KR101842781B1 - 회전 위치 검출 장치 및 회전 위치 검출 방법 - Google Patents

Abstract

실시 형태의 회전 위치 검출 장치는, 3상의 영구 자석 모터를 구동하는 인버터 회로와, 이 인버터 회로로부터 출력되는 각 상 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 상 전류의 변화량을 검출하는 전류 변화량 검출부와, 상기 인버터 회로를 구성하는 3상 아암 중, 임의의 2상의 하측 아암이 온되어 있는 기간 및 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는 상기 2상의 전류 변화량과, 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는, 상기 2상을 제외한 1상의 전류 변화량으로부터 회전 위치의 정보가 포함되어 있는 연산 결과를 구하고, 상기 연산 결과로부터 상기 영구 자석 모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출부를 구비한다.

Description

회전 위치 검출 장치 및 회전 위치 검출 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING ROTATIONAL POSITION}

본 발명의 실시 형태는, 영구 자석 모터의 회전 위치를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래, 영구 자석 동기 모터의 회전 위치를 추정하는 방법의 하나로서, 특허문헌 1에서는, 전압 인가중의 전류 미분값을 사용함으로써 저렴한 구성으로 정현파형의 전류를 통전 가능한 회전 위치 검출 방식이 제안되어 있다. 이 방식은, 모터의 상 전압 방정식에 기초하여 제로 전압 벡터 발생 시의 전류 변화량을 구하고, 그 전류 변화량에 포함되어 있는 모터의 회전 위치 정보를 이용하는 것이다.

일본 특허 공개 제2007-336641호 공보

그러나, 특허문헌 1과 같은 방법에서는, 모터를 고속으로 회전시키거나 하여 변조율이 상승하면, 도 8에 도시한 바와 같이, 도 7에 나타내는 경우와 비교하여 전류 변화량을 검출하는 제로 전압 벡터의 출력 기간이 짧아지기 때문에, 위치 추정 정밀도가 저하된다는 문제가 있다.

따라서, 변조율이 높은 제어 상태에 있어서도 위치 추정 정밀도를 유지할 수 있는 회전 위치 검출 장치 및 회전 위치 검출 방법을 제공한다.

실시 형태의 회전 위치 검출 장치는, 3상의 영구 자석 모터를 구동하는 인버터 회로와, 이 인버터 회로로부터 출력되는 각 상 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 상 전류의 변화량을 검출하는 전류 변화량 검출부와, 상기 인버터 회로를 구성하는 3상 아암 중, 임의의 2상의 하측 아암이 온되어 있는 기간 및 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는 상기 2상의 전류 변화량과, 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는, 상기 2상을 제외한 1상의 전류 변화량으로부터 회전 위치의 정보가 포함되어 있는 연산 결과를 구하고, 상기 연산 결과로부터 상기 영구 자석 모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출부를 구비한다.

도 1은 일 실시 형태로서, 모터 제어 장치의 구성을 도시하는 도면.
도 2는 인버터 회로가 발생하는 전압을 공간 벡터로 도시하는 도면.
도 3은 각 전압 벡터를 출력했을 때의 모터의 각 상 전압값을 도시하는 도면.
도 4는 PWM 주기 내에서, 전류 변화량 dI_v, dI_w, dI_u를 검출하는 상태를 나타내는 타이밍 차트.
도 5는 모터의 회전 위치와 유기 전압과 차분 추정값의 관계를 시간축으로 도시하는 도면.
도 6은 회전 위치 연산부의 구성의 일례를 도시하는 도면.
도 7은 종래 기술을 설명하는 도 4 상당도(첫번째).
도 8은 종래 기술을 설명하는 도 4 상당도(두번째).

이하, 일 실시 형태에 대하여 도 1로부터 도 6을 참조하여 설명한다. 도 1은, 모터 제어 장치의 구성을 도시하는 기능 블록도이다. 직류 전원(1)은 회전자에 영구 자석을 구비하는 영구 자석 동기 모터(이하, 간단히 모터라고 칭한다)(2)를 구동하는 전력원이다. 직류 전원(1)은 교류 전원을 직류로 변환한 것이어도 된다. 인버터 회로(3)는 6개의 스위칭 소자, 예를 들어 N채널 MOSFET(4U+, 4Y+, 4W+, 4U-, 4Y-, 4W-)을 3상 브리지 접속하여 구성되어 있고, 후술하는 PWM 생성부(5)에서 생성되는 3상분 6개의 스위칭 신호에 기초하여, 모터(2)를 구동하는 전압을 생성한다.

전압 검출부(6)는 직류 전원(1)의 전압 VDC를 검출한다. 전류 검출부(7)는 일반적으로 션트 저항이나 홀 CT 등을 사용한 전류 센서 및 신호 처리 회로를 포함하고, 모터(2)에 흐르는 전류 I_u, I_v, I_w를 검출한다. 도 1에서는 인버터 회로(3)의 각 상의 하측에 3개(7U, 7V, 7W) 배치한 경우를 예시하고 있고, 다른 형태로서, 각 상의 상측에 배치될 경우, 인버터 회로(3)의 각 상 출력선에 배치되는 경우가 있다.

전류 변화량 검출부(8)는 후술하는 검출 타이밍 신호 생성부(9)로부터의 신호 t1, t2, t3에 기초하여 3상 전류값을 검출하고, 각각의 변화량 dI_u, dI_v, dI_w를 산출한다. 검출 타이밍은, 3회의 검출로 2회 동안의 변화량을 구하기 때문에, 변화량은 3상에 대하여 2종류씩, 합계로 6개의 신호가 된다.

또한, 도 1에 있어서, 전류 변화량 검출부(8)로부터 출력되는 전류 미분값을 dIa, dIb, dIc로 하고 있지만, 이것은 후술하는 바와 같이, 인버터 회로(3)의 스위칭 패턴에 있어서의 공간 벡터의 에리어에 따라, 사용하는 전압 벡터가 상이하기 때문에, 표기를 간략화한 것이다. 즉, a, b, c는, u, v, w 중 어느 하나에 대응한다. 또한, (bc0)의 표기는, b, c상 중 어느 한쪽의 하측 스위치가 온 「1」로 되고, 다른쪽 및 a상의 하측 스위치가 오프 「0」으로 되는 것을 나타내고 있고, 「bc0」의 배열은 「1, 0」의 배열을 고정한 것은 아니다(후술하는 수학식 1 내지 수학식 3 참조).

유기 전압 연산부(10)(회전 위치 검출부)는 검출한 3상의 전류 변화량 dI_u, dI_v, dI_w로부터 3상의 유기 전압 차분 추정값 E_uvw, E_vwu, E_wuv를 연산한다. 회전 위치 연산부(11)(회전 위치 검출부)는 상기 추정값 E_uvw, E_vwu, E_wuv로부터 모터(2)의 회전 위치 검출값 θ_c를 산출한다. 3상 전압 명령값 생성부(12)는 명령값인 전압 진폭 명령값 V_amp와 전압 위상 명령값 φ_v로부터, 3상의 전압 명령값 V_u, V_v, V_w를 생성한다.

듀티 생성부(13)는 3상 전압 명령값 V_u, V_v, V_w를 직류 전압 VDC로 제산함으로써 각 상의 변조 명령 D_u, D_v, D_w를 연산한다. PWM 생성부(5)는 3상 변조 명령 D_u, D_v, D_w와 삼각파형의 캐리어를 비교하여 각 상의 PWM 신호 펄스를 생성한다. 1상당의 펄스에는 데드 타임이 부가되고, 각각 3상 상하의 N채널 MOSFET(44)으로 출력하는 스위칭 신호 U+, U-, V+, V-, W+, W-을 생성한다.

이상의 구성에 있어서, 모터(2), 인버터 회로(3) 및 PWM 생성부(5)를 제외한 것이, 회전 위치 검출 장치(14)를 구성하고 있다. 그리고, 회전 위치 검출 장치(14)에 PWM 생성부(5)를 첨가한 것이, 모터 제어 장치(15)를 구성하고 있다.

이어서, 본 실시 형태에 있어서의 회전 위치 검출 방법의 개요를, 도 2부터 도 5를 참조하여 설명한다. 인버터 회로(3)가 발생하는 전압은, 도 2에 도시한 바와 같이 공간 벡터로 나타내면, 6개의 실전압 벡터와 2개의 제로 전압 벡터로 구분된다. 여기서 전압 벡터 V₁(100)이란, U상의 상측 스위치(FET(4U+))가 온, V상 및 W상의 하측 스위치(FET(4Y-, 4W-))가 온이라고 하는 상태에서 발생하는 전압을 나타낸다. 또한 도 3은, 각 전압 벡터를 출력했을 때의 모터(2)의 각 상 전압값을 나타내고 있다.

예를 들어 도 4에 도시한 바와 같이, U상의 상측 스위치만이 온되어 있는 전압 벡터 V₁(100)과, 제로 전압 벡터 V₀(000)가 출력되고 있는 기간에, 도면 중에 도시하는 타이밍 t1 내지 t3에 검출한 3상 전류의 차분값은 다음 식으로 표시된다.

dI_{v (100)-(000)}: 전압 벡터 V₁ 및 V₀ 인가 시의 시각 t1-t3 동안의 V상 전류 변화량[A]

dI_{w (100)-(000)}: 전압 벡터 V₁ 및 V₀ 인가 시의 시각 t1-t3 동안의 W상 전류 변화량[A]

dI_{u (100)}: 전압 벡터 V₀ 인가 시의 시각 t1-t2 동안의 U상 전류 변화량[A]

E_v, E_w, E_u: v, w, u상의 유기 전압[V]

θ: 모터 회전 위치[rad]

L: 모터 상 인덕턴스[H]

ω: 모터 각속도[rad/s]

φ_f: 전기자 쇄교 자속[Wb]

여기서, 수학식 1의 우변 제1항 및 제2항이, 회전 위치 θ에 대하여 변화하는 신호로 되어 있다. 이와 같이, 발생하는 전압 벡터 V₁(100), V₀(000)에 따라서 유기 전압 차분 추정값 E_vwu를 연산함으로써, 모터(2)의 회전 위치에 기초하는 신호를 얻을 수 있다. 이것을 이용하여 회전 위치 검출을 행한다.

그리고, 도 2에 도시한 바와 같이, 공간 벡터에 6개의 영역을 섹터 1 내지 6으로 하면, 섹터 2 및 3에 대해서는 수학식 2에 의해 유기 전압 차분 추정값 E_wuv를 연산한다.

dI_{w (010)-(000)}: 전압 벡터 V₃ 및 V₀ 인가 시의 시각 t1-t3 동안의 W상 전류 변화량[A]

dI_{u (010)-(000)}: 전압 벡터 V₃ 및 V₀ 인가 시의 시각 t1-t3 동안의 U상 전류 변화량[A]

dI_{v (000)}: 전압 벡터 V₀ 인가 시의 시각 t1-t2 동안의 V상 전류 변화량[A]

섹터 4 및 5에 대해서는 수학식 3에 의해 유기 전압 차분 추정값 E_uvw를 연산한다.

dI_{u (001)-(000)}: 전압 벡터 V₅ 및 V₀ 인가 시의 시각 t1-t3 동안의 U상 전류 변화량[A]

dI_{v (001)-(000)}: 전압 벡터 V₅ 및 V₀ 인가 시의 시각 t1-t3 동안의 V상 전류 변화량[A]

dI_{w (000)}: 전압 벡터 V₀ 인가 시의 시각 t1-t2 동안의 W상 전류 변화량[A]

도 5는, 각 상의 유기 전압에 따라서 변화하는 유기 전압 차분 추정값 E_vwu, E_wuv, E_vwu를 나타내고 있다. 각각 가는 선으로 표시하고 있는 것은, 전기각 1주기에 걸치는 모든 파형이며, 굵은 선으로 표시하고 있는 부분은, 실제로 전압 섹터 1 내지 6에 따라서 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 검출하는 파형의 구간을 나타내고 있다. 섹터 마다 굵은 선 부분의 추정값 E_vwu, E_wuv, E_vwu를 사용하고, 각각의 제로 크로스점을 검출함으로써 회전 위치를 구할 수 있다. 즉, 유기 전압 차분 추정값 E_vwu, E_wuv, E_vwu는 「회전 위치의 정보가 포함되어 있는 연산 결과」에 상당한다.

여기서, 본 실시 형태에 있어서의 각 부의 동작에 대하여 다시 설명한다. 전류 변화량 검출부(8)는 전류 검출부(7)로 검출한 전류로부터, 소정의 타이밍에 각 상의 전류 변화량을 검출한다. 전류 변화량을 검출하는 타이밍 t1 내지 t3은, 수학식 1 내지 수학식 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 제로 전압 벡터와 각 실전압 벡터가 발생되어 있는 기간이다. 따라서, 검출 타이밍 신호 생성부(9)로부터의 검출 타이밍 신호 t1 내지 t3은, 각 상의 듀티 D_u, D_v, D_w가 듀티 생성부(13)에서 결정된 후, 전류 변화량 검출부(8)로 출력된다. 유기 전압 연산부(10)는 수학식 1 내지 수학식 3으로부터 유기 전압에 비례하는 수치를 연산한다.

도 6에, 회전 위치 연산부(11)의 구성 일례를 도시한다. 비교기(21u, 21v, 21w)는, 연산된 유기 전압 차분 추정값 E_vwu, E_wuv, E_vwu와 역치를 비교하고, 펄스형의 신호를 생성한다. 각 유기 전압 차분 추정값에 따라서 얻어진 펄스 신호는, 도 5에 도시한 바와 같이, 전압 벡터에 따라서 어느 상의 유기 전압을 사용하느냐에 따라 변화하는 회전 위치가 상이하다. 이 때문에, θ_c' 연산부(22)는 각 상의 듀티 D_u, D_v, D_w를 사용하여, 적절히 사용하는 펄스를 전환한다.

이어서, 얻어진 신호 θ_c'를 속도 연산부(23) 및 회전 위치 보정부(24)에 입력한다. 속도 연산부(23)는 신호 θ_c'가 변화하는 타이밍에서, 그 변화량으로부터 모터 속도 검출값 θ_c를 수학식 4로 연산한다. 또한, 회전 위치 보정부(24)는 모터 속도 검출값 ω_c와 신호 θ_c'를 사용하여, 신호 θ_c'가 변화하고 나서 다음으로 변화할 때까지의 동안의 변화량을 수학식 5로 보정한다. 신호 θ_c'z^-1은, 신호 θ_c'가 변화했을 때의 전회값이며, t는 신호 θ_c'가 변화하고 나서의 경과 시간이며, 신호 θ_c'가 변화하면 제로로 클리어된다. 이 처리에 의해, 모터의 회전 위치 θ에 대응하는 위치 검출값 θ_c가 얻어진다.

도 1에 도시하는 3상 전압 명령값 생성부(12)는 얻어진 회전 위치 θ_c에 기초하여, 3상의 전압 명령값을 예를 들어 수학식 6과 같이 연산한다. 전압 진폭 명령값 V_amp는 인가하는 전압의 크기이며, φ_v는, 유기 전압 위상에 대한 각 상 전압의 위상차이다.

생성된 3상의 전압 명령값 V_u, V_v, V_w는, 수학식 7에 나타내는 바와 같이 듀티 생성부(13)에 있어서 직류 전원 전압 VDC로 제산되어서 정규화되어, 변조 명령(듀티) D_u, D_v, D_w가 된다. 또한, 이들 듀티 D_u, D_v, D_w는 삼각파 캐리어와 비교되어서 각 상 PWM 신호로 변환되고, 인버터 회로(3)의 각 FET(4)에 입력되어, 모터(2)를 구동하는 전압을 발생시킨다.

이상과 같이 본 실시 형태에 따르면, 전류 검출부(7)에 의해, 인버터 회로(3)로부터 출력되는 각 상 전류를 검출하면, 전류 변화량 검출부(8)가 각 상 전류의 변화량을 검출한다. 유기 전압 연산부(10)는 인버터 회로(3)를 구성하는 3상 아암 중, 임의의 2상의 하측 아암이 온되어 있는 기간 및 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는 상기 2상의 전류 변화량과, 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는 상기 2상을 제외한 1상의 전류 변화량으로부터, 수학식 1 내지 수학식 3에 의해 회전 위치의 정보가 포함되어 있는 연산 결과, 유기 전압 차분 추정값 E_vwu, E_wuv, E_vwu를 구한다. 회전 위치 연산부(11)는 상기 연산 결과로부터 상기 영구 자석 모터의 회전 위치 θ_c를 검출한다.

이에 의해, 모터 제어 장치(15)를 저렴한 연산기로 구성하여 모터(2)에 정현파형의 전류를 통전할 수 있다. 또한, 자기적 돌극성이 없는 모터에도 적용 가능하고, 높은 변조율에 있어서도 모터가 구동 가능하게 된다. 또한, 전류 변화량을 검출하는 기간을 길게 잡을 수 있으므로, 노이즈 내성도 향상된다.

또한, 전류 검출부(7u, 7v, 7w)를, 인버터 회로(3)를 구성하는 3상의 하측 아암과 마이너스측 전원선 사이에 각각 배치했으므로, 하측의 FET(4U-, 4V-, 4W-)가 온된 기간에 각 상 전류를 검출할 수 있다.

(기타 실시 형태)

전류 검출부(7)를 2상의 하측 아암과 마이너스측 전원선 사이에 배치하고, 나머지 1상의 전류는 연산으로 구해도 된다.

전류 검출부는 션트 저항이 아니라 CT(Current Trans)여도 된다.

스위칭 소자는 MOSFET 이외에 IGBT나 파워 트랜지스터 나아가서는 SiC, GaN 등의 와이드 갭 반도체 등을 사용해도 된다.

회전 위치 연산부(11)는 역치와의 비교에 의한 펄스를 사용했지만, 직접 연산에 의해 회전 위치를 구해도 된다.

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

Claims (3)

1. 3상의 영구 자석 모터를 구동하는 인버터 회로와,
   이 인버터 회로로부터 출력되는 각 상 전류를 검출하는 전류 검출부와,
   상기 상 전류의 변화량을 검출하는 전류 변화량 검출부와,
   상기 인버터 회로를 구성하는 3상 아암 중,
   임의의 2상의 하측 아암이 온되어 있는 기간 및 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는 상기 2상의 전류 변화량 dI_v(100)-(000), dI_w(100)-(000), dI_w(010)-(000), dI_u(010)-(000), dI_u(001)-(000), dI_v(001)-(000)과,
   3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는, 상기 2상을 제외한 1상의 전류 변화량 dI_u(100), dI_v(000), dI_w(000)으로부터 식 (1) 내지 (3)에 의해 유기 전압 차분 추정값 E_vwu, E_wuv, E_uvw을 구하고,
   식 (1)
   

   

   
   식 (2)
   

   

   
   식 (3)
   

   

   
   상기 추정값 E_vwu, E_wuv, E_uvw을 역치와 비교하는 것에 의해 위치 신호 θ_c'을 주기적으로 구하고,
   상기 위치 신호 θ_c'의 전회값과 상기 위치 신호 θ_c'로부터 획득한 상기 영구 자석 모터의 각속도 적산값과의 합에 의해 상기 모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출부를 구비하는 회전 위치 검출 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 전류 검출부는, 상기 인버터 회로를 구성하는 3상의 하측 아암과, 마이너스측 전원선 사이에 각각 배치되어 있는 회전 위치 검출 장치.
3. 3상의 영구 자석 모터를 구동하는 인버터 회로를 구성하는 3상 아암 중, 임의의 2상의 하측 아암이 온되어 있는 기간 및 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는 상기 2상의 전류 변화량 dI_v(100)-(000), dI_w(100)-(000), dI_w(010)-(000), dI_u(010)-(000), dI_u(001)-(000), dI_v(001)-(000)과, 3상의 하측 아암이 온되어 있는 기간에 검출되는, 상기 2상을 제외한 1상의 전류 변화량 dI_u(100), dI_v(000), dI_w(000)으로부터 식 (1) 내지 (3)에 의해 유기 전압 차분 추정값 E_vwu, E_wuv, E_uvw을 구하고,
   식 (1)
   

   

   
   식 (2)
   

   

   
   식 (3)
   

   

   
   상기 추정값 E_vwu, E_wuv, E_uvw을 역치와 비교하는 것에 의해 위치 신호 θ_c'을 주기적으로 구하고,
   상기 위치 신호 θ_c'의 전회값과 상기 위치 신호 θ_c'로부터 획득한 상기 영구 자석 모터의 각속도 적산값과의 합에 의해 상기 모터의 회전 위치를 검출하는 회전 위치 검출 방법.

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