KR100441319B1 - 전기기기용회전자위치인코더 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 회전자 위치 인코더는 회전자 및 고정자를 갖는 전기 기기에 제공되는데, 그 인코더는 센서를 지나는 회전자와 함께 회전하도록 배치되어 반복 시퀀스에서 변화하는 톱니 폭을 갖는 코딩된 디스크를 포함하며, 상기 센서는 코딩된 시퀀스에 대응하는 신호를 출력한다. 코딩된 신호와 내부 발생된 신호를 비교함으로써 회전자의 위치는 제1 분해능 레벨에서 결정될 수 있다. 부가적으로, 카운터는 각각의 톱니가 감지될 때 인에이블되어, 톱니 사이에서 회전자 위치를 나타내는 보다 높은 분해능 레벨에서 제2 신호 출력 신호를 제공한다. 다중 위상 기기에 대하여, 각각의 위상에 관련된 회전자 위치를 나타내는 값은 모든 위상에 공통적인 증분 위치를 나타내는 값과 결합된다.

본 발명은 단순화된 논리를 사용하여 높은 분해능 회전자 위치 인코딩을 제공할 수 있다.

Description

전기 기기용 회전자 위치 인코더{ROTOR POSITION ENCODER FOR AN ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 전기 기기용 회전자 위치 인코더(electrical rotor position encoder)에 관한 것으로, 특히 스위치드 릴럭턴스(switched reluctance) 전기 기기용 회전자 위치 인코더에 관한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 기기는 고정자극을 포함하는 고정자와 회전자를 구비하고 있다. 전자 장치에 의해 스위칭되는 권선은 고정자극에 설치되고, 스위치드 릴럭턴스 모터의 경우에는 순차적으로 가동되어 회전자를 회전시킨다. 또한, 스위치드 릴럭턴스 기기는 회전자가 권선에 전류를 발생시키기 위해 물리적으로 회전되는 경우스위치드 릴럭턴스 발생기로 구성될 수도 있다. 스위치드 릴럭턴스 모터의 설계 및 작동에 관한 통상적인 이론은, 예를 들어 Stephenson 과 Blake가 1993년 6월 21∼24일, 독일의 누른버그에서 열린 PCIM '93 기술 발표회에서 발표한 "The Characteristic, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives" 라는 논문을 통해 잘 알려지고 논의되어 있다.

요약하면, 회전자극이 고정자극과 정확하게 정렬되어 있을 때, 기기의 위치가 정렬되어 있다고 한다. 대응하는 고정자극 권선에 전류가 흐르는 경우, 회전자가 최대 인덕턴스 및 그로 인한 최소 자기 릴럭턴스의 위치에 있기 때문에 토크가 전혀 존재하지 않는다. 회전자가 정렬 상태에서 벗어나, 어느 한 방향으로 회전하면, 복원 토크는 고정자극 권선에 전류가 흐를 때 회전자가 다시 정렬 상태가 되도록 한다. 고정자 및 회전자는 대항 관계에 있는 하나 이상의 극쌍을 각각 구비하고 있다. 고정자의 각각의 대항하는 극쌍은 하나의 위상에 대응하는 공통 권선을 구비하고 있다. 예를 들어, 고정자가 6 개의 극(3 개의 대항하는 극쌍)을 갖고 회전자가 4 개의 극(2 개의 대항하는 극쌍)을 갖는 3상 배열과 같은 각종 구성이 스위치드 릴럭턴스 기기에 주로 적용된다.

전류 및 권선의 스위칭 타이밍은 고정자극 및 회전자극의 상대적인 각도 위치에 관련하여 제어된다. 예를 들어, 회전자극이 위상 권선을 향해 회전할 경우, 위상 권선은 회전자 극이 최소 인덕턴스 위치를 통과할 때 가동되고, 회전자가 최대 인덕턴스 위치에 도달할 때 비가동될 수 있다.

저속도에서, 토크는 권선 전류의 피크 레벨을 조절함으로써 제어될 수 있고,고속도에서, 권선 전류의 피크 레벨은 정상적으로는 도달될 수 없는 높은 안정 레벨로 설정된다. 위상 전류가 스위치 온(권선의 양전압에 대하여) 및 스위치 오프(권선의 음전압에 대하여)되는 위상 주기 내의 각도를 변경함으로써 토크를 조절할 수 있다. 어느 경우에 있어서는, 자유-휠 각도가 또한 포함될 수도 있다(권선의 제로 전압). 중간 속도에서, 2 개의 방법을 결합하여 사용하면, 토크는 스위치 온/오프 각도 및 피크 전류(쵸핑) 레벨에 의해 제어될 수 있다. 정확한 순간에 권선을 가동하기 위해 회전자의 각도 위치를 결정할 수 있도록 할 필요성이 있음을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들어, 적절한 센서 장치와 결합하여 회전축에 탑재된 슬롯형 디스크를 포함하는 인코더를 사용하여, 고정자에 관한 회전자의 위치를 결정할 수 있다. 이러한 어셈블리는 회전자 위치 변환기(RPT)로서 공지되어 있다. 어느 공지된 시스템에서는, 디스크 회전에 의해 스위칭되는 3 개의 광학 센서가 제공된다. 상기 결합된 RPT 신호는 회전자 위치가 위상 주기의 6분의 1이 되도록 하는데 사용될 수 있다는 것을 나타내고 있다.

스위치드 릴럭턴스 드라이브 사에 의해 출원된 EP-A-0630097호에 상세히 개시되어 있는 개선된 장치에서, 단일 센서를 사용하는 RPT는 코딩된 디스크와 결합하여 제공된다. 이러한 코딩된 디스크는 도 1에 도시되어 있다. 디스크 주위는 센서(2)에 의해 판독되는 마크(톱니(1a)에 대응)와 간격(톱니 사이의 갭(1b)에 대응)을 효율적으로 포함하도록 하기 위해 톱니형으로 되어 있다. 디스크가 소정의 방향으로 회전하는 경우, 톱니 에지에 대응하는 상승(rising) 및 하강(trailing) 에지를 갖는 복수 개의 펄스를 포함하는 신호가 생성될 것이다. 상승 에지가 평탄하게이격되도록 톱니(1a)는 이격되어 있어, 속도 측정용의 양호한 타이밍 표시기(marker)를 제공하게 된다. 디스크 주변의 다양한 폭의 톱니(1a)를 제공함으로써 디스크의 코딩에 이르게 된다. 도시된 실시예에서, 하강 에지가 상승 에지들 간의 이격 거리의 1/4(좁은 톱니) 또는 3/4(넓은 톱니) 중 어느 하나의 거리만큼 이격되어, 논리 0 또는 논리 1 중 어느 하나로 각각 나타냄으로써 코딩이 전개된다. 따라서 센서에 의해 생성된 코딩 신호를 제어기 내의 내부에 저장된 코드와 비교하여, 고정자에 관련된 회전자의 절대 위치를 설정하게 된다.

이러한 시스템에서는 오직 하나의 센서만을 사용한다는 이점이 있는 반면에, 회전자의 위치는 단지 코딩된 디스크 상의 상승 에지의 이격 거리에 따른 절대 레벨로 결정될 수 있다. 상승 에지의 이격 거리는 코드 내의 비트 수 및 회전자가 회전시 코드가 반복하는 횟수와 관련된다. 코드의 주기는 기기의 위상 주기, 즉 회전자가 회전할 때 위상의 인덕턴스 내의 사이클 변화 주기와 동일하다. 위상 주기는 수치적으로 360°/회전자극수 로 주어진다. 그 위상 주기 내에서, (균일하게 이격되어 있는)상승 에지의 수는 코드 내의 비트 수를 한정한다.

코드 내의 비트 수는 회전자 위치가 결정되는 분해능(resolution)을 설정한다. 그러나, 보다 높은 레벨의 분해능을 제공하는 것이 바람직하다. 이에 부가하여, 바람직하게는 인코딩 논리를 스트림라인(streamline)화하는 것이 바람직하다.

도 1은 공지된 형태의 코딩된 디스크를 도시하는 도면.

도 2는 통상적인 3상 스위치드 릴럭턴스 기기를 도시하는 개략도.

도 3은 코딩된 디스크의 RPT 출력 신호와, 순방향 및 역방향 가동 영역을 도시하는 도면.

도 4(a)는 RPT 출력 신호의 복조를 도시하는 도면.

도 4(b)는 RPT 고출력 신호의 복조를 도시하는 도면.

도 4(c)는 RPT 저출력 신호의 복조를 도시하는 도면.

도 5는 코드 비교 시스템의 논리도.

도 6은 패시트 카운트 제어를 도시하는 도면.

도 7은 앵글 램프와 전류 및 인덕턴스 파형에 따른 RPT 출력 신호를 도시하는 도면.

도 8은 RPT 신호 디코딩을 나타내는 블록도.

도 9는 포지티브 및 네거티브 토크 영역에 따른 RPT 출력 신호를 도시하는 도면.

도 10은 역방향 가동에 의해 발생한 전류 파형에 따른 RPT 출력 신호를 도시하는 도면.

도 11은 본 발명에 따른 각각의 4분면 기기 동작에 있어서 동작용으로 매정된 이진 코드를 도시하는 도면.

도 12(a)는 도 11의 이진 코드에 대한 로우 비트 표를 도시하는 도면.

도 12(b)는 단순화된 로우 비트 표를 도시하는 도면.

도 13은 헤드 제어 동작을 위해 발생된 각종 파형을 도시하는 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

2: 센서

101 : 고정자극

102: 회전자극

본 발명은 회전자 및 고정자를 구비하는 전기 기기용 회전자 위치 인코더를제공하는데, 상기 인코더는 회전자와 함께 회전하도록 장착 가능한 특징부 세트를 한정하는 부재와, 상기 특징부의 영향을 받도록 배열되어 회전자의 위치를 나타내는 제1 분해능으로 제1 사이클 센서 출력 신호를 생성하는 센서와, 제1 센서 출력 신호의 각 사이클에서 복수의 포인트에 의해 인에이블되도록 배열되어 센서 출력 신호의 사이클 내에서 회전자의 증분 위치를 나타내는 보다 높은 제2 분해능으로 제2 카운터 출력 신호를 생성하는 카운터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 결국, 회전자 위치는 고도의 정밀도로 검출될 수 있다.

각각의 특징부는 센서에 영향을 미치는 2 이상의 소정의 값 중의 하나인 마크/간격비를 한정하고, 간격과 마크간의 전이(transition)는 센서 에지를 한정하며, 카운터는 각 센서 에지에서 인에이블된다. 이러한 상승 센서 에지는 균일하게 이격되어 있다.

제1 시프트 레지스터는 제1 출력 신호를 나타내는 값을 수신하도록 배열된다. 제2 시프트 레지스터는 제1 시프트 레지스터 내의 제1 출력 신호를 나타내는 값과 비교하여 내부 발생된 값을 수신하도록 배열되어, 유효 신호가 수신되었는지의 여부를 설정한다.

인코더는 제1 출력 신호를 나타내는 값과 제2 출력 신호를 나타내는 값을 결합하여 회전자 위치를 나타내는 결합된 값을 제공하는 수단, 예를 들어, 제1 출력 신호를 나타내는 제1 이진수 및 제2 출력 신호를 나타내는 제2 이진수를 발생하고, 제1 및 제2 이진수를 결합하여 회전자 위치를 나타내는 이진수를 제공하는 수단을 구비하고 있다. 그러므로, 정보를 처리하는 논리가 단순화될 수 있다.

인코더는 다중 위상 전기 기기 용으로 사용되며, 제1 출력 신호를 나타내는 값은 기기 위상에 따라 선택되고, 제2 출력 신호를 나타내는 값은 모든 기기 위상에 공통이다.

본 발명은 회전자 및 고정자를 구비하는 전기 기기 내의 회전자의 위치를 인코딩하는 방법을 추가로 제공하는데, 특징부 세트는 회전자와 함께 회전하고 센서에 영향을 미치며, 상기 센서는 회전자 위치를 나타내는 제1 분해능으로 제1 사이클 센서 출력 신호를 생성하고, 카운터는 제1의 센서 출력 신호의 각각의 사이클 내의 복수의 포인트에 의해 인에이블되고 센서 출력 신호의 사이클 내에서 증분의 회전자 위치를 나타내는 제2의 카운터 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

제1 출력 신호는 이진수로 복조될 수 있고, 이진수는 시프트 레지스터에 입력될 수 있다. 제1 시프트 레지스터 내의 이진수는 제2 시프트 레지스터에서 내부 발생된 이진수와 비교하여 제1 시프트 레지스터 내의 이진수의 유효성을 설정하게 된다.

제1 출력 신호를 나타내는 값과 제2 출력 신호를 나타내는 값을 비교하여, 회전자 위치를 나타내는 결합된 값을 제공하게 된다. 제1 출력 신호를 나타내는 제 1 이진수와 제2 출력 신호를 나타내는 제2 이진수가 발생되고, 제1 및 제2 이진수는 결합되어, 회전자 위치를 나타내는 값을 생성하게 된다. 다중 위상 전기 기기에서, 제1 이진수가 각각의 위상에 대하여 발생되고, 모든 위상에 대하여 공통인 제2 이진수와 결합된다. 상기 결합된 값은 앵글 파이어링 제어기(angle firing controller)에서 소정의 값과 비교될 수 있고 전기 기기 내의 위상 권선은 일치시가동되거나 또는 비가동될 수 있다.

본 발명은 고정자 권선을 갖는 고정자와 회전자를 포함하는 전기 기기를 제어하는 방법을 추가로 제공하며, 센서는 각각의 특징부가 센서를 지날 때 회전자와 함께 회전하는 특징부의 특성을 감지하고, 그 특징부의 특성은 코딩된 시퀀스에서 각각의 특징부에 대하여 다르고, 센서는 코딩된 시퀀스에 대응하고 회전자 위치를 나타내는 출력 신호를 생성하고, 이 출력 신호는 컨버팅 수단에 의해 회전자 위치를 나타내는 코딩된 블록으로 변환되고, 복수 개의 연속 코드 블록은 소정의 방식으로 결합되어 고정자 권선의 가동을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 전기 기기는 다중 위상 기기일 수 있고 코드 블록은 제어 신호가 인가되는 위상에 따라 소정의 방식으로 결합될 수 있다. 이와 같이, 저속도에서 제어가 단순화된다.

본 발명은 각종 방식으로 실행될 수 있지만, 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 예로서 몇가지 방식에 의해 설명될 것이다.

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 기기용 회전자 위치 인코더의 구조에 관한 것으로, 대표적인 실시예로서 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 기기는 6개의 고정자극(101)과 4 개의 회전자극(102)을 구비하고 있다. 이와 같이, 상기 장치는 3상 기기이다. 도 1에 도시된 바와 같은 코딩된 디스크는 회전자와 동축으로 장착되고 코딩된 디스크 톱니에 의해 한정된 마크와 간격을 감지하기 위한 단일 센서가 설치되어 있다. 이 센서는 홀 효과 센서 또는 광학 센서 또는 커패시턴스 또는 인덕턴스 센서와 같은 어떤 다른 형태의 센서일 수 있다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 톱니(1a)는 반복되는 6 개의 톱니 패턴으로배열되고, 넓은 톱니를 신호 "1"을 발생시키는 것으로, 예를 들어 긴 마크 : 간격 비로 취급하고, 높은 톱니를 신호 "0"을 발생시키는 것으로, 예를 들어 짧은 마크 : 간격비로 취급하여, 6 개의 톱니 패턴은 이진 코드 :110010으로 표현될 수 있다.

톱니 모양의 패턴은 디스크가 센서(2)를 지나 반시계 방향으로 회전할 때 상기 2진 코드를 발생시키기 위해 시계 방향으로 진행한다.

코딩된 디스크로부터의 RPT 신호가, 예를 들면 제어 시스템이 구현되는 ASIC( Application specific integrated circuit)에 공급된다. 2 개의 상승 에지 사이의 긴 마크 : 간격비에 대해 신호 "1"이 제공되고, 짧은 마크 : 간격비에 대해서는 신호 "0"이 제공된다. 각각의 값은 수신된 코드의 히스토리가 전개되도록 하기 위해 차례로 시프트 레지스터에 배치된다. RPT 디스크는 위상 스위칭을 정확하게 제어하기 위해 회전자와 정렬된다. 디스크의 역회전에 대응하는 신호를 판독하고자 하는 경우, 상기 신호는 단지 반전되어, 결국 ASIC는 동일 방식으로 디스크를 판독할 수 있고 단순 동작으로 양쪽 방향의 회전에 대해 동일 패턴을 수용할 수 있다.

단일 센서의 출력은, 도 3에 도시된 바와 같이 순방향(시계 반대 방향으로) 및 역방향(시계 방향)으로 동작하는 모터에 대하여 펄스 폭 변조 신호의 형태를 갖는다.

신호의 상승 에지는 0 내지 5로 번호가 부여된다. 연속적인 상승 에지간의 영역은 유사하게 0 내지 5로 번호가 부여되고, 영역 0은 상승 에지 0 과 1 사이의 영역으로 한정된다. 전술된 바와 같이, 각각의 영역 내에서, 마크 대 간격비는 이진 코드 1 또는 0 으로 한정된다.

각각의 위상이 위상 주기의 50% 이상에서 가동되는 종래의 쵸핑 모드에서 기기를 동작하고자 하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 근접 세트의 영역은 적절한 여자(勵磁) 각도를 규정한다.

상기 언급한 바와 같이, 이진 코드의 최후 6 비트는 시프트 레지스터에 저장되고, 시프트 레지스터에는 전류 영역을 지정하는 고유 6 비트가 저장되어 있다는 것을 이하의 표 1a 및 표 1b로부터 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 전술된 구조(scheme)에 따라 이진 코드가 전류의 영역 번호 0에 해당한 경우, 코드의 최후 6비트는 110010 일 것이다. 이와 같이, 고유 16 진수 또는 10 진수가 수신된 코드의 값에 따라 각각의 영역에 부여될 수 있다. 순방향 및 역방향 모터 구성에서 각각의 위상 A, B, C에 대한 포지티브 토크 위상 가동 주기가 또한 도시된다("1"은 가동 위상, "0"은 비가동 위상으로 지정).

센서 신호를 디코딩하는 방법을 도 4a, 도 4b 및 도 4c를 참조하여 설명하고 있다. 센서 신호는 RPT_R로 명세서 상에서 언급되는 동일 간격으로 이격된 상승 에지를 포함한다. RPT 신호(4)는 공지된 구성의 업/다운 카운터(5)에 입력되는데, 그 구성은 RPT 신호(4)가 하이일 경우 카운트업되도록 배치되고, 반대로 RPT 신호가 로우일 경우에는 카운트 다운되도록 배치된다. 업/다운 카운터(5)가 RPT 신호(4)가 하이인 경우 카운트업하여 하이 신호가 로우 신호보다 길다면, 카운터는 다음 상승 에지가 수신되기 전에는 제로에 도달하지 않을 것이다(도 4b). 하이 신호 주기가 로우 신호 주기보다 짧다면, 카운터는 다음 상승 에지에서 제로가 될 것이다(도 4c).

또한, 카운터는 출력 단자, 즉 단자 카운트를 나타내는 TC를 포함한다. 종래 기술에서와 같이, TC는 카운트의 최대 카운트에 도달하여 TC가 하이 상태가 될 때까지 카운터가 카운트업 상태일 동안에는 로우 상태를 유지한다. 반대로, 카운터가 카운트 다운일 경우에는, TC는 카운터가 제로에 도달하여 TC가 하이 상태가 될 때까지 로우 상태를 유지한다. 따라서, 도 4b 및 도 4c 에서 알 수 있듯이, TC는 상승 에지 사이에서 센서 신호의 마크 대 간격비가 1 이하인 경우에만 하이 상태가된다. 그러므로, 역의 TC는 센서 신호의 마크 대 간격비에 대하여 적절한 이진수를 제공한다. 디코딩된 신호가 6 비트 시프트 레지스터(이하에서 기술됨)에 입력되는데, 이 시프트 레지스터는 센서 신호의 각각의 상승 에지에서 오른쪽으로 1 비트 시프트한다.

도 5를 참조하면, 시프트 레지스터(10) 내의 워드는 회전자 위치를 결정하는 내부 발생된 워드와 비교된다.

상기 기술된 것처럼 처리되는 센서의 출력은 6 비트 시프트 레지스터(10)에 입력된다. 시프트 레지스터(10)는 각각의 RPT 신호 상승 에지 RPT_R 상에서 오른쪽으로 1 비트를 시프트시킨다. 항상 시프트 레지스터의 내용은 DECODE로 공지된 고유 워드를 형성한다. 6 개의 DECODE가 있는데, 각각은 상기 표 1a 및 표 1b에 도시된 6 개의 가능한 영역 중 하나의 영역에 해당하고, 그것 중 하나의 DECODE만이 언제든지 나타내어질 수 있다.

내부 발생된 코드는 제2 시프트 레지스터(11)에 저장되어 유지될 수 있다. 정상적인 동작 하에서, 내부 발생된 코드는 각각의 RPT 상승 에지 RPT_R 상에서 1비트 오른쪽으로 시프트된다. 또한, 시프트 레지스터(11)의 내용은 항상 CODE로 공지된 고유 워드를 형성한다. 6 개의 CODE가 있는데, 각각은 시프트 레지스터(10)내의 유효 DECODE에 해당한다. 각각의 CODE 비트는 DECODE의 적절한 비트와 비교되어 CODE 및 DECODE의 동일 여부를 결정한다. 이러한 비교는 비교기(12a 내지 12f)로 수행되는데, 이러한 비교는 각각의 시프트 레지스터(10, 11)의 각각의 비트에 대하여 하나의 비교기에 의해 수행된다. 비교기(12a 내지 12f)의 출력은 게이트(13)에입력되고, 모든 6개 비트가 일치한 경우 논리 1을 출력한다. 만일 CODE 및 DECODE 가 일치되지 않는 경우, 코드 시프트 레지스터(11)는 병렬 로드 입력(18)을 사용하는 최후의 DECODE로 재로딩될 수 있다.

도 5는 또한 OR 게이트(14, 15) 및 LOCK1 및 LOCK2 신호(16, 17)를 도시하고 있다. 정상적인 동작 동안에, LOCK1 및 LOCK2는 로우 상태이다. LOCK 신호들의 사용은 이제 이하에서 기술될 것이다.

CODE 시프트 레지스터(11)의 로딩은 표 2에서 더욱 상세히 도시될 것이다. 신호 상승 에지 RPT_R에 의해 초기화된 시프트 신호 또는 불일치의 경우 정정 DECODE의 재로딩에 의해 초기화된 병렬 로드 신호가 존재하지 않는 경우, 시프트 레지스터는 적절한 명령이 수신될 때까지 기존 상태를 계속 유지한다. 병렬 로드 신호가 불일치시에 수신되면, 적절한 DECODE가 재로딩된다. 시프트 펄스가 RPT 상승 에지 RPT_R 상에 수신되는 경우, CODE 시프트 레지스터(11)는 오른쪽으로 1 비트 시프트한다. 시프트 신호 및 병렬 로드 신호 모두가 수신되는 경우, 병렬 로드 신호는 오버라이드하고 CODE 시프트 레지스터(11)는 정정 DECODE로 재로딩된다.

전술된 시스템에 의해 코딩된 디스크의 이동을 해석하고 기기의 위상 주기에 연관된 신호를 생성할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 전술된 시스템은코딩된 디스크 신호에서 두 상승 에지간의 주기와 같은 분해능을 발생시킨다. 시스템은 "패시트 제어(facet control)"를 도입함으로써 최고도의 분해능이 가능하도록 더 개선될 수 있다. 단순화된 시스템에서, 소정의 위상에 대한 회전자의 위치의 보간(interpolation)은 한 위상 주기 내에서 제로와 최대값 사이에서 카운트되도록 설정된 업 카운트의 카운트 값으로부터 유도될 수 있으며, 카운터는 각각의 주기의 개시점에서 리셋된다. 카운트는 앵글 램프(angle ramp)로 간주되는데, 앵글 램프는 판독되어 중간 포인트에서 회전자의 위치를 설정하게 된다. 회전자가 주기의 개시점에서 검출된 일정 속도로 회전을 계속하는 경우, 카운터가 주기의 단부에서 최대 값에 도달하도록, 카운팅율은 각각의 위상 주기의 개시점에서 설정된다.

패시트 제어의 아이디어는, 위상 주기의 단부에서 보통 리셋되어 위상 주기간에 자유 작동하게 되는 표준 앵글 램프가 패시트로 세분되게 한다는 것이다. 속도가 사이클의 스타트에서의 회전자 속도에 의존하는 자유 작동의 앵글 램프의 문제는, 전기적인 사이클의 단부에 의하여 회전자의 속도가 변화되고, 램프가 너무 고속으로 동작하여 소정의 단부 포인트를 오버슈트(overshoot)하거나 또는 너무 느리게 동작하여 언더슈트(undershoot) 한다는 점이다. 이러한 문제로 인해 각도(angle) 제어 시스템 내에서 에러를 발생시키고 파이어링 각도(firing angle)를 잘못된 위치에 정하게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 서브 섹션의 단부에서 또는 램프의 "패시트(facet)"에서 카운터 및 램프율을 리셋하고 다시 개시함으로써, 패시트 제어는 이러한 문제점을 극복할 수 있다. 이러한 각각의 보다 짧은 램프가 결합하여 하나의 램프를 생성하게 된다. 단일 헤드 시스템은 RPT 신호의 상승 에지간의 이격 거리가 동등하기 때문에 이러한 형태의 제어에 적당하다. 각각의 상승 에지는 위상 주기마다 6 개의 패시트를 갖도록 카운터를 리셋시킨다. 도 6은 3 개의 패시트의 단순화된 도면을 도시하고 있다. 도 6에서 알 수 있듯이, 각각의 패시트내에서 램프율이 회전자 속도 변동으로 너무 빠르거나 또는 너무 느리게 되어도, 램프가 각각의 패시트에서 정정되기 때문에, 각도 제어 시스템에 최고도의 정밀도를 제공할 수 있다.

도 7을 참조하면, 시스템의 제어에 관한 양상이 더욱 상세히 도시되어 있다:

(a) RPT 출력 신호 및 대응되는 이진 코드를 도시한다.

(b) 반복 RPT 코드의 한 비트와 각각 동일한 6 개의 고유 영역으로 분리된 신호를 도시한다.

(c) 각각의 위상 A, B 및 C에 대한 앵글 램프를 도시한다. 예를 들면, 위상 A의 한 사이클은 6개의 패시트로 분리된다. 이하에서 더욱 상세히 논의되겠지만, 업 카운터는 최대 값 N=192로 카운트되도록 배열되고, 각각의 패시트는 N/6=32의 카운트에 해당한다. 앵글 카운트는 16진수로 표시되어 도면에 도시된다.

(d) 위상 A 권선에 전류를 인가한 하나의 가능한 구조를 도시한다. 도시된 예에서, 전류가 사이클의 후반부에 인가되는 단순한 경우가 도시된다.

(e)에는 대응하는 인덕턴스 프로파일이 도시된다. 시스템이 최소 인덕턴스의 포인트에 있고 최대 인덕턴스의 포인트에서 스위치 오프될 때 전류가 인가된다는 것을 알 수 있을 것이다. 더욱 정교한 위상 여자에 대한 접근이 이하에서 설명될것이다.

(f) 및 (g)는 (c) 내지 (e)에 도시된 순방향 모터링 구성에 대항하여, 순방향 발생에 대한 위상 가동 및 앵글 램프 파형을 도시한다.

이러한 시스템에서 다음과 같은 정보가 유효하다.

1. 회전자 위치는 코딩된 디스크로부터 신호를 검사하여 영역 내에 그 위치를 설정함으로써 제1 분해능으로 유도될 수 있다.

2. 위치는 패시트 내의 앵글 카운트로부터 유도되어 회전자의 증분 위치를 나타내는 보다 높은 분해능을 제공할 수 있다.

도 8은 정보를 결합하고 그 정보를 적절한 파이어링 제어 시스템에 전송하는 바람직한 방법을 나타내는 블록도이다.

RPT 정보는 전술된 바와 같이 단계 20에서 코딩된 디스크로부터 유도될 수 있다. 상승 에지 검출기는 단계 21에서 상승 에지 펄스 RPT_R을 발생시키고 톱니 길이 검출기(예를 들어 도 4a, 4b 및 4c를 참조하여 설명된 업/다운 카운터)는 단계 22에서 하이 또는 로우 신호를 출력한다. 대응하는 이진 비트는 단계 23에서 시프트 레지스터에 입력되고, 시프트 레지스터는 각각의 RPT_R에서 시프트된다. 고유 DECODE는 표 2를 참조하여 전술된 바와 같이 단계 24에서 유도되고 DECODE와 내부 발생된 CODE간의 비교는 단계 25에서 수행된다. 이러한 점에서, 제어 시스템은 어떤 여자(勵磁) 방법이 위상 권선을 여자시키는데 적용되는지를 공지된 기술에 따라 결정한다. 도 8은 여자가 전류의 블록 형태(도 7에 관련하여 설명된 바와 같이) 이거나 또는 "각도 제어" 모드인 2 가지 선택을 도시하고 있다.

도 9를 참조하면, 우선은 각각의 위상에 대하여 어떠한 파이어링 구조가 바람직한지를 규정한다; 즉, 포지티브 토크가 소정의 방향에 있는 위상 주기의 일부가 규정된다. 도 9에서, (a)는 RPT 코드(순방향)를 나타내고 (b)는 대응하는 영역 번호를 나타낸다. (c), (d) 및 (e)에서 각각의 위상은 6 개의 섹터로 분리되고, 각각의 섹터는 RPT 코드의 한 영역과 길이면에서 동일하다. 섹터 0의 위치는 선택되어 포지티브 토크 생성 영역으로부터 네거티브 토크 생성 영역으로의 전이를 개시하게 된다. 위상 주기 내의 섹터에는 0부터 5까지 순차적으로 라벨이 붙여진다. 특정한 상황에서만 RPT 신호 영역의 번호 매김이 위상 주기 섹터의 번호 매김에 상응한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이하의 설명은 순방향 모터링 상태와 주로 연관이 있지만, 순방향 발생, 역방향 모터링 및 역방향 발생 구조는 도 9의 (f)∼(h) 및 도 10의 (a)∼(h)에 도시된 바와 같은 유사한 방법으로 동작 가능하다는 것을 인식할 수 있을 것이다.

소정의 영역에 대응하는 각각의 위상에 대한 섹터 번호는 각각의 4분면 동작(순방향 모터링, 순방향 발생, 역방향 모터링, 역방향 발생)에 대하여 유도될 수 있다. 섹터 번호(이진수로 표시됨)는 적절한 영역에 매핑된다. 순방향 모터링에 대한 예에서, 영역 0은 위상 A에 대하여 섹터 0(000)을 갖고, 위상 B에 대해서는 섹터 4(100)를 갖고 위상 C에 대해서는 섹터 2(010)를 가지며, 이들 값은 영역 0에 매핑된다. 매핑은 도 11에 도시되며, 각각의 섹터 번호는 이진수로 표시된 영역 번호에 대응한다.

전술된 바와 같이, 대응하는 패시트 카운트와 섹터 번호를 결합시키는 것이필요하다. 각각의 패시트 카운트는 192/6=32의 최대 값을 가질 때, 5개 자리 이진수, 즉 5 비트 이진수로 표시될 수 있다. 부가하여, 소정 영역에 대응하는 섹터 번호는 3 비트 이진수로 표시될 수 있다. 따라서, 이러한 섹터 번호는 8 비트 이진수로 결합되고, 3 비트 이진수 섹터 번호는 8 비트로 된 상부 3 개의 최상위 비트(MSB's)를 형성한다. 이것은 도 8에 더욱 상세히 도시되어 있다. 도 8에서, 단계 25로부터 정확하게 일치된 DECODE는 도 11에 도시된 것과 같은 표에서 판독되는 영역 번호를 생성시킴으로써, 단계 26에서 소정의 4분면 동작에서 각각의 위상에 대하여 3 비트 이진 섹터 번호를 얻을 수 있게 된다.

또 다시, 도 8을 참조하면, 대응하는 패시트 내의 카운트수는 5 비트 제공 단계 27에서 연속 발생된다. 모든 위상에 공통인 5 비트와 함께 각각의 위상에 대한 3 비트는 단계 28a, 28b 및 28c에서 각각의 위상에 대하여 고유 워드가 발생되도록 각각의 위상에 결합된다. 각 위상에 대한 3 비트 코드가 각 RPT 신호 상승 에지 RPT_R에서 변화하고, 5 비트 카운트가 업 카운터의 각각의 카운트에서 증가할 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 임의의 단계에서, 8 비트는 회전자가 어느 섹터에 있는지를 나타내고 그 섹터를 통해 회전자가 얼마만큼 진행했는지를 나타내어, 회전자의 위치의 높은 분해능 표시를 제공하게 된다. 그후, 8 비트는 소정의 파이어링 각도를 나타내는 8비트(도시되지 않음)와 비교되고, 매치(match)의 기록시 대응하는 위상은 적절한 때에 가동 또는 비가동된다.

예를 들어 도 11에서와 같이 모든 정보를 단순 저장하고 소정의 4분면, 영역 및 위상에 대한 적절한 수를 판독함으로써, 요구되는 섹터를 식별할 수 있는 3비트를 얻을 수 있게 된다. 그러나, 이것은 저장 측면에서 낭비적이고 필요한 논리의 견지에서 비용이 많이 든다. 3 비트를 얻는 바람직한 실시예는 도 11, 도 12(a) 및 도 12(b)를 참조하여 설명될 것이다. 섹터수를 나타내고 8 비트로 된 3 개의 MSB's를 형성하는 3 비트의 각각의 번호는 도 12(a)에 도시된 바와 같이 7, 6 및 5로 번호가 매겨진 비트일 수 있다. 3 비트 섹터 번호는 각각의 비트가 로우일 때를 식별함으로써 각각의 영역에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도 12(a)에 도시된 바와 같이, 순방향 모터링에 대해, 비트 7은 영역 0, 1, 2 및 3에서 로우 상태이고, 비트 6은 영역 0, 1, 4 및 5에서 로우 상태이고 비트 5는 영역 0, 2 및 4에서 로우 상태이다. 모든 4 개의 사분면의 동작에 대해 도 12(a)에서 유도된 전체의 표로부터 알 수 있을 것이다. 예를 들어 모터링 동작에 대하여, 위상 B에 대한 비트 7은 방향이 변할 때 변화되지 않는 반면에, 위상 A 및 C에 대한 패턴은 방향이 변하면 변화하게 된다. 비트 6에 대해서도 비트 7과 동일하다. 비트 5 패턴은 변화되지 않는다. 검사에 의하면, 발생하는 동안 동일 패턴을 유지한다. 이것은 모든 요구 정보를 8개의 패턴만을 저장함으로써 유지될 수 있다. 이것은 도 12(b)에 도시되어 있고 저장 및 논리 요구 조건을 상당히 감소시킨다. 특히, 영역 번호 및 4 분면의 동작을 고려해 볼 때, 각 비트 5, 6 및 7의 값은 도 12(b)의 표로부터 결정될 수 있다.

도 8은 헤드 액티브 신호가 단계 29에서 생성되는 저속도 동작의 다른 모드를 도시하고 있다. 동일한 패시트 정보가 사용될 수 있지만, 전류의 "블록"이 완료 영역 상에(예를 들어, 도 7(d)에 도시된 바와 같이) 사용된다는 사실에 의해 단순화되고 램프 생성 시스템은 필요하지 않다.

헤드 제어에서, 시스템은 도 13에 도시된 바와 같이 CODE_0 내지 CODE_5 신호에 의해 직접 동작될 수 있다. 이러한 신호는 회전자가 영역 0 내지 5 중 어떤 영역에 있을 때를 나타내는데 단순하게 사용된다. 3 개의 연속 영역이 액티브 신호에 대응하는 도 7(d) 및 도 13(a)에 도시된 활성화 구조에 관한 공지된 "

위상"에서, CODE_0 내지 CODE_5 신호는 모두 단순 결합되어 각각의 위상에 대하여 한 신호를 생성하게 된다. 예를 들어, 순방향 모터링 동안에, 위상 A에 대한 액티브 신호는 영역 3, 4 및 5 동안에 하이 상태이므로 CODE_3 내지 CODE_5 신호는 모두 결합되어 활성화 신호를 제공하게 된다. 역방향으로 진행하기 위해, 위상 A 및 C는 단순하게 스와핑된다.

다른 활성화 구조가 예상될 수 있는데, 예를 들어

전류 동작이 요구될 때(도 13의 (b)를 참조) CODE_3 및 _4 신호가 결합되고,

전류 동작이 요구될 때(도 13의 (c)를 참조) CODE_4 및 _5 신호가 결합될 수 있다. 이러한 것은 단순 게이팅에 의해 액티브 신호 각각의 제3 섹터 또는 제1 섹터를 억제하여 이루어질 수 있다. 도 13의 (d)는 중간의 제3 전류 동작을 도시하고 있다.

구동을 개시하기 위해, 회전자는 소정의 위상 등을 여자시킴으로써 소정의 위치로 끌어 당긴다. 회전자가 정확한 위치에 있으면, RPT를 회전자의 물리적인 위치와 동기화하도록 RPT 회로는 소정의 상태로 설정된다.

이러한 회로 설정은 당업자에게 알려진 두-위치 폐쇄 루틴의 형태로 이루어져 회전자가 기대 위치에 배치되도록 할 수 있다. 순방향 모터링 내의 영역 3에서의 모든 폐쇄 루틴의 제1 시스템에서, 위상 A 및 C는 온되고 위상 B는 오프된다. 폐쇄 사이클의 후반부는 위상 A가 온되고 위상 B 및 C가 오프되는 영역 4로 폐쇄된다. 이것은 도 5에 도시된 LOCK1 및 LOCK2의 사용으로 수행된다. 이와 같이, 안전 폐쇄 및 보증된 정확한 개시 위치가 제공된다. RPT가 하이이면 개시중인 시프트 레지스터가 두번 클록될 필요가 있고 RPT가 로우이면 한번 클록될 필요가 있다는 사실을 이 시스템은 이용한다. 이것을 달성하기 위해서, 적절한 영역은 디코드와 내부 발생된 코드 섹션과 비교하여 인위적으로 하이로 설정되고, 시프트 레지스터는 병렬 로딩된다. 이것은 시스템을 통해 리플을 발생시키고 헤드 위상 액티브 신호가 생성된다.

비록 상기 설명이 4 분면 동작(순방향 모터링, 순방향 발생, 역방향 모터링, 역방향 발생)으로 이루어졌을 지라도, 이중의 4분면 동작(예를 들어, 순방향 및 역방향 모터링만)에 대해 사용될 수도 있다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 이것은 발생 파형의 관련 규정 및 도 11 및 12에 도시된 표의 일부를 제거(또는 무시)함으로써, 그리고 이와 유사하게 내부 모터링 또는 발생 신호를 제거함으로써 수행된다.

또한, 예시적인 실시예는 3 상을 갖는 기기에 관한 것이다. 본 발명은 단지 상이한 길이의 위상 인덕턴스 주기에 주의하여 적절하게 조절함으로써 상이한 위상 수를 갖는 기기에 동일하게 적용될 수 있다.

상기 설명된 예시적인 실시예에 관련하여 본 발명을 설명할 때, 당업자들은 본 발명의 기술적 범주 및 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 많은 변경이 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 본 발명은 고정자가 기기의 중앙에 있고 회전자가 고정자 주위를 회전하도록 배치되는 반전 기기에 적용될 수 있다. 따라서, 예로서 몇몇 실시예가 설명되고, 실시예는 본 발명을 한정하는데 그 목적이 있지 않다. 본 발명은 이하의 특허 청구 범위 및 사상에 의해서만 제한된다.

본 발명은 단순화된 논리를 사용하여 높은 분해능 회전자 위치 인코딩을 제공한다.

Claims (21)

1. 회전자 및 고정자를 구비하는 전기 기기용 회전자 위치 인코더에 있어서,

   상기 회전자와 함께 회전하도록 장착 가능한 특징부 세트를 한정하는 부재와;

   상기 특징부에 의해 영향을 받도록 배치되어 상기 회전자의 위치를 나타내는 제1 분해능으로 제1 순환 센서 출력 신호를 생성하는 센서와;

   상기 제1 센서 출력 신호의 각 사이클에서 복수의 포인트에 의해 인에이블되도록 배치되어 상기 센서 출력 신호의 사이클 내의 회전자의 증분 위치를 나타내는 제2의 보다 높은 분해능으로 제2 장치 출력 신호를 생성하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 인코더.
2. 제1항에 있어서, 상기 특징부는 상기 센서에 영향을 미치기 위한 마아크/간격비를 한정하고, 상기 각각의 마크/간격비는 2 개의 소정의 값 중 하나의 값을 갖는 것인 회전자 위치 인코더.
3. 제2항에 있어서, 간격과 마크 간의 전이(transition)는 센서 에지를 한정하고, 상기 장치는 각각의 센서 에지에서 인에이블되는 것인 회전자 위치 인코더.
4. 제3항에 있어서, 상기 센서 에지는 균일하게 이격되어 있는 것인 회전자 위치 인코더.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 출력 신호를 나타내는 값을 수신하도록 배열된 제1 시프트 레지스터를 포함하는 것인 회전자 위치 인코더.
6. 제5항에 있어서, 내부 발생된 값을 수신하여 상기 제1 시프트 레지스터 내의 값과 비교하도록 배열된 제2 시프트 레지스터를 포함하는 것인 회전자 위치 인코더.
7. 제1항에 있어서, 상기 회전자 위치를 나타내는 결합된 값을 제공하기 위해, 상기 제1 출력 신호를 나타내는 값과 상기 제2 출력 신호를 나타내는 값을 결합시키는 수단을 포함하는 것인 회전자 위치 인코더.
8. 제7항에 있어서, 상기 회전자 위치를 나타내는 이진수를 제공하기 위해, 상기 제1 출력 신호를 나타내는 제1 이진수 및 상기 제2 출력 신호를 나타내는 제2 이진수를 발생시켜, 상기 제1 및 제2 이진수를 결합시키는 수단을 포함하는 것인 회전자 위치 인코더.
9. 제7항에 있어서, 다중 위상 전기 기기에서 상기 제1 출력 신호를 나타내는 값은 상기 기기 위상에 따라 선택되며, 상기 제2 출력 신호를 나타내는 값은 모든기기 위상에 공통적인 것인 회전자 위치 인코더.
10. 제1항에서 청구된 회전자 위치 인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 기기.
11. 회전자 및 고정자를 구비하는 전기 기기 내의 회전자의 위치를 인코딩하는 방법에 있어서,

    특징부 세트는 회전자와 함께 회전하고 센서에 영향을 미치며;

    상기 센서는 상기 회전자 위치를 나타내는 제1 분해능으로 제1 순환 센서 출력 신호를 생성하고;

    카운터는 상기 제1 센서 출력 신호의 각각의 사이클 내의 복수의 포인트에 의해 인에이블되어 상기 센서 출력 신호의 사이클 내에서 증분 회전자 위치를 나타내는 제2 출력 카운터 출력 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 인코딩 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1 출력 신호는 이진수로 복조되고, 그 이진수는 시프트 레지스터에 저장되는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 제1 시프트 레지스터 내의 이진수와 제2 시프트 레지스터 내의 내부적으로 발생된 이진수를 비교하여 상기 시프트 레지스터 내의 이진수의 유효성을 설정하는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
14. 제11항에 있어서, 상기 제1 출력 신호를 나타내는 값과 상기 제2 출력 신호를 나타내는 값을 결합하여 상기 회전자 위치를 나타내는 결합된 값을 제공하는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1 출력 신호를 나타내는 제1 이진수와 상기 제2 출력 신호를 나타내는 제2 이진수가 발생되며, 상기 제1 및 제2 이진수가 결합되어 상기 회전자 위치를 나타내는 값을 생성하는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
16. 제15항에 있어서, 다중 위상 전기 기기에서 제1 이진수는 각각의 위상에 대하여 발생되고 모든 위상에 공통적인 제2 이진수와 결합되는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 결합된 값은 앵글 파이어링 제어기(angle firing controller) 내의 소정의 값과 비교되고, 전기 기기 내의 위상 권선은 일치시 가동 또는 비가동되는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
18. 제11항에 있어서, 다중 위상 전기 기기에서 상기 제1 출력 신호는 상기 회전자 위치를 나타내는 위치값을 나타내고, 각각의 위상에 대하여 대응하는 위상-특정값은 상기 기기 동작의 하나 이상의 소정의 모드 각각에 대하여 규정되며, 동작 모드에 대한 위상 권선은 그 모드에 대한 각각의 상기 위상-특정 값에 따라 가동 또는 비가동될 수 있는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
19. 제18항에 있어서, 상기 위상-특정값은 동작 모드와 위상을 상관시킴으로써 유도되는 N-비트 이진수로 나타내어지고, 이것은 상기 N-비트 이진수 내의 비트들이 각각의 위치값에 대하여 소정의 상태에 있는 것과 동일하며, 상기 N-비트 이진 수는 위상, 모드 및 위치값 정보가 주어진 표에 의거하여 구성되는 것인 회전자 위치 인코딩 방법.
20. 고정자 권선을 갖는 고정자와 회전자를 구비한 전기 기기를 제어하는 방법에 있어서, 센서는 각각의 특징부가 그 센서를 지날때 회전자와 함께 회전하는 특징부의 특성을 감지하며, 상기 특징부의 특성은 코딩된 시퀀스에서 각각의 특징부에 대하여 다르고, 상기 센서는 상기 코딩된 시퀀스에 대응하는 출력 신호를 생성하고 회전자 위치를 나타내며, 상기 출력 신호는 상기 회전자 위치를 나타내는 코드 블록으로 변환시키는 수단에 의해 변환되고, 복수의 연속 코드 블록은 소정의 방법으로 결합되어 상기 고정자 권선의 가동을 제어하는 제어 신호가 생성되게 하는 것을 특징으로 하는 전기 기기 제어 방법.
21. 제20항에 있어서, 상기 전기 기기는 다중 위상 기기이고 상기 코드 블록은상기 제어 신호가 인가되는 위상에 따라 소정의 방법으로 결합되는 것인 전기 기기제어 방법.

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