KR100793211B1

KR100793211B1 - 스위칭된 자기저항기의 위치 검출

Info

Publication number: KR100793211B1
Application number: KR1020010015598A
Authority: KR
Inventors: 메이에스피터리챠드
Original assignee: 스위치드 릴럭턴스 드라이브즈 리미티드
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2008-01-10
Also published as: US20010026139A1; JP4669622B2; JP2001298983A; CN1319945A; US6396237B2; CN1218468C; EP1139560B1; BR0101033A; EP1139560A1; DE60139099D1; GB0007422D0; KR20010090569A

Abstract

본 발명의 스위칭된 다상 자기저항기(polyphase switched reluctance machine)는 센서없는 위치 검출을 이용하는 제어 시스템에 의해 제어된다. 제어기는 성능좋고 신뢰할 수 있으며 기기의 전체의 전류 초핑(chopping) 범위에 걸쳐 동작한다. 소정의 쇄교 자속의 진단 펄스는 잔류 전류가 흐르는지의 여부와 무관하게 위상내로 주입된다.

Description

스위칭된 자기저항기의 위치 검출{POSITION DETECTION OF SWITCHED RELUCTANCE MACHINES}

도 1은 스위칭된 자기저항 드라이브 시스템의 주요 구성 요소를 도시하는 도면.

도 2는 고정자 극(stator pole)에 접근하는 회전자 극(rotator pole)의 개략도를 도시하는 도면.

도 3은 도 1의 기기의 스위칭된 위상 권선의 여자를 제어하는, 전력 컨버터 내의 일반적인 스위칭 회로를 도시하는 도면.

도 4(a) 및 도 4(b)는 초핑 및 단파 모드에서 각각 동작하는 스위칭된 자기저항 드라이브의 일반적인 전류 파형을 도시하는 도면.

도 5(a) 및 도 5(b)는 스위칭된 자기저항 드라이브의 여자로부터 발생하는 위상 전류 파형을 도시하는 도면.

도 6은 저 속도 모드에서 동작된 기기의 이상적인 인덕턴스 프로파일, 여자 영역 및 진단 영역을 도시하는 도면.

도 7은 본 발명을 포함한 스위칭된 자기저항 드라이브 시스템에 관한 개략적인 블록도.

도 8은 스위칭된 자기저항기의 위상 전류/인덕턴스 특성을 도시하는 도면.

도 9는 본 발명에서 발생하는 위상 전류 파형을 도시하는 도면.

도 10은 스위칭된 자기저항기의 회전각/전류 특성을 도시하는 도면.

도 11은 본 발명의 실시예를 도시하는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11: 전원 공급기

13; 전력 컨버터

16: 위상 권선

100: 전류 변환기

102: 모터

104; 제어기

106: 적분기

108: 룩업 테이블

본 발명은 스위칭된 자기저항기의 제어에 관한것으로, 특히 센서없이 회전자 위치를 감시하도록 동작되는 기기에 관한 것이다.

일반적으로, 자기저항기는 전기 기기이고, 그 자기저항기에서 자기 회로의 자기저항을 최소화하는 위치, 즉 여자(exciting) 권선의 인덕턴스를 최대화하는 위치로 가동하는 전기 기기의 가동 소자의 성향에 의해 토크가 생성된다. 일반적으로, 회전자 각도의 위치를 검출하고 위상 권선을 회전자 위치의 함수로써 여자시키는 회로가 제공된다. 이러한 형태의 자기저항기는 일반적으로 스위칭된 자기저항기로서 알려져 있고 모터나 발전기로서 동작될 수 있다. 상기 스위칭된 자기저항기의 특징이 잘 알려져 있고 예를 들면 1993년 6월 21∼24일 독일 누른 버그(Nurnberg)에서 개최된 PCIM'93에서 스테펜슨(Stephenson) 및 블레이크(Blake)에 의한 "스위칭된 자기저항 모터 및 드라이브의 특징, 디자인 및 응용(The Characteristics, Design and Application of Switched Reluctance Motors and Drives) "이라는 제목의 논문에 기술되어 있으며 이 논문은 본 명세서에서 참조 문헌으로 된다. 이 논문은 주기적으로 위상 권선의 인덕턴스를 변화시키는 특성을 생성하는 스위칭된 자기저항기의 특징을 상세히 기술한다.

도 1은 통상의 스위칭된 자기저항 드라이브 시스템의 주요 구성요소를 도시한다. 입력 DC 전원 공급기(11)는 배터리이거나 또는 정류될 수 있고 필터링된 AC 메인 전원일 수 있고 크기에 있어서 고정적이거나 가변적일 수 있다. 공지된 드라이브 시스템에서, 전원 공급기(11)는 영(zero)과 소정값사이에서 급속히 변화하는 DC전압을 생성하는 공진 회로를 포함하여 전원 스위치의 영 전압을 스위칭한다. 전원 공급기(11)에 의해 공급된 DC전압은 전자 제어 장치(14)의 제어 하에서 전력 컨버터(13)에 의해 모터(12)의 위상 권선(16) 양단에서 스위칭된다. 상기 스위칭은 자기저항 드라이브 시스템의 적절한 동작을 위해 회전자의 회전각에 정확히 동기화되어야 한다. 회전자 위치 검출기(15)는 통상적으로 사용되어 회전자의 각 위치를 표시하는 신호를 공급한다. 회전자 위치 검출기(15)의 출력은 또한 속도 피드백 신호를 발생시키기 위해 사용될 수 있다.

회전자 위치 검출기(15)는 다양한 형태를 가질 수 있고, 예를 들면 도 1에 개략적으로 도시되었듯이 하드웨어 형태일 수 있다. 어떤 시스템에서, 회전자 위치 검출기(15)는 회전자 위치 변환기를 포함하여 전원 컨버터(13)에서의 소자들의 스위칭 배치를 다르게 요구하는 위치로 회전자가 회전할 때마다 상태를 바꾸는 출력 신호를 제공한다. 다른 시스템에서, 위치 검출기는 드라이브 시스템의 다른 감시된 파라미터로부터 위치를 계산 또는 추정하는 소프트웨어 알고리즘일 수 있다. 이러한 시스템들은 회전자와 연관된 물리적인 변환기를 이용하지 않기 때문에 종종 "센서없는 위치 검출 시스템"으로 불리운다. 종래 기술에서 잘 알려져 있듯이, 많은 다른 해결책이 신뢰할 수 있고 센서없는 시스템에 적용된다. 이러한 해결책들은 이하에서 논의된다.

스위칭된 자기저항기에서 위상 권선의 여자화는 회전자의 각 위치의 검출에 달려있다. 이것은 모터로서 동작하는 자기저항기의 스위칭을 도시하는 도 2 및 도 3을 참조함으로써 설명될 수 있다. 도 2는 화살표(22)를 따라 고정자 극(21)에 접근하는 회전자극(20)을 도시한다. 도 2에 도시 되었듯이 완전한 위상 권선(16)의 부분(23)이 고정자 극(21) 주변에 감겨있다. 고정자 극(21) 주변의 위상 권선(16)의 부분(23)이 여자되었을 때, 힘이 회전자에 가해져서, 회전자 극(20)을 고정자 극(21)과 일렬로 끌어당긴다. 도3은 고정자 극(21) 주변의 부분(23)에 있는 위상 권선(16)의 여자화를 제어하는 전력 컨버터(13)에서의 일반적인 스위칭 회로를 도시한다. 스위치(31 및 32)가 닫혀 있을때, 위상 권선은 DC 전원에 연결되어 여자된다. 박층 형태, 권선 형태 및 스위칭 회로의 많은 다른 구성이 종래 기술에서 알려 져 있다: 이러한 것들의 일부가 상기 인용된 Stephenson & Blake 논문에서 논의된다. 스위칭된 자기저항기의 위상 권선을 상기 방법으로 여자할 때, 자기 회로에서 자속에 의해 설정된 자계는 원주력을 발생시켜, 상기 설명했듯이, 회전자 극을 고정자 극과 일렬로 끌어 당긴다.

일반적으로, 위상 권선은 여자되어 회전자의 회전을 다음과 같이 발생 시킨다. 회전자의 제1 각 위치("턴온 각", ON 으로 불리는)에서, 제어기(14)는 스위칭 신호를 제공하여 스위칭 장치(31 및 32)를 턴온 시킨다. 스위칭 소자(31 및 32)가 턴온 되었을때, 위상 권선은 DC 버스에 연결되어 증가하는 자속이 상기 기기에 설정 되도록 한다. 자속은 회전자 극에 작용하는 공극(air gap) 내에서 자계를 생성하여 감시 토크를 생성한다. 상기 기기에서의 자속은 스위치(31 및 32) 및 위상 권선(23)을 통해 DC 공급기로 부터 흐르는 전류에 의해 제공된 구동력[magneto-motive force(mmf)]에 의해 지지된다. 전류 피드백이 일반적으로 이용되고 위상 전류의 크기는 스위칭 장치(31 및/또는 32)중 하나 또는 양쪽을 급속히 on 또는 off로 스위칭하여 전류를 초핑(chopping) 함으로써 제어된다. 도 4(a)는 동작의 초핑 모드내의 일반적인 전류 파형을 도시하고, 그 도면에서 전류는 2개의 고정 레벨간에 초핑된다. 모터링 동작에서, 턴온각(ON)은 회전자상의 내부 극 공간의 중심선이 고정자 극의 중심선과 일렬로 되는 회전자 위치로 되도록 종종 선택되지만 다른 각일 수 도 있다.

많은 시스템에서, 회전자가 회전하여 "자유회전 각(freewheeling angle"; FW)에 도달할때까지 위상 권선은 DC 버스에 접속되어 있다(또는 초핑을 사용할때는 간헐적으로 접속됨). 회전자가 자유회전 각에 대응하는 각 위치(즉 도 2에 도시한 위치)에 도달할때 스위치 중 하나의 스위치(31)가 턴오프된다. 결과적으로, 위상 권선을 통하여 흐르는 전류는 계속해서 흐를 것이나, 현재에는 스위치 중에서 단지 하나의 스위치(도 3에서 32)만을 통해서 흐르고 다이오드(33/34)들 중에서 하나의 다이오드(도 3에서 34)만을 통해서 흐를 것이다. 자유회전 기간동안, 위상 권선양단의 전압강하는 적고, 자속은 거의 일정하다. 회전자가 "턴 오프 각"으로 알려진 각 위치(OFF)(즉 회전자 극의 중심선이 고정자 극의 중심선에 일렬로 될 때)로 회전 할 때까지 회로는 그러한 자유회전 조건인 채로 있다. 회전자가 턴 오프 각에 도달할 때, 스위치(31 및 32)는 턴 오프 되고 위상 권선(23)에서의 전류는 다이오드(33 및 34)를 통해 흐르기 시작한다. 그후 다이오드(33 및 34)는 반대로 DC 버스로부터 DC 전압을 인가하여, 상기 기기내에서 자속을 발생시키고 위상 전류를 감소시킨다. 다른 스위칭 각 및 다른 전류 제어 방식을 사용하는 것은 종래 기술로서 알려져 있다.

상기 기기의 속도가 상승함에 따라, 전류를 초핑 레벨로 상승시키는 시간이 적게 걸리고, 그 드라이브는 동작의 "단일 펄스" 모드에서 동작된다. 상기 모드에서, 턴온, 자유회전 및 턴오프 각은, 예를 들면, 속도 및 부하 토크의 함수로서 선택된다. 몇몇의 시스템들은 자유회전의 각 주기를 이용하지 않고, 즉 스위치(31 및 32)는 동시에 스위칭 온되고 오프된다. 도 4(b)는 자유 회전각을 0으로하는 일반적인 단일 펄스 전류 파형을 도시한다. 턴온, 자유회전 및 턴 오프 각의 값은 기설정되어 필요시 제어 시스템에 의해 검색용에 알맞은 포맷에 저장될 수 있고, 또한 실 시간에 계산되거나 추정될 수 있다.

스위칭된 자기저항기의 능력을 충분히 실현한다면 초핑 및 단일 펄스 동작 모드 모두에서 센서없는 시스템이 회전자 위치 신호를 제공할 수 있어야 한다. 센서없는 시스템이 많이 개발 되었을 지라도, 대부분은 하나의 동작 모드로 제한되거나 시스템의 동작에 많은 제한을 가해왔다. 하나의 제안으로는 토크를 생성하는 순간에 이용되지 않고 내부에 전류가 흐르지 않는(즉, "휴지" 위상의) 위상 권선에 주입된 진달 펄스를 이용하는 것이다. 일반적으로 이러한 해결책은 초핑 모드에 적용될 수 있고, 초핑 모드에서 전류의 상승 및 하강 시간은 전체적인 여자 싸이클과 비교하여 상대적으로 짧다. 이러한 해결책의 하나의 실시는 1990년 7월 17-19일 런던에서 개최된 Proc PEVD 회의에서 엠분지(Mvungi)등에 의해 IEE 공보 제 324호 249-252 page에 "A New Sensorless Position Detector for SR Drives"에서 설명되고 그것은 본원의 참고 문헌으로 된다. 상기 문서는 고속도(즉 단일 펄스) 동작을 위한 다른 해결책이 요구된다는 것을 알려준다. 하나의 해결책은 회전자 위치를 예측하는 자속 및 전류 측정을 개시하는 EP-A-O573198(RAY)에 의해 예증된다. 많은 다른 센서없는 위치 검출 시스템이 영국 브라이톤(Brighton)의 93년 9월 13-16일자 Proc EPE'93 회의에서 레이(RAY)등에 의해 6권 7-13 page에 수록된 "Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors"에서 검토되고 주장되는데, 그 방법들 중에서 어떤 방법도 전 동작 범위에 걸친 동작에 완전히 만족스럽지 않다라고 결론지었다.

엠분쥐에 의해 제안된 방법은 많은 진단 펄스의 주입에 충분한 시간을 주면서 휴지 주기가 비교적 길고 전류의 하강 시간이 짧은 매우 낮은 속도에서 동작되어 질 수 있다. 그러나 상기 방법은 진단 펄스를 주입하기 전 0으로 떨어지는 자속 및 전류에 달려있다(엠분쥐등에 의한 문서의 252페이지,2컬럼). 이러한 요구 조건은 속도 증가에 따라 실행하기가 어려운데, 왜냐하면 주요 여자(excitation)의 꼬리(tail) 전류가 더욱 길게 하강하고 진단 펄스의 공간이 더욱더 작아지기 때문이다. 엠분쥐는 4위상 기기를 이용하는 그의 시스템을 기술하지만 문제는 3위상 시스템(다른 이유로 종종 선호되는)에서 더욱 중대해진다. 도 5(a)는 엠분쥐에 의해 기술되었듯이 주입된 쇄교 자속 펄스로써 위상 전류 파형을 도시한다. 그 펄스는 주요 여자의 꼬리 전류가 0으로 떨어진 후에만 주입된다. 펄스의 증가 전류는 회전자 이동시 위상 권선의 인덕턴스가 감소된다는 표시이다.(펄스의 크기가 명료성을 위해 과장 되었다.) 도 5(a)는 매우 낮은 동작점에 대해 그려진 것이고, 그 도면에서 꼬리 전류가 급격히 0으로 떨어져서 회전자 위치 진단용 영역을 길게 남겨둔다. 그러나 속도가 상승함에 따라, 꼬리 전류는 더 오래 걸려서 떨어지고, 진단 영역을 잠식해가고 진단 펄스를 주입할 기회를 지연시킨다. 상기 내용은 도 5(b)에 도시된다. 속도가 상승함에 따라, 진단을 위해 남아있는 시간은 신뢰성있게 위치를 추정하기 위해 충분한 펄스를 주입하기에 부적합하게 되고 상기 시스템은 불안정하게 되는데, 왜냐하면 어떠한 위상도 진단용 조건에 있지 않을 때 및 제어 시스템 및 회전자 위치의 동기화 소실때 시간을 필요로 하기 때문이다.

이와같이, 저속도에서 엠분쥐(Mvungi)의 방법이 활용되고 고속도에서 레이(RAY)의 방법이 활용될 수 있다. 그러나 드라이브를 성능좋게 동작시키는 회전 자 위치 검출 기술을 필요로 하는 그들간에는 영역이 있다.

자기저항기의 침투(permeance)가 전류와 비-선형이기 때문에, 박층 철강의 B-H 커브가 선형으로 되지 않기 때문에, 전류의 수퍼포지션이 정확한 결과로 되지않는다고 이전에는 생각되어 왔다. 그러므로 회전자 위치 검출용 진단 펄스는 위상 권선에 흐르는 전류가 없을 때만 단지 주입될 수 있다라고 생각되어 왔고, 그렇지 않다면, 그 결과는 잘못되게 나타날 것이다. 이것은 예를 들면 1998년 9월 2-4일 터키 이스탄불에서 전기 기기에 관한 BICEM'98 국제 회의에서 Ehsani, M, Rajarathnam, AV, Suresh, G, & Fahimi에 의해 2권, 673-684 페이지의 "Sensorless control of switched reluctance motors- a technology ready for applications"에설명되어 있다. 일반적으로, 이는 사실이지만, 본 발명의 발명자는 이러한 일반적인 진술이 사실이 아닌 기기의 인덕턴스 싸이클의 부분이 있다는것을 이해하고 있다.

본 발명의 목적은 속도(0 속도를 포함) 및 부하(과도 부하 외란을 포함)의 모든 조건, 특히 초핑 및 단일 펄스 모드간의 천이점 근처의 속도에서 동작할 수 있는 스위칭된 자기저항 드라이브용의 신뢰성있고 경제적인 센서없는 위치 검출기를 제공하는 것이다. 본 발명은 일반적으로 모터나 발전기로서 동작하는 스위칭된 자기저항기에 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 정지로부터 기기를 사용하고 모든 초핑 범위에 걸쳐 동작시키기 적당한 위치 검출을 제공하는데 있다.

본 발명에 의해 회전자, 고정자 및 적어도 하나의 위상 권선을 포함하는 스위칭된 자기저항기에서 회전자의 위치를 결정하는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 위상을 여자시키지 않은 비활성 기간동안 위상 권선에서 메인 전류 및 쇄교 자속 중의 하나를 측정하는 단계와; 전류 혹은 쇄교 자속의 소정값을 갖는 진단 펄스를 비활성 위상 권선으로 주입하는 단계와; 펄스 끝의 위상에서 합계 전류 또는 쇄교 자속을 측정하는 단계와; 진단 펄스의 주입에 기인한 전류 또는 쇄교 자속의 값을 합계 및 메인 전류 또는 쇄교 자속간의 차이로부터 생성하는 단계와; 전류 또는 쇄교 자속과 회전자각의 상관 관계로부터 회전자 위치를 다른전류 및 쇄교 자속 값으로 유도하는 단계를 포함한다.

양호하게는, 진단 펄스는 소정의 쇄교 자속용이다. 양호하게는, 펄스는 인덕턴스가 전류와 선형인 영역으로 전류가 떨어질때 주입된다.

펄스는 같은 위상 기간에 반복적으로 주입될 수 있다. 검출이 이루어질 때마다 기기의 속도에 따라 계산된 예측값과 비교 될 수 있다. 획득값과 예측값간에 변동이 매우 크고, 또는 많은 싸이클에 걸쳐서 매우 크다면, 상기 기기 제어는 변형, 즉 정지될 수 있다.

본 발명은 회전자, 고정자, 적어도 하나의 위상 권선 및 그 위상 권선을 여자하기 위해 동작되는 스위치 수단을 갖는 기기를 포함하는 스위칭된 자기저항 드라이브용 검출기에 관한 것이고, 회전자 위치 검출기는 위상에서 메인 전류 및 쇄교 자속 중의 하나를 측정하는 측정 수단; 위상을 여자시키지 않은 비활성 기간동안 메인 전류 또는 쇄교 자속을 측정하도록 상기 측정 수단을 동작시키는 수단, 전류 및 쇄교 자속중 하나의 소정값을 갖는 진단 펄스를 비활성 위상으로 주입하는 주입수단, 펄스 끝의 위상에서 전류 또는 쇄교 자속을 측정하도록 상기 측정 수단을 동작시키는 수단, 합계 및 메인 전류 또는 쇄교 자속 사이의 차로부터 진단 펄스의 주입에 기인한 전류 또는 쇄교 자속의 값을 생성하는 수단; 및 전류 혹은 쇄교 자속과 회전자각이 상관 관계로부터 회전자 위치를 다른 전류 및 쇄교 자속값으로 유도하는 수단을 포함한다.

본 발명은 본 발명의 방법에 의해 컴퓨터를 실행하도록 컴퓨터 프로그램 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 소자에 관한것이다.

본 발명은 많은 방법으로 실행될 수 있고, 그 일부는 이하 첨부된 도면을 참조하고 예시해서 설명된다.

도 7은 본 발명을 구체화하는 시스템의 개략도를 도시한다. 구성 요소를 분리된 블록으로 도시되어 있어도, 다양한 기능들이 스위칭된 자기저항기의 전반적인 제어의 일부로써 작업을 위해 프로그램된 단일 프로세서 즉 ASIC에 의해 소프트 웨어에서 동등하고 양호하게 실행될 수 있다.

전류 변환기(100)는 모터[102: 간단히 하기위해 하나의 위상에 대해 하나의 변환기만이 도시된다]의 각 위상용 위상전류를 나타내는 신호를 공급하기 위해 배치된다. 도 1에서와 같이, 3개의 위상이 도시된다. 위상수는 3보다 크거나 작아질 수 있다. 그 신호가 마이크로 프로세서를 기본적으로 구비한 제어기(104)에 공급된다. 그 배치는 도 1의 배치와 유사하다. 전류 변환기(100)는 어떠한 형태, 즉 홀 효과 장치(Hall- effect device)와 로고스키(Rogoski coil)등과 같은 격리된 시스템 일 수 있다. 대안으로 저 비용 드라이브 시스템에서 일반적으로 사용되는 열 안정성 저항기와 같은 비-격리된 시스템을 이용할 수 있다.

제어기가 소프트웨어에서 동일하고 양호하게 실행될 수 있는 기능중의 하나 일지라도, 제어기는 적분기(106)에 대해 출력을 가지는 것으로 도시된다. 룩업 테이블(108)은 제어기(104)에 의해 액세스되도록 배치된다. 룩업 테이블은 회전자 위치 정보를 검색 혹은 보간하는 회전자 각에 대해 위상 전류값을 저장한다.

본 발명은 전압을 권선에 인가하도록 전력 컨버터(13)내의 스위치를 닫음으로써 진단 펄스를 위상으로 주입하는 기술을 구체화한다. 이것에 의해 쇄교 자속이 증가된다. 소정 레벨로 쇄교 자속이 도달 했을 때, 스위치들은 다시 개방된다. 쇄교 자속은 권선을 통한 전압의 시간 적분이다라는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

본 발명에 의해 이용되는 싸이클의 관련 부분은 최소 인덕턴스 영역으로 감소한다. 이것이 도 8에 도시되고, 그 도 8에서 비 정렬된 위치(즉 주어진 위상용 회전자 극의 위치 및 최소 인덕턴스가 있는 인접한 고정자극과 관련된 위치)에서 일반적인 스위칭된 자기저항기의 위상 권선의 인덕턴스가 전류의 함수로서 나타난 도 8에 도시된다. 인덕턴스에 변화가 없는 부분이 전류와는 무관하다는 것을 도시하는 곡선(도 8에서 0부터 대략 200A 까지)에서 수평 부분이 존재한다는 것을 도시한다.

본 발명에 의하면, 진단 펄스가 비활성 위상에 주입되나 권선내에 아직도 전류가 존재할 수 있다. 상기 펄스는 고정된 쇄교 자속의 펄스이지만, 고정된 또는 가변적인 주파수의 펄스이기도 하고, 이용된 다양한 방법에 따라 다르다. 인가 θoff에서 전도각 종료후에 위상용 전력 전자 스위치를 동작함으로써 펄스는 비활성 위상에 인가된다. 상기 펄스의 쇄교 자속이 적분기(106)의 출력에 의해 결정되는 소정값에 도달하면, 비활성 위상내의 전류는 기록되고 스위치는 턴 오프된다. 이러한 고정된 쇄교 자속용 전류의 룩업 테이블(108)로 부터, 회전자 위치를 리드 오프(read off) 할 수 있다. 진단 펄스와 연관된 전류가 단지 메인 전류만을 남겨 놓은채 0으로 떨어질때, 연속 펄스가 개시되어 같은 진단 기간에서 그 과정이 반복될 수 있다. 펄스의 반복 속도는 시스템의 설계자가 선택할 문제이다: 즉, 펄스는 고정 주파수에서 주입될수 있고 또는 이전의 펄스의 측정이 완성되고 회로가 새로운 측정을 시작하기 위해 준비되자마자 새로운 펄스는 개시될 수 있다.

모터링 동작을 위해, 펄스는 하강 인덕턴스 영역에 위치한다. 발전 동작을 위해, 펄스들은 상승 인덕턴스 영역에 위치된다. 기기의 인덕턴스 프로파일(profile)이 대칭적이다면, 전류에 대한 회전자 위치의 하나의 데이터 세트만이 룩업 테이블에 저장될 필요가 있는데 왜냐하면 최대 또는 최소의 인덕턴스 각에 대한 단순한 반영에 의해 양쪽 모드의 정확한 위치가 설정될 수 있기 때문이다.

진단 펄스의 주입은 도 6에 도시되고, 그 도면에서 Induc A, Induc B 및 Induc C가 3위상 기기의 이상화된 인덕턴스 프로파일을 나타내고 Exc A,Exc B 및 Exc C가 모터링 동작용 여자각을 나타내고 영역(D)은 위상이 비활성이고 일반적으로 회전자 위치를 진단하는데 이용될 수 있는 회전자 각을 나타낸다. 여자되지 않은 하나의 위상이 항상 있기 때문에, 항상 활용 가능한 영역이 있고 그 영역에서 진단 펄스는 본 발명에 의해 위치될수 있다. 고정된 전류 높이의 펄스를 이용하고 그것과 연관된 쇄교 자속을 판독하여 위치 vs 쇄교 자속 테이블로부터 위치를 리드 오프(read off) 시킬 수 있는 것이 또한 가능하다는 것에 주목하라. 그러나, 이것은 바람직한 실시예로 되지 않는데 왜냐하면, 요구된 레벨로 도달하도록 전류에 의해 취해진 시간의 길이는 진단이 일어나는 각 영역에 걸쳐 상당히 변하기 때문이다. 이것은 불규칙적으로 간격을 둔 펄스를 발생시킨다. 더우기, 두 위상이 함께 진단되어진다면 상기 펄스는 다른 시간에 그들의 피크가 발생할 것이다. 그러나 고정된 쇄교 자속의 펄스로써는 이러한 문제들은 존재하지 않는다.

본 발명의 중요성은, 전도각이 종료될 때, 인덕턴스가 선형이고 중첩(superposition)의 원리가 적용되기 때문에 전류가 그 위상내로 흘러 들어가든지 아니든지 간에 진단용 위상을 이용하는 것은 가능하다는 것이다. 이와같이, 전류 및 인덕턴스 혹은 쇄교 자속을 측정하는 방법을 적절하게 이용할때, 진단 펄스는 이 영역으로 신뢰할 수 있게 주입될 수 있을 것이다. 도 9는 상기 원리를 사용한 위상 전류 파형을 도시한 것이고, 그 도면에서 진단 펄스(P)가 스위치 오프 각(θoff)후에 그리고 다음의 스위치온 각(θon)전에 주입된다. 전류는 스위치 오프 포인트에서 높다는 것이 주목 된다. 전류는 전류가 상기 레벨에 도달한 후에 진단 펄스가 주입될때 초기에 도 8의 선형 영역에 대한 각과 함께 급속히 떨어진다.

도 10은 일반적인 기기용의 일정한 쇄교 자속용 각에 대한 전류 곡선을 도시한다. 그 곡선에 의해 일정한 쇄교 자속에 대응하는 전류가 알려져 있을때 회전자 위치를 결정할 수 있다. 그러나, 도 9에서 단순히 스위치 오프후에 제1 진단 펄스용 전류를 판독하는 것과 도 10으로 부터 위치를 판독 하는 것은 펄스에 기인한 전류가 메인 꼬리(tail) 전류에 중첩(suerimpose)되었기 때문에 부정확한 결과, 즉 위치(Y )로 설정되게 된다. 본 발명에서는 인덕턴스를 선형으로 하는 이러한 전류 레벨에서 수퍼포지션의 원리가 적용된다는 것을 알 수 있다. 펄스만으로 인한 증가 전류를 설정하도록 메인전류(진단 펄스에 의해 전류가 없는)를 감소시킴에 의해, 정확한 위치가 도 10,즉 위치(X)로 부터 판독 될 수 있다.

센서없는 위치 검출 시스템은 전력 스위칭 장치에 근접해서 전기적으로 시끄러운 환경에서 일반적으로 동작해야 하고, 그것에 의해 자속-결합 및 전류의 측정을 힘들게하고 위조의 위치 데이터를 계산한다. 시스템의 성능을 개선시키기 위하여, 계산된 위치 데이터의 유효성을 확인하는 적절한 방법이 추가 될 수 있다. 예를 들면, 새로운 위치가 계산될 때마다, 위치, 시간 및 속도의 값은 저장될 수 있다. 마지막으로 저장된 n값을 이용하면서, 예측 위치는 새롭게 계산된 위치와 비교를 위해 추정될 수 있다. 만약 새롭게 계산되고 예측된 값이 소정량 범위내에 있지 않다면 에러 카운트는 증가되고 계산값을 대신해서 이 예측값이 사용되고, 만약 그것들이 소정량 범위내에 있다면, 어떠한 존재하는 에러 카운트는 감소되고 계산값은 이용된다. 그러므로, 측정의 연속적인 싸이클을 통해 데이터가 위치 정보의 신뢰성을 토대로 만들어 진다. 만약 에러 카운트가, 그 범위밖의 5개의 연속적인 계산의 대표 값을 초과 한다면, 제어 시스템은 회전자의 실제 위치와의 동기성을 잃어서 어떤 더욱더 심각한 사태가 벌어지기 전에 기기의 여자를 막도록 결정 할 수 있다. 그 값의 저장 및 추정은 어떠한 편리한 수단에 의해 행해질 수 있지만 일반적으로 디지털 저장 장치에 의해 메모리에서 행해진다. n = 8이면 시스템 안정성과 저장 공간간에 훌륭한 타협안으로 알려져왔다.

회전자 위치 정보를 발견하는 방법은 어떤 편리한 방식에 의해 실행될 수 있지 만 일반적으로 마이크로 프로세서 또는 디지털 신호 프로세서와 같은 컴퓨터 장치의 소프트웨어에서 실행될 수 있다. 도 11은 적절한 코드를 설명하는 흐름도를 도시한다. 당업자에게는 본 발명의 설명의 이점 및 도 11의 흐름도를 설정했을때 특정한 처리 장치에 적절한 코드를 생성하는 것은 일상적인 일일 것이다. 상기 코드는 컴퓨터 프로그램 소자의 형태인 메모리에 저장된다. 흐름도의 단계를 이하에서 기술한다.

박스(120)에서 위상 전류는 턴오프 각(θoff)후에 측정되어 기록된다. 측정은 어떠한 편리한 방법에 의해 행해질 수 있고, 일반적으로 위상 권선의 전반적인 전류 제어용으로 구비된 전류 변환기(100)를 이용함으로써 행해질 수 있다. 그 값은 제어기(104)의 프로세서에서 레지스터 내에 저장된다. 박스(122)에서, 만약 전류가 인덕턴스를 선형으로 하는 영역에 있다면, 회전자 위치 검출기 처리가 진행된다. 그렇지 않다면, 박스(123)는 상기 과정을 재개시 하기 전에 지연시킨다.

박스(124)에서 전압 적분기(106)는 제어기에 의해 0으로 리셋되고, 해제되어 진단 펄스를 주입시킨 비활성 영역에 전압을 적분 시킨다. 아날로그 하드웨어 또는 디지털 소프트웨어 기술에 의해 적분이 행해질 수 있다.

박스(126)에서 진단하게 되는 비활성 위상에 대응하여 전력 컨버터(13)의 전력 스위치는 폐로되어 DC 링크 전압을 위상에 인가하고, 양전압을 인가하여 위상의 쇄교 자속을 증가시킨다.

박스(128)에서 적분기의 출력이 룩업 테이블(108)에 저장된 도 10의 곡선에서 말하는 진단 펄스의 소정의 쇄교 자속에 대응하는 소정 값에 도달할 때까지 프로세서가 기다린다.

쇄교 자속이 요구된 레벨에 도달됐을때, 제어기는 전류 변환기(100)로 부터 판독하고 박스(130)에서 언급 했듯이 전류 레벨이 기록된다. 박스(132)에서, 펄스[박스(110)에 저장 되었듯이]의 시작점에서 측정된 전류의 제1 값은 제2 전류값으로 부터 감산된다. 합계 전류로 부터 메인 전류를 감산하는것에 의해 전류가 펄스 만으로 인해서 증가한다.

이러한 기술이 진단 펄스 동안 거의 일정한, 메인 전류에 달려 있다는 것이다. 실제적으로, 상기 펄스는 짧고 전류의 변화는 작아서 계산에 삽입된 에러가 허용할수 있을 정도로 충분히 작다. 어쨋든, 제 1의 거의 적은 펄스가 스위치 오프된후 에러는 매우 감소된다. 만약 어떠한 이유로든 진단 펄스를 더욱 커지게 할 필요가 있다면, 요구되는 쇄교 자속에 도달하기 위해서는 더 오래 걸리고, 펄스의 피크에 있는 메인 전류를 계산함으로서 그리고 그 값을 펄스에 기인한 전류의 계산용으로 이용함으로써 정정이 삽입 되어질 수 있다. 계산은, 펄스의 시작 직전의 전류의 경사(slope)도를 토대로한다.

박스(134)에서 10에 도시된 전류/각 룩업 테이블로 부터 회전자 위치를 판독하기 위해 증가 전류가 이용된다. 이 곡선의 데이터는 어떠한 편리한 형태, 즉 전 류의 고정된 증가점에서 회전자 각의 값으로 저장 될 수 있다. 보간(즉 선형, 정방형, 또는 다항식)은 저장된 것들에 중간에 있는 포인트에 대한 결과를 제공하는데 이용 될 수 있다.

박스(136)에서 얻어진 회전자 위치는 제어기(104)에 사용될 수 있는 이전의 회전자 위치 및 속도에 관한 정보로부터 얻어진 예측값과 비교되어 진다. 박스(138)에서 만약 비교가 요구되는 시간동안 설정된 영역 밖에 있다면 기기는 동작하지 않는다. 이 루틴(routine)은 반복되어 동일한 비활성 위상 또는 다음의 가용한 비활성 위상을 이용해서 다음의 회전자 위치를 찾아낸다. 이러한 방식으로 얻어진 회전자 위치 각각의 판독은 편리한 방식으로 기기를 모터 또는 발전기로써 제어하는데 이용 가능하다.

본 발명은 이전에 논의된 진단 펄스 기술을 대신해서 이용될 수 있다. 본 발명에서는 인덕턴스가 대체적으로 전류와 무관하다는, 비제로 영역의 전류가 있다라는 것을 이용한다. 진단 기간에 꼬리 전류가 존재함에 의해 설명했듯이, 초기에 측정된 꼬리 전류가 감소하게 된다. 존재하는 전류가 없을때, 본 발명에 의한 루틴은 진단 기간의 종료시 전류의 판독으로 부터 어떠한 것도 제거 할 수 없다.

상기 예가 3위상 기기에 관하여 기술 되었지만, 본 발명은 어떠한 극수와 위상 수를 가진 어떠한 스위칭된 자기저항기에 적용될 수 있다라는 점이 인식되어야 할것이다. 유사하게, 본 발명은 가동 부품(종종 회전자로서 언급되는)을 선형으로 움직이게 하는 선형 기기에 적용될 수 있다. 그러므로 개시된 장치가 본 발명을 벗 어나지 않고서 가능하다는 것을 당업자는 이해 할 것이다. 따라서, 상기 몇몇 실시예의 설명은 예에 의해 이루어지고 제한할 목적은 없다. 본 발명은 단지 다음 청구항에 의해서만 제한된다.

Claims

회전자, 고정자 및 하나 이상의 위상 권선을 포함하는 스위칭된 자기저항기(switched reluctance machine)에서 회전자 위치를 결정하는 방법에 있어서,

위상을 여자시키지 않은 비활성 기간동안 위상 권선내의 메인 전류와 쇄교 자속(flux-linkage)중의 하나를 측정하는 단계;

상기 메인 전류 또는 쇄교 자속의 소정의 최대값을 갖는 진단 펄스를 비활성 위상 권선으로 주입하는 단계;

상기 진단 펄스의 끝 위상에서 총 전류 또는 쇄교 자속을 측정하는 단계;

상기 진단 펄스의 주입에 기인한 전류 또는 쇄교 자속의 값을 총 전류와 메인 전류 또는 쇄교 자속간의 차이로부터 생성하는 단계;

상기 총 전류 또는 쇄교 자속과 회전자각의 상관 관계로부터, 다른 전류 및 쇄교 자속값의 회전자 각도에 대하여 상기 회전자 위치를 유도하는 단계를 포함하는 회전자 위치의 결정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 진단 펄스는, 위상 전류가 소정값 아래로 인덕턴스가 전류와 무관하게 되는 범위까지 떨어질 때 주입되는 것인 회전자 위치의 결정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 진단 펄스는 소정의 쇄교 자속의 펄스이고 상기 위상 권선 양단의 전압을 적분함으로써 측정되는 것인 회전자 위치의 결정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 진단 펄스는 상기 위상 권선 양단의 공급 전압을 스위칭함으로써 주입되는 것인 회전자 위치의 결정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 유도된 회전자 위치를 예측된 회전자 위치값과 비교하는 단계; 및

결정된 회전자 위치로서 상기 유도된 값과 예측된 값 사이에서 하나를 선택하는 단계를 포함하는 것인 회전자 위치의 결정 방법.
제 5항에 있어서, 상기 유도된 회전자 위치가 상기 예측된 회전자 위치와 소정량만큼 다르다면 예측된 회전자 위치값을 선택하는 단계를 포함하는 것인 회전자 위치의 결정 방법.
제 5항에 있어서, 상기 유도된 회전자 위치와 상기 예측된 회전자 위치 간의 에러가, 회전자 위치의 복수의 연속적인 결정에 대하여 제 2 소정량 만큼 다르다면 상기 스위칭된 자기 저항기의 동작을 정지(shut down)시키는 단계를 포함하는 것인 회전자 위치의 결정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 측정된 메인 전류를 선형 인덕턴스의 영역에 대응하여 소정의 값과 비교하고, 상기 메인 전류가 상기 소정값 보다 낮다면 상기 방법을 진행하는 단계를 포함하는 것인 회전자 위치의 결정 방법.
회전자, 고정자, 하나 이상의 위상 권선 및 상기 위상 권선을 여자하기 위해 동작되는 스위칭 수단을 갖는 기기를 포함하는 스위칭된 자기저항 드라이브용 회전자 위치 검출기에 있어서,

위상에 대하여 메인 전류 및 쇄교 자속중의 하나를 측정하는 측정 수단;

상기 측정 수단으로 하여금 상기 위상을 여자시키지 않은 비활성 기간동안 메인 전류 또는 쇄교 자속을 측정하게 하는 수단;

전류 또는 쇄교 자속중 하나의 소정값을 갖는 진단 펄스를 상기 비활성 위상으로 주입하는 주입 수단;

상기 측정 수단으로 하여금 상기 펄스의 끝 위상에서 상기 전류 또는 쇄교 자속을 측정하게 하는 수단;

총 전류와 메인 전류 또는 쇄교 자속 사이의 차로부터 진단 펄스의 주입으로 인한 전류 또는 쇄교 자속의 값을 생성하는 수단; 및

회전자 위치를 전류 또는 쇄교 자속과의 상관 관계로부터 다른 전류 및 쇄교 자속값의 회전자 각도에 대하여 유도하는 수단을 포함하는 회전자 위치 검출기.
제 9항에 있어서, 위상 전류가 소정값 아래로 인덕턴스가 전류와 무관하게 되는 범위까지 떨어질 때 상기 주입 수단으로 하여금 진단 펄스를 주입하게 하며, 상기 위상 전류를 감시하는 수단을 더 포함하는 것인 회전자 위치 검출기.
제 9항에 있어서, 상기 진단 펄스는 소정의 쇄교 자속의 펄스이고, 상기 검출기는 위상 양단의 전압을 적분하여 쇄교 자속을 측정하도록 배치된 적분기를 포함하는 것인 회전자 위치 검출기.
제 9항에 있어서, 상기 주입기 수단은 상기 스위칭된 자기저항 드라이브 시스템의 스위치 수단을 포함하는 것인 회전자 위치 검출기.
제 9항에 있어서, 상기 유도된 회전자 위치를 예측된 회전자 위치값과 비교하는 비교기 수단, 및 상기 유도된 값과 상기 예측된 값 중에서 하나를 선택하는 수단을 포함하는 것인 회전자 위치 검출기.
제 13항에 있어서, 상기 유도된 값이 상기 예측된 값과 소정량 만큼 다르다면, 상기 선택 수단은 상기 유도된 값과 상기 예측된 값 중 하나를 선택하도록 동작하는 것인 회전자 위치 검출기.
제 13항에 있어서, 상기 유도된 값이 다수의 회전자 위치의 연속적인 유도를 위해 예측된 값과 소정량 만큼 다른 경우에, 상기 선택 상기 수단은 유도된 값과 예측된 값 중에 하나를 선택하기 위해 동작하는 것인 회전자 위치 검출기.
컴퓨터로 하여금 제 1 항에 기재된 회전자 위치의 결정 방법을 실행하게 하는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체.