KR102642286B1 - 전동 공구용 센서리스 모터 제어 - Google Patents

전동 공구용 센서리스 모터 제어 Download PDF

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Abstract

센서리스 모터 제어를 위한 방법 및 전동 공구를 제공한다. 일 실시예는 전동 공구(100)의 센서리스 모터(150)를 구동하기 위한 자동 제어 스위칭 방법을 제공한다. 방법은 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 사용자 입력(232)을 기초로 제1 부하점을 결정하는 단계 및 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 제1 부하점에 대응하는 제1 모터 제어 기술을 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제1 모터 제어 기술을 기초로 모터(150)를 구동하는 단계를 포함한다. 방법은 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 제1 부하점에서 제2 부하점으로의 변화를 결정하는 단계 및 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 제2 부하점에 대응하는 제2 모터 제어 기술을 결정하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제2 모터 제어 기술을 기초로 모터(150)를 구동하는 단계를 포함한다

Description

전동 공구용 센서리스 모터 제어
관련 출원
본 출원은 2019년 4월 15일자 출원되었고 그 전체 내용이 여기에 참조로 포함된 미국 가특허 출원 제62/833,834호에 대한 우선권을 주장한다.
분야
여기에 기술된 실시예들은 전동 공구의 센서리스(sensorless) 모터 제어에 관한 것이다.
전동 공구에서 브러시리스 직류(BLDC) 모터의 사용은 효율 및 파워 출력 개선을 제공한다. 이들 모터는 파워 스위칭 요소를 포함하는 인버터 브릿지에 의해 구동된다. 전동 공구의 컨트롤러는 예를 들어, 모터 작동을 위해 펄스폭 변조(PWM) 구동 신호를 사용하여 파워 스위칭 요소를 제어한다. PWM 신호의 듀티 사이클(duty cycle)은 모터의 회전 속도를 변경하기 위해 변화될 수 있다.
브러시형 모터(brushed motor)와 달리, BLDC 모터의 동작을 제어하기 위해 로터의 위치가 결정될 수 있다. 예를 들어, BLDC 모터가 있는 시스템은 센서(예: 홀 센서) 또는 인코더(예: 회전 인코더)를 사용하여 로터 내의 자석들의 위치를 감지하고 이에 따라 파워 스위칭 요소에 대한 구동 신호의 타이밍을 제어할 수 있다.
BLDC 모터에서, 로터 위치 센서를 포함하면, 비용이 추가되고 전동 공구의 크기가 증가될 뿐만 아니라, 모터 구동의 비효율이 증가된다. 따라서, 적어도 이러한 이유 때문에, 센서리스 모터, 센서리스 모터에서 로터 위치를 검출하는 방법 및 센서리스 모터를 작동시키는 기술 중 적어도 하나 이상이 필요하다.
본 명세서에 기술된 방법은 전동 공구의 센서리스 모터를 구동하기 위한 스위칭의 자동 제어를 제공한다. 방법은 모터 컨트롤러를 사용하여 사용자 입력에 기초하여 제1 부하점을 결정하는 단계 및 모터 컨트롤러를 사용하여 제1 부하점에 대응하는 제1 모터 제어 기술을 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 제1 모터 제어 기술에 기초하여 모터를 구동하는 단계를 포함한다. 방법은 모터 컨트롤러를 사용하여 제1 부하점으로부터 제2 부하점으로의 변화를 결정하는 단계 및 모터 컨트롤러를 사용하여 제2 부하점에 대응하는 제2 모터 제어 기술을 결정하는 단계를 더 포함한다. 방법은 제2 모터 제어 기술을 기초로 모터를 구동하는 단계를 포함한다.
여기에 기술된 전동 공구는 센서리스 모터, 모터에 작동 전력을 제공하도록 구성된 인버터 브릿지 및 인버터 브릿지에 커플링된 모터 컨트롤러를 포함한다. 모터 컨트롤러는 사용자 입력에 기초하여 제1 부하점을 결정하고 제1 부하점에 대응하는 제1 모터 제어 기술을 결정하도록 구성된다. 모터 컨트롤러는 또한 인버터 브릿지를 사용하여 제1 모터 제어 기술을 기초로 모터를 구동하도록 구성된다. 모터 컨트롤러는 또한 제1 부하점으로부터 제2 부하점으로의 변화를 결정하고 제2 부하점에 대응하는 제2 모터 제어 기술을 결정하도록 구성된다. 모터 컨트롤러는 인버터 브릿지를 사용하여 제2 모터 제어 기술을 기초로 모터를 구동하도록 구성된다.
여기에 기술된 방법은 전동 공구의 센서리스 모터를 구동하기 위한 스위칭의 자동 제어를 제공한다. 방법은 모터 컨트롤러를 사용하여 전동 공구 작동 파라미터를 감지하는 단계 및 모터 컨트롤러를 사용하여 전동 공구 작동 파라미터를 기초로 전동 공구의 부하점을 결정하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 모터 컨트롤러를 사용하여 부하점에 대응하는 모터 제어 기술을 결정하는 단계 및 모터 컨트롤러를 사용하여 모터 제어 기술을 기초로 모터를 구동하는 단계를 포함한다.
여기에 설명된 전동 공구는 센서리스 모터, 모터에 작동 전력을 제공하도록 구성된 인버터 브릿지 및 인버터 브릿지에 커플링된 모터 컨트롤러를 포함한다. 모터 컨트롤러는 전동 공구 작동 파라미터를 감지하고 전동 공구 작동 파라미터를 기초로 전동 공구의 부하점을 결정하도록 구성된다. 또한, 모터 컨트롤러는 부하점에 대응하는 모터 제어 기술을 결정하고, 모터 제어 기술을 기초로 인버터 브릿지를 사용하여 모터를 구동하도록 구성된다.
본 명세서에 기술된 방법은 전동 공구의 센서리스 모터에서 고주파 주입 로터 위치 검출을 제공한다. 방법은 커플링 회로를 사용하여 모터에 고주파 주입 신호를 커플링하는 단계 및 모터 컨트롤러를 사용하여 고주파 주입 신호에 대한 모터 응답을 감지하는 단계를 포함한다. 방법은 모터 컨트롤러를 사용하여 인버터 브릿지에 더 낮은 스위치 주파수를 유지하면서 모터 응답을 기초로 로터 위치를 결정하는 단계 및 모터 컨트롤러를 사용하여 감지된 로터 위치를 기초로 모터를 구동하는 단계를 더 포함한다.
여기에 설명된 전동 공구는 센서리스 모터, 커플링 회로, 모터에 작동 전력을 제공하도록 구성된 인버터 브릿지 및 인버터 브릿지와 커플링 회로에 커플링된 모터 컨트롤러를 포함한다. 커플링 회로는 고주파 주입 신호를 모터에 커플링하도록 구성된다. 모터 컨트롤러는 고주파 주입 신호에 대한 모터 응답을 감지하고 인버터 브릿지에 더 낮은 스위치 주파수를 유지하면서 모터 응답을 기초로 로터 위치를 결정하도록 구성된다. 모터 컨트롤러는 또한 인버터 브릿지를 사용하여 감지된 로터 위치를 기초로 모터를 구동하도록 구성된다.
임의의 실시예들을 상세하게 설명하기 전에, 실시예들은 이하의 설명에 기재되거나 첨부 도면에 예시된 구성 요소의 구성 및 배열의 상세에 대한 적용에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 실시예들은 다양한 방식으로 실시되거나 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. "포함하는", "구성하는" 또는 "가지는" 및 그 파생어의 사용은 이후에 나열된 항목과 그 등가물 및 추가 항목을 포함하는 것을 의미한다. 달리 지정되거나 제한되지 않는 한, "장착된", "연결된", "지지된" 및 "커플링된"이라는 용어와 그 파생어는 광범위하게 사용되며 직접적 및 간접적인 장착, 연결, 지지 및 커플링을 모두 포함한다.
또한, 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어 및 논의의 목적을 위해 대부분의 부품이 하드웨어에만 구현된 것처럼 예시되고 설명될 수 있는 전자 부품 또는 모듈을 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 그러나, 당업자는 이 상세한 설명의 판독을 기초로 적어도 하나의 실시예에서 전자적 기반의 측면이 마이크로프로세서 및/또는 주문형 집적 회로("ASIC")와 같은 하나 이상의 처리 장치에 의해 실행 가능한 소프트웨어에 실행될 수 있음(예를 들어, 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체에 저장됨)을 인식할 것이다. 이와 같이, 복수의 하드웨어 및 소프트웨어 기반 장치뿐만 아니라 복수의 상이한 구조적 부품들이 실시예를 구현하는 데 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 명세서에서 설명된 "서버", "컴퓨팅 장치", "컨트롤러", "프로세서" 등은 하나 이상의 처리 장치, 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 매체 모듈, 하나 이상의 입력/출력 인터페이스 및 부품들을 연결하는 다양한 연결부(예, 시스템 버스)를 포함할 수 있다.
수량 또는 조건과 관련하여 사용되는 예컨대, "약", "대략", "실질적으로" 등과 같은 상대적인 용어는 언급된 값을 포함하는 것으로 당업자에 의해 이해될 것이고, 문맥에 의해 지시된 의미를 가진다(예를 들어, 용어는 적어도 특정값 등과 관련된 측정 정확도, 허용 오차[예를 들어, 제조, 조립, 사용 등]와 관련된 오류 정도를 포함함). 이러한 용어는 2개의 끝점의 절대값에 의해 정의된 범위를 개시하는 것으로도 간주되어야 한다. 예를 들어, "약 2 내지 약 4"라는 표현은 또한 "2 내지 4"의 범위를 개시한다. 상대적인 용어는 표시된 값의 비율(예, 1%, 5%, 10% 또는 그 이상)을 더하거나 빼는 것을 의미할 수 있다.
어떤 도면은 특정 장치 내에 위치된 하드웨어 및 소프트웨어를 예시하지만, 이러한 표현은 단지 예시를 위한 것임을 이해해야 한다. 여기에서 하나의 부품에 의해 수행되는 것으로 설명된 기능은 분산 방식으로 다수의 부품에 의해 수행될 수 있다. 유사하게, 다수의 부품에 의해 수행되는 기능은 단일 부품에 의해 통합되어 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 예시된 부품은 개별 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어로 결합되거나 분할될 수 있다. 예를 들어, 단일 전자 프로세서 내에 위치되어 그것에 의해 수행되는 대신에, 로직 및 처리가 여러 전자 프로세서 사이에 분산될 수 있다. 이들의 결합 또는 분할 방식에 무관하게, 하드웨어 및 소프트웨어 부품은 동일한 컴퓨팅 장치에 위치될 수 있거나 하나 이상의 네트워크 또는 다른 적절한 통신 링크에 의해 연결된 다수의 상이한 컴퓨팅 장치 사이에 분산될 수 있다. 유사하게, 특정 기능을 수행하는 것으로 설명된 부품은 여기에 설명되지 않은 추가의 기능도 수행할 수 있다. 예를 들어, 특정 방식으로 "구성된" 장치 또는 구조는 최소한 그런 방식으로 구성되지만 명시적으로는 열거되지 않은 방식으로 구성될 수도 있다.
본 발명의 다른 양태는 상세한 설명 및 첨부 도면을 고려하는 것에 의해 분명해질 것이다.
도 1은 일부 실시예에 따른 전동 공구의 측면도이다.
도 2a는 일부 실시예에 따른 도 1의 전동 공구의 모터의 사시도이다.
도 2b는 일부 실시예에 따른 도 1의 전동 공구의 모터의 단면도이다.
도 3은 일부 실시예에 따른 도 1의 전동 공구의 모터 드라이브의 단순화된 블록도이다.
도 4는 일부 실시예에 따른 사인파 정류를 구현하는 도 3의 모터 드라이브의 단순화된 블록도이다.
도 5는 일부 실시예에 따른 필드 지향 제어를 구현하는 도 3의 모터 드라이브의 단순화된 블록도이다.
도 6은 일부 실시예에 따른 도 2a-2b의 모터 구동을 위한 자동 제어 스위칭 방법의 흐름도이다.
도 7은 일부 실시예에 따른 도 2a-2b의 모터 구동을 위한 자동 제어 스위칭 방법의 흐름도이다.
도 8은 일부 실시예에 따른 고주파 주입 로터 위치 검출을 구현하는 도 3의 모터 드라이브의 단순화된 블록도이다.
도 9는 일부 실시예에 따른 고주파 주입 로터 위치 검출을 구현하는 도 3의 모터 드라이브의 단순화된 블록도이다.
도 10은 일부 실시예에 따른 고주파 주입 로터 위치 검출을 구현하는 도 3의 모터 드라이브의 단순화된 블록도이다.
도 11은 일부 실시예에 따른 주입 코일을 포함하는 도 1의 전동 공구의 모터의 사시도이다.
도 12는 일부 실시예에 따른 도 2a-2b의 모터에서 고주파 주입 로터 위치 검출 방법의 흐름도이다.
도 1은 브러시리스 직류(BLDC) 모터를 포함하는 전동 공구(100)의 하나의 예시적인 실시예를 예시한다. 전동 공구(100)는 예를 들어, 핸들부(108) 및 모터 하우징부(112)를 갖는 하우징(104)을 포함하는 브러시리스 해머 드릴이다. 전동 공구(100)는 출력 드라이버(116)(척(chuck)으로 예시됨), 토크 설정 다이얼(120) 순방향/역방향 선택기(124), 트리거(128), 배터리 인터페이스(132) 및 조명(136)을 더 포함한다. 도 1은 해머 드릴을 예시하고 있지만, 일부 실시예에서, 여기에 설명된 모터 및 모터 드라이브는 드릴 드라이버, 임팩트 드라이버, 임팩트 렌치, 앵글 그라인더, 원형 톱, 왕복 톱, 스트링 트리머(string trimmer), 리프 블로어(leaf blower), 진공 등을 포함하는 다른 유형의 전동 공구에 통합된다.
전동 공구(100)는 브러시리스 직류(DC) 모터(150)(도 2a-2b)를 포함한다. 전동 공구(100)와 같은 브러시리스 모터 전동 공구에서, 브러시리스 모터(150)를 구동하기 위해 전원(예를 들어, 배터리 팩)으로부터 전력을 선택적으로 인가하도록 스위칭 요소가 컨트롤러로부터의 제어 신호에 의해 선택적으로 활성화 및 비활성화된다. 도 2a-2b를 참조로, 모터(150)는 고정자(154)와 고정자(154) 내에 적어도 부분적으로 위치된 로터(158)를 포함한다. 고정자(154)는 고정자 코어(162)(예를 들어, 고정자 스택)를 형성하도록 함께 적층된 복수의 개별 적층체를 포함한다. 고정자(154)는 내측으로 연장되는 고정자 치부(teeth)(166) 및 각 쌍의 인접한 고정자 치부(166) 사이에 형성된 슬롯(170)을 포함한다. 제시된 예에서, 고정자(154)는 6개의 고정자 슬롯(170)을 형성하는 6개의 고정자 치부(166)를 포함한다. 고정자(154)는 적어도 부분적으로 슬롯(170) 내에 위치된 고정자 권선(174)을 더 포함한다. 제시된 예에서, 고정자 권선(174)은 3상 병렬 델타 구성으로 연결된 6개의 코일(174A-174F)을 포함한다. 대안적인 실시예에서, 코일(174A-174F)은 대안적인 구성(예를 들어, 직렬, 델타 등)으로 연결될 수 있다.
로터(158)는 로터 코어(186)를 형성하도록 함께 적층된 개별 로터 적층체를 포함한다. 로터 샤프트(190)가 로터 코어(186)의 중심 구멍(194)을 관통해 위치된다. 로터(158)는 영구 자석(202)들이 수용되는 복수의 슬롯(198)(그 중 하나만 도 2b에 예시됨)을 포함한다.
도 3은 모터(150)의 작동을 제어하는 데 사용되는 모터 드라이브(220)의 일 실시예를 예시한다. 모터 드라이브(220)는 모터 컨트롤러(224), 인버터 브릿지(228) 및 모터(150)를 포함한다. 일부 실시예에서, 모터 컨트롤러(224)는 별도의 메모리가 있는 마이크로프로세서로서 구현된다. 다른 실시예에서, 모터 컨트롤러(224)는 마이크로컨트롤러(동일 칩 상에 메모리를 가짐)로서 구현된다. 다른 실시예에서, 모터 컨트롤러(224)는 부분적 또는 전체적으로 예를 들어, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA), 주문형 집적 회로(ASIC), 하드웨어 구현된 상태 머신 등으로서 구현될 수 있고, 메모리는 그렇게 요구되거나 변형되지 않을 수 있다. 모터 컨트롤러(224)는 인버터 브릿지(228)를 통해 모터(150)의 동작을 제어한다. 모터 컨트롤러(224)는 사용자 입력(232) 및 전류 센서(236)에 통신 가능하게 커플링된다. 사용자 입력(232)은 트리거 스위치(128), 토크 설정 다이얼(120), 순방향/역방향 선택기(124), 모드 선택기 등을 포함할 수 있다. 트리거 스위치(128)는 예를 들어, 전위차계(potentiometer), 거리 센서 등을 포함하여 트리거가 당겨지는 거리를 결정하고 그 표시를 모터 컨트롤러(224)에 제공할 수 있다. 전류 센서(236)는 모터 코일(174) 또는 인버터 브릿지(228)에 커플링되어 각 코일(174)을 통해 흐르는 전류를 검출한다. 모터 컨트롤러(224)는 사용자 입력(232)으로부터 수신된 입력 및 전류 센서(236)로부터 수신된 모터 피드백 중 하나 이상을 기초로 인버터 브릿지(228)를 통해 모터(150)의 가변 속도 제어를 수행한다.
인버터 브릿지(228)는 전동 공구(100)의 3상(예를 들어, U, V 및 W) 모터(150)로의 전력 공급을 제어한다. 인버터 브릿지(228)는 모터(150)의 각 위상마다 하이측 전계 효과 트랜지스터(FET)(240) 및 로우측 FET(240)를 포함한다. 하이측 FET(240) 및 로우측 FET(244)는 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)에 구현된 대응하는 게이트 드라이버에 의해 제어된다.
하이측 FET(240)의 드레인은 포지티브 DC 버스(248)(예를 들어, 전원)에 연결되고, 하이측 FET(240)의 소스는 모터(150)(예를 들어, 모터(150)의 위상 코일(174))에 연결되어 하이측 FET(240)가 폐쇄될 때 모터(150)(즉, 대응하는 위상 코일(174))에 전력 공급을 제공한다. 다시 말해, 하이측 FET(240)는 포지티브 DC 버스(248)와 모터 위상 코일(174) 사이에 연결된다.
로우측 FET(244)의 드레인은 모터(150)(예를 들어, 모터(150)의 위상 코일(174))에 연결되고, 로우측 FET(244)의 소스는 네거티브 DC 버스(252)(예를 들어, 지면)에 연결된다. 다시 말해, 로우측 FET(244)는 모터 위상 코일(174)과 네거티브 DC 버스(252) 사이에 연결된다. 로우측 FET(244)는 폐쇄될 때 모터 위상 코일(174)과 네거티브 DC 버스(252) 사이에 전류 경로를 제공한다.
제시된 예에서, 모터 드라이브(220)에 대해, 모터(150)는 DELTA 구성으로 연결된 코일(174)로서 나타난다. 아래 설명은 DELTA 구성을 예로 들어 제공되지만, 설명은 다른 구성(예, WYE 구성)에도 동일하게 적용 가능하며 이러한 다른 구성에 대한 제어는 간단한 수학적 변환을 이용하여 얻어진다. 3개의 모터 단자는 일반적으로 U, V 및 W 단자로 지칭된다. 인버터 브릿지(228)는 모터 드라이브(220)가 각 단자를 포지티브 DC 버스(248), 네거티브 DC 버스(252)에 연결하거나 위에서 설명한 바와 같이 단자를 개방 상태로 두게 한다. 모터 컨트롤러(224)는 선택적으로 FET(240, 244)가 FET(240, 244)에 제공된 펄스폭 변조 신호를 사용하여 코일(174)을 활성화할 수 있게 한다. 위상 코일(174)의 선택적 활성화는 로터(158)의 영구 자석(202)에 힘을 생성하여 로터(158)를 회전시킨다. 로터 샤프트(190)가 로터(158)와 함께 회전하여 전동 공구(100)의 출력 드라이버(116)를 작동시킨다.
종래의 모터는 로터 자석 위치 정보를 모터 컨트롤러(224)에 제공하는 홀 센서(또는 다른 회전 인코더)를 포함한다. 모터 컨트롤러(224)는 로터 자석 위치 정보를 기초로 각 위상 U, V 및 W를 선택적으로 활성화한다. 홀 센서 및 다른 외부 위치 센서는 모터 드라이브(220)에 비용, 크기 및 설계 복잡성을 추가하는 추가 부품 및 배선을 필요로 한다. 센서의 존재도 모터(150)에 비용을 추가하고 고온에서의 작동의 신뢰성을 감소시킨다.
모터(150)의 작동 중에, 모터 위상 코일(174)을 통과하는 전류는 로터 자석(202)의 힘을 생성하여 로터(158)를 회전시킨다. 역으로, 로터 자석(202)이 위상 코일(174)을 지날 때, 로터 자석(202)은 위상 코일(174)에 전류 또는 역기전력(BEMF)을 생성한다. 이 BEMF는 센서리스 모터에서 검출되어 로터 위치를 결정하고 그에 따라 모터(150)를 구동할 수 있다. 센서리스 모터는 로터(158)의 위치를 감지하기 위한 홀 효과 센서 또는 다른 외부 센서(예, 외부 각도 위치 센서)를 포함하지 않는 유형의 모터를 지칭한다. 오히려, 센서리스 모터는 로터 위치를 결정하기 위해 비활성 위상 코일(174)에 생성된 BEMF를 사용한다. 센서리스 모터 드라이브(220)는 비용을 절감하고 모터(150)와 다른 부품 사이의 더 적은 상호접속을 필요로 하여 모터 설계를 단순화한다.
전형적인 모터 제어는 모터(150)의 2개의 위상을 활성화하고, 1개의 위상을 비활성화하는 것을 포함한다. 비활성 위상은 로터(158)에 의해 생성된 BEMF를 검출하는 데 사용된다. 위상 코일(175)의 각각의 순차적 활성화를 위해, 비활성 코일에 생성된 BEMF는 예를 들어, BEMF 신호의 제로 크로싱(zero-crossing)을 감지하는 데 사용된다. 로터 위치는 BEMF 신호에서 감지된 제로 크로싱을 기초로 감지될 수 있다. 모터 컨트롤러(224)는 모터(150)의 회전을 제어하기 위해 전술한 바와 같은 로터 위치를 이용한다.
모터 드라이브(220)는 여러 가지 구동 기술, 예를 들어, 6-단계 제어(블록 정류로도 지칭됨), 사인파 제어 및 필드 지향 제어(FOC)를 구현할 수 있다. 6-단계 제어는 각 위상(또는 블록)을 순차적으로 활성화하여 로터(158)에 토크를 생성하는 것을 포함한다. 로터 자석(202)이 활성 위상 코일(174)에서 "0"도 떨어져 있을 때, 모터(150)는 로터(158)에 토크를 생성하지 않는다. 로터 자석(202)이 활성 위상 코일(174)로부터 "90"도 떨어져 있을 때, 모터(150)는 로터(158)에 최대 토크를 생성한다. 6-단계 제어는 모터 컨트롤러(224)가 로터(158)에 최대 토크를 생성하기 위해 "90"도 떨어진 위상을 선택적으로 활성화하도록 로터(158)의 위치를 검출하는 것을 포함한다. 전술한 바와 같이, 모터 컨트롤러(224)는 비활성 위상 코일(174)에서 검출된 BEMF 신호를 기초로 로터 위치를 검출한다. 로터(158)가 회전함에 따라, 모터 컨트롤러(224)가 로터 위치를 결정하는 것에 응답하여, 모터 컨트롤러(224)는 로터(158)가 회전할 때 로터(158)에 최적량의 토크가 계속 생성되도록 로터 자석(202)으로부터 "90"도 떨어진 다음 위상 코일(174)을 활성화한다.
도 4는 모터(150)의 사인파 정류를 위한 모터 드라이브(220)를 예시한다. 모터(150)를 구동하기 위해 하이, 로우 또는 제로의 직사각형 블록의 전류 신호를 코일(174)에 제공하는 6-단계 제어와 달리, 사인파 정류는 코일(174)에 평탄한 사인파 전류 신호를 제공하려 한다. 도 4의 모터 드라이브(220)는 도 3에 도시된 바와 같은 모터 드라이브(220)와 유사하지만, 사인파 정류를 위한 모터 컨트롤러(224)의 로직 부품은 분해 도시되어 있다. 모터 드라이브(220)는 로터 위치 검출기(268), 사인파 기준 블록(272) 및 PWM 생성기(276)를 포함한다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)는 모터 컨트롤러(224)의 메모리에 저장된 명령의 실행을 통해 로터 위치 검출기(268), 사인파 기준 블록(272) 및 PWM 생성기(276) 중 하나 이상을 구현할 수 있다. 로터 위치 검출기(268)는 전류 검출기(236)로부터의 전류 검출 신호를 수신하고 사인파 기준 블록(272)에 로터 위치 신호를 제공한다. 사인파 기준 블록(272)은 사용자 입력(232) 및 로터 위치 신호를 수신하고 사인파 제어 신호를 PWM 생성기(276)로 출력한다. 사인파 기준 블록(272)은 예를 들어, 사용자 입력(232)(예를 들어, 원하는 토크, 원하는 속도 등), 로터 위치 및 사인파 제어 신호 사이의 매핑을 갖는 룩업 테이블을 포함한다. 사인파 제어 신호는 원하는 토크를 출력하기 위해 모터 코일(174)에 제공될 신호의 원하는 신호 특성(예를 들어, 진폭, 주파수 등)의 표시를 제공할 수 있다. PWM 생성기(276)는 PWM 신호를 생성하고 FET(240, 244)에 PWM 신호를 제공한다. 제시된 예에서, PWM 생성기(276)는 제1 PWM 신호를 하이측 FET(240)에 제공하고 제2 PWM 신호를 로우측 FET(244)에 제공하는 것으로 예시되어 있다. 일부 실시예에서, 모터 코일(174)에 제공되는 전류를 제어하기 위해 추가적인 PWM 신호가 다른 FET(240, 244)에 제공될 수 있다.
도 5는 모터(150)의 필드 지향 제어를 위한 모터 드라이브(220)를 예시한다. 코일 블록이 순차적으로 정류되는 6-단계 제어와 달리, 필드 지향 제어는 예를 들어, FET(240, 244)의 PWM 제어를 이용하여 모터 코일(174)에 평탄 또는 사다리꼴 파형을 제공하는 것을 포함한다. 도 5의 모터 드라이브(220)는 도 3에 도시된 모터 드라이브(220)와 유사하지만, 필드 지향 제어를 위한 모터 컨트롤러(224)의 로직 부품이 분해 도시되어 있다. 모터 드라이브(220)는 로터 위치 검출기(268), 클라크 및 파크(Clarke and Park) 변환 블록(288), 오차 비교기(292), 전류 조절기(296), 인버스 파크(inverse Park) 변환 블록(300) 및 공간 벡터 PWM 생성기(304)를 포함한다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)는 모터 컨트롤러(224)의 메모리에 저장된 명령의 실행을 통해 로터 위치 검출기(268), 클라크 및 파크 변환 블록(288), 오차 비교기(292), 전류 조절기(296), 인버스 파크 변환 블록(300) 및 공간 벡터 PWM 생성기(304) 중 하나 이상을 구현할 수 있다. 로터 위치 검출기(268)는 전류 검출기(236)로부터 전류 검출 신호를 수신하고 로터 위치 신호를 클라크 및 파크 변환 블록(288) 및 인버스 파크 변환 블록(300)에 제공한다. 클라크 및 파크 변환 블록(288)은 모터 위상 U, V 및 W 중 적어도 2개로부터 모터 위상 전류 신호를 수신하고, 클라크 변환을 이용하여 변환한 다음 파크 변환을 이용하여 모터 위상 전류 신호를 동위상(in-phase) 고정자 전류(id) 신호 및 직교 위상 고정자 전류(iq) 신호로 변환한다. 동위상 및 직교 전류 신호는 오차 비교기(292)에 제공된다. 오차 비교기(292)는 또한 사용자 입력(232)으로부터의 원하는 토크를 기초로 원하는 동위상 전류(idref) 신호 및 원하는 직교 전류(iqref) 신호를 수신한다. 오차 비교기(292)는 검출된 전류 신호와 원하는 전류 신호 간의 차이를 판단하고 검출된 전류 신호와 원하는 전류 신호 사이의 오차를 전류 조절기(296)에 제공한다. 오차 비교기(292)로부터의 오차 신호를 기초로 직교 및 동위상 도메인의 전압 제어 신호(Vq, Vd)를 인버스 파크 변환 블록(300)으로 출력한다. 인버스 파크 변환 블록(300)은 파크 변환을 이용하여 전압 제어 신호를 위상 전압 제어 신호로 변환한다. 위상 전압 제어 신호는 공간 벡터 PWM 생성기(304)에 제공된다. 일부 실시예에서, 인버스 클라크 변환 PWM 생성기가 공간 벡터 PWM 생성기(304) 대신에 사용될 수 있다. 공간 벡터 PWM 생성기(304)는 인버터 브릿지(228)에 제공되는 PWM 신호를 생성하기 위해 공간 벡터 변조를 사용한다. 제시된 예에서, 공간 벡터 PWM 생성기(304)는 인버터 브릿지(228)의 하나의 하이측 FET(240) 및 2개의 로우측 FET(244)에 각각 제공된 3개의 PWM 신호를 생성하는 것으로 예시되어 있다. 일부 실시예에서, 필드 지향 제어를 구현하기 위해 다른 수의 PWM 신호 및 FET(240, 244)의 다른 선택이 적용될 수 있다.
도 3-5는 모터(150)의 6-단계 제어, 사인파 정류 및 필드 지향 제어의 예시적인 실시예만을 예시한다. 상술한 제어 방법은 장치 및 모터의 사양 및 설계에 따라 조정될 수 있다. 추가적으로, 위에서 설명되지 않은 다른 모터 제어 기술이 모터(150)를 구동하기 위해 모터 컨트롤러(224)에 의해 사용될 수도 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 모터 컨트롤러(224)는 위에서 설명된 임의의 모터 제어 기술을 구현할 수 있다. 각 모터 제어 기술은 장점과 단점을 가진다. 특히, 모터 제어 기술은 상이한 부하 및 속도 조건에서 최적의 구동을 생성한다. 예를 들어, 6-단계 제어는 고속 및 저토크에서 사용될 수 있지만, 저속에서는 상대적으로 비효율적일 수 있다. 6-단계 제어는 저속에서 토크 리플(ripple)을 생성하여 비효율적인 작동을 유발할 수 있다. 그러나, 6-단계 제어는 사인파 또는 필드 지향 제어 기술보다 더 오랜 기간 동안 모터로부터 최대 토크를 달성하는 데 더 양호하다. 따라서, 적절한 부하점에서 적절한 모터 제어 기술을 사용하는 것으로 모터 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)는 복수의 부하점을 상이한 종류의 모터 제어 기술 중 하나에 상관시키는 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 그런 다음, 모터 컨트롤러(224)는 부하점을 검출하고, 룩업 테이블에 액세스하여 부하점과 연관된 모터 제어 기술(복수의 모터 제어 기술 중에서 선택됨)을 결정한 다음, 해당 모터 제어 기술을 적용하여 모터를 구동할 수 있다. 따라서, 모터 컨트롤러(224)는 상이한 부하점에서 상이한 제어 기술을 이용하여 모터를 구동한다.
도 6은 일부 실시예에 따라 모터(150)를 구동하기 위한 자동 제어 스위칭을 위한 예시적인 방법(350)의 흐름도이다. 제시된 예에서, 방법(350)은 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 사용자 입력(232)을 기초로 제1 부하점을 결정하는 단계(블록 354)를 포함한다. 모터 컨트롤러(224)는 사용자 입력(232), 예를 들어, 트리거 스위치(128)로부터의 속도 입력, 토크 설정 다이얼(120)로부터의 토크 한계, 순방향/역방향 선택기(124)로부터의 방향 신호, 모드 선택기로부터의 작동 모드 등을 수신한다. 모터 컨트롤러(224)는 이들 사용자 입력(232)을 기초로 부하점을 결정한다. 예를 들어, 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례, 저속 고토크 용례 등등 중 하나이다. 일부 실시예에서, 부하점은 속도 설정, 예를 들어 고속, 중속, 저속(예를 들어, 연관된 임계값과 비교할 때 또는 속도 선택기 다이얼로부터의 트리거 당김량으로 표시됨) 등등, 또는 토크 설정, 예를 들어, 높은 토크, 중간 토크, 낮은 토크 등(예를 들어, 연관된 임계값과 비교할 때 또는 토크 다이얼(120)로부터의 트리거 당김량으로 표시됨)일 수 있다. 부하점은 또한 전동 공구(100)의 모드 선택기를 사용하여 선택된 용도 또는 모드를 기초로 결정될 수 있다. 일부 실시예에서, 모터 컨트롤러(224)는 모터 컨트롤러(224) 또는 전동 공구(100)의 메모리에 복수의 사용자 입력(232)과 연관 부하점(예를 들어, 낮은, 중간 또는 높은 부하점) 사이의 매핑을 포함하는 룩업 테이블을 저장한다.
방법(350)은 또한 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 제1 부하점에 대응하는 제1 모터 제어 기술을 결정하는 단계(블록 358)를 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 모터 컨트롤러(224)는 모터 컨트롤러(224) 또는 전동 공구(100)의 메모리에 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 룩업 테이블은 복수의 부하점과 모터 제어 기술 사이의 매핑을 포함한다. 모터 컨트롤러(224)는 제1 부하점에 대응하는 제1 모터 제어 기술(예를 들어, 6-단계 제어, 사인파 정류, 필드 지향 제어 등)을 선택한다.
방법(350)은 (블록 362에서) 제1 모터 제어 기술을 기초로 모터(150)를 구동하는 단계를 더 포함한다. 모터 드라이브(220)는 추가로 전술한 바와 같이 선택된 모터 제어 기술을 구현한다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)는 6-단계 제어, 사인파 정류, 필드 지향 제어 등을 이용하여 모터(150)를 구동한다.
방법(350)은 또한 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 제1 부하점으로부터 제2 부하점으로의 변경을 결정하는 단계(블록 366에서)를 포함한다. 모터 컨트롤러(224)는 전동 공구(100)의 원하는 또는 작동 부하점을 결정하기 위해 (예를 들어, 공구 작동 과정 중에 주기적으로) 사용자 입력을 계속 분석한다. 모터 컨트롤러(224)는 예를 들어, 358 블록과 관련하여 전술한 것과 유사한 기술을 이용하여 사용자 입력(232)에서의 변경을 기초로 제1 부하점으로부터 제2 부하점까지의 부하점 변화를 결정한다. 방법(350)은 또한 모터 컨트롤러(224)를 사용하여, 제2 부하점에 대응하는 제2 모터 제어 기술을 결정하는 것을 포함한다(블록 370). 위에서 논의된 바와 같이, 모터 컨트롤러(224)는 모터 컨트롤러(224) 또는 전동 공구(100)의 메모리에 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 룩업 테이블은 복수의 부하점과 모터 제어 기술 사이의 매핑을 포함한다. 모터 컨트롤러(224)는 제2 부하점에 대응하는 제2 모터 제어 기술(예를 들어, 6-단계 제어, 사인파 정류, 필드 지향 제어 등)을 선택한다.
방법(350)은 (블록 374에서) 제2 모터 제어 기술을 기초로 모터(150)를 구동하는 단계를 더 포함한다. 모터 드라이브(220)는 전술한 바와 같이 선택된 모터 제어 기술을 구현한다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)는 6-단계 제어, 사인파 정류, 필드 지향 제어 등을 이용하여 모터(150)를 구동한다.
도 7은 일부 실시예에 따른 모터(150)를 구동하기 위한 자동 제어 스위칭을 위한 예시적인 방법(400)의 흐름도이다. 제시된 예에서, 방법(400)은 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 전동 공구 작동 파라미터를 검출하는 단계(블록 404)를 포함한다. 모터 컨트롤러(224)는 전동 공구(100)의 다양한 센서와 통신하여 전동 공구(100) 또는 모터(150)의 작동 파라미터를 결정한다. 모터 컨트롤러(224)는 센서를 사용하여 전동 공구(100)의 모터 전류, 모터 전압, 토크 출력 등을 결정할 수 있다.
방법(400)은 또한 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 전동 공구 작동 파라미터를 기초로 전동 공구(100)의 부하점을 결정하는 단계(블록 408)를 포함한다. 예를 들어, 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례, 저속 고토크 용례 등 중 하나이다. 일부 실시예에서, 부하점은 속도 설정, 예를 들어, 고속, 중속, 저속 등 또는 토크 설정, 예를 들어, 높은 토크, 중간 토크, 낮은 토크 등일 수 있다. 모터 컨트롤러(224)는 모터 컨트롤러(224)에 의해 모니터링되는 센서 출력을 기초로 부하점을 결정한다.
방법(400)은 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 부하점에 대응하는 모터 제어 기술을 결정하는 단계(블록 412)를 더 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 모터 컨트롤러(224)는 모터 컨트롤러(224) 또는 전동 공구(100)의 메모리에 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 룩업 테이블은 복수의 부하점과 모터 제어 기술 사이의 매핑을 포함한다. 모터 컨트롤러(224)는 부하점에 대응하는 모터 제어 기술(예를 들어, 6-단계 제어, 사인파 정류, 필드 지향 제어 등)을 선택한다. 방법(350)은 (블록 416에서) 모터 제어 기술을 기초로 모터(150)를 구동하는 단계를 포함한다. 모터 드라이브(220)는 전술한 바와 같이 선택된 모터 제어 기술을 구현한다. 방법(350)에서 위에서 논의된 바와 유사하게, 방법(400)은 부하점의 변화를 결정하고 모터 제어 기술을 새로운 부하점에 대응하는 것으로 자동으로 스위칭하는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법(350 및 400)의 일 예시적인 구현은 전동 공구(100)를 사용하여 패스너를 안착시키고 구동하는 단계를 포함할 수 있다. 패스너를 안착시키는 단계는 체결 작업의 시작시의 정밀 제어 및 저속을 포함할 수 있다. 모터 컨트롤러(224)는 저속을 감지하고 저속이 전동 공구(100)의 제1 부하점에 대응한다고 결정한다. 일반적으로, 사인파 정류 및 필드 지향 제어가 6-단계 제어에 비해 낮은 토크 리플 출력으로 더 양호한 정밀성을 제공하므로 사인파 정류 또는 필드 지향 제어는 저속 용례에 더 적합하다. 따라서, 모터 컨트롤러(224)는 예를 들어, 필드 지향 제어가 검출된 부하점에 대응하는 것으로 결정한다. 모터 컨트롤러(224)는 필드 지향 제어를 기초로 모터(150)를 구동한다. 패스너가 안착되면, 전동 공구(100)는 패스너를 워크피스 내로 구동하기 위해 고속으로 작동할 수 있다. 모터 컨트롤러(224)는 저속에서 고속으로의 변화를 감지한다. 일반적으로, 6-단계 제어는 6-단계 제어가 과열되기 전에 더 긴 실행 시간을 제공하고 사인파 또는 필드 지향 제어보다 더 높은 피크 성능을 달성할 수 있으므로 고속 작동에 더 적합하다. 따라서, 모터 컨트롤러(224)는 예를 들어 미리 저장된 룩업 테이블을 기초로 6-단계 제어가 고속 작동에 대응하는 것으로 결정한다. 이에 따라, 모터 컨트롤러(224)는 체결 작업이 완료될 때까지 6-단계 제어를 기초로 모터(150)를 구동한다.
위에서 논의된 바와 같이, 모터(150)는 센서리스 모터이고 홀 효과 센서 또는 외부 각도 위치 센서(즉, 모터 부품의 외부)를 포함하지 않는다. 외부 위치 센서를 사용하여 로터 위치를 감지하고 모터를 제어하는 한 가지 대안은 고주파 주입 로터 위치 감지이다. 일반적으로, 고주파 주입 로터 위치 감지는 인버터 브릿지 변조를 통해 고차 고조파 주파수를 주입하는 공간 벡터 변조를 포함한다. 고주파 신호는 FET(240, 244)에 제공된 PWM 신호에 주입된다. 이러한 주파수에 대한 모터(150) 응답은 시동 시 및 작동 중에 로터 위치를 결정하는 데 사용된다. 그러나, 인버터 변조를 통한 고주파수 주입은 더 높은 스위칭 속도를 요구하며, 이는 인버터 브릿지(228) 손실을 증가시키고 모터(150)의 성능을 감소시킨다.
도 8은 일부 실시예에 따른 고주파 주입 로터 위치 검출을 위한 모터 드라이브(220)를 예시한다. 일부 실시예에서, 고주파수는 인버터 브릿지(228)의 공칭 스위칭 주파수보다 큰 주파수를 지칭한다. 일부 예에서, 인버터 브릿지(228)의 공칭 스위칭 주파수는 약 8 kHz와 20 kHz 사이의 주파수이다. 도 8의 모터 드라이브(220)는 도 3-5에 도시된 바와 같은 모터 드라이브(220)와 유사하지만, 고주파 주입을 위한 모터 컨트롤러(224)의 로직 부품이 분해 도시되어 있다. 모터 드라이브(220)는 커플링 회로(450), 디커플링 회로(454), 응답 측정 블록(458) 및 로터 위치 추정기 블록(462)을 포함한다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)는 응답 측정 블록(458) 및 로터 위치 추정기 블록(462) 중 하나 이상을 구현할 수 있다. 커플링 회로(450)는 예를 들어, 고주파 주입 신호를 생성하기 위한 오실레이터를 포함할 수 있는 신호 발생기(466)로부터 고주파 주입 신호를 수신한다. 커플링 회로(450)는 주입 신호를 DC 버스(248, 252)에 커플링한다. 제시된 예에서, 커플링 회로(450)는 주입 신호를 포지티브 DC 버스(248)에 커플링한다. 다른 예에서, 커플링 회로(450)는 주입 신호를 네거티브 DC 버스(252) 또는 포지티브 DC 버스(248) 및 네거티브 DC 버스(252) 모두에 커플링한다. 일부 실시예에서, 커플링 회로(450)는 신호 발생기(466)를 DC 버스(248, 252)에 용량성 커플링하는 커패시터를 포함한다. 일부 실시예에서, 커플링 회로(450)는 신호 발생기(466)를 DC 버스(248, 252)에 커플링하는 트랜스포머(예를 들어, 권선 코일)를 포함한다. DC 버스(248, 252)는 DC 동작 전압 신호와 함께 주입 신호를 모터(150)의 작동을 위한 인버터 브릿지(228)에 제공한다.
디커플링 회로(454)는 모터 위상 코일(174)에 연결된다. 디커플링 회로(454)는 고주파 주입에 대한 모터 응답을 추출하기 위해 비활성 위상 코일(174)(비구동 위상으로도 지칭됨)에 선택적으로 연결된다. 디커플링 회로(454)는 비활성 위상 코일(174)에서 검출된 다른 신호로부터 응답 신호를 디커플링한다. 디커플링 회로(454)는 응답 측정 블록(458)에 응답 신호를 제공한다. 디커플링 회로(454)는 커플링 회로와 유사한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 디커플링 회로(454)는 비활성 위상 코일(174)을 응답 측정 블록(458)에 용량성 커플링할 수 있거나, 비활성 위상 코일(174)을 응답 측정 블록(458)에 커플링하기 위해 트랜스포머를 포함할 수 있다. 예를 들어, 응답 신호는 고주파 주입 신호에 대한 모터(150)의 응답인 전류 신호이다. 디커플링 회로(454)는 응답 측정 블록(458)에 대한 응답 신호로서 응답 전류 신호를 제공한다. 제시된 예에서, 설명을 단순화하기 위해, 하나의 디커플링 회로(454)가 예시되고, 디커플링 회로(454)는 하나의 모터 단자에 연결된다. 그러나, 디커플링 회로(454)는 모터 단자의 비활성 위상 중에 각 모터 단자의 응답을 검출하기 위해 모든 모터 단자(U, V 및 W)에 연결될 수 있다. 대안적으로, 각각의 모터 단자로부터의 응답 신호를 응답 측정 블록(458)에 제공하기 위해 모터 단자 각각에 대해 하나씩 개별 디커플링 회로(454)가 제공될 수 있다.
응답 측정 블록(458)은 디커플링 회로(454)로부터 응답 신호를 수신하고 고주파수 주입 신호에 대한 모터의 응답을 측정한다. 예를 들어, 응답 측정 블록(458)은 고주파수 주입에 대한 응답으로 각 모터 코일(174)의 임피던스(예, 리럭턴스, 인덕턴스 등)를 검출한다. 응답 측정 블록(458)은 측정된 응답을 측정 신호로서 로터 위치 추정기 블록(462)에 제공한다. 그런 다음, 측정된 신호의 특성을 이용하여 모터 및 로터 위치에 대한 정보를 결정할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 주입된 신호와 측정된 신호 사이의 진폭 차이 또는 위상 차이(지연)는 로터 위치를 나타낸다.
로터 위치 추정기 블록(462)은 응답 측정 블록(458)으로부터 측정 신호를 수신하고 해당 측정 신호를 기초로 로터 위치, 로터 속도 또는 이들 모두를 결정한다. 모터 컨트롤러(224)는 상이한 임피던스 측정치들과 로터 위치들 사이의 매핑을 포함하는 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 로터 위치 추정기 블록(462)은 임피던스 측정에 대응하는 로터 위치를 결정하기 위해 룩업 테이블을 참조함으로써 로터 위치를 결정한다. 로터 위치 추정기 블록(462)은 변화하는 로터 위치를 사용하여 모터(150)의 회전 속도도 결정할 수 있다.
일부 실시예에서, 디커플링 회로(454), 응답 측정 블록(458) 및/또는 로터 위치 추정기 블록(462)은 로터 위치 검출기(268)(도 4 및 도 5 참조)에 제공된다. 그런 다음, 모터(150)가 별도의 로터 위치 센서(예. 홀 센서 또는 외부 위치 센서)를 필요로 하지 않고 전술한 임의의 모터 제어 기술에 따라 로터 위치 검출기(268)에 의해 제공되는 로터 위치 및/또는 로터 속도를 기초로 모터 드라이브(220)에 의해 구동된다.
도 9는 일부 실시예에 따른 고주파수 주입 로터 위치 검출을 위한 모터 드라이브(220)를 예시한다. 도 9의 모터 드라이브(220)는 도 8의 모터 드라이브(220)와 유사하다. 그러나, 도 9에 도시된 예에서, 고주파 주입 신호는 DC 버스(248, 252)보다는 모터 단자(U, V, W)에서 직접 커플링된다. 커플링 회로(450)는 하이측 FET(240) 및 로우측 FET(244)의 접합부에서 고주파 주입 신호를 커플링한다. 일부 실시예에서, 커플링 회로(450)는 모터(150)의 단자(U, V, W)에 직접 고주파수 주입 신호를 커플링한다.
도 9에 도시된 예에서. 하나의 커플링 회로(450)가 도시되고, 해당 커플링 회로(450)는 하나의 모터 단자에 연결된다. 그러나, 커플링 회로(450)는 모든 모터 단자(U, V, W)에 연결되어 각 모터 단자에 고주파 주입 신호를 제공할 수 있다. 대안적으로, 신호 발생기(466)로부터의 주입 신호를 각각의 모터 단자에 제공하기 위해 모터 단자 각각에 대해 하나씩 별도의 커플링 회로(450)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 모터 컨트롤러(224)는 모터 단자의 대응하는 하이측 FET(240)가 폐쇄되고 모터 단자의 대응하는 로우측 FET(244)가 개방될 때 모터 단자(U, V, W)에 고주파 신호를 주입하도록 커플링 회로(들)(450)를 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 모터 컨트롤러(224)는 공간 벡터 변조를 이용하여 3차 고조파 주파수 신호를 DC 버스(248, 252) 또는 모터 단자(U, V, W)에 주입한다. 이 예에서, 3차 고조파 주파수는 인버터 브릿지(228)의 출력 신호의 주파수의 약 3배의 주파수를 의미한다(예를 들어, 인버터 브릿지(228)의 출력 신호가 200Hz일 때, 주입된 신호는 약 600Hz임). 로터 위치 검출기(268)는 로터 위치 및 속도를 추정하기 위해 3차 고조파 주입에 대한 모터 응답을 결정한다. 3차 고조파 주입은 비활성 위상 단자에 사인파 BEMF 응답을 생성한다. 따라서, 3차 고조파 주입은 보다 정확한 로터 위치 및 로터 속도 추정치를 제공한다.
도 10은 일부 실시예에 따른 고주파 주입 로터 위치 검출을 위한 모터 드라이브(220)를 예시한다. 도 9의 모터 드라이브(220)는 도 8 및 도 9의 모터 드라이브(220)와 유사하다. 그러나, 도 9에 도시된 예에서. 고주파 신호는 주입 코일(470)에 주입된다. 주입 코일(470)은 고주파 주입 신호를 수신하고 모터(150)에 전력을 공급하는 데 사용되지 않는다. 특히, 커플링 회로(450)는 신호 발생기(466)로부터 주입 코일(470)로 고주파 주입 신호를 제공한다. 이들 실시예에서, 비활성 코일(174)의 응답은 도 8 및 도 9와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 유사하게 검출된다. 로터 위치 및/또는 속도는 주입 코일(470)로의 고주파 주입에 대한 모터의 응답을 기초로 검출된다. 전술한 바와 같이, 주입 코일(470)에서 3차 고조파 주입을 갖는 공간 벡터 변조는 로터 위치 추정의 정확도를 증가시키기 위해 모터(150) 응답을 검출하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 주입 코일(470)은 기존 위상 코일(174) 주위에 제공될 수 있다. 도 11은 주입 코일(470)의 배치의 일례를 보여준다. 제시된 예에서, 주입 코일(470)은 모터(150)의 기존 위상 코일(174) 주위에 권취된다. 주입 코일(470)은 다른 위치, 예를 들어 고정자(154)의 상부 또는 하부에 배치될 수 있다.
도 12는 고주파 주입 로터 위치 검출을 위한 예시적인 방법(500)의 흐름도이다. 제시된 예에서, 방법(500)은 커플링 회로(450)를 사용하여 고주파 주입 신호를 모터(150)에 커플링하는 단계를 포함한다(블록 504). 전술한 바와 같이, 커플링 회로(450)는 고주파 주입 신호를 DC 버스(248, 252), 모터 단자(U, V, W) 및 주입 코일(470) 중 하나에 커플링한다. 고주파 주입 신호는 일반적으로 인버터 브릿지(228)의 스위칭 주파수보다 높은 주파수를 가진다. DC 버스 또는 모터 코일(174, 470)에 고주파 주입 신호를 커플링하는 것은 인버터 브릿지(228)의 더 낮은 스위치 주파수를 유지하고 성능을 향상시키는 데 도움이 된다.
방법(500)은 또한 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 고주파 주입 신호에 대한 모터 응답을 검출하는 단계(블록 508)를 포함한다. 모터 응답은 모터(150)의 비활성 위상 코일(174)에서 검출된다. 디커플링 회로(454)는 모터 응답을 검출하고 응답 측정 블록(458)에 응답 신호를 제공한다. 응답 측정 블록(458)은 위에서 더 상세히 논의된 바와 같이 응답 신호를 기초로 모터 응답을 측정하고, 로터 위치 추정기 블록(462)에 측정 신호를 제공한다.
방법(500)은 또한 모터 컨트롤러(224)를 사용하여 모터 응답을 기초로 로터 위치를 결정하는 동시에, 인버터 브릿지(228) 상에 더 낮은 스위치 주파수를 유지하는 단계(블록 512)를 포함한다. 로터 위치 추정기 블록(462)은 모터 응답을 수신하고 해당 모터 응답을 기초로 로터 위치를 추정한다. 특히, 로터 위치 추정기 블록(462)은 측정 신호를 수신하고 추가로 전술한 바와 같이 측정 신호를 기초로 로터 위치를 추정한다. 전술한 바와 같이, DC 버스(248, 252) 또는 모터 단자에 고주파 주입 신호가 제공되기 때문에, 모터(150)를 동작시키기 위해 사용되는 인버터 브릿지(228)의 FET(240, 244)의 정상 스위칭 주파수는 영향을 받지 않는다.
방법(500)은 검출된 로터 위치를 기초로 모터(150)를 구동하는 단계(블록 516)를 포함한다. 로터 위치 검출기(268)에 의해 검출된 로터 위치 및/또는 속도는 모터(150)를 구동하는 데 사용된다. 예를 들어, 6-단계 제어에서, 로터 위치는 모터(150)의 다음 코일(174) 또는 블록을 활성화하는 데 사용된다. 사인파 정류의 경우, 로터 위치는 사인파 기준 블록(272)에 제공되어 인버터 브릿지(228)에 대한 PWM 제어 신호를 결정한다. 필드 지향 제어에서, 로터 위치는 클라크 및 파크 변환 블록(288)의 파크 변환 블록 및 인버스 파크 변환 블록에 제공되어 인버터 브릿지(228)에 대한 PWM 제어 신호를 결정한다. 그런 다음, 방법(500)은 블록(504)으로 루프백할 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기술된 다양한 실시예는 전동 공구용 센서리스 모터 및 센서리스 모터의 제어를 제공한다. 다양한 특징 및 장점이 다음의 청구범위에 언급된다.

Claims (48)

  1. 전동 공구의 센서리스 모터의 구동을 위한 자동 제어 스위칭 방법으로서:
    모터 컨트롤러를 사용하여 사용자 입력을 기초로 제1 부하점(load point)을 결정하는 단계;
    상기 모터 컨트롤러를 사용하여 상기 제1 부하점에 대응하는 제1 모터 제어 기술을 결정하는 단계로서, 상기 제1 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례 및 저속 고토크 용례로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인 것인 단계;
    상기 제1 모터 제어 기술을 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하는 단계;
    상기 모터 컨트롤러를 사용하여 상기 제1 부하점으로부터 제2 부하점으로의 변화를 결정하는 단계;
    상기 모터 컨트롤러를 사용하여 상기 제2 부하점에 대응하는 제2 모터 제어 기술을 결정하는 단계; 및
    상기 제2 모터 제어 기술을 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하는 단계
    를 포함하는, 자동 제어 스위칭 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 모터 제어 기술은 블록 정류, 사인파 제어 및 필드 지향 제어로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인, 자동 제어 스위칭 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 모터 제어 기술은 블록 정류(block commutation), 사인파 제어 및 필드 지향 제어(field oriented control)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인, 자동 제어 스위칭 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 사용자 입력은 트리거 스위치로부터의 속도 입력, 토크 설정 다이얼로부터의 토크 한계, 순방향/역방향 선택기로부터의 방향 신호 및 모드 선택기로부터의 작동 모드로 구성된 그룹에서 선택되는, 자동 제어 스위칭 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 부하점으로부터 상기 제2 부하점으로의 변화는 상기 사용자 입력의 변화를 기초로 검출되는, 자동 제어 스위칭 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례 및 저속 고토크 용례로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인, 자동 제어 스위칭 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    커플링 회로를 사용하여 상기 센서리스 모터에 고주파 주입 신호를 커플링하는 단계;
    디커플링 회로를 사용하여 상기 고주파 주입 신호에 대한 모터 응답을 검출하는 단계;
    상기 디커플링 회로에 커플링된 상기 모터 컨트롤러를 사용하여 인버터 브릿지에 더 낮은 스위치 주파수를 유지하면서 모터 응답을 기초로 로터 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 모터 컨트롤러와 상기 인버터 브릿지를 사용하여 상기 검출된 로터 위치를 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하는 단계
    를 더 포함하는, 자동 제어 스위칭 방법.
  9. 전동 공구로서;
    센서리스 모터;
    상기 센서리스 모터에 동작 전력을 제공하도록 구성된 인버터 브릿지; 및
    상기 인버터 브릿지에 커플링된 모터 컨트롤러
    를 포함하고, 상기 모터 컨트롤러는,
    사용자 입력을 기초로 제1 부하점을 결정하고,
    상기 제1 부하점에 대응하는 제1 모터 제어 기술을 결정하고, 상기 제1 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례 및 저속 고토크 용례로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인 것이며,
    상기 인버터 브릿지를 사용하여 상기 제1 모터 제어 기술을 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하고,
    상기 제1 부하점으로부터 제2 부하점으로의 변화를 결정하고,
    상기 제2 부하점에 대응하는 제2 모터 제어 기술을 결정하고,
    상기 인버터 브릿지를 사용하여 상기 제2 모터 제어 기술을 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하도록
    구성된, 전동 공구.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 모터 제어 기술은 블록 정류, 사인파 제어 및 필드 지향 제어로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인, 전동 공구.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제2 모터 제어 기술은 블록 정류, 사인파 제어 및 필드 지향 제어로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인, 전동 공구.
  12. 제9항에 있어서, 상기 사용자 입력은 트리거 스위치로부터의 속도 입력, 토크 설정 다이얼로부터의 토크 한계, 순방향/역방향 선택기로부터의 방향 신호 및 모드 선택기로부터의 작동 모드로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상을 포함하는, 전동 공구.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제1 부하점으로부터 상기 제2 부하점으로의 변화는 상기 사용자 입력의 변화를 기초로 검출되는, 전동 공구.
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서, 상기 제2 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례 및 저속 고토크 용례로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인, 전동 공구.
  16. 제9항에 있어서,
    커플링 회로; 및
    디커플링 회로
    를 더 포함하며, 상기 모터 컨트롤러는 또한,
    상기 커플링 회로를 사용하여 상기 센서리스 모터에 고주파 주입 신호를 커플링하고,
    상기 디커플링 회로를 사용하여 상기 고주파 주입 신호에 대한 모터 응답을 검출하고,
    상기 인버터 브릿지에 더 낮은 스위치 주파수를 유지하면서 모터 응답을 기초로 로터 위치를 결정하고, 그리고
    상기 인버터 브릿지를 사용하여 상기 검출된 로터 위치를 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하도록
    구성된, 전동 공구.
  17. 전동 공구의 센서리스 모터의 구동을 위한 자동 제어 스위칭 방법으로서:
    모터 컨트롤러를 사용하여 전동 공구 작동 파라미터를 검출하는 단계;
    상기 모터 컨트롤러를 사용하여 상기 전동 공구 작동 파라미터를 기초로 상기 전동 공구의 부하점을 결정하는 단계로서, 상기 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례 및 저속 고토크 용례로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인 것인 단계;
    상기 모터 컨트롤러를 사용하여 상기 부하점에 대응하는 모터 제어 기술을 결정하는 단계; 및
    상기 모터 컨트롤러를 사용하여 상기 모터 제어 기술을 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하는 단계
    를 포함하는, 자동 제어 스위칭 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 모터 제어 기술은 블록 정류, 사인파 제어 및 필드 지향 제어로 이루어진 그룹에서 선택된 하나인, 자동 제어 스위칭 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 전동 공구 작동 파라미터는 하나 이상의 센서를 사용하여 검출되는, 자동 제어 스위칭 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는 모터 전류, 모터 전압 및 토크 출력으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 검출하는 데 사용되는, 자동 제어 스위칭 방법.
  21. 삭제
  22. 제17항에 있어서,
    커플링 회로를 사용하여 상기 센서리스 모터에 고주파 주입 신호를 커플링하는 단계;
    디커플링 회로를 사용하여 상기 고주파 주입 신호에 대한 모터 응답을 검출하는 단계:
    상기 디커플링 회로에 커플링된 상기 모터 컨트롤러를 사용하여 인버터 브릿지에 더 낮은 스위치 주파수를 유지하면서 모터 응답을 기초로 로터 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 모터 컨트롤러 및 상기 인버터 브릿지를 사용하여 상기 검출된 로터 위치를 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하는 단계
    를 더 포함하는, 자동 제어 스위칭 방법.
  23. 전동 공구로서:
    센서리스 모터;
    상기 센서리스 모터에 동작 전력을 제공하도록 구성된 인버터 브릿지; 및
    상기 인버터 브릿지에 커플링된 모터 컨트롤러
    를 포함하고, 상기 모터 컨트롤러는:
    전동 공구 작동 파라미터를 검출하고;
    상기 전동 공구 작동 파라미터를 기초로 상기 전동 공구의 부하점을 결정하고, 상기 부하점은 고속 저토크 용례, 고속 고토크 용례, 저속 저토크 용례 및 저속 고토크 용례로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인 것이며;
    상기 부하점에 대응하는 모터 제어 기술을 결정하고; 그리고
    상기 인버터 브릿지를 사용하여 상기 모터 제어 기술을 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하도록
    구성된, 전동 공구.
  24. 제23항에 있어서, 상기 모터 제어 기술은 블록 정류, 사인파 제어 및 필드 지향 제어로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나인, 전동 공구.
  25. 제23항에 있어서, 하나 이상의 센서를 더 포함하고, 상기 전동 공구 작동 파라미터는 하나 이상의 센서를 사용하여 검출되는 전동 공구.
  26. 제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 센서는 모터 전류, 모터 전압 및 토크 출력으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 검출하는 데 사용되는, 전동 공구.
  27. 삭제
  28. 제23항에 있어서,
    커플링 회로; 및
    디커플링 회로,
    를 더 포함하고, 상기 모터 컨트롤러는 또한,
    상기 커플링 회로를 사용하여 상기 센서리스 모터에 고주파 주입 신호를 커플링하고,
    상기 디커플링 회로를 사용하여 상기 고주파 주입 신호에 대한 모터 응답을 검출하고,
    상기 인버터 브릿지에 더 낮은 스위치 주파수를 유지하면서 모터 응답을 기초로 로터 위치를 결정하고,
    상기 인버터 브릿지를 사용하여 상기 검출된 로터 위치를 기초로 상기 센서리스 모터를 구동하도록
    구성된, 전동 공구.
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