서의 인코더 원반 어긋남 고장의 검지를 가능하게 하여, 모터 고속 운전시에는 인코더 원반 어긋남 고장 이외의 고장(예를 들면, 인코더 신호가 두절되는 센서 케이블의 단선)의 검지도 가능해져, 전기각 추정부나 전환부의 활용 범위를 넓히는 것이 가능해진다.
인코더 원반 어긋남 이외의 고장 모드의 검지를 행하는 방법은, 인코더 고장시의 인코더 신호(6)의 파형 형상에 따라서 다르지만, 고장이 발생한 순간의 값이 유지되는 경우에는, 푸리에 해석의 원리에 기초하여, 하기의 식 (16)~(19)의 계산을 행하는 방법이 있다. 전기각의 추정 오차 Δθe는, 인코더(5)가 정상 동작하고 있는 경우에는 제로에 가까운 값이 되지만, 인코더(5)가 고장나면, 전기각 주파수와 동일 주기의 톱니파 모양의 신호가 된다. 그 때문에, 추정 전기각으로부터 계산한 정현파 신호를 기저로 한 푸리에 해석 계산에 의해, 그 진폭 SR을 취출할 수 있다. 이 진폭 SR이 임계치 이상이면, 인코더 고장이 발생한 것이라고 판단한다. 또한, 식 (16)~(19)에 나타내는 계산에서는 주된 계산이 적분이기 때문에, 고주파 외란에 강하고 오검지가 적다.
[수 16]
Figure pct00017
[수 17]
Figure pct00018
[수 18]
Figure pct00019
[수 19]
Figure pct00020
또한, 도 2c의 구성에서는, 전기각 주파수(113)를 판정부(114)에 입력하는 구성으로 하고 있지만, 추정 전기각 주파수(103)를 대신하여 입력해도 마찬가지의 효과가 얻어진다.
전기각 주파수(113)를 판정부(114)에 입력하는 경우에는, 원반 어긋남 이외의 인코더 고장으로 인코더 신호(6)가 고장시의 값으로 유지될 때, 모터 속도를 검출하지 못하고 제로 속도가 출력된다. 이때, 판정부(114)에서는, 전기각 주파수(113)로부터 추정 전기각 주파수(103)로의 전환 처리를 행하지 못하고, 막힘(stuck)이 발생한다.
이에, 판정부(114)에 추정 전기각 주파수(103)를 입력하는 구성으로 하면, 상술과 같이 막힘을 회피할 수 있다.
이상 설명한 것처럼, 전기각 추정에 이용하는 전기각 주파수를, 추정 전기각 주파수(103)와 인코더 신호(6)로부터 계산한 전기각 주파수(113)로 전환 가능한 구성으로 함으로써, 원반 어긋남 이외의 고장 발생시에도 전기각의 추정을 계속할 수 있어, 고장의 검지를 행할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 동기 모터를 제어하는 모터 제어 장치에 유용하고, 특히 로봇 또는 이송 기구의 구동력원으로서 이용되는 모터 제어 장치에 적합하다.
1, 1a: 동기 모터 제어 장치, 2: 인버터,
3: 전류 검출부, 4: 모터,
5: 인코더, 6: 인코더 신호,
7: 속도 환산부, 8: 전기각 환산부,
9: 전기각, 10: 속도 신호,
11: 속도 지령부, 12: 속도 지령,
13: 속도 제어부, 14: 전류 지령,
15: 전류 제어부, 16: 전압 지령,
17: 좌표 변환부, 18: 전압 지령,
19: PWM 처리부, 20: 스위칭 지령,
21: 검출 전류 신호, 22: 좌표 변환부,
23: 검출 전류 신호, 24, 24a: 전기각 추정부,
25: 추정 전기각, 26: 전환부,
27: 좌표 변환 전기각, 100: 전류 추정 오차 연산부,
101: 전류 추정 오차, 102: 적응 식별부,
103: 추정 전기각 주파수, 104: 축 오정렬 보정부,
105: 보정 신호, 106: 보정 후 추정 전기각 주파수,
107: 적분부, 108: 좌표 변환부,
109: 좌표 변환부, 110: 전압 지령,
111: 검출 전류 신호, 112: 게인,
113: 전기각 주파수, 114: 판정부,
115: 지시 신호, 116: 전기각 주파수 전환부,
117: 전기각 추정 연산용 전기각 주파수.

Claims (3)

  1. 돌극성(salient-pole property)을 가지지 않는 동기 모터를 제어하는 모터 제어 장치로서,
    동기 모터인 모터에 접속된 인코더의 출력 신호로부터 상기 모터의 속도를 검출하여, 상기 모터의 모터 검출 속도를 출력하는 모터 속도 검출 수단과,
    상기 인코더의 상기 출력 신호로부터 상기 모터의 전기각을 검출하여, 모터 검출 전기각을 출력하는 모터 전기각 검출 수단과,
    상기 모터의 모터 전압 및 모터 전류와, 상기 모터 검출 속도를 입력으로 하여, 상기 모터 전압 및 상기 모터 전류로부터 상기 모터의 전기각을 추정하여, 모터 추정 전기각을 출력하는 모터 전기각 추정 수단과,
    상기 모터 검출 전기각 및 상기 모터 추정 전기각을 입력으로 하여, 상기 모터 검출 전기각 및 상기 모터 추정 전기각으로부터 상기 인코더가 정상 동작하고 있는지 여부를 판정하여, 상기 인코더가 정상 동작하고 있을 때에는 상기 모터 검출 전기각을 출력하고, 상기 인코더가 정상 동작하고 있지 않을 때에는 상기 모터 추정 전기각을 출력하는 전환 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전환 수단은, 상기 모터 검출 전기각과 상기 모터 추정 전기각의 오차가 임계치 이상이고, 또한 상기 모터 검출 전기각과 상기 모터 추정 전기각의 상기 오차가 임계치 이상인 상태를 임계치 시간 이상 계속했을 때에, 상기 인코더가 정상 동작하고 있지 않다고 판정하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 전기각 추정 수단은, 상기 모터 검출 전기각의 주파수 또는 상기 모터 추정 전기각의 주파수의 절대치가 임계치 미만인 경우에, 상기 모터 검출 속도를 이용하여 상기 모터 추정 전기각을 출력하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
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