KR20020040615A

KR20020040615A - 모터 제어 장치

Info

Publication number: KR20020040615A
Application number: KR1020010073167A
Authority: KR
Inventors: 후쿠에다카시
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2002-05-30
Also published as: JP3700576B2; CN1356767A; JP2002165482A; CN1216453C; KR100800901B1

Abstract

위치 센서리스 모터 제어 장치에 있어서, 상(相) 유기 전압에 대한 전기자 반작용의 영향과 전원 리플에 대한 제어 효과 지연을 고려한 제어에 의해, 속도 변동, 소음 및 진동 등을 억제한다. 제어 수단(5)은 상 전압 검출 수단(5a)에 의해 검출한 3상 모터(3)의 상 유기 전압에 근거하여 회전자 위치를 추정할 때, 3상 모터(3)의 전류량에 의존한 전기자 반작용의 영향에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각을, PWM 신호 펄스 폭, 회전 수 및 전원 전압 Vdc에 의해 추정한 전류량에 의해, 전류 센서리스로 보정하여 정확한 회전자 위치를 추정한다.

Description

모터 제어 장치{MOTOR CONTROL EQUIPMENT}

본 발명은 단상 교류 전원을 사용하여 3상 모터를 가변속으로 구동하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.

이하, 종래의 모터 제어 장치를 설명한다.

(제 1 종래 기술, 일본 특허 공개 평성 제 10-150795 호 공보)

도 4는 제 1 종래 기술의 모터 제어 장치의 구성을 나타낸다. 모터 제어 장치는 단상 교류 전원(1)을 전파 정류하는 정류 회로(2), 정류 회로(2)의 출력을 스위칭하여 얻는 가변 전압·가변 주파수의 교류 출력에 의해 3상 모터(3)를 구동하는 인버터 주 회로(4), 인버터 주 회로(4)를 제어하는 제어 수단(5), 및 3상 모터(3)의 회전자 위치의 정보를 제공하는 위치 센서(6)를 구비하고 있다.

제어 회로(5)는 전압 지령값에 근거하여 인버터 주 회로(4)내의 스위칭 소자를 온오프하기 위한 PWM 신호를 발생하는 신호 발생 회로(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 제어 회로(5)는 항상 소망하는 인버터 출력 전압을 얻을 수 있도록, 전원 리플에 대응하여 상기 신호 발생 수단에 의해 PWM 신호의 펄스 폭의 증감 제어를 행하며, 최대 펄스 폭에 있어서 소망하는 인버터 출력을 얻을 수 없는 포화 상태로 된 경우에는, 상기 PWM 신호의 출력 타이밍을 빠르게 하여 인버터 출력 전압의 위상을 진행시켜 소망하는 인버터 출력을 얻는다.

(제 2 종래 기술, 일본 특허 공개 제 2000-83397 호 공보)

도 5는 제 2 종래 기술의 모터 제어 장치의 구성을 나타낸다. 모터 제어 장치는 단상 교류 전원(1)을 전파 정류하는 정류 회로(2), 정류 회로(2)의 정류 출력을 스위칭하여 얻는 가변 전압·가변 주파수의 교류 출력에 의해 3상 모터(3)를 구동하는 인버터 주 회로(4), 및 인버터 주 회로(4)를 제어하는 제어 회로(5)를 구비하고 있다. 여기서, 제어 회로(5)는 동일 상(相)에 있어서의 스위칭 소자의 데드 타임 기간 동안의 3상 모터(3)의 단자 전압을 검출하는 상(相) 전압 검출 회로(5a), 상 전압 검출 회로(5a)에 의해 검출된 상기 단자 전압으로부터 상 전류의 부호가 변화되는 타이밍을 검출하는 상 전류 부호 변화 검출 회로(5b), 상기 상 전류의 부호가 변화되는 타이밍과 상인가 전압의 위상 차이에 근거하여 PWM 신호를 발생하는 스위칭 소자 변조 회로(5c)를 구비하고 있다.

상기 구성에 있어서, 스위칭 소자의 데드 타임 기간 동안 3상 모터(3)의 단자 전압을 상 전압 검출 회로(5a)에 의해 검출하는 것에 의해 상 전류의 부호를 검출하여, 이 상 전류의 부호 변화를 상 전류 부호 변화 검출 회로(5b)에 의해 검출한다. 검출된 상 전류 부호 변화 타이밍으로부터 3상 모터(3)의 회전자 위치를 추정하며, 스위칭 소자 변조 회로(5c)에 의해, 이 상 전류 부호 변화 타이밍과 상 인가 전압과의 위상차 제어를 행한다.

평활용 및 회생 전류용으로서 충분히 큰 용량의 콘덴서(7)를 갖춘 콘덴서 입력형의 정류 회로(2)는, 도 6에 도시하는 바와 같이 저항(8a)과 릴레이(8b)로 구성되는 돌입 전류 방지 회로(8)를 구비하고 있다. 돌입 전류 방지 회로(8)는 전원 투입시에는 저항(8a)을 거쳐서 콘덴서(7)를 충전하는 것에 의해 돌입 전류를 방지하며, 그 후 릴레이(8b)를 온시켜 저항(8a)을 단락시킨다. 이에 의해, 전원 투입시에 단상 교류 전원(1)의 전압이 순간적으로 저하하여 주변 기기의 오동작을 초래하는 것을 방지한다.

상기한 제 1 종래 기술에 개시된 모터 제어 장치에서는, 모터 구동에 필요한 회전자 위치 정보를 위치 센서(6)에 의해 검출하고 있기 때문에, 위치 센서(6)가 가혹한 온도·압력 조건에 노출되는 압축기 등과 같은 밀폐 상태에서의 구동을 실현시킬 수 없다. 또한, 상기의 제 2 종래 기술이 개시하고 있는 종래의 위치 센서리스 구동 방법을 이용하면, 콘덴서(7)의 소용량화에 수반하여 인버터 주 회로(4)의 출력 보정에 상 전류가 증가하는 약한 계자 제어를 이용하는 모터 제어 장치에 있어서는, 전기자 반작용에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각의 영향이 커지기 때문에, 3상 모터(3)의 상 유기 전압에 근거하여 회전자 위치를 추정하는 종래의 기술에서는, 위치 검출 오차가 커지는 문제가 있다.

또한, 단상 교류 전원(1)을 정류한 후의 전원 리플은 전원 주파수의 2배의 주파수로 되기 때문에, 100Hz 또는 120Hz의 전원 리플을 PWM 신호의 펄스 폭의 증감 제어 및 약한 계자 제어에 의해 보정할 필요가 있다. 이들의 보정에 의한 효과가 실제로 모터의 구동에 작용할 때까지는 어느 정도 기간이 필요하게 된다. 이 때문에 실시간으로 이들의 보정을 행하는 상기 제어 방법에서는, 구동 대상인 3상 모터(3)의 회전 수 변동이나 이에 따르는 진동, 소음을 충분히 억제할 수 없는 문제가 있다.

또한, 정류 회로(2)의 출력 단자 사이에 접속된 콘덴서(7)의 용량이 충분히 큰 경우, 전원 투입시에 콘덴서(7)를 충전하기 위해 흐르는 돌입 전류를 방지하기 위해서 돌입 전류 방지 회로(8)를 삽입할 필요가 있어, 부품 수가 많아지는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위한 것으로, 콘덴서(7)의 용량을 적게 하거나 또는 없애는 것에 의해 돌입 전류 방지 회로(8)를 불필요하게 하고, 또한, 3상 모터(3)의 상 유기 전압에 근거하여 회전자 위치를 추정하는 방법에 있어서, 모터 전류에 의존한 전기자 반작용에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각을 고려한 회전자 위치 추정을 행함으로써 정확한 회전자 위치 추정을 행하고, 또한, 콘덴서(7)의 소용량화에 따른 전원 리플을 예측하여 PWM 신호 펄스 폭 증감 제어 및 약한 계자 제어를 행함으로써 회전 수 변동 및 이에 따른 진동, 소음 등을 억제하여 안정된 구동을 행하는 모터 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 모터 제어 장치의 실시예 1의 구성을 나타내는 블록도,

도 2는 전기자 반작용에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각을 나타내는 파형도,

도 3은 전원 리플과 보정의 타이밍을 나타내는 파형도,

도 4는 종래의 전원 리플 보정 제어를 행하는 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,

도 5는 종래의 위치 센서리스 구동을 행하는 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블록도,

도 6은 종래예에 있어서의 돌입 전류 방지 회로의 구성을 나타내는 회로도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 단상 교류 전원2 : 정류 회로

3 : 3상 모터4 : 인버터 주 회로

5 : 제어 회로5a : 상 전압 검출 회로

5b : 상 전류 부호 변화 검출 회로5c : 스위칭 소자 변조 회로

5d : 전류값 추정 회로5e : 전원 주파수 검출 회로

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 모터 제어 장치는 단상 교류 전원의 출력을 전파 정류하는 정류 회로, 정류 회로의 출력 단자 사이에 접속되어, 구동 대상인 모터로부터의 회생 전류를 흘리기 위한 소용량의 콘덴서, 상기 소용량의 콘덴서에 인가되는 전압을 스위칭하여 얻는 가변 전압·가변 주파수의 교류 출력에 의해 상기 모터를 구동하는 인버터 주 회로, 및 이 장치의 전체 동작을 제어하는 제어 회로를 구비하고 있다. 상기 제어 회로는 전압 지령값에 근거하여 상기 인버터 주 회로내의 스위칭 소자를 온 오프하는 PWM 신호의 펄스 폭 증감 제어와, 상기 PWM 신호의 펄스 폭의 증대 제어로 상기 전압 지령값에 상당한 인버터 출력 전압이 얻어지지 않는 포화 상태로 되었을 때에는 상기 PWM 신호의 출력 타이밍을 빠르게 하여 인버터 출력 전압의 위상을 진행시키는 약한 계자 제어를 실행하는 제어에 있어서, 상기 모터의 전류량에 의존하는 전기자 반작용을 고려한 상 유기 전압에 근거하여 회전자 위치를 추정하여 위치 센서리스 구동을 행한다.

(발명의 실시예)

이하, 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 일 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 실시예의 모터 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도, 도 2는 전기자 반작용에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각을 나타내는 파형도, 도 3은 전원 리플과 보정의 타이밍을 나타내는 파형도이다. 또, 도 6에 나타낸 종래예와 동일한 구성 요소에는 동일 부호를 부여하고 있다.

도 1에 나타내는 본 실시예의 모터 제어 장치는 단상 교류 전원(1)을 정류하는 정류 회로(2), 구동 대상인 3상 모터(3)로부터의 회생 전류를 흘리기 위해서, 정류 회로(2)의 출력 단자 사이에 접속한 소용량의 콘덴서(7), 콘덴서(7)의 단자 전압을, 가변 전압·가변 주파수의 교류 출력으로 변환하는 인버터 주 회로(4), 및 제어 회로(5)를 구비하고 있다. 본 실시예의 모터 제어 장치는, 전원 투입시의 돌입 전류에 의한 주변 기기의 오동작을 방지하기 위한 돌입 전류 방지 회로는 구비하고 있지 않다.

본 실시예의 모터 제어 장치는, 전기자 반작용에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각을 고려한 위상 제어를, 상 전압 검출 회로(5a)와 상 전류 부호 변화 검출 회로(5b)와 스위칭 소자 변조 회로(5c)와 전류값 추정 회로(5d)에 의해 실행하고, 또한, PWM 신호의 펄스 폭의 증감 제어 및 약한 계자 제어를, 모터 구동에 작용하기까지의 지연을 고려하여, 상기 스위칭 소자 변조 회로(5c)와 상 전류 부호 변화 검출 회로(5b)와 전원 주파수 검출 회로(5e)에 의해 실행한다.

상기 모터 제어에 있어서, 스위칭 소자 변조 회로(5c)로부터의 상인가 전압 지령의 부호가 변화되는 타이밍과, 상 전압 검출 회로(5a)와 상 전류 부호 변화 검출 회로(5b)로부터 검출된 상 전류의 부호가 변화되는 타이밍과의 위상차를 임의로 설정하는 위상차 제어에 관해서는 종래의 기술과 동일하기 때문에, 여기서는 상세한 설명은 생략한다.

우선, 전기자 반작용에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각을 고려한 제어에 대하여 설명한다. 무통전시의 상 유기 전압은 도 2(a)에 나타낸 바와 같게 된다. 그러나, 실제로 3상 모터(3)를 구동하고 있는 통전시에서는 전기자 반작용에 의해도 2(c)에 나타낸 것과 같은 전압이 중첩되어 상 유기 전압은 도 2(b)에 도시하는 바와 같이 된다. 단, 여기서는 설명을 간단히 하기 위해서 전기자 반작용에 의해 발생하는 전압을 직사각형 파 형상으로 나타내고 있다. 이와 같이 전기자 반작용의 영향을 받으면 상 유기 전압의 제로 교차점은 무통전시의 상 유기 전압에 비해 진행하게 된다. 또한, 이 전기자 반작용에 의한 영향은 모터 전류에 의존하기 때문에, 전류량이 증가하면 상 유기 전압의 제로 교차점의 진행 상황도 θ1< θ2로 커진다. 따라서, 상 전압 검출 회로(5a) 및 상 전류 부호 변화 검출 회로(5b)에 의한 상 전류 부호 변화점으로부터 3상 모터(3)의 회전자 위치를 추정하는 위상 제어로는 회전자 위치 정보를 정확하게 검출할 수 없다.

그래서, 전류량에 의해 전기자 반작용에 의한 영향을 고려하기 위해서, 상 전류 부호 변화 검출 회로(5b)로부터 얻는 회전자 위치 정보를 보정하여 위상 제어를 행한다. 여기서, 전류값 추정 회로(5d)는, 전기자 반작용에 의한 영향의 대소를 판단하는 전류량을 정류 회로(2)의 출력 단자간 전압 Vdc, PWM 신호의 펄스 폭 및 3상 모터(3)의 회전 수로부터 추정한다. 이와 같이, 전류량에 의존하는 전기자 반작용의 영향을 고려하여 상 유기 전압의 진행 위상각 θ을 보정하는 것에 의해, 전류량에 따른 위치 검출 오차를 없앤 위상 제어를 행할 수 있다.

계속해서, PWM 신호의 펄스 폭의 증감 제어 및 약한 계자 제어를, 모터 구동에 작용하기까지의 지연을 고려하여 실행하는 것에 관해서 설명한다. 이들의 제어는 정류 회로(2)의 출력 단자 사이에 접속된 콘덴서(7)의 소용량화 또는 콘덴서(7)를 없애는 것에 의해 발생하는 전원 리플에 기인하는 회전 수 변동을 억제하고 있다.

여기서, 상기 전원 리플의 주기는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 단상 교류 전원(1)의 주기의 절반으로 된다. 따라서, 도 3에 나타낸 기간 t1에서 단상 교류 전원(1)의 반주기를 알면 보정해야 할 전원 리플의 주기가 명확하게 된다. 또한, 도 3의 기간 t1에서 전원 리플을 A/D 샘플링하고, 이 샘플링값을 바탕으로 기간 t2에서 펄스 폭의 증감 제어 및 약한 계자 제어를 행함으로써 상기 펄스 폭 증감 제어 및 약한 계자 제어의 타이밍과 3상 모터(3)로의 작용 타이밍의 지연을 고려한 보정 제어를 행할 수 있다. 이와 같이, 단상 교류 전원(1)의 반주기전에 대응하는 전원 리플의 A/D 샘플링값을 바탕으로 전원 리플 보정을 행함으로써 실시간으로 보정 제어를 행한 경우보다 확실히 회전 수 변동을 억제할 수 있다.

또, 상기 지연 시간은 계단 응답 등에 의해 미리 측정한 값을 이용하더라도 무방하다.

다음으로, 전원 투입시 돌입 전류로부터 주변 기기의 오동작을 방지하기 위한 돌입 전류 방지 회로가 불필요하게 되는 이유에 대하여 설명한다. 본 실시예의 모터 제어 장치에 있어서, 정류 회로(2)의 출력 단자 사이에 접속하는 콘덴서(7)의 용량을 작게 하거나 또는 콘덴서(7)를 불필요하게 한 경우, 전원 투입시 콘덴서(7)를 충전하는 전류는 미소한 것이 된다. 이 때문에, 돌입 전류 방지 회로를 마련하지 않더라도 주변 기기가 오동작을 일으키는 일은 없어진다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 위치 센서를 이용하지 않기 때문에, 압축기 등과 같은 밀폐 상태로 되는 가혹한 온도·압력 조건하에서의 구동을 실현시킬 수 있다.

또한, 콘덴서(7)의 소용량화에 따른 인버터 주 회로(4)의 출력 보정에 모터 전류를 증가시키는 약한 계자 제어를 이용하는 모터 제어 장치에 있어서, 모터 전류량에 의존하는 전기자 반작용의 영향을 고려한 회전자 위치 검출을 행함으로써 위치 검출 오차를 없앤 안정된 구동을 실현할 수 있다. 이 때, 3상 모터(3)의 회전 수, PWM 신호 펄스 폭 및 정류 회로(2)의 출력 단자간 전압으로부터 모터 전류량을 추정하는 것에 의해 전류 센서를 이용하는 일없이 위치 검출 오차를 보정할 수 있다. 또한, 전원 리플 영향의 보정에 필요한 A/D 샘플링 데이터에 관해서는, 단상 교류 전원 주기마다 반주기 전의 A/D 샘플링 데이터를 이용하는 것에 의해, A/D 샘플링 속도가 고속이고, 또한 처리 능력이 빠른 고성능 마이크로컴퓨터를 사용하는 일없이 전원 리플을 예측하여 제어할 수 있다.

또한, 콘덴서(7)를 소용량화하는 것에 의해, 돌입 전류 방지 회로가 불필요하게 되어 부품 수를 감소시킬 수 있다.

또, 소용량의 콘덴서란, 전원 리플에 대응하여 PWM 신호의 증감 제어를 행하지 않고, 또한, PWM 신호의 출력 타이밍을 빠르게 하여 인버터 출력 전압의 위상을 진행시켜 소망하는 인버터 출력을 얻는 것을 실행하지 않는 모터 제어 장치에 있어서, 전원 리플의 최저 전압값으로 모터의 필요 토크를 발생할 수 있는 콘덴서 용량으로부터, DC 모터가 구동할 수 있고, 또한 고주파 성분을 억제하는 데 최저한 필요한 콘덴서 용량의 것을 말한다. 예컨대, 2.8 kW급의 가정용 공기 조화기에 이용한 경우에는 20㎌ 정도로부터 500㎌ 정도의 콘덴서 용량의 것을 말한다.

Claims

단상 교류 전원의 출력을 전파 정류하는 정류 회로와,

정류 회로의 출력 단자 사이에 접속되어, 구동 대상인 모터로부터의 회생 전류를 흘리기 위한 소용량의 콘덴서와,

상기 소용량의 콘덴서에 인가되는 전압을 스위칭하여 얻는 가변 전압·가변 주파수의 교류 출력에 의해 상기 모터를 구동하는 인버터 주 회로와,

장치의 전체적인 동작을 제어하는 제어 회로

를 포함하되,

상기 제어 회로는 전압 지령값에 근거하여 상기 인버터 주 회로내의 스위칭 소자를 온 오프하는 PWM 신호의 펄스 폭 증감 제어와, 상기 PWM 신호의 펄스 폭의 증대 제어에 의해 상기 전압 지령값에 상당한 인버터 출력 전압이 얻어지지 않는 포화 상태로 되었을 때에는 상기 PWM 신호의 출력 타이밍을 빠르게 하여 인버터 출력 전압의 위상을 진행시켜 약한 계자 제어를 실행하는 제어에 있어서, 상기 모터의 전류량에 의존하는 전기자 반작용을 고려한 상 유기 전압에 근거하여 회전자 위치를 추정해서 위치 센서리스 구동을 행하는 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어 회로는 정류 회로의 출력 단자간 전압과 PWM 신호의 펄스 폭과 모터 회전 수로부터 모터의 전류량을 추정하고, 전기자 반작용에 의한 상 유기 전압의 진행 위상각을 상기 추정한 전류량에 의해 보정하여, 보정한 상 유기 전압에 근거하여 회전자 위치를 추정하는 모터 제어 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제어 회로는 PWM 신호의 펄스 폭의 증감 제어 및 약한 계자 제어를, 모터 구동에 작용하기까지의 지연을 고려하여 실행하는 모터 제어 장치.
단상 교류 전원의 출력을 전파 정류하는 정류 회로와,

정류 회로의 출력 단자 사이에 접속된 콘덴서와,

콘덴서와 모터의 사이에 접속되고 스위칭 소자를 구비하는 인버터 주 회로와,

제어 회로

를 포함하되, 상기 제어 회로는

스위칭 소자의 차단 기간의 모터의 단자 전압을 검출하는 상 전압 검출 회로와,

정류 회로의 출력 단자간 전압과 PWM 신호의 펄스 폭과 모터 회전 수로부터 모터의 전류량을 추정하는 전류값 추정 회로와,

상 전압 검출 회로의 출력과 전류값 추정 회로의 출력으로부터 상 전류의 부호가 변화되는 타이밍을 검출하는 상 전류 부호 변화 검출 회로와,

전원 주파수 검출 회로와,

상 전류 부호 변화 검출 회로의 출력과 전원 주파수 검출 회로의 출력에 근거하여 PWM 신호를 발생하는 스위칭 소자 변조 회로를 포함하고,

상기 인버터 주 회로의 스위칭 소자는 PWM 신호에 의해 스위칭하여 콘덴서의 단자 전압을 가변 전압·가변 주파수의 교류 출력으로 변환해서 모터를 구동하는

모터 제어 장치.
청구항 1 기재의 모터 제어 장치를 이용한 공기 조화기.
청구항 2 기재의 모터 제어 장치를 이용한 공기 조화기.
청구항 3 기재의 모터 제어 장치를 이용한 공기 조화기.
청구항 4 기재의 모터 제어 장치를 이용한 공기 조화기.