KR20180021659A - 무철심형 pmsm 모터 로터 방위 무센서 측정법 - Google Patents

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마르코 타나스코빅 닥터.
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Abstract

알려진 로터 각도로부터 무철심형 PMSM 모터에서 센서없이 로터의 배향을 결정하는 방법은 a) 로터 각도에 따라 로터계(rotor system)를 특정하는 단계와; b) 로터계의 토크 형성 방향으로 모터의 상에 전압 펄스를 인가하는 단계와; c) 모터의 상에서 전류를 측정하는 단계와; d) 측정된 전류에 기초하여, 자속 형성 축을 따라서 예상 역 기전력(EMF)를 결정하는 단계와; e) 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF의 시간 적분에 의해 예상 역 EMF의 적분 및/또는 필터 기반 누적 함수를 형성하는 단계와; f) 예상 역 EMF의 적분의 대수 부호 및/또는 누적 함수로부터 로터의 배향을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

무철심형 PMSM 모터 로터 방위 무센서 측정법 {Method for sensor-free determination of the orientation of the rotor of an ironless PMSM motor}
본 발명은 전자적으로 정류식 모터를 제어하는 분야에 관한 것이다. 본 발명은 무철심형 영구자석 동기기 (PMSM) 모터에서 센서없이 로터의 배향(orientation)을 결정하는 방법에 관한 것이다.
전자적으로 정류식 모터를 제어하는 데 있어서 주요 문제 중 하나는 로터의 위치를 결정하는 것이다. 로터의 위치를 결정하는 방법은 로터의 각도를 결정하는 것을 포함하며, 다양한 방법들이 종래기술에 공지되어 있다.
통상적으로, 로터의 위치는 홀 센서나 인코더 등의 위치 센서에 의해 결정된다. 이들 시스템의 경우, 위치 센서가 시스템의 신뢰도, 및 코스트에도 악영향을 주는 것으로 알려져 있다.
코스트를 줄이고 및 시스템의 강건성을 증가시키기 위해, 여러 방법 중에서도, 모터의 이방성, 포화 효과, 로터 구조의 비대칭, 또는 위치 결정에서의 편심을 이용하여 센서없이 로터의 위치를 결정하는 방법이 바람직하다.
센서없이 위치를 결정하는 하나의 옵션으로는 영구자석을 회전시켜 제로 크로싱(zero crossing)을 평가함으로써, 유도된 전압(EMF(electromotive force, 기전력))을 측정하는 것이 있다. 그러나, 이 방법은 위치 결정을 위해 충분한 신호/잡음비에 대한 충분히 큰 크기의 EMF를 얻으려면, 로터의 최소 회전 속도를 필요로 하는 단점을 갖고 있다. 원칙적으로, 이러한 방법은 정지 상태에 적합하다. 따라서, 실제로, 로터 위치에 대한 지식없이, EMF에 의해 상기 측정 방법을 사용할 수 있는 최소 회전 속도를 달성하기 위해서, 종종 특수화된 기동 절차를 이용하여 모터를 작동시킨다.
로터의 위치를 결정하는 또 다른 방법으로, M. Schroedl 이 개발하고, 예를 들어 책자(ETEP, Vol. 1, No. 1, January/February 1991, pp. 47-53)에 기재된 온라인 리액턴스 측정 (INFORM) 방법이 있으며, 이는 낮은 회전속도뿐만 아니라, 정지 상태에도 적합하다. INFORM 방법에서는, 다양한 공간 벡터 방향으로 복소 스테이터 인덕턴스를 결정하기 위해, 특정 테스트 전압 벡터에 기초하여 상(phase)의 전류 증가를 평가한다. 다음에, 스테이터 인덕턴스로부터 로터 위치가 결정된다. 무철심형 PMSM 모터에 대한 이러한 방법의 한가지 단점은 전압 벡터의 인가시에 높은 전류가 발생하는 것이며, 이는 전류 및 수반되는 진동 토크의 왜곡을 초래할 수 있다.
EP 2924870 A1에는 다상 모터(polyphase motor)의 로터 위치, 즉, 특히 정지시에 로터 각도를 결정하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은: 모터의 상에 전압을 인가하는 단계와; 상에서 전류를 측정하는 단계와; 측정된 전류에 기초하여 로터 위치를 결정하는 단계를 포함한다. 로터 위치의 결정은 모터의 상에 제로 전압이 인가되는 기간 동안 측정된 전류 값에 기초한다.
로터 위치를 결정하는 전술한 방법에 있어서, 로터 각도가 결정됨으로써, 원칙적으로 로터의 배향 (또는 극성)은 불확정상태로 남게 된다. 그러므로, 로터 위치를 결정하는 데 있어서 180°의 불확실성이 존재한다.
공지된 방법에서는, 추정한 d방향으로 스테이터 권선에 전류를 주입함으로써, 포화 효과를 이용하여 로터의 극성을 결정할 수 있다. 전류의 경우, 플러스(positive) d방향으로는 포화도가 증가하고, 마이너스(negative) d방향으로는 포화도가 감소한다. INFORM 방법에서는, 예를 들어 추정한 d방향으로 전류를 인가함으로써 로터의 극성을 결정할 수 있는데, 전류가 플러스 d방향으로 주입되는 경우에, 전류의 증가는 더욱 크다. 인가된 전류는 자속의 커다란 변화를 초래할 만큼 충분히 커야 하며; 인가된 전류가 클수록, 이 방법의 효용은 우수하다. 특히, 무철심형 권선을 지닌 모터의 경우, 전류의 크기는 모터와 제어 전자기기가 손상될 만큼 커야 하는 단점이 있다. 또한, 상기 모터는 인가된 전류의 추정 d방향이 실제 d방향으로부터 벗어나는 경우, 토크가 발생하여 로터의 큰 운동을 초래할 수 있는 역효과도 갖고 있다.
예를 들어 D. Basic, F. Malrait, 및 P. Rouchon에 의해 책자(IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 58, No. 9, pp. 4010-4022)에 기재된 다른 공지 방법에서는, 고조파 전류를 스테이터에 주입함으로써, 로터의 위치 및 극성을 결정하는데, 이는 로터의 진동을 초래한다. 유발된 EMF의 진동은 주입 주파수로 스테이터 전압에서 측정할 수 있으며, 로터의 공간적 위치는 스테이터 전압의 스펙트럼 성분의 상으로부터 결정할 수 있다. 자기 철극성(magnetic saliency)으로 모터에서 로터의 극성을 결정하기 위해, 두배의 주파수로 추가적인 고조파 전류 컨트롤러를 사용하며, 그로 인해 제 2고조파 전류 성분으로부터 극성이 유도될 수 있다. 자기 철극성이 없는 모터의 경우는, 포화 효과를 다시 한번 이용해야 한다. 로터의 진동에 기초한 방법의 한가지 단점은, 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위해, 최대 +/- 60°의 편향을 포함하여, 진동에 의해 로터의 큰 운동이 초래될 수 있는 점이다.
브러시리스 모터 중에서 수많은 응용의 무철심형 또는 비슬롯(unslotted) 모터는, 자기 디텐트 토크(magnetic detent torque)가 없으며, 고효율, 저인덕턴스 등의 뚜렷한 장점을 제공한다. 그러나, 이러한 장점과 함께, 이들 모터의 특성으로 인해, 모터를 제어하는 다른 방법이 일반적으로 필요하다. 예를 들어, 위치 결정과 관련하여, 이들 모터의 이방성은 낮으며, 자기저항 이방성에 기초한 위치 결정은 전혀 실현 가능하지 않거나, 제한된 범위에서만 실현이 가능하다. 마찬가지로, 포화 효과에 기초한 공지된 방법은 거의 또는 전혀 실용성이 없다.
또한, 예를 들어 치과, 또는 인슐린 펌프와 같은 의료 기술에서, 무철심형 PMSM 모터의 중요한 응용을 위해서, 큰 운동은 바람직하지 않거나 허용되지 않는다. 따라서, 정지 상태에 대한 위치 결정 방법은 작은 운동만 발생되는 것이 바람직하므로, 전술한 이유로 인해 이들 방법은 센서없이 기능해야 한다.
이들 고려 사항은 로터 각도를 결정함과 아울러, 로터의 배향 또는 극성을 결정하기 위해 적용한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 이와 관련하여 적어도 부분적으로 종래 기술을 개선하는 무철심형 PMSM 모터의 배향을 결정하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적은 독립 청구항 1 및 15의 특징에 의해서 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 독립항들 및 본 명세서에 언급되어 있다.
본 발명은 알려진 로터 각도로부터 무철심형 PMSM 모터에서 센서없이 로터의 배향을 결정하는 방법에 관한 것으로, 이 방법은:
a) 로터 각도에 따라 로터계(rotor system)를 특정하는 단계와;
b) 로터계의 토크 형성 방향으로 모터의 상에 전압 펄스를 인가하는 단계와;
c) 모터의 상에서 전류를 측정하는 단계와;
d) 측정된 전류에 기초하여, 자속 형성 축을 따라서 예상 역 기전력(EMF)를 결정하는 단계와;
e) 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF의 시간 적분에 의해 예상 역 EMF의 적분 및/또는 필터 기반 누적 함수를 형성하는 단계와;
f) 예상 역 EMF의 적분의 대수 부호 및/또는 누적 함수로부터 로터의 배향을 결정하는 단계를 포함한다.
로터계는 파크 변환(Park transformation)에 의해 얻어지는 고정 로터 좌표계로서 당업자에게 공지되어 있다. 바람직한 일실시예에서, 로터계는 모터 제어 분야에 공지되어 있는 d/q 로터계이며, 여기서 자속 형성 방향은 d방향 또는 d축이고, 토크 형성 방향은 q방향 또는 q축이다.
본 발명에 따르는 방법은 로터의 작은 운동으로 로터의 배향을 결정하는 것이 가능한 장점을 제공한다. 자극을 결정하려면, 전류를 자속 형성 방향으로 인가해야 하는데, 중요한 신호를 얻기 위해서는 전류가 커야 하고, 특히 무철심형 모터에 대해 유해할 수 있으며, 또는 로터 진동에 의거하여 배향이 결정되고, 이는 큰 운동을 초래하는 종래기술과 비교하여, 본 발명에 따르는 방법에서는, 토크 형성 방향으로 전압 펄스를 인가하므로, 로터의 작은 운동이 유리하게 보장된다. 따라서, 실제 위치로부터 벗어나는 토크 형성 방향의 추정은 효과적으로 발생되는 토크에 미미한 영향만 주므로 유리하다. 배향을 결정하기 위해 알려진 로터 위치 또는 알려진 로터 각도를 이용하면, 로터의 상당히 큰 바람직하지 않은 운동(로터 각도를 결정하기 위해 필요할 수는 있음)이 감소될 수 있고, 배향을 결정하기 위해 필요한 운동만 수행되는 추가적인 장점을 제공한다. 본 발명에 따르는 방법의 또 다른 장점은, 예상 역 EMF의 적분을 형성함으로써, 개별 전압 펄스가 작게 유지되고, 따라서 원치 않는 큰 운동의 위험을 줄일 수 있는 점이다. 예상 역 EMF의 적분의 대수 부호로부터 배향을 결정할 수 있으므로, 마이너스 대수 부호의 경우 로터의 자속 형성 방향이 로터 각도에 따라 특정되는 자속 형성 방향과 반대이며, 특정 자속 형성 방향의 180 °보정이 필요한 것으로 결론 내릴 수 있다. 플러스 대수 부호의 경우, 특정 자속 형성 방향이 로터의 실제 자속 형성 방향에 상응한 것으로 결론 내릴 수 있다.
신호/잡음비는 필터 기반 누적 함수를 형성하거나, 일부 다른 유사한 방법에 의해 증가될 수 있다. 특정 응용에서, 누적 함수는 특정 기간으로부터의 값만을 추정할 수 있다.
본 발명에 따르는 방법은 무철심형 또는 비슬롯 모터에 특히 적합하다. 그러나, 이 방법은 철심을 갖는 모터에서도 유리하게 사용할 수 있음이 당업자에게는 명백하다.
본 발명에 따르는 방법은 유리하게, 극 수에 관계없이 다상 모터에 동일하게 적합하며; 예를 들어, 상기 방법은 2극 모터를 비롯해, 4극 모터에 적합하다.
전압 펄스의 인가로 인해 로터의 적산 운동은, 바람직하게는 25°미만, 특히 바람직하게는 10°미만이다. 다른 특히 바람직한 실시예에서, 로터의 적산 운동 5 ° 미만이다.
상기 방법의 바람직한 일실시예에서, 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF를 결정하기 위해, 제로 전압이 모터의 상에 인가될 때 측정된 전류만 사용한다.
전류는 일반적으로, 전압이 제로인 두 전압 펄스들 간의 기간에 측정된다. 제로 전압이 모터의 상에 인가될 때 측정되는 전류를 사용하면, 전압 항목은 더 이상 전류 값을 결정하는데 출현하지 않으므로, 시스템 입력에 대한 의존성이 감소되는 장점이 있다. 대신에, 유리하게는, 연속적인 시스템 출력들 간의 관계가 이용된다. 이는 시스템이 소음 및 전압 왜곡에 대해 보다 강건한 결과를 가지므로 유리하다. 또한, 측정은 짧은 시간에 수행될 수 있다.
바람직하게는, 예상 역 EMF의 적분 및/또는 누적 함수가 미리 결정된 임계 값에 도달하는 즉시 전압 펄스의 인가가 종결된다.
예상 역 EMF의 적분 및/또는 누적 함수가 적분의 대수 부호를 결정할 수 있을 정도로 충분히 커질 때까지 전압 펄스가 인가되는 것이 유리하다. 따라서, 로터의 운동은 계속 최소로 유지될 수 있다.
상기 방법의 바람직한 일실시예에서, 전압 펄스가 인가된 후에, 하나 이상의 카운터 펄스가 인가되어 로터를 다시 원래의 위치로 이동시킨다.
하나 이상의 카운터 펄스를 인가하면, 배향이 결정된 후 로터가 원래의 위치로 되돌아오는 것이 보장되는 장점이 있다. 인가된 전압 펄스가 정확히 보상되는 방식으로 하나 이상의 카운터 펄스를 설계하는 것이 바람직하다. 로터가 되돌아올 때, 아무런 측정 및/또는 평가를 수행하지 않는 것이 바람직하므로, 카운터 펄스는 배향을 결정하기 위한 전압 펄스보다 큰 진폭을 가질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 카운터 펄스들 간의 기간은 전압 펄스들 간의 기간보다 짧을 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 단일 카운터 펄스 전압이 인가되어 일련의 전압 펄스를 보상할 수 있다.
일실시예에서, 카운터 펄스는 특정된 로터계의 마이너스 토크 형성 방향으로 인가된다.
다른 실시예에서, 카운터 펄스는 특정된 로터계의 마이너스 토크 형성 방향으로 인가되고, 카운터 펄스는 인가된 전압 펄스의 적분이다.
대안적으로, 카운터 펄스는 로터의 소정 배향의 자속 형성 방향으로 인가될 수 있다. 이 시점에서 상기 방법에서는 로터의 배향이 알려져 있기 때문에, 로터를 다시 그의 원래 위치로 회전시키기 위해, 소정 배향의 자속 형성 방향으로 카운터 펄스를 인가할 수 있다.
유리한 일실시예에서, 하나 이상의 카운터 펄스가 인가된 후에 보상 펄스가 인가된다. 보상 펄스가 없는 경우보다 하나 이상의 카운터 펄스에 의해 생긴 모터의 펄스에서 전류가 더 빨리 감쇠하도록 하기 위해 보상 펄스를 사용하는 것이 유리하다. 보상 펄스는 배향 결정을 위해 인가되는 전압 펄스의 방향을 따라, 즉, 바람직하게는 로터계의 토크 형성 방향을 따라 인가되는 것이 바람직하다.
일실시예에서, 전압 펄스는, 전압 펄스의 진폭이 시간의 경과에 따라 변화되는 상태에서, 직사각형 펄스이다.
전압 펄스의 진폭은, 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF의 진폭의 함수로서 변화하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 예상 역 EMF의 진폭은 전형적으로 알려져 있지 않은 시스템 또는 모터의 기계적인 구성요소의 관성 모멘트, 및 인가된 전압 펄스의 진폭에 의존한다. 이러한 의존성은 모터의 속도를 증가시키고 로터의 배향 결정을 가속화하는데 유리하게 이용할 수 있다. 특히, 시간의 경과에 따라 전압 펄스의 진폭은, 로터의 배향 결정을 가속화하기 위해 예상 역 EMF의 진폭의 함수로서 증가될 수 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 2개의 전압 펄스들 사이에서 시간이 변화한다.
특히, 소정의 예상 역 EMF의 함수로서 인가된 전압 펄스를 변화시키는 옵션은, 부가적인 제어 옵션이 제공되고, 상기 방법의 유연성이 증가되므로 유리하다.
상기 방법의 일실시예에서, 예상 역 EMF는 자속 형성 축을 따라서 필터링된다.
유리하게는, 필터링은 측정의 노이즈를 감소시키는데 사용되며, 신호/잡음비를 증가시키기 위한 것이다.
일실시예에서, 측정된 전류는 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF를 결정하기 위해 다수의 측정점에 걸쳐서 평균화된다.
대안적으로 또는 부가적으로, 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF를 결정하기 위해, 칼만(Kalman) 필터나 루엔버거(Luenberger) 관측기를 사용한다.
상기 방법의 바람직한 일실시예에서, 알려진 로터 각도는:
a) 모터의 상에 전압 펄스를 인가하는 단계와;
b) 상에서 전류를 측정하는 단계와;
c) 측정된 전류로부터 로터 각도를 결정하는 단계를 포함하여 결정되며, 여기서 제로 전압이 모터의 상에 인가될 때 측정된 전류만 사용한다.
알려진 로터 각도를 결정하는 방법은, 연속 시스템의 출력 및 시스템 입력의 의존성 간의 관계에 기초하여 결정이 이루어지는 장점을 갖는다. 또한, 유리하게는, 노이즈 및 전압 왜곡에 대한 강건성이 증가된다. 이러한 방식으로 결정된 로터의 각도는, 로터의 위치 정확도를 유리하게 증가시키며, 이는 상기 방법의 효율이 감소됨이 없이, 로터의 배향을 결정하는데 있어서 긍정적인 효과가 있다.
도 1은 d/q 계에 인가된 전압 펄스를 나타내는 개략도이다.
도 2는 모터의 상에서의 측정 전류를 나타내는 예시도이다
도 3은 d/q 계로 변환된 전류를 나타내는 예시도이다
도 4a및 4b는 d축을 따라서 예상 역 EMF, 및 예상 역 EMF의 적분을 나타내는 예시도이다.
도 5는 전압 펄스가 인가되는 동안 로터 위치의 시프트를 나타내는 예시도이다.
이하, 도면 및 관련 설명과 함께 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 알려진 로터 각도에 따라서 특정 로터의 특정 d/q 계에 인가된 전압 펄스를 나타내는 개략도이다. 상부 도면은 시간(x축, ms 단위)에 대해 특정 d축을 따라서 전압 (y축, 임의 단위)을 나타낸다. 하부 도면은 시간(x축, ms 단위)에 대해 특정 q축을 따라서 전압(y축, 임의 단위)을 나타낸다. 로터 각도는 배향이 결정되기에 앞서서, 즉 전압 펄스가 인가되기 전에 실행되는 위치 결정 방법으로부터 얻어진다. 180 °의 불확실성이 유지되도록, 알려진 로터 축을 따르는 방향은 d축의 배향으로서 임의로 특정된다. 도 1로부터 명백한 바와 같이, 일련의 전압 펄스가 특정 로터의 특정 d/q 계의 q방향을 따라 인가된다. 플러스 전압 펄스가 t=17ms까지 인가된다. 방법의 예시적인 실시예에서, 플러스 전압 펄스의 진폭은 변화하지만, 이들 전압 펄스의 기간은 일정하게 유지된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 전압 펄스의 기간도 변화될 수 있다. 일반적으로, 역 EMF는 통상적으로 알려져 있지 않은 기계 시스템의 관성 모멘트, 및 전압 펄스의 진폭에 의존한다. 따라서, 전압 펄스는 역 EMF의 출력에 따라 변화되어, 로터의 배향을 신속하게 결정될 수 있게 한다. t=17ms 후, 로터의 배향이 결정된다. 로터의 배향이 결정된 후에는, 일련의 마이너스 카운터 펄스가 인가되며, 이때 모든 마이너스 카운터 펄스는 동일한 진폭을 갖는다. 카운터 펄스는 일련의 플러스 전압 펄스에 의해 각도(α)만큼 움직인 로터가 다시 그의 원래 위치로 되돌아오는 방식으로 선택된다. 로터가 다시 원래의 위치로 이동하는 동안 신호를 평가하지 않아도 되므로, 카운터 펄스들 간의 기간을 짧게 유지할 수 있다. 마찬가지로, 전압 펄스당 보다 큰 운동이 허용되므로, 카운터 펄스의 진폭은 플러스 전압보다 크도록 선택될 수 있다. 일련의 마이너스 카운터 펄스 이후, 펄스 보상이 없는 경우보다 카운터 펄스에 의해 생긴 모터의 펄스에서 전류가 더 빨리 감쇠하도록 하기 위해 보상 펄스를 사용한다.
도 2는 모터의 3가지 상 (a, b, c 전류)에서의 측정 전류를 나타낸다. 상부의 첫번째 도면은 시간(x축, ms 단위)에 대해 a 상에서의 전류(y축, 임의 단위)를 나타낸다. 중간의 두 번째 도면은 시간(x축, ms 단위)에 대해 b 상에서의 전류(y축, 임의 단위)를 나타낸다. 하부의 세번째 도면은 시간(x축, ms 단위)에 대해 c상에서의 전류(y축, 임의 단위)를 나타낸다. 특정 d/q 로터계의 d축을 따라서 전류는, d축을 따라 예상 역 EMF의 측정을 가능케 한다. 이 목적을 위해, 모터의 상에서의 전류는 아래의 식에 의해 d/q 로터계로 변환된다:
Figure pat00001
여기서 θ는 미리 결정된 로터 각도를 나타낸다.
도 3은 특정 d/q 로터계로 변환된 전류를 나타낸다. 상부 도면은 시간(x축, ms 단위)에 대해 특정 d축을 따라서 전류(y축, 임의 단위)를 나타낸다. 하부 도면은 시간(x축, ms 단위)에 대해 특정 q축을 따라서 전류(y축, 임의 단위)을 나타낸다. d축을 따라서 예상 역 EMF는, d축을 따라 전류로부터 결정될 수 있으며; 도시한 실시예에서는, 제로 전압이 모터의 상에 인가될 때에, 전류가 인가된다. 다음의 운동 방정식은 (제로 전압의 기간에) 관련된 전류 샘플의 전류를 설명한다:
Figure pat00002
여기서, a는 저항과 인덕턴스의 함수인 모터 파라미터이며, 알려진 모터 식별 방법에 의해 결정될 수 있다. GEMK d 는 특정 d/q 로터계의 d축을 따라서 역 EMF, 또는 d축 상에 투영된 역 EMF이며, 이는 측정 전류로부터 결정된다. 다양한 주기가 R의 항(term)으로 넘버링되며, 즉, 역 EMF는 d축을 따라서 연속적인 전류 샘플로부터 결정될 수 있다. 배향 결정을 위해 d축을 따라서 예상 역 EMF는 운동 방정식으로부터 직접 계산할 수 있으며, 다수의 측정점에 걸쳐 평균화할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 칼만(Kalman) 필터나 루엔버거(Luenberger) 관측기를 사용할 수 있다.
도 4a는 운동 방정식으로부터, 그리고 평균화하여 얻은, d축을 따라서 예상 역 EMF를 나타낸다. 역 EMF(y축, 임의 단위)는 시간(x 축, ms 단위)에 대해 도시되어 있다. 도 4b는 예상 역 EMF의 적분을 나타내며, 이는 시간 적분에 의해 도 4a에서 d축을 따라 예상 역 EMF로부터 결정된다. 역 EMF(y축, 임의 단위)의 적분은 시간(x축, ms 단위)에 대해 도시되어 있다. t = 17ms에서, 예상 역 EMF의 적분은, 역 EMF의 적분의 대수 부호가 결정되는 미리 결정된 임계 값에 도달한다. 도면에서, 임계 값에 도달시 적분의 대수 부호는 마이너스이며, 이로부터 로터의 배향이 특정 d축에 반대로 놓여 있는 것으로 결정할 수 있다. 임계 값에 도달되고, t = 17ms에서 로터의 배향이 결정된 후, 전압 펄스의 인가가 중단되며, 대신에, 로터를 다시 그의 원래 위치로 회전시키기 위해, 일련의 마이너스 카운터 펄스가 도 1에 따라 q방향으로 인가된다. 도 4a에서 명백한 바와 같이, 전압 펄스의 진폭이 변화하는 결과로서, 예상 역 EMF의 진폭은 d축을 따라서 증가하고, 미리 결정된 임계 값에 보다 빨리 도달한다. 따라서, 로터의 배향을 빠르게 결정할 수 있음과 아울러, 로터의 운동을 작게 유지할 수 있다.
도 5는 도 1 내지 4에 도시한 로터의 배향을 결정하는 방법 동안 로터의 위치 시프트를 나타낸다. 시프트 각도(y축, 도[°] 단위)는 시간(x축, ms 단위)에 대해 도시되어 있다. 전압 펄스의 인가로 인해, 로터 위치, 즉 로터 각도는 단계마다 변한다. 배향을 결정하기 위한 방법 동안 위치의 전개를 독립해서 도시하기 위해, 도면에 도시된 로터 각도는 증분 인코더로 결정하였다. 그러나, 증분 인코더는 일반적으로 본 발명에 따르는 방법의 구성요소가 아니며, 로터의 배향을 결정하는데 필요로 하는 것은 아니다. 도면은 전압 펄스가 로터 각도에서 작은 시프트만 발생되고, 4° 미만의 로터의 전체 운동은 기계적임을 보여준다. 전압 펄스의 인가가 종료되면, t=17ms에서 시프트는 최대값에 도달한다. 결과적으로 카운터 펄스에 의해 로터는 그의 원래 위치로 단계적으로 복귀된다. 도 1에 따른 카운터 펄스가 대략 1ms의 짧은 시간 동안 인가되고 있으나, 기계 시스템의 관성으로 인해, 전체 복귀 운동을 위해서는 약 20ms가 필요하다.

Claims (15)

  1. 알려진 로터 각도로부터 센서없이 무철심형 PMSM 모터의 로터의 배향(orientation)을 결정하는 방법에 있어서,
    a) 상기 로터 각도에 따라 로터계(rotor system)를 특정하는 단계와;
    b) 상기 로터계의 토크 형성 방향으로 모터의 상(phase)에 전압 펄스를 인가하는 단계와;
    c) 상기 모터의 상에서의 전류를 측정하는 단계와;
    d) 상기 측정된 전류에 기초하여, 자속 형성 축을 따라서 예상 역 기전력(EMF)를 결정하는 단계와;
    e) 상기 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF의 시간 적분에 의해 예상 역 EMF의 적분 및/또는 필터 기반 누적 함수를 형성하는 단계와;
    f) 상기 예상 역 EMF의 적분의 대수 부호 및/또는 누적 함수로부터 로터의 배향을 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF를 결정하기 위해, 제로 전압시 상기 모터의 상에서 측정된 전류만 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 예상 역 EMF의 적분이 미리 결정된 임계 값에 도달하는 즉시 전압 펄스의 인가가 종결되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 펄스가 인가된 후에, 하나 이상의 카운터 펄스가 인가되어 로터를 다시 원래의 위치로 이동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 카운터 펄스는 상기 특정된 로터계의 마이너스 토크 형성 방향으로 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 카운터 펄스는 상기 특정된 로터계의 마이너스 토크 형성 방향으로 인가되고, 상기 카운터 펄스는 인가된 전압 펄스의 적분인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 카운터 펄스는 상기 로터의 소정 배향의 자속 형성 방향으로 인가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전압 펄스는, 전압 펄스의 진폭이 시간의 경과에 따라 변화되는 상태에서, 직사각형 펄스인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전압 펄스의 진폭은, 상기 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF의 진폭의 함수로서 변화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    2개의 전압 펄스들 사이에서 시간이 변화하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예상 역 EMF는 상기 자속 형성 축을 따라서 필터링되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정된 전류는 상기 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF를 결정하기 위해 다수의 측정점에 걸쳐서 평균화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자속 형성 축을 따라서 예상 역 EMF를 결정하기 위해, 칼만(Kalman) 필터나 루엔버거(Luenberger) 관측기를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알려진 로터 각도는:
    a. 모터의 상에 전압 펄스를 인가하는 단계와;
    b. 상에서 전류를 측정하는 단계와;
    c. 상기 측정된 전류로부터 로터 각도를 결정하는 단계를 포함하여 결정되며, 여기서 제로 전압이 모터의 상에 인가될 때 측정된 전류만 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따르는 방법에 의해서 무철심형 PMSM 모터에서 로터의 배향을 결정하는 모터 시스템에 있어서,
    예상 역 EMF의 적분 및/또는 필터 기반 누적 함수를 형성하는 처리 유닛과;
    상기 예상 역 EMF의 적분의 미리 결정된 임계 값을 저장하는 메모리와;
    상기 예상 역 EMF의 적분을 상기 미리 결정된 임계 값과 비교하는 비교기 유닛을 포함하는 시스템.
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