KR20200100804A - 자극 위치 추정 방법 및 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

전동기의 자극 위치 추정에 있어서, 가동자의 이동량을 억제한다. 자극 위치 추정 방법이며, 자극의 초기 위치를 설정하는 제1 스텝과, q축 전류 명령값을 서서히 올려, 가동자의 동작 방향 및 이동량을 검출하는 제2 스텝과, 상기 동작 방향이 정인 경우에 자극 위치를 180도를 향하여 정방향으로 회전시키고, 상기 동작 방향이 부인 경우에 자극 위치를 180도를 향하여 부방향으로 회전시키는 제3 스텝과, 상기 제3 스텝에 있어서, 상기 가동자의 이동량이 0으로 되었을 때의 자극 위치를, 실측 자극 위치로서 기억하는 제4 스텝과, 상기 실측 자극 위치를 -90도 회전시킨 자극 위치를, 제어 개시 위치로서 기억하는 제5 스텝을 구비하는 것이다.

Description

자극 위치 추정 방법 및 제어 장치
참조에 의한 포함
본 출원은, 2018년 2월 1일에 출원된 일본 특허 출원 제2018-016143호의 우선권을 주장하고, 그 내용을 참조함으로써 본 출원에 포함한다.
본 발명은, 전동기의 자극 위치 추정 방법 및 장치에 관한 것이다.
전동기 제어에 있어서는, q축 방향(전류 위상 90도)으로 전류를 흘리면 전동기는 구동되고, q축 방향과 90° 어긋난 d축 정방향(전류 위상 0도) 또는 d축 부방향(전류 위상 180도)으로 전류를 계속해서 흘려도 전동기는 구동되지 않는다. 그 때문에, 제어 장치측이 인식하고 있는 자극 위치와, 실제의 전동기의 자극 위치가 다르면, 전동기가 구동시키고 싶은 방향과는 역방향으로 구동되거나, 구동시키고 싶은 이동량보다도 크게 이동하는 등, 정확한 제어를 행할 수 없다. 그 때문에, 전동기의 제어를 개시할 때는, 제어 장치측에서 인식하고 있는 자극 위치를 전동기의 실제의 자극 위치에 합치시킬 필요가 있다.
이와 같은 자극 위치 추정의 방법으로서 예를 들어 특허문헌 1이 있다. 특허문헌 1에는, 「시동 위치인 임시 자극 위치에 기초하여 인가하는 전류 위상을 결정하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 방법에 있어서, 임시 자극 위치를 기준으로 전기각 반주기를 N분할한 위상에 전류를 인가하고, 그때의 이동 방법(+, 0, -)을 판정하여 전류 위상을 결정한다」라고 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2014-36450호 공보
특허문헌 1의 방법에서는, 임시 자극 위치를 기준으로 전기각 반주기를 N 분할한 위상에 전류를 인가하고, 그때의 이동 방향 D(+, 0, -)를 각각 검출한다. 다음에, 이동 방향이 반전되는 2개의 위상 Dn+와 Dn-를 기억하고, 중간의 위상에 있어서의 이동 방향을 검출한다. 중간의 위상에 있어서의 이동 방향 Dn1이 +이면, 다음은 Dn1과 Dn-의 중간의 이동 방향을 검출하고, 이것을 반복함으로써 이동 방향이 0으로 되는 위상 정보를 찾아내는 것이다. 이 자극 위치 추정 동작에 사용하는 전류 명령값을, 그 전단에 있는 q축 전류 명령의 절댓값과 자극 위치 추정용으로 미리 설정되어 있는 전류 명령값 중 작은 쪽을 사용함으로써, 전동기의 이동 속도가 속도 제한 명령을 초과하지 않도록 제어할 수 있다고 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1과 같이 전류 명령이 스텝형인 신호에서는, 자극 위치가 상정과 180도 어긋난 경우, 전동기의 이동량이 너무 커질 우려가 있다. 또한, 전류 명령의 스텝 신호가 커서, 속도 제어기의 제어 게인이 올바르게 설정되어 있지 않은 경우, 속도 제한 명령을 올바르게 제한할 수 없을 우려가 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해, 특허 청구 범위에 기재된 발명을 적용한다. 즉, 자극 위치 추정 방법이며, 자극의 초기 위치를 설정하는 제1 스텝과, q축 전류 명령값을 서서히 올려, 가동자의 동작 방향 및 이동량을 검출하는 제2 스텝과, 상기 동작 방향이 정인 경우에 자극 위치를 180도를 향하여 정방향으로 회전시키고, 상기 동작 방향이 부인 경우에 자극 위치를 180도를 향하여 부방향으로 회전시키는 제3 스텝과, 상기 제3 스텝에 있어서, 상기 가동자의 이동량이 0으로 되었을 때의 자극 위치를, 실측 자극 위치로서 기억하는 제4 스텝과, 상기 실측 자극 위치를 -90도 회전시킨 자극 위치를, 제어 개시 위치로서 기억하는 제5 스텝을 구비하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 전동기의 이동량을 억제하여 고정밀도의 자극 위치의 추정과 이것에 기초하는 전동기 제어가 가능해진다. 본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은 첨부 도면에 관한 이하의 본 발명의 실시예의 기재로부터 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명을 적용한 제1 실시예에 의한 자극 위치 추정 장치를 설치한 전동기 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명을 적용한 제1 실시예에 의한 전동기의 자극 위치 변화를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명을 적용한 제1 실시예에 의한 q축 전류 명령 파형과, 전동기의 현재 위치, 및 전동기의 이동 판정이 되는 위치의 파형도이다.
도 4는 본 발명을 적용한 제1 실시예에 의한 자극 위치 추정 수순의 흐름도이다.
도 5a는 본 발명을 적용한 제1 실시예에 의한 자극 위치 추정 시의 전동기 동작 중의 자극 위치 조정 수순 흐름도이다.
도 5b는 본 발명을 적용한 제1 실시예에 의한 자극 위치 추정 시의 전동기 동작 중의 자극 위치 조정 수순 흐름도이다.
도 6은 본 발명을 적용한 제2 실시예에 의한 q축 전류 명령 파형과, 전동기의 현재 위치 및 전동기의 이동 판정이 되는 위치의 파형도이다.
도 7은 본 발명을 적용한 제3 실시예에 의한 전동기의 자극 위치 변화를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명을 적용한 제3 실시예에 의한 q축 전류 명령 파형과, 전동기의 현재 위치, 및 전동기의 이동 판정이 되는 위치의 파형도이다.
전동기 제어에 있어서 전동기를 구동할 때, q축 방향으로 전류를 흘리면 전동기는 구동되고, q축 방향과 90° 어긋난 d축 방향으로 전류를 계속해서 흘려도 전동기는 구동되지 않는다.
본 발명에서는, 전동기에 전류를 인가하면서, 가동자가 이동하였다고 판정될 때마다, 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 조정하여, 전동기에 인가하는 q축 전류의 방향이 실제의 d축과 반대 방향이 되도록 조정한다. 전류 인가 종료 후에 제어 장치(101)측이 인식하고 있는 자극 위치를 90° 어긋나게 함으로써, 제어 장치측의 인식하고 있는 q축 방향이 전동기의 q축 방향과 일치하도록 조정하는 방법이다.
이하, 전동기의 자극 위치 추정법 및 장치에 대하여 설명하고, 전동기를 구동하면서 자극 위치를 변화시켜, 전류값에 상관없이 전동기가 이동하지 않는 d축 방향으로 자극 위치를 조정하고, 조정 종료 후, q축 방향으로 어긋나게 하는 수단에 대하여 실시예를 나타낸다.
실시예 1
본 실시예에서는, 직동형 전동기(리니어 모터)에 본 발명을 적용한 예를 설명한다. q축 전류 명령 생성기에 의해 생성되는 q축 전류 명령(「토크 명령」이라고도 함)에 의해 전동기를 구동하면서, 가동자의 이동 방향 및 이동량에 의해, 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 조정하기 위한 제1 수단, 제2 수단, 및 제3 수단에 대하여 실시예를 나타낸다.
먼저 처음에, 제어 장치(101)를 사용하여 자극 위치 추정 기능을 실행하는 제어 블록의 예를 나타낸다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 전동기의 자극 위치를 추정하고, 전동기 제어 장치 내에 갖는 전동기의 자극 위치와 실제의 전동기 자극 위치의 오차인 자극 위치 오차각 θerr을 추정하는 제어 블록도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 동기 전동기의 제어 장치의 전체 개략 구성도이다. 동기 전동기(1)는 고정자와 가동자(도시하지 않음)를 포함하고, 부하(2)는 전동기(1)에 의해 구동되는 구동 대상 부하이다. 제어 장치(101)는 전동기(1)에 전력을 공급하여 전동기를 제어하는 장치이다. 제어 장치(101)로서는 예를 들어 인버터나 서보 앰프 등을 들 수 있다. 동기 전동기(1)에 대하여, 전력 변환기(4)로부터 3상 교류 전압을 인가한다. 동기 전동기(1)에 흐르는 3상 교류 전류 I1은 전류 검출기(7)에서 검출한다. 위치 검출기(5)는, 전동기 가동자의 이동량 posfb에 따른 펄스열을 발생시킨다. 따라서, 이 위치 검출기(5)의 출력 펄스를 전기각 연산부(12)에서 카운트하면, 전동기 가동자의 자극 위치 θE를 알 수 있다.
이 검출 전기각 θE를 기초로, 자극 위치 조정기(10)에서는, 후술하는 자극 위치 추정법에 의해, 보정 후(추정) 전기각 θ^을 출력한다. 추정 전기각 θ^은, 전동기 가동자의 자극 위치 θE와, 자극 위치 오차각 θerr을 가산함으로써 산출된다. 이 추정 전기각 θ^을 기초로, dq 변환부(8)에서는, 3상 검출 전류 I1을 2상 검출 전류 iq 및 id로 변환한다.
q축 전류 명령 생성기(6)는 q축 전류 명령값 iqref를 기초로, q축 전류 명령값 iqref를 연산한다. 전류 제어기(9)는, q축 전류 명령값 iqref 및 d축 전류 명령값 idref에 대하여, dq 변환부(8)의 출력값인 q축 전류 검출값 iq 및 d축 전류 검출값 id를 각각 일치시키기 위한 연산을 행하고, 2상 명령 전압 vqref 및 vdref를 출력한다. 3상 변환부(11)는, 추정 전기각 θ^을 사용하여, 2상 명령 전압 vqref 및 vdref를 3상 명령 전압 V1ref로 변환한다.
자극 위치 조정기(10)는 자극 위치 추정 처리를 실행 중에 가동자의 현재 위치 posfb를 위치 검출기(5)로부터, q축 전류 명령 iqref를 q축 전류 명령 생성기(6)로부터, 전동기 가동자의 자극 위치 θE를 전기각 연산부(12)로부터 각각 수취하여, 가동자의 이동 방향 및 이동량에 따라서 자극 위치 오차각 θerr을 조정한다. 자극 위치 조정기(10)에서는, 위치 검출기(5)에 의해 얻어진 현재 위치 posfb를 사용하여, 전동기 제어 장치가 인식하는 q축 방향이 전동기의 q축 방향으로 되도록 자극 위치 오차각 θerr을 조정하고, 그 조정 결과를 전류 제어기(9)에 반영하여 전동기 제어를 행한다.
도 2는 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr의 조정에 대하여 도시한다. 그래프의 횡축이 실제의 d축, 종축이 실제의 q축이다. θinit는, 전동기의 자극 위치와 자극 위치 추정 개시 시에 제어 장치가 인식하는 자극 위치의 오차각이며, θA 내지 θD는, 각각, 파형(100)으로 나타내는 q축 전류 명령 iqref_A 내지 iqref_D일 때의 전동기의 자극 위치와 자극 위치 추정 시에 제어 장치가 인식하는 자극 위치의 오차각이다. 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr은, 자극 위치 추정 개시 전에 전동기와의 오차각을 인식할 수 없기 때문에 θerr=0으로 하여 자극 위치 추정을 개시한다.
본 발명에서는, 자극 위치 오차각 θerr을 조정하여, 제어 장치가 인식하는 q축 방향이 실제의 d축과 반대 방향으로 되는 전동기와의 자극 위치 추정 D시 오차각 θD를 목표의 자극 위치로서 조정한다. 즉 제어 장치(101)는 초기의 자극 위치 θinit의 지점으로부터 자극 위치 오차각 θerr=0으로 하여 자극 위치 추정을 개시하고, 서서히 제어 장치가 인식하는 자극을 회전시켜 θD로 된 자극 위치를 실측 자극 위치로서 기억한다. 그 후 제어 개시함에 있어서, 실측 자극 위치 θD를 -90° 회전시켜, q축 상(90°의 위치)의 자극 위치를 제어 개시 자극 위치로서 기억한다. 구체적인 설명은 후술한다.
도 3은 도 1에 도시한 전동기 제어 장치의 제어 블록을 사용하여, 전동기의 자극 위치 추정 시의 q축 전류 명령 파형, 및 전동기의 현재 위치 posfb와 자극 위치를 변경하기 위한 기준 위치가 되는 기준 현재 위치 posfb_init와 그 편차량 posfb_err, 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 각각 나타낸 그래프이다.
가장 위의 파형은 q축 전류 명령 생성기(6)로부터 출력되는 q축 전류 명령 iqref의 파형이다. q축 전류 명령 iqref는 자극 위치 추정 처리를 개시한 후, q축 전류 명령 인가량을 서서히 증가시켜, q축 전류 명령 최댓값 iqref_max까지 인가한다. 이때의 가동자의 현재 위치 파형을 posfb로 나타낸다.
posfb_init는 이동량을 판정하는 기준 위치 posfb_init를 나타내는 그래프이다. 판정 기준 위치는 자극 위치 오차각 θerr이 변할 때마다 갱신되는 값이다.
그 아래의 파형은 가동자의 현재 위치 posfb와 기준 현재 위치 posfb_init의 차분 posfb_err의 파형이다. 이 이동량 및 이동 방향(+방향인지 -방향인지)에 기초하여, 자극 위치 조정기(10)는, 현재의 자극 위치가 q축 방향(도 2의 원의 상반부)에 위치하는 것인지 -q축 방향(도 2의 원의 하반부)에 위치하는 것인지를 판정한다.
θerr은 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr이다. 도면 중에서는 θerr은 자극 위치 추정 개시 시의 자극 위치 오차각 θerr을 0으로 하고, 반시계 방향으로 자극을 회전시킨 경우를 정방향, 시계 방향으로 자극을 회전시킨 경우를 부방향으로서 나타내고 있다.
다음에, 도 2, 도 3을 사용하여 본 실시예에 있어서의 자극 위치 추정의 수순을 설명한다.
전동기의 가동자는, 전동기 제어 장치(101)의 전류 제어기에 인가된 q축 전류 명령 iqref를 생성하는 q축 전류 명령에 따라서 현재 위치 posfb가 변화된다. q축 전류 명령이 작은 단계에서는, 전동기에 가해지는 힘이 작아 전동기의 현재 위치 posfb가 변화되지 않는다. q축 전류 명령의 인가량을 서서히 크게 하면, 전동기에 가해지는 토크가 서서히 커지기 때문에, posfb_A의 지점에서 전동기가 움직이기 시작한다. posfb_A 지점에서는 전동기는 정방향으로 움직이고 또한 q축 전류 명령이 정방향이기 때문에, 자극 위치 조정기(10)는 전동기의 자극 위치 방향 θA가 정의 q축 방향이라고 판정한다.
또한, 현재 위치 posfb와 기준 현재 위치 posfb_init의 차분 posfb_err이 자극 위치 변경 판정값 poserr_jdg보다 커진 경우, 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 조정할 필요 있음으로 판단하고, 자극 위치 조정기(10)는 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 +방향으로 30도만큼 조정한다. 즉, 현재의 자극 위치를 정방향으로 30° 회전시키는 처리를 행한다.
posfb_B 지점에서도 전동기는 정방향으로 계속해서 움직이고 있기 때문에, posfb_A 지점과 마찬가지로 전동기와의 자극 위치 오차각 θ를 +방향으로 30° 조정한다. 즉, 현재의 자극 위치를 정방향으로 30° 회전시키는 처리를 행한다.
posfb_C 지점에서는 전동기는 부방향으로 움직였기 때문에, posfb_A 지점과는 역방향으로 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 -방향으로 20° 조정한다. 즉, 현재의 자극 위치를 부방향으로 20° 회전시키는 처리를 행한다.
posfb_D 지점에서는 전동기가 정방향으로 움직였기 때문에, posfb_C 지점에서 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 -방향으로 어긋나게 함으로써, 다시 정의 q축 방향으로 되었다. 그 때문에, posfb_A 지점과 마찬가지로 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 +방향으로 조정한다.
그 후 q축 전류 명령을 자극 위치 추정 처리에 있어서의 최댓값(iqref_max)까지 올려도 가동자의 이동 편차 posfb_err은 0 상태 그대로이기 때문에, 자극 위치 조정기(10)는 현재의 자극 위치 θD가 d축 상이라고 판정하고, θD를 실측 자극 위치로서 기억한다.
실측 자극 위치가 기억된 후에는 posfb_E 지점에 나타내는 바와 같이 자극 위치를 -90° 더 회전시킨 자극 위치를 제어 개시 자극 위치로서 기억하고, 자극 위치 추정 처리를 종료한다. posfb_D 지점에서의 자극 위치 오차각 θerr과 자극 위치 추정 개시 시의 자극 위치 오차각 θinit의 관계는 식 (1)로 된다.
Figure pct00001
본 실시예에 있어서, posfb_D 지점에서의 θerr은 50°이고, posfb_D 지점에서의 θD는 180°이기 때문에, 자극 위치 추정 개시 시의 자극 위치 오차각 θinit=40°가 산출된다. 따라서, 자극 위치 추정 개시 시의 자극 위치 오차각 θerr을 0으로 하였을 때, 실제의 q축 방향과 일치하는 자극 위치 오차각 θerr은 -40°로 된다.
또한, 도 3의 설명에서는 자극을 30°씩 회전시키고, 부호가 반전된 후에는 20°씩으로 하였지만, 반드시 30° 간격일 필요는 없다. 예를 들어 210°씩 회전시키거나, 매회 다른 각도로 회전시키거나 임의의 각도로 설정하는 것이 가능하다.
도 4는 도 1에 도시한 전동기 제어 장치의 제어 블록을 사용하여, 전동기의 자극 위치 추정 처리의 수순을 설명하는 흐름도이다.
먼저 전동기의 자극 위치 추정법을 실시하기 위해, 처리(150)에서 자극 위치 추정법을 개시한다.
처리(151)에서는, 전동기를 동작시키기 위한 운전 조건을 제어 장치(101)에 설정한다. 운전 조건이란, q축 전류 명령 생성기(6)로부터 출력하는 q축 전류 명령 iqref의 최댓값 iqre_max나, q축 전류 명령 iqref 증가 중의 q축 전류 명령의 기울기나, 실측 자극 위치를 구하는 처리를 몇 회 행할지, 자극 위치 조정 판정값 poserr_jdg 등, 자극 위치 추정에 필요한 조건을 설정하고, 처리(152)로 천이한다.
처리(152)에서, 제어 장치(101)가, q축 전류 명령 생성기(6)로부터 출력된 q축 전류 명령 iqref에 의해 실제로 전동기를 동작시킨다.
처리(153)에서는, 위치 검출기(5)가 가동자의 현재 위치 posfb를 측정하고, 자극 위치 조정기(10)가, 가동자가 기준 현재 위치 posfb_init로부터 정방향 혹은 부방향으로, 변경 판정값 poserr_jdg 이상 이동하였는지 여부를 판정한다. poserr_jdg 이상 이동하였다고 판정된 경우에는 처리(154)로 진행하여, 자극 위치 조정기(10)는 이동 방향과 동일한 방향으로 자극 위치를 회전시켜, 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 조정한다. 처리(153)와 처리(154)를 반복함으로써, 전동기에 흐르는 전류의 자극 위치 방향이 d축 방향으로 되도록 조정한다.
가동자의 이동량이 poserr_jdg 이하인 경우에는, 처리(155)로 진행한다. 처리(155)에서는 처리(151)에서 설정한 운전 조건에서, 자극 위치 추정을 계속할지 판정한다. 예를 들어, 가동자의 이동량 poserr_jdg 이하로 되었기 때문에, 전동기의 자극 위치 방향이 d축 상이라고 판단하는 경우도 있다. 다른 예는, q축 전류 명령 iqref가 q축 전류 명령 최댓값 iqref_max로 일정 시간 계속해서 인가된 상태에서, 가동자의 이동량 poserr_jdg 이하인 경우에 전동기의 자극 위치 방향이 d축 상이라고 판단하는 경우도 있다. 처리(155)의 판정에 의해 종료 조건을 만족시키지 않는 경우에는 처리(153)로 진행하여, 동일 조건에서의 자극 위치 추정을 계속한다. 종료 조건을 만족시키는 경우, 처리(156)로 진행한다. 처리(156)에서는 자극 위치 조정기(10)는 당해 자극 위치를 실측 자극 위치로서 기억한다.
처리(157)에서는, 처리(151)에서 설정한 횟수만큼 자극 위치 추정 처리가 행해졌는지를 판정한다. 예를 들어, 본 발명에서는, q축 전류 명령값을 한쪽 방향으로 인가하고 있기 때문에, 1패턴의 운전 조건에서는 전동기의 정지 마찰, 운동 마찰의 영향을 받을 가능성이 있다. 그 때문에, 자극 위치 추정 개시 시의 자극 위치를 0°, 90°, 180°, 270°로 어긋나게 하여, 합계 4회 구동함으로써, 일방향뿐만 아니라, 역방향의 방향으로 모터 구동하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 자극 위치 조정기(10)는, 각각의 초기 위치마다 실측 자극 위치가 기억되었는지 여부를 판정한다. 실측 자극 위치의 개수가 설정값에 미치지 못한 경우에는 처리(151)로 되돌아가, 자극의 초기 위치의 설정을 변경하고, 다시 실측 자극 위치를 기억하는 처리까지 진행한다.
실측 자극 위치의 개수가 설정값을 만족시킨 경우에는, 처리(158)로 진행하여, 자극 위치 조정기(10)는 처리(151)에서 설정된 횟수분의 측정을 종료하였다고 판단하고, 모든 실측 자극 위치의 평균값을 최종적인 실측 자극 위치로서 기억하고, 평균값을 -90° 어긋나게 한 값을 제어 개시 자극 위치로서 기억한다. 그 후처리(159)로 천이하여 자극 위치 추정을 종료한다. 평균값을 산출하기 위해 사용한 자극 위치의 정보는 그 후 삭제한다. 삭제의 타이밍은, 평균값을 산출할 때마다 삭제해도 되고, 월에 1회 등의 정해진 타이밍에 삭제해도 된다.
또한, 실측 자극 위치를 구하는 횟수가 1회로 설정된 경우에는, 그 상태 그대로 실측 자극 위치를 -90° 어긋나게 한 위치를 제어 개시 자극 위치로 한다.
도 5의 (a), 도 5의 (b)는 도 4에 도시한 처리(153) 내지 처리(156)의 동작에 대하여 상세한 수순을 설명하는 흐름도이다.
자극 위치 추정 시의 전동기는 처리(152)에 의해 동작을 개시하고, q축 전류 명령 생성기(6)로부터 q축 전류 명령을 인가하여 처리(201)로 천이한다. 처리(201)에서는, q축 전류 명령 생성기(6)가 q축 전류 명령값의 증가 판정을 행한다. 현재의 q축 전류 명령값 iqref가, 처리(151)에서 설정한 q축 전류 명령 최댓값 iqref_max 미만인 경우, 처리(202)로 천이한다. 처리(202)에서는 q축 전류 명령값 iqref를 증가시키고 처리(203)로 천이한다. q축 전류 명령값이 q축 전류 명령 최댓값 iqref_max 이상인 경우, q축 전류 명령값 iqref를 증가시키지 않고 처리(203)로 천이한다.
처리(203)에서는, q축 전류 명령값이 어떤 임의의 값 이상인 경우, 처리(204)로 천이한다. 처리(204)는, 임의의 q축 전류 명령값 이상일 때 자극 위치 변경 시의 변화량이 크다고 판단한 경우, 어떤 역치까지 자극 위치 변화량 θchg를 작게 하는 처리이다. 이것은, q축 전류 명령 iqref가 커졌을 때 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr이 크게 변화되면, 급격한 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr의 변화에 의해, 전동기의 이동량이 커질 가능성이 있다. 그 때문에, 일정한 q축 전류 명령값 이상인 경우에는, 자극 위치 변화량 θchg를 작게 함으로써, 급격한 자극 위치의 변화를 작게 하는 처리이다. 또한, 본 처리는, 복수의 q축 전류 명령에 대해, 각각의 역치를 설정하여 변화량을 좁혀도 된다. 예를 들어, q축 전류 명령값이 q축 전류 명령값 최댓값의 0 내지 30[％]이면, 자극 위치 변화량의 최댓값은 30°로 하고, q축 전류 명령값이 q축 전류 명령값 최댓값의 30 내지 70[％]이면, 자극 위치 변화량의 최댓값은 20°로 하고, q축 전류 명령값이 q축 전류 명령값 최댓값의 70 내지 100[％]이면, 자극 위치 변화량 θchg의 최댓값은 5°로 한다고 하는 것이다. 처리(204)가 종료되면 처리(205)로 천이한다.
처리(205)에서는 자극 위치 조정기(10)에 있어서, 자극 위치 변경 횟수가 처리(151)에서 미리 지정한 규정 횟수 이하였다고 판정된 경우에 처리(206)로 천이한다.
처리(206)는, 개시하는 자극 위치를 변경하여 자극 위치 추정을 처음부터 다시 하는 처리이다. 이것은 예를 들어, 자극 위치 추정의 개시 위치가 처음부터 d 축 방향과 정반대(0°의 위치)인 경우, 전동기는 한 번도 동작하지 않고 자극 위치 추정을 종료한다. 이 경우, 자극 위치는 원래 목표로 하는 자극 위치와 정반대의 위치를 올바른 위치로 인식해 버리기 때문에, 자극 위치를 -90° 회전시켜 버리면 제어 개시 자극 위치가 부의 q축 방향(270°)으로 설정될 우려가 있다. 이것을 피하기 위해, 자극 위치 추정에서는 규정값 횟수만큼 자극 위치 추정을 실시하도록 설정된다.
또한, 처리(205)에 있어서, 복수의 q축 전류 명령에 대해, 각각의 규정값 횟수를 설정해도 된다. 예를 들어, q축 전류 명령값이 q축 전류 명령값 최댓값의 30[％]까지, 한 번도 전동기가 이동하지 않은 경우, q축 전류 명령값이 q축 전류 명령값 최댓값의 70[％]까지, 2번밖에 전동기가 이동하지 않은 경우, q축 전류 명령값이 q축 전류 명령값 최댓값의 100[％]까지, 5번밖에 전동기가 이동하지 않은 경우, 처리(206)로 천이한다고 하는 것이다. 처리(206)가 종료되면 처리(207)를 통해 처리(250)로 천이한다.
또한 처리(205)에 있어서, 자극 위치 변경 횟수가 처리(151)에서 설정한 규정 횟수 이상이라고 판정된 경우에는 도 5의 (b)의 처리(251)로 천이한다.
처리(251)는, 전동기의 현재 위치 posfb와 기준 현재 위치 posfb_init의 차가, 미리 처리(151)에서 설정되는 자극 위치 변경 판정값 poser_jdg보다 큰지를 자극 위치 조정기(10)가 판단하는 처리이다. 본 처리에 의해, 가동자가 정방향으로 이동하였는지 여부를 판정한다. 양자의 차가 이하의 식 (2)를 만족시키는 경우, 가동자가 정방향으로 이동하였다고 판단하고, 처리(252)로 천이한다. 식 (2)를 만족시키지 않는 경우에는 가동자는 정방향으로 이동하지 않았다고 판단하고, 처리(261)로 천이한다.
Figure pct00002
처리(252)에서는, 가동자가 정방향으로 이동하고 또한 q축 전류 명령이 정방향이기 때문에, 자극 위치는 정의 q축 방향에 있다고 판단한다. 따라서 자극 위치를 θerr+θchg로 하여, 자극을 +방향으로 변화시킨다. 또한, 처리(253)에서는, 자극 위치 변경 후, 새롭게 자극 위치가 변화된 것을 판정하기 위한 기준 위치인, 기준 현재 위치 posfb_init를 현재 위치 posfb로 갱신한다. 갱신 후, 처리(254)로 천이한다.
처리(254)에서는, 자극 위치의 변화량을 작게 함으로써, 자극 위치를 서서히 좁혀 가기 위해 감소시킨다. 예를 들어, 자극 위치가 105°의 위치에 있고, 목표 자극 위치가 180°, 자극 위치 변화량이 30°인 경우, 첫번째의 자극 위치 변경에 의해 135°로 되고, 첫번째의 자극 위치 변경에 의해 164°, 이하 192°, 165°, 191°, 166°…로 조정하여 180°까지 조정 가능해진다. 또한, 위치 변화량의 감소량은 임의의 값으로 설정해도 상관없다. 처리(254) 종료 후, 처리(261)로 천이한다.
처리(261)에서는 가동자의 현재 위치 posfb와 기준 현재 위치 posfb_init의 차가, 미리 처리(151)에서 설정되는 자극 위치 변경 판정값 poser_jdg×-1보다 작은지를 판단하는 처리이다. 본 처리에 의해, 가동자가 부방향으로 이동하였는지를 판정한다. 식 (3)을 만족시키는 경우, 가동자가 부방향으로 이동하였다고 판단하고, 처리(262)로 천이한다. 또한, 식 (3)을 만족시키지 않는 경우, 가동자는 부방향으로 이동하지 않았다고 판단하고, 처리(270)로 천이한다.
Figure pct00003
처리(262)에서는 전동기가 부방향으로 동작하고, 또한 q축 전류 명령이 정방향이기 때문에, 자극 위치는 부의 q축 방향에 있다고 판단한다. 따라서 자극 위치를 θerr-θchg로 하여, 자극을 -방향으로 회전시킨다. 또한, 처리(263)와 처리(264)는, 각각 처리(253)와 처리(254)와 마찬가지이다. 갱신 후, 처리(270)를 통해 처리(209)로 천이한다.
처리(209)에서는, 처리(151)에서 미리 지정한 q축 전류 명령 인가 시간만큼 경과하였는지를 판정하고, 지정한 시간 경과한 경우에는 처리(210)로 천이하여, 자극 위치 추정 시의 전동기 동작을 종료한다. 지정 시간 경과하지 않은 경우에는, 처리(201)로 되돌아간다.
이상 서술한 바와 같이, q축 전류 명령을 서서히 올리면서 이동량 및 이동 방향에 따라서 자극 위치를 회전시킴으로써, 가동자의 이동량을 미소하게 억제할 수 있다. 특히, 본 실시예에서 예로 든 직동형 전동기의 경우에는, 가동자가 크게 움직여 버리면 전동기 하우징 등에 충돌할 우려나 하우징 등에 의해 이동이 저해되어 정확하게 자극 위치 추정을 할 수 없게 될 우려가 있기 때문에, 본 발명이 특히 유효하다.
또한, 본 실시예에서는 직동형 전동기를 사용하여 설명하였지만, 원통형 전동기에도 적용할 수 있는 것은 물론이다. 원통형 전동기에 적용한 경우에는, 가동자가 회전자에 상당한다.
실시예 2
실시예 2는 실시예 1에서 나타낸 자극 위치 추정 동작 시에 인가하는 q축 전류 명령 iq_ref의 인가를 자극 위치 조정에 맞추어, 전동기를 고정자와 회전자를 포함하는 레이디얼 갭형 전동기로 한 예이다.
도 6은 도 3과 마찬가지로 q축 전류 명령 iqref나 현재 위치 posfb, 기준 현재 위치 posfb_init 등의 시간 경과를 나타낸 그래프이다. 이하, 도 6을 사용하여 본 실시예의 스테이 동작 시의 수순을 설명한다.
처음에 q축 전류 명령 iqref를 정토크로 일정 시간 인가한다. 일정 시간 인가해도 회전자(가동자)가 이동하지 않는 경우에는, q축 전류 명령값을 더 올려 일정 시간 인가한다.
가동자의 이동이 검출된 경우에는 q축 전류 명령값을 그 값(iqref_A1) 그대로 일정 시간 인가하고, 자극 위치 오차각 θerr을 조정한다. 자극 위치 오차각 θerr을 30° 회전시킨 후에도 회전자는 이동을 계속하고 있기 때문에, pstfb_B1에서 30° 더 회전시킨다. 그 후, 위치 검출기(5)에 의해 회전자의 이동이 검출될 때까지, q축 전류 명령값을 올린다.
q축 전류 명령값을 iqref_C1까지 올렸을 때 가동자의 이동이 검출되고, q축 전류 명령 생성기(6)는 q축 전류 명령값을 iqref_C1인 상태 그대로 일정 시간 인가하는 신호를 생성한다. 이때 이동 방향이 부라고 자극 위치 조정기(10)가 판단하였기 때문에, 자극 위치는 부방향으로 20° 회전시킨다. 일정 시간 경과 후에는 다시 q축 전류 명령값을 올린다.
q축 전류 명령값이 iqref_D1에 도달하였을 때, 회전자의 이동이 검출되었기 때문에 q축 전류 명령 생성기(6)는 q축 전류 명령값을 일정하게 유지한다. 이때의 이동 방향은 정방향이라고 판정되었기 때문에, 자극 위치 조정기는 자극 위치를 정방향으로 10° 회전시킨다.
이 이후는 q축 전류 명령값을 자극 위치 추정 처리에 있어서의 최댓값 iqref_max까지 올렸지만 회전자의 이동이 검출되지 않았기 때문에, 자극 위치 조정기(10)는 자극이 d축 상 180°의 위치까지 왔다고 판단하고, 현재의 자극 위치 오차각 θerr을 실측 자극 위치로서 기억한다.
본 실시예에서의 q축 전류 명령 인가 방법은, 작은 q축 전류 명령의 상태에서 자극 위치를 조정하는 것을 기대할 수 있기 때문에, 회전자(가동자)의 이동량을 억제하는 효과를 기대할 수 있다. 상기에서 설명한 것 이외의 구성·방법에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.
실시예 3
실시예 3은 실시예 1에서 나타낸 자극 위치 오차각 θerr의 조정 시, 자극 위치 변화량 θchg를 180° 이상으로 한 예에 대하여 도 7, 도 8을 사용하여 설명한다.
q축 전류 명령이 작은 단계에서는 전동기에 가해지는 전력이 작아, 가동자의 현재 위치 posfb는 변화되지 않는다. q축 전류 명령의 인가량을 서서히 크게 하면, 전동기에 가해지는 토크가 서서히 커져 posfb_A 부근에서 가동자가 이동하기 시작한다. 가동자가 posfb_A 지점까지 이동한 단계에서는, 이동 방향이 정방향 또한 q축 전류 명령이 정방향이기 때문에, 자극 위치 조정기(10)는 전동기의 자극 위치 방향이 실제의 q축 방향에 있다고 판정한다.
현재 위치 posfb와 기준 현재 위치 posfb_init의 차분 posfb_err이 자극 위치 변경 판정값 poserr_jdg보다 커진 경우, 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 조정할 필요 있음으로 판단하고, 자극 위치 조정기(10)는 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 +방향으로 210° 조정한다.
그 후, posfb_B 지점에서 가동자는 부방향으로 움직였기 때문에, 자극 위치 조정기(10)는 전동기의 자극 위치 방향이 실제의 q축에 대하여 부방향에 있다고 판정한다. 자극 위치 조정기(10)는 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 -방향으로 200° 조정한다.
posfb_C 지점에서는 전동기는 정방향으로 움직였기 때문에, posfb_A 지점과 동일한 방향으로 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 +방향으로 190° 조정한다.
posfb_D 지점에서는 전동기가 부방향으로 움직였기 때문에, posfb_C 지점에서 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 정방향으로 어긋나게 함으로써, 다시 부의 q축 방향으로 되었다. 그 때문에, posfb_B 지점과 마찬가지로 전동기와의 자극 위치 오차각 θerr을 -방향으로 170° 조정한다.
그 후 q축 전류 명령을 자극 위치 추정 처리에 있어서의 최댓값(iqref_max)까지 올려도 가동자의 이동 편차 posfb_err은 0 상태 그대로이기 때문에, 자극 위치 조정기(10)는 현재의 자극 위치 θD가 d축 상이라고 판정하고, θD를 실측 자극 위치로서 기억한다.
실측 자극 위치가 기억된 후에는 posfb_E 지점에 나타내는 바와 같이 자극 위치를 -90° 더 회전시킨 자극 위치를 제어 개시 자극 위치로서 기억하고, 자극 위치 추정 처리를 종료한다.
자극 위치 추정 처리를 개시할 때 임시 q축 방향(제어 장치(101)가 인식하고 있는 q축 방향)이 실제의 전동기 d축 방향 부근이었던 경우, 180° 이하의 조정값을 사용하면 가동자는 정방향으로 계속해서 동작하기 때문에, 자극 위치 조정 중인 가동자의 이동량이 커질 가능성이 있다.
본 실시예의 자극 위치 추정 방법에 의하면, 자극 위치 오차각 θerr을 180° 이상 어긋나게 하기 때문에, 자극 위치 방향이 반대 방향을 향하게 되어, 가동자의 이동 방향이 일정하지 않게 되어, 자극 위치 조정 중의 이동량을 억제하는 효과를 기대할 수 있다.
또한, d축 방향으로 자극 위치 조정 후에는 자극 위치 방향이 d축 역방향, 또는 d축 정방향일 가능성이 있기 때문에, 자극 위치를 -90° 어긋나게 한 후에, 작은 q축 전류 명령을 인가하여, 모터 구동 방법을 확인한다. q축 전류 명령이 정의 값인 것에 대해, 전동기가 정방향으로 이동하면 제어 장치측이 인식하는 자극 위치 방향이 실제의 q축 방향이며, 부방향으로 이동하면 제어 장치측이 인식하는 자극 위치 방향이 실제의 q축과 역방향이기 때문에 180° 어긋나게 하여 제어 개시 자극 위치를 기억한다. 이에 의해, 보다 정확하게 자극 위치 추정을 행하는 것이 가능해진다.
상기에서 설명한 것 이외의 구성·방법에 대해서는 실시예 1과 마찬가지이기 때문에, 설명을 생략한다.
상기 기재는 실시예에 대하여 이루어졌지만, 본 발명은 그것에 한하지 않고, 본 발명의 정신과 첨부의 청구범위의 범위 내에서 다양한 변경 및 수정을 할 수 있는 것은 당업자에게 명백하다.
1 : 전동기
2 : 구동 대상 부하
3 : 연결축
4 : 전력 변환기
5 : 위치 검출기
6 : q축 전류 명령 생성기
7 : 전류 검출기
8 : dq 변환부
9 : 전류 제어기
10 : 자극 위치 조정기
11 : 3상 변환부
12 : 전기각 연산부
101 : 제어 장치

Claims (12)

  1. 가동자와 고정자를 구비하는 전동기를 제어하는 제어 장치이며,
    자극 위치의 초기 위치를 기억하고, 자극 위치를 회전시키는 자극 위치 조정기와,
    상기 전동기에 q축 전류 명령을 출력하는 q축 전류 명령 생성기와,
    상기 q축 전류 명령에 기초하여 전력을 상기 코일에 공급하는 전력 변환기와,
    전동기의 가동자의 이동량 및 이동 방향을 검출하는 위치 검출기를 갖고,
    상기 자극 위치 조정기는, 상기 q축 전류 명령이 출력된 후, 상기 위치 검출기가 검출한 상기 이동 방향에 따라서 자극 위치를 정방향 혹은 부방향으로 회전시키고,
    상기 자극 위치 조정기는, 상기 가동자의 이동량이 0으로 된 자극 위치를 실측 자극 위치로서, 상기 실측 자극 위치를 -90도 회전시킨 자극 위치를 제어 개시 위치로서 각각 기억하는 것인 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 q축 전류 명령 생성기는, 상기 가동자의 이동량이 0으로 될 때까지 서서히 q축 전류 명령값을 증대시키는 것인 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자극 위치 조정기는, 상기 이동량이 0으로 된 복수의 자극 위치를 평균하여, 실측 자극 위치로서 기억하는 것인 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 q축 전류 명령 생성기는, 상기 이동량이 0으로 된 후도 서서히 q축 전류 명령값을 증대시키고, 상기 가동자가 다시 이동한 경우에는, 상기 자극 위치 조정기가 자극 위치를 다시 회전시키는 것인 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자극 위치 조정기가, 상기 q축 전류 명령값의 크기에 따라서 자극 위치를 회전시키는 양을 작게 하는 것인 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자극 위치 조정기는, 자극 위치를 회전시킨 횟수가 역치 이하인 경우에 상기 초기 위치를 변경하는 것인 제어 장치.
  7. 자극의 초기 위치를 설정하는 제1 스텝과,
    q축 전류 명령값을 서서히 올려, 가동자의 동작 방향 및 이동량을 검출하는 제2 스텝과,
    상기 동작 방향이 정인 경우에 자극 위치를 180도를 향하여 정방향으로 회전시키고, 상기 동작 방향이 부인 경우에 자극 위치를 180도를 향하여 부방향으로 회전시키는 제3 스텝과,
    상기 제3 스텝에 있어서, 상기 가동자의 이동량이 0으로 되었을 때의 자극 위치를, 실측 자극 위치로서 기억하는 제4 스텝과,
    상기 실측 자극 위치를 -90도 회전시킨 자극 위치를, 제어 개시 위치로서 기억하는 제5 스텝을 구비하는 자극 위치 추정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제4 스텝에서는, 가동자의 이동량이 0으로 될 때까지 서서히 q축 전류 명령값을 증대시키는 것인 자극 위치 추정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제4 스텝에서는, 상기 이동량이 0으로 된 복수의 자극 위치를 평균하여, 실측 자극 위치로서 기억하는 것인 자극 위치 추정 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제4 스텝에서는, 상기 이동량이 0으로 된 후도 서서히 q축 전류 명령값을 증대시키고, 상기 가동자가 다시 이동한 경우에는, 상기 제3 스텝에 의해 자극 위치를 다시 회전시키는 것인 자극 위치 추정 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제3 스텝에서는, 상기 q축 전류 명령값의 크기에 따라서, 자극 위치를 회전시키는 양을 작게 하는 것인 자극 위치 추정 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제3 스텝을 실행한 실행 횟수가 역치 이하인 경우에 상기 초기 위치를 변경하는 제6 스텝을 구비하는 것인 자극 위치 추정 방법.
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