KR20080058282A

KR20080058282A - 전기적 드라이브 시스템의 작동

Info

Publication number: KR20080058282A
Application number: KR1020070135759A
Authority: KR
Inventors: 피터 리차즈 메이스
Original assignee: 스위치트 릴럭턴스 드라이브즈 리미티드
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-06-25
Also published as: EP2624443A3; EP2624443A2; EP1936798A3; EP2624443B9; GB0625637D0; CN101207350A; EP1936798B1; EP2624443B1; US20080150464A1; CN101207350B; US8049528B2; KR101429878B1; EP1936798A2

Abstract

전기적 드라이브 시스템은 전기적 기기의 작동에 관련된 퀀티티(Quantity)를 나타내는 신호의 피드백을 필요로 하는 전자적 제어기에 의해 제어되는 전기적 기기를 포함한다. 이 신호들은 예를 들어, 플럭스, 전류 및/또는 로터 위치를 나타낼 수도 있다. 이 신호들의 적분은 상기 신호들을 위한 알맞는 임계(Threshould)를 설정하고 적절한 시간에 둘다 존재한다는 것을 확인하는 것에 의해 밸리데이트(Validate) 된다.

Description

전기적 드라이브 시스템의 작동{Operation of an Electrical Drive System}

본 발명은 전기적 드라이브, 예를 들면, 전자 제어기에 의해 제어되는 전기적 기기를 포함하는 드라이브의 동작에 사용되는 신호들을 밸리데이트(Validate) 하는 것에 대한 것이다. 특히, 상기 기기에 인가되는 익사이테이션(Excitation)을 제어하는 데 사용되는 피드백 신호들의 밸리데이션(Validation)에 대한 것이다.

상당 기간 동안, 쉽게 제어되는 반도체 스위치의 가용성은 많은 유형의 전기적 기기의 전자적 제어를 가능하게 하였고, 따라서 전기적 서플라이(Electrical Supply)의 주파수에 의해서 보다는 사용자에 의해서 속도가 제어되는 드라이브 시스템을 제공하였다. 이러한 모든 제어기들은 크든 작든 일종의 피드백 신호들에 의존한다. 서로 다른 유형의 기기들은 서로 다른 제어 방법들을 필요로 하기 때문에, 피드백을 위해 선택된 파라미터들은 전기적 기기가 놓여진(Put) 응용보다는 제어되는 전기적 기기의 유형과 더 관계가 있을 것이다.

스위치 릴럭턴스 시스템(Switched Reluctance System)의 특성과 동작은 당업계에 공지된 사항이며, 예를 들면 여기에 참조로서 편입되는 『Stephenson and Blake, "The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives", PCIM’93, N, 21-24 June, 1993』에 구체화되어 기술되어 있다. 이러한 드라이브를 일반적으로 다루는 방법은 예를 들어, 여기에 참조로서 편입되는 『Miller, T.J.E. "Electronic Control of Switched Reluctance Machines", Newnes, 2001』과 같은 다양한 서적에서 찾을 수 있다. 이 기기들은 경자성 재료(Hard Magnetic Material)가 없는 단일 여자(Single Excited)의 이중 돌출(Doubly Salient) 자성 구조에 의해 특징 지어진다.

도 1은 개략도의 형태로 나타낸 전형적인 스위치 릴럭턴스 드라이브를 도시한 도면이고, 여기서 스위치 릴럭턴스 모터(12)가 부하(19)를 구동한다. DC 입력 파워 서플라이(input DC Power Supply)(11)는 배터리일 수도 있고 정류(Rectify)되고 필터링(Filter)된 교류 전원(AC Mains)일 수도 있다. 파워 서플라이(Power Supply)(11)에 의해 공급되는 직류 전압은 전자 제어 유닛(14)의 제어 하에 파워 컨버터(Power Converter)(13)에 의해 모터(12)의 페이즈 권선(Phase Windings)을 가로질러 스위칭된다. 스위칭은 드라이브의 올바른 동작을 위해 로터의 회전각도(Angle of Rotation)에 정확히 동기화되어야 하며, 로터 위치 감지기(15)는 전형적으로 로터의 각도 위치(Angular Position)에 대응하는 신호를 공급하도록 채택된다. 로터 위치를 정확히 아는 것의 중요성은, 신호의 무결성을 밸리데이트 하기 위하여 디지털 정보의 순서가 모니터(Monitor) 되고 여기에 참조로서 편입되는 US 5723858에 서술된 바와 같은 위치 피드백 신호의 밸리데이션(Validation)을 위한 기술의 발달을 고취시켜 왔다.

많은 서로 다른 파워 컨버터 토폴로지(Topology)들이 알려져 있으며, 위에 언급된 Stephenson의 논문에 그 중 몇 개가 기술되어 있다. 가장 일반적 구성 중에 하나가 폴리페이즈(Polyphase) 시스템의 싱글 페이즈(Single Phase)에 대해 도 2에 도시되었다. 기기의 페이즈 권선(16)은 버스바(Busbar)(26 및 27)를 가로질러 2개의 스위칭 디바이스(21 및 22)와 직렬로 연결되어 있다. 버스바(26 및 27)는 집합적으로 파워 컨버터의 DC 링크(DC Link)라 칭한다. 에너지 회수 다이오드(23 및 24)는, 스위치(21 및 22)가 오픈 되었을 때 권선 전류를 DC링크에게 되흐름(Flow Back) 시키도록 허용하기 위하여 권선(Winding)에 연결된다. "DC링크 캐패시터"로 알려진 캐패시터(25)는, 서플라이(Supply)로부터 오거나 서플라이로 되돌아가지 않는 DC 링크 전류의 교류 성분(즉, 리플 전류)을 소스(Source)하거나 싱크(Sink)하는 DC 링크를 가로질러 연결된다. 실질적 견지에서, 캐패시터(25)는 직렬 및/또는 병렬로 연결된 여러 개의 캐패시터를 포함할 수 있으며, 병렬 연결이 사용된 경우 일부 엘리먼트(Element)는 컨버터 도처에 분산되어 있을 수 있다.

기기로부터 컨버터까지의 전류 피드백은 일반적으로 제어기의 안전한 동작을 위해 필수적인 것으로 간주되고, 당업계에 많은 기술들이 알려져 있다. 도 2에서, 저항(28)은 신호를 공급하기 위하여 하부 스위치(22)와 직렬로 연결된다. 비슷한 배치는 약간 다른 전류의 측정을 위해 저항이 회로의 다른 부분에 놓여져 있으나, 이 모든 것들은 주(Main) 컨버터 회로로부터 전기적으로 고립되지 않는 신호를 공급한다(Similar arrangements place the resistor in other parts of the circuit to give measurements of slightly different currents, but all of these provide a signal which is not electrically isolated from the main converter circuit). 양자택일적으로, 도 1의 18에 도시하듯이 전류 변환기(Current Transducer)의 고립된 형태는 일반적으로 제어 시스템에서 사용하기 더 쉬운 신호를 공급하는 데 사용될 수 있다.

폴리페이즈 시스템은 전형적으로 도 2의 "위상 레그(Phase Leg)" 여러개를 사용하며, 각각은 전기적 기기의 페이즈를 에너자이즈(Energise) 하기 위해 병렬로 연결된 각 페이즈 권선 주위에 스위치와 다이오드 쌍으로 구성된다. 스위치 릴럭턴스 기기의 페이즈 인덕턴스 주기는, 예를 들어 로터폴(Rotor Pole)들과 해당 각각의 스테이터폴(Stator Pole)들이 완전히 정렬될 때의 최대값 사이의 페이즈 혹은 각 페이즈의 인덕턴스의 편차의 기간(Period)이다. 스위치(21 및 22)가 닫혔을 때 컨덕션 각도(Conduction Angle) θ_c의 지속시간(Duration) 동안 전압이 인가된다. 인가 전압의 시간 적분값인 플럭스(Flux)는 전압이 인가되는 동안 거의 직선적으로 상승한다. 페이즈 권선(16)에서의 전류는 피크(Peak)로 상승하고, 동작점에 따라 떨어진다. 컨덕션 기간(Period)의 끝에서는 스위치들이 열리며 다이오드들에게 전류가 전달되면서, 권선을 가로질러 역링크(Inverted Link) 전압을 설정하고 따라서 플럭스와 전류를 0으로 하락시킨다. 전류가 0일 때, 다이오드들은 도통(Conduct)을 멈추며, 그 페이즈의 이어서 발생하는 컨덕션 기간이 시작될 때까지 회로는 비활성(Inactive)이 된다.

로터 위치 변환기(Rotor Position Transducer)를 불필요하게 만드는 다양한 방법이 제안되었다. 이러한 것들의 몇몇이 여기에 참조로 편입된 『W. F. Ray and I. H. Al-Bahadly, "Sensorless Methods for Determining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors", in the Proceedings of The European Power Electronics Conference, Brighton, UK, 13-16 Sep, 1993, Vol. 6, pp. 7-13』에 조사되었다. 전기적으로 구동되는 기기에서 로터 위치 추정(Estimation)에 대하여 제안된 이러한 방법들 중 일부는 다른 값들이 유도될 수 있는 하나 이상의 기기 파라미터에 대한 측정법을 사용한다. 예를 들어, 페이즈 플럭스 링키지(Phase Flux-Linkage)(즉, 시간에 대한 인가된 전압의 적분)와 하나 이상의 페이즈(Phase)에서의 전류가 모니터 된다(예를 들어, 전류 변환기에 의해(도 1의 18 또는 도 2의 28). 위치는 인덕턴스 또는 플럭스 링키지에 대한 편차를 인지하여 각도와 전류의 함수로써 계산된다.

어떤 방법이 사용되든지, 전류와 플럭스 신호가 정확하고 신뢰성이 높아야 하는 것은 필수적이다. 전류 변환기의 결함(Fault) 또는 피드백 경로 상의 망가진 선로(Broken Wire)는 제어기에 심각한 결과를 낳는다. 이러한 것에 대한 보호 제공을 시도하기 위하여 도 3 및 도 4에 오류 감지 방법이 제시되었다. 도 3은 전압이 페이즈에 인가된 후의 예상되는 전류 궤적(Trajectory)과, 예상 피크전류 작은 부분(예를 들어, 2-3%)인 전류 임계(Threshold) I_t를 도시한다. 도 4는 AND 게이트(50)와 타이머(52)로 구성된 로직 회로를 도시한다. AND 게이트에 대한 x와 y 입력은 페이즈 권선을 위한 스위치, 예를 들어, 도 2의 스위치(21 및 22)의 게이트 신호에 의해 유도된다. 제어기가 두 스위치를 닫기로 결정했을 때, AND 게이트의 출력은 클럭 신호에 의해 유도(Derive)되는 타이머(52)를 인에이블(Enable) 한다. 따라서, 타이머는 출력 라인(Output Line) 상에서 카운트업(Count Up) 한다. 타이머의 리셋 라인(RESET Line)은 임계 전류(Threshold Current) I_t에 의해 구동되며, 이렇게 하여 임계(Threshold)를 지나가는(Pass) 전류가 흐를 때 타이머 출력 Q가 0으로 유지된다. 따라서, 제어기는 초기 기간 동안 카운터 출력이 상승하지만 그 후에는 0으로 유지되는 것을 보게 될 것이다. 만일 이러한 일이 발생하지 않는다면, 예를 들어, 전류 피드백 신호가 상실되거나 어떤 스위치가 닫힘에 실패하는 등의 결함이 발생했을 수 있다.

이 방법은 많은 응용에서 유익한 것임이 입증되었다. 하지만, 한가지 문제점은 오류를 표시하는 출력 Q의 값이 제어되는 특정 기기에 따라 크게 변한다는 것이다: 50μsec에 해당하는 값은 작은 고속 기기에 적합할 수 있는 반면, 대형의 더 느린 기기는 30msec의 값을 요구할 수 있다. 게다가 전류는, 어떤 합법적 이유에 대하여, 예를 들어 시스템 전압이 심각하게 떨어지거나 페이즈 인덕턴스가 최대일 때의 위치에 로터가 놓이는 경우, 상승이 느려질지도 모른다. 따라서, 오류 조건을 신뢰성 있게 표현하는 타이머 출력값을 선택하기가 어렵다.

본 발명은 첨부한 독립항에 의해 정의되어 있고, 일부 우선적 특징은 종속항에 기술되었다.

일 실시예에 의하면, 드라이브의 제 1 파라미터의 존재를 표시하는 제 1 신호를 모니터(Monitor) 하는 단계; 상기 제 1 파라미터가 존재할 때만 0이 아닌 값을 갖는 상기 드라이브의 제 2 파라미터의 존재를 표시하는 제 2 신호를 모니터 하는 단계; 및 상기 제 1 및 제 2 신호가 함께 존재하면 상기 신호 시스템을 밸리데이트(Validate) 하는 단계를 포함하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법을 제공한다.

전형적인 파라미터는 플럭스와 전류이다. 제 1 및 제 2 파라미터로서 전기적 기기에서의 로터위치와 전류를 사용할 수도 있다.

다른 실시예들에서, 상기 파라미터들은 상기 기기의 서로 다른 페이즈들로부터 오거나 병렬적으로 동작하는 다른 기기의 페이즈들로부터 오는 전류 또는 플럭스일 수 있다.

일반적으로 페이즈 플럭스도 페이즈 전류도, 예를 들어, 서로 고립되어 존재할 수 없다는 것이 발명자에 의해 명확히 파악되었다. 따라서, 이러한 퀀티티(Quantity)를 표현하는 신호들을 조사해보면 둘 다 존재해야 한다는 결론이 나온다. 만일 하나만 존재한다면, 오류가 발생했을 수 있다.

한 특별한 형태에서, 어떤 방법은 제 1 파라미터의 값을 표시하는 제 1 신호의 소정의 조건을 감지하는 것과 소정의 조건이 만족되는 경우 신호 시스템을 밸리 데이트 하는 것을 포함하여 기술된다.

이 방법(The Method)은 제 2 파라미터의 값을 표시하는 제 2 신호의 소정의 조건을 감지하는 것과 소정의 조건이 만족되는 경우 신호 시스템을 밸리데이트 하는 것을 포함하여 기술된다.

제 1 파라미터의 소정의 조건은 파라미터가 주어진 임계를 넘지 못한다는 것일 수 있다. 제 2 파라미터의 소정의 조건은 파라미터가 주어진 임계를 넘지 못한다는 것일 수 있다.

어떤 상황에서는 신호의 밸리데이션(Validation)이 전기적 기기의 주기의 특정 부분 내에서만 합법적으로 수행될 수 있다. 그래서 어떤 실시예에서는 밸리데이션이 제 1 또는 제 2 신호를 감지한 후의 로터 각도 또는 소정의 시간 내로 한정된다.

본 발명의 실시예들은 위의 방법들을 구현한 시스템에까지 확장된다.

본 발명의 방법 및 시스템은 제로 플럭스 조건으로부터 전형적으로 에너자이즈(Energise) 되는 하나 이상의 각각의 에너자이즈 가능한 페이즈를 갖는 전기적 기기에 적합하다. 이는 스위치 릴럭턴스 기기에 특히 유용하다.

본 발명은 많은 방법으로 실시할 수 있으며, 일부는 예제 및 후에 나오는 도면을 참조하여 기술된다.

도 5는 싱글 펄스 모드에서 동작하는 동안 스위치 릴럭턴스 기기의 한 페이즈와 관련된 플럭스의 파형을 도시하였다. 도면과 서술 사항에서(In the drawings and this description), "플럭스"란 편의상 사용한 것이다. 당업자들은 "플럭스 링키지"(Flux Linkage)라는 용어가 동등하게 잘 사용될 수 있으며 하나의 퀀티티(Quantity)는 단지 다른 것의 수적인(Numerical) 스케일링(Scaling)임을 인지할 것이다(Those of ordinary skill in the art will recognise that the term "flux linkage" could equally well be used and that one quantity is simply a numerical scaling of the other). 도 5는 플럭스 파형에서 전압 강하에 의한 비선형성이 없으며 파형을 생성하는데 사용된 측정 방법에 의해 도입되는 노이즈가 없다는 점에서 이상화되었다. 마찬가지로, 도시된 페이즈 권선의 인덕턴스 프로파일 역시 이상화된 형태이다. 실제적으로, 프로파일의 코너는 공기중으로의 플럭스 프린징(Flux Fringing)과 강자성 경로(Ferromagnetic Paths)의 포화로 인하여 둥글게 된 것이다.

전형적인 드라이브 시스템에서 플럭스 파형은 전압 신호의 시간 적분으로 계산될 것이며 전압 신호는 다음을 의미한다.: DC link 전압; 권선의 터미널에 인가된 전압: 차이(v - ir)(여기서, v, i 및 r 은 전압, 전류 및 저항의 순시 페이즈의 퀀티티를 의미); 또는 요구되는 정확도까지 플럭스의 측정을 산출할 다른 신호. 도 5는 플럭스가 임계 F_t를 지나가는 때를 나타내주는 플럭스 F_t와 로직 신호 F_p의 임계값(Threshould Value)을 도시한다(Figure 5 also shows a threshold value of flux F_t and a logic signal F_p which indicates when the flux has passed the threshold F_t).

도 6은 도 5의 플럭스 파형에 해당하는 전류 파형과, 이와 유사하게, 전류가 임계 I_t를 가로지르는 때를 나타내는 로직 신호 I_p를 도시한다.

두 로직 신호 F_p와 I_p는 이제 비교 가능하며, 테스트(test)가 두 신호가 존재함을 테스트가 나타내 준다면 전류 피드백 신호는 밸리데이트 된 것이다. 하지만, 만일 테스트가 I_p 신호 없이 F_p 신호의 존재를 나타낸다면, 결함이 존재하는 것이고 예를 들어, 페이즈 혹은 전체 시스템에 대한 제어된 셧다운(Shut-down)을 수행하는 적절한 조치가 제어기에 의해 취해질 수 있다. 이 신호 밸리데이션 방법의 한 장점은 전류 피드백 신호가 보통 반도체 스위치의 보호를 위한 제어기에 공급된다는 점이고 플럭스 신호는, 예를 들어 드라이브가 "센서리스" 위치 제어 스킴("Sensorless" Position Control scheme)에 의해 동작되는 경우에 종종 사용 가능하며, 따라서 로직 혹은 소프트웨어 레벨 추가만이 그 기술을 구현하는데 필요하다(so only logic or software level additions are required to implement the technique.)

본 방법의 다른 장점은 DC 링크 전압에 있어서 큰 편차에도 견고하다는 점이다. 기기에서의 플럭스는 전압에 정비례하므로, 전압에서의 편차는 도 5의 플럭스 파형의 기울기를 변화시키며, 따라서, 도 6의 전류 파형의 기울기는 플럭스 임계의 값에 영향을 미치지 않을 뿐만 아니라 그 값에 도달하는데 걸리는 시간에도 영향을 미치지 않는다(Since the flux in the machine is directly proportional to the voltage, any variation in voltage simply varies the slope of the flux waveform in Figure 5 and, correspondingly, the slope of the current waveform in Figure 6, but does not affect the value of the flux threshold, only the time taken to reach it).

임계 F_t와 임계 I_t는 원칙적으로 선택된 값에 있어서 제한을 가지지 않지만(물론, 그들이 드라이브 시스템에 의해 경험한 동작값 이내에 있다면), 실제 구현에 있어서는 다양한 고려사항이 취해져야 한다. 일반적으로, 대부분의 제어 시스템은 필연적으로 동작 순서의 타이밍을 정의하는 시스템 클럭에 의해 구동되는 마이크로 프로세서 또는 디지털 시그널 프로세서와 같은 디지털 시스템을 기반으로 한다. 따라서, 이들 타이밍에 대한 본 발명의 실시예들에 바탕을 두는 것은 적절하다(It is therefore appropriate to base embodiments of the invention on these timings). 어떤 상황에서는, 디지털 회로에서 신호의 검사(Examination)를 구현하는 것은 어느 하나의 신호에 대하여 존재할 수 있는 퀀타이제이션(Quantisation) 영향에 대한 어떤 주의와 인지가 필요하다.

예를 들어, 시스템 클럭이 의사결정을 매 80 μsec마다 이루어지도록 허용한다면, 제어 시스템은 즉, 240 μsec 후에 전류 신호를 밸리데이트 하고, 밸리데이션이 더 이상 필요하지 않을 때까지, 예를 들어, 스위치가 열리고 페이즈 전류의 제어가 더 이상 가능하지 않을 때, 매 80 μsec 마다 밸리데이션을 계속 할 수 있을 것이다(For example, if the system clock allows decisions to be taken every 80μsec, the control system could validatethe current signal after, say, 240 μsec and continue to validate it every 80μsec until validation is no longer required, e.g. when the switches are opened and control of the phase current is no longer possible).

페이즈가 에너자이즈 된 후의 지연에 대한 원인은 무시된 로우 레벨(Low Level) 전류 신호에 존재하는 노이즈를 참작하는 것이며, 그렇지 않으면 잘못 읽음을 유발하여 드라이브가 셧다운되게 만들 수도 있다(The reason for the delay after the phase is energised is to allow for any noise present on a low-level current signal to be disregarded, which might otherwise give rise to false readings and possibly cause the drive to shut down).

지연 양은 드라이브의 파라미터들에 대한 고려사항으로부터 선택될 수 있다. 당업자는 페이즈 권선에서의 전류 증가 초기 비율이 서플라이(Supply) 전압 뿐만 아니라 로터 위치에도 의존한다는 것을 알게 될 것이다. 최소 인덕턴스 위치에서는 최대 인덕턴스 위치에서 보다 약 10 내지 15배 더 빠를 수 있다. 최소 인덕턴스, 서플라이 전압 및 스위치에 허용된 최대 전류를 알게 되면, 전류 데이터를 밸리데이트 하는 데 허용된 최대 시간이 결정될 수 있으며, 그러므로 필요할 경우 데미지(Damage)가 발생하기 전에 치료적인 동작(Remedial Action)이 취해질 수 있다.

이 픽스된(Fixed) 지연 값은 많은 구동 시스템에서 받아들일 수 있다 할지라도, 페이즈가 에너자이즈 되는 로터의 위치(따라서, 도 5에 도시한 인덕턴스 프로파일에서의 위치)에 관련된 가변적 지연을 사용하는 기술을 개량하는 것이 가능하다.

예를 들어, 전기적 드라이브는 페이즈 스위치를 모터링 모드에 대하여 최소 인덕턴스 위치에 가까이 보다는 최대 인덕턴스 위치에 가깝도록 시동을 걸면서, 브레이킹(제너레이팅) 모드에서 역시 동작할 수도 있다(For example, an electric drive may also operate in a braking (generating) mode, firing the phase switches close to a maximum inductance position rather than close to a minimum inductance position as for a motoring mode).

주어진 모드로 알려져 있는 시동 각도(Firing Angle)의 인덕턴스 프로파일에서의 위치를 가지고 페이즈의 에너자이제이션(Energisation)의 시작과 밸리데이션 시작 사이의 지연은 에너자이제이션(Energisation) 위치의 함수로 조절될 수 있다. 양자택일적으로, 지연은 감지된 로터 위치의 함수로 조절될 수 있다.

후자의 경우에, 가용한 개량의 정도는 드라이브 시스템에 제공된 로터 위치 정보의 정확성에 의존한다. 예를 들어, 전통적인 로터 위치 변환기가 사용된다면(많은 드라이브 시스템에서 전형적이듯이), 각 페이즈 채널의 한 주기 상의 이진 출력에 있어서 두개의 변이(Transition)가 발생한다. 전형적인 3-페이즈 시스템에서, 페이즈 신호는 한 인스턴스 주기의 1/6 내에서 로터 위치를 제공(Give)하기 위하여 결합될 수 있다. 이는, 단지 상수를 사용하기 보다는 서로 다른 세 개의 지연시간을 설정하도록 인덕턴스의 세 개의 존이 사용되도록 허용할 것이다. 만일 인코더 또는 리졸버(Resolver) 또는 약간의 소프트웨어 동등물(Software Equivalent)이 사용되었다면, 보다 정밀한 위치 레졸루션(Resolution)이 사용 가능했을 것이고 그래서 지연 시간의 더 작은 단계가 가능했을 것이다. 이러한 가변적 지연 시간의 장 점은 드라이브 시스템의 더 엄격한(Tighter) 제어가 성취된다는 것이다.

만일 드라이브가 쵸핑(Chopping) 모드로 매우 느리게 동작된다면(위에 언급된 Stephenson et al의 논문을 참조), 플럭스와 전류는 상대적으로 긴 시간 동안 존재하게 될 것이다.

플럭스 신호는 적분에 의해 유도된 추정(Estimate)이므로, 플럭스의 어패런트(Apparent) 존재를 확장하고 전류가 0으로 감쇄된 후에 플럭스가 존재한다는 것을 함축하는(Implying) 적분기에서의 고유의 드리프트(Drift) 위험이 있다(Since the flux signal is an estimate derived by integration, there is a danger of the inherent drift in the integrator extending the apparent presence of flux and implying that flux is present after the current has decayed to zero).

이는 밸리데이션이 시도되지 않는 시간 제한을 설정함으로써 회피할 수 있다. 시간 제한은 적분기 특성에 대한 지식으로부터 쉽게 결정될 수 있으며 일반적으로 50 ~ 100 msec의 전형적 범위가 될 것이다.

도 7 및 8은 도면번호 9에 의해 개념적으로 표시된 구성요소를 포함하고 전압 변환기(17)로부터 페이즈 전압의 추가적 입력을 갖는다는 것을 제외하고는 제어 유닛(14')이 도 1의 14와 유사한 본 발명의 일 실시예를 도시한 것이다. 도 8에는 구성요소 9에서 제어 유닛(14')에 의해 실행된 프로세스가 로직 회로에 구현되었다. 전압입력은 페이즈 플럭스의 추정을 제공하기 위하여 회로 101에 의하여 사용되었다. 이러한 방법은 당업계에 공지된 사항이며 전압의 시간 적분에 기초한다.

소정의 플럭스 임계 F_t는 플럭스 추정(Estimate)이 플럭스 임계 F_t를 초과할 때 출력 F_p를 제공하는 비교기(102)에 공급된다. 비슷한 방법으로, 전류 변환기(18)로부터의 페이즈 전류의 측정(Measurement)은 출력 I_p를 제공하기 위하여 비교기(103)에서 전류 임계 I_t와 비교된다. F_p와 I_p는, 플럭스와 전류 둘다 존재할 때 라인(line) 105 상에 신호를 발생시키는 AND 게이트(104)로 공급된다. 이는 플럭스 신호가 전류 변환기로부터의 신호를 밸리데이트 하는 데 사용할 수 있는 방법의 하나의 예이다.

도 8에 도시된 하드웨어는 당업자에게는 자명한 바와 같이 동일한 효과를 가지도록 소프트웨어로 구현될 수 있다(The hardware illustrated in Figure 8 could be implemented in software to equal effect as will be readily apparent to one of ordinary skill in the art).

본 방법(The Method)이 전류 신호의 밸리데이션으로 제한되지 않는다는 것은 위의 서술로부터 명백할 것이다. 파라미터 값 또는 경과 시간의 적절한 윈도우(Window)의 설정에 의하여 플럭스 신호를 밸리데이트 하는 데 전류 신호를 사용하는 것은 동등하게 가능할 것이며, 그러므로 플럭스 신호의 무결성은 밸리데이트 된다. 위에 기술된 실례(Example)들은 전기적 드라이브의 컨덕션 주기동안 많은 횟수로 신호의 적분이 밸리데이트 될 수 있는 방법을 설명한다. 이 실시예들은 드라이브가 상대적으로 저속으로 동작할 때 유익하다. 시스템 클럭의 주기 시간이 페이즈 주기 시간에 대하여 시그니피컨트(Significant)한 곳에서는, 다른 실시예들이 페이즈 주기마다 한번 신호를 밸리데이트 하며 특히 더 높은 동작 속도에서 유용하다. 이러한 하나의 실시예는 지금 기술될 것이다.

더 높은 속도에서는, 기기의 작동을 최적화하기 위하여 최소 인덕턴스 위치에 앞서서 페이즈의 에너자이제이션(Energisation)이 시작되는 스위치 온 각도(Switch-On Angle)의 위치를 정하는 것이 보통이다. (기기가 모터링 또는 제너레이팅 모드에서 동작하든지 간에) 전류는 스위치 온(Switch-on) 이후에 증가해야 하므로, 밸리데이션 프로세스는 (하드웨어 변환기 또는 소프트웨어 알고리즘으로 공급되든지 간에) 순시 로터 위치(Instantaneous Rotor Position)를 관찰할 수 있고, 최소 인덕턴스 위치에 도달되었을 때 전류 신호가 소정의 임계를 가로지르는지 여부를 테스트할 수 있다.

파라미터들이 계속적으로 비교되고 기기의 컨덕션 주기에 시종일관하여 밸리데이트 되는 추가적 실시예를 이제 기술할 것이다. 사실상, 이는 고정 임계(예를 들어, F_t, I_t)를 가변 임계로 대치한 것이다. 도 9는 기기 안에서 서플라이 전압을 나타내는 신호로부터 기기에서의 플럭스 링키지를 계산하는 소프트웨어 적분기로부터의 전형적인 출력을 도시한 것이다. 이 제 1 신호의 계단식 특징은 제어 시스템의 유한한 클럭 주기의 결과이다.

인덕턴스, 플럭스 링키지 및 전류 사이의 관계(L = ψ/i)를 사용하면서, 플럭스 링키지를 나타내는 제 2 신호는 전류 피드백 신호를 취하고 알려진 위치에 해당하는 인덕턴스를 곱함으로써 계산될 수 있다. 만일 제어 시스템이 올바로 동작한 다면, 이 제 2 신호는, 예를 들어 제 1 신호의 마진 내에 있도록 제 1 신호와 매칭(Matching)시켜야 한다. 만일 그렇지 않다면, 전압 또는 전류 피드백 신호 중 누군가에 에러가 발생했다고 가정할 수 있다. 노이즈 스파이크, 적분기 드리프트 등으로 인한 스퓨리어스 트립(Spurios Trip)을 방지하기 위해서는, 도 9에 도시하듯이 밸리데이션 프로세스가 에러 조건을 신호(Signal)하기 전에 안전 마진을 허용하기 위하여 스케일링 팩터가 신호들 중 누군가에게 적용될 수 있다.

이 실시예의 장점은 피드백 신호들은 단지 주기의 시작점에서 보다는 컨덕션 주기 동안 계속적으로 모니터 된다는 점이다.

다른 실시예들에서는, 신호들은 기기의 서로 다른 페이즈로부터의 파라미터들과 관련이 있다. 예를 들어, 위에 서술한 기술을 사용할 때, 서로 다른 페이즈로부터의 전류가 비교될 수 있다. 적절한 페이즈 디스플레이스먼트(Displacement)를 고려한 후에, 비교는 신호들의 밸리데이션을 할 수 있게 한다(After allowing for the appropriate phase displacement, the comparison can allow the validation of the signals).

다른 실시예에서는(In yet Further embodiments), 신호들은 서로 다른 기기들 또는 동시에 동작하는 서로 다른 파워 컨버터로부터의 파라미터들과 관련이 있다. 예를 들어, 신호들은 병렬적으로 기기의 싱글 페이즈(Single Phase)를 공급하는 서로 다른 파워 컨버터로부터의 두 전류와 관련이 있을 수 있다. 위에 보인 바와 같이 신호들을 비교함으로써, 컨버터들 사이에 공유하는 전류가 모니터 될 수 있고 만일 전류가 불균등하게 공유된다면 적절한 조치가 취해질 수 있다.

당업자(The skilled person)는 이 방법이 모터 또는 제너레이터로 동작하는 기기에게 똑같은 이익이 된다는 것과 디스클로즈드 어레인지먼트(Disclosed Arrangement)의 베리에이션(Variation)이 특히 하드웨어, 펌웨어 및/또는 소프트웨어에 있는 제어기에서 알고리즘의 구현의 상세한 설명에서 본 발명으로부터 벗어나지 않고 가능하다는 것을 높이 평가할 것이다.

기술(The Technique)이 스위치 릴럭턴스 기기와 관련하여 서술되었음에도 불구하고 독립적인 서플라이 페이즈(Supplied Phase)를 갖는 전기적 기기와 관련되어 사용될 수 있다는 것도 역시 명백할 것이다. 또한, 본 발명이 회전 기기(Rotating Machine)에 대하여 서술되었음에도 불구하고 본 발명은 트랙(Track)의 형태로 된 스테이터(Stator)와 그 위를 움직이는 무빙 파트(Moving Part)를 갖는 선형적 기기에 똑같이 적용 가능하다. "로터(Rotor)"라는 용어는 회전 및 선형적 기기의 무버블 파트(Movable Part)를 언급하기 위하여 당업계에서 사용되는 것이며 이런 방법으로 여기에서는 해석될 것이다. 따라서 위의 몇가지 실시예의 서술은 실례로서 만든 것이며 한정을 목적으로 만든 것은 아니다. 위에 서술한 작동에 심각한 변경 없이 제어 방법에 대한 사소한 변경은 당업자에게는 자명할 것이다. 본 발명은 다음의 청구 범위에 의해서만 제한하고자 한다.

도 1은 전형적인 종래의 스위치 릴럭턴스 드라이브를 도시한 것이다.

도 2는 도 1의 파워 컨버터에 대한 한 페이즈의 알려진 토폴로지를 도시한 것이다.

도 3은 종래의 전류의 신호 밸리데이트 방법을 도시한 것이다.

도 4는 도 3의 전류 관계를 갖는 사용을 위한 로직 회로의 부분을 도시한 것이다(Figure 4 shows part of a logic circuit for use with the current relationship of Figure 3).

도 5는 일 실시예에 따른 플럭스와 로직 파형을 도시한 것이다.

도 6은 일 실시예에 따른 전류와 로직 파형을 도시한 것이다.

도 7은 디스클로즈드(disclosed) 실시예에 따른 스위치 릴럭턴스 드라이브를 도시한 것이다.

도 8은 도 7의 드라이브의 기능의 부분을 묘사하는 회로를 도시한 것이다.

도 9는 추가적 실시예(further embodiment)에 따른 플럭스 링키지 파형을 도시한 것이다.

Claims

드라이브의 제 1 파라미터의 존재를 표시하는 제 1 신호를 모니터(Monitor) 하는 단계;

상기 제 1 파라미터가 존재할 때만 0이 아닌 값을 갖는 상기 드라이브의 제 2 파라미터의 존재를 표시하는 제 2 신호를 모니터 하는 단계; 및

상기 제 1 및 제 2 신호의 소정의 조건을 만족하면 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하는 단계;

를 포함하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트(Validate) 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 소정의 조건은 상기 제 1 및 제 2 신호가 함께 존재하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 소정의 조건은 각각의 상기 신호가 각자의 임계를 초과하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 신호 중 하나는 전류를 표시하고, 상기 제 1 및 제 2 신호 중 다른 하나는 상기 전기적 드라이브의 전기적 기기에서 플럭스(Flux)를 표시하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 스테이셔너리 파트(Stationary Part)와 무빙 파트(Moving Part)를 가지며, 상기 제 1 신호는 상기 스테이셔너리 파트에 대한 상기 무빙 파트의 위치를 표시하고 상기 제 2 신호는 상기 전기적 기기에서 전류를 표시하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

각각의 상기 제 1 및 제 2 신호는 상기 드라이브의 전기적 기기에서 플럭스를 나타내되, 상기 제 1 및 제 2 신호 중 하나는 전압 신호로부터 파생되고 상기 제 1 및 제 2 신호 중 다른 하나는 전류 신호로부터 파생된 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 6항에 있어서,

상기 소정의 조건은 상기 제 1 및 제 2 신호 각자의 값들이 서로의 마진 내에 놓이는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 신호 시스템의 밸리데이션(Validation)을 상기 소정의 조건을 만족한 후 소정의 기간(Period of Time) 내로 한정하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 동작 주기를 가지며 상기 방법은 전기적 드라이브의 동작을 모니터링하고 상기 동작 주기 안의 소정의 포인트(Point)에서 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하는 것을 추가로 포함하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 복수의 페이즈를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 파라미터는 서로 다른 각자의 페이즈의 파라미터인 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 상기 드라이브의 전기적 기기의 최소 하나의 페이즈를 공급하는 복수의 파워 컨버터를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 신호는 서로 다른 각자의 파워 컨버터로부터 유도된(Derived) 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리 데이트 하는 방법.
제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 병렬적으로 동작하는 복수의 전기적 기기를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 파라미터는 서로 다른 각각의 기기의 파라미터인 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 드라이브는 인덕턴스 주기를 정의하는 전기적 기기를 포함하고,

상기 방법은,

상기 인덕턴스 주기의 한 위치에서 상기 기기의 페이즈를 에너자이즈(Energise) 하는 단계; 및

상기 페이즈의 에너자이즈에 대한 지연 후에 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하는 것을 시작하는 단계

를 포함하되,

상기 방법은 상기 위치의 함수로써 상기 지연의 기간(Duration)을 결정하는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트 하는 방법.
상기 드라이브의 제 1 파라미터의 존재를 표시하는 제 1 신호를 모니터(Monitor) 하기 위한 수단;

상기 제 1 파라미터가 존재할 때만 0이 아닌 값을 갖는 상기 드라이브의 제 2 파라미터의 존재를 표시하는 제 2 신호를 모니터 하기 위한 수단; 및

상기 제 1 및 제 2 신호의 소정의 조건을 만족하면 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하는 수단;

을 포함하는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항에 있어서,

상기 소정의 조건은 상기 제 1 및 제 2 신호가 함께 존재하는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 또는 제 15항에 있어서,

상기 소정의 조건은 각각의 상기 신호가 각자의 임계를 초과하는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 신호 중 하나는 전류를 표시하고, 상기 제 1 및 제 2 신호 중 다른 하나는 상기 전기적 드라이브의 전기적 기기에서 플럭스(Flux)를 표시하는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 스테이셔너리 파트(Stationary Part)와 무빙 파트(Moving Part)를 가지며,

상기 제 1 신호는 상기 스테이셔너리 파트에 대한 상기 무빙 파트의 위치를 표시하고 상기 제 2 신호는 상기 전기적 기기에서 전류를 표시하는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 또는 제 15항에 있어서,

각각의 상기 제 1 및 제 2 신호는 상기 드라이브의 상기 전기적 기기에서 플럭스를 나타내되, 상기 제 1 및 제 2 신호 중 하나는 전압신호로부터 파생되고 상기 제 1 및 제 2 신호 중 다른 하나는 전류 신호로부터 파생된 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 19항에 있어서,

상기 소정의 조건은 상기 제 1 및 제 2 신호 각자의 값들이 서로의 마진 내에 놓이는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 내지 제 20항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 신호 시스템의 밸리데이션(Validation)을 상기 소정의 조건을 만족한 후에 소정의 기간(Period of Time) 내로 한정하기 위한 수단을 포함하는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 동작 주기를 가지며,

밸리데이트 하기 위한 상기 수단은 상기 동작 주기 안의 소정의 포인트(Point)에서 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하는 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 복수의 페이즈를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 파라미터는 서로 다른 각자의 페이즈의 파라미터인 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 상기 드라이브의 전기적 기기의 최소 하나의 페이즈를 공급하는 복수의 파워 컨버터를 포함하고,

상기 제 1 및 제 2 신호를 모니터 하는 수단은 서로 다른 각각의 파워 컨버터로부터 상기 신호를 유도(Derived)하도록 정렬된 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 드라이브는 병렬적으로 동작하는 복수의 전기적 기기를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 파라미터는 서로 다른 각각의 기기의 파라미터인 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
제 14항 내지 제 25항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기적 기기는 인덕턴스 주기를 정의하고,

상기 시스템은 상기 인덕턴스 주기의 한 위치에서 상기 기기의 페이즈를 에너자이즈 하는 수단을 포함하되,

밸리데이트 하기 위한 상기 수단은 상기 페이즈의 에너자이즈에 대한 지연 후에 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하는 것을 시작하도록 정렬되고,

밸리데이트 하기 위한 상기 수단은 상기 위치의 함수로써 지연 기간(Duration)을 결정하도록 추가로 정렬된 전기적 기기를 구비하는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템.
인덕턴스 프로파일을 정의하는 스테이셔너리 파트(Stationary Part)와 무빙 파트(Moving Part)를 함께 구비하는 전기적 기기를 갖는 전기적 드라이브의 신호 시스템을 밸리데이트(Validate) 하는 방법은,

상기 스테이셔너리 파트에 대한 상기 무빙 파트의 위치를 모니터(Monitor) 하는 단계;

상기 무빙 파트가 상기 인덕턴스 프로파일에서 소정의 위치에 도달했을 때 상기 기기에서 전류의 값을 모니터 하는 단계; 및

상기 값이 소정의 조건을 만족하는 경우 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하는 단계

를 포함하는 밸리데이트 하는 방법.
인덕턴스 프로파일을 정의하는 스테이셔너리 파트(Stationary Part)와 무빙 파트(Moving Part)를 함께 구비하는 전기적 기기를 갖는 전기적 드라이브를 위한 신호 시스템은,

상기 스테이셔너리 파트에 대한 상기 무빙 파트의 위치를 모니터(Monitor) 하기 위한 수단; 및

상기 무빙 파트가 상기 인덕턴스 프로파일에서 소정의 위치에 도달했을 때 상기 기기에서 전류의 값을 모니터 하고, 상기 값이 소정의 조건을 만족하는 경우 상기 신호 시스템을 밸리데이트 하기 위한 수단

을 포함하는 신호 시스템.