KR20140057336A

KR20140057336A - 전자적으로 정류된 다위상 ｄｃ 모터를 제어하는 방법

Info

Publication number: KR20140057336A
Application number: KR1020147006866A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 하이제; 랄프 하르트만; 프랑크 미헬; 크리슈티안 비치; 부르크하르트 바름비어-라이디히; 페터 슈타우더; 톰 카우프만; 안드레아스 파후어
Original assignee: 콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게
Priority date: 2011-08-15
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-05-12
Also published as: WO2013023915A2; WO2013023915A3; US20140300299A1; EP2745392B1; EP2745392A2; CN103748781A; DE102011080941A1

Abstract

본 발명은, 2 이상의 극수를 갖고 복수의 권선 위상들, 특히, 3개의 권선 위상들을 갖는 권선 시스템 (2) 을 가지며, 회전자, 고정자, 및 회전자의 위치를 검출하는 위치 센서 (3) 그리고 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 권선 시스템 (2) 의 위상 전압들을 생성하기 위한 로직 회로 (10) 를 포함하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터 (BLDC 모터) (1) 를 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 로직 회로 (10) 가 룩업 테이블을 갖는 저장 수단 (11) 을 갖도록 프로비젼이 행해지고, 여기서, 관련 구동 값들은, 권선 시스템 (2) 에 대한 위상 전압들 (V_U, V_V, V_W) 을 생성하기 위한 회전자의 전기적 위상각에 의존하여, 블록 형상, 사다리꼴, 정현파, 사인 기반 신호 파형들로, 또는 정류에 적절한 신호 파형들로 정류를 구현하도록 저장되고, 로직 회로 (10) 에 대한 구성 데이터를 생성하는 제어 유닛 (30) 이 제공되며, 여기서, 구성 데이터는 적어도 정류 형태를 결정하며, 결정된 정류 형태에 의존하여, 관련 구동 값들이 쿼드러처 센서 (3) 에 의해 결정된 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 저장 수단 (11) 으로부터, PWM 제어 신호들 (V_U, V_V, V_W) 을 생성하는 PWM 생성기 (15) 로 공급되며, 이에 의해, 권선 시스템 (2) 에 있어서의 위상 전류들이 제어될 수 있다. 부가적으로, 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 장치가 제공된다.

Description

전자적으로 정류된 다위상 ＤＣ 모터를 제어하는 방법{METHOD FOR CONTROLLING AN ELECTRONICALLY COMMUTATED POLYPHASE DC MOTOR}

본 발명은, 특허청구항 제1항의 전제부에 따른, 2 이상의 극수 (pole number) 를 갖고 복수의 권선 위상들, 특히, 3개의 권선 위상들을 갖는 권선 시스템을 가지며, 회전자, 고정자, 및 그 회전자의 각도를 검출하는 쿼드러처 센서를 포함하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터 (BLDC 모터) 를 제어하는 방법에 관한 것이다. 부가적으로, 본 발명은 특허청구항 제13항에 따른, 본 발명에 따른 방법을 구현하는 장치에 관한 것이다.

그러한 전자적으로 정류된 DC 모터들 (BLDC 모터들) 은 일반적으로 공지되어 있으며, 예를 들어, 회전 방식으로 이동하는 여기장에 의해 구동되는 영구자석과 같이 구현되는 회전자를 포함한다. 이러한 여기장은, 예를 들어, 서로에 대하여 위상 시프트되는 블록 형상 또는 정현파 전류 프로파일들로 에너자이징되는 3위상 권선 시스템의 권선 위상들에 의한 상기 3위상 권선 시스템에 의해 생성된다.

BLDC 모터의 정류는, 예를 들어, 권선 시스템에 걸친 상이한 위상각 및 진폭의 복수의 전류들을 생성하는 전력 반도체들로 이루어진 3중의 하프-브리지의 공지된 방식으로 행해진 이용에 의해 BLDC 모터의 권선 시스템의 권선들의 개별 위상 전류들의 마이크로프로세서 기반 또는 소프트웨어 기반 개루프 제어 또는 폐루프 제어에 기초하여 표준 방식으로 구현된다. 전력 반도체들은, 예를 들어, 쿼드러처 센서에 의해, 회전자의 위상각을 질의하고 이 위상각에 대응하는 BLDC 모터의 권선 시스템에 걸친 위상 전류들을 제어하는 마이크로프로세서에 의해 구동된다.

단순 블록 정류로 시작하여 사다리꼴 기반 신호 파형들을 거쳐, 과변조를 갖는 정현파 및 사인 기반 신호 파형들까지 상이한 정류 형태들이 존재하며, 이는 본질적으로 공지된 알고리즘들 및 방법들로 실현될 수 있다.

BLDC 모터를 제어하는데 사용되는 마이크로프로세서는 사용된 정류 및 구동 방법들에 의존하여 상이한 범위들까지 활용된다. 계산 용량은 이 경우, BLDC 모터가 사용되는 어플리케이션의 타입에 의존한다. 마이크로프로세서는 최고 가능한 유연성의 이점을 갖지만, 이용가능하게 될 필요가 있는 증가된 계산 용량을 가지며, 이는 또한 증가된 비용을 발생시킨다.

따라서, DE 10 2004 030 326 A1 은 BLDC 모터의 권선 시스템의 에너자이제이션을 제어하는 에너자이제이션 디바이스를 개시하고, 이 에너자이제이션 디바이스는, 마이크로프로세서에 부가하여, 각각의 경우에 마이크로프로세서에 의해 구현될 수 있는 프로그램 코드를 갖는 프로그램 모듈의 형태로, 블록 정류 모듈, 사인 정류 모듈, 사다리꼴 정류 모듈 및 정현파 정류 모듈을 갖는다. 미리결정가능한 기준들에 의존하여, 이들 정류 모듈 중 하나는 제어 디바이스에 의해 새로 활성화되거나 기술되며, 결과적으로, 블록 형상, 정현파, 사다리꼴, 사인파 위상 전류들 또는 자유 파형들이 풀-브리지 회로들을 통해 BLDC 모터의 권선들에서 설정되며, 여기서, BLDC 모터의 권선 시스템의 권선들 모두는 서로 독립적으로 각각 구동가능하다.

DE 10 2004 030 326 A1 에 따른 BLDC 모터의 이러한 공지된 제어 방법은 마이크로프로세서가 개별 정류 모듈들에 대해 요구되기 때문에 극도로 높은 컴퓨터 용량을 요구하고, 부가적으로, BLDC 모터를 제어하기 위해, 제어 장치 및 저장 수단뿐 아니라 제어 기능들을 구현하기 위한 프로그램 모듈들의 프로그램 코드들을 갖는다.

더욱이, DE 40 41 792 A1 은 BLDC 모터의 속도 제어를 위한 방법을 개시하고, 여기서, 모터 샤프트에 엄격히 커플링된 증분 트랜스듀서는 타코 펄스 신호들을 생성하고, 이 타코 펄스 신호들로부터, 판독 전용 메모리에 대한 어드레스 신호들이 도출된다. 정현파 신호 프로파일들의 진폭 프로파일에 관한 데이터 값들은 판독 전용 메모리에 저장되며, 그 데이터 값들은 모터 권선들을 에너자이징하기 위해 디지털-아날로그 변환 이후에 사용된다. 이러한 정현파 정류 이외의 정류 형태들은 이러한 공지된 방법으로 구현될 수 없다.

본 발명의 목적은 용이하게 구현될 수 있는 최초로 언급된 타입의 방법을 명시하는 것에 있으며, 이용가능하게 될 필요가 있는 마이크로프로세서의 높은 계산 용량없이 상이한 정류 형태들로의 BLDC 모터의 구동을 허용한다. 부가적으로, 본 발명의 목적은 본 발명에 따른 방법을 구현하는 장치를 명시하는 것에 있다.

첫번째로 언급된 목적은 특허청구항 제1항의 특징들을 갖는 방법에 의해 달성된다.

2 이상의 극수를 갖고 복수의 권선 위상들, 특히, 3개 권선 위상들을 갖는 권선 시스템을 가지며, 회전자, 고정자, 및 회전자의 각을 검출하는 쿼드러처 센서 그리고 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 권선 시스템의 위상 전압들을 생성하기 위한 로직 회로를 포함하는 전자적으로 정류된 다위상 BLDC 모터를 제어하는 이러한 방법은, 본 발명에 따라, 로직 회로는 룩업 테이블을 갖는 저장 수단을 가지며, 여기서, 블록 형상, 사다리꼴, 정현파, 사인 기반 신호 파형들로, 또는 정류에 적절한 신호 파형들로 정류를 구현하기 위해, 관련 구동 값들은 권선 시스템에 대한 위상 전압들을 생성하기 위한 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 저장되며, 로직 회로에 대한 구성 데이터를 생성하는 제어 유닛이 제공되며, 여기서, 구성 데이터는 적어도 정류 형태를 결정하며, 특정 정류 형태에 의존하여, 관련 구동 값들이 쿼드러처 센서에 의해 결정된 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 저장 수단으로부터, PWM 제어 신호들을 생성하는 PWM 생성기로 공급되며, 이 PWM 제어 신호들은 권선 시스템에 있어서의 위상 전류들을 제어하는데 사용될 수 있는 것을 특징으로 한다.

룩업 테이블을 갖는 저장 매체를 가지는 단순한 디자인으로의 로직 회로의 이용에 의해, 본 발명에 따른 이러한 방법의 가장 중요한 이점은, 이용가능하게 될 필요가 있는 부가적인 컴퓨터 전력없이 정류 형태의 자유 선택가능도에 있다. 정류 형태의 자유 선택가능도에 의해, 임의의 타입의 BEMF (역 전자기력) 모터들이 구동될 수 있고, 결과적으로, 따라서, 구동될 BLDC 모터의 토크 리플은, 특히, 완전히 제거되는 한 가능하면 낮게 유지될 수 있다.

BLDC 모터의 시동 동안, 로직 회로는 단지 제어 디바이스에 의해 구성될 필요가 있으며, 즉, BLDC 모터의 각각의 어플리케이션의 요건들에 의존하여 제어 디바이스에 의해 생성된 구성 데이터는, 또한, 정류 형태에 부가하여, 예를 들어, 쿼드러처 센서의 센서 분해능 및 BLDC 모터의 모터 극 쌍 (pole pair) 수를 포함한다. 로직 회로의 값들은 또한 디폴트 값들로 설정될 수 있다.

모든 정류 형태들에 대한 단일 룩업 테이블의 이용에 부가하여, 본 발명의 유리한 전개에 따르면, 각각의 경우에, 각각의 정류 형태에 대해 제공될 룩업 테이블의 하나의 서브테이블에 대해 프로비젼 (provision) 이 또한 행해진다. 따라서, 선택된 정류 형태의 구동 데이터에 대한 액세스가 신속하고 용이하게 획득될 수 있다.

본 발명의 일 구성에 있어서, 구동 값들은 0.5°el 의 증분까지로 룩업 테이블에 저장된다. BLDC 모터의 권선 시스템에 걸친 위상 전류들의 정확한 제어가 가능하기 위해, 정류 가능한 신호 파형들의 생성에 관하여 특히 현저한 변동 가능성들이 존재한다.

바람직하게는, 본 발명의 전개에 따르면, 구동 값들은 전기적 주기의 1/4 주기 동안 룩업 테이블에 저장된다. 따라서, 미러-대칭형 신호 파형들의 경우, 완전한 전기적 주기가 저장된 구동 값들의 미러-이미징에 의해 생성되기 때문에 저장 공간 요건은 낮게 유지될 수 있다.

본 발명의 일 구성에 있어서, 회전자의 속도가 각위치 센서의 신호들로부터 결정되고, 그 속도로부터, 동적 리드각이 모터 특정 계수들에 의해 결정되며, 이 리드각은 회전자의 전기적 위상각을 정정하는데 사용된다.

따라서, BLDC 모터에서의 필드 연약화 전류를 전체 속도 범위에 걸쳐 값 제로로 유지하는 것이 가능하다. 또한, 저속 값들의 경우에, 따라서 높은 토크를 달성하기 위해 모터 특정 계수들을 변경함으로써 필드 연약화 전류를 값 제로로 유지하는 것이 가능하다. 부가적으로, 모터 특정 계수들은, 고속인 경우, BLDC 모터가 필드 연약화 모드에서 제어되어, 결과적으로, 상대적으로 고속이 달성되도록 선택될 수 있다. 이들 모터 특정 계수들은 로직 회로에 대한 제어 유닛에 의해 생성된 구성 데이터로 미리결정된다.

일 전개에 따르면, 동적 리드각으로 정정되는 BLDC 모터의 회전자의 전기적 위상각은 정상상태 리드각에 의해 정정되고, 이러한 방식으로 결정된 이 변수는 현재 구동 위치로서 저장 수단에 공급된다. 이러한 정상상태 리드각은, 가능하면 정확하게 결정되는 회전자에 대한 위상각을 달성하기 위해 시스템 특정 또는 요건 특정 방식으로 결정된다. 본 발명에 따른 방법은 오직 개루프 제어만을 제공하기 때문에, 따라서, 복잡한 전류 제어 알고리즘이 제거될 수 있다.

BLDC 모터의 정현파 구동의 경우 전체 이용가능 동작 전압이 활용되지는 않기 때문에, 본 발명의 일 구성에 따르면, 정현파 또는 사인 기반 신호 파형들로의 정류인 경우 룩업 테이블에 의해 결정된 구동 값들이 과변조된다면 유리하다. 따라서, BLDC 모터의 이용가능한 외부 전도체 전압이 증가된다.

BLDC 모터의 변동하는 공급 전압의 경우 상기 BLDC 모터의 전력 출력이 유사하게 변동하고 어떠한 폐루프 제어 구조도 BLDC 모터에 대해 제공되지 않기 때문에, 본 발명의 일 구성에 따르면, 변동하는 공급 전압의 이들 효과들을 상쇄하기 위해 피드포워드 정정이 되는 구동 값들에 대해 프로비젼이 행해진다.

본 발명의 추가적인 유리한 구성은, MOS 전계효과 트랜지스터로부터 형성된 하프-브리지가 권선 시스템의 위상 전류들을 제어하기 위해 각각의 권선에 할당되고, 정류 시간들에서, MOS 전계효과 트랜지스터들의 게이트-소스 전압들이 모니터링되고 게이트-소스 전압들이 미리결정된 임계치들에 도달하였거나 그 미만으로 떨어졌을 경우에만 스위치오버가 발생하는 것을 제공한다. 이는, 하프-브리지에서의 MOS 전계효과 트랜지스터들의 스위치오버인 경우, 어떠한 단락회로도 상기 MOS 전계효과 트랜지스터들의 상이한 스위칭 시간들로부터 야기되지 않으며 또한 스위치오버 시간들 사이에 데드 타임이 삽입됨을 보장한다.

대안적으로, 하프-브리지에서 그러한 단락회로를 방지하기 위해, 본 발명의 일 구성에 있어서, 정류 시간들에서, 시스템 클록의 미리결정된 데드 타임 클록 수의 실행 이후에만 발생할 스위치오버에 대해 프로비젼이 행해진다.

마지막으로, 일 전개에 따르면, 2개의 상기 언급된 방법들은, 정류 시간들에서, 스위치오버가 시스템 클록의 미리결정된 데드 타임 클록 수의 실행 이후에만 발생하거나 MOS 전계효과 트랜지스터들의 게이트-소스 전압들이 모니터링되고 게이트-소스 전압들이 미리결정된 임계치들에 도달하였거나 그 미만으로 떨어졌고 MOS 전계효과 트랜지스터들의 스위칭 시간들이 증가한 경우에만 스위치오버가 발생하는 것에 의한 스위치오버의 경우에 하프-브리지들에서 단락회로를 방지하기 위해 결합될 수 있다. 따라서, 시스템 클록을 카운트함으로써의 이러한 디지털 데드 타임 생성은 최소 데드 타임으로서 사용되고, 오직 외부 환경들이 MOS 전계효과 트랜지스터들의 스위칭 시간들을 증가시킬 경우에만 게이트-소스 전압들을 모니터링하고, 결과적으로, 하프-브리지의 스위치오버는 오직 MOS 전계효과 트랜지스터들이 스위치오버 동안 안전 상태에 있을 경우에만 인에이블된다.

BLDC 모터의 권선 시스템에 대한 개별 위상 전압을 생성하기 위해, 본 발명의 일 구성에 따르면, 세트포인트 전압들의 미리결정된 값들로 스케일링될 룩업 테이블에 의해 결정된 구동 값들에 대해 프로비젼이 행해진다. 대응하는 스케일링 값들은 구성 데이터의 일부이며, 결과적으로, BLDC 모터에 대해 요구된 공급 전압에 대한 간단한 조정이 이에 따라 가능하다.

두번째로 언급된 목적은 특허청구항 제13항의 특징들을 갖는 장치에 의해 달성된다.

이 장치는 로직 회로가 룩업 테이블을 갖는 저장 수단을 가진다는 사실에 의해 실질적으로 특징을 나타내고, 여기서, 블록 형상, 사다리꼴, 정현파, 사인파 기반 신호 파형들로, 또는 정류에 적절한 신호 파형들로 정류를 구현하기 위해, 관련 구동 값들은 권선 시스템에 대한 위상 전압들을 생성하기 위한 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 저장되며, 로직 회로에 대한 구성 데이터를 생성하는 제어 유닛이 제공되며, 여기서, 구성 데이터는 적어도 정류 형태를 결정하며, 특정 정류 형태에 의존하여, 관련 구동 값들이 쿼드러처 센서에 의해 결정된 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 저장 수단으로부터, PWM 제어 신호들을 생성하는 PWM 생성기로 공급되며, 이 PWM 제어 신호들은 권선 시스템에 있어서의 위상 전류들을 제어하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 그러한 로직 회로로, 임의의 요구된 선택가능한 정류 형태를 갖는 상이한 구동 개념들이 하드웨어를 사용하여 적은 복잡도로, 특히, 부가적인 프로세서 계산 전력없이 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 이러한 장치의 유리한 전개들이 종속 특허청구항 제14항 내지 제18항으로부터 발생한다.

본 발명에 따른 방법이, 첨부 도면들을 참조하여 하기에 더 상세히 설명 및 기술될 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 방법을 구현하기 위한 BLDC 모터를 구동하는 로직 회로의 개략 블록 회로 다이어그램을 도시한 것이다.
도 2 는 BLDC 모터의 권선 시스템 및 전력 출력 스테이지의 상세 도면으로의 도 1 에 도시된 블록 회로 다이어그램의 부분 도면을 도시한 것이다.
도 3 은 회전자의 전기적 회전각의 함수로서 120° 블록 정류에 대한 구동 값들을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.
도 4 는 회전자의 전기적 회전각의 함수로서 정현파 정류에 대한 구동 값들을 나타낸 그래프를 도시한 것이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 브러시리스 DC 모터 (BLDC 모터) (1) 는 전력 출력 스테이지 (4) 에 의해 구동되며, 이 전력 출력 스테이지 (4) 는 로직 회로 (10) 에 의해 하프-브리지 구동기 회로 (5) 를 통해 구동된다. 이러한 로직 회로 (10) 는 복수의 기능 블록들 (11 내지 23) 을 포함하고, 그 일부는 BLDC 모터 (1) 를 시동하기 위한 제어 유닛 (30) 에 의해 구성된다.

부가적으로, BLDC 모터 (1) 는 각도 센서 (3) 로서 쿼드러처 센서를 가지며, 이 각도 센서는 일반적으로 BLDC 모터 (1) 의 회전자의 위치를 검출하기 위한 홀 센서 시스템 또는 MR (자기 공진) 각도 센서 시스템의 형태이다. 이러한 쿼드러처 센서 (3) 는 증분 트랜스듀서의 형태이고, 로직 회로 (10) 에 공급되는 A 신호 및 B 신호를 생성한다.

BLDC 모터 (1) 의 시동 시, 도 1 에 도시된 바와 같이, 제어 유닛 (30) 에 의해 구성 데이터 (A 내지 I) 가 생성되고, 이들 구성 데이터는, 하기에 더 상세히 설명될 바와 같이, 로직 회로 (10) 의 구성을 위해 기능 블록들 (11 내지 23) 중 일부에 공급된다. 로직 회로 (10) 의 구성은 또한 처음에 표준 값들을 사용하여 발생하고, 그 후, 제어 유닛 (30) 과의 SPI 통신 인터페이스를 통해 BLDC 모터 (1) 의 어플리케이션에 대응하여 변경될 수 있다.

도 2 는 BLDC 모터 (1) 의 권선 시스템 (2) 및 전력 출력 스테이지 (4) 의 상세 도면을 도시한 것이다. BLDC 모터 (1) 의 이러한 권선 시스템 (2) 은, 서로 스타 접속식인 3개의 권선들 (2a, 2b 및 2c) 을 포함하고, 상기 권선들의 자유단 권선들 각각은 하프-브리지 (4a, 4b 및 4c) 에 접속된다. 이들 하프-브리지들 (4a, 4b 및 4c) 각각은 2개의 P채널 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1/T2, T3/T4 및 T5/T6) 을 포함하고, 이들 트랜지스터들 각각은 상위측 MOSFET들 및 하위측 MOSFET들의 형태이다. 이들 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1/T2, T3/T4 및 T5/T6) 의 게이트 전극들은 기능 모듈 (16) 에 의해 하프-브리지 구동기 회로 (5; 명료화의 이유로 도시 안됨) 를 통해 구동되고, 결과적으로, 권선들 (2a, 2b 및 2c) 의 자유단들이 동작 전압 (V_B) 에 또는 접지에 접속될 수 있다.

로직 회로 (10) 의 기능 블록들은 쿼드러처 센서 (3) 의 신호들에 기초하여 하기에 설명될 것이다.

쿼드러처 디코더 (18) 에 있어서, BLDC 모터 (1) 의 회전자의 특정 회전 위치를 나타내는 A 신호들 및 B 신호들은, 회전자의 대응하는 상태들에서, 위치 카운터 (19) 로 전달되는 증분 신호 또는 감분 신호에 의해 평가된다. 이러한 위치 카운터 (19) 는 위치 신호 (P) 및 속도 신호 (v) 양자를 출력한다. 위치 신호 (P) 는 센서 모듈 (20) 에 의해 이용가능한 센서 분해능에 매칭된다. 이러한 센서 모듈 (20) 은 제어 유닛 (30) 의 구성 데이터 (I) 에 의해 구성된다. 이러한 측정된 위치 값은 BLDC 모터 (1) 의 회전자의 기계적 각도와 관련되기 때문에, 그 후, 전기적 각도 (P_el) 를 제공하기 위해 극 쌍 모듈 (21) 에 의해 변환되며, 이 극 쌍 모듈 (21) 은 구성 데이터 (H) 로 제어 유닛 (30) 에 의해 유사하게 구성되며, 즉, 정확한 극 쌍 수가 설정된다.

속도 신호 (v) 는 모터 속도로서 결정되고, 필터 블록 (22) 을 통해 BLDC 모터 (1) 의 동적 위상 리드를 보상하기 위한 기능 모듈 (23) 로 전달된다. 모터 특정 위상 리드는 구성된 계수들 (제어 유닛 (30) 의 구성 데이터 (G)) 에 대하여 적용되는 모터 속도 (v) 에 대한 값에 의해 이러한 기능 모듈 (23) 에 의하여 BLDC 모터 (1) 의 모터 속도 (v) 로부터 결정된다. 이들 계수들은 모터 특정 방식으로 결정되고 제어 유닛 (30) 에 저장되며, 결과적으로, 기능 모듈 (23) 의 구성은 사용된 BLDC 모터 (1) 에 대응하여 구현될 수 있다.

BLDC 모터 (1) 의 동적 위상 리드의 보상으로, 상기 BLDC 모터의 필드 연약화 전류를 전체 속도 범위에 걸쳐 값 제로로 유지하는 것이 가능하다. 부가적으로, 이들 계수들을 변경함으로써, 낮은 모터 속도인 경우, 필드 연약화 전류는, 따라서 높은 토크를 보장하기 위해 값 제로로 감소될 수 있다. 마지막으로, 이들 계수들의 대응하는 선택에 의해, BLDC 모터 (1) 는 상대적으로 고속을 달성하기 위해 필드 연약화 범위에 있어서 고속인 경우에 제어될 수 있다.

이러한 기능 모듈 (23) 은 동적 리드각 (

_dyn) 을 출력하고, BLDC 모터 (1) 의 현재 구동 위치 (P_pres) 를 획득하기 위해, 이 동적 리드각은 BLDC 모터 (1) 의 회전자의 전기적 각도의 값 (P_el) 에 부가되고, 그 후, 합산 엘리먼트에 의해 정상상태 리드각 (

_steady) 에 대해 설정된다. 따라서, 더 복잡한 전류 제어 알고리즘은 요구되지 않는다.

이러한 정상상태 리드각 (

_steady) 은 기능 모듈 (17) 에 의해 생성되고, 이 기능 모듈 (17) 은 제어 유닛 (30) 의 구성 데이터 (A) 에 의해 구성된다. 이러한 정상상태 리드각 (

_steady) 은 또한 모터 특정 방식으로 결정되고, 제어 유닛 (30) 으로부터, 사용된 BLDC 모터 (1) 에 대응하는 이러한 기능 모듈 (17) 로 구성 데이터 (A) 로서 출력된다.

현재 구동 위치 (P_pres) 는, BLDC 모터 (1) 의 구동 값들에 대한 룩업 테이블을 포함하는 기입가능 메모리 (11) 에 대한 입력 값을 나타낸다.

관련 구동 값들이 현재 구동 위치 (P_pres) 에 의존하여 이 룩업 테이블에서 사용되는 BLDC 모터 (1) 의 각각의 정류 형태에 대해 저장된다. 따라서, 관련 구동 값들은, BLDC 모터 (1) 를 이러한 구성된 정류 형태로 제어하기 위해, 제어 유닛 (30) 의 구성 데이터 (B) 를 통한 정류에 적절한 블록 형상, 사다리꼴, 정현파, 사인파 기반 신호 파형에 대해 또는 자유 신호 파형들에 대해 사용된다.

따라서, 임의의 타입의 BEMF DC 모터를 임의의 원하는 정류 형태로 구동하는 것이 가능하다.

미러 대칭형 구동 형태들에 있어서, 1/4 주기의 정류 형태에 대한 구동 값들이 저장되고, 결과적으로, 전체 주기는 단지 저장된 1/4 주기의 값들을 미러링함으로써 생성될 수 있다.

룩업 테이블의 서브테이블이 각각의 정류 형태에 대해 확립된다. 예를 들어, 구동 값들을 갖는 서브테이블이 120° 블록 정류에 대해 하기에 예시된다.

도 3 은 도 2 에 도시된 3위상 BLDC 모터 (1) 를 풀 전기적 사이클, 즉, 360° 에 걸친 여기장의 풀 회전에 대해 구동하기 위한 3개 위상들 (U, V 및 W) 에 대한 관련 제어 패턴 또는 관련 신호 형태를 도시한 것이다. 이러한 풀 사이클은 60° 존들로 분할되고, 결과적으로, 이들 60° 존들은 6개 증분들 (1 내지 6) 에 걸쳐 통과된다. 각각의 그러한 60° 존의 시작부에서, 전력 출력 스테이지 (4) 의 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1/T2, T3/T4 및 T5/T6) 은 위상의 정류에 대해 스위치 온 또는 오프될 수 있다. 그 후, 위상의 상태는 그러한 60° 존의 적어도 단부까지 여전히 유지되지만, 하기에서 설명되는 바와 같이, 그 위에 중첩된 PWM 신호를 가질 수 있다. 정류각 (

) 은 120° 이다.

따라서, 상기 예시된 서브테이블은 증분들 (S1 내지 S6) 각각에 대한 구동 값들을 정의한다. 이 경우, 입력들 ("1", "0" 및 "Z") 은 "위상 포지티브", "위상 네거티브" 및 "위상 고 저항" 을 의미한다.

따라서, 도 3 을 참조하면, 예를 들어, 위상 (U) 은 1 인 증분으로 구동되고, 즉, 위상 (U) 은 그 로직 레벨을 "0" 으로부터 "+1" 로 변경하고, 위상 (V) 은 스위치 오프, 즉, 로직 레벨 "-1" 로 되고, 위상 (W) 은 고 저항으로 변경되며, 그 상태가 "+1" 로부터 "0" 으로 변한다.

룩업 테이블의 서브테이블의 추가적인 예가, 5° 증분들로 정현파 정류에 대한 구동 값들을 포함하는 다음의 테이블에 의해 나타내어진다.

완전한 주기에 대한 값들이 미러링에 의해 생성될 수 있기 때문에, 오직 1/4 주기에 대한 이들 값들만이 서브테이블에 저장된다. 첫번째 1/4 주기에 대한 관련 신호 파형 또는 관련 제어 패턴이 관련 사인 곡선에 더하여 도 4 에 도시된다. 또한, 5° 증분들보다 더 세밀한 입도, 즉, 예를 들어, 0.5° 인 증분까지의 입도가 선택되는 것이 가능하다.

결정된 현재 구동 위치 (P_pres) 에 의존하여, 도 1 에 따르면, 구동 값들은 구성된 정류 형태에 대응하는 룩업 테이블로부터 메모리 (11) 에 의해 출력되고, 권선 시스템 (2) 의 권선들 (2a, 2b 및 2c) 에 대한 개별 위상 전압들을 생성하기 위해 스케일링 모듈 (12) 에 저장된 스케일링 팩터들에 의해 승산된다. 이러한 스케일링 모듈 (12) 은 제어 유닛 (30) 에 의해 생성된 교정 데이터 (C) 로 유사하게 구성된다.

BLDC 모터 (1) 의 정현파 구동인 경우, 전체 이용가능 동작 전압 (V_B) 이 활용되지는 않는다. 따라서, 생성된 위상 전압들은 과변조 모듈 (13) 에 공급되고, 그 결과로서, 3차 고조파 사인 오실레이션이 개별 정현파 위상 전압들에 부가된다. 따라서, 이용가능한 BLDC 모터 (1) 의 외부 전도체 전압이 증가된다.

변동하는 동작 전압인 경우, BLDC 모터 (1) 의 전력 출력, 즉, 토크 또는 속도가 유사하게 변동하는데, 왜냐하면 도 1 에 도시된 BLDC 모터 (1) 의 구동이 폐루프 제어 구조를 포함하지 않기 때문이다. 이러한 효과를 상쇄하기 위해, 계산된 위상 전압의 동작 전압 (V_B) 에 대한 매칭, 즉, 피드포워드 정정이 피드포워드 모듈 (14) 에 의해 구현된다.

이러한 방식으로 생성 및 정정되는 위상 전압들은 PWM 모듈 (15) 에 있어서 대응하는 펄스-무 펄스 비율에 의해 PWM 제어 신호들 (V_U, V_V 및 V_W) 로 변환된다. 이러한 PWM 모듈 (15) 은 또한 개별 모터 위상들에 대한 테스트 벡터들을 제공할 수 있으며, 여기서, 이들 테스트 벡터들은, 예를 들어, 통신 인터페이스 (E) 를 통해 제어 유닛 (30) 에 의해 미리결정된다.

PWM 제어 신호들 (V_U, V_V 및 V_W) 이 전력 출력 스테이지 (4) 에 공급되기 전, 데드 타임 생성이 단락회로 보호 모듈 (16) 에 의해 수행된다.

상기 MOSFET들의 상이한 스위칭 시간들의 결과로서 상위측 MOSFET들 (T1, T3 또는 T5) 중 하나의 하위측 MOSFET (T2, T4 또는 T6) 로의 스위치오버의 이벤트 시에 발생하는 단락회로를 방지하기 위해, 스위치오버 사이에 데드 타임이 삽입된다.

이러한 단락회로 보호 모듈 (16) 에 의해, 데드 타임 생성을 위한 3가지 방법들 중 하나가 사용될 수 있으며, 여기서, 대응하는 방법이 제어 유닛 (30) 에 의해 생성된 구성 데이터 (F) 에 의해 선택된다.

데드 타임 생성을 위한 제 1 방법은 미리결정된 카운트 값까지 카운팅하는 것에 의해 시스템 클록을 이용한다.

제 2 방법은 도 2 에 도시되고, 여기서, 하프-브리지들 (4a, 4b 및 4c) 의 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1 내지 T6) 의 개별 게이트-소스 전압들이 측정되고 평가된다. 이러한 목적으로, 도 2 에 도시된 바와 같이, MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1 내지 T6) 의 게이트 전위들 및 소스 전위들이 단락회로 보호 모듈 (16) 에 공급된다. 이들 게이트-소스 전압들이 조정가능한 임계치 이하로 떨어지면 스위치오버가 발생할 수 있으며, 그렇지 않으면, 이들 전압들이 이 임계치 초과로 오를 경우에 스위치오버가 방지된다.

이러한 단락회로 보호 모듈 (16) 에 의해, 생성된 데드 타임을 고려하여, PWM 모듈 (15) 에 의해 생성된 3개의 PWM 제어 신호들 (V_U, V_V 및 V_W) 로부터 6개의 구동 신호들이 생성되며, 이 구동 신호들은 개별 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1 내지 T6) 에 대한 제어 신호들을 나타낸다.

데드 타임 생성을 위한 제 3 방법은 시스템 클록에 의한 데드 타임의 디지털 생성과 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1 내지 T6) 의 게이트-소스 전압들을 모니터링하는 방법 (게이트-소스 전압 방법) 과의 조합이다.

이 제 3 방법에 있어서, 디지털적으로 생성된 데드 타임은 최소 데드 타임으로서 사용되고, 외부 환경들의 결과로서, 오직 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1 내지 T6) 의 스위칭 시간들이 증가되고 따라서 더 높은 데드 타임들이 요구될 경우에만 게이트-소스 전압 방법이 사용되고, 따라서, 하프-브리지 (4a, 4b 또는 4c) 의 스위치오버는 오직 MOS 전계효과 트랜지스터들 (T1 내지 T6) 이 스위치오버 동안 안전한 상태에 있을 경우에만 인에이블된다.

도 1 에 도시된 로직 회로 (10) 는 다양한 구동 개념들을 허용하고; 따라서, 정현파 정류 형태인 경우, 과변조 모듈 (13) 에 의해 구현될 과변조가 스위칭 온될 수 있고, 데드 타임을 생성하기 위한 게이트-소스 전압들의 평가는 또한 옵션이다.

권선 시스템 (2) 의 권선들 (2a, 2b 및 2c) 은 또한 서로 델타-접속될 수 있다. 하프-브리지들 (4a, 4b 및 4c) 은 또한 P채널 전계효과 트랜지스터들 대신 N채널 전계효과 트랜지스터들로 구성될 수 있다.

상기 설명된 예시적인 실시형태에 있어서의 서브테이블들 대신, 모든 정류 형태들의 값들은 또한 단일의 룩업 테이블에 리스트될 수 있다.

1 BLDC 모터
2 BLDC 모터 (1) 의 권선 시스템
2a 권선 시스템 (2) 의 권선
2b 권선 시스템 (2) 의 권선
2c 권선 시스템 (2) 의 권선
3 각도 센서, 쿼드러처 센서
4 3개의 하프-브리지들을 포함하는 전력 출력 스테이지
4a 하프-브리지
4b 하프-브리지
4c 하프-브리지
5 하프-브리지 구동기 회로
10 로직 회로
11 저장 수단, 메모리
12 스케일링 모듈
13 과변조 모듈
14 피드포워드 모듈
15 PWM 모듈
16 단락회로 보호 모듈
17 정상상태 리드각을 위한 기능 모듈
18 쿼드러처 디코더
19 위치 카운터
20 센서 모듈
21 극 쌍 모듈
22 필터 블록
23 BLDC 모터 (1) 의 동적 위상 리드를 보상하기 위한 기능 모듈 (23)
30 제어 유닛
A-I 구성 데이터
T1-T6 MOS 전계효과 트랜지스터들
P 위치 신호, 회전자의 기계적 각도
P_el 전기적 각도
P_pres BLDC 모터 (1) 의 현재 구동 위치
V_B 동작 전압
v 속도 신호
V_U, V_V, V_W PWM 제어 신호들

정류각

_dyn 동적 리드각

_steady 정상상태 리드각

Claims

2 이상의 극수를 갖고 복수의 권선 위상들, 특히, 3개의 권선 위상들을 갖는 권선 시스템 (2) 을 가지며, 회전자, 고정자, 및 상기 회전자의 각도를 검출하는 각도 센서 (3) 그리고 상기 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 상기 권선 시스템 (2) 의 위상 전압들을 생성하기 위한 로직 회로 (10) 를 포함하는 전자적으로 정류된 (commutated) 다위상 DC 모터 (BLDC 모터) (1) 를 제어하는 방법으로서,
- 상기 로직 회로 (10) 는, 블록 형상, 사다리꼴, 정현파, 사인파 기반 신호 파형들로 또는 정류에 적절한 신호 파형들로 정류를 구현하기 위해, 관련 구동 값들이 상기 권선 시스템 (2) 에 대한 위상 전압들 (V_U, V_V, V_W) 을 생성하기 위한 상기 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 저장되는 룩업 테이블을 갖는 저장 수단 (11) 을 가지며,
- 상기 로직 회로 (10) 에 대한 구성 데이터를 생성하는 제어 유닛 (30) 이 제공되며, 상기 구성 데이터는 적어도 정류 형태를 결정하며, 그리고
- 특정 정류 형태에 의존하여, 상기 관련 구동 값들이 쿼드러처 센서 (3) 에 의해 결정된 상기 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 상기 저장 수단 (11) 으로부터, PWM 제어 신호들 (V_U, V_V, V_W) 을 생성하는 PWM 생성기 (15) 로 공급되며, 상기 PWM 제어 신호들은 상기 권선 시스템 (2) 에 있어서의 위상 전류들을 제어하는데 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항에 있어서,
각각의 경우에, 상기 룩업 테이블의 하나의 서브테이블이 각각의 정류 형태에 대해 제공되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 구동 값들은 0.5°el 의 증분까지로 상기 룩업 테이블에 저장되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 값들은 전기적 주기의 1/4 주기 동안 상기 룩업 테이블에 저장되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
- 상기 회전자의 속도는 각위치 센서 (3) 의 신호들로부터 결정되고, 그리고
- 쿼드러처 센서 (3) 에 의해 결정된 상기 회전자의 전기적 위상각이 정정될 수 있는 동적 리드각이 모터 특정 계수들에 의해 상기 회전자의 속도로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 동적 리드각에 의해 정정되는 상기 회전자의 결정된 위상각의 값은 정상상태 리드각에 의해 정정되고, 이 변수는 현재 구동 위치로서 상기 저장 수단 (11) 에 공급되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
정현파 또는 사인 기반 신호 파형들로의 정류인 경우, 상기 룩업 테이블에 의해 결정된 구동 값들은 과변조되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동 값들은 상기 BLDC 모터 (1) 의 변동하는 공급 전압을 상쇄하기 위해 피드포워드 정정되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
- MOS 전계효과 트랜지스터로부터 형성된 하프-브리지 (4) 가 상기 권선 시스템 (2) 의 위상 전류들을 제어하기 위해 각각의 권선에 할당되며, 그리고
- 정류 시간들에서, 상기 MOS 전계효과 트랜지스터들의 게이트-소스 전압들이 모니터링되고 상기 게이트-소스 전압들이 미리결정된 임계치들에 도달하였거나 그 미만으로 떨어졌을 경우에만 스위치오버가 발생하는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
- MOS 전계효과 트랜지스터로부터 형성된 하프-브리지 (4) 가 상기 권선 시스템 (2) 의 위상 전류들을 제어하기 위해 각각의 권선에 할당되며, 그리고
- 정류 시간들에서, 시스템 클록의 미리결정된 데드 타임 클록 수의 실행 이후에만 스위치오버가 발생하는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
- MOS 전계효과 트랜지스터로부터 형성된 하프-브리지 (4) 가 상기 권선 시스템 (2) 의 위상 전류들을 제어하기 위해 각각의 권선에 할당되며, 그리고
- 정류 시간들에서, 스위치오버가 시스템 클록의 미리결정된 데드 타임 클록 수의 실행 이후에만 발생하거나 상기 MOS 전계효과 트랜지스터들의 게이트-소스 전압들이 모니터링되고 상기 게이트-소스 전압들이 미리결정된 임계치들에 도달하였거나 그 미만으로 떨어졌고 상기 MOS 전계효과 트랜지스터들의 스위칭 시간들이 증가한 경우에만 스위치오버가 발생하는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 룩업 테이블에 의해 결정된 구동 값들은 상기 권선 시스템에 대한 위상 전압들을 생성하기 위해 세트포인트 전압들에 대한 미리결정된 값들로 스케일링되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 방법.
2 이상의 극수를 갖고 복수의 권선 위상들, 특히, 3개의 권선 위상들을 갖는 권선 시스템 (2) 을 가지며, 회전자, 고정자, 및 상기 회전자의 각도를 검출하는 쿼드러처 센서 (3) 그리고 상기 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 상기 권선 시스템 (2) 의 위상 전압들을 생성하기 위한 로직 회로 (10) 를 포함하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터 (BLDC 모터) (1) 를 제어하는 장치로서,
- 상기 로직 회로 (10) 는, 블록 형상, 사다리꼴, 정현파, 사인파 기반 신호 파형들로 또는 정류에 적절한 신호 파형들로 정류를 구현하기 위해, 관련 구동 값들이 상기 권선 시스템 (2) 에 대한 위상 전압들 (V_U, V_V, V_W) 을 생성하기 위한 상기 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 저장되는 룩업 테이블을 갖는 저장 수단 (11) 을 가지며,
- 상기 로직 회로 (10) 에 대한 구성 데이터를 생성하는 제어 유닛 (30) 이 제공되며, 상기 구성 데이터는 적어도 정류 형태를 결정하며, 그리고
- 특정 정류 형태에 의존하여, 상기 관련 구동 값들이 상기 쿼드러처 센서 (3) 에 의해 결정된 상기 회전자의 전기적 위상각에 의존하여 상기 저장 수단 (11) 으로부터, PWM 제어 신호들 (V_U, V_V, V_W) 을 생성하는 PWM 생성기 (15) 로 공급되며, 상기 PWM 제어 신호들은 상기 권선 시스템 (2) 에 있어서의 위상 전류들을 제어하는데 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 장치.
제 13 항에 있어서,
쿼드러처 디코더 (18) 및 위치 카운터 (19) 가 제공되고, 상기 쿼드러처 디코더 (18) 및 상기 위치 카운터 (19) 에 의해, 속도 신호 (v) 및 위치 신호 (P) 가 생성되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 장치.
제 14 항에 있어서,
상기 BLDC 모터 (1) 의 동적 위상 리드를 보상하기 위한 기능 모듈 (23) 이 제공되고, 이 기능 모듈 (23) 에 상기 속도 신호 (v) 가 공급되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 장치.
제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
과변조 모듈 (13) 이 제공되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 장치.
제 13 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
데드 타임 생성을 위한 단락회로 보호 모듈 (16) 이 제공되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 장치.
제 13 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
피드포워드 정정을 구현하기 위한 피드포워드 모듈 (14) 이 제공되는 것을 특징으로 하는 전자적으로 정류된 다위상 DC 모터를 제어하는 장치.