KR101194504B1 - 전류 검출 방법과, 그것을 이용한 인버터 장치나 컨버터 장치 및 이러한 장치를 구비한 모터 구동 장치 및 냉동 공조 기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 과제는 과변조 영역에서도 안정적으로 운전할 수 있는 전류 검출 방법, 그것을 이용한, 인버터 장치나 컨버터 장치, 또한 저비용의 모터 구동 장치, 냉동 공조 기기를 제공하는 것이다.
교류 모터와, 교류 모터를 구동하는 인버터와, 인버터 직류측의 모선 전류 혹은 각 아암 전류를 검출하는 전류 검출 수단과, 검출된 전류 검출치를 사용하여 교류 모터를 제어하는 제어 수단을 구비한 모터 구동 장치에 있어서, 전류 검출 수단으로부터 얻은 전류의 과거 검출치 혹은 상기 제어 수단의 전류 지령치로부터 교류 모터 전류 참고치를 산출하고, 또한 전류 검출 수단으로 교류 모터 전류의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는, 1상분의 전류 검출치와 전류 참고치의 오차를 산출하고, 당해 오차를 사용하여, 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 추정한다.

Description

전류 검출 방법과, 그것을 이용한 인버터 장치나 컨버터 장치 및 이러한 장치를 구비한 모터 구동 장치 및 냉동 공조 기기{CURRENT DETECTING METHOD, INVERTER APPARATUS OR CONVERTER APPARATUS USING THE SAME, AND MOTOR DRIVE DEVICE AND REFRIGERATING AND AIR-CONDITIONING EQUIPMENT HAVING THE ABOVE APPARATUS}
본 발명은 전류 검출 방법에 관한 것으로, 특히 직류를 교류로 변환하는 인버터 장치나 교류를 직류로 변환하는 컨버터 장치 등의 변환 장치에 있어서의 전류의 검출에 적합한 전류 검출 방법에 관한 것이고, 그리고, 이러한 방법을 이용한 인버터 장치나 컨버터 장치, 또한 이러한 장치를 구비한 모터 구동 장치 및 냉동 공조 기기에 관한 것이다. 또한, 이하, 인버터 장치나 컨버터 장치는 이들을 총칭하여 「변환 장치」라고도 한다.
직류를 3상 교류로 변환하는 모터 구동용 인버터 장치나 3상 교류를 직류로 변환하는 컨버터 장치는 산업 기기나 가전 제품의 분야에 있어서 널리 적용되어 있다. 특히, 직류를 3상 교류로 변환하는 모터 구동용 인버터 장치는 에너지 절약 성능과 쾌적성이 중시되는 냉동 공조 기기(예를 들어, 공조기, 냉동 냉장 장치, 급탕기 등)에 있어서, 널리 보급되어 있다.
이들 냉동 공조 기기에서는, 그 비용을 저감시키기 위해, 인버터의 직류 모선 혹은 각 아암에 설치하는 전류 검출 수단(구체적으로는, 션트 저항이나 전류 센서 등)을 사용하여, 이로써, 3상 교류 전류를 재현하는 방법이 많이 채용되어 있다. 또한, 특히, 인버터 장치를 이용한 모터 구동 장치에서는 그 스위칭 소자의 손실 저감(효율 향상)과 모터 구동 범위를 더욱 확대하기 위해, 안정된 과변조 PWM 제어가 요망되고 있다.
그러나, 이하에도 상세하게 서술하지만, 일반적으로, 상술한 과변조 영역에 있어서는, 그 일정 시간 내에서는, 상기 전류 검출 수단에 의해서는, 복수 상(예를 들어, 3상) 중 1상분의 전류밖에 검출할 수 없다고 하는 현상이 발생한다. 그리고, 이러한 현상이 발생하면, 인버터 장치에 의해 생성되는 교류 전류에 있어서의 재현 오차가 커져, 모터 구동 장치에 의한 제어가 불안정해질 우려가 있어, 상술한 과변조 제어를 실제로 채용하는 것은 곤란했다.
또한, 종래의 기술에서는, 예를 들어 이하의 특허 문헌 1에 따르면, 모선 전류로부터 3상 교류 전류를 검출할 수 없을 때의 대책으로서, 3상 전압 지령치의 어느 2개의 값이 근접하여 각 상의 전류를 검출할 수 없는 경우라도, 전회 얻어진 회전 좌표계의 전류를 금회의 회전 좌표계의 전류로 간주하여, 그것에 기초하여 3상 전압 지령치 및 위상을 산출하는 처리 방법이 개시되어 있다.
또한, 이하의 특허 문헌 2에 따르면, 1상분의 전류밖에 검출할 수 없을 때의 교류 전류 재현 처리 방법으로서, 검출할 수 있는 위상에서 이미 검출한 과거의 모터 전류를 이용하는 것도 제안되어 있다.
일본 특허 출원 공개 제2007-312511호 공보 일본 특허 출원 공개 제2004-64903호 공보
그러나, 상술한 종래 기술에서는, 상술한 과변조 영역에 있어서의 변환 장치의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 구간이 길어져 버려, 그로 인해, 3상 교류 전류의 검출 오차가 커져, 제어가 불안정해진다고 하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술에 감안하여 이루어진 것으로, 보다 구체적으로는, 상술한 과변조 영역에 있어서도 3상 교류 전류를 보다 확실하게 구하는 것이 가능한 전류 검출 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고, 또한 그것을 이용함으로써 제어를 안정시키는 것이 가능한 인버터 장치 및 이러한 장치를 구비한 모터 구동 장치 및 냉동 공조 기기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 우선, 3상 교류 모터를 구동하기 위한 모터 구동 장치이며, 상기 3상 교류 모터를 구동하는 인버터와, 상기 인버터의 직류측의 모선 전류로부터 상기 인버터의 각 아암의 전류를 검출하는 전류 검출 수단과, 상기 전류 검출 수단에 의해 검출된 전류 검출치를 사용하여, 상기 3상 교류 모터에 공급되는 전류를 제어하는 제어 수단을 구비하고,
상기 제어 수단은, 상기 3상 교류 모터 전류 중 1상분의 전류만을 검출하는 경우, 1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고, 검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 구동 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 전류 검출치를 사용하여, 상기 교류 모터 전류를 재현하여 모터 회전 좌표로 변환하고, 당해 모터 회전 좌표로 모터 전류 검출치를 모터 전류 지령치와 일치하도록 제어하고, 상기 모터 전류 지령치를 고정 좌표로 역변환함으로써, 상기 교류 모터 전류 참고치를 산출하는 모터 구동 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에서는 상기에 기재한 모터 구동 장치에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단으로부터 얻은 전류 검출치를 사용하여, 상기 교류 모터 전류를 재현하여 모터 회전 좌표로 변환하고, 당해 변환된 전류 신호를 로우 패스 필터 혹은 평균화 수단으로 처리하여, 고정 좌표로 역변환함으로써, 상기 교류 모터 전류 참고치를 산출하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 목적을 달성하기 위해, 입력측이 리액터를 통해 3상 교류 전원에 접속되고, 출력측의 직류 단자 사이에 평활 콘덴서가 접속된 구성의 교류를 직류로 변환하는 컨버터 회로와, 상기 컨버터 회로의 모선 전류 혹은 각 아암 전류를 검출하는 전류 검출 수단과, 상기 전류 검출 수단의 전류 검출치를 사용하여 상기 컨버터 회로를 제어하는 제어 수단을 갖는 컨버터 장치를 구비하는 모터 구동 장치이며,
상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단의 전류 검출치 혹은 상기 제어 수단의 전류 지령치를 사용하여 3상 입력 전류 참고치를 산출하고, 또한,
상기 전류 검출 수단으로 3상 입력 전류의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는, 1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고, 검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하는 모터 구동 장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 목적을 달성하기 위해, 직류측이 직류 전원에 접속되고, 교류측에 리액터를 통해 3상 교류 전원에 접속된 구성의 직류를 교류로 변환하는 인버터 회로와, 상기 인버터 회로의 모선 전류 혹은 각 아암 전류를 검출하는 전류 검출 수단과, 상기 전류 검출 수단의 전류 검출치를 사용하여 상기 인버터 회로를 제어하는 제어 수단을 갖는 계통 연결용 인버터 장치를 구비하는 모터 구동 장치에 있어서,
상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단의 전류 검출치 혹은 상기 제어 수단의 전류 지령치를 사용하여 3상 교류 전류 참고치를 산출하고, 또한,
상기 전류 검출 수단으로 3상 교류 전류의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는, 1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고, 검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하는 모터 구동 장치가 제공된다.
그리고, 본 발명에 따르면, 마찬가지로 상기한 목적을 달성하기 위해, 압축기와, 배관에 의해 상기 압축기에 접속된 열교환기와, 상기 압축기에 내장되는 교류 모터와, 상기 교류 모터를 구동하는 인버터 회로를 구비한 냉동 공조 기기이며, 또한, 상기 인버터 회로는 그 직류측의 모선 전류 혹은 각 아암 전류를 검출하는 전류 검출 수단을 갖고, 또한 당해 전류 검출 수단에 의한 전류 검출치를 사용하여 상기 교류 모터를 제어하는 제어 수단을 구비한 냉동 공조 기기에 있어서,
상기 인버터 회로의 상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단으로부터 얻은 전류의 과거 검출치 혹은 상기 제어 수단의 전류 지령치를 사용하여 교류 모터 전류 참고치를 산출하고, 또한,
상기 전류 검출 수단으로 3상 교류 전류의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는, 1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고, 검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하여, 상기 교류 모터로 3상 교류 전류를 공급하는 냉동 공조 기기가 제공된다.
상술한 본 발명이 되는 전류 검출 방법에 따르면, 과변조 영역에서도 3상 교류 전류를 보다 확실하게 구할 수 있다. 그로 인해, 이것을 이용함으로써, 본 발명에 의해, 안정된 모터 제어가 가능해지므로, 고효율과 고출력을 양립하는 모터 구동 장치가, 또한 냉동 공조 장치를 제공할 수 있다고 하는 우수한 효과를 발휘한다. 또한, 본 발명을 이용함으로써, 복잡한 변조 처리를 사용하지 않고 왜곡(고조파)이나 리플 전류를 저감시켜, 이로써, 그 출력 범위를 확대 가능한 컨버터나 계통 연결 인버터를 제공하는 것이 가능해진다고 하는 우수한 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 전류 검출 방법을 이용한, 일 실시 형태가 되는 모터 구동 장치의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 상기 모터 구동 장치에 있어서의 제어 기능 블록도.
도 3은 상기 모터 구동 장치에 있어서의 속도＆위상 추정기의 구성을 도시하는 기능 블록도.
도 4는 PWM 캐리어파, 3상 변조파, 인버터 직류측의 모선 전류 파형을, 인버터의 통전 모드와 함께 도시하는 파형도.
도 5는 과변조 영역에 있어서의 3상 변조파와 인버터 직류측의 모선 전류 파형을 도시하는, 일부 시간 확대한 파형도.
도 6은 상기 모터 구동 장치에 있어서의 전류 재현 연산기의 구성을 도시하는 기능 블록도.
도 7은 상기 모터 구동 장치에 있어서의 전류 재현 연산 처리의 상세를 도시하는 흐름도.
도 8은 상기 모터 구동 장치의 변형예를 도시하는 제어 기능 블록도.
도 9는 본 발명의 다른 실시 형태가 되는 컨버터 장치의 구성도.
도 10은 상기 컨버터 장치의 제어부의 구성을 도시하는 기능 블록도.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 형태가 되는 계통 연결 인버터 장치의 구성도.
도 12는 본 발명을 적용한 냉동 공조 기기의 구성도.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해, 첨부한 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명이 되는 전류 검출 방법에 대해서는, 이하에 상세하게 서술하고, 그것을 이용한 모터 구동 장치의 설명에 있어서, 상세하게 설명된다.
?모터 구동 장치?
<장치의 구성>
도 1은 본 발명의 일 실시 형태가 되는 3상용 모터를 위한 모터 구동 장치의 구성도로, 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 이 모터 구동 장치는 교류를 직류로 변환하는 컨버터(정류기 등)(2)와, 직류 콘덴서(3)와, 직류를 교류로 변환하는 인버터(4)와, 인버터 직류측의 모선 전류를 검출하는 전류 검출 수단(6)과, 직류 전압을 검출하는 전압 검출 수단(7)과, 제어기(8)를 구비하고 있고, 이로써, 교류 전원(1)으로부터 수전하여 교류 모터(5)를 구동한다. 또한, 인버터 직류측의 모선 전류를 검출하는 전류 검출 수단(6)은, 도면으로부터도 명백한 바와 같이 션트 저항(61)을 포함하고 있다.
<제어의 전체 구성>
상기 모터 구동 장치를 구성하는 제어기(8)는, 예를 들어 마이크로 컴퓨터 혹은 DSP(디지털 시그널 프로세서) 등의 반도체 연산 소자를 사용하여 구성되어 있고, 상기 전류 검출 수단(6)과 전압 검출 수단(7)의 검출 신호를 처리하여, 그 결과, 상기 인버터(4)를 구성하는, 예를 들어 IGBT 등, 반도체 파워 소자의 온/오프 제어 신호를 출력한다.
이 반도체 연산 소자를 사용하여 구성된 제어기(8)의 상세를, 첨부한 도 2의 기능 블록도를 사용하여 설명한다. 또한, 이들의 각 기능은 당해 제어기의 기억 장치 내에 미리 저장된 연산 처리 프로그램에 의해 실현된다. 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 이 제어기(8)는, 소위 벡터 제어에 의해 모터에 인가하는 전압 지령 신호를 연산하여, 인버터의 PWM 제어 신호를 생성하는 것으로, 보다 구체적으로는, d축 전류 지령 발생기(11)와, 속도 제어기(12)와, 전압 지령 제어기(13)와, 전압 2축/3상 변환기(14)와, 속도＆위상 추정기(15)와, 전류 3상/2축 변환기(16)와, 전류 재현 연산기(17)와, PWM 제어기(18)와, 로우 패스 필터(19)와, 전류 2축/3상 변환기(20)를 구비한다.
또한, 이하에는 상술한 기능 블록의 상세에 대해, 상기의 도 2를 참조하면서 설명한다.
<3상 전류 재현과 dq 변환 장치의 구성>
전류 재현 연산기(17)는 상기 모선 전류 검출 수단(6)으로부터의 검출 신호(Ish)와, 3상 전압 지령치(Vu*, Vv*, Vw*) 및 전류 2축/3상 변환기(20)로부터의 3상 교류 전류 신호(Iu_r, Iv_r, Iw_r)를 사용하여, 모터 전류(Iu, Iv, Iw)를 재현한다. 또한, 전류 재현 처리의 상세에 대해서는, 후술한다.
3상/2축 변환기(16)는 재현된 모터 전류와, 추정된 위상 정보(θdc)에 기초하여, 이하의 수학식 1과 같이, dc축 전류(Idc)와 qc축 전류(Iqc)를 변환한다. 또한, dc-qc축은 제어계의 추정축, d-q축은 모터 회전자축이고, d-q축과 dc-qc축의 축 오차는 (Δθc)로 정의한다.
Figure 112010053368156-pat00001
<전압 제어>
전압 지령 제어기(13)에서는 d축 전류 지령 발생기(11)로부터 부여되는 dc축 전류 지령치(Idc*)와, 속도 제어기(12)로부터 부여되는 qc축 전류 지령치(Iqc*)와, dc축 전류 검출치(Idc)와, qc축 전류 검출치(Iqc)와, 속도 지령치(ω1*) 및 모터 상수를 사용하여, dc축 전압 지령치(Vdc*)와 qc축 전압 지령치(Vqc*)를 연산한다. 마지막으로, dc축 전압 지령치(Vdc*), qc축 전압 지령치(Vqc*)로 추정된 위상 정보(θdc)에 기초하여, 이하의 수학식 2로부터 모터의 3상 전압 지령치(Vu*, Vv*, Vw*)를 출력한다.
Figure 112010053368156-pat00002
<위상 센서리스>
계속해서, 이하에는, 위치 센서리스 제어를 실현하기 위한 속도＆위상 추정 방법에 대해, 상세하게 설명한다.
도 3은 속도＆위상 추정기(15)의 상세한 기능 블록도로, 도면에도 도시한 바와 같이 이 위상 추정기(15)는 모터 회전자 위치 센서리스 제어법에 의해, 회전자 위치와 회전 속도를 추정하는 것이다. 구체적으로는 모터축(d-q축)과 제어계축(dc-qc축)의 축 오차를 연산하는 축 오차 연산기(21)와, 모터 회전 속도를 추정하는 속도 추정기(22)와, 위상 연산기(23)를 구비한다.
축 오차 연산기(21)는 상기 dc축 전압 지령치(Vdc*), qc축 지령 전압치(Vqc*), dc축 전류치(idc), qc축 전류치(iqc), 모터 상수(24)[권선 저항(r), q축 인덕턴스(Lq)], 그리고, 모터 회전 속도 추정치(ω1)로부터, 이하의 수학식 3을 사용하여 축 오차(Δθc)를 연산한다.
Figure 112010053368156-pat00003
속도 추정기(22)는 상기 축 오차 연산기(21)가 출력하는 축 오차(Δθc)를, 소위 PI 제어기를 사용하여 처리하여, 모터 회전 속도의 추정치(ω1)를 출력하는 것이다. 여기서, PI 제어기는 모터축(d-q축)과 제어계축(dc-qc축)의 추정축 오차(Δθc)를 없애도록 PLL 제어하는 것이다. 또한, 위상 연산기(23)에서는 추정한 모터 회전 속도(ω1)를 적분하여 제어계 위상(θdc)을 연산한다.
<전류 재현>
다음에, 도 4 및 도 5를 참조하면서, 인버터 직류측의 모선 전류로부터 교류 모터 전류를 재현하는 방법에 대해 설명한다. 또한, 이 도 4는 PWM 캐리어파(31)와, 3상 변조파(32, 33, 34)와, 인버터 직류측의 모선 전류 파형(35)과, 그리고, 인버터의 통전 모드를 도시한다.
이 도 4에도 도시한 바와 같이, 인버터의 통전 모드(도면 하부의 브리지 회로를 참조)에 의해, 모선 전류(Ish)가 모터의 1상분의 전류에 대응하므로, A/D 변환기의 샘플링 타이밍(도면의 「○」)을, 변조파의 크기에 따라서 적당히 조정하는 것에 따르면, 모선 전류로부터 3상 교류 전류를 재현할 수 있다. 즉, 상부 아암의 U상과 V상의 IGBT, 그리고, 하부 아암의 W상의 IGBT가 온일 때에는 전류(iw)가 흐르고, 상부 아암의 V상의 IGBT, 그리고, 하부 아암의 U상과 W상의 IGBT가 온일 때에는 전류(iv)가 흐르기 때문에, 이들 전류(iv 및 iw)는 각각 인버터 직류측의 모선 전류를 검출하는 션트 저항(61)을 포함하는 전류 검출 수단(6)에 의해, is1로서 검출된다. 또한, 나머지 전류(iu)는 U상의 전류(Iu)와 V상의 전류(Iv)와 W상의 전류(Iw)의 합이 0으로 되는(Iu ＋ Iv ＋ Iw ＝ 0) 것을 이용하여 구해진다.
그러나, 도 5에도 도시한 바와 같이, 과변조 영역의 일부 구간에 있어서, 통상이면 서로 다른 값으로 되는 3상 변조파(32, 33, 34)는, 그 중 하나[본 예에서는, W상의 변조파(Vw* : 34)]는 소정의 값(본 예에서는, 0V)으로 되지만, 다른 2상 사이에서는 차가 없는 변조파(Vu* : 32, Vv* : 33)로 되어 버려, 여기서는 3상 변조파의 대응 상 전류의 검출을 할 수 없게 된다고 하는 현상이 발생해 버린다. 즉, 이 구간의 전류 검출치는 1상분의 전류(예를 들어, W상분만)밖에 검출할 수 없고, 그로 인해, 상술한 바와 같이 인버터 장치에 의해 생성되는 교류 전류에 있어서의 재현 오차가 커져, 모터 구동 장치에 의한 제어가 불안정해진다.
따라서, 본 발명에서는 전류 재현 연산기(17)에 의해, 과변조 영역에 있어서, 상술한 3상 변조파의 대응 상 전류의 검출을 가능하게 하는 것이다. 이 전류 재현 연산기(17)의 상세 구성은 첨부한 도 6의 기능 블록도에 도시되어 있고, 모선 전류(Ish)로부터 3상 교류 전류(Iu, Iv, Iw)를 재현하는 것으로, A/D 변환기(41)와, 전류 검출 정보 연산기(42)와, 전류 재현부(43)와, 전류 오차 보정 처리부(44)를 구비하고 있다. 보다 구체적으로는, 이 전류 재현 연산기(17)의 입력 신호는 검출된 모선 전류 신호(Ish)와, 3상 변조파(Vu*, Vv*, Vw*)와 3상 교류 전류 참고치(Iu_r, Iv_r, Iw_r)이다. 또한, 이들 3상 교류 전류 참고치(Iu* ＝ Iu_r, Iv* ＝ Iv_r, Iw* ＝ Iw_r)는, 상기한 도 2에도 도시한 바와 같이, 검출한 교류 모터 전류를 dc-qc축으로 변환한 값(Idc, Iqc)을 로우 패스 필터(19)로 처리하고, 전류 2축/3상 변환기(20)를 사용하여, 3상 전류로 역변환하여 작성한 것이다.
전류 검출 정보 연산기(42)는 3상 변조파(Vu*, Vv*, Vw*)를 사용하여, A/D 기동의 타이밍과, A/D 변환한 전류치를 3상 전류로 분배하기 위해 필요한 정보와, 전류 오차 보정 처리부(44)가 출력하는 필요 여부 플래그를 각 기능 블록에 부여한다. 즉, 첨부한 도 7의 흐름도에도 도시한 바와 같이, 3상 변조파(Vu*, Vv*, Vw*)를 입력하여(스텝 S71), 전압 지령치와의 차분을 계산하고(스텝 S72), 그 후, 전류 검출 상의 정보를 연산하여(스텝 S73), 당해 전류의 검출이 가능한 상은 1상뿐이거나, 또는 2상분의 전류의 검출이 가능한지를 판정한다(스텝 S74).
그리고, 상기 스텝 S74에 있어서의 판정의 결과, 2상분의 전류의 검출이 가능한 경우에는, 상기에 있어서 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 2상분의 전류의 검출 결과로부터 3상분의 교류 모터 전류(Iu, Iv, Iw)를 재현할 수 있다(소위, 통상 재현 : 스텝 S75).
한편, 상기 도 5에도 도시한 바와 같이, 예를 들어 과변조 영역의 일부 구간 등, 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는, 교류 모터 전류(Iu, lv, Iw)는 이하와 같이 연산한다.
우선, 전류 오차를 연산한다(스텝 S75). 구체적으로는, 이하와 같다.
(1) U상 전류(Iu)만 검출 시 :
ΔI ＝ Iu_r － Iu
Iv ＝ Iv_r ＋ ΔI × Kv
Iw ＝ Iw_r ＋ ΔI × Kw
(2) V상 전류(Iv)만 검출 시 :
ΔI ＝ Iv_r － Iv
Iu ＝ Iu_r ＋ ΔI × Ku
Iw ＝ Iw_r ＋ ΔI × Kw
(3) W상 전류(Iw)만 검출 시 :
ΔI ＝ Iw_r － Iw
Iu ＝ Iu_r ＋ ΔI × Ku
Iv ＝ Iv_r ＋ ΔI × Kv
여기서, 전류 오차(ΔI)는 동일한 상의 전류 참고치(Iu* 또는 Iv* 또는 Iw*)와 검출한 전류(Iu 또는 Iv 또는 Iw)의 차이다. 또한, 검출할 수 없는 상의 전류도, 상기와 같이, 대응하는 전류 참고치와 상기 전류 오차로부터 연산된다.
다음에, 상기와 같이 하여 구한 오차와 과거의 검출치로부터, 검출할 수 없는 전류의 검출치를 산출하여(스텝 S76), 처리를 종료한다.
일반적으로, 연산 처리를 간략화하기 위해서는, 상기한 전류 오차를 절반씩으로 하여, 검출할 수 없는 상 전류분을 보정하면 좋다. 즉, 보정 게인(Ku, Kv, Kw)은 Ku ＝ 1/2, Kv ＝ 1/2, Kw ＝ 1/2로 설정하면 좋다.
그리고, 보정 정밀도를 더욱 향상시키기 위해서는, 전류 참고치를 사용하여, 하기 수학식과 같이 보정 게인(Ku, Kv, Kw)을 연산해도 좋다.
(1) U상 전류만 검출 시 :
Kv ＝ │Iv_r│/(│Iv_r│ ＋ │Iw_r│)
Kw ＝ │Iw_r│/(│Iv_r│ ＋ │Iw_r│)
(2) V상 전류만 검출 시 :
Ku ＝ │Iu_r│/(│Iu_r│ ＋ │Iw_r│)
Kw ＝ │Iw_r│/(│Iu_r│ ＋ │Iw_r│)
(3) W상 전류만 검출 시 :
Ku ＝ │Iu_r│/(│Iu_r│ ＋ │Iv_r│)
Kv ＝ │Iv_r│/(│Iu_r│ ＋ │Iv_r│)
이상에 설명한 바와 같이 검출할 수 있는 상의 검출 전류(Iu 또는 Iv 또는 Iw)와, 동일한 상의 전류 참고치(Iu* 또는 Iv* 또는 Iw*)로부터, 전류 오차를 추정하고, 그리고, 검출할 수 없는 상의 전류 오차를 보정함으로써, 재현된 3상 전류의 검출 정밀도를 개선하고, 이로써, 과변조 시의 모터 제어의 안정성을 향상시킬 수 있다.
이상이, 본 발명이 되는 모터 구동 장치의 구성과, 그 제어 원리이다. 또한, 상기한 실시예에서는, 전류 검출 방식으로서, 션트 저항을 사용하여 인버터 직류측의 모선 전류를 검출하는 방식을 채용한 예에 대해 설명하였지만, 이것 대신에, 전류 센서를 사용해도 상관없다. 그러나, 션트 저항을 사용하는 것에 따르면, 3상 교류 전류의 직접 검출 방식에 비해, 센서의 비용을 삭감할 수 있다. 물론, 상술한 전류 재현 처리는 상술한 모터 구동 장치로 한정되지 않고, 예를 들어 위치 속도 센서가 구비된 모터 구동 장치에 대해서도, 마찬가지로 적용할 수 있다. 한편, 전류 센서를 사용하는 경우, 인버터를 구성하는 스위칭 소자의 하부 아암에 설치하는 3개의 저항 혹은 전류 센서를 사용하여 교류 모터 전류를 재현하는 것도 가능하다.
<제어기의 변형예>
다음에, 첨부한 도 8에는 상기 도 2에 도시한 제어기(8)의 변형예가 기능 블록 구성에 의해 도시되어 있다. 또한, 이 변형예가 되는 제어기(8)는, 기본적으로는 상기 도 2에 도시한 것과 마찬가지이고, 상기 도 2와 동일한 부호는 동일 동작을 하는 기능 블록을 도시하고 있다. 그리고, 상기 도 2와 다른 부분은 3상 교류 전류 참고치(Iu* ＝ Iu_r, Iv* ＝ Iv_r, Iw* ＝ Iw_r)의 연산이, 검출한 모터 전류를 dc-qc축으로의 변환치 대신에, dc-qc축 전류 지령치(Idc*, Iqc*)를 사용하는 것이다. 단, 이와 같은 제어가 성립되는 전제 조건으로서는, 예를 들어 전류 지령과 실전류가 대략 일치하도록 제어할 수 있는 것이다. 또한, 전류 재현 처리는, 상기 도 2의 실시 형태와 마찬가지이므로, 여기서는 그 설명을 생략한다.
?컨버터 장치?
계속해서, 첨부한 도 9는 상기 도 1의 모터 구동 장치 대신에, 본 발명의 전류 검출 방법을 컨버터 장치에 있어서 이용한 경우의 구성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 9에 도시한 바와 같이, 컨버터 장치는 리플 필터(102)와 리액터(103)를 통해, 3상 교류 전원(101)에 접속된 컨버터 회로(104)와, 상기 컨버터 회로(104)의 직류 출력 단자에 접속된 평활 콘덴서(105)와, 상기 컨버터 회로(104)를 제어하는 제어부(106)와, 상기 평활 콘덴서(105) 및 상기 컨버터 회로(104) 사이에 접속되어, 모선 전류를 검출하기 위한 션트 저항(1071)과, 전류 검출 회로(107)와, 직류 전압 검출 회로(108)로 구성되어 있다. 또한, 제어부(106)는 마이크로 컴퓨터 또는 DSP(디지털 시그널 프로세서) 등의 반도체 연산 소자를 사용하여 구성되어 있는 것은 상기 도 1과 마찬가지이다.
<제어계의 구성>
다음에, 첨부한 도 10에는 상술한 컨버터 장치에 있어서의 제어부(106)의, 특히 컨버터 제어에 관한 구성이, 상기 도 2와 마찬가지로 기능 블록에 의해 도시되어 있다. 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 이 제어부(106)에서는 직류 전압 검출 회로(108)로부터의 전압 신호(Ed)와 직류 전압 지령치(Ed*)의 편차로부터 전압 제어기(110)를 사용하여 q축 전류 지령치(iq*)를 작성한다. 또한, 입력 전류의 무효 전류 성분을 최소화하기 위해 d축 전류 지령치(id*)는 0으로 하고 있다.
<전류 재현 처리>
전류 재현 처리부(118)는 모선 전류 검출 회로(107)로부터의 모선 직류 전류의 검출 신호(Ish)와, 출력 지령 전압 신호(Vr*, Vs*, Vt*)와, 3상 교류 전류 참고치(Ir_r, Is_r, It_r)를 사용하여, 3상 교류 전류(Ir, Is, It)의 재현 처리를 행한다.
<지령 전압 연산 처리>
벡터 제어계는 상기에서 재현된 3상 교류 전류(Ir, Is, It)를 3상/2축 변환(114)에 의해 dq축 좌표 상의 값(id, iq)으로 변환되고, 각각의 지령치(id*, iq*)와의 편차를 구하여, 벡터 제어기(111)를 통해 dq축 상의 지령 전압(Vd*, Vq*)을 산출한다.
또한, 산출한 dq축의 지령 전압(Vd*, Vq*)과 위상 추정 제어기(112)로부터의 위상 정보(θdc)를 사용하여, 2축/3상 변환(113)에 의해 3상 지령 전압(Vr*, Vs*, Vt*)을 산출한다. 또한, 상기 위상 추정 제어기(112) 내의 처리는 상술한 특허 문헌 3에 개시하는 전원 센서리스 제어법을 사용하고 있으므로, 여기서는 그 상세 설명은 생략한다.
3상 교류 전류 참고치(Ir_r, Is_r, It_r)는, 첨부한 도 10에도 도시한 바와 같이 검출한 전류의 d-q축값(Id, Iq)을 로우 패스 필터(116)로 처리하여, 2축/3상 변환(117)에 의해 산출된다. 당연히, d-q축의 전류 지령치와 검출치가 거의 일치하도록 제어하면, 상기 도 7에 도시하는 처리와 마찬가지로, d-q축 전류 지령치(Id, Iq)를 사용하여 3상 교류 전류 참고치(Ir_r, Is_r, It_r)를 산출해도 좋다.
여기서도, 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우의 전류 재현 처리는 상기에 상세하게 서술한 전류 재현 연산기(17)에서의 처리와 마찬가지로 행한다.
그런데, 특히 컨버터의 경우에는, 선형 변조 영역에 있어서도, 2상 변조파의 차가 작은 구간이 있다. 그로 인해, 특별한 변조 방법(예를 들어, PWM 캐리어 반주기마다의 변조파 시프트 처리 등)을 사용하지 않으면, 일정 시간 내에서는 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우가 발생한다. 그러나, 상술한 특별한 변조 방법을 채용하면, 입력 전류의 왜곡(고조파)이나 리플이 발생하므로, 가능한 한, 이러한 특별한 변조 방법은 사용하지 않는 것이 바람직하다고 되어 있다.
이에 대해, 상술한 본 발명의 전류 재현 처리를 사용하면, 상술한 특별한 변조 방법을 사용하지 않고, 1상 전류밖에 검출할 수 없는 구간의 전류 검출 오차를 보정할 수 있으므로, 컨버터에 있어서의 제어의 안정성, 또한 전류 리플의 저감을 실현할 수 있다. 또한, 과변조 영역의 제어 성능도 개선할 수 있으므로, 스위칭 소자의 손실 저감과 출력인 직류 전압 범위의 확대가 가능해진다.
?계통 연결 인버터 장치?
또한, 도 11은 본 발명의 전류 검출 방법을, 계통 연결 인버터 장치에 적용한 경우의 구성을 도시하고 있다. 이 도 11에 있어서도, 상기 도 9에 도시한 것과 동일한 부호는 동일한 기능을 구비하여 구성 요건을 나타낸다.
본 실시 형태는 상술한 컨버터 장치에 있어서의 전력 변환 방향이 반대로 된 경우와 동등하고, 즉 직류측에 접속하는 전원(202)(정류기, 축전지, 태양 전지나 연료 전지 등)으로부터 교류 전원측으로 전력을 변환의 이용 형태를 나타내고 있다.
본 실시 형태에 있어서의 제어 방식은 상기 도 10에 도시한 제어계에 있어서의 전압 제어기(110)가 불필요해지는 것 이외에, 상기와 동일한 구성이다. 또한, 전류 재현 처리도, 상기에 상세하게 서술한 전류 재현 연산기(17)와 마찬가지이다.
?냉동 공조 기기?
첨부한 도 12에는 상술한 모터 구동 장치(상기한 도 1을 참조)를 사용하여, 그 압축기용 모터를 구동하는 것으로서, 예를 들어 공기 조화기나 냉동기 등, 소위 냉동 공조 기기의 구성을 도시하는 도면이다.
도면에 있어서, 냉동 공조 기기(400)는 실내의 온도를 조화하거나, 또는 저장고 내의 공기를 냉각하는 장치로, 열교환기(401, 402)와, 팬(403, 404)과, 압축기(405)와, 배관(406)과, 그리고 모터 구동 장치(407)로 구성되어 있다. 또한, 압축기용 모터(408)는 영구 자석 동기 모터 혹은 3상 유도 모터를 사용하여 구성되어 있고, 또한 압축기(405)의 내부에 배치되어 있다. 이 모터 구동 장치(407)는 교류 전원으로부터 수전하여 압축기용 모터(406)를 구동한다.
이러한 냉동 공조 기기에 있어서, 상술한 모터 구동 장치(상기한 도 1을 참조)를 사용하는 것에 따르면, 상기로부터도 명백한 바와 같이, 비교적 저렴하게 과변조 영역의 제어 안정성을 향상시킬 수 있으므로, 모터의 고속 회전 시의 진동이나 조음을 저감시켜, 이로써, 공기 조화기나 냉동기의 성능 개선이 가능하다. 특히, APF 향상에 필요한 저속 효율 중시 모터에 대해, 과변조 제어에 의해 손실 저감과 직류 전압 이용률을 향상시킬 수 있으므로, 고속 운전 시에서의 출력을 확보하여, 공기 조화기나 냉동기의 출력 범위를 확대할 수 있다고 하는 우수한 효과를 발휘한다.
1 : 교류 전원,
2 : 컨버터
3 : 직류 콘덴서
4 : 인버터
5 : 교류 모터
6 : 전류 검출 수단
7 : 전압 검출 수단
8 : 제어기
41 : A/D 변환기
42 : 전류 검출 정보 연산기
43 : 전류 재현기
44 : 전류 오차 보정 처리기
61 : 션트 저항
101 : 교류 전원
102 : 리플 필터
103 : 리액터
104 : 인버터
105 : 직류 콘덴서
107 : 컨버터ㆍ인버터 제어기
108 : 전압 검출 수단
109 : 부하
110 : 전압 제어기
111 : 벡터 제어기
112 : 위상 추정기
113 : 2축/3상 변환
114 : 3상/2축 변환
115 : PWM 제어기
116 : 로우 패스 필터
117 : 2축/3상 변환
201 : 인버터 제어기
202 : 직류 전원
400 : 냉동 공조 기기
401, 402 : 열교환기
403, 404 : 팬
405 : 압축기
406 : 배관
407 : 모터 구동 장치
408 : 압축기용 모터

Claims (8)

  1. 3상 교류 모터를 구동하기 위한 모터 구동 장치이며,
    상기 3상 교류 모터를 구동하는 인버터와,
    상기 인버터의 직류측의 모선 전류로부터 상기 인버터의 각 아암의 전류를 검출하는 전류 검출 수단과,
    상기 전류 검출 수단에 의해 검출된 전류 검출치를 사용하여, 상기 3상 교류 모터에 공급되는 전류를 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 제어 수단은,
    상기 3상 교류 모터 전류 중 1상분의 전류만을 검출하는 경우,
    1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고,
    검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 검출치를 사용하여, 상기 교류 모터 전류를 재현하여 모터 회전 좌표로 변환하고, 당해 모터 회전 좌표로 모터 전류 검출치를 모터 전류 지령치와 일치하도록 제어하고, 상기 모터 전류 지령치를 고정 좌표로 역변환함으로써, 상기 교류 모터 전류 참고치를 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 구동 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단으로부터 얻은 전류 검출치를 사용하여, 상기 교류 모터 전류를 재현하여 모터 회전 좌표로 변환하고, 당해 변환된 전류 신호를 로우 패스 필터 혹은 평균화 수단으로 처리하여, 고정 좌표로 역변환함으로써, 상기 교류 모터 전류 참고치를 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 구동 장치.
  4. 입력측이 리액터를 통해 3상 교류 전원에 접속되고, 출력측의 직류 단자 사이에 평활 콘덴서가 접속된 구성의 교류를 직류로 변환하는 컨버터 회로와,
    상기 컨버터 회로의 모선 전류 혹은 각 아암 전류를 검출하는 전류 검출 수단과,
    상기 전류 검출 수단의 전류 검출치를 사용하여 상기 컨버터 회로를 제어하는 제어 수단을 갖는 컨버터 장치를 구비하는 모터 구동 장치이며,
    상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단의 전류 검출치 혹은 상기 제어 수단의 전류 지령치를 사용하여 3상 입력 전류 참고치를 산출하고, 또한,
    상기 전류 검출 수단으로 3상 입력 전류의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는,
    1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고,
    검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 구동 장치.
  5. 직류측이 직류 전원에 접속되고, 교류측에 리액터를 통해 3상 교류 전원에 접속된 구성의 직류를 교류로 변환하는 인버터 회로와,
    상기 인버터 회로의 모선 전류 혹은 각 아암 전류를 검출하는 전류 검출 수단과,
    상기 전류 검출 수단의 전류 검출치를 사용하여 상기 인버터 회로를 제어하는 제어 수단을 갖는 계통 연결용 인버터 장치를 구비하는 모터 구동 장치에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단의 전류 검출치 혹은 상기 제어 수단의 전류 지령치를 사용하여 3상 교류 전류 참고치를 산출하고, 또한,
    상기 전류 검출 수단으로 3상 교류 전류의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는,
    1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고,
    검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하는 것을 특징으로 하는, 모터 구동 장치.
  6. 압축기와,
    배관에 의해 상기 압축기에 접속된 열교환기와,
    상기 압축기에 내장되는 교류 모터와,
    상기 교류 모터를 구동하는 인버터 회로를 구비한 냉동 공조 기기이며, 또한,
    상기 인버터 회로는 그 직류측의 모선 전류 혹은 각 아암 전류를 검출하는 전류 검출 수단을 갖고, 또한 당해 전류 검출 수단에 의한 전류 검출치를 사용하여 상기 교류 모터를 제어하는 제어 수단을 구비한 냉동 공조 기기에 있어서,
    상기 인버터 회로의 상기 제어 수단은 상기 전류 검출 수단으로부터 얻은 전류의 과거 검출치 혹은 상기 제어 수단의 전류 지령치를 사용하여 교류 모터 전류 참고치를 산출하고, 또한,
    상기 전류 검출 수단으로 3상 교류 전류의 1상분의 전류밖에 검출할 수 없는 경우에는,
    1상분의 전류 검출치와, 검출한 상에 대응하는 과거의 상기 전류 검출치로부터 산출한 전류 참고치의 오차를 산출하고,
    검출할 수 없는 상에 대응하는 과거의 전류 검출치와 상기 오차를 사용하여, 상기 검출할 수 없는 상의 교류 모터 전류를 산출하여, 상기 교류 모터로 3상 교류 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는, 냉동 공조 기기.
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