KR101446662B1

KR101446662B1 - 전기 기계의 제어

Info

Publication number: KR101446662B1
Application number: KR1020137011662A
Authority: KR
Inventors: 한핑 다이
Original assignee: 다이슨 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2014-10-01
Also published as: KR20130095774A; KR20130095775A; CN103250344A; JP2012080767A; GB2484778B; GB201116318D0; EP2625781A2; EP2625781B1; GB201116313D0; CN103404022B; KR101521199B1; WO2012046017A3; CN103404022A; JP2015119636A; CN107257214B; JP6065188B2; WO2012046019A3; US8487565B2; CN107257214A; US20120081046A1

Abstract

전기 기계를 제어하는 방법으로서, 회전자 위치 신호의 제1 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에, 그리고 제2 에지로부터 시간 T_COM(2) 이후에 상기 전기 기계의 상 권선을 커뮤테이션(commutation)하는 단계를 포함한다. T_COM(2)는 식: T_COM(2) = T_COM(1) + T_AVE - T_PD 으로 정의되고, 여기에서 T_AVE는 회전자 위치 신호의 에지들 사이의 평균 기간이고, T_PD는 제1 에지와 제2 에지 사이의 기간이다. 또한, 제어기와 제어 시스템이 이러한 방법을 구현한다.

Description

전기 기계의 제어{CONTROL OF AN ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 전기 기계의 제어에 관한 것이다.

전기 기계의 성능은 회전자 위치에 따라 정확한 타이밍에 상 여자(phase excitation)시키는 것에 의존한다. 전기 기계는 회전자 위치를 나타내는 신호를 출력하는 센서를 포함할 수 있다. 상 여자는 신호의 에지에 대한 상대적인 시간에 발생한다. 전기 기계 내에서의 공차는 신호의 듀티 사이클(duty cycle)이 완벽하게 균형을 이루지 않는다는 것을 의미할 수 있다. 그 결과, 전기 기계의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.

제1 측면에서, 본 발명은 전기 기계를 제어하는 방법을 제공하는데, 이 방법은, 회전자 위치 신호의 제1 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에 전기 기계의 상 권선을 커뮤테이션하는 단계; 및 회전자 위치 신호의 제2 에지로부터 시간 T_COM(2) 이후에 상 권선을 커뮤테이션하는 단계를 포함하고, T_COM(2) = T_COM(1) + T_AVE - T_PD 이며, 여기에서 T_AVE는 회전자 위치 신호의 에지들 사이의 평균 기간이고, T_PD는 제1 에지와 제2 에지 사이의 기간이다.

T_COM(2)를 T_COM(1) + T_AVE - T_PD로 정의함으로써, 제1 에지와 제2 에지 사이 기간에서의 듀티 사이클 불균형을 고려한 기간만큼 제2 에지 이후에 상 권선이 커뮤테이션된다. 그 결과, 더 안정적인 전기 기계가 얻어진다. 따라서, 전기 기계의 전력 및/또는 효율이 향상될 수 있다. 또한, AC 전력 공급원이 전기 기계에 전력을 공급하면, AC 전력 공급원으로부터 끌어온 전류 파형 내에서 고조파의 진폭이 감소될 수 있다.

T_COM(1)은 T_AVE + T_PS에 비례할 수 있고, 여기에서 T_PS는 위상 편이 기간(phase-shift period)이다. 그 결과, 본 방법은 회전자 위치 신호의 에지 각각에 대한 상 권선의 커뮤테이션을 위상 편이 기간 만큼 편이(shift)시킨다. 위상 편이 기간은, 커뮤테이션이 각각의 에지 이전에 발생하도록 음(negative)일 수 있거나, 커뮤테이션이 각각의 에지에 동기하여 발생하도록 영(zero)이거나, 또는 커뮤테이션이 각각의 에지 이후에 발생하도록 양(positive)일 수 있다. 본 방법은 상 권선을 여자하는데 사용되는 공급 전압의 변화 및/또는 전기 기계 속력의 변화에 대응하여, 편이 기간 T_PS를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 가속도, 전력, 효율, 및/또는 전류 고조파에 대한 제어를 향상시킬 수 있다. T_COM(1)은 추가적인 파라미터에 의해 정의될 수 있다. 예컨대, T_COM(1)은 전기자 반작용(armature reaction) 또는 회전자 위치 신호를 출력하는 센서의 정렬 불량(misalignment)에 대하여 교정될 수 있다.

T_AVE는 하나 이상의 기계적 사이클에 걸쳐 있는, 회전자 위치 신호의 에지들 사이의 평균 인터벌(interval)로 정의될 수 있다. 기계적 사이클의 주기는 회전자 위치 신호에서의 어떠한 듀티 사이클 불균형에 대해서도 둔감하다. 따라서, T_AVE는 제1 에지와 제2 에지 사이, 및 제2 에지와 제3 에지 사이의 예상된 기간에 대한 우수한 근사값으로 사용된다.

제1 에지와 제2 에지는, 전기 기계의 기계적 사이클 각각의 제1 에지와 제2 에지일 수 있다. 따라서, 듀티 사이클 보상이 전기 기계의 기계적 사이클 각각에 적용된다.

각각의 기계적 사이클은 회전자 위치 신호의 에지를 복수 개 포함할 수 있다. 본 방법은, 제1 에지로서 전기 기계의 각각의 파워 온(power on)과 동일한 각각의 기계적 사이클의 에지를 선택하는 단계를 포함한다. 그 결과, 전기 기계의 성능이 각각의 파워 온/오프와 일치한다.

본 방법은 회전자 위치 신호의 제1 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에 상 권선을 커뮤테이션하는 단계, 및 기계적 사이클에 걸쳐있는 회전자 위치 신호의 각각의 후속 에지로부터 시간 T_COM(n) 이후에 상 권선을 커뮤테이션하는 단계를 포함할 수 있으며,

이고, 여기에서, T_PD(i)는 회전자 위치 신호의 에지(i)와 에지(i+1) 사이의 기간이다. 그 결과, 상 권선은 듀티 사이클 불균형에 대해 조정된 기간 만큼 회전자 위치 신호의 각각의 에지 이후에 커뮤테이션된다.

제2 측면에서, 본 발명은 전기 기계를 위한 제어기를 제공하는데, 이 제어기는 회전자 위치 신호를 수신하기 위한 입력 및 전기 기계의 상 권선을 커뮤테이션하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 출력하기 위한 하나 이상의 출력을 포함하고, 상기 제어기는, 회전자 위치 신호의 제1 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에, 그리고 회전자 위치 신호의 제2 에지로부터 시간 T_COM(2) 이후에 상 권선을 커뮤테이션하기 위한 제어 신호를 발생시키고, T_COM(2) = T_COM(1) + T_AVE - T_PD 이고, 여기에서 T_AVE는 회전자 위치 신호의 에지들 사이의 평균 인터벌이고, T_PD는 제1 에지와 제2 에지 사이의 인터벌이다.

제3 측면에서, 전기 기계를 위한 제어 시스템을 제공하는데, 이 제어 시스템은 전술한 방법들을 수행한다.

제4 측면에서, 본 발명은 영구자석 및 전술한 제어 시스템을 포함하는 모터 시스템을 제공한다.

본 발명이 더 쉽게 이해될 수 있도록, 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 예시로서 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 모터 시스템의 블록 다이어그램이다.
도 2는 모터 시스템의 개략도이다.
도 3은 모터 시스템의 모터에 대한 단면도이다.
도 4는 모터 시스템의 제어기에 의해 발행된 제어 신호에 대응하는 인버터의 가능한 상태를 자세히 나타내고 있다.
도 5는 가속 모드에서 작동하는 모터 시스템의 여러 가지 파형을 도시하고 있다.
도 6은 정상 상태 모드에서 작동하는 모터 시스템의 여러 가지 파형을 도시하고 있다.
도 7은 듀티 사이클 보상이 적용되지 않은 모터 시스템의 여러 가지 파형을 도시하고 있다.
도 8은 듀티 사이클 보상이 적용된 모터 시스템의 여러 가지 파형을 도시하고 있다.

도 1 내지 도 3의 모터 시스템(1)은 AC 전력 공급원(2)에 의해 전력이 공급되고, 브러시리스 모터(3)와 제어 시스템(4)을 포함한다.

모터(3)는 고정자(6)에 대해 회전하는 4극 영구자석 회전자(5)를 포함한다. 고정자(6)는 4개의 고정자 극을 형성하는 한 쌍의 C형상 코어를 포함한다. 도전성 와이어가 이 코어 주위에 감기고, 단상 권선(7)을 형성하도록 함께 연결된다.

제어 시스템(4)은 정류기(rectifier; 8), DC 링크 필터(DC link filter; 9), 인버터(inverter; 10), 게이트 드라이버 모듈(gate driver module; 11), 전류 센서(12), 회전자 위치 센서(13), 및 제어기(14)를 포함한다.

정류기(8)는 DC 전압을 공급하기 위하여 AC 전력 공급원(2)의 출력을 정류하는 4개의 다이오드(D1-D4)로 된 전파 브리지(full-wave bridge)를 포함한다.

DC 링크 필터(9)는 인버터(10) 스위칭으로부터 발생하는 상대적으로 고주파수인 리플(ripple)를 평활화하는 커패시터(C1)를 포함한다. 필요한 경우, DC 링크 필터(9)는 기본 주파수(fundamental frequency)에서 정류된 DC 전압을 추가적으로 평활화할 수 있다.

인버터(10)는 DC 링크 전압을 상 권선(7)에 연결하는 4개의 파워 스위치(Q1-Q4)로 된 풀 브리지(full bridge)를 포함한다. 각각의 스위치(Q1-Q4)는 프리휠 다이오드(freewheel diode)를 포함한다.

게이트 드라이버 모듈(11)은 제어기(14)로부터 수신된 제어 신호에 대응하여 스위치(Q1-Q4)의 개폐시킨다.

전류 센서(12)는 한 쌍의 션트 저항(shunt resistor; R1, R2)을 포함하는데, 각각의 션트 저항은 인버터(10)의 하부암(lower arm) 상에 위치한다. 각각의 저항(R1, R2) 양단의 전압은 전류 센서 신호 I_SENSE_1 및 I_SENSE_2로서 제어기(14)에 출력된다. 제1 전류 센서 신호 I_SENSE_1은, 인버터(10)가 우측에서 좌측으로 구동될 때(이하 더 자세히 설명함), 상 권선(7)에서의 전류 측정값을 제공한다. 제2 전류 센서 신호 I_SENSE_2는, 인버터(10)가 좌측에서 우측으로 구동될 때, 상 권선(7)에서의 전류 측정값을 제공한다. 저항 R1과 R2를 인버터(10)의 하부암 상에 위치시킴으로써, 프리휠링(freewheeling)하는 동안(이하 더 자세히 설명함), 상 권선(7)에서의 전류가 계속하여 감지된다.

회전자 위치 센서(13)는, 센서(13)를 통과하는 자기력선속의 방향에 따라 논리적 하이 또는 논리적 로우(logically high or low)인 디지털 신호, 즉 홀(HALL)을 출력하는 홀 효과 센서(Hall-effect sensor)를 포함한다. 이 센서(13)를 회전자(5) 근처에 위치시킴으로써, 홀 신호(HALL signal)가 회전자(5)의 각위치(angular position) 측정값을 제공한다. 특히, 홀 신호의 에지 각각은 회전자(5) 극성의 변화를 가리킨다. 회전 시, 영구자석 회전자(5)는 상 권선(7)에 역기전력(back EMF)을 유도한다. 따라서, 홀 신호의 에지 각각은 상 권선(7)에서의 역기전력의 극성 변화를 추가적으로 나타낸다.

제어기(14)는 모터 시스템(1)의 작동을 제어하는 역할을 한다. 4개의 입력 신호, 즉 I_SENSE_1, I_SENSE_2, HALL, 및 DC_SMOOTH에 대응하여, 제어기(14)는 3개의 제어 신호, 즉 DIR1, DIR2, 및 FW#를 생성하고 출력한다. 제어 신호는 게이트 드라이버 모듈(11)로 출력되는데, 이에 대응하여 인버터(10)의 스위치(Q1-Q4)가 개폐된다.

I_SENSE_1 및 I_SENSE_2는 전류 센서(12)에 의해 출력된 신호이고, 홀은 회전자 위치 센서(13)에 의해 출력된 신호이다. DC_SMOOTH는 DC 링크 전압의 평활화된(smoothed) 측정값인데, 분압기(potential driver) R3, R4와 평활 커패시터 C2에 의해 얻어진다.

DIR1 및 DIR2는 인버터(10)를 통과하는 전류의 방향을 제어하여, 상 권선(7)을 통과하는 전류의 방향을 제어한다. DIR1이 논리적 하이로 풀링되고(pulled logically high), DIR2가 논리적 로우로 풀링될(pulled logically low) 때, 게이트 드라이버 모듈(11)은 스위치 Q1과 Q4를 닫고, 스위치 Q2와 Q3는 열어서, 전류가 상 권선(7)을 통하여 좌측에서 우측으로 흐르게 한다. 반대로, DIR2가 논리적 하이로 풀링되고, DIR1이 논리적 로우로 풀링될 때, 게이트 드라이버 모듈(11)은 스위치 Q2와 Q3를 닫고, 스위치 Q1과 Q4는 열어서, 전류가 상 권선(7)을 통하여 우측에서 좌측으로 흐르게 한다. 따라서, 상 권선(7)에서의 전류는 DIR1과 DIR2를 반전시킴으로써 커뮤테이션된다. 만약 DIR1과 DIR2 모두 논리적 로우로 풀링되면, 게이트 드라이버 모듈(11)은 모든 스위치(Q1-Q4)를 연다.

FW#은 DC 링크 전압으로부터 상 권선(7)을 접속 차단하고, 상 권선(7)에서의 전류가 인버터(10)의 로우 사이드 루프(low-side loop) 주위를 프리휠링하도록 하는데 사용된다. 따라서, 논리적 로우로 풀링되는 FW# 신호에 대응하여, 게이트 드라이버 모듈(11)은 하이 사이드(high-side) 스위치인 Q1과 Q2 모두가 열리게 한다. 그러면, 전류는 DIR1과 DIR2로 정의된 방향으로 인버터(10)의 로우 사이드 루프 주위를 프리휠링한다.

도 4는 제어기(14)의 제어 신호에 대응하는 스위치 Q1-Q4의 가능한 상태를 요약하고 있다. 이하, '설정(set)'과 '해제'라는 용어는 각각 논리적 하이 또는 논리적 로우로 풀링된 신호를 가리키는데 사용될 것이다.

제어기(14)는 회전자(5)의 속력에 따라 2가지 모드 중 한 가지 모드에서 작동한다. 미리 결정된 속력 역치 미만의 속력에서, 제어기(14)는 가속 모드로 작동한다. 속력 역치 이상의 속력에서, 제어기(14)는 정상 상태 모드로 작동한다. 회전자(5)의 속력은 홀 신호의 2개의 연이은 에지 사이의 기간 T_PD로부터 결정된다. 이러한 기간은 하나의 홀 펄스의 길이에 해당하고, 이하 홀 기간(HALL period)이라고 지칭한다. T_PD(i)는 홀 에지(i)와 홀 에지(i+1) 사이의 홀 기간에 해당한다.

가속 모드( Acceleration Mode )

속력 역치 미만의 속력에서, 제어기(14)는 홀 신호의 에지에 동기하여 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 각각의 홀 에지는, 상 권선(7)에서의 역기전력의 극성 변화를 나타낸다. 따라서, 제어기(14)는 역기전력의 제로 크로싱(zero-crossing)과 동기하여 상 권선(7)을 커뮤테이션한다.

커뮤테이션(commutation)은, 상 권선(7)을 통과하는 전류의 방향을 반전하기 위하여, DIR1과 DIR2를 반전시키는 것을 포함한다(즉, DIR1을 해제하고 DIR2를 설정, 또는 DIR2를 해제하고 DIR1을 설정). 상 권선(7)은 커뮤테이션 포인트에서 프리휠링할 수 있다. 따라서, DIR1과 DIR2를 반전시키는 것에 추가하여, 인버터(10)가 구동 상태로 복귀할 수 있도록, 제어기(14)는 FW#를 설정한다.

제어기(14)는 2개의 전류 센서 신호, 즉 I_SENSE_1 및 I_SENSE 2를 모니터링한다. 상 권선(7)에서의 전류가 과전류 역치(overcurrent threshold)을 초과할 때, 제어기(14)는 FW#를 해제함으로써 모터(3)를 프리휠링시킨다. 프리휠링은 프리휠 기간 T_FW 동안 계속되고, 그 기간 동안 상 권선(7)에서의 전류는 과전류 역치 미만의 수준까지 감쇠될 것으로 예상된다. 상 권선(7)에서의 전류가 과전류 역치를 계속하여 초과한다면, 제어기(14)는 프리휠 기간 T_FW 동안 상 권선(7)을 다시 프리휠링시킨다. 만약 그렇지 않으면, 제어기(14)는 FW#를 설정함으로써 상 권선(7)을 여자시킨다. 따라서, 제어기(14)는 각각의 하프 사이클(half-cycle) 동안 상 권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠링시킨다.

도 5는 가속 모드에서 작동 시, 몇몇 홀 기간 동안의 홀 신호, 제어 신호, 상 전류(phase current)의 파형을 도시하고 있다.

제어기(14)는 고정된 프리휠 기간 T_FW를 채용할 수 있다. 그러나, 프리휠 기간 동안, 대응하는 전기적 각도(electrical angle)는 회전자 속력과 함께 증가한다. 따라서, 전류와 전력이 상 권선(7) 내로 구동되는 나머지 전기적 각도는 감소한다. 또한, 회전자 속도가 증가함에 따라, 상 권선(7)에 유도된 역기전력은 증가한다. 그 결과, 프리휠링하는 동안 상 전류는 더 급격한 비율로 감쇠된다. 따라서, 고정된 프리휠 기간을 채용하기 보다는, 대신에 제어기(14)는 회전자 속력에 따라 변화하는 프리휠 기간을 채용한다. 특히, 제어기(14)는 회전자 속력이 증가함에 따라 감소하는 프리휠 기간을 채용한다. 따라서, 제어기(14)는 복수의 회전자 속력 각각에 대한 프리휠 기간 T_FW를 저장한 프리휠 룩업 테이블(lookup table)을 포함한다. 제어기(14)는, T_PD로부터 결정된 현재의 회전자 속력을 사용한 프리휠 룩업 테이블을 인덱싱(indexing)함으로써, 주기적으로 프리휠 기간을 업데이트한다.

정상 상태 모드( Steady - State Mode )

속력 역치 이상의 속력에서, 제어기(14)는 각각의 홀 에지에 앞서(advance), 그리고 역기전력의 제로 크로싱(zero-crossing)에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 커뮤테이션은 DIR1과 DIR2를 역전시키고, FW#를 설정하는 것을 포함한다.

제어기(14)는 어드밴스 기간(advance period) T_ADV 만큼 각각의 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 특정한 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션하기 위하여, 제어기(14)는 선행하는 홀 에지에 대응하여 동작한다. 선행하는 홀 에지(n)에 대응하여, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간 T_COM(n)을 계산한다. 제어기(14)는, 선행하는 홀 에지로부터 시간 T_COM(n) 이후에 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 그 결과, 제어기(14)는 후속 홀 에지(n+1)에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 제어기(14)가 커뮤테이션기간 T_COM(n)을 계산하는 방식이 이하 설명된다.

가속 모드에서와 같이, 상 권선(7)에서의 전류가 과전류 역치를 초과할 때마다, 제어기(14)는 상 권선(7)을 프리휠링시킨다. 프리휠링은 프리휠 기간 T_FW 동안 계속되고, 그 기간 동안 상 권선(7)에서의 전류는 과전류 역치 미만의 수준까지 감쇠할 것이 예상된다. 상 권선(7)에서의 전류가 과전류 역치를 계속하여 초과하면, 제어기(14)는 상 권선(7)을 다시 프리휠링시킨다. 그렇지 않은 경우, 제어기(14)는 상 권선(7)을 여자시킨다. 따라서, 가속 모드에서와 같이, 제어기(14)는 상 권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠링시킨다.

가속 모드에서 작동할 때, 제어기(14)는 각각의 전기적 하프 사이클의 전기간에 걸쳐 상 권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠링시킨다. 이에 반해, 정상 상태 모드에서 작동할 때에는, 일반적으로 각각의 전기적 하프 사이클의 오직 일부에만 걸쳐 있는 전도 기간 T_CD 동안, 제어기(14)는 상 권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠링시킨다. 전도 기간의 마지막에, 제어기(14)는 FW#를 해제함으로써 권선을 프리휠링시킨다. 프리휠링은 제어기(14)가 모터(3)를 커뮤테이션할 때까지는 무한히 계속된다.

도 6은 정상 상태 모드에서 작동 시, 몇몇 홀 기간 동안의 홀 신호, 제어 신호, 상 전류를 도시하고 있다.

제어기(14)는, 전력 공급원(2)의 전압 변화(DC_SMOOTH로부터 결정됨)와 회전자(5) 속력의 변화(T_PD로부터 결정됨)에 대응하여, 어드밴스 기간 T_ADV 및 전도 기간 T_CD를 조정한다. 따라서, 제어기(14)는 어드밴스 룩업 테이블(advance lookup table)과 전도 룩업 테이블(conduction lookup table)을 저장한다. 어드밴스 룩업 테이블은, 복수의 공급 전압과 회전자 속력 각각에 대한 어드밴스 기간 T_ADV를 저장한다. 마찬가지로, 전도 룩업 테이블은 복수의 공급 전압과 회전자 속력 각각에 대한 전도 기간 T_CD를 저장한다.

제어기(14)는 공급 전압의 변화(DC_SMOOTH 로부터 결정됨) 및/또는 회전자 속력의 변화(T_PD로부터 결정됨)에 대응하여, 어드밴스 기간, 전도 기간, 프리휠 기간을 주기적으로 업데이트한다. 예컨대, 제어기(14)는 각각의 홀 에지 또는 매 n번째 홀 에지에 대응하여 여러 가지 제어 파라미터를 업데이트할 수 있다. 대안적으로, 제어기(14)는 고정된 기간 이후에, 또는 전력 공급원(2) 전압에서의 제로 크로싱에 대응하여 제어 파라미터를 업데이트할 수 있다.

룩업 테이블은 각각의 전압과 속력 포인트에서 특정한 입력 또는 출력 전력을 얻는 값을 저장한다. 또한, 이 값은 모터 시스템(1)의 효율이 각각의 전압과 속력 포인트에서 특정한 입력 또는 출력 전력에 대하여 최적화되도록 선택된다. 즉, 어드밴스 기간, 전도 기간, 및 프리휠 기간에 대한 값의 여러 가지 세트가 동일한 원하는 입력 또는 출력 전력으로 나타날 수 있다. 그러나, 이러한 값들의 여러 가지 세트로부터, 최적의 효율을 제공하는 단일의 세트가 선택된다. 많은 국가가 주 전력 공급원으로부터 끌어올 수 있는 전류 고조파의 진폭에 대한 엄격한 제한을 부과하는 규정을 가지고 있다. 따라서, 전력 공급원(2)로부터 끌어온 전류 고조파가 요구되는 규정에 부합하면서, 효율이 최적화되도록 이 값들이 선택될 수 있다.

듀티 사이클 보상( Duty - Cycle Compensation )

전술한 바와 같이, 각각의 홀 에지는 회전자(5)의 극성 변화를 나타낸다. 회전자(5)가 상 권선(7)에 역기전력을 유도하기 때문에, 각각의 홀 에지는 역기전력에서의 제로 크로싱과 관련되어 있다. 이상적으로는, 홀 신호의 듀티 사이클이 완벽하게 균형을 이루는데, 즉 각각의 홀 펄스가 기계적 각도와 동일한 크기에 걸쳐 있다는 것이다. 그러나, 모터 시스템(1)의 공차, 특히 회전자 극의 자기화 공차로 인하여, 대개 듀티 사이클에서 불균형이 존재한다. 반면에, 상 권선(7)에 유도된 역기전력은 계속하여 균형을 이룬다. 따라서, 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대한 홀 에지의 각위치가 오프셋(offset)될 수 있다. 특히, 홀 에지의 각위치는 제로 크로싱을 리드(lead) 또는 래그(lag)할 수 있다. 홀 에지의 각위치에서의 이러한 오프셋은, 이하 설명되는 바와 같이, 모터 시스템(1)의 거동과 성능에 악영향을 미칠 수 있다.

정상 상태 모드에서 작동할 때, 제어기(14)는 어드밴스 기간 T_ADV 만큼 역기전력에서의 제로 크로싱에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션하려고 한다. 일단은, 제어기(14)는 각각의 홀 에지가 역기전력에서의 제로 크로싱과 일치하는 것을 기초로 작동한다고 가정하자. 따라서, 제어기(14)는 어드밴스 기간 T_ADV만큼 각각의 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션하려고 한다. 특정한 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션하기 위하여, 제어기(14)는 선행하는 홀 에지(n)로부터 일 세트의 시간 T_COM(n) 이후에 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 따라서, 커뮤테이션 기간 T_COM(n)은 다음과 같이 정의될 수 있다:

T_COM(n) = T_PD(n-1) - T_ADV

여기에서, T_PD(n-1)는 홀 에지(n)에 바로 선행하는 홀 기간이며, T_ADV는 어드밴스 기간이다.

각각의 홀 에지가 역기전력에서의 제로 크로싱과 일치하는 경우, 제어기(14)는 정확히 요구된 어드밴스 기간 T_ADV 만큼 각각의 제로 크로싱에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션할 것이다. 그러나, 제로 크로싱에 대한 홀 에지의 각위치에 오프셋이 존재하는 경우, 그 대신 제어기(14)는, 이하 도 7을 참조하여 설명되는 바와 같이, 요구된 어드밴스 기간 T_ADV와 다른 기간에 상 권선(7)을 커뮤테이션할 것이다.

도 7은 일정한 속력으로 작동하는 모터 시스템(1)의 기계적 사이클을 도시하고 있다. 각각의 기계적 사이클의 주기는 200 ㎲이다. 어떠한 듀티 사이클 불균형도 없다면, 홀 기간 T_PD(n)의 길이는 50 ㎲일 것이다. 그러나, 모터 시스템(1)에서의 공차로 인하여, 기계적 사이클의 제1 홀 기간은 60 ㎲, 제2 홀 기간은 30 ㎲, 제3 홀 기간은 70 ㎲, 제4 홀 기간은 40 ㎲ 이다. 따라서, 듀티 사이클 불균형은 60:30:70:40 이다.

이제, 제어기(14)는 20 ㎲의 어드밴스 기간 T_ADV 및 식: T_COM(n) = T_PD(n-1) - T_ADV에 의해 정해진 커뮤테이션 기간 T_COM(n)을 채용한다고 가정하자. 기계적 사이클의 제1 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간 T_COM(1) 을 계산한다. 제1 홀 에지에 바로 선행하는 홀 기간 T_PD(0)는 40 ㎲이고, 어드밴스 기간 T_ADV는 20 ㎲이기 때문에, 커뮤테이션 기간 T_COM(1)은 20 ㎲이다. 따라서, 제어기(14)가 제1 홀 에지로부터 20 ㎲ 이후에 상 권선을 커뮤테이션하고, 이것은 역기전력에서의 제로 크로싱에 대한 30 ㎲의 어드밴스 기간에 해당한다. 기계적 사이클의 제2 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 그 다음 커뮤테이션 기간 T_COM(2)를 계산한다. 선행하는 홀 기간 T_PD(1)이 60 ㎲이고, 어드밴스 기간 T_ADV가 20 ㎲이기 때문에, 커뮤테이션 기간 T_COM(2)는 40 ㎲이다. 따라서, 제어기(14)는 제2 홀 에지로부터 40 ㎲ 이후에 상 권선을 커뮤테이션한다. 그 결과, 역기전력에서의 그 다음 제로 크로싱에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션하지 않고, 제어기(14)는 제로 크로싱에 동기하여 상 권선을 커뮤테이션한다. 기계적 사이클의 제3 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간 T_COM(3)을 다시 계산하는데, 본 예시에서 T_COM(3)는 10 ㎲이다. 따라서, 제어기(14)는 제3 홀 에지로부터 10 ㎲ 이후에 상 권선을 커뮤테이션하는데, 이것은 역기전력에서의 그 다음 제로 크로싱에 대해 50 ㎲의 어드밴스 기간에 해당한다. 마지막으로, 기계적 사이클의 제4 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간 T_COM(4)를 계산하는데, 본 예시에서 T_COM(4)는 50 ㎲이다. 따라서, 제어기(14)는 제4 홀 에지로부터 50 ㎲ 이후에 상 권선을 커뮤테이션한다. 그 결과, 역기전력에서의 그 다음 제로 크로싱에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션하지 않고, 제어기(14)는 제로 크로싱으로부터 10 ㎲ 이후에 상 권선을 커뮤테이션한다.

요약하면, 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 20 ㎲ 앞서 상 권선을 커뮤테이션하지 않고, 그 대신에 제어기(14)는 제1 제로 크로싱에 30 ㎲ 앞서고, 제2 제로 크로싱에 동기하고, 제3 제로 크로싱에 50 ㎲ 앞서고, 제4 제로 크로싱으로부터 10 ㎲ 이후에 상 권선을 커뮤테이션한다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 커뮤테이션 기간 T_COM(2)와 T_COM(3)는 서로 일치한다. 따라서, 제어기(14)는 상 권선(7)을 연달아 두 번 커뮤테이션하려고 시도한다. 그 결과, 상대적으로 긴 기간 동안 동일한 방향으로 상 권선(7)을 통하여 전류가 흐르게 된다. 도 7에 도시된 예시에서, 제어기(14)는 각각의 기계적 사이클 중 10 ㎲ 동안은 좌측에서 우측으로(DIR1), 190 ㎲ 동안은 우측에서 좌측으로(DIR2) 상 권선(7)을 통하여 전류가 흐르게 한다. 커뮤테이션 기간의 겹침(clashing) 뿐만 아니라, 어드밴스 기간의 변동(variance)도 모터 시스템(1)의 성능에 악영향을 미친다. 특히, 모터 시스템(1)의 출력 전력 및/또는 효율이 감소될 수 있다. 또한, AC 전력 공급원(2)로부터 끌어온 전류 파형 내에서 고조파의 진폭이 증가하여, 규제 역치를 초과할 수 있다.

따라서, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간 T_COM(n)을 계산하기 위하여, 듀티 사이클 보상 방식을 채용한다. 우선, 아래와 같이 제어기(14)는 하나 이상의 기계적 사이클에 걸쳐 있는 연속적인 홀 에지들 사이의 평균 기간 T_AVE를 구한다:

여기에서, T_PD(i)는 홀 에지(i)와 홀 에지(i+1) 사이의 기간이고, N은 기계적 사이클당 에지들의 총 개수이다. 기계적 사이클의 주기는 홀 신호의 듀티 사이클에서의 어떠한 불균형에 의해서도 영향을 받지 않는다. 따라서, 하나 이상의 기계적 사이클 동안의 연이은 에지들 사이의 기간을 평균함으로써, 듀티 사이클 불균형에 둔감한 평균 홀 기간이 얻어진다.

기계적 사이클의 제1 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 다음 식으로 정의된 커뮤테이션 기간을 계산한다:

T_COM(1) = T_AVE - T_ADV

여기에서, T_AVE는 평균 홀 기간이고, T_ADV는 어드밴스 기간이다. 그리고, 제어기(14)는 제1 홀 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에 상 권선(7)을 커뮤테이션한다.

기계적 사이클의 제2 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간을 다시 계산한다. 그러나, 이번에는 커뮤테이션 기간이 다음과 같이 정의된다:

T_COM(2) = T_COM(1) + T_AVE - T_PD(1)

여기에서, T_COM(1)는 제1 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간이고, T_AVE는 평균 홀 기간이며, T_PD(1)는 제1 홀 에지와 제2 홀 에지 사이의 기간이다. 그리고, 제어기(14)는 제2 홀 에지로부터 시간 T_COM(2) 이후에 상 권선(7)을 커뮤테이션한다.

기계적 사이클의 제3 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간을 다음과 같이 계산한다:

T_COM(3) = T_COM(1) + 2×T_AVE - T_PD(1) - T_PD(2)

여기에서, T_COM(1)는 제1 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간이고, T_AVE는 평균 홀 기간이며, T_PD(1)는 제1 홀 에지와 제2 홀 에지 사이의 기간이고, T_PD(2)는 제2 홀 에지와 제3 홀 에지 사이의 기간이다. 그리고, 제어기(14)는 제3 홀 에지로부터 시간 T_COM(3) 이후에 상 권선(7)을 커뮤테이션한다.

마지막으로, 기계적 사이클의 제4 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간을 다음과 같이 계산한다:

T_COM(4) = T_COM(1) + 3×T_AVE - T_PD(1) - T_PD(2) - T_PD(3)

여기에서, T_COM(1)는 제1 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간이고, T_AVE는 평균 홀 기간이며, T_PD(1)는 제1 홀 에지와 제2 홀 에지 사이의 기간이고, T_PD(2)는 제2 홀 에지와 제3 홀 에지 사이의 기간이며, T_PD(3)는 제3 홀 에지와 제4 홀 에지 사이의 기간이다. 그리고, 제어기(14)는 제4 홀 에지로부터 시간 T_COM(4) 이후에 상 권선(7)을 커뮤테이션한다.

도 8은 모터 시스템(1)의 기계적 사이클을 도시하고 있는데, 여기에서 커뮤테이션 기간이 전술한 보상 방식을 이용하여 계산된다. 기계적 주기, 듀티 사이클 불균형, 및 어드밴스 기간은 도 7에 도시된 실시예로부터 바뀌지 않았다. 기계적 사이클의 주기가 200　㎲이고, 기계적 사이클당 4개의 홀 에지가 있으며, 평균 홀 기간 T_AVE는 50 ㎲이다. 따라서, 제1 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간 T_COM(1)은 30 ㎲이고, 이것은 역기전력에서의 제1 제로 크로싱에 대한 20 ㎲의 어드밴스 기간에 대응된다. 제2 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간 T_COM(2)은 20 ㎲이고, 이것은 역기전력에서의 제2 제로 크로싱에 대한 20 ㎲의 어드밴스 기간에 대응된다. 제3 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간 T_COM(3)은 40 ㎲이고, 이것은 역기전력에서의 제3 제로 크로싱에 대한 20 ㎲의 어드밴스 기간에 대응된다. 마지막으로, 제4 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간 T_COM(4)는 20 ㎲이고, 이것은 역기전력에서의 제4 제로 크로싱에 대한 20 ㎲의 어드밴스 기간에 대응된다.

따라서, 제어기(14)는 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱을 어드밴스 기간 T_ADV 만큼 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 또한, 커뮤테이션 포인트들의 겹침이 존재하지 않는다. 그에 반해, 도 7에 도시된 실시예에서는, 역기전력에서의 제로 크로싱 이전에, 제로 크로싱에서, 및 제로 크로싱 이후에 커뮤테이션이 일어난다. 또한, 2개의 커뮤테이션 포인트들의 겹침이 존재하지 않는다. 따라서, 듀티 사이클 보상 방식을 채용할 때, 모터 시스템(1)의 거동이 더욱 안정적이다. 그 결과, 모터 시스템(1)의 출력 전력 및/또는 효율이 향상된다. 또한, AC 전력 공급원(2)로부터 끌어온 전류 파형은 감소된 고조파를 가지게 된다.

전술한 듀티 사이클 보상이 있는 경우, T_AVE, T_COM 및 T_PD를 측정하기 위해 단일의 타이머가 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 홀 에지에 대응하여, 제어기(14)의 타이머가 리셋(reset)되고, 비교 레지스터(compare register)가 T_COM(1)으로 로딩된다. 타이머와 비교 레지스터가 일치할 때, 정류기(14)는 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 타이머는 정지하지 않고, 그 대신에 제2 홀 에지가 될 때까지 계속하여 카운트한다. 제2 홀 에지에 대응하여, T_PD(1)에 대응하는 타이머 값이 메모리에 저장되고, 타이머가 리셋되며, 비교 레지스터가 T_COM(2)로 로딩된다. 하나의 기계적 사이클이 지난 다음, 제어기(14)의 메모리는 T_PD(1), T_PD(2), T_PD(3), 및 T_PD(4)를 저장한다. T_AVE를 얻기 위하여 이러한 기간들을 합산하여 4로 나눌 수 있다.

전술한 실시예에서, 정상 상태 모드에서 작동할 때, 제어기(14)는 역기전력에서의 제로 크로싱에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 그 이유는, 회전자의 속력이 증가함에 따라, 홀 기간이 감소하고, 따라서 상 인덕턴스(phase inductance)와 관련된 시상수(time constant; L/R)가 점점 더 중요해지기 때문이다. 각각의 제로 크로싱을 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션함으로써, 공급 전압이 역기전력에 의해 부스트(boost)된다. 그 결과, 상 권선(7)을 통과하는 전류의 방향이 더 급격하게 반전될 수 있다. 또한, 회전자 속력이 증가함에 따라, 상 권선(7)에 유도된 역기전력도 마찬가지로 증가하고, 이것은 결국 상 전류가 증가하는 비율에 영향을 미치게 된다. 각각의 제로 크로싱에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션함으로써, 상 전류가 역기전력을 리드할 수 있게 되고, 이것은 더 느린 증가를 보상하는데 도움이 된다. 그리고 이로 인해 단기간의 음의 토크가 발생되지만, 이것은 일반적으로 양의 토크에서의 후속 이득(gain)에 의해 충분히 보상된다. 따라서, 관련된 회전자의 상대적으로 높은 속력으로 인하여, 정상 상태에서 작동할 때 제어기(14)는 커뮤테이션을 앞당긴다. 그러나, 모터 시스템(1)이 정상 상태 모드 내에서 더 낮은 속력으로 작동하면, 커뮤테이션을 앞당길 필요가 없을 수 있다. 또한, 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱 이후까지 커뮤테이션을 지연시킴으로써, 최적의 효율 및/또는 최소의 전류 고조파가 얻어질 수 있다. 따라서, 정상 상태 모드에서 작동할 때, 제어기(14)는 역기전력에서의 제로 크로싱에 대해 커뮤테이션을 앞당기거나, 동기시키거나, 또는 지연시킬 수 있다. 그 결과, 제1 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간이 다음과 같이 좀 더 일반적으로 정의될 수 있다:

T_COM(1) = T_AVE + T_PS

여기에서, T_PS는 위상 편이 기간으로, 이 기간은 음(앞당긴 커뮤테이션), 영(동기 커뮤테이션), 양(지연된 커뮤테이션)일 수 있다. 그리고, 제어기(14)는, 공급 전압 및/또는 회전자 속력에 대응하여, 위상 편이 기간 T_PS를 조정할 수 있다.

제어기(14)는, 각각의 모터 시스템(1)에서의 특유한 소정의 변동에 대해 각각의 커뮤테이션 기간 T_COM(n)을 교정할 수 있다. 예컨대, 제어기(14)는 회전자(5)에 대한 홀 효과 센서(13)의 정렬 불량에 대해 각각의 커뮤테이션 기간을 교정할 수 있다. 커뮤테이션 기간에 대한 어떠한 교정도 제1 커뮤테이션 기간 T_COM(1)에만 적용되어야 한다. 이것은 후속 커뮤테이션 기간 T_COM(n)이 제1 커뮤테이션 기간에 의존하기 때문이다. 따라서, 제1 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간은 다음과 같이 좀 더 일반적으로 정의될 수 있다:

T_COM(1) ∝ T_AVE + T_PS

그리고, 후속 홀 에지에 대한 커뮤테이션 기간은 다음과 같이 정의될 수 있다:

에지 선택( Edge Selection )

듀티 사이클 보상의 상기 예시에서, 60 ㎲ 홀 펄스의 상승 에지는 각각의 기계적 사이클의 제1 홀 에지로서 취급되었다. 그 대신에 만약 60 ㎲ 홀 펄스의 하강 에지가 제1 홀 에지로서 취급된다면, 제어기(14)는 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱을 20 ㎲가 아니라, 10 ㎲ 앞서 상 권선을 커뮤테이션할 것이다. 어드밴스 기간에서의 이러한 차이점은, 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대한 2개의 홀 에지의 각위치에 서로 다른 오프셋이 존재하기 때문에 발생한다. 따라서, 상 권선(7)이 커뮤테이션되는 시간은 각각의 기계적 사이클의 제1 에지로서 어떤 홀 에지가 선택되는지에 의존한다. 모터 시스템(1)이 작동하는 동안, 제어기(14)는 각각의 기계적 사이클의 제1 에지로서 동일한 홀 에지를 일관되게 선택할 것이다.

하지만, 모터 시스템(1)의 파워가 온/오프 될 때, 제어기(14)는 각각의 기계적 사이클의 제1 에지로서 서로 다른 홀 에지를 선택할 수 있다. 그 결과, 모터 시스템(1)의 성능이 각각의 파워 온/오프에 따라 변화할 수 있다. 모터 시스템(1)의 성능이 일관되도록 하기 위하여, 제어기(14)는 각각의 기계적 사이클의 제1 에지로서 기준 에지를 선택하는 에지 선택 방식을 채용한다. 이하 설명되는 바와 같이, 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대한 기준 에지의 각위치가 모터 시스템(1)의 각각의 파워 온(power on)과 동일하도록, 기준 에지가 선택된다. 그 결과, 모터 시스템(1)의 성능이 각각의 파워 온/오프와 일치한다.

먼저, 제어기(14)는 4개의 연이은 홀 펄스의 기간 T_PD(n)를 측정한다. 제어기(14)는, 홀 신호의 상승 에지(rising edge)와 하강 에지(falling edge) 중 오직 하나에만 대응하여 홀 펄스를 측정한다. 그 결과, 제어기(14)에 의해 측정된 제1 홀 펄스는 일관되게 상승 리딩 에지(rising leading edge) 또는 하강 리딩 에지(falling leading edge)를 가질 것이다. 그리고, 제어기(14)는 다음과 같은 조건에서 기준 에지로서 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 선택한다:

T_PD(1) + T_PD(2) ≥ T_PD(3) + T_PD(4)

그렇지 않으면, 제어기(14)는 기준 에지로서 제3 홀 펄스의 리딩 에지를 선택한다.

따라서, 제어기(14)는 2개의 피연산자(operand)를 비교한다. 제1 피연산자는 기계적 사이클의 대략 절반에 걸쳐 있는 제1 기간 T_PD(1) + T_PD(2)를 포함한다. 제2 피연산자는 기계적 사이클의 나머지 절반에 걸쳐 있는 제2 기간 T_PD(3) + T_PD(4)를 포함한다.

2개의 피연산자가 동일하다면, 이것은 홀 신호의 듀티 사이클이 기계적 사이클의 각각의 절반 동안 균형이 이루어 진다는 것을 의미하는데, 즉 최초 2개의 홀 펄스가 180도의 기계적 각도에 걸쳐 있고, 그 다음 2개의 홀 펄스가 180도의 기계적 각도에 걸쳐 있다는 것을 의미한다. 결과적으로, 제1 홀 펄스의 리딩 에지가 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대해 오프셋되면, 제3 홀 펄스의 리딩 에지는 각각의 제로 크로싱에 대해 동일한 크기만큼 오프셋될 것이다. 이것은 홀 신호의 듀티 사이클이 각각의 기계적 하프 사이클 내에서 불균형을 이루더라도 사실이다. 따라서, 예컨대 기계적 각도로 측정된 홀 신호의 듀티 사이클이 100:80:110:70이 될 수 있다. 각각의 기계적 하프 사이클 내에서 발생하는 불균형에도 불구하고, 제1 홀 펄스(즉, 100도 펄스)의 리딩 에지와 제3 홀 펄스(즉, 110도 펄스)의 리딩 에지 사이의 차이는 기계적 각도로 180도이다. 결과적으로, 제1 홀 펄스 또는 제3 홀 펄스의 리딩 에지가 기준 에지로서 선택될 수 있다. 앞서 제시된 식에서, 제어기(14)는 2개의 피연산자가 동일한 경우, 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 선택한다. 그러나, 제어기(14)는 제3 홀 펄스의 리딩 에지를 동일하게 선택할 수도 있다.

제1 피연산자가 제2 피연산자보다 큰 경우, 제어기(14)는 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 선택하고, 그렇지 않으면 제어기(14)는 제3 홀 펄스의 리딩 에지를 선택한다. 제어기(14)는 그 반대를 동일하게 선택할 수 있는데, 즉 제1 피연산자가 제2 연산자보다 작은 경우, 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 선택할 수 있다. 사실은, 각각의 파워 온 시 동일한 피연산자와 연산자가 채용되는 한, 상기 식에서 연산자(operator)는 ≥, >, ≤, 또는 < 중 어느 하나일 수 있다. 따라서, 좀 더 일반적으로, 제어기(14)는 제1 피연산자와 제2 피연산자를 비교하여, 비교 결과가 논리적 참(true)인 경우 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 선택하고, 비교 결과가 논리적 거짓(false)인 경우 제3 홀 펄스의 리딩 에지를 선택한다.

지금까지는 제1 홀 펄스 또는 제3 홀 펄스의 리딩 에지를 선택하는 것에 대해 언급했다. 그러나, 각각의 파워 온(power on) 시 동일한 선택 기준이 적용되는 한, 일단 특유의 피연산자가 발견되고 나면 제어기(14)에 의해 선택되는 실제 에지는 중요하지 않다. 따라서, 예컨대 제어기(14)는 제1 홀 펄스 또는 제3 홀 펄스의 트레일링 에지(trailing edge)를 선택할 수도 있다.

에지 선택 방식의 결과로서, 제어기(14)는, 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대한 기준 에지의 각위치가 각각의 파워 온과 동일한 기준 에지를 선택한다. 제어기(14)는 기준 에지로서 각각의 파워 온과 다른 홀 에지를 선택할 수 있다. 그러나, 각각의 제로 크로싱에 대한 기준 에지의 각위치는 동일하다. 따라서, 예컨대, 기계적 각도로 측정된 홀 신호의 듀티 사이클은 100:80:110:70일 수 있다. 각각의 파워 온 시, 제어기(14)는 2개의 시퀀스 100:80:110:70 및 110:70:100:80 중 하나로 홀 펄스를 측정할 수 있다. 따라서, 각각의 파워 온 시, 제어기(14)는 100도 펄스 또는 110도 펄스의 리딩 에지를 선택할 것이다. 그러나, 펄스의 리딩 에지는 180도로 나누어 지고, 따라서 전술한 바와 같이, 에지들은 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대해 동일한 각위치를 가질 것이다.

역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대한 에지의 각위치가 동일한 기준 에지를 선택하고, 기준 에지에 대해 상대적인 시간에 상 권선(7)을 커뮤테이션함으로써, 모터 시스템(1)의 거동과 성능은 각각의 파워 온/오프와 일치하게 된다.

피연산자 길이의 차이는 상대적으로 작을 수 있어서, 일시적인 영향을 받을 수 있다. 일시적인 영향에 의해 잘못된 홀 에지가 선택되지 않도록 하기 위하여, 각각의 피연산자는 여러 번의 기계적 사이클에 걸쳐 축적된 홀 펄스의 합계(즉, ∑ (T_PD(1) + T_PD(2)) ≥ ∑　(T_PD(3) + T_PD(4)))를 포함할 수 있다.

모터(3)를 초기 가속하는 동안, 회전자(5)의 속력은 자연히 증가하고, 따라서 각각의 홀 펄스의 길이는 감소한다. 결과적으로, 에지 선택은 모터(3)가 정상 상태 모드로 작동할 때까지 연기될 수 있다. 그러나, 정상 상태 모드로 작동하는 경우에도, 모터(3)의 속력 변동은 어떤 홀 에지가 기준 에지로서 선택되는지에 영향을 미칠 수 있다. 예컨대, 홀 신호의 듀티 사이클은 기계적 각도로 92:90:90:88일 수 있다. 각각의 파워 온 시, 제어기(14)는 2개의 시퀀스 92:90:90:88 및 90:88:92:90 중에서 하나로 홀 펄스를 측정할 수 있다. 제어기(14)에 의해 측정된 시퀀스와 상관없이, 각각의 파워 온 시 제어기(14)는 92도의 리딩 에지를 선택해야 한다. 회전자(5)의 속력이 일정하고, 각각의 기계적 사이클의 길이가 200 ㎲라고 가정해 보자. 제어기(14)는 2개의 시퀀스를 51:50:50:49 ㎲와 50:49:51:50　㎲로 각각 측정할 것이다. 따라서, 예상된 바와 같이, 각각의 파워 온 시 제어기(14)는 51 ㎲ 펄스(즉, 92도 펄스)의 리딩 에지를 일관되게 선택한다. 반면에, 회전자(5)가 가속되는 경우, 제어기(14)는 2개의 시퀀스를 51:49:48:46　㎲와 50:48:49:47　㎲로 각각 측정할 것이다. 제1 시퀀스인 경우, 예상된 바와 같이, 제어기(14)는 51 ㎲ 펄스(즉, 92도 펄스)의 리딩 에지를 선택한다. 그러나, 제2 시퀀스인 경우, 제어기(14)는 50 ㎲(즉, 90도 펄스)의 리딩 에지를 선택한다. 따라서, 기준 에지가 회전자 속력이 변화할 때 선택되는 경우, 각각의 파워 온과 다른 홀 에지가 선택될 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 극복하는 기준 에지 선택의 대안적 방법이 이하 설명될 것이다.

전술한 방식에서는, 제어기(14)는 2개의 피연산자를 비교한다. 제1 피연산자는 기계적 사이클의 대략 절반에 걸쳐 있는 제1 기간 T_PD(1) + T_PD(2)를 포함한다. 제2 피연산자는 기계적 사이클의 나머지 절반에 걸쳐 있는 제2 기간 T_PD(3) + T_PD(4)를 포함한다. 이러한 방식이 회전자 속력의 변화에 시달리는 이유는 제1 기간이 제2 기간을 리드하기 때문이다. 이러한 문제는 제3 기간 및 제4 기간을 도입함으로써 해결될 수 있다. 제1 피연산자는 제1 기간과 제3 기간의 합계를 포함하고, 제2 피연산자는 제2 기간과 제4 기간의 합계를 포함한다. 제1 및 제2 기간처럼, 제3 및 제4 기간은 연속적이고, 각각은 기계적 사이클의 대략 절반에 걸쳐 있다. 그러나, 중요한 것은 제3 기간이 제4 기간을 뒤따른다는 것이다. 제3 기간은 제1 기간과 동일하게 기계적 사이클의 절반에 걸쳐 있다. 유일한 차이점은 두 기간이 서로 다른 기계적 사이클에 걸쳐 측정된다는 것이다. 제4 기간은 제3 기간을 바로 선행하는 기계적 하프 사이클에 걸쳐 있다. 결과적으로, 제4 기간은 제2 기간과 동일하게 기계적 사이클의 절반에 걸쳐 있다. 제1 및 제3 기간과는 대조적으로, 제2 및 제4 기간은 동일한 기계적 사이클에 걸쳐 측정되거나(즉, 제2 및 제4 기간이 완전 동일할 수 있음), 서로 다른 기계적 사이클에 걸쳐 측정될 수 있다. 따라서, 예컨대 제어기(14)는 다음과 같은 조건에서 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 기준 에지로서 선택할 수 있다:

T_PD(1) + T_PD(2) + T_PD(5) + T_PD(6) ≥ 2×(T_PD(3) + T_PD(4))

본 예제에서, 제3 기간은 T_PD(5) + T_PD(6)이고, 제4 기간은 T_PD(3) + T_PD(4)이다. 제2 및 제4 기간이 완전 동일하다는 것이 명백할 것이다. 추가적인 예시로서, 제어기(14)는 다음과 같은 조건에서 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 선택할 수 있다:

T_PD(1) + T_PD(2) + T_PD(9) + T_PD(10) ≥ T_PD(3) + T_PD(4) + T_PD(7) + T_PD(8)

본 추가적인 예시에서, 제3 기간은 T_PD(9) + T_PD(10)이고, 제4 기간은 T_PD(7) + T_PD(8)이다.

2개의 피연산자가 전술한 방법으로 정의되면, 2개의 피연산자는, 홀 신호의 듀티 사이클이 기계적 사이클의 각각의 절반에 걸쳐 균형을 이루고, 회전자(5)의 스피드가 일정하거나 선형적으로 변화할 때에만 동일하다.따라서, 제어기(14)는 관련 홀 펄스를 측정할 때 상 권선(7)의 여자를 중지한다. 그 결과, 회전자(5)의 속력은 측정하는 동안 선형적으로 감소한다. 대안적으로, 회전자(5)의 속력이 일정하거나 선형적으로 변화하는 시간에 홀 펄스를 측정하는 것이 불가능한 경우, 상 여자를 중지하는 단계가 생략될 수 있다. 홀 펄스를 측정할 때 회전자(5)의 속력이 일정하거나 선형적으로 변화하기 때문에, 2개의 피연산자는, 홀 신호의 듀티 사이클이 각각의 기계적 하프 사이클에 걸쳐 균형을 이룰 때에만 동일하다.

이것을 종합하면, 제어기(14)에 의해 채용된 에지 선택 방식은 다음과 같은 방식으로 진행될 수 있다. 우선, 제어기(14)는 상 권선(7)의 여자를 중지한다. 그리고, 제어기(14)는 6개의 연속적인 홀 펄스의 홀 기간 T_PD(n)을 측정한다. 원래의 에지 선택 방식에서처럼, 제어기(14)는 홀 신호의 상승 에지와 하강 에지 중 오직 하나에만 대응하여 홀 펄스를 측정한다. 그 결과, 제1 홀 펄스는 일관되게 상승 리딩 에지 또는 하강 리딩 에지를 가질 것이다. 그리고, 제어기(14)는 다음과 같은 조건에서 제1 홀 펄스의 리딩 에지를 기준 에지로서 선택한다:

T_PD(1) + T_PD(2) + T_PD(5) + T_PD(6) ≥ 2×(T_PD(3) + T_PD(4))

원래의 방식에서처럼, 각각의 파워 온 시 동일한 피연산자와 연산자가 채용되는 한, 상기 식에서의 연산자는 ≥, >, ≤ 또는 < 중 어느 하나일 수 있다.

지금까지는 개별적인 홀 펄스의 길이를 측정하는 것에 대해 언급했다. 그러나, 제어기(14)는 홀 신호의 오직 상승 에지들 사이의 기간 또는 오직 하강 에지들 사이의 기간을 동일하게 측정할 수 있다. 따라서, 더 일반적으로, 홀 신호는 기계적 사이클당 N개의 에지를 가진다고 말할 수 있다. 그리고, 제어기(14)는 에지(n)와 에지(n+N/2) 사이의 제1 기간, 및 에지(n+N/2)와 에지(n+N) 사이의 제2 기간을 측정하는데, 여기에서 n은 소정의 정수이다. 원래의 에지 선택 방식에서, 제1 피연산자는 오직 제1 기간만을 포함하고, 제2 피연산자는 오직 제2 기간만을 포함한다. 대안적인 에지 선택 방식에서, 제어기(14)는 에지(n+mN)와 에지(n+mN+N/2) 사이의 제3 기간, 및 에지(n+mN-N/2)와 에지(n+mN) 사이의 제4 기간을 측정하는데, 여기에서 m은 소정의 정수이다. 제1 피연산자는 제1 기간과 제3 기간의 합계이고, 제2 피연산자는 제3 기간과 제4 기간의 합계이다. m이 1일 때, 제2 및 제4 기간은 완전 동일하다. 따라서, 제2 및 제4 기간은 에지(n+N/2)와 에지(n+N) 사이의 단일 측정에 의해서 얻어진다. 두 가지 에지 선택 방식 모두에 대하여, 제어기(14)는 제1 피연산자와 제2 피연산자를 비교하여, 비교 결과가 논리적 참인 경우 제1 기간의 에지를 선택하고, 비교 결과가 논리적 거짓인 경우 제2 기간의 에지를 선택한다.

지금까지 기준 에지를 선택하기 위한 2개의 서로 다른 방식이 설명되었다. 그러나, 기준 에지를 선택하기 위한 다른 방식도 가능하다. 예컨대, 각각의 기계적 사이클 동안, 홀 신호는 상승 리딩 에지를 가지는 2개의 펄스 및 하강 리딩 에지를 가지는 2개의 펄스를 가진다. 따라서, 제어기(14)는 상승 리딩 에지를 가지는 2개의 홀 펄스의 길이들을 비교할 수 있다. 그리고, 제어기(14)는 기준 에지로서 최장 홀 펄스 또는 최단 홀 펄스의 상승 에지를 선택할 수 있다. 2개의 홀 펄스가 동일한 길이를 가진다면, 제어기(14)는 하강 리딩 에지를 가지는 2개의 홀 펄스의 길이들을 비교할 수 있다. 그리고, 제어기(14)는 기준 에지로서 최장 홀 펄스 또는 최단 홀 펄스의 하강 에지를 선택할 것이다. 2개의 홀 펄스가 동일한 길이를 가진다면, 이것은 홀 신호의 듀티 사이클이 각각의 기계적 하프 사이클에서 균형이 이루어지고, 반복된다는 것을 의미하는데, 즉 기계적 사이클의 절반들 2개가 서로 구별될 수 없다(예컨대, 95:85:95:85). 본 예시에서, 제어기(14)는 기준 에지로서 홀 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 선택할 수 있다.

에지 선택은 모터 시스템(1)이 각각의 파워 온과 일치하여 거동하게 하는 이점을 가진다. 그럼에도 불구하고, 모터 시스템(1)의 성능 향상은, 에지 선택이 채용되든지 채용되지 않든 지에 관계없이, 듀티 사이클 보상을 채용함으로써 얻어질 수 있다. 예컨대, 기준 에지로서 선택된 에지에 관계없이, 듀티 사이클 보상을 채용할 때 제어기(14)는 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱에 대해 상 권선(7)을 동일한 기간에 의해 커뮤테이션한다. 또한, 커뮤테이션 포인트들의 겹침도 존재하지 않는다. 그에 반해, 듀티 사이클 보상이 채용되지 않을 때, 제어기(14)는 역기전력에서의 제로 크로싱에 대해 상 권선(7)을 상이한 기간에 의해 커뮤테이션한다. 도 7에 도시된 예시에서, 제어기(14)는 역기전력에서의 제로 크로싱에 앞서거나, 동기되거나, 제로 크로싱 이후에 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 또한, 커뮤테이션 포인트들의 겹침이 발생할 수 있다. 결과적으로, 에지 선택이 큰 이점을 가짐에도 불구하고, 이러한 에지 선택이 모터 시스템(1)의 향상된 성능을 얻기 위하여 필수적인 것은 아니다.

지금까지 영구자석 모터(3)를 가지는 모터 시스템(1)에 대해 언급했지만, 듀티 사이클 보상 방식 및/또는 에지 선택 방식은 자기저항 기계, 모터, 및 발전기를 포함하는 다른 유형의 전기 기계의 상 여자를 제어하는데 사용될 수 있다. 전기 기계는 하나 이상의 상 권선을 포함할 수 있다. 또한, 소정 유형의 전기 기계에 대하여, 상 권선을 통과하는 전류의 방향은 단방향성(unidirectional)일 수 있다. 따라서, 커뮤테이션은 상 권선을 통과하는 전류의 방향을 반전하는 것을 반드시 포함할 필요는 없다.

영구자석 모터에 대하여, 제어기(14)는 상 권선(7)의 역기전력에서의 제로 크로싱에 대해 상대적인 기간에 상 권선(7)을 여자한다. 자기저항 모터에 대하여, 제어기(14)는 일반적으로 상 권선(7)의 인덕턴스의 최소값에 대해 상대적인 시간에 상 권선(7)을 여자한다. 따라서, 좀 더 일반적으로, 회전자 위치 신호의 각각의 에지는, 역기전력에서의 각각의 제로 크로싱 또는 상 인덕턴스의 최소값과 관련된다고 말할 수 있다.

전술한 실시예의 모터(3)는 4극 회전자(5)를 포함한다. 그러나, 제어기(14)는, 더 많은 회전자 극(pole)을 가지는 전기 기계를 구동하기 위한, 듀티 사이클 보상 방식 및/또는 에지 선택 방식을 채용할 수 있다. 듀티 사이클 보상 방식을 채용할 때, 회전자 위치 신호의 제1 에지와 후속 에지에 대한 커뮤테이션 기간이 다음과 같이 계속 정의될 수 있다:

채용된 구체적인 에지 선택 방식은 결국 회전자 극의 개수에 의존할 것이다.

전술한 실시예에서 채용된 회전자 위치 센서(13)는 홀 효과 센서인데, 이것은 영구자석 회전자의 위치를 센싱하기 위한 비용 효율적인 방법을 제공한다. 그러나, 회전자(5)의 위치를 나타내는 신호를 출력할 수 있는 대안적인 방법이 동일하게 채용될 수 있다. 예컨대, 제어 시스템(4)은 디지털 신호를 출력하는 광학 인코더를 포함할 수 있다. 대안적으로, 고정자(6)는 복수의 상 권선을 포함할 수 있다. 비여자(non-excited) 상 권선에 유도된 역기전력은 회전자(5)의 위치를 결정하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 제로 크로스 디텍터(zero-cross detector)가 비여자 상 권선에 유도된 역기전력을 디지털 신호로 전환하는데 사용될 수 있다.

Claims

전기 기계를 제어하는 방법으로서,
회전자 위치 신호의 제1 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에 상기 전기 기계의 상 권선을 커뮤테이션(commutation)하는 단계, 및
상기 회전자 위치 신호의 제2 에지로부터 시간 T_COM(2) 이후에 상기 전기 기계의 상기 상 권선을 커뮤테이션(commutation)하는 단계를 포함하고,
T_COM(2) = T_COM(1) + T_AVE - T_PD 이고, 여기에서 T_AVE는 상기 회전자 위치 신호의 에지들 사이의 평균 기간이고, T_PD는 제1 에지와 제2 에지 사이의 기간인,
전기 기계 제어 방법.
제1항에 있어서,
T_COM(1) ∝ T_AVE + T_PS 이고, 여기에서 T_PS는 위상 편이 기간인, 전기 기계 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 상 권선을 여자하는데 사용된 공급 전압과 상기 전기 기계의 속력 중 적어도 하나에서의 변화에 대응하여, 상기 위상 편이 기간 T_PS를 변화시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계 제어 방법.
제1항에 있어서,
T_AVE는, 하나 이상의 기계적 사이클에 걸쳐 있는 상기 회전자 위치 신호의 에지들 사이의 평균 인터벌(interval)인, 전기 기계 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 에지와 상기 제2 에지는 각각 상기 전기 기계의 기계적 사이클 각각의 제1 에지와 제2 에지인, 전기 기계 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 회전자 위치 신호의 상기 제1 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에 상기 상 권선을 커뮤테이션하는 단계, 및 기계적 사이클에 걸쳐 있는 상기 회전자 위치 신호의 각각의 후속 에지로부터 시간 T_COM(n) 이후에 상기 상 권선을 커뮤테이션하는 단계를 더 포함하고,

이며, 여기에서 T_PD(i)는 상기 회전자 위치 신호의 에지(i)와 에지(i+1) 사이의 기간인, 전기 기계 제어 방법.
전기 기계를 위한 제어기로서,
회전자 위치 신호를 수신하기 위한 입력 및 상기 전기 기계의 상 권선을 커뮤테이션하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 출력하기 위한 하나 이상의 출력을 포함하고,
상기 제어기는, 상기 회전자 위치 신호의 제1 에지로부터 시간 T_COM(1) 이후에, 그리고 상기 회전자 위치 신호의 제2 에지로부터 시간 T_COM(2) 이후에 상기 상 권선을 커뮤테이션하기 위한 제어 신호를 발생시키고,
T_COM(2) = T_COM(1) + T_AVE - T_PD 이고, 여기에서 T_AVE는 상기 회전자 위치 신호의 에지들 사이의 평균 인터벌이고, T_PD는 상기 제1 에지와 상기 제2 에지 사이의 인터벌인,
전기 기계 제어기.
전기 기계를 위한 제어 시스템으로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 제어 시스템.
영구자석 모터 및 제8항에 따른 제어 시스템을 포함하는 모터 시스템.