KR20210137575A - 브러시리스 영구 자석 모터의 로터 위치 결정 방법 - Google Patents

브러시리스 영구 자석 모터의 로터 위치 결정 방법 Download PDF

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Abstract

브러시리스(brushless) 영구 자석 모터(14)의 로터(18)의 위치를 결정하는 방법(100)으로서, 상권선(phase winding)(22)의 여기(excitation) 동안 모터(14)의 상권선(22)을 통해 흐르는 상전류(phase current)를 측정하는 단계(102) 및 상권선의 여기 동안 모터의 상권선에 인가된 전압을 측정하는 단계(103)를 포함한다. 방법(100)은 측정된 상전류 및 측정된 전압을 이용하여 상권선(22)에 유도된 역기전력(back EMF)의 위상을 계산하는 단계(104)를 포함한다. 방법(100)은 상권선(22)에 유도된 역기전력의 계산된 위상을 사용하여 상권선(22)에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점(zero-crossing point)을 결정하는 단계(106)를 포함한다. 방법(100)은 상권선(22)에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때 브러시리스 영구 자석 모터의 로터(18)의 정렬된 위치를 결정하는 단계(108)를 포함한다.

Description

브러시리스 영구 자석 모터의 로터 위치 결정 방법
본 발명은 브러시리스(brushless) 영구 자석 모터의 로터 위치 결정 방법에 관한 것이다.
브러시리스 영구 자석 모터의 상권선(phase winding)을 정확한 시간에 정류(commutate)하기 위해서는 로터 위치에 대한 지식이 필수적이다. 브러시리스 영구 자석 모터에는 흔히 로터 위치를 나타내는 신호를 출력하는 홀-효과(Hall-effect) 센서가 포함된다. 센서의 부품 비용은 비교적 저렴하지만, 모터 내에 센서를 집적하면 모터의 설계 및 제조가 복잡해지는 경우가 많다. 또한, 센서에서 출력되는 신호는 모터 내부에서 발생하는 전자기 노이즈에 민감한 경우가 많다.
로터의 위치를 간접적으로 결정하기 위한 무센서(sensorless) 방식이 알려져 있다. 영구 자석 모터의 경우, 상권선에 유도된 역기전력의 극성 전환을 사용하여 로터 위치를 결정할 수 있다. 다상(multi-phase) 모터의 경우, 무여기(non-excited) 상권선에 유도된 역기전력을 감지하여 로터 위치를 결정할 수 있다. 단상(single-phase) 모터의 경우, 추가적인 상권선이 없기 때문에 이러한 유형의 제어가 불가능하다. 그럼에도 불구하고, 역기전력의 극성 전환이 예상되는 전기 주기의 지점에서 여기를 중단하여 로터의 위치를 결정할 수 있다. 그러나, 여기를 중단하면 모터로 구동 가능한 전력이 감소하는 단점이 있다.
전술된 단점을 완화하는 무센서 방식은 PCT 특허 출원 WO2013/132249에서 이미 제안되었다. 이러한 방식은 전술된 단점을 완화하는 방향으로 갈 수 있지만, 본 명세서에 개시된 방식은 모터의 제어 시스템의 전체 비용을 증가시킬 수 있는 복잡한 하드웨어 배열을 활용한다.
본 발명의 제1 양태에 따르면 브러시리스 영구 자석 모터의 로터 위치를 결정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 상권선의 여기(excitation) 동안 모터의 상권선을 통해 흐르는 상전류(phase current)를 측정하는 단계, 상권선의 여기 동안 모터의 상권선에 인가되는 전압을 측정하는 단계, 측정된 상전류와 측정된 전압을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력(back EMF)의 위상을 계산하는 단계, 상권선에 유도된 역기전력의 계산된 위상을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점(zero-crossing point)을 결정하는 단계, 및 상권선에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때 브러시리스 영구 자석 모터의 로터의 정렬된 위치를 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제1 양태에 따른 방법은 측정된 상전류와 측정된 전압을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력(back EMF)의 위상을 계산하는 단계, 상권선에 유도된 역기전력의 계산된 위상을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점(zero-crossing point)을 결정하는 단계, 및 상권선에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때 브러시리스 영구 자석 모터의 로터의 정렬된 위치를 결정하는 단계를 포함하므로 주로 유리할 수 있다.
특히, 브러시리스 영구 자석 모터의 역기전력은 실질적으로 사인파(sinusoidal) 형태를 가질 수 있는 것으로 알려져 있으며, 과거 측정, 시뮬레이션 또는 실시간 계산을 통해 상권선에 유도된 역기전력의 진폭 및 주파수를 구할 수 있다. 측정된 순시 상전류와 측정된 전압을 사용하여 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하면, 이러한 정보를 알려진 진폭 및 주파수와 함께 사용하여 상권선에 유도된 역기전력 파형의 표현을 상대적으로 정확하게 제공할 수 있다. 상권선에 유도된 역기전력 파형의 표현은 이후 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하는 데 사용되고, 따라서 상권선에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때의 로터의 정렬 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 제1 양태에 따른 방법은 또한 상기 방법이 상권선의 여기 주기(periods of excitation) 밖의 제로-크로싱 지점이 결정되는 것을 가능하게 할 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 특히, 전술된 방식으로 상권선에 유도된 역기전력의 표현을 이용하여, 제로-크로싱 지점이 상권선의 여기 주기 내에 있는지 여부에 관계없이 제로-크로싱 지점을 결정할 수 있다. 이는 예를 들어, 로터 위치가 하드웨어에 의해 결정되는 배치에 비해, 더욱 넓은 범위의 전력에 걸친 효율적인 작동을 가능하게 할 수 있다. 특히, 제로-크로싱 지점이 여기 주기 동안에만 결정될 수 있는 모터의 경우, 여기 주기 밖에 있는 제로-크로싱 지점은 정확하게 결정할 수 없으므로 비효율적인 정류가 발생하여, 본 발명의 제1 양태에 따른 방법에 따라 제어되는 모터에 비해 주어진 전력에 대한 작동 효율이 더욱 낮을 수 있다.
상기 방법은 예를 들어, 하드웨어를 사용하기보다는 소프트웨어를 사용하여 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 양태에 따른 방법을 구현하기 위한 제어 시스템의 부품 수 및/또는 전체 비용은 예를 들어 역기전력의 제로-크로싱이 하드웨어를 사용하여 예측되거나 계산되는 방식에 비해 감소될 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점은 양극성 역기전력 값에서 역극성(negative polarity) 역기전력 값 또는 그 반대로 간의 전환 동안 역기전력 값이 0에 도달하는 지점을 의미한다.
상권선에 유도된 역기전력의 위상은 방정식
Figure pct00001
을 사용하여 계산할 수 있다. 여기서 E는 상권선에 유도된 역기전력, L은 상권선의 인덕턴스, I는 상권선을 통해 흐르는 상전류, R은 상권선의 저항, VPH는 상권선에 걸리는 전압이다.
상기 방법은 상권선에 인가된 복수의 여기 펄스, 예를 들어, 상권선에 인가된 각각의 여기 펄스 또는 상권선에 인가된 다른 여기 펄스 모두에 걸쳐 상전류를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 상권선에 적용된 각각의 여기 펄스에 대한 상전류를 측정하는 단계는 결정된 제로-크로싱 지점의 정확도를 향상시킬 수 있으므로 유리할 수 있다. 상기 방법은 상권선에 인가된 각각의 여기 펄스의 시작과 상권선에 인가된 각각의 여기 펄스의 끝에서 상전류를 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상권선에 인가되는 각각의 여기 펄스의 실질적으로 전체 기간 동안 상전류를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
모터의 상권선을 통해 흐르는 전류를 측정하는 단계는 모터의 상권선을 통해 흐르는 평균 상전류를 측정하는 단계 및/또는 모터의 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상권선의 여기 동안 모터의 상권선에 인가된 전압을 측정하는 단계는 평균 DC 전압을 측정하는 단계 및/또는 상권선의 여기 동안 모터의 상권선에 인가되는 순시 DC 전압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상권선에 유도된 역기전력의 결정된 제로-크로싱 지점에 대해 상권선을 정류하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법은 결정된 제로-크로싱 지점에 대해 상권선의 정류를 선행시키는 단계를 포함할 수 있고/있거나, 결정된 제로-크로싱 지점과 동시에 상권선을 정류하는 단계를 포함할 수 있고/있거나, 결정된 제로-크로싱 지점에 대한 상권선의 정류를 지연시키는 단계를 포함할 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때 브러시리스 영구 자석 모터의 로터의 정렬된 위치를 결정하는 단계는 역기전력이 미래의 제로-크로싱 지점에 있을 때 로터의 미래 정렬 위치를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상권선에 유도된 역기전력의 계산된 상을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하는 단계는 상권선에 유도된 역기전력의 미래 제로-크로싱 지점을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력은, 예를 들어 진폭과 주파수를 갖는 사인파 파형을 포함할 수 있다. 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하는 단계는 상권선에 유도된 역기전력의 계산된 위상, 상권선에 유도된 역기전력의 진폭을 나타내는 진폭 및 상권선에 유도된 역기전력의 주파수를 나타내는 주파수 중 여하한의 하나 또는 여하한의 조합을 이용하는 단계를 포함할 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력의 진폭을 나타내는 진폭은 기결정된 진폭을 포함할 수 있고/있거나, 상권선에 유도된 역기전력의 주파수를 나타내는 주파수는 기결정된 주파수를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기결정된 진폭 및/또는 기결정된 주파수는 사전 측정 또는 시뮬레이션에 의해 얻어질 수 있고, 브러시리스 영구 자석 모터의 컨트롤러의 메모리에 저장될 수 있다. 상권선에 유도된 역기전력의 진폭을 나타내는 진폭은 계산된 진폭, 예를 들어 실시간으로 계산된 진폭을 포함할 수 있고/있거나, 상권선에 유도된 역기전력의 주파수를 나타내는 주파수는 계산된 주파수, 예를 들어 실시간으로 계산된 주파수를 포함할 수 있다. 상권선에 유도된 역기전력의 진폭을 나타내는 진폭 및/또는 상권선에 유도된 역기전력의 주파수를 나타내는 주파수는 속도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 브러시리스 영구 자석 모터의 모터의 더 빠른 회전 속도는 더 큰 진폭 및/또는 주파수를 초래할 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 적분된 역기전력을 나타내는 관계식, 예를 들어 적분된 역기전력, 적분된 상전류 및/또는 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류와 상권선에 인가된 적분된 전압 간의 관계식을 얻기 위해 방정식
Figure pct00002
을 적분하는 단계를 포함할 수 있다. 방정식
Figure pct00003
을 적분하는 단계는 상권선에 인가되는 여기 펄스의 시작과 끝에서 위상각(phase angle)에 의해 설정된 경계 사이의 방정식을 적분하는 단계를 포함할 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 적분된 역기전력을 상권선에 유도된 역기전력을 나타내는 사인파 파형의 적분과 등가화하는 단계를 포함할 수 있다. 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 적분된 역기전력을 나타내는 관계식을 상권선에 유도된 역기전력을 나타내는 사인파 파형의 적분과 등가화하는 단계를 포함할 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 측정된 순시 상전류 및 측정된 전압을 이용하여 적어도 하나의 순시 역기전력 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 상권선에 걸리는 전압, 모터의 DC 공급 전압, 상권선의 인덕턴스 및 상권선의 저항 중 여하한의 하나 또는 여하한의 조합을 사용하여 적어도 하나의 순시 역기전력 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 측정된 순시 상전류의 실질적으로 모든 값에 대한 순시 역기전력 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
순시 역기전력 값은 방정식
Figure pct00004
을 사용하여 계산할 수 있다. 여기서 E는 상권선에 유도된 역기전력, L은 상권선의 인덕턴스, I는 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류, R은 상권선의 저항, VPH는 상권선에 걸리는 전압이다. 상권선의 인덕턴스는 상권선의 자기 인덕턴스(self-inductance) 및 상권선의 상호 인덕턴스, 예를 들어 상권선의 자기 인덕턴스와 상권선의 상호 인덕턴스 간의 차이를 포함할 수 있다.
측정된 순시 상전류를 사용하여 적어도 하나의 순시 역기전력 값을 계산하는 단계는, 상권선에 인가되는 복수의 여기 펄스에 걸쳐, 예를 들어 상권선에 인가되는 각각의 여기 펄스에 걸쳐 순시 역기전력 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 측정된 순시 상전류를 사용하여 적어도 하나의 순시 역기전력 값을 계산하는 단계는, 상권선에 인가되는 각각의 여기 펄스의 시작과 상권선에 인가되는 각각의 여기 펄스의 끝에서 순시 역기전력 값을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 계산된 순시 역기전력 값을 적분하는 단계, 예를 들어 상권선에 인가되는 여기 펄스의 시작과 끝에서 위상각에 의해 설정된 경계 사이에서 계산된 순시 역기전력 값을 적분하는 단계를 포함할 수 있다. 이는 권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산할 수 있는 동시에 측정된 순시 상전류를 사용하여 순시 역기전력 값을 계산하는 동안 도입될 수 있는 모든 노이즈, 예를 들어 미분으로 인해 발생하는 노이즈를 필터링할 수 있기에 유리하다.
상기 방법은 적분 계산된 순시 역기전력 값을 정규화하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 컨트롤러를 포함하는 브러시리스 영구 자석 모터가 제공되며, 컨트롤러는 상권선의 여기 동안 모터의 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류를 측정하고, 상권선의 여기 동안 모터의 상권선에 인가되는 전압을 측정하고, 측정된 순시 상전류와 측정된 전압을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하고, 상권선에 유도된 역기전력의 계산된 위상을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하며, 상권선에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때 브러시리스 영구 자석 모터의 로터의 정렬된 위치를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 제3 양태에 따르면, 브러시리스 영구 자석 모터의 컨트롤러의 작동에 대한 기계 판독 가능 명령어를 포함하는 데이터 캐리어가 제공되며, 명령어는 상권선의 여기 동안 모터의 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류를 측정하고, 상권선의 여기 동안 모터의 상권선에 인가되는 전압을 측정하고, 측정된 순시 상전류와 측정된 전압을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하고, 상권선에 유도된 역기전력의 계산된 위상을 이용하여 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하며, 상권선에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때 브러시리스 영구 자석 모터의 로터의 정렬된 위치를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 양태의 바람직한 특징은 적절한 경우 본 발명의 다른 양태들에 동일하게 적용될 수 있다.
본 발명을 더 잘 이해하고 본 발명이 어떻게 실행될 수 있는지 더욱 명확히 보여주기 위해, 본 발명은 이제 다음의 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 모터 시스템의 블록도이다.
도 2는 도 1의 모터 시스템의 개략도이다.
도 3은 모터 시스템의 컨트롤러에 의해 생성된 제어 신호에 응답한 도 1의 모터 시스템의 인버터의 허용된 상태를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 방법을 도시하는 개략적인 흐름도이다.
도 5는 도 4의 방법의 일부를 도시하는 역기전력 대 샘플링 시간의 플롯이다.
도 1 및 도 2의 모터 시스템(10)은 AC 주 전원 공급 장치(12)에 의해 전력을 공급받고 브러시리스 모터(14)와 제어 시스템(16)을 포함한다. 본원에 설명된 실시예는 AC 주 전원 공급 장치(12)에 의해 구동되는 브러시리스 영구 자석 모터에 관한 것이지만, 본 명세서의 교시는 DC 전원 공급 장치에 의해 구동되는 브러시리스 영구 자석 모터에도 적용 가능하며, 이는 적절한 수정을 통해 당업자에게 즉각 명백해질 것이라는 사실을 이해할 것이다.
모터(14)는 4극 고정자(four-pole stator)(20)에 대해 회전하는 4극 영구 자석 로터(18)를 포함한다. 도전성(conductive) 와이어는 고정자(20)에 감겨 있고 함께(예를 들어, 직렬 또는 병렬로) 결합되어 단상권선(single phase winding)(22)을 형성한다. 본원에 설명된 실시예는 단상 브러시리스 영구 자석 모터(14)에 관한 것이지만, 본 명세서의 교시는 또한 다상, 예를 들어 3상 브러시리스 영구 자석 모터에 적용 가능하며, 이는 적절한 수정을 통해 당업자에게 즉각 명백해질 것이다.
제어 시스템(16)은 정류기(rectifier)(24), DC 링크 필터(26), 인버터(28), 게이트 드라이버 모듈(30), 주 전원 공급 장치 전압 센서(32), 전류 센서(34), 역기전력 센서(36), 및 컨트롤러(38)를 포함한다. 본원에서 역기전력 센서(36)가 컨트롤러의 일부이고 실제로 컨트롤러(38)에서 실행되는 알고리즘을 포함하는 것으로 간주될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.
정류기(24)는 AC 주 전원 공급 장치(12)의 출력을 정류하여 DC 링크 전압을 제공하는 전파 브리지(full-wave bridge)(D1-D4)이다.
DC 링크 필터(26)는 인버터(28)의 스위칭으로부터 발생하는 비교적 고주파수의 리플(ripple)을 평활화하는 커패시터(C1)를 포함한다.
인버터(28)는 DC 링크 전압을 상권선(22)에 커플링하는 4개의 전력 스위치(Q1-Q4)의 풀 브리지를 포함한다. 스위치(Q1-Q4) 각각은 프리휠 다이오드를 포함한다.
게이트 드라이버 모듈(30)은 컨트롤러(38)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 스위치(Q1-Q4)의 개폐를 구동한다.
주 전원 공급 장치 전압 센서(32)는 신호(VDC)를 컨트롤러(38)에 출력하고, 또한 후술하는 바와 같이 정상 상태 모드에서 모터 시스템(10)의 작동 조건을 결정하는 역기전력 센서(36)에 출력한다.
전류 센서(34)는 인버터(28)의 저측에 위치한 감지 저항기(R1)를 포함한다. 전류 센서(34)에 걸리는 전압은 전류 감지 신호(I_SENSE)로서 역기전력 센서(36) 및 컨트롤러(38)에 출력된다.
역기전력 센서(36)는 게이트 드라이버 모듈(30)에 제공되는 신호를 결정하기 위해 컨트롤러(38)에 의해 사용되는 디지털 신호(BEMF)를 생성한다.
컨트롤러(38)는 프로세서, 메모리 디바이스, 및 복수의 주변기기[예: ADC, 콤퍼레이터(comparator), 타이머 등]를 갖는 마이크로컨트롤러를 포함한다. 메모리 장치는 프로세서에 의한 실행을 위한 명령어는 물론 프로세서가 사용하기 위한 제어 파라미터(예: 전류 제한, 상승 시간 임계값, 속도 임계값, 프리휠 기간, 추진 기간, 지연 기간, 활성화 기간 등)를 저장한다.
컨트롤러(38)는 모터(14)의 작동을 제어하는 역할을 하고 4개의 전력 스위치(Q1-Q4) 각각을 제어하기 위한 4개의 제어 신호(S1-S4)를 생성한다. 제어 신호는 게이트 드라이버 모듈(30)에 출력되고, 게이트 드라이버 모듈(30)은 이에 응답하여 스위치(Q1-Q4)의 개폐를 구동한다.
도 3은 컨트롤러(38)에 의해 출력된 제어 신호(S1-S4)에 대한 응답으로서의 스위치(Q1-Q4)의 허용된 상태를 요약한다. 이하, '세팅' 및 '클리어'라는 용어는 신호가 논리적으로 하이(high) 및 로우(low) 또는 그 역으로 풀링되었음을 나타내기 위해 사용된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(38)는 상권선(22)을 좌에서 우로 여기시키기 위해 S1 및 S4를 세팅하고 S2 및 S3을 클리어한다. 반대로, 컨트롤러(38)는 상권선(22)을 우에서 좌로 여기시키기 위해 S2 및 S3을 세팅하고 S1 및 S4를 클리어한다. 컨트롤러(38)는 S1 및 S3을 클리어하고 상권선(22)을 프리휠링하기 위해 S2 및 S4를 세팅한다. 프리휠링은 상권선(22)의 전류가 인버터(28)의 저측 루프 주위를 재순환할 수 있도록 한다. 본 실시예에서, 전류 스위치(Q1-Q4)는 양방향으로 전도할 수 있다. 따라서, 컨트롤러(38)는 덜 효율적인 다이오드보다는 스위치(Q2, Q4)를 통해 전류가 흐르도록, 프리휠링 동안 저측 스위치(Q2, Q4)를 모두 폐쇄한다. 생각할 수 있는 바와 같이, 인버터(28)는 단일 방향으로만 전도하는 전력 스위치를 포함할 수 있다. 이 경우, 컨트롤러(38)는 상권선(22)을 좌에서 우로 자유 회전시키도록 S1, S2 및 S3을 클리어하고 S4를 세팅할 것이다. 이후, 컨트롤러(38)는 상권선(22)을 우에서 좌로 프리휠링하기 위해 S1, S3 및 S4를 클리어하고 S2를 세팅할 것이다. 인버터(28)의 저측 루프의 전류는 폐쇄된 저측 스위치(예: Q4)를 통해 아래로 흐르고 개방된 저측 스위치(예: Q2)의 다이오드를 통해 위로 흐른다.
컨트롤러(38)는 로터(18)의 속도에 따라 3가지 모드 중 하나로 작동한다. 로터(18)가 정지되어 있을 때, 컨트롤러(38)는 시동(start-up) 모드에서 작동하며, 이는 단지 로터(18)가 정방향으로 이동하도록 시동하기 위해 사용된다. 로터(18)가 전진하면, 컨트롤러(38)는 가속 모드로 전환한다. 컨트롤러(38)는 로터(18)의 속도가 속도 임계값을 초과할 때까지 가속 모드에서 작동하고, 이후 컨트롤러(38)는 정상 상태(steady-state) 모드로 전환한다. 각각의 작동 모드 내에서, 컨트롤러(38)는 전용 로터 센서를 필요로 하지 않으면서 모터(14)를 제어하기 위해 다른 방식을 사용한다.
시동 모드
컨트롤러(38)는 시동 모드에서 작동할 때 로터(18)의 위치를 결정하려는 시도를 하지 않는다. 대신에, 컨트롤러(38)는 로터(18)가 정지된 위치에 관계없이 로터(18)가 정방향으로 구동될 것을 보장하는 기결정된 순서로 상권선(22)을 여기시킨다.
시동 모드의 세부 사항은 본 발명과 연관이 없으며 간결함을 위해 본원에서 설명되지 않을 것이다. 적합한 시동 모드는 예를 들어 PCT 특허 출원 WO 2013/132249에 설명된 시동 모드일 수 있다.
가속 모드
가속 모드에서 작동할 때 컨트롤러(38)가 로터(18)의 위치를 알아야 하므로, 컨트롤러(38)는 로터(18)의 위치를 결정하기 위해 제1 센서리스(sensorless) 방식을 작동시킨다. 제1 센서리스 방식의 세부 사항은 본 발명과 관계 있지 않으며 간결함을 위해 본원에서 설명되지 않을 것이다. 적합한 가속 모드 및 제1 센서리스 제어 방식은 예를 들어 PCT 특허 출원 WO 2013/132249에 설명된 가속 모드 및 제1 센서리스 제어 방식일 수 있다.
정상 상태 모드
정상 상태 모드에서 작동할 때, 컨트롤러(38)는 로터(18)의 위치를 결정하기 위해 제2 센서리스 방식을 사용하고, 제2 센서리스 방식은 본 발명에 따른 일 방법에 대응한다.
일반적으로 100으로 지정된 본 발명에 따른 방법은 도 4에 개략적으로 도시되어 있다.
방법(100)은 상권선(22)의 여기 동안 상권선(22)을 통해 흐르는 순시 상전류를 측정하는 단계(102), 및 상권선(22)의 여기 동안 상권선(22)에 인가된 평균 DC 전압을 측정하는 단계(103)를 포함한다. 상권선(22)에서 측정된 역기전력은 순시 상전류 및 측정된 평균 DC 전압을 사용하여 계산된다(104). 상권선(22)에서 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점은 상권선(22)에 유도된 역기전력의 계산된 위상을 사용하여 결정된다(106). 로터(18)의 정렬된 위치는 상권선(22)에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때 결정(108)된다.
방법(100)은 역기전력 센서(36)를 이용하고, 후술될 바와 같이 역기전력 센서(36)는 역기전력의 제로-크로싱 지점을 나타내는 디지털 신호(BEMF)를 출력한다.
특별한 포화 또는 돌출이 없는 경우, 상권선(22)에 대한 전압 방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure pct00005
여기서 E는 상권선(22)에 유도된 역기전력, L은 상권선(22)의 인덕턴스, I는 상권선(22)을 통해 흐르는 순시 상전류, R은 상권선(22)의 저항, VPH는 상권선(22)에 걸리는 전압이다. L은 Ls로 표시된 상권선(22)의 자기 인덕턴스와 Lm으로 표시된 상권선(22)의 상호 인덕턴스 간의 차이로 더 분할될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 및 전술된 바와 같이, 역기전력 센서(36), 즉 컨트롤러(38)는 주 전원 공급 장치 전압 센서(32)로부터 신호 VDC를 수신하고, 신호 VDC는 상권선(22)에 걸리는 상전압(VPH)을 나타내는 것으로 간주될 수 있다. 역기전력 센서(36)는 또한 상권선(22)을 통해 흐르는 순시 상전류를 나타내는 전류 센서(34)로부터 신호(I_SENSE)를 수신한다. 전류 센서(34)의 특성, 즉 감지 저항기(R1)의 관점에서, 신호(I_SENSE)는 상권선(22)의 여기 동안, 즉 여기 펄스가 상권선(22)에 전달될 때만 역기전력 센서(36) 및 컨트롤러(38)로 출력된다.
역기전력 센서(36)는 상권선(22)의 알려진 값의 인덕턴스(L) 및 저항(R)을 신호(VDC 및 I_SENSE)와 함께 사용하여, 여기 펄스가 상권선(22)에 전달될 때 전술된 상권선(22)에 대한 전압 방정식을 사용해 순시 역기전력 값을 계산할 수 있다.
상권선이 여기될 때 역기전력의 제로-크로싱 지점이 생성될 수 있으며, 이러한 경우 계산된 순시 역기전력 값을 사용하여 역기전력의 제로-크로싱 지점을 나타낼 수 있다고 볼 수 있다. 그러나, 실제로는 순시 역기전력의 계산된 값이 부정확할 수 있으며, 이는 특히 신호의 노이즈[전압 방정식의 미분 성분(differential component)에 의해 생성될 수 있음] 때문이다. 또한, 이는 상권선이 여기되지 않을 때 역기전력의 제로-크로싱 지점이 생성되는 위치를 정확하게 결정할 수 없도록 한다. 따라서, 상권선(22)에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하기 위한 다른 방법을 제공하는 것이 바람직하며, 본 출원의 발명자들이 고안한 그러한 방법들이 이후에 설명될 것이다.
제1 방법은 전술한 신호(VDC 및 I_SENSE)를 취하는 단계를 포함하며, 전술한 바와 같이 여기 펄스가 상권선(22)에 전달될 때 상권선(22)에 대한 전압 방정식을 사용하여 순시 역기전력의 값을 계산한다. 이후, 순시 역기전력 값은 노이즈를 제거하기 위해 적분되고, 상권선(22)에 유도된 역기전력을 나타내는 사인파 파형과 등가화되어, 상권선(22)에 유도된 역기전력의 위상이 계산될 수 있다. 이후, 위상은 상권선(22)에 유도된 역기전력의 제로-크로싱을 결정하는 데 사용될 수 있다.
이러한 단계는 후술될 제2 방법과 관련하여 개략적으로 설명될 단계와 대체로 유사하지만, 결정적으로 이 단계에는 순시 역기전력의 계산된 값이 통합된다. 계산된 순시 역기전력의 각 값을 통합하는 것은 계산 집약적일 수 있으며, 이는 처리 능력(processing power)으로 이어질 수 있고, 따라서 크기 및 비용으로 인해 실제로 이 방법을 사용하기가 불가능할 수 있다.
따라서, 본 출원의 발명자들은 후술될 제2 방법을 고안하였다.
역기전력 방정식을 통합하면 다음과 같은 관계식이 나타난다:
Figure pct00006
여기서 -a 및 a는 각각 상권선(22)에 인가된 여기 펄스의 시작과 끝에서의 경계 값이다. 이 방정식을 사용하여 측정 간격에 걸쳐 추정된 역기전력 적분을 얻을 수 있지만, 이러한 추정치는 정규화되어야 한다.
상권선(22)에서 유도된 역기전력은 또한 다음 방정식을 가지는 사인파 파형에 의해 상당히 정확하게 근사될 수 있다:
Figure pct00007
여기서 E(t)는 역기전력, A는 역기전력의 진폭, ω는 역기전력의 각주파수(angular frequency)(초당 라디안), φ는 역기전력의 위상(라디안)이다. 노이즈(t)는 역기전력 신호에 존재하는 모든 노이즈를 나타낸다.
역기전력 방정식의 노이즈 성분의 적분은 거의 0에 가깝기 때문에 무시할 수 있다.
Fs를 -h에서 h까지의 측정 간격에 대한 샘플링 주파수라고 하면, s는 샘플의 시간, t는 s=Fst가 되도록 하는 초 단위의 시간이며, 측정된 상전류 및 VDC 값으로부터 계산된 값(bemf_int)은 샘플의 간격 [-h, h]에서 사인파 역기전력 파형의 추정된 적분으로 기재할 수도 있다.
Figure pct00008
s=(Fs/ω)x를 대입하면 다음을 얻을 수 있다:
Figure pct00009
전술된 적분에 대한 정규화 상수는 A.(Fs/ω)임을 알 수 있으며, 여기서 Fs는 샘플링 주파수이다. 또한, 적분 한계
Figure pct00010
가 라디안 단위의 역기전력 각도로 표시되는 측정 간격의 절반이라는 것을 관찰할 수 있다.
진폭(A)은 모터 속도에 선형적으로 의존하며, 일반적으로 100,000 RPM 속도에서 볼트 단위의 진폭인 모터 고유 상수 M100K를 통해 표현된다. 이러한 상수는 모터 구성에 따라 달라지고, 온도에 따라 약간 달라지며, 모터(14)의 재 동기화 단계 동안 특성화에 의해 결정될 수 있다. 따라서 진폭은 다음과 같이 주어지며:
Figure pct00011
여기서 fRPM은 모터 속도(RPM)이다.
따라서, 역기전력의 적분에 대한 정규화 상수는 다음과 같다.
Figure pct00012
식 (60Fs)/(2·105)은 4극 모터의 경우 100,000 RPM, 즉 M 상수가 지정된 속도에서 전기적 주기(electrical period)당 샘플 수와 같다. 이는 주파수 정규화 인자로 간주할 수 있는 반면, M.103은 진폭 정규화 인자로 간주할 수 있다.
따라서, 역기전력의 진폭과 주파수에 대해 알려진 값에 관하여 다음 관계식을 사용해 상권선(22)에 유도된 역기전력의 위상을 계산 가능함을 알 수 있다:
Figure pct00013
이는 단위 진폭 및 2π의 주기에 대한 것이다.
상기 역기전력 방정식의 통합에서 다음을 알 수 있다:
Figure pct00014
이후, 측정된 순시 상전류의 값 및 상권선에 인가된 측정된 평균 전압을 이용하고 분모(denominator) 인수를 라디안으로 변환하여 sinφ 값을 결정할 수 있다. 이후, 위상(φ)은 arcsin 함수를 적용하여 얻는다.
위상이 계산되면(104), 주어진 로터 속도에 대해 메모리에 저장된 알려진 진폭 및/또는 주파수 값, 또는 주어진 로터 속도에 대해 실제로 계산된 진폭 및/또는 주파수 값이 위상과 결합하여, 예를 들어 역기전력 파형의 표현을 사용하여 상권선(22)에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정(106)할 수 있다. 이러한 표현의 예는 도 5에서 순시 역기전력의 가상 계산 값과 관련하여 표시된다. 순시 역기전력의 노이즈가 포함된 가상 계산 값은 도 5에서 200으로 표시되며 피팅된 곡선 세그먼트는 204로 표시된다.
상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점은 로터(18)의 정렬된 위치에 대응한다. 이후, 역기전력의 제로-크로싱 지점에 관한 정보는 컨트롤러(38)에 의해 모터(14)의 상권선(22)을 원하는 방식으로 정류시키기 위하여 사용되며, 이는 제로-크로싱 지점에 대한 선행 정류(advanced commutation), 제로-크로싱 지점과의 동기(synchronous commutation) 정류 또는 제로-크로싱 지점에 대한 지연 정류(retarded commutation) 등이다.
측정된 순시 상전류와 측정된 전압을 사용하여 상권선(22)에 유도된 역기전력의 위상을 계산함으로써, 이러한 정보는 알려진 진폭 및 주파수와 함께 사용되어 상권선에 유도된 역기전력의 파형을 비교적 정확하게 나타낼 수 있다. 이후, 상권선에 유도된 역기전력의 파형 표현은 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하고, 이에 따라 상권선에 유도된 역기전력이 제로-크로싱 지점에 있을 때의 로터의 정렬된 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다.
방법(100)은 제로-크로싱 지점이 상권선의 여기 주기 밖의 위치에서 결정되는 것을 가능하게 할 수 있다. 특히, 전술된 방식으로 상권선에 유도된 역기전력의 표현을 활용하여, 상권선의 여기 주기 내에 있는지 여부에 관계없이 제로-크로싱 지점을 결정할 수 있다. 이는 예를 들어, 로터의 위치가 하드웨어에 의해 결정되는 배치에 비해 더욱 넓은 범위의 전력에 걸쳐 효율적인 작동을 가능하게 할 수 있다. 특히, 제로-크로싱 지점이 여기 주기 동안에만 결정될 수 있는 모터의 주어진 전력에 대한 작동 효율은 본 발명의 제1 양태에 따른 방법에 따라 제어되는 모터에 비해 더욱 낮을 수 있으며, 이는 여기 주기 밖의 제로-크로싱 지점을 정확히 결정할 수 없으므로 비효율적인 정류가 발생하기 때문이다.
방법(100)은 하드웨어보다는 소프트웨어를 사용하여 수행된다. 따라서, 방법(100)을 구현하기 위한 제어 시스템의 컴포넌트 수 및/또는 전체 비용은 예를 들어 역기전력의 제로-크로싱이 하드웨어를 사용하여 예측되거나 계산되는 방식에 비해 감소될 수 있다.

Claims (16)

  1. 브러시리스(brushless) 영구 자석 모터의 로터 위치를 결정하는 방법으로서,
    상권선(phase winding)의 여기(excitation) 동안 모터의 상기 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류(instantaneous phase current)를 측정하는 단계,
    상기 상권선의 여기 동안 상기 모터의 상기 상권선에 인가되는 전압을 측정하는 단계,
    상기 측정된 순시 상전류와 상기 측정된 전압을 이용하여 상기 상권선에 유도된 역기전력(back EMF)의 위상을 계산하는 단계,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 상기 계산된 위상을 이용하여 상기 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점(zero-crossing point)을 결정하는 단계, 및
    상기 상권선에 유도된 역기전력이 상기 제로-크로싱 지점에 있을 때 상기 브러시리스 영구 자석 모터의 상기 로터의 정렬된 위치를 결정하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 상기 위상은 방정식
    Figure pct00015
    을 사용하여 계산되며, 여기에서 E는 상기 상권선에 유도된 역기전력, L은 상기 상권선의 인덕턴스, I는 상기 상권선을 통해 흐르는 상전류(phase current), R은 상기 상권선의 저항, VPH는 상기 상권선에 걸리는 전압인, 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 상권선에 인가된 복수의 여기 펄스(excitation pulse)에 걸쳐 상전류를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 상권선에 인가된 각각의 여기 펄스에 걸쳐 상전류를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터의 상기 상권선에 흐르는 전류를 측정하는 단계는, 상기 모터의 상기 상권선을 통해 흐르는 평균 상전류를 측정하는 단계 및/또는 상기 모터의 상기 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상권선의 여기 동안 상기 모터의 상기 상권선에 인가된 전압을 측정하는 단계는, 평균 DC 전압을 측정하는 단계 및/또는 상기 상권선의 여기 동안 상기 모터의 상기 상권선에 인가되는 순시 DC 전압을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 상권선에 유도된 역기전력의 상기 결정된 제로-크로싱 지점에 대해 상기 상권선을 정류(commutate)하는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하는 단계는, 상기 상권선에 유도된 역기전력의 계산된 위상, 상기 상권선에 유도된 역기전력의 진폭을 나타내는 진폭 및 상기 상권선에 유도된 역기전력의 주파수를 나타내는 주파수 중 여하한의 하나 또는 여하한의 조합을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는, 방정식
    Figure pct00016
    을 적분하여 적분된 역기전력을 나타내는 관계식을 획득하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는, 상기 적분된 역기전력을 상기 상권선에 유도된 역기전력을 나타내는 사인파(sinusoidal) 파형의 적분과 등가화하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는, 상기 적분된 역기전력을 나타내는 관계식을 상기 상권선에 유도된 역기전력을 나타내는 사인파 파형의 적분과 등가화하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는, 상기 측정된 순시 상전류 및 상기 측정된 전압을 이용하여 적어도 하나의 순시 역기전력 값을 계산하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 순시 역기전력 값은 방정식
    Figure pct00017
    을 사용하여 계산되는, 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하는 단계는 계산된 순시 역기전력 값을 적분하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 컨트롤러를 포함하는 브러시리스 영구 자석 모터로서, 상기 컨트롤러는:
    상권선의 여기 동안 모터의 상기 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류를 측정하고,
    상기 상권선의 여기 동안 상기 모터의 상기 상권선에 인가되는 전압을 측정하고,
    상기 측정된 순시 상전류와 상기 측정된 전압을 이용하여 상기 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하고,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 상기 계산된 위상을 이용하여 상기 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하며,
    상기 상권선에 유도된 역기전력이 상기 제로-크로싱 지점에 있을 때 상기 브러시리스 영구 자석 모터의 상기 로터의 정렬된 위치를 결정하도록 구성되는,
    브러시리스 영구 자석 모터.
  16. 브러시리스 영구 자석 모터의 컨트롤러의 구동에 대한 기계 판독 가능 명령어를 포함하는 데이터 캐리어로서, 상기 명령어는:
    상권선의 여기 동안 모터의 상기 상권선을 통해 흐르는 순시 상전류를 측정하고,
    상기 상권선의 여기 동안 상기 모터의 상기 상권선에 인가되는 전압을 측정하고,
    상기 측정된 순시 상전류와 상기 측정된 전압을 이용하여 상기 상권선에 유도된 역기전력의 위상을 계산하고,
    상기 상권선에 유도된 역기전력의 상기 계산된 위상을 이용하여 상기 상권선에 유도된 역기전력의 제로-크로싱 지점을 결정하며,
    상기 상권선에 유도된 역기전력이 상기 제로-크로싱 지점에 있을 때 상기 브러시리스 영구 자석 모터의 상기 로터의 정렬된 위치를 결정하는,
    데이터 캐리어.
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