KR20150058362A

KR20150058362A - 일차 자속 제어 방법

Info

Publication number: KR20150058362A
Application number: KR1020157009707A
Authority: KR
Inventors: 다케시 아라키; 나오토 고바야시; 노부키 기타노
Original assignee: 다이킨 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-05-28
Also published as: WO2014069188A1; EP2916452A4; JP5556875B2; EP2916452B1; CN104756396B; ES2860500T3; US10110150B2; JP2014090626A; KR101681438B1; RU2015120609A; US20150311846A1; BR112015009647B1; RU2606637C2; AU2013339484B2; CN104756396A; EP2916452A1; BR112015009647A2; AU2013339484A1

Abstract

일차 자속 제어에 있어서, 토크에 따라 일차 자속 지령값을 변경함으로써 전류 위상을 적절히 제어하여, 토크에 따라 효율이 좋은 동작점에서 회전 전동기를 구동하는 기술을 제공한다.
어느 토크 T에 대해서, 일차 자속의 진폭 Λδ이 값 λδ0(T)를 취할 때에, 전기자 전류의 진폭 ia를 최소값으로 한다. 이 때, 최대 토크/전류 제어가 가능해진다. 따라서 일차 자속 지령값의 진폭에 값 λδ0(T)를 채용하고 일차 자속 제어를 행함으로써, 자동적으로 전기자 전류가 결정된다. 즉, 전류 위상 β가 일의적으로 결정된다. 즉, 상기 토크 T에 따른 원하는 위상에 전류 위상 β를 제어하게 되어, 토크에 따라 효율이 좋은 동작점에서 회전 전동기가 구동된다.

Description

일차 자속 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING PRIMARY MAGNETIC FLUX}

이 발명은, 계자와 전기자를 구비하는 동기 전동기를 제어하는 기술에 관한 것이다.

특히, 상기 계자가 발생하는 계자 자속과, 전기자 코일에 흐르는 전기자 전류에 의해 발생하는 전기자 반작용의 자속의 합성인, 이른바 일차 자속에 의거하여, 회전 전동기를 제어하는 기술에 관한 것이다.

종래부터, 일차 자속에 의거한 회전 전동기의 제어, 이른바 일차 자속 제어가 다양하게 제안되어 있다. 일차 자속 제어는, 간단하게 말하면, 회전 전동기의 일차 자속을 그 지령값에 따라서 제어함으로써, 회전 전동기를 안정적으로 제어하는 기술이다.

예를 들면 계자 자속 Λ0의 위상을 회전 좌표계의 d축에 채용하고, 일차 자속[λ1](이것은 방향과 진폭을 가지는 벡터로서 취급된다)의 위상을 다른 회전 좌표계의 δ축에 채용하며, δ축의 d축에 대한 위상차를 부하각 φ로서 생각한다. 단 여기에서는 γ축을 δ축에 대해 90도 진상(進相)의 위상에 있어서 채용한다. 또, 일차 자속[λ1]의 제어에서 채용하는 회전 좌표계의 제어축으로서 δc축 및 γc축을 정의한다. δc축 및 γc축은 각각 δ축 및 γ축에 대응하고 있으며, δc축의 d축에 대한 위상차를 φc로 한다.

이 경우, 일차 자속[λ1]의 지령값(이하 「일차 자속 지령값」이라고 칭한다)[Λ1*](이것은 방향과 진폭을 가지는 벡터로서 취급된다)는 그 δc축 성분에 양의 값 Λδ*를 가지며, γc축 성분은 영이 된다. 따라서 일차 자속[λ1]이 일차 자속 지령값[Λ1*]에 일치하면, 일차 자속[λ1]의 δc축 성분 λ1δc는 양의 값 Λδ*(이것은 일차 자속 지령값[Λ1*]의 진폭이기도 하다)에 동등하고, 위상차 φc는 부하각 φ과 동등하고, δc축이 δ축과 일치한다.

일차 자속 제어에서는, 일차 자속[λ1]의 δc축 성분 λ1δc를 일차 자속 지령값[Λ1*]의 진폭 Λδ*에 동등하게 할 뿐만 아니라, 그 γc축 성분 λ1γc를 영으로 하도록, 예를 들면 전압 지령값을 수정하는 제어가 행해진다. 이것에 의해 부하각 φ에 위상차 φc가 일치한다.

이와 같이, 일차 자속 제어에 있어서 일차 자속[λ1]의 진폭 Λδ을 지령값[Λ1*]의 진폭 Λδ*에 동등하게 하고, 부하각 φ에 위상차 φc를 일치시킴으로써, 회전 전동기의 토크 T를 그 회전각속도에 의존하지 않고 전기자 전류의 진폭 ia의 γc축 성분 iγc에 비례시켜 제어할 수 있다. 통상, 진폭 Λδ*는 일정하게 하여 상기 제어가 행해진다.

구체적으로는, 극쌍수 n, 전류 진폭 ia, 전기자 전류의 q축(이것은 d축에 대해 90도 진상한다)에 대한 위상(이른바 전류 위상) β 및 진폭 Λδ을 도입하여, 토크 T는 하기 식 (1)로 구해진다.

또한, 하기 게시한 선행 기술 문헌 중 비특허 문헌 6은, 하기 게시한 다른 선행 기술 문헌과, δ축/γ축이 바뀌어 채용되어 있다.

일본국 특허 제3672761호 공보 일본국 특허공개 평4-91693호 공보

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회전 전동기의 제어에 있어서, 종래부터 비 T/ia를 최대로 하는, 이른바 최대 토크/전류 제어가 지향되고 있다. 그리고 전류 벡터 제어에 의해, 토크가 일정한 경우에 있어서 진폭 ia를 최소로 하는 전류 위상 β가 구해지고 있었다(예를 들면 비특허 문헌 7 참조).

한편, 일차 자속 제어에 있어서 적절한 전류 위상 β를 설정하려면, 전류 벡터 제어와는 상이한 어프로치가 필요하다. 전류 벡터 제어와 같이 전류 위상을 직접 제어할 수 없기 때문이다. 그러나 그러한 어프로치는 지금까지 알려져 있지 않다.

일차 자속 제어에 있어서, 통상은 일차 자속의 진폭을 일정하게 하여 제어되므로, 토크가 변동했을 때에 효율이 좋은 전류 위상으로의 제어가 되어 있지 않은 경우도 있었다.

이 발명은 상기의 점을 감안한 것이며, 일차 자속 제어에 있어서, 토크에 따라 일차 자속 지령값을 변경함으로써 전류 위상을 적절히 제어하여, 토크에 따라 효율이 좋은 동작점에서 회전 전동기를 구동하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법은, 전기자 코일을 가지는 전기자와, 상기 전기자와 상대적으로 회전하는 계자인 회전자를 포함하는 회전 전동기에 대해, 일차 자속([λ1])의 지령값인 일차 자속 지령값([Λ1*])을 설정하고, 상기 일차 자속 지령값에 따라 상기 일차 자속을 제어하는 방법이다.

상기 일차 자속은, 상기 계자가 발생하는 계자 자속(Λ0)과, 상기 전기자에 흐르는 전기자 전류(ia)에 의해 발생하는 전기자 반작용의 자속([λa]：id·Ld, iq·Lq)의 합성이다.

그리고 그 제1 양태에서는, 상기 회전 전동기의 토크(T)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경하여, 상기 계자 자속(Λ0)과 동상의 d축보다 π／2로 진상하는 q축에 대한 상기 전기자 전류의 전류 위상(β)을 상기 토크에 따른 원하는 위상으로 제어한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제2 양태는, 그 제1 양태이며, 상기 일차 자속([λ1])과, 상기 전기자 전류(ia)와, 상기 회전 전동기의 토크(T)의 관계에 의거하여, 상기 토크에 따라, 상기 전기자 전류를 최소로 하는 상기 일차 자속의 진폭(Λδ0(T))을 상기 일차 자속 지령값([Λ1*])의 진폭(Λδ*)으로서 설정한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제3 양태는 그 제2 양태이며, 상기 관계는, 상기 일차 자속([λ1])의 상기 d축에 대한 부하각 φ, 상기 전기자 전류(ia)의 상기 q축에 대한 전류 위상 β, 상기 계자 자속의 진폭 Λ0, 상기 일차 자속의 진폭 Λδ, 상기 회전 전동기의 d축 인덕턴스 Ld 및 q축 인덕턴스 Lq, 상기 전기자 전류의 d축 성분 id 및 q축 성분 iq, 상기 회전 전동기의 극쌍수 n, 토크 T를 도입하여, T=n·Λδ·ia·cos(φ-β),　Λδ·sinφ=Lq·iq,　Λδ·cosφ=Ld·id+Λ0, tanβ=-id/iq, ia=√(id²+iq²)로 결정된다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제4 양태는 그 제2 양태 또는 제3 양태이며, 상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류와 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 전기자 전류로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제5 양태는 그 제2 양태 또는 제3 양태이며, 상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류 중 상기 일차 자속에 동상의 동상 성분(iδ)과 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 전기자 전류의 상기 동상 성분으로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제6 양태는 그 제2 양태 또는 제3 양태이며, 상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류 중 상기 일차 자속에 직교하는 직교 성분(iγ)과 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 전기자 전류의 상기 직교 성분으로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제7 양태는 그 제3 양태이며, 상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류에 의해 발생하는 상기 전기자 반작용의 자속 및 상기 계자 자속으로 결정되는 상기 부하각(φ)과 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 부하각으로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제8 양태는, 그 제1 양태이며, 상기 일차 자속([λ1])과, 상기 회전 전동기의 손실과, 상기 회전 전동기의 토크(T) 및 회전 속도의 관계에 의거하여, 상기 토크 및 상기 회전 속도에 따라, 상기 손실을 최소로 하는 상기 일차 자속을 상기 일차 자속 지령값으로서 설정한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제9 양태는, 그 제1 내지 제8 양태 중 어느 하나이며, 상기 일차 자속 지령값을 갱신하는 주기는, 상기 일차 자속 지령값에 의거하는 상기 일차 자속의 제어의 주기와는 상이하다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제10 양태는, 그 제1 내지 제8 양태 중 어느 하나이며, 상기 일차 자속 지령값은, 상기 일차 자속 지령값에 의거하는 상기 일차 자속의 제어가 과도기에 있어서는 변경되지 않고, 상기 제어가 안정되어 있는 상태에서 갱신된다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제11 양태는, 그 제4 양태이며, 로우패스 필터에서 처리된, 상기 회전 전동기의 토크(T)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제12 양태는, 그 제5 양태이며, 로우패스 필터에서 처리된 상기 동상 성분(iδ)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제13 양태는, 그 제6 양태이며, 로우패스 필터에서 처리된 상기 직교 성분(iγ)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제14 양태는, 그 제7 양태이며, 로우패스 필터에서 처리된 상기 부하각(φ)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경한다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제1 양태 내지 제14 양태에 있어서, 예를 들면, 상기 일차 자속 지령값은, 상기 토크의 추정값에 따라 변경된다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제1 양태에 의하면, 토크에 따라 일차 자속 지령값을 변경함으로써, 전류 위상을 적절히 제어할 수 있어, 토크에 따라 효율이 좋은 동작점에서 회전 전동기를 구동할 수 있다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제2 양태 내지 제7 양태에 의하면, 토크 일정한 조건 하에서는 전기자 전류는 일차 자속에 대해 최소값을 가지므로, 상기 최소값에 대응한 일차 자속 지령값으로서 채용함으로써, 최대 토크/전류 제어를 실현할 수 있다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제8 양태에 의하면, 토크 및 회전 속도가 일정한 조건 하에서는 손실은 일차 자속에 대해 최소값을 가지므로, 상기 최소값에 대응한 일차 자속 지령값으로서 채용함으로써, 최대 효율 제어를 실현할 수 있다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제9 양태에 의하면, 일차 자속 지령값의 설정과, 일차 자속의 제어의 간섭이 억제된다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제10 양태에 의하면, 일차 자속 지령값이 변화해도, 일차 자속 제어의 안정성이 손상되기 어렵다.

이 발명에 관련된 일차 자속 제어 방법의 제11 내지 제14 양태에 의하면, 일차 자속 지령값의 진폭을 설정하는 것이, 일차 자속 제어 그 자체에 부여하는 영향을 저감할 수 있다.

이 발명의 목적, 특징, 국면, 및 이점은, 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해, 보다 명백해진다.

도 1은 일차 자속 제어를 설명하는 벡터도.
도 2는 일차 자속 제어를 설명하는 벡터도.
도 3은 일차 자속의 진폭과, 전기자 전류의 진폭 및 부하각의 관계를 나타내는 그래프.
도 4는 일차 자속의 진폭과, 전기자 전류의 진폭 및 전류 위상의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 일차 자속 지령값의 진폭을 얻기 위한 구성을 나타내는 블럭도.
도 6은 일차 자속 지령값의 진폭을 얻기 위한 구성을 나타내는 블럭도.
도 7은 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 토크와 전기자 전류의 진폭의 γ축 성분의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 토크와 전기자 전류의 진폭의 δ축 성분의 관계를 나타내는 그래프.
도 9는 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 토크와 전기자 전류의 진폭의 관계를 나타내는 그래프.
도 10은 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 토크와 부하각의 관계를 나타내는 그래프.
도 11은 일차 자속 지령값의 진폭을 얻기 위한 구성을 나타내는 블럭도.
도 12는 일차 자속 지령값의 진폭을 얻기 위한 구성을 나타내는 블럭도.
도 13은 일차 자속 지령값의 진폭을 얻기 위한 구성을 나타내는 블럭도.
도 14는 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 δ축 성분 iδ와 일차 자속 진폭의 관계를 나타내는 그래프.
도 15는 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 γ축 성분 iγ와 일차 자속 진폭의 관계를 나타내는 그래프.
도 16은 일차 자속의 진폭에 대한 손실을 나타내는 그래프.
도 17은 일차 자속 지령값의 진폭을 얻기 위한 구성을 나타내는 블럭도.

이하의 실시의 형태에 있어서, 회전 전동기는, 전기자 코일을 가지는 전기자와, 상기 전기자와 상대적으로 회전하는 계자인 회전자를 포함한다. 상기 회전 전동기는 계자 자속을 발생시키는 영구자석, 혹은 계자코일을 구비한다.

<제1 실시의 형태>

도 1 및 도 2는, 모두 일차 자속 제어를 설명하는 벡터도이다.

일차 자속 제어에서는, 계자 자속 Λ0의 위상을 기준으로 한 d-q 좌표계(d축은 계자 자속 Λ0과 동상, q축은 d축에 대해 90도 진상)에 대해(즉 회전자의 회전에 대해) 위상차 φc로 진상이 되는 δc-γc 좌표계를 설정한다. 그리고 일차 자속과 동상의 δ축에 δc축이 일치하도록, 회전 전동기에 대해 인가하는 전압을 조절한다.

우선 도 1에, 위상차 φc가 부하각 φ과 일치하고 있는 경우를 나타낸다. 도 1에 있어서 나타내는 바와 같이, 전기자 반작용의 자속[λa](이것은 방향과 진폭을 가지는 벡터로서 취급된다)는 q축 양방향의 자속 Lq·iq와, d축 음방향의 자속 Ld·id의 합성이 된다.

그리고 일차 자속[λ1]은 자속[λa]와 계자 자속 Λ0의 합성이 되어, δ축에 있어서 양의 값 Λδ(이것은 일차 자속 지령값의 진폭 Λδ*와 일치)를 취한다.

또한, 일차 자속[λ1]이 일차 자속 지령값[Λ1*]와 일치하지 않는 경우, 도 2에 나타내는 바와 같이, 위상차 φc와 부하각 φ의 사이에 편차가 발생하기도 한다.

일차 자속 제어가 행해지는 δc-γc 회전 좌표계에서는, 일차 자속[λ1]의 δc축 성분 λ1δc를 일차 자속 지령값[Λ1*]의 δc축 성분 Λδ*에 일치시키고, 일차 자속[λ1]의 γc축 성분 λ1γc를 일차 자속 지령값[Λ1*]의 γc축 성분 Λγ*(=0)에 일치시키는 제어가 행해진다.

전기자 전류는 q축에 대해 전류 위상 β로 진상하고, 그 진폭 ia는 q축 성분 iq 및 d축 성분 id로 분해할 수 있다. 마찬가지로, 진폭 ia는 γc축 성분 iγc 및 δc축 성분 iδc로 분해할 수 있다. 도 1에 있어서는 γc축이 γ축에 일치하는 경우가 나타나 있으므로, γc축 성분 iγc에 상당하는 γ축 성분 iγ가 나타나 있다. 또한, 도면의 번잡을 피하기 위해, 도 1에서는 δc축 성분 iδc에 상당하는 성분을, 도 2에서는 q축 성분 iq 및 d축 성분 id를 각각 생략하고 있다.

도 3은 토크 T가 어느 일정값을 유지할 때의, 일차 자속[λ1]의 진폭인 양의 값 Λδ와, 전기자 전류의 진폭 ia 및 부하각 φ의 관계를 나타내는 그래프이다. 양의 값 Λδ에 대해, 진폭 ia는 극소치를 가지는 것을 알 수 있다. 이러한 진폭 ia의 극소치를 부여하는 양의 값 Λδ(이것을 값 Λδ0(T)로서 나타낸다)를 이용하여 일차 자속 제어를 행함으로써, 최대 토크/전류 제어를 실현할 수 있다.

일차 자속 제어에서는, 상기 서술한 바와 같이, 일차 자속[λ1]의 δc축 성분 λ1δc를 양의 값 Λδ*에 일치시킬 뿐만 아니라, 일차 자속[λ1]의 γc축 성분 λ1γc를 일차 자속 지령값[Λ1*]의 γ축 성분 0에 일치시키는 것이기 때문에, 양의 값 Λδ* 만을 값 Λδ0(T)로 설정함으로써, 일차 자속[λ1]은 그 진폭 Λδ도, 부하각 φ도 일의적으로 결정된다.

그리고 일차 자속[λ1]이 정해지면, 계자 자속 Λ0은 일정하므로 자속[λa]은 일의적으로 정해진다(도 1 참조). 그리고 자속[λa]를 구성하는 자속 Lq·iq, Ld·id는 각각 전기자 전류의 q축 성분 iq 및 d축 성분 id에 비례하고, 그 비례 상수 Lq, Ld는 회전 전동기의 인덕턴스로 결정된다. 따라서 결국, 어느 토크 T에 대해서, 값 Λδ0(T)를 취하는 양의 값 Λδ*만 정해지면, 전류 벡터 제어와 같은 계산을 재차 행할 필요는 없으며, 전류 위상 β가 적절히 제어되게 된다. 도 4는 토크 T가 어느 일정값을 유지할 때의, 양의 값 Λδ와, 진폭 ia 및 전류 위상 β의 관계를 나타내는 그래프이다.

물론, 값 Λδ0(T)는 토크 T에 의존하여 상이한 값을 취한다. 따라서 다양한 토크 T에 대해서, 일차 자속의 진폭 Λδ와 전기자 전류의 진폭 ia의 관계를 구해 두면, 토크에 따라 얻어지는 값 Λδ0(T)를, 일차 자속 지령값의 진폭 Λδ*로서 채용할 수 있다. 이것에 의해 일차 자속 제어에 있어서 최대 토크/전류 제어를 실현할 수 있다.

바꾸어 말하면, 토크 T에 따라 일차 자속 지령값[Λ1*]를 변경하여 일차 자속 제어를 행함으로써, 상기 토크에 따라 전류 위상 β를 원하는 위상으로 제어할 수 있다.

종래와 같이 일차 자속 지령값[Λ1*]의 진폭 Λδ*를 일정하게 한 일차 자속 제어를 행하면, 회전 전동기는, 그 토크 T에 대해서 효율이 나쁜 동작점에서 구동되는 경우가 있다. 이에 반해, 상기 서술한 기술에서는, 토크 T에 따라 진폭 Λδ*를 변경함으로써, 전류 위상 β를 적절히 제어할 수 있어, 토크 T에 따라 효율이 좋은 동작점에서 구동할 수 있다.

특히 값 Λδ0(T)를, 진폭 Λδ*로서 채용함으로써 최대 토크/전류 제어를 실현할 수 있다. 또한, 진폭 Λδ*가 얻어진 후의 일차 자속 제어는 간단하게 상기 서술했고, 주지이므로, 여기에서는 상세한 동작, 상기 동작에 필요한 구성의 설명을 생략한다.

도 5는, 이러한 진폭 Λδ*를 얻기 위한 구성을 나타내는 블럭도이다. 일차 자속 지령값 설정부(1)는 일차 자속[λ1]의 진폭 Λδ와, 전기자 전류의 진폭 ia와, 회전 전동기의 토크 T의 관계를 기억한다. 그리고 토크 T에 따라, 진폭 ia를 최소로 하는 값 Λδ0(T)를, 일차 자속 지령값[Λ1*]의 진폭 Λδ*로서 출력한다.

도 5에서는, 도 3이나 도 4에 나타낸 진폭 ia와 값 Λδ0(T)의 관계가, 다양한 토크 T에 대해서 일차 자속 지령값 설정부(1)에 기억되어 있는 이미지를 그리고 있다.

혹은 일차 자속 지령값 설정부(1)는, 상기 관계에 의거하여 계산을 행하여 진폭 Λδ*를 출력한다. 일차 자속의 진폭 Λδ와, 비례 상수 Lq, Ld, 부하각 φ, 전기자 전류의 진폭 ia 및 q축 성분 iq 및 d축 성분 id, 전류 위상 β의 사이에는 하기 식 (2)의 관계가 있는 것이 공지이다. 단, iγ=iq·cosφ-id·sinφ의 관계가 있다.

따라서 식 (1)(2)를 계산함으로써, 토크 T마다 진폭 ia를 최소로 하는 일차 진폭 Λδ의 값 Λδ0(T)를 구할 수 있다.

또한, 토크 T는 검출된 값을 이용할 수 있다. 혹은 추정값 T＾를 채용할 수 있다. 추정값 T＾는, 도 2를 참조하여, 하기 식 (3)으로 구해진다.

혹은, 회전 전동기가 정상 상태에 있는 경우에는, 일차 자속[λ1]과 그 지령값[Λ1*]이 일치하고 있다고 생각할 수 있다. 따라서 도 1과 도 2를 참조하여 하기 식 (4)로 추정값 T＾를 구해도 된다.

혹은, 원하는 토크 T로 일차 자속 제어를 실제로 동작시키면서, 진폭 Λδ*가 취해야 할 값 Λδ0(T)를 얻을 수도 있다. 도 6은 어느 제어 타이밍에 있어서의 일차 자속 지령값[Λ1*]의 진폭 Λδ*[n-1]로부터, 그 다음의 제어 타이밍에 있어서의 일차 자속 지령값[Λ1*]의 진폭 Λδ*[n]을 구하는 기술을 나타내는 블럭도이다. 여기에서는 진폭 ia를 최소로 하는 진폭 Λδ*를 구하고는 있지만, 파라미터를 변경하여 제어 대상치의 극쌍치를 구하는 이른바 「언덕 오르기」와 같은 수법을 이용한다.

어느 제어 타이밍에 있어서의 일차 자속 지령값[Λ1*]의 진폭 Λδ*[n-2]로부터, 그 다음의 제어 타이밍에 있어서의 진폭 Λδ*[n-1]로 변화량 ΔΛδ로 증가했을 때, 진폭 ia가 차분 Δia로 증가한 경우를 상정한다. 이 경우는, 진폭 ia를 최소로 하는 값 Λδ0(T)로부터 멀어지도록 진폭 Λδ*[n-2]로부터 진폭 Λδ*[n-1]로 변화한 것이다. 따라서 진폭 Λδ*[n]을 진폭 Λδ*[n-1]에 대해 변화량 ΔΛδ로 감소시킴으로써, 값 Λδ0(T)에 가까워진다고 생각할 수 있다.

반대로, 진폭 Λδ*[n-2]로부터 진폭 Λδ*[n-1]로 변화량 ΔΛδ로 증가했을 때, 진폭 ia가 차분 Δia로 감소한 경우를 상정한다. 이 경우는, 진폭 ia를 최소로 하는 값 Λδ0(T)에 가까워지도록 진폭 Λδ*[n-2]로부터 진폭 Λδ*[n-1]로 변화한 것이다. 따라서 진폭 Λδ*[n]은 진폭 Λδ*[n-1]에 대해 변화량 ΔΛδ로 증가시킴으로써, 값 Λδ0(T)에 가까워진다고 생각할 수 있다.

따라서 증분 발생기(2)는 변화량 ΔΛδ 및 차분 Δia를 입력하여 ΔΛδ×g(Δia)를 출력하고, 가산기가 진폭 Λδ*[n-1]에 ΔΛδ×g(Δia)를 가산하여 진폭 Λδ*[n]을 구하는 동작이 바람직하다. 단 함수 g(Q)는 값 Q가 양일 때에 값(-1)을 취하고, 값 Q가 음일 때에 값 1을 취한다.

도 7 내지 도 9는 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 토크 T와 전기자 전류의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7은 토크 T와 진폭 ia의 γ축 성분 iγ의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 8은 토크 T와 진폭 ia의 δ축 성분 iδ의 관계를 나타내는 그래프이며, 도 9는 토크 T와 진폭 ia의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10은 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 있어서의 토크 T와 부하각 φ의 관계를 나타내는 그래프이다. 이러한 그래프는, 최대 토크/전류를 실현하는 동작점에 대해서는, 토크 T가 γ축 성분 iγ, δ축 성분 iδ, 진폭 ia, 및 부하각 φ에 의해 일의적으로 결정되는 것을 나타내고 있다.

예를 들면 도 7 내지 도 10에 나타내는 그래프는, 식 (1)(2)로부터 구해도 되고, 실험적으로 구해도 된다.

물론, γ축 성분 iγ와 δ축 성분 iδ를 조합하여, 토크 T에 의존한 새로운 지표를 구하여, 상기 지표에 대응한 값 Λδ0(T)를 진폭 Λδ*에 채용해도 된다. 단, 상기 지표는 토크 T를 일의적으로 결정하지 않으면 안 된다. 도 2를 감안하면, 진폭 ia는 상기 지표의 하나로서 파악할 수 있다.

또한, 정상 상태에 있어서는 φ=φc, iγ=iγc, iδ=iδc가 성립한다. 따라서 토크 T 대신에 γc축 성분 iγc, δc축 성분 iδc, 진폭 ia, 및 위상차 φc에 대응한 값 Λδ0(T)를 진폭 Λδ*에 채용함으로써, 최대 토크/전류를 실현할 수 있다. 이 경우, 토크 T를 검출하는 장치가 불필요해진다.

도 11은, γc축 성분 iγc, δc축 성분 iδc, 진폭 ia, 및 위상차 φc에 대응한 값 Λδ0(T)를 진폭 Λδ*로서 출력하는 기술을 나타내는 블럭도이다.

일차 자속 지령값 설정부(4)는, 토크 추정부(3)와 일차 자속 지령값 설정부(1)를 가진다. 토크 추정부(3)는 γc축 성분 iγc, δc축 성분 iδc(혹은 또한 진폭 ia), 또는 위상차 φc에 의거하여, 토크 추정값 Te를 설정한다. 토크 추정값 Te는 식 (3)이나 식 (4)로부터 얻어지는 추정값 T＾가 아니라, 식 (1) 및 식 (2), 혹은 도 7~도 10으로부터 추정되는 토크 T의 추정값이다.

이와 같이 하여, 토크 T를 검출하지 않고 최대 토크/전류를 실현할 수 있다.

도 12는 일차 자속 지령값 설정부(1)의 전단에 필터(5)를 설치한 구성을 예시한다. 또 도 13은 일차 자속 지령값 설정부(4)의 전단에 필터(5)를 설치한 구성을 예시한다. 필터(5)는 로우패스 필터로서 기능한다. 로우패스 필터에서 처리하여 얻어진 토크 T에 의거하여 일차 자속 지령값을 설정함으로써, 그 급격한 변화를 억제한다. 이것에 의해, 일차 자속 제어 그 자체에, 토크 T(혹은 그 추정값 Te)마다, 혹은 δc축 성분 iδc, γc축 성분 iγc, 또는 위상차 φc마다, 진폭 Λδ*를 설정하는 것이 부여하는 영향을 저감할 수 있다.

또한, 도 11에 있어서 나타내는 일차 자속 지령값 설정부(4)는, 반드시 토크 추정부(3)와 일차 자속 지령값 설정부(1)를 가질 필요는 없다. 오히려, 미리 실험적으로 δ축 성분 iδ와 값 Λδ0의 관계(도 14 참조)나, γ축 성분 iγ와 값 Λδ0의 관계(도 15 참조)를 얻고, 이것을 정식화 또는 테이블(혹은 맵)로서 얻어 두는 것이 바람직하다. 토크 추정값 Te를 일단 구할 필요가 없기 때문이다.

<제2 실시의 형태>

값 Λδ0(T)가, 최대 토크/전류를 부여하는 일차 자속[λ1]의 진폭이 아니라, 최소 전력/토크를 부여하는 일차 자속[λ1]이어도 된다. 이 경우에도, 값 Λδ0(T)를 취하는 진폭 Λδ*만 정해지고, 일차 자속 제어를 행하면, 전류 벡터 제어와 같은 계산을 재차 행할 필요는 없으며, 최대 효율을 얻기 위한 전류 위상 β가 적절히 제어되게 된다.

즉 일차 자속[λ1]과, 회전 전동기의 손실과, 회전 전동기의 토크 T 및 회전 속도의 관계에 의거하여, 토크 T 및 회전 속도에 따라, 손실을 최소로 하는 일차 자속을 일차 자속 지령값으로서 설정하고, 일차 자속 제어를 행하면 최대 효율 제어를 실현할 수 있다.

도 16은 회전 전동기의 토크 T 및 회전 속도가 일정한 경우의, 일차 자속[λ1]의 진폭 Λδ에 대한 손실을 나타내는 그래프이다. 곡선 G1, G2는, 각각 회전 전동기의 동손(銅損), 동손 및 철손의 합계를 나타낸다. 동손은 회전 전동기에 흐르는 전류의 2승에 비례하므로, 곡선 G1의 최소값을 부여하는 일차 자속은, 제1 실시의 형태에서 말하는 값 Λδ0(T)로서 채용할 수 있다.

본 실시의 형태에서는, 곡선 G2의 최소값을 부여하는 일차 자속[λ1]의 진폭을 값 Λδ1(T)로서 구하고, 이것을 일차 자속 지령[Λ1*]의 진폭 Λδ*로서 채용한다.

이러한 값 Λδ1(T)는, 도 6을 이용하여 설명한 것과 마찬가지로, 이른바 「언덕 오르기」과 유사한 수법으로 구할 수 있다.

구체적으로는, 도 17을 참조하여, 어느 제어 타이밍에 있어서의 진폭 Λδ*[n-1]로부터, 그 다음의 제어 타이밍에 있어서의 진폭 Λδ*[n]을 구한다. 여기에서는 전력을 최소로 하는 진폭 Λδ*를 구한다.

어느 제어 타이밍에 있어서의 진폭 Λδ*[n-2]로부터, 그 다음의 제어 타이밍에 있어서의 진폭 Λδ*[n-1]로 변화량 ΔΛδ로 증가했을 때, 전력이 차분 ΔP로 증가한 경우를 상정한다.

증분 발생기(6)는 변화량 ΔΛδ 및 차분 ΔP를 입력하여 ΔΛδ×g(ΔP)를 출력하고, 가산기(7)가 진폭 Λδ*[n-1]에 ΔΛδ×g(ΔP)를 가산하여 진폭 Λδ*[n]을 구한다. 함수 g에 대해서는 상기 서술한 대로이다.

제2 실시의 형태에 있어서도 제1 실시의 형태와 마찬가지로, 필터를 이용하여 토크 T(혹은 그 추정값 Te)의 일차 자속 제어의 제어 주파수 근방의 성분을 제거하여 진폭 Λδ*를 설정해도 된다.

또, 회전 속도에 따라 손실을 최소로 하는 일차 자속의 값 Λδ1(T)를, 혹은 회전 속도와 토크 T에 따라 손실을 최소로 하는 일차 자속의 값을, 각각 미리 실험으로 구해 두고, 이들 값을 테이블(혹은 맵)로 해도 된다. 그리고 회전 속도와 토크 T에 따라, 상기 테이블로부터 손실을 최소로 하는 일차 자속의 값을 읽어내고, 읽어낸 값을 상기 일차 자속 지령값으로서 설정하면 된다.

또 회전 속도는 전기각에 대한 값이어도 기계각에 대한 값이어도 된다. 정상 상태에서는 제어축(δc축, γc축)의 속도나 (전기각의) 속도 지령은 회전 속도와 일치하므로, 이들을 회전 속도에 대용해도 된다.

혹은 제1 실시의 형태 및 제2 실시의 형태에 있어서, 필터를 채용하는 대신에, 진폭 Λδ*를 갱신하는 주기를, 일차 자속 제어의 제어 주기보다 느리게 해도 된다. 이것에 의해, 일차 자속 지령값[Λ1*]의 설정과, 일차 자속 제어의 간섭이 억제된다.

혹은 속도 맥동이 소정 범위에 들어가 있을 때에 있어서만 진폭 Λδ*를 갱신하고, 그 이외에서는 진폭 Λδ*를 갱신하지 않음으로써, 일차 자속 제어를 안정적으로 실행할 수 있다.

바꾸어 말하면, 일차 자속 지령값[Λ1*]이 변화해도 일차 자속 제어의 안정성이 손상되기 어려운 관점에서는, 일차 자속 지령값[Λ1*]은, 이것에 의거하는 일차 자속 제어가 과도기에 있어서는 변경되지 않고, 일차 자속 제어가 안정되어 있는 상태에서 갱신되는 것이 바람직하다.

이 발명은 상세하게 설명되었지만, 상기한 설명은, 모든 국면에 있어서, 예시이며, 이 발명이 그에 한정되는 것은 아니다. 예시되어 있지 않은 무수한 변형예가, 이 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 상정될 수 있는 것으로 해석된다.

Claims

전기자 코일을 가지는 전기자와, 상기 전기자와 상대적으로 회전하는 계자인 회전자를 포함하는 회전 전동기에 대해, 일차 자속([λ1」)의 지령값인 일차 자속 지령값([Λ1*])을 설정하고, 상기 일차 자속 지령값에 따라서 상기 일차 자속을 제어하는 방법으로서,
상기 일차 자속은, 상기 계자가 발생하는 계자 자속(Λ0)과, 상기 전기자에 흐르는 전기자 전류(ia)에 의해 발생하는 전기자 반작용의 자속([λa]： id·Ld, iq·Lq)의 합성이며,
상기 회전 전동기의 토크(T)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경하여, 상기 계자 자속(Λ0)과 동상의 d축보다 π／2로 진상(進相)하는 q축에 대한 상기 전기자 전류의 전류 위상(β)을 상기 토크에 따른 원하는 위상으로 제어하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 일차 자속([λ1])과, 상기 전기자 전류(ia)와, 상기 회전 전동기의 토크(T)의 관계에 의거하여, 상기 토크에 따라, 상기 전기자 전류를 최소로 하는 상기 일차 자속의 진폭(Λδ0(T))을 상기 일차 자속 지령값(Λ1*)의 진폭(Λδ*)으로서 설정하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 관계는, 상기 일차 자속([λ1])의 상기 d축에 대한 부하각 φ, 상기 전기자 전류(ia)의 상기 q축에 대한 전류 위상 β, 상기 계자 자속의 진폭 Λ0, 상기 일차 자속의 진폭 Λδ, 상기 회전 전동기의 d축 인덕턴스 Ld 및 q축 인덕턴스 Lq, 상기 전기자 전류의 d축 성분 id 및 q축 성분 iq, 상기 회전 전동기의 극쌍수 n, 토크 T를 도입하여, T=n·Λδ·ia·cos(φ-β),　Λδ·sinφ=Lq·iq,　Λδ·cosφ=Ld·id＋Λ0, tanβ=-id/iq, ia=√(id²＋iq²)로 결정되는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류와 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 전기자 전류로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류 중 상기 일차 자속과 동상의 동상 성분(iδ)과 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 전기자 전류의 상기 동상 성분으로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류 중 상기 일차 자속에 직교하는 직교 성분(iγ)과 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 전기자 전류의 상기 직교 성분으로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 일차 자속에 대해 최소값을 취하는 상기 전기자 전류에 의해 발생하는 상기 전기자 반작용의 자속 및 상기 계자 자속으로 결정되는 상기 부하각(φ)과 상기 토크의 관계에 의거하여, 상기 부하각으로부터 상기 일차 자속 지령값을 설정하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 일차 자속([λ1])과, 상기 회전 전동기의 손실과, 상기 회전 전동기의 토크(T) 및 회전 속도의 관계에 의거하여, 상기 토크 및 상기 회전 속도에 따라, 상기 손실을 최소로 하는 상기 일차 자속을 상기 일차 자속 지령값으로서 설정하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 일차 자속 지령값을 갱신하는 주기는, 상기 일차 자속 지령값에 의거하는 상기 일차 자속의 제어의 주기와는 상이한, 일차 자속 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 일차 자속 지령값은, 상기 일차 자속 지령값에 의거하는 상기 일차 자속의 제어가 과도기에 있어서는 변경되지 않고, 상기 제어가 안정되어 있는 상태에서 갱신되는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 4에 있어서,
로우패스 필터에서 처리된 상기 회전 전동기의 토크(T)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 5에 있어서,
로우패스 필터에서 처리된 상기 동상 성분(iδ)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 6에 있어서,
로우패스 필터에서 처리된 상기 직교 성분(iγ)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 7에 있어서,
로우패스 필터에서 처리된 상기 부하각(φ)에 따라 상기 일차 자속 지령값을 변경하는, 일차 자속 제어 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 일차 자속 지령값은, 상기 토크의 추정값에 따라 변경되는, 일차 자속 제어 방법.