KR101883530B1 - 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 홀 센서 신호에 기반하여 회전 자계 기계의 로터가 위치하는 섹터를 검출하는 단계(763)와, 회전 자계 기계의 잠정 속도를 검출하는 단계(765)를 포함한다. 상기 섹터와 잠정 속도를 기반으로 검출 단계(767)에서 속도 및 로터 위치가 검출되며, 이때 적어도 속도의 검출을 위해 회전 자계 기계의 관측기가 이용된다.

Description

회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE ROTOR POSITION AND SPEED OF A ROTATING FIELD MACHINE}
본 발명은 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법과 장치, 그리고 회전 자계 기계에 관한 것이다.
DE 11 2008 001 818 T5호는 모터에 인가된 전압 및 전류를 기반으로 모터의 회전 위치를 검출하기 위한 전동기 제어 장치를 기술하고 있다.
상기 종래 기술에 근거하여, 본 발명에서는 독립 청구항들에 따라 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법과, 나아가 상기 방법을 사용하는 장치 및 마지막으로 상응하는 컴퓨터 프로그램 제품이 소개된다. 바람직한 구현예들은 각각의 종속 청구항과 하기의 설명으로부터 제시된다.
홀 센서들 및 관측기 구조물을 이용하여, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치의 고장 안전적(fail-safe) 검출이 수행될 수 있다. 회전 자계 기계는 예컨대 전기 터보 압축기를 위해 제공된다. 이 경우, 속도는 관측기를 이용하여 검출될 수 있다.
관측기를 통해, 홀 신호들에서의 간섭 발생으로 인해 속도 계산 시 오류가 야기되고, 그럼으로써 로터 위치에서 오류가 나타나는 점이 방지될 수 있다. 또한, 간섭 발생으로 인해 회전 자계 기계의 스테이터 전류 제어 및 속도 제어가 불안정해지면서, 터보 압축기의 오작동 및 작동 정지를 야기할 수 있는 점도 방지될 수 있다. 또한, 관측기는 저속을 매우 정확하게, 그리고 강한 변동 없이 제어할 수 있게 한다. 그 외에도, 계산된 속도와 로터 위치 간에, 정지형 필터들에 의해 보정되어야 할 수도 있는 허용되지 않은 위상 변위가 발생하는 점도 방지될 수 있다.
본 발명은, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법으로서, 하기의 단계들, 즉,
홀 센서 신호가 로터의 영역에 배치된 홀 센서들로부터 출력되는 신호인 조건에서, 홀 센서 신호들을 기반으로 회전 자계 기계의 로터가 위치하는 섹터(sector)를 검출하는 단계와,
홀 센서 신호들을 기반으로 회전 자계 기계의 잠정 속도를 검출하는 단계와,
적어도 속도의 검출을 위해 회전 자계 기계의 관측기가 이용되는 조건에서, 상기 섹터 및 잠정 속도를 기반으로 속도 및 로터 위치를 검출하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
회전 자계 기계는, 다상 교류 전류로 작동되는 전동기일 수 있다. 통상적으로 다상 교류 전류는 3상 교류 전류이다. 다상 교류 전류에 의해, 코일들을 이용하여, 회전 자계 기계의 로터에 토크를 가하여 회전 자계 기계의 스테이터에 대한 로터의 상대 회전 운동을 야기하는 자계가 생성된다. 로터의 완전한 1회전은 복수의 섹터로 분할될 수 있는 하나의 원을 나타내므로, 로터는 완전한 1회전 시 복수의 섹터를 통과하게 된다. 이 경우, 섹터의 개수는 다상 교류 전류의 위상의 개수에 상응할 수 있다. 섹터의 개수가 3개인 경우, 로터의 완전한 1회전 중 120°의 각도 세그먼트가 각각의 섹터에 할당될 수 있으며, 그럼으로써 모든 섹터가 연이어 연결되어 하나의 완전한 원을 형성한다. 로터의 회전으로 인하여 로터에 배치된 기준점이 한 섹터로부터 인접한 섹터로 이동될 때, 섹터 전환이 실시될 수 있다. 로터는 자계를 생성하도록 형성될 수 있다. 로터는 영구 자석을 구비한 샤프트일 수 있다. 홀 센서의 개수는 섹터의 개수의 절반에 상응할 수 있다. 홀 센서들 각각은 로터의 자계 방향을 검출하도록 형성될 수 있다. 각각의 홀 센서는, 각각의 홀 센서와 관련한 로터의 자계 방향을 맵핑할 수 있는 홀 센서 신호를 출력하도록 형성된다. 이처럼, 하나의 홀 센서 신호는, 자계가 홀 센서와 관련하여 제1 방향을 가지는 경우에는 제1 값을 취할 수 있고, 자계가 홀 센서와 관련하여 제2 방향을 가지는 경우에는 제2 값을 취할 수 있다. 로터가 현재 위치해 있는 섹터는, 홀 센서들의 배치를 알고 있는 조건에서 홀 센서 신호들의 값들의 분석을 통해 검출될 수 있다. 잠정 속도는 홀 센서 신호의 제1 값과 제2 값 간의 전환을 야기하는 신호 에지들을 기반으로 분석될 수 있다. 잠정 속도는 홀 센서 신호들로부터 예컨대 미분을 통해 검출되는 로터의 속도일 수 있다. 로터 위치는 예컨대 스테이터에 배치된 기준점에 대한 로터의 상대 위치일 수 있다. 관측기는 회전 자계 기계의 모델을 포함할 수 있다. 이는 상태 관측기일 수 있다. 예컨대 모델은 회전 자계 기계의 기계 부분을 시뮬레이션할 수 있다. 이는 전차수 관측기(full-order observer), 예컨대 루엔버거 관측기(Luenberger observer)일 수 있다. 입력 변수로서, 측정 변수들 또는 측정 변수들을 토대로 검출된 값들이 관측기에 공급될 수 있다. 관측기는 속도에 대한 하나 이상의 값을 출력 변수로서 출력할 수 있다. 관측기로부터 출력된 속도에 의해, 로터의 속도가 잠정 속도에 의해 명시되는 것보다 더 정확하게 명시될 수 있다. 그에 따라, 예컨대 전기 터보 압축기를 위해, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 고장 안전 방식으로 검출하기 위한 방법이 홀 센서들을 이용하여 제공된다. 고장 안전 방식으로 검출된 로터 위치와 고장 안전 방식으로 검출된 속도는 저속에서 정확한 사인파 전류 공급과 그에 따른 안정된 속도 제어를 가능하게 한다.
일 실시예에 따라서, 본원의 방법은 홀 센서 신호들을 기반으로 로터의 회전 방향을 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 검출 단계에서는 섹터, 회전 방향 및 속도를 기반으로 로터 위치가 검출될 수 있다. 속도는 관측기의 이용 하에 잠정 속도와, 로터의 토크를 야기하는 전류를 기반으로 검출될 수 있다. 회전 방향은 홀 센서 신호들의 일련의 값들의 분석을 토대로 검출될 수 있다. 전류는 q 방향의 전류일 수 있다. 이 경우, q 방향은, 스테이터 관련 다상 시스템으로부터 적합한 변환을 통해 계산될 수 있는 로터 관련 d-q 시스템에 기반할 수 있다. q 방향으로 전류를 조정함으로써, 회전 자계 기계의 토크가 조정될 수 있다. 여기서 관측기는, 속도를 출력 변수로서 출력하는 속도 관측기일 수 있다. 그 결과, 속도는 매우 고장 안전적으로 검출될 수 있다. 관측기로부터 출력된 속도가 로터 위치의 검출에 관여함으로써, 로터 위치 역시 매우 고장 안전적으로 검출될 수 있다.
이 경우, 검출 단계에서 로터 위치는 속도의 가산을 기반으로 검출될 수 있다. 가산은 적분을 통해 수행될 수 있다. 이 경우, 섹터의 변경은 각각 가산의 리세팅을 유도할 수 있다. 그 결과, 로터 위치가 매우 정확하게 검출될 수 있다.
또 다른 한 실시예에 따라서, 본원의 방법은 홀 센서 신호들을 기반으로 로터의 가속도를 검출하는 단계를 포함한다. 검출 단계에서, 로터 위치와 속도는 관측기를 이용하여 섹터, 잠정 속도 및 가속도를 기반으로 검출될 수 있다. 속도 및 로터 위치의 관측을 통해 두 매개변수는 매우 정확하게 검출될 수 있다.
이 경우, 검출 단계에서 로터 위치와 속도는, 섹터의 전환 시 섹터 및 잠정 속도에 기반하여 검출되고, 그 밖의 경우 관측기를 이용하여 검출되어 리턴된 로터 위치 및 관측기를 이용하여 검출되어 리턴된 속도를 기반으로 검출될 수 있다. 이러한 방식으로, 섹터 전환 시 홀 센서 신호들로부터 검출된 값들이 이용될 수 있다. 그에 반해, 섹터 전환이 실시되지 않으면, 관측기를 통해 검출된 값들이 이용될 수 있다. 그 결과, 관측기를 위한 입력 변수들로서 항상 정확한 값들이 제공된다.
일 실시예에 따라, 본원의 방법은 홀 센서 신호들을 수신하고 검증하는 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 수신되는 홀 센서 신호들이 검사될 수 있다. 검증은 예컨대 저역통과 필터링을 포함할 수 있다. 간섭된 홀 신호들은 추가 분석에 서 배제되거나 보정될 수 있다. 이러한 방식으로, 간섭 효과가 추가 분석을 왜곡하는 점은 방지될 수 있다.
또한, 섹터를 검출하는 단계에서, 섹터는 홀 센서 신호들의 시간적 순서를 기반으로 검출될 수 있다. 잠정 속도를 검출하는 단계에서, 잠정 속도는 홀 센서 신호들의 연속 에지들 간의 시간차를 토대로 검출될 수 있다. 예컨대 홀 센서 신호들 중 하나 이상의 홀 센서 신호의 에지 전환은 섹터의 변경을 의미할 수 있다. 잠정 속도는 홀 센서 신호들의 미분을 통해 검출될 수 있다. 따라서, 우선 섹터 및 잠정 속도를 검출하기 위한, 공지된 방법이 이용될 수 있다.
또한, 본 발명은 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 단계들을 실행하도록 형성된다. 본원의 장치는, 상응하는 유닛들에서 본원의 방법의 단계들을 각각 실행하도록 형성된다. 본원에서 장치란, 센서 신호들을 처리하고 상기 처리에 기초하여 제어 신호들을 출력하는 전기 장치를 의미할 수 있다. 상기 장치는 하드웨어 및/또는 소프트웨어에 기반하여 형성될 수 있는 인터페이스를 포함할 수 있다. 하드웨어 기반 형성 시, 인터페이스들은 예컨대 본원 장치의 매우 다양한 기능들을 포함하는 이른바 시스템 ASIC의 부분일 수 있다. 또는, 인터페이스들이 독립된 집적 회로들이거나, 적어도 부분적으로 이산 소자들로 구성될 수도 있다. 소프트웨어 기반 형성 시, 인터페이스들은 예컨대 마이크로컨트롤러 상에 또 다른 소프트웨어 모듈들과 더불어 제공되는 소프트웨어 모듈들일 수 있다.
본 발명은 하기의 특징들, 즉
로터와,
홀 센서들 각각이 로터의 자계 방향을 검출하고, 이 방향에 따라서 홀 센서 신호를 출력하도록 형성되는 조건에서, 3개 이상의 홀 센서를 구비한 스테이터와,
상기 3개 이상의 홀 센서로부터 출력되는 홀 센서 신호들을 기반으로 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 장치를 포함하는 회전 자계 기계도 제공한다.
바람직하게는, 반도체 메모리, 하드 디스크 메모리 또는 광학 메모리와 같은 기계 판독 가능한 매체에 저장될 수 있는, 프로그램 코드를 포함한 컴퓨터 프로그램 제품으로서, 프로그램이 컴퓨터 또는 임의의 장치에서 실행되면 앞서 기술한 실시예들 중 어느 한 실시예에 따른 방법을 실행하는 데 사용되는 컴퓨터 프로그램 제품도 제공된다.
본 발명에 따른 접근법의 여러 실시예들은, 예컨대 터보 압축기의 경우, 회전 자계 기계의 측정된 홀 신호들로부터 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치에 대한 비간섭 신호들의 계산을 가능하게 한다. 종합해보면, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치에 대해 매우 간섭 안전적이면서 견고한 신호들이 획득된다. 그 결과, 매우 느린 속도들도 제어되어 실현될 수 있다. 스테이터 전류 제어 및 속도 제어는 더 이상 간섭의 영향을 과도하게 받지 않음으로써, 지속적으로 안정적인 영역 내에 놓인다.
하기에서 본 발명은 첨부된 도면들을 토대로 예시의 형태로 더 상세히 설명된다.

도 1은 회전 자계 기계의 개략도이다.
도 2는 홀 센서 신호들을 나타낸 그래프이다.
도 3은 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 장치의 블록 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 장치의 블록 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 관측기이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 추가 장치의 블록 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법의 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 하기 설명에서, 상이한 도면들에 도시되어 유사한 작용을 하는 요소들에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호가 사용되며, 이러한 요소들의 반복 설명은 생략된다.
도 1에는 로터(102)와 스테이터(104)를 포함하는 회전 자계 기계의 개략도가 도시되어 있다. 로터(102)는 스테이터(104)의 내부에 회전 가능하게 장착되며, 자기적 S극 및 자기적 N극을 가진 하나 이상의 극 쌍을 형성한다. 스테이터(104)는 3개 이상의 분리된 스테이터 권선(W, V, U)을 포함한다. 로터(102)와 스테이터(104) 사이의 간극에는 3개의 홀 센서(105, 106, 107)가 배치된다. 홀 센서들(105, 106, 107)은 스테이터(104)와 고정 결합된다. 홀 센서들(105, 106, 107)은 로터(102)의 외주에 걸쳐 균일하게 분포되어 배치되며, 이때 하나의 스테이터 권선에 홀 센서들(105,106, 107) 중 각각 하나의 홀 센서가 할당된다. 로터(102)는 홀 센서들(105, 106, 107) 옆을 스쳐 지나가는 방식으로 가동될 수 있다.
도 1에 개략적으로 도시된 것과 같은 전기 터보 압축기의 하이다이내믹 자계 지향 전류 제어 및 속도 제어를 위해서는, 로터(102)의 속도와 로터 위치, 다시 말해 스테이터(104)에 대한 로터(102)의 상대 위치를 알고 있어야 한다. 이 경우, 특히 로터 위치는, 정확한 사인파 전류 공급을 실현하기 위해, 정지 상태에서, 그리고 공칭 속도의 10% 이하의 속도 범위에 속하는 저속에서 최대한 정밀하게 검출되어야 한다. 공칭 속도의 10%를 상회하는 상대적으로 고속 범위에서는, 통상 센서 없이 속도 및 로터 위치가 검출된다. 저속 범위에서는 기계식 또는 광학식 회전 인코더를 통해, 또는 홀 센서들(105, 106, 107)을 통해 속도와 로터 위치가 검출될 수 있다. 이 경우, 홀 센서들(105, 106, 107)에 의해 로터(102)의 자계 방향이 검출되고, 이로부터 속도 및 로터 위치가 계산된다.
도 2에는, 도 1과 관련하여, 로터(102)의 회전 시 도 1에 도시된 홀 센서들(105, 106, 107)에 의해 생성되는 신호 패턴 결과의 예시가 도시되어 있다. 즉,홀 센서(105)의 제1 신호(205)와, 홀 센서(106)의 제2 신호(206)와, 홀 센서(107)의 제3 신호(207)가 도시되어 있다. 가로좌표에는 로터(102)의 각도 위치, 또는 도(°) 단위의 로터 위치가 기입되어 있다. 로터 위치 0°는 출발 위치에 상응하고, 로터 위치 360°는 완전한 1회전에 상응한다. 세로좌표에는 신호들(205, 206, 207)의 값이 기입되어 있다. 신호들(205, 206, 207) 각각은 2개의 값을 취할 수 있다. 이 경우, 상기 값들 중 제1 값은 로터(102)에 의해 야기되는 제1 자계 방향을 가리키고, 제2 값은 로터(102)에 의해 야기되는 제2 자계 방향을 가리킨다.
로터 위치가 0°일 경우, 홀 센서(106)는 로터(102)의 N극의 영향권 내에 배치되고, 홀 센서들(105, 107)은 로터(102)의 S극의 영향권 내에 배치된다. 그에 따라, 제3 신호(207)는 제2 값을, 그리고 신호들(205, 206)은 제1 값을 갖는다. 로터(102)가 시계 방향으로 회전하여 30°의 로터 위치에서, 홀 센서(106)가 로터(102)의 N극의 영향권에 도달함으로써, 제1 값에서 제2 값으로 제2 신호(206)의 에지 전환이 실시된다. 로터(102)가 계속 회전하여 90°의 로터 위치에서, 홀 센서(107)가 로터(102)의 S극의 영향권에 도달함으로써, 제2 값에서 제1 값으로 제3 신호(207)의 에지 전환이 실시된다. 로터(102)가 계속 회전하여 150°의 로터 위치에서, 홀 센서(106)가 로터(102)의 N극의 영향권에 도달함으로써, 제1 값에서 제2 값으로 제1 신호(206)의 에지 전환이 실시된다. 로터(102)가 계속 회전하여 210°의 로터 위치에서, 홀 센서(106)가 로터(102)의 S극의 영향권에 도달함으로써, 제2 값에서 제1 값으로 제2 신호(206)의 에지 전환이 실시된다. 로터(102)가 계속 회전하여 270°의 로터 위치에서, 홀 센서(107)가 다시 로터(102)의 N극의 영향권에 도달함에 따라, 제1 값에서 제2 값으로 제3 신호(207)의 에지 전환이 실시된다. 로터(102)가 계속 회전하여 330°의 로터 위치에서, 홀 센서(105)가 로터(102)의 S극의 영향권에 도달함으로써, 제2 값에서 제1 값으로 제1 신호(205)의 에지 전환이 실시된다.
로터(102)의 섹터 전환은 예컨대 신호들(205, 206, 207) 중 어느 하나의 신호의 제1 값에서 제2 값으로의 상승 에지에 의해 각각 정의될 수 있거나, 그 대안으로 신호들(205, 206, 207) 중 어느 하나의 신호의 제2 값에서 제1 값으로의 하강 에지에 의해 정의될 수 있다. 선택적으로 섹터 전환은, 에지 전환과 일치하지 않는 로터 위치들에서 수행될 수 있다.
로터(102)의 속도는 신호들(205, 206, 207)의 2개 이상의 연속하는 에지 전환의 시간 간격의 분석을 통해 검출될 수 있다.
도 3에는, 홀 센서들(205, 206, 207)을 기반으로 회전 자계 기계의 속도(310) 및 로터 위치(312)를 검출하기 위한 장치의 블록 회로도가 도시되어 있다. 회전 자계 기계는 도 1을 참고로 설명한 회전 자계 기계일 수 있다. 홀 센서 신호들(205, 206, 207)은 도 2를 참고로 설명한 홀 센서 신호들일 수 있다. 본원의 장치는 검증 유닛(320)과, 검출 유닛(322)과, 각도 시뮬레이션 유닛(324)을 포함한다.
검증 유닛(320)은, 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 수신하고 검증하여 검증된 홀 센서 신호들로서 검출 유닛(322)으로 출력하도록 형성된다.
검출 유닛(322)은, 검증된 홀 센서 신호들을 수신하고, 검증된 홀 센서 신호들을 기반으로 회전 자계 기계의 로터가 위치하는 섹터(331), 로터가 이동되는 방향(332), 및 로터의 속도(310)를 검출하여 출력하도록 형성된다. 섹터(331), 방향(332) 및 속도(310)는 전기 신호들로서, 또는 섹터 정보, 방향 정보 및 속도 정보로서 출력될 수 있다. 본원의 장치는 출력 신호로서 속도(310)를 출력하도록 형성된다.
각도 시뮬레이션 유닛(324)은, 검출 유닛(322)으로부터 섹터(331), 방향(332), 및 속도(310)를 수신하여, 이들을 기반으로 로터 위치(312)를 검출하여 출력하도록 형성된다. 본원의 장치는 출력 신호로서 로터 위치(312)를 출력하도록 형성된다.
그에 따라 속도 및 로터 위치의 계산을 위해, 우선 홀 신호들(205, 206, 207)의 검증이 실행된다. 이어서, 검증된 개별 신호들(205, 206, 207)의 시간차로부터 직접 속도(310)의 계산이 수행된다. 섹터(331) 및 방향(332)도 검증된 홀 신호들로부터 직접 계산된다. 그 다음, 로터 위치(312)는 적분법에 의해 속도(310)로부터 직접 산출된다. 섹터(331)는 적분의 초기화에 이용된다.
도 4에는, 본 발명의 일 실시예에 따라서, 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 기반으로 회전 자계 기계의 속도(410) 및 로터 위치(412)를 검출하기 위한 장치의 블록 회로도가 도시되어 있다. 회전 자계 기계는 도 1에 따라 기술한 회전 자계 기계일 수 있다. 홀 센서 신호들(205, 206, 207)은 도 2에 따라 기술한 홀 센서 신호들일 수 있다. 본원의 장치는 검증 유닛(320)과, 검출 유닛(322)과, 각도 시뮬레이션 유닛(324)과, 속도 관측기(426)를 포함한다.
검증 유닛(320)은, 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 수신하고 검증하여, 검증된 홀 센서 신호들로서 검출 유닛(322)으로 출력하도록 형성된다.
검출 유닛(322)은, 검증된 홀 센서 신호들을 수신하고, 검증된 홀 센서 신호들을 기반으로 회전 자계 기계의 로터가 위치하는 섹터(331), 로터가 운동하는 방향(332) 및 로터의 속도(310)를 검출하여 출력하도록 형성된다.
각도 시뮬레이션 유닛(324)은, 검출 유닛(322)으로부터 섹터(331) 및 방향(332)을 수신하고, 속도 관측기(426)로부터 관측 속도를 수신하여, 이를 기반으로 로터 위치(412)를 검출하여 출력하도록 형성된다. 따라서, 로터 위치(412)는 관측기를 이용하여 검출된다. 본원의 장치는 로터 위치(412)를 출력 신호로서 출력하도록 형성된다.
속도 관측기(426)는, 검출 유닛(322)으로부터 속도(310)를 수신하고, q 방향의 전류(433)에 대한 정보를 수신하여, 이를 기반으로 관측 속도(410)를 검출하도록 형성된다. q 방향의 전류(433)는 회전 자계 기계의 권선들을 통해 흐르면서 로터(102)의 토크를 야기하는 자계를 생성하는 전류에 상응한다. 전류(433)의 값은 적합한 측정 유닛에 의해 측정될 수 있거나, 전류(433)를 조정하기 위한 제어 유닛에 의해 공급될 수 있다. 관측 속도(410)는 각도 시뮬레이션 유닛(324)으로 공급된다. 또한, 본원의 장치는 관측 속도(410)를 출력 신호로서 출력하도록 형성된다.
일 실시예에 따라서, 도 4에 따라 도시한 접근법에 의해, 속도(410) 및 로터 위치(412)의 고장 안전 계산을 위한 방법이 실현된다.
여기서 속도(310)는 먼저, 수신되는 홀 신호들(205, 206, 207)로부터 직접 직접 미분법을 통해 계산된다. 이 경우 우선, 수신되는 홀 신호들의 검증이 수행될 수 있다. 이어서 속도 신호(310)의 품질이 간섭이 거의 없는 방식으로 속도 관측기(426)에 의해 현저히 개선된다. 상기 관측 속도(410)는 제어에 이용된다. 로터 위치는 더 이상 간섭이 있는 직접 검출된 속도(310)로부터 직접 계산되는 것이 아니라, 속도 관측기(426)를 통해 계산된 관측 속도(410)를 토대로 계산된다.
하기에는, 상기 방법에 따라서 실행될 단계들이 일 실시예에 따라 상세하게 기술된다.
우선, 검증(320)이 실행된다. 검증(320)은 홀 신호들(205, 206, 207)의 판독 입력과 신호들(205, 206, 207)의 디바운싱을 포함한다.
검출 유닛(322)에 의해서, 섹터(331), 방향(332), 및 속도(310)가 검출된다. 우선, 검출 유닛(322)에서는 홀 신호들(205, 206, 207)의 논리 순서로부터, 회전 자계 기계의 로터가 위치하는 현재 섹터(331)의 검출이 수행된다. 또한, 홀 신호들(205, 206, 207)의 논리 순서로부터 로터의 현재 회전 방향(332)의 검출과, 홀 신호들(205, 206, 207)의 2개의 홀 신호 에지 사이의 시간차로부터 현재 속도(310)의 계산도 수행된다. 속도(310)의 검증은 마지막으로 검출된 속도에 따라서 실행된다.
각도 시뮬레이션(324)을 위해, 관측 속도(410)의 적분을 통해 현재 로터 위치(412)의 계산이 수행된다. 이 경우, 섹터(331)가 매번 변경될 때마다 현재 섹터(331)의 초기값에 의해 적분기의 초기화가 실시된다. 또한, 회전 자계 기계의 초기 로터 위치에 대한 홀 센서들의 상대적 배치에 기초하여 로터 위치(412)의 보정이 수행된다.
속도 관측기(426)는 회전 자계 기계의 속도(410)에 대한 편차가 남지 않는 전차수 상태 관측기(full-order state observer)이다. 입력 신호로는, 이미 미분법에 의해 산출된 속도(310) 및 자계 지향성 좌표계에서의 q 방향의 스테이터 전류(433)가 사용된다. 출력단에서는 관측 속도 신호(410)가 속도 제어 시스템에서의 추가 사용을 위해 제공된다. 관측기(426)의 안정된 치수 설계는 직접적인 극 배치(pole assignment)를 통해 수행된다.
도 5에는, 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 관측기(426)가 도시되어 있다. 이 속도 관측기(426)는 E-모터(예컨대 도 1에 따라 기술한 회전 자계 기계)의 속도 검출을 위한 전차수 상태 관측기이다. 속도 관측기(426)는 도 4에 따라 기술한 실시예에서 이용될 수 있다.
속도 관측기(426)는, 입력값(isq)과 공급되는 값(mw)을 기반으로 관측 속도에 상응하는 값(nbeob)을 출력 변수로서 출력하도록 형성된다. 속도 관측기(426)는 제어 섹션 모델 및 병렬 연결된 관측기를 포함한다.
제어 섹션 모델은 유닛들(541, 543, 545)을 포함한다. 유닛(541)은, 속도 관측기(426)의 입력값(isq)을 수신하고 이로부터 함수(Kmi)를 이용하여 값(mi)을 산출하도록 형성된다. 유닛(543)은, 제어 섹션으로 공급되는 값(mw)만큼 값(mi)을 감소시켜 유닛(545)으로 출력하도록 형성된다. 따라서 유닛(543)은 감산기로서 구현될 수 있다. 유닛(545)은, 유닛(543)으로부터 수신된 값을 함수(1/pTJ)를 실행하여 값(n)으로 변환하고 관측기의 유닛(556)으로 출력하도록 형성된다.
관측기는 유닛들(551, 552, 553, 554, 555, 556)을 포함한다. 유닛(551)은, 속도 관측기(426)의 입력값(isq)을 수신하고 이로부터 함수(Kmi)를 이용하여 값을 산출하고 유닛(554)으로 출력하도록 형성된다. 유닛(552)은, 유닛(556)의 출력값을 수신하고 이로부터 함수(1/pTlb ,n)를 이용하여 값을 산출하여 유닛(554)으로 출력하도록 형성된다. 유닛(553)은, 유닛(556)의 출력값을 수신하고 이로부터 함수(G1b ,n)를 이용하여 값을 산출하여 유닛(554)으로 출력하도록 형성된다. 유닛(554)은, 유닛들(552, 553)의 출력값들을 수신하여 유닛(551)의 출력값으로부터 감산하도록 형성된다. 유닛(555)은, 유닛(554)으로부터 수신된 값을 함수(1/pTJ)의 실행을 통해 값(nbeob)으로 변환하여 관측기의 유닛(556)으로 출력하도록 형성된다. 유닛(556)은, 값(nbeob)으로부터 값(n)을 감산하고 그 결과로 나온 값을 유닛들(552, 553)로 출력하도록 형성된다.
속도 관측기(426)는 값(nbeob)을 출력 변수로서 출력하도록 형성된다.
속도 관측기(426)를 위해 이용되는 매개변수들은 하기와 같다.
isq: E-모터의 q 방향의 전류
Kmi: E-모터의 정규화된 토크 상수
mi: E-모터의 "내부" 토크
mw: E-모터의 샤프트에서 작용하는 저항 모멘트
1/pTJ: 한편으로 내부 토크와 저항 모멘트의 편차와, 다른 한편으로 속도 사이의 기계적 부분 제어 섹션을 완전하게 묘사하는 적분기
n: E-모터의 로터의 현재 속도
1/pTlb ,n: 한편으로 내부 토크와 저항 모멘트의 편차와, 다른 한편으로 속도 사이의 기계적 부분 제어 섹션을 완전하게 시뮬레이션하는 관측기 적분기,
G1b ,n: 관측기의 비례 상수,
nbeob: E-모터의 로터의 관측 속도.
도 6에는, 본 발명의 일 실시예에 따라서 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 기반으로 회전 자계 기계의 속도(410) 및 로터 위치(612)를 검출하기 위한 장치의 블록 회로도가 도시되어 있다. 회전 자계 기계는 도 1에 따라 기술한 회전 자계 기계일 수 있다. 홀 센서 신호들(205, 206, 207)은 도 2에 따라 기술한 홀 센서 신호들일 수 있다. 본원의 장치는 검증 유닛(320)과, 검출 유닛(622)과, 전차수 관측기(626)와, 메모리(628)를 포함한다.
검증 유닛(320)은, 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 수신하고 검증하여 검증된 홀 센서 신호들로서 검출 유닛(322)으로 출력하도록 형성된다.
가속도, 속도 및 섹터를 검출하기 위한 검출 유닛(622)은 검증된 홀 센서 신호들을 수신하고 검증된 홀 센서 신호들을 기반으로, 회전 자계 기계의 로터가 위치하는 섹터(331), 로터의 속도(310), 및 로터의 가속도(634)를 검출하여 출력하도록 형성된다.
메모리는, 검출 유닛(622)으로부터 속도(310)와 섹터(331)를 수신하고, 전차수 관측기(626)로부터 관측 속도(410)와 관측 로터 위치(612)를 수신하여, 속도(310) 및 섹터(331), 또는 관측 속도(410) 및 관측 로터 위치(612)를 전차수 관측기(626)로 출력하도록 형성된다.
전차수 관측기(626)는, 검출 유닛(622)으로부터 가속도(634)를 수신하고 메모리(628)로부터 속도(310) 및 섹터(331), 또는 관측 속도(410) 및 관측 로터 위치(612)를 수신하고, 이를 기반으로 관측 로터 위치(612) 및 관측 속도(410)를 검출하여 출력하도록 형성된다. 본원의 장치는 관측 로터 위치(612)와 관측 속도(410)를 출력 신호들로서 출력하도록 형성된다.
일 실시예에 따라, 도 6을 토대로 기술한 접근법에 의해 속도(410) 및 로터 위치(612)의 고장 안전 계산을 위한 방법이 실현된다.
여기서 속도(310) 및 가속도(634)는 먼저, 수신되는 홀 신호들(205, 206, 207)로부터 1회 또는 2회의 직접 미분을 통해 계산된다. 이 경우 우선, 수신되는 홀 신호들(205, 206, 207)의 검증이 수행될 수 있다. 회전 자계 기계의 기계식 제어 섹션의 전차수 상태 관측기(626)에 의해, 계산된 가속도(634)와 속도(310) 및 현재 섹터(331)를 기초로, 기계의 로터 위치(612)뿐 아니라 속도(410)가 관측된다. 관측기(626)의 안정화 및 동기화를 위해, 홀 신호들(205, 206, 207)의 2개의 홀 에지 사이의 관측 출력 변수들(612, 410)이 입력 변수들로서 복귀된다.
하기에는, 상기 방법에 따라서 실행될 단계들이 일 실시예에 따라 상세하게 기술된다.
우선, 검증(320)이 실행된다. 검증(320)은 홀 신호들(205, 206, 207)의 판독 입력과 신호들(205, 206, 207)의 디바운싱을 포함한다.
섹터, 속도 및 가속도의 검출(622)을 위해, 홀 신호들(205, 206, 207)의 논리 순서를 토대로 회전 자계 기계의 로터가 위치하는 현재 섹터(331)가 검출된다. 또한, 홀 신호들(205, 206, 207)의 2개의 홀 신호 에지 사이의 시간차로부터 현재 회전 방향을 포함하여 현재 속도(310)의 계산이 수행된다. 속도(310)의 검증은 마지막으로 검출된 속도에 기초하여 실행된다. 현재 가속도의 계산은 속도 변동으로부터 수행된다. 가속도의 검증은 마지막으로 검출된 가속도에 기초하여 실행된다.
메모리(628)와 관련하여, 매번 섹터가 변경될 때마다, 현재 검출된 섹터(331)와 속도(310)의 새로운 값들이 전차수 관측기(626)로 공급된다. 섹터 변경이 실시되지 않으면, 관측 속도(410) 및 로터 위치(612)는 회수된다.
전차수 관측기(626)는 전차수 루엔버거 관측기로서 구현된다. 전차수 관측기(626)는 신호들(634, 310, 628, 612, 410)에 상응하게 가속도(
Figure 112014025530655-pct00001
), 속도(
Figure 112014025530655-pct00002
) 및 로터 위치(
Figure 112014025530655-pct00003
)를 입력 신호로서 수신한다.
이로부터 입력 벡터
Figure 112014025530655-pct00004
가 생성된다.
전차수 관측기(626)는 관측 속도(
Figure 112014025530655-pct00005
)와 관측 로터 위치(
Figure 112014025530655-pct00006
)를 출력 신호로서공급한다.
이로부터 출력 및 상태 벡터
Figure 112014025530655-pct00007
가 생성된다.
전차수 관측기(626)의 상태 시스템은 하기와 같이 기술된다.
Figure 112014025530655-pct00008
그에 따라, 회전 자계 기계의 기계적 부재를 위해 관측기(626)로서 전차수 루엔버거 관측기가 가속도에서부터 로터 위치까지 이용된다. 관측기(626)의 출력단에서는 속도 제어 시스템에서의 추가 이용을 위해 관측 속도 신호(410) 및 관측 로터 위치 신호(612)가 제공된다. 관측기(626)의 안정된 치수 설계는 직접적인 극 배치를 통해 수행된다.
도 7에는, 본 발명의 일 실시예에 따라 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법의 흐름도가 도시되어 있다. 회전 자계 기계는 도 1에 따라 기술한 회전 자계 기계일 수 있다. 단계(761)에서 계속해서 홀 센서 신호들, 예컨대 도 2에 따라 기술한 신호들이 수신된다. 단계(763)에서는, 홀 센서 신호들을 기반으로 섹터에 대한 정보가 검출된다. 섹터에 대한 정보는, 홀 센서 신호들의 검출 동안 회전 자계 기계의 로터의 기준점이 위치했거나 위치하는 각도 범위를 한정할 수 있다. 단계(765)에서는, 홀 센서 신호들을 기반으로 잠정 속도에 대한 정보가 검출된다. 잠정 속도에 대한 정보는, 현재 및 선행하는 홀 센서 신호들로부터 검출되는 로터의 속도에 상응할 수 있다. 단계(767)에서는, 관측기를 이용하여, 섹터에 대한 정보 및 잠정 속도에 대한 정보를 기반으로 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치가 검출된다.
일 실시예에 따라, 로터의 위치 검출을 위해 홀 센서들이 이용된다. 센서들의 홀 신호들은 검증된다. 로터의 속도는 "종래의" 방식으로는 상대적으로 간섭이 있는 방식으로 미분을 통해 계산된다. 이처럼 계산된 속도 신호는 속도 관측기를 통해 현저히 개선된다. 그 대안 중 하나는, 관측기를 통해 추후 개선되는 가속도를 직접 계산하는 것이다. 그럼으로써, 관측기는 홀 신호들의 개선을 위해 이용된다. 기존의 속도 신호도 관측기에 의해 개선될 수 있다.
전술한, 그리고 도면들에 도시된 실시예들은 단지 예시로서 선택된 것이다. 여러 실시예들이 완전히, 또는 개별 특징들과 관련하여 서로 조합될 수 있다. 또는 하나의 실시예가 또 다른 실시예의 특징들에 의해 보충될 수도 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법 단계들은 반복해서 실행될 수도 있고, 기술한 순서와 다른 순서로 실행될 수도 있다.

Claims (10)

  1. 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법이며, 하기 단계들, 즉
    홀 센서 신호가 로터의 영역에 배치된 홀 센서들(105, 106, 107)로부터 출력되는 신호인 조건에서, 홀 센서 신호(205, 206, 207)에 기반하여 회전 자계 기계의 로터(102)가 위치하는 섹터(331)를 검출하는 단계(763)와,
    상기 홀 센서 신호들을 기반으로 회전 자계 기계의 잠정 속도(310)를 검출하는 단계(765)와,
    적어도 속도의 검출을 위해 회전 자계 기계의 관측기(426; 626)가 이용되는 조건에서, 상기 섹터 및 잠정 속도를 기반으로 로터 위치(412; 612) 및 속도(410)를 검출하는 단계(767)와,
    회전 자계 기계의 속도를 검출된 로터 위치 및 속도에 따라 제어하는 단계를 포함하고,
    로터의 회전으로 인하여 로터에 배치된 기준점이 한 섹터로부터 인접한 섹터로 이동될 때 섹터 전환이 일어날 수 있으며,
    상기 섹터를 검출하는 단계(763)에서, 상기 섹터(331)는 홀 센서 신호들(205, 206, 207)의 시간 순서를 기반으로 검출되고,
    상기 잠정 속도(310)를 검출하는 단계(765)에서는 홀 센서 신호들의 연속되는 에지들 사이의 시간차로부터 잠정 속도가 검출되는,
    회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치의 검출 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은, 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 기반으로 로터(102)의 회전 방향(332)을 검출하는 단계를 포함하며, 상기 로터 위치(412; 621) 및 속도(410)를 검출하는 단계(767)에서 로터 위치(412)는 섹터(331), 회전 방향(332) 및 속도(410)를 기반으로 검출되고, 속도(410)는 관측기(426)를 이용하여 잠정 속도(310)와, 로터의 토크를 야기하는 회전 자계 기계의 전류(433)를 기반으로 검출되는, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치의 검출 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 로터 위치(412; 621) 및 속도(410)를 검출하는 단계(767)에서는 로터 위치(412)가 속도(410)의 가산을 기반으로 검출되는, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치의 검출 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 방법은, 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 기반으로 로터(102)의 가속도(634)를 검출하는 단계를 포함하며, 상기 검출 단계(767)에서 로터 위치(612) 및 속도(410)는 관측기(626)를 이용하여 섹터(331), 잠정 속도(310) 및 가속도(634)를 기반으로 검출되는, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치의 검출 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 로터 위치(412; 621) 및 속도(410)를 검출하는 단계(767)에서 로터 위치(612) 및 속도(410)는 섹터(331)의 전환 시 섹터(331) 및 잠정 속도(310)를 기반으로 검출되고, 그 밖의 경우 관측기(626)를 이용하여 검출되어 리턴된 로터 위치(612) 및 관측기를 이용하여 검출되어 리턴된 속도(410)를 기반으로 검출되는, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치의 검출 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 홀 센서 신호들(205, 206, 207)을 수신하고 검증하는 단계(320; 761)를 포함하는, 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치의 검출 방법.
  7. 삭제
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법의 단계들을 실행하도록 형성된, 회전 자계 기계의 로터 위치(412; 612) 및 속도(410)를 검출하기 위한 장치.
  9. 회전 자계 기계이며, 하기 특징들, 즉
    로터(102)와,
    홀 센서들 각각이 로터의 자계의 방향을 검출하고 이 방향에 따라 홀 센서 신호(205, 206, 207)를 출력하도록 형성된 조건에서, 3개 이상의 홀 센서(105, 106, 107)를 포함하는 스테이터(104)와,
    상기 3개 이상의 홀 센서로부터 출력되는 홀 센서 신호들을 기반으로 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한, 제8항에 따른 장치를 포함하는 회전 자계 기계.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 저장되어 있는 기계 판독 가능 매체.
KR1020147007063A 2011-09-20 2012-08-03 회전 자계 기계의 속도 및 로터 위치를 검출하기 위한 방법 및 장치 KR101883530B1 (ko)

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DE102011083019.7 2011-09-20
PCT/EP2012/065283 WO2013041287A1 (de) 2011-09-20 2012-08-03 Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der rotorposition und der drehzahl einer drehfeldmaschine

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