KR101716589B1 - 전기적으로-정류된 다중-위상 직류 전류 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기적으로-정류된 다중-위상 직류 전류 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 일반적인 방법에 관한 것이며, 이 방법은, (a) 360°에 걸친 상이한 위상으로 정류 디바이스에 의해 특정된 스위치-온 지속기간(ΔT)을 갖는 권선 시스템 내의 복수의 테스트 전압 펄스들을 생성하고; (b) 각각의 테스트 전압 펄스의 스위치-온 기간의 만료 시에 테스트 전압 펄스들의 전류 응답들의 전류 값들을 측정하고; (c) 테스트 전압 펄스의 위상의 팩터로서 바람직하게는, 진폭(IEMK)을 갖는 사인곡선 기본파 및 진폭(Und)을 갖는 연관된 제 1 고조파의 합성(superimposition)으로부터 주기적 근사화 함수에 의해 측정된 전류값들을 근사화하고 - 상기 사인곡선 기본파는 고정자의 카운터 EMF 전압의 시간순 진행(chronological progression)을 따르고 상기 제 1 고조파는 직류 전류 모터의 고정자의 시간순 진행을 따름 - ; (d) 상기 근사화 함수의 기본파 및 제 1 고조파의 진폭 비 값(IEMF/IInd)을 결정하고; (e) 진폭 비(IEMF/IInd)의 팩터로서 근사화 함수의 제 1 고조파의 아규멘트로부터 의 EMF 각도로서 회전자의 위치를 결정하는 것을 트징으로 하며, 상기 EMF 각도는 근사화 함수에 대해 고정자의 카운터 EMF 전압의 사인곡선 진행의 위상 오프셋을 표시하고, 유도율(inductivity) 각도는 근사화 함수에 대해 고정자의 유도율의 사인곡선 진행의 위상 오프셋을 표시한다.

Description

전기적으로-정류된 다중-위상 직류 전류 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DETERMINING THE ROTOR POSITION OF AN ELECTRONICALLY-COMMUTED MULTI-PHASE DIRECT CURRENT MOTOR}
본 발명은 2개 이상의 폴 카운트(pole count) 및 다중위상 권선 시스템을 갖고 권선 시스템에서 위상 전압들을 생성하기 위한 정류(commutation) 디바이스를 갖는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 DC 모터는 고정자 및 회전자를 포함한다.
이러한 전기적으로 정류된 DC 모터들(BLDC 모터들 또는 EC 모터들)은 일반적으로 알려져 있고, 회전자로서 예를 들어, 회전 여기 필드(rotating excitation field)에 의해 구동되는 영구 자석을 포함한다. 여기 필드는 예를 들어, 그의 권선 위상들을 통전(energise)하기 위해 서로에 대해 위상-오프셋되는 사다리꼴 또는 사인곡선 전류 파형들을 이용하여 스타-연결(star-connection) 또는 델타-연결로 구성되는 3-위상 권선 시스템에 의해 생성된다.
BLDC 모터의 정류는 통상적으로 예를 들어, 위상 위치 및 진폭면에서 상이한 권선 시스템을 통해 복수의 전류들을 생성하도록, 전력 스위치들, 예를 들어, MOSFET들로 구성된 트리플 하프-브리지(triple half-bridge)를 알려진 방식으로 이용함으로써 BLDC 모터의 권선 시스템의 권선들의 개별 위상 전류들의 마이크로프로세서- 또는 소프트웨어-기반 개-루프 또는 폐-루프 제어에 기반해서 수행된다. 전력 반도체들은 최적의 정류 시간들을 결정하기 위해 회전자의 회전자 위치를 알 필요가 있는 마이크로프로세서에 의해 제어된다. 회전자 위치는 센서들 없이, 또는 부가적인 센서 시스템을 이용하여 확인될 수 있다.
센서들 없이 BLDC 모터의 회전자의 회전자 위치를 확인하기 위한 다양한 방법들이 알려져 있다. 방법들의 제 1 그룹에서, 현재의 회전자 위치는 현재 통전되지 않는 권선 위상들에서 유도 역 전압(induced back voltage; EMF)의 원점 교차들(zero crossovers)을 분석함으로써 확인되는데, 그 이유는 원선 시스템에서 유도된 전압 벡터는 회전자 위치와 고유하게 연관되기 때문이다. 그러나 이 분석은 회전자가 정적임을 가정한다. 이러한 방법은 회전자가 매우 느리게 회전하는 중일 때에도 이용될 수 있지만, 확인된 회전자 위치의 에러들은 회전 속도가 증가하면 증가한다.
방법들의 제 2 그룹은 BLDC 모터의 인덕턴스의 변동에 기초한다. 영구 자석으로서, 회전자는 자기 비대칭을 생성하는데, 그 이유는 자기저항(reluctance)이 횡 방향(q-축)에서 보다 회전자의 자화의 방향(d-축)에서 더 크기 때문이다. 이는 회전자 위치에 의존하는 BLDC 모터의 인덕턴스를 초래한다. 자기 축이 회전자의 d-축과 일치하는 그 고정자 권선 위상은 최소 인덕턴스를 갖고, 자기 축이 q-축과 일치하는, 즉 90°회전된 그 권선 위상은 최대 인덕턴스를 갖는다. BLDC 모터의 비-통전된 상태에서, 영구 자석으로서 회전자의 남극 및 북극은 동일한 효과를 갖고 이에 따라 이러한 가변 인덕턴스의 특성은 전기적 변수들의 주기성을 2번 갖는다. 이러한 180°모호성(ambiguity)은 완전한 위치 정보를 위해 해소되어야 한다. 이를 행하기 위해, 전압 신호는 그로부터 회전자 위치를 결정하기 위해, 고정자에서 포화를 감소 또는 상승시키도록, 즉 대응하는 인덕턴스를 감소 또는 증가시키도록 회전자의 방향에 따라 인가된다.
예를 들어, 문서 AT 395 487 B는 전압 펄스들에 의해 생성된 전류 펄스들 및 연관된 전압 펄스들이 검출되고 결과적인 인덕턴스가 결정되는 회전자 위치를 결정하기 위한 이러한 유도성 접근법을 개시한다. 이들 인덕턴스 값들은 그로부터 사인곡선 특성들 내의 현재 위치를 확인하기 위해 둘레 주위의 사인곡선 특성에 할당된다. 이 알려진 방법에 따라, 회전자가 회전할 때 측정 결과에서 발생하는 EMF 전압을 보상할 수 있도록 제 2 측정이 수행되어야 한다.
본 발명의 목적은 모든 동작 상태들에서 BLDC 모터의 회전자 위치를 높은 확실성으로 결정하는데 이용될 수 있는, 처음에 언급된 타입의 방법을 정의하는 것이다.
본 발명은 제 1 항의 특징들을 갖는 방법을 제안한다.
상기 청구항은 2 이상의 폴 카운트 및 다중위상 권선 시스템을 갖고 권선 시스템에서 위상 전압들을 생성하기 위한 정류 디바이스를 갖는 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터(electronically commutated multiphase DC motor)의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법을 제공하고, DC 모터는 회전자 및 고정자를 포함한다. 본 발명에 따른 방법은 (a) 정류 디바이스에 의해 권선 시스템에서, 360°에 걸쳐서 분배된 상이한 위상 위치들에서 미리 결정된 온-기간(on-period)(ΔT)을 갖는 복수의 테스트 전압 펄스들을 생성하는 단계; (b) 각각의 테스트 전압 펄스들의 온-기간의 종료 시에 테스트 전압 펄스들에 대한 전류 응답들의 전류 값들을 측정하는 단계; (c) 테스트 전압 펄스들의 위상 위치의 함수로서 진폭(IEMF)을 갖는 기본파(fundamental wave) 및 진폭(IInd)을 갖는 연관된 제 1 고조파의 중첩(superposition)으로 구성된 주기적 근사화 함수에 의해 측정된 전류 값들을 근사화하는 단계로서, 사인곡선 기본파는 고정자의 백(back) EMF 전압의 시간에 걸친 변동을 모델링하고, 제 1 고조파는 DC 모터의 고정자의 인덕턴스의 시간에 걸친 변동을 모델링하는 것인, 상기 근사화하는 단계; (d) 근사화 함수의 기본파 및 제 1 고조파의 진폭들(IEMF 및 IInd)의 진폭 비 값(IEMF/IInd)을 결정하는 단계; (e) 진폭 비(IEMF/IInd)에 따라 근사화 함수의 기본파 아규멘트(fundamental-wave argument)로부터의 EMF 각도로서 및/또는 근사화 함수의 제 1 고조파 아규멘트(harmonic argument)로부터의 인덕턴스 각도로서 회전자 위치를 결정하는 단계를 포함하고, EMF 각도는 근사화 함수에 관하여 고정자의 백 EMF 전압의 사인곡선 특성(sinusoidal characteristic)의 위상 오프셋을 제공하고, 인덕턴스 각도는 근사화 함수에 관하여 고정자의 인덕턴스의 사인곡선 특성의 위상 오프셋을 제공한다.
본 발명은 EMF가 그중에서도, 회전자의 속도 및 위치에 의존한다는 지식에 기초한다. 본 발명의 아이디어는 이어서 간섭 수량(interference quantity)으로서가 아니라 정보 수량으로서 이 EMF를 고려하는데 있다.
따라서 본 발명에 따른 이 방법에서, 회전자의 자기 비대칭의 결과로서 생성되는 가변 인덕턴스 및 EMF 전압은 회전자의 회전자 위치를 결정하기 위해 원하는 신호로서 유리하게 이용된다. 특히 측정된 전류 값들에 관한 자기 비대칭의, 및 EMF의 효과가 대략적으로 동일하게 큰 회전 속도에 대해, 본 발명에 따른 방법을 이용하면 회전자 위치를 올바르게 결정하는 신뢰도 및 결정된 회전자 위치의 정확도를 증가시킨다.
인덕턴스의 효과의 분석 및 EMF의 효과의 분석 그 자체는 알려져 있다는 것이 언급되어야 한다. 그러나 이러한 알려진 해결책들에서, 이 2개의 효과들 중 단지 하나만이 계속 고려되거나, 또는 제 2 효과의 효과를 제거하거나 최소화하기 위한 시도가 이루어진다. 이들 해결책들과 달리, 본 발명에서, 양자의 효과들이 위치를 확인하는데 기여하고 그에 따라 확인된다.
유리한 실시예들 및 개발들은 종속 청구항들에서 그리고 도면들의 그림들을 참조하여 상세한 설명에서 드러난다.
본 발명의 유리한 실시예에서, 진폭 비(IEMF/IInd)의 큰(large) 값(A)(A ≥a1 >> 1)에 대해, EMF 각도는 회전자의 회전자 위치로서 결정된다. 이 큰 진폭 비는 DC 모터의 높은 회전 속도를 나타내며, 이 높은 속도에서, EMF 전압의 효과는 두드러지고 그에 따라 회전자의 자기 비대칭에 의해 야기되는 모터의 가변 인덕턴스의 효과는 무시할만 하다. 회전자의 회전자 위치는 기본파 아규멘트로부터 직접적으로 간단히 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 진폭 비(IEMF/IInd)의 작은(small) 값(A)(A ≤ a2 << 1)에 대해, 인덕턴스 각도는 180°모호성(ambiguity)으로 회전자의 방향으로서 결정된다. 진폭 비의 이 작은 값은, 회전자가 정적이거나 느리게 회전할 때 발생하고, 그에 따라 근사화 함수의 기본파의 대응하는 진폭이 무시할만하고, 그에 따라 회전자의 방향이 단순히 제 1 고조파 아규멘트로부터 결정될 수 있다는 것의 결과로 어떠한 EMF 전압도 발생하지 않거나 단지 낮은-값 EMF 전압만이 발생한다. 180°모호성을 제거하기 위해, 추가의 측정은, 그로부터 회전자 위치를 결정할 수 있기 위해, 고정자에서 포화를 감소 또는 증가시키도록, 즉 대응하는 인덕턴스를 감소 또는 증가시키도록 회전자의 방향에 따라 전압 신호를 인가함으로써 알려진 방식으로 수행된다.
본 발명의 방법에 따른 높은 정도의 강건성은, 진폭 비(IEMF/IInd)의 값(A)(a2 < A < a1, 및 a2 << 1 및 a1 >> 1)에 대해, 회전자의 회전자 위치가 EMF 각도 및/또는 인덕턴스 각도로부터 결정되는 경우, 본 발명의 특히 바람직한 개발에서 달성된다. 이러한 진폭비는, 회전자의 자기 비대칭에 의해 야기되는 모터의 가변 인덕턴스 및 EMF 전압 둘 다가 측정된 전류 값들에 관한 인지 가능한 효과를 갖는 모터의 동작 상태들에 대응한다.
여기서 일 실시예에 따라, 회전자의 회전자 위치에 대한 값이 EMF 각도 및 인덕턴스 각도의 가중화된 값들로부터 결정되는 경우 유리하며, 여기서 이 가중화는 EMF 각도 및 인덕턴스 각도의 값들에 따라 수행된다. 이 가중화는 또한 고정된 비로 수행될 수 있다. 이는 탐색되는 회전자 각도에 대한 높은 정확도를 달성한다.
또한, 일 실시예에 따라, EMF 각도와 인덕턴스 각도 간의 모터-특정 위상 차이가 결정되고, 위상 차이에 대한 값은 EMF 각도 및/또는 인덕턴스 각도로부터 결정된 회전자의 회전자 위치의 값들의 타당성(plausibility)을 검사하는데 이용되는 경우 특히 유리하다. EMF 각도와 인덕턴스 각도 간의 이러한 위상 차이는 각각의 모터에 대해 상수값이고, 확인될 수 있으며, 보통 +π/4 또는 -π/4 중 어느 하나와 동일하다. 이 값은 이어서 EMF 각도 및/또는 인덕턴스 각도에서 측정 에러에 대한 표시자로서 이용된다.
본 발명의 추가의 실시예에 따라, 진폭 비(IEMF/IInd)의 값(A)(a2 < A < a1, 및 a2 << 1 및 a1 >> 1)에 대해, 근사화 함수의 절대 최소치의 값은, EMF 각도와 인덕턴스 각도 간의 모터-특정 위상 차이가 +π/4 인 것으로 확인되는 경우 회전자의 회전자 위치로서 이용된다. 한편, -π/4의 위상 차이의 경우, 근사화 함수의 절대 최소치의 값은 개발에 따라 회전자의 회전자 위치로서 이용된다. 이는 근사화 함수의 빠른 그래픽 분석이 분석적 분석(analytical analysis)에 추가하여 또한 가능하다는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 유리한 실시예에서, 제 1 고조파 근사화 함수의 인덕턴스 각도는 특정한 모터에 대해 확인되는 차이 값을 이용하여 EMF 각도와 인덕턴스 각도 간의 감산 연산에 의해 교체된다. 회전자의 회전자 위치의 보다 높고 양호하게 신뢰 가능한 결정을 발생시키는 더 양호한 근사화 성능은 이러한 방식으로 전개된 근사화 함수를 이용하여 달성된다.
일 개발에 따라, 이러한 전개된 근사화 함수로부터, 회전자의 회전자 위치를 표현하는 EMF 각도는 기본파 아규멘트 및 제 1 고조파 아규멘트로부터 단순하고 직접적으로 획득된다.
특히 바람직한 실시예에서, 근사화 함수는 테스트 전압 펄스들의 위상 위치의 함수(αs)로서 진폭을 갖는 사인곡선 기본파 및 진폭을 갖는 연관된 제 1 고조파의 중첩(superposition)으로부터 형성된다. 사인 함수가 바람직하게는 선택된다. 그러나 근사화 함수는 예를 들어, 인덕턴스의 변동 또는 EMF가 사인곡선이 아닌 경우 이것과 상이할 수 있다.
위의 실시예들 및 개발들은 임의의 실제적인 방식으로 서로 결합될 수 있다. 추가의 가능한 실시예들에서, 본 발명의 개발들 및 구현들은 또한, 이들 결합들이 명시적으로 언급되지 않는 경우 조차도 실시예들에 관하여 위에서 또는 아래에서 설명된 본 발명의 특징들의 결합들을 포함한다. 특히, 당업자는 또한 본 발명의 관련된 기본 형태에 대한 개선들 또는 부가물들로서 개별 양상들을 부가할 것이다.
본 발명은 도면들의 개략도에서 제시되는 실시예를 참조하여 아래에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위해, BLDC 모터의 권선 시스템의 등가의 회로를 포함하고 하프-브리지 및 정류 디바이스를 포함하는 회로도이다.
도 2는 도 1에 따른 BLDC 모터의 권선 시스템으로의 전압 공급을 위한 중간 회로의 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법에 따라 테스트 전압 펄스들을 표현하기 위한 전압 공간 벡터 도면이다.
도 4는 근사화 함수에 대응하는 전류 특성 및 그의 기본파 및 회전자 각도의 함수로서 제 1 고조파를 포함하는 그래프이다.
첨부 도면들은 본 발명의 실시예들의 더 나은 이해를 제공하도록 의도된 것이다. 이들은 실시예들을 예시하며, 본 발명의 원리들 및 개념들을 설명하기 위해 상세한 설명과 함께 이용된다. 다른 실시예들 및 언급된 이점들 중 다수는 도면들로부터 자명하게 된다. 도면들의 엘리먼트들은 반드시 제 축적대로 그려질 필요는 없다.
도면들에서, 동일하고 동일한 기능 및 효과를 갖는 엘리먼트들은 달리 언급이 없으면 동일한 참조 부호들에 의해 표시된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 설명하기 위해 BLDC 모터의 권선 시스템의 등가의 회로를 포함하고 하프-브리지 및 정류 디바이스를 포함하는 회로도를 도시한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 스타-연결된 U, V 및 W 위상들을 갖는 권선 시스템(2)으로서 표현되는, 2의 폴 카운트를 갖는 3-위상 브러시리스(brushless) DC 모터(BLDC 모터)(1)는 정류 디바이스(3)에 의해 구동된다. 위상들(U, V 및 W) 각각은 하프-브리지에 의해 제어되지만, 도 1은 위상(W)에 대한 단지 하나의 하프-브리지(3a)만을 도시한다. 제어 유닛, 예를 들어, 마이크로프로세서(3b)와 함께 위상들(U, V 및 W)에 대한 이들 하프-브리지들은 정류 디바이스(3)를 형성한다.
위상들(U, V 및 W) 각각은 권선 인덕턴스(LPh), 권선 저항(RPh) 및 백(back) EMF를 각각 표현하는 전압 소스(UEMF_U, UEMF_V 및 UEMF_W)를 포함한다.
위상(W)에 대한 하프-브리지(3a) 및 그에 따른 다른 위상들(U 및 V)에 대한 하프-브리지들은 알려진 방식으로, 트랜지스터 스위치들(SH 및 SL)로서 MOSFET로 구성되며, 각각은 프리휠링 다이오드들(freewheeling diodes)(도시되지 않음)을 포함한다. 도 1에서 도시된 바와 같이, 위상(W)은 하프-브리지(3a)의 위상 접촉(K)에 연결되며, 상응하게 또한 다른 위상들(V 및 W)은 연관된 하프-브리지들의 위상 접촉들에 연결된다.
하프-브리지(3a) 및 다른 하프-브리지들은, 하이-측 MOSFET(SH)가 중간-회로 전압(UZ)의 전위에 있고, 로우-측 MOSFET(SL)이 기준 전위(접지)에 있는 결과로, 중간-회로 전압(UZ)에 연결된다.
중간-회로 전압(UZ)은 배터리 전압(Ubat)에 연결된 중간 회로에 의해 도 2에서 도시되는 바와 같이 생성되며, 이 회로는 길이방향 암(longitudinal arm)의 공급 레지스터(Rsup) 및 중간-회로 인덕터(LZin) 및, 기준 전위(접지)에 있는 병렬 길이방향 암의 션트(shunt) 레지스터(Rs)를 포함한다. 중간-회로 커패시터(Cz)는 2개의 길이방향 암들에 연결된다.
하프-브리지들의 트랜지스터 스위치들의 스위칭 상태들에 의존하여, 각각의 위상(U, V 및 W)은 중간-회로 전압(Uz)의 전위 또는 기준 전위(접지) 중 어느 하나에 인가되고, 그에 의해 위상 전류(IPh_U, IPh_V 및 IPh_W)를 초래하는 위상 전압(UPh_U, UPh_V 및 UPh_W)을 각각 생성한다.
위상(U)에 대한 하프-브리지(3a) 및 위상들(V 및 W)에 대한 각각의 하프-브리지들은 서로 독립적으로 다음의 상태들을 가정할 수 있다:
- 하이 상태:
하이-측 MOSFET(SH)가 활성이다. 중간-회로 전압이 위상(U, V 및 W)에 각각 인가된다.
- 로우 상태:
로우-측 MOSFET(SL)가 활성이다. 기준 전위(GND)가 위상(U, V 및 W)에 각각 인가된다.
- 트리스테이트(Tristate) 상태:
양자의 MOSFET들(SH 및 SL)이 비활성이다. 권선 인덕턴스들(LPh)로 인해, 전류는 MOSFET들의 프리휠링 다이오드들을 통해 흐를 수 있다. EMF 전압(UEMF_U, UEMF_V 및 UEMF_W)이 각각 위상들(U, V, W)에서 생성된다.
BLDC 모터(1)의 회전자의 회전자 위치를 결정하기 위해, 회전자의 d-축 및 이에 수직인 q-축의 방향에서 그의 상이한 인덕턴스가 이용되며, 이러한 가변 인덕턴스는 BLDC 모터(1)의 회전자의 자기 비대칭으로부터 발생하며, 이 회전자는 막대(bar) 자석의 형태이다.
회전자가 BLDC 모터(1)의 고정자에서 회전할 때, 백 EMF 전압(UEMF)은 위상(U, V 및 W)에서 생성된다. 인덕턴스는 백 EMF 전압(UEMF)의 특성의 주파수에서 2번 변동한다. 이 회전자 위치를 결정하기 위해 수행되는 측정 및 분석은 또한 가변 인덕턴스 외에도, 백 EMF 전압을 고려한다. 이를 행하기 위해, 테스트 전압 펄스들이 BLDC 모터(1)의 권선 시스템(2)에서 생성되고, 이들의 전류 응답들이 전류 값들로서 측정되고, BLDC 모터(1)의 회전자의 회전자 위치를 결정하기 위해 분석된다.
이들 테스트 전압 펄스들은 정류 디바이스(3)의 위상(W)에 대한 하프-브리지(3a) 및 위상들(U 및 V)에 대한 하프-브리지들의 적절한 제어에 의해 생성된다.
하프-브리지들에 대해 12개의 제어 옵션들이 존재하며, 그에 의해 전류가 BLDC 모터(1)의 권선 시스템(2)에 구동될 수 있다. 12개의 제어 옵션들은 전압 벡터들을 발생시키며, BLDC 모터(1)의 권선 시스템(2)에서 벡터들의 방향은 한 번에 30°회전되고, 아래의 표에서 나열된다.
번호 위상 U 위상 V 위상 W αs[°]
0 로우 하이 하이 0
1 로우 트리스테이스 하이 ~30
2 로우 로우 하이 60
3 트리스테이스 로우 하이 ~90
4 하이 로우 하이 120
5 하이 로우 트리스테이스 ~150
6 하이 로우 로우 180
7 하이 트리스테이스 로우 ~210
8 하이 하이 로우 240
9 트리스테이스 하이 로우 ~270
10 로우 하이 로우 300
11 로우 하이 트리스테이스 ~330
이들 전압 벡터들은 0에서 11로 넘버링되며, 여기서 0으로 넘버링된 전압 벡터는 위상(U)의 방향에서 벡터를 정의한다. 1 내지 11로 넘버링된 다른 전압 벡터들은 0으로 넘버링된 전압 벡터에 관하여 각도 αs 회전된다.
표에서의 제어 패턴에 따라, 0으로 넘버링된 전압 벡터 및 짝수 전압 벡터들은 V0, V2, V4, V6, V8 및 V10에 의해 표시된 테스트 전압 벡터들로서 생성되며, 이는 도 3의 공간 벡터 도면에서 도시된다.
표에서 1, 3, 5, 7, 9 및 11로 넘버링된 전압 벡터들은 하프-브리지가 트리스테이트 상태를 갖는 위상에 의해 생성된다. 유도된 전압 및 그에 의해 생성되는 프리휠링 전류의 결과로서, 이들 전압 벡터들의 방향은 이론적 방향과 상이할 수 있으며, 이는 단지 근사 각도 값들만이 이들 전압 벡터들의 각도(αs)로서 표에서 주어지기 때문이다.
표에서의 제어 패턴에 따라, 정류 디바이스(3)는 미리 결정된 온-기간(ΔT)을 갖는 BLDC 모터(1)의 권선 시스템(2)에서 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8 및 V10)을 생성하는데 이용된다.
전류 응답들은 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8 및 V10)에 기초하여 전류 값들(I0, I2, I4, I6, I8 및 I10)로서 측정되고, 온-기간(ΔT)의 종료 시에 중간-회로 전류(IZ)의 변화(ΔI(αs))를 구성하며, 여기서 αs = 0°, 60°, 120°, 180°, 240° 및 300°이다. 각도(αs)는 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8 및 V10)에 관한 전류 값(ΔI(αs))의 의존도를 특징화한다. 용어(I(αs))는 용어(ΔI(αs))를 위해 아래에서 이용된다.
6개의 전류 값들(I(αs))(여기서 αs = 0°, 60°, 120°, 180°, 240° 및 300°임)은 n=6인 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8 및 V10)에 기초하여 확인되었고, BLDC 모터(1)의 회전자의 고정자 및 회전자 위치의 전압 벡터 간의 각도(αrs)에 대한 측정된 값들(I0, I2, I4, I6, I8 및 I10)로서 도 4의 그래프에서 플로팅된다. 이들 측정된 값들의 레벨은 주로 가변 인덕턴스 및 유도된 백 EMF 전압에 의존한다.
이들 측정된 값들은 사인 함수들로 구성되는 주기적 근사화 함수(I(αs))에 의해 이제 근사화되며, 여기서 EMF 전압은 기본파에서 재생되고, 가변 인덕턴스의 효과는 기본파의 2배의 주파수에 의해 근사화된다. 다음의 근사화 함수는 DC 컴포넌트(I0), 기본파 및 제 1 고조파에 의해 측정된 값들을 근사화함으로써 획득된다:
Figure 112015016922886-pct00001
여기서
Figure 112015016922886-pct00002
이고,
여기서 I0는 DC 컴포넌트이고, αs는 테스트 전압 벡터(V0)와 각각의 다른 테스트 전압 벡터들(V2, V4, V6, V8 및 V10) 간의 각도이고, IEMF 및 IInd는 각각 백 EMF 전압의 그리고 가변 인덕턴스의 최대 진폭이고, αEMF 및 αInd는 각각, 근사화 함수(I(αs))에 관한 백 EMF 전압의 사인곡선 특성의 위상 오프셋 및 고정자 인덕턴스의 사인곡선 특성의 위상 오프셋을 정의하고, 각각 EMF 각도(αEMF) 및 인덕턴스 각도(αInd)로서 아래에서 지칭된다.
도 4의 그래프는 곡선(K1)으로서 근사화 함수(I(αs))의 특성 및 곡선(K1)에 관하여 각도(αEMF)만큼 오프셋되고 K2에 의해 표시되는, 기본파로서 백 EMF 전압의 사인곡선 특성 및 인덕턴스를 모델링하고, 곡선(K1)에 관하여 각도(αInd)만큼 오프셋되며 K3에 의해 표시되는 제 1 고조파의 특성을 도시한다. DC 컴포넌트(I0)는 도 4에서 도시되지 않는다.
백 EMF 전압의 특성의 주파수를 2번 갖는 가변 인덕턴스로 인해, αInd는 모두에 대한 동일한 값이 값(π) 만큼 증가 또는 감소한다고 가정한다. 그러므로 αInd는 BLDC 모터(1)의 회전자의 d-축의 방향만을 표시하지만, 부호는 초기에 명시적이지 않다(180° 모호성).
근사화 함수(I(αs))는 이제 BLDC 모터(1)의 상이한 동작 상태들에 기초하여 분석되며, 이는 각각 기본파의 그리고 근사화 함수(I(αs))의 제 1 고조파의 상이한 진폭들(IEMF 및 IInd)에서 반영된다. 진폭들(IEMF 및 IInd)의 진폭 비 값(IEMF/IInd)이 이에 따라 고려된다.
IEMF>>IInd의 경우에, BLDC 모터(1)는 매우 빨리 회전하고, 그에 따라, 측정된 전류 값들 상의 백 EMF 전압의 효과는 매우 크고, 가변 인덕턴스에 비해 두드러진다. 그러므로, 진폭 비 값(IEMF/IInd)의 값(A)에 대해, A ≥ a1를 고수하며, 여기서 a1 >> 1이고, 여기서 a1은 특히 모터에 대한 상수로서 선택된다.
그러므로, 제 1 고조파의 컴포넌트는 근사화 함수(I(αs))에서 무시할만하고, BLDC 모터(1)의 회전자의 회전자 각도는 EMF 각도(αEMF)의 값으로부터 직접 결정될 수 있다.
IEMF << IInd의 경우에, BLDC 모터(1)는 정적이거나, 그의 고정자가 매우 느리게 회전중이다. 그러므로, 측정된 전류 값들에 관한 백 EMF 전압의 효과는 무시할만다. 그러므로, 진폭 비 값(IEMF/IInd)의 값(A)에 대해, A ≤ a2를 고수하며, 여기서 a2 << 1이고, a2는 특히 모터에 대한 상수로서 선택된다.
그러므로, 기본파의 컴포넌트는 근사화 함수(I(αs))에서 무시할만하고, BLDC 모터(1)의 회전자의 배향은, 180° 모호성을 제외하고 인덕턴스 각도(αInd)의 값으로부터 결정될 수 있다. 180° 결정은, 그로부터 회전자 위치를 결정할 수 있기 위해, 예를 들어, 고정자에서의 포화를 감소 또는 상승시키도록 회전자의 방향에 따라 전압 신호를 인가함으로써 추가의 측정에 의해 결정되어야 하는데, 즉 대응하는 인덕턴스를 감소 또는 증가시킨다.
백 EMF 전압 및 가변 인덕턴스 둘 다가 측정된 전류 값들의 중요한 컴포넌트들을 구성하는 속도로 BLDC 모터(1)가 회전하는 경우, 진폭 비 값(IEMF/IInd)의 값(A)에 대해, a2 < A < a1가 고수되며, 여기서 a2 << 1 및 a1 >> 1이고, 이들 상수들(a1 및 a2)은 특히 모터에 대해 선택된다.
그러므로, EMF 각도(αEMF) 및 인덕턴스 각도(αInd)는 근사화 함수(I(αs))로부터 결정되고 분석될 수 있는데, 즉 회전자의 회전자 위치는 180° 모호성으로 인해 EMF 각도(αEMF) 및 인덕턴스 각도(αInd 또는 αInd + π)로부터 결정될 수 있다. 180° 결정은 EMF 각도(αEMF)를 이용하여 내려질 수 있다.
BLDC 모터(1)의 회전자의 회전자 위치는 이들 2개의 값들을 가중화함으로써 결정될 수 있는데, 여기서 가중화는 EMF 각도(αEMF) 및 인덕턴스 각도(αInd)의 값들에 따라 수행된다. 가중화는 또한 고정된 비로 수행될 수 있다.
EMF 각도(αEMF) 및 인덕턴스 각도(αInd)에 대한 2개의 값들의 추가의 이용은, 다음의 수학식에 따라, 특히 모터, 즉, 각각의 모터에 대한 상수값을 갖는 이들 2개의 수량들 간의 알려진 관계를 적용함으로써 획득된다:
Figure 112015016922886-pct00003
여기서 αEMF는 EMF 각도를 표현하고, αInd는 인덕턴스 각도이다. 이 각도(αEMK_Ind)의 값은 종종 π/4와 동일하다.
이 관계(2)는 측정 에러에 대한 표시자로서 값(αEMK_Ind)을 이용함으로써 EMF 각도(αEMF) 및 인덕턴스 각도(αInd)에 대한 양자의 값들의 타당성을 검사하는데 이용될 수 있다. 값(αEMK_Ind)이 EMF 각도(αEMF)와 인덕턴스 각도(αInd)의 2개의 값들 간의 차이로부터 너무 급격히 상이한 경우, EMF 각도(αEMF) 및 인덕턴스 각도(αInd)에 대한 값들이 결정된 측정들은 폐기된다.
추가의 분석 방법이 관계(2)로부터 발생한다. 이 각도(αEMK_Ind)가 +π/4의 값을 갖는 경우, 근사화 함수(I(αs))의 제 1 고조파의 최소치(제 1 고조파는 가변 인덕턴스를 모델링함)가 또한 존재하며, 여기서 근사화 함수(I(αs))의 기본파를 모델링하는 백 EMF 전압은 최소이다. 양자의 컴포넌트들은, 근사화 함수(I(αs))의 절대 최소치(absolute minimum)로서 결정될 수 있는 결과로, 이러한 최소치를 보강하는 경향이 있다. 도 4에서 도시된 그래프에서, 이 절대 최소치는 M1에 의해 표시된다. 이 최소치(M1)는 BLDC 모터(1)의 회전자의 회전자 위치의 각도에 대응한다.
이 각도(αEMK_Ind)가 -π/4(또는 3π/4)의 값을 갖는 경우, 최소치 대신, 근사화 함수(I(αs))의 절대 최대치가 BLDC 모터(1)의 회전자의 회전자 위치를 결정하기 위해 확인되어야 한다.
마지막으로, 관계(2)는 또한 인덕턴스 각도(αInd)를 다음의 표현으로 교체함으로써 (1)에 의해 주어진 근사화 함수(I(αs))를 전개하는데 이용될 수 있다:
Figure 112015016922886-pct00004
이는, 각도(αEMK_Ind)에 대한 알려진 값을 포함하고 다음의 수학식에서 의해 주어지는 전개된 근사화 함수(I(αs))를 발생시킨다:
Figure 112015016922886-pct00005
여기서 변수들은 수학식(1) 및 관계(2)의 것들과 동일한 의미를 갖는다.
관계(3)에 의해 주어진 이 전개된 근사화 함수(I(αs))는 측정된 전류 값들(I0, I2, I4, I6, I8, 및 I10)의 근사화를 재차 수행하고, BLDC 모터(1)의 회전자의 회전자 위치를 제공하는 EMF 각도(αEMF)를 결정하는데 이용된다.
본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 위에서 완전히 설명되었지만, 본 발명은 이들 실시예들로 제한되는 것이 아니라 다양한 방식들로 변형될 수 있다.
위에서 설명된 측정 및 분석 방법들에서, 복수의 테스트 전압 펄스들에 대한 전류 응답들이 측정되고 분석되며, 여기서 중간-회로 전압은 BLDC 모터(1)의 권선 시스템에서 테스트 전압 펄스들을 생성하고 전류 값들을 측정하는 동안 일정하다. 이것이 사실이 아닌 경우, 중간 회로(4)에서의 전압 등락들은 측정된 전류 값들의 분석시에 고려되어야 한다.
위에서 제시된 실시예에서, n=6인 테스트 전압 펄스들이 생성되어, 6개의 전류 값들을 이용하여 그로부터 이들 테스트 전압 펄스들의 전류 응답들을 측정한다. 명백히, 6 미만 또는 6초과, 특히 위의 표에서 나열된 모든 12개의 전압 벡터들(연관된 하프-브리지들의 트리스테이트 상태를 갖는 것들을 포함함)은 테스트 전압 펄스들을 생성하기 위해 또한 이용될 수 있다.
또한, 위에서 도시된 실시예에서, 테스트 전압 펄스들에 대한 전류 응답들은 중간 회로(4)의 전류 값들로서, 즉 중간-회로 전류로서 측정된다. 중간-회로 전류들 대신 위상 전류들을 측정하는 것이 또한 가능하다. 위상 전류들에 대한 3개의 측정된 값들(Iph_U, Iph_V 및 Iph_W)이 이어서 테스트 전압 펄스들 각각에 대해 획득되며, 단지 2개의 측정된 값들만이 독립적이다. 이러한 방식으로 획득된 측정된 값들을 중간-회로 전류들로 변환하거나 수학식들(1 및 3)을 상응하게 전개하는 것이 가능하다.
또한, 설명된 방법은 BLDC 모터(1)의 3-위상 권선 시스템이 스타-구성 또는 델타-구성으로 연결되는지에 의존하지 않는다.
마지막으로, 명백히, 3개 초과의 권선 위상들을 갖는 BLDC 모터의 권선 시스템을 갖고 2 초과의 폴들의 폴 카운트에 대해서도 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위해 설명된 방법을 수행하는 것이 또한 가능하다.
본 발명이 6개의 펄스들을 참조하여 위의 실시예들에서 항상 제시되었지만, 이것은 단지 하나의 (예를 들어, 바람직한) 변형이라는 것이 언급되어야 한다. 본 발명은 또한 더 많은 펄스들 또는 더 적은 펄스들이 존재할때도 작동한다는 것은 당연하다.
1 DC 모터
2 DC 모터의 권선 시스템
3 정류 디바이스
3a 하프-브리지
3b 제어 유닛, 마이크로프로세서
4 중간 회로

Claims (11)

  1. 2 이상의 폴 카운트 및 다중위상 권선 시스템(2)을 갖고 상기 권선 시스템(2)에서 위상 전압들(Uph_U, Uph_V, Uph_W)을 생성하기 위한 정류(commutation) 디바이스(3)를 갖는 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터(electronically commutated multiphase DC motor)(1)의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법으로서, 상기 DC 모터(1)는 회전자 및 고정자를 포함하고, 상기 방법은,
    (a) 상기 정류 디바이스(3)에 의해 상기 권선 시스템(2)에서, 360°에 걸쳐서 분포된 상이한 위상 위치들에서 미리 결정된 온-기간(on-period)(ΔT)을 갖는 복수의 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8, V10)을 생성하는 단계;
    (b) 각각의 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8, V10)의 온-기간(ΔT)의 종료 시에 상기 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8, V10)에 대한 전류 응답들의 전류 값들(I0, I2, I4, I6, I8, I10)을 측정하는 단계;
    (c) 상기 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8, V10)의 위상 위치(αs)의 함수로서 진폭(IEMF)을 갖는 기본파(fundamental wave) 및 진폭(IInd)을 갖는 연관된 제 1 고조파의 중첩(superposition)으로 구성된 주기적 근사화 함수(I(αs))에 의해 상기 측정된 전류 값들(I0, I2, I4, I6, I8, I10)을 근사화하는 단계로서, 상기 기본파는 상기 고정자의 백(back) EMF 전압의 시간에 걸친 변동을 모델링하고, 상기 제 1 고조파는 상기 DC 모터(1)의 고정자의 인덕턴스의 시간에 걸친 변동을 모델링하는 것인, 상기 근사화하는 단계;
    (d) 상기 근사화 함수(I(αs))의 기본파 및 제 1 고조파의 진폭들(IEMF 및 IInd)의 진폭 비 값(IEMF/IInd)을 결정하는 단계; 및
    (e) 진폭 비(IEMF/IInd)에 따라 상기 근사화 함수(I(αs))의 기본파 아규멘트(fundamental-wave argument)로부터의 EMF 각도(αEMF)와 상기 근사화 함수(I(αs))의 제 1 고조파 아규멘트(harmonic argument)로부터의 인덕턴스 각도(αInd) 중 적어도 하나로서 회전자 위치를 결정하는 단계로서, 상기 EMF 각도(αEMF)는 상기 근사화 함수(I(αs))에 관하여 상기 고정자의 백 EMF 전압의 사인곡선 특성(sinusoidal characteristic)의 위상 오프셋을 제공하고, 상기 인덕턴스 각도(αInd)는 상기 근사화 함수(I(αs))에 관하여 상기 고정자의 인덕턴스의 사인곡선 특성의 위상 오프셋을 제공하는 것인, 상기 회전자 위치를 결정하는 단계
    를 포함하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진폭 비(IEMF/IInd)의 큰(large) 값(A)(A ≥a1 >> 1)에 대해, 상기 EMF 각도(αEMF)는 상기 회전자의 회전자 위치로서 결정되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 진폭 비(IEMF/IInd)의 작은(small) 값(A)(A ≤ a2 << 1)에 대해, 상기 인덕턴스 각도(αInd)는 180° 모호성(ambiguity)으로 상기 회전자의 방향으로서 결정되고,
    상기 180°모호성은 가변 인덕턱스의 특성이 전기각 360°내에서 전기적 변수들의 주기성을 2번 갖는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 진폭 비(IEMF/IInd)의 값(A)(a2 < A < a1, 그리고 a2 << 1 및 a1 >> 1)에 대해, 상기 회전자의 회전자 위치는 상기 EMF 각도(αEMF)와 상기 인덕턴스 각도(αInd) 중 적어도 하나로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전자의 회전자 위치에 대한 값은 상기 EMF 각도(αEMF) 및 상기 인덕턴스 각도(αInd)의 가중화된 값들로부터 결정되고, 이 가중화는 상기 EMF 각도(αEMF) 및 상기 인덕턴스 각도(αInd)의 값들에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 EMF 각도(αEMF)와 상기 인덕턴스 각도(αInd) 간의 모터-특정 위상 차이(αEMF_Ind)가 결정되고, 상기 위상 차이(αEMF_Ind)에 대한 값은 상기 EMF 각도(αEMF)와 상기 인덕턴스 각도(αInd) 중 적어도 하나로부터 결정된 회전자의 회전자 위치에 대한 값들의 타당성(plausibility)을 검사하는데 이용되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 진폭 비(IEMF/IInd)의 값(A)(a2 < A < a1, 및 a2 << 1 및 a1 >> 1)에 대해, 상기 근사화 함수(I(αs))의 절대 최소치(M1)의 값은, 상기 EMF 각도(αEMF)와 상기 인덕턴스 각도(αInd) 간의 모터-특정 위상 차이(αEMF_Ind)가 +π/4 인 것으로 확인되는(ascertain) 경우, 상기 회전자의 회전자 위치로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 진폭 비(IEMF/IInd)의 값(A)(a2 < A < a1, 및 a2 << 1 및 a1 >> 1)에 대해, 상기 회전자의 회전자 위치는, 상기 EMF 각도(αEMF)와 상기 인덕턴스 각도(αInd) 간의 모터-특정 위상 차이(αEMF_Ind)가 -π/4인 것으로 확인되는 경우, 상기 근사화 함수(I(αs))의 절대 최소치의 값으로서 이용되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 근사화 함수(I(αs))의 인덕턴스 각도(αInd)는 특정 모터에 대해 확인되는 차이 값(αEMF_Ind)을 이용하여 상기 EMF 각도(αEMF)와 상기 인덕턴스 각도(αInd) 간의 감산 연산에 의해 교체되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 EMF 각도(αEMF)는 상기 기본파 아규멘트 및 상기 제 1 고조파 아규멘트로부터 회전자 위치로서 결정되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 근사화 함수(I(αs))는 상기 테스트 전압 펄스들(V0, V2, V4, V6, V8, V10)의 위상 위치(αs)의 함수로서 진폭(IEMF)을 갖는 사인곡선 기본파 및 진폭(IInd)을 갖는 연관된 제 1 고조파의 중첩으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기적으로 정류된 다중위상 DC 모터의 회전자 위치를 결정하기 위한 방법.
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