KR101350287B1 - 전기 기계의 제어 - Google Patents

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Abstract

전기 기계의 권선을 순차적으로 여자하고 프리휠링(freewheeling)하는 단계로서, 권선이 선행 각도(advance angle)만큼 권선 내의 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 여자 전압에 의해 여자되고, 프리휠 각도에 걸쳐 프리휠되는, 단계와, 여자 전압의 변경에 응답하여 선행 각도 및 프리휠 각도를 변화시키는 단계를 포함하는 전기 기계의 제어 방법을 제공한다. 또한, 전기 기계용 제어 시스템과, 제어 시스템 및 전기 기계를 포함하는 진공 청소기를 제공한다.

Description

전기 기계의 제어{CONTROL OF AN ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 전기 기계의 제어에 관한 것이다.
전기 기계의 영구 자석 회전자가 회전함에 따라, 전기 기계의 권선에 역기전력이 유도된다. 회전자가 가속함에 따라, 역기전력의 크기가 증가한다. 따라서, 전류 및 그에 따라 파워를 전기 기계에 투입하기가 점점 어렵게 된다.
그 결과, 전기 기계의 파워에 대한 제어가 점점 곤란하게 된다.
제1 특징으로, 본 발명은, 전기 기계의 권선을 순차적으로 여자하고 프리휠링(freewheeling)하는 단계로서, 상기 권선이 선행 각도(advance angle)만큼 상기 권선 내의 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 여자 전압에 의해 여자되고, 프리휠 각도에 걸쳐 프리휠되는, 단계; 및 상기 여자 전압의 변경에 응답하여 상기 선행 각도 및 상기 프리휠 각도를 변화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계의 제어 방법을 제공한다.
여자 전압의 변경에 응답하여 선행 각도 및 프리휠 각도를 변화시킴으로써, 전기 기계의 효율 및 파워 양자에 대한 더 우수한 제어가 달성될 수 있다. 예컨대, 선행 각도를 증가시킴으로써, 전류가 더 앞쪽 단계에서 권선에 투입되며, 그에 따라 파워가 증가된다. 마찬가지로, 프리휠 각도를 감소시킴으로써, 파워를 증가시키기 위해 더 긴 기간에 걸쳐 권선에 전류가 투입될 수 있다.
하강 역기전력의 영역에서는, 소정 레벨의 전류에 대해 더 적은 토크가 달성된다. 따라서, 이 영역 내에서 권선을 프리휠링함으로써, 더욱 효율적인 전기 기계가 실현될 수 있다. 또한, 권선의 역기전력이 하강함에 따라, 여자 전압이 하강 역기전력을 초과하는 경우에는, 전류 스파이크가 발생할 수 있다. 하강 역기전력의 영역 내에서 권선을 프리휠링함으로써, 전류 스파이크가 방지될 수 있고, 그에 따라 더욱 평활한 전류 파형이 달성될 수 있다.
상기 여자 전압의 감소에 응답하여 상기 선행 각도는 증가시키고, 상기 프리휠 각도는 감소시키는 것이 바람직하다. 그 결과, 여자 전압이 감소함에 따라, 전류가 더 앞쪽 단계에서 권선에 투입된다. 또한, 더 긴 기간 동안 권선에 전류가 투입된다. 따라서, 여자 전압의 강하에도 불구하고, 동일하거나 유사한 파워가 달성될 수 있다. 실제로, 상기 전기 기계의 제어 방법은 전기 기계의 파워가 여자 전압의 범위에 걸쳐 실질적으로 일정하도록 선행 각도 및 프리휠 각도를 변화시키는 단계를 포함한다. 이 경우의 실질적으로 일정한 파워는 파워의 변동이 ±5％ 이하라는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
상기 전기 기계의 제어 방법은, 상기 전기 기계의 효율(즉, 입력 파워에 대한 출력 파워의 비율)이 상기 여자 전압의 범위에 걸쳐 75％ 이상이 되도록 상기 선행 각도 및 상기 프리휠 각도를 변화시키는 단계를 더 포함한다. 따라서, 여자 전압의 범위에 걸쳐 상대적으로 우수한 효율이 달성된다.
상기 여자 전압의 범위는 최대 전압과 최소 전압 사이에 있으며, 상기 최소 전압은 상기 최대 전압의 80％보다 작다. 이것은 일정한 파워 및/또는 우수한 효율이 달성될 수 있는 비교적 넓은 전압 범위를 제공한다. 그 결과, 배터리팩이 여자 소스로서 사용될 수 있다. 배터리가 사용에 의해 방전함에도 불구하고, 일정한 파워 및/또는 우수한 효율이 달성될 수 있다.
상기 전기 기계의 제어 방법은, 상기 권선을 여자시키는 단계, 상기 권선의 역기전력을 나타내는 신호를 모니터링하는 단계, 드라이브-오프(drive-off) 각도에 걸쳐 상기 권선을 지속적으로 여자시키는 단계, 및 상기 권선을 프리휠링하는 단계를 더 포함한다. 드라이브-오프 각도는 선행 각도와 프리휠 각도의 합에 비례한다. 이것은 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 상기 권선을 여자시키는 편리한 방법을 제공한다.
상기 전기 기계의 제어 방법은, 복수의 전압에 대한 제1 제어값 및 제2 제어값의 파워 탐색표를 저장하는 단계, 상기 파워 탐색표로부터 상기 여자 전압의 레벨에 따라 제1 제어값 및 제2 제어값을 선택하는 단계, 및 상기 제1 제어값에 의해 정해진 시간에 상기 권선을 여자시키고, 상기 제2 제어값에 의해 정해진 시간 기간 동안 상기 권선을 프리휠링하는 단계를 더 포함한다. 이것은 전기 기계의 제어를 간략화시킨다.
제1 제어값은 선행 각도에 비례하고, 제2 제어값은 프리휠 각도에 비례하는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로, 제1 제어값은 선행 각도와 프리휠 각도의 합에 비례한다. 이것은 드라이브-오프 각도의 계산을 간략화시킨다.
상기 전기 기계의 제어 방법은, 상기 권선을 여자시키는 단계, 상기 권선의 역기전력을 나타내는 신호를 모니터링하는 단계, 신호의 에지의 검출에 응답하여 드라이브-오프(drive-off) 시간 동안 상기 권선을 지속적으로 여자시키는 단계, 및 프리휠 시간 동안 상기 권선을 프리휠링하는 단계를 더 포함한다. 상기 드라이브-오프 시간은 상기 제1 제어값에 비례하고, 상기 프리휠 시간은 상기 제2 제어값에 비례한다.
각각의 쌍의 제1 제어값과 제2 제어값은 정격 속도로 작동할 시에는 전기 기계에 대한 동일한 파워를 발생하는 것이 이상적이다. 그 결과, 정격 속도에서의 전압 범위에 걸쳐 일정한 파워가 유지된다.
제1 제어값은 선행 시간과 프리휠 시간의 합에 비례하는 것이 이롭다. 이것은 드라이브-오프 시간의 계산을 간략화시킨다. 실제로, 각각의 전기 하프 사이클이 하프-사이클 시간을 가지면, 드라이브-오프 시간은 하프-사이클 시간에서 제1 제어값을 뺀 것에 비례하는 것이 이상적이다.
상기 전기 기계의 제어 방법은, 상기 제1 제어값과 상기 제2 제어값 중의 하나 이상에 속도-보정값을 적용하는 단계를 더 포함한다. 상기 속도-보정값은 상기 전기 기계의 속도 및 상기 여자 전압의 레벨 양자에 따라 변화된다. 전기 기계의 속도가 변화됨에 따라, 권선 내에 유도된 역기전력 및 그에 따라 전기 기계의 파워 또한 변화된다. 속도에 대해 하나 이상의 제어값을 보정함으로써, 파워에 대한 속도의 영향이 감소될 수 있다. 그러나, 이상적인 보정은 여자 전압의 레벨에 좌우된다. 구체적으로, 더 낮은 여자 전압에 대해서는 더 큰 보정이 요구된다. 전기 기계의 속도 및 여자 전압의 레벨 양자에 따라 변화되는 속도-보정값을 적용함으로써, 파워에 대한 더 우수한 제어가 달성될 수 있다.
상기 전기 기계의 제어 방법은, 복수의 속도 및 복수의 전압에 대한 속도-보정값의 속도-보정 탐색표를 저장하는 단계, 및 상기 속도 탐색표로부터 상기 전기 기계의 속도 및 상기 여자 전압의 레벨에 따라 속도-보정값을 선택하는 단계를 더 포함한다. 이것은 전기 기계의 제어를 간략화시킨다.
상기 속도-보정 탐색표는 복수의 속도 및 복수의 전압의 각각에 대한 선행 속도-보정값 및 프리휠 속도-보정값을 저장하는 것이 이상적이다. 상기 전기 기계의 제어 방법은, 상기 속도 탐색표로부터 상기 전기 기계의 속도 및 상기 여자 전압의 레벨에 따라 선행 속도-보정값 및 프리휠 속도-보정값을 선택하는 단계와, 상기 선행 속도-보정값을 상기 제1 제어값에 적용하고, 상기 프리휠 속도-보정값을 상기 제2 제어값에 적용하는 단계를 더 포함한다. 따라서, 선행 각도에 영향을 주는 제1 제어값 및 프리휠 각도에 영향을 주는 제2 제어값 양자가 속도에 대해 보정되며, 파워에 대한 더 우수한 제어가 달성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전기 기계의 제어 방법은, 상기 전기 기계의 속도 변경에 응답하여 상기 선행 각도와 상기 프리휠 각도 중의 하나 이상을 변화시키는 단계를 더 포함한다. 따라서, 여자 전압의 변경 및 전기 기계의 속도의 변경 양자에 응답하여 파워에 대한 더 우수한 제어가 달성될 수 있다. 실제로, 상기 전기 기계의 제어 방법은, 속도의 증가에 응답하여 상기 선행 각도를 증가시키거나 및/또는 상기 프리휠 각도를 감소시키는 단계를 더 포함한다. 따라서, 전기 기계의 속도가 증가하고, 그에 따라 권선 내의 역기전력이 증가할 때, 더 앞쪽 단계에서 전류가 권선에 투입되거나, 및/또는 더 긴 기간에 걸쳐 권선에 전류가 투입된다. 따라서, 전기 기계의 속도의 변경에 상관없이 동일하거나 유사한 파워가 달성될 수 있다.
각각의 전기 하프 사이클(electrical half cycle)은, 하나의 구동 기간 및 하나의 프리휠 기간을 포함하는 것이 이롭다. 그에 따라, 권선은 상기 구동 기간 동안에는 여자되고, 상기 프리휠 기간 동안에서는 프리휠링된다. 프리휠 기간 후에는, 권선은 전류의 방향이 변경된다.
제2 특징으로, 본 발명은 전술한 단락 중 어느 하나에서 설명된 바와 같은 전기 기계의 제어 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 기계용 제어 시스템을 제공한다.
제어 시스템은 권선 내의 역기전력을 나타내는 신호를 출력하는 정공-효과 센서(Hole-effect sensor)와 같은 위치 센서를 포함한다. 제어 시스템은 권선의 여자 및 프리휠링을 제어하기 위해 위치 센서에 의해 출력된 신호를 이용한다.
제어 시스템은 여자 동안 권선 내의 전류를 제한하기 위한 전류 컨트롤러를 포함할 수 있다. 이에 의해 권선에 과도한 전류가 쌓이는 것이 방지되며, 그렇지 않은 경우에는 제어 시스템의 부품에 손상을 입히거나, 또는 전기 기계의 자석을 소자(demagnetization)시킬 수도 있다.
제어 시스템은 또한 인버터, 게이트 드라이버 모듈 및 구동 컨트롤러를 포함할 수 있다. 구동 컨트롤러는 권선의 여자를 제어하기 위해 하나 이상의 제어 신호를 발생하며, 게이트 드라이버 모듈은 제어 신호에 응답하여 인버터의 스위치를 제어한다.
제3 특징으로, 본 발명은 전기 기계 및 전술한 단락 중의 하나에서 설명된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전원 제품을 제공한다. 제어 시스템은 배터리팩의 전압을 이용하여 권선을 여자시킨다. 제어 시스템은 배터리팩의 전압의 변경에 응답하여 선행 각도 및 프리휠 각도를 변화시킨다.
제4 특징으로, 본 발명은 전기 기계 및 전술한 단락 중의 하나에서 설명된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 청소기를 제공한다.
전기 기계는 바람직하게는 영구 자석 모터이며, 더욱 바람직하게는 단상 영구 자석 모터이다.
본 발명이 보다 용이하게 이해될 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 실시예는 이하의 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 제품의 블록도이다.
도 2는 도 1의 제품의 모터 시스템의 블록도이다.
도 3은 모터 시스템의 개략도이다.
도 4는 모터 시스템의 전류 컨트롤러의 개략도이다.
도 5는 전류 제어 기간 동안의 모터 시스템의 파형을 도시하는 도면이다.
도 6은 고속으로 작동할 때의 모터 시스템의 파형을 도시하는 도면이다.
도 7은 선행 각도(advance angle) 및 프리휠 각도(freewheel) 대 여자 전압(excitation voltage)의 그래프이다.
도 8은 진공 청소기 형태의 본 발명의 제품을 도시하는 도면이다.
도 1의 제품(1)은 전원 공급 장치(2), 사용자 인터페이스(3), 액세서리(4) 및 모터 시스템(5)을 포함한다.
전원 공급 장치(2)는 액세서리(4) 및 모터 시스템(5)에 DC 전압을 공급하는 배터리팩을 포함한다. 전원 공급 장치(2)는 이 제품(1)이 다른 배터리팩으로 사용될 수 있도록 제품(1)으로부터 분리 가능하다. 본 설명을 위해, 전원 공급 장치(2)는 16.4 V DC 공급을 제공하는 4-셀 배터리팩 또는 24.6 V DC 공급을 제공하는 6-셀 배터리팩 중의 하나이다. 전원 공급 장치는 공급 전압을 제공하는 것 외에도 배터리팩의 타입에 따라 고유하게 정해지는 식별(ID) 신호를 출력한다. ID 신호는 배터리팩의 타입에 따라 변화하는 주파수를 갖는 정현파 신호의 형태를 취한다. 본 예에서, 4-셀 배터리팩은 25 ㎐의 주파수(20 ms 펄스 길이)를 갖는 ID 신호를 출력하는 한편, 6-셀 배터리팩은 50 ㎐의 주파수(10 ms 펄스 길이)를 갖는 ID 신호를 출력한다. ID 신호는 전원 공급 장치(2) 내에서 셀의 저전압(under-voltage) 또는 과도 온도(over-termerature)와 같은 장애가 검출될 때까지 전원 공급 장치(2)에 의해 지속적으로 출력된다. 하술된 바와 같이, ID 신호는 전원 공급 장치(2)의 타입을 식별하고 전원 공급 장치(2)가 올바르게 기능하는지를 주기적으로 체크하기 위해 모터 시스템(5)에 의해 이용된다.
사용자 인터페이스(3)는 전원 스위치(6) 및 파워-모드 선택 스위치(7)를 포함한다. 전원 스위치(6)는 제품(1)을 파워 온 및 파워 오프하기 위해 이용된다. 파워 스위치(6)의 폐쇄에 응답하여, 전원 공급 장치(2)와 액세서리(4) 사이 및 전원 공급 장치(2)와 모터 시스템(5) 사이에 폐쇄 회로가 형성된다. 파워-모드 선택 스위치(7)는 모터 시스템(5)을 하이-파워 모드 또는 로우-파워 모드로 작동하도록 제어하기 위해 이용된다. 파워-모드 선택 스위치(7)가 폐쇄될 때, 논리적으로 높은 파워-모드 신호가 모터 시스템(5)에 출력된다.
액세서리(4)는 제품(1)에 분리 가능하게 부착된다. 제품(1)에 부착되어 제품(1)이 파워 온 될 때에, 액세서리(4)는 전원 공급 장치(2)로부터 전원을 끌어오고, 모터 시스템(5)에 액세서리 신호를 출력한다. 액세서리(4)가 부착되고 제품(1)이 파워 온 될 때마다 전원을 지속적으로 끌어오지 않고, 액세서리(4)는 예컨대 사용자 인터페이스(3)의 일부를 형성하는 전원 스위치(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 그러므로, 액세서리 전원 스위치가 폐쇄될 때에만, 액세서리(4)가 전원을 끌어오고, 액세서리 신호를 출력한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 모터 시스템(5)은 전기 모터(8) 및 제어 시스템(9)을 포함한다.
모터(8)는 단상 권선(single-phase winding)(19)이 감겨져 있는 고정자(18)에 대하여 회전하는 2극 영구 자석 회전자(17)를 포함한다. 고정자(18)는 권선(19)에 대해 높은 충전율(fill-factor)이 달성될 수 있도록 c자 형상으로 되어 있다. 따라서, 구리 손실(copper loss)이 감소될 수 있으며, 이에 의해 모터(8)의 효율을 향상시킨다.
제어 시스템(9)은 필터 모듈(10), 인버터(11), 게이트 드라이버 모듈(12), 위치 센서(13), 전류 센서(14), 전류 컨트롤러(15), 및 구동 컨트롤러(16)를 포함한다.
필터 모듈(10)은 제품(1)의 전원 공급 장치(2)를 인버터(11)에 링크하며, 병렬로 배치된 한 쌍의 커패시터(C1, C2)를 포함한다. 필터 모듈(10)은 인버터(11)에 링크된 전압에서의 리플(ripple)을 감소시키도록 작용한다.
인버터(11)는 전원 공급 장치(2)를 모터(8)의 권선(19)에 링크하는 4개의 파워 스위치(Q1∼Q4)로 이루어진 풀-브리지(full-bridge)를 포함한다. 각각의 전원 스위치(Q1∼Q4)는 전원 공급 장치(2)의 전압 범위에 걸쳐 고속 스위칭 및 우수한 효율을 제공하는 MOSFET이다. 특히 전원 공급 장치(2)의 전압이 MOSFET의 전압 정격을 초과하면, IGBT 또는 BJT와 같은 다른 타입의 전원 스위치가 이용될 수도 있다. 각각의 스위치(Q1∼Q4)는 스위칭 동안 모터(8)의 역기전력(Back EMF)으로부터의 전압 스파이크에 대하여 스위치를 보호하는 플라이백 다이오드를 포함한다.
제1 쌍의 스위치(Q1, Q4)가 폐쇄될 때, 권선(19)이 제1 방향으로 여자되어(좌측에서 우측으로 여자되어), 전류가 권선(19) 둘레에서 제1 방향으로 투입된다. 제2 쌍의 스위치(Q2, Q3)가 폐쇄될 때, 권선(19)이 반대 방향으로 여자되어(우측에서 좌측으로 여자되어), 전류가 권선(19) 둘레에서 반대 방향으로 투입된다. 이에 따라, 인버터(11)의 스위치(Q1∼Q4)는 권선(19)의 전류 방향 변경(commutation)을 위해 제어될 수 있다.
권선(19)을 여자하는 것에 추가하여, 인버터(11)는 권선(19)을 프리휠하도록 제어될 수 있다. 프리휠링은 권선(19)이 전원 공급 장치(2)에 의해 제공된 여자 전압으로부터 단절될 때에 발생한다. 이것은 인버터(11)의 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방함으로써 발생할 수 있다. 그러나, 모터 시스템(5)의 효율은 높은쪽 스위치(Q1, Q3) 또는 낮은쪽 스위치(Q2, Q4) 중의 하나가 플리휠링 동안 폐쇄되는 경우에 향상된다. 높은쪽 스위치(Q1, Q3) 또는 낮은쪽 스위치(Q2, Q4) 중의 하나를 선택함으로써, 권선(19) 내의 전류는 효율성이 적은 플라이백 다이오드가 아닌 스위치를 통해 재순환될 수 있다. 본 설명을 위해, 프리휠링은 낮은쪽 스위치(Q2, Q4) 모두를 폐쇄함으로써 달성된다. 그러나, 프리휠링이 높은쪽 스위치(Q1, Q3)를 폐쇄함으로써 또는 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방함으로써 동일하게 달성될 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.
게이트 드라이버 모듈(12)은 구동 컨트롤러(16)로부터 수신된 제어 신호(S1∼S4)에 응답하여 인버터(11)의 스위치(Q1∼Q4)의 개방 및 폐쇄를 구동한다. 게이트 드라이버 모듈(12)은 4개의 게이트 드라이버(20∼23)를 포함하며, 각각의 게이트 드라이버는 구동 컨트롤러(16)로부터의 제어 신호(S1∼S4)에 응답하여 각각의 스위치(Q1∼Q4)를 구동한다. 높은쪽 스위치(Q1, Q3)를 담당하는 게이트 드라이버(20, 22)가 전류 컨트롤러(15)로부터 수신된 과전류 신호에 응답하여 추가로 구동된다. 과전류 신호에 응답하여, 게이트 드라이버(20, 22)는 높은쪽 스위치(Q1, Q3)를 개방한다. 과전류 신호는 높은쪽 스위치(Q1, Q3)가 제어 신호(S1, S3)의 상태에 무관하게 과전류 신호에 응답하여 개방되도록 구동 컨트롤러(16)의 제어 신호(S1, S3)보다 높은 우위를 갖는다. 이러한 레벨의 제어는 높은쪽 게이트 드라이버(20, 22)에 NOR 게이트를 제공함으로써 달성될 수 있다.
표 1은 구동 컨트롤러(16)의 제어 신호(S1∼S4) 및 전류 컨트롤러(15)의 과전류 신호에 응답하여 스위치(Q1∼Q4)의 허용된 상태를 요약하여 나타내고 있다. 높은쪽 게이트 드라이버(20, 22)의 입력 상에서 작동하는 NOR 게이트 때문에, 높은쪽 스위치(Q1, Q3)는 논리적으로 낮은 제어 신호(S1, S3)에 의해 폐쇄된다.
표 1
Figure 112011085885099-pct00001
위치 센서(13)는 영구 자석 회전자(17)의 각도 위치를 나타내는 신호를 출력하는 정공-효과 센서(Hall-effect sensor)이다. 이 신호는 각각의 에지가 회전자의 극성이 바뀌는 각도 위치를 나타내는 디지털 정현파이다. 위치 센서(13)에 의해 출력된 신호가 구동 컨트롤러(16)에 전달되며, 이 컨트롤러는 이에 대한 응답으로 인버터(11)를 제어하고 그에 따라 모터(8)에 전달된 전원을 제어하는 제어 신호(S1∼S4)를 발생한다.
회전 시에, 영구 자석 회전자(17)는 모터(8)의 권선(19)에서 역기전력을 유도한다. 역기전력의 극성은 회전자(17)의 극성에 따라 바뀐다. 그 결과, 위치 센서 신호는 회전자(17)의 전기적 위치의 측정뿐만 아니라 권석(19)에서의 역기전력의 측정을 제공한다. 이상적으로는, 위치 센서(13)는 위치-센서 신호의 에지들이 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing)에 동기하거나 또는 소정의 위상차를 갖도록 회전자(17)에 관련하여 정렬된다. 그러나, 모터 시스템(5)의 조립 후에, 모터(8)에 대한 위치 센서(13)의 정렬과 관련된 허용 오차가 있다. 이것은 위치-센서 신호의 에지와 역기전력의 제로-크로싱 간의 위상차를 야기한다. "조립 후 미세 조정(Post-Assembly Fine Tune)"이라는 제목의 절에서 추가로 설명되는 바와 같이, 이러한 허용 오차는, 구동 컨트롤러(16)가 저장하고 그 후에 위치-센서 신호를 정정하기 위해 사용하는 위치-센서 오프셋의 사용을 통하여 보상된다.
전류 센서(14)는 인버터(11)의 네거티브 레일 상에 위치된 하나의 감지 저항(R1)을 포함한다. 따라서, 전류 센서(14) 양단의 전압은 전원 공급 장치(2)에 접속될 시의 권선(19)에서의 전류의 측정치를 제공한다. 전류 센서(14) 양단의 전압은 전류 컨트롤러(15)에 출력된다.
도 4를 참조하면, 전류 컨트롤러(15)는 입력, 출력, 임계치 발생기(24), 비교기(25) 및 SR 래치(26)를 포함한다.
전류 컨트롤러(15)의 입력은 전류 센서(14)의 출력에 접속되며, 전류 컨트롤러(15)의 출력은 각각의 높은쪽 게이트 드라이버(20, 22)의 각각의 입력에 접속된다.
임계치 발생기(24)는 기준 전압 입력, PWM 모듈(27), 비휘발성 메모리 장치(28) 및 필터(29)를 포함한다. PWM 모듈(27)은 고정 주파수 및 가변 듀티 사이클을 채용하며, 가변 듀티 사이클은 메모리 장치(28)에 저장된 스케일 팩터(scale factor)에 따라 설정된다. PWM 모듈(27)은 펄스 전압 신호를 제공하기 위해 기준 입력에서의 전압에 대해 작용하며, 이 펄스 전압 신호는 그 후 스케일된 임계 전압을 제공하기 위해 필터(29)에 의해 평활화된다.
비교기(25)는 전류 컨트롤러(15)의 입력에서의 전압을 임계치 발생기(24)에 의해 출력된 임계 전압에 대해 비교한다. 입력에서의 전압이 임계 전압을 초과하면, 비교기(25)는 SR 래치(26)를 세트(set)하는 신호를 출력한다. 이에 응답하여, SR 래치(26)는 전류 컨트롤러(15)의 출력에서 과전류 신호를 발생한다.
표 1에서 나타낸 바와 같이, 전류 컨트롤러(15)에 의해 과전류 신호가 출력될 때(즉, 과전류 신호가 논리적으로 하이일 때), 높은쪽 게이트 드라이버(20, 22)는 높은쪽 스위치(Q1, Q3)를 개방한다. 그 결과, 전류 컨트롤러(15)는 권선(19)에서의 전류가 임계치를 초과할 때에 전원 공급 장치(2)에 의해 제공된 여자 전압으로부터 권선(19)을 단절시킨다. "조립 후 미세 조정"이라는 제목의 절에서 추가로 설명되는 바와 같이, 스케일링 팩터에 따라 스케일된 전압 임계치를 채용함으로써, 각각의 개별 모터 시스템(5)은 전류 임계치에 대한 부품 허용 오차의 작용이 정돈(trimmed out)될 수 있도록 미세 조정될 수 있다.
전류 컨트롤러(15)는 또한 과전류 인터럽트를 구동 컨트롤러(16)에 출력한다. 도 4에 예시된 실시예에서, 비교기(25)의 출력은 과전류 인터럽트로서 구동 컨트롤러(16)에 전달된다. 그러나, 래치(26)에 의해 출력된 과전류 신호가 구동 컨트롤러(16)에 과전류 인터럽트로서 동일하게 전달될 수도 있다. 과전류 인터럽트에 응답하여, 구동 컨트롤러(16)는 과전류 루틴을 실행한다. 구동 컨트롤러(16)는 나머지 낮은쪽 스위치(Q2 또는 Q4)가 폐쇄되어 권선(19)이 프리휠하게 하는 제어 신호(S2 또는 S4)를 발생한다. 프리휠링은 권선(19) 내의 전류가 쇠퇴하는 동안에 예컨대 100 ㎲와 같은 소정의 시간 동안 지속된다. 소정의 시간이 경과된 후, 구동 컨트롤러(16)는 최근에 폐쇄된 낮은쪽 스위치(Q2 또는 Q4)를 개방하기 위해 제어 신호(S2 또는 S4)를 스위치하고, 전류 컨트롤러(15)에 래치-리셋 신호를 출력한다. 래치-리셋 신호는 전류 컨트롤러(15)의 래치(26)가 리셋되도록 하여, 과전류 신호를 로우 상태로 만든다. 그러므로, 인버터(11)는 과전류 상황이 발생하기 전에 존재하였던 상태로 복귀된다.
도 5는 대표적인 하프 사이클에 걸쳐서의 권선 전류, 위치-센서 신호, 스위치(Q1∼Q4), 제어 신호(S1∼S4), 과전류 신호, 및 래치-리셋 신호의 파형을 예시하고 있다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이, 스위치(Q1∼Q4)의 상태는 각각의 과전류 상황의 전과 후에서 동일하다.
권선(19) 내의 전류는 전기적 하프 사이클 동안 전류 컨트롤러(15)에 의해 여러 번 초핑(chopping)될 수 있다. 모터(8)의 속도가 증가함에 따라, 권선(19)에서 유도된 역기전력은 증가한다. 그 결과, 과전류 상황의 수가 모터 속도에 따라 감소한다. 실제로, 모터(8)의 속도 및 그에 따라 역기전력의 크기는 권선(19) 내의 전류가 각각의 하프 사이클 동안 더 이상 임계치에 도달하지 않도록 된다.
전류 컨트롤러(15)는 권선(19) 내의 전류가 임계치를 초과하지 않도록 한다. 이에 따라, 권선(19) 내에 과도한 전류가 형성되는 것이 방지되며, 그렇지 않은 경우에는 인터버(11)의 스위치(Q1∼Q4)를 손상시키거나 또는 회전자(17)를 소자시킬 수도 있다.
구동 컨트롤러(16)는 프로세서(30), 비휘발성 메모리 장치(31), 6개의 신호 입력, 및 5개의 신호 출력을 포함한다.
메모리 장치(31)는 프로세서(30)에 의해 실행하기 위한 소프트웨어 명령을 저장한다. 명령의 실행에 응답하여, 프로세서(30)는 모터 시스템(5)의 작동을 제어한다. 구체적으로, 프로세서(30)는 인버터(11)의 스위치(Q1∼Q4)를 제어하고 모터(8)를 구동하는 제어 신호(S1∼S4)를 발생한다. 구동 컨트롤러(16)의 구체적인 작동은 아래에 더욱 상세하게 설명되어 있다. 메모리 장치(31)는 또한 복수의 파워 맵, 복수의 속도-보정 맵, 및 복수의 위치-센서 오프셋을 저장한다.
6개의 신호 입력은 전원-공급 ID 신호, 액세서리 신호, 파워-모드 신호, 위치-센서 신호, 과전류 인터럽트, 및 전압-레벨 신호이다.
전압-레벨 신호는 전원 공급 장치 라인으로부터 얻어지며, 전위 분할기(R2, R3)에 의해 스케일링되고, 커패시터(C3)에 의해 필터링되어 스위칭 잡음이 제거된다. 전압-레벨 신호는 전원 공급 장치(2)에 의해 제공된 링크 전압의 측정치를 구동 컨트롤러(16)에 제공한다. 전원 공급 장치(2)의 내부 저항 때문에, 링크 전압은 개방-회로 전압보다 낮다. 6-셀 배터리팩의 경우, 최대 개방-회로 전압은 24.6 V이며, 이 전압은 23.0 V의 링크 전압에 대응한다. 4-셀 배터리팩의 경우, 최대 개방-회로 전압은 16.4 V이며, 이 전압은 14.8 V의 링크 전압에 대응한다. 이 상한치에 추가하여, 구동 컨트롤러(16)는 링크 전압이 저전압 임계치 아래로 떨어질 때에 작동을 중지시킨다. 6-셀 배터리팩의 경우, 링크 전압의 저전압 임계치는 16.8 V이며, 이 전압은 19.0 V의 개방-회로 전압에 대응한다. 4-셀 배터리팩의 경우, 링크 전압의 저전압 임계치는 11.2 V이며, 이 전압은 12.8 V의 개방-회로 전압에 대응한다. 따라서, 구동 컨트롤러(16)는 6-셀 패터리에 대해서는 16.8∼23.0 V의 링크 전압 범위에 걸쳐 작동하고, 4-셀 배터리에 대해서는 11.2∼14.8 V의 링크 전압 범위에 걸쳐 작동한다.
5개의 신호 출력은 4개의 제어 신호(S1∼S4) 및 하나의 래치-리셋 신호이다. 4개의 제어 신호(S1∼S4)는 게이트 드라이버 모듈(12)에 출력되며, 이 모듈은 그에 대한 응답으로 인버터(11)의 스위치(Q1∼Q4)의 개방 및 폐쇄를 제어한다. 보다 구체적으로, 각각의 제어 신호(S1∼S4)는 각각의 게이트 드라이버(20∼23)에 출력된다. 래치-리셋 신호는 전류 컨트롤러(15)에 출력된다.
구동 컨트롤러(16)는 입력에서 수신된 신호에 응답하여 제어 신호(S1∼S4)를 발생한다. 보다 상세하게 후술되는 바와 같이, 제어 신호(S1∼S4)의 타이밍은 모터(8)가 일정 범위의 속도에 걸쳐 일정한 출력 파워로 구동되도록 제어된다. 더욱이, 일정한 출력 파워는 전원 공급 장치(2)의 링크 전압의 변경에 상관없이 유지된다. 그 결과, 모터(8)는 전원 공급 장치(2)가 방전함에 따라 일정한 출력 파워로 구동된다.
구동 컨트롤러(16)가 인버터(11)의 특정 스위치(Q1)를 개방시키기 위해 예컨대 S1과 같은 제어 신호를 발생할 때, 제어 신호(S1)의 발생과 스위치(Q1)의 물리적 개방 사이에는 짧은 지연이 존재한다. 구동 컨트롤러(16)가 인버터(11)의 동일한 아암(arm) 상의 다른 스위치(Q2)를 폐쇄하기 위해 제어 신호(S2)를 동시에 발생하면, 그 인버터(11)의 아암을 가로질러 쇼트가 발생할 가능성이 있다. 이러한 쇼트 또는 간혹 다르게도 지칭되는 "슛-쓰로우(shoot-through)"는 인버터(11)의 그 아암 상의 스위치(Q1, Q2)에 손상을 입힐 것이다. 그에 따라, 슛-쓰로우를 방지하기 위해, 구동 컨트롤러(16)는 인버터(11)의 동일한 아암 상의 스위치들에 대한 제어 신호들을 발생하는 사이에 데드-타임 지연(dead-time delay)(예컨대, 1 ㎲)을 채용한다. 따라서, 아래에서 권선(19)을 여자시키거나 또는 플리휠링하는 것을 참조할 때, 구동 컨트롤러(16)는 제어 신호들 사이에 데드-타임 지연을 채용한다. 데드-타임 지연은 모터 성능을 최적화하기 위해 가능한 한 짧게 유지되는 것이 이상적이다.
전류 컨트롤러(15) 및 구동 컨트롤러(16)는 단일 부품 마이크로컨트롤러의 일부를 형성할 수 있다. 적합한 후보는 Microchip Technology Inc.에 의해 제조된 PIC16F690 마이크로컨트롤러이다. 이 마이크로컨트롤러는 내부 비교기(25), 래치(26), PWM 모듈(27), 비휘발성 메모리 장치(28, 31), 프로세서(30)를 갖는다. PWM 모듈(27)의 출력 핀은 마이크로컨트롤러의 외부에 있는 필터(29)를 통해 비교기(25)의 입력 핀으로 피드백된다. 또한, 비교기(25)의 출력은 구동 컨트롤러(16)의 프로세서(30)에 전달되는 내부 과전류 인터럽트로서 작용한다.
전류 컨트롤러(15) 및 구동 컨트롤러(16)는 함께 이력성 전류 제어의 형태를 제공한다. 구체적으로, 전류 컨트롤러(15)는 과전류 상황에 응답하여 래치된 과전류 신호를 발생한다. 과전류 신호는 게이트 드라이버 모듈(12)이 인버터(11)의 높은쪽 스위치(Q1, Q3)를 개방하도록 하여, 권선(19)을 여자시키기 위해 사용된 링크 전압으로부터 권선(19)을 단절시킨다. 구동 컨트롤러(16)는 그리고나서 소정 기간의 시간이 경과한 후에 권선(19) 내의 전류가 쇠퇴하는 동안에 래치(26)를 리셋한다.
전류 제어는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합을 통해 달성된다. 구체적으로, 전류 컨트롤러(15)의 하드웨어는 권선(19) 내의 전류를 모니터하고, 전류가 임계치를 초과하는 경우에 과전류 신호를 발생한다. 구동 컨트롤러(16)의 소프트웨어는 그리고나서 소정 시간 후에 전류 컨트롤러(15)의 하드웨어를 리셋한다.
과전류 상황을 검출하기 위해 하드웨어를 채용함으로써, 제어 시스템(9)은 과전류 상황에 비교적 신속하게 응답한다. 이것은 권선(19)이 과전류 상황 후에 가능한 한 신속하게 링크 전압으로부터 단절되도록 하기 위해 중요하다. 과전류 상황을 모니터하기 위해 소프트웨어가 채용되면, 과전류 상황과 과전류 신호의 발생 사이에 상당한 지연이 있을 것이며, 그 동안에 권선(19) 내의 전류가 부품 손상 또는 회전자 소자(rotor demagnetization)를 초래하는 레벨까지 상승할 수도 있다.
전류 컨트롤러(15)의 하드웨어를 리셋하기 위해 소프트웨어를 채용함으로써, 권선(19) 내의 전류를 제어하기 위해 요구되는 하드웨어 부품의 개수가 감소될 수 있다. 또한, 구동 컨트롤러(16)의 소프트웨어는 권선(19) 내의 전류가 쇠퇴하는 소정 기간의 시간을 제어할 수 있다. 본 실시예에서, 구동 컨트롤러(16)는 고정된 기간의 시간이 경과된 후(100 ㎲) 전류 컨트롤러(15)의 래치(26)를 리셋한다. 그러나, 구동 컨트롤러(16)는 모터(8)의 속도에 따라 조정되는 일정 기간의 시간 후에 래치(26)를 동일하게 리셋할 수도 있다. 이에 따라, 전류가 각각의 촙(chop)으로 쇠퇴하는 레벨이 더 우수하게 제어될 수 있다.
소정 기간의 시간 동안 전류를 초핑함으로써, 링크 전압으로부터 단절될 때의 권선(19) 내의 전류를 모니터하는 것이 필요하지 않게 된다. 이에 따라, 전류 제어는 하나의 감지 저항을 사용함으로써 달성될 수 있다. 이것은 제어 시스템(9)의 부품 비용을 감소시킬뿐만 아니라, 하나의 감지 저항을 통한 소비 전력(power dissipation)이 통상적으로 입력 전력의 1％에 불과하다.
이하에서는 모터 시스템(5) 및 구체적으로 구동 컨트롤러(16)의 작동에 대하여 설명한다.
초기화 모드
전원 스위치(6)가 폐쇄될 때, 전원 공급 장치(2)로부터 모터 시스템(5)으로 전원이 전달되어, 구동 컨트롤러(16)가 파워 업하도록 한다. 파워 업 시에, 구동 컨트롤러(16)는 전원 공급 ID 신호, 액세서리 신호, 및 파워-모드 신호의 입력을 폴링(polling)한다. 이들 3개의 신호에 기초하여, 구동 컨트롤러(16)는 메모리(31)에 저장된 파워 맵을 선택된다. 하술되는 바와 같이, 각각의 파워 맵은 모터(8)를 상이한 출력 파워로 구동하기 위한 제어값을 저장한다. 표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 구동 컨트롤러(16)는 5개의 상이한 파워 맵을 저장한다. 전원 공급 장치(2)가 4-셀 배터리팩인 경우(즉, 전원 공급 ID 신호의 주파수가 25 ㎐인 경우), 하이-파워 모드(high-power mode)가 이용 가능하지 않으며, 파워-모드 신호가 무시된다.
표 2
Figure 112011085885099-pct00002
구동 컨트롤러(16)에 의해 선택된 파워 맵은 "고속 가속 모드(High-Speed Acceleration Mode)" 및 "런닝 모드(Running Mode)"로 작동할 때에 제어 신호(S1∼S4)를 발생하기 위해 구동 컨트롤러(16)에 의해 추후에 사용된다.
구동 컨트롤러(16)가 파워 업된 동안, 구동 컨트롤러(16)는 전원 공급 ID 신호, 액세서리 신호, 및 파워-모드 신호를 주기적으로 폴링한다(예컨대, 매 8 ㎳마다). 전원 공급 ID 신호가 시간에 따라 변하지 않고 하이 또는 로우로 일정하다면, 이것은 전원 공급 장치(2)와의 문제가 있음을 나타내며, 구동 컨트롤러(16)가 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방시키고 종료한다. 액세서리 신호 또는 파워-모드 신호가 변경되면, 구동 컨트롤러(16)는 새로운 파워 맵을 선택한다.
파워 맵을 선택하는 즉시, 구동 컨트롤러(16)는 "재동기화 모드(Resynchrinization Mode)"에 진입한다.
재동기화 모드
구동 컨트롤러(16)는 모터(8)의 속도를 결정하고, 결정된 속도에 따라 작동 모드를 선택한다. 모터(8)의 속도는 위치-센서 신호의 2개의 에지 사이의 시간 간격, 즉 펄스폭을 측정함으로써 획득된다. 구동 컨트롤러(16)가 소정 시간(예컨대, 26 ㎳) 내에서 2개의 에지를 검출하지 못한다면, 모터(8)의 속도는 1 krpm보다 크지 않은 것으로 간주되며, 구동 컨트롤러(16)는 그 후 정지 모드(Stationary Mode)로 진입한다. 그렇지 않은 경우에는, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 추가의 에지가 검출될 때까지 대기한다. 구동 컨트롤러(16)는 모터 속도의 보다 정확한 판정을 제공하기 위해 3개의 에지에 걸친 시간 간격의 평균을 구한다. 2개의 에지 사이의 시간 간격이 1875 ㎲보다 크면, 모터(8)의 속도는 1 내지 16 krpm 사이인 것으로 판정되며, 구동 컨트롤러(16)는 "저속 가속 모드(Low-Speed Acceleration Mode)"에 진입한다. 시간 간격이 500 내지 1875 ㎲ 사이이면, 모터(8)의 속도는 6 내지 60 krpm 사이인 것으로 판정되며, 구동 컨트롤러(16)는 "고속 가속 모드"에 진입한다. 그렇지 않은 경우, 모터(8)의 속도는 적어도 60 krpm인 것으로 간주되고, 구동 컨트롤러(16)는 "런닝 모드"에 진입한다. 표 3은 시간 간격, 속도 및 작동 모드를 상세하게 나타낸다.
표 3
Figure 112011085885099-pct00003
정지 모드(속도 ≤ 1 krpm )
구동 컨트롤러(16)는 소정의 시간, 예컨대 26 ㎳ 동안 권선(19)을 여자시킨다. 이 시간 동안, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 에지에 동기하여 권선(19)의 전류를 방향 변경한다(즉, 여자 방향을 반대로 한다). 이 초기 기간의 여자는 회전자(17)가 회전하도록 하여야 한다. 이 소정 시간 동안, 위치-센서 신호의 2개의 에지가 검출되면, 구동 컨트롤러(16)는 "저속 가속 모드"에 진입한다. 그렇지 않은 경우, 구동 컨트롤러(16)는 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방하고, 메모리 장치(31)에 "개시 실패" 에러를 기입한다.
저속 가속 모드(1 krpm ＜ 속도 ＜ 16 krpm )
구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 에지와 동기하여 권선(19)을 여자시킨다. 동기식 여자는 연속하는 에지 사이의 시간 간격에 의해 결정된 바와 같이 모터(8)의 속도가 16 krpm에 도달할 때까지 지속되며, 그 후 구동 컨트롤러(16)가 "고속 가속 모드"에 진입한다. 모터(8)가 소정 시간, 예컨대 2.5 s 내에 16 krpm에 도달하지 못하면, 구동 컨트롤러(16)는 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방하고, 메모리 장치(31)에 "언더스피드(Underspeed)" 에러를 기입한다.
고속 가속 모드(16 krpm ≤ 속도 ＜ 60 krpm )
고속 가속 동안, 구동 컨트롤러(16)는 권선(19)을 순차적으로 여자시키고, 프리휠한다. 보다 구체적으로, 각각의 전기적 하프-사이클은 하나의 프리휠 기간이 후속되는 하나의 구동 기간을 포함하며, 구동 기간 동안에는 권선(19)이 여자되고, 프리휠 기간 동안에는 권선(19)이 프리휠된다. 구동 기간 동안, 권선(19) 내의 전류는 전류 컨트롤러(15)에 의해 초핑될 수 있다. 그 결과, 권선(19)은 구동 기간 내에서의 짧은 간격(예컨대, 100 ㎲) 동안 추가로 프리휠될 수도 있다. 그러나, 구동 기간 내에서 발생하는 어떠한 프리휠링도 프리휠 기간의 프리휠링과는 구별된다. 각각의 프리휠 기간에 후속하여, 권선(19)은 전류의 방향이 변경된다(즉, 여자 방향이 반대로 된다).
구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 에지보다 선행하여 그리고 그에 따라 권선(19) 내에서의 역기전력의 제로-크로싱보다 선행하여 권선(19)을 여자시킨다. 더욱이, 구동 컨트롤러(16)는 모터(8)가 16 krpm에서 60 krpm으로 가속될 때에 고정된 상태로 유지되는 시간 기간만큼 위치-센서 신호의 에지보다 선행하여 권선(19)을 여자시킨다. 구동 컨트롤러(16)는 또한 모터가 16 krpm에서 60 krpm으로 가속될 때에 고정된 상태로 유지되는 시간 기간 동안 권선(19)을 프리휠한다.
보다 상세하게 후술되는 바와 같이, 각각의 파워 맵(표 2를 참조)은 복수의 전압 레벨에 대한 선행 시간 및 프리휠 시간의 탐색표를 포함한다. "고속 가속 모드"에 진입하는 즉시, 구동 컨트롤러(16)는 여자 전압, 즉 전원 공급 장치(2)에 의해 제공된 링크 전압을 획득하기 위해 전압 레벨 신호를 폴링한다. 구동 컨트롤러(16)는 파워 맵으로부터 여자 전압에 대응하는 프리휠 시간 T_FREE 및 선행 시간 T_ADV을 선택한다. 일례로서, 선택된 파워 맵이 167 W(표 2를 참조)이고, 여자 전압이 22.7 V인 것으로 전압-레벨 신호가 나타내면, 구동 컨트롤러(16)는 파워 맵으로부터 34 ㎲의 선행 시간 및 128 ㎲의 프리휠 시간을 선택한다(표 4를 참조).
권선(19)은 이하의 방식으로 여자 및 프리휠된다. 위치-센서 신호의 에지를 검출하는 즉시, 구동 컨트롤러(16)는 T_DRIVE_OFF 시간 기간 동안 권선(19)을 지속하여 여자시킨다. T_DRIVE_OFF는 하프-사이클 시간 T_HALF_CYCLE, 선행 시간 T_ADV, 및 프리휠 시간 T_FREE로부터 다음과 같이 계산된다:
T_DRIVE_OFF = T_HALF_CYCLE - T_ADV - T_FREE
하프-사이클 시간 T_HALF_CYCLE은 위치-센서 신호의 2개의 연속 에지 간의 시간 간격이다. 선행 시간 T_ADV 및 프리휠 시간 T_FREE는 파워 맵으로부터 획득된 시간이다.
T_DRIVE_OFF 기간에 후속하여, 구동 컨트롤러(16)는 T_FREE 기간 동안 권선(19)을 프리휠하며, 그 후 구동 컨트롤러(16)는 권선(19)의 전류의 방향을 변경한다. 이것의 전체 결과로, 구동 컨트롤러(16)는 선행 시간 T_ADV만큼 위치-센서 신호의 다음 에지에 선행하여 권선(19)을 여자시킨다.
도 6은 복수의 하프 사이클에 걸친 권선 전류, 위치-센서 신호, 여자 전압, 및 제어 신호(S1∼S4)의 파형을 예시하고 있다.
모터(8)가 가속할 때, 권선(19) 내의 역기전력은 증가한다. 따라서, 전류 및 그에 따라 전원을 모터(8)의 권선(19) 내로 투입하기가 점점 어렵게 된다. 권선(19)이 위치-센서 신호의 에지 및 그에 따라 역기전력의 제로-크로싱에 동기하여 여자되면, 그 이상의 어떠한 전원을 권선(19) 내로 투입하는 것이 더 이상 가능하지 않을 속도에 도달하게 될 것이다. 위치-센서 신호의 에지에 선행하여 또한 그에 따라 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 권선(19)을 여자시킴으로써, 전류가 더 앞쪽의 단계에서 권선(19) 내로 투입된다. 그 결과, 더 많은 전원이 권선(19) 내로 투입된다.
권선(19) 내의 역기전력이 모터 속도에 따라 증가하기 때문에, 여자가 역기전력에 선행하여 발생하는 전기각(electrical angle)이 모터 속도에 따라 증가하는 것이 이상적이다. 즉, 60 krpm에서의 선행 각도가 16 krpm에서의 선행 각도보다 큰 것이 이상적이다. 고정된 시간 기간 T_ADV 만큼 역기전력에 선행하여 권선(19)을 여자시킴으로써, 대응하는 전기각 A_ADV는 모터 속도에 따라 증가한다. 구체적으로, 선행 각도 A_ADV는 모터 속도에 비례하여 증가한다:
A_ADV = T_ADV * ω/60 *360°
여기서, ω는 rpm으로 나타낸 모터의 속도이다. 그 결과, 모터(8)가 가속할 때, 전류가 점점 더 앞쪽 단계에서 권선(19) 내로 투입된다. 그 결과, 더 많은 전원이 권선(19)에 투입된다.
고정된 선행 시간 T_ADV를 채용함으로써, 구동 컨트롤러(16)는 모터(8)가 가속할 때 어떤 선행 각도가 이용되어야 하는지에 대한 즉각 계산(on-the-fly calculation)을 더 이상 행할 필요가 없게 된다. 이에 의하여, 구동 컨트롤러(16)의 프로세서(30)에 의해 수행될 필요가 있는 명령의 개수가 크게 감소되고, 그에 따라 더 저렴한 프로세서(30)를 이용할 수 있게 된다.
구동 컨트롤러(16)는 권선(19) 내의 역기전력이 하강하는 때에 권선(19)을 프리휠한다. 권선(19) 내의 역기전력이 하강함에 따라, 소정 레벨의 전류에 대한 더 적은 토크가 달성된다. 이에 따라, 권선(19)을 이 지역 내에서 프리휠링함으로써, 더욱 효율적인 모터 시스템(5)이 달성된다. 추가로, 권선(19) 내의 역기전력은 여자 전압의 역기전력을 초과할 수도 있다. 그 결과, 권선(19) 내의 역기전력이 하강함에 따라, 여자 전압이 하강 역기전력의 전압을 급작스럽게 초과하면 전류 스파이크가 발생할 수도 있다. 권선(19)을 역기전력의 지역 내에서 프리휠링함으로써, 전류 스파이크가 방지되고, 그에 따라 더 매끄러운 전류 파형이 달성된다.
구동 컨트롤러(16)는 모터(8)의 속도가 60 krpm에 도달할 때까지 전술한 방식으로 권선(19)을 순차적으로 여자 및 프리휠하는 것을 지속한다. 이 시간 동안, 선행 시간 T_ADV 및 프리휠 시간 T_FREE은 고정된다. 60 krpm에 도달하는 즉시, 구동 컨트롤러(16)는 "런닝 모드"에 진입한다. 모터가 소정의 시간, 예컨대 2.5 s 내에 60 krpm에 도달하지 못하면, 구동 컨트롤러(16)는 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방하고, 메모리 장치에 "언더스피드" 에러를 기입한다.
런닝 모드(속도 ≥ 60 krpm )
"고속 가속 모드"에서와 같이, 구동 컨트롤러(16)는 권선(19)을 순차적으로 여자 및 프리휠한다. 따라서, 각각의 전기적 하프-사이클은 하나의 프리휠 기간이 후속되는 하나의 구동 기간을 포함하도록 연속된다. 또한, 권선(19)은 위치-센서 신호의 에지에 선행하여 또한 그에 따라 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 여자된다. 그러나, 선행 시간 및 프리휠 시간에 대해 고정된 시간이 채용되는 "고속 가속 모드"와는 달리, 구동 컨트롤러(16)는 일정한 출력 파워를 달성하기 위해 선행 시간 및 프리휠 시간을 변화시킨다.
구동 컨트롤러(16)는 전기각 A_ADV 만큼 위치-센서 신호의 에지에 선행하여 권선(19)을 여자시키고, 전기각 A_FREE에 걸쳐 권선(19)을 프리휠한다. 구동 컨트롤러(16)는 일정한 출력 파워를 달성하기 위해 여자 전압(즉, 전원 공급 장치(2)의 링크 전압) 및 모터(8)의 속도의 변경에 응답하여 선행 각도 A_ADV 및 프리휠 각도 A_FREE 양자를 변화시킨다.
전원 공급 장치(2)는 배터리팩이며, 따라서 배터리팩이 사용으로 방전됨에 따라 여자 전압은 감소된다. 권선(9)이 여자되고 프리휠되는 전기각이 고정되면, 모터 시스템(5)의 입력 파워 및 그에 따라 출력 파워는 전원 공급 장치(2)가 방전됨에 따라 감소될 것이다. 그에 따라, 일정한 출력 파워를 유지하기 위해, 구동 컨트롤러(16)는 여자 전압의 변경에 응답하여 선행 각도 A_ADV 및 프리휠 각도 A_FREE를 변화시킨다. 구체적으로, 여자 전압이 감소하면, 선행 각도 A_ADV가 증가하고, 프리휠 각도 A_FREE가 감소된다. 선행 각도 A_ADV를 증가시킴으로써, 더 앞쪽 단계에서 전류가 권선(19)에 투입된다. 프리휠 각도 A_FREE를 감소시킴으로써, 권선(19)은 하프 사이클 이상의 더 긴 기간 동안 여자된다. 그 전체 결과에 의해, 여자 전압의 저하에 응답하여, 하프 사이클에 걸쳐 더 많은 전류가 권선(19)에 투입되고, 그러므로 일정한 출력 파워가 유지되게 된다.
도 7은 전압 범위 16.8∼23.0 V에 걸쳐 일정한 출력 파워를 위한 선행 각도 및 프리휠 각도에서의 변화를 예시하고 있다. 전술한 바와 같이, 이 전압 범위는 6-셀 배터리팩의 DC 링크 전압에 대응한다. 16.8 V 아래에서는, 회전자(17)를 소자하지 않고서 일정한 출력 파워를 유지하도록 하기 위해 권선(19)에 충분한 전류를 투입하는 것이 곤란하다. 또한, 6-셀 배터리팩의 전압이 약 16.8 V 아래로 급격하게 떨어지게 된다. 그에 따라, DC 링크 전압이 16.8 V 아래로 떨어지면, 구동 컨트롤러(16)는 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방하고, 종료한다. 11.2∼14.8 V의 작동 범위에 걸친 4-셀 배터리팩에 대해서도 유사한 패턴이 관찰되며, 역시 구동 컨트롤러(16)는 DC 링크 전압이 11.2 V 아래로 떨어질 때 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방하고, 종료한다.
선행 각도 및 프리휠 각도에서의 변화는 구동 컨트롤러(16)에 의해 파워 맵으로서 저장된다. 각각의 파워 맵은 복수의 전압 레벨의 각각에 대한 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장하는 탐색표를 포함한다. 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 구동 컨트롤러(16)는 전압-레벨 신호를 모니터하고, 파워 맵으로부터 대응하는 선행 시간 및 프리휠 시간을 선택한다. 구동 컨트롤러(16)는 그 후 파워 맵으로부터 획득된 선행 시간 및 프리휠 시간을 이용하여 권선(19)의 여자 및 프리휠링을 제어한다. 그 결과, 여자 전압의 변경에 상관없이 모터 시스템(5)에 대해 일정한 출력 파워가 달성된다. 표 4는 167 W 파워 맵의 일부분을 예시하고 있다.
표 4
Figure 112011085885099-pct00004
표 4의 좌측 부분만이 구동 컨트롤러(16)에 의해 167 W 파워 맵으로서 저장된다. 우측 부분은 본 설명을 위해 포함된 것이며, 파워 맵의 일부를 형성하지 않는다. 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 167 W 파워 맵은 167 W의 일정한 출력 파워를 전달하는 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장한다. DC 링크 전압은 0.1 V의 분해능으로 샘플링된다. 그러므로, 파워 맵은 모터 시스템(5)의 성능에 악영향을 줄 정도로 작게 되지 않고 합리적인 정도로 작게 된다. 물론, 구동 컨트롤러(16)의 메모리 장치(31)의 크기에 따라서는, 파워 맵의 분해능은 증가될 수도 있고 또는 감소될 수도 있다.
파워 맵은 선행 각도 및 프리휠 각도가 아닌 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장하는 것에 유의하기 바란다. 구동 컨트롤러(16)는 권선(19)을 여자 및 프리휠하는 제어 신호(S1∼S4)를 발생하기 위해 타이머를 이용한다. 이에 따라, 선행 각도 및 프리휠 각도가 아닌 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장함으로써, 구동 컨트롤러(16)에 의해 수행된 명령이 크게 간략화된다. 그럼에도 불구하고, 파워 맵은 이와 달리 선행 각도 및 프리휠 각도를 저장할 수도 있으며, 그에 따라 구동 컨트롤러(16)는 권선(19)의 여자 및 프리휠링을 제어하기 위해 선행 각도 및 프리휠 각도를 이용한다.
각각의 선행 각도 및 프리휠 각도는 모터(8)의 속도에 좌우되는 대응 시간을 갖는다. 각각의 파워 맵에 대해, 구동 컨트롤러(16)는 모터(8)를 특정 작동 속도 범위 내에서 구동한다. 각각의 작동 속도는 정상 시간 및 프리휠 시간을 계산하기 위해 이용되는 정격 속도(nominal speed)를 갖는다:
T_ADV = (A_ADV/360°)*60/ωnominal
T_FREE = (A_FREE/360°)*60/ωnominal
여기서, ωnominal은 rpm으로 나타낸 정격 속도이다. 표 5는 다양한 파워 맵에 대한 작동 속도 범위 및 정격 속도를 나열하고 있다.
표 5
Figure 112011085885099-pct00005
각각의 파워 맵은 정격 속도로 회전하는 모터(8)에 대한 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장한다. 그러므로, 예컨대, 167 W 파워 맵은 모터(8)가 99 krpm의 속도로 회전하고 있을 때에 일정한 출력 파워를 달성하는 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장한다. 모터(8)가 정격 속도보다 높거나 낮은 속도로 회전할 때, 구동 컨트롤러(16)는 보다 상세하게 후술되는 바와 같이 각각의 선행 시간 및 프리휠 시간에 속도-보정값을 적용한다.
"초기화 모드"의 절에서 전술한 바와 같이, 구동 컨트롤러(16)는 5개의 파워 맵을 저장하고, 전원 공급 ID 신호, 액세서리 신호 및 파워-모드 신호의 상태에 따라 파워 맵 중의 하나를 선택한다. 그러므로, 모터(8)의 파워 맵은 제품(1)에 부착된 전원 공급 장치(2)의 타입, 액세서리(4)가 부착되고 파워 온되는지의 여부, 및 사용자가 하이-파워 모드를 선택하였는지 아니면 로우-파워 모드를 선택하였는지의 여부에 의해 결정된다.
표 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 제품(1)에 6-셀 배터리팩이 부착되었는지 아니면 4-셀 배터리팩이 부착되었는지에 따라 상이한 파워 맵이 선택된다. 4-셀 배터리팩이 더 낮은 충전 용량을 가지므로, 6-셀 배터리팩 및 4-셀 배터리팩 양자에 대해 동일한 파워 맵이 선택되면, 제품(1)은 더 짧은 실행 시간(run time)을 가질 것이다. 더 낮은 출력 파워를 전달하는 파워 맵을 선택함으로써, 출력 파워를 희생하여 4-셀 배터리팩에 대하여 유사한 실행 시간이 달성될 수 있다.
6-셀 배터리팩이 제품(1)에 부착될 때, 사용자는 파워-선택 스위치(7)를 통해 모터(8)의 출력 파워를 제어할 수 있다. 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 논리적으로 낮은 파워-모드 신호에 응답하여, 즉 사용자가 로우-파워 모드를 선택할 때, 96 W의 출력 파워를 전달하는 파워 맵이 선택된다. 그러므로, 논리적으로 높은 파워-모드 신호에 응답하여, 즉 사용자가 하이-파워 모드를 선택할 때, 167 W(액세서리가 오프) 또는 136 W(액세서리가 온) 중의 하나를 전달하는 더 높은 파워 맵이 선택된다.
액세서리(4)가 전원 공급 장치(2)로부터 전원을 끌어오므로, 전원 공급 장치(2)는 동일한 파워 맵이 선택된 경우에는 더욱 신속하게 방전될 것이다. 또한, 액세서리(4) 및 모터(8) 양자에 전원을 공급하기 위해 전원 공급 장치(2)로부터 과도한 전류를 끌어올 수도 있다. 이에 따라, 액세서리 신호에 응답하여, 구동 컨트롤러(16)는 더 낮은 출력 파워를 전달하는 파워 맵을 선택하며, 이에 대해서는 표 2를 참조하기 바란다. 그 결과, 전원 공급 장치(2)는 과도한 전류 인출로부터 보호되며, 제품(1)에 대한 유사 실행 시간이 출력 파워의 희생으로 달성될 수 있다.
따라서, 파워 맵은 하나 이상의 입력 신호에 응답하여 모터 시스템(5)의 출력 파워를 제어하는 편리한 수단을 제공한다.
전술한 바와 같이, 각각의 파워 맵은 모터(8)가 정격 속도로 작동할 때에 일정한 출력 파워를 달성하는 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장한다. 그러나, 모터(8)의 속도가 변하기 때문에, 권선(19)의 역기전력 또한 변한다. 그 결과, 권선(19)이 여자되고 프리휠되는 각도가 고정되면, 모터(8)의 출력 파워가 모터 속도에 따라 변할 수 있다. 구체적으로, 모터(8)의 출력 파워는 모터 속도가 증가함에 따라 감소할 것이다. 각각의 작동 속도 범위에 걸쳐 일정한 출력 파워를 유지하기 위해, 구동 컨트롤러(16)는 모터(8)의 속도의 변경에 응답하여 선행 각도 및 프리휠 각도를 변화시킨다.
구동 컨트롤러(16)는 선행 각도 및 프리휠 각도의 각각에 속도-보정값을 적용한다. 모터 속도가 증가함에 따라, 권선(19) 내의 역기전력은 증가한다. 그 결과, 일정한 출력 파워를 유지하기 위해, 속도-보정값이 선행 각도에 적용되어, 선행 각도를 증가시킨다. 또한, 속도-보정값이 프리휠 각도에 적용되어, 프리휠 각도를 증가시킨다. 따라서, 전류는 더 앞쪽의 단계에서 또한 각각의 하프 사이클 동안 더 긴 기간에 걸쳐 권선(19) 내로 투입된다. 그 결과, 역기전력의 증가에도 불구하고 일정한 출력 파워가 달성될 수 있다.
선행 각도 및 프리휠 각도에 적용되는 속도-보정값은 모터(8)의 속도뿐만 아니라 여자 전압, 즉 전원 공급 장치(2)에 의해 제공된 DC 링크 전압의 레벨에도 좌우된다. 여자 전압이 감소함에 따라, 특정의 속도-보정값은 모터(8)의 출력 파워에 대해 더 작은 전체 효과(net effect)를 갖는다. 이에 따라, 일정한 출력 파워를 유지하기 위해, 속도-보정값은 여자 전압이 감소하면 크기가 증가한다.
각각의 파워 맵에 대해, 구동 컨트롤러(16)는 2개의 속도-보정 맵, 즉 선행 속도-보정 맵 및 프리휠 속도-보정 맵을 저장한다. 각각의 속도-보정 맵은 복수의 속도 및 복수의 전압 레벨의 각각에 대해 속도-보정값을 저장하는 탐색표를 포함한다. 파워 맵이 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장하기 때문에, 속도-보정값은 시간으로서 표현된다. 그러나, 각각의 파워 맵이 이와 달리 선행 각도 및 프리휠 각도를 저장하면, 속도-보정 맵은 각도로서 표현된 속도-보정값을 저장할 수도 있다. 표 6 및 표 7은 각각 167 W 파워 맵에 대한 선행 속도 보정 맵 및 프리휠 속도-보정 맵을 나타내고 있다.
표 6
Figure 112011085885099-pct00006
표 7
Figure 112011085885099-pct00007
속도-보정 맵으로부터 알 수 있는 바와 같이, 모터 속도가 증가함에 따라, 선행 시간을 증가시키는 양만큼 선행 시간이 보정되며, 프리휠 시간을 감소시키는 양만큼 프리휠 시간이 보정된다. 또한, 여자 전압이 감소함에 따라, 선행 시간 및 프리휠 시간을 보정하는 양이 증가한다. 각각의 파워 맵이 정격 속도에 대해 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장하므로, 정격 속도에서의 속도-보정값은 제로이다.
파워 맵 및 속도-보정 맵으로부터 값을 선택할 때에는, 구동 컨트롤러(16)는 모터(8)의 속도 및 여자 전압을 탐색표 내의 다음의 최인근 엔트리까지 내린다(round down).
구동 컨트롤러(16)는 "고속 가속 모드"에 대하여 전술한 것과 유사한 방식으로 권선(19)을 구동한다. 구체적으로, 위치-센서 신호의 에지를 검출할 시에, 구동 컨트롤러(16)는 T_DRIVE_OFF 시간 기간 동안 권선(19)을 지속적으로 여자시킨다.
T_FRIVE_OFF = T_HALF_CYCLE - T_ADV - T_FREE
역시, 하프-사이클 시간 T_HALF_CYCLE은 위치-센서 신호의 2개의 연속 에지 사이의 시간 간격이다. T_DRIVE_OFF 기간 다음에, 구동 컨트롤러(16)는 T_FREE 기간 동안 권선(19)을 프리휠링하며, 그 후 구동 컨트롤러(16)가 권선(19)의 전류의 방향을 변경한다. 이것의 전체 결과에 의해, 구동 컨트롤러(16)는 선행 시간 T_ADV만큼 위치-센서 신호의 다음 에지에 선행하여 권선(16)을 여자시킨다.
다시, 도 6은 복수의 하프 사이클에 걸쳐서의 권선 전류, 위치-센서 신호, 여자 전압, 및 제어 신호(S1∼S4)의 파형을 예시하고 있다.
구동 컨트롤러(16)는 여자 전압을 획득하기 위해 전압-레벨 신호를 주기적으로(예컨대, 각각의 하프 사이클로) 모니터한다. 선행 시간 T_ADV 및 프리휠 시간 T_FREE은 여자 전압에 대응하는 선행 시간 및 프리휠 시간을 관련 파워 맵으로부터 선택함으로써 획득된다. 파워 맵으로부터 선택된 시간은 그 후 속도-보정 맵으로부터 선택된 속도-보정값에 의해 보정된다. 그러므로, 예컨대, 전원 공급 장치에 의해 제공된 여자 전압이 17.0 V(전압-레벨 신호에 의해 결정된 바와 같이)이고, 모터 속도가 103 krpm(하프-사이클 시간에 의해 결정된 바와 같이)이면, 구동 컨트롤러(16)는 167 W 파워 맵(표 4)으로부터 89 ㎲의 선행 시간 및 56 ㎲의 프리휠 시간을 선택한다. 구동 컨트롤러(16)는 선행 속도-보정 맵(표 6)에 의해 결정된 바와 같이 선행 시간을 2.09 ㎲만큼 보정하고, 프리휠 속도-보정 맵(표 7)에 의해 결정된 바와 같이 프리휠 시간을 -6.64 ㎲만큼 보정한다. 그 결과, 구동 컨트롤러(16)는 91.09 ㎲의 선행 시간 T_ADV 및 49.36 ㎲의 프리휠 시간 T_FREE을 이용한다.
구동 컨트롤러(16)는 그러므로 여자 전압 및 모터 속도의 범위에 걸쳐 일정한 출력 파워로 모터(8)를 구동한다. 이에 따라, 일정한 출력 파워는 전원 공급 장치(2)가 방전하고 모터(8)가 상이한 로드를 경험할 때에 달성된다.
속도-보정값 뿐만 아니라 선행 시간 및 프리휠 시간을 저장하는 탐색표의 사용은 구동 컨트롤러(16)의 프로세서(30)에 의해 수행되는 계산을 현저하게 간략화한다. 그 결과, 권선(19)을 여자 및 프리휠하는 제어 신호(S1∼S4)를 발생하기 위해 비교적 저렴한 프로세서(30)가 이용될 수 있다.
위치-센서 에러
전자기 노이즈가 위치 센서(13)가 스퓨리어스 에지(spurious edge)를 발생하도록 할 수 있다. 구동 컨트롤러(16)에 의해 검출되면, 이들 스퓨리어스 에지는 구동 컨트롤러(16)가 정확하지 않은 시간에 권선(19)을 여자시키도록 할 것이다. 이것은 모터 시스템(5)의 성능에 악영향을 줄 뿐만 아니라, 스위치(Q2, Q4)에 손상을 입히거나 또는 회전자(17)를 소자시킬 수 있는 권선(19) 내의 과도 전류를 초래할 수도 있다. 구동 컨트롤러(16)는 따라서 스퓨리어스 에지를 검출할 가능성을 최소화하기 위한 방안을 채용한다. 어떠한 방안이 채용될지는 작동 모드에 좌우된다.
"저속 가속 모드"로 작동할 때, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 에지에 동기하여 권선(19)을 여자시킨다. 전류 방향 변경 후에, 구동 컨트롤러(16)는 예컨대 250 ㎲의 소정 시간 동안 위치-센서 신호를 무시한다. 그에 따라, 이 기간 내에서 하강하는 어떠한 스퓨리어스 에지도 무시된다.
"고속 가속 모드" 및 "런닝 모드"로 작동할 때, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 윈도우를 채용한다. 이 윈도우 밖에서 발생되는 위치-센서 신호의 어떠한 에지도 구동 컨트롤러(16)에 의해 무시된다. 위치-센서 윈도우 내에서 검출되는 에지가 없다면, 구동 컨트롤러(16)는 모든 스위치를 소정 시간(예컨대, 50 ms) 동안 개방하고, "재동기화 모드"에 진입한다.
권선(19)이 위치-센서 신호의 에지에 선행하여 여자되므로, 이 신호의 각각의 에지는 여자에 후속하는 시간 T_ADV에서 발생할 것으로 예상된다. 따라서, 위치-센서 윈도우는 여자에서부터 출발하고, 선행 시간 T_ADV보다 큰 길이를 갖는다. 바람직하게는, 위치-센서 윈도우는 선행 시간 T_ADV와 하프-사이클 시간 T_HALF_CYCLE의 1/4의 합에 대응하는 길이를 갖는다. 이에 의해 위치-센서 신호의 다음 에지를 신뢰할 수 있게 검출할 충분히 정밀한 윈도우가 제공된다. 위치-센서 윈도우는 더 크거나 더 작을 수도 있음은 자명하다. 그러나, 위치-윈도우가 길이가 감소될 때, 특히 위치-센서 신호의 듀티 사이클에서의 현저한 불균형이 있다면(아래를 참조), 신호의 실제 에지를 놓치게 될 위험이 증가한다. 위치-윈도우가 증가할 때, 스퓨리어스 에지를 검출할 위험이 증가한다. 이에 따라, 위치-센서 윈도우는 선행 시간과 하프-사이클 시간의 절반을 합한 것보다 크지 않은 것이 바람직하다.
스퓨리어스 에지를 발생하는 것 외에, 위치-센서 신호의 듀티 사이클이 균형을 이루지 않을 수도 있다. 하프-사이클 시간이 위치-센서 신호의 한 쌍의 연속 에지(즉, 하나의 펄스) 사이의 간격으로부터 결정되면, 듀티 사이클의 어떠한 불균형도 부정확한 하프-사이클 시간을 초래할 것이다. 하프-사이클 시간이 권선(19)이 여자되는 시간을 제어하기 위해서뿐만 아니라 속도-보정값을 적용하기 위해서도 이용되므로, 하프-사이클 시간에서의 어떠한 오차는 모터 시스템(5)의 성능에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 하프-사이클 시간에서의 오차를 감소시키기 위해, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 복수의 펄스에 대한 연속 에지들 간의 간격의 평균을 구함으로써 하프-사이클 시간을 획득한다. 예컨대, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 이전의 4개의 펄스에 대한 연속 에지들 간의 간격의 평균을 구함으로써 하프-사이클 시간을 획득할 수 있다. 복수의 펄스에 대한 연속 에지들 간의 간격의 평균을 구함으로써, 하프-사이클 시간에서의 변동이 현저하게 감소된다.
또한, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 상승 에지 또는 하강 에지 중의 하나에만 응답하여 권선(19)을 여자한다. 그 후, 구동 컨트롤러(16)는 하나의 에지, 즉 상승 에지 또는 하강 에지 중의 하나에만 응답하여 각각의 전기 사이클의 절반부 양자에 대한 드라이브-오프 시간(drive-off time)을 계산한다. 구체적으로, 구동 컨트롤러(16)는 전술한 방식으로, 즉 하프-사이클 시간, 선행 시간 및 프리휠 시간을 이용하여 제1 하프 사이클 에 대한 드라이브-오프 시간 T_DRIVE_OFF_1을 계산한다. 제2 하프 사이클에 대한 드라이브-오프 시간 T_DRIVE_OFF_2은 제1 하프 사이클의 드라이브-오프 시간에 하프-사이클 시간을 가산함으로써 획득된다:
T_DRIVE_OFF_1 = T_HALF_CYCLE - T_ADV - T_FREE
T_DRIVE_OFF_2 = T_DRIVE_OFF_1 + T_HALF_CYCLE
구동 컨트롤러(16)가 하나의 에지에만 응답하여 동작하므로, 구동 컨트롤러(16)는 위치-센서 신호의 듀티 사이클에서의 어떠한 불균형에도 덜 민감하다. 이에 따라, 모터 시스템(5)의 성능은 듀티 사이클 불균형에 의해 악영향을 받지 않는다.
조립 후 미세 조정
모터 시스템(5)의 조립 후에는, 모터 시스템(5)의 성능에 악영향을 줄 수도 있는 허용 오차가 있다. 그 결과, 조립 후에, 모터 시스템(5)은 미세 조정이 이루어진다.
전류 컨트롤러(15)는 권선(19) 내의 전류가 임계치를 초과하지 않도록 한다. 이에 의해, 회전자(17)의 소자가 방지되고, 인버터(11)의 스위치(Q1∼Q4)를 보호한다. 그러나, 여러 개의 부품 허용 오차는 전류 컨트롤러(15)가 과전류 신호를 발생하는 전류 레벨에 영향을 준다. 예컨대, 전류 센서(14)는 감지 저항(R1)의 저항치에 있어서의 허용 오차를 가지며, 그러므로 전류 컨트롤러(15)의 입력에 전달된 전압이 변동을 갖는다. 또한, 전류 컨트롤러(15)에 의해 사용된 기준 전압의 전압 레벨에서의 허용 오차도 있다. 더욱이, 비교기(25) 입력 오프셋 전압 및 입력 누설 전류에서의 허용 오차도 있다. 대체로, 전류 임계치에 대한 허용 오차 스택(tolerance stack)은 ±20％ 정도로 클 수 있다. 이 허용 오차는 너무 커서 회전자(17)를 소자하지 않거나 또는 인버터(11)의 스위치(Q1∼Q4)에 손상을 주지 않고 모터(8)가 효과적으로 작동하도록 할 수 없다. 이에 따라, 제어 시스템(9)의 조립 후에, 전류 컨트롤러(15)는 부품 허용 오차를 정돈(trimmed out)하기 위해 미세 조정된다.
인버터(11)의 출력은 모터(8)와 공통점이 있는 유도성 부하에 연결된다. 외부 전류 센서가 유도성 부하를 통해 전류를 정확하게 측정한다. PWM 모듈(27)은 비교적 낮은 듀티 사이클로 로드되며, 유도성 부하가 여자된다. 유도성 부하 내의 전류가 상승할 때, 전류 컨트롤러(15)는 전류를 초핑하기 위해 과전류 신호를 발생한다. PWM 모듈(27)이 비교적 낮은 듀티 사이클로 로드되므로, 전류는 이상적인 전류 임계치 아래의 레벨로 초핑된다. 외부 전류 센서는 과전류 신호가 발생되는 전류 레벨을 정확하게 측정한다. PWM 모듈(27)의 듀티 사이클이 증가되고, 프로세스가 반복된다. 실제로, 전류 컨트롤러(15)는 이상적인 전류 임계치에서 과전류 신호를 발생한다. 이 시점에서, 듀티 사이클의 값이 전류 컨트롤러(15)의 메모리 장치(28)에 스케일링 팩터로서 기입된다.
전류 컨트롤러(15)는 따라서 부품 허용 오차에 상관없이 권선(19) 내의 전류가 양호하게 정해진 임계치를 초과할 때마다 과전류 신호가 발생되도록 미세 조정된다. 정확한 외부 전류 센서 및 PWM 듀티 사이클에 대한 미세 분해능을 채용함으로써, 과전류 신호가 발생되는 임계치는 정밀하게 제어될 수 있다. 이에 따라, 권선(19) 내의 전류에 대한 정밀한 제어가 고가의 허용 오차가 높은 부품을 요구하지 않고서도 달성된다. 실제로, PWM 모듈(27)의 사용은 임계 전압을 발생하기 위한 간편하고 저렴한 수단을 제공한다.
모터 시스템(5)의 조립 후에, 모터(8)에 대한 위치 센서(13)의 정렬과 관련된 허용 오차가 있다. 이 허용 오차는 위치-센서 신호에 의해 제공된 바와 같은 회전자(17)의 검출된 위치와 회전자(17)의 실제 위치 간의 위상차를 초래한다. 이것은 위치-센서 신호의 에지와 권선(19) 내의 역기전력의 제로-크로싱 간의 위상차로 변환된다. 모터(8)의 조립 후에, 모터(8)는 49.5 krpm의 속도로 구동된다. 이 속도는 167 W 파워 맵에 대한 정격 속도(즉, 99 krpm)의 절반에 대응한다. 모터(8)에의 파워가 인터럽트되고, 권선(19) 내의 역기전력이 측정되어, 위치-센서 신호의 에지와 비교된다. 위치-센서 신호의 에지와 역기전력의 제로-크로싱 간의 시간차는 49.5 krpm에서의 위상차의 측정을 제공한다. 49.5 krpm에서의 시간차는 그 후 각각의 파워 맵의 정격 속도에 대해 스케일되고, 구동 컨트롤러(16)의 메모리 장치(30)에 위치-센서 오프셋 T_POS_OFFSET으로서 저장된다. 그러므로, 예컨대, 49.5 krpm에서의 시간차는 167 W 파워 맵에 대한 위치-센서 오프셋을 제공하기 위해서는 2배가 되는 한편, 이 시간차는 83 W 파워 맵에 대한 위치-센서 오프셋을 제공하기 위해서는 79.0/49.5가 승산된다. 따라서, 구동 컨트롤러(16)는 각각의 파워 맵에 대한 위치-센서 오프셋을 저장한다. 더욱이, 위치-센서 오프셋은, 모터(8)가 대응하는 파워 맵(표 5를 참조)에 대해 정격 속도로 작동할 때에 위치-센서 신호의 에지와 역기전력의 제로-크로싱 간의 시간차에 대응한다.
"런닝 모드"로 작동할 때, 구동 컨트롤러(16)는 드라이브-오프 시간 T_DRIVE_OFF를 보정하기 위해 위치-센서 오프셋 T_POS_OFFSET을 이용한다:
T_DRIVE_OFF = T_HALF_CYCLE - T_ADV - T_TREE - T_POS_OFFSET
그 결과, 권선(19)의 여자가 회전자(7)의 위치 및 그에 따라 역기전력에 더욱 동기되어, 모터 시스템(5)을 더욱 강력하고 효율적이 되게 한다.
위치-센서 신호의 에지와 역기전력의 제로-크로싱 간의 위상차는, 시간 간격으로 표현될 때에는, 모터(8)의 속도에 따라 감소된다. 그러므로, 구동 컨트롤러(16)가 모터(8)의 속도로 변화되는 양만큼 드라이브-오프 시간을 보정하는 것이 이상적이다. 그러나, 위치-센서 오프셋에 대해 고정된 시간을 사용함으로써, 구동 컨트롤러(16)에 의해 수행된 계산은 크게 간략화된다. 구체적으로, 구동 컨트롤러(16)는 모터(8)의 속도에 기초하여 어느 정도의 시간 보정이 가해져야 하는지를 계산할 필요가 없다. 그 결과, 구동 컨트롤러(16)에 의해 수행된 명령의 개수가 감소되며, 비교적 간략하고 저렴한 프로세서(30)가 채용될 수 있다. 이에 대한 추론(corollary)은 모터 시스템(5)이 각각의 파워 맵의 정격 속도에 대해 최적화되어 있다는 것이다.
"런닝 모드" 이외의 모드로 작동할 때, 모터의 속도는 위치-센서 신호의 에지와 역기전력의 제로-크로싱 간의 어떠한 위상차도 모터 시스템(5)의 성능에 크게 영향을 주기 쉽지 않도록 충분히 낮다. 또한, 가속 모드에서 모터 시스템(5)에 의해 소비된 시간은 상대적으로 짧다. 따라서, 간략한 보정에도 불구하고, 모터 시스템(5)의 성능은 악영향을 받지 않는다.
각각의 파워 맵에 대한 작동 속도 범위는 모터 시스템(5)의 전체 속도 범위에 비하여 상대적으로 좁다. 구체적으로, 각각의 파워 맵에 대한 작동 속도 범위(표 5의 최소 속도 내지 최대 속도)는 전체 속도 범위(제로 내지 최대 속도)의 20％ 이하이다. 그 결과, 위치-센서 오프셋과 작동 범위의 각각의 끝에서의 위상차 간의 불일치가 비교적 작으며, 그에 따라 고정-시간 위치-센서 오프셋을 이용한 전체 작동 범위에 걸쳐 상대적으로 우수한 성능이 달성된다.
위치 센서의 정렬 어긋남을 보정하기 위해 위치-센서 오프셋을 채용함으로써, 위치-센서 신호의 에지와 예컨대 10 mm 이하의 직경을 갖는 비교적 소형의 회전자에 대한 역기전력의 제로-크로싱 간에 정확한 동기화가 달성될 수 있다. 따라서, 고속의 컴팩트한 모터 시스템(5)이 실현될 수 있다.
모터 시스템(5)의 제조 및 조립 후에, 모터(8)의 역기전력 및 인덕턴스에 있어서의 허용 오차가 있다. 예컨대, 고정자(18)의 자극 선단(pole tip)과 에어 갭의 기하학적 형상에서의 허용 오차는 권선(19)의 인덕턴스에 영향을 주는 한편, 에어 갭의 기하학적 형상과 회전자(17)의 자기 특성에서의 허용 오차는 권선(19) 내의 역기전력에 영향을 준다. 모터(8)의 인덕턴스 및 역기전력은 ±5％ 및 ±10％ 정도 변화될 수 있다. 그 결과, 상이한 모터 시스템(5)의 출력 파워는 모터(8)를 구동하기 위해 동일한 제어 시스템(9)이 사용됨에도 불구하고 상이할 수도 있다.
모터 시스템(5)의 조립 후에, 구동 컨트롤러(16)에 의해 채용된 파워 맵은 인덕턴스 및 역기전력의 허용 오차에 상관없이 각각의 모터 시스템(5)에 대해 동일하거나 유사한 출력 파워가 달성되도록 미세 조정된다. 모터 시스템(5)은 복수의 파워 맵을 저장하는 외부의 미세 조정 시스템에 의해 미세 조정된다. 미세 조정 시스템에 의해 저장된 각각의 파워 맵은, 정격 모터(즉, 정격 인덕턴스 및 정격 역기전력을 갖는 모터)를 상이한 출력 파워로 구동하는 선행 시간 및 프리휠 시간을 포함한다. 미세 조정 시스템은 표 2에 나열된 각각의 파워 맵, 즉 정격 모터를 83 W, 96 W, 107 W, 136 W, 및 167 W로 구동하는 파워 맵을 저장한다. 이들 기본 파워 맵의 각각에 대하여, 미세 조정 시스템은 또한 정격 모터를 더 높은 출력 파워 및 더 낮은 출력 파워로 구동하는 파워 맵을 저장한다. 각각의 기본 맵 및 각각의 추가 파워 맵은 정격 모터를 소정의 양만큼 이격된 출력 파워의 불연속적인 레벨들로 구동한다. 본 설명을 위해, 각각의 기본 맵에 대해, 미세 조정 시스템은, 모터를 더 높은 출력 파워로 구동하는 하나의 하이 파워 맵과, 모터를 더 낮은 출력 파워로 구동하는 하나의 로우 파워 맵을 저장하는 것으로 가정한다. 더욱이, 하이 파워 맵, 기본 파워 맵, 및 로우 파워 맵은 4 W의 차이를 두고 있다. 따라서, 167 W 기본 파워 맵에 대해서는, 미세 조정 시스템은 추가로 163 W 파워 맵 및 171 W 파워 맵을 저장한다. 136 W 파워 맵에 대해서는, 미세 조정 시스템은 추가로 132 W 파워 맵 및 140 W 파워 맵을 저장하며, 다른 경우에도 마찬가지로 이루어진다.
모터 시스템(5)은 기본 파워 맵의 세트를 구동 컨트롤러(16)의 메모리 장치(30)에 로딩함으로써 미세 조정된다. 그 후, 모터 시스템(5)은 17 V DC 링크 공급장치를 이용하여 167 W 파워 맵으로 구동된다. 그 후, 모터 시스템(5)의 입력 파워가 측정된다. 167 W 파워 맵에 대한 입력 파워는 17 V의 DC 링크 전압에 대해서는 대략 190 W이어야 하며, 이에 대해서는 표 4를 참조하기 바란다. 측정된 입력 파워가 188 W 미만이면, 구동 컨트롤러(16)는 하이 파워 맵의 세트가 로드된다. 그 결과, 모터 시스템(5)은 파워 차이를 보상하기 위해 더 높은 파워(4 W 더 높은 파워)로 구동된다. 반대로, 측정된 입력 파워가 192 W보다 크다면, 구동 컨트롤러(16)는 로우 파워 맵의 세트가 로드된다. 그 결과, 모터 시스템(5)은 파워 차이를 보상하기 위해 더 낮은 파워(4 W 더 낮은 파워)로 구동된다. 이에 따라, 모터 시스템(5)의 입력 파워에 있어서의 어떠한 차이를 보상하기 위해 상이한 세트의 파워 맵이 구동 컨트롤러(16)에 로드된다. 그 결과, 동일하거나 유사한 출력 파워가 상이한 인덕턴스 및 역기전력을 갖는 상이한 모터(8)에 대해 달성될 수 있다.
4 W 차이로 이격되어 있는 복수의 파워 맵을 채용함으로써, 모터 시스템(5)의 파워는 ±2 W 이내로 미세 조정될 수 있다. 모터 시스템(5)의 파워에 대한 더 정밀한 허용 오차를 달성하기 위해서는 파워 맵의 이격이 감소될 것이라는 점은 자명하다.
미세 조정 프로세스는 모터(8)의 인덕턴스 또는 역기전력을 측정할 필요가 없다는 특별한 이점을 갖는다. 더욱이, 구동되고 있는 모터 시스템(5)의 파워를 측정하고, 그에 따라 보상함으로써, 미세 조정 프로세스는 또한 전기자 반응(armature reaction)도 보상할 수 있다.
미세 조정 시스템이 모터 시스템(5)의 입력 파워를 측정하지만, 이와 달리 출력 파워를 측정할 수도 있다. 그러나, 모터 시스템(5)의 입력 파워를 측정하는 것이 전반적으로 더욱 용이하다.
특정 세트의 맵을 로드하고, 모터(8)를 구동하며, 모터(8)의 파워를 측정하지 않고, 모터(8)의 다른 파라미터를 측정함으로써 모터 시스템(5)을 미세 조정할 수도 있다. 측정된 파라미터는 정격 모터의 파라미터와 비교되며, 이러한 비교에 기초하여, 미세 조정 시스템에 의해 저장된 복수의 파워 맵 세트 중의 하나가 구동 컨트롤러(16)에 로드된다. 예컨대, 모터(8)의 역기전력이 측정되고, 정격 역기전력(즉, 정격 모터의 역기전력)과 비교된다. 측정된 역기전력이 정력 역기전력에 대응하면, 기본 파워 맵이 구동 컨트롤러(16)에 로드된다. 그렇지 않은 경우, 역기전력의 차이를 고려하여 상이한 세트의 파워 맵이 구동 컨트롤러(16)에 로드된다. 이에 따라, 역기전력의 허용 오차에 상관없이 상이한 모터에 대해 더욱 지속적인 출력 파워 및 성능이 달성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 역기전력은 위치-센서 오프셋을 획득할 때에 측정된다. 이에 따라, 모터(8)의 역기전력은 어떠한 추가의 프로세스를 필요로 하지 않고서도 측정될 수 있다.
여자 전압 및 속도 양자에서의 변경에 응답하여 선행 각도 및 프리휠 각도를 제어함으로써, 제어 시스템(9)은 여자 전압 및 모터 속도의 범위에 걸쳐 일정한 출력 파워로 모터(8)를 구동할 수 있다. 본 설명에서, 일정한 출력 파워는 모터(8)의 출력 파워에서의 변동이 ±5％ 이하인 것을 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
제어 시스템(9)은 모터(8)를 일정한 출력 파워뿐만 아니라 비교적 높은 효율(즉, 입력 파워에 대한 출력 파워의 비율)로 구동한다. 여자 전압 및 속도 양자에서의 변경에 응답하여 선행 속도 및 프리휠 속도를 제어함으로써, 여자 전압 및 모터 속도의 범위에 걸쳐 적어도 75％의 효율이 달성될 수 있다. 실제로, 표 2에 나열된 파워 맵에 대해, 적어도 80％의 효율이 달성될 수 있다. 예컨대, 표 4에 나열된 입력 및 출력 파워에 대해 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 167 W 파워 맵의 선행 각도 및 프리휠 각도로 대략 88％의 효율이 획득될 수 있다.
일정한 출력 파워 및/또는 높은 효율이 달성되는 여자 전압의 범위는 비교적 넓다. 6-셀 배터리팩의 경우, 여자 전압 범위는 16.8∼23.0 V인 한편, 4-셀 배터리팩의 경우에는 여자 전압 범위가 11.2∼14.8 V이다. 양자의 전압 범위에 대해, 최소 전압은 최대 전압의 80％ 미만이다. 이것은 일정한 출력 파워 및/또는 높은 효율이 달성되는 비교적 넓은 범위을 제공한다. 이에 따라, 제어 시스템(9)은 배터리가 방전함에 따라 여자 전압이 변화하는 배터리 전원 제품의 모터를 구동하는데 사용하기에 적합하여 이상적이다.
각각의 동작 속도 범위가 전체 속도 범위에 비하여 상대적으로 좁은 반면, 각각의 동작 속도 범위는 그럼에도 불구하고 적어도 10 krpm에 걸쳐 있다(표 5). 더욱이, 각각의 동작 속도 범위에 대한 최소 속도가 60 krpm보다 큰 한편, 각각의 동작 속도 범위에 대한 최대 속도는 80 krpm보다 크다. 실제로, 167 W 파워 맵에 대해, 작동 속도 범위의 최대 속도는 100 krpm보다 크다. 이러한 분류의 속도 범위에 걸쳐, 제어 시스템에 의해 제공된 제어가 없으면, 출력 파워에서의 커다란 차이가 발생할 것이다. 더욱이, 이러한 상대적으로 높은 속도에서의 효율은 제어 시스템에 의해 제공된 제어가 없으면 전반적으로 열악하게 될 것이다.
제어 시스템(9)을 이용하면, 단상 영구 자석 모터(8)는 비교적 높은 속도, 구체적으로 60 krpm을 초과하는 속도로 구동될 수 있다. 더욱이, 높은 속도는 비교적 높은 효율로 달성된다. 실제로, 표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 100 krpm을 초과하는 속도가 200 W 미만의 입력 파워에 대해 달성될 수 있다. 이에 따라, 높은 속도는 모터의 비용 및 크기를 증가시키는 추가의 상 권선(phase winding)을 필요로 하지 않고서도 비교적 높은 효율로 달성될 수 있다.
제어 시스템(9)은 모터(8)의 매끄럽고 효율적인 성능을 함께 달성하는 3가지의 상이한 작동 모드를 채용한다.
"저속 가속 모드"로 작동할 때, 권선(19)은 권선(19)의 역기전력의 제로-크로싱에 동기하여 여자된다. 이러한 비교적 낮은 속도에서, 권선(19)의 역기전력은 상대적으로 작으며, 전류 및 그에 따라 파워를 권선(19)에 투입하는 능력에 영향을 주지 않는다. 그러나, 권선(19)을 역기전력에 동기하여 여자시킴으로써, 모터(8)를 구동하기 위해 요구되는 제어는 상대적으로 간략하게 유지될 수 있다.
"고속 가속 모드"로 작동할 때, 역기전력의 크기는 전류를 권선(19)에 투입하는 능력에 영향을 주기 시작한다. 권선(19)을 역기전력에 선행하여 여자시킴으로써, 전류가 더 앞쪽의 단계에서 권선에 투입된다. 그 결과, 모터(8)에 더 많은 파워가 투입된다. 권선(19)을 고정된 기간의 시간만큼 역기전력에 선행하여 여자시킴으로써, 권선(19)은 회전 속도에 따라 증가하는 각도만큼 역기전력에 선행하여 여자된다. 그 결과, 모터(8)가 가속함에 따라, 전류가 점점 더 앞쪽의 단계에서 권선(19) 내에 투입되며, 그에 따라 더 많은 파워가 권선(19)에 투입된다. 또한, 고정된 선행 시간을 채용함으로써, 모터(8)를 구동하기 위해 요구된 제어가 상대적으로 간략하게 된다.
"런닝 모드"로 작동할 때, 역기전력의 크기는 전류를 권선(19)에 투입하는 능력에 크게 영향을 준다. "고속 가속 모드"에서와 같이, 권선(19)은 전류가 더 앞쪽의 단계에서 권선(19) 내로 투입되도록 역기전력에 선행하여 여자된다. 그럼에도 불구하고, 모터(8)의 속도의 변경은 역기전력의 크기 및 모터(8)의 출력 파워에 영향을 준다. 따라서, 속도의 변경에 응답하여 선행 시간을 변화시킴으로써, 모터(8)의 출력 파워가 더 우수하게 제어될 수 있다. 구체적으로, 선행 시간은 모터 속도의 증가와 함게 증가될 수 있다. 그러므로, 역기전력의 증가는 더 앞쪽의 단계에서 권선(19) 내로 투입되는 전류에 의해 보상된다. 그 결과, 속도의 변경에 상관없이 동일하거나 유사한 출력 파워가 획득될 수 있다.
따라서, 제어 시스템(9)은 모터(8)를 런닝 속도까지 매끄럽고 효과적으로 가속하고나서 모터(8)를 일정한 출력 파워로 구동하도록 작용하는 상이한 작동 모드를 채용한다.
전술한 실시예에서, 각각의 파워 맵은 복수의 전압의 각각에 대한 선행 시간을 저장한다. 그러나, 선행 시간을 저장하기보다는, 각각의 파워 맵이 선행 시간과 프리휠 시간의 합을 저장할 수도 있다. 이것은 파워 맵으로부터 획득된 선행 시간과 프리휠 시간의 합에 정비례하는 드라이브-오프 시간 T_DRIVE_OFF의 계산을 간략화한다. 이와 달리, 각각의 정격 속도에서의 하프-사이클 시간 T_HALF_CYCLE이 알려져 있으므로(예컨대, 99 krpm에서는 303.03 ㎲, 93.5 krpm에서는 320.86 ㎲, 등등), 각각의 파워 맵은 복수의 전압 레벨의 각각에 대해 선행 시간이 아닌 드라이브-오프 시간을 저장할 수 있다. 이것은 구동 컨트롤러(16)에 의해 수행되는 계산을 추가로 간략화한다. 더욱이, 전술한 바와 같이, 선행 시간과 프리휠 시간을 저장하지 않고, 파워 맵은 이와 달리 선행 각도 및 프리휠 각도를 저장할 수도 있다. 이에 따라, 보다 일반적인 의미에서, 각각의 파워 맵은 복수의 전압 레벨의 각각에 대해 제1 제어값 및 제2 제어값을 저장할 수 있다. 그러므로, 제1 제어값은 선행 각도에 비례하고, 권선(19)이 여자되는 각도 또는 시간을 제어하기 위해 이용된다. 제2 제어값은 프리휠 각도에 비례하고, 권선(19)이 프리휠되는 각도 또는 시간을 제어한다. 구동 컨트롤러(16)는 제1 제어값에 의해 정해진 시간에서 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 권선(19)을 여자시키고, 제2 제어값에 의해 정해진 시간 동안 권선(19)을 프리휠한다. 그러므로, 속도-보정 맵은 제1 제어값 및 제2 제어값을 보정하기 위한 적합한 속도-보정값을 저장한다. 구체적으로, 선행 속도-보정 맵은 제1 제어값에 적용되는 속도-보정값을 저장하고, 프리휠 속도-보정 맵은 제2 제어값에 적용되는 속도-보정값을 저장한다.
전술한 실시예에서, 각각의 파워 맵은 속도-보정 맵에 저장된 보정값을 이용하여 속도에 대해 보정되는 값을 저장한다. 보정값을 저장하는 것은 전체적인 메모리 조건을 감소시키는 이점을 갖는다. 구체적으로, 각각의 보정값은 대응하는 제어값보다 작다. 그럼에도 불구하고, 각각의 출력 파워 레벨에 대해 파워 맵 및 2개의 속도-보정 맵을 저장하지 않고, 구동 컨트롤러(16)는 이와 달리 복수의 속도 및 여자 전압의 각각에 대한 보정값을 각각 저장하는 2개의 마스터 맵을 저장할 수도 있다.
전술한 실시예에서, 선행 시간 및 프리휠 시간 양자는 속도에 대해 보정된다. 그러나, 선행 시간과 프리휠 시간 중의 하나를 고정하고, 선행 시간과 프리휠 시간의 다른 하나를 변화시킴으로써 각각의 작동 속도 범위에 걸친 일정한 출력 파워가 동일하게 달성될 수도 있다. 권선(19)이 하강 역기전력의 기간 동안 프리휠되므로, 모터 시스템(5)의 출력 파워는 선행 시간의 변경에 대해 더욱 민감하게 된다. 이에 따라, 2개의 시간 중의 프리휠 시간이 고정되어 유지되고, 선행 시간이 속도에 대해 보정되는 것이 바람직하다. 프리휠 시간을 고정함으로써, 구동 컨트롤러(16)에 의해 수행된 계산이 추가로 간략화된다. 또한, 프리휠 속도-보정 맵이 각각의 파워 맵에 대해 생략될 수 있으며, 이로써 구동 컨트롤러(16)의 메모리 조건을 감소시킨다. 프리휠 시간이 상이한 속도에 대해 고정될 수 있지만, 대응하는 프리휠 각도는 상이한 속도에 대해 고정되지 않는다. 이것은 고정된 기간의 시간 동안 전기각이 모터(8)의 속도에 따라 변화하기 때문이다.
각각의 파워 맵은 모터(8)에 대한 정격 속도에 기초하여 계산되는 제어값을 저장한다. 그러므로, 속도-보정값은 모터의 속도가 정격 속도와 상이한 경우에 제어값에 적용된다. 또한, 각각의 파워 맵은 위치-센서 신호의 에지와 모터(8)가 정격 속도로 작동할 때의 역기전력의 제로-크로싱 간의 시간차에 대응한다. 이에 따라, 제어 시스템(9)은 각각의 작동 속도 범위 내에서 정격 속도로의 작동에 대해 최적화된다. 따라서, 정격 속도는 제품(1)의 성능을 최적화하도록 선택될 수 있다. 이와 달리 또는 이에 추가하여, 정격 속도는 제품(1)에 대한 피크 성능이 달성되는 속도에 대응할 수도 있다. 예컨대, 도 8에 예시된 바와 같이, 제품(1)은 피크 에어와트(peak airwatt)가 각각의 작동 속도 범위 내의 특정의 속도에서 발생하는 진공 청소기일 수도 있다. 그러므로, 각각의 파워 맵에 대한 정격 속도는 피크 에어와트가 달성되는 속도에 대응한다.
표 4 내지 표 7에 나열된 특정의 선행 시간, 프리휠 시간, 및 속도-보정값은 일례의 것으로서 제공된 것이다. 일정한 출력 파워를 달성하기 위해 요구되는 특정 제어값 및 속도-보정값은 모터(8)의 특정한 특성에 좌우될 것이다. 특정 모터에 대한 선행 각도 및 프리휠 각도는 제어 시스템의 통제 내에서 요구된 출력 파워로 모터에 대해 최상의 성능(예컨대, 최상의 효율)을 발생하는 시뮬레이션으로부터 획득된다. 이 시뮬레이션 내에서, 선행 각도와 프리휠 각도의 작용에 대하여 어떠한 제약이 이루어질 수도 있다. 예컨대, 선행 각도는 증가하도록 제약될 수도 있고, 프리휠 각도는 여자 전압의 감소 및/또는 모터 속도의 증가로 감소하도록 제약될 수도 있다.
여자 전압 및 모터 속도의 변경에 응답하여 선행 각도 및 프리휠 각도 양자를 변화시키는 것을 참조하여 설명하였지만, 선행 각도와 프리휠 각도 중의 하나만을 변화시키는 것에 의해서도 현저한 장점을 얻을 수 있다. 구체적으로, 전술한 바와 같이, 하강 역기전력의 영역 내에서 권선(19)을 프리휠링함으로써, 더욱 효율적인 모터 시스템(5)이 실현될 수 있다. 더욱이, 전압 및/또는 속도의 변경에 응답하여 프리휠 각도를 변화시킴으로써, 선행 각도에 대한 어떠한 제어에도 상관없이 모터 시스템의 효율 및 출력 파워를 더욱 우수하게 제어할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제품(1)은 전동 브러시바(motorised brushbar) 형태의 액세서리(4)를 갖는 진공 청소기, 구체적으로는 핸드헬드형 진공 청소기의 형태를 취할 수도 있다. 모터 시스템(5)의 출력 파워 및 그에 따라 진공 청소기의 흡입력은 브러시바가 진공 청소기에 부착되어 있는지 및/또는 턴온되었는지의 여부에 따라 변할 것이다. 또한, 파워-모드 선택 스위치(7)는 흡입력을 증가시키고자 할 때에 하이-파워 모드를 선택하도록 사용자에 의해 이용될 수 있다. 모터 시스템(5)이 각각의 작동 속도 범위에 걸쳐 일정한 출력 파워를 유지하므로, 진공 청소기는 일정 범위의 부하에 걸쳐 일정한 흡입력을 유지할 수 있다. 더욱이, 모터 시스템(5)이 여자 전압의 변경에 응답하여 일정한 출력 파워를 유지하므로, 진공 청소기는 전원 공급 장치(2)의 전압의 변경에 응답하여 일정한 흡입력을 유지할 수 있다. 구체적으로, 전원 공급 장치(2)가 배터리팩인 곳에서는, 진공 청소기는 배터리팩이 방전함에 따라 일정한 흡입력을 유지할 수 있다.
전술한 실시예의 전원 공급 장치(2)가 DC 공급장치 및 구체적으로는 DC 배터리팩이지만, 전원 공급 장치(2)는 AC 공급장치, 정류기 및 필터를 포함하여, DC 전압을 제공하여도 된다. 더욱이, 전술한 실시예의 모터(8) 및 인버터(11)가 단상(single phase)을 포함하고 있지만, 모터(8) 및 인버터(11)는 추가의 상을 포함할 수도 있다. 그러므로, 구동 컨트롤러(16)는 각각의 상을 전술한 방식으로 구동한다. 구체적으로, 각각의 상은 "저속 가속 모드" 동안에는 역기전력의 제로-크로싱에 동기하여 여자되며, 각각의 상은 "고속 가속 모드" 및 "런닝 모드" 동안에는 순차적으로 여자 및 프리휠된다. 전술한 위치 센서(13)는 정공-효과 센서(Hall-effect sensor)이다. 그러나, 예컨대 광센서와 같이 회전자(17)의 위치 및 그에 따라 권선(19)의 역기전력의 제로-크로싱을 나타내는 신호를 출력할 수 있는 다른 위치 센서를 채용하여도 된다.
모터(8)의 작동을 제어하는 제어 시스템(9)을 참조하여 설명하였지만, 제어 시스템(9)은 발전기 또는 다른 전기 기기의 작동을 제어하기 위해 사용될 수도 있다.

Claims (18)

  1. 전기 기계를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 전기 기계의 권선을 순차적으로 여자하고 프리휠링(freewheeling)하는 단계로서, 상기 권선이 선행 각도(advance angle)만큼 상기 권선 내의 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 여자 전압에 의해 여자되고, 전류 방향 변경(commutation) 전에 프리휠 각도에 걸쳐 프리휠되는, 단계; 및
    상기 여자 전압의 변경에 응답하여 상기 선행 각도 및 상기 프리휠 각도를 변화시키는 단계를 포함하고,
    상기 여자 전압의 감소에 응답하여, 상기 선행 각도가 증가되고 상기 프리휠 각도가 감소되는,
    전기 기계의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 전압에 대한 제1 제어값 및 제2 제어값의 탐색표를 저장하는 단계, 상기 탐색표로부터 상기 여자 전압의 레벨에 따라 제1 제어값 및 제2 제어값을 선택하는 단계, 및 선택된 제1 제어값에 의해 정해진 시간에 상기 권선을 여자시키고, 선택된 제2 제어값에 의해 정해진 시간 기간 동안 상기 권선을 프리휠링하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탐색표에 의해 저장된 상기 제1 제어값 및 상기 제2 제어값은, 상기 탐색표의 복수의 전압의 각각의 전압에서, 정격 회전 속도(nominal speed of rotation)로 작동할 시에 상기 전기 기계의 파워가 동일하도록 정해지는, 전기 기계의 제어 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 선택된 제1 제어값과 상기 선택된 제2 제어값 중의 하나 이상에 속도-보정값을 적용하는 단계를 더 포함하며, 상기 속도-보정값은 상기 전기 기계의 속도 및 상기 여자 전압의 레벨 양자에 따라 변화되는, 전기 기계의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    복수의 속도 및 복수의 전압에 대한 속도-보정값의 속도 탐색표를 저장하는 단계, 및 상기 속도 탐색표로부터 상기 전기 기계의 속도 및 상기 여자 전압의 레벨에 따라 속도-보정값을 선택하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전기 기계의 속도 변경에 응답하여 상기 선행 각도와 상기 프리휠 각도 중의 하나 이상을 변화시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    속도의 증가에 응답하여 상기 선행 각도를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    속도의 증가에 응답하여 상기 프리휠 각도를 감소시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    각각의 전기 하프 사이클(electrical half cycle)은, 하나의 구동 기간 및 하나의 프리휠 기간을 포함하며, 상기 전기 기계의 제어 방법은, 상기 구동 기간 동안에는 상기 권선을 여자시키고, 상기 프리휠 기간 동안에서는 상기 권선을 프리휠링하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  10. 청구항 1에서 청구된 바와 같은 전기 기계의 제어 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 기계용 제어 시스템.
  11. 전기 기계 및 청구항 10에서 청구된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 전원 제품.
  12. 전기 기계 및 청구항 10에서 청구된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 청소기.
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