KR20110055746A - 고효율 무철심형 영구 자석 기계에 대한 최적의 센서리스 토크 제어 - Google Patents

고효율 무철심형 영구 자석 기계에 대한 최적의 센서리스 토크 제어 Download PDF

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스콧 가렛 버만
제이허 압달라 다보우시
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Abstract

본 발명의 실시예들은, 영구 자석 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 단계, 수학적 변환을 사용하여, 상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 단계, 상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값을 갖게끔 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 단계, 상기 기계의 규제된 전기 주파수를 적분기에 인가함으로써 상기 영구 자석 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 단계, 상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 단계, 및 상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 단계를 포함하여, 영구 자석 기계의 토크 제어의 최적화를 허용한다.

Description

고효율 무철심형 영구 자석 기계에 대한 최적의 센서리스 토크 제어{Sensorless optimum torque control for high efficiency ironless permanent magnet machine}
우선권의 주장 및 참조에 의한 병합
본원은 2008년 9월 23일자 출원되었으며 발명의 명칭이 "고효율 무철심형 영구 자석 기계들에 대한 최적의 센서리스 토크 제어(SENSORLESS OPTIMUM TORQUE CONTROL FOR HIGH EFFICIENCY IRONLESS PM MACHINES)"인 DABOUSSI 명의의 미국 임시 특허출원 제61/194,030호를 기초로 우선권을 주장한 것으로, 상기 특허출원의 전체적인 명세내용은 본원에 참조병합된다.
기술분야
본 발명은 영구 자석 기계의 회전자 위치를 측정하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 좀더 구체적으로 기술하면, 본 발명은 무철심형 '영구 자석(permanent-magnet; PM) 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 센서리스 전기 구동 및 생성 동작들을 수행하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
관련 기술의 설명
영구 자석 기계는, 회전자 영구 자석들에 의해 생성된 계자(field)에 대해 수직이 되는 전자기장(electromagnetic field)을 가함으로써 회전 장치에 전력이 공급되게 하는 타입의 교류 전동기(alternating current motor; AC motor)이며, 도 1에 예시되어 있다. AC 영구 자석 기계를 제어하기 위해서는, 회전자 '영구 자석(permanent magnet; PM)들(102,104)에 의해 생성되는 자기장의 절대 위치를 항상 알고 있어야 한다. 상기 자석들의 위치는 원하는 토크를 생성하는데 필요한 상기 기계의 고정자 전류 크기를 결정하기 위해 중요하다. 이러한 동작은 고정자 전류 정류(stator current commutation)로서 알려져 있다. 상기 자석들이 고정자(106)에 대해 회전하고 있기 때문에, 상기 자석들의 위치는 회전자 절대 각도 위치를 측정함으로써 계산될 수 있다. 레졸버(resolver)들 및 광학식 인코더들과 같은 절대 위치 측정기(absolute position sensor)들은 기계 회전자의 절대 각도 위치를 측정하는데 사용되는 것이 전형적이다. 그러한 위치 정보로부터 기계 각속도도 계산될 수 있다.
일반적으로 사용되고 있는 각도 위치 측정기들은 기계 회전자에 기계식으로 연결되어 있다. 일부 용도들의 측면에서는, 특히 고도의 동작 신뢰성이 요구되는 경우에는, 그러한 장치들의 혹독한 환경 조건들 및/또는 조밀한 기계적 통합에 관련된 문제들이 우려될 수 있다. 이러한 용도들 중 일부 측면에서는, 기계식으로 장착된 위치 측정기들에 약한 연결부(weak link), 즉 중대한 단일 고장 지점이 염려된다. 비용 기반 용도들의 측면에서는, 고비용의 절대 위치 측정기가 문제일 수 있다.
본 발명의 목적은 영구 자석 기계에 대한 토크 제어를 최적화시키기 위한 매우 효과적인 기법을 제공하는 것이다.
본 발명은 센서리스 '전기 구동(electric motoring)' 및 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들 모두를 이용한다. 상기 기계의 기전력(electromotive force; emf)을 추정함에 있어서, 본 발명은 무철심형 기계의 '단위당 낮은 인덕턴스(low per unit inductance)'를 이용하며 근접하게 기계 기전력을 나타내는 기계 단자 전압들을 사용한다. 또한, 고정자 전류의 존재로 인한 저항 및 유도 전압 강하로부터 초래되는 어떠한 영향도 오프셋(offset)시키도록 하는 특정의 보상도 포함된다. 또한, 이하에서 보여주겠지만, 이러한 해결방안은 d-q 회전 기준 프레임 변환으로부터 초래되는 기계 전압들 및 전류들의 DC 특성을 이용한다. 본 발명은 내연기관과 관련이 있는 것들과 같은 매우 난해한 시동 토크 조건들에서도 조차 효과적으로 상기 기계가 시동될 수 있게 하는 매우 폭넓은 범위의 위치 및 속도 측정 기능을 제공한다. 더군다나, 본 발명은 상기 기계의 좀더 효율적인 동작으로 이끄는 토크각 최적화 스킴을 합체한다.
본 발명의 실시예들은 센서리스 전기 구동 및 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-구현 방법에 관한 것이며, 상기 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-구현 방법은, 상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 단계, 상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 단계, 상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값을 갖게끔 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 단계, 상기 기계의 규제된 전기 주파수를 적분기에 인가함으로써 상기 영구 자석 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 단계, 상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 단계, 및 상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 또한 센서리스 전기 구동 및 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어 시스템에 관한 것이며, 상기 센서리스 토크 제어 시스템은, 상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단, 상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단, 상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값을 갖게끔 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단, 상기 기계의 규제된 전기 주파수를 적분기에 인가함으로써 상기 영구 자석 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단, 상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단, 및 상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단을 포함한다.
더군다나, 본 발명의 실시예들은 센서리스 전기 구동 및 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-판독가능 매체에 관한 것이며, 상기 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-판독가능 매체는, 상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단, 상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단, 상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값을 갖게끔 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단, 상기 기계의 규제된 전기 주파수를 적분기에 인가함으로써 상기 영구 자석 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단, 상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단, 및 상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단을 포함한다.
그 외에도, 본 발명의 실시예들은 센서리스 전기 구동 및 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-구현 방법에 관한 것이며, 상기 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-구현 방법은, 상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 단계, 수학적 변환을 사용하여, 상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 단계, 상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값으로 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 단계, 상기 규제된 전기 주파수로부터 상기 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 단계, 상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 단계, 상기 기계의 인버터(inverter) 내에 있는 DC 전력 공급을 관측함으로써 상기 전기각을 최적화시키는 단계, 및 상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들은 또 센서리스 전기 구동 및 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어 시스템에 관한 것이며, 상기 센서리스 토크 제어 시스템은, 상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단, 수학적 변환을 사용하여, 상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단, 상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값으로 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단, 상기 규제된 전기 주파수로부터 상기 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단, 상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단, 상기 기계의 인버터 내에 있는 DC 전력 공급을 관측함으로써 상기 전기각을 최적화시키는 수단, 및 상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단을 포함한다.
더욱이, 본 발명의 실시예들은 센서리스 전기 구동 및 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-판독가능 매체에 관한 것이며, 상기 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-판독가능 매체는, 상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단, 수학적 변환을 사용하여, 상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단, 상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값으로 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단, 상기 규제된 전기 주파수로부터 상기 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단, 상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단, 상기 기계의 인버터 내에 있는 DC 전력 공급을 관측함으로써 상기 전기각을 최적화시키는 수단, 및 상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단을 포함한다.
본 발명은 기계 장치가 회전자의 절대 각도 위치를 측정할 필요성을 제거함으로써 앞서 언급된 선행 기술의 결함들을 극복한다. 또한, 본 발명은 상기 기계의 전압들 및 전류들을 정확하게 측정하는 간단한 수학적 모델을 이용한다. 그 외에도, 본 발명은 온도들 또는 다른 동작 효과들에 기인하는 기계의 임의의 매개변수 변화들을 조정하기 위해 상기 기계의 측정 변수를 이용함으로써, 상기 장치의 제어를 개선한다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 첨부된 도면들을 통해 설명될 것이다.
도 1은 종래의 영구 자석 기계의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서리스 위치 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에서 보인 바와 같은 위상 동기 루프의 신호 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 수학적 변환을 그래프로 보여준 도면이다.
도 5는 영구 자석 기계의 센서리스 토크 제어의 흐름도이다.
선행기술은 전류 파형들이 정현 파형(sinusoidal waveform)들과는 대조적으로 사각 파형(square waveform)들인 6-단계 모드의 전류 정류(current commutation)에 국한된 것이다. 정현파적 여진(sinusoidal excitation)을 처리하도록 착안된 이전의 센서리스 방법들은 극도로 복잡하다는 문제에 직면해 왔다. 종래에는, 그러한 시스템의 수학적 모델이 생성되어야 했고, 회전자 위치의 추정은 칼만 필터(Kalman filter)를 사용하여 이루어져 왔다. 이러한 해결방안들은 본질적으로 수치 계산(numerical computation)에 민감하고 전동기 플랜트 모델에서 높은 정확도를 필요로 한다.
본 출원인은 기계 장치가 회전자의 절대 각도 위치를 측정할 필요성을 제거함으로써 위에서 언급된 선행 기술의 결함들을 극복하는 제안된 센서리스 해결방안을 발견하였다. 더욱이, 본 발명의 방법은 상기 기계의 전압들 및 전류들을 정확하게 측정하는 간단한 수학적 모델을 이용한다. 그 외에도, 제안된 해결방안은 온도들 또는 다른 동작 효과들에 기인하는 상기 기계의 임의의 매개변수 변화들을 조정하기 위해 상기 기계의 측정 변수를 이용함으로써, 상기 장치의 제어를 개선한다.
도 1에는 본 발명의 한 실시예에서 사용되는 영구 자석 전동기가 예시되어 있다. 본 발명의 전동기/발전기는, 특히 무철심형 회전자 자석들(102,104)과 아울러, 고정자(106)를 포함한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에서 보인 바와 같은 상기 기계의 토크 제어를 최적화하기 위해 사용되는 상기 기계의 전기각(electric angle)을 결정하기 위한 신호 흐름도를 예시한 것이다. 상기 기계의 모델(202)은 3개의 전압원들(
Figure pct00001
,
Figure pct00002
,
Figure pct00003
), 3개의 저항기들(
Figure pct00004
,
Figure pct00005
,
Figure pct00006
), 및 3개의 인덕터들(
Figure pct00007
,
Figure pct00008
,
Figure pct00009
)에 대한 개략적인 표시들을 포함하지만, 다른 구성들이 고려될 수 있다.
전동기(202)는 전동기의 움직임을 지시하는 디지털 신호들을 수신하는 것이 가능하다. 예를 들면, 전동기의 회전(spinning)은, 전동기에서 전류 벡터(
Figure pct00010
)를 매우 높은 DC 크기로 설정함으로써 개시된다. 전류 벡터(
Figure pct00011
)을 높은 상수 값으로 설정하는 경우에는 전동기의 자기장 벡터 자체가 전류 벡터(
Figure pct00012
)와 정렬될 수 있다. 이러한 초기 시간에서는, 전동기의 토크각(torque angle)이 거의 제로(0)이다.
다음으로는, 참조번호 204에서 그래프로 나타낸 바와 같이, 주파수는 시간 경과에 따라 증가 추세로 상승하게 됨으로써 전기각을 변하게 하는데, 이는 이때 전류가 설정된 각을 변하게 한다. 이어서, 전동기가 움직이기 시작함에 따라 전동기 내의 자석들이 전류 벡터(
Figure pct00013
)를 추적(track)한다. 전동기 내의 자석들이 이동중인 전류 벡터(
Figure pct00014
)를 추적하게 되면 전동기의 회전이 개시된다. 일단 그러한 회전으로 상기 기계에 충분히 큰 기전력(emf)이 생성되면, 위치 추정기는 폐루프 위치라고 추정한다. 또한, 식별번호 202에서 보인 바와 같이, 일단 상기 기계가 회전하기 시작하면, 순간적인 기계 측정 변수들(
Figure pct00015
,
Figure pct00016
,
Figure pct00017
)이 획득된다.
특정 시점에서, 일단 전동기로부터 생성되는 역기전력이 측정가능한 성분일 정도로 충분히 클 경우에, 도시되지 않은 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC)는 전동기에 입력되는 아날로그 전압들을 순간적인 단자 전압들(
Figure pct00018
,
Figure pct00019
,
Figure pct00020
)의 디지털 판독값들로 변환함으로써 계산 과정을 개시하는데 사용된다.
일단 순간적인 단자 전압들(
Figure pct00021
,
Figure pct00022
,
Figure pct00023
)에 대한 디지털 값들이 획득된 경우에, 이러한 전압들이 정현 기계 파형을 DC 성분들로 변환하는 수학적 변환을 사용하여 변환된다. 이러한 수학적 변환은 직접-직교-제로(direct-quadrature-zero; dqO) 변환일 수 있지만, 다른 수학적 변환들이 고려될 수 있다. 상기 dqO 변환은 상기 기계의 전기 각도 위치를 사용하여 상기 변환을 수행하는 수학식이다.
그러한 변환은 상기 기계의 공극 자기장과 정렬된 d-축 및 직교, 즉 상기 d-축으로부터 90°를 이루는 q-축을 갖는 d-q 기준 프레임을 확립함으로써 이루어진다. 상기 d-축이 상기 자기장과 정렬되는 경우에, 상기 기준 프레임의 회전 주파수는 상기 기계의 자기장과 동일하며 상기 기계의 개방 회로 단자 전압들의 변환은 도 4에서 보인 바와 같은 제로 직접 축 전압(
Figure pct00024
) 및 비-제로 직교 축 전압(
Figure pct00025
)을 초래하게 된다. 상기 dqO 변환의 단계들이 지금부터 상세하게 셜명될 것이다.
직접-직교-제로(dq0) 변환은 3-상 고정 좌표계로부터
Figure pct00026
회전 좌표계로의 좌표들의 변환이다. 이러한 변환은 2-단계로 이루어지며,
1) 3-상 고정 좌표계로부터 2-상
Figure pct00027
고정 좌표계로의 변환; 및
2) 상기
Figure pct00028
고정 좌표계로부터
Figure pct00029
회전 좌표계로의 변환;
에 의해 수행된다.
도 4에는 이러한 단계들이 그래프 표시들로 나타나 있다. n-차원 공간에서의 벡터의 표시는 상기 벡터의 벡터 표시 및 좌표 단위들의 전치(transpose) n-차원 벡터(밑수(base))의 곱(product)을 통해 이루어지는데, 상기 벡터의 벡터 표시의 요소들은 이들의 단위 값들에 의해 정규화된, 각각의 좌표축 상의 대응하는 투영점(projection)들이다. 이는, 3-상(즉, 3-차원) 공간에서 다음과 같이 보이게 된다.
Figure pct00030
3-상 고정 좌표계
Figure pct00031
라고 가정하면, 3-상 벡터 표시는, 다음과 같이 정의된 변환 행렬(
Figure pct00032
)을 통해 (제로-축 성분이 0인)
Figure pct00033
벡터 표시로 변환한다.
Figure pct00034
다시 말하면,
Figure pct00035
(3-상 좌표들)로부터 Park 변환(Park's transformation)이라 불리는,
Figure pct00036
(
Figure pct00037
회전 좌표들)로의 변환은 상기 행렬(
Figure pct00038
)에 의한 벡터(
Figure pct00039
)의 곱셈, 즉
Figure pct00040
을 통해 구해진다. 상기 행렬(
Figure pct00041
)에서,
Figure pct00042
는 주파수이고,
Figure pct00043
는 시간이며, 그리고
Figure pct00044
이다. 본 발명에서는, 변수(
Figure pct00045
)가 실제로는 전압(
Figure pct00046
)이다.
반대로,
Figure pct00047
회전 좌표들로부터 3-상 좌표들로의 역변환은
Figure pct00048
인 것으로 계산되는데, 이 경우에 상기 역변환 행렬은,
Figure pct00049
와 같이 정의된다.
상기 기계가 회전하고 있는 동안, 프로세서는 고정자에 대한 회전자의 위치인 전기각(
Figure pct00050
)을 결정하는 동작을 수행한다. 프로세서는, 도 2에서 보인 바와 같이
Figure pct00051
를 제로(0)와 동일하도록 규제함으로써 그러한 결정 동작을 수행한다.
Figure pct00052
값은 위에 기재된 바와 같은
Figure pct00053
변환을 사용하여 계산된다. 선험적 계산 과정으로부터의
Figure pct00054
의 측정값이 초기에 프로세서에 의해 취해지며, 또한 상기
Figure pct00055
변환 내로 입력된다. 그 다음으로, 위상 동기 루프(phase locked loop; PLL)(208)는 도 3에서 보인 바와 같은 계산 과정의 전기각(
Figure pct00056
)을 결정한다. 상기 위상 동기 루프(PLL)는 비례-적분 조정기(proportional-integral regulator; 210) 및 적분기(212)를 포함한다. 이러한 타입의 위상 동기 루프(PLL)는 타입-II PLL(type-II PLL)로 알려져 있다. 상기 위상 동기 루프(PLL)는,
Figure pct00057
가 제로(0)로 유지되도록 기준 프레임 각도들을 조정함으로써 회전자의 전기각 위치를 추적하는 기능을 수행한다.
좀더 일반적인 의미로 보면, 위상 동기 루프는 기준 신호의 위상에 대해 고정된 관계를 갖는 신호를 생성하는 제어 시스템이다. 위상 동기 루프 회로는 전동기의 입력 신호들의 주파수 및 위상 모두를 제어함에 응답하여, 제어형 발진기가 주파수 및 위상 모두에 있어서 기준 신호에 정합될 때까지 상기 제어형 발진기의 주파수를 자동으로 높이거나 낮춘다. 위상 동기 루프 메커니즘들은 아날로그 또는 디지털 회로들 중 어느 한 회로로서 구현될 수 있다. 양자 모두의 구현들에서는 3가지의 기본 구성요소들, 즉 위상 검출기; 가변 전자 발진기; 및 종종 주파수 분할기를 포함하는 피드백 경로;를 포함하는 동일한 기본 구조가 사용된다.
위상 동기 루프는 2개의 신호들의 2개의 주파수들을 비교하고 그러한 입력 주파수들 간의 차에 비례하는 오차 신호를 생성한다. 그리고나서, 상기 오차 신호가 저역 통과 필터링되고 출력 주파수를 생성하는 전압 제어 발진기를 구동시키는데 사용된다. 상기 출력 주파수는 주파수 분할기를 통해 상기 시스템의 입력에 피드백됨으로써, 네거티브 피드백 루프(negative feedback loop)를 생성하게 된다. 상기 출력 주파수가 드리프트(drift)할 경우에는, 상기 오차 신호가 높아지게 되기 때문에, 그러한 오차를 감소시키기 위해 전압 제어 발진기(voltage-controlled oscillator; VCO)의 주파수가 반대 방향으로 구동된다. 따라서, 그러한 출력은 다른 입력의 주파수와 동기된다. 이러한 입력은 기준 신호라 불리며 종종 주파수가 매우 안정적인 수정 발진기로부터 획득된다. 도 3에서는 위상 동기 루프의 기본적인 블록도를 볼 수 있다.
앞서 언급된 바와 같이, 상기 위상 동기 루프 내로 입력되는 전기각(
Figure pct00058
)의 초기값은 이전 계산 과정으로부터 취해진다. 이러한
Figure pct00059
값 및 순간적인 단자 전압들(
Figure pct00060
,
Figure pct00061
,
Figure pct00062
)의 값들은
Figure pct00063
변환에 적용되고, 그리고나서
Figure pct00064
및
Figure pct00065
의 값들이 출력된다. 이러한 과정이 수행된 다음에,
Figure pct00066
값이 블록 208 내로 입력되고 그리고나서 프로세서는 0에서
Figure pct00067
를 감산하여, 오차 값을 결정한다. 이는, 초기에
Figure pct00068
가 비-제로 값이므로 오차 값이다. 더군다나, 기계 임피던스 보상 인자(machine impedance compensator factor)가 또한 블록 208 내로 입력될 수 있다. 이는, 상기 단자 전압들이 실제 기계의 역기전력(back emf)보다는 오히려
Figure pct00069
를 결정하는데 사용되고 있기 때문이다.
프로세서는 영구 자석(permanent magnet; PM) 기계의 저항기들(
Figure pct00070
,
Figure pct00071
,
Figure pct00072
)이 거의 제로인 값을 취하고 있기 때문에, 그러한 영구 자석(PM) 기계 모델에서는 단지 인덕터들(
Figure pct00073
,
Figure pct00074
,
Figure pct00075
)만이 존재한다. 따라서, 프로세서는 AC 전압원의 출력에 관심을 갖고 있지만, 상기 인덕터가 추가된 전압원의 출력만이 측정될 수 있으며, 상기 프로세서는,
Figure pct00076
인, 상기 인덕터 양단 간의 전압을 결정한다.
Figure pct00077
값은 또한 상기 위상 동기 루프(212) 내로 입력되며, 이러한 값은
Figure pct00078
의 초기 입력 값을 조정함으로써 상기 기계의 인덕턴스를 보상하는데 사용될 수 있다.
그리고나서, 상기 구해진 오차 값(216)은 PI 필터라고 불리는 비례-적분 제어기(310)에 의해 처리되어 회전하고 있는 상기 기계의 전기 주파수(
Figure pct00079
)(218)가 구해지게 된다.
다음으로는, 프로세서는
Figure pct00080
인자로
Figure pct00081
(218)를 곱셈함으로써
Figure pct00082
값을 결정하는데,
Figure pct00083
가 라디언 단위/계산 과정을 지닌다. 그리고나서, 프로세서는 적분기(212)를 통해 이전 계산 과정으로부터의 전기각(
Figure pct00084
,
Figure pct00085
)을 입력하는데, 상기 적분기(212)는 이러한 값들을 합산하고, 그러한 특정 계산 과정에 대해 상기 기계에 대한 새로운 전기각(
Figure pct00086
)에 대한 값을 출력한다.
이 시점에서, 프로세서는 상기 기계의 전기각(
Figure pct00087
)을 결정하고, 전류 조정기(current regulator)는 현재 상기 전기각(
Figure pct00088
)을 사용하여, 상기 기계의 전류 벡터(
Figure pct00089
)가 상기 전기각(
Figure pct00090
)에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터(
Figure pct00091
)를 규제할 수 있다. 인버터(inverter)는 상기 기계에 전류를 가하는데, 이는
Figure pct00092
와 동상인, 자기장 벡터에 대해 수직이 되는 전류 벡터를 규제한다.
본 발명의 변형 실시예에서는, 각도(
Figure pct00093
)가 프로세서에 의해 부가적으로 최적화될 수 있다. 이러한 특정 실시예에서는, 프로세서가 상기 기계의 전기 주파수를 조정하고, 상기 기계의 인터버 내로 인가되는 DC 전력이 증가하는지 아니면 감소하는지를 결정한다. 상기 전력이 감소하는 경우에, 프로세서는 상기 전력이 증가할 때까지 그러한 방향에 계속 머무르는데, 이 시점에서는 프로세서가
Figure pct00094
에 대한 값을 결정한다. 그리고나서,
Figure pct00095
에 대한 값은,
Figure pct00096
값과 함께, 합산 블록 222 내로 입력됨으로써 상기 기계에 대해 최적화된 전기각(
Figure pct00097
)이 결정될 수 있게 한다.
본 발명의 다른 실시예에서는,
Figure pct00098
변환의 출력이 저역 통과 필터(224)를 사용하여 필터링됨으로써, 상기 기계의 비-이상적인 파형들 및 스위칭 잡음으로부터 초래되는 잡음이 감소되게 한다. 저역 통과 필터는 낮은 주파수 신호들을 통과시키지만 차단 주파수(cutoff frequency)보다 높은 주파수들을 갖는 신호들을 감쇠(차단 주파수보다 높은 주파수를 갖는 신호들의 진폭을 감소)시키는 필터이다. 각각의 주파수에 대한 실제 감쇠량은 필터마다 달라진다. 이러한 피드 포워드 주파수(
Figure pct00099
)는 또한 상기 위상 동기 루프(208) 내로 입력되고 상기 기계의 좀더 최적화된 전기각을 결정하는데 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에서 영구 자석 기계의 토크를 최적화시키기 위한 흐름도를 예시한 것이다. 단계 502에서는, 상기 영구 자석 기계의 단자 전압들이 구해진다. 상기 단자 전압들은 예를 들면 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 구해질 수 있다. 이후에는, 단계 504에서, 순간적인 단자 전압들이 그 후에 수학적 변환을 사용하여 제로 직접 축 전압(
Figure pct00100
) 및 비-제로 직교 축 전압(
Figure pct00101
)으로 변환된다. 상기 수학적 변환은 직접-수직-제로 변환일 수 있다. 단계 506에서, 상기 기계의 전기 주파수(
Figure pct00102
)는, 제로 직접 축 전압(
Figure pct00103
)이 제로 값을 갖게끔 조정되도록 규제된다. 다음으로는, 상기 기계의 전기각(
Figure pct00104
)이 단계 508에서 적분기에 상기 규제된 전기 주파수(
Figure pct00105
)를 인가함으로써 결정된다. 최종 전기각(
Figure pct00106
)은 단계 510에서 이전 계산 과정의 전기각(
Figure pct00107
) 및 상기 전기각(
Figure pct00108
)을 위상 동기 루프 적분기에 인가함으로써 결정된다. 그리고나서, 단계 512에서는, 최적의 토크각(
Figure pct00109
)이 상기 기계에 대해 결정된다. 단계 514에서는, 상기 기계의 새로운 전기각(
Figure pct00110
)이 상기 최종 전기각(
Figure pct00111
) 및 상기 최적화된 토크각(
Figure pct00112
)을 합산 노드에 인가함으로써 구해진다. 마지막으로, 상기 기계의 전류 벡터는, 단계 516에서 상기 전류 벡터가 상기 기계의 새로운 전기각(
Figure pct00113
)에 대해 수직이 되도록 규제된다.
따라서, 현재로 완전히 이해될 수 있겠지만 본 발명의 실시예들에 따른 위에서 기술된 방법, 시스템, 및 컴퓨터-판독가능 매체가 영구 자석 기계에 대한 토크 제어를 최적화시키기 위한 매우 효과적인 방법을 제공한다.
지금까지 본 발명이 바람직한 실시예를 통해 설명되었다. 그러나, 여러 변형예들이 첨부된 청구범위 및 적법한 등가범위에 의해 정해진 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서도 구현될 수가 있다.

Claims (6)

  1. 센서리스 전기 구동 및/또는 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어 방법에 있어서,
    상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 단계;
    상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 단계;
    상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값을 갖게끔 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 단계;
    상기 기계의 규제된 전기 주파수를 적분기에 인가함으로써 상기 영구 자석 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 단계;
    상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 단계; 및
    상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서리스 토크 제어 방법.
  2. 센서리스 전기 구동 및/또는 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어 시스템에 있어서,
    상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단;
    상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단;
    상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값을 갖게끔 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단;
    상기 기계의 규제된 전기 주파수를 적분기에 인가함으로써 상기 영구 자석 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단;
    상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단; 및
    상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서리스 토크 제어 시스템.
  3. 센서리스 전기 구동 및/또는 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-판독가능 매체에 있어서,
    상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단;
    상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단;
    상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값을 갖게끔 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단;
    상기 기계의 규제된 전기 주파수를 적분기에 인가함으로써 상기 영구 자석 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단;
    상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단; 및
    상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-판독가능 매체.
  4. 센서리스 전기 구동 및/또는 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-구현 방법에 있어서,
    상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 단계;
    상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 단계;
    상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값으로 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 단계;
    상기 규제된 전기 주파수로부터 상기 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 단계;
    상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 단계;
    상기 기계의 인버터 내에 있는 DC 전력 공급을 관측함으로써 상기 전기각을 최적화시키는 단계; 및
    상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-구현 방법.
  5. 센서리스 전기 구동 및/또는 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어 시스템에 있어서,
    상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단;
    상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단;
    상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값으로 조정되도록 상기 영구 자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단;
    상기 규제된 전기 주파수로부터 상기 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단;
    상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단;
    상기 기계의 인버터 내에 있는 DC 전력 공급을 관측함으로써 상기 전기각을 최적화시키는 수단; 및
    상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 센서리스 토크 제어 시스템.
  6. 센서리스 전기 구동 및/또는 생성 동작들을 수행하도록 무철심형 영구 자석 기계의 단자 전압들 및 전류들을 사용하여 회전자 위치를 결정함으로써 이루어지는 센서리스 토크 제어를 위한 컴퓨터-판독가능 매체에 있어서,
    상기 기계의 순간적인 단자 전압들을 구하는 수단;
    상기 순간적인 단자 전압들을 제로 직접 축 전압 및 비-제로 직교 축 전압으로 변환하는 수단;
    상기 제로 직접 축 전압이 제로(0) 값으로 조정되도록 상기 영구-자석 기계의 전기 주파수를 규제하는 수단;
    상기 규제된 전기 주파수로부터 상기 기계의 비-최종 전기각을 결정하는 수단;
    상기 비-최종 전기각 및 이전 계산 과정으로부터의 전기각을 적분함으로써 상기 기계의 최종 전기각을 결정하는 수단;
    상기 기계의 인버터 내에 있는 DC 전력 공급을 관측함으로써 상기 전기각을 최적화시키는 수단; 및
    상기 기계의 전류 벡터가 상기 기계의 최종 전기각에 대해 수직이 되도록 상기 기계의 전류 벡터를 규제함으로써, 상기 기계의 토크를 최적화시키는 수단;
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