KR20060086436A - 유도 전동기의 벡터 제어 장치 - Google Patents
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Abstract
특별한 장치를 부가하는 일 없이, 소프트웨어상의 처리를 추가하여 상호 인덕턴스의 설정값을 실제값에 맞추도록 보정하는 것이 가능한 유도 전동기의 벡터 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 유도 전동기의 벡터 제어 장치(1)는 유도 전동기(15)의 1차 전류의 실측값을 이용하여 계산한 토크 연산값과 토크 지령 발생부에서 생성된 유도 전동기(15)에 대한 토크 지령값과의 오차에 근거하여, 유도 전동기(15)의 상호 인덕턴스의 보정값을 구하는 상호 인덕턴스 보정부(3)와, 상호 인덕턴스의 보정값을 포함하는 유도 전동기(15)의 회로 정수를 이용하여, 유도 전동기(15)의 발생 토크가 토크 지령값과 일치하도록 유도 전동기를 제어하는 벡터 제어부(2)를 구비한 것이다.
Description
본 발명은 유도(誘導) 전동기의 벡터(vertor) 제어 장치에 관한 것이며, 특히 상호 인덕턴스(inductance)의 초기 설정값과 실제값과의 오차를 보정하는 것이다.
일반적으로, 벡터 제어는 교류 전동기의 전류를 자계(자속) 방향 및 자계와 직교하는 토크(torque) 방향으로 분리함으로써, 자속분 전류와 토크분 전류를 독립적으로 제어할 수 있고, 발생 토크를 직류 전동기와 동일하게 순간 제어할 수 있는 것이다(예를 들면, 비특허 문헌 1 참조).
종래의 유도 전동기의 벡터 제어 장치에서는 유도 전동기의 회로 정수(定數)를 사용하여 유도 전동기에 인가하는 전압 진폭, 주파수, 위상을 연산하고 있다. 이 때, 유도 전동기의 벡터 제어 장치에 설정된 회로 정수와, 실제의 유도 전동기의 회로 정수의 사이에 오차가 존재하면, 벡터 제어 상태가 유지될 수 없게 되므로, 시스템측으로부터의 토크 지령값과 실제의 유도 전동기의 발생 토크가 일치하지 않게 된다. 또, 토크 지령값의 과도한 변화시에 있어서는 유도 전동기의 발생 토크가 오버슈트(overshoot)하는 등 반응이 진동적으로 되므로, 토크 제어 성능이 악화된다.
유도 전동기의 회로 정수 중 2차 저항 설정값에 대해서는 이하와 같다. 즉, 2차 회로(회전자(rotor))가 일반적으로 동 합금으로 구성되어 있기 때문에, 실제의 저항값은 유도 전동기의 운전 상태나 주위 온도 변화에 수반하는 온도 변화에 의해서 변화한다. 이 때문에, 유도 전동기의 벡터 제어 장치에서 설정된 2차 저항 설정값과의 사이에 오차를 일으켜서 토크 제어 성능에 영향을 준다. 여기서, 설정값과 실제값과의 오차를 보정하는 구성이 많이 채용되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
또, 유도 전동기 정수의 하나인 상호 인덕턴스에 대해서는 온도에 의한 값의 변화는 작지만, 설정값과 실제값의 오차는 유도 전동기의 정상 토크 특성에 영향을 준다. 설정값이 실제값보다 큰 방향으로 오차를 포함하는 경우, 유도 전동기가 발생하는 발생 토크는 토크 지령값보다 작아지고, 설정값이 실제값보다 작은 방향으로 오차를 포함하는 경우, 유도 전동기의 발생하는 발생 토크는 토크 지령값보다 커진다. 예를 들면, 전철 차량용의 벡터 제어 장치에서는 이와 같이 토크 오차가 있으면, 차량의 가속도, 감속도가 운전자의 의도대로 안 되는 등의 문제가 생긴다. 이와 같이 토크 제어 성능에 영향을 미치므로, 설정값과 실제값은 가능한 일치시킬 필요가 있다.
여기서, 유도 전동기를 무(無)부하 운전하여 1차 전류로부터 상호 인덕턴스를 실측할 수 있는 경우는 실측값을 설정값으로서 설정하면 된다.
그러나, 장치 조성 용도로 무부하 상태를 만들 수 없는 유도 전동기나 차량 탑재용 등의 대형의 유도 전동기에서는 실측도 용이하지 않다. 이 때문에, 이와 같 은 경우에 상호 인덕턴스의 설정값으로서는 설계 계산값이 채용되기 때문에, 실제의 상호 인덕턴스값과의 사이에 오차가 존재하게 된다. 이 오차분으로 인해, 토크 출력이 토크 지령값과 일치하지 않아서 오차가 발생한다. 또, 상호 인덕턴스 설정값의 보정에 대해서는 별로 고려되고 있지 않다.
비특허 문헌 1 : 나카노 요시타카 저 「교류 모터의 벡터 제어」일간 공업 신문사, 1996 년 3 월 29 일
특허 문헌 1 : 일본 특개평 6-38574호 공보
종래의 유도 전동기의 벡터 제어 장치에서는 상호 인덕턴스 설정값과 실제값과의 사이에 오차가 존재하는 경우, 유도 전동기의 발생 토크가 토크 지령값에 일치하지 않는다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명에 관한 유도 전동기의 벡터 제어 장치는 유도 전동기의 1차 전류의 실측값을 이용하여 계산한 토크 연산값과 토크 지령 발생부에서 생성된 유도 전동기에 대한 토크 지령값과의 오차에 근거하여, 유도 전동기의 상호 인덕턴스의 보정값을 구하는 상호 인덕턴스 보정부와, 상호 인덕턴스의 보정값을 포함하는 유도 전동기의 회로 정수를 이용하여, 유도 전동기의 발생 토크가 토크 지령값과 일치하도록 유도 전동기를 제어하는 벡터 제어부를 구비한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치의 일례를 주변기기 구성과 함께 나타내는 블럭도이다(실시예 1).
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치가 제어하는 유도 전동기의 등가 회로를 나타내는 회로도이다(실시예 1).
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치의 상호 인덕턴스 보정부의 구성을 나타내는 도면이다(실시예 1).
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치에 있어서, 토크 지령값 Tm*에 대한 발생 토크 Tm의 응답 시뮬레이션(simulation)을 행한 파형예이다(실시예 1).
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 그 목적은 특별한 장치를 부가하는 일 없이, 소프트웨어상의 처리를 추가하여 상호 인덕턴스의 설정값을 실제값에 맞추도록 보정할 수 있는 유도 전동기의 벡터 제어 장치를 제공하는 것이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 유도 전동기의 벡터 제어 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
또한, 본 발명은 2차 저항값의 보정과 동시에 행할 필요가 있으나, 2차 저항값의 보정은 공지된 것으로서 설명 및 도시는 생략하고, 여기서는 상호 인덕턴스의 보정에 대해서만 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 유도 전동기의 벡터 제어 장치를 주변기기 구성과 함께 나타내는 블럭도이다. 또한, 본 발명에 관한 상호 인덕턴스 보정 부는 일반적인 벡터 제어계에 적용할 수 있다. 여기서는 일반적인 벡터 제어계의 예로서 전철 차량용 벡터 제어 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치가 제어하는 유도 전동기의 등가 회로(T형, 1상(phase)분)를 나타내는 회로도이다.
도 1 및 도 2에 있어서, 유도 전동기의 벡터 제어 장치(이하 「벡터 제어 장치」로 약칭함)(1)는 유도 전동기(15)를 벡터 제어하는 벡터 제어부(2)와, 유도 전동기(15)의 회로 정수를 이용하여, 유도 전동기(15)의 상호 인덕턴스의 보정값을 구하는 상호 인덕턴스 보정부(3)를 구비하고 있다. 또, 벡터 제어부(2)는 2차 자속 지령 발생부(4)와, q축 전류 지령 발생부(5)와, d축 전류 지령 발생부(6)와, 슬라이드(slide) 각주파수 지령 발생부(7)와, 전압 피드포워드(feedforward) 연산부(8)와, q축 전류 제어기(9)와, 적분기(10)와, dq축ㆍ3상 좌표 변화부(11)와, 3상ㆍdq축 좌표 변환부(12)를 구비하고 있다.
벡터 제어부(2)에는 유도 전동기(15)의 회로 정수에 근거한 설정값으로서 상호 인덕턴스의 초기 설정값 MO*과, 1차 누설(leakage) 인덕턴스 설정값 l1*와, 2차 누설 인덕턴스 설정값 l2*와, 1차 저항 설정값 R1*과, 2차 저항 설정값 R2*가 주어진다.
또, 벡터 제어 장치(1)의 상위(上位) 시스템인 토크 지령 발생부(13)로부터 토크 지령값 Tm*이 벡터 제어부(2) 및 상호 인덕턴스 보정부(3)에 입력된다. 그리 고, 벡터 제어부(2)로부터 출력된 3상의 출력 전압 지령 Vu*, Vv*, Vw*가 PWM 인버터(14)에 입력되고, PWM 인버터(14)로부터의 출력이 유도 전동기(15)에 입력된다.
운전대에 설치되는 전철의 가속, 감속을 설정하는 주간(主幹) 제어기의 설정값(도시하지 않음)은 토크 지령 발생부(13)에 입력되고, 발생한 토크 지령값 Tm*이 벡터 제어 장치(1)에 입력된다. 2차 자속 지령 발생부(4)에서는 토크 지령 발생부(13)로부터 입력된 토크 지령값 Tm*과, PWM 인버터(14)의 출력 각주파수 ω(후술함)와, 직류 전원(18)에서부터 PWM 인버터(14)로 입력되는 전압값으로부터 연산된, 유도 전동기(15)에 주는 2차 자속 지령 Φ2*가 출력된다. d축 전류 지령 발생부(6), q축 전류 지령 발생부(5)에서는 토크 지령값 Tm*과 2차 자속 지령 Φ2*로부터 다음 식 (1) 및 (2)에서 d축(여자(勵磁)분) 전류 지령 I1d*, q축(토크분) 전류 지령 I1q*를 연산한다.
단, 식 (1) 및 식 (2)에 있어서, M*(후술함)은 상호 인덕턴스의 초기 설정값 M0*을 보정하여 얻은 보정값이고, L2*(=M*+l2*)는 2차측 인덕턴스이다.
I1d*=Φ2*/M*+L2*/(M*×Φ2*)×sΦ2*ㆍㆍㆍ(1)
I1q*=(Tm*/(Φ2*×PP))×(L2*/M*)ㆍㆍㆍ(2)
여기서, s는 미분 연산자, PP는 유도 전동기(15)의 극쌍 수(number of pole pairs)를 나타낸다.
슬라이드 각주파수 지령 발생부(7)에서는 d축 전류 지령 I1d*, q축 전류 지령 I1q*와 유도 전동기(15)의 회로 정수로부터, 다음 식 (3)을 통해 유도 전동기(15)에 주는 슬라이드 각주파수 지령 ωs*를 연산한다.
ωs*=(I1q*/I1d*)×(R2*/L2*)ㆍㆍㆍ(3)
이 식 (3)으로부터 산출한 슬라이드 각주파수 지령 ωs*에 유도 전동기(15)의 축단(軸端)에 장착된 속도 센서(16)의 출력인 전동기 회전 각주파수 ωr을 더한 PWM 인버터(14)의 출력 각주파수 ω(=ωr+ωs*)를 적분기(10)로 적분한 것을 좌표 변화의 위상각 θ(갑(閘))으로서 dq축ㆍ3상 좌표 변화부(11) 및 3상ㆍdq축 좌표 변화부(12)에 입력한다.
전압 피드포워드 연산부(8)에서는 d축 전류 지령 I1d*, q축 전류 지령 I1q*와 유도 전동기(15)의 회로 정수로부터 다음 식 (4) 및 (5)에서 유도 전동기(15)에 주는 전압 E1d*, E1q*를 연산한다.
단, 식 (4) 및 식 (5)에 있어서는 σ는 σ=1-M*/(L1*×L2*)로 정의되는 누설 계수이다. 또, L1*(=M*+l1*)은 1차측 인덕턴스이다.
E1d*=(sL1*×σ+R1*)×I1d*-ω×L1*×σ×I1q*+(M*/L2*)×sΦ2*ㆍㆍㆍ(4)
E1q*=(sL1*×σ+R1*)×I1q*+ω×L1*×σ×I1d*+(ω×M*)/(L2*×Φ2*)ㆍㆍㆍ(5)
q축 전류 제어기(9)에서는 다음 식 (6)과 같이, q축 전류 지령 I1q*와 q축 전류 검출값 I1q의 편차를 취하고, 편차를 비례 적분 제어기에서 증폭하여 q축 전류 오차 △I1q 로서 출력한다.
△I1q=(K1+K2/s)×(I1q*-I1q)ㆍㆍㆍ(6)
단, 식 (6)에 있어서, K1은 비례 게인이고, K2는 적분 게인을 나타낸다.
여기서, q축 전류 검출값 I1q는 PWM 인버터(14)의 출력을, 전류 센서(17)에서 검출한 검출 전류 IU, IV, IW를 다음 식 (7)으로 표현되는 좌표 변화부에서 dq축상 전류로 변환한 값이다.
[식 1]
다음 식 (8) 및 (9)과 같이, d축에 대하여 전압 피드포워드 연산부(8)의 출력을 d축의 출력 전압 지령 Vq*로서 출력한다.
q축에 대해서는 전압 E1q*가 피드포워드로서 구한 것이고, 최적값으로부터 오차를 포함하고 있기 때문에, 이 오차를 포함한 전압 E1q*를 이용하여 산출한 q축 의 출력 전압 지령으로 유도 전동기(15)를 구동시키면, 실제의 전류가 q축 전류 지령 I1q* 대로 되지 않는다. 여기서, 전압 E1q*에 포함되어 있는 오차를 보정하기 위하여, 전압 피드포워드 연산부(8)의 출력에, q축 전류 검출값 I1q와 q축 전류 지령 I1q*와의 편차 정보를 포함한 q축 전류 오차 △I1q를 가산하고, 그 값을 q축의 출력 전압 지령 Vq*로서 출력한다.
Vd*=E1d*ㆍㆍㆍ(8)
Vq*=E1q*+△I1qㆍㆍㆍ(9)
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치의 상호 인덕턴스 보정부(3)의 구성을 나타내는 도면이다. 상호 인덕턴스의 초기 설정값과 실제값과의 오차는 상호 인덕턴스를 포함하는 식 (1) 내지 식 (5)에 있어서 계산 오차를 발생시키고, 발생 토크의 오차로 되어서 나타나기 때문에, 토크 연산값 TBT와 토크 지령값 Tm*의 오차를 이용하여 상호 인덕턴스의 보정을 행한다.
상호 인덕턴스 보정부(3)에는 유도 전동기(15)의 회로 정수에 근거한 설정값으로서, 상호 인덕턴스의 초기 설정값 M0*과, 1차 저항 설정값 R1*이 주어진다.
또, 상호 인덕턴스 보정부(3)에는 벡터 제어부(2)에 설정된 유도 전동기(15)의 회로 정수로부터 구한 dq축의 출력 전압 지령 Vq*, Vd*와, 동일하게 벡터 제어부(2)에 설정된 유도 전동기(15)의 회로 정수로부터 구한 슬라이드 각주파수 지령 ωs*에, 유도 전동기(15)로부터 검출한 전동기 회전 각주파수 ωr을 더한 PWM 인버터(14)의 출력 각주파수 ω와, 유도 전동기(15)에 구비된 전류 센서(17)로 검출한 검출 전류 IU, IV, IW를 변환하여 얻은 dq축상 전류 I1q, I1d와, 토크 지령 발생부(13)로부터 벡터 제어부(2)에 입력되는 토크 지령값 Tm*이 입력된다.
상호 인덕턴스 보정부(3)에서는 다음 식 (10)에서 토크 연산값 TBT를 연산한다. 토크 연산값 TBT의 산출에 대하여, 식 (10)은 상호 인덕턴스를 식내에 포함하지 않게 변형되어 있고, 상호 인덕턴스의 초기 설정값 MO*, 실제값 M에 차이가 있었던 경우에도 여기에 영향을 받는 일 없이 식 (10)에서 토크 연산값 TBT를 계산할 수 있다.
TBT=(Vq*-I1q×R1*)/ω×I1q+(Vd*-I1d×R1*)/ω×I1dㆍㆍㆍ(10)
여기서, 토크 연산값 TBT와 토크 지령값 Tm*의 오차를 비례 적분 제어기 (PI)(19)에 통과시키고, 다음 식 (11)에 의해 연산한다. 계속하여, 연산 결과를 △Tm을 상호 인덕턴스의 초기 설정값 MO*과 서로 더하는 것으로, 상호 인덕턴스의 보정값 M*이 얻어지고, 보정값 M*은 벡터 제어부(2)에 입력된다.
△Tm=(K3+K4/s)×(TBT-Tm*)ㆍㆍㆍ(11)
단, 식 (11)에 있어서, K3은 비례 이득(gain)이고, K4는 적분 이득을 나타낸다.
상호 인덕턴스의 보정값 M*의 보정측은 토크 연산값 TBT > 토크 지령값 Tm* 일 때, 상호 인덕턴스의 초기 설정값 MO*보다 커지도록 보정하여 보정값 M*을 얻고, 반대로 토크 연산값 TBT < 토크 지령값 Tm* 일 때, 상호 인덕턴스의 초기 설정값 MO* 보다 작아지도록 보정하여 보정값 M*을 얻는 것이다.
또한, 토크 연산값 TBT는 토크의 미소한 변동이나 외란(外亂)을 연산 결과에 포함되지 않도록 필터(20)에서 평균화 처리한 것을 사용한다.
또, 식 (4) 및 식 (5)에 나타낸 바와 같이, 유도 전동기(15)의 회전 속도가 저속인 경우에는 ω가 포함되는 항이 작아지므로, 상대적으로 (sL1*×σ+R1*)의 항이 크게 된다. 여기서, 유도 전동기(15)의 1차 저항은 상술한 2차 저항과 동일하게 운전 상태에 수반하는 온도 변화에 의해 변화한다. 이 때문에, 식 (4) 및 식 (5)에서 계산한 E1d와 E1q를 이용하여 식 (10)에서 연산하는 토크 연산값 TBT에 있어서, 1차 저항 설정값 R1*과 실제값의 사이의 오차에 의해, 식 (10)에서는 정확한 토크를 계산할 수 없게 된다. 이것은 특히 유도 전동기(15)의 회전 속도가 낮은 경우에 현저하게 된다.
이 때문에, 유도 전동기(15)의 회전 속도가 어느 정도의 속도로 상승하고, 1차 저항 설정값 R1*과 실제값의 오차를 무시할 수 있는 영역에서 본 발명의 상호 인덕턴스의 초기 설정값 M0*을 보정하고, 보정값 M*을 구하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치에 있어서, 토크 지령값 Tm*에 대한 발생 토크 Tm의 응답 시뮬레이션을 행한 파형예이다. 여기서, 발생 토크 Tm은 유도 전동기의 회로 정수, 단자 전압, 전류를 사용하여 연산함에 따라 시뮬레이션 모델내의 유도 전동기가 발생하고 있는 토크이다. 상호 인덕턴스의 초기 설정값 MO*은 실제값 M의 0.5 배로 하고 있다. 시간 1.5s 에 있어서, 토크 지령값 Tm*은 0[Nㆍm] 에서 1000[Nㆍm] 으로 계단형으로 변화시키고 있다. 이것은 유도 전동기(15)의 토크를 제로 상태에서부터 정격의 100% 까지 계단 형상으로 상승시키는 것에 상당한다.
도 4(a)가 본 발명의 실시 형태에 관한 벡터 제어 장치(1)를 이용했을 경우의 응답 파형이다. 도 4(b)가 종래 방식의 응답 파형이다. 시간 4s~5s 부근의 정상 상태에 있어서의 토크 지령값 Tm*의 오차는 본 발명의 실시 형태 1에 의하면 도 4(a)와 같이 작아지고 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 벡터 제어 장치(1)에 있어서는 토크 지령값 Tm*과 발생 토크 Tm과의 오차에 근거하여 보정값 M*을 생성함으로써, 토크 지령값과 실제의 유도 전동기(15)의 발생 토크를 일치시킬 수 있고, 정밀도가 양호한 제어를 행할 수 있다.
상기 설명에서는 본 발명의 용도로서 전철 차량의 벡터 제어 장치인 경우를 예로 설명하였으나, 그 외의 산업 응용 용도의 벡터 제어 장치에도 이용할 수 있 다. 또, 도 1에서는 제어 전압원형 벡터 제어 장치의 형태로 하고 있으나, 제어 전류원형의 벡터 제어 장치에서도 동일하게 적용할 수 있다. 도 1에서는 속도 센서(16)를 이용하여 유도 전동기(15)의 속도를 검출하고 있으나, 속도를 연산 추정하는 등에 의하여 검출하는 속도 센서리스(senorless) 벡터 제어 장치에도 적용할 수 있다.
이 유도 전동기의 벡터 제어 장치에 의하면, 상호 인덕턴스 보정부의 출력 결과에 의해, 상호 인덕턴스 초기 설정값을 보정하여, 새로운 상호 인덕턴스 설정값을 구함으로써, 유도 전동기의 실제의 발생 토크를 토크 지령값에 일치시킬 수 있다.
Claims (3)
- 유도(誘導) 전동기의 1차 전류의 실측값을 이용하여 계산한 토크(torque) 연산값과 토크 지령 발생부에서 생성된 상기 유도 전동기에 대한 토크 지령값과의 오차에 근거하여, 상기 유도 전동기의 상호 인덕턴스의 보정값을 구하는 상호 인덕턴스 보정부와,상기 상호 인덕턴스(inductance)의 보정값을 포함하는 상기 유도 전동기의 회로 정수를 이용하여, 상기 유도 전동기의 발생 토크가 상기 토크 지령값과 일치하도록 상기 유도 전동기를 제어하는 벡터(vertor) 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 벡터 제어 장치.
- 제1항에 있어서,상기 벡터 제어부에 설정되는 상기 회로 정수는 1차 저항 설정값을 포함하고,상기 벡터 제어부는 상기 회로 정수로부터 전압 지령값 및 슬라이드(slide) 각주파수 지령값을 구하고,상기 상호 인덕턴스 보정부는 상기 전압 지령값과, 상기 슬라이드 각주파수 지령값에 상기 유도 전동기의 전동기 회전 각주파수의 실측값을 더한 인버터의 출력 각주파수와, 상기 1차 저항 설정값과, 상기 1차 전류의 실측값과, 상기 토크 지령값을 이용하여 연산한 보정값에 근거하여 상기 상호 인덕턴스의 초기 설정값을 보정함으로써, 상기 상호 인덕턴스의 보정값을 생성하는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 벡터 제어 장치.
- 제1항에 있어서,상기 회로 정수는 2차 저항 설정값을 포함하고,2차 저항 설정값을 보정하는 2차 저항 보정부를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 벡터 제어 장치.
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