KR20140066196A

KR20140066196A - 전동기의 벡터 제어 장치, 전동기, 차량 구동 시스템 및 전동기의 벡터 제어 방법

Info

Publication number: KR20140066196A
Application number: KR1020147007652A
Authority: KR
Inventors: 료 요코즈츠미; 유루키 오카다; 히사노리 야마사키; 쇼 가토
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-05-30
Also published as: EP2763311A4; IN2014CN02926A; US9246428B2; MX2014003619A; EP2763311B1; EP2763311A1; CA2850294C; KR101565267B1; WO2013046461A1; JP5503810B2; US20140232307A1; CN103828223A; BR112014007114A2; CN103828223B; CA2850294A1; JPWO2013046461A1

Abstract

직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 교류 전동기(1)에 교류 전력을 공급하는 전력 변환기(2)를 제어하는 벡터 제어 장치로서, 토크 지령 및 자속 지령에 기초하여 벡터 제어에 의해 전력 변환기(2)가 출력해야 할 출력 전압을 연산하고, 출력 전압에 기초하여 상기 전력 변환기를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 벡터 제어부(3)와, 비동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제1 자속 지령 생성부(11a)와, 동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제2 자속 지령 생성부(11b)를 구비하고, 전력 변환기(2)의 출력 주파수가 소정치 미만인 경우에는 제1 자속 지령 생성부(11a)에 의해 생성된 자속 지령을 벡터 제어부(3)로 입력하고, 전력 변환기(2)의 출력 주파수가 소정치 이상인 경우에는 제2 자속 지령 생성부(11b)에 의해 생성된 자속 지령을 벡터 제어부(3)로 입력한다.

Description

전동기의 벡터 제어 장치, 전동기, 차량 구동 시스템 및 전동기의 벡터 제어 방법{VECTOR CONTROL DEVICE FOR ELECTRIC MOTOR, ELECTRIC MOTOR, VEHICLE DRIVE SYSTEM, AND VECTOR CONTROL METHOD FOR ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 전동기의 벡터 제어 장치, 전동기, 차량 구동 시스템 및 전동기의 벡터 제어 방법에 관한 것이다.

인버터를 이용하여 전동기를 벡터 제어하는 기술이 넓게 이용되고 있다(예를 들어, 하기 특허 문헌 1 참조). 이 전동기의 벡터 제어는, 회전 좌표계에 있어서 자속(磁束) 성분과 토크 성분으로 나누어 관리, 제어하는 기술로서, 근년의 전기차의 제어에 있어서도 이용되고 있다.

전기차의 구동용 인버터에서는, 저속 영역(低速域)에 있어서는, 캐리어 주파수가 교류 출력 전압 지령의 주파수에 의존하고 있지 않은 비동기 PWM 모드가 이용된다. 그 후, 비동기 PWM 제어에 의한 변조율의 상한을 넘으면 캐리어 주파수가 교류 전압 지령의 주파수의 정수배인 동기 PWM 모드(예를 들면, 동기 3 펄스 모드)가 이용되고, 출력 전압이 포화되어 최대치로 고정되는 고속 영역(高速域)에서는 1 펄스 모드가 이용된다.

[특허 문헌 1] 일본국 특허 제4065903호 공보

그렇지만, 상기 종래의 기술에 의하면, 비동기 PWM 모드에서는 예를 들면 일정 자속 지령 제어를 이용함으로써 출력 전압을 올려 가는 제어가 행해지고, 비동기 PWM 모드의 변조율의 상한을 넘으면 동기 PWM 모드로 전환한다. 한편, 동기 PWM 모드(특히 1 펄스 모드)에서는, 비동기 PWM 모드에 비해, 리플에 의한 고조파(高調波) 손실이 커진다. 따라서 동기 PWM 모드의 영역을 줄이고 비동기 PWM 모드의 영역을 늘릴 수 있으면 리플에 의한 고조파 손실을 저감시킬 수 있지만, 종래의 기술에서는, 상술과 같이 비동기 PWM 모드에서는 일정 자속 지령 제어에 의해 출력 전압을 올리고, 변조율이 상한이 되면 동기 PWM 모드로 전환하고 있기 때문에, 비동기 PWM 모드의 운전 영역이 한정되어 있다. 이 때문에, 리플에 의한 고조파 손실을 저감시킬 수 없다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 고조파 손실을 저감시킬 수 있는 전동기의 벡터 제어 장치, 전동기, 차량 구동 시스템 및 전동기의 벡터 제어 방법을 얻는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 전동기에 교류 전력을 공급하는 전력 변환기를 제어하는 벡터 제어 장치로서, 입력된 토크 지령 및 자속 지령에 기초하여 벡터 제어에 의해 상기 전력 변환기가 출력해야 할 출력 전압을 연산함과 아울러, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 전력 변환기를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 벡터 제어부와, 비동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제1 자속 지령 생성부와, 동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제2 자속 지령 생성부를 구비하고, 상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 미만인 경우에는 상기 제1 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어부로 입력하고, 상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 이상인 경우에는 상기 제2 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어부로 입력하는 것을 특징으로 한다.

이 발명에 의하면, 고조파 손실을 저감시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 실시 형태 1의 전동기의 벡터 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 자속 지령 생성부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 형태 1의 변조율과 펄스 모드의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시 형태 1의 자속 지령의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래 기술에 의한 변조율과 펄스 모드의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래 기술에 의한 자속 지령의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 형태 1의 효과의 일 예를 종래 기술과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 8은 실시 형태 2의 전동기의 벡터 제어 장치의 제1 자속 지령 생성부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시 형태 3의 차량 구동 시스템의 구성예를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명에 따른 전동기의 벡터 제어 장치 및 전동기의 벡터 제어 방법의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명에 따른 전동기의 벡터 제어 장치의 실시 형태 1의 구성예를 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 전동기의 벡터 제어 장치는, 교류 전동기(전동기)(1)를 구동 제어하는 전력 변환기(2)를 제어한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태의 전동기의 벡터 제어 장치는 벡터 제어부(3)와, 직류 전압 검출부(4)와, 속도 검출부(5)와, 전류 검출부(6)와, 토크 지령 생성부(10)와, 제1 자속 지령 생성부(11a)와, 제2 자속 지령 생성부(11b)와, 자속 지령 선택부(11c)와, 펄스 모드 선택부(12)를 구비한다.

전력 변환기(2)는 스위칭 소자를 구비하고, 벡터 제어부(3)로부터 입력되는 스위칭 신호에 기초하여, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 교류 전동기(1)로 공급한다. 직류 전압 검출부(4)는 전력 변환기(2)로 인가되는 직류 전압을 검출하고, 전류 검출부(6)는 전력 변환기(2)로부터 출력되는 각 상(相)의 전류를 검출한다. 또한, 직류 전압 검출부(4)는 3상 각각의 전류를 검출해도 좋지만, 최저 2상의 전류를 검출하면 좋고 나머지 1상의 전류는 연산에 의해 산출할 수 있다. 또, 속도 검출부(5)는 교류 전동기(1)의 회전 속도를 검출한다. 또한, 속도 검출부(5)를 구비하지 않고 교류 전동기(1)의 회전 속도를 연산에 의해 산출하는 속도 센서리스 벡터 제어 방식을 채용하는 경우에는, 속도 검출부(5)는 구비하지 않아도 좋다.

토크 지령 생성부(10)는 토크 지령을 생성하여 벡터 제어부(3)로 입력한다. 벡터 제어부(3)는 자속 지령 선택부(11c)로부터 입력된 자속 지령과, 토크 지령 생성부(10)로부터 입력된 토크 지령과, 직류 전압 검출부(4)에 의해 검출된 전류와, 속도 검출부(5)에 의해 검출된 회전 속도와, 교류 전동기(1)의 전동기 상수에 기초하여, 입력된 토크 지령에 교류 전동기(1)의 발생 토크가 일치하도록 전력 변환기(2)를 제어하는 벡터 제어 연산을 행한다. 벡터 제어부(3)는 벡터 제어 연산의 연산 결과로서 교류 출력 전압 지령 및 교류 출력 전압 진폭 지령을 산출하고, 산출한 교류 출력 전압 지령과 펄스 모드 선택부(12)에 의해 입력되는 펄스 모드 지령에 기초하여 PWM 제어에 의해 스위칭 신호를 생성하여, 전력 변환기(2)에 출력한다. 전력 변환기(2)가 이 스위칭 신호(PWM 신호)에 기초하여 스위칭 소자에 의한 전력 변환 동작을 행함으로써, 교류 전동기(1)가 구동된다. 또, 벡터 제어부(3)는 교류 출력 전압 지령의 주파수(인버터 출력 주파수)를 펄스 모드 선택부(12)로 출력한다.

벡터 제어부(3)에 있어서의 벡터 제어 및 PWM 제어의 제어 방법에 대해서는, 특히 제약은 없고 일반적으로 이용되고 있는 제어 방법을 이용할 수 있다. 또한, 여기에서는, 벡터 제어부(3)가 스위칭 신호를 생성하도록 했지만, 이것에 한정하지 않고, 스위칭 신호 생성부를 별도로 마련하고, 벡터 제어부(3)는 교류 출력 전압 지령을 스위칭 신호 생성부에 출력하고, 스위칭 신호 생성부가 교류 출력 전압 지령과 펄스 모드 지령에 기초하여 스위칭 신호를 생성하여 전력 변환기(2)에 출력하도록 해도 좋다.

펄스 모드 선택부(12)는 벡터 제어부(3)의 연산 결과인 출력 전압 진폭 지령과, 직류 전압 검출부(4)에 의해 검출된 직류 전압과, 인버터 출력 주파수에 기초하여 펄스 모드를 결정하고, 결정한 펄스 모드를 펄스 모드 지령으로서 벡터 제어부(3) 및 자속 지령 선택부(11c)에 출력한다. 본 실시 형태의 펄스 모드의 결정 방법에 대해서는 후술한다.

또한, 본 실시 형태에서는, 펄스 모드로서, PWM 제어에 있어서, 인버터 출력 주파수에 의존하고 있지 않은 비동기 PWM 모드와, 캐리어 주파수와 인버터 출력 주파수를 동기시켜 캐리어 주파수가 인버터 출력 주파수의 정수배로 설정되는 동기 PWM 모드의 2개를 정의한다. 추가로, 동기 PWM 모드에 대해서는, 캐리어 주파수가 인버터 출력 주파수의 몇배인지로 펄스 모드를 분류하여, 캐리어 주파수가 인버터 출력 주파수의 N배(N는 1이상의 정수)의 펄스 모드를 동기 N 펄스 모드라고 칭하고, 동기 1 펄스 모드에 대해서는 일반적으로 칭해지고 있는 것처럼 1 펄스 모드라고 칭하는 것으로 한다.

제1 자속 지령 생성부(11a)는 비동기 PWM 모드용의 자속 지령치를 연산하여 자속 지령 선택부(11c)로 출력한다. 제2 자속 지령 생성부(11b)는 동기 PWM 모드용의 자속 지령치를 연산하여 자속 지령 선택부(11c)로 출력한다. 자속 지령 선택부(11c)는 펄스 모드 선택부(12)로부터 출력된 펄스 모드 지령에 기초하여, 제1 자속 지령 생성부(11a)로부터 입력된 자속 지령과, 제2 자속 지령 생성부(11b)로부터 입력된 자속 지령 중 한쪽을 선택하여 벡터 제어부(3)로 출력한다. 구체적으로는, 자속 지령 선택부(11c)는 펄스 모드 지령이 동기 PWM 모드인 경우에는 제2 자속 지령 생성부(11b)의 출력을 선택하여 벡터 제어부(3)에 출력하고, 펄스 모드 지령이 비동기 PWM 모드인 경우에는 제1 자속 지령 생성부(11a)의 출력을 선택하여 벡터 제어부(3)에 출력한다.

도 2는 본 실시 형태의 제1 자속 지령 생성부(11a)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 실시 형태의 제1 자속 지령 생성부(11a)는 일정 자속 지령 생성부(111)와, 약자속 제어부(112)와, 저위(低位) 선택부(113)를 구비한다.

일정 자속 지령 생성부(111)는 일정한 정격 2차 자속을 자속 지령으로서 출력한다. 이 정격 2차 자속으로서는, 교류 전동기(1)의 철심(鐵芯)이 자기 포화하지 않는 조건으로 가능한 한 크게 확보하는 것이 일반적이지만, 정격 2차 자속의 값에 특히 제약은 없다.

약자속 제어부(112)는 계자(界磁) 자속을 줄여 회전수를 올리는 이른바 약자속 제어에 의해 자속 지령을 생성하여, 저위 선택부(113)로 출력한다. 약자속 제어에서는, 교류 출력 전압을 일정(즉 변조율을 일정)하게 하여 자속을 작게 해 간다. 종래는, 이 약자속 제어는, 일반적으로 교류 출력 전압이 최대치 부근으로 되어 1 펄스 모드로 이행한 후에 실시되지만, 본 실시 형태에서는, 비동기 PWM 모드에 있어서, 변조율이 제1 임계치 이상으로 되었을 경우에 약자속 제어를 실시한다. 즉, 약자속 제어부(112)는, 변조율이 제1 임계치가 되도록 약자속 제어를 실시하여 자속 지령을 생성한다. 이 제1 임계치로서는, 후술하는 제2 자속 지령 생성부(11b)에 있어서의 변조율의 임계치인 제2 임계치보다 작은 값을 설정한다.

제1 임계치로서, 예를 들면 비동기 PWM 모드에 있어서 과변조가 되는 경계치 78.5％(0.785) 이하의 값을 설정하면, 정격 2차 자속을 종래와 마찬가지의 값으로 설정했을 경우에도 과변조가 생기지 않고 비동기 PWM 모드의 영역을 종래에 비해 확대할 수 있다. 제1 임계치로서 78.5％를 넘는 값을 설정해도 좋지만, 이 경우는 과변조에 대응한 제어를 실시한다. 예를 들면, 「"AC 서보 시스템의 이론과 설계의 실제" 총합 전자(電子) 출판 1990 p39~46」에 기재된 제어 방법 등을 적용할 수 있다.

저위 선택부(113)는 일정 자속 지령 생성부(111)로부터 출력되는 자속 지령과, 약자속 제어부(112)로부터 출력되는 자속 지령 중 저위 쪽을 선택하여 자속 지령 선택부(11c)로 출력한다.

이상의 동작에 의해, 제1 자속 지령 생성부(11a)는, 변조율이 제1 임계치 미만에서는 일정 자속 제어에 의한 자속 지령을 출력하고, 변조율이 제1 임계치 이상인 경우에 약자속 제어에 의한 자속 지령을 출력할 수 있다.

제2 자속 지령 생성부(11b)는 제1 자속 지령 생성부(11a)와 마찬가지로 일정 자속 지령 생성부(111)와, 약자속 제어부(112)와, 저위 선택부(113)를 구비한다. 제2 자속 지령 생성부(11b)에 있어서의 일정 자속 지령 생성부(111)는, 제1 자속 지령 생성부(11a)에 있어서의 일정 자속 지령 생성부(111)와 마찬가지로 일정한 자속을 자속 지령으로서 출력한다. 단, 제2 자속 지령 생성부(11b)에 있어서의 일정 자속 지령 생성부(111)는, 상술한 정격 2차 자속이 아니라 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로 전환되었을 때의 자속 지령을 일정치로서 출력한다. 예를 들면, 자속 지령 선택부(11c)가, 출력한 자속 지령을 유지해 두고, 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로 전환되었을 때의 제1 자속 지령 생성부(11a)로부터 입력된 자속 지령을 제2 자속 지령 생성부(11b)로 통지한다. 또한, 일정 자속 지령 생성부(111)가 출력하는 자속 지령의 일정치는 이것으로 한정되지 않고, 예를 들면 미리 정한 값 등으로 해도 좋다.

제2 자속 지령 생성부(11b)의 약자속 제어부(112)는, 약자속 제어부(112)는, 변조율이 제2 임계치가 되도록 약자속 제어를 실시하여 자속 지령을 생성한다. 제2 임계치는 100％로 해도 좋지만, 여기에서는 예를 들면 95％와 같이 100％미만의 값으로 한다. 또, 제2 자속 지령 생성부(11b)의 저위 선택부(113)는, 제2 자속 지령 생성부(11b)의 일정 자속 지령 생성부(111)로부터 출력되는 자속 지령과, 제2 자속 지령 생성부(11b)의 약자속 제어부(112)로부터 출력되는 자속 지령 중 저위 쪽(작은 쪽)을 선택하여 자속 지령 선택부(11c)로 출력한다.

이상의 동작에 의해, 제2 자속 지령 생성부(11b)는, 변조율이 제2 임계치 미만에서는 일정 자속 제어에 의한 자속 지령을 출력하고, 변조율이 제2 임계치 이상인 경우에 약자속 제어에 의한 자속 지령을 출력할 수 있다. 또한, 도 2의 구성예는 일 예이며, 제1 자속 지령 생성부(11a) 및 제2 자속 지령 생성부(11b)와 마찬가지의 동작을 실시할 수 있는 구성이면 도 2의 구성예로 한정되지 않는다.

또, 제2 자속 지령 생성부(11b)는 일정 자속 제어와 약자속 제어를 이용하여, 변조율을 제1 임계치 미만으로 억제하는 제어를 행했지만, 제2 자속 지령 생성부(11b)에 있어서의 자속 제어 방법은, 변조율을 제1 임계치 미만으로 억제하는 제어라면 이들 제어 방법으로 한정되지 않는다.

도 3은 본 실시 형태의 변조율(전압 변조율)과 펄스 모드의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 실시 형태의 자속 지령의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 3, 4에서는, 가로축은 인버터 출력 주파수를 나타내고 있다. 도 3, 4를 이용하여 본 실시 형태의 펄스 모드의 결정 방법에 대해서 설명한다. 도 4는, 도 3에 도시된 제어를 행했을 경우에 벡터 제어부(3)로 입력되는 자속 지령을 나타내고 있다. 또한, 제1 자속 지령 생성부(11a)로부터 출력된 자속 지령을 제1 자속 지령으로 하고, 제2 자속 지령 생성부(11b)로부터 출력된 자속 지령을 제2 자속 지령으로 하고 있다.

도 3의 (A)는, 종래 기술(예를 들면 상기 특허 문헌 1에 기재된 기술)을 이용했을 경우에, 변조율이 100％에 도달하는 인버터 출력 주파수를 나타내고 있다. 종래 기술에서는, 변조율이 100％에 이를 때까지 일정 자속 제어에 의해 변조율을 올려 간다. 도 3의 (B)는, 본 실시 형태에 있어서의 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로의 전환이 행해지는 인버터 출력 주파수를 나타내고 있다.

본 실시 형태에서는, 인버터 출력 주파수에 기초하여 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로 전환한다. 구체적으로는, 예를 들면, fc／X 미만인 영역에서는 비동기 PWM 모드로 하고, 인버터 출력 주파수가 fc／X 이상인 영역에서는 동기 PWM 모드로 한다. 여기서, fc는 비동기 PWM 모드의 캐리어 주파수를 나타내고, 인버터 출력 주파수와는 독립적으로 설정된다(예를 들면 1 kHz 등으로 설정된다). X는, 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로의 전환점에서의 「캐리어 주파수 fc／인버터 출력 주파수」를 나타내고 있다. X의 값은, 동기 PWM 모드의 최저 주파수가 되는 (B)에 있어서, 스위칭에 의한 전류 리플, 즉 전류의 저차(低次) 고조파 성분이 소정의 허용치 이하가 되도록, 교류 전동기(1)의 인덕턴스 특성과 인버터 출력 주파수를 가미해서 결정한다.

또, 비동기 PWM의 캐리어 주파수 fc는, 전력 변환기(2)에서의 스위칭 손실이 허용치 이하로 되도록 설정된다. 즉, 도 3의 (B)에서 도시된 동기 PWM 모드의 최저 주파수(모드 전환 주파수)는 캐리어 주파수 fc와, 동기 PWM 모드의 전류 리플 허용치 및 전동기의 인덕턴스 특성으로부터 결정된다. 또한, 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로 전환 조건으로 되는 인버터 출력 주파수(모드 전환 주파수)의 규정 방법은, fc／X의 형태로 한정되지 않는다.

도 3, 4에 도시된 바와 같이, 변조율이 제1 임계치보다 작은 영역에서는 제1 자속 지령 생성부(11a)의 일정 자속 지령 생성부(111)에 의해 생성된 자속 지령을 이용하는 일정 자속 제어가 행해지고, 변조율이 제1 임계치 이상이 되면 제1 자속 지령 생성부(11a)의 약자속 제어부(112)에 의해 생성된 자속 지령을 이용하는 약자속 제어가 행해진다.

그리고 인버터 출력 주파수가 fc／X 이상으로 되면 동기 PWM 모드로의 전환이 행해지고, 그 후에 의해 제2 임계치보다 작은 영역에서는 제2 자속 지령 생성부(11b)의 일 일정 자속 지령 생성부(111)에 의해 생성된 자속 지령을 이용하는 일정 자속 제어가 행해지고, 변조율이 제2 임계치 이상이 되면 제2 자속 지령 생성부(11b)의 약자속 제어부(112)에 의해 생성된 자속 지령을 이용하는 약자속 제어가 행해진다.

동기 PWM 모드에 있어서는, 상기 특허 문헌 1과 같이, 변조율이 일정치(상술된 제2 임계치) 미만인 경우에는 동기 3 펄스 모드로 하고, 변조율이 일정 이상으로 되었을 경우에는 1 펄스 모드로 하는 등, 동기 PWM 모드 내에서 펄스 모드를 변경해도 좋지만, 동기 PWM 모드 내의 펄스 모드에 제약은 없다.

또한, 본 실시 형태에서는, 인버터 출력 주파수에 기초하여 비동기 PWM 모드와 동기 WM 모드를 전환하도록 했지만, 속도 검출부(5)가 검출한 회전 속도에 기초하여 마찬가지로 비동기 PWM 모드와 동기 PWM 모드를 전환하도록 해도 좋다.

도 5는 종래 기술(상기 특허 문헌 1에 기재된 기술)에 의한 변조율(전압 변조율)과 펄스 모드의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 5의 변조율(31)은 종래 기술에 의한 변조율을 나타내고, 점선의 변조율(32)은 본 실시 형태의 변조율(도 3에서 도시한 변조율)을 나타내고 있다. 도 6은 종래 기술(상기 특허 문헌 1에 기재된 기술)에 의한 자속 지령의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 6의 자속 지령(33)은 종래 기술에 의한 자속 지령을 나타내고, 점선의 자속 지령(34)은 본 실시 형태의 변조율(도 4에서 도시한 자속 지령)을 나타내고 있다.

종래 기술의 제어 방법에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 변조율이 일정치(예를 들면 78.5％)까지는 일정 자속 제어를 행하고, 변조율이 일정치를 넘으면 동기 PWM 모드(동기 3 펄스 모드)로 이행한다. 그 후, 변조율이 100％로 되면 1 펄스 모드로 이행하여, 약자속 제어가 행해진다. 이 때문에, 종래 기술에서는, 비동기 PWM 모드의 영역이, 일정 자속 제어에 의해 변조율이 증가하여 일정치로 될 때까지의 동안으로 한정되어 있다.

이것에 반해, 본 실시 형태에서는, 후술과 같이, 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로의 전환을 인버터 출력 주파수에 의해 결정하고 있어, 인버터 출력 주파수가 동기 PWM 모드로의 전환 조건을 충족할 때까지는 비동기 PWM 모드로 된다. 따라서 도 3에서 도시한 변조율이 100％가 되는 인버터 출력 주파수(도 5 및 도 3의 (A)) 보다 모드 전환 주파수(fc／X)를 크게 설정하면, 본 실시 형태에서는, 종래 기술에 비해 비동기 PWM 모드의 영역을 확대할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 도 3에서 도시한 변조율이 100％가 되는 인버터 출력 주파수보다 모드 전환 주파수를 크게 설정하여, 종래 기술보다 비동기 PWM 모드를 확대한다.

도 7은 본 실시 형태의 효과의 일 예를 종래 기술과 비교하여 나타내는 도면이다. 도 7에서는, 좌측에 종래 기술(상기 특허 문헌 1에 기재된 기술)에 있어서의 손실을 나타내고, 우측에 본원 발명에 있어서의 손실을 나타내고 있다. 도 7에 도시된 손실은, 인버터 출력 주파수가 0인 위치에서부터 도 3의 (B)의 위치의 인버터 출력 주파수까지 운전했을 경우의 시스템 전체의 손실을 나타내고 있다.

저주파 영역에서는, 충분한 스위칭 횟수를 가지는 비동기 PWM 모드에서는 동기 PWM 모드에서 구동하는 경우보다 교류 전동기(1)의 고조파 손실을 저감시킬 수 있다. 따라서 본 실시 형태에서는, 저주파 영역에서는, 비동기 PWM 모드에서 교류 전동기(1)를 구동하는 영역을 확대함으로써 교류 전동기(1)의 고조파 손실을 종래 기술에 비해 고조파 손실을 저감시킬 수 있다. 스위칭 속도의 증가에 의해서 전력 변환기(2)의 손실(변환기 손실)은 증가하지만, 전동기 손실의 저감 효과가 지배적으로 되는 운전 조건에서는, 시스템 전체의 손실을 저감시킬 수 있다.

또, 주파수가 커지면 교류 전동기(1)의 임피던스 증가에 의해, 교류 전동기(1)의 고주파 전류가 줄어들기 때문에, 고주파 손실도 줄어든다. 따라서 도 3의 (B) 보다 고속 영역에서는, 스위칭 횟수가 적은 동기 PWM 모드를 채용해도 전동기 손실은 증가하지 않아, 변환기 스위칭 손실 삭감 효과를 얻을 수 있기 때문에, 자속 지령을 제2 자속 지령으로 전환, 변조율을 올리는 운전으로 한다.

이와 같이, 본 실시 형태의 벡터 제어 장치를 적용함으로써 전동기의 고주파 손실이 저감되어, 기본파 손실과의 합산을 최소화함으로써 전동기 전체의 손실이 저감 가능해져, 냉각 성능을 억제할 수 있다. 이 때문에, 전동기의 냉각 핀 형상, 냉각 풍로의 재검토에 의해 전동기의 소형·경량화가 가능해진다.

또한, 전력 변환기(2)의 스위칭 소자 및 다이오드 소자로서는 어떠한 소자를 이용해도 좋지만, 예를 들면 와이드 밴드갭 반도체를 이용할 수 있다. 와이드 밴드갭 반도체로서는, 예를 들면, 탄화 규소, 질화 갈륨계 재료 또는 다이아몬드 등 에 의해 형성된 것이 있다. 이와 같은 와이드 밴드갭 반도체에 의해서 형성된 스위칭 소자나 다이오드 소자는, 내전압성(耐電壓性)이 높고, 허용 전류 밀도도 높기 때문에, 스위칭 소자나 다이오드 소자의 소형화가 가능하고, 이들 소형화된 스위칭 소자나 다이오드 소자를 이용함으로써, 이러한 소자를 편입시킨 반도체 모듈의 소형화가 가능해진다.

또 와이드 밴드갭 반도체는, 내열성도 높기 때문에, 히트 싱크의 방열 핀의 소형화나, 수냉부의 공냉화가 가능하므로, 반도체 모듈의 추가적인 소형화가 가능하게 된다. 이에 더하여, 전력 손실이 낮기 때문에, 스위칭 소자나 다이오드 소자의 고효율화가 가능하고, 나아가서는 반도체 모듈의 고효율화가 가능하게 된다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 비동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제1 자속 지령 생성부(11a)와, 동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제2 자속 지령 생성부(11b)를 구비하고, 제1 자속 지령 생성부(11a)는 비동기 PWM 모드에 대응하는 제1 임계치 이하로 변조율을 누르도록 자속 지령을 생성한다. 그리고 인버터 출력 주파수에 기초하여 비동기 PWM 모드에서 동기 PWM 모드로의 전환을 행하도록 했다. 이 때문에, 종래에 비해 비동기 PWM 모드의 영역을 확대할 수 있어, 전체 손실을 저감시킬 수 있다.

실시 형태 2.

도 8은 본 발명에 따른 전동기의 벡터 제어 장치의 실시 형태 2의 제1 자속 지령 생성부(11d)의 구성예를 나타내는 도면이다. 본 실시 형태의 전동기의 벡터 제어 장치는, 실시 형태 1의 전동기의 벡터 제어 장치의 제1 자속 지령 생성부(11a) 대신에 제1 자속 지령 생성부(11d)를 구비하는 것 이외는, 실시 형태의 전동기의 벡터 제어 장치와 마찬가지이다. 본 실시 형태의 제1 자속 지령 생성부(11d)는 최적 자속 지령 생성부(21)와, 허용 최대 자속 지령 생성부(22)와, 저위 선택부(23)를 구비한다.

최적 자속 지령 생성부(21)는, 예를 들면 국제 공개 제2008／107992호의 도 2 및 그 설명에 도시되어 있는 것과 같은 손실 최소 조건(효율 최대 조건)을 충족하는 자속 지령을 생성한다. 효율 최대 조건을 충족하는 자속치는, 국제 공개 제2008／107992호에 기재되어 있는 것과 같이 토크 지령마다 구할 수 있다. 따라서 최적 자속 지령 생성부(21)는, 토크 지령마다의 손실 최소 조건이 되는 자속을 함수 또는 테이블 등의 형태로 특성으로서 유지해 두고, 토크 지령과 유지하고 있는 특성에 기초하여 효율 최대 조건을 충족하는 자속 지령을 구한다.

허용 최대 자속 지령 생성부(22)는 인버터 출력 주파수에 따라 출력 가능한 최대의 자속 지령을 생성한다. 예를 들면, 상기 특허 문헌 1의 청구항 3에 기재된 최대 전압 2차 자속 지령의 산출 방법에 의해, 출력 가능한 최대의 자속 지령을 생성할 수 있다.

저위 선택부(23)는 최적 자속 지령 생성부(21)가 생성한 자속 지령과 허용 최대 자속 지령 생성부(22) 중 저위 쪽을 선택하여 자속 지령 선택부(11c)로 입력한다. 이상 상술한 것 이외의 본 실시 형태의 동작은 실시 형태 1과 마찬가지이다.

또한, 마찬가지로, 제2 자속 지령 생성부(11b) 대신에 제1 자속 지령 생성부(11d)와 마찬가지인 구성의 제2 자속 지령 생성부(11e)(도시하지 않음)를 구비하도록 해도 좋다. 이 경우, 제2 자속 지령 생성부(11e)의 허용 최대 자속 지령 생성부(22)는 제1 자속 지령 생성부(11d)의 허용 최대 자속 지령 생성부(22) 보다 높은 변조율이 되도록 자속을 생성한다.

또, 제1 자속 지령 생성부 및 제2 자속 지령 생성부의 구성은, 이상 실시 형태 1 및 실시 형태 2에서 설명한 구성에 한정하지 않고, 예를 들면, 상기 특허 문헌 1의 청구항 1이나 국제 공개 제2008／107992호의 청구항 1에 기재되어 있는 구성으로 하는 등으로 해도 좋다.

또, 실시 형태 1의 제1 자속 지령 생성부(11a)와 본 실시 형태의 제1 자속 지령 생성부(11d) 양쪽 모두를 구비하고, 제1 자속 지령 생성부(11a)가 생성한 자속 지령과 제1 자속 지령 생성부(11d)가 생성한 자속 지령 중, 저위 쪽을 자속 지령 선택부(11c)로 입력하도록 구성해도 좋다.

이상과 같이, 최적 자속 제어를 행하는 제1 자속 지령 생성부(11d)를 구비하도록 했다. 이 때문에, 실시 형태 1과 마찬가지의 효과를 얻을 수 있음과 아울러, 실시 형태 1에 비해 보다 손실을 저감시킬 수 있다.

실시 형태 3.

본 실시 형태에서는, 실시 형태 1 및 실시 형태 2에서 설명한 벡터 제어 장치를 적용한 차량 구동 시스템에 대해서 설명한다.

도 9는 차량 구동 시스템으로서 철도 차량에 적용한 구성예를 나타내는 도면이다. 차량 구동 시스템은 교류 전동기(1), 전력 변환기(2), 입력 회로(105) 및 벡터 제어 장치(106)를 구비하고 있다. 교류 전동기(1)는, 도 1에 도시된 교류 전동기(1)와 같은 것으로, 철도 차량에 탑재되고 있다. 전력 변환기(2)는, 도 1에 도시된 전력 변환기(2)와 같은 것으로, 입력 회로(105)로부터 공급된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 교류 전동기(1)를 구동한다. 벡터 제어 장치(106)는, 실시 형태 1 및 실시 형태 2에서 설명한 벡터 제어 장치에 상당한다.

입력 회로(105)는, 도시를 생략하고 있지만, 스위치, 필터 캐패시터, 필터 리액터 등을 구비하여 구성되어 있고, 그 일단은 집전 장치(102)를 통하여 가선(101)에 접속되어 있다. 또, 타단은 차륜(103)을 통하여 대지 전위인 레일(104)에 접속되어 있다. 이 입력 회로(105)는 가선(101)으로부터 직류 전력 또는 교류 전력의 공급을 받아, 전력 변환기(2)로 공급할 직류 전력을 생성한다.

이와 같이, 본 실시 형태의 벡터 제어 장치를 차량 구동 시스템에 적용함으로써, 시스템 전체적으로 손실 저감, 소형화를 실현하는 것이 가능해진다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명에 따른 전동기의 벡터 제어 장치, 전동기, 차량 구동 시스템 및 전동기의 벡터 제어 방법은, 교류 전동기를 제어하는 벡터 제어 장치에 유용하고, 특히, 전기차에 있어서 교류 전동기를 제어하는 벡터 제어 장치에 적합하다.

1: 교류 전동기
2: 전력 변환기
3: 벡터 제어부
4: 직류 전압 검출부
5: 속도 검출부
6: 전류 검출부
10: 토크 지령 생성부
11a, 11d: 제1 자속 지령 생성부
11b: 제2 자속 지령 생성부
11c: 자속 지령 선택부
12: 펄스 모드 선택부
21: 최적 자속 지령 생성부
22: 허용 최대 자속 지령 생성부
100: 차량 구동 시스템
105: 입력 회로
106: 벡터 제어 장치
111: 일정 자속 지령 생성부
112: 약자속 제어부
113, 23: 저위 선택부

Claims

직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 전동기에 교류 전력을 공급하는 전력 변환기를 제어하는 벡터 제어 장치로서,
입력된 토크 지령 및 자속 지령에 기초하여 벡터 제어에 의해 상기 전력 변환기가 출력해야 할 출력 전압을 연산함과 아울러, 상기 출력 전압에 기초하여 상기 전력 변환기를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 벡터 제어부와,
비동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제1 자속 지령 생성부와,
동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제2 자속 지령 생성부를 구비하고,
상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 미만인 경우에는 상기 제1 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어부로 입력하고, 상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 이상인 경우에는 상기 제2 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어부로 입력하는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 미만인 경우에는, 상기 PWM 신호의 생성에 이용하는 펄스 모드로서 비동기 PWM 모드를 선택하고, 상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 이상인 경우에는 상기 PWM 신호의 생성에 이용하는 펄스 모드로서 동기 PWM 모드를 선택하는 펄스 모드 선택부와,
상기 펄스 모드 선택부의 선택 결과가 비동기 펄스 모드인 경우 상기 제1 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어부로 입력하고, 상기 펄스 모드 선택부의 선택 결과가 동기 펄스 모드인 경우 상기 제2 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어부로 입력하는 자속 지령 선택부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 자속 지령 생성부는 변조율이 제1 임계치 이하가 되도록 자속 지령을 생성하고, 상기 제2 자속 지령 생성부는 변조율이 상기 제1 임계치보다 큰 제2 임계치가 되도록 자속 지령을 생성하는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 자속 지령 생성부는
일정 자속 제어에 의해 자속 지령을 생성하는 일정 자속 지령 생성부와,
변조율이 상기 제1 임계치가 되도록 약자속 제어를 행하는 약자속 지령 생성부와,
상기 일정 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령과, 상기 약자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령 중 작은 쪽을 출력하는 저위(低位) 선택부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 자속 지령 생성부는,
상기 토크 지령에 기초하여 최대 효율이 되는 자속 지령을 생성하는 최적 자속 지령 생성부와,
인버터 출력 주파수에 따라 출력 가능한 최대의 자속 지령을 생성하는 허용 최대 자속 지령 생성부와,
상기 최적 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령과, 상기 허용 최대 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령 중 작은 쪽을 출력하는 저위 선택부를 구비하는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 제2 임계치를 0.95 이하로 하는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 변환기가 구비하는 스위칭 소자와 다이오드 소자 중 적어도 어느 한쪽은 와이드 밴드갭 반도체에 의해서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 와이드 밴드갭 반도체는 탄화규소, 질화 갈륨계 재료 또는 다이아몬드인 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 장치.
청구항 1에 기재된 전동기의 벡터 제어 장치에 의해 구동 제어되는 전동기.
전기차를 구동하는 차량 구동 시스템으로서,
청구항 1에 기재된 전동기의 벡터 제어 장치와,
상기 벡터 제어 장치에 의해 제어되는 전력 변환기와,
상기 전력 변환기로의 입력으로 하는 직류 전력을 생성하는 입력 회로와,
상기 전력 변환기에 의해 구동되는 전동기를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량 구동 시스템.
직류 전력을 교류 전력으로 변환하여, 전동기에 교류 전력을 공급하는 전력 변환기를 제어하는 벡터 제어 방법으로서,
입력된 토크 지령 및 자속 지령에 기초하여 벡터 제어에 의해 상기 전력 변환기가 출력해야 할 출력 전압을 연산하는 벡터 제어 스텝과,
상기 출력 전압에 기초하여 상기 전력 변환기를 제어하는 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호 생성 스텝과,
비동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제1 자속 지령 생성 스텝과,
동기 PWM 모드용의 자속 지령을 생성하는 제2 자속 지령 생성 스텝과,
상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 미만인 경우에는 상기 제1 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어 스텝에 있어서의 입력으로 하는, 상기 전력 변환기의 출력 주파수가 소정치 이상인 경우에는 상기 제2 자속 지령 생성부에 의해 생성된 자속 지령을 상기 벡터 제어 스텝에 있어서의 입력으로 하는 모드 선택 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기의 벡터 제어 방법.