KR20070011486A - 동기기 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

전력 변환기의 출력 전류의 제한을 고려하면서, 소망하는 지령 토크에 가능한 한 가까운 토크를 발생할 수 있는 동기기 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 하는 것이다. 토크 지령 τ*와 자속 지령 φ*로부터 토크 전류 지령 iδ**를 연산하는 토크 전류 연산기(15)와 자화 전류 지령 iγ*와 전류 제한값 imax에 근거하여 발생 가능한 토크 전류 지령 최대값 iδ*max를 발생하는 토크 전류 제한 발생기(14)와 iδ*max에 근거하여 iδ**에 제한을 가하는 리미터(16)로 이루어지는 토크 전류 지령 발생기(9)와, 이 토크 전류 지령 발생기(9)로부터의 iδ*에 근거하여 자속 지령 φ*을 연산하는 자속 지령 발생기(10)와, 전기자 전류 귀환값에 근거하여 전기자 쇄교 자속 귀환값 |Φ|을 연산하는 자속 연산기(5)와, φ*와 |Φ|이 일치하도록 자화 전류 지령 iγ*을 작성하여 토크 전류 지령 발생기(9)에 입력하는 자속 제어기(13)를 구비하였다.

Description

동기기 제어 장치{SYNCHRONOUS MACHINE CONTROLLER}
본 발명은 영구 자석 모터나 릴럭턴스 모터(reluctance motor) 등의 동기기의 제어 장치에 관한 것이다.
영구 자석 모터나 릴럭턴스 모터 등의 동기기의 제어에 있어, 종래에는 회전자에 대하여 일정한 위상 방향으로 전기자 전류 벡터가 향하도록 제어해 왔었다. 예컨대, 종래의 영구 자석 모터에서는, 전기자 전류 벡터를 회전자의 영구 자석 자속축과 직교하는 방향으로 제어하여, 소망하는 토크에 비례해서 전기자 전류 벡터의 절대값을 제어한다.
한편, 최근, 회전자의 돌극성(saliency)에 의해 발생하는 릴럭턴스 토크를 이용하는 동기기의 적용이 진행되고 있지만, 이들 모터에서는, 전기자 전류 벡터의 절대값과 발생 토크가 비례하지 않는 것이 알려져 있으며, 이 경우, 종래의 제어 방식에서는 고정밀도의 토크 제어가 어렵다. 또한, 영구 자석 모터의 회전 속도가 상승하면, 영구 자석 자속에 의한 유기 전압 때문에 전기자 전압이 상승하여 제어 장치의 출력 가능 전압을 초과하므로, 이를 방지하기 위해서 영구 자석 자속축 방 향으로 부의 전기자 전류 벡터(약계자 전류)를 발생시켜서 전기자 쇄교 자속을 작게 하는 약계자 자속 제어가 행해지지만, 약계자 전류가 동일하더라도 발생 토크가 상이하면 전기자 전압은 변화되기 때문에, 변동하는 토크에 대하여 전기자 전압을 소망하는 값으로 제어하는 것은 종래의 제어 방식으로는 곤란하였다.
이러한 과제를 해결하는 수단으로서는, 예를 들면, 특허 문헌 1에 기재된 기술이 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 개시된 기술은, 동기기가 소망하는 토크와 전기자 전압을 발생하는 전기자 쇄교 자속 지령과 그에 직교하는 전기자 전류(토크 전류) 지령을 생성하는 한편, 전기자 전류로부터 자속 연산을 실행하여 구해지는 전기자 쇄교 자속이 상기 자속 지령과 일치하도록 자속축 방향의 전류(자화 전류) 지령을 결정한 후, 토크 전류 지령과 자화 전류 지령으로부터 회전자 dq축 방향의 전류 지령을 생성하는 것이다.
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 평성 제10-243699호 공보(단락 0038~0040, 도 1, 도 3)
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
종래의 동기기 제어 장치는 토크 지령과 회전 속도로부터 자속 지령을 산출한다. 그리고, 자속 지령의 상한은, 회전 속도로 전력 변환기의 최대 출력 전압을 나눈 값으로 결정되지만, 모터 단자 전압이 상기 최대 출력 전압에 도달하지 않는 경우는, 토크 지령에 대하여 소망하는 모터 성능이 최대로 되는 최적의 자속 지령 을 부여할 필요가 있다. 여기서 소망하는 모터 성능이란, 예컨대, 토크/전기자 전류비, 또는 토크/소비 전력비인 것을 가리킨다. 종래의 동기기 제어 장치에서는, 상기 토크 지령과 자속 지령으로부터 토크 전류 지령과 자화 전류 지령을 산출한다.
그런데, 전력 변환기에는 출력 가능한 최대 출력 전류가 존재하여, 토크 전류 지령과 자화 전류 지령의 합성 전류는 상기 최대 출력 전류를 초과하지 않도록 제한할 필요가 있다. 종래의 동기기 제어 장치에 있어서는, 자속 지령은 토크 지령과 회전 속도로부터 결정되기 때문에, 상기 전류 제한을 고려하면서, 상기한 최적의 자속 지령을 구할 수 없다고 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이다. 즉, 본 발명은 전력 변환기의 출력 전류의 제한을 고려하면서, 소망하는 지령 토크에 가능한 한 가까운 토크를 발생시킬 수 있는 동기기 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명에 따른 동기기 제어 장치는, 토크 지령으로부터 전기자 전류 지령을 발생시키고, 해당 전기자 전류 지령에 근거하여 전력 변환기에 의해 동기기의 전기자 전류를 제어하는 동기기 제어 장치로서, 토크 지령과 자속 지령으로부터 전기자 전류 지령의 토크 성분인 토크 전류 지령을 연산하는 토크 전류 연산기와 전기자 전류가 전력 변환기의 전류 제한값을 초과하지 않도록 전기자 전류 지령의 자화 성 분인 자화 전류 지령과 상기 전류 제한값에 근거하여 발생 가능한 토크 전류 지령 최대값을 발생시키는 토크 전류 제한 발생기와 상기 토크 전류 지령 최대값에 근거하여 토크 전류 지령에 제한을 가하는 리미터로 이루어지는 토크 전류 지령 발생기, 해당 토크 전류 지령 발생기로부터의 토크 전류 지령에 근거하여 자속 지령을 연산하는 자속 지령 발생기, 동기기의 전기자 전류 또는 전기자 전류 및 전기자 전압에 근거하여 전기자 쇄교 자속을 연산하는 자속 연산기, 및 자속 지령과 상기 전기자 쇄교 자속이 일치하도록 자화 전류 지령을 작성하여 토크 전류 지령 발생기에 입력하는 자속 제어기를 구비한 것이다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 토크 전류 지령은 자속 지령과 자화 전류 지령을 참조하면서 산출되기 때문에, 전력 변환기의 출력 전류의 제한을 고려할 수 있고, 또한, 자속 지령은 토크 전류 지령을 참조하면서 산출되기 때문에, 상기 의 출력 전류 제한에 의한 토크 전류 지령의 변동을 반영한 최적의 것으로 할 수 있다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 동기기 제어 장치를 나타내는 구성도이다. 동기기(1)는 전력 변환기인 3상 드라이브 회로(2)에 전기자 권선이 접속되어 구동되고 있고, 전기자 권선의 전류는 전류 센서(3)에 의해서 검출된다. 또한, 동기기(1)의 회전자 위상(전기각) θ는 회전자 위치 센서(4)에 의해서 검출되고 있다.
자속 연산기(5)는 도 6, 7에서 후술하는 바와 같이, 예컨대, 산소 전기자 전류 귀환값 iu, iv, iw와 3상 전압 지령 vu*, vv* vw*(단, 도면에서는, vu, vv, vw로 약기하고 있음)로부터 전기자 쇄교 자속의 절대값 |Φ| 및 위상 ∠Φ을 산출한다.
전기자 전류의 제어는 전기자 쇄교 자속 위상 ∠Φ의 방향(γ축) 및 그 직교 방향(δ축)의 2축 상에서 행해지기 때문에, 전기자 전류 귀환값 iu, iv, iw는 좌표 변환기(7)에 의해 γδ축 상의 전류 iγ-, iδ-로 변환되지만, 이 때, γ축 전류가 전기자 전류의 자화 성분인 자화 전류에, δ축 전류가 전기자 전류의 토크 성분인 토크 전류에 각각 상당한다.
전기자 전류 제어기(6)는 전기자 전류 iγ-, iδ-를 γδ축 상에서의 소망하는 전기자 전류 지령 iγ*, iδ*에 일치시키도록 전류 제어 연산을 실행하여, γδ축 상의 전압 지령 vγ, vδ를 출력한다. 그리고, 이 전압 지령 vγ, vδ는 좌표 변환기(8)에 의해 3상 전압 지령 vu*, vv*, vw*로 변환되어, 3상 드라이브 회로(2)에 출력된다.
한편, 토크 전류 지령 발생기(9)는 인가된 토크 지령 τ*보다 γ축 전류(자화 전류) 지령 iγ*, 자속 지령 Φ*을 참조하면서 δ축 전류(토크 전류) 지령 iδ*를 산출한다.
자속 지령 발생기(10)는 δ축 전류 지령 iδ*로부터 회전자 위상 θ을 미분 기(11)에서 미분하여 구한 회전 속도 ω를 참조하면서, 자속 지령 Φ*을 산출한다. 또한, 가산기(12)는 자속 연산기(5)로부터 출력된 전기자 쇄교 자속의 절대값 |Φ|을 자속 지령 Φ*로부터 빼서 자속 오차를 산출하고, 자속 제어기(13)는 상기 자속 오차가 0으로 되도록 γ축 전류 지령 iγ*을 조절한다.
도 2는 토크 전류 지령 발생기(9)의 내부 구성을 나타낸다. 도 1에 나타내는 제어계에서는, 전기자 쇄교 자속과 γ축이 일치하도록 하는 제어가 행해지기 때문에, 동기기(1)에 의해 발생하는 토크 τ와 δ축 전류 iδ 사이에는 (1)식의 관계가 있다. 단, pp는 동기기(1)의 극대수이다.
Figure 112006082740270-PCT00001
자속 제어가 양호하게 행해지고 있으면, 자속 절대값 |Φ|과 자속 지령 Φ*는 일치하고 있기 때문에, 토크 전류 연산기(15)는 (1)식의 |Φ|을 자속 지령 Φ*로 대체한 식에 의해, δ축 전류 지령 중간값 iδ**를 산출한다. 토크 전류 제한 발생기(14)는 γ축 전류 지령 iγ* 및 전류 제한값 imax을 이용하여, (2)식에 따라 δ축 전류 지령 최대값 iδ*max를 산출한다.
Figure 112006082740270-PCT00002
리미터(16)는 δ축 전류 지령 중간값 iδ**를 δ축 전류 지령 최대값 iδ*max에 의해 제한하여 δ축 전류 지령 iδ*를 출력한다.
도 3은 자속 지령 발생기(10)의 내부 구성을 나타낸다. 최적 자속 지령 연산기(17)는 입력된 δ축 전류 지령 iδ*에 최적의 자속 지령을 출력하지만, 그 개념에 대해서 도 4, 5를 참조하여 이하에 설명한다.
영구 자석 모터(IPM 모터와 같이 릴럭턴스 토크를 이용하는 것을 포함함)나 릴럭턴스 모터에 있어서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 절대값이 일정한 전류 벡터의 회전자 d축으로부터의 위상 ρ을 변화시키면, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 토크가 최대로 되는 위상이 존재한다.
여기서, d축은 영구 자석 모터의 회전자에서는 영구 자석 자속축에 상당하고, 이에 직교하는 축이 q축에 상당한다.
예컨대, IPM 모터와 같이, d축보다 q축의 인덕턴스가 큰 반대의 돌극성인 모터일 경우에는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전류 벡터의 위상이 90°보다 큰 소정의 각도로 토크가 최대로 된다. 또한, 철심의 자기 포화가 없으면, 이 최적의 전류 위상 ρ은 전기자 전류의 크기에 관계없이 일정하지만, 실제의 모터에서는 자기 포화에 의해 인덕턴스가 변화되기 때문에, 릴럭턴스 토크의 영향에 의해, 최적 전류 위상 ρ은 전기자 전류의 크기에 의해 변화된다.
예컨대, 통상의 IPM 모터일 경우, 전기자 전류가 작은 상태에서는 자기 포화가 없기 때문에, 위상 ρ은 90°보다 크게(예를 들며, 110° 정도) 한 쪽이 토크가 커지지만, 전기자 전류가 커지면, 주로 전류가 흐르고 있는 q축 방향으로 자기 포화가 발생하여, q축 인덕턴스와 d축 인덕턴스의 차가 작아지고, 이 때문에 위상 ρ을 작게(예를 들면, 100° 정도로) 한 쪽이 토크가 커진다.
여기서, 이러한 최적 전류 위상 상태에서의, 전기자 전류와 자속의 관계에 대해서 검토해 본다. 도 4(b)의 토크 최대 상태에서의 모터의 벡터도를 도 5에 나타내지만, 전기자 쇄교 자속 Φ는, 전류 벡터 i에 의해 발생하는 전기자 반작용 자속 Φa와 영구 자석 자속 Φm의 합성으로 나타내고, 이러한 전기자 쇄교 자속 Φ에 직교하는 방향을 δ축이라고 하면, 전류 벡터 i의 δ축 방향 성분이 δ축 전류 iδ이다.
따라서, 전기자 전류 절대값과 상기 절대값으로부터 결정되는 최적 전류 위상 δ으로 이루어지는 전류 벡터 i가 결정되면, δ축 전류 iδ 및 전기자 쇄교 자속 Φ의 절대값이 일의적으로 결정되게 된다. 이 때문에, 토크 최대 조건에 있어서는, δ축 전류 iδ와 자속 절대값 |Φ| 사이에 일대일의 관계가 성립하는 것을 이해할 수 있다. 또한, 이상의 자속 절대값 |Φ|의 결정은 전압의 제한이 고려되지 않고서 행해지는 것에 주의해야 한다.
도 3으로 되돌아가, 최적 자속 지령 연산기(17)는 상기 δ축 전류 iδ와 자속 절대값 |Φ|의 관계를 수학식이나 테이블 데이터의 형태로 저장하고 있으며, 입력된 δ축 전류 지령 iδ*에 따라 최적의 자속 절대값인 최적 자속 지령 Φ**을 출력한다. 또한, 상기의 설명에서는, 발생 토크가 최대로 되도록 δ축 전류 지령 iδ*와 최적 자속 지령 Φ**을 관련지었지만, 운전 목적에 따라서, 예컨대, 효율 최대이라고 하는 목표이더라도 무방하고, 일반적으로 소망하는 성능이 최대로 되는 δ축 전류 지령 iδ*와 최적 자속 지령 Φ**의 관련지음을 실행하면, 그 목적에 따른 운전 특성을 얻을 수 있다.
또한, 예를 들면, 효율 최대로 되는 δ축 전류 지령 iδ*와 최적 자속 지령 Φ**의 관련지음을 실행하는 경우는, 코아 손실의 영향을 고려하기 위해서 모터 회전수를 요인으로서 참조하여, 모터 회전수가 상승하는 경우에 최적 자속 지령 Φ**을 내리는 조정을 실행하면, 보다 특성을 향상시키는 것도 가능하다.
자속 제한 발생기(18)는 전력 변환기(3상 드라이브 회로)가 출력 가능한 전압을 기초로, 모터 회전 속도 ω(동일 블록 내 제한 특성도의 가로축)에 따른 자속 지령 최대값을 Φ*max(동일 특성도의 세로축)을 산출한다. 리미터(19)는 최적 자속 지령 연산기(17)로부터의 최적 자속 지령 Φ**을 자속 지령 최대값 Φ*max에 의해 제한하여 자속 지령 Φ*을 출력한다.
또한, 도 1의 구성에서는, 토크 전류 지령 발생기(9)와 자속 지령 발생기(10) 사이에서 계산이 순환적으로 이루진다고 하는 문제가 있다. 즉, 도 1의 구성에서 그대로 신호를 처리하면, 토크 지령 τ*→(토크 전류 지령 발생기(9))→토크 전류 지령 iδ*→(자속 지령 발생기(10))→자속 지령 Φ*→(토크 전류 지령 발생기(9))→토크 전류 지령 iδ* ‥, 이라는 루프가 이루어져 있고, 입력된 토크 지령 τ*에 대하여 토크 전류 지령 iδ* 및 자속 지령 Φ*을 확정하기 위해서는, 토크 전류 지령 발생기(9) 및 자속 지령 발생기(10)의 연산을 반복 실행하여 수속시킬 필요가 있어, 일반적으로 큰 연산 시간이 필요하게 된다. 또는, 조건에 따라서는 연산이 수속하지 않는다고 하는 문제가 발생할 가능성이 있다.
그러나, 약간의 연산 정밀도의 저하를 허용하면, 예를 들면, 이하에 나타내는 대책을 실시함으로써 상기 문제는 회피할 수 있다. 즉, 실제의 장치에서 상기 처리를 마이크로 컴퓨터를 이용하여 소정의 연산 주기로 처리할 때에, 예를 들면, 토크 전류 지령 발생기(9)가 사용하는 자속 지령 Φ*에 전회의 연산 결과를 이용하고, 상기 지령값을 이용하여 계산한 δ축 전류 지령 iδ*에 의해서 자속 지령 발생기(10)가 금번의 자속 지령 Φ*을 산출하는 방법이 생각된다. 또한, 자속 지령 발생기(10)에 있어서, 자속 지령 Φ*의 값을 적절한 필터를 통해서 출력함으로써, 연산 처리의 안정성을 높이도록 할 수 있다.
또한, 도 1~3의 설명에서는, 토크 전류 지령 발생기(9)에서의 연산에 자속 지령 Φ* 및 γ축 전류 지령 iγ*을 이용하고 있지만, 대신에, 실제값인 자속 절대값 |Φ| 및 γ축 전류 귀환값 iγ-을 이용해도 된다. 또한, 자속 지령 발생기(10)에서의 연산에 δ축 전류 지령 iδ*을 이용하고 있지만, 대신에, 실제값인 δ축 전류 귀환값 iδ-을 이용해도 된다. 이들 변경에 의해, 제어 연산은 실제값이 포함하는 노이즈의 영향을 받기 쉬워지지만, 상기한 연산이 순환적으로 이루진다고 하는 문제를 회피할 수 있다.
다음에, 도 6에 자속 연산기(5) 내부의 구조의 일례를 나타낸다. 도 6에서, 좌표 변환기(20)는 3상 전기자 전류 iu, iv, iw를, 회전자 위상 θ을 이용하여 회전자축 상의 dq좌표 전류 id, iq로 변환한다. 전류형 자속 연산기(21)에서는, dq축 전류 id, iq로부터 전기자 쇄교 자속 Φ의 절대값 |Φ|과 동일 자속의 d축으로부터의 위상 Δθ를 구한다.
영구 자석 모터에 있어서는, 전류와 자속 사이에 (3)식으로 나타내는 관계가 성립한다.
Figure 112006082740270-PCT00003
단, φd는 d축 자속, φq는 q축 자속, Lq는 q축 인덕턴스, Lq는 q축 인덕턴스, φm은 영구 자석 자속이다. 또한, 릴럭턴스 모터에서는, φm=0으로 한 (3)식이 성립한다. dq축 자속 φd, φq로부터, 전기자 쇄교 자속의 절대값 |Φ| 및 동일 자속의 d축으로부터의 위상 Δθ는 (4)식에 의해 구해진다.
Figure 112006082740270-PCT00004
가산기(22)는 회전자 위상 θ와 전기자 쇄교 자속 Φ의 d축으로부터의 위상 Δθ을 가산하여, 전기자 쇄교 자속 Φ의 위상 ∠Φ를 구한다. 또한, dq축 인덕턴스는 자기 포화를 위해서 dq축 전류에 의해 값이 변화되는 것이 알려져 있지만, 미리 dq축 전류와 dq축 인덕턴스의 관계를 수학식 또는 테이블의 형태로 기억해 놓고, dq축 전류에 따라서 (3)식에 이용하는 dq축 인덕턴스의 값을 변화시킴으로써, 인덕턴스 변동에 의한 자속 추정의 오차를 저감할 수 있다.
도 7은 자속 연산기(5)의, 도 6과는 상이한 예를 나타낸 것이다. 도 7에서, 좌표 변환기(20)는 도 6과 마찬가지로서, 좌표 변환기(23)는 전기자의 3상 전압 vu, vv, vw를, 회전자 위상 θ을 이용하여 회전자축 상의 dq좌표 전압 vd, vq로 변환한다. 미분기(25)는 회전자 위상 θ을 미분하여, 회전자의 전기 각속도 ω를 구 한다.
전압형 자속 연산기(24)에서는, dq축 전압 vd, vq 및 dq축 전류 id, iq로부터, 전기자 쇄교 자속 Φ의 절대값 |Φ|과 동일 자속의 d축으로부터의 위상 Δθ를 구한다. 영구 자석 모터에 있어서는, 전류, 전압과 자속과의 사이에 (5)식으로 나타내는 관계가 성립한다.
Figure 112006082740270-PCT00005
단, R은 전기자 저항, s는 미분 연산자이다. 또한, (5)식에 있어서, 전류의 변화가 완만한 경우에는 미분 연산자 s를 포함하는 항은 무시해도 되고, 이 경우 (5)식은 이하의 (6)식과 같이 변형된다.
Figure 112006082740270-PCT00006
또한, 전기자 저항 R이 그 밖의 항과 비교해서 작은 경우에는, 이를 포함하는 항을 무시해도 된다.
한편, 전기자 저항 R은 동기기(1)의 온도에 따라서 변화되기 때문에, 동기기(1)의 온도를 검출하여 전기자 저항 R의 값을 보정하면, 자속 추정의 정밀도를 향상시킬 수 있다. (5)식 또는 (6)식에 의해 구해진 dq축 자속 φd, φq로부터, 도 6의 경우와 마찬가지로, 전기자 쇄교 자속의 절대값 |Φ| 및 동일 자속의 위상 ∠Φ을 구할 수 있다.
또한, 도 1에서, 자속 연산기(5)는 전기자 전류에는 귀환값을, 전기자 전압에는 지령값을 입력하여 연산에 사용하고 있지만, 반대로, 전자에 지령값을, 후자에 귀환값을 사용해도 무방하며, 또한, 양쪽에 지령값이나 귀환값 중 어느 하나를 사용하도록 해도 무방하다.
또한, 상기한 바와 같은 전압으로부터 자속의 절대값과 위상을 구하는 계산은 회전자 위상 θ을 이용하지 않고서 실행하도록 해도 된다. 구체적으로는, 3상 전압 vu, vv, vw로부터 3상 전류 iu, iv, iw에 의한 저항 전압 강하분을 뺀 값을 극좌표 변환하여, 그 절대값을 회전자 전기 각속도 ω로 나눈 것을 전기자 쇄교 자속 절대값 |Φ|, 그 위상으로부터 90°를 뺀(ω>0인 경우) 또는 90°를 가한(ω<0인 경우) 것을 전기자 쇄교 자속 위상 ∠Φ으로 하면 되고, 이 방법은 계산이 간편하게 된다고 하는 이점이 있다.
도 6에 나타내는 바와 같은 전류형 자속 연산기를 갖는 자속 연산기는 회전 속도에 관계없이 자속의 추정이 가능하지만, (3)식에 나타내는 바와 같이 자속 연산에 인덕턴스값을 사용하기 때문에, 포화 등에 의한 모터 특성의 변동 영향을 받기 쉽다. 한편, 도 7에 나타내는 바와 같은 전압형 자속 연산기를 갖는 자속 연산기에서, (6)식으로 연산하는 것은, 인덕턴스값을 이용하지 않기 때문에 모터 특성의 변동의 영향을 받기 어렵지만, 회전 속도가 작고 전기자 전압이 낮은 경우에는, 추정 정밀도가 저하하는 경우가 있다. 이들 문제를 해결하는 방법으로서, 전류형 자속 연산기와 전압형 자속 연산기를 병용하여, 회전 속도가 작은 영역에서는 전류형을 주로 사용하고, 회전 속도가 상승하면 전압형을 주로 사용하도록 자속 연산기를 전환하거나, 혹은 회전 속도를 참조한 가중치 부여를 실행하면서 2개의 자속 연산기의 출력을 평균화하는 등의 방법을 이용할 수도 있다.
(실시예 2)
도 8은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 동기기 제어 장치를 나타내는 구성도이다. 본 형태는 3상 드라이브 회로(2)의 직류 전원 전압이 가변인 경우의 구성을 나타내고 있으며, 1~9 및 11~13은 실시예 1의 것과 마찬가지이다.
여기서, 3상 드라이브 회로(2)의 직류 전원 전압을 가변으로 하는 이점 등에 대해서 설명한다.
일반적으로, 전력 변환기인 인버터의 직류 전원 전압은 사용하는 전원(배터리 또는 교류 전원)에 의해 결정된다. 한편, 영구 자석 모터는 회전수에 대략 비례한 유기 전압을 발생하기 때문에, 모터 전압을 인버터의 상한 이하로 제한하면서 회전수를 크게 하기 위해서는, 영구 자석 자속을 없애는 약계자 전류를 전기자에 흘리고, 약계자 자속 운전을 행할 필요가 있다.
이 약계자 전류는 토크의 발생에 기여하지 않는 무효 전류이기 때문에, 약계자 자속 운전이 필요한 영역에서는 영구 자석 모터의 효율은 현저히 저하한다. 또한, 인버터의 최대 전류가 제한되어 있기 때문에, 약계자 전류만큼 토크 발생에 사 용할 수 있는 전류가 감소하여, 토크가 저하한다.
이에 반하여, DC-DC 컨버터 등에 의해 직류 전원 전압을 가변으로 하여 직류 전원 전압을 높게 할 수 있으면, 상기한 약계자 자속 운전을 행할 필요가 있는 회전수 상한을 높일 수 있어, 보다 높은 회전수까지 높은 효율ㆍ큰 토크로 운전하는 것이 가능하게 된다.
한편, DC-DC 컨버터는 그 자체가 손실을 발생하고, 일반적으로 인버터의 스위칭 손실은 직류 전원 전압이 높을수록 커지기 때문에, 회전수가 낮고 약계자 자속 운전의 필요가 없는 운전 영역에서는, 직류 전원 전압을 높게 하지 않는 편이 시스템 전체적으로 효율적이다. 따라서, 직류 전원 전압을 필요에 따라서 가변으로 하는 방식에는, 이상과 같은 이점이 있다.
도 8로 되돌아가, 자속 지령 발생기(10a)가 발생하는 직류 전압 지령 vdc*에 의해, 가변 전압 전원(26)은 3상 드라이브 회로(2)에 공급하는 직류 전원 전압을 조작한다. 가변 전압 전원(26)의 출력 전압 범위에는 제한이 있으며, 또한 3상 드라이브 회로(2)가 출력하는 전력 등에 의해, 실제로 가변 전압 전원(26)이 출력하는 직류 전압인 직류 전압 귀환값 vdc-는, 직류 전압 지령 vdc*와는 일치하지 않는 경우가 있다. 자속 지령 발생기(10a)는 직류 전압 귀환값 vdc-와 회전 속도 ω를 참조하면서 자속 지령 Φ*을 결정한다.
도 9는 자속 지령 발생기(10a)의 내부 구성을 나타낸 것이다. δ축 전류 지령 iδ*로부터, 최적 자속 지령 연산기(17)는 도 3과 마찬가지로 전압의 제한을 고려하지 않는 최적 자속 지령 Φ**을 출력한다. 승산기(27)는 최적 자속 지령 Φ** 에 회전 속도(귀환값) ω을 승산하여, 최적 자속 지령 Φ**을 발생하는 데 필요한 전압을 산출한다. 가산기(30)는 상기 전압에 제어 여유 및 저항 전압 강하분 전압인 전압 여유 Δvdc를 가산하여, 직류 전압 지령 vdc*을 산출해서 출력한다.
한편, 가변 전압 전원(26)으로부터 피드백된 실제의 직류 전압 귀환값 vdc-로부터, 가산기(31)에 의해 제어 여유 및 저항 전압 강하분 전압인 전압 여유 Δvdc를 감산하여 자속분 전압을 구하고, 이를 제산기(28)에 있어서 회전 속도 ω에 의해 제산하여 발생 가능한 자속 지령 최대값 Φ*max가 산출된다. 리미터(29)는 최적 자속 지령 Φ**을 자속 지령 최대값 Φ*max에 의해 제한하여, 최종적인 자속 지령 Φ*이 산출된다.
따라서, 가변 전압 전원(26)이 직류 전압 귀환값 vdc-를 직류 전압 지령 vdc*에 확실히 추종시키는 제어가 실현되고 있는 조건 하에서는, 최적 자속 지령 연산기(17)에서 구해진, 토크를 최대로 하는 최적 자속 지령 Φ**을 보상하기 위한 직류 전압 지령 vdc*에 일치하는 직류 전압 귀환값 vdc-가 공급되게 되고, 따라서, 그 경우, 리미터(29)는 실질적으로 자속 제한 동작은 하지 않고, 최적 자속 지령 Φ**이 그대로 자속 지령 Φ*으로서 출력되게 된다.
또한, 도 8의 구성에서는, 자속 지령 발생기(10a)는 직류 전압 지령 vdc*을 출력하면서 직류 전압 귀환값 vdc-를 참조하여 자속 지령을 결정하지만, 직류 전원 전압의 변동에 대응한다고 하는 목적이면, 직류 전압 지령 vdc*을 출력하지 않고 직류 전압 귀환값 vdc-를 참조하여 자속 지령을 결정하도록 하면 되는 것은 명백하여, 소망하는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 직류 전원 전압이 직류 전압 지령 vdc*과 같이 추종한다고 생각되는 경우는, 직류 전압 귀환값 vdc-를 참조할 필요는 없고, 직류 전압 귀환값 vdc-를 대신하여 직류 전압 지령 vdc*을 이용하도록 하면 되는 것은 자명하다. 이 경우, 직류 전원 전압의 전압 출력 범위에는 제한이 있기 때문에, 자속 지령 발생기(10a) 내에서 직류 전압 지령 vdc*에 제한을 가할 필요가 있다.
또한, 도 9의 자속 지령 발생기(10a)의 구성에서는, 전압 여유 Δvdc의 산출에 전기자 전류를 참조하고 있지 않지만, 전원 이용율이 보다 향상하도록, 전기자 전류를 참조하여 전압 여유 Δvdc를 산출하는 것도 가능한 것은 말할 필요도 없다.
(실시예 3)
도 10은 본 발명의 실시예 3을 나타내는 것이다.
앞서의 실시예 1의 토크 전류 지령 발생기(9)에서는, 상위계로부터 인가되는 토크 지령 τ*는, 그 값을 그대로 사용하는 것으로 하였다.
그러나, 동기기(1)의 인덕턴스가 큰 경우, 전기자 쇄교 자속 φ을 자속 지령 Φ*에 일치시키기 위해서는 토크 지령 τ*을 제한할 필요가 발생하는 경우가 있다. 도 10은 이러한 토크 제한이 필요한 경우의 토크 전류 지령 발생기(9)의 내부 구성을 나타내는 도면이다. 도면에 있어서, 토크 제한 발생기(32)는 자속 지령 Φ*을 참조하여, 그 자속으로 발생할 수 있는 최대 토크 τ*max를 출력하고, 리미터(33)는 상기 최대 토크 τ*max에 의해 본래의 토크 지령 τ*을 제한하여 제한 후의 토크 지령 τ*을 출력한다. 토크 전류 제한 발생기(14), 토크 전류 연산기(15) 및 리미터(16)는 이러한 제한 후의 토크 지령 τ*을 이용하여, 도 2와 마찬가지의 처리에 의해 δ축 전류 지령 iδ*를 산출한다.
여기서, 토크 제한 발생기(32)의 연산예에 대해서 설명한다. 동기기가 비돌극의 영구 자석 모터인 경우, 모터가 발생하는 토크는 다음 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112006082740270-PCT00007
한편, 모터의 전기자 쇄교 자속 φ의 크기는 다음 식으로 나타낼 수 있다. 단, L은 모터의 인덕턴스이고, 비돌극인 경우는 dq축에서 동일한 값이다.
Figure 112006082740270-PCT00008
여기서, (8)식 평방근 내의 제 1 항은 d축 전류 id를 부의 값으로 함으로써 0으로 하는 것이 가능하지만, 제 2 항은 q축 전류 iq의 크기에 의해 결정된다. 즉, 전기자 쇄교 자속 φ을 소망하는 값 φ*으로 하고자 하는 경우, q축 전류 iq는 다음 식을 만족하는 값일 필요가 있다.
Figure 112006082740270-PCT00009
(7)식에 (9)식을 대입하고, 정리하여 다음 식을 얻는다.
Figure 112006082740270-PCT00010
이상의 설명으로부터, 비돌극의 영구 자석 모터인 경우는, 토크 제한 발생기(32)는 (10)식을 이용하여 최대 토크 τ*max를 산출하면 되는 것을 알 수 있다. 또한, 모터가, 인덕턴스가 부하에 의해 변화되는 포화 특성을 가지는 경우나, 모터의 돌극성의 영향을 가미하는 경우는, 상기한 바와 같은 식의 형태가 아니라 테이블의 형태로 자속 지령 φ*과 최대 토크 τ*max의 관계를 기억해 놓더라도 무방한 것은 물론이다.
(실시예 4)
도 11은 본 발명의 실시예 4를 나타내는 것이다.
앞서의 실시예 1의 자속 지령 발생기(10)에서는, 그 최적 자속 지령 연산기(17)가, 전기자 전류 절대값이 일정하고 토크를 최대로 하는 조건 하에서 결정되는 토크 전류와 전기자 쇄교 자속과의 관계에 근거하여 자속 지령을 연산하도록 한 경우에 대해서 설명하였다.
그러나, 동기기(1)의 운전 특성을 미리 알 수 없는 경우나, 해석에 의해 얻어진 특성이 실제 기기의 특성과 상이한 경우에는, 동기기(1)의 소망하는 성능이 최대로 되는 δ축 전류 지령 iδ*와 최적 자속 지령 Φ**의 관련지음을 학습적으로 생성 또는 조정할 필요가 발생하는 경우가 있다.
도 11은 상기 δ축 전류 지령 iδ*와 최적 자속 지령 Φ**의 생성을 학습적으로 실행할 필요가 있는 경우의 최적 자속 지령 연산기(17)의 내부 구성을 나타내는 도면이다.
초기 자속 지령 연산기(34)는 δ축 전류 지령 iδ*에 대한 초기의 최적 자속 지령의 절대값 |Φ**_init|와의 관계를 수학식이나 테이블 데이터에서의 형태로 저장하고 있으며, 입력된 δ축 전류 지령 iδ*에 대하여 초기의 최적 자속 지령 Φ**_init를 출력한다. 여기서, 초기의 최적 자속 지령 Φ**_init은 δ축 전류 지령 iδ*에 대하여 출력 가능한 자속 지령의 출력 범위 내를 취하면 되고, 최적의 자속 지령 Φ**을 미리 알 수 없는 경우에도 동기기(1)의 대표적인 모터 특성 때문에 대략적인 초기값을 부여하는 것이 가능하다.
자속 지령 조절기(35)는 입력된 초기 최적 자속 지령 Φ**_init에 대하여 상위로부터 자속 조절 지령 S_adj가 들어가고 있는 경우는, 자속 지령 Φ*_adj를 소망하는 성능이 최대로 되도록 조절하여, 조절한 자속 지령 Φ*_adj를 최적 자속 지령기(17)의 지령 Φ**으로서 출력하고, 또한, 입력된 토크 전류 지령 iδ*에 대응하는 자속 지령값 Φ**_init의 갱신 데이터로서 초기 자속 지령 발생기(34)의 수학식이나 테이블 데이터를 갱신한다.
상위로부터 자속 조절 지령 S_adj가 없는 경우는, 자속 지령 조절기(35)는 동작하지 않고 초기 자속 지령 발생기(34)의 출력 Φ**_init가 그대로 최적 자속 지령 Φ**로 된다.
도 12에 소망하는 성능이 토크를 최대로 하는 조건인 경우의 자속 지령 조절 기(35)의 동작을 흐름도로 나타낸다.
먼저, 상위 지령계로부터 자속 조절 지령 S_adj가 들어가고 있는지 여부를 판단한다(단계 S1). 여기서, 자속 조절 지령 S_adj는 동기기(1)를 정토크(a constant torque) 또한 정출력(a constant output) 또한 3상 드라이브 회로(2)의 전압 출력 제한이 되어 있지 않은 조건으로 운전하고 있는 경우에만 ON으로 되는 것으로 한다. 자속 조절 지령 S_adj가 ON인 경우는 자속 지령 Φ*_adj를 조절하고, OFF인 경우는 단계 S10으로 분기하여 초기 최적 자속 지령 Φ**_init를 출력한다.
다음에, 조절하는 자속 지령 Φ*_adj를 출력 가능한 자속 지령값의 최소값 Φ**_min으로 초기화ㆍ고정한다(단계 S2). 이 때, 토크 지령 τ*은 일정하게 운전하고 있기 때문에, 토크 전류 지령 iδ*는 (1)식으로부터 토크 지령 τ*을 자속 지령 Φ**_min으로 나눈 값으로 된다. 자속 지령 Φ*_adj가 갱신된 후, 토크 전류 iδ 및 자속 절대값 |Φ|이 각각의 지령값 iδ*_adj, Φ*_adj에 수속할 때까지 대기한다(단계 S3).
토크 전류 iδ 및 자속 절대값 |Φ|이 지령값에 수속한 후, 전기자 전류의 절대값 ia를 전기자 전류 iu, iv, iw로부터 구한다(단계 S4). 또한, 절대값 ia를 전기자 전류 최소값 ia_min과 비교한다(단계 S5). 절대값 ia가 전기자 전류 최소값 ia_min과 비교해서 작은 경우, 이 때의 토크 전류 지령 iδ*_adj 및 자속 지령 Φ*_adj를 토크 최대 조건을 만족하는 토크 전류 지령 iδ*와 자속 지령 Φ*의 세트(iδ*_opt, Φ*_opt)로서 보존한다. 또한, 전기자 전류 최소값 ia_min을 전기자 전류 절대값 ia로 갱신한다(단계 S6).
다음에, 단계 S2에서 고정한 자속 지령 Φ*_adj를 ΔΦ만큼 증가시켜 갱신ㆍ고정한다(단계 S7). 그리고, 상기 자속 지령이 출력 가능한 자속 지령 Φ**_max를 초과하지 않는 경우는, 다시, 단계 S3~단계 S7을 반복한다(단계 S8).
상기한 동작을 반복하면, 일정한 토크 지령 τ*에 대하여 자속 지령 Φ*_adj를 최소값 Φ**_min으로부터 최대값 Φ**_max까지 변동했을 때에 전기자 전류 ia가 최소로 되는(iδ*_adj, Φ*_adj), 즉 토크 최대 조건을 만족하는 토크 전류와 자속의 쌍이 (iδ*_opt, Φ*_opt)에 저장된다.
최후에, 상기한 (iδ*_opt, Φ*_opt)을 사용하여, 초기 자속 지령 발생기(34)의 수학식 또는 테이블 데이터를 갱신한다(단계 S9). 초기 자속 지령 발생기(34)의 수학식 또는 테이블 데이터의 갱신 후는, 자속 지령 조정기(35)의 자속 지령 Φ*_adj의 고정을 해제하고, 토크 전류 지령 iδ*에 대하여 갱신 후의 (초기) 자속 지령 발생기(34)의 자속 지령 Φ**_init을 최적 자속 지령 Φ**으로서 출력한다(단계 S10).
또한, 도 12의 흐름도에서는, 자속 지령 조정기(35)의 자속 지령 Φ*_adj를 최소값으로부터 최대값까지 ΔΦ의 분해능으로 움직여서 전기자 전류 ia가 최소로 되는 자속 지령을 구하고 있지만, 이를 전기자 전류가 최소로 되는 점을 수속적으로 구함으로써, 연산 시간을 단축할 수도 있다.
도 13에 상기 (iδ*_opt, Φ*_opt)를 수속적으로 구하는 경우의 자속 지령 조절기(35)의 동작을 흐름도로 나타낸다.
도 13에서, 먼저, 도 12와 마찬가지로, 상위 지령계로부터 자속 조절 지령이 들어가고 있는지 여부를 판단하여(단계 S1), ON인 경우는 자속 지령을 조절하고, OFF인 경우는 단계 S9로 분기하여 초기 최적 자속 지령 Φ**_init을 그대로 출력하는 것으로 한다.
다음에, 자속 지령 Φ*_adj를 현재의 자속 지령 Φ**_init으로 고정한다(단계 S2). 그 후, 자속 |Φ| 및 토크 전류 iδ가 지령값에 수속할 때까지 대기한다(단계 S3).
다음에, 이 때의 전기자 전류 절대값 ia를 측정한(단계 S4) 후에, 다음 번의 자속 지령과 금번의 자속 지령의 차인 자속 지령 스텝폭 ΔΦ을 연산한다(단계 S5). 여기서, 자속 지령의 스텝폭은 자속 지령의 초반의 3점은 전기자 전류 절대값 ia의 최소값을 둘러싸는 3점을 취하고, 또한, 다음 갱신에서 전기자 전류 절대값 ia의 최소값을 둘러싸는 3점의 자속 지령의 폭의 감소가 최대로 되는 스텝폭을 선택하는 것으로 한다. 이러한 스텝폭의 선택법으로서는 포물선 보간과 Brent의 방법(1차원) 등을 이용할 수 있다.
다음에, 이 스텝폭을 자속 지령의 최소 증가분폭, 즉 자속 지령의 수속 오차 dΦ와 비교한다(단계 S6). 만약에, 수속 오차 dΦ보다 스텝폭 ΔΦ이 큰 경우는, 자속 지령 Φ*_adj에 스텝폭 ΔΦ을 부가하여 갱신ㆍ고정하고(단계 S7), 재차 S3~S6의 루프를 ΔΦ가 수속 오차 dΦ 이내로 수속할 때까지 되풀이한다.
수속 완료 후, 토크 전류 지령과 자속 지령의 쌍(iδ*_adj, Φ*_adj)은 토크 최대 조건을 만족하는 토크 전류 지령과 자속 지령의 쌍(iδ*_opt, Φ*_opt)과 동 등하게 된다. 이 쌍에 의해 초기 자속 지령 발생기(34)의 수학식 또는 테이블 데이터를 갱신하여(단계 S8), 토크 전류 지령 iδ*에 대하여 갱신된 초기 최적 자속 지령 Φ**_init를 출력한다(단계 S9).
이상의 설명으로부터, 동기기(1)의 토크 최대 조건을 만족하는 토크 전류 지령 iδ*와 자속 지령 Φ*의 관계를 미리 알 수 없는 경우에도, 도 12 또는 도 13의 흐름도의 동작을 행하는 자속 지령 조절기를 부가함으로써 학습적으로 토크 전류 지령 iδ*에 대한 최적 자속 지령 Φ**을 구할 수 있다.
또한, 소망하는 성능을 입력 전력 최소로 놓은 경우, 도 12, 13의 흐름도에 있어서, 전기자 전류 ia를 대신하여 3상 드라이브 회로(2)의 DC 링크 전압 Vdc과 DC 전류 Idc의 곱, 즉, DC 전력 Pdc을 최소로 하도록 변경하면, 동일 전기자 전류 절대값 ia에 대하여 입력 전력이 최소로 되는 토크 전류 지령 iδ*와 최적 자속 지령 Φ**의 점을 얻을 수 있다.
또한, DC 링크 전압 Vdc가 안정한 경우는, DC 전류 Idc를 최소로 하도록 변경해도 되는 것은 물론이다.
이상과 같이, 본 발명에 있어서는, 토크 전류 지령 발생기의 상단에, 자속 지령에 근거하여 출력 가능한 토크 지령 최대값을 발생하는 토크 제한 발생기, 및 토크 지령 최대값에 근거하여 토크 지령에 제한을 가하는 리미터를 구비하고, 토크 전류 지령 발생기는 상기 리미터에 의해 제한된 토크 지령에 근거하여 토크 전류 지령을 연산하도록 했기 때문에, 토크 지령을 제한할 필요가 있는 경우도, 원활한 동기기 제어가 가능해진다.
또한, 자속 지령 발생기는 동기기의 회전 속도 귀환값을 입력하여, 전기자 전압이 전력 변환기의 전압 제한을 초과하지 않도록 회전 속도 귀환값과 전압 제한값에 근거하여 발생 가능한 자속 지령 최대값을 발생하는 자속 제한 발생기, 및 자속 지령 최대값에 근거하여 자속 지령에 제한을 가하는 리미터를 구비했기 때문에, 전력 변환기의 전압 제한 내에서 소망하는 자속 지령이 확실하게 작성된다.
또한, 직류 전압 지령에 근거하여 전력 변환기에 직류 전압을 공급하는 가변 전압 전원을 구비하고, 자속 지령 발생기는 동기기의 회전 속도 귀환값을 입력하여, 자속 지령에 회전 속도 귀환값을 승산하여 가변 전압 전원으로 출력하는 직류 전압 지령을 발생하는 승산기, 가변 전압 전원으로부터 입력한 직류 전압 귀환값을 회전 속도 귀환값으로 제산하여 발생 가능한 자속 지령 최대값을 발생하는 제산기, 및 자속 지령 최대값에 근거하여 자속 지령에 제한을 가하는 리미터를 구비했기 때문에, 직류 전압을 가변으로 하는 이점을 지장 없이 누릴 수 있다.
또한, 제산기는 직류 전압 귀환값을 대신하여 직류 전압 지령을 입력하도록 했기 때문에, 그 만큼 제어의 구성이 간편해진다.
또한, 직류 전압 지령에 근거하여 전력 변환기에 직류 전압을 공급하는 가변 전압 전원을 구비하고, 자속 지령 발생기는 동기기의 회전 속도 귀환값을 입력하여, 가변 전압 전원으로부터 입력한 직류 전압 귀환값을 회전 속도 귀환값으로 제산하여 발생 가능한 자속 지령 최대값을 발생하는 제산기, 및 자속 지령 최대값에 근거하여 자속 지령에 제한을 가하는 리미터를 구비했기 때문에, 직류 전압을 가변으로 하는 이점을 지장 없이 누릴 수 있다.
또한, 토크 전류 지령 발생기는 자화 전류 지령을 대신하여 전기자 전류 귀환값의 자화 성분인 자화 전류 귀환값을 입력하도록 했기 때문에, 제어 동작이 안정 신속하게 된다.
또한, 토크 전류 지령 발생기는 자속 지령을 대신하여 전기자 쇄교 자속을 입력하도록 했기 때문에, 제어 동작이 안정 신속하게 된다.
또한, 자속 지령 발생기는 토크 전류 지령을 대신하여 전기자 전류 귀환값의 토크 성분인 토크 전류 귀환값을 입력하도록 했기 때문에, 제어 동작이 안정 신속하게 된다.
또한, 자속 지령 발생기는 전기자 전류 절대값이 일정하고 토크를 최대로 하는 조건 하에서 결정되는 토크 전류와 전기자 쇄교 자속과의 관계에 근거하여 자속 지령을 연산하도록 했기 때문에, 인가된 조건 하에서, 토크를 최대로 할 수 있다고 하는 유용한 동기기 제어를 실현한다.
또한, 자속 지령 발생기는 토크 지령이 일정하고 전기자 전류 절대값 또는 입력 전력을 최소로 하는 조건 하에서 결정되는 토크 전류와 전기자 쇄교 자속과의 관계에 근거하여 자속 지령을 출력하도록, 토크 전류와 전기자 쇄교 자속과의 관계를 학습적으로 연산하도록 했기 때문에, 동기기의 운전 특성을 미리 알 수 없는 경우나, 해석에 의해 얻어진 특성이 실제 기기의 특성과 상이한 경우에도, 인가된 조건 하에서, 전기자 전류 절대값 또는 입력 전력을 최소로 할 수 있다고 하는 유용한 동기기 제어를 실현한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 있어서의 동기기 제어 장치를 나타내는 구성도,
도 2는 토크 전류 지령 발생기(9)의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 3은 자속 지령 발생기(10)의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 4는 전기자 전류의 토크와의 관계를 설명하는 도면,
도 5는 토크 최대 상태에서의 모터의 벡터도,
도 6은 자속 연산기(5)의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 7은 자속 연산기(5)의 내부 구성을 나타내는 도 6과는 상이한 도면,
도 8은 본 발명의 실시예 2에 있어서의 동기기 제어 장치를 나타내는 구성도,
도 9는 자속 지령 발생기(10a)의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 실시예 3에 있어서의 동기기 제어 장치의, 특히, 토크 전류 지령 발생기(9)의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 11은 본 발명의 실시예 4에 있어서의 동기기 제어 장치의, 특히, 최적 자속 지령 연산기(17)의 내부 구성을 나타내는 도면,
도 12는 도 11의 최적 자속 지령 연산기(17)의 동작을 설명하기 위한 흐름도,
도 13은 도 11의 최적 자속 지령 연산기(17)의, 도 12와는 상이한 동작을 설명하기 위한 흐름도.
부호의 설명
1: 동기기, 2: 3상 드라이브 회로, 3: 전류 센서, 4: 회전자 위치 센서, 5: 자속 연산기, 6: 전기자 전류 제어기, 9: 토크 전류 지령 발생기, 10, 10a: 자속 지령 발생기, 13: 자속 제어기, 14: 토크 전류 제한 발생기, 15: 토크 전류 연산기, 16: 리미터, 17: 최적 자속 지령 연산기, 18: 자속 제한 발생기, 19: 리미터, 21: 전류형 자속 연산기, 24: 전압형 자속 연산기, 26: 가변 전압 전원, 27: 승산기, 28: 제산기, 29: 리미터, 32: 토크 제한 발생기, 33: 리미터, 34: 초기 자속 지령 발생기, 35: 자속 지령 발생기

Claims (11)

  1. 토크 지령으로부터 전기자 전류 지령을 발생시키고 그 전기자 전류 지령에 근거하여 전력 변환기에 의해 동기기의 전기자 전류를 제어하는 동기기 제어 장치로서,
    상기 토크 지령과 자속 지령으로부터 상기 전기자 전류 지령의 토크 성분인 토크 전류 지령을 연산하는 토크 전류 연산기와, 상기 전기자 전류가 상기 전력 변환기의 전류 제한값을 초과하지 않도록 상기 전기자 전류 지령의 자화 성분인 자화 전류 지령과 상기 전류 제한값에 근거하여 발생 가능한 토크 전류 지령 최대값을 발생시키는 토크 전류 제한 발생기와, 상기 토크 전류 지령 최대값에 근거하여 상기 토크 전류 지령에 제한을 가하는 리미터로 이루어지는 토크 전류 지령 발생기와,
    상기 토크 전류 지령 발생기로부터의 토크 전류 지령에 근거하여 자속 지령을 연산하는 자속 지령 발생기와,
    상기 동기기의 전기자 전류 또는 전기자 전류 및 전기자 전압에 근거하여 전기자 쇄교 자속을 연산하는 자속 연산기와,
    상기 자속 지령과 상기 전기자 쇄교 자속이 일치하도록 상기 자화 전류 지령을 작성하여 상기 토크 전류 지령 발생기에 입력하는 자속 제어기
    를 구비한 동기기 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 토크 전류 지령 발생기의 상단에, 상기 자속 지령에 근거하여 출력 가능한 토크 지령 최대값을 발생시키는 토크 제한 발생기와, 상기 토크 지령 최대값에 근거하여 상기 토크 지령에 제한을 가하는 리미터를 구비하고,
    상기 토크 전류 지령 발생기는, 상기 리미터에 의해 제한된 토크 지령에 근거하여 토크 전류 지령을 연산하도록 한 것
    을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자속 지령 발생기는,
    상기 동기기의 회전 속도 귀환값을 입력하여, 상기 전기자 전압이 상기 전력 변환기의 전압 제한을 초과하지 않도록 상기 회전 속도 귀환값과 상기 전압 제한값에 근거하여 발생 가능한 자속 지령 최대값을 발생하는 자속 제한 발생기와,
    상기 자속 지령 최대값에 근거하여 상기 자속 지령에 제한을 가하는 리미터
    를 구비한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    직류 전압 지령에 근거하여 상기 전력 변환기에 직류 전압을 공급하는 가변 전압 전원을 구비하고,
    상기 자속 지령 발생기는,
    상기 동기기의 회전 속도 귀환값을 입력하고, 상기 자속 지령에 상기 회전 속도 귀환값을 승산하여 상기 가변 전압 전원으로 출력하는 상기 직류 전압 지령을 발생시키는 승산기와,
    상기 가변 전압 전원으로부터 입력한 직류 전압 귀환값을 상기 회전 속도 귀환값으로 제산하여 발생 가능한 자속 지령 최대값을 발생시키는 제산기와,
    상기 자속 지령 최대값에 근거하여 상기 자속 지령에 제한을 가하는 리미터
    를 구비한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제산기는 상기 직류 전압 귀환값을 대신하여 상기 직류 전압 지령을 입력하도록 한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    직류 전압 지령에 근거하여 상기 전력 변환기에 직류 전압을 공급하는 가변 전압 전원을 구비하고,
    상기 자속 지령 발생기는,
    상기 동기기의 회전 속도 귀환값을 입력하고, 상기 가변 전압 전원으로부터 입력한 직류 전압 귀환값을 상기 회전 속도 귀환값으로 제산하여 발생 가능한 자속 지령 최대값을 발생시키는 제산기와,
    상기 자속 지령 최대값에 근거하여 상기 자속 지령에 제한을 가하는 리미터
    를 구비한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 전류 지령 발생기는, 상기 자화 전류 지령을 대신하여 상기 전기자 전류 귀환값의 자화 성분인 자화 전류 귀환값을 입력하도록 한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 전류 지령 발생기는 상기 자속 지령을 대신하여 상기 전기자 쇄교 자속을 입력하도록 한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자속 지령 발생기는, 상기 토크 전류 지령을 대신하여 상기 전기자 전류 귀환값의 토크 성분인 토크 전류 귀환값을 입력하도록 한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자속 지령 발생기는, 상기 전기자 전류 절대값이 일정하고 토크를 최대로 하는 조건 하에서 결정되는 토크 전류와 전기자 쇄교 자속과의 관계에 근거하여 상기 자속 지령을 연산하도록 한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자속 지령 발생기는, 상기 토크 지령이 일정하고 전기자 전류 절대값 또는 입력 전력을 최소로 하는 조건 하에서 결정되는 토크 전류와 전기자 쇄교 자속과의 관계에 근거하여 상기 자속 지령을 출력하도록, 상기 토크 전류와 전기자 쇄교 자속과의 관계를 학습적으로 연산하도록 한 것을 특징으로 하는 동기기 제어 장치.
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