KR20120024554A

KR20120024554A - 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치

Info

Publication number: KR20120024554A
Application number: KR1020117024822A
Authority: KR
Inventors: 도시유키 바바; 마사노리 야스에
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2012-03-14
Also published as: WO2010137133A1; EP2437391A1; KR101249156B1; JPWO2010137133A1; CN102414979B; CN102414979A; EP2437391B1; EP2437391A4; JP5335078B2

Abstract

본 발명은 전원 전압이 불안정한 경우여도, 높은 정밀도로 회전자의 초기 자극 위치를 추정할 수 있는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치를 얻는다. 전류 검출 수단(3)에서 검출된 검출 전류치와 소정의 전류 임계치에 기초하여, 추정 수단(13)에서 추정된 초기 자극 위치가 올바른지 잘못되었는지를 판정하는 추정치 정오 판정 수단(15)과, 소정의 전류 임계치를 기억하는 전류 임계치 기억 수단(14)과, 추정치 정오 판정 수단(15)이 추정 수단(13)에서 추정된 초기 자극 위치가 잘못되었다고 판정한 경우에, 소망한 자기 포화가 발생하도록 펄스 전압의 인가 조건을 변경하는 펄스 전압 인가 조건 변경 수단(16)을 구비한다.

Description

동기 전동기의 자극 위치 추정 장치{DEVICE FOR ESTIMATING MAGNETIC POLE POSITION IN SYNCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 엔코더 등의 위치 검출기를 이용하지 않고 동기 전동기의 자극 위치를 추정하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 관한 것이다.

동기 전동기에 있어서, 펄스 전압을 인가했을 때의 자기 포화에 수반하는 전류 피크치의 대소 관계에 의해 전기각 60도의 폭으로 회전자의 초기 자극 위치를 추정하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

따라서, 동기 전동기를 탈조(脫調) 없이 시동시킬 수 있고, 속도 상승 후에 유도 전압에 의한 자극 보정을 실시함으로써 안정된 운전이 가능해지고 있다.

그러나 특허 문헌 1에 기재된 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에서는, 회전자의 초기 자극 위치가 전기각 60도의 폭으로 밖에 추정되지 않는다. 이 때문에, 엘리베이터 등 동기 전동기의 시동 시부터 미묘한 토크 제어나 충분한 가속 토크가 요구되는 용도에서는 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도가 낮다고 하는 문제가 있었다.

그래서 상기 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치가 제안되고 있다.

도 3은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치를 나타내는 블록 구성도이다.

도 3에 있어서, 이 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치는 동기 전동기(51)와 회로 수단(52; 전압 인가 수단)과 전류 검출 수단(53)과 연산 수단(54)을 갖추고 있다.

동기 전동기(51)의 회전자(도시하지 않음)는 영구 자석으로 이루어져 있다. 또한 동기 전동기(51)는 복수의 상을 갖는다. 구체적으로, 동기 전동기(51)는 U상, V상, W상의 3상을 갖는다. 이러한 각 상은 회로 수단(52)에 접속되어 있다. 회로 수단(52)은 연산 수단(54)으로부터의 전압 지령에 근거하고, 동기 전동기(51)의 각 상에 펄스 전압을 인가한다. 이 때, 인가된 전압에 따른 전류가 동기 전동기(51)의 각 상에 흐른다. 전류 검출 수단(53)은 동기 전동기(51)의 각 상에 흐르는 전류를 검출하여 연산 수단(54)에 출력한다. 연산 수단(54)은 전류 검출 수단(53)으로부터의 검출 전류치에 기초하여 회전자의 자극 위치를 연산한다.

상기 제어에 의해, 연산 수단(54)으로부터의 전압 지령에 기초하여 펄스 전압이 인가되는 동기 전동기(51)에 있어서, 회전자의 자극의 위상과 인가 전압의 위상이 서로 동일한 방향의 경우, 인가 전압에 의해 발생하는 전류에 의한 자속과 회전자의 자석 자속도 서로 동일한 방향이 된다. 이 결과, 그러한 자속 합산치가 커져, 전동기 철심에 자기 포화가 발생한다. 그리고 자기 포화 시에는 동기 전동기(51)의 상(相)의 권선 인덕턴스가 작아진다. 이 때문에 동기 전동기(51)의 상에 흐르는 전류의 진폭이 크게 나타난다.

한편, 회전자의 자극의 위상과 인가 전압의 위상이 서로 역방향의 경우, 인가 전압에 의해 발생하는 전류에 의한 자속과 회전자의 자석 자속도 서로 역방향이 된다. 이 결과, 그러한 자속 합산치가 작아져, 전동기 철심에 자기 포화는 생기지 않는다. 그리고 비자기 포화 시에는 동기 전동기(51)의 상의 권선 인덕턴스가 커진다. 이 때문에, 동기 전동기(51)의 상에 흐르는 전류의 진폭이 작게 나타난다.

즉, 회전자의 자극의 위상과 인가 전압의 위상의 관계에 의해, 전동기 철심의 자기 포화의 정도가 달라, 동기 전동기(51)의 상에 흐르는 전류의 진폭이 다르다.

종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치는 이 현상을 이용하여 회전자의 초기 자극 위치를 추정하고 있다.

또한 도 3에 있어서, 연산 수단(54)은 기억 수단(61)과 전압 제어 수단(62)과 추정 수단(63)을 가지고 있다.

기억 수단(61)은 360도를 균등 분할한 위상 차이를 가지는 동(同) 진폭의 복수의 전압 지령 벡터를 기억한다.

전압 제어 수단(62)은 회전자의 회전 시동 시 회로 수단(52)에 전압 지령 벡터를 변환한 전압 지령에 기초하여, 동기 전동기(51)의 각 상에 복수의 자극 위치 추정용의 펄스 전압을 순차적으로 전환하여 인가시킨다. 이 때, 전압 제어 수단(62)은 회로 수단(52)에 전압 지령을 출력함과 더불어, 이 전압 지령에 동기한 트리거 신호를 전류 검출 수단(53)에 출력한다. 이에 의해, 전류 검출 수단(53)은 펄스 전압에 동기하여 동기 전동기(51)의 각 상에 흐르는 펄스 전류를 검출한다.

추정 수단(63)은 펄스 전류의 진폭에 기초하여 전류 벡터를 연산한다. 그 후, 추정 수단(63)은 복수의 전압 지령 벡터의 각각에 대응하는 복수의 전류 벡터를 평균한 평균 벡터의 위상에 기초하여 회전자의 초기 자극 위치를 추정한다.

이어서, 도 4~9를 참조하여, 회전자의 초기 자극 위치의 추정 방법을 구체적인 예를 들어 자세히 설명한다.

도 4는 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 회로 수단(52)이 인가하는 펄스 전압을 나타내는 설명도이다. 도 4에는 전압 지령 벡터 V1~V6가 나타나 있다.

도 4에 있어서, 이러한 전압 지령 벡터는, 360도를 균등하게 6 분할한 위상 차이를 가지고 있다. 구체적으로, 전압 지령 벡터 V1, V3, V5는 각각 동기 전동기(51)의 U상, V상, W상의 위상에 맞도록 설정되어 있다. 또한 전압 지령 벡터 V2, V4, V6는 이러한 상 중 인접하는 상 사이의 중간 위상에 맞도록 설정되어 있다. 그리고 이러한 전압 지령 벡터에 따른 펄스 전압이 동기 전동기(51)의 각 상에 인가된다.

도 5는 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 전류 검출 수단(53)에 의해 검출된 상전류 응답 파형을 나타내는 설명도이다.

도 5에 있어서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 전류치를 나타내고 있다. 또한 도 5에는 동기 전동기(51)의 U상에 흐르는 전류치 I_u(파선 참조) 및 V상에 흐르는 전류치 I_ｖ(실선 참조)가 나타나 있다. 또한 펄스 전압의 온(ON) 시간은, 자기 포화가 가능한 전류가 되도록 개개의 전동기에 대해 설정된다. 도 5에서는 펄스 전압의 온 시간이 400μsec로 설정된 경우를 나타내고 있다.

또한 인접하는 펄스 전압 간의 오프 시간은, 인접 펄스 전압 간의 전류 파형이 중복하지 않는 범위에서 임의로 설정된다. 또 펄스 전압의 전환 시의 제로 전압은 동기 전동기(51)의 각 상의 스위칭 소자의 전체 게이트를 오프함으로써 발생시킨다. 도 5에서는 인접하는 펄스 전압 간의 오프 시간이 2.4msec로 설정된 경우를 나타내고 있다.

게다가 회전자의 초기 자극 위치의 추정 시간은 소정의 요건을 충족하도록 설정된다. 예를 들어, 동기 전동기(51)가 엘리베이터에 이용되는 경우에는, 회전자의 초기 자극 위치의 추정이 브레이크 개방 전에 종료하도록 추정 시간이 설정된다. 구체적으로, 도 5에서는 회전자의 초기 자극 위치의 추정 시간이 20msec로 설정된 경우를 나타내고 있다.

여기서, 전압 지령 벡터 V1에 대응하는 전류는 약 0.003sec의 시점에서 소정의 극성 및 피크치를 가진 파형으로서 나타난다. 마찬가지로, 전압 지령 벡터 V2~V6의 각각에 대응하는 전류도, 소정의 시점에서 소정의 극성 및 피크치를 가진 파형으로서 나타난다.

도 6은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 있어서의 α상 전류 응답 파형을 나타내는 설명도이다. 또 도 7은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 있어서의 β상 전류 응답 파형을 나타내는 설명도이다.

도 6, 7에 있어서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 전류치를 나타내고 있다.

또한 도 6에는 동기 전동기(51)의 U상에 흐르는 전류치 I_u 및 V상에 흐르는 전류치 I_ｖ로부터,α－β좌표계(고정 좌표계)에 변환된 전류치 I_α가 나타나고 있다. 또 도 7에는 동기 전동기(51)의 U상에 흐르는 전류치 I_u 및 V상에 흐르는 전류치 I_ｖ로부터,α－β좌표계(고정 좌표계)에 변환된 전류치 I_β가 나타나고 있다.

도 6, 7에 나타낸 바와 같이, 전류치 I_α, I_β는 전류치 I_u, I_ｖ와 동 시점에 피크치를 가진 값으로 나타나게 된다. 이 피크치가 펄스 전압을 인가했을 때의 전류의 진폭으로서 검출된다.

도 8은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 추정 수단(63)에 의해 연산된 전류 벡터의 궤적을 나타내는 설명도이다.

도 8에 있어서, 가로축은 전류치 I_α를 나타내고, 세로축은 전류치 I_β를 나타내고 있다. 여기서, 각 펄스 전압에 대응하는 전류 벡터의 선단은 사각으로 나타난다. 또한 이러한 전류 벡터의 적산치, 즉, 평균 벡터의 선단은 삼각으로 나타난다. 도 8에서는 d－q좌표계(모터 좌표계)의 d축 방향에 있는 전류 벡터가 신장하고, 평균 벡터도 d축의 방향을 나타낸다.

도 9는 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 의한 자극 추정치의 수속 연산을 설명하기 위한 설명도이다.

도 9에 있어서, 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 전류치 I_u 및 초기 자극 위치의 추정치를 나타내고 있다. 또한 도 9에서는 전류치 I_u와 평균 벡터의 위상θ*의 수속 연산 결과가 나타나고 있다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 0.022sec 이후, 60도 크기의 값으로, 평균 벡터의 위상이 수속하고 있는 것을 알 수 있다. 또한 수속 연산 시간은 수속 상태를 확인한 다음 임의의 시간으로 설정된다.

다음으로, 도 10의 플로차트를 참조하여, 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 동작에 대해 설명한다. 도 10에는, 도 3~9의 일련의 동작이 나타나고 있다. 또한 스텝 S71의 동작 주체는 회로 수단(52)이고, 스텝 S72의 동작 주체는 전류 검출 수단(53)이며, 스텝 S73~S77의 동작 주체는 추정 수단(63)이다.

우선, 자극 위치 추정용의 펄스 전압이 동기 전동기(51)의 각 상에 인가된다(스텝 S71).

이어서, 동기 전동기(51)의 U상에 흐르는 전류치 I_u 및 V상에 흐르는 전류치 I_ｖ가 검출된다(스텝 S72).

다음으로, 전류치 I_u 및 전류치 I_ｖ가 α－β좌표계의 전류치 I_α 및 전류치 I_β로 변환된다(스텝 S73).

이어서, 전류치 I_α및 전류치 I_β 각각의 최대치 I_Nα및 최대치 I_Nβ가 검출된다(스텝 S74).

다음으로, 6 펄스의 펄스 전압 모두가 동기 전동기(51)의 각 상에 인가되었는지 여부가 판정된다(스텝 S75).

스텝 S75에 있어서, 6 펄스의 펄스 전압 모두가 동기 전동기(51)의 각 상에 인가되어 있지 않다(즉, No)고 판정된 경우에는, 스텝 S71로 이행한다.

한편, 스텝 S75에 있어서, 6 펄스의 펄스 전압 모두가 동기 전동기(51)의 각 상에 인가되었다(즉, Yes)고 판정된 경우에는, 전류치 I_α및 전류치 I_β의 각각의 최대치 I_Nα및 최대치 I_Nβ의 전류 적산치 I₀(I₀ _α, I₀ _β)가 연산된다(스텝 S76).

이어서, 회전자의 초기 자극 위치의 추정치가 수속 연산에 의해 구해지고(스텝 S77), 도 10의 처리가 종료된다.

이와 같이, 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 의하면, 복수의 전압 지령 벡터의 각각에 대응하는 복수의 전류 벡터를 평균한 평균 벡터의 위상에 기초하여, 회전자의 초기 자극 위치가 추정된다. 이 때문에, 전기각 60도의 폭보다 높은 정밀도로 회전자의 초기 자극 위치를 추정할 수 있다.

　　[특허 문헌 1] 특허 제3663937호 공보

그러나 종래 기술에는 다음과 같은 과제가 있다.

앞서 말한 것처럼, 펄스 전류의 온 시간은 자기 포화가 가능한 전류가 되도록, 개개의 전동기에 대해 설정되어 있고, 추정 수단(63)으로 얻을 수 있는 추정 결과는 높은 정밀도로 회전자의 초기 자극 위치를 추정할 수 있다.

한편, 전류가 작고 자기 포화가 충분하지 않은 경우에는, 각 전압 지령 벡터 V1~V6에 대응한 펄스 전류의 피크치에 의한 d축 방향의 전류 벡터의 신장이, 도 8에 나타낸 것만큼 현저하지 않게 되어, 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도가 저하된다는 문제가 있다.

여기서, 예를 들어, 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 있어서, 모선 전압이 일정한 조건으로, 펄스 전압의 온 시간을 변화시켰을 경우의 전류 벡터의 궤적을 도 11에 나타낸다.

도 11(a)는 펄스 전압의 온 시간이 기준 시간 t인 경우의 전류 벡터의 궤적을 나타내고 있다. 또한 도 11(b)는 펄스 전압의 온 시간이 0.75t인 경우의 전류 벡터의 궤적을 나타내고 있다. 또 도 11(c)은 펄스 전압의 온 시간이 0.5t인 경우의 전류 벡터의 궤적을 나타내고 있다.

도 11(a) 및 (b)에서는 d축 방향에 있는 전류 벡터의 신장이 현저하고, 평균 벡터의 절대치도 큰 값이므로, 높은 정밀도로 회전자의 초기 자극 위치를 추정할 수 있다.

이에 비해, 도 11(c)에서는 d축 방향에 있는 전류 벡터의 신장이 거의 없고, 6 펄스의 펄스 전압에 대응하는 전류 벡터가 거의 원형의 궤적이 되어, 평균 벡터의 절대치도 작은 값이 된다. 따라서, 회전자의 초기 자극 위치의 검출이 곤란하게 되어, 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도가 저하한다.

이와 같이, 자기 포화에 충분한 전류를 얻을 수 없는 경우에는, 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도가 저하된다.

이와 같은, 자기 포화에 충분한 전류를 얻을 수 없는 경우의 조건으로서 전원 전압이 불안정하다는 것을 생각할 수 있다. 전원 전압이 불안정한 상황에서는, 직류 모선 전압이 저하하고, 펄스 전압(진폭)치 자신이 통상시의 값보다 작아지는 것을 생각할 수 있다. 펄스 전압치 자신이 작아지면, 개개의 전동기에 대해 설정된 펄스 전압의 온 시간이 일정하므로, 자기 포화에 충분한 전류를 얻지 못하고, 추정 정밀도가 저하된다.

이에 의해, 전동기의 시동이 적절히 되지 않고, 일시적인 역회전이 발생할 가능성이나 기동 실패가 발생할 가능성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 전원 전압이 불안정한 경우여도, 높은 정밀도로 회전자의 초기 자극 위치를 추정할 수 있는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명과 관련된 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치는, 전압 지령에 기초하고, 동기 전동기의 각 상에 전압을 인가하는 전압 인가 수단과, 인가된 전압에 따라 동기 전동기의 각 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단과, 360도를 균등 분할한 위상 차이를 가지는 동진폭의 복수의 전압 지령 벡터를 기억하는 기억 수단과, 전압 인가 수단에, 전압 지령 벡터를 변환한 전압 지령에 기초하여, 동기 전동기의 각 상에 복수의 자극 위치 추정용의 펄스 전압을 순차적으로 전환하여 인가시키는 전압 제어 수단과, 복수의 자극 위치 추정용 펄스 전압에 동기 해 동기 전동기의 각 상에 흐르는 전류의 진폭에 기초하여 복수의 전류 벡터를 연산함과 더불어, 복수의 전압 지령 벡터의 각각에 대응하는 복수의 전류 벡터를 평균한 평균 벡터의 위상에 기초하여, 동기 전동기의 회전자의 초기 자극 위치를 추정하는 추정 수단을 구비한 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치로서, 전류 검출 수단에서 검출된 검출 전류치와 소정의 전류 임계치에 기초하여, 추정 수단에서 추정된 초기 자극 위치가 올바른지 잘못되었는지를 판정하는 추정치 정오 판정 수단과, 소정의 전류 임계치를 기억하는 전류 임계치 기억 수단과, 추정치 정오 판정 수단이 추정 수단으로 추정된 초기 자극 위치가 잘못되었다고 판정한 경우, 소망한 자기 포화가 발생하도록 펄스 전압의 인가 조건을 변경하는 펄스 전압 인가 조건 변경 수단을 한층 더 구비한 것이다.

본 발명에 관한 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 의하면, 추정치 정오 판정 수단은 전류 검출 수단에서 검출된 검출 전류치와 소정의 전류 임계치에 기초하여, 추정 수단에서 추정된 초기 자극 위치가 올바른지 잘못되었는지를 판정한다. 또 전류 임계치 기억 수단은 소정의 전류 임계치를 기억한다. 또한 펄스 전압 인가 조건 변경 수단은, 추정치 정오 판정 수단이 추정 수단에서 추정된 초기 자극 위치가 잘못되었다고 판정한 경우 소망한 자기 포화가 발생하도록 펄스 전압의 인가 조건을 변경한다.

이 때문에, 전원 전압이 불안정한 경우라도 높은 정밀도로 회전자의 초기 자극 위치를 추정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치를 나타내는 블록 구성도이다.(실시예 1)
도 2는 본 발명의 실시 형태 1에 관한 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 동작을 나타내는 플로차트이다.(실시예 1)
도 3은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치를 나타내는 블록 구성도이다.
도 4는 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 회로 수단이 인가하는 펄스 전압을 나타내는 설명도이다.
도 5는 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 전류 검출 수단에 의해 검출된 상전류 응답 파형을 나타내는 설명도이다.
도 6은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 있어서의 α상 전류 응답 파형을 나타내는 설명도이다.
도 7은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 있어서의 β상 전류 응답 파형을 나타내는 설명도이다.
도 8은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 추정 수단에 의해 연산된 전류 벡터의 궤적을 나타내는 설명도이다.
도 9는 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 의한 자극 추정치의 수속 연산을 나타내는 설명도이다.
도 10은 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 동작을 나타내는 플로차트이다.
도 11 (a)~(c)는, 종래의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치에 있어서, 모선 전압이 일정한 조건으로, 펄스 전압의 온 시간을 변화시켰을 경우의 전류 벡터의 궤적을 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명의 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 바람직한 실시 형태에 대해 도면을 이용해 설명하지만, 각 도면에 대해 동일 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일 부호를 교부해 설명한다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 관한 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치를 나타내는 블록 구성도이다.

도 1에 있어서, 이 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치는, 동기 전동기(1), 회로 수단(2), 전류 검출 수단(3), 연산 수단(4)을 구비하고 있다. 또한 동기 전동기(1), 회로 수단(2) 및 전류 검출 수단(3)은 각각 도 3에 나타낸 동기 전동기(51), 회로 수단(52) 및 전류 검출 수단(53)과 동일한 것이다.

연산 수단(4)은 기억 수단(11), 전압 제어 수단(12), 추정 수단(13), 전류 임계치 기억 수단(14), 추정치 정오 판정 수단(15), 펄스 전압 인가 조건 변경 수단(16)을 가지고 있다. 또한 기억 수단(11), 전압 제어 수단(12) 및 추정 수단(13)은 각각 도 3에 나타낸 기억 수단(61), 전압 제어 수단(62) 및 추정 수단(63)과 동일한 것이다.

추정치 정오 판정 수단(15)은 추정 수단(13)에서 추정된 회전자의 초기 자극 위치에 대해, 오차가 작고 정밀도가 높은지, 또는 오차가 크고 정밀도가 낮은지를 전류 임계치 기억 수단(14)에 기억된 자기 포화 전류 임계치에 기초하여 판정한다.

이하, 상기 구성의 연산 수단(4)의 각 부위의 기능에 대해서 설명하지만, 도 3에 나타낸 종래의 연산 수단(54)과 같은 기능에 대해서는 설명을 생략 한다.

전류 임계치 기억 수단(14)은 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도를 확보하기 위해서 충분한 자기 포화를 얻을 수 있는 펄스 전류 피크치를 자기 포화 전류 임계치로서 기억한다. 여기에서는, 전류 임계치 기억 수단(14)은 U상, V상의 펄스 전류를α－β좌표계로 변환한 α상, β상의 펄스 전류의 피크치를 자기 포화 전류 임계치로서 기억하고 있다.

추정치 정오 판정 수단(15)은 추정 수단(13)으로 연산된 펄스 전류 진폭과 전류 임계치 기억 수단(14)에 기억된 자기 포화 전류 임계치를 비교한다. 또 추정치 정오 판정 수단(15)은, 펄스 전류 진폭이 자기 포화 전류 임계치보다 큰 값인 경우에, 추정 정밀도를 확보하기 위한 충분한 자기 포화가 얻어진 것으로 하고, 추정 수단(13)에서 회전자의 초기 자극 위치의 추정 결과가 올바르다고 판정한다. 한편, 추정치 정오 판정 수단(15)은 펄스 전류 진폭이 자기 포화 전류 임계치보다 작은 값인 경우에, 추정 정밀도를 확보하기 위한 충분한 자기 포화가 얻어지지 않은 것으로 하고, 추정 수단(13)에서 회전자의 초기 자극 위치의 추정 결과를 잘못으로 판정한다.

펄스 전압 인가 조건 변경 수단(16)은, 추정치 정오 판정 수단(15)이 회전자의 초기 자극 위치의 추정 결과를 잘못이라고 판단한 경우에, 자기 포화를 충분히 발생시키는 전류량이 흐르도록 펄스 전류의 온 시간을 개개의 전동기에 대해 미리 설정된 시간보다 길게 설정한다.

다음으로, 도 2의 플로차트를 참조하여, 실시 형태 1에 관한 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 동작에 대해 설명한다. 도 2에는 이 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치의 일련의 동작이 나타나고 있다. 또한 도 2의 스텝 S21~25, 스텝 S28 및 스텝 S29는, 각각 도 10에 나타낸 스텝 S71~77과 동일하므로 설명을 생략한다.

우선, 추정치 정오 판정 수단(15)은 스텝 S25에 있어서, 6 펄스의 펄스 전압 모두가 동기 전동기(51)의 각 상에 인가되었다(즉, Yes)고 판정되었을 경우에, 스텝 S24에 있어서의 검출 결과에 기초하여 자기 포화 판정 전류치를 연산한다(스텝 S26).

구체적으로, 추정치 정오 판정 수단(15)은 스텝 S24로 검출된 전류치 I_α의 최대치 I_Nα의 6 펄스분과 전류치 I_β의 최대치 I_Nβ의 6 펄스분의 합계 12 펄스로부터 그 절대치를 12 펄스분 연산하고, 이 12 펄스 중에서 진폭이 최대인 펄스 전류 피크치를, 자기 포화 판정 전류치로서 추출한다.

이어서, 추정치 정오 판정 수단(15)은 스텝 S26에서 연산된 자기 포화 판정 전류치가 전류 임계치 기억 수단(14)에 기억된 자기 포화 전류 임계치 이상인지 아닌지를 판정한다(스텝 S27).

스텝 S27에 있어서, 자기 포화 판정 전류치가 자기 포화 전류 임계치 이상(즉, Yes)이라고 판정되었을 경우에는, 충분한 자기 포화가 얻어지고 올바른 회전자의 초기 자극 위치의 추정 결과가 얻어지는 것으로 하여, 스텝 S28로 이행한다.

한편, 스텝 S27에 있어서, 자기 포화 판정 전류치가 자기 포화 전류 임계치 이상이 아니라고(즉, No) 판정되었을 경우에는, 충분한 자기 포화가 얻어지지 않고, 올바른 회전자의 초기 자극 위치의 추정 결과가 얻어지지 않는 것으로 하여, 스텝 S30로 이행한다.

이 때, 펄스 전압 인가 조건 변경 수단(16)은, 자기 포화를 충분히 발생시키는 전류량이 흐르도록, 펄스 전류의 온 시간을 개개의 전동기에 대해 미리 설정된 시간보다 길게 설정하고(스텝 S30), 스텝 S21로 이행한다. 예를 들어, 펄스 전압 인가 조건 변경 수단(16)은 연산 주기의 1주기 분의 설정치를 길게 설정한다.

이상과 같이, 실시 형태 1에 의하면, 추정치 정오 판정 수단은 전류 검출 수단에서 검출된 검출 전류치와 소정의 전류 임계치에 기초하여, 추정 수단에서 추정된 초기 자극 위치가 올바른지 잘못되었는지를 판정한다. 또 전류 임계치 기억 수단은 소정의 전류 임계치를 기억한다. 또한 펄스 전압 인가 조건 변경 수단은, 추정치 정오 판정 수단이 추정 수단에서 추정된 초기 자극 위치가 잘못되었다고 판정한 경우에, 소망한 자기 포화가 발생하도록 펄스 전압의 인가 조건을 변경한다.

또한 동기 전동기는 3상을 갖고, 추정 수단은 자극 위치 추정용 펄스 전압에 동기하여 동기 전동기의 3상에 흐르는 전류의 진폭 중 2상에 흐르는 전류의 진폭에 기초하여 전류 벡터를 연산하고, 회전자의 초기 자극 위치를 추정한다. 이 때문에, 통상의 전동기 제어에 이용되는 연산 수단을 유용하여 간편하고 높은 정밀도로 회전자의 초기 자극 위치를 추정할 수 있다. 또 새로운 장치를 필요로 하지 않기 때문에, 자극 위치 추정 장치를 소형화할 수 있다. 여기서, 3상에 흐르는 전류를 검출하여 전류 벡터를 연산하는 것도 물론 가능하다.

게다가 연산 수단은 전압 지령 벡터의 3개의 위상을 동기 전동기의 3상의 위상에 맞추고, 전압 지령 벡터의 다른 3개의 위상을 동기 전동기의 3상 중 인접하는 상 사이의 중간 위상에 맞추도록 설정하고 있다. 이 때문에, 회로 수단으로의 전압 지령을 간소화할 수 있다.

또한 연산 수단은 초기 자극 위치 추정용 펄스 전압의 변경 시의 제로 전압을, 동기 전동기의 각 상의 스위칭 소자의 전체 게이트를 오프함으로써 발생시킨다. 이 때문에, 회전자의 초기 자극 위치의 추정 시간을 단축할 수 있다.

또한, 상기 실시 형태 1에 있어서, 전류 임계치 기억 수단(14)은, 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도를 확보하기 위해서 충분한 자기 포화를 얻을 수 있는 펄스 전류 피크치를, 자기 포화 전류 임계치로서 기억하여, U상, V상의 펄스 전류를 α－β좌표계로 변환한 α상, β상의 펄스 전류의 피크치를, 자기 포화 전류 임계치로서 기억하고 있는 경우를 예로 제시하였다. 그러나 이것으로 한정되지 않고, 다른 값을 자기 포화 전류 임계치로서 기억해도 괜찮다.

구체적으로, 예를 들면 앞서 말한 스텝 S26에 있어서, 6 펄스의 펄스 전압 모두가 동기 전동기(51)의 각 상에 인가되었다고 판정되었을 경우에, 스텝 S26에서 검출된 전류치 I_α의 최대치 I_Nα의 6 펄스 분의 평균치와 전류치 I_β의 최대치 I_Nβ의 6 펄스 분의 평균치를 연산하고, 각각의 절대치와 임계치를 비교해도 괜찮다.

이 때, 전류 임계치 기억 수단(14)은 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도를 확보하기 위해서 충분한 자기 포화를 얻을 수 있는, α－β축의 펄스 전류 피크치 6 펄스 분의 평균치를 자기 포화 전류 임계치로서 기억하고 있다.

앞서 말한 도 11(c)와 같이, 자기 포화가 발생하고 있지 않는 경우에는, 평균 벡터를 α축 또는 β축으로 투영한 값이 0 부근의 값이 된다. 한편, 도 11(a), (b)와 같이, 자기 포화가 발생하고 있는 경우에는, 평균 벡터를 α축 또는 β축으로 투영한 값이 0 부근의 값이 아니고, d축 방향으로 신장 한 방향의 값이 된다.

이와 같은 특징으로부터, 자기 포화의 유무를 판정하고, 회전자의 초기 자극 위치의 추정치의 정오를 판정할 수 있다. 또한 제로점으로부터의 평균 벡터의 크기에 기초하여 자기 포화의 유무를 판정하고, 회전자의 초기 자극 위치의 추정치의 정오를 판정할 수도 있다.

또한 그 밖에도, 앞서 말한 스텝 S26에 있어서, 6 펄스의 펄스 전압 모두가 동기 전동기(51)의 각 상에 인가되었다고 판정되었을 경우에, 스텝 S26에서 검출된 전류치 I_α의 최대치 I_Nα의 6 펄스 분의 최대치와 최소치의 차분치, 또는 전류치 I_β의 최대치 I_Nβ의 6 펄스 분의 최대치와 최소치의 차분치를 임계치와 비교해도 괜찮다.

이 때, 전류 임계치 기억 수단(14)은 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도를 확보하기 위해서 충분한 자기 포화를 얻을 수 있는 α－β축의 펄스 전류 피크치 6 펄스 분의 최대치와 최소치의 차분치를 자기 포화 전류 임계치로서 기억하고 있다.

앞서 말한 도 11(c)와 같이, 자기 포화가 발생하고 있지 않는 경우에는, 전류 벡터의 최대치와 최소치의 차분치는 전류 벡터의 궤적이 거의 원형이므로, 0 부근의 값이 된다. 한편, 도 11(a), (b)와 같이, 자기 포화가 발생하고 있는 경우에는, 전류 벡터의 최대치와 최소치의 차분치가 전류의 신장에 의해 큰 값이 된다.

이와 같은 특징으로부터, 자기 포화의 유무를 판정하고, 회전자의 초기 자극 위치의 추정치의 정오를 판정할 수 있다.

또한 상기 실시 형태 1에 있어서, 전류 임계치 기억 수단(14)은 3상(U, V, W) 전류를 2상(α,β) 전류로 변환한 전류치를, 자기 포화 전류 임계치로서 기억한다고 설명했지만, 이것으로 한정 되지 않고, 3상 전류 그대로 기억해도 괜찮다.

구체적으로, 예를 들면 앞서 말한 스텝 S26에 있어서, 6 펄스의 펄스 전압 모두가 동기 전동기(51)의 각 상에 인가되었다고 판정되었을 경우에, 스텝 S22에 검출된 3상 전류의 전류치 I_u의 최대치 I_Nu의 6 펄스분과, 전류치 I_ｖ의 최대치 I_Nｖ의 6 펄스분과, 전류치 I_w의 최대치 I_Nw의 6 펄스분의 합계 18 펄스 중에서 절대치 진폭이 최대인 펄스 전류치와 임계치를 비교하는 것도 가능하다.

게다가, 자기 포화 판정 전류치가 조금 자기 포화 전류 임계치보다 작고, 또한, 펄스 전압의 온 시간을 더 이상 길게 설정할 수 없는 경우에 있어서, 회전자의 초기 자극 위치의 추정 정밀도가 낮다고 판단되어 동기 전동기(1)를 시동할 수 없을 때에는, 도 2의 플로차트의 스텝 S21~27을 복수회 반복하고, 그 추정치의 평균치를 자극 위치로 판정하여 시동시킴으로써, 전동기의 시동 불가를 극력 회피하는 것을 가능하게 할 수 있다.

이것은 예를 들면 엘리베이터 등의 구출 운전 등에도 적용할 수 있고, 승차감에 대한 영향을 최소한으로 억제하면서 승객 구출이 가능해지므로, 엘리베이터의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한 이것은 자기 포화 판정 전류치와 자기 포화 전류 임계치의 차이가 시동 실패할 정도의 큰 값은 아니라는 것이 실험적으로 알려져 있는 경우에 한정된다.

또한 지금까지 설명한 것을 응용하여, 다음과 같은 것이 가능하다.

직류 모선 전압이 불안정하고 전압이 상승한 경우에는, 개개의 전동기에 대해 설정된 펄스 전압의 온 시간에서는, 펄스 전류가 너무 커진다는 사상(事象)이 발생한다. 펄스 전압이 필요 이상으로 상승하면, 영구 자석의 감자(減磁)가 발생할 가능성이 있으므로, 이것을 회피할 필요가 있다.

따라서, 전류 임계치 기억 수단(14)에 기억되는 자기 포화 전류 임계치에 대해, 펄스 전류의 상한 임계치를 설정함으로써, 전류가 너무 흘렀을 (펄스 전류가 너무 커질) 경우에는, 펄스 전압의 온 시간을 짧게 하여 적절한 시간으로 함으로써, 회전자의 초기 자극 위치의 추정에 적절한 전류로 할 수 있어 전동기의 영구자석의 감자를 방지할 수 있다.

이와 같이, 펄스 전류의 자기 포화 판정용의 임계치와 전동기의 영구자석 감자 회피 판정용의 상한 임계치를 마련하는 것으로, 회전자의 초기 자극 위치의 추정에 최적인 펄스 전압의 온 시간을 설정할 수 있다. 이 때문에, 전동기의 제조 개체 차이에 의해 자기 포화의 용이성이 다른 경우의 대응으로서, 적절한 전류로의 최적화를 자동적으로 실시할 수 있다.

또한 일반적으로, 자기 포화의 용이성은 전동기마다 다르다. 통상, 펄스 전압의 온 시간은 전동기마다 실험적으로 설정할 필요가 있어, 설계자가 전동기마다 튜닝을 실시할 필요가 있지만, 자동으로 튜닝을 실시하는 것이 가능해져, 설계 노력의 절약을 실현할 수 있다.

Claims

전압 지령에 기초하여, 동기 전동기(同期電動機)의 각 상에 전압을 인가하는 전압 인가 수단과,
인가된 전압에 따라 상기 동기 전동기의 각 상에 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출 수단과,
360도를 균등 분할한 위상 차이를 가진 동(同) 진폭의 복수의 전압 지령 벡터를 기억하는 기억 수단과,
상기 전압 인가 수단에, 상기 전압 지령 벡터를 변환한 전압 지령에 기초하여, 상기 동기 전동기의 각 상에 복수의 자극 위치 추정용 펄스 전압을, 순차적으로 전환하여 인가시키는 전압 제어 수단과,
상기 복수의 자극 위치 추정용 펄스 전압에 동기하고 상기 동기 전동기의 각 상에 흐르는 전류의 진폭에 기초하여 복수의 전류 벡터를 연산하는 것과 더불어, 상기 복수의 전압 지령 벡터의 각각에 대응하는 상기 복수의 전류 벡터를 평균한 평균 벡터의 위상에 기초하여, 상기 동기 전동기의 회전자의 초기 자극 위치를 추정하는 추정 수단을 구비한 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치로서,
상기 전류 검출 수단에서 검출된 검출 전류치와 소정의 전류 임계치에 기초하여, 상기 추정 수단에서 추정된 상기 초기 자극 위치가 올바른지 잘못되었는지를 판정하는 추정치 정오 판정 수단과,
상기 소정의 전류 임계치를 기억하는 전류 임계치 기억 수단과,
상기 추정치 정오 판정 수단이 상기 추정 수단에서 추정된 상기 초기 자극 위치가 잘못되었다고 판정한 경우에, 소망한 자기 포화가 발생하도록 상기 펄스 전압의 인가 조건을 변경하는 펄스 전압 인가 조건 변경 수단을 더 구비하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 펄스 전압 인가 조건 변경 수단은 상기 펄스 전압의 온(ON) 시간을 가변 설정하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 전류 임계치 기억 수단은 U상, V상의 펄스 전류를 α－β좌표계로 변환한 α상, β상의 펄스 전류의 피크치를, 상기 소정의 전류 임계치로서 기억하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 전류 임계치 기억 수단은 α－β축의 펄스 전류 피크치 6 펄스분의 평균치를, 상기 소정의 전류 임계치로서 기억하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 전류 임계치 기억 수단은 α－β축의 펄스 전류 피크치 6 펄스분의 최대치와 최소치의 차분치를, 상기 소정의 전류 임계치로서 기억하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 전류 임계치 기억 수단은 3상 전류의 전류치의 피크 전류치를, 상기 소정의 전류 임계치로서 기억하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추정 수단은 상기 초기 자극 위치의 추정을 복수회 반복하여 실행하고, 그 추정치의 평균치를 상기 초기 자극 위치로 하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전류 임계치 기억 수단은 상기 소정의 전류 임계치에 대해, 상한 임계치 및 하한 임계치를 설정하는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서,
상기 동기 전동기는 3상을 가지고,
상기 추정 수단은 상기 자극 위치 추정용 펄스 전압에 동기하여, 상기 3상에 흐르는 전류의 진폭 중 2상에 흐르는 전류의 진폭에 기초하여, 좌표변환에 의해 상기 전류 벡터를 연산하는 동기 전동기의 자극 추정 장치.
청구항 9에 있어서,
상기 기억 수단은 360도를 균등하게 6 분할한 위상 차이를 가진 동 진폭의 복수의 전압 지령 벡터를 기억하고,
상기 전압 제어 수단은 상기 전압 지령 벡터의 3개의 위상을 상기 3상의 위상에 맞추고, 상기 전압 지령 벡터의 다른 3개의 위상을 상기 3상 중 인접하는 상 사이의 중간 위상에 맞추는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.
청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전압 제어 수단은 상기 자극 위치 추정용 펄스 전압의 전환 시에, 상기 각 상의 스위칭 소자의 전체 게이트를 오프하여 제로 전압을 발생시키는 동기 전동기의 자극 위치 추정 장치.