KR101339653B1

KR101339653B1 - 동기기의 위치 센서리스 제어 장치

Info

Publication number: KR101339653B1
Application number: KR1020127027942A
Authority: KR
Inventors: 야스히로 야마모토; 마사시 타키구치
Original assignee: 메이덴샤 코포레이션
Priority date: 2010-06-04
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2013-12-11
Also published as: JP5527025B2; CN102934353B; JP2011254681A; KR20130025387A; WO2011152558A1; CN102934353A

Abstract

다중 권선 구성으로 한 동기기의 위치 센서리스 제어에 있어서, 다중 권선으로부터의 전압이나 전류 정보에 언밸런스가 존재하는 경우에도 각 인버터의 위상 추정 정보를 하나로 통합 처리하고, 이 통합 처리에 제어 요소의 공통화와 제어 정보의 통신을 간략화할 수 있다.
이중 권선 구성으로 한 동기기의 하나의 권선을 마스터 인버터로 구동하고, 나머지 권선을 슬레이브 인버터로 구동하고, 두 인버터는 회전 좌표 상의 전압 명령과 전류 검출 신호 및 모터의 회로 상수와 추정 속도로부터 추정 위상각(Δφ^_e1 및 Δφ^_e2)을 연산하고, 평균치 연산부(20)는 추정 위상각의 평균치를 구하고, 속도 추정부(12)는 평균치로부터 추정 속도(ω^_re)를 연산하고, 위치 적분부(13)는 추정 속도를 시간 적분하여 추정 기준 위상(θ^)을 연산한다.
평균치 연산은 속도 추정 후에 수행하는 구성 또는 위치 적분 후에 수행하는 구성도 포함한다.

Description

동기기의 위치 센서리스 제어 장치{Synchronous machine control device without position sensors}

본 발명은 영구 자석을 계자원으로 하는 동기기의 제어 장치에 관한 것으로서, 특히 다중 권선 구성으로 한 동기기의 전압이나 전류 정보로부터 자극 위상을 추정하여 토크나 속도를 제어하는 위치 센서리스 제어 장치에 관한 것이다.

영구 자석을 계자로 하는 동기기에는 위치 센서와 인버터를 조합하여 토크나 속도를 제어하는 가변속 제어가 적용되고 있다. 이를 더 확장하여, 위치 센서를 사용하지 않고 토크나 속도 제어를 구현하는 방법으로서 동기기의 전압이나 전류 정보로부터 자극 위상(계자 자극의 회전 위상)을 추정하여 토크나 속도를 제어하는 위치 센서리스 제어 방식이 있다.

이 센서리스 제어 방식에는 다양한 것이 존재하는데, 대표적인 방법으로서 문헌 1(비특허 문헌 1)의 방식이 있다. 이 방식은 다른 방식에 비해 하기와 같은 특징이 있다.

(1) 계자를 d축으로 하고 그에 대해 전기각으로 90° 진행된 위상을 q축으로 하는 2축 이론에 있어서, d축과 q축의 인덕턴스(Ld, Lq)가 서로 다르다는 자기적인 돌극성(Ld≠Lq)을 갖는 경우에 있어서도 적용할 수 있다.

(2) 돌극성이 있는 동기기에서는 Ld, Lq를 개별적으로 설정할 필요가 있는데, 문헌 1의 방식에서는 과도 응답 성능을 요구하지 않는 경우에는 모터 모델의 파라미터로서 Lq만 설정해도 동작할 수 있다. 따라서, 조정이 간단하다.

(3) 동일 차원 자속 옵저버 등을 사용하는 다른 방법에 비해 제어의 구성이 간단하고 연산량도 적다.

도 4는 문헌 1에서 제안하는 제어 블록도를 도시하며, 이 블록도는 다음의 요소로 구성되어 있다.

속도 제어부(Velocity Controller)(1)는 속도 명령(ω^* _re)과 속도 추정부(10)의 출력인 추정 속도(ω^_re)와의 편차를 비례 적분(PI) 등의 연산에 의해 모터 토크 명령에 해당하는 전류 명령(i^*)을 출력한다.

전류 제어부(Current Controller)(2)는 속도 제어부(1)의 출력인 전류 명령(i^*)과, 인버터(4)의 출력 전류 검출기(6)의 출력인 전류 검출 신호(i)와의 편차를 비례 적분 등의 연산에 의해 모터 토크 명령에 해당하는 전압 명령(v^*)을 출력한다.

2상/3상 교류 좌표 변환부(γ-δ/uvw)(3)는 전류 제어부(2)의 출력인 전압 명령을 계자의 회전 위상과 동기한 회전 좌표 변환과 2상/3상 변환에 의해 3상 교류의 전압 명령으로 변환하고, 인버터(4)에 전압 명령을 준다. 여기서 회전 좌표 변환의 기준 위상에는 위상 추정부(9)의 출력인 추정 위상(θ^_re)을 사용한다.

인버터(Inverter)(4)는 펄스폭 변조(PWM) 제어 등을 이용하여 전압 명령과 등가의 전압으로 증폭하여 모터에 공급한다.

영구 자석 동기 전동기(IPMSM)로 할 모터(5)는 인버터(4)에 의해 가변속 구동되는 동기 전동기이다. 또한, 문헌 1에서는 전동기라고 기재되어 있으나, 토크 명령의 극성을 바꾸는 것만으로 발전기에도 적용 가능하다.

전류 검출기(i 검출)(6)는 인버터(4)에서 모터(5)로 흐르는 전류를 검출하고, 전류 검출 신호(i)를 출력한다.

3상 교류/2상 좌표 변환부(γ-δ/uvw)(7)는 3상 교류의 전류 검출 성분을 2축 성분으로 변환하는 3상 /2상 변환 기능과 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분으로 변환하는 회전 좌표 변환 기능을 갖는 좌표 변환기이다. 여기서, 회전 좌표 변환의 기준 위상에는 위상 추정부(9)의 출력인 추정 위상(θ^_re)을 사용한다.

외란 옵저버(Disturbance observer)(8)는 모터(5)의 확장 유기 전압(e^)을 추정한다. 도 5는 외란 옵저버(8)의 연산 블록도를 도시하며, 파선 테두리 안이 실제의 모터부이고, 외란 옵저버(8)는 모터에 입력하는 전압(v)과 유입되는 전류(i)의 검출 성분을 입력으로 하고, 모터의 회로 상수(R, Ld, Lq)와 추정 각속도(ω^_re) 및 저대역 통과 필터(Filter)에 의해 확장 유기 전압(e^)을 추정한다. 이 확장 유기 전압은 영구 자석의 발생 자속에 의한 무부하 유기 기전력 성분에 대해 진폭 성분은 서로 다르지만, 동일한 부하각을 갖는다는 특징이 있다.

위상 추정부(Position Estimation)(9)는 모터(5)의 확장 유기 전압(e^)으로부터 모터(5)의 로터 위상을 추정한다.

도 6은 위상 추정부(9)의 연산 블록도를 도시한다. 도 6의 입력부에는 외란 옵저버(8)에서 추정한 확장 유기 전압(e^)이라는 2축차 성분으로부터 위상(θre)을 추출하는 기능의 기재가 생략되어 있으나, 실제로는 이 위상 연산을 사용한다. 그리고, 이 확장 유기 전압(e^)의 위상(θ_re)과 3상 교류/2상 좌표 변환부(7)의 좌표 변환에 사용한 위상 정보(θ^_re)와의 오차 위상(Δθ_re)을 계산하고, 그것을 다시 P(s)의1차 지연 함수와 K(s)의2차의 함수를 거쳐 새로운 추정 위상(θ^_re)을 출력하는 피드백 구성으로 되어 있다.

속도 추정부(velocity Estimation)(10)는 위상 추정부(9)의 위상 추정 결과 등을 시간 미분하여 추정 속도(ω^_re)를 출력한다.

상기한 위상 추정부(9)나 속도 추정부(10)에 대해서는 다양한 방법이 보고된 바 있으며, 여기서는 일례로서 문헌 1의 예를 기재했다.

도 4의 제어 블록도는 위상 추정부나 속도 추정부가 복잡하므로 이를 간략화한 것이 도 7이다. 이는 위상과 속도의 추정 부분을 변경한 것으로서, 명칭이나 표기는 서로 다르지만 1~9에 관해서는 도 4와 동일한 기능이다. 이하에 도 4와 비교하여 차이가 있는 부분만 설명한다.

tan^-1 함수 연산부(11)는 확장 유기 전압의 추정(e^)의 위상을 계산하고, 이를 회전 방향에 대해 90° 지연된 위상을 추정 자속축으로 간주하고, 이 위상을 위상각(Δφ^_eθ)으로서 출력한다. 이는 도 4의 위상차(θ_re-θ^_re)와 동일한 의미를 가지고 있다.

속도 추정부(12)는 위상각(Δφ^_eθ)은 실제 속도와 추정 속도의 오차에 의해 발생한 것이라고 생각하고, 이 위상각을 비례 적분 제어함으로써 추정 속도(ω^_re)를 수정한다.

위치 적분부(13)는 수정된 추정 속도(ω^_re)를 적분하여 회전 좌표 변환의 기준 위상(θ^)(도 4에서는 θ re)을 생성한다. 이 기준 위상(θ^)이 실제 기기의 계자 위상과 일치한 경우에는 위상각(Δφ^_eθ)은 0으로 집속된다.

또한, 전류 명령 변환부(14)는 전류 제어계에 회전 좌표 변환을 적용하기 위해 속도 제어부(1)로부터의 토크 명령(T^*)과 계자 명령(φ^*)(또는 각주파수(ω))에서 dq축의 전류 명령(i^*(id^*, iq^*))으로 변환한다.

확장 유기 전압 모델에 의거한 돌극형 영구 자석 동기 모터의 센서리스 제어, 이치카와 마사토, Zhiqian CHEN, 도미타 테루오, 도키 신지, 오쿠마 시게루, 전기학회 논문지 D. 2002/12. 122D, 12, 1088-1096

최근에는 영구 자석용의 자성 재료의 고성능화나 큰 치수의 자석을 제조하는 기술이 발달했기 때문에 대용량의 동기기에 있어서도 영구 자석형을 계자원으로 하는 기기의 제작이 가능해졌다. 그러나, 대용량의 동기기를 인버터로 가변속 구동하는 경우, 인버터 단일의 출력 전류 정격에는 제한이 있기 때문에 동기기의 권선을 분할한 다상 권선(3상×다중 권선) 구성으로 해 두었다가, 각 3상 권선을 복수 대의 인버터로 구동하는 구성을 채용할 수가 있다.

이 다중 권선의 동기기를 복수 대의 인버터로 권선별로 개별적으로 구동하는 시스템에 있어서, 계자 자극의 회전 위상을 검출하는 위치 센서를 필요로 하지 않는 위치 센서리스 제어를 구현하려면 복수 대의 인버터의 전압이나 전류 정보로부터 자극 위상을 각각 추정하는데, 자극 위상이 일치하지 않을 때가 있다. 그 상태인 채로는 각각이 서로 다른 위상을 추정하게 된다. 그러나, 실제 기기의 회전자는 1개이고 실제 회전 위상은 하나뿐이다. 따라서, 복수 대의 인버터에 있어서 개개의 전압과 전류 정보로부터 연산으로 추정한 위치 정보를 어떻게 해서 하나로 통합할 것인가가 과제가 된다.

이 전압이나 전류의 언밸런스의 요인으로는 철심의 가공이나 조립 오차 및 회전자의 축이 편심된 경우 등의 기계적인 언밸런스 요인이나 전류 검출 센서의 조정 오차 등의 전기적인 언밸런스 요인 등을 생각할 수 있다. 이들은 제조상 피할 수 없는 요인이기 때문에 이 대책으로서 어느 정도의 차이가 생겨도 대응할 수 있도록 각 인버터의 위상 추정 정보를 하나로 통합하는 기능이 필요해진다.

본 발명의 목적은 다중 권선 구성으로 한 동기기를 복수 대의 인버터로 구동하고, 옵저버로 자극 위상을 추정하는 위치 센서리스 제어에 있어서, 다중 권선으로부터의 전압이나 전류 정보에 언밸런스가 존재하는 경우에도 각 인버터의 위상 추정 정보를 하나로 통합 처리할 수 있고, 이 통합 처리에 제어 요소의 공통화와 제어 정보의 통신을 간략화할 수 있는 위치 센서리스 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기한 과제를 해결하기 위해, 다중 권선 구성으로 한 동기기의 하나의 권선을 마스터 인버터로 구동하고, 나머지 권선을 각 슬레이브 인버터로 각각 구동하고, 각 인버터는 회전 좌표 상의 전압 명령과 전류 검출 신호 및 모터의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각(Δφ^_e)을 연산하는 수단을 구비하고, 이들 추정 위상각의 평균치로부터 추정 속도(ω^_re)를 연산하는 구성 또는 추정 속도의 평균치로부터 시간 적분한 추정 위상을 연산하는 구성, 나아가서는 추정 속도를 시간 적분한 추정 위상의 평균치로부터 기준 위상(θ^)을 연산하는 구성으로 하고, 이들 평균치 연산과 기준 위상 연산에는 마스터 인버터와 슬레이브 인버터 사이에서 추정 속도 또는 추정 위상의 전송과 기준 위상을 전송하는 구성으로 하는 것으로서, 이하의 장치를 특징으로 한다.

(1) 마스터 인버터는 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 하나의 권선에 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 각 슬레이브 인버터도 동일하게 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 다른 권선에 각각 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 상기 마스터 인버터와 각 슬레이브 인버터는 전압 명령을 교류로 변환한 역회전 좌표 변환과 역위상의 회전 좌표 변환을 적용하여 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분으로 변환하는 수단과, 회전 좌표 상의 전압 명령과 각 권선의 전류 검출 신호 및 동기기의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각을 연산하는 수단을 구비하고, 상기 추정 위상각을 바탕으로 구하는 추정 기준 위상(θ^)을 상기 회전 위상으로서 사용하는 위상 추정 수단을 구비한 동기기의 위치 센서리스 제어 장치에 있어서, 마스터 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e1)과 슬레이브 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e2)을 평균하는 평균 연산 수단과, 이 평균한 추정 위상각으로부터 추정 속도(ω^_re)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 이 추정 속도를 적분하여 상기 기준 추정 위상(θ^)을 구하는 적분 연산 수단과, 이를 마스터 인버터와 슬레이브 인버터의 공통된 계자의 회전 위상으로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

(2) 마스터 인버터는 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 하나의 권선에 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 각 슬레이브 인버터도 동일하게 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 다른 권선에 각각 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 상기 마스터 인버터와 각 슬레이브 인버터는 전압 명령을 교류로 변환한 역회전 좌표 변환과 역위상의 회전 좌표 변환을 적용하여 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분으로 변환하는 수단과, 회전 좌표 상의 전압 명령과 각 권선의 전류 검출 신호 및 동기기의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각을 연산하는 수단을 구비하고, 상기 추정 위상각을 바탕으로 구하는 추정 기준 위상(θ^)을 상기 회전 위상으로서 사용하는 위상 추정 수단을 구비한 동기기의 위치 센서리스 제어 장치에 있어서, 마스터 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e1)으로부터 추정 속도(ω^₁)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 슬레이브 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e2)으로부터 추정 속도(ω^₂)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 상기 추정 속도(ω^₁)와 추정 속도(ω^₂)를 평균하는 평균 연산 수단과, 이 평균한 추정 속도(ω^_re)를 적분하여 상기 기준 추정 위상(θ^)을 구하는 적분 연산 수단과, 이를 마스터 인버터와 슬레이브 인버터의 공통된 계자의 회전 위상으로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

(3) 마스터 인버터는 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 하나의 권선에 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 각 슬레이브 인버터도 동일하게 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 다른 권선에 각각 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 상기 마스터 인버터와 각 슬레이브 인버터는 전압 명령을 교류로 변환한 역회전 좌표 변환과 역위상의 회전 좌표 변환을 적용하여 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분으로 변환하는 수단과, 회전 좌표 상의 전압 명령과 각 권선의 전류 검출 신호 및 동기기의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각을 연산하는 수단을 구비하고, 상기 추정 위상각을 바탕으로 구하는 추정 기준 위상(θ^)을 상기 회전 위상으로서 사용하는 위상 추정 수단을 구비한 동기기의 위치 센서리스 제어 장치에 있어서, 마스터 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e1)으로부터 추정 속도(ω^_re1)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 이 추정 속도(ω^_re1)를 적분하여 추정 위상(θ^₁)을 구하는 적분 연산 수단과, 슬레이브 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e2)으로부터 추정 속도(ω^_re2)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 이 추정 속도(ω^_re2)를 적분하여 추정 위상(θ^₂)을 구하는 적분 연산 수단과, 상기 추정 위상(θ^₁)과 추정 위상(θ^₂)을 평균하여 상기 기준 추정 위상(θ^)을 구하는 평균 연산 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

(4) 상기 위상 추정 수단은 마스터 인버터에 설치하고, 슬레이브 인버터는 연산한 상기 추정 위상각 또는 추정 속도 또는 추정 위상을 마스터 인버터에 대해 전송하는 수단을 설치하고, 마스터 인버터는 연산한 추정 기준 위상을 공통 데이터로서 각 슬레이브 인버터에 전송하는 수단을 설치한 것을 특징으로 한다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, 다중 권선 구성으로 한 동기기의 하나의 권선을 마스터 인버터로 구동하고, 나머지 권선을 각 슬레이브 인버터로 각각 구동하고, 각 인버터는 회전 좌표 상의 전압 명령과 전류 검출 신호 및 모터의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각(Δφ^_e)을 연산하는 수단을 구비하고, 이들 추정 위상각의 평균치로부터 추정 속도(ω^_re)를 연산하는 구성 또는 추정 속도의 평균치로부터 시간 적분한 추정 위상을 연산하는 구성, 나아가서는 추정 속도를 시간 적분한 추정 위상의 평균치로부터 기준 위상(θ^)을 연산하는 구성으로 하고, 이들 평균치 연산과 기준 위상 연산에는 마스터 인버터와 슬레이브 인버터 사이에서 추정 속도 또는 추정 위상의 전송과 기준 위상을 전송하는 구성으로 하기 때문에 다중 권선으로부터의 전압이나 전류 정보에 언밸런스가 존재하는 경우에도 각 인버터의 위상 추정 정보를 하나로 통합 처리할 수 있고, 이 통합 처리에 제어 요소의 공통화와 제어 정보의 통신을 간략화할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 마스터 인버터 및 슬레이브 인버터에는 기존의 제어계를 유용할 수 있고, 단일의 인버터로 구동하는 경우와, 복수 대의 인버터로 구동하는 경우를 비교하면, 동일한 제어 연산 소프트웨어나 제어 게인을 이용할 수 있고, 많은 부분을 공통화할 수 있다.

또한, 인버터 간의 전송 데이터는 슬레이브 인버터로부터의 Δφ^_e2와, 마스터 인버터로부터의 추정 기준 위상(θ^)의 2개이면 되며, 전류나 전압 성분 등과 같은 2축 성분 또는 3상 성분으로 표시되는 것을 전송하는 경우에 비해, 이들 위상 데이터는 스칼라값이므로 전압이나 전류를 전송하는 것보다 통신 데이터량도 대폭으로 적게 할 수 있다.

도 1은 실시 형태 1에 있어서 동기기의 위치 센서리스 제어 장치의 제어 블록도.
도 2는 실시 형태 2에 있어서 동기기의 위치 센서리스 제어 장치의 제어 블록도.
도 3은 실시 형태 3에 있어서 동기기의 위치 센서리스 제어 장치의 제어 블록도.
도 4는 종래의 위치 센서리스 제어 장치의 제어 블록도.
도 5는 도 4에 있어서 외란 옵저버의 연산 블록도.
도 6은 도 4에 있어서 위상 추정부(9)의 연산 블록도.
도 7은 종래의 위치 센서리스 제어 장치의 간략화 제어 블록도.

(실시 형태 1)

도 1은 본 실시 형태에 있어서 동기기의 위치 센서리스 제어 장치의 제어 블록도로서, 이중 권선의 동기기(5)를 2대의 인버터(4, 4a)로 권선별로 개별적으로 구동하는 경우이다.

도 1중의 회로 요소(1~8 및 11~14)는 도 7과 동등한 것으로서, 도 7에 해당하는 부분을 설명하면, 속도 제어계와 회전 좌표 변환을 적용한 전류 제어계에 의해 계자의 회전 위상과 동기한 좌표의 전압 명령(v₁ ^*)을 출력하고, 이 전압 명령을 추정 기준 위상(θ^)에 의거하여 다상 교류로 역회전 좌표 변환한 전압 명령(v^* _uvw1)을 얻고, 나아가 PWM변조 제어 등에 의해 인버터(4)로 전력 증폭하여 동기기(5)의 하나의 권선의 전류를 제어한다. 그리고, 동기기(5)의 권선에 흐르는 교류 전류 성분을 전류 검출기(6)로 검출하고, 이 전류 성분을 역회전 좌표 변환과 역위상의 회전 좌표 변환을 하여 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분(i₁)으로 변환한다.

한편, 외란 옵저버(8)와 tan^- ¹함수 연산부(11) 등에 의해 인버터의 회전 좌표 상의 전압 명령(v₁ ^*)과 전류 검출 신호(i₁) 및 동기기의 회로 상수와 추정 속도(ω^_re)로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 위상각(Δφ^_e1)을 구하고, 이 위상각을 이용하여 추정 속도(ω^_re)를 수정하고, 이 수정된 추정 속도를 위치 적분부(13)에 의해 시간 적분하여 추정 기준 위상(θ^)을 생성함으로써 위치 센서리스 제어를 가능하게 한다.

여기서, 본 실시 형태에서는 이중 권선의 동기기(5)를 2대의 인버터로 권선별로 개별적으로 구동하는 장치 구성으로 확장하여 도 1중의 회로 요소(1~8 및 11~14)에 의한 구성을 마스터 인버터로 하고, 이 마스터 인버터의 회로 요소(2~4, 6~8, 11)에 대응하는 회로 요소(2a~4a, 6a~8a, 11a)에 의한 구성을 추가하여 슬레이브 인버터로 한다. 이 슬레이브 인버터에서는 마스터 인버터와 공통의 전류 명령(i^*)으로서 동기기(5)의 타측의 권선의 전류 제어를 수행함과 아울러, 외란 옵저버(8a)에 의한 확장 유기 전압 추정과, tan^-1 함수 연산부(11a)에 의한 확장 유기 전압 위상각(Δφ^_e2)을 구한다.

나아가, 슬레이브 인버터에서 연산한 추정 위상각(Δφ^_e2)을 마스터 인버터에 대해 전송, 반대로 마스터 인버터에서 구한 추정 위상(θ^)을 슬레이브 인버터에 공통 데이터로서 전송한다.

그리고, 마스터 인버터에서는 슬레이브 인버터로부터 전송받은 추정 위상각(Δφ^_e2)과 자신이 연산한 추정 위상각(Δφ^_e1)을 위상각 평균 연산부(20)에서 평균 연산하고, 이 평균 위상 정보를 이용하여 속도 추정부(12)가 속도 추정을 수행하고, 이 추정 속도를 두 인버터의 공통의 추정 각속도(ω^_re)로 함과 아울러, 위치 적분부(13)가 적분하여 두 인버터의 공통의 추정 기준 위상(θ^)으로 한다. 이 추정 기준 위상(θ^)은 마스터 인버터에서는 내부에서 다음 단으로 전송하고, 슬레이브 인버터에는 전송에 의해 동일하게 다음 단 처리를 수행한다.

따라서, 마스터 인버터와 슬레이브 인버터는 다중 권선으로부터의 서로 다른 전압이나 전류 검출 정보로부터 추정하는 확장 유기 전압의 위상각에 차이가 발생하는데, 두 인버터의 위상 추정 정보의 평균화에 의해 하나로 통합 처리할 수 있고, 이 통합 처리한 추정 기준 위상(θ^)에 의한 회전 좌표 변환에 적용함으로써 속도 추정 이후에는 마치 한 대의 인버터와 같이 동작시켜, 다중 권선의 동기기(5)의 위치 센서리스 제어를 할 수 있다.

게다가, 통합 처리에 있어서, 제어 요소의 공통화와 제어 정보의 통신을 간략화할 수 있다. 즉, 위치 센서리스 제어 장치로는 기존의 제어계를 유용할 수 있고, 단일의 인버터로 구동하는 경우와 복수 대의 인버터로 구동하는 경우를 비교하면, 동일한 제어 연산 소프트웨어나 제어 게인을 이용할 수 있고, 많은 부분을 공통화할 수 있다. 또한, 인버터 간의 전송 데이터는 위상각(Δφ^_e2)과 기준 위상(θ^)의2개이면 되며, 이들 데이터는 스칼라값이기 때문에 일반적으로 전류나 전압 성분에 대해서는 2축 성분 또는 3상 성분으로 표시되어 그 전송을 하는 것보다 통신 데이터량을 대폭으로 적게 할 수 있다.

또한, 도 1에서는 이중 권선의 동기기의 예를 도시했으나, 다중 수가 더 큰 동기기에 대해서도 평균화할 위상 수를 늘리면 용이하게 확장할 수 있다.

(실시 형태 2)

도 2는 본 실시 형태에 있어서 동기기의 위치 센서리스 제어 장치의 제어 블록도로서, 실시 형태 1에 대해 2대의 인버터로부터 취득하는 추정 위상각(Δφ^_e1)과 추정 위상각(Δφ^ _e2) 대신 추정 속도(ω^₁, ω^₂)로 변경한 것이다.

도 2에 있어서, 마스터 인버터 및 슬레이브 인버터에는 추정 위상각(Δφ^_e1)과 추정 위상각(Δφ^_e2)의 변화로부터 각각 속도를 추정하는 속도 추정부(12 및 12a)를 설치하고, 나아가 속도 평균 연산부(21)는 속도 추정부(12, 12a)로부터의 “추정 속도(ω^₁, ω^₂)”를 평균화하고, 그 평균 추정 속도를 두 인버터의 공통의 추정 각속도(ω^_re)로 함과 아울러, 위치 적분부(13)가 적분하여 두 인버터의 공통의 추정 기준 위상(θ^)으로 한다. 이 추정 기준 위상(θ^)을 마스터 인버터에서는 내부 전송하고, 슬레이브 인버터에 전송한다.

따라서, 본 실시 형태에서는 실시 형태1과 동일하게 마스터 인버터와 슬레이브 인버터는 다중 권선으로부터의 서로 다른 전압이나 전류 정보로부터 추정하는 확장 유기 전압의 위상각에 차이가 발생하는데, 두 인버터의 위상 추정 정보의 평균화에 의해 하나로 통합 처리할 수 있고, 이 통합 처리한 추정 기준 위상(θ^)에 의한 회전 좌표 변환을 적용함으로써 속도 추정 이후에는 마치 1대의 인버터와 같이 동작시켜 다중 권선의 동기기(5)의 위치 센서리스 제어를 할 수 있다. 또한, 통합 처리에 제어 요소의 공통화와 제어 정보의 통신을 간략화할 수 있다.

또한, 도 2에 있어서, 속도 추정부(12 및 12a)는 위상각(Δφ^_e1)과 위상각(Δφ^_e2)을 각각 비례 적분 제어함으로써 추정 속도(ω^_re)를 얻기 때문에 서로 다른 입력으로부터의 적분에 의해 시간 경과에 따라 적분치가 서서히 큰 차이가 될 가능성이 있는 것처럼 생각된다. 그러나, 실제로는 이 추정 속도를 도 5와 같이 자속 옵저버의 확장 유기 전압의 연산에 사용하고 있으므로 이를 경유한 피드백이 걸리기 때문에 실제로는 2대의 인버터 사이에서는 추정 속도는 어느 정도의 차이로 억제되어 이상한 속도차로는 되지 않는다.

또한, 도 2에서는 이중 권선의 동기기의 예를 도시했으나, 다중 수가 더 큰 동기기에 대해서도 평균화할 위상 수를 늘리면 용이하게 확장할 수 있다.

(실시 형태 3)

도 3은 본 실시 형태에 있어서 동기기의 위치 센서리스 제어 장치의 제어 블록도 로서, 실시 형태 2에 대해 2대의 인버터로부터 취득하는 추정 속도(ω^_re) 대신 추정 위상(θ^₁, θ^₂)으로 변경한 것이다.

도 3에 있어서, 마스터 인버터 및 슬레이브 인버터에는 속도 추정부(12 및 12a)로부터의 추정 속도의 적분 연산으로 각각 기준 위상(기준 위치)을 추정하는 위치 적분부(13 및 13a)를 설치하고, 나아가 위상 평균 연산부(22)는 위치 적분부(13 및 13a)로부터의 추정 위상(θ^₁, θ^₂)을 평균화하고, 그 평균 추정 위상을 두 인버터의 공통의 평균 추정 기준 위상(θ^)으로 한다. 미분 연산부(23)는 평균 추정 기준 위상(θ^)을 미분함으로써 추정 속도(ω^_re’)를 구한다. 이들 추정 각속도(ω^_re’) 및 추정 기준 위상(θ^)은 마스터 인버터에서는 내부에서 전송하고, 추정 기준 위상(θ^)은 슬레이브 인버터에 전송한다.

따라서, 본 실시 형태에서는 실시 형태1이나 2와 동일하게 마스터 인버터와 슬레이브 인버터는 다중 권선으로부터의 서로 다른 전압이나 전류 정보로부터 추정하는 확장 유기 전압의 위상각에 차이가 발생하는데, 두 인버터의 위상 추정 정보의 평균화에 의해 하나로 통합 처리할 수 있고, 이 통합 처리한 추정 기준 위상(θ^)에 의한 회전 좌표 변환을 적용함으로써 위상 추정 이후에는 마치 1대의 인버터와 같이 동작시켜 다중 권선의 동기기(5)의 위치 센서리스 제어를 할 수 있다. 또한, 통합 처리에 제어 요소의 공통화와 제어 정보의 통신을 간략화할 수 있다.

또한, 도 3에 있어서, 속도 추정부(12 및 12a)에서의 속도 추정을 위한 적분항과 위치 적분부(13 및 13a)에서의 위상 추정을 위한 적분항이 존재하기 때문에, 이들 적분기의 값이 시간 경과에 따라 서서히 차이가 생길 가능성이 있는 것처럼 생각된다. 그러나, 실제로는 두 인버터의 회전 좌표 변환부에 적용하는 기준 위상은 공통이기 때문에 두 인버터 사이에 추정 위상의 편차가 발생한 경우라도 회전 좌표 변환된 확장 유기 기전력의 위상에 차이가 나타나 각 추정 위상의 편차가 확대되는 것을 억제하는 피드백이 걸린다. 따라서, 본 실시 형태에서도 실시 형태 2와 동일하게 속도 추정이나 위상 추정이 이상한 편차로까지 발산되지는 않는다.

3, 3a, 7, 7a : 좌표 변환부 4, 4a : 인버터
5 : 모터 8, 8a : 외란 옵저버
10, 12, 12a : 속도 추정부 11, 11a : tan^-1 함수 연산부
13, 13a : 위치 적분부 20 : 위상각 평균 연산부
21 : 속도 평균 연산부 22 : 위상 평균 연산부
23 : 미분 연산부

Claims

마스터 인버터는 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 하나의 권선에 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 각 슬레이브 인버터도 동일하게 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 다른 권선에 각각 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고,
상기 마스터 인버터와 각 슬레이브 인버터는 전압 명령을 교류로 변환한 역회전 좌표 변환과 역위상의 회전 좌표 변환을 적용하여 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분으로 변환하는 수단과, 회전 좌표 상의 전압 명령과 각 권선의 전류 검출 신호 및 동기기의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각을 연산하는 수단을 구비하고,
상기 추정 위상각을 바탕으로 구하는 추정 기준 위상(θ^)을 상기 회전 위상으로서 사용하는 위상 추정 수단을 구비한 동기기의 위치 센서리스 제어 장치에 있어서,
마스터 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e1)과 슬레이브 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e2)을 평균하는 평균 연산 수단과, 이 평균한 추정 위상각으로부터 추정 속도(ω^_re)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 이 추정 속도를 적분하여 상기 기준 추정 위상(θ^)을 구하는 적분 연산 수단과, 이를 마스터 인버터와 슬레이브 인버터의 공통된 계자의 회전 위상으로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 동기기의 위치 센서리스 제어 장치.
마스터 인버터는 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 하나의 권선에 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 각 슬레이브 인버터도 동일하게 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 다른 권선에 각각 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고,
상기 마스터 인버터와 각 슬레이브 인버터는 전압 명령을 교류로 변환한 역회전 좌표 변환과 역위상의 회전 좌표 변환을 적용하여 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분으로 변환하는 수단과, 회전 좌표 상의 전압 명령과 각 권선의 전류 검출 신호 및 동기기의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각을 연산하는 수단을 구비하고,
상기 추정 위상각을 바탕으로 구하는 추정 기준 위상(θ^)을 상기 회전 위상으로서 사용하는 위상 추정 수단을 구비한 동기기의 위치 센서리스 제어 장치에 있어서,
마스터 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e1)으로부터 추정 속도(ω^₁)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 슬레이브 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e2)으로부터 추정 속도(ω^₂)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 상기 추정 속도(ω^₁)와 추정 속도(ω^₂)를 평균하는 평균 연산 수단과, 이 평균한 추정 속도(ω^_re)를 적분하여 상기 기준 추정 위상(θ^)을 구하는 적분 연산 수단과, 이를 마스터 인버터와 슬레이브 인버터의 공통된 계자의 회전 위상으로 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 동기기의 위치 센서리스 제어 장치.
마스터 인버터는 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 하나의 권선에 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고, 각 슬레이브 인버터도 동일하게 계자의 회전 위상과 동기한 전압 명령을 다상 교류로 역회전 좌표 변환 및 전력 증폭하여 다중 권선 구성의 동기기의 다른 권선에 각각 구동 전류를 공급하는 구성으로 하고,
상기 마스터 인버터와 각 슬레이브 인버터는 전압 명령을 교류로 변환한 역회전 좌표 변환과 역위상의 회전 좌표 변환을 적용하여 계자의 회전 위상과 동기한 전류 성분으로 변환하는 수단과, 회전 좌표 상의 전압 명령과 각 권선의 전류 검출 신호 및 동기기의 회로 상수와 추정 속도로부터 “계자 자속에 의해 발생하는 속도 기전력의 위상 정보를 포함하는 전압 성분 등”의 추정 위상각을 연산하는 수단을 구비하고,
상기 추정 위상각을 바탕으로 구하는 추정 기준 위상(θ^)을 상기 회전 위상으로서 사용하는 위상 추정 수단을 구비한 동기기의 위치 센서리스 제어 장치에 있어서,
마스터 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e1)으로부터 추정 속도(ω^_re1)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 이 추정 속도(ω^_re1)를 적분하여 추정 위상(ω^₁)을 구하는 적분 연산 수단과, 슬레이브 인버터가 연산한 추정 위상각(Δφ^_e2)으로부터 추정 속도(ω^_re2)를 구하는 추정 속도 연산 수단과, 이 추정 속도(ω^_re2)를 적분하여 추정 위상(θ^₂)을 구하는 적분 연산 수단과, 상기 추정 위상(ω^₁)과 추정 위상(ω^₂)을 평균하여 상기 기준 추정 위상(θ^)을 구하는 평균 연산 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 동기기의 위치 센서리스 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 위상 추정 수단은 마스터 인버터에 설치하고, 슬레이브 인버터는 연산한 상기 추정 위상각 또는 추정 속도 또는 추정 위상을 마스터 인버터에 대해 전송하는 수단을 설치하고, 마스터 인버터는 연산한 추정 기준 위상을 공통 데이터로서 각 슬레이브 인버터에 전송하는 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 동기기의 위치 센서리스 제어 장치.