KR20210003833A - 영구자석식 동기 모터 및 환기 송풍기 - Google Patents

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가즈히코 홋타
료타 구로사와
다쿠야 사에키
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

영구자석식 동기 모터(100)는, 복수의 트랜지스터(31~36)가 스위칭되는 것에 의해 직류 전력을 3상의 교류 전력으로 변환하는 인버터 주 회로(3)와, 고정자(21) 및 회전자로 이루어지고, 3상의 교류 전력에 의해 구동되는 모터 본체(20)와, 고정자(21)에 흐르는 2상의 모터 전류치 및 회전자의 자극 위치의 추정치로부터 여자 전류치 및 토크 전류치를 구하는 전류 검출부(5)와, 여자 전류치 및 토크 전류치와, 인가 전압 정보로부터 추정치를 구하여 전류 검출부(5)에 출력하는 자극 위치 검출부(9)와, 토크 전류치가 토크 전류 지령치에 접근하도록, 여자 전류치 및 토크 전류치와, 추정치로부터 구한 각속도를 이용하여 인가 전압 정보를 연산하여 구하는 전압 연산부(8)와, 인가 전압 정보 및 추정치에 근거하여 인버터 주 회로(3)를 제어하는 인버터 제어부를 구비한다.

Description

영구자석식 동기 모터 및 환기 송풍기
본 발명은, 영구자석식 동기 모터 및 이것을 구비한 환기 송풍기에 관한 것이다.
환기 팬 또는 송풍기에 있어서는, 교류 전원에 직접 접속되는 유도 모터가 사용되는 경우가 많다. 최근, 광범위한 가변 속도 제어, 전력 소비량의 절약, 또는 저소음 구동을 목적으로 하여, 회전자에 영구자석을 갖는 영구자석식 동기 모터가 사용되고 있고, 영구자석식 동기 모터를 PWM(Pulse Width Modulation) 인버터에 의해 구동하는 구동 방식이 채용되고 있다. 이 구동 방식을 채용한 영구자석식 동기 모터를, PWM 인버터 구동 영구자석식 동기 모터라고 칭하고 있다.
PWM 인버터 구동 영구자석식 동기 모터의 내부에는, 일반적으로, 회전자의 회전 위치를 검출하는 위치 센서로서 구성이 간단하고 저렴한 홀 IC(Integrated Circuit)가 배치되어 있다. 이 홀 IC에 의해, 영구자석식 동기 모터의 회전자의 자극 위치를 검출하고, 검출된 자극 위치의 정보에 근거하여 PWM 인버터가 영구자석식 동기 모터의 고정자의 권선에 교류 전압을 인가하는 것에 의해 회전자를 구동하고 있다.
그렇지만 최근에는, 홀 IC를 이용한 위치 검지 회로를 이용하지 않고, 모터의 회전 기전력 또는 전류의 정보로부터 회전자의 위치를 추정하는 센서리스 방식이 늘어나고 있다. 센서리스 방식을 이용하는 것에 의해, 홀 IC의 비용을 절약할 수 있음과 아울러, 홀 IC를 회전자에 가까운 위치에 배치하지 않으면 안 된다고 하는 구조상의 제약으로부터 해방되는 것에 의해 모터 및 제어 회로의 설계 자유도가 올라간다고 하는 이점이 있다. 센서리스 방식을 채용한 환기 장치로서, 특허문헌 1에 개시된 것이 알려져 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 제 6225326호 공보
그렇지만, 센서리스 방식을 채용한 특허문헌 1의 기술에 따르면, 3상의 모터 전류치를 모두 검출하지 않으면 안 되므로, 전류 검출용의 저항 및 그것에 부대하는 회로 부분이 복잡해진다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기를 감안하여 이루어진 것이고, 간이한 하드웨어 구성으로 모터 전류치의 검출이 가능한 영구자석식 동기 모터를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하고, 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 복수의 스위칭 소자가 스위칭되는 것에 의해 직류 전력을 3상의 교류 전력으로 변환하는 인버터 주 회로와, 고정자 및 회전자로 이루어지고, 3상의 교류 전력에 의해 구동되는 모터 본체와, 고정자에 흐르는 2상의 모터 전류치 및 회전자의 자극 위치의 추정치로부터 여자 전류치 및 토크 전류치를 구하는 전류 검출부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은, 여자 전류치 및 토크 전류치와, 인가 전압 정보로부터 추정치를 구하여 전류 검출부에 출력하는 자극 위치 검출부와, 토크 전류치가 토크 전류 지령치에 접근하도록, 여자 전류치 및 토크 전류치와, 추정치로부터 구한 각속도를 이용하여 인가 전압 정보를 연산하여 구하는 전압 연산부와, 인가 전압 정보 및 추정치에 근거하여 인버터 주 회로를 제어하는 인버터 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관계된 영구자석식 동기 모터는, 간이한 하드웨어 구성으로 모터 전류치의 검출을 할 수 있다고 하는 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관계된 영구자석식 동기 모터의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2는 실시의 형태 1에 관계된 환기 송풍기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 2에 관계된 영구자석식 동기 모터의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 3에 관계된 영구자석식 동기 모터의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 5는 실시의 형태 1 내지 3에 관계된 마이크로컴퓨터의 구성을 나타내는 블록도이다.
이하에, 본 발명의 실시의 형태에 관계된 영구자석식 동기 모터 및 환기 송풍기를 도면에 근거하여 상세하게 설명한다. 또, 이 실시의 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시의 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)의 구성을 나타내는 블록도이다. 영구자석식 동기 모터(100)는, PWM 인버터 구동 영구자석식 동기 모터이다.
영구자석식 동기 모터(100)는, 교류 전원(1)에 접속된 정류 평활 회로(2)와, PWM 구동되는 인버터 주 회로(3)와, 영구자석식의 모터 본체(20)와, 모터 토크 제어부(51)를 구비한다. 모터 본체(20)는, 고정자(21)와, 도시하고 있지 않은 영구자석식의 회전자로 구성된다.
정류 평활 회로(2)는, 정류 회로(2d) 및 평활 콘덴서(2c)에 의해 구성되고, 교류 전원(1)으로부터 공급된 교류 전력을 변환한 직류 전력을 인버터 주 회로(3)에 공급한다. 인버터 주 회로(3)는, 상부 암(upper-arm)의 스위칭 소자인 트랜지스터(31~33) 및 하부 암(lower-arm)의 스위칭 소자인 트랜지스터(34~36)에 의해 구성된다. 정류 평활 회로(2)로부터 공급된 직류 전력은, 인버터 주 회로(3)에 있어서 트랜지스터(31~36)가 스위칭되는 것에 의해 가변 전압 및 가변 주파수의 3상의 교류 전력으로 변환된다. 인버터 주 회로(3)가 출력하는 3상의 교류 전력이 모터 본체(20)에 공급되는 것에 의해, 모터 본체(20)는 구동된다. 즉, 3상의 교류 전류가 고정자(21)에 공급되어, 회전자의 회전이 제어된다. 또, 도 1에서는, 트랜지스터(31~36)로서 바이폴라 트랜지스터를 이용하여 나타내고 있지만, 스위칭 소자라면 소자는 한정되지 않으므로, MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)를 이용하더라도 상관없다.
모터 토크 제어부(51)는, 인버터 주 회로(3)에 입력되는 직류 모선 전압 Vdc를 검지하는 전압 검지부(6)와, 모터 전류치 Iu 및 모터 전류치 Iv를 검출하여 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq로 변환하는 전류 검출부(5)와, d축 전압 지령치 Vd* 및 q축 전압 지령치 Vq*를 연산하여 출력하는 전압 연산부(8)와, 회전자의 자극 위치의 추정치 θ~를 구하는 자극 위치 검출부(9)와, 자극 위치 검출부(9)가 구한 추정치 θ~로부터 각속도 ωr을 계산하는 속도 연산부(10)와, 3상 전압의 지령치 Vu*, Vv*, Vw*를 연산하여 출력하는 3상 전압 연산부(11)와, 지령치 Vu*, Vv*, Vw*에 근거한 PWM 변조 신호를 생성하여 출력하는 PWM 변조 회로(12)와, PWM 변조 신호에 근거하여 트랜지스터(31~36)를 구동하는 구동 회로(13)를 구비한다.
전류 검출부(5)는, 고정자(21)의 2상에 대응하는 권선에 흐르는 모터 전류치 Iu, Iv를 검출한다. 구체적으로는, 인버터 주 회로(3)의 하부 암의 트랜지스터(34, 35) 각각의 이미터 측에 접속된 전류 검출용 저항인 션트 저항(341, 351)에 흐르는 전류에 의해 발생하는 전압치를 검출하여, 이것을 전류치로 변환하는 것에 의해 모터 전류치 Iu 및 모터 전류치 Iv를 검출한다. 전류 검출부(5)는, 검출한 모터 전류치 Iu 및 모터 전류치 Iv를 이하와 같이 하여 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq로 변환한다. 또, 전류 검출부(5)가 검출하는 모터 전류치는, 3상의 모터 전류치 중 2상의 모터 전류치이면 되므로, 모터 전류치 Iu, Iw 또는 모터 전류치 Iv, Iw이더라도 좋고, 이하의 의논은 마찬가지로 성립한다.
여기서, 자극 위치 θ의 회전자의 회전자 좌표에 있어서의 자석의 축 방향을 d축, d축과 90° 어긋난 축 방향을 q축으로 했을 때의, d축 전류치가 여자 전류치 Id이고, q축 전류치가 토크 전류치 Iq이다. 토크 전류치 Iq는, 모터에 발생하는 토크에 비례하는 전류치이다. 자극 위치 θ 및 모터 전류치 Iu, Iv, Iw를 이용하면, 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq는, 이하의 수학식 1로 표현된다.
Figure pct00001
또한, 모터 전류치 Iu, Iv, Iw에는, 이하의 수학식 2의 관계가 있다.
Figure pct00002
따라서, 수학식 1 및 수학식 2로부터, 이하의 수학식 3, 또한 수학식 4의 관계를 얻을 수 있다.
Figure pct00003
Figure pct00004
즉, 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq는, 자극 위치 θ를 이용하면, 2상의 전류치인 모터 전류치 Iu 및 모터 전류치 Iv만으로 표현할 수 있다. 따라서, 자극 위치 검출부(9)가 구한 자극 위치의 추정치 θ~를 수학식 4의 자극 위치 θ로 이용하면, 전류 검출부(5)는, 모터 전류치 Iu 및 모터 전류치 Iv를 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq로 변환할 수 있다.
즉, 실시의 형태 1에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)에 있어서는, 회전자 좌표에 고정된 d-q축 상에서의 전압 방정식을 상정한 제어가 행하여지지만, 이 제어에 필요하게 되는 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq를 모터 전류치 Iu, Iv만을 이용하여 계산하는 것이 가능하다. 따라서, 3상의 모터 전류치 모두를 검출할 필요가 없고 임의의 2상의 모터 전류치만으로부터, 제어에 필요한 정보를 얻을 수 있다. 또한, 인버터 주 회로(3)에 흐르는 직류 전류 등을 이용하지 않고, 고정자(21)의 각 상의 권선에 흐르는 모터 전류치 Iu, Iv로부터 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq를 연산하므로, 전류 검출부(5)는, 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq를 정밀하게 검출할 수 있다.
전압 연산부(8)는, 전류 검출부(5)가 출력하는 토크 전류치 Iq가, 영구자석식 동기 모터(100)의 외부로부터 주어지는 토크 전류 지령치 Iq*에 접근하는 d축 전압 지령치 Vd* 및 q축 전압 지령치 Vq*를 연산에 의해 구한다. 구체적으로는, 전압 연산부(8)는, 직류 모선 전압 Vdc와, 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq와, 각속도 ωr과, 토크 전류 지령치 Iq*와 토크 전류치 Iq의 차분치로부터 d축 전압 지령치 Vd* 및 q축 전압 지령치 Vq*를 연산하여 인가 전압 정보로서 출력한다.
자극 위치 검출부(9)는, 회전자 자극 위치 검출 센서를 이용하지 않고, 전류 검출부(5)가 구한 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq를 센서리스 제어에 필요한 모터 전류 정보로 할 수 있다. 즉, 자극 위치 검출부(9)는, 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq와, 전압 연산부(8)가 구한 인가 전압 정보인 d축 전압 지령치 Vd* 및 q축 전압 지령치 Vq*와, 모터 상수를 이용하여, 회전자의 자극 위치의 추정치 θ~를 구할 수 있다. 자극 위치 검출부(9)가 구한 추정치 θ~는 전류 검출부(5)에 출력되고, 상술한 바와 같이 여자 전류치 Id 및 토크 전류치 Iq를 구하기 위해 수학식 4의 자극 위치 θ로서 이용된다.
3상 전압 연산부(11)는, 전압 연산부(8)가 구한 인가 전압 정보인 d축 전압 지령치 Vd* 및 q축 전압 지령치 Vq*와, 자극 위치 검출부(9)가 구한 추정치 θ~로부터 3상 전압의 지령치 Vu*, Vv*, Vw*를 연산하여 출력한다. 3상 전압 연산부(11) 및 PWM 변조 회로(12)는, 인버터 주 회로(3)를 제어하는 인버터 제어부를 구성하고, 인버터 주 회로(3)를 제어하는 것에 의해 모터 본체(20)에 지령치 Vu*, Vv*, Vw*에 근거한 3상의 전압을 인가시킨다.
실시의 형태 1에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)에 의하면, 센서리스 제어를 실현하기 위해 필요하게 되는 모터 전류치를 검출하는 전류 검출부(5)에 있어서, 2상의 모터 전류치의 검출만으로 행한다. 따라서, 전류 검출 저항과 그것에 부수하는 증폭기와 같은 부품을 삭감할 수 있는 효과가 있다. 즉, 간이한 하드웨어 구성으로 모터 전류치의 검출이 가능하게 되고, 비용 감소를 도모할 수 있다.
또한, 실시의 형태 1에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)에 의하면, 모터 전류치 Iu, Iv로부터의 좌표 변환을 행하여 토크 전류치 Iq를 얻는 것에 의해 모터 토크의 순간치를 검지하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 모터 토크를 구하기 위해 인버터 회로에 흐르는 펄스 형상의 직류 모선 전류를 필터로 평활화하여 평균화한다고 하는 처리가 불필요하게 된다. 즉, 모터 토크의 순간치를 검지할 수 있으므로, 평균화 처리 등의 단계에서의 연산 오차의 발생 등을 회피할 수 있으므로, 모터 토크의 검지 정밀도도 크게 개선할 수 있게 된다.
도 2는 실시의 형태 1에 관계된 환기 송풍기(200)의 구성을 나타내는 도면이다. 환기 송풍기(200)는, 교류 전원(1)과, 영구자석식 동기 모터(100)와, 회전자에 접속된 날개깃(60)과, 케이싱(61)을 구비한다.
영구자석식 동기 모터(100)에 있어서는, 모터의 권선에 흐르는 모터 전류를 직접 검출하여 토크에 비례한 전류 성분인 토크 전류치 Iq를 구하여, 모터 토크를 제어할 수 있다. 따라서, 환기 송풍기(200)에 있어서, 회전자의 회전수와 토크의 관계로부터 도출되는 풍량의 제어를 시간 지연 없이 정밀하게 행할 수 있다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
실시의 형태 2.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 2에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)의 구성을 나타내는 블록도이다. 실시의 형태 2에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)에 있어서는, 도 1의 모터 토크 제어부(51)가 모터 토크 제어부(52)로 대체되어 있다. 모터 토크 제어부(52)는, 모터 토크 제어부(51)에 토크 전류 지령 생성부(15)가 추가되어 있다.
모터 토크 제어부(52)에는, 모터의 토크 지령 T*가 입력된다. 토크 전류 지령 생성부(15)는, 토크 지령 T*를 토크 계수 kt로 나눈 값을 토크 전류 지령치 Iq*로서 출력한다.
토크 전류 지령 생성부(15)가 출력한 토크 전류 지령치 Iq*를 이용하여 실시의 형태 1과 마찬가지로 영구자석식 동기 모터(100)는 제어된다. 이것에 의해, 실시의 형태 2에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)는 토크 지령 T*에 의한 제어가 가능하게 된다.
실시의 형태 3.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 3에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)의 구성을 나타내는 블록도이다. 실시의 형태 3에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)에 있어서는, 도 1의 모터 토크 제어부(51)가 모터 토크 제어부(53)로 대체되어 있다. 모터 토크 제어부(53)는, 모터 토크 제어부(51)에 토크 전류 지령 생성부(16)가 추가되어 있다.
실시의 형태 3에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)를 이용하여 도 2의 환기 송풍기(200)를 구성했을 때에, 모터 토크 제어부(53)에는, 목표가 되는 풍량인 운전 풍량의 지령 Q*가 입력된다. 토크 전류 지령 생성부(16)는, 주어진 운전 풍량에 있어서의 토크 전류 지령치 Iq*와 모터의 회전수의 관계를 미리 유지하고 있다. 그리고, 모터의 회전수는 각속도 ωr에 비례한다. 따라서, 토크 전류 지령 생성부(16)는, 운전 풍량의 지령 Q*와 속도 연산부(10)가 구한 각속도 ωr로부터 토크 전류 지령치 Iq*를 계산할 수 있다.
토크 전류 지령 생성부(16)가 출력한 토크 전류 지령치 Iq*를 이용하여 실시의 형태 1과 마찬가지로 영구자석식 동기 모터(100)는 제어된다. 이것에 의해, 실시의 형태 3에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)는 운전 풍량의 지령 Q*에 의한 제어가 가능하게 된다. 그리고, 토크와 회전수의 특성을 이용하여 풍량을 일정하게 제어하고 있으므로, 풍량 정밀도를 향상시킨다고 하는 효과를 얻을 수 있다.
또, 실시의 형태 1 내지 3에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)는, 정류 평활 회로(2)를 구비하고 있는 것으로 했지만, 정류 회로(2d) 또는 정류 평활 회로(2) 전체를 생략한 구성이더라도 상관없다. 즉, 영구자석식 동기 모터(100)에 직류 전원에 의한 직류 전력이 직접 공급되는 구성이더라도 상관없다. 또한, 실시의 형태 2에 관계된 영구자석식 동기 모터(100)를 이용하여 도 2의 환기 송풍기(200)를 구성하더라도 좋은 것은 말할 필요도 없다.
도 5는 실시의 형태 1 내지 3에 관계된 마이크로컴퓨터(40)의 구성을 나타내는 블록도이다. 마이크로컴퓨터(40)는, 연산 및 제어를 실행하는 CPU(Central Processing Unit)(41)와, CPU(41)가 작업 영역으로 이용하는 RAM(Random Access Memory)(42)과, 프로그램 및 데이터를 기억하는 ROM(Read Only Memory)(43)과, 외부와 신호를 주고받는 하드웨어인 I/O(Input/Output)(44)와, 클록을 생성하는 발진자를 포함하는 주변 장치(45)를 구비한다. 실시의 형태 1 내지 3에 관계된 모터 토크 제어부(51~53)로부터 전류 검출부(5)의 모터 전류를 검출하는 기능 및 전압 검지부(6)의 기능을 제외한 기능은, 마이크로컴퓨터(40)에 의해 실현할 수 있다. 마이크로컴퓨터(40)에 의해 실행되는 제어는, ROM(43)에 기억되는 소프트웨어인 프로그램을 CPU(41)가 실행하는 것에 의해 실현된다. ROM(43)은, 재기록 가능한 플래시 메모리와 같은 비휘발성의 메모리이더라도 좋다.
이상의 실시의 형태에 나타낸 구성은, 본 발명의 내용의 일례를 나타내는 것이고, 다른 공지의 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 일부를 생략, 변경하는 것도 가능하다.
1 : 교류 전원
2 : 정류 평활 회로
2c : 평활 콘덴서
2d : 정류 회로
3 : 인버터 주 회로
5 : 전류 검출부
6 : 전압 검지부
8 : 전압 연산부
9 : 자극 위치 검출부
10 : 속도 연산부
11 : 3상 전압 연산부
12 : PWM 변조 회로
13 : 구동 회로
15, 16 : 토크 전류 지령 생성부
20 : 모터 본체
21 : 고정자
31~36 : 트랜지스터
40 : 마이크로컴퓨터
41 : CPU
42 : RAM
43 : ROM
44 : I/O
45 : 주변 장치
51~53 : 모터 토크 제어부
60 : 날개깃
61 : 케이싱
100 : 영구자석식 동기 모터
200 : 환기 송풍기
341, 351 : 션트 저항

Claims (5)

  1. 복수의 스위칭 소자가 스위칭되는 것에 의해 직류 전력을 3상의 교류 전력으로 변환하는 인버터 주 회로와,
    고정자 및 회전자로 이루어지고, 상기 3상의 교류 전력에 의해 구동되는 모터 본체와,
    상기 고정자에 흐르는 2상의 모터 전류치 및 상기 회전자의 자극 위치의 추정치로부터 여자 전류치 및 토크 전류치를 구하는 전류 검출부와,
    상기 여자 전류치 및 상기 토크 전류치와, 인가 전압 정보로부터 상기 추정치를 구하여 상기 전류 검출부에 출력하는 자극 위치 검출부와,
    상기 토크 전류치가 토크 전류 지령치에 접근하도록, 상기 여자 전류치 및 상기 토크 전류치와, 상기 추정치로부터 구한 각속도를 이용하여 상기 인가 전압 정보를 연산하여 구하는 전압 연산부와,
    상기 인가 전압 정보 및 상기 추정치에 근거하여 상기 인버터 주 회로를 제어하는 인버터 제어부
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 동기 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    토크 지령을 토크 계수로 나눈 값을 상기 토크 전류 지령치로서 구하는 토크 전류 지령 생성부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 동기 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    운전 풍량의 지령과 상기 각속도로부터 상기 토크 전류 지령치를 구하는 토크 전류 지령 생성부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 동기 모터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    교류 전원으로부터 공급된 교류 전력을 상기 직류 전력으로 변환하는 정류 평활 회로를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 동기 모터.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 영구자석식 동기 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 환기 송풍기.
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