KR100970175B1 - 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 회전자 위치 검출 방법 및장치 - Google Patents

Abstract

스위치드 릴럭턴스 드라이브는 물리적인 회전자 위치 검출기를 사용하지 않고도 제어가 가능하다. 이 제어 방법은 위상과 관련된 정재 자속 쇄교(standing flux-linkage)를 추정하고 이 추정값을 이용하여 그 회전자 위치의 추정을 개선한 다. 이 방법은 전류의 연속 불연속 여부에 무관하게 확고하게 동작한다.

Description

스위치드 릴럭턴스 드라이브의 회전자 위치 검출 방법 및 장치{ROTOR POSITION DETECTION OF A SWITCHED RELUCTANCE DRIVE}

도 1은 통상적인 종래 기술의 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 도시하는 도면.

도 2는 도 1의 전력 컨버터의 하나의 위상의 공지된 형태를 도시하는 도면.

도 3은 파라미터로서 회전자 위치를 갖는, 통상적인 자속 쇄교와 위상 전류의 곡선을 도시하는 도면.

도 4a는 초핑 제어의 통상적인 모터 구동 전류 파형도.

도 4b는 단일 펄스 제어의 통상적인 모터 구동 전류 파형도.

도 5는 본 발명을 적용한 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 개략적인 형태를 도시하는 도면.

도 6은 연속 전류 모드에서의 도 5의 드라이브의 자속 쇄교 파형도.

도 7은 도 5의 드라이브를 위한 연속 전류 파형도.

도 8은 불연속 전류 모드에서의 도 5의 드라이브의 자속 쇄교 파형도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : DC 전원 장치

13 : 전력 컨버터

30 : 고정자

32 : 회전자

34 : 위상 권선

36 : 위상 권선

38 : 전류 변환기

40 : 적분기

42 : 제어기

43 : 전압 변환기

44 : 디지털 신호 프로세서

46 : 룩업표

50 : 고정자 자극

52 : 회전자 자극

54 : 계단 형태의 자극 표면

본 발명은 릴럭턴스 기기(機器)의, 특히 스위치드 릴럭턴스 기기의 무감지기 회전자 위치 검출에 관한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 기기의 제어와 동작은 일반적으로 1993년 6월 21일∼24일 독일 뉘른베르그(Nurnberg)에서 개최된 PCIM'93 회의 및 전시회에서 발표된 제이 엠 스티븐슨(J M Stephenson)과 알 제이 블레이크(R J Blake)의 논문 "스위치드 릴 럭턴스 모터 및 드라이브의 특징, 설계 및 응용(The Characteristics, Design and Application of Switched Reluctance Motors and Drives)"에 기술되어 있으며, 이 논문은 본 명세서에 인용되어 있다. 이 논문에서는, 스위치드 릴럭턴스 기기의 여기(勵氣)의 "초핑" 모드와 "단일 펄스" 모드가 저속과 고속에서의 기기의 동작에 대해 각각 기술되어 있다.

통상의 종래 기술 드라이브를 도 1에 개략적으로 도시한다. 이 종래 기술 드라이브는 DC 전원 장치(11)를 포함하며 이 DC 전원 장치(11)는 배터리이거나 정류되고 필터링된 AC 주전원일 수 있다. DC 전원 장치(11)에 의해 공급되는 이 DC 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어 하에서 전력 컨버터(13)에 의해 모터(12)의 위상 권선(16) 양단에서 스위칭된다. 다수의 공지된 컨버터 형태 중의 하나를 도 2에 도시하며, 여기서 DC 전원(11)은 공급 레일(26, 27)에 제공되며 이 공급 레일(26, 27) 사이에는 전류의 임의의 교류 성분을 제공하기 위해 커패시터(25)가 접속된다. 위상 권선(16)은 상부 스위치(21)와 하부 스위치(22)에 의해 공급 레일에 접속된다. 에너지 귀환 다이오드(23, 24)는 종래의 형태로 접속된다. 저항(28)은 하부 스위치(22)와 직렬로 접속되어 전류 궤환 신호를 제공한다. 다중 위상 시스템은 병렬로 접속된 수개의 도 2와 같은 "위상 레그"를 통상적으로 사용하여 전기 기기의 위상을 여기시킨다.

스위치드 릴럭턴스 기기의 성능은 회전자 위치에 대한 위상 여기의 정밀한 타이밍에 부분적으로 의존한다. 회전자 위치의 검출은 종래에는, 기기 회전자에 장착된 회전 톱니 모양 디스크와 같은 도 1에 개략적으로 도시한 변환기(15)를 이용 하여 달성되며, 이 회전 톱니 모양 디스크는 고정자에 장착된 광학 감지기, 자기 감지기 또는 기타 감지기와 협력한다. 고정자에 대한 회전자 위치를 표시하는 신호, 예컨대 펄스 열이 감지기에 의해 생성되고 제어 회로에 공급되어 정밀한 위상 여기를 가능하게 한다. 이 시스템은 간단하며 많은 응용에서 양호하게 동작한다. 그러나, 회전자 위치 변환기는 어셈블리의 전체적인 비용을 증가시킨다. 회전자 위치 변환기는 또한 기기에 추가의 전기 접속을 부가시키므로 이것은 신뢰 저하의 잠재적인 원인이 된다.

회전자 위치 변환기를 제거시키기 위한 다양한 방법이 제안되어 왔다. 이들 중 몇몇 방법은 1993년 9월 13일∼16일 영국 브라이튼에서 개최된 유럽 전력 전자 협의회(The European Power Electronics Conference)의 회보, 제6권 7∼13 페이지에 더블유 에프 레이(W F Ray)와 아이 에이취 알 바하들리(I H Al-Bahadly)에 의해 수록된 "스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 위치 결정을 위한 무감지기 방법(Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors)"에서 재검토되었으며, 이 내용은 본 명세서에 인용되어 있다.

회전자 위치 추정에 대해 제안된 이들 방법의 대부분은 하나 이상의 위상에 있어서의 위상 자속 쇄교(즉, 시간에 대한 공급 전압의 적분)와 전류의 측정을 이용한다. 위치는 각도와 전류의 함수로서 기기의 인덕턴스 변화의 지식을 이용하여 계산된다. 이 특성은 자속 쇄교/각도/전류 표로서 저장될 수 있고 이를 도 3에 도식적으로 도시한다. 이 데이터의 저장은 대규모 메모리 어레이의 사용 및/또는 저장된 지점 사이의 데이터의 보간에 대한 부가적인 시스템의 일반 경비를 수반하므 로 불리하다.

어떤 방법은 이 데이터를 저속으로 사용하며, 이 경우에는 "초핑" 전류 제어가 발생된 토크를 변경하기 위한 유력한 제어 방법이다. 초핑 제어는 도 4a에 그래프로 예시하며, 이 그래프에서 전류 파형과 인덕턴스 파형은 위상 인덕턴스 주기에 걸쳐 도시되어 있다. (인덕턴스의 변화는 이상적인 형태로 묘사되었다는 점에 주목해야한다.) 이들 방법은 토크가 없이 생성된 위상에 진단 펄스를 통상적으로 사용한다. 저속 동작에 적합한 방법은 1991년 이탈리아 피렌체에서 개최된 유럽 전력 전자 협의회의 회보, 제1권 390∼393 페이지에 엔 엠 엠분기(N M Mvungi)와 제이 엠 스티븐슨에 의해 수록된 "SR 모터의 정밀한 무감지기 회전자 위치 검출(Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an SR Motor)"에서 제안된 것이며, 본 명세서에 인용되어 있다.

다른 방법들은 여기의 "단일 펄스" 모드에서 고속으로 동작한다. 이 모드를 전류 파형과 인덕턴스 파형이 위상 인덕턴스 주기에 걸쳐 도시된 도 4b에 예시한다. 이들 방법은 정상 동작을 방해함이 없이 활성화된 위상의 동작 전압과 전류를 모니터한다. 전형적인 고속 방법은 국제 특허 출원 제WO 91/02401호에 기술되어 있으며 본 명세서에 인용되어 있다.

위치 감지기 없이 동작시키기 위해 2차원 어레이의 기기 데이터를 저장해야만 하는 것은 명백한 단점이다. 다른 방법들이 제안되었고 이 방법들은 대부분의 각도 기준 정보를 필요로 하지 않으며 대신 데이터를 하나의 각도에서만 저장한다. 하나의 이러한 방법은 발명자가 레이인 유럽 특허 출원 제EP-A-0573198호에 기술되 어 있으며 본 명세서에 인용되어 있다. 이 방법은 희망하는 지점으로부터의 계산된 일탈에 따라 진단 지점을 조정함으로써 사전에 규정된 각도에서 위상 자속 쇄교와 전류를 감지하는 것을 목표로 한다. 자속 쇄교는 위상에 인가된 전압의 측정값을 (시간에 대하여) 적분함으로써 추정된다. 바람직한 실시예에서는 2개의 1차원 표가 저장되며, 하나는 기준 회전자 각도에서의 자속 쇄교 대 전류이고 다른 하나는 회전자 각도 대 전류에 대한 자속 쇄교의 차분이다. 위상 전압과 전류를 모니터함으로써 룩업표의 도움으로 예상한 각도로부터의 일탈 정도를 평가할 수 있고, 따라서 시스템 동작이 조정될 수 있다. 위치 검출 알고리즘에 의해 요구될때 마다 자속 쇄교를 충분한 정밀도로 결정할 수 있다면, 이 방법은 신뢰성이 있음을 보여 주었다. (시스템의 원하지 않는 잡음과 적분기의 불완전성 때문에) 자속 쇄교 적분기가 드리프트하는 것을 피하기 위해서는, 전류가 0으로 떨어지고 위상 권선이 더이상 어떤 자속과도 쇄교하고 있지 않을 때 각 전도 사이클의 끝부분은 0으로 설정된다. 이 방법은 회전자가 기준 위치에 있게 되는 때를 초기에 예측하고, 그 기준 위치에 도달했다고 믿어질 때 기기의 파라미터를 측정하며, 이들 측정 결과를 이용하여 예측시의 오차를 검출하고 다음 기준 위치에 대한 새로운 예측을 채택함으로써 보정 행위를 한다는 점에서 「예측자/보정자」법(predictor/corrector method)이다.

스위치드 릴럭턴스 기기의 동작의 특수 모드는 발명자가 레이인 미국 특허 제5469039호에 개시된 바와 같은 연속 전류 모드이며, 상기 특허는 본 명세서에 인용되어 있다. 이 모드에서는, 권선은 자속, 즉, 전류가 에너지 복귀 기간의 끝에서 0으로 되돌아가기 이전에 전원 장치에 재 접속된다. 그러므로 위상 권선은 전류가 이 위상 권선을 연속적으로 흐르도록 동작하고 항상 자속에 의해 쇄교되어 있다. 이것은 동작 사이클의 일부 지점에서 고레벨의 과부하 출력을 생성해야 하는 시스템에서는 중요한 모드이다. 드라이브의 효율이 이 모드에서 감소하지만, 이것에 의해서, 그 밖의 경우에 더 큰 기기를 요구하는 사양이 달성될 수 있다. 그러나, 이 모드에서는, 0 자속 및 전류의 어떤 공지된 지점이 없으므로 이러한 지점에서 적분기를 재설정할 기회가 위상 사이클 내에는 없기 때문에 무감지기 회전자 위치 검출을 위한 종래 기술 방법을 사용하는 것이 지금까지는 불가능하였다.

이 문제에 대한 해결책을 찾기 위한 시도들은, 제어 시스템이 위치 재추정이 필수적이라고 판정한 때를 제외하고 드라이브가 연속 전류 모드로 동작하는 것을 허용하는 방식을 포함하고 있으며, 상기 판정시에는 연속 전류 모드를 빠져나가고, 위치가 추정된 후, 드라이브는 연속 전류 모드로 재진입한다. 구체적으로, 이것은, 주로 연속 전류 이지만 위치 정보가 얻어질 수 있도록 사전에 결정된 기간에 불연속 전류로 되돌아가는 모드로 상기 기기를 동작시킴으로써 실행될 수 있다. 이 기술은 (연속 전류가 일반적으로 사용되는) 고속에서 대체로 변하지 않는 사실상 정수인 속도에 의존한다. 그럼에도 불구하고, 토크의 손실은 연속 전류의 중단과 관련되어 있다. 다른 방법은, 예컨대 10인 주어진 수의 사이클 동안 연속 전류에서 각 위상을 동작시키고, 다음에 전류가 확실하게 0으로 떨어지도록 다음 사이클의 짧은 시간 동안에 위상을 자극하여 적분기는 재설정되고 자속 쇄교의 정밀한 추정이 이루어질 수 있다. 이 "짧은" 사이클을 연속 전류에서 동작하는 다른 위상들과 인터리빙함으로써, 토크 손실의 해로운 효과가 완화된다.

그러나, 모든 이러한 방법들에서는 토크의 손실에 의해서 기기 성능이 불안정해질 수 있고, 전류는 연속 전류의 1 주기에 걸쳐 형성되어야 하기 때문에 다시 안정 상태에 도달되기 전까지 수 사이클이 필요하다.

본 발명을 첨부된 청구 범위의 독립항에 규정한다. 몇 가지 바람직한 특징은 청구 범위의 종속항에 기술한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법이 제공되며, 상기 방법은, 제1 지점에서, 전압이 위상에 인가되는 순간에 기기의 위상 또는 적어도 하나의 위상과 관련된 자속 쇄교의 값을 유도하는 단계와, 회전자의 후속 지점에서 위상 전류와 위상 자속 쇄교의 값을 유도하는 단계와, 후속 지점에 총 자속 쇄교의 값을 부여하기 위해 유도된 자속 쇄교값들을 결합하는 단계와, 위상 전류와 총 자속 쇄교값으로부터 회전자 위치를 유도하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 전압이 위상에 인가되는 순간이 자속 쇄교 증가가 시작되는 때의 지점에 있는 방법이 제공된다. 상기 순간의 전류는 대체로 0이거나 0이 아닐 수 있다.

바람직하게는, 전압이 위상에 인가되는 때의 순간의 자속 쇄교의 값은 상기 순간의 전류로부터 유도된다. 예컨대, 상기 순간의 자속 쇄교는 전류와 전류의 세로축에 대한 인덕턴스의 저장된 값으로부터 유도된다.

그러므로 본 발명의 실시예는 스위치드 릴럭턴스 기기의 동작의 단일 펄스 모드에 특히 유용하다. 본 발명은 자속 쇄교값을 유도하기 위해 제1 지점에서 전류 의 값을 이용할 수 있다. 전류가 불연속인 경우 0 전류 값은 0의 자속 쇄교값을 발생시킨다. 전류가 연속인 경우 전류값은 0이 아닌 자속 쇄교를 유도하는데 이용될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 지점으로부터의 자속 쇄교는 상기 순간으로부터 후속 지점까지 위상 전압을 적분함으로써 유도된다. 후속 지점의 상기 자속 쇄교는 상기 순간으로부터 후속 지점까지 위상 전압을 적분함으로써 유도될 수 있다. 이 회전자 위치는 위상 전류와 자속 쇄교의 좌표를 갖는 저장된 파라미터로부터 유도될 수 있다.

하나의 특정 실시예에 따르는 본 발명의 방법은 자속 증가가 시작되는 경우위상 권선의 턴온 시에 전류를 측정하고, 인덕턴스의 표를 색인하는데 이 전류값을 이용한다. 이 표에 의해 제공되는 인덕턴스의 값은 다음에 전류가 곱해져 위상의 정지 상태 자속 쇄교(standing flux-linkage)의 추정을 제공한다. 또한, 턴온 시에, 0에 설정된 자속 측정 적분기는 적분 모드로 진입한다. 사전에 결정된 후속 지점에서 적분기에 의해 제공된 자속 쇄교값은 정지 상태 자속 쇄교에 대해 계산된 값에 가산되고, 결과적인 총계값은 회전자 위치 결정에 이용된다.

인덕턴스는 스위치 턴온 시, 즉 위상 인덕턴스 사이클의 자속 증가의 시작 시에 결정되므로, 이 방법은 다량의 저장된 데이터를 요구하지 않는다. 이 방법은 파형들 상의 잡음에 대하여 또한 확고하며 이 방법은 이것으로부터 위치를 추론한다.

또한, 본 발명에 따르면, 회전자 위치가 다상(polyphase) 기기의 각 위상에 관련된 값으로부터 유도되는 방법이 제공된다.

본 발명의 일실시예는 회전자 위치를 모니터하는 확고하고 비용적으로 효과적인 방법과 연속 전류를 사용하거나 사용하지 않고 단일 펄스 모드에서 회전자 위치 변환기 없이 동작할 수 있는 회전자 위치 검출기를 제공한다.

본 발명은 수많은 방법의 실행 상황에 놓일 수 있고, 이들 실행 상황 중의 소수를 실시예와 첨부된 도면의 참조를 통해 기술할 것이다.

스위치드 릴럭턴스 기기의 위상 인덕턴스 사이클은, 예컨대 고정자 자극 및 관련된 각 회전자 자극이 완전하게 정렬된 때 최대값들 사이의 위상 또는 각 위상에 대한 인덕턴스의 변화의 주기이다. 기술할 예시적인 실시예는 모터링 모드에서 2상 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 사용하지만, 모터링 모드 또는 생성 모드의 드라이브에 하나 이상의 위상 수가 사용될 수도 있다.

도 5는 본 발명이 구현된 방법을 실행하기 위한 시스템을 도시한다. 도 7은 도 5의 시스템을 위한 연속 전류 파형을 도식적으로 예시한다. 이 시스템에 있어서, 전력 컨버터(13)는 통상적으로 도 1에 도시한 것과 동일하고, 동일한 참조 부호를 적절한 곳에 사용하였다. 전력 컨버터(13)는 전과 같이 스위치드 릴럭턴스 기기를 제어한다. 전력 컨버터(13)는 제어기(42)에 의해 자체적으로 제어되며, 이 실시예에서는 이 제어기(42)가, 예컨대 아날로그 디바이스사(Analog Devices)의 2181 패밀리 중의 하나인 디지털 신호 프로세서(44)를 내장하고 있다. 다른 실시예는 마이크로프로세서 또는 다른 형태의 프로그램 가능한 소자를 본 기술 분야에서 잘 공 지된 바와 같이 내장할 수 있다. 예시된 2상 기기는 고정자(30)와 회전자(32)를 구비한다. 이 고정자는 4개의 고정자 자극(50)을 가지며, 이 자극에는 위상 권선(34, 36)이 감겨있다. 회전자는 회전자 자극(52)을 가지며, 기기의 시동을 돕기 위해 고정자 자극의 표면과 계단형 공극을 형성하는 자극 표면(54)을 갖는다. 당업자라면 본 발명이 임의의 특별한 기기 형태에 특정되지 않기 때문에 상이한 위상 수 또는 자극 조합을 갖는 기기가 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이와 유사하게, 본 발명은 특정 형태의 제어 기술에 한정되지 않으며 적절하게 프로그램될 수 있는 한 어떠한 제어기와 컨버터도 사용 가능하다.

위상 전류는 각 위상 권선에 관하여 배열된 전류 변환기(38)에 의해 감지된다. 각 위상의 전류를 표시하는 출력 신호는 제어기(42)에 공급된다. 회전자 각도에 대한 위상 인덕턴스를 저장한 룩업표(46)도 제어기(42)에 접속된다. 각 위상에 대한 전류 변환기가 도시되었지만, 하나의 위상 또는 선택 위상이 본 발명에 따른 위상 전류에 대해 모니터될 수 있다.

제어기(42) 내에 도시된 적분기(40)는 전압 변환기(43)에 의해 제공되는 권선 양단의 위상 전압(V)을 적분함으로써 자속 측정을 유도하는데 사용된다. 고도의 정확성을 위하여, 권선 양단의 전압 강하(IR)는 적분값에서 인수분해 될 수 있다. 공급 전압은 각 위상에 대하여 공통이 될 것이므로 도 5에는 하나의 전압 변환기(43)만을 나타내고 있다. 각 위상이 개별적인 전압 변환기를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 적분기가 별개의 장치(40)로서 도시되어 있지만, 프로세서(44)에서 실행되는 소프트웨어 안에 구현되는 것이 바람직하다.

본 발명의 이 실시예에 따른 방법은 다음과 같이 동작한다. 기기가 연속 전류 모드에서 동작하고 있고, 회전자 위치는 충분히 잘 알려져 있어서 권선을 여자시킬 수 있다고 가정한다. 턴온 되는 지점에서, 양의 전압이 위상 양단에 인가되면, 전류값이 전류 변환기(38)에 의해 측정되고 제어기(42)에 의해 유지된다. 턴온 각도를 알면, 각도 대 위상 인덕턴스의 룩업표(46)는 그 회전자 각도에 대응하는 위상 인덕턴스를 보내주도록 질문 받는다. 인덕턴스값에는 턴온 지점에서의 위상의 자속 쇄교를 제공하기 위해 저장된 전류값이 곱해진다. 이 값은 저장된다. 회전자가 회전함에 따라, 적분기(40)가 동작하여 위상 권선 양단의 전압을 적분한다. 제어 시스템이 추정된 후속하는 사전 결정된 위치에 도달했음을 판정한 때, 전류는 활성화된 위상에 대해서 전류 변환기(38)를 이용하여 측정되고, 적분기(40)로부터의 자속 쇄교의 추정값은 룩업표(46)로부터의 저장된 값에 가산되어 이 위치에서의 위상의 자속 쇄교의 총계값을 제공한다. 이 총계값은 다음에 전류와 함께 사용되어 필요한 경우 이전의 추정값을 보정하는데 사용될 수 있는 실제 위치를 찾는다.

예측된 회전자 위치(θ_m)와 기준 회전자 위치(θ_r) 사이의 각도 차(△θ)는 다음 수학식 1과 같이 프로세서(42)에 의해 계산될 수 있다.

예측된 위치-여기서 자속과 전류의 측정이 이루어짐-와 기준 위치 사이의 각도 차를 결정하기 위해서, 한 세트의 위상 전류(i)의 값에 대한 편미분 도함수

(또는 그 역인

)의 기준 위치값에 대해서 프로세서 내에 저장하는 것 또한 본 발명의 특징이다.

기준 회전자 위치(θ_r)는 공지되어 있으므로, 시간의 예측된 순간의 실제 회전자 위치는 다음 수학식 2와 같이 △θ로부터 계산될 수 있다.

다음에, 다음 회전자 위치에 대한 예상되는 시간은 모터 속도의 공지된 값을 이용하여 추정될 수 있다. 가속 또는 감속 상태 하에서는 모터 속도에 대해 보정이 이루어질 필요가 있을 수 있다.

전체 위상이 측정에 사용된다면, 다음 회전자 기준 위치는 위상 2(즉, 순서상 다음 위상의 어느 것이든지)에 대한 것이 될 것이다. p개의 회전자 자극을 갖는 n상 모터에 있어서, 이 위치에 대한 회전각은 (360/np)°- △θ이고, 이 각도를 속도로 나눔으로써 이 다음 위치에 도달하는데 필요한 시간이 추정될 수 있다.

1개의 위상만을 측정에 사용한다면 다음의 회전자 기준 위치는 (360/p)°- △θ의 회전 이후가 될 것이며, 이 각도를 속도로 나눔으로써 이 위치에 도달하는데 필요한 시간이 추정될 수 있다.

다음에, 다음 기준 위치에 대한 예측된 시간은 공지된 수단에 의해 고주파 클록(도시하지 않음)을 이용하여 계수가 끝나고, 이러한 시간이 경과된 순간에, 자속

과 전류 I_m의 추가 측정이 대응하는 위상에 대해 실행된다. 속도 변화 및 저 장된 데이터와 계산의 허용 오차에 기인하여, 예측된 위치 θ_m은 기준 위치(θ_r)와 일치하지 않을 것이다. 각도 차(θ_r - θ_m )는 수학식 1과 수학식 2 및 위에서 약술한 절차를 이용하여 다시 계산될 수 있다.

한 위상씩 회전자 위치를 예측하고 각 측정 순간마다 실제 회전자 위치를 측정하는 과정은 반복되어 현존하는 광학 또는 전자기 회전자 위치 감지기에 대한 직접적인 대치로서 회전자 위치의 증가 표시를 제공한다.

재생 상태 하에서의 단일 펄스 동작의 경우에 대한 과정은 도 6에 도시한

의 값이 대응하는 통상의 기준 회전자 위치에 대해서 (양이라기 보다는) 음일 것이라는 것을 제외하면 전술한 바와 같다.

다양한 장치가 자속 측정에 사용될 수 있다. 임의의 공지된 형태의 자속 변환기가 사용될 수 있다. 그러나, 측정은 위상 권선에서의 저항성 전압 강하에 대한 보상 수단과 함께 (위상 전압을 시간 t에 대해 적분하는) 아날로그 또는 디지털의 전자 리셋가능 적분기에 의해서 실행되는 것이 바람직하다.

적분기는 다음 수학식 3을 실행한다.

여기서, v는 위상 전압,

i는 위상 전류,

R은 위상 저항,

t_m은 측정 순간이다.

적분기 시작 시간(t₀)은 (고속 모드에 대해서) 위상이 여기되는 매시간 마다 위상에 대한 전압 인가의 순간이 되도록 정해진다. 디지털 프로세서는 위상에 대한 전압 인가의 순간을 제어 인터페이스(도시하지 않음)를 이용하여 전자 제어기에 의해 통보 받는다. 적분기는 각 자속 판독이 이루어진 후 디지털 프로세서에 의해 리셋된다.

직류 소스 전압(V)이 전력 컨버터 내의 반도체 스위치들 양단의 전압 강하에 비교하여 상대적으로 큰 응용의 경우에, 이 직류 소스 전압은 각각의 위상 전압 대신에 측정 및 적분될 수 있다. 이것은 단지 하나의 전압만이 측정될 필요가 있다는 이점을 갖는다.

다음에 자속이 측정되며 수학식 4와 같다.

분리된 전자 적분기들을 이용하기 위한 다른 방법으로서, 디지털 프로세서는 한단계 한단계에 기초하여 직류 공급(또는 위상) 전압에 시간을 곱함으로써 이용될 수 있다. 이것은 디지털 프로세서가 대체로 일이 많고 독립된 유닛이 될 필요가 있다는 단점이 있다.

그러나, 공급 전압이 저항성 전압(iR)과 비교하여 대체로 일정하고 크면, 다양한 접근이 이루어질 수 있다.

예컨대,

여기서 k는 정수이고, 통상적으로 k=0.5이다. 따라서,

또 다른 실시예로서, 공급 전압(V)이 저항성 전압(iR)에 비교하여 상대적으로 큰 경우, 저항성 전압 강하를 보상할 필요성은 저장된 데이터의 자속에 대한 수정된 값을 이용하거나 iR을 전적으로 무시함으로써 회피할 수 있다.

이 경우, 디지털 프로세서에 저장된 특정 전류(I)와 특정 회전자 위치(θ)에 대한 위상 자속 쇄교

의 값들은, 회전자 위치(θ)에 대한 위상 전류(I)를 생성하는데 요구되는 다음 수학식 7에 의해 주어지는 전압 제2 적분

의 값으로 대치된다.

와

의 값의 표를 달성하도록 기기를 시험하는데 있어서, 편의를 위 해 V는 일정하게 유지될 수 있고(V가 상대적으로 크다면), 공급 전압과 동일한 것이 바람직하다. 회전자 위치 측정 과정은, 측정된 자속(

)과 기대된 자속(

) 및 편미분 도함수(

)가 각각

및 (

)으로 대치되는 것을 제외하면 이 응용예에서 이미 전술한 바와 같고, 여기서

와 (

)는 전술한 바와 같이 도 4a 및 도 4b와 도 6으로 나타낸 저장된 데이터로부터 얻어지고, 자속

은 다음 수학식 8과 같이 측정된다.

수학식 3, 수학식 4, 수학식 5 및 수학식 8은 회전자 위치 식별을 목적으로 위상 자속 쇄교를 평가하는 상이한 방법을 나타내며 이들은 기술의 상이한 실행을 나타낸다.

전술한 다양한 실시예는 모두, 예측된 회전자 위치에서의 자속

와 전류 I_m의 측정, 기준 회전자 위치에 대응하는 측정된 전류 i_m에 대해 기대되는 자속(

)의 룩업표 및 기준 회전자 위치와 예측된 회전자 위치 사이의 차이(△θ)를 다음 수학식 9에 따라 행하는 계산에 기초한다.

도 6은 본 발명의 방법을 도식적으로 예시한다. 톱니파

는 기기가 연속 전류 모드에 있는 동안의 위상에 관련된 실제 자속 쇄교를 나타낸다. 자속 쇄교값(

)은 이 사이클 기간 중의 최소 또는 "정지(standing)"값이다. 톱니파

는 적분기의 출력에 의해 표시되는 자속 쇄교를 나타낸다. 위상은 각도 θ_on에서 온으로 스위칭되고, 그 이전에는, 적분기는 프로세서(44)로부터의 신호에 의해 기간 R 동안 리셋으로 유지되어 있다. 이 기간 R은 적분기 출력이 0으로 회복될 만큼 충분히 길다. θ_on에서, 전류가 측정되고(도 7 참조), 인덕턴스의 룩업표(46)는 그 회전자 각도에 대한 위상의 인덕턴스를 찾도록 질문을 받는다. 전류와 인덕턴스의 곱이 프로세서(44)에 의해 계산된다. 이로써

의 추정값을 얻고, 다음에 이 추정값은 제어기(42)에 의해 저장된다. θ_on 이후, 위상의 실제 자속 쇄교는 인가 전압에 의해 지시되는 비율로 증가하고, 적분기의 출력에 의해

의 오프셋과 함께 추적된다. 어떤 지점(본 설명에 중요하지 않음)에서, 위상은 오프로 스위칭되고 자속 쇄교는 급락하기 시작한다. 제어 시스템이 회전자가 사전에 결정된 위치 θ_ref에 있다고 판정한 때, 적분기로부터의 출력과 위상 전류의 값은 샘플링되고 유지된다.

의 저장된 추정값을

의 값에 가산하여,

의 추정값을 제공한다. 다음에 전류와

는, 전술되고 유럽 특허 출원 공개 번호 제EP-A-0573198호에 레이에 의해 교시된 방법으로 실제 회전자 각도를 찾는데 사용될 수 있다.

본 발명의 이 실시예는, 위상 전류가 불연속, 즉, 종래의 단일 펄스 모드인 때에도 동일하게 잘 동작한다는 점에서 특히 유리하다. 이것을 도 8에 도식적으로 예시한다. 전류는 θ_on 바로 전에서 0이므로, 인덕턴스값과의 곱은 0 정지 자속 쇄교의 올바른 결과를 낳는다. 따라서, 동일한 프로그램 코드가 불연속 전류와 연속 전류 양자에 대해서 제어기(42)에 이용될 수 있다.

전술한 방법은 기기 성능의 원치않는 저하없이 연속 전류 동작과 무감지기 위치 검출을 결합하는 단순하고도 효과적인 방법을 제공한다.

본 기술 분야의 숙련자는 개시된 장치의 변형이 특히 제어기의 알고리즘의 실행의 상세한 내용에서 본 발명을 벗어남이 없이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 회전자 위치 검출에 기초가 되는 진단은 다상 기기의 단하나의 위상에서 수행될 수 있다. 따라서, 여러 실시예 중에 전술한 설명은 실례로서 기술되었을 뿐이며 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 사소한 변경이 전술한 동작에 상당한 변경 없이 드라이브 회로에 행해질 수 있다는 것은 본 기술 분야의 당업자에게는 명백한 사실일 것이다. 본 발명은 첨부된 청구 범위에 의해서만 그 범위가 한정된다.

본 발명은 기기 성능의 원치않는 저하없이 연속 전류 동작과 무감지기 위치 검출을 결합하는 단순하고도 효과적인 방법을 제공한다.

Claims (19)

1. 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법에 있어서,

   상기 기기의 위상에 대한 전압의 인가가 시작되는 제1 시점에서, 상기 기기의 위상에 관련되거나 또는 상기 기기의 적어도 하나의 위상에 관련된 자속 쇄교값을 유도하는 단계와,

   후속 시점에서 위상 전류와 자속 쇄교의 값을 유도하는 단계와,

   상기 후속 시점에서 총 자속 쇄교값을 제공하기 위해 상기 유도된 자속 쇄교값들을 결합하는 단계와,

   상기 위상 전류와 상기 총 자속 쇄교값으로부터 상기 회전자 위치를 유도하는 단계

   를 포함하는 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 시점은 자속 쇄교 증가가 시작되는 시점인 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 시점에서의 전류는 0이 아닌 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 시점에서의 전류는 0인 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 시점에서의 상기 자속 쇄교값은 상기 제1 시점에서의 전류로부터 유도되는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 시점에서의 자속 쇄교는 상기 전류와 저장된 인덕턴스값으로부터 유도되는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 시점에서의 자속 쇄교는 상기 제1 시점으로부터 상기 후속 시점까지 위상 전압을 적분함으로써 유도되는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 시점은 최소 자속 쇄교 시점이고 상기 적분은 상기 제1 시점에 개시되는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자 위치는 위상 전류와 자속 쇄교의 저장된 파라미터로부터 유도되는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자 위치는 다상 기기의 각 위상에 관련된 값들로부터 유도되는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자 위치는 다상 기기의 1개의 위상에 관련된 값들로부터 유도되는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출 방법.
12. 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기에 있어서,

    상기 기기의 위상에 대한 전압의 인가가 시작되는 제1 시점에서, 상기 기기의 위상에 관련되거나 또는 상기 기기의 적어도 하나의 위상에 관련된 자속 쇄교값을 결정하는 수단과,

    후속 시점에서 위상 전류와 자속 쇄교의 값을 유도하는 수단과,

    상기 후속 시점에서 총 자속 쇄교값을 제공하기 위해 상기 유도된 자속 쇄교값들을 결합하는 수단과,

    상기 위상 전류와 상기 총 자속 쇄교값으로부터 회전자 위치를 유도하는 수단

    을 포함하는 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기.
13. 제12항에 있어서, 위상 전류값에 대한 인덕턴스 값을 저장하는 룩업표를 포 함하는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 후속 시점에서 자속 쇄교값을 유도하는 수단은 상기 제1 시점으로부터 상기 후속 시점까지 위상 전압을 적분하는 적분기를 포함하는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기.
15. 제14항에 있어서, 상기 제1 시점에 대하여 상기 적분기를 리셋시킬 수 있는 리셋 수단을 포함하는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기.
16. 제12항 또는 제13항에 있어서, 자속 쇄교 증가가 시작된 때 상기 자속 쇄교값을 결정하도록 동작할 수 있는 프로세서 수단을 포함하는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기.
17. 제14항에 있어서, 자속 쇄교 증가가 시작된 때 상기 자속 쇄교값을 결정하도록 동작할 수 있는 프로세서 수단을 포함하고, 상기 프로세서 수단은 상기 제1 시점의 전류로부터 상기 자속 쇄교값을 유도하도록 동작할 수 있는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기.
18. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 회전자 위치 유도 수단은 위상 전류와 자속 쇄교의 값에 대한 회전자 위치의 값을 저장하는 저장 수단을 포함하는 것인 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출기.
19. 제3항에 있어서, 상기 릴럭턴스 기기는 연속 전류 모드에서 동작하는 것인 회전자 위치 검출 방법.

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