KR101341874B1 - 모터 파라미터를 추정, 관리 및 진단하기 위한 제어기 및 방법 - Google Patents

모터 파라미터를 추정, 관리 및 진단하기 위한 제어기 및 방법 Download PDF

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마이클 아이. 헨더슨
요셉 지. 마르친키에비츠
찰스 이. 그린
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에머슨 클리메이트 테크놀로지즈 인코퍼레이티드
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Abstract

모터 제어 시스템은 제어 모듈, 스위칭 모듈, 및 필터링 모듈을 포함한다. 제어 모듈은 토크 요구에 기초하여 모터를 동작시키기 위한 출력 전압을 결정한다. 스위칭 모듈은 모터를 구동시키는 인버터용 스위칭 신호를 생성한다. 스위칭 모듈은 출력 전압에 기초하여 스위칭 신호를 생성한다. 스위칭 모듈은 출력 전압, 최대 듀티 사이클, 및 인버터에 전력을 공급하는 직류(DC) 버스의 전압에 기초한 비교에 따라 OOV(out-of-volts) 신호를 생성한다. 필터링 모듈은 OOV 신호를 필터링함으로써 OOV 양을 생성한다. 제어 모듈은 선택적으로 OOV 양에 기초하여 토크 요구를 제한한다.

Description

모터 파라미터를 추정, 관리 및 진단하기 위한 제어기 및 방법{CONTROLLER AND METHOD FOR ESTIMATING, MANAGING, AND DIAGNOSING MOTOR PARAMETERS}
본 발명은 전기 모터 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본문에 제공되는 배경 설명은 본 개시물의 맥락을 전체적으로 제시할 목적이다. 본 배경기술 부분에서 기술되는 부분뿐이 아니라, 출원시 종래기술로서 한정하지 않은 측면의 설명들까지 현재 이름을 올린 발명자들의 작업은 본 출원에 대해 종래기술로서 명확하게도 암시적으로도 인정되지 않는다.
전기 모터는 가열, 환기, 및 공조(HVAC) 시스템을 포함하는(그러나 그에 한정되지 않음) 폭넓은 산업 및 주거 애플리케이션에서 사용된다. 예를 들면, 전기 모터는 HVAC 시스템에서 압축기를 구동시킨다. 하나 이상의 추가적인 전기 모터가 또한 HVAC 시스템에서 구현될 수 있다. 예를 들면, HVAC 시스템은 콘덴서에 연관된 팬을 구동시키는 또다른 전기 모터를 포함할 수 있다. 또다른 전기 모터는 증발기에 연관된 팬을 구동하도록 HVAC 시스템에 포함될 수 있다.
역률(power factor)은 회로에서 전류와 전압 사이의 관계, 또는 회로가 전원에 대해 저장 및 리턴한 에너지에 비해 얼마나 효율적으로 실제 파워를 이용하는지의 지시자이다. 역률은 0과 1 사이의 값으로 표현될 수 있다. 회로에 의해 유도된 총 볼트 앰프에 의해 나눈 회로의 실제 파워의 사용은 역률이 1에 접근하면서 증가할 수 있다. 다양한 실시예에서, 역률 보정(PFC) 시스템이 구현될 수 있다. PFC 시스템은 일반적으로 1을 향해 회로의 역률을 증가시켜, 소스로 회로가 저장 및 리턴하는 반응 파워의 양에 비해 회로가 사용하는 실제 파워를 증가시키도록 동작한다.
본 발명은 모터 파라미터를 추정, 관리 및 진단하기 위한 제어기 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
모터 제어 시스템은 제어 모듈, 스위칭 모듈, 및 필터링 모듈을 포함한다. 제어 모듈은 토크 요구에 기초하여 모터를 동작시키기 위한 출력 전압을 결정한다. 스위칭 모듈은 모터를 구동시키는 인버터용 스위칭 신호를 생성한다. 스위칭 모듈은 상기 출력 전압에 기초하여 스위칭 신호를 생성한다. 스위칭 모듈은 출력 전압, 최대 듀티 사이클, 및 인버터에 전력을 공급하는 직류(DC) 버스의 전압에 기초한 비교에 따라 OOV(out-of-volts) 신호를 생성한다. 필터링 모듈은 OOV 신호를 필터링함으로써 OOV 양을 생성한다. 제어 모듈은 선택적으로 OOV 양에 기초하여 상기 토크 요구를 제한한다.
다른 특징에서, 모터 제어 시스템은 속도 제어 모듈을 더 포함한다. 속도 제어 모듈은 지시된 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하고, 선택적으로 OOV 양에 기초하여 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시킨다.
또다른 특징에서, 속도 제어 모듈은 OOV 양이 미리정해진 임계치보다 더 클 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시킨다.
추가적인 특징에서, 상기 모터 제어 시스템은 토크 맵핑 모듈을 더 포함한다. 토크 맵핑 모듈은 상기 토크 요구를 전류 요구에 맵핑시키고, 선택적으로 전류 상한 제한에 기초하여 상기 전류 요구를 제한하고, 상기 전류 요구를 제한하면서 제한 신호를 설정한다. 상기 속도 제어 모듈은 상기 제한 신호가 설정될 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시킨다.
추가적인 특징에서, 모터 제어 시스템은 속도 제어 모듈을 더 포함한다. 상기 속도 제어 모듈은 제한된 지시된 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하고, 미리정해진 이득과 상기 OOV 양의 곱(product)을 지시된 속도로부터 차감함으로써 상기 제한된 지시된 속도를 생성한다.
다른 특징에서, 상기 모터 제어 시스템은 전류 제어 시스템을 더 포함한다. 상기 전류 제어 시스템은 상기 토크 요구에 기초하여 전압 명령어를 생성한다. 상기 출력 전압은 상기 전압 명령어에 기초하여 연산된다. 전류 제어 모듈은 OOV 신호에 기초하여 전압 명령어 중 하나를 증가시키는 것을 선택적으로 중단시킨다.
또다른 특징에서, 상기 전압 명령어는 q-축 전압 명령어와 d-축 전압 명령어를 포함한다. 상기 전류 제어 모듈은 선택적으로 OOV 신호에 기초하여 상기 q-축 전압 명령어 만을 증가시키는 것을 중단시킨다.
추가적인 특징에서, 상기 모터 제어 시스템은 d-축 주입 모듈을 더 포함한다. d-축 주입 모듈은 상기 OOV 신호에 기초하여 d-축 전류 요구를 조정한다. 제어 모듈은 q-축 전류 요구와 d-축 전류 요구에 기초하여 상기 출력 전압을 결정한다. 상기 q-축 전류 요구는 상기 토크 요구에 기초한다.
추가적인 특징에서, 상기 스위칭 모듈은 상기 DC 버스 전압에 의해 출력 전압을 분할하는 것에 기초하여 듀티 사이클 값을 생성하고 최대 듀티 사이클과 2개의 듀티 사이클 값 사이의 최대 차이의 비교에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성한다.
다른 특징에서, 상기 스위칭 모듈은 가용한 전압과 2개의 상기 출력 전압 사이의 최대 차이의 비교에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성한다. 가용한 전압은 최대 듀티 사이클 퍼센트가 곱해진 DC 버스 전압과 같다.
본 방법은: 토크 요구에 기초하여 모터를 동작시키기 위한 출력 전압을 결정하는 단계; 모터를 구동하는 인버터에 대해, 상기 출력 전압에 기초하여 스위칭 신호를 생성하는 단계; 출력 전압, 최대 듀티 사이클, 및 인버터에 전력을 공급하는 직류(DC) 버스의 전압에 기초한 비교에 따라 OOV(out-of-volts) 신호를 생성하는 단계; 상기 OOV 신호를 필터링함으로써 OOV 양을 생성하는 단계; 및 상기 OOV 양에 기초하여 상기 토크 요구를 선택적으로 제한시키는 단계;를 포함한다.
다른 특징에서, 상기 방법은 지시된 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하는 단계, 및 상기 OOV 양이 미리정해진 임계치보다 더 클 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계를 더 포함한다.
또다른 특징에서, 상기 방법은 전류 요구로 상기 토크 요구를 맵핑시키는 단계, 전류의 상한에 기초하여 상기 전류 요구를 선택적으로 제한하는 단계, 전류 요구를 제한하면서 제한 신호를 설정하는 단계, 및 상기 제한 신호가 설정될 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계를 더 포함한다.
추가적인 특징에서, 상기 방법은 미리정해진 이득과 상기 OOV 양의 곱(product)을 지시된 속도로부터 차감함으로써 제한된 지시된 속도를 생성하는 단계 및 상기 제한된 지시된 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하는 단계를 더 포함한다.
추가적인 특징에서, 상기 방법은 상기 토크 요구에 기초하여 전압 명령어를 생성하는 단계, 및 상기 OOV 신호에 기초하여 상기 전압 명령어 중 하나를 증가시키는 것을 선택적으로 중단시키는 단계를 더 포함하고, 여기서, 상기 출력 전압은 상기 전압 명령에 기초하여 연산된다.
다른 특징에서, 상기 전압 명령어는 q-축 전압 명령어 및 d-축 전압 명령어를 포함하고, 상기 방법은 상기 OOV 신호에 기초하여 q-축 전압 명령어 만을 증가시키는 것을 선택적으로 중단시키는 단계를 더 포함한다.
또다른 특징에서, 상기 방법은 상기 토크 요구에 기초하여 q-축 전류 요구를 결정하는 단계, 상기 OOV 양에 기초하여 d-축 전류 요구를 조정하는 단계, 및 상기 q-축 전류 요구 및 상기 d-축 전류 요구에 기초하여 상기 출력 전압을 결정하는 단계를 더 포함한다.
또다른 특징에서, 상기 방법은 DC 버스 전압에 의해 상기 출력 전압을 분할하는 것에 기초하여 듀티 사이클 값을 생성하는 단계, 및 상기 최대 듀티 사이클과 2개의 듀티 사이클 값 사이의 최대 차이를 비교하는 것에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다.
추가적인 특징에서, 상기 방법은 상기 최대 듀티 사이클에 의해 곱해진 상기 DC 버스 전압에 기초하여 가용한 전압을 결정하는 단계 및 상기 가용한 전압과 2개의 상기 출력 전압 사이의 최대 차이의 비교에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다.
본 방법은: 지시된 속도에 기초하여 토크 요구를 생성하는 단계; q-축 전류 요구로 상기 토크 요구를 맵핑하는 단계; 전류 상한과 d-축 전류 요구에 기초하여 상기 q-축 전류 요구를 선택적으로 제한하는 단계; 상기 q-축 전류 요구를 제한하면서 제한 신호를 설정하는 단계; 상기 q-축 전류 요구와 상기 d-축 전류 요구에 각각 기초하여 q-축 전압 요구와 d-축 전압 요구를 생성하는 단계; 전압 명령어에 기초하여 모터의 제 1 , 제 2 및 제 3 권선을 각각 동작시키기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 출력 전압을 결정하는 단계; 직류(DC) 버스의 전압으로 제 1, 제 2, 및 제 3 출력 전압을 분할하는 것에 기초하여 각각 제 1, 제 2, 및 제 3 듀티 사이클을 결정하는 단계로서, 상기 DC 버스는 모터를 구동시키는 인버터에 전력을 공급하는 단계; 인버터에 대해 상기 듀티 사이클 값들에 기초하여 스위칭 신호를 생성하는 단계; 상기 듀티 사이클 값 중 적어도 하나가 최대 듀티 사이클 보다 더 클 때 OOV(out-of-volts) 신호를 1로 설정하고, 그렇지 않으면 상기 OOV 신호를 0으로 설정하는 단계; 상기 OOV 신호의 가중 이동 평균에 기초하여 OOV 양을 생성하는 단계; 상기 OOV 양이 미리정해진 임계치보다 더 클 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계; 상기 제한 신호가 설정될 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계; 상기 OOV 양에 기초하여 상기 d-축 전류 요구를 조정하는 단계; 및 상기 OOV 신호가 1로 설정될 때 상기 q-축 전압 명령어만을 증가시키는 것을 중단시키는 단계;를 포함한다.
본 개시물의 응용의 추가적인 분야는 하기에서 제공되는 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 상세한 설명과 특정한 예시는 예시의 목적일 뿐이고, 본 개시물의 범위를 한정할 것을 의도하지 않는다는 것을 이해해야 한다.
본 개시물은 상세한 설명과 첨부도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.
도 1은 예시적인 냉장 시스템의 기능적 블록도이다.
도 2는 예시적인 구동 제어기 및 예시적인 압축기의 기능적 블록도이다.
도 3a-3c는 예시적인 역률 보정(PFC) 모듈의 간략화된 개략도이다.
도 4a-4c는 예시적인 인버터 파워 모듈 및 예시적인 모터의 간략화된 개략도이다.
도 5는 본 개시물에 따른 모터 제어 모듈의 기능적 블록도이다.
도 6은 본 개시물에 따른 OOV(out-of-volts) 모듈의 기능적 블록도이다.
도 7은 본 개시물에 따른 OOV 상태에서의 시스템을 제어하는 방법을 도시한다.
하기의 설명은 전적으로 예시일 뿐이며, 어떠한 방식으로건 본 개시물, 그의 애플리케이션, 또는 사용을 한정할 의도를 가지지 않는다. 명료화의 목적으로, 동일한 참조 번호들이 유사한 엘리먼트를 식별하기 위해 도면에서 사용될 것이다. 본문에 사용된 바와 같이, A, B, 및 C 중 적어도 하나라는 어구는 배타적이지 않은 로직인 '또는'을 이용하여 로직(A 또는 B 또는 C)을 의미하도록 해석되어야 한다. 방법 내에서의 단계들은 본 개시물의 원리를 변경하지 않고서 상이한 순서로 실행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 문에 사용된 바와 같이, 모듈이라는 용어는 특정 용도용 집적회로(ASIC); 전자회로; 조합 논리회로(combinational logic circuit); 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA); 코드를 실행하는 프로세서(공유, 전용, 또는 그룹); 기술된 기능을 제공하는 기타 적절한 컴포넌트; 또는 상기의 일부 또는 모두의 조합을 가리키거나, 이들 중 일부이거나, 또는 이들을 포함한다. 모듈이라는 용어는 프로세서에 의해 실행되는 코드를 저장하는 메모리(공유, 전용, 또는 그룹)를 포함할 수 있다.
상기 사용된 코드라는 용어는 소프트웨어, 펌웨어, 및/또는 마이크로코드를 포함하고, 프로그램, 루틴, 함수, 클래스, 및/또는 오브젝트를 가리킬 수 있다. 상기 사용된 공유라는 용어는 다중 모듈로부터 일부 또는 모든 코드가 단일 (공유) 프로세서를 이용하여 실행될 수 있다는 것을 의미한다. 추가로, 다중 모듈로부터 일부 또는 모든 코드가 단일 (공유) 메모리에 의해 저장될 수 있다. 상기 사용된 그룹이라는 용어는 단일 모듈로부터 일부 또는 모든 코드가 프로세서 그룹을 이용하여 실행될 수 있다는 것을 의미한다. 추가로, 단일 모듈로부터의 일부 또는 모든 코드는 메모리 그룹을 이용하여 저장될 수 있다.
본문에 기술된 장치 및 방법은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램에 의해 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 일시적이지 않은(non-transitory) 촉지가능한(tangible) 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장된 프로세서-실행가능 명령어들을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 저장된 데이터를 포함한다. 일시적이지 않은 촉지가능한 컴퓨터 판독가능 매체의 비제한적 예시는 비휘발성 메모리, 자기 스토리지, 및 광학 스토리지이다.
도 1을 참조하면, 냉동시스템(100)의 기능 블록도가 나타나 있다. 냉동시스템(100)은 압축기(102), 응축기(104), 팽창밸브(106), 및 증발기(108)를 포함할 수 있다. 본 개시물의 원리에 따라서, 냉동시스템(100)은 추가적인 및/또는 대체의 컴포넌트를 포함할 수 있다. 또한, 본 개시물은 가열, 환기, 및 공조(HVAC), 가열 펌프, 냉동, 및 냉각 시스템을 포함하는 기타 유형의 냉동 시스템에 적용될 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
압축기(102)는 증기 형태로 냉매를 수용하고 그리고 냉매를 압축한다. 압축기(102)는 응축기(104)에 증기 형태로 압축된 냉매를 제공한다. 압축기(102)는 펌프를 구동하는 전기 모터를 포함한다. 단지 예를 들면, 압축기(102)의 펌프는 스크롤 압축기 및/또는 왕복 압축기를 포함할 수 있다.
가압된 냉매의 모두 또는 일부는 응축기(104)에서 액체 형태로 변환된다. 응축기(104)는 냉매로부터 열을 제거하고, 냉매를 냉각한다. 냉매 증기가 포화 온도보다 낮은 온도로 냉각될 때, 냉매는 액체(또는 액화) 냉매로 전환된다. 응축기(104)는 냉매로부터의 열제거의 비율을 증가시키는 전기 팬을 포함할 수 있다.
응축기(104)는 냉매를 팽창밸브(106)를 통해서 증발기(108)에 제공한다. 팽창밸브(106)는 냉매가 증발기(108)에 공급되는 유량을 제어한다. 팽창밸브(106)는 열팽창 밸브를 포함할 수 있고 또는 예를 들면, 시스템 제어기(130)에 의해 전기적으로 제어될 수 있다. 팽창밸브(106)에 의해 야기된 압력 강하는 액화된 냉매의 일부를 다시 증기 형태로 전환하게 할 수 있다. 이러한 방식으로, 증발기(108)는 냉매 증기 및 액화 냉매의 혼합물을 수용할 수 있다.
냉매는 증발기(108)에서 열을 흡수한다. 액체 냉매는 냉매의 포화 온도 이상인 온도로 가열될 때 증기 형태로 전환된다. 증발기(108)는 냉매로의 열전달의 비율을 증가시키는 전기 팬을 포함할 수 있다.
설비(120)는 냉동시스템(100)에 파워를 제공한다. 예를 들면, 설비(120)는 대략 203볼트(v) 평균제곱근(RMS) 또는 다른 적절한 전압의 단상 교류(AC) 파워를 제공할 수 있다. 다양한 구현에서, 설비(120)는 예를 들면, 50 또는 60Hz의 라인 주파수에서 대략 400볼트 RMS 또는 480볼트 RMS에서 3 상 파워를 제공할 수 있다. 설비(120)는 AC 파워를 AC 라인을 통해서 시스템 제어기(130)로 제공할 수 있다. AC 파워는 AC 라인을 통해서 구동 제어기(132)에 역시 제공될 수 있다.
시스템 제어기(130)는 냉동시스템(100)을 제어한다. 단지 예를 들면, 시스템 제어기(130)는 여러 가지 센서(도시생략)에 의해 측정된 파라미터 및/또는 사용자 입력을 근거로 냉동시스템(100)을 제어할 수 있다. 센서는 압력센서, 온도센서, 전류센서, 전압센서, 등을 포함할 수 있다. 센서는 또한 직렬 데이터 버스 또는 다른 적절한 데이터 버스를 통해 모터 전류 또는 토크와 같은, 장치 제어로부터의 피드백 정보를 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스(134)는 시스템 제어기(130)에 사용자 입력을 제공한다. 사용자 인터페이스(134)는 추가적으로 또는 대체하여 구동 제어기(132)에 사용자 입력을 제공할 수 있다. 사용자 입력은 예를 들면, 원하는 온도, 팬의 작동(예를 들면, 증발기 팬)에 관한 요청, 및/또는 다른 적절한 입력을 포함할 수 있다. 시스템 제어기(130)는 응축기(104)의 팬, 증발기(108) 및/또는 팽창밸브(106)의 작동을 제어할 수 있다.
구동 제어기(132)는 시스템 제어기(130)로부터의 명령에 기초하여 압축기(102)를 제어할 수 있다. 예를 들면, 시스템 제어기(130)는 구동 제어기(132)를 명령하여 일정한 속도로 압축기 모터를 작동하게 할 수 있다. 여러 가지 실행에 있어서, 구동 제어기(132)는 또한 응축기 팬을 제어할 수 있다.
도 2를 참조하면, 구동 제어기(132) 및 압축기(102)의 기능적인 블록도가 도시되어 있다. 전자기 간섭(EMI) 필터(202)는 EMI를 감소시키는데, 이것은 그렇지않다면, 구동 제어기(132)에 의해 AC 라인에 다시 주입된다. EMI 필터(202)는 또한 AC 라인에 전달된 EMI를 필터링한다.
역률 보정(PFC) 모듈(204)은 AC 파워를 EMI 필터(202)에 의해 필터링되면서 AC 라인으로부터 수신한다. PFC 모듈(204)(도 3a, 3b, 3c)를 참조하여 더 상세히 설명한다)은 AC 파워를 정류하여, AC 입력 파워를 직류(DC) 파워로 변환한다. 생성된 DC 파워는 PFC 모듈(204)의 양 및 음 단자에 제공된다. PFC 모듈(204)은 또한 입력 AC 파워와 생성된 DC 파워 사이에서 역률 보정을 선택적으로 제공한다.
PFC 모듈(204)은 AC 파워를 AC 파워의 피크 전압보다 큰 DC 전압으로 선택적으로 증폭한다. 예를 들면, PFC 모듈(204)은 패시브 모드에서 작동될 수 있는데, 여기서 생성된 DC 전압은 AC 파워의 피크 전압보다 작다. PFC 모듈(204)은 또한 액티브 모드에서 작동될 수 있는데, 여기서 생성된 DC 전압은 AC 파워의 피크 전압보다 크다. AC 파워의 피크 전압보다 큰 DC 전압은 증폭된 DC 전압이라고 할 수 있다.
230V의 RMS 전압을 가진 AC 파워는 대략 325V(230V 곱하기 2제곱근)의 피크 전압을 가지고 있다. 예를 들면, 230V의 RMS 전압을 가진 AC 파워로부터 작동될 때, PFC 모듈(204)은 대략 350V 및 대략 410V 사이의 증폭된 DC 전압을 생성할 수 있다. 예를 들면, 350V의 하한값이 부과될 수 있어서 PFC 모듈(204)의 불안정한 작동 영역을 피할 수 있다. 이러한 제한은 실제 AC 입력 전압 값으로 변경될 수 있다. 다양한 구현에 있어서, PFC 모듈(204)은 410V 보다 더 크게 증폭된 DC 전압을 달성할 수 있다. 하지만, 상한선이 부과될 수 있어서 컴포넌트의 장기적인 신뢰성을 개선할 수 있는데 이것은 DC 필터(206)에서 컴포넌트와 같은 더 높은 전압에서 더 큰 응력을 경험하게 된다. 다양한 구현에서, 상한 및/또는 하한은 변경될 수 있다.
DC 필터(206)는 PFC 모듈(204)에 의해 생성된 DC 파워를 필터링할 수 있다. DC 필터(206)는 AC 파워를 DC 파워로 변환함으로써 발생하는 DC 파워에서 나타나는 리플 전압을 최소화한다. 다양한 구현에서, DC 필터(206)는 PFC 모듈(204)의 양 및 음 단자 사이에서 연결된 하나 이상의 직렬 또는 병렬 필터 커패시터를 포함할 수 있다. 이러한 구현에서, PFC 모듈(204)의 양 및 음 단자는 인버터 파워 모듈(208)의 양 및 음 단자에 직접 연결될 수 있다.
인버터 파워 모듈(208)(도 4a, 4b, 4c를 참조하여 더 상세히 설명한다)은 DC 필터(206)에 의해 필터링되면서 DC 파워를 압축기 모터에 제공되는 AC 파워로 변환한다. 예를 들면, 인버터 파워 모듈(208)은 DC 파워를 3 상 AC 파워로 변환활 수 있고 그리고 AC 파워의 위상을 압축기(102)의 모터의 3개의 각각의 권선에 제공한다. 다른 구현에서, 인버터 파워 모듈(208)은 DC 파워를 파워의 더 많은 또는 더 작은 위상으로 변환할 수 있다.
DC-DC 전원(220)은 또한 필터링된 DC 파워를 수신할 수 있다. DC-DC 전원(220)은 DC 파워를 하나 이상의 DC 전압으로 변환하는데, 이것은 여러 가지 컴포넌트 및 기능에 적합하다. 예를 들면, DC-DC 전원(220)은 디지털 로직에 전력을 공급하기에 적합한 제 1 DC 전압 및 PFC 모듈(204)내에서 스위치를 제어하기에 적합한 제 2 DC 전압으로 DC 파워의 전압을 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 제 2 DC 전압은 스위치의 게이트 단자에 선택적으로 적용할 수 있다. 다양한 구현에서, DC 파워는 또다른 DC 전원(도시생략)에 의해 제공될 수 있는데, 예를 들면, DC 전압은 메인 230VAC 입력으로부터 변압기를 통해서 유도된다.
다양한 구현에서, 제 1 DC 전압은 대략 3.3V이고 제 2 DC 전압은 대략 15V이다. 다양한 구현에서, DC-DC 전원(220)은 또한 제 3 DC 전압을 생성할 수 있다. 예를 들면, 제 3 DC 전압은 대략 1.2V이다. 제 3 DC 전압은 전압 조정기를 사용하여 제 1 DC 전압으로부터 유도될 수 있다. 예를 들면, 제 3 DC 전압은 코어 디지털 로직을 위해 사용될 수 있고 제 1 DC 전압은 PFC 제어 모듈(250) 및 모터 제어 모듈(260)의 입력/출력 회로를 위해 사용될 수 있다.
PFC 제어 모듈(250)은 PFC 모듈(204)을 제어하고 모터 제어 모듈(260)은 인버터 파워 모듈(208)을 제어한다. 다양한 구현에서, PFC 제어 모듈(250)은 PFC 모듈(204)내에서 스위치의 전환을 제어하고 모터 제어 모듈(260)은 인버터 파워 모듈(208)내의 스위치의 전환을 제어한다. PFC 모듈(204)은 1,2,3, 또는 그 이상의 위상으로 구현될 수 있다.
감독 제어 모듈(270)은 통신 모듈(272)을 통해서 시스템 제어기(130)와 통신할 수 있다. 통신 모듈(272)은 입력/출력 포트 및 시스템 제어기(130)와 감독 제어 모듈(270) 사이에서 인터페이스로서 기능하는 기타 적절한 컴포넌트를 포함할 수 있다. 통신 모듈(272)은 유선 및/또는 무선 프로토콜을 실행할 수 있다.
감독 제어 모듈(270)은 다양한 명령어를 PFC 제어 모듈(250) 및 모터 제어 모듈(260)에 제공한다. 예를 들면, 감독 제어 모듈(270)은 모터 제어 모듈(260)에 지시된 속도를 제공할 수 있다. 지시된 속도는 압축기(102)의 모터의 원하는 회전속도에 상응한다.
다양한 구현에서, 지시된 압축기 속도는 시스템 제어기(130)에 의해 감독 제어 모듈(270)에 제공될 수 있다. 다양한 구현에서, 감독 제어 모듈(270)은 통신 모듈(272)을 통해서 제공된 입력 및/또는 다양한 센서에 의해 측정된 파라미터(즉, 센서 입력)에 기초하여 지시된 압축기 속도를 결정하거나 조정할 수 있다. 감독 제어 모듈(270)은 또한 PFC 제어 모듈(250) 및/또는 모터 제어 모듈(260)로부터의 피드백에 기초하여 지시된 압축기 속도를 조정할 수 있다.
감독 제어 모듈(270)은 또한 PFC 제어 모듈(250) 및/또는 모터 제어 모듈(260)에게 다른 명령어를 제공할 수 있다. 예를 들면, 지시 속도를 근거로, 감독 제어 모듈(270)은 PFC 제어 모듈(250)을 지시해서 지시 버스 전압을 산출할 수 있다. 감독 제어 모듈(270)은 인버터 파워 모듈(208)의 작동 파라미터 및 인입 AC 라인의 측정된 전압과 같은 추가적인 입력을 근거로 지시 버스 전압을 조정할 수 있다.
감독 제어 모듈(270)은 구동 제어기(132)의 다양한 시스템에서 결함을 진단할 수 있다. 단지 예를 들면, 감독 제어 모듈(270)은 PFC 제어 모듈(250) 및/또는 모터 제어 모듈(260)로부터 결함 정보를 수신할 수 있다. 감독 제어 모듈(270)은 또한 통신 모듈(272)을 통해서 결함 정보를 수신할 수 있다. 감독 제어 모듈(270)은 구동 제어기(132)와 시스템 제어기(130)사이에서 결함의 보고 및 처리를 관리할 수 있다.
결함 정보에 응답하여, 감독 제어 모듈(270)은 PFC 제어 모듈(250) 및/또는 모터 제어 모듈(260)에게 결함 모드를 들어가도록 지시할 수 있다. 단지 예를 들면, 결함 모드에서, PFC 제어 모듈(250)은 PFC 모듈(204)의 스위치를 전환하는 것을 그만둘 수 있는 한편 모터 제어 모듈(260)은 인버터 파워 모듈(208)의 스위치의 전환을 그만둘 수 있다. 추가적으로, 모터 제어 모듈(260)은 결함 정보를 PFC 제어 모듈(250)에 직접 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, PFC 제어 모듈(250)은 감독 제어 모듈(270)이 올바르게 작동되지 않을지라도 모터 제어 모듈(260)에 의해 확인된 결함에 응답할 수 있고 그 역도 성립한다.
PFC 제어 모듈(250)은 펄스폭 변조(PWM)를 사용하여 PFC 모듈(204)에서 스위치를 제어할 수 있다. 더욱 상세하게는, PFC 제어 모듈(250)은 PFC 모듈(204)의 스위치에 적용되는 PWM 신호를 생성할 수 있다. PWM 신호의 듀티 사이클은 PFC 모듈(204)의 스위치에서 원하는 전류를 생산하도록 변한다. 원하는 전류는 측정된 DC 버스 전압과 원하는 DC 버스 전압 사이에서의 오류를 근거로 계산된다. 즉, 원하는 전류는 원하는 DC 버스 전압을 달성하기 위해 계산된다. 원하는 전류는 PFC 모듈(204)에서 전류 파형의 모양과 같은 원하는 역률 보정 파라미터를 달성하는 것에 근거할 수 있다. PFC 제어 모듈(250)에 의해 생성된 PWM 신호는 PFC PWM 신호라고 할 수 있다.
모터 제어 모듈(260)은 지시된 압축기 속도를 달성하기 위해서 PWM을 사용하여 인버터 파워 모듈(208)에서 스위치를 제어할 수 있다. 모터 제어 모듈(260)에 의해 생성된 PWM 신호는 인버터 PWM 신호라고 할 수 있다. 인버터 PWM 신호의 듀티 사이클은 압축기(102)의 모터의 권선을 통과하는 전류(즉, 모터 전류)를 제어한다. 모터 전류는 모터 토크를 제어하고 그리고 모터 제어 모듈(260)은 모터 토크를 제어하여 지시된 압축기 속도를 달성할 수 있다.
결함 정보의 공유에 추가하여, PFC 제어 모듈(250) 및 모터 제어 모듈(260)은 또한 데이터를 공유할 수 있다. 단지 예를 들면, PFC 제어 모듈(250)은 부하, 모터 전류, 추정 모터 토크, 인버터 온도, 인버터 PWM 신호의 듀티 사이클, 및 기타 적절한 파라미터와 같은 모터 제어 모듈(260)로부터의 데이터를 수신할 수 있다. PFC 제어 모듈(250)은 또한 측정된 DC 버스 전압과 같은, 모터 제어 모듈(260)로부터 데이터를 수신할 수 있다. 모터 제어 모듈(260)은 AC 라인 전압, PFC 모듈(204)을 통과하는 전류, 추정 AC 파워, PFC 온도, 지시 버스 전압 및 기타 적절한 파라미터와 같은, PFC 제어 모듈(250)로부터의 데이터를 수신할 수 있다.
다양한 구현에서, PFC 제어 모듈(250), 모터 제어 모듈(260) 및 감독 제어 모듈(270)의 일부 또는 전부는 집적회로(IC)(280)에서 구현될 수 있다. 단지 예를 들면, IC(280)는 디지털 신호 프로세서(DSP), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(FPGA), 마이크로프로세서, 등을 포함할 수 있다. 다양한 구현에서, 추가적인 컴포넌트가 IC(280)에 포함될 수 있다. 추가적으로, 도 2에서 IC(280) 내부에 도시된 다양한 기능은 제 2 IC 또는 이산 회로와 같은 IC(280) 외부에서 구현될 수 있다. 예를 들면, 감독 제어 모듈(270)은 모터 제어 모듈(260)과 통합될 수 있다.
도 3a는 PFC 모듈(204)의 예시적 구현의 개락도이다. PFC 모듈(204)은 제 1 및 제 2 AC 입력 단자(302, 304)를 통해서 AC 파워를 수신한다. AC 파워는 예를 들면, EMI 필터(202)에 의해 출력된 AC 파워일 수 있다. 다양한 구현에서, 제 1 및 제 2 AC 입력 단자(302, 304)에서의 신호는 모두 접지에 대해서 시변(time-varing)이 될 수 있다. PFC 모듈(204)은 DC 파워를 양의 DC 단자(306) 및 음의 DC 단자(308)를 통해서 DC 필터(206) 및 인버터 파워 모듈(208)에 출력한다.
제 1 필터 정류기 다이오드(310)의 애노드는 제 2 AC 입력 단자(304)에 연결되고 제 1 필터 정류기 다이오드(310)의 캐소드는 양의 DC 단자(306)에 연결된다. 제 2 정류기 다이오드(312)의 애노드는 음의 DC 단자(308)에 연결되고 제 2 정류기 다이오드(312)의 캐소드는 제 2 AC 입력 단자(304)에 연결된다. 각각의 정류기 다이오드(310, 312)는 하나 이상의 개별적인 직렬 또는 병렬 다이오드로서 구현될 수 있다.
스위치 블록(320)은 양 및 음의 DC 단자(306, 308) 사이에서 연결된다. 스위치 블록(320)은 제 1 및 제 2 스위치(332, 334)를 포함하는 제 1 PFC 레그(330)를 포함한다. 스위치(332, 334) 각각은 제 1 단자, 제 2 단자 및 제어 단자를 포함한다. 다양한 구현에서, 각각의 스위치(332, 334)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)로서 구현될 수 있다. 이러한 구현에서, 제 1, 제 2 및 제어 단자는 각각 콜렉터, 에미터 및 게이트 단자에 상응할 수 있다.
제 1 스위치(332)의 제 1 단자는 양의 DC 단자(306)에 연결된다. 제 1 스위치(332)의 제 2 단자는 제 2 스위치(334)의 제 1 단자에 연결된다. 제 2 스위치(334)의 제 2 단자는 음의 DC 단자(308)에 연결될 수 있다. 다양한 구현에서, 제 2 스위치(334)의 제 2 단자는 션트 레지스터(380)를 통해서 음의 DC 단자(308)에 연결되어 제 1 PFC 레그(330)를 통해서 흐르는 전류를 측정할 수 있다.
스위치(332, 334)의 제어 단자는 PFC 제어 모듈(250)로부터 전체적으로 상보적 PFC PWM 신호를 수신한다. 즉, 제 1 스위치(332)에 제공된 PFC PWM 신호는 제 2 스위치(334)에 제공된 PFC PWM 신호에 극성이 반대이다. 단락 전류는 스위치(332, 334) 중 하나를 켜는 것이 스위치(332, 334) 중 다른 하나를 끄는 것과 겹쳐질 때, 흐를 수 있다. 그러므로, 스위치(332, 334) 양자는 스위치(332, 334) 중의 하나가 켜지기 전에 데드타임 동안에 꺼질 수 있다. 그러므로, 일반적으로, 상보적이라는 것은 2개의 신호가 대부분의 기간동안에 반대라는 것을 의미한다. 하지만, 트랜지션 주변에서는, 양 신호는 일부의 오버랩 기간동안에 낮거나 높을 수 있다.
제 1 PFC 레그(330)는 또한 스위치(332, 334)에 역평행으로 각각 연결된 제 1 및 제 2 다이오드(336, 338)를 포함할 수 있다. 즉, 제 1 다이오드(336)의 애노드는 제 1 스위치(332)의 제 2 단자에 연결되고 제 1 다이오드(336)의 캐소드는 제 1 스위치(332)의 제 1 단자에 연결된다. 제 2 다이오드(338)의 애노드는 제 2 스위치(334)의 제 2 단자에 연결되고 제 2 다이오드(338)의 캐소드는 제 2 스위치(334)의 제 1 단자에 연결된다.
스위치 블록(320)은 하나 이상의 추가적인 PFC 레그를 포함할 수 있다. 다양한 구현에서, 스위치 블록(320)은 하나의 추가적인 PFC 레그를 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 스위치 블록(320)은 제 2 및 제 3 PFC 레그(350, 360)를 포함한다. 스위치 블록(320)에 포함된 PFC 레그의 수는 성능 및 가격을 근거로 선택될 수 있다. 단지 예를 들면, PFC 모듈(204)의 DC 출력에서 리플(전압 및 전류)의 크기는 PFC 레그의 수가 증가하면서 감소될 수 있다. 추가적으로, AC 라인 전류에서 리플 전류의 양은 PFC 레그의 수가 증가하면서 감소될수 있다. 그러나, 부품의 가격 및 구현의 복잡성이 PFC 레그의 수가 증가하면서 증가할 수 있다.
스위치 블록(320)의 제 2 및 제 3 PFC 레그(350, 360)는 제 1 PFC 레그(330)과 유사할 수 있다. 예를 들면, 제 2 및 제 3 PFC 레그(350,360)는 각각 제 1 PFC 레그(330)과 동일한 방식으로 연결된 스위치(332, 334), 다이오드(336, 338)를 위한 각각의 컴포넌트 그리고 각각의 션트 레지스터를 포함할 수 있다.
추가적인 PFC 레그의 스위치에 제공되는 PFC PWM 신호는 또한 본래 상보적이 될 수 있다. 추가적인 PFC 레그의 스위치에 제공되는 PFC PWM 신호는 또한 서로로부터 그리고 제 1 PFC 레그(330)에 제공된 PFC PWM 신호로부터 시프트된 위상일 수 있다. 단지 예를 들면, PFC PWM 신호의 위상 시프트는 360°를 PFC 레그의 수로 나눔으로써 결정될 수 있다. 예를 들면, 스위치 블록(320)이 3개의 PFC 레그를 포함하고 있을때, PFC PWM 신호는 서로로부터 120° 만큼 시프트된 위상이 될 수 있다(또는 2 위상에 대해서는 180°, 또는 4 위상에 대해서는 90° 등). PFC PWM 신호를 시프팅한 위상은 DC 출력 뿐 아니라 AC 라인 전류에서 리플을 상쇄할 수 있다.
PFC 모듈(204)은 제 1 인덕터(370)를 포함한다. 제 1 인덕터(370)는 제 1 AC 입력 단자(302)와 제 1 스위치(332)의 제 2 단자 사이에서 연결되어 있다. 추가적인 인덕터가 제 1 AC 입력 단자(302)를 추가적인 PFC 레그에 연결할 수 있다. 예를 들면, 도 3a는 제 1 AC 입력 단자(302)를 제 2 및 제 3 PFC 레그(350, 360)에 각각 연결하는 제 2 인덕터(372) 및 제 3 인덕터(374)를 도시하고 있다.
전압은 션트 레지스터(380)를 가로질러 측정되어 옴의 법칙에 따라 제 1 PFC 레그(330)를 통과하는 전류를 결정할 수 있다. 작동 증폭기와 같은 증폭기(도시생략)는 션트 레지스터(380)를 통과하는 전압을 증폭할 수 있다. 증폭된 전압은 디지털화되고, 버퍼링되고 및/또는 필터링되어 제 1 PFC 레그(330)를 통과하는 전류를 결정할 수 있다. 다른 PFC 레그를 통과하는 전류는 각각의 션트 레지스터를 사용하여 결정될 수 있다.
추가적으로 또는 대안으로, 레지스터(382)는 도 3b에 도시된 바와 같이, 음의 DC 단자(308)와 직렬로 연결될 수 있다. 레지스터(382)를 통과하는 전류는 따라서 PFC 모듈(204)로부터의 전체 전류 출력을 표시할 수 있다. 각각의 PFC 레그(330, 350, 360)를 통과하는 전류는 PFC 레그(330, 350, 360)를 통과하는 전류의 알려진 위상 타이밍을 근거로 전체 전류로부터 추론될 수 있다.
PFC 레그(330, 350, 360)의 모두 또는 일부를 통과하는 전류를 감지 또는 측정하는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 다양한 구현에서, 제 1 PFC 레그(330)를 통과하는 전류는 전류 센서(387)(도 3c에 도시됨)를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들면, 전류 센서(387)는 제 1 인덕터(370)와 직렬로 실행될 수 있다. 다양한 구현에서, 전류 센서(387)는 제 1 인덕터(370) 주위의 자속을 기초로하여 제 1 PFC 레그(330)를 통과하는 전류를 특정하는 홀효과 센서를 포함할 수 있다. PFC 레그(350, 360)를 통과하는 전류는 또한 연관된 전류 센서(388, 389)를 사용하여 각각 측정될 수 있다.
PFC 모듈(204)은 또한 제 1 및 제 2 바이패스 다이오드(390, 392)를 포함할 수 있다. 제 1 바이패스 다이오드(390)의 애노드는 제 1 AC 입력 단자(302)에 연결되고 제 1 바이패스 다이오드(390)의 캐소드는 양의 DC 단자(306)에 연결된다. 제 2 바이패스 다이오드(392)의 애노드는 음의 DC 단자(308)에 연결되고 제 2 바이패스 다이오드(392)의 캐소드는 제 1 AC 입력 단자(302)에 연결된다.
바이패스 다이오드(390, 392)는 파워 다이오드일 수 있는데, 이것은 예를 들면, 대략 100Hz 또는 대략 200Hz 보다 낮은 주파수의 저주파수에서 작동되도록 설계될 수 있다. 바이패스 다이오드(390, 392)의 저항은 인덕터(370, 372, 374)의 저항보다 낮을 수 있다. 그러므로, 스위치 블록(320) 내의 스위치(332, 334)가 스위칭되지않을 때, 전류는 다이오드(336, 338) 대신에 바이패스 다이오드(390, 392)를 통해서 흐를 수 있다.
PFC 모듈(204)이 증폭된 DC 전압을 만들도록 작동될 때, 증폭된 DC 전압은 AC 라인에서의 피크 전압보다 클 수 있다. 바이패스 다이오드(390, 392)는 따라서 순방향 바이어스되지않고 그리고 인액티브하게 유지될 것이다. 바이패스 다이오드(390, 392)는 낙뢰 보호 및 전원 서지 보호를 제공할 수 있다.
다양한 구현에서, 바이패스 다이오드(390, 392)는 단일 패키지로 정류기 다이오드(310, 312)와 함께 구현될 수 있다. 예를 들면, Vishay 모델 번호 26MT 또는 36MT, 또는 International Rectifier, 모델 번호 26MB 또는 36MB가 바이패스 다이오드(390, 392) 및 정류기 다이오드(310, 312)로서 사용될 수 있다. 정류기 다이오드(310, 312)는 PFC 모듈(204)이 증폭된 DC 전압을 생성하는지 여부에 따라 전류를 전달한다. 따라서, 다양한 구현에서,각각의 정류기 다이오드(310, 312)는 병렬로 연결된 2개의 물리적 다이오드로서 구현될 수 있다. 전류 센서는 인덕터(370, 372, 374)와 직렬로 PFC 위상 전류를 측정하도록 사용될 수 있다.
도 4a를 참조하면, 모터(400)의 단순화된 개략도 및 인버터 파워 모듈(208)의 예시적인 구현이 나타나 있다. 모터(400)는 도 2의 압축기(102)의 컴포넌트이다. 하지만, 도 4a-4c의 원리는 응축기(104)의 모터를 포함하는 다른 모터에 적용될 수 있다. 인버터 파워 모듈(208)은 스위치 블록(402)을 포함한다. 다양한 구현에서, PFC 모듈(204)의 스위치 블록(320) 및 스위치 블록(402)은 유사한 부품을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 도 4a에서, 제 1 인버터 레그(410)는 제 1 및 제 2 스위치(420, 422) 및 제 1 및 제 2 다이오드(424, 426)를 포함하는데, 이것은 도 3a의 다이오드(336, 338) 및 스위치(332, 334)와 유사하게 배열되어 있다.
스위치 블록(402)은 양의 DC 단자(404) 및 음의 DC 단자(406)를 통해서 DC 필터(206)로부터 필터링된 DC 전압을 수신한다. 제 1 스위치(420)의 제 1 단자는 양의 DC 단자(404)와 연결될 수 있는 한편, 제 2 스위치(422)의 제 2 단자는 음의 DC 단자(406)에 연결될 수 있다. 스위치(420, 422)의 제어 단자는 모터 제어 모듈(260)로부터 전체적으로 상보적인 인버터 PWM 신호를 수신한다.
스위치 블록(402)은 하나 이상의 추가적인 인버터 레그를 포함할 수 있다. 다양한 구현에서, 스위치 블록(402)은 모터(400)의 권선 또는 각각의 위상을 위한 하나의 인버터 레그를 포함할 수 있다. 단지 예를 들면, 스위치 블록(402)은 도 4a에 도시된 바와 같이 제 2 및 제 3 인버터 레그(430, 440)를 포함할 수 있다. 인버터 레그(410, 430, 440)는 각각 모터(400)의 권선(450, 452, 454)에 전류를 제공할 수 있다. 권선(454, 452, 450)은 각각 권선(a, b, c)이라고 할 수 있다. 권선(454, 452, 450)에 인가된 전압은 각각 Va, Vb, Vc라도 할 수 있다. 권선(454, 452, 450)을 통과하는 전류는 각각 Ia, Ib, Ic라고 할 수 있다.
예를 들면, 권선(450, 452, 454)의 제 1 끝단은 공통 노드에 연결될 수 있다. 권선(450, 452, 454)의 제 2 끝단은 각각 인버터 레그(410, 430, 440)의 제 1 스위치(420)의 제 2 단자에 연결될 수 있다.
인버터 파워 모듈(208)은 또한 제 1 인버터 레그(410)와 연관되는 션트 레지스터(460)를 포함할 수 있다. 션트 레지스터(460)는 음의 DC 단자(406) 및 제 2 스위치(422)의 제 2 단자 사이를 연결할 수 있다. 다양한 구현에서, 각각의 션트 레지스터는 각각의 인버터 레그(430, 440) 및 음의 DC 단자(406) 사이에서 위치될 수 있다. 예를 들면, 모터(400)의 제 1 권선(450)을 통과하는 전류는 제 1 인버터 레그(410)의 션트 레지스터(460)를 지나는 전압에 기초하여 결정될 수 있다. 다양한 구현에서, 인버터 레그(410, 430, 440) 중 하나의 션트 레지스터는 생략시킬 수 있다. 이러한 구현에서, 전류는 나머지 션트 레지스터의 측정을 근거로 추론될 수 있다.
추가적으로 또는 대안으로, 레지스터(462)는 도 4b에 도시한 바와 같이, 음의 DC 단자(406)와 직렬로 연결될 수 있다. 레지스터(462)를 통과하는 전류는 따라서 인버터 파워 모듈(208)에 의해 소비된 전체 전류를 나타낼 수 있다. 인버터 레그(410, 430, 440)의 각각을 통과하는 전류는 인버터 레그(410, 430, 440)를 통과하는 전류의 알려진 위상 타이밍을 근거로 전체 전류로부터 추론될 수 있다. 인버터에서의 전류 결정의 더 상세한 내용은 본 문에 그 전체가 참조에 의해 통합된 2007년 3월 20일 발행된 미국특허 7,193,388호에서 볼 수 있다.
인버터 레그(410, 430, 440)의 모두 또는 일부를 통과하는 전류를 측정 또는 감지하는 임의의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 다양한 구현에서, 제 1 인버터 레그(410)를 통과하는 전류는 전류 센서(487)(도 4c에 도시됨)를 사용하여 측정될 수 있다. 예를 들면, 전류 센서(487)는 제 1 인버터 레그(410) 및 제 1 권선(450) 사이에서 구현될 수 있다. 인버터 레그(430, 440)를 통과하는 전류는 또한 각각 연관된 전류 센서(488, 489)를 사용하여 측정될 수 있다. 다양한 구현에서, 전류 센서는 인버터 레그(410, 430, 440) 중에서 2개와 연관될 수 있다. 인버터 레그(410, 430, 440) 중에서 다른 하나를 통과하는 전류는 모터 권선에서의 전류가 합이 0이 된다는 가정에 근거해서 결정될 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 2의 모터 제어 모듈(260)의 예시적인 구현이 도시된다. 모터 제어 모듈(260)은 모터(400)의 권선(454, 452, 450)(이하, "권선a-c")에 인가되는 전압을 제어하기 위해 인버터 파워 모듈(208)내의 스위치를 제어한다. 이는 또한 인버터 파워 모듈(208) 제어 또는 모터(400) 제어라고 한다.
예를 들면, 모터(400)가 3 상 모터를 포함할 때, 모터 제어 모듈(260)은 전압(Va-c)을 권선a-c에 각각 인가할 수 있다. 전압(Va -c)은 집합적으로 출력 전압이라고 할 수 있다. 전류(Ia -c)는 전압(Va -c)이 권선a-c에 인가될 때 각각 권선a-c에서 생성된다. 전류(Ia -c)는 집합적으로 권선 전류라고 할 수 있다. 권선a-c에서 전류는 권선a-c에 관해 자속을 발생시키거나 또는 그 역이 될 수 있다. 모터 제어 모듈(260)은 권선 전류를 제어하고 및/또는 자속을 제어하기 위한 출력 전압을 생성한다.
모터(400)는 권선 전류에 반응하여 회전하는 회전자(도시되지 않음)를 포함한다. 모터 제어 모듈(260)은 회전자의 토크 및 속도를 제어하기 위해 출력 전압의 진폭, 듀티 사이클, 및/또는 주파수를 제어한다. 모터 제어 모듈(260)은 회전자의 원하는 회전 속도를 나타내는 지시된 모터 속도에 기초하여 출력 전압을 제어한다.
모터 제어 모듈(260)은 모터(400)의 자속 기준 제어(field-oriented control)를 실시할 수 있다. 따라서, 모터 제어 모듈(260)은 모터 구동 변수를 다양한 프레임 기준으로 맵핑시킬 수 있다. 모터 구동 변수는 측정된 전류/전압 뿐 아니라 모터(400) 제어에 사용되는 요청된 전류/전압 값을 포함할 수 있다. 예를 들면, 모터 구동 변수는 권선a-c을 통과하는 측정된 전류(Ia -c) 및 전압(Va -c)을 권선a-c에 인가시키기 위해 모터 제어 모듈(260)에 의해 사용된 전압 요청을 포함한다.
모터 제어 모듈(260)은 모터 구동 변수를 abc 기준좌표계(FoR: frame of reference), αβ FoR, qdr FoR에서 맵핑할 수 있다. abc FoR은 예를 들면, 권선a-c에 기초한 3상 스테이터 프레임을 나타낼 수 있다. 측정된 전류(Ia -c)의 각각은 abc FoR의 각각의 축 a, b, 및 c로 맵핑될 수 있다. 추가로, 모터 제어 모듈(260)은 전압(Va -c)에 대응하는 요청된 전압을 abc FoR에 맵핑할 수 있다.
αβ FoR은 모터 구동 변수가 사영되는 정적인, 스테이터 기반 x 및 y좌표를 포함한다. qdr FoR은 회전자에 대응하고 회전자와 싱크하여 회전하는 회전 FoR이다. 따라서, adr FoR은 회전자의 각도에 기초한다.
모터 제어 모듈(260)은 하나의 FoR로부터 또다른 FoR로 모터 구동 변수를 변환할 수 있다. 예를 들면, 모터 제어 모듈(260)은 abc FoR에 표시된 전류를 αβ FoR로 표시된 전류로 변환하거나 또는 그 역이 될수 있다. 모터 제어 모듈(260)은 abc FoR로부터 αβ FoR로 수치변환을 이용하여 모터 구동 변수를 변환시킬 수 있다. 모터 제어 모듈(260)은 회전자의 각도에 기초하여 αβ FoR로부터 qdr FoR로 모터 구동 변수를 변환시킬수 있다.
모터 제어 모듈(260)은 도 2의 감독 제어 모듈(270)로부터의 지시 속도에 기초하여 인버터 파워 모듈(208)을 제어한다. 다양한 구현에서, 필터 모듈(501)은 도 2의 감독 제어 모듈(270)로부터 지시 속도를 필터링 할 수 있다. 이러한 구현에서, 필터 모듈(501)의 출력은 하기에서 지시 속도(ωv)라고 한다.
개방 루프 모드에서, 회전자의 실제 속도는 일반적으로 지시 속도(ωv)를 따르며, 지시 속도(ωv)는 너무 빠르게 변하지 않는다고 가정한다. 그 결과, 회전자 가속도가 필터 모듈(501)로부터 출력된 지시 속도(ωv)에서의 변화를 따라잡을 수 있도록 필터 모듈(501)의 저역 필터의 계수가 선택될 수 있다. 그렇지 않으면, 회전자 동기화가 상실된다. 다양한 구현에서, 필터 모듈(501)은 램프(ramp) 기능을 구현하고, 이는 각각의 미리정해진 시간동안의 최대 증분까지 지시 속도(ωv)를 갱신 시킨다.
모터 제어 모듈(260)은 개방 루프 모드에서 동작시에 지시된 FoR(예를 들면, qdv FoR)에 기초하여 모터(400)를 제어할 수 있다. qdv FoR은 회전자의 지시 속도(ωv) 및 회전자의 지시 각도(θv)에 연관된다. 지시 각도 생성 모듈(502)은 지시 속도(ωv)를 적분하는 것과 같은 것에 의해 지시 각도(θv)를 결정할 수 있다.
모터 제어 모듈(260)은 개방 루프 모드 또는 폐 루프 모드와 같은 다양한 모드에서 동작할 수 있다. 예를 들면, 모터 제어 모듈(260)은 모터(400)를 시작할 때 개방 루프 모드에서 동작하고, 폐 루프 모드에서의 동작으로 추후에 트랜지션한다. 개방 루프 모드에서 동작시, 특히 모터 제어 모듈(260)이 더 느린 속도로 회전자를 동작시킬때, 회전자가 지시 속도(ωv)와 동기화되는 경향을 가질 것이다. 그러나, 실제 회전자 각도는 모터(400)에 인가된 부하때문에 지시 각도(θv)와 상이할 수 있다. 예를 들면, 개방 루프 모드에서의 동작동안 부하의 변화는 지시 각도(θv)와 실제 회전자 각도 사이의 위상차이를 변화시킬 수 있다.
트랜지션 모듈(503)은 개방 루프 모드로부터 폐루프 모드로 모터 제어 모듈(260)을 언제 트랜지션시키는지를 결정한다. 예를 들면, 트랜지션 모듈(503)은 지시 속도(ωv), 모터(400)의 동작 시간, 회전자의 지시 가속도, 및/또는 추정기 모듈(504)의 피드백 중 적어도 하나에 기초하여 언제 트랜지션하는 지를 결정할 수 있다.
예를 들면, 트랜지션 모듈(503)은 지시 가속도 및/또는 동작 시간에 기초하여 회전자의 속도를 예측할 수 있다. 트랜지션 모듈(503)은 예측된 속도가 속도 임계치보다 더 클때 개방 루프에서 폐 루프로 트랜지션할 수 있다. 다양한 구현에서, 트랜지션 모듈(503)은 모터(400)가 시동되었을때부터의 경과 시간이 미리정해진 기간을 초과했을 때 개방 루프 모드에서 폐 루프 모드로 트랜지션할 수 있다.
추정기 모듈(504)은 회전자의 속도(ωest)와 각도(θest)를 추정한다. 추정기 모듈(504)은 추정 각도(θest)에 기초하여 추정 속도(ωest)를 결정할 수 있다. 예를 들면, 추정기 모듈(504)은 추정 속도(ωest)를 판정하기 위해 기간동안 추정 각도(θest)를 차분 및 필터링할 수 있다. 트랜지션 모듈(503)은 추정기 모듈(504)이 추정 각도(θest)와 추정 속도(ωest)의 안정적 추정치를 달성한 때에 개방 루프 모드에서 폐 루프 모드로 트랜지션할 수 있다. 다양한 구현에서, 트랜지션 모듈(503)은, 예를 들면 플럭스 추정치에 의해 표시될 수 있는 추정기 모듈(504)에서의 컨버전스가 발생했을때 개방 루프 모드에서 폐 루프 모드로 트랜지션할 수 있다.
대안으로, 트랜지션 모듈(503)은 지시 속도(ωv)가 속도 임계치 보다 더 클 때 개방 루프 모드에서 폐 루프 모드로 트랜지션할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 트랜지션 모듈(503)은 회전자의 추정 속도(ωest)가 미리정해진 속도보다 더 클 때 트랜지션을 시작한다. 언제 트랜지션을 수행할지에 영향을 주는 다른 팩터는 모터(400) 및 모터 구동 변수에 대한 부하를 포함할 수 있다.
추정기 모듈(504)은 다양한 모터 구동 변수에 기초하여 추정 각도(θest)를 판정할 수 있다. 예를 들면, 모터 구동 변수는 권선a-c에 인가되는 Va -c 및 권선a-c에서 측정되는 Ia -c를 포함한다. 추가로, 추정기 모듈(504)은 지시 속도(ωv)에 기초하여 추정 각도(θest)를 판정할 수 있다. 추정기 모듈(504)은 모터 구동 변수에 기초하여 추정 각도(θest) 및 추정 속도(ωest)를 판정하기 위해 상태 옵저버(예를 들면, 루엔버거(Luenberger) 옵저버)를 실시한다. 센서리스 제어 시스템 및 방법의 설명은 본문에 참조에 의해 그 전체가 통합된 2004년 6월 29일 발급된 미국특허 6,756,757, 2007년 4월 24일 발급된 미국특허 7,208,895, 2008년 3월 11일 발급된 미국특허 7,342,379, 및 2008년 5월 20일 발급된 미국특허 7,375,485에서 볼 수 있다.
전류 판정 모듈(506)은 권선a-c의 전류(Ia -c)(이하 "측정된 전류")를 측정한다. 추정기 모듈(504)은 θest 및 ωest를 추정하기 위해 측정된 전류를 이용할 수 있다.
각도/속도 판정 모듈(508)은 개방 루프 모드 또는 폐 루프 모드와 같은 현재 이네이블한 모드에 기초하여 출력 각도(θr) 및 출력 속도(ωr)를 생성한다. 각도/속도 판정 모듈(508)은 개방 루프 모드에서 동작시 출력 각도(θr)를 지시 각도(θv)와 같게 설정하고, 폐 루프 모드에서 동작시 출력 각도(θr)를 추정 각도(θest)와 같게 설정할 수 있다.
트랜지션 모듈(503)이 개방 루프 모드에서 폐 루프 모드로의 트랜지션을 지시할 때, 각도/속도 판정 모듈(508)은 출력 각도(θr)를 지시 각도(θv)로부터 추정 각도(θest)로 점차적으로 조정한다. 이러한 점진적인 조정은 개방 루프 모드에서 폐 루프 모드의 트랜지션시에 전류 제어(하기에 기술될)의 분열(disruption) 및/또는 추정 각도(θest)의 추정을 방해할 수 있는 임시(transient) 전류 요구를 최소화할 수 있다. 점진적 조정은 따라서 트랜지션 동안의 안정성을 개선하고 모터(400)를 보다 용이하게, 특히 더 높은 부하 하에서 시동시키는 것을 허용할 수 있다.
각도/속도 판정 모듈(508)은 개방 루프 모드에서 동작시 지시 속도(ωv)와 같도록 출력 속도(ωr)를 설정할 수 있다. 각도/속도 판정 모듈(508)은 폐 루프 모드에서 동작시 출력 속도(ωr)를 추정 속도(ωest)와 같도록 설정할 수 있다. 다양한 구현에서, 각도/속도 판정 모듈(508)은, 트랜지션 모듈(503)이 개방 루프 모드에서 폐 루프 모드로의 트랜지션을 지시할 때, 지시 속도(ωv)로부터 추정 속도(ωest)로 출력 속도(ωr)를 즉시 스위칭할 수 있다.
트랜지션 모듈(503)은 또한 폐 루프 모드로부터 다시 개방 루프 모드로의 변경을 지시할 수 있다. 예를 들면, 다시 개방 루프로의 트랜지션은 회전자 손실, 비정상적 동작 상태와 같은 오류 상태가 관찰되었을때 수행될 수 있다. 각도/속도 판정 모듈(508)은 따라서 또한 추정 속도(ωest)로부터 다시 지시 속도(ωv)로 출력 속도(ωr)를 스위칭할 수 있고, 추정된 각도(θest)로부터 다시 지시 각도(θv)로 출력 각도(θr)를 스위칭할 수 있다. 다양한 구현에서, 개방 루프 모드로부터 폐 루프 모드로의 트랜지션과 유사하게, 출력 속도(ωr) 스위칭은 즉시 수행되는 반면, 출력 각도(θr) 스위칭은 점진적으로 수행될 수 있다.
다양한 구현에서, 추가적인 모드가 지원될 수 있다. 예를 들면, 3, 4 또는 그 이상의 모드가 지원될 수 있다. 트랜지션 모듈(503)은 상기 모드들 중 하나로부터 다른 모드로의 트랜지션을 각도/속도 판정 모듈(508)에 지시할 수 있다. 각각의 트랜지션 동안, 각도/속도 판정 모듈(508)은 출력 속도(ωr)를 즉시 선택된 모드에 대응하는 속도로 스위칭 할 수 있다. 대안으로, 출력 속도(ωr)는 선택된 모드의 속도를 향해 램핑될 수 있다. 추가로, 각도/속도 판정 모듈(508)은 선택된 모드에 대응하는 각도를 향해 출력 각도(θr)를 램핑한다. 트랜지션 모듈(503)은 트랜지션 신호를 이용하여 상기 모드들 중 하나로부터 다른 모드로 트랜지션하도록 각도/속도 판정 모듈(508)에 지시할 수 있다. 예를 들면, 트랜지션 신호는 각도/속도 모듈(508)이 트랜지션해야하는 타겟 모드를 규정할 수 있다.
속도 루프 제어 모듈(510)은 출력 속도(ωr)를 지시 속도(ωv)에 매칭시키기위해 연산된 요구된 토크 신호를 생성한다. 다양한 구현에서, 속도 루프 제어 모듈(510)은 개방 루프 모드에서 우회될 수 있다. 폐 루프 모드에서, 출력 속도(ωr)는 모터(400)의 추정 속도(ωest)와 같다. 따라서, 속도 루프 제어 모듈(510)은 모터(400)의 속도를 지시 속도(ωv)와 거의 같도록 유지하기 위해 요구된 토크 신호를 생성할 수 있다. 예를 들면, 출력 속도(ωr)가 지시 속도(ωv) 보다 더 작을때, 속도 제어 모듈(510)은 요구된 토크를 증가시킬 수 있고, 그 역이 될 수도 있다.
ldr 주입 모듈(512)은 DC 버스 전압, 요구된 토크 신호, 및 지시 속도(ωv)에 기초하여 d-축 전류(ldr) 요구를 생성한다. ldr 요구는 하기에 기술된 전류 제어에 의해 ldr 주입에 사용되며, 이는 또한 약화 계자(field weakening) 또는 진상(phase advance)이라고 할 수 있다. 다양한 구현에서, ldr 주입 모듈(512)은 하기에 기술된 OOV(out of volts) 신호와 측정된 전류에 기초하여 ldr 요구를 조정할 수 있다.
토크 맵핑 모듈(514)은 요구된 토크 신호에 기초하여 q-축 전류(lqr) 요구를 생성한다. 토크는 또한 ldr 요구에 의해 생성될 수 있고, 따라서 토크 맵핑 모듈(514)은 또한 ldr 요구에 기초하여 lqr 요구를 판정할 수 있다. 예를 들면, 토크 맵핑 모듈(514)은 최대 전류 제한을 구현할 수 있다. 다양한 구현에서, 토크 맵핑 모듈(514)은 ldr 요구와 lqr 요구의 합을 최대 전류 제한과 비교하여, 상기 합이 최대 전류 제한을 초과할때 요구 중 하나 또는 모두를 감소시킨다. 다양한 구현에서, 토크 맵핑 모듈(514)은 lqr 요구만을 제한할 수 있다. 예를 들면, 최대 전류 제한은 25 Ampsrms 제곱평균제곱근(root mean square) 제한이 될 수 있다.
토크 맵핑 모듈(514)이 최대 전류 제한을 만족시키기위해 lqr 요구를 제한하고 있을때, 토크 맵핑 모듈(514)은 제한 신호를 속도 루프 제어 모듈(510)로 출력할 수 있다. 제한 신호가 수신될 때, 속도 루프 제어 모듈(510)은 일시적으로 요구된 토크를 증가시키는 것을 보류(suspend) 시킬 수 있다. 추가로, 속도 루프 제어 모듈(510)은 또한 OOV 신호에 기초하여 요구된 토크를 증가시키는 것을 일시적으로 보류할 수 있다.
예를 들면, 속도 루프 제어 모듈(510)은 출력 속도(ωr)를 감소된 버전의 지시 속도(ωv)로 매칭시키는 것을 시도할 수 있다. 대안으로, 또는 추가로, 속도 루프 제어 모듈(510)은 요구된 토크를 증가시키는 것을 야기하는 오류 합산 및/또는 적분 연산을 선택적으로 보류할 수 있다. 즉, 제한 신호를 통해, 최대 전류 제한이 도달되었음을 토크 맵핑 모듈이 표시할 때, 속도 루프 제어 모듈(510)이 현재 요구된 토크가 이미 최대 전류 제한 내에서 달성될 수 없기때문에 요구된 토크를 증가시키는 것을 중단시킬 수 있다.
전류 제어 모듈(516)은 전류 요구 lqr 및 ldr에 기초하여 qdr FoR에서 전압 명령(Vqr 및 Vdr)을 결정한다. 전압 명령(Vqr 및 Vdr)은 각각 q-축 전압 명령 및 d-축 전압 명령이 될 수 있다. 다양한 구현에서, 전류 제어 모듈(516)은 또한 측정된 전류에 기초하여 전압 명령(Vqr 및 Vdr)을 판정할 수 있다. 다양한 구현에서, 전류 제어 모듈(516)은 전압 명령(Vqr 및 Vdr)을 조정함으로써 측정된 전류를 lqr 및 ldr 요구에 매칭시키도록 할 수 있다. 다양한 구현에서, 전류 제어 모듈(516)은 또한 출력 속도(ωr)를 수신할 수 있다.
abc 투 qdr 모듈(520)은 측정된 전류(Ia -c)를 출력 각도(θr)에 기초하여 qdr FoR로 맵핑시킨다. 결과인 맵핑된 전류는 lqdr이라고 할 수 있으며, lqr과 ldr 컴포넌트를 포함할 수 있다. 전류 제어 모듈(516)과 같은 모터 제어 모듈(260)의 컴포넌트에 의해 사용되는 측정된 전류는 따라서 측정된 전류의 lqdr 표시를 사용할 수 있다.
qdr 투 αβ 모듈(522)은 qdr FoR로부터 αβ FoR로 전압 명령(Vqr 및 Vdr)을 변환시켜, αβ FoR에서의 전압 요청(이하, "전압 요청")을 생성시킬수 있다. 전압 요청은 권선a-c에 인가될 전압을 표시할 수 있다. qdr 투 αβ모듈(522)은 출력 각도(θr)에 기초하여 변환을 수행하고, 다양한 구현에서, 출력 속도(ωr)에 기초하여 변환을 수행할 수 있다.
펄스-폭 변조(PWM) 모듈(524)은 PWM을 이용하여 인버터 파워 모듈(208)을 제어하기 위한 듀티 사이클 신호를 생성한다. 예를 들면, PWM 스위칭 주파수는 약 5kHz 또는 약 10 kHz가 될 수 있다. 다양한 구현에서, 인버터 파워 모듈(208) 및 모터(400)는 3개 위상을 가지고, PWM 모듈(524)은 각각의 인버터 레그에 대해 하나씩인 3개의 듀티 사이클 신호를 생성한다.
다양한 구현에서, 인버터 파워 모듈(208)의 각각의 레그는 상보적 스위치의 쌍을 포함하고, 듀티 사이클 신호의 각각은 따라서 상기 상보적 스위치의 각각에 대해 하나씩인 상보적 듀티 사이클 신호로 변환된다. 예를 들면, 도 4a를 참조하면, 제 1 인버터 레그(410)의 스위치(420) 및 스위치(422)는 상보적 듀티 사이클로 제어될 수 있다.
다양한 구현에서, 양 스위치(420, 422)가 모두 동시에 온인 단락 상태를 방지하기 위해, 다른 하나의 스위치가 턴오프되는 동시에 하나의 스위치가 턴온이 되지 않도록 상보적 듀티 사이클이 조정될 수 있다. 즉, 2개 스위치의 오프-시간이 부분적으로 중첩된다.
PWM 모듈(524)은 DC 버스 전압 및 qdr 투 αβ모듈(522)로부터의 전압 요청에 기초하여 듀티 사이클 신호를 판정한다. 예를 들면, PWM 모듈(524)은 각각 권선a-c에 대응하는 3개의 전압 요구, 이하 Vra, Vrb, Vrc(집합적으로 Vra -c)를 판정하기 위해 αβ FoR로부터 abc FoR로 전압 요청을 변환 시킬 수 있다.
전압 요구가 주어진 DC 버스 전압에 만족될 수 없을때, 구동 제어기(132)는 OOV 상태에서 동작하고 있는 것으로 정의된다. 예를 들면, 최대 듀티 사이클은 PWM 모듈(524)에서 정의될 수 있다. 전압 요구가 최대 듀티 사이클보다 더 큰 듀티 사이클 중 하나를 가져온다면, 구동 제어기(132)는 OOV 상태에서 동작하고 있다.
다양한 구현에서, 최대 듀티 사이클은 96%, 95%, 또는 92%와 같은 100% 보다 더 적은 것으로 설정될 수 있다. 최대 듀티 사이클 제한은 권선 전류(Ia -c)의 정확한 측정을 위한 요구조건에 기초하여 설정될 수 있다. 대응하는 최소 듀티 사이클 제한이 또한 정의될 수 있다. 예를 들면, 최소 듀티 사이클 제한은 1에서 최대 듀티 사이클 제한을 마이너스한 것과 같을 수 있다.
다양한 구현에서, 모터(400)는 권선 전압 자체에 반응하지 않지만, 대신에 권선 전압 사이의 차이에 반응할 수 있다. 극도로 간단한 예시로서, 제 1 권선에 50볼트를 인가하고 제 2 권선에 150 볼트를 인가하는 것은 제 1 권선에 0 볼트를 인가하고 제 2 권선에 100볼트를 인가하는 것과 등가가 될 수 있다. 따라서, 전압 요구 중 하나가 가용한 전압을 초과하더라도, 듀티 사이클 생성시 PWM 모듈(524)이 전압 요구를 시프트할 수 있다.
이러한 구현에서, PWM 모듈(524)은 3개의 전압 요구 중 2개 사이의 차이가 가용한 전압 보다 더 클때 드라이버 컨트롤러(132)는 OOV 상태에 있다고 판정할 수 있다. 예를 들면, 가용한 전압은 최대 듀티 사이클로 곱해진 DC 버스와 같을 수 있다. 다양한 구현에서, PWM 모듈(524)은 듀티 사이클 중 하나가 0으로 설정되도록 듀티 사이클을 시프트 시킬 수 있다. 대안으로, PWM 모듈(524)은 듀티 사이클이 50%와 같은 중간 듀티 사이클에 관해 중심을 두도록 듀티 사이클을 시프트 시킬 수 있다. 다양한 구현에서, PWM 모듈(524)은, 동작 모드에 기초하여, 이러한 접근 방식 중 하나 또는 다른 것들을 이용하여 듀티 사이클을 시프트 시킬 수 있다. 예를 들면, PWM 모듈(524)은 모터(400)가 미리정해진 임계치 이상의 속도에서 동작할 때 가장 낮은 듀티 사이클이 0으로 설정되도록 듀티 사이클을 시프트 시킬 수 있다.
OOV 상태에서, 전압 요구에 대응하는 듀티 사이클 사이의 차이는 최소 듀티 사이클과 최대 듀티 사이클 사이의 차이 보다 더 크다. 따라서, OOV 상태에서 동작시, PWM 모듈(524)은 듀티 사이클 생성이전에 전압 요구를 작게 크기 조정할 수 있다. 등가로, PWM 모듈(524)은 듀티 사이클을 크기 조정할 수 있다. 다양한 구현에서, PWM 모듈(524)은, 듀티 사이클 중 하나가 최소 듀티 사이클로 설정되고, 듀티 사이클 중 하나가 최대 듀티 사이클로 설정되도록 듀티 사이클 또는 전압 요구를 가능한 작게 크기 조정할 수 있다.
크기 조정 팩터는 구동 제어기(132)가 현재 얼마나 벗어나 있는지의 표시이다. 크기 조정 팩터는 OOV 크기라고도 하며, OOV 신호에 포함될 수 있다. OOV 상태에서, PWM 모듈(524)은 OOV 플래그를 1과 같은 제 1 값으로 설정한다. OOV 상태에 있지 않다면, PWM 모듈(524)은 OOV 플래그를 0과 같은 제 2 값으로 설정한다. OOV 플래그는 OOV 신호에 포함될 수 있다.
OOV 양은 OOV 플래그에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들면, OOV 양은 얼마나 자주 구동 제어기(132)가 OOV를 동작시키는지를 표시할 수 있다. 예시의 목적으로, 인버터 파워 모듈(208)은 육각형과 같이 형성된 동작 영역을 정의할 수 있다. 전압 요구는 육각형내의 원으로서 간주될 수 있다. 원이 육각형 내에서 중심을 이룬다면, 원이 확장되면서, 그것들은 육각형의 변들에 닿을 것이다. 원들이 육각형을 벗어나서 확장할 때, 원은 육각형의 각각의 면에서 점점 더 클립핑될 것이다(clipped). 클립핑은 OOV 상태에 대응할 수 있다. 그 결과, 전압 요구가 클립핑하는(OOV 상태를 산출하는) 시간의 비율은 구동 제어기(132)가 OOV로부터 얼마나 벗어나 있는 지를 표시한다.
OOV 양은 구동 제어기(132)가 OOV 상태에서 보류하는 시간의 일부를 나타낼 수 있다. OOV 양은 디지털 저역 통과 필터와 같은 필터를 OOV 플래그에 적용함으로써 판정될 수 있다. 예를 들면, OOV 양은 이동 평균을 OOV 플래그에 적용함으로써 판정될 수 있다. OOV 플래그가 0 또는 1의 값을 가정할 때, OOV 양은 그런다음 0과 1을 포함하여 그 사이의 범위가 될 것이다. 100이 곱해졌을때, OOV 양은 구동 제어기(132)가 OOV 상태에서 보류하는 시간의 비율이다.
모터 제어 모듈(260)은 OOV 동작을 최소화시키거나 또는 OOV 동작을 미리정해진 임계값 미만으로 유지하도록 다수의 접근방식을 이용할 수 있다. 다양한 구현에서, ldr 주입 모듈(512)은 어떻게 ldr 요구를 조정할 지를 판정할 때 OOV 크기를 이용할 수 있다. 속도 루프 제어 모듈(510)은 또한 요구된 토크에서의 증가를 언제 보류시킬지를 판정하기 위해 OOV 크기를 이용할 수 있다. 전류 제어 모듈(516)은 OOV 플래그에 기초하여 Vqr 및 Vdr 중 하나 또는 모두에 대한 증가를 보류할 수 있다.
도 6을 참조하면, PWM 모듈(524)의 예시적인 구현이 도시된다. PWM 모듈(524)은 αβ 투 abc 모듈(604)을 포함하고, 이는 qdr 투 αβ 모듈(522)로부터의 전압 요청을 abc FoR로 변환시켜, 모터(400)의 3개의 권선 각각에 대응하는 3개의 전압 요구를 가져온다. 3개의 전압 요구는 원하는 전류를 생성하기 위해 각각의 권선에 인가될 순간 전압을 나타낸다.
전압 요구를 구하기 위해, PWM 모듈(524)은 3개의 전압 요구를 3개의 듀티 사이클 값으로 변환한다. 각각의 듀티 사이클 값은 그런다음 모터의 권선 중 대응하는 하나에 대한 스위치를 제어하기 위해 사용된다. 인버터 파워 모듈(208)이 DC 버스에 의해 전력이 공급되기 때문에, 듀티 사이클 모듈(608)은 전압 요구와 DC 버스 전압에 기초하여 예비 듀티 사이클 값을 생성한다.
다양한 구현에서, 예비 듀티 사이클 값은 DC 버스 전압에 의해 전압 요구를 분할함으로써 연산될 수 있다. 예시의 목적으로, DC 버스 전압이 400V이고, 전압 요구가 320V 일 때, 대응하는 예비 듀티 사이클은 80%(320/400)가 된다. 듀티 사이클 모듈(608)은 3개의 예비 듀티 사이클 값을 크기조정 모듈(612)로 출력한다.
다양한 동작 상황에서, 하나 이상의 예비 듀티 사이클 값이 최대 듀티 사이클을 초과할 수 있다. 예를 들면, 최대 듀티 사이클은 100%로 설정될 수 있고, 이는 정의에 의해 산출될 수 있는 가장 큰 듀티 사이클이 된다. 대안으로, 최대 듀티 사이클은 96%, 95% 또는 92%와 같은 100% 미만이 될 수 있다. 최대 듀티 사이클은 전류가 정확하게 측정될 수 있도록 하기 위해 인버터 파워 모듈(208)의 특정한 회로 경로에서 충분한 전류를 보장하도록 100% 미만으로 설정될 수 있다.
다양한 구현에서, 모터(400)는 전압 자체가 아니라, 권선에 인가될 전압 사이의 차이에 반응한다. 이러한 이유로, 크기조정 모듈(612)은 듀티 사이클 값을 생성하기 위해 예비 듀티 사이클 값을 시프트하는 것이 가능할 수 있다. 예시의 목적으로만, 예비 듀티 사이클 값 중 가장 낮은 것이 80%이고 예비 듀티 사이클 중 가장 큰 것이 120%라면, 크기조정 모듈(612)은 3개의 예비 듀티 사이클 값을 적어도 20% 만큼 하방으로 시프트할 수 있다.
예를 들면, 크기조정 모듈(612)은 가장 높은 그리고 가장 낮은 예비 듀티 사이클 값이 50%와 같은 미리정해진 값에 관해 중심을 두도록 예비 듀티 사이클 값을 시프트시킬 수 있다. 대안으로, 크기조정 모듈(612)은 예비 듀티 사이클 값의 평균이 50%와 같은 미리정해진 값과 같게 되도록 예비 듀티 사이클 값을 시프트시킬 수 있다. 다른 대안에서, 크기조정 모듈(612)은 예비 듀티 사이클 값 중 가장 낮은 것이 0으로 설정되도록 예비 듀티 사이클 값을 시프트시킬 수 있다. 또다른 대안에서, 크기조정 모듈(612)은 예비 듀티 사이클 값 중 가장 높은 것이 최대 듀티 사이클로 설정되도록 예비 듀티 사이클 값을 시프트 시킬 수 있다.
상기 수치의 예시를 이용하며, 제 1 접근 방식은 80% 및 120%의 예비 듀티 사이클 값들을 30%와 70%로 각각 하방으로 시프트 시켜서 그것들이 50%에 관해 중심을 두도록 한다. 제 2 접근 방식은 중간의 예비 듀티 사이클 값의 값에 따른다. 제 3 접근 방식은 80%와 120%의 예비 듀티 사이클 값을 각각 0%와 40%로 하방으로 시프트 시킨다. 예를 들면 95%의 최대 듀티 사이클을 이용하여, 제 4 접근 방식은 80%와 120%의 예비 듀티 사이클 값을 각각 55%와 95%로 하방으로 시프트 시킨다.
다양한 구현에서, 이러한 접근 방식 중 2개 이상이 크기조정 모듈(612)에 의해 의해 다양한 시간에 이용될 수 있다. 예를 들면, 크기조정 모듈(612)은 모터(400)가 미리정해진 속도 이상으로 동작하고 있을때 가장 낮은 값을 0과 같도록 예비 듀티 사이클 값을 시프트 시킬수 있다. 모터가 미리정해진 속도 미만으로 동작할 때, 크기조정 모듈(612)은 가장 높은 예비 듀티 사이클 값 및 가장 낮은 예비 듀티 사이클 값이 미리 정해진 값에 관해 중심에 두도록 예비 듀티 사이클 값을 시프트시킬 수 있다.
크기조정 모듈(612)은 따라서 최대 듀티 사이클 미만으로 예비 듀티 사이클 값 중 최대값을 감소시키도록 예비 듀티 사이클 값을 시프트 시킨다. 다양한 구현에서, 그러나, 크기조정 모듈(612)은 모든 예비 듀티 사이클 값이 최대 듀티 사이클보다 작더라도 선택된 접근방식에 따라 예비 듀티 사이클 값을 시프트시킬 수 있다.
크기조정 모듈(612)이 예비 듀티 사이클 값을 시프트 시켰을지라도, 시프트된 예비 듀티 사이클 값 중 1개 또는 2개는 여전히 최대 듀티 사이클 보다 더 클 수 있다. 이러한 상태를 상술한 바와 같은 OOV(out-of-volts)라고 한다. OOV 상태가 나타나면, 크기조정 모듈(612)은 가장 높은 시프트된 예비 듀티 사이클 값을 최대 듀티 사이클로 낮게 감소시킨다. 이러한 감소를 본문에서는 크기조정(scaling)이라고 한다.
필요한 크기조정 양을 OOV 크기라고 한다. 반면, OOV 플래그는 크기조정이 현재 수행되고있는지(즉, 언제 OOV 상태가 나타나는지)를 표시한다. 다양한 구현에서, OOV 플래그는 크기조정이 수행되고 있면 1로 설정되고 그렇지 않으면 0으로 설정된다.
크기조정 모듈(612)은 시프트된 예비 듀티 사이클 값 중 중간값을 가장 높은 시프트된 듀티 사이클 값에 사용되는 것과 동일한 크기조정 팩터 만큼 감소시킬 수 있다. 크기조정 모듈(612)은 예비 듀티 사이클 값을 출력하고, 이는 인버터 파워 모듈(208)을 위한 지시된 듀티 사이클 값으로서 시프트 및/또는 크기조정된다.
크기조정 모듈(612)은 예비 듀티 사이클 값을 수신하고 크기조정이 필요한지 여부를 판정하는 크기조정 판정 모듈(616)을 포함할 수 있다. 필요하다고 판정되면, 크기조정 판정 모듈(616)은 1과 같은 제 1 값으로 OOV 플래그를 설정하고; 그렇지 않으면, 크기조정 판정 모듈(616)은 0과 같은 제 2 값으로 OOV 플래그를 설정한다.
추가로, 크기조정 판정 모듈(616)은 크기조정 팩터를 조정 모듈(620)로 출력할 수 있다. 크기조정 팩터는 또한 OOV 크기와 같은 PWM 모듈(524)로부터의 출력이 될 수 있다. 크기조정 팩터는 가장 높은 시프트된 예비 듀티 사이클이 곱해질때, 최대 듀티 사이클과 같아지는 숫자가 될 수 있다. 조정 모듈(620)은 예비 듀티 사이클 값을 선택적으로 시프트시킨다. 조정 모듈(620)은 그런다음 크기조정 팩터에 기초하여 필요할 때 예비 듀티 사이클 값을 크기조정한다. 조정 모듈(620)은 지시된 듀티 사이클 값으로서 크기조정된 결과를 출력한다.
PWM 모듈(524)은 또한 필터 모듈(624)을 포함할 수 있다. 필터 모듈(624)은 OOV 양을 생성하도록 OOV 플래그로 필터를 적용시킨다. 예를 들면, 필터 모듈(624)은 하기의 가중 이동 평균과 같은 이동 평균에 기초한 디지털 필터를 적용할 수 있다:
Figure 112012019033698-pct00001
여기서, x(k)는 샘플 간격 k에서의 입력이고, α의 값은 구 샘플의 기여가 감소하는 비율을 설정한다.
OOV 플래그가 0 또는 1의 값을 가정할 때, OOV 양은 0과 1 사이의 범위가 될 것이다. 1에 근접한 값은 OOV 상태가 빈번하게 발생한다는 것을 지시하고, OOV 양이 1에 도달할 때, OOV 상태는 필터 모듈(624)의 필터 창이 뒤로 뻗어있는 만큼 길게 연속하여 나타난다. 유사하게, OOV 양이 0에 도달하면, OOV 상태는 필터 창의 길이에 대해 부재하게 된다.
예를 들면, 필터 창은 하나의 순환을 완료하기 위해 모터(400)의 회전자가 걸리는 시간보다 더 길 수 있다. OOV 양은 그런다음 OOV 상태가 존재하는 회전자의 순환동안의 시간의 퍼센트에 대응할 수 있다. 예시의 목적으로, OOV 동작(operation)은 6각형에 의해 한정되는 원형 풍선으로 간주될 수 있다. 원이 확장하면서, 원은 결국 육각형의 각각의 변에서 상기 육각형과 만나게될 것이다. 원이 더 확장하면, 육각형은 상기 육각형의 각각의 변 상에서 상기 원을 한정하여, 원 상에 평평한 점을 가져온다. 이러한 평평한 점들은 OOV 상태에 대응한다. 원이 더 확장하려 할수록, 점점 더 많은 원이 더 많은 OOV 양에 대응하여 육각형에 의해 평평하게 된다.
OOV 양은 100을 곱함으로써 퍼센트로서 규정될 수 있다. 다양한 구현에서, 미리정해진 임계값 미만과 같은 낮은 값의 OOV 양이 받아들여질 수 있지만, 모터 제어 모듈(260)은 OOV 양이 미리정해진 임계치 이상으로 증가하는 것을 제한하려고 한다.
도 7을 참조하면, 전류 제어 모듈(516)의 예시적 구현이 도시된다. 전류 제어 모듈(516)은 PID(proportional-integral-derivative) 제어 알고리즘을 구현할 수 있다. 비례, 적분 및 미분 컴포넌트가 이산시간 간격으로 구해져서, 제어 액션에서 원하는 변화인 출력을 생성하도록 사용된다. 제어 액션에서의 이러한 변화는 원하는 제어 액션을 산출하도록 합산된다.
PID 제어 알고리즘은 하기와 같이 속도의 형태로 기술될 수 있다. n번째 샘플에서 제어 액셕에서의 변화인 mn은 하기와 같이 주어진다:
Figure 112012019033698-pct00002
여기서, K1. K2, K3 및 K4는 미리정해진 상수이고, sn, sn -1, 및 sn -2는 현재(n번째 샘플) 시스템 상태이고, 이전의 샘플은 (n-1), 2개 이전의 샘플은 (n-2)이고, d는 시스템 요구이다. n번째 샘플에서의 제어 액션은 하기와 같이 주어진다:
Figure 112012019033698-pct00003
여기서 cn -1은 이전의 샘플 (n-1)로부터의 제어 액션이다. 시스템 상태는 시스템의 실제 측정된 상태를 나타내는 반면, 요구는 시스템의 원하는 상태를 나타낸다. 따라서, 다양한 구현에서, K4의 부호는 K1. K2, K3의 부호와 반대일 수 있다.
전류 제어 모듈(516)은 q-축 제어 모듈(704)과 d-축 제어 모듈(708)을 포함할 수 있다. q-축 및 d-축 제어 모듈(704, 708)은 독립적으로 동작하거나 또는 서로로부터의 피드백을 제공할 수 있다. q-축 제어 모듈(704)은 실제 (측정된) lqr을 lqr 요구와 매칭시키기 위해 Vqr 전압 명령어를 생성할 수 있다. 유사하게, d-축 제어 모듈(708)은 실제 (측정된) ldr을 ldr 요구와 매칭시키기 위해 Vdr 전압 명령어를 생성할 수 있다. 다양한 구현에서, 실제 lqr 및 ldr 값은 도 5의 abc 투 qdr 모듈(520)로부터 수신된 실제 lqdr의 컴포넌트이다.
q-축 및 d-축 제어 모듈(704, 708)은 PID 제어 알고리즘을 구현하고, 여기서 시스템 요구는 각각 lqr 요구 및 ldr 요구이고, 시스템 상태는 각각 실제 lqr 및 실제 ldr이다.
q-축 제어 모듈(704)의 예시적인 구현에서, 제 1 지연 모듈(712)은 실제 lqr을 수신하고 실제 lqr의 지연된 버전을 출력한다. 제 2 지연 모듈(716)은 지연된 lqr을 수신하고 추가적인 지연된 lqr을 생성한다. lqr, 지연된 lqr, 및 추가적인 지연된 lqr은 배율기(multiplier) 모듈(720)에 의해 수신된다. 배율기 모듈(720)은 또한 lqr 요구를 수신한다.
다양한 구현에서, 전류 제어 모듈(516)은 주기적 간격으로 제어 반복을 수행할 수 있다. 이러한 구현에서, 전류 제어 모듈(516)에서의 각각의 값은 각각의 반복시에 갱신될 수 있다. 제 1 및 제 2 지연 모듈(712, 716)은 각각 1번의 반복에 의해 자신들의 입력값을 지연시킬 수 있다. 배율기 모듈(720)은 q 이득(724)이라고 하는 각각의 이득 만큼 자신의 각각의 입력을 증대시킨다. 이러한 곱은 단일한 값을 산출하기 위해 합산 모듈(728)에 의해 함께 부가된다. 다양한 구현에서, 실제 lqr에 대한 이득의 부호는 lqr 요구에 대한 이득의 부호와 반대가 될 수 있다.
포화 모듈(saturation module)(732)은 합산 모듈(728)로부터의 단일한 값에 상한 및/또는 하한을 적용할 수 있다. 포화 모듈(732)은 미리정해진 수용가능한 양으로 임의의 주어진 반복에서의 변화를 제한함으로써 불안정성을 방지할 수 있다. 적분기 모듈(736)은 포화 모듈(732)의 출력을 수신하여 적분기 모듈(736)의 이전의 출력에 상기 포화 모듈(732)로부터의 출력을 더한 값과 같은 출력을 생성한다.
그러나, 홀드 모듈(740)은 OOV 신호에 기초하여 적분기 모듈(736)의 동작을 보류시킬수 있다. 다양한 구현에서, 홀드 모듈(740)은 OOV 플래그가 OOV 상태가 현재 제시된다는 것을 표시할 때 적분기 모듈(736)의 동작을 보류시킬 수 있다. OOV 상태가 있다는 것은 Vqr 전압 명령어가 이미 DC 버스 전압에 의해 충족될 수 없다는 것을 표시한다. 따라서, 홀드 모듈(740)은 적분기 모듈(736)이 연속하여 증가하는 Vqr 전압 명령어를 요청하는 것을 방지한다.
홀드 모듈(740)은 적분기 모듈(736)의 입출력을 모니터링하고 적분기 모듈(736)의 반복이 Vqr 전압 명령어를 증가 또는 감소시키는 지를 평가할 수 있다. 홀드 모듈(740)은 적분기 모듈(736)의 동작이 Vqr 전압 명령어의 감소를 야기할 때 적분기 모듈(736)로 하여금 동작하도록 허용할 수 있다. 이러한 방식으로, q-축 제어 모듈(704)은 포화를 빠져나와 Vqr 전압 명령어를 DC 버스 전압에 의해 만족될 수 있는 레벨까지 감소시킨다.
d-축 제어 모듈(708)은 q-축 제어 모듈과 유사한 컴포넌트를 포함할 수 있다. d-축 제어 모듈(708)은 실제 ldr의 지연된 버전을 배율기 모듈(758)로 제공하는 제 3 및 제 4 지연 모듈(750, 754)을 포함한다. 배율기 모듈(758)은 d 이득(762)을 대응시킴으로써 실제 ldr, 지연된 버전의 실제 ldr, 및 ldr 요구를 증배시킨다. 결과인 곱은 합산 모듈(766)에 의해 부가되고, 합은 포화 모듈(770)에 의해 제한될 수 있다.
적분기 모듈(774)은 이전의 Vdr 전압 명령어와 포화 모듈(770)로부터의 출력의 합에 기초하여 Vdr 전압 명령어를 생성한다. 리셋 신호는 적분기 모듈(736, 774)을 시동 또는 오류 상태가 나타나는 것과 같은 미리정해진 상태로 리셋시킬 수 있다. 다양한 구현에서, 홀드 모듈(740)의 동작은 적분기 모듈(736)에만 적용되고 적분기 모듈(774)에는 적용되지 않는다. 적분기 모듈(736, 774) 모두의 보류 동작은 q-축과 d-축 제어 사이의 바람직하지 않은 상호작용을 가져올 수 있다.
도 8을 참조하면, 속도 루프 제어 모듈(510)의 예시적 구현이 도시된다. 속도 루프 제어 모듈(510)은 또한 PID 제어 알고리즘을 구현하고, 여기서 시스템 상태는 출력 속도(ωr)(즉, 폐 루프 모드에서의 ωest)이고, 시스템 요구는 지시 속도(ωv)이다. 제 1 지연 모듈 및 제 2 지연 모듈(804, 808)은 지연된 버전의 출력 속도(ωr)를 생성한다.
다양한 구현에서, 풀다운 모듈(812)은 OOV 신호에 기초하여 지시 속도(ωv)를 선택적으로 감소시키도록 구현될 수 있다. 풀다운 모듈(812)은 OOV 양과 미리정해진 이득의 곱까지 지시 속도(ωv)를 감소시킬 수 있다. 풀다운 모듈(812)이 구현되지 않을 때, 지시 속도(ωv)는 직접 배율기 모듈(816)로 통과될 수 있다.
배율기 모듈(816)은 풀다운 모듈(812)에 의해 감소될 수 있는 출력 속도(ωr), 지연된 버전의 출력 속도(ωr), 및 지시 속도(ωv)를 수신한다. 배율기 모듈(816)은 자신의 입력을 대응하는 이득(820)에 의해 증배하고, 곱을 합산 모듈(824)로 출력한다. 합산 모듈(824)은 곱의 합을 포화 모듈(828)로 출력한다.
포화 모듈(828)은 상한 및/또는 하한을 상기 합에 대해 적용하고 그 결과를 적분기 모듈(832)로 출력할 수 있다. 적분기 모듈(832)은 요구된 토크의 이전의 값과 포화 모듈(828)의 출력의 합에 기초하여 요구된 토크를 생성한다. 적분기 모듈(832)은 리셋 신호에 의해 미리정해진 상태로 리셋될 수 있다.
홀드 모듈(836)은 적분기 모듈(832)의 동작을 보류시킬 수 있다. 다양한 구현에서, 홀드 모듈(836)은 적분기 모듈(832)의 입출력을 모니터링하여 적분기 모듈(832)의 동작이 요구된 토크의 감소를 가져올때 적분기 모듈(832)의 동작을 허용할 수 있다.
홀드 모듈(836)은 OR 모듈(840)이 2개의 조건 중 하나 또는 2개 모두가 나타나는 것을 표시할 때 적분기 모듈(832)의 동작을 보류시킬 수 있다. 제 1 조건은 OOV 신호에 기초하며, 제 2 조건은 제한 신호에 기초한다. 다양한 구현에서, 제 1 조건은 OOV 양이 12%와 같은 미리정해진 임계치보다 더 큰 것일 수 있다. 제 2 조건은 lqr 요구가 최대 전류 제한때문에 제한되는 것을 표시하는 토크 맵핑 모듈(514)로부터의 제한 신호가 될 수 있다.
도 9를 참조하면, 플로우차트는 OOV 경감 시스템의 예시적인 동작을 도시한다. 제어는 단계(904)에서 시작하고, 여기서 제어는 OOV 조건이 나타났는지를 판정한다. 그럴 경우, 제어는 단계(908)로 이동하고; 그렇지 않으면 제어는 단계(912)로 진행한다. 상술한 바와 같이, 제어는 전압 명령어가 주어진 현재 DC 버스 전압에 충족될 수 없을 때 OOV 조건이 나타나는지를 판정할 수 있다.
단계(908)에서, 제어는 OOV 플래그를 1의 값으로 설정하고, 단계(916)으로 진행한다. 단계(916)에서, 제어는 미리정해진 듀티 사이클 미만으로 듀티 사이클 값을 감소시키기 위해 크기조정 팩터 만큼 미리정해진 듀티 사이클 값을 크기조정한다.
예시의 목적으로, 본 개시물은 시프트되고 및/또는 크기조정된 듀티 사이클을 기술하였다. 그러나, 등가로, 전압 명령어 자체가 시프트 및/또는 크기조정될 수 있다. 예를 들면, 듀티 사이클을 최대 듀티 사이클 미만으로 감소시키기 위해 듀티 사이클을 시프트 및/또는 크기조정하는 대신에, 전압 요구를 가용한 전압 미만으로 감소시키기 위해 전압 요구가 시프트 및/또는 크기조정될 수 있다. 가용한 전압은 미리정해진 최대 듀티 사이클에 맞춘 DC 버스 전압과 같을 수 있다.
제어는 단계(920)에서 진행하고, 여기서 제어는 전류 제어 알고리즘에서의 적분 동작이 전압 명령어를 감소시키는 지를 판정한다. 그렇다면, 제어는 전류 제어 적분이 수행되는 단계(924)로 진행하고; 그렇지 않은 경우, 제어는 전류 제어 적분이 보류되는 단계(928)로 진행한다. 어느 경우에서건, 제어는 그런다음 단계(932)로 진행한다.
단계(912)에서, 제어는 OOV 플래그를 0으로 설정하고 단계(932)로 진행한다. 단계(932)에서, 제어는 OOV 플래그를 필터링하여 OOV 양을 생성한다. 제어는 단계(936)에서 진행하고, 여기서 제어는 속도조정을 판정하기 위해 이득을 OOV 양에 적용하고 속도 조정에 의해 지시 속도를 감소시킨다. 다양한 구현에서, 단계(936)은 생략될 수 있다.
제어는 단계(940)으로 진행하고, 여기서 제어는 요구된 토크에 기초하여 lqr 요구를 생성한다. 제어는 단계(944)로 진행하고, 여기서 제어는 lqr 요구와 ldr 요구의 조합이 최대 전류 임계치 보다 더 큰지를 판정한다. 그렇다면, 제어는 단계(948)로 진행하고; 그렇지 않다면, 제어는 단계(952)로 진행한다. 예를 들면, 제어는 lqr 요구와 ldr 요구를 그들 자체를 부가하거나 또는 그들 각각을 제곱하고 제곱한 값을 부가함으로써 조합할 수 있다.
단계(948)에서, 제어는 최대 전류 임계치를 만족시키기 위해 lqr 요구를 감소시키고 제어 신호를 어써트(assert) 할수 있다. 제어는 그런다음 단계(956)으로 진행한다. 단계(952)에서, 제어는 제한 신호를 디어써트(dassert) 하고 단계(956)으로 진행한다. 단계(956)에서, 제어는 OOV 양이 임계치 보다 큰지 또는 제한 신호가 어써트되었는지를 판정한다. 이러한 조건 중 어느 하나가 참이면, 제어는 단계(960)으로 진행하고; 그렇지 않으면 제어는 단계(964)로 진행한다.
단계(960)에서, 제어는 속도 제어 알고리즘의 적분 연산이 요구된 토크를 감소시킬지를 판정한다. 그럴경우, 제어는 단계(964)로 진행하고, 여기서 속도 제어 적분이 수행되고; 그렇지 않을 경우, 제어는 단계(968)로 진행하고, 여기서 속도 제어 적분이 보류된다. 어느 경우에건, 제어는 그런다음 단계(904)로 리턴한다.
본 개시물의 광범위한 교안은 다양한 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 본 개시물이 특정한 예시를 포함하지만, 다른 변형이 도면, 명세서 및 하기의 청구범위의 연구로부터 당업자에게 명료하기 때문에 본 개시물의 진정한 범위는 상기와 같이 한정되어서는 안된다.

Claims (20)

  1. 토크 요구에 기초하여 모터를 동작시키기 위한 출력 전압을 결정하는 제어 모듈;
    모터를 구동시키는 인버터용 스위칭 신호를 생성하는 스위칭 모듈; 및
    OOV(out-of-volts) 신호를 필터링함으로써 OOV 양을 생성하는 필터링 모듈;
    을 포함하고,
    상기 스위칭 모듈은 상기 출력 전압에 기초하여 상기 스위칭 신호를 생성하고,
    상기 스위칭 모듈은 출력 전압, 펄스폭 변조(PWM) 신호에 대한 최대 듀티 사이클, 및 인버터에 전력을 공급하는 직류(DC) 버스의 전압에 기초한 비교에 따라 OOV 신호를 생성하고,
    상기 제어 모듈은 상기 OOV 양에 기초하여 선택적으로 상기 토크 요구를 제한하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 지시 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하는 속도 제어 모듈을 더 포함하고, 상기 속도 제어 모듈은 상기 OOV 양에 기초하여 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 선택적으로 중단시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 속도 제어 모듈은 상기 OOV 양이 미리정해진 임계치보다 더 클 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어 모듈은 상기 토크 요구를 전류 요구에 맵핑시키고, 전류 상한 제한에 기초하여 선택적으로 상기 전류 요구를 제한하고, 상기 전류 요구를 제한하면서 제한 신호를 설정하는 토크 맵핑 모듈을 더 포함하고, 상기 속도 제어 모듈은 상기 제한 신호가 설정될 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 제한된 지시 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하는 속도 제어 모듈을 더 포함하고, 상기 속도 제어 모듈은 미리정해진 이득과 OOV 양의 곱(product)을 지시 속도로부터 차감함으로써 상기 제한된 지시 속도를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 모듈은 상기 토크 요구에 기초하여 전압 명령어를 생성하는 전류 제어 모듈을 더 포함하고, 상기 출력 전압은 상기 전압 명령어에 기초하여 연산되고, 상기 전류 제어 모듈은 상기 OOV 신호에 기초하여 상기 전압 명령어 중 하나를 증가시키는 것을 선택적으로 중단시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전압 명령어는 q-축 전압 명령어와 d-축 전압 명령어를 포함하고, 상기 전류 제어 모듈은 선택적으로 상기 OOV 신호에 기초하여 상기 q-축 전압 명령어 만을 증가시키는 것을 중단시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 OOV 양에 기초하여 d-축 전류 요구를 조정하는 d-축 주입 모듈을 더 포함하고, 상기 제어 모듈은 q-축 전류 요구와 상기 d-축 전류 요구에 기초하여 상기 출력 전압을 결정하고, 상기 q-축 전류 요구는 상기 토크 요구에 기초하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭 모듈은 상기 DC 버스 전압에 의해 상기 출력 전압을 분할하는 것에 기초하여 듀티 사이클 값을 생성하고 상기 최대 듀티 사이클과 상기 듀티 사이클 값 중 2개의 사이의 최대 차이의 비교에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 스위칭 모듈은 가용한 전압과 상기 출력 전압 중 2개 사이의 최대 차이의 비교에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성하고, 상기 가용한 전압은 최대 듀티 사이클 퍼센트가 곱해진 상기 DC 버스 전압과 같은 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
  11. 토크 요구에 기초하여 모터를 동작시키기 위한 출력 전압을 결정하는 단계;
    모터를 구동하는 인버터에 대해, 상기 출력 전압에 기초하여 스위칭 신호를 생성하는 단계;
    상기 출력 전압, 펄스폭 변조(PWM) 신호에 대한 최대 듀티 사이클, 및 상기 인버터에 전력을 공급하는 직류(DC) 버스의 전압에 기초한 비교에 따라 OOV(out-of-volts) 신호를 생성하는 단계;
    상기 OOV 신호를 필터링함으로써 OOV 양을 생성하는 단계; 및
    상기 OOV 양에 기초하여 상기 토크 요구를 선택적으로 제한시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    지시 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하는 단계; 및
    상기 OOV 양이 미리정해진 임계치보다 더 클 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 토크 요구를 전류 요구로 맵핑시키는 단계;
    전류의 상한에 기초하여 상기 전류 요구를 선택적으로 제한하는 단계;
    상기 전류 요구를 제한하면서 제한 신호를 설정하는 단계; 및
    상기 제한 신호가 설정될 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    미리정해진 이득과 상기 OOV 양의 곱(product)을 지시 속도로부터 차감함으로써 제한된 지시 속도를 생성하는 단계; 및
    상기 제한된 지시 속도에 기초하여 상기 토크 요구를 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 토크 요구에 기초하여 전압 명령어를 생성하는 단계; 및
    상기 OOV 신호에 기초하여 상기 전압 명령어 중 하나를 증가시키는 것을 선택적으로 중단시키는 단계;를 더 포함하고,
    상기 출력 전압은 상기 전압 명령어에 기초하여 연산되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전압 명령어는 q-축 전압 명령어 및 d-축 전압 명령어를 포함하고, 상기 OOV 신호에 기초하여 상기 q-축 전압 명령어 만을 증가시키는 것을 선택적으로 중단시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 토크 요구에 기초하여 q-축 전류 요구를 결정하는 단계;
    상기 OOV 양에 기초하여 d-축 전류 요구를 조정하는 단계; 및
    상기 q-축 전류 요구 및 상기 d-축 전류 요구에 기초하여 상기 출력 전압을 결정하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 DC 버스 전압에 의해 상기 출력 전압을 분할하는 것에 기초하여 듀티 사이클 값을 생성하는 단계; 및
    상기 최대 듀티 사이클과
    상기 듀티 사이클 값 중 2개의 사이의 최대 차이의 비교에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 최대 듀티 사이클에 의해 곱해진 상기 DC 버스 전압에 기초하여 가용한 전압을 결정하는 단계; 및
    상기 가용한 전압과 상기 출력 전압 중 2개의 사이의 최대 차이의 비교에 기초하여 상기 OOV 신호를 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 지시 속도에 기초하여 토크 요구를 생성하는 단계;
    q-축 전류 요구로 상기 토크 요구를 맵핑하는 단계;
    전류 상한과 d-축 전류 요구에 기초하여 상기 q-축 전류 요구를 선택적으로 제한하는 단계;
    상기 q-축 전류 요구를 제한하면서 제한 신호를 설정하는 단계;
    상기 q-축 전류 요구와 상기 d-축 전류 요구에 각각 기초하여 q-축 전압 명령어와 d-축 전압 명령어를 생성하는 단계;
    상기 전압 명령어에 기초하여 모터의 제 1 , 제 2 및 제 3 권선을 각각 동작시키기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 출력 전압을 결정하는 단계;
    직류(DC) 버스의 전압으로 각각 상기 제 1, 제 2, 및 제 3 출력 전압을 분할하는 것에 기초하여 제 1, 제 2, 및 제 3 듀티 사이클을 결정하는 단계로서, 상기 DC 버스는 상기 모터를 구동시키는 인버터에 전력을 공급하는 단계;
    상기 인버터에 대해 상기 듀티 사이클 값에 기초하여 스위칭 신호를 생성하는 단계;
    상기 듀티 사이클 값 중 적어도 하나가 최대 듀티 사이클 보다 더 클 때 OOV(out-of-volts) 신호를 1로 설정하고, 그렇지 않으면 상기 OOV 신호를 0으로 설정하는 단계;
    상기 OOV 신호의 가중 이동 평균에 기초하여 OOV 양을 생성하는 단계;
    상기 OOV 양이 미리정해진 임계치보다 더 클 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계;
    상기 제한 신호가 설정될 때 상기 토크 요구를 증가시키는 것을 중단시키는 단계;
    상기 OOV 양에 기초하여 상기 d-축 전류 요구를 조정하는 단계; 및
    상기 OOV 신호가 1로 설정될 때 상기 q-축 전압 명령어만을 증가시키는 것을 중단시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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