KR20140137415A

KR20140137415A - 브러시리스 영구 자석 모터의 센서리스 제어

Info

Publication number: KR20140137415A
Application number: KR1020147027984A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 존 베이트만; 배리 찰스 미크로우
Original assignee: 다이슨 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-12-02
Also published as: US20130234640A1; US9515588B2; EP2823558A1; KR101663147B1; WO2013132247A1; CN104285370A; JP2013188133A; JP5749288B2; CN104285370B

Abstract

브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법은, 모터의 권선 양단의 전압에 비례하는 전압을 갖는 제1 신호를 발생하는 단계와, 권선의 전류에 비례하는 전압을 갖는 제2 신호를 발생하는 단계를 포함한다. 제2 신호는 그 후 제3 신호를 발생하기 위해 미분되며, 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 비교된다. 비교에 응답하여 출력 신호가 발생되며, 이 출력 신호는 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 대응하는 때마다 에지를 갖는다. 그리고나서, 권선이 출력 신호에서의 에지에 관련하여 때때로 커뮤테이트된다(commutated). 이에 부가하여, 이 방법을 구현하는 제어 시스템, 및 제어 시스템을 통합하는 모터 시스템이 제공된다.

Description

브러시리스 영구 자석 모터의 센서리스 제어{SENSORLESS CONTROL OF A BRUSHLESS PERMANENT-MAGNET MOTOR}

본 발명은 브러시리스 영구 자석 모터의 센서리스 제어에 관한 것이다.

브러시리시 모터의 위상 권선을 정확한 시간에 커뮤테이트(commutate)하기 위해서는 회전자 위치에 대한 정보가 필수적이다. 영구 자석 모터는 회전자 위치를 나타내는 신호를 출력하는 홀-이펙트 센서(Hall-effect sensor)를 포함하는 경우가 많을 것이다. 센서의 부품 비용이 비교적 저렴하기는 하지만, 모터 내에 센서를 통합하는 것은 모터의 설계 및 제조를 복잡하게 하는 경우가 있다. 이에 부가하여, 센서에 의한 신호 출력이 모터 내에서 발생된 전자기 노이즈에 민감한 경우가 있다.

회전자의 위치를 간접적으로 결정하기 위한 센서리스 방식이 알려져 있다. 영구-자석 모터에 대해서는, 위상 권선에서 유도된 역기전력(back EMF)의 극성의 전환(transition)을 이용하여 회전자 위치를 결정할 수 있다. 다상 모터에 대해서는, 여자되지 않은 위상 권선에서 유도된 역기전력을 감지함으로써 회전자 위치를 결정할 수 있다. 단상 모터의 경우에는, 추가의 위상 권선이 없기 때문에 이러한 타입의 제어가 실행될 수 없다. 그렇지만, 역기전력의 극성의 전환이 예상되는 전기적 사이클에서의 점(point)들에서 여자를 유예(suspend)함으로써 회전자의 위치를 결정할 수도 있다.

이와 같이, 여자를 유예하는 것은 모터 내로 구동될 수 있는 전기 전력을 감소시키는 단점을 갖는다.

제1 양태에서, 본 발명은 브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법을 제공하며, 상기 방법은, 모터의 권선 양단의 전압에 비례하는 전압을 갖는 제1 신호를 발생하는 단계와, 상기 권선의 전류에 비례하는 전압을 갖는 제2 신호를 발생하는 단계와, 제3 신호를 발생하기 위해 상기 제2 신호를 미분하는 단계와, 상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압을 비교하는 단계와, 비교에 응답하여 출력 신호를 발생하는 단계로서, 상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압이 대응하는 때에 상기 출력 신호에서 에지가 발생되는, 출력 신호를 발생하는 단계와, 상기 출력 신호에서의 에지에 관련하여 때때로 상기 권선을 커뮤테이트(commutate)하는 단계를 포함한다.

영구 자석 모터의 회전자는 권선에 역기전력을 유도한다. 역기전력의 크기는 다른 것들 중에서 회전자의 각도 위치에 좌우된다. 권선에 대한 전압 수식은 V_ph = i_phR_ph + L_ph·di_ph/dt + E_ph 로서 표현될 수 있으며, 여기서 V_ph는 권선 양단의 전압이며, i_ph는 권선의 전류이며, R_ph는 권선의 저항이며, L_ph는 권선의 인덕턴스이며, E_ph는 회전자에 의해 권선에서 유도된 역기전력이다. 비교적 작은 i_phR_ph 항을 갖는 모터에 대해, 전압 수식은 V_ph = L_ph·di_ph/dt + E_ph 로 간략화된다. 제1 신호의 전압은 V_ph에 비례하고, 제3 신호의 전압은 L_ph·di_ph/dt에 비례한다. 따라서, 역기전력이 소정의 값을 가질 때에는 출력 신호에서 에지가 발생되며, 이 소정의 값은 2개의 신호의 전압들이 어떻게 스케일되느냐에 좌우된다. 역기전력의 크기가 회전자의 각도 위치에 좌우되므로, 회전자가 사전에 정해진 위치에 있을 때에 출력 신호에서 에지가 발생된다. 이에 따라, 회전자의 위치는 홀-이펙트 센서를 필요로 하지 않고서도 결정될 수 있다.

전압 수식은 실제로 권선 양단의 전압에 무관하다. 그 결과, 회전자의 위치가 권선의 여자 동안 결정될 수 있다. 따라서, 단일 권선을 이용하여 모터를 구동하고 회전자의 위치를 결정하는 것이 가능하다. 상기 방법은 회전자 위치를 결정하기 위해 위상 여자가 유예되도록 요구하지 않는다. 이에 따라, 단상 모터의 센서리스 제어를 위한 종래의 방법에 비하여, 각각의 전기적 하프-사이클(electrical half-cycle)에 걸쳐 모터 내로 더 많은 전기 파워가 구동될 수 있다.

역기전력에서의 제로-교차는 회전자가 정렬 위치에 있거나 또는 비정렬 위치에 있을 때에 발생한다. 역기전력에서의 제로-교차에서, 전압 수식은 V_ph = L_ph·di_ph/dt로 추가로 간략화된다. 제1 신호 및 제3 신호의 제1 및 제3 전압은 따라서 역기전력에서의 각각의 제로-교차에 응답하여 대응할 수 있다. 그 결과, 회전자가 정렬 위치 또는 비정렬 위치에 있을 때마다 출력 신호에서 에지가 발생된다.

권선을 커뮤테이트할 시에, 권선을 통과하는 전류의 방향이 반대로 된다. 그러나, 권선의 인덕턴스 때문에, 짧은 기간 동안 전류가 동일한 방향으로 흐르는 것을 지속하는 경우가 많다. 전류가 어떻게 감지되는지에 따라서, 전류는 커뮤테이션에 응답하여 극성에서의 급격한 변화를 겪는 것으로 보일 수도 있다. 그 결과, 제3 신호의 전압에서 스파이크가 생성된다. 따라서, 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 제1 신호 및 제3 신호의 전압들이 대응하는 것이 가능하다. 이에 따라, 상기 방법은 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 에지를 무시하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 상기 권선을 여자하고 프리휠링하는 단계를 포함할 수 있다. 프리휠링 동안에는 권선의 전류를 감지하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 그 결과, 제2 신호의 전압이 유효하지 않게 될 것이며, 즉 전압이 권선의 전류의 크기에 더 이상 비례하지 않게 될 것이다. 이것은 출력 신호에서 스퓨리어스 에지(spurious edge)를 야기할 수도 있다. 이에 따라, 상기 방법은 여자 동안 발생된 에지에 관련하여 때때로 상기 권선을 커뮤테이트하는 단계와, 프리휠링 동안 발생된 에지를 무시하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이것은 권선이 출력 신호에서의 스퓨리어스 에지까지의 동안 부정확한 시간에 커뮤테이트되는 것을 방지한다.

여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 권선 양단의 전압 및 권선의 전류를 측정하는 것이 가능할 수 있다. 즉, 상기 방법은 여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 제1 및 제2 신호를 발생하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 여자 또는 프리휠링 동안 발생된 에지에 관련하여 때때로 권선을 커뮤테이트하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 여자 또는 프리휠링 동안 회전자 위치가 결정될 수 있는 장점을 갖는다. 그 결과, 선행된, 동기화된, 또는 지연된 커뮤테이션이 채용될 수 있다.

상기 방법은, 권선을 여자 전압으로 여자하는 단계와, 상기 여자 전압에 비례하는 전압을 갖는 제1 신호를 발생하는 단계를 포함할 수 있다. 그 결과, 제1 신호의 전압은 단지 여자 동안만 권선 양단의 전압에 비례한다. 즉, 회전자 위치가 여자 동안에만 결정될 수 있다. 이에 불구하고, 이것은 권선 양단의 전압의 측정치를 획득하기 위한 비교적 간략한 방법을 제공한다. 구체적으로, 제1 신호를 발생하기 위해 단일 분압기가 이용될 수 있다.

제2 양태에서, 본 발명은 전술한 단락들 중의 임의의 단락에서 설명된 바와 같은 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템을 제공한다.

제3 양태에서, 본 발명은 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템을 제공하며, 상기 제어 시스템은, 모터의 권선 양단의 전압에 비례하는 전압을 갖는 제1 신호를 발생하는 제1 센서와, 상기 권선의 전류에 비례하는 전압을 갖는 제2 신호를 발생하는 제2 센서와, 상기 제2 신호를 미분하고, 그 응답으로 제3 신호를 발생하는 미분기와, 상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압을 비교하고, 그 응답으로 출력 신호를 발생하며, 상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압이 대응하는 때에 상기 출력 신호에서 에지가 발생되는, 비교기와, 상기 출력 신호에서의 에지에 관련하여 때때로 상기 권선을 커뮤테이트하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 발생하는 컨트롤러를 포함한다.

전술한 바와 같이, 권선에 대한 전압 수식은 V_ph = L_ph·di_ph/dt + E_ph 로서 표현될 수 있다. 제1 신호의 전압은 V_ph에 비례하고, 제3 신호의 전압은 L_ph·di_ph/dt에 비례한다. 따라서, 역기전력이 소정의 값을 가질 때에는 출력 신호에서 에지가 발생되며, 이 소정의 값은 2개의 신호의 전압들이 어떻게 스케일되느냐에 좌우된다. 역기전력의 크기가 회전자의 각도 위치에 좌우되므로, 회전자가 사전에 정해진 위치에 있을 때에 출력 신호에서 에지가 발생된다. 이에 따라, 회전자의 위치는 홀-이펙트 센서를 필요로 하지 않고서도 결정될 수 있다.

상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압은 상기 권선에서 유도된 역기전력에서의 제로-교차에 응답하여 대응할 수 있다. 회전자가 정렬 위치 또는 비정렬 위치에 있을 때마다 출력 신호에서 에지가 발생된다.

제1 센서 및 제2 센서는 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 역기전력에서의 제로-교차에서 대응하도록 적절하게 스케일되는 전압을 갖는 신호를 발생할 수 있다. 이와 달리, 제1 신호 및 제3 신호의 전압들이 대응하도록 하기 위해 제1 신호, 제2 신호 및 제3 신호 중의 적어도 하나의 신호의 스케일링이 요구될 수도 있다. 이에 따라, 제어 시스템은 제1 신호 및 제3 신호의 전압들이 권선에서 유도된 역기전력에서의 제로-교차에 응답하여 대응하도록 제1 신호, 제2 신호 및 제3 신호 중의 적어도 하나의 신호를 스케일링하는 전압 스케일러를 포함할 수 있다. 전압 스케일러는 예컨대 증폭기 또는 감쇠기의 형태를 취할 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 신호 및 제3 신호의 전압들이 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 대응하는 것이 가능하다. 이에 따라, 상기 컨트롤러는 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 발생된 에지를 무시할 수 있다.

상기 컨트롤러는 상기 권선을 여자하고 프리휠링하기 위한 제어 신호를 발생할 수 있다. 프리휠링 동안에는, 제2 센서가 권선의 전류를 감지하는 것이 가능하지 않을 수도 있다. 이에 따라, 상기 컨트롤러는 여자 동안 발생된 에지에 응답하여 상기 권선을 커뮤테이트하기 위한 제어 신호를 발생하고, 프리휠링 동안 발생된 에지를 무시할 수 있다. 이것은 권선이 출력 신호에서의 스퓨리어스 에지까지의 동안 정확하지 않은 시간에 커뮤테이트되는 것을 방지한다.

상기 제어 시스템은 상기 권선이 연결되는 인버터를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 센서는 상기 인버터 양단에 위치된 하나의 분압기를 포함할 수 있다. 그 결과, 상기 제1 신호의 전압은 여자 동안에만 권선 양단의 전압에 비례한다. 즉, 회전자 위치가 여자 동안에만 결정될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 하나의 분압기는 권선 양단의 전압의 측정치를 획득하기 위한 비교적 간략하고 비용이 저렴한 수단을 제공한다.

이와 달리, 상기 제1 센서는 상기 권선의 상호 반대측에 위치된 분압기의 쌍을 포함할 수 있으며, 상기 제2 센서는 전류 트랜스듀서, 전류 트랜스포머, 및 상기 인버터의 상호 반대측 레그 상에 위치된 감지 저항기의 쌍 중의 하나를 포함할 수 있다. 그 결과, 여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 상기 권선 양단의 전압 및 상기 권선에서의 전류가 감지될 수 있다. 이것은 여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 회전자 위치를 결정하는 것을 가능하게 하는 장점을 갖는다. 그 결과, 선행된, 동기화된 또는 지연된 커뮤테이션이 채용될 수 있다.

제4 양태에서, 본 발명은, 브러시리스 영구 자석 모터와, 전술한 단락에 설명된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 시스템을 제공한다.

상기 모터는 단상 권선을 포함할 수 있다. 이것은 모터를 구동하는데 필요한 제어 시스템을 간략화하는 장점을 갖는다. 제어 시스템은 권선의 여자 동안 회전자의 위치를 감지할 수 있다. 이에 따라, 전기 파워를 훼손하지 않고서도 단상 모터의 센서리스 제어가 달성될 수 있다.

본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 하기 위해, 이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 일례로서 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 모터 시스템의 블록도이다.
도 2는 모터 시스템의 개략도이다.
도 3은 모터 시스템의 컨트롤러에 의해 발행된 제어 신호에 응답하는 인버터의 허용된 상태를 상세하게 보여주는 도면이다.
도 4는 가속 모드에서 비교적 낮은 속도로 작동할 때의 모터 시스템의 다양한 파형을 예시하는 도면이다.
도 5는 가속 모드에서 비교적 높은 속도로 작동할 때의 모터 시스템의 다양한 파형을 예시하는 도면이다.
도 6은 모터 시스템의 역기전력 센서의 개략도이다.
도 7은 정상 상태 모드에서 작동할 때의 모터 시스템의 다양한 파형을 예시하는 도면이다.
도 8은 모터 시스템의 대안의 역기전력 센서의 개략도이다.
도 9는 본 발명에 따른 대안의 모터 시스템의 개략도이다.
도 10은 정상 상태 모드에서 작동할 때의 대안의 모터 시스템의 다양한 파형을 예시하는 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 다른 대안의 모터 시스템의 개략도이다.
도 12는 정상 상태 모드에서 작동할 때의 다른 대안의 모터 시스템의 다양한 파형을 예시하는 도면이다.
도 13은 가속 모드에서 비교적 낮은 속도로 작동할 때의 본 발명에 따른 다른 모터 시스템의 다양한 파형을 예시하는 도면이다.

도 1 및 도 2의 모터 시스템(1)은 DC 파워 서플라이(2)에 의해 전력이 공급되고, 브러시리스 모터(3) 및 제어 시스템(4)을 포함한다.

모터(3)는 4극 고정자(6)에 관하여 회전하는 4극 영구 자석 회전자(5)를 포함한다. 도전성 와이어가 고정자(6)에 대해 권취되고, 함께(예컨대 직렬로 또는 병렬로) 결합되어 단일 위상 권선(7)을 형성한다.

제어 시스템(4)은 DC 링크 필터(8), 인버터(9), 게이트 드라이버 모듈(10), 전류 센서(11), 역기전력 센서(12), 및 컨트롤러(13)를 포함한다.

DC 링크 필터(8)는 인버터(9)의 스위칭으로부터 발생하는 비교적 고주파 리플을 평활화하는 커패시터(C1)를 포함한한다.

인버터(9)는 DC 링크 전압을 위상 권선(7)에 결합하는 4개의 전력 스위치(Q1∼Q4)의 풀 브리지(full bridge)를 포함한다. 각각의 스위치(Q1∼Q4)는 프리휠 다이오드를 포함한다.

게이트 드라이버 모듈(10)은 컨트롤러(13)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 스위치(Q1∼Q4)의 개방 및 폐쇄를 구동한다.

전류 센서(11)는 인버터(9)의 네거티브 레일(negative rail) 상에 위치된 감지 저항기(R1)를 포함한다. 전류 센서(11) 양단의 전압은 파워 서플라이(2)에 접속될 때의 위상 권선(7)의 전류의 측정치를 제공한다. 전류 센서(11) 양단의 전압은 역기전력 센서(12) 및 컨트롤러(13)에 전류 감지 신호 I_SENSE로서 출력된다.

역기전력 센서(12)는 컨트롤러(13)에 출력되는 디지털 신호 BEMF를 발생한다. 역기전력 센서(12)에 대한 더욱 상세한 설명은 아래에서 정상 상태 모드라는 제목의 부분에 제공되어 있다.

컨트롤러(13)는 프로세서, 메모리 디바이스 및 복수의 주변장치(예컨대, ADC, 비교기, 타이머 등)를 갖는 마이크로컨트롤러를 포함한다. 메모리 디바이스는 프로세서에 의해 실행하기 위한 명령뿐만 아니라 프로세서에 의해 사용하기 위한 제어 파라미터(예컨대, 전류 한계치, 상승-시간 임계치, 속도 임계치, 프리휠 기간, 선행 기간(advance period), 전도 기간 등)를 저장한다. 컨트롤러(13)는 모터 시스템(1)의 작동을 제어하는 것을 담당하며, 3개의 제어 신호 DIR1, DIR2 및 FW#를 발생한다. 제어 신호는 게이트 드라이버 모듈(10)에 출력되며, 게이트 드라이버 모듈(10)은 이에 응답하여 인버터(9)의 스위치(Q1∼Q4)의 개방 및 폐쇄를 구동한다.

DIR1 및 DIR2는 인버터(9)를 통과하는 그리고 그에 따라 위상 권선(7)을 통과하는 전류의 방향을 제어한다. DIR1이 논리적으로 하이로 풀링되고(pulled), DIR2가 논리적으로 로우로 풀링될 때, 게이트 드라이버 모듈(10)은 스위치 Q1 및 Q4를 폐쇄하고, 스위치 Q2 및 Q3를 개방하여, 전류가 위상 권선(7)을 통해 좌측에서 우측으로 구동되도록 한다. 반대로, DIR2가 논리적으로 하이로 풀링되고, DIR1이 논리적으로 로우로 풀링될 때, 게이트 드라이버 모듈(10)은 스위치 Q2 및 Q3를 폐쇄하고, 스위치 Q1 및 Q4를 개방하여, 전류가 위상 권선(7)을 통해 우측에서 좌측으로 구동되도록 한다. 위상 권선(7)에서의 전류는 따라서 DIR1과 DIR2를 반대로 함으로써 커뮤테이트된다. DIR1과 DIR2 둘 모두가 논리적으로 로우로 풀링되면, 게이트 드라이버 모듈(10)은 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방시킨다.

FW#는 DC 링크 전압으로부터 위상 권선(7)을 연결 해제하고 위상 권선(7)의 전류가 인버터(9)의 하위쪽 루프 둘레를 프리휠하도록 하기 위해 이용된다. 이에 따라, 논리적으로 로우로 풀링되는 FW# 신호에 응답하여, 게이트 드라이버 모듈(10)은 상위쪽 스위치(Q1, Q3) 둘 모두를 개방되게 한다.

각각의 전력 스위치(Q1∼Q4)는 단일 방향으로만 전도한다. 그 결과, 전류는 하위쪽 스위치(Q2, Q4) 중의 하나를 통해 그리고 하위쪽 스위치(Q2, Q4) 중의 다른 하나의 프리휠 다이오드를 통해 프리휠한다. 어떠한 타입의 전력 스위치(예컨대, MOSFET)는 양방향으로의 전도가 가능하다. 이에 따라, 프리휠 다이오드를 통해 프리휠링하기 보다는, 전류가 하위쪽 스위치(Q2, Q4) 둘 모두를 통해 프리휠하도록 하위쪽 스위치(Q2, Q4) 둘 모두가 폐쇄될 수도 있다. 즉, 상위쪽 스위치(Q1, Q3) 둘 모두를 개방하는 것에 추가하여, 논리적으로 로우인 FW# 신호에 응답하여 하위쪽 스위치(Q2, Q4) 둘 모두가 폐쇄된다.

도 3은 컨트롤러(13)의 제어 신호에 응답하는 스위치(Q1∼Q4)의 허용된 상태를 요약하여 보여주고 있다. 이 후, 신호가 논리적으로 하이와 로우로 풀링되는 것을 나타내기 위해 각각 "세트"와 "클리어"라는 표현이 사용될 것이다.

과잉의 전류는 제어 시스템(4)의 부품(예컨대, 전력 스위치(Q1∼Q4))을 손상시키거나 및/또는 회전자(5)를 소자(demagnetise)시킬 수 있다. 컨트롤러(13)는 따라서 위상 권선(7)의 여자 동안 전류 감지 신호 I_SENSE를 모니터링한다. 위상 권선(7)의 전류가 전류 한계치를 초과하는 경우, 컨트롤러(13)는 FW#를 클리어함으로써 위상 권선(7)을 프리휠한다. 프리휠링은 프리휠 기간 동안 지속되며, 그 시간 동안에는 위상 권선(7)의 전류가 전류 한계치 아래의 레벨까지 떨어진다. 프리휠 기간의 종료 시에, 컨트롤러(13)는 FW#를 세트함으로써 위상 권선(7)을 다시 여자시킨다. 그 결과, 위상 권선(7)의 전류가 전류 한계치에서 초핑된다(chopped).

컨트롤러(13)는 회전자(5)의 속도를 좌우하는 3가지 모드 중의 하나로 작동한다. 회전자(5)가 정지 상태일 때, 컨트롤러(13)는 단지 회전자(5)를 전방 방향으로의 이동을 개시하기 위해 채용되는 기동 모드(start-up mode)로 작동한다. 회전자(5)가 전방 방향으로 이동한 후, 컨트롤러(13)는 가속 모드로 스위칭한다. 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 속도가 속도 임계치를 초과할 때까지 가속 모드로 작동하며, 속도 임계치를 초과한 후 컨트롤러(13)가 정상-상태 모드로 스위칭한다. 각각의 작동 모드 내에서, 컨트롤러(13)는 전용의 회전자 센서를 필요로 하지 않고 모터(3)를 제어하기 위해 상이한 방식을 채용한다.

기동 모드

컨트롤러(13)는 기동 모드로 작동할 때에는 회전자(5)의 위치를 결정하려고 시도하지 않는다. 그 대신, 컨트롤러(13)는 회전자(5)가 파킹된 위치에 상관없이 회전자(5)가 전방 방향으로 구동되게 하는 사전에 정해진 시퀀스로 위상 권선(7)을 여자시킨다.

컨트롤러(13)는 사전에 정해진 시간 기간 동안 특정한 방향으로 위상 권선(7)을 여자시킴으로써 개시한다. 방향의 선택은 중요하지 않다. 그러므로, 예컨대, 컨트롤러(13)가 위상 권선(7)을 좌측에서부터 우측으로 여자하기 위해 DIR1을 세트하고 DIR2를 클리어할 수도 있다.

고정자(6)의 극과 회전자(5)의 극 사이의 에어 갭은 비대칭적이다. 그 결과, 회전자(5)는 회전자 극이 고정자 극에 관련하여 다소 잘못 정렬되는 위치에 파킹한다. 회전자(5)는 인가된 고정자 계자(applied stator field)에 관련하여 2개의 위치 중의 하나에 파킹한다. 제1 위치에서, 회전자(5)는 인가된 고정자 계자와 대략적으로는 정렬을 이루는 상태로 된다. 제2 위치에서, 회전자(5)는 인가된 고정자 필드와 대략적으로는 정렬을 이루지 않는 상태로 된다. 제1 위치에 파킹되었을 때, 회전자(5)는 위상 권선(7)의 여자에 응답하여 후방으로 회전한다. 회전자(5)는 회전자(5)가 완전히 정렬된 위치를 취할 때까지 비교적 작은 각도에 걸쳐 회전한다. 제2 위치에 파킹되었을 때, 회전자(5)는 위상 권선(7)의 여자에 응답하여 전방으로 회전한다. 회전자(5)는 회전자(5)가 다시 완전히 정렬된 위치에 있을 때까지 더 큰 각도에 걸쳐 회전한다. 이에 따라, 회전자(5)가 파킹된 위치에 상관없이, 위상 권선(7)의 여자는 회전자(5)를 정렬 위치로 이동하게 한다. 위상 권선(7)이 여자되는 사전에 정해진 기간은, 회전자(5)가 둘 중 하나의 파킹 위치로부터 정렬 위치로 이동하는 것을 보장한다.

사전에 정해진 주기 동안 위상 권선(7)을 여자한 후, 컨트롤러(13)는 DIR1 및 DIR2 둘 모두를 클리어함으로써 위상 권선(7)을 턴오프한다. 위상 여자를 유예함으로써, 회전자(5)는 회전자(5)가 제1 파킹 위치를 채택하도록 작은 각도에 걸쳐 전방으로 회전한다. 위상 여자는 회전자(5)가 제1 파킹 위치에서 쉬게 되도록 하기에 충분한 기간 동안 유예된다. 컨트롤러(13)는 그 후 이전에 채용된 것의 반대 방향으로 위상 권선(7)을 여자시킨다. 그러므로, 예컨대, 컨트롤러(13)는 위상 권선(7)을 우측에서부터 좌측으로 여자하기 위해 DIR2를 세트하고 DIR1을 클리어할 수도 있다. 그러므로, 이것은 회전자(5)를 전방으로 구동되도록 한다. 이 단계에서, 컨트롤러(13)는 가속 모드로 스위칭한다.

가속 모드

가속 모드로 작동할 때, 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 제1 센서리스 방식을 채용한다.

가속 모드에 진입할 시에, 컨트롤러(13)는 이미 위상 권선(7)을 여자시키고 있다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러(13)는 위상 권선(7)의 전류가 전류 한계치를 초과할 때마다 위상 권선(7)이 프리휠되는 전류-제어 방식을 채용한다. 컨트롤러(13)는 사전에 정해진 프리휠 기간 동안 위상 권선(7)을 프리휠한다. 프리휠 기간의 종료 시에, 컨트롤러(13)는 다시 위상 권선(7)을 여자시킨다. 따라서, 컨트롤러(13)는 각각의 전기적 하프-사이클에 걸쳐 위상 권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠한다.

위상 권선(7)에서 유도된 역기전력은 위상 권선(7)의 전류가 여자 동안 상승하고 프리휠링 동안 하강하는 레이트(rate)에 영향을 준다. 구체적으로, 역기전력이 증가함에 따라, 위상 권선(7)의 전류는 더 느린 레이트로 증가하고, 더 빠른 레이트로 떨어진다. 그 결과, 회전자(5)가 회전함에 따라, 위상 전류는 각각의 프리휠 기간 동안 상이한 레벨로 떨어진다. 위상 전류는 따라서 상이한 레벨로부터 출발하고, 각각의 여자 기간 동안 상이한 레이트로 상승한다. 본 출원인은 위상 전류가 각각의 여자 기간 동안 전류 한계치까지 상승하기 위해 소요되는 시간이 회전자(5)의 각도 위치에 좌우된다는 것을 발견하였다. 더욱이, 회전자(5)가 정렬 위치에 접근할 때에 전류-상승 기간은 감소한다. 이러한 발견은 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 컨트롤러(13)에 의해 이용된다.

각각의 프리휠 기간의 종료 시에, 컨트롤러(13)는 타이머를 개시한다. 위상 전류가 후속하여 전류 한계치를 초과할 때, 컨트롤러(13)는 타이머를 정지시킨다. 컨트롤러(13)는 그리고나서 타이머에 의해 저장된 전류-상승 기간을 사전에 정해진 상승-시간 임계치에 대해 비교한다. 전류-상승 기간이 상승-시간 임계치 미만이면, 컨트롤러(13)는 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정한다.

가속 모드로 작동할 때, 컨트롤러(13)는 각각의 결정된 정렬 위치와 동기하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 이에 따라, 회전자(5)가 정렬 위치에 있다는 결정에 응답하여, 컨트롤러(13)는 위상 권선(7)을 즉각적으로 커뮤테이트한다(즉, DIR1 및 DIR2를 반대로 하고, FW#을 세트함으로써). 그러나, 필요한 경우, 컨트롤러(13)는 이와 달리 결정된 정렬 위치의 전 또는 후에 위상 권선(7)을 커뮤테이트할 수도 있다. 결정된 정렬 위치에 관련하여 상이한 시간에 위상 권선(7)을 커뮤테이트하기 위한 방식은 아래에서 정상-상태 모드라는 제목의 부분에 설명되어 있다.

컨트롤러(13)는 각각의 전류 초프(current chop)로 회전자(5)의 위치를 평가한다. 그 결과, 전류 초핑의 주파수는 회전자(5)의 정렬 위치가 결정되는 분해능을 정한다. 비교적 낮은 회전자 속도에서, 각각의 전기적 하프-사이클의 길이는 비교적 길며, 역기전력의 크기는 비교적 작다. 그 결과, 컨트롤러(13)는 통상적으로 위상 전류를 각각의 전기적 하프-사이클에 걸쳐 많은 횟수로 초핑하며, 그러므로 회전자(5)의 정렬 위치가 비교적 우수한 정확도로 결정될 수 있다. 회전자(5)의 속도가 증가할 때에는, 각각의 전기적 하프-사이클의 길이가 감소되며, 역기전력의 크기가 증가한다. 따라서, 컨트롤러(13)는 위상 전류를 덜 빈번하게 초핑하며, 그러므로 컨트롤러(13)에 의해 결정된 정렬 위치에 있어서의 오차의 마진(margin)이 증가한다. 일례로서, 도 4는 비교적 낮은 회전자 속도로 작동할 때의 하나의 전기적 하프-사이클에 걸친 위상 전류, 전력 스위치 Q1에 대한 온/오프 신호, 및 역기전력에 대한 파형들을 예시한다. 도 5는 비교적 높은 회전자 속도로 작동할 때의 동일한 파형을 예시하고 있다. 더 높은 속도에서는 결정된 정렬 위치에서의 오차(즉, 실제 정렬 위치와 컨트롤러(13)에 의해 결정된 정렬 위치 간의 차이)가 더 크다는 것을 알 수 있다.

앞의 단락에서 확인된 동작 때문에, 상승-시간 임계치에 대해 선택된 값은 결정된 정렬 위치의 정확도에 영향을 준다. 예컨대, 상승-시간 임계치가 너무 높게 설정되면, 컨트롤러(13)는 특히 더 낮은 속도로 작동할 때에는 더 앞쪽의 점에서 회전자(5)에 대한 정렬 위치를 결정할 가능성이 많다. 반대로, 상승-시간 임계치가 너무 낮게 설정되면, 컨트롤러(13)는 특히 더 높은 속도로 작동할 때에는 더 나중의 점에서 회전자(5)에 대한 정렬 위치를 결정할 가능성이 많다. 위상 권선(7)이 결정된 정렬 위치에 관련하여 어느 한 시점에(at a time) 커뮤테이트되므로, 결정된 정렬 위치의 정확도는 모터 시스템(1)의 파워 및/또는 효율에 영향을 준다.

결정된 정렬 위치의 정확도를 향상시키기 위해, 컨트롤러(13)는 회전자 속도로 변화되는 상승-시간 임계치를 채용할 수도 있다. 구체적으로, 컨트롤러(13)는 회전자 속도가 증가함에 따라 증가되는 상승-시간 임계치를 채용할 수도 있다. 그 결과, 전류 초핑의 주파수가 비교적 높은 낮은쪽 속도에서는, 더 낮은 상승-시간 임계치가 이용될 수 있다. 반대로, 전류 초핑의 주파수가 비교적 낮은 높은쪽 속도에서는, 더 높은 상승-시간 임계치가 이용될 수 있다. 그 결과, 정렬 위치는 회전자 속도의 범위에 걸쳐 향상된 정확도로 결정될 수 있다.

결정된 정렬 위치의 정확도는 또한 프리휠 기간을 감소시킴으로써 향상될 수 있다. 프리휠 기간이 감소함에 따라, 전류 초핑의 주파수가 증가하며, 그러므로 정렬 위치가 향상된 정확도로 결정될 수 있다. 최소의 허용 가능한 프리휠 기간은 모터(3)의 특성(예컨대, 위상 권선(7)의 저항 및 인덕턴스와, 역기전력의 형상 및 크기)뿐만 아니라 하드웨어의 속도(예컨대, 컨트롤러(13)의 속도 및 전력 스위치(Q1∼Q4)의 최대 스위칭 주파수)에 의해 좌우되기가 쉽다.

고정된 프리휠 기간을 채용하는 대신, 회전자 속도의 변화에 응답하여 프리휠 기간을 변화시키는 것이 바람직할 수도 있다. 예컨대, 낮은쪽 속도에서는 더 긴 프리휠 기간을 채용하여 스위칭 손실을 최소화할 수 있으며, 높은쪽 속도에서는 더 짧은 프리휠 기간을 채용하여 전류 초핑의 주파수를 증가시키고 그러므로 정렬 위치의 정확도를 향상시킬 수 있다.

가속 모드에서 소비되는 시간은 비교적 짧을 수 있으며, 따라서 가속 모드로 작동할 때의 모터 시스템(1)의 파워 및/또는 효율이 중요하지 않을 수도 있다. 그 결과, 상승-시간 임계치 및/또는 프리휠 기간에 대한 속도 의존적 값(speed dependent value)을 채용할 때에 발생하는 장점에도 불구하고, 고정된 값이 채용될 수도 있다. 실제로, 상승-시간 임계치 및/또는 프리휠 기간에 대한 고정된 값을 채용하는 것은 제어 방식을 간략화하는 장점을 갖는다.

컨트롤러(13)는 컨트롤러(13)에 의해 결정된 바와 같은 2개의 연속적인 정렬 위치들 간의 간격을 측정함으로써 회전자(5)의 속도를 결정한다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러(13)에 의해 결정된 각각의 정렬 위치에 연관된 오차의 마진이 있다. 따라서, 회전자 속도의 보다 정확한 측정치를 획득하기 위해, 컨트롤러(13)는 복수의 결정된 정렬 위치에 대한 평균 간격을 측정할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(13)는 4개의 연속적인 정렬 위치들에 걸쳐 간격의 평균을 구함으로써 회전자 속도를 결정할 수 있다.

회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 컨트롤러(13)가 결정한 직후, 회전자(5)의 위치는 여전히 정렬 위치에 있거나 또는 정렬 위치 부근에 있을 수 있다. 그 결과, 컨트롤러(13)가 전류-상승 기간을 측정하고 비교하는 것을 지속하면, 동일한 실제 정렬 위치에 대해 더 나은 정렬 위치가 결정될 수 있다. 이것은, 역기전력의 크기가 비교적 작고, 그에 따라 위상 전류가 여자 동안 상승하는 레이트가 비교적 빠른 낮은쪽 회전자 속도에서 특히 그러하다. 따라서, 컨트롤러(13)는 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정한 후의 사전에 정해진 시간 기간 동안에 전류-상승 기간을 측정하는 것을 유예한다. 이 기간은 이후 유예 기간으로서 지칭될 것이다. 유예 기간은 회전자(5)가 유예 기간의 끝에서 더 이상 정렬 위치에 또는 정렬 위치 부근에 있지 않도록 하는 길이로 된다. 예컨대, 유예 기간은 가속 모드 내의 전체 속도 범위에 걸쳐 회전자(5)가 유예 기간 동안 적어도 70 전기 각도(electrical degree)를 통해 회전하도록 설정될 수 있다.

회전자(5)의 속도가 증가함에 따라, 각각의 전기적 하프-사이클의 길이가 감소한다. 그 결과, 고정된 유예 기간은 특히 속도 범위가 비교적 큰 때에는 적절하지 않게 될 수 있다. 예컨대, 가속 모드로 작동할 때의 속도 범위는 1,000 내지 50,000 rpm일 수 있다. 1,000 rpm에서, 4-극 모터에 대한 전기적 하프-사이클의 주기는 15 ms이다. 5.8 ms의 유예 기간은 따라서 약 70도의 전기 각도에 대응할 것이다. 50,000 rpm에서, 전기적 하프-사이클의 주기는 0.3 ms이다. 5.8 ms의 유예 기간은 따라서 이 속도에서는 적절하지 않은 것이 분명하다. 이에 따라, 컨트롤러(13)는 회전자 속도에 따라 변화되는 유예 기간을 채용할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(13)는 회전자 속도가 증가하면 감소되는 유예 기간을 채용할 수 있다.

전술한 방식에서, 전류-상승 기간은 프리휠 기간의 종료 시에 개시한다. 그 결과, 전류-상승 기간 및 프리휠 기간 둘 모두에 대해 하나의 타이머가 이용될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 프리휠 기간이 사전 결정되므로, 전류-상승 기간은 이와 달리 프리휠 기간의 시작점에서 개시할 수도 있다. 이에 따라, 보다 일반적인 의미에서, 전류-상승 기간은 프리휠링의 개시 또는 종료와 권선의 전류가 전류 한계치를 초과하는 시점 사이의 간격인 것으로 지칭할 수 있다.

회전자 속도가 증가함에 따라, 각각의 전기적 하프-사이클의 주기는 감소하며, 그러므로 위상 인덕턴스에 연관된 시상수(L/R)가 점점 더 중요하게 된다. 이에 부가하여, 위상 권선(7)에서 유도된 역기전력이 증가하여, 위상 권선(7)에서 전류가 상승하는 레이트에 영향을 준다. 따라서, 전류를 위상 권선(7) 내로 구동하기가 점점 더 곤란하게 된다. 비교적 높은 회전자 속도에서, 컨트롤러(13)는 각각의 전기적 하프-사이클 동안 위상 전류를 단지 1회 또는 2회 초핑할 수도 있다. 그 결과, 컨트롤러(13)에 의해 결정된 정렬 오차에서의 오차의 마진이 비교적 커지게 될 수 있다. 오차의 크기는 모터 시스템(1)의 파워 및/또는 효율에 악영향을 줄 수 있다. 더욱이, 오차는 모터(3)의 그 이상의 가속을 방해할 수도 있다. 이에 따라, 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 속도가 속도 임계치를 초과할 때에 가속 모드에서 정상-상태 모드로 스위칭한다.

정상-상태 모드

정상-상태 모드로 작동할 때, 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 제2 센서리스 방식을 채용한다.

제2 센서리스 방식은 역기전력 센서(12)를 이용한다. 지금 설명되는 바와 같이, 역기전력 센서(12)는 특정한 에지가 회전자(5)의 정렬 위치에 대응하는 디지털 신호를 출력한다.

임의의 현저한 포화(significant saturation) 또는 돌극성(saliency)이 존재하지 않는 경우, 위상 권선(7)에 대한 전압 수식은 다음과 같이 표현될 수 있다:

V_ph = i_phR_ph + L_ph·di_ph/dt + E_ph

여기서, V_ph는 위상 권선(7) 양단의 전압이며, i_ph는 위상 권선(7)의 전류이며, R_ph는 위상 권선(7)의 저항이며, L_ph는 위상 권선(7)의 인덕턴스이며, E_ph는 회전자(5)에 의해 위상 권선(7)에서 유도된 역기전력이다.

회전자(5)가 정렬 위치에 있을 때, 위상 권선(7)에서 유도된 역기전력은 영(0)이다. 역기전력에서의 각각의 제로-교차에서, 전압 수식은 다음과 같이 된다:

V_ph = i_phR_ph + L_ph·di_ph/dt

아래에서 밝혀지는 이유로, i_phR_ph 항은 역기전력에서의 제로-교차 부근에서는 무시할 수 있다. 그 결과, 회전자(5)의 각각의 정렬 위치에 대한, 전압 수식은 다음과 같이 정리된다:

V_ph = L_ph·di_ph/dt

역기전력 센서(12)는 회전자(5)의 정렬 위치에 대응하는 에지를 갖는 출력 신호를 발생하기 위해 이 수식을 이용한다.

도 6에 예시된 바와 같이, 역기전력 센서(12)는 전압 센서(15), 증폭기(16), 미분기(17), 저역 통과 필터(18), 및 비교기(19)를 포함한다.

전압 센서(15)는 DC 링크 전압 V_DC에 비례하는 전압을 갖는 제1 신호를 출력하는 분압기(potential divider)(R3, R4)를 포함한다. 위상 권선(7)이 여자된 때에, 위상 권선 양단의 전압 V_ph는 DC 링크 전압 V_DC에서 전력 스위치(Q1∼Q4) 양단의 전압 강하를 뺀 것에 대응한다. 그 결과, 전압 센서(15)에 의해 출력된 제1 신호는 여자 동안 위상 권선 양단의 전압 V_ph에 비례하는 전압을 갖는다.

증폭기(16)는 전류 센서(11)에 의해 출력된 I_SENSE 신호로 작동한다. 그리고나서, 미분기(17)는 증폭기(16)의 신호 출력으로 작동하며, 저역 통과 필터(18)는 미분기(17)에 의해 출력된 신호로 작동한다. 전류 센서(11)는 위상 권선(7)의 전류에 비례하는 전압을 갖는 제2 신호를 출력하는 것이라 할 수 있다. 그 후, 미분기(17)는 제2 신호를 미분하고, 그 응답으로 위상 권선의 전류의 변화의 레이트 di_ph/dt에 비례하는 전압을 갖는 제3 신호를 발생한다. 위상 권선(7)의 인덕턴스는 일정한 것으로 가정하며(이것은 모터(3)가 돌극성을 거의 또는 전혀 갖지 않고, 포화 효과가 최소인 때에 유효함), 그러므로 제3 신호의 전압은 L_ph·di_ph/dt에 비례한다.

저역 통과 필터(18)는 단지 미분기(17)에 의해 제3 신호에 유입되었을 수도 있는 임의의 노이즈를 억제하기 위해 채용된다. 노이즈가 문제가 되는 것으로 간주되지 않으면, 필터(18)를 생략할 수 있다. 도 6에서, 저역 통과 필터(18) 및 미분기(17)는 2개의 별개의 부품으로서 도시되어 있다. 이와 달리, 저역 통과 필터(18)는 미분기(17)의 일부로서 구현될 수도 있으며, 이로써 추가의 연산 증폭기에 대한 필요성이 방지된다.

증폭기(16)는 위상 권선(7)에서 유도된 역기전력이 영(0)인 때에 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 대응하도록, 즉 이들 전압이 V_ph = L_ph·di_ph/dt인 때에 대응하도록, 이들 2개의 신호의 전압이 적절하게 스케일되게(scaled) 한다. 가능하게는, 전류 센서(11)의 감지 저항기(R1)와 전압 센서(15)의 분압기(R3, R4)는 제1 신호의 전압과 제2 신호의 전압이 이미 적절하게 스케일되도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 증폭기(16)가 필요하지 않게 된다. 이와 달리, 제2 신호로 작동하는 증폭기(16)보다는, 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 역기전력이 영(0)인 때에 대응하도록 제1 신호, 제2 신호 및 제3 신호 중의 하나 이상을 스케일하기 위해 전압 스케일러(예컨대, 증폭기 또는 감쇠기)가 이용될 수도 있다.

비교기(19)는 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압을 비교하고, 그 비교에 대한 응답으로 디지털 출력 신호를 발생한다. 출력 신호는 제1 신호의 전압이 제2 신호의 전압보다 큰 때에는(즉, V_ph > L_ph·di_ph/dt인 때에는) 논리적으로 하이(또는 이와 달리 논리적으로 로우)이고, 제1 신호의 전압이 제2 신호의 전압보다 낮은 때에는(즉, V_ph　<　L_ph·di_ph/dt인 때에는) 논리적으로 로우(또는 이와 달리 논리적으로 하이)이다. 따라서, 2개의 신호의 전압들이 대응할 때마다, 즉 V_ph = L_ph·di_ph/dt인 때마다 출력 신호에서 에지가 발생된다. 이 조건은 위상 권선(7)에서 유도된 역기전력이 영(0)인 때에 충족된다. 그 결과, 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 때에는 출력 신호에서 에지가 발생된다. 그러나, 지금 설명되는 바와 같이, 회전자(5)의 정렬 위치에 대응하지 않는 기타 에지가 출력 신호에서 발생되며, 그에 따라 기타 에지는 무시되어야 한다.

가속 모드로 작동할 때에, 컨트롤러(13)는 각각의 전기적 하프-사이클의 전체 길이에 걸쳐 위상 권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠한다. 반대로, 정상-상태 모드로 작동할 때에는, 컨트롤러(13)는 각각의 전기적 하프-사이클의 단지 일부에 걸쳐 있는 전도 기간에 걸쳐 위상 권선(7)을 순차적으로 여자하고 프리휠한다. 전도 기간의 종료 시에, 컨트롤러(13)는 FW#를 클리어함으로써 위상 권선(7)을 프리휠한다. 그리고나서, 프리휠링은 컨트롤러(13)가 위상 권선(7)을 커뮤테이트할 때와 같은 시각까지 무기한으로 지속된다. 하강 역기전력(falling back EMF)의 영역 내에서, 주어진 위상 전류에 대해 더 적은 토크가 달성된다. 그 결과, 이 영역 내에서 위상 권선(7)을 프리휠링함으로써, 더욱 효율적인 모터 시스템(1)이 실현될 수 있다. 역기전력이 하강함에 따라, 위상 전류는 바람직하지 않은 레벨까지 날카롭게 상승할 수 있다. 하강 역기전력의 영역에서 위상 권선(7)을 프리휠링함으로써, 이러한 전류 스파이크가 방지될 수 있다.

정상-상태 모드로 작동할 때에, 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 각각의 정렬 위치에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트하며, 그 이유는 아래에서 설명된다. 이전의 단락에서 언급한 바와 같이, 위상 권선(7)은 커뮤테이션 직전에 프리휠링한다. 프리휠링 동안, 위상 전류는 인버터(9)의 하위쪽 루프 둘레를 순환하고, 전류 센서(11)를 바이패스한다. 그 결과, 전류 센서(11)를 통과하는 전류가 없게 되므로, 제2 신호의 전압이 영(0)이 된다. 반대로, 위상 권선(7)을 통해 흐르는 전류가 영(0)이 아니며, 비교적 클 수도 있다. 이에 따라, 위상 권선(7)의 커뮤테이션 시에, 전류 센서(11)를 통과하는 전류의 크기에서 급격한 변화가 있다. 이에 부가하여, 위상 권선(7)을 커뮤테이트할 시에, 전류 센서(11)를 통과하는 전류의 극성은 위상 권선(7)의 인덕턴스 때문에 처음에는 음(negative)이다. 그리고나서, 전류가 날카롭게 상승하고, 신속하에 양(positive)으로 된다. 이에 따라, 위상 권선(7)을 커뮤테이트할 시에, 전류 센서(11)에 의해 출력된 제2 신호의 전압은 영(0)에서 음의 값으로 급격하게 변화되고, 그 후 양의 값으로 날카롭게 상승한다. 그 결과, 미분기(17)에 의해 출력된 제3 신호의 전압은 양의 스파이크(제2 신호의 전압에서의 날카로운 상승에 의한)가 바로 후속되는 음의 스파이크(영(0)에서 음의 값으로의 제2 신호의 전압의 급격한 변화에 의한)를 갖는다. 제3 신호의 전압에서의 양의 스파이크에 의해, 역기전력 신호에서 에지가 발생된다. 그러나, 이 에지는 역기전력에서의 제로-교차에 대응하지 않는다. 그 대신, 이 에지는 전류 센서(11)가 프리휠링 동안 위상 전류를 감지할 수 없기 때문에 발생되는 전류 센서(11)를 통과하는 전류의 급격한 변화의 허상(artifact)이다.

위에서 언급한 바와 같이, 위상 권선(7)의 전류는 커뮤테이션 시에 비교적 신속하게 상승한다. 그 결과, 제3 신호의 전압은 비교적 높고, 제1 신호의 전압을 초과한다. 그러나, 역기전력이 감소하고, 영(0)을 교차하고, 그 후 DC 링크 전압의 반대로 됨에 따라, 전류 상승의 레이트가 감소되고, 그러므로 제3 신호의 전압이 감소된다. 몇몇 점에서, 제3 신호의 전압은 제1 신호의 전압에 대응하며, 역기전력 신호에서 추가의 에지가 발생된다. 이 에지는 역기전력에서의 제로-교차에 대응한다.

그 결과, 위상 권선(7)을 커뮤테이트할 시에, 전류 센서(11)를 통과하는 전류의 급격한 변화로 인해 역기전력 신호에서 제1 에지가 발생된다. 이 에지는 역기전력에서의 제로-교차로 인한 역기전력 신호에서의 제2 에지가 후속된다. 따라서, 컨트롤러(13)는 제1 에지를 무시하고, 제2 에지에 응답하여 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정한다.

제2 에지의 검출에 응답하여, 컨트롤러(13)는 컨트롤러(13)가 위상 권선(7)을 다시 커뮤테이트할 때와 같은 시간까지 역기전력 신호를 무시한다. 그 이유는 다음과 같다. 가속 모드에서와 같이, 컨트롤러(13)는 위상 권선(7)의 전류가 전류 한계치를 초과할 때마다 사전에 정해진 프리휠 기간 동안 위상 권선(7)을 프리휠한다. 이에 따라, 각각의 전도 기간 동안, 컨트롤러(13)는 위상 전류를 초핑할 수 있다. 전류 초핑이 발생하면, 전류 센서(11)를 통한 전류는 컨트롤러(13)가 위상 권선(7)을 프리휠하고 여자할 때에 급격하게 변화할 것이다. 센서(11)를 통한 전류의 임의의 급격한 변화가 역기전력 신호에서의 스퓨리어스 에지를 발생할 수 있다. 이에 부가하여, 임의의 프리휠 기간 동안, 위상 전류는 인버터(9)의 하위쪽 루프 둘레를 순환하고, 전류 센서(11)를 바이패스한다. 그 결과, 전류 센서(11)에 의해 출력된 제2 신호의 전압이 영(0)이며, 그러므로 미분기(17)에 의해 출력된 제3 신호가 유효하지 않게 된다. 따라서, 컨트롤러(13)는 단지 위상 권선(7)을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 역기전력 신호를 모니터링하는 것을 개시한다. 그리고나서, 컨트롤러(13)는 역기전력 신호의 제1 에지를 무시하고, 역기전력 신호에서의 제2 에지에 대한 응답으로 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정한다. 그 후, 컨트롤러(13)는 컨트롤러(13)가 다시 위상 권선(7)을 커뮤테이트하는 때와 같은 시간까지 역기전력 신호를 무시한다. 본 실시예에서, 제1 에지는 상승 에지이고, 제2 에지는 하강 에지이다. 따라서, 컨트롤러(13)는 역기전력 신호를 모니터링하고, 하강 에지에 응답하여 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정한다.

모터 시스템(1)의 동작을 예증하기 위한 시도로, 도 7은 하나의 전기 사이클에 걸친 위상 전류, 제2 신호의 전압, 제3 신호의 전압, 및 역기전력 신호에 대한 가능한 파형들을 예시한다. 위상 권선(7)을 커뮤테이트할 시에, 제2 신호의 전압은 영(0)으로부터 음의 값으로 급격하게 변화하고, 그리고나서 양의 값으로 날카롭게 상승하는 것을 볼 수 있다. 그 결과, 제3 신호의 전압은 양의 스파이크(제2 신호의 전압에서의 날카로운 상승에 대응하는)가 바로 후속되는 음의 스파이크(0에서 음의 값으로의 제2 신호의 전압의 급격한 변화에 대응하는)를 갖는다. 양의 스파이크의 크기는, 제3 신호의 전압이 제1 신호의 전압을 초과하고, 그에 따라 상승 에지가 역기전력 신호에서 발생되도록 하는 것으로 된다. 제3 신호의 전압이 감소함에 따라, 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 다시 대응하며, 하강 에지가 역기전력 신호에서 발생된다.

전술한 바와 같이, 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 각각의 정렬 위치에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 그 이유는 다음과 같다. 여자 동안, 위상 전압 V_ph은 DC 링크 전압 V_DC에 비례한다. 한편, 프리휠링 동안에는 위상 전압이 영이다. 그 결과, 전압 센서(15)에 의해 출력된 신호의 전압은 위상 권선(7)이 여자되는 때에만 위상 전압 V_ph에 비례한다. 이에 부가하여, 전류 센서(11)는 여자 동안에만 위상 전류의 측정치를 제공한다. 역기전력 센서(12)는 따라서 위상 권선(7)이 여자되는 때에만 회전자 위치를 결정할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 각각의 정렬 위치에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 이것은 회전자(5)가 각각의 정렬 위치를 통과할 때에 위상 권선(7)이 여자되도록 한다.

위상 권선(7)을 커뮤테이트하기 위해, 컨트롤러(13)는 역기전력 신호의 각각의 하강 에지에 응답하여 동작한다. 역기전력 신호의 하강 에지에 응답하여, 컨트롤러(13)는 커뮤테이션 주기 T_COM을 획득하기 위해 전기적 하프-사이클의 주기 T_HC로부터 선행 기간 T_ADV를 감산한다:

T_COM = T_HC － T_ADV

그리고나서, 컨트롤러(13)는 하강 에지 후에 시간 T_COM에서 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 그 결과, 컨트롤러(13)는 선행 기간 T_ADV만큼 회전자(5)의 다음 정렬 위치에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 전기적 하프-사이클의 주기 T_HC는 역기전력 신호의 2개의 연속 에지들 사이의 간격에 의해 정해진다.

선행 기간은 여자의 위상(즉, 위상 권선(7)이 회전자(5)의 정렬 위치에 관하여 여자되는 각도)을 규정하고, 전도 기간은 여자의 길이(즉, 위상 권선(7)이 여자되는 각도)를 규정한다. 컨트롤러(13)는 회전자(5)의 속도의 변화에 응답하여 선행 기간 및/또는 전도 기간을 조정할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(13)는 회전자 속도의 범위에 걸쳐 동일한 입력 또는 출력 파워가 달성되도록 선행 기간 및/또는 전도 기간을 조정할 수 있다.

위의 설명에서, 위상 전압 수식의 저항성 항(resistive term) i_phR_ph은 역기전력에서의 제로-교차 주위에서는 무시할 수 있는 것으로 언급하였다. 이에 대해서는 여러 가지 이유가 있다. 첫 번째로, 저항성 항은 회전자 위치에 상관없이 비교적 작다. 예컨대, 70도 C에서의 위상 저항은 0.03Ω이어도 되고, 파워 서플라이(2)의 전압은 24V이어도 되며, 전류 한계치는 30A이어도 된다. 이에 따라, 위상 전류가 최대 30A인 때에, i_phR_ph 항은 0.9V이다. 위상 전압은 다른 한편에서는 24V 부근이다. 이에 따라, 회전자 위치에 상관없이, 위상 권선(7)의 전압 수식은 인덕턴스 항 및 역기전력 항에 의해 좌우된다. 두 번째로, 정상-상태 모드로 작동할 때에, 컨트롤러(13)는 하강 역기전력의 기간 동안 위상 권선(7)을 프리휠한다. 그 결과, 위상 전류는 역기전력에서의 제로-교차 이전에 일정 기간 동안 쇠퇴하게 된다. 세 번째로, 컨트롤러(13)는 역기전력에서의 제로-교차에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 커뮤테이션은 당연히 위상 전류에서의 제로-교차를 수반한다. 위상 전류가 일반적으로 커뮤테이션 이전에 영이 아니고, 커뮤테이션이 역기전력에서의 제로-교차 이전에 발생하므로, 위상 전류에서의 제로-교차는 역기전력에서의 제로-교차에서 또는 그 가까이에서 발생할 것이다. 그 결과, 저항성 항은 역기전력에서의 제로-교차에서 무시할 수 있다.

속도 임계치에서, 가속 모드 내에서의 전류 초핑의 주파수는 비교적 낮을 수 있다. 그 결과, 컨트롤러(13)에 의해 결정된 정렬 위치에서의 오차의 마진은 비교적 클 수 있다. 정상-상태 모드는 위상 권선(7)이 회전자 정렬 위치에 선행하여 여자되도록 요구한다. 그러나, 결정된 정렬 위치에서의 오차가 비교적 크면, 커뮤테이션은 회전자 정렬 위치에서 또는 회전자 정렬 위치 후에 발생할 수도 있다. 이에 따라, 정상-상태 모드에 진입하기 전에, 향상된 정확도로 회전자(5)에 대한 정렬 위치를 달성하는 것이 필요하거나 바람직할 것이다. 이에 따라, 도 8에 예시된 바와 같이, 역기전력 센서(12)는 분압기의 쌍(R5, R6 및 R7, R8), 미분 증폭기(20), 및 제로-교차 검출기(21)를 포함할 수 있다. 분압기(R5, R6, R7, R8)의 출력은 미분 증폭기(20)에 공급되고, 미분 증폭기가 위상 전압의 측정치를 출력한다. 증폭기(20)의 출력은 제로-교차 검출기(21)에 공급되고, 검출기(21)가 위상 전압에서의 제로-교차에 대응하는 에지를 갖는 디지털 신호를 출력한다. 가속 모드에서 정상-상태 모드로의 전환 시에, 컨트롤러(13)는 인버터(9)의 모든 스위치(Q1∼Q4)를 개방하고, 제로-교차 검출기(21)에 의해 출력된 신호를 모니터링한다. 모든 스위치가 개방되면, 위상 전류는 위상 권선(7)을 통해 전류가 흐르지 않을 때까지 스위치(Q1∼Q4)의 프리휠 다이오드를 통해 쇠퇴한다. 이 때, 위상 권선(7) 양단의 전압은 위상 권선(7)에서 유도된 역기전력에 대응한다. 그 결과, 제로-교차 검출기(21)에 의해 출력된 신호의 각각의 에지는 역기전력에서의 제로-교차에 대응한다. 따라서, 컨트롤러(13)는 회전자 정렬 위치의 더욱 정확한 측정치를 획득한다. 회전자 정렬 위치가 식별된 후(즉, 제로-교차 검출기(21)에 의해 출력된 신호에서의 에지가 감지된 후), 컨트롤러(13)는 정상-상태 모드로 스위치하고, 위에서 설명한 양상으로 모터(3)를 제어한다. 구체적으로, 컨트롤러(13)는 역기전력 신호를 모니터링하고, 역기전력 신호에서의 하강 에지에 응답하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다.

전술한 실시예에서, 역기전력 센서(12)는 단지 위상 여자 동안 역기전력의 제로-교차를 감지할 수 있다. 컨트롤러(13)는 따라서 역기전력의 각각의 제로-교차에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트하도록 요구된다. 이것은, 정상-상태 모드 내에서 발생하는 비교적 높은 속도에서는, 각각의 전기적 하프-사이클에 걸쳐 충분한 전류 및 그에 따라 파워를 위상 권선(7) 내로 구동하기 위해 선행된 커뮤테이션이 일반적으로 요구되므로 문제로서 간주되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 역기전력의 제로-교차에 관련하여 커뮤테이션을 동기화하거나 지연시키는 것이 바람직한 경우가 있을 수도 있다.

선행된 커뮤테이션, 동기화된 커뮤테이션, 및 지연된 커뮤테이션은 모두 전술한 것과 동일한 제어 방식을 이용하여 달성될 수 있다. 역기전력 신호에서의 하강 에지에 응답하여, 컨트롤러(13)는 커뮤테이션 기간 T_COM을 획득하기 위해 전기적 하프-사이클의 주기 T_HC로부터 위상 주기 T_PHASE를 감산한다:

T_COM = T_HC ― T_PHASE

컨트롤러(13)는 그리고나서 하강 에지 후에 시간 T_COM에서 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 그 결과, 컨트롤러(13)는 위상 주기 T_PHASE만큼 다음 회전자 정렬 위치에 관련하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 위상 주기가 양이면, 커뮤테이션은 회전자 정렬 위치 전에 발생한다(선행된 커뮤테이션). 위상 주기가 영이면, 커뮤테이션은 회전자 정렬 위치에서 발생한다(동기화된 커뮤테이션). 그리고, 위상 주기가 음이면, 커뮤테이션은 회전자 정렬 위치 후에 발생한다(지연된 커뮤테이션).

동기화된 커뮤테이션 또는 지연된 커뮤테이션이 채용되면, 회전자 정렬 위치는 위상 권선(7)이 프리휠링할 때에 발생하기가 쉽다. 따라서, 여자와 마찬가지로 프리휠링 동안 위상 전압 및 위상 전류를 측정하기 위해 전류 센서(11) 및 전압 센서(15)의 다른 설계가 요구될 것이다.

도 9는 전류 센서(11)와 전압 센서(15)가 상이한 대안의 실시예를 도시한다. 모든 다른 점에서, 제어 시스템(4)은 변경되지 않는다. 구체적으로, 역기전력 센서(12)는 증폭기(16), 미분기(17), 저역 통과 필터(18), 및 비교기(19)를 포함한다.

전류 센서(11)는 감지 저항기의 쌍(R1, R2) 및 멀티플렉서(25)를 포함한다. 각각의 저항기(R1, R2)는 인버터(9)의 하위 레그에 위치되며, 좌측에서부터 우측으로 여자될 때에는 저항기 중의 하나(R2)가 위상 전류의 측정치를 제공하고, 우측에서부터 좌측으로 여자될 때에는 다른 저항기(R1)가 위상 전류의 측정치를 제공한다. 멀티플렉서(25)는 감지 저항기(R1, R2)에 의해 출력된 2개의 신호 중의 하나를 선택한다.

전압 센서(15)는 분압기의 쌍(R5, R6 및 R7, R8), 미분 증폭기의 쌍(22, 23) 및 멀티플렉서(24)를 포함한다. 분압기(R5, R6 및 R7, R8)는 위상 권선(7)의 상호반대측 상에 위치되며, 분압기(R5, R6, R7, R8)의 출력은 미분 증폭기(22, 23) 둘 모두에 공급된다. 증폭기 중의 하나(22)에 의해 출력된 신호는 좌측에서 우측으로 여자될 때의 위상 전압의 측정치를 제공하며, 다른 증폭기(23)에 의해 출력된 신호는 우측에서 좌측으로 여자될 때의 위상 전압의 측정치를 제공한다. 멀티플렉서(24)는 증폭기(22, 23)에 의해 출력된 2개의 신호 중의 하나를 선택한다.

컨트롤러(13)에 의해 출력된 DIR1 신호는 멀티플렉서(24, 25) 둘 모두에 대한 셀렉터 입력으로서 이용된다. 이에 따라, 멀티플렉서(24, 25)는 위상 권선(7)을 통과하는 전류의 방향에 따라 증폭기(22, 23) 중의 하나 및 감지 저항기(R1, R2) 중의 하나를 선택한다. 위상 권선(7)의 상호 반대측 상에 분압기(R5, R6, R7, R8)를 위치시킴으로써, 그리고 인버터(9)의 상호 반대측 레그 상에 감지 저항기(R1, R2)를 위치시킴으로써, 여자와 마찬가지로 프리휠링 동안 위상 전압 및 위상 전류가 감지될 수 있다.

도 6의 역기전력 센서(12)는 프리휠링 동안 위상 전류 또는 위상 전압을 감지할 수 없다. 그 결과, 프리휠링 동안에는 역기전력 신호에 스퓨리어스 에지가 발생된다. 도 9의 역기전력 센서(12)는 다른 한편으로 여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 위상 전류 및 위상 전압을 감지할 수 있다. 그 결과, 프리휠링 동안 스퓨리어스 에지가 발생되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 상승 에지는 위상 권선(7)을 여자할 시에 역기전력 신호에서 지속적으로 발생된다. 선택된 감지 저항기(R1 또는 R2)를 통과하는 전류가 위상 권선의 인덕턴스로 인해 처음에는 음이기 때문에 상승 에지가 발생한다. 그 결과, 제3 신호의 전압에서 음의 스파이크 및 그리고나서 양의 스파이크가 발생한다. 컨트롤러(13)는 따라서 여자 및 프리휠링 동안 역기전력 신호를 모니터링하고, 역기전력 신호의 하강 에지에 관하여 때때로 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다.

도 10은 도 9의 구성을 채용할 때의 하나의 전기적 사이클에 걸친 위상 전류, 제2 신호의 전압, 제3 신호의 전압 및 역기전력 신호에 대한 파형들을 도시한다.

도 11은 전류 센서(11) 및 전압 센서(15)가 다시 변경되는 추가의 대안의 실시예를 도시한다.

전류 센서(11)는 여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 위상 전류를 감지하는 전류 트랜스포머(26)를 포함한다. 전류 트랜스포머(26)에 의해 출력된 신호의 극성은 위상 권선(7)을 통과하는 전류의 방향을 반영한다.

전압 센서(15)는 위상 권선(7)의 상호 반대측 상에 위치된 분압기의 쌍(R5, R6, R7, R8)을 포함하며, 그 출력이 단일 미분 증폭기(22)에 공급된다. 증폭기(22)에 의해 출력된 신호는 여자의 방향을 반영하는 극성을 갖는, 즉 위상 권선(7)이 좌측에서 우측으로 여자되는 때에는 양이고, 우측에서 좌측으로 여자되는 때에는 음인, 위상 전압의 측정치를 제공한다.

도 9에 예시된 실시예와 마찬가지로, 전류 센서(11) 및 전압 센서(15)는 여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 위상 전류 및 위상 전압을 감지한다. 그러나, 도 9의 실시예와 달리, 전류 센서(11)에 의해 출력된 신호의 전압은 위상 권선(7)을 여자할 시에 급격한 변화를 겪지 않는다. 지금 설명되는 바와 같이, 이것은 역기전력 센서(12)에 의해 출력된 역기전력 신호에 대한 중요한 암시(implication)를 갖는다.

도 12는 도 11의 구성을 채용할 때의 하나의 전기적 사이클에 걸친 위상 전류, 제2 신호의 전압, 제3 신호의 전압 및 역기전력 신호에 대한 파형들을 도시한다. 전류 센서(11)에 의해 출력된 제2 신호의 전압은 위상 전류의 파형의 미러(mirror)인 것을 알 수 있다. 도 10에 도시된 파형과는 달리, 커뮤테이션의 점에서의 제2 신호의 전압의 급격한 변화가 없다. 그 결과, 제3 신호의 전압에서 음의 스파이크가 없다. 도 12에서는 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 프리휠링의 점과 커뮤테이션의 점에서 대응하는 것으로 보일 수도 있다. 그러나, 이것은 사실은 그렇지 않다. 그 대신, 2개의 신호들의 전압은 함께 상승하고 하강한다. 이에 따라, 2개의 신호의 전압들은 대응하지 않고, 역기전력 신호에서 에지가 발생되지 않는다. 실제로, 도 12로부터 명백한 바와 같이, 역기전력의 제로-교차, 즉 V_ph = L_ph·di_ph/dt인 때에만 역기전력 신호에서 에지가 발생된다. 따라서, 역기전력 신호는 종래의 홀-이펙트 센서에 의해 출력된 신호와 유사하다.

지금까지는 위상 전압 및 위상 전류를 측정하기 위한 특정 실시예를 설명하였지만, 전압 및 전류를 측정하기 위한 다른 구성도 가능하다는 것을 이해할 것이다. 단지 예로서, 전류 센서(11)는 홀-이펙트 센서 또는 기타 전류 트랜스듀서를 포함할 수 있다.

전술한 실시예에서, 역기전력 센서(12)는 컨트롤러(13)와 별개의 것이며, 컨트롤러(13) 외부의 하드웨어로 구현된다. 그러나, 요구되는 하드웨어가 컨트롤러(13)의 주변장치의 일부를 형성하면, 역기전력 센서(12)의 하나 이상의 부품(예컨대, 증폭기(16), 미분기(17), 저역 통과 필터(18), 및/또는 비교기(19))이 컨트롤러(13)의 통합부를 형성할 수도 있다.

역기전력 센서(12)의 저역 통과 필터(18)는 제3 신호에 위상 지연을 도입할 수 있으며, 이 위상 지연은 역기전력 신호에서의 위상 시프트를 야기할 것이다. 저역 통과 필터(18)는 따라서 가능한 한 위상 지연이 거의 없이 제3 신호로부터 충분한 노이즈를 제거하도록 구성된다.

지금까지 회전자(5)의 위치를 감지하기 위해 2가지의 방식을 설명하였다. 제1 방식(가속 모드에서 채용된)에서는, 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 위상 전류가 전류 한계치를 초과하는데 소요되는 시간이 이용되었다. 제2 방식(정상-상태 모드에서 채용된)에서는, 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 위상 전압과 위상 전류의 변화의 레이트를 비교하였다.

제1 방식은 임의의 추가의 하드웨어에 대한 필요성 없이 구현될 수 있는 장점을 갖는다. 실제로, 홀-이펙트 센서를 채용하는 종래의 모터 시스템에 비하여, 제1 방식은 적어도 하나 더 적은 부품을 채용한다. 위상 전류가 전류 한계치를 초과할 때, 위상 권선(7)은 프리휠 기간 동안 프리휠된다. 따라서, 프리휠링 동안 위상 전류를 감지하는 것이 필요하지 않다. 그 결과, 제1 방식은 위상 전류를 측정하기 위해 하나의 감지 저항기를 이용하여 실시될 수 있다. 따라서, 제1 방식은 비용이 저렴한 회전자 위치 결정 방법을 제공한다.

제1 방식은 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 전류 초핑에 의존한다. 더욱이, 전류 초핑의 주파수는 분해능 및 그에 따라 회전자 위치가 결정되는 정확도를 결정한다. 그 결과, 전류 초핑이 비교적 덜 빈번할 때(예컨대, 비교적 높은 속도에서), 결정된 회전자 위치의 정확도는 비교적 열악할 것이다. 제2 방식은 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 전류 초핑에 의존하지 않는 장점을 갖는다. 그 결과, 회전자 위치의 결정은 회전자 속도에 상관없이 이루어질 수 있다. 결정된 회전자 위치의 정확도는 부분적으로 저항성 항 i_phR_ph에 의해 정해진다. 다행히도, 저항성 항은 통상적으로 작으며, 무시될 수 있는 경우가 많다. 더욱이, 저항성 항이 상당하다고 할 수 있는 경우에도, 이 항은 단순히 결정된 정렬 위치에서의 오차를 증가시킨다. 그럼에도 불구하고, 회전자에 대한 정렬 위치를 결정하는 것이 지속적으로 가능하다. 제2 방식의 단점은 이 방식을 구현하기 위해 요구되는 추가의 하드웨어에 있으며, 이것은 자연히 모터 시스템(1)의 비용을 증가시킨다. 그럼에도 불구하고, 부품 비용의 증가는 홀-이펙트 센서를 생략함에 따른 어셈블리 비용의 감소에 의해 상쇄될 수 있다.

제2 방식을 구현하는 비용은 도 6에 예시된 바와 같이 전압 센서(15)를 위한 단일 분압기(R3, R4) 및 전류 센서(11)를 위한 단일 감지 저항기(R1)를 채용함으로써 비교적 낮게 유지될 수 있다. 단일 분압기(R3, R4) 및 단일 감지 저항기(R1)를 채용함에 있어서, 회전자(5)의 위치는 위상 권선(7)이 여자되는 때에만 감지될 수 있다. 이것은 회전자 정렬 위치에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트함으로써 달성된다. 비교적 낮은 속도에서, 위상 전류는 전류 한계치까지 비교적 신속하게 상승한다. 따라서, 위상 권선(7)이 프리휠링하는 때에 어느 한 시점에서 역기전력에서의 제로-교차가 발생할 수 있는 것이 가능하게 된다. 이에 따라, 제2 방식의 이 특정한 구현예는, 비용이 저렴하기는 하지만, 상대적으로 낮은 속도에서는 적합하지 않을 수도 있다. 그러나, 낮은 속도에서는 제1 방식을 채용하고 높은 속도에서는 제2 방식을 채용함으로써, 전체적인 회전자 속도 범위에 걸쳐 모터(3)를 제어하기 위한 저렴한 비용의 해법이 획득된다.

파워 서플라이(2)는 시간에 따라 변화하는 전압을 출력할 수 있다. 예컨대, 파워 서플라이(2)는 사용 시에 방전하는 배터리를 포함할 수도 있다. 이와 달리, 파워 서플라이(2)는 정류된 전압을 제공하는 정류기 및 AC 소스를 포함할 수 있다. DC 링크 필터(8)의 커패시턴스에 따라, DC 링크 전압은 비교적 높은 리플을 가질 수 있다. 이와 달리, DC 링크 필터(8)는 정류된 전압을 평활화할 수 있지만, AC 소스의 RMS 전압은 시간에 따라 드리프트할 수 있다. 위상 권선(7)에서 전류가 상승하는 레이트는 위상 전압의 크기에 좌우된다. 이에 따라, 제1 센서리스 방식을 채용할 때에는, 파워 서플라이(2)의 전압에서의 임의의 변화량은 컨트롤러(13)에 의해 정렬 위치가 결정되는 점(point)에 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 파워 서플라이(2)의 전압이 증가함에 따라, 위상 전류가 상승하는 레이트는 증가하며, 그러므로 전류-상승 기간의 길이가 감소한다. 동일한 전류-상승 임계치가 채용되면, 파워 서플라이(2)의 전압에서의 변화량은 정렬 위치가 더 앞쪽의 점(전압이 증가하면) 또는 더 나중의 점(전압이 감소하면)에서 결정되도록 할 수 있다. 이에 따라, 컨트롤러(13)는 파워 서플라이(2)의 전압에서의 변화량에 응답하여 상승-시간 임계치를 조정할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(13)는 위상 전압의 증가에 응답하여 상승-시간 임계치를 감소시킬 수 있고, 그 반대도 가능하다. 그 결과, 정렬 위치는 전압의 범위에 걸쳐 향상된 정확도로 결정될 수 있다.

상승-시간 임계치를 조정하는 것에 부가하여, 컨트롤러(13)는 또한 파워 서플라이(2)의 전압의 변화량에 응답하여 프리휠 기간을 조정할 수 있다. 예컨대, 파워 서플라이(2)의 전압이 감소하면, 위상 전류는 여자 동안 더 느린 레이트로 증가할 것이며, 그에 따라 전류 초핑의 주파수가 감소할 것이다. 이를 보상하기 위해, 더 짧은 프리휠 기간이 채용될 수 있다. 보다 일반적으로, 컨트롤러(13)는 위상-전류 파형을 더 좋은 형태로 하기 위해 회전자 속도 및/또는 공급 전압에서의 변화량에 응답하여 전류 한계치 및/또는 프리휠 기간을 조정할 수 있으며, 이에 의해 모터 시스템(1)의 파워 및/또는 효율이 증가된다.

컨트롤러(13)는 또한 파워 서플라이(2)의 전압에 좌우되는 속도 임계치를 채용할 수 있다. 제1 센서리스 방식을 채용할 때에, 정렬 위치의 정확도는 전류 초핑의 주파수에 좌우된다. 파워 서플라이(2)의 전압이 감소함에 따라, 위상 전류는 더 느린 레이트로 상승하며, 그에 따라 전류 초핑의 주파수가 감소된다. 비교적 낮은 속도에서는, 전류 초핑의 주파수가 비교적 높으며, 그러므로 파워 서플라이(2)의 전압의 감소가 정렬 위치의 정확도에 크게 영향을 주는 것이 쉽지 않다. 그러나, 전류 초핑의 주파수가 비교적 낮은 비교적 높은 속도에서는, 파워 서플라이의 전압의 감소가 정렬 위치의 정확도에 악영향을 줄 수 있다. 이에 따라, 낮은쪽 공급 전압에 대하여, 낮은쪽 속도에서는 제2 센서리스 방식으로 스위칭하는 것이 바람직할 수 있다. 제2 센서리스 방식, 더 정확하게는 도 6 및 도 7에 예시된 특정 실시예를 채용할 때, 회전자(5)의 위치는 단지 위상 여자 동안 결정될 수 있다. 따라서, 컨트롤러(13)는 회전자(5)가 정렬 위치를 통과할 때에 위상 권선(7)이 여자되도록 하기 위해 각각의 정렬 위치에 선행하여 위상 권선(7)을 커뮤테이트한다. 그러나, 컨트롤러(13)는 위상 권선(7)의 전류가 전류 한계치를 초과할 때마다 위상 권선(7)을 프리휠한다. 따라서, 회전자(5)가 정렬 위치에 도달하기 전에 위상 전류가 전류 한계치를 초과하지 않는 것이 중요하다. 따라서, 속도 임계치 및 선행 기간은, 공칭 공급 전압(nominal supply voltage)에 대해, 회전자(5)가 정렬 위치를 통과한 후까지는, 위상 전류가 전류 한계치를 초과하지 않도록 선택된다. 그러나, 파워 서플라이(2)의 전압이 증가하면, 위상 전류는 더 빠른 레이트로 상승할 것이고, 그러므로 전류 한계치가 제시각에서 더 앞쪽의 점에서 도달될 것이다. 회전자(5)가 정렬 위치에 도달하기 전에 위상 전류가 전류 한계치를 초과할 수 있는 것도 생각할 수 있다. 이에 따라, 더 높은 공급 전압에 대해, 높은쪽 속도에서는 제2 센서리스 방식으로 스위칭하는 것이 바람직할 것이며, 이 경우에는 역기전력의 크기가 더 높아질 것이다. 센서리스 방식 둘 모두는 따라서 공급 전압의 크기에 좌우되는 속도 임계치로부터 이점을 가질 수 있다. 이에 따라, 컨트롤러(13)는 공급 전압의 크기에 좌우되는 속도 임계치를 채용할 수 있다. 보다 구체적으로, 컨트롤러(13)는 더 낮은 공급 전압에 대해 더 낮은 속도 임계치를 채용할 수 있다.

전술한 제1 센서리스 방식은 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 전류-상승 기간을 이용한다. 그러나, 본 출원인 각각의 프리휠 기간의 종료 시의 위상 전류의 크기 또한 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 이용될 수 있다는 것을 발견하였다. 전술한 바와 같이, 컨트롤러(13)는 위상 권선(7)의 전류가 전류 한계치를 초과할 때마다 위상 권선(7)을 프리휠한다. 컨트롤러(13)는 사전에 정해진 프리휠 기간 동안 위상 권선(7)을 프리휠하며, 그 시간 동안 위상 권선(7)의 전류가 쇠퇴한다. 각각의 프리휠 기간 동안, 위상 권선(7)에 유도된 역기전력은 위상 권선(7)의 전류의 방향에 반대로 작용한다. 위상 전류가 쇠퇴하는 레이트는 따라서 역기전력의 크기에 좌우된다. 그 결과, 각각의 프리휠 기간의 끝에서의 위상 전류의 크기는 위상 권선(7)에서의 역기전력의 크기에 좌우된다. 위상 권선(7)에 유도된 역기전력의 크기는 다른 것들 중에서도 회전자(5)의 각도 위치에 좌우된다. 이에 따라, 각각의 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기는 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 이용될 수 있다.

역기전력의 파형은 통상적으로 사인 곡선(도 4 및 도 5에 예시된 바와 같이) 또는 사다리꼴(trapezoidal)이며, 역기전력에서의 제로-교차가 회전자(5)의 정렬 위치에서 발생한다. 그 결과, 회전자(5)가 정렬 위치에 접근할 때, 역기전력의 크기가 감소하고, 그러므로 각각의 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기가 증가한다. 이 동작은 회전자(5)의 위치를 결정하기 위해 컨트롤러(13)에 의해 이용될 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(13)는 각각의 프리휠 기간의 종료 시의 위상 전류의 크기를 측정하고, 이것을 전류 임계치에 대해 비교할 수 있다. 위상 전류가 전류 임계치를 초과할 때, 컨트롤러(13)는 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정한다.

도 13은 제1 센서리스 방식을 구현하는 이 대안의 방법을 채용할 때의 하나의 전기적 하프-사이클에 걸치 위상 전류, 파워 스위치 Q1에 대한 온/오프 신호, 역기전력에 대한 파형들을 도시한다. 이 파형들은 회전자(5)의 위치가 전류-상승 기간이 아닌 각각의 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기를 이용하여 결정된다는 것을 제외하고는 도 4의 파형들에 대응한다.

회전자 위치를 결정하기 위해 전류-상승 기간이 이용될 때, 전류-상승 임계치를 위해 선택된 값은 컨트롤러(13)에 의해 결정된 정렬 위치의 정확도에 영향을 준다. 마찬가지로, 회전자 위치를 결정하기 위해 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기가 이용될 때, 전류 임계치를 위해 선택된 값은 결정된 정렬 위치의 정확도에 영향을 준다. 구체적으로, 전류 임계치가 너무 낮게 설정되면, 컨트롤러(13)는 회전자(5)에 대한 정렬 위치를 더 앞쪽의 점에서 결정하기가 쉽다. 반대로, 전류 임계치가 너무 높게 설정되면, 컨트롤러(13)는 회전자(5)에 대한 정렬 위치를 더 늦은 점에서 결정하기가 쉽다.

회전자 속도가 증가할 때, 전류 초핑의 주파수가 감소한다. 이에 부가하여, 역기전력의 크기가 증가하고, 그러므로 위상 전류는 각각의 프리휠 기간 동안 더 빠른 레이트로 쇠퇴한다. 이에 따라, 회전자(5)가 정렬 위치에 있거나 정렬 위치 가까이에 있을 때, 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기는 더 높은 회전자 속도에서는 더 낮게 되기 쉽다. 이것은 예컨대 회전자 속도가 각각 더 낮고 더 높게 나타내어져 있는 도 4 및 도 5에서 확인할 수 있다. 회전자 속도에 상관없이 동일한 전류 임계치가 채용되면, 컨트롤러(13)는, 더 낮은 회전자 속도로 작동할 때에는 회전자(5)가 더 앞쪽의 점에서 정렬 위치에 있는 것으로 결정하고, 더 높은 회전자 속도로 작동할 때에는 회전자(5)가 더 늦은 점에서 정렬 위치에 있는 것으로 결정할 가능성이 매우 클 것이다. 이에 따라, 결정된 정렬 위치의 정확도를 향상시키기 위해, 컨트롤러(13)는 회전자 속도에 따라 변화되는 전류 임계치를 채용할 수 있다. 구체적으로, 컨트롤러(13)는 회전자 속도가 증가하면 감소되는 전류 임계치를 채용할 수 있다. 그 결과, 전류 초핑의 주파수가 비교적 높은 낮은 속도에서는 더 높은 전류 임계치가 이용될 수 있다. 반대로, 전류 초핑의 주파수가 비교적 낮은 높은 속도에서는, 더 낮은 전류 임계치가 이용될 수 있다. 그 결과, 회전자 속도의 범위에 걸쳐 향상된 정확도로 정렬 위치가 결정될 수 있다.

따라서, 제1 센서리스 방식을 구현하기 위해 2가지의 상이한 방법이 이용 가능하다. 제1 방법에서는, 회전자의 위치를 결정하기 위해 전류-상승 기간이 이용된다. 제2 방법에서는, 회전자 위치를 결정하기 위해 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기가 이용된다. 이에 따라, 보다 일반적인 의미에서, 제1 센서리스 방식은 위상 권선을 순차적으로 여자하고 프리휠하는 것을 포함하는 것이라 할 수 있다. 권선은 전류 한계치를 초과하는 권선의 전류에 응답하여 사전에 정해진 프리휠 기간 동안 프리휠된다. 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기 또는 전류-상승 기간 중의 하나에 대응하는 파라미터가 측정된다. 측정된 파라미터는 임계치에 대해 비교되며, 회전자는 측정된 파라미터가 임계치보다 작은 때에(예컨대, 전류-상승 기간이 상승-시간 임계치 미만인 때에) 또는 임계치보다 큰 때에(예컨대, 위상 전류의 크기가 전류 임계치보다 큰 때에) 정렬 위치에 있는 것으로 결정된다.

제1 센서리스 방식은, 회전자(5)가 정렬 위치에 접근하는 때에, 전류-상승 기간이 감소하고, 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크가가 증가한다는 발견을 이용한다. 본 출원인은 또한, 회전자(5)가 비정렬 위치와 정렬 위치 사이의 중간지점에 있거나 그 가까이에 있을 때에, 전류-상승 기간이 최대이고, 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기가 최소라는 것을 발견하였다. 이에 따라, 전류-상승 기간이 상승-시간 임계치 미만인 때에 또는 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류가 전류 임계치보다 큰 때에 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정하기 보다는, 컨트롤러(13)는 그 대신에 전류-상승 기간이 상승-시간 임계치보다 큰 때에 또는 프리휠 기간의 종료 시에의 위상 전류가 전류 임계치보다 작은 때에 회전자(5)가 중간지점 위치에 있는 것으로 결정할 수 있다. 이에 따라, 보다 일반적인 의미에서, 컨트롤러(13)는 측정된 파라미터가 임계치 미만이거나 임계치보다 큰 때에 사전에 정해진 위치에 있는 것으로 결정하는 것이라 할 수 있다.

상승-시간 임계치 또는 전류 임계치의 적절한 선택을 통해, 회전자(5)에 대한 임의의 사전에 정해진 위치가 컨트롤러(13)에 의해 결정될 수 있다. 예컨대, 전류-상승 기간이 상승-시간 임계치 미만인 때에는 회전자(5)가 특정한 위치에 있는 것으로 컨트롤러(13)가 결정한다고 할 수 있다. 상승-시간 임계치를 증가시킴으로써, 회전자 위치는 더 앞쪽의 점에서 결정될 것이다. 반대로, 상승-시간 임계치를 감소시킴으로써, 회전자 위치는 더 늦은 점에서 결정될 것이다. 상승-시간 임계치 또는 전류 임계치의 값은 따라서 비교 동작(즉, 측정된 파라미터가 임계치보다 작은지 아니면 큰지)이 회전자(5)의 특정한 사전에 정해진 위치에 대해 충족되도록 정해질 수 있다. 더욱이, 임계치의 값은 위상 권선(7)에 대한 커뮤테이션 포인트를 제어하도록 정해질 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(13)는 전류-상승 기간이 상승-시간 임계치 미만인 것으로 결정할 시에 즉각적으로 위상 권선(7)을 커뮤테이트하는 것이라 할 수 있다. 더욱이, 상승-시간 임계치의 값은 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 때에 전류-상승 기간이 상승-시간 임계치 미만이도록 처음에 정해지는 것이라 할 수 있다. 상승-시간 임계치의 값을 증가시킴으로써, 전류-상승 기간은 더 앞쪽의 점에서 상승-시간 임계치 미만이 될 것이고, 그러므로 컨트롤러(13)는 정렬 위치 전에 위상 권선(7)을 커뮤테이트, 즉 선행 커뮤테이션을 행할 것이다. 반대로, 상승-시간 임계치의 값을 감소시킴으로써, 전류-상승 기간은 더 늦은 점에서 상승-시간 임계치 미만일 것이며, 그러므로 컨트롤러(13)는 정렬 위치 후에 위상 권선(7)을 커뮤테이트, 즉 지연된 커뮤테이션을 행할 것이다. 이에 따라, 상승-시간 임계치 또는 전류 임계치의 적절한 선택을 통해 선행된, 동기화된, 또는 지연된 커뮤테이션이 달성될 수 있다. 그러므로, 이것은 커뮤테이션 주기 T_COM를 계산하거나 또는 커뮤테이션 주기를 측정하기 위해 전용 타이머를 채용할 필요없이 커뮤테이션 점이 설정될 수 있다는 장점을 갖는다.

지금까지 제1 센서리스 방식을 구현하기 위한 2가지의 상이한 방법을 설명하였다. 각각의 방법에서, 컨트롤러(13)는 위상 전류가 전류 한계치를 초과할 때까지 위상 권선(7)을 여자시키며, 위상 전류가 전류 한계치를 초과하는 것에 응답하여 컨트롤러(13)가 사전에 정해진 프리휠 기간 동안 위상 권선(7)을 프리휠한다. 제1 센서리스 방식을 구현하는 2가지의 추가의 방법을 설명할 것이다. 제3 방법에서, 컨트롤러(13)는 사전에 정해진 프리휠 기간의 이용을 포기하고, 그 대신 상위 전류 한계치와 하위 전류 한계치를 채용한다. 그리고나서, 컨트롤러(13)는 위상 전류가 상위 전류 한계치로 상승할 때까지 위상 권선(7)을 여자시키고, 상위 전류 한계치로 상승한 시점에서 컨트롤러(13)가 위상 권선(7)을 프리휠한다. 프리휠링은 위상 전류가 하위 전류 한계치로 쇠퇴할 때까지 지속되며, 하위 전류 한계치로 쇠퇴한 시점에서 컨트롤러(13)는 다시 위상 권선(7)을 여자시킨다. 컨트롤러(13)는 그리고나서 위상 전류가 하위 전류 한계치에서 상위 전류 한계치로 상승하거나 또는 상위 전류 한계치에서 하위 전류 한계치로 하강하는데 소요되는 시간을 측정한다. 전술한 바와 같이, 위상 권선(7)에서의 역기전력의 크기는 위상 전류가 여자 동안 상승하고 프리휠링 동안 하강하는 레이트에 영향을 준다. 이에 따라, 위상 전류가 상위 전류 한계치로 상승하거나 하위 전류 한계치로 하강하는데 소요되는 시간은 회전자(5)의 각도 위치에 좌우될 것이다. 컨트롤러(13)는 그 후 측정된 시간을 임계치에 대해 비교하고, 측정된 시간이 임계치 미만이거나 임계치보다 큰 때에 회전자(5)가 사전에 정해진 위치에 있는 것으로 결정한다. 예컨대, 컨트롤러(13)는 측정된 시간이 임계치 미만인 때에는 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정할 수 있다. 제4 방법에서, 컨트롤러(13)는 처음에는 위상 전류가 전류 한계치를 초과할 때까지 위상 권선(7)을 여자시킨다. 컨트롤러(13)는 그 후 사전에 정해진 프리휠 기간 동안 또는 위상 전류가 하위 전류 한계치로 떨어질 때까지 위상 권선(7)을 프리휠한다. 프리휠의 종료 시에, 컨트롤러(13)는 위상 권선(7)을 다시 여자시킨다. 그러나, 위상 전류가 전류 한계치를 초과할 때와 같은 시간까지 위상 권선(7)을 여자시키기 보다는, 컨트롤러(13)는 그 대신에 사전에 정해진 여자 기간 동안 위상 권선(7)을 여자시킨다. 여자 기간의 종료 시에, 컨트롤러(13)는 위상 전류의 크기를 측정하고, 이것을 임계치에 대하여 비교한다. 위상 권선(7)에서의 역기전력의 크기가 위상 전류가 여자 동안 상승하는 레이트에 영향을 주므로, 여자 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기는 회전자(5)의 각도 위치에 좌우될 것이다. 그러므로, 컨트롤러(13)는 측정된 위상 전류가 임계치 미만이거나 또는 임계치보다 큰 때에 회전자(5)가 사전에 정해진 위치에 있는 것으로 결정한다. 예컨대, 컨트롤러(13)는 측정된 위상 전류가 임계치보다 큰 때에는 회전자(5)가 정렬 위치에 있는 것으로 결정할 수 있다. 이 제4 방법의 단점은 각각의 여자 기간의 종료 시에의 위상 전류의 크기가 열악하게 제어된다는 점이다. 그 결과, 위상 전류는 모터 시스템(1)의 부품에 손상을 주는 레벨까지 상승할 수도 있다. 그러나, 이 문제점은 비교적 짧은 여자 기간을 갖게 함으로써 완화될 수 있다.

따라서 제1 센서리스 방식을 구현하기 위해 여러 가지의 방법이 이용 가능하다. 방법에 무관하게, 제1 센서리스 방식은 위상 권선을 순차적으로 여자하고 프리휠하는 것을 수반한다. 그리고나서 프리휠링의 개시 또는 종료 시에 파라미터가 측정된다. 이 파라미터는 여자 또는 프리휠링 동안의 위상 권선(7)의 전류의 변화의 레이트를 좌우한다. 예컨대, 파라미터는 프리휠링의 개시 또는 종료 시에 위상 전류의 크기이어도 되고, 또는 위상 전류가 여자 동안 상위 전류 한계치로 상승하거나 또는 프리휠링 동안 하위 전류 한계치로 하강하는데 소요되는 시간이어도 된다.

제2 센서리스 방식은 제1 신호의 전압과 제3 신호의 전압이 대응할 때마다 역기전력 신호에서 에지를 발생한다. 위에 설명된 실시예에서, 이들 2개의 신호는 역기전력에서의 제로-교차가 있을 때마다, 또는 회전자(5)가 정렬 위치에 있을 때에, 전압들이 대응하도록 스케일된다. 그러나, 이들 신호는 전압이 역기전력 파형에서의 상이한 점에서 및 그러므로 상이한 회전자 위치에서 대응하도록 스케일될 수도 있다. 예컨대, 도 7에 예시된 예에서, 제1 신호의 전압을 증가시키는 것은 하강 에지가 더 앞쪽의 점에서 발생되도록 할 것이다. 반대로, 제1 신호의 전압을 감소시키는 것은 하강 에지가 더 늦은 점에서 발생되도록 할 것이다. 그 결과, 2개의 신호의 적절한 스케일링을 통해, 2개의 신호의 전압은 회전자(5)가 특정한 사전에 정해진 위치에 있을 때에 대응하도록 될 수 있다.

제2 센서리스 방식은 저항성 항 i_phR_ph이 비교적 작고 무시할 수 있는 것으로 가정한다. 그러나, 필요한 경우, 저항성 항이 고려될 수도 있다. 예컨대, 역기전력 센서(12)는 i_phR_ph에 비례하는 전압을 갖는 제4 신호를 발생하기 위해 전류 센서(11)에 의해 출력된 신호를 스케일링하기 위한 증폭기 또는 기타 하드웨어를 포함할 수 있다. 역기전력 센서(12)는 또한 i_phR_ph + L_ph·di_ph/dt에 비례하는 전압을 갖는 제5 신호를 발생하기 위해 제3 신호의 전압(L_ph·di_ph/dt)과 제4 신호의 전압(i_phR_ph)을 합산하는 합산 증폭기 또는 기타 하드웨어를 포함할 수 있다. 그 후, 비교기(19)가 제1 신호의 전압(V_ph)과 제5 신호의 전압(i_phR_ph + L_ph·di_ph/dt)을 비교하고, V_ph = i_phR_ph + L_ph·di_ph/dt일 때마다 출력 신호에서 에지가 발생된다. 이에 따라, 더욱 일반적인 의미에서, 제2 센서리스 방식은 V_ph에 비례하는 전압을 갖는 신호를 발생하는 것과, di_ph/dt에 좌우되는 전압을 갖는 추가의 신호를 발생하는 것을 포함하는 것이라 할 수 있다. 저항성 항 i_phR_ph은 무시될 수 있으며, 그 경우에는 추가의 신호의 전압이 L_ph·di_ph/dt에 비례한다. 이와 달리, 저항성 항이 고려될 수도 있으며, 그 경우에는 추가의 신호의 전압이 i_phR_ph + L_ph·di_ph/dt에 비례한다. 2개의 신호의 전압들은 그 후 비교되고, 2개의 전압들이 대응할 때에 회전자의 사전에 정해진 위치가 결정된다.

전술한 실시예에서, 컨트롤러(13)는 인버터(9)의 전력 스위치(Q1∼Q4)를 제어하기 위한 3개의 제어 신호(DIR1, DIR2, FW#)를 발생한다. 전력 스위치(Q1∼Q4)를 제어하기 위해 다른 방식이 채용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 일례로서, 컨트롤러(13)의 프로세서는 4개의 전력 스위치(Q1∼Q4)의 각각에 대한 스위칭 신호(S1∼S4)를 발생할 수 있다. 그리고나서, 위상 전류가 전류 한계치를 초과할 때마다 컨트롤러(13) 내부 또는 외부의 하드웨어가 논리적으로 하이인 전류-한계치 신호를 발생할 수 있다. 전류-한계치 신호는 스위칭 신호(S1∼S4)의 상태에 상관없이 상위측 스위치(Q1, Q3)가 논리적으로 하이인 전류-한계치 신호에 응답하여 개방되도록 스위칭 신호보다 우선한다. 전류-한계치 신호를 발생하기 위해 하드웨어를 채용하는 것은 제어 시스템(4)이 전류-한계치 이벤트에 대해 비교적 신속하게 응답할 수 있는 장점을 갖는다.

전술한 실시예에서, 프리휠링은, 상위측 스위치(Q1, Q3)를 개방하는 것과, 위상 권선(7)의 전류가 인버터(9)의 하위측 루프 주위를 재순환할 수 있도록 하는 것을 수반한다. 프리휠링은 그 대신에 하위측 스위치(Q2, Q4)를 개방하는 것과, 전류가 인버터(9)의 상위측 루프 주위를 재순환할 수 있도록 하는 것을 수반할 수도 있다. 이에 따라, 보다 일반적인 의미에서, 프리휠링은 위상 권선(7)에 0 볼트가 인가되는 것을 의미하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 도 9에 예시된 실시예에서, 인버터(9)의 상위측 루프 주위의 프리휠링은 바람직하지 않다. 그 이유는 전류 센서(11)의 감지 저항기(R1, R2)가 인버터(9)의 상위 레그 상에 위치되어야 하기 때문이다. 그 결과, 각각의 감지 저항기(R1, R2) 양단의 전압은 플로팅될 것이어서, 위상 전류의 측정을 곤란하게 한다.

지금까지 단상 4-극 모터(single-phase four-pole motor)(3)를 갖는 모터 시스템(1)을 참조하여 설명하였다. 그러나, 제어 시스템(4)은 더 적은 수 또는 더 많은 수의 극을 갖는 모터(3)를 구동하기 위해 마찬가지로 이용될 수도 있다. 단상 모터(3)는 모터(3)를 제어하기 위해 비교적 단순하고 저렴한 제어 시스템(4)이 채용될 수 있다는 장점을 갖는다. 단상 모터를 제어하기 위한 종래의 센서리스 방식은 일반적으로 역기전력에서의 제로-교차가 예상되는 전기적 사이클의 점들에서의 여자를 유예한다. 그 결과, 모터 내로 구동되는 전기 파워가 크게 감소된다. 이에 부가하여, 모터의 효율이 감소될 수도 있거나, 및/또는 토크 리플이 증가될 수도 있다. 이에 비하여, 전술한 센서리스 방식은 위상 권선을 여자시키면서 회전자의 위치를 감지할 수 있다. 그 결과, 전기 파워, 효율 또는 토크 리플에 악영향을 주지 않고서도 단상 모터를 제어하기 위해 양쪽 모두의 방식이 이용될 수 있다.

전술한 센서리스 방식이 단상 모터에 채용될 때에는 특별한 이점을 갖지만, 다상 모터에는 어느 쪽의 방식도 채용될 수 있다. 다상 모터에 대해, 특정한 위상 권선이 여자되지 않는 기간이 있을 것이다. 이에 따라, 센서리스 방식이 회전자의 위치를 감지하기 위해 위상 여자에 의존하지 않는 곳에서는, 전류 감지를 하나의 위상 권선으로부터 또 다른 위상 권선으로 스위칭할 필요가 있을 것이다.

Claims

브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법에 있어서,
모터의 권선 양단의 전압에 비례하는 전압을 갖는 제1 신호를 발생하는 단계;
상기 권선의 전류에 비례하는 전압을 갖는 제2 신호를 발생하는 단계;
제3 신호를 발생하기 위해 상기 제2 신호를 미분하는 단계;
상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압을 비교하는 단계;
비교에 응답하여 출력 신호를 발생하는 단계로서, 상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압이 대응하는 때에 상기 출력 신호에서 에지가 발생되는, 출력 신호를 발생하는 단계; 및
상기 출력 신호에서의 에지에 관련하여 때때로 상기 권선을 커뮤테이트(commutate)하는 단계
를 포함하는 브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압은 상기 권선에서 유도된 역기전력에서의 제로-교차(zero-crossing)에 응답하여 대응하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압은 상기 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 대응하며, 상기 방법은 상기 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 발생되는 에지를 무시하는 단계를 더 포함하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 상기 권선을 여자하고 프리휠링하는 단계, 여자 동안 발생된 에지에 관련하여 때때로 상기 권선을 커뮤테이트하는 단계, 및 프리휠링 동안 발생된 에지를 무시하는 단계를 더 포함하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은, 상기 권선을 여자하고 프리휠링하는 단계, 및 여자 및 프리휠링 둘 모두의 동안 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호를 발생하는 단계를 더 포함하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 상기 권선을 여자 전압으로 여자하는 단계를 더 포함하며, 상기 제1 신호를 발생하는 단계는, 상기 여자 전압에 비례하는 전압을 갖는 신호를 발생하는 단계를 포함하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 제어하는 방법.
전술한 청구항들 중의 임의의 청구항에서 청구된 바와 같은 방법을 수행하는 것을 특징으로 하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템.
브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템에 있어서,
모터의 권선 양단의 전압에 비례하는 전압을 갖는 제1 신호를 발생하는 제1 센서;
상기 권선의 전류에 비례하는 전압을 갖는 제2 신호를 발생하는 제2 센서;
상기 제2 신호를 미분하고, 그 응답으로 제3 신호를 발생하는 미분기;
상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압을 비교하고, 그 응답으로 출력 신호를 발생하며, 상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압이 대응하는 때에 상기 출력 신호에서 에지가 발생되는, 비교기; 및
상기 출력 신호에서의 에지에 관련하여 때때로 상기 권선을 커뮤테이트하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 발생하는 컨트롤러
를 포함하는 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템.
제8항에 있어서,
상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압은 상기 권선에서 유도된 역기전력에서의 제로-교차에 응답하여 대응하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제1 신호의 전압과 상기 제3 신호의 전압은 상기 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 대응하며, 상기 컨트롤러는 상기 권선을 커뮤테이트하는 것에 응답하여 발생되는 에지를 무시하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템.
제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 권선을 여자하고 프리휠링하기 위한 제어 신호를 발생하며, 상기 컨트롤러는 여자 동안 발생된 에지에 응답하여 상기 권선을 커뮤테이트하기 위한 제어 신호를 발생하고, 프리휠링 동안 발생된 에지를 무시하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 권선이 연결되는 인버터를 더 포함하며, 상기 제1 센서는 상기 인버터 양단에 위치된 단일 분압기를 포함하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 시스템은 상기 권선이 연결되는 인버터를 더 포함하며, 상기 제1 센서는 상기 권선의 상호 반대측에 위치된 분압기의 쌍을 포함하며, 상기 제2 센서는 전류 트랜스듀서, 전류 트랜스포머, 및 상기 인버터의 상호 반대측 레그 상에 위치된 감지 저항기의 쌍 중의 하나를 포함하는, 브러시리스 영구 자석 모터를 위한 제어 시스템.
브러시리스 영구 자석 모터와, 청구항 7 내지 13 중의 임의의 청구항에서 청구된 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 시스템.
제14항에 있어서,
상기 모터는 단상 권선을 포함하는, 모터 시스템.