KR20010107924A - 동기전동기 제어장치, 동기전동기의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 동기전동기 제어장치 및 제어방법은, 전류를 검출하고, 이 전류를 회전자상에 상정한- δ축에 좌표변환하고, 도출한 전류 및 임의로 부여한 보정전류지령에 의해 보정항을 구하고, 동기전동기의 정상상태에서의 전압방정식에 보정항을 적당한 게인을 곱해서 가산하고

Description

동기전동기 제어장치, 동기전동기의 제어방법{SYNCHRONOUS MOTOR CONTROL DEVICE AND METHOD}

영구자석을 회전자표면에 붙인 동기모터(이하 SPM모터)나 영구자석을 회전자내부에 내장시킨 동기모터(이하 IPM모터)에 관해, 회전자의 회전위치를 검출하는 센서를 설치하지 않고 구동하는 종래의 제어방식이 각종 제안되고 있다.

예를 들면, (a) 일본국 특허청 특개평 8-308286호 공보나 (b) 일본국 특허청 특개평 9-191698호 공보 등은, 추정전류와 실전류의 오차에 따라 자극위치를 추정하고, 이 결과를 사용해서 동기모터의 벡터제어를 구성하는 것이다.

또 (c) 전학론D, 111권, 8호, 평성3년 p639~644는 SPM모터에서의 간편한 전압지령연산방법 및 간편한 1차 각 주파수의 설정방법이 표시되어 있다.

이하, (c)의 방식에 대해 상술한다. 또, (c)의- δ축은 본 발명에서 사용하는- δ축과 반대로 되어 있는((c)축 →본 발명 δ축, (c) δ축 →본 발명축)을 부기해 둔다.

도 6은 (c)에 표시된 종래의 제어계 구성도이다.

도 6에서, 1은 SPM모터, 2는 이 SPM모터에 PWM변조된 정형파전압을 인가하는 인버터, 3은 이 인버터(2)의 스위칭소자에의 PWM된 ON/OFF신호를 발생하는 PWM제어회로, 4는 이 인버터(2)에서 SPM모터(1)에의 전류를 검출하는 전류검출기, 5는 이 전류검출기(4)에서 얻어진 값을 회전자상에 상정된- δ축으로 변환하는 전류변환기, 6은 마이크로프로세서로, 이 전류검출기(5)로부터의 전류를 받아서, 후술하는 식에 따라 전압지령, 1차 각 주파수를 연산하고, 그 전압을 좌표변환하고, 이 PWM제어회로(3)에 출력한다.

우선, 전압지령연산식은, 식(1), 식(2)와 같이 된다.

V= R1 ·I+ w1 ·λ1δ- w1 ·λδest ···(1)

Vδ = R1 ·Iδ - Kδ·λδest ···(2)

여기서, R1은 1차 저항, w1은 1차 각 주파수, Kδ는 게인(정수), λ1δ는 1차 쇄교자속수의 δ축 성분이다. 또, λδest는 식(3)으로 표시된다.

···(3)

여기서, L1은 1차 권선의 인덕턴스, I₀는 자석에 의한 쇄교자속수 Λ₀를 L1으로 나눗셈한 것이다. 즉 I₀= Λ₀/L1이 된다. 또 Iδ^*는 1차 쇄교자속수지령 Λδ^*를 L1으로 승산한 것이다. 즉 Iδ^*= Λδ^*/L1이 된다. 또, 1차 각 주파수 w1의설정방법에 관해서는 식(4)가 표시하고 있다.

···(4)

여기서, w1^*는 각 속도지령, Km은 비례정수이다.

그러나 상술한 종래의 방식은 (a),(b)는 속도추정해서 백터제어를 구성하므로 모터축에 접속되는 부하의 성질에 의해 속도제어계의 게인조정이 필요해지고 연산도 비교적 복잡하다. 또, (c)의 방식은 부하의 관성에 의해 게인설정이 불필요하며, 또 연산도 적으나, SPM모터에서의 방식으로 고정자축에 고정된 d-q축상에서의 인덕턴스 Ld,Lq가 다르고 토크발생식도 다른 IPM모터에는 적용할 수 없다.

(발명의 개시)

여기서, 본 발명의 목적은 연산량이 적고 부하의 관성에 의해 게인조정이 불필요하며, IPM모터에 적용가능한 제어방식을 얻는데 있다. 또 센서레스로 매끄럽게 시동하는데 있어 옳바른 1차 저항이 필요하게 되므로 시동시의 단시간에 옳바른 1차 저항을 얻음으로써 원할한 시동을 실현하는 것도 목적으로 한다.

본 발명은, 동기전동기의 제어장치 및 제어방법에 관해, 특히 회전자내부에 자석이 장치된 구조로 된 동기전동기의 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 의한 동기전동기 제어장치를 표시하는 구성도.

도 2는 본 발명의 실시의 형태 2에 의한 동기전동기 제어장치를 표시하는 구성도.

도 3은 본 발명의 실시의 형태 3에 의한 동기전동기 제어장치의 시동시의 플로차트를 표시.

도 4는 도 3에 의한 동기전동기 제어장치의 저항추정방법을 표시하는 구성도.

도 5는 도 3에 의한 동기전동기 제어장치의 저항추정방법의 다른 예를 표시하는 구성도.

도 6은 종래의 동기전동기 제어장치를 표시하는 구성도.

다음 본 발명의 실시의 형태에 대해 아래와 같이 설명한다.

실시의 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 의한 동기전동기 제어장치를 표시하는 구성도이다.

도면에서, 10은 IPM모터, 11은 3상전압지령 Vu,Vv,Vw를 받아, PWM으로 변환해, 스위칭소자로 PWM전압출력하는 인버터회로, 12는 인버터회로(11)에서 IPM모터 (10)에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출기, 13은 전류검출기(12)로 얻어진 전류를 회전자상에 상정된- δ축으로 변환하는 전류좌표변환기로, 검출된 전류 Iu,Iv를 I,Iδ로 변환한다. 14는 I,Iδ에 의해 보정항 Icmp를 연산하는 보정항Icmp연산부로, 15는 V,Vδ전압지령을 연산하는 V,Vδ연산부이다. 16은 V,Vδ연산부(15)에서 구해진 전압지령을 3상전압지령 Vu,Vv,Vw로 변환하는 전압좌표변환기이고, 이 출력은 인버터회로(11)에 입력된다. 또 17은 I,Iδ로부터 IPM모터발생토크를 연산하는 토크연산부로, 18은 속도안정화항 연산부로 토크연산부(17)로부터 구해진 토크로부터 속도안정화항 W_T를 연산한다. 19는 감산회로로, 지령된 속도W1^*과 속도안정화항 연산부(18)에서 구해진 속도안정화항 W_T를 감산함으로써, 1차 각 주파수 W1을 구한다. 20은 1차 각 주파수W1을 적분해서 위상θ를 구하는 적분기로, 구해진 위상θ는 전류좌표변환기(13)와 전압좌표변환기(16)의 좌표변환에서 사용된다.

다음의 도 1의 각부의 구체적내용에 관해 기술한다. 우선 IPM모터(10)의 전압방정식과 토크방정식은 회전자축상에 고정된 d-q축상에서는 식(5), 식(6)은 다음과 같이 된다.

···(5)

Tm = Pm φ_f·Iq + Pm ·(Ld - Lq) ·Id·Iq ···(6)

여기서, Vd,Vq는 1차 전압의 d,q축 성분, R은 IPM모터의 1차 저항 ω는 회전자 회전전기각속도, Pm은 극쌍수, φf는 자석에 의해 쇄교자속 Id,Iq는 d축,q축 전류, Ld,Lq는 d축,q축 인덕턴스이다. 또, P는 미분자연산자 d/dt이다.

정상상태에서는, 식(5)중의 미분연산자 P = 0으로 함으로써 식(7)이 된다.

···(7)

상기 d-q축은 회전자축상에 고정되어 있으나, 센서레스의 경우 회전자의 위치는 알 수 없으므로 고정자상에 상정된- δ축은 d-q축과 떨어지는 것이 보통이다.

본 발명에 의해 제어하는 경우, 이 어긋남은 약간이고,- δ축에서의 정상상태에서의 전압방정식을 다음식(8)과 같이 근사한다.

···(8)

여기서, 보정항Icmp 연산부(14)의 보정항Icmp는 다음식(9)과 같이 부여한다.

···(9)

여기서, Ix^*는 보정전류지령, Kcmp는 보정게인이다.

V,Vδ연산부(15)에서는 식(8)에 식(9)에서 구한 보정항Icmp를 적당한 게인을 곱해서 가산한다.

즉, 식(10)에서 보시하는 바와 같이 계산한다.

···(10)

이와 같이 구성함으로써, 전류I,Iδ가 흘렀을 때에 정상적으로 갈리는 전압을 모두 합하고 보정항Icmp를 가함으로써, IPM모터로도 전압제어의 안정성이 확보된다.

다음에 토크연산부(17), 속도안정화항 연산부(18), 감산회로(19)의 동작에 대해 설명한다. 종래 예에서 표시한 바와 같이, IPM모터에서는 식(4)에 의해 속도의 안정화를 도모할 수가 있다. 속도의 안정화라는 것은 탈조를 방지하는 것을 의미하고 있다.

IPM모터에서는 토크는 식(6)으로 표시된다. SPM모터에서는 생기지 않는 식(6)의 우변 제 2 항목에서 표시되는 리럭턴스토크가 생긴다. 그래서 토크연산부 (17)에서는 다음식(11)에서 표시되는 바와 같이 계산한다.

···(11)

그리고 속도안정화항 연산부(18) 및 감산회로(19)에서는 이 토크T를 사용해서 종래 예에서 표시한 식(4)과 같이 1차 각 주파수w1을 구한다. 즉 식(12),(13)과 같이 된다.

w_T= T ·Km ···(12)

w1 = w1 - w_T···(13)

여기서, 종래 예에서 진술한 참고문헌(c)과 같이 w_T는 정상적으로는 0이 되도록 조작한다. 이렇게 함으로써, 속도의 안정화가 도모되고, 정상적으로는 속도편차0에서 제어할 수 있다.

이상 진술한 본 실시의 형태에 의하면 식(9), 식(10)같은 간단한 연산으로 안정된 제어가 가능하다. 또, 속도추정을 하지 않고 제어하므로, 부하의 관성에 의해 게인 조정할 필요가 없다. 또 동작점 해석 및 실기검증결과, 본 제어방식에의해 리럭턴스토크를 유효하게 활용한 고효율제어가 실현가능해진다.

실시의 형태 2.

도 2는 본 발명의 실시의 형태 2에 의한 동기전동기 제어장치를 표시하는 구성도이다.

도 2는 도 1에 대해 V,Vδ연산부(15)가 변경되어 있고 새로히 V,Vδ연산부(21)로 하였다. 기타의 동일부호의 것은 같은 동작을 하므로 설명은 생략한다.

식(10)에서 표시된 실시의 형태 1에 기재한 V,Vδ연산부(15)는 역행/회생전역에 제어하는 경우, 여러가지 IPM모터에서, 반드시 안정이 되지 않는 IPM모터도 있었다. 그래서, V에 영항을 미치는 Iδ성분 및 Vδ에 영향하는 I성분, 즉 간섭항전압을, Iδ의 부호에 의해 고려/비고려를 교체하도록 구성함으로써 안정하게 제어할 수가 있다.

즉, Iδ가 +이면 다음식(14)로 하고 Iδ가 -이면 식(10)으로 한다.

···(14)

또 Iδ가 -일 때. 보정항Icmp 연산부(14)의 정수 Kcmp를 0으로 하거나, Vδ의 간섭항을 조정함으로써, 저속회생으로 토크특성의 개선이 도모되는 것도 실기검증으로 확인하였다. 또, Iδ가 +에서 -로 변했을 때, Kcmp와 간섭항의 조작을 서서히 하도록 함으로써 전환될 때에 속도의 진동없이 전환할 수가 있다.

이상 진술한 본 실시의 형태에 의하면 종래 예에서 진술한 제어식에서는 여러가지 속도토크에서 반드시 양호한 특성이 되지 않도록 한 IPM모터라도 양호한 토크특성이 얻어지게 된다.

그 이외로 IPM모터는 대단히 설계자유도가 높고 여러가지 속도토크에서 반드시 안정한 제어성능이 얻어지지 않을 때도 식(9)에서의 Ix^*, Kcmp, 식(10)에서의 Kgan, Kdel, 간섭항의 조작에 의해 안정성을 확보할 수 있고 양호한 토크특성을 얻을 수가 있다.

실시의 형태 3.

도 3은 본 발명의 실시의 형태 3에 의한 동기전동기 제어장치의 시동시의 플로차트를 표시한다. 도면에서 스텝 1은 운전개시신호가 입력을 표시한다. 스텝 2는 정지시의 초기 자극위치검출을 표시한다. 이 정지시 초기 자극위치검출방법으로는 여러가지 방법이 제안되어 있다. 예를 들면 「센서레스돌극형 브러시레스 DC모터의 초기 위치추정각방법」(전학론D, 116권, 7호 평성8년)이나 「전류벡터 궤적을 사용한 PM모터의 위치센서레스계 자극검출법에서의 추정 정밀도의 평가」(평성7년 전기학회 산업응용 전국대회180) 등등이다. 스텝 2에서는 어느 방식을 사용해도 되고, 정밀도 종래 자극위치를 검출한다. 그리고, 스텝 3에서 직류전류를 흘리고, IPM모터 1차측 저항치를 추정한다. 그후, 스텝 3에서 얻어진 저항치를 사용해 스텝 4에서 센스레스제어에서의 시동을 개시한다. 스텝 2와 스텝 3은 가능한 한 단시간에 실시한다.

센서레스제어에서는 제어식상에 1차 저항치를 사용하고 있으므로, 1차 저항치에서 다소 제어특성이 변화한다. IPM모터의 온도에 의해 그 1차 저항치는 변화하므로, 항상 동일한 특성을 얻기 위해서는 온도에 의해 변화한 1차 저항치를 적절한 값에 다시 설정할 필요가 있다. 특히 시동특성은 그 저항치의 영향을 받기 쉽다. 그래서 시동전의 단시간에 IPM모터의 1차 저항을 검출함으로서 스텝 4의 센서레스제어에서의 시동에서, 항상 양호한 시동특성이 얻어지게 된다. 즉 온도변화에 의하지 않고 과전류로 시동이 안된다는 현상이 없어진다.

구체적인 1차 저항추정방법으로는 도 4에 표시한다.

도 4에서, 22는 위상지령부에서 도 3에서 표시한 정지시 초기 자극위치검출에서 구한 위상을 지령한다. 23은 V,Vδ지령부로, 예를 들면 일정시간 V= 3V(일정치), Vδ= 0으로 해서, 전압좌표변환기(16)에 지령한다. 24는 저항추정부A이다.

이 경우 저항추정부A24에서는 다음식(15)과 같이 1차 저항치R이 추정된다.

···(15)

여기서, 자극위치가 오차없이 추정되어 있으면 Iδ= 0이 되므로, 식(15)은 식(16)으로 해도 된다.

R = V/I···(16)

추정시간은 Ld/R의 5배정도에 설정하면 되고, 그 시점에서, 식(15) 또는 식(16)에서 추정한다. 또 식(15) 또는 식(16)중의 I, Iδ는 필터를 통한 값을사용하므로, 추정치의 흐트러짐을 억제할 수가 있다.

또, 다른 1차 저항추정방법을 도 5에 표시한다.

도 5에서, 25는축 전류제어기로 예를 들면 비례 ·적분제어로 구성한다. 이축 전류제어기(25)의 출력은 V가 되고, 전압좌표변환기(16)에 입력된다. 26은 Vδ지령부에서 Vδ= 0으로 해서, 지령한다. 27은 저항추정부B이다. 이 경우 저항추정부B27에서는 다음식(17)같이 1차 저항R이 추정된다.

R = ∫(V- R ·I)dt ···(17)

추정시간은 Ld/R의 5배정도를 설정하고, 추정시간중, 식(17)의 연산을 한다. 이와 같이 구성함으로써, 식(17)의 적분내부가 0이 되도록 자동적으로 1차 저항추정치R이 구해진다. 즉 식(16)과 같은 계산식으로 저항이 구하게 된다.

이와 같이 구성함으로써 노이즈에 의해 추정치가 영향을 받지 않고 양호하게 추정할 수 있다.

상기에 표시한 바와 같이 추정한 1차 저항치를 사용해서 센서레스제어에서의 시동을 개시함으로써 IPM모터의 온도에 의하지 않고 항상 양호한 가속특성이 얻어진다.

이상과 같이 본 발명에 관한 동기전동기의 제어장치 및 제어방법은 간단한 연산으로 안정된 제어방식을 얻을 수가 있고, 특히 회전속도 및 자극위치를 검출하는 일없이 구동하는 동기전동기에 적합하다.

Claims (5)

1. 회전자내부에 영구자석을 배치하는 구조로 된 동기전동기를 구동하는 동기전동기 제어장치에서, 상기 동기전동기에 흐르는 전류를 검출하는 전류검출수단과, 상기 검출한 전류를 상기 회전자상에 상정한- δ축에 좌표변환하는 전류좌표변환수단과, 임의로 부여된 보정전류지령 및 상기 좌표변환된 전류에 따라 보정항을 연산하는 보정항 연산수단과, 상기 동기전동기의 정상상태에서의 전압방정식 및 상기 보정항에 따라- δ축 전압지령을 연산하는 전압지령연산수단을 구비한 것을 특징으로 하는 동기전동기 제어장치.
2. 회전자내부에 영구자석을 배치하는 구조로 된 동기전동기를 구동하는 동기전동기의 제어방법에서, 상기 동기전동기에 흐르는 전류를 검출하고, 이 검출한 전류를 상기 회전자상에 상정한- δ축에 좌표변환하고 도출한 전류 및 임의로 부여한 보정전류지령에 의해 보정항을 구하고 상기 동기전동기의 정상상태에서의 전압방정식에 상기 보정항을 적당한 게인을 곱해서 가산해서- δ축 전압지령을 구하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어방법.
3. 제 2항에 있어서, 보정항을 구하는 보정식은

   (는 보정항,는 임의로 부여한 보정전류지령,,는 좌표변환된 전류,는 정수)인 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어방법.
4. 제 3항에 있어서,- δ축 전압지령은, Iδ가 정일 때는- δ축 전류의 간섭항 전압을 고려하지 않고, Iδ가 부일 때는 상기 간섭항 전압을 고려해서 연산되는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어방법.
5. 회전자내부에 영구자석을 배치하는 구조로 된 동기전동기를 구동하는 동기전동기의 제어방법에서, 상기 동기전동기에 흐르는 전류를 검출하고, 이 검출한 전류를 상기 회전자상에 상정한- δ축에 좌표변환하고, 도출한 전류 및 임의로 부여한 보정전류지령에 의해 보정항을 구하고, 상기 동기전동기의 정상상태에서의 전압방정식에 상기 보정항을 적당한 게인을 곱해서 가산해- δ축 전압지령을 구하고, 시동시에 검출된 자극위치에 맞추어 직류전류를 흘리고, 동기전동기의 1차측 저항을 추정하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어방법.