KR20040090685A

KR20040090685A - 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치

Info

Publication number: KR20040090685A
Application number: KR10-2003-7016165A
Authority: KR
Inventors: 가와지미츠오; 마츠시로히데오; 마츠이게이죠
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-26
Also published as: CN1516918A; EP1492223A1; JP4357967B2; US6822417B2; WO2003081765A1; JPWO2003081765A1; EP1492223A4; US20040201358A1

Abstract

동기 릴럭턴스 모터의 제어장치는, 동기 릴럭턴스 모터의 출력 토크를 부하 토크와 항상 일치시키도록 부하 토크에 추종하는 토크 전류 지령치를 생성하는 토크 전류 보정 연산수단(16)을 구비하고 있다. 제어장치는, 전압 포화시의 제어 성능을 향상시키기 위하여, 3상 전압 방정식에 의한 위치ㆍ속도 추정을 실행하는 위치ㆍ속도 추정 연산수단(13)을 추가로 구비해도 좋다.

Description

동기 릴럭턴스 모터의 제어장치{SYNCHRONOUS RELUCTANCE MOTOR CONTROL DEVICE}

종래의 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치는 홀(Hall) 소자, 리졸버(resolver) 또는 광 인코더 등의 위치 센서를 사용하여 로터의 각도 정보를 취득하였다. 그 때문에, 위치 센서의 분만큼 비용이 상승하고, 동기 릴럭턴스 모터의 크기도 커지게 되었다.

그래서, 위치 센서를 생략함으로써, 저비용과 소형화를 실현하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치로서, 일반적으로는 도 23에 나타내는 바와 같은 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치가 알려져 있다.

도 23에 있어서, 주 회로는 교류 전원(1)과, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환기(2)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC/AC 변환기(3)와, DC/AC 변환기(3)에 의해서 변환된 교류 전력에 의해서 구동되는 동기 릴럭턴스 모터(5)로 구성되어 있다.

한편, 제어회로는, 모터 전류를 검출하기 위한 전류 검출기(11a, 11b) 및 모터 전류 검출부(12)와, 동기 릴럭턴스 모터의 위치 및 속도 추정을 실행하는 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)와, 외부로부터 인가되는 속도 지령치와 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)로부터 취득하는 속도 추정치와의 속도 오차를 제로로 하기 위하여 전류 지령치를 결정하는 속도 제어 연산부(14)와, 속도 제어 연산부(14)로부터 취득하는 전류 지령치를 토크(torque) 전류 성분과 계자 전류 성분으로 분배하는 통전(通電) 위상 분배부(15)와, 토크 전류 지령치 및 계자 전류 지령치와 모터 전류 검출치와의 전류 오차를 제로로 하기 위하여 전압 지령치를 결정하는 전류 제어 연산부(17)와, 동기 릴럭턴스 모터(5)에 있어서의 각각의 구동 소자마다 통전 신호를 분배하는 통전 분배부(18)로 구성되어 있다.

도 24는, 일반적인 동기 릴럭턴스 모터(5)의 구성을 나타내는 단면도이다. 동기 릴럭턴스 모터(5)는 로터(8)와 스테이터(stator)(6)로 구성된다.

도 23에 나타내는 제어장치에 있어서, 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)는 모터 전류 및 전압 지령치의 정보를 이용하여 자속(磁束)을 구한다. 이어서, 이 자속의 정지 좌표에 대한 각도를 나타내는 αβ축 자속 각도를 구한다. 그리고, 회전 좌표에 대한 이 자속의 위상을 나타내는 dq축 좌표 위상을 설정한다. 또한, αβ축 좌표 각도로부터 dq축 좌표 위상을 감산하여, 추정 각도를 구한다. 그리고, 이 추정 각도에 따라서 동기 릴럭턴스 모터(5)를 제어한다.

또한, 저속용 각도 추정과 고속용 각도 추정의 2방식의 각도 추정을 실행하고, 저속 영역과 고속 영역의 경계에서는, 양자의 방식으로써 추정한 각도의 비율을 서서히 변화시켜서 합성하여 추정 각도를 생성한다. 또한, 저속 영역에 있어서는, 전류 펄스를 인가하여 그 전압 응답으로부터 각도를 구한다.

예로서, 특개2001-197774호 공보에 기재된, 위치 센서가 없는 구동 방식의 동기 릴럭턴스 모터는, 전압 지령치에 저역 통과 기능을 작용시키는 저역 통과 필터 수단을 구비하고, 로터의 속도가 커지면 저역 통과 기능의 작용을 작게 하여, 저속 영역과 고속 영역의 경계 영역에 있어서, 전압 펄스의 영향을 제거해서 안정적으로 각도 추정 방식의 절환을 실행하고, 고속 영역에 있어서 시간 지연이 없는 동기 릴럭턴스 모터의 제어를 실현한다.

그러나, 상기 종래의 구성에서는 제어 연산이 복잡하고, 또한 인버터의 전압 제어율이 100％를 초과하는 경우, 소위 전압 포화가 되는 경우나, 급준(急峻)한 부하 변동이 있는 경우에는 위치ㆍ속도 추정이 곤란하게 되고, 모터 구동 제어가 불안정하게 되는 과제를 가지고 있다.

본 발명은 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치에 관한 것이고, 특히, 위치 센서를 사용하지 않고 로터(rotor)의 각도를 추정해서 구동하는 제어장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 동기 릴럭턴스 모터(SRM; synchronous reluctance motor)의 제어장치의 전체 구성의 일례를 나타내는 도면.

도 2는 위치ㆍ속도 추정에 있어서의 좌표축의 일례를 설명한 도면.

도 3은 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 일례의 단면도.

도 4는 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 다른 예의 단면도.

도 5는 본 발명에 의한 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 자속 벡터의 일례를 나타내는 도면.

도 6은 일반적인 로터리 압축기의 부하 토크 특성을 나타내는 도면.

도 7은 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 토크 전류 보정 연산부의 출력 신호의 일례를 나타내는 도면.

도 8은 일반적인 스크롤(scroll) 압축기의 부하 토크 특성을 나타내는 도면.

도 9는 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 토크 전류 보정 연산부의 하나의 구성예를 나타내는 블록도.

도 10은 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 토크 전류 보정 연산부의 다른 구성예를 나타내는 블록도.

도 11은 토크 전류 보정 동작 온/오프 절환시에 있어서의 토크 전류 지령치의 절환 상태를 나타내는 도면.

도 12는 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 속도 제어 연산부의 하나의 구성예를 나타내는 블록도.

도 13은 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 추정 속도 평균 연산부의 출력의 절환 상태를 나타내는 도면.

도 14는 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 전류 제어 연산부의 하나의 구성예를 나타내는 블록도.

도 15는 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 위치ㆍ추정 연산부의 하나의 구성예를 나타내는 블록도.

도 16은 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 유기 전압 추정부의 하나의 구성예를 나타내는 블록도.

도 17은 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 모터 정수(定數) 보상부의 하나의 구성예를 나타내는 블록도.

도 18은 본 발명에 의한 SRM의 제어장치에 있어서의 모터 정수 보상부의 다른 구성예를 나타내는 블록도.

도 19는 모터 정수 보상 동작의 온/오프 절환시에 있어서의 모터 정수 보상부의 출력의 절환 상태를 나타내는 도면.

도 20은 본 발명에 의한 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치의 전체 구성의 다른 예를 나타내는 도면.

도 21은 본 발명에 의한 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치의 전체 구성의 또 다른 예를 나타내는 도면.

도 22는 인버터 직류 전압의 리플(ripple) 성분을 설명한 도면.

도 23은 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치의 블록도.

도 24는 종래의 동기 릴럭턴스 모터의 구성예를 나타내는 도면.

본 발명은 이러한 종래의 과제를 해결하기 위한 것이며, 전압 포화나 급준한 부하 변동에 대하여 로버스트(robust)한 제어계를 구축한 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 모터 제어장치는, 적어도 스테이터 권선의 인덕턴스 변화 및 모터 전류에 따라서 발생하는 릴럭턴스 토크를 이용하는 동기 릴럭턴스 모터를 제어하는 장치이다.

그 제어장치에 있어서, 전류 검출수단은 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선에 흐르는 모터 전류를 검출한다.

위치ㆍ속도 추정수단은, 전류 검출수단에 의한 검출치와, 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선에 인가하는 전압의 지령치인 전압 지령치로부터, 동기 릴럭턴스 모터의 유기 전압을 추정하고, 그 유기 전압의 추정치에 따라서 동기 릴럭턴스 모터의 로터 위치 및 회전 속도의 추정치를 결정한다.

속도 제어수단은, 위치ㆍ속도 추정수단에 의한 회전 속도의 추정치와, 외부에서 주어지는 회전 속도의 목표치와의 오차를 제로로 하도록, 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선에 공급하는 전류 지령치를 결정한다.

분배수단은, 미리 설정된 동기 릴럭턴스 모터의 전류 위상각에 따라서, 속도 제어수단으로부터의 전류 지령치를, 그 토크 전류 성분인 토크 전류 지령치와 계자 전류 성분인 계자 전류 지령치로 분배한다.

토크 전류 보정수단은, 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소가 발생하는 부하 토크를 동기 릴럭턴스 모터의 출력 토크와 일치시키도록, 분배수단으로부터의 토크 전류 지령치와, 위치ㆍ속도 추정수단으로부터 취득한 회전 속도의 추정치에 따라서 토크 전류 지령치를 보정한다.

전류 제어수단은, 토크 전류 보정수단으로부터의 토크 전류 지령치의 보정치 및 분배수단으로부터의 계자 전류 지령치와, 전류 검출수단으로부터 취득하는 모터 전류의 검출치와의 오차를 제로로 하도록, 전압 지령치를 생성한다.

통전 분배수단은, 전압 지령치에 따라서 동기 릴럭턴스 모터에 있어서의 각각의 구동 소자마다에 통전 신호를 분배한다.

본 발명의 제어장치는, 상기의 구성을 구비함으로써, 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소가 발생하는 부하 토크와, 동기 릴럭턴스 모터의 출력 토크를 일치시키도록 한다. 이에 따라서, 급준한 부하 변동에 대하여 로버스트한 제어계가 실현되고, 또한, 토크 변동을 억제하여 저진동화ㆍ저소음화가 실현된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치의 바람직한 실시형태에 대하여 설명한다.

(실시형태 1)

도 1에 본 발명에 의한 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치의 하나의 실시예의 시스템 구성도를 나타낸다. 또한, 이하에서는, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터에 대하여 위치 센서를 사용하지 않고 180도 통전인 정현파 구동을 실행하는 경우의 예를 설명한다.

주 회로는 교류 전원(1)과, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 AC/DC 변환기(2)와, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 DC/AC 변환기(3)와, DC/AC 변환기(3)에 의해서 변환된 교류 전력으로써 구동하는 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터(4)로 구성되어 있다.

제어회로는, 모터 전류를 검출하기 위한 전류 검출기(11a, 11b) 및 모터 전류 검출부(12)와, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 위치 및 속도 추정을 실행하는 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)와, 외부로부터 인가되는 속도 지령치와 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)로부터 취득하는 속도 추정치와의 속도 오차를 제로로 하기 위하여 전류 지령치를 결정하는 속도 제어 연산부(14)와, 속도 제어 연산부(14)로부터 취득한 전류 지령치를 토크 전류 성분과 계자 전류 성분으로 분배하는 통전 위상 분배부(15)와, 토크 전류 지령치를 보정하는 토크 전류 보정 연산부(16)와, 토크 전류 지령치의 보정치 및 계자 전류 지령치와 모터 전류 검출치와의 전류 오차를 제로로 하기 위하여 전압 지령치를 결정하는 전류 제어 연산부(17)와, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터(4)에 있어서의 각각의 구동 소자마다 통전 신호를 분배하는 통전 분배부(18)로 구성되어 있다.

도 2는 위치ㆍ속도 추정에 있어서의 좌표축의 정의를 나타내는 도면이다. 일반적으로, 정현파 구동을 실행하는 경우에는, 제어 연산을 용이하게 하기 위하여 도 2와 같이 모터의 파라미터를 u, v, w의 3상으로부터 dq축의 2상으로 하는 3상-2상 변환을 실행하여 직류화(直流化)한다. 또한, 3상으로부터 2상으로의 변환방법에 대해서는 공지되어 있으므로 생략한다. 도 2에 있어서, θ_me는 실제의 로터 위치(u상 기준의 q축과의 위상차)이고, θ^~는 추정 위치(u상 기준의 γ축과의 위상차)이다. 또한, 위치 오차 △θ에는 다음 식의 관계가 있다.

△θ=θ^~- θ_me

도 3 및 도 4는, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터(4)의 구성예를 나타낸 도면이다. 도 3에 나타내는 동기 릴럭턴스 모터는, 분포 권선(distributed winding) 스테이터(6)와, 영구자석(9)을 구비한 로터(8)로 구성된다. 도 4에 나타내는 동기 릴럭턴스 모터는, 집중 권선(concentrated winding) 스테이터(7)와 영구자석(9)을 구비한 로터(8)로 구성되어 있다. 로터에 영구자석을 내장시킴으로써 모터 효율을 향상시키고 있다. 영구자석(9)에는, 동기 릴럭턴스 모터의 정격 부하에 있어서의 브레이크 토크를 상쇄하는 데에 필요한 최소한의 자기량만을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이에 따라서, 정격 부하에 있어서의 모터 효율의 개선을 도모할 뿐만 아니라, 영구자석에 의한 원가 상승을 최소한으로 억제할 수 있게 된다.

영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터(4)의 자속 벡터의 일례를 도 5에 나타낸다. 도 5에 있어서, 벡터 A는 정(正)의 토크를 발생하는 자속 성분이고, 보조 자석의 자속 성분(벡터 C)은, 브레이크 토크(부(負)의 토크)를 발생하는 자속 성분(벡터 B)을 상쇄하도록 작용한다. 또한, 이 경우의 발생 토크는 식 (1)과 같이 표시된다.

식 (1)에 있어서, n_p는 극(極)의 쌍(雙)의 수 , L_d, L_q는, 각각, d축 및 q축 인덕턴스, Λ₀는 영구자석에 의한 자속 쇄교(鎖交; interlinkage) 수, i_d,, i_q는, 각각, d축 및 q축 전류이다.

이하에, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터(4)의, 위치 센서가 없는 구동을 설명한다.

우선, 속도 제어 연산부(14)가, 외부에서 인가되는 회전 속도 지령치 ω^*와 회전 속도 추정치 ω^~를 이용하여, 다음 식에서 나타내는 연산에 의해서 전류 지령치 Ⅰ^*를 구한다.

여기서, K_p1, K_I1은 PI 보상기의 게인(gain), p는 미분 연산자이다.

이어서, 통전 위상 분배부(15)는, 전류 지령치Ⅰ^*와 미리 설정된 전류 위상각 β를 이용하여, 다음 식으로써 표시되는 연산에 의해서 전류 지령치Ⅰ^*를 d축 전류 i_d ^*및 q축 전류 i_qo로 분배한다.

토크 전류 보정 연산부(16)는, 회전 속도 추정치 ω^~와 q축 전류 i_qo을 이용하여, 다음 식으로써 표시되는 연산에 의해서 q축 전류 지령치 i_q ^*를 도출한다.

여기서, 식 (4)에서는 마이크로컴퓨터 등으로 연산을 실행하기 위하여 이산 시간 체계로 되어 있으며, nT_s는 현재의 샘플링 시각이고, (n-1)T_s는 하나 이전의 샘플링 시각이다. 또한, K_p2, K_I1은 PI 보상기의 게인이다. 토크 전류 보정 연산부(16)는 상기 식을 이용해서 q축 전류 지령치 i_q ^*를 도출함으로써, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소가 발생하는 부하 토크와, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 출력 토크를 항상 일치시키도록 하고 있다.

전류 제어 연산부(17)는, 모터 전류 검출치 i_u, i_v, i_w와 dq축 전류 지령치 i_d ^*, i_q ^*를 이용하여, 이하의 연산에 의해서 3상 전압 지령치 v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*를 도출한다.

우선, 다음 식에서 나타내는 바와 같이 모터 전류 검출치 i_u, i_v, i_w를 3상-2상 변환에 의해서 γδ축 전류 검출치 i_γ, i_δ로 변환한다.

이어서, dq축 전류 지령치 i_d ^*, i_q ^*와 γδ축 전류 검출치 i_γ, i_δ를 이용하여, 식 (6)에 나타내는 바와 같이 γδ축 전압 지령치 v_γ ^*, v_δ ^*를 도출한다.

여기서, K_p3, K_I3및 K_p4, K_I4는 PI 보상기의 게인이다.

최후로, 다음 식에서 나타내는 바와 같이 γδ축 전압 지령치 v_γ ^*, v_δ ^*를 2상-3상 변환에 의해서 3상 전압 지령치 v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*로 변환한다.

또한, 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)는, 3상 전압 지령치 v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*와 모터 전류 검출치 i_u, i_v, i_w를 이용하여, 이하와 같은 방법으로써 위치ㆍ속도 추정을 실행한다.

여기서, 3상 전압 방정식으로부터, 유기 전압은 식 (8)로써 표시된다.

식 (8)에 있어서, 상전압(相電壓), 상전류(相電流) 및 유기 전압 v_uvw, i_uvw, e_uvw는 3차원 벡터이고, 스테이터 권선 저항 및 인덕턴스 R, L은 3행 3열의 행렬로 각각 표기되어 있다.

구체적으로는, 식 (9)로써 표시되는 연산에 의해서 추정 유기 전압 e^~ _u, e^~ _v, e^~ _w를 도출한다.

여기서, L_ao= (L_d+L_q)/3, L_as= (L_q-L_d)/3이다.

또한, 유기 전압 e_u, e_v, e_w는 회전 속도 추정치 ω^~와 유기 전압 정수 K_E를 이용하면 다음 식 (10)으로 나타낼 수 있다.

따라서, 식 (9) 및 식 (10)으로부터, 추정 위치 θ^~는 다음 식과 같이 도출할 수 있다.

단, θ^~ _u, θ^~ _v, θ^~ _w는 식 (12)로서 표시된다.

여기서, δ₀은 제로 나눗셈 방지를 위한 미소항(微小項)이다.

본 실시형태의 제어장치에 의하면, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소가 도 6으로써 표시되는 일반적인 로터리 압축기의 경우에, 토크 전류 보정 연산부에서 도 7에 나타내는 바와 같이 부하 토크에 추종하는 토크 전류 지령치를 생성한다. 이에 따라서, 동기 릴럭턴스 모터의 출력 토크와 부하 토크를 항상 일치시키는 것이 가능하게 된다.

또는, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소가 도 8로써 표시되는 일반적인 스크롤 압축기의 경우, 본 실시형태의 제어장치에 의하면, 로터 회전중에 있어서의 부하 변동이 작기 때문에, 정상적으로는 상기의 토크 전류 지령치를 보정할 필요가 없으므로, 제어 주기의 정수배(整數倍)의 주기로 토크 전류 지령치를 보정하는 등의 방법을 이용함으로써 연산량을 대폭 저감하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기의 설명에서는, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터를 위치 센서를 사용하지 않고 180도 통전인 정현파 구동을 실행하는 경우에 대하여 설명했지만, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터는 로터에 영구자석을 포함하고 있으므로, 일반적으로 룸 에어 컨디셔너 등의 가전제품에 사용되는 위치 검지 방식의 구형파(矩形波) 통전에서도 적용 가능하다.

또한, 상기의 설명에서는, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 제어 방식에 대하여 설명했지만, 일반적인 동기 릴럭턴스 모터에도 적용 가능하다.

이상에 의해서, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소가 발생하는 부하 토크와, 영구자석 보조형 동기 릴럭턴스 모터의 출력 토크를 항상 일치시키는 것이 가능할 뿐만 아니라, 3상 전압 방정식으로부터 위치ㆍ속도 추정을 실행하므로, 전압 포화나 급준한 부하 변동에 대하여 로버스트한 제어계가 실현될 뿐만 아니라, 토크 변동을 억제하여 저진동화ㆍ저소음화가 실현된다.

(실시형태 2)

본 실시형태에서는, 회전 각도 추정치 ω^~가 기준치 이하인 저속 영역에 있어서만 토크 전류 지령치의 보정을 실행한다. 본 실시형태에서는, 토크 전류 보정 연산부만이 실시형태 1의 것과 상이하다. 도 9는 본 실시형태의 토크 전류 보정 연산부의 구성을 나타낸 도면이다.

토크 전류 보정 연산부(16a)는, 회전 각도 추정치 ω^~와 미리 설정된 추정회전 각도 기준치 ω_R을 입력하여 비교하는 추정 속도 비교기(42)와, 추정 속도 비교기(42)의 출력 신호에 따라서 토크 전류 지령치의 보정을 실행하는 q축 전류 보정 연산부(41)를 구비하고 있다.

추정 속도 비교기(42)의 출력 신호 ε_W는, 회전 각도 추정치 ω^~와 추정 회전 각도 기준치 ω_R로부터 식 (13)과 같이 표시된다.

q축 전류 보정 연산부(41)의 출력 값 i_q ^*는 추정 속도 비교기의 출력 신호 ε_W에 따라서 식 (14)과 같이 표시된다.

즉, 토크 전류 보정 연산부(16)는, 회전 각도 추정치 ω^~가 추정 회전 각도 기준치 ω_R이하의 저속 영역에 있어서만 토크 전류 지령치의 보정을 실행한다(토크 전류 보정 동작을 온(ON)으로 한다).

또한, 추정 속도 비교기(42)는 히스테리시스를 구비해도 좋다. 즉, 추정 속도 비교기(42)에 있어서, 회전 각도 추정치 ω^~가 증가 방향으로 변화하는 경우의기준치 ω_R의 값과, 회전 각도 추정치 ω^~가 감소 방향으로 변화하는 경우의 기준치 ω_R의 값을 상이하게 해도 좋다.

또한, 상기의 설명에서는, 추정 회전 각도 기준치 ω_R이 하나인 경우에 대하여 설명했지만, 추정 회전 각도 기준치를 몇 개 설정하여, 각각의 기준치에 의해서 정의되는 회전 속도 영역의 각각에 있어서 토크 전류 지령치의 보정 또는 비보정의 절환을 실행해도 좋다.

이상에 의해서, 토크 전류 지령치의 보정에 따르는 연산 시간을 대폭 단축하고, 연산장치의 부하 용량을 경감시키고, 또한 코스트 다운을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 주변 회로를 간소화하는 것이 가능하게 된다.

(실시형태 3)

본 실시형태에서는, 토크의 변동량을 검출하여, 그 토크 변동량이 기준치보다도 큰 영역에 있어서만 토크 전류 보정 동작을 온(ON)으로 한다. 본 실시형태에서는, 토크 전류 보정 연산부만이 실시형태 1의 것과 상이하다. 본 실시형태의 토크 전류 보정 연산부의 구성을 도 10에 나타낸다.

토크 전류 보정 연산부(16b)에 있어서, 토크 변동 검출부(51)는 회전 각도 추정치 ω^~에 따라서 토크 변동 검출치 △τ를 검출한다. 토크 변동 비교기(52)는, 토크 변동 검출부(51)로부터의 토크 변동 검출치 △τ와 토크 변동 기준치 △τ_R을 수신하여, 그 비교 결과를 출력한다. q축 전류 보정 연산부(41)는 토크 변동 비교기(52)의 출력 신호에 따라서 토크 전류 지령치의 보정을 실행한다.

구체적으로는, 토크 변동 검출부(51)의 출력 신호인 토크 변동 검출치 △τ는, 회전 각도 추정치 ω^~로부터 식 (15)에 의해서 도출된다.

단, K_τ, T_τ는 정수이다.

토크 변동 비교기의 출력 신호 ε_τ는, 토크 변동 검출치 △τ와 토크 변동 기준치 △τ_R로부터 식 (16)으로 표시된다.

여기서, q축 전류 보정 연산부(41)의 출력 값 i_q ^*는, 토크 변동 비교기의 출력 신호 ε_τ에 따라서 다음 식과 같이 표시된다.

즉, 토크 변동 검출치 △τ가 토크 변동 기준치 △τ_R보다도 큰 영역에 있어서만 토크 전류 지령치의 보정을 실행하는 것이다.

또한, 토크 변동 비교기(52)는 히스테리시스를 구비해도 좋다. 즉, 토크 변동 비교기(52)에 있어서, 토크 변동 검출치 △τ가 증가 방향으로 변화하는 경우의 기준치 △τ_R의 값과, 토크 변동 검출치 △τ가 감소 방향으로 변화하는 경우의 기준치 △τ_R의 값을 상이하게 해도 좋다.

또한, 상기의 설명에서는, 토크 변동 기준치 △τ_R가 하나인 경우에 대하여 설명했지만, 토크 변동 기준치를 몇 개 설정하여, 각각의 기준치에 의해서 정의되는 각각의 영역에 있어서 토크 전류 지령치의 보정 또는 비보정의 절환을 실행해도 좋다.

이상에 의해서, 토크 전류 지령치의 보정에 따르는 연산 시간을 필요한 최소한까지 단축하고, 연산장치의 부하 용량을 경감시키고, 또한 대폭으로 코스트 다운을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 효율적인 토크 변동의 억제가 가능하게 된다.

(실시형태 4)

본 실시형태에서는, 토크 전류 보정 연산부는, 토크 전류의 비보정시로부터 보정시로 절환될 때에, 토크 전류 지령치 i_q ^*가 급격하게 변화되지 않도록 하여, 토크 전류 지령치 i_q ^*가 불연속하게 되는 것을 방지하도록 한다. 도 11을 이용하여 그 절환시의 제어를 설명한다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 토크 전류의 비보정시(토크 전류 보정 오프시)의 전류 지령치(Ⅹ)로부터, 토크 전류의 보정시(토크 전류 보정 온시)의 전류 지령치(Y)로 절환하는 경우에 절환 유예 기간을 설정하고, 이에 따라서, 토크 전류 지령치 i_q ^*가 급격하게 변화되어서 불연속하게 되는 것을 방지한다.

구체적으로는, 비보정시의 토크 전류 지령치를 i^* _{q_off}, 보정시의 토크 전류 지령치를 i^* _{q_on}, 토크 전류 지령치의 현재 값을 i^* _{q_now}라고 하면, 비보정시로부터 보정시로 절환되는 경우, 토크 전류 지령치의 현재 값 i^* _{q_now}는 식 (18)로 표시된다.

여기서, △i_q는 미소량이고, i^* _{q_now}=i^* _{q_on}의 조건을 만족시킨 단계에서 보정시로 절환되는 것이다.

역으로, 보정시로부터 비보정시로 절환되는 경우, 토크 전류 지령치의 현재 값 i^* _{q_now}는 식 (19)로 표시된다.

여기서, i^* _{q_now}=i^* _{q_off}의 조건을 만족시킨 단계에서 비보정시로 절환되는 것이다.

또한, 토크 전류 보정 절환 유예 기간은 미리 최대 기간을 결정하고, 최대 기간내만, 토크 전류 지령치를 단계적으로 변화시키도록 절환을 실행해도 좋다.

이상으로부터, 토크 전류 보정 온/오프 절환에 따르는 제어 안정성 및 신뢰성의 향상을 도모할 수 있어서, 모터의 난조(亂調)를 방지할 수 있다.

(실시형태 5)

도 12에 속도 제어 연산부(14)의 구성예를 나타낸다. 속도 제어 연산부(14)는 전류 지령 연산부(71)와 추정 속도 평균 연산부(72)를 포함한다. 토크 전류 보정 온시에는, 추정 속도 연산부(72)는, 회전 속도 추정치 ω^~의 평균치 ω_ave를 도출하고, 전류 지령 연산부(71)는 외부로부터 인가되는 회전 속도 지령치 ω^*와 추정 속도 평균치 ω_ave와의 속도 오차를 제로로 하기 위하여 전류 지령치 Ⅰ_o ^*를 도출한다. 또한, 토크 전류 보정 오프시에는, 추정 속도 평균 연산부(72)는 평균 연산을 실행하지 않고, 그대로 회전 속도 추정치 ω^~를 출력하고, 전류 지령 연산부(71)에서는 외부로부터 인가되는 회전 속도 지령치 ω^*와 회전 속도 추정치 ω^~와의 속도 오차를 제로로 하기 위하여 전류 지령치 Ⅰ^*를 도출한다.

구체적으로는, 추정 속도 평균치 ω_ave는 식 (20)으로서 표시된다.

여기서, n은 정수(整數)이다.

또한, 토크 전류 지령치의 보정시에는, 식 (21)로 표시되는 전류 지령치 I_o ^*를 도출한다.

여기서, K_p5, K_I5는 PI 보상기의 게인이다.

그리고, 토크 전류 지령치의 비보정시에는, 추정 속도 평균치 ω_ave를 사용하지 않고 식 (2)를 이용해서 전류 지령치 I^*를 도출한다.

이상과 같이, 본 실시형태에서는, 토크 전류 보정 온시에 있어서, 추정 속도 평균치 ω_ave를 이용하여 전류 지령치 I_o ^*를 도출하므로, 토크 변동이 큰 경우에 있어서도 전류 지령치 I_o ^*의 변화량이 작고 최적 구동점으로부터의 일탈(逸脫)을 최소한으로 방지하는 것이 가능하게 된다. 즉, 토크 전류 지령치의 보정시에 속도 제어 연산부로부터 출력되는 전류 지령치의 변화를 최소한으로 억제함으로써, 모터 효율 최적점으로부터의 일탈을 방지하여, 고효율 운전이 가능하게 된다.

추정 속도 평균 연산부(72)는 상기한 바와 같이 토크 전류의 보정 동작에 연동하여, 그 출력을 회전 속도 추정치 ω^~의 평균치 ω_ave또는 회전 속도 추정치 ω^~로 절환한다. 이 경우, 토크 전류 지령치의 보정 동작의 온/오프의 절환시에 있어서, 추정 속도 ω를 서서히 변화시켜서, 추정 속도 ω가 불연속하게 되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

즉, 토크 전류 지령치의 비보정시로부터 보정시로 절환된 경우에, 추정 속도 평균 연산부(72)는, 즉시 추정 속도 평균치 ω_ave(ω^-)를 출력하는 것이 아니고, 도 13에 나타내는 바와 같이, 유예 기간을 두고, 서서히 추정 속도 평균치 ω_ave(ω^-)에 접근하도록 그 출력(회전 속도 추정치 ω^~)을 소정의 변화량 △ω_s씩 단계적으로 변화시켜 가도 좋다. 이에 따라서, 비보정/보정 동작의 절환시에 있어서, 비보정시의 속도 추정치 ω^~로부터, 추정 속도 평균치 ω_ave(ω^-)의 값으로 스무스하게 접속된다.

구체적으로는, 비보정시의 출력 속도를 ω_{o_off}(회전 속도 추정치 ω^~), 보정시의 출력 속도(추정 속도 평균치 ω_ave)를 ω_{o_on}, 출력 속도의 현재 값을 ω_{o_now}라고 하면, 비보정시로부터 보정시로 절환되는 경우, 출력 속도의 현재 값 ω_{o_now}는 식 (22)로서 표시된다.

여기서, △ω_s는 소정의 미소량이다. 출력 속도 ω_{o_now}는, ω_{o_now}=ω_{o_on}의 조건을 만족시킨 단계에서 보정시의 값으로 절환된다.

역으로, 보정시로부터 비보정시로 절환되는 경우, 출력 속도의 현재 값 ω_{o_now}는 식 (23)으로서 표시된다.

출력 속도 ω_{o_now}는, ω_{o_now}=ω_{o_off}의 조건을 만족시킨 단계에서 비보정시의 값으로 절환된다.

또한, 절환 유예 기간으로서 일정 기간을 정해 두고, 그 일정 기간내의 사이에서만 상기 식 (22), (23)을 이용해서 추정 속도를 서서히 절환하도록 해도 좋다.

이상과 같이, 보정/비보정시에 있어서 추정 속도를 서서히 변화시키는 유예 기간을 설정함으로써, 추정 속도의 급준한 변화를 방지할 수 있고, 토크 전류 지령치의 보정/비보정의 절환시의 제어 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있고, 전류 지령치의 급준한 변화에 따르는 헌팅(hunting)을 억제하는 것이 가능하게 된다.

(실시형태 6)

도 14에 전류 제어 연산부(17)의 구성예를 나타낸다. 전류 제어 연산부(17)는, 2상 전류 지령치 i_d ^*, i_q ^*를 3상 전류 지령치 i_u ^*, i_v ^*, i_w ^*로 변환하는 2상/3상변환부(91)와, 3상 전류 지령치 i_u ^*, i_v ^*, i_w ^*와 모터 전류 검출치 i_u, i_v, i_w를 이용하여 3상 전압 지령치 v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*를 도출하는 전압 지령 연산부(92)를 포함한다.

3상 전류 지령치 i_u ^*, i_v ^*, i_w ^*는 식 (24)로서 표시된다.

또한, 3상 전압 지령치 v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*는 식 (25)로서 표시된다.

여기서, K_p6, K_I6및 K_p7, K_I7은 PI 보상기의 게인이다.

이상의 구성에 의해서 정확한 전압 지령치를 생성하는 것이 가능하게 되고, 모터 전류의 찌그러짐을 최소한으로 억제할 수 있어서, 저소음화ㆍ저진동화가 실현된다.

(실시형태 7)

위치ㆍ속도 추정 연산부(13)의 구성예를 도 15에 나타낸다. 위치ㆍ속도 추정연산부(13)는 유기 전압 추정부(101)와 위치 오차 수정부(103)를 포함한다. 유기 전압 추정부(101)는, 3상 전압 지령치 v_u ^*, v_v ^*, v_w ^*와 모터 전류 검출치 i_u, i_v, i_w를 이용하여 유기 전압 추정치 e^~ _u, e^~ _v, e^~ _w를 도출하고, 한편 내부에 구비한 모터 모델(102)로부터 유기 전압 e_u, e_v, e_w를 도출한다. 위치 오차 수정부(103)는 유기 전압 추정치 e^~ _u, e^~ _v, e^~ _w와 유기 전압 e_u, e_v, e_w와의 유기 전압 오차를 제로로 하기 위하여 추정 위치 θ^~를 축차(逐次) 수정한다.

구체적으로는, 유기 전압 추정치 e^~ _u, e^~ _v, e^~ _w는 식 (9)로서 표시되고, 유기 전압 e_u, e_v, e_w는 식 (26)으로서 표시된다.

여기서, Ⅴ_G[nT_s]는 식 (27)∼식 (29)에 의해서 축차 연산한다.

여기서, K_e는 정수(定數)이고, m은 정수(整數)이다.

또한, 위치 오차 수정부(103)는, 유기 전압 오차 △e_uvw=e^~ _uvw-e_uvw의 부호 정보에 따라서, 추정 위치 θ^~를 식 (30)과 같이 축차 수정한다.

단, △θ^~［nT_s]는 추정 위치 보상량 △θ_p를 이용하여 식 (31)로서 표시된다.

여기서, K_θ1, K_θ2는 정수(定數)이다.

이상에 의해서, 전압 포화시에도 위치ㆍ속도 추정이 가능하게 되고, 인버터의 출력 한계를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선을 추가로 권선할 수 있게 되어서, 구동 시스템 전체의 효율을 향상시킬 수 있다.

(실시형태 8)

본 실시형태에서는, 실시형태 7에 나타낸 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)에 있어서, 추가로, 보상한 모터 정수(定數)를 사용하여 유기 전압 추정치를 도출하고, 이에 따라서 위치ㆍ속도 추정 정밀도의 향상을 도모한다.

도 16에 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)내의 유기 전압 추정부(101)의 구성을 나타낸다. 유기 전압 추정부(101)는 유기 전압 추정 연산부(111)와 모터 정수(定數) 보상부(112)를 포함한다.

모터 정수 보상부(112)는 3상 전압 지령치, 모터 전류 검출치 및 추정 속도를 이용하여 모터 정수를 보상한다. 유기 전압 추정 연산부(111)는 3상 전압 지령치, 모터 전류 검출치 및 모터 정수 보상치를 이용하여 유기 전압 추정치를 도출한다. 이하에서는, dq축상에서의 전압 방정식으로부터, 모터 정수의 하나인 모터 권선 저항치를 보상하는 방법에 대하여 설명한다.

구체적으로는, dq축상에서의 전압 방정식은 식 (32)와 같이 표시된다.

ω_me는 로터의 실제적인 회전 속도이다.

여기서, 동작점 근방에서는, dq축과 γδ축(도 2 참조)은 거의 일치하는 것으로 간주하여, △θ≒0의 근사(近似)를 실행하면 식 (32)는 식 (33)과 같이 표시된다.

모터 권선 저항 보상치를 R^~이라고 하면, 식 (33)은 식 (34)와 같이 변형할 수 있다.

여기서, 식 (34)로부터, i_δ의 부호에 관계없이 보상치 R^~와 참값 R의 관계가 구하여지고, R^~가 R보다도 큰 경우에는 우변은 정(正)이 되고, 역(逆)의 경우에는 부(負)가 된다. 따라서, 식 (35)를 사용하여 모터 권선 저항치의 보상을 실행한다.

여기서, K_R은 적분(積分) 게인이다.

또한, 식 (35)에서는, 식 (34)의 우변의 적분만을 실행하고 있지만, 비례항을 부가하여 PI 보상을 실행함으로써 응답성이 더욱 향상된다.

또한, i_δ의 부호가 변화되지 않는 경우는 식 (35)를 각 변마다 i_δ로서 나누어 연산 시간의 단축이 가능하게 된다.

또한, 모터 권선 저항 뿐만 아니라, 인덕턴스나 유기 전압 정수 등 기타의모터 정수에도 본 발명을 적용할 수 있다.

이상으로부터, 정확한 모터 정수를 이용함으로써 상시 위치ㆍ속도 추정 정밀도의 향상을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 전력 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.

(실시형태 9)

본 실시형태에서는, 실시형태 8에 나타낸 위치ㆍ속도 추정 연산부(13)에 있어서, 속도에 따라서 모터 정수의 보상 동작의 온/오프를 절환하는 모터 정수 보상부의 구성을 설명한다.

도 17에 모터 정수 보상부(112)의 구성을 나타낸다. 모터 정수 보상부(112)는, 회전 각도 추정치 ω^~와 미리 설정된 추정 회전 각도 기준치ω_R을 수신하여, 비교하는 추정 속도 비교기(42)와, 추정 속도 비교기(42)의 출력 신호에 따라서 모터 정수의 보상을 실행하는 모터 정수 보상 연산부(121)를 포함한다.

이하에서는, 모터 정수의 하나인 모터 권선 저항치 R을 보상하는 경우에 대하여 설명한다.

추정 속도 비교기(42)의 출력 신호 ε_W는, 회전 각도 추정치 ω^~와 추정 회전 각도 기준치 ω_R로부터 식 (13)과 같이 표시된다. 또한, 모터 정수 보상 연산부(121)의 출력치 R_out는, 추정 속도 비교기(42)의 출력 신호 ε_W에 따라서 식(36)과 같이 표시된다.

여기서, R^~은 식 (35)로써 표시되는 모터 권선 저항 보상치, R_n은 공칭 값(nominal value)이다.

상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, 모터 정수 보상부(112)는, 회전 각도 추정치 ω^~가 추정 회전 각도 기준치 ω_R보다도 커지는 고속 영역에 있어서만 모터 정수의 보상을 실행한다. 이에 따라서, 모터 정수의 보상에 따르는 연산 시간을 대폭 단축하고, 연산장치의 부하 용량을 경감시키고, 또한 코스트 다운을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 주변회로를 간소화할 수 있다.

또한, 추정 속도 비교기(42)에는 히스테리시스를 구비하도록 해도 좋다. 즉, 추정 속도 비교기(42)에 있어서, 회전 각도 추정치 ω^~가 증가 방향으로 변화되는 경우의 기준치 ω_R의 값과, 회전 각도 추정치 ω^~가 감소 방향으로 변화되는 경우의 기준치 ω_R의 값을 상이하게 해도 좋다.

또한, 상기의 설명에서는, 추정 회전 각도 기준치 ω_R이 하나인 경우에 대하여 설명했지만, 추정 회전 각도 기준치를 몇 개 설정하여, 각각의 회전 속도 영역에 있어서 모터 정수의 보상시 또는 비보상시의 절환을 실행해도 좋다.

또한, 모터 권선 저항 뿐만 아니라, 인덕턴스나 유기 전압 정수 등 기타의 모터 정수에도 본 발명을 적용하는 것이 가능하다.

(실시형태 10)

모터 정수 보상부의 다른 구성을 도 18에 나타낸다. 본 실시형태에서는, 토크 변동량을 검출하여, 그 변동량이 기준치 이하인 영역에 있어서만 모터 정수의 보상을 실행한다. 즉, 토크 변동량에 따라서 모터 정수 보상 동작의 온/오프를 절환한다.

도 18에 나타내는 바와 같이, 모터 정수 보상부(112b)는 토크 변동 검출부(51), 토크 변동 비교기(52), 및 모터 정수 보상 연산부(121)을 포함한다. 토크 변동 검출부(51)는 회전 각도 추정치 ω^~에 따라서 토크 변동 검출치 △τ를 검출한다. 토크 변동 비교기(52)는, 토크 변동 검출치 △τ와 토크 변동 기준치 △τ_R을 수신하여 비교한다. 모터 정수 보상 연산부(121)는, 토크 변동 비교기(52)의 출력 신호에 따라서 모터 정수의 보상을 실행한다.

이어서, 모터 정수로서 모터 권선 저항치 R^~를 보상하는 경우의 동작에 대하여 설명한다.

토크 변동 검출부(51)의 출력 신호인 토크 변동 검출치 △τ는, 회전 각도 추정치 ω^~에 따라서 식 (15)와 같이 도출된다. 또한, 토크 변동 비교기의 출력 신호 ε_τ는, 토크 변동 검출치 △τ와 토크 변동 기준치 △τ_R로부터 식 (16)과 같이표시된다. 모터 정수 보상 연산부(121)의 출력치 R_out는, 토크 변동 비교기의 출력 신호 ε_τ에 따라서 식 (37)과 같이 표시된다.

여기서, R^~는 식 (35)에 의해서 표시되는 모터 권선 저항 보상치, R_n은 공칭 값이다.

상기 식으로부터, 토크 변동 검출치 △τ가 토크 변동 기준치 △τ_R이하인 영역에 있어서만 모터 정수의 보상을 실행한다.

또한, 토크 변동 비교기(52)에는 히스테리시스를 구비하도록 해도 좋다.

또한, 상기의 설명에서는, 토크 변동 기준치 △τ_R이 하나인 경우에 대하여 설명했지만, 토크 변동 기준치를 몇 개 설정하여, 각각의 영역에 있어서 모터 정수의 보상시 또는 비보상시의 절환을 실행해도 좋다.

이상으로부터, 모터 정수의 보상에 따르는 연산 시간을 필요한 최소한까지 단축하고, 연산장치의 부하 용량을 최대한 경감시키고, 또한 대폭으로 코스트 다운을 도모할 수 있다.

(실시형태 11)

실시형태 8∼10에 있어서, 모터 정수 보상부(112)에 있어서의 모터 정수의 보상 동작 온/오프의 절환시의 제어에 대하여 도 19를 이용하여 설명한다.

본 실시형태에서는, 실시형태 8∼10의 모터 정수의 보상 동작에 있어서, 모터 정수(모터 권선 저항치)의 비보상시(보상 동작 오프시)로부터 보상시(보상 동작 온시)로 절환되는 경우, 도 19에 나타내는 바와 같이, 모터 정수 보상 절환을 위한 유예 기간을 설정한다. 이에 따라서, 급격한 모터 정수의 변화를 억제하여, 모터 정수가 불연속하게 되는 것을 방지한다.

구체적으로는, 비보상시의 모터 권선 저항치를 R_off, 보상시의 모터 권선 저항치를 R_on, 모터 권선 저항치의 현재 값을 R_now라고 하면, 비보상시로부터 보상시로 절환되는 경우, 모터 정수 보상 연산부(121)로부터 출력되는 모터 권선 저항치의 현재 값 R_now는 식 (38)로서 표시된다.

여기서, △R은 소정의 미소량이다. 모터 정수 보상 연산부(121)로부터의 출력은, 유예 기간에 있어서는 보상시의 값 R_on에 접근하도록 △R씩 서서히 변화되고, R_now=R_on의 조건을 만족시킨 단계에서 보상시의 값 R_on으로 절환된다.

역으로, 보상시로부터 비보상시로 절환되는 경우, 모터 정수 보상 연산부(121)로부터 출력되는 모터 권선 저항치의 현재 값 R_now는 식 (39)로 표시된다.

즉, 모터 정수 보상 연산부(121)로부터의 출력은, 유예 기간에 있어서는 비보상시의 값 R_off에 접근하도록 △R씩 서서히 변화되고, R_now=R_off의 조건을 만족시킨 단계에서 비보상시의 값 R_off로 절환된다.

또한, 모터 정수 보상 절환을 위한 유예 기간으로서 일정한 기간을 정하고, 그 일정 기간내만 모터 권선 저항치를 단계적으로 변화시키도록 해도 좋다.

이상의 구성에 의해서, 모터 정수의 보상 동작의 온/오프 절환에 따르는 제어 안정성 및 신뢰성의 향상을 도모할 수 있고, 모터의 난조 및 탈조(脫調)를 방지할 수 있다.

(실시형태 12)

본 실시형태에서는, 동기 릴럭턴스 모터의 전압 포화율을 검출하고, 전압 포화율이 소정치보다도 높을 때에 포화를 회피하기 위하여, 목표 속도를 저하시키는 제어를 실행한다.

도 20에 본 실시형태의 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치의 구성을 나타낸다. 본 실시형태의 제어장치는, 실시형태 1의 제어장치의 구성에 추가하여, 동기 릴럭턴스 모터(4)의 전압 지령치로부터 전압 포화의 정도(전압 포화율)을 도출하는 전압 포화 식별부(31)를 구비하고 있다.

전압 포화 식별부(31)는 다음 식을 이용하여 전압 포화율 σ_vol을 구한다.

여기서, V_R은 기준 전압(전압 포화율이 100％로 되는 경우의 전압 설정치), V_γ ^*, V_δ ^*는 γδ축 전압 지령치이다. 또한, V_γ ^*, V_δ ^*에 대해서는, 식 (6)으로써 도출한다.

전압 포화 식별부(31)는 상기 식 (40)으로써 취득한 전압 포화율 σ_vol과, 미리 설정된 전압 포화율 설정치 σ_R을 비교하여, 그 비교 결과를 속도 제어 연산부(14)에 출력한다.

속도 제어 연산부(14)는, 전압 포화 식별부(31)로부터의 비교 결과에 따라서 σ_vol σ_R인 경우에, 외부로부터 인가되는 회전 속도 목표치 ω^*를 저감한다. 예로서, 다음 식 (41)에 의해서 새로운 회전 속도 목표치 ω^*를 저감한다.

ω^*＝ω^*×a(a <1) (41)

속도 제어 연산부(14)는 전압 포화율이 기준치보다도 작아질 때까지 회전 속도 목표치 ω^*를 저감하고, 그 저감한 값을 이용하여 전류 지령치를 구해 간다.

또한, 전압 포화가 발생하는 운전 영역(주로 고속 영역)에서는, V_γ ^*, V_δ ^*는 회전 속도(동기 모터, 동기 릴럭턴스 모터에서는, 회전 속도 목표치≒모터 실제 회전 속도가 된다)에 대체로 비례하므로(예로서 식 (33)을 참조), 회전 속도 목표치를 낮춤으로써, 상기 식 (40)에 의해서 도출되는 전압 포화율을 저하시킬 수 있다.

이상과 같이, 과잉의 전압 포화를 피함으로써, 위치ㆍ속도 추정 연산부에 있어서의 추정 위치 θ^~의 오차가 커지는 것을 회피하여, 탈조를 방지할 수 있다.

(실시형태 13)

도 21에 본 실시형태의 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치의 구성을 나타낸다. 본 실시형태의 제어장치는, 실시형태 1의 제어장치의 구성에 추가하여, 동기 릴럭턴스 모터(4)의 전압 지령치로부터 전압 포화의 정도(전압 포화율)를 도출하는 전압 포화 식별부(31)와, 인버터(3)에 입력되는 직류 전압(이하 「인버터 직류 전압」이라고 한다.)을 검출하는 DC 전압 검출부(33)와, 인버터 직류 전압의 리플을 상쇄하도록 모터 전압 지령치를 보정하는 모터 전압 보정부(35)를 구비하고 있다.

전압 포화 식별부(31)는 동기 릴럭턴스 모터(4)의 전압 지령치로부터 전압 포화율을 도출하고, 이 도출된 값과, 미리 설정된 전압 포화율 설정치를 비교하여, 그 비교 결과를 속도 제어 연산부(14)에 출력한다. 이 때, 전압 포화 식별부(31)에 있어서 전압 포화율 설정치는 인버터 직류 전압의 맥동(脈動)에 따라서 보정된다. 즉, 전압 포화 식별부(31)는 DC 전압 검출부(33)로부터 인버터 직류 전압의 검출치를 수신하여, 인버터 직류 전압의 맥동에 따라서 전압 포화율 설정치를 보정한다.이에 따라서, 인버터 직류 전압의 맥동 분을 고려한 전압 포화시의 보호 제어를 실현한다. 전압 포화율 설정치의 보정치 σ_Rh은 다음 식으로써 구한다.

여기서, σ_R은 미리 설정된 전압 포화율 설정치, Ⅴ_o은 미리 설정된 인버터 직류 전압의 기준치이다.

모터 전압 보정부(35)는, 전류 제어 연산부(17)로부터의 모터 보정 전압 지령치를 DC 전압 검출부(33)에 의해서 검출된 인버터 직류 전압 Ⅴ_dc에 따라서 보정하고, 이에 따라서 모터 전류 파형의 찌그러짐을 저감시킨다. 모터 전압 지령의 보정치 V_jh ^*는 다음 식에 의해서 구하여진다.

여기서, j=u, v, w이고, V_j ^*는 전류 제어 연산부(17)로부터 도출하는 모터 전압 지령치, Ⅴ_dc는 DC 전압 검출부(33)로부터 검출된 인버터 직류 전압의 값, Ⅴ_o은 미리 설정된 인버터 직류 전압의 기준치(인버터 직류 전압의 최대치에 설정)이다.

속도 제어 연산부(14)는, 전압 포화 식별부(31)로부터의 출력에 따라서, 전압 지령치로부터 도출된 전압 포화율이 전압 포화율 설정치 이상인 경우에만, 외부로부터 인가되는 회전 속도 목표치를 저하시키고, 이 저하된 목표치에 따라서 전류 지령치를 구한다.

이상과 같이 인버터 직류 전압 Ⅴ_dc에 따라서 모터 보정 전압 지령 및 전압 포화율 설정치를 보정하는 것은 다음의 이유에 의한 것이다.

일반적으로 인버터 직류 전압은, 도 22에 나타내는 바와 같이 교류 전원 주파수의 2배의 주파수로 맥동하고, 그 전압 변동 폭 △Ⅴ_dc는 부하 요소가 발생하는 부하 토크에 비례하여 커진다. 그 때문에, 도 22의 사선부의 부분 만큼 실제의 모터 인가 전압이 적어지고, 모터 전류 파형에 찌그러짐이 발생한다.

따라서, 모터 전압 지령치 V_j ^*에 관하여, 식 (43)에 나타내는 바와 같이 인버터 직류 전압 검출치를 이용하여, 인버터 직류 전압의 맥동에 기인하는 전압 부족분을 보정함으로써, 실제의 모터 인가 전압을 지령대로의 필요로 하는 값으로 할 수 있다.

여기서, 모터 보정 전압 지령(모터 인가 전압)이 가장 커지는 것은 도 22에 있어서, 인버터 직류 전압이 최소치(Ⅴ_o-△Ⅴ_dc)로 되는 경우이다. 모터 보정 전압 지령(모터 인가 전압)의 최대치 V_{jh_max} ^*는 식 (44)와 같이 표시된다.

여기서, j=u, v, w이다.

이 때의 전압 포화율 σ_{vol max}는 식 (44)의 모터 보정 전압 지령치의 최대치를 3상-2상 변환함으로써 식 (45)와 같이 도출할 수 있다.

상기 식은, 인버터 직류 전압의 맥동을 보정함으로써, 모터 전압 지령치가 커지고, 그 결과, 전압 포화율이 커지는 것을 나타내고 있다. 즉, 전압 포화율 설정치 σ_R이 일정한 경우, 인버터 직류 전압의 맥동을 보정함으로써, 전압 포화의 보호 제어에 이행하기 쉬워져서, 고속 영역에서의 구동 성능이 저하한다.

따라서, 고속 영역에 있어서 구동 성능의 저하를 방지하기 위해서는, 상기의 식 (42)와 같이 전압 포화율 설정치 σ_R도 인버터 직류 전압의 맥동에 따라서 보정할 필요가 있다. 이와 같이, 전압 포화율 설정치 σ_R을 보정함으로써 구동 성능을 저하시키지 않고 고속 운전이 실현되고, 모터 전류 파형의 찌그러짐이 저감함으로써 효율이나 제어 안정성이 향상되고, 또한 고속 운전이 실현 가능하게 된다.

또한, AC/DC 변환기(2)의 전압 제어에 의해서, DC 전압이 240V(50rps일 때)로부터 280V(100rps일 때)로 설정이 변경되는 경우 등, 운전 조건(예로서 속도 영역등)에 따라서 인버터 직류 전압의 값이 변화되는 경우에는, 상기의 인버터 직류 전압 기준치 Ⅴ_o에는 미리 설정된 고정치가 아니고, 실제의 DC 전압 검출치의 평균치, 또는 AC/DC 변환기(2)의 전압 설정치를 이용하여, 인버터 직류 전압의 맥동을 보정해도 좋다.

상기 구성에 의해서, 실제의 모터 인가 전압을 지령된 대로 모터 전류 파형의 찌그러짐을 저감함으로써, 효율 향상, 소음 진동의 저감, 제어 안정성의 향상(추정 위치의 오차: 소)등의 이점이 생길 뿐만 아니라, 전압 포화 설정치도 동시에 인버터 직류 전압의 맥동에 따라서 보정함으로써, 고속 영역에 있어서 동등 이상의 구동 성능을 실현하는 것이 가능하다.

본 발명을, 특정한 실시형태에 대하여 설명하였지만, 당업자에게 있어서는 기타의 많은 변형예, 수정, 기타의 이용이 있을 수 있는 것은 명확하다. 이러한 이유로 인하여, 본 발명은, 여기서의 특정한 개시에 한정되지 않고, 첨부의 청구의 범위에 의해서만 한정될 수 있다.

Claims

동기 릴럭턴스 모터의 제어장치로서,

동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선에 흐르는 모터 전류를 검출하는 전류 검출수단과,

그 전류 검출수단에 의한 검출치와, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선에 인가하는 전압의 지령치인 전압 지령치로부터, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 유기 전압을 추정하고, 그 유기 전압의 추정치에 따라서 상기 동기 릴럭턴스 모터의 로터 위치 및 회전 속도의 추정치를 결정하는 위치ㆍ속도 추정수단과,

그 위치ㆍ속도 추정수단에 의한 회전 속도의 추정치와, 외부에서 인가되는 회전 속도의 목표치와의 오차를 제로가 되도록, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선에 공급하는 전류 지령치를 결정하는 속도 제어수단과,

미리 설정된 동기 릴럭턴스 모터의 전류 위상각에 따라서, 상기 속도 제어수단으로부터의 전류 지령치를, 그 토크 전류 성분인 토크 전류 지령치와 계자 전류 성분인 계자 전류 지령치로 분배하는 분배수단과,

상기 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소가 발생하는 부하 토크를 상기 동기 릴럭턴스 모터의 출력 토크와 일치시키도록, 상기 분배수단으로부터의 토크 전류 지령치와, 상기 위치ㆍ속도 추정수단으로부터 취득한 회전 속도의 추정치에 따라서 상기 토크 전류 지령치를 보정하는 토크 전류 보정수단과,

그 토크 전류 보정수단으로부터의 토크 전류 지령치의 보정치 및 상기 분배수단으로부터의 계자 전류 지령치와, 상기 전류 검출수단으로부터 취득한 상기 모터 전류 검출치와의 오차를 제로가 되도록 전압 지령치를 생성하는 전류 제어수단과,

그 전압 지령치에 따라서 상기 동기 릴럭턴스 모터의 각각의 구동 소자마다 통전 신호를 분배하는 통전 분배수단을 구비한 것을 특징으로 하는 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 토크 전류 보정수단은, 상기 위치ㆍ속도 추정수단으로부터 취득한 회전 속도의 추정치가 소정치 이하인 경우에 토크 전류 지령치의 보정을 실행하고, 상기 위치ㆍ속도 추정수단으로부터 취득한 회전 속도의 추정치가 소정치보다 큰 경우에 토크 전류 지령치의 보정을 실행하지 않도록, 토크 전류 지령치의 보정 동작을 절환하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제2항에 있어서, 상기 토크 전류 보정수단은, 상기 토크 전류 지령치의 보정 동작의 실행/비실행의 절환시에 있어서 유예 기간을 설정하고, 그 유예 기간 동안은 상기 토크 전류 지령치를, 절환후의 값으로서 취득한 값에 단계적으로 접근시켜 가는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 토크 전류 보정수단은, 상기 부하 요소가 발생하는 부하 토크의 시간적인 변동량을 검출하는 토크 변동 검출수단을 추가로 구비하고, 그 토크 변동 검출수단에 의해서 검출된 토크 변동량이 소정치보다도 큰 경우에 토크전류 지령치의 보정을 실행하고, 검출된 토크 변동량이 소정치 이하인 경우에 토크 전류 지령치의 보정을 실행하지 않도록, 토크 전류 지령치의 보정 동작을 절환하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제4항에 있어서, 상기 토크 변동 검출수단은, 시간적으로 연속하는 전후의 사이클에 있어서의 회전 속도의 추정치의 오차에 따라서 토크 변동량을 검출하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제4항에 있어서, 상기 토크 전류 보정수단은, 상기 토크 전류 지령치의 보정 동작의 실행/비실행의 절환시에 있어서 유예 기간을 설정하고, 그 유예 기간 동안은 상기 토크 전류 지령치를, 절환후의 값으로서 취득한 값에 단계적으로 접근시켜 가는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 속도 제어수단은, 상기 토크 전류 지령치가 보정될 때에, 상기 위치ㆍ속도 추정수단으로부터 취득한 회전 속도의 추정치의 시간적인 평균치를 연산하는 평균 연산수단과, 그 연산된 평균치와 상기 회전 속도의 목표치와의 오차가 제로가 되도록 상기 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터 권선에 공급하는 전류 지령치를 생성하는 지령 연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제7항에 있어서,

상기 평균 연산수단은, 상기 토크 전류 지령치의 보정 동작시에 있어서 상기 회전 속도의 추정치의 평균치를 출력하고, 상기 토크 전류 지령치의 비보정시에는 상기 위치ㆍ속도 추정수단으로부터 취득한 회전 속도의 추정치를 출력하고, 또한

상기 평균 연산수단은, 상기 토크 전류 지령치의 보정 동작의 절환시에 있어서 유예 기간을 설정하여, 그 유예 기간 동안은 평균 연산수단의 출력을, 절환후의 값으로서 취득한 값에 단계적으로 접근시켜 가는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 전류 제어수단은, 상기 토크 전류 지령치 또는 상기 토크 전류 지령치의 보정치, 및 계자 전류 지령치에 대하여, 2상 전류 지령치로부터 3상 전류 지령치로 좌표 변환을 실행하고, 상기 3상 전류 지령치와 상기 모터 전류 검출치와의 전류 오차를 제로로 하기 위하여 전압 지령치를 생성하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항에 있어서, 상기 위치ㆍ속도 추정수단은, 상기 전류 검출수단으로부터 취득한 모터 전류의 검출치와, 상기 전압 지령치로부터, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 유기 전압을 추정하는 유기 전압 추정수단과,

상기 동기 릴럭턴스 모터의 모터 모델을 내부에 구비하고, 상기 모터 모델로부터 유기 전압을 생성하는 유기 전압 생성수단과,

상기 유기 전압 추정수단으로부터 취득한 유기 전압 추정치와, 상기 유기 전압 생성수단으로부터 취득한 유기 전압치와의 전압 오차를 제로로 하기 위하여, 상기 유기 전압 추정치를 수정하는 위치 오차 수정수단을 구비한 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제10항에 있어서, 상기 유기 전압 추정수단은, 상기 회전 속도의 추정치와, 상기 전압 지령치와, 상기 모터 전류의 검출치를 이용하여 상기 동기 릴럭턴스 모터의 모터 정수를 보상하는 모터 정수 보상수단을 구비한 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제11항에 있어서, 상기 모터 정수 보상수단은, 상기 회전 속도의 추정치가 기준치보다도 큰 경우에 상기 모터 정수의 보상 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제12항에 있어서, 상기 모터 정수 보상수단은, 모터 정수의 보상 동작의 실행/비실행의 절환시에 있어서 유예 기간을 설정하고, 그 유예 기간 동안은 모터 정수를, 절환후의 값으로서 취득한 값에 단계적으로 접근시켜 가는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제11항에 있어서,

상기 부하 요소가 발생하는 부하 토크의 시간적인 변동량을 검출하는 토크 변동 검출수단을 추가로 구비하고,

상기 모터 정수 보상수단은, 상기 토크 변동 검출수단으로부터의 토크 변동량이 기준치 이하인 경우에, 상기 모터 정수의 보상 동작을 실행하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제14항에 있어서, 상기 모터 정수 보상수단은, 모터 정수의 보상 동작의 실행/비실행의 절환시에 있어서 유예 기간을 설정하고, 그 유예 기간 동안은 모터 정수를, 절환후의 값으로서 취득한 값에 단계적으로 접근시켜 가는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항에 있어서,

동기 릴럭턴스 모터의 전압 지령치로부터 전압 포화의 정도를 나타내는 전압 포화율을 도출하고, 그 전압 포화 식별수단으로부터의 전압 포화율을 소정치와 비교하여, 그 비교 결과를 출력하는 전압 포화 식별수단을 추가로 구비하고,

상기 속도 제어수단은, 그 전압 포화 식별수단으로부터의 출력에 따라서, 전압 포화율이 상기 소정치 이상인 경우에, 외부로부터 인가되는 회전 속도 목표치를 저하시키고, 그 저하시킨 값에 따라서 전류 지령치를 결정하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항에 있어서,

동기 릴럭턴스 모터를 구동하는 교류 전압을 공급하는 인버터에의 입력 전압인 직류 전압을 검출하는 DC 전압 검출수단과,

상기 직류 전압의 맥동을 상쇄하도록 모터 전압 지령치를 보정하는 모터 전압 보정수단과,

모터 보정 전압 지령치로부터 전압 포화의 정도인 전압 포화율을 도출하고, 그 도출한 전압 포화율과 소정치를 비교하여, 그 비교 결과를 출력하는 전압 포화 식별수단을 추가로 구비하고,

그 전압 포화 식별수단은 상기 소정치를 상기 DC 전압 검출수단에 의해서 검출된 직류 전압의 맥동에 따라서 보정하고,

상기 속도 제어수단은, 상기 전압 포화 식별수단으로부터의 출력에 따라서, 도출한 전압 포화율이 상기 소정치 이상인 경우에, 외부로부터 인가되는 회전 속도 목표치를 저하시키고, 그 저하시킨 값에 따라서 전류 지령치를 결정하는 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 로터가 영구자석을 구비한 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제18항에 있어서, 상기 영구자석은, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 정격 부하에 있어서의 브레이크 토크를 상쇄하는데에 필요한 최소한의 자석량만 구비하는 것을특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 스테이터는 집중 권선 스테이터인 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 동기 릴럭턴스 모터의 부하 요소는 적어도 로터리 압축기 또는 스크롤 압축기의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 동기 릴럭턴스 모터의 제어장치.