KR101157732B1 - 전동기의 제어 장치 - Google Patents

Abstract

영구 자석 동기 전동기의 제어 장치에 있어서, 비동기 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로의 전환은 변조율이 제1 설정값 이상으로 되거나, 또는 인버터 출력 주파수가 제2 설정값 이상으로 되는 경우에 행하고, 동기 펄스 모드로부터 비동기 펄스 모드로의 전환은 변조율이 제1 설정값 미만으로 되고, 또한 인버터 출력 주파수가 제2 설정값 미만으로 되는 경우에 행한다. 제2 설정값을, 인버터 출력 전압 기본파의 반주기 중에 포함되는 펄스 수가 소정값 이상으로 되도록 설정함으로써, 전동기에 전류 진동 및 토크 맥동이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

Description

전동기의 제어 장치{CONTROLLER FOR ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 전기차 구동용의 교류 전동기, 특히 영구 자석 동기 전동기의 제어에 바람직한 전동기의 제어 장치에 관한 것이다.

최근 산업 기기나 가전 분야, 자동차 분야 등의 교류 전동기 응용 분야에 있어서, 유도 전동기를 인버터로 구동 제어하는 종래부터의 방식 대신에, 영구 자석 동기 전동기를 인버터로 구동 제어하는 방식의 사례가 증가하고 있다.

영구 자석 동기 전동기는 유도 전동기와 비교해서, 영구 자석에 의한 자속(磁束)이 확립되어 있기 때문에 여자 전류가 불필요한 것이나, 회전자에 전류가 흐르지 않기 때문에 2차 구리 손실이 발생하지 않는 것, 영구 자석에 의한 자속에 의해 발생하는 토크 외에, 회전자의 자기 저항의 차를 사용한 릴럭턴스 토크(reluctance torque)를 사용함으로써 효과적으로 토크를 얻을 수 있는 것 등으로부터 고효율인 전동기로 알려져 있으며, 최근 전기차 구동용의 전력 변환 장치로의 적용도 검토되고 있다.

특허 문헌 1: 일본 특개평 7－227085호 공보

영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치를 구성하는데 있어서 과제의 하나로 되는 것이, 영구 자석 동기 전동기를 최적으로 제어하는데 있어서 생기는 전동기 단자간 전압의 변화에 대한 대처이다. 영구 자석 동기 전동기의 최적 제어로는 어떤 전류로 최대의 토크를 발생시키는 최대 토크/전류 제어나, 전동기의 효율을 최대로 유지하는 최대 효율 제어 등을 들 수 있다. 이러한 최적 제어 방법은 전동기에 인가하는 전류 진폭과 위상을, 연산식이나 미리 테이블에 기억시킨 최적값으로 되도록 조정하는 제어 방법이고, 그 내용은 각종 문헌에 개시되어 있으므로, 여기서는 상세한 설명을 생략한다. 그런데 상기 최적 제어를 실시하는 경우, 전동기의 회전 속도 및 출력 토크의 크기에 따라 토크분 전류(q축 전류), 자속분 전류(d축 전류)를 모두 최적값으로 조정하기 때문에, 전동기의 회전 속도 및 출력 토크의 크기에 따라 전동기의 최적의 쇄교(鎖交) 자속이 변화하고, 전동기 단자간 전압(=인버터 출력 전압)이 크게 변화한다.

이에 대해, 종래의 유도 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에서는 전동기를 기동한 후, 기저(基底) 속도에 도달할 때까지는 전동기의 2차 자속을 일정하게 하여 정(定)토크 운전을 행하고, 기저 속도 이상에서는 인버터 출력 전압을 최대값으로 고정하여 인버터 출력 주파수의 증가에 거의 반비례하여 2차 자속을 감소시키는 것으로 정전력 운전을 행하는 것이 일반적이다. 이 때문에, 기저 속도 이상에서, 인버터는 최대 출력 전압을 얻을 수 있는 소위 1 펄스 모드로 운전된다. 이는 전기차 이외의 전기 자동차 등의 동력 용도, 또 일반 산업 용도에서도 동일하다. 즉, 2차 자속은 정전력 운전 구역에 있어서 인버터 출력 주파수에 반비례시켜서 변화시킬 뿐, 출력 토크의 크기에 따라 변화시키는 일은 없다. 출력 토크에 따라 2차 자속을 조정하는 것은 가능하지만, 이하에 기술하는 바와 같이, 출력 토크의 과도(過度) 특성이 악화하므로 일반적으로 사용되지 않는다.

유도 전동기는 그 원리상, 외부로부터 제어 가능한 스테이터측의 전류(1차 전류)와 슬립 주파수를 원하는 대로 제어함으로써, 로터측에 전류를 유기(誘起)시켜 2차 자속을 발생시키는 것이다. 이 점은 로터에 영구 자석을 매입하여, 자속이 원래 확립하고 있는 영구 자석 동기 전동기와는 크게 다르다. 유도 전동기의 경우, 1차 전류와 2차 자속의 관계는 2차 저항과 2차 인덕턴스로 이루어지는 2차 시정수(時定數)를 가진 1차 지연의 관계로 되기 때문에, 출력 토크의 크기에 따라 2차 자속을 변화시키도록 1차 전류를 변화시켜도, 2차 자속이 원하는 값으로 안정되기까지 2차 시정수분의 시간(전기차의 유도 전동기의 경우, 일반적으로 거의 500ms 전후)이 필요하게 되고, 이 사이, 출력 토크가 안정되지 않는다. 이 때문에, 토크의 오버 슛이 발생하거나, 토크가 진동 경향으로 되어, 토크의 과도 응답의 열화(劣化)가 발생한다. 따라서, 유도 전동기에 있어서 출력 토크에 따라 2차 자속을 조정하는 것은 일반적으로 사용되지 않는다.

즉, 종래의 유도 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에서는 전동기의 회전 속도와 전동기의 2차 자속의 값과의 관계는 일의적(一義的)으로 정해지기 때문에, 전동기의 회전 속도와 인버터 출력 전압의 크기와의 관계도 일의적으로 정해진다. 또, 기저 속도 이상에서는 인버터가 최대 전압을 출력하도록 2차 자속을 감소시켜 가므로, 출력 토크의 크기에 관계없이 인버터 출력 전압은 최대값으로 고정된다(예를 들어 특허 문헌 1을 참조).

그렇지만 영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치의 경우, 전동기의 회전 속도와 인버터 출력 전압의 크기와의 관계는 출력 토크에 따라 변화하기 때문에, 전동기의 제어 장치의 구성에 있어서는 이 점에 배려가 필요하다.

또, 상기와는 별도의 과제로서, 전동기 구동용의 인버터에 사용되는 스위칭 소자의 스위칭 주파수와 전동기의 극수(極數)와의 관계를 들 수 있다. 일반적으로 전기차용의 인버터의 입력으로 되는 직류 전원의 전압은 1500V ~ 3000V 정도로 고전압이고, 3300V ~ 6500V 정도의 내압을 가지는 고내압의 스위칭 소자를 사용하게 된다. 그렇지만 고내압의 스위칭 소자는 스위칭 손실, 도통(導通) 손실 모두 크고, 냉각기나 냉각 팬 등의 스위칭 소자의 냉각 장치가 과잉으로 되지 않도록 배려하면, 허용 가능한 스위칭 주파수는 최대로 1000Hz 정도로 되고, 예를 들어 가전 제품이나 산업용 인버터, 전기 자동차용의 스위칭 주파수와 비교하여 1/10 ~ 1/20 정도의 낮은 값이다.

한편, 인버터가 구동하는 영구 자석 동기 전동기의 극수는 전동기의 소형화, 경량화의 관점으로부터 6극이나 8극이 적당하고, 종래 유도 전동기의 대부분이 4극이었던 것을 고려하면, 극수가 1.5 ~ 2배로 증가한다.

전동기의 극수가 증가하면, 전기차의 동일한 속도에 있어서 인버터 출력 주파수는 극수 증가에 비례하여 증가한다. 종래 4극의 유도 전동기로부터 예를 들어 8극의 영구 자석 동기 전동기로 변경한 경우, 일반적인 전기차로의 응용에 있어서 인버터 출력 주파수의 최대값(전기차의 설계 최고 속도에 있어서 인버터 출력 주파수)은 종래의 유도 전동기를 사용한 경우의 150Hz 정도로부터 300Hz 정도까지 배증한다. 그렇지만 상술한 바와 같이, 스위칭 주파수의 허용 최대값은 1000Hz 정도이고 이 이상 증가할 수 없기 때문에, 예를 들어 인버터 출력 주파수가 최대값인 300Hz 부근에 있는 경우에, 인버터 출력 전압의 크기를 조정(인버터 출력 전압을 최대 전압 이외의 값으로 조정)하는 경우를 상정하면, 스위칭 주파수는 최대라도 1000Hz 정도이기 때문에, 인버터 출력 전압의 반주기 중에 포함되는 펄스 수는 캐리어 주파수(=스위칭 주파수)를 인버터 출력 주파수로 나눈 3 전후로 되어, 매우 적게 된다. 이와 같은 상태에서 전동기를 구동하면, 캐리어 주파수를 인버터 출력 주파수로 나눌 수 없는 경우가 발생하므로, 인버터 출력 전압의 정(正)의 반주기와 부(負)의 반주기에 각각 포함되는 펄스 수나 펄스 위치가 언밸런스하게 되어, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성이 무너져 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동(脈動)이 발생하여 소음이나 진동의 원인으로 된다.

또한, 종래의 유도 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에서, 상술한 바와 같이, 기저 속도 이상에서는 출력 토크의 크기에 상관없이 상시 인버터 출력 전압을 최대값으로 고정하는 1 펄스 모드에서의 동작으로 되므로, 인버터 출력 전압의 크기를 조정할 필요는 없고, 인버터 출력 전압의 반주기 중에 포함되는 펄스 수는 항상 1이고 시간적으로 변화없이 일정하기 때문에, 인버터 출력 전압의 정의 반주기와 부의 반주기에서 펄스 수와 펄스 위치가 동일하게 되어, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 확보되므로, 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동이 발생할 염려가 없다.

즉, 영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전기차용의 전동기의 제어 장치는 특히 인버터 출력 주파수가 높은 영역에 있어서 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성에 충분히 유의(留意)한 제어를 행할 필요가 있다.

이상 정리하면, 영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전기차용의 전동기의 제어 장치는 전동기의 출력 토크 및 회전 속도에 의한 전동기 단자간 전압의 크기의 변화와, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성에 충분히 유의한 제어를 행할 필요가 있다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 특히 영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에 있어서, 전동기의 출력 토크 및 회전 속도에 의한 인버터 출력 전압의 크기의 변화, 및 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성에 충분히 유의한 제어를 행할 수 있고, 전동기에 전류 진동 및 토크 맥동이 발생하는 것을 회피하고, 따라서 그것들에서 기인하는 소음 및 진동의 발생을 회피하여, 전동기를 안정적으로 구동 제어하는 것이 가능한 전동기의 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전동기의 제어 장치는, 직류 전원에 접속되어 교류 전동기에 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전류를 출력 가능한 인버터에 대해, 상기 인버터를 구성하는 스위칭 소자에 펄스폭 변조 신호를 출력하여 상기 교류 전동기를 제어하는 전동기의 제어 장치에 있어서, 상기 펄스폭 변조 신호의 출력 패턴으로서 동기 펄스 모드, 비동기 펄스 모드, 및 1 펄스 모드를 포함하는 복수의 펄스 모드를 선택적으로 전환 가능한 펄스 모드 제어부를 가지고, 상기 펄스 모드 제어부는 인버터 출력 전압 기본파의 주기 중에 포함되는 펄스 수를 참조 가능하게 하는 상기 인버터의 출력 상태에 관련된 복수의 양(量)에 기초하여, 상기 동기 펄스 모드와 상기 비동기 펄스 모드의 전환을 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 전동기의 제어 장치에 있어서 동기 펄스 모드와 비동기 펄스 모드의 전환에 있어서, 인버터 출력 전압 기본파의 주기 중에 포함되는 펄스 수를 참조 가능하게 하는 양을 포함하는 인버터의 출력 상태에 관련되는 복수의 양에 기초하여 플러스 모드의 전환을 행하도록 하였으므로, 예를 들어 영구 자석 동기 전동기와 같이 전동기의 출력 토크 및 회전 속도에 의해 인버터 출력 전압의 크기가 변화하는 경우에, 종래의 제어 방법에서는 비동기 펄스 모드의 선택에서 기인하여 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 확보할 수 없는 상황에 대해서도, 동기 펄스 모드를 선택 가능하게 함으로써 전압의 정부 대칭성을 확보하는 것이 가능하게 된다. 그 때문에, 전동기에 전류 진동 및 토크 맥동이 발생하는 것을 회피하고, 따라서 그것들에서 기인하는 소음 및 진동의 발생을 회피하여 전동기를 안정적으로 구동 제어할 수 있는 효과를 달성한다.

도 1은 실시 형태 1에 관한 전동기의 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 형태 1에 있어서 전압 지령/PWM 신호 생성부의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3은 영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에 종래 방식의 펄스 모드 전환 방식을 적용한 경우의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 실시 형태 1에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 실시 형태 2에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 실시 형태 3에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다.
도 7은 종래 방식에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다.

이하에, 본 발명에 관한 전동기의 제어 장치의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 본 실시 형태에 관한 전동기의 제어 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 주회로는 직류 전원으로 되는 컨덴서(1), 컨덴서(1)의 직류 전압으로부터 임의의 주파수, 임의 전압의 교류 전압으로 변환하여 3상 교류를 출력하는 인버터(2), 및 영구 자석 동기 전동기(이하, 단순히 전동기라 함; 6)를 구비하여 구성되어 있다.

주회로 상에는 컨덴서(1)의 전압을 검출하는 전압 검출기(8), 인버터(2)의 출력선의 전류 iu, iｖ, iw를 검출하는 전류 검출기(3, 4, 5)가 배치되고, 전동기(6)에는 로터 기계각 θm을 검출하는 리졸버(7)가 배치되어 있으며, 각각의 검출 신호는 전동기의 제어 장치(100)에 입력되어 있다.

또한, 리졸버(7) 대신에 인코더를 사용해도 되고, 리졸버(7)로부터 얻어지는 위치 신호 대신에, 검출한 전압, 전류 등으로부터 위치 신호를 연산하여 구하는 위치 센서리스 방식을 사용해도 되고, 이 경우, 리졸버(7)는 불필요하게 된다. 즉, 위치 신호의 취득은 리졸버(7)를 사용하는 것에 한정되지 않는다. 또, 전류 검출기(3, 4, 5)에 관하여, 최저 2상(相)에 전류 검출기를 설치하면 나머지 1상의 전류는 연산하여 구하는 것이 가능하므로 그와 같이 구성해도 되고, 인버터(2)의 직류 측 전류로부터 인버터(2)의 출력 전류를 재현하여 취득하는 구성이어도 된다.

인버터(2)에는 전동기의 제어 장치(100)에 의해 생성되는 게이트 신호 U, V, W, X, Y, Z가 입력되고, 인버터(2)에 내장되는 스위칭 소자가 PWM(Pulse Width Modulation： 펄스폭 변조) 제어된다. 인버터(2)는 전원 PWM 인버터가 바람직하고, 그 구성은 공지되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

전동기의 제어 장치(100)에는 도시하지 않은 외부의 제어 장치로부터 토크 지령 T*가 입력되는 구성으로 되어 있고, 전동기의 제어 장치(100)는 토크 지령 T*에 전동기(6)의 발생 토크 T가 일치하도록 인버터(2)를 제어하는 구성으로 하고 있다.

다음으로, 전동기의 제어 장치(100)의 구성을 설명한다. 전동기의 제어 장치(100)는 로터 기계각 θm으로부터 기준 위상각 θe를 산출하는 기준 위상각 연산부(95), 전류 검출기(3, 4, 5)로부터 검출된 3상 전류 iu, iｖ, iw와 기준 위상각 θe로부터 d축 전류 id, q축 전류 iq를 생성하는 3상-dq축 좌표 변환부(90), 기준 위상각 θe로부터 인버터 출력 각주파수 ω를 산출하는 인버터 각주파수 연산부(70), 외부로부터 입력된 토크 지령 T*와 인버터 출력 각주파수 ω로부터 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*를 생성하는 전류 지령 생성부(10), d축 전류 지령 id*와 d축 전류의 차를 비례 적분 제어하고, d축 전류 오차 pde를 생성하는 d축 전류 제어부(20), q축 전류 지령 iq*와 q축 전류의 차를 비례 적분 제어하고, q축 전류 오차 pqe를 생성하는 q축 전류 제어부(23), d축 전류 지령 id*와 인버터 출력 각주파수 ω로부터 q축 피드포워드 전압 ｖqFF를 연산하는 q축 비간섭 연산부(21), q축 전류 지령 iq*와 인버터 출력 각주파수 ω로부터 d축 피드포워드 전압 ｖdFF를 연산하는 d축 비간섭 연산부(22), d축 전류 오차 pde와 d축 피드포워드 전압 ｖdFF의 합인 d축 전압 지령ｖd*와, q축 전류 오차 pqe와 q축 피드포워드 전압 ｖqFF의 합인 q축 전압 지령 ｖq*와, 기준 위상각 θe와, 컨덴서(1)의 전압 EFC로부터 변조율 PMF를 연산하는 변조율 연산부(30), d축 전류 오차 pde와 d축 피드포워드 전압 ｖdFF의 합인 d축 전압 지령 ｖd*와, q축 전류 오차 pqe와 q축 피드포워드 전압 ｖqFF의 합인 q축 전압 지령 ｖq*와, 기준 위상각 θe로부터, 제어 위상각 θ을 연산하는 제어 위상각 연산부(40), 및 변조율 PMF와 제어 위상각 θ로부터 인버터(2)로의 게이트 신호 U, V, W, X, Y, Z를 생성하는 전압 지령/PWM 신호 생성부(50)를 구비하여 구성되어 있다.

다음으로, 이상에서 설명한 각 제어 블록의 상세 구성 및 그 동작을 설명한다. 우선 기준 위상각 연산부(95)에서는 이하의 식 (1)에 기초하여, 로터 기계각 θm으로부터 전기각인 기준 위상각 θe를 산출한다.

여기서, PP는 전동기(6)의 극대수(極對數)이다.

3상-dq축 좌표 변환부(90)에서는 이하의 식 (2)에 기초하여 3상 전류 iu, iｖ, iw와 기준 위상각 θe로부터 d축 전류 id, q축 전류 iq를 생성한다.

삭제

인버터 각주파수 연산부(70)에서는 이하의 식 (3)에 기초하여 기준 위상각 θe를 미분함으로써 인버터 출력 각주파수 ω를 산출한다.

또, 인버터 출력 각주파수 ω를 2π로 나누는 것에 의해 인버터 출력 주파수 FINV를 연산한다.

이어서, 전류 지령 생성부(10)의 구성 및 동작을 설명한다. 전류 지령 생성부(10)에서는 외부로부터 입력된 토크 지령 T*와 인버터 출력 각주파수 ω로부터 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*를 생성한다. 생성 방법으로는 어떤 전류로 최대의 토크를 발생시키는 최대 토크/전류 제어나, 전동기의 효율을 최대로 유지하는 최대 효율 제어 등의 최적 제어 방법을 들 수 있다. 이러한 최적 제어 방법은 전동기의 회전 속도와 출력 토크의 크기 등을 파라미터로 하여 연산식이나 미리 테이블에 기억시킨 최적의 토크분 전류 지령(q축 전류 지령 iq*), 자속분 전류 지령(d축 전류 지령 id*)에 실제 전류가 일치하도록 조정을 행하는 방식이다. 또한, 그 내용은 공지이고, 각종 문헌에 개시되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

다음으로, d축 전류 제어부(20), q축 전류 제어부(23)에 의해, 각각 이하의 식 (4), (5)에 기초하여 d축 전류 지령 id*와 d축 전류의 차를 비례 적분 증폭한 d축 전류 오차 pde와, q축 전류 지령 iq*와 q축 전류의 차를 비례 적분 증폭한 q축 전류 오차 pqe를 생성한다.

여기서, K1, K3은 비례 게인, K2, K4는 적분 게인, s는 미분 연산자이다.

또한, pqe, pde는 특히 1 펄스 모드에서의 운전인 경우 등에 있어서, 필요에 따라 제로로 하는 등으로 하여 제어에 사용하지 않도록 해도 된다.

또, d축 비간섭 연산부(22), q축 비간섭 연산부(21)는 각각 이하의 식 (6), (7)에 기초하여 d축 피드포워드 전압 ｖdFF, q축 피드포워드 전압 ｖqFF를 연산한다.

여기서, R1은 전동기(6)의 1차 코일 저항(Ω), Ld는 d축 인덕턴스(H), Lq는 q축 인덕턴스(H), φa는 영구 자석 자속(Wb)이다.

또, 변조율 연산부(30)에서는 d축 전류 오차 pde와 d축 피드포워드 전압 ｖdFF의 합인 d축 전압 지령 ｖd*와, q축 전류 오차 pqe와 q축 피드포워드 전압 ｖqFF의 합인 q축 전압 지령 ｖq*와, 기준 위상각 θe와, 컨덴서(1)의 전압 EFC로부터, 다음 식 (8)에 기초하여 변조율 PMF를 연산한다.

단,

이다.

또한, 변조율 PMF는 인버터 출력 전압 지령 벡터의 크기 VM*를, 인버터가 출력 가능한 최대 전압 VMmax(식 (9)에서 정의)에 대한 비율로 나타낸 것이고, PMF=1.0인 경우는 인버터 출력 전압 지령 벡터의 크기 VM*는 인버터가 출력 가능한 최대 전압 VMmax와 동등하게 되는 것을 나타내고 있다. 또, 식 (2) ~ (10)로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류 지령 생성부(10)에 의해 생성되는 d축 전류 지령 id*, q축 전류 지령 iq*에 의해, 변조율 PMF가 변화하는 것을 알 수 있다.

제어 위상각 연산부(40)에서는 d축 전류 오차 pde와 d축 피드포워드 전압 ｖdFF의 합인 d축 전압 지령 ｖd*와, q축 전류 오차 pqe와 q축 피드포워드 전압 ｖqFF의 합인 q축 전압 지령 ｖq*와, 기준 위상각 θe로부터, 다음 식 (11)에 기초하여 제어 위상각 θ을 연산한다.

여기서,

다음으로, 전압 지령/PWM 신호 생성부(50)의 구성을 설명한다. 도 2는 본 실시 형태에 있어서 전압 지령/PWM 신호 생성부(50)의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 전압 지령/PWM 신호 생성부(50)는 곱셈기(53), 조정 게인 테이블(54), 전압 지령 연산부(55), 비동기 캐리어 신호 생성부(57), 동기 3 펄스 캐리어 생성부(58), 스위치(59), 비교기(61 ~ 63), 및 반전 회로(64 ~ 66)를 구비하여 구성되어 있다.

전압 지령 연산부(55)에서는 변조율 PMF와 제어 위상각 θ로부터, 이하의 식 (13) ~ (15)에 기초하여, 3상 전압 지령인 U상 전압 지령 Vu*, V상 전압 지령 Vｖ*, W상 전압 지령 Vw*를 생성한다.

여기서, PMFM은 후술하는 바와 같이, 변조율 PMF에 조정 게인 테이블(54)의 출력을 곱한 전압 지령 진폭이다.

또 후술하는 바와 같이, 상기의 각 전압 지령과 비교하는 캐리어 신호 CAR은 적어도 동기 캐리어 신호, 및 비동기 캐리어 신호를 가지고, 펄스 모드 제어부인 펄스 모드 전환 처리부(60)에서 선택된 펄스 모드에 따라 캐리어 신호 CAR의 선택이 가능한 구성으로 하고 있다. 또한, 동기 캐리어 신호는 인버터 출력 전압을 구성하는 펄스 수와 그 위치가 인버터 출력 전압의 정측 반주기와 부측 반주기에서 동일하게 되도록, 캐리어 신호 CAR의 주파수를 인버터 출력 주파수 FINV의 함수로서 결정한 것이다. 또, 비동기 캐리어 신호는 동기 캐리어 신호가 아닌 신호로서, 인버터 출력 주파수 FINV에 관련없이 정해진 주파수의 캐리어 신호이고, 여기서는, 예를 들어 전기차용의 스위칭 소자의 한계 스위칭 주파수인 1000Hz 주파수의 캐리어 신호이다. 또, 본 실시 형태에 있어서는 동기 캐리어 신호로서, 인버터 출력 전압의 반주기에 3개의 전압 펄스가 포함되는 동기 3 펄스 캐리어 신호를 일례로서 설명하지만, 이에 한정되지 않으며, 이 외의 예를 들어 동기 5 펄스 캐리어 신호 등을 사용해도 되고, 복수의 동기 캐리어 신호를 준비해 두고 필요에 따라서 전환하도록 구성해도 된다.

상술한 바와 같이, 식 (13) ~ (15) 중 계수 PMFM은 변조율 PMF에 곱셈기(53)로 조정 게인 테이블(54)의 출력을 곱한 전압 지령 진폭이다. 조정 게인 테이블(54)은 비동기 펄스 모드 및 동기 3 펄스 모드에 대해, 변조율 PMF에 대한 인버터 출력 전압 VM의 관계가 다른 것을 보정하기 위한 것이고, 개략(槪略)은 이하와 같다.

비동기 펄스 모드에서, 인버터가 변형없이 출력 가능한 최대 전압(실효값)은 0.612ㆍEFC로 되나, 동기 3 펄스 모드에서는 0.7797ㆍEFC로 된다. 즉, 비동기 펄스 모드에서는 동기 3 펄스 모드와 비교하여, 변조율 PMF에 대한 인버터 출력 전압은 1/1.274로 된다. 이 양자의 차를 제거하기 위해 비동기 펄스 모드에서는 변조율 PMF를 1.274배하고, 전압 지령 진폭 PMFM으로서 상술한 전압 지령 연산부(55)에 입력하고 있다. 한편, 동기 펄스 모드에서는 변조율 PMF를 1.0배하고, 전압 지령 진폭 PMFM으로서 상술한 전압 지령 연산부(55)에 입력하고 있다.

이어서, 전압 지령 연산부(55)로부터 출력되는 U상 전압 지령 Vu*, V상 전압 지령 Vｖ*, W상 전압 지령 Vw*는 각각 비교기(61 ~ 63)에 의해 캐리어 신호 CAR과 대소 비교되고, 그러한 비교 결과로서의 게이트 신호 U, V, W와, 그것들을 다시 반전 회로(64 ~ 66)를 통하여 얻어지는 게이트 신호 X, Y, Z가 생성된다. 캐리어 신호 CAR은 펄스 모드 전환 처리부(60)에 의해, 비동기 캐리어 신호 생성부(57)에서 생성되는 비동기 캐리어 신호 A(여기서, 일반적으로, 최대 1000Hz 전후의 주파수의 캐리어 신호), 동기 3 펄스 캐리어 신호 생성부(58)에서 생성되는 동기 3 펄스 캐리어 신호 B, 및 1 펄스 모드에 대해 선택되는 제로값 C가, 스위치(59)에 의해 선택된 신호이다. 또한, 비동기 캐리어 신호 A, 동기 3 펄스 캐리어 신호 B는 제로를 중심으로 하여 -1 ~ 1까지의 값을 취한다.

여기서, 펄스 모드 전환 처리부(60)의 동작을 설명한다. 우선, 종래예로서 유도 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에 적용되고 있는 방식을 설명한다. 도 7은 종래 방식에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다. 도 7에 나타내는 바와 같이, 변조율 PMF에 따라서 비동기 펄스 모드, 동기 펄스 모드(예를 들어 동기 3 펄스 모드), 및 1 펄스 모드를 전환하는 구성으로 하고 있다. 상세하게는 변조율 PMF가 낮은 영역(변조율 PMF가 제1 설정값 이하)에서, 비동기 캐리어 A측, 변조율 PMF가 제1 설정값 이상, 또한 제３ 설정값 미만에서는 동기 3 펄스 캐리어 B측, 변조율 PMF가 제3 설정값에 이르면 제로값 C측에 스위치(59)를 전환하는 구성으로 하고 있다. 또한, 이하에서는 일례로서, 제1 설정값으로서 0.785(=1/1.274), 제3 설정값으로서 1.0을 설정한 것으로 하여 설명한다.

여기서, 동기 3 펄스 모드는 비동기 펄스 모드에서는 출력하는 것이 불가능한, 변조율 PMF가 0.785 이상인 전압을 출력시키는 것이 가능하다.

또한, 비동기 펄스 모드, 동기 5 펄스 모드, 동기 9 펄스 모드 등에 있어서 과변조로 하는 방법을 사용하는 구성으로 해도, 동기 3 펄스 모드에 상당하는 전압을 출력할 수 있다. 단, 변조율 PMF와 인버터(2)의 출력 전압과의 관계가 비선형으로 되고, 이를 보정할 필요가 발생하여 구성이 복잡화한다.

그렇지만 영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에 대해 상술한 종래 방식을 적용하는 경우, 이하와 같은 문제가 발생한다.

도 3은 영구 자석 동기 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에 종래 방식의 펄스 모드 전환 방식을 적용한 경우의 동작을 설명하는 도면이다. 도 3에서는 토크 지령 T*를 파라미터로 하여, 인버터 출력 주파수 FINV와 변조율 PMF의 관계에 대해 선택되는 펄스 모드를 나타내고 있다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 토크 지령 T*의 크기에 따라서, 변조율 PMF와 인버터 출력 주파수 FINV의 관계가 크게 변화한다. 도 3에 있어서, 예를 들어 전기차가 최고 속도 부근에서 최대 토크로 역행(力行) 가속하고 있는 경우(도 3의 지점 A)에 착안한다. 이 경우, 토크 지령 T*로서 최대값이 입력되어 있고, 인버터는 최대 출력 전압을 출력하는 1 펄스 모드로 운전하고 있다. 여기서, 전기차의 가속을 중지하여 속도를 일정하게 유지하는 등을 위해, 토크 지령 T*를 최소값으로 감소시키는 조작이 이루어진 경우를 생각한다. 이 경우, 전류 지령 생성부(10)에 있어서 연산된 d축 전류 지령 id*와 q축 전류 지령 iq*를 기초로 산출된 변조율 PMF는 도 3에 나타내는 바와 같이 최대값인 제3 설정값 1.0로부터 크게 저하하게 된다.

그리고, 변조율 PMF가 제1 설정값인 0.785 이하로 저하했다고 한다면, 종래의 방식에서는 비동기 펄스 모드가 선택되게 되지만, 예를 들어 인버터 출력 주파수 300Hz에 대해, 비동기 캐리어 주파수는 최대 1000Hz이기 때문에, 인버터 출력 전압 반주기 중에 포함되는 펄스 수는 3 전후로 매우 적어진다. 이와 같은 상태에서 전동기를 구동하면, 캐리어 주파수를 인버터 출력 주파수로 나눌 수 없는 경우가 발생하므로 인버터 출력 전압(이후, 특별히 언급이 없는 한 선간(線間) 전압을 가리킨다)의 정의 반주기와 부의 반주기에 각각 포함되는 펄스 수나 펄스 위치가 언밸런스로 되어, 전동기에 인가되는 전압의 정부(正負) 대칭성이 무너져서, 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동이 발생하여 소음이나 진동을 발생한다고 하는 문제가 있다.

이와 같은 문제를 해소하기 위해, 본 실시 형태의 펄스 모드 전환 처리부(60)는 인버터 출력 전압 진폭에 관련되는 양인 변조율 PMF에 더하여 인버터 출력 주파수에 관련되는 양인 인버터 출력 주파수 FINV 그 자신을 참조하여, 출력 토크 T*의 변화에 대해 변조율 PMF 및 인버터 출력 주파수 FINV에 기초하여 펄스 모드의 전환을 행하는 구성으로 하였다. 또한, 인버터 출력 전압 진폭에 관련되는 양 및 인버터 출력 주파수에 관련되는 양의 선택에 대해서는 본 실시 형태의 선택예에 한정되지 않으며, 각각 인버터 출력 전압 진폭 및 인버터 출력 주파수의 함수이면 임의로 선택할 수 있다.

도 4는 본 실시 형태에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다. 도 4에서는 토크 지령 T*를 파라미터로 하여, 인버터 출력 주파수 FINV와 변조율 PMF의 관계에 대해 선택되는 펄스 모드를 나타내고 있다. 또, 도 4에서는 변조율 PMF에 대한 제1 설정값, 제3 설정값에 더하여, 인버터 출력 주파수 FINV에 대한 제2 설정값이 개시되어 있다.

상술한 설명예와 같이, 최대 토크를 출력하는 1 펄스 모드로 운전하고 있는 상태로부터, 전기차의 가속을 중지하여 속도를 일정하게 유지하는 등을 위해, 토크 지령 T*를 최소값으로 감소시키는 조작이 이루어진 경우를 생각한다. 이 경우, 도 4에 나타내는 바와 같이, 지점 A에 있어서 변조율 PMF 외에 인버터 출력 주파수 FINV를 참조하여, 변조율 PMF가 제1 설정값 미만으로 되어도, 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 이상인 경우에는, 비동기 펄스 모드를 선택하지 않고, 동기 펄스 모드인 채로 유지하는 구성으로 하고 있다. 즉, 동기 펄스 모드로부터 비동기 펄스 모드로의 전환은 변조율 PMF가 제1 설정값 미만으로 되고, 또한 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 미만으로 된 경우에 이루어진다. 반대로, 변조율 PMF가 제로로부터 증가하는 경우에 있어서는 변조율 PMF가 제1 설정값 미만인 경우라도, 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 이상인 경우에는, 비동기 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로 전환한다. 즉, 비동기 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로의 전환은 변조율 PMF가 제1 설정값 이상으로 되거나, 또는 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 이상으로 되는 경우에 이루어진다.

또한, 제2 설정값을 결정하는데 있어서는 인버터 출력 전압의 반주기 중에 포함되는 펄스 수를 소정값 이상 확보하는 것이 바람직하다. 또, 상기 소정값은 8 이상인 것이 바람직한 것을 시뮬레이션 등에 의해 확인하였다. 보충하면, 인버터 출력 전압의 반주기 중에 포함되는 펄스 수가 8 정도 있으면, 캐리어 주파수를 인버터 출력 주파수로 나눌 수 없는 경우가 발생해도 인버터 출력 전압의 정의 반주기와 부의 반주기에 각각 포함되는 펄스 수나 펄스 위치의 언밸런스 정도가 경감되어, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성은 실용상 문제가 없을 정도로 확보할 수 있다. 물론, 펄스 수는 많을수록 바람직하다.

또, 동기 펄스 모드로부터 1 펄스 모드로의 전환은 변조율 PMF가 제3 설정값 이상으로 된 시점에서 실시한다. 또 1 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로의 전환은 변조율 PMF가 제3 설정값 미만으로 된 시점에서 실시한다.

이상, 본 실시 형태에 있어서 동기 펄스 모드와 비동기 펄스 모드 사이를 천이(遷移)하는 경우의 동작을 정리하면 이하와 같다.

비동기 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로의 전환은 인버터 출력 전압 진폭에 관련되는 양인 변조율 PMF가 제1 설정값 이상으로 되거나, 또는 인버터 출력 주파수에 관련되는 양인 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 이상으로 되는 것을 조건으로 실시한다. 또, 동기 펄스 모드로부터 비동기 펄스 모드로의 전환은 인버터 출력 전압 진폭에 관련되는 양인 변조율 PMF가 제1 설정값 미만으로 되고, 또한 인버터 출력 주파수에 관련되는 양인 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 미만으로 되는 것을 조건으로 실시한다. 또한, 제2 설정값은 인버터 출력 전압 기본파 반주기 중에 포함되는 펄스 수를 소정의 값 이상으로 확보하는 관점으로부터 결정한다. 즉, 적용 가능한 비동기 캐리어 신호의 주파수와, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 실용상 문제가 없을 정도로 확보하기 위해 필요한 펄스 수로부터 결정한다.

본 실시 형태에 의하면, 제2 설정값을 인버터 출력 전압 반주기 중에 포함되는 펄스 수를 예컨대 8 확보하도록 설정한 경우, 인버터 출력 주파수가 비동기 캐리어 신호의 주파수 1000Hz의 1/8 이하, 즉 125Hz 이하로 될 때까지는 펄스 모드는 동기 펄스 모드로 유지된다. 따라서, 인버터 출력 전압을 구성하는 펄스 수와 그 위치가 인버터 출력 전압의 정측 반주기와 부측 반주기에서 동일하게 할 수 있으므로, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 확보할 수 있고, 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동이 발생하여 소음이나 진동을 발생하는 일이 없는 전동기의 제어 장치를 얻을 수 있다.

실시 형태 2.

실시 형태 1과 동양(同樣)의 효과를 실현할 수 있는 다른 방법으로서, 예를 들어 인버터 출력 주파수 FINV와 비동기 캐리어 신호의 주파수와의 비, 즉 인버터 출력 전압 기본파의 반주기 중에 포함되는 펄스 수에 기초한 양인 펄스 수 지표를 연산하고, 이 펄스 수 지표가 제4 설정값보다 큰 경우에, 비동기 펄스 모드를 선택 가능하게 하는 구성으로 해도 된다. 펄스 수 지표는, 예를 들어 상기 펄스 수 그 자신으로 할 수 있다.

도 5는 본 실시 형태에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다. 도 5에서는 토크 지령 T*를 파라미터로 하여, 인버터 출력 주파수 FINV와 변조율 PMF의 관계에 대해 선택되는 펄스 모드를 나타내고 있다.

변조율 PMF가 1.0으로부터 감소하는 경우에 있어서는 변조율 PMF가 제1 설정값 미만인 경우라도, 펄스 수 지표가 제4 설정값보다 작은 경우에는, 비동기 펄스 모드로는 전환하지 않고 동기 펄스 모드인 채로 유지하는 구성으로 한다. 즉, 동기 펄스 모드로부터 비동기 펄스 모드로의 전환은 변조율 PMF가 제1 설정값 미만이고, 또한 펄스 수 지표가 제4 설정값 이상인 경우에 행한다.

반대로, 변조율 PMF가 제로로부터 증가하는 경우에 있어서는 변조율 PMF가 제1 설정값 미만인 경우라도, 펄스 수 지표가 제4 설정값보다 작은 경우에는, 비동기 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로 전환한다. 즉, 비동기 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로의 전환은 변조율 PMF가 제1 설정값 이상이거나, 또는 펄스 수 지표가 제4 설정값 미만인 경우에 행한다.

또한, 제4 설정값은 실시 형태 1에 의해 설명한 바와 같이, 적용 가능한 비동기 캐리어 신호의 주파수와, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 실용상 문제가 없을 정도로 확보하기 위해 필요한 펄스 수로부터 결정한다. 제4 설정값으로는 8 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 의하면, 제4 설정값을 인버터 출력 전압 반주기 중에 포함되는 펄스 수를 예컨대 8 이상 확보하도록 설정한 경우, 인버터 출력 주파수가 비동기 캐리어 신호의 주파수 1000Hz의 1/8 이하, 즉 125Hz 이하로 될 때까지는 펄스 모드는 동기 펄스 모드로 유지된다. 따라서, 인버터 출력 전압을 구성하는 펄스 수와 그 위치가 인버터 출력 전압의 정측 반주기와 부측 반주기에서 동일하게 할 수 있으므로, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 확보할 수 있고, 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동이 발생하여 소음이나 진동을 발생하는 일이 없는 전동기의 제어 장치를 얻을 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 그 외의 구성, 동작, 및 효과는 실시 형태 1과 동양이다.

실시 형태 3.

도 6은 본 실시 형태에 있어서 펄스 모드 전환 동작을 설명하는 도면이다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 변조율 PMF는 출력 토크에 따라 변동하는 양이기 때문에, 토크 지령 T*에 따라 제1 설정값을 가변으로 하는 방법으로 구성이 가능하다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 토크 지령 T*가 클 때는 제1 설정값을 크게 하고, 토크 지령 T*가 작을 때는 제1 설정값을 작게 한다. 그리고, 비동기 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로의 전환은 인버터 출력 전압 진폭에 관련되는 양인 변조율 PMF가 토크 지령 T*에 따라 설정된 제1 설정값 이상으로 되는 경우에 행한다. 또, 동기 펄스 모드로부터 비동기 펄스 모드로의 전환은 인버터 출력 전압 진폭에 관련되는 양인 변조율 PMF가 토크 지령 T*에 따라 설정된 제1 설정값 미만으로 되는 경우에 행한다.

이 방법에 의하면, 제2 설정값을 마련할 필요가 없는 외에, 전동기의 로터 기계각 θm을 포함하여 전동기의 회전 상태에 따라 급격한 시간 변화를 발생할 수 있는 양인 인버터 출력 주파수 FINV를 직접 참조하지 않고, 피드포워드적으로 생성된 토크 지령 T*를 참조하는 구성이므로, 예를 들어 전기차에서 일반적으로 발생할 수 있는 차바퀴의 공전 활주시 등에 그에 동기하여 전동기의 회전 속도가 변화하고, 이에 수반하여 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값을 사이에 두고 진동적으로 변동한 경우에 있어서, 펄스 모드가 비동기 펄스 모드와 동기 펄스 모드 사이를 채터링(chattering)하는 것을 회피할 수 있다.

또한, 당연히, 가변으로 하는 제1 설정값을 결정하는데 있어서는 실시 형태 1에서 나타낸 내용에 따라, 인버터 출력 전압 반주기 중에 포함되는 펄스 수를 소정값 이상(예를 들어 8 이상) 확보하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 의하면, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 확보할 수 있고, 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동이 발생하여 소음이나 진동을 발생하는 일이 없는 전동기의 제어 장치를 얻을 수 있다. 또, 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값의 전후 근방에서 변동한 경우에, 펄스 모드가 비동기 펄스 모드와 동기 펄스 모드 사이를 채터링하는 것을 회피할 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 그 외의 구성, 동작, 및 효과는 실시 형태 1과 동양이다.

이상, 실시 형태 1 ~ 3에서는 펄스 모드의 전환을 인버터의 출력 상태에 관련되는 2개의 양에 기초하여 행하고 있다. 즉, 실시 형태 1에서는 변조율 PMF 및 인버터 출력 주파수 FINV에 기초하고, 실시 형태 2에서는 변조율 PMF 및 펄스 수 지표에 기초하고, 실시 형태 3에서는 변조율 PMF 및 토크 지령 T*에 기초하고 있다. 이에 대해, 도 7에 나타낸 바와 같은 종래의 제어 방법에서는 변조율 PMF만에 기초하여 펄스 모드의 전환을 행하고 있고, 이와 같은 종래의 제어 방법을 토크 지령 T*의 크기에 따라 변조율 PMF가 크게 변화하는 전동기에 적용한 경우에는, 전류 진동이나 토크 맥동이 발생한다고 하는 문제점이 있었다. 실시 형태 1 ~ 3에서는 변조율 외에 인버터의 출력 상태에 관련되는 양을 사용함으로써, 토크 지령 T*의 크기에 따른 변조율 PMF의 변화에 대처하는 것이 가능하게 된다. 또, 인버터의 출력 상태에 관련되는 2개의 양을 사용함으로써, 인버터 출력 전압 기본파의 주기 중에 포함되는 펄스 수를 참조하는 것이 가능하게 되어, 동기 펄스 모드와 비동기 펄스 모드의 전환의 설정값을 상기 펄스 수에 기초하여 적절히 설정함으로써, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성에 충분히 유의한 제어를 행할 수 있다.

실시 형태 4.

다음으로, 전기차가 주행 중에 역행 동작 또는 회생 동작을 중지하기 위해 인버터(2)를 오프하는 경우의 동작을 설명한다.

인버터(2)가 1 펄스 모드로 동작하고 있는 상태에서, 전기차의 역행 동작 또는 회생 동작을 오프하는 오프 지령(도시하지 않음)이 외부의 제어 장치(도시하지 않음)로부터 전동기의 제어 장치(100)에 입력된 경우를 생각한다. 이 때 동시에, 외부의 제어 장치는 토크 지령 T*를 제로를 향해 서서히 감소시킨다. 토크 지령 T*는 최대값으로부터 제로까지 약 1초 사이에 감소한다. 이 때, 전동기의 제어 장치(100)에서는 이하에 나타내는 제어 단계를 실행한다.

토크 지령 T*의 감소에 의해 변조율 PMF가 1.0 미만으로 된 시점에서 펄스 모드 전환 처리부(60)는 펄스 모드를 1 펄스 모드로부터 동기 펄스 모드로 전환한다. 이후, 변조율 PMF가 제1 설정값 미만으로 되어도 비동기 펄스 모드로는 전환되지 않고, 동기 펄스 모드인 채로 변조율 PMF를 좁혀가서, 충분히 토크 지령 T*가 감소한 후, 인버터(2)로의 게이트 신호 U, V, W, X, Y, Z를 모두 오프한다.

이 외의 케이스로서, 인버터(2)가 동기 펄스 모드로 동작하고 있는 상태에서, 전기차의 역행 동작 또는 회생 동작을 오프하는 오프 지령(도시하지 않음)이 외부의 제어 장치로부터 전동기의 제어 장치(100)에 입력된 경우를 생각한다. 이 때 동시에, 외부의 제어 장치는 토크 지령 T*가 제로를 향해 서서히 감소시킨다. 토크 지령 T*는 최대값으로부터 제로까지 약 1초 사이에 감소한다. 이 때, 전동기의 제어 장치(100)에서는 이하에 나타내는 제어 단계를 실행한다.

토크 지령 T*의 감소에 의해, 변조율 PMF가 제1 설정값 미만으로 되어도, 펄스 모드 전환 처리부(60)는 비동기 펄스 모드로 전환되지 않고, 동기 펄스 모드인 채로 변조율 PMF를 좁혀가서, 충분히 토크 지령 T*가 감소한 후, 인버터(2)로의 게이트 신호 U, V, W, X, Y, Z를 모두 오프한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 인버터(2)가 1 펄스 모드 또는 동기 펄스 모드로 운전하고 있는 상태에서 전기차의 역행 동작 또는 회생 동작을 중지하기 위해 인버터(2)를 정지시키는 경우에 있어서, 펄스 모드 전환 처리부(60)는 펄스 모드를 동기 펄스 모드인 채로 유지하고, 비동기 펄스 모드를 선택하지 않는 구성으로 함으로써, 인버터 출력 주파수가 높은 영역으로부터 인버터(2)를 오프시킨 경우에 있어서도, 인버터 출력 전압을 구성하는 펄스 수와 그 위치가 인버터 출력 전압의 정측 반주기와 부측 반주기에서 같게 할 수 있으므로, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 확보할 수 있어 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동을 발생시키는 일 없이, 인버터(2)를 확실하게 안정적으로 정지할 수 있는 전동기의 제어 장치를 얻을 수 있다. 또, 비동기 펄스 모드를 선택하지 않는 구성으로 함으로써, 토크 지령 T*가 제로까지 감소하는 단시간(1초 정도)에 복수 회의 펄스 모드 전환을 행하지 않기 때문에, 전환 타이밍의 지연 등에서 기인하는 제어 불안정화를 회피할 수 있다.

실시 형태 5.

다음으로, 인버터 출력 주파수에 관련되는 양인 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 이상으로 전기차가 타행(惰行)하고 있는 경우에, 전기차의 역행 동작 또는 회생 동작을 개시하기 위해 인버터(2)를 기동하는 경우의 동작을 설명한다.

인버터(2)가 정지해 있는 상태에서, 전기차의 역행 동작 또는 회생 동작을 개시하는 기동 지령(도시하지 않음)이 외부의 제어 장치(도시하지 않음)로부터 전동기의 제어 장치(100)에 입력된 경우를 생각한다. 이 때 동시에, 외부의 제어 장치는 토크 지령 T*를 소정의 값까지 서서히 상승시킨다. 토크 지령 T*는 제로로부터 소정값까지 약 1초 사이에 상승한다. 이 때, 전동기의 제어 장치(100)에서는 이하에 나타내는 제어 단계를 실행한다.

기동 지령에 의해, 인버터(2)의 게이트 신호 U, V, W, X, Y, Z의 스위칭을 개시하지만, 변조율 PMF가 제1 설정값 미만이어도 이에 관계없이, 펄스 모드 전환 처리부(60)는 펄스 모드의 초기 설정을 동기 펄스 모드로 하여 스타트한다. 이후, 변조율 PMF가 증가하여 1.0 이상으로 된 단계에서 펄스 모드를 1 펄스 모드로 전환한다. 또는 변조율 PMF가 감소하여 제1 설정값 미만으로 되고, 또한 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 미만으로 된 단계에서 펄스 모드를 비동기 펄스 모드로 전환한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의하면, 인버터 출력 주파수에 관련되는 양인 인버터 출력 주파수 FINV가 제2 설정값 이상으로 전기차가 타행하고 있는 상태로부터 인버터(2)를 기동시키는 경우에 있어서, 펄스 모드 전환 처리부(60)는 펄스 모드의 초기 설정을 동기 펄스 모드로 하여 스타트하고, 비동기 펄스 모드를 선택하지 않는 구성으로 함으로써, 인버터 출력 주파수가 높은 영역으로부터 인버터(2)를 기동시킨 경우에 있어서도, 기동 직후부터 인버터 출력 전압을 구성하는 펄스 수와 그 위치가 인버터 출력 전압의 정측 반주기와 부측 반주기에서 같게 할 수 있으므로, 전동기에 인가되는 전압의 정부 대칭성을 확보할 수 있고, 전동기에 전류 진동이나 토크 맥동을 발생시키는 일 없이, 인버터(2)를 확실하게 안정적으로 기동할 수 있는 전동기의 제어 장치를 얻을 수 있다.

또한, 상기 실시 형태 1 ~ 5에서는 전기차의 역행 중을 예로 들어 설명을 실시한 부분이 있지만, 회생 브레이크를 걸어 감속하는 경우에 대해서도 동양의 생각으로 구성할 수 있다.

또, 영구 자석 동기 전동기를 제어하는 전동기의 제어 장치를 일례로 하여 설명하였으나, 그 외 종류의 전동기를 구동 제어하는 전동기의 제어 장치에 적용할 수도 있다. 또, 3상 교류의 경우에 대해 설명하였으나, 이외의 경우에도 적용할 수 있다.

이상의 실시 형태에 나타낸 구성은 본 발명의 내용의 일례이고, 다른 공지된 기술과 조합하는 것도 가능하고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 일부를 생략하는 등, 변경하여 구성하는 것도 가능함은 물론이다.

또한, 본 명세서에서는 전기차 구동용의 전동기의 제어 장치로의 적용을 고려하여 발명 내용의 설명을 실시하고 있으나, 적용 분야는 이에 한정되는 것이 아니며, 전기 자동차, 엘리베이터 등, 여러 가지 관련 분야로의 응용이 가능한 것도 말할 것도 없다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 전동기의 제어 장치는 영구 자석 동기 전동기를 제어하는 전동기의 제어 장치에 유용하다.

1 컨덴서
2 인버터
3, 4, 5 전류 검출기
8 전압 검출기
10 전류 지령 생성부
11 d축 기본 전류 지령 생성부
20 d축 전류 제어부
21 q축 비간섭 연산부
22 d축 비간섭 연산부
23 q축 전류 제어부
30 변조율 연산부
40 제어 위상각 연산부
50 전압 지령/PWM 신호 생성부
53 곱셈기
54 조정 게인 테이블
55 전압 지령 연산부
57 비동기 캐리어 신호 생성부
58 동기 3 펄스 캐리어 신호 생성부
59 스위치
60 펄스 모드 전환 처리부
61 ~ 63 비교기
64 ~ 66 반전 회로
70 인버터 각주파수 연산부
90 3상-dq축 좌표 변환부
95 기준 위상각 연산부
100 전동기의 제어 장치

Claims (17)

1. 직류 전원에 접속되어 교류 전동기로 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전류를 출력 가능한 인버터에 대해, 상기 인버터를 구성하는 스위칭 소자에 펄스폭 변조 신호를 출력하여 상기 교류 전동기를 제어하는 전동기의 제어 장치에 있어서,
   상기 펄스폭 변조 신호의 출력 패턴으로서 동기 펄스 모드, 비동기 펄스 모드, 및 1 펄스 모드를 포함하는 복수의 펄스 모드를 선택적으로 전환 가능한 펄스 모드 제어부를 가지고,
   상기 펄스 모드 제어부는 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값과, 인버터 출력 주파수의 함수에 의해 결정되는 값에 기초하여, 상기 동기 펄스 모드와 상기 비동기 펄스 모드의 전환을 행하고,
   상기 비동기 펄스 모드로부터 상기 동기 펄스 모드로의 전환은 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 제1 설정값 이상으로 되거나, 또는 상기 인버터 출력 주파수의 함수에 의해 결정되는 값이 제2 설정값 이상으로 되는 경우에 행해지고,
   상기 동기 펄스 모드로부터 상기 비동기 펄스 모드로의 전환은 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 제1 설정값 미만으로 되고, 또한 상기 인버터 출력 주파수의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 제2 설정값 미만으로 되는 경우에 행해지는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 펄스 모드 제어부는 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 제1 설정값보다 큰 값인 제3 설정값 이상으로 되는 경우에 상기 동기 펄스 모드로부터 상기 1 펄스 모드로 전환함과 아울러, 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 제3 설정값 미만으로 되는 경우에 상기 1 펄스 모드로부터 상기 동기 펄스 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제2 설정값은 상기 인버터 출력 전압 기본파의 반주기 중에 포함되는 펄스 수가 8 펄스 이상으로 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   전동기의 제어 장치는 전기차에 탑재되고,
   상기 인버터 출력 주파수의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 제2 설정값 이상이고 상기 전기차가 타행(惰行) 중인 경우에, 정지해 있는 상기 인버터를 기동시킬 때, 상기 펄스 모드의 초기 설정을 상기 동기 펄스 모드로 하는 제어 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
5. 직류 전원에 접속되어 교류 전동기로 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전류를 출력 가능한 인버터에 대해, 상기 인버터를 구성하는 스위칭 소자에 펄스폭 변조 신호를 출력하여 상기 교류 전동기를 제어하는 전동기의 제어 장치에 있어서,
   상기 펄스폭 변조 신호의 출력 패턴으로서 동기 펄스 모드, 비동기 펄스 모드, 및 1 펄스 모드를 포함하는 복수의 펄스 모드를 선택적으로 전환 가능한 펄스 모드 제어부를 가지고,
   상기 펄스 모드 제어부는 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값과, 인버터 출력 전압 기본파의 반주기 중에 포함되는 펄스 수의 함수에 의해 결정되는 값에 기초하여, 상기 동기 펄스 모드와 상기 비동기 펄스 모드의 전환을 행하고,
   상기 비동기 펄스 모드로부터 상기 동기 펄스 모드로의 전환은 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 제1 설정값 이상으로 되거나, 또는 상기 펄스 수의 함수에 의해 결정되는 값이 제2 설정값 미만으로 되는 경우에 행해지고,
   상기 동기 펄스 모드로부터 상기 비동기 펄스 모드로의 전환은 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 제1 설정값 미만으로 되고, 또한 상기 펄스 수의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 제2 설정값 이상으로 되는 경우에 행해지는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 펄스 수의 함수에 의해 결정되는 값은 상기 인버터 출력 전압 기본파의 반주기 중에 포함되는 펄스 수 자신이고, 상기 제2 설정값은 8 이상인 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
7. 직류 전원에 접속되어 교류 전동기로 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전류를 출력 가능한 인버터에 대해, 상기 인버터를 구성하는 스위칭 소자에 펄스폭 변조 신호를 출력하여 상기 교류 전동기를 제어하는 전동기의 제어 장치에 있어서,
   상기 펄스폭 변조 신호의 출력 패턴으로서 동기 펄스 모드, 비동기 펄스 모드, 및 1 펄스 모드를 포함하는 복수의 펄스 모드를 선택적으로 전환 가능한 펄스 모드 제어부를 가지고,
   상기 펄스 모드 제어부는 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값과, 상기 교류 전동기가 출력하는 토크 또는 토크 지령에 기초하여, 상기 동기 펄스 모드와 상기 비동기 펄스 모드의 전환을 행하는 것을 특징으로 하고,
   상기 펄스 모드 제어부에 의한 상기 비동기 펄스 모드로부터 상기 동기 펄스 모드로의 전환은, 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 교류 전동기가 출력하는 토크 또는 토크 지령에 따라 설정된 제1 설정값 이상으로 되는 경우에 행해지고,
   상기 펄스 모드 제어부에 의한 상기 동기 펄스 모드로부터 상기 비동기 펄스 모드로의 전환은, 상기 인버터 출력 전압 진폭의 함수에 의해 결정되는 값이 상기 교류 전동기가 출력하는 토크 또는 토크 지령에 따라 설정된 제1 설정값 미만으로 되는 경우에 행해지는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
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9. 청구항 7에 있어서,
   상기 교류 전동기가 출력하는 토크가 클 때에는 상기 제1 설정값을 크게 설정하고, 상기 교류 전동기가 출력하는 토크가 작을 때에는 상기 제1 설정값을 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 설정값은 상기 인버터 출력 전압 기본파의 반주기 중에 포함되는 펄스 수가 소정값 이상으로 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 소정값은 8인 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
12. 직류 전원에 접속되어 교류 전동기로 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전류를 출력 가능한 인버터에 대해, 상기 인버터를 구성하는 스위칭 소자에 펄스폭 변조 신호를 출력하여 상기 교류 전동기를 제어하는 전동기의 제어 장치에 있어서,
    상기 펄스폭 변조 신호의 출력 패턴으로서 동기 펄스 모드, 비동기 펄스 모드, 및 1 펄스 모드를 포함하는 복수의 펄스 모드를 선택적으로 전환 가능한 펄스 모드 제어부를 가지고,
    상기 인버터가 상기 1 펄스 모드로 동작하고 있는 경우에 있어서, 상기 인버터를 정지시킬 때에, 상기 1 펄스 모드, 상기 동기 펄스 모드, 상기 인버터의 게이트 오프의 순서로 제어 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 인버터가 상기 동기 펄스 모드로 동작하고 있는 경우에 있어서, 상기 인버터를 정지시킬 때에, 상기 동기 펄스 모드, 상기 인버터의 게이트 오프의 순서로 제어 단계를 실행하는 것을 특징으로 하는 전동기의 제어 장치.
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