KR101667908B1 - 전동기의 제어장치 - Google Patents

Abstract

전동기의 제어에 있어서 채용되는 피드백량의 범위를 설정하고, 상기 범위를 전동기의 이상(예를 들면 탈조)의 유무에 대한 판정 역치로서 채용한다. 피드백량 계산부(1022)는, 전류[i_δγc]와 그 지령치[i_δγ ^*] 사이의 편차, 혹은, 공극 자속[λ_{δ γc}]과 그 지령치[λ^*] 사이의 편차를 이용하여 피드백량[B]을 계산한다. 전압 오차 계산부(1025)는, 전동기의 전압 방정식에 기초한 전압치와 전압 지령[ｖ_δγ ^*]의 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]의 변동 범위를 계산한다. 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]의 변동 범위와 피드백량[B]을 비교함으로써, 전동기의 탈조의 유무가 판정된다.

Description

전동기의 제어장치{CONTROL DEVICE FOR ELECTRIC MOTOR}

이 발명은 전동기를 제어하는 기술에 관한 것이며, 특히 동기 전동기에 이상이 발생한 것을 판정하는 기술에 관한 것이다.

전동기의 탈조를 검지하는 기술은, 종래부터 여러가지 고안되고 있다. 이러한 기술을 예시하는 문헌으로서, 특허 문헌 1~3을 들 수 있다.

특허 문헌 1에서는, d축 전류의 편차와 q축 지령 전압으로부터 탈조를 판별하는 기술이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에서는, 모델 전압과 전압 지령을 비교하여 탈조를 검지하는 기술이 개시되어 있다.

특허 문헌 3에서는, 전류와 회전수 지령으로부터 구한 자속이 역치 이하이면 탈조라고 판정하는 기술이 개시되어 있다.

일본국 특허공개 2010-051151호 공보 일본국 특허공개 2010-252503호 공보 일본국 특허공개 2008-92787호 공보

상술한 종래의 기술에서는, 전동기 및 전동기를 구동하는 파워 모듈 및 검출기의 제원의 편차를 고려하고 있지 않다. 따라서 탈조인지 아닌지를 판정하기 위한 역치는 시험적으로 결정할 필요가 있다. 이러한 역치의 결정은 개발 공정수를 증대시킨다는 문제가 있었다.

그래서, 본원에서는, 제원의 편차를 고려하여 전동기의 이상(예를 들면 탈조)의 유무에 대해 판정하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 발명에 따른 전동기의 제어장치는, 동기 전동기를 제어한다. 상기 제어장치는, 전압 지령([ｖ_δγ ^*])에 기초하여 상기 전동기에 전압([ｖ_u, ｖ_ｖ, ｖ_w])을 인가하는 전동기 구동부(2, 104)와, 상기 전동기에 흐르는 전류([i_δγc])의, 상기 전류에 대한 지령치([i_δγ ^*])에 대한 편차, 혹은, 상기 전동기에 있어서의 공극 자속([λ_δγc])의, 상기 공극 자속에 대한 지령치([λ_δγ ^*])에 대한 편차에 기초하는 피드백량을 결정하는 피드백량 계산부(1022)와, 상기 피드백량에 기초하여 상기 전압 지령을 생성하는 전압 지령 생성부(1024)와, 상기 동기 전동기의 전압 방정식에 기초하는 전압치와 상기 전압 지령의 오차([Δｖ_δγ ^*])가 변동하는 범위를 계산하는 전압 오차 계산부(1025)와, 상기 피드백량이 상기 오차가 변동하는 범위를 일탈하는 것으로부터, 상기 전동기에 이상이 발생했다고 판정하는 판정부(109)를 구비하다.

예를 들면, 상기 오차([Δｖ_δγ ^*])는, 상기 전류([i_δγc])와, 상기 전압 지령([ｖ_δγ ^*])과, 상기 동기 전동기(3)의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 상기 전동기 구동부의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 상기 전류 또는 상기 전압을 검출하는 검출기의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 상기 동기 전동기의 회전각속도(ω₁) 중 적어도 하나로 결정되는 변동폭에 기초하여 설정된다.

예를 들면 상기 오차([Δｖ_δγ ^*])가 변동하는 범위는, 상기 전류([i_δγc])와 위상이 평행하는 오차(e_iI[I][i_δγc])가 변동하는 범위와, 상기 전류와 위상이 직교하는 오차(e_iJ[J][i_δγc])가 변동하는 범위와, 상기 동기 전동기(3)의 계자 자속([Λ0])과 위상이 직교하는 오차(e_Λ[sinφ_c cosφ_c]^t)가 변동하는 범위와, 상기 전압 지령([ｖ_δγ ^*])과 위상이 평행하는 오차(e_ｖ[ｖ_δγ ^*])가 변동하는 범위 중 적어도 하나로 결정되는 변동폭에 기초하여 설정된다.

예를 들면 상기 오차([Δｖ_δγ ^*])가 변동하는 범위가, 상기 변동폭의 상한 및 하한, 상기 전류([i_δγc])와 상기 전압 지령([ｖ_δγ ^*])의 조합에 있어서의 상기 오차의 최대치 또는/및 최소치로부터 설정된다.

예를 들면 상기 오차([Δｖ_δγ ^*])가 변동하는 범위는, 또한 상기 전압 방정식의 일부의 항에도 기초하여 설정된다. 그리고 상기 제어장치는, 상기 전압 방정식으로부터 상기 일부의 항을 제외한 항에 기초하는 피드 포워드량([F])을 결정하는 피드 포워드량 계산부(1023)를 더 구비하다. 상기 전압 지령 생성부(1024)는, 또한, 상기 피드 포워드량에도 기초하여 상기 전압 지령([ｖ_δγ ^*])을 생성한다.

예를 들면 상기 제어장치는, 상기 전압 방정식에 기초하는 피드 포워드량([F])을 결정하는 피드 포워드량 계산부(1023)를 더 구비하다. 상기 전압 지령 생성부(1024)는, 또한, 상기 피드 포워드량([F])에도 기초하여 상기 전압 지령([ｖ_δγ ^*])을 생성한다.

이 발명에 따른 전동기의 제어장치에 의하면, 피드백량이 소정의 범위를 일탈하는 것으로부터, 전동기에 이상이 발생했다고 판정할 수 있다.

이 발명의 목적, 특징, 국면, 및 이점은, 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해, 보다 명백해진다.

도 1은, 동기 전동기에 있어서의 공극 자속과 계자 자속의 관계를 나타내는 벡터도.
도 2는, 제1 실시의 형태에 따른 전동기 제어장치의 구성 및 그 주변장치를 나타내는 블럭도.
도 3은, 제1 실시의 형태에 있어서의 전압 지령 계산부의 구성을 나타내는 블럭도.
도 4는, 제2 실시의 형태에 있어서의 전압 지령 계산부의 구성을 나타내는 블럭도.
도 5는, 제3 실시의 형태에 있어서의 전압 지령 계산부의 구성을 나타내는 블럭도.

이 발명의 기본적 사상.

실시의 형태의 상세한 설명에 들어가기 전에, 이 발명의 기본적 사상에 대해 설명한다. 물론, 이 기본적 사상도 본 발명에 포함된다.

도 1은 동기 전동기(이하, 간단히 「전동기」라고 한다. 또한 동기 전동기의 특수한 것으로서, 스위치드 릴럭턴스 모터와 같이 계자를 갖지 않는 것도 있다. 그러나 여기에서는 동기 전동기란 계자를 갖고 있는 것을 가리킨다.)에 있어서의 공극 자속[λ](기호[]는 특별히 언급하지 않는 한 벡터량을 나타낸다：이하 동일)과, 전동기에 있어서의 계자 자속[Λ0]의 관계를 나타내는 벡터도이다. 계자 자속[Λ0]은 예를 들면 전동기가 영구자석을 갖고 있는 경우에는 상기 영구자석에 의해 발생하고, 전동기가 계자 권선을 갖고 있는 경우에는 상기 계자 권선에 전류가 흐름으로써 발생한다.

전동기의 회전과 동기하는 회전 좌표계로서 d-q회전 좌표계를 도입한다. 여기에서는 d축을 계자 자속[Λ0]과 동상으로 설정하고, q축은 d축에 대해서, 전동기의 제어에 의해 회전시키고 싶은 방향(이하, 간단히 「회전 방향」이라고 한다)을 향해 위상이 90도 진행된다.

또 회전 좌표계로서 δ-γ회전 좌표계와 δc-γc회전 좌표계를 도입한다. δ축은 d축에 대해서, γ축은 q축에 대해서, 각각 전동기의 회전 방향을 향해 위상각(φ)으로 위상이 진행된다. δc축은 d축에 대해서, γc축은 q축에 대해서, 각각 전동기의 회전 방향을 향해 위상각(φ_c)으로 위상이 진행한다. 이하, 설명의 편의상, δ축의 d축에 대한 위상각(φ)을 실위상각(φ)이라고 하고, δc축의 q축에 대한 위상각(φ_c)을 추정 위상각(φ_c)이라고 한다.

예를 들면, 「일차 자속 제어」로서 알려져 있는 전동기의 제어 방법에서는, 공극 자속[λ]과 동상으로 δ축을 설정한다.

그런데, 공극 자속[λ]은 주지하는 바와 같이, 전동기(보다 상세하게는 전동기가 구비하는 전기자가 갖는 전기자 권선)에 공급되는 전압 및 전류와, 전동기의 기기 상수(예를 들면 인덕턴스, 전기자 권선의 저항 성분, 계자 자속)와, 전동기의 회전 속도로 결정된다. 따라서 공극 자속[λ]의 추정치[λ^＾]는, 상기의 전압 및 전류, 기기 상수, 회전 속도의 실측치(혹은 지령치, 추정치)로부터 얻을 수 있다. 따라서 전동기를 제어하는 제어장치는, 추정치[λ^＾]가 공극 자속[λ]의 지령치[λ^*]와 동일해지도록 제어를 행한다. 상술의 「일차 자속 제어」에서는, 지령치[λ^*]의 γ축 성분은 0이다.

이러한 제어에 있어서 δc-γc회전 좌표계를 채용하면, 추정 위상각(φ_c)이 실위상각(φ)과 일치함으로써, 전동기의 회전을 적절히 제어할 수 있다. 기기 상수, 회전 속도, 전동기에 주어지는 전압 및 전류가 완전히 파악되고 있으면, 이것들에 기초하여 얻어지는 추정치[λ^＾]를 지령치[λ^*]와 동일해지도록 제어함으로써, 공극 자속[λ]이 지령치[λ^*]와 일치되기 때문이다.

그러나, 부하의 변동, 외란 등에 의해, 추정 위상각(φ_c)이 실위상각(φ)과 상위한 경우가 있다. 이러한 상위는, 통상은 피드백 제어에 의해 수정된다. 피드백 제어에 이용되는 귀환량(여기에서는 간단히 「피드백량」이라고 한다)은 이상적으로는 영이며, 실제상은 작은 범위에 들어간다. 그러나 피드백 제어에 의해서도 추정 위상각(φ_c)과 실위상각(φ)의 상위가 해소되지 않는 경우, 피드백량은 증대하게 된다.

본 발명은 이 점에 주목하여, 피드백량이 소정의 범위를 일탈하는 것으로부터, 전동기에 이상이 발생했다고 판정하는 것을 특징으로 한다.

제1 실시의 형태.

도 2는 상기의 생각에 기초하여, 본 실시의 형태에 따른 전동기 제어장치(1)의 구성 및 그 주변장치를 나타내는 블럭도이다.

전동기(3)는 삼상의 전동기이며, 도시를 생략한 전기자와, 계자인 회전자를 구비한다. 기술적인 상식으로서, 전기자는 전기자 권선을 가지며, 회전자는 전기자와 상대적으로 회전한다. 계자는 예를 들면 계자 자속을 발생시키는 자석을 구비하는 경우에 대해 설명된다.

전압 공급원(2)은 예를 들면 전압 제어형 인버터 및 그 제어부를 구비하고, 삼상의 전압 지령[ｖ_x ^*]=[ｖ_u ^* ｖ_ｖ ^* ｖ_w ^*]^t(괄호 뒤의 위첨자 "t"는 행열의 전치를 나타낸다. 이하 동일)에 기초하여, 삼상 전압(ｖ_u, ｖ_ｖ, ｖ_w)을 전동기(3)에 인가한다. 이로 인핸, 전동기(3)에는 삼상 전류[i_x]=[i_u i_ｖ i_w]^t가 흐른다. 단, 전압 지령[ｖ^*]이나 삼상 전류[i_x]가 갖는 성분은, 예를 들면 U상 성분, V상 성분, W상 성분의 순서대로 기재되어 있다.

전동기 제어장치(1)는, 전동기(3)에 대해, 공극 자속[λ] 및 회전속도(이하의 예에서는 회전각속도)를 제어하는 장치이다. 공극 자속[λ]은 일차 자속이라고도 불리고, 계자 자속과, 전기자에 흐르는 전기자 전류(이것은 삼상 전류[i_x]이기도 하다)에 의해 발생하는 전기자 반작용의 자속과의 합성이다.

전동기 제어장치(1)는, 좌표변화부(101, 104)와, 전압 지령 계산부(102)와, 감산기(105)와, 적분기(106)와, 하이패스 필터(107)와, 상수배부(108)와, 판정부(109)를 구비하고 있다.

좌표변화부(101)는, 삼상 전류[i_x]를, δc-γc회전 좌표계에 있어서의 전류[i_δγc]=[i_δc i_γc]^t로 변환한다. 삼상 전류[i_x]는 공지의 기술, 예를 들면 검출기(도시 생략)를 이용하여 측정할 수 있다.

좌표변화부(104)는, δc-γc회전 좌표계에 있어서의 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 전압 지령[ｖ_x ^*]으로 변환한다. 이들 변환에는 전동기(3)에 대한 고정 좌표계(예를 들면 UVW 고정 좌표계)에 대한 δc-γc회전 좌표계의 회전각(θ)이 이용된다. 이들 변환은 주지의 기술로 실현되므로, 여기에서는 그 상세를 생략한다.

또한, 전압 지령[ｖ_x ^*]이나 삼상 전류[i_x]는, 삼상의 UVW 고정 좌표계 외, 이른바 αβ고정 좌표계(예를 들면 α축은 U상과 동상으로 설정된다)나 다른 회전 좌표계로 표시되고 있어도 된다. 좌표변화부(101, 104)는 이들의 좌표계에 대응한 변환을 행한다. 전압 지령[ｖ^*]에 관해서 채용되는 좌표계는, 전압 공급원(2)이 어떠한 좌표계에 기초하여 동작하는지에 따라 결정된다. 전압 공급원(2)과 좌표변화부(104)는 묶어서, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]에 기초하여 전동기(3)에 전압[ｖ_u, ｖ_ｖ, ｖ_w]을 인가하는 전동기 구동부로 파악할 수 있다.

적분기(106)는 회전각속도(ω₁)에 기초하여 회전각(θ)을 계산한다. 회전각속도(ω₁)는, 감산기(105)의 출력으로서 얻을 수 있다. 예를 들면 일차 자속 제어를 행하고 있으면, 전류[i_δγc]의 γc축 성분(i_γc)을 하이패스 필터(107)로 직류분을 제거하고, 또한 상수배부(108)에서 소정 게인 Km배한 값이, 감산기(105)에 의해 회전각속도의 지령치(ω^*)로부터 공제되어, 회전각속도(ω₁)가 얻어진다. 공극 자속[λ]이 적절히 제어되면, 상술한 바와 같이 φ_c=φ가 되고, 따라서 ω₁=ω^*가 된다.

전압 지령 계산부(102)는 전압 지령[ｖ_δγ ^*] 외, 피드백량[B] 및 「기본적 사상」에서 설명한 소정의 범위의 기초가 되는 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]를 출력한다. 판정부(109)는 피드백량[B]과 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]에 유래하는 역치를 비교하여, 전동기에 이상이, 예를 들면 탈조가 발생하고 있는지의 여부를 나타내는 판정 신호(Z)를 출력한다.

도 3은 전압 지령 계산부(102)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 전압 지령 계산부(102)는, 자속 계산부(1021), 피드백량 계산부(1022), 피드 포워드량 계산부(1023), 전압 지령 생성부(1024), 전압 오차 계산부(1025), 전압 지령 출력 제한부(1026)를 구비한다.

자속 계산부(1021)는 전류[i_δγc], 회전각속도(ω₁), 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 입력하고, 추정 위상각(φ_c) 및 공극 자속[λ_δγc]을 출력한다. 공극 자속[λ_δγc]은 상술의 추정치[λ^＾]를 채용할 수 있다. 구체적으로는, 추정 위상각(φ_c) 및 공극 자속[λ_δγc]은 이하와 같이 하여 구할 수 있다.

일반적으로, 전동기(3)의 전기자 권선의 인덕턴스의 d축 성분(L_d) 및 q축 성분(L_q), 전동기(3)에 흐르는 전류의 δ축 성분(i_δ) 및 γ축 성분(i_γ), 전동기(3)에 인가되는 전압의 δ축 성분(ｖ_δ) 및 γ축 성분(ｖ_γ), 실위상각(φ), 계자 자속의 절대치(Λ₀), 전동기(3)의 전기자 권선의 저항 성분(R), 회전각속도(ω₁), 미분 연산자(p)를 도입하면, δ-γ회전 좌표계에 있어서 다음 식의 전압 방정식(1)이 성립한다. 단, [I], [J], [C] 및 그들 요소를 둘러싸는 기호[]는 행열을 나타낸다.

따라서 이것과 마찬가지로 하여, 전기자 권선의 인덕턴스의 d축 성분의 설정치(L_dc) 및 q축 성분의 설정치(L_qc), 전동기(3)에 흐르는 전류의 δc축 성분(i_δc) 및γc축 성분(i_γc), 전동기(3)에 인가되는 전압의 δc축 성분(ｖ_δc) 및 γc축 성분(ｖ_γc), 추정 위상각(φ_c), 계자 자속의 절대치의 설정치(Λ_0c), 전동기(3)의 전기자 권선의 저항 성분의 설정치(R_c), 회전각속도(ω₁)를 도입하고 δc-γc회전 좌표계에 있어서 다음식의 전압 방정식(2)이 성립한다.

단, 전압의 δc축 성분(ｖ_δc) 및 γc축 성분(ｖ_γc)은 실측되지 않기 때문에, 자속 계산부(1021)는 이들 대신에 전압 지령[ｖ_δγ ^*]=[ｖ_δ ^* ｖ_γ ^*]^t을 채용하여, 추정 위상각(φ_c)과 공극 자속[λ_δγc]을 구한다. 설정치(L_dc, L_qc, R_c, Λ_0c)는 자속 계산부(1021) 내에 미리 기억해 둘 수 있다.

그런데, 정상 상태에 있어서는 미분 연산자(p)에 의한 연산 결과는 0이 되기 때문에, 정상 상태에 있어서의 전압 방정식은 식 (1)로부터 하기 식 (3)으로서 도출된다.

설정치(L_dc, L_qc, R_c, Λ_0c)와, 그 실제의 값(L_d, L_q, R, Λ₀)의 상위에 따른 오차를 전압 지령에 있어서 수정하기 때문에, 지령치[λ^*]와 δc-γc 회전 좌표계에 있어서의 공극 자속[λ_δγc]의 편차를 이용하여, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]은 다음 식 (4)의 피드 포워드량[F]과 피드백량[B]의 합으로 결정된다. 단, 피드백 게인(Gλ)(≠0)과, 지령치[λ^*]의 δ축 성분(λ_δ ^*) 및 γ축 성분(λ_γ ^*)을 도입했다.

전압 지령 생성부(1024)는 피드 포워드량[F]과 피드백량[B]을 가산하고, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 구한다.

피드 포워드량[F]을 생성하기 위해, 피드 포워드량 계산부(1023)는 공극 자속[λ_δγc] 및 전류[i_δγc]를 입력하고, 식 (4)에 따라 피드 포워드량[F]을 구한다. 즉, 피드 포워드량[F]은, 전류[i_δγc], 저항 성분의 설정치(R_c), 회전각속도(ω₁) 및 공극 자속[λ_δγc]을 이용하여 정상 상태에 있어서의 전압 방정식에 의해 구할 수 있다.

피드백량[B]을 생성하기 위해, 피드백량 계산부(1022)는 공극 자속[λ_δγc] 및 그 지령치[λ^*]를 입력하고, 식 (4)에 따라 피드백량[B]을 계산한다. 구체적으로는 지령치[λ^*]와 공극 자속[λ_δγc]의 편차에 피드백 게인(Gλ)을 곱한다. 피드백 게인(Gλ)은 피드백량 계산부(1022)에 있어서 기억해 둘 수 있다.

식 (4)에 있어서는 피드백 게인(Gλ)은 스칼라량으로서 나타냈지만, 공극 자속의 편차에 대해서 작용하는 2행 2열의 비영행렬이어도 된다.

이상적으로는, 피드백량[B]이 0이 되면, δ축 성분(λ_δ ^*)과 δc축 성분(λ_δc)이, γ축 성분(λ_γ ^*)과 γc축 성분(λ_γc)이, 각각 일치하고 있게 되고, 식 (3)으로 표시되는 정상 상태가, δc-γc 회전 좌표계에 있어서의 제어로 실현될 수 있게 된다.

그런데, 이러한 피드백량[B]을 이용한 피드백 제어가 적절히 행해지고 있으면, 실위상각(φ)과 추정 위상각(φ_c)의 괴리가 작고, 따라서 회전각속도(ω₁)와 그 지령치(ω^*)의 괴리는 없다고 근사할 수 있다.

이 경우, 전압 지령의 오차인 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]라고 하는 개념을 새롭게 도입하고, 공극 자속[λ_δγc]의 시간적 변동도 고려하여, 다음 식 (5)가 성립한다.

즉 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을, 전동기(3)에 대한 전압 방정식으로부터 얻어지는 전압치(R_c[i_δγc]＋(p[I]＋ω₁[J])[λ_δγc])로부터 뺀 값으로서 정의된다. 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는 식 (5)의 제2 식으로 근사할 수 있다.

단 계수(e_iI, e_iJ, e_Λ, e_ｖ)는, 전동기(3), 전압 공급원(2), 및 전류[i_x](혹은 전압 공급원(2)에 입력하는 전압)의 검출기(도시 생략)의 각각의 제원의 편차, 및 회전각속도(ω₁)에 의해, 전동기(3)의 제조 공차, 동작 온도의 보증 범위에서 결정되는 변동폭의 범위 내에서 변동한다. 따라서 전압 지령의 오차인 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위는 전류[i_δγc], 추정 위상각(φ_c), 전압 지령[ｖ_δγ ^*] 외, 계수(e_iI, e_iJ, e_Λ, e_ｖ)의 변동폭에도 의존한다.

즉, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는, 전류[i_δγc]와, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]과, 전동기(3) 및 전압 공급원(2)의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 전류[i_δγc] 또는 전압[ｖ_u, ｖ_ｖ, ｖ_w]을 검출하는 검출기의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 회전각속도(ω₁) 중 적어도 하나로 결정되는 변동폭에 기초하여 설정된다.

보다 상세하게는, 상기 변동폭은, 전류[i_δγc]와 위상이 평행하는(동상 혹은 역상이 되는) 오차 e_iI[I][i_δγc]가 변동하는 범위와, 전류[i_δγc]와 위상이 직교하는 오차 e_iJ[J][i_δγc]가 변동하는 범위와, 계자 자속[Λ0]과 위상이 직교하는 오차 e_Λ[sinφ_c cosφ_c]^t가 변동하는 범위와, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]과 위상이 평행하는 오차 e_ｖ[ｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위 중 적어도 하나로 설정된다.

여기서 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는, 피드백량[B]에 상당한다(보다 구체적으로는[Δｖ_δγ ^*]=-[B]가 된다). 상술한 바와 같이, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는, 실위상각(φ)과 추정 위상각(φ_c)의 괴리가 작아지도록 피드백 제어되어 있는 것이 전제이다. 그리고 전동기(3)의 동작이 탈조한 경우, 이 전제는 성립하지 않는다. 따라서, 그러한 경우에는 피드백량[B]은 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위를 넘게 된다. 바꾸어 말하면, 피드백 제어를 행하고 있을 때 피드백량[B]이 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위를 넘는 것으로부터, 전동기(3)의 동작이 탈조했다고 판단할 수 있다.

즉 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위는, 탈조의 유무를 판단할 때의, 피드백량[B]에 대한 역치가 된다. 전압 오차 계산부(1025)는 식 (5)의 제2 식의 우변을 따라서 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위를 계산하기 위해, 추정 위상각(φ_c), 전류[i_δγc], 및 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 입력한다.

예를 들면 계수(e_iI, e_iJ, e_Λ, e_ｖ)의 변동폭의 상한 및 하한과, 전류[i_δγc], 추정 위상각(φ_c), 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 이용하여, 식 (5)의 제2 식의 우변의 각 항의 최대치 및 최소치를 구한다. 각 항의 최대치 또는 최소치의 조합을 채용했을 때의 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]를 역치로 하여 피드백량[B]과 비교한다. 계수(e_iI, e_iJ, e_Λ, e_ｖ)는 전압 오차 계산부(1025)로 계산해도 된다. 그 경우에는, 전압 오차 계산부(1025)에는 회전각속도(ω₁)도 입력한다.

이것은, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위가, 상기 변동폭의 상한 및 하한, 전류[i_δγc]와 상기 전압 지령의 조합에 있어서의 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]의 최대치 또는/및 최소치로부터 설정된다고 파악할 수 있다.

간단하게는, 피드백량[B]의 절대치의 역치로서, 하기 식 (6)의 우변에 나타내는 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]를 취할 수 있는 절대치의 최대를 채용해도 된다.

혹은 하기 식 (7)이 성립하므로, 식 (7)의 최우변을 역치로서 채용해도 된다. 이것은 연산량을 저감하는 관점에서 바람직하다. 또 최우변에는 추정 위상각(φ_c)을 포함하지 않기 때문에, 자속 계산부(10)에서 추정 위상각(φ_c)을 출력하지 않는 제어계에도 적용할 수 있다.

또한, 정속 운전중에서는, 회전각속도(ω₁)는 일정하므로, ｜e_iI[I]＋e_iJ[J]｜

, ｜e_Λ｜, ｜e_ｖ｜는 변화하지 않는 일정치가 된다.

혹은 피드백량[B]과 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]의 비교를, δc축 성분, γc축 성분마다 행해도 된다. 혹은 그들 중 한쪽만에 있어서 비교를 행해도 된다. 이것은 연산량을 저감하는 관점에서 바람직하다. 예를 들면 식 (8)은, γc축 성분에 있어서 피드백량[B]과 비교되는 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]의 γc축 성분(Δｖ_γ ^*)의 절대치의 최대를 구한다. 따라서 식 (8)의 최우변을 피드백량[B]과 비교해도 된다.

판정부(109)는, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]를 입력하고, 상술과 같은 역치 혹은 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]와 피드백량[B]의 비교를 행하여, 판정 신호(Z)를 출력한다. 상술의 역치는 예를 들면 판정부(109)에서 생성하지만, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]로부터 역치를 구하는 블록을 전압 지령 계산부(102)에 있어서 별도로 설치해도 된다.

전압 지령 출력 제한부(1026)는 판정 신호(Z)와 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 입력한다. 판정 신호(Z)가 탈조를 나타낼 때 이외는, 전압 지령 출력 제한부(1026)는 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 출력한다. 판정 신호(Z)가 탈조를 나타낼 때는, 전압 지령 출력 제한부(1026)는 전압 지령[ｖ_δγ ^*]에 대신하여 정지 지령(S)을 출력하고, 전압 공급원(2)의 동작을 정지한다. 이로 인해 탈조 상태인 채로 전동기(3)를 구동하는 것을 회피할 수 있다.

본 실시의 형태에 있어서, 전류[i_δγc]나 전압 지령[ｖ_δγ ^*] 등에 기초하여 역치를 설정함으로써, 운전 상태에 따른 적절한 역치가 설정된다. 이것은, 탈조를 검출하는 정밀도를 높이고, 또한 잘못하여 탈조로 검출하는 것을 저감하는 관점에서 바람직하다.

또, 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위에서 결정되는 변동폭에 기초하여 역치를 설정함으로써, 역치를 시험적으로 결정할 필요성은 낮다. 이것은, 역치를 시험적으로 결정하는 방법에 비해 개발 공정수를 큰 폭으로 줄일 수 있는 관점에서 바람직하다.

제2 실시의 형태.

제2 실시의 형태에서는 피드백량[B]을 전류의 편차로부터 구하는 기술을 나타낸다. 구체적으로는 식 (9)에 따라서 피드백량[B]을 구한다. 단 피드백 게인 G_i(≠0) 및 전류[i_δγc]의 지령치[i_δγ ^*]=[i_δ ^* i_γ ^*]^t를 도입했다. 제1 실시의 형태와 같이, 피드백 게인(G_i)은 전류의 편차에 대해서 작용하는 2행 2열의 비영행렬이어도 된다.

이와 같이 하여 피드백량[B]을 구하는 경우, 피드백량 계산부(1022)에는 공극 자속[λ_δγc] 및 그 지령치[λ_δγ ^*]를 입력하는 대신에, 전류[i_δγc] 및 그 지령치[i_δγ ^*]를 입력한다.

따라서 본 실시의 형태에 따른 전동기 제어장치(1)의 구성은, 제1 실시의 형태에 따른 전동기 제어장치(1)의 구성에 대해, 전압 지령 계산부(102)에는 공극 자속의 지령치[λ_δγ ^*]가 아니라 전류의 지령치[i_δγ ^*]를 입력하는 점에서 다르다.

도 4는 본 실시의 형태에 있어서의 전압 지령 계산부(102)의 구성을 나타내는 블럭도이다.

본 실시의 형태에 있어서도, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는 제1 실시의 형태와 같게 하여 결정할 수 있다. 그리고 제1 실시의 형태와 같이 처리를 행하여, 탈조의 유무를 판정할 수 있다.

제1 실시의 형태 및 본 실시의 형태로부터, 피드백량[B]은, 전류[i_δγc] 혹은 공극 자속[λ_δγc] 중 한쪽과, 상기 한쪽에 대한 지령치([i_δγ ^*], [λ_δγ ^*]) 사이의 편차에 기초하여 결정된다고 파악할 수 있다.

제3 실시의 형태.

본 실시의 형태에서는 피드 포워드 제어를 이용하지 않고 , 피드백 제어만을 행하는 경우에 대해 나타낸다. 이 경우, 다음 식 (10)으로 표시되는 바와 같이, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]은 피드백량[B]과 동일해진다.

도 5는 본 실시의 형태에 있어서의 전압 지령 계산부(102)의 구성을 나타내는 블럭도이다. 제1 실시의 형태 및 제2 실시의 형태에서 나타난 전압 지령 생성부(1024)는 불필요해지고, 피드백량 계산부(1022)로부터 전압 지령[ｖ_δγ ^*]으로서 피드백량[B]이 출력된다.

한편, 피드 포워드량 계산부(1023)는 제1 실시의 형태 및 제2 실시의 형태에서 나타난 바와 같이 하여 피드 포워드량[F]을 계산한다. 그리고 제1 실시의 형태 및 제2 실시의 형태에서 채용된 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는, 거기서부터 피드 포워드량[F]을 줄임으로써 보정된다. 본 실시의 형태에서는 기호[Δｖ_δγ ^*]를, 피드 포워드량[F]을 줄임으로써 보정된 전압 오차에 대해서 이용하고 있다.

즉 본 실시의 형태에 있어서 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는 다음 식 (11)로 구할 수 있다.

전압 지령[ｖ_δγ ^*]으로서 피드백량[B] 자체를 이용할 때, 식 (11)로 결정되는 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]를 이용함으로써, 제1 실시의 형태와 같이 탈조의 유무를 판정할 수 있다. 이것은 식 (4), (5)로부터 자명하다.

이상으로부터, 본 실시의 형태에서도, 제1 실시의 형태와 같이 처리를 행하여, 탈조의 유무를 판정할 수 있다.

물론, 본 실시의 형태에 있어서도 제2 실시의 형태와 유사하여, 피드백량[B]으로서 전류의 편차와 피드백 게인(G_i)의 곱을 이용해도 된다. 그 경우, 식 (9)로 구해진 피드백량[B]이 전압 지령[ｖ_δγ ^*]으로서 채용된다. 따라서 제2 실시의 형태와 같이, 피드백량 계산부(1022)에는 공극 자속[λ_δγc] 및 그 지령치[λ_δγ ^*]를 입력하는 대신에, 전류[i_δγc] 및 그 지령치[i_δγ ^*]를 입력한다.

이와 같이, 전압 지령[ｖ_δγ ^*]을 구하는데, 피드백량[B]만으로 할지, 피드 포워드량[F]도 포함할지에 따라, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 무엇에 기초하는 지가 다르다. 전압 지령[ｖ_δγ ^*]이 피드 포워드량[F]에 기초하지 않는 경우는 본 실시의 형태와 같이, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는 피드 포워드량[F]에도 기초하여 설정된다. 전압 지령[ｖ_δγ ^*]이 피드 포워드량[F]에 기초하는 경우에는 제1 및 제2 실시의 형태와 같이, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]는 공극 자속[λ_δγc]에는 기초하지 않는다(식 (5) 제2 식 참조).

피드 포워드량[F]을, 전압 방정식의 일부의 항을 제외한 항에 기초하여 설정해도 된다. 이 경우, 상기 일부의 항에도 기초하여, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]가 변동하는 범위를 설정한다.

변형 1.

상기 계수(e_iI, e_iJ, e_Λ, e_ｖ)는, 전동기(3)의 기기 상수의 편차 외, 회로상의 편차의 영향을 받는 경우도 있을 수 있다. 예를 들면 계수(e_iI, e_iJ)는 전류[i_x]를 검출하는 검출기(도시 생략)의 편차의 영향을 받고, 계수(e_ｖ)는 전압 공급원(2)이 갖는 전압 제어형 인버터(도시 생략)에 입력되는 전압 혹은 출력하는 전압[ｖ_x]을 검출하는 검출기(도시 생략)의 편차의 영향을 받는다. 그러나, 이들 회로상의 편차는, 전동기(3)의 기기 상수의 편차와 비교하여 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]에 주는 영향은 작다. 따라서 회로상의 편차는 무시해도, 탈조를 판정하는 것은 실제상, 가능하다.

검출기 이외의 편차에 대해서도, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]에 주는 영향은 작은 경우에는, 이것을 무시해도 탈조를 판정하는 것은 실제상 가능하다.

혹은 예를 들면, 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]에 주는 영향이 가장 큰 편차만을 고려해도 된다.

변형 2.

피드백량[B]과 비교되는 역치인 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]의 최대치는, 전동기(3)에 대해 상정되는 운전 범위 내의 최악 조건을 이용하여 미리 계산하고, 기억하고 있어도 된다.

이 경우, 전압 오차 계산부(1025)의 연산량은 작고, 필요한 메모리도 작아도 된다. 혹은 간단히 역치를 나타내는 테이블에서 전압 오차 계산부(1025)를 대용할 수도 있다.

예를 들면 회전각속도마다 역치가 미리 구해지고, 이것들이 테이블로서 기억된다.

물론, 역치에 대해서는, 마진을 고려하여 전압 오차[Δｖ_δγ ^*]의 최대치보다 크게 설정해도 된다.

변형 3.

추정 위상각(φ_c)은 작기 때문에, 이것을 영에 근사하여 역치를 구해도 된다.

탈조하고 있지 않은 조건으로 추정 위상각(φ_c)을 취할 수 있다고 상정되는 범위에서, 역치를 구해도 된다. 예를 들면 추정 위상각(φ_c)이 -90°~90°의 범위에서 탈조하지 않고 운전되는 경우(이러한 제어는 예를 들면 일차 자속 제어에 있어서 채용된다)에는 -1≤sinφ_c≤1, 0≤cosφ_c≤1을 채용하여 역치를 구한다.

추정 위상각(φ_c)을 영에 근사하거나, -1≤sinφ_c≤1, 0≤cosφ_c≤1을 채용하여 역치를 구하는 경우에는, 추정 위상각(φ_c) 그 자체를 구할 필요가 없다. 따라서 역치를 구하는 이외에 추정 위상각(φ_c)을 구할 필요가 없는 제어에 있어서는, 추정 위상각(φ_c)을 구하기 위한 연산량(식 (2) 참조)을 줄일 수 있다.

또, 탈조하고 있지 않은 조건으로 추정 위상각(φ_c)을 취할 수 있다고 상정되는 범위에서, 역치를 구하는 것은, 상정 외의 운전 범위가 된 경우에도 이상으로 판정할 수 있는 이점이 있다.

상기의 여러 가지 실시의 형태 및 변형은, 서로의 기능을 해치지 않는 한, 적절히 조합할 수 있다.

상기의 블럭도는 모식적이며, 각부는 하드웨어로 구성할 수도 있고, 소프트웨어에 의해 기능이 실현되는 마이크로 컴퓨터(기억장치를 포함한다)로 구성해도 된다. 각부에서 실행되는 각종 순서, 혹은 실현되는 각종 수단 또는 각종 기능의 일부 또는 전부를 하드웨어로 실현해도 상관없다.

마이크로 컴퓨터는, 프로그램에 기술된 각 처리 단계(바꾸어 말하면 순서)를 실행한다. 상기 기억장치는, 예를 들면 ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 개서 가능한 불휘발성 메모리(EPROM(Erasable Programmable ROM) 등), 하드 디스크 장치 등의 각종 기억장치의 하나 또는 복수로 구성 가능하다. 상기 기억장치는, 각종 정보나 데이터 등을 기억하고, 또 마이크로 컴퓨터가 실행하는 프로그램을 기억하고, 또, 프로그램을 실행하기 위한 작업 영역을 제공한다. 또한, 마이크로 컴퓨터는, 프로그램에 기술된 각 처리 단계에 대응하는 각종 수단으로서 기능한다고도 파악할 수 있고, 혹은, 각 처리 단계에 대응하는 각종 기능을 실현한다고도 파악할 수 있다.

이 발명은 상세하게 설명되었지만, 상기한 설명은, 모든 국면에 있어서, 예시이며, 이 발명이 거기에 한정되는 것은 아니다. 예시되어 있지 않은 무수한 변형예가, 이 발명의 범위로부터 벗어나지 않게 상정될 수 있는 것으로 해석된다.

Claims (9)

1. 동기 전동기를 제어하는 장치로서,
   전압 지령에 기초하여 상기 동기 전동기에 전압을 인가하는 전동기 구동부와,
   상기 동기 전동기에 흐르는 전류의, 상기 전류에 대한 지령치에 대한 편차, 혹은, 상기 동기 전동기에 있어서의 공극 자속의, 상기 공극 자속에 대한 지령치에 대한 편차에 기초하는 피드백량을 결정하는 피드백량 계산부와,
   상기 피드백량에 기초하여 상기 전압 지령을 생성하는 전압 지령 생성부와,
   상기 동기 전동기의 전압 방정식에 기초한 전압치와 상기 전압 지령의 오차가 변동하는 범위를 계산하는 전압 오차 계산부와,
   상기 피드백량이 상기 오차가 변동하는 범위를 일탈하는 것으로부터, 상기 동기 전동기에 이상이 발생했다고 판정하는 판정부를 구비하는 전동기의 제어장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 오차는, 상기 전류와, 상기 전압 지령과, 상기 동기 전동기의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 상기 전동기 구동부의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 상기 전류 또는 상기 전압을 검출하는 검출기의 제조 공차 및 동작 온도의 보증 범위와, 상기 동기 전동기의 회전각속도 중 적어도 하나로 결정되는 변동폭에 기초하여 설정되는, 전동기의 제어장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 오차가 변동하는 범위는, 상기 전류와 위상이 평행하는 오차가 변동하는 범위와, 상기 전류와 위상이 직교하는 오차가 변동하는 범위와, 상기 동기 전동기의 계자 자속과 위상이 직교하는 오차가 변동하는 범위와, 상기 전압 지령과 위상이 평행하는 오차가 변동하는 범위 중 적어도 하나로 결정되는 변동폭에 기초하여 설정되는, 전동기의 제어장치.
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 오차가 변동하는 범위는, 상기 전류와 위상이 평행하는 오차가 변동하는 범위와, 상기 전류와 위상이 직교하는 오차가 변동하는 범위와, 상기 동기 전동기의 계자 자속과 위상이 직교하는 오차가 변동하는 범위와, 상기 전압 지령과 위상이 평행하는 오차가 변동하는 범위 중 적어도 하나로 결정되는 변동폭에 기초하여 설정되는, 전동기의 제어장치.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 오차가 변동하는 범위는, 상기 변동폭의 상한 및 하한, 상기 전류와 상기 전압 지령의 조합에 있어서의 상기 오차의 최대치 또는/및 최소치로부터 설정되는, 전동기의 제어장치.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 오차가 변동하는 범위는, 상기 변동폭의 상한 및 하한, 상기 전류와 상기 전압 지령의 조합에 있어서의 상기 오차의 최대치 또는/및 최소치로부터 설정되는, 전동기의 제어장치.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 오차가 변동하는 범위는, 상기 변동폭의 상한 및 하한, 상기 전류와 상기 전압 지령의 조합에 있어서의 상기 오차의 최대치 또는/및 최소치로부터 설정되는, 전동기의 제어장치.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 오차가 변동하는 범위는, 또한 상기 전압 방정식의 일부의 항에도 기초하여 설정되고,
   상기 전압 방정식으로부터 상기 일부의 항을 제외한 항에 기초하는 피드 포워드량을 결정하는 피드 포워드량 계산부를 더 구비하고,
   상기 전압 지령 생성부는, 또한, 상기 피드 포워드량에도 기초하여 상기 전압 지령을 생성하는, 전동기의 제어장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전압 방정식에 기초하는 피드 포워드량을 결정하는 피드 포워드량 계산부를 더 구비하고,
   상기 전압 지령 생성부는, 또한, 상기 피드 포워드량에도 기초하여 상기 전압 지령을 생성하는, 전동기의 제어장치.
   

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