KR20180128480A - 전기 모터 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법으로서, 상기 방법은 상기 모터의 셧다운이 개시된 후에 수행되며, 상기 방법은 모터 제어기의 타이머를 시작하는 단계; 로터로부터의 운동 에너지를 회수하기 위해 전기 에너지로 재생 브레이킹(regenerative braking)을 실시하는 단계; 상기 재생 브레이킹으로부터 회수된 전기 에너지를 사용하여 상기 모터 제어기에 전력을 공급하는 단계; 및 상기 모터 제어기의 타이머가 미리 결정된 타이머 값을 초과하는 경우, 상기 모터가 정지되었음을 나타내도록 상기 모터 제어기의 메모리에 플래그를 설정하는 단계를 포함한다.

Description

전기 모터 제어 방법
본 발명은 전기 모터 제어 방법에 관한 것이다.
모터가 스위치 오프되는 경우, 로터가 회전을 정지하기까지 종종 시간이 걸릴 수 있다. 영구 자석 브러쉬리스 전기 모터에서, 로터가 정지되는 지점에 도달함에 따라, 코깅 토크(cogging torque)로 알려진 로터의 극과 고정자의 극의 전자기 인력/상호 작용에 의해 로터가 완전히 정지되기 전까지 회전 진동하게 된다. 이를 때때로 지터 위상(jitter phase)라고 한다. 지터 위상은 대체로 여러 요소, 예를 들어, 자석의 강도 및 고정자 극의 로터에 대한 근접성 등에 의존하는 설정 기간 동안 지속될 것이다.
만약 로터가 여전히 지터 위상에서 진동하는 동안 모터를 재시작하려고 시도하면 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 모터는 로터가 역방향으로 회전하는 상태에서 의도하지 않게 시동될 수도 있다. 따라서, 시동 루틴을 시작되기 전 모터를 시작할 때, 모터가 지터 위상에 있는지 여부를 먼저 검출하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 지터 위상을 검출하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 예를 들어, 만약 모터에 홀 센서와 같은 로터 위치 센서가 구비되는 경우, 진동의 범위는 전형적으로 너무 작아서 로터 위치 센서에 의해 검출되지 않을 것이다.
모터가 지터 위상에 있는지를 검출하는 것이 불가능하므로, 모터가 켜지면, 로터가 회전되기 전에 로터가 정지 상태에 있다는 것을 보장하기 위해 시동 루틴이 수행되기 전 작은 시간 지연이 종종 설정된다. 이러한 시간 지연은 단지 임의의 진동이 중단되었음을 보장할 정도로만 길어질 것이다. 그러나, 모터를 시동시키는데 있어서는 어떠한 지연도 바람직하지 않다.
본 발명의 제1 양태는 로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 모터의 셧다운이 개시된 후에 수행되며, 상기 방법은:
모터 제어기의 타이머를 시작하는 단계;
로터로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위해 재생 브레이킹을 실시하는 단계;
상기 재생 브레이킹으로부터 회수된 전기 에너지를 사용하여 상기 모터 제어기에 전력을 공급하는 단계; 및
상기 모터 제어기의 타이머가 미리 결정된 타이머 값을 초과하는 경우, 상기 모터가 정지되었음을 나타내도록 상기 모터 제어기의 메모리에 플래그를 설정하는 단계를 포함한다.
결과적으로, 모터가 다음에 턴 온(turn on)될 때, 플래그는 모터가 완전히 정지되었다는 표시로서 동작할 수 있으며, 시동 루틴은 모터가 시작되기 전에 지연이 수행될 필요없이 즉시 개시될 수 있다.
회수된 전기 에너지는 커패시터에 저장될 수 있다. 따라서, 회수된 에너지는 즉시 사용될 필요가 없으며 필요할 때까지 저장될 수 있다.
커패시터는 DC 링크 커패시터이다. 결과적으로, 추가 부품이 필요하지 않으며 모터 비용이 낮아질 수 있다.
이 방법은 커패시터 양단의 전압을 최대 전압 임계값과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다. 만약 커패시터 양단의 전압이 최대 임계값을 초과하는 경우, 상기 방법은 재생 브레이킹을 정지하고, 프리휠 브레이킹을 개시하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 전압을 모니터하고, 만약 전압이 너무 높아지면 재생 브레이킹을 중단함으로써 커패시터 및 모터의 다른 전기적 부품에 대한 임의의 손상도 피할 수 있다.
미리 결정된 타이머 값은 모터 셧다운(shut down)이 개시된 후 로터가 완전한 정지에 도달하는데 필요한 최소 시간 기간에 대응할 수 있다. 미리 결정된 타이머 값은 0.5 내지 5초일 수 있고, 1 내지 2초일 수 있다. 따라서, 모터 제어기는 모터가 셧다운된 후 가능한 최소 시간 동안 전력을 공급하는 것만을 필요로 한다. 이것은 재생 브레이킹에 의해 회수될 필요가 있는 에너지의 양을 최소화하는 것을 돕는다.
플래그는 모터 제어기 내의 비 휘발성 메모리에 설정될 수 있으며, 전기적으로 삭제가능한 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EEPROM)로 설정될 수도 있다. 따라서 모터가 셧다운된 후에도, 심지어 전원이 제거되더라도 플래그는 설정된 상태로 유지될 것이며, 일단 모터가 다시 백업을 시작하면 준비가 가능해질 것이다.
본 발명의 제2 양태는 모터의 시동이 개시된 후에 수행되는 전기 모터의 제어 방법을 제공하며, 상기 방법은:
상기 모터가 정지되었다는 표시인 플래그가 모터 제어기의 메모리에 설정되었는지 여부에 대한 점검을 실시하는 단계; 및
상기 플래그가 설정된 경우, 실질적으로 즉시 상기 모터 제어기가 모터 시동 루틴을 시작하게 하거나,
상기 플래그가 설정되지 않은 경우, 미리 결정된 지연 기간 동안 모터 제어기가 모터 시동 루틴을 개시하는 것을 지연시키는 단계를 포함한다.
결과적으로, 시동 루틴이 수행되기 전에 시동 절차에 지연을 통합할 필요가 있어서 플래그 점검이 훨씬 빠르기 때문에 모터가 시동되는데 걸리는 시간은 최소화될 수 있다.
만약 플래그가 설정되면, 상기 방법은 플래그를 클리어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
임의의 플래그가 설정되지 않은 경우, 상기 방법은 미리 결정된 지연 기간 동안 브레이킹 루틴을 인에이블(enable)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 브레이킹 루틴은 프리휠 브레이킹을 포함할 수 있다. 이렇게 하면 시동 루틴의 개시를 지연시키는데 필요한 시간이 단축될 것이다.
미리 결정된 지연 기간은 모터가 스위치 오프된 후 로터가 완전한 정지에 도달하기 위해 필요한 최소 시간 기간에 대응할 수 있으며, 상기 미리 결정된 지연 기간은 0.5 내지 5초, 또는 1 내지 2초일 수 있다.
이 방법은 본 발명의 제1 양태에 기술된 방법에 따라 셧다운된 모터를 시작하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 제3 양태는 모터의 전기적 사이클을 반영하는 재동기화 신호를 제공하는 영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법을 제공하며, 상기 방법은:
상기 재동기화 신호의 재동기화 기간을 측정하는 단계;
전기적 사이클의 제1 부분에서, 로터의 회전 자기장을 사용하여 위상 인덕턴스를 충전하는 단계; 및
상기 모터의 전기적 사이클의 제2 부분에서, 상기 충전된 위상 인덕턴스를 사용하여 이후 커패시터를 충전하는 단계를 포함한다.
결과적으로, 회전 로터로부터의 운동 에너지는 로터가 느려짐에 따라 재획득되고 전기 에너지로 변환될 수 있으며, 상기 재획득된 에너지는 커패시터에 저장되어 사용된다.
전기적 사이클의 제1 부분은 측정된 재동기화 기간 중의 미리 결정된 일부 동안 지속될 수 있고 미리 결정된 일부는 측정된 재동기화 기간의 1/4일 수 있다. 이는 로터가 회전하고 있는 속도를 여전히 모니터 할 수 있는 동안에 로터로부터 최적의 양의 에너지를 재획득될 수 있게 한다.
전기적 사이클의 제2 부분은 설정된 미리 결정된 값동안 지속될 수 있다. 상기 설정된 미리 결정된 값은 상기 재동기화 기간에 대한 최소값의 적어도 50% 내지 75% 일 수 있고, 상기 재동기화 기간에 대한 최소값은 상기 모터가 최고 속도로 구동될 때 상기 재동기화 기간의 길이이다. 따라서, 재생 브레이킹 방법은 모터의 최대 속도 범위에 걸쳐 작동할 수 있을 것이다.
로터의 회전 자기장을 사용하여 위상 인덕턴스를 충전하는 단계는 모터의 인버터 내의 단일 스위치가 위상 권선을 통해 전류를 흐르게 하도록 인에이블하는 단계를 포함할 수 있다.
충전된 위상 인덕턴스를 사용하여 이후 커패시터를 충전하는 단계는 모터의 인버터 내의 모든 스위치를 디스에이블하는 단계 및 유도된 전류를 커패시터의 일측에서 다른측으로 강제로 가하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명이 보다 쉽게 이해될 수 있도록 하기 위해, 본 발명의 실시예가 다음의 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 모터 셧다운 절차의 단계의 윤곽을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 2는 모터 시동 절차의 단계를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
도 3은 모터 시스템의 개략도이다.
도 4는 도 3의 모터 시스템의 구성 요소를 나타내는 회로도이다.
도 5는 재생 브레이킹 동안의 파형을 도시한다.
도 6 및 도 7은 도 5의 재생 브레이킹의 상이한 스테이지 동안의 도 4의 회로도의 일부를 도시한다.
도 8은 재생 브레이킹 모드의 단계의 윤곽을 도시하는 흐름도이다.
도 9는 모터를 포함하는 손바닥 크기의 장치를 도시한다.
코깅 토크로 인해 모터는 정지 직전에 진동(지터) 위상으로 진입한다. 이러한 진동 동안 로터 위치 센서로부터의 신호가 없으므로 소프트웨어는 모터가 진동하고 있는지 여부를 말하는 것이 가능하지 않다. 그러나, 로터 위치 센서 신호가 손실된 후, 지터 위상은 정의된 기간 동안 전형적으로 지속될 것이며 이를 본원에서는 세틀링 기간(settling period)이라고 한다. 세틀링 기간은 각 모터에 따라 상이할 것이며, 예를 들면 로터 자석 강도, 에어 갭의 크기 등 여러 요소에 의존할 것이다. 예를 들어, 모터는 약 0.6초의 세틀링 기간을 가질 수 있다.
시동 절차에 지연 기간을 통합시킬 필요성을 피하려면, 모터가 정지된 경우에는 적어도 세틀링 기간 동안에라도 모터가 꺼진 동안 점검하는 것이 바람직하다. 그러나 전형적으로 그렇듯이, 모터 및 모터 컨트롤러의 전원이 스위치 오프되어 있으면 언제나 가능한 것은 아닐 것이다. 따라서, 커패시터를 충전하는 모터 셧다운 절차 중에 재생 브레이킹 스테이지를 통합하는 방법이 이하에서 기술될 것이다. 그 후, 커패시터의 전원은 세틀링 기간이 완료되었는지 확인하기 위해 작동하는 모터 컨트롤러의 타이머에 전원을 공급하는데 사용될 수 있다.
도 1은 모터 셧다운 절차의 일 실시예에서 수행된 단계들의 윤곽을 나타낸 흐름도이다:
1.1. 모터 셧다운 절차가 시작된다. 이는 예를 들어, 사용자가 전원을 턴 오프(turn off)하는 것에 대한 응답이거나 폴트(fault) 검출 후 자동으로 셧다운 되는 것일 수 있다.
1.2. 타이머가 시작된다. 이 타이머는 모터가 스위치 오프된 지점에서부터 경과된 시간의 길이를 결정하는데 사용된다. 모터를 위한 타이머 임계값이 설정될 수 있다. 만약 임계값에 도달하면, 모터 셧다운이 개시된 이후 적어도 세틀링 기간의 시간이 경과한 것으로 결정될 수 있도록 임계값이 설정될 수 있다.
1.3. 재생 브레이킹 스테이지가 개시된다. 이 단계는 두가지 주요 목적을 가진다. 첫째로, 모터 상의 브레이킹 효과를 가지므로 일단 모터가 턴 오프되면 모터를 더 빨리 감속시키는 동작을 한다. 둘째로, 모터로부터 운동에너지를 회수하여 커패시터에 전기 에너지로 저장하며, 이 에너지는 시스템 셧다운 이후 기간 동안 타이머를 계속 작동시키는데 사용될 수 있다.
1.4. 커패시터 임계값에 도달했는지 확인하는 검사가 행해진다. 커패시터로 너무 많은 전력을 공급하려고 하면 커패시터 또는 모터의 다른 전기 부품이 손상될 수 있음이 이해될 수 있다. 예를 들어, 임계값은 커패시터를 가로지르는 전압의 측정값일 수 있다. 만약 임계값에 아직 도달하지 않았다면, 절차는 단계 1.3.으로 복귀하여 재생 브레이킹이 계속된다. 그러나, 일단 임계값에 도달하면 절차는 단계 1.5.로 진행한다.
1.5. 모터가 여전히 회전하고 있지만, 커패시터를 충전하기 위한 더 이상의 에너지는 필요하지 않다. 그러나, 모터는 여전히 정지되어야하며, 따라서 프리휠 브레이킹 단계가 개시된다. 프리휠 브레이킹은 공지되어 있으므로, 본원에서 상세히 설명되지는 않을 것이다.
1.6. 상술한 타이머 임계값에 도달하였는지 확인하는 검사를 한다. 만약 임계값에 도달하지 않은 경우, 단계 1.5의 프리휠 브레이킹이 계속된다. 만약 타이머 임계값에 도달한 경우, 단계 1.7로 진행한다.
1.7. "모터 정지" 플래그가 설정된다. 이 플래그는 비 휘발성 플래그이며, 예를 들어 EEPROM에 저장될 수 있다.
1.8. 모터는 정지된다.
상기 방법에는 모터의 속도를 점검하는 추가 단계가 포함될 수 있다. 만약 로터가 재생 브레이킹 단계가 수행되기 전에 천천히 회전하는 경우, 이를 알고 있는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 로터가 높은 초기 속도에서부터 시작하는 경우와 비교하여 로터가 정지하는데 더 짧은 시간이 걸리는 것으로 알려져 있으므로, 감소된 타이머 임계값이 채택될 수 있다. 이렇게 하면 로터의 낮은 시동 속도에서 에너지 회수 수준을 낮추기 때문에 플래그를 설정하기 전에 컨트롤러의 전원이 끊어질 기회가 줄어들 것이다.
비 휘발성 "모터 정지" 플래그는 정상적인 모터 시동 루틴이 수행되기 전에 지연이 필요한지 여부에 대해 다음에 모터가 시동될 때 점검이 가능하도록 한다. 도 2는 모터 시동 루틴의 초기 스테이지의 일 실시예에서 수행되는 단계의 윤곽을 나타낸 흐름도이다:
2.1. 모터가 시작된다. 이것은 예를 들어, 사용자가 모터를 턴 온하는 것에 대한 응답일 수 있다.
2.2. "모터 정지" 플래그가 설정되었는지 확인하는 점검이 수행된다. 만약 플래그가 설정된 경우, 모터가 완전히 정지하고 모터를 즉시 다시 시작하는 것이 안전하다는 것이 확실하다. 따라서 루틴은 단계 2.3으로 진행한다. 만약 "모터 정지" 플래그가 설정되지 않은 경우, 모터가 완전히 정지한 것이 확실하지 않으며, 모터는 여전히 지터 위상에 있을 가능성이 있다. 따라서, 루틴은 단계 2.4로 진행된다.
2.3. 단계 2.2에서 "모터 정지" 플래그가 설정되었다는 것을 식별한 후, 플래그는 클리어될 수 있고, 프로세스는 모터에 대한 전형적인 시동 루틴이 수행되는 단계 2.6.으로 바로 진행된다.
2.4. 단계 2.2에서 "모터 정지" 플래그가 설정되지 않은 것을 식별한 후, 모터는 프리휠 브레이킹을 인에이블한다. 만약 모터가 여전히 움직이고 있다면, 프리휠 브레이킹은 모터를 더 빠르게 멈추게 할 것이다.
2.5. 일단 프리휠 브레이킹이 인에이블되면, 마지막으로 단계 2.6으로 진행되는 절차 전에 미리 결정된 시간, 이 경우에는 1.25초의 지연이 수행된다.
2.6. 전형적인 모터 시동 루틴이 개시된다.
상술된 1.25초의 예시적인 미리 결정된 지연 기간은 모터가 스위치 오프된 후 로터가 완전한 정지에 도달하는데 필요한 최소 시간에 대응하도록 계산된다. 이 값은 모터마다 다를 것이라는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 손바닥 크기에 포함된 모터의 경우 대부분의 미리 결정된 지연 시간은 0.5초에서 5초로 예상된다.
도 3은 모터(2) 및 모터(2)를 제어하기 위한 마이크로컨트롤러(3)를 포함하는 모터 시스템(1)의 개략도이다. 모터 시스템(1)으로의 전력은 AC 전원 공급원(4)에 의해 제공된다. AC 전원 공급원(4)은 가정용 공급 장치를 위한 것이다.
모터(2)는 영구 자석 브러쉬리스 모터이고, 적어도 하나의 위상 권선을 포함한다. 제어 시스템(3)은 정류기(5), DC 링크 필터(6), 인버터(7), 게이트 드라이버 모듈(8), 마이크로컨트롤러(9), 및 재생 브레이킹 모듈(10)을 포함한다.
도 4는 모터 시스템(1)의 다수의 구성 요소를 도시하는 단순화된 회로도이다. 정류기(5)는 DC 전압을 제공하기 위해 AC 공급원(4)의 출력을 정류하는 전파 브릿지 구조(full-wave bridge arrangement)로 배치된 4개의 다이오드(D1-D4)를 포함한다.
DC 링크 필터(6)는 링크 커패시터(C1) 및 링크 인덕터(L1)를 포함한다. 링크 커패시터(C1)는 인버터 스위칭으로부터 발생하는 상대적으로 높은 주파수의 리플을 평활하게 하는 기능을 한다. 이하에서 보다 상세히 설명하는 바와 같이, 링크 커패시터(C1)는 기초 주파수에서 정류된 DC 전압을 부드럽게 하는 것을 필요로 하지 않는다. 결과적으로, 비교적 낮은 커패시턴스의 링크 커패시터가 사용될 수 있다. 링크 인덕터(L1)는 인버터 스위칭으로부터 발생하는 잔류 전류 리플을 부드럽게 하는 동작을 한다. 또한, 링크 인덕터(L1)는 인버터(10)의 스위칭 주파수에서 리플을 감소시키기 때문에, 비교적 낮은 인덕턴스의 인덕터가 사용될 수 있다.
인버터(7)는 DC 링크 전압을 위상 권선(14)에 결합하는 4개의 전원 스위치 (S1-S4)의 풀 브릿지(full bridge)를 포함한다. 각 전원 스위치(S1-S4)는 IGBT이며, 전형적인 대부분의 주 전원 공급 장치의 전압 수준에서 작동할 수 있다. 전원 스위치의 정격과 AC 공급원(4)의 전압에 따라 BJT 또는 MOSFET과 같은 다른 유형의 전원 스위치가 대신하여 사용될 수 있다. 각 스위치(S1-S4)는 플라이백 다이오드(flyback diode)를 포함하고 있어 인버터 스위칭 동안 발생하는 전압 스파이크로부터 스위치를 보호한다.
게이트 드라이버 모듈(8)은 마이크로컨트롤러(9)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 인버터(7)의 스위치(S1-S4)의 개폐를 구동한다.
마이크로컨트롤러(9)는 프로세서(11), 메모리 디바이스(12), 및 복수의 주변 기기(13)(예를 들어, ADC, 비교기, 타이머 등)를 포함한다. 메모리 디바이스(12)는 프로세서(11)에 의한 실행을 위한 소프트웨어 명령을 저장한다. 메모리 디바이스(12)는 또한 EEPROM 메모리 영역을 포함할 수 있으며, 여기서 도 1 및 도 2의 방법에서 설명된 "모터 정지" 플래그와 같은 플래그가 설정 및 클리어될 수 있다.
모터(2)에 대한 제어 방식에 관하여, 시동, 가속, 및 정상 속도 모드는 브러위리스 영구 자석 모터에 대해 전형적인 것일 수 있고, 어떠한 경우에도 본 발명의 범위를 벗어나기 때문에 본원에서는 상세하게 설명하지 않을 것이다.
재생 브레이킹 모듈(10)은 도 3의 목적을 위해 마이크로컨트롤러(9)와 별개로 도시되어 있지만, 마이크로컨트롤러(9)의 일부를 형성할 수 있다는 것이 이해될 것이며, 특히 메모리 디바이스(12)에 저장되고 프로세서(11)에 의해 실행되어서 도 1의 단계 1.3에서 설명한 바와 같이 재생 브레이킹을 구현하는 별도의 소프트웨어 명령을 형성할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 재생 브레이킹 및 그것이 어떻게 수행되는지는 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명될 것이다.
재생 브레이킹은 모터의 전원이 턴 오프된 후에 수행된다. 도 5는 재생 브레이킹 모드 동안의 모터 시스템의 파형을 도시한다. 로터 위치의 표시를 제공하는 재동기화 신호는 재생 브레이킹 모듈(10) 및/또는 제어 시스템(3)에 제공된다. 일부 실시예에서, 이러한 재동기화 신호는 로터 위치 센서, 예를 들어 홀 센서를 사용하여 검출될 수 있다. 그러므로 재동기화 기간은 모터의 전기적 주기를 나타내며, 전체 재동기화 사이클은 전체 전기적 사이클과 동일한다. 대안으로, 재동기화 신호는 예를 들어 제 GB2501370호에 기재된 것과 같은 무센서 방식을 사용하여 소프트웨어에 생성될 수 있다. 재동기화 신호는 재동기화 기간, T_RESYNC을 가지며, 이는 후술하는 재생 브레이킹 동안의 관련된 타이밍을 계산하는데 사용된다.
도 5의 파형은 반복되는 스테이지 A 내지 C로 분할된다. 스테이지 A에서, 마이크로컨트롤러(9)가 재동기화 신호의 상승 에지를 기다리는 동안 모든 스위치(S1-S4)는 오프 상태이고, 위상 권선(14)에는 위상 전류가 존재하지 않는다. 일단 재동기화 신호의 상승 에지가 검출되면, 스테이지 B가 시작된다.
스테이지 B에서, 스위치 S4는 인에이블(턴 온)되며, 로터가 여전히 회전하기 때문에 인덕터 역할을 하는 위상 권선에 위상 전류가 생성된다. 도 6은 재생 브레이킹 파형의 스테이지 B동안 도 4의 회로도의 일부와 그동안 일어나는 일을 도시한다. 여기서 위상 권선에서 생성된 전류는 스위치 S4(온으로 설정됨)를 통해, 그리고 스위치 S2에서 플라이백 다이오드를 통해 흐르는 것이 가능하다. 따라서 위상 전류는 화살표 B로 표시된 바와 같이 인버터(7)의 하부 반부 주위를 순환한다. 이에 따라, 스테이지 B동안 위상 인덕턴스가 충전되고, 로터의 운동 에너지가 유도된 위상 전류에 의해 생성된 자기장의 형태로 자기 에너지로 변환된다고 말할 수 있다. 또한, 이 유도 자기장은 로터가 로터의 영구 자석의 자기장에 반하여 동작할 때 로터를 늦추는데 도움이 된다. 스테이지 B는 미리 결정된 비율의 재동기화 기간 동안 지속된다. 모터의 요구 사항과 재생 브레이킹 중에 다시 회수할 필요가 있는 에너지 수준에 따라 스테이지 B의 비례하는 길이가 조정될 수 있다. 그러나, 재동기화 기간의 1/4 기간이 특히 효율적이고 유익한 것으로 밝혀졌는데, 즉
Figure pct00001
이다.
일단 스테이지 B가 종료되면, 스위치 S4는 디스에이블(스위치 오프)되고, 유도 자기장에 저장된 자기 에너지는 DC 링크 커패시터 C1을 충전하는 동작을 하는 전기 에너지로 변환된다. 도 7은 스테이지 C에서 가져온 도 6의 회로에 대한 변화를 도시한 것이다. 이제 S4는 스위치 오프된 상태에서, 위상 인덕턴스의 자기장에 저장된 에너지는 자기장이 붕괴되면서 전기 에너지로 변환된다. 더이상 S4를 통과할 수 없는 유도된 전류는 도 7의 화살표 C로 나타낸 바와 같이 S2 및 S3의 다이오드를 통과하여 DC 링크 커패시터를 충전한다.
도 5의 위상 전류 파형 하의 빗금친 영역은 재생 브레이킹에 의해 달성된 전력을 나타낸다. 일단 스테이지 C가 완료되면, 스테이지 A가 반복되고, 시스템은 재생 동기화 신호의 다음 상승 에지가 검출될 때까지 대기한다.
스테이지 C는 미리 결정된 시간 T_C 동안 지속된다. T_C의 길이는 절충하여 나온 것이다. 이는 위상 전류가 0으로 되돌아갈 만큼 충분히 길어야하지만, 또한 가장 높은 로터 속도에서도 재동기화 신호의 다음 상승 에지와 교차되지 않을 정도로 충분히 짧아야 한다. 이는 로터 위치를 결정하기 위해 홀 센서를 사용하지 않는 무센서 시스템에서 특히 중요하다. 만약 무센서 시스템에서 T_C가 너무 길면, 재동기 신호의 다음 상승 에지가 누락될 가능성이 있으며 제어 방식은 실패할 것이다. 120krpm의 최고 속도를 가지며 T_B = ¼ T_RESYNC인 모터의 특정한 일 실시예에서, 기간 T_C는 150μs (1.5 x 10-4 초)로 설정된다. 가능한 가장 짧은 재동기화 기간인 T_RESYNC_MIN은 모터가 최고 속도로 회전할 때이다. 전술한 특정 실시예에서, 모터가 120krpm의 최고 속도로 회전할 때 T_RESYNC_MIN는 250μs이고, 따라서 T_B + T_C는 최고 속도에서 212.5μs가 되며 T_RESYNC_MIN보다 작다. 따라서, 소프트웨어는 최고 로터 속도에서도 재동기화 신호의 다음 상승 에지를 검출할 수 있다. T_C의 길이는 모터의 최고 속도 및 T_B의 원하는 길이를 포함하는 다수의 요인에 의존할 것이다. 그러나, T_C의 길이는 (½ x T_RESYNC_MIN)과 (¾ x T_RESYNC_MIN) 사이에 있는 것이 바람직하다.
로터가 느려짐에 따라, T_B의 길이는 T_RESYNC가 변함에 따라 분명히 변할 것이다. 방식을 단순화하고, 시스템의 메모리 및 전력 요구 사항을 낮추기 위해 상기 방법은 고정된 길이의 T_C를 제안한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 더 긴 T_RESYNC 기간을 고려하여 로터가 느려짐에 따라 T_C의 값을 변경하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 상이한 T_RESYNC 값들에 대한 T_C의 값은 룩업 테이블에 보관될 수 있고 채용될 수 있다.
도 8은 도 1의 단계 1.3의 재생 브레이킹 모드 동안 수행된 단계들의 윤곽을 도시한 흐름도이다. 또한 흐름도는 단계가 상술한 대로 스테이지 A 내지 스테이지 C와의 상관 관계를 도시한다.
8.1. 모터는 도 1의 흐름도의 단계 1.3 처럼 재생 브레이킹 모드로 진입한다.
8.2. 재동기화 기간이 측정된다. 이는 재동기화 신호에서 두 재동기화 상승 이벤트 사이의 타이머를 측정함으로써 수행된다.
8.3. 이전에 결정된 재동기화 기간에서 T_B를 계산한다. 위에서 살펴본 예시에서는 방금 측정한 재동기화 기간의 1/4이 된다. 스위치 S4가 인에이블되고, 도 5의 파형에 도시된 것과 같이 위상 전류가 상승하기 시작한다. 타이머, 여기서는 재생 타이머가 시작된다. 재생 타이머는 전술한 스테이지 B 및 C의 길이, 즉 T_B 및 T_C를 측정하는데 사용된다. 두 기간을 측정하는 단일 재생 타이머가 여기에 설명되어 있지만 별도의 타이머를 사용하여 T_B 및 T_C를 측정할 수 있다.
8.4. DC 링크 전압이 설정된 임계값을 초과하지 않는지 확인하는 점검이 이루어진다. 전술한 바와 같이, DC 링크 커패시터 C1은 과충전되면 손상될 수 있다. 그러므로 임계값은 커패시터 및 다른 전기 부품을 보호하는 역할을 한다. DC 링크 전압이 임계값을 초과하면, 프로세스는 단계 8.8로 곧바로 진행한다. DC 링크 전압이 임계값 미만이면, 프로세스는 단계 8.5로 진행한다.
8.5. 일단 DC 링크 전압이 임계값 미만에 있게 되면, 단계 8.3에서 시작된 재생 타이머가 단계 8.3에서 계산된 T_B 기간을 오버플로우했는지 확인하는 점검이 이루어진다. 만약 타이머가 아직 T_B 주기를 오버플로우 하지 않은 경우, 프로세스는 타이머가 오버플로우할 때까지 단계 8.5를 반복한다. 만약 오버플로우 하면, 프로세스는 단계 8.6으로 진행한다.
8.6. 이 단계는 스테이지 C에 대응한다. 스위치 S4는 디스에이블되고, 자기장 내에 저장된 에너지는 이후 DC 링크 커패시터에 저장될 전기 에너지로 변환된다. 일단, 스위치(S4)가 턴 오프되면, 미리 결정된 시간(즉, T_C)동안 지연이 있게 된다. 이러한 지연은 재생 타이머에 의해 측정될 수 있다. 미리 결정된 시간(T_C)이 경과한 후에, 스테이지 C는 완료되고, 프로세스는 단계 8.7로 이동한다.
8.7. 이 스테이지는 스테이지 A를 반복을 나타낸다. 시스템은 재동기화 신호에서 다음 상승 에지 이벤트의 검출을 기다린다. 일단 이것이 검출되면, 업데이트된 재동기화 기간이 계산될 수 있고, 프로세스 단계 8.3.으로 되돌아간다. 로터는 시간이 지나면서 느려지므로 T_B의 길이가 현재 전류 재동기화 기간인 T_RESYNC의 길이에 적합한지 확인하기 위해 재동기화 기간을 정기적으로 업데이트하는 것이 중요하다.
8.8. 프리휠 브레이킹 모드가 인에이블되고, 재생 브레이킹으로부터 이어받는다.
프리휠 브레이킹은 공지되어 있으므로, 본원에서 상세히 설명되지는 않을 것이다. 그러나, 요약하자면, 프리휠 브레이킹은 S2 및 S4(S2 및 S4는 스위치 온)를 인에이블하는 것을 포함한다. 이러한 방식으로, 위상 권선에서 유도된 전류는 인버터의 하부 반부 주위에서 프리휠되며, 이에 응답하여 로터의 회전을 반대하는 동작을 하는 기전력이 발생하여 로터 속도가 느려진다. 스위치 S2 및 S4는 전체 프리휠 브레이킹 기간 동안 스위치 온 상태를 유지한다.
전술한 재생 브레이킹을 수행하는 방법은 스테이지 B 동안 스위치 S4를 턴 온하고, 그 후 스테이지 C 동안 스위치 S4를 턴 오프하는 것을 포함한다. 그러나, S4 대신 스위치 S2를 사용하는 것이 대안일 수 있다. 이러한 대안에서, 위상 권선을 통과하는 전류의 흐름의 방향은 반대로 될 것이다. 이러한 대안에서, 스테이지 C에서 전류는 도 7에 도시된 바와 같이 스위치 S2 및 S3 대신에 스위치 S4 및 S1의 다이오드를 통해 흐를 것이다.
본원에 기술된 모터 셧다운, 모터 시동, 및 재생 브레이킹에 대한 방식은 임의의 모터에 적용가능할 수 있다고 이해될 것이다. 그러나, 제품이 스위칭 온될 때 제품 시동시 걸리는 임의의 지연이 불편하거나 제품에 결함이 있을 수 있다는 표시로 소비자에게 인지될 수 있는 경우에 소비자 제품의 모터에 대한 제어 방식으로 사용될 때 특히 유용할 수 있다. 도 9는 모터(2)를 포함하는 손바닥 크기의 기기(20)의 예시를 도시한다. 도 9에 도시된 손바닥 크기의 기기(20)는 헤어 드라이어이지만, 모터(2)는 예를 들어 다른 헤어 케어 제품, 진공 청소기, 선풍기, 손 건조기 등과 같은 다른 제품 및 가전에도 사용될 수 있다.
지금까지 특정 실시예가 설명되었지만, 청구 범위에 의해 정의된 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 변형이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
예를 들어, 전술한 실시예에서, 재생 브레이킹은 DC 링크 커패시터 C1을 충전한다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 별도의 커패시터 또는 전하 유지 디바이스가 재생 브레이킹 중에 회수된 에너지를 저장하는데 사용될 수 있다. 그러나 DC 링크 커패시터를 사용함으로써, 모터 시스템 비용을 낮추는 역할을 하는 추가 구성요소가 필요하지 않다.
전술한 실시예들은 모터가 AC 전력 공급원에 의해 전력 공급되는 것을 도시한다. 그러나, 상술한 모터 셧다운, 모터 시동, 및 재생 브레이킹 방식 중 하나 이상의 방식이 배터리 구동식 전기 모터의 제어에 사용될 수도 있다. 이 경우, 배터리 구동식 모터는 충전을 위한 DC 링크 커패시터를 가지지 않지만, 별도의 커패시터 또는 다른 전하 유지 디바이스가 대신 사용될 수 있다. 대안으로, 재생 브레이킹 방식에 의해 회수되는 에너지는 작동 중에 모터에 전력을 공급하기 위해 사용되는 주요 배터리 팩에 다시 저장될 수 있다.

Claims (25)

  1. 모터의 셧다운(shutdown)이 개시된 후에 수행되는, 로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법으로서,
    모터 제어기의 타이머를 시작하는 단계;
    로터로부터의 운동 에너지를 전기 에너지로 회수하기 위해 재생 브레이킹(regenerative braking)을 실시하는 단계;
    상기 재생 브레이킹으로부터 회수된 전기 에너지를 사용하여 상기 모터 제어기에 전력을 공급하는 단계; 및
    상기 모터 제어기의 타이머가 미리 결정된 타이머 값을 초과하는 경우, 상기 모터가 정지되었음을 나타내도록 상기 모터 제어기의 메모리에 플래그를 설정하는 단계를 포함하는,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회수된 전기 에너지는 커패시터에 저장되는,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커패시터는 DC 링크 커패시터인,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 커패시터 양단의 전압을 최대 전압 임계값과 비교하는 단계를 더 포함하는,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 커패시터 양단의 전압이 상기 최대 전압 임계값을 초과하면 재생 브레이킹을 정지하고, 프리휠 브레이킹(freewheel braking)을 개시하는,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 타이머 값은 모터 셧다운이 개시된 후에 로터가 완전히 정지하기 위해 필요한 최소 시간 기간에 대응하는,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 타이머 값은 0.5초 내지 5초인,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 미리 결정된 타이머 값은 1초 내지 2초인,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플래그는 모터 제어기 내의 비 휘발성 메모리에 설정되는,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플래그는 전기적으로 삭제가능한 프로그래밍 가능한 판독 전용 메모리(EEPROM)에 설정되는,
    로터를 갖는 전기 모터를 제어하기 위한 방법.
  11. 모터의 시동이 개시된 후에 수행되는, 전기 모터의 제어 방법으로서,
    상기 모터가 정지되었다는 표시인 플래그가 모터 제어기의 메모리에 설정되었는지 여부에 대한 점검을 실시하는 단계; 및
    상기 플래그가 설정된 경우 실질적으로 즉시 상기 모터 제어기가 모터 시동 루틴을 개시하게 하며, 또는 상기 플래그가 설정되지 않은 경우 미리 결정된 지연 기간 동안 모터 제어기가 모터 시동 루틴을 개시하는 것을 지연시키는 단계
    를 포함하는, 전기 모터의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플래그가 설정된 경우, 플래그를 클리어하는 단계를 더 포함하는,
    전기 모터의 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    임의의 플래그가 설정되지 않은 경우, 상기 미리 결정된 지연 기간 동안 브레이킹 루틴을 인에이블(enable)하는 단계를 더 포함하는,
    전기 모터의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 브레이킹 루틴은 프리휠 브레이킹을 포함하는,
    전기 모터의 제어 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 지연 기간은 모터가 스위치 오프된 후 로터가 완전한 정지에 도달하기 위해 필요한 최소 시간 기간에 대응하는,
    전기 모터의 제어 방법.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 지연 기간은 0.5초 내지 5초인,
    전기 모터의 제어 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 미리 결정된 지연 기간은 1초 내지 2초인,
    전기 모터의 제어 방법.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법에 따라 셧다운된 모터를 시작하는 데 사용되는,
    전기 모터의 제어 방법.
  19. 모터의 전기적 사이클을 반영하는 재동기화 신호를 제공하는 영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법으로서,
    상기 재동기화 신호의 재동기화 기간을 측정하는 단계;
    전기적 사이클의 제1 부분에서, 로터의 회전 자기장을 사용하여 위상 인덕턴스를 충전하는 단계; 및
    상기 모터의 전기적 사이클의 제2 부분에서, 상기 충전된 위상 인덕턴스를 사용하여 이후 커패시터를 충전하는 단계
    를 포함하는, 영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 전기적 사이클의 제1 부분은 상기 측정된 재동기화 기간 중의 미리 결정된 일부 동안 지속되는,
    영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 미리 결정된 일부는 상기 측정된 재동기화 기간의 1/4인,
    영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적 사이클의 제2 부분은 설정된 미리 결정된 값동안 지속되는,
    영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 설정된 미리 결정된 값은 상기 재동기화 기간에 대한 최소값의 적어도 50% 내지 75%이고, 상기 재동기화 기간에 대한 최소값은 상기 모터가 최고 속도로 구동될 때 상기 재동기화 기간의 길이인,
    영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    로터의 회전 자기장을 사용하여 상기 위상 인덕턴스를 충전하는 단계는 모터의 인버터 내의 단일 스위치가 위상 권선을 통해 전류를 흐르게 하도록 인에이블하는 단계를 포함하는,
    영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법.
  25. 제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 충전된 위상 인덕턴스를 사용하여 이후 커패시터를 충전하는 단계는 모터의 인버터 내의 모든 스위치를 디스에이블하는 단계 및 유도된 전류를 커패시터의 일측에서 다른측으로 강제로 가하는 단계를 포함하는,
    영구 자석 전기 모터에 대한 재생 브레이킹 방법.
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