KR102474670B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 제어기 및 구동 제어 방법 - Google Patents

스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 제어기 및 구동 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시의 기술적 사상에 따른 구동 제어기의 동작 방법은, SR(Switched Reluctance) 모터의 회전 수 및 회전 방향을 센싱하는 단계, 상기 SR 모터의 PID(Proportional-Intergral-Derivative) 제어를 시작하는 단계, 상기 SR 모터의 과부하를 확인하는 단계 및 과부하 상태에 응답하여 제1 전류를 추가 공급하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동 제어기 및 구동 제어 방법{DRIVING CONTROLLER, AND DRIVING CONTROL METHOD FOR SWITCHED RELUCTANCE MOTOR}
본 개시의 기술적 사상은 본 개시의 기술적 사상은 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor; 이하, 'SR 모터'라 한다)를 구동하는 구동 제어기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제어 모드에 따라 상이하게 SR 모터를 제어하는 구동 제어기 또는 구동 제어 방법에 관한 것이다.
SR 모터는 자기저항(reluctance)의 변화에 따라 발생하는 토크를 이용하여 회전력을 발생시키는 전동기이다. SR 모터는 고성능 및 고내구성을 가지며, 구조가 단순하므로 널리 이용되고 있다. SR 모터는, 세탁기, 냉장고, 에어컨, 쿠커 등과 같은 각종 가전기기나 다양한 운송기계, 의료 장비 등의 구동장치로서 사용될 수 있다.
SR 모터를 구동하는 구동 제어기로서 PID(Proportional-Intergral-Derivative) 제어기가 이용될 수 있다. PID 제어기는 SR 모터에 과부하가 발생하는 경우 오차에 대한 피드백 시간이 소요되기 때문에 제어 속도가 저하된다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 제어 모드에 따라 상이하게 SR 모터를 제어하는 구동 제어기 또는 구동 제어 방법을 제공하는 데에 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 구동 제어기의 동작 방법은, SR(Switched Reluctance) 모터의 회전 수 및 회전 방향을 센싱하는 단계, 상기 SR 모터의 PID 제어를 시작하는 단계, 상기 SR 모터의 과부하를 확인하는 단계 및 과부하 상태에 응답하여 제1 전류를 추가 공급하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 구동 제어 방법, 또는 구동 제어기는 SR 모터의 과부하시 제어 모드로 히스테리시스 모드를 선택함으로써 과도(transient) 현상에 대한 과도 응답 시간을 최소화할 수 있다.
또한, 본 개시의 기술적 사상에 따른 구동 제어 방법, 또는 구동 제어기는 과도 응답 시간을 줄임으로써 토크 리플에 의한 모터 진동을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터 구동 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 구동 제어기를 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SRM 드라이버를 도시하는 회로도이다.
도 4는 비교예에 따른 시간에 따른 SR 모터의 회전 속도 및 인가 전류를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 시간에 따른 SR 모터의 회전 속도 및 인가 전류를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 구동 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 구동 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 개시에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시에서 사용한 "제1~", "제2~" 와 같은 서수적인 표현은 "제1~"이 "제2~"보다 앞선 것임을 한정하지 않으며, 유사한 구성을 달리 구분하여 표현하기 위한 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 본 개시의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터 구동 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, SR 모터 구동 시스템(10)은 SR 모터(100), SR 모터 드라이버(200)(이하, SRM 드라이버), 구동 제어기(300) 및 위치 센서부(400) 를 포함할 수 있다. SR 모터 드라이버(200)(이하, SRM 드라이버), 구동 제어기(300) 및 위치 센서부(400)는 SR 모터(100)의 구동을 위한 구동 회로로 지칭될 수 있다.
SR 모터(100)는, 자기저항의 변화에 따라 발생하는 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)를 이용하여 회전력을 얻을 수 있다. SR 모터(100)는 고정자 (stator) 및 회전자(rotor)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 고정자 및 회전자는 투자율이 높은 자성 물질들로 구성될 수 있다. 예를 들어, 고정자 및 회전자는 규소 강판이 적층된 구조를 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 SR 모터(100)는 고정자와 회전자가 모두 돌극형 구조를 가지는 이중 돌극형(double salient pole) 구조를 가질 수 있다. 고정자 및 회전자는 각각 복수의 돌극(silent-pole)을 포함할 수 있다. 고정자의 돌극들에는 코일이 권선될 수 있고, 회전자의 중심에는 SR 모터(100)의 샤프트가 연결될 수 있으며, 회전자와 동시에 회전하는 센서 마그넷이 샤프트 또는 회전자에 장착될 수 있다.
예시적 실시예에 따른 SR 모터(100)는 4상 모터 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, SR 모터(100)의 고정자는 8개의 돌극들(예컨대, A극, B극, C극, D극, A'극, B'극, C'극, D'극)을 포함하고, 회전자(12)는 6개의 돌극들을 포함할 수 있다. 고정자의 서로 대향하는 돌극들에는 코일이 권선될 수 있다.
SR 모터(100)는 자속이 회전자를 경유함에 따라, 회전자에 전류가 발생하고, 고정자의 자속과 회전자의 자속이 쇄교함에 따라 발생한 토크(torque) 에 의해 회전할 수 있다. 즉, SR 모터(100)는 고정자와 회전자 간에 작용하는 자기 흡인력에 의하여 발생하는 토크를 이용할 수 있다. 예를 들어, 고정자의 돌극들에 상응하는 A상, B상, C 상 및 D상의 코일들에 순차적으로 전압이 인가됨으로써, 회전자가 회전할 수 있다. SR 모터(100)는 SRM 드라이버(200)와 6개의 라인에 의해 서로 연결될 수 있다.
SRM 드라이버(200)는 스위칭 회로(210) 및 센싱 회로(230)를 포함할 수 있다.
스위칭 회로(210)는 스위칭 동작을 통해, 직류 전압을 SR 모터(100)의 코일들(예컨대, A상, B상, C상 및 D상 코일들) 각각에 인가할 수 있다. SR 모터 구동 시스템(10)은 입력되는 상용 교류 전원을 직류 전원(예를 들어, 직류 전압)으로 정류하는 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있으며, SRM 드라이버(200)는 컨버터로부터 제공되는 직류 전압을 SR 모터(100)의 코일들에 인가할 수 있다. 예시적인 실시예에서, SRM 드라이버(200)는 SRM 인버터로 지칭될 수 있다.
스위칭 회로(210)는 스위칭 소자들을 포함할 수 있으며, 스위칭 소자들이 스위칭 신호(SW)에 응답하여 '턴-온' 또는 '턴-오프'됨으로써 코일들에 전압을 인가하고 전류(예를 들어, 상전류 또는 여자전류)를 제공할 수 있다. 스위칭 소자에 관하여는 도 3에서 후술된다.
센싱 회로(230)는 SR 모터(100)의 상태를 감지하기 위한 센싱 신호들(SENS)을 출력할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 센싱 회로(230)는 전류, 온도, 전압 등을 나타내는 센싱 신호를 출력할 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 센싱 회로(230)는 코일들에 흐르는 전류(예를 들어, 상전류)를 센싱하고, 센싱된 전류값을 출력할 수 있다.
센싱 회로(230)는 SR 모터(100)의 회전 속도, 인가 전류, 온도, 전압에 기초하여 SR 모터(100)의 과부하(OVERLOAD)를 센싱할 수 있고, 과부하 여부를 나타내는 과부하 신호(OVLD)를 생성할 수 있다. 과부하 신호(OVLD)는 구동 제어기(300)로 제공될 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 센싱 회로(230)는 SRM 드라이버(200)에 구비되는 것이 아닌 별개의 회로 모듈로 구현될 수 있다.
구동 제어기(300)는 스위칭 신호(SW)를 생성할 수 있고, 스위칭 신호(SW)를 SRM 드라이버(200)에 제공할 수 있다. 구동 제어기(300)는 제어 신호(예를 들어 사용자 입력에 따른 속도 지령), 위치 센서부(400)로부터 제공되는 위치 센싱 신호들(PS1, PS2) 및 SRM 드라이버(200)로부터 제공되는 센싱 신호들(SENS) 중 적어도 하나를 기초로 스위칭 신호들(SW)을 생성할 수 있다.
구동 제어기(300)는 미리 설정된 회전 방향 및 속도 등에 따라서, SR 모터(100) 구동을 위한 스위칭 신호(SW)를 생성할 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 구동 제어기(300)는 위치 센싱 신호들(PS1, PS2)을 기초로 SR 모터(100)의 회전 속도를 검출할 수 있고, SRM 드라이버(200)로부터 출력되는 센싱 신호(SENS)를 기초로, SR 모터(100)의 코일들을 통해 흐르는 전류량을 검출할 수 있으며, 사용자의 속도 지령에 따른 타겟 속도와 SR 모터(100)의 회전 속도(즉, 현재 속도)의 차이를 기초로 SR 모터(100)의 코일들을 통해 흐르는 전류량을 증가시키거나 또는 감소시키기 위하여 스위칭 신호(SW)의 듀티비를 조절할 수 있다.
구동 제어기(300)는 SR 모터(100)의 과부하 신호(OVLD)를 수신함으로써 SR 모터(100)의 회전 속도를 순간적으로 증가시키도록 스위칭 신호(SW)를 생성할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 구동 제어기(300)는 SR 모터(100)의 코일에 흐르는 전류량이 순간적으로 증가하도록 스위칭 신호(SW)의 듀티비를 조절함으로써, SR 모터(100)의 회전 속도 감소를 억제하고, 미리 설정된 회전 속도(또는 회전수, Revolutions Per Minutes; RPM)를 복원시킬 수 있다.
구동 제어기(300)는 모드 선택기(310), PID 제어부(330), 히스테리시스 제어부(350), 및 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 생성기(370)를 포함할 수 있다.
모드 선택기(310)는 구동 제어기(300)의 제어 모드를 선택할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 모드 선택기(310)는 센싱 신호(SENS) 및 과부하 신호(OVLD)에 기초하여, SR 모터(100)를 PID(Proportional-Integral-Differential(또는 Derivative)) 제어 방식에 의해 구동되거나, 히스테리시스(hysteresis) 제어 방식에 의해 구동되도록 제어 모드를 선택할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 모드 선택기(310)는 PID 제어기(330)에 제1 인가 신호(EN1)를 출력하여 SR 모터(100)를 PID 제어할 수 있고, 히스테리시스 제어부(350)에게 제2 인가 신호(EN2)를 출력하여 SR 모터(100)를 히스테리시스 제어할 수 있다. 예를 들어, 구동 제어기(300)는 센싱 신호(SENS)에 기초하여 SR 모터(100)를 PID 제어할 수 있고, 과부하 신호(OVLD)에 기초하여 SR 모터(100)를 히스테리시스 제어할 수 있다. 그러나, 이는 설명의 편의를 위함이고, 과부하 상태에 따라 다양한 제어 방식이 적용될 수 있다.
PID 제어부(330)는 피드백된 출력값을 입력값과 비교함으로써 오차를 계산하여 SR 모터(100)의 제어에 필요한 파라미터들을 계산할 수 있다. PID 제어부(330)는 오차값, 오차값의 적분(Intergral), 오차값의 미분(Derivative)의 값에 기초하여 SR 모터(100)를 제어할 수 있다.
히스테리시스 제어부(350)는 자화된 자성체가 가지는 이력(履歷)에 따라 자성체의 성질이 다른 현상을 이용한 제어를 수행할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 히스테리시스 제어부(350)는 SR 모터(100)의 코일에 흐르는 전류를 제어하기 위해 온, 오프를 반복하면서 미리 정해진 전류값을 일정하게 유지할 수 있다.
PID 제어부(330) 및 히스테리시스 제어부(350)에 의해 처리된 센싱 신호는 합산될 수 있고, 합산 결과 듀티 비(Duty Ratio; DR)를 결정할 수 있다.
PWM 신호 생성기(370)는 PWM 신호들을 생성하고, PWM 신호들을 스위칭 신호(SW)로서 제공할 수 있다. PWM 신호 생성기(370)는 위치 센싱 신호들(PS1, PS2)을 기초로, PWM 신호들, 즉 스위칭 신호(SW)을 생성할 수 있으며, 제어 신호(Ctrl), 센싱 신호(SENS), 및 과부하 신호(OVLD)를 기초로 스위칭 신호(SW)의 듀티비(duty ratio)를 조절할 수 있다.
실시예에 있어서, 구동 제어기(300)는 마이크로 컨트롤러(또는 마이크로 컴퓨터)로 구현될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 구동 제어기(300)는 CPU(Central Processing Unit), 프로세서, DSP(Digital Signal Processing), 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP), MCU(Micro Controller Unit), 또는 미니 컴퓨터와 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
위치 센서부(400)는 센서 마그넷에 근접하게 배치되는 복수의 홀 센서를 포함할 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 위치 센서부(400)는 복수의 홀 센서로서 제1 홀 센서(410) 및 제2 홀 센서(430)를 포함할 수 있다. 제1 홀 센서(410) 및 제2 홀 센서(430)는 회전자의 회전 시 센서 마그넷의 자기 신호를 감지할 수 있다. 센서 마그넷의 자기 신호는 회전자의 각도 위치 정보에 상응할 수 있으므로, 제1 홀 센서(410) 및 제2 홀 센서(430) 각각은 제1 위치 센싱 신호(PS1) 및 제2 위치 센싱 신호(PS2)를 출력할 수 있다. 위치 센서부(400)는 회전자의 각도 위치 정보에 상응하는 위치 센싱 신호들(PS1, PS2)을 구동 제어기(300)에 제공할 수 있다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 구동 제어기(300)를 도시하는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 모드 선택기(300)는 기준 신호(REF)를 센싱 신호(SENS)와 비교한 결과를 PID 제어부(330)에 제공할 수 있다. 기준 신호(REF)는 PID 제어부(330)에서 피드백된 이전 상태(또는 시간)의 신호에 상응할 수 있다. 즉, 기준 신호(REF)는 입력값(센싱 신호(SENS))과 비교됨으로써 오차를 계산하여 SR 모터(100)의 제어에 필요한 파라미터들을 계산하기 위한 피드백 신호일 수 있다.
모드 선택기(310)는 과부하 신호(OVLD)에 응답하여 SR 모터(100)의 제어 모드를 선택할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 모드 선택기(310)는, 센싱 신호(SENS)에 기초해 SR 모터(100)가 PID 제어 모드로 동작하도록 제1 인가 신호(EN1)를 출력할 수 있고, 과부하 신호(OVLD)에 기초해 SR 모터(100)가 히스테리시스 제어 모드로 동작하도록 제2 인가 신호(EN2)를 출력할 수 있다.
PID 제어부(330)는 비례(Proportional) 제어기, 적분(Integral) 제어기, 미분(Derivative) 제어기를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 비례 제어기는 현재 상태에서의 오차값의 크기에 비례한 제어를 할 수 있고, 비례 제어기의 이득은 Kp로 표기될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 적분 제어기는 정상상태(steady-state) 오차를 없앨 수 있으며, 비례 제어기의 이득은 Ki로 표기될 수 있다. 적분 제어기를 라플라스(Laplace) 변환한다면, 1/s로 표현될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 미분 제어기는 출력값의 급격한 변화에 제동을 가함으로써　오버슛(overshoot)을 줄이고 안정성(stability)을 향상시킬 수 있다. 미분 제어기의 이득은 Kd로 표기될 수 있다. 미분항을 라플라스 변환한다면, s로 표현될 수 있다.
설명의 편의를 위해 PID 제어부(330)에는 비례 제어기, 적분 제어기, 미분 제어기가 모두 포함한 것으로 설명되었으나, 이에 제한되지 않고 비례 제어기만을 가지거나(P 제어기), 혹은 비례-적분 제어기만을 가진 제어기(PI 제어기), 비례-미분 제어기만을 가진 제어기(PD 제어기)의 형태로 단순화되어 사용될 수 있다.
히스테리시스 제어부(350)는 임펄스(impulse)항을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 임펄스항은 순간적인 신호를 인가할 수 있고, 임펄스항의 이득은 Kh로 표기될 수 있다. 임펄스항을 라플라스 변환한다면, 1로 표현될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 히스테리시스 제어부(350)는 SR 모터(100)에 임펄스 전류를 인가함으로써 코일에 흐르는 전류의 크기를 순간적으로 증가시킬 수 있다. SR 모터(100)가 히스테리시스 제어 하에 동작한다면, 상대적으로 짧은 시간안에 미리 설정된 목표치에 도달할 수 있다. 즉, 히스테리시스 제어는 과도 응답 특성이 PID 제어에 비해 비교적 우수할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 기준 신호(REF) 및 센싱 신호(SENS)의 비교 결과는 PID 제어부(33) 및 히스테리시스 제어부(350)에 모두 제공될 수 있다. 모드 선택기(310)는 과부하 신호(OVLD)에 기초하여 SR 모터(100)의 동작 모드를 PID 제어 모드, 또는 히스테리시스 제어 모드로 결정할 수 있다. 또는, 실시예에 따라 PID 제어 모드와 함께 히스테리시스 제어 모드가 동시에 적용될 수도 있다. 제어 결과는 합산되어 듀티 비(DR)를 생성할 수 있고, PWM 신호 생성기(370)에 제공될 수 있다.
PID 제어 방식의 성능은 제어기에 포함된 복수의 이득(예를 들어, P, I, D 게인)에 의해 결정될 수 있다. PID 제어 방식은 정상상태 응답에 최적화 되어 있으므로 과도 현상에 대한 과도 응답은 히스테리시스 제어에 비해 상대적으로 느릴 수 있다. 따라서 PID 제어는 과부하 제거에 필요한 높은 전류를 인가하는데 시간 지연이 발생할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 구동 제어 방법, 또는 구동 제어기는 SR 모터(100)의 과부하시 히스테리시스 모드를 선택함으로써 과도(transient) 현상에 대한 과도 응답 시간을 최소화할 수 있다.
또한, SR 모터(100)는 과전류가 인가되면 토크 리플에 의한 떨림이 발생할 수 있다. SR 모터(100)가 PID 제어 하에 동작한다면 과부하가 제거된 후의 정상 상태(Steady-state)로 복원되는 충분한 시간이 요구된다.
본 개시의 기술적 사상에 따르면, 임펄스 전류를 인가하는 히스테리시스 제어부(350)에 의해, 정상 상태로의 복원 시간이 PID 제어에 비해 상대적으로 단축될 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SRM 드라이버를 도시하는 회로도이다. 도 1이 함께 참조된다. 설명의 편의를 위하여, SR 모터(도 1의 100)에 권선된 코일들을 나타내는 등가 회로(10')가 함께 도시된다. 등가 회로(10')는 고정자에 권선된 4상의 코일들(La, Lb, Lc, Ld)을 포함할 수 있다.
SRM 드라이버(200)는 스위칭 회로(210) 및 센싱 회로(230)를 포함할 수 있으며, 스위칭 회로(210)는 커패시터(C1), 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)(또는 스위치라고 지칭됨), 복수의 다이오드들(D1 내지 D6) 및 센싱 저항(Rsen)을 포함할 수 있다. 예시적 실시예에 있어서, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 등으로 구현될 수 있으며, 센싱 저항(Rsen)은 저항값이 매우 낮은 션트(shunt) 저항으로 구현될 수 있다.
커패시터(C1)는 DC(Direct Current) 링크 커패시터로서, DC 전압(Vdc)이 인가되는 제1 입력 노드(Ip) 및 제2 입력 노드(In)(즉, DC 링크)에 연결되며, 제1 및 제2 입력 노드(Ip, In)를 통해 수신되는 DC 전압(Vdc)을 안정적으로 제공할 수 있다.
제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)는 제1 노드(N1)를 통해 A상 코일(La)의 일 단(A극 방향의 단자) 및 C상 코일(Lc)의 일 단(C극 방향의 단자)에 전기적으로 연결된다. 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)는 또한 제1 입력 노드(Ip) 및 제2 입력 노드(In)에 각각 연결될 수 있다.
제2 스위칭 소자(Q2) 및 제2 다이오드(D2)는 제2 노드(N2)를 통해 A상 코일(La)의 타 단(A'극 방향의 단자)에 연결될 수 있으며, 제2 다이오드(D2)는 또한 제2 입력 노드(In)에 연결될 수 있다. 한편, 제2 스위칭 소자(Q2)는 센싱 저항(Rsen)의 일 단에 연결되고, 센싱 저항(Rsen)의 타 단은 제2 입력 노드(In)에 연결될 수 있다. 센싱 저항(Rsen)의 타 단이 연결된 제2 입력 노드(In), 즉 제1 센싱 노드(SN1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)와 센싱 저항(Rsen)의 연결 노드, 즉 제2 센싱 노드(SN2)는 센싱 회로(230)에 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 센싱 노드(SN1)의 제1 전압(V1)(예컨대 접지 전압) 및 제2 센싱 노드(SN2)의 제2 전압(V2)이 센싱 회로(230)에 제공될 수 있다.
제3 스위칭 소자(Q3) 및 제3 다이오드(D3)는 제3 노드(N3)를 통해 C상 코일(Lc)의 타 단(C'극 방향의 단자)에 전기적으로 연결된다. 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제3 다이오드(D3)는 또한 제2 입력 노드(In) 및 제1 입력 노드(Ip)에 각각 연결될 수 있다.
제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)는 제4 노드(N4)를 통해 B상 코일(Lb)의 일 단(B극 방향의 단자) 및 D상 코일(Ld)의 일 단(D극 방향의 단자)에 연결된다. 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)는 또한 제1 입력 노드(Ip) 및 제2 입력 노드(In)에 각각 연결될 수 있다.
제5 스위칭 소자(Q5) 및 제5 다이오드(D5)는 제5 노드(N5)를 통해 B상 코일(Lb)의 타 단(B'극 방향의 단자)에 연결되고, 제6 스위칭 소자(Q6) 및 제6 다이오드(D6)는 제6 노드(N6)를 통해 D상 코일(Ld)의 타 단(D'극 방향의 단자)에 연결된다. 제5 다이오드(D5) 및 제6 다이오드(D6)는 제1 입력 노드(Ip)에 연결되고, 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6) 는 제2 입력 노드(In)에 연결될 수 있다.
A상 코일(La) 및 C상 코일(Lc)은 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)를 공유할 수 있으며, B상 코일(Lb) 및 D상 코일(Ld)은 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)를 공유할 수 있다. 이와 같은, 스위칭 소자 공유 방식이 적용됨으로써, SR 모터(100)를 구동하기 위한 스위칭 소자들 및 다이오드들의 개수가 감소될 수 있으며, SRM 드라이버(200)의 회로 사이즈가 감소될 수 있다.
스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)은 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2) 중 대응하는 스위칭 신호에 응답하여 '턴-온' 또는 '턴-오프'하는 스위칭 동작을 수행함으로써, 코일들(La, Lb, Lc, Ld)에 전압을 인가할 수 있다. A상, B상, C상 및 D상의 코일들(La, Lb, Lc, Ld) 각각은 양단에 연결된 스위칭 소자들이 '턴-온'되면 통전될 수 있다.
복수의 다이오드들(D1 내지 D6)은 코일들(La, Lb, Lc, Ld)에 전압을 인가된 후, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)이 '턴-오프'시에 생성되는 역기전압을 환류시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 개시의 실시예에 따른 스위칭 회로(210)에서, 센싱 저항(Rsen)이 제2 스위칭 소자(Q2)와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치됨으로써, 상전류, 예컨대 A상 코일(La)에 흐르는 A상 상전류가 정확하게 측정될 수 있다. 센싱 회로(230)는 센싱 저항(Rsen)의 양 단, 즉 제1 센싱 노드(SN1) 및 제2 센싱 노드(SN2)의 전압(V1, V2)을 기초로 센싱 저항(Rsen)을 통해 흐르는 상전류에 대응하는 센싱 값을 출력할 수 있다.
본 실시예에서는 센싱 저항(Rsen)이 제2 스위칭 소자(Q2)와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 실시예에 있어서, 적어도 하나의 센싱 저항(Rsen)은 제3 스위칭 소자(Q3), 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6) 중 적어도 하나와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치될 수 있다. 실시예에 있어서, 4개의 센싱 저항(Rsen)이 제2 스위칭 소자(Q2), 제3 스위칭 소자(Q3), 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제6 스위칭 소자(Q6)와 제2 입력 노드(In) 사이에 배치될 수도 있다.
도 4는 비교예에 따른 시간에 따른 SR 모터의 회전 속도 및 인가 전류를 도시한 그래프이다. 가로축은 시간을, 도 4의 (a)의 세로축은 회전 속도(RPM)을, 도 4의 (b)의 세로축은 코일에 흐르는 전류를 의미할 수 있다.
도 4의 (a)를 참조하면, SR 모터(도 1, 100)가 구동 시작된 이후 SR 모터(100)의 회전 속도는 점진적으로 증가할 수 있다. 시점 t1에서 SR 모터(100)는 정상 상태에 도달할 수 있다. 시점 t1에서부터 시점 t2까지, SR 모터(100)는 일정한 회전 속도(RPM)을 유지할 수 있다. 시점 t2에서, SR 모터(100)에 과부하가 발생할 수 있다. 과부하 상태이므로, SR 모터(100)의 회전 속도는 점차 감소할 수 있다. PID 제어는 정상상태 응답에 최적화 되어 있으므로, SR 모터(100)의 과도 현상에 대한 과도 응답은 히스테리시스 제어에 비해 상대적으로 느릴 수 있다. 그 결과, SR 모터(100)는 시점 t3에서부터 비로소 다시 복원되어, 회전 속도가 점진적으로 빨라질 수 있고, 시점 t4에 도달함으로써 다시 종전의 미리 설정된 회전 속도에 도달할 수 있다. SR 모터(100)가 정상 상태로 복원되기 위해 소요된 시간은 시점 t2부터 시점 t4까지인 T1이다.
도 4의 (b)를 참조하면, SR 모터(도 1, 100)가 구동 시작된 이후, SR 모터(100)에 인가되는 전류는 점진적으로 증가할 수 있다. 시점 t1에서 SR 모터(100)는 정상 상태에 도달한 후, 시점 t1에서부터 시점 t2까지 SR 모터(100)에 인가되는 전류는 일정할 수 있다. 시점 t2에서, SR 모터(100)에 과부하가 발생함에 따라, SR 모터(100)에 인가되는 전류는 점차 증가하였다가 다시 감소할 수 있으며, 시점 t4에서 인가 전류는 다시 정상 상태 전류값으로 복원될 수 있다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 시간에 따른 SR 모터의 회전 속도 및 인가 전류를 도시한 그래프이다. 가로축은 시간을, 도 4의 (a)의 세로축은 회전 속도(RPM)을, 도 4의 (b)의 세로축은 코일에 흐르는 전류를 의미할 수 있고, 도 4가 도 1과 함께 참조된다.
도 5의 (a)를 참조하면, SR 모터(도 1, 100)가 구동 시작된 이후 SR 모터(100)의 회전 속도는 점진적으로 증가할 수 있다. 시점 t1에서 SR 모터(100)는 정상 상태에 도달할 수 있으며, 시점 t1에서부터 시점 t2까지, SR 모터(100)는 일정한 회전 속도(RPM)을 유지할 수 있음은 도 4와 유사하다. 시점 t2에서, SR 모터(100)에 과부하가 발생할 수 있다. 본 개시의 기술적 사상에 따르면, SRM 드라이버(200)의 센싱 회로(230)로부터 과부하 신호(OVLD)가 제공된 것일 수 있다. SR 모터(100)에 과부하가 걸려 동작하고 있으므로 SR 모터(100)의 회전 속도는 시점 t5까지 점차 감소할 수 있다.
시점 t5에서, 히스테리시스 제어부(350)가 동작할 수 있다. 예를 들어, 히스테리시스 제어부(350)는 SR 모터(100)의 회전 속도 저하를 감지하고 현재 상태가 과부하 상태임을 판단하고, 히스테리시스 제어를 시작할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 구동 제어기(300)는 센싱 회로(230)로부터 수신된 과부하 신호(OVLD)에 기초하여 과부하 신호를 판단 할 수 있다. 센싱 회로(230)는 SR 모터(100)의 상전류에 기초하여 과부하 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어 도 5의 (b)를 참조하면, SR 모터(100)의 상전류가 임계 전류(ith)를 넘는다면 구동 제어기(300)는 과부하 신호(OVLD)를 생성할 수 있다. 그러나 이에 제한되지 않고 센싱 회로(230)는 SR 모터(100)의 다양한 전압, 전류 상태에 기초하여 과부하 상태를 판단할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 히스테리시스 제어부(350)는 위치 센싱 신호들(PS1, PS2)에 기초하여 회전 속도가 미리 정해진 기준 회전치보다 작다면 과부하 상태라고 판단할 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고, SR 모터(100)의 상태에 기초한 다양한 과부하 상태 판단 방법이 이용될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 히스테리시스 제어부(350)는 SR 모터(100)의 코일에 임펄스 전류를 인가할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 히스테리시스 제어부(350)는 PID 제어와 관련된 비례 제어부, 적분 제어부, 미분 제어부의 전류 기준치를 순간적으로 높일 수 있다. 그 결과, 임펄스 전류가 인가된 시점 t5 로부터 소정의 시간이 경과한 시점 t6에서부터 SR 모터(100)의 회전 속도는 점차 증가할 수 있고, 시점 t7에서 종전의 회전 속도를 다시 회복할 수 있다. SR 모터(100)가 정상 상태로 복원되기 위해 소요 시간은 시점 t2부터 시점 t7까지의 시간인 T2로서, 도 4의 소요 시간 T1보다 작을 수 있다.
도 5의 (b)를 참조하면, SR 모터(도 1, 100)가 구동 시작된 이후 SR 모터(100)의 인가 전류는 시점 t1까지 점진적으로 증가할 수 있다. 시점 t1에서부터 시점 t2까지, SR 모터(100)는 일정한 인가 전류(iss)을 유지할 수 있음은 도 4와 유사하다. 시점 t2에서 SR 모터(100)에 과부하가 발생함에 따라. SR 모터(100)의 인가 전류는 시점 t5까지 점차 증가할 수 있고, 시점 t5에서의 인가 전류의 크기는 ith일수 있다.
시점 t5에서, 히스테리시스 제어부(도 1, 350)가 동작할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 히스테리시스 제어부(350)는 SR 모터(100)의 코일에 임펄스 전류를 인가하도록 듀티 비(DR)을 조절할 수 있다. 시점 t5부터 시점 t6 까지의 짧은 시간 동안 전류는 순간적으로 큰 값의 전류를 SR 모터(100)에 인가될 수 있다. 시점 t6 후, 인가 전류는 시점 t7까지 점진적으로 감소할 수 있고, 시점 t7 이후의 인가 전류는 일정할 수 있다.
도 5와 도 4를 함께 참조하면, 히스테리시스 제어부(350)가 동작함에 따라, SR 모터(100)의 과부하 상태 이후 정상 상태로의 복원 시간은 상대적으로 단축될 수 있다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 구동 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 1이 함께 참조된다.
단계 S110에서, 위치 센서부(도 1, 400)는 SR 모터(도 1, 100)의 회전 속도(RPM) 및 회전 방향을 센싱할 수 있다.
단계 S120에서, SR 모터(100)는 PID 제어 방식에 의해 구동될 수 있다. 예시적인 실시예에서, SR 모터(100)는 미리 설정된 회전 속도에 도달할 때까지 반복적으로 출력값과 센싱 신호를 비교할 수 있다.
단계 S130에서, 모드 선택기(도 1, 310)에 의해 SR 모터(100)의 과부하 여부가 판단될 수 있다. SR 모터(100)가 과부하 상태가 아닌 정상 작동 모드인 경우, SR 모터(100)의 회전 속도 및 방향은 유지될 수 있다.
단계 S140에서, 모드 선택기(310)는 SR 모터(100)의 과부하 상태에 응답하여 히스테리시스 제어부(도 1, 350)가 동작할 수 있다.
단계 S150에서, SR 모터 구동 시스템(도 1, 10)은 모터 정지 명령을 수신함을 확인할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 모터 정지 명령이 수신되지 않았다면, SR 모터 구동 시스템(도 1, 10)은 SR 모터(100)의 과부하 상태를 반복적으로 확인할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 모터 정지 명령이 수신되었다면, SR 모터(100)의 회전 상태는 정지될 수 있다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 구동 제어 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 1 및 도 6이 함께 참조된다.
단계 S140는 단계 S141 및 단계 S142로 세분화 될 수 있다.
단계 S141에서, 히스테리시스 제어부(350)는 SR 모터(100)에 인가되는 전류를 증가시킬 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 인가 전류는 임펄스 전류일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 상당량의 전류가 빠른 속도로 SR 모터(100)의 코일에 인가될 수 있다.
단계 S142에서, 인가된 상당량의 전류는 다시 감소됨으로써, 정상 상태 전류(iss)에 다시 도달할 수 있다.
그 후, 단계 S140단계는 종료되고 단계 S150으로 이동한다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 구동 제어기의 동작 방법에 있어서,
    SR(Switched Reluctance) 모터의 회전 수 및 회전 방향을 센싱하는 단계;
    상기 SR 모터의 PID(Proportional-Intergral-Derivative) 제어를 시작하는 단계;
    상기 SR 모터의 과부하를 확인하는 단계; 및
    과부하 상태에 응답하여 제1 전류를 추가 공급하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류는 임펄스 전류인 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전류는 일정 시간동안 인가되고, 미리 정해진 크기를 가지는 오프셋 전류인 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 추가 공급하는 단계 후, 상기 제1 전류의 공급을 중단하는 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 확인하는 단계는,
    상기 회전 수가 임계 회전수보다 작은지 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  6. 상기 확인하는 단계는,
    상기 SR 모터의 상전류를 센싱하는 단계; 및
    상기 상 전류치가 임계 전류치보다 높은지 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동작 방법.
  7. SR(Switched Reluctance) 모터를 제어하는 구동 제어기에 있어서,
    상기 구동 제어기의 제어 모드를 결정하도록 구성된 모드 선택기;
    제1 제어 모드에 응답하여 상기 SR 모터를 PID(Proportional-Intergral-Derivative) 제어하도록 구성된 PID 제어기; 및
    제2 제어 모드에 응답하여 상기 SR 모터를 이력(hysteresis) 제어하도록 구성된 이력 제어기를 포함하고,
    상기 모드 선택기는,
    상기 SR 모터의 과부하 여부에 따라 상기 제어 모드를 결정하는 것을 특징으로 하는 구동 제어기.
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