KR101079354B1 - 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법 - Google Patents

잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 권선으로 구동전원의 전력을 공급 및 차단할 수 있도록 접속된 스위치소자를 온/오프 제어하여 모터를 구동하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동장치에 관한 것으로서, 고정자 권선의 단자 전압을 검출하는 전압검출부와, 전압검출부로부터 스위치소자의 오프 이후의 고정자 권선의 단자를 통해 회전자와 고정자의 잔류 자속에 대응되어 검출되는 전압신호를 이용하여 회전자의 고정자에 대한 위치 정보를 추출하고, 추출된 회전자의 위치정보를 이용하여 스위치소자의 온/오프 구동을 제어하는 제어유니트를 구비한다. 이러한 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법에 의하면, 회전자와 고정자의 돌극이 완전히 벗어나는 시점에서 권선의 유기기전력이 제로가 되는 신호를 검출함으로써 회전자의 위치 및 속도를 계산하여 간단하게 센서리스 구동이 가능하고, 스위칭 방법, 어드밴스각의 유무, 파라미터 변경에 무관하게 사용할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법{Sensorless driving apparatus for single-phase SRM using residual flux and method therefor}
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법에 관한 것으로서, 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법에 관한 것이다.
스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor: SRM)는 간단한 구조, 높은 효율, 높은 동작속도 등의 장점을 갖고 있고, 최근의 전력용 반도체의 기술이 발전함에 따라 더욱 주목을 받고 있다. 또한, 스위치드 릴럭턴스 모터는 항공기의 가스터빈 엔진의 주변기기 및 차량 구동용 전동기, 공작기기, 가정용기기, 로봇 등의 메카트로닉스 전동기구로의 활용연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 스위치드 릴럭턴스 모터는 많은 장점을 가지고 있지만 BLDCM과 같이 회전자의 위치센서를 필요로 하므로 광 인터럽터 혹은 고정밀 엔코더와 같은 축 위치 센서가 회전자 위치를 결정하기 위해 사용되며, 또한 아날로그 엔코더도 개발되었다. 그러나 이런 위치 센서들은 복잡성과 소형 모터의 응용에 대해 추가적인 비용을 요구할 뿐 아니라 구동시스템의 신뢰도를 저하시키는 경향이 있다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 여러 가지 센서리스 구동 방법들이 연구되고 있다. 하지만 이러한 센서리스 회전자 위치추정 방법들은 계산이 복잡하고 구동하고자 하는 SRM의 자화곡선을 필요로 하는 경우가 많다. 또는 센서리스를 위해 따로 서치코일을 장착하여 회전자의 위치추정을 하는 경우도 있다.
SRM의 자화곡선을 이용하여 회전자의 위치를 추정하여 구동하는 방법은 항상 구동하고자 하는 모터의 자화곡선을 확보해야 하며, 각종 파라미터가 변하게 되면 오차도 늘어나게 될 뿐만 아니라 복잡한 계산을 필요로 한다. 또한, 전류의 기울기를 이용하여 회전자의 위치를 추정하는 방법은 매우 간단하며 효율적이나 회전자 돌극과 고정자 돌극이 겹치기 시작하는 점인 오버랩 시작점을 검출하는 방법이므로 오버랩 이전에 반드시 여자를 시작하여 어드밴스를 주어야 한다. 따라서 저속영역에서 토크가 발생하기 시작하는 부분 즉 인덕턴스의 기울기가 증가하는 부분에서만 여자를 시켜야 하는 경우는 사용할 수 가 없는 단점이 있다.
서치코일을 이용하여 서치코일에 발생하는 기전력의 변화를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 경우도 오버랩 포인트를 검출해야 하므로 반드시 약 2도 이상의 어드밴스 각이 필요하게 된다.
한편, 저속에서는 일정한 토크를 발생시키기 위해서 PWM제어를 하게 되는데 이때 일정전류를 흘려주게 된다. 이처럼 전류제어를 통해서 일정한 전류를 흘려주는 경우에는 회전자와 고정자 돌극이 만나는 시점에서도 일정한 전류가 흐르게 되므로 전류 기울기를 이용하거나 서치코일을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 방법은 사용할 수 없다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 모터 구동시 스위치를 오프한 후 회전자와 고정자의 잔류자속에 의해 권선의 양단에 발생하는 유기기전력을 이용하여 센서 없이 구동할 수 있는 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동장치는 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 권선으로 구동전원의 전력을 공급 및 차단할 수 있도록 접속된 스위치소자를 온/오프 제어하여 모터를 구동하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동장치에 있어서, 상기 고정자 권선의 단자 전압을 검출하는 전압검출부와; 상기 전압검출부로부터 상기 스위치소자의 오프 이후의 상기 고정자 권선의 단자를 통해 상기 회전자와 상기 고정자의 잔류 자속에 대응되어 검출되는 전압신호를 이용하여 상기 회전자의 상기 고정자에 대한 위치 정보를 추출하고, 추출된 상기 회전자의 위치정보를 이용하여 상기 스위치소자의 온/오프 구동을 제어하는 제어유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제어유니트는 상기 전압검출부에서 출력되는 신호를 미분하는 미분기와; 상기 미분기에서 출력되는 피크신호 중 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 일부 대향되게 이동되는 과정에서 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나기 시작하는 시점에 해당하는 피크신호를 이용하여 상기 회전자의 위치정보를 추출하고, 추출된 상기 회전자의 위치 정보를 이용하여 상기 스위치 소자를 제어하는 구동 제어부;를 구비한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동방법은 가. 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 권선으로 구동전원의 전력을 공급 및 차단할 수 있도록 접속된 스위치소자를 통해 상기 고정자의 돌극과 상기 고정자 내에서 회전되는 회전자의 돌극이 상호 어긋난 위치에서 상기 고정자의 권선으로 전력을 공급하는 단계와; 나. 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 돌극과 상기 회전자의 돌극의 적어도 일부가 대향되는 위치에서 상기 고정자의 권선으로의 전력공급을 차단하는 단계와; 다. 상기 나 단계 이후 상기 고정자 권선의 단자를 통해 상기 회전자와 상기 고정자의 잔류 자속에 대응되어 검출되는 전압신호로부터 상기 고장자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나는 시점을 판단하고, 상기 고장자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나는 시점의 상기 회전자의 위치 정보를 이용하여 상기 스위치소자의 온/오프 구동을 제어하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는 상기 다 단계는 다-1. 상기 고정자 권선에서 검출되는 전압신호를 미분하는 단계와; 다-2. 상기 다-1에서 출력되는 피크신호 중 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 일부 대향되게 이동되는 과정에서 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나기 시작하는 시점에 해당하는 피크신호를 이용하여 상기 회전자의 상기 고정자에 대한 상대 위치정보를 확인하는 단계와; 다-3. 상기 다-2단계에서 획득된 상기 회전자의 위치정보를 이용하여 상기 스위치소자의 온/오프 구동을 제어하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법에 의하면, 회전자와 고정자의 돌극이 완전히 벗어나는 시점에서 권선의 유기기전력이 제로가 되는 신호를 검출함으로써 회전자의 위치 및 속도를 계산하여 간단하게 센서리스 구동이 가능한 장점을 제공한다. 또한, 이러한 구동 장치 및 방법에 의하면, 스위칭 방법, 어드밴스각의 유무, 파라미터 변경에 무관하게 사용할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 SRM 구동 장치를 나타내 보인 회로도 이고,
도 2는 도 1의 등가 회로도 이며,
도 3은 일반적인 모터로의 전류공급 및 차단과 회전자의 위치에 따른 인덕턴스 프로파일을 나타내보인 그래프이고,
도 4는 회전자의 위치에 다른 잔류자속의 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 회전자의 회전시 권선에 유기되는 전력을 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 도 5의 t1 내지 t8의 위치별 회전자를 나타내보인 도면이고,
도 7은 모터를 회전시켰을 때의 권선을 통해 측정된 전압을 나타내 보인 파형도이고,
도 8은 모터를 1800rpm으로 회전시켰을 때 권선의 전압 및 잔류자속의 변화 패턴을 함께 도시한 그래프이고,
도 9는 도 1의 스위치 소자의 온/오프와 회전자의 위치를 나타내 보인 도면이고,
도 10은 회전자 검출 방식을 설명하기 위해 고정자 권선 양단에 발생되는 전압신호의 처리과정의 일 예를 나타내 보인 파형도이고,
도 11 및 도 12은 센서리스 구동의 예를 설명하기 위하 구동 파형도이고,
도 13은 센서리스 구동방식에 대해 시뮬레이션한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 14는 모터에 대해 구동 실험한 결과를 나타내 보인 파형도이고,
도 15는 어드밴스 8도일 경우에 엔코더를 이용하여 구동한 결과와 본 발명에서 제안된 방법으로 구동한 결과를 비교하여 나타내 보인 파형도이고,
도 16 및 도 17은 어드밴스 각을 달리 적용하여 실험한 결과를 나타내 보인 파형도이고,
도 18은 PWM으로 65%의 듀티로 구동하였을 때의 파형도이고,
도 19는 초기 기동시 파형을 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 장치 및 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 SRM 구동 장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 등가 회로이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)(200)의 구동 장치(100)는 스위치 소자(Q1)(Q2), 전압검출부(110), 제어유니트(130)를 구비한다.
스위치드 릴럭턴스 모터(200)는 고정자(210)의 돌극(212) 주위에 코일로 권선(L1)(215)되어 있고, 고정자(210) 내에서 회전되는 회전자(220)는 고장자의 돌극(210)에 대향되는 형상의 돌극(222)이 형성되어 있다.
도시된 예에서는 일 예로서 6/6 단상 모터(200)가 적용되었다.
또한, 각 고장자 돌극(212)의 권선(215)은 직렬로 연결되어 양단(215a)(215b)이 스위치소자(Q1)(Q2)와 직렬로 접속되어 있다.
스위치 소자(Q1)(Q2)는 스위치드 릴럭턴스 모터(200)의 고정자(210)의 권선(215)으로 구동전원(Vs)의 전력을 공급 및 차단할 수 있도록 접속되어 있다.
전압검출부(110)는 고정자 권선(215)의 단자 전압 즉, 고정자 권선(215)의 양단에 유기되는 전압을 검출할 수 있도록 접속되어 있다.
전압검출부(110)는 미세전압을 검출할 수 있도록 증폭기가 더 구비될 수 있음은 물론이다.
또한, 전압검출부(110)는 후술되는 구동제어부(140)에 의해 구동제어부(140)가 스위치소자(Q1)(Q2)를 스위치 오프한 이후에만 검출신호를 출력하도록 구동제어부(140)에 제어되게 구축될 수 있음은 물론이다.
제어유니트(130)는 스위치 소자(Q1)(Q2)의 온/오프 를 제어하여 모터(200)를 구동시킨다.
제어유니트(130)는 전압검출부(1110)로부터 스위치소자(Q1)(Q2)의 오프 이후의 고정자 권선(215)의 단자(215a)(215b)를 통해 회전자(220)와 고정자(210)의 잔류 자속에 대응되어 검출되는 전압신호를 이용하여 회전자(220)의 고정자(210)에 대한 위치 정보를 추출하고, 추출된 회전자(220)의 위치정보를 이용하여 스위치소자(Q1)(Q2)의 온/오프 구동을 제어한다.
제어유니트(130)는 미분기(132)와 구동제어부(140)로 되어 있다.
미분기(132)는 전압검출부(110)에서 출력되는 신호를 미분한다.
미분기(132)는 스위치소자(Q1)(Q2) 오프 이후 시차를 두고 두개의 피크신호가 출력되는데, 첫 번째 피크신호는 스위치 오프시 발생되며 두번째 피크신호는 잔류자속이 0으로 전환되는 시점에 발생된다.
구동제어부(140)는 미분기(110)에서 출력되는 피크신호 중 고정자(210)의 돌극(212)에 대해 회전자(220)의 돌극(222)이 오버랩되게 일부 대향되게 이동되는 과정에서 고정자(210)의 돌극(212)에 대해 회전자(220)의 돌극(222)이 벗어나기 시작하는 시점에 해당하는 피크신호를 이용하여 회전자(220)의 위치정보를 추출하고, 추출된 회전자(220)의 위치 정보를 이용하여 스위치 소자(Q1)(Q2)의 후속되는 온/오프 구동을 제어한다.
즉, 구동제어부(140)는 스위치소자(Q1)(Q2) 오프 이후 미분기(132)에서 출력되는 피크신호 중 고정자(210)의 돌극(212)에 대해 회전자(210)의 돌극(222)이 일부 대향되게 이동되는 과정에서 고정자(210)의 돌극(212)에 대해 회전자(220)의 돌극(222)이 벗어나기 시작하는 시점에 해당하는 두 번째 피크신호를 이용하여 회전자(220)의 고정자(210)에 대한 상대 위치정보를 확인한다.
구동제어부(140)는 획득된 회전자(220)의 위치정보를 이용하여 고정자(210)의 돌극(212)에 대해 회전자(220)의 돌극(222)이 벗어나기 시작하는 시점 이후의 고정자(210)의 돌극(212)과 회전자(220)의 돌극이 상호 어긋난 위치 영역에서 고정자(210)의 권선으로 전력을 공급하도록 스위치 소자(Q1)(Q2)를 스위치 온하고, 고정자(210)의 돌극(212)과 회전자(220)의 돌극(222)의 적어도 일부가 대향되는 위치에서 고정자(210)의 권선으로의 전력공급을 차단하는 과정을 수행하면서 모터(220)를 구동한다.
또한, 구동제어부(140)는 내부 타이머를 이용하여 회전자(220)가 회전하는 과정에서 회전자(220)의 돌극(222)이 고정자(210)의 돌극(212)을 벗어나기 시작하는 시점마다 발생되는 회전자(220)의 위치정보를 이용하여 회전속도를 산출할 수 있다.
이러한 구동 장치(100)는 회전자(220)를 검출하는 위치 및 방식이 권선의 여자와는 전혀 관계가 없는 회전자(220)와 고정자(210) 돌극(222)(212)이 서로 벗어나는 지점이 되기 때문에 어드밴스 각과 스위칭 방식과는 무관하게 사용될 수 있다.
이하에서는 이러한 모터 구동장치를 더욱 상세하게 설명한다.
모터(200)를 구동할 때 정(+)토크가 발생하는 영역에서 권선(215)을 여자시키고 역(-)토크가 발생하기 이전에 스위치소자(Q1)(Q2)를 오프시킬 때 돌극(212)에는 스위치소자(Q1)(Q2) 오프 후에도 잔류자속이 약간 남아 있게 되므로 이 잔류자속에 의한 매우 작은 기전력이 발생하게 된다.
여기서 발생된 기전력은 회전자(220)와 고정자(210)가 벗어나는 순간 완전히 0(zero)가 되며, 이 순간을 검출하고 이를 기준점으로 하여 회전자(220)의 위치 계산을 하게 된다.
먼저, 도시된 6/6단상 SRM(200)의 기본적인 전압방정식은 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112010014359726-pat00001
따라서 모터(200)를 구동할 때 철심의 자기적인 비선형성을 무시하면 권선(215)에 인가되는 전류(i) 및 인덕턴스(L)의 변화를 나타내는 도 3의 각 구간에서의 권선(215) 전압은 다음과 같이 결정된다.
구간 1:
Figure 112010014359726-pat00002
구간 2:
Figure 112010014359726-pat00003
구간 3:
Figure 112010014359726-pat00004
구간 4:
Figure 112010014359726-pat00005
구간 5:
Figure 112010014359726-pat00006
구간 6:
Figure 112010014359726-pat00007
이상적인 경우에는 위 식들로부터 스위치소자(Q1)(Q2)가 오프한 후인 구간 5 및 구간6에서는 모터(200)의 단자(215a)(215b) 전압은 0이지만, 이 구간에서 실제로는 모터(200)의 철심에 약간 존재하는 잔류자속으로 인해서 전압이 발생하게 된다.
이때 잔류하는 자속을
Figure 112010014359726-pat00008
이라 하면 발생하는 기전력은 패러데이의 전자기유도법칙에 의해 아래의 수학식2와 같이 결정되어 회전자(200) 위치에 따른 자속의 변화와 회전자(200)의 회전속도에 비례하게 된다.
Figure 112010014359726-pat00009
이때 회전자(220)의 회전속도를 한 주기 내에서 일정하다고 하면 결국 유도기전력은 회전자(220)의 위치에 따른 자속의 변화에 비례하게 되며, 이는 회전자(220)의 위치정보를 포함하고 있다.
고정자(210)의 권선(215) 즉 코일에 전류가 흐르지 않을 때 회전자(220) 위치에 따른 잔류자속 및 잔류자속의 변화는 도 4에 도시된 바와 같이 나타나게 된다.
또한, 도 4에 명기된 Unaligned position에서 기전력이 0으로 변화하는 것을 검출할 수 있다. 특히 이 부분은 이미 스위치소자(Q1)(Q2)를 오프시킨 구간이므로 여자전류에 관계없이 회전자 돌극(222)과 고정자 돌극(212)이 벗어나는 위치를 검출할 수 있다는 장점을 가진다.
이하에서는 잔류자속의 변화에 의한 유기기전력의 발생을 검토하기 위하여 먼저 전류가 흐르지 않는 상태에서의 권선(215)의 단자전압에 대한 시뮬레이션 및 실험한 결과를 설명한다.
먼저, 전자기 해석 소프트웨어인 Maxwell2DTM를 사용하여 시뮬레이션을 실시한 결과 도 5 및 도 6과 같은 기전력 파형을 얻을 수 있었다. 이때 시뮬레이션 조건은 모터(200)를 회로에서 분리시킨 후 회전자(220)를 600rpm으로 강제로 회전시키고 모터(200)의 권선(215) 단자(215a)(215b) 전압을 측정한 것이다.
시뮬레이션 결과 회전자(220)의 위치에 따라 약 600mVmax의 기전력과 400mVmax의 기전력이 반복적으로 발생하고 그 형상은 평탄하지 않고 약간의 기울기를 가지고 있음을 알 수 있었다. 그림에 쇄교자속의 파형과 회전자(220) 위치에 따른 유기기전력 파형을 보여주고 있다.
이러한 기전력의 형상은 SRM(200)에서 발생되는 토크의 이론적인 형태가 평탄하지만 실제로는 약간의 기울기를 갖는 것과 마찬가지로 쇄교자속의 형태가 약간 비선형적임을 말해주고 있다.
그리고 쇄교자속 및 기전력의 크기가 변동되는 것은 회전자(220)와 고정자(210)의 잔류자속의 방향이 일치와 불일치를 반복하기 때문이다.
회전자(220)와 고정자(210)의 잔류자속의 방향은 스위치소자(Q1)(Q2)의 스위치 오프시에 마지막으로 전류가 흘러 발생된 자속의 방향으로 설정되며, 회전자(220)의 잔류자속은 고정자(210)의 잔류자속에 비해 그 크기가 상대적으로 작다.
도 6은 도 5에 기재된 t1 내지 t8 에서의 회전자(220)의 회전에 따른 잔류자속의 크기 및 방향을 나타낸다. 고정자(210)와 회전자(220)의 잔류자속의 방향은 항상 일정하므로 회전자(220)가 회전하여 고정자(210)와 만날 때 두 자속이 합쳐져 커지거나 서로 상쇄되어 작아짐을 반복한다. 고정자(210)의 자속이 상대적으로 크므로 전체적으로는 고정자(210) 자속의 방향으로 자속이 형성되며, 그 크기는 합성과 상쇄를 반복하면서 변화한다.
실제로 모터(200)를 회로에서 분리하여 600rpm으로 회전시키면서 시뮬레이션과 같은 조건으로 실험한 결과 모터(200) 권선(215)의 단자전압(유기기전력) 파형은 도 7과 같고 이는 시뮬레이션과 매우 비슷한 결과임을 알 수 있다.
한편, 도 8은 정상상태 회전시 권선(215)의 쇄교자속과 유기기전력 파형을 나타내고 있다. 도 8은 1800rpm으로 회전하고 있는 상태를 시뮬레이션 한 결과이며 유기기전력과 쇄교자속을 보여주고 있다. 도 8에서 보는 바와 같이 모터(200)가 구동되고 있을 때는 단순히 회전만 시켰을 경우와는 약간 다른 기전력 파형을 갖게 된다. 스위치소자(Q1)(Q2)를 오프할 때 모터(200)의 단자(215a)(215b) 전압은 음(-)의 방향으로 떨어지게 되며 전류가 완전히 소호되면 거의 0이 된다.
하지만 도면에서 보여주는 바와 같이 잔류자속의 영향으로 인해 약간의 음의 전압이 유지되고 회전자(220)와 고정자(210)가 완전히 벗어나게 되면 비로소 완전히 0 이 되는 것을 알 수 있다.
이러한 결과를 통하여 스위치소자(Q1)(Q2)가 오프되고 전류가 완전히 소호된 후에는 여자시키지 않고 회전시키는 경우와 유사하게 되어 잔류자속에 의한 기전력을 검출할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 모터(200) 구동시에는 권선(215)에 전류를 흘리게 되고 역토크가 발생하기 이전에 스위치소자(Q1)(Q2)를 오프하게 된다. 스위치소자(Q1)(Q2)를 오프한 후 다음 주기에서 회전자(220)와 고정자(210)가 만나게 되면 회전자(220)와 고정자(210)의 자속 방향은 반대로 되어 있다. 이때 권선(215)이 여자되면 권선(215)에 흐르는 전류에 의한 고정자(210) 자속이 회전자(220)로 흐르게 되고 이 순간 회전자(220)의 자속의 방향은 바뀌게 된다. 따라서 스위치소자(Q1)(Q2)가 오프된 후에는 고정자(210)와 회전자(220)의 잔류자속의 방향이 항상 일정하게 된다. 그리고 이 잔류자속에 의해서 회전속도에 비례하는 유기기전력이 발생하게 되며 회전자(220) 돌극(222)과 고정자(210) 돌극(212)이 벗어나는 순간 그 기전력은 급격히 감소하여 0이 된다. 이렇게 기전력이 0이 되는 순간을 검출하면 정확히 52°위치를 검출하는 것이다. 이러한 스위치소자(Q1)(Q2)의 온/오프와 회전자(220)의 위치가 도 9에 도시되어 있고, 화살표의 굵기는 자속의 크기를 의미한다.
한편, 유기기전력을 측정함에 있어서 회전속도가 작은 경우 앞서 설명된 바와 같이 전압검출부(110)는 증폭기가 더 구비될 수 있고, 스위치소자(Q1)(Q2) 오프 이후의 신호만 출력할 수 있도록 양의 출력신호를 0으로 클램핑처리하는 클램핑부가 더 구비되는 것이 바람직하다. 이러한 잔류자속에 의한 유기기전력에 대한 신호처리 과정에 대한 파형도가 도 10에 도시되어 있다.
즉, 도 10을 참조하면, 먼저, 유기기전력이 오프되는 점에서만 신호를 검출하기 위해서 신호의 정(+)부분을 클램핑하여 부(-)영역만을 취하여 증폭한다. 증폭된 기전력은 미분기(132)를 통하여 미분되는데 음(-)의 방향으로 한 번, 양(+)의 방향으로 두 번의 피크신호인 펄스가 나타나게 된다. 음의 방향 펄스는 스위치소자 오프시 발생되는 신호로서 클램핑을 통하여 제거되며 양의 방향의 두 개의 펄스(INT1)(INT2)가 인터럽트 신호로서 구동제어부(controller)로 입력된다. 이때 첫번째 인터럽트는 무시되고 두 번째 인터럽트를 받는 시점이 회전자(220)와 고정자(210)가 벗어나는 지점인 기계각 52°가 된다.
이하에서는 회전자(220)의 속도 및 위치를 계산하는 과정을 설명한다.
먼저, 도 11에서와 같이 구동제어부(140)는 권선(215)에 대해 측정된 단자전압의 값이 0으로 떨어지기 시작하는 점(기계적으로 52°)을 검출하여 회전자(220)의 속도 및 위치를 계산한다.
이 점을 두 번 측정을 하게 되면 한 주기 동안 회전한 시간을 알 수 있으며, 이는 곧 회전자(220)의 각속도가 된다.
또한, 회전자(220)의 속도를 알면 시간의 변화에 따라서 현재의 회전자(220) 위치를 계산할 수 있으며, 이를 기반으로 해서 모터(200) 구동을 위한 스위칭을 하게 된다.
본 실시예에서 사용된 6극 단상 SRM(200)의 경우 한 주기가 60°이므로 매 60° 마다 회전자(220)의 위치를 검출하게 된다. 그리고 6번 검출되면 회전자(220)가 1회전 했다는 것을 알 수 있다. 이때 검출된 위치는 기계적으로 52°이며 회전속도는 아래의 수학식 3과 같이 계산된다.
Figure 112010014359726-pat00010
여기서 dt는 회전자(220)가 60°회전하는 동안 걸린 시간이며 구동제어부(140)에서 타이머를 이용하여 측정한다.
한편, 적절한 타이밍에 스위치소자(Q1)(Q2)를 온/오프 해주기 위해서는 반드시 회전자(220)의 위치를 알아야 한다. 회전자(220)의 위치는 절대위치를 기준으로 해서 현재 속도를 기반으로 아래의 수학식 4와 같이 계산되며 회전자(220) 위치 계산 값이 59°가 넘어가면 다시 0°부터 증가하도록 되어있다.
Figure 112010014359726-pat00011
여기서, Nt는 기계각 52°(절대위치 검출점)부터 현재까지의 타이머 카운터 수이고, Np는 60°회전시 타이머 카운터 수이다.
타이머 카운터 수는 매 52°마다 리셋되어 다시 카운트를 시작한다.
이렇게 회전자(220)의 위치는 매 52°에서 정확한 위치로 교정되며 60°의 주기를 갖는다. 그리고 스위치소자(Q1)(Q2)의 온/오프 시점은 계산된 회전자(220) 위치를 기반으로 제어하면된다.
< 실험예 >
실험에서는 파킹자석(Parking magnet)이 장착되어 항상 기동 가능한 위치인 기계각8°에서 정지되는 6/6 단상 SRM이 사용되었다.
따라서 처음에 스위치소자(Q1)(Q2)를 온 하면 모터(200)가 회전하기 시작하고 약 9ms 후 (회전자(220)가 23°인 위치에 해당)에 스위치소자(Q1)(Q2)를 오프한다. 이 시간은 센서(엔코더)를 이용한 실험에 의해서 정해지는 값이며 부하의 기동토크 변동에 의해서 약간의 오차가 있어도 구동하는 데는 문제가 없다.
즉, 도 12에 도시된 바와 같이 권선(215)에 전류가 흐르면 고정자(210) 및 회전자(220)의 코어가 자화되어 모터(200)가 회전하기 시작하고, 9ms 후에 스위치소자(Q1)(Q2) 오프되어도 잔류자속이 남게된다. 그리고 회전자(220)는 관성에 의해서 계속 회전하게 되고 회전자(220)가 고정자(210)를 완전히 벗어날 때 유기기전력의 변화를 검출하여 회전자(220)의 위치를 파악하게 된다. 즉 기동 시 첫번째 여자 후부터 곧바로 회전자(220)의 위치를 검출하여 구동할 수 있다.
이와 같이 방법을 사용하여 오픈루프 구동 없이 한 주기(1/6회전)가 지나면 곧바로 회전자(220)의 위치를 파악할 수 있으며 계속해서 정상상태까지 구동이 가능하다.
시뮬레이션은 스위치소자(Q1)(Q2)를 오프시킨 후 권선(215)의 단자전압으로부터 회전자(220)의 위치 추정이 가능한가를 보기 위해 전자기해석소프트웨어인 Maxwell2DTM를 사용하여 실시되었다. 시뮬레이션 결과는 도 13과 같고 전류, 쇄교자속, 유기기전력, 회전자(220) 위치를 나타내고 있다. 스위치소자(Q1)(Q2) 오프 후에 나타나는 잔류자속에 의한 유기기전력이 0으로 올라가는 순간은 각각 52°, 112°, 172°, 232°, 292°와 정확히 일치함을 알 수 있었다.
한편, 실험에서는 사용된 단상 SRM의 부하로 환풍기 팬을 설치하고, 정지용 전자석을 이용하여 항상 구동이 가능한 위치에 정지할 수 있도록 하여 실험을 수행하였다.
도 14는 이러한 실험을 통해 회전자(220)의 위치를 검출하는 과정으로서 맨 위부터 전류파형, 유기기전력, 유기기전력으로부터 얻은 인터럽트 신호를 보여주고 있다.
이것은 엔코더를 이용하여 회전자(220)의 위치를 검출하고 구동한 것이며, 이때 역기전력 파형으로부터 인터럽트 신호가 제대로 나오고 있다는 것을 알 수 있다.
도 15는 어드밴스 8도일 경우에 엔코더를 이용하여 구동한 결과와 본 발명에서 제안된 방법으로 구동한 결과를 비교하고 있다. 위에서부터 전류, 유기기전력, 인터럽트 신호, 스위치 온(on) 신호이며, 도면을 통해 볼 수 있는 바와 같이 본 방법은 엔코더를 이용하여 구동했을 경우와 거의 같은 성능을 낼 수 있음을 알 수 있다.
도 16 및 도 17은 어드밴스를 변경시켰을 경우 본 방법에 의한 구동 실험 결과이며 어드밴스 0도에서 8도까지 구동이 원활하게 잘 되고 있음을 보여준다.
또한 본 발명은 PWM으로 구동할 경우에도 그대로 적용될 수 있다. 그 이유는 권선(215)에 흐르는 전류가 완전히 소호된 후에 나타나는 유기 기전력을 이용하므로 스위칭 방법과는 무관하게 회전자(220) 위치를 추정할 수 있기 때문이다. 도 18은 PWM으로 65%의 듀티로 구동하였을 경우의 파형을 보여주고 있다. 여기서 PWM 스위칭시 나타나는 유기기전력이 음(-)의 방향으로도 발생하므로 이때도 인터럽트 신호가 나타나게 된다. 하지만 구동제어부(140)에서는 정류과정( 커뮤테이션)이 완전히 끝난 후에 입력되는 인터럽트 신호만을 취하므로 PWM에 의한 신호는 무시되고 두 개의 인터럽트 신호만을 인식하여 동작에는 아무런 영향을 미치지 않는다.
도 19는 초기에 기동시 파형을 그림에서 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 기동시에 정지위치에서 처음 스위칭 후 모터(200)가 회전하기 시작하여 처음으로 회전자(220)가 고정자(210) 돌극을 벗어나는 순간부터 위치를 검출하고 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 장치 및 방법은 SRM의 회전자(220) 및 고정자(210)의 잔류자속을 이용하여 회전자(220)의 위치를 검출하고 구동할 수 있고, 권선(215) 단자전압의 변화만을 측정하므로 단자전압의 크기, 전류의 크기 및 형상, 인덕턴스의 크기 및 형상, 그 외 각종 모터의 파라미터에 관계없이 적용 가능할 수 있다. 또한 스위칭 방법(싱글펄스나 PWM제어)에도 관계가 없으며 어드밴스각의 유무에도 관계없이 회전자(220) 위치검출이 가능하므로 제어 분야를 크게 확대할 수 있는 장점을 가지고 있다.
110: 전압검출부 132: 미분기
140: 구동제어부 200: 모터(SRM)

Claims (6)

  1. 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 권선으로 구동전원의 전력을 공급 및 차단할 수 있도록 접속된 스위치소자를 온/오프 제어하여 모터를 구동하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동장치에 있어서,
    상기 고정자 권선의 단자 전압을 검출하는 전압검출부와;
    상기 전압검출부로부터 상기 스위치소자의 오프 이후의 상기 고정자 권선의 단자를 통해 회전자와 상기 고정자의 잔류 자속에 대응되어 검출되는 전압신호 중 상기 잔류자속이 제로로 전환되는 시점에 발생하는 신호를 이용하여 상기 회전자의 상기 고정자에 대한 위치 정보를 추출하고, 추출된 상기 회전자의 위치정보를 이용하여 상기 스위치소자의 온/오프 구동을 제어하는 제어유니트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어유니트는
    상기 전압검출부에서 출력되는 신호를 미분하는 미분기와;
    상기 미분기에서 출력되는 피크신호 중 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 일부 대향되게 이동되는 과정에서 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나기 시작하는 시점에 해당하는 피크신호를 이용하여 상기 회전자의 위치정보를 추출하고, 추출된 상기 회전자의 위치 정보를 이용하여 상기 스위치 소자를 제어하는 구동 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터는 단상인 것을 특징으로 하는 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동장치.
  4. 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동방법에 있어서,
    가. 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 권선으로 구동전원의 전력을 공급 및 차단할 수 있도록 접속된 스위치소자를 통해 상기 고정자의 돌극과 상기 고정자 내에서 회전되는 회전자의 돌극이 상호 어긋난 위치에서 상기 고정자의 권선으로 전력을 공급하는 단계와;
    나. 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 돌극과 상기 회전자의 돌극의 적어도 일부가 대향되는 위치에서 상기 고정자의 권선으로의 전력공급을 차단하는 단계와;
    다. 상기 나 단계 이후 상기 고정자 권선의 단자를 통해 상기 회전자와 상기 고정자의 잔류 자속에 대응되어 검출되는 전압신호 중 상기 잔류자속이 제로로 전환되는 시점에 발생하는 신호를 이용하여 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나는 시점을 판단하고, 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나는 시점의 상기 회전자의 위치 정보를 이용하여 상기 스위치소자의 온/오프 구동을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다 단계는
    다-1. 상기 고정자 권선에서 검출되는 전압신호를 미분하는 단계와;
    다-2. 상기 다-1에서 출력되는 피크신호 중 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 일부 대향되게 이동되는 과정에서 상기 고정자의 돌극에 대해 상기 회전자의 돌극이 벗어나기 시작하는 시점에 해당하는 피크신호를 이용하여 상기 회전자의 상기 고정자에 대한 상대 위치정보를 확인하는 단계와;
    다-3. 상기 다-2단계에서 획득된 상기 회전자의 위치정보를 이용하여 상기 스위치소자의 온/오프 구동을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터는 단상인 것을 특징으로 하는잔류자속을 이용한 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 방법.
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