KR101758004B1 - 회전 기기 제어 장치 - Google Patents

Abstract

추정부(7)에서 PM 모터(12)의 q축 유도 전압 추정값 eq 및 추정 토크 τ가 추정되고, 가산기(10)에서 토크 지령 추정 토크 τ^*와 제 1 지령이 가산된다. 제 1 지령은 제 1 지령 생성부(100)에서 추정 토크 추정 토크 τ에 근거하여 구해진다. 가산기(11)에서 q축 전압 지령 vq^*와 제 2 지령이 가산된다. 제 2 지령은 제 2 지령 생성부(200)에서 q축 유도 전압 추정값 eq에 근거하여 구해진다. 더불어 제 1 및 제 2 지령 생성부(100, 200)에서, 전류 제어부(2)를 포함하는 전류 제어계의 제어 지연 및 추정부(7)에서의 PM 모터(12)의 추정 토크 및 추정 유도 전압의 추정 지연이 보상된다. 제어 지연 및 추정 지연이 보상된 제 1 및 제 2 지령에 의해서 토크 지령과 q축 전압 지령을 동시 보상함으로써, 고주파수 대역에서의 q축 전압 지령 vq^*의 부족분이 보상되기 때문에, 고속 대역까지 넓은 속도 범위에서 토크 리플이 효과적으로 억제된다.

Description

회전 기기 제어 장치{ROTARY MACHINE CONTROLLER}

본 발명은 회전 기기의 회전 중에 생기는 토크 리플(torque ripple)을 억제하는 회전 기기 제어 장치에 관한 것이다.

회전 기기로서의 PM 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor)는 소형이고 또한 고효율이라고 하는 특징을 가져서, 최근에는 산업 기기용 등으로 널리 이용되고 있다. 그러나, PM 모터는 그 구조상, 유도 전압에 고조파 성분을 포함하기 때문에 발생 토크에 토크 리플을 가진다. 이것은 진동이나 잡음, 기계적 공진 등의 문제를 일으키는 원인으로 될 수 있기 때문에 그 저감 기술이 필요하다.

저감 기술로서, 전류 지령에 대해 토크 리플을 억제하기 위한 보상 신호를 중첩함으로써 토크 리플을 억제하도록 한 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2006-288076호 공보

종래의 회전 기기 제어 장치는, 이상과 같이 구성되어, 전류 지령에 보상 신호를 중첩함으로써 토크 리플을 억제하는 것이므로, 전류 제어부의 제어 주파수 대역이 억제 대상의 토크 리플의 주파수 대역을 하회하는 경우에 지령대로의 보상 신호가 출력되지 않아, 토크 리플 억제 성능이 저하된다고 하는 문제점이 있었다. 토크 리플 주파수는 PM 모터의 회전 속도에 비례하여 증가하기 때문에, 이 문제점은 모터가 고속 회전 중인 경우에 특히 중요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 넓은 속도 범위(wide range of speed)에서 토크 리플을 보다 효과적으로 억제할 수 있는 회전 기기 제어 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 회전 기기 제어 장치에서는, 토크 보상부와, 전류 제어부와, 전압 지령 생성부와, 위상 보상부를 구비하고, 상기 전압 지령 생성부로부터 출력되는 3상의 구동 전압 지령에 의해 전력 변환기를 거쳐서 인가되는 구동 전압에 의해 회전 기기를 제어하는 회전 기기 제어 장치로서, 상기 토크 보상부는 전압 추정부와, 토크 추정부와, 제 1 지령 생성부와, 제 2 지령 생성부를 가지는 것이며, 상기 전압 추정부는, 상기 회전 기기에 흐르는 실제 전류와 상기 구동 전압에 근거하여 상기 회전 기기의 추정 유도 전압을 추정하는 것이고, 상기 토크 추정부는 상기 추정 유도 전압과 상기 실제 전류에 근거하여 상기 회전 기기의 추정 토크를 추정하는 것이고, 상기 제 1 지령 생성부는, 상기 추정 토크에 근거하여 상기 회전 기기의 토크 리플을 억제하는 제 1 지령을 생성하는 것이고, 상기 제 2 지령 생성부는 상기 추정 유도 전압에 근거하여 상기 회전 기기의 토크 리플을 억제하는 제 2 지령을 생성하는 것이고, 상기 전류 제어부는 상기 전력 변환기로부터 상기 회전 기기로 공급되는 전류를 지령하는 q축 전류 지령과 상기 실제 전류와의 차이를 상기 제 1 지령으로 보상해서 q축 전압 지령을 생성하는 것이고, 상기 전압 지령 생성부는 상기 q축 전압 지령을 상기 제 2 지령으로 보상하고, 보상된 상기 q축 전압 지령에 근거하여, 상기 3상의 구동 전압 지령을 생성하는 것이고, 상기 위상 보상부는 상기 제 1 지령 및 제 2 지령의 적어도 한쪽을 보상하여 상기 전류 제어부를 포함한 전류 제어계의 제어 지연과 상기 토크 추정부의 추정 지연의 적어도 한쪽을 보상하는 것이다.

본 발명에 따른 회전 기기 제어 장치는, 이상과 같이 구성되어 있으므로, 넓은 속도 범위에서 토크 리플을 보다 효과적으로 억제할 수 있는 회전 기기 제어 장치를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1인 회전 기기 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 2는 도 1의 제 1 지령 생성부의 상세 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 도 1의 제 2 지령 생성부의 상세 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 4는 도 3의 제어 파라미터 Kp의 설정에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에서 보상하는 전력 변환기의 위상 지연을 설명하기 위한 전압 파형도이다.
도 6은 도 1에 나타낸 회전 기기 제어 장치에 의해 토크 리플 억제 제어를 행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 3의 동작을 설명하기 위한 전류 제어계의 수리(數理) 모델을 나타내는 블럭도이다.

실시 형태 1

도 1~도 6은 본 발명을 실시하기 위한 실시 형태 1을 나타내는 것이며, 도 1은 회전 기기 제어 장치의 구성을 나타내는 블럭도, 도 2는 도 1의 제 1 지령 생성부의 상세 구성을 나타내는 블럭도, 도 3은 도 1의 제 2 지령 생성부의 상세 구성을 나타내는 블럭도이다. 도 4는 도 3의 제어 파라미터 Kp의 설정에 대해 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명에서 보상하는 전력 변환기의 위상 지연을 설명하기 위한 전압 파형도, 도 6은 도 1에 나타낸 회전 기기 제어 장치에 의해 토크 리플 억제 제어를 행하는 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 1에서, 회전 기기 제어 장치는 전류 지령 생성부(1), 전류 제어부(2), dq-3상 변환부(3), 전류 검출부(5), 3상-dq 변환부(6), 추정부(7), 감산기(8, 9), 가산기(10, 11), 회전 위치 검출기(pulse generator)(13), 제 1 지령 생성부(100), 제 2 지령 생성부(200)를 가진다. 추정부(7)는 회전 기기로서의 PM 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor)(이하 간단히 모터라고 칭함)(12)의 토크 및 유도 전압을 추정하는 것이다. 회전 위치 검출기(13)는 모터의 회전 위치를 검출한다. 제 1 지령 생성부(100)는, 도 2에 그 상세를 나타내는 바와 같이, 처리부(101), 연산부(102, 103), 연산부(105, 106), 가산기(107)를 갖고, 토크 리플을 억제하기 위한 제 1 지령을 생성한다. 처리부(101)는 추출부(101a) 및 위상 보상부(101b)를 가진다. 추출부(101a)는 추정 토크 τ의 진동 성분(맥동 성분)을 추출한다. 위상 보상부(101b)는 추정 토크 τ의 실제 토크로부터의 추정 지연을 보상하기 위한 보상 설정값에 근거하여 추출부(101a)에서 추출된 추정 토크 τ의 진동 성분의 위상을 보상한다(상세 후술). 연산부(102, 103)는 토크 리플 진동 억제값을 연산한다. 연산부(102, 103)는 각각 감산기(102a, 103a), 억제 제어부(102b, 103b)를 가진다. 연산부(105, 106)는 신호 생성부(105a, 106a), 승산기(105b, 106b)를 가진다. 신호 생성부(105a, 106a)는 주기 신호를 생성하고, 아울러 전류 제어계의 제어 지연을 보상한다. 또, 추정부(7), 제 1 지령 생성부(100), 제 2 지령 생성부(200)가 본 발명에서의 토크 보상부이다. 또한, 제 1 지령 생성부(100) 및 제 2 지령 생성부(200)가 본 발명에서의 위상 보상부를 겸하고 있다(상세 후술). 전류 제어부(2), dq-3상 변환부(3), 추정부(7), 제 1 지령 생성부(100)로 본 발명에서의 전류 제어계가 구성되어 있다. 추정부(7)가 본 발명에서의 전압 추정부 및 토크 추정부이며, dq-3상 변환부(3) 및 가산기(11)가 전압 지령 생성부이다. 추출부(101a)가 본 발명에서의 제 1 추출부, 위상 보상부(101b)가 제 1 위상 보상부이다. 연산부(102, 103)가 본 발명에 있어서의 제 1 연산부이고, 연산부(105, 106)가 제 2 연산부이다. 신호 생성부(105a, 106a)가 본 발명에서의 제 2 위상 보상부이다.

제 2 지령 생성부(200)는, 도 3에 그 상세를 나타내는 바와 같이 처리부(201), 연산부(202, 203), 가산기(204), 조절부(205)를 갖고, 토크 리플을 억제하기 위한 토크 리플의 보상 전압 지령인 제 2 지령을 생성한다. 처리부(201)는 추출부(201a) 및 위상 보상부(201b)를 가진다. 추출부(201a)는 유도 전압 중의 진동 성분을 추출한다. 위상 보상부(201b)는 q축 유도 전압 추정값 eq의 실제 전압으로부터의 추정 지연을 보상하기 위한 보상 설정값에 근거하여 추출부(201a)에서 추출된 유도 전압 중의 진동 성분의 위상을 보상한다(상세 후술). 연산부(202, 203)는 각각 신호 생성부(202a, 203a), 승산기(202b, 203b)를 갖고, 제 2 지령을 연산한다. 신호 생성부(202a, 203a)는 주기 신호를 생성하고, 전류 제어계의 제어 지연을 보상한다. 추출부(201a)가 본 발명에서의 제 2 추출부, 위상 보상부(201b)가 제 3 위상 보상부이다. 연산부(202, 203)가 본 발명에서의 제 3 연산부이다. 신호 생성부(202a, 203a)가 본 발명에 있어서의 제 4 위상 보상부이다.

다음에, 동작을 설명한다. 도 1에서, 토크의 설정값 τ^**와 토크 리플 보상 지령인 위상 보상된 제 1 지령 τ^* _rip(상세 후술)가 가산기(10)에서 가산되고, 토크 지령 τ^*로서 전류 지령 생성부(1)에 출력된다(인가된다). 전류 지령 생성부(1)에서는, 토크 지령 τ^*와 모터 정수에 근거하여 q축 전류 지령 iq^*가 연산되고, 감산기(8)에 출력된다. 또한, 전류 검출부(5)에서는, 모터(12)의 실제 전류 벡터 i가 검출되고, 3상-dq 변환부(6)에 출력된다. 그리고, 3상-dq 변환부(6)에서는 실제 전류 벡터 i에 근거하여, q축 실제 전류 iq 및 d축 실제 전류 id가 연산되고, q축 실제 전류 iq는 감산기(8)에, d축 실제 전류 id는 감산기(9)에 출력된다.

감산기(8)에서는 q축 전류 지령 iq^*와 q축 실제 전류 iq의 차가 연산되어 전류 제어부(2)에 출력된다. 감산기(9)에서는 d축 전류 지령 id^*와 d축 실제 전류 id의 차가 연산되고, 동일하게 전류 제어부(2)에 출력된다. 전류 제어부(2)에서는 d축 전압 지령 vd^* 및 q축 전압 지령 vq^*가 연산되고, d축 전압 지령 vd^*는 dq-3상 변환부(3)에 출력된다. 또한, q축 전압 지령 vq^*와 위상 보상된 제 2 지령 vq^* _rip(상세 후술)가 가산기(11)에서 가산되고, dq-3상 변환부(3)에 출력된다. dq-3상 변환부(3)에서는 d축 전압 지령 vd^* 및 q축 전압 지령 vq^*로부터 3상의 구동 전압 지령으로서의 전압 지령 벡터 v^*가 연산되고, 전력 변환기(4)에 출력된다. 전력 변환기(4)에서는 전압 지령 벡터 v^*에 따라 3상 전압이 출력되어 토크 지령 τ^*와 동일한 토크를 발생시키도록, 모터(12)가 구동된다.

이상이, 동작의 개략이지만, 본 실시 형태에서는, 추정부(7), 제 1 지령 생성부(100), 제 2 지령 생성부(200) 등에서 구해진, 위상 보상된 제 1 지령 τ^* _rip 및 위상 보상된 제 2 지령 vq^* _rip에 근거하여 제어의 보상이 행해진다. 이하에, 그 상세를 설명한다. 추정부(7)에서는 모터 정수와, 실제 전류 벡터 i와, 모터(12)로의 전압 지령 벡터 v^*와, 인코더 등의 회전 위치 검출기(13)에 의해서 검출된 모터의 전기각 θ_re에 근거하여, 이하의 연산에 의해서 모터의 추정 유도 전압으로서의 추정 전압 벡터 e가 추정된다.

(수학식 1)

여기서, R은 모터의 권선 저항, L은 자기 인덕턴스, P_m은 극쌍 수(a number of pole pairs), p는 미분 연산자, I는 단위 행렬, J는 교대 행렬, F(s)는 로우패스 필터의 게인, ω_rm은 기계 각속도, ω_re는 전기 각속도를 나타내고 있다. 게인 F(s)는, 도시하고 있지 않지만 추정부(7) 내에서 마이크로프로세서에 의한 소프트웨어 처리에 의해 실현되고 있는 로우패스 필터의 전달 함수이다.

그리고, 추정부(7)에서는, 추정 전압 벡터 e와 상기 실제 전류 벡터 i 및 전기 각속도 ω_re로부터 이하의 식 (2)의 연산에 의해서 모터의 추정 토크 τ가 추정된다. 또, 식 (2) 중 i^T는 i의 전치 행렬이다.

(수학식 2)

다음에 도 2를 참조하여 제 1 지령 생성부(100)의 동작을 설명한다. 우선, 추출부(101a)에서 추정 토크 τ의 맥동 성분이 추출된다. 그 연산 방법은 임의의 공지 기술을 이용할 수 있지만, 여기서는 일례로서, 추정 토크 τ에 대해 푸리에 급수 전개를 참고로 한 다음의 식 (3)의 연산을 이용한다.

(수학식 3)

여기서, τ_Cn은 추정 토크 τ의 코사인 계수, τ_Sn은 추정 토크 τ의 사인 계수, F_LPF(s)는 로우패스 필터의 게인, n은 토크 리플 차수이다. Δθ_{τ -est}는 추정 토크 τ의 실제 토크로부터의 추정 지연을 보상하기 위한 위상의 보상 설정값이고, 위상 보상부(101b)에서 설정된다. 보상 설정값 Δθ_{τ -est}는 실측이나 모델로부터 구하고, 미리 설정된다.

다음에, 도 2에 상세를 나타내는 바와 같이 상기 코사인 계수 τ_Cn, 및 사인 계수 τ_Sn이 각각 연산부(102)의 감산기(102a, 103a)에 출력된다. 연산부(102, 103)(감산기(102a, 103a) 및 억제 제어부(102b, 103b))에서는, 다음의 식 (4)의 연산에 의해서 토크 리플 진동 억제값으로서 토크 리플 보상 코사인 계수 τ_Cn ^*, 및 토크 리플 보상 사인 계수 τ_Sn ^*가 연산되고, 각각 연산부(105, 106)의 승산기(105b, 106b)에 출력된다.

(수학식 4)

여기서, G_rip(s)는 억제 제어부(102b, 103b)의 전달 특성, τ_Cn ^**, τ_Sn ^**는 토크 리플 억제 지령값을 나타내고 있다.

연산부(105, 106)의 승산기(105b, 106b) 및 가산기(107)에서 식 (5)의 연산이 행해지고, 토크 리플의 주기에 동기한 변환 신호로 변환되고, 제 1 지령 τ^* _rip이 출력된다. 또, 신호 생성부(105a, 106a)에서, 모터(12)의 전기 각속도 ω_re에 근거하여, 위상 보상(Δθ_i)이 행해져 상기 변환 신호가 생성된다. 보상 설정값 Δθ_i는 실측이나 모델로부터 구하고, 미리 설정된다.

(수학식 5)

Δθ_i는 전력 변환기(4)를 포함하는 전류 제어계에 의한, 제 1 지령 생성에 관한 제어 지연에 근거하는 위상 보상의 설정값을 나타내고 있다.

다음에 도 3을 참조하여 제 2 지령 생성부(200)의 상세한 동작을 설명한다. 우선, 추정 전압 벡터 e 중의 q축 유도 전압 추정값 eq에 대해, 추출부(201a) 및 위상 보상부(201b)에서 이하의 식 (6)의 연산이 행해진다. F_LPF(s)는, 도시하고 있지 않지만, 추출부(201a) 내에서 마이크로프로세서에 의한 소프트웨어 처리에 의해 실현되고 있는 로우패스 필터의 전달 함수이다. 또한, Δθ_{eq -est}는 q축 유도 전압 추정값 eq의 실제 전압으로부터의 추정 지연을 보상하는 보상 설정값이고, 위상 보상부(201b)에 의해 설정된다. 보상 설정값 Δθ_{eq -est}는 실측이나 모델로부터 구하고, 미리 설정된다.

(수학식 6)

상기 식 (6)에 의해, q축 유도 전압 추정값 eq의 토크 리플의 주기에 동기한 진동 성분이 푸리에 계수 eq_Cn, eq_Sn으로서 추출된다. 그리고, 이들 값이 연산부(202, 203)의 승산기(202b, 203b)에 출력된다. 또, 신호 생성부(202a, 203a)에서는, 모터(12)의 전기 각속도 ω_re에 근거하여, 위상 보상(Δθ_v)가 행해진 주기 신호가 생성된다. 보상 설정값 Δθ_v는 실측이나 모델로부터 구하고, 미리 설정된다.

연산부(202, 203)의 승산기(202b, 203b) 및 가산기(204)에서는 식 (7)의 연산이 행해져, 토크 리플의 주기에 동기한 주기 신호 eq_rip으로 변환되고, 조절부(205)에 출력된다.

(수학식 7)

다만, Δθv는 dq-3상 변환부(3), 전력 변환기(4), 추정부(7) 및 처리부(201)에 의한, 제 2 지령 생성에 관한 제어 지연에 근거하는 위상의 보상 설정값을 나타내고 있다.

여기서는 간단화를 위해서, 조절부(205)에서 다음 식 (8)과 같은 비례 제어가 행해지는 것으로 한다. 제어 파라미터 K_p(ω_re)는 예를 들면 도 4의 꺾임선(bend line) F로 나타내는 바와 같이 회전 기기의 회전 속도로서의 전기 각속도 ω_re에 따라 변화되게 된다. 즉, 저속(저주파역)에서는, 전류 제어부(2)로부터 토크 리플을 억제하기 위한 충분한 전류 지령값이 출력되므로, 임의의 전기 각속도(주파수) ω₁까지는 제어 파라미터 K_p(ω_re)는 0으로 되고, 그 이상의 영역에서는 전기 각속도가 커져 전류 제어부(2)로부터 출력되는 지령값이 작아지는 것을 보충하기 위해서 제어 파라미터 K_p(ω_re)가 전기 각속도에 비례해서 커지도록 되어 있다. 이것에 의해, 조절부(205)로부터 회전 속도에 따른 제 2 지령 vq^* _rip이 출력된다.

(수학식 8)

이상과 같이 해서, 추정 지연 및 제어계의 제어 지연에 따라 위상 보정된 제 1 지령 τ^* _rip가 제 1 지령 생성부(100)로부터 출력되고, 동일하게 위상 보정된 제 2 지령 vq^* _rip가 제 2 지령 생성부(200)로부터 출력된다.

도 1로 되돌아가서, 가산기(10)에서는 토크 지령 τ^*에 제 1 지령 τ^* _rip을 가산하여 전류 지령 생성부(1)에 출력하고, 가산기(11)에서는 q축 전압 지령 vq^*에 제 2 지령 vq^* _rip을 가산해서 dq-3상 변환부(3)에 출력한다. 이렇게 해서 토크(전류) 지령 τ^* 및 q축 전압 지령 vq^*를 동시에 보상한다.

토크 리플의 주파수 대역이 전류 제어부(2)의 제어 주파수 대역을 상회하는고속 영역에서는, 토크(전류) 지령 τ^*만을 보상하여도 그 영향은 전류 제어부(2)에서 감쇠되고, 토크 리플 억제를 행하는데 충분한 고주파의 q축 전압 지령 vq^*가 dq-3상 변환부(3)에 출력되지 않는다. 그러나, q축 전압 지령 vq^*를 동시에 보상하는 것에 의해서, 고주파 대역에서의 q축 전압 지령 vq^*의 부족분을 보충할 수 있기 때문에, 고속 영역에서도 토크 리플 억제를 효과적으로 행할 수 있어, 넓은 속도 범위에서 토크 리플을 억제할 수 있는 회전 기기 제어 장치를 얻을 수 있다.

식 (3), 식 (5), 식 (7)로부터 명백한 바와 같이 본 실시 형태에서는 추정 토크가 가지는 추정 지연과, 전류 제어계 전체가 가지는 제어 지연을 독립적으로 보상하고 있으므로 위상 보상량의 조정이 용이해진다.

도 5는 제어 지연의 일례로서, 전력 변환기 등의 전력 변환 수단을 이용한 모터 구동계에서 생기는 위상 지연에 대해 설명하는 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, dq-3상 변환부(3)가 전류 제어부(2)로부터 흑색 실선과 같은 지령 Va가 인가되었다고 해도, 실제로 제어 입력으로서 입력되는 것은 계단 파형 Vb의 평균값(점선의 파형) Vc이다. T를 전력 변환기의 실제의 전압의 갱신 주기의 간격으로 하면 점선의 평균값 Vc는 실선의 지령 Va로부터 시간으로서 Ta+Tb=1.5 T(Ta=T, Tb=0.5T)[sec], 즉 위상으로서 1.5T×nω_re[rad]만큼 늦는다. 따라서, 전류 제어부(2)에서의 제어 지연을 ∠θ_i, 억제 제어부(102b, 103b)에서의 제어 지연을 ∠θ_rip이라고 하면, 식 (5) 및 식 (7)에 있어서의 위상 보상량을 다음의 식 (9)

(수학식 9)

와 같이 선택할 수 있다.

도 6은 도 1에 나타낸 회전 기기 제어 장치에 의해 토크 리플 억제 제어를 행한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이지만, 6차 성분의 토크 리플을 가지는 10극쌍의 모터 모델에 대해 실시 형태 1에 의한 회전 기기 제어 장치를 설치하고, 전류 제어 대역을 2000[rad/sec]으로 하고, 부하측으로부터 모터(12)를 1000[r/min] 일정하게 회전시키고 있다. 이 때 6차 성분의 토크 리플 주파수는 대략 6280[rad/sec]로 되기 때문에, 종래기술에서는 억제 곤란해진다. 구간 a는 제 1 지령 생성부(100) 및 제 2 지령 생성부(200)를 동작시키지 않고, 억제 제어를 실시하지 않았다. 구간 b에서는 제 1 지령 생성부(100)만 동작시키고, 마지막에 구간 c에서 제 2 지령 생성부(200)도 동작시켜, 실시 형태 1에 의한 회전 기기 제어 장치로서 완전한 동작을 시키고 있다.

1000[r/min]의 고속 대역에서, 제 1 지령 생성부(100)만으로는 토크 리플을 완전하게는 억제되지 않지만, 제 2 지령 생성부(200)를 함께 동작시키는 것에 의해, 높은 억제 효과가 얻어짐을 알 수 있다.

이와 같이 본 실시 형태에서는, 제어 지연 및 추정 지연이 보상된 제 1 및 제 2 지령에 의해서 토크 지령과 q축 전압 지령을 동시 보상하는 것에 의해, 고주파 대역에 있어서의 q축 전압 지령 vq^*의 부족분이 보충되기 때문에, 고속 대역까지 넓은 속도 범위에서 토크 리플이 보다 효과적으로 억제된다고 하는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에서는 제어 지연이나 추정 지연이라고 하는 위상 지연을 보상한 값에 근거하여 제 1 및 제 2 지령을 생성하므로, 계측 설비를 이용한 번잡한 사전 계측 작업을 행하는 것 없이 , 토크 리플을 효과적으로 억제할 수 있다.

실시 형태 2

본 실시 형태에 있어서의 구성은, 도 1~도 6에 나타낸 실시 형태와 동일한 것이므로, 도시를 생략한다. 본 실시 형태에서는, 실시 형태 1과 마찬가지로, 제 1 지령 생성부(100)에서는 추출부(101a)에서 식 (3)의 연산이, 연산부(102, 103)에서 식 (4)의 연산이, 연산부(105, 106)에서 식 (5)의 연산이 행해지고, 2지령 생성부(200)에서는 추출부(201a)에서 식(6)의 연산이, 연산부(202, 203), 가산기(204)에서 식 (7)의 연산이, 조절부(205)에서 식 (8)의 연산이 행해짐으로써, 제 n 차의 토크 리플을 보상하기 위한 지령을 생성한다.

이 때 상이한 자연수 n_i, n_v(n_i<n_v)를 이용하고, 제 1 지령 생성부(100)에서 토크 리플 차수 n을 n_i, 제 2 지령 생성부(200)에서 n을 nv로 설정하면, 각각 다른 차수의 토크 리플을 보상하도록 동작시킬 수 있다. 또한, 보다 고차의 토크 리플의 억제를 제 2 지령 생성부(200)에서 행하도록 설정함으로써 억제 효과를 높일 수 있다.

이것에 의해, 예를 들면 토크 리플이 증대하는 저속도 영역에서는 토크 리플의 주요한 성분인 6차 성분과 12차 성분의 양쪽을 억제하기 위해서 n_i=6, v=12로 함으로써 복수의 차수의 토크 리플을 억제하도록 동작시키고, 토크 리플이 감소하지만 억제는 곤란한 고속도 영역에서는, 가장 주요한 성분인 6차 성분에만 주목해 ni=nv=6으로 해서 실시 형태 1과 같이 동작시켜, 6차 성분의 억제 효과를 높이는 동작 모드의 전환이 가능해진다.

이와 같이 본 실시 형태에 의하면, 실시 형태 1과 마찬가지로 고속 회전 대역에서의 토크 리플 억제가 가능해지는 효과가 얻어지고, 제 1 지령 생성부(100)와 제 2 지령 생성부(200)에서 억제 대상으로 하는 토크 리플의 차수(주파수)를 독립적으로 설정하는 것에 의해서, 모터 특성이나 운전 조건에 따라 적절한 토크 리플 억제가 가능해지는 효과를 얻을 수 있다.

실시 형태 3

본 실시 형태에 있어서의 구성은 도 1~도 6에 나타낸 실시 형태 1과 동일한 것이므로, 도시를 생략한다. 또, 도 7은 본 실시 형태에 있어서의 동작을 설명하기 위한 전류 제어계의 수리(數理) 모델을 나타내는 블럭도이다. 본 실시 형태에서는, 실시 형태 1이나 실시 형태 2와 마찬가지로, 제 1 지령 생성부(100)에서는 추출부(101a)에서 식 (3)의 연산이, 연산부(102, 103)에서 식 (4)의 연산이, 연산부(105, 106)에서 식 (5)의 연산이 행해지고, 제 2 지령 생성부(200)에서는 추출부(201a)에서 식 (6)의 연산이, 연산부(202, 203), 가산기(204)에서 식 (7)의 연산이, 조절부(205)에서 식 (8)의 연산이 행해짐으로써, 제 n 차의 토크 리플을 보상하기 위한 제 1 및 제 2 지령이 생성된다.

그런데, q축 상의 수리 모델로서 추정부(7)를 포함하는 전류 제어계의 전달 특성은 도 7과 같이 된다. 즉, 전류 지령 생성부(1)의 전달 함수는

전류 제어부(2)의 전달 함수는,

모터(12)의 전달 함수는,

도 7 중의 추정부(7)에서의 전압 강하분의 전달 함수는,

으로 된다. 여기서, q축 전압 지령값 vq^*는

이고, q축 유도 전압 추정값 eq는 전압 지령값 vq^*로부터 전압 강하분을 빼는 것에 의해 구해지기 때문에,

이다. 따라서, vq^* _rip로부터 iq까지의 전달 특성도 고려하면, 제 2 지령 vq^* _rip를 입력으로 한 q축 유도 전압 추정값 eq의 산출까지의 전달 특성 Gv(s)는

(수학식 10)

와 같이 계산할 수 있다. 그 때문에, 식 (10)에 근거하여 도 3에서의 제 2 지령 생성부(200)의 연산부(202, 203)에서,

(수학식 11)

로 설정할 수 있다. 단, j는 허수 단위를 나타낸다.

이와 같이 본 실시 형태에 의하면, 제어계의 수리 모델에 근거한 연산에 의해서, 제 2 지령 생성부(200)에서의 위상 보상량 Δθ_v, 조절부(205)에서의 조절량 K_p(ω_re)를 결정하고, 식 (7), 식 (8)에 근거하여 eq_rip, 제 2 지령 vq^* _rip를 연산하므로, 제어계의 조정이 용이하게 되는 효과가 있다.

또, 상기 실시 형태에 있어서는, 가산기(10)(도 1 참조)에서 토크 지령 τ^*에 제 1 지령 생성부(100)에서 구해진 제 1 지령 τ^* _rip를 가산하는 것을 나타냈지만, 제 1 지령 생성부(100)로부터 출력되는 제 1 지령 τ^* _rip를 q축 전류로 환산한 것을 q축 전류 지령 iq^*에 가산하도록 해도 좋다.

또한, 본 발명은, 그 발명의 범위 내에서, 상술한 각 실시 형태를 자유롭게 조합하거나 각 실시 형태를 적당히 변경, 생략하는 것이 가능하다.

Claims (10)

1. 토크 보상부와, 전류 제어부와, 전압 지령 생성부와, 위상 보상부를 구비하고, 상기 전압 지령 생성부로부터 출력되는 3상의 구동 전압 지령에 의해 전력 변환기를 거쳐서 인가되는 구동 전압에 의해 회전 기기를 제어하는 회전 기기 제어 장치로서,
   상기 토크 보상부는 전압 추정부와, 토크 추정부와, 제 1 지령 생성부와, 제 2 지령 생성부를 갖는 것이며,
   상기 전압 추정부는 상기 회전 기기에 흐르는 실제 전류와 상기 구동 전압에 근거하여 상기 회전 기기의 추정 유도 전압을 추정하는 것이고,
   상기 토크 추정부는 상기 추정 유도 전압과 상기 실제 전류에 근거하여 상기 회전 기기의 추정 토크를 추정하는 것이고,
   상기 제 1 지령 생성부는 상기 추정 토크에 근거하여 상기 회전 기기의 토크 리플(torque ripple)을 억제하는 제 1 지령을 생성하는 것이고,
   상기 제 2 지령 생성부는 상기 추정 유도 전압에 근거하여 상기 회전 기기의 토크 리플을 억제하는 제 2 지령을 생성하는 것이고,
   상기 전류 제어부는 상기 전력 변환기로부터 상기 회전 기기로 공급되는 전류를 지령하는 q축 전류 지령과 상기 실제 전류의 차를 상기 제 1 지령으로 보상하여 q축 전압 지령을 생성하는 것이고,
   상기 전압 지령 생성부는 상기 q축 전압 지령을 상기 제 2 지령으로 보상하고, 보상된 상기 q축 전압 지령에 근거해서, 상기 3상의 구동 전압 지령을 생성하는 것이고,
   상기 위상 보상부는 상기 제 1 지령 및 상기 제 2 지령의 적어도 한쪽을 보상하여 상기 전류 제어부를 포함하는 전류 제어계의 제어 지연과 상기 토크 추정부의 추정 지연의 적어도 한쪽을 보상하는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 지령 생성부 및 상기 제 2 지령 생성부는, 상기 제 1 지령 생성부의 억제 대상으로 하는 상기 토크 리플의 주파수와 상기 제 2 지령 생성부의 억제 대상으로 하는 상기 토크 리플의 주파수가 상이한 주파수로 되는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 지령 생성부 및 상기 제 2 지령 생성부는 상기 제 1 지령 생성부의 억제 대상으로 하는 상기 토크 리플의 주파수와 상기 제 2 지령 생성부의 억제 대상으로 하는 상기 토크 리플의 주파수를 독립적으로 변경할 수 있도록 된 것인
   회전 기기 제어 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 지령 생성부는 조절부를 갖는 것이며,
   상기 조절부는 상기 회전 기기의 회전 속도에 따라 상기 제 2 지령의 지령값의 크기를 바꾸는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 지령 생성부는 제 1 추출부와, 제 1 연산부와, 제 2 연산부를 가지며,
   상기 제 1 추출부는 상기 추정 토크 중의 상기 토크 리플의 진동 성분을 추출하는 것이고,
   상기 제 1 연산부는 상기 추출된 토크 리플의 진동 성분과 억제 지시값의 차로부터 토크 리플 진동 억제값을 구하는 것이고,
   상기 제 2 연산부는 상기 토크 리플 진동 억제값을 상기 토크 리플의 주기에 동기한 변환 신호로 변환하고 상기 변환 신호에 근거해서 상기 제 1 지령을 생성하는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 위상 보상부는 상기 제 1 지령을 보상하는 것이며, 제 1 위상 보상부 및 제 2 위상 보상부를 가지며,
   상기 제 1 위상 보상부는 상기 토크 리플의 진동 성분의 위상을 보상하는 것에 의해 상기 추정 토크의 추정 지연을 보상하고,
   상기 제 2 위상 보상부는 상기 변환 신호의 위상을 보상하는 것에 의해 상기 전류 제어계의 제어 지연을 보상하는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 2 지령 생성부는 제 2 추출부와 제 3 연산부를 가지며,
   상기 제 2 추출부는 상기 토크 리플의 주파수에서의 상기 추정 유도 전압 중의 진동 성분을 추출하는 것이고,
   상기 제 3 연산부는 상기 추출된 추정 유도 전압 중의 진동 성분을 상기 토크 리플의 주기에 동기한 동기 신호로 변환하고 상기 동기 신호에 근거하여 상기 제 2 지령을 생성하는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 위상 보상부는 상기 제 2 지령을 보상하는 것이며, 제 3 위상 보상부 및 제 4 위상 보상부를 갖고,
   상기 제 3 위상 보상부는 상기 추정 유도 전압 중의 진동 성분의 위상을 보상하는 것에 의해 상기 추정 토크의 추정 지연을 보상하고,
   상기 제 4 위상 보상부는 상기 동기 신호의 위상을 보상하는 것에 의해 상기 전류 제어계의 제어 지연을 보상하는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제 4 위상 보상부는 상기 전압 지령 생성부에서의 캐리어의 반주기를 T[sec], 상기 토크 리플의 차수를 n, 상기 회전 기기의 전기 각속도를 ω_re[rad/sec]라고 할 때, 상기 전압 지령 생성부가 갖는 상기 제어 지연을 보상하도록, 상기 제 2 지령의 위상 보상량 Δθ[rad]를 Δθ=1.5T×nω_re로 인가하는 것인
   회전 기기 제어 장치.
   
   
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 4 위상 보상부는 상기 전류 제어계의 전달 특성의 수리(數理) 모델에 근거하여 수리 모델 위상 보상량을 연산하고, 상기 수리 모델 위상 보상량에 근거하여 상기 동기 신호의 위상을 보상하는 것에 의해 상기 전류 제어계의 제어 지연을 보상하는 것인
    회전 기기 제어 장치.

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