KR20170007466A

KR20170007466A - 교류 회전기의 제어 장치

Info

Publication number: KR20170007466A
Application number: KR1020167035749A
Authority: KR
Inventors: 요스케 하치야; 마사토 이토; 히사노리 야마사키; 아키라 사타케
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2017-01-18
Also published as: JP6045768B1; CN107078672B; RU2664782C1; US20170104431A1; KR101880383B1; CN107078672A; TW201635695A; US10411633B2; JPWO2016157306A1; TWI545885B; WO2016157306A1

Abstract

교류 회전기(1)의 제어 장치(10)는, 전류 검출부(3)와, 관성 모멘트(J)를 이용해서 전압 지령을 생성하는 지령 생성부(4)와, 전압 지령과 검출 전류에 근거해서 추정 속도(ω0)를 연산하는 속도 추정부(6)와, 검출 전류에 근거해서 출력 토크를 연산하는 출력 토크 연산부(7)와, 관성 모멘트(J)를 연산하는 관성 모멘트 연산부(8)를 구비한다. 출력 토크 연산부(7)는, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 대응하는 지연 특성을 출력 토크에 부여하고, 관성 모멘트 연산부(8)는, 추정 속도(ω0)와 지연 특성을 갖는 출력 토크에 근거해서 관성 모멘트(J)를 연산한다.

Description

교류 회전기의 제어 장치{CONTROL DEVICE FOR AC ROTATING MACHINE}

본 발명은 기계 장치에 접속된 교류 회전기를 구동하는 제어 장치에 관한 것이다.

교류 회전기를 제어해서 기계 장치를 구동하는 경우, 기계 장치에 접속된 교류 회전기를 소망의 응답성으로 구동하기 위해서는, 교류 회전기가 접속되어 있는 기계 장치의 기계 정수를 파악할 필요가 있다. 그러나, 실제의 기계 장치는 복잡한 기구를 가지고 있어, 정확한 기계 정수를 파악하는 것이 곤란한 경우도 많다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 종래부터, 기계 장치의 기계 정수인 관성 모멘트를 추정하는 방법이 있다.

예를 들면 비특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 교류 회전기의 전류를 검출해서 토크를 연산하고, 또 속도 센서나 위치 센서를 이용해서 교류 회전기의 회전 속도를 검출한다. 그리고, 회전 속도로부터 가속도 성분을 연산해서, 교류 회전기의 운동 방정식에 근거해서, 통계적 방법을 이용하여 관성 모멘트를 연산한다. 이 경우, 속도 센서나 위치 센서를 이용하고 있기 때문에, 내고장성 및 보수의 측면에서 불리하다.

이 때문에, 이들 센서를 이용하지 않고 기계 장치의 관성 모멘트를 추정하기 위해, 종래의 교류 회전기의 제어 장치로서 벡터 제어 인버터 장치가 제안되고 있다.

벡터 제어 인버터 장치는, 각속도 제어에 의해 정속 회전시킨 교류 회전기에, 일정한 토크축(q축) 전류 지령을 부여하여 미소 변화시킨다. 그리고, 검출한 전류로부터 토크의 변화량을 연산함과 아울러, 토크축 전류 지령의 변화 전후의 교류 회전기의 추정 속도로부터 가속도 성분을 추출하여, 관성 모멘트를 연산한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

또, 비특허문헌 2에는, 전동기의 위치 센서리스(sensorless) 제어에 있어서, 회전 2축상에서 구성하는 적응 옵저버(observer)에 대해, 속도 추정 이득 및 피드백 이득의 설계법이 나타나 있다.

일본 공개 특허 공보 제 2004-242430 호

「저정밀도 인코더를 이용하는 서보모터의 고성능 제어 - 순간 속도 옵저버와 관성 모멘트의 동정」 전학론 D, 114권 4호, 평성 6년 「회전 좌표상의 적응 옵저버를 이용한 PM 전동기의 위치 센서리스 제어」 전학론 D, 123권5호, 2003년

상기 특허문헌 1이나 상기 비특허문헌 2에 나타내는, 속도 센서나 위치 센서를 이용하지 않는 종래의 교류 회전기의 제어 장치에서는, 교류 회전기의 속도를, PI 제어 등의 제어기를 이용해서 추정하고 있다. 이 때문에, 제어기의 출력인 추정 속도가 수렴되는데 지연이 발생하고, 즉, 실제의 회전기 속도에 대해서 추정 속도에 추정 지연이 발생한다. 이것으로 인해 연산되는 관성 모멘트에 오차가 발생한다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 속도 센서나 위치 센서를 이용하지 않고 관성 모멘트를 정밀도 좋게 연산 가능한 교류 회전기의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 교류 회전기의 제어 장치는, 기계 장치에 접속된 교류 회전기를 구동하기 위한 전압 지령을 관성 모멘트를 이용해서 생성하는 지령 생성부와, 상기 교류 회전기의 전류를 검출하는 전류 검출부와, 상기 전류 검출부로부터의 검출 전류에 근거해서 상기 교류 회전기의 출력 토크를 연산하는 출력 토크 연산부와, 상기 전압 지령과 상기 검출 전류에 근거해서 상기 교류 회전기의 추정 속도를 연산하는 속도 추정부와, 상기 추정 속도와 상기 출력 토크에 근거해서 상기 관성 모멘트를 연산하는 관성 모멘트 연산부를 구비한다. 상기 출력 토크 연산부는, 상기 추정 속도의 추정 지연에 대응하는 지연 특성을 상기 출력 토크에 부여한다. 그리고, 상기 관성 모멘트 연산부는, 상기 지연 특성을 갖는 상기 출력 토크를 이용해서 상기 관성 모멘트를 연산한다.

본 발명의 교류 회전기의 제어 장치에 의하면, 상기 관성 모멘트 연산부는, 추정 속도와, 이 추정 속도의 추정 지연에 대응하는 지연 특성을 갖는 출력 토크를 이용해서 관성 모멘트를 연산하기 때문에, 관성 모멘트를 정밀도 좋게 연산할 수 있다. 이것에 의해, 교류 회전기의 제어 장치는, 교류 회전기를 소망의 응답으로 신뢰성 좋게 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 교류 회전기의 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 지령 생성부를 설명하는 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 관성 모멘트 연산부를 설명하는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 교류 회전기의 제어 장치를 포함한 회전기 시스템의 하드웨어 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 교류 회전기의 제어 장치에 있어서의 동작을 설명하는 각부의 파형도이다.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 교류 회전기의 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 출력 토크 연산부를 설명하는 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 교류 회전기의 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.

실시의 형태 1.

이하, 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 교류 회전기의 제어 장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 교류 회전기의 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 기계 장치(2)가 교류 회전기(1)에 접속되고, 교류 회전기(1)의 제어 장치(10)가 교류 회전기(1)를 구동 제어함으로써, 교류 회전기(1)는 기계 장치(2)를 구동한다. 또, 교류 회전기(1)로는, 예를 들면, 영구 자석을 이용한 동기기(同期機)를 이용한다.

제어 장치(10)는, 교류 회전기(1)의 전류를 검출하는 전류 검출부(3)와, 교류 회전기(1)를 구동하기 위한 전압 지령(vd*, vq*)을 생성하는 지령 생성부(4)와, 교류 회전기(1)에 전압을 인가하는 전압 인가부(5)와, 추정 속도(ω0) 및 추정 자극 위치(θ0)를 연산하는 속도 추정부(6)와, 출력 토크 연산부(7)와, 관성 모멘트 연산부(8)를 구비한다. 전압 인가부(5)는 인버터 회로 등의 전력 변환기로 구성되고, 이 경우, 제어 장치(10)가 전압 인가부(5)를 구비하여, 전압 인가부(5)의 출력이 제어 장치(10)로부터 교류 회전기(1)에 출력된다.

전류 검출부(3)는, 교류 회전기(1)의 3상 전류(iu, iv, iw)를 회전 2축 좌표로 변환하는 좌표 변환기(31)를 구비한다. 전류 검출부(3)는, 3상 전류(iu, iv, iw)를 검출하고, 좌표 변환기(31)에 있어서, 속도 추정부(6)로부터 출력되는 추정 자극 위치(θ0)를 이용해서, 교류 회전기(1)의 회전자에 동기해서 회전하는 직교 좌표로서 공지인 dq축 상의 전류로 좌표 변환하고, 이것을 검출 전류(id, iq)로서 출력한다.

또, 3상 전류를 검출하는 경우, 전류를 3상 모두 검출하는 것 외에, 2상분을 검출해서 3상 전류의 합이 제로인 것을 이용해서 남은 1상분의 전류를 구해도 좋다. 또, 전압 인가부(5)에 있어서, 예를 들면, 전력 변환기의 모선 전류나 스위칭 소자에 흐르는 전류와 스위칭 소자 상태로부터 3상 전류를 연산해도 좋다.

교류 회전기(1)를 구동하기 위한 임의의 속도 지령(ω*)이 제어 장치(10)에 부여되어 지령 생성부(4)에 입력된다. 지령 생성부(4)는, 속도 지령(ω*)과, 속도 추정부(6)로부터 출력되는 추정 속도(ω0)와, 관성 모멘트 연산부(8)로부터 출력되는 관성 모멘트(J)에 근거해서, 교류 회전기(1)를 구동하기 위해서 필요한 dq축 상의 전압 지령(vd*, vq*)을 연산해서 출력한다. 지령 생성부(4)의 제어 구성의 예를 도 2에 나타낸다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 지령 생성부(4)는 속도 제어기(42)와 전류 제어기(44a, 44b)를 구비한다. 그리고 가감산기(41)에 있어서, 속도 지령(ω*)으로부터 추정 속도(ω0)를 감산해서 속도 편차(Δω)를 연산한다. 속도 제어기(42)는, 속도 편차(Δω)가 0으로 되도록 관성 모멘트(J)의 값을 이용한 PI 제어에 의해, 토크 전류인 q축의 검출 전류(iq)의 전류 지령(iq*)을 연산한다.

교류 회전기(1)를 소망의 응답으로 회전 제어하기 위해서는, 속도 제어기(42)의 PI 제어기는 일반적으로 식(1)에 근거해서 설정된다.

iq*=kwp(1＋kwi/s)·Δω···(1)

단, kwp=ωsc·Pm²·φf/J

kwi=ωsc/N

s : 라플라스(Laplace) 연산자, ωsc : 속도 응답 설정치, Pm : 교류 회전기의 쌍극수(the number of pole pairs), φf : 교류 회전기의 자석 자속, J : 관성 모멘트, N : 임의의 양의 정수

다음으로 가감산기(43a)는, 전류 지령(iq*)으로부터 검출 전류(iq)를 감산해서 q축 전류 편차를 연산한다. 전류 제어기(44a)는 q축 전류 편차가 0으로 되도록 PI 제어에 의해 전압 지령(vq*)을 연산한다.

한편, d축의 전류 지령(id*)은, 단순히 0으로 설정해도 좋고, 교류 회전기(1)가 출력하는 토크가 최대로 되도록, q축의 전류 지령(iq*)에 근거해서 설정해도 좋다. 가감산기(43b)는, 전류 지령(id*)으로부터 검출 전류(id)를 감산해서 d축 전류 편차를 연산한다. 전류 제어기(44b)는 d축 전류 편차가 0이 되도록 PI 제어에 의해 전압 지령(vd*)을 연산한다.

이와 같이, 추정 속도(ω0)가 속도 지령(ω*)에 추종하도록 속도 제어기(42)에서 전류 지령(iq*)이 생성되고, 검출 전류(id, iq)가 전류 지령(id*, iq*)에 추종하도록 전류 제어기(44b, 44a)에서 전압 지령(vd*, vq*)이 생성된다. 이것에 의해, 추정 속도(ω0)가 속도 지령(ω*)에 일치하도록 교류 회전기(1)를 제어할 수 있다.

전압 인가부(5)는, 지령 생성부(4)로부터의 dq축 상의 전압 지령(vd*, vq*)을, 속도 추정부(6)로부터 출력되는 추정 자극 위치(θ0)를 이용해서, 정지 좌표의 3상 전압 지령(vu*, vv*, vw*)으로 변환하고, 3상 전압 지령(vu*, vv*, vw*)에 근거해서 전압 인가부(5)가 3상 전압을 출력해서 교류 회전기(1)에 인가한다.

속도 추정부(6)는, 검출 전류(id, iq)와 전압 지령(vd*, vq*)에 근거해서, 교류 회전기(1)의 추정 속도(ω0)를 연산하는 추정 속도 연산부(61)와, 추정 속도(ω0)를 적분해서 교류 회전기(1)의 추정 자극 위치(θ0)를 연산하는 적분기(62)를 구비한다.

추정 속도 연산부(61)는, 검출 전류(id, iq)와 전압 지령(vd*, vq*)에 근거해서, 교류 회전기(1)의 추정 속도(ω0)를 공지의 방법으로 연산한다. 예를 들면, 전압 지령(vd*, vq*)에 근거해서 얻은 교류 회전기의 모델로부터 전류치를 추정하고, 이 추정된 전류치가 검출 전류(id, iq)에 일치하도록 추정 속도(ω0)를 연산한다.

적분기(62)는, 추정 속도 연산부(61)가 출력하는 추정 속도(ω0)를 이용해서, 이하의 식(2)에 의해 추정 자극 위치(θ0)를 연산한다.

θ0=ω0/s···(2)

또, 검출 전류(id, iq)와 전압 지령(vd*, vq*)에 근거해서 교류 회전기(1)의 추정 속도(ω0)를 연산하는 방법은, 상기 특허문헌 1, 비특허문헌 2에 한정하지 않고 공지이다. 이 추정 속도(ω0)는, 추정 속도 연산부(61) 내의 제어기를 이용해서 연산되고, 수렴할 때까지 위상의 지연이 발생하고, 즉, 추정 속도(ω0)는 추정 지연을 갖는다.

예를 들면 상기 비특허문헌 2에 나타내는 바와 같이, 교류 회전기(1)의 실제 속도(ω)로부터 연산되는 추정 속도(ω0)로의 개방 루프 전달 특성을 전달 함수로 나타내면,

G(s)=ωac/s

로 된다.

여기서, ωac는 속도 추정 이득이다.

이것에 의해, 실제 속도(ω)로부터 추정 속도(ω0)로의 폐루프 전달 특성을 나타내는 전달 함수는, 이하의 식(3)으로 나타낸다.

Gx(s)=G(s)/(1＋G(s))

=ωac/(s＋ωac)···(3)

상기 식(3)에 나타내는 바와 같이, 연산되는 추정 속도(ω0)는, 실제 속도(ω)에 대해 추정 지연을 포함하고 있다.

출력 토크 연산부(7)는, 검출 전류(id, iq)로부터 출력 토크(τ)를 연산하는 토크 연산부(71)와, 출력 토크(τ)를 보정해서 보정 출력 토크(τc)를 연산하는 토크 보정부(72)를 구비한다.

토크 연산부(71)는, 검출 전류(id, iq)에 근거해서, 이하의 식(4)에 의해, 교류 회전기(1)의 출력 토크(τ)를 연산한다.

τ=Pm(φf·iq＋(Ld-Lq)·id·iq)···(4)

단, Ld, Lq : 교류 회전기의 d축, q축 방향의 인덕턴스

토크 보정부(72)는, 토크 연산부(71)에 의해 연산된 출력 토크(τ)를 필터에 통과시킴으로써 보정한다. 토크 보정부(72)의 필터는, 상기 식(3)에서 나타낸 실제 속도(ω)로부터 추정 속도(ω0)로의 전달 특성과 마찬가지의 전달 특성을 갖는 필터이며, 즉, 이하의 식(5)에 의해 보정 출력 토크(τc)를 연산해서 출력한다.

τc=Gx(s)·τ···(5)

토크 연산부(71)는, 교류 회전기(1)가 실제 속도(ω)로 회전했을 때의 출력 토크(τ)를, 검출 전류(id, iq)에 근거해서 연산하고 있기 때문에, 출력 토크(τ)는 실제 속도(ω)에 동기한다고 할 수 있다. 이 때문에, 토크 보정부(72)에 있어서, 실제 속도(ω)로부터 추정 속도(ω0)로의 전달 함수 Gx(s)를 이용해서 출력 토크(τ)를 보정하면, 추정 속도(ω0)의 추정 지연분만큼 출력 토크(τ)를 지연 시키게 되어, 보정 출력 토크(τc)와 추정 속도(ω0)를 동기시킬 수 있다.

이와 같이, 토크 보정부(72)는, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 대응하는 전달 특성(전달 함수 Gx(s))을 이용해서, 해당 추정 지연에 대응하는 지연 특성을 출력 토크(τ)에 부여하여, 보정 출력 토크(τc)를 출력한다.

관성 모멘트 연산부(8)는, 속도 추정부(6)로부터의 추정 속도(ω0)와, 출력 토크 연산부(7)로부터의 보정 출력 토크(τc)로부터, 관성 모멘트(J)를 연산한다.

그런데, 교류 회전기의 운동 방정식에 따르면, 관성 모멘트(J)는, 속도(실제 속도)(ω)와 출력 토크(τ)로부터, 이하의 식(6)을 이용해서 구할 수 있다.

J=τ／(s·ω)···(6)

상기 (6)식을 이용해서 관성 모멘트(J)를 연산하는 경우, 연산 오차를 억제하기 위해, 출력 토크(τ), 속도(ω)에 대해 각각 필터를 이용한다.

출력 토크(τ)는 상기 (4)식에 의해 검출 전류(id, iq)를 이용해서 구하기 때문에 고주파 영역의 검출 노이즈를 포함한다. 또, 가속시의 과도적인 출력 토크를 이용하기 때문에 정상 부하 등의 저주파 영역의 직류 성분은, 관성 모멘트의 연산 오차로 된다.

이러한 저주파수 성분과 고주파수 성분을 제거해서 과도적인 토크 변화량을 추출하기 때문에, 출력 토크(τ)에 대한 필터 Fτ(s)를, 이하의 식(7)과 같이 설정한다.

Fτ(s)=s/f(s)···(7)

단, 분모 다항식 f(s)는 s의 3차 다항식으로서, 저주파수 성분과 고주파수 성분을 제거하는 특성을 갖는다.

출력 토크(τ)의 과도 토크 성분을 dτ로 하면, 이하의 식(8)에 의해 과도 토크 성분 dτ를 출력 토크(τ)로부터 추출할 수 있다.

dτ=Fτ(s)·τ···(8)

속도(ω)에 대한 필터 Fω(s)에 대해서도, 출력 토크(τ)에 대한 필터 Fτ(s)와 마찬가지의 특성을 갖게 할 필요가 있다. 상기 식(6)에서 나타내는 바와 같이, 관성 모멘트(J)의 연산에는, 속도(ω)로부터 얻은 가속도(s·ω)를 이용한다. 과도 가속도 성분을 da로 하면, 이하의 식(9)에 의해 과도 가속도 성분 da를 속도(ω)로부터 추출할 수 있고, 필터 Fω(s)는, 이하의 식(10)으로 나타낼 수 있다.

da=Fω(s)·ω

=Fτ(s)·(s·ω)

=s·Fτ(s)·ω···(9)

Fω(s)=s·Fτ(s)···(10)

도 3은 관성 모멘트 연산부(8)의 구성을 설명하는 도면이다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 관성 모멘트 연산부(8)는, 과도 토크 성분 추출부(81)와, 과도 가속도 성분 추출부(82)와, 관성 모멘트 산출부(83)를 구비한다. 관성 모멘트 연산부(8)에는, 속도 추정부(6)로부터의 추정 속도(ω0)와, 출력 토크 연산부(7)로부터의 보정 출력 토크(τc)가 입력되고, 보정 출력 토크(τc)는 과도 토크 성분 추출부(81)에, 추정 속도(ω0)는 과도 가속도 성분 추출부(82)에, 각각 입력된다.

과도 토크 성분 추출부(81)는, 상술한 필터 Fτ(s)에 대응하고, 즉, 저주파수 성분과 고주파수 성분을 제거해서 보정 출력 토크(τc)로부터 과도 토크 성분(81a)을 추출한다. 또, 과도 가속도 성분 추출부(82)는, 상술한 필터 Fω(s)에 대응하고, 즉, 저주파수 성분과 고주파수 성분을 제거해서 추정 속도(ω0)로부터 과도 가속도 성분(82a)을 추출한다. 그리고, 관성 모멘트 산출부(83)는, 과도 토크 성분(81a)을 과도 가속도 성분(82a)으로 제산함으로써 관성 모멘트(J)를 산출한다.

이 실시의 형태에서는, 실제 속도(ω)로부터 추정 속도(ω0)로의 전달 특성(Gx(s))를 이용해서,

τc=Gx(s)·τ···(11)

ω0=Gx(s)·ω···(12)

로 나타낼 수 있기 때문에,

과도 토크 성분(81a)은, 상기 식(11)으로부터

Fτ(s)·τc=Fτ(s)·Gx(s)·τ···(13)

로 되고,

과도 가속도 성분(82a)는, 상기 식(10), 식(12)으로부터

Fω(s)·ω0=s·Fτ(s)·Gx(s)·ω···(14)

로 된다.

이것에 의해, (과도 토크 성분(81a))/(과도 가속도 성분(82a))로 구해지는 관성 모멘트(J)는, 상기 식(13), 식(14)으로부터,

J=Fτ(s)·Gx(s)·τ／(s·Fτ(s)·Gx(s)·ω)

=τ／s·ω···(15)

로 되고, 상기 식(6)과 일치하는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 관성 모멘트 연산부(8)는, 보정 출력 토크(τc)와 추정 속도(ω0)를 이용해서 관성 모멘트(J)를 고정밀도로 연산할 수 있다.

또, 만일 출력 토크(τ)에 지연 특성을 부여하는 보정을 행하지 않고 그대로 이용했다고 하면, 추정 속도(ω0)의 추정 지연은, 출력 토크(τ)의 상승에 대한 가속도의 지연으로서 표현되고, (과도 토크 성분)/(과도 가속도 성분)으로 구해지는 관성 모멘트에는 오차가 발생한다. 또, 교류 회전기(1)의 실제 속도(ω)의 상승이 빠를수록 추정 속도(ω0)의 추정 지연이 커지기 때문에, 관성 모멘트의 오차는 확대된다.

이 경우, 관성 모멘트는,

Fτ(s)·τ／(s·Fτ(s)·Gx(s)·ω)

=τ／(s·Gx(s)·ω)

로 된다. 즉, 분모의 성분에 지연 특성이 남아, 관성 모멘트를 정밀도 좋게 연산할 수 없다는 것을 알 수 있다.

또, 만일, 지령 생성부(4)에서 이용하는 관성 모멘트로서 미리 파악할 수 있는 교류 회전기(1)의 관성 모멘트(Jm)를 이용한 경우, 상기 식(1)에서 나타낸 전류 지령(iq*)의 연산에 이용되는 이득(kwp)은,

kwp=ωsc·Pm²·φf/Jm

로 된다. 이 경우의 속도 응답 설정치(ωsc)는, 교류 회전기(1)의 관성 모멘트(Jm)와 기계 장치(2)의 관성 모멘트(Ja)를 합친 본래의 관성 모멘트(J)를 이용한 경우의, Jm/(Jm＋Ja)배로 되어, 감소한다. 이 때문에, 소망의 속도 응답을 얻을 수 없다.

이상과 같이, 본 실시의 형태에서는, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 대응하는 전달 특성(전달 함수 Gx(s))을 이용해서 출력 토크(τ)를 보정하고, 해당 추정 지연에 대응하는 지연 특성을 갖는 보정 출력 토크(τc)를 연산한다. 그리고, 추정 속도(ω0)와 추정 속도(ω0)의 추정 지연과 동등의 지연 특성을 갖는 보정 출력 토크(τc)로부터, 관성 모멘트(J)를 연산하기 때문에, 관성 모멘트(J)를 정밀도 좋게 연산할 수 있다. 그리고, 지령 생성부(4)는, 고정밀도로 연산된 관성 모멘트(J)를 이용해서 전압 지령(vd*, vq*)을 생성하기 때문에, 교류 회전기(1)를 소망의 응답으로 신뢰성 좋게 제어할 수 있다.

또, 기계 장치(2)의 구성에 따라서는, 교류 회전기(1)의 운전중에 관성 모멘트(J)가 변하는 것이 상정되지만, 운전중에 과도 토크 성분(81a), 과도 가속도 성분(82a)의 추출을 계속해서 관성 모멘트(J)를 계속해서 연산할 수 있다.

또, 출력 토크(τ)를 보정하기 위한 전달 특성에, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 동기하는 폐루프 전달 함수 Gx(s)를 이용했기 때문에, 추정 속도(ω0)의 추정 지연과 동등의 지연 특성을 갖는 보정 출력 토크(τc)를 고정밀도로 연산할 수 있어, 추정 속도(ω0)와 보정 출력 토크(τc)를 동기시킬 수 있다.

또, 출력 토크(τ)를 보정하기 위한 전달 특성을 나타내는 전달 함수 Gx(s)는, 상기 식(3)에서 나타내는 것에 한정되지 않고, 추정 속도(ω0)의 연산에 따라서 발생하는 추정 지연에 대응하는 것이면 좋다.

또, 상기 실시의 형태에서는, 관성 모멘트 연산부(8)는, 과도 토크 성분(81a)을 과도 가속도 성분(82a)으로 직접 제산함으로써 관성 모멘트(J)를 연산했지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 상기 비특허문헌 1에 나타내는 것과 같은 통계적인 방법을 이용함으로써, 관성 모멘트를 고정밀도로 연산할 수 있다.

또한, 상기 실시의 형태에서는, 영구 자석을 이용한 동기기를 교류 회전기(1)으로서 이용했지만, 유도기 등 다른 교류 회전기(1)에도 적용할 수 있다.

추가로 또한, 전압 인가부(5)는 제어 장치(10)의 외부에 마련해도 좋고, 그 경우, 제어 장치(10)는 전압 지령(vd*, vq*)을 전압 인가부(5)에 출력한다.

또, 속도 추정부(6)에 있어서, 추정 속도(ω0)를 적분기(62)로 적분해서 추정 자극 위치(θ0)를 연산했지만, 그것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 문헌 : 「외란 옵저버와 속도 적응 분류에 의한 개개의 원통형 브러시리스 DC 모터의 위치·속도 센서리스 제어」 전학론 D, 118권 7/8호, 1998년에 기재되어 있는 바와 같이, DC 모터의 고정자 좌표(αβ축)의 추정 유기 전압을 이용해서, 그 역탄젠트로부터 추정 자극 위치를 연산해도 좋다.

다음으로, 상기 실시의 형태 1에 따른 교류 회전기(1)의 제어 장치(10)를 구비하는 회전기 시스템의 하드웨어 구성을 도 4에 나타낸다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 회전기 시스템은, 교류 회전기(1)와, 교류 회전기(1)의 제어 장치(10)와, 제어 장치(10)에 지령을 부여하는 상위 콘트롤러(13)를 구비하여, 교류 회전기(1)에 접속되는 기계 장치(2)를 구동한다. 제어 장치(10)는, 하드웨어 구성으로서, 프로세서(11)와, 기억 장치(12)와, 전압 인가부(5)와, 전류 검출부(3)를 구비한다.

도 1에서 나타낸 지령 생성부(4), 속도 추정부(6), 출력 토크 연산부(7), 및 관성 모멘트 연산부(8)는, 기억 장치(12)에 기억된 프로그램을 실행하는 프로세서(11)에 의해 실현된다.

기억 장치(12)는, 도시하고 있지 않지만, RAM 등의 휘발성 기억 장치와, 플래시 메모리 등의 비휘발성의 보조 기억 장치를 구비한다. 비휘발성의 보조 기억 장치 대신에 하드 디스크 등의 보조 기억 장치를 구비해도 좋다.

프로세서(11)에, 기억 장치(12)의 보조 기억 장치로부터 휘발성 기억 장치를 통해서 프로그램이 입력되고, 프로세서(11)는, 기억 장치(12)로부터 입력된 프로그램을 실행한다. 또, 프로세서(11)는, 연산 결과 등의 데이터를 기억 장치(12)의 휘발성 기억 장치에 출력하거나, 혹은 휘발성 기억 장치를 통해서 보조 기억 장치에 출력해서 데이터를 보존한다.

또, 지령 생성부(4), 속도 추정부(6), 출력 토크 연산부(7), 및 관성 모멘트 연산부(8)는, 시스템 LSI 등의 처리 회로에 의해 실현되어도 좋다. 또, 전류 검출부(3) 내의 좌표 변환기(31), 및 전압 인가부(5)로의 전압 지령(vd*, vq*)을 3상 전압 지령으로 변환하는 기능은, 프로세서(11) 또는 시스템 LSI 등의 처리 회로에 의해 실현되어도 좋다. 또한, 복수의 프로세서(11) 및 복수의 기억 장치(12)가 연동해서 상기 기능을 실행해도 좋고, 복수의 처리 회로가 연동해서 상기 기능을 실행해도 좋다. 또, 그들을 조합해서 상기 기능을 실행해도 좋다.

실시의 형태 2.

다음으로, 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 교류 회전기의 제어 장치에 대해 설명한다.

관성 모멘트 연산부(8)는, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로, (과도 토크 성분(81a))/(과도 가속도 성분(82a))의 연산을 이용해서 관성 모멘트(J)를 도출한다. 이때, 과도 토크 성분(81a), 과도 가속도 성분(82a)의 각각의 값이 작으면, S/N비(노이즈량에 대한 신호량의 비)가 저하해서 관성 모멘트(J)는 정밀도 좋게 연산할 수 없다. 이 때문에, S/N비를 확보할 수 있도록, 과도 토크 성분(81a), 과도 가속도 성분(82a)의 각각에 임계치를 마련하고, 과도 토크 성분(81a), 과도 가속도 성분(82a)의 적어도 한쪽이 설정된 임계치 이하일 때, 관성 모멘트(J)로서 일정치를 출력한다.

그 외의 구성은, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지이다.

도 5는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 교류 회전기(1)의 제어 장치(10)에 있어서의 동작을 설명하는 각부의 파형도이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(10)에 부여되는 속도 지령(ω*)이 상승하고, 시간 경과와 함께, 추정 속도(ω0)가 속도 지령(ω*)에 가까워짐과 아울러, 연산되는 전압 지령(vd*, vq*), 전류 지령(iq*)이 안정되고, 검출 전류(iq)가 전류 지령(iq*)에 가까워진다.

관성 모멘트(J)를 나타내는 파형도에 있어서, 도면 중, A점으로부터 오른쪽 영역에서는, 도시하지 않는 과도 토크 성분(81a), 과도 가속도 성분(82a)의 양쪽이 임계치 이상이다. 그리고 관성 모멘트(J)는, A점에 도달할 때까지 일정치이며, 그 이후는, (과도 토크 성분(81a))/(과도 가속도 성분(82a))의 연산에 의해 얻은 값이 된다.

본 실시의 형태 2에서는, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지의 효과가 얻어짐과 아울러, 관성 모멘트 연산부(8)가, 과도 토크 성분(81a), 과도 가속도 성분(82a)의 각각 임계치를 마련하여, 신뢰성이 낮은 연산을 정지하기 때문에, 관성 모멘트의 연산 정밀도의 저하를 막을 수가 있다. 또, 그 동안은 관성 모멘트에 일정치를 이용하기 때문에, 제어 장치(10)는 계속해서 교류 회전기(1)를 운전할 수 있다.

운전중에 관성 모멘트가 변하는 경우에도, 과도 토크 성분(81a), 과도 가속도 성분(82a)의 추출을 계속하고, 관성 모멘트의 연산 가부의 판단을 수반해서 연산하기 때문에, 높은 연산 정밀도를 유지할 수 있다.

실시의 형태 3.

다음으로, 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 교류 회전기의 제어 장치에 대해 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 교류 회전기(1)의 제어 장치(10a)의 구성을 나타내는 블럭도이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 제어 장치(10a)는, 전류 검출부(3)와 지령 생성부(4)와 전압 인가부(5)와 속도 추정부(6)와 출력 토크 연산부(7a)와, 관성 모멘트 연산부(8)를 구비한다. 출력 토크 연산부(7a)는, 출력 토크(τa)를 연산하는 토크 연산부(71a)를 구비한다. 토크 연산부(71a)는, 전류 검출부(3)로부터의 검출 전류(id, iq)와, 지령 생성부(4)로부터의 전압 지령(vd*, vq*)과, 속도 추정부(6)로부터의 추정 속도(ω0)에 근거해서, 출력 토크(τa)를 연산한다. 또, 출력 토크 연산부(7a) 이외의 구성은, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지이다.

도 7은 토크 연산부(71a)의 구성을 설명하는 도면이다.

도 7에 나타내는 바와 같이, 토크 연산부(71a)는, 검출 전류(id, iq)와 전압 지령(vd*, vq*)으로부터, 교류 회전기(1)의 출력하는 전력 P를 연산하는 전력 연산부(73)와, 전력 연산부(73)로부터의 전력 P를 추정 속도(ω0)로 제산해서 출력 토크(τa)를 연산하는 제산기(74)를 구비한다.

전력 연산부(73)는, 전압(전압 지령(vd*, vq*))과 전류(검출 전류(id, iq))의 내적을 이용해서, 이하의 식(16)에 의해 전력 P를 연산한다.

P=vd*·id＋vq*·iq···(16)

그리고, 제산기(74)는, 이하의 식(17)에 의해 출력 토크(τa)를 연산한다.

τa=P/ω0···(17)

또, 전력 P를 추정 속도(ω0)로 제산하는 제산기(74)에서는, 제로 비율을 방지하기 위한 하한치를 마련하고, 추정 속도(ω0)의 크기가 설정된 하한치 미만일 때에는, 상기 식(17)에서 나타내는 제산을 정지한다. 그 경우, 상기 실시의 형태 1에 있어서 출력 토크를 연산하는데 이용한 상기 식(4)에 의해, 검출 전류(id, iq)에 근거해서 출력 토크(τa)를 연산한다.

이 경우, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로, 속도 추정부(6)가 출력하는 추정 자극 위치(θ0)를, 전압 지령(vd*, vq*)을 정지 좌표(3상 정지 좌표)의 3상 전압 지령으로 변환할 때와, 좌표 변환기(31)로 좌표 변환해서 검출 전류(id, iq)를 얻을 때의 양쪽에서 이용한다. 이 때문에, 추정 자극 위치(θ0)가 실제의 자극 위치로부터 추정 지연에 의한 오차를 갖는 경우에도, 전압과 전류의 위상차는 변화하지 않아 내적의 값은 변화하지 않는, 즉, 전력 연산부(73)가 연산하는 전력 P는 추정 자극 위치(θ0)의 오차의 영향을 받지 않아 고정밀도로 연산할 수 있다.

또, 회전기의 출력 토크는, 일반적으로 출력 전력을 속도로 제산함으로써 연산할 수 있고, 제산기(74)는, 전력 P를 추정 속도(ω0)로 제산해서 출력 토크(τa)를 연산한다. 이때, 고정밀도로 연산된 전력 P를 추정 속도(ω0)로 제산함으로써, 연산되는 출력 토크(τa)에, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 의한 지연 특성을 부여할 수 있다.

그리고, 관성 모멘트 연산부(8)에는, 속도 추정부(6)로부터의 추정 속도(ω0)와, 출력 토크 연산부(7a)로부터의 출력 토크(τa)가 입력되고, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로 관성 모멘트(J)를 연산한다.

본 실시의 형태에서는, 출력 토크 연산부(7a)가, 출력 토크(τa)를 연산할 때에, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 의한 지연 특성을 출력 토크(τa)에 부여하기 때문에, 출력 토크(τa)와 추정 속도(ω0)의 추정 지연은 동등의 지연 특성을 갖는 것으로 된다. 이것에 의해, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로, 관성 모멘트(J)를 정밀도 좋게 연산할 수 있어, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지의 효과가 얻어진다.

또, 좌표 변환에 동일 추정 자극 위치(θ0)를 이용하는 검출 전류(id, iq)와 전압 지령(vd*, vq*)으로부터 고정밀도로 연산한 전력 P를, 추정 속도(ω0)로 제산함으로써, 지연 특성을 갖는 출력 토크(τa)를 고정밀도로 연산할 수 있다.

또한, 제산기(74)에 하한치를 마련해서, 출력 토크(τa)의 연산을 전환하기 때문에, 교류 회전기(1)의 운전 상태에 따라 추정 속도(ω0)가 제로로 되어도, 출력 토크(τa)를 계속해서 연산할 수 있어, 제어 장치(10a)는 계속해서 교류 회전기(1)를 운전할 수 있다.

또, 출력 전력을 속도로 제산함으로써 출력 토크는 연산할 수 있는데, 추정 속도(ω0)를 대체한 것을 속도로서 이용해도 좋다. 예를 들면, 교류 회전기(1)에 인가되는 전압의 각(角) 주파수가 출력 전력 P에 대한 속도라고 생각하고, 상기 비특허문헌 2 내에서 나타낸 각 주파수를 제산기(74)에서 이용해서 출력 토크(τa)를 연산할 수도 있다.

실시의 형태 4.

다음으로, 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 교류 회전기의 제어 장치에 대해 도 8에 근거해서 설명한다.

본 실시의 형태 4에서는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 출력 토크 연산부(7b)는 토크 연산부(71a)와 토크 보정부(72)를 구비하고, 토크 보정부(72)는, 토크 연산부(71a)가 연산하는 출력 토크(τa)를 보정해서 보정 출력 토크(τb)를 출력한다. 그 외의 구성은, 상기 실시의 형태 3과 마찬가지이다.

토크 연산부(71a)는, 상기 실시의 형태 3과 마찬가지의 구성으로, 검출 전류(id, iq)와, 전압 지령(vd*, vq*)으로부터 전력 P를 연산하고, 전력 P를 추정 속도(ω0)로 제산함으로써, 지연 특성을 갖는 출력 토크(τa)를 연산한다.

토크 보정부(72)는, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지의 구성으로, 토크 연산부(71a)에 의해 연산된 출력 토크(τa)를 필터에 통과시킴으로써 보정 출력 토크(τb)를 출력한다. 토크 보정부(72)의 필터는, 실제 속도(ω)로부터 추정 속도(ω0)로의 전달 특성과 마찬가지의 전달 특성을 갖는 필터이다.

이상과 같이, 본 실시의 형태에서는, 출력 토크 연산부(7b)가, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 의한 지연 특성을 출력 토크(τa)에 부여해서, 그 출력 토크(τa)를 추가로 보정함으로써, 보정 출력 토크(τb)의 지연 특성을, 추정 속도(ω0)의 추정 지연에 의한 지연 특성에, 더 정밀도 좋게 근접시킬 수 있다. 이것에 의해 상기 실시의 형태 3과 마찬가지의 효과가 얻어짐과 아울러, 관성 모멘트(J)를 더 정밀도 좋게 연산할 수 있다.

또, 본 발명은, 발명의 범위 내에서, 각 실시의 형태를 자유롭게 조합하거나 각 실시의 형태를 적당, 변형, 생략하는 것이 가능하다.

Claims

기계 장치에 접속된 교류 회전기를 구동하기 위한 전압 지령을 관성 모멘트를 이용해서 생성하는 지령 생성부와,
상기 교류 회전기의 전류를 검출하는 전류 검출부와,
상기 전류 검출부로부터의 검출 전류에 근거해서 상기 교류 회전기의 출력 토크를 연산하는 출력 토크 연산부와,
상기 전압 지령과 상기 검출 전류에 근거해서 상기 교류 회전기의 추정 속도를 연산하는 속도 추정부와,
상기 추정 속도와 상기 출력 토크에 근거해서 상기 관성 모멘트를 연산하는 관성 모멘트 연산부
를 구비하되,
상기 출력 토크 연산부는, 상기 추정 속도의 추정 지연에 대응하는 지연 특성을 상기 출력 토크에 부여하고,
상기 관성 모멘트 연산부는, 상기 지연 특성을 갖는 상기 출력 토크를 이용해서 상기 관성 모멘트를 연산하는
교류 회전기의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 출력 토크 연산부는, 상기 검출 전류와 상기 전압 지령으로부터 얻은 출력 전력과 상기 추정 속도에 근거해서 상기 출력 토크를 연산함으로써, 상기 지연 특성을 상기 출력 토크에 부여하는 교류 회전기의 제어 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 출력 토크 연산부는, 상기 검출 전류에 근거해서 연산된 상기 출력 토크를 보정하는 토크 보정부를 구비하고,
상기 토크 보정부는, 상기 추정 속도의 추정 지연에 대응하는 전달 특성을 이용해서 상기 출력 토크를 보정해서 상기 지연 특성을 상기 출력 토크에 부여하는
교류 회전기의 제어 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 출력 토크 연산부는, 연산된 상기 출력 토크를 보정하는 토크 보정부를 구비하고,
상기 토크 보정부는, 상기 추정 속도의 추정 지연에 대응하는 전달 특성을 이용해서 상기 출력 토크를 보정하는
교류 회전기의 제어 장치.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 전달 특성은, 상기 추정 속도의 추정 지연에 동기하는 폐루프 전달 함수인 교류 회전기의 제어 장치.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 출력 토크 연산부는, 상기 출력 전력을 상기 추정 속도에 의해 제산해서 상기 출력 토크를 연산하는 것으로, 상기 추정 속도의 크기가 설정된 하한치 미만일 때, 상기 출력 전력 및 상기 추정 속도를 이용하지 않고, 상기 검출 전류에 근거해서 상기 출력 토크를 연산하는 교류 회전기의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추정 속도에 근거해서 연산되는 상기 교류 회전기의 추정 자극 위치가, 상기 검출 전류 및 상기 전압 지령의 양쪽에서 회전 2축 좌표와 3상 정지 좌표 간의 좌표 변환에 이용되는 교류 회전기의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 관성 모멘트 연산부는, 상기 추정 속도로부터 과도 가속도 성분을 추출하고, 상기 지연 특성을 갖는 상기 출력 토크로부터 과도 토크 성분을 추출해서, 상기 과도 가속도 성분 및 상기 과도 토크 성분으로부터 상기 관성 모멘트를 연산하고, 상기 과도 가속도 성분, 상기 과도 토크 성분의 각각에 임계치를 마련하고, 상기 과도 가속도 성분, 상기 과도 토크 성분의 적어도 한쪽이 상기 임계치 이하일 때, 상기 관성 모멘트로서 일정치를 출력하는 교류 회전기의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전류 검출부는, 상기 교류 회전기의 전류를 회전 2축 좌표로 변환하는 좌표 변환기를 구비해서, 상기 검출 전류를 회전 2축 좌표 상의 전류로서 검출하고,
상기 지령 생성부는, 상기 추정 속도가 속도 지령에 추종하도록 전류 지령을 생성하는 속도 제어기와, 상기 검출 전류가 상기 전류 지령에 추종하도록 상기 전압 지령을 생성하는 전류 제어기를 구비하는
교류 회전기의 제어 장치.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전압 지령에 근거해서 상기 교류 회전기에 전압을 인가하는 전압 인가부를 구비하는 교류 회전기의 제어 장치.