KR101813916B1 - 전자적으로 정류된 전기 기기의 상 전류의 영교차를 결정하는, 특히 전기 기기의 회전자 위치를 결정하는 방법 및 장치 - Google Patents

전자적으로 정류된 전기 기기의 상 전류의 영교차를 결정하는, 특히 전기 기기의 회전자 위치를 결정하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다상 전기 기기(2) 내의 상 전류의 영 교차 시점을 결정하는 방법에 관한 것이며, 상기 전기 기기(2)는 상응하는 상에 관련된 전기 기기(2)의 접속 노드(A1, A2, B1, B2)에 인가되는 다수의 상 전압을 제공하기 위해, 파워 스위치(36, 37; 52, 53)를 포함하는 드라이버 회로(31; 50)에 의해 구동되고, 파워 스위치(36, 37; 52, 53)의 적어도 일부는 접속 노드들(A1, A2, B1, B2) 중 하나에 상이한 전위를 교대로 인가하기 위해 듀티 팩터를 가진 펄스 폭 변조에 따라 주기적으로 구동될 수 있고, 다음 단계를 포함한다: 전기 기기(2)를 작동시키기 위해 상 전압을 제공하는 드라이버 회로(31; 50)를 구동시키는 단계; 적어도 펄스 폭 변조의 각각의 주기 내의 타임 세그먼트 동안 전위가 드라이버 회로(31; 50)에 의해 접속 노드들(A1, A2, B1, B2)에 인가되지 않도록 파워 스위치들(36, 37; 52, 53) 중 적어도 하나의 파워 스위치를 위한 펄스 폭 변조된 구동을 비활성화시키는 단계; 상기 타임 세그먼트 내에 비활성화된 파워 스위치(36, 37; 52, 53)에 제공되는 프리휠링 다이오드를 통한 다이오드 전압을 검출하는 단계; 상기 타임 세그먼트 내에 상기 프리휠링 다이오드(40; 54)를 통한 흐르는 다이오드 전압이 더 이상 주어지지 않는 시점으로서 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 단계.

Description

전자적으로 정류된 전기 기기의 상 전류의 영교차를 결정하는, 특히 전기 기기의 회전자 위치를 결정하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING A ZERO CROSSING OF A PHASE CURRENT OF AN ELECTRONICALLY COMMUTATED ELECTRICAL MACHINE, IN PARTICULAR FOR DETERMINING A ROTOR POSITION OF THE ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은 구동을 위해, 특히 회전자 위치의 검출을 위해 상 전류의 영교차가 검출되는 전기 기기, 특히 전자적으로 정류되는 전기 기기에 관한 것이다.
전자적으로 정류되는 전기 기기, 예컨대 동기 모터, 비동기 모터 등은 선행 기술에 공지되어 있다. 이러한 전기 기기는 패시브 회전자를 포함하고, 상기 회전자는 회전자 극을 형성하기 위해 예컨대 영구 자석을 포함할 수 있다. 외부 자계의 발생에 의해 구동력이 회전자에 가해진다. 외부 자계는 실제 회전자 위치에 따라 발생되어야 하므로, 이러한 전자적으로 정류된 전기 기기의 구동을 위해 회전자의 순간 회전자 위치를 알 필요가 있다.
외부 자계는 일반적으로 다수의 상을 가진 고정자 코일에 의해 발생된다. 회전자 위치는 고정자 코일에 인가할 상 전압을 결정하고 이것을 고정자 코일의 상에 인가하기 위해 사용된다.
전기 기기의 구동은 전기 기기의 상들을 H-브릿지 회로 또는 B6-브릿지 회로에 의해 구동하기 위해 종종 인버터 회로로 형성되는 드라이버 회로에 의해 이루어진다. 구동은 순간 회전자 위치에 의존하는 전류 공급 패턴에 따라 이루어지며, 상기 전류 공급 패턴은 구동 모멘트를 제공하기 위해, 상 전압에 의해 발생된 고정자 자계가 회전자 내의 영구자석의 여자기 자계에 회전 방향으로 앞서서 제공되도록 선택된다.
회전자 위치의 검출 방법은 선행 기술에 충분히 공지되어 있다. 한편으로는 실제 회전자 위치가 전기 기기용 상응하는 구동 유닛의 아날로그 또는 디지털 측정 신호를 기초로 순시 회전자 위치에 대한 정보를 제공하는 위치 검출기에 의해 검출될 수 있다. 이러한 위치 검출기들은 다수의 홀 센서들 또는 GMR-센서들(GMR: Giant Magnetic Resistance)에 의해 순시 회전자 위치를 검출한다. 이를 위해, 이들은 회전자의 회전자 극 가까이 또는 자기 송신기 휠에 배치될 수 있고, 위치 검출기에 의해 측정된 자계의 세기 및 방향을 기초로 회전자의 위치를 제공한다.
다른 한편으로는 전기 기기의 회전자의 회전자 위치가 소위 Back-EMF 방법에 따라 고정자 코일의 관련 상의 무전류 상태에서 유도된 전압의 프로파일의 평가에 의해 검출될 수 있다. 이를 위해, 먼저 관련 상 내의 상의 영교차가 검출되거나 또는 예측되고, 영교차를 포함하는 미리 정해진 측정 타임 윈도우 동안 상 코일에서의 상 전압용 전압 공급이 비활성화된다. 측정 타임 윈도우 동안, 유도된 전압의 프로파일이 검출되고, 유도된 전압의 프로파일을 기초로 유도된 전압의 영교차의 시점이 계산된다. 유도된 전압의 영교차 시점은 순간 회전자 위치에 대한 정보를 형성할 수 있다.
지금까지는 하나 또는 다수의 상에서 상 전류의 영교차가 측정 저항(분로)을 통한 전압 강하 또는 드라이버 회로 내의 파워 스위치들 중 하나를 통한 전압 강하의 측정에 의해 검출되었다. 그러나, 이 방법은 복잡하고, 상 전류의 영교차를 검출하기 위해 상 전류의 프로파일을 모니터링하는 추가의 조치의 제공을 필요로 한다. 또한, 측정 저항들의 사용시, 측정 저항들은 상들과 직렬로 접속되어야 하고, 모터 시스템의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 손실이 발생한다.
본 발명의 과제는 특히 구조적 조치를 위한 비용을 줄이면서 간단한 방식으로 상 전류의 영교차를 검출하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항에 따른 상 전류의 영교차를 결정하는 방법 및 독립 청구항들에 따른 전기 기기의 회전자 위치를 결정하는 방법, 상 전류의 영교차를 결정하는 장치 및 모터 시스템에 의해 달성된다.
다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다.
제 1 관점에 따라 다상 전기 기기 내의 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 방법이 제공된다. 전기 기기는 다수의 상 전압을 제공하기 위해 파워 스위치들을 포함하는 드라이버 회로에 의해 구동된다. 상기 상 전압은 상응하는 상에 관련된 전기 기기의 접속 노드에 인가된다. 파워 스위치의 적어도 일부는 접속 노드들 중 하나에 상이한 전위를 교대로 인가하기 위해 듀티 팩터를 가진 펄스 폭 변조에 따라 주기적으로 구동될 수 있다. 이 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 전기 기기를 작동시키기 위해 상 전압을 제공하는 드라이버 회로를 구동시키는 단계;
- 적어도 펄스 폭 변조의 각각의 주기 내의 타임 세그먼트 동안 전위가 드라이버 회로에 의해 접속 노드에 인가되지 않도록, 파워 스위치들 중 적어도 하나의 파워 스위치를 위한 펄스 폭 변조된 구동을 비활성화시키는 단계;
- 상기 타임 세그먼트 내에 비활성화된 파워 스위치에 제공된 프리휠링 다이오드를 통한 다이오드 전압을 검출하는 단계;
- 상기 타임 세그먼트 내에 상기 프리휠링 다이오드를 통한 다이오드 전압이 더 이상 주어지지 않는 시점으로서 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 단계.
상기 방법의 사상은 상 전류의 발생이 드라이버 회로의 파워 스위치에 할당된 프리휠링 다이오드를 통해 흐르는 다이오드 전압에 의해 검출되는 것이다. 펄스 폭 변조에 따라 미리 작동되었던 파워 스위치들 중 하나가 비활성화되면, 적어도 관련 파워 스위치가 도전 접속되는 타임 세그먼트 동안 상기 파워 스위치에 의해 접속될 전위가 접속 노드에 인가되지 않는다. 이로 인해, 접속 노드는 부동 상태(folating)가 된다.
상 전류로 인해, 비활성화된 파워 스위치의 프리휠링 다이오드가 통과 방향으로 작동되고, 전위를 접속 노드에 인가하는 다이오드 전압이 강하한다. 특히, 비활성화된 파워 스위치에 의해 스위칭될 전위와 다이오드 전압으로 이루어진 전위가 접속 노드에 나타난다. 다이오드를 통해 흐르는 전압은 상 전류의 부호 변동시 전기 회로에 의해 결정되는 전압에 상응하는데, 그 이유는 프리휠링 다이오드가 이제 차단 방향으로 작동하기 때문이다. 따라서, 다이오드 전압이 제로가 되는 시점의 검출에 의해, 프리휠링 다이오드가 차단 방향으로 작동되는 시점이 검출될 수 있다. 이 시점은 상 전류의 영교차의 시점에 상응한다.
상 전류가 프리휠링 다이오드를 통해 흐르도록 하기 위해, 드라이버 회로의 파워 스위치가 펄스 폭 변조의 듀티 팩터에 따라 교대로 작동되는 종래의 구동 방법과는 달리, 파워 스위치들 중 하나가 비활성화되고, 비활성화된 파워 스위치에 할당된 프리휠링 다이오드를 통해 흐르는 다이오드 전류가 허용되어야 한다.
비활성화된 파워 스위치의 프리휠링 다이오드를 통해 흐르는 다이오드 전압의 사라짐 시점으로서 상 전류의 영교차 시점을 검출하는 것은 상 전류의 측정을 위한 추가의 검출기가 생략될 수 있다는 장점을 갖는다. 상 전류의 영교차 시점의 검출은 전기 기기의 상에 대한 접속 노드에서의 접속 전압의 측정만을 기초로 한다.
또한, 상 전압의 부호 변동 시점에 따르거나 또는 이 시점에 상응하는 시점에 시작하고 빨라도 상 전류의 영교차가 검출된 시점에 끝나는 측정 타임 윈도우 내에, 파워 스위치들 중 적어도 하나의 파워 스위치를 위한 펄스 폭 변조된 구동의 비활성화가 실시될 수 있다. 특히, 펄스 폭 변조된 구동의 비활성화 단계는 순간 상 전류가 전방 방향으로 다이오드 전류를 야기하게 하는 파워 스위치만이 비활성화되는 것을 포함한다.
실시예에 따라, 순시 상 전류가 전방 방향으로 다이오드 전류를 야기하게 하는 파워 스위치가 상 전압의 프로파일의 기울기에 의해 결정될 수 있다.
또한, 듀티 팩터는 30% 내지 70%일 수 있다.
다른 관점에 따라, 전기 기기의 회전자의 회전자 위치를 결정하는 방법이 제공된다. 이 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 상기 방법에 의해 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 단계;
- 상기 상 전류의 영교차 시점을 결정한 후에, 상 코일에 할당된 전기 기기의 파워 스위치가 비도전 접속되는 동안, 다른 측정 타임 윈도우 내에 상 코일을 통해 유도된 적어도 하나의 전압의 높이를 결정하는 단계;
- 적어도 하나의 유도된 전압으로부터 회전자 위치를 결정하는 단계.
다른 관점에 따라 다상 전기 기기 내의 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 장치가 제공되며, 상기 전기 기기는 파워 스위치들을 포함하는 드라이버 회로에 의해 구동됨으로써, 다수의 상 전압이 제공된다. 상기 상 전압들은 상에 할당된 전기 기기의 접속 노드에 인가되고, 파워 스위치의 적어도 일부는 각각의 상 전압의 제공을 위해 접속 노드들 중 하나에 상이한 전위를 교대로 인가하기 위해 듀티 팩터를 가진 펄스 폭 변조에 따라 주기적으로 구동될 수 있다. 장치는
- 전기 기기를 작동시키기 위해 다수의 상 전압을 제공하는 드라이버 회로를 구동시키고;
- 적어도 펄스 폭 변조의 각각의 주기 내의 타임 세그먼트 동안 전위가 드라이버 회로에 의해 접속 노드에 인가되지 않도록, 파워 스위치들 중 적어도 하나의 파워 스위치를 위한 펄스 폭 변조된 구동을 비활성화시키며;
- 상기 타임 세그먼트 내에 적어도 하나의 비활성화된 파워 스위치에 제공된 프리휠링 다이오드를 통한 다이오드 전압을 검출하고;
- 상기 타임 세그먼트 내에 상기 프리휠링 다이오드를 통한 다이오드 전압이 더 이상 주어지지 않는 시점으로서 상 전류의 영교차 시점을 결정하도록 설계된다.
다른 관점에 따라 모터 시스템이 제공된다. 모터 시스템은
- 다상의 전기 기기;
- 제 1 전위와 제 2 전위 사이에 각각 직렬 접속된 파워 스위치들을 구비한 인버터 회로를 포함하는 드라이버 회로;
- 상기 장치를 포함한다.
다른 관점에 따라 컴퓨터 프로그램 제품이 제공되고, 상기 컴퓨터 프로그램 제품은 데이터 처리 유닛에서 실행되면 상기 방법을 실시하는 프로그램 코드를 포함한다.
본 발명에 의해, 구조적 조치를 위한 비용을 줄이면서 간단한 방식으로 상 전류의 영교차를 검출하는 방법 및 장치가 제공된다.
이하, 바람직한 실시예가 첨부한 도면을 참고로 상세히 설명된다.
도 1은 전기 기기의 작동을 위한 모터 시스템의 개략도.
도 2는 2상의 전기 기기를 구동하기 위한 2H-기술의 드라이버 회로의 회로도.
도 3은 상을 통해 흐르는 상 전류, 상기 상에서 유도된 전압, 인가된 상 전압 및 하나의 상의 작동을 위한 H-브릿지들 중 하나의 브릿지의 파워 스위치를 위한 상응하는 스위칭 신호의 프로파일을 나타낸 개략도.
도 4는 상을 통해 흐르는 상 전류, 유도된 전압, 상 전압, 파워 스위치를 위한 구동 신호 및 상 전류의 영교차의 부분에서 결과하는 접속 전압의 프로파일을 나타낸 상세도.
도 5는 3상 전기 기기를 구동시키는 B6-드라이버 회로의 회로도.
도 6은 상 전류 및 파워 스위치의 관련 구동 신호의 프로파일들을 나타낸 도면.
도 7은 상들 중 하나의 상을 통해 흐르는 상 전류들 중 하나 상 전류의 프로파일, 관련 파워 스위치의 상응하는 구동, 및 결과하는 접속 전위를 나타낸 도면.
도 1은 전기 기기(2)를 포함하는 모터 시스템(1)의 개략도를 도시한다. 전기 기기(2)는 전자적으로 정류된 동기기, 비동기기 등으로 형성될 수 있다. 전기 기기(2)는 일반적으로 다상을 가진 상 코일을 포함하고, 상기 다상은 별도로 각각의 상 전압의 인가에 의해 전압을 공급받을 수 있다. 현재 동기기들은 예컨대 2상 또는 3상이다. 이를 위해 필요한 상 전압은 드라이버 회로(3)에 의해 제공된다.
드라이버 회로(3)는 구동 신호(T)에 따라 상 전압을 발생시키고, 상기 구동 신호는 제어 유닛(4)에 의해 전기 기기(2)의 회전자 위치에 따라 발생된다. 전기 기기(2)의 회전자 위치는 전기 기기(2)의 회전자의 순간 위치에 상응하고, 회전 기계에서 방향 각으로 표시된다.
전기 기기(2)를 구동하기 위한 방향 각은 본 경우에는 센서 없이 Back-EMF 방법에 따라 상 전류의 모니터링에 의해 그리고 상에 전류가 없는 타임 윈도우 내에 유도된 전압의 높이 및 프로파일의 평가에 의해 결정된다.
제 1 실시예에서, 2개의 상을 가진 2상 전기 기기를 작동시키기 위해 드라이버 회로(3)가 2H-브릿지 회로의 형태로 형성된 모터 시스템(1)이 가정된다. 이러한 토포로지는 도 2에 도시되어 있다.
도 2에 도시된 2H-브릿지 회로(31)는 2개의 H-브릿지(32, 33)를 포함하고, 상기 브릿지들은 각각 2개의 인버터 회로(34, 35)를 포함한다. 인버터 회로들(34, 35)의 각각은 파워 트랜지스터 형태의 제 1 파워 스위치(36) 및 제 2 파워 트랜지스터 형태의 제 2 파워 스위치(37)를 포함한다. 파워 트랜지스터들은 MOSFET, 사이리스터, IGBT, IGCT 등으로서 형성될 수 있다. 파워 스위치들(36, 37)은 각각 높은 공급 전위(VH)와 낮은 공급 전위(VL) 사이에 직렬로 접속된다. 제 1 및 제 2 파워 스위치(36, 37) 사이의 각각의 접속 노드(A1, A2, B1, B2)는 전기 기기(2)의 상 코일들(38, 39) 중 하나의 상 코일과 접속된다. 특히, 제 1 H-브릿지(32)의 제 1 인버터 회로(34)의 접속 노드(A1)는 제 1 상 코일(38)의 제 1 접속부와 접속되고, 상기 제 1 H-브릿지(32)의 제 2 인버터 회로(35)의 접속 노드(A2)는 제 1 상 코일(38)의 제 2 접속부와 접속된다. 제 2 H-브릿지(33)의 인버터 회로들(36, 37)은 유사한 방식으로 제 2 상 코일(39)에 접속된다.
제어 유닛(4)은 H-브릿지(32, 33)의 인버터 회로(34, 35)의 개별 파워 트랜지스터(36, 37)를 구동하기 위한 구동 신호들(T1-T8)을 제공한다. 구동 신호들에 의해 파워 트랜지스터가 도전 또는 비도전으로 접속될 수 있는 스위치로서 작동된다.
파워 스위치들(36, 37)과 병렬로 프리휠링 다이오드들(40)이 제공되고, 상기 프리휠링 다이오드들은 높은 공급 전위(VH)과 낮은 공급 전위(VL) 사이에서 인가되는 공급 전압(Udc)에 대해 차단 방향으로 접속된다. 프리휠링 다이오드들(40)은 각각의 파워 스위치(36, 37)와 함께 내재되어 또는 별도로 형성될 수 있다.
제 1 상 코일(38)에서 포지티브 상 전류를 야기하기 위해(화살표로 표시된 바와 같이, 좌측으로부터 우측으로의 전류 방향), 포지티브 상 전압이 제 1 H-브릿지 (32)의 파워 트랜지스터(36 및 37)의 구동에 의해 적합한 펄스 폭 변조에 따라 제공될 수 있다. 동시에, 제 1 H-브릿지 회로(32)의 제 2 인버터 회로(35)의 제 2 파워 스위치(37)는 도전으로 그리고 제 1 H-브릿지 회로(32)의 제 2 인버터 회로(35)의 제 1 파워 스위치(36)는 비도전으로 접속된다.
네거티브 상 전압이 인가되어야 하면, 상 전압은 H-브릿지(32)의 제 2 인버터 회로(35)의 제 1 및 제 2 파워 스위치(36, 37)에 의해 적합한 펄스 폭 변조에 따라 인가된다. 따라서, 제 1 H-브릿지(32)의 제 1 인버터 회로(34)의 제 2 파워 스위치(37)는 도전으로 그리고 제 1 H-브릿지(32)의 제 1 인버터 회로(34)의 제 1 파워 스위치(36)는 비도전으로 접속된다.
제 2 상 코일(39)에 포지티브 또는 네거티브 상 전압을 설정하기 위한 구동은 유사하다.
펄스 폭 변조는 주기적 구동을 형성한다. 펄스 폭 변조에 의해 설정된 상 전압은 듀티 팩터의 선택에 의해 설정될 수 있다. 듀티 팩터는 높은 공급 전위(VH)가 인가되는 지속 시간과 펄스 폭 변조의 주기 시간에 상응하는 전체 지속 시간의 비를 나타낸다.
이하에서, 제 1 H-브릿지(32)에 의해서만 모터 전류들(1a, 1b) 중 하나의 모터 전류의 영교차 시점을 검출하는 방법이 설명된다. 회전자 위치를 결정하기 위해, 일반적으로 2개의 H-브릿지용 상기 방법이 설명된다. 상 전류(1a)의 영교차 시점을 검출하기 위해, 미리 정해진 측정 타임 윈도우 동안 작동 방식이 변화된다. 펄스 폭 변조에 따라 작동되는 클록킹되는 인버터 회로(34, 35)가 정상 작동 동안 제 1 및 제 2 파워 스위치(36, 37)의 교대 도전 접속 및 상응하는 비도전 접속을 제공하는 한편, 펄스 폭 변조에 따라 작동되는, 즉 클록킹되는 파워 스위치들(36, 37) 중 하나의 파워 스위치의 측정 타임 윈도우 동안 인버터 회로는 영구적으로 비도전으로 접속됨으로써, 이는 펄스 폭 변조에 의한 클록킹으로부터 제외된다. 도시된 실시예에서, 상 전압이 포지티브이고, 상 전류가 포지티브이며 강하하면, 제 1 인버터 회로(34)의 제 2 파워 스위치(37)가 비도전으로 접속되고, 펄스 폭 변조에 의해 미리 정해진 클록킹이 제 1 파워 스위치(36)에 의해서만 계속된다. 달리 표현하면, 펄스 폭 변조에 따라 작동되는 인버터 회로(34, 35)의 파워 스위치(36, 37)가 측정 타임 윈도우 동안 비도전으로 접속됨으로서, 상 전류가 파워 스위치에 할당된 프리휠링 다이오드(40)에 의해 전방 방향(통과 방향)의 다이오드 전류, 그로 인해 다이오드 전압을 야기한다.
측정 타임 윈도우는 바람직하게는 그것 내에 상 전류의 영교차가 기대될 수 있도록 선택된다. 상 전류의 프로파일은 일반적으로 관련 상에서의 상 전압 프로파일에 뒤떨어지기 때문에, 측정 타임 윈도우의 시작을 상 전압의 영교차로 또는 그 조금 전으로 정하는 것으로 충분하다. 이는 간단한 방식으로 이루어질 수 있는데, 그 이유는 인가될 상 전압의 프로파일이 제어 유닛에 알려져 있기 때문이다. 구동 신호들(T1 내지 T8)은 상 전압으로부터 결정된다.
각각의 상 코일(38, 39)의 유도성 부하로 인해 그리고 회전자의 운동에 의해 유도된 전압의 유도로 인해, 예컨대 제 2 파워 스위치(37)의 비활성화, 즉 비도전 스위칭(차단)의 경우 측정 타임 윈도우 동안 상 전류가 계속 흐른다. 제 1 파워 스위치(36)의 펄스 폭 변조된 구동으로 인해 제 1 파워 스위치(36)가 차단되는, 측정 타임 윈도 내의 상기 주기 동안(제 1 파워 스위치(36)의 차단으로부터 다음 사이클에서 제 1 파워 스위치(36)의 접속까지 펄스 폭 변조의 매 사이클 내의 타임 윈도우) 상 전류가 제 2 파워 스위치(37)의 프리휠링 다이오드(40)를 통해 흐른다. 상응하는 프리휠링 다이오드(40)가 이 경우 상 전류에 의해 전방 방향으로 작동되고, 낮은 공급 전위(VL)와 제 1 상 코일(38)의 관련 접속 노드(A1, A2) 사이에서 전압 강하를 일으킨다. 상 전류가 접속 노드(A1 또는 A2)로부터 제 1 상 코일(38)로 흐르고 제 2 파워 스위치(37)가 차단되면, 상 전류는 제 2 파워 스위치(37)의 프리휠링 다이오드(40)를 통해 흐른다. 이는 전류 및 전압 프로파일 및 제 1 및 제 2 파워 스위치(36, 37)를 구동하기 위한 신호 프로파일의 상세한 도면으로 도 4에 나타난다. 이와 관련해서, 측정 타임 윈도우 동안 제 1 접속 노드(A1)에는 낮은 공급 전위의 레벨 미만인 전위(UA1)가 주어지는 한편, 구동은 포지티브 상 전압으로 이루어진다.
이는 제 2 파워 스위치(37)가 계속 작동되는 경우 제 1 파워 스위치(36)의 비활성화, 즉 비도전 스위칭의 경우에도 유사하게 적용된다. 이 경우, 상응하는 프리휠링 다이오드(40)는 제 1 파워 스위치(36)와 병렬로 다이오드 전류에 의해 전방 방향으로 작동되고, 관련 접속 노드(A1, A2)와 높은 공급 전위(VH) 사이의 전압 강하를 일으킨다. 상 전류가 제 1 상 코일(38)로부터 접속 노드(A1 또는 A2)로 흐르며 제 1 파워 스위치(36)가 영구적으로 차단되면, 다이오드 전류는 제 1 파워 스위치(36)의 프리휠링 다이오드(40)를 통해 흐른다.
2H-브릿지 회로에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 H-브릿지의 인버터 회로들 중 각각 단 하나의 인버터 회로가 펄스 폭 변조에 따라 작동되고, 각각 다른 인버터 회로의 파워 스위치는 필요한 상 전류가 공급 전위들 중 하나로부터 제공될 수 있도록 접속된다. 즉, 상 전류가 펄스 폭 변조에 따라 구동되지 않는 인버터 회로 내로 흐르고, 제 2 파워 스위치(37)는 도전으로 그리고 제 1 파워 스위치(36)는 비도전으로 접속되거나 또는 제 2 파워 스위치(37)가 비도전으로 그리고 제 1 파워 스위치(36)가 도전으로 접속된다.
하나의 상에서 구동 신호에 의해 야기되는 상 전압이 영교차에 도달하면, 2H-브릿지 회로에서 펄스 폭 변조된 구동이 관련 상에 할당된 H-브릿지의 다른 인버터 회로로 넘어가고, 각각 다른 인버터 회로(34, 35)의 파워 스위치(36, 37)는 전술한 바와 같이, 필요한 상 전류가 공급 전위들(VL, VH) 중 하나로부터 제공될 수 있도록 접속된다.
도 4에 도시된 실시예에서 네거티브 전압이 상 전압으로서 인가된 후에, 펄스 폭 변조가 제 2 인버터 회로(35)에 의해 이루어진다. 거기서 상 전류의 검출을 위해 여전히 포지티브의 상 전류(1a)에서, 파워 스위치들(36, 37) 중 하나의 파워 스위치(36, 37)의 전방 작동된 프리휠링 다이오드(40)를 통해 전압 강하를 달성하기 위해, 측정 타임 윈도우 동안 제 2 인버터 회로(35)의 제 1 파워 스위치(36)가 비활성화 상태로 유지되고 펄스 폭 변조가 제 2 인버터 회로(35)의 제 2 파워 스위치(37)에 의해서만 이루어져야 한다. 이는 제 1 파워 스위치(36)의 차단 및 제 1의 비클록킹된 인버터 회로의 제 2 파워 스위치(37)의 도전 상태에서 이루어진다.
측정 타임 윈도우 동안 상에 인가된 상 전압이 포지티브이면, 제 1 접속 노드(A1)에서의 전위가 모니터링된다. 클록킹된 인버터 회로의 제 1 파워 스위치(36)의 주기적 구동의 구동 포우즈 동안, 즉 듀티 팩터에 따라 제 1 파워 스위치(36)가 비-도전 상태로 접속되면, 제 2 파워 스위치(37)와 병렬인 프리휠링 다이오드의 도전으로 인해 다이오드 전압이 가산되었는지의 여부가 검출된다. 이는 제 1 접속 노드(A1)에서, 낮은 공급 전위(VL)에 비해 더 네거티브인 전압이 제 1 인버터 회로(34)의 제 2 파워 스위치(37)를 통해 인가됨으로써, 나타난다.
네거티브 상 전압에서 제 2 인버터 회로(35)로 펄스 폭 변조의 전환 후에, 제 2 접속 노드(A2)에 인가된 전위가 높은 공급 전위(VH)를 프리휠링 다이오드의 다이오드 전압만큼 초과하면, 제 2 인버터 회로(35)의 비활성화된 제 1 파워 스위치(36)의 프리휠링 다이오드를 통한 상 전류의 흐름이 검출될 수 있다. 이는 측정 타임 윈도우의 시작시 나타나는데, 그 이유는 상 전류가 포지티브 방향으로 흐르기 때문이다. 그러나, 상 전류가 영교차에 도달하면, 프리휠링 전류는 더 이상 흐르지 않고, 클록킹으로부터 제외된 상응하는 프리휠링 다이오드를 통한 전압 강하가 더 이상 나타나지 않는다. 상 전류의 영교차는 전술한 조치에 따라, 관련 프리휠링 다이오드를 통한 다이오드 전압의 강하가 검출되지 않는 시점으로서 검출될 수 있다.
상 전류의 영교차의 시점에 도달하면, 회전자의 위치를 결정하기 위해 관련 상에 접속된 인버터 회로(34, 35)의 제 1 및 제 2 파워 스위치(36, 37)가 다른 측정 타임 윈도우 동안 차단되고 상기 상 코일(38, 39)에 의해 유도된 전압(Uind)의 높이 및/또는 기울기가 결정된다.
상 코일(38, 39)에 의해 유도된 전압(Uind)의 높이는 제 1 및 제 2 접속 노드(A1, A2)에서의 전위 또는 제 2 파워 스위치(37)를 통해 흐르는 전압의 측정 및 후속해서 이렇게 얻어진 값들의 차 형성에 의해 얻어진다. 유도된 전압의 기울기는 2개의 값들을 얻기 위해 접속 노드(A1, A2)에서의 전위 또는 전압의 시간 오프셋된 여러 번의 측정 및 후속하는 차 형성에 의해 결정될 수 있다. 이로부터 그리고 다른 측정 타임 윈도우 내에서 측정들 사이의 시간 간격에 의해, 공지된 방식으로 다른 측정 타임 윈도우 내에서 유도된 전압의 프로파일의 시간적 기울기가 결정될 수 있다.
측정된 유도된 전압의 기울기 및 높이에 의해, 근사적으로, 예컨대 선형 회귀 분석에 의해 유도된 전압의 영교차가 추정될 수 있다. 예컨대, 측정된 기울기의 높이 상승에 따라 하나의 직선의 영교차의 계산에 의해 그리고 다른 측정 타임 윈도우 내의 특정 시점에서 상기 유도된 전압의 측정된 높이에 의해 영교차가 추정될 수 있다. 유도된 전압의 영교차의 시점은 회전자 위치에 대한 척도로서 사용될 수 있다. 상기 방법에 의해 상 전류의 영교차의 시점이 결정되고, 유도된 전압이 다른 측정 타임 윈도우 내에 결정되면, 정상 작동에 따라 전기 기기의 구동이 다시 착수된다. 즉, 펄스 폭 변조에 따라 마지막으로 구동된 인버터 회로, 이 경우 제 2 인버터 회로(35)의 2개의 파워 스위치(36, 37)의 펄스 폭 변조된 구동이 다시 착수된다.
전술한 구동 방법의 원리는, 펄스 폭 변조된 상 전압에 의해 작동되는 다상의, 전자적으로 정류된 전기 기기에서, 상 전류의 영교차가 기대되는 측정 타임 윈도우 내에, 클록킹된 인버터 회로의 파워 스위치들(36, 37) 중 하나를 제외시키고 측정 타임 윈도우의 지속 시간 동안 완전히 차단시키는 것이다. 클록킹된 인버터 회로의 차단된 파워 스위치는 다이오드 전류가 상응하는 상 전류로 인해 전방 방향으로 나타나는 파워 스위치에 상응한다.
상 전류가 영교차에 도달하면, 프리휠링 전류가 제로로 되고, 상응하는 프리휠링 다이오드(40)를 통한 다이오드 전압은 많이 강하하지 않는다. 그 대신, 우세한 극성이 프리휠링 다이오드를 차단하므로, 관련 파워 스위치를 통해 흐르는 전압에 상응하는 전압이 다이오드를 통해 강하한다. 제 1 접속부(A1) 및 제 2 접속부(A2)에서의 접속 전위의 적합한 모니터링 및 평가에 의해 검출될 수 있는 다이오드 전압의 사라짐 시점은 상 전류의 영교차 시점으로서 결정될 수 있다.
도 5에는 모터 시스템(1)용 대안적 드라이버 회로로서 B6-브릿지 회로(50)가 도시된다. B6-브릿지 회로(50)는 특히 3상의 전기 기기를 구동시키기에 적합하다. B6-브릿지 회로(50)는 3개의 인버터 회로들(51)을 포함하고, 상기 인버터 회로는 이전과 마찬가지로 각각 제 1 파워 스위치(52) 및 제 2 파워 스위치(53)를 포함한다. 도 2의 실시예에서와 같이, 개별 파워 스위치들(52, 53)은 직렬로 접속되고, 파워 스위치들(52, 53) 사이의 접속 노드(A)에는 작동될 전기 기기(2)의 하나의 상이 접속된다. 상기 상들은 도시된 실시예에서 성형 접속으로 결선되지만, 전기 기기의 상들의 다른 방식의 결선도 가능하다. 각각의 파워 스위치(52, 53)는 전술한 바와 같이 내재되어 또는 별도로 형성될 수 있는 프리휠링 다이오드(54)를 포함한다.
B6-브릿지 회로(50)에서, 인버터 회로(51)의 각각은 전기 기기의 하나의 상에 할당된다. B6-브릿지 회로에서 제어 유닛(4)에 의해 인버터 회로들(51)이 각각 구동 패턴에 따라 구동되고, 상기 구동 패턴은 특정 듀티 팩터를 가진 펄스 폭 변조에 상응한다. 즉, 개별 상 전압의 선택에 의해 소정 전압 페이저가 전기 기기(2)에 인가될 수 있다. 기본적으로 하나의 상의 상 전류의 영교차 시점을 결정하기 위해, 상에 할당된 인버터 회로(51)는 측정 타임 윈도우 동안 패시브 클록킹에 따라 작동된다. 측정 타임 윈도우는 확실하게 관련 상 전류의 영교차의 도달 전에 시작하고, 즉 관련 상 전압의 영교차 시점에 또는 이 시점 전에 시작하고, 빨라도 상 전류의 영교차 시점의 검출에 의해 끝나도록 선택된다.
상 전류가 측정 타임 윈도우의 시작 시점에서 포지티브이면(즉, 전류가 관련 인버터 회로로부터 전기 기기로 흐르면), 패시브 클록킹을 위해 관련 제 2 파워 스위치(53)가 비도전으로 접속되는 한편, 제 1 파워 스위치(52)는 상응하는 펄스 폭 변조된 구동 신호로 계속 작동된다. 상 전류가 측정 타임 윈도우의 시작 시점에서 네거티브이면, 그 대신 제 1 파워 스위치(52)가 차단되는 한편, 제 2 파워 스위치(53)는 상응하게 클록킹된다. 마지막에 언급된 경우, 제 2 파워 스위치(53)용 구동 신호는 정상 작동 동안(즉, 패시브 클록킹되지 않는 동안) 제 2 파워 스위치(53)의 도전 접속을 야기하는 신호인 한편, 제 1 파워 스위치(52)는 차단된다.
전방 방향으로 다이오드 전류의 순간 상 전류를 야기하는 파워 스위치(52, 53)는 예컨대 미리 정해진 상 전압의 프로파일의 기울기에 의해 결정될 수 있다. 기울기가 포지티브이면, 상 전압의 영교차는 포지티브 값의 방향으로 이루어지고, 이는 -뒤따르는- 네거티브 상 전류로부터 포지티브 상 전류로의 상 전류 영교차를 야기한다. 즉, 측정 타임 윈도우의 시작시 상 전류가 네거티브이고 상으로부터 관련 접속 노드로 흐른다. 이 경우, 제 1 파워 스위치(52)의 프리휠링 다이오드만이 전방 방향으로 작동될 수 있다. 따라서, 측정 타임 윈도우 동안 제 1 파워 스위치(52)의 클록킹이 비활성화된다. 기울기가 네거티브이면, 네거티브 값의 방향으로 상 전압의 영교차가 이루어지고, 이는 -뒤따르는- 포지티브 상 전류로부터 네거티브 상 전류로의 영교차를 야기한다. 즉, 측정 타임 윈도우의 시작시 상 전류는 포지티브이고 관련 접속 노드로부터 상으로 흐른다. 이 경우, 파워 스위치(53)의 프리휠링 다이오드만이 전방 방향으로 작동될 수 있다. 따라서, 측정 타임 윈도우 동안 제 2 파워 스위치(53)의 클록킹이 비활성화된다.
도 6은 상 전류(1a, 1b, 1c)의 프로파일, 파워 스위치(52, 53)용 구동 신호(T1 내지 T6)의 상응하는 신호 프로파일, 및 관련 파워 스위치(52, 53)의 비도전 스위칭(차단)을 위한 파워 스위치들(52, 53) 중 각각 하나를 위한 상응하는 구동 신호가 접속되는 패시브 클록킹용 개별 타임 윈도우를 도시한다.
도 7은 B6-회로의 인버터 회로들(51) 중 하나의 인버터 회로용 패시브 클록킹을 상기 실시예와 유사하게 도시한다. 전술한 경우와 유사하게, 여기서도 관련 상 전류의 영교차 시점은 상 전류가 비활성화된 파워 스위치(52, 53)의 프리휠링 다이오드(54)를 통해 다이오드 전압을 더 이상 야기하지 않는 시점으로서 검출된다.
전술한 바와 같이, 관련 상 전류의 영교차의 시점이 검출되면, 상 전류의 영교차 시점에 직접 연결된 다른 측정 타임 윈도우 내에 상응하는 상에서 유도된 전압의 높이 및 기울기의 측정에 의해, 회전자 위치가 공지된 방법을 이용해서 추정될 수 있다.
2 전기 기기
3, 31, 50 드라이버 회로
36, 37; 52, 53 파워 스위치
38, 39 상
40; 54 프리휠링 다이오드
A1, A2, B1, B2 접속 노드

Claims (9)

  1. 다상 전기 기기(2) 내의 상 전류의 영교차(zero crossing) 시점을 결정하는 방법으로서,
    상기 전기 기기(2)에 상응하는 상에 관련된 접속 노드(A1, A2, B1, B2)에 인가되는 다수의 상 전압을 제공하기 위해, 복수의 파워 스위치(36, 37; 52, 53)를 포함하고 또한 2개의 H-브릿지(32, 33)를 갖는 2H-브릿지 회로로서 형성되는 드라이버 회로(31; 50)에 의해 상기 전기 기기(2)는 구동되고,
    상기 파워 스위치(36, 37; 52, 53)의 적어도 일부는 펄스 폭 변조에 따라 듀티 팩터를 사용하여 주기적으로 구동되어 상기 접속 노드들(A1, A2, B1, B2) 중 하나에 상이한 전위를 교대로 인가하는, 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 방법에 있어서,
    - 상기 전기 기기(2)를 작동시키기 위해 상기 상 전압을 제공하는 상기 드라이버 회로(31; 50)를 구동시키는 단계;
    - 상기 상 전압의 부호 변동 시점에 따르거나 또는 이 시점에 상응하는 시점에서 시작하고, 빨라도 상기 상 전류의 영교차가 검출된 시점에서 끝나는 측정 타임 윈도우 내에서 상기 파워 스위치들(36, 37; 52, 53) 내의 순시 상 전류가 순 방향으로 다이오드 전류를 생기게 하는 파워 스위치(36, 37; 52, 53) 만에 대해 펄스 폭 변조된 구동을 비활성화시키고, 이것에 의해 적어도 펄스 폭 변조의 각각의 주기 내에서의 타임 세그먼트 동안 상기 드라이버 회로(31; 50)에 의해 전위가 상기 접속 노드들(A1, A2, B1, B2)에 인가되지 않도록 하는 단계;
    - 상기 타임 세그먼트 내에서 비활성화된 파워 스위치(36, 37; 52, 53)에 제공되는 프리휠링 다이오드를 통한 다이오드 전압을 검출하는 단계;
    - 상기 타임 세그먼트 내에서 상기 프리휠링 다이오드(40; 54)를 통한 다이오드 전압이 더 이상 주어지지 않는 시점으로서 상기 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 단계;를 포함하는, 것을 특징으로 하는 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 순시 상 전류가 순 방향으로 다이오드 전류를 생기게 하는 파워 스위치(36, 37; 52, 53)는 상기 상 전압의 프로파일의 기울기에 의해 결정되는, 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 듀티 팩터는 30% 내지 70% 인, 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 방법.
  4. 전기 기기(2)의 회전자의 회전자 위치를 결정하는 방법에 있어서,
    - 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법을 사용하여 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 단계;
    - 상기 상 전류의 영교차 시점을 결정한 후에, 다른 측정 타임 윈도우 내의 상 코일(38, 39)에서 적어도 하나의 또는 복수의 유도 전압을 결정하고, 상기 상 코일에 할당된 상기 전기 기기의 파워 스위치를 비도전 접속하는 단계; 및
    - 상기 적어도 하나의 유도 전압으로부터 상기 회전자 위치를 결정하는 단계;를 포함하는, 것을 특징으로 하는 전기 기기의 회전자의 회전자 위치를 결정하는 방법.
  5. 다상 전기 기기(2) 내의 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 장치로서,
    상기 전기 기기(2)에 상응하는 상에 관련된 접속 노드에 인가되는 다수의 상 전압을 제공하는 것에 의해, 복수의 파워 스위치들(36, 37; 52, 53)을 포함하고 또한 2개의 H-브릿지(32, 33)를 갖는 2H-브릿지 회로로서 형성되는 드라이버 회로(31; 50)에 의해 상기 전기 기기(2)는 구동되고, 상기 파워 스위치의 적어도 일부는 펄스 폭 변조에 따라 듀티 팩터를 사용하여 주기적으로 구동되어 각각의 상 전압을 제공하기 위해 상기 접속 노드들 중 하나에 상이한 전위를 교대로 인가하는, 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 장치에 있어서,
    상기 장치는
    - 상기 전기 기기(2)를 작동시키기 위해 복수의 상기 상 전압을 제공하는 상기 드라이버 회로(3; 31; 50)를 구동시키고;
    - 상기 상 전압의 부호 변동 시점에 따르거나 또는 이 시점에 상응하는 시점에서 시작하고, 빨라도 상기 상 전류의 영교차가 검출된 시점에서 끝나는 측정 타임 윈도우 내에서 상기 파워 스위치들(36, 37; 52, 53) 내의 순시 상 전류가 순 방향으로 다이오드 전류를 생기게 하는 파워 스위치(36, 37; 52, 53) 만에 대해 펄스 폭 변조된 구동을 비활성화시키고, 이것에 의해 적어도 펄스 폭 변조의 각각의 주기 내에서의 타임 세그먼트 동안 상기 드라이버 회로(31; 50)에 의해 전위가 상기 접속 노드들(A1, A2, B1, B2)에 인가되지 않도록 하고;
    - 상기 타임 세그먼트 내에서 상기 적어도 하나의 비활성화된 파워 스위치(36, 37; 52, 53)에 제공되는 프리휠링 다이오드(40; 54)를 통한 다이오드 전압을 검출하고;
    - 상기 타임 세그먼트 내에서 상기 프리휠링 다이오드(40; 54)를 통한 다이오드 전압이 더 이상 주어지지 않는 시점으로서 상기 상 전류의 영교차 시점을 결정하기 위해, 설계되는, 것을 특징으로 하는 상 전류의 영교차 시점을 결정하는 장치.
  6. 모터 시스템(1)으로서,
    - 다상의 전기 기기(2);
    - 제 1 전위와 제 2 전위 사이에 각각 직렬 접속되는 파워 스위치들(36, 37; 52, 53)을 구비하는 인버터 회로(34, 35, 51)를 포함하는 드라이버 회로(3); 및
    - 제 5항에 따른 장치를 포함하는, 것을 특징으로 하는 모터 시스템.
  7. 프로그램 코드가 데이터 처리 유닛에서 실행될 때에, 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법을 실행하는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
  8. 삭제
  9. 삭제
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