KR101152083B1 - 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법 및 시스템과, 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법을 실행하기 위한 소프트웨어를 기록한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체 - Google Patents

전기 기기의 회전자 위치 검출 방법 및 시스템과, 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법을 실행하기 위한 소프트웨어를 기록한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 기기에서의 회전자 위치 검출 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 드라이브는 물리적인 회전자 위치 검출기를 사용함이 없이 제어된다. 상기 제어 방법은 회전자가 회전할 때 전류를 단일 권선에 연속적으로 흐르게 하여, 전류 파형의 피크 또는 회전자 위치에 관련될 수 있는 몇몇 다른 특징들을 발견함으로써 회전자 위치를 검출한다.

Description

전기 기기의 회전자 위치 검출 방법 및 시스템과, 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법을 실행하기 위한 소프트웨어를 기록한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체{Rotor position detector of a switched reluctance machine}
도 1은 종래 기술에 따른 통상의 스위치드 릴럭턴스 드라이브에 대한 도면,
도 2는 도 1에 도시된 컨버터의 공지된 단일 위상 토폴로지에 대한 도면,
도 3은 회전자 위치가 파라미터인 통상의 플럭스 링키지와 위상 전류 커브에 대한 도면,
도 4a는 쵸핑 제어에서 통상의 모터링 전류 파형에 대한 도면,
도 4b는 단일 펄스 제어에서 통상의 모터링 전류 파형에 대한 도면,
도 4c는 프리휠링을 이용한 단일 펄스 제어에서 통상의 모터링 전류 파형에 대한 도면,
도 5는 본 발명이 구현된 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 개략적인 형태로 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 하나의 특징에 따른 전류 파형을 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 하나의 특징에 따른 위상 전압 파형을 도시한 도면이다.
본 발명은 릴럭턴스 기기, 특히 스위치드 릴럭턴스 기기의 무감지기 회전자 위치 결정(또는 검출이라 칭함)에 관한 것이다.
스위치드 릴럭턴스 기기의 제어 및 동작은 1993년 6월 21~24일 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 릴럭턴스 모터 및 드라이브의 특성, 설계 및 응용(The Characteristics, Design and Applications of Switched Reluctance Motors and Drives"에 일반적으로 기술되어 있으며, 이 논문은 본 명세서에 인용되어 있다. 이 논문에는, 스위치드 릴럭턴스 기기의 여기(energisation) 모드로서 "쵸핑(chopping)"모드 및 "단일 펄스"모드가 각각 저속과 고속 동작용으로 기술되어 있다.
종래 기술에 의한 통상적인 스위치드 릴럭턴스 드라이브가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 이 스위치드 릴럭턴스 드라이브는 DC 전원 공급부(11)를 포함하는데, 이 DC 전원 공급부(11)는 배터리이거나 정류되고 필터링된 AC 주 전원일 수 있다. DC 전원 공급부(11)에 의해 공급된 DC 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어를 받는 전력 컨버터(13)에 의해 모터(12)의 위상 권선(16) 양단에서 스위칭된다. 다수의 공지된 컨버터 토폴로지 중의 하나가 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 모터의 위상 권선(16)은 버스바(26, 27) 양단의 두 개의 스위칭 소자(21, 22)와 직렬 연결된다. 버스바(26, 27)는 전력 컨버터의 "DC 링크"로서 통칭된다. 에너지 귀환 다이오드(23, 24)는 위상 권선(16)에 연결되어, 스위치(21, 22)가 개방될 때 위상 권선 전류가 DC 링크로 환류되도록 한다. "DC 링크 커패시터"로 공지된 커패시터(25)는 DC 링크 양단에 연결되어, DC 전원 공급부(11)로부터 유도되거나 또는 DC 전원 공급부(11)로 복귀할 수 없는 DC 링크 전류의 어떤 교류 성분(즉, "리플 전류")을 제공하거나 감소시킨다. 실제로, 상기 커패시터(25)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 여기서, 병렬 연결이 사용되는 경우, 몇몇 소자들은 전력 컨버터의 도처에 분포될 수 있다. 저항(28)은 하부 스위치(22)와 직렬로 연결되어, 전류 궤환 신호를 공급한다. 통상적으로 다상(multiphase) 시스템은 전기 기기의 위상을 여기(energise)시키기 위해, 병렬로 연결된 도 2와 같은 복수의 "위상 레그(phase legs)"를 사용한다.
스위치드 릴럭턴스 기기의 성능은 부분적으로 회전자 위치에 대한 위상 여기의 정확한 타이밍에 의존한다. 종래의 회전자 위치 검출은 스위치드 릴럭턴스 기기의 회전자에 설치된 회전 톱니 모양의 디스크와 같은 도 1에 개략적으로 도시된 변환기(15)에 의해 이루어진다. 여기서, 변환기(15)는 고정자에 설치된 광학 감지기 또는 자기 감지기와 상호 협력해서 동작한다. 고정자에 대한 회전자 위치를 표시하는 펄스 열이 생성되어 제어 회로에 공급됨으로써 정확한 위상 여기(energisation)를 가능하게 한다. 이 시스템은 간단하며 많은 응용 예에서 양호하게 동작한다. 그러나, 회전자 위치 변환기는 어셈블리의 전체적인 비용을 증가시키고, 또, 스위치드 릴럭턴스 기기에 추가의 전기 접속을 부가시켜, 결국, 스위치드 릴럭턴스 기기의 신뢰성 저하의 원인이 될 수 있다는 문제점이 있다.
회전자 위치 변환기를 없애기 위한 다양한 방법들이 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 ~ 13페이지에 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.
전기로 구동되는 기기에서의 회전자 위치 추정을 위해 제안된 이러한 방법들의 대부분은 하나 이상의 위상에 대한 위상 플럭스 링키지(즉, 시간에 대하여 인가된 전압의 적분치) 및 전류의 측정을 이용한다. 위치는 각도와 전류의 함수로서 상기 기기의 인덕턴스 변화 정보를 이용하여 계산된다. 이 특성은 플럭스 링키지/각도/전류 테이블로서 저장될 수 있으며, 도 3과 같이 도시된다. 이러한 데이터의 저장은 대규모 메모리 어레이의 사용 및/또는 저장된 지점 사이의 데이터 보간에 대한 부가적인 시스템 오버헤드를 수반한다는 문제점이 있다.
어떤 방법들은 저속에서 이 데이터를 사용하는데, 이 경우, 발생된 토크를 변경하기 위한 유력한 제어 방법은 "쵸핑" 전류 제어이다. 쵸핑 제어가 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a를 참조하면, 전류 파형 및 인덕턴스 파형은 위상 인덕턴스 주기에 걸쳐 도시된다(인덕턴스의 변화는 이상적인 형태로 도시되었다는 점에 주목해야 한다). 이러한 방법들은 통상적으로 토크 없이 생성된 위상(즉, 특정 순간에 전원 공급부로부터 직접으로 여기되지 않는 위상)에 진단 여기 펄스(diagnostic energisation pulses)를 사용한다. 저속 동작에 적합한 방법은 1991년 이탈리아 피 렌체에서 개최된 유럽 전력 전자 협의회의 회보, 제1권 390 ~ 393 페이지에 엔 엠 엠분기(N M Mvungi)와 제이 엠 스티븐슨(J M Stephenson)에 의해 수록된 "S R 모터의 정확한 무감지기 회전자 위치 검출(Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an S R Motor)"에 제안되어 있으며, 본 명세서에 인용되어 있다. 이 방법은 비교적 저속에서 최상으로 동작하며, 여기서, 진단 펄스에 의해 야기된 시간 길이는 인덕턴스 주기의 전체 사이클(cycle) 시간에 비하여 작다. 속도를 증가시키면, 상기 펄스는 사이클의 보다 긴 부분을 차지하게 되고 신뢰할 수 있는 위치 정보로서 이용될 수 없는 지점에 곧이어 도달되게 된다는 문제점이 있다.
다른 방법들은 고속에서 여기 모드로서 "단일 펄스"모드로 동작한다. 이 모드는 도 4b에 도시되어 있다. 도 4b를 참조하면, 전류 파형 및 인덕턴스 파형은 위상 인덕턴스 주기에 걸쳐 도시된다. 이러한 방법들은 정상 동작을 방해함이 없이 액티브 위상의 동작 전압과 전류를 감시한다. 통상의 고속 방법은 국제 특허 출원 제WO91/02401호에 기술되어 있으며, 본 명세서에 인용되어 있다.
두 스위치를 동시에 개방하는 것 대신에, 폐 스위치(closed switch), 위상 권선 및 다이오드로 형성된 루프 내를 전류가 순환하도록 각도
Figure 112004015251316-pat00001
보다 늦은 각도
Figure 112004015251316-pat00002
에서 두 번째 스위치를 개방하는 것이 유리한 경우가 있다. 통상의 파형이 도 4c에 도시되어 있다. 이 기술은 "프리휠링(freewheeling)"으로서 공지되어 있으며, 피크 전류 제한과 음향 잡음 감소를 포함하는 다양한 이유로 사용된다.
위치 감지기 없이 동작시키기 위해 기기 데이터의 2차원 어레이를 저장하는 것은 명백한 문제점이 있다. 이로써 다른 방법들이 제안되었고, 이 방법들은 많은 양의 각도 기준 정보를 필요로 하지 않고, 대신 하나의 각도에서의 데이터를 저장한다. 하나의 이러한 방법이 유럽 특허 출원 제EP0573198A호[발명자 레이(Ray)]에 기술되어 있으며, 본 명세서에 인용되어 있다. 이 방법은 희망하는 지점으로부터 이격된 계산 편차(deviation)에 따라 진단 지점을 조정함으로써 이미 설정된 각도에서의 위상 플럭스 링키지와 전류를 결정하는 것을 목표로 한다. 플럭스 링키지는 위상에 인가된 전압의 측정값을 (시간에 대하여) 적분함으로써 추정된다. 바람직한 실시예에 있어서는 2개의 1차원 테이블이 저장되는데, 하나는 기준 회전자 각도에서의 플럭스 링키지 대 전류에 관한 것이고, 다른 하나는 회전자 각도 대 전류에 대한 플럭스 링키지의 차에 관한 것이다. 위상 전압과 전류를 모니터함으로써, 룩-업 테이블(look-up tables)의 도움으로 예상된 각도로부터 이격된 편차 정도를 평가할 수 있고, 시스템 동작이 적절히 조정될 수 있다.
(시스템의 원하지 않는 잡음과 적분기의 불완전성 때문에) 플럭스 링키지 적분기가 드리프트(drift)하는 것을 피하기 위해서는, 전류가 '0'으로 떨어지고 위상 권선이 더 이상 어떤 플럭스와도 링크되지 않을 때, 각 전도 사이클의 종단에서 '0'으로 설정한다. 이 방법은 회전자가 기준 위치에 있게 되는 때를 초기에 예측하고, 회전자가 그 기준 위치에 도달되었다고 믿어질 때 기기의 파라미터를 측정하며, 이들 측정 결과를 예측시의 오차 검출을 위해 이용하고, 그러므로 다음 기준 위치를 위한 새로운 예측을 채택함으로써 보정 행위를 한다는 점에서 "예측자/보정자"방법이다.
스위치드 릴럭턴스 기기의 위상 인덕턴스 사이클은 예를 들어, 회전자 전극과 그 관련된 각각의 고정자 전극이 완전 정렬될 때, 최고점 사이의 위상 또는 각각의 위상에 대한 인덕턴스 변화 주기이다. 도 4a는 이상적인 형태의 인덕턴스 프로파일을 도시한다. 그러나, 상기 프로파일의 실제 모서리는 공기중의 플럭스 회절과 강자성체 경로의 포화 때문에 둥글게 된다.
단일 펄스 모드에서 스위치드 릴럭턴스 기기의 위상 전류 파형 형태가 위상 권선의 인덕턴스 프로파일에 관련된다는 것은 알려져 있다. 특히, 인덕턴스 프로파일의 증가 부분의 시작점은 고정자 전극과 회전자 전극간의 겹침 시작이므로, 위상 전류가 위상 인덕턴스 사이클에서 증가로부터 감소로 변할 때 롤 오버(rollover)에 해당된다. 인용되어 있는 제EP1109309A호에는 이 현상에 관하여 논의되어 있고, 회전자 위치 검출 방법의 기본 원리로서 단일 펄스 동작에서의 전류에 대한 자연 피크를 사용한다.
그러나, 만약 위상 권선에 여자(excitation)가 없을 경우, 예를 들어, 기기가 코스팅(coasting)하거나 또는 이전 여자의 히스토리가 잡음 또는 기계적 장애 때문에 변조됨으로써 여자가 없어질 경우, 구동을 멈춤이 없이 위치를 추정하고, 여자로의 중단없는 이동을 제공하는 위치 검출 방법이 요구된다. 본 출원의 발명자는 드라이브의 여자 히스토리에 대한 사전 지식없이 광대한 속도 범위에 걸쳐 동작할 수 있는 무감지기 제어 방법에 대한 필요성을 깨닫게 되었다.
본 발명의 목적은 회전자 위치 변환기를 사용함이 없이 회전자 위치를 결정 하는 강력하고 비용에서 효과적인 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 첨부된 독립 청구항에 정의되어 있다. 몇몇 언급된 특징들은 종속항에 언급되어 있다.
하나의 형태에 있어서, 본 발명은 기기의 위상 인덕턴스 사이클에서 여러 가지의 중요한 이벤트에 관련된 기초 시간 정보를 포함하는 파형을 갖는 하나의 위상 권선에서 생성된 연속 전류에 의해 움직이는 회전자의 위치를 결정하는 방법 및 시스템을 제공한다. 이러한 특징 중의 하나로부터 회전자 위치 정보를 획득하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예는 적어도 하나 이상의 위상 권선을 갖는 고정자와, 회전자를 구비한 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법을 제공하는데, 상기 방법은 회전자 위치와 같이 순환되는 기기의 인덕턴스 프로파일에 관한 파형을 갖는 연속 전류(즉, 연속 전류 사이클)를 회전자가 움직이는 동안 위상 권선에 설정하는 단계; 상기 파형의 사이클에서 이미 결정된 특징을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 특징으로부터 회전자 위치 정보를 획득하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 전기 기기는 스위치드 릴럭턴스 기기인 것이 바람직하다.
바람직하게는, 연속 전류는 예를 들어, 위상 권선 양단에 인가된 전압 펄스에 의해 설정된다. 전압 펄스의 발생은 단지 상기 연속 전류를 설정하기 위해 이용되는 것으로써 비동기적일 수 있다. 이러한 점 때문에, 전압 펄스는 위상 인덕턴스 사이클의 어떤 양상에도 관여되지 않는다. 즉, 위상 권선에 인가되는 전압은 회전자의 동작 주기에 관여되지 않는 독립적인 주기의 전압 파형을 갖는다. 위상에 인가된 전압 프로파일은 전압 펄스이고, 펄스간에 반대 극성을 갖는 낮은 크기 전압인 것이 바람직하다.
회전자 위치의 기초 판단에 대한 편리한 특징은 위상 인덕턴스 프로파일에서 인덕턴스의 증가 시작점(즉, 인덕턴스 최소 위치)에 대응되는 전류의 롤오버(rollover)이다.
본 발명은 특히 코스팅(coasting) 기기에 적합하다. 왜냐하면, 단일 위상 권선에 유도된 비교적 작은 전류가 상기 기기가 동작될 때 등가 전류 파형에서 다르게 발견될 수 있는 회전자 위치 결정에 필요한 모든 정보를 포함하는 파형을 가지기 때문이다.
본 발명은 다양한 방법으로 실시될 수 있으며, 몇가지 방법들이 첨부된 도면을 참조하여 실시예의 방법으로 설명될 것이다.
기술되는 실시예는 모터링 모드에서의 2-상 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 사용한다. 한편, 실시예는 모터링 모드 또는 발전 모드에서의 스위치드 릴럭턴스 드라이브와 함께, 어떤 위상 수라도 사용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 형태가 구현된 방법을 실행하기 위한 시스템을 도시한다. 이 시스템에 있어서, 전력 컨버터(13)는 통상적으로 도 1에 도시된 전력 컨버터와 동일하며, 스위치드 릴럭턴스 기기를 제어한다. 상기 전력 컨버터(13)를 제어하는 것은 제어기(42)이고, 본 실시예에서 제어기(42)는 예를 들어, 아날로그 디바이스사(Analog Devices) 2181 패밀리 중의 하나인 디지털 신호 프로세서(44)를 포함하고, 프로그램 및 데이터 메모리(46)에 결합된다. 다른 실시예는 본 기술 분야에서 잘 알려진 바와 같이 마이크로 프로세서 또는 프로그램 가능한 소자의 다른 형태를 포함할 수도 있다. 상기 프로세서는 본 발명의 방법을 실행하기 위해 메모 리(46)에 저장된 프로그램 코드에 따라 기 설정된 방법으로 동작한다. 예시된 2-상 기기는 고정자(30)와 회전자(32)를 구비한다. 상기 고정자(30)는 4개의 전극(50)을 구비하며, 해당 전극(50)에는 위상 권선(34/36)이 권취되어 있다. 상기 회전자(32)는 회전자 전극(52)을 구비하고, 상기 2-상 기기의 시동을 돕기 위해 계단형 공극(airgap)(54)을 구비한다. 상기 계단형 공극(54)은 필수적인 것은 아니며, 각 회전자 전극에 대항하여 종래의 아치형 프로파일을 가지게 할 수도 있다. 본 발명의 당업자라면 본 발명이 임의의 특별한 기기 토폴로지에 특정되지 않기 때문에, 상이한 위상 수 또는 전극 조합을 갖는 기기가 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 데이터 흐름(stream)은 단일 위상 권선 양단에 통상적으로 인가되는 여자 전압에 약하게 관련된 전압을 단일 위상 권선에 주입함으로써 회전하는 기기로부터 획득되고, 계속해서 완전한 위상 사이클의 나머지 동안에 상기 전압에 의해 유도된 전류가 프리휠(freewheel)하도록 허용한다. 전압 프로파일, 특히 전압 펄스는 연속 전류가 위상 권선에 유지되도록 하기 위해 선택된다. 작은 전압을 펄스로 주입함으로써, 고정자에 대한 회전자 위치 결정을 위해 필요한 정보가 도 6과 같은 순환 위상 전류의 결과로서 생성된다. 본 발명의 방법은 움직이는(예컨대, 회전하는) 기기에 사용되지만, 반드시 위상 권선(들) 여자에 의해 전기적으로 구동된다는 것은 아니다. 이것은 '코스팅(coasting)'으로 알려져 있다. 이 환경은 그것의 동적인 성질 때문에 회전자 위치를 설정하는데 있어서 매우 어려운 상황으로 고려되어지고 있다. 하지만, 도 6에 도시된 바와 같이, 주입된 전압은 회전자 위치가 결정될 수 있는 특징들을 나타내는 순환 위상 전류 파형을 생성한다. 즉, 주입(인가)된 전압은 위상 권선에 전류를 설정하고, 그 설정된 전류의 파형은 회전자의 동작과 함께 순환하는 순환 위상 전류 파형으로 나타난다.
주입된 전압의 크기는 고려되고 있는 특별한 구동을 위해 신중하게 선택되어야 하지만, 통상적으로 기기 구동에 인가된 여자 전압의 10 % 비율 아래의 평균값을 갖는다. 상기 전압은 PWM을 하나의 위상의 메인 스위치에 인가함으로써 메인 버스로부터 제공된다. 선택적으로, 별개의 낮은 전압원(시간에 대한 펄스 또는 상수 중의 어느 하나)이 지정된 위상에 연결될 수 있다. 두 경우에 있어서, 양(positive) 전압의 인가는 위상 권선의 플럭스 링키지를 전압의 크기에 의해 결정된 비율로 증가시키는 원인이 된다. 전압이 제거되면, 권선 저항, 다이오드 및 스위치 양단의 전압 강하의 총 합의 결과로 생성된 음(negative) 전압 강하는 상기 플럭스를 보다 낮은 비율로 떨어뜨리게 된다. 이하에서 보다 상세하게 설명될 도 6의 파형에 의해 도시된 바와 같이, 전류는 항상 양(positive)이면서 권선의 인덕턴스 프로파일(즉, 회전자의 동작)과 같이 순환하는 정상 상태의 패턴으로 귀착한다.
기기의 정상 동작 상태와는 달리, 전압 버스의 완전 음 전압이 권선에 인가될 때 사이클 부분이 없다는 것을 주목해야 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 전압은 높고 짧게 갑자기 나타난 양의 전압과 훨씬 낮고 긴 기간의 음의 프리휠링 전압이 번갈아 나타난다. 권선에 매우 작은 연속 플럭스가 존재하고, 이때, 생성된 전류는 정상 동작에서의 전류에 비하여 매우 작으며, 회전자의 순(net) 토크는 '0'이다. 이러한 이유 때문에, 순 토크가 '0'인 한은 전압 펄스 크기 또는 전압 펄스 주기는 상한선이 없다는 이론이 제안된다. 하지만, 주입된 전압 펄스의 간헐적인 특성이 해당 펄스가 하이 레벨로 오르는 것을 방해할 것이다. 이러한 방해는 예를 들면, 몇몇 응용에서 받아들이기 어려울 것 같은 토크 리플(torque ripple) 또는 잡음을 야기시킬 수 있다. 위상에서의 연속 전류가 유지되도록 하는 전압이 전압의 하한치이다.
도 6은 이러한 조건 아래에서 위상 전류 파형의 실제 오실로스코프 궤적을 도시한다. 몇몇 특징이 이 궤적 상에 주목된다. 첫째로, 신호 상의 의미있는 잡음 출현이다. 이것의 몇몇은 권선에서 실제 전류의 표시일 수도 있는 반면에, 그것의 몇몇은 예를 들어, 부근에서의 스위칭 동작으로부터 전류 측정을 방해함에 의해 야기된 측정 에러이다. 그렇지만, 본 발명의 위치 검출은 이러한 현상들에 대하여 강력하며, 특별한 필터링이 필요하지 않다. 두 번째로, 전류 피크가 균일하지 않다. 이는 전압 공급 버스 상에 리플을 포함하는 여러 가지의 요인들 때문이다. 다시 말해, 본 발명의 방법은 절대 전류 레벨과의 비교를 하지 않기 때문에 이러한 변화에 강력하다.
본 발명의 실시예에 따른 연속 회전자 위치 정보는 능동적으로 주입된 전압 펄스에 의해 생성된 위상 전류에서의 피크 발생을 검출함으로써 이용할 수 있다. 전류 파형의 피크 검출로는 다양한 방법이 가능하다. 가장 간단한 형태로 언급된 실시예에 따르면, 감지기(38)로부터 전류의 연속 샘플 흐름을 획득하여, 이전 샘플과 가장 최근의 것을 비교하도록 프로그램 된 프로세서(44)이다. 여기서, 두 샘플이 동일하다면, 전류 파형의 진폭은 변화되지 않는다. 그러므로, 시간에 대한 위상 전류 변화의 비율(
Figure 112004015251316-pat00003
)이 제로(zero)인 지점이 제EP1109309A호에 기술된 바와 같이 전극 겹침 지점으로 추정된다. 하지만,
Figure 112004015251316-pat00004
가 제로인 지점을 검출하는 것이 무감지기 논쟁에서 이상적인 해결책처럼 보일지라도, 실제적으로 그것은 한계를 가지고 있으며 측정된 전류 파형 상의 잡음 때문에 신뢰할 수 없을 수도 있다.
보다 강력한 해결 방법은 피크 전류에 도달된 후의 하강 기울기 시작점을 검출하는 기울기 검출 방법을 사용하는 것이다. 이것은 불가피하게 전극 겹침 지점의 검출에 지연을 가져오지만, 해당 지연은 사실상 일정해서 제어기에서 보상될 수 있다. 따라서, 상기 제어기는 전극 겹침의 다음 지점이 나타나는 때를 정확하게 예측할 수 있다.
이 실시예에서, 기울기 검출을 실행하기 위해 마이크로 프로세서(44)는 어떤 샘플을 이전 샘플과 비교하는(이미 기술된 수행과 같은) 알고리즘을 포함한다. 그러나, 그것은 두 개의 동일한 샘플을 찾기보다는, 이전 샘플에 비해 크거나 같은 모든 샘플들(즉, 파형이 증가하거나 또는 평평한 경우)은 무시한다. 일단 현재 샘플이 이전 샘플보다 작은 곳에 포인트가 도달되면, 피크(
Figure 112004015251316-pat00005
) 포인트를 통과한 후 전류는 현재 음의 기울기로 떨어지고 있다는 것으로 추정할 수 있다.
이러한 기술은 샘플링 시간이 알려진 값으로 고정된 상태에서, 통상적으로 두 개의 샘플인 무감지기 검출 펄스를 실제 피크 후에 발생시킨다. 두 개의 샘플 주기의 알려진 시간은 각도 제어 소프트웨어에서 보상될 수 있다.
개선된 성능은 계산된 제1 음의 기울기를 전류 파형 피크 후의 실제 제1샘플로 추정하기보다는, 여러 샘플에 걸쳐 연속적인 음의 기울기를 검출하기 위해 프로세서에 프로그램 된 알고리즘을 수정함으로써 달성될 수 있다. 상기 샘플들로부터 생기는 두 개 또는 그 이상의 음의 기울기를 찾고, 어떤 제로 변화 결과를 부정함으로써(예컨대, 저속 및 열악한 A/D해상도에서의 변화율이 느리기 때문에 기인함), 기울기가 확실하게 하강한다고 추정하는 것이 안정적이다. 펄스 검출은
Figure 112004015251316-pat00006
포인트 후에 최소 3개의 샘플만큼 더 지연되지만, 이것은 알려진 시간 값으로써 제어기(42)에서 보상될 수 있다.
(위치 검출의 많은 다른 방법들과는 다르게) 본 발명을 구현하기 위해 회전자 위치에 대한 대략의 지식조차도 가질 필요가 없으므로, 전압의 PWM 펄스는 인덕턴스 사이클에서 임의의 포인트에 인가될 수 있다. 즉, 전압의 PWM 펄스는 본 발명의 방법이 회전자 속도를 몰라도 실행되도록 허용하는 전류 파형에 비동기적일 수 있다. 도 6을 자세히 살펴보면, 궤적 상에 A, B 및 C로 마크된 포인트에서 PWM 펄스가 비동기적으로 인가되고 있음을 보여준다. 포인트 C가 기울기 검출이 실행되고 있는 영역에 있으므로, 전압 펄스를 인가하면 기울기 검출 결과가 잘못되는 원인이 될 수 있다. 이러한 현상은 전류가 피크의 50 % 이하인 전류 파형 영역에서는 펄스 인가를 제한함으로써 회피될 수 있다. 50 %라는 수치는 절대적인 것이 아니고 단지 기울기 검출 알고리즘을 위한 클리너(cleaner) 파형을 공급하는 코스(coarse)필터로서 제공된다.
이상의 설명으로부터, 위치 검출을 위해서는 전류를 하나의 위상에 흐르도록 하는 것만으로도 충분하다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 방법은 다른 위상에서는 어떤 이유에서든 전류의 존재 또는 결여에 영향을 받지 않는다. 그러나, 본 발명을 두 개 또는 그 이상의 위상에 동시에 적용하여 회전자 위치 검출 비율을 증가시키는 것이 유리할 수도 있다. 이것은 회전자 속도가 상승 또는 하강으로 빠르게 변화될 경우 특히 유리하다.
예를 들어, 도 7의 전압 펄스를 이용한 도 6의 연속 전류를 만들기 위해 유한한 양의 시간이 필요하다는 것을 알 수 있다. 전류가 보다 빠르게 설정되어야 할 경우, 전압 펄스의 듀티 사이클(duty cycle)은 초기에 증가될 것이고, 이어서 필요한 전류 레벨에 도달되면 해당 필요한 레벨에 전류를 유지하기 위해 제공되는 충분한 전압-초(시간)의 폭(width)으로 축소된다.
상기에서 기술된 실시예는 전극 겹침의 시작점을 검출함으로써 회전자 위치를 추론한다. 본 발명의 다른 실시예는 인덕턴스 프로파일에서 다른 포인트를 검출한다. 예를 들면, 인덕턴스 최대 위치(Lmax) 즉, 회전자 전극이 고정자 전극과 완전 정렬될 때의 포인트는 전류 파형에서 저점의 중간을 검출함에 의해 검출될 수 있다. 인덕턴스 프로파일에 관련성을 가지는 전류 파형상의 다른 포인트도 마찬가지로 검출될 수 있다. 또한, 특징이 파형의 단일 사이클에서 발생된다는 것을 알 수 있다. 따라서, 검출이 시작되도록 하기 위해서는 단일 사이클에 대한 전류를 설정하는 것만으로도 충분하다. 유사하게, 상기 사이클 그 자체는 연속적일 필요가 없 다. 예를 들면, 그것은 상기 특징을 검출하기 위해 제어기에 의해 관찰되는 여러 개의 분리된 영역을 포함할 수도 있다.
상기 방법은 모터 또는 발전기로서 동작하는 기기에 같은 이점으로 적용될 수 있다.
당업자들은 본 발명 특히, 제어기에서의 알고리즘 수행에 대한 세부적인 내용을 벗어나지 않는 범위 내에서, 상기 설명한 본 발명의 방법을 변형시키는 것이 가능하다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 또한, 상기 기술은 스위치드 릴럭턴스 기기에 관하여 기술되었지만, 이 기술이 순환 인덕턴스 프로파일을 갖는 임의의 기기에 관련하여 이용될 수 있다는 것은 명백하다. 상기 방법은 상기 기기에 채용된 어떤 다른 위상들에 적용되는 여자가 존재하든 그렇지 않든 간에 위상에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명이 회전 기기에 관하여 기술하고 있지만, 본 발명은 바퀴 형태의 고정자를 구비한 선형 기기에도 동일하게 적용될 수 있으며, 그것 상에서 움직이는 동작부에 적용될 수 있다. '회전자'라는 단어는 회전 기기 및 선형 기기 모두의 움직이는 부분을 인용하기 위해 본 발명에서 사용되고 있으며, 본 명세서에서 이러한 것으로 해석되고 있다. 따라서, 복수의 실시예에 관한 설명은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 당업자들은 상기 설명한 동작에 대해 상당한 변경을 하지 않고 약간의 변경이 구동 회로를 가능하게 한다는 점을 명확히 인식할 것이다. 본 발명은 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명의 하나의 효과는 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 기기의 자기 프로파일에 대한 어떠한 사전 지식(정보)이 필요하지 않다는 것이다. 그러므로, 본 발명의 방법은 방대한 양의 저장 데이터가 필요하지 않으며, 위치를 추론하여 파형 상의 잡음 출현에 강력할 수 있다. 이러한 것이 전술한 종래 기술에 비한 본 발명의 특징이다.

Claims (22)

  1. 적어도 하나 이상의 위상 권선을 갖는 고정자를 구비한 전기 기기의 움직이는 회전자에 대한 위치 검출 방법에 있어서,
    상기 회전자의 동작 주기에 독립적인 주기를 가지는 전압 파형을 갖는 전압을 상기 위상 권선에 인가하는 단계－여기서, 상기 전압은 위상 권선에 전류를 설정하고, 상기 전류의 파형은 회전자의 동작과 함께 순환하는 순환 위상 전류 파형임－;
    상기 전류 파형의 사이클에서 이미 결정된 특징을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 특징으로부터 회전자 위치를 획득하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 회전자는 상기 위치 검출 방법이 시작될 때 코스팅(coasting)하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류는
    연속 사이클인 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전류는
    복수 개의 사이클 동안 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기 기기는
    스위치드 릴럭턴스 기기인 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류는
    위상 권선 양단에 인가된 전압 펄스에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전압 펄스는 양(+) 또는 음(-) 중 하나의 극성을 가지며, 펄스와 펄스 사이의 위상 권선 양단 전압은 '0'이 아니며 상기 전압 펄스의 극성과 반대 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류는
    정상 상태인 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 파형의 특징은 상기 전류 파형의 기울기 변화에 대응하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 파형의 특징은 상기 기기의 인덕턴스 프로파일에서 인덕턴스의 증가 시작점에 대응하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 파형의 특징은 상기 기기의 위상에서 인덕턴스 최소 위치에 대응하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 파형의 특징은 상기 기기의 위상에서 인덕턴스 최대 위치에 대응하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 방법.
  12. 삭제
  13. 적어도 하나 이상의 위상 권선을 갖는 고정자를 구비한 전기 기기의 움직이는 회전자에 대한 위치 검출 시스템에 있어서,
    상기 회전자의 동작 주기에 독립적인 주기를 가지는 전압 파형을 갖는 전압을 상기 위상 권선에 인가하는 수단－여기서, 상기 전압은 위상 권선에 전류를 설정하고, 상기 전류의 파형은 회전자의 동작과 함께 순환하는 순환 위상 전류 파형임－;
    상기 전류 파형의 사이클에서 이미 결정된 특징을 검출하는 수단; 및
    상기 검출된 특징으로부터 회전자 위치를 획득하는 수단을 포함하여 구성되고, 상기 회전자는 상기 위치 검출 시스템의 동작이 시작될 때 코스팅(coasting)하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 전류 설정은
    연속 전류 사이클을 설정하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 전류 설정은
    복수 개의 사이클 동안에 연속적으로 전류를 설정하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 전기 기기는 스위치드 릴럭턴스 기기인 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 인가 수단은 양(+) 또는 음(-) 중 하나의 극성을 갖는 전압 펄스를 발생하며, 펄스와 펄스 사이의 위상 권선 양단 전압은 '0'이 아니며 상기 전압 펄스의 극성과 반대 극성인 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미 결정된 특성을 검출하는 수단은 상기 전류 파형의 기울기 변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  19. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 수단은 상기 기기의 인덕턴스 프로파일에서 인덕턴스 증가 시작 위치에 부합되는 전류 파형에서의 포인트를 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  20. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미 결정된 특징을 검출하는 수단은 상기 기기의 위상에서 인덕턴스 최대 위치에 부합되는 포인트를 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  21. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미 결정된 특징을 검출하는 수단은 상기 기기의 위상에서 인덕턴스 최소 위치에 부합되는 포인트를 검출하는 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자 위치 검출 시스템.
  22. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 방법을 실행할 수 있도록 준비된 프로세서가 수행하는 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체.
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