KR20050073523A - 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법 및시스템과, 회전자 위치 결정 방법을 실행할 수 있는프로그램을 탑재한 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법 및 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 전기 기기는 물리적인 회전자 위치 검출기를 사용함이 없이 제어된다. 응용 예를 위한 충분한 토크를 산출하기 위해 하나 이상의 위상이 동시에 이용될 때, 증가된 누출 플럭스와 마그네틱 회로의 감소된 투과성 부분은 진단 펄스로부터 수집된 정보를 왜곡한다. 따라서, 사용되고 있는 다수의 위상에 적합한 특성 데이터의 세트를 저장함으로써, 제어 시스템은 보다 정확하게 회전자 위치를 결정할 수 있다.

Description

다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법 및 시스템과, 회전자 위치 결정 방법을 실행할 수 있는 프로그램을 탑재한 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체{Rotor position detection of an electrical machine}
본 발명은 다상(polyphase) 전기 기기, 특히 다상 스위치드 릴럭턴스 기기의 회전자 위치 검출에 관한 것이다.
스위치드 릴럭턴스 시스템의 특성 및 동작은 종래 기술에 잘 알려져 있으며, 예를 들면, 1993년 6월 21일 ~ 24일 독일 뉘른베르그(Nurnberg)에서 개최된 PCIM'93에서 발표된 스티븐슨(Stephenson)과 블레이크(Blake)의 논문 "스위치드 릴럭턴스 모터 및 드라이브의 특성, 설계 및 응용(The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives)"에 기술되어 있고, 이 논문은 본 명세서에 인용되어 있다. 도 1은 통상의 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 개략적인 형태로 도시하고, 스위치드 릴럭턴스 모터(12)는 부하(19)를 드라이브한다. 입력 DC 전원 공급부(11)는 배터리 또는 정류되고 필터링된 AC 주전원일 수 있다. 입력 DC 전원 공급부(11)에 의해 공급되는 DC 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어를 받는 전력 컨버터(13)에 의해 스위치드 릴럭턴스 모터(12)의 위상 권선(16) 양단에서 스위칭된다. 이 스위칭은 드라이브의 적절한 동작을 위해 회전자의 회전각에 정확하게 동기되어야만 하고, 회전자 위치 검출기(15)는 통상적으로 회전자의 각도 위치에 대응되는 신호를 공급하는데 이용된다.
많은 상이한 전력 컨버터 토폴로지가 공지되어 있으며, 이중 여러 개의 토폴로지가 상기에서 인용한 스티븐슨 논문에서 다루어지고 있다. 도 2는 다상 시스템의 단일 위상에 대한 가장 통상적인 구성 중의 하나를 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 상기 기기의 위상 권선(16)은 버스바(26, 27) 양단의 두 스위칭 소자(21, 22)와 직렬로 연결되어 있다. 버스바(26, 27)는 통틀어 전력 컨버터의 "DC 링크"로서 기술된다. 에너지 복구 다이오드(23, 24)는 스위칭 소자(21, 22)가 개방될 때, 위상 권선 전류가 DC 링크로 환류되도록 위상 권선에 연결되어 있다. 저항(28)은 전류 피드백 신호를 공급하기 위해 하부 스위칭 소자(22)와 직렬로 연결되어 있다. "DC 링크 커패시터"로서 공지된 커패시터(25)는 입력 DC 전원 공급부(11)로부터 유도되거나 또는 입력 DC 전원 공급부(11)로 복귀될 수 없는 DC 링크 전류의 어떤 교류 성분(예컨대, "리플 전류")을 제공하거나 또는 감소시키기 위해 DC 링크 양단에 연결된다. 실제로, 상기 커패시터(25)는 직렬 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 여기서, 병렬 연결이 사용되는 경우, 몇몇 소자들은 전력 컨버터의 도처에 분포될 수 있다. 통상적으로 다상 시스템은 전기 기기의 위상을 여기(energise)시키기 위해 병렬로 연결된 도 2와 같은 복수의 "위상 레그(phase legs)"를 사용한다.
도 3은 도 2에 도시된 회로의 동작 사이클(cycle)에 대한 통상적인 파형을 도시한다. 도 3a는 스위칭 소자(21, 22)가 닫혀졌을 때, 전도 각(θc)의 기간 동안 인가되는 전압을 도시한다. 도 3b는 피크에 도달한 후 약하게 떨어지는 위상 권선(16) 내의 전류를 도시한다. 전도 주기의 끝이 되면, 스위칭 소자들(21, 22)이 개방되고, 상기 전류가 에너지 복구 다이오드들(23, 24)로 인가되어, 위상 권선(16) 양단에 역전된 링크 전압을 위치시킴으로써 플럭스(flux) 및 전류를 '0'으로 감소시킨다. 전류가 '0'이면, 에너지 복구 다이오드들(23, 24)은 동작을 멈추고, 상기 회로는 다음 전도 주기의 시작이 되기까지 동작하지 않는다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자들(21, 22)이 개방될 때, DC 링크 상의 전류는 역전되는데, 이 역전된 전류는 입력 DC 전원 공급부(11)로 복귀되는 에너지를 나타낸다. 상기 전류 파형의 형태는 기기의 동작 점과 적용된 스위칭 전략에 의존하여 변한다. 예를 들어, 상기에서 인용한 스티븐슨 논문에 잘 알려진 바와 같이, 스위칭 소자들을 동시에 스위칭 오프하지 않기 위해 "프리휠링(freewheeling)"으로 알려진 동작 모드를 부여하면, 상기 전류는 위상 권선, 하나의 스위치 및 하나의 다이오드로 이루어진 루프 주위를 순환한다. 이 기술은 피크 전류 제한 및 음향 잡음 감소를 포함하는 다양한 이유로 사용되고 있다.
그러나, '0' 및 저속에서, 단일 펄스 모드는 높은 피크 전류가 나타나기 때문에 적합하지 않음으로써 쵸핑 모드(chopping mode)가 사용된다. 단일 펄스 제어를 위해서는 쵸핑 모드의 두 가지 중요한 변형이 있다. 가장 간단한 방법은 위상 권선에 결합된 두 스위치, 예를 들어, 도 2에 도시된 스위칭 소자들(21, 22)을 동시에 개방하는 것이다. 이것은 에너지가 기기로부터 DC 링크로 복귀되도록 한다. 이것은 "하드 쵸핑(hard chopping)"으로 알려져 있다. 다른 방법은 두 스위치 중의 단지 하나만을 개방하여 프리휠링을 발생시키는 것이다. 이것은 "프리휠 쵸핑(freewheel chopping)" 또는 "소프트 쵸핑(soft chopping)"으로 알려져 있다. 이 제어 모드에서 에너지는 위상 권선으로부터 DC 링크로 복귀되지 않는다.
어떤 쵸핑 방법에서는 사용되는 전류 레벨을 결정하기 위한 전략을 선택한다. 그러한 많은 전략들이 종래 기술에 알려져 있다. 통상적으로 사용되는 하나의 방법은 상부 전류와 하부 전류 사이에서 쵸핑할 수 있는 히스테리시스(hysteresis) 컨트롤러를 사용하는 것이다. 도 4a는 하드 쵸핑에 대한 통상적인 방법을 도시한다. 선택된 스위치가 온 앵글(on angle)(θon)이면(여기서, 온 앵글은 종종 최소 인덕턴스를 가지는 위상에 위치하지만, 몇몇 다른 위치에 있을 수도 있다), 전압은 위상 권선에 인가되고, 위상 전류는 그 위상 전류가 상부 히스테리시스 전류(Iu)에 도달될 때까지 증가되도록 허용된다. 양쪽의 스위치가 개방되는 점에서 상기 전류는 그 전류가 하부 전류(Il)에 도달될 때까지 떨어지고, 상기 스위치들이 다시 닫혀지면, 쵸핑 사이클을 반복한다. 도 5a는 프리휠링을 이용한 히스테리시스 컨트롤러에 대응하는 위상 전류 파형을 도시한다. 여기서, 쵸핑 주파수에서의 감소는 즉시 나타난다.
도 4a 및 도 5a에 도시된 위상 전류에 기인하는 DC 링크에서의 공급 전류 흐름이 도 4b 및 도 5b에 각각 도시되어 있다. 각각의 경우에서, DC 링크 커패시터는 이 파형들의 AC 성분에 비례해서 공급한다. 당업자는 상기 커패시터가 제로(zero) 평균 전류를 가져야 하므로 이러한 구조는 이상적이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 실제로, 공급 임피던스, 커패시터 저항 및 인덕턴스가 존재할 시의 전류 동작은 상당히 복잡하다.
스위치드 릴럭턴스 기기의 위상 인덕턴스 사이클은 예를 들어, 회전자 전극들과 그 관련된 각각의 고정자 전극들이 완전 정렬될 때 최고점 사이의 위상 또는 각각의 위상에 대한 인덕턴스의 변화 주기이다. 도 4a는 위상에 대한 인덕턴스 곡선의 이상적인 형태를 도시한다. 실제로, 상기 인덕턴스 곡선의 모서리 모양은 플럭스 회절과 마그네틱 회로의 포화 때문에 둥글게 된다. 그리고, 인덕턴스의 최고 값은 전류에 의존된다. 그럼에도 불구하고, 상기 인덕턴스 곡선은 상기 기기의 일반적인 동작을 설명하는데 유용하다.
스위치드 릴럭턴스 기기의 성능은 부분적으로 회전자 위치에 대한 위상 여기(energisation)의 정확한 타이밍에 의존한다. 회전자 위치 검출은 기기 회전자에 설치된 회전 톱니 모양의 디스크와 같은 도 1에 개략적으로 도시된 변환기(15)를 이용함으로써 달성된다. 여기서, 변환기(15)는 고정자에 설치된 광센서 또는 마그네틱 센서와 상호 협력하여 동작한다. 고정자에 대한 회전자 위치를 표시하는 펄스 열이 발생되어 제어 회로에 공급됨으로써 정확한 위상 여기를 가능하게 한다. 이 시스템은 간단하며 많은 응용 예에서 양호하게 동작한다. 그러나, 회전자 위치 변환기는 어셈블리의 전체적인 비용을 증가시키고, 또, 기기에 추가의 전기 접속을 부가시켜 결국, 기기의 신뢰성 저하의 원인이 될 수 있다.
회전자 위치 변환기를 없애기 위한 다양한 방법들이 제안되어 왔다. 이들 중 몇몇 방법은 1993년 9월 13일 ~ 16일 영국 브라이튼에서 개최된 유럽 전력 전자 협의회(The European Power Electronics Conference)의 회보, 제6권 7 ~ 13페이지에 더블유 에프 레이(W F Ray)와 아이 에이취 알-바하들리(I H Al-Bahadly)에 의해 수록된 "스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 위치 결정을 위한 무감지기 방법(Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors)"에서 재검토되었으며, 이 내용은 본 명세서에 인용되어 있다. 일반적으로, 상기 방법들은 두 개의 카테고리 즉, 저속 동작에 적합한 것들과 고속 동작에 적합한 것들로 분류된다.
"쵸핑"전류 제어는 발생된 토크를 변경하기 위한 유력한 제어 방법이고, 알려진 방법들은 일반적으로 토크 산출이 없는 위상들(즉, 이 위상들은 특정 순간에 전원 공급부로부터 직접적으로 여기되지 않는다)에 진단 여기 펄스(diagnostic energisation pulses)를 사용한다. 예를 들면, 저속 동작에 적합한 방법인 쵸핑 모드는 1991년 이탈리아 피렌체에서 개최된 유럽 전력 전자 협의회의 회보, 제1권 390 ~ 393 페이지에 엔 엠 엠분기(N M Mvungi)와 제이 엠 스티븐슨(J M Stephenson)에 의해 수록된 "S R 모터의 정확한 무감지기 회전자 위치 검출(Accurate Sensorless Rotor Position Detection in an S R Motor)"에 제안되어 있으며, 본 명세서에 인용되어 있다. 각 방법들은 비교적 저속에서 최상으로 동작하며, 여기서, 진단 펄스에 의해 야기되는 시간 길이는 인덕턴스 주기의 전체 사이클 시간에 비하여 작다. 속도를 증가시키면, 상기 펄스는 사이클의 보다 긴 부분을 차지하게 되고 신뢰할 수 있는 위치 정보로서 이용할 수 없는 지점에 곧이어 도달되게 된다는 문제점이 있다.
종래 기술에서, 진단 펄스 기술은 일반적으로 단지 하나의 위상만을 한번에 여기시키는 시스템에 적용되고 있다. 이것은 전형적이면서 가장 간단한 동작 방법이지만, 그것이 반드시 기기로부터 최고의 특정 출력을 제공하는 것은 아니다. 최고로 가능한 출력을 산출하기 위해, 몇몇 진보된 시스템들은 함께 동작하는 둘 또는 그 이상의 위상을 사용한다. 2-상 시스템에서 위상을 교대로 동작시키는 것이 일반적이다. 그러나, 일반적으로 본 발명의 출원인에 의해 출원되고, 본 명세서에 인용되고 있는 US 5,747,962호는 기기의 전기적 사이클 부분에 걸쳐 양쪽의 위상을 동시에 동작시키는 방법을 밝히고 있다. 3-상 기기에서, 위상 A만을 여자시켜 동작시키고, 그 다음에 위상 B만을 여자시켜 동작시키고, 그 다음에 위상 C만을 여자시켜 동작시키는 것이 가능하다. 그러나, 기기의 최소 순간 토크와 평균 토크 출력을 모두 향상시키기 위해, 각 위상 사이클의 토크 산출 부분이 겹친다는 사실이 종종 이용된다. 그러므로, 여자(excitation) 패턴 A, AB, B, BC, C, CA, A..등이 사용되는 것으로 알려져 있다. 유사하게 4-상 기기에서도 필요한 방향에 두 개의 위상 산출 토크가 정상적으로 항상 있기 때문에, 위상들은 한 쌍으로 즉, AB, BC, CD, DA, AB.. 등으로 여기된다. 상응하는 규칙을 더 많은 위상 개수에 적용한다면, 적어도 전기적 사이클 부분 동안 세 개 또는 그 이상의 위상을 사용하는 것이 가능할 것이다.
이들 각 방법들은 기기의 유용한 출력을 증가시키지만, 진단 펄스를 이용하는 어떤 무감지기 위치 검출 방법에 있어서는 역효과를 가진다. 왜냐하면, 기기의 마그네틱 회로가 세 번째 위상에서의 진단 펄스에 관련된 플럭스에 더하여 적어도 두 개의 액티브 위상으로부터의 플럭스를 즉시 이동시키기 때문이다. 마그네틱 회로가 일반적으로 그것의 플럭스/전류 관계에서 비선형이기 때문에, 진단 펄스로부터 수집된 정보는 왜곡되어 있고, 이 왜곡된 정보는 회전자 위치 판단에 오류를 일으킨다.
그러므로, 예를 들어, 하나 이상의 위상이 이미 정의된 회전자 각도에 걸쳐 여기되고 있을 때 저속 쵸핑 모드에서 믿을 만한 회전자 위치 검출 방법이 필요하다.
본 발명은 첨부된 독립 청구항에 정의되어 있다. 몇몇 언급된 특징들은 종속항에 언급되어 있다.
본 발명은 아이들(idle) 위상에서의 누출 플럭스에 대한 보상을 제공한다. 이것은 두 개 또는 그 이상의 다른 위상이 동시에 여자될 때 특히 발생한다.
하나의 형태에 있어서, 본 발명의 일 실시예는 위상들이 개별적으로 여자될 수 있는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법을 제공하는데, 상기 방법은 진단 펄스를 아이들 위상에 인가하는 단계; 상기 아이들 위상의 플럭스 링키지에 관련된 값을 획득하기 위해 상기 아이들 위상에서 상기 인가된 전압을 적분하는 단계; 측정된 전류값을 산출하기 위해 상기 아이들 위상의 전류를 측정하는 단계; 상기 아이들 위상에서의 누출 플럭스에 기인하는 전류를 위해 상기 측정된 전류값을 보상하는 단계; 및 상기 보상된 전류와 위상 플럭스 링키지로부터 회전자 위치를 획득하는 단계를 포함한다.
누출 플럭스에 기인하는 전류에 대한 보상은 누출 플럭스에 기인하는 전류를 나타내는 값을 획득하기 위해 인가되는 상기 진단 펄스와 거의 일치하는 아이들 위상에서의 전류를 측정하는 단계와, 상기 보상된 전류를 획득하기 위해 상기 측정된 전류값으로부터 누출 플럭스에 기인하는 전류값을 빼는 단계를 포함한다.
대안적으로, 누출 플럭스에 기인하는 전류에 대한 보상은 회전자 위치 값에 대하여 위상 플럭스 링키지에 기인하는 전류와 누출 플럭스에 기인하는 전류를 나타내는 기 특성화된 전류값을 저장하는 단계와, 상기 측정된 전류값에 대한 상기 저장된 회전자 위치 값을 이용하여 회전자 위치를 획득하는 단계를 포함한다.
회전자 위치에 대한 상기 저장된 전류값은 실험적으로 또는 예를 들어, 유한 요소 해석법을 이용한 이론으로부터 결정될 수 있다.
또한, 실시예는 진단 펄스가 거의 일정한 플럭스를 가지는 시스템으로 확장된다.
또한, 본 발명은 본 발명의 방법을 실행하기 위한 프로그램을 탑재한 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체로 확장된다.
본 발명은 다양한 방법으로 실시될 수 있으며, 몇가지 방법들이 첨부된 도면을 참조하여 실시예의 방법으로 설명될 것이다.
기술되는 실시예는 모터링 모드에서의 3-상 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 사용한다. 한편, 실시예는 토크 또는 힘과 같은 출력, 또는 전기 전력과 같은 출력을 각각 산출하는 모터링 모드 또는 발전 모드에서의 드라이브와 함께 두 개보다 더 많은 어떤 위상 수라도 사용할 수 있다.
도 6은 3-상 스위치드 릴럭턴스 기기의 위상에 대한 인덕턴스 프로파일을 도시한다. 상기에서 인용한 스티븐슨 등의 논문에 설명되어진 바와 같이, 인덕턴스 곡선이 회전자 각도의 증가와 함께 오를 때 양(positive)의 토크가 발생된다. 그래서, 양의 토크가 이들 위상으로부터 이용될 때, 여자 패턴인 Exc A, Exc B, Exc C에서 양의 블록이 나타난다. 만약, 간단한 1-상 패턴이 채택된다면, 위상 A로부터 위상 B까지의 변화는 Exc A와 Exc B간에 겹쳐지는 어떤 시간에 발생할 수 있다. 전형적인 회전자 위치 변환기 장치는 통상적으로 한 패턴의 상승 에지(rising edge) 또는 하강 에지(falling edge)에서 행해진다.
무감지기 위치 검출 시스템을 이용한다면, 진단 펄스는 인덕턴스가 내려가는 위상에 대한 인덕턴스 프로파일 부분에서 본질적으로 아이들 위상에 인가된다. 여자 블록 사이에서 평행선 무늬로 된 부분은 어떤 회전자 각도에 대한 만족스러운 위치를 선택할 수 있도록 하는 방법을 나타낸다. 도 7은 메인 즉, 토크 산출 전류 사이의 갭(gap)에 삽입된 고정된 플럭스 링키지의 진단 펄스(즉, 일정한 전압-시간 산출)를 가지는 쵸핑 파형을 도시한다. 물론, 상기 진단 펄스는 반향이 반대이기는 하지만 토크를 산출한다. 한편, 상기 전류는 훨씬 더 작아지게 되어 심각한 장애를 야기시키지 않는다.
진단 펄스를 적당한 위상에 인가하고 인가된 전압을 적분함으로써, 위상에 관련된 플럭스-링키지가 평가될 수 있다. 적분은 하드웨어 적분기에 의해 실행되거나 또는 소프트웨어로 실행된다. 적분기의 출력(즉, 플럭스-링키지)이 기 설정된 레벨에 도달될 때, 아이들 위상에서의 전류가 측정된다. 그리고 나서, 위상이 턴 오프되면, 위상을 가로지르는 전압이 반전되어 플럭스-링키지(그러므로 전류)를 '0'으로 감소시키는 음의 전압이 인가된다. 상기 측정된 전류값은 플럭스-링키지의 기 설정된 레벨로 저장되는 위치 인덱스 벡터로 사용된다. 이 방법에서, 위치상 정보의 연속 흐름은 위상에서 진단 펄스의 연속으로부터 이용 가능하다.
만일, 한번에 하나의 위상이 토크 산출을 위해 사용된다면, 상기의 방법들은 일반적으로 적합하다. 그러나, 위상 A 및 위상 B가 토크 산출을 위해 동시에 사용된다면, 기기의 마그네틱 회로의 몇몇 부분은 과도하게 사용되어 비선형 동작을 야기시킨다. 특정 효과가 어떤 기기의 특정 마그네틱의 형상에 관련되기는 하지만, 도 8은 점선으로 도시된 이상적인 플럭스 경로와 함께 3-상 6/4 기기를 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 많은 고정자와 회전자 백-아이언은 즉시 두 개의 위상으로부터 플럭스를 운반한다. 통상적으로 이것은 마그네틱 회로의 이런 부분들을 비선형 영역으로 동작시키고, 플럭스를 여기되지 않은 위상을 포함하는 누출 경로로 몰아낸다. 그러한 누출 플럭스는 회전자 위치 정보를 위해 사용된 아이들 위상을 연결할 수 있다.
따라서, 만약 진단 펄스가 즉시 세 번째 위상에 인가된다면, 다음과 같이 펄스에 기초한 정보를 왜곡하는 두가지 효과가 중요해진다. 첫째로, 시스템이 플럭스-링키지를 추정하기 위해 위상 전압을 적분하기 때문에, 진단 펄스는 계속 인가될 것이다. 그러나, 위상 코일을 연결하는 (누출)플럭스가 이미 있기 때문에, 스위치(들)가 진단 펄스를 인가하기 위해 닫혀지면, 전류는 상기 진단 펄스가 확립되는 동안 확립되는 전류에 관계없이 이 플럭스를 지원하는 값으로 즉시 오른다. 다음으로, 적분기 출력(플럭스-링키지)이 그것의 기 설정된 레벨에 도달하면, 측정된 전류는 회전자 위치에 정확하게 일치하는 값보다 더 높아진다. 둘째로, 진단 펄스의 삽입 과정은 백-아이언에서 운반되는 플럭스를 더 추가시켜, 마그네틱 회로의 이런 부분들에 대한 투과성을 저하시킨다. 이렇게 되면, 진단 펄스는 펄스에 저장된 기 특성화된 정보가 더 이상 정확하지 않기 때문에 의미없게 된다.
이러한 효과들의 결합은 하나의 위상 개수에서 다른 위상 개수로 변하는 여자 패턴에서 회전자 위치 추정에 불연속성을 야기시키고, 또, 제어 시스템에 장애를 일으킨다.
본 발명의 실시예는 누출 플럭스에 기인하는 전류를 보상함으로써 이런 문제점들을 극복한다. 이는 진단 펄스의 끝에서 측정된 전류로부터 그것을 뺌으로써 달성되거나 또는 기기를 특성화할 때 누출 플럭스를 인자화함으로써 달성될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 본 발명을 실행하기 위한 시스템을 도시한다. 전류 센서(30)는 각 위상에 배열된다. 다른 방법으로, 하드웨어에 관점에서 보면, 도 9는 도 1에 도시된 드라이브의 무감지기 형태이다. 도 10은 본 발명의 이 실시예에 따른 도 9의 컨트롤러(32)에 기초한 프로세서를 동작하기 위한 순서도이다. 한편, 발전 모드에 대한 동등한 순서도가 유도될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
보상된 무감지기 회전자 위치 검출은 도 6 및 도 7에 관하여 상기에서 설명한 기술에 기초한다. 먼저, 컨트롤러는 기기가 쵸핑 모드에 따라 제어되는지 여부를 판단한다(s40). 그리고, 컨트롤러는 두 개의 위상이 액티브인지, 기기의 출력이 기 설정된 레벨보다 높은지를 판단하고, 그 결과에 의하여 누출 플럭스에 기인하는 진단 펄스를 위해 사용되는 위상에서 상당한 양의 전류를 발생시킨다(s42, s44).
만약, 이들 조건들이 만족되면, 아이들 위상은 진단 펄스가 인가될 수 있는 토크 산출이 없는 영역 내에 있는지 즉, 그 위상에서의 인덕턴스가 내려가는가에 따라 평가된다(s46). 만약, 이들 조건들이 만족되지 않으면, 컨트롤러는 복귀한다. 만약, 위상이 적정한 영역 내에 있다면, 진단 펄스는 전력 컨버터(13)의 적정 위상 스위치를 작동시킴으로써 컨트롤러에 의해 아이들 위상으로 인가된다(s48). 동시에, 위상 전류가 측정된다. 이것은 상기에서 언급된 아이들 위상에서의 누출 플럭스에 기인하는 전류이다.
상기 인가된 전압은 위상에 관련된 플럭스-링키지 값을 획득하기 위해 적분된다(s52). 컨트롤러는 상기 플럭스-링키지(적분기의 출력)가 적당한 기 설정된 레벨에 도달되는지 여부를 확인한다(s54). 만약, 상기 플럭스-링키지가 기 설정된 레벨에 도달되지 않으면, 시스템은 적분을 계속하기 위해 상기 s52단계로 복귀한다. 한편, 상기 플럭스-링키지가 기 설정된 레벨에 도달되면, 적분을 종료하고 전류를 측정한다(s56). 누출 플럭스에 기인하는 전류는 s56단계에서 만들어진 전류 측정치로부터 그것을 뺌으로써 제외된다(s60). 전류값은 누출 플럭스의 결과를 위해 즉시 보상되고, 전류가 측정된 플럭스-링키지의 레벨을 위해 저장된 회전자 위치의 인덱스 벡터로 사용된다(s62).
상기의 기술은 s40단계에서 쵸핑 모드에서의 드라이브 테스트를 사용하였지만, 어떤 다른 적정 기준, 예를 들어, 속도가 기 설정된 문턱값(threshold)을 넘는지 넘지 않는지를 사용할 수도 있다.
다른 실시예는 누출 플럭스와 전류를 미리 특성화하고, 그 정보를 진단 펄스에 대한 누출 플럭스의 효과를 보상하는 방법으로 이용한다. 상기 기 특성화는 기기에서의 측정에 의해 실험적으로 결정되거나 또는 기기를 모델링함으로써 예를 들어 유한 요서 해석법에 의해 실험적으로 결정될 수 있다. 이것은 도 11에 예시된 결과를 산출한다. 도 11은 20mWbT의 피크를 가지는 플럭스-링키지의 진단 펄스가 이용될 때, 3-상 기기에 대한 특성화된 정보를 도시한다. 곡선 X는 진단 펄스 전류와 위상 A 또는 위상 B가 100A 일 때 위상 C의 회전자 위치 사이의 관계를 나타낸다. 곡선 Y는 위상 A와 위상 B가 함께 있고 모두 100A로 쵸핑할 때의 펄스 전류를 나타낸다.
하나의 실시예에서, 곡선 X는 전류에 반대되는 위치 벡터로서 저장된다. 그리고, 해당 위치는 누출 플럭스에 기인하는 전류를 빼지 않고 측정된 펄스 전류로부터 읽을 수 있다. 곡선 Y의 이점(곡선 Y가 인가되었을 때를 나타내는 스위치 상태의 정보)으로 두 번째 테이블 또는 벡터는 상기 측정된 전류가 즉시 실제 회전자 위치를 나타내도록 하기 위해 셋업될 수 있다.
도 12는 설계된 전류/누출 플럭스가 이용되는 도 10에 도시된 순서도의 변형 형태를 기술한다. 본 발명의 이 형태에서 s48단계가 도 10으로부터 변형되고, s60단계가 도 10으로부터 생략된다. 반면, 도 12에 도시된 s40단계에서 s62단계는 도 10에 도시된 각 단계들과 동일하다. 상기 측정된 위상 전류는 직접적으로 회전자 위치를 획득하기 위해 곡선 Y의 룩 업 테이블로 인가된다(s62).
만약, 드라이브가 쵸핑 전류의 동일 레벨로 항상 동작하지 않는다면, 각각의 곡선 X와 곡선 Y에 대한 벡터 열이 저장되거나 또는 전형적인 보간법의 몇몇 형태가 두 곡선 중 어느 하나를 위해 사용될 수 있다. 기기가 토크의 하이 레벨에서 동작하여 포화 상태로 될 때, 보상에 대한 필요성이 대체로 발생한다는 것을 기술 분야의 당업자는 이해할 것이다.
그러므로, 동작에서, 드라이브의 제어 시스템은 단지 하나의 위상이 쵸핑하고 진단 펄스가 다른 위상으로 인가될 때 전형적으로 동작한다. 여기서, 측정된 펄스 전류는 곡선 X에 따른 회전자 위치를 결정하기 위해 이용된다. 회전자 위치가 두 위상이 토크를 산출하기 위해 요구되는 것일 때, 곡선 Y(또는 그것의 보간된 형태)는 누출 플럭스의 증가된 양에 대한 올바른 판단을 위해 이용되고 회전자 위치를 정확하게 결정하기 위해서 이용된다.
상기 방법은 모터 또는 발전기로서 동작하는 기기에 같은 이점으로 적용될 수 있다. 또한, 상기 방법은 위상 관련 파라미터가 회전자 위치 검출을 위해 이용되는 어떤 기기에 같은 이점으로 적용될 수 있다. 상기 방법은 위치 제어 알고리즘의 하나의 유형으로 특정되지 않는다. 예를 들어, 상기에서 설명된 바와 같이, 실질적으로 일정한 플럭스 링키지의 펄스보다는 실질적으로 일정한 전류의 진단 펄스를 이용하는 구성에 적용될 수도 있다.
당업자들은 본 발명 특히, 제어기에서의 알고리즘 수행에 대한 세부적인 내용을 벗어나지 않는 범위 내에서, 상기 설명한 본 발명의 방법을 변형시키는 것이 가능하다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 또한, 상기 기술은 스위치드 릴럭턴스 기기에 관하여 기술되었지만, 이 기술이 독립적으로 공급된 위상을 갖는 임의의 기기에 관련하여 이용될 수 있다는 것은 명백하다.
또한, 본 발명이 회전 기기에 관하여 기술하고 있지만, 본 발명은 바퀴 형태의 고정자를 구비한 선형 기기에도 동일하게 적용될 수 있으며, 그것 상에서 움직이는 동작부에 적용될 수 있다. '회전자'라는 단어는 회전 기기 및 선형 기기 모두의 움직이는 부분을 인용하기 위해 본 발명에서 사용되고 있으며, 본 명세서에서 이러한 것으로 해석되고 있다. 따라서, 복수의 실시예에 관한 설명은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 당업자들은 상기 설명한 동작에 대해 상당한 변경을 하지 않고 약간의 변경이 구동 회로를 가능하게 한다는 점을 명확히 인식할 것이다. 본 발명은 다음의 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명에 의하면, 누출 플럭스에 기인하는 전류를 보상함으로써 회전자 위치를 보다 정확하게 검출할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 통상의 종래 기술에 따른 스위치드 릴럭턴스 드라이브에 대한 도 면,
도 2는 도 1에 도시된 컨버터의 공지된 단일 위상 토폴로지에 대한 도면,
도 3a는 스위치드 릴럭턴스 기기의 전압 파형에 대한 도면,
도 3b는 대응되는 위상 전류 파형에 대한 도면,
도 3c는 대응되는 공급 전류 파형에 대한 도면,
도 4a는 통상의 하드 쵸핑 전류 파형에 대한 도면,
도 4b는 대응되는 공급 전류 파형에 대한 도면,
도 5a는 통상의 소프트 쵸핑 전류 파형에 대한 도면,
도 5b는 대응되는 공급 전류 파형에 대한 도면,
도 6은 3-상 스위치드 릴럭턴스 기기의 인덕턴스 프로파일과 여자 패턴에 대한 도면,
도 7은 진단 펄스와 함께 쵸핑 전류 파형에 대한 도면,
도 8은 릴럭턴스 기기에서의 개략적인 플럭스 경로에 대한 도면,
도 9는 본 발명의 하나의 특징을 구현하는 시스템에 대한 도면,
도 10은 본 발명의 하나의 특징을 구현하는 순서도에 대한 도면,
도 11은 일정한 플럭스 링키지에 대한 펄스 전류와 회전자 위치 사이의 관계를 나타낸 도면,
도 12는 본 발명의 다른 특징을 구현하는 순서도에 대한 도면이다.

Claims (14)

  1. 위상이 개별적으로 여자될 수 있는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법에 있어서,
    진단 펄스를 아이들 위상에 인가하는 단계;
    아이들 위상의 플럭스 링키지에 관련된 값을 획득하기 위해 아이들 위상에서 상기 인가된 전압을 적분하는 단계;
    측정된 전류값을 산출하기 위해 아이들 위상의 전류를 측정하는 단계;
    아이들 위상에서의 누출 플럭스에 기인하는 전류를 위해 상기 측정된 전류값을 보상하는 단계; 및
    상기 보상된 전류와 위상 츨럭스 링키지로부터 회전자 위치를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 누출 플럭스에 기인하는 전류값을 보상하는 단계는
    누출 플럭스에 기인하는 전류를 나타내는 값을 획득하기 위해 인가되는 상기 진단 펄스와 거의 일치하는 아이들 위상에서의 전류를 측정하는 단계와,
    상기 보상된 전류를 획득하기 위해 상기 측정된 전류값으로부터 누출 플럭스에 기인하는 전류값을 빼는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 누출 플럭스에 기인하는 전류값을 보상하는 단계는
    회전자 위치 값에 대하여 위상 플럭스 링키지에 기인하는 전류와 누출 플럭스에 기인하는 전류를 나타내는 기 특성화된 전류값을 저장하는 단계와,
    상기 측정된 전류값에 대한 상기 저장된 회전자 위치 값을 이용하여 회전자 위치를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    전류값은 실험적으로 획득되는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    전류값은 기기의 유한 요소 해석법에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진단 펄스는 거의 일정한 플럭스인 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 두 개의 다른 위상이 함께 여자될 때, 상기 진단 펄스를 상기 아이들 위상에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 방법.
  8. 위상이 개별적으로 여자될 수 있는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 시스템에 있어서,
    진단 펄스를 아이들 위상에 인가하는 수단;
    상기 아이들 위상의 플럭스 링키지에 관련된 값을 획득하기 위해 상기 아이들 위상에서 상기 인가된 전압을 적분하는 수단;
    측정된 전류값을 산출하기 위해 상기 아이들 위상의 전류를 측정하는 수단;
    상기 아이들 위상에서의 누출 플럭스에 기인하는 전류를 위해 상기 측정된 전류값을 보상하는 수단; 및
    상기 보상된 전류와 위상 플럭스 링키지로부터 회전자 위치를 획득하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 누출 플럭스에 기인하는 전류값을 보상하는 수단은
    누출 플럭스에 기인하는 전류를 나타내는 값을 획득하기 위해 인가되는 상기 진단 펄스와 거의 일치하는 아이들 위상에서의 전류를 측정하는 수단과,
    상기 보상된 전류를 획득하기 위해 상기 측정된 전류값으로부터 누출 플럭스에 기인하는 전류값을 빼는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 상기 누출 플럭스에 기인하는 전류값을 보상하는 수단은
    회전자 위치 값에 대한 기 특성화된 전류값을 저장하는 수단－여기서, 전류값은 위상 플럭스 링키지에 기인하는 전류와 누출 플럭스에 기인하는 전류를 나타냄－과,
    상기 측정된 전류값에 대한 회전자 위치 값을 이용하여 회전자 위치를 획득하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 시스템.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법 또는 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항의 시스템에 있어서,
    상기 전기 기기는 모터 또는 발전기로서 동작하는 스위치드 릴럭턴스 기기인 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 시스템.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인가하는 수단은 플럭스 링키지의 기 설정된 크기의 진단 펄스를 인가하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 시스템.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인가하는 수단은 적어도 두 개의 다른 위상이 함께 여자될 때, 진단 펄스를 아이들 위상으로 인가하기 위해 배열되는 것을 특징으로 하는 다상 전기 기기에서의 회전자 위치 결정 시스템.
  14. 제1항 내지 제7항 또는 제11항 중 어느 한 항의 방법을 실행할 수 있는 프로그램을 탑재한 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체.
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