KR101785983B1 - 영구 자석 단상 동기 전기 모터 구동 방법 및 이를 구현하는 전자 장치 - Google Patents

Abstract

간단하고 경제적으로 구현으로, 영구 자석을 사용하는 단상 동기 전기 모터를 구동하는 방법으로, 상기 방법은 스위치 온하는 제 1조건 및 제 2조건을 제공하는 스위치의 제어 로직의 적용 단계를 포함하며: 제 1조건은 감지된 역기전력 신호가 전기 계통 전압 신호와 동일한 부호인 경우 검증되고; 제 2조건은 상기 역기전력 신호가 자신의 1차 미분값과 동일한 부호일 때 검증된다.

Description

영구 자석 단상 동기 전기 모터 구동 방법 및 이를 구현하는 전자 장치{METHOD FOR STARTING A PERMANENT MAGNET SINGLE-PHASE SYNCHRONOUS ELECTRIC MOTOR AND ELECTRONIC DEVICE FOR IMPLEMENTING SAID METHOD}

본 발명은, 대부분의 일반적인 측면에 있어서, 단상 영구 자석 동기 전기 모터를 구동하는 방법 및 상기 구동 방법을 구현하는 전기모터와 연관될 수 있는 전자 장치에 관한 것이다.

특히, 단상 영구 자석 동기 전기 모터를 구동하는 방법은 비용과 부피를 감소시키는 큰 필요성에 의하여 특정되는 적용분야에 사용되는 단상 동기 전기 모터들의 구동과 관련된다. 예를 들어, 세탁기 및 식기세척기와 같은 가전제품에서 사용되는 전기 모터들의 구동과 관련된다.

알려진 바와 같이, 고에너지 효율 및 동작 속도의 뛰어난 안정성의 혜택을 받는 동기 회로들은 구동시 상당한 단점을 갖는다.

실제로, 구동 단계에서, 고정자는 0 속도에서 머신의 전원 공급 장치와 커플링되는 주파수 조건까지 도달되어야 한다. 실제로, 상기 주파수 커플링을 위해서는, 기계적 및/또는 전자적 기술적인 설비가 적용되어, 따라서 상당한 생산 비용 및 설치 비용이 수반된다.

특히, 전자 시스템들은 계통 전압의 주파수 및 진폭이 쉽게 변화되게 하여, 구동단계에서 주파수 및 진폭을 변동시키는 인버터 및 초퍼로 구성된 회로의 사용을 포함한다.

또한 상기 회로들은, 모터의 구동 문제점을 만족하게 해결하는 반면, 고도의 복잡성을 갖고 그 결과 장치의 전체 비용에 상당한 영향을 준다. 또한, 상기 회로들은 3상 머신들에 맞춰 개발되고 최적화되어, 2상 동기 모터들 및 모든 저전력 단상 동기 모터들을 제어하는데 지나치게 부담이 되고 부적합하다.

다상 모터들의 동작에 있어서, 다양한 상에 관련된 다양한 권선들에 항상 동시에 전류가 공급(feed)되지는 않는다. 그러므로, 머신에 의해 발생되는 역기전력의 측정을 수행하는, 전류가 공급되지 않는 적어도 하나의 코일이 종종 존재한다. 상기 측정으로 인하여 특정 센서의 도움 없이도 회전자의 위치를 추정하는 것이 가능하며, 충분하게 낮은 비용의 전자시스템으로 제어하는 구동이 가능하다. 그러나, 권선의 상전류가 0과 다른 경우, 단상 모터들의 역기전력이 얻어질 수 없기 때문에, 이런 해결책은 단상 모터들에서는 구현될 수 없다.

또한, 정확하게 단상 모터들은, 특히 영구 자석들의 실시예에서, 그들의 낮은 생산 비용 때문에 시장에서 특히 넓게 사용된다. 현재, 그들의 구동은, 가능한 한도 내의 비용을 정확하게 유지하기 위하여, 일반적으로 기계적 설비로 쉽게 사용된다. 그러나 상기 목적을 위하여 사용되는 기계적 설비들은 에너지 효율 및 소음의 더 큰 문제를 야기한다.

그러므로, 본 발명의 기초를 형성하는 기술적 과제는, 낮은 생산 비용 및 설치 비용으로, 영구자석을 사용하는 단상 동기 모터들의 효율적으로 구동하는 구현이 되는 구동 방법 및 개별의 전자 장치를 고안하는 것이다.

전술한 기술적 과제는 스위치에 의해 전기 계통(grid)과 연결된 권선이 제공되는 고정자 및 영구 자석 회전자를 포함하는 단상 동기 전기 모터 구동 방법에 의하여 해결된다.

이러한 방법은 상기 스위치의 제어 로직을 적용하는 단계를 적어도 하나 포함하고, 이 단계는 권선 내부를 회전하는 전류가 전기 모터에 의해서 생성되는 역기전력과 대체적으로(즉 대부분의 시간) 동일한 부호(sign)로 되게 하기 위한 스위치 온(switch on)되는 두 조건들을 이용한다.

이하 이러한 부호가 어떤 이유로 전기 모터의 우수한 구동을 하게 하는 지에 대해서 간략하게 설명한다.

권선들 내부의 전류에 의하여 순간적으로 발생한 구동 토크 C_M은 내적에 의해 주어진다.

여기서 Φ 는 권선의 자석에 의하여 유도되는 자속의 피크 값이고, θ 는 회전자의 각변위이다.

한편, 역기전력은

이며, 따라서,

회전 속도 ω_m에 상응한 토크값C_M 을 얻기 위하여, 즉 구동동안 브레이크 토크가 아닌 구동 토크를 보장하기 위하여, 전술한 대로 권선에서 순환하는 전류를 역기전력과 동일한 부호로 하는 것이 필요하다.

스위치를 스위치온하는 제 1 조건은, 감지된 역기전력 신호가 전기 계통 전압 신호와 동일한 부호를 갖는 경우 검증되고, 반면에 제 2 조건은 상기 역기전력 신호가 자신의 1차 미분 값과 동일한 부호를 갖는 경우 검증된다.

저비용의 구성요소로 센서가 없는 모드에서 실행될 수 있는 전술한 제어회로는 단상 동기 전기 모터의 간단하고 효율적인 구동을 하게 한다.

역기전력 신호는 센서들의 도움 없이 예를 들어, 권선으로 공급되는 전류가 0인 기간 동안 전기 계통 전압과 스위치 전압 사이의 차이로 쉽게 얻어질 수 있다. 전류가 0인 조건은 스위치 전압이 0과 충분히 다르게 하거나, 또한 션트(shunt)저항을 통해서 평가될 수 있다.

또한, 전술한 제어 로직이 스위치를 스위치 온하는 조건을 제어하기 때문에, 제어로직의 구현에 있어서 스위치는 간단한 TRIAC 스위치가 될 수 있고, TRIAC 스위치는 전류가 0을 통과하는 순간, 전기적 연결을 중단한다.

더 정교한 제어회로는, 전류와 역기전력의 부호의 차이가 있는 경우 스위치를 스위치 오프(switch off)하는 조건을 포함하며, 전류를 중단할 수 있는 스위치뿐만 아니라 고정자 권선의 인덕턴스에서 소멸된 에너지를 흡수하는 적절한 회로가 필요할 수 있다. 이러한 로직은 권선 내부에서 전류가 순환하는 순간, 복잡한 회로들의 구현을 통해, 전류신호 및 역기전력 신호의 예측치의 획득이 또한 필요할 수 있다.

그러나 실질적으로 본 발명에 따른 제어 로직의 제2조건은 고정자 전류가 역기전력과 상이한 상황을 방지하며, 스위치의 스위치 오프 조건을 충분하게 하거나 제어 구조 및 그 실현을 상당히 간단하게 한다.

상기 제1 조건은 구형의(squared) 역기전력 신호와 계통 동기화 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 검증될 수 있다.

제2 조건은 구형의(squared) 역기전력 신호와 역기전력의 구형의 1차 미분 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 또한 검증될 수 있다.

또한, 제 1 조건 및 제 2조건은 계통 동기화 신호와, 역기전력 신호와 적절하게 스케일된 역기전력 신호의 1차 미분 신호 사이에서 획득된 2차 구형의 신호 사이의 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 동시에 검증될 수 있다.

역기전력의 1차 미분이 역기전력보다 앞서기 때문에, 구형의 두 신호들의 합은 구형의 역기전력 신호보다 앞서며; 상기 앞섬은 1차 미분에 영향을 주는 스케일 요소와 함께 증가하며; 구형의 임계값은 또한 상승 엣지(rising edge)를 지연시키고 하강 엣지(falling edge)를 앞당기며; 그 결과, 두 파라미터와 함께 환경(관성질량, 수력-역학 부하, 자기소거(demagnetization)의 위험성)의 요구에 따라, 스위치 온 조건이 허용되는 범위를 설정하는 것이 가능하다.

스위치의 스위치 온은 제어 로직의 제1조건의 발생에 관하여 앞당겨질수 있으며, 역기전력이 계통 전압과 동일한 부호로 취해가고 있는 부호를 변경하는 순간보다 조금 앞서서 스위치가 스위치 온되는 것이 가능하다.

이런 해결책은 회전자의 위상각의 사인(sine)을 갖는 토크와, 회전자 권선에 의해서 나타나는 저항적-유도(ohmic-inductive)회로의 전압신호에 관한 전류 신호의 지연과의 연결을 고려하는 것이 가능하다. 계속하여 위상각이 반대인 경우, 브레이크 토크는 무시될 수 있다. 그러나, 앞선 스위치 온은 회로에 시간을 더 제공하여 전류가 증가시켜, 위상각의 사인이 대체로 동일해지는 경우 상기 전류를 이용할 수 있다.

코깅(cogging) 토크 또는 모터의 부하로 인한 일부 감속의 경우, 스위치의 스위치 온을 억제하는 제2 조건을 방지하기 위해, 역기전력 신호가 자신의 1차 미분값과 다른 부호를 취함에도 불구하고, 1차 미분 부호의 마지막 변화에 부합하여 역기전력 신호의 피크값이 임계값 아래의 모듈을 갖는 경우, 스위치를 스위치 온하게 하는 전술한 제2조건을 완화시키는 것이 가능하다.

또한 제어 로직의 제2조건은, 회전자의 극(pole)이 고정자 극에 접근하는 경우, 즉 역기전력의 부호가 변경되려 하는 상황에서, 스위치의 스위치 온을 억제하길 원한다.

그러나, 전술한 일부 감속은 필수적으로 발생할 상기 중요한 조건 없이, 신호의 음의 1차 미분을 야기한다. 그러나, 이런 환경은, 감속의 발생에 앞서는 역기전력 피크치의 절대값이, 일반적으로 정상 속도의 역기전력의 20%보다 적은, 낮은 값을 취한다는 사실로부터 알 수 있다. 이것이, 상기 값이 특정 임계치에 도달하지 못하는 경우, 제어 로직이 이전 상태를 위반할 수 있는 TRIAC 스위치의 스위치 온을 유리하게 제공할 수 있는 이유이다.

본 발명에 따른 방법은, 제어 로직의 적용 단계 이전에, 회전자가 코깅 토크를 극복하도록 구동되게 의도된 동일한 부호의 일련의 구동 임펄스 전류를 고정자 권선에 공급하는 단계를 포함한다.

그 결과, 제어 로직의 응용 단계의 후속 단계는, 역기전력 신호의 소정의 임계치가 초과되는 경우에만 구동된다.

구동 단계는, 코깅 토크의 발생이 초과되는 경우, 제어 파라미터의 임계치가 선택되어, 고정자의 2개의 연속되는 양극 축 사이에 대응하는 각과 동일한 회전자의 회전각 내에서 변환 단계를 착수한다. 2극의 단상 모터의 특정 예에서는, 제어 로직은 회전자의 첫번째 180도 회전 내에서 개시된다.

특히, 바람직하게, 역기전력이 정상 동작 속도에서의 역기전력의 피크값의 10%와 20% 사이의 임계치를 초과하는 경우, 로직이 적용되게 설계되는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 방법은, 또한 회전자를 소정의 구동위치로 이동시키기 위한 상기 구동 임펄스들과 상이한 부호의 일련의 정렬 임펄스 전류를 권선에 공급하는 예비단계를 포함할 수 있다.

회전자가 2개의 다른 평형 위치들을 갖고 있기 때문에, 전술한 재정렬 동작은, 연속적인 구동 임펄스들이 위치 센서들을 필수적으로 사용하지 않고, 회전자의 회전을 촉진하는 것을 확실하게 한다.

그 결과, 방법은 바람직하게, 정렬 임펄스들의 공급 단계 후 및 구동 임펄스를 공급하는 단계 이전에 대기단계를 포함할 수 있다. 상기 대기 단계는 재정렬 이후 베딩(bedding) 진동을 받는 회전자를 안정화하기에 충분히 길게 지속된다.

정렬 임펄스들처럼 구동 임펄스들은 전기 계통 전압의 부호의 변화에 관하여 초기 각도만큼 지연될 수 있다.

이런 초기 각도는 바람직하게 계통 전압, 회전자 관성질량, 및 회전자 관성질량의 위치에 적당하게 적용될 수 있어서, 최대 가속도를 얻고, 동시에 회전자의 자기소거(demagnetization)를 방지할 수 있다.

특히, 일련의 구동 임펄스동안, 초기 각도를 줄여, 그 결과 점진적으로 강도를 증가시키는 것이 얼마나 바람직한지 알 수 있다.

전술한 기술적 과제는 또한 동기 모터를 구동하는 전자 장치에 의해 해결될 수 있으며, 동기 모터는 처리장치, 상기 처리장치에 의해 제어된 상기 동기 모터에 전류를 공급되는 스위치를 포함하되, 상기 처리 장치는 계통 전압신호 및 스위치 전압 신호를 수신하고, 상기 전자 장치는 전술한 방법을 구현하도록 배치된다. 전술한 바와 같이, 스위치는 TRIAC 종류의 스위치가 될 수 있다.

본 발명의 특징들과 장점들은, 첨부된 도면을 참조함으로써 나타내고 목적을 제한하지 않으며, 후술할 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 더 명확해 질 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 구동 로직에 의해 제어되는 동기 전기 모터를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 동기 전기 모터에 적용된 본 발명에 따른 전자 장치를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 구동 방법의 다양한 단계를 도시한 블록도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 구동 방법의 제 1단계동안 도 1의 동기 모터와 관련된 일부 파라미터들의 시간 그래프를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 구동방법의 제 2단계동안 도 1의 동기 모터와 관련된 일부 파라미터들의 시간 그래프를 도시한다.
도 6는 본 발명에 따른 구동방법의 제 3단계동안 도 1의 동기 모터와 관련된 일부 파라미터들의 시간 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 구동방법의 2 개의 다른 실시예에서의 3단계동안 발생하는 구동 토크의 시간 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 구동 방법의 2 개의 다른 실시예에서의 3단계 동안 도1의 동기 모터와 관련된 일부 파라미터들의 시간 그래프를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 구동 로직에서 사용되는 일부 신호들의 시간 그래프를 나타낸다.

첨부된 도 1을 참조하면, 참조 번호 1은 고정자(10) 및 고정자에 대하여 회전할 수 있는 원통형의 회전자(150)를 포함하는, 영구자석을 사용하는 단상 동기 모터를 식별한다.

고정자(10)는 고정자 자신의 제1극 확장(12a) 및 제2극 확장(12b) 사이에서 회전하게 배치된 회전자(15)를 감싸는 자기 회로로 정의된다. 고정자는 전자 장치(20)에 의하여 전류가 공급되는 두 권선들(11)을 갖는다.

회전자(15)는 외부 경계에 2개의 전혀 다른 반대 자극을 정의하도록 구성된 영구 자석을 포함한다. 회전자축 AR이라는 용어를 통해, 본 명세서는 여기서 정의된 극들 사이의 분리의 이상적인 판 위의 회전자의 지름을 정의할 수 있다.

고정자(10)의 극축 AP에 따라 배치된 극 확장들(12a, 12b)은 형태적인 비대칭성에 의해서 구분되며, 휴지(rest)시 회전자(15)는 고정자(10)의 양극 축(AI)에 대하여 비대칭 각도 θ_R 만큼 기울여진 회전자축 AR로 배치된다.

알려진 이러한 비대칭은 동기모터의 단방향의 구동을 하도록 한다. 본 실시예에서, 회전자 축 AR은 양극 축에 대하여 반시계 방향으로 약 6도 정도 기울여서, 그 결과 동일한 방향으로 회전자의 구동을 촉진한다.

바람직하게 제어 보드의 형태를 취하는 전자 장치(20)는 교류의 전기 계통(22)에 의해 전원이 공급되는, 고정자 권선들(11)로의 전원공급을 조정하도록 구성된, 이러한 특정한 경우에는 TRIAC 스위치인 정적 스위치(21)을 가진다.

TRIAC 스위치(21)는, 바람직하게 마이크로 프로세서의 형태를 취하는, 처리 장치(30)의 PWM 출력(33)에 연결된다. 상기 처리 장치(30)는 후술할 동기 모터(1)의 구동 방법을 구현한다.

처리 장치(30)는 계통 전압 신호(23)를 수신하는 제1입력(31), 스위치의 전압 신호(24)를 수신하는 제2입력(32)를 갖는다.

이런 신호들을 처리함으로써, 처리 장치(30)는, 동기 모터(1)에 의해 생성되고 전류가 0인 순간에 계통 전압 신호(23)와 스위치 전압 신호(24)의 차이에 의하여 얻어지는 역기전력의 간접적인 측정을 수행할 수 있다. 제어 장치(30)는 여전히 스위치의 전압 신호(24)를 평가하고, 특히 스위치 전압 신호(24)가 0값에 충분히 벗어나 있도록 보장하는 상기 전류가 0인 조건을 감지한다.

전류가 0인 기간의 역기전력 측정으로부터, 처리 장치(30)는 상기 힘의 시간 분석을 추정할 수 있다. 그 결과, 처리 장치(30)는 역기전력이 양의 값인 경우 단일 값을 취하고, 그렇지 않은 경우 0 값을 취하는 구형의 역기전력 신호(26); 및 역기전력의 함수가 양의 미분을 갖는 경우 단일 값을 취하고, 그렇지 않은 경우 0의 값을 취하는 구형의 역기전력의 1차 미분 신호(27)를 생성한다.

전자 장치(20)는 또한 계통 동기화 신호(25), 즉 전기 계통 전압이 양의 값을 갖는 경우 단일 값을 갖고 음의 값을 갖는 경우 0의 값을 취하는 신호를 획득하여, 그 신호를 처리장치(30)에 전송하는, 전원 공급 계통의 동기화용 부분(35)을 갖는다.

계통 동기화 신호(25), 구형의 역기전력 신호(26), 및 구형의 역기전력의 기울기(27)의 신호의 시간 그래프는 개략적으로 역기전력의 그래프와 비교되고, 도 9에서 도시된다.

전자 장치(20)는 또한 전압 기준 신호를 처리 장치(30)에 공급하기 위하여 구성된, 처리 장치(30)의 전원 공급부(36)을 갖는다.

동기 모터(1)의 구동은 회전자(15)를 소정의 구동 위치로 이동시키는 제1 정렬 단계를 제공한다.

휴지 상태에서, 회전자(15)는 제1극 확장(12a)과 제2극 확장(12b)이 각각 반대 극성으로 마주보도록 구성된다. 그러나 머신의 구동을 용이하게 하기 위하여, 확실하게 알려진 구동위치가 선호된다.

본 발명에서 도 1에 도시된 소정의 구동 위치는, 회전자(15)의 N극이 고정자(10)의 제2극 확장(12b)을 마주보는 것을 보여준다.

이런 결과를 얻기 위하여, 전자 장치(20)는 TRIAC 스위치(21)를 제어하여 일련의 전류 임펄스들을 권선들(11)에 공급하며, 전류 임펄스들은 본 명세서에서 정렬 임펄스들(50)로 불리우고, 전기 계통(22)의 전압 신호의 소정의 반주기, 구동 위치에 따른 양 또는 음의 기간 동안에 생성된다. 그 결과 적용단계에서, 계통 동기화 신호(23)가 양의 값(또는 선택된 반주기에 따른 음의 값)을 취하는 경우에만, TRIAC 스위치는 스위치 온이 되어야 한다.

위치가 구동을 위해 미리 선택된 위치가 아닌 경우, 생성된 정렬 임펄스들(50)은, 양극 축 AI에 관한 회전 축 AR의 전술한 기울기에 의하여, 회전자(15)의 회전을 구동위치를 향해 촉진한다.

또한, 회전자가 이미 구동위치에 있는 경우, 정렬 임펄스들(50)은 자신의 위치를 변경하지 않는다.

정렬 임펄스들(50)은 바람직하게 TRIAC 스위치(21)의 초기 각도 α 의 조정, 즉 전기 계통(22)의 전압의 0의 통과에 대하여 스위치 온의 지연의 조정을 통해 전자 장치(20)에 의해서 변조될 수 있다.

특히, 상기 초기 각도 α는 계통 전압의 실제 값, 회전자의 관성질량 및 회전자의 위치에 기반하여 조정될 수 있어서, 회전자의 최대 가속도를 보장하는 동안 영구자석의 자기소거 현상을 방지할 수 있다.

설명 목적으로, 도 4의 (a) 내지 (c)는 전술한 정렬 단계(100)진행 동안, 역기전력 e, 계통 전압 T, 회전자의 회전 각도 θ 및 고정자 전류 i에 대한 시간그래프를 도시한다. 3개의 그래프들은 계통 전압의 실제 값을 점차적으로 증가시킴에 따른 세 개의 구현들과 관련이 있다.

본 실시예에서, 회전자(15)를 소정의 구동 위치로 이동하기 위하여, 전기장치(20)는, 음의 반주기에서 양의 반주기로의 계통 전압 통과에 대한 초기 각도 α 로 TRIAC 스위치(21)를 스위치 온 하는 2개의 정렬 임펄스들(50)을 생성한다.

TRIAC 스위치(21)의 스위치 온의 지연은 계통 전압의 실제 값이 증가함에 따라 적절히 증가된다.

회전자를 구동 위치로 이동하는데 필요한 정렬 임펄스들(50)이 생성된 경우, 본 방법은 대기 단계(200)을 제공하여 회전자(15)의 가능한 발진을 감쇄하게 한다.

또한, 임펄스들이 회전자(15)의 위치를 실제로 변경한 경우, 변경된 회전자의 위치는 이미 선택된 구동 위치에 부합하는, 도달된 새 위치 주위를 특정 주기 동안 발진할 것이다. 이런 발진의 감쇄를 기다려서 후속하는 모터의 구동 단계와 만나지 않는 것이 바람직하다.

과정의 대기시간은 다양한 요인들, 우선 회전자(15)의 마찰력 및 관성질량에 의존한다. 작은 크기의 영구구자석들을 사용하는 동기 모터들의 대략적인 시간은 700ms 근방의 임의의 경우 내에 있다.

대기 단계의 마지막에서, 회전자(15)는 소정의 구동 위치에서 멈추는 것이 확실하다.

본 방법의 후속단계는 구동 단계(300)이다. 이 단계는 본 명세서에서는 구동 임펄스들(60)이라 지칭되는, 제2 일련의 전류 펄스들의 생성을 제공하는데, 정렬 임펄스들(50)의 전압 신호와 반대인 전기 계통(22)의 전압 신호의 반주기의 동안 생성된다.

생성된 구동 임펄스들(60)은 바람직하게 증가하는 강도를 갖는다. 강도는, 정렬 임펄스들(50)에 대해서 기술된 바와 같이, 항상 TRIAC 스위치(21)의 초기 각도 α 를 변화시킴에 의해서 조정된다.

회전자(15)의 구동위치때문에, 상기 구동 임펄스들(60)은 회전자의 180도 회전을 야기한다.

우선, 특히 첫번째 (90+ θ_R)°이동(본 기술되는 실시예에서는 96°)에서, 회전자(15)는 회전자를 구동 위치의 반대 방향으로 이동시키려는 경향이 있는 코깅력에 의하여 제동된다. 그 결과, 구동 임펄스들(60)동안 증가하는 역기전력은 아래와 같은 수식에 따라 매 임펄스들의 종단에서 0으로 복귀한다.

여기서 φ 는 권선(11)의 자석에 의해서 유도되는 순간 자속이며, Φ 는 이런 자속의 피크 값이며, ω_m 은 회전자의 회전 속도이고, θ는 회전자의 각변위이다.

코깅력은 회전자 각도의 (45+ θ_R)°에서 자신의 최대 값에 도달하며, θ_R은 회전자가 휴지상태(0 전류)에서 취하는 전류이며, 토크는 사인 그래프로 90°까지 증가하는 전류효과에만 기인하며, 따라서 전류 임펄스는 정상 동작에서의 최대 값의 10% 내지 20%와 동일한 제어 임계치(70)를 초과하도록 상당히 증가되는 코깅력 및 역기전력의 상승을 방지하도록 특정 각도를 초과한다. 전자 장치(20)는, 하나의 구동 임펄스(60) 및 그 다음 임펄스 사이에서, 역기전력 신호의 그래프를 모니터하며; 상기 신호가 제어 임계치(70)를 초과하는 경우, 전자 장치(20)는 후술할 모터의 새로운 제어 로직을 통과한다.

도 5는 전술한 구동 단계(300)의 과정동안 역기전력 e, 계통 전압 T, 회전자의 회전 각θ 및 고정 자 전류 i의 시간 그래프를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 방법은 제어 로직의 적용 단계(400)를 포함하며, 적용 단계(400)는 전기 모터(1)의 정상 동작을 향한 변환을 결정한다.

이 마지막 단계에서, 전자 장치(20)는 TRIAC 스위치(21)를 제어하여 아래와 같은 두 조건이 발생하는 경우에만 스위치 되는 것을 허용한다.

a: 추정된 역기전력 신호가 계통 전압과 동일한 부호를 가진다(제 1조건).

b: 추정된 역기전력 신호가 0으로부터 떨어져야 한다(제 2조건).

제1조건은 계통 동기화 신호(25)와 구형의 역기전력 신호(26) 상에서 수행되는 XNOR 연산을 통해 전자 장치(20)에 의해 구현된다.

제2조건은 구형의 역기전력 신호(26)와 역기전력 신호의 구형의 1차 미분의 구형 신호(27) 사이의 XNOR 연산을 통해 다시 구현된다. XNOR 연산은 두 연산자가 같은 값을 갖고 있는 경우, 즉 0으로부터 떨어진 함수를 정의하는 분석적 조건인 1차 미분의 부호가 함수의 부호와 같은 경우 양의 값을 제공한다.

도 6은 전술한 제어 로직의 응용단계(400)의 과정 동안 역기전력 e, 계통 전압 T, 회전자의 회전 각θ, 및 고정자 전류 i의 시간 그래프를 도시한 것이다.

전술한 로직의 스위치 온은 권선들(11)의 전류의 변환이 회전자(15)의 회전 방향의 구동 토크를 결정하는 경우에만 TRIAC 스위치(21)를 전도상태로 유지하는 경향이 있으며, 후술할 공식화된 조건들로부터 명확해질 것이다.

내적에 의해서 주어진 고정자 전류에 의해 생성되는 구동 토크는:

반면에 역기전력은

이며, 따라서

이다.

ω_m 의 구동 토크 값과 동일한 구동 토크 값 C_M 을 획득하기 위하여, 권선을 회전하는 전류가 역기전력과 동일한 부호를 갖게 하는 것이 또한 필요하다.

이러한 조건에 기반하여, 모터의 바람직한 제어 로직은 역기전력 및 계통 전압이 같은 부호를 취하는 경우(로직을 스위치 온하는 제1조건이 실질적으로 구현되었을 경우) 공급 스위치의 스위치 온을 제공하며, 역기전력 및 전류가 다른 부호를 취하는 경우 스위치 오프를 제공한다. 사용된 스위치가 거의 순간적으로 전류를 스위치 오프시키는 경우, 이런 제어 로직은 회전자(15)의 회전 방향을 향한 구동 토크를 발생시키는바, 브레이크가 걸리지 않는다.

그러나, 한편 단지 실질적으로 구현되는 로직의 스위치 온으로부터 구별하기 위하여 스위치 온/오프라고 부를 수 있는 이런 제어 로직은 본명세서에서 기술된 실시예에 따른 전자 장치(30)에 의해서 중복될 수 없다. 또한, 스위치 오프 조건을 감지하는데 필요한 전류 신호에 필요한 입력을 제공하지 않으며, 적절하게 스위치 오프를 수행할 수 없는 TRIAC 스위치(21)를 사용한다.

로직을 스위치 온 하는 것은, 제2 스위치 온 조건으로 스위치 오프하는 제어를 실질적으로 대체한다. 이런 방법으로, TRIAC 스위치(21)는 역기전력의 주기적 그래프가 자신의 피크치를 이미 초과하는 경우에 스위치 되지 않으며, 이는 변수가 부호를 변경하는 프로세스에 있고, 스위치를 스위치 온함으로써 생성되는 전류 임펄스와 곧 다르게 될 경우에 있기 때문이다. 즉, 제2조건은 선험적으로 스위치 온/ 오프 로직에 따른 스위치 오프를 이끄는 조건들의 발생을 방지한다.

그 결과, 제 2조건에 의하여, 로직의 스위치 온은 동기 모터(1) 회전자(15) 상의 브레이크 토크들의 생성을 방지한다.

로직을 스위치 온하는 제1 조건은, 계통 전압과 달리 역기전력이 부호의 변경 프로세스에 있는 경우, 스위치(21)를 조기 스위치 온함으로써 변경될 수 있다. 이런 경우, 제1 조건은, 역기전력이 계통 전압과 다른 부호라도, 0 값으로 접근하고 소정의 임계치 이하의 절대값을 갖는 경우, 스위치(21)의 스위치 온을 허용한다.

허용된 사전 조치가 과도하지 않는 경우, 전류가 계통 전압에 대해 여전히 지연되는 사실을 고려하는 경우에도 조건은 역기전력과 전류 사이의 매칭에 상당한 영향은 주지 않으며, 이런 방법으로 전류 피크는 빠르게 용이한 구동에 도달한다.

도 8은 초기 구동의 유 또는 무에 대한 제어 로직의 적용단계 동안, 역기전력e, 회전자 전류 i 및 토크 C의 시간 그래프를 비교한다. 초기 구동에 대한 값들은 첨자1에 의해 식별되며, 비초기 구동을 참조하는 값들은 첨자 2를 취한다.

로직을 스위치 온하는 제2 조건은 역기전력의 절대 피크값에 상응하지 않는 회전자(15)를 감속, 예를 들어 코깅 토크 또는 회전자의 부하에 따라 감속함으로써 스위치(21)의 스위치 온을 방지할 수 있다. 이런 경우 상기 조건은 생성된 전류 임펄스가 회전자(15)의 구동 토크를 발생하기 때문에, 과도하게 제한되었다고 증명한다.

단점들을 제한하는데 초점을 맞춰서 과제의 해결수단에서 언급한 설비들을 사용하는 가능성보다, 제 2조건은 어느 경우에도, 원하지 않는 반대에도 불구하고, 구동시 모터의 성능을 상당히 향상시킨다.

이 점에 관해서는, 로직을 스위치 온하는 제 1 조건이 적용되어 발생하는 토크 C_a 와 로직의 2가지 조건 모두가 적용되어 발생하는 토크 C_ab를 비교하는 도 7을 고려한다.

동기화 모터(1)의 동기화 조건이 도달되는 경우, 구동은 완료되고 모터는 정상 동작 속도에 있다.

개시된 방법과 장치는 동기 전기 모터를 낮은 구동 전압, 정상 동작 속도에서의 고효율 및 가동 부분의 낮은 비용을 유지한 채로 구동시키는 것을 가능하게 한다. 고정자 권선들에 사용되는 가동 재료들의 양 또는 효율을 낮출 수 있기 때문에, 상당한 경제적 효과가 될 수 있다. 또한, 고정자 팩(pack)은 낮은 비용과 부피를 의미하는 얇은 두께를 가질 수 있다.

장치와 방법의 또 다른 장점은 영구자석을 사용하는 단상 동기 모터의 구동시 필요한 구동 전압을 감축시킬 수 있다는 사실에서 도출된다. 이런 종류의 머신에서, 구동 전압은 일반적으로 효율성을 최적화하는 정상 동작 전압보다 훨씬 크다. 이러한 제한은 설계자로 하여금 구동하기 위하여 충분하게 낮은 수의 코일들을 제공하도록 강요하여, 효율성을 떨어트린다. 필요한 구동 토크의 감소는, 권선들의 코일들의 수를 증가하는 것이 가능하도록 하여서, 효율성과 온도 드리프트의 큰 이점까지 도달한다.

전술한 구동 로직의 다른 장점은 회전자의 영구자석의 자기소거 현상을 방지하는 사실로부터 도출된다.

이런 현상은 높은 고정자 자기장이 영구자석의 자기장과 반대되는 경우, 즉 회전자가 극 축을 따라 정렬되거나 거의 정렬되고 회전자 권선들을 회전하는 전류가 센 경우에 발생할 수 있다.

전술한 방법에서, 정렬 단계동안, 이런 조건은 초기 각도 α가 잠재적으로 위험한 회전자 구성들의 정확하게 근처에서 전류를 스위치 온하는 것을 지연하는 사실로부터 방지된다.

변환 단계에서, 제어 로직은 회전자의 극 축의 결정적인 정렬 위치에 상응하는, 역기전력의 부호의 변경 근처에서 스위치를 스위치 온할 수 있다. 그러나 전류가 위험한 수준으로 도달하는 필요 시간 동안, 회전자는 정렬 위치로부터 충분히 떨어져서 움직인다. 또한 이 경우 영구자석의 자기소거에 대한 위험이 없다.

당업자는 부수적이고 구체적인 요구를 만족시키기 위하여, 다양한 수정물 및 변형물을 전술한 방법과 세탁기에 도입할 수 있고, 이 모든 것들은 특허청구범위에 의하여 정의되는 본 발명의 보호 범위에 의하여 보호될 것이다.

1: 동기모터
10: 고정자
11: 권선
12a, 12b: 극 확장
15: 회전자
20: 전자 장치
21: TRIAC 스위치
22: 전기 계통
23: 계통의 전압 신호
24: 스위치의 전압 신호
25: 계통의 동기화 신호
26: 역기전력 신호
27: 역기전력의 1차 미분 신호
30: 처리 장치
31: 제1입력
32: 제2입력
33: PWM 출력
35: 동기화용 부분
36: 전원 공급부
50: 정렬 임펄스
60: 구동 임펄스
70: 제어 임계치
θ: 회전자의 회전각
e: 역기전력
i: 고정자 전류
T: 계통 전압
C_a: 스위치 온하는 제 1 조건이 적용되어 발생하는 토크
C_ab: 로직의 2가지 조건 모두가 적용되어 발생하는 토크

Claims (15)

1. 영구 자석 회전자 및 스위치에 의해 전기 계통과 연결된 권선이 제공된 고정자를 포함하는 단상 동기 전기 모터 구동 방법에 있어서,
   상기 방법은 상기 스위치의 제어 로직을 적용하는 적어도 하나의 단계를 포함하고,
   상기 제어 로직은 제1 조건 및 제2 조건을 제공하되, 상기 스위치는 상기 제1 조건 및 제2 조건 하에서 스위치 온 될 수 있고,
   상기 제어 로직의 적용 단계동안, 상기 제1 조건 및 제2 조건은 권선에서 순환하는 전류가 상기 전기 모터에 의해 생성된 역기전력과 동일한 부호(sign)인 것을 보장하는 목적을 가지며;
   상기 제1 조건은 감지된 역기전력 신호가 전기 계통 전압 신호와 동일한 부호를 갖는 경우 검증되고;
   상기 제2 조건은 상기 역기전력 신호가 자신의 1차 미분값과 동일한 부호를 갖는 경우 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스위치를 스위치 온하는 제1 조건은, 구형의(squared) 역기전력 신호 및 계통 동기화 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 조건은, 구형의(squared) 역기전력 신호 및 상기 역기전력의 1차 미분의 구형 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 조건 및 상기 제2 조건은, 상기 역기전력 신호 및 스케일된 역기전력 신호의 1차 미분 신호의 합으로부터 획득된 2차 구형의 신호 및 계통 동기화 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 동시에 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제어 로직의 적용 단계동안, 상기 스위치의 스위치 온이 상기 제1 조건의 발생보다 앞서는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 조건은, 상기 역기전력 신호가 자신의 1차 미분값과 다른 부호를 취하는 경우에, 상기 역기전력 신호의 1차 미분의 부호의 마지막 변화에 부합하는 상기 역기전력 신호의 피크값이 임계값 아래의 절대 값을 갖는 경우 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제어 로직의 적용 이전에, 상기 회전자가 코깅(cogging) 토크를 극복하도록 구동되게 의도된 동일한 부호의 일련의 구동 임펄스를 갖는 전류를 회전자 권선에 공급하는 단계를 더 포함하는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 구동 임펄스들은 점차적으로 증가되는 강도를 갖는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
   상기 제어 로직의 적용 단계는 상기 역기전력 신호의 소정의 제어 임계치가 초과된 경우 구동되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
10. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 회전자를 소정의 구동 위치로 이동시키기 위한 상기 구동 임펄스들과 상이한 부호의 일련의 정렬 임펄스 전류를 상기 권선에 공급하는 예비단계를 더 포함하는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
11. 제 10항에 있어서,
    상기 정렬 임펄스 전류를 권선에 공급하는 예비단계 이후 및 상기 구동 임펄스들을 회전자 권선에 공급하는 단계 이전에 대기단계를 포함하고, 상기 대기단계는 상기 회전자를 안정화하기에 충분히 길게 지속되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 역기전력 신호는, 상기 권선으로 공급되는 전류가 0인 기간에서의 전기 계통 전압과 상기 스위치의 전압의 차이로 획득되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
13. 제 1항에 있어서,
    상기 스위치는 TRIAC 스위치인, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
14. 동기 모터를 구동하는 전자 장치에 있어서,
    처리 장치; 및
    상기 처리 장치에 의해 제어된 상기 동기 모터에 전류를 공급하는 스위치를 포함하되,
    상기 처리 장치는 계통 전압 신호 및 상기 스위치를 경유하는 전압 신호를 수신하여,
    상기 전자 장치는 제 1항 내지 제 8항, 제 12항, 및 제 13항 중 어느 한 항에 따른 단상 동기 전기 모터 구동 방법을 구현하도록 구성되는, 전자 장치.
15. 제 14항에 있어서,
    상기 스위치는 TRIAC 유형의 스위치인, 전자 장치.

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