KR102597884B1

KR102597884B1 - 각도 결정 방법, 장치 및 제어 장치

Info

Publication number: KR102597884B1
Application number: KR1020187025202A
Authority: KR
Inventors: 군터 괴팅; 레이 첸
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2023-11-06
Also published as: EP3411948A1; CN108702118B; EP3411948B1; WO2017133824A1; DE102016201746A1; US10658962B2; US20190089282A1; CN108702118A; KR20180111896A

Abstract

본 발명은, 전기 기계의 회전자의 회전자 각도를 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 방법은 다음과 같은 단계들, 즉, 전기 기계의 토크에 좌우되고 전기 기계를 위한 공급 신호보다 더 높은 주파수를 갖는 토크 의존적 테스트 신호를 발생시키는 단계와; 공급 신호 및 이 공급 신호에 중첩되는 테스트 신호를 사용해서 전기 기계를 제어하는 단계와; 전기 기계의 상 전류(phase current)를 기록하는 단계와; 상 전류에 미치는 테스트 신호의 효과를 토대로 전기 기계의 회전자의 회전자 각도를 결정하는 단계;를 포함한다. 또한, 본 발명은 각도 결정 장치 및 상응하는 제어 장치에 관한 것이다.

Description

각도 결정 방법, 장치 및 제어 장치

본 발명은, 전기 기계의 회전자의 회전자 각도를 결정하기 위한 방법 및 각도 결정 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상응하는 제어 장치와도 관련이 있다.

최근의 차량에서는, 연소 기관이 전기 모터로 보완 또는 대체되는 경우가 많다. 오늘날, 이와 같은 전기차 및 하이브리드 차량에서는, 자체의 고효율 및 소형 구조 또는 높은 출력 밀도 때문에 영구 자석 동기 기계(PMSM)가 전기 구동 기계로서 사용되는 경우가 많다.

PMSM의 제어는 통상 소위 필드 지향 제어(Field Oriented Control)에 의해 이루어진다. 이 경우에는, PMSM의 현재의 절대 회전자 각도를 매 순간에 충분한 정확도로 인지해야 할 필요가 있다. 이와 같은 회전자 각도의 기록은 통상적으로 (예컨대 리졸버, 증분 검출기 등과 같은) 위치 검출기를 사용해서 수행된다. 대안적으로, 회전자 각도는 검출기 없이도 기록될 수 있으며, 이 경우에는 상이한 회전수 범위들 내에서 상이한 방법들이 사용될 수 있다. 중간 회전수 및 높은 회전수를 갖는 범위에서는 소위 역기전력(Back-EMF)이 이용될 수 있다. 이 경우에는, 고정자 전압 및 고정자 전류의 기본 진동 변수가 이 방법을 위한 입력 변수로서 이용되고, 그로부터 제어 신호에 영향을 미치지 않으면서 회전자 위치가 계산된다. 예를 들어 US 4 893 067 A호는, 모터 위치를 결정하기 위하여 Back-EMF가 이용되는 방법을 소개한다.

정지 상태 및 낮은 회전수 범위에서는, 작은 전압 크기 때문에 Back-EMF 기반의 방법이 이용될 수 없다. 오히려, 회전수와 무관하게 회전자 각도를 결정할 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명은, 특허 청구항 1의 특징들을 갖는 방법, 특허 청구항 8의 특징들을 갖는 각도 결정 장치, 및 특허 청구항 14의 특징들을 갖는 제어 장치를 개시한다.

본 발명에 따라, 전기 기계의 회전자의 회전자 각도를 결정하기 위한 방법이 제안되며, 이 방법은 다음 단계들: 전기 기계의 토크에 좌우되고 상기 전기 기계를 위한 공급 신호보다 더 높은 주파수를 갖는 토크 의존적 테스트 신호를 발생시키는 단계, 공급 신호 및 이 공급 신호에 중첩되는 테스트 신호를 사용해서 전기 기계를 제어하는 단계, 전기 기계의 상 전류(phase current)를 기록하는 단계, 그리고 상 전류에 미치는 테스트 신호의 효과를 토대로 전기 기계의 회전자의 회전자 각도를 결정하는 단계를 포함한다.

또한, 선행 청구항들 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용해서 전기 기계의 회전자의 각도를 결정하기 위한 각도 결정 장치가 제안되며, 이 장치는, 전기 기계의 토크에 좌우되고 전기 기계를 위한 공급 신호보다 더 높은 주파수를 가지며 전기 기계의 공급 신호에 중첩되는 토크 의존적 테스트 신호를 발생시키는 신호 발생기; 및 전기 기계의 상 전류에 미치는 테스트 신호의 효과를 토대로 전기 기계의 회전자의 회전자 각도를 결정하도록 설계된 제어기;를 구비한다.

마지막으로, 본 발명에 따른 각도 결정 장치; 및 사전 설정된 목표 토크를 토대로 전기 기계를 벡터 기반으로 제어하도록 설계된 제어 장치를 구비한 전기 기계용 제어 장치가 제안된다.

사인파 형태의 또는 구형파 형태의 전압 테스트 신호 또는 전류 테스트 신호를 이용해서 회전자 위치에 대한 정보를 결정하는 종래의 방법들은 추정된 d-방향으로 교대로 테스트 신호를 공급한다.

본 발명은, 상기와 같은 종래의 방법들에서 고주파 전류 응답 또는 고주파 테스트 전류가 강한 토크 리플(torque ripple) 및 음향 장애를 야기한다는 인식에 기반한다. 또한, 이로부터 발생하는 강한 DC 전류 리플은 구동 시스템 내의 필름 커패시터(film capacitor)에 부하를 가한다.

상기와 같은 장애를 피하기 위해, 본 발명에 따른 방법은, 예컨대 사인파 형태로 또는 구형파 형태로 형성될 수 있고 토크 의존적인 교류 고주파(HF) 테스트 신호를 제안한다. 그러나 전술한 방법들과 달리, 테스트 신호는 추정된 d-축에서 공급되거나 제어되지 않는다. 오히려, 테스트 신호의 방향은, 결과로서 도출되는 모터 전류 벡터의 고주파 진동이 전기 기계의 토크에 최소한으로만 영향을 미치도록, 전기 기계의 현재 토크에 기초하여 선택된다.

이로써, 테스트 신호에 의해 야기되는 토크 리플뿐만 아니라 중간 회로 내에서의 전류 리플도 최소로 줄어들 수 있다. 또한, 기술된 방법은 검사대에서 실행되는 공지된 방법들에 비해 훨씬 더 적은 음향 장애를 보인다.

바람직한 실시예들 및 개선예들은 종속 청구항들 및 도면에 기초한 상세한 설명부를 참조한다.

일 실시예에서 토크 의존적 테스트 신호는, 테스트 신호의 주입 방향에 상응하며 k-축으로도 지칭되는 제1 축 및 상기 제1 축에 대해 수직인, l-축으로도 지칭되는 제2 축을 가지며 kl-좌표계로도 지칭되는 전압 벡터 좌표계 내에서 테스트 전압 벡터로서 발생할 수 있다. 또한, 전압 벡터는 제1 축에, 다시 말해 k-축에 단 하나의 성분만을 포함할 수 있으며, 모터 전류 벡터의 진동이 dq-좌표계로도 지칭되는 회전자 고정 좌표계 내에서 전기 기계에 의해 요구되는 토크에 상응하는 토크 레벨 곡선에 대해 대략 접선 방향으로 놓이도록 발생할 수 있다. 이때, 토크 레벨 곡선은 회전자 고정 좌표계 내에서, 전기 기계 내에서 사전 설정된 토크를 설정하는 d-축 전류와 q-축 전류의 모든 조합을 특성화한다.

테스트 전압 벡터는 예컨대 다음과 같이 표현할 수 있다:

즉, 테스트 전압 벡터의 발생 시, 통상적으로 500Hz 내지 5kHz의 범위 내에 놓이는 사전 설정된 주파수의 회전각 속도로 전압 테스트 신호가 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, 위 범위는 100Hz 내지 10kHz 사이일 수 있다.

또한, 전기 기계용 제어 전류를 토대로 회전자 고정 좌표계 내에서 변환각도가 결정될 수 있다. dq-좌표계 내 제어 전류는 사전 설정된 토크에 상응한다. 즉, 변환각도는 사전 설정된 토크를 토대로 결정된다. 예를 들어, 이를 위해 룩-업-테이블이 제공될 수 있다.

토크 의존적 변환각도를 이용해서, 전압 테스트 신호가 회전자 고정 좌표계로, 다시 말해 dq-좌표계로 변환될 수 있다. 변환된 전압 테스트 신호는 이어서 전기 기계를 제어하기 위해 이 전기 기계용 제어 전압 신호에 중첩될 수 있다.

일 실시예에서는, 회전자 각도를 결정할 때 전기 기계의 상 전류가 측정될 수 있고, 결정된 회전자 각도를 토대로 회전자 고정 좌표계 내에서 모터 전류 벡터로 변환될 수 있으며, 이 경우 모터 전류 벡터는 변환각도를 토대로 전압 벡터 좌표계로 변환될 수 있다. 전압 벡터 좌표계, 즉, 테스트 전압 벡터에서의 테스트 신호를 토대로, 상기 변환된 모터 전류 벡터가 복조될 수 있다. 다시 말하자면, 차후의 어느 단계에서 결정될 회전자 각도가 이용된다. 결과적으로, 폐쇄 제어 루프가 관련된다. 회전자 각도의 시작값은 예컨대 제1 반복(iteration)을 위해 사전 설정될 수 있다.

kl-좌표계 내 테스트 신호에 대한 전류 응답의 방향은 회전자 위치에 좌우될 뿐만 아니라 테스트 신호의 주입 방향에도 좌우된다. kl-좌표계 내에서 복조된 전류 응답의 위치 곡선은 그 중심점이 k-축 상에 놓여 있는 원이다(도 5 참조). 이 경우, 복조는 예컨대 코사인 함수 및 그에 후속하는 저역 통과 필터링을 이용해서 수행될 수 있다:

상기 함수에서 L_xx는 각각 개별 축에서의 전기 기계의 인덕턴스를 지시하고, ω는 각 속도를 지시하며, 은 회전자의 각도를 지시하고, 는 고정자 고정 좌표계 내에서 α-축에 대한 k-축의 상대 각도를 지시한다.

일 실시예에서는, 복조된 모터 전류 벡터가 보정각을 토대로 전기 기계의 특성 곡선을 보상하기 위해 제어 좌표계로 변환될 수 있다. 또한, 회전자 각도는 소위 "트랙킹 옵저버(tracking observer)" 제어기 내에서 제어 좌표계로 변환된 모터 전류 벡터의, 전압 벡터 좌표계의 제2 축에 상응하는 성분의 값, 즉,

가 최소가 되도록, 다시 말해 0이 되도록 결정될 수 있다.

테스트 신호가 항상 추정된 회전자 각도()의 방향으로 공급되면, 복조된 전류 값은 l-축 상에서 다음과 같이 나타난다:

상기 값이 0으로 조절되면, 정상 상태(steady state)에서 는 변환각과 같아진다. 다시 말해, 주입 방향은 항상 회전자 각도를 따른다.

본원에 기술된 방법에서는, 테스트 신호가 앞에서 이미 언급된 바와 같이 추정된 d-방향으로 인가되는 대신에 변환각의 방향으로 인가된다. 상응하는 벡터 다이어그램이 도 4 또는 도 6에 도시되어 있다. kl-좌표계 내에서 복조된 전류 크기는 각도()를 이용해서 보정되고, 재차 상응하는 회전자 각도를 결정하고 출력하는 "트랙킹 옵저버(Tracking Observer)"의 입력으로서 이용된다.

보정각()은, 주입각으로도 지칭되는 변환각과 마찬가지로 작동점에 의존한다.

본 발명에 따른 방법을 위한 기초로서 테스트 전압 벡터를 이용하는 대신에, 테스트 전류 벡터도 이용될 수 있다.

통상적으로, MTPC-방법(Maximum Torque Per Current)의 범주 내에서 전기 기계를 제어할 때에는, 상응하는 토크 레벨 곡선에 대해 수직이고 기초 전류 벡터로도 불리는 전류 벡터가 dq-좌표계 내에서 미리 결정된다. 그 결과, 전류 벡터는, 테스트 신호에 의해서 야기되는 전류가 전기 기계에 작용하는 접선 방향에 대해 수직으로 놓이게 된다.

그렇기 때문에, 일 실시예에서는, 회전자 고정 좌표계, 다시 말해 dq-좌표계 내에서 사전 설정된 주파수의 회전각 속도로 테스트 전류 벡터가 생성될 수 있다.

또한, 전기 기계의 상 전류가 기록될 수 있고, 결정된 회전자 각도를 토대로 회전자 고정 좌표계로 변환될 수 있으며, 이 경우 토크 의존적 테스트 신호는 테스트 전류 벡터를 토대로 발생한 제1 전압 벡터와, 변환된 상 전류를 감산한 테스트 전류 벡터를 토대로 제어된 제2 전압 벡터를 합산하여 산출된다. 상기 제2 전압 벡터의 생성은 예컨대 비례공진 제어기(PR 제어기)를 사용해서 수행된다.

테스트 신호의 방향은, 테스트 신호가 테스트 전압 벡터를 토대로 발생할 때 상기 테스트 신호가 공급되는 방향에 상응한다. 제2 전압 벡터가 제어를 토대로 발생하기 때문에, 모터의 상 권선(phase winding) 내 전류가 항상 정밀하게 제어될 수 있다.

일 실시예에서는, 제2 전압 벡터가 테스트 전류 벡터를 토대로 복조될 수 있으며, 이 경우 복조된 제2 전압 벡터는 보정각을 토대로 전기 기계의 특성 곡선을 보상하기 위해 제어 좌표계로 변환될 수 있으며, 이 경우 회전자 각도는, 변환된 전압 벡터의 값이 회전자 고정 좌표계 내에서 예정된 토크 의존적 방향으로 최소가 되도록, 다시 말해 0이 되도록 결정될 수 있다. 이때, 상기 회전자 각도는 전기 기계의 회전자의 결정된 회전자 각도이다.

상기 실시예들 및 개선예들은, 유의미하다면, 서로 임의로 조합될 수 있다. 본 발명의 추가의 가능한 실시예들, 개선예들 및 구현예들은 앞서 실시예들과 관련하여 기술되었거나 이하에 기술될 본 발명의 특징들의 명시적으로 언급되지 않은 조합까지도 포함한다. 특히, 이 경우, 통상의 기술자는 본 발명의 각각의 기본 형태에 개선안 또는 보완책으로서의 개별 양태들도 부가하게 될 것이다.

본 발명은, 도면부의 각각의 개략도에 제시된 실시예들을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 각도 결정 장치의 일 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 각도 결정 장치의 또 다른 일 실시예의 블록 다이어그램이다.
도 3은 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 및 전압을 설명하기 위한 dq-다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 상이한 좌표계들을 설명하기 위한 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 및 전압을 설명하기 위한 kl-다이어그램이다.

모든 도면에서 동일하거나 기능적으로 동일한 요소들 및 장치들에는, 달리 지시되지 않는 한, 동일한 참조 부호가 제공되어 있다.

도 1은, 제어 장치(60)와 결합된 본 발명에 따른 각도 결정 장치(45)의 일 실시예의 블록 다이어그램을 보여준다.

각도 결정 장치(45)는 전압 함수 발생기(9)를 구비하고, 이 전압 함수 발생기는 전압 벡터 좌표계(50), 다시 말해 kl-좌표계(50)(도 5 참조) 내에서 테스트 전압 벡터(8)를 생성한다. 이때, 테스트 전압 벡터(8)는, 이 벡터가 k-축에 단 하나의 성분만을 갖도록 생성된다. 예를 들어, 테스트 전압 벡터(8)는 다음과 같이 규정될 수 있다:

또한, 변환 모듈(47)이 변환각(10)을 토대로 테스트 전압 벡터(8)를 회전자 고정 좌표계(51)(도 5 참조)로 변환하여, 테스트 신호(5)로서 출력할 수 있다.

이때, 변환각(10)은, 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 생성된 전류 벡터(54)가 전기 기계(3)에 의해 요구된 토크(4)에 상응하는 토크 레벨 곡선(53)(도 4 참조)에 대해 접선 방향으로 놓이도록, 목표 전류(12)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 각도를 결정하는 룩-업-테이블(11)로부터 판독된다.

각도 결정 장치(45)는 또한 제1 변환 모듈(17)을 구비하며, 이 제1 변환 모듈은 전기 기계(3)의 기록된 상 전류(13, 14, 15) 또는 상응하는 벡터(7)를 고정자 고정 좌표계(52) 내에서 모터 전류 벡터(16)로 변환한다. 제2 변환 모듈(18)은, 결정된 회전자 각도(1)를 토대로 고정자 고정 좌표계(52)로부터 상기 모터 전류 벡터(16)를 회전자 고정 좌표계(51)로 변환한다. 여기서는 회전자 각도(1)가 이용되고, 상기 회전자 각도의 계산을 위해 제2 변환 모듈(18)의 출력이 이용되기 때문에, 폐쇄 제어 루프가 관련된다.

모터 전류 벡터(19)는 앞에서 이미 이용된 변환각(10)을 이용하여 제4 변환 모듈(20)에 의해 회전자 고정 좌표계(51)로부터 전압 벡터 좌표계(50)로 변환된다. 복조기(22)는, 테스트 전압 벡터(8)를 토대로 전압 벡터 좌표계(50) 내에서 모터 전류 벡터(21)를 복조한다. 이때, 복조는 예컨대 코사인 함수를 이용해서 그리고 이어서 저역 통과 필터링을 이용해서 수행될 수 있다:

제5 변환 모듈(24)은, 복조된 모터 전류 벡터(23)를 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하기 위한 보정각(26)을 토대로 제어 좌표계로 변환한다. 이때, 보정각(26)은 마찬가지로 룩-업-테이블(25)로부터 목표 전류(12)를 토대로 결정된다.

전술한 폐쇄 제어 루프는, 제어 좌표계로 변환된 모터 전류 벡터(29)의, 전압 벡터 좌표계(50)의 제2 축(l)에 상응하는 성분의 값이 최소가 되도록, 다시 말해 0이 되도록 회전자 각도(1)를 결정하는 제어기 모듈(27)을 통해 폐쇄된다.

이들 성분은 다음과 같이 표현될 수도 있다:

제어 장치(60)는 전기 기계(2)를 위한 목표 토크(4)를 포함한다. MPTC-블록(61)을 이용하여, 원하는 목표 토크(4)로부터 상응하는 고정자 전류(12) 또는 목표 전류(12)가 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 계산된다.

그와 동시에, 실제 상 전류(13, 14, 15)가 기록되고, 변환 모듈(70, 72)을 통해 먼저 고정자 고정 좌표계(52)로 변환된 다음, 이어서 회전자 고정 좌표계(51)로 변환된다. 상기 변환된 상 전류(76)를 이용해서 오류 전류(63)가 결정되어, 입력 변수로서 전류 제어기(73)에 제공된다.

dq-좌표계 내에서 전류 제어기(73)에 의해 생성된 조작 변수(6)는 기초 저주파 출력 변수들로 형성된다. 이들 출력 변수에는, 통상적으로 500Hz 내지 5kHz 범위 내의 더 높은 주파수를 갖는 테스트 신호(5)가 가산된다. 그 결과로 도출된 합산값이 전압 신호(64)를 형성한다.

전압 신호(64)의 계산 후에는, 상기 전압 신호가 변환 모듈(65) 및 PWM 제어기(67)에 의해, 상응하는 신호를 전기 기계(2)의 클램프(clamp)에 제공하는 인버터(68)용 제어 신호로 변환된다.

도 2는, 마찬가지로 제어 장치(60)와 결합된 본 발명에 따른 각도 결정 장치(46)의 또 다른 일 실시예의 블록 다이어그램을 보여준다.

도 1과 달리, 각도 결정 장치(46)는 전류 함수 발생기(31)를 구비하고, 이 발생기는 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 사전 설정된 주파수의 회전각 속도로 테스트 전류 벡터(30)를 생성한다. 즉, 테스트 전압 벡터(8)는 전혀 생성되지 않는다.

각도 결정 장치(46)는 마찬가지로 제1 변환 모듈(17)을 구비하며, 이 변환 모듈은 전기 기계(3)의 기록된 상 전류(13, 14, 15) 또는 상응하는 벡터(7)를 고정자 고정 좌표계(52) 내에서 모터 전류 벡터(16)로 변환한다. 또한, 마찬가지로 제2 변환 모듈(18)이 제공되며, 이 변환 모듈은 결정된 회전자 각도(1)를 토대로 상기 모터 전류 벡터(16)를 고정자 고정 좌표계(52)로부터 회전자 고정 좌표계(51)로 변환한다.

MTPC(Maximum Torque Per ampere Controller)의 범주 안에서 전기 기계를 제어할 때에는, 상응하는 토크 레벨 곡선(53)에 대해 수직이고 기초 전류 벡터로도 불리는 전류 벡터(12)가 dq-좌표계 내에서 미리 결정된다. 이로써 매우 간단하게, 상기 기초 전류 벡터(12)를 토대로 토크 레벨 곡선(53)에 대해 그리고 이로써 기초 전류 벡터(12)에 대해서도 접선 방향으로 놓이는 상응하는 테스트 전류 벡터(30)를 생성하는 것이 가능해진다.

피드 포워드(feed forward) 변환기(43)는 테스트 전류 벡터(30)로부터 토크 의존적 기계 파라미터를 이용해서 제1 전압 벡터(32)를 계산한다. 또한, 전류 제어기(33)는 테스트 전류 벡터(30) 및 고역 통과 필터링된 모터 전류 벡터(19)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 제2 전압 벡터(34)를 생성한다. 제1 전압 벡터(32)와 제2 전압 벡터(34)의 총합이 테스트 신호(5)로서 출력된다.

각도 결정 장치(46)는 또한, 테스트 전류 벡터(30)를 토대로 제2 전압 벡터(34)를 복조하는 복조기(36)를 구비한다. 이 복조 과정은 전술한 바와 유사하게 수행될 수 있다.

제4 변환 모듈(38)은 제2 전압 벡터(37)를 제어 좌표계로 변환한다. 이를 위해, 마찬가지로 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하는 룩-업-테이블(41)로부터의 보정각(42)이 이용된다.

그 다음에, 변환된 제2 전압 벡터(39)의 값이 적어도 회전자 고정 좌표계(51)의 하나의 축 내에서 최소가 되도록, 제어기 모듈(40)이 회전자 각도(1)를 결정한다.

도 3은, 전기 기계(3)의 회전자(2)의 회전자 각도(1)를 결정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 일 실시예의 흐름도를 보여준다.

제1 단계 S1에서는, 전기 기계(3)의 토크(4)에 좌우되고 전기 기계(3)를 위한 공급 신호(6)보다 더 높은 주파수를 갖는 토크 의존적 테스트 신호(5)가 발생된다. 그 다음에, 공급 신호(6) 및 상기 공급 신호(6)에 중첩되는 테스트 신호(5)를 사용해서 전기 기계(3)가 제어된다. 마지막으로, 전기 기계(3)의 상 전류(13, 14, 15)가 기록되고, 상기 상 전류(13, 14, 15)에 미치는 테스트 신호(5)의 효과를 토대로 전기 기계(3)의 회전자(2)의 회전자 각도(1)가 결정된다.

토크 의존적 테스트 신호(5)는, 테스트 신호(5)의 주입 방향에 상응하는 제1 축(k) 및 상기 제1 축(k)에 대해 수직인 제2 축(l)을 가진 전압 벡터 좌표계(50) 내에서 테스트 전압 벡터(5)로서 발생할 수 있다.

이 경우, 테스트 전압 벡터(5)는 제1 축(k)에 단 하나의 성분만을 가질 수 있고, 상 전류(13, 14, 15)의 진동, 다시 말해 모터 전류 벡터의 진동은, 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 전기 기계(3)에 의해 요구되는 토크(4)에 상응하는 토크 레벨 곡선(53)에 대해 대략 접선 방향으로 놓이도록 발생할 수 있다.

테스트 전압 벡터(5)의 발생을 위해, 사전 설정된 주파수의 회전각 속도로 전압 테스트 신호(8)가 발생할 수 있다. 변환각(10)은 전기 기계(3)의 제어 전류(12)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 결정될 수 있고, 전압 테스트 신호(8)는 결정된 변환각(10)을 토대로 회전자 고정 좌표계(51)로 변환될 수 있다.

또한, 회전자 각도(1)를 결정하는 경우에는, 전기 기계(3)의 상 전류(13, 14, 15)가 측정될 수 있고, 결정된 회전자 각도(1)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 모터 전류 벡터(19)로 변환될 수 있다. 이 경우, 모터 전류 벡터(19)는 변환각(10)을 토대로 전압 벡터 좌표계(50)로 변환될 수 있다. 또한, 변환된 모터 전류 벡터(21)는 테스트 신호(8)를 토대로 전압 벡터 좌표계(50) 내에서 복조될 수 있다.

마지막으로, 복조된 모터 전류 벡터(23)는 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하기 위한 보정각(26)을 토대로 제어 좌표계로 변환될 수 있고, 상기 제어 좌표계로 변환된 모터 전류 벡터(23)의, 전압 벡터 좌표계(50)의 제2 축(l)에 상응하는 성분의 값이 최소가 되도록, 다시 말해 0이 되도록, 회전자 각도(1)가 결정될 수 있다.

또 다른 한 가지 가능성은, 테스트 전압 벡터(8) 대신에, 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 사전 설정된 주파수의 회전각 속도로 테스트 전류 벡터(30)를 발생시키는 것이다.

또한, 전기 기계(3)의 상 전류(13, 14, 15)가 기록되어, 상기 결정된 회전자 각도(1)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51)로 변환된다. 추가로, 토크 의존적 테스트 신호(5)는 테스트 전류 벡터(30)를 토대로 생성된 제1 전압 벡터(32)와, 변환된 상 전류(13, 14, 15)를 감산한 테스트 전류 벡터(30)를 토대로 제어된 제2 전압 벡터(34)를 합산하여 산출될 수 있다.

그 다음에, 제2 전압 벡터(34)가 테스트 전류 벡터(30)를 토대로 복조되며, 이 경우 복조된 제2 전압 벡터(37)는 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하기 위한 보정각(42)을 토대로 제어 좌표계로 변환된다.

그런 다음, 변환된 전압 벡터(39)의 값이 적어도 회전자 고정 좌표계(51)의 하나의 축 내에서 최소가 되도록, 회전자 각도(1)가 결정될 수 있다.

도 4는, 전기 기계(2)의 회전자 고정 좌표계(51)를 나타낸 dq-다이어그램을 보여준다. dq-다이어그램(51) 내에는, 주어진 목표 토크에 대한 토크 선을 나타내는 레벨 곡선(53)이 표시되어 있다. 다시 말해, 레벨 곡선(53) 상에 위치한 벡터를 포함하는 d-축 전류 또는 q-축 전류는 모두 동일한 토크를 발생시킨다. 또한, dq-다이어그램의 영점으로부터 레벨 곡선(53)을 향해 뻗은 벡터(55)가 도시되어 있으며, 이 경우 벡터(55)는 레벨 곡선(53)에 대해 수직이다. 벡터(55)의 끝에서, 전류 벡터(54)가 레벨 곡선(53)에 대해 접선 방향으로 도시되어 있다.

상기 전류 벡터(54)는, 테스트 신호(5)가 전기 기계(2)를 위한 제어 신호(6)에 중첩되는 경우에 나타나게 되는 전류 벡터이다. 이를 통해 알 수 있는 사실은, 이와 같은 전류 벡터는, d-축에 대해 평행하게 놓이고 종래의 방법에서 이용되는, 점선으로 도시된 전류 벡터보다 훨씬 덜 변동한다는 것이다. 또한, 전류 벡터(54)를 생성하기 위해 전기 기계(2) 내로 공급되어야 하는 전압 벡터(56)가 파선으로 도시되어 있다. 여기서 전압 벡터(56)는, 점선으로 도시된 전류 벡터에 대하여 변환각(10) = γ만큼 이동되어 있다.

도 5는, 본 발명에 따른 상이한 좌표계들을 도시하기 위한 다이어그램을 보여준다.

수평 축(α) 및 수직 축(β)에 의해 파선으로 고정자 고정 좌표계(52)가 도시되어 있다. dq-좌표계(51)의 축들(d 및 q)은 실선으로 도시되어 있다. 여기서, dq-좌표계(51)는 고정자 고정 좌표계(52)에 대하여 각()만큼 회전되어 있으며, 이 각은 말하자면 회전자 각도(1)에 상응한다. 상기 각()이 전기 기계(2)의 고정자(3)의 회전에 따라 변한다. 다시 말해, 도 5의 다이어그램은 단지 스냅 샷(snapshot)에 불과하다. 또한, 점선 축들(k 및 l)에 의해, 고정자 고정 좌표계(52)에 대하여 각도()만큼 회전된 전압 벡터 좌표계(50)가 도시되어 있다.

이 경우, k-축은, 전류 벡터(80) 또는 전압 벡터(81)로서 도시된 테스트 신호(5)의 주입 방향에 상응한다. kl-좌표계 내에서 복조된 전류 응답(57)의 위치 곡선은 그 중심점이 k-축 상에 놓여 있는 원(58)이다. 이미 전술한 바와 같이, 복조는 코사인 함수 및 그에 후속하는 저역 통과 필터링을 이용해서 수행될 수 있다.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전류 및 전압을 설명하기 위한 kl-다이어그램을 보여준다.

앞에서 이미 언급된 바와 같이, 소위 "트랙킹 옵저버" 제어기(27, 40)를 이용해서, 전압 벡터 좌표계(50)의 제2 축(l)에 상응하는 모터 전류 벡터(29)의 성분의 값이 최소가 되도록, 다시 말해 0이 되도록 제어된다:

이를 통해, 정상 상태에서 이 도출된다. 다시 말해, 주입 방향은 항상 회전자 각도를 따른다.

도 6의 벡터 다이어그램은, 말하자면 테스트 신호가 추정된 d-방향으로 인가되는 대신에 변환각(10)의 방향으로 인가되는 경우에 나타난다. 그 다음에, kl-좌표계 내에서 복조된 전류값이 보정각(26, 42 = )을 이용해서 보정되고, 재차 "트랙킹 옵저버" 제어기(27, 40)의 입력으로서 이용된다. 보정각(26, 42)은 최적의 주입각 또는 변환각(10)과 마찬가지로 작동점에 좌우되며, 사전에 예컨대 실험적으로 또는 산술적으로 결정될 수 있다.

바람직한 실시예들을 참조해서 본 발명을 기술했으나, 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니며, 오히려 다양한 유형 및 방식으로 변형될 수 있다. 특히 본 발명은 발명의 핵심을 벗어나지 않으면서 다양한 방식으로 변경 또는 변형될 수 있다.

Claims

전기 기계(3)의 회전자(2)의 회전자 각도(1)를 결정하기 위한 방법으로서,
전기 기계(3)의 토크(4)에 좌우되고 상기 전기 기계(3)를 위한 공급 신호(6)보다 더 높은 주파수를 갖는 토크 의존적 테스트 신호(5)를 발생시키는 단계(S1),
공급 신호(6) 및 상기 공급 신호(6)에 중첩되는 테스트 신호(5)를 사용해서 전기 기계(3)를 제어하는 단계,
전기 기계(3)의 상 전류(13, 14, 15)를 기록하는 단계, 및
상기 상 전류(13, 14, 15)에 미치는 테스트 신호(5)의 효과를 토대로 전기 기계(3)의 회전자(2)의 회전자 각도(1)를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 테스트 신호(5)의 방향은 모터 전류 인디케이터의 결과적인 고주파 진동이 상기 전기 기계(3)의 토크(4)에 최소한으로만 영향을 미치도록 상기 전기 기계(3)의 현재의 상기 토크(4)에 따라 선택되는, 회전자 각도 결정 방법.
제1항에 있어서, 토크 의존적 테스트 신호(5)가, 상기 테스트 신호(5)의 주입 방향에 상응하는 제1 축(k) 및 상기 제1 축(k)에 대해 수직인 제2 축(l)을 구비한 전압 벡터 좌표계(50) 내에서 테스트 전압 벡터(5)로서 발생하며,
상기 테스트 전압 벡터(5)는 제1 축(k)에 단 하나의 성분만 포함하고, 상 전류(13, 14, 15)의 진동이 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 전기 기계(3)에 의해 요구되는 토크(4)에 상응하는 토크 레벨 곡선(53)에 대해 접선 방향으로 놓이도록 생성되는, 회전자 각도 결정 방법.
제2항에 있어서, 테스트 전압 벡터(5)의 생성을 위해, 특히 100Hz 내지 10kHz의 범위 내의 사전 설정된 주파수의 회전각 속도로 전압 테스트 신호(8)가 발생하며,
전기 기계(3)의 제어 전류(12)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 변환각(10)이 결정되고,
전압 테스트 신호(8)는 결정된 변환각(10)을 토대로 회전자 고정 좌표계(51)로 변환되는, 회전자 각도 결정 방법.
제3항에 있어서, 회전자 각도(1)의 결정 시, 전기 기계(3)의 상 전류(13, 14, 15)가 측정되고, 결정된 회전자 각도(1)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 모터 전류 벡터(19)로 변환되며,
모터 전류 벡터(19)는 변환각(10)을 토대로 전압 벡터 좌표계(50)로 변환되며,
변환된 모터 전류 벡터(21)는 테스트 신호(8)를 토대로 전압 벡터 좌표계(50) 내에서 복조되는, 회전자 각도 결정 방법.
제4항에 있어서, 복조된 모터 전류 벡터(23)가 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하기 위한 보정각(26)을 토대로 좌표계로 변환되며,
제어 좌표계로 변환된 모터 전류 벡터(23)의, 전압 벡터 좌표계(50)의 제2 축(l)에 상응하는 성분의 값이 최소가 되도록, 회전자 각도(1)가 결정되는, 회전자 각도 결정 방법.
제1항에 있어서, 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 사전 설정된, 특히 100Hz 내지 10kHz의 주파수의 회전각 속도로 테스트 전류 벡터(30)가 생성되며,
전기 기계(3)의 상 전류(13, 14, 15)가 기록되어, 결정된 회전자 각도(1)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51)로 변환되며,
토크 의존적 테스트 신호(5)는, 테스트 전류 벡터(30)를 토대로 발생한 제1 전압 벡터(32)와; 변환된 상 전류(13, 14, 15)를 감산한 테스트 전류 벡터(30)를 토대로 제어된 제2 전압 벡터(34);의 합산으로 산출되는, 회전자 각도 결정 방법.
제6항에 있어서, 제2 전압 벡터(34)가 테스트 전류 벡터(30)를 토대로 복조되며,
복조된 제2 전압 벡터(37)는 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하기 위한 보정각(42)을 토대로 제어 좌표계로 변환되며,
변환된 전압 벡터(39)의 값이 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 예정된 토크 의존적 방향으로 최소가 되도록 회전자 각도(1)가 결정되는, 회전자 각도 결정 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 이용해서 전기 기계(3)의 회전자(2)의 각도(1)를 결정하기 위한 각도 결정 장치(45, 46)로서,
전기 기계(3)의 토크(4)에 좌우되고 전기 기계(3)를 위한 공급 신호(6)보다 더 높은 주파수를 가지며 전기 기계(3)의 공급 신호(6)에 중첩되는 토크 의존적 테스트 신호(5)를 발생시키는 신호 발생기(9, 47; 31), 및
전기 기계(3)의 상 전류(13, 14, 15)에 미치는 테스트 신호(5)의 효과를 토대로 전기 기계(3)의 회전자(2)의 회전자 각도(1)를 결정하도록 설계된 제어기(27; 40)를 구비한 각도 결정 장치(45, 46).
제8항에 있어서,
전기 기계(3)의 기록된 상 전류(13, 14, 15)를 고정자 고정 좌표계(52) 내에서 모터 전류 벡터(16)로 변환하도록 설계된 제1 변환 모듈(17)과,
결정된 회전자 각도(1)를 토대로 상기 모터 전류 벡터(16)를 고정자 고정 좌표계(52)로부터 회전자 고정 좌표계(51)로 변환하도록 설계된 제2 변환 모듈(18)을 구비한 각도 결정 장치(45, 46).
제9항에 있어서,
테스트 신호(5)의 주입 방향에 상응하는 제1 축(k) 및 상기 제1 축(k)에 대해 수직인 제2 축(l)을 가진 전압 벡터 좌표계(50) 내에서, 테스트 전압 벡터(8)가 제1 축(k)에 단 하나의 성분만을 포함하도록 상기 테스트 전압 벡터(8)를 생성하기 위해 형성된 전압 함수 발생기(9)와,
목표 전류(12)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 결정된 변환각(10)을 토대로 테스트 전압 벡터(8)를 회전자 고정 좌표계(51)로 변환하여 테스트 신호(5)로서 출력하는 제3 변환 모듈(47)을 구비한 각도 결정 장치(45, 46).
제10항에 있어서,
모터 전류 벡터(19)를 회전자 고정 좌표계(51)로부터 변환각(10)을 토대로 전압 벡터 좌표계(50)로 변환하도록 설계된 제4 변환 모듈(20)과,
모터 전류 벡터(21)를 전압 벡터 좌표계(50) 내에서 테스트 전압 벡터(8)를 토대로 복조하도록 설계된 복조기(22)와,
복조된 모터 전류 벡터(23)를, 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하기 위한 보정각(26)을 토대로 제어 좌표계로 변환하도록 설계된 제5 변환 모듈(24)과,
제어 좌표계로 변환된 모터 전류 벡터(29)의, 전압 벡터 좌표계의 제2 축(l)에 상응하는 성분의 값이 최소가 되는 방식으로 회전자 각도(1)를 결정하도록 설계된 제어기 모듈(27)을 구비한 각도 결정 장치(45, 46).
제9항에 있어서,
회전자 고정 좌표계(51) 내에서 사전 설정된 주파수의 회전각 속도로 테스트 전류 벡터(30)를 생성하도록 설계된 전류 함수 발생기(31)와,
테스트 전류 벡터(30)를 제1 전압 벡터(32)로 변환하도록 설계된 변환기(43)와,
테스트 전류 벡터(30) 및 고역 통과 필터링된 모터 전류 벡터(19)를 토대로 회전자 고정 좌표계(51) 내에서 제2 전압 벡터(34)를 생성하도록 설계된 전류 제어기(33)로서, 상기 제1 전압 벡터(32)와 제2 전압 벡터(34)의 총합이 테스트 신호(5)를 형성하는, 전류 제어기(33)와,
테스트 전류 벡터(30)를 토대로 제2 전압 벡터(34)를 복조하도록 설계된 복조기(36)를 구비한 각도 결정 장치(45, 46).
제12항에 있어서,
복조된 제2 전압 벡터(37)를, 전기 기계(3)의 특성 곡선을 보상하기 위한 보정각(42)을 토대로 제어 좌표계로 변환하도록 설계된 제4 변환 모듈(38)과,
변환된 제2 전압 벡터(39)의 값이 회전자 고정 좌표계(51)의 예정된 토크 의존적 방향으로 최소가 되는 방식으로 회전자 각도(1)를 결정하도록 설계된 제어기 모듈(40)을 구비한 각도 결정 장치(45, 46).
전기 기계(3)용 제어 장치로서,
제8항에 따른 각도 결정 장치(45, 46)와,
사전 설정된 목표 토크(4)를 토대로 전기 기계(3)를 벡터 기반으로 제어하도록 설계된 제어 장치(60)를 구비한 전기 기계용 제어 장치.