KR20230004705A - 개선된 모터 효율을 위한 약계자를 갖는 펄스 변조 제어 - Google Patents

개선된 모터 효율을 위한 약계자를 갖는 펄스 변조 제어 Download PDF

Info

Publication number
KR20230004705A
KR20230004705A KR1020227040433A KR20227040433A KR20230004705A KR 20230004705 A KR20230004705 A KR 20230004705A KR 1020227040433 A KR1020227040433 A KR 1020227040433A KR 20227040433 A KR20227040433 A KR 20227040433A KR 20230004705 A KR20230004705 A KR 20230004705A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
motor
torque
inverter
field weakening
bemf
Prior art date
Application number
KR1020227040433A
Other languages
English (en)
Inventor
폴 카벨리
아디아 에스. 트리파티
Original Assignee
툴라 이테크놀로지 아이엔씨.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 툴라 이테크놀로지 아이엔씨. filed Critical 툴라 이테크놀로지 아이엔씨.
Publication of KR20230004705A publication Critical patent/KR20230004705A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0086—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed
    • H02P23/009—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed using field weakening
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/02—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles characterised by the form of the current used in the control circuit
    • B60L15/08—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles characterised by the form of the current used in the control circuit using pulses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B60L15/2045—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed for optimising the use of energy
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P21/0021—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using different modes of control depending on a parameter, e.g. the speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P21/0025—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control implementing a off line learning phase to determine and store useful data for on-line control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0085—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed
    • H02P21/0089—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for high speeds, e.g. above nominal speed using field weakening
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/02—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation specially adapted for optimising the efficiency at low load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0027—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control using different modes of control depending on a parameter, e.g. the speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/0004—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H02P23/0031—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control implementing a off line learning phase to determine and store useful data for on-line control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control specially adapted for optimising the efficiency at low load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/421—Speed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/42—Drive Train control parameters related to electric machines
    • B60L2240/423—Torque
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2240/00—Control parameters of input or output; Target parameters
    • B60L2240/40—Drive Train control parameters
    • B60L2240/52—Drive Train control parameters related to converters
    • B60L2240/527—Voltage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

(a) 요청된 토크 요구가 전기 기계의 피크 효율 토크보다 클 때 연속 모드로 전기 기계를 작동시키거나 (b) 요청된 토크 요구가 전기 기계의 피크 효율 토크보다 작을 때 펄스 변조 모드로 전기 기계를 작동시킴으로써, 보다 에너지 효율적인 방식으로 요망된 출력을 전달하는 전기 기계의 변조된 펄스 제어. 펄스 변조 모드로 작동할 때, 역전자기력(BEMF)이 기계의 인버터를 위한 공급 전압을 초과하는 상황에서 약계자가 지체 모터 토크의 발생을 완화하거나 제거하기 위해 요구되지 않을 때, 인버터는 시스템 효율을 추가로 개선하기 위해 비활성화될 수 있다.

Description

개선된 모터 효율을 위한 약계자를 갖는 펄스 변조 제어
본 출원은, "개선된 모터 효율을 위한 약계자를 갖는 펄스 변조 제어(Pulsed Modulated Control with Field Weakening for Improved Motor Efficiency)"라는 명칭으로 2020년 4월 21일에 출원된 미국 가출원 일련번호 63/013,396, 및 "동적 모터 구동: 효율 개선을 위한 전기 모터 제어의 최적화(Dynamic Motor Drive: Optimizing Electric Motor Controls to Improve Efficiency)"라는 명칭으로 2021년 3월 15일에 출원된 미국 가출원 일련번호 63/161,405의 우선권을 주장하고, 이들은 둘 다 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
본 출원은 일반적으로 보다 에너지 효율적인 방식으로 요망된 출력을 선택적으로 전달하기 위한 전기 기계의 변조된 펄스 제어에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 역전자기력(BEMF)이 모터 인버터를 위한 공급 전압을 초과하는 상황에서 약계자를 사용하여 지체 모터 토크의 발생을 완화하거나 제거하는 펄스 변조 제어에 관한 것이다.
본원에 사용된 "전기 기계"라는 용어는 전기 모터와 발전기 둘 다를 의미하기 위해 넓게 해석되도록 의도된다. 전기 모터와 발전기는 구조적으로 매우 유사하다. 양자는 다수의 극을 갖는 스테이터 및 로터를 포함한다. 전기 기계는 모터로 작동할 때 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 전기 기계는 발전기로 작동할 때 기계 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
현대의 전기 기계는 비교적 높은 에너지 변환 효율을 갖는다. 그러나, 대부분의 전기 기계의 에너지 변환 효율은 작동 부하에 기반하여 굉장히 달라질 수 있다. 많은 응용에서, 전기 기계는 매우 다양한 작동 부하 조건 하에 작동하도록 요구된다. 그 결과, 기계는 통상적으로 소정의 시간에 최고 효율 레벨 또는 그 인근에서 작동하지만, 다른 시간에는 더 낮은 효율 레벨에서 작동한다.
배터리 동력식 전기 차량은 광범위한 효율 레벨에서 작동하는 전기 기계의 좋은 예를 제공한다. 통상적인 구동 사이클 동안, 전기 차량은 가속, 정속 주행, 감속, 제동, 코너링 등을 수행할 것이다. 소정의 로터 속도 및/또는 토크 범위 내에서, 전기 기계는 가장 효율적인 작동점, 즉 "스윗 스팟(sweet spot)" 또는 그 인근에서 작동한다. 이러한 범위 밖에서는, 전기 기계의 작동이 덜 효율적이다. 주행 조건이 변경될 때, 로터 속도 및/또는 토크가 변경됨에 따라, 전기 기계는 높은 작동 효율 레벨과 낮은 작동 효율 레벨 간에 천이된다. 전기 기계가 높은 효율 작동 영역에서 더 큰 비율의 구동 사이클을 작동하도록 만들어질 수 있는 경우, 주어진 배터리 충전 레벨에 대한 차량의 범위는 증가한다. 배터리 동력식 전기 차량의 제한된 범위는 이의 사용에 대한 주요한 상업적 장애이므로, 차량의 작동 범위를 연장하는 것은 매우 유리하다.
종래의 전기 기계의 에너지 변환 효율이 대체로 양호함에도, 더 넓은 범위의 작동 조건에 걸쳐 에너지 변환 효율을 추가로 개선하려는 지속적인 노력이 존재한다.
본 출원은 보다 에너지 효율적인 방식으로 요망된 출력을 선택적으로 전달하기 위한 전기 기계의 변조된 펄스 제어에 관한 것이다.
비배타적인 구현예에서, 전기 기계는 (a) 요청된 토크 요구가 지정된 펄스화 임계치보다 클 때 연속 모드로 작동되거나 (b) 요청된 토크 요구가 펄스화 임계치보다 작을 때 펄스 변조 모드로 작동된다. 펄스 변조 모드로 작동할 때, 듀티 사이클이 획정되고 기계의 인버터가 펄스화된다. 펄스의 듀티 사이클 및 크기를 적절하게 선택함으로써, 펄스화 동안의 기계의 평균 샤프트 토크는 연속적으로 작동되는 경우의 기계의 샤프트 토크 출력에 상응한다. 그러나, 모터가 펄스 동안 피크 효율 토크 또는 그 인근에서 작동되기 때문에, 기계의 전체 효율은 피크 효율 토크 아래의 연속 작동에 비해 개선된다. 일부 구현예에서, 펄스화 임계치는 전기 기계의 샤프트 속도의 함수로 달라진다. 일부 구현예에서, 임의의 특정 기계 속도에 대한 펄스화 임계치는 이러한 기계 속도에 대한 피크 효율 토크에 있거나 이에 가깝다.
펄스 동안, 인버터는 인에이블되고 모터는 피크 효율 레벨 또는 그 인근에서 토크를 발생시킨다. 펄스 사이의 기간에, 인버터는 이상적으로는 디스에이블되고, 그에 따라 전기 기계는 토크를 발생시키지 않는다. 그러나, 모터의 역전자기력(BEMF)이 인버터의 전력 공급을 초과할 때 일반적으로 일어나는 약계자의 필요성이 존재하는 경우, 인버터는 활성 상태로 유지되지만 무토크(즉, 영토크)가 요구된다. 이로써, 인버터는 펄스 사이의 영토크 기간 동안 약계자를 계속 적용할 수 있다. 전기 모터가 모터로 작동할 때, 약계자는 다른 경우라면 펄스화 동안 모터에 의해 발생될 임의의 지체 토크를 완화하거나 제거한다.
다양한 구현예에서, 전기 기계는 약계자를 적용함으로써 BEMF를 감소시킬 수 있는 임의의 유형의 전기 기계이다. 대표적인 전기 기계는 내부 영구 자석, 표면 영구 자석, 유도, 동기 릴럭턴스, 영구 보조식 동기 릴럭턴스, 개별 여자 유도, 플럭스 스위칭, 스위치 릴럭턴스, 및 다른 유형의 기계를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
전술한 접근법은 모터와 발전기 둘 다의 에너지 변환 효율을 개선하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명 및 이의 이점은 첨부 도면과 함께 후술하는 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 상이한 작동 조건 하에서 전기 모터로 작동하는 동안 대표적인 전기 기계의 에너지 변환 효율을 도시한 대표적인 토크/속도/효율 그래프이다.
도 2는 본 발명의 비배타적인 구현예에 따른 펄스화 제어된 전기 기계를 도시한다.
도 3은 모터로 작동하는 동안 토크 요구에 응하여 전기 기계에 인가되는 펄스화 전류 신호를 도시한 그래프이다.
도 4a는 전기 기계에 공급되는 연속 3상 AC 파형의 도식적 도면이다.
도 4b 및 도 4c는 도 4a의 연속 파형과 동일한 토크를 공급하는 유사한 듀티 사이클을 갖는 펄스화 3상 AC 파형의 상이한 예들이다.
도 5는 예시적인 전기 기계를 위한 변조 효율 맵, 피크 효율 토크 맵, 및 영토크 손실 맵의 생성을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 비배타적인 구현예에 따른 전기 기계에 공급되는 에너지를 변조하기 위한 제어기를 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 전기 기계의 제어를 변조하기 위한 제어 단계들을 도시한 흐름도이다.
도 8a 내지 도 8d는 다양한 구현예에 따른 다양한 조건 하에서 전기 모터를 여자시키기 위해 사용되는 3상 AC 전력 신호의 다양한 예들이다.
도면에서, 유사한 참조 번호가 때때로 유사한 구조적 요소를 지정하기 위해 사용된다. 도면의 묘사는 도식적인 것이며 정확한 비율이 아니라는 것을 또한 이해해야 한다.
펄스화 전기 기계 제어는 2020년 3월 13일에 출원된 미국 특허 출원번호 16/818,570, 2019년 3월 14일에 출원된 미국 특허 출원번호 16/353,159, 및 2018년 3월 19일에 출원된 미국 가출원번호 62/644,912; 2018년 4월 17일에 출원된 62/658,739; 및 2019년 2월 26일에 출원된 62/810,861에 기재되어 있다. 전술한 출원들은 각각 전체가 본원에 참조로 포함된다.
본 출원은 다른 경우라면 연속 방식으로 작동될 매우 다양한 전기 기계(예를 들어, 전기 모터 및 발전기)의 펄스화 제어의 추가적인 개선에 관한 것이다. 간략함을 위해, 하기 논의는 모터로 작동하는 전기 기계의 맥락에서 주로 설명된다. 그러나, 모터의 맥락에서 설명된 개념은 일반적으로 발전기로 작동하는 전기 기계에 동등하게 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
차량 모터 효율 맵
도 1을 참조하면, 상이한 부하 및 속도 조건 하에서 모터로 작동하는 동안의 예시적인 차량 전기 기계 효율 맵(100)이 도시된다. 맵(10)은 수평축을 따른 전기 기계 속도(RPM)의 함수로 수직축을 따른 토크(Nm)를 나타낸다. 최대 정상-상태 출력 전력이 곡선(102)에 의해 주어진다.
피크-토크/속도 곡선(102) 아래의 영역은 복수의 영역으로 맵핑되되, 이들 각각에는 작동 효율 백분율이 표시된다. 도시된 특정 전기 기계의 경우, 하기 특성이 명확하다:
- 작동 범위의 가장 효율적인 영역 또는 "스윗 스팟" 영역은 104로 표시된 작동 영역이며, 일반적으로 토크 출력이 약 40 내지 70 Nm의 범위인 상태에서 4,500 내지 6,000 RPM의 범위이다. 영역(104)은 에너지 변환 효율이 96% 정도이므로, 모터가 가장 효율적인 작동 범위에서 작동하는 "스윗 스팟"이 된다.
- 모터 속도가 약 6,000+ RPM을 넘어 증가함에 따라, 효율은 출력 토크와 무관하게 감소하는 경향이 있다.
- 출력 토크가 70 Nm을 넘어 증가하거나 40 Nm 아래로 떨어짐에 따라, 효율 백분율은 일부 상황에서는 상당히 많이 피크로부터 감소하는 경향이 있다. 예를 들어, 모터가 약 2,000 RPM 및 100 Nm의 출력 토크로 작동할 때, 효율은 약 86%이다. 토크 출력이 약 30 Nm 아래로 떨어질 때, 모터 속도와 무관하게, 효율은 하강하여 영부하에서 영에 접근한다.
- 임의의 특정 전기 기계 속도에서, 대응하는 가장 효율적인 출력 토크가 존재할 것이고, 이는 최대 효율 곡선(106)에 의해 도식적으로 도시된다.
도시된 맵(100)은 2010 토요타 프리우스에 사용되는 전기 기계에서 유래되었다. 맵(100)은 내부 영구 자석 동기 전기 기계를 위한 것이다. 이러한 맵(100)은 단지 예시적인 것이며, 어떤 점에서든 제한하는 것으로 해석되지 않아야 함을 이해해야 한다. 차량 또는 소정의 다른 응용에 사용되는지와 무관하게, 유사한 맵이 거의 모든 전기 기계를 위해 생성될 수 있다.
맵(100)에서 알 수 있는 바와 같이, 모터링할 때, 전기 기계는 일반적으로 스윗 스팟(104)의 속도 및 토크 범위 내에서 작동하면 가장 효율적이다. 모터가 스윗 스팟(104) 또는 그 인근에서 더 큰 비율의 시간을 작동하도록 작동 조건이 제어될 수 있는 경우, 모터의 전체 에너지 변환 효율이 상당히 개선될 수 있다.
그러나, 실용적인 관점에서, 많은 주행 상황은 모터가 스윗 스팟(104)의 속도 및 토크 범위 밖에서 작동하게 만든다. 전기 차량에서는, 변속기 또는 기어 박스를 구비하지 않고, 그에 따라 전기 모터 회전 속도 대 휠 회전 속도의 고정된 비율을 가지는 것이 일반적이다. 이 경우, 모터 속도는 차량이 정지될 때의 영(0)과 고속도로 속도로 정속 주행할 때의 비교적 높은 RPM 사이에서 달라질 수 있다. 토크 요건은 또한 차량이 가속 또는 감속 중인지, 오르막 주행 중인지, 내리막 주행 중인지, 평면 주행 중인지, 제동 중인지 등과 같은 인자에 기반하여 폭넓게 달라질 수 있다.
도 1에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 임의의 특정 속도에서, 대응하는 가장 효율적인 출력 토크가 존재할 것이고, 이는 최대 효율 곡선(106)에 의해 도식적으로 도시된다. 개념적인 관점에서, 요망된 모터 토크가 현재 모터 속도에 대한 가장 효율적인 출력 토크보다 작을 때, 모터의 전체 효율은, 주어진 속도에 대해 피크 효율 또는 그 인근에서 소정의 비율의 시간을 작동하고 낮은 또는 영토크 출력 레벨에서 남은 시간을 작동하기 위해, 모터를 펄스화함으로써 개선될 수 있다. 그에 따라 발생되는 평균 토크는 전기 기계에 인가되는 피크 효율 토크의 듀티 사이클을 제어함으로써 제어된다.
전기 기계는 발전기로 작용할 때 이의 효율을 특징짓는 유사한 효율 맵을 갖는 것을 이해해야 한다.
펄스화 작동
도 3은 펄스화 모터 작동의 예를 도식적으로 도시한 그래프(30)이다. 이러한 특정 예에서, 요망된 모터 토크는 10 Nm이지만, 현재 작동하는 모터 속도에 대한 가장 효율적인 토크 출력은 50 Nm이다. 개념적으로, 모터를 20%의 시간 동안 50 Nm의 토크를 전달하게 한 후 남은 80%의 시간 동안 무토크(영토크)를 전달하게 함으로써, 모터는 10 Nm의 순 토크를 전달하도록 구동될 수 있다. 모터는 10 Nm을 전달할 때보다 50 Nm을 전달할 때 더 효율적으로 작동하기 때문에, 모터의 전체 효율은 전술한 방식으로 모터의 작동을 펄스화함으로써 개선될 수 있다. 도 3에 도시된 예에서, 모터는 매 5 시간 단위 중 1 시간 단위의 기간 동안 50 Nm의 모터 출력을 발생시키고(34로 표시됨), 다음으로 모터는 중간의 4 시간 단위 동안 영토크를 발생시키도록 제어된다.
도 3에서, 그래프(30)는 수직축에 (전기 모터로 작용하는) 전기 기계(12)에 인가되는 총 전류를, 수평축에 시간을 나타낸다. 예시를 목적으로, 인가된 전류의 각 amp는 1 Nm의 출력 토크를 발생시킨다고 가정할 것이다. 이러한 특정 예에서, 요망된 모터 출력 토크는 10 Nm이고, 이는 파선(32)으로 나타낸 바와 같이 10 amp의 전류를 요구할 것이다. 또한 이 예에서, 모터를 위한 가장 효율적인 토크 출력은 50 amp의 인가된 전류에 대응하는 50 Nm이다.
종래의 작동 동안, 요망된 토크가 10 Nm의 값으로 유지된다면, 모터는 연속적으로 10 Nm을 발생시킨다. 펄스화 제어 작동 동안, 모터는 20%의 시간 동안 50 Nm의 토크를 전달하기 위해 펄스(34)로 나타낸 바와 같이 펄스화된다. 남은 80%의 시간 동안, 모터는 이 예에서 오프된다. 따라서, 모터의 순 출력은 10 Nm의 작동 요구를 충족시킨다. 모터는 10 Nm을 전달할 때보다 50 Nm을 전달할 때 더 효율적으로 작동하기 때문에, 모터의 전체 효율은, 여전히 평균 토크 요구를 충족시키면서 20% 듀티 사이클을 사용하여 모터를 펄스화함으로써, 개선된다.
상기 예에서, 듀티 사이클이 반드시 20%에 제한되는 것은 아니다. 요망된 모터 출력이 50 Nm을 초과하지 않는 한, 요망된 모터 출력은 광범위한 듀티 사이클에 의해 충족될 수 있다. 예를 들어, 요망된 모터 출력이 20 Nm으로 변경되는 경우, 50 Nm에서 작동하는 모터의 듀티 사이클은 40%까지 증가될 수 있고; 요망된 모터 출력이 40 Nm으로 변경되는 경우, 듀티 사이클은 80%까지 증가될 수 있고; 요망된 모터 출력이 5 Nm으로 변경되는 경우, 듀티 사이클은 10%까지 감소될 수 있는 등이다. 일반적으로, 펄스화 모터 제어는 잠재적으로는 요망된 모터 토크가 최대 효율 곡선(즉, 도 1의 곡선(106)) 아래로 떨어질 때마다 유리하게 사용될 수 있다.
다른 한편으로, 요망된 모터 토크가 최대 효율 곡선 또는 그 위에 있을 때, 모터는 요망된 토크를 전달하기 위해 종래의 (연속 또는 비펄스화) 방식으로 작동될 수 있다. 따라서, 펄스화 작동은 모터가 주어진 모터 속도에 대해 피크 효율 토크 아래의 평균 토크를 전달하도록 요구될 때 효율 이득을 위한 기회를 제공한다.
본원에 제공된 전류 및 토크 값 및 시간 척도는 단지 예시적인 것이며, 어떤 방식으로든 제한하는 것으로 의도되지 않아야 함을 주목해야 한다. 실제 모터 펄스화 구현예에서, 사용되는 펄스 듀레이션은 임의의 특정 시스템의 설계 필요성에 기반하여 폭넓게 달라질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 각각의 펄스 사이클에 대한 기간의 척도는 10마이크로초 내지 10.0초 정도로 폭넓게 달라질 수 있다. 비배타적인 구현예에서, 펄스는 예를 들어 0.2 내지 100밀리초(10 내지 5000 Hz)의 범위일 수 있다. 게다가, 매우 다양한 모터가 있고, 각각의 모터는 자체의 고유 효율 특성을 갖는다. 또한, 상이한 모터 속도에서, 주어진 모터는 상이한 최대 효율 곡선을 가질 것이다. 곡선의 성질은 특정 모터 또는 특정 응용에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 전류 펄스는 도 2에 도시된 바와 같이 플랫탑일 필요가 없고/없거나, 전류는 펄스 사이의 기간 동안 영이 될 필요가 있는 것이 아니라 소정의 영이 아닌 값일 수 있다. 그러나, 사용되는 특정 곡선과 무관하게, 소정의 비율의 시간에, 모터는 바람직하게는 주어진 모터 속도에 대한 최고 효율 영역 또는 그 인근에서 작동한다.
전력 인버터
도 2를 참조하면, 3상 전기 기계(12)의 펄스화 작동을 위한 전력 제어기(10)의 도면이 도시된다. 상기에 주목된 바와 같이, 전기 기계(12)는, 예를 들어 영구 자석 보조식 동기 릴럭턴스 기계 및 IPM 기계를 비롯하여, 영구 자석 로터 설계를 갖는 임의의 유형의 전기 기계와 같은, 약계자 능력을 갖는 임의의 유형의 전기 기계이다.
전력 제어기(10)는 전력 인버터(14), DC 전원 장치(16), 및 펄스 제어기(20)를 포함한다. 전력 인버터(14)는 시스템을 통한 에너지 유동의 방향에 따라 전력 인버터 또는 전력 정류기로 작동될 수 있다.
전기 기계(12)가 모터로 작동될 때, 전력 인버터(14)는 DC 전원 장치(16)로부터 (각각 A, B, C상에 대해 18A, 18B, 18C로 표시된) 3상 AC 전력을 발생시키는 역할을 한다. 3상 입력 전력은 회전 자기력(RMF)을 발생시키기 위해 전기 기계(12)의 스테이터의 권선에 인가된다. 가장 일반적인 영구 자석 모터의 경우, 로터 자계는 영구 자석의 자계이다. 유도 모터에서, 이러한 회전 자계는 전류가 로터 권선 내에 흐르도록 유도하고, 이는 이후 로터 자계를 유도한다. 로터 및 스테이터 자계의 상호 작용은 전자기력(EMF)을 발생시켜서 로터의 회전을 야기하고, 이는 이후 모터 샤프트를 회전시킨다. 회전하는 샤프트는 모터의 출력 토크를 공급한다.
3개의 상(18A~18C)은 각각 전류가 어느 방향으로든 흐를 수 있음을 나타내는 화살표를 양 단부에 갖는 라인에 의해 표시된다. 모터로 사용될 때, 전류는 전원 장치(16)로부터 전력 인버터(14)를 통해 전기 기계(12)로 흐른다. 발전기로 사용될 때, 전류는 전기 기계(12)로부터 전력 인버터(14)를 통해 전원 장치(16)로 흐른다. 발전기로 작동할 때, 전력 인버터(14)는 본질적으로 전력 정류기로 작동하고, 전기 기계(12)로부터 유래하는 AC 전력은 배터리 또는 커패시터와 같은 DC 전원 장치에 저장되는 DC 전력으로 변환된다.
펄스 제어기(20)는 전기 기계(12)로의 3상 입력 전류(18A~18C)를 선택적으로 펄스화하는 역할을 한다. 종래의 (즉, 연속) 작동 동안, 전기 기계(12)에 공급되는 3상 입력 전류는 연속 정현파 전류 신호이며, 이들 각각은 서로에 대해 120° 위상이 다르다. 펄스화 작동 동안, 3상 정현파 전류 신호(18A~18C)는 본원에 설명된 접근법들 중 임의의 것을 사용하여 선택적으로 펄스화된다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 전기 기계(12)로/에 의해 공급되는 연속 및 펄스화 3상 전류 사이의 차이를 도시하기 위한 도표가 제공된다. 이들 각각에서, 전류는 수직축에 나타내고 시간은 수평축을 따라 나타낸다.
도 4a는 여자 동안 전기 기계(12)에 전달되거나 이에 의해 발생되는 종래의 3상 정현파 전류(42a, 42b, 42c)를 도시한다. 곡선(42b)에 의해 나타낸 B상은 곡선(42a)에 의해 나타낸 A상보다 120° 뒤처진다. 곡선(42c)에 의해 나타낸 C상은 B상보다 120° 뒤처진다. 정현파 주기는 τ이다. 3상 전류(42a, 42b, 42c)는 연속적이며(펄스화되지 않음), 약 50 amp의 지정된 최대 진폭을 갖는다. 50 amp는 단지 대표적인 최대 전류이며, 최대 전류는 임의의 값을 가질 수 있음을 이해해야 한다.
도 4b 및 도 4c는 각각 상이한 펄스화 3상 정현파 전류 파형(44a, 44b, 44c; 46a, 46b, 46c)의 두 예를 도시한다. 각 세트의 파형은 50% 듀티 사이클 및 약 100 amp의 피크 진폭을 가짐을 주목한다.
도 4a에서, 정현파 파형(44a, 44b, 44c)의 주기는 τ이지만, 정현파 파형은 각각 온/오프 변조된다. 도 4c의 펄스화 전류(44a~44c, 46a~46c) 사이의 차이는 각각의 전류 펄스의 듀레이션 및 삽입된 "오프" 기간이다. 도 4b에서, 전류 펄스(44a~44c)에는, 동일한 길이의 "오프" 기간이 삽입되어 있다. 각각의 온 및 오프 기간의 길이는 2τ이다. 도 4c에서, 전류 펄스(46a~46c) 및 삽입된 "오프" 기간은 다시 동일한 듀레이션을 갖는다. 이 경우, 듀레이션은 τ/2이다. 두 예에서, 듀티 사이클은 50%이다. 그러나, "온" 및 "오프" 기간의 듀레이션은 상이하다. 즉, 펄스 변조의 주파수가 상이하다. 펄스 변조의 주파수는 사용되는 전기 기계의 유형, 소음 및 진동 고려사항, 현재 작동하는 로터 속도, 및 다른 인자에 기반하여 달라질 수 있다.
모터로 작동할 때, (표면 영구 자석형 전기 기계에서 종종 그러하듯이 토크가 전류에 비례하는 것을 가정하면) 도 4b 및 도 4c의 여자 전류는 도 4a의 연속적으로 인가된 3상 전류와 동일한 평균 토크를 전달한다
도 4b 및 도 4c는 전기 기계가 정상 상태 요망된 출력 레벨에서 작동되는 동안 "온" 구동 펄스들이 균일하게 이격되는 응용을 도시한다. 이와 같은 접근법은 많은 상황에 들어맞지만 필수요건이 아니다. 듀티 사이클은 50%일 필요가 있는 것이 아니라 요망된 평균 토크에 부합하도록 조정될 수 있다. 도 4b 및 도 4c에서, 펄스의 상은 인가된 AC 전력과 동기화된다; 그러나, 일부 구현예에서, 펄스의 상은 인가된 AC 전력의 상과 동기화될 필요가 없다. 그러므로, 요망된 평균 토크가 평균이 되는 한, 전기 기계 구동 펄스의 상대 크기 및/또는 타이밍은 달라질 수 있다.
전기 기계 효율 및 맵
시스템 내에 작동하는 전기 기계의 효율은, 요청된 토크 요구를 여전히 충족시키면서, 작동을 보다 효율적인 영역들에서 일어나도록 변조하고 작동을 비효율적인 영역들에서 최소화함으로써, 개선될 수 있다. 따라서, 주어진 시스템의 효율을 개선하기 위해, 이의 피크 효율 및 덜 효율적인 작동 영역이 식별될 필요가 있다.
도 5를 참조하면, 예시적인 시스템을 위한 연속 작동 효율 맵(52), 피크 효율 토크 맵(54), 및 영토크 손실 맵(56)이 어떻게 생성되는지 나타낸 도면(50)이 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 고려되는 시스템을 위한 맵들(52, 54, 56)은 주어진 기계를 위한 이력 손실 맵(58A), 와류 손실 맵(58B), 구리 손실 맵(58C), 인버터 손실 맵(58D), 및 샤프트 전력 맵(58E)의 생성으로부터 유래된다. 다른 시스템은 또한 풍손 및 마찰과 같은 추가 및/또는 상이한 손실을 고려할 수 있다. 각각의 파라미터에 대한 맵들(58A~58E)이 시스템의 작동 및 테스트 동안 생성되는 실증적 데이터로부터 생성된다.
효율 맵들을 생성하기 위해, 전기 기계는 광범위한 토크 요구 및 속도에 걸쳐 작동된다. 전기 기계가 통전됨에 따라, 상기에 열거된 각각의 파라미터가 측정된다. 이러한 측정치들로부터, 각각 기계의 상이한 속도 및 토크 범위에 걸쳐 이력, 와류, 구리, 인버터, 및 기계 샤프트 전력 손실을 나타내는 맵들(58A~58E)이 생성된다.
이후, 맵들(58A~58E)이 획정된 상태에서, 맵 생성 모듈(55)이 전기 기계를 위한 연속 작동 효율 맵(52) 및 영토크 손실 맵(56)을 생성하기 위해 사용된다. 이후, 피크 효율 토크 맵(54)이 연속 작동 효율 맵(52)으로부터 추출된다. 피크 효율 토크 맵(54)은 본질적으로 속도의 함수로 전기 기계의 최대 효율에 대응하는 토크를 맵핑하는 도표이다. 유사하게, 영토크 손실 맵은 인버터가 영토크를 제어하는 상태에서 광범위한 속도에 걸쳐 전기 기계의 작동 동안 수집되는 실증적 데이터로부터 생성된다.
이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 연속 작동 효율 맵(52), 피크 효율 토크 맵(54), 및 영토크 손실 맵(56) 각각은 모터로 작동되든 발전기로 작동되든 전기 기계의 변조된 제어 동안 사용된다.
영구 자석, BEMF, 및 약계자
하이브리드를 포함하는 배터리 동력식 차량을 비롯한 소정의 응용의 경우, 영구 자석을 사용하는 로터 설계를 갖는 전기 기계가 일반적이다. 이와 같은 전기 기계는 영구 자석 보조식 동기 릴럭턴스 모터 및 내부 영구 자석(IPM) 모터를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 이와 같은 전기 기계는 일반적으로 효율적이고 비교적 저렴하므로 전기 차량 응용에 유리하게 사용되지만, 결코 바람직하지 않은 몇몇 문제가 있다.
영구 자석을 사용하는 로터 설계를 갖는 전기 기계가 통전될 때, 로터는 스테이터 자계에 동조하여 회전하기 시작한다. 이후, 로터의 회전하는 영구 자석은 스테이터 권선 내에 전자기력 또는 "EMF"를 유도하는데, 일반적으로 역EMF 또는 "BEMF"로 지칭된다. BEMF는, 스테이터 전류가 흐르는 것을 야기하고, 그에 따라 우선 로터가 회전하는 것을 야기하는 인가된 전압에 반하여 작용한다. 그 결과, BEMF가 전기 기계에 인가된 전압에 접근함에 따라, 스테이터 내에 흐르는 전류는 영으로 떨어져서, 샤프트 속도를 자연스럽게 제한한다.
약계자는 BEMF의 부정적인 효과를 감소시키기 위해 사용되는 공지된 기법이다. 자계를 감소시키거나 약화시킴으로써, BEMF가 감소되어, 모터링 토크의 발생을 가능하게 하고, 발생할 때, BEMF를 인버터 공급 전압에 의해 제한되는 것보다 적게 제어하는 것은, 제어된 전류가 약계자 없이 가능할 속도를 초과하는 속도로 인버터 전원 장치로 다시 흐르는 것을 가능하게 한다.
약계자 없이, 모터 속도는 모터링할 때 약계자를 요구하는 속도 아래로 인버터의 공급 전압에 의해 자연스럽게 제한될 것이다. 더 높은 속도로 작동하기 위해, 인버터의 공급 전압에 의해 다시 한번 제한될 때까지 모터가 속도를 증가시킬 수 있도록 BEMF를 감소시키기 위해 점진적으로 약계자를 적용하는 것이 가능하다. 공급 전압이 다시 한번 초과될 때, 더 많은 약계자가 적용될 수 있다. 약계자가 인버터의 공급 전압 아래로 BEMF를 유지하는 데에 실패할 때에만, BEMF가 인버터의 공급 전압을 초과할 것이다. 이는 인버터 내에 통상적으로 사용되는 전력 반도체 장치의 단극성 성질로 인해 비제어 정류를 가져올 수 있다. 이러한 시나리오가 일어날 때, 에너지가 모터로부터 추출되며 인버터의 전원 장치로 반환된다(즉, 발전). 이는 모터의 속도를 지체시켜서, 신속하게 BEMF가 인버터의 전압 이하가 되는 결과를 가져온다.
발전할 때, 기계는 이것이 회전하는 속도를 제어하지 않는다. 이로써, 약계자가 적용되지 않으면, 모터링에 따라, BEMF는 인버터의 전압을 초과할 것이지만, 이번엔 비제어 정류가 샤프트 상에 지체 토크만을 배치할 것이고, 이는 속도를 늦출 수도 늦추지 않을 수도 있다. 심지어 인버터의 디스에이블링이 비제어 정류를 중단시키지 않을 것이기 때문에, 이는 통상적으로 바람직하지 않은 작동의 영역이다.
변조된 전기 기계 제어
도 6을 참조하면, 전기 기계(12)로/로부터 공급되는 에너지를 펄스 변조하기 위한 시스템(60)을 나타낸 도면이 도시된다. 시스템(60)은 전기 기계(12), 전기 기계(12)를 제어하기 위해 DC 전원 장치(16)로/로부터의 (각각 A, B, C상에 대해 18A, 18B, 18C로 표시된) 3상 AC 전력을 제어하기 위한 전력 인버터(14), 토크 제어 결정 모듈(62), 인버터(14) 내에 제공되는 약계자 모듈(63), 전기 기계(12)의 로터의 각위치를 나타내는 피드백 신호(64A)를 발생시키기 위한 선택적인 피드백 센서(64), 및 선택적인 토크 및 속도 추정기(66)를 포함한다.
시스템(60)의 작동 동안, 토크 변조 결정 모듈(62)은 토크 요구를 수신한다. 이에 응하여, 토크 변조 결정 모듈(62)은 요청된 토크 요구가 현재 기계 속도와 연관된 지정된 "펄스화" 임계치보다 큰지 작은지 판단한다. 펄스화 임계치는 전기 기계(12)의 속도 및 가능하게는 다른 고려사항의 함수로 달라질 것이다. 일부 구현예에서, 주어진 속도에 대한 펄스화 임계치는 이 속도에 대한 전기 기계(12)의 피크 효율 토크와 동일할 수 있다. 다른 상황에서, 임의의 특정 모터/발전기 속도에 대한 적절한 펄스화 임계치를 판단할 수 있는 다른 고려사항 또는 인자. 전기 기계 또는 전기 기계를 포함하는 더 큰 시스템의 순 작동 효율이 또한 고려될 수 있다. 예를 들어, 토크 요구가 피크 효율 토크에 매우 가까운 경우(예를 들어, 피크 효율 토크의 98% 또는 99%), 펄스화 작동과 연관된 실제 손실과 같은 다른 고려사항이 펄스화 대 연속 작동의 임의의 증분 이득을 능가할 수 있다. 이 경우, 임계치는 연속 작동을 가능하게 하기 위해 수정될 수 있다. 다른 인자(예를 들어, NVH 완화 문제)가 또한 고려될 수 있다. 따라서, 본원에 사용된 "임계치"라는 용어는 광범위하게 해석되어야 하며, 주어진 전기 기계(12)의 단지 피크 효율 토크에 제한되지 않아야 한다.
토크 요구가 임계치보다 클 때, 토크 변조 결정 모듈(62)은 연속 모드로 전기 기계(12)를 작동시킨다. 이 경우, 전력 인버터(14)에 공급되는 파형(68)은 전기 기계(12)의 연속 작동을 나타낸다. 이에 응하여, 도시된 3상 전기 기계의 경우, 인버터(14)에 의해 발생되는 3상 전력 신호(18A, 18B, 18C)는 요구된 토크를 지원하기 위해 필수 크기 및 상을 갖는 연속 정현파이다. 연속 작동 동안, 약계자 모듈(63)은 필요시 약계자를 적용할 수 있다.
토크 요구가 임계치보다 작을 때, 전기 기계(12)는 펄스화 모드로 작동된다. 이 경우, 토크 변조 결정 모듈(62)에 의해 인버터(14)에 공급되는 파형(68)은 요구된 토크를 충족시키기 위해 3상 전력 신호(18A, 18B, 18C)를 펄스화하기 위한 (a) 듀티 사이클 및 (b) 크기를 획정한다.
모터(12)의 펄스화 작동 동안, 인버터는 펄스 동안 활성화되며 이상적으로는 펄스 사이에 비활성화된다. 인버터를 비활성화하는 것은 무토크 기간 동안 인버터 손실 및 인버터 유도 손실을 감소시키는 데에 도움이 되므로 개념적으로 바람직하다. 그러나, 인버터를 무토크 기간(또는 무토크 기간의 적어도 일부) 동안 능동적으로 영토크를 명령하게 만드는 것이 바람직한 경우가 있다. 이에 대한 몇몇 이유가 있다. 이해하기 가장 쉬운 이유 중 하나는 역 BEMF와 관련이 있다. 상기에 논의된 바와 같이, 모터의 BEMF가 모터에 의해 사용되는 공급 전압(16)을 초과할 때, 모터의 효율을 상당히 열화시킬 수 있는 지체 토크가 발생된다. 약계자가 통상적으로 지체 토크를 완화하거나 제거하기 위해 사용된다. 모터에 의해 발생되는 BEMF는 주로 모터 속도의 함수이다. 그러므로, BEMF는 펄스화 모터 제어의 무토크 기간 동안 계속 문제가 된다. 약계자가 인버터에 의해 적용되기 때문에, 약계자가 요망되는 모터의 작동 상태에서 펄스화 제어의 무토크 기간 동안 인버터를 비활성화하는 것은, BEMF가 이 기간 동안 모터를 지체시키는 것을 가능하게 하여, 모터의 전체 효율을 (때때로 상당히 많이) 감소시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 완화하기 위해, 인버터는 바람직하게는 BEMF가 공급 전압을 초과하는 작동 영역에서 펄스화 제어의 무토크 기간 동안 영토크를 명령하도록 유지된다.
일부 구현예에서, 인버터(14)는 전기 기계(12)의 BEMF가 인버터(14)에 의해 사용되는 공급 전압(16)을 초과하는지 효과적으로 판단한다. 이는 기계의 현재 샤프트 속도(예를 들어, RPM)를 주지의 속도 임계치와 비교함으로써 또는 다른 적합한 기법을 통해 달성될 수 있다. BEMF가 공급 전압(16)보다 작을 때, 인버터는 펄스화 제어의 무토크 기간 동안 비활성화된다. 다른 한편으로, BEMF 값이 공급 전압보다 큰 경우, 인버터(14)는 활성화된 상태로 유지되고, 영토크가 요구되며, 약계자 모듈(63)은 적절한 경우 약계자를 적용한다. 이에 응하여, BEMF가 감소되고, 다른 경우라면 전기 기계에 의해 발생될 임의의 지체 토크가 완화되거나 전부 제거된다.
상기에 설명된 펄스화 전기 기계 제어 프레임워크는 일반적으로 효율 및 잠재적으로는 다른 고려사항에 기반하여 임의의 주어진 작동 상태(예를 들어, 기계 속도 및 토크 요구)에 대해 3개의 작동 모드 상태 중 하나를 선택한다. 먼저, 펄스화 제어가 효율 이점을 제공하지 않는 작동 영역에서, 전기 기계는 연속 방식으로 연속적으로 작동한다. 펄스화 제어가 이점을 제공하는 작동 영역에서, 펄스화가 채용된다. 펄스화 모드로 작동할 때, 무토크 기간 동안 인버터를 디스에이블할지에 관한 추가적인 결정이 내려진다. 인버터 디스에이블 결정은 주로 효율 고려사항에 기반하여 내려진다. 조건이 허락하고, 무토크 기간 동안 인버터를 디스에이블하는 것이 더 에너지 효율적일 때, 인버터는 디스에이블된다. 펄스화 제어의 무토크 기간 동안 영토크를 명령하도록 인버터를 유지하는 것이 더 에너지 효율적일 때, 인버터는 이러한 방식으로 작동된다. BEMF의 맥락에서, BEMF가 공급 전압(16)을 초과할 때, 인버터(14)는 약계자의 적용을 용이하게 하기 위해 활성화된 상태로 유지되어, 전기 기계의 효율에 악영향을 미칠 지체 토크를 완화하거나 제거한다.
실제로, 전기 기계 및/또는 전기 기계를 포함하는 시스템의 특성은 상기에 설명된 효율 및 손실 맵과 같은 작동 맵의 생성을 통해 특징지어질 수 있다. 이와 같은 맵에 기반하여, 임의의 및 모든 작동 조건(예를 들어, 모든 가능한 기계 속도 및 출력 레벨 조합)에 대한 가장 효율적인 작동 상태가 판단될 수 있다. 이러한 맥락에서, 작동 상태는, 펄스화 제어가 인에이블되는지, 및 그러한 경우, (a) 토크 온 기간 중일 때 요망된 목표 출력 레벨; (b) 요망된 듀티 사이클; 및 (c) 인버터가 무토크 기간 동안 활성 상태로 유지되어야 하는지 비활성화되어야 하는지의 표시를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 이러한 정보는 현재 기계 속도 등에 기반하여 임의의 명령된 출력(예를 들어, 토크 요구)에 대한 적절한 인버터 제어 신호(68)를 판단하기 위해 토크 변조 결정 모듈(62)에 의해 사용될 수 있는 룩업 테이블과 같은 데이터 구조 내에 저장될 수 있다. 다른 구현예에서, 토크 변조 결정 모듈은 이와 같은 결정을 내리기 위해 알고리즘 또는 다른 적합한 접근법을 사용할 수 있다.
선택적인 구현예에서, 피드백 센서(64)는 전기 기계(12)의 로터의 각위치를 나타내는 피드백 신호(64A)를 발생시킨다. 피드백 신호(64A)는 전력 인버터(14)와 토크 및 속도 추정기(66) 각각에 공급된다. 로터의 각위치가 주지된 상태에서, 토크 및 속도 추정기(66)는 토크 변조 결정 모듈(62)에 전기 기계의 토크 및 속도의 정확한 추정치를 공급할 수 있다. 이에 응하여, 토크 펄스의 분배가 NVH를 유도하지 않는 것을 보장하도록 각각의 상(18A, 18B, 18C)의 타이밍을 조정하기 위해, 전력 인버터(14) 내의 스위칭 네트워크의 타이밍(즉, 스위치들(S1~S6)을 온/오프하는 타이밍)이 정확하게 제어될 수 있도록, 파형(68)이 필요시 조정될 수 있다. 그 결과, 전기 기계(12)의 작동은 원활하며 효율적이다.
피드백 센서(64)의 사용은 의무적이 아니며, 전기 기계(12)의 로터의 각위치를 측정하거나 추정하기 위한 다른 기법이 사용될 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 다수의 센서리스 접근법 중 임의의 것이 또한 사용될 수 있다. 센서리스 접근법의 예는 BEMF 감지, 상전류 감지, 고주파 주입 또는 다른 방법을 통한 중요도 검출, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
종래의 연속 작동에서, 손실은 연속적이다. 다른 한편으로, 펄스 변조에서, 손실은 듀티 사이클에 따라 상당히 좌우된다. 펄스 변조에서, 전기 기계는 펄스 동안과 펄스 사이의 기간의 작동 피크 효율 사이에 진동하며, 인버터는 비활성화되거나 인버터는 활성화되고, 영토크가 요구되며, 임의의 지체 토크가 완화되거나 제거된다. 그 결과, 손실이 최소이며, 평균 토크가 종래의 연속 작동에 의해 발생되는 동일한 평균 토크에 비해 전반적으로 더 높은 효율 레벨에서 발생된다. 따라서, 펄스 변조는 전기 기계가 피크 효율 토크 아래의 영역에서 작동할 때 종래의 연속 작동에 비해 효율의 이득을 제공한다.
일부 상황에서, 일정한 펄스화 듀티 사이클을 사용하는 것은 바람직하지 않은 소음, 불쾌감, 진동(NVH)을 초래할 수 있음을 주목한다. 일부 실시예에서, 시그마-델타 변조가 이러한 문제를 완화하기 위해 사용될 수 있다. 비배타적인 구현예에서, 토크 변조 결정 모듈(62)은 시그마-델타 결정 모듈이다. 예시적인 시그마-델타 결정 모듈이 2019년 3월 14일에 출원된 미국 출원 일련번호 16/353,159 및 16/353,166에 기재되어 있고, 둘 다 모든 목적을 위해 본원에 포함된다.
전기 기계(12)의 상기 설명은 모터로 작동하는 맥락에서 주로 기재된 것을 주목한다. 전기 기계가 발전기로 작동할 때, 펄스화 제어는 전기 에너지의 보다 효율적인 발생을 제공함을 이해해야 한다.
작동 흐름도
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 약계자를 갖는 펄스 변조를 실시하기 위한 작동 흐름도(70A, 70B)가 도시된다.
단계(72)에서, 전기 기계(12)에 요청되는 토크 요구가 수신된다.
결정(74)에서, 토크 변조 결정 모듈(62)은 요구된 토크를 현재 속도에 대한 미리 결정된 펄스화 임계치와 비교한다. 앞서 주목된 바와 같이, 임계치는 현재 속도에 대한 피크 효율 토크와 동일하거나 상이할 수 있다.
단계(76)에서, 토크 변조 결정 모듈(62)은 토크 요구가 펄스화 임계치보다 큰 경우 전기 기계(12)가 연속 모드로 작동해야 한다고 판단한다. 연속 작동 동안, 약계자 모듈(63)은 필요시 약계자를 적용할 수 있다. 다른 한편으로, 토크 요구가 임계치보다 작은 경우, 펄스화 모드로 전기 기계(12)를 작동시키기로 결정된다.
단계(78)에서, 펄스에 대한 듀티 사이클이 토크 변조 결정 모듈(62)에 의해 획정된다. 앞서 설명된 바와 같이, 통상적으로 다수의 상이한 듀티 사이클 중 임의의 것이 요청된 토크 요구를 충족시키기 위해 사용될 수 있고, 선택된 듀티 사이클은 소음 및 진동 고려사항, 현재 작동하는 로터 속도, 및 다른 인자와 같은 다수의 고려사항에 기반할 수 있다. 또한, 모듈(62)이 시그마-델타 모듈인 구현예에서, 듀티 사이클을 충족시키는 펄스 온/무펄스 시퀀스가 시그마-델타 변조를 이용하여 획정된다.
결정(80)에서, 모터 BEMF와 인버터 공급 전압의 비교에 기반하여 약계자 모듈(63)이 약계자를 적용해야 하는지 판단된다. 이후, 이러한 판단은 인버터가 펄스 사이의 기간 동안 비활성화될 수 있는지 결정하기 위해 사용된다.
BEMF가 인버터를 위한 공급 전압보다 작은 경우, 전기 기계는 인버터(14)가 약계자 없이 펄스 사이의 기간 동안 비활성화된 상태로 펄스화 모드로 작동된다.
BEMF가 인버터를 위한 공급 전압보다 큰 경우, 인버터(14)는 명령된 영토크와 함께 펄스 사이의 무토크 기간 동안 활성 상태로 유지된다. 이로써, 인버터는 펄스 사이의 무토크 기간 동안 약계자를 계속 적용할 수 있다. 그 결과, 비제어 반환 정류 전류가 감소되고, 결과적인 지체 토크가 완화되거나 제거된다.
상기 배치에서, 2개의 펄스 사이의 기간 동안 약계자를 갖는 영토크 요구로, 비활성화된 인버터로부터 활성화된 인버터로(또는 그 반대로) 천이하는 것이 가능하다. 그러나, 대부분의 실제 응용에서 펄스 사이의 기간이 통상적으로 비교적 작기 때문에, 그렇게 하는 것이 실용적이지 않을 수 있다.
흐름도(70A, 70B)와 연관된 작동 단계들이 다수의 방식으로 실시될 수 있다. 일 구현예에서, 토크 변조 결정 모듈(62)은 전술한 단계들을 실시하기 위해 알고리즘에 의존할 수 있다. 대안적인 구현예에서, 토크 변조 결정 모듈(62)은 하나 이상의 룩업 테이블에 의존할 수 있다. 토크 요구 및 현재 속도에 따라, 토크 변조 결정 모듈(62)은 토크 요구가 펄스화 임계치보다 큰지 작은지와 약계자가 적용되어야 하는지 아닌지 결정을 내릴 수 있다. 이와 같은 구현예에서, 하나 이상의 테이블이 통상적으로 광범위한 속도 및 토크 요구에 걸쳐 전기 기계(12)를 여자시키는 동안 수집되는 실증적 데이터로부터 구축된다. 전기 기계(12)가 테스트될 때, 파라미터가 광범위한 속도 및 토크 요구 조합에 걸쳐 수집되고, 이후 표로 만들어져서 하나 이상의 룩업 테이블을 형성한다.
부스트를 갖는 전력 인버터
2020년 3월 13일에 출원된 공동 양도 미국 출원번호 16/818,570에는, 부스트 회로를 포함하는 예시적인 전력 인버터가 개시되어 있다. 개시된 인버터는, 기계를 여자시키기 위해 각각 결합되는 각각의 A, B, C 상에 대해, 각각이 양전압과 음전압 레일 사이에 결합되는 한 쌍의 스위치를 구비한 스위칭 네트워크를 포함한다. 부스트 회로는 부스트 전압을 발생시킬 수 있는 부스트 공급 장치(예를 들어, 전하 펌프 또는 별개의 전압 공급원) 및/또는 다른 커패시터 및/또는 배터리와 같은 저장 장치를 포함한다. 펄스화 작동 동안, 부스트 공급 장치는 양의 레일의 전압을 부스트하기 위해 사용된다. 그 결과, 펄스의 천이가 더 빠르고, 이는 효율을 추가로 개선한다. 비배타적인 구현예에서, 상기에 언급된 미국 출원번호 16/818,570에 기재된 부스트 회로는 본원에 통합되며, 본원에 설명된 전력 인버터(14)로 사용될 수 있다.
3상 에너지 신호 예
본원에 설명된 바와 같이, 전기 기계(12)의 작동은 연속 모드, 펄스화 모드, 델타-시그마 변조를 이용한 펄스화 모드, 및 마지막으로 약계자의 적용을 갖는 펄스화 모드로 설명되었다. 명료함을 위해, 기계(12)를 여자시키기 위해 사용되는 A, B, C상에 대한 예시적인 3상 AC 전류 신호(18A, 18B, 18C)가 각각의 시나리오에 대해 이하에 설명된다.
도 8a를 참조하면, 연속 작동 동안 기계(12)를 여자시키기 위해 사용되는 A, B, C상에 대한 예시적인 3상 AC 전력 신호(18A, 18B, 18C)가 도시된다. 이러한 상황에서, 전류 신호는 요구된 토크에 비례한다. 그 결과, 샤프트 토크는 요구된 토크를 충족시킨다.
도 8b를 참조하면, A, B, C상에 대한 예시적인 3상 AC 전력 신호가 펄스화 작동 동안 도시된다. 도시된 바와 같이 펄스 동안의 피크 효율과 펄스 사이의 오프 사이에서 신호의 상여자를 변조함으로써, 평균 샤프트 토크는 요구된 토크(예를 들어, 40%)에 상응하지만, 통상적으로 동일한 레벨에서 연속 토크 출력을 발생시키는 것보다 효율적으로 작동한다. 앞서 주목된 바와 같이, 펄스 주파수 또는 듀티 사이클은 필요시 소음, 진동, 불쾌감 및/또는 다른 고려사항에 기반하여 조정될 수 있다.
도 8c를 참조하면, 토크 변조 결정 모듈(62)이 시그마-델타 변조를 이용할 때 AC 전력 신호의 예시적인 상여자 전류가 도시된다. 이러한 특정 예에서, 40%의 듀티 사이클이 도시된다. 도 8b의 동일한 펄스폭이 사용되는 경우, (펄스, 스킵, 스킵, 펄스, 및 스킵)의 예시적인 펄스 패턴이 시그마-델타 변조를 이용하여 40% 듀티 사이클을 달성하기 위해 사용될 수 있다.
마지막으로, 도 8d는 BEMF가 공급 전압(16)을 초과하고 약계자가 적용될 때 AC 전류 신호의 예시적인 상여자 전류를 도시한다. 도 8d에는, 도 8b 및 도 8c에 도시된 바와 같은 약계자 없는 펄스화 작동과 관련하여 여러 차이가 존재한다. 먼저, 펄스 사이에 작은 자화 전류가 인버터(14)를 통해 흐른다. 그 결과, 인버터는 펄스 사이에 완전히 디스에이블되지 않는다. 도 8d에서, 토크 발생 전류와 순수 탈자화 전용 전류 사이의 상변환을 나타내는 상변환이 활성화 기간과 비활성화 기간 사이의 파형에 일어남을 또한 주목한다.
전기 기계 유형
본원에 설명된 전기 기계(12)는 약계자를 적용함으로써 BEMF를 감소시킬 수 있는 임의의 유형의 전기 기계이다. 전기 기계의 예는 내부 영구 자석, 표면 영구 자석, 유도, 동기 릴럭턴스, 영구 보조식 동기 릴럭턴스, 개별 여자 유도, 플럭스 스위칭, 스위치 릴럭턴스, 및 다른 유형의 기계 및/또는 모터를 포함하지만 이에 제한되지 않는 기계 및/또는 모터를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
본 구현예들은 제한적이 아닌 예시적인 것으로 고려되어야 하며, 본 발명은 본원에 주어진 세부사항에 제한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위의 범주 및 등가물 내에서 수정될 수 있다.

Claims (29)

  1. 토크 요구를 수신하는 단계;
    상기 수신된 토크 요구가 임계치를 초과하는 경우 연속 모드로 모터를 작동시키는 단계;
    상기 수신된 토크 요구가 상기 임계치보다 작은 경우 펄스화 모드로 상기 모터를 작동시키는 단계;
    상기 모터의 역전자기력(BEMF)이 상기 모터를 여자시키기 위해 사용되는 전력 인버터에 인가되는 공급 전압보다 큰 경우 상기 모터에 약계자를 적용하는 단계; 및
    상기 펄스화 모드로 작동할 때 펄스 사이의 기간 동안, 상기 모터에 상기 약계자를 적용할 때, 상기 인버터를 활성화된 상태로 유지하지만, 무토크를 요구하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 펄스화 모드로 작동할 때 펄스 사이의 기간 동안, 상기 약계자가 적용되지 않을 때, 상기 인버터를 비활성화하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연속 모드 및 상기 펄스화 모드 동안 상기 모터의 BEMF가 상기 전력 인버터에 인가되는 상기 공급 전압보다 작을 때 상기 모터에 상기 약계자를 적용하지 않는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스화 모드로 상기 모터를 작동시킬 때 펄스에 대한 듀티 사이클을 확인하는 단계로, 상기 펄스에 대한 듀티 사이클은 상기 요청된 평균 토크 요구를 충족시키기에 충분한 것인 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 펄스화 모드로 상기 모터를 작동시킬 때 시그마-델타 변조를 이용하여 펄스를 변조하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 약계자가 상기 모터에 적용될 때 상기 모터가 지체 토크를 발생시키는 것을 방지하거나 완화하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스화 모드로 상기 모터를 작동시키는 단계는, 상기 펄스 사이의 기간 동안 상기 모터가 무토크를 발생시키는 기간과, 상기 모터가 상기 임계치 이상에서 토크를 발생시키는 펄스를 점재시키는 단계를 추가로 포함하고, 상기 모터가 작동하는 상기 펄스는 상기 요청된 토크 요구를 충족시키기 위해 상기 펄스 동안 상기 모터의 평균 토크 출력에 충분한 크기 및 듀티 사이클을 가지는, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터를 위한 효율 토크 맵에 액세스함으로써 상기 수신된 토크 요구가 주어진 모터 속도에 대한 상기 모터의 상기 임계치를 초과하는지 확인하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 효율 토크 맵은 이력 손실 맵, 와류 손실 맵, 구리 손실 맵, 인버터 손실 맵, 또는 모터 샤프트 손실 맵을 포함하는 군에서 선택되는 상기 모터의 하나 이상의 작동 파라미터에 대한 손실 맵으로부터 유래되는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터의 상기 BEMF가 상기 공급 전압보다 작은지 확인하고, 상기 모터의 상기 BEMF가 상기 공급 전압보다 작을 때 상기 펄스화 모드에서 펄스 사이의 기간 동안 상기 인버터를 비활성화하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계치는 상기 모터의 현재 속도에 따라 좌우되며, 상기 모터에 대한 피크 효율 토크와 동일하거나 이로부터 유래되는, 방법.
  11. 모터 조립체로서, 상기 조립체의 모터의 역전자기력(BEMF)이 상기 모터를 여자시키기 위해 사용되는 인버터에 공급되는 공급 전압을 초과할 때 상기 모터의 펄스화 모드 작동 동안 약계자를 적용하도록 배치되는, 모터 조립체.
  12. 제11항에 있어서, 약계자가 적용될 때 펄스 사이의 기간 동안 상기 인버터를 활성화된 상태로 유지하지만, 영토크가 요구된 상태인 단계; 및
    약계자가 적용되지 않을 때 펄스 사이의 기간 동안 상기 인버터를 비활성화된 상태로 유지하는 단계를 추가로 포함하는, 모터 조립체.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 토크 변조 결정 모듈을 추가로 포함하고, 상기 토크 변조 결정 모듈은
    상기 모터에 대한 토크 요구를 수신하고;
    상기 수신된 토크 요구가 임계 토크를 초과하는 경우 연속 모드로 상기 모터를 작동시키며;
    상기 수신된 토크 요구가 상기 임계 토크보다 작은 경우 펄스화 모드로 상기 모터를 작동시키도록 구성되는, 모터 구성.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 토크 변조 결정 모듈은 각각 상기 수신된 토크 요구가 상기 모터의 상기 임계 토크를 초과하는지 미만인지에 따라 상기 연속 모드에서의 상기 모터의 연속 작동 또는 상기 펄스화 모드에서의 펄스 작동을 나타내는 파형을 상기 인버터에 공급하도록 추가로 구성되는, 모터 조립체.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파형은 상기 펄스화 모드로 상기 모터를 작동시킬 때 상기 펄스에 대한 듀티 사이클을 나타내는, 모터 조립체.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터는, (a) 상기 모터의 상기 BEMF가 상기 인버터에 공급되는 상기 공급 전압을 초과할 때 약계자를 적용하거나, (b) 상기 BEMF가 상기 인버터에 공급되는 상기 공급 전압보다 작을 때 약계자를 적용하지 않는 약계자 모듈을 추가로 포함하는, 모터 조립체.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 펄스화 작동 동안 상기 모터의 펄스화를 제어하기 위해, 시그마 델타 변조를 이용하여 상기 인버터를 위한 변조된 파형을 발생시키도록 구성되는 시그마-델타 토크 변조 모듈을 추가로 포함하는, 모터 조립체.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는
    내부 영구 자석 모터,
    표면 영구 자석 모터,
    유도 모터,
    동기 릴럭턴스 모터,
    영구 보조식 동기 릴럭턴스 모터,
    개별 여자 유도 모터,
    플럭스 스위칭 모터, 및
    스위치 릴럭턴스 모터를 포함하는 군에서 선택되는, 모터 조립체.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터의 상기 BEMF가 상기 모터를 여자시키기 위해 사용되는 상기 인버터에 공급되는 공급 전압을 초과할 때 상기 모터의 연속 작동 동안 약계자를 또한 적용하도록 추가로 배치되는, 모터 조립체.
  20. 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 상기 모터와 연관된 자계를 약화시킴으로써 상기 약계자에 응하여 상기 BEMF를 감소시킬 수 있는, 모터 조립체.
  21. 제11항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 발전기로 작동할 수 있는 전기 기계인, 모터 조립체.
  22. 제11항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 BEMF가 상기 공급 전압을 초과하지 않는 상황에서 약계자가 지체 모터 토크의 발생을 완화하거나 제거하도록 요구되지 않을 때 상기 인버터는 상기 펄스화 작동 동안 비활성화되는, 모터 조립체.
  23. 제11항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계 토크는 상기 모터의 속도에 따라 좌우되며, 상기 모터에 대한 피크 효율 토크와 동일하거나 이로부터 유래되는, 모터 조립체.
  24. 적어도 3개의 모드로 작동하도록 배치되는 모터 조립체로서, 상기 3개의 모드는
    (a) 모터에 요청되는 토크 요구가 임계치를 초과할 때의 연속 모드;
    (b) (i) 상기 토크 요구가 임계 토크보다 작을 때 및 (ii) 상기 모터의 역전자기력(BEMF)이 상기 모터를 여자시키기 위해 사용되는 인버터에 공급되는 공급 전압보다 작을 때, 상기 인버터가 펄스 사이의 기간 동안 비활성화되는 제1 펄스화 모드; 및
    (c) (i) 상기 토크 요구가 임계 토크보다 작을 때 및 (ii) 상기 모터의 상기 역전자기력(BEMF)이 상기 인버터에 공급되는 상기 공급 전압보다 클 때, 상기 인버터가 상기 펄스 사이의 기간 동안 활성화되지만, 무토크가 요구되는 제2 펄스화 모드를 포함하는, 모터 조립체.
  25. 제24항에 있어서, 상기 모터의 상기 BEMF가 상기 인버터에 공급되는 상기 공급 전압보다 클 때마다 상기 모터에 약계자를 적용하도록 추가로 구성되되, 상기 약계자는 상기 모터가 지체 토크를 발생시키는 것을 방지하거나 완화하도록 작용하는, 모터 조립체.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 모터는
    내부 영구 자석 모터,
    표면 영구 자석 모터,
    유도 모터,
    동기 릴럭턴스 모터,
    영구 보조식 동기 릴럭턴스 모터,
    개별 여자 유도 모터,
    플럭스 스위칭 모터, 및
    스위치 릴럭턴스 모터를 포함하는 군에서 선택되는, 모터 조립체.
  27. 제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 펄스는 상기 요청된 토크 요구를 충족시키기 위해 상기 펄스 동안 상기 모터의 평균 토크 출력에 충분한 크기 및 듀티 사이클을 가지는, 모터 조립체.
  28. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계 토크는 상기 모터의 속도에 따라 좌우되는, 모터 조립체.
  29. 제24항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임계 토크는 상기 모터에 대한 피크 효율 토크와 동일하거나 이로부터 유래되는, 모터 조립체.
KR1020227040433A 2020-04-21 2021-03-17 개선된 모터 효율을 위한 약계자를 갖는 펄스 변조 제어 KR20230004705A (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202063013396P 2020-04-21 2020-04-21
US63/013,396 2020-04-21
US202163161405P 2021-03-15 2021-03-15
US63/161,405 2021-03-15
PCT/US2021/022756 WO2021216228A1 (en) 2020-04-21 2021-03-17 Pulse modulated control with field weakening for improved motor efficiency

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230004705A true KR20230004705A (ko) 2023-01-06

Family

ID=78081292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020227040433A KR20230004705A (ko) 2020-04-21 2021-03-17 개선된 모터 효율을 위한 약계자를 갖는 펄스 변조 제어

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11167648B1 (ko)
EP (1) EP4122094A4 (ko)
JP (1) JP2023523183A (ko)
KR (1) KR20230004705A (ko)
CN (1) CN115699561A (ko)
WO (1) WO2021216228A1 (ko)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10944352B2 (en) 2018-03-19 2021-03-09 Tula eTechnology, Inc. Boosted converter for pulsed electric machine control
US20190288629A1 (en) 2018-03-19 2019-09-19 Tula eTechnology, Inc. Pulsed electric machine control
US11628730B2 (en) 2021-01-26 2023-04-18 Tula eTechnology, Inc. Pulsed electric machine control
EP4356511A1 (en) 2021-06-14 2024-04-24 TULA eTechnology, Inc. Electric machines with efficient torque transitions
KR20240025508A (ko) 2021-06-28 2024-02-27 툴라 이테크놀로지 아이엔씨. 전기 기계의 선택적 위상 제어
US11916498B2 (en) 2021-09-08 2024-02-27 Tule eTechnology Inc. Electric machine torque adjustment based on waveform integer multiples
WO2023069934A1 (en) * 2021-10-22 2023-04-27 Atieva, Inc. Ceasing transistor toggling in permanent magnet motor when zero motor torque is demanded
IT202100028772A1 (it) * 2021-11-12 2023-05-12 Eldor Corp Spa Method for reconfiguring an electric machine
US11888424B1 (en) 2022-07-18 2024-01-30 Tula eTechnology, Inc. Methods for improving rate of rise of torque in electric machines with stator current biasing
CN115520032A (zh) * 2022-09-30 2022-12-27 华为数字能源技术有限公司 一种电机控制模块的控制器、电机的控制方法及相关设备
US20240120860A1 (en) * 2022-10-05 2024-04-11 Tula eTechnology, Inc. Methods for improving rate of rise of torque in electric machines

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3333793B2 (ja) 1994-09-22 2002-10-15 サンデン株式会社 ブラシレスモータ装置
JP3716534B2 (ja) 1997-02-27 2005-11-16 日産自動車株式会社 モータ制御装置及び電動車両
US6605912B1 (en) * 1998-06-25 2003-08-12 Delphi Technologies, Inc. Method for controlling a permanent magnet motor
FI110040B (fi) * 1998-10-07 2002-11-15 Abb Industry Oy Vaihtosuuntaajajärjestely
US7453174B1 (en) * 1999-08-10 2008-11-18 American Superconductor Corporation Superconducting electric motor
US6528967B2 (en) * 2000-10-17 2003-03-04 Vscf, Inc. Permanent magnet brushless electric motor system and method of using same
JP3651595B2 (ja) * 2001-12-13 2005-05-25 株式会社東芝 洗濯機のインバータ装置及び洗濯乾燥機のインバータ装置
DE102004055128A1 (de) 2004-11-16 2006-06-01 Volkswagen Ag Verfahren zur Steuerung eines Betriebs eines Hybridkraftfahrzeugs sowie Hybridfahrzeug
CN100355196C (zh) 2006-03-29 2007-12-12 北京航空航天大学 小电枢电感高速永磁无刷直流电动机无位置传感器控制系统
JP2008079686A (ja) 2006-09-26 2008-04-10 Hitachi Appliances Inc 洗濯機および洗濯乾燥機
JP5167631B2 (ja) * 2006-11-30 2013-03-21 株式会社デンソー モータの制御方法及びそれを利用するモータ制御装置
EP2192684B1 (en) * 2007-09-18 2020-07-08 Kabushiki Kaisha Toshiba Variable magnetic flux drive system
US8131447B2 (en) * 2008-07-11 2012-03-06 Tula Technology, Inc. Internal combustion engine control for improved fuel efficiency
JP5633652B2 (ja) * 2011-08-03 2014-12-03 トヨタ自動車株式会社 電動機駆動システム
US8773063B2 (en) 2011-10-17 2014-07-08 Panasonic Corporation Motor drive system and control method thereof
JP5941669B2 (ja) 2011-12-20 2016-06-29 東芝三菱電機産業システム株式会社 インパルス電圧発生装置
JP5842875B2 (ja) * 2013-07-19 2016-01-13 トヨタ自動車株式会社 車両および車両の制御方法
JP7047461B2 (ja) * 2018-02-28 2022-04-05 株式会社デンソー 制御装置
US20190288629A1 (en) 2018-03-19 2019-09-19 Tula eTechnology, Inc. Pulsed electric machine control
US10944352B2 (en) * 2018-03-19 2021-03-09 Tula eTechnology, Inc. Boosted converter for pulsed electric machine control
US10476421B1 (en) * 2018-08-28 2019-11-12 Caterpillar Inc. Optimized switched reluctance phase current control in a continuous conduction mode

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023523183A (ja) 2023-06-02
US11167648B1 (en) 2021-11-09
US20210323415A1 (en) 2021-10-21
EP4122094A4 (en) 2024-04-10
EP4122094A1 (en) 2023-01-25
WO2021216228A1 (en) 2021-10-28
CN115699561A (zh) 2023-02-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20230004705A (ko) 개선된 모터 효율을 위한 약계자를 갖는 펄스 변조 제어
US11088644B1 (en) Pulsed electric machine control
US11863096B2 (en) Boosted converter for pulsed electric machine control
US11626827B2 (en) Pulsed electric machine control
US11623529B2 (en) Pulse modulated control with field weakening for improved motor efficiency
US20230219426A1 (en) Pulse modulated control with field weakening for improved machine efficiency
US20230308040A1 (en) Delay reduction for pulsed wound field synchronous machines
WO2023150354A1 (en) Pulsed electric machine control
CN113285646B (zh) 一种不使用外接制动单元的驱动器制动控制方法
KR102561505B1 (ko) 펄스형 전기 기계 제어를 위한 승압 변환기
CN117957760A (zh) 基于波形整数倍的电动机扭矩调整
US20240063744A1 (en) Rotor flux time delay reduction through initial rotor current for electrically excited synchronous machines
US20240063735A1 (en) Rotor flux time delay reduction through permanent magnets for electrically excited synchronous machines
Reshma et al. Power factor correction in brushless DC motor dual drive using bridgeless canonical switching cell converter
Chaurasiya et al. Variable speed hybrid control of a switched reluctance generator for WECS
US20240136968A1 (en) Boosted converter for pulsed electric machine control
KR20240063977A (ko) 펄스형 전기 기계 제어를 위한 승압 변환기
US20020149336A1 (en) Method and system for improving efficiency of rotating, synchronous, electrical machine interacting with power converter
Zolghadri et al. A fully digital sensorless direct torque control system for synchronous machine