KR20080047412A - 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에전류를 공급하는 방법 - Google Patents

반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에전류를 공급하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 파워 출력단(28)에 통해 전자 정류 가능한 직류 모터(16), 바람직하게 3상 직류 모터의 전류 공급을 위한 방법에 관한 것으로, 상기 직류 모터에는 제어 유닛(22)으로부터 회전자 위치 센서(20)의 신호에 따라 블록 방식으로 전류 공급된다. 모터(16)의 전류 공급은 전류 블록이 회전수 및/또는 부하에 따라 그것의 세기 및/또는 길이 및/또는 트리거 각도가 유도 전압(E)의 진행에 대해서 변경될 수 있도록 단계적으로 가변적으로 이루어진다.
Figure P1020087006895
반도체 파워 출력단, 제어 유닛, 회전자 위치 센서, 모터

Description

반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법{Method for supplying electrical power to a DC motor which can be commutated electronically via a semiconductor power output stage}
본 발명은 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한, 예컨대 DE 102 47 900 A1에 기술된 바와 같은, 바람직하게 3상 직류 모터에 전류를 공급하는 방법에 관한 것이다.
상기 간행물에 제어 신호로서 특히, 파워 출력단의 반도체 스위치의 공통의 공급 라인 내에 있는 전류 센서의 신호 및 회전자 위치용 센서 장치의 신호를 수신하는, 모터의 상 전류를 위한 제어부를 가진 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법이 공지되어 있다. 모터의 전류 공급은 각각 120°el 의 전류 블록을 갖는 블록 전류 공급의 형태로 또는 대안으로서 180°el 의 반파 지속시간을 갖는 사인파형 전류 공급에 의해 이루어진다. 이 경우, 120°블록 전류 공급의 이용은 간단하고 저렴한 제어장치의 사용을 가능하게 하지만, 모터의 이용성은 저하된다. 사인파형 전류 공급은 각각의 스위칭 시점과 전류 세기의 복잡한 계산을 필요로 하고 회전자 위치의 정확한 검출을 위해 비용이 많이 드는 센서를 필요로 한다.
본 발명의 목적은, 적은 스위칭- 및 계산 비용으로 블록식으로 전류 공급된 전자 정류 가능한 모터의 출력 밀도를 높이면서 토크 리플을 감소시키는 전자 정류 가능한 직류 모터, 특히 3상 직류 모터에 전류를 공급하는 방법을 제공하는 것이다. 제어 장치에 의해 정류 시점을 복잡하게 계산하지 않고 간단한 센서 장치에 의해 직접 정류 시점이 개시되어야 한다. 상기 목적은 청구범위 제 1 항의 특징에 의해, 모터의 전류 공급이 단계적으로 가변적으로 이루어짐으로써 달성된다. 이로써, 예비 정류가 필요없는 간단한 120°블록 전류 공급에 비해 적은 추가 비용으로 모터 이용성이 현저히 개선되고 토크 리플의 감소를 위한 융통성 있는 제어가 달성된다.
정류 시점을 계산할 필요 없이, 센서 신호의 평가에 의해서만 모터가 상이한 회전수 범위에서 부하 및 회전수에 따라 상이한 전류 공급 패턴으로 작동되면 특히 바람직하다. 예컨대 차량 내의 서보 모터 또는 팬 모터로서 대량으로 사용되는 것과 같은, 약 20 A 내지 200 A의 전류를 소비하는 중간 크기의 3상 모터의 경우, 각각 유도 전압(E)의 제로 통과에 대해서, 낮은 회전수 범위에서는 150°el 의 길이와 0 내지 30°el, 바람직하게 +15°el 의 트리거 각도를 갖는 전류 블록, 중간 회전수 범위에서는 180° el 의 길이와 -30 내지 0°el, 바람직하게 -15°el 의 트리거 각도를 갖는 전류 블록, 및 높은 회전수 범위에서는 180°el 의 블록 길이와 -30 내지 -60°el, 바람직하게 -45° el 의 트리거 각도를 갖는 전류 블록이 사용되는 것이 특히 바람직하다.
위치 센서로서 바람직하게 디지털 홀 센서가 이용되고, 상기 센서는 비교적 저렴하고, 충분히 정확한 위치 신호를 제공한다. 토크 리플을 감소시키기 위해 바람직하게 3상 전류 흐름 범위에서 추가로 전류 블록 내의 전류 세기를, 전류 블록의 세기가 상이한 경우 2상 또는 3상 전류 공급 작동시 목표하는 토크의 대략 동일한 최대치가 설정되도록 변경시키는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 방법의 다른 세부 사항 및 바람직한 실시예는 종속 청구항 및 실시예 설명에 제시된다.
도 1은 전자 정류 가능한 전기 모터의 본 발명에 따른 전류 공급의 기본 회로도.
도 2는 유도된 전압에 대해서 상이한 블록 길이와 블록 형태 및 상이한 트리거 각도를 가진, 전자 정류 가능한 3상 전기 모터의 하나의 상에 대한 상이한 전류 공급 패턴의 예를 도시한 도면.
도 3은 상이한 회전수 범위에서 상이한 전류 공급 패턴의 전류가 3상 모터에 공급될 때 상이한 토크의 경과에 대한 예를 도시한 도면.
도 4는 일정한 전류 세기와 교번 전류 세기를 갖는 150°전류 블록으로 전류 공급시 전자 정류 가능한 3상 직류 모터의 토크의 경과에 대한 예를 도시한 도면.
도 1에서 10, 12, 14는 성형으로 결선된, 전자 정류 가능한 3상 직류 모터(16)의 권선을 표시하고, 상기 권선은 영구 자석 회전자(18)와 상호 작용한다. 회전자의 각각의 위치는 센서 장치(20)에 의해 모니터링되고, 상기 센서 장치는 마이크로콘트롤러로 형성된 제어 유닛(22)에 회전자 위치에 대한 신호를 제공한다. 센서 장치는 공지된 방식으로 상마다 적어도 하나의 홀 소자를 갖도록 형성되고, 회전자가 전기에 의해 회전할 때마다 각각의 상에 대해 적어도 2개의 회전자 위치 신호를 제공한다. 홀 센서는 작동 자석 또는 동일한 극수를 가진 별도의 센서 자석의 자계를 평가하고, 상기 홀 센서는 3상 모터의 경우 3개의 신호들(3비트)로부터 6개의 상이한 회전자 위치를 확실하게 유도할 수 있도록 , 바람직하게 120°el 오프셋되어 배치된다.
+극(24)과 -극(26)을 가진 직류 공급망은 모터(16) 및 제어 유닛(22)용 공급 전압을 제공하고, 상기 직류 공급망에 인버터(28)를 통해 모터 권선이 접속될 수 있다. 인버터(28)는 공지된 방식으로 반브리지 회로(B6-회로)로 구성되는데, 그 반도체 스위치(30, 32, 34)는 직류 공급망의 양극 측에, 반도체 스위치(36, 38, 40)는 음극 측에 접속되고, 모든 스위치는 각각 상세히 도시되지 않은 프리 휠 다이오드를 통해 연결된다. 권선(10)용 공급 전류(I1)는 스위치들(30, 36) 사이에서 탭되고, 권선(12)용 공급 전류(I2)는 스위치들(32, 38) 사이에서 탭되고, 권선(14)용 공급 전류(I3)는 스위치들(34, 40) 사이에서 탭된다. 제어 유닛에 의한 인버터(28)의 제어는 제어 유닛의 출력부(42)로부터 인버터의 제어 입력부(44)를 향한 화살표로 개략적으로 도시된다. 모터 제어는 전체적으로 제어 유닛(22)의 입력부(48)에서 설정값 신호(46)에 의해 사전 설정되고, 상기 제어 유닛의 공급 전압은 마찬가지로 직류 공급망(24, 26)으로부터 제공된다. 전자기적 적합성을 개선하기 위해 직류 공급망은 중간 회로 커패시터(50)를 통해 연결된다.
모터(16)용 전체 공급 전류(I)의 측정은 분류기(52)에 의해 이루어지고, 상기 분류기는 직류 공급망의 -극(26)에 대한 연결 라인에 접속되고 제어에 필요한 전류 신호를 공지된 방식으로 예컨대 증폭기 및 A/D 변환기를 통해 제어 유닛(22)의 입력부(54)에 제공한다. 중간 회로 전류(I)는 적절하게 제어 유닛(22)에 의해 미리 주어진 설정값으로 조절된다. 이는, 예컨대 최대 전류의 제한에 의해 이루어질 수 있다. 전류 한계치에 도달하면 해당 반도체 스위치는 차단되고 각각의 사이클의 종료시 다시 접속된다.
센서 장치(20)에 의해 발생된 회전자 위치 신호는 제어 유닛(22)의 입력부(56)에 인가된다. 모터(16)의 전류 공급을 위한 제어 방법이 다음 도면의 다이어그램에 의해 상세히 설명된다. 이 경우, 전류 공급은 변형된, 회전수에 따라 가변적인 블록 전류 공급이고, 상기 블록 전류 공급은 120°el 의 고정 블록 길이로 이루어지는 공지된 블록 전류 공급에 비해 적은 추가 비용으로 토크 리플의 감소와 동시에 모터 출력의 현저한 증가를 가능하게 한다. 특히 센서 장치에서 상기 추가 비용이 들고, 상기 센서 장치는 각 분해도를 배가하기 위해 추가 센서를 필요로 하는데, 즉 12개의 필수 위치에서는 4개의 센서(4 bit)가 필요한 한편, 6개의 필수 위치에서는 3개의 센서(3 bit)만이 필요하다.
도 2에서는, 잘 나타낼 목적으로 상이한 전류 공급 패턴이 단일 상에 대해서만 도시된다.
도 2a는 120°el 의 블록 길이와 +30°el 의 트리거 각도를 가진 종래의 블 록 전류 공급을 도시하고, 도 2b는 낮은 회전수 범위에서 150°el 의 블록 길이와 +15°el 의 트리거 각도를 가진 본 발명에 따른 바람직한 블록 전류 공급을 도시하고, 이것은 각각 30°el 후에 2상 전류 공급과 3상 전류 공급 사이에서 교대한다.
도 2c는 도 2b에 상응하게 본 발명에 따른 전류 공급 패턴을 도시하고, 토크 리플을 감소시키기 위해 블록의 중간, 3상 범위에서 공급 전류 세기가 증가된다. 이러한 전류 증가의 작용은 도 4의 다이어그램에 의해 상세히 설명된다.
도 2d는 유도 전압(E)의 제로 통과에 대해 -15°el 의 트리거 각도를 갖는 180° el 전류 블록으로 이루어지는 본 발명에 따른 전류 공급 패턴을 도시한다. 상기 전류 공급 방식은 모터의 중간 회전수 범위에서 출력을 높이는데 이용되는 한편, 도 2b 또는 도 2c에 따른 전류 공급 패턴은 낮은 회전수 범위에서 도 3에 의해 상세히 도시된 바와 같은 장점을 제공한다.
도 2e에 따른 전류 공급 패턴은 모터의 높은 회전수 범위에서 이용된다. 이 전류 공급은, 유도 전압(E)의 제로 통과에 대해서 -45°el 의 트리거 각도로 이루어지는 180° el 블록 전류 공급이고, 이것은 회전수를 현저히 높일 수 있다.
도 3은 회전수에 따른 모터의 토크의 상이한 경과를 도시하고, 이때 곡선 I, II, III은 전술한 상이한 전류 공급 패턴에 기초한다. 곡선 I 에 따른 전류 공급은 도 2b 또는 도 2c에 해당하고, 곡선 II에 따른 전류 공급은 도 2d에 해당하고, 곡선 III에 따른 전류 공급은 도 2e에 해당한다. 상이한 회전수 범위에서 전류 공급 패턴이 다르기 때문에 여러 곡선들로부터 현저한 토크 상승 및 회전수가 현저하 게 상승될 수 있음을 알 수 있다. 이에 대한 원인은 회전수가 증가함에 따라 모터의 리액턴스가 증가하고 따라서 모터 전류의 상 위치가 전압을 뒤따르기 때문이다. 이는 예비 정류 형태의 조기 전류 접속에 의해 보상될 수 있고, 이로써 모터의 출력이 상승된다. 또한, 예비 정류에 의해 모터 전류가 신속하게 증가하는데, 그 이유는 전류의 접속 시점에서 저지하는 유도 전압이 더 작기 때문이다. 또한, 블록 끝에서 모터 전류는 신속하게 감소하는데, 그 이유는 상기 시점에서 저지하는 유도 전압이 더 크고 전류 감소를 가속시키기 때문이다. 이로써 제공된 전류-시간-면적이 증가됨으로써 모터 출력이 커진다.
도 3에 도시된 토크 경과와 관련된 본 발명에 따른 전류 공급의 다른 바람직한 작용은, 전류 공급 블록들이 모터(16)의 회전자(18) 내의 영구 자석의 자계에 대해 부분적으로 반작용하는 자계를 발생시키는 것에 기인한다. 이러한 효과는 회전수가 높을 때, 저지하는 높은 유도 전압에도불구하고 모터를 여전히 작동시키는데 바람직하게 이용될 수 있다.
도 4는 도 3의 토크 곡선 I에 따라 15°el 의 트리거 각도를 가진 150°el 전류 공급의 이용을 도시한다. 이 경우, 12펄스의 토크 곡선이 생기고, 이로써 낮은 회전수 범위에서 토크 리플이 감소된다. 결과되는 12펄스의 토크는 더 두꺼운 실선으로 도시된다. 2 또는 3상은 각각 30°el 후에 교대로 공급된다. 조절될 전류는 항상 완전한 중간 회로 전류이고, 상기 전류는 3상 전류 공급 구간에서 2상으로 나뉘고, 거기에서 1/2 세기로 흐른다. 전류가 2상으로 나뉨으로써, 3상 영역에서 얻어지는 최대 토크는 완전한 상 전류가 2개의 상으로 흐르는 구간에서보다 약 간 더 작다. 도 4에서 토크 특성 곡선 중 파선으로 도시된 바와 같이, 3상 작동시 전류 세기가 증가함으로써 3상 작동시 최대 토크는 2상 작동시 토크의 높이로 증가될 수 있다. 이로써, 토크 리플은 더 감소된다. 3상 작동시 2상의 반도체 스위치들은 병렬 접속되고 이로써 파워 출력이 동일할 때 상기 스위치의 전류 소비 및 가열은 감소된다. 여기에 본 발명에 따른 방법의 다른 장점이 있다 .
도 4에 도시된 12펄스 토크 곡선에 따라 선택적으로 교번하는 전류 세기 150° el 로 블록 전류가 공급되는 낮은 회전수 범위에 대해, 도 3의 곡선 II 와 III에 따른 중간 회전수 범위와 높은 회전수 범위에서 각각 -15°el 의 트리거 각도와 -45°el 의 트리거 각도로 이루어지는 180°el -블록 전류 공급시와 동일한 방식으로 토크 곡선이 얻어진다. 도시된 상기 토크 곡선들의 각각에 대한 설명은 생략될 수 있다. 블록 전류 공급의 이용을 위한 트리거 각도는 유도 전압(E)의 포지티브 제로 통과와 관련해서, 전류 I의 포지티브 에지들간의 각도 차로부터 주어진다. 전류 에지가 시간상 전압 제로 통과를 뒤따를 경유, 상기 각도는 양의 값을 갖는다.

Claims (11)

  1. 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한, 바람직하게 3상 직류 모터에 전류를 공급하는 방법으로서, 상기 직류 모터에는 제어 유닛에 의해 블록 방식으로 회전자 위치 센서의 신호에 따라 전류가 공급되는 방법에 있어서,
    전류 블록(I)은 회전수 및/또는 부하에 따라 그것의 세기 및/또는 길이 및/또는 트리거 각도가 유도 전압(E)에 대해서 변경됨으로써 상기 모터(16)의 전류 공급은 단계적으로 가변적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전류 블록(I)은 120°el 내지 180°el 의 사전 설정 가능한 블록 길이로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 블록 전류(I)는 120°el, 150°el 및 180° el 의 블록 길이로 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 블록 내의 상기 전류(I)의 세기는 상기 모터(16)의 토크 리플이 감소되도록 변경될 수 있는 것을 특 징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 하나의 블록 내의 상기 전류(I)의 세기는 부분적으로 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 블록(I)의 트리거 각도는 회전수에 따라 유도 전압(E)의 제로 통과와 관련해서, +15°el 내지-75°el 로 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전류 블록(I)의 크기 및/또는 위치는 센서 장치(20)에 의해 사전 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 전류 블록(I)의 크기 및/또는 위치는 디지털 홀 센서에 의해 사전 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 낮은 회전수 범위(I)에서 3상 모터(16)에는 유도 전압(E)의 제로 통과에 대해서 0 내지 30˚el, 바람직하게 +15˚el 의 트리거 각도 및 150°el 의 블록 길이로 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 회전수 범위(II)에서 3상 모터(16)에는 유도 전압(E)의 제로 통과에 대해서 -30 내지 0˚el, 바람직하게 -15˚el 의 트리거 각도 및 180°el 의 블록 길이로 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 회전수 범위(III)에서 3상 모터(16)에는 유도 전압(E)의 제로 통과에 대해서 -30 내지 -60˚el, 바람직하게 -45˚el의 트리거 각도 및 180°el 의 블록 길이로 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 반도체 파워 출력단을 통해 전자 정류 가능한 직류 모터에 전류를 공급하는 방법.
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