KR20000076452A

KR20000076452A - 스위치드 자기 저항 머신용 회전자 위치 검출 방법 및자기 저항 구동 시스템

Info

Publication number: KR20000076452A
Application number: KR1020000000761A
Authority: KR
Inventors: 그린찰스에드워드브랜던
Original assignee: 제럴드 리드스터; 스위치드 릴럭턴스 드라이브즈 리미티드
Priority date: 1999-01-11
Filing date: 2000-01-08
Publication date: 2000-12-26
Also published as: SG106576A1; KR100720323B1; EP1020985A1; CN1207841C; US6288513B1; ATE326075T1; DE60027803T2; BR0000031A; JP4472083B2; EP1020985B1; CN1260631A; JP2000224888A; DE60027803D1

Abstract

본 발명에 따른 극위상 스위치드 자기 저항 머신은 무센서(sensorless) 위치 검출 방법을 이용한 제어 시스템에 의해 제어된다. 이 스위치드 자기 저항 머신을 고속으로 동작시키는 방법은 매 n(n은 1보다 큰 정수임)번째 위상 기준점을 식별함으로써 회전자 위치의 계산을 수행하는데 충분한 시간을 제공한다.

Description

스위치드 자기 저항 머신용 회전자 위치 검출 방법 및 자기 저항 구동 시스템{ROTOR POSITION DETECTION IN SWITCHED RELUCTANCE MACHINES}

본 발명은 스위치드 자기 저항 머신용 회전자 위치 검출 방법에 관한 것이며, 더욱 상세히 말하자면, 센서를 설치함이 없이 회전자 위치를 측정하도록 동작하는 스위치드 자기 저항 머신에 관한 것이다.

일반적으로, 자기 저항 머신은 자기 회로의 자기 저항이 최소화되는 위치, 즉 여자 권선의 인덕턴스가 최대화되는 위치로 그 가동부를 이동시키는 것에 의해 토크가 발생되는 전기 머신이다. 이러한 자기 저항 머신의 일형태로서는, 회전자의 각위치를 검출하고, 회전자 위치의 함수로서 위상 권선을 활성화시키는 회로가 설치된 타입의 자기 저항 머신이 있다. 이 형태의 자기 저항 머신은 일반적으로 스위치드 자기 저항 머신으로서 알려져 있으며, 모터 또는 제너레이터에 의해 동작될 수 있다. 이러한 스위치드 자기 저항 머신의 특성은 공지되어 있으며, 예컨대, 참고로 본원 명세서에 통합된 PCIM'93(Nurnberg, 1993년 6월 21∼24일)을 통해 스테펜슨(Stephenson) 및 블레이크(Blake) 등에 의해 발표된 논문 "The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives"에 개시되어 있다. 이 문헌에서는 스위치드 자기 저항 머신의 특징을 위상 권선의 주기적으로 변화하는 인덕턴스를 함께 생성하는 것으로 기술되어 있다.

도 1은 종래의 스위치드 자기 저항 구동 시스템의 주요 성분을 도시하고 있다. 입력 DC 전원(11)은 배터리일 수 있으며, 또는 정류되어 AC 전원으로 필터링되고, 그 크기가 고정되거나 가변일 수 있다. 전원(11)에 의해 공급되는 DC 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어하에서 파워 컨버터(13)에 의해 모터(12)의 위상 권선(16)에 걸쳐 스위치된다. 스위칭은 구동 시스템의 적절한 동작을 위해 회전자의 회전각에 정확하게 동기되어야만 한다. 회전자 위치 검출기(15)는 통상적으로 회전자의 각위치를 나타내는 신호를 공급하기 위해 채용되어 진다. 회전자 위치 검출기(15)의 출력은 고속 피드백 신호를 생성하는데 또한 유용하게 사용될 수 있다. 전류 피드백은 하나 이상의 위상 권선의 전류를 샘플링하는 전류 트랜스듀서(18)에 의해 컨트롤러(14)에 제공된다.

회전자 위치 검출기(15)는 많은 형태를 가지는데, 예컨대, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 하드웨어의 형태를 취할 수 있다. 일부 시스템에서는, 회전자 위치 검출기(15)가 파워 컨버터(13)에서 디바이스의 다른 스위칭 장치가 요구되는 회전자 위치 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 다른 시스템에서는, 위치 검출기는 구동 시스템의 다른 모니터된 파라미터로부터 위치를 계산하거나 예측하는 소프트웨어 알고리즘일 수 있다. 이들 시스템은 회전자와 관련되어 위치를 측정하는 물리적 트랜스듀서를 사용하지 않기 때문에, "무센서(sensorless) 위치 검출기 시스템"으로도 불리운다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 신뢰성 있는 무센서 시스템에 대한 요구에 많은 상이한 방법이 채용되어 왔다.

스위치드 자기 저항 머신의 위상 권선의 활성화는 회전자의 각위치의 검출에 의존하고 있다. 이는 모터로서 작동하는 자기 저항 머신의 스위칭을 나타내는 도 2 및 도 3에 잘 나타나 있다. 도 2는 일반적으로 화살표 22를 따라, 고정자(25)의 고정자극(21)에 근접하는 회전자극(20)을 갖는 회전자(24)를 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 완비된 위상 권선(16)의 부분(23)은 고정자극(21)의 둘레에 감겨 있다. 고정자극(21) 둘레의 위상 권선(16)의 부분(23)이 활성화되면, 회전자에 힘이 가해져서, 회전자극(20)은 고정자극(21)과 정렬되도록 당겨진다. 도 3은 일반적으로 고정자극(21) 둘레의 부분(23)을 포함하는 위상 권선(16)의 활성화를 제어하는 파워 컨버터(13)에서의 전형적인 스위칭 회로를 도시한다. 스위치(31, 32)가 폐쇄되면, 위상 권선은 DC 파워의 소스에 결합되어 활성화된다. 많은 다른 구성의 라이네이션 지오메트리, 권선 토폴로지 및 스위칭 회로가 당업계에 공지되어 있으며, 이들 중 일부는 전술한 스테펜슨과 블레이크(Stephenson ＆ Blake)의 문헌에 개시되어 있다. 스위치드 자기 저항 머신의 위상 권선은 전술한 방식으로 활성화되고, 자기 회로의 자속에 의해 제공된 자계는 원주 방향으로 힘을 발생시키며 전술한 바와 같이, 회전자극이 당겨져서 고정자극과 일직선이 된다.

일반적으로, 위상 권선은 활성화되면 다음과 같이, 회전자의 회전에 영향을 미친다. 회전자의 제1 각위치에서(소위, "턴온 각" θ_ON), 컨트롤러(14)는 스위칭 신호를 제공하여 양 스위칭 디바이스(31, 32)를 턴온시킨다. 스위칭 디바이스(31, 32)가 온이 되면, 위상 권선은 DC 버스에 결합되며 그에 따라 증대된 자속이 머신 내에 발생하게 된다. 자속은 공기갭에 회전자극 상에 작용하는 자계를 발생시켜 모터링 토크를 생성한다. 머신 내의 자속은 스위치(31, 32) 및 위상 권선(16)을 통해 DC 전원으로부터 흐르는 전류에 의해 발생되는 기자력(起磁力)(mmf)에 의해 유지된다. 전류 피드백은 일반적으로 채용되는 방식이며, 위상 전류의 크기는 스위칭 디바이스(31, 32)의 한쪽 또는 양쪽을 신속하게 온 및 오프로 스위칭하여 전류를 쵸핑(chopping)함으로써 제어된다. 도 4a는 전류가 2개의 고정 레벨 사이에서 쵸핑되는, 동작의 쵸핑 모드에서의 전형적인 전류 파형을 나타낸다. 모터링 작동에 있어서, 턴온 각 θ_ON은 회전자 상의 내부 극성 영역의 중심선이 고정자극의 중심선과 정렬되는 회전자 위치가 되게 하는 각도로 종종 선택되지만, 일부 다른각이 될 수도 있다.

많은 시스템에서, 위상 권선은 회전자가 "프리휠링(freewheeling angle) 각" θ_FW으로 부르는 각도에 도달할 때까지, DC 버스에 접속된(또는 쵸핑이 채용된다면 간헐적으로) 채로 유지된다. 회전자가 프리휠링 각(예컨대, 도 2에 도시된 위치)에 대응하는 각위치에 도달하면, 스위치중 하나 예컨대 스위치(31)는 오프가 된다. 이어서, 위상 권선에는 전류가 계속 흐르지만, 스위치중 하나(이 경우에는 스위치 32)와 다이오드(33/34)중 하나에만은 흐르지 않게 된다. 프리휠링 주기 동안, 위상 권선 상에서의 전압 강하는 작고, 자속은 실질적으로 일정한 상태를 유지한다. 이 회로는 회전각 "턴오프 각(turn-off angle)" θ_OFF로 공지된 각위치까지 회전할 때(즉, 회전자극의 중심선이 고정자극의 중심선에 맞춰질 때)까지 이 프리휠링 조건을 유지한다. 회전자가 턴오프 각에 도달하면 양 스위치(31, 32)는 오프되고, 위상 권선(23)에 흐르는 전류는 다이오드(33, 34)를 흐르기 시작한다. 그에 따라 다이오드(33, 34)는 DC 버스로부터 DC 전압을 역으로 공급하여 머신의 자속(및 그에 따른 위상 전류)은 감소하게 된다. 다른 스위칭 각도 및 다른 전류 제어 방식을 이용하는 것이 당업계에 공지되어 있다.

머신의 속도가 증가할수록 전류가 쵸핑 레벨까지 상승하는 시간은 작아지며, 구동 시스템은 "단일 펄스" 동작 모드로 통상 작동된다. 이 모드에서, 턴온 각, 프리휠링 각 및 턴오프 각은 예컨대, 속도, 하중 토크의 함수로서 선택된다. 일부 시스템은 프리휠링의 각주기를 이용하지 않는데, 즉 스위치(31, 32)는 동시에 온되고 오프된다. 도 4b는 이러한 전형적인 단일 펄스 전류 파형을 나타내며, 여기에서 프리휠링 각은 0이다. 턴온 각, 프리휠링 각 및 턴오프 각의 값은 소정될 수 있고, 필요하다면 회복을 위해 임의의 적절한 포맷으로 제어 시스템에 의해 저장되거나, 실시간으로 산출 또는 도출될 수 있다.

다수의 무센서 위치 검출 시스템은 본 명세서에 참조로 첨부된 "Sensorless methods for determining the rotor position of switched reluctance motors", Ray et al, Proc EPE'93 Conference, Brighton, UK, 13-16 Sept 93, Vol 6, pp 7-13 에서 평가되고 분류되어 있다. 전체 작동 범위에서의 동작에 대해 만족할 만한 방법은 없었다. 고속(단일 펄스) 모드에서의 작동에 대한 공지된 방법중 하나는 EP-A-0573198(Ray)(참조로 첨부됨)에 개시되어 있는데, 이 방법은 자속 및 전류를 측정하여 회전자 위치의 예측하는 것이다.

대부분의 무센서 위치 검출 방법에 공통적인 문제는 회전자 위치를 예측하는데 요구되는 계산에 한정된 시간이 걸린다는 것이다. 머신이 쵸핑 모드에 있을 때 상업적으로 이용 가능한 마이크로프로세서 및 디지털 신호 프로세서에 의하면 이 시간은 일반적으로 위상 주기에 비해 짧다. 그러나, 머신의 속도가 증가할수록, 즉 동작 모드가 단일 펄스 모드로 전환됨에 따라 위상 주기는 짧아지며, 결국 계산이 연속하는 머신의 정정 동작을 위한 시간으로 더이상 수행될 수 없는 속도가 된다. 이러한 어려움은 "A self-tuning controller for switched reluctance machins" by Russa et al, PESC98, 29th Annual IEEE Power Electroincs Specialists Conference, Fukuoka, Japan, 17-22 May 1988, Vol, pp 1269-1275에서와 같이, 많은 연구자들에 의해 널리 알려져 있다.

본 발명의 목적은 고속으로 동작할 수 있는 스위치드 자기 저항의 구동을 위한 신뢰성 있고 경제적인 무센서 위치 검출 방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 일반적으로 모터 또는 제너레이터로서 동작하는 스위치드 자기 저항 머신에 적용할 수 있다.

도 1은 스위치드 자기 저항 구동 시스템의 주요 구성을 나타내는 도면이다.

도 2는 고정자극에 근접하는 회전자극을 나타내는 개략도이다.

도 3은 도 1의 머신의 위상 권선의 활성화를 제어하는 파워 컨버터의 종래의 스위칭 회로를 나타내는 도면이다.

도 4a 및 도 4b는 쵸핑 모드 및 단일 펄스 모드 각각에서 스위치드 자기 저항 구동 동작의 종래의 전류 파형을 나타내는 도면이다.

도 5는 단일 펄스 모드에서 본 발명에 따라 동작되는 머신에 대한 이상적인 인덕턴스 프로파일 및 가능한 기준 각위치를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명을 구현한 스위치드 자기 저항 드라이브의 개략적인 블록도이다.

도 7은 본 발명에 따라 단일 펄스 모드에서 넓은 범위의 속도 상에서 동작되는 머신의 제어를 나타내는 흐름도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

11 : DC 전원

13 : 파워 컨버터

14 : 컨트롤러

16 : 위상 권선

40 : 응용 주문형 집적 회로

42 : A/D 컨버터

44 : 룩업 테이블

본 발명에 따라, 회전자, 고정자, 복수의 위상 권선 및 회전자 속도를 검출하는 수단을 가지며, 회전자는 각 위상에 대한 자기 특성의 주기적인 변화에 따라 고정자와 관련되어 이동할 수 있는 스위치드 자기 저항 머신용 회전자 위치 검출 방법에 있어서, 상기 자기 특성의 각 주기적인 변화에 대해 상기 고정자와 관련하여 회전자의 기준 위치를 규정하는 단계와, 상기 기준 위치들중 하나에 도달하는 추정 시간에서 머신의 적어도 하나의 특성치를 샘플링하는 단계와, 상기 샘플링된 특성치(들)에 기초하여 회전자 위치를 도출는 단계와, 상기 회전자를 후속 기준 위치 이상으로 진행시키고 상기 적어도 하나의 특성치를 다시 샘플링하여 상기 회전자 위치의 다음 위치 도출을 위한 시간을 추가로 허용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

스위치드 자기 저항 머신은, 머신의 자기 특성이 회전자극 피치로 주기적이라는 원리에 기초하여 작동한다. 자기 특성은 위상 권선의 인덕턴스 또는 권선에 의해 발생되는 자속쇄교수에 대해서 참조로 규정될 수 있다.

본 발명은 하나 이상의 기준 위치를 건너 뛰어, 회전자 위치가 도출되는 순간을 연기하는 옵션을 제공한다. 머신의 속도가 증가하면, 또한 고속에서 처리하기 위한 이용 가능 시간이 증가되어 보상되기 때문에, 소정의 처리 능력 범위는 확장될 수 있다. 본 발명은 필수적으로 속도에 관련되지는 않는다. 기준 위치는 속도를 참조하지 않고 모터의 제어 방식의 일부분으로서 생략될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예는 회전자에 대해 저속 범위와 적어도 제1 고속 범위를 포함하는 속도 범위의 세트를 규정하는 단계와, 회전자 속도를 어떤 속도 범위가 되도록 결정하는 단계와, 회전자 속도가 고속 범위에 진입하면, 상기 회전자를 다음의 기준 위치를 초과하여 진행시키는 단계를 포함한다.

진행값은 바람직하게 기준 위치의 정수이다.

속도 범위는 제1 고속 범위를 포함할 수 있고, 이 제1 고속 범위에 따라 다음의 기준 위치의 진행값은 하나의 위상 인덕턴스 주기의 분수이다. 예컨대, 분수는 1/n(n은 위상수가 될 수 있다)이다.

속도 범위는 또한, 제2 고속 범위를 포함할 수 있으며, 이 제2 고속 범위에 따라 다음의 기준 위치의 진행값은 하나 이상의 위상 인덕턴스 주기가 된다.

회전자 속도는 샘플링된 특성치(들)를 참조하여 도출되거나, 또는 이 특성치에 독립적일 수 있다.

본 발명은 또한, 복수의 위상 권선을 갖는 고정자, 고정자와 관련되어 이동 가능한 회전자, 회전자 속도를 결정하는 수단, 머신의 각 위상의 자기 특성의 각 주기적 변화에 대해 고정자와 관련된 회전자의 기준 위치로 프로그램되고, 머신의 적어도 하나의 샘플링된 특성치로부터 회전자 위치를 도출하는 수단을 갖는 컨트롤러와, 기준 위치들중 하나에 도달하는 추정 시간에서 머신의 적어도 하나의 특성치를 샘플링하는 샘플링 수단을 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 회전자를 후속 기준 위치 이상으로 진행시킨 이후에, 샘플링 수단이 상기 회전자 위치의 다음 위치 도출을 위한 시간을 추가로 허용하도록 동작하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 단일 펄스 모드에서 동작될 때 고정자, 회전자 및 복수의 위상 권선을 포함하는 스위치드 자기 저항 머신의 회전자 위치를 결정하는 방법에 있어서, 상기 머신의 자기 특성의 각 주기적 변화에 대해 고정자와 관련되어 회전자의 기준 위치를 규정하는 단계와, 매 n(n 〉2)번째 기준 위치에 도달하는 추정 시간에서 머신의 적어도 하나의 특성치를 샘플링하는 단계와, 상기 샘플링된 특성치로부터 회전자 위치를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, n은 가변수이다. n은 바람직하게도 회전자의 속도에 따라 변화가능하여, 기준 위치의 선택에 따라 회전자의 속도에 따라 데이터의 처리 시간이 허용된다.

본 발명은 다수의 방식으로 실행될 수 있으며, 그 일부를 실시예로서 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.

도 6은 본 발명이 통합된 스위치드 자기 저항 구동 시스템의 개략적인 회로도를 도시한다. 이 회로는 도 1을 참조하여 동일 부호는 동일한 부분에 참조된다. 도 1과 공통인 구성 요소에 대해서는 반복적으로 설명하지 않지만, 이 회로는 도 1의 회전자 위치 트랜스듀서(15)가 없기 때문에 무센서 타입의 회전자 위치 검출 회로이다.

컨트롤러(14')는 룩업 테이블(42) 및 A/D 컨버터(44)에 동작 가능하게 연결된 마이크로프로세서를 포함하는 응용 주문형 집적 회로(ASIC)(40)를 구비한다. A/D 컨버터는 전류 트랜스듀서(18) 및 전압 감지 디바이스(46)로부터 수신된 신호를 멀티플렉스하며, 전압 감지 디바이스(46)는 위상 권선(16)중 하나에 걸린 전압을 모니터하도록 배치되어 있다. 분리된 A/D 컨버터는 각 위상에 대해 이들 입력을 조정하는데 사용될 수 있음은 명백하다.

이 실시예에서, 본 발명의 방법은 스위치드 자기 저항 머신의 무센서 작동의 기술 예컨대, 유럽 특허 EP-A-0573198에서 레이(Ray)에 의해 개시된 단일 펄스 모드를 통합하고 있다. 이 특허에 개시되어 있는 자속쇄교수 및 전류에 대해 사용되는 측정 방법은 본 발명에 적합하다. 그러나, 다른 적절한 방법이 채용될 수 있는데, 예컨대 전류는 저가의 구동 시스템에 일반적으로 사용되는 비분리(non-isolated) 수단에 의해 측정될 수 있으며, 또는 자속쇄교수 측정은 다른 분석적 또는 계산적 기술에 의해 얻어질 수 있다. 본 발명이 레이에 의한 특허와 상이한 무센서 기술에 동일하게 적용될 수 있음은 명백하다. 본 발명은 소정의 무센서 기술에 의해 속도가 더 잘 제어될 수 있도록 하며, 다른 경우에는 속도에 대한 제한은 컨트롤러의 데이터를 처리하는 속도에 의해 결정될 수도 있다.

극위상 머신에서, 위상 인덕턴스 주기는 중첩하기 때문에, 단일 펄스 모드에서 데이터는 각 위상의 인덕턴스 주기마다 정규적으로 수집된다. 따라서, 소정의 인덕턴스 주기에 대해 각 위상은 차례로 식별(interrogating)된다. 각도 기준점은 소정되고, 전류 및 자속쇄교수는 회전자가 이 기준점에 있을 때 측정된다. 측정 자속쇄교수와 예측 자속쇄교수 사이의 에러는 위치 에러를 도출하는데 사용되고, 그에 따라 도출된 추정 위치가 구해진다. 이 추정 위치는 속도 및/또는 가속도의 계산에 대한 기초로서 사용될 수 있다. 도 5에는 이러한 추정 위치가 개략적으로 도시하고 있는데, 여기에서 LA, LB 및 LC는 3상 머신의 이상적인 인덕턴스 프로파일을 나타내며, Ref A, Ref B 및 Ref C는 작동을 모니터하는 3개의 위상에 대한 기준각을 나타낸다. 머신의 자기 특성치의 대칭성을 개발함으로써 동작을 모니터하고 발생시킬 수 으며, 그에 따라 단지 인덕턴스 프로파일의 절반에 대응하는 데이터만이 저장되도록 요구된다. 별법으로 데이터는 양 모드에 대해 완전하게 저장될 수 있다.

단일 펄스 방법은 도 7을 참조하여 더 상세히 설명되며, 도 7은 본 발명의 방법을 마이크로프로세서에 기초하여 구현하는데 사용될 수 있는 단계의 흐름도를 나타내고 있다. 이 특정 구현은 저가의 마이크로프로세서를 이용하지만, 당업자는 이 방법이 약각 복잡한 단계로 구현되어 동일한 효과를 산출하거나 또는 디지털 프로세서 등과 같은 다른 제어 디바이스로 구현될 수 있음을 이해한다. 또한, 이 방법을 구현하는 동일 아날로그 회로가 또한 이용될 수 있다. 단계 51에서 제어 시스템이 회전자가 소정의 기준각에 있는 것으로 예측됨을 나타내는 인터럽트가 수신될 때까지 대기한다. 단계 52는 회전자가 기준각에 있는 것으로 고려되는 순간에 자속쇄교수 및 전류를 샘플링하고 이하 수학식 1에서 사용되는 이들 값들을 저장한다. 자속쇄교수 Ψ_m은 위상 권선에 인가되는 기전력(emf)을 적분함으로써 적절하게 추정될 수 있다.

여기에서 V는 디바이스에서 전압 강하되지 않은 공급 전압이고, i는 순간 위상 전류이며, R은 위상 저항이다. 별법으로, 이 자속쇄교수는 dc 링크 전압을 적분하고 공지의 스위치 상태를 이용하여 저분기를 제어함으로써 추정될 수 있다. 전류는 공지된 타입의 분리된 전류 트랜스듀서에 의해 또는 회로 소자(예컨대, 저항기, 스위칭 디바이스 등)에서의 전압 강하를 측정함으로써 측정될 수 있다. 이 값은 A/D 컨버터(44)에 의해 디지털 워드로 변환되고, 레지스터에 저장된다.

단계 53은 측정된 전류값을 이용하여 기준각에서 자속쇄교수 Ψ_ref의 예측된 값 및 자속쇄교수에 대한 각도의 기울기 dθ/dψ를 찾는다. 적절한 값은 하나 이상의 룩업 테이블에 존재하며, 통상적인 방식으로 독출된다. 단계 54는 판독이 행해진 시간에서의 각도와 기준 위치 사이의 각 에러 Δθ를 계산한다.

이 각 에러는 단계 55에서 회전자 각의 실제값을 계산하는데 사용될 수 있다.

여기에서, 양의 부호(+)는 동작을 모니터하는 경우 취해지며, 음의 부호(-)는 동작을 발생시키는 경우 취해진다.

무센서 위치 검출 시스템은 일반적으로 파워 스위칭 디바이스에 인접하여 전기 잡음이 있는 환경에서 동작하여야 하며, 이는 종종 자속쇄교수 및 전류의 측정을 방해하여 정확하지 않은 위치 데이터가 계산된다. 시스템의 신뢰성을 개선하기 위해, 계산된 위치 데이터의 타당성을 검사하는 방법이 개발되어 왔다. 이 기술은 단계 56에서 수행된다. 새로운 위치가 계산될 때마다 위치값, 시간 및 속도는 저장될 수 있다. 최종 n 저장된 값을 이용하여, 예측된 위치는 새로 계산된 위치와의 비교를 위해 외삽될 수 있다. 새로 계산된 값과 예측된 값이 소정의 범위내에서 일치하지 않는다면, 에러 카운트는 인크리먼트되고, 예측된 값이 계산된 값 대신에 사용된다. 상기 새로 계산된 값과 예측된 값이 일치하면, 기존의 에러 카운트는 디크리먼트되며 계산된 값이 사용된다. 따라서, 측정의 연속적인 주기 상에서, 위치 데이터가 신뢰성이 있게 된다. 만일 에러 카운트가 예컨대, 5번의 연속적인 계산이 일치하지 않음을 나타내는 어떤값을 초과한다면, 제어 시스템은 회전자의 실제 위치와의 동기성을 상실하였고 더 나쁜 상태가 되기 전에 머신의 여자를 중단하는 것을 결정할 수 있다. 이 값의 저장 및 외삽은 임의의 적절한 수단, 통상적으로는 메모리 위치에의 디지털 저장에 의해 달성될 수 있다. n=8을 이용함으로써, 시스템 안정성과 저장 필요성이 적절하게 균형을 이룬다. 다른 실시예에서, 8개의 저장된 값은 위치에 대해 사용되고, 64개의 저장된 값은 속도에 대해 사용된다.

단계 57은 다른 기준 위치 즉, 일련의 다음 측정이 행해지는 위치를 결정한다. 종래 기술에 따라, 허용 가능한 정확도에 대해 회전자의 각위치를 결정하고 시간, 위치 및 속도의 히스토리로부터 획득하며, 이어서 단계 58은 다음 위상에서 다음 기준 위치가 도달되는 시간을 계산한다. 이 시간은 저장되고 컨트롤러는 단계 51로 되돌아가, 저장된 시간이 경과하고 다음 기준 위치에서 측정이 행해질 때까지 대기한다.

이하의 종래 루틴에 의해, 연속적인 측정이 인접한 기준점에서 행해짐을 알 수 있다. 예컨대, 도 5를 참조하면, 측정이 회전자각 Ref A에서 위상 A에 대해 완료되면, 도 7의 단계 57은 다른 기준 위치로서 Ref B를 설정한다. 자속쇄교수 및 전류 측정은 위치 에러가 작은 기준각에 충분히 인접하여 행해져야 하며, 그렇지 않으면 시스템은 불안정하게 되고 제어를 상실한다.

계산은 한정 시간이 소요되기 때문에, 이 방법을 이용하면 동작 속도에 대한 제한이 분명하게 존재한다. 예컨대, 12개의 고정자극 및 8개의 회전자극을 구비한 3상 머신에 있어서, 회전자의 1회전에 8개의 위상 인덕턴스 주기가 있다. 예컨대, 가정내 장치 또는 자동차의 응용 장치에 적합한 통상적인 저가 마이크로프로세서를 이용하면, 계산의 주기적 시간은 대략 0.3 msec가 되고 0.9 msec의 위상당 주기 시간에 대응한다. 4000 rev/min의 속도에서, 위상 인덕턴스 간격은 1.88msec가 되게 된다. 안정적인 실행을 위해, 이들 2개의 주기 시간 사이에 상당한 차이가 요구된다. 통상적으로 3000∼3500 rev/min의 속도 제한이 오동작을 방지하도록 부과되어 진다. 전술한 바와 같이, 이는 이러한 무센서 위치 검출 시스템의 동작을 제한하게 된다. 적은 수의 회전자극(그에 따라 길이가 긴 위상 인덕턴스 간격)을 구비한 머신에 대한 속도 제한이 확대될 수 있더라도, 이 해결책은 머신 사양의 다른 부분이 다수의 극을 필요로 하기 때문에 이용 가능하지 않다. 다른 해결책으로서 고속 프로세서를 사용할 수 있지만, 이것은 컨트롤러의 비용을 상승시킨다.

본 발명은 회전자 상의 복수의 회전자극에 관계 없이 고속으로 동작이 이루어지도록 한다. 단계 57이 완료된 이후, 속도는 단계 50에서 테스트되어 몇 개의 소정 범위중 어느 범위가 적합한지를 결정한다. 이는 프로세서에서 단계 56에서 결정된 속도값과 다양한 적정 속도 범위를 비교함으로써 이루어진다. 이 실시예에서, 머신은 3상이고, 회전자는 8개의 극을 가지며, 3개의 속도 범위가 선택되었다. 이들 범위는 3500 rev/min 이상인 범위, 3500∼7000 rev/min 범위 및 7000 rev/min 이하인 범위가 될 수 있다. 위상 및 극의 갯수가 상이한 다른 장치에 대해서는 다른 범위가 선택된다. 통합될 수 있는 다른 범위의 갯수에 대해서는 이론적으로 제한은 없다. 또한, 단계 59로 어떤 히스테리시스 효과를 통합시키고, 그에 따라 범위가 실질적으로 중첩하여 속도 범위 간의 경계 부근에서 임의의 속도 변동을 극복하는 방식도 적절하다는 것이 판명되었다.

속도가 범위 1이 되도록 단계 59에 의해 결정되어지면, 제어는 그에 따라 Ref A 이후의 다음 기준 위치가 ref B가 되는 등의 진행 전에, 중간 단계 없이 바로 단계 58로 진행한다. 속도가 다음의 높은 범위가 되도록 결정되면, 제어는 단계 60으로 진행하여, 기준 위치에 대해 1/3 주기를 부가한다. 도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 이는 새로운 기준 위치를 위상 C 상의 기준 위치 Ref C로 이동시킨다. 이는 유효하게도, 새로운 위치를 계산하는데 걸리는 이용 가능한 시간을 2배로 증가시키며, 소정의 처리 속도에 대한 속도 제한을 2배로 확장시킨다. 각 기준 위치에 부과된 추가의 1/3 위상각에 의해, 연속적인 주기에 있어서, 기준 위치가 위상 A, 위상 C, 위상 B, 위상 A ..., 즉 매 2번째 위상에 있는 반면, 머신 속도는 범위 2에 유지됨을 알 수 있다. 위상이 식별을 위해 모두 사용되더라도, 식별을 위한 시퀀스 및 횟수는 위상의 여자의 시퀀스 및 횟수와는 다르다.

만일, 속도가 여전히 높고, 범위 3이 되도록 결정되면, 단계 61이 행해지고 기준 위치가 하나의 완전한 주기에 의해 즉, 도 5의 Ref B 대신 Ref B₂로 증가된다. 이는 스위프된 회전자각 및 그에 따른 계산 시간을 4회 허용하는 기준 위치로 이동하게 되는 효과가 있다. 이것에 의해 4배 만큼 제한 속도가 확장된다. 이 동작 모드에서, 기준점의 시퀀스는 위상 A, 위상 B, 위상 C ...이지만, 횟수는 원래의 1/4이다. 그러나, 모든 위상은 위상 여자의 순서로 식별을 위해 사용된다.

단계 60 및 단계 61에서 기준점에 대해 다른 양이 부가될 수 있다. 이 양은 이하 설명하는 바와 같이, 해당 머신에 대한 특성 데이터에 좌우된다.

룩업 테이블(42)에 저장된 특성 데이터가 머신에서 예측된 평균값을 말한다면, 각 위상을 차례로 식별하는데 적합하다. 예컨대, 2개의 완전한 주기를 부가함으로써, 인수 7이 속도 제한에 인가될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예는 n위상 머신(n은 0이 아닌 양의 정수임)에 대해 1/n 주기 또는 전체 주기를 부가하며, 결과적으로 모든 위상은 식별을 위해 차례로 사용되게 되고, 그에 따라 위상과, 확실한 위치에 대한 소정의 재평가 사이의 파라미터 변동의 영향이 평균화된다.

저장된 특성 데이터가 머신에 대한 특정 위상만을 말하는 경우, 이 특정 위상에 대해서만 식별하는 것이 적절하다. 이 경우, 전체 주기만이 기준점에 부가되어 진다.

일반적으로 생략된 기준 위치의 갯수에 대한 방정식은 수학식 4로 표시된다.

여기에서 n은 머신의 위상수, m은 n보다 작은 양의 정수, C는 인덕턴스의 전체 주기를 나타내는 정수 ≥0 이다.

예컨대,

m=1 C=0 n=3 1개의 위치를 생략, 예컨대 A에서 C로 건너뜀.

m=2 C=0 n=3 2개의 위치를 생략, 예컨대 A에서 A로 건너뜀.

m=0 C=1 n=3 3개의 위치를 생략, 예컨대 A에서 B₂로 건너뜀.

따라서, 본 발명은 제어 방식 및 위상수의 전체 범위에 대해 일반적으로 이용 가능함이 명백하다.

본 발명의 전술한 실시예는 각 위상 유도 주기에 고정된 기준점을 이용하여, 회전자 위치는 동일한 각도 기준을 참조하여 결정되었고, 위상은 필수적으로 인접한 위상일 필요는 없다. 그러나, 동일한 위상에 하나 이상의 기준 위치를 설정하여, 회전자 위치를 결정하는데 이용되는 기준 위치의 선택을 세분화할 수 있다.

전술한 실시예가 3상 머신과 관련하여 설명되었어도, 본 발명은 어떠한 위상수를 갖는 극위상 스위치드 자기 저항 머신에도 적용될 수 있음이 이해된다. 유사하게, 본 발명은 이동부(종종 '회전자'라고 함)가 선형적으로 움직이는 선형 머신에 적용될 수 있다. 그에 따라, 당업자는 첨부된 실시예의 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 만들어질 수 있다는 것을 이해한다. 따라서, 몇 개의 실시예에 대한 상기 설명은 예시를 위해 만들어 졌으며, 본 발명을 한정하지 않는다. 본 발명은 첨부된 특허청구의 범위에 나타난 사상 및 그 범위에 의해서만 한정되도록 의도된다.

본 발명은 고속으로 동작할 수 있는 스위치드 자기 저항의 구동을 위한 신뢰성 있고 경제적인 무센서 위치 검출 방법을 제공하며, 일반적으로 모터 또는 제너레이터로서 동작하는 스위치드 자기 저항 머신에 적용할 수 있다.

Claims

회전자, 고정자, 복수의 위상 권선을 가지며, 상기 회전자는 각 위상에 대한 자기 특성의 주기적인 변화에 따라 고정자와 관련되어 이동할 수 있는 스위치드 자기 저항 머신용 회전자 위치 검출 방법에 있어서,

상기 자기 특성의 각 주기적인 변화에 대해 상기 고정자와 관련하여 회전자의 기준 위치를 규정하는 단계와;

상기 기준 위치들 중 하나에 도달하는 시간의 추정으로 머신의 적어도 하나의 특성치를 샘플링하는 단계와;

상기 샘플링된 특성치(들)에 기초하여 회전자 위치를 도출하는 단계와;

상기 회전자를 후속 기준 위치 이상으로 진행시키고 상기 적어도 하나의 특성치를 다시 샘플링하여 상기 회전자 위치의 다음 위치 도출을 위한 시간을 추가로 허용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 검출 방법.
제1항에 있어서, 상기 진행값은 기준 위치의 정수인 것인 회전자 위치 검출 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 회전자에 대해 저속 범위와 적어도 제1 고속 범위를 포함하는 속도 범위의 세트를 규정하는 단계와,

상기 회전자 속도를 어떤 속도 범위가 되도록 결정하는 단계와,

회전자 속도가 저속 범위를 벗어나면, 상기 회전자를 다음의 기준 위치를 초과하여 진행시키는 단계를 더 포함하는 것인 회전자 위치 검출 방법.
제3항에 있어서, 상기 다음의 기중 위치를 초과하는 진행값은 하나의 위상 인덕턴스 주기의 분수인 것인 회전자 위치 검출 방법.
제4항에 있어서, 상기 분수는 m/n(n은 위상수이고, m은 n보다 작은 정수임)인 것인 회전자 위치 검출 방법.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 속도 범위의 세트는 제2 고속 범위를 포함하고, 상기 다음의 기준 위치를 초과하는 진행값은 1 이상의 위상 인덕턴스 주기인 것인 회전자 위치 검출 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플링된 특성치는 대응하는 위상 권선에서의 위상 전류 및 자속쇄교수를 나타내는 신호를 제공하는데 이용되는 것인 회전자 위치 검출 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플링된 특성치는 대응하는 권선에 인가되는 위상 전류 및 전압인 것인 회전자 위치 검출 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플링된 특성치(들)로부터 회전자 속도를 검출하는 단계를 더 포함하는 것인 회전자 위치 검출 방법.
복수의 위상 권선을 갖는 고정자와;

고정자와 관련되어 이동 가능한 회전자와;

머신의 각 위상의 자기 특성의 각 주기적 변화에 대해 고정자와 관련된 회전자의 기준 위치로 프로그램되고, 머신의 적어도 하나의 샘플링된 특성치로부터 회전자 위치를 도출하는 수단을 갖는 컨트롤러와;

상기 기준 위치들중 하나에 도달하는 시간의 추정으로 머신의 적어도 하나의 특성치를 샘플링하는 샘플링 수단을 포함하고,

상기 컨트롤러는 상기 회전자를 후속 기준 위치 이상으로 진행시킨 이후에, 상기 샘플링 수단이 상기 회전자 위치의 다음 위치 도출을 위한 시간을 허용하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 스위치드 자기 저항 구동 시스템.
제10항에 있어서, 상기 회전자 속도를 저속 범위와 적어도 제1 고속 범위를 포함하는 속도 범위가 되도록 결정하는 수단을 더 포함하고,

상기 컨트롤러는 상기 회전자 속도가 저속 범위를 벗어나면, 상기 회전자를 다음의 기준 위치를 초과하여 진행하도록 동작하는 것인 스위치드 자기 저항 구동 시스템.
제11항에 있어서, 상기 결정 수단은 상기 결정된 회전자 속도를 제1 고속 범위로 할당하도록 동작하고, 상기 컨트롤러는 상기 회전자를 상기 위상 인덕턴스 주기의 분수만큼 다음의 기준 위치를 초과하여 진행하도록 동작하는 것인 스위치드 자기 저항 구동 시스템.
제12항에 있어서, 상기 분수는 m/n(n은 위상수이고, m은 n보다 작은 정수임)인 것인 스위치드 자기 저항 구동 시스템.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 결정 수단은 상기 결정된 회전자 속도를 제2 고속 범위로 할당하도록 동작하고, 상기 컨트롤러는 상기 회전자를 하나 이상의 위상 인덕턴스 주기만큼 상기 다음 기준 위치를 초과하여 진행하도록 동작하는 것인 스위치드 자기 저항 구동 시스템.
제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플링된 특성치로부터 상기 회전자 속도를 도출하는 수단을 더 포함하는 것인 스위치드 자기 저항 구동 시스템.
단일 펄스 모드에서 동작될 때, 고정자, 회전자 및 복수의 위상 권선을 포함하는 스위치드 자기 저항 머신의 회전자 위치를 결정하는 방법에 있어서,

상기 머신의 자기 특성의 각 주기적 변화에 대해 고정자와 관련되어 회전자의 기준 위치를 규정하는 단계와;

매 n(n 〉2)번째 기준 위치에 도달하는 시간의 추정으로 머신의 적어도 하나의 특성치를 샘플링하는 단계와;

상기 샘플링된 특성치로부터 회전자 위치를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 결정 방법.
제16항에 있어서, 상기 n은 가변수인 것인 회전자 위치 결정 방법.
제17항에 있어서, 상기 n값은 상기 고정자와 관련된 회전자의 속도에 따라 결정되는 것인 회전자 위치 결정 방법.
제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플링된 특성치는 대응하는 위상 권선의 위상 전류 및 자속쇄교수를 나타내는 신호를 제공하는데 이용되는 것인 회전자 위치 결정 방법.