KR101638714B1 - 교류 회전기의 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

교류 회전기의 제어 장치는, 전류 벡터 검출부(3)와, 자속 벡터 검출부(9)와, 적응 관측부(8)와, 제어부(4)와, 전압 인가부(5)와, 전류 편차 벡터와 자속 편차 벡터를 출력하는 편차 벡터 연산부(6)와, 편차 증폭부(7)를 구비하고, 적응 관측부(8)는 전압 지령 벡터와 증폭 편차 벡터에 근거하여 추정 전류 벡터와 추정 자속 벡터와 추정 위치를 연산하고, 또한, 제어부(4)는 고주파 전압 벡터를 중첩하고, 자속 벡터 검출부(9)는 검출 전류 벡터에 포함되는 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터의 크기와 회전자 자속의 크기로부터 검출 자속 벡터를 연산한다.

Description

교류 회전기의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR ALTERNATING CURRENT ROTARY MACHINE}
본 발명은, 회전자 위치 정보를 얻기 위해 위치 센서를 이용하지 않고서, 유도기나 동기기 등의 교류 회전기를 제어할 수 있는 교류 회전기의 제어 장치에 관한 것이다.
동기기나 유도기 등의 교류 회전기를 제어하는 방법으로서 적응 관측기 등을 이용하여 유기 전압에 근거하는 센서리스 제어법이 알려져 있다. 이 유기 전압에 근거하는 센서리스 제어법은 위치 센서나 속도 센서를 생략할 수 있는 특징을 갖지만, 저속 회전역에서는 유기 전압이 작아지기 때문에 유기 전압의 검출 또는 추정이 어려워지고, 저속 회전역에서는 구동 특성이 저하된다고 하는 문제가 있다.
한편, 저속역에서는, 교류 회전기의 기본 주파수와는 상이한 주파수의 전압이나 전류를 중첩하여 인덕턴스의 돌극성을 이용한 위치 검출 결과에 근거하여 제어를 하면, 위치 센서가 없어도 저속역의 구동이 가능하게 된다. 그러나, 인덕턴스의 돌극성을 이용하여 고회전역에서 구동하고자 하면 기본파 이외의 전압이나 전류가 발생하기 때문에, 운전 효율, 전압 이용률, 최대 전류의 관점에서 불리하게 된다.
그래서, 인덕턴스의 돌극성을 이용한 위치 검출 결과에 근거하여 교류 회전기를 구동함과 아울러, 고회전역에서는 유기 전압을 이용한 센서리스 제어에 의해 교류 회전기를 구동하면 저렴하고 또한 전체 속도 영역에서 구동 가능한 장치를 제공할 수 있다. 이 경우, 저속역으로부터 고속역까지 원활하게 구동하는 것이 요점이 된다.
교류 회전기를 저속역으로부터 고속역까지 원활하게 구동하는 것을 가능하게 하기 위해, 예컨대 이하의 발명이 개시되어 있다.
위치 센서를 이용하지 않고서, 벡터 컨트롤러 기본부에서 필요로 하는 회전 dq 좌표계의 위상을 적절히 생성하기 위해, 저주파 영역용의 위상을 생성하는 저주파 영역 위상 생성기와 고주파 영역용의 위상을 생성하는 고주파 영역 위상 생성기를 준비하고, 또한, 이들 2종류의 위상을 주파수적으로 가중 평균하여 합성하는 위상 합성기를 구성하고, 합성된 최종 위상을 회전 dq 좌표계의 위상으로 하는 발명이 개시되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
또한, 교류 전동기의 속도 0으로부터 고속역까지를 연속적으로 제어하기 위한 센서리스 제어 방법에 있어서, 회전자 각도를 이용하여 연산되는 제 1 자속 벡터와, 회전자 각도를 이용하지 않고서 연산되는 제 2 자속 벡터의 외적 연산에 의해서 얻어지는 위치 오차 Δθ가 0이 되도록, 위치ㆍ속도 추정기에 의해, 기계 수식 모델에 의해 추정한 속도 추정치 ωest와 위치 추정치 θ0을 이용하여 제어를 행하는 발명이 개시되어 있다(예컨대, 특허 문헌 2 참조).
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 평 10-94298호 공보(단락 [0032], 도 1)
(특허 문헌 2) 일본 특허 공개 2006-158046호 공보(단락 [0012], [0013], 도 2, 3)
특허 문헌 1에 개시된 발명에서는, 2종류의 위상을 주파수적으로 가중 평균하여 합성하기 위해, 저속 영역용과 고속 영역용의 위상을 동시에 얻을 필요가 있고, 저주파 영역 위상 생성기와 고주파 영역 위상 생성기의 양쪽을 동시에 연산 처리하기 때문에, 연산 처리가 매우 증대되는 문제가 있다. 또한, 주파수가 낮아지는 저속역에서는 2종류의 위상 중 저주파 영역 위상 생성기에 근거하여 구동할 필요가 있고, 저주파 영역 위상 생성기의 추정 응답이 늦으면, 저속 영역에서는 속도 제어 응답이나 토크 제어 응답 등의 응답성을 높게 유지할 수 없다고 하는 문제도 있다.
또한, 특허 문헌 2에 개시된 발명에서는, 제 1 자속 벡터를 얻기 위해 회전자 각도를 필요로 하고, 이 회전자 각도는 미리, 검출 또는 연산 처리하여 구할 필요가 있기 때문에, 연산량이 증대되는 문제가 있다. 또한, 제 1 자속 벡터를 얻기 위해 필요한 회전자 각도의 검출ㆍ추정의 응답이 늦으면, 제 1 자속 벡터와 제 2 자속 벡터의 외적 연산에 의해 얻어지는 위치 오차 Δθ의 응답도 늦어지고, 위치ㆍ속도 추정기가 구하는 속도 추정치 ωest와 위치 추정치 θest의 응답도 늦어진다. 그 결과, 속도 제어 응답이나 토크 제어 응답 등의 응답성을 높게 유지할 수 없다고 하는 문제도 있다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 전체 속도 영역에 있어서 위치 센서를 이용하지 않고서 원활한 교류 회전기의 구동이 가능하고, 연산량의 저감과 응답성의 향상을 도모할 수 있는 교류 회전기의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 교류 회전기의 제어 장치는, 교류 회전기의 전류로부터 검출 전류 벡터를 검출하는 전류 벡터 검출부와, 교류 회전기의 검출 전류 벡터로부터 회전자 자속 벡터를 검출하여 검출 자속 벡터로서 출력하는 자속 벡터 검출부와, 교류 회전기의 추정 전류 벡터와 추정 자속 벡터와 추정 위치를 출력하는 적응 관측부와, 검출 전류 벡터가 전류 지령 벡터에 일치하도록 전압 지령 벡터를 출력하는 제어부와, 전압 지령 벡터에 근거하여 교류 회전기에 전압을 인가하는 전압 인가부와, 추정 전류 벡터와 검출 전류 벡터의 편차인 전류 편차 벡터와, 추정 자속 벡터와 검출 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터를 출력하는 편차 벡터 연산부와, 전류 편차 벡터와 자속 편차 벡터를 증폭하여 증폭 편차 벡터로서 출력하는 편차 증폭부를 구비하고, 적응 관측부는 전압 지령 벡터와 증폭 편차 벡터에 근거하여 추정 전류 벡터와 추정 자속 벡터와 추정 위치를 연산하여 출력하고, 또한, 제어부는 교류 회전기를 구동하는 주파수와는 상이한 주파수 성분의 고주파 전압 벡터를 중첩한 전압 지령 벡터를 출력하고, 자속 벡터 검출부는 검출 전류 벡터에 포함되는 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터의 크기와 회전자 자속의 크기로부터 검출 자속 벡터를 연산하여 출력하는 것이다.
본 발명에 따른 교류 회전기의 제어 장치는, 상기와 같이 구성되어 있기 때문에, 전체 속도 영역에 있어서, 위치 센서를 이용하지 않고서, 원활한 교류 회전기의 구동이 가능하고, 연산량의 저감과 응답성의 향상을 도모할 수 있는 교류 회전기의 제어 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 시스템 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 제어부의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 편차 증폭부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 적응 관측부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 적응 관측부의 내부 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 회전자 자속 벡터의 설명도이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 변형예의 시스템 구성도이다.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 변형예의 편차 증폭부의 구성도이다.
도 13은 본 발명의 실시의 형태 2의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 2의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 15는 본 발명의 실시의 형태 2의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 16은 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 시스템 구성도이다.
도 17은 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 제어부의 구성도이다.
도 18은 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 제어부의 내부 구성도이다.
도 19는 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 적응 관측부의 구성도이다.
도 20은 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 적응 관측부의 내부 구성도이다.
도 21은 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 구성도이다.
도 22는 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 23은 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 24는 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부의 내부 구성도이다.
도 25는 본 발명의 실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치에 따른 회전자 자속 벡터의 설명도이다.
실시의 형태 1.
실시의 형태 1은, 검출 자속 벡터와 추정 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터와, 검출 전류 벡터와 추정 전류 벡터의 편차인 전류 편차 벡터를 구하고, 증폭한 증폭 편차 벡터로 적응 관측부가 출력하는 추정 속도나 추정 위치를 이용하여 교류 회전기를 구동하는 교류 회전기의 제어 장치에 관한 것이다. 여기서, 자속 벡터 검출부가 출력하는 검출 자속 벡터를 연산할 때, 검출 전류 벡터로부터 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터를 추출하고, 고주파 전압 벡터와 직교 방향의 성분의 크기를 이용하여 고주파 전압 벡터를 인가하고 있는 d축과 회전자 자속 벡터와 평행 방향인 dm축의 차분 Δθ를 연산하고, Δθ와 회전자 자속 벡터의 크기 φf만을 이용하는 구성으로 한 것이다.
이하, 본원 발명의 실시의 형태 1에 대하여, 교류 회전기의 제어 장치(1)에 따른 시스템 구성도인 도 1, 제어부의 구성도인 도 2, 편차 증폭부의 구성도인 도 3, 적응 관측부의 구성도인 도 4, 적응 관측부의 내부 구성도인 도 5, 자속 벡터 검출부의 구성도인 도 6, 자속 벡터 검출부의 내부 구성도인 도 7~도 9, 회전자 자속 벡터의 설명도인 도 10, 변형예의 시스템 구성도인 도 11, 변형예의 편차 증폭부의 구성도인 도 12에 근거하여 설명한다.
우선, 본원 발명의 실시의 형태 1에 따른 교류 회전기의 제어 장치(1)를 포함하는 전체 시스템 구성에 대하여 설명한다.
도 1에 있어서, 교류 회전기의 제어 장치(1)는, 교류 회전기(2)를 제어하기 위해, 전류 벡터 검출부(3), 제어부(4), 전압 인가부(5), 편차 벡터 연산부(6), 편차 증폭부(7), 적응 관측부(8), 자속 벡터 검출부(9)로 구성된다.
또, 도면에 있어서, 2중 사선(//), 3중 사선(///), 4중 사선(////)은, 각각 2차원, 3차원, 4차원의 벡터를 나타낸다.
교류 회전기의 제어 장치(1)의 구성, 기능 및 동작의 상세는 후술하지만, 우선 교류 회전기의 제어 장치(1)의 각 구성부의 기능 개요를 설명한다.
전류 벡터 검출부(3)는, 교류 회전기(2)의 전류로부터 검출 전류 벡터를 검출한다. 자속 벡터 검출부(9)는, 전류 벡터 검출부(3)가 출력하는 교류 회전기(2)의 검출 전류 벡터로부터 회전자 자속 벡터를 검출하여, 검출 자속 벡터로서 출력한다. 적응 관측부(8)는, 검출 자속 벡터로부터 교류 회전기(2)의 추정 전류 벡터와 추정 자속 벡터와 추정 위치를 출력한다. 제어부(4)는, 검출 전류 벡터가 전류 지령 벡터에 일치하도록 전압 지령 벡터를 출력하고, 전압 인가부(5)는, 전압 지령 벡터에 근거하여 교류 회전기에 전압을 인가한다. 편차 벡터 연산부(6)는, 추정 전류 벡터와 검출 전류 벡터의 편차인 전류 편차 벡터와 추정 자속 벡터와 검출 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터를 출력하고, 편차 증폭부(7)는, 전류 편차 벡터와 자속 편차 벡터를 증폭하여 증폭 편차 벡터로서 출력한다.
도 1에 있어서, 교류 회전기(2)는 본 실시의 형태 1에서는 3상 권선을 갖는 돌극형의 영구자석 동기기를 예로서 설명하지만, 다른 종류의 회전기라도 동일한 원리로 교류 회전기의 제어 장치를 구성하는 것이 가능하다.
이하, 차례로, 교류 회전기의 제어 장치(1)의 각 구성부의 구성, 기능 및 동작에 대하여 설명한다.
전류 벡터 검출부(3)는, 교류 회전기(2)에 흐르는 3상 전류를 검출하고, 좌표 변환기(31)에 있어서, 후술하는 추정 위치 θ0을 이용하여, 3상 전류를 교류 회전기(2)의 회전자에 동기하여 회전하는 직교 좌표로서 공지인 d-q축의 d축 방향으로 좌표 변환한 d축 전류 id와 q축 방향으로 좌표 변환한 q축 전류 iq를 검출 전류 벡터로서 출력한다.
다음으로, 도 2에 근거하여 제어부(4)의 구성, 기능 및 동작에 대하여 설명한다.
제어부(4)는, 가감산기(41), 전류 제어기(42), 고주파 전압 벡터 발생기(43), 가감산기(44), 좌표 변환기(45)로 구성된다.
제어부(4)는, 가감산기(41)에 의해, 외부로부터 주어지는 전류 지령 벡터 (id_ref, iq_ref)로부터 검출 전류 벡터 (ids, iqs)를 각각 감산한다. 전류 제어기(42)는, 가감산기(41)의 출력인 전류 지령 벡터와 검출 전류 벡터의 편차가 없어지도록, 비례 적분 제어하여 기본파 전압 벡터 (vdf, vqf)를 출력한다. 고주파 전압 벡터 발생기(43)는, d-q축상의 고주파 전압 벡터 (vdh, vqh)를 출력한다.
또, 본 실시의 형태 1에서는, vqh=0으로 하여 d축 방향에만 인가하는 교류 전압으로 한다.
가감산기(44)에서는, 기본파 전압 벡터 (vdf, vqf)와 고주파 전압 벡터 (vdh, vqh)를 가산한 d-q축상의 전압 지령 벡터 (vd, vq)를 출력하고, 좌표 변환기(45)에서는 후술하는 추정 위치 θ0을 이용하여 가감산기(44)의 출력인 d-q축상의 전압 지령 벡터 (vd, vq)를 d-q축으로부터 정지 좌표의 전압 지령 벡터 (vu, vv, vw)로 변환하여 출력한다.
전압 인가부(5)는, 제어부(4)가 출력하는 전압 지령 벡터 (vu, vv, vw)에 근거하여, 교류 회전기(2)에 3상 전압을 인가한다.
다음으로, 편차 벡터 연산부(6)의 구성, 기능 및 동작에 대해 설명한다.
편차 벡터 연산부(6)는, 가감산기(61, 62)로 구성된다.
편차 벡터 연산부(6)는, 가감산기(61)에 의해 후술하는 적응 관측부(8)의 출력인 추정 전류 벡터 (ids0, iqs0)으로부터 전류 벡터 검출부(3)의 출력인 검출 전류 벡터 (ids, iqs)를 감산한 전류 편차 벡터 (eids, eiqs)를 출력한다. 또한, 가감산기(62)에 의해 후술하는 적응 관측부(8)의 출력인 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)으로부터 후술하는 자속 벡터 검출부의 출력인 검출 자속 벡터 (φdrD, φqrD)를 감산한 자속 편차 벡터 (eφdr, eφqr)을 출력한다.
다음으로, 도 3에 근거하여 편차 증폭부(7)의 구성, 기능 및 동작에 대하여 설명한다.
편차 증폭부(7)는, 이득 행렬 연산기(71, 72)와 가감산기(73)로 구성된다.
이득 행렬 연산기(71)는, 전류 편차 벡터 (eids, eiqs)의 전치행렬인 (eids, eiqs)T(T는 전치행렬의 의미)에 행렬 Hc를 승산한 결과를 출력한다. 이득 행렬 연산기(72)는, 자속 편차 벡터 (eφdr, eφqr)T에 행렬 Hf를 승산한 결과를 출력한다.
여기서, 행렬 Hc, Hf는 (1)식에서 정의하는 이득 행렬이다. (1)식 중의 h11~h44는 증폭 이득이고, h11~h44는 임의로 설정 가능한 값이다.
[수학식 1]
Figure 112014069688534-pct00001
도 3에 있어서, 가감산기(73)는, 이득 행렬 연산기(71)의 출력 벡터와 이득 행렬 연산기(72)의 출력 벡터를 가산하고, 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)T를 출력한다.
또, 교류 회전기(2)가 고회전 속도가 되면, 후술하는 적응 관측부(8)는 출력하는 추정 속도나 추정 위치를, 검출 자속 벡터와 추정 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터를 이용하지 않더라도 양호하게 추정할 수 있다. 이 때문에, 이득 행렬 연산기(72)에 있어서, 추정 속도의 절대치가 큰 경우는, h13~h44의 값이 0이 되도록 하여, 고회전역에서 이득 행렬 연산기(72)의 출력을 0으로 한다. 그 결과, 자속 벡터 검출부(9)의 연산을 정지하는 것에 의해, 연산량을 저감할 수 있다. 또한, 제어부(4) 내부의 고주파 전압 벡터 발생기(43)의 출력인 고주파 전압 벡터 (vdh, vqh)도 0으로 하는 것에 의해, 고주파 전압 벡터 (vdh, vqh)에 의해 발생하는 고주파 전류도 발생하지 않게 되어, 고주파 전류에 의한 손실도 없앨 수 있다.
다음으로, 적응 관측부(8)의 구성, 기능 및 동작에 대하여 설명한다. 도 4는 적응 관측부(8)의 구성도이고, 도 5는 적응 관측부(8)의 주요 구성 요소인 상태 관측기(82)의 구성도이다.
도 4에 있어서, 적응 관측부(8)는, 좌표 변환기(81), 상태 관측기(82), 적분기(83)로 구성된다.
도 5에 있어서, 상태 관측기(82)는, 이득 행렬 연산기(821, 823, 825, 826), 및 가감산기(822), 적분기(824), 속도 추정기(827)로 구성된다.
다음으로, 적응 관측부(8)의 전체 동작에 대하여 설명한다.
교류 회전기(2)의 전기자 저항을 R, d축 방향의 전기자 인덕턴스를 Ld, q축 방향의 전기자 인덕턴스를 Lq, 추정 속도를 ωr0, 전원 각주파수를 ω로 하고, 행렬 A, B, C1, C2를 (2)식으로 정의한다.
또, 교류 회전기(2)가 비 돌극형(non-saliency type)인 경우는 Ld=Lq가 된다.
[수학식 2]
Figure 112014069688534-pct00002
또한, d-q축상의 추정 전기자 반작용 벡터의 d축 성분을 φds0, q축 성분을 φqs0, d-q축상의 전압 지령 벡터의 d축 성분을 vds, q축 성분을 vqs로 정의하면, (3)식과 같이 추정 전기자 반작용 벡터 (φds0, φqs0)과 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)을 얻을 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014069688534-pct00003
또한, 라플라스 연산자(미분 연산자)를 s, kp를 비례 이득, ki를 적분 이득으로 정의하고, (2)식의 행렬 A의 내부 파라미터인 추정 속도 ωr0은, 전류 편차 벡터 (eids, eiqs)와 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)을 이용하여 (4)식에 의해 주어진다.
[수학식 4]
Figure 112014069688534-pct00004
추정 위치 θ0은, (5)식과 같이 추정 속도 ωr0을 적분하는 것에 의해 얻을 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112014069688534-pct00005
또한, 추정 전류 벡터 (ids0, iqs0)은 (6)식에서 구할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112014069688534-pct00006
마찬가지로, 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)은 (7)식에서 구할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112014069688534-pct00007
이상과 같이, (2)~(7)식을 이용하면, 전압 지령 벡터 (vds, vqs)와 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)T와 전류 편차 벡터 (eids, eiqs)에 근거하여, 추정 위치 θ0과 추정 전류 벡터 (ids0, iqs0)과 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)을 산출하는 것이 가능하다.
이상이 적응 관측부(8)의 전체의 동작 설명이다.
다음으로, 적응 관측부(8)의 각 주요 구성 요소의 기능, 동작에 대하여 설명한다.
도 4에 있어서, 좌표 변환기(81)는 제어부(4)의 출력인 3상 교류의 전압 지령 벡터를 직교 회전 좌표인 d-q축의 전압 지령 벡터 (vds, vqs)로 변환하고, 상태 관측기(82)에 출력한다. 상태 관측기(82)는, 편차 증폭부(7)로부터의 출력인 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)T와 좌표 변환기(81)의 출력인 전압 지령 벡터 (vds, vqs)에 근거하여, 추정 속도 ωr0, 추정 전류 벡터 (ids0, iqs0), 및 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)을 연산하여 출력한다. 적분기(83)는, (5)식에 의해, 상태 관측기(82)의 출력인 추정 속도 ωr0을 적분하는 것에 의해, 추정 위치 θ0을 구한다.
도 5에 있어서, 이득 행렬 연산기(821)는, 좌표 변환기(81)의 출력인 전압 지령 벡터 (vds, vqs)T에 행렬 B를 승산하고, 그 결과를 출력한다. 가감산기(822)는, 이득 행렬 연산기(821)의 출력과 이득 행렬 연산기(823)의 출력과 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)T를 가감산한 벡터를 출력한다. 적분기(824)는, 가감산기(822)가 출력하는 벡터를 요소마다 적분하고, 벡터 (φds0, φqs0, φdr0, φqr0)T를 출력한다. 이상이 (3)식 우변에 상당하는 부분이다. 또, (3)식의 좌변은 적분기(824)의 입력 부분에 상당한다.
이득 행렬 연산기(825)는, 행렬 C1을 벡터 (φds0, φqs0, φdr0, φqr0)T에 승산하는 것에 의해, 추정 전류 벡터 (φds0, φqs0)T를 출력한다. 이 부분은 (6)식에 상당한다.
또, 여기서 벡터 (φds0, φqs0, φdr0, φqr0)T는, 고정자ㆍ회전자 추정 자속 벡터이다.
이득 행렬 연산기(826)는, 행렬 C2를 벡터 (φds0, φqs0, φdr0, φqr0)T에 승산하는 것에 의해, 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)T를 출력한다. 이 부분은 (7)식에 상당한다.
속도 추정기(827)는, 전류 편차 벡터 (eids, eiqs)와 추정 자속 벡터 (φdr0, φqr0)을 이용하여 (4)식에 의해 추정 속도 ωr0을 산출한다.
이득 행렬 연산기(823)는, 속도 추정기(827)의 출력인 추정 속도 ωr0을 입력하고, 적분기(824)의 출력인 벡터 (φds0, φqs0, φdr0, φqr0)T에 행렬 A를 적용하여, 결과를 가감산기(822)에 출력한다.
이상이 적응 관측부(8)의 전체 및 각 주요 구성 요소의 기능, 동작 설명이다. 이 적응 관측부(8)의 특징은, 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)T에 자속 편차 벡터 (eφdr, eφqr)을 증폭한 e3, e4를 포함하고 있는 것이고, 이것에 의해 속도 0을 포함하는 저속역에 있어서 양호하게 추정 속도 ωr0이나 추정 위치 θ0을 구할 수 있다.
본 실시의 형태의 적응 관측부(8)는, 후술하는 자속 벡터 검출부(9)의 출력인 검출 자속 벡터가 속도 0~저속역에 있어서 정오차(constant error)나 전압 오차의 영향을 받지 않기 때문에, 검출 자속 벡터와 추정 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터를 구하고, 자속 편차 벡터를 증폭한 e3, e4를 이용하는 것에 의해 속도 0~저속에서도 양호하게 속도나 위치를 추정할 수 있다.
다음으로, 자속 벡터 검출부(9)의 구성, 기능 및 동작에 대하여 도 6 내지 도 10에 근거하여 설명한다.
우선, 자속 벡터 검출부(9)의 구성을 설명한다.
자속 벡터 검출부(9)의 구성도인 도 6에 있어서, 자속 벡터 검출부(9)는, 필터(91), 직교 성분 추출기(92), 검출 자속 벡터 연산기(93)로 구성된다.
필터(91)는 도 7에 나타내는 바와 같이, 노치 필터(911), 가감산기(912)로 구성된다. 직교 성분 추출기(92)는 도 8에 나타내는 바와 같이, 직교 성분 선택기(921), 진폭 연산기(922)로 구성된다. 검출 자속 벡터 연산기(93)는 도 9에 나타내는 바와 같이, 차분 연산기(931), 여현 연산기(932), 정현 연산기(933), 승산기(934, 935)로 구성된다.
다음으로, 자속 벡터 검출부(9)의 기능 및 동작에 대하여 설명하지만, 우선, 자속 벡터 검출부(9)의 전체의 동작을 설명하고, 그 후, 각 구성 요소의 기능, 동작을 설명한다.
도 2의 고주파 전압 벡터 발생기(43)로부터 고주파 전압 벡터 (vdh, vqh)를 출력할 때에, 교류 회전기(2)에 흐르는 고주파 전류 벡터의 수식에 대하여 설명한다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 제어부(4)가 구성하는 교류 회전기(2)의 회전자에 동기하여 회전하는 좌표계를 직교 좌표 d-q축으로 한다. 교류 회전기(2)의 회전자 자속 벡터 Φr과 동일 방향을 dm축으로 하고, 그 직교 방향을 qm축으로 한다. 직교 좌표계 d축과 회전자 자속 벡터의 dm축의 차분이 Δθ인 것으로 한다. 또, d축은 적응 관측부(8)가 출력하는 추정 위치 θ0의 방향이다. 정상적으로는 d축과 dm축은 일치하도록 동작하는 것이고, 도 10은 순간적으로 Δθ의 편차가 생긴 경우의 도면이다.
이때, 고주파 전압 벡터 (vdh, vqh)를 각각, d축, q축에 인가할 때의 교류 회전기(2)의 수식은 (8)식과 같이 표현할 수 있다. 여기서, 식 중의 p는 미분 연산자이다.
[수학식 8]
Figure 112014069688534-pct00008
전술한 바와 같이, 고주파 전압 벡터는 속도 0~저속에서만 인가하므로, 회전 속도 ωr≒0으로 하면 (9)식을 얻을 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112014069688534-pct00009
또한, 우변 제 2 항은, 고주파 전류의 미분이고, 고주파 전류의 미분은 고주파 전압의 각주파수 ωh배가 되기 때문에, 우변 제 2 항》우변 제 1 항이 되기 때문에, 우변 제 1 항은 무시할 수 있고, 그 결과 (10)식을 얻을 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112014069688534-pct00010
여기서, 고주파 전압 벡터를 (11)식과 같이 주는 것으로 하면, 고주파 전류 벡터 (idh, iqh)는, (10)식에 (11)식을 대입하고, 양변을 적분하는 것에 의해, (12)식과 같이 된다.
[수학식 11]
Figure 112014069688534-pct00011
[수학식 12]
Figure 112014069688534-pct00012
다음으로 검출 자속 벡터에 대하여 설명한다. 도 10과 같이, 회전자 자속 벡터 Φr은 dm축과 동일 방향이다. 여기서, 회전자 자속 벡터 Φr을 고주파 전압 벡터와 평행 방향, 즉 d축 방향의 φdrD와, 고주파 전압 벡터와 직교 방향, 즉 q축 방향의 φqrD에 사영한다. 이 d축과 q축에 사영한 φdrD와 φqrD를 검출 자속 벡터로 하고, 수식으로 나타내면 (13)식과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112014069688534-pct00013
(13)식 중의 φf는 회전자 자속 벡터 Φr의 크기이고, 영구자석 동기기의 경우의 φf는 온도에 따라 약간 변화하지만, 미리 측정하여 두는 것에 의해 파악할 수 있고, 또한, 유도기나 권선 계자식 동기기의 경우는, 여자 전류나 계자 전류의 크기로부터 계산할 수 있기 때문에, φf는 기지의 값이다.
φf는 기지의 값이기 때문에, (13)식으로부터 검출 자속 벡터를 연산하기 위해서는, Δθ를 알 수 있으면 된다.
여기서, Δθ를 구하는 방법에 대하여 검토한다. Δθ는 d축과 dm축의 차분이기 때문에, d축의 위치와 dm축의 위치를 알 수 있으면 연산할 수 있다. d축의 위치는 적응 관측부(8)가 출력하는 추정 위치 θ0이므로 기지이다. 그러나, dm축의 위치(이하, θdm이라고 부른다)는 미지이기 때문에 다른 방법으로 구할 필요가 있다.
예컨대, 국제 공개 공보 WO2009-040965호에 개시되어 있는 바와 같이, 속도 0~저회전에서도 양호하게 dm축 방향의 위치를 추정 가능한 고주파 전압을 중첩하여 구한 추정 위치를 θdm으로서 이용하는 것에 의해 Δθ를 구하는 것이 가능하다. 그러나, 이 개시된 방법으로 Δθ를 구한 경우, θdm을 구할 때에, 새롭게 위치 추정부를 마련할 필요가 있기 때문에, 연산량이 대폭으로 증대한다.
그래서, 본 실시의 형태 1에서는, (12)식에 주목하여, 고주파 전류 벡터의 크기에 Δθ가 포함되어 있는 것으로부터, 고주파 전압 벡터를 중첩하지만 위치 추정은 행하지 않고서, 고주파 전류 벡터의 크기를 추출하여, 검출 자속 벡터를 연산한다.
본 실시의 형태 1에서는, 고주파 전압 벡터와 직교 방향인 q축의 고주파 전류 벡터 iqh의 크기를 이용한다.
(12)식에서 고주파 전류 벡터 iqh의 크기 ｜iqh｜는, (14)식이 되므로, Δθ는 (15)식과 같이 구할 수 있다.
[수학식 14]
Figure 112014069688534-pct00014
[수학식 15]
Figure 112014069688534-pct00015
또, 고주파 전류 벡터의 크기 ｜iqh｜는, (16)식에서 구할 수 있다. 고주파 전압의 각주파수 ωh와 고주파 전압 진폭 Vh는, 고주파 전압 벡터 발생기(43)에서 임의로 설정할 수 있기 때문에 기지이고, L, l은 (8)식과 같이 Ld, Lq에서 구할 수 있다. 또한, Ld, Lq는 사전에 측정하는 것에 의해 파악할 수 있기 때문에, L, l도 기지이다. 또, 식(16) 중의 T는, 고주파 전류 벡터 (idh, iqh)의 주기이다.
[수학식 16]
Figure 112014069688534-pct00016
이상 설명한 바와 같이, 검출 자속 벡터 φdrD, φqrD는 (13), (15), (16)식으로부터 구할 수 있다.
또, 적응 관측부(8)의 출력인 추정 위치 θ0은, 회전자 자속 벡터 Φr의 방향, 또는 이 방향에 가까운 값이 되므로 2Δθ≒0이고, sin2Δθ≒2Δθ로 근사할 수 있다. 따라서, Δθ는 (17)식과 같이 구하더라도 좋고, 이 경우, 검출 자속 벡터 (φdrD, φqrD)는 (13), (16), (17)식으로부터 구할 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112014069688534-pct00017
이상이 자속 벡터 검출부(9)의 전체의 동작이다.
다음으로, 자속 벡터 검출부(9)의 각 구성 요소의 기능, 동작에 대하여 설명을 한다.
도 6에 있어서, 필터(91)는, 검출 전류 벡터로부터 고주파 전류 벡터를 추출하는 것이고, 검출 전류 벡터로부터 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분을 추출할 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 좋다. 예컨대, 협대역의 밴드 스톱 필터로서 공지인 노치 필터를 이용하여, 도 7과 같이 고주파 전류 벡터를 추출할 수 있다. 도 7의 노치 필터(911)에서는, (18)식의 고주파 전압 벡터의 각주파수 ωh를 제거하는 노치 필터를 검출 전류 벡터에 적용하여, 검출 전류 벡터로부터 각주파수 ωh 성분을 제거한다.
가감산기(912)는, 검출 전류 벡터로부터 노치 필터(911)의 출력을 감산하는 것에 의해, 검출 전류 벡터로부터 각주파수 ωh 성분의 고주파 전류 벡터를 연산한다. 또, 식(18)의 s는 라플라스 연산자, qx는 노치의 깊이이다.
[수학식 18]
Figure 112014069688534-pct00018
도 8에 있어서, 직교 성분 추출기(92)는, 직교 성분 선택기(921)에서 고주파 전류 벡터 (idh, iqh)에 행렬 (0, 1)T를 승산하는 것에 의해, d축과 직교 방향의 고주파 전류 벡터의 성분인 iqh만을 선택한다.
진폭 연산기(922)는, (16)식의 연산을 하는 것에 의해, iqh의 크기(진폭)인 ｜iqh｜를 연산하고, 출력한다.
도 9의 검출 자속 벡터 연산기(93)에 있어서, 차분 연산기(931)는 직교 성분 추출기의 출력인 ｜iqh｜로부터 (15)식 또는 (17)식의 연산을 하여 Δθ를 출력한다.
여현 연산기(932)는, 차분 연산기(931)의 출력인 Δθ를 이용하여 여현 연산을 행하고, cosΔθ를 출력한다. 승산기(934)는, 여현 연산기(932)의 출력인 cosΔθ에 회전자 자속의 크기 φf를 승산하여, 고주파 전압 벡터와 평행 방향의 검출 자속 벡터의 성분인 φdrD를 출력한다.
정현 연산기(933)는, 차분 연산기(931)의 출력인 Δθ를 이용하여 정현 연산을 행하고, sinΔθ를 출력한다. 승산기(935)는, 정현 연산기(933)의 출력인 sinΔθ에 회전자 자속의 크기 φf를 승산하여, 고주파 전압 벡터와 직교 방향의 검출 자속 벡터의 성분인 φqrD를 출력한다.
이상이, 자속 벡터 검출부(9)의 구성, 기능 및 동작의 설명이다.
다음으로, 본 실시의 형태 1의 변형예를 설명한다.
도 3의 편차 증폭부(7)에 있어서, 행렬 Hc, Hf는 (1)식에서 정의하는 이득 행렬이고, (1)식 중의 h11~h44는 증폭 이득이고, h11~h44는 임의로 설정 가능한 값이다.
여기서 예컨대, 일본 특허 4672236호의 도 9에 기재되어 있는 바와 같이, 행렬 Hc의 h11~h42는, 추정 속도 ωr0에 따라 각 증폭 이득의 값을 변경하도록 할 수 있다. 마찬가지로, 이득 행렬 Hf의 h13~h44의 값도 추정 속도 ωr0에 따라 각 증폭 이득의 값을 변경할 수 있다.
이 경우, 도 11의 변형예의 시스템 구성도에 나타내는 바와 같이, 적응 관측부(8)로부터 추정 속도 ωr0도 출력한다. 또한, 편차 증폭부(70)는, 도 12에 나타내는 바와 같이 이득 행렬 연산기(701, 702)에 추정 속도 ωr0을 입력하도록 한다.
도 12에 있어서, 가감산기(73)는 이득 행렬 연산기(701)와 이득 행렬 연산기(702)의 출력 벡터를 가산하고, 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)T를 출력한다.
또한, 전술한 바와 같이 이득 행렬 연산기(702)에 있어서, 추정 속도 ωr0의 절대치가 큰 경우는, h13~h44의 값이 0이 되도록 하여, 고회전 속도역에서 이득 행렬 연산기(702)의 출력은 0으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 1에 따른 교류 회전기의 제어 장치(1)는, 검출 자속 벡터와 추정 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터와, 검출 전류 벡터와 추정 전류 벡터의 편차인 전류 편차 벡터를 구하고, 자속 편차 벡터를 증폭한 증폭 편차 벡터를 이용하는 것에 의해 속도 0~고속역까지 적응 관측부가 출력하는 1종류의 추정 속도나 추정 위치만을 이용하여 교류 회전기를 구동할 수 있다. 이 때문에, 저주파 영역 위상 생성기와 고주파 영역 위상 생성기의 양쪽을 동시에 연산 처리할 필요가 없고, 연산 처리를 대폭으로 저감할 수 있다.
또한, 자속 벡터 검출부가 출력하는 검출 자속 벡터 φdrD, φqrD를 연산할 때, 검출 전류 벡터로부터 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터를 추출하고 있다. 이 추출한 고주파 전류 벡터 중, 고주파 전압 벡터와 직교 방향의 iqh의 크기 ｜iqh｜를 이용하여 ｜iqh｜에 포함되는 고주파 전압 벡터를 인가하고 있는 d축과 회전자 자속 벡터와 평행 방향인 dm축의 차분 Δθ를 연산하고, Δθ와 회전자 자속 벡터의 크기 φf만을 이용하고 있다. 따라서, 검출 자속 벡터를 구하기 위해 미리 회전자 각도를 준비할 필요가 없어, 연산량을 저감할 수 있고, 또한, 회전자 각도의 추정 응답도 전혀 관계없기 때문에, 속도 제어 응답이나 토크 제어 응답 등의 응답성을 높게 유지할 수 있는 효과가 있다.
실시의 형태 2.
실시의 형태 2에 따른 교류 회전기의 제어 장치는, 자속 벡터 검출부(9)에 대하여, 검출 자속 벡터 (φdrD, φqrD)를 연산할 때, 검출 전류 벡터로부터 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터를 추출한다. 이 추출한 고주파 전류 벡터 중, 고주파 전압 벡터와 평행 방향의 idh의 크기 ｜idh｜에서, ｜idh｜에 포함되는 고주파 전압 벡터를 인가하고 있는 d축과 회전자 자속 벡터와 평행 방향인 dm축의 차분 Δθ 및 회전자 자속 벡터의 크기 φf만을 이용하는 구성으로 한 것이다.
본 실시의 형태 2에서는, 이 자속 벡터 검출부 이외에는 실시의 형태 1과 동일한 구성이기 때문에, 자속 벡터 검출부 이외의 설명은 생략한다.
이하, 본원 발명의 실시의 형태 2에 대하여, 교류 회전기의 제어 장치에 따른 자속 벡터 검출부(9)의 구성도 및 내부 구성도인 도 13 내지 도 15에 근거하여 설명한다.
도 13 내지 도 15에 있어서, 실시의 형태 1의 도 6 내지 도 9와 동일 혹은 상당 부분에는, 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 13은 본 실시의 형태의 자속 벡터 검출부(9)의 구성도이다. 도 13에서, 실시의 형태 1과 상이한 것은, 평행 성분 추출기(94)와 검출 자속 벡터 연산기(95)이고, 필터(91)는 실시의 형태 1과 동일하므로 설명은 생략한다.
도 14는 평행 성분 추출기(94)의 구성도이다. 평행 성분 선택기(941)는, 고주파 전류 벡터 (idh, iqh)에 행렬 (1, 0)T를 승산하는 것에 의해 d축과 평행 방향의 고주파 전류 벡터인 idh만을 선택한다. 진폭 연산기(942)에서는, idh의 크기 ｜idh｜를 (19)식으로 연산하여 출력한다.
[수학식 19]
Figure 112014069688534-pct00019
도 15는 검출 자속 벡터 연산기(95)의 구성도이다. 평행 성분 추출기(94)의 출력인 ｜idh｜는 (12)식에서 (20)식이 된다. 차분 연산기(951)에서는 (20)식 및 (21)식의 연산을 행하고, Δθ를 출력한다.
[수학식 20]
Figure 112014069688534-pct00020
[수학식 21]
Figure 112014069688534-pct00021
여현 연산기(932)에서는, 차분 연산기(951)의 출력인 Δθ를 이용하여 여현 연산을 행하고, cosΔθ를 출력한다. 승산기(934)에서는, 여현 연산기(932)의 출력인 cosΔθ에 회전자 자속의 크기 φf를 승산하여, 고주파 전압 벡터와 평행 방향의 검출 자속 벡터인 φdrD로서 출력한다.
정현 연산기(933)에서는, 차분 연산기(951)의 출력인 Δθ를 이용하여 정현 연산을 행하고, sinΔθ를 출력한다. 승산기(935)에서는 정현 연산기(933)의 출력인 sinΔθ에 회전자 자속의 크기 φf를 승산하여, 고주파 전압 벡터와 직교 방향의 검출 자속 벡터인 φqrD로서 출력한다.
이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 2에 따른 교류 회전기의 제어 장치는, 자속 벡터 검출부(9)가 출력하는 검출 자속 벡터 φdrD, φqrD를 연산할 때, 검출 전류 벡터로부터 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터를 추출하고 있다. 이 추출한 고주파 전류 벡터 중, 고주파 전압 벡터와 평행 방향의 idh의 크기 ｜idh｜를 이용하여 ｜idh｜에 포함되는 고주파 전압 벡터를 인가하고 있는 d축과 회전자 자속 벡터와 평행 방향인 dm축의 차분 Δθ를 연산하고, Δθ와 회전자 자속 벡터의 크기 φf만을 이용한다. 이 때문에, 실시의 형태 1과 마찬가지로, 연산량의 저감을 할 수 있고, 또한, 속도 제어 응답이나 토크 제어 응답 등의 응답성을 높게 유지할 수 있는 효과가 있다.
실시의 형태 3.
실시의 형태 1에서는 전류 벡터 검출부가 출력하는 검출 전류 벡터는, 교류 회전기의 회전자에 동기하여 회전하는 직교 좌표인 d-q축상의 검출 전류 벡터이고, 제어부, 편차 벡터 연산부, 편차 증폭부, 적응 관측부, 자속 벡터 검출부도 d-q축상에서 구성하고 있었다.
한편, 본 실시의 형태 3에서는, 전류 벡터 검출부가 출력하는 검출 전류 벡터는, 정지 직교 좌표계로서 공지인 α-β축상의 검출 전류 벡터 (iα, iβ)이고, 제어부, 편차 벡터 연산부, 편차 증폭부, 적응 관측부, 자속 벡터 검출부도 α-β축상에서 구성한 것이다.
이하, 본원 발명의 실시의 형태 3에 대하여, 교류 회전기의 제어 장치(10)에 따른 시스템 구성도인 도 16, 제어부의 구성도인 도 17, 제어부의 내부 구성도인 도 18, 적응 관측부의 구성도인 도 19, 적응 관측부의 내부 구성도인 도 20, 자속 벡터 검출부의 구성도인 도 21, 자속 벡터 검출부의 내부 구성도인 도 22~도 24, 회전자 자속 벡터의 설명도인 도 25에 근거하여 설명한다.
우선, 본원 발명의 실시의 형태 3에 따른 교류 회전기의 제어 장치(10)를 포함하는 전체 시스템 구성에 대하여 설명한다.
도 16에 있어서, 교류 회전기의 제어 장치(10)는, 교류 회전기(2)를 제어하기 위해, 전류 벡터 검출부(13), 제어부(14), 전압 인가부(5), 편차 벡터 연산부(6), 편차 증폭부(7), 적응 관측부(18), 자속 벡터 검출부(19)로 구성된다.
도 16에 있어서, 도 1과 동일 혹은 상당 부분에는, 동일한 부호를 붙이고 있다.
실시의 형태 3의 교류 회전기의 제어 장치(10)가, 실시의 형태 1의 교류 회전기의 제어 장치(1)와 상이한 점은, 전류 벡터 검출부(13), 제어부(14), 적응 관측부(18), 자속 벡터 검출부(19)의 구성뿐이기 때문에, 이하, 차례로, 교류 회전기의 제어 장치(10)의 각 구성부의 구성, 기능 및 동작에 대하여, 이 차이를 중심으로 설명한다.
전류 벡터 검출부(13)는, 교류 회전기(2)에 흐르는 3상 전류를 검출하고, 좌표 변환기(131)에 있어서, 3상 전류를 교류 회전기(2)의 회전자의 정지 직교 좌표계인 α-β축의 α축 방향으로 좌표 변환한 α축 전류 iα와 β축 방향으로 좌표 변환한 β축 전류 iβ를 검출 전류 벡터 (iα, iβ)로서 출력한다.
다음으로, 도 17에 근거하여 제어부(14)의 구성, 기능 및 동작에 대하여 설명한다.
제어부(14)는, 좌표 변환기(141), 가감산기(142), 전류 제어기(143), 좌표 변환기(144), 고주파 전압 벡터 발생기(145), 가감산기(146)로 구성된다.
또, 제어부(14)의 연산은 d-q축상에서 행한다. 좌표 변환기(141)는, 후술하는 적응 관측부(18)의 출력인 추정 위치 θ0을 이용하여, 검출 전류 벡터 (iα, iβ)를 d-q축상의 벡터로 변환한다. 가감산기(142)에서는, 외부로부터 주어지는 전류 지령 벡터 (id_ref, iq_ref)로부터 좌표 변환기(141)의 출력인 검출 전류 벡터 (ids, iqs)를 각각 감산한다. 전류 제어기(143)에서는, 가감산기(142)의 출력인 전류 지령 벡터와 검출 전류 벡터의 편차가 없어지도록, 비례 적분 제어하여 기본파 전압 벡터 (vdf, vqf)를 출력한다. 좌표 변환기(144)에서는, 추정 위치 θ0을 이용하여 기본파 전압 벡터 (vdf, vqf)를 d-q축으로부터 정지 좌표의 전압 지령 벡터 (vuf, vvf, vwf)로 변환하여 출력한다.
고주파 전압 벡터 발생기(145)는, 도 18의 고주파 전압 벡터 발생기(145)의 구성도와 같이, (22)식으로 나타내는 정지 직교 좌표인 α-β축의 고주파 전압 지령 벡터 (vαh, vβh)를 주고, 좌표 변환기(401)에 의해, 정지 좌표의 고주파 전압 벡터 지령 (vuh, vvh, vwh)로 변환하여 출력한다.
본 실시의 형태 3에서는, 이와 같이 고주파 전압 벡터 지령을 주는 것에 의해, 실시의 형태 1의 교류 전압과는 달리, 회전 전압의 고주파 전압 벡터 지령을 줄 수 있다.
[수학식 22]
Figure 112014069688534-pct00022
가감산기(146)에서는, 좌표 변환기(144)의 출력인 전압 지령 벡터 (vuf, vvf, vwf)와 고주파 전압 벡터 지령 (vuh, vvh, vwh)를 가산하여, 전압 지령 벡터 (vu, vv, vw)를 출력한다.
다음으로, 편차 벡터 연산부(6)에 대하여 설명한다.
편차 벡터 연산부(6)는, 입력과 출력이 d-q축으로부터 α-β축으로 변하고 있지만, 실시의 형태 1과 마찬가지로 추정 전류 벡터 (iα0, iβ0)과 검출 전류 벡터 (iα, iβ)의 차분인 전류 편차 벡터 (eiα, eiβ)와, 추정 자속 벡터 (φαr0, φβr0)과 검출 자속 벡터 (φαrD, φβrD)의 차분인 자속 편차 벡터 (eφαr, eφβr)을 출력한다.
다음으로, 편차 증폭부(7)에 대하여 설명한다.
편차 증폭부(7)도, 입력과 출력이 d-q축으로부터 α-β축으로 변하고 있지만, 실시의 형태 1과 마찬가지로, 전류 편차 벡터 (eiα, eiβ)에 (1)식의 행렬 Hc를 승산한 것과, 자속 편차 벡터 (eφαr, eφβr)에 (1)식의 행렬 Hf를 승산한 것을 가산한 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)를 출력한다.
다음으로, 적응 관측부(18)에 대하여 설명한다. 적응 관측부(18)도 기본적인 구성은 실시의 형태 1의 적응 관측부(8)와 동일하지만, 내부의 행렬 A와 행렬 C1이 상이하다.
도 19는 적응 관측부(18)의 구성도이고, 도 20은 적응 관측부(18)의 주요 구성 요소인 상태 관측기(182)의 구성도이다.
도 19에 있어서, 적응 관측부(18)는, 좌표 변환기(181), 상태 관측기(182), 적분기(183)로 구성된다.
도 20에 있어서, 상태 관측기(182)는, 이득 행렬 연산기(831, 833, 835, 836), 및 가감산기(832), 적분기(834), 속도 추정기(837)로 구성된다.
다음으로, 적응 관측부(18)의 전체 동작에 대하여 설명한다.
적응 관측부(18)에 있어서, 실시의 형태 1의 적응 관측부(8)의 (2)~(4)식의 연산에 상당하는 식은, 각각 하기의 (23)~(25)식이고, (6)~(7)식에 상당하는 식은, 각각 (26)~(27)식이다.
[수학식 23]
Figure 112014069688534-pct00023
[수학식 24]
Figure 112014069688534-pct00024
[수학식 25]
Figure 112014069688534-pct00025
[수학식 26]
Figure 112014069688534-pct00026
[수학식 27]
Figure 112014069688534-pct00027
다음으로, 적응 관측부(18)의 각 주요 구성 요소의 기능 및 동작에 대하여 설명한다.
도 19에 있어서, 좌표 변환기(181)는 제어부(14)의 출력인 3상 교류의 전압 지령 벡터를 정지 직교 좌표인 α-β축의 전압 지령 벡터 (vαs, vβs)로 변환하고, 상태 관측기(182)에 출력한다. 도 20의 상태 관측기(182)에서는, 좌표 변환기(181)의 출력인 전압 지령 벡터 (vαs, vαs)T에 이득 행렬 연산기(831)에서 (23)식의 행렬 B를 승산한 결과를 출력한다. 가감산기(832)는 이득 행렬 연산기(831)의 출력과 이득 행렬 연산기(833)의 출력과 증폭 편차 벡터 (e1, e2, e3, e4)T를 가감산한 벡터를 출력한다. 적분기(834)는 가감산기(832)가 출력하는 벡터를 요소마다 적분하고, 벡터 (φαs0, φβs0, φαr0, φβr0)T로서 출력한다. 이상이, (24)식 우변에 상당하는 부분이다. (24)식의 좌변은, 적분기(834)의 입력 부분에 상당한다.
이득 행렬 연산기(835)는, (23)식의 행렬 C1을 벡터 (φαs0, φβs0, φαr0, φβr0)T에 승산하는 것에 의해, 추정 전류 벡터 (φαs0, φβs0)T를 출력한다. 이 부분은 (26)식에 상당한다.
또, 여기서 벡터 (φαs0, φβs0, φαr0, φβr0)T는, 고정자ㆍ회전자 추정 자속 벡터이다.
이득 행렬 연산기(836)는 행렬 C2를 벡터 (φαs0, φβs0, φαr0, φβr0)T에 승산하는 것에 의해, 추정 자속 벡터 (φαr0, φβr0)T를 출력한다. 이 부분은 (27)식에 상당한다.
이득 행렬 연산기(833)는, 속도 추정기(837)의 출력인 추정 속도 ωr0을 입력하고, 적분기(834)의 출력인 벡터 (φαs0, φβs0, φαr0, φβr0)T에 행렬 A를 적용하여, 결과를 가감산기(832)에 출력한다.
도 19의 적분기(183)에서는, 실시의 형태 1과 마찬가지로 (5)식에 의해, 상태 관측기(182)의 출력인 추정 속도 ωr0을 적분하는 것에 의해 추정 위치 θ0을 구한다.
이상이, 적응 관측부(18)의 구성, 기능 및 동작의 설명이다.
다음으로, 자속 벡터 검출부(19)의 구성, 기능 및 동작에 대하여 도 21 내지 도 25에 근거하여 설명한다.
우선, 자속 벡터 검출부(19)의 구성을 설명한다.
자속 벡터 검출부(19)의 구성도인 도 21에 있어서, 자속 벡터 검출부(19)는, 필터(91), α축 성분 추출기(192), β축 성분 추출기(193), 검출 자속 벡터 연산기(194)로 구성된다.
α축 성분 추출기(192)는, 도 22에 나타내는 바와 같이, α축 성분 선택기(961), 진폭 연산기(962)로 구성된다. β축 성분 추출기(193)는, 도 23에 나타내는 바와 같이, β축 성분 선택기(963), 진폭 연산기(964)로 구성된다. 검출 자속 벡터 연산기(194)는, 도 24에 나타내는 바와 같이, 차분 연산기(965), 여현 연산기(966), 정현 연산기(967), 승산기(968, 969)로 구성된다.
다음으로, 자속 벡터 검출부(19)의 기능 및 동작에 대하여 설명하지만, 우선, 자속 벡터 검출부(19)의 전체의 동작을 설명하고, 그 후, 각 구성 요소의 기능, 동작을 설명한다.
도 17의 고주파 전압 벡터 발생기(145)로부터, 고주파 전압 벡터 (vαh, vβh)를 인가하고 있을 때의 교류 회전기(2)의 α-β축상의 수식은, (28)식과 같이 표현할 수 있다. 여기서, 식 중의 p는 미분 연산자이다.
[수학식 28]
Figure 112014069688534-pct00028
실시의 형태 1과 마찬가지로, 고주파 전압 벡터는 속도 0~저속에서만 인가하므로, 회전 속도 ωr≒0으로 하면 (29)식을 얻을 수 있다.
[수학식 29]
Figure 112014069688534-pct00029
또한, 우변 제 2 항은, 고주파 전류의 미분이고, 고주파 전류의 미분은 고주파 전압의 각주파수 ωh배가 되기 때문에, 우변 제 2 항》우변 제 1 항이 되기 때문에, 우변 제 1 항은 무시할 수 있고, 그 결과 (30)식을 얻을 수 있다.
[수학식 30]
Figure 112014069688534-pct00030
여기서, 고주파 전압 벡터 (vαh, vβh)는 (22)식으로 주어지므로, 고주파 전류 벡터 (iαh, iαh)는 (30)식에 (22)식을 대입하고, 양변을 적분하는 것에 의해, (31)식과 같이 된다.
[수학식 31]
Figure 112014069688534-pct00031
다음으로 검출 자속 벡터에 대하여 설명한다. 도 25와 같이, 어느 순간에 있어서, 회전자 자속 벡터 Φr과 α축이 도 25와 같은 관계가 되고, 그들이 이루는 각을 θdm으로 한다. 회전자 위치는 회전자 자속 벡터와 평행 방향으로 하므로, α축으로부터 본 회전자 위치는 θdm이 된다. 전술한 바와 같이, 본 실시의 형태 3에서는 편차 벡터 연산부(6)에서, α-β축상의 자속 편차 벡터를 연산하므로, 자속 벡터 검출부(19)가 출력하는 검출 자속 벡터는 α-β축상의 것이다. 도 25에서, 회전자 자속 벡터의 α축 방향의 사영 성분을 φαrD, β축 방향의 사영 성분을 φβrD로 한다. φαrD와 φβrD는, (32)식으로 구해지고, 검출 자속 벡터 (φαrD, φβrD)를 자속 벡터 검출부(19)가 출력한다.
[수학식 32]
Figure 112014069688534-pct00032
(32)식 중의 φf는, 회전자 자속 벡터 Φr의 크기로 기지의 값이다. (32)식으로부터 검출 자속 벡터의 성분 φαrD, φβrD를 연산하기 위해서는 θdm을 알 수 있으면 된다.
(31)식에 주목하면, 고주파 전류 벡터 (iαh, iβh)의 크기에 θdm이 포함되어 있으므로, 고주파 전류 벡터 (iαh, iβh)의 크기로부터 θdm을 구할 수 있다. α축의 고주파 전류 iαh의 크기를 ｜iαh｜, β축의 고주파 전류 iβh의 크기를 ｜iβh｜로 하면, ｜iαh｜, ｜iβh｜는 (33)식이 된다.
[수학식 33]
Figure 112014069688534-pct00033
또한, ｜iαh｜, ｜iβh｜의 크기는, 고주파 전류 벡터 (iαh, iβh)를 이용하여, (34)식의 연산을 행하는 것에 의해 구할 수 있다. 여기서, 식(34) 중의 T는, 고주파 전류 벡터 (iαh, iβh)의 주기이다.
[수학식 34]
Figure 112014069688534-pct00034
(33)식에서, ｜iβh｜의 역수로부터 ｜iαh｜의 역수를 감산한 것은 (35)식이 되므로, (35)식에서 θdm은 (36)식과 같이 하여 구할 수 있다.
[수학식 35]
Figure 112014069688534-pct00035
[수학식 36]
Figure 112014069688534-pct00036
이상에 의해, 검출 자속 벡터 (φαrD, φβrD)는 (32), (36)식으로부터 구할 수 있다.
이상이 자속 벡터 검출부(19)의 전체의 동작이다.
다음으로, 자속 벡터 검출부(19)의 각 구성 요소의 기능, 동작에 대하여 설명을 한다.
도 21의 필터(91)는, 입력과 출력이 α-β축상의 검출 전류 벡터와 고주파 전류 벡터가 된 것을 제외하고 실시의 형태 1과 동일하고, 검출 전류 벡터 (iαs, iβs)로부터 고주파 전류 벡터 (iαh, iβh)를 출력한다.
α축 성분 추출기(192)는, 도 22와 같이, α축 성분 선택기(961)에 의해 고주파 전류 벡터 (iαh, iβh)에 행렬 (1, 0)T를 승산하는 것에 의해 α축 방향의 고주파 전류 벡터의 성분인 iαh만을 선택한다. 진폭 연산기(962)에서는 (34)식의 연산을 하는 것에 의해, iαh의 크기 ｜iαh｜를 연산하여 출력한다. β축 성분 추출기(193)는, 도 23과 같이, β축 성분 선택기(963)에 의해 고주파 전류 벡터 (iαh, iβh)에 행렬 (0, 1)T를 승산하는 것에 의해 β축 방향의 고주파 전류 벡터의 성분인 iβh만을 선택한다. 진폭 연산기(964)에서는 (34)식의 연산을 하는 것에 의해, iβh의 크기 ｜iβh｜를 연산하여 출력한다.
검출 자속 벡터 연산기(194)에 대하여 설명한다. 도 24에 있어서, 차분 연산기(965)는, α축 성분 추출기(192)의 출력인 ｜iαh｜와 β축 성분 추출기(193)의 출력인 ｜iβh｜에서, (36)식의 연산을 하여 θdm을 출력한다. 여현 연산기(966)에서는, 차분 연산기(965)의 출력인 θdm을 이용하여 여현 연산을 행하고, cosθdm을 출력한다. 승산기(968)에서는, 여현 연산기(966)의 출력인 cosθdm에 회전자 자속의 크기 φf를 승산하여, α축 방향의 검출 자속 벡터 성분인 φαrD를 출력한다. 정현 연산기(967)에서는, 차분 연산기(965)의 출력인 θdm을 이용하여 정현 연산을 행하고, sinθdm을 출력한다. 승산기(969)에서는, 정현 연산기(967)의 출력인 sinθdm에, 회전자 자속의 크기 φf를 승산하여, β축 방향의 검출 자속 벡터 성분인 φβrD를 출력한다.
이상이, 자속 벡터 검출부(19)의 구성, 기능 및 동작의 설명이다.
이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 3에 따른 교류 회전기의 제어 장치는, 검출 자속 벡터와 추정 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터와, 검출 전류 벡터와 추정 전류 벡터의 편차인 전류 편차 벡터를 구하고, 자속 편차 벡터를 증폭한 증폭 편차 벡터를 이용한다. 이것에 의해 속도 0~고속역까지 적응 관측부가 출력하는 1종류의 추정 속도나 추정 위치만으로 교류 회전기를 구동할 수 있기 때문에, 저주파 영역 위상 생성기와 고주파 영역 위상 생성기의 양쪽을 동시에 연산 처리할 필요가 없고, 연산 처리를 대폭으로 저감할 수 있다.
또한, 자속 벡터 검출부가 출력하는 검출 자속 벡터 φdrD, φqrD를 연산할 때, 검출 전류 벡터로부터 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터를 추출하고, 추출한 고주파 전류 벡터의 α축 방향의 iαh의 크기 ｜iαh｜와 β축 방향의 iβh의 크기 ｜iβh｜로부터 θdm을 구하고, θdm과 회전자 자속 벡터의 크기 φf만을 이용한다. 따라서, 검출 자속 벡터를 구하기 위해 미리 회전자 각도를 준비할 필요가 없기 때문에, 연산량을 저감할 수 있고, 또한, 회전자 각도의 추정 응답도 전혀 관계없기 때문에, 속도 제어 응답이나 토크 제어 응답 등의 응답성을 높게 유지할 수 있다.
또한, 검출 자속 벡터를 α-β축상의 벡터로 하는 것에 의해, 적응 관측부도 α-β축으로 구성할 수 있고, 전류 벡터 검출부나 적응 관측부 내부의 좌표 변환기를, 추정 위치 θ0을 필요로 하는 d-q축상으로 변환하는 좌표 변환기로부터 연산량이 적은 α-β축으로 변환하는 좌표 변환기로 바꿀 수 있기 때문에, 연산량을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명은, 그 발명의 범위 내에 있어서, 각 실시의 형태를 자유롭게 조합하거나, 각 실시의 형태를 적절하게, 변형, 생략하거나 하는 것이 가능하다.
(산업상이용가능성)
본 발명은, 전체 속도 영역에 있어서 위치 센서를 이용하지 않고서 원활한 교류 회전기의 구동이 가능하고, 연산량의 저감과 응답성의 향상을 도모할 수 있고, 교류 회전기의 제어 장치에 넓게 적용할 수 있다.

Claims (6)

  1. 교류 회전기의 전류로부터 검출 전류 벡터를 검출하는 전류 벡터 검출부와,
    상기 교류 회전기의 상기 검출 전류 벡터로부터 회전자 자속 벡터를 검출하여 검출 자속 벡터로서 출력하는 자속 벡터 검출부와,
    상기 교류 회전기의 추정 전류 벡터와 추정 자속 벡터와 추정 위치를 출력하는 적응 관측부와,
    상기 검출 전류 벡터가 전류 지령 벡터에 일치하도록 전압 지령 벡터를 출력하는 제어부와,
    상기 전압 지령 벡터에 근거하여 상기 교류 회전기에 전압을 인가하는 전압 인가부와,
    상기 추정 전류 벡터와 상기 검출 전류 벡터의 편차인 전류 편차 벡터와, 상기 추정 자속 벡터와 상기 검출 자속 벡터의 편차인 자속 편차 벡터를 출력하는 편차 벡터 연산부와,
    상기 전류 편차 벡터와 상기 자속 편차 벡터를 증폭하여 증폭 편차 벡터로서 출력하는 편차 증폭부
    를 구비하고,
    상기 적응 관측부는 상기 전압 지령 벡터와 상기 증폭 편차 벡터에 근거하여 상기 추정 전류 벡터와 상기 추정 자속 벡터와 상기 추정 위치를 연산하여 출력하고,
    상기 제어부는 상기 교류 회전기를 구동하는 주파수와는 상이한 주파수 성분의 고주파 전압 벡터를 중첩한 전압 지령 벡터를 출력하고, 상기 자속 벡터 검출부는 상기 검출 전류 벡터에 포함되는 상기 고주파 전압 벡터와 동일 주파수 성분의 고주파 전류 벡터의 크기를 이용하여, 상기 추정 자속 벡터에 평행한 축과 상기 회전자 자속 벡터에 평행한 축의 위치 편차를 연산해서 상기 위치 편차 및 회전자 자속의 크기로부터 상기 검출 자속 벡터를 연산하여 출력하는
    교류 회전기의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 교류 전압의 고주파 전압 벡터를 중첩한 전압 벡터를 출력하고,
    상기 자속 벡터 검출부는 상기 고주파 전류 벡터 중, 상기 고주파 전압 벡터와 평행하는 평행 방향 성분의 크기와 상기 고주파 전압 벡터와 직교하는 직교 방향 성분의 크기 중 적어도 한쪽을 이용하여, 상기 추정 자속 벡터에 평행한 축과 상기 회전자 자속 벡터에 평행한 축의 위치 편차를 연산해서 상기 위치 편차 및 회전자 자속의 크기로부터 상기 검출 자속 벡터를 연산하여 출력하는
    교류 회전기의 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자속 벡터 검출부로부터 출력하는 상기 검출 자속 벡터는, 상기 고주파 전압 벡터와 평행하는 평행 방향 성분과 상기 고주파 전압 벡터와 직교하는 직교 방향 성분으로 구성되는 교류 회전기의 제어 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 회전 전압의 고주파 전압 벡터를 중첩한 전압 벡터를 출력하고,
    상기 자속 벡터 검출부는 상기 고주파 전류 벡터를 α축과 β축으로 이루어지는 정지 직교 좌표로 분해함과 아울러, 상기 고주파 전류 벡터의 α축 방향 성분의 크기와 β축 방향 성분의 크기를 이용하여, 상기 추정 자속 벡터에 평행한 축과 상기 회전자 자속 벡터에 평행한 축의 위치 편차를 연산해서 상기 위치 편차 및 회전자 자속의 크기로부터 상기 검출 자속 벡터를 연산하여 출력하는
    교류 회전기의 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자속 벡터 검출부로부터 출력하는 상기 검출 자속 벡터는, 상기 α축 방향 성분과 상기 β축 방향 성분으로 구성되는 교류 회전기의 제어 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 편차 증폭부는 상기 전류 편차 벡터와 상기 자속 편차 벡터를 증폭하는 증폭 이득을, 상기 적응 관측부가 연산한 상기 교류 회전기의 추정 속도에 따라 변경하는 구성으로 한 교류 회전기의 제어 장치.
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