KR101945888B1

KR101945888B1 - 영구 자석 단상 동기 전기 모터 구동 방법 및 이를 구현하는 전자 장치

Info

Publication number: KR101945888B1
Application number: KR1020120080413A
Authority: KR
Inventors: 엘리오 마리오니
Original assignee: 아스콜 홀딩 에스.알.엘.
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2019-02-11
Also published as: BR102012018390A2; KR20130012561A; CN102904510A; CN102904510B; MX2012008607A; BR102012018390B1

Abstract

간단하고 저비용으로 구현하는 영구 자석 단상 동기 전기 모터의 구동 방법에 있어서, 상기 전기 모터는 영구 자석 회전자 및 스위치에 의해 전기 계통과 연결된 권선(11)이 제공된 고정자(10)를 포함하고, 상기 방법은, 상기 전기 계통 전압의 제1 극성(polarity)의 반주기동안 생성되는 하나 이상의 제1 구동 임펄스들을 구비한 전류가 상기 권선에 공급되는 제1 구동 시도단계(100); 구동 조건이 상기 제1 구동 시도단계(100)의 과정에서 획득되는지 여부가 감지되는 제1 제어단계(200); 상기 제1 제어단계(200)가 상기 제1 구동 시도 단계(100)에서 획득된 상기 구동 조건을 감지하지 않는 경우, 상기 전기 계통 전압의 상기 제1 극성과 반대인, 제2 극성의 반주기동안 생성되는 하나 이상의 제2 구동 임펄스들을 구비한 전류가 상기 권선에 공급되는 제2구동 시도단계를 포함한다.

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 의한 특징이 있는 응용분야에 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(starting) 상당한 단점을 갖는다.

실제로, 구동 단계에서, 회전자는 0 속도에서 머신(machine)의 전원 공급 장치와 커플링되는 주파수 조건까지 도달되어야 한다. 실제로, 상기 주파수 커플링을 위해서는, 기계적 및/또는 전자적 기술적인 설비가 사용되어, 상당한 생산 비용 및 설치 비용이 수반된다.

한 측면에서 기계적 사용이 강하게 적용되는 경우, 기계적 적용은 효율성 및 노이즈 측면의 문제를 야기하고, 다른 측면에서 전자 시스템은 일반적으로 고비용과 높은 의존성을 갖는다.

특히, 계통 전압의 주파수 및 진폭이 쉽게 변화될 수 있게 하고, 구동 단계에서 계통 전압의 주파수 및 진폭을 변화시키는 인버터와 초퍼로 구성된 전자회로는, 저비용의 이유로 가전 제품에서 선호하여 사용되는 낮은 전원의 단상 동기 모터를 제어하는데 과도하게 부담이 되며 적절하지 않다.

그러므로 구동방법들은 저비용 회로에 기반하도록 선택되고, 예를 들어 모터 위상에 전력을 전달하는 교류 전류를, 회전자의 초기 회전을 구동시키도록 의도된 동일 부호의 구동 임펄스 램프(ramp)로 변환하는 스위치를 사용한다.

하지만, 이런 형태의 해결책에서, 어떠한 부호가 기동 임펄스에 기여하는지를 결정하기 위하여 회전자의 초기 위치를 아는 것이 필요하다. 또한, 단상 동기 영구 자석 모터의 회전자는 2극 장치의 일반적인 경우에서 반회전(half-turn)으로 분리되는 2개의 휴지 위치를 점유할 수 있으며; 회전자의 제1위치는 음의 전류 임펄스에 의해서 유발되며, 반대 위치는 양의 전류 임펄스에 의해서 유발된다.

회전자의 초기 위치는 위치 센서 수단, 예를 들어 회전자 자석에 의하여 국지적으로 정의된 자기장을 읽는 홀 효과 센서(Hall effect sensor)에 의해서 결정될 수 있다. 이 해결책은 그러나, 추가적인 구성요소의 사용을 요하며, 상대적으로 고가이다.

위치 센서를 요구하지 않는, 보다 경제적인 해결책이 유럽 특허 0 945 973에서 기술된다. 상기 특허는, 회전자를 소정의 구동 위치에 배치하기 위한 의도로, 전술한 기동 임펄스 램프가 반대 부호의 임펄스의 일련의 간단한 배열에 의해서 선행될 수 있다고 제안한다. 사실상, 회전자가 소정의 구동위치로부터 상이한 휴지 위치에 위치한 경우, 임펄스들은 회전자를 회전시킬 것이며; 반대의 경우 임펄스들은 아무런 효과를 갖지 않을 것이다. 그러므로 후속하는 구동 램프는 이러한 이미 결정된 위치에 기반하여 구동을 결정한다.

유럽 특허 0 945 973에 기술된 방법이 적절히 기능하기 위해서, 임펄스의 숫자 및 진폭이 소정의 회전자의 회전(2극 장치의 일반적인 케이스에서의 180도)을 가져올 수 있도록, 아주 정밀하게 결정되어야 할 필요성이 있다. 다양한 실제 응용(application)에서, 불확실한 다양한 요소, 예를 들어, 프로젝터 파라미터로부터의 상당한 편차를 형성하는 전기 계통 전압의 예측하지 못한 부하(load) 변화 또는 변동이 개입한다. 편차의 결과로서, 정렬임펄스가 자신의 목적을 달성하지 못하는 사례들이 발생하며: 이것은, 임펄스의 강도가 회전자를 소정의 위치에 배치할 만큼 충분히 높지 않거나, 반대로 임펄스의 강도가 너무 높아서 회전자가 원래의 위치로 돌아갈 소정의 위치를 오버슈트(overshoot)하기 때문이다. 두 경우 모두는 모터의 구동 실패를 의미한다.

유럽 특허 0 945 973

그러므로 본 발명의 기초를 형성하는 기술적 과제는 영구 자석 단상 동기 모터에게 낮은 생산 및 설치 비용을 가능하게 하는 구동방법 및 상응하는 전자 장치의 구현을 창안하며, 동시에 유럽 특허 0 945 973에서 제안된 방법에서 발견된 구동 실패의 문제점을 제거하는 것이다.

전술한 기술적 과제는 영구자석 회전자 및 스위치에 의해 전기계통에 연결된 권선이 제공되는 고정자를 포함하는 단상 동기 전기 모터 구동 방법에 의해서 해결된다.

상기 방법은

영구 자석 회전자 및 스위치에 의해 전기 계통과 연결된 권선이 제공된 고정자를 포함하는 단상 동기 전기 모터 구동 방법에 있어서,

상기 방법은, 상기 전기 계통 전압의 제1 극성의 반주기동안 생성되는 하나 이상의 제1 구동 임펄스들을 구비한 전류가 상기 권선에 공급되는 제1 구동 시도단계;

구동 조건이 상기 제1 구동 시도단계의 과정에서 획득되는지 여부가 감지되는 제1 제어단계;

상기 제1 제어단계가 상기 제1 구동 시도 단계에서 획득된 상기 구동 조건을 감지하지 않는 경우, 상기 전기 계통 전압의 상기 제1 극성과 반대인, 제2 극성의 반주기동안 생성되는 하나 이상의 제2 구동 임펄스들을 구비한 전류가 상기 권선에 공급되는 제2구동 시도단계를 포함한다.

전술한 제어 로직은 저비용의 구성요소를 갖는 센서리스 모드에서 동작할 수도 있으며, 단상 동기 전기 모터의 간단하고 효율적인 구동을 가능하게 한다.

사실상, 2개의 연속적인 구동 시도 단계는, 회전자가 회전자 자신을 발견하는 위치를 감지하도록 하는 위치센서의 도움 없이, 가능한 휴지 위치들에서 구동된다.

또한, 회전자를 정렬하는 중요한 단계의 생략은, 정렬 임펄스(alignment impulse)의 부정확한 측정에 의한 구동 에러가 무시될 수 있다.

제1 제어 단계의 과정에서 구동조건의 획득이 감지되는, 구동 조건은 바람직하게 역기전력에 의한 제어 임계치의 초과에 의해서 표현될 수 있다.

역기전력 신호는 센서의 도움없이 쉽게 획득될 수 있는데, 그 예로 권선으로 공급되는 전류가 0인 구간의 스위치 전압과 전기 계통 전압 사이의 전압차이에 의해서 획득된다. 0전류조건은 스위치 전압이 0으로부터 충분히 차이가 나거나, 분류기(shunt) 저항을 통해 확실하게 보증될 수 있다.

구동 시도 단계들은 코깅 토크의 감소를 극복하기 위함이므로, 역기전력 임계치는, 역기전력 임계치는, 후속하는 과도 위상(transitional phase)에서, 2개의 연속적인 고정자 양극 축(interpolar axis)사이의 각도와 동일한 회전자 회전각도로 동기화 동작을 설정하는 방식으로 선택된다. 그러므로 2극 단상 모터의 특정한 경우, 제어 로직은 회전자의 최초의 180도에서 초기화된다.

특히, 역기전력이 동작 속도의 역기전력 피크의 10% 내지 20% 사이의 임계치를 초과할 때, 제어 로직이 실행되도록 구축되는 것이 바람직하다.

전술한 방법에서, 제1 구동 임펄스들은 바람직하게 복수이며, 이 경우 제1 제어 단계는 각각의 구동 임펄스에 따라 구동 조건이 도달되는지를 감지하는 것을 포함한다.

이런 방식에서, 임펄스들의 진행을 중지하고, 연속적인 과도 위상에서 회전자의 동적(kinematic) 상태에 보다 적절한 제어 모드로 변경할 수 있다.

제1구동 임펄스 및 제2 구동 임펄스들은 회전자의 제1 구동 위상에서의 코깅 토크에 대응하는 램프(ramp)를 정의하기 위해, 점진적으로 강도가 증가하는 복수의 임펄스들(위상 제어를 통해 변조됨)일 수 있다.

바람직하게, 상기 방법은 제2구동 단계로부터 제1구동 단계를 분리하는 대기 단계를 포함할 수 있으며, 상기 대기 단계는 회전자의 안정화를 보증할만한 충분한 길이이다.

실제로, 제1구동 시도가, 회전자가 사용된 임펄스들의 극성에 의하여 구동될 수 없는 않는 방식으로 회전자에서 구현될지라도, 다음 구동 시도 이전에 소멸하도록 적절한 휴지 위치 주위의 진동(oscillation)을 유발할 수 있다.

또한, 제1구동 임펄스들은, 회전자가 제1 휴지 위치에서 자신이 있는 것을 발견한 경우 코깅 토크를 극복하기 위하여 회전자를 구동시키고, 회전자가 제2 휴지 위치에서 자신이 있는 것을 발견한 경우 회전자의 위치를 변화하지 않는 방식으로의 숫자 및 강도를 갖는다.

상기 방법은 지2구동 시도 단계의 과정에서 감지된 구동 조건의 가능한 획득을 하는 제2 제어 단계를 바람직하게 포함한다. 그러므로 동기 상태가 얻어지기 전까지 전기 모터의 제어 로직의 적용단계는 제1 제어 단계 또는 제2 제어 단계에 의한 구동 조건의 감지에 기반하여 활성화된다.

제어 로직은 권선을 순환하는(circulating) 전류가 전기 모터에서 생성되는 역기전력 신호와 거의(즉 거의 대부분의 시간에서) 동일한 부호를 갖도록 스위치 온(switch on)하는 2개의 조건을 사용한다.

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 Φ는 권선의 자석에 의하여 유도되는 자속의 피크 값이고, θ는 회전자의 각변위이다.

한편, 역기전력은

이며, 따라서,

회전 속도ω_m에 상응한 토크값C_M 을 얻기 위하여, 즉 구동동안 브레이크 토크(braking torque)가 아닌 구동 토크를 보장하기 위하여, 전술한 대로 권선에서 순환하는 전류를 역기전력과 동일한 부호로 하는 것이 필요하다.

스위치를 스위치 온(switch on)하는 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.

또한, 전술한 제어 로직이 스위치를 스위치 온하는 조건을 제어하기 때문에, 제어 로직의 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 실제, 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 역기전력의 구형(squared) 신호와 계통 동기화 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 검증될 수 있다.

제2 조건은 역기전력의 구형 (squared) 신호와 역기전력의 1차 미분의 구형 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(in advance), 구형의 두 신호들의 합은 구형의 역기전력 신호보다 앞서며; 상기 앞섬(advance)은 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 앞당겨질 수 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(negative) 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.

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 도해적으로 도시한다.
도 2는 도 1의 동기 전기 모터에 적용된 본 발명에 따른 전자 장치를 도해적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 구동 방법의 다양한 단계를 도시한 블록도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 구동 방법의 제 1단계 동안 도 1의 동기 모터와 관련된 일부 파라미터들의 시간 그래프(profile)를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 구동방법의 제 1단계 동안 도 1의 동기 모터와 관련된 일부 파라미터들의 시간 그래프를 도시한다.
도 6는 본 발명에 따른 구동방법의 제 2단계동안 도 1의 동기 모터와 관련된 일부 파라미터들의 시간 그래프를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 구동방법의 2 개의 대체 실시예에서의 2단계 동안 발생하는 구동 토크의 시간 그래프를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 구동 방법의 2 개의 다른 실시예에서의 2단계 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 고정자(10)에 대하여 회전할 수 있는 원통형의 회전자(15)를 포함하는, 영구자석 단상 동기 모터를 식별한다.

고정자(10)는 고정자 자신의 제1극 확장(12a, expansion) 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 이상적인 분리판 위에 놓인 회전자의 지름을 정의할 수 있다.

고정자(10)의 극 축(polar axis) 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 만큼 기울여진 회전자축 AR로 배치된다.

알려진 이러한 비대칭은 동기모터의 단 방향의 구동을 하도록 한다. 본 실시예에서, 회전자 축 AR은 양극 축에 θ_R대하여 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 실행한다.

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 역기전력의 시간 그래프(time profile)를 추정할 수 있다. 그 결과, 처리 장치(30)는 역기전력이 양의 값인 경우 단일 값을 취하고, 그렇지 않은 경우 0 값을 취하는 구형의(squared) 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.

휴지 상태에서 회전자(15)는 제1 극 확장(12a)과 제2 극 확장(12b)과 각각 마주하는(facing) 반대 극성(polarities)으로 배치된다. 그러므로 회전자(15)의 N극이 고정자(10)의 제2 극 확장(12b)과 마주하는 제1위치, 회전자(15)의 N극이 제1 극 확장과 마주하는 제2 위치의 2개의 휴지 위치가 가능하다.

동기 모터(1)를 구동하는 방법 중 제1단계는, 후술할 방식으로 제1 구동 시도하는 단계(100)를 포함한다.

전자 장치(20)는 일련의 전기 임펄스들을 공급하도록 TRIAC 스위치(21)를 제어하며, 일련의 전기 임펄스들은 본 명세서에서는 제1 구동 임펄스(50)로 불리고, 결정된 반주기동안 생성되며, 본 명세서에서 기술된 특정 실시예에서 양(+)이며, 전기 계통(22)의 전압 신호의 일부이다. 적용에 있어서, TRIAC 스위치는 계통 동기화 신호(23)가 양의 값을 갖는 경우에만 스위치 온(on)되어야 한다.

생성된 제1 구동 임펄스(50)들은 바람직하게 증가하는 강도를 가져서, 양의 구동 램프(ramp)를 정의한다. 강도는 위상 제어 수단에 의해서 조정되며, TRIAC 스위치(21)의 초기 각도를 변화시킨다.

회전자(15)는 회전자 자신이 전술한 제1 휴지 위치에 있는 것을 발견한 경우, 제1 구동 임펄스(50)는 이상적으로 180도의 각도까지 상기 회전자의 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(50)동안 증가하는 역기전력은 아래와 같은 수식에 따라 매 임펄스들의 종단에서 0으로 복귀한다.

여기서 φ는 권선(11)의 자석에 의해서 유도되는 순간 자속이며, Φ는 이런 자속의 피크 값이며, ω_m은 회전자의 회전 속도이고, θ 회전자의 각변위이다.

코깅력은 회전자 각도의 (45+θ_R)°에서 자신의 최대 값에 도달하며, θ_R은 회전자가 휴지상태(0 전류)에서 취하는 각도이며, 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(50) 및 그 다음 임펄스 사이에서, 제1제어 단계(200)에서, 역기전력 신호의 그래프를 모니터하며; 상기 신호가 제어 임계치를 초과하는 경우, 전자 장치(20)는 일련의 임펄스를 중단하고 후술할 모터의 새로운 제어 로직(500)을 통과한다.

회전자(15)가 회전자 자신이 제1 휴지 위치에 있는 것을 발견하고, 회전자가 제1 구동 시도 단계(100)의 과정에서 회전하도록 만들어지는, 전술한 제1 케이스는 도4의 그래프에서 도시되며, 도4의 그래프는 전류(i), 계통 전압(T), 및 회전자의 회전 각도(θ)를 표시한다.

회전자(15)가 회전자(15) 자신이 전술한 제2 휴지 위치에 있는 것을 발견한 경우, 제1구동 임펄스들(50)은 휴지 위치 주위에서 동일하게 평온한 진동을 유발하여, 회전자에 미치는 상대적으로 무시할만한 효과를 갖는다.

사실상 제1 구동 임펄스들(50)의 숫자와 강도는 과도한 진동을 유발하지 않는 방식으로 정의되며, 그 결과 제2 휴지 위치에서 제1 휴지 위치로의 통과(passage)는 어떤 환경에서도 발생하지 않는다.

이런 방식에서, 회전자(15)는 회전자 자신이 제2 휴지 위치에 있다고 발견하는 경우, 제1 구동 시도 단계(100)의 과정의 임의의 상당한 방식으로 움직이지 않으며 역기전력은 0으로 유지되며, 램프(ramp)를 형성하는 제1 구동 임펄스들(50)의 소정의 숫자의 소멸동안 제어 임계치는 초과되지 않고 전자 장치(20)는 제어 로직(500)을 활성화시키지 않는다.

이런 경우, 본 방법은 회전자(15)의 진동이 제2휴지 위치주위에서 소멸되도록 허용하는 대기 단계를 포함한다.

이 과정의 대기 시간은 다양한 요소, 그 중 모든 마찰과 회전자(15)의 관성 모멘트에 가장 많이 의존한다. 소형 영구 자석 동기 모터의 가능한 시간 구간은 7 00ms 근처의 임의의 케이스이다.

대기 단계의 마지막에서, 상기 방법은 제1 구동 시도 단계의 것과 동일한 방식으로 실행되는 제2구동 시도 단계(300)를 포함하며, 계통 전압 신호(22)의 음의(negative) 반주기동안 생성되는 시간의 일련의 제2 구동 임펄스들(60)을 사용한다.

제2 구동 임펄스들(60)에 의해서 생성되는 음의 구동 램프는 신호의 극성(polarity)이라는 명백한 예외를 제외하고는, 양의 램프에 관하여 전술한 것과 동일한 특성을 갖는다. 음의 램프의 특징은 간편함을 위해 자세히 설명되지 않으며, 이는 양의 램프의 설명이 음의 램프에 필요한 부분만 약간 수정하여 적용됨을 의미한다.

또한 이 경우, 양의 램프의 참조에 관하여 기술된 것과 완전히 동일하게, 전자 장치(20)는 제어 로직(500)으로의 통과를 결정하는 제어 임계치의 초과를 감지하기 위해, 하나의 구동 임펄스(60) 및 다음의 구동 임펄스 사이에서 역기전력 신호(제2 제어 단계(400))의 그래프를 모니터링한다.

제1 휴지 위치에 위치한 회전자(15)가 제1 구동 시도 단계(100)동안 구동함에 따라, 회전자(15)는 회전자 자신이 제2 휴지 위치에 있는 것 및 역기전력이 제2 구동 시도 단계(300)에서 제어 임계치를 초과한 것을 발견한다고 추정될 수 있다.

회전자(15)가 회전자 자신이 제2 휴지 위치에 있는 것을 발견하고 회전자가 제2 구동 시도 단계(300)의 과정에서 회전하도록 만들어지는, 전술한 제1 케이스는 도4의 그래프에서 도시되며, 도5의 그래프는 전류(i), 계통 전압(T), 및 회전자의 회전 각도 (θ)를 표시한다.

그러나 음의 램프를 형성하는 제2 구동 임펄스들(60)의 소정의 숫자의 소멸동안, 역기전력 제어 임계치는 도달되지 않으며, 상기 방법은 제1 구동 시도 단계(100)의 재 시작 또는 모터의 마지막 정지를 포함할 수 있으며, 음의 테스트 및/또는 가능한 손상 또는 불량에 관한 진단 단계 이후일 수도 있다.

그러나 전자 장치(20)가 역기전력의 제어 임계치가 초과된 것을 감지한 경우, 방법은 제어 로직(500)이 전기 모터(10)의 정상적인 동작을 향한 과도(transition)를 결정하는 제어 로직(500)의 적용을 제공한다.

이 마지막 구동 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 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(500)의 과정 동안 역기전력 e, 계통 전압 T, 회전자의 회전 각도(θ) 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 전도(conduction)상태로 유지하는 경향이 있으며, 후술할 공식화된 조건들로부터 명확해질 것이다.

내적에 의해서 주어진 고정자 전류에 의해 생성되는 구동 토크는:

반면에 역기전력은

이며, 따라서

이다.

ω_m의 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 이러한 제어 로직은, 본 명세서에서 기술된 실시예에 따른 전자 장치(30)에 의해서 중복(replicate)될 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 않은 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 피크 값에 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.

제2조건은, 원하지 않는 반대에도, 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.

제어 로직(500)의 적용단계 동안, 전압과 전류 사이의 위상 차이를 측정하는 수단에 의하여 동기 상태(700)에 도달하였는지가 모니터된다(제3제어 단계(600)). 위상 차이가 다수의 연속적인 구간 동안 거의 변함없이 유지되는 경우, 동기 조건(700)에 도달되었고 모터의 기동이 완료되었다고 간주될 수 있다.

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.

Claims

영구 자석 회전자(15) 및 스위치(21)에 의해 전기 계통(22)과 연결된 권선(11)이 제공된 고정자(10)를 포함하는 단상 동기 전기 모터 구동 방법에 있어서,
상기 방법은, 상기 전기 계통(22) 전압의 제1 극성(polarity)의 반주기동안 생성되는 하나 이상의 제1 구동 임펄스들(50)을 구비한 전류가 상기 권선(11)에 공급되는 제1 구동 시도단계(100);
구동 조건이 상기 제1 구동 시도단계(100)의 과정에서 획득되는지 여부가 감지되는 제1 제어단계(200);
상기 제1 제어단계(200)가 상기 제1 구동 시도 단계(100)에서 획득된 상기 구동 조건을 감지하지 않는 경우, 상기 전기 계통(22) 전압의 상기 제1 극성과 반대인, 제2 극성의 반주기동안 생성되는 하나 이상의 제2 구동 임펄스들(60)을 구비한 전류가 상기 권선(11)에 공급되는 제2구동 시도단계(300)를 포함하는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 제어 단계(200) 동안 획득이 검증된 상기 구동 조건은, 역기전력 신호에 의한 제어 임계치 초과인, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제2항에 있어서,
상기 역기전력 신호는 상기 권선(11)으로 공급되는 전류가 0인 구간의 스위치(21)의 전압과 상기 전기 계통 전압(22)의 차이로써 획득되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1구동 임펄스들(50)는 극성이며,
상기 제1제어 단계(200)는 각각의 구동 임펄스들(50)에 따라 가능한 상기 구동 조건 획득의 감지를 제공하는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 구동 임펄스들(50) 및 상기 제2 구동 임펄스들(60)는 점진적으로 강도가 증가하는 복수의 임펄스들인, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제5항에 있어서,
상기 제1 구동 임펄스들(50) 및 상기 제2 구동 임펄스들(60)의 강도는 위상 제어에 의하여 변조되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 구동 시도 단계(100) 및 상기 제2 구동 시도 단계(300)를 분리하는 대기단계를 포함하고,
상기 대기단계의 위상은 상기 회전자(15)의 안정화를 보증하는 충분한 길이를 갖는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 구동 임펄스들(50)은,
상기 회전자(15)가 상기 회전자(15) 자신이 제1 휴지 상태에 있는 것을 발견한 경우, 상기 제1구동 임펄스들(50)이 코깅 토크를 극복하도록 상기 회전자(15)를 구동시키고,
상기 회전자(15)가 상기 회전자(15) 자신이 제2 휴지 상태에 있는 것을 발견한 경우, 상기 제1구동 임펄스들(50)이 상기 회전자(15)의 위치를 변경하지 않는,
방식의 숫자 및 강도로 구성되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
상기 제1항에 있어서,
상기 스위치(21)은 TRIAC 스위치인, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
상기 제3항에 있어서,
상기 구동 조건이 상기 제2 구동 시도단계(300)동안 획득되는지 여부가 감지되는 제2 제어단계(400);
상기 제1 제어 단계(200) 및 상기 제2 제어 단계(300)동안 상기 구동 조건의 감지에 기반하여 동기 상태로 활성화시키는, 상기 전기 모터(1)의 제어 로직(500)의 적용단계를 포함하는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제10항에 있어서,
상기 제어 로직(500)은 상기 스위치를 스위치 온(switch on)하는 제1 조건 및 제2 조건을 제공하고,
상기 제1조건 및 상기 제2조건은 상기 제어 로직의 적용단계 동안, 상기 권선(11)을 순환하는 전류가 상기 전기 모터(1)에 의해 생성되는 역기전력과 동일한 부호를 보증하는 목적을 갖고;
상기 감지된 역기전력 신호가 전기 계통 전압 신호와 동일한 부호를 갖는 경우 상기 제1 조건이 검증되고;
상기 역기전력 신호가 상기 역기전력신호의 1차 미분과 동일한 부호를 갖는 경우 상기 제2 조건이 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1조건은 상기 역기전력의 구형(squared) 신호와 계통 동기화 신호(25)에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제11항에 있어서,
상기 제2조건은 상기 역기전력의 구형 신호와 상기 역기전력의 1차 미분의 구형 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 검증되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
제11항에 있어서,
상기 제1조건 및 상기 제2조건은 동시에, 계통 동기화 신호(25)와 제2구형 신호에 XNOR 로직 연산을 적용함으로써 검증되며,
상기 제2구형 신호는 상기 역기전력 신호와 적절히 스케일된 상기 역기전력 신호의 1차 미분 신호 사이의 합으로부터 획득되는, 단상 동기 전기 모터 구동 방법.
동기 모터(1)를 구동시키는 전자 장치(20)에 있어서,
처리 유닛(30);
상기 처리 유닛에 의해서 제어되는 상기 동기 모터(1)에 전원을 공급하는 제어 스위치(21)를 포함하고,
상기 처리 유닛은 계통 전압 신호(23) 및 스위치(24) 전압 신호를 수신하고,
상기 전자 장치(20)는 상기 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 단상 동기 전기 모터 구동 방법을 구현하도록 구성된, 전자 장치.