KR20010079870A - 전기 드라이브 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자 방향 전환기(3)를 갖는 제어 회로를 포함하는 DC 모터(2)를 갖는 전기 드라이브 장치에 관한 것이다. 본발명은, 제어 신호(V_i_ref)가 측정 장치에 의해 검출되는 유도된 모터 전압(E_샘플)과 상기 DC 모터(2)의 속도를 조절하는 참조값(V_i_av)으로부터 유도되며, 상기 유도된 제어 신호(V_i_ref)가 모터 전류들(ia,ib,ic)을 조정하여 실질적으로 일정한 상기 DC 모터(2)의 토크를 성취하도록 작용하는 것을 특징으로한다.

Description

전기 드라이브 장치{Electric drive system with an electronically commuted D.C. motor in order to reduce torque irregularities}

낮은 임피던스의 전자적으로 방향 전환되는, 영구-자기적으로 여기된 작은 DC 모터들, 즉 에어 코어 코일 모터들은 조용한 동작이 상당히 요구되는 조건들을 만족시킨다. 수용 가능한 저장 밀도가 증가하기 때문에, 이 특성은 컴퓨터 드라이버 유닛들에서의 스핀들 드라이버를 위해서 그 중요성이 증가되고 있다. 이들이 간섭 정지 토크(interfering detent torques) 및 방사 하중(radial forces)이 생성되지 않으므로, 에어 코어 모터들은 이러한 응용에서 상당히 안정적이다.

공지된 스핀들 드라이버들은 슬롯형-코어 아이언 전기자 모터들에만 유일하게 적합하다. 예를 들어, US 특허 제 5,714,828 호에 기재된 바와같은 인터널 로터를 갖는 에어 코어 코일 모터들(포일 모터; foil motors)을 갖는 하드디스크 드라이버가 제안되고 있다. 하드디스크 드라이버들을 위한 전자 방향 전환 모터들의 분야에서 새로운 발전은 "위상 전류 형성"이다. 여기서 위상 전류는 예를 들어 사인 곡선과 유사한 위상 전류들의 어떤 기울기를 얻는 대상과 3개의 개별적인 위상들에서 변조된다. 모터 전압은 대게 이 경우에서는 파장 변조(PWM)이며, 그렇지 않을 경우 스위칭 손실이 매우 높아질 수 있기 때문이다. PWM 의무 사이클은 조종 변수로 작용한다. 이 방법은 일반적으로 유도된 전압의 0 통과 인식이 더 어렵기 때문에 PLL-써포트되는 방향 전환 제어가 요구된다. 더욱이, 이러한 위상 전류 형성은 변경없이는 에어 코어 코일 모터들(예를 들어 포일 권선을 갖는)로 융통될 수 없다. 이러한 모터를은 실제로 아이언 전기자 타입에 비해 상당히 적은 전기적 시간 상수(즉, 약 1/10)를 갖고, 대응적으로 PWM의 높은 펄스 주파수를 요구하며, 자신은 부가적인 소모만으로 실현될 수 있다.

EP 0773624는 중간 전류에서만 전류의 변경을 통하여 토큐 리플을 감소하는 또다른 방법을 개시하고 있으며, 양호하게 센서없는 방향 전환(EMF 방향 전환)에 의해 종래의 120도 스퀘어 웨이브 방향 전환을 유지한다. 여기서 모터 전압은, 다소 더욱 평행한 중간 회로 전류를 얻기위해, 그리고 부가적으로 동작 및 인덕턴스에 의해 야기되는 스위칭 후에 토크 글리취(torque glitches)들을 피하기 위해 각각의 방향 전환 동작 후에 상승된다. 이것을 위한 신호는 RC 멤버의 방전 프로세스로부터 얻어진다. 토크 리플은 실제로 이 방법으로 감소될 수 있으나, 단지 어느정도만 가능하다. 왜냐면 전류 및 자속 연결 전하의 산물이 항상 일정해야 한다는 것을 준수해야 하기 때문이다. 그러나, 이것은 전류의 계속적인 적응을 요구한다. 이 방법은 매우 작은 전기 시간 상수를 갖는 모터들에는 매우 적합하지 않다.

본 발명은 DC 모터를 갖는 전기 드라이버 장치에 관한 것이며, 특히 전자 방향 전환기를 포함하는 제어 회로와 함께 영구-자기적으로 여기된 에어 코어 코일 모터(a permanent-magnetically excited air core coil motor)를 갖는 전기 드라이브 장치에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 전기 드라이버 장치의 회로를 도시하는 블록 다이어그램.

도 2 는 블록 4에서의 모터 전류에 대한 참조값 결정 장치를 상세히 도시하는 도면.

도 3a는 블록 6에서 발생하는 신호 처리의 원리를 도시하고, 도 3b는 이 신호 처리를 실질적으로 구현하는 회로의 도면.

도 4a 내지 4h는 모터 제어에서의 다수의 신호 기울기를 나타내는 도면.

본 발명의 목적은 에어 코어 코일을 갖는 영구-자기적으로 여기된 모터들의 방향 전환-의존 토크 파동을 줄이는 것이다.

본 발명에 따라, 제어 신호의 유도는 측정 장치에 의해 검출되는 유도된 모터 전압과 DC 모터의 속도를 균일하게 하는 역할을 하는 참조값으로부터 얻어진다는 점과, 유도된 제어 신호는 모터 전류들(ia,ib,ic)의 조정으로 통해 DC 모터의 실질적으로 일정한 토크를 얻도록 하는 점에서 본원의 목적이 성취된다. 이 모터 제어는 낮은-인덕턴스의 작은 DC 모터들의 방향 전환-의존 토크 리플을 감소한다. 이러한 목적을 위해, 0 통과 검출의 120도 스퀘어 웨이브 방향 전환이 유지되고, 중간 회로 전류만이 변조되어, 단일 위상 전류들의 변조가 생략되고 센서없는 방향 전환(EMF 방향전환)과 같은 종래의 방향 전환 방법이 사용될 수 있다. 이를 위해 필수적인 신호는 유도된 전압으로부터 간단한 방법으로 얻어진다. 회로 비용은 다른 방법들과 비교하여 명확하게 감소한다.

청구항 제 2 항에서 청구하는 실시는 모터 토크가 일정한 모터 전류에 대한 참조값을 간단하게 결정할 수 있도록 한다. 청구항 제 3 항의 실시는 모터 토크가 일정한 모터 전류에 대한 참조값의 결정을 가능하게 하고, 또한 모터 속도가 일정하지 않는 경우에도 참조값의 결정을 가능하게 한다.

청구항 제 4 항의 실시예는 제어 신호를 사용하여 제어 멤버와 경도 제어로 중간 회로 전류의 간단한 조정을 가능하게 한다.

청구항 제 5 항의 실시예에서는 방향 전환기에 속하는 인버터가 제어 유닛에 의해 직접 제어된다는 점에서 제어 멤버가 생략될 수 있다.

지금부터, 도면 부호를 참고로 본 발명이 더욱 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 완전한 드라이버를 도시하며, 이 완전한 드라이버는 인버터(1), DC 모터(2), EMF 방향 전환기(3), 및 참조 신호(reference signal)를 얻기 위한 블록(4) 및 조정 스텝으로 중간 회로 전류에 대한 참조값을 변환하는 블록(5)을 포함한다. EMF 방향 전환기(3)는 스퀘어 웨이브 모드에서 120도 위상 시프트로 동작하고, 또한 0 통과 검출로 동작하며, 약어 EMF(Electro-Motive-Force)는 센서없는 방향 전환을 나타내며, 이것은 개별적인 3개의 위상(Ea,Eb,Ec)의 무전류 상태에서 유도 모터 전압을 측정한다. 그러나, EMF 방향 전환기(3)의 배타적인 사용은 저-인덕턴스 모터(2)의 경우에 토크 리플(torque ripple) 문제를 야기하며, 이 문제로 인하여 새로운 회로를 갖는 블록(4)이 부가된다.

도 2는 참조값을 형성하기 위한 블록(4)의 구성을 상세히 도시한다. 이것의 입력 전기량들은 한편으로 도 4b에 도시된 방향 전환 신호(V_FG)와 도 4a에 도시된 측정된 유도 전압(E_샘플)이며, 여기서 ø는 모터(2)의 전기적 회전각을 나타낸다. 이들 두 전기량들은 EMF 방향 전환기에 의해 공급된다. 또한, 제어 신호(V_i_av)는 제어 회로(도시되지 않음)에 의해 인가되며, 모터(2)의 회전 속도가 세트될 수 있다는 점이 이용된다.

신호(V_i_av)는 높은 순서 속도 제어에서 생성된 타임에서 평균화된 모터 전류 값에 대한 참조값이다. 두 개의 신호들(V_FG 및 E_샘플)은 EMF 방향 전환기(3)에서 활용 가능하며, 어떻든 단지 하나의 새로운 부가적인 블록(4)이 모터(2)의 토크 리플을 최소화하기 위해 필요하다. 순간 모터 전류에 대한 참조값은 도 2에 도시된 바와 같이, 블록(4)에서 얻어지며, 제 1 E_샘플은 각 세컨드 방향 전환 사이클(each second commutation cycle)에서 인버터되고, 그리하여 생성된 신호(E_샘플2)는 적분되며, 이것은 신호(dFlux)로 얻어진다. 신호(E_샘플2)로부터 나타날 수 있는 어떤 DC 성분을 필터링하기 위해, 필터는 도 2에 도시된 바와 같이인버터 스텝과 적분 스텝 사이에 연결될 수 있다. dFlux의 기울기는 도 4d에 도시된다. 그후 신호(dFlux)가 블록(6)으로 전달되며, 이것의 동작은 아래에서 설명될 것이다.

일정한 모터 토크를 성취할 수 있는 모터 전류의 순간값에 대한 참조값(V_i_ref)은 도 3a에 도시된 바와 같은 관계에 의해 신호(dFlux)로부터 얻어질 수 있다. 도 4e의 신호(Flux)는 관계 1+c1*dFlux으로 얻어질 수 있다.

표준화 요소(c1)는 이러한 목적을 위해 설정되며, 신호(Flux)의 최대값 대 최소값의 비율은 정류된 유도 전압의 최대값 대 최소값의 비율과 대응된다. 이상적인 3상 모터의 경우에, 이 비율은 요소 2/√3과 동일하다.

실제에 있어서, 도 3의 관계는 도 3b에 도시된 바와 같이 회로(6)로 매우 간단한 방법으로 대략적으로 평가될 수 있는데, 이것은 설정될 상수 요소(c2)에 의해 증폭된 후 신호(dFlux)가 모터 전류(V_i_av)의 순간 평균값에 대한 참조 신호로부터 감산되어 평가되며, 이 참조 신호는 여기서 상수로 간주될 수 있다. 이것은 모터(2)에 대해 매우 만족스럽게 동작하며, 모터(2)는 예를 들어 일정한 속도에서 동작하는 하드디스크 유닛을 위한 드라이브와 같은 속도의 좁은 범위만을 커버해야하는 것이며, 이것은 일정한 회전 속도로 인해 여기서 참조 신호(V_i_av)가 상수이기 때문이며, 요소(c1)도 동일하다. 그리하여 생성된 신호(V_i_ref)는 도 4g에 도시되다. 요소(c1)는 가변 속도를 갖는 드라이버의 경우에 순간 회전 속도에 반드시 적응되어야 하며, 이것은 속도-의존 신호(V_FG)의 사용으로 산술 유닛에 의해 가능하다.

도 2 및 도 3에 기술된 알고리즘은 아날로그 또는 디지털 신호 처리 유닛에의해 구현될 수 있다.

신호(V_i_ref)는 중간 회로 제어(8)의 전류(i_dc)에 대한 제어 전기량이며, 이것은 제어 멤버(5)로 다음의 제어 동작과 타켓값과 실제값 사이를 비교하여 조정될 수 있다. 예를 들어, 이것은 경도 제어(8) 수단으로 성취될 수 있다. 그후, 중간 회로 전류(i_dc)는 인버터(1)에 의해 3상으로 방향 전환된다.

대안적으로, 제어(8)의 출력은 인버터 트랜지스터들(1)에 대한 접합 조정 동작을 위한 제어 전하량로서 사용될 수 있으며, 이것은 도 1에서 파선으로 표시된다. 이경우에, 공급 전압(v_bat)과 중간 회로 전압(v_dc)들은 동일하다. 그 이유는 제어 멤버(5)가 이 실시예에서는 없기 때문이다. 반면에, 인버터(1)의 제어는 여기서 더욱 복잡한데, 그 이유는 그것이 방향 전환을 수행할 뿐만아니라 토크 리플도 제어해야 하기 때문이며, 이를 위해 전자 회로(7)의 두 프로세스들의 정합이 필요하다. 도 4h는 최소 토크 리플에서의 위상(Ea)에서 모터 전류(ia)를 예시적으로 도시하고 있으며, 다른 모터 전류들은 각각의 120도 위상 쉬프트를 갖는다.

Claims (5)

1. 전자 방향 전환기(3)를 갖는 제어 회로를 포함하는 DC 모터(2)를 갖는 전기 드라이브 장치에 있어서,

   제어 신호(V_i_ref)의 유도가 측정 장치에 의해 검출되는 유도된 모터 전압(E_샘플)과 상기 DC 모터(2)의 속도를 조절하는 역할을 하는 참조값(V_i_av)으로부터 얻어지며,

   상기 유도된 제어 신호(V_i_ref)는 모터 전류들(ia,ib,ic)의 조정을 통해 상기 DC 모터(2)의 실질적으로 일정한 토크를 성취하도록 작용하는, 전기 드라이브 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   방향 전환기(3)의 측정된 유도 전압(E_샘플)의 인버팅은 매 세컨드 방향 전환 사이클 마다 제공되고, 다음으로 적분되고 이로부터 신호(dFlux)가 유도되고, 증폭된 후 참조값(V_i_as)으로부터 후속 감산되어 제어 신호(V_i_ref)가 활용가능하게 되는 전기 드라이브 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   방향 전환기(3)의 측정된 유도 전압(E_샘플)의 인버팅이 매 세컨드 방향 전환 사이클 마다 제공되고, 다음으로 적분되어 이로부터 신호(dFlux)가 유도되고,요소(c1)로 승산되고 1이 합산된 후, 참조값(V_i_av)을 제산하는 신호(Flux)가 생성되는 것과, 상기 제산의 결과인 제어 신호(V_i_ref)가 활용된다는 것과, 상기 요소(c1)가 산술 유닛에 의해 인가되어 신호(Flux)의 최소값 대 최대값의 비율이 정류된 유도 전압(E_샘플)의 최소값 대 최대값의 비율에 대응하는 것을 특징으로하는 전기 드라이브 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 유도된 제어 신호(V_i_ref)는 제어기(8)을 트리거하기 위해 제공되며, 상기 제어기는 제어 멤버(5)로 중간 회로 전류(i_dc)를 제어하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 전기 드라이브 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 유도된 제어 신호(V_i_ref)는 제어기(8)을 트리거하기 위해 제공되며, 상기 제어기는 방향 전환기(3)에 속하는 인버터(1)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전기 드라이브 장치.