KR102074278B1

KR102074278B1 - 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법

Info

Publication number: KR102074278B1
Application number: KR1020167000505A
Authority: KR
Inventors: 툰카이 셀릭
Original assignee: 다이슨 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2013-06-13
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2020-02-06
Also published as: CN105474530A; AU2014279833B2; WO2014199141A1; ES2676926T3; MX351311B; GB201310574D0; KR20170137946A; CN105474530B; PH12015502765A1; BR112015031323A2; GB2515087A; JP2015002675A; KR20160018753A; MX2015017188A; EP3008808A1; GB2515087B; EP3008808B1; PH12015502765B1; JP2017055658A; AU2014279833A1

Abstract

브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법. 본 방법은 50 krpm 보다 빠른 속도로 작동할 때 권선 내의 역기전력의 제로-크로싱에 대하여 지연된 시간에 모터의 권선을 커뮤테이션하는 단계를 포함한다.

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 효율 개선의 필요성이 증대되고 있다.

미국 특허출원공개 제2012-0081046호(2012.04.05.)

본 발명은 브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법을 제공하는데, 상기 방법은 50 krpm 보다 빠른 속도로 작동하는 경우 상기 모터의 권선 내의 역기전력(back EMF)의 제로-크로싱(zero-crossing)에 대하여 지연된 시간에 상기 권선을 커뮤테이션(commutation)하는 단계를 포함한다.

50 krpm 보다 빠른 속도에서, 각각의 전기적 반 사이클의 길이는 상대적으로 짧고, 역기전력의 크기는 상대적으로 크다. 이러한 2개의 요인 모두는 그러한 속도를 유지하기 위하여 상권선 내로 충분한 전류 및 파워를 구동하도록 선행된 커뮤테이션이 필요하다는 것을 암시한다. 그러나, 본 출원인은 일단 모터가 이러한 속도가 되면, 커뮤테이션을 지연함으로서 모터의 효율 개선이 얻어질 수 있다는 것을 확인하였다. 영구자석 모터에 대하여, 토크-대-전류 비율은 상전류의 파형이 역기전력의 파형에 일치할 때 최대가 된다. 따라서, 모터의 효율 개선은 역기전력의 파형에 더 잘 일치하도록 상전류의 파형을 성형함으로써 이루어진다. 상전류가 역기전력의 제로-크로싱 주위에서 역기전력보다 더 빨리 상승하는 경우, 선행된 커뮤테이션은 상전류가 역기전력을 신속하게 선도하도록 할 것이다. 역기전력의 각각의 제로-크로싱을 지날 때까지 커뮤테이션을 지연함으로써, 상전류의 상승이 역기전력을 좀 더 근접하여 따르도록 만들 수 있다. 그 결과, 모터의 효율이 개선될 수 있다.

본 방법은 적어도 5 krpm, 더 바람직하게는 적어도 10 krpm 폭에 걸친 속도 범위에서 작동하는 경우 역기전력의 제로-크로싱에 대해 지여된 시간에 권선을 커뮤테이션하는 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 모터의 효율 개선이 상대적으로 더 큰 속도 범위에서 얻어질 수 있다.

권선을 여자하는데 사용되는 공급 전압의 크기의 변화는 상전류가 상승하는 속도에 영향을 미칠 것이다. 모터의 속도의 변화는 각각의 전기적 반 사이클의 길이 및 역기전력이 상승하는 속도에 영향을 미칠 것이다. 추가적으로, 모터의 속도의 변화는 역기전력의 크기 및 상전류가 상승하는 속도에 영향을 미칠 것이다. 따라서, 본 방법은 지연 기간만큼 커뮤테이션을 지연시키는 단계 및 공급 전압의 변화 및/또는 모터 속도의 변화에 대응하여 상기 지연 시간을 변화시키는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 모터가 공급 전압 및/또는 모터 속도의 범위에 걸쳐 작동함에 따라 모터의 효율이 개선될 수 있는 이점을 가진다. 추가적으로, 권선 내로 구동되는 전류와 파워의 양은 공급 전압 및/또는 모터 속도의 변화에 민감하다. 공급 전압 및/또는 모터 속도의 변화에 대응하여 지연 기간을 변화시킴으로써, 모터의 입력 또는 출력 파워에 대해 더 우수한 제어를 달성할 수 있다.

본 방법은 공급 전압의 증가 및/또는 모터 속도의 감소에 대응하여 지연 기간을 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 공급 전압의 크기가 증가함에 따라, 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 모터 속도가 감소함에 따라, 역기전력은 더 느린 속도로 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기가 감소하고, 따라서 상전류가 더 빠른 속도로 상승한다. 공급 전압의 증가 및/또는 모터 속도의 감소에 대응하여 지연 기간을 증가시킴으로써, 상전류의 파형이 공급 전압 및/또는 모터 속도의 변화에 대응하여 역기전력의 파형에 더 잘 일치하도록 만들어질 수 있다. 그 결과, 모터의 효율이 공급 전압 및/또는 속도에 걸쳐 작동할 때 개선될 수 있다.

본 방법은 각각의 전기적 반 사이클을 전도 기간 및 이에 후속하는 프리휠 기간으로 분할하는 단계를 포함할 수 있다. 권선은 전도 기간 동안 여자되고 프리휠 기간 동안 프리휠된다. 더욱이, 본 방법은 전도 기간을 제1 여자 기간, 추가 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계를 포함할 수 있고, 권선은 각각의 여자 기간 동안 여자될 수 있고, 권선은 상기 추가 프리휠 기간 동안 프리휠될 수 있다. 커뮤테이션이 지연됨에도 불구하고, 상전류는 역기전력보다 더 빠른 속도로 상승할 수 있다. 그 결과, 상전류는 결국 역기전력을 선도할 수 있다. 2차 프리휠 기간은 상전류의 상승을 순간적으로 점검하는 역할을 한다. 따라서, 상전류는 전도 기간 동안 역기전력의 상승을 좀 더 근접하여 따르도록 만들어질 수 있고, 따라서 효율을 개선시킨다.

본 방법은 제1 속도 범위에서 작동하는 경우 역기전력의 제로-크로싱에 대해 지연된 시간에 권선을 커뮤테이션하는 단계 및 제2 속도 범위에서 작동하는 경우 권선 내의 역기전력의 제로-크로싱에 대해 선해된 시간에 권선을 커뮤테이션하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제2 속도 범위는 상기 제1 속도 범위보다 더 높다. 제1 속도 범위에 걸쳐 작동할 때, 상전류는 제로-크로싱 근처에서 역기전력보다 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 커뮤테이션을 지연시킴으로써, 모터의 효율 개선이 이루어질 수 있다. 제2 속도 범위에 걸쳐 작동할 때, 각각의 전기적 반 사이클의 길이는 더 짧고, 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 역기전력보다 더 느린 속도로 상승한다. 커뮤테이션을 지연시키는 것은 모터의 효율을 악화시키는 역할을 할 뿐이다. 더욱이, 커뮤테이션이 지연되면 제2 속도 범위에 걸쳐 작동할 때 권선 내로 충분한 전류 및 파워를 구동하는 것이 불가능할 수 있다. 따라서, 제1 속도 범위에 걸쳐 지연된 커뮤테이션을 채택하고, 제2 속도 범위에 걸쳐 선행된 커뮤테이션을 채택함으로써, 모터의 효율이 양 속도 범위에 걸쳐 개선될 수 있다.

본 방법은 제1 속도 범위 및 제2 속도 범위에 걸쳐 작동할 때 각각의 전기적 반 사이클을 전도 기간 및 이에 후속하는 프리휠 기간으로 분할하는 단계를 포함할 수 있고, 권선은 전도 기간 동안 여자되고 프리휠 기간 동안 프리휠된다.

본 방법은 제1 속도 범위 및 제2 속도 범위에 걸쳐 일정한 파워(입력 파워 또는 출력 파워)로 모터를 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 제1 속도 범위에 걸친 모터의 파워는 제2 속도 범위에 걸친 파워보다 더 낮다.

본 방법은 모터가 제1 속도 범위에서 작동할 때 지연 기간만큼 커뮤테이션을 지연시키는 단계, 및 모터가 제2 속도 범위에서 작동할 때 선행 기간만큼 커뮤테이션을 선행시키는 단계를 포함할 수 있다. 일정한 파워는 모터 속도의 변화에 대응하여 지연 기간 및 선행 기간을 변화시킴으로써 얻어질 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 일정한 파워는 모터 속도의 변화에 대응하여 도전 기간의 길이를 변화시킴으로써 얻어질 수 있다.

제1 속도 범위와 제2 속도 범위 각각은 적어도 5 krpm, 더 바람직하게는 적어도 10 krpm에 걸칠 수 있다. 그 결과, 모터의 효율 개선이 상대적으로 큰 속도 범위에 걸쳐 이루어질 수 있다.

본 발명은 또한 이전 단락 중 어느 하나에 설명된 방법을 수행하도록 구성된 제어 회로, 및 이러한 제어 회로와 브러시리스 영구자석 모터를 포함하는 모터 어셈블리를 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 제어하고, 컨트롤러는 권선을 커뮤테이션하기 위한 제어 신호를 발생시킨다. 더 구체적으로, 컨트롤러는 모터의 속도가 50 krpm 보다 빠른 경우 권선 내의 역기전력의 제로-크로싱에 대해 지연된 시간에 권선을 커뮤테이션하기 위한 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 가속 모드로 작동할 때 모터 어셈블리의 다양한 파형을 도시하고 있다.
도 5는 하이-파워 모드로 작동할 때 모터 어셈블리의 다양한 파형을 도시하고 있다.
도 6은 로우-파워 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)를 개폐시킨다.

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 모터 어셈블리(1)의 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 다음의 3가지 모드 중 하나로 작동한다: 가속 모드(acceleration mode), 로우-파워 모드(low-power mode), 및 하이-파워 모드(high-power mode). 로우-파워 모드와 하이-파워 모드는 모두 정상 상태 모드이다. 컨트롤러(14)는 어떠한 정상 상태 모드가 채택되어야 하는지를 결정하기 위하여 파워-모드 신호 POWER_MODE를 수신하고, 주기적으로 모니터링한다. 파워-모드 신호가 논리적으로 로우이면, 컨트롤러(14)는 로우-파워 모드를 선택하고, 파워-모드 신호가 논리적으로 하이이면, 컨트롤러(14)는 하이-파워 모드를 선택한다. 로우-파워 모드로 작동할 때, 컨트롤러(14)는 60 내지 70 krpm 의 작동 속도 범위에서 모터(3)를 구동한다. 하이-파워 모드로 작동할 때, 컨트롤러(14)는 90 내지 100 krpm 의 작동 속도 범위에서 모터(3)를 구동한다. 가속 모드는 정지상태로부터 각각의 작동 속도 범위의 하한까지 모터(3)를 가속하는데 사용된다.

3가지 모드 전부에서, 컨트롤러(14)는 HALL 신호의 에지에 대응하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 각각의 HALL 에지는 로터(5)의 극성 변화 및, 이에 따른 상권선(7)에 유도된 역기전력의 극성 변화에 대응한다. 더 구체적으로, 각각의 HALL 에지는 역기전력의 제로-크로싱에 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.

이하 논의에서, 모터(3)의 속도에 대해 종종 언급된다. 모터(3)의 속도는, 이하 HALL 기간으로 지칭되는 HALL 신호의 연속된 에지들 사이의 간격으로부터 결정된다.

가속 모드

20 krpm 미만의 속도에서, 컨트롤러(14)는 각각의 HALL 에지와 동기화하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 20 krpm 의 속도 또는 20 krpm 초과의 속도에서, 컨트롤러(14)는 각각의 HALL 에지에 선행하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 특정 HALL 에지에 선행하여 상권선(7)을 커뮤테이션하기 위하여, 컨트롤러(14)는 이전 HALL 에지에 대응하여 작동한다. 이전 HALL 에지에 대응하여, 컨트롤러(14)는 커뮤테이션 기간 T_COM 을 얻기 위하여, HALL 기간 T_HALL 에서 선행 기간 T_ADV 을 뺀다:

T_COM = T_HALL - T_ADV

컨트롤러(14)는 이전 HALL 에지 이후 T_COM 의 시각에서 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 그 결과, 컨트롤러(14)는 선행 기간 T_ADV 만큼 후속 HALL 에지에 선행하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다.

커뮤테이션이 동기화되는지 또는 선행되는지 여부에 관계없이, 가속 모드로 작동할때, 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 전환한다.

도 4는 가속 모드로 작동할 때 수개의 HALL 기간에 걸친, HALL 신호, 역기전력, 상전류, 상전압, 및 제어 신호의 파형을 도시하고 있다. 도 4에서, 상권선(7)은 HALL 에지와 동기화되어 커뮤테이션된다.

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 전환하는 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, 전환 주파수가 감소한다.

컨트롤러(14)는 로터(5)의 속도가 선택된 파워 모드의 작동 속도 범위의 하한에 도달할 때까지 가속 모드로 계속 작동한다. 따라서, 예컨대 하이-파워 모드로 선택되면, 컨트롤러(14)는 로터(5)의 속도가 90 krpm 에 도달할 때까지 가속 모드로 계속 작동한다.

하이-파워 모드

컨트롤러(14)는 각각의 HALL 에지에 선행하여 상권선을 커뮤테이션한다. 선행된 커뮤테이션은 가속 모드에 대해 전술한 바와 같은 동일한 방식으로 달성된다.

하이-파워 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. 상전류는 여자하는 동안 전류 한계를 초과하지 않을 것으로 예상된다. 따라서, 컨트롤러(14)는 각각의 전기적 반 사이클 동안 오직 한 번만 여자에서 프리휠링으로 스위칭된다.

컨트롤러(14)는 전도 기간 T_CD 동안 상권선(7)을 여자한다. 전도 기간의 종료 시, 컨트롤러(14)는 상권선(7)을 프리휠시킨다. 프리휠링은 컨트롤러(14)가 상권선(7)을 커뮤테이션할 때까지 무한정 계속된다. 따라서, 컨트롤러(14)는 2개의 파라미터: 선행 기간 T_ADVD 및 전도 기간 T_CD 를 이용하여 모터(3)의 작동을 제어한다.

도 5는 하이-파워 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 공급 전압의 크기 변화에 대응하여 선행 기간 및 전도 기간의 길이를 변화시킨다. 컨트롤러(14)는 또한 로터(5)의 속도의 변화에 대응하여 선행 기간을 변화시킨다.

컨트롤러(14)는 복수의 다른 공급 전압 각각에 대하여 선행 기간 T_ADV 및 전도 기간 T_CD 를 포함하는 전압 룩업 테이블을 저장한다. 컨트롤러(14)는 또한 복수의 다른 로터 속도 및 다른 공급 전압 각각에 대하여 속도 보상값을 포함하는 속도 룩업 테이블을 저장한다. 룩업 테이블은 각각의 전압 및 속도 지점에서 구체적인 입력 또는 출력 파워를 얻는 값을 저장한다. 본 실시예에서, 룩업 테이블은 하이-파워 모드에 대하여 공급 정압의 범위 및 작동 속도 범위에 걸쳐 모터(3)에 대해 일정한 출력 파워를 얻는 값을 저장한다.

전압 센서(12)에 의해 출력된 V_DC 신호는 공급 전압의 측정값을 제공하고, HALL 기간의 길이는 로터 속도의 측정값을 제공한다. 컨트롤러(14)는 상 기간 및 전도 기간을 선택하기 위하여 공급 전압을 이용하여 전압 룩업 테이블을 인덱싱한다. 컨트롤러(14)는 속도 보상값을 선택하기 위하여 로터 속도 및 공급 전압을 이용하여 속도 룩업 테이블을 인덱싱한다. 컨트롤러(14)는 속도 보상된 상 기간을 얻기 위하여 선택된 속도 보상값을 선택된 상 기간에 더한다. 커뮤테이션 기간 T_COM은 HALL 기간 T_HALL에서 속도 보상된 상 기간을 빼서 얻어진다.

속도 룩업 테이블은 로터(5)의 속도뿐만 아니라 공급 전압의 크기에도 의존하는 속도 보상값을 저장한다. 그 이유는 공급 전압이 감소함에 따라, 구체적인 속도 보상값이 모터(3)의 출력 파워에 더 작은 정미 효과를 가지기 때문이다. 로터 속도와 공급 전압 모두에 의존하는 속도 보상값을 저장함으로써, 로터 속도의 변화에 대응하여 모터(3)의 출력 파워에 대한 더 우수한 제어가 이루어질 수 있다.

2개의 룩업 테이블은 선행 기간을 결정하는데 사용된다는 것에 유의해야 한다. 제1 룩업 테이블(즉, 전압 룩업 테이블)은 공급 전압을 이용하여 인덱싱된다. 제2 룩업 테이블(즉, 속도 룩업 테이블)은 로터 속도와 공급 전압 모두를 이용하여 인덱싱된다. 제2 룩업 테이블이 로터 속도와 공급 전압 모두를 이용하여 인덱싱되기 때문에, 2개의 룩업 테이블에 대한 필요성에 의문을 제기할 수도 있다. 그러나, 2개의 룩업 테이블을 이용하는 이점은 여러 가지 전압 해상도가 사용될 수 있다는 것이다. 모터(3)의 출력 파워는 상대적으로 공급 전압의 크기에 민감하다. 반면, 속도 보상값의 출력 파워에 대한 효과는 공급 전압에 덜 민감하다. 따라서, 2개의 룩업 테이블을 채택함으로써, 더 미세한 전압 해상도가 전압 룩업 테이블에 대해 사용될 수 있고, 더 거친 전압 해상도가 속도 룩업 테이블에 대해 사용될 수 있다. 그 결과, 모터(3)의 출력 파워에 대해 상대적으로 우수한 제어가 더 작은 룩업 테이블을 통해 이루어질 수 있고, 이것은 컨트롤러(14)의 메모리 요구사항을 감소시킨다.

로우-파워 모드

컨트롤러(14)는 HALL 에지에 대해 지연된 시간에 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 지연된 커뮤테이션은 선행된 커뮤테이션에 대한 것과 유사한 방식으로 얻어진다. HALL 에지에 대응하여, 컨트롤러(14)는 커뮤테이션 기간 T_COM 을 얻기 위하여, 지연 기간 T_RET 을 HALL 기간 T_HALL 에 더한다:

T_COM = T_HALL + T_RET

컨트롤러(14)는 HALL 에지 이후 T_COM 시간에 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 그 결과, 컨트롤러(14)는 후속 HALL 에지 이후 T_RET 시간에 상권선(7)을 커뮤테이션한다.

로우-파워 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. 하이-파워 모드에서와 같이, 상전류는 여자하는 동안 전류 한계를 초과하지 않을 것으로 예상된다. 따라서, 컨트롤러(14)는 각각의 전기적 반 사이클 동안 여자에서 프리휠링으로 두 번 스위칭된다.

도 6은 로우-파워 모드로 작동할 때 수개의 HALL 기간에 걸친, HALL 신호, 역기전력, 상전류, 상전압, 및 제어 신호의 파형을 도시하고 있다.

하이-파워 모드에서와 같이, 컨트롤러(14)는 공급 전압의 크기 변화에 대응하여 지연 기간 및 전도 기간을 변화시키고, 컨트롤러(14)는 로터(5)의 속도 변화에 대응하여 지연 기간을 변화시킨다. 따라서, 컨트롤러(14)는 여러 가지 공급 전압에 대ㅏ여 여러 가지 지연 기간 T_RET 및 여러 가지 여자 기간 T_EXC 를 포함하는 추가적인 전압 룩업 테이블을 저장한다. 컨트롤러(14)는 또한 여러 가지 로터 속도 및 여러 가지 공급 전압에 대하여 속도 보상값을 포함하는 추가적인 속도 룩업 테이블을 저장한다. 따라서, 로우-파워 모드에서 채택된 룩업 테이블은, 테이블이 선행 기간이 아니라 지연 기간을 저장하고, 전도 기간이 아니라 여자 기간을 저장한다는 점에서만 하이-파워 모드에서 채택된 룩업 테이블과 다르다. 하이-파워 모드에서와 같이, 로우-파워 모드에서 채택된 룩업 테이블은 동일한 범위의 공급 전압에 걸쳐서 및 로우-파워 모드에 대하여 작동 속도 범위에 걸쳐서 모터(3)에 대해 일정한 출력 파워를 얻는 값을 저장한다.

작동하는 동안, 컨트롤러(14)는 지연 기간 및 여자 기간을 선택하기 위하여 공급 전압을 이용하여 전압 룩업 테이블을 인덱싱한다. 선택된 여자 기간은 제1 여자 기간과 제2 여자 기간 모드를 정의하는데 사용되는데, 즉 전도 기간 동안 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. 그 결과, 2차 프리휠 기간은 전도 기간의 중앙에서 발생한다.

하이-파워 모드와 비교할 때, 상권선(7)의 여자가 2가지 중요한 방식에서 다르다. 첫째, 컨트롤러(14)는 커뮤테이션을 지연한다. 둘째, 컨트롤러(14)는 2차 프리휠 기간을 전도 기간 내로 도입한다. 이러한 2가지 차이점에 대한 이유 및 이점이 이하 설명될 것이다.

하이-파워 모드로 작동할 때, 선행된 커뮤테이션이 필요한 출력 파워를 얻기 위하여 필요하다. 로터(5)의 속도가 증가함에 따라, HALL 기간이 감소하고, 따라서 상 인덕턴스와 관련된 시간 상수(L/R)가 점점 중요하게 된다. 추가적으로, 상권선(7)에 유도된 역기전력이 증가하고, 이것은 상전류가 상승하는 속도에 영향을 준다. 따라서, 전류와 파워를 상권선(7) 내로 구동하는 것이 점점 어려워진다. 각각의 HALL 에지에 선행하고, 또한 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 상권선(7)을 커뮤테이션함으로써, 공급 전압이 역기전력에 의해 순간적으로 상승된다. 그 결과, 상권선(7)을 통하는 전류의 방향이 더욱 신속하게 역전된다. 추가적으로, 상전류가 역기전력을 선도하도록 되고, 이것은 전류 상승의 더 느린 속도를 보상하는데 도움이 된다. 이것이 단기간의 음의 토크를 발생시킴에도 불구하고, 이것은 일반적으로 양의 토크에서의 후속 게인에 의해 보다 많이 보상된다.

로우-파워 모드로 작동할 때, HALL 기간의 길이가 더 길고, 따라서 역기전력이 더 느린 속도로 상승한다. 추가적으로, 역기전력의 크기가 더 낮고, 따라서 상권선(7) 내의 전류는 주어진 공급 전압에 대하여 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 역기전력은 더 느린 속도로 상승하지만, 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 따라서, 원하는 출력 파워를 얻기 위하여 HALL 에지에 선행하여 상권선(7)을 커뮤테이션할 필요가 없다. 더욱이, 이하 설명되는 이유로 인하여, 모터 어셈블리(3)의 효율이 커뮤테이션을 지연함으로써 개선된다.

여자하는 동안, 토크-대-전류 비율은 상전류의 파형이 역기전력의 파형에 일치할 때 최대이다. 따라서, 모터(3)의 효율 개선은 상전류의 파형이 역기전력의 파형에 더 잘 일치하도록 성형함으로써, 즉 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분을 감소시킴으로써 달성된다. 이전 단락에서 언급된 바와 같이, 로우-파워 모드로 작동할 때, 역기전력은 더 느린 속도로 상승하지만, 상전류는 더 빠른 속도로 상승한다. 실제로, 로우-파워 모드로 작동할 때, 상전류는 역기전력의 크기가 상대적으로 낮을 때, 즉 역기전력의 제로-크로싱 부근에서 역기전력보다 더 빨리 상승한다. 따라서, 상권선(7)이 HALL 에지에 선행하거나 또는 동기화하여 커뮤테이션되면, 상전류는 신속하게 역기전력을 선도할 것이다. 하이-파워 모드에서, 더 짧은 HALL 기간 및 상전류에서의 더 느린 상승을 보상하기 위하여, 상전류가 초기에 역기전력을 선도하는 것이 필요했다. 그러나, 로우-파워 모드에서, 필요한 출력 파워를 얻기 위하여, 상전류가 역기전력을 선도하는 것이 필요하지 않다. 각각의 HALL 에지 이후까지 커뮤테이션을 지연함으로써, 상전류는 역기전력에서의 상승을 좀 더 근접하여 따라간다. 그 결과, 모터 어셈블리(1)의 효율이 개선된다.

2차 프리휠 기간은 모터(3)의 효율을 추가적으로 개선하는 역할을 한다. 지연 커뮤테이션의 결과로서, 상전류는 역기전력에 좀 더 근접하여 일치한다. 그럼에도 불구하고, 상전류는 계속하여 역기전력보다 더 빨리 상승한다. 따라서, 상전류는 결국 역기전력을 따라잡는다. 상대적으로 작은 2차 프리휠 기간을 전도 기간 내로 도입함으로써, 상전류에서의 상승이 순간적으로 점검되어, 상전류에서의 상승이 역기전력의 상승을 좀 더 근접하여 따라간다. 그 결과, 역기전력 파형에 대한 상전류 파형의 고조파 성분이 추가적으로 감속되고, 따라서 모터(3)의 효율이 추가적으로 증가된다.

가속 모드는 모터(3)를 정지 상태로부터 각각의 작동 속도 범위의 하한까지 가속하는데 사용된다. 따라서, 컨트롤러(14)는, 하이-파워 모드가 선택되면 0 내지 90 krpm 의 가속 모드로 작동하고, 로루-파워 모드가 선택되면 0 내지 60 krpm 의 가속 모드로 작동한다. 어떤 파워 모드가 선택되었는지에 상관없이, 컨트롤러(14)는 0 내지 20 krpm 에서 HALL 에지와 동기화하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 모터(3)가 20 krpm 에서 90 krpm 으로 가속(하이-파워 모드)되거나, 20 krpm 에서 60 krpm 으로 가속(로우-파워 모드)됨에 따라, 컨트롤러(14)는 HALL 에지에 선행하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 가속 모드로 작동할 때, 컨트롤러(14)는 로터(5)가 가속될 때 고정되어 있는 선행 기간을 채택한다. 하이-파워 모드 또는 로우-파워 모드가 선택되는지 여부에 상관없이, 컨트롤러(14)는 선행 기간을 선택하기 위하여 공급 전압을 이용하여 하이-파워 모드에서 채택되는 전압 룩업 테이블을 인덱싱한다. 선택된 선행 기간은 가속 모드 동안 컨트롤러(14)에 의해 사용된다. 모터(3)의 효율이 로터 속도에 따라 변화하는 선행 기간을 채택함으로써 개선될 수 있는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 이것은 추가적인 룩업 테이블을 필요로 한다. 더욱이, 가속 모드는 일반적으로 오래가지 못하고, 컨트롤로(14)는 로루-파워 모드 또는 하이-파워 모드에서 지배적으로 작동한다. 따라서, 가속 모드 내에서 선행 기간을 변화시킴으로써 얻어질 수 있는 효율 개선은 모터(3)의 전체 효율에 크게 기여하지 않을 가능성이 크다.

가속 모드에서 로우-파워 모드로 전환될 때, 컨트롤러(14)는 선행된 커뮤테이션에서 지연된 커뮤테이션으로 전환한다. 로우-파워 모드 내에서 작동될 때, 컨트롤러(14)는 모터 어셈블리(1)의 효율을 개선하기 위하여, 각각의 전기적 반 사이클 동안 충분한 전류 및 파워를 상권선(7) 내로 구동하면서, 동시에 지연된 커뮤테이션을 채택하는 것이 가능하다. 이에 반해, 가속되는 동안, 충분한 전류 및 파워가 각각의 전기적 반 사이클 동안 상권선(7) 내로 구동될 수 있도록 하기 위하여 선행된 커뮤테이션이 필요하다. 만약 컨트롤러(14)가 가속되는 동안 커뮤테이션을 지연하거나 동기화한다면, 로터(5)는 필요한 속도를 가속하지 못할 것이다. 따라서, 60 내지 70 krpm 의 속도 범위에 걸쳐 로터 속도를 유지하기 위하여 지연된 커뮤테이션이 커뮤테이션이 채택될 수 있는 반면, 로터가 60 krpm 으로 가속될 수 있도록 하기 위하여 선행된 커뮤테이션이 필요하다.

상대적으로 낮은 속도에서 작동할 때 커뮤테이션을 지연하는 것으로 알려져 있는 반면, 상대적으로 높은 속도, 즉 50 krpm 을 초과하는 속도로 작동할 때 커뮤테이션을 지연하는 것은 전혀 알려져 있지 않다. 이러한 상대적으로 높은 속도에서, 각각의 HALL 기간의 상대적으로 짧은 길이 및 역기전력의 크기는 선행된 커뮤테이션이 필요하다는 것을 암시할 수 있다. 실제로, 선행된 커뮤테이션은 모터를 그러한 속도로 가속하기 위하여 필요하다. 그러나, 본 출원인은 일단 이러한 속도에서 커뮤테이션이 모터(3)의 효율을 개선하기 위하여 지연될 수 있다는 것을 확인하였다.

전술한 실시예에서, 컨트롤러(14)는 2개의 정상 상태 모드: 하이-파워 모드 및 로우-파워 모드를 채택한다. 하이-파워 모드에서, 컨트롤러(14)는 역기전력의 제로-크로싱에 선행하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 로우-파워 모드에서, 컨트롤러(14)는 역기전력의 제로-크로싱으로부터 지연하여 상권선(7)을 커뮤테이션한다. 선행 기간 및 지연 기간은 각각 상 기간 T_PHASE 으로 간주될 수 있고, 커뮤테이션 기간 T_COM 은 다음과 같이 정의될 수 있다:

T_COM = T_HALL - T_PHASE

만약 상 기간이 양수이면, 커뮤테이션은 HALL 에지 이전에 발생하고(즉, 선행된 커뮤테이션), 만약 상 기간이 음수이면, 커뮤테이션은 HALL 에지 이후에 발생한다(즉, 지연된 커뮤테이션). 하이-파워 모드와 로우-파워 모드 양자에서 상권선(7)을 커뮤테이션을 하기 위하여 동일한 계획을 채택하는 것은 제어를 단순화시킨다. 그러나, 다른 방법이 상권선(7)을 커뮤테이션하는데 사용될 수 있는 것도 생각할 수 있다. 예컨대, 로우-파워 모드에서 작동할 때, 컨트롤러(14)는 단순하게 각각의 HALL 에지 이후 T_RET 시간에 상권선(7)을 커뮤테이션할 수 있다.

전술한 실시예에서, 컨트롤러(14)는 로터 속도의 변화에 대응하여 오직 상 기간(즉, 하이-파워 모드에서 선행 기간, 로우-파워 모드에서 지연 기간)만을 변화시킨다. 전도 기간과 비교할 때, 모터(3)의 입력 파워는 일반적으로 상 기간의 변화에 더 민감하다. 따라서, 모터(3)의 출력 파워에 대한 더 우수한 제어가 상 기간을 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, 이러한 이점에도 불구하고, 대신에 컨트롤러(14)는 로터 속도의 변화에 대응하여 오직 전도 기간만을 변화시킬 수 있다. 대안적으로, 컨트롤러(14)는 로터 속도의 변화에 대응하여 상 기간과 전도 기간 모두를 변화시킬 수 있다. 이것은 예컨대, 모터(3)의 출력 파워가 단지 상 기간을 변화시킴으로써 적절히 제어될 수 없다면 필요할 수도 있다. 대안적으로, 모터(3)의 효율 개선은 로터 속도의 변화에 대응하여 상 기간과 전도 기간 모두를 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, 상 기간과 전도 기간 모두를 변화시키는 것의 단점은 추가적인 룩업 테이블이 필요하다는 것이고, 따라서 이것은 컨트롤러(14)의 메모리에 대하여 추가적인 요구사항을 발생시킨다.

전술한 실시예에서, 컨트롤러(14)는 공급 전압의 변화에 대응하여 상 기간과 전도 기간을 변화시킨다. 이것은 모터(3)의 효율이 각각의 전압 포인트에서 더 잘 최적화될 수 있다는 이점을 가진다. 그러나, 상 기간과 전도 기간 중 하나만을 변화시킴으로써 모터(3)의 출력 파워에 대한 원하는 제어를 달성하는 것이 가능할 수도 있다. 모터(3)의 출력 파워가 상 기간의 변화에 더 민감하기 때문에, 모터(3)의 출력 파워에 대한 더 우수한 제어가 상 기간을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.

따라서, 컨트롤러(14)는 공급 전압 및 로터 속도의 변화에 대응하여 상 기간 및/또는 전도 기간을 변화시킨다고 말할 수 있다. 이러한 2개의 기간은 공급 전압 및 로터 속도의 변화에 대응하여 변화될 수 있는 반면, 컨트롤러(14)가 공급 전압과 로터 속도 중 오직 하나에만 대응하여 이러한 기간들을 변화시키는 것을 생각할 수 있다. 예컨대, 파워 서플라이(2)에 의해 공급된 전압이 상대적으로 안정적일 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(14)는 로터 속도의 변화에만 대응하여 상 기간 및/또는 전도 기간을 변화시킬 수도 있다. 대안적으로, 모터(3)는 로우-파워 모드와 하이-파워 모드 내에서 일정한 속도 또는 상대적으로 작은 속도 범위에 걸쳐 작동할 필요가 있을 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(14)는 공급 전압의 변화에만 대응하여 상 기간 및/또는 전도 기간을 변화시킬 수도 있다. 따라서, 좀 더 일반적인 의미에서, 컨트롤러(14)는 공급 전압 및/또는 로터 속도의 변화에 대응하여 상 기간 및/또는 전도 기간을 변화시킨다고 말할 수 있다. 더욱이, 전압 룩업 테이블 또는 속도 룩업 테이블을 저장하기 보다는, 컨트롤러(14)는 여러 가지 공급 전압 및/또는 로터 속도에 대하여 여러 가지 제어값을 포함하는 파워 룩업 테이블을 저장한다고 말할 수 있다. 각각의 제어값은 각각의 전압 및/또는 속도 지점에서 특정 출력 파워를 얻는다. 컨트롤러(14)는 파워 룩업 테이블로부터 제어값을 선택하기 위하여 공급 전압 및/또는 로터 속도를 이용하여 파워 룩업 테이블을 인덱싱한다. 제어값은 상 기간 또는 전도 기간을 정의하는데 사용된다.

전술한 실시예에서, 컨트롤러(14)는 하이-파워 모드에서 사용하기 위한 전도 기간 및 로우-파워 모드에서 사용하기 위한 여자 기간을 포함하는 룩업 테이블을 저장한다. 그러나, 동일한 수준의 제어가 여러 가지 방법에 의해 달성될 수 있다. 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 수도 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.

전술한 실시예에서, 2차 프리휠 기간은 전도 기간의 완전 중앙에서 발생한다. 이것은 동일한 여자 기간이 제1 여자 기간과 제2 여자 기간의 길이를 정의하는데 사용되게 함으로써 달성된다. 2차 프리휠 기간이 전도 기간의 중앙에서 발생하도록 하는 것에는 적어도 2가지 이점이 존재한다. 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 전압에 대하여 단지 하나의 여자 기간을 저장하기만 하면 된다. 그 결과, 룩업 테이블을 위하여 더 적은 메모리가 요구된다. 전술한 이점에도 불구하고, 공급 전압의 변화 및/또는 로터 속도의 변화에 대응하여 2차 프리휠 기간의 위치를 변경하는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 여러 가지 전압 및/또는 속도에 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 가진다. 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 주로, 아니면 완전히 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 어셈블리(1)의 효율이 개선될 수 있다.

Claims

브러시리스 영구자석 모터를 제어하는 방법으로서,
50 krpm 보다 빠른 속도로 작동할 때 상기 모터의 권선 내의 역기전력(back EMF)의 제로-크로싱(zero-crossing)에 대하여 지연된 시간에 상기 권선을 커뮤테이션(commutation)하는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제1항에 있어서,
적어도 5 krpm 폭에 걸친 속도 범위에서 작동할 때 역기전력의 제로-크로싱에 대해 지연된 시간에 상기 권선을 커뮤테이션하는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
지연 기간(retard period)만큼 상기 권선 내의 역기전력의 제로-크로싱에 대해 지연된 시간에 상기 권선을 커뮤테이션하는 단계, 및 상기 권선을 여자하는데 사용되는 공급 전압의 변화 또는 상기 모터의 속도의 변화에 대응하여 상기 지연 기간을 변화시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 공급 전압의 증가 또는 상기 모터의 속도의 감소에 대응하여 상기 지연 기간을 증가시키는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
각각의 전기적 반 사이클(electrical half-cycle)을 전도 기간(conduction period) 및 상기 전도 기간에 후속하는 프리휠 기간(freewheel period)으로 분할하는 단계를 포함하고, 상기 권선은 상기 전도 기간 동안 여자되고 상기 프리휠 기간 동안 프리휠되는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제5항에 있어서,
상기 전도 기간을 제1 여자 기간, 추가 프리휠 기간, 및 제2 여자 기간으로 분할하는 단계를 포함하고, 상기 권선은 각각의 여자 기간 동안 여자되고, 상기 권선은 상기 추가 프리휠 기간 동안 프리휠되는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
제1 속도 범위에서 작동할 때 역기전력의 제로-크로싱에 대하여 지연된 시간에 상기 권선을 커뮤테이션하는 단계 및 제2 속도 범위에서 작동할 때 역기전력의 제로-크로싱에 대해 선행된 시간에 상기 권선을 커뮤테이션하는 단계를 포함하고, 상기 제2 속도 범위는 상기 제1 속도 범위보다 더 높은, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 제1 속도 범위 및 상기 제2 속도 범위에서 작동할 때 상기 모터의 전기적 반 사이클 각각을 전도 기간 및 상기 전도 기간에 후속하는 프리휠 기간으로 분할하는 단계를 포함하고, 상기 권선은 상기 전도 기간 동안 여자되고 상기 프리휠 기간 동안 프리휠되는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 제1 속도 범위에서 일정한 파워로 상기 모터를 구동하는 단계 및 상기 제2 속도 범위에서 더 높은 일정한 파워로 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
제7항에 있어서,
상기 제1 속도 범위와 상기 제2 속도 범위 각각은 적어도 5 krpm 폭에 걸쳐 있는, 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법.
브러시리스 영구자석 모터용 제어 회로로서, 제1항 또는 제2항에 따른 브러시리스 영구자석 모터의 제어 방법을 수행하도록 구성되어 있는 제어 회로.
제11항에 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 상기 권선을 커뮤테이션하도록 제어 신호를 발생시키는, 제어 회로.
브러시리스 영구자석 모터 및 제11항에 따른 제어 회로를 포함하는 모터 어셈블리.