KR101238957B1

KR101238957B1 - 모터 제어 장치 및 전기 기기

Info

Publication number: KR101238957B1
Application number: KR1020110019853A
Authority: KR
Inventors: 사리 마에까와
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2013-03-04
Also published as: JP5175887B2; TW201206046A; US8536812B2; CN102201771A; JP2011200067A; TWI422138B; KR20110106794A; US20110234144A1; CN102201771B

Abstract

실시 형태의 모터 제어 장치는, 부하를 구동하는 모터에 교류 전력을 공급하는 전력 공급 수단과, 상기 모터의 권선에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단과, 상기 전류에 기초하여 상기 모터의 회전 속도 및 전기각을 추정하는 속도ㆍ전기각 추정 수단과, 상기 전류와 상기 전기각에 기초하여 얻어지는 토크 전류와, 상기 모터의 상수와, 상기 부하를 포함하는 상기 모터의 관성 모멘트로부터, 상기 부하가 발생하는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정 수단과, 상기 부하 토크가 나타내는 주기적인 변동의 위상(부하 토크 위상)을 연산하는 부하 토크 위상 연산 수단과, 상기 부하 토크 위상에 따라서 변화하는 정현파 형상의 토크 보정 전류를 결정하는 토크 보정 전류 결정 수단과, 상기 모터의 속도 변동을 검출하고, 상기 속도 변동을 감소시키도록 상기 토크 보정 전류의 진폭 및 위상을 증감하여 조정하는 진폭ㆍ위상 조정 수단을 구비하고 있다.

Description

모터 제어 장치 및 전기 기기{MOTOR CONTROL DEVICE AND ELECTRIC EQUIPMENT}

본 발명의 실시 형태는, 모터를 위치 센서리스 방식으로 제어하는 모터 제어 장치, 및 모터를 제어하여 압축기를 구동하는 전기 기기에 관한 것이다.

예를 들어 브러시리스 DC 모터를 압축기 등의 모터로서 이용하는 경우, 종래는, 모터의 회전수나 위치를 위치 센서 등에 의해 산출하고, 산출한 회전수가 목표 회전수와 상이한 경우에는, 전류 명령 혹은 전압 명령을 바꾸어, 모터의 회전수를 목표 회전수로 조정하도록 하고 있다. 여기서, 도 11의 (a)에는 1 실린더형의 로터리 압축기의 단면 구조를 도시하지만, 이러한 압축기에 있어서는, 그 기구에 의해 압축기 모터의 회전 기계각에 따라서 부하 변동이 발생한다(도 11의 (b) 참조). 이 부하 변동에 의해 모터가 기계각으로 1회전하는 동안에 회전 속도에 불균일이 발생하여, 진동이나 소음의 발생으로 이어진다.

또한, 모터에 회전 속도 불균일이 있는 상태에서 압축기의 운전을 계속하면, 예를 들어 공조기나 냉장고 등에 있어서는 냉매 등을 수송하는 배관에 스트레스가 가해져, 이들의 수명을 저하시킨다. 따라서, 모터를 회전 제어할 때에는 토크 제어를 행하여, 부하 변동에 수반하는 회전 속도 불균일의 발생을 억제할 필요가 있다.

이러한 목적에서 토크 제어를 행하는 종래 기술로서, 일본 특허 공개 평7-255193호 공보(특허문헌 1)에는 이하와 같은 구성이 개시되어 있다. 모터의 회전자가 1회전하는 구간을 복수의 구간으로 분할하여, 부하 토크의 변동을 상쇄하도록 설정한, 각 구간에 부여하는 토크 변화량(토크 데이터)의 패턴을 미리 기억해 둔다. 그리고, 인버터를 통해 모터를 회전 제어할 때에, 제어 회로가 토크 변화량을 가미한 전류 명령 혹은 전압 명령을 출력한다.

그러나, 특허문헌 1의 제어 방식에서는, 부하 토크 변동의 데이터를 미리 취득할 필요가 있다. 또한, 측정한 데이터에 기초하여 모터의 속도 변동이 가장 감소하는 전류 명령값 등의 조정이 필요하게 되기 때문에, 다양한 운전 패턴(예를 들어 공조기이면 난방 운전이나 냉방 운전 등)에 따른 데이터의 취득 및 명령값의 조정이 필요하게 되어, 제품의 개발 기간이 지연되어 버린다.

또한, 일본 특허 공개 제2001-37281호 공보(특허문헌 2)에는, 운전 중의 모터의 속도 변동의 크기를 검출하고, 그 속도 변동을 억제하는 방향으로 피드백 제어를 행하여, 토크 명령값을 결정하는 기술이 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 2와 같은 기술에서는, 위치 센서리스 방식을 채용하여 모터의 위치를 추정하는 것을 상정하면, 모터 위치나 속도의 추정 정밀도가 저하되면 정확한 토크 제어를 할 수 없게 된다. 또한, 피드백 제어에 과거의 정보를 사용하기 위해 제어 응답에 지연이 발생하여, 토크 변동이 매우 짧은 주기로 발생하는 경우에는 변동을 충분히 억제할 수 없게 될 우려가 있다.

따라서, 비교적 큰 부하 변동이 발생하는 것이 전제인 시스템에, 위치 센서리스 방식으로 모터를 제어하는 구성을 적용하는 경우, 부하 변동의 데이터를 미리 취득하지 않더라도 목표 속도에 고속으로 추종하도록 모터를 제어할 수 있는 모터 제어 장치, 및 전기 기기를 제공한다.

청구항 1의 모터 제어 장치는, 전력 공급 수단이, 부하를 구동하는 모터에 교류 전력을 공급하고, 전류 검출 수단은, 상기 모터의 권선에 흐르는 전류를 검출한다. 속도ㆍ전기각 추정 수단은, 상기 전류에 기초하여 상기 모터의 회전 속도 및 전기각을 추정하고, 부하 토크 추정 수단은, 상기 전류와 상기 전기각에 기초하여 얻어지는 토크 전류와, 상기 모터의 상수와, 상기 부하를 포함하는 상기 모터의 관성 모멘트로부터, 상기 부하가 발생하는 부하 토크를 추정한다. 그리고, 부하 토크 위상 연산 수단은, 상기 부하 토크가 나타내는 주기적인 변동의 위상(부하 토크 위상)을 연산하고, 토크 보정 전류 결정 수단이, 상기 부하 토크 위상에 기초하여 변화하는 정현파 형상의 토크 보정 전류를 결정하면, 진폭ㆍ위상 조정 수단은, 상기 모터의 속도 변동을 검출하고, 상기 속도 변동을 감소시키도록 상기 토크 보정 전류의 진폭 및 위상을 증감하여 조정한다.

또한, 청구항 6의 전기 기기는, 전력 공급 수단이, 압축기를 구동하는 모터에 교류 전력을 공급하고, 전류 검출 수단은, 상기 모터의 권선에 흐르는 전류를 검출한다. 속도ㆍ전기각 추정 수단은, 상기 전류에 기초하여 상기 모터의 회전 속도 및 전기각을 추정하고, 부하 토크 추정 수단은, 상기 전류와 상기 전기각에 기초하여 얻어지는 토크 전류와, 상기 모터의 상수와, 상기 압축기를 포함하는 상기 모터의 관성 모멘트로부터, 상기 압축기가 발생하는 부하 토크를 추정한다. 그리고, 부하 토크 위상 연산 수단은, 상기 부하 토크가 나타내는 주기적인 변동의 위상(부하 토크 위상)을 연산하고, 토크 보정 전류 결정 수단이, 상기 부하 토크 위상에 기초하여 변화하는 정현파 형상의 토크 보정 전류를 결정하면, 진폭ㆍ위상 조정 수단은, 상기 모터의 속도 변동을 검출하고, 상기 속도 변동을 감소키도록 상기 토크 보정 전류의 진폭 및 위상을 증감하여 조정한다.

이들 청구항에 따르면, 비교적 큰 부하 변동이 발생하는 것이 전제인 시스템에, 위치 센서리스 방식으로 모터를 제어하는 구성을 적용하는 경우, 부하 변동의 데이터를 미리 취득하지 않더라도 목표 속도에 고속으로 추종하도록 모터를 제어할 수 있는 모터 제어 장치, 및 전기 기기를 제공하는 것이 가능해진다.

도 1은, 일 실시 형태이며, 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 기능 블록도.
도 2는, 공조기의 구성을 개략적으로 도시하는 도면.
도 3은, 메인 루틴의 흐름도.
도 4는, 스텝 S3에 있어서의 속도 변동 억제 제어의 상세를 나타내는 흐름도.
도 5의 (a)는 초기 설정 처리, (b)는 진폭 조정 처리, (c)는 위상 조정 처리의 흐름도.
도 6은, 부하 토크 변동과 토크 보정 전류 명령을 모델적으로 나타내는 도면.
도 7은, 힐베르트 변환에 의한 해석 신호인 부하 토크값 Tq 등의 각종 신호 파형을 나타내는 도면.
도 8은, 속도 변동을 억제하는 조정 처리의 설명 도면(첫 번째).
도 9는, 속도 변동을 억제하는 조정 처리의 설명도(두 번째).
도 10은, 실제로 속도 변동이 억제되는 상태를 나타내는 신호 파형도.
도 11의 (a)는 1 실린더형의 로터리 압축기의 단면 구조를 도시하는 도면, (b)는 압축기 모터의 회전 기계각에 따라서 발생하는 부하 변동을 나타내는 도면.

이하, 일 실시 형태에 대해 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한다. 도 1은, 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 기능 블록도이다. 인버터 회로(전력 공급 수단)(1)는, 6개의 예를 들어 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 반도체 스위칭 소자, 도시하지 않음)가 3상 브리지 접속되어 구성되어 있다. 인버터 회로(1)의 각 상 출력 단자는, 브러시리스 DC 모터(영구 자석형 동기 모터)(2)의 예를 들어 스타 결선되어 있는 각 상 권선의 각 단자에 접속되어 있다.

전류 검출부(전류 검출 수단)(3u, 3v, 3w)는, 인버터 회로(1)의 출력선에 설치된 전류 검출기(예를 들어 변류기)이며, U, V, W 각 상의 전류 Iu, Iv, Iw를 검출한다(어느 한 2상만을 검출하고, 나머지 1상은 연산으로 구해도 됨). 이들 전류 검출부(3u, 3v, 3w)로부터의 전류 검출 신호는 좌표 변환부(4)에 부여되고, 도시하지 않은 A/D 변환기에 의해 디지털 데이터로 변환된다. 좌표 변환부(4)는, 3상의 전류 Iu, Iv, Iw를 2상의 전류 Iα, Iβ로 변환하고, 위치 추정부(속도ㆍ전기각 추정 수단)(5)에서 추정되는 회전 위상각 θ_M에 기초하여, 정지 좌표계의 전류 Iα, Iβ를 회전 좌표계(xy 좌표계)의 d축 전류 Id, q축 전류 Iq로 변환한다.

속도 제어부(목표 전류 연산 수단)(6)는, 명령 속도 ω_ref와 위치 추정부(5)에서 추정된 모터의 속도(각속도) ω의 차분에 대해 PI(비례 적분) 제어 연산을 행하고, 모터 속도 ω가 명령 속도 ω_ref에 추종하도록 q축 전류 명령 Iq_ref1을 생성하여 전류 명령 합성부(7)에 출력한다. 또한, 속도 제어부(6)는, 여자 전류 명령 Id_ref를 통상은 제로로 하여 출력하고, 약화 개시 제어 등을 행하는 경우에는 마이너스의 값으로 설정하여 출력한다.

전류 제어부(목표 전압 연산 수단)(8)는, 속도 제어부(6)로부터 부여되는 여자 전류 명령 Id_ref, 및 전류 명령 합성부(7)로부터 출력되는 q축 전류 명령 Iq_ref와, 좌표 변환부(4)에서 변환된 d축 전류 Id, q축 전류 Iq의 차분에 대해 PI 제어 연산을 행하고, d축 전류 Id, q축 전류 Iq가 각각 여자 전류 명령 Id_ref, q축 전류 명령 Iq_ref에 추종하도록 d축 전압 명령값 Vd, q축 전압 명령값 Vq를 출력한다.

진폭ㆍ위상 조정부(진폭ㆍ위상 조정 수단)(9)는, 위치 추정부(5)에서 연산된 추정 속도 ω의 변동의 미분값을 연산하고, 추정 속도 변동값이 감소하도록 토크 보정 전류 산출부(토크 보정 전류 결정 수단)(10)에 출력하는 진폭 An 및 위상 Pn을 출력하지만, 그 상세에 대해서는 후술한다. 부하 토크 추정부(부하 토크 추정 수단)(11)는, 좌표 변환부(4)로부터 부여되는 q축 전류 Iq, 위치 추정부(5)에서 추정된 속도 ω와 모터(2)의 상수로부터 부하 토크 Tq를 추정하면, 그 추정 결과를 부하 토크 주파수ㆍ각도 추출부(부하 토크 위상 연산 수단)(12)에 출력한다.

전류 명령 합성부(7)는, 속도 제어부(6)가 출력한 q축 전류 명령 Iq_ref1과, 토크 보정 전류 산출부(10)에서 연산된 토크 보정 전류 명령 Iq_ref2를 가산 합성하여, 상기 q축 전류 명령 Iq_ref를 연산한다. 전력 변환부(13)는, 위치 추정부(5)에 의해 추정된 회전 위상각 θ_M에 기초하여, 전압 명령값 Vd, Vq를 3상 전압 명령값 Vu, Vv, Vw로 변환하여 인버터 회로(1)에 출력한다. 3상 전압 명령값 Vu, Vv, Vw는, 예를 들어 의사 정현파 형상의 전류를 통전하기 위한 PWM 신호로 변환되어 인버터 회로(1)를 구성하는 각 IGBT의 게이트에 부여된다.

이상에 대해, 인버터 회로(1)를 제외한 구성 부분은, 마이크로컴퓨터가 실행하는 소프트웨어 처리에 의해 실현되고 있고, 벡터 제어를 행하는 모터 제어 장치(20)를 구성하고 있다. 예를 들어 그 마이크로컴퓨터에는, 구체적으로는 도시하지 않지만, 입출력 포트, 시리얼 통신 회로, 전류 검출 신호 등의 아날로그 신호를 입력하기 위한 A/D 컨버터, PWM 처리를 행하기 위한 타이머 등이 구비되어 있다.

도 2는, 모터 제어 장치(20)를 공조기(에어컨디셔너)에 적용한 경우를 나타낸다. 히트 펌프(21)를 구성하는 압축기(22)는, 압축부(부하)(23)와 모터(2)를 동일한 철제 밀폐 용기(25) 내에 수용하여 구성되고, 모터(2)의 로터 샤프트가 압축부(23)에 연결되어 있다. 그리고, 압축기(22), 4방 밸브(26), 실내측 열교환기(27), 감압 장치(28), 실외측 열교환기(29)는, 냉매 통로인 파이프에 의해 페루프를 구성하도록 접속되어 있다. 또한, 압축기(22)는, 예를 들어 로터리형의 1 실린더형의 압축기이다.

난방시에는, 4방 밸브(26)는 실선으로 나타내는 상태에 있고, 압축기(22)의 압축부(23)에서 압축된 고온 냉매는, 4방 밸브(26)로부터 실내측 열교환기(27)에 공급되어 응축하고, 그 후, 감압 장치(28)에서 감압되어, 저온으로 되어 실외측 열교환기(29)에 흐르고, 여기에서 증발하여 압축기(22)로 복귀된다. 한편, 냉방시에는, 4방 밸브(26)는 파선으로 나타내는 상태로 전환된다. 이로 인해, 압축기(22)의 압축부(23)에서 압축된 고온 냉매는, 4방 밸브(26)로부터 실외측 열교환기(29)에 공급되어 응축하고, 그 후, 감압 장치(28)에서 감압되어, 저온으로 되어 실내측 열교환기(27)에 흐르고, 여기에서 증발하여 압축기(22)로 복귀된다. 그리고, 실내측, 실외측의 각 열교환기(27, 29)에는, 각각 팬(30, 31)에 의해 송풍이 행해지고, 그 송풍에 의해 각 열교환기(27, 29)와 실내 공기, 실외 공기의 열교환이 효율적으로 행해지도록 구성되어 있다.

다음에, 본 실시 형태의 처리에 대해, 도 3 내지 도 5의 흐름도를 참조하여 설명한다. 도 3은, 모터 제어의 주요 부분의 처리를 나타내는 메인 루틴이다. 우선, 위치 추정부(5)가, 식 (1); d축 모터 전압 방정식을 사용하여 모터(2)의 속도 ω를 추정 연산하고, 모터 속도 ω를 적분함으로써 회전 위상각 θ_M을 산출한다(스텝 S1).

계속해서, 속도 제어부(6)가 토크 전류 명령값 Iq_ref1을 연산한다(스텝 S2). 또한, 진폭ㆍ위상 조정부(9)에서는, 토크 전류 명령값 Iq_ref2를 연산한다(스텝 S3, 속도 변동 억제 제어). 그러면, 전류 명령 합성부(7)에서 상기 양쪽 명령이 가산되어, 토크 전류 명령값 Iq_ref가 연산되고(스텝 S4). 전류 제어부(8)는, 토크 전류 명령값 Iq_ref에 기초하여 전류 제어를 행하고(스텝 S5), 전력 변환부(13)는, 전압 명령값 Vd, Vq로부터 3상 PWM 신호를 생성하여 출력한다(스텝 S6). 메인 루틴에서는, 이상의 처리가 주기적으로 실행된다.

도 4는, 스텝 S3에 있어서의 속도 변동 억제 제어의 상세를 나타내는 흐름도이다. 우선, 초기 설정 완료 플래그가 OFF인 것을 확인하면(스텝 S11: "예") 초기 설정 처리를 행한다(스텝 S12). 그것으로부터, 부하 토크 추정부(11)는, 식 (2)를 사용하여, 모터 전류 Iq와 회전 속도 ω, 및 토크 상수 Kt, 관성 모멘트 Jm으로부터 부하 토크 Tq를 연산하여 추정한다(스텝 S13). 또한, 스텝 S11에 있어서, 초기 설정 완료 플래그가 ON이면("아니오") 스텝 S13으로 이행한다.

부하 토크 Tq의 추정은, 이하에 나타낸 바와 같이 부하 토크 Tq의 변동 각도; 위상각 θ1을 산출하는 것이 목적이기 때문에, 부하 토크 Tq 자체의 추정 정밀도는 중요하지 않다. 일반적으로 부하를 포함한 모터의 관성 모멘트 Jm은 측정 및 추정이 곤란하기 때문에, 이들의 상수는 어느 정도의 오차를 허용해도 본 실시 형태에서 행하는 제어에는 영향이 적다.

부하 토크 주파수ㆍ각도 추출부(12)는, 부하 토크 추정부(11)에서 추정된 부하 토크 Tq에 발생하는 변동의 주파수 및 위상각을 추출한다(스텝 S14). 단상 교류 신호의 위상 및 주파수를 추출하는 방식으로서는 몇 개를 생각할 수 있지만, 여기서는 힐베르트 변환을 사용한 추출 방식을 예시한다. 힐베르트 변환기를 사용하면, 입력으로 되는 해석 신호로부터 위상이 90도만큼 진행한 직교 성분을 산출할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 힐베르트 변환기를 식 (3)으로 나타내는 6차의 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 사용하여 구성한다. FIR 필터를 6차로 중단함으로써, 응답 지연을 어느 정도 억제할 수 있다. 또한, 필터를 6차로 설정하면, 필터 연산에 있어서의 중앙값의 차수가 3차에 대응하게 된다.

Tq(0): 금회의 해석 신호(부하 토크값)

Tq(2): 2 제어 주기 전의 해석 신호

Tq(4): 4 제어 주기 전의 해석 신호

Tq(6): 6 제어 주기 전의 해석 신호

Tqh: 힐베르트 변환 출력

α1, α2: 필터 상수

그러나, FIR 필터는 해석 신호의 주파수 성분을 감쇠시킨다. 따라서, 나중에 구하는 부하 토크값 Tq의 주기 Pd의 전회값(연산은 이산계로 함) Pd(1)을 사용하여 진폭 보상을 행한다. 식 (4)에 진폭 보상을 포함한 힐베르트 변환기의 식을 나타낸다.

α3, α4: 진폭 보상 상수

도 7은, 해석 신호인 부하 토크값 Tq 외에 각종 신호를 나타낸다. 식 (4)를 사용하여 부하 토크 성분을 힐베르트 변환기에 통과시킨 값을 Tqh로 한다. Tqh를 다시 힐베르트 변환기에 통과시켜 90도 위상이 진행한 직교 성분 Q1을 산출한다. 그리고, Tqh의 3 제어 주기 전의 신호를 동상 성분 I1로 한다. 여기서 3 제어 주기 전의 신호를 선택하는 것은, 6차의 필터 연산에서는 중앙값의 차수가 3차로 되는 것에 대응한다.

이들 I1, Q1을 다시 힐베르트 변환하여 jI, jQ를 산출하고, I1, Q1, jI, jQ로부터 I2, Q2를 산출한다.

I1: 동상 성분, Q1: 직교 성분

I2: 복소 평균화한 동상 성분, Q2: 복소 평균화한 직교 성분

식 (10), 식 (11)에서 해석 신호 I2 및 직교 신호 Q2의 복소 제곱합을 구한다.

Re: 실수 성분, Im: 허수 성분

구한 실수 성분 Re 및 허수 성분 Im을 사용하여, 식 (13)으로부터 부하 토크값의 주기 Pd를 산출한다. 주기 Pd는, 전술한 바와 같이 힐베르트 변환기의 진폭 보상에 사용된다.

또한, 식 (14)에서 주기 Pd의 산출 과정에서 산출한 동상 성분 I1, 직교 성분 Q1에 대해 아크탄젠트를 구하고, 부하 토크 변동의 위상각 θ1을 산출한다.

이상에서, 스텝 S14에 있어서의 부하 토크 변동의 위상각 θ1이 구해진다.

진폭ㆍ위상 조정부(9)는, 모터 속도 ω의 변동값을 산출하면(스텝 S15), 이후의 스텝 S16 내지 S24에 있어서, 토크 보정 전류 명령 Iq_ref2의 진폭ㆍ위상 조정을 행한다. 즉, 위치 추정부(5)에서 연산된 추정 속도 ω의 변동의 미분값을 연산하여, 추정 속도 변동값이 감소하도록, 토크 보정 전류 명령 Iq_ref2를 이루는 진폭 An 및 위상 Pn을 출력한다. 구체적으로는, 진폭 및 위상의 조정값(증가 혹은 감소)을 초기 설정하고, 제어 주기마다 추정 속도 미분값의 정부를 판단하여, 미분값이 마이너스인 경우 진폭ㆍ위상의 증감 방향은 계속되고, 미분값이 플러스인 경우 진폭ㆍ위상의 증감 방향을 전회의 제어 주기와 반대로 전환한다. 그리고 제어 주기마다 진폭ㆍ위상의 조정 페이즈를 교대로 전환하여 출력한다.

스텝 S12에 있어서의 초기 설정 처리의 상세에 대해, 도 5의 (a)를 참조하여 설명한다. 진폭의 조정값 Aα, 위상의 조정값 Pα를 설정하면(스텝 S31, S32), 진폭의 초기값 A0, 위상의 조정값 P0을 설정한다(스텝 S33, S34). 그것으로부터, 진폭 An의 조정 횟수, 위상 Pn의 조정 횟수를 설정하면(스텝 S35, S36), 조정 페이즈 카운터의 값을 「0」으로 세트하고(스텝 S37), 초기 설정 완료 플래그를 「ON」으로 하면(스텝 S38) 초기 설정 처리를 종료한다.

다시 도 4로 복귀하면, 스텝 S16에서는, 조정 페이즈 카운터가 진폭 An의 조정 횟수 이하인지의 여부를 판단하여, 조정 페이즈 카운터가 진폭 An의 조정 횟수 이하이면("예") 금회의 조정 페이즈는 진폭 페이즈로 된다(스텝 S17). 그리고, 조정 페이즈 카운터를 인크리먼트하면(스텝 S18) 진폭 조정 처리를 행한다(스텝 S19). 그러면, 스텝 S25로 이행하여, 토크 변동을 상쇄하기 위한 토크 보정 전류 명령 Iq_ref2를 산출한다(스텝 S25; 도 6 참조). 또한, 도 6에 나타내는 부하 토크 변동은, 실제로는 도 12의 (b)에 나타낸 바와 같은 파형인 것을 단순한 정현파로 모델화하여(즉, 기본 주파수 성분만) 나타내고 있다.

이후의 속도 변동 억제 제어에서는, 스텝 S16에서 「"예"」라고 판단되는 동안에는, 스텝 S19에 있어서 진폭 An의 조정이 계속되지만, 스텝 S16에서「"아니오"」라고 판단하면, 조정 페이즈 카운터의 값이, 진폭 조정 횟수와 위상 조정 횟수의 합 이하인지의 여부를 판단한다(스텝 S20). 여기서 「"예"」라고 판단하면, 조정 페이즈는 위상 페이즈로 된다(스텝 S21). 그리고, 조정 페이즈 카운터를 인크리먼트하면(스텝 S22) 위상 조정 처리를 행한다(스텝 S23). 그러면, 스텝 S25로 이행한다. 또한, 스텝 S20에서 「"아니오"」라고 판단하면, 조정 페이즈 카운터를 제로 클리어한 후(스텝 S24) 스텝 S25로 이행한다.

스텝 S25에 있어서, 토크 보정 전류 산출부(10)는, 식 (15)에 기초하여 토크 변동을 상쇄하는 토크 보정 전류 명령 Iq_ref2를 산출한다.

전술한 바와 같이, An(n=1, 2, 3,…) 및 Pn은 진폭ㆍ위상 조정부(9)의 출력, θn은 부하 토크 주파수ㆍ각도 추출부(13)에서 식 (14)에 의해 연산한 부하 토크 변동의 위상 각도이다.

스텝 S31, S32에서 설정하는 진폭 An 및 위상 Pn의 초기값은 임의이며, 예를 들어 제로이어도 된다. 또한, 식 (15)의 차수 n은 어디까지 정확한 토크 제어를 행할지에 따라 결정하면 된다. 보다 고차의 항을 포함하면 토크 제어의 정밀도는 높아지지만 연산 부하가 증대한다. 예를 들어 실제의 토크 변동이 도 11의 (b)에 나타낸 바와 같은 파형인 경우에는, 보정 토크 전류 파형을 최대한 동일한 파형으로 하도록 고조파까지 계산하는 것이 요망되지만, 보정에 있어서 가장 중요한 것은 기본 주파수 성분을 일치시키는 것이다. 이하에서는 차수 n을 「1」로 하여 설명한다.

초기 설정된 진폭 A1 및 위상 P1로부터, 최초의 제어 주기에 있어서 토크 보정 전류 명령 Iq_ref2가 산출되고, 그 다음의 제어 주기에서는, 진폭 A1(x) 및 위상 P1(x)은 식 (16), (17)에 의해 결정된다(스텝 S19, S23).

즉, 금회의 제어 주기의 진폭 A1(x), 위상 P1(x)은, 전회 제어 주기의 진폭 A1(x-1), 위상 P1(x-1)에 대해, 조정 부호에 의해 각각의 조정값 Aα, Pα만큼 증감한 값으로 결정된다. 그리고 식 (16), (17)에 의해 식 (15)의 진폭 A1, 위상 P1을 조정함으로써, 부하 토크의 변동을 상쇄하는 출력 토크를 발생시키는, 정현파 근사의 보정 전류 명령 Iq_ref2를 부여할 수 있다.

스텝 S19의 진폭 조정에 대해 도 5의 (b)를 참조하여 설명한다. 식 (15)에서 연산된 토크 보정 전류 Iq_ref2가 부하 토크 변동을 상쇄하는 방향으로 작용하면 속도 변동이 감소하는 방향으로 추이한다. 즉, 이 경우에는, 전회부터 금회에의 제어 주기에 걸치는 진폭의 조정이 양호한 방향으로 작용한 것이 되기 때문에, 식 (16)의 조정에 있어서 조정 부호를 변화시킬 필요는 없다(스텝 S41: "아니오"). 예를 들어, 부하 토크의 변동에 대해 보정 토크의 진폭이 부족한 상태로부터, 진폭을 증가시키는 방향으로 작용한 경우이며, 전전회 진폭→증가→전회 진폭→증가→금회 진폭이라고 하는 흐름을 유지하면 된다.

한편, 토크 보정 전류 Iq_ref2가 부하 토크 변동을 상쇄하는 방향으로 작용하지 않으면, 속도 변동이 증가하는 방향으로 추이한다. 즉, 이러한 경우에는, 전회부터 금회에의 제어 주기로의 조정이 나쁜 방향으로 작용한 것이 되어, 식 (16)의 조정 부호를 바꿀 필요가 있다(스텝 S41: "예"). 예를 들어, 부하 토크 변동에 대해 보정 토크의 진폭이 지나치게 큰 경우이며, 전전회 진폭→증가→전회 진폭→감소→금회 진폭이라고 하는 흐름으로 할 필요가 있다. 따라서 이 경우, 식 (16)의 진폭 조정 부호를 반전시킨다(스텝 S42).

그리고, 식 (17)에 있어서의 위상의 조정에 대해서도 마찬가지이다. 식 (15)에서 산출되는 토크 보정 전류 명령 Iq_ref2는 정현파 형상이며, 위상이 증감하면 부하 토크 위상에 대해 보정 토크 위상이 어긋나기 때문에, 결과적으로 속도 변동이 증감한다. 위상 조정에 대응하는 처리를 도 5의 (c)의 흐름도에 나타내고 있다(스텝 S51, S52).

이들 진폭 An, 위상 Pn의 조정은, 제어 주기마다 속도 변동을 검출하면서 행하기 때문에, 임의의 제어 주기로 양쪽을 동시에 조정하면, 그 결과가 어느 쪽의 조정에 의한 영향인지 판단할 수 없으므로, 제어 주기마다의 조정은 어느 한쪽만 행한다. 예를 들어, 보정 토크 전류 명령 Iq_ref2의 차수가 1이면 조정하는 항목은 2개(A1, P1)이기 때문에, 2개의 조정 알고리즘을 교대로 실행한다. 이 결과, 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같이 속도 변동을 최소로 하는 진폭과 위상의 조합을 향해 조정 결과가 수렴해 가게 된다.

처음에 진폭 페이즈에 있어서, 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같이 진폭 A1을 증가시키는 방향으로 조정하면 속도 변동이 감소하는 방향으로 작용하고 있다(도 8의 (a) 참조). 다음에 위상 페이즈에 있어서 도 8의 (b)에 나타낸 바와 같이 위상 P1을 감소시키는 방향으로 조정하면, 마찬가지로 속도 변동이 감소하는 방향으로 작용하고 있다(도 8의 (a) 참조). 다음에 도 8의 (c)에 나타낸 바와 같이, 진폭 A1을 1단계 증가시키는 방향으로 조정한 시점에서 속도 변동이 증가하는 방향으로 작용(도 8의 (a) 참조)했기 때문에, 진폭 A1을 감소시키는 방향으로 조정하고, 그 후 조정 제어가 안정된 결과, 최종적으로 진폭 A1을 1단계 감소시킨 상태에서의 위상 조정으로 이행하고 있다(도 8의 (b) 참조). 또한, 제어 응답에 약간의 지연이 있기 때문에, 속도의 증감과 위상, 진폭의 조정 방향과의 타이밍에는 약간 어긋남이 발생하는 점이 있다.

또한, 도 9는, 횡축에 진폭 A1, 종축에 위상 P1을 취하고, 각각을 교대로 조정하여 속도 변동의 최소점으로 수렴하는 과정을 나타낸 것이다. 도면 중에 나타내는 속도 변동 최소점에 있어서의 진폭 A1, 위상 P1이 조정 종료 후의 값으로 된다. 이들은 도 8의 (b), (c)의 우측 단부에서 각각이 도달한 조정값에 대응한다.

도 10은, 실제로 속도 변동이 억제되는 상태를 나타내는 각 신호 파형의 측정예이다. 도 10의 (a)의 좌측부에 모터의 속도 ω의 추이를 나타낸다. 속도 억제 제어의 개시 전은 실제 속도에 대해 추정 속도 ω가 지연되고 있어, 속도 변동이 커지고 있다. 또한, 도 10의 (a)의 중앙부는, 도 10의 (a)의 좌측부에 있어서의 제어 전의 속도 변동 부분(도면 중 좌측의 파선 부분), 도 10의 (a)의 우측부는, 도 10의 (a)에 있어서의 제어 후의 속도 변동 부분(도면 중 우측의 파선 부분)을 각각 확대하여 나타낸 것이다. 또한, 도 10의 (b) 내지 도 10의 (e)에 있어서의 좌측부, 중앙부 및 우측부의 관계는, 상술한 도 10의 (a)에 있어서의 관계와 마찬가지이다.

도 10의 (e)에 있어서, 부하 토크 Tq에 대해 모터의 출력 토크; q축 전류 Iq(도 10의 (b) 참조)가 지연되고 있다. 이때 추정한 부하 토크의 각도가 도면 중의 부하 토크 위상 θ1이다(도 10의 (d) 참조). 그리고, 도 10의 (c)에 나타낸 것이 보정 토크 전류 진폭 A1과 보정 토크 전류 위상 P1이다(도 8의 (b), 도 8의 (c)와 동일한 것).

이 경우, 진폭 조정 횟수와 위상 조정 횟수의 비를 5:6으로 설정하고 있고, 위상 조정 횟수가 많아지도록 하여 조정을 교대로 행하고 있다. 즉, 굳이 말하자면 변동의 억제에는, 진폭 A1의 조정보다도 위상 P1을 조정하여, 부하 토크 변동의 주파수를 일치시키는 쪽이 중요하기 때문이라고 할 수 있다. 이와 같이 하여 조정을 교대로 진행시킨 결과, 속도 변동값이 감소해 간다. 최종적으로는, 도 10의 (e)의 우측부에 나타낸 바와 같이 부하 토크 Tq와 모터의 출력 토크(Iq)가 대략 일치하도록 되어 있다.

이상과 같이 본 실시 형태에 따르면, 모터 제어 장치(20)는, 위치 추정부(5)가 전류 검출부(3)에 의해 검출된 각 상 전류 Iu, Iv, Iw에 기초하여 모터(2)의 회전 속도 ω 및 전기각 θ_M을 추정하면, 부하 토크 추정부(11)가, 각 상 전류 Iu, Iv, Iw와 전기각 θ_M에 기초하여 얻어지는 토크 전류 Iq와, 모터(2)의 상수와, 압축기(22)의 압축부(23)를 포함하는 모터(2)의 관성 모멘트로부터, 압축기(22)가 발생하는 부하 토크 Tq를 추정한다.

부하 토크 주파수ㆍ각도 추출부(12)는, 부하 토크 Tq가 나타내는 주기적인 변동의 위상(부하 토크 위상 θn)을 연산하고, 토크 보정 전류 산출부(10)가 부하 토크 위상 θn에 기초하여 변화하는 정현파 형상의 토크 보정 전류를 결정하면, 진폭ㆍ위상 조정부(9)는, 모터(2)의 속도 변동을 검출하고, 그 속도 변동을 감소시키도록 토크 보정 전류의 진폭 An 및 위상 Pn을 증감하여 조정하도록 했다.

따라서, 위치 센서리스 방식으로 모터(2)를 구동하는 구성에 있어서, 구동 대상으로 하는 압축기(22)의 토크 변동 특성 데이터를 미리 정확하게 취득하지 않더라도, 출력 토크의 보정을 다이내믹하게 행하여 속도 변동을 저감시켜, 모터(2)의 속도 ω가 목표 속도 ω_ref에 추종하도록 제어할 수 있다. 따라서, 모터 제어 장치(20)를 공조기에 적용하기 위한 개발 비용을 대폭 삭감할 수 있어, 공조기를 높은 정밀도로 제어할 수 있다.

그리고, 진폭ㆍ위상 조정부(9)는, 모터(2)의 속도 변동의 미분값을 연산하고, 그 미분값이 마이너스의 값이면 조정의 증감 방향을 종전 상태로 하고, 미분값이 플러스의 값이면 조정의 증감 방향을 반대로 하므로, 토크 전류 명령 Iq_ref2를 보정한 결과, 속도 변동이 감소했는지, 증대했는지에 따라서 조정의 증감 방향을 결정하여, 변동을 신속하게 억제할 수 있다. 또한, 진폭ㆍ위상 조정부(9)는, 진폭 An과 위상 Pn 중 어느 한쪽의 조정을 복수회 연속하여 행한 후, 다른 쪽의 조정을 행하도록 전환하므로, 진폭 An과 위상 Pn의 각각이 조정에 미치는 영향을 확인하면서 조정을 진행시킬 수 있다.

또한, 진폭ㆍ위상 조정부(9)는, 위상 Pn의 조정을 연속하여 행하는 횟수를, 진폭 An의 조정을 연속하여 행하는 횟수보다도 많게 설정하므로, 조정에 의해 큰 영향을 미친다고 상정되는 위상 Pn의 조정을 많게 행함으로써, 속도 변동을 한층 신속하게 억제할 수 있다. 부가하여, 토크 보정 전류 산출부(10)는, 부하 토크 위상에 기초하여, 부하 토크 변동의 원인이 되는 고조파에 대응하는 토크 보정 전류도 결정함으로써, 토크 보정 전류 파형을 부하 토크 변동 파형에 의해 근사시켜 조정을 행할 수 있다.

본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 이 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 신규인 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

진폭 조정 횟수와 위상 조정 횟수의 비는 5:6에 한정되지 않고 적절하게 설정하면 된다. 1:1(예를 들어 각각 8회씩 등)로 설정해도 되는 것은 물론이다.

그 밖에 예를 들어, 냉장고나 건조기, 세탁 건조기 등 압축기를 사용하는 전기 기기에 적용해도 된다.

또한, 모터의 구동 대상인 부하는 압축기에 한정되지 않고, 주기적인 부하 변동을 발생하는 것이면 적용이 가능하다.

Claims

부하를 구동하는 모터에 교류 전력을 공급하는 전력 공급 수단과,
상기 모터의 권선에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단과,
상기 전류에 기초하여 상기 모터의 회전 속도 및 전기각을 추정하는 속도ㆍ전기각 추정 수단과,
상기 전류와 상기 전기각에 기초하여 얻어지는 토크 전류와, 상기 모터의 상수와, 상기 부하를 포함하는 상기 모터의 관성 모멘트로부터, 상기 부하가 발생하는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정 수단과,
상기 부하 토크가 나타내는 주기적인 변동의 위상(부하 토크 위상)을 연산하는 부하 토크 위상 연산 수단과,
상기 부하 토크 위상에 기초하여 변화하는 정현파 형상의 토크 보정 전류를 결정하는 토크 보정 전류 결정 수단과,
상기 모터의 속도 변동을 검출하고, 상기 속도 변동을 감소시키도록 상기 토크 보정 전류의 진폭 및 위상을 증감하여 조정하는 진폭ㆍ위상 조정 수단을 구비하여 이루어지고,
상기 진폭ㆍ위상 조정 수단은, 상기 모터의 속도 변동의 미분값을 연산하고, 상기 미분값이 마이너스의 값이면 상기 조정의 증감 방향을 종전 상태로 하고, 상기 미분값이 플러스의 값이면 상기 조정의 증감 방향을 반대로 하는, 모터 제어 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 진폭ㆍ위상 조정 수단은, 상기 진폭과 상기 위상 중 어느 한쪽의 조정을 복수회 연속하여 행한 후, 다른 쪽의 조정을 행하도록 전환하는, 모터 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 진폭ㆍ위상 조정 수단은, 상기 위상의 조정을 연속하여 행하는 횟수를, 상기 진폭의 조정을 연속하여 행하는 횟수보다도 많게 설정하는, 모터 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 토크 보정 전류 결정 수단은, 상기 부하 토크 위상에 기초하여, 상기 부하 토크 변동의 원인이 되는 고조파에 대응하는 토크 보정 전류도 결정하는, 모터 제어 장치.
압축기와,
상기 압축기를 구동하는 모터와,
상기 모터에 교류 전력을 공급하는 전력 공급 수단과,
상기 모터의 권선에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단과,
상기 전류에 기초하여 상기 모터의 회전 속도 및 전기각을 추정하는 속도ㆍ전기각 추정 수단과,
상기 전류와 상기 전기각에 기초하여 얻어지는 토크 전류와, 상기 모터의 상수와, 상기 압축기를 포함하는 상기 모터의 관성 모멘트로부터, 상기 압축기가 발생하는 부하 토크를 추정하는 부하 토크 추정 수단과,
상기 부하 토크가 나타내는 주기적인 변동의 위상(부하 토크 위상)을 연산하는 부하 토크 위상 연산 수단과,
상기 부하 토크 위상에 기초하여 변화하는 정현파 형상의 토크 보정 전류를 결정하는 토크 보정 전류 결정 수단과,
상기 모터의 속도 변동을 검출하고, 상기 속도 변동을 감소시키도록 상기 토크 보정 전류의 진폭 및 위상을 증감하여 조정하는 진폭ㆍ위상 조정 수단을 구비하여 이루어지고,
상기 진폭ㆍ위상 조정 수단은, 상기 모터의 속도 변동의 미분값을 연산하고, 상기 미분값이 마이너스의 값이면 상기 조정의 증감 방향을 종전 상태로 하고, 상기 미분값이 플러스의 값이면 상기 조정의 증감 방향을 반대로 하는, 전기 기기.