KR100375621B1 - 에스알엠의 회전자 위치 정렬방법 및 그의 구현을 위한에스알엠 구동회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SRM의 회전자 위치 정렬 방법 및 그의 구현을 위한 SRM 구동회로에 관한 것이다.

본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬 방법은, SRM의 기동 초기 고정자 권선코일의 복수의 각 상에 동일한 크기의 전압 펄스를 각각 인가하는 단계; 상기 전압 펄스 인가에 따른 복수의 각 상에 흐르는 전류를 각각 검출하는 단계; 상기 검출된 각 상의 전류의 크기를 상호 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과, 가장 작은 전류가 흐른 상으로 회전자를 정렬시키는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 초기 기동을 위한 회전자 위치를 정렬함에 있어서, 각 상의 전류를 검출하여 가장 작은 전류가 흐른 상을 정렬위치 근접상으로 결정하여 그 상으로 회전자를 정렬하게 되므로, 모터의 기동시간을 단축할 수 있고, 회전자의 초기 위치 정렬시 발생되는 소음을 한층 줄일 수 있는 장점이 있다.

Description

에스알엠의 회전자 위치 정렬방법 및 그의 구현을 위한 에스알엠 구동회로 {Method for aligning position of a rotator of a SRM(switched reluctance motor) and SRM driving circuit for realizing the method}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor:이하 SRM으로 약칭함)에 관한 것으로서, 더 상세히는 SRM의 기동 시, 고정자의 각 상에 흐르는 전류를 검출하고, 그 크기를 상호 비교하여 가장 작은 전류가 흐른 상으로 회전자의 위치를 정렬함으로써, 모터의 기동 시간을 단축하고, 회전자 위치 정렬시 발생되는 소음을 줄일 수 있는 SRM의 회전자 위치 정렬 방법 및 그의 구현을 위한 SRM 구동회로에 관한 것이다.

동기 전동기(synchronous motor)는 교류 전동기의 일종으로, 여자(勵磁)의 변화에 의해 역률 조정이 가능하고, 부하가 변동되어도 동기 속도로 회전한다.

SRM은 이상과 같은 동기 전동기와 같은 특성을 가지고 있지만, 직류 여자를 가지지 않고 고정자와 회전자의 상대적인 위치에 의한 자기 저항(reluctance)의 불균형 분포에 의해 생성되는 릴럭턴스 토오크(torque)에 의해 동기 운전하는 모터를말한다.

도 1은 일반적인 3상 SRM의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 3상 SRM(100)은 그 내주면에 복수의 돌출 자극(101p)이 형성되어 있고, 각 돌출 자극(101p)에는 코일(101c)이 권선되어 있는 고정자(101)와, 그 고정자(101)의 내부 공간에 설치되며, 그 외주면에는 복수의 돌출부(102p)가 형성되어 있고, 그 돌출부(102p)와 상기 고정자의 돌출 자극(101p)과의 상대적인 위치에 의한 자기 저항의 불균형 분포에 의해 생성되는 릴럭턴스 토오크에 의해 회전하는 회전자(102)로 구성된다.

이상과 같은 구성을 갖는 SRM은 구동을 위해 회전자(102)의 위치 검출이 필요하다. 회전자(102)의 위치 검출을 위해 일반적으로 한 개 이상의 센서를 사용하게 된다. 회전자(102)의 위치 검출을 위해 한 개의 센서를 사용하는 단일 센서 3상 SRM의 경우, 초기 기동을 위해 회전자(102)를 미리 설정된 정렬(align) 위치에 정렬시켜 놓아야 한다. 이와 같은 3상 SRM에 있어서, 회전자(102)가 어느 한 상 (phase)에 대해 오정렬(misalign) 위치에 있는 경우, 그 상에 대해서 회전자(102)를 정렬 위치로 이동시킬 수가 없다. 이와 같은 오정렬 문제를 해결하기 위해 종래에는 도 2에 도시된 바와 같이, 3상(A상, B상, C상)에서 A상→B상→C상과 같이 3상을 순서대로 정렬시켜 오정렬을 피하면서 원하는 어느 상에 회전자(102)를 정렬시키거나, A상→B상의 순서와 같이 2상을 순서대로 정렬함으로써 오정렬을 피하면서 원하는 상에 정렬시키는 방식을 취했다. 이때, 원하는 상에 전압 펄스를 인가함으로써 정렬시키게 된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 일정한 폭을 가진 펄스를 처음에는 긴 간격을 두고 인가하다가, 수회의 펄스 인가 후에는 점차적으로 간격을 줄여 원하는 간격까지 줄어들 때까지 펄스를 인가하여 원하는 상에 정렬시키게 된다.

그런데, 이상과 같은 종래의 회전자 정렬방식은 원하는 어느 한 상에 대해서 먼저 정렬시키고, 그 다음 상을 정렬시키게 되는 바, 이때 SRM의 회전자 위치에 있어서 정렬 위치에서 멀리 떨어져 있을수록 고정자 권선 코일(101c)에 많은 전류가 흐르게 된다. 그리고, 그와 같은 대전류로 인해 정렬시 높은 소음이 발생된다. 또한, 전술한 바와 같이 오정렬을 피하기 위해 3상 혹은 2상을 순서대로 정렬시키므로, 모터의 기동 시간이 길어지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 회전자의 초기 위치 정렬시의 소음을 줄이고, 모터의 기동 시간을 단축할 수 있는 SRM의 회전자 위치 정렬방법 및 그의 구현을 위한 SRM 구동회로를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 3상 SRM의 개략적인 구성도.

도 2는 3상 SRM에서의 종래의 회전자 정렬 방식을 보여주는 개요도.

도 3은 본 발명에 따른 SRM 구동회로도.

도 4는 본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도.

도 5는 본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬방법에 있어서, 각 상의 인가 전압 펄스에 따른 전류 검출 과정을 설명하는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬방법에 따라 정렬위치 근접상을 찾아 회전자 위치를 정렬시키는 과정을 설명하는 도면.

도 7은 일반적인 3상 SRM에 있어서, 회전자 위치에 대한 각 상의 인덕턴스 변화를 보여주는 도면.

도 8은 본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬방법에 따라 결정된 근접상에 전압 펄스를 인가함에 있어서, 전류 한계치를 이용한 전압 펄스 인가 방식을 설명하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100...일반적인 3상 SRM 101...고정자

101c...고정자 권선코일 101p...고정자 돌출자극

102...회전자 102p...회전자 돌출부

D1∼D2...다이오드 Q1∼Q2...트랜지스터

La,Lb,Lc...SRM의 3상 권선코일 Rd...(전류검출용)저항

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬 방법은,

(a) SRM의 기동 초기 고정자 권선코일의 복수의 각 상에 동일한 크기의 전압 펄스를 인가하는 단계;

(b) 상기 전압 펄스 인가에 따른 복수의 각 상에 흐르는 전류를 각각 검출하는 단계;

(c) 상기 검출된 각 상의 전류의 크기를 상호 비교하는 단계; 및

(d) 상기 비교 결과, 가장 작은 전류가 흐른 상으로 회전자를 정렬시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서, 바람직하게는 상기 단계 (a)에서의 전압 펄스 인가는 복수의 각 상에 각각 순차적으로 이루어진다.

그리고, 상기 단계 (c)에서의 전류의 크기 비교에 대한 신뢰도를 높이기 위해 상기 단계 (a) 및 (b)를 복수회 반복 실시한다.

또한, 상기 단계 (b)에서의 전류 검출은 전압 펄스의 인가 후, 전압 펄스값이 0(zero)이 되기 전의 소정의 시점에서 이루어진다.

그리고, 상기 단계 (c)에서의 전류의 크기 비교는 상기 단계 (b)에 의해 검출된 각 상의 전류를 각각 누적 합산한 값의 상호 비교에 의해 이루어진다.

또한, 상기 단계 (d)에서 가장 작은 전류가 흐른 상(정렬 위치 근접상)에 일정한 폭의 전압 펄스를 그 인가 시간 간격을 점차적으로 짧게 하여 인가시키면서 회전자를 정렬시키거나, 상기 정렬 위치 근접상에 전압 펄스를 인가시키되, 그 근접상에 흐르는 전류의 상,하한치를 미리 설정해 놓고, 전류가 상한치에 이르면 전압 펄스 인가를 차단하고, 전류가 하한치에 이르면 다시 전압 펄스를 인가하면서 회전자를 정렬시킨다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 SRM 구동회로는, 각각코일이 권선된 복수의 돌출자극을 갖는 고정자와, 그 고정자의 내부 공간에 설치되며, 복수의 돌출부를 갖는 회전자를 구비하는 SRM을 구동하기 위한 회로에 있어서,

상기 복수의 고정자 권선 코일의 양단에 각각 직렬 접속되며, 각 권선 코일로의 전류의 흐름을 온/오프 스위칭하는 복수의 스위칭 소자;

상기 권선 코일의 전류의 입력단 및 출력단에 각각 병렬 접속되며, 권선 코일에의 전류의 입출력을 한 방향으로만 제한하는 복수의 다이오드; 및

상기 권선 코일의 출력단이 연결된 교차점과, 상기 권선 코일의 입력단에 병렬 접속된 다이오드의 다른 일단 사이에 직렬 접속되어 있어, 상기 스위칭 소자의 동작에 의하여 도통되는 권선 코일의 전류를 검출하는 저항을 포함하여 구성되는 점에 그 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 SRM 구동회로도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 SRM 구동회로는 각각 코일이 권선된 복수의 돌출자극을 갖는 고정자와, 그 고정자의 내부 공간에 설치되며, 복수의 돌출부를 갖는 회전자를 구비하는 SRM(100)(도 1 참조)을 구동하기 위한 회로에 있어서, 상기 복수의 고정자 권선 코일(La, Lb, Lc)의 양단에 각각 직렬 접속되며, 각 권선 코일(La, Lb, Lc)로의 전류의 흐름을 온/오프 스위칭하는 복수의 스위칭 소자로서의 트랜지스터(Q1∼Q6)와, 상기 권선 코일(La, Lb, Lc)의 전류의 입력단 및 출력단에 각각 병렬 접속되며, 권선 코일(La, Lb, Lc)에의 전류의 입출력을 한 방향으로만 제한하는 복수의 다이오드(D1∼D6) 및 상기 권선 코일(La, Lb, Lc)의 전류의 출력단에 직렬 접속되며, 각 권선 코일(La, Lb, Lc)에 흐르는 전류를 검출하기 위한 저항(Rd)을 포함하여 구성된다.

그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 SRM 구동회로와 관련하여 본 발명에 따른SRM의 회전자 위치 정렬방법에 의해 회전자의 위치를 정렬하는 과정에 대해 설명해 보기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬방법의 실행 과정을 나타낸 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 먼저 SRM의 기동 초기 고정자 권선코일의 A상(La:도 3 참조)에 소정 폭의 전압 펄스를 인가한다(단계 401). 그런 후, 그 A상(La)의 전류를 검출한다(단계 402). 즉, 도 3의 구동회로에서 처음에 트랜지스터 Q1과 Q2 만을 온시켜 전압 펄스를 인가하면 전류는 트랜지스터 Q1→권선코일의 A상(La)→트랜지스터 Q2→저항 Rd를 거쳐 최종적으로 시스템을 전체적으로 제어하는 마이크로프로세서(미도시)로 유입된다. 따라서, 마이크로프로세서에 의해 권선코일의 A상(La)의 전류가 검출되는 것이다. 이때, 전류 검출은 도 5에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 전압 펄스의 인가 후, 전압 펄스값이 0(zero)이 되기 전의 소정의 시점에서 이루어진다. 물론, 전압 펄스의 인가 후, 전압 펄스값이 0(zero)이 된 후의 임의의 시점에서 전류를 검출할 수도 있다. 그러나, 인가 전압에 따른 전류의 파형 특성상 전압 펄스값이 0(zero)이 되기 전의 일정 시점에서의 검출값이, 전압 펄스값이 0(zero)이 된 후의 임의의 시점에서의 검출값에 비해 그 계측 정확도 및 검출값에 대한 신뢰도가 더 높다고 할 수 있다.

이렇게 하여 권선코일의 A상(La)의 전류가 검출된 후, 권선코일의 B상(Lb:도 3 참조)에 전압 펄스를 인가하고(단계 403), 상기 A상(La)과 동일한 과정에 의해 B상(Lb)의 전류를 검출한다(단계 404). 그런 후, 권선코일의 C상(Lc:도 3 참조)에전압 펄스를 인가하고(단계 405), 상기 A,B상(La,Lb)과 동일한 과정에 의해 C상 (Lc)의 전류를 검출한다(단계 406).

이상에 의해 각 상의 전류가 일차적으로 검출되면, 각 상의 전류 검출 회수를 증가하여(단계 407), 상기 단계 401부터 단계 406까지의 과정을 반복 수행한다. 여기서, 이와 같이 반복 수행하는 것은 후술되는 전류 비교에 대한 신뢰도를 높이기 위한 것이다. 또한, 이때, 반복 수행된 각 상의 검출 전류는 각 상별로 각각 누적 합산된다. 이는 후술되는 각 상의 전류 비교를 위한 것이다.

이렇게 하여 각 상의 전류 검출이 수회 반복적으로 수행되면, 마이크로프로세서에 의해 현재의 전류 검출 회수가 미리 설정된 전류 검출 회수 이상인지를 판별한다(단계 408). 이 단계 408에서 현재의 전류 검출 회수가 미리 설정된 전류 검출 회수 미만이면 프로그램 진행을 상기 단계 401로 귀환하고, 현재의 전류 검출 회수가 미리 설정된 전류 검출 회수 이상이면 상기 A상(La), B상(Lb), C상(Lc)의 검출 전류 크기를 상호 비교한다(단계 409). 이때, 물론 각 상별로 각각 누적 합산된 전류값을 서로 비교하게 된다. 여기서, 이와 같이 누적 합산된 전체 총합값을 상호 비교하는 것으로 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 그와 같이 누적 합산된 전체 총합값을 검출 회수로 나눔으로써 얻어지는 각각의 평균값을 서로 비교할 수도 있다.

이상에 의해 각 상의 검출 전류의 비교가 완료되면, A상(La), B상(Lb), C상 (Lc) 중 전류의 크기가 가장 작은 상으로 회전자를 이동(회전)시켜 회전자의 위치, 즉 SRM의 기동 초기 회전자의 위치를 정렬한다(단계 410).

도 6은 A상(La), B상(Lb), C상(Lc)에 각각 순차적으로 전압 펄스를 5회 인가한 후, 각 상별로 검출 전류를 누적 합산하고 그 값을 상호 비교하여 가장 작은 값을 갖는 상으로 회전자 위치를 정렬시키는 과정을 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, C상의 전류값이 가장 작음을 알 수 있고, 최종적으로 그 C상에 전압 펄스를 인가하여 C상으로 회전자의 위치를 정렬시키게 되는 것이다. 이때, 최종적으로 C상에 전압 펄스를 인가하여 회전자의 위치를 정렬시킬 때, 일정한 폭의 전압 펄스를 그 인가 간격을 점차적으로 줄여가면서 인가시키게 된다.

여기서, 상기 C상을 회전자 위치 정렬을 위한 근접상으로 결정하게 되는 것에 대해 설명을 부연해 보기로 한다.

SRM에서의 한 상에 대한 인덕턴스(inductance)는 고정자와 회전자의 상대 위치에 의해서 결정되는데, 도 7은 고정자 12극, 회전자 8극 구조의 3상 SRM의 회전자 위치에 대한 각 상의 인덕턴스를 보여주는 도면이다.

도 7에 의하면, 각 상의 인덕턴스는 회전자가 정렬 위치에 있을 때 각각 최대치를 나타냄을 알 수 있다.

이상과 같은 SRM에 있어서, 정지 상태일 때의 임의의 한 상의 전압을 수식으로 표현하면 v=Ldi/dt이다. 따라서, 임의의 한 상에 흐르는 전류 i는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, L은 회전자와 고정자의 상대적인 위치에서 결정되는 인덕턴스를 나타낸다.

상기 수학식 1에서, 일정한 폭의 전압 펄스를 인가할 경우, 전류 i는 인덕턴스 L에 의해 결정되고, 그 크기는 인덕턴스 L에 반비례한다. 따라서, 각 상에 흐르는 전류의 크기 i는 정렬 위치에 가까울수록(즉, 인덕턴스가 커질수록) 작아지고, 정렬위치와 멀어질수록(즉, 오정렬 위치에 가까울수록) 커지게 된다.

본 발명은 이상과 같은 원리를 이용한 것으로, 따라서 상기 도 6에 도시된 바와 같은 결과를 바탕으로 전류의 크기가 가장 작은 C상을 정렬위치 근접상으로 결정하게 된 것이다.

한편, 이상과 같이 정렬 위치 근접상(C상)을 찾아 전압 펄스를 인가시키면서 회전자의 위치를 정렬함에 있어서, 상기와 같이 일정한 폭의 전압 펄스를 그 인가 간격을 점차적으로 줄여가면서 인가시킬 수도 있지만, 도 8에 도시된 바와 같이 근접상(C상)에 흐르는 전류의 상,하한치를 미리 설정해 놓고, 전류가 상한치에 이르면 전압 펄스 인가를 차단하고, 전류가 하한치에 이르면 전압 펄스를 다시 인가하는 방식이 사용될 수도 있다. 이 양자에 있어서의 가장 큰 차이점은 전자의 방식이 일정한 폭의 전압 펄스를 인가하는 것에 반해, 후자의 방식은 인가 전압 펄스의 폭이 변동된다는 점이다. 전자의 방식에 의할 경우, 회전자의 위치를 정렬함에 있어서, 일정한 폭의 전압 펄스가 인가되므로, 회전자가 설정된 정렬 위치에 접근되면서 순간적으로 그 정렬 위치를 벗어나는 경우가 발생될 수 있다. 후자의 방식은 전자의 그와 같은 상황을 고려한 것으로서, 근접상(C상)에 흐르는 전류를 미리 설정된 전류 상,하한치 내로 유지시키면서(전압 펄스의 폭을 가변시키면서) 전압 펄스를 인가하므로, 전자의 방식에 비해 회전자의 위치를 더욱 정밀하게 정렬시킬 수 있는 방식이라고 할 수 있다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 SRM의 회전자 위치 정렬방법은 초기 기동을 위한 회전자 위치를 정렬함에 있어서, 각 상의 전류를 검출하여 가장 작은 전류가 흐른 상을 정렬위치 근접상으로 결정하여 그 상으로 회전자를 정렬하게 되므로, 모터의 기동시간을 단축할 수 있고, 회전자의 초기 위치 정렬시 발생되는 소음을 한층 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (9)

1. (a) SRM의 기동 초기 고정자 권선코일의 복수의 각 상에 동일한 크기의 전압 펄스를 인가하는 단계;

   (b) 상기 전압 펄스 인가에 따른 복수의 각 상에 흐르는 전류를 각각 검출하는 단계;

   (c) 상기 검출된 각 상의 전류의 크기를 상호 비교하는 단계; 및

   (d) 상기 비교 결과, 가장 작은 전류가 흐른 상으로 회전자의 위치를 정렬시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 SRM의 회전자 위치 정렬방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (a)에서의 전압 펄스 인가는 복수의 각 상에 각각 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 SRM의 회전자 위치 정렬방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (b)에서의 전류 검출은 전압 펄스의 인가 후, 전압 펄스값이 0(zero)이 되기 전의 소정의 시점에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 SRM의 회전자 위치 정렬방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (c)에서의 전류의 크기 비교에 대한 신뢰도를 높이기 위해 상기 단계 (a) 및 (b)를 복수회 반복 실시하는 것을 특징으로 하는 SRM의 회전자 위치 정렬방법.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (c)에서의 전류의 크기 비교는 상기 단계 (b)에 의해 검출된 각 상의 전류를 각각 누적 합산한 값의 상호 비교에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 SRM의 회전자 위치 정렬방법.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (d)에서의 회전자 위치 정렬은 가장 작은 전류가 흐른 상에 일정한 폭의 전압 펄스를 그 인가 시간 간격을 점차적으로 짧게 하여 인가시킴에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 SRM의 회전자 위치 정렬방법.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 단계 (d)에서의 회전자 위치 정렬은 가장 작은 전류가 흐른 상에 전압 펄스를 인가시키되, 그 상에 흐르는 전류의 상,하한치를 미리 설정해 놓고, 전류가 상한치에 이르면 전압 펄스 인가를 차단하고, 전류가 하한치에 이르면 다시 전압 펄스를 인가함에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 SRM의 회전자 위치 정렬방법.
8. 각각 코일이 권선된 복수의 돌출자극을 갖는 고정자와, 그 고정자의 내부 공간에 설치되며, 복수의 돌출부를 갖는 회전자를 구비하는 SRM을 구동하기 위한 회로에 있어서,

   상기 복수의 고정자 권선 코일의 양단에 각각 직렬 접속되며, 각 권선 코일로의 전류의 흐름을 온/오프 스위칭하는 복수의 스위칭 소자;

   상기 권선 코일의 전류의 입력단 및 출력단에 각각 병렬 접속되며, 권선 코일에의 전류의 입출력을 한 방향으로만 제한하는 복수의 다이오드; 및

   상기 권선 코일의 출력단이 연결된 교차점과, 상기 권선 코일의 입력단에 병렬 접속된 다이오드의 다른 일단 사이에 직렬 접속되어 있어, 상기 스위칭 소자의 동작에 의하여 도통되는 권선 코일의 전류를 검출하는 저항을 포함하는 것을 특징으로 하는 SRM 구동회로.
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