KR100751037B1 - 전기 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법과, 전기 모터를제어하기 위한 시스템 및 전기 모터 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 로터가 초기 위치와 다음 위치 사이에 있는 동안 제1시간 주기를 카운팅하는 단계와, 상기 로터가 상기 다음 위치를 통과하는 동안 상기 제1시간 주기에 이어지는 제2시간 주기를 카운팅하는 단계를 구비하여 이루어지는, 3상 인버터 브리지(5)를 구비하여 구성되는 로터를 구비한 전기 모터(10), 특히 제어 시스템에 의해 전기적으로 가동되는 영구자석 모터를 제어 및 보호하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 로터가 초기 위치와 다음 위치 사이에 있는 동안 제1시간 주기를 카운팅하는 단계와, 상기 로터가 상기 다음 위치를 통과하는 동안 상기 제1시간 주기에 이어지는 제2시간 주기를 카운팅하는 단계를 수행할 수 있는 카운터와 연관되어, 시간의 함수로 로터의 위치를 분석할 수 있는 마이크로제어기를 더 구비하는 로터를 구비한 전기 모터(10), 특히 3상 인버터 브리지(5)를 구비하여 구성된 영구자석 모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템에 관한 것이다. 한편, 전기 모터 제어 시스템(1)은 제어 시스템(2)을 구비하여 구성된다.

Description

전기 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법과, 전기 모터를 제어하기 위한 시스템 및 전기 모터 시스템{A METHOD FOR CONTROLLING AND PROTECTING ELECTRIC MOTORS, A SYSTEM FOR CONTROLLING ELECTRIC MOTORS AND AN ELECTRIC MOTOR SYSTEM}

본 발명은 전기 모터, 특히 제어 시스템에 의한 정밀 제어 가동을 위해서, 축에 물리적으로 접착된 위치 검출기를 사용하거나 자석에 의해 코일에 유도된 응력을 통해서 로터의 위치를 감시하는데 필요로 되는 3상 인버터 브리지를 구비하여 구성되는 제어 시스템에 의해 전기적으로 가동되는 영구자석 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기 모터를 제어하기 위한 시스템 및 전기 모터 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 목적은, 전류 검출기에 의해 검출될 수 없고 상기 인버터 브리지의 스위치를 손상시키는 이외에 로터 자석의 자동-소자(auto-demagnetization)를 일으킬 수 있는 고전류가 생성되게 하는 부적당한 시간에는 3상 인버터 브리지의 하나 이상의 스위치가 가동되지 않게 하는 것을 목적으로 한다.

로터 위치의 검출이 영구자석 모터의 가동에 필요하다.

종래 기술에 따르면, 이러한 검출은 로터에 물리적으로 연결된 센서("hall" 광학 타입 등과 같은)를 통해서, 또는 브라질 특허번호 제PI 8805485에 개시된 바와 같이 모터 코일에 유도된 전압을 관찰함으로써 달성될 수 있는데, 이러한 방법에 있어서 제어는 매시간 가동되는 모터의 위상을 정확하게 선택할 수 있다.

이하 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 정상적으로 동작될 때의 제어유닛은 위치 검출기 및 전류 보호 검출기의 입력을 분석하므로, 설정된 테이블에 따라서 각 출력을 가동시킨다. 그런데, 위치 검출기가 고장나면, 3상 인버터 브리지의 하나 이상의 스위치가 부적절하게 가동되고, 그 결과 전류 검출기에 의해 검출되지 않는 고전류를 생성하게 된다. 따라서, 모터 자석의 자동-소자 및 3상 인버터 브리지 스위치의 손상으로 귀결된다.

공지된 바와 같이, 자석의 소자는 모터를 스타트시키기 어렵게 만들며, 출력을 감소시키고 모터를 가열시키므로, 모든 경우에 있어서 해결되어야 만 한다.

본 발명의 또 다른 종래 기술에 따르면, 모터 자석의 자동-소자를 방지하기 위해 다음의 조치가 채용되는데, 자석 두께를 증가시킨 보다 강력한 모터의 설계는 자석의 크기를 증가시키므로 현저하게 비용을 증가시키게 되고, 모터의 모든 스위치 또는 모든 위상에 전류 보호 검출기를 설치하는 것은 제어 분석을 위한 다수의 검출기 및 신호에 기인하여 비용이 증가될 뿐 아니라 시스템을 복잡하게 만들며, 자동-소자에 대항하는 보호기의 단순한 제거는 모터의 인터그러티(integrity)를 고장 발생의 확률적인 가능성 아래 놓는 것으로, 시스템 뿐 아니라 제주업자의 이미지도 심각하게 손상시킬 수 있다.
전기 모터의 로터의 위치를 감시하기 위해 종래 기술로부터 알려진 기술의 하나가 미국 특허 4,532,461호 공보에 개시되어 있다. 이 솔루션은 로터의 부정확한 위치가 검출된 경우에 모터를 보호한다. 이 기술에 따르면, 위치의 시퀀스를 감시하여 이 시퀀스에 미리 정해진 시퀀스로부터의 이탈이 있는지를 측정하도록 되어 있다.
전기 모터의 로터를 감시하기 위해 사용되는 시스템에 관련된 다른 종래기술이 일본 특개평 09-261991호에 개시되어 있다. 이 문서의 개시내용에 따르면, 모터의 어떤 폴에서의 로터의 통과와 다음 폴에 의한 통과 사이의 시간은 이들 사건 사이에 경과된 시간에 의해 감시될 수 있다.

수많은 연구 후에, 동일 회전 방향으로 정상적으로 동작되고 이어질 때, 로터의 위치가 센서 내에서 갱신된 시퀀스는 항상 동일하게 되는 것이 증명되었다. 따라서, 이러한 시퀀스가 설정될 수 있고, 이에 의해 모터를 제어하기 위한 시스템의 제어 유닛이 로터의 위치가 변화되는 시퀀스를 예견할 수 있다. 모터의 회전 속도를 앎으로써, 로터의 위치가 변화될 때의 시간을 예견할 수 있다.

이러한 정보로 제어 유닛은 모터가 가동될 때 고장을 방지할 수 있으므로, 로터 자석 및 인버터 브리지 스위치의 인터그러티를 보장할 수 있다.

본 발명의 기술에 따른 제어 유닛은 적용 가능한 회전 방향을 예견하는 위치만을 항상 현재 속도에 대한 기대 시간에서 유효하게 받아들이게 된다.

바람직하게는, 이 시간을 결정할 때, 위치 변화가 발생되는 동안 최소 시간과 최대 시간을 정의하는 공차 범위가 고려될 수 있다.

본 발명은, 시스템을 보다 신뢰할 수 있게 하면서도 로터 자석을 크게 할 필요가 없고, 모터의 비용 및 복잡성을 감소시키며, 전류 보호 검출기가 단순하게 되는 점에서 종래 기술에 비해 장점을 갖는다.

이러한 장점은, 로터를 구비한 전기 모터, 특히 제어 시스템에 의해 전자적으로 가동되는 영구자석 모터를 제어 및 보호하되, 상기 전기 모터가 폴을 갖추고 있고, 상기 제어 시스템이 로터의 폴에 관한 로터의 전환 위치를 검출하는 위치검출기를 갖추도록 된 전기 모터의 제어 및 보호방법으로,
모터의 로터의 위치에 변화가 있을 때 카운팅이 시작되는 최소 기대시간이 경과되어 로터의 위치에서의 변화가 위치검출기에 의해 검출된 경우에 제어 시스템을 턴 오프시킬 때까지 위치검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계와,
최소 기대시간이 경과된 후에, 로터의 위치에서의 변화가 감지되어 상기 최소 기대시간이 경과된 후에 잇따라 카운트되는 최대 기대시간이 경과된 경우에 제어 시스템을 턴 오프시킬 때까지 위치검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계,
위치 변화가 최대 기대시간 내에 검출된 경우, 로터의 위치를 측정하여 로터에 의해 도달된 위치가 이미 예측된 정확한 위치인 경우에는 모터의 다음 위상을 가동시키거나, 또는 로터에 의해 도달된 위치가 이미 예측된 정확한 위치가 아닌 경우에는 시스템을 턴 오프시키는 단계,
1회의 완전한 턴이 도달했는지를 검출하기 위해 로터의 위치를 측정하는 단계 및,
로터의 턴이 완료된 경우, 로터의 회전속도를 독출하여 최대 및 최소 기대시간의 교정된 값을 계산하고, 그 후에 최대 기대시간이 경과될 때까지 위치검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계로부터 상기 단계들을 반복하거나, 또는
로터의 완전한 턴이 완료되지 않은 경우, 최대 기대시간이 경과될 때까지 위치검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계로부터 상기 단계들을 반복하는 단계를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 모터의 제어 및 보호방법에 의해 얻어진다.

또한, 본 발명은, 폴과 로터를 구비한 전기 모터, 특히 영구자석 모터를 위한 것으로, 3상 인버터 브리지 및 상기 모터의 폴에 관한 로터의 전환 위치를 검출하기에 알맞은 위치검출기를 갖춘 제어시스템으로,
상기 위치검출기와 결합되고, 더욱이 카운터와 결합된 마이크로제어기를 구비하여 구성되되,
상기 제어시스템이, 카운터에 의해 카운트되어 모터의 로터의 위치에 변화가 있을 때 카운팅이 시작되는 최소 기대시간이 경과될 때까지 위치검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하도록 배치되어, 상기 최소 기대시간 내에서 로터의 위치 변화가 위치검출기에 의해 검출된 경우에 턴오프되도록 되어 있고,
상기 제어시스템이, 로터의 위치에서의 변화가 감지될 때까지 위치검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하도록 배치되어, 카운터에 의해 카운트되어 상기 최소 기대시간이 경과된 후에 잇따라 카운트되는 최대 기대시간이 경과된 경우에 턴 오프되도록 되어 있으며,
상기 제어시스템이, 로터의 위치변화를 이미 예측된 정확한 위치와 비교하도록 배치되어, 로터에 의해 도달된 위치가 이미 예측된 정확한 위치가 아닌 경우에 턴 오프되도록 되어 있고,
상기 제어시스템이, 로터의 완전한 턴이 완료된 후에 로터의 회전속도를 독출하여 최대 및 최소 기대시간의 교정된 값을 계산하도록 된 것을 특징으로 하는 전기 모터 제어시스템으로서 표현된다.

도 1은 제어 시스템에 의해 전기적으로 가동되는 전기 모터 시스템의 블록도,

도 2는 3상 인버터 브리지를 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 3상 인버터 브리지 가동 테이블,

도 4는 본 발명의 기술과 통합된 전기 모터를 제어하고 보호하기 위한 방법 의 플로우챠트.

도 1 및 도 2를 참조하면, 전기 모터 시스템(1)은 정류 브리지(3)와 용량 필터(4) 및 3상 인버터 브리지(5)를 구비하여 구성되는 제어 시스템(2)과, 영구자석 로터를 구비하는 3상 모터(10), 제어 유닛(11), 위치 검출기(SA,SB,SC) 및, 전류 보호 검출기(PI)에 의해 전기적으로 가동된다.

종래 기술에서 공지된 바와 같이, 제어 유닛(11)은, 도 3에 도시된 테이블에 따라서 적절한 시간에 3상 인버터 브리지(5)의 스위치(T1 내지 T6)를 각 출력을 통해서 여자하기 위해서, 위치 검출기(SA,SB,SC) 및 전류 보호 검출기(PI)를 감시한다.

따라서, 제어 유닛(11)의 명령에 응답해서, 정상적인 시간에 3상 인버터 브리지(5)가 모터(10)의 코일에 전류를 인가하게 된다.

상기된 바와 같이, 위치 검출기(SA,SB,SC)에 소정의 고장이 발생하는 경우, 3상 인버터 브리지(5)의 하나 이상의 스위치(T1 내지 T6)가 적절히 가동하지 않을 수 있어, 모터의 자동-소자로 귀결되고 3상 인버터 브리지(5)의 스위치(T1 내지 T6)를 손상시킬 수 있는 전류 보호 검출기(PI)에 의해 검출되지 않는 고전류를 생성할 수 있다.

본 발명의 기술에 따라서, 제어 시스템(2)은 시간을 카운팅하는 연속적인 단계를 수행할 수 있는 카운터와 연관하여 시간의 함수로 로터의 위치를 분석할 수 있는 마이크로제어기(도시생략)를 포함한다. 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 이 러한 카운터는 상기 마이크로제어기의 내부 구성요소로 될 수 있다.

전기 모터(10) 로터의 위치 변화가 있을 때마다 상기 카운터는 0으로 설정되고, 제1시간 주기의 카운팅이 시작되는데, 이 시간 주기 동안 로터는 처음 위치와 다음 위치 사이에 있게 된다. 다음에, 제2시간 주기의 카운팅이 시작되는데, 이 시간 주기 동안 로터는 다음 위치를 통과하게 된다.

2개의 폴(pole)을 갖는 3상 모터에 있어서는, 도 3에 나타낸 바와 같이 로터의 6개의 기본 위치(P1 내지 P6)가 있게 되는데, 각 위치는 각각의 제2시간 주기 동안 로터에 의해 연속적으로 도달하게 된다.

상기 제1시간 주기 동안 로터가 한 위치를 통과하게 되면, 예컨대 너무 일찍 통과하거나, 상기 제2시간 주기가 경과된 후 너무 늦게 통과되면, 그 의미는 소정의 에러가 있는 것으로, 손상을 방지하여 로터 자석 및 3상 인버터 브리지의 스위치의 인터그러티를 보존하기 위해서, 상기 마이크로제어기는 제어 시스템(2)을 턴 오프시킨다.

상기 제2시간 주기 동안 로터가 정확한 위치를 통과하면, 마이크로제어기는 출력 갱신 신호를 발령하고 카운터가 다시 시작되게 하므로, 로터가 통과되는 다음 위치에 대응하는 제1 및 제2시간 주기를 카운팅하는 것을 준비한다.

물론, 상기 제2시간 주기 동안 로터가 정확하지 않은 위치를 통과하면, 그 의미는 소정의 에러가 있는 것으로, 상기 마이크로제어기는 에러신호에 의해 제어 시스템(2)을 턴 오프시킨다.

도 4는 본 발명의 예에 따른 전기 모터를 제어하고 보호하기 위한 방법의 일반적인 플로우챠트이다.
이 플로우챠트로부터 알 수 있는 바와 같이, 로터가 운전을 시작한 후에, 이 시스템은 위치검출기를 독출하는 단계를 수행하여 동일한 위치에서 경과된 시간(제2시간 주기라고도 함)이 예상되는 최대시간보다 긴 경우에 턴 오프시키도록 되어 있는 바, 상기 위치검출기를 독출하는 단계를 로터의 위치의 변화가 감지될 때까지 계속 반복해서 이 위치에서의 경과 시간이 최대 기대시간보다 길어지지 않도록 하고 있다.
이 시스템이 로터의 위치가 변화되었다는 것을 검출한 후에, 다음 단계는 로터가 정확한 위치에 도달했는지를 평가하여 도달하지 않은 경우에 시스템을 턴 오프시키고, 반면에 로터가 정확한 위치에 있는 경우에는 시스템이 모터의 다음 위상에 작용하도록 하고 있다.
이 단계 후에, 시스템은 로터의 1회의 완전한 턴(turn)이 도달했는지를 계산하도록 되어 있고, 그 경우가 발생하면 시스템은 로터의 속도를 독출하여 로터의 위치에서의 변화가 발생하는 사이에 최소 및 최대시간에 대한 새로운 값을 계산하도록 되어 있다. 카운터는 그 후에 리세트될 것이다.
로터가 완전한 턴에 도달하지 못한 경우에는, 시스템은 위치검출기를 독출하여 로터의 위치가 변화된 경우는 제어시스템을 턴 오프시키고, 로터의 위치가 변화되지 않은 경우는 시스템은 동일한 위치에서 경과된 시간이 최소 기대시간(제1시간 주기라고도 함)보다 짧은지를 측정하며, 그 결과 최소 기대시간보다 짧은 경우에는 시스템은 이 위치에서 경과된 시간이 최소 기대시간보다 길어지거나, 혹은 로터의 위치에서의 변화가 감지될 때까지 위치검출기를 독출하는 것을 계속 반복하게 된다. 동일한 위치에서 경과된 시간이 최소 기대시간보다 긴 경우에는, 시스템은 로터가 최대 기대시간(제2시간 주기)보다 긴 시간 주기동안 이 위치에서의 시간을 경과하지 않았는지를 감시하기 위해 위치검출기를 독출하는 단계로 돌아가게 된다.

본 발명의 특정 기술에 따라서, 상기 제2시간 주기는 로터가 주어진 위치를 통과하는 순간에 대한 공차를 포함한다. 실시예에서와 같이, 3000rpm으로 회전하는 2개의 폴을 갖는 3상 모터에 있어서, 로터는 1회전을 완료하는데 20ms가 걸리게 되므로, 각 위치를 통과하는 동안 3.3ms를 소모하게 된다.

상기 공차를 극복하기 위해서, 카운터에 의해 측정되는 상기 제2시간 주기는, x-50%와 x+100%의 공차를 나타내는 1.65ms(x/2)의 제1머리 범위(head range)와 정규의 3.3ms를 초과하는 6.6ms(2x)의 제2꼬리 범위(tail range)를 포함하게 된다.

상기 구현된 바람직한 실시예는 본 발명의 범위 내의 것이고, 그 밖의 가능한 변형은 가능한 등가물을 포함하는 첨부된 청구항의 내용에 의해 제한되는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (8)

1. 로터(rotor)가 구비되어진 영구자석 전기모터(10)를 제어 및 보호하기 위한 방법으로서, 전기 모터(10)는 제어 시스템(2)에 의해서 전자적으로 가동되어지며, 전기 모터(10)는 폴(pole)을 포함하고, 제어 시스템(2)은 모터의 폴에 관하여 로터의 전환위치를 검출하기 위한 위치 검출기를 포함하는, 전기모터(10)를 제어 및 보호하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은

   - 모터의 로터의 위치에 변화가 있을 때 카운트가 시작되어지는 최소 기대시간이 경과되어 로터의 위치에서의 변화가 위치 검출기에 의해서 검출되어지는 경우에 제어 시스템(2)을 턴오프(turn off) 시킬 때까지, 위치 검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계와,

   - 최소 기대시간이 경과된 이후에, 로터의 위치에서의 변화가 감지되어지고 최소 기대시간이 경과된 이후에 잇따라 카운트(count) 되어지는 최대 기대시간이 경과된 경우에 제어 시스템(2)을 턴오프(turn off) 시킬 때까지, 위치 검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계와,

   - 위치 변화가 최대 기대시간 내에 검출된 경우, 로터의 위치를 측정하고 로터에 의해 도달된 위치가 미리 예측된 정확한 위치인 경우에는 모터의 다음 위상(phase)을 가동시키며,

   - 로터에 의해 도달된 위치가 미리 예측된 정확한 위치가 아닌 경우에는 시스템을 턴오프(turn off) 시키는 단계와,

   - 1회의 완전한 턴(turn)이 도달했는지를 검출하기 위해 로터의 위치를 측정하는 단계와, 그리고,

   로터의 턴(turn)이 완료된 경우에는, 로터의 회전속도를 독출하여 최대 및 최소 기대시간의 교정된 값을 게산하며, 그 후에 최소 기대시간이 경과될 때까지 위치 검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계로부터 상기 단계들을 반복하며,

   로터의 완전한 턴(turn)이 완료되지 않은 경우에는, 최소 기대시간이 경과될 때까지 위치 검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하는 단계로부터 상기 단계들을 반복하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법
2. 제 1 항에 있어서, 최소 기대시간이 경과되기 이전에 로터(rotor)의 위치변화가 위치 검출기에 의해서 검출되어지며, 최대 기대시간이 경과된 이후에 위치변화가 위치 검출기에 의해서 검출되지 않는 경우에, 에러신호(error signal)을 발령시키는 단계를 추가적으로 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법
3. 제 2 항에 있어서, 최대 기대시간은 그 값의 절반의 제 1 머리(head) 범위 및 그 값의 2배의 제 2 꼬리(tail) 범위의 허용오차(tolerance)를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법
4. 제 2 항에 있어서, 상기 로터(rotor)가 이미 예측된 정확한 위치가 아닌 위치에 도달한 경우에, 에러 신호가 발령되어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법
5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 제어 시스템(2)은 에러 신호를 통해서 턴오프(turn off) 되어지는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 제어 및 보호하기 위한 방법
6. 3상 인버터 브리지(5) 및 모터의 폴(pole)에 관한 로터의 전환위치를 검출하기 위한 위치 검출기를 포함하며, 폴(pole)과 로터(rotor)를 구비한 영구자석 전기모터(10)를 위한 제어시스템(2)에 있어서, 상기 제어시스템(2)은

   위치 검출기와 결합되며, 나아가 카운터(counter)와 결합되어지는 마이크로제어기(microcontroller)를 포함하고,

   카운터에 의해서 카운트(count)되어지며 모터의 로터(rotor)의 위치에 변화가 있을 때 카운트가 시작되어지는 최소 기대시간이 경과되어질 때까지 제어시스템(2)은 위치 검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하도록 배치되어지며, 그리고 최소 기대시간 내에서 위치 검출기에 의해서 로터의 위치변화가 검출되어지는 경우에 제어시스템(2)은 턴오프(turn off) 되어지고,

   로터의 위치에서의 변화가 감지되어질 때까지 제어시스템(2)은 위치 검출기를 독출하는 단계를 계속해서 반복하도록 배치되어지며, 카운터에 의해서 카운트(count)되어지며 최소 기대시간이 경과한 후에 잇따라 카운트 되어지는 최대 기대시간이 경과되어지는 경우에 제어시스템(2)은 턴오프(turn off) 되어지며,

   제어시스템(2)은 로터의 위치변화를 이미 예측된 정확한 위치와 비교하도록 배치되어지며, 로터에 의해 도달된 위치가 이미 예측된 정확한 위치가 아닌 경우에 제어 시스템(2)은 턴오프(turn off) 되어지며, 그리고 로터의 완전한 턴(turn)이 완료된 이후에, 제어시스템(2)은 로터의 회전속도를 독출하기 위해 로터의 위치를 모니터(monitor)하도록 배치되어지고 최대 및 최소 기대시간의 정확한 값을 계산하도록 된 것을 특징으로 하는 전기 모터를 위한 제어시스템
7. 제 6 항에 있어서, 마이크로제어기는, 로터(rotor)가 정확한 예측 시간에서 통과된 이후에 카운터를 다시 시작하도록, 출력 갱신 신호를 발령하는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 위한 제어시스템
8. 제 7 항에 있어서, 마이크로제어기는 제어시스템(2)을 턴 오프(turn off) 하도록 에러 신호를 발령하는 것을 특징으로 하는 전기 모터를 위한 제어시스템

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