KR101053315B1 - 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치 - Google Patents

Abstract

인버터에 의해 구동되는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치로서, 주어진 토크 지령 T*로부터 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 생성하는 전류 지령 생성부(10)와, 전동기의 전류가 전류 지령에 일치하도록 동작하는 전류 제어부(20)를 구비하고, 전류 지령 생성부는 토크 지령을 사용하여 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 생성하는 d축 기본 전류 지령 생성부(11)와, 이 전류 지령 id1*을 입력으로 하고, 제로 이하로 제한한 값을 제2 d축 기본 전류 지령 id2*로서 출력하는 리미터부(12)와, 이 전류 지령 id2*을 d축 전류 지령 보정값 dV에 따라 보정한 값을 d축 전류 지령 id*로서 출력하는 d축 전류 지령 보정부(14)와, d축 전류 지령 id*로부터 q축 전류 지령 iq*을 생성하는 q축 전류 지령 생성부(15)를 구비하고, 간단하고 쉬운 연산식으로 최대 토크 제어를 실현할 수 있는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 생성한다.

Description

영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치{PERMANENT MAGNET SYNCHRONIZATION MOTOR VECTOR CONTROL DEVICE}

본 발명은 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치에 관한 것으로, 특히 최대 토크 제어를 실현할 수 있는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 간단하고 쉬운 수식을 사용하여 얻을 수 있는 전류 지령 생성부를 구비한 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치에 관한 것이다.

인버터를 사용하여 영구자석 동기 전동기를 벡터 제어하는 기술에 대해서는 산업계에서 넓게 사용되고 있는 기술이며, 인버터 출력 전압의 크기와 위상을 개별적으로 조작하는 것에 의해 전동기 내의 전류 벡터를 최적으로 조작하여 전동기의 토크를 고속으로 순간 제어하는 것이다.

영구자석 동기 전동기는 유도 전압기와 비교해서, 영구자석에 의한 자속이 확립되어 있기 때문에 여자 전류가 불필요한 것이나, 회전자(回轉子)에 전류가 흐르지 않기 때문에 2차 동(銅) 손실이 발생하지 않는 것 등으로 인하여 고효율의 전동기로 알려져 있어, 최근 전기차의 제어 장치로의 적용이 검토되고 있다.

영구자석 동기 전동기 중, 최근 주목을 끌고 있는 매입 자석 영구자석 동기 전동기(Interior permanent magnet synchronous machine, 이하 IPMSM이라 약기함) 는 영구자석에 의한 자속에 의해 발생하는 토크 외에, 회전자의 자기 저항의 차이를 사용한 릴럭턴스 토크(reluctance torque)를 사용하는 것에 의해 효율적으로 토크를 얻는 것이 알려져 있다.

그러나 IPMSM은 어떤 토크를 발생시키는 d축 전류, q축 전류의 조합이 무수히 존재하는 것이 알려져 있다. 또한, d축 전류, q축 전류 각각의 크기를 얼마로 할지, 즉 전류 벡터를 어떻게 선택하는지에 따라서, 전동기에 흐르는 전류의 크기나 역률, 철 손실, 동 손실 등의 전동기의 특성이 크게 변화하는 것이 알려져 있다. 이로 인하여, IPMSM을 효율적으로 운전하기 위해서는 용도에 따른 적절한 전류 벡터를 선택하여 운전할 필요가 있다. 즉, 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치에 있어서는 전동기에 흐르는 전류 벡터를 이하에 기술하는 원하는 조건을 만족하도록 순간 제어하기 위한 적절한 전류 지령을 생성할 필요가 있어, 토크 지령으로부터 전류 지령을 생성하는 전류 지령 생성부를 어떻게 구성할지가 시스템 구성상 중요하게 된다.

전류 지령의 선택 방법으로는 전동기의 효율을 최대로 하는 방법, 전동기의 역률을 1로 하는 방법, 어떤 쇄교(鎖交) 자속에 대해 얻어지는 토크를 최대로 하는 방법, 어떤 전동기 전류에 대해 얻어지는 토크를 최대로 하는 방법 등이 존재하지만, 전기차의 제어 장치로의 적용시에는 어떤 전류에 대해 얻어지는 토크를 최대로 하는 방법(이하, 최대 토크 제어라고 호칭함)이 전동기의 고효율 운전을 가능하게 하면서 인버터의 전류 정격을 최소로 할 수 있고, 이에 의해 인버터의 손실도 최소화할 수 있기 때문에 최적이다.

관련된 종래 기술로는 전동기의 여러 가지 토크에 대응하는 d축 전류 id, q축 전류 iq의 최적값을 사전에 측정하여 맵(map)화해 두고, 전동기의 운전 중에 토크 지령에 따라 이 맵을 수시로 참조하여, 토크 지령에 따른 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 얻고, 이것에 전동기의 전류가 일치하도록 전류 제어하는 방법이 특허 문헌 1에 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본 특개 2006-121855호 공보

그러나 맵을 참조하는 방법에 관해서는 맵을 작성하기 위해 여러 가지의 토크로 전동기를 운전하면서 전류를 측정하고, 최적의 d축 전류 id, q축 전류 iq의 조합을 결정하는 작업 단계가 필수로 되어, 맵의 작성에 다대(多大)한 시간이 걸리는데다가, 맵도 용량이 크고 복잡해져서, 맵을 격납하기 위해 큰 메모리 용량이 필요하게 되는 등 실제 벡터 제어 장치로의 실장(實裝)도 용이하지 않아 바람직하지 않다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 맵을 사용하지 않고, 간단하고 쉬운 연산식으로 최대 토크 제어를 실현할 수 있는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 얻을 수 있어, 실제 벡터 제어 장치로의 용이한 실장을 가능하게 하는 전류 지령 생성부를 구비한 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관계된 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치는, 직류 전압을 임의 주파수의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터에 의해 구동되는 영구자석 동기 전동기의 전류를, 상기 전동기의 회전 전기각에 동기하여 회전하는 dq축 좌표상의 양(量)인 d축 전류 id, q축 전류 iq로 분리하여 각각을 제어하는 구성으로 한 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치로서, 주어진 토크 지령으로부터 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 생성하는 전류 지령 생성부와, 상기 전동기의 전류가 상기 전류 지령에 일치하도록 동작하는 전류 제어부를 구비하고, 상기 전류 지령 생성부는 상기 토크 지령을 사용하여 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 생성하는 d축 기본 전류 지령 생성부와, 상기 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 입력으로 하고, 제로 이하로 제한한 값을 제2 d축 기본 전류 지령 id2*로서 출력하는 리미터부와, 제2 d축 기본 전류 지령 id2*을 입력으로 하고, 이 전류 지령 id2*을, 상기 전류 제어부로부터 출력된 d축 전류 지령 보정값 dV에 따라 보정한 값을 d축 전류 지령 id*로서 출력하는 d축 전류 지령 보정부와, 상기 d축 전류 지령 id*로부터 q축 전류 지령 iq*을 생성하는 q축 전류 지령 생성부를 구비하고, 상기 토크 지령에 대응한 토크를 최소의 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 생성하도록 한 것이다.

본 발명의 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치에 의하면, 맵을 사용하지 않고, 간단하고 쉬운 연산식으로 최대 토크 제어를 실현할 수 있고, 또한 고속역에서는 약한 자속 제어가 가능하게 되는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 얻을 수 있어, 실제 벡터 제어 장치로의 용이한 실장을 가능하게 한 전류 지령 생성부를 갖는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 토크 곡선과 최소 전류 조건을 나타내는 곡선의 관계를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전류 지령 생성부의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 4는 본 발명의 실시 형태 2에 있어서 전류 지령 생성부의 구성을 나타내는 블록도이다.

부호의 설명

1:컨덴서,

2:인버터,

3, 4, 5:전류 검출기,

6:전동기,

7:리졸버(resolver),

8:전압 검출기,

10:전류 지령 생성부,

11:d축 기본 전류 지령 생성부,

12:리미터부,

13:절대값 회로,

14:가산기(d축 전류 지령 보정부)

15, 15A:q축 전류 지령 생성부,

20:전류 제어부,

100:벡터 제어 장치.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 실시 형태 1의 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치의 메인 회로는 직류 전원이 되는 컨덴서(1), 컨덴서(1)의 직류 전압으로부터 임의 주파수의 교류 전압으로 변환하는 인버터(2), 영구자석 동기 전동기(이하, 간단히 전동기라고 칭함)(6)로 구성되어 있다.

회로상에는 컨덴서(1)의 전압을 검출하는 전압 검출기(8), 인버터(2)의 출력선의 전류 iu, iv, iw를 검출하는 전류 검출기(3, 4, 5)가 배치되고, 전동기(6)에는 로터 위치 정보 θm을 검출하는 리졸버(7)가 배치되어 있고, 각각의 검출 신호는 벡터 제어 장치(100)에 입력되어 있다.

또한, 리졸버(7) 대신에 인코더를 사용해도 되고, 리졸버(7)로부터 얻어지는 위치 신호 대신에, 전압, 전류로부터 위치 신호를 연산하여 구하는 위치 센서리스 방식을 사용해도 되고, 이 경우 리졸버(7)는 불필요하게 된다. 즉, 위치 신호의 취득은 리졸버(7)를 사용하는 것으로 한정되지 않는다.

또, 전류 검출기(3, 4, 5)에 관하여, 최저 2상으로 설치되어 있으면 나머지 1상의 전류는 연산하여 구하는 것이 가능하기 때문에, 그와 같이 구성해도 되고, 인버터(2)의 직류측 전류로부터 인버터(2)의 출력 전류를 재현하여 취득하는 구성해도 된다.

인버터(2)에는 벡터 제어 장치(100)에 의해 생성되는 게이트 신호 U, V, W, X, Y, Z가 입력되고, 인버터(2)에 내장되는 스위칭 소자가 PWM 제어된다. 인버터(2)는 전압형 PWM 인버터가 바람직하고, 그 구성은 공지의 사실이므로 상세한 설명은 할애한다.

벡터 제어 장치(100)에는 도시하지 않은 상부의 제어 장치로부터 토크 지령 T*가 입력되는 구성으로 되어 있고, 벡터 제어 장치(100)는 토크 지령 T*에 전동기(6)의 발생 토크 T가 일치하도록 인버터(2)를 제어하는 구성으로 되어 있다.

다음에, 벡터 제어 장치(100)의 구성을 설명한다.

벡터 제어 장치(100)는 전류 지령 생성부(10), 전류 제어부(20)로 구성되어 있다.

전류 지령 생성부(10)는 본 발명의 중심을 이루는 부분이며, 토크 지령 T*과, d축 전류 지령 보정량 dV를 입력으로 하여, d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 생성하는 기능을 갖는다. d축 전류 지령 보정량 dV는 고속 회전 영역에서 전동기(6)의 유기(誘起) 전압이 인버터(2)의 출력 가능한 최대 전압을 초과하지 않도록, 약한 자속 운전을 실시하기 위해 d축 전류 지령을 보정하기 위한 양이다.

d축 전류 지령 보정량 dV의 산출 방법의 일례로는 전동기(6)로의 전압 지령이 어느 설정값을 초과한 경우에, 초과량에 따라 d축 전류 지령 보정량 dV(제로 이 하의 값을 취함)를 발생시키는 등의 공지 기술이 존재하지만, 여기서 그 구체적 구성은 묻지 않기 때문에 설명은 생략한다.

또한, 이 전류 지령 생성부(10)는 본 발명의 중심적인 부분이므로 자세한 것은 후술한다.

전류 제어부(20)는 인버터(2)의 직류 전압 EFC, 전동기(6)의 위치 정보 θm이 입력되고, 인버터(2)의 출력측에서 검출한 3상 정지축상의 전동기 전류 iu, iv, iw를, 전동기의 회전 전기각에 동기하여 회전하는 dq 좌표상의 양으로 변환한 전류인 d축 전류 id, q축 전류 iq로 변환한다. 그리고, 이 d축 전류 id, q축 전류 iq가, 전류 지령 생성부(10)에서 생성한 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*에 각각 일치하도록 인버터(2)로의 게이트 신호 U, V, W, X, Y, Z의 온 오프를 결정하는 기능을 갖는다. 또한, 전류 제어부(20)의 구성에 대해서는 많은 공지 기술을 적용할 수 있으므로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.

이하에, 본 발명의 중심인 전류 지령 생성부(10)의 구성을 이해하는데 있어서 필요한 기본 원리를 설명한다.

어떤 전류로 최대 토크를 얻는 최대 토크 제어를 실현하기 위한 d축 전류 id, q축 전류 iq의 조건(이하, 최소 전류 조건이라고 칭함)은 이미 공지된 이하의 식 (1)과 같다.

[식 1]

여기서, Ld는 d축 인덕턴스(H), Lq는 q축 인덕턴스(H), φa는 영구자석 자속(Wb), id는 d축 전류(A), iq는 q축 전류(A)이다.

식 (1)의 관계를 만족하도록 d축 전류 id, q축 전류 iq를 결정하는 것에 의해, 어떤 토크 T를 발생시키는 경우에 있어서, id, iq로 이루어진 전류 벡터의 크기를 최소로 할 수 있다. 즉, 전동기(6)의 전류의 크기를 최소로 할 수 있다.

한편, 전동기(6)가 발생시키는 토크 T를 나타내는 식은 이미 공지된 이하의 식 (2)와 같다.

[식 2]

여기서, Pn은 전동기(6)의 극대수이다.

식 (2)를 q축 전류 iq에 대해 변형하면, 이하의 식 (3)이 된다.

[식 3]

식 (1)과 식 (3)의 연립 방정식을 풀어 id, iq를 구하면, 어떤 토크 T를 최 소 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 id, q축 전류 iq의 조합을 구할 수 있다.

여기서, 식 (1), 식 (3)에 있어서, 토크 T를 토크 지령 T*, d축 전류 id를 d축 전류 지령 id*, q축 전류 iq를 q축 전류 지령 iq*로 바꾸어 읽어, 식 (1), (3)의 연립 방정식을 id*, iq*에 대해 푸는 것에 의해, 상위의 제어부로부터 입력된 토크 지령 T*에 대해, 최소 전류로 토크 지령 T*에 일치된 토크 T를 발생시킬 수 있는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 얻는 것이 이론상은 가능하게 된다.

도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 토크 곡선과 최소 전류 조건을 나타내는 곡선의 관계를 나타내는 도면이다.

도 2에 나타내는 토크 곡선과 최소 전류 조건을 나타내는 곡선의 관계는 가로축을 d축 전류 id, 세로축을 q축 전류 iq로 하여, 식 (1), 식 (3)의 관계를 도시한 것이며, 오른쪽 위에서부터 왼쪽 아래로의 곡선 Tor가, 식 (3)의 토크 T에 역행(力行) 토크로서 T=50Nm ~ 1500Nm을 대입하여 묘화한 토크 곡선이다. 또, 왼쪽 위로부터 오른쪽 아래로의 곡선 Imi가, 식 (1)로 표현되는 최소 전류 조건을 나타내는 곡선이며, 어떤 토크 T를 최소 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 id, q축 전류 iq의 조합을 나타내는 것이다.

어떤 토크 T를 최소 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 id, q축 전류 iq는 도 2에 있어서 식 (1)을 나타내는 곡선 Imi와 식 (3)을 나타내는 곡선 Tor의 교점을 구하는 것에 의해 얻을 수 있다.

또한, 도 2에 있어서, 식 (1), (3) 중의 Pn, Ld, Lq, φa에는 300KW 정도의 전기차 구동용의 전동기를 상정한 정수를 가정하고 있다.

또한, 회생시의 토크 곡선과 최소 전류 조건을 나타내는 곡선은 도 2의 도시하지 않은 제3 상한(象限)에 위치하고, 도 2에 나타내는 역행시의 각 곡선을 가로축에 대해 선대칭이 되도록 묘화한 곡선이 된다. 따라서, 그것을 고려하면, 도 2에 나타낸 역행시의 각 곡선에서 회생시에 대해서도 동양(同樣)으로 생각할 수 있다.

구체적으로, 토크 T로서 역행 토크 1300Nm을 발생시키는 경우의 최소 전류 조건은 id=―200A, iq=237A 정도의 조합으로 되는 것이 도 2로부터 알 수 있으나, 토크 T로서 회생 토크 ―1300Nm을 발생시키는 경우의 최소 전류 조건은 id=―200A, iq=―237A 정도의 조합이 된다.

물론, 회생시의 토크 곡선과 최소 전류 조건을 나타내는 곡선을 역행시와는 별도로 마련하고, 회생 운전시에 있어서 최소 전류 조건을 만족하는 d축 전류 id, q축 전류 iq를 구하는 구성으로 해도 상관없다.

그런데 식 (1)이 나타내는 곡선 Imi와 식 (3)이 나타내는 곡선 Tor의 교점을 구하기 위해서는 식 (1)과 식 (3)의 연립 방정식을 id와 iq에 대해 풀 필요가 있으나, 이 연립 방정식은 4차 방정식이 되어 해(解)를 얻는 것은 곤란하고, 실제 벡터 제어 장치로의 실장은 곤란하다. 이렇기 때문에, 종래 기술에서는 상술한 대로 맵을 사용하여 어떤 토크 T를 최소 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 id, q축 전류 iq를 얻는 구성으로 하고 있는 경우가 많다.

이에 대해, 본 출원의 발명은 토크 T를 최소 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 id, q축 전류 iq를, 맵을 사용하지 않고 간단하고 쉬운 연산식으로 산출하는 것이며, 이하 이 점에 대하여 상술한다.

도 2의 최소 전류 조건을 나타내는 곡선 Imi는 2차 곡선으로 표시되는 것이지만, d축 전류 id, q축 전류 iq가 작은 영역(id>―50A, iq<75A 부근)을 제외하면 거의 직선 형상임을 알 수 있다. 따라서, 최소 전류 조건을 나타내는 곡선을, d축 전류 id, q축 전류 iq가 작은 영역(id>―50A, iq<75A)을 제외한 범위에 있어서 직선 근사한 경우의 근사 직선 Iap를 도 2에 파선으로 나타내고 있다.

도 2에서, 근사 직선 Iap는 거의 최소 전류 조건의 곡선상에 존재하고 있음을 알 수 있다.

본 발명의 대상인 전기차의 제어 용도에서는 d축 전류 id, q축 전류 iq가 작은 영역에 있어서 전동기(6)가 운전되는 케이스는 전기차의 속도를 일정하게 유지할 목적으로 아주 작은 토크로 운전하는 정속 운전 취급시 등으로 한정되고, 그 빈도는 전체 운전 시간 중 얼마 되지 않는다. 이렇기 때문에, 최소 전류 조건을 나타내는 곡선을 직선으로 근사해도, 대부분의 경우는 최소 전류 조건으로 운전되게 되어 실용상의 문제는 없다.

도 2의 최소 전류 조건을 나타내는 곡선의 근사 직선을, 이하의 식 (4)로 둔다.

[식 4]

도 2의 예에서는 기울기 a=―1.0309, 절편(切片) b=30.0으로 되어 있다.

식 (4)의 근사 직선을 사용한 경우, 어떤 토크 T를 최소 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 id, q축 전류 iq는 토크 곡선 Tor와 최소 전류 조건을 나타내는 근사 직선 Iap의 교점을 구하는 것으로 얻어지며, 이들은 상기 식 (3)과 식 (4)의 연립 방정식을 풀면 구하는 것이 가능하다. 이 연립 방정식은 2차 방정식이 되므로 용이하게 푸는 것이 가능하게 된다. 식 (3), 식 (4)를 정리하면, 이하의 식 (5)을 얻는다.

[식 5]

식 (5)에서, d축 전류 id를 구하면, 이하의 식 (6)과 같이 된다.

[식 6]

식 (6)으로부터, 어떤 토크 T를 최소 전류로 발생시킬 수 있는, 즉 최대 토크 제어를 실현하는 d축 전류 id를 얻는 것이 가능하게 된다.

q축 전류 iq는 식 (3)에 id를 대입하는 것에 의해 얻어진다.

또한, 식 (6) 중의 a, b는 도 2에 나타낸 바와 같이, 식 (1)의 최소 전류 조건을 나타내는 곡선의 근사 직선으로부터 미리 구해 두면 된다.

이상이 최대 토크 제어를 실현할 수 있는 전류 벡터, 즉 d축 전류 id, q축 전류 iq의 조합을 얻는 방법의 원리 설명이다.

다음에, 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어에 바람직한, 구체적인 전류 지령 생성부(10)의 구성을 이하에 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 있어서 전류 지령 생성부(10)의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 토크 지령 T*을 절대값 회로(13)를 통하여 얻은 토크 지령 절대값 Tabs*과, 식 (4)로 표시되는 최소 전류 조건을 나타내는 근사 직선의 기울기 a, 절편 b로부터, d축 기본 전류 지령 생성부(11)에 의해 이하의 식 (7)에 기초하여 제1 d축 기본 전류 지령 id1*가 산출된다.

또한, 식 (7)은 식 (6)의 d축 전류 id를 제1 d축 기본 전류 지령 id1*로, 토크 T를 토크 지령 절대값 Tabs*로 각각 치환하여 얻은 것이다.

[식 7]

식 (7)에 의해 산출된 제1 d축 기본 전류 지령 id1*은 리미터부(12)에 입력되고, id1*가 정(正)인 경우, 리미터부(12)의 출력인 제2 d축 기본 전류 지령 id2*은 제로가 되고, id1*가 부(負)이면, 리미터부(12)의 출력인 id2*은 id1*과 동일해진다. 즉, id2*가 제로보다 커지지 않도록 제한하는 기능을 갖는다.

이와 같이, 제2 d축 기본 전류 지령 id2*의 상한값을 제로로 제한하는 것에 의해, 특히 토크 지령 T*가 작은 영역(대체로 50Nm 이하)에 있어서, 도 2의 제1 상 한(도시하지 않음)에 토크 곡선과 최소 전류 조건을 나타내는 근사 직선의 교점이 생겨, 최소 전류 조건으로부터 크게 벗어난 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*가 산출되는 것을 방지할 수 있다.

다른 견해에서 보면, 토크 지령 T*가 작은 영역에 있어서는 자동적으로 공지 기술인 id=0으로 고정하는 제어로 이행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 식 (7)에 있어서, 토크 지령 절대값 Tabs*을 사용하는 것에 의해, 역행 토크, 회생 토크의 어는 것인가를 출력하는 경우에 있어서도, 단일의 식 (7)에서 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 얻는 것이 가능하게 되어 연산의 간이화(簡易化)가 도모된다.

이어서, d축 전류 지령 보정부를 이루는 가산기(14)로 제2 d축 기본 전류 지령 id2*과 d축 전류 지령 보정량 dV의 합을 취한 값을, d축 전류 지령 id*로 한다.

또한, d축 전류 지령 보정량 dV는 전동기(6)의 운전 상태에 따라 제로 이하의 값을 취한다. 이와 같이 하여, 전동기(6)의 회전이 중저속이며, 전동기(6)의 전압이 인버터(2)의 출력 가능한 최대 전압 이하인 경우에는 d축 전류 지령 보정량 dV는 제로가 되어 최소 전류 조건을 만족하는 d축 전류 지령 id*이 얻어지고, 고속 회전 영역에서 전동기(6)의 전압이 인버터(2)의 출력 가능한 최대 전압을 초과하는 상태에 있어서는 d축 전류 지령 보정량 dV에 따라 d축 전류 지령 id*을 감소시켜 가는 것이 가능하게 되어 약한 자속 운전이 가능하게 된다.

마지막으로, q축 전류 지령 생성부(15)에 있어서, 이하의 식 (8)에 d축 전류 지령 id*, 토크 지령 T*을 대입하는 것에 의해 q축 전류 지령 iq*을 얻는다.

또한, 식 (8)은 식 (3)의 d축 전류 id를 d축 전류 지령 id*로, q축 전류 iq를 q축 전류 지령 iq*로, 토크 T를 토크 지령 T*로 각각 치환하여 얻은 식이다.

[식 8]

이와 같이 하여, 본 발명의 실시 형태 1의 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치에 의하면, 맵을 사용하지 않고 간단하고 쉬운 연산식으로 최대 토크 제어를 실현할 수 있고, 또한 고속역에서는 약한 자속 제어가 가능하게 되는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 얻는 것이 가능하게 된다.

이 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*에 전동기(6)의 전류가 일치하도록, 전류 제어기(20)에 의해 제어를 실시하는 것에 의해, 전동기(6)를 최대 토크 제어하는 것이 가능한 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치를 얻는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기에 나타낸 전류 지령 생성부(10) 내의 각 연산식에 사용되고 있는 전동기 정수 Ld, Lq, φa나, 근사 직선의 기울기 a, 절편 b는 임의의 타이밍으로 변경해도 된다.

예를 들어, 전동기(6)의 속도, 토크의 크기, 전류의 크기, 역행/회생 등의 운전 상태에 따라 변경하거나, 토크 지령 T*, d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq* 또는 검출값인 d축 전류 id, q축 전류 iq에 따라 변경하거나 조정하는 것을 생 각할 수 있다.

이와 같이 하면, 도 2에 나타내는 d축 전류 id, q축 전류 iq가 작은 영역(id>―50A, iq<75A 부근)에 있어서도, 보다 정확한 최소 전류 조건을 산출할 수 있는 등, 보다 이상적인 동작점이 얻어진다.

또한, 전동기 정수 Ld, Lq, φa나, 근사 직선의 기울기 a, 절편 b를 변경하거나 조정할 때에는 전동기(6)의 속도, 토크의 크기, 전류의 크기, 토크 지령 T*, d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq* 또는 d축 전류 id, q축 전류 iq의 각 값을 그대로 참조하지 않고, 상기 각 값을 로우패스 필터(low pass filter)나 1차 지연 회로와 같은 지연 요소를 통한 값을 참조하는 구성으로 하는 것이 제어계의 안정성을 확보하는 관점에서 바람직하다. 또, 특히 전동기 정수 Ld, Lq는 자기 포화의 영향을 받아 값이 변화하는 경우가 있으므로 적절히 보정하도록 구성하는 것이 바람직하다.

실시 형태 2.

도 4는 본 발명의 실시 형태 2의 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치에 있어서 전류 지령 생성부(10)의 구성예를 나타내는 도면이다.

여기서는 도 3에 나타낸 실시 형태 1의 구성예와 다른 부분만 설명하고, 동양의 부분은 도 3과 동일한 부호를 붙이고 설명은 생략한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 실시 형태 2의 전류 지령 생성부(10)에 있어서는 도 3의 q축 전류 지령 생성부(15)가, 도 4에서는 q축 전류 지령 생성부(15A)로 변경되어 있다.

q축 전류 지령 생성부(15A)에 있어서, 이하의 식 (9)에 d축 전류 지령 id*, 근사 직선의 기울기 a, 절편 b를 대입하는 것에 의해 q축 전류 지령 iq*을 얻는다.

또한, 식 (9)는 식 (4)의 d축 전류 id를 d축 전류 지령 id*로, q축 전류 iq를 q축 전류 지령 iq*로 각각 치환하여 얻은 식이다.

[식 9]

본 실시 형태 2에 의하면, 식 (9)로부터 q축 전류 지령 iq*을 산출함으로써, 식 (8)로부터 iq*을 연산하는 실시 형태 1과 비교해서, 식 구성이 간단하기 때문에, 연산량을 억제하는 것이 가능하게 되어서 염가의 마이크로컴퓨터를 사용할 수 있다.

이상의 실시 형태에 나타낸 구성은 본 발명의 내용의 일례이며, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략 하는 등 변경하여 구성하는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 상술한 실시 형태에 있어서는 전기차의 제어 장치로의 적용을 고려하여 발명 내용의 설명을 실시하고 있으나, 본 발명의 적용 분야는 이것으로 한정되지 않고, 전기 자동차, 엘리베이터, 전력 시스템 등 여러 가지 관련 분야로의 응용이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면, 맵을 사용하지 않고, 간단하고 쉬운 연산식으로 최대 토 크 제어를 실현할 수 있는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 얻을 수 있어, 실제 벡터 제어 장치로의 용이한 실장을 가능하게 하는 전류 지령 생성부를 구비한 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치를 제공할 수 있다.

Claims (12)

1. 직류 전압을 임의 주파수의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터에 의해 구동되는 영구자석 동기 전동기의 전류를, 상기 전동기의 회전 전기각에 동기하여 회전하는 dq축 좌표상의 양(量)인 d축 전류 id, q축 전류 iq로 분리하여 각각을 제어하는 구성으로 한 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치로서,

   주어진 토크 지령으로부터 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 생성하는 전류 지령 생성부와, 상기 전동기의 전류가 상기 전류 지령에 일치하도록 동작하는 전류 제어부를 구비하고,

   상기 전류 지령 생성부는 상기 토크 지령을 사용하여 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 생성하는 d축 기본 전류 지령 생성부와, 상기 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 입력으로 하고, 이 제1 d축 기본 전류 지령 id1*가 0보다 크거나 같으면 0의 값을, id1*가 0보다 작으면 그 id1*을 제2 d축 기본 전류 지령 id2*로서 출력하는 리미터부와, 상기 제2 d축 기본 전류 지령 id2*을 입력으로 하고, 이 전류 지령 id2*을, 상기 전류 제어부로부터 출력된 d축 전류 지령 보정값 dV에 따라 보정한 값을 d축 전류 지령 id*로서 출력하는 d축 전류 지령 보정부와, 상기 d축 전류 지령 id*로부터 q축 전류 지령 iq*을 생성하는 q축 전류 지령 생성부를 구비하고, 상기 토크 지령에 대응된 토크를 최소 전류로 발생시킬 수 있는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*을 생성하는 것이고,

   상기 d축 기본 전류 지령 생성부는 상기 전동기의 토크와 d축 전류와 q축 전류의 관계를 나타내는 이하 제1 수식의 (1)과, 상기 전동기가 어떤 토크를 최소의 전류로 발생시킬 수 있는 조건을 나타낸 곡선을, d축 전류 id와 q축 전류 iq가 선형 관계로 근사화되는 범위에 있어서 선형 근사한 것으로서, d축 전류와 q축 전류의 관계를 나타낸 기울기 a와 절편(切片) b를 갖는 이하 제1 수식의 (2)와의 교점을 구하는 것에 의해, 상기 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 생성하는 구성으로 하고, 이하 제1 수식의 (3)으로부터 상기 제1 d축 기본 전류 지령 id1*을 생성하는 것을 특징으로 하는 전기차의 제어 장치에 적용되는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치.

   [제1 수식]

   

   

   

   단,

   Tabs*은 토크 지령의 절대값, Ld는 d축 인덕턴스(H), Lq는 q축 인덕턴스(H), φa는 영구자석 자속(Wb), Pn은 전동기의 극대수, a는 상기 제1 수식의 (2)의 기울기, b는 상기 제1 수식의 (2)의 절편이다.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1 수식에 있어서, 식 중의 Ld, Lq, φa, a, b 중 어느 하나는 상기 전동기의 운전 상태 또는, 상기 전동기의 d축 전류 id, q축 전류 iq, 상기 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*, 상기 토크 지령 T*을 포함하는 신호에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 q축 전류 지령 iq*은 상기 d축 전류 지령 id*을 이하의 제2 수식에 대입하여 생성하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치.

   [제2 수식]

   

   단,

   T*은 토크 지령, Ld는 d축 인덕턴스(H), Lq는 q축 인덕턴스(H), φa는 영구자석 자속(Wb), Pn은 전동기의 극대수이다.
5. 삭제
6. 청구항 4에 있어서,

   상기 제2 수식에 있어서, 식 중의 Ld, Lq, φa 중 어느 하나는 상기 전동기의 운전 상태 또는, 상기 전동기의 d축 전류 id, q축 전류 iq, 상기 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*, 상기 토크 지령 T*을 포함하는 신호에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 q축 전류 지령 iq*은 상기 d축 전류 지령 id*을 이하의 제3 수식에 대입하여 생성하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치.

   [제3 수식]

   

   단,

   a는 상기 제3 수식의 기울기, b는 상기 제3 수식의 절편이다.
8. 삭제
9. 청구항 7에 있어서,

   상기 제3 수식에 있어서, 식 중의 a, b 중 어느 하나는 상기 전동기의 운전 상태 또는, 상기 전동기의 d축 전류 id, q축 전류 iq, 상기 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*, 상기 토크 지령 T*을 포함하는 신호에 따라 변경되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 벡터 제어 장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

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