KR100400609B1 - 포지션인코더 - Google Patents

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스위치트 릴럭턴스 드라이브즈 리미티드
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Abstract

본 발명의 포지션 인코더용 센서 고장 검출 회로는 적어도 하나의 위치 센서로 된 제 1 위치 센서 세트로부터 고해상도에서 상태를 변화시키는 위치 신호들을 수신하고 적어도 하나의 위치 센서로 된 제 2 위치 센서 세트로부터 저해상도에서 상태를 변화시키는 위치 신호들을 수신하며, 저해상도에서 상기 위치 신호의 상태들 사이에 고해상도에서의 위치 신호들에 대한 계수를 모니터하여 상기 계수를 저해상도에서 상기 위치 신호의 상태들 사이에 고해상도에서의 위치 신호에 대하여 예상되는 계수를 나타내는 소정의 범위와 비교한다.

Description

포지션 인코더
본 발명은 일반적으로 포지션 인코더에 관한 것으로, 특히 스위치드 릴럭턴스 드라이브에 사용되는 포지션 인코더에 관한 것이다.
일반적으로 릴럭턴스 기계는, 가동부(movable part)가 자기 회로의 릴럭턴스가 최소화되는 위치, 즉 여자 권선(exciting winding)의 인덕턴스가 최대화되는 위치로 이동하려는 경향에 의하여 토크가 발생되는 전기 모터로서 작동될 수 있다.
릴럭턴스 기계의 한가지 유형에서 위상 권선의 전력 공급은 제어된 주파수에서 발생한다. 이러한 기계들은 모터 또는 발전기로서 작동될 수 있다. 이들은 일반적으로 동기식(synchronous) 릴럭턴스 모터로 언급된다. 릴럭턴스 기계의 두번째 유형에서 회로를 회전자의 각도 위치를 검출하고 회전자 위치의 한 기능으로서 위상 권선에 전력을 공급하기 위하여 제공된다. 이러한 두번째 유형의 릴럭턴스 기계 또한 모터 또는 발전기일 수 있으며, 이러한 기계들은 일반적으로 스위치드 릴럭턴스 기계로 알려져 있다. 본 발명은 모터 또는 발전기로서 작동하는 스위치드 릴럭턴스 기계를 포함하여, 스위치드 릴럭턴스 기계에 일반적으로 적용 가능하다.
제 1 도는 모터로서 작동하는 스위치드 릴럭턴스 기계용 스위치드 릴럭턴스드라이브 시스템(10)의 주요 구성 요소를 도시한다. 입력되는 직류 전원(11)은 배터리 또는 정류 및 여과된 교류 본선(mains)일 수 있다. 전원(11)에 의하여 제공되는 직류 전압은 전자 제어 장치(14)의 제어하에 전력 변환기(13)에 의하여 모터(12)의 위상 권선들을 가로질러 스위치된다. 스위칭은 드라이브(10)의 적절한 작동을 위하여 회전자의 회전 각도에 정확히 동기화되어야 한다. 따라서, 회전자 위치 검출기(15)는 전형적으로 회전자의 각도 위치에 해당하는 신호를 공급하기 위하여 이용된다. 상기 회전자 위치 검출기(15)의 출력은 또한 속도 피드백 신호를 발생시키기 위해 이용될 수도 있다.
회전자 위치 검출기(15)는 다양한 형태를 취할 수 있다. 몇몇 시스템에서 회전자 위치 검출기(15)는, 전력 변환기(13)내에서 장치들의 상이한 스위칭 배열이 요구되는 위치로 회전자가 회전될 때마다 상태를 변화시키는 출력 신호를 제공하는 회전자 위치 변환기로 구성될 수 있다. 다른 시스템에서 회전자 위치 검출기(15)는, 회전자가 미리 선택된 각도로 회전될 때마다 클록 펄스(clock pulse)(또는 유사한 신호)를 제공하는 상대 표지션 인코더로 구성될 수 있다.
회전자 위치 검출기(15)가 회전자 위치 변환기로 구성된 시스템에 있어서, 회전자의 각도 위치를 표시하는 출력 신호를 적절히 제공하는 회전자 위치 변환기 회로의 고장은 성능을 심각하게 저하시키거나, 최악의 경우 모터가 작동 불능이 되도록 할 수 있다. 어떤 경우에는, 잘못된 회전자 위치 변환기의 출력에 기초하여 기계를 제어하려고 시도한 제어기(40)가 그 기계 및 제어 회로의 나머지 부분 모두를 잠재적으로 손상시킬 수 있다.
회전자 위치 검출기(15)로부터의 정확한 신호의 중요성은 제 2 도 및 제 3 도를 참조하여 설명된다. 제 2 도 및 제 3 도는 모터로서 작동하는 릴럭턴스 기계의 스위칭을 설명한다.
제 2 도는 화살표(22)를 따라 고정자극(21)에 접근하는 회전자극(20)을 개략적으로 도시한다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, 전체 위상 권선(23)의 일부는 고정 자극(21) 주위로 감아진다. 상술된 바와 같이, 고정자극(21) 주위의 위상 권선(23)의 일부에 전력이 공급되면, 고정자극(21)과 일렬로 회전자극(20)을 당기는 경향이 있는 회전자상에 힘이 가해질 것이다.
제 3 도는 고정자극(21) 주위의 위상 권선(23) 부분에 대한 전력 공급을 제어하는 전력 변환기(13)내의 스위칭 회로를 개략적으로 도시한다. 전력 스위칭 장치(31 및 32)가 스위치-온 되면, 위상 권선(23)은 직류 전원에 연결되고 위상 권선에는 전력이 공급된다.
일반적으로, 위상 권선에는 회전자의 회전을 다음과 같이 실행하도록 전력 공급된다. 회전자의 제 1 각도 위치("턴-온 각도"로 칭함)에서, 제어기(14)는 스위칭 장치들(31 및 32)을 모두 턴-온하기 위한 스위칭 신호를 제공한다. 스위칭 장치들(31 및 32)이 "온"되면, 위상 권선은 증가하는 자속이 모터내에 형성되도록 하는 직류 버스(DC bus)에 연결된다. 모터 토크를 발생시키는 것은 회전자극 상에서 끌어당기는(pulling) 이러한 자속이다. 기계내 자속이 증가됨에 따라, 전류는 직류 버스에 의하여 제공되는 직류 전원으로부터 스위치들(31 및 32) 및 위상 권선(23)를 거쳐 흐른다. 어떤 제어기에서는 전류 피드백이 이용되고, 위상 전류의 크기는스위칭 장치들 중 하나 또는 모두(31 및/또는 32)를 신속히 스위칭 온 및 오프하여 전류를 쵸핑함으로써 제어된다.
많은 시스템에서, 위상 권선은 회전자가 이른바 회전자 "프리휠링 각도"에 도달하도록 회전할 때까지 직류 버스 라인에 접속(또는 쵸핑이 이용되는 경우 쵸핑되면서 접속)된 상태로 유지된다. 회전자가 프리휠링 각도에 해당하는 각도 위치(제 2 도의 위치(24))에 이르게 되면, 스위치들 중의 하나, 예를 들면 스위치(31)는 턴-오프 된다. 결과적으로, 위상 권선을 통하여 흐르는 전류는 계속 흐르게 될 것이나, 이제는 상기 스위치들 중의 하나(이 예에서는 스위치(32)) 및 복귀 다이오르들 중의 하나(이 예에서는 다이오드(34))만을 통하여 흐를 것이다. 프리휠링되는 동안 위상 권선을 가로지르는 전압 차동(voltage differential)은 거의 없으며, 자속은 실질적으로 일정하게 유지된다. 모터 시스템은 "턴-오프" 각도로 알려진 각도 위치(제 2 도의 위치(25)로 표시됨)로 회전자가 회전할 때까지 이러한 프리휠링 상태로 유지된다. 회전자가 턴-오프 각도에 이르게 되면, 스위치들(31 및 32)은 모두 턴-오프되고 위상 권선(23)내 전류는 다이오드들(33및 34)을 통하여 흐르기 시작한다. 그러면 다이오드들(33 및 34)은 직류 버스로부터의 직류 전압을 반대 의미로 인가하여, 기계내 자속(따라서, 위상 전류)이 감소되도록 한다.
스위치드 릴럭턴스 모터내 위상 권선의 전력 공급은 회전자의 각도 위치의 정확한 검출 여부에 상당히 의존한다. 회전자 위치 검출기가 고장나고 제어기가 위상 권선에 계속 전력을 공급한다면, 위험하게 높은 전류가 모터내에 형성되어 모터 및 제어기를 잠재적으로 파손할 수 있다. 또한, 드라이브 시스템이 고장나면, 고장난 요소를 확인하기 위하여 다양한 제어 및 모터 구성 요소를 테스트할 필요가 종종 있다. 모터의 고장이 회전자 위치 검출기의 고장으로 인한 것임을 명확히 표시하는 표시기를 갖추어, 불필요한 테스트와 오류 수정 작업(debugging)이 시도되지 않도록 한다면 유익할 것이다. 몇몇 복잡한 회전자 위치 검출기는 몇몇 고장 표시 회로를 갖추고 있으나, 이러한 인코더들은 비교적 비싸며 그것의 적절한 작동을 위해서 추가의 하드웨어를 필요로 한다. 공지된 위치 디코더들은, 회전자 위치 검출기가 고장난 경우를 표시하는 저렴하고 소형의 회전자 위치 검출기를 제공하지 못한다.
센서 오류를 검출하는 문제 외에도, 스위치드 릴럭턴스 기계에 대한 공지된 인코더 시스템들은 종종, 위상 전력 공급이 적절한 시간에 발생되도록 증분(incremental) 포지션 인코더에 의해 제공되는 디지탈 신호를 신속하게 처리하기 위하여 값비싼 전자 기술이 요구되기 때문에 제한된다. 예를 들면, 공지의 시스템들에서, 비교적 큰 수의 디지털 클록 펄스를 회전자의 완전한 회전 각각에 제공하는 증분 포지션 인코더가 사용될 수 있다. 값비싼 전자 회로나 고속의 마이크로프로세서를 사용하지 않는 시스템에서는, 위상 권선의 전력 공급을 회전자의 각도 위치와 적절히 동기화하기 위하여 증분 인코더에 의하여 제공되는 다수의 디지탈 펄스를 처리하는 것은 종종 곤란하고 비용이 많이 든다.
본 발명의 목적은 종래의 위치 검출기의 단점을 극복하고, 고장이 발생했을때 복잡하거나 값비싼 추가 회로를 필요로 하지 않고 고장 발생을 표시하는 비교적 저렴한 회전자 위치 검출기를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 증분 인코더 및절대 인코더를 포함하는 회전자 포지션 인코더를 제공하며, 각 회전하는 동안 절대 인코더내에 발생하는 상태 변화의 총 수보다 더 큰 수의 디지탈 펄스로 구성되는 반복하는 증분 위치 신호를 사용함으로써 위상 전력 공급을 효과적으로 제어하는 방법을 제공한다. 증분 인코더의 이러한 반복 신호의 사용은 저렴하고 효율적인 모터 제어기의 구성을 가능하게 한다.
본 발명은 독립 청구항에 의해 정의된다. 본 발명의 바람직한 특징들은 이에 종속된 청구항들에 언급된다.
본 발명은 제 1 분해능(resolution)을 이용하는 제 1 센서들의 세트 및 제 2 분해능을 이용하는 제 2 센서들의 세트를 포함하는 개선된 회전자 위치 검출기를 포함하는 저렴하고 효율적인 제어 시스템에도 확대된다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 제 1 세트는 제 2 세트의 정확한 작동을 확인하기 위해 사용된다. 본 발명에서 각각의 센서 세트는 하나 이상의 센서들로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제 1 위치 센서들의 세트로부터 고분해능에서 상태를 변화시키는 위치 신호들을 수신하고, 제 2 위치 센서들의 세트로부터 저분해능에서 상태를 변화하는 위치 신호들을 수신하는 센서 고장 검출기가 제공된다. 검출 회로는 저분해능에서의 위치 신호들의 상태들 사이에서 고분해능에서의 위치 신호들에 대한 계수를 모니터하여, 이 계수를 저분해능 위치 신호들의 상태들사이에서 고분해능에서의 위치 신호들에 대하여 예상되는 계수를 나타내는 소정의 값과 비교한다. 감지된 계수와 제시된 계수 사이의 상당한 차이는 센서들 중의 하나에 오류가 있음을 나타낸다. 이러한 방식으로, 본 발명에 의한 센서 고장 검출회로는 스위치드 릴럭턴스 기계의 포지션 인코더에 대한 센서 고장을 검출할 수 있다.
기타 본 발명의 특징 및 장점들은 도면을 참조로 하여 예로써 제시된 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 명백해진다.
도면 중 동일한 참조 부호는 동일한 부분을 나타낸다.
이하, 도시된 바의 본 발명의 실시예는 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템의 포지션 인코더의 센서 고장을 효과적으로 검출하기 위한 센서 고장 검출 회로를 이용하여 작동되는 바대로 설명된다. 명확성을 기하기 위하여, 실제 실행에 있어서의 특징들이 이 발명 명세서에 모두 설명되는 것은 아니다.
일반적으로, 본 발명은 제 4 도에 개략적으로 도시된 바의 스위치드 릴럭턴스 기계의 작동은 제어하기 위한 개선된 제어 시스템 및 포지션 인코더로 구성된다. 제 4 도를 참조하면, 상기 시스템은 회전자 포지션 인코더(42)로부터 회전자의 각도 위치에 해당하는 신호를 수신하는 제어기(40)로 구성된다. 인코더(42)로부터의 신호에 응답하여, 제어기(40)는 위상 권선의 전력 공급을 제어하는 전력 스위칭 장치들(도시되지 않음)의 스위칭 상태를 결정하는 스위칭 신호들(또는 점화 신호들)을 생성한다.
제 4 도의 실시예에 있어서, 인코더(42)에 의하여 제어기(40)로 제공되는 신호들은 제 1 세트(42a) 및 제 2 세트(42b)의 2개 세트로 구성된다. 제 1 세트(42a)를 구성하는 신호들은, 이 신호들이 전기 각도 360도의 범위내에서 실제 회전자 위치를 정의하기 위해 이용될 수 있다는 점에서, 회전자의 절대 위치(absoluteposition)에 해당하는 제 1 분해능을 갖는다. 제 2 신호 세트(42b)를 구성하는 신호들은, 이 신호들이 회전자의 상대 이동은 표시하지만 그것의 절대 위치는 표시하지 않는 회전당 펄스의 수(정수)를 제공한다는 점에서, 증분 위치(incremental position)에 해당하는 제 2 분해능을 갖는다. 제 4 도의 실시예에서, 제 1 세트의 분해능은 제 2 세트의 분해능보다 낮으며, 상기 제 1 및 제 2 세트(42a 및 42b)로 구성되는 인코더(42)로부터의 출력 신호들은 일련의 디지탈 펄스로 구성된다.
제 5 도 (가) 내지 (다)는 인코더(42)의 구성을 보다 상세히 도시한다. 제 5 도 (가) 내지 (다)의 실시예에서, 인코더(42)는 컵-베인(cup-vane)(50) 및 센서들(51a, 51b, 51c 및 52a, 52b)로 구성된다. 제 5 도 (가)는 컵-베인(50)의 사시도이다. 제 5 도 (나) 및 (다)는 컵-베인(50)을 보다 상세히 도시하며, 본 발명에 의한 센서들(51a 내지 51c 및 52a, 52b)의 위치 결정을 나타낸다.
제 5 도 (나)를 참조하면, 컵-베인(50)은 2 세트의 톱니(53 및 56)를 포함하는 이중 분해능 컵-베인으로 구성된다. 제 1 톱니 세트(53)는 톱니(53a 내지 53b)에 대응하는 8개의 광 차단 영역(이하 "표시" 영역이라 함) 및 8개의 광 통과 영역(54a 내지 54h)(이하 "공간" 영역이라 함)을 정의하는 8개의 돌출 톱니(53a 내지 53h)를 포함한다. 제 5 도의 실시예에서, 톱니(53a 내지 53h)는 모두 동일한 폭을 가지며, 표시 영역의 각도 범위가 공간 영역의 각도 범위와 실질적으로 동일하도록 하는 크기를 갖는다.
제 5 도 (나) 및 (다)는 제 1 톱니 세트(53)가 고정자에 대한 회전자의 절대 위치를 표시하는 신호를 제공하는 제 1 분해능의 디지탈 인코더를 제공하기 위해어떻게 이용될 수 있는지를 도시한다. 제 5 도 (나)를 참조하면, 3개의 센서들(51a 내지 51c)이 컵-베인(50)과 공동으로 제 1 디지탈 신호들의 세트를 제공하기 위해 사용된다. 제 5 도 (가) 내지 (다)의 실시예에서, 상기 3개의 센서들(51a 내지 51c)은 제 5 도 (다)에 도시된 바와 같이 실질적으로 15° 떨어져서 위치된 홈 패인(slotted) 광센서들로 구성된다. 광센서들(51a 내지 51c)은 또한 8개의 톱니(53e 내지 53h)를 수용하도록 위치된다. 작동에 있어서, 상기 3개의 센서들(51a 내지 51c) 각각은 상기 톱니(53a 내지 53h) 중 하나가 그 센서에 결합된 슬롯내에 있을때 제 1 로직 레벨(예를 들면 로직 "1")의 디지탈 신호를 제공하고, 상기 센서와 결합된 슬롯이 비어 있을 때 제 2 로직 레벨(예를 들면 로직 "0")의 디지탈 신호를 제공한다. 따라서, 톱니(53a 내지 53h)가 센서들(51a 내지 51c)을 지나 회전함에 따라, 상기 센서들로부터의 출력이 함께 회전자의 절대 위치에 대한 표시를 제공하게 된다.
제 5 도 (나)를 다시 참조하면, 컵-베인(50)이 또한 제 2 톱니 세트(56)를 포함하고 있음을 알 수 있다. 제 5 도 (가) 내지 (다)의 실시예에서, 상기 제 2 톱니 세트(16)는 동일한 폭의 톱니 120개로 구성되며, 120개의 광 차단 영역("표시 영역"이라 함) 및 120개의 광 통과 영역("공간 영역"이라 함)을 제공할 수 있는 크기를 갖는다.
제 5 도 (나) 및 (다)는 제 2 톱니 세트(56)가 회전자의 증분 위치를 나타내는 신호들을 제공하는 제 2 분해능의 디지탈 인코더를 제공하기 위하여 어떻게 이용될 수 있는지를 도시한다. 제 5 도 (나)를 참조하면, 2개의 센서들(52a 및 52b)은 컵-베인(50)과 공동으로 제 2 디지탈 신호들의 세트를 제공하기 위하여 사용된다. 제 5 도 (가) 내지 (다)의 실시예에서, 상기 2개의 센서들(52a 및 52b)은 제 5 도 (다)에 도시된 바와 같이 실질적으로 0.75° 떨어져서 위치되는 홈 패인 광센서들로 구성된다. 광센서들(52a 및 52b)은 또한 제 2 톱니 세트(56)로 구성된 120개의 톱니를 수용하도록 위치된다. 상기 센서들(52a 및 52b)은 상술된 센서들(51a 내지 51c)의 유사한 방식으로 작동한다. 이하에서 설명되는 방식으로 센서들(52a 및 52b)의 출력을 모니터링 함으로써, 회전자가 0.75° 고분해능 증분의 회전을 통해 회전할 때마다 디지탈 펄스를 발생시킬 수 있다. 이러한 센서들(52a 및 52b)의 모니터링으로부터 제공되는 디지탈 펄스는 제 2 분해능의 제 2 신호들의 세트의 일예를 구성한다.
제 5 도 (가) 내지 (다)에 도시된 특정 인코더(42)는 예시로서만 도시된 것이며, 본 발명은 기타 유형 및 구조의 베인, 센서 및 기타 형태의 포지션 인코더에도 적용 가능하다. 예를 들면, 세트 당 톱니의 수는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 센서의 수 및 위치가 변화할 수 있듯이 변경이 가능하다. 또한, 컵-베인이 이용되거나 베인이 광 차단 및 광 통과 영역을 정의하는 것이 필수적인 것은 아니다. 다른 유형의 베인 및 센서가 이용될 수도 있다. 예를 들면, 베인은 자성의 표시 영역 및 비자성의 공간 영역으로 구성되고, 센서들은 홀-효과 장치(Hall-effect Device)로 구성될 수 있다. 마찬가지로, 베인은 강자성 물질의 톱니로 구성되고, 센서들 각각은 릴럭턴스 센서의 형태일 수 있다. 디지탈 신호를 유도하기 위한 기타의 수단들은 변화하는 커패시턴스 또는 인덕턴스 영역 및 그 변화를 검출하기 위한 적절한 센서를 포함한다. 또한, 광 투과성이 변화하는 영역 대신 광 반사 변화가 이용될 수 있다. 제 5 도 (다)에서의 센서들의 간격은 그들의 출력 신호들이 표시 영역 및 공간 영역을 통과할 때 특정 순서를 따르도록 되어 있음을 알수 있다. 예를 들어 제한된 각도 범위에서 전체 또는 두 개의 센서들을 배열하기에 공간이 충분하지 않다면, 각 센서는 각각의 위치에 위치될 수 있지만, 인접 센서들에 상대적으로 위치되어, 별도의 표시/공간에 의하여 적당한 시간에 영향받도록 위치될 수 있음이 명백하다. 표시 영역들이 피치 원 직경(PCD; pitch circle diameter)을 갖는 것이 고려된다면, PCD 상의 하나의 센서의 위치는 센서들에 의하여 생성되는 파형의 타이밍을 변화시키지 않고도 하나 이상의 표시/공간 피치들에 의하여 변화될 수 있다. 따라서, 본 발명은 제 5 도 (가) 내지 (다)에 도시된 특정의 인코더에 한정되지 않으며, 제 1 분해능의 제 1 신호 세트 및 제 2 분해능의 제 2 신호 세트를 생성하는 다른 인코더에도 적용될 수 있다.
제 4 도를 참조하면, 본 발명의 제어기(40)는 인코더(42)로부터 2개의 출력 신호들의 세트를 수신하여 이 신호들을 스위치드 릴럭턴스 기계의 위상 권선의 전력 공급을 제어하기 위해 이용한다. 인코더(42)로부터의 제 2 디지털 출력 신호들의 세트는 주파수 배율기(44)로 제공됨을 알 수 있다. 주파수 배율기(44)는 인코더(42)로부터 제 2 분해능의 제 2 신호 세트를 수신하여, 상기 기계의 위상 권선에 대한 전력 공급은 제어하기 위하여 각도 제어기(46)에 의해 사용되는 고주파수 클록 신호(HF clock)를 발생시킨다. 제 4 도에는 도시되지 않았으나, 실시예들은 주파수 배율기(44)가 인코더(42)로부터 제 1 신호 세트를 수신하고 상기 제 1신호 세트로부터 HF 클록을 발생하는 것이 고려된다.
제 6 도 (가) 및 (나)는 제 4 도의 주파수 배율기(44)를 작동시키기 위해 사용될 수 있는 회로의 예를 나타낸다. 제 6 도 (가)는 인코더(42)로부터의 제 2 신호 세트가 주파수 배율기(44)로 제공될 때 이용될 수 있는 회로를 도시한다. 제 6 도 (나)는 인코더(42)로부터의 제 1 신호 세트(42a)가 주파수 배율기(44)로 제공될때 이용될 수 있는 회로를 도시한다.
제 6 도 (가)를 참조하면, 제 2 디지탈 신호 세트(42b)는 센서들(51a 및 52b)로부터의 신호를 모니터하고, 회전자가 소정의 높은 회전 분해능 증분으로 회전할 때 상태를 변화시키는 신호를 출력하는 증분 검출기(60)로 적용된다. 제 6 도의 실시예에 있어서, 증분 검출기(60)는 배타적 OR (XOR) 게이트로 이루어진다. 증분 검출기(66)로부터의 출력은, 각각이 회전자 회전의 고분해능 증분에 해당하는 일련의 클록 펄스이다. 증분 검출기(60)로부터의 일련의 클록 펄스는 8-비트 업카운터(61; up-counter)의 리셋트 입력에 인가된다. 따라서, 업카운터(61)는 회전자의 각 완전한 회전에 대하여 소정의 펄스수로 구성되는 센서들(522 및 52b)로부터 유도된 일련의 디지털 펄스를 수신한다. 8-비트 업카운터(61)의 클록 입력은 ÷N 제산기(63)(N를 정수, 본 실시예에서는 4)를 통해 시스템 클록예 연결된다. 시스템 클록은 인코더(42)에 의하여 제공되는 제 2 디지탈 신호 세트로 구성되는 디지탈 펄스의 주파수에 대하여 매우 높은 주파수를 가질 수 있다. 작동시, 업카운터(61)는 인코더(42)에 의하여 제공되는 제 2 디지탈 신호 세트에서 펄스의 상승 또는 하강 에지가 발생되는 매 순간마다 리셋트된다. 업카운터(61)는 회전자의 각도 속도에 해당하는 클록화된 출력을 제공하기 위하여 상기 제산된 시스템 클록에 대응하여 승산한다. 예를 들어, 회전자가 제 1 속도(예를 들면, 비교적 느린 속도)로 회전하면, 업카운터(61)는 비교적 드물게 리셋트되므로, 업카운터(61)의 최대 계수는 비교적 높게 될 것이다. 회전자의 각도 속도가 제 2 속도로 증가되면, 업카운터(61)는 좀 더 자주 리셋트되어 업카운터(61)의 최대 출력은 비교적 낮아질 것이다. 일반적으로, 업카운터(61)의 출력은 모터의 속도에 반비례하는 8-비트의 최대 계수값이 될 것이다. 업카운터(61)의 최대 출력은 인코더(42)에 의하여 제공되는 제 2 디지탈 신호 세트의 펄스에 해당하여 프로그램 가능한 제산기(62)로 제공될 수 있다.
업카운터(61)로부터의 8-비트 디지탈 출력은 프로그램 가능한 제산기(62)의 제어 입력으로 인가된다. 프로그램 가능한 제산기(62)는 시스템 클록을 그 클록 입력으로서 수신한다, 당업자가 알 수 있는 바와 같이, 프로그램 가능한 제산기(62)는 표준형의 구조로 되며, 그 클록에서 인가되는 신호의 주파수의 일부인 주파수를 갖는 출력 클록 신호를 제공한다. 제 6도 (가) 및 (나)의 실시예에 있어서, 프로그램 가능한 제산기는, 출력 클록 주파수가 제어 입력에서 수신되는 8-비트 디지탈 워드로 표시되는 수로 나누어지는 입력 클록 주파수와 동일하게 되는 유형이다. 따라서, 프로그램 가능한 제산기(62)는 인코더(42)로부터의 제 2 신호 세트로 구성되는 디지탈 펄스의 주파수에 비례하여 변하는 주파수를 갖는 고주파수 디지탈 클록 신호(HF 클록)를 제공한다. 인코더(42)로부터의 제 2 신호 세트로 구성된 디지탈 펄스의 주파수는 모터의 속도에 비례하여 변화하므로, HF 클록 신호는 모터의 속도에 비례하여 변화하는 주파수를 갖는다.
제 6 도 (가) 및 (나)에는 도시되지 않았으나, 제산된 시스템 클록의 주파수에서 업카운터(61)가 인코더(42)로부터의 연속적인 클록 펄스들 사이에서 오버플로우될 가능성이 있는 실시예에 있어서, 업카운터(61)의 비트 수는 증가될 수 있다.
제 6 도 (나)는 인코더(42)로부터의 제 1 신호 세트(42a)가 주파수 배율기(44)로 제공될 때 주파수 배율기(44)를 실행하기 위한 회로를 도시한다. 제 6 도(나)의 회로는, 회전자가 신호들(42a)에 의하여 반영되는 바와 같이 회전의 증분을 통하여 회전할 때마다 업카운터(61)가 리셋트되는 것을 제외하고는, 제 6 도 (가)에 대하여 이상에서 설명된 바와 유사한 방식으로 작동된다.
논리 회로((64)는 신호들(42a)을 모니터하여, 신호 세트(42a)가 상태를 변화시킬 때마다 클록 펄스를 제공한다. 제 6 도 (나)의 회로가 이용될 경우, 인코더(42)로부터의 고분해능 펄스 트레인(42b)은 작동 중인 모터 드라이브에 대하여 불필요하다. 이러한 실시예에서는, 하나의 펄스 트레인만을 제공하는 단순한 RPT가 사용될 수 있다.
제 4 도를 다시 참조하면, 주파수 배율기(44)로부터의 HF 클록 신호는 각도 제어 회로(46) 및 쵸핑 제어 회로(47)에 인가된다. 일반적으로, 각도 제어 회로(46) 및 쵸핑 제어 회로(47)는 HF 클록 및 인코더(42)로부터의 신호에 대응하여, 전력 장치에 스위칭 신호를 제공한다. 쵸핑 제어기(47)는 쵸핑 방법이 위상 권선내의 전류를 제어하는데 효율적인 경우 비교적 낮은 각도 속도에서 이용될 수 있으며, 각도 제어기(46)는 모터의 속도가 비교적 높고 쵸핑 제어가 비효율적인 경우에 이용될 수 있다. 일반적으로, 각도 제어기(46) 및 쵸핑 제어기(47)는 인코더(42)로부터 유도되는 디지탈 회전자 위치 신호들을 수신하여, 상기 인코더(42)로부터의 회전자 위치 신호들을 원하는 작동 조건에 대한 턴-온 및 턴-오프 각도에 해당하는 신호들과 비교한다. 적절한 제어기에 의하여 회전자가 턴-온 각도에 해당하는 위치에 있다고 결정되면, 상기 적절한 전력 장치에 스위칭 신호가 발생되어 적절한 위상 권선에 전력을 공급하게 된다. 인코더(42)로부터 유도된 회전자 위치 신호가 회전자가 턴-오프 각도에 해당하는 위치에 있음을 표시하면, 적절한 제어기는 상기 적절한 스위칭 장치를 턴-오프하고 상기 적절한 위상 권선에 대한 전력 공급을 중단하기 위한 스위칭 신호를 발생한다. 쵸핑 제어가 이용되면, 제어기(47)는 턴-온 및 턴-오프 각도에 의해 정의되는 주기 사이에 쵸핑 신호들을 발생시켜 위상 권선내 전류를 제어할 수 있다. 이러한 기술은 스위치드 릴럭턴스 드라이브 기술 분야에서 주지되어 있다.
제 4 도의 실시예에 잇어서, 턴-온 및 턴-오프 정보는 모터의 토크-요구(torgue-demand) 및 실제 속도를 나타내는 신호들을 입력 신호로서 포함하는 제어 법칙 표(48; control law table)에 의해 제공된다. 제 4 도의 실시예에 있어서, 제어 법칙 표(48)는 몇몇 속도/토크-요구의 조합에 대한 적절한 턴-온 및 턴-오프 데이타를 포함하는 EPROM으로 미리 내삽된 매트릭스를 포함하는 순람표로 구성될 수 있다. 이러한 턴-온 및 턴-오프 데이타는 경험적으로 유도되거나 계산될 수 있다. 상기 제어 법칙 표(48)가 스파스 매트릭스(sparse matrix)로 구성되고, 마이크로프로세서 또는 ASIC이 실제 시간에 적절한 턴-온 및 턴-오프 각도를 계산하기 위해 사용되는 또 다른 실시예도 고려 가능하다.
제 7 도 (가)는 제 4 도의 각도 제어기(46)를 실행하기 위해 이용될 수 있는 회로의 예를 개략적으로 도시한다. 제 7 도 (가)에 도시된 바와 같이, 각도 제어기(46)는 제 6 도와 관련하여 상술된 HF 클록 신호들을 클록 입력으로서 수신하는 8비트 업카운터(70)로 구성될 수 있다. 표시된 바와 같이, HF 클록 신호는 회전자의 각도 속도에 비례하는 주파수에서 발생하는 일련의 클록 펄스들로 구성된다. 업카운터(70)의 리셋트 입력은 펄스 트레인(51a)에 연결된다.
제 7 도 (가)를 참조하면, 8-비트 업카운터(70)는 펄스 트레인(51a)에서 에지가 발생될 때마다 리셋트된다. 다른 실시예에서는 업카운터(70)가 하강 에지에서 리셋트될 수도 있으나, 제 7 도 (가)의 실시예에서 업카운터(70)는 각각의 상승 에지에서 리셋트된다. 업카운터(70)가 고정자극에 대하여 회전자극의 절대 위치에 해당하는 지점에서 리셋트되고, 또한 업카운터(70)가 회전자의 속도에 비례하여 변화되는 HF 클록 신호로 클록되기 때문에, 업카운터(70)의 실행 출력(running output)은 오버타임을 증가시키는 디지탈 워드가 될 것이며, 이 디지탈 워드의 값은 회전자의 위치에 해당한다. 이는 제 7 도 (나)의 각도 제어 램프 신호(Angle Control Ramp signal)에 의해 개략적으로 도시된다.
제 7 도 (나)를 참조하면, 업카운터(70)의 출력은 상기 각도 제어 램프에 의하여 표시된다. 제 7 도 (나)에서와 같이, 시간 T0의 한 지점에서 업카운터(70)는 신호(51a)의 상승 에지를 수신한다. 이러한 상승 에지는 업카운터(70)를 리셋트하여 그 출력을 제로(0)로 하강시킨다. 이상에서 설명된 바와 같이, 이러한 상승 에지의 발생은 회전자극이 고정자극에 대하여 절대 위치에 도달했다는 것을 나타낸다. 업카운터(70)가 리셋트된 후, 그 출력은 시간 T4에서 펄스 트레인(51a)으로부터 상승 에지가 그 다음 발생될 때까지 각각의 HF 클록 펄스에 대응하여 증가할 것이다. 회전자의 속도에 비례하는 비율로 HF 클록 펄스가 발생하므로, 업카운터(70)의 출력은 회전자의 위치에 해당할 것이다.
제 7 도 (가)를 다시 참조하면, 회전자의 위치에 상응하는 업카운터(70)로부터의 디지탈 출력은 관심 있는 위상 권선에 전력을 공급하거나 중단하도록 전력 장치를 제어하기 위하여, 스위칭 신호들 또는 점화 신호들을 발생하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 제 7 도 (가)에서, 8-비트 비교기(72)는 적절한 스위칭 장치가 턴-온될 수 있도록 회전자가 턴-온 각도에 이르게 되는 때를 감지하기 위해 사용된다. 제 7 도 (가)에 도시된 바와 같이, 비교기(72)는 제어 법칙 표(48)로부터 원하는 턴-온 지점에 해당하는 8-비트 워드를 그 입력 A 에서 수신한다. 비교기(72)는 업카운터(70)로부터의 실행 출력을 그 입력 B 에서 수신한다. 제 7 도 (가)의 실시예에 있어서, 비교기(72)는 입력 A가 입력 B를 초과할 때마다 로직 하이 출력(logic high output)을 제공한다. 따라서, 원하는 턴-온 각도에 해당하는 신호가 업카운터(70)의 실행 출력을 초과할 때마다 비교기(72)의 출력은 로직 하이("1")가 되며, 다른 모든 시간에서는 로직 로우("0")가 될 것이다. 이 신호는 업카운터(70)의 실행 출력이 턴-온 각도를 나타내는 신호를 초과할 때마다 로직 하이가 되는 디지탈 신호를 제공하기 위하여 인버터(73)에 의하여 반전된다.
마찬가지로, 비교기(72)는 그 입력 A에서 제어 법칙 표(48)로부터 원하는 턴-오프 각도에 해당하는 디지탈 워드를 수신하며, 입력 B에서 업카운터(70)의 실행출력을 수신한다. 비교기(72)와 마찬가지로, 비교기(74)는 그 입력 A에서의 워드가 입력 B에서의 워드를 초과할 때마다 로직 하이("1")인 출력 신호를 생성한다. 따라서, 비교기(74)는 업카운터(70)로부터의 출력에 턴-오프 각도에 해당하는 신호를 초과할 때마다 로직 로우("0")인 디지탈 신호를 생성할 것이다.
비교기(72)로부터의 반전된 출력 및 비교기(74)로부터의 출력은 모두 AND 게이트(75)로 인가된다. 따라서, AND 게이트(75)는 업카운터(70)로부터의 실행 출력이 턴-온 각도를 나타내는 신호보다 크고 턴-오프 각도를 나타내는 신호보다 작을 때에만 로직 하이인 디지탈 신호를 제공할 것이다. 이러한 AND 게이트(75)로부터의 출력 신호는 제 7 도 (가)에는 도시되지 않은 회로에 의하여 적절한 위상 권선에 대한 전력 공급을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 비교기들(72 및 74) 및 AND 게이트(75)의 일반적인 작동은 제 7 도 (나)에 도시되어 있는데, 여기에서 AND 게이트(75)로부터의 출력은 기계의 전력 공급을 제어하기 위해 사용될 수 있는 일련의 펄스를 나타낸다.
당업자에게 자명한 바와 같이, 제 7 도 (가)의 예시적 제어 시스템은 기본적인 것으로서 프리휠링과 같이 좀 더 복잡한 제어 기능을 수행하기 위한 회로는 포함하지 않는다. 이러한 추가 기능은 본 발명의 요지 및 범위에서 벗어나지 않는 한 제 7 도 (가)의 회로에 용이하게(예를 들면, 또 하나의 비교기를 첨가함으로써) 추가될 수 있다. 또한 제 7 도 (가)는 단지 단일 위상만을 위한 제어 회로를 도시한다. 상기 회로는 일반적으로 모터의 각 위상에 대하여 반복될 것이며, 추가 회로(도시되지 않음)는 드라이브가 모터링으로부터 발전(generating)으로 진행할 경우, 각도 제어 램프를 리셋트하는 에지를 상승 에지에서 리셋트되는 것으로부터 하강 에지에서 리셋트되는 것으로 변경하기 위해 일반적으로 요구될 것이다. 예를 들어, 제 7 도(가)의 회로는 센서(51b) 또는 센서(51c) 중 하나로부터의 펄스 트레인으로부터 리셋트되는 업카운터(70)를 사용하여 반복될 수 있다. 제 7 도 (가)의 제어기를 다중-위상 모터에까지 확대하기 위한 기술 및 회로는 이 발명 개시에 의한 장점을 갖는 당업계에 자명할 것이다. 또한, 제 7 도 (가)의 제어 회로는 각도 제어기를 개략적으로 도시한다. 상기 제어기는 쵸핑 회로를 포함하도록 수정될 수 있는데, 이 쵸핑 회로는 턴-온 및 턴-오프 각도 사이의 간격 동안 원하는 전류와 위상권선내 실제 전류를 비교하고, 실제 전류가 원하는 전류와 같거나 이를 초과할 때마다 위상 전류를 쵸핑한다.
제 4 도의 제어기는 비용이 많이 드는 절대 포지션 인코더 또는 처리 회로없이도 스위치드 릴럭턴스 기계를 효과적으로 제어할 수 있다. 따라서, 제 4 도에 도시된 바의 본 발명 제어기는 저렴하고 효율적인 제어 시스템을 제공한다.
제 4 도의 비교적 효율적이고 저렴한 제어기를 제공하는 외에도, 본 발명의 시스템, 특히 제 1 분해능의 제 1 신호 세트 및 제 2 분해능의 제 2 신호 세트를 제공하는 인코더의 사용은 새로운 센서 고장 검출 회로를 사용하여 센서 장치들(51a-51c 및 52a-52b)의 어떠한 고장도 검출할 수 있도록 한다.
일반적으로, 본 발명의 센서 고장 검출 회로는 적어도 하나의 위치 센서의 제 1 세트로부터 제 1 분해능에서 위치 신호들을 수신하고, 적어도 하나의 위치 센서의 제 2 세트로부터 제 2 분해능에서 위치 신호들을 수신한다. 상기 검출 회로는 적어도 하나의 위치 센서의 제 1 세트 및 적어도 하나의 위치 센서의 제 2 세트로부터 위치 신호들을 모니터하고, 제 1 분해능에서의 위치 신호들 및 제 2 분해능에서의 위치 신호들 사이의 관계를 분석함으로써 위치 센서의 고장을 검출한다.
제 8 도는 하나의 회전 방향에 대한 본 발명의 센서 고장 검출 회로의 일 실시예를 도시한다. 상술한 바와 같이, 센서 고장 검출 회로는 인코터(42)의 센서들(51a 내지 51c)로부터 제 1 출력 세트(42a) 및 인코더(42)의 센서들(52a 및 52b)로부터 제 2 출력 세트(42b)를 그 입력으로서 수신한다.
센서 고장 검출 회로는 인코더(42)의 센서들(52a 및 52b)로부터 제 2 출력 세트를 증분 검출기(80)에 대한 2개의 입력으로서 수신하며, 상기 증분 검출기(80)는 회전자가 소정의 고 분해능의 회전 증가로 회전하는지를 결정한다. 이 실시예에서, 증분 검출기(80)는 XOR 게이트(82)를 포함하며, 상기 XOR 게이트(82)는 센서들(52a 및 52b)로부터의 출력이 회전자가 소정의 고분해능 증분 만큼 회전했음을 나타낼 때마다 상태를 변화시키는 펄스를 제공한다. XOR 게이트(82)로부터의 출력 신호는 업/다운 카운터(83)를 클록한다. 이러한 방식으로 업/다운 카운터(83)는 카운터(83)의 리셋트 이후에 발생되는 회전자에 대한 고분해능 회전 증분의 수를 계속 추적한다.
인코더(42)의 센서들(52a 및 52b)로부터의 제 2 출력 신호 세트는 또한 회전자에 대한 회전 방향을 결정하는 방향 검출기(84)로 입력되며, 방향 검출기(84)의 출력은 업/다운 카운터(83)의 업/다운 입력으로 제공되어 계수(counting)의 방향을 제어한다.
제 8 도의 센서 고장 검출 회로는 저분해능 센서들(51a 내지 51c)의 각 상태변화 사이에 발생하는 고분해능 증분의 수를 모니터 함으로써 센서들(51a 내지 51c 또는 52a 내지 52b) 중 어느 것에 고장이 났는지를 판단한다. 따라서, 제 8 도의 실시예에서는 디코더(85)가 제공된다. 제 8 도의 디코더(85)는 센서들(51a 내지 51c)의 출력 상태의 연속적인 변화에 의해 정의되는 주기를 갖는 디지탈 펄스를 제공한다. 디코더(85)로부터의 출력은 버퍼(86)에 입력으로서 제공되는데, 버퍼(86)는 그 출력 Q 에서 디코더(85)로부터의 출력을 반사시키고 출력 Q 에서는 디코더(85)의 출력의 보수(complement)를 제공한다.
버퍼(86)제 출력 Q 는 업/다운 카운터(83)의 리셋트 입력으로 인가되어, 디코더(85)로부터 로직 하이 출력을 생성하는 센서들(51a 내지 51c)의 출력 상태의 변화가 발생될 때마다 상기 카운터를 리셋트하기 위해 사용된다. 그 다음 상기 카운터는 승산(또는 감산)하고, 회전자에 대한 고분해능 회전 증분들의 누산된 수를 표시하는 실행 출력을 제공한다. 비교기(87 및 89)는 카운터(83)로부터 실행 계수를 수신하여, 그것을 모든 센서가 적절히 작동할 때 센서들(51a 내지 51c)의 출력의 연속적인 변화 사이에 기대되는 회전자에 대한 고분해능 회전 증분들의 범위를 나타내는 소정의 값들과 비교한다. 제 8 도의 실시예에서, 이들 값은 4 및 6이다. 이들 값은, 센서들(52a 및 52b)이 적절히 작동될 때 분해능의 각각의 높은 증분이증분 검출기(80)로 하여금 상승 에지 신호를 발생하도록 하기 때문에 선택된다. 제분해능 펄스의 에지가 고분해능 펄스의 에지와 반드시 일렬로 배열될 필요는 없으므로(실제로 상기 배열은 베인(50)의 톱니 및 센서들의 상대적 위치에 의하여 결정됨), 저분해능 펄스 동안 발생되는 고분해능 펄스의 수는 드라이브 적절하게 작동하는 동안 변화할 것이다. 이 실시예에서는 4 와 6 사이에서 변화될 것이다. 비교기(87)는 그 입력에서 디지탈 워드를 비교하여, 카운터(83)로부터의 계수가 예상되는 낮은 값(이 실시예에서는 4개의 펄스) 보다 더 적을 때마다 로직 하이 출력을 생성한다. 마찬가지로, 비교기(89)는 펄스의 수가 상위 값(이 실시예에서는 6개의 펄스) 이상인 경우 로직 하이를 생성한다.
인코더(42)로부터의 제 1 출력 세트(즉, 센서들(51a-51c)로부터의 출력)의 그 다음 상태의 변화시, 검출기(85)로부터의 출력은 로직 로우로 하강하여, 비교기(87 및 89)의 출력을 각각 래치하는 래치(88 및 90)를 트리거한다. 어느 하나의 비교기(87 또는 89)의 출력이 로직 하이이면 (고분해능 펄스의 수가 예상했던 범위를 벗어나 있음, 즉 모든 센서가 작동하는 것은 아님을 나타냄), 비교기(88 또는 89)로부터의 로직 하이 출력은 래치(88 또는 90)에 래치되어 고장 신호를 생성하게 된다. 업/다운 카운터(83)의 출력이 예상 범위 내에 있을 경우, 비교기들(87 및 89)은 모두 래치들(88 및 90)상에 래치된 로직 로우 신호를 생성하여 센서들이 적절히 작동하고 있음을 표시하는 신호를 제공하도록 한다.
제 9 도는 회전자의 22.5° 각도 회전 및 그에 따른 컵-베인(50)의 22.5° 회전에 대하여 제 5도 (가) 내지 (다)의 포지션 인코더로부터 위치 신호들을 수신하는 제 5 도의 센서 고장 검출 회로에 대한 예시적 타이밍도를 나타낸다. 신호(52a)는 인코더(42)의 위치 센서(52a)로부터의 위치 신호를 나타내며, 신호(52b)는 위치 센서(52b)로부터의 위치 신호를 나타낸다. 52a 및 52b 아래의 신호는 XOR 게이트(82)의 출력을 나타낸다. 센서들(51a, 51b 및 51c)로부터의 출력은 센서들(52a, 52b)의 출력 및 XOR 게이트(82)의 출력 아래에 도시된다. 이상에서 설명된 특정의 실시예에서, 센서들(52a 및 52b)로부터의 신호는 센서들(51a 내지 51c)로부터의 신호보다 더 높은 분해능을 갖는다. 제 9 도의 타이밍도로부터 알 수 있는 바와 같이, 센서들(51a-51c)로부터의 출력에 대한 첫번째 상태 변화는, 센서(51a)로부터의 출력이 로직 로우 레벨로부터 로직 하이 레벨로 변화하는 점 Po 에서 발생한다. 상기 상태 변화는 디코더(85)로부터의 출력이 로직 로우에서 로직 하이로 가도록 하며, 이에 대응하여 제 9 도에 도시된 바와 같이, 버퍼(86)의 출력 Q 가 로직 로우에서 로직 하이로 가도록 할 것이다. 이는 제 9 도의 카운터 출력 리스트로 표시된 바와 같이 카운터(83)를 리셋트한다. 이 때, 카운터(83)의 출력은 예상된 하위 값보다 더 낮으므로, 비교기(87)의 출력은 로직 하이가 될 것이다.
리셋트 신호가 점 P0에서 카운터(83)를 리셋트한 후, 카운터는 XOR 게이트(82)의 출력에 의하여 클록됨으로써 상기 리셋트로부터 회전의 고분해능 증분들의 수를 계수한다. 카운터(83)가 4개의 클록 펄스를 수신한 지점에서, 그 출력은 4가 될 것이며, 비교기(87)의 출력은 로직 로우로 하강할 것이다.
점 P1에서, 센서(51c)의 출력이 로직 하이에서 로직 로우로 하강할 때 센서들(51a 내지 51c)의 출력에 대해 또 다른 상태 변화가 발생한다. 이 지점에서, 버퍼(86)의 출력 Q 는 로직 로우로 하강하고 버퍼(86)의 출력 Q 에서의 변화는 비교기(87)의 출력을 래치(88)로 래치하여 고장 신호를 제공하도록 한다. 이 예에서는 그 때 비교기(87)의 출력이 로직 로우이므로, 래치된 "고장" 신호는 센서들의 적절한 작동을 표시하는 로직 로우이다.
점 P1으로부터 P3에 이르는 파형은 제 8 도의 회로가 센서 고장을 검출하기 위해 어떻게 사용되는지를 도시한다. 제 9 도의 예에서, 센서(52b)는 그 출력이 항상 로직 로우인 것으로 고장났다고 가정된다. 점 P3에서 센서들(51a-51c)의 출력의 그 다음 상태 변화가 발생하며, 카운터(83)는 리셋트된다. 전처럼 카우터는 XOR 게이트(82)의 출력으로 클록된다. 이러한 예에서, 센서(52b)의 출력이 항상 로직 로우이기 때문에, XOR 게이트(82)의 출력은 센서(52a)의 출력을 따를 것이다. 따라서, 센서들(51a-51c)의 출력에 있어서의 다음 상태 변화가 점 P3에서 발생되고 비교기(87)의 출력이 고장 신호로 래치될 때까지, 카운터(83)는 4 보다 적은 클록 펄스를 수신할 것이다. 따라서, 카운터(83)의 출력은 예상된 하위 값보다 더 적을 것이고, 비교기(87)로부터의 로직 하이 출력은 센서의 고장을 표시하는 고장 신호로 래치될 것이다.
제어기 회로(도시되지 않음)는 센서 고장 검출 회로의 출력을 모니터하여 센서의 고장이 발생되는 때를 결정할 수 있다. 센서 고장이 발생되면, 제어기 회로는 드라이브의 작동을 중단시킬 수 있고, 보조 위치 결정 구성으로 전환하거나 또는일정한 유형의 고장 검출 특징을 실행할 수 있다.
상기 예는 센서(52b)의 고장을 언급하였으나, 제 8 도의 회로에 대한 분석으로부터 나머지 센서들(51a-51c 및 52b)의 고장 역시 센서의 고장 발생을 표시하는 고장 신호를 생성할 것임을 알 수 있다.
또한, 제 8 도의 실시예는 센서 고장 검출 회로를 분리된 별도의 구성 요소들로 구성된 것으로 도시하였으나, 회로가 그 회로의 다른 부분에서 사용되는 동일한 회로를 이용하는 실시예도 고려된다. 예를 들어, 제 4 도의 제어기를 제 8 도의 센서 고장 검출 회로와 결합하여 동일한 회로가 증분 검출기들(61 및 80)에 대하여 이용되도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 적절하게 프로그램된 마이크로프로세서가 제 8 도의 회로에 의하여 실행되는 일반적인 기능들을 수행하기 위하여 이용되는 것이 고려된다. 제 10 도 및 제 11 도는 이러한 일 실시예를 도시한다.
제 10 도는 센서 고장 검출 회로의 또 다른 실시예를 계략적으로 도시하며, 여기에서 프로그램된 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러(126)는 제 1 분해능의 제 1 위치 신호 세트(128) 및 제 2 분해능의 제 2 위치 신호 세트(130)를 수신한다. 회로(126)는 입력 신호 세트들(130 및 128)을 모니터하여 위치 센서 고장이 발생하면 라인(132)상에 고장 신호를 제공한다. 센서 고장 검출 회로(126)는 상기 위치 신호들(128 및 130) 사이의 관계가 정상적인 위치 센서 작동과 일치되는지를 판단하는 응용 주문형 집적 회로(Application Specific Integrated Circuit: ASIC)를 포함할 수 있다. 또는, 센서 고장 검출 회로(126)는 적절한 소프트웨어를 실행하는 마이크로프로세서 및 위치 센서 세트들로부터의 위치 신호를 저장 및 비교하는데 필요한 기억 장치를 포함할 수 있다.
제 11 도는 센서 고장 검출 회로(126)의 작동을 도시하는 개략적인 플로우 챠트이다. 스텝 134 에서, 검출 회로(126)는 제 2 위치 센서(52a 및 52b) 세트들로부터의 위치 신호(130)가 회전자가 고분해능 증분으로 이동했음을 표시하는지 여부를 판단한다. 위치 신호(130)가 그러한 이동을 표시하면, 다음으로 검출 회로(126)는 스텝 136 에서 회전자가 정방향 이동을 하는지 또는 역방향 이동을 하는지를 판단한다. 회전자가 역방향으로 이동하고 있으면 스텝 128 에서 가변 계수(COUNT)는 하나씩 감소되며, 회전자가 정방향으로 이동하고 있으면 스텝 140 에서 가변 계수는 하나씩 증가된다. 다음, 스텝 142 에서, 검출 회로(126)는 제 1 위치 센서들(51a-51c) 세트로부터의 위치 신호들(128)로부터, 위치 신호(128)에서 상태 변화가 발생했는지를 판단한다. 변화가 없으면 검출 회로(126)는 스텝 134로 복귀된다. 변화가 있으면, 스텝 144 에서 검출 회로(126)는 가변 계수에 저장된 값을 위치 신호들(128)의 상태 변화 사이에 위치 신호들(130)에 의하여 표시되는 증분들의 수를 나타내는 예상 값과 비교한다. 계수가 예상 범위를 벗어나면, 위치 센서의 고장이 발생된 것이다. 그러나, 계수가 예상치의 범위 내에 있으면, 가변 계수는 스텝 148에서 리셋트되고 검출 회로(126)는 스텝 134 로 복귀된다.
또 다른 선택적인 실시예에서는 상이한 분해능을 갖는 2개의 증분 인코더 또는 상이한 분해능을 갖는 2개의 절대 인코더를 사용하는 것이 고려된다. 또한, 본 발명의 상기 실시예들은 논리 회로, ASIC 또는 마이크로프로세서를 포함하지만, 당업자는 본 발명이 적절히 프로그램된 마이크로컨트롤러, 특정의 논리 회로 또는 아날로그 회로에 의하여 실행될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명은 회전 기계에 대하여 설명되었으나, 당업자는 작동의 동일한 원리가 동일한 효과로 선형 포지션 인코더에 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 릴럭턴스 기계(기타 유형의 전기 기계와 같이)가 선형 모터로서 구성될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 선형 모터의 이동 부재는 당업자에서 회전자로서 언급된다. 여기서 사용된 "회전자"라는 용어는 선형 모터의 이동 부재도 포함한다.
따라서, 상기 실시예 및 설명으로 개시된 본 발명의 원리는 다양한 회로 유형 및 배열을 이용하여 실행될 수 있다. 당업자는 이상에서 도시되고 설명된 예를 엄격히 따를 필요는 없으며 청구범위에 설명된 바의 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 알 수 있다.
제 1 도는 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템(switched reluctance drive system)의 주요 구성요소를 도시함.
제 2 도는 고정자극에 접근하는 회전자극 및 고정자극에 결합된 위상 권선의 부분에 대한 전류점들(轉流點; commutation points)을 도시함.
제 3 도는 제 2 도의 고정자극에 결합된 위상 권선의 부분에 대한 전력 공급을 제어하는 전력 변환기내 스위칭 회로를 도시함.
제 4 도는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 작동을 제어하기 위한 개선은 제어 시스템 및 포지션 인코더를 도시함.
제 5 도 (가) 내지 (다)는 제 4 도의 인코더의 구성을 보다 상세히 도시함.
제 6 도 (가) 및 (나)는 제 4 도의 주파수 배율기를 실행하는데 사용될 수 있는 회로의 예를 도시함.
제 7 도 (가) 및 (나)는 제 4 도의 각도 제어기를 실행하는데 사용될 수 있는 회로, 및 상기 각도 제어기로 전송되고 상기 각도 제어기에 의하여 발생되는 신호들의 예를 도시함.
제 8 도는 본 발명의 센서 고장 검출 회로의 일 실시예를 도시함.
제 9 도는 제 5 도 (가) 내지 (다)에 도시된 포지션 인코더로부터 위치 신호를 수신하는 제 5 도의 센서 고장 검출 회로에 대한 예시적 타이밍도를 도시함.
제 10 도는 본 발명에 의한 센서 고장 검출 회로의 다른 실시예를 개략적으로 도시함.
제 11 도는 제 10 도의 센서 고장 검출 회로의 작동을 개략적으로 나타낸 플로우 챠트임.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템
11 : 직류 전원 12 : 모터
13 : 전력 변환기 14 : 전자 제어 장치
15 : 회전자 위치 검출기 20 : 회전자극
21 : 고정자극 23 : 위상 권선
31, 32 : 전력 스위칭 장치 33, 34 : 다이오드
40 : 제어기 42 : 회전자 포지션 인코더
44 : 주파수 배율기 46 : 각도 제어기
47 : 쵸핑 제어 회로 48 : 제어 법칙 표
50 : 컵-베인 51a-51c, 52a, 52b : 센서
53, 56 : 톱니 60, 80 : 증분 검출기
61 : 업카운터 62, 63 : 제산기
64 : 논리 회로 70 : 업카운터
72, 74 : 비교기 73 : 인버터
75 : AND 게이트 82 : XOR 게이트
83 : 업/다운 카운터 86 : 버퍼
87, 89 : 비교기 88, 90 : 래치

Claims (16)

  1. 제 1 분해능에서 출력 신호들을 생성하기 위해 배열된 제 1 표시(indicia) 세트 및 제 2 분해능에서 제 2 출력 신호들을 생성하기 위해 배열된 제 2 표시 세트를 갖는 부재,
    제 1 센서 수단과 상기 제 1 표시 세트 사이의 상대적 이동에 의해 영향받도록 배열되어 상기 이동을 표시하는 상기 제 1 출력 신호들을 생성하는 제 1 센서 수단,
    제 2 센서 수단과 상기 제 2 표시 세트 사이의 상대적 이동에 의해 영향받도록 배열되어 상기 이동을 표시하는 상기 제 2 출력 신호들을 생성하는 제 2 센서 수단, 및
    상기 제 1 및 제 2 출력 신호들을 비교하여 상기 센서 수단으로부터의 상기 제 1 또는 제 2 출력 신호들에 오류가 있는지를 결정하는 분석 수단으로 구성되는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 표시 세트는 상기 제 1 및 제 2 센서 수단에 영향을 미치도록 배열되어 상기 제 1 및 제 2 분해능 각각에 따라 디지탈 출력을 생성하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분석 수단은 상기 제 1 출력 신호들의 변 이들사이의 간격에서 상기 제 2 출력 신호들의 변이들을 계수하기 위해 작동되는 카운터 수단, 및 상기 제 2 출력 신호들의 상기 변이들의 계수가 소정의 범위를 벗어나는 경우 오류 상태를 표시하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 표시 수단은 소정 값 이상의 상기 카운터의 출력에 반응하는 임계 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 센서 수단은 상기 부재가 회전함에 따라 상기 부재에 의하여 영향받도록 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 분해능은 상기 제 1 분해능의 정수 배수인 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 센서 수단은 상기 제 1 출력 신호들의 변화가 상기 제 2 출력 신호들의 선택된 변화와 실질적으로 일치하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 부재상의 상기 제 1 및 제 2 표시들은 제 1 및 제 2 톱니로 구성되고, 상기 제 1 및 제 2 센서 수단은 그 경로에 반응하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 센서 수단들은 광원서이며, 상기 제 1 및 제 2 톱니는 광차단 및 광투과 영역을 정의하는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 센서 수단은 3개의 위치 센서로 구성되고, 상기 제 2 센서 수단은 2개의 위치 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 릴럭턴스 기계용 포지션 인코더.
  11. 상기 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 출력 신호들을 수신하도록 연결되며, 상기 제 1 출력 신호들의 상태 변화에 따라 상태를 변화시키는 제 1 디코더 신호를 발생시키는 디코더;
    상기 제 2 출력 신호들을 수신하기 위하여 연결되며, 상기 제 2 신호 세트의 상태 변화에 따라 상태를 변화시키는 제 2 검출기 신호를 발생하는 증분 검출기;
    상기 제 1 및 제 2 출력 신호들을 수신하기 위하여 연결되며, 상기 제 1 출력 신호의 상태 변화에 대응하여 리셋트되고, 상기 제 2 출력 신호의 상태 변화에 대응하여 출력이 증분 변화되는 카운터;
    상기 카운터의 출력 및 소정의 하위 값에 해당하는 신호를 수신하기 위하여 연결되며, 상기 카운터의 출력이 상기 소정의 하위 값보다 적을 경우 제 1 상태를 갖는 출력을 생성하는 제 1 비교기; 및
    상기 제 1 비교기의 출력을 모니터하고, 상기 제 1 비교기의 출력이 상기 제 1 신호 세트의 상태 변화가 발생하는 제 1 상태일 경우 회전자 포지션 인코더의 고장을 표시하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 포지션 인코더.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 카운터의 출력 및 소정의 상위 값에 해당하는 신호를 수신하기 위하여 연결되며, 상기 카운터의 출력이 상기 소정의 상위 값보다 클 때 제 1 상태를 갖는 출력을 생성하는 제 2 비교기로 더 구성되는 것을 특징으로 하는 회전자 포지션 인코더.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 비교기의 출력을 모니터하는 수단은 상기 제 2 비교기의 출력을 모니터하고, 상기 제 1 비교기 또는 제 2 비교기 중 어느 하나의 출력이 상기 제 1 출력 신호들의 상태 변화가 발생하는 상기 제 1 상태인 경우 상기 인코더의 고장을 표시하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 포지션 인코더.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 카운터의 출력은 상기 제 2 출력 신호의 상태변화에 대응하여 증가되는 것을 특징으로 하는 회전자 포지션 인코더.
  15. 제 11 항에 있어서, 상기 비교기의 출력을 모니터하는 수단은 상기 비교기의 출력을 수신하는 래치로 구성되며, 상기 래치는 상기 제 1 출력 신호의 상태 변화에 대응하여 트리거되는 것을 특징으로 하는 회전자 포지션 인코더.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 증분 검출기는 배타적 OR 게이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전자 포지션 인코더.
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