KR101845322B1 - 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법 - Google Patents

브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법. 본 방법은 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간 및 이에 후속하는 1차 프리휠 기간으로 분할하는 단계를 포함한다. 전도 기간은 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할된다. 본 방법은 각각의 여자 기간 동안 모터의 권선을 여자하는 단계 및 각각의 프리휠 기간 동안 권선을 프리휠시키는 단계를 포함한다. 2차 프리휠 기간은 권선 내의 역기전력에 대한 권선 내의 전류의 고조파 성분을 감소시키는 위치 및 길이를 상기 전도 기간 내에서 가진다.

Description

브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법{METHOD OF CONTROLLING OF A BRUSHLESS PERMANENT-MAGNET MOTOR}
본 발명은 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법에 관한 것이다.
브러시리스 영구자석 모터의 효율을 개선하기 위한 노력이 지속적으로 이루어지고 있다.
미국 특허출원공개 제2005-0069301호(2005.03.31.)
본 발명은 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은: 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간(conduction period) 및 상기 전도 기간에 후속하는 1차 프리휠 기간으로 분할하는 단계; 상기 전도 기간을 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계; 각각의 여자 기간 동안 상기 모터의 권선을 여자하는 단계; 및 각각의 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계를 포함하고, 상기 2차 프리휠 기간은, 상기 권선 내의 역기전력에 대하여 상기 권선 내의 전류의 고조파 성분을 감소시키는 위치 및 길이를 상기 전도 기간 내에서 가진다.
영구자석 모터에 대하여, 여자하는 동안 토크-대-전류 비율은 상전류의 파형이 역기전력의 파형에 일치할 때 최대가 된다. 따라서, 역기전력의 파형에 대하여 상전류의 파형의 고조파 성분을 감소시키는 2차 프리휠 기간을 채택함으로써, 모터의 효율이 개선된다.
2차 프리휠 기간은 권선 내의 역기전력이 상승할 때 발생할 수 있고, 1차 프리휠 기간은 역기전력이 주로 하강할 때 발생할 수 있다. 상권선을 여자할 때, 상전류는 역기전력보다 더 빠른 속도로 상승할 수 있다. 그 결과, 상전류는 역기전력을 앞설 수 있다. 2차 프리휠 기간은 상전류의 상승을 순간적으로 점검하는데 사용된다. 따라서, 상전류는 전도 기간 동안 역기전력의 상승을 좀 더 근접하게 따라간다. 1차 프리휠 기간은 파워 서플라이로부터 어떠한 추가적 전력을 끌어오지 않고서도 토크가 상전류에 의해 계속 발생되도록 권선의 인덕턴스를 활용한다. 역기전력이 하강함에 따라, 주어진 상전류에 대하여 더 적은 토크가 발생된다. 따라서, 역기전력이 하강하는 기간 동안 권선을 프리휠시킴으로써, 토크에 악영향을 미치지 않고서도 모터의 효율이 개선될 수 있다.
2차 프리휠 기간의 길이는 1차 프리휠 기간, 제1 여자 기간, 및 제2 여자 기간 각각보다 짧을 수 있다. 따라서, 2차 프리휠 기간은 모터의 파워에 악영향을 미치지 않고서도 상전류의 상승을 순간적으로 점검하는데 사용된다.
본 방법은 공급 전압으로 권선을 여자하는 단계, 및 공급 전압 및/또는 모터 속도의 변화에 대응하여 전도 기간의 길이를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 모터의 파워에 대한 더 우수한 제어를 달성할 수 있다.
공급 전압이 감소함에 따라, 더 적은 전류와 이에 따른 더 적은 파워가 동일한 전도 기간에 걸쳐 모터 내로 구동된다. 동일하게, 모터의 속도가 증가함에 따라, 권선 내에 유도된 역기전력의 크기가 증가한다. 더 적은 전류와 이에 따른 더 적은 파워가 동일한 전도 기간에 걸쳐 모터 내로 구동된다. 따라서, 이것을 보상하기 위하여, 본 방법은 공급 전압의 감소 및/또는 모터 속도의 증가에 대응하여 전도 기간을 증가시키는 단계를 포함한다.
제1 여자 기간과 제2 여자 기간은 동일한 길이를 가질 수 있다. 그리고 이것은 적어도 2가지 이점을 가진다. 첫째, 상전류의 고조파 성분이 2개의 여자 기간에 걸쳐 더 우수하게 밸런싱된다. 그 결과, 전도 기간 동안 상전류의 총 고조파 성분이, 2개의 여자 기간이 서로 다른 길이를 가지는 경우보다 더 낮을 가능성이 있다. 둘째, 하드웨어에서 본 방법을 구현할 때, 하드웨어는 단지 단일의 여자 기간을 저장하기만 하면 되고, 이것은 2개의 여자 기간 모두를 정의하는데 사용될 수 있다. 대안적으로, 본 방법은 공급 전압의 변화 및/또는 모터 속도의 변화에 대응하여 전도 기간의 길이를 변화시키는 단계를 포함하는 경우, 하드웨어는 각각의 전압 및/또는 속도 지점에 대하여 단지 단일의 여자 기간을 저장하기만 하면 된다. 그 결과, 여자 기간(들)을 저장하기 위하여 더 적은 메모리가 요구된다.
2차 프리휠 기간의 길이는 고정될 수 있다. 그리고 이것은 본 방법을 하드웨어에서 구현할 때, 하드웨어가 단지 단일의 2차 프리휠 기간을 저장하기만 하면 된다는 이점을 가진다. 이러한 이점에도 불구하고, 본 방법은 공급 전압으로 권선을 여자하는 단계, 및 공급 전압의 변화 및/또는 모터 속도의 변화에 대응하여 2차 프리휠 기간을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 본 방법은 공급 전압의 증가 또는 모터 속도의 감소에 대응하여 2차 프리휠 기간의 길이를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 공급 전압이 증가함에 따라, 상권선 내의 전류가 여자하는 동안 더 빠른 속도로 증가한다. 그 결과, 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분은 증가할 가능성이 있다. 공급 전압의 증가에 대응하여 2차 프리휠 기간의 길이를 증가시킴으로써, 상전류의 상승가 더 긴 기간 동안 점검되고, 따라서 상전류 파형의 고조파 성분이 감소될 수 있다. 모터 속도가 감소함에 따라, 역기전력은 더 느린 속도로 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기가 감소하고, 따라서 상권선 내의 전류가 여자하는 동안 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 역기전력은 더 느린 속도로 상승하고, 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 그 결과, 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분은 증가할 가능성이 있다. 모터 속도의 감소에 대응하여 2차 프리휠 기간을 증가시킴으로써, 상전류의 상승이 더 긴 기간 동안 점검되고, 따라서 상전류 파형의 고조파 성분이 감소될 수 있다. 따라서, 공급 전압의 증가 및/또는 모터 속도의 감소에 대응하여 2차 프리휠 기간을 증가시키는 것은 추가적인 효율성 개선으로 이어질 수 있다.
본 발명은 또한 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 제1 속도 범위에 걸쳐 이중-스위치 모드로 작동하는 단계 및 제2 속도 범위에 걸쳐 단일-스위치 모드로 작동하는 단계를 포함하고, 상기 제2 속도 범위는 상기 제1 속도 범위보다 높고, 각각의 모드는 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간 및 상기 전도 기간에 후속하는 1차 프리휠 기간으로 분할하는 단계를 포함하고, 상기 단일-스위치 모드는 상기 전도 기간 동안 상기 모터의 권선을 여자하는 단계 및 상기 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계를 포함하고, 상기 이중-스위치 모드는 상기 전도 기간을 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계; 각각의 여자 기간 동안 상기 권선을 여자하는 단계; 및 각각의 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계를 포함한다.
제1 속도 범위에 걸쳐 작동할 때, 각각의 전기적 반 사이클의 길이가 더 길고, 따라서 역기전력은 더 느린 속도로 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기가 더 낮고, 따라서 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 역기전력은 더 느린 속도로 상승하지만, 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 그 결과, 상전류는 여자하는 동안 역기전력보다 더 빠른 속도로 상승할 수 있다. 2차 프리휠 기간을 도입함으로써, 상전류의 상승은 상전류의 상승이 역기전력의 상승을 좀 더 근접하여 따라가도록 순간적으로 점검된다. 그 결과, 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분이 감소되고, 따라서 모터의 효율이 증가된다. 제2 속도 범위에 걸쳐 작동할 때, 각각의 전기적 반 사이클의 길이는 더 짧아지고, 따라서 역기전력은 더 빠른 속도로 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기가 더 높고, 따라서 상전류는 더 느린 속도로 상승한다. 따라서, 역기전력은 더 빠른 속도로 상승하지만, 상전류는 더 느린 속도로 상승한다. 그 결과, 상전류는 여자하는 동안 역기전력과 유사하거나 역기전력보다 더 느린 속도로 상승할 수 있다. 2차 프리휠 기간은 오직 역기전력에 대한 상전류의 고조파 성분을 증가시키는데만 사용된다. 따라서, 더 낮은 속도에서 이중-스위치 모드를 채택하고, 더 높은 속도에서 단일-스위치 모드를 채택함으로써, 모터의 효율이 양 속도 범위에 걸쳐 개선될 수 있다.
각각의 모드는 공급 전압으로 권선을 여자하는 단계, 및 공급 전압의 변화 또는 모터 속도의 변화에 대응하여 전도 기간의 길이를 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 모터의 파워에 대한 더 우수한 제어가 달성될 수 있다. 전술한 이유로 인하여, 본 방법은 공급 전압의 감소 및/또는 모터 속도의 증가에 대응하여 전도 기간을 증가시키는 단계를 포함할 수도 있다.
본 발명은 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법을 추가적으로 제공하는데, 상기 방법은 제1 속도 범위에 걸쳐 다중-스위치 모드로 작동하는 단계 및 제2 속도 범위에 걸쳐 이중-스위치 모드로 작동하는 단계를 포함하고, 상기 제2 속도 범위는 상기 제1 속도 범위보다 높고, 상기 다중-스위치 모드는 전기적 사이클의 각 절반 동안 상기 모터의 권선을 순차적으로 수회 여자하고 프리휠시키는 단계를 포함하고, 상기 권선은 권선 내의 전류가 미리 정해진 한계를 초과할 때 프리휠되고, 상기 이중-스위치 모드는 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간 및 상기 전도 기간에 후속하는 1차 프리휠 기간으로 분할하는 단계; 상기 전도 기간을 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계; 각각의 여자 기간 동안 상기 권선을 여자하는 단계; 및 각각의 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계를 포함한다.
제1 속도 범위에 걸쳐 작동할 때, 각각의 전기적 반 사이클의 길이는 상대적으로 길고, 따라서 역기전력이 상승하는 속도는 상대적으로 느리다. 추가적으로, 역기전력의 크기는 상대적으로 낮고, 따라서 상전류가 상승하는 속도는 상대적으로 빠르다. 따라서, 제1 속도 범위에 걸쳐 작동할 때, 상전류는 역기전력보다 훨씬 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 상권선은 상전류가 미리 정해진 한계를 초과할 때마다 프리휠된다. 그리고 이것은 본 방법을 구현하는데 사용되는 하드웨어를 과도한 상전류로부터 보호한다. 모터 속도가 증가함에 따라, 각각의 전기적 반 사이클의 길이는 감소하고, 따라서 역기전력은 더 빠른 속도로 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기가 증가하고, 따라서 상전류는 더 느린 속도로 상승한다. 제2 속도 범위에 걸쳐 작동할 때, 상전류는 미리 정해진 한계를 초과하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 상전류는 여자하는 동안 역기전력보다 더 빠른 속도로 상승한다. 2차 프리휠 기간을 도입함으로써, 상전류의 상승은, 상전류의 상승이 역기전력의 상승을 좀 더 근접하여 따라가도록 순간적으로 점검된다. 그 결과, 모터의 효율이 개선된다. 따라서, 더 낮은 속도에서 다중-스위치 모드를 채택하고, 더 높은 속도에서 이중-스위치 모드를 채택함으로써, 하드웨어가 낮은 속도에서 과도한 상전류로부터 보호될 수 있고, 모터의 효율은 더 높은 속도에서 개선될 수 있다.
본 발명은 이전 단락 중 어느 하나에서 설명된 방법을 수행하도록 구성된 제어 회로, 및 이러한 제어 회로와 브러시리스 영구자석 모터를 포함하는 모터 어셈블리를 추가적으로 제공한다.
제어 회로는 모터의 권선에 커플링하기 위한 인버터, 게이트 드라이버 모듈, 및 컨트롤러를 포함할 수 있다. 게이트 드라이버 모듈은 컨트롤러로부터 수신된 제어 신호에 대응하여 인버터의 제어 스위치를 제어한다. 컨트롤러는 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간과 1차 프리휠 기간으로 분할하는 것, 및 전도 기간을 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 것을 담당한다. 그리고 컨트롤러는 각각의 여자 기간 동안 권선을 여자하고 또한 각각이 프리휠 기간 동안 권선을 프리휠하는 제어 신호를 발생시킨다.
본 발명이 좀 더 용이하게 이해될 수 있도록, 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 예시로서 이하 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 모터 어셈블리의 블록도이다.
도 2는 모터 어셈블리의 개략도이다.
도 3은 모터 어셈블리의 컨트롤러에 의해 발생된 제어 신호에 대응하는 인버터의 허용된 상태를 구체적으로 나타내고 있다.
도 4는 다중-스위치 모드로 작동할 때 모터 어셈블리의 다양한 파형을 도시하고 있다.
도 5는 단일-스위치 모드로 작동할 때 모터 어셈블리의 다양한 파형을 도시하고 있다.
도 6은 이중-스위치 모드로 작동할 때 모터 어셈블리의 다양한 파형을 도시하고 있다.
도 1 및 도 2의 모터 어셈블리(1)는 DC 파워 서플라이(2)에 의해 전력이 공급되고, 브러시리스 모터(3) 및 제어 회로(4)를 포함한다.
모터(3)는 4극 스테이터(6)에 대해 회전하는 4극 영구자석 로터(5)를 포함한다. 스테이터(6)에 감긴 도전성 와이어는 단일상권선(7)을 형성하도록 함께 커플링된다.
제어 회로(4)는 필터(8), 인버터(9), 게이트 드라이버 모듈(10), 전류 센서(11), 전압 센서(12), 위치 센서(13), 및 컨트롤러(14)를 포함한다.
필터(8)는 인버터(9)의 스위칭로부터 발생하는 상대적으로 고주파수인 리플(ripple)을 평활화하는 링크 커패시터(C1)를 포함한다.
인버터(9)는 상권선(7)을 전압 레일에 커플링하는 4개의 파워 스위치(Q1-Q4)의 풀 브릿지를 포함한다. 각각의 스위치(Q1-Q4)는 프리휠 다이오드를 포함한다.
게이트 드라이버 모듈(10)은 컨트롤러(14)로부터 수신된 제어 신호에 대응하여 스위치(Q1-Q4)의 개폐를 구동한다.
전류 센서(11)는 인버터와 제로 볼트(zero-volt) 레일 사이에 위치한 분류기(shunt resistor; R1)을 포함한다. 전류 센서(11) 양단에 걸리는 전압은 파워 서플라이(2)에 연결되었을 때 상권선(7) 내의 전류의 측정값을 제공한다. 전류 센서(11) 양단에 걸린 전압은 신호 I_PHASE로서 컨트롤러(14)로의 출력이다.
전압 센서(12)는 DC 전압 레일과 제로 볼트 레일 사이에 위치한 분압기(potential divider; R2, R3)를 포함한다. 전압 센서는 컨트롤러(14)로 신호 V_DC를 출력하고, 이것은 파워 서플라이(2)에 의해 공급된 공급 전압의 축소된 측정값을 나타낸다.
위치 센서(13)는 스테이터(6)의 슬롯 개구에 위치한 홀 효과(Hall-effect) 센서를 포함한다. 위치 센서(13)는 센서(13)를 통과하는 자기 플럭스의 방향에 따라 논리적으로 하이(high) 또는 로우(low)인 디지털 신호 HALL을 출력한다. 따라서, HALL 신호는 로터(5)의 각위치(angular position)의 측정값을 제공한다.
컨트롤러(14)는 프로세서, 메모리 디바이스, 및 복수의 주변장치(예컨대, ADC, 비교기(comparator), 타이머 등)를 가진 마이크로컨트롤러를 포함한다. 메모리 디바이스는 프로세서에 의해 실행되는 명령, 및 제어 파라미터와 작동 시 프로세서에 의해 채택되는 룩업 테이블을 저장한다. 컨트롤러(14)는 모터(3)의 작동을 제어하는 것을 담당하고, 4개의 파워 스위치(Q1-Q4) 각각을 제어하기 위한 4개의 제어 신호(S1-S4)를 발생시킨다. 제어 신호는 게이트 드라이버 모듈(10)로의 출력이고, 이에 대응하여 스위치(Q1-Q4)의 개폐를 구동한다.
도 3은 컨트롤러(14)에 의해 출력된 제어 신호(S1-S4)에 대응하는 스위치(Q1-Q4)의 허용된 상태를 요약하고 있다. 이하, "설정(set)" 및 "해제(clear)"라는 용어는 신호가 각각 논리적으로 하이와 로우로서 풀링되는 것을 나타내는 것으로 사용될 것이다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 좌에서 우로 여자하기 위하여, S1 및 S4를 설정하고, S2 및 S3를 해제한다. 반대로, 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 우에서 좌로 여자하기 위하여, S2 및 S3를 설정하고, S1 및 S4를 해제한다. 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 프리휠시키기 위하여, S1 및 S3를 해제하고, S2 및 S4를 설정한다. 프리휠링은 상권선(7) 내의 전류가 인버터(9)의 로우-사이드 루프(low-side loop)에서 재순환할 수 있도록 만든다. 본 실시예에서, 파워 스위치(Q1-Q4)는 양 방향으로 전도할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(14)는 프리휠링하는 동안 로우-사이드 스위치(Q2, Q4) 모두를 닫아서, 전류가 덜 효율적인 다이오드가 아니라 스위치(Q2, Q4)를 통해 흐른다. 인버터(9)가 단일 방향으로만 전도하는 파워 스위치를 포함하는 것도 생각할 수도 있다. 이러한 예시에서, 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 좌에서 우로 프리휠시키기 위하여 S1, S2, 및 S3를 해제하고, S4를 설정할 것이다. 그리고, 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 우에서 좌로 프리휠시키기 위하여 S1, S3, 및 S4를 해제하고, S2를 설정할 것이다. 인버터(9)의 로우-사이드 루프 내의 전류는 닫힌 로우-사이드 스위치(예컨대, Q4)를 통해 아래로 흐르고, 열린 로우-사이드 스위치(예컨대, Q2)의 다이오드를 통해 위로 흐른다.
컨트롤러(14)는 로터(5)의 속도에 따라 3가지 모드 중 하나의 모드로 동작한다. 제1 임계치 아래의 속도에서, 컨트롤러(14)는 다중-스위치 모드로 동작한다. 제1 임계치보다 크지만 제2 임계치 아래인 속도에서, 컨트롤러(14)는 이중-스위치 모드로 동작한다. 그리고, 제3 속도 임계치 위의 속도에서, 컨트롤러(14)는 단일-스위치 모드로 동작한다. 로터(5)의 속도는 HALL 신호의 연속된 에지 사이의 간격으로부터 결정되고, 이러한 간격은 이하 HALL 기간으로 지칭될 것이다.
다중-스위치 모드는 모터(3)를 가속하는 동안 채택되는 반면, 이중-스위치 모드와 단일-스위치 모드는 정상 상태 동안 채택된다. 각각의 모드의 설명이 이하 제공된다. 이중-스위치 모드는 단일-스위치 모드로의 작지만 중요한 변화를 포함한다. 따라서, 이러한 변화의 성질 및 중요성이 보다 잘 이해될 수 있도록, 단일-스위치 모드의 설명이 이중-스위치 모드의 설명에 앞서 제공될 것이다.
3가지 모드 전부에서, 컨트롤러(14)는 HALL 신호의 에지에 대응하여 상권선(7)을 커뮤테이션(commutation)한다. 각각의 HALL 에지는 로터(5)의 극성 변화및, 이에 따른 상권선(7)에 유도된 역기전력의 극성 변화에 대응한다. 더 구체적으로, 각각의 HALL 에지는 역기전력의 제로-크로싱(zero-crossing)에 대응한다. 커뮤테이션은 상권선(7)을 통과하는 전류의 방향을 역전시키는 것을 포함한다. 따라서, 전류가 좌에서 우로의 방향으로 상권선(7)을 통해 흐르면, 커뮤테이션은 권선을 우에서 좌로 여자하는 것을 포함한다.
본 논의를 단순화하기 위하여, 컨트롤러(14)가 상권선(7)을 HALL 에지와 동기화하여, 즉 역기전력의 제로-크로싱과 동기화하여 커뮤테이션한다고 가정될 것이다. 그러나, 실제로는 컨트롤러(14)가 HALL 에지에 대한 커뮤테이션을 선행하거나, 동기화되거나, 또는 지연할 수 있다.
다중-스위치 모드
다중-스위치 모드로 작동할 때, 컨트롤러(14)는 전기적 사이클의 각 절반에 걸쳐 상권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠시킨다. 더 구체적으로, 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 여자하고, 전류 신호 I_PHASE를 모니터링하고, 상권선(7) 내의 전류가 미리 정해진 한계를 초과할 때 상권선(7)을 프리휠시킨다. 프리휠링은 미리 정해진 프리휠 기간 동안 계속되고, 이러한 기간 동안 상권선(7) 내의 전류는 전류 한계 아래의 레벨로 하강한다. 프리휠 기간의 종료 지점에서 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 다시 여자한다. 상권선(7)을 여자하고 프리휠시키는 이러한 과정은 전기적 반 사이클의 전체 길이에 걸쳐 계속된다. 따라서, 컨트롤러(14)는 각각의 전기적 반 사이클 동안 여자에서 프리휠링으로 여러번 스위치된다.
도 4는 다중-스위치 모드로 작동할 때 수개의 HALL 기간에 걸친, HALL 신호, 역기전력, 상전류, 상전압, 및 제어 신호의 파형을 도시하고 있다.
상대적으로 낮은 속도에서, 상권선(7)에 유도된 역기전력의 크기는 상대적으로 작다. 따라서, 상권선(7) 내의 전류는 여자하는 동안 상대적으로 빠르게 상승하고, 프리휠링하는 동안 상대적으로 느리게 하강한다. 추가적으로, 각각의 HALL 기간의 길이 및 이에 따른 각각의 전기적 반 사이클의 길이는 상대적으로 길다. 따라서, 컨트롤러(14)가 여자에서 프리휠링으로 스위치되는 주파수가 상대적으로 높다. 그러나, 로터 속도가 증가함에 따라, 역기전력의 크기는 증가하고, 따라서 전류는 여자하는 동안 더 느린 속도로 상승하고, 프리휠링하는 동안 더 빠른 속도로 하강한다. 추가적으로, 각각의 전기적 반 사이클의 길이는 감소한다. 그 결과, 스위칭 주파수가 감소한다.
단일-스위치 모드
단일-스위치 모드로 동작할 때, 컨트롤러(14)는 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간 및 이에 후속하는 프리휠 기간으로 분할한다. 그리고, 컨트롤러(14)는 전도 기간 동안 상권선(7)을 여자하고, 프리휠 기간 동안 상권선(7)을 프리휠시킨다. 단일-스위치 모드 내에서 작동할 때, 상전류는 여자하는 동안 전류 한계를 초과하지 않는다. 따라서, 컨트롤러(14)는 각각의 전기적 반 사이클 동안 오직 한 번만 여자에서 프리휠링으로 스위치된다.
도 5는 단일-스위치 모드로 작동할 때 수개의 HALL 기간에 걸친, HALL 신호, 역기전력, 상전류, 상전압, 및 제어 신호의 파형을 도시하고 있다.
상권선(7)을 여자하는데 사용되는 공급 전압의 크기는 변할 수 있다. 예컨대, 파워 서플라이(2)는 사용함에 따라 방전되는 배터리를 포함할 수 있다. 대안적으로, 파워 서플라이(2)는 상대적으로 평활한 전압을 제공하는 AC 소스, 정류기, 및 평활화 커패시터를 포함할 수 있지만, AC 소스의 RMS 전압은 변할 수 있다. 공급 전압의 크기 변화는 전도 기간 동안 상권선(7) 내로 구동되는 전류의 양에 영향을 미칠 것이다. 그 결과, 모터(3)의 파워가 공급 전압의 변화에 민감하다. 공급 전압 뿐만 아니라, 모터(3)의 파워는 로터(5)의 속도의 변화에 민감하다. 로터(5)의 속도가 변함에 따라(예컨대, 하중 변화에 대응하여), 역기전력의 크기도 마찬가지로 변한다. 따라서, 전도 기간 동안 상권선(7) 내로 구동되는 전류의 양도 변할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(14)는 로터(5) 속도의 변화 및/또는 공급 전압의 크기에 대응하여 전도 기간의 길이를 변화시킨다. 그 결과, 컨트롤러(14)는 로터 속도의 변화 및/또는 공급 전압의 변화에 대응하여 모터(3)의 파워를 더 우수하게 제어할 수 있다.
전도 기간의 길이를 변화시키기 위하여, 컨트롤러(14)는 여러 가지 전압 및/또는 속도에 대한 여러 가지 전도 기간의 룩업 테이블을 저장한다. 컨트롤러(14)는 전도 기간을 선택하기 위하여 공급 전압 및/또는 로터 속도를 이용하여 (예컨대, 각각 또는 모든 n번째 HALL 에지에 대응하여) 룩업 테이블을 인덱싱한다. 로터(5)의 속도는 HALL 기간의 길이로부터 얻어지고, 공급 전압은 V_DC 신호로부터 얻어진다.
룩업 테이블은 각각의 전압 및/또는 속도 지점에서 구체적인 출력 파워를 얻는 전도 기간을 저장한다. 공급 전압이 감소함에 따라, 더 적은 전류 및 이에 따라 더 적은 파워가 동일한 전도 기간에 걸쳐 모터(3) 내로 구동된다. 유사하게, 로터 속도가 증가함에 따라, 역기전력의 크기가 증가한다. 따라서, 더 적은 전류 및 이에 따라 더 적은 파워가 동일한 전도 기간에 걸쳐 모터(3) 내로 구동된다. 따라서, 이러한 거동을 보상하기 위하여, 컨트롤러(14)는 공급 전압의 감소 또는 로터 속도의 증가에 대응하여 증가되는 전도 기간을 채택할 수 있다.
이중-스위치 모드
상권선을 여자하는 동안, 토크-대-전류 비율은 상전류의 파형이 역기전력의 파형에 일치하는 경우 최대가 된다. 따라서, 상전류의 파형을 역기전력의 파형에 더 잘 일치하도록 성형함으로써, 즉 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분을 감소시킴으로써, 모터(3)의 효율 개선이 달성된다. 본 출원인은 단일-스위치 모드 내에서 더 낮은 속도로 작동할 때, 모터(3)의 효율 개선이, 상대적으로 작은 2차 프리휠 기간을 전도 기간 내에 삽입함으로써 달성된다는 사실을 발견하였다.
더 낮은 로터 속도에서, HALL 기간의 길이가 더 길고, 따라서 역기전력이 더 느린 속도에서 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기는 더 낮고, 따라서 공급 전압이 변하지 않는다고 가정하면, 상권선 내의 전류가 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 더 낮은 속도에서, 역기전력은 더 느린 속도로 상승하지만, 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 그 결과, 상전류는 전도 기간의 초기 부분 동안 역기전력보다 더 빠른 속도로 상승한다. 본 출원인은 전도 기간 동안 상대적으로 작은 2차 프리휠 기간을 도입함으로써, 상전류의 상승이 순간적으로 점검되어, 상전류의 상승이 역기전력의 상승을 좀 더 근접하여 따라간다는 사실을 발견하였다. 그 결과, 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분이 감소되고, 따라서 모터(3)의 효율이 증가된다.
이중-스위치 모드로 작동할 때, 컨트롤러(14)는 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간 및 이에 후속하는 프리휠 기간으로 분할한다. 그리고, 컨트롤러(14)는 전도 기간을 제1 여자 기간, 제1 여자 기간에 후속하는 2차 프리휠 기간, 2차 프리휠 기간에 후속하는 제2 여자 기간으로 분할한다. 그러면 컨트롤러(14)는 2개의 여자 기간 각각 동안 상권선(7)을 여자하고, 2개의 프리휠 기간 각각 동안 상권선(7)을 프리휠시킨다. 단일-스위치 모드에서와 같이, 상전류는 여자하는 동안 전류 한계를 초과하지 않는다. 따라서, 컨트롤러(14)는 각각의 전기적 반 사이클 동안 여자에서 프리휠링으로 두 번 스위치된다.
도 6은 이중-스위치 모드로 작동할 때 수개의 HALL 기간에 걸친, HALL 신호, 역기전력, 상전류, 상전압, 및 제어 신호의 파형을 도시하고 있다.
컨트롤러(14)는, 전통적으로 컨트롤러(14)가 단일-스위치 모드로 작동하였을 더 낮은 속도에서 이중-스위치 모드로 작동한다. 단일-스위치 모드에서와 같이, 컨트롤러(14)는 공급 전압의 크기 변화 및/또는 로터(5)의 속도 변화에 대응하여 전도 기간의 길이를 변화시킨다. 이것을 위하여, 컨트롤러(14)는 여러 가지 전압 및/또는 속도에 대하여 여러 가지 여자 기간의 룩업 테이블을 저장한다. 그러면 컨트롤러(14)는 여자 기간을 선택하기 위하여 공급 전압 및/또는 로터 속도를 이용하여 룩업 테이블을 인덱싱한다. 선택된 여자 기간은 제1 여자 기간과 제2 여자 기간 모두를 정의하는데 사용되는데, 즉 컨트롤러(14)는 선택된 여자 기간 동안 상권선(7)을 여자하고, 2차 프리휠 기간 동안 상권선(7)을 프리휠시키고, 선택된 여자 기간 동안 상권선(7)을 다시 여자한다.
제1 여자 기간과 제2 여자 기간이 동일한 길이를 가지기 때문에, 2차 프리휠 기간은 전도 기간의 중앙에서 발생한다. 이것은 적어도 2개의 이점을 가진다. 첫째, 상전류의 고조파 성분이 2개의 여자 기간에 걸쳐 더 우수하게 밸런싱된다. 그 결과, 전도 기간 동안 상전류의 총 고조파 성분이, 2개의 여자 기간이 서로 다른 길이를 가지는 경우보다 더 낮을 가능성이 있다. 둘째, 룩업 테이블은 각각의 전압 및/또는 속도 지점에 대하여 단지 하나의 여자 기간을 저장하기만 하면 된다. 그 결과, 룩업 테이블을 위하여 더 적은 메모리가 요구되고, 따라서 더 저렴한 컨트롤러가 사용될 수 있다. 전술한 이점에도 불구하고, 공급 전압의 변화 및/또는 로터 속도의 변화에 대응하여 2차 프리휠 기간의 위치를 변경하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 각각의 전압 및/또는 속도 지점에 대하여 제1 여자 기간 및 제2 여자 기간을 저장하는 룩업 테이블을 채택함으로써 달성될 수 있다.
컨트롤러(14)는 길이가 고정된 2차 프리휠 기간을 채택한다. 이것은 컨트롤러(14)의 메모리 요구사항을 감소시키는 이점을 가지는데, 즉 컨트롤러(14)는 단지 단일의 2차 프리휠 기간을 저장하기만 하면 된다. 그러나 대안적으로, 컨트롤러(14)는 공급 전압의 변화 및/또는 로터 속도의 변화에 대응하여 변화하는 2차 프리휠 기간을 채택할 수도 있다. 구체적으로, 컨트롤러(14)는 공급 전압의 증가 또는 로터 속도의 감소에 대응하여 증가하는 2차 프리휠 기간을 채택할 수 있다. 공급 전압이 증가함에 따라, 로터 속도 및 이에 따른 역기전력의 크기가 변하지 않는다고 가정하면, 상권선(7) 내의 전류는 여자하는 동안 더 빠른 속도로 상승한다. 그 결과, 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분은 증가할 가능성이 있다. 공급 전압의 증가에 대응하여 2차 프리휠 기간의 길이를 증가시킴으로써, 상전류의 상승이 더 긴 기간 동안 점검되고, 따라서 상전류 파형의 고조파 성분이 감소될 수 있다. 로터 속도가 감소함에 따라, HALL 기간의 길이가 증가하고, 따라서 역기전력이 더 느린 속도로 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기가 감소하고, 따라서 공급 전압이 변하지 않는다고 가정하면, 상권선(7) 내의 전류가 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 로터 속도가 감소함에 따라, 역기전력이 더 느린 속도로 상승하지만, 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분은 상승할 가능성이 있다. 로터 속도의 감소에 대응하여 2차 프리휠 기간을 증가시킴으로써, 상전류의 상승이 더 긴 기간 동안 점검되고, 따라서 상전류 파형의 고조파 성분이 감소될 수 있다. 따라서, 공급 전압의 증가 및/또는 로터 속도의 감소에 대응하여 2차 프리휠 기간을 증가시키는 것은 추가적인 효율 개선으로 이어질 수 있다.
2차 프리휠 기간의 길이는 상대적으로 짧고, 단지 상전류의 상승을 순간적으로 점검하기 위한 것이다. 따라서, 2차 프리휠 기간은 1차 프리휠 기간과 각각의 여자 기간 어느 것보다 더 짧다. 2차 프리휠 기간의 실제 길이는 모터 어셈블리(1)의 구체적 특성, 즉 상권선(7)의 인덕턴스, 공급 전압의 크기, 역기전력의 크기 등에 의존할 것이다. 그 길이에 관계없이, 2차 프리휠 기간은 상권선(7) 내의 역기전력이 상승하는 기간 동안 발생한다. 이것은 역기전력이 하강하는 기간 동안 전적으로는 아닐지라도 주로 발생하는 1차 프리휠 기간에 대해 대조적이다. 1차 프리휠 기간은 상권선(7)의 인덕턴스를 활용하여, 파워 서플라이(2)로부터 어떠한 추가적 파워를 끌어오지 않고서도 토크가 상전류에 의해 계속 발생된다. 역기전력이 하강함에 따라, 주어진 상전류에 대하여 더 적은 토크가 발생된다. 따라서, 역기전력이 하강하는 동안 상권선(7)을 프리휠시킴으로써, 토크에 악영향을 미치지 않고서도 모터(3)의 효율이 개선될 수 있다.
전술한 실시예에서, 컨트롤러(14)는 정상 상태 동안 2가지 다른 모드로 작동한다. 이중-스위치 모드는 제1 속도 범위에 걸쳐 작동할 때 채택되고, 단일-스위치 모드는 더 높은 제2 속도 범위에 걸쳐 작동할 때 채택된다. 이것은 정상 상태 내의 전체 속도 범위에 걸쳐 모터(3)의 효율을 개선시킨다. 2차 프리휠 기간이 더 높은 속도 범위에서 작동할 때 채택되었다면, 모터(3)의 효율은 적어도 본 실시예에서 더 나빠졌을 것이다. 이것은, 더 높은 속도 범위에서 작동할 때, 상전류가 역기전력과 유사한 속도로 또는 역기전력보다 더 느린 속도로 대체적으로 상승하기 때문이다. 따라서, 2차 프리휠 기간의 도입은 역기전력에 대한 상전류의 고조파 성분을 증가시키는 역할만을 할 것이다.
이전 단락의 설명에도 불구하고, 이중-스위치 모드가 더 낮은 속도뿐만 아니라 더 높은 속도로 사용되는 것을 생각할 수 있을 것이다. 예컨대, 상권선(7)의 인덕턴스가 상대적으로 낮을 수 있어서, 상대적으로 높은 속도로 작동할 때 조차, 상 인덕턴스와 관련된 시간 상수(L/R)가 HALL 기간의 길이에 비해서 특히 짧다. 그 결과, 상전류는 역기전력에 비해 상대적으로 신속하게 상승한다. 대안적으로, 아마 더 높은 속도에서 역기전력에 대한 공급 전압의 크기가 상대적으로 높아서, 상전류가 역기전력에 비해 상대적으로 신속하게 상승한다. 이러한 양 예시에서, 효율의 개선은 더 낮은 속도뿐만 아니라 더 높은 속도에서 이중-스위치 모드를 채택함으로써 달성될 수 있다.
전술한 실시예에서, 컨트롤러(14)는 단일-스위치 모드에서 사용하기 위한 전도 기간의 룩업 테이블 및 이중-스위치 모드에서 사용하기 위한 여자 기간을 저장한다. 1차 프리휠 기간은 HALL 기간에서 전도 기간을 뺌으로써 계산될 수 있다. 대안적으로, 상권선(7)이 각각의 HALL 에지와 동기화되어 커뮤테이션되면, 1차 프리휠링은 그 다음 HALL 에지가 컨트롤러(14)에 의해 감지될 때까지 무한 계속될 수 있다. 컨트롤러(14)가 전도 기간 및 여자 기간의 룩업 테이블을 저장함에도 불구하고, 동일한 수준의 제어가 다른 수단에 의해 달성될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 전도 기간 및 여자 기간의 룩업 테이블을 저장하기 보다는, 컨트롤러(14)는 마찬가지로 공급 전압의 크기 및/또는 로터(5)의 속도를 이용하여 인덱싱되는 1차 프리휠 기간의 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 전도 기간은 HALL 기간에서 1차 프리휠 기간을 뺌으로써 얻어질 것이고, 각각의 여자 기간은 HALL 기간에서 1차 및 2차 프리휠 기간을 빼고, 그 결과를 2로 나눔으로써 얻어질 것이다:
T_CD = T_HALL - T_FW_1
T_EXC = (T_HALL - T_FW_1 - T_FW_2)/2
여기에서, T_CD 는 전도 기간이고, T_EXC 는 제1 및 제2 여자 기간 각각이고, T_HALL 은 HALL 기간이고, T_FW_1 은 1차 프리휠 기간이고, T_FW_2 는 2차 프리휠 기간이다.

Claims (15)

  1. 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법으로서,
    전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간(conduction period) 및 상기 전도 기간에 후속하는 1차 프리휠 기간(freewheel period)으로 분할하는 단계;
    상기 전도 기간을 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계;
    각각의 여자 기간 동안 상기 모터의 권선을 여자하는 단계; 및
    각각의 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 2차 프리휠 기간은 상기 권선 내의 역기전력이 상승할 때 발생하고, 상기 권선 내의 역기전력에 대한 상기 권선 내의 전류의 고조파 성분을 감소시키는 위치 및 길이를 상기 전도 기간 내에서 가지는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 1차 프리휠 기간의 절반 이상 동안 역기전력이 하강하는 중인, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 프리휠 기간의 길이는, 상기 1차 프리휠 기간, 상기 제1 여자 기간, 및 상기 제2 여자 기간 각각보다 짧은, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    공급 전압으로 상기 권선을 여자하는 단계, 및 상기 공급 전압의 변화 또는 상기 모터의 속도의 변화에 대응하여 상기 전도 기간의 길이를 변화시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공급 전압의 감소 또는 상기 모터의 속도의 증가에 대응하여 상기 전도 기간의 길이를 증가시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 여자 기간 및 상기 제2 여자 기간은 동일한 길이를 가지는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차 프리휠 기간의 길이는 고정되어 있는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    공급 전압으로 상기 권선을 여자하는 단계, 및 상기 공급 전압의 변화 또는 상기 모터의 속도의 변화에 대응하여 상기 2차 프리휠 기간을 변화시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 공급 전압의 증가 또는 상기 모터의 속도의 감소에 대응하여 상기 2차 프리휠 기간의 길이를 증가시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  10. 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법으로서,
    제1 속도 범위에 걸쳐 이중-스위치 모드로 작동하는 단계 및 제2 속도 범위에 걸쳐 단일-스위치 모드로 작동하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 속도 범위는 상기 제1 속도 범위보다 높고,
    각각의 모드는 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간 및 상기 전도 기간에 후속하는 1차 프리휠 기간으로 분할하는 단계를 포함하고,
    상기 단일-스위치 모드는 상기 전도 기간 동안 상기 모터의 권선을 여자하는 단계 및 상기 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계를 포함하고,
    상기 이중-스위치 모드는 상기 전도 기간을 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계; 각각의 여자 기간 동안 상기 권선을 여자하는 단계; 및 각각의 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    각각의 모드는 공급 전압으로 상기 권선을 여자하는 단계, 및 상기 공급 전압의 변화 또는 상기 모터의 속도의 변화에 대응하여 상기 전도 기간의 길이를 변화시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  12. 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법으로서,
    제1 속도 범위에 걸쳐 다중-스위치 모드로 작동하는 단계 및 제2 속도 범위에 걸쳐 이중-스위치 모드로 작동하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 속도 범위는 상기 제1 속도 범위보다 높고,
    상기 다중-스위치 모드는 전기적 사이클의 각 절반 동안 상기 모터의 권선을 수회 순차적으로 여자하고 프리휠시키는 단계를 포함하고,
    상기 권선은 권선 내의 전류가 미리 정해진 한계를 초과할 때 프리휠되고,
    상기 이중-스위치 모드는 전기적 사이클의 각 절반을 전도 기간 및 상기 전도 기간에 후속하는 1차 프리휠 기간으로 분할하는 단계; 상기 전도 기간을 제1 여자 기간, 2차 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계; 각각의 여자 기간 동안 상기 권선을 여자하는 단계; 및 각각의 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
  13. 브러시리스 영구자석 모터용 제어 회로로서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법을 수행하도록 구성되어 있는 제어 회로.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어 회로는 상기 모터의 권선에 커플링하기 위한 인버터, 게이트 드라이버 모듈, 및 컨트롤러를 포함하고,
    상기 게이트 드라이버 모듈은 상기 컨트롤러로부터 수신된 제어 신호에 대응하여 상기 인버터의 스위치를 제어하고, 상기 컨트롤러는 각각의 여자 기간 동안 상기 권선을 여자하고 또한 각각의 프리휠 기간 동안 상기 권선을 프리휠시키도록 제어 신호를 발생시키는, 제어 회로.
  15. 브러시리스 영구자석 모터 및 제13항에 따른 제어 회로를 포함하는 모터 어셈블리.
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