KR20050012778A - 모터 기동 전류 파형 프로파일을 동적으로 변경하기 위한모터 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

복수의 스테이터 위상 요소를 갖는 다상 모터에 제어 시스템이 제공되며, 각각의 스테이터 위상 요소는 코어 소자에 형성된 위상 권선과 로터를 포함한다. 복수의 모터 제어 체계가 메모리에 저장되어 있고, 모터 동작 중 동적으로 연산된다. 사용자나 시스템 선택에 따라, 모터 제어 체계 중 하나가 실행을 위해 제어 회로에 의하여 선택된다. 제어 회로는 선택된 모터 제어 체계에 따라 특정한 전류 파형 프로파일을 가진 전류를 위상 권선에 제공하기 위해 기동 회로로 인가되는 제어 신호를 생성한다. 제어 회로는 원하는 모터 토크를 나타내는 사용자 초기화 토크 지시 신호를 수신하는 입력 단말을 갖는다. 각 모터 제어 체계는 제어 회로 입력 단말에서 수신된 토크 지시 신호에 대응하는 모터 구동 전류를 제공한다. 자동 모드에서는, 제어 회로는 시스템의 토크 추적 조건을 만족하는데 적합한 제어 체계에 액세스한다.

Description

모터 기동 전류 파형 프로파일을 동적으로 변경하기 위한 모터 제어 시스템 {MOTOR CONTROL SYSTEM FOR DYNAMICALLY CHANGING MOTOR ENERGIZATION CURRENT WAVEFORM PROFILES}

상술한 계류 중인 특허출원들은 효율적인 전기 모터 구동을 개발하려는 시도들을 설명하고 있다. 모터 권선(Winding)의 전기적으로 제어되는 펄스형 기동(Energization)은 모터 특성의 더욱 유연한 관리 가능성을 제시한다. 펄스 폭, 듀티 사이클 및 적절한 스테이터 권선에 대한 에너지원의 스위칭된 인가 등을 제어함으로써 보다 큰 기능적인 다용도성을 달성할 수 있다. 이러한 권선들과 결합된 영구 자석을 사용하는 것은 전류 소비를 제한하는데 유용하다.

트랙션 모터(Traction Motor)에 대한 전력 가용성이 탑재된 전원에 한정되어 있는 차량 구동 환경에서는, 트랙션 모터 동작의 모든 조건에서 높은 효율을 유지하면서 최소의 전력 소모로 높은 토크 출력 능력을 얻는 것이 매우 바람직하다. 계류 중인 출원에서 설명하는 모터의 구조적인 배열은 이러한 목적에 기여한다. 이들 출원에서 설명하는 바와 같이, 높은 플럭스 집중을 위해 전자석 코어 부분은 환상의 고리(Annular Ring)에서 격리된 투자성 구조로 구성될 수 있다. 전자석 코어 부분을 격리하면, 다른 전자석 멤버들과의 상호 작용으로 인해 발생하는 바람직하지 않은 변압기 간섭이나 플럭스(Flux) 손실을 최소화하면서, 자기 코어에서 플럭스를 개별적으로 집중시킬 수 있다.

상술한 계류 중인 출원 제 10/173,610 호는 개개의 위상 회로 소자에서의 편차를 보상하는 다상 모터(Multiphase Motor)에 대한 제어 시스템을 설명한다. 대응하는 권선 및 구조와 세밀하게 정합된 각 위상 제어 루프로 고도의 정밀 제어 능력을 얻는다. 각 스테이터 위상 요소 및 선택된 구동 알고리즘과 관련된 변수들에 따라 신호를 생성하는 제어 회로에 의해, 각 위상 권선의 연속적인 스위칭 기동이 통제된다. 위상 권선은 고효율 동작을 위해 정현 파형의 전류로 기동된다. 제어 시스템은 사용자의 토크 지시 입력에 응답하고 이를 정확히 추적하도록 출력 전류를 변화시킨다.

이러한 변환 기법으로 얻어진 정현 전류 파형 프로파일은 효율적인 동작을 통해 배터리 수명을 연장할 수 있다. 그러나, 차량 구동 환경에서는 가장 효율적인 제어 체계에서 얻을 수 있는 것을 넘어서는 토크 능력을 필요로 할 수 있다. 일반적으로, 전원은 최대 전류 방전율을 위해, 예를 들면, 10.0amp 로 정해진다. 시스템 사용자가 이 최대 전류 인출에 연관된 토크 지시를 요구한다면, 정현 전류 파형 프로파일에 대한 모터 토크 출력은, 예를 들면, 상술한 바와 같은 구성의 모터에서 약 54.0Nm 으로 제한된다. 차량 구동의 경우, 토크 입력 지시는 사용자에 의해 속도 변화 지시와 연관된다. 일반적인 운전 동작 시, 사용자 토크 요구는 기껏해도 장기 예측성이 낮으며, 그 변화 폭은 넓다. 운전자는 정현 전류 파형으로 최대 토크에서 시스템이 수용할 수 있는 것보다 더 높은 가속이나 더 큰 속도를 요구할 수 있다. 가파른 오르막 비탈이나 무거운 차량 부하 등과 같은 구동 조건은 가능한 속도 및 가속에 다른 제한을 가할 수 있다. 차량 이외의 경우에서도, 유사한 높은 토크 요구 조건이 있을 수 있다.

따라서, 사용자가 요구할 때 증가된 토크 출력을 낼 수 있으면서 고효율로 동작 가능한 모터 제어 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 상술한 출원 제 10/290,537 호는 고유한 전류 파형 프로파일을 각각 제공하는 복수의 모터 구동용 모터 제어 체계를 이용할 수 있도록 함으로써 이러한 필요성을 다루고 있다. 사용자는 동작 목적을 만족하는 최대 능력을 가진 전류 파형 프로파일을 얻기 위해 모터 제어 체계 중 하나를 선택할 수 있다. 예를 들면, 정현 파형과 같이 고효율 동작을 제공하는 제어 체계를 선택할 수 있고, 반면에 낮은 동작 효율에도 불구하고 높은 토크를 제공하는 다른 제어 체계를 선택할 수도 있다. 모터 제어 체계 중에서, 토크와 효율 또는 다른 요소들, 예를 들면, 낮은 토크 리플(Ripple)과 노이즈 등에 대한 사용자의 필요나 목적에 따라 언제라도 선택이 가능하다. 선택된 모터 제어 체계는 관련된 파형 프로파일을 갖는 모터 기동 전류를 생성하도록 제어 신호를 발생시키기 위하여 실행된다.

차량 트랙션의 경우, 예를 들면, 사용자 프로파일 선택은 목적을 만족하도록 동작을 조정하기 위한 유연성을 차량 운전자에게 제공한다. 예를 들면, 운전자가 최소의 시간으로 목적지에 도착하려고 한다면, 고토크 프로파일을 선택하고 최고 속도와 가속 능력을 내도록 운전 내내 유지할 수 있다. 그러나, 비교적 긴 여행 동안 탑재된 에너지원을 보전하는 것이 더 큰 관심사라면, 사용자는 아마도 제한적으로만 여러 지점에서 고토크 프로파일을 선택하고, 그 외에는 고효율 프로파일을 선택할 수 있다. 예시적인 파형들, 특히 고효율 정현 파형과 고토크 사각파 모양의 파형에 대한 보다 상세한 설명을 위해 상술한 출원을 참조한다.

그러나, 차량 동작의 변화하는 요구 조건들과 가변 조건으로 인해, 운전자가 따라 잡을 수 있거나 따라 잡으려 하는 것보다 더 자주 또는 빠르게 프로파일의 변경이 필요할 수 있다. 지나가는 상황, 오르막 비탈 등과 같은 비교적 과도적인 상황을 제외하고는, 고효율 프로파일 모드의 선택으로 운전자의 토크 요구를 적당히 만족시킬 수 있다. 고토크 요구 조건이 줄어드는 경우, 사용자가 고토크 프로파일이 더 이상 필요하지 않으며 배터리로부터 불필요한 전류를 끌어쓰고 있음을 인식할 때까지, 고효율 프로파일이 지연될 수 있다. 따라서, 고효율 모드에서 얻을 수 있는 것보다 더 큰 토크가 요구될 때에만 고토크 모드를 사용하는 것이 바람직하다.

적절한 기동 전류 파형 프로파일을 제공하기 위해 모터 제어 체계를 동적으로 자동 선택하는 시스템은 여전히 필요하다.

본 출원은 2001년 4월 5일에 출원되어 계류 중인 Maslov 등의 미국출원 제 09/826,423 호, 2001년 4월 5일에 출원되어 계류 중인 Maslov 등의 미국출원 제 09/826,422 호, 2001년 10월 1일에 출원된 Maslov 등의 미국출원 제 09/966,102 호, 2001년 11월 27일에 출원된 Pyntikov 등의 미국출원 제 09/993,596 호, 2002년 6월 19일에 출원된 Maslov 등의 미국출원 제 10/173,610 호 및 2002년 11월 8일에 출원된 Maslov 등의 미국출원 제 10/290,537 호에 관련된 주제를 포함하고 있으며, 공통적으로 이들 모두 본 출원과 함께 양도되었다. 이들 출원에 개시된 사항들은 여기에 참고로 편입되어 있다.

본 발명은 전기 모터의 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 연관된 스테이터(Stator) 전류 파형 프로파일(Profile)에 영향을 주는 복수의 모터 제어 체계(Scheme)를 개별적으로 실행하는 것과 관련된 것이다.

도 1 은 본 발명에서 채택될 수 있는 구성에 있어서 로터와 스테이터 소자를 나타내는 예시적인 도면.

도 2 는 본 발명에 따른 모터 제어 시스템의 볼록도.

도 3 은 도 2 의 제어 시스템에서 사용하는 토크 제어 회로 방법론을 설명하는 블록도.

도 4 는 본 발명에 따른 프로파일 선택 기능의 동작에 대한 순서도.

도 5 는 본 발명에 따른 토크와 속도 범위에 대한 프로파일 모드 선택을 나타내는 곡선을 나타내는 도면.

본 발명은 각각 고유한 모터 기동 전류 파형 프로파일을 생성할 수 있는 복수의 모터 구동용 모터 제어 체계를 제공함으로써 이러한 필요를 충족시킨다. 모터 동작 중에는 하나 이상의 조건들이 계속 감시된다. 모터 제어 체계 중 하나가 감시된 조건과 연관된 기준에 따라 동적으로 자동 선택된다. 모터는 적절한 전류 파형 프로파일을 가진 선택된 모터 제어 체계에 따라 기동된다. 본 발명은 강자성적으로 독립적인 스테이터 전자석을 갖는 모터에 있어서 추가적인 이점을 제공한다.

모터 제어 체계들은 비교적 최적의 동작 효율을 위한 전류 파형 프로파일을 제공하는 고효율 모터 제어 체계 및 비교적 높은 동작 토크 응답을 위한 전류 파형 프로파일을 제공하는 고토크 모터 제어 체계를 포함할 수 있다. 시스템은 토크 요구를 나타내는 사용자 입력 신호에 응답한다. 사용자 입력 신호를 감지하여, 그에 따른 적절한 모터 제어 체계를 선택하기 위해, 토크 요구를 만족하기 위한 시스템의 능력을 감시한다. 토크 요구를 만족하는 시스템의 능력은 모터 속도의 함수로서, 이는 토크 요구 감시 기능을 용이하게 하도록 계속해서 감지된다. 대응하는 전류 파형 프로파일이 토크 요구를 만족할 수 없는 것이 아니라면 고효율 모터 제어체계가 실행되고, 그렇지 않으면 고토크 모터 제어 체계가 실행된다.

본 발명의 추가적인 이점은, 사용자가 수동 선택을 입력함으로써 자동 프로파일 선택 기능을 해제하는 선택권을 가질 수 있다는 것이다. 예를 들면, 비록 때때로 최대의 가능한 토크에 있어서 희생이 있다 하여도, 긴 여행에서 가능한 한 전원을 유지하기 위해 동작 내내 고효율 모드를 채용하도록 사용자가 선택할 수 있다.

본 발명은 코어 소자에 각각 형성된 위상 권선과 영구 자석 로터(Rotor)를 포함하는 복수의 스테이터 위상 요소를 갖는 다상 모터에 대한 제어 시스템에서 분명해 질 수 있다. 바람직하게는, 각 스테이터 위상 요소가 독립된 전자석 유닛을 형성하기 위해, 각 스테이터 코어 소자는 다른 코어 소자와 직접적인 접촉으로부터 분리된 강자성 재료를 포함한다. 스테이터 기동 전류는 제어 회로에 결합된 회로를 통해 직접적인 전류 전원에 의하여 제공된다. 제어 회로는 대응하는 파형 프로파일을 갖는 스테이터 기동 전류를 발생시키기 위해 복수의 저장된 모터 제어 체계 중 어느 것이라도 액세스할 수 있다. 제어 회로는 모터 제어 체계의 선택에 영향을 주기 위해 하나 이상의 감시된 조건에 동적으로 응답한다. 저장된 모터 제어 체계는 전류 파형 프로파일을 결정지으며, 액세스될 경우, 제어 회로 동작으로 편입된다. 모터 제어 체계는, 예를 들면, 거의 정현 파형과 같이 비교적 최적의 동작 효율을 위한 전류 파형을 제공하는 효율 모터 제어 체계 및 거의 사각 파형과 같이 비교적 높은 동작 토크 응답을 위한 전류 파형 프로파일을 제공하는 고토크 모터 제어 체계를 포함할 수 있다.

사용자 입력은 토크 요구 신호가 수신되는 제어 회로에 결합된다. 제어 회로로의 다른 입력은 로터 위치의 계속적인 감지에 의해 얻어지는 모터 속도를 나타내는 신호를 수신한다. 이들 신호에 기초하여, 제어 회로는 모터 토크 요구와 그 토크 요구를 만족하는데 필요한 제어 전압을 실시간으로 얻을 수 있다. 정현 파형 프로파일 모드를 유지하는데 요구되는 전압이 전원 전압을 초과한다면, 제어 회로는 프로파일 메모리로부터의 데이터에 액세스하여 고토크 프로파일 모드 동작을 선택한다. 프로파일 선택을 위한 반복적인 실시간 연산 대신에, 프로파일 선택을 토크 요구 입력 및 감시된 속도와 상관짓는 검색 테이블을 메모리에 저장할 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점들은, 단지 본 발명을 실시하는데 기획된 최상의 모드를 설명하는 방식으로 본 발명의 바람직한 실시형태만을 나타내고 설명한 다음의 상세한 설명으로부터, 이 기술분야에서 숙련된 자들에게 쉽게 명백해질 것이다. 실현될 바와 같이, 본 발명은 다른 상이한 실시형태도 가능하며, 그 몇 가지 세부사항들은 본 발명을 벗어나지 않으면서 다양한 명백한 측면들에 있어서의 변경이 가능하다. 따라서, 도면과 설명은 본질적으로 예시적인 것이고 제한적인 것이 아니라고 이해되어야 한다.

본 발명은 첨부도면의 예시적으로 설명되고, 제한적으로 설명되지 않는다.

본 발명은 계류 중인 출원 제 09/826,422 호에 개시된 바와 같은 모터에 적용 가능하며, 영구 자석 모터를 포함하는 다양한 다른 모터에도 사용할 수 있다. 따라서, 도 1 은, 그 개시 사항이 여기에 편입된 상기 출원에서 설명하는 바와 같은 로터와 스테이터 소자를 나타내는 예시적인 도면이다. 로터 멤버(20)는 원통형의 검은 플레이트(25)를 따라 거의 균일하게 분포하는 영구 자석(21)을 갖는 환상의 고리 구조이다. 영구 자석은 환상 고리의 내측 주변을 따라 자극이 교번하는 로터 폴(Pole)이다. 로터는 스테이터 멤버(30)를 포위하며, 로터와 스테이터 멤버는 환상의 방사상 에어 갭(Annular Radial Air Gap)에 의해 분리되어 있다. 스테이터(30)는 에어 갭을 따라 균등하게 분포하는 균일한 구조의 복수의 전자석 코어 부분을 포함한다. 각 코어 부분은, 일반적으로, 에어 갭에 대면하는 표면(32)을 갖는 2 개의 폴을 형성하는 U자형 자석 구조(36)로 이루어진다. 코어 부분이 폴 쌍을 연결하는 부분에 형성된 단일 권선을 수용하도록 구성될 수 있지만, 폴 쌍의 다리는 권선(38)으로 감겨져 있다. 각 스테이터 전자석 코어 구조는 인접한 스테이터 코어 소자들로부터 독립적이며, 자기적으로 격리되어 있다. 스테이터 소자(36)는 비투자성의 지지 구조로 고정되어 환상의 고리 구조를 형성한다. 이 구조는 인접한 스테이터 폴 그룹으로부터의 스트레이 변압기 플럭스(Stray Transformer Flux)의 발산을 제거한다. 따라서, 스테이터 전자석은 각각의 스테이터 위상을 포함하는 독립적인 유닛이다. 이하에서 더 충분히 설명할 본 발명의 개념은 모든 위상 권선을 지지하는 단일 스테이터 코어를 포함하는 다른 모터 구조에도 적용 가능하다.

도 2 는 본 발명에 따른 모터 제어 시스템의 블록도이다. 복수의 다상 모터 스테이터 위상 권선(38)은 하이브리드 파워 블록(Power Block: 42)을 통해 DC 전원(40)으로부터 공급된 구동 전류에 의해 스위칭이 가능하도록 기동된다. 파워 블록은 펄스 폭 변조 컨버터와 게이트 드라이버를 통해 제어 회로(44)에 결합된 전기 스위치 세트를 포함할 수 있다. 각 위상 권선은 제어 회로로부터 펄스 변조된 출력 전압을 수신하도록 접속된 제어 단자를 갖는 스위칭 브리지에 접속되어 있다. 선택적으로는, 스위칭 브리지(Switching Bridge)와 게이트 드라이브 요소는 제어 회로 출력 전압에 연결된 증폭기로 대체할 수 있다. 권선 파워 회로의 더욱 상세한 설명을 위해 상술한 출원 제 10/290,537 호를 참조한다.

각 위상 권선의 전류는 그 출력이 제어 회로(44)로 인가되는 복수의 전류 센서(45) 중 하나에 의해 감지된다. 제어 회로는 이러한 목적으로 복수의 입력을 가질 수 있고, 선택적으로는, 전류 센서로부터의 신호가 다중화되어 단일 제어 회로 입력으로 접속될 수 있다. 로터 위치 및 속도 센서(46)는 제어 회로로 로터 위치와 속도 피드백 신호를 제공한다. 센서는 공지된 리졸버(Resolver), 인코더 또는 그 균등물 및 공지된 방식으로 위치 신호를 속도 신호로 변환하는 속도 어프록서메이터(Approximator)를 구비할 수 있다. 제어 회로는 1차 전원 버스(Bus)에 의해 전원(Supply: 40)에 접속된다. 제어 회로에는 토크 요구 입력(47)과 프로파일 선택 입력(48)을 포함하는 사용자 입력도 제공된다.

제어 회로는 Texas Instrument 디지털 신호 프로세서인 TMS320LF2407APG 와 같은 마이크로프로세서나 동등한 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 제어 회로에는 프로그램 램 메모리(50), 프로그램 롬(52), 데이터 램(54) 및 프로파일 메모리(56)가 연결되어 있다. 설명한 이들 유닛은 제어 회로가 저장된 랜덤 데이터와 프로그램 데이터에 액세스할 수 있는 공지된 저장 장치의 전형일 뿐이다. 프로파일 메모리(56)는 발명적 개념의 설명을 위해 도면에서 별도로 도시되어 있다. 프로파일 메모리는 연관된 제어 체계의 실행으로 얻어진 모터 전류 파형 프로파일을 지시하는 모터 제어 체계 프로그램의 부분이 저장되어 있는 롬을 포함할 수 있다. 프로파일 메모리 데이터는 프로파일 기능 라이브러리 및/또는 검색 테이블의 형태로 저장될 수 있다. 프로파일 메모리 데이터 구조는 실시간 연산 및 최적화 루틴(Routine)의 형태일 수 있다. 선택적으로 또는 부가적으로, 롬에는 실시간 모터 동작 중 값을 연산하는 유닛이 제공될 수 있다.

차량 구동 적용예에 있어서, 토크 요구 입력(47)은 사용자의 스로틀(Throttle)에 의해 요구된 토크를 나타낸다. 스로틀에서의 증가는 속도를 증가시키라는 지시를 나타내며, 이는 토크의 증가로 실현될 수 있다. 선택적으로는, 오르막 운전과 같이 무거운 부하 조건 하에서 차량의 속도를 동일하게 유지하기 위해 토크를 증가시키라는 지시일 수 있다. 동작 중, 제어 시스템 토크 추적(Tracking) 기능은 구동 조건, 부하 변화도, 지형 등의 변화와 같이 변하는 외부 조건으로 인한 어떠한 주어진 토크 요구에 대해서도 정상 상태 토크 동작을 유지해야 하며, 운전자의 스로틀 지시를 수용하기 위해 토크 요구 입력의 변화에 응답해야 한다. 제어 시스템이 토크 입력 요구에 응답하는 방식은 실행되는 특정한 모터 제어 체계에 따라 다르다. 적절한 응답을 얻기 위해 복수의 모터 제어 체계를 이용할 수 있다. 각 제어 체계는 효율, 토크 용량, 응답 능력, 전력 손실 등에 대하여 고유한 특성을 갖는 특정한 모터 전류 파형 프로파일에 영향을 미친다.

도 3 은 여기에 편입된 상술한 계류 중인 출원 제 10/173,610 호에서 이용하는 모터 제어 체계를 설명하는 블록도이다. 동작의 상세한 설명을 위해 이 출원을 참조한다. 원하는 위상 전류를 생성하기 위해, 위상 권선에 대하여, 다음의 위상 마다의 전압 제어 식이 운전자에게 적용된다.

V_i(t) = L_idI_di/dt + R_iI_i+ E_i+ k_se_i

도 3 은, 위상 전류 센서, 위치 센서 및 속도 검출기로부터 수신된 신호와 토크 요구 입력을 이용하여 제어 회로가 실시간으로 이 전압 식의 요소를 얻는 방법론을 나타내며, 참조번호 60 으로 총칭해서 나타내고 있다. 기능 블록(70)은 실시간으로 제어 전압을 얻기 위한 상기 식의 성분들의 공식화 및 합산을 나타낸다. 블록(70)에 대한 입력으로 나타내어진 각 기능 블록(62, 64, 66, 68, 72, 74 및 76)은 제어 회로에 의해 수신된 실시간 입력으로부터 얻어진 요소들의 다양한 성분이나 파라미터 상수들의 생성을 나타낸다. 블록(62)은 정밀 토크 추적 기능을 나타내며, 위상 마다의 요구되는 전류 경로(Trajectory)는 다음 식에 따라 선택된다.

I_di= (2τ_d/N_sK_τi)sin(N_rθ_i)

여기서, I_di는 위상 마다 필요한 전류 경로를 나타내고, τ_d는 사용자가 요구한 토크 지시를 나타내고, N_s는 위상 권선의 총 수를 나타내며, K_τi는 위상 마다의 토크 전송 계수를 나타내며, θ_i는 i^th위상에 대한 로터 위치 신호를 나타낸다. 위상에 따른 전류 크기는 토크 전송 계수 K_τi의 위상에 따른 값에 의존한다.

동작 시, 제어 회로(44)는 제어 회로에서 성립된 시퀀스에서 각 위상 권선의 개별적인 기동을 위해 연속적으로 제어 신호 V_i(t) 를 하이브리드 파워 블록(Hybrid Power Block)으로 출력한다. 각 연속적인 제어 신호 V_i(t) 는 대응하는 위상 권선에서 감지된 특정 전류, 즉시 감지된 로터 위치와 속도 및 각 위상에 대해 특정하게 미리 정해진 모델 파라미터 K_ei와 K_τi에 관련된다. 도 3 에 도시된 연산은 실시간으로 연속해서 수행된다. 이 모터 제어 체계에 있어서 블록(62)에 나타낸 식은 정현 파형 프로파일과 함께 추적 토크 출력 제어 신호 V_i(t) 에 필요한 전류 성분을 제공한다. 사인파 전류 경로 I_sin(t) 는 다음 식으로부터 생성된다.

I_sin= I_msin(N_rθ_i)

여기서, I_m은 위상 전류 크기를 나타내고, N_r은 영구 자석 쌍의 수를 나타내며, θ_i는 측정된 위상 마다의 로터 위치 신호를 나타낸다. 상술한 계류 중인 출원 제 10/290,537 호에서 설명하는 바와 같이, 이 정현 전류 파형 프로파일은 효율적인 모터 동작을 제공한다.

블록(62)에 대한 다른 식들은, 정현 파형 프로파일로 얻어지는 효율의 일부를 희생하더라도 다른 동작의 측면을 나타내기 위한 다른 전류 파형 프로파일들을 얻기 위해, 도 3 의 토크 추적 기능에 대하여 사용될 수 있다. 더 높은 토크 동작을 위해, 도 3 에 나타낸 블록(62)의 식은 사각파 전류 파형 경로 I_sq(t) 를 생성하는 다음과 같은 식으로 대체될 수 있다.

I_sq= I_msgn(sin(N_rθ_i))

여기서, sgn(x) 는 표준 시그넘 함수(Signum Function)를 나타내고 x > 0 이면 1 이고 x = 0 이면 0 이며 x < 0 이면 -1 로서 정의된다. 상술한 모터 제어 체계로부터 얻어지는 2 개의 다른 전류 파형 프로파일의 효율과 토크 특성을 비교하는 더욱 상세한 설명을 위해 계류 중인 출원 제 10/290,537 호를 다시 참조한다.

프로파일 메로리(56)는 앞서 예시한 식을 만족하는 전류값을 얻기 위해 제어 회로에 의하여 사용되는 데이터를 저장한다. 사각파 프로파일에 대해서, 표현 L_idI_di/dt 가 미리 저장될 수 있다. 데이터는 프로파일 함수 라이브러리(Profile Function Library)에서 검색 테이블로서 저장될 수 있고, 각 모터 제어 체계는 대응하는 검색 테이블을 가진다. 검색 테이블의 각 엔트리는, 대응하는 모터 제어 체계에 대한 로터 위치와 토크 요구값의 특정한 조합에 대한, 도 3 에서 블록(62)의출력으로서 나타낸 전류치를 나타낸다. 정현 파형이 생성되는 제어 체계가 선택되면, 대응하는 프로파일 메모리 데이터가 액세스된다. 사각파 프로파일 메로리 데이터는 대응하는 제어 체계가 선택되는 경우에 액세스될 것이다. 선택적으로는, 프로파일 메모리는 필요한 전류값 I_di가 실시간으로 제어 회로에 의해 반복적으로 연산되는 각 프로파일에 대한 데이터를 저장할 수 있다. 정현파 및 사각파 파형에 대한 식이 설명을 위해 앞서 제시되었으나, 톱니형 등과 같은 다른 파형 프로파일을 다른 동작을 위해 사용할 수도 있다.

프로파일 데이터의 선택은 모터 동작 도중 자동적으로 제어 회로에 의해 적절한 것으로 이루어질 수 있다. 선택적으로는, 제어 회로 입력(48)에서 프로파일 선택 신호를 입력함으로써 프로파일들 중 하나에 대응하는 동작 모드를 사용자가 선택할 수 있다. 프로파일 선택 동작은 도 4 에 나타낸 순서도를 참조하여 설명한다. 이 설명은 프로파일 메모리가 정현 모터 전류 파형을 생성하기 위한 제어 체계와 같은 고효율 프로파일 모터 제어 체계를 구현하기 위한 데이터 및 사각파 모터 전류 파형을 생성하기 위한 제어 체계와 같은 고토크 프로파일을 구현하기 위한 데이터를 포함하는 특정한 예에 관한 것이다. 다른 프로파일에 대한 데이터가 프로파일 메모리에 저장되어 다른 전류 파형이 적합한 동작 조건 하에서 액세스될 수 있기 때문에, 이 예는 단순히 예시적인 것이다.

제어 회로에 의해 검출되는 프로파일 선택 신호의 부재 시, 자동적인 프로파일 선택 모드가 발동된다. 스텝 100 에서, 제어 회로는 사용자 프로파일 선택 신호가 입력(48)에서 수신되었는지 여부를 검출하여 자동 모드가 발동되어야 하는지 여부를 결정한다. 스텝 100 에서의 결정이 부정적이라면, 제어 회로는 스텝 102 에서 수신된 프로파일 선택 신호가 고토크 프로파일 선택인지 여부를 결정한다. 그렇지 않다면, 제어 회로는 적당한 지연 뒤에 프로파일 메모리에 액세스하여 단계 104 에서 고효율 프로파일 검색 테이블로부터 데이터를 검색한다. 검색된 데이터는 토크 요구의 순간적인 값 및 감지된 로터 위치 레벨에 대한 필요 전류치 I_di를 생성한다. 그 대신에 단계 102 에서 고토크 프로파일이 선택되었다면, 대응하는 검색 테이블이 단계 106 에서 액세스되고, 이 테이블에 대한 I_di의 적절한 값이 얻어진다. 프로세스는 스텝 104 및 106 양자로부터 진행하여 스텝 100 으로 돌아와, 사용자 프로파일 선택이 여전히 수신되는지 여부를 결정하고, 상술한 방식으로 계속하기 위해 그 선택의 성질을 결정한다. 단계 104 및 106 에서의 동작은, 단계 102 에서의 선택 이후, 프로파일 전환 시의 과도 효과를 극복할 정도로 충분히 오랜 기간동안 일어난다. 따라서, 스텝 100 으로의 프로세스 흐름의 복귀에 대한 적절한 지연은 다수의 연속적인 피드백 샘플링을 위해 연장 가능하다.

만약 사용자 프로파일 선택 입력 신호가 존재하지 않고 시스템이 꺼지지 않는다면, 제어 회로는 단계 100 에서 파형 프로파일이 자동적으로 선택되어야 한다고 결정한다. 이 자동 모드 시, 단계 108 에서 제어 회로는 고효율 프로파일 모터 제어 체계에서의 시스템이 사용자가 요구한 토크 입력에 대한 토크 추적 요구조건을 만족할 능력을 가지는지 여부를 결정한다. 그러한 결정은 사용자가 요구한 토크입력값과 모터 속도로부터 얻어지는 도 3 의 블록(70)의 출력으로부터의 제어 회로의 값 V_i(t) 를 참조하여 이루어질 수 있다. 토크 요구는 얻어진 제어 전압이 전원의 전압 레벨을 초과하는지 않는다면 만족될 수 있다. 단계 108 에서의 결정 결과 이 출력의 얻어진 레벨이 전원 전압을 초과하지 않는다면, 제어 회로는 토크 추적을 위해 고효율 모터 제어 체계에 의해 요구되는 전압을 인가할 수 있다. 제어 회로는, 어떠한 적절한 지연 이후, 프로파일 메모리에 액세스하여 단계 100 에서 고효율 프로파일 검색 테이블로부터 데이터를 검색한다. 그 대신에, 얻어진 전압 레벨이 전원 전압보다 높다면, 단계 108 에서 전원 용량이 초과된다는 결정이 이루어진다. 제어 회로는, 어떠한 적절한 지연 이후, 단계 112 에서 프로파일 메모리에 액세스하여 고토크 프로파일 검색 테이블로부터 데이터를 검색한다. 스텝 110 및 112 양자로부터의 프로세스 흐름은 스텝 100 으로 돌아와 상술한 방식으로 계속된다. 상술한 지연은 하나의 동작 프로파일 모드에서 다른 것으로 동작이 바뀌는 경우에 적합하다.

스텝 108 에 의해 나타난 자동 모드 프로파일 선택이 토크 용량 임계값의 반복적인 계산에 의해 실시간으로 수행될 수 있는 반면, 토크 요구와 모터 속도의 다양한 조합에 대한 전압의 연산은 미리 이루어져 프로파일 메모리의 검색 테이블에서 적절한 프로파일과 연결될 수 있다. 도 5 는 설명한 예에 따라 토크와 속도의 값에 대한 고효율 프로파일 모드 선택과 고토크 프로파일 모드 선택을 위한 범위 사이의 검색 테이블에 있어서 경계를 나타내는 곡선이다. 검색 테이블은 속도의 크기/필요한 토크 조합에 대한 상술한 제어 회로 전압/공급 전압 비교를 함으로써 공식화된다. 그래프의 횡좌표는 속도를 나타내고 종좌표는 필요한 토크를 나타내는데, 곡선은 고효율 프로파일 동작 모드에서 토크를 추적하기 위한 시스템 용량을 넘어서는 곡선 위에서의 속도/토크 조합으로 양 축에 대해 점근한다. 이 검색 테이블에 액세스할 때 제어 회로는 곡선 아래의 지점들로 나타내어진 속도/토크 조합에 대하여 고효율 프로파일 모드를 선택할 것고, 나머지 지점들에 대해서는 고토크 프로파일 모드를 선택할 것이다.

본 설명에서, 본 발명의 바람직한 실시형태와 그 유용성의 일부 예만을 나타내고 설명하였다. 본 발명은 다른 다양한 조합이나 환경에서 사용 가능하며, 여기에 나타낸 발명적 개념의 범위 내에서 변경이나 개조가 가능함이 이해되어야 한다. 예를 들면, 다양한 다른 전류 파형 프로파일을 사용할 수 있다. 따라서, 프로파일 메모리는 특정한 프로파일 선택 지시의 수신에 응답하여 제어 회로에 의해 액세스될 수 있는 복수의 프로파일을 저장할 수 있다. 변화하는 복잡성에 관한 다양한 검색 테이블이 제어 회로에 의한 적절한 프로파일 모드 선택을 위해 공식화될 수 있다.

Claims (19)

1. 다상(Multiphase) 모터의 적합 제어를 위한 방법에 있어서,

   각각의 상이한 동작 프로파일에 영향을 주기 위한 복수의 모터 제어 체계를 확인하는 확인 단계;

   지시를 입력하는 입력 단계;

   모터 동작 조건을 감지하는 감지 단계;

   상기 입력 지시 및 상기 감지된 모터 동작 조건에 따라 상기 모터 제어 체계 중 하나를 선택하는 선택 단계; 및

   상기 선택된 모터 제어 체계에 대응하는 동작 프로파일에 대한 전원으로부터의 모터 기동 전류를 제공하기 위해 모터 제어 신호를 생성하는 생성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 입력 신호는 사용자 요구를 나타내고 변화할 수 있으며, 상기 감지 단계, 선택 단계 및 생성 단계는 상기 모터의 적합 제어를 위해 모터가 동작하는 동안 내내 반복되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 입력 신호는 토크 요구를 나타내고, 상기 모터 동작 조건은 모터 속도인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 저장된 모터 제어 체계는, 비교적 최적의 동작 효율을 위한 전류 파형 프로파일을 제공하는 효율 모터 제어 체계 및 비교적 높은 동작 토크 응답을 위한 전류 파형 프로파일을 제공하는 고토크 모터 제어 체계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 비교적 최적의 동작 효율의 전류 파형 프로파일은 거의 정현파 파형을 가지며, 상기 높은 최대 토크 응답의 전류 파형 프로파일은 거의 사각파 파형을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 선택 단계는,

   상기 토크 요구와 상기 모터 속도에 기초하여 임계값을 초과하였는지 여부를 결정하는 결정 단계; 및

   저장된 모터 제어 체계에 액세스하는 액세스 단계를 포함하며,

   상기 액세스된 모터 제어 체계는 상기 결정 단계에서 이루어진 결정에 의존하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 토크 모터 제어 체계는 상기 임계값을 초과하는 경우에 선택되고, 상기 효율 모터 제어 체계는 상기 임계값을 초과하지 않은 경우에 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 임계값은 상기 전원 전압 레벨이고,

   상기 결정 단계는 상기 효율 모터 제어 체계를 이용하는 동작에 필요한 제어 전압을 얻어내는 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 결정 단계는 토크 요구와 모터 속도에 기초한 엔트리를 갖는 검색 테이블에 액세스하는 액세스 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 모터 스테이터는 복수의 강자성적으로 독립된 전자석을 포함하며, 상기 전자석 각각은 위상 권선들 중 그 위에 감겨진 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 복수의 위상 권선과 함께 스테이터를 갖는 다상 영구 자석 모터에 대한 모터 제어 시스템에 있어서,

    전원으로부터 상기 모터 스테이터 권선으로 기동 전류를 제공하기 위한 기동 회로;

    상기 기동 회로에 결합되어 있고, 복수의 입력을 갖는 제어 회로;

    상기 제어 회로에 결합되어 있고, 다양한 스테이터 전류 파형 프로파일에 각기 영향을 주기 위해 그 속에 저장된 복수의 다양한 모터 제어 체계를 갖는 저장 수단; 및

    상기 제어 회로의 하나의 입력에 결합되어 있는 모터 조건 감지 수단을 포함하며,

    상기 제어 회로는, 상기 감지된 모터 조건에 따른 기준에 따라서 대응하는 전류 파형 프로파일로 상기 모터를 기동하도록 상기 저장 수단으로부터의 상기 모터 제어 체계에 액세스하기 위하여 상기 모터 조건 감지 수단에 동적으로 응답하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 저장된 모터 제어 체계는 비교적 최적의 동작 효율을 위한 전류 파형 프로파일을 제공하는 효율 모터 제어 체계 및 비교적 높은 동작 토크 응답을 위한 전류 파형 프로파일을 제공하는 고토크 모터 제어 체계를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 비교적 최적의 효율 전류 파형 프로파일은 거의 정현파 파형을 가지며, 상기 비교적 높은 토크 응답 전류 파형 프로파일은 거의 사각파 파형을 가지는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 제어 회로에 대한 다른 입력은 사용자 신호를 수신하기 위한 토크 요구 입력이고,

    상기 모터 제어 체계는 상기 토크 요구 입력에서 수신된 신호와 상기 모터 조건 감지 수단으로부터 수신된 신호에 의존하는 임계값에 따라서 상기 제어 회로에 의하여 액세스되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 고토크 모터 제어 체계는 상기 임계값을 초과하는 경우에 액세스되고, 상기 효율 모터 제어 체계는 상기 임계값을 초과하지 않는 경우에 액세스되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 모터 조건 감지 수단은 모터 속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는모터 제어 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 저장 수단은 토크 요구와 모터 속도에 기초한 엔트리를 갖는 검색 테이블을 포함하며, 상기 엔트리 각각은 상기 모터 제어 체계 중 하나를 나타내는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
18. 제 11 항에 있어서,

    상기 모터 스테이터는 복수의 강자성적으로 독립된 전자석을 포함하며, 상기 전자석 각각은 상기 위상 권선 중 그 위에 감겨진 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.
19. 제 11 항에 있어서,

    상기 제어 회로 입력 중 하나는 상기 저장된 모터 제어 체계 중 하나를 나타내는 신호를 수신하기 위한 사용자 선택 입력이며,

    상기 사용자 선택 입력의 수신에 응답하여, 모터 제어 체계가 상기 모터 조건 감지 수단에 관계없이 실행을 위해 액세스되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 시스템.