KR102553388B1 - 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법, 및 상기 방법을 실시하기 위한 전기 회전 기계 - Google Patents

전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법, 및 상기 방법을 실시하기 위한 전기 회전 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 회전 기계(10)의 로터 위치를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 전기 기계(10)는 적어도 하나의 제 1 다상 부분 시스템(21) 및 하나의 제 2 다상 부분 시스템(22)을 포함하고, 이들 부분 시스템은, 각각의 권선 그룹(31, 32)으로의 전원 공급을 위한 각각 하나의 PWM 제어 인버터(41, 42)를 포함하며, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 권선 그룹들(31, 32)은 실질적으로 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치된다. 상기 방법의 경우, 컨트롤러(50)에 의해 기설정된 전압들(u control)은, 고주파 전류 변화량을 획득하기 위해, 고주파 전압들(u inj)의 공급을 통해 변동된다. 후속해서, 전류 변화량은, 각각의 부분 시스템(21, 22)에 대해 적어도 하나의 제 1 상전류 및 하나의 제 2 상전류의 측정에 의해 상전류들의 전류 곡선이 결정됨으로써 검출된다. 후속해서, 결정된 전류 곡선들 및 공급된 고주파 전압들(u inj)에 따라 로터 위치가 결정된다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계되는 전기 기계(10)에 관한 것이다.

Description

전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법, 및 상기 방법을 실시하기 위한 전기 회전 기계
본 발명은 전기 회전 기계의 로터 위치를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
상기 방법은 예컨대 독일 공개 공보 DE 10 2009 039 672 A1호에서 개시되어 있다. 여기서는 위치 센서를 사용하지 않으면서 로터 위치를 결정하고자 시도하는 무센서 폐루프 제어(sensorless closed-loop control)가 개시되어 있다. 회전수가 낮은 경우, 기계의 자기 이방성(magnetic anisotropy)을 통해 로터 위치를 결정하는 이른바 이방성 기반 방법들이 사용된다. 높은 동적 구동(high-dynamic driving)의 경우, 전기 기계의 설정 가능한 상전압(phase voltage)의 생성을 위해 일반적으로 펄스폭 변조(PWM) 방식의 인버터가 사용된다. 인버터의 제어 신호들은, 폐루프 제어에 의해 결정된 기설정된 전압을 PWM 듀티 사이클로 환산하는 공간 벡터 변조(space vector modulation)에 의해 계산된다. 기설정된 전압들은 컨트롤러에 의해 예컨대 로터 위치 및 검출된 상전류들, 그리고 전기 기계에 대한 소정의 요건들, 예컨대 회전수 또는 토크에 따라서 결정된다. 통상의 이방성 기반 방법들의 경우, 2개의 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서 기설정된 전압들의 의도된 변동에 의해, 폐루프 제어에 의해 기설정된 전압에 추가해서 고주파 전압들이 유도됨으로써, 위치 의존 전류 변화량이 야기된다. 이로 인해 발생하는 전류 변화량은 정해진 시점들에서 전기 기계의 각각의 상전류들의 전류 측정을 통해 검출될 수 있다. 후속해서, 검출된 상전류들 및 공급된 전압들에 따라서, 예컨대 전술한 공개 공보에 개시되어 있는 것처럼, 로터 위치가 결정될 수 있다.
본 발명의 과제는, 토크 리플(torque ripple)이 감소될 수 있고 그에 따라 작동 중에 로터 위치 결정에 의해 생성되는 소음 발생도 감소될 수 있는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법 및 이 방법을 실시하도록 설계된 전기 기계를 제공하는 것이다.
본 발명은 전기 회전 기계의 로터 위치를 결정하기 위한 방법에 관한 것이며, 전기 기계는 적어도 하나의 제 1 다상 부분 시스템 및 하나의 제 2 다상 부분 시스템을 포함하고, 각각의 부분 시스템은 하나의 권선 그룹(winding group)과, 각각의 권선 그룹으로 전원 공급을 위한 하나의 PWM 제어 인버터(PWM-controlled inverter)를 포함하며, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 권선 그룹들은 실질적으로 360°만큼 전기적으로 상호 간에 오프셋되어 배치된다. 본원의 방법은 하기 방법 단계들을 포함한다:
a. 각각 위치 의존 전류 변화량을 획득하기 위해, 각각의 부분 시스템에 대해 기설정된 전압들에 추가해서 각각 고주파 전압들이 공급됨으로써, 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서 부분 시스템들의 제어를 위한 컨트롤러에 의해 기설정된 전압들을 변동시키는 단계로서, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 고주파 전압들은 서로 변위된 상위치를 갖는 방식으로 선택되며, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 기설정된 전압들은, 서로 실질적으로 동일한 상위치를 갖는 방식으로 선택되는, 상기 변동 단계;
b. 상전류들의 각각의 전류 곡선을 획득하기 위해, 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서 각각의 부분 시스템에 대한 적어도 하나의 제 1 상전류 및 하나의 제 2 상전류를 PWM 동기화 방식으로 측정하는 단계;
c. 단계 b에서 획득된 전류 곡선들, 및 단계 a에서 공급된 고주파 전압들에 따라서 로터 위치를 결정하는 단계.
이 경우, 바람직하게는, 부분 시스템들의 고주파 전압들의 변위된 상위치로 인해, 이방성 기반 방법에 의해 그리고 이 경우 특히 고주파 전압들의 공급에 의해 생성되는, 전기 기계의 토크 리플이 감소될 수 있다. 이로써, 전기 기계의 작동 중에 로터 위치 결정에 의해 생성되는 소음 발생이 감소될 수 있다. 따라서, 본원의 방법에 의해, 작동 동안 전기 기계의 특성들을 무시할 수 있을 정도로만 악화시키는 로터 위치의 무센서 결정(sensorless determination)이 수행될 수 있다. 또한, 본 발명에 따라, 본원의 방법에 의해 기존 로터 위치 센서의 결과의 유효성이 검증될 수도 있다.
이 경우, 전기 기계의 부분 시스템들은 특히 각각 3상으로 설계되어 있으며, 특히 각각 하나의 권선 그룹과, 각각의 권선 그룹들로 전원 공급을 위한 하나의 PWM 제어 인버터를 포함한다. 또한, 전기 기계가 제 1 및 제 2 부분 시스템에 추가해서 제 3 또는 제 4 부분 시스템, 또는 심지어 임의의 개수의 추가 부분 시스템들을 더 포함하며, 이들 부분 시스템은 마찬가지로 각각 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치되는 것이 가능하다. 이 경우, 제 1 및 제 2 부분 시스템의 기설정된 전압들의 실질적으로 동일한 상위치란, 예컨대 각각의 부분 시스템들의 외부 간섭 영향들 또는 제조로 인한 공차들에 의해 야기되는 몇도의 최대 편차를 의미한다.
360°만큼 전기적으로 서로 오프셋 된다는 것은, 2개의 상이한 부분 시스템의 권선 그룹들이 기계적으로 360°를 전기 기계의 극부(pole)의 개수로 나눈 값의 정수 배수만큼 서로 오프셋되어 배치되어 있는 것을 의미하며, 이 경우 배수는 1도 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에서, 단계 a에서, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 고주파 전압들은 서로, 360°를 부분 시스템들의 개수로 나눈 값의 n 배만큼 변위된 상위치를 갖는 방식으로 선택되고, 이 경우 n은 정수이다.
이 경우, 바람직하게는, 상위치의 상기 상응하는 변위에 의해, 예컨대 2개의 부분 시스템에서 고주파 전압들이 로터 자속 지향 좌표계(rotor-flux-oriented coordinate system)에서 서로 반대 방향으로 정렬되는 방식으로 선택됨으로써, 소음 발생은 더 최적화될 수 있다. 따라서, 그로 인해 발생하는 총 전압 벡터는 바람직한 방식으로 매우 작아질 수 있으며, 그럼으로써 전기 기계의 상응하는 토크 리플은 적게 유지될 수 있다. 그 결과, 고주파 전압들의 이러한 선택에 의해, 로터 위치의 결정을 위한 본 발명에 따른 방법을 통한 소음 발생은 더욱 감소된다.
부분 시스템이 2개인 경우, 고주파 전압들은 서로 예컨대 180°의 상위치를 가질 수 있다. 부분 시스템이 3개인 경우에는, 예컨대 부분 시스템마다 각각 120°만큼 고주파 전압들의 상위치의 변위가 가능하다. 부분 시스템이 4개인 경우, 예컨대 부분 시스템들이 서로 0°, 90°, 180° 및 270°의 상위치를 가질 수 있다. 그러나 각각 2개의 부분 시스템의 경우 고주파 전압들이 동일한 방향으로 주입될 수 있고, 다른 2개의 부분 시스템의 경우에는 처음 2개의 부분 시스템에 비해 180°만큼 변위된 상위치를 갖는 고주파 전압들이 주입될 수도 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에 따라서, 단계 a에서, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 고주파 전압들의 진폭들은, 로터 자속 지향 좌표계에서 부분 시스템들의 고주파 전압들의 모든 전압 벡터의 합의 결과로서 제로 벡터(zero vector)가 구해지는 방식으로 선택된다. 이 경우, 바람직하게는, 고주파 전압들을 그 진폭과 관련하여 추가로 설정함으로써, 로터 위치의 결정으로 인한 토크 리플의 생성은 심지어 완전하게 방지될 수 있다. 제로 벡터는, 3상 부분 시스템들의 경우 모든 제 1 상의 고주파 전압들의 합, 모든 제 2 상의 고주파 전압들의 합, 및 모든 제 3 상의 고주파 전압들의 합의 결과로서 제로(0)가 구해진다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에 따라서, 단계 c에서, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템에 대해, 기설정된 전압들을 변동시킴으로써 발생하는 각각의 전류 변화량은 단계 b에서 획득된 상전류들의 전류 곡선에 따라서 결정되며, 전류 곡선은, 기설정된 전압의 변동 없이 흐를 수도 있는 제 1 전류와, 고주파 전압들을 공급함으로써 생성되는 제 2 전류로 분할되며, 각각 결정된 전류 변화량에 따라서 로터 위치가 결정된다. 로터 위치의 상응하는 결정은 예컨대 앞서 언급한 종래 기술에 개시되어 있다. 바람직하게는, 이는, 로터 위치를 결정하는 간단한 가능성이다. 이로써, 필요한 계산 비용은 적게 유지될 수 있고 로터 위치 결정은 신속하게 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에서, 고주파 전압들을 공급함으로써 생성되는 제 2 전류는, 단계 b에서 획득되는, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 상전류들의 차가 계산됨으로써 결정된다. 이 경우, 바람직하게는, 부분 시스템들의 기설정된 전압들의 동일한 상위치로 인해, 기설정된 전압들의 변동 없이 흐를 수 있는 제 1 전류는 차 계산 동안 서로 상쇄되며, 그에 따라 고주파 전압들을 공급함으로써 생성되는 제 2 전류는 매우 간단하게 결정될 수 있다. 이와 반대로, 제 2 전류는 고주파 전압들의 변위된 상위치를 기반으로 서로 상쇄되지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에 따라서, 기설정된 전압의 변동 없이 흐를 수 있는 제 1 전류는, 단계 b에서 획득되는, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 상전류들의 평균값이 계산됨으로써 결정된다. 이 경우 바람직하게는, 부분 시스템들의 고주파 전압들의 변위된 상위치로 인해, 고주파 전압들을 공급함으로써 생성되는 제 2 전류는 평균값 계산 동안 적어도 어느 정도로 서로 상쇄되고, 그에 따라 기설정된 전압들의 변동 없이 흐를 수도 있는 제 1 전류는 매우 간단하게 결정될 수 있다. 따라서, 제 1 전류는 기설정된 전압들의 동일한 상위치로 인해 서로 상쇄되지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에 따라서, 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이의 지속 시간을 나타내는 컨트롤러 스캐닝 주기는 PWM 주기보다 더 크다. 이 경우, 바람직하게는, 상전류들을 PWM 동기화 방식으로 측정함으로써, 로터 위치의 결정을 위해 실질적으로 필요한 것보다 더 많은 측정값이 검출된다. 이로써, 신호 대 잡음비가 향상될 수 있다.
고주파 전류들의 계산을 위해 사용되는 상전류들의 차가 추정되어 보상될 저주파 에러를 갖는 것이 가정될 수 있다. 상기 저주파 에러 성분은 예컨대 각각의 부분 시스템들 또는 권선 그룹들의 제조로 인한 공차들로부터 발생한다. 에러의 추정은 최소 제곱법에 의해 실행될 수 있다. 이 경우, 컨트롤러에 의해 기설정된 전압들이 2개의 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서 일정한 것으로 가정될 수 있다. 이 경우, 저주파 에러 성분은, 컨트롤러에 의해 기설정된 전압들이 일정한 시간 섹션들에서, 모델 함수를 통해, 바람직하게는 저차수 다항식에 의해 기술될 수 있다. 또한, 고주파 전압들의 공급에 의해 발생하는 고주파 전류들은 선형 방정식에 의해 로터 위치 의존 역 인덕턴스(inverse inductance)에 따라 또는 로터 위치 에러에 따라 기술될 수 있다. 따라서, 기설정된 전압들이 일정한 동안, 상전류들의 차의 시간에 따른 곡선은 선형 방정식 시스템에 의해 기술될 수 있다. 이제 컨트롤러 스캐닝 주기의 역치를 나타내는 컨트롤러 스캐닝 주파수가 PWM 주파수보다 훨씬 더 작게 선택된다면, 선형 방정식 시스템을 풀기 위해 요구되는 것보다 훨씬 더 많은 상전류 측정값이 검출된다. 여기서, 이제, 과잉 결정된 방정식 시스템을 풀기 위해, 최소 제곱법이 사용될 수 있다. 이는, 컨트롤러 스캐닝 주파수가 PWM 주파수에 비해 더 작게 선택될수록, 결정된 솔루션 파라미터들(solution parameter)의 신호 대 잡음비가 더 향상된다는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 방법의 일 구현예에 따라서, 고주파 전압들은, 전기 기계의 하우징 상에서 발생할 수 있는 기계적 진동들의 공진 주파수를 상회하는 주파수 범위를 갖는다. 이 경우, 바람직하게는, 고주파 전압들에 대해 상응하는 주파수 범위의 선택에 의해, 각각의 부분 시스템들 내로 고주파 전압들의 공급으로 인한 소음 발생은 감소될 수 있거나, 또는 심지어 완전히 발생하지 않는다.
고주파 전압들의 공급에 의해, 전기 기계의 스테이터에는, 고주파 전압들과 실질적으로 동일한 주파수를 갖는 고주파 힘이 반경 방향으로 작용한다. 전기 기계의 토폴러지 및 고주파 전압들의 선택에 따라서, 고주파 전압들에 의해 생성되는 반경 방향 힘은 상이한 공간 차수(spatial order)를 갖는다. 상기 힘에 의해, 스테이터가 여기되어 진동한다. 기계적 진동의 모드(mode)는 일반적으로 힘의 공간 차수와 동일하며, 각각의 모드에 대한 공진 주파수는 상이하다. 그 결과, 고주파 전압들의 주파수 범위는 기계적 진동을 최소화하기 위해, 여기된 모드의 공진 주파수를 상회하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 제 1 다상 부분 시스템과 하나의 제 2 다상 부분 시스템을 포함하는 전기 회전 기계에 관한 것이다. 각각의 부분 시스템은 하나의 권선 그룹과, 각각의 권선 그룹으로 전원 공급을 위한 하나의 PWM 제어 인버터를 포함한다. 또한, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 권선 그룹들은 실질적으로 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치된다. 또한, 전기 기계는 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계된다. 이 경우, 바람직하게는, 부분 시스템들의 고주파 전압들의 변위된 상위치로 인해, 이방성 기반 방법에 의해 그리고 여기서는 고주파 전압들의 공급에 의해 발생하는 전기 기계의 토크 리플이 감소될 수 있다. 이로써, 전기 기계의 작동 중에 로터 위치 결정에 의해 생성되는 소음 발생은 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 기계의 일 구현예에 따라서, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템의 권선 그룹들은, 로터 자속 지향 좌표계에서 실질적으로 일정한 인덕턴스 매트릭스가 제공되는 방식으로 서로 연결된다. 이 경우 바람직하게는, 로터 위치의 간단한 결정이 가능해진다. 그 이유는, 부분 시스템들의 개별 권선 그룹들의 권선부들(winding)이 서로 연결될 수 있는 다양한 방법들이 있기 때문이다. 부분 시스템들 또는 권선 그룹들의 상호 연결에 따라, 전기 기계는 상이한 대칭 특성들을 갖는다. 이는, 특히 개별 상들 간의 자기 결합(magnetic coupling)에 영향을 미친다. 따라서, 로터 자속 지향 좌표계에서, 분리된 부분 시스템들을 포함하는 전기 기계의 상 및 결합 인덕턴스들은 서로 엮인 권선부들(interweaved winding)을 포함하는 기계에 비해 추가의 수학 차수들(additional mathematical order)을 갖는다. 상기 추가의 차수들은 이방성 기반 방법을 이용한 로터 위치 결정을 어렵게 하는데, 그 이유는, 고주파 전류 변화량으로부터 로터 위치를 추론할 수 있도록 하기 위해, 추가적인 차수들이 공지되어 있어야 하기 때문이다. 이 경우, 전기 기계의 일정한 인덕턴스 매트릭스를 야기하는 권선 그룹들의 상호 연결에 의해, 추가의 차수들은 최소화될 수 있고 그에 따라 로터 위치의 결정은 간단하게 유지될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 기계의 일 구현예에 따라서, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템은 하나의 공통 전압 중간 회로를 포함한다. 이 경우, 바람직하게는, 토크 리플에 추가해서, 각각의 부분 시스템들 내로 고주파 전압들의 공급으로 인해 생성되어 인버터들로 향하는 공급 라인들 내로 유입되는 배터리 전류 리플도 최소화될 수 있다.
도 1은 전기 회전 기계의 로터 위치를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계된 본 발명에 따른 전기 회전 기계의 일 실시예를 도시한 도면.
도 3a 및 3b는 예컨대 도 2에 따른 전기 기계의 제 1 및 제 2 부분 시스템의 권선 그룹들의 2가지 배치를 도시한 상세도.
도 1에는, 전기 회전 기계의 로터 위치를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예가 도시되어 있다. 예컨대 도 2에 따른 전기 기계(10)는 적어도 하나의 제 1 다상 부분 시스템(21)과 하나의 제 2 다상 부분 시스템(22)을 포함한다. 부분 시스템들(21, 22)은 특히 3상으로 형성된다. 또한, 각각의 부분 시스템(21, 22)은 하나의 권선 그룹(31, 32)과, 각각의 권선 그룹(31, 32)으로 전원 공급을 위한 하나의 PWM 제어 인버터(41, 42)를 포함한다. 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 권선 그룹들(31, 32)은 실질적으로 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치된다.
도 1에 따른 실시예에 도시된 방법의 경우, 시작(S) 후에, 단계 a에서, 부분 시스템들(21, 22) 각각에 대해, 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서, 두 부분 시스템(21, 22)의 제어를 위한 컨트롤러(50)에 의해 기설정된 전압들(ucontrol)은, 위치 의존 전압 변화량을 획득하기 위해, 기설정된 전압들(ucontrol)에 추가해서 고주파 전압들(uinj)이 주입됨으로써 변동된다. 이 경우, 각각의 부분 시스템(21, 22)에 대해, 고주파 전압들(uinj)은 기설정된 전압들(ucontrol)에 가산되고 후속해서 각각의 부분 시스템(21, 22)의 제어를 위해 PWM 듀티 사이클로 환산된다. 이 경우, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 고주파 전압들(uinj)은, 서로 변위된 상위치를 갖는 방식으로 선택된다. 따라서, 예컨대 제 1 부분 시스템(21)의 고주파 전압들(uinj) 제 2 부분 시스템(22)의 고주파 전압들(uinj)에 비해 180°만큼 변위된 상위치를 가질 수 있다. 또한, 두 부분 시스템(21, 22)의 고주파 전압들(uinj)은, 그 진폭과 관련하여, 부분 시스템들(21, 22)의 고주파 전압들(uinj)의 모든 전압 벡터의 합의 결과로서 제로 벡터가 구해지는 방식으로 선택될 수 있다. 따라서, 두 부분 시스템의 고주파 전압들(uinj)의 180°의 상변위 시, 전체적으로 제로 벡터를 획득하기 위해, 진폭들은 동일하게 선택될 수 있다. 또한, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 기설정된 전압들(ucontrol)은, 서로 실질적으로 동일한 상위치를 갖는 방식으로 선택된다. 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이의 지속 시간은, 특히 PWM 주기의 지속 시간보다 수 배만큼 더 크게 선택될 수 있다.
단계 a에 후속해서, 단계 b에서는, 각각의 부분 시스템(21, 22)에 대해, 모든 상전류의 각각 하나의 전류 곡선을 획득하기 위해, 적어도 하나의 제 1 상전류 및 하나의 제 2 상전류는 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서 PWM 동기화 방식으로 측정된다. 3상으로 형성된 부분 시스템들(21, 22)을 포함하는 전기 기계(10)의 경우, 예컨대 각각의 부분 시스템(21, 22)의 제 1 상전류 및 제 2 상전류만이 측정된다면, 각각의 부분 시스템(21, 22)의 제 3 상전류는 제 1 키르히호프의 법칙에 의해 제 1 상전류 및 제 2 상전류로부터 하기 방정식과 같이 결정될 수 있다:
Figure 112020007955866-pct00001
그 대안으로서, 각각의 부분 시스템(21, 22)의 제 3 상전류도 측정될 수 있다.
끝으로, 단계 c에서는, 전기 기계(10)의 로터 위치가 단계 b에서 획득된 전류 곡선들, 및 단계 a에서 공급된 고주파 전압들(uinj)에 따라서 결정되고 후속해서 본원의 방법은 종료된다. 이 경우, 로터 위치는, 단계 a에서 기설정된 전압(ucontrol)의 변동에 의해 발생하는 전류 변화량이 결정됨으로써 결정될 수 있다. 이 경우, 전류 변화량의 결정은, 단계 b에서 획득된 상전류들의 전류 곡선, 및 단계 a에서 공급된 고주파 전압들(uinj)에 따라서 수행된다. 이를 위해, 단계 b에서 획득된 전류 곡선은, 기설정된 전압(ucontrol)의 변동 없이 흐를 수 있는 제 1 전류와, 전압들(ucontrol)의 변동에 의해 생성되는 제 2 전류로 분할된다. 제 2 전류는, 예컨대 단계 b에서 획득되는, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 상전류들의 차가 계산됨으로써 결정될 수 있다. 또한, 제 1 전류는, 예컨대 단계 b에서 획득되는, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 상전류들의 평균값이 계산됨으로써 결정될 수 있다.
도면에는 도시되지 않은 대안적 실시예에서, 본원의 방법은, 전기 기계의 로터 위치를 지속적으로 결정하기 위해, 정기적으로 새로 시작될 수 있다.
도 2에는, 본 발명에 따른 방법을 실시하도록 설계되는 본 발명에 따른 전기 회전 기계의 일 실시예가 도시되어 있다.
도면에는 전기 기계(10)가 도시되어 있다. 전기 기계(10)는, 제 1 다상 부분 시스템(21)의 권선 그룹(31) 및 제 2 다상 부분 시스템(22)의 권선 그룹(32)에 의해 에워싸이는 영구자석 로터(15)를 포함한다. 이 경우, 부분 시스템들(21, 22)은 특히 3상으로 형성되지만, 이는 도면에 도시되어 있지 않다. 권선 그룹들(31, 32)은, 도면에는 미도시된 스테이터 상에서, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 권선 그룹들(31, 32)이 실질적으로 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치되는 방식으로 배치된다. 또한, 제 1 부분 시스템(21)의 권선 그룹(31)은, 이 권선 그룹(31)에 전류를 공급하는 인버터(41)와 연결된다. 이에 상응하게, 제 2 부분 시스템(22)의 권선 그룹(32)도 인버터(42)와 연결된다. 두 부분 시스템(21, 22)의 두 인버터(41, 42)는 인버터들(41 및 42)을 상응하게 제어하는 PWM 유닛(70)과 연결된다. 이 경우, 각각의 부분 시스템(21, 22)을 위한 PWM 유닛(70)은 컨트롤러(50)로부터 기설정된 전압들(ucontrol)을, 그리고 고주파 여기 유닛(80)으로부터는 고주파 전압들(Uinj)을 수신받으며, 이들 전압은 가산되어 PWM 유닛(70)에 의해 상응하는 PWM 듀티 사이클로 환산된다. 이 경우, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 고주파 전압들(Uinj)은, 서로 변위된 상위치를 갖는 방식으로 선택된다. 또한, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 기설정된 전압들(Ucontrol)은, 서로 실질적으로 동일한 상위치를 갖는 방식으로 선택된다. 또한, 제 1 부분 시스템(21) 및 제 2 부분 시스템(22)은 하나의 공통 전압 중간 회로(60)와 연결된다.
전기 기계(10)는, 부분 시스템들(21, 22)이 3상인 경우, 각각의 부분 시스템(21, 22)의 적어도 하나의 제 1 상 및 하나의 제 2 상을 위해, 각각 하나의 전류 측정 센서 유닛(55)을 포함한다. 상기 전류 측정 센서 유닛(55)에 의해, 상응하는 상전류가 검출될 수 있다. 이 경우, 검출된 상전류들의 값들은 컨트롤러(50)뿐만 아니라 로터 위치 유닛(90)에도 공급된다. 이 경우, 로터 위치 유닛(90)은, 상전류들의 상응하는 전류 곡선들에 따라서 로터(15)의 로터 위치를 결정하여 특히 컨트롤러(50)로 상기 로터 위치를 전송하도록 설계된다. 컨트롤러(50)는, 상전류들의 전류 곡선들 및 수신받은 로터 위치에 따라서, 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)을 위한 기설정된 전압들(Ucontrol)을 결정하고 앞서 이미 설명한 것처럼 상기 기설정된 전압들(Ucontrol)을 PWM 유닛(70)으로 전송하도록 설계된다.
도 3a 및 3b에는, 예컨대 도 2에 따른 전기 기계의 제 1 및 제 2 부분 시스템의 권선 그룹들의 2가지 배치가 상세도로 도시되어 있다. 도 3a 및 3b에는, 전기 기계(10)의 스테이터(13) 상에, 그리고 전기 기계(10)의 로터(15)의 둘레에 배치되는, 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 권선 그룹(31, 32)이 각각 도시되어 있다. 권선 그룹들(31, 32)은 각각 3상으로 형성되며, 그로 인해 상(phase)마다 하나의 코일을 포함한다. 그 결과, 제 1 부분 시스템(21)의 제 1 권선 그룹(31)은 상들(u1, v1 및 w1)에 대해 각각 하나의 코일을 포함한다. 이에 상응하게, 제 2 부분 시스템(22)의 제 2 권선 그룹(32)은 상들(u2, v2 및 w2)에 대해 각각 하나의 코일을 포함한다. 권선 그룹들(31, 32)의 코일들은 도 3a 및 3b에서 각각 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치되며, 그 각각의 배치로 인해 각각의 상들의 개별 코일들 간의 자기 결합으로 인한 전기 기계(10)의 상이한 대칭 특성들만을 야기한다.
10: 전기 기계
15: 로터
21: 제 1 다상 부분 시스템
22: 제 2 다상 부분 시스템
31: 권선 그룹
32: 권선 그룹
41: PWM 제어 인버터
42: PWM 제어 인버터
50: 컨트롤러
55: 전류 측정 센서 유닛
60: 공통 전압 중간 회로
70: PWM 유닛
80: 고주파 여기 유닛
90: 로터 위치 유닛

Claims (11)

  1. 전기 회전 기계(10)의 로터 위치를 결정하기 위한 방법으로서, 상기 전기 회전 기계(10)는 적어도 하나의 제 1 다상 부분 시스템(21) 및 하나의 제 2 다상 부분 시스템(22)을 포함하며, 각각의 부분 시스템(21, 22)은 각각 하나의 권선 그룹(31, 32), 및 각각의 권선 그룹(31, 32)으로의 전원 공급을 위한 하나의 PWM 제어 인버터(41, 42)를 포함하며, 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 권선 그룹들(31, 32)은 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치되는, 상기 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법에 있어서,
    a. 각각 위치 의존 전류 변화량을 획득하기 위해, 각각의 부분 시스템(21, 22)에 대해 기설정된 전압들(ucontrol)에 추가해서 각각 고주파 전압들(uinj)이 공급됨으로써, 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서 상기 부분 시스템(21, 22)의 제어를 위한 컨트롤러에 의해 기설정된 전압들(ucontrol)을 변동시키는 단계로서, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 고주파 전압들(uinj)은, 서로 변위된 상위치를 갖는 방식으로 선택되고, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 기설정된 전압들(ucontrol)은, 서로 동일한 상위치를 갖는 방식으로 선택되는, 변동 단계;
    b. 상전류들의 각각의 전류 곡선을 획득하기 위해, 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이에서 각각의 부분 시스템(21, 22)에 대한 적어도 하나의 제 1 상전류 및 하나의 제 2 상전류를 PWM 동기화 방식으로 측정하는 단계; 및
    c. 단계 b에서 획득된 전류 곡선들, 및 단계 a에서 공급된 고주파 전압들(uinj)에 따라서 로터 위치를 결정하는 단계를 포함하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 단계 a에서, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 고주파 전압들(uinj)은, 상기 고주파 전압들(uinj)이 서로, 360°를 상기 부분 시스템(21, 22)의 개수로 나눈 값의 n배만큼 변위된 상위치를 갖는 방식으로 선택되고, n은 정수인 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단계 a에서, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 고주파 전압들(uinj)의 진폭들은, 로터 자속 지향 좌표계에서 상기 부분 시스템(21, 22)의 고주파 전압들(uinj)의 모든 전압 벡터의 합의 결과로서 제로 벡터가 구해지는 방식으로 선택되는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 단계 c에서, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템에 대해, 기설정된 전압들(ucontrol)의 변동에 의해 발생하는 각각의 전류 변화량은, 단계 b에서 획득된 상전류들의 전류 곡선에 따라서 결정되고, 상기 전류 곡선은, 상기 기설정된 전압(ucontrol)의 변동 없이 흐를 수 있는 제 1 전류와, 상기 고주파 전압들(uinj)의 공급에 의해 생성되는 제 2 전류로 분할되며, 각각 결정된 전류 변화량에 따라서 로터 위치가 결정되는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 고주파 전압들(uinj)의 공급에 의해 생성되는 제 2 전류는, 단계 b에서 획득되는, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 상전류들의 차가 계산됨으로써 결정되는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 기설정된 전압(ucontrol)의 변동 없이 흐를 수 있는 제 1 전류는, 단계 b에서 획득되는, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 상전류들의 평균값이 계산됨으로써 결정되는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 컨트롤러 스캐닝 단계와 제 2 컨트롤러 스캐닝 단계 사이의 지속 시간을 나타내는 컨트롤러 스캐닝 주기는 PWM 주기보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고주파 전압들(uinj)은, 상기 전기 회전 기계(10)의 하우징 상에서 발생할 수 있는 기계적 진동들의 공진 주파수를 상회하는 주파수 범위를 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계의 로터 위치 결정 방법.
  9. 적어도 하나의 제 1 다상 부분 시스템(21)과 하나의 제 2 다상 부분 시스템(22)을 포함하는 전기 회전 기계(10)로서, 각각의 부분 시스템(21, 22)은 하나의 권선 그룹(31, 32)과, 각각의 권선 그룹(31, 32)으로 전원 공급을 위한 하나의 PWM 제어 인버터(41, 42)를 포함하는, 상기 전기 회전 기계에 있어서,
    상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 권선 그룹들(31, 32)은 360°만큼 전기적으로 서로 오프셋되어 배치되고, 상기 전기 회전 기계(10)는 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 방법을 실시하도록 설계되는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)의 상기 권선 그룹들(31, 32)은, 로터 자속 지향 좌표계에서 일정한 인덕턴스 매트릭스가 제공되는 방식으로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 적어도 제 1 및 제 2 부분 시스템(21, 22)은 하나의 공통 전압 중간 회로(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 회전 기계.
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