KR910009242B1

KR910009242B1 - 회전 전동기의 토오크 제어장치

Info

Publication number: KR910009242B1
Application number: KR1019880009703A
Authority: KR
Inventors: 미쯔루 나까무라; 요우조우 나까무라; 유우조우 가도무까이; 쯔네히로 엔도우; 겐이찌 이이즈카; 히로아끼 하다
Original assignee: 가부시기가이샤 히다찌세이사꾸쇼; 미다 가쓰시게
Priority date: 1987-08-04
Filing date: 1988-07-30
Publication date: 1991-11-07
Also published as: US4992715A; DE3850315T2; EP0302493A2; EP0302493A3; KR890004221A; DE3850315D1; EP0302493B1

Abstract

내용 없음.

Description

회전 전동기의 토오크 제어장치

제1도는 본 발명의 1실시예의 제어 블럭도.

제2도는 본 발명의 1실시예에 관한 압축기의 종단면도.

제3a도 내지 (e)도는 회전 검출 신호에서 회전 속도 및 회전 가속도를 구하는 방법을 도시한 도면.

제4도는 검출 펄스에서 회전 속도 및 회전 가속도를 연산하는 다른 방법의 설명도.

제5도는 본 발명의 1실시예에 관한 토오크 제어 장치의 개략적인 설명도.

제6도, 제7도 및 제8도는 각각 본 발명의 제2, 제3 및 제4의 실시예의 제어 블럭도.

제9a,b도는 본 발명의 작동을 설명하기 위한 도면.

제10도는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 제어 블럭도.

제11도는 제4도에 도시한 가속 검출 방법을 사용해서 제어계를 구성한 예를 도시한 도면.

제12도는 회전 가속도와 전류 명령값의 위치 관계를 도시한 도면.

제13a,b도는 전류 명령값에 반영시키는 검출 가속도의 결정 방법을 도시한 도면.

제14도는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 제어 블럭도.

제15도는 증감속시의 명령 가속도의 결정 수단을 도시한 도면.

제16도 및 제17도는 종래의 압축기의 종단면 및 A-A 횡단면도.

제18도는 압축기에서 생기는 토오크를 설명하는 도면.

제19도는 1회전중의 토오크 및 회전 속도의 변동을 도시한 도면.

제20도는 토오크 파형의 회전 차수성분을 도시한 도면.

본 발명은 전동 요소에 의해서 부하 요소가 구동되는 회전 전동기 전반에 관한 것으로, 특히 회전 전동기의 진동을 저감시키는데 가장 적합한 토오크 제어장치에 관한 것이다.

전동 요소에 의해서 구동되는 회전기의 1예로서 밀폐형 로터리 압축기에 대하여 설명한다. 제16도 및 제17도는 밀폐형 로터리 압축기의 종래 구조를 도시한 종단면도 및 A-A 횡단면도이다. 이들의 도면에 있어서 부호(1)은 용기이고, 내부에 전동 요소 및 압축 요소를 수납하고 있다. 부호(2)는 전동 요소의 스테이터(고정자)이고, 용기(1)의 안쪽 둘레에 고정되어 있다. 이 스테이터(2)의 안쪽에는 주축(4)에 부착되어 주축(4)와 일체로 회전하는 전동 요소의 로터(회전자)(3)이 배치되어 있다. 주축(4)는 주축받이(5) 및 끝부분 축받이(6)에 의해 지지되어 있다. 이들의 축받이(5), (6)은 실린더 블럭(7)에 체결되어 있다. 실린더 블럭(7)은 용기(1)에 고정되어 있다. 이 실린더 블럭(7)내에는 압축실(12)가 형성되어 있고, 이 압축실(12)내에는 주축(4)와 편심하여 일체화된 롤러(8)이 마련되어 있고, 용수철(10)에 의해서 롤러(8)표면에 눌러서 힘을 가한 베인(9)가 마련되어 있어, 이들이 압축 요소를 구성하고 있다. 이와 같은 구성하에서 상기 전동 요소에 의해 주축(4)가 회전 구동되면 냉매 가스가 용기(1)의 외부에 마련된 흡수 어큐뮬레이터(11)로 흡수되고, 압축실(12)에서 롤러(8)에 의해 소정의 압력까지 가압되어 화살표 방향에 따라서 케이스 밖으로 분출된다.

이와 같은 구조의 로터리 압축기는 일본 특허 공개 공보 소화 58-187635호에 제시되어 있다.

그런데, 이와 같은 구조의 압축기에 있어서는 전동 요소가 시간에 대해서 거의 일정한 토오크를 출력하는데 대해서 압축 요소내의 가스 흡수 토오크는 주축(4)가 1회전하는 사이에 대단히 큰 변동이 생기고 있다. 그리고, 이 가스 흡수 토오크와 전자 토오크의 차, 즉 잔류 토오크가 용기(1)에 대해서 여진 토오크로서 작용하여 압축기 전체에는 회전 방향에 대해서 큰 회전 방향 진동을 일으킨다는 문제가 생긴다.

제18도는 1예로서 로터리 압축기에 있어서의 진동의 발생 원인에 대해서 개략적으로 도시한 것이다. 압축요소 및 전동 요소의 각각의 회전계(회전자(3), 롤러(8), 주축(4))와 고정계(고정자(2), 블럭(7), 용기(1)) 대해서 가스 압축 토오크 T_G와 전자기 토오크 T_M은 각각 도면중에 도시한 바와 같이 작용한다. 또, 도면에는 시계 방향을 정으로 하고, 반시계 방향을 부로 해서 도시하고 있다.

이때의 회전계 및 고정계의 운동 방정식은

및

로 표시된다. 단,

는 각각 회전계 및 고정계의 관성 토오크, J_R, J_S는 각각 회전계 및 고정계의 관성 모멘트, T_R, J_S이 잔류 토오크(=여진 토오크)에 해당하며, K는 압축기 지지 용수철의 용수철 정수,

은 회전계의 회전각으로서 회전계의 회전각속도

의 관계가 있다.

따라서, 회전계의 회전 속도 ω_R을 검출하여 이것이 일정한 회전 속도 명령값에 항상 동일하게 되도록 피이드백 제어하면

으로 되어 (1)식에서 T_M-T_G=0으로 되고, 전자기 토오크 T_M과 부하 토오크 T_G가 균형을 이루는 것에 의해 (2)식에서의 여진 토오크가 없어져서 회전기의 진동, 소음의 발생원인인 용기의 회전 방향 진동을 억제할 수 있다.

또한, 일본 특허 공개 공보 소화 60-223181호에 개시된 바와 같이 압축기의 부하 토오크 T_G는 1회전중에 크게 변동하지만, 1회전을 주기로서 반복하는 주기 맥동 부하이고, 어떤 회전 각도에 착안하면 부하 토오크 값은 그다지 변화하지 않는다는 사실에 주목해서 각 회전 각도에 있어서, 검출한 회전 속도를 1회전 후의 동일 각도에서 피이드백시키는 방법에 의해 토오크 제어를 행하는 종래예도 있다.

그러나, 회전 속도의 변동 곡선과 부하 토오크 T_G의 변동 곡선은 일반적으로 위상이 다르다. 제19도는 로터리 압축기에 있어서의 부하 토오크 곡선과 로터의 회전 속도 변동 곡선을 함께 도시한 것이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 회전 속도의 변동은 토오크 변동에 대하여 지연 위상으로 되어 부하 토오크의 피크값에 대해서 회전 속도가 최소로 되는 점이 수십도 늦어지고 있다.

따라서, 앞서 기술한 바와 같이 로터의 회전 속도를 검출해서 검출 속도가 명령 속도보다 작을 때는 모터 출력을 증대시키고, 검출 속도가 명령 속도보다 클 때에는 모터 출력을 감소시키는 등의 토오크 제어를 하면, 이 위상 지연 때문에 부하 토오크에 모터 출력 토오크를 완전히 동기화시킬 수가 없다는 문제가 있어 어떠한 위상 보정 수단에 필요하게 된다.

그러나, 이 위상 보정은 다음에 기술하는 이유에 의해 실현이 곤란하다. 즉, 로터리 압축기의 토오크 성분은 제20도에 도시한 바와 같이 압축기의 운전 주파수에 대응한 회수 1차 성분의 2차, 3차 … 등의 고조파성분이 포함되어 있으며, 이들은 서로 일정한 위상차를 갖고 있다. (1)식을 참조하면 회전 속도 ω_R은 여진 토오크 △Tr에 대해서 적분 관계에 있다. 여기서 회전 n차의 여진 토오크 성분 △Tn에 착안하면, △Tn=△Tn₀sin nωt를 적분해서

에서 회전 속도의 n차 성분은 토오크의 n차 성분에 대하여

의 위상 지연이 있는 것을 알 수 있다. 실제의 로터 회전 속도는 이 n차 성분 모두를 합성한 것이며, 또 이들의 성분비는 운전조건에 의해서도 달라지는 것이기 때문에 가장 적합한 위상 보정 각도를 간단히 결정할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 로터의 각 회전 각도에 있어서 위상 지연없이 모터 출력 토오크를 부하 토오크에 동기시켜서 여진 토오크를 없애고, 확실하고 또한 신속하게 저진동화를 달성할 수 있는 회전 전동기의 토오크 제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 전동요소와 이 전동요소에 회전 주축을 거쳐서 연결되어 전동요소에 의해 회전 구동되는 부하 요소로 되는 회전 전동기의 토오크 제어장치로서, 회전 주축의 1회전중의 각 회전 각도에서의 회전 가속도를 검출하고, 이것을 피이드백해서 회전 주축의 각 회전 각도에 있어서 전동요소의 전자기 토오크와 부하요소의 부하토오크의 차를 영으로 하도록, 전동요소의 전자기 토오크를 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

회전 속도를 미분해서 얻어지는 회전 가속도

은 토오크 변동의 크기를 반영한 값에서 토오크 변동과 동상으로 변화하고 있는데 본 발명은 이것을 토오크 제어에 사용하므로 상기 문제점의 사항에서 기술한 바와 같은 위상 보정을 필요로 하지 않는다.

즉, 본 발명에 의하면 회전 주축의 1회전중의 각 회전 각도 위치에 있어서의 회전 가속도에서 여진 토오크를 영으로 하는데 필요한 제어량을 산출하여 위상 지연없이 각 회전 각도로 부하 토오크의 변동에 전동 요소의 출력 토오크를 추종시킬 수 있으므로 여진 토오크를 확실하고 신속하게 작게할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명을 적용한 전동 요소(직류 모터)에 의해 구동되는 회전기의 일종인 로터리 압축기를 인버터 구동시키는 경우의 실시예에 대하여 설명한다. 제2도는 본 실시예에 관한 압축기를 도시한 것으로, 이것은 제16도, 제17도에 도시한 종래의 압축기와 그 구조가 거의 같으므로, 다른 부분만을 설명하고 동일 부분은 동일의 부호를 붙여 그 설명을 생략한다.

제2도에 있어서 전동요소(20)의 로터(3)과 압축요소(21)의 롤러(8)을 직결하는 회전 주축(4)의 한쪽 끝이 연장되어 회전 위치 검출 부재인 톱니바퀴(22)가 고착되고, 이 톱니바퀴(22)의 주축(4)는 일체로 회전하도록 되어 있다. 용기(1)에는 위치 검출 센서(예를 들면 전자기 픽업이나 갭센서등(23)이 고정되어 있고, 톱니바퀴(22)의 치열을 탐지하여 주축(4)의 회전 각도 위치에 따른 정현파상 신호를 출력하도록 되어 있다.

제3도는 위치 검출 센서(예를들면 전자기 픽업이나 갭센서등)(23)에서 검출된 정현파상 신호에서 회전주축(4)의 회전 속도 및 회전 가속도를 구하는 일련의 과정을 도시한 것이다. 지금 제3a도에 도시한 바와 같이 톱니바퀴(22)가 회전하면, 위치 검출 센서(예를들면 전자기 픽업이나 갭센서등)(23)에서는 동일 도면 (b)에 도시한 바와 같은 정현파상의 검출파형(24)가 출력된다. 이것을 임계전압(27)을 기준으로 파형정형해서 펄스열로 변환한 것이 동일 도면 (c)에 도시한 회전 펄스 신호(25)이다. 이 펄스 시계열(25)의 각 펄스폭 T₁, T₂…T_n을 측정하여 그 역수 N_i=1/T_i에서 각 시각에서의 회전 속도 N_i가 구해진다. 1회전중의 각 회전 각도에 있어서의 회전속도(28)을 도시한 것이 동일 도면 (d)이다. 한편, 각 시각에서의 회전 가속도

_i는 회전 펄스 신호(25)의 i펄스시의 회전 속도 N_i와 (i-1) 펄스시의 회전 속도 N_i-1에서

_i=(N_i-N_i-1)/T_i로서 얻어진다. 또는(i+1) 펄스시의 회전 속도 N_i+1을 얻고 나서

_i=(N_i+1-N_i-1)/(T_i+T_i-1)에서 구할 수도 있으며, 또한 N_i-1, N_i, N_i+1의 3점 보간에서 마찬가지로 구할 수도 있다. 1회전중의 각 회전 각도에 있어서의 회전 가속도(101)을 도시한 것이 동일 도면 (e)이다.

제4도는 검출펄스에서 회전 속도 및 회전 가속도를 연산하는 다른 방법을 도시하고 있다. 검출펄스(25)의 1주기간격의 펄스폭을 측정하여 측정위치를 반주기씩 옮기면서 각 펄스폭 T₁, T₂, …T_i를 측정하고 있다. 그 역수 N_i=1/T_i에서 각 점의 회전 속도를 구하고, 또 양옆의 속도 N_i-1, N_i+1및 펄스폭 T_i에서

_i=(N_i+1-N_i-1)/T_i로서 구할 수도 있다.

제5도는 본 실시예의 토오크 제어 장치의 전체 구성을 도시하고 있다. 즉, 위치 검출 센서(예를들면, 전자기 픽업이나 갭센서등)(23)에서 얻은 검출 신호(24)는 파형정형회로(29)에서 회전 펄스 신호(25)로 변환되어 인터페이스(30)을 거쳐서 마이크로 컴퓨터(38)의 CPU(31)로 보내진다. 이 회전 펄스 신호(25)에 의해 마이크로 컴퓨터(38)은 인터럽트 기동하여 검출-연산-명령의 일련의 동작을 실행한다. 즉, 회전 펄스 신호(25)의 펄스 간격을 마이크로 컴퓨터 내장 타이머로 클럭해서 상기의 시간 간격 T_i를 구하여 이것에서 회전 속도 N_i, 회전 가속도

_i를 연산한다. 그리고, 이 회전 가속도 N_i가 0이고, 또한, 회전속도 N_i가 명령속도 N_c와 동일하게 되기 위해서 필요한 압축기의 전동 요소(20)에 부여하는 전류 명령값을 연산하여 출력한다. 그리고, 이 제어 신호는 제어부(34)로 보내져서 베이스 드라이버(35)를 구동하는 초퍼신호를 형성한다. 이 베이스 드라이버(35)의 전류 제어 동작에 의해 인버터(36)은 전동 요소(20)으로 공급하는 권선 전류를 제어해서 토오크 제어를 행하여 압축기 회전 속도를 항상 어떤 허용값 이하의 변동으로 명령 속도와 동일하게 되도록, 동시에 로터리 회전 가속도가 각 회전 각도에서 최소로 되도록 끊임없이 제어를 계속한다. 이들 일련의 제어 루프는 ROM(33)에 라이트되어 있다.

이 토오크 제어 장치의 제어 흐름을 제1도에 도시한 블럭선도로 상세히 설명하면, 또, 도면중에 도시한 S는 라플라스 작용 요소이며,

은 적분요소를 표시하고 있다. 전동 요소의 전자기 토오크 T_M(105)에 대하여 압축기의 부하 토오크 T_G는 외란으로서 작용하여 그 잔류 토오크 T_M-T_G=△T_r이 여진 토오크로 되고, 회전 속도 ω_R은

에 따라서 변동한다.

이 회전 속도 ω_R에 따르는 로터의 회전 각도 위치

을 앞서 기술한 톱니바퀴(23)등에 의해 샘플링해서 얻은 상기한 회전 펄스 신호(25)의 k펄스시의 시간 t_F ^(k)를 마이크로 컴퓨터(38)의 내장 타이머를 사용해서 측정한다. 마이크로 컴퓨터(38)은 k펄스시의 시간 t_F ^(k)와 (k-1)펄스시의 시간 t_F ^(k-1)의 간격 △T_F ^(k)=t_F ^(k)-t_F ^(k-1)을 구한다. 그리고 제2도에서 설명한 방법에 의해 k펄스시의 회전 속도 N_F ^(k)(28), 회전가속도

_F ^(K)(110)을 구한다. 또, 제1도에서는 k펄스시의 회전가속도

_F ^(K)(110)를 얻는 연산으로서, k펄스시의 회전 속도 N_F ^(k)와^(k-1)펄스시의 회전 속도 N_F ^(k-1)을 사용하는 전진 차분 방식

를 이용하고 있지만, 이 대신에 앞서 기술한 바와 같이 (k+1) 펄스시의 회전 속도 N_F ^(k+1)과 (k-1) 펄스시의 회전속도 N_F ^(k-1)을 사용하는 중심 차분 방식

를 이용하여도 좋으며, 또한 후퇴 차분 방식이나 3점보간등을 이용하여도 좋다.

또는, 앞서 기술한 제4도에 관한 검출 방식을 채용하여 (k+1) 펄스시의 회전 속도 N_F ^(k+1)과 (k-1) 펄스시의 회전 속도 N_F ^(k-1)및 펄스시의 간격 △T_F ^(k)를 사용해서

로 연산해도 좋다. 단, 주의해야 할 것은 k 펄스시의 회전가속도

_F ^(k)가 확정하는 것은 (k+1) 펄스시의 회전 속도 N_F ^(k-1)이 확정한 후인 것이고, 1회전분의 낭비 시간을 갖는 제어계로서 처음으로 가능하게 되는 것이다.

이와 같이 하여 구한 N_F ^(k)(28)

_F ^(k)(101)은 각각 피이드백 되어서 각각 명령속도 N_c및 명령가속도

_c(N_c=일정할 때는

_c=0이다)와 비교되어 편차 △N^(k)(102) 및 △

^(k)(103)을 얻는다. 토오크 제어계는 이 각각의 편차량에 대하여 PI(비례·적분)제어 동작에 의해 각각의 편차가 영과 같게 되도록 동작한다. 즉, 전동 요소의 전자기 전력 토오크를 결정하는 마이크로 컴퓨터의 k 펄스시의 전류 명령값 i_c ^(k)(104)는 다음 식에 따라서 계산된다.

여기서, 제1항은 속도 편차 △N^(k)에 대한 조작량이고, 제2항은 가속도 편차 △

^(k)에 대한 조작량이다. K_pn, K_pa, K_in, K_fa는 각각 속도편차, 가속도 편차의 비례게인 및 적분 게인이고, K_nc, K_na는 각각 속도 편차, 가속도 편차의 비례+적분값을 전류 명령값으로 변환하는 변환 정수이다. 이와 같이 해서 얻은 전류 명령값 i_c ^(k)에서 k펄스시의 전동 요소의 전자기 토오크 T_M ^(k)(105)는 T_M ^(k)=K_DA·K_T·i_c ^(k)로서 결정된다. 여기서 K_DA는 마이크로 컴퓨터내의 디지탈량과 아날로그 출력의 D/A 변환 정수이고, K_T는 전류-토오크의 변환 정수(토오크 정수)이다.

여기서 상기 식의 물리적 의미를 생각하면 다음과 같다. 제9a도는 1회전중의 부하 토오크 T_G의 곡선과 토오크 제어하지 않는 경우의 전자기 토오크 T_M의 곡선을 도시하고 있다. 이 곡선 T_M과 종횡축에 의해서 둘러싸여진 사선부로 표시한 영역이 1회전중에 압축기를 구동하는데 필요한 에너지이다. 여기서, 압축기의 회전 속도를 평균적으로 명령 속도 N_c와 동일하게 하기 위해서는 이 전자기 토오크 곡선의 둘러싸는 면적이 부하 토오크 곡선의 둘러싸는 면적과 같게 되도록 하면 된다. 상기 식의 제1항은 이 크기에 해당하며, 즉 전동 요소에 공급하는 전류의 직류 성분에 해당한다. 이것에 대하여 각 회전 각도에서 회전 맥동을 발생시키지 않기 위해서는 부하 토오크 곡선에 전자기 토오크 곡선을 동일하게 시킬 필요가 있고, 상기 식의 제2항은 이를 위한 크기(따라서 각 회전 각도에 정부로 변환한다)이며, 즉 전류의 교류 성분에 해당한다(제9b도 참조).

제6도는 본 발명에 따른 토오크 제어 장치의 제2의 실시예를 도시한다. 회전 속도의 제어에 대해서는 1회전의 평균 속도가 명령 속도와 같게 되면 되기 때문에 제6도에서의 회전 속도에 관해서는 1회전에 1회의 검출 및 제어를 행하도록 하고 있다. 즉, 회전 속도에 관해서는 로터의 1회전중에 발생하는 상기의 회전 속도에 관해서는 로터의 1회전중에 발생하는 상기의 회전펄스 신호(25)를 카운터(39)에 분주해서 1회전 1펄스의 입력으로 하여 1회전 1펄스의 입력의 n펄스시(즉 로터의 n회전시)시간 t_n과 (n-1)펄스시 (즉 (n-1)의 회전시)시간 t_n-1의 차 △T_n에서 1회전의 평균 속도에 해당하는 검출 속도 N_Fn을 연산하고, 이 검출 속도 N_Fn(100)을 피이드백해서 명령 속도 N_c와 비교하여 1회전 속도 편차 △N_n(108)을 구하여 이것에 의해 속도 제어를 행하도록 하고 있다. 가속도의 검출-제어계에 관해서는 제1도의 경우와 마찬가지이다.

제7도는 본 발명의 제3의 실시예를 도시하고 있다. 이것은 1회전중의 상기 회전 펄스 신호(25)의 펄스수가 n펄스일때 가속도 편차에 대한 적분 제어용의 적분기(109)를 n개 준비하여 회전 펄스 신호(25)의 펄스 입력마다 전환해서 사용한다. 이것에 의해 각 적분기(109)는 각회전 각도마다 대응한 것으로 되어 각 각도가 독립해서 과거의 동일 각도에서의 회전 가속도 편차 입력을 적분해가는 동작을 한다. 이것은 부하 토오크의 변동이 주기적 성질을 갖는 경우에 대해서 효과적인 방법이다.

제8도는 제4의 실시예를 도시하며, 이것은 제7도에 있어서 검출 회로 속도 N_F ^(k)(28)의 피이드백 대신에 제6도에 있어서의 1회전 평균 검출 회전 속도(100)의 피이드백을 사용한 것이다. 그 외의 부분은 제7도의 실시예와 마찬가지이다.

이상의 각 실시예에서는 1회전중의 각 회전 각도에서의 회전 가속도를 같은 1회전중의 각 회전 각도에 있어서 피이드백하는 것, 바꾸어 말하면 현재의 1회전중의 각 회전 각도에서의 회전 가속도를 현재의 1회전중의 같은 각 회전 각도에 있어서 피이드백하는 것이고, 즉 리얼 타임에서의 피이드백을 행하는 것이다. 이것에 대하여 다음에 기술하는 실시예는 주기적인 변동을 반복하는 부하 토오크의 경우 1회전중의 각 회전 각도에서의 회전 가속도를 1회전후의 같은 각 회전 각도에 있어서 피이드백하는 것이다.

이 실시예의 토오크 제어 장치의 전체 구성을 제5도를 사용해서 설명한다. 위치 검출 센서(예를들면 전자기 픽업이나 갭센서등)(23)에서 얻은 검출 신호(24)는 파형 정형 회로(29)에서 회전 펄스 신호(25)로 변환되어 인터페이스(30)를 거쳐서 마이크로 컴퓨터(38)의 CPU(31)로 보내진다. 이 회전 펄스 신호(25)에 의해 마이크로 컴퓨터(38)은 인터럽트 기동하여 검출-연산-명령의 일련의 동작을 실행한다. 즉, 회전 펄스 신호(25)의 펄스 간격을 마이크로 컴퓨터 내장 타이머로 클럭해서 제2도의 시간간격 T_i를 구하고, 이것에서 회전 속도 N_i, 회전 가속도

_i를 연산한다. 그리고 이 회전 가속도

_i가 0이며, 또한 회전 속도 N_i가 명령 속도 N_c와 동일하게 되기 위해서 필요한 압축기의 전동 요소(20)에 부여하는 전류 명령값을 연산하여 RAM(32)에 그 데이타가 필요한 시점까지 기억시켜 놓는다. 다음에 1회전에 앞서 RAM(32)에 기억된 데이타는 CPU(31)에 리드되어 제어 신호로서 제어부(34)로 보내져서 베이스 드라이버(35)를 구동하는 초퍼 신호를 형성한다. 이 베이스 드라이버(35)의 전류 제어 동작에 의해 인버터(36)은 전동 요소(20)으로의 공급 권선 전류량을 제어해서 토오크 제어를 행하여 압축기 회전 속도가 언제나 어떤 허용값 이하의 변동내에서 명령 속도와 같게 되도록, 또한 로터의 회전 가속도가 최소로 되도록 끊임없이 제어를 계속한다. 이들 일련의 제어 루프는 ROM(33)에 라이트되어 있다.

이 제어 회로계의 제어 흐름을 제10도에 도시한 블럭선도에 따라서 상세하게 설명한다. 또, 도면중에 도시한 S는 라플라스 작용 요소이고,

은 적분 요소, e^-ST는 시간 T의 낭비 시간 요소를 표시하고 있다. 전동 요소의 전자기 토오크 T_M에 대하여 압축기의 부하 토오크 T_G는 외란으로서 작용하여 그 잔류 토오크 T_M-T_G=△Tr이 여진 토오크로 되고, 회전 속도 ω_R은

에 따라서 변동한다. 이 회전 속도 ω_R에 따라 로터의 회전 속도의 위치

을 앞서 기술한 톱니바퀴(22)등에 의해서 샘플링하고, 거기에서 얻은 상기 회전 펄스 신호(25)의 k펄스시의 시간 t_F ^(k)를 측정한다. 마이크로 컴퓨터(38)은 k 펄스시의 시간 t_F ^(k)와 (k-1)펄스시의 시간 t_F ^(k-1)의 간격 △T_F ^(k)=t_F ^(k)-t_F ^(k-1)를 구한다. 그리고 제3도에서 설명한 방법에 의해 k펄스시의 회전 속도 N_F ^(k)를 구하고, 이것을 사용해서 k펄스시의 회전 가속도

_F ^(k)를 구한다. 또, 제10도에서는 펄스시의 가속도

_F ^(k)를 얻기 위해서 (k+1)펄스시의 회전 속도 N_F ^(k+1)과 (k-1)펄스시의 회전 속도 N_F ^(k-1)을 사용한 중심 차분식

를 사용하고 있지만, 상술한 바와 같이 전진차분식

또는 후퇴차분식, 3점보간등을 사용하여도 좋다. 또는 제4도에서 기술한 방법을 사용해서 k 펄스시의 회전 가속도

_F ^(k)를 사용해도 좋다. 한편, 제6도의 실시예에서 기술한 것과 마찬가지로 로터의 1회전중의 펄스수 n을 카운터(39)에 의해 분주해서 1회전 펄스의 샘플링을 행하여 n회전시의 펄스계시 시각 t_n과 (n-1)회전시의 시각 t_n-1에서 △T_n=t_n=t_n-1을 구하여 1회전의 평균 속도에 해당하는 회전 속도 N_Fn=60/△T_Fn(100)을 산출한다.

이와 같이 해서 구한 회전 속도 N_Fn(100) 및 회전가속도

_F ^(k)(101)은 피이드백 되어서 각각 명령 속도 N_c및 명령 가속도

_c(N_c=일정한 정상 운전시에는

_c=o)과 비교되어 각각 속도 편차 △N_n(108), 가속도 편차 △

_F ^(k)(103)을 얻는다. 단, 이 실시예에 있어서는 제n회전에 있어서의 k펄스째의 가속도

_F ^(k)는 변동의 주기성을 이용해서 1회전후의 동일 각도(제(n+1)회전에 있어서의 k펄스째)에서 피이드백 되도록 제10도에 도시하는 n개의 낭비 시간 요소 e^-ST(106)을 거쳐서 피이드백 된다. 또, 가속도 편차 △

_F ^(k)에 대해서 제10도에 도시한 바와 같이 n개의 적분기

(109)를 준비하여 이들을 제7도의 실시예와 마찬가지로 펄스 입력마다 전환해서 동작시키는 것에 의해 각 적분기는 1회전의 각 회전 각도에 대응해서 각각 독립적으로 동작시킬 수가 있다. 그 결과, 제n회전에 있어서의 k 펄스시의 전류 명령값 i_c ^(k)(104)는 다음 식에 따라서 계산된다.

여기서 제1항은 속도·편차 △N_n에 대한 조작량으로서 PI(비례·적분)제어에 의해서 제어하는 것이고, 제2항은 제(n-1)회전시 k펄스째의 가속도 편차 △N_n-1 ^(k)에 대한 조작량으로서 I(적분)제어에 의해 제어하는 것이다. 또, 제10도에 있어서 가속도 제어게에 또 비례 제어의 항을 부가하여도 좋다. 도면중에서 K_pn, K_in, K_nc는 각각 속도 피이드백계의 비례게인, 적분게인 및 속도 편차의 비례+적분값과 전류 명령값의 변환정수이다. 마찬가지로 K_Ia1…K_Ian은 1펄스째~n펄스째의 적분게인, K_ac는 가속도 편차의 적분값과 전류 명령값의 변환정수이다.

다음에 제11도는 제4도에서 도시한 가속도 검출 방법을 사용해서 제어계를 구성한 예이다. 여기서, 앞서 기술한 바와 같이 k펄스시의 회전 가속도

_F ^(k)가 확정하는 것이^(k+1)펄스시의 회전 속도 N_F ^(k+1)=1/t_F ^(k+1)이 확정한 후이고, 실제로 마이크로 컴퓨터에서 연산하는 k는 또 연산 시간을 요하므로 제11도에서는 N_F ^(k)가 피이드백되는 것은 (K+2)펄스의 샘플링시로 되어 있다. 그리고, 제11도에서는 N_F ^(k)가 피이드백되는 시점에서 n분할적분기의 (K+2)번째의 적분기 출력이 이루어져 이것이 평균 속도 루프 출력과 가산되어서 k펄스시의 전류 명령값 i_c ^(k)가 얻어진다.

여기서, 회전가속도

_F ^(k)와 전류 명령값 i_c ^(k)의 위치 관계를 도시한 것이 제12도이다. 회전 속도 N_F ^(k)및 회전 가속도 N_F ^(k)가 차분법의 관계에서 k 펄스검출시점에서의 측정값인데 대하여 전류 명령값 i_c ^(k)는 (k-1)펄스 검출시에 k 펄스 검출시까지의 구간 출력값이다. 따라서, 예를들면 전류 명령값 i_c ^(k)에 반영시키는 검출 가속도에는

_F ^(k-1)과 N_F ^(k)의 2종류가 고려된다.

제1의 방법으로서는 전류 명령값 i_c ^(k에 반영시키는 가속도 (k-1)일 때와 k일때의 평균값으로서

와 같이 결정하는 방법이다.

제2의 방법으로서는 k펄스시의 가속도 N_F ^(k)(가속도 편차 △

^(k)=-N_F ^(k))에 착안했을 때 이것에 조건을 붙여서 i_c ^(k)및 i_c ^(k+1)의 어느 것인가에 반영하도록 결정하는 방법이다.

예를들면,

_F ^(k)

0과 N_F ^(k)〈0의 2종류로 나누어,

_F ^(k)〉0; i_c ^(k)/i_c ^(k+1)의 큰쪽에 △

^(k)를 가한다.(△

^(k)〈0)

_F ^(k)〈0; i_c ^(k)/i_c ^(k+1)의 작은 쪽에 △

^(k)를 가한다.(△

^(k)〉0)

로 하는 방법이 고려된다. 이 방법은 특히 검출 펄스에 검출 오차가 포함되어 있는 경우, 이 오차 경감에 유효하다.

제13도는 이 2종류의 방법을 도시한 것이다.

이와 같이 해서 얻은 n 회전 k 펄스시의 전류 명령값 i_c ^(k)(104)에서 전동요소의전자기 토오크 T_M ^(k)(105)는 T_M ^(k)=K_D/A·K_T·i_c ^(k)에서 결정된다. 여기서 K_D/A는 마이크로 컴퓨터내의 디지탈량과 아날로그 출력의 D/A 변환 정수이며, K_T는 전류-토오크의 변환 정수(토오크 정수)이다.

여기서 상기 식의 물리적 의미를 고려하면 다음과 같다. 1회전중의 부하 토오크 T_G의 곡선과 토오크 제어하지 않는 경우의 전자기 토오크 T_M의 곡선은 도시하고 있는 제9a도에 있어서, 곡선 T_M과 종횡축에 의해서 둘러싸여진 영역이 1회전중에 압축기를 구동하는데 필요한 에너지이다. 지금, 압축기의 회전 속도를 평균적으로 명령속도 N_c와 동일하게 하기 위해서는 이 전자기 토오크 곡선으로 둘러싼 면적이 부하 토오크 곡선으로 둘러싼 면적과 동일하게 되도록 하면 된다. 상기 식의 제1항은 이 크기에 해당하고, 즉 전동 요소에 공급하는 전류의 직류 성분에 해당한다. 이것에 대하여 각 회전 각도에서 회전 맥동을 발생시키지 않기 위해서는 부하 토오크 곡선에 전자기 토오크 곡선을 동일하게 시킬 필요가 있고, 상기 식의 제2항은 이를 위한 크기(따라서 각 회전 각도에서 정부로 변화한다)이며, 즉 전류의 교류성분에 해당한다(제9b도 참조). 그리고, 제2항에 있어서 적분항은 각 펄스 검출 위치에 대응한 토오크 맥동분의 전류 출력을 나타내고 있고, 제2항은 주기적인 부하 토오크 변동에 대하여 반복 학습 제어를 행하고, 전류 명령값은 점점 맥동 부하 패턴에 근접해 가는 것으로 된다.

제14도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 이것은 제10도에 있어서 1회전 평균 회전 속도 N_Fn(100)을 피이드백 하는 대신에 1회전의 각 회전 각도 위치에 있어서의 회전 속도 N_F ^(k)(28)을 구하여 이것을 피이드백 하도록 한 것이고, 가속도의 검출-제어계에 대해서는 제10도의 경우와 마찬가지이다.

제15도는 압축기가 증속, 감속 상태에 있을 때의 가속도 명령

c의 결정 방법을 도시하고 있다. k펄스시의 속도 명령 N_c ^(k)가 (k-1)펄스시의 속도 명령 N_c ^(k-1)가 다른 경우는 증속 또는 감속 모드이다. 이 경우, 그 차분 △N_c ^(k)=N_c ^(k)-N_c ^(k-1)를 구하고, 한편 k펄스시의 속도 명령 N_c ^(k)에서 주기 T^1(k)=60/N_c ^(k)를 산출해서

_c ^(k)=△N_c ^(k)/Tc(k)에서 가속도 명령

_c ^(k)가 얻어진다.

이상, 전동 요소를 인버터 구동시켜서 밀폐형 회전 압축기를 운전하는 경우에 토오크 제어를 행하는 실시예에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고 전동요소에 의해서 구동되는 회전 전동기 전반에 대하여 유효한 토오크 제어 수단으로 될 수 있는 것이다.

이상의 설명에서 명확한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전동요소에 의해 구동되는 부하 요소를 갖는 회전 전동기에 대하여 전동요소의 전자기 토오크와 부하 토오크 변동의 부정합을 없애고, 여진 토오크의 대폭적인 감소, 더 나아가서는 기계의 회전 방향 진동의 대폭적인 저감이 달성된다. 또 제어계의 응답을 더욱 고속화할 수 있으므로 토오크 제어 실시 영역을 더욱 고속 영역으로 확대할 수 있으며 넓은 회전 속도 영역에서 저진동화할 수가 있다. 그 때문에 시스템 전체의 소형화, 광범위한 가변속 운전에 의한 전력화의 절약, 쾌적성의 향상에도 공헌할 수 있다.

Claims

전동 요소와 이 전동 요소에 회전 주축을 거쳐서 연결되어 전동 요소에 의해서 회전 구동되는 부하 요소로 되는 회전 전동기의 토오크 제어 장치로서, 회전 주축의 1회전중의 각 회전 각도에서의 회전 가속도를 검출하고, 이것을 피이드백해서 회전 주축의 각 회전 각도에 이어서 전동 요소의 전자기 토오크와 부하요소의 부하토오크의 차를 영으로 하도록, 전동 요소의 전자기 토오크를 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 회전 전동기의 토오크 제어장치.
특허청구의 범위 제1항에 있어서, 회전 주축의 1회전중의 각 회전 각도에서의 회전 가속도를 검출하고, 이것을 회전 주축의 상기 1회전과 동일한 1회전중의 각 회전 각도에 있어서 피이드백해서 명령회전 가속도와 비교하여 그 편차를 영으로 하도록 전동 요소의 전자기 토오크를 제어하도록 한 회전 전동기의 토오크 제어장치.
특허청구의 범위 제1항에 있어서, 회전 주축의 1회전중의 각 회전 각도에서의 회전 가속도를 검출하고, 이것을 회전 주축의 다음 1회전중의 같은 각 회전 각도에 있어서 피이드백해서 명령 회전 가속도와 비교하여 그 편차를 영으로 하도록, 전동 요소의 전자기 토오크를 제어하도록 한 회전 전동기의 토오크 제어장치.
특허청구의 범위 제2항에 있어서, 회전 주축의 1회전을 n등분으로 분할한 n분할 각도마다 위치 검출펄스를 발생시켜 그 펄스 간격에서 각 분할 각도 구간중의 회전 가속도를 검출하고, 이것을 회전 주축의 상기 1회전과 동일한 1회전의 각 분할 각도 구간중에 있어서 피이드백해서 명령 회전 가속도와 비교하도록 한 회전 전동기의 토오크 제어장치.
특허청구의 범위 제3항에 있어서, 회전 주축의 1회전을 n등분한 n분할 각도마다 위치 검출 펄스를 발생시켜 그 펄스 간격에서 각 분할 각도 구간중의 회전 가속도를 검출하고, 이것을 회전 주축의 다음의 1회전의 같은 각 분할 각도 구간중에 있어서 피이드백해서 명령 회전 가속도와 비교하도록 한 회전 전동기의 토오크 제어장치.
특허청구의 범위 제4항 또는 제5항에 있어서, 각 분할 구간에 각각 대응한 n개의 가속도 제어 연산 영역을 갖고, 이들의 제어 연산 영역을 위치 검출 펄스의 검출마다 전환해서 다른 제어 연산 영역과는 독립으로 작동시키도록 한 회전 전동기의 토오크 제어장치.
특허청구의 범위 제1항에 있어서, 상기 회전 가속도 정보외에 회전 주축의 현재 회전 각도에서의 회전 속도 또는 1회전중의 평균 회전 속도의 정보에 따라서 전동 요소의 전자기 토오크를 제어하도록 한 회전 전동기의 토오크 제어장치.