KR20030074723A - 스테이터 철 포화 탐지에 의한 동기 엘리베이터기용 절대위치 감지 방법 및 장치 - Google Patents

스테이터 철 포화 탐지에 의한 동기 엘리베이터기용 절대위치 감지 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

동기 모터 엘리베이터기에서 스테이터에 대한 로터의 위치를 판단하는 방법 및 장치가 제공된다. 상기 방법은 설정 단일 주파수 및 설정 초기 위상각을 갖는 교류 전류를 스테이터의 스테이터 코일에 주입하는 단계와 주입 전류 및 합성 전압을 주파수의 주기 당 소정 횟수로 샘플링하는 단계를 포함한다. 이어서, 상기 방법은 DFT를 사용해 샘플링된 전압 및 전류로부터 스테이터 인덕턴스를 계산한다. 360도 주기 당 소정 횟수로 초기 위상각을 증가시키고, 각각의 증가된 위상각으로 주입, 샘플링 및 계산하는 것을 반복함으로서, 알고리즘은 계산된 스테이터 인덕턴스의 설정값을 제공한다. 그 후, 스테이터에 대한 d축의 위치는 계산된 스테이터 인덕턴스의 최소값으로부터 판단된다.

Description

스테이터 철 포화 탐지에 의한 동기 엘리베이터기용 절대 위치 감지 방법 및 장치 {ABSOLUTE POSITION SENSING METHOD AND APPARATUS FOR SYNCHRONOUS ELEVATOR MACHINES BY DETECTION STATOR IRON SATURATION}
엘리베이터 시스템용 영구자석 동기기는 주어진 효율을 위해 요구되는 크기면에서 종래의 유도 엘리베이터기보다 이점을 제공한다. 그러나, 동기 모터 엘리베이터기를 사용하는 엘리베이터 시스템은 최대 토크를 이룰 수 있도록 스테이터 극(pole) 권선에 대해 절대 각 로터 위치, 즉 로터 자기 플럭스 d축 위치 및 방향을 탐지할 수 있어야 한다.
로터 위치가 전원 장애와 같은 상황으로 인해 유실될 경우, 이는 특히 중요하다. 엘리베이터가 전력손실을 경험할 경우, 엘리베이터 브레이크는 엘리베이터 카를 정위치로 유지하기 위해 결합된다. 전력이 재설정될 때, 엘리베이터기에 대한 토크는 기계 브레이크가 불균형한 하중 조건 하에서 엘리베이터 카의 조절된 작동을 보장하도록 들리는 경우에 이용 가능하고 조절되어야 한다.
하나의 인덱스 펄스(index pulse)를 갖는 증가된 암호기는 종래 기술의 엘리베이터기에서 절대 로터 위치를 설정하기 위해 사용되었다. 그러나, 이는 전력손실 후 인덱스 펄스를 위치시키기 위해 엘리베이터기의 한번의 전체 회전 이상을 요구할 수 있다. 대형 엘리베이터 시스템에서, 엘리베이터기의 일회전은 엘리베이터 카의 거의 1미터의 하강을 가져올 수 있다.
영구자석 동기 모터의 로터 위치를 탐지하기 위해 스테이터 철의 포화 효과를 사용하는 기술은 1997년 10월 5내지 9일(기사), 루이지애나, 뉴올리언스, IEEE-산업 응용 모임 연례 회의(IEEE-Industry Applications Society Annual Meeting)의 회의록에 발표된 "비돌극 영구자석 동기기의 초기 로터 각 탐지(Initial Rotor Detection Of A Non-Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Machine)"라는 표제의 기사에 개시된다. 기사는 적절한 크기 및 폭의 넓은 주파수대 전압 펄스가 스테이터의 각각의 상 권선에 인가되는 방법을 설명한다. 그 후, 스테이터 피크(peak) 전류의 단일 샘플은 각각의 권선에 대해 시간 영역에서 측정되고 인덕턴스를 계산하는데 사용된다. 인덕턴스는 스테이터 철의 부분 포화 및 로터 자석의 위치로 인한 플럭스에 의해 변할 수 있기 때문에, 알고리즘은 N극과 S극을 식별하고, 이어서 로터의 절대 위치를 식별할 수 있다.
그러나, 이러한 기술은 결과의 반복 가능성을 제한하는 엘리베이터 시스템과 같은 시끄러운 환경에서 고유의 샘플링 문제점을 갖는다. 이는 발생된 전압 펄스가 본래 넓은 주파수대로 구성되기 때문이다. 그러므로, 예를 들어 엘리베이터의 교류 가변 주파수 드라이브의 트랜지스터의 스위칭률과 같은 전압 펄스의 주파수대에서의 소정의 노이즈나, 그로 인한 소정의 고조파는 판독의 정확도에 영향을 미친다. 또한, 이러한 기술에서 로터의 위치는 단일 인덕턴스 측정으로부터 계산된다. 그러므로, 노이즈로 인한 하나의 불량한 샘플은 인덕턴스 계산에 극적인 영향을 줄 수 있다. 기대 곡선은 매끈한 사인 곡선(sinusoids)이어야 하기 때문에, 기사의 도6에 도시된 실험적 결과의 불규칙한 곡선은 인덕턴스 측정의 고유 오차를 증명한다.
또한, 이러한 기술을 사용해 적절한 신호대잡음비를 얻기 위해, 예를 들어 모터의 정격 전류치에서 또는 그 부근의 현저히 큰 크기의 전압 펄스 및 피크 전류가 요구된다. 이는 바람직하지 않은 양의 토크를 제동 시스템에 부과한다. 토크를 상쇄하기 위해, 하나의 상의 전압 펄스에 대해 대향으로 즉시 이어지는 전압 펄스가 인가되어 상전류를 영(zero)으로 복귀하게 한다. 이는 자유 회전 전류를 영으로 조종하고 모터에 인가되는 시간 토크를 최소화하도록 돕는다.
그러므로, 동기 모터의 스테이터 권선에 대한 절대 각 로터 위치를 탐지하는 개선된 방법이 필요하다.
본 발명은 일반적으로 모터용 각 위치설정 방법 및 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 스테이터 철 포화 탐지에 의해 정지 상태에서 동기 모터 엘리베이터기의 절대 각 위치를 계산하는 기술 및 장치에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 동기 모터 엘리베이터기를 갖는 엘리베이터 시스템의 개략 사시도이다.
도2는 상A 스테이터 권선에 정렬되어 고정되고 연결된 양의 d축을 따라 자기 플럭스를 갖는 도1의 동기 모터의 개략도이다.
도3은 상A 스테이터 권선에 정렬되어 고정되고 연결된 q축을 따라 자기 플럭스를 갖는 도1의 동기 모터의 개략도이다.
도4는 상A 스테이터 권선에 정렬되어 고정되고 연결된 음의 d축을 따라 자기 플럭스를 갖는 도1의 동기 모터의 개략도이다.
도5는 본 발명에 따른 스테이터 권선에 인가된 직류 오프셋되지 않은 전류를 갖는 로터의 전기 위상각의 함수로서 스테이터 인덕턴스의 변화의 플롯(plot)이다.
도6은 본 발명에 따른 스테이터 권선에 인가된 직류 오프셋 전류를 갖는 로터의 전기 위상각의 함수로서 스테이터 인덕턴스의 변화의 플롯이다.
도7은 본 발명에 따른 스테이터에 대한 절대 각 로터 위치(로터 d축)를 판단하기 위한 알고리즘의 흐름도이다.
도8은 본 발명에 따른 로터 철에 삽입된 자석을 갖는 동기 모터의 다른 실시예의 개략도이다.
도9는 본 발명에 따른 d축 보다는 q축에 중심 설정된 자석을 갖는 동기 모터의 다른 실시예의 개략도이다.
도10은 본 발명에 따른 돌극 전기 권선형 로터를 갖는 동기 모터의 다른 실시예의 개략도이다.
본 발명은 전력손실 후 동기 모터 엘리베이터기의 절대 각 위치를 판단하는 방법을 제공함으로서 종래 기술에 대한 이점 및 대안을 제공한다. 설정 주파수에서 적절한 교류 전류는 스테이터 인덕턴스를 판단하기 위해 모터의 스테이터 권선에 주입된다. 영구자석에 의해 생긴 자기 플럭스로 인한 스테이터 후방 철의 포화는 알고리즘이 로터 자기 플럭스 d축의 위치 및 방향과, 이어서 동기 모터의 스테이터에 대한 로터의 절대 위치를 판단할 수 있게 한다. 스테이터 인덕턴스를 계산하기 위해 푸리에 해석을 사용함으로서, 이러한 방법은 엘리베이터 시스템과 같은 시끄러운 환경에서 종종 발생되는 반복적이고 임의적인 노이즈에 대한 고도의 면역성을 갖는다. 또한, 상기 방법의 높은 신호대잡음비는 주입된 전류가 모터의 정격 전류에 비해서 상대적으로 작도록 허용해서, 엘리베이터의 제동 시스템에 최소한으로 적은 토크를 부과한다.
이러한 이점 및 다른 이점은 본 발명의 대표적인 실시예에서 동기 모터의 스테이터에 대한 로터의 위치를 판단하는 방법을 제공함으로서 이루어진다. 상기 방법은 설정 단일 주파수 및 설정 초기 위상각을 갖는 교류 전류를 스테이터의 스테이터 코일에 주입하는 단계와, 주파수의 주기 당 소정 횟수로 주입 전류 및 합성 전압을 샘플링하는 단계를 포함한다. 이어서, 상기 방법은 이산 푸리에 변환(DFT)을 사용해 샘플링된 전압 및 전류로부터 스테이터 인덕턴스를 계산한다. 360도 주기에 걸쳐 소정 횟수로 초기 위상각을 증가시키고, 각각의 증가된 위상각으로 주입, 샘플링 및 계산하는 것을 반복함으로서, 알고리즘은 계산된 스테이터 인덕턴스의 설정값을 제공한다. 그 후, 스테이터에 대한 d축의 위치는 계산된 스테이터 인덕턴스의 최소값으로부터 판단된다.
본 발명의 대체 실시예에서, 직류 오프셋 전류는 스테이터 인덕턴스가 계산된 후에 스테이터 권선으로 주입된다. 그 후, 단일 스테이터 인덕턴스는 재계산되고, d축의 방향은 재계산된 스테이터 인덕턴스로부터 판단된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 직류 오프셋 전류는 교류 전류와 함께 스테이터권선으로 주입된다. 그 후, d축의 방향은 계산된 스테이터 인덕턴스의 최소값으로부터 판단된다.
도1을 참조하면, 본 발명에 따른 엘리베이터 시스템의 대표적인 실시예가 일반적으로 참조번호 10번으로 도시된다. 엘리베이터 시스템은 수직이동을 위해 위치된 엘리베이터 카(14)를 갖는 엘리베이터 승강로(12)를 포함한다. 엘리베이터 카(14)는 엘리베이터 로프 세트(18)를 통한 상대적인 이동을 위해 평형추(16)에 매달려 결합된다. 카 안내 레일(20) 및 평형추 안내 레일(22)은 엘리베이터 카(14) 및 평형추(16)를 각각 승강로(12)를 통해 안내하는 T형 트랙을 제공한다. 3상 4극 영구자석 동기 모터(26)에 의해 구동되는 엘리베이터기(24)는 엘리베이터기 방(28)에 위치되고, 엘리베이터 카(14) 및 승객을 올리기 위해 기계적 전력을 제공한다.
엘리베이터 제어 시스템(29)은 교류 가변 주파수(ACVF) 드라이브(30) 및 엘리베이터 제어 유닛(34)을 포함한다. 모터(26)용 전기 전원은 ACVF 드라이브(30)에 의해 송전선(32)을 통해 공급된다. 그러므로, 동기 모터(26)의 속력은 ACVF 드라이브(30)의 출력 주파수를 변화시킴으로서 제어된다. 엘리베이터 제어 유닛(34)은 송전선(36)을 통해 엘리베이터 함수, 예를 들어 엘리베이터 카(14)를 제어하는데 요구되는 엘리베이터 카 하중, 속력 및 승강로 위치를 나타내는 데이터를 수용한다. 제어 유닛(34)은 데이터를 처리하고, 제어 신호를 송전선(38)을 통해 ACVF 드라이브(30)에 공급한다. ACVF 드라이브(30)는 정지형 전원 및 부속 제어회로를포함하고, 동기 모터의 스테이터에 대한 로터의 위치를 판단하기 위해 실행 가능한 프로그램을 저장하는 메모리 회로를 포함할 수 있다. 또한, 드라이브(30)의 제어회로는 인가된 모터 전압 및 감지된 모터 전류를 정확히 판단할 수 있다. 또한, 모터(26)의 축에 연결된 엔코더(도시 안됨)는 엘리베이터 제어 시스템(29)이 정규 작동 중에 로터의 위치를 정밀하게 탐지할 수 있도록 축 위치 데이터를 ACVF 드라이브(30)에 전송한다.
모든 동기 모터에 전형적인 것처럼, 모터(26)의 회전 속력 또는 기계적 주파수()는 전기 전원의 주파수()와 같거나 약수 정수이다. 동기 모터에서 극 P의 개수[모터(26)에서 P=4]는 P=2*()와 같이 기계적 주파수()에 대한 전기적 주파수()의 비율에 관계된다. 예를 들면, 4극 동기 모터(26)에서, 전원의 전기적 주파수가 초당 60 사이클 또는 분당 3600 사이클일 때, 모터의 실제 회전 속력은 분당 1800 회전일 수 있다. 그러므로, 동기 모터의 전기도(electrical degrees)와 기계도(mechanical degrees) 사이에 차이가 있다. 이러한 경우에 4극 동기 모터(26)에 있어서, 90 전기도는 모터 회전의 45 기계도만을 나타낸다.
도2를 참조하면, 동기 모터(26)는 공지된 바와 같이 3상 A, B 및 C에 감긴 스테이터 권선을 갖는 스테이터(40)를 포함한다. 모터(26)는 3상 모터이지만, 간명한 도시를 위해 단상A 스테이터 권선(42)만이 도시된다. 상A 권선(42)을 통한 직류 전류의 방향은 화살표(44)의 끝이 독자 쪽 지면의 외부로 이동하는 전류를 나타내고, 화살표(46)의 꼬리가 독자로부터 멀리 지면 내로 이동하는 전류를 나타냄으로서 표시된다. 또한, 스테이터는 주위에 상A 스테이터 권선(42)이 감기는 스테이터 후방 철(48)을 포함한다. 스테이터 후방 철(48)은 코일 권선(42)의 상의 직류 전류에 의해 발생되는 자기 플럭스(50; 점선 화살표에 의해 표시), 즉 스테이터 전류 플럭스에 도전 경로를 제공하는 고자기 투과율을 갖는다.
또한, 모터(26)는 스테이터(40) 중심 및 내부에 장착되고 사이에 공기 간극(54)을 갖는 로터(52)를 포함한다. 로터는 외부면에 장착된 한 쌍의 영구자석 S극(58) 및 한 쌍의 영구자석 N극(60)을 갖는 철 로터 코어(56)를 포함한다. 또한, N극 자석은 외향으로 지향된 실선 화살표(62)에 의해 표시되는 것처럼 N극으로부터 반경방향 외향으로 도전되는 자기 플럭스를 발생시킨다. 플럭스는 공기 간극(54)을 통과해 스테이터 후방 철(48)을 통해 도전되고, 내향으로 지향된 실선 화살표(64)에 의해 표시되는 것처럼 S극(58) 쪽으로 반경방향 내향으로 도전된다.
각각의 N극 쌍(60)은 양의 방향 축(d축; 66)을 갖고, 각각의 S극 쌍(58)은 음의 d축(67)을 가지며, 각각의 극의 조합 자기 플럭스의 방향, 즉 자기 페이저에 각각 정렬된다. 또한, 각각의 극 쌍(58, 60)은 자석으로부터 발생된 최소량의 자기 플럭스의 방향으로 정렬된 구적축(quadrature axis; q축; 68)을 갖는다. q축(68)은 d축에 대해 정확히 90 전기도가 됨으로서 형성될 수 있다. 전부는 아니지만 대부분의 경우에, d축은 자석의 정확히 중심을 통과하고, q축은 N극 및 S극 자석 사이의 공간을 통과한다.
정규 작동 중에, ACVF 드라이브(30)는 모터축에 장착된 암호기로부터 발생된 인덱스 펄스를 모니터함으로서 스테이터(40)에 대한 로터(52)의 위치를 정확히 탐지한다. 그러나 전원 장애 후에, 로터(52)의 위치가 일시적으로 유실되어, 로터(52)는 결합된 d축(66)을 따라 360도 회전에서 어디에서든지 엘리베이터(10)의 안전 브레이크에 의해 고정될 수 있다. 모터(26)의 최대 토크 능력이 스테이터(40)에 대한 로터(52)의 위치에 따라 변하기 때문에, 안전 브레이크를 해제하기 전에 이러한 위치를 탐지할 수 있는 것이 중요하다.
엘리베이터 모터(26)는 승강로 관성을 가속하기 위해 최대 하중 불균형을 지지하는데 필요한 전형적으로 적어도 두 배인 영 속력에서의 토크 능력을 갖는다. 영 속력에서, 주어진 드라이브 전류 한계에 대한 피크 토크 능력은 최대 공기간극 플럭스의 방향, 즉 d축(66, 67)과 스테이터 전류 플럭스(50) 사이에 90 전기도의 토크각에서 이루어진다. 달리 말하면, 스테이터 전류 플럭스(50)는 q축(68)을 따라 정렬되고 공기간극 자기 극 플럭스(62, 64)는 d축(67, 66)을 따라 각각 정렬된다. sin(90-θ)=cos(θ)의 팩터에 따라, 90 전기도의 피크 토크각으로부터 소정의 위치 편차(θ)는 피크 토크 능력을 저하시킨다(여기서, θ는 전기도에서 절대 위치 오차임). θ를 ±30 전기도로 제한하는 것은 피크 토크 능력이 sin(60)=0.866 또는 13% 감소 밑으로 떨어지지 않도록 보장한다.
모터의 3상 권선에서 상 A, B 및 C의 크기 및/또는 위상 각을 변화시킴으로서, ACVF 드라이브(30)는 스테이터 전류 및 스테이터 전류 플럭스를 360도 사이클 내 어디로든지 정렬시킬 수 있다. 그러므로, ±30 전기도 내의 절대 위치 오차 θ를 인지하는 것은 시스템의 제어 작동이 전력 손실 후 인덱스 펄스를 위치시키도록 허용하기 위해 충분한 토크가 항상 있도록 보장할 수 있다. 인덱스 펄스가 위치되고 전력이 회복된 후에, 로터의 정확한 위치는 제어 시스템(29)에 의해 탐지될 수 있다.
도2에서, 전원 장애 후의 로터(52)가 도시되고, N극(60) 중 하나는 상A 스테이터 권선(42)에 정렬되어 고정된다. 상기 극의 양의 d축(66)은 실질적으로 권선(42)의 중심에 정렬되기 때문에, 대부분의 N극 플럭스(62)는 권선(42)에 연결되고 스테이터 후방 철(48)을 통해 권선(42)으로 도전된다. 이러한 로터(52) 위치에서, N극 자석(60)으로부터의 플럭스(62)는 스테이터 후방 철(48)을 자기 포화시킬 정도로 충분히 크다.
도3을 참조하면, 동일한 양의 N극으로부터의 플럭스(62) 및 S극으로부터의 플럭스(64)가 권선(42)에 연결된 위치에 고정된 로터(52)가 도시된다. 이러한 경우에, q축(68)은 실질적으로 권선(42)의 중심에 정렬된다. 그러므로, N극 플럭스(62) 및 S극 플럭스(64)는 서로 대항하도록 작동되어 스테이터 후방 철(48)은 포화되지 않는다.
도4를 참조하면, S극(58) 중 하나가 권선(42)에 정렬된 위치에 고정된 로터(52)가 도시된다. 이러한 위치에서, 상기 극의 음의 d축은 실질적으로 권선(42)의 중심에 정렬되고, 대부분의 S극 플럭스(64)는 권선(42)에 연결된다. 이러한 경우에, S극 자석(58)으로부터의 플럭스(64)는 스테이터 후방 철(48)을 자기 포화시킬 정도로 충분히 크다. 권선(42)의 인덕턴스는 스테이터 철(48)이 포화될 경우 감소되기 때문에, 코일의 인덕턴스는 도2 및 도4에서 가장 작고, 인덕턴스는 도3에서 가장 크다.
도5를 참조하면, 로터(52)의 전기각의 함수로서 스테이터(40) 인덕턴스 변화의 플롯(70)은 적은 교류 전류를 스테이터 권선에 주입하고 합성 전압을 측정함으로서 얻어질 수 있다. 이러한 경우에, 직류 스테이터 전류는 인가되지 않는다. 즉, 전류 지시 화살표(44, 46)는 도2, 도3 및 도4로부터 제거되어 스테이터 전류 플럭스(50)가 존재하지 않는다. 도2 및 도4의 상대적인 로터 위치는 도5의 최소점(72, 74)에 의해 표시되고, 도3의 로터 위치는 사이의 최대점(76)에 의해 표시된다. 스테이터 플럭스(50)를 유도하는 직류 전류가 없기 때문에, 플롯(70)의 최소점(72, 74)은 동일한 값을 갖는다. 그러므로, (전기각의 함수로서 측정된) 스테이터(40) 인덕턴스는 주로 제2 조파 주파수를 포함하는 주기부에 더하여 불변부를 갖는다. 이러한 제2 조파부는 정확히 로터(52)의 자기축에 정렬되고, 최대점(76)은 양과 음의 q축(68)에 있고 최소점(72, 74)은 양과 음의 d축(66, 67)에 있다. 스테이터 전기 기준 프레임에 대한 이러한 제2 조파부의 각 변위의 동일화는 로터 d축(66, 67)의 바람직한 위치를 가져온다.
도6을 참조하면, 영구자석 모터의 적절한 제어를 위해, 양(66)과 음(67)의 d축 방향을 구별할 것이 또한 요구된다. 예를 들어, 도5의 최소점은 권선(42)이 N극 자석(60) 또는 S극 자석(58) 중 어디에 정렬되는지를 구별할 수 없다. 스테이터 전류 플럭스(50)를 제공하기 위해, 직류 오프셋 전류를 권선(42)에 인가하는 이러한 추가적인 단계를 이루는 것이 [도2, 도3 및 도4의 지향 화살표(44, 46)에 의해 표시된 것처럼]실행된다.
플롯(80)이 도시하는 것처럼, N극(60)이 권선(42)에 정렬될 경우, 권선(42)의 직류 전류에 위해 발생된 플럭스(50)는 N극 자석(60)으로부터 플럭스(62)에 더해지고 스테이터 포화를 증가시킨다. 이는 최소점(82)을 제공하기 위해 도5에 도시된 것처럼 스테이터 전류 플럭스(50) 없이 존재하는 인덕턴스를 약간 감소시킨다. S극(58)이 권선(42)에 정렬될 경우, 권선(42)으로부터의 직류 전류 플럭스(50)는 S극 플럭스(64)에 대향으로 되어 스테이터 포화를 감소시킨다. 이는 최소점(82)과는 다른 값의 최소점(84)을 제공하기 위해 스테이터 전류 플럭스(50) 없이 존재하는 인덕턴스를 약간 증가시킨다. 권선(42)의 인덕턴스는 N극(60) 및 S극(58)에서 다르기 때문에, 권선(42)에 정렬된 로터 극의 극성을 구별하여 양(66) 및 음(67)의 d축 방향을 식별할 수 있다.
이와 달리, 스테이터에 교류 전류에 더하여 주입된 직류 오프셋 전류를 갖는 인덕턴스를 측정함으로서, d축(66, 67)의 위치 및 방향 모두는 하나의 단계로 판단될 수 있다. 이러한 추가적인 직류 여기(excitation)와 함께, 철은 플럭스 축(66, 67)의 방향에 따라 더 포화되거나 덜 포화될 수 있어, 인덕턴스는 음의 플럭스 축 방향에서보다 양에서 더 깊은 최소점을 나타낼 수 있다.
그러므로, (전기각의 함수로서 측정된) 스테이터 인덕턴스는 주로 전기각의 제1 및 제2 조파를 포함하는 주기부에 더하여 불변부를 갖는다. 제2 조파부는 앞서 설명된 것처럼 플럭스 축의 위치를 판단하기 위해 사용될 수 있다. 제1 조파부는 플럭스 축의 양의 방향을 판단하기 위해 사용될 수 있다.
인덕턴스 측정을 위해 필요한 교류부에 더하여 직류 전류 부과의 다른 현저한 이점은 인버터의 지연시간 효과가 인덕턴스 측정에 영향을 주는 것을 방지하는것이다. 교류 전류부만이 인덕턴스를 측정하기 위해 사용될 때, 모터의 상전류는 측정 주파수에서 영 전류와 교차된다. 스위칭 장치의 지연시간은 영 교차 주파수에서 커맨드 전압에 추가적인 전압부를 더한다. 이러한 추가적인 전압부는 전압 커맨드가 (바람직한) 임피던스 계산에 사용될 때 인덕턴스 측정에 큰 영향을 줄 수 있다. 직류부를 전류 커맨드에 더함으로서, 상전류는 영을 교차하지 않도록 될 수 있어, 인덕턴스 측정의 정확도가 크게 개선된다.
PM 동기 모터(26)에 연결된 ACVF 드라이브(30)에서, 드라이브 전원 섹션 및 제어 일렉트로닉스는 모터 스테이터 인덕턴스를 측정하고, 로터 플럭스 축, 즉 d축(66, 67)의 위치를 판단하기 위해 사용될 수 있다. 이를 실행하기 위한 하나의 방법(알고리즘)은 작은 정현 전류 섭동(perturbation)을 인가하여 전류를 발생시키기 위해 요구되는 전압을 관측하는 것이다. 이하에서 더 상세히 설명되는 것처럼, 정밀한 측정을 하기에 매우 충분한 신호 레벨을 가져오는 단일 설정 주파수를 선택하는 것이 중요하다. 그 후, 이산 푸리에 변환(DFT)은 허수부가 유도 리액턴스인 복소 스테이터 임피던스를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 전기 주기 내의 복수의 지점(예를 들면, 20)에서 스테이터 인턱턴스를 측정함으로서, DFT 방법은 심지어 노이즈 또는 고조파 성분이 있는 경우에도 인덕턴스의 제2 조파의 위상을 정확히 구해 내기 위해 사용될 수 있다. 이러한 인덕턴스 측정은 브레이크를 통해 기계를 작동시키는 순(net) 토크가 생산되지 않도록 낮은 여기 레벨에서 오프셋 바이어스없이 이루어 질 수 있다. 그 후, 직류 바이어스 전류를 인가하는 추가적인 단계는 d축 방향을 판단하기 위해 사용될 수 있다.
이와 달리, 인덕턴스 측정은 하나의 단계로 d축의 위치 및 방향을 판단하기 위해 교류 전류에 부과된 직류 오프셋 전류로 이루어 질 수 있다. 직류 성분은 상전류가 영을 지나는 것을 방지하기 위해 실질적으로 교류 성분의 크기와 같거나 더 크게 되는 것이 중요하다. 또한, 직류 성분은 직류 전류에 의해 발생되는 모터 토크가 브레이크에 과도하게 하중을 가하거나 로터의 소정의 작동을 일으키지 않도록 비교적 작게 되는 것이 중요하다. 전형적으로, 교류 전류 및 직류 전류 각각은 모터 피크율을 약 10%의 크기를 갖게 되어, 모터 피크율의 대략 20%의 조합 주입 교류 및 직류 피크 전류를 가져온다. 그러나, 임피던스를 계산하는 DFT 방법의 노이즈 이뮤니티(immunity)로 인해, 인덕턴스 측정은 낮은 여기 레벨에서 이루어지고 여전히 정확한 결과를 가져올 수 있다.
도7을 참조하면, 로터 플럭스 축(d축)을 판단하기 위한 알고리즘의 흐름도가 도시된다. 알고리즘은 엘리베이터 제어 시스템(29), 즉 ACVF 드라이브(30) 또는 제어 유닛(32)의 메모리의 프로그램으로 실행될 수 있다. 블록(100)의 프로그램을 시작한 후에, ACVF 드라이브(30)로부터 발생되는 작은 정현 전류의 위상각(θ)은 블록(102)에서 0으로 초기화된다. 위상각(θ)을 0으로 세팅하고 360 전기도로 증가시킴으로서, 인덕턴스의 측정은 스테이터 후방 철(48)의 원주 주위로 지나가며 이루어질 수 있다.
블록(104)에서, ACVF 드라이브(30)는 d축 위치 및 d축 방향의 2단계 판단을 위해 단일 설정 주파수 ω 및 전기각 θ에서 작은 교류 전류를 주입하도록 명령될 수 있다. 선택적으로, 추가적인 직류 오프셋 전류는 d축 위치 및 방향이 하나의단계로 판단될 때 동시에 주입될 수 있다.
적절한 주파수 ω를 선택할 때, 반복 발생되는 노이즈가 존재하는 주파수를 고려하는 것이 중요하다. 예시된 방식에 의해, ACVF 드라이브(30)의 트랜지스터의 스위칭 주파수는 반복적인 노이즈의 발생원이 될 수 있다. 고조파 또는 트랜지스터 스위칭 주파수나 다른 노이즈 발생 주파수로부터의 에일리어싱(aliasing) 효과가 없도록 설정 주파수 ω가 선택될 때, 신호대잡음비는 더 높아지고 측정은 더 정확해질 수 있다.
블록(106)으로 진행할 때, 주입 전류 및 합성 전압은 주기 당 N번 샘플링된다. 그 후, 주입 주파수 ω로 인가된 전류의 복소 크기 및 방향, 즉 전류 페이저 I(ω)와 합성 전압의 복소 크기 및 방향, 즉 전압 페이저 V(ω)는 DFT와 같은 푸리에 해석법을 사용해 측정된다. DFT가 이러한 실시예에 사용되지만, 예를 들어 푸리에 변환 또는 빠른 푸리에 변환과 같은 다른 푸리에 해석 기술도 사용될 수 있다.
DFT는, X(ω)는 각 θ에서의 전류 페이저 I(ω) 또는 전압 페이저 V(ω)이고,
N은 주입 전류 또는 합성 전압이 주파수 ω의 주기 당 샘플링되는 시간의 개수이고,
T는 샘플 시간이고,
n은 1부터 N까지의 정수이고,
x(nT)는 시간 nT에 대한 전류 또는 전압 샘플의 크기이고,
a 및 b는 복소수 X(ω)의 실수 및 허수 카르티전 좌표일 때,
식DFT=X(ω)=1/N(n=0에서 N-1까지)=a-jb
에 의해 판단된다.
DFT는 본래 많은 노이즈 이뮤니티를 함유하여, 인덕턴스 측정은 낮은 여기 레벨에서 이루어져 정확한 결과를 얻을 수 있다. 이는 DFT가 각각의 계산을 위한 복수의 N 샘플을 포함하기 때문이다. 그러므로, 노이즈로 인한 어떤 부적합한 샘플도 인덕턴스 계산에 매우 큰 영향을 줄 수는 없다.
블록(108)으로 진행할 때, 위상각 θ에서의 스테이터 인덕턴스가 판단된다. 고정된 로터에서, 복소 임피던스는
ωL(θ)={V(ω)/I(ω)}의 허수부인 V(ω)/=R(θ)+jωL(θ)에서 레지스턴스 R(θ) 및 인덕턴스 L(θ)처럼 작용한다.
그러므로, L(θ)는 각 θ의 함수로서 스테이터 후방 철의 인덕턴스이고,
av및 bv는 복소수 V(ω)의 실수 및 기계적 카르티전 좌표이고,
a1및 b1은 복소수 I(ω)의 실수 및 허수 카르티전 좌표인
L(θ)=(1/ω)(avb1-a1bv)/((a1)2+(b1)2)이다.
블록(110)에서, 주입 전류의 위상각 θ는 증가되어, θ=360도까지 절차를 반복하기 위해 블록(104)으로 역순환된다. 그러므로, 스테이터 후방 철(48)의 원주 주위로 인덕턴스 L(θ)를 측정한다. 그 후, 직류 오프셋이 주입되지 않을 때블록(112)으로 또는 직류 오프셋 전류가 주입될 때 블록(116)으로 프로그램이 진행될 수 있다.
블록(112) 단계에서, 직류 오프셋이 교류 정현 전류에 주입되지 않을 때, L (θ)는 도5에 가장 잘 도시된 것처럼 양의 d축 및 음의 d축에 위치되어 180도 이격된 두 개의 동일한 최소점을 가질 수 있다. 최소값은 시간 영역을 사용하여 계산되거나 전기 주파수의 제1 및 제2 조파에서 DFT를 계산함으로서 주파수 영역 방법을 사용하여 계산될 수 있다.
최소점이 판단될 때, 프로그램은 d축의 방향을 판단하기 위해 직류 오프셋 전류로 단일 인덕턴스 측정을 반복하는 블록(114)으로 진행한다. [도2, 도3 및 도4에서 화살표(44, 46)에 의해 표시되는 것과 같이]직류 오프셋 전류로 측정된 인덕턴스는 (도2, 도3 및 도4에 가장 잘 도시된)직류 오프셋 전류 플럭스(50)를 발생시킬 수 있고, 이는 직류 오프셋 전류 플럭스가 영구자석 플럭스에 대향으로 될 경우 인덕턴스를 감소시키고, 직류 오프셋 전류 플럭스가 영구 자석 플럭스에 더해질 경우 인덕턴스를 증가시킬 수 있다. 이러한 정보로부터, d축의 방향은 판단되고 프로그램은 종료되는 블록(118)으로 단계 이동할 수 있다.
직류 오프셋이 정현 전류로 영향을 받을 때, 프로그램은 d축의 위치가 인덕턴스 L(θ) 최소 측정값으로부터 판단되는 블록(116)으로 단계 이동한다. 이는 예를 들면, 이미 공지된 시간 영역 방법 또는 전기 주파수의 제1 및 제2 조파에서 DFT를 계산하는 것과 같은 주파수 영역 방법을 사용하는 복수의 기술들을 통해 계산될 수 있다.
도8, 도9 및 도10을 참조하면, 위의 실시예에서 설명된 동기 모터는 d축에 중심 설정된 자석의 극을 갖는 4극 표면 장착식 영구자석 모터이지만, 동일한 방법론이 다른 형태의 동기 모터에도 마찬가지로 적용될 수 있다. 예를 들어, 도8은 로터의 표면에 장착되기보다는 로터(134) 철에 삽입된 영구자석(132)을 갖는 동기 모터(130)의 실시예이다. 대체 실시예에서, 도9는 자석(142)이 d축(146)보다는 q축(144)에 중심 설정된 동기 모터(140)를 도시한다. 이러한 경우에, 자석(142)은 d축(146)의 크기 및 방향을 형성하는 자기 플럭스(148)가 q축(144)의 반경방향에 수직으로 안내되도록 지향된다.
추가적으로, 로터는 예를 들어 도10에 돌극 권선형 로터(152)를 갖는 동기 모터(150)가 있는 것처럼 영구자석보다는 전자석을 포함할 수 있다. 로터(152)는 요구되는 자기 플럭스를 제공하기 위해 극(154)에 감긴 와이어 코일(156)을 갖는 돌극(154)을 포함한다.
양호한 실시예가 도시되고 설명되었지만, 다양한 변형 및 대체가 본 발명의 기술 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 제한하는 방식이 아니라 설명하는 방식으로 개시된다는 것을 이해하여야 한다.

Claims (28)

  1. 동기 모터에서 스테이터에 대한 로터의 위치를 판단하는 방법이며,
    설정 주파수 및 설정 초기 위상각을 갖는 교류 전류를 스테이터의 스테이터 코일에 주입하는 단계와,
    주파수의 주기 당 소정 횟수로 주입 전류 및 합성 전압을 샘플링하는 단계와,
    푸리에 해석을 사용해 샘플링된 전압 및 전류로부터 스테이터 인덕턴스를 계산하는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스로부터 스테이터에 대한 로터 자기 플럭스 d축의 위치를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 푸리에 해석은 DFT를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 설정 주파수는 단일 설정 주파수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 360도 주기 당 소정 횟수로 초기 위상각을 증가시키는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스의 설정된 값을 제공하기 위해, 각각의 증가된 위상각으로 주입, 샘플링 및 계산하는 것을 반복하는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스로부터 스테이터에 대한 d축의 위치를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 판단 단계는 계산된 스테이터 인덕턴스의 최소값으로부터 d축의 위치를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 스테이터 인덕턴스가 계산된 후 직류 오프셋 전류를 주입하는 단계와,
    단일 스테이터 인덕턴스를 재계산하는 단계와,
    재계산된 스테이터 인덕턴스로부터 d축의 방향을 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 교류 전류와 함께 직류 오프셋 전류를 스테이터 코일에 주입하는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스의 최소값으로부터 d축의 방향을 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 푸리에 해석은,
    X(ω)는 설정 주파수 ω에서 주입 전류의 전류 페이저 I(ω) 또는 설정 주파수 ω에서 합성 전압의 전압 페이저 V(ω)이고,
    N은 주입 전류 또는 합성 전압이 주파수 ω의 주기 당 샘플링되는 횟수이고,
    T는 샘플 시간이고,
    n은 1부터 N까지의 정수이고,
    x(nT)는 시간 nT에 대한 전류 또는 전압 샘플의 크기이고,
    a 및 b는 복소수 X(ω)의 실수 및 허수 카르티전 좌표일 때,
    식DFT=X(ω)=1/N(n=0에서 N-1까지)=a-jb
    를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 스테이터 인덕턴스를 계산하는 단계는 V(ω)/I(ω)의 허수부로부터 스테이터 인덕턴스를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 계산 단계는,
    L(θ)는 설정 위상각 θ의 함수로서 스테이터 인덕턴스이고,
    av및 bv는 복소수 V(ω)의 실수 및 기계적 카르티전 좌표이고,
    a1및 b1은 복소수 I(ω)의 실수 및 허수 카르티전 좌표일 때,
    L(θ)=(1/ω)(avb1-a1bv)/((a1)2+(b1)2)
    를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 설정 주파수는 반복 생산되는 노이즈의 적어도 하나의 발생원의 주파수 또는 주파수 조화로부터 자유롭도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 주입 교류 전류는 모터의 정격 전류에 비해 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 주입 교류 및 직류 전류는 정격 전류의 20%보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 동기 모터는 엘리베이터기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 엘리베이터 카와,
    엘리베이터 카를 올리기 위한 동기기를 갖는 엘리베이터기와,
    동기 모터를 구동하기 위한 드라이브 시스템을 갖는 제어 시스템을 포함하고,
    상기 제어 시스템은, 설정 주파수 및 설정 초기 위상각을 갖는 교류 전류를 스테이터의 스테이터 코일에 주입하는 단계와,
    주파수의 주기 당 소정 횟수로 주입 전류 및 합성 전압을 샘플링하는 단계와,
    푸리에 해석을 사용해 샘플링된 전압 및 전류로부터 스테이터 인덕턴스를 계산하는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스로부터 스테이터에 대한 로터 자기 플럭스 d축의 위치를 판단하는 단계에 의해 동기 모터의 스테이터에 대한 로터의 위치를 판단하는 실행 가능한 프로그램을 위한 메모리를 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 푸리에 해석은 DFT를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 설정 주파수는 단일 설정 주파수를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 360도 주기 당 소정 횟수로 초기 위상각을 증가시키는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스의 설정된 값을 제공하기 위해, 각각의 증가된 위상각으로 주입, 샘플링 및 계산하는 것을 반복하는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스로부터 스테이터에 대한 d축의 위치를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 판단 단계는 계산된 스테이터 인덕턴스의 최소값으로부터 d축의 위치를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 스테이터 인덕턴스가 계산된 후 직류 오프셋 전류를 주입하는 단계와,
    단일 스테이터 인덕턴스를 재계산하는 단계와,
    재계산된 스테이터 인덕턴스로부터 d축의 방향을 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 교류 전류와 함께 직류 오프셋 전류를 스테이터 코일에 주입하는 단계와,
    계산된 스테이터 인덕턴스의 최소값으로부터 d축의 방향을 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  22. 제16항에 있어서, 상기 푸리에 해석은,
    X(ω)는 설정 주파수 ω에서 주입 전류의 전류 페이저 I(ω) 또는 설정 주파수 ω에서 합성 전압의 전압 페이저 V(ω)이고,
    N은 주입 전류 또는 합성 전압이 주파수 ω의 주기 당 샘플링되는 횟수이고,
    T는 샘플 시간이고,
    n은 1부터 N까지의 정수이고,
    x(nT)는 시간 nT에 대한 전류 또는 전압 샘플의 크기이고,
    a 및 b는 복소수 X(ω)의 실수 및 허수 카르티전 좌표일 때,
    식DFT=X(ω)=1/N(n=0에서 N-1까지)=a-jb
    를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 스테이터 인덕턴스를 계산하는 단계는 V(ω)/I(ω)의 허수부로부터 스테이터 인덕턴스를 계산하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 계산 단계는,
    L(θ)는 설정 위상각 θ의 함수로서 스테이터 인덕턴스이고,
    av및 bv는 복소수 V(ω)의 실수 및 기계적 카르티전 좌표이고,
    a1및 b1은 복소수 I(ω)의 실수 및 허수 카르티전 좌표일 때,
    L(θ)=(1/ω)(avb1-a1bv)/((a1)2+(b1)2)
    를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  25. 제15항에 있어서, 상기 설정 주파수는 반복 생산되는 노이즈의 적어도 하나의 발생원의 주파수 또는 주파수 조화로부터 자유롭도록 선택되는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  26. 제15항에 있어서, 상기 주입 교류 전류는 모터의 정격 전류에 비해 상대적으로 작은 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 상기 주입 교류 및 직류 전류는 정격 전류의 20%보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
  28. 제15항에 있어서, 상기 드라이브 시스템은 ACVF 드라이브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엘리베이터 시스템.
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