KR101437716B1

KR101437716B1 - 동기식 전기 모터를 위한 위치 센서가 없는 제어 시스템

Info

Publication number: KR101437716B1
Application number: KR1020107000528A
Authority: KR
Inventors: 세바스티아노 아쿠아비바; 피에르지오르지오 리코
Original assignee: 아스콜 피 앤 씨 에스.알.엘.
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2014-09-18
Also published as: ES2360843T3; US8222856B2; CN101711453B; KR20100042255A; ATE498236T1; CN101711453A; PL2168233T3; EP2168233B1; EP2168233A2; MX2009014044A; ITTO20070459A1; WO2009001291A3; DE602008004914D1; WO2009001291A2; US20100188037A1

Abstract

제어 시스템은 교류 전원 공급 전압(V)에 연결된 두 단자들(A, B) 사이에서 상기 모터(M)의 와인딩(winding)(W)과 직렬로 연결되는 전자 스위치(TR), 상기 교류 전원 공급 전압(V)의 제로-크로싱(zero-crossings) 및 부호(sign)를 나타내는 전기적 신호(signal)(Vzc)를 제공하는 제1 검출 회로(1), 동작 중인 상기 고정자 와인딩(stator winding)(W)에서 발생한 역기전력(back-electromotive force)의 제로-크로싱(zero-crossings) 및 부호를 나타내는 신호를 제공하는 제2 검출 수단(2, 3) 및 초기 위치(position)(θ₀)로부터 시작하는 회전자(rotor)(R)의 회전의 시작을 하도록 배열된(arranged to) 제어 수단(MC)을 포함하고, 상기 제어 수단은 a) 바로 선행하는 상기 전원 공급 전압(V)의 제로-크로싱에 관하여 제1 지연(delay)(t1)후에 시작하는 제1 전류 펄스(I1)가 상기 와인딩(W)에 흐르도록 상기 전자 스위치(TR)를 구동하는 단계, b) 상기 와인딩(W)에서 발생한 상기 역기전력(E)이 상기 제1 전류 펄스(I1)의 시작 이후에 상기 전원 공급 전압(V)의 제3 제로-크로싱에 바로 선행하는 소정의 주기의 시간(T) 내에 제1 제로-크로싱을 가지는지 여부를 확인하는 단계, c) 상기 확인하는 단계가 긍정적인 결과를 제공하는 경우에는, 상기 전원 공급 전압(V)의 상기 제3 제로-크로싱에 관하여 소정의 제2 지연(delay)(t2)후에 시작하는 제1 전류 펄스(I1)와 반대되는 부호(sign) 또는 방향(direction)의 제2 전류 펄스(I2)가 상기 와인딩(W)에 흐르도록 상기 스위치(TR)를 구동하는 단계 및 상기 와인딩(W)에 상기 전원의 주파수로 전압을 공급하는 단계, d) 상기 확인하는 단계가 부정적인 결과를 제공하는 경우에는, 상기 a) 단계로부터 시작하는 절차를 처음부터 반복하고, 상기 역기전력(E)의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 시간의 주기(T) 이후에 발생한 경우에는 상기 제1 지연(t1)의 지속시간(duration)을 감소시키고, 상기 역기전력(E)의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 시간의 주기(T) 이전에 발생한 경우에는 상기 제1 지연(t1)의 지속시간을 증가시키는 단계를 포함한다.

Description

동기식 전기 모터를 위한 위치 센서가 없는 제어 시스템{A CONTROL SYSTEM WITHOUT POSITION SENSORS FOR A SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 동기식 전기 모터의 회전자의 회전을 조절하는 위치 센서가 없는 시스템에 관련된 것이다.

제어 시스템 CS 는 발명의 구체적 일실시예에 따른 보통 50(60)Hz 전기 분포 그리드(electricity distribution grid)와 같은 교류 전원 공급 전압 V 에 연결된, 두 단자 A 와 B 사이에 있는 모터 M 의 와인딩 W 와 직렬로 연결된 트라이액(triac) TR 인 전자 스위치를 포함한다.

본 발명의 목적은 단순하고 생산하는데 비용이 덜 들며 안정적으로 동작하는 종류의 제어 시스템을 제공하기 위한 것이다.

발명에 따른 이러한 그리고 다른 목적들은 청구항 1에서 정의된 주요 특징인 동기식 회전(rotary) 전기 모터를 위한 위치 센서가 없는 제어 시스템을 통해 이루어 진다(achieved).

본 발명에 따른 제어 시스템은, 교류 전원 공급 전압(V)에 연결된 제1 단자 및 제2 단자(A, B) 사이에서 상기 모터(M)의 고정자 와인딩(stator winding)(W)과 직렬로 연결되어 동작하는 전자 스위치(TR)와, 상기 교류 전원 공급 전압(V)의 제로-크로싱(zero-crossings) 및 상기 교류 전원 공급 전압의 부호(sign)를 나타내는 전기적 신호(signal)(Vzc)를 제공하는 제1 검출 수단(1)과, 동작 중인 상기 고정자 와인딩(stator winding)(W)에서 발생한 역기전력(back-electromotive force)의 제로-크로싱(zero-crossings) 및 상기 역기전력의 부호를 나타내는 신호를 제공하는 제2 검출 수단(2, 3)과, 상기 전자 스위치(TR)와 상기 제1 및 상기 제2 검출 수단(1; 2, 3)에 연결되고, 소정의 초기 위치(position)(θ₀)로부터 시작하는 회전자(rotor)(R)의 회전의 시작을 하도록 배열된(arranged to) 제어 수단(MC)을 포함하고, 상기 제어 수단은 a) 바로 선행하는 상기 전원 공급 전압(V)의 제로-크로싱에 대하여 소정의 제1 지연(delay)(t1)후에 시작하는 제1 전류 펄스(I1)의 상기 고정자 와인딩(W)에 흐르도록 상기 전자 스위치(TR)를 구동하는 단계와, b) 상기 고정자 와인딩(W)에서 생성된 상기 역기전력(E)이 상기 제1 전류 펄스(I1)의 시작 이후에 상기 전원 공급 전압(V)의 제3 제로-크로싱에 바로 선행하는 소정의 주기의 시간(T) 내에 제1 제로-크로싱을 가지는지 여부를 확인하는 단계와, c) 상기 확인하는 단계가 긍정적인 결과를 제공하는 경우에는, 상기 전원 공급 전압(V)의 상기 제3 제로-크로싱에 대하여 소정의 제2 지연(delay)(t2)후에 시작하는 제1 전류 펄스(I1)와 반대되는 부호(sign) 또는 방향(direction)의 제2 전류 펄스(I2)가 상기 고정자 와인딩(W)에 흐르도록 상기 전자 스위치(TR)를 구동하는 단계 및 상기 와인딩(W)에 상기 전원의 주파수로 전압을 공급하는 단계와, d) 상기 확인하는 단계가 부정적인 결과를 제공하는 경우에는, 상기 a) 단계를 시작으로 하는 절차를 처음부터 반복하고, 상기 역기전력(E)의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 시간의 주기(T) 이후에 발생한 경우에는 상기 제1 지연(t1)의 지속시간(duration)을 감소시키고, 상기 역기전력(E)의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 시간의 주기(T) 이전에 발생한 경우에는 상기 제1 지연(t1)의 지속시간을 증가시키는 단계를 포함하는 프로시져에 따라서 상기 회전자의 회전의 시작을 발생시키는 동기식 회전자(rotary) 전기 모터(M)를 위한 위치(position) 센서가 없는 시스템이다.

본 발명에 따르면, 단순하고 생산하는데 비용이 덜 들며 안정적으로 동작하는 종류의 제어 시스템을 제공할 수 있다.

발명의 또 다른 특징들과 장점들은 추가된 도면을 참조하여 제한되지 않는 실시예들에 의하여 구성된(given) 다음의 상세한 설명으로부터 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 동기식 전기 모터를 위한 제어 시스템의 부분적으로 블록의 형태를 가진 전기적 다이어그램이다.
도 2는 고정자 와인딩과 동일한 회로를 명확하게 보여주기 위한 모터 제어 시스템의 부분적인 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 모터 회전자의 초기 위치(initial positioning) 단계(stage)동안 도 1의 시스템의 전기적 양을 나타낸 곡선들의 예들을 보여주는 그래프이다.
도 4는 모터 회전자의 초기 위치를 도식적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 회전자가 움직이는 초기 단계에서 도 1의 모터에 흐르는 전류 곡선의 또 다른 예를 나타내는 그래프이다.
도 6은 발명에 따른 제어 시스템의 제어 아래에서 모터의 회전이 시작하는 단계 동안 생성된 전기적 양, 기계적 양 및 신호들의 곡선을 나타내는 연속적인 그래프이다.

예를 들어, 식기 세척기 펌프의 모터인 동기식 전기 모터(100)는 보통 도 1의 M 으로 표시된다.

모터 M 은 영구 자석들로 구성된 회전자 R 과 와인딩 W 를 포함하는(including) 고정자 S 를 포함한다(comprises).

구조적으로, 모터 M 은 예를 들어, 유럽 특허 출원 EP 0 207 430 A1 또는 유럽 특허 EP 0 851 570 B1에서 도시되고, 묘사 된 타입일 수 있다.

보통 CS 라고 표시되는 제어 시스템은 모터 M 과 연관되어 있다. 더 구체적으로 상기 시스템은 상기 모터 M 의 상기 회전자 R 과 연관된 위치 센서를 가지고 있지 않다.

상기 제어 시스템 CS 는 발명의 구체적 일실시예에 따른 보통 50(60)Hz 전기 분포 그리드(electricity distribution grid)와 같은 교류 전원 공급 전압 V 에 연결된, 두 단자 A 와 B 사이에 있는 상기 모터 M 의 상기 와인딩 W 와 직렬로 연결된 트라이액(triac) TR 인 전자 스위치를 포함한다.

상기 트라이액 TR 은 마이크로 컨트롤러 MC 의 출력부에 연결된 게이트 G를 가지고 있다.

상기 제어 시스템 CS 는 상기 전원 공급 전압 V 의 부호 및 제로-크로싱(zero-crossings)을 나타내는 신호를 상기 마이크로 프로세서 MC 에 공급하는데 적합한 제1 검출 회로를 더 포함한다. 상기 전원 공급 전압의 부호는 극성을 의미하는데 관습적으로 상기 단자 A가 단자 B 보다 높은 전위에 있는 경우 양극으로 추정된다.

도 6은 가장 위의 그래프에서 상기 전원 공급 전압 V 의 곡선을 보여주고, 바로 아래에 있는 그래프에서 상기 제1 검출 회로(1)에 의해 공급되는 신호 V_zc 와 일치하는 곡선을 보여준다. 즉, V_zc 가 “하이(high)”레벨에 있는 경우, 상기 V 는 양극이다. 더욱이, V_zc 의 “하이”레벨로부터 “로우(low)”레벨(0V)로 전환하는 경우나 그 반대의 경우는 상기 전원 공급 전압 V 의 상기 제로-크로싱과 일치한다.

상기 제어 시스템 CS 는 또한 제2 검출 회로(2로 표시된)를 포함할 수 있다. 이 회로는 전압 검출기이며 검출기의 입력부는 상기 고정자 와인딩 W 의 단자들에 연결되어 있고, 출력부는 상기 마이크로 컨트롤러 MC에 연결되어 있다.

다음의 설명으로부터 명확해 질 수 있는 것처럼, 어떤 동작 상태에서, 상기 모터 M 의 상기 고정자 와인딩 W 의 단자에서의 전압은 그 와인딩에서 발생한 역기전력(back electromotive force, BEMF)의 크기(intensity)를 나타낸다(representative). 이에 반하여 다른 상태에서는 전압은 상기 전원 공급 전압 V 와 일치한다.

상기 제어 시스템 CS 는 입력부가 상기 고정자 와인딩 W 와 상기 트라이액 TR 사이에 연결되고, 출력부는 마이크로 컨트롤러 MC 에 연결된 제3 검출 회로(3)을 더 포함한다. 이 검출기는 상기 고정자 와인딩 W 에 흐르는 동작 전류 I 가 0(zero)인 경우를 나타내는 신호를 공급할 수 있다.

상기 검출 회로 1, 2 및 3 은 선택적으로 부분 혹은 전체로서 상기 마이크로 컨트롤러 MC 에 집적될 수 있다.

마지막으로(finally), 도 2에서 PS로 표시되는 직류 전원(power supply)은 전원 단자 A 와 B 사이에 직류 전원 공급 전압 V_CC 가 정상적으로 동작하게 하기 위해 연결된다. 상기 전원 PS는 상기 제어 시스템 CS 를 위한 접지점 GND 를 내부적으로 생성한다.

상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 상기 트라이액 TR 을 상기 모터 M 이 정상 동작 상태인 경우, 상기 와인딩 W 에 흐르는 상기 전류 I 의 상기 부호 또는 방향 및 상기 와인딩 W 에서 발생한 상기 역기전력의 상기 부호 또는 극성이 소정 관계를 만족시키는 경우에는 상기 트라이액 TR이 전도상태가 되는 방식으로 구동하기 위해 배열 된다.

더 구체적으로, 상기 전류 I 가 도 1 및 2 의 화살표에 의해 표시된 방향을 따라 흐르는 경우를 플러스(+)(positive)라는 가정 및 상기 역기전력 E 의 상기 부호는 양극이 상기 전원 단자 A 를 직접 향하는 경우를 플러스(+)(positive)라고 가정하는 경우에, 상기 제어는 상기 마이크로 컨트롤러 MC 에 의해 상기 트라이액 TR 이 상기 전류 I 의 부호와 상기 역기전력 E의 부호가 같은 경우에 전도상태가 되는 방식으로 이루어진다(performed). 즉 동시에

I>0 및 E>0, 또는 I<0 및 E<0 (1)

도 2에서 상기 와인딩 W 는 등가 회로로 표시된다(테브닌 등가 회로). 이 표시에서 R_W 및 L_W 는 상기 와인딩 W 의 저항과 인덕턴스를 의미한다. E 는 상기 와인딩에서 발생한 역기전력을 의미하고, R_F 는 상기 고정자 와인딩 W와 연관된 자기 회로에서의 손실로 인한 저항을 의미한다.

도 2를 참조하면, V_W 가 상기 고정자 와인딩 W 단자에서의 전압(도 1의 검출 회로 2의 입력부에 적용되는)을 가리키고, V_TR 이 상기 트라이액 TR (트라이액의 양극이 단자 A를 향하는 경우를 플러스(+)(positive)라고 간주한다)단자에서의 전압을 가리키면, 우리는

V_W = V-V_TR = R_WI + L_WdI/dt + E 의 식(2)를 얻을 수 있다.

주어진 방정식 (2)로부터 상기 트라이액 TR 이 비전도 상태(not conductive)인 경우, 상기 모터 M 의 상기 전류 I 는 그러므로 제로(I=0)임을 알 수 있다. 우리는

V_W = E = V-V_TR 의 식(3)을 얻을 수 있다.

즉, 위의 상황에서 상기 검출 회로 2 에 의한 상기 마이크로 컨트롤러 MC 에 의해 얻는 상기 전압 V_W 는 상기 역기전력 E 의 크기를 나타낸다. 반면에 상기 트라이액 TR이 전도 상태인 경우, 상기 전압 V_W 는 상당히 상기 전원 공급 전압 V에 일치한다.

그러므로 상기 제어 시스템 CS 는 예를 들어, 다음과 같은 방식으로 상기 기전력 E 를 얻기 위해 배열 될 수 있다. 상기 검출 회로 3은 상기 마이크로 컨트롤러 MC 에 상기 전류 I 가 제로(zero)라는 조건(condition)이 발생하였음을 가리키고, 그러한 조건에서 상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 상기 검출 회로 2에 의해 공급되는 신호를 상기 역기전력 E 의 표시로 해석한다.

그러나, 상기 기전력 E를 얻거나/결정하는 다른 방법들은 상기 검출 회로 3의 사용 없이 이용가능 할 것이다.

위에서 설명된 것처럼 상기 역기전력 E 는 상기 전류 I 가 제로인 시간의 주기 동안 얻을 수 있다. 다음의 설명을 통해 보다 명확해 질 수 있는 것처럼, 이러한 주기는 상기 트라이액 TR의 단자에서 전압 V_TR의 관찰을 통해 쉽게 추론할 수 있다. 사실, 예를 들어, 절대값으로서 V_TR이 1V 보다 큰 경우에는 상기 트라이액 TR은 스위치 오프(off)되고, 위의 방정식 (3)이 이용가능하고, 그렇지 않고, V_TR 이 1V 보다 작은 경우에는 I≠0 을 알 수 있다.

사실, 상기 역기전력 E 는 원칙적으로 또한 I≠0 인 경우에도 추론할 수 있다. 그러나 그 경우에 예를 들어, 다음의 보다 더 복잡한 미분 방정식을 계산함으로써 알 수 있다.

L_WdI/dt = V_W - E - R_WI (4)

상기 모터 M 의 상기 전류 I 가 상쇄되었을 때 트라이액 TR 은 자동적으로 차단되고, 트라이액 단자의 상기 전압 V_TR 은 거의 순식간에 약 ±1V의 값에서 방정식 (3)에 따른 값으로, 즉 V - E 로 바뀐다는 것을 기억해야 한다.

발명에 따른 제어 시스템 CS 의 동작에 대해서 설명할 것이다.

상기 모터 M 의 휴식 상태(rest state)로부터 시작해서, 정상 동작(running) 상태로의 변환, 즉 상기 전원 공급 전압 V 의 주파수와 동기화되어 일치하는 회전률(rate of rotation)로의 변환은 상당한 다음의 연속적인 스텝들로 구성된다. 상기 회전자 R 의 회전 방향을 미리 결정하는 초기 프리-포지셔닝(pre-positioning) 단계, 상기 소정의 방향에서 회전을 시작하고, 상기 동기화 되는 상태로까지 회전을 가속하는 단계

상기 제어의 실행을 위한 절차는 도 3에서 도 6까지의 그래프 및 위에서 정의된 각 단계들을 특히 참조하여 설명될 것이다.

프리 - 포지셔닝 ( pre - positioning ) 단계

위에서 언급된 것처럼, 이 단계의 목적은 상기 모터의 회전 방향을 미리 결정하는 것이다. 이 단계에서, 상기 제어는 * 상기 회전자 R 을 소정의 각도 위치 θ₀(도 4)로 배열 하고, * 상기 모터에 적용된 전압의 값을 결정한다.

상기 프리-포지셔닝(pre-positioning) 절차는 상기 마이크로 컨트롤러에 의해 실행되며, 따라서 상기 절차의 시작에서 상기 전원 공급 전압의 부호 또는 극성(+ 또는 -)의 선택을 준비하게 한다(provides for). 도 3의 그래프를 참조하면, 상기 절차의 상기 시작에서 상기 전압 V 의 부호는 플러스(+)(positive)로 가정된다. 상기 전압 V 의 상기 부호가 상기 소정의 부호(예에서는 플러스로 도시된)와 일치하고, V 의 제1 플러스(+)(positive) 제로-크로싱(즉, 마이너스에서 플러스로) 으로부터 t_a (도 3)의 지속시간 후에 상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 상기 트라이액 TR 을 상기 모터 M 에 같은 방향으로 연속의 n_a 전류 펄스를 주는 방식으로 구동한다. 예를 들면, 도 3의 그래프에서 동일한 방향(equidirectional)의 펄스인 n_a=3의 상기 전류 I 의 곡선을 정성적으로 보여준다. 그러나 n_a 의 값은 제한되지 않는다.

상기 프리-포지셔닝 단계가 완료된 후에, 즉, 상기 n_a 전류 펄스의 완료 후에 상기 회전자 R 은 소정의 참조 각도 위치인 θ₀(도 4)과 또한 알려진 상기 전원 공급 전압 V 의 진폭으로 프리-포지션 된다.

위에서 설명된 프리-포지셔닝 단계의 실행을 위한 목적으로, 특정(specific) 모터를 위한 가장 유리한 V 의 부호, t_a의 지속시간 및 전류 펄스의 횟수 n_a 는 실험적으로 쉽게 미리 결정될 수 있다.

상기 모터의 상기 회전자 R 의 상기 초기 프리-포지셔닝 단계에 선행하여, 상기 회전자가 자유롭게 움직일 수 있는 상태가 유리할 지를 확인(check)해 봐야 한다. 도 5를 참조하면, 이는 다음과 같은 방식으로 이루어 질 수 있다.

예를 들어, 일단 도 5에서처럼 상기 전원 공급 전압 V 의 부호 또는 극성이 플러스(positive sign)로 미리 선택된 경우, V 의 제1 플러스(+)(positive) 제로-크로싱(즉, 마이너스에서 플러스로) 으로부터 t_a (도 3)의 지속시간 후에 상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 상기 트라이액 TR 을 상기 모터 M 에 같은 방향으로 연속의 n_p 전류 펄스를 주는 방식으로 구동한다. 상기 선행하는 펄스와 반대되는 부호(방향)의 I_test1 펄스가 동일한 방향의 상기 n_p 펄스(도 5)의 마지막 펄스 이후에 바로 플러스에서 마이너스로 변하는 상기 전압 V 의 제로-크로싱에 관하여 측정된 소정의 지연 t_d 이후에 상기 모터 M 에 적용된다. 상기 I_test1 펄스의 진폭 및 상기 지연 t_d 의 지속시간은 가장 좋지 않은 상황에서도 상기 회전자 R의 자기소거(demagnetization)를 방지하기 위한 방식으로 선택된다(상기 전원 공급 전압 V의 진폭에 의존하여).

상기 I_test1 펄스를 상기 모터에 적용한 결과로서 상기 검출 회로 2가 역기전력의 발생을 검출하는 경우, 상기 회전자 R 은 회전하기 위해 명확하게 자유로워진다(clearly free).

상기 회전자의 회전을 위한 자유도(freedom)를 확인하는 경우 상기 초기 n_p 펄스(도 5)( n_q 가 n_p 와 동일하면 더 좋다)에 반대되는 부호(방향)의 또 다른 시퀀스(sequence)인 n_q 펄스(도 5)를 적용하여 선택적으로 반대되는 각도 위치의 지역에서 반복될 수 있다. 지연 t_e 후에 (동일한 방향의 상기 n_q 펄스의 마지막 펄스 이후에 바로 마이너스에서 플러스로 변하는 상기 전압 V 의 제로-크로싱에 관하여 측정된 지연 t_d 와 동일하면 더 좋다) n_q 에 반대되는 부호(방향)인 또 다른 I_test2 확인(check) 펄스를 적용한다. 상기 I_test2 펄스를 상기 모터에 적용한 결과로서 상기 고정자 와인딩 W 에서 기전력의 발생이 다시 검출 되면 상기 회전자 R 은 전체 360˚범위에서 자유롭게 회전 할 수 있을 것이다.

시작 단계

일단 상기 회전자 R 이 프리-포지션 된 상태에 있으면, 상기 모터의 상기 전류 I의 방향은 상기 회전자 R 을 알려진 원하는 방향으로 움직이기 시작하도록 할 필요가 있다.

시작 단계는 두 스텝(steps)으로 나누어 진다.

회전의 시작 및 초기 가속(acceleration) 스텝, 동기화 상태에 도달할 때까지 파이널 가속(final acceleration) 하는 스텝

상기 회전 시작 스텝은 다음의 방식으로 실현된다. 이 스텝에서, 도 6에 I1 으로 표시된 제1 전류 펄스(상기 n_a 포지셔닝 펄스(positioning pulse)와 반대되는 부호 또는 방향)는 상기 모터 M 에 적용된다.

제1 전류 펄스 I1은 바로 선행하는 상기 전원 공급 전압 V 의 제로-크로싱 즉, 상기 선행하는 V_ZC 의 레벨”1”(예를 들어, 전압 +5V와 일치하는)부터 레벨 “0”으로의 변환에 관하여(relative to) 소정의 지연 t₁ 후에 시작된다.

상기 제1 전류 펄스 I1 은 상기 고정자 와인딩 W 에 적용되어 상기 회전자의 회전을 준비 시키기(set) 위한 전자기 토크(electromagnetic torque)를 발생시키고, 결과적으로, 역기전력 E 가 상기 와인딩에 생성된다. 이 역기전력 E 의 곡선은 도 6의 네 번째 그래프에 시간을 가로축(abscissa)으로 하는 함수로서 정성적으로 도시되어 있다. 상기 역기전력 E 의 절대값 또는 진폭(amplitude)은 처음에는 제로값(value of zero)부터 최대값(maximum value)까지 증가하다가 상기 전류 펄스 I1 이 시작됨에 따라 상기 전원 공급 전압 V 의 첫 번째 마이너스 반파(negative half-wave) 영역에서 다시 줄어들기 시작한다.

상기 제1 전류 펄스 I1 은 상기 회전자 R 이 상기 초기 조건 θ₀로부터 움직이게 하고, 회전자의 각속도(angular velocity)가 제로 값에서 대략 동기 속도의 반 값(half of the synchronism velocity)까지 변하게 하는 목적을 가지고 있다. 그러므로 예를 들어, 만일 상기 전원 공급 전압 V 가 50Hz의 주파수를 가지고 상기 동기 모터(synchronous motor)가 2극 모터(two-pole motor)인 경우, 정상 상태에서 상기 동기 속도는 3000회전/분 이고 따라서, 상기 제1 펄스 I1 은 상기 회전자 R 을 약 1500회전/분의 속도까지 이르게 하기 위한 것이다.

만일 제1 펄스 I1 이후의 상기 회전자의 상기 속도가 상기 동기 속도의 반에 근접한 경우, 상기 역기전력 E 가 도 6의 주기 T 안의 순간에 역기전력 E의 부호를 마이너스(-)에서 플러스(+)로(from negative to positive) 반전시킬 것이다. 상기 역기전력 E 가 상기 회전자 및 그에 따른(thereon) 기계적 하중(load acting))의 기계적 관성에 따라(depends on) 제로(zero)가 되는 순간, 그 순간은 상기 가속 및 동기화 단계로 간주된다.

그 다음의(subsequent) 상기 회전자 R 의 상기 동기 속도를 향한 가속은 상기 고정자 와인딩 W 에 도 6에 I2 로 표시된 상기 제1 펄스 I1 과 반대되는 부호 또는 방향을 가진 또 다른 전류를 적용하여 이루어진다. 상기 제2 펄스 I2 는 상기 제1 전류 펄스 I1 이 완료가 되는 플러스 반파(positive half-wave)에 바로 이어서 상기 전원 공급 전압이 플러스 반파가 되는 동안 주어진다. 즉 시작된다. 상기 전류 펄스 I2 의 시작은 대응하는 상기 전압 V 의 플러스 반파에 관하여 상기 전압 V 의 값과 소정의 관계에 부합하는(in accordance with a relationship that can be predetermined) 도 6의 지속시간 t_b에 따른 시간 t2(도 6)만큼 지연된다.

상기 제2 전류 펄스 I2 가 상기 동기 속도로 상기 회전자 R 을 가속하기 위해, 상기 제2 펄스 I2 에 선행하여, 상기 역기전력 E 의 제로-크로싱(zero-crossing)이 상기 전원 공급 전압 V 의 세 번째 제로-크로싱(상기 펄스 I1의 시작 후에)에 바로 선행하는 소정의 시간 주기인 T (도 6)내에서 반드시 발생하여야 한다. 이러한 조건은 도 6서 볼 수 있다.

이러한 조건이 효과적으로 만족되었는지를 확인하기 위해 상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 상기 역기전력 E 의 상기 제로-크로싱을 상기 검출 회로 2 및 3 에 의해 공급되는 신호에 기초하여 검출하기 위해 배열된다.

상기 확인이 긍정적인 결과(positive outcome)를 제공하는 경우에는, 즉, 상기 기전력 E 의 부호가 바뀌거나 상기 주기 T내에서 제로(zero)를 통과하는 경우에는, 상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 상기 트라이액 TR 을 상기 제2 전류 펄스 I2 의 흐름(passage)을 상기 와인딩 W 로 통하도록 하는(bring about) 방식으로 구동한다. 상기 확인이 부정적인 결과를 제공하는 반대의 경우에는, 상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 진행 중인 상기 시작 절차(starting procedure)를 중단시키고, 상기 초기 포지셔닝 단계(initial positioning stage)부터 다시 시작하는, 시작부터 상기 절차를 반복하기 위해 배열된다. 이 때(followed by), 선행하는(중단된)시작 단계에서 상기 역기전력 E 의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 주기 T 이후에 발생하면 바로 선행하는 상기 전압 V 의 제로-크로싱에 관하여 제1 전류 펄스 I1 의 지연 t1 은 줄어든다. 반면에, 선행하는 시작 단계에서 상기 역기전력 E의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 주기 T 이전에 발생하면 상기 제1 전류 펄스 I1 의 지연 t1 은 증가한다.

상기 제1 펄스 I1 의 상기 지연 t1을 수정한 결과로서 위에서 언급된 상기 역기전력 E 의 상기 제로-크로싱에 관한 조건이 만족되면, 상기 마이크로 컨트롤러 MC 는 상기 트라이액 TR 을 위에서 설명한 것처럼 제2 전류 펄스 I2 를 상기 고정자 와인딩에 적용하는 방식으로 구동한다.

이 경우에 상기 트라이액 TR 은 상기 와인딩 W 를 통해 상기 전원 공급 전압 V 와 유사한 주파수(is isofrequential with) 및 도 6에서 제로로 남아있는 소정의 지속시간(duration) t3 (제로 또는 제로가 아닌)의 주기에 의해 분리된 I- 와 I+ 로 표시된 교대로 마이너스(-) 와 플러스(+) 부분(negative and positive portions)을 가진 교류 전류가 흐를 수 있게(bring about the passage through) 하는 방식으로 구동된다.

상기 지연 t1 및 t2 의 지속시간은 상기 전원 공급 전압 V 에서 검출 또는 계산된 순간치의 각각의 프리셋된(preset) 증가함수에 따라서 유리하게 결정된다. 제2 지연 t2 의 지속시간은 또한 바로 선행하는 상기 전원 공급 전압 V의 제로-크로싱에 관하여 상기 역기전력 E 가 제로(zero)를 처음으로 지나는 소정의 지연 함수에 따라서 유리하게 결정된다. 이 지연은 도 6에 t_b 로 표시되어 있다.

상기 전류 I가 제로로 남아있는(t3가 있는 경우) 주기 t3 는 또한 상기 전원 공급 전압 V(측정 또는 계산된) 및 하중(load)의 순간치의 유리한 소정의 증가함수에 따라 지속시간(duration)을 가진다.

자연히, 동일한, 구체적 형태 및 구성의 구체적 실시예를 통한 발명의 원칙(principle of the invention)은 상기 제한 하지 않는 예들에 의하여 설명되고 도시된 것에 관해서 종속항에서 정의된 발명의 범위로부터 출발하지 않더라도 다양해 질 수 있다.

100 : 동기식 전기 모터

Claims

교류 전원 공급 전압(V)에 연결된 제1 단자 및 제2 단자(A, B) 사이에서 모터(M)의 고정자 와인딩(stator winding)(W)과 직렬로 연결되어 동작하는 전자 스위치(TR);
상기 교류 전원 공급 전압(V)의 제로-크로싱(zero-crossings) 및 상기 교류 전원 공급 전압의 부호(sign)를 나타내는 전기적 신호(signal)(Vzc)를 제공하는 제1 검출 수단(1);
동작 중인 상기 고정자 와인딩(stator winding)(W)에서 발생한 역기전력(back-electromotive force)(E)의 제로-크로싱(zero-crossings) 및 상기 역기전력(E)의 부호를 나타내는 신호를 제공하는 제2 검출 수단(2, 3); 및
상기 전자 스위치(TR)와 상기 제1 및 상기 제2 검출 수단(1; 2, 3)에 연결되고, 소정의 초기 위치(position)(θ₀)로부터 시작하는 회전자(rotor)(R)의 회전의 시작을 하도록 배열된(arranged to) 제어 수단(MC)
을 포함하고,
상기 제어 수단은
a) 바로 선행하는 상기 전원 공급 전압(V)의 제로-크로싱에 대하여 소정의 제1 지연(delay)(t1)후에 시작하는 제1 전류 펄스(I1)의 상기 고정자 와인딩(W)에 흐르도록 상기 전자 스위치(TR)를 구동하는 단계;
b) 상기 고정자 와인딩(W)에서 생성된 상기 역기전력(E)이 상기 제1 전류 펄스(I1)의 시작 이후에 상기 전원 공급 전압(V)의 제3 제로-크로싱에 바로 선행하는 소정의 주기의 시간(T) 내에 제1 제로-크로싱을 가지는지 여부를 확인하는 단계;
c) 상기 확인하는 단계가 긍정적인 결과를 제공하는 경우에는, 상기 전원 공급 전압(V)의 상기 제3 제로-크로싱에 대하여 소정의 제2 지연(delay)(t2)후에 시작하는 제1 전류 펄스(I1)와 반대되는 부호(sign) 또는 방향(direction)의 제2 전류 펄스(I2)가 상기 고정자 와인딩(W)에 흐르도록 상기 전자 스위치(TR)를 구동하는 단계 및 상기 와인딩(W)에 상기 전원의 주파수로 전압을 공급하는 단계;
d) 상기 확인하는 단계가 부정적인 결과를 제공하는 경우에는, 상기 a) 단계를 시작으로 하는 절차를 처음부터 반복하고, 상기 역기전력(E)의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 시간의 주기(T) 이후에 발생한 경우에는 상기 제1 지연(t1)의 지속시간(duration)을 감소시키고, 상기 역기전력(E)의 상기 제1 제로-크로싱이 상기 시간의 주기(T) 이전에 발생한 경우에는 상기 제1 지연(t1)의 지속시간을 증가시키는 단계
를 포함하는 프로시져에 따라서 상기 회전자의 회전의 시작을 발생시키는 동기식 회전자(rotary) 전기 모터(M)를 위한 위치(position) 센서가 없는 제어 시스템(CS).
제1항에 있어서,
상기 제어 수단(MC)은
상기 전원 공급 전압(V)과 유사한 주파수(is isofrequential with)를 가지고, 소정의 지속시간(t3)의 주기에 의해 분리된 양극 포션(I+)과 음극 포션(I-)을 교대로 구비하고, 선택적으로 제로(zero)가 될 수 있고, 그 경우 제로의 상태로 남는 교류 전류(I)가 상기 제2 전류 펄스(I2) 후에 상기 고정자 와인딩(W)을 통하여 흐르도록 상기 전자 스위치(TR)를 구동시키기 위해 배열되는 제어 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 지연(t1) 및 상기 제2 지연(t2)은 상기 전원 공급 전압(V)의 검출되거나 또는 계산되는 순간치(instantaneous value)의 소정의 증가 함수(increasing functions)에 따라서 결정되는 제어 시스템.
제3항에 있어서,
상기 제2 지연(t2)은
소정의 바로 선행하는 상기 전원 공급 전압(V)의 제로-크로싱에 관하여 상기 역기전력(E)의 제1 제로-크로싱의 지연(delay)의 증가 함수에 따라서 결정되는 제어 시스템.
제2항에 있어서,
상기 교류 전류(I)가 제로(zero)인 상태가 되는 상기 주기는
상기 전원 공급 전압(V)과 부하(load)의 검출되거나 계산되는 순간치의 소정의 증가 함수에 의한 지속시간(t3)을 가지는 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제2 검출 수단(2, 3)은
동작하는 상기 와인딩(W)의 상기 단자들 간에 존재하는 전압(Vw)을 나타내는 신호를 제공하는데 적합한 제1 검출 회로(2), 및 상기 와인딩에 흐르는 전류가 제로임을 나타내는 신호를 제공하는 데 적합한 제2 검출 회로(3)
를 포함하는 제어 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어 수단(MC)은 또한
상기 회전자(R) 회전의 시작에 우선하여, 상기 회전자(R)를 소정의 초기 각도(angular) 포지션(θ₀₎으로 프리-포지셔닝(pre-positioning)하기 위한 절차 및 상기 절차의 시작에서 상기 전원 공급 전압(V)은 소정의 초기 극성 또는 부호가 적용되고, 소정의 시간의 주기가 경과한 후에 상기 전자 스위치(TR)는 소정의 횟수(n_a)만큼, 상기 소정의 극성 또는 부호를 향한 상기 전압(V)의 마지막 제로-크로싱 후에 소정의 지연(t_a)을 포함하는 각 시간만큼, 반복적으로 스위치 온(switched on) 되고, 상기 전압(V)은 상기 소정의 극성 또는 사인을 가지고 있어서(whilst) 모두 같은 사인 또는 방향을 가지고 있는 일치하는 횟수(n_a)의 전류 펄스가 상기 와인딩(W)에 공급되는 것을 실행하기 위해 배열되는 제어 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제어 수단(MC)은
상기 회전자(R)의 상기 프리-포지셔닝을 위한 상기 절차에 우선하여, 상기 회전자(R)가 회전할 수 있는 자유로운(free) 상태인지를 확인하기 위한 절차 또는 단계(stage)를 실행하기 위해 배열되는 제어 시스템.
제8항에 있어서,
상기 회전자(R)가 회전할 수 있는 자유로운(free) 상태인지를 확인하기 위한 상기 절차 또는 단계(stage)에서, 상기 제어 수단(MC)은
상기 고정자 와인딩(W)에 상기 선행하는 펄스에 반대되는 사인 또는 방향의 확인 전류 펄스(I_test1)에 이어서(followed by) 일련의(n_p) 연속된 동일한 방향(unidirectional)의 전류 펄스가 상기 전원 공급 전압(V)의 상기 마지막 제로-크로싱에 관하여 소정의 지연(t_d)동안 적용되는 제어 시스템.
제9항에 있어서,
상기 회전자(R)가 회전할 수 있는 자유로운(free) 상태인지를 확인하기 위한 상기 절차 또는 단계(stage)에서, 상기 확인 전류 펄스(I_test1) 후에, 상기 제어 수단(MC)은
상기 고정자 와인딩(W)에 상기 확인 펄스(I_test1)로 인한(as) 같은(same) 사인 또는 방향을 가진 추가 횟수(further number)(n_q)만큼의 전류 펄스가 적용되고, 추가로 소정의 지연(t_e)동안, 상기 제1 확인 펄스(I_test1)와 반대되는 사인 또는 방향의 파이널(final) 확인 펄스(I_test2)가 적용되는 제어 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제어 수단(MC)은
상기 제2 검출 수단(2, 3)에 의하여 역기전력(E)이 상기 확인 전류 펄스/들(I_test1,I_test2)의 결과로써 상기 고정자 와인딩(W)에서 발생하였는지(developed)를 확인하기 위해 배열된 제어 시스템.