KR20110042370A

KR20110042370A - 영구자석 동기 전동기의 제어 장치

Info

Publication number: KR20110042370A
Application number: KR1020117006100A
Authority: KR
Inventors: 마사야 하라카와; 게이타 호리이; 아츠오 하이시
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2011-04-26
Also published as: EP2343799A1; JPWO2010050020A1; JP5073063B2; US20110148335A1; CN102204082A; EP2343799A4; CN102204082B; TWI411218B; KR101171659B1; WO2010050020A1; US8378601B2; TW201018073A

Abstract

제품 CPU로의 부담을 크게 하는 일 없이, 영구자석 동기 전동기가 SPM 모터인지 IPM 모터인지 상관없이, 저속 운전 시나 중속 운전 시뿐만 아니라 고속 운전 시에 있어서도, 정밀도가 좋은 토크 제어가 가능한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 하고, d축과 q축의 각 전류 수정 지령(i_d ^*cmd, i_q ^*cmd)의 전류 위상 β _i와 토크 지령 T_m ^*으로부터 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 생성하고, 그 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 토크 지령 T_m ^*대신에 d／q축 전류 지령 생성기(9)에 공급하는 토크 보정 회로(1, 2, 3a)를 구비했다.

Description

영구자석 동기 전동기의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONIZATION ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 영구자석 동기 전동기의 제어 장치에 관한 것이다.

영구자석 동기 전동기의 제어에서는 토크(torque)를 자유롭게 제어할 수 있는 벡터 제어가 많이 이용되고 있다. 벡터 제어를 채용하는 제어 장치는 PWM 인버터가 영구자석 동기 전동기에 출력하는 3상(相)의 모터 전류를 회전하는 직교 2축의 dq축 좌표 상에 분해하여 여자(勵磁) 전류 성분인 d축 전류와 토크 기여 성분인 q축 전류로 변환하고, 변환하여 실제로 영구자석 동기 전동기에 흐르고 있는 d축 전류 및 q축 전류를, 외부로부터 주어지는 토크 지령으로부터 생성한 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령에 추종하도록, 비례 적분 제어를 행하는 전류 제어기가 상기 PWM 인버터를 제어하는 구성을 채용하고 있다.

따라서 영구자석 동기 전동기의 제어 장치에 의한 토크 제어의 정밀도는 외부로부터 주어지는 토크 지령으로부터 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 생성하는 d/q축 전류 지령 생성기에 있어서 적절한 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 생성할 수 있는지의 여부에 의존하고 있다.

여기서, 영구자석 동기 전동기 중에서, 돌극성(突極性)이 없는 SPM(Surface Permanent Magnet) 모터에서의 토크 발생식은 식 (1)로 주어진다. 또한, 식 (1)에 있어서, T_m ^*는 외부로부터 주어지는 토크 지령이고, i_q ^*는 q축 전류 지령이고, K_t는 영구자석 동기 전동기의 토크 정수이다.

[식 1]

그리고 식 (1)을 다음의 식 (2)와 같이 변형하고, d/q축 전류 지령 생성기를 이 식 (2)에 기초한 연산을 행하도록 구성하면, 토크를 제어하는 것이 가능하게 된다. 또한, 식 (2)에 있어서, i_d ^*는 d축 전류 지령이다.

[식 2]

또, 영구자석 동기 전동기 중에서, 돌극성이 있는 IPM(Interior Permanent Magnet) 모터에서의 토크 발생식은 다음의 식 (3)으로 주어진다. 또한, 식 (3)에 있어서, P_m, L_d, L_q는 각각, 영구자석 동기 전동기의 극대수(極對數), d축 인덕턴스, q축 인덕턴스이다.

[식 3]

IPM 모터에 대해서는 d/q축 전류 지령 생성기를, 이 식 (3)에 기초한 연산을 실시하도록 구성하거나, 또는 미리 준비한 식 (3)에 기초한 테이블 데이터를 참조하도록 구성하면, 토크를 제어하는 것이 가능하게 된다. 또한, d축 인덕턴스, q축 인덕턴스는 전류의 크기에 의해 비선형으로 변화하는 것이 일반적으로 알려져 있으므로, 그것을 고려하여 d/q축 전류 지령 생성기를 구성함으로써, 토크 제어의 정밀도를 향상시키는 것도 가능하다.

그런데 최근, 영구자석 동기 전동기를 고속 운전시키기 위해, 인버터 출력 전압을 다 이용하는 정출력 영역에서의 운전이 많아지고 있다. 이 운전에서는 인버터 출력 전압의 포화를 억제할 필요가 있으므로, 그 수단의 하나로서, d축 전류를 부방향(負方向)에 증가시키는, 이른바 약한 계자(界磁) 제어를 행하는 것이 많아지고 있다.

약한 계자 제어의 한 수법이 특허 문헌 1(제11도)에 나타나 있다. 이것을 영구자석 동기 전동기의 제어 장치에 적용하면, 다음과 같이 된다. 즉, q축 전압 성분과 q축 전압 지령의 편차로부터 q축 전압 포화량을 구하고, 구한 q축 전압 포화량과 회전 각속도로부터 d축 전류 수정량을 구한다. 또, d축 전압 성분과 d축 전압 지령의 편차로부터 d축 전압 포화량을 구하고, 구한 d축 전압 포화량과 회전 각속도로부터 q축 전류 수정량을 구한다. 그리고 구한 d축과 q축의 각 전류 수정량을 이용하여, d/q축 전류 지령 생성기가 출력하는 d축과 q축의 각 전류 지령에 수정을 가하는 구성이다. 이 구성에 의하면, 영구자석 동기 전동기에 있어서 토크 제어와 고속 운전 영역에서의 안정 운전 양쪽을 목표로 할 수 있으므로, 고속 운전 시에 전압 포화의 발생을 억제하여 안정된 운전을 실현할 수 있고, 제어의 안정성을 현격히 향상시킬 수 있다.

특허 문헌 1 : 국제 공개 제03/009463호 팜플렛

특허 문헌 2 : 일본 특개 2000-116198호 공보

그러나 상기한 약한 계자 제어에서의 토크 제어의 정밀도에 관해, 종래는 영구자석 동기 전동기 중에서도 SPM 모터가 많이 이용되고 있으므로, 문제가 되는 일은 적었지만, 최근 영구자석 전동기의 고속 운전화에 수반하여, 자석 박리의 문제가 일어나지 않는 IPM 모터가 많이 이용되기 때문에, 문제가 생기고 있다.

즉, SPM 모터에서, 토크의 발생은 식 (1)에 기초하여, d/q축 전류 지령 생성기로부터 출력되는 d축과 q축의 각 전류 지령이 그 다음에 수정되어도, q축 전류 지령의 변화분만큼이 토크 제어의 정밀도에 영향을 미친다. 이 때문에, 토크 제어의 정밀도 열화(劣化)는 실제 이용 상에 있어서 문제가 되는 레벨은 아니었다.

그런데 IPM 모터에서, 토크의 발생은 식 (3)에 기초하여, d/q축 전류 지령 생성기로부터 출력되는 d축과 q축의 각 전류 지령이 그 다음에 수정되면, 그 양쪽 전류 지령의 변화분이 토크 제어의 정밀도에 영향을 미친다. 이 때문에, 토크 제어의 정밀도는 SPM 모터 이용 시에서의 토크 제어의 열화 이상으로 저하하는 일이 있다.

또, IPM 모터에서는 운전 상황에 따른 적절한 d축 전류를 흘리는 것에 의해, 운전 효율을 상승시키는 것도 일반적으로 알려져 있다. 이 때문에, d/q축 전류 지령 생성기로부터 출력되는 d축 전류 지령을, IPM 모터의 운전 효율을 상승시키는 목적으로 수정하기도 한다. 이 경우에는 고속 운전에 한정하지 않으며, 저속 운전이나 중속 운전에 있어서도, 다소 토크 제어의 정밀도가 저하하기도 한다.

이 문제에 대해, 예를 들어, 상기의 특허 문헌 2(제4의 실시 형태)에서는 고속 운전 시에 있어서 모터 단자 전압이 일정한 조건에서, 최대의 토크를 안정하게 출력하기 위한 수법이 제안되어 있으므로, 이것을 이용하면, d/q축 전류 지령 생성기를, 고속 운전 시에 전압 포화가 발생하지 않는다고 하는 점까지 고려하여 구성하는 것은 가능하다.

그러나 상기 특허 문헌 2에 기재된 기술을 적용한 d/q축 전류 지령 생성기에서는 모터 등가 회로에 기초한 전압 관계식과 식 (3)에 나타낸 토크 관계식의 쌍방을 만족하는 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령을 만들어 낼 필요가 있으므로, 상당히 복잡한 연산을 필요로 하여, 제품 CPU로의 부담이 매우 커진다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 제품 CPU로의 부담을 크게 하는 일 없이, 영구자석 동기 전동기가 SPM 모터인지 IPM 모터인지 상관없이, 저속 운전 시나 중속 운전 시뿐만 아니라 고속 운전 시에 있어서도, 정밀도가 좋은 토크 제어가 가능한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 외부로부터 입력되는 토크 지령으로부터 d축과 q축의 각 전류 지령을 생성하는 d/q축 전류 지령 생성기와, 상기 d축과 q축의 각 전류 지령과 대응하는 d축과 q축의 각 전류 수정량의 편차인 d축과 q축의 각 전류 수정 지령에, 영구자석 동기 전동기에 실제로 흐르고 있는 d축과 q축의 각 전류가 일치하도록 하는 d축과 q축의 각 전압 지령을 비례 적분 제어에 의해 생성하는 전류 제어기를 구비하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치에 있어서, 상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령의 전류 위상과 상기 토크 지령으로부터 토크 수정 지령을 생성하고, 그 토크 수정 지령을 상기 토크 지령 대신에 상기 d/q축 전류 지령 생성기에 공급하는 토크 보정 회로를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 외부로부터 입력되는 토크 지령을, 직접 d/q축 전류 지령 생성기에 공급하는 것이 아니라, 추가한 토크 보정 회로에 입력한다. 이 추가한 토크 보정 회로는 적은 연산량으로, 그 외부로부터 입력되는 토크 지령과 수정된 후의 d축과 q축의 각 전류 지령의 전류 위상을 이용하여 토크 수정 지령을 생성하고, 그것을 d/q축 전류 지령 생성기에 공급한다. 이로 인해, d/q축 전류 지령 생성기는 실제의 운전 상태를 반영하는 형태에서 d축과 q축의 각 전류 지령을 생성할 수 있으므로, 영구자석 동기 전동기가 SPM 모터인지 IPM 모터인지 상관없이, 저속 운전 시나 중속 운전 시뿐만 아니라 고속 운전 시에 있어서도, 적절한 d축과 q축의 각 전류 지령을 생성할 수 있게 된다. 즉, 본 발명은 제품 CPU로의 부담을 크게 하는 일 없이, 전체 운전 영역에 있어서 정밀도가 좋은 토크 제어가 가능하게 된다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 영구자석 동기 전동기의 약한 계자 제어를 행하는 제어 장치의 일반적인 구성예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 토크 보정 계수 k₁의 테이블 데이터의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 형태 1을 IPM 모터에 적용한 경우의 운전 특성을 종래예와 비교하여 나타내는 특성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태 2에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6은 도 5에 나타내는 토크 수정 지령 T_m ^*cmd의 테이블 데이터의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 3에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 4에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다.

이하에 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 바람직한 실시 형태를 상세하게 설명한다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다. 도 2는 영구자석 동기 전동기의 약한 계자 제어를 행하는 제어 장치의 일반적인 구성예를 나타내는 블록도이다.

도 1에 나타내는 실시 형태 1에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부(토크 보정 회로)는 도 2에 나타내는 본 발명이 대상으로 하는 종래의 약한 계자 제어를 행하는 제어 장치에 추가한, 전류 위상 연산기(1), 토크 보정기(2), 곱셈기(3a)로 구성된다.

여기서는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해, 우선 도 2를 참조하여 본 발명이 대상으로 하는 종래의 약한 계자 제어를 행하는 제어 장치의 구성과 동작에 대해 간단하게 설명하고, 그 후 도 1을 참조하여 이 실시 형태 1에 의한 제어 장치의 주요부 구성의 동작에 대해 설명한다.

도 2에 있어서, 종래의 약한 계자 제어를 행하는 제어 장치는 영구자석 동기 전동기(PM; 18)를 제어하는 구성으로서, d/q축 전류 지령 생성기(9), 감산기(10, 11, 12, 13), d축 전류 제어기(14), q축 전류 제어기(15), 2상 3상 좌표 변환기(16), PWM 인버터(17), 전류 검출기(19a, 19b, 19c), 3상 2상 좌표 변환기(20), 속도 검출기(21), 계수기(係數器; 22), 적분기(23)를 구비하고 있다.

PWM 인버터(17)는 2상 3상 좌표 변환기(16)로부터 입력되는 전압 지령 V_U ^*, V_V ^*, V_W ^*에 기초하여 영구자석 동기 전동기(18)에 공급하는 구동 전력을 생성한다. 또한, Vdc는 모선 전압이다.

속도 검출기(21)는 구동되는 영구자석 동기 전동기(18)의 회전 속도 ω _r을 검출한다. 계수기(22)는 속도 검출기(21)가 검출한 회전 속도 ω _r로부터 dq축 좌표의 회전 각속도 ω ₁을 연산한다. 적분기(23)는 계수기(22)가 연산한 dq축 좌표의 회전 각속도 ω ₁을 적분하고, 그것을 dq축 좌표의 위상각 θ로서 2상 3상 좌표 변환기(16)와 3상 2상 좌표 변환기(20)에 출력한다.

전류 검출기(19a, 19b, 19c)는 PWM 인버터(17)로부터 영구자석 동기 전동기(18)에 공급되는 모터 구동 전류 i_U, i_V, i_W를 검출하고, 그것을 3상 2상 좌표 변환기(20)에 출력한다.

3상 2상 좌표 변환기(20)는 적분기(23)로부터 입력되는 dq축 좌표의 위상각 θ에 기초하여, 전류 검출기(19a, 19b, 19b)가 검출한 모터 구동 전류 i_U, i_V, i_W를 dq축 좌표 상의 d축 전류 i_d와 q축 전류 i_q로 변환하고, 그것들을 감산기(12, 13)의 대응하는 것에 출력한다.

d/q축 전류 지령 생성기(9)는 외부로부터 입력되는 임의의 토크 지령 T_m ^*으로부터, 상기한 식 (2) 또는 식 (3)의 연산을 행하고, 회전하는 직교 2축의 dq축 좌표 상에 있어서 d축 전류 지령 i_d ^*와 q축 전류 지령 i_q ^*를 생성하고, d축 전류 지령 i_d ^*를 감산기(10)의 일방의 입력 단자에 출력하고, q축 전류 지령 i_q ^*를 감산기(11)의 일방의 입력 단자에 출력한다.

감산기(10)의 타방의 입력 단자에는 d축 전류 수정량 Δi_d ^*가 입력되고, 감산기(11)의 타방의 입력 단자에는 q축 전류 수정량 Δi_q ^*가 입력된다. d축 전류 수정량 Δi_d ^*와 q축 전류 수정량 Δi_q ^*의 생성원은 나타내지 않지만, 상기한 특허 문헌 1(제11도)에 제안되어 있는 방법을 적용하여 생성된다. 여기서는 재술하지 않는다.

감산기(10)는 d축 전류 지령 i_d ^*와 d축 전류 수정량 Δi_d ^*의 편차를 연산하고, 그것을 d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd로서 감산기(12)의 일방의 입력 단자에 출력한다. 이 감산기(12)의 타방의 입력 단자에는 3상 2상 좌표 변환기(20)로부터 d축 전류 i_d가 입력된다. 또, 감산기(11)는 q축 전류 지령 i_q ^*와 q축 전류 수정량 Δi_q ^*의 편차를 연산하고, 그것을 q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd로서 감산기(13)의 일방의 입력 단자에 출력한다. 이 감산기(13)의 타방의 입력 단자에는 3상 2상 좌표 변환기(20)로부터 q축 전류 i_q가 입력된다.

감산기(12)는 d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd와 d축 전류 i_d의 편차를 연산하고, 그것을 전류 편차 e_id로서 d축 전류 제어기(14)에 출력한다. 또, 감산기(13)는 q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd와 q축 전류 i_q의 편차를 연산하고, 그것을 전류 편차 e_iq로서 q축 전류 제어기(15)에 출력한다.

d축 전류 제어기(14) 및 q축 전류 제어기(15)는 각각, 비례 적분(PI) 제어를 행하는 PI 제어기이다. 즉, d축 전류 제어기(14) 및 q축 전류 제어기(15)는 각각, 감산기(12, 13)로부터 입력되는 전류 편차 e_id, e_iq를 제로로 하는 조작량인 d축 전압 지령 V_d ^*, q축 전압 지령 V_q ^*를 PI 제어에 의해 생성하고, 그것들을 2상 3상 좌표 변환기(16)에 출력한다.

2상 3상 좌표 변환기(16)는 적분기(23)로부터 입력되는 dq축 좌표의 위상각 θ에 기초하여, d축 전류 제어기(14) 및 q축 전류 제어기(15)로부터 입력되는 d축 전압 지령 V_d ^*, q축 전압 지령 V_q ^*를 전압 지령 V_U ^*, V_V ^*, V_W ^*로 변환하고, 그것들을 상기 PWM 인버터(17)에 출력한다.

이상과 같이, 약한 계자 제어를 행하는 벡터 제어에서는 전류 제어기(d축 전류 제어기(14) 및 q축 전류 제어기(15))에 의해, 영구자석 동기 전동기(18)에 실제로 공급하는 d축 전류 i_d 및 q축 전류 i_q가 각각, d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd 및 q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd에 일치하도록 컨트롤된다.

그리고 도 1에 있어서, 이 실시 형태 1에 의한 제어 장치의 주요부 구성을 설명한다. 전류 위상 연산기(1)는 감산기(10, 11)의 각 출력(d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd, q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd)를 입력으로 하고, 전류 위상 β _i를 토크 보정기(2)에 출력한다.

토크 보정기(2)는 외부로부터의 토크 수정 지령 T_m ^*과 전류 위상 연산기(1)로부터의 전류 위상 β _i를 입력으로 하고, 토크 보정 계수 k₁을 곱셈기(3a)에 출력한다.

곱셈기(3a)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과 토크 보정기(2)로부터의 토크 보정 계수 k₁을 입력으로 하고, 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다.

다음에, 이 실시 형태 1에 의한 제어 장치의 주요부 동작에 대해 설명한다. d/q축 전류 지령 생성기(9)는 원래, 영구자석 동기 전동기(18)의 토크 제어를 실현하기 위해 마련하고 있지만, 고속 운전 시의 전압 포화의 발생을 억제하여 안정된 운전을 실현하기 위해, 약한 계자 제어를 행할 필요가 발생한다.

이 때문에, 도 2에 나타내는 바와 같이, d축 전류 수정량 Δi_d ^* 및 q축 전류 수정량 Δi_q ^*를 공급하고, d/q축 전류 지령 생성기(9)가 출력하는 d축 전류 지령 i_d ^* 및 q축 전류 지령 i_q ^*를 수정하는 구성이 채용되고 있다. 그러면, 특히 IPM 모터에서는 발생 토크가 크게 변화해 버려, 토크 제어의 정밀도가 저하한다. 이것들은 상기하였다.

그래서 이 실시 형태 1에서는 정밀도가 좋은 토크 제어를 실현하기 위해, 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*을, 직접 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 공급하는 것이 아니라, 수정된 후의 d축과 q축의 각 전류 지령(d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd, q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd)의 전류 위상 β _i를 이용하여, 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*에 수정을 가하고, 그것을 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 주도록 하고 있다.

즉, 전류 위상 연산기(1)는 감산기(10)가 출력하는 d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd와 감산기(11)가 출력하는 q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd를 다음의 식 (4)에 적용하여 전류 위상 β _i를 연산하고, 그것을 토크 보정기(2)에 출력한다.

[식 4]

토크 보정기(2)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과 전류 위상 연산기(1)로부터의 전류 위상 β _i에 기초하여 토크 보정 계수 k₁을 생성하고, 그것을 곱셈기(3a)의 일방의 입력 단자에 출력한다. 또한, 토크 보정 계수 k₁은 미리 실험을 행하여 구할 수 있으므로, 메모리에 테이블 데이터로서 홀딩해 둘 수 있다. 이 실시 형태 1에서는 이 방법을 이용하고 있다.

도 3은 도 1에 나타내는 토크 보정 계수 k₁의 테이블 데이터의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에서는 횡축이 토크 지령 T_m ^*[%]이고, 종축이 토크 보정 계수 k₁이다. 전류 위상 β _i[˚]의 값에 따른 몇 개의 특성 곡선(도 3에서는 β _i=60[˚], β _i=50[˚], β _i=40[˚], β _i=30[˚], β _i=15[˚], β _i=0[˚]의 6개)가 나타나 있다. 이러한 특성 곡선은 토크 지령 T_m ^*과 전류 위상 β _i의 각 값을 입력하고, 필요에 따라서 보간(補間) 등을 실시하여 작성한 것이다.

토크 보정기(2)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과 전류 지령 생성기(1)로부터의 전류 위상 β _i의 각 값을 어드레스 정보로서, 도 3에 나타내는 테이블 데이터를 홀딩하는 메모리에 입력하고, 종축에 취해진 토크 보정 계수 k₁을 취출하고, 그것을 곱셈기(3a)에 출력하도록 구성된다. 물론, 토크 보정기(2)는 도 3에 나타내는 테이블 데이터를 함수의 형태에서 홀딩하고, 연산에 의해 토크 보정 계수 k₁을 도출해도 좋다.

곱셈기(3a)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과 토크 보정기(2)로부터의 토크 보정 계수 k₁을 곱셈하고, 그 곱셈 결과를 토크 수정 지령 T_m ^*cmd로서 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다.

이와 같이, 추가한 보정 회로(전류 위상 연산기(1), 토크 보정기(2), 곱셈기 3a)에서의 연산량은 적기 때문에, 제품 CPU에 주는 부담의 증가는 적다고 말할 수 있다.

이 실시 형태 1에서, d/q축 전류 지령 생성기(9)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^* 대신에, 수정된 토크 수정 지령 T_m ^*cmd로부터 d축 전류 지령 i_d ^* 및 q축 전류 지령 i_q ^*를 생성한다. 이로 인해, 예를 들어 도 4에 나타내는 운전 특성이 얻어진다.

도 4는 실시 형태 1을 IPM 모터에 적용한 경우의 운전 특성을 종래예와 비교하여 나타내는 특성도이다. 도 4에서는 IPM 모터에 대해, 실시 형태 1(도 1)를 적용한 경우 고속 운전, 중속 운전, 저속 운전의 각 운전 특성과 종래예(도 2)를 적용한 경우 고속 운전, 중속 운전, 저속 운전의 각 운전 특성이 나타나 있다.

도 4에서는 횡축이 토크 지령[%]이고, 종축이 토크 오차(정밀도)[%]이다. 도 4에 나타내는 각 운전 특성은 횡축에 취한 토크 지령의 크기에 대해, 실제로 출력된 토크의 값과의 차를 토크 오차로 정의하여 플롯한 것이다. 토크 오차가 제로 때에, 영구자석 동기 전동기(18)에서는 토크 지령 그대로의 출력이 행해지고 있어서 가장 토크 제어 정밀도가 좋은 것으로 한다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 종래예(도 2)에서는 고속 운전을 한 경우에 토크 제어의 정밀도가 저하한다. 이것에 대해 실시 형태 1(도 1)에서는 고속 운전을 한 경우에도 정밀도가 좋은 토크 제어가 행해진다는 것을 알 수 있다. 또, 저속 운전이나 중속 운전에 있어서도, 실시 형태 1(도 1)에서는 토크 제어의 정밀도를 개선할 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 실시 형태 1에 의하면, 외부로부터 입력되는 토크 지령 T_m ^*을, 직접 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 공급하는 것이 아니라, 추가한 보정 회로에 입력한다. 추가한 보정 회로는 적은 연산량으로, 수정된 후의 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령의 전류 위상 β _i를 이용하여 토크 보정 계수 k₁을 유도하고, 그 토크 보정 계수 k₁을 이용하여 토크 지령 T_m ^*을 수정하여 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 주도록 했다.

이로 인해, d/q축 전류 지령 생성기(9)는 실제의 운전 상태를 반영하는 형태에서 d축과 q축의 각 전류 지령을 생성할 수 있으므로, 영구자석 동기 전동기(18)가 SPM 모터인지 IPM 모터인지 상관없이, 저속 운전 시나 중속 운전 시뿐만 아니라 고속 운전 시에 있어서도, 적절한 d축과 q축의 각 전류 지령을 생성할 수 있게 된다. 따라서 제품 CPU로의 부담을 크게 하는 일 없이, 전체 운전 영역에 있어서 정밀도가 좋은 토크 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 실시 형태 1에서는 영구자석 동기 전동기(18)에 실제로 흐르고 있는 d축 전류 i_d 및 q축 전류 i_q를 식 (3)에 적용하여 구한 토크값에, 토크 보정 계수 k₁의 역수를 곱하는 것에 의해, 실제로 발생하고 있는 토크의 값을 정밀도 좋게 추정하는 것이 가능하게 된다고 하는 이점도 얻어진다.

실시 형태 2.

도 5는 본 발명의 실시 형태 1에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다. 또한, 도 5에서는 도 1(실시 형태 1)에 나타낸 구성 요소와 동일하거나 또는 동등한 구성 요소에는 동일한 부호가 첨부되어 있다. 여기서는 이 실시 형태 2에 관한 부분을 중심으로 설명한다.

도 5에 나타내는 실시 형태 2에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부(토크 보정 회로)는 도 1(실시 형태 1)에 나타낸 구성에 있어서, 토크 보정기(2)와 곱셈기(3a) 대신에 토크 보정기(4)가 마련되어 있다. 이 구성에 의하면, 곱셈기를 불필요하게 할 수 있으므로, 전체의 연산량을 더욱 줄일 수 있고, 제품 CPU에 주는 부담을 더욱 경감할 수 있다.

토크 보정기(4)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과 전류 위상 연산기(1)로부터의 전류 위상 β _i에 기초하여 직접 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 생성하고, 그것을 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다. 또한, 토크 수정 지령 T_m ^*cmd는 미리 실험을 행하여 구할 수 있으므로, 메모리에 테이블 데이터로서 홀딩해 둘 수 있다. 이 실시 형태 2에서는 이 방법을 이용하고 있다.

도 6은 도 5에 나타내는 토크 수정 지령 T_m ^*cmd의 테이블 데이터의 일례를 나타내는 도면이다. 도 6에서는 횡축이 토크 지령 T_m ^*[%]이고, 종축이 토크 수정 지령 T_m ^*cmd[%]이다. 전류 위상 β _i[˚]의 값에 따른 몇 개의 특성 곡선(도 6에서는 β _i=60[˚], β _i=50[˚], β _i=40[˚], β _i=30[˚], β _i=15[˚], β _i=0[˚]의 6개)가 나타나 있다. 이러한 특성 곡선은 토크 지령 T_m ^*과 전류 위상 β _i의 각 값을 입력하고, 필요에 따라서 보간 등을 실시하여 작성한 것이다.

토크 보정기(4)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과 전류 지령 생성기(1)로부터의 전류 위상 β _i의 각 값을 어드레스 정보로서, 도 6에 나타내는 테이블 데이터를 홀딩하는 메모리에 입력하고, 종축에 취한 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 취출하고, 그것을 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력하도록 구성된다. 물론, 토크 보정기(4)는 도 6에 나타내는 테이블 데이터를 함수의 형태에서 홀딩하고, 연산에 의해 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 도출해도 좋다.

이상 설명한 바와 같이 실시 형태 2에 의하면, 실시 형태 1과 동일한 작용ㆍ효과가 얻어지는 것에 추가하여, 토크 보정 계수 k₁을 구하지 않고, 직접 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 구하도록 하고 있으므로, 전체의 연산량을 더욱 줄일 수 있고, 제품 CPU에 주는 부담을 실시 형태 1보다 경감할 수 있다.

실시 형태 3.

도 7은 본 발명의 실시 형태 3에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다. 또한, 도 7에서는 도 1(실시 형태 1)에 나타낸 구성 요소와 동일하거나 또는 동등한 구성 요소에는 동일한 부호가 첨부되어 있다. 여기서는 이 실시 형태 3에 관한 부분을 중심으로 설명한다.

도 7에 나타내는 이 실시 형태 3에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부(토크 보정 회로)는 도 1(실시 형태 1)에 나타낸 구성에 있어서, 전류 진폭 변화율 연산기(5)가 추가되고, 곱셈기(3a) 대신에 곱셈기(3b)가 마련되어 있다.

전류 진폭 변화율 연산기(5)는 d축 전류 지령 i_d ^*, q축 전류 지령 i_q ^*, d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd, q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd를 입력으로 하고, 토크 보정 계수(제2 토크 보정 계수) k₂를 곱셈기(3b)에 출력한다.

곱셈기(3b)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과, 토크 보정기(2)로부터의 토크 보정 계수(제1 토크 보정 계수) k₁과, 전류 진폭 변화율 연산기(5)로부터의 토크 보정 계수(제2 토크 보정 계수) k₂를 입력으로 하고, 토크 수정 지령 T_m ^*cmd를 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다.

다음에, 이 실시 형태 3에 의한 제어 장치의 주요부 동작에 대해 설명한다. 먼저 나타낸 실시 형태 1, 2에서는 수정된 후의 d축과 q축의 각 전류 지령(d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd, q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd)의 전류 위상 β _i를 이용하여, 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*에 수정을 가하는 방법을 나타냈다.

그러나 d축 전류 수정량 Δi_d ^*나 q축 전류 수정량 Δi_q ^*가 공급되는 것에 의해 상기 전류 위상 β _i뿐만 아니라, 당연히 그 전류 진폭도 변화한다. 이 영향으로 토크가 변화해 버려, 토크 제어의 정밀도가 저하하기도 한다.

그래서 이 실시 형태 3에서는 더욱 정밀도가 좋은 토크 제어를 실현하기 위해, d축과 q축의 각 전류 지령의 진폭의 변화율도 이용하여, 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*에 다시 수정을 가하도록 하고 있다.

즉, 전류 진폭 변화율 연산기(5)는 d축 전류 지령 i_d ^*, q축 전류 지령 i_q ^*, d축 전류 수정 지령 i_d ^*cmd, q축 전류 수정 지령 i_q ^*cmd를 다음의 식 (5) 적용하여, 수정 전의 전류 진폭과 수정 후의 전류 진폭의 변화율을 계산하고, 그것을 토크 수정 지령 k₂로서 곱셈기(3b)에 출력한다.

[식 5]

곱셈기(3b)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과, 토크 보정기(2)로부터의 토크 보정 계수 k₁과, 전류 진폭 변화율 연산기(5)로부터의 토크 보정 계수 k₂를 곱셈하고, 그 곱셈 결과를 토크 수정 지령 T_m ^*cmd로서 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다.

이상 설명한 바와 같이 실시 형태 3에 의하면, 수정된 후의 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령의 전류 위상 β _i를 이용하여 토크 보정 계수 k₁을 유도하고, 또한 d축 전류 지령 및 q축 전류 지령의 수정 전후의 전류 진폭의 변화율을 유도하고, 그 양쪽에 의해 토크 지령 T_m ^*을 수정하여 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 주도록 했으므로, 실시 형태 1, 2보다 더욱 정밀도가 좋은 토크 제어를 행하는 것이 가능하게 된다.

실시 형태 4.

도 8은 본 발명의 실시 형태 4에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부 구성을 나타내는 블록도이다. 또한, 도 8에서는 도 7(실시 형태 3)에 나타낸 구성 요소와 동일하거나 또는 동등한 구성 요소에는 동일한 부호가 첨부되어 있다. 여기서는 이 실시 형태 4에 관한 부분을 중심으로 설명한다.

도 8에 나타내는 이 실시 형태 4에 의한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치의 주요부(토크 보정 회로)는 도 7(실시 형태 3)에 나타낸 구성에 있어서, 토크 보정기(2) 대신에 도 5(실시 형태 2)에서 나타낸 토크 보정기(4)가 마련되고, 곱셈기(3b) 대신에 곱셈기(3c)가 마련되어 있다.

토크 보정기(4)는 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*과 전류 위상 연산기(1)로부터의 전류 위상 β _i를 입력으로 하고, 토크 수정 지령(제1 토크 수정 지령) T_m ^*cmd를 출력한다.

곱셈기(3c)는 토크 보정기(4)로부터의 토크 수정 지령(제1 토크 수정 지령) T_m ^*cmd와 전류 진폭 변화율 연산기(5)로부터의 토크 보정 계수 k₂를 입력으로 하고, 토크 수정 지령(제2 토크 수정 지령) T_m ^*cmd2를 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다.

다음에, 이 실시 형태 3에 의한 제어 장치의 주요부 동작에 대해 설명한다. 토크 보정기(4)는 도 5(실시 형태 2)에서 설명한 바와 같이, 전류 위상 연산기(1)로부터의 전류 위상 β _i와 외부로부터의 토크 지령 T_m ^*으로부터 직접 토크 수정 지령(제1 토크 수정 지령) T_m ^*cmd를 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다. 이 구성에 의하면, 실시 형태 2와 동일하게, 제품 CPU에 주는 부담을 경감할 수 있다.

곱셈기(3c)는 토크 보정기(4)로부터의 토크 수정 지령(제1 토크 수정 지령) T_m ^*cmd와, 전류 진폭 변화율 연산기(5)로부터의 토크 보정 계수 k₂를 곱셈하고, 그 곱셈 결과를 토크 수정 지령(제2 토크 수정 지령) T_m ^*cmd2로서 d/q축 전류 지령 생성기(9)에 출력한다.

이상 설명한 바와 같이 실시 형태 4에 의하면, 실시 형태 3의 작용ㆍ효과가 얻어지는 것에 추가하여, 도 7(실시 형태 3에 있어서)에 있어서, 토크 보정 계수 k₁을 구하지 않고, 직접 토크 수정 지령(제1 토크 수정 지령) T_m ^*cmd를 구하도록 하고 있으므로, 전체의 연산량을 줄일 수 있고, 제품 CPU에 주는 부담을 실시 형태 3보다 경감할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 영구자석 동기 전동기의 제어 장치는 제품 CPU로의 부담을 크게 하는 일 없이, 영구자석 동기 전동기가 SPM 모터인지 IPM 모터인지 상관없이, 저속 운전 시나 중속 운전 시뿐만 아니라 고속 운전 시에 있어서도, 정밀도가 좋은 토크 제어가 가능한 영구자석 동기 전동기의 제어 장치로서 유용하다.

1 전류 위상 연산기
2,4 토크 보정기
3a, 3b, 3c 곱셈기
5 전류 진폭 변화율 연산기
9 d/q축 전류 지령 생성기
10, 11, 12, 13 감산기
14 d축 전류 제어기
15 q축 전류 제어기
16 2상 3상 좌표 변환기
17 PWM 인버터
18 영구자석 동기 전동기
19a, 19b, 19c 전류 검출기
20 3상 2상 좌표 변환기
21 속도 검출기
22 계수기
23 적분기

Claims

외부로부터 입력되는 토크(torque) 지령으로부터 d축과 q축의 각 전류 지령을 생성하는 d/q축 전류 지령 생성기와, 상기 d축과 q축의 각 전류 지령과 대응하는 d축과 q축의 각 전류 수정량의 편차인 d축과 q축의 각 전류 수정 지령에, 영구자석 동기 전동기에 실제로 흐르고 있는 d축과 q축의 각 전류가 일치하도록 하는 d축과 q축의 각 전압 지령을 비례 적분 제어에 의해 생성하는 전류 제어기를 구비하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치에 있어서,
상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령의 전류 위상과 상기 토크 지령으로부터 토크 수정 지령을 생성하고, 그 토크 수정 지령을 상기 토크 지령 대신에 상기 d/q축 전류 지령 생성기에 공급하는 토크 보정 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 토크 보정 회로는 상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령으로부터 전류 위상을 연산하는 전류 위상 연산기와,
상기 토크 지령과 상기 전류 위상으로부터 토크 보정 계수를 출력하는 토크 보정기와,
상기 토크 지령과 상기 토크 보정 계수를 곱셈하여 상기 토크 수정 지령을 출력하는 곱셈기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 토크 보정 회로는 상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령으로부터 전류 위상을 연산하는 전류 위상 연산기와,
상기 토크 지령과 상기 전류 위상으로부터 상기 토크 수정 지령을 출력하는 토크 보정기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
외부로부터 입력되는 토크 지령으로부터 d축과 q축의 각 전류 지령을 생성하는 d/q축 전류 지령 생성기와, 상기 d축과 q축의 각 전류 지령과 대응하는 d축과 q축의 각 전류 수정량의 편차인 d축과 q축의 각 전류 수정 지령에, 영구자석 동기 전동기에 실제로 흐르고 있는 d축과 q축의 각 전류가 일치하도록 하는 d축과 q축의 각 전압 지령을 비례 적분 제어에 의해 생성하는 전류 제어기를 구비하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치에 있어서,
상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령의 전류 위상 및 전류 진폭과 상기 토크 지령으로부터 토크 수정 지령을 생성하고, 그 토크 수정 지령을 상기 토크 지령 대신에 상기 d/q축 전류 지령 생성기에 공급하는 토크 보정 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 토크 보정 회로는 상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령으로부터 전류 위상을 연산하는 전류 위상 연산기와,
상기 토크 지령과 상기 전류 위상으로부터 제1 토크 보정 계수를 출력하는 토크 보정기와,
상기 d축과 q축의 각 전류 지령의 진폭과 상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령의 진폭과의 변화율을 연산하여 그것을 제2 토크 보정 계수로서 출력하는 전류 진폭 변화율 연산기와,
상기 토크 지령과 상기 제1 토크 보정 계수와 상기 제2 토크 보정 계수를 곱셈하여 상기 토크 수정 지령을 출력하는 곱셈기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 토크 보정 회로는 상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령으로부터 전류 위상을 연산하는 전류 위상 연산기와,
상기 토크 지령과 상기 전류 위상으로부터 제1 토크 수정 지령을 출력하는 토크 보정기와,
상기 d축과 q축의 각 전류 지령의 진폭과 상기 d축과 q축의 각 전류 수정 지령의 진폭과의 변화율을 연산하여 그것을 토크 보정 계수로서 출력하는 전류 진폭 변화율 연산기와,
상기 토크 지령과 상기 제1 토크 수정 지령과 상기 토크 보정 계수를 곱셈한 제2 토크 수정 지령을 상기 d/q축 전류 지령 생성기에 공급하는 상기 토크 수정 지령으로서 출력하는 곱셈기를 구비하고 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 제어 장치.