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KR101404564B1 - 전기 기계의 제어 - Google Patents

전기 기계의 제어 Download PDF

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KR101404564B1
KR101404564B1 KR1020137011644A KR20137011644A KR101404564B1 KR 101404564 B1 KR101404564 B1 KR 101404564B1 KR 1020137011644 A KR1020137011644 A KR 1020137011644A KR 20137011644 A KR20137011644 A KR 20137011644A KR 101404564 B1 KR101404564 B1 KR 101404564B1
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유 첸
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

본 발명은 공급 전압에 대해 전기 기계의 상 권선을 여자시키는 단계와 상 권선의 전류가 역치를 초과하는 경우, 상 권선을 프리휠링시키는 단계를 포함하는 전기 기계의 제어 방법에 관한 것이다. 역치는 공급 전압과 전기 기계의 속도 중 적어도 하나의 변화에 대응하여 조절된다. 또한, 이러한 방법을 구현하는 제어 시스템과, 이러한 제어 시스템을 포함하는 전기 기계에 관한 것이다.

Description

전기 기계의 제어{CONTROL OF AN ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은 전기 기계의 제어에 관한 것이다.
전기 기계는 일반적으로 상 권선의 여자(excitation)를 제어하는 제어 시스템에 의해 구동된다. 제어 시스템은, 출력 전력을 최대화하거나 토크 리플(torque ripple)을 최소화하기 위하여, 전기 기계의 속도 변화에 대응하여 여자의 턴 온 및 턴 오프 각도를 조절할 수 있다. 그러나, 전기 기계의 효율에 대해서는 주목하지 않는 것이 일반적이다.
제1 태양에 있어서, 본 발명은 공급 전압에 대해 전기 기계의 상 권선을 여자시키는 단계; 상 권선 내의 전류가 역치를 초과하는 경우, 상 권선을 프리휠링시키는 단계; 및 공급 전압과 전기 기계의 속도 중 적어도 어느 하나의 변화에 대응하여 역치를 조절하는 단계를 포함하는 전기 기계의 제어 방법을 제공한다.
공급 전압 및/또는 전기 기계의 속도에 따라 가변하는 과전류 역치를 채택함으로써, 전기 기계의 효율이 개선될 수 있다. 특히, 과전류 역치는, 상 전류 파형의 고조파가 감소되도록 하기 위하여 조절될 수 있다. 또한, 공급 전압 및/또는 속도에 따라 가변하는 과전류 역치를 채택함으로써, 전기 기계의 시작 토크가 감소될 수 있다. 이는 전기 기계의 기계적 구성 요소에 가해지는 스트레스를 감소시키고, 따라서 전기 기계의 수명이 연장될 수 있다.
이 방법은 공급 전압의 감소와 전기 기계의 속도의 증가 중 적어도 어느 하나에 대응하여 역치를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 상 권선의 전류가 상승하는 속도는, 다른 것들 가운데서도, 공급 전압에 따라 결정된다. 공급 전압의 감소에 대응하여 과전류 역치를 증가시킴으로써, 공급 전압의 변화와 무관하게, 특정의 가속 프로파일 및/또는 전력 프로파일이 유지될 수 있다. 속도의 증가에 대응하여 과전류 역치를 증가시킴으로써, 스타트 업(start up) 동안 전기 기계의 토크가 서서히 증가될 수 있다. 또한, 영구 자석 전기 기계에 대해, 상 권선에 유도되는 역기전력이 속도에 따라 증가한다. 속도의 증가에 대응하여 과전류 역치를 증가시킴으로써, 상이한 회전자 속도 범위에 대하여 특정의 전력 프로파일이 획득될 수 있다.
상 권선은 프리휠 기간 동안 프리휠링될 수 있고, 그 후에 상 권선은 다시 여자된다. 프리휠 기간은 각각의 전기적 하프 사이클에 대해 고정될 수 있다. 이는 전기 기계의 제어를 단순화한다. 필요하다면, 프리휠 기간은, 예를 들어 공급 전압 또는 속도의 변화에 대응하여, 각각의 전기적 하프 사이클의 끝에서 조절될 수 있다. 또는, 제어를 더욱 단순화하기 위해서, 예를 들어 초기의 가속 동안, 프리휠 기간이 특정의 속도 범위에 대해 고정될 수 있다.
이 방법은 각각의 전기적 하프 사이클에 대한 턴 온 각도와 턴 오프 각도 사이에서 정해진 기간에 대해 상 권선을 순차적으로 여자시키고 프리휠링시키는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 다음으로, 공급 전압 및/또는 전기 기계의 속도의 변화에 대응하여, 턴 온 각도와 상기 턴 오프 각도 중 적어도 어느 하나를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 과전류 역치를 조절함으로써, 상이한 전압 및/또는 속도의 범위에 대해, 턴 온 각도 및/또는 턴 오프 각도, 특정의 전력 프로파일이 획득될 수 있다. 특히, 일정한 입력 또는 출력 전력이 전압 및/또는 속도의 범위에 대해 획득될 수 있다. 또한, 과전류 역치, 턴 온 각도 및/또는 턴 오프 각도는, 전기 기계의 효율이 상기 전력 프로파일에 대해 최적화되도록 조절될 수 있다.
방법은 각각의 전기적 하프 사이클에 대한 전도 기간(conduction period)에 대해 상 권선을 순차적으로 여자시키고 프리휠링시키는 단계, 및 공급 전압 및/또는 전기 기계의 속도 중 적어도 어느 하나의 변화에 대응하여 전도 기간의 길이를 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 공급 전압 및/또는 속도의 변화에 대응하여 과전류 역치와 전도 기간의 길이를 모두 조절함으로써, 전압 및/또는 속도의 범위에 대해 전기 기계의 효율 개선이 획득된다. 상 권선이 커뮤테이션되는 포인트 또한 조절함으로써, 효율을 더욱 개선시킬 수 있다. 따라서, 상기 방법은 회전자 위치 신호의 에지와 관련하여 상 권선을 커뮤테이션하고, 공급 전압 및/또는 전기 기계의 속도의 변화에 대응하여, 각각의 커뮤테이션과 회전자 위치 신호의 각 에지 사이의 기간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 프리휠 기간 동안 상 권선을 프리휠링시키는 단계, 및 공급 전압 및/또는 전기 기계의 속도의 변화에 대응하여 프리휠 기간을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 따라서, 전기 기계의 효율이 더욱 개선될 수 있다.
이 방법은 듀티 사이클을 가지는 펄스 신호를 생성하는 단계, 역치 전압을 생성하기 위하여 펄스 신호를 평활화하는 단계, 전기 기계의 구성 요소에 걸리는 전압을 센싱하는 단계, 센싱된 전압을 역치 전압과 비교하는 단계, 센싱된 전압이 역치 전압을 초과하는 경우, 상 권선을 프리휠링시키는 단계 및 공급 전압 및/또는 전기 기계의 변화에 대응하여 듀티 사이클을 조절하는 단계를 포함할 수 있다. 이는, 공급 전압 및/또는 속도의 변화에 대응하여 조절될 수 있는 과전류 역치를 생성하는, 비교적 단순한 방법을 나타낸다. 특히, 디지털-아날로그 컨버터 필요없이 과전류 역치가 생성될 수 있다. 따라서, 비교적 단순하고, 따라서 저렴한 회로 및/또는 마이크로컨트롤러가 상기 방법을 구현하는데 사용될 수 있다.
이 방법은 복수의 전압 및/또는 속도 각각에 대한 듀티 사이클을 포함하는 룩업 테이블을 저장하는 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 다음으로, 공급 전압 및/또는 전기 기계의 속도에 대응하는 듀티 사이클을 상기 룩업 테이블로부터 선택하는 단계를 포함한다. 룩업 테이블의 사용은 전기 기계의 제어를 단순화한다. 결국, 비교적 단순하고, 따라서 저렴한 마이크로컨트롤러가 사용될 수 있다.
제2 태양에 있어서, 본 발명은 이전의 단락 중 어느 하나에 설명된 방법을 수행하는, 전기 기계에 대한 제어 시스템을 제공한다.
이 제어 시스템은 상 권선에 연결되는 인버터, 상 권선의 전류를 센싱하기 위한 전류 센서 및 인버터를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성하기 위한 제어기를 포함할 수 있다. 인버터는 제1 제어 신호에 대응하여 공급 전압에 대해 상 권선을 여자시키고 제2 제어 신호에 대응하여 상 권선을 프리휠링한다. 제어기는, 상 권선의 전류가 역치를 초과하면, 제1 제어 신호를 생성하고 차후에 제2 제어 신호를 생성한다.
전류 센서는 상 권선의 전류에 민감한 전압을 가지는 신호를 출력할 수 있고, 제어 시스템은 공급 전압과 전기 기계의 속도 중 적어도 어느 하나에 따라 결정되는 전압을 가지는 신호를 생성하는 역치 생성기를 포함한다. 제어기는 다음으로, 전류 센서에 의해 출력되는 신호의 전압이 역치 생성기에 의해 출력되는 신호의 전압을 초과하는 경우 제2 제어 신호를 생성한다. 보다 바람직하게는, 역치 생성기는 PWM 모듈 및 평활 필터를 포함하고, PWM 모듈의 듀티 사이클은 공급 전압과 전기 기계의 속도 중 적어도 어느 하나에 따라 결정된다. PWM 모듈은 공급 전압 및/또는 속도의 변화에 대응하여 조절될 수 있는(즉, 듀티 사이클에 의하여) 전압을 가지는 신호를 생성하기 위한 비용 효율적인 수단을 제공한다.
제3 태양에 있어서, 본 발명은 이전의 단락 중 어느 하나에 따른 제어 시스템과 영구 자석 모터를 포함하는 모터 시스템을 제공한다.
본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 하기 위하여, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예가 일 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템의 제어기에 의해 생성된 제어 신호에 대응하여 인버터의 허용 상태를 상세하게 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템의 전류 제한기의 개략도를 나타낸다.
도 6은 가속 모드에서 동작하는 경우의 모터 시스템의 다양한 파형을 나타낸다.
도 7은 정상 상태 모드에서 동작하는 경우의 모터 시스템의 다양한 파형을 나타낸다.
도 8은 비교적 높은 과전류 역치를 채택한 경우의 모터 시스템의 다양한 파형을 나타낸다.
도 9는 비교적 낮은 과전류 역치를 채택한 경우의 모터 시스템의 다양한 파형을 나타낸다.
도 1 내지 3의 모터 시스템(1)은 AC 전력 공급원(power supply)(2)에 의해 구동되고, 브러시리스 모터(3) 및 제어 시스템(4)을 포함한다.
모터(3)는, 고정자(stator)(6)에 대하여 회전하는, 4극 영구 자석 회전자(four-pole permanent-magnet rotor)(5)를 포함한다. 고정자(6)는 네 개의 고정자 극(stator pole)을 정하는, 한 쌍의 c 형상 코어를 포함한다. 전도성 와이어는 코어 둘레에 권선되고, 단상의 상 권선(7)을 형성하도록 상호 연결된다.
제어 시스템(4)은 정류기(rectifier)(8), DC 링크 필터(9), 인버터(10), 게이트 드라이버 모듈(11), 전류 센서(12), 회전자 위치 센서(13) 및 제어기(14)를 포함한다.
정류기(8)는, DC 전압을 제공하기 위하여, AC 전력 공급원(power supply)(2)의 출력을 정류하는 네 개의 다이오드(D1-D4)의 전파 브리지(full-wave bridge)를 포함한다.
DC 링크 필터(9)는, 인버터(10)의 스위칭으로부터 발생하는 비교적 높은 주파수의 리플(ripple)을 평활화하는(smoothing) 커패시터(C1)를 포함한다. 필요하다면, DC 링크 필터(9)는, 기본 주파수(fundamental frequency)에서, 정류된 DC 전압을 추가적으로 평활화할 수 있다.
인버터(10)는 DC 링크 전압을 상 권선(7)에 연결(couple)하는 네 개의 파워 스위치(Q1-Q4)의 풀 브리지(full bridge)를 포함한다. 각각의 스위치(Q1-Q4)는, 인버터 스위칭 동안 발생하는 전압 스파이크로부터 스위치를 보호하는, 프리휠 다이오드(freewheel diode)를 포함한다.
게이트 드라이버 모듈(11)은 제어기(14)로부터 수신되는 제어 신호에 대응하여 스위치(Q1-Q4)의 개방(open) 및 폐쇄(close)를 구동한다.
전류 센서(12)는 한 쌍의 션트 저항(R1, R2)을 포함하고, 각 저항은 인버터(10)의 하부 암(lower arm)에 위치한다. 각 저항(R1, R2)의 양단의 전압은 전류 센서 신호, I_SENSE_1 및 I_SENSE_2로서 제어기(14)로 출력된다. 제1 전류 센서 신호, I_SENSE_1은, 인버터(10)가 우측에서 좌측으로 구동될 때(이하에 보다 상세하게 설명됨), 상 권선(7)의 전류 측정값을 제공한다. 제2 전류 센서 신호, I_SENSE_2는, 인버터(10)가 좌측에서 우측으로 구동될 때, 상 권선(7)의 전류 측정값을 제공한다. 저항(R1, R2)을 인버터(10)의 하부 암에 위치시킴으로써, 상 권선(7)의 전류는 프리휠링 동안 계속하여 센싱된다(이하에 보다 상세하게 설명됨).
회전자 위치 센서(13)는, 센서(13)를 통하는 자속 방향에 따라 논리적 하이(logically high) 또는 논리적 로우(logically low)가 되는 디지털 신호, HALL을 출력하는 홀 효과 센서(Hall-effect sensor)를 포함한다. 센서(13)를 회전자(5)에 인접하게 위치시킴으로써, 홀 신호는 회전자(5)의 각위치(angular position)의 측정값을 제공한다. 특히, 홀 신호의 각 에지(edge)는 회전자(5)의 극성의 변화를 나타낸다. 회전할 때, 영구 자석 회전자(5)는 상 권선(7)에 역기전력(back EMF)을 유도한다. 따라서, 홀 신호의 각 에지는 또한, 상 권선(7)의 역기전력의 극성 변화도 나타낸다.
제어기(14)는, 프로세서(processor)(15), 메모리 장치(16), 복수의 주변장치(17)(예를 들어, 비교기, 타이머 등) 및 복수의 입력/출력 핀(18)을 가지는 마이크로컨트롤러(microcontroller)를 포함한다. 마이크로칩 테크놀로지 주식회사(Microchip Technology Inc.)의 PIC16F690 마이크로컨트롤러가 적합한 예가 될 수 있다. 메모리 장치(16)에는 프로세서(15)에 의해 실행될 소프트웨어 명령이 저장된다. 메모리 장치(16)에는 또한, 모터 시스템(1)이 동작하는 동안 프로세서(15)에 의해 인덱싱(index)되는, 복수의 룩업 테이블(lookup table)이 저장된다.
제어기(14)는 모터 시스템(1)의 동작을 제어한다. 제어기(14)는, 네 개의 입력 신호, I_SENSE_1, I_SENSE_2, HALL 및 DC_SMOOTH에 대응하여, 세 개의 제어 신호, DIR1, DIR2 및 FW#를 생성한다. 제어 신호는 게이트 드라이버 모듈(11)로 출력되고, 게이트 드라이버 모듈(11)은 이에 대응하여 인버터(10)의 스위치(Q1-Q4)의 개방 및 폐쇄를 구동한다.
I_SENSE_1과 I_SENSE_2는 전류 센서(12)에 의해 출력되는 신호이고, HALL은 회전자 위치 센서(13)에 의해 출력되는 신호이다. DC_SMOOTH는, 분압기(potential divider)(R3, R4)와 평활 커패시터(C2)에 의해 획득되는, DC 링크 전압의 평활화된 측정값이다.
DIR1과 DIR2는 인버터(10)를 통하고, 따라서 상 권선(7)을 통하는 전류의 방향을 제어한다. DIR1이 논리적 하이로 풀링(pull)되고 DIR2가 논리적 로우로 풀링되는 경우, 게이트 드라이버 모듈(11)은 스위치 Q1과 Q4를 폐쇄하고 스위치 Q2와 Q3를 개방하며, 따라서 전류가 상 권선(7)을 통하여 좌측에서 우측으로 흐르도록 한다. 반대로, DIR2가 논리적 하이로 풀링되고, DIR1이 논리적 로우로 풀링되는 경우, 게이트 드라이버 모듈(11)은 스위치 Q2와 Q3를 폐쇄하고 스위치 Q1과 Q4를 개방하며, 따라서, 전류가 상 권선(7)을 통하여 우측에서 좌측으로 흐르도록 한다. 상 권선(7)의 전류는 따라서, DIR1과 DIR2가 반전됨에 따라 커뮤테이션(commutation)된다. DIR1과 DIR2가 모두 논리적 로우로 풀링되면, 게이트 드라이버 모듈(11)은 모든 스위치(Q1-Q4)를 개방한다.
FW#는 상 권선(7)을 DC 링크 전압으로부터 분리하고, 상 권선(7)의 전류가 인버터(10)의 하측 루프 주위를 프리휠링하도록 하는데 이용된다. 따라서, 논리적 로우로 풀링된 FW# 신호에 대응하여, 게이트 드라이버 모듈(11)은 상측 스위치(Q1, Q2) 모두가 개방되도록 한다. 그렇게 되면, 전류는 DIR1과 DIR2에 의해 정해진 방향으로 인버터(10)의 하측 루프 주위를 프리휠링한다.
도 4는 제어기(14)의 제어 신호에 대응하여 스위치(Q1-Q4)의 허용 상태를 요약하여 나타낸다. 이하의 설명에서, '설정(set)' 및 '해제(clear)'라는 용어는 각각 신호가 논리적 하이 및 로우로 풀링되는 것을 나타내는데 사용된다.
제어기(14)는 전류 제한기(20)로서 구성되는 복수의 주변장치(17)를 포함한다. 전류 제한기(20)는 상 권선(7)의 전류를 모니터링하고, 전류가 역치(threshold)를 초과하는 경우 과전류 신호를 생성한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전류 제한기(20)는 PWM 모듈(21), 평활 필터(22), 멀티플렉서(23) 및 비교기(24)를 포함한다. PWM 모듈(21), 멀티플렉서(23) 및 비교기(24)는 제어기(14)의 주변장치(17)의 일부를 구성한다. 반면, 평활 필터(22)는 제어기(14)의 외부에 설치된다.
PWM 모듈(21) 및 평활 필터(22)는 전체로서, 특정의 전압을 가지는 역치 신호를 생성하는, 역치 생성기(25)로 간주될 수 있다. PWM 모듈(21)은 제어기(14)에 의해 출력되는, 펄스 전압 신호를 생성한다. 평활 필터(22)는, 제어기(14)로 입력될, 역치 신호를 생성하기 위하여 펄스 전압 신호를 평활화한다. PWM 모듈(21)은 프로세서(15)에 의해 설정되는, 고정 주기와 가변 듀티 사이클을 채택한다. 따라서, 역치 신호의 전압은 프로세서(15)에 의해 설정된 듀티 사이클에 의해 결정된다.
멀티플렉서(23)는 두 개의 전류 센서 신호, I_SENSE_1 또는 I_SENSE_2 중 하나를 선택하기 위한 두 개의 입력을 가진다. 멀티플렉서(23)에 의한 선택은, 상 권선(7)을 통하는 전류의 방향에 대응하여 프로세서(15)에 의해 제어된다. 결과적으로, DIR1이 설정되는 경우, 멀티플렉서(23)는 I_SENSE_1를 선택하고, DIR2가 설정되는 경우, 멀티플렉서(23)는 I_SENSE_2를 선택한다. 멀티플렉서(23)의 출력은 비교기(24)로 전달된다.
비교기(24)는 전류 센서 신호, I_SENSE_1 또는 I_SENSE_2의 전압과 역치 신호의 전압을 비교한다. 전류 센서 신호의 전압이 역치 신호의 전압을 초과하면, 비교기(24)는 논리적 로우로 풀링된 과전류 신호를 출력한다. 그렇지 않으면, 비교기(24)는 논리적 하이로 풀링된 과전류 신호를 출력한다.
따라서, 전류 제한기(20)는, 전류 센서 신호의 전압이 역치 신호의 전압을 초과하면, 과전류 신호를 토글(toggle)한다. 전류 센서 신호의 전압이 상 권선(7)의 전류에 정비례하기 때문에, 전류 제한기(20)는, 상 권선(7) 내의 전류가 과전류 역치를 초과하는 경우에 과전류 신호를 토글한다. 과전류 역치는, 제어기(14)의 프로세서(15)에 의해 설정되는, PWM 모듈(21)의 듀티 사이클에 의해 정해진다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 제어기(14)는 전력 공급원(2)의 전압 및/또는 모터(3)의 속도에 따라 상이한 과전류 역치를 채택할 수 있다.
제어기(14)는 회전자(5)의 속도에 따라 두 개의 모드 중 하나로 동작한다. 미리 설정된 속도 역치 미만의 속도에서, 제어기(14)는 가속 모드(acceleration mode)로 동작한다. 미리 설정된 속도 역치 이상의 속도에서, 제어기(14)는 정상 상태 모드(steady-state mode)로 동작한다. 회전자(5)의 속도는 홀(HALL) 신호의 두 개의 연속하는 에지 사이의 기간(T_HALL)으로부터 결정된다. 이러한 시간 간격은, 이하의 설명에서 홀 기간(Hall period)으로 칭할 것이다.
가속 모드
속도 역치 미만의 속도에서, 제어기(14)는 홀 신호의 에지에 동기하여 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 각각의 홀 에지(HALL edge)는 상 권선(7)의 역기전력의 극성 변화를 나타낸다. 이에 따라, 제어기(14)는 역기전력의 제로 크로싱(zero-crossing)과 동기하여 상 권선(7)을 커뮤테이션한다.
커뮤테이션은, 상 권선(7)을 통하는 전류의 방향을 반전시키기 위해서, DIR1과 DIR2의 반전(즉, DIR1을 해제하고 DIR2를 설정하거나, DIR2를 해제하고 DIR1을 설정함)을 수반한다. 상 권선(7)은 커뮤테이션 포인트에 프리휠링할 수 있다. 따라서, DIR1과 DIR2의 반전 외에도, 제어기(14)는, 인커버(10)가 구동 상태로 되돌아가는 것을 보장하기 위하여, FW#를 설정한다.
상 권선(7)의 전류가 과전류 역치에 도달하면, 전류 제한기(20)는 과전류 신호를 해제한다. 과전류 신호의 변화에 대응하여, 제어기(14)는 FW#을 해제함으로써 상 권선(7)을 프리휠링시킨다. 프리휠링은 상 권선(7)의 전류가 과전류 역치 미만 레벨로 감쇠하는 것이 예상되는 시간 동안에, 프리휠 기간(T_FW) 동안 지속된다. 상 권선(7)의 전류가 계속해서 과전류 역치를 초과하면(즉, 과전류 신호 해제가 지속되면), 제어기(14)는 프리휠 기간(T_FW) 동안 상 권선(7)을 다시 프리휠링시킨다. 반면, 상 권선(7)의 전류가 과전류 역치 아래로 떨어지면(즉, 과전류 신호가 설정되면), 제어기(14)는 FW#를 설정하여 상 권선(7)을 여자(excite)시킨다. 따라서, 제어기(14)는 순차적으로 상 권선(7)을 여자시키고 프리휠링시킨다.
도 6은 가속 모드로 동작하는 경우의 홀 신호, 제어 신호, 수개의 홀 기간에 대한 상 전류의 파형을 나타낸다.
제어기(14)는 고정 프리휠 기간(T_FW)을 채택할 수 있다. 그러나, 고정 프리휠 기간 동안, 대응하는 전기적 각도(electrical angle)는 회전자 속도에 따라 증가할 수 있다. 따라서, 전류와 전력이 상 권선(7)으로 구동되는, 나머지 전기적 각도는 감소한다. 또한, 회전자 속도가 증가함에 따라, 상 권선(7)에 유도되는 역기전력은 증가한다. 결과적으로, 상 전류는 프리휠링 동안 더 빠른 속도로 감쇠한다. 따라서, 고정 프리휠 기간을 채택하는 대신, 제어기(15)는 회전자 속도에 따라 가변하는 프리휠 기간을 채택한다. 보다 상세하게, 제어기(14)는 회전자 속도가 증가함에 따라 감소하는 프리휠 기간을 채택한다. 또한, 아래에 설명된 이유로, 제어기(14)는 전력 공급원(2)의 전압에 따라 가변하는 프리휠 기간을 채택한다. 제어기(14)는 따라서, 복수의 공급 전압과 회전자 속도 각각에 대한 프리휠 기간(T_FW)이 저장된 프리휠 룩업 테이블을 포함한다. 제어기(14)는 전력 공급원(2)의 현재 전압(DC_SMOOTH로부터 결정됨) 및 회전자(5)의 현재 속도(T_HALL로부터 결정됨)를 이용하여 프리휠 룩업 테이블을 인덱싱함으로써, 프리휠 기간을 주기적으로 업데이트한다.
전류 제한기(20)에 의해 채택되는 과전류 역치는 고정되지 않고, 대신 전력 공급원(2)의 전압 및 회전자(5)의 속도의 변화에 따라 가변된다. 이는 DC_SMOOTH와 T_HALL의 변화에 대응하여 PWM 모듈(21)의 듀티 사이클을 가변함으로써 달성된다. 제어기(14)는 따라서, 복수의 공급 전압과 회전자 속도 각각에 대한 듀티 사이클이 저장된 듀티 사이클 룩업 테이블을 포함한다. 제어기(14)는 다음으로, 전력 공급원(2)의 현재 전압(DC_SMOOTH로부터 결정됨) 및 회전자(5)의 현재 속도(T_HALL로부터 결정됨)를 이용하여 듀티 사이클 룩업 테이블을 인덱싱함으로써 PWM 모듈(21)의 듀티 사이클을 주기적으로 업데이트한다.
초기 시동(initial start-up) 및 가속 동안의 모터의 시작 토크(starting torque)는 부하에 의해 요구되는 토크보다 수십배 더 클 수 있다. 결과적으로, 순 가속 토크(net acceleration torque)는 모터의 기계적 구성 요소(mechanical component)에 상당한 스트레스를 주게 된다. 제어기(14)는 따라서, 회전자 속도에 따라 증가하는 과전류 역치를 채택한다. 결국, 시작 토크와, 따라서 순 가속 토크는 줄어든다. 이것은 모터(3)의 기계적 구성 요소에 가해지는 스트레스를 감소시키게 되고, 따라서 모터(3)의 수명이 연장될 수 있다.
상 권선(7)에서 전류가 상승하는 속도는, 다른 것들 가운데서도, 전력 공급원(2)의 전압에 따라 결정된다. 따라서, 공급 전압과 무관하게 동일한 과전류 역치가 사용되면, 모터 시스템(1)의 입력 및 출력 전력이 공급 전압에 따라 바뀔 수 있다. 이것은 결국, 모터 시스템(1)의 가속에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 제어기(14)는 공급 전압의 감소에 따라 증가하는 과전류 역치를 채택한다. 결국, 전력 공급원(2)의 전압과 무관하게, 동일한 또는 유사한 가속 프로파일(acceleration profile)을 얻을 수 있다.
파워 스위치(Q1-Q4)가 전달해야 하는 전류의 크기뿐만 아니라, 비교적 높은 스위칭 주파수 때문에, 파워 스위치(Q1-Q4)는 동작하는 동안 매우 뜨거워질 수 있다. 열적 손상을 방지하기 위하여, 모터(3)는, 파워 스위치(Q1-Q4)를 냉각시키기 위하여 모터 시스템(1)으로 냉각 공기를 인출하기 위한, 회전자(5)에 설치되는 팬(fan) 또는 임펠러(impeller)를 포함할 수 있다. 이것은 파워 스위치(Q1-Q4)가, 냉각되지 않은 경우에 가능한 것보다 더 큰 전류를 전달할 수 있도록 한다. 초기 시동 및 가속 동안, 회전자 속도는 비교적 낮고, 따라서 매우 적은 냉각 공기가 모터 시스템(1)을 통하도록 끌려온다. 회전자 속도에 따라 증가하는 과전류 역치를 채택함으로써, 파워 스위치(Q1-Q4)에 의해 전달되는 전류는, 낮은 회전자 속도에서 비교적 낮게 유지될 수 있다. 이는, 냉각 공기가 거의 없는 때에, 파워 스위치(Q1-Q4)가 과열되는 것을 방지한다.
정상 상태 모드
속도 역치 이상의 속도에서, 제어기(14)는, 각각의 홀 에지에 앞서, 그리고 따라서, 역기전력의 제로 크로싱에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 커뮤테이션은 다시, DIR1 및 DIR2의 반전과 FW#의 설정을 수반한다.
제어기(14)는 각각의 홀 에지에 어드밴스 기간(advance period)(T_ADV)만큼 앞서서, 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 특정의 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션하기 위하여, 제어기(14)는 선행(preceding) 홀 에지에 대응하여 동작한다. 제어기(14)는, 선행 홀 에지에 대응하여, 커뮤테이션 기간(T_COM)을 획득하기 위하여, 홀 기간(T_HALL)으로부터 어드밴스 기간(T_ADV)을 감산한다:
T_COM = T_HALL - T_ADV
다음으로, 제어기(14)는 선행 홀 에지 후에, 시간(T_COM)에서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다. 결과적으로, 제어기(14)는 후속 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션한다.
가속 모드에서와 같이, 제어기(14)는 상 권선(7)의 전류가 과전류 역치를 초과할 때마다 상 권선(7)을 프리휠링시킨다. 프리휠링은 상 권선(7)의 전류가 전류 역치 미만 레벨로 감쇠하는 것이 예상되는 시간 동안에, 프리휠 기간(T_FW)에 대하여 지속된다. 상 권선(7)의 전류가 계속해서 과전류 역치를 초과하면, 제어기(14)는 상 권선(7)을 다시 프리휠링시킨다. 그렇지 않으면, 제어기(14)는 상 권선(7)을 여자시킨다. 따라서, 가속 모드에서와 같이, 제어기(14)는 순차적으로 상 권선(7)을 여자시키고 프리휠링시킨다.
가속 모드에서 동작하는 경우, 제어기(14)는 각각의 전기적 하프 사이클(electrical half-cycle)의 전체 길이에 대해서 상 권선(7)을 순차적으로 여자시키고 프리휠링시킨다. 그에 반해서, 정상 상태 모드에서 동작하는 경우, 제어기(14)는, 일반적으로 각각의 전기적 하프 사이클의 일부에만 걸쳐 있는 전도 기간(T_CD) 동안, 상 권선(7)을 순차적으로 여자시키고 프리휠링시킨다. 전도 기간의 끝에서, 제어기(14)는 FW#를 해제함으로써 상 권선을 프리휠링시킨다. 프리휠링은 제어기(14)가 모터(3)를 커뮤테이션하는 시간까지 무기한으로 지속된다.
도 7은 정상 상태 모드로 동작하는 경우의 홀 신호, 제어 신호, 수개의 홀 기간에 대한 상 전류의 파형을 나타낸다.
제어기(14)는 전력 공급원(2)의 전압과 회전자(5)의 속도의 변화에 대응하여, 어드밴스 기간(T_ADV), 전도 기간(T_CD), 프리휠 기간(T_FW) 및 과전류 역치(즉, PWM 모듈(21)의 듀티 사이클)를 조절한다. 제어기(14)는 따라서, 프리휠 및 듀티 사이클 룩업 테이블 외에, 어드밴스 룩업 테이블과 전도 룩업 테이블을 저장한다. 어드밴스 룩업 테이블에는 복수의 공급 전압과 회전자 속도 각각에 대하여, 어드밴스 기간(T_ADV)이 저장된다. 이와 유사하게, 전도 룩업 테이블에는 복수의 공급 전압과 회전자 속도 각각에 대하여, 전도 기간이 저장된다.
제어기(14)는 전력 공급원(2)의 전압(DC_SMOOTH로부터 결정됨) 및 회전자 속도(T_HALL로부터 결정됨)의 변화에 대응하여, 어드밴스 기간, 전도 기간, 프리휠 기간 및 듀티 사이클을 주기적으로 업데이트한다. 예를 들어, 제어기(14)는 각각의 홀 에지 또는 매 n번째 홀 에지에 대응하여 다양한 제어 파라미터를 업데이트할 수 있다. 또는, 제어기(14)는 고정 시간 기간 후에 또는 전력 공급원(2)의 전압의 제로 크로싱에 대응하여, 제어 파라미터를 업데이트할 수 있다.
룩업 테이블에는 각각의 전압과 속도 포인트에서 특정의 입력 또는 출력 전력을 달성하는 값이 저장된다. 또한, 각각의 전압과 속도 포인트에서의 모터 시스템(1)의 효율이 특정의 입력 또는 출력 전력에 대해 최적화되도록 하는 값이 선택된다. 어드밴스 기간 값, 전도 기간 값, 프리휠 기간 값 및 듀티 사이클 값의 다양한 세트는 동일한 원하는 동일 입력 또는 출력 전력을 만들 수 있다. 그러나, 이러한 값의 다양한 세트로부터, 최적의 효율을 제공하는 하나의 세트가 선택된다.
모터 시스템의 효율은, 상 전류의 파형이 역기전력의 파형과 동일한 형태와 위상을 가질 때 최대가 된다. 이는 상 전류 파형의 고조파가 비교적 적은 가용 출력 전력에 대하여 전력 손실을 초래하기 때문이다. 공급 전압과 회전자 속도에 따라 가변하는 과전류 역치를 채택함으로써, 이제 설명되는 바와 같이, 감소된 고조파를 가지는 상전류 파형을 얻을 수 있다.
모터 시스템(1)이 고정 과전류 역치를 채택한다고 가정한다. 또한, 과전류 역치가 비교적 높게 설정되고, 제어 시스템(4)의 전기적 구성 요소에 손상을 주는 과전류 방지만을 목적으로 한다고 가정한다. 비교적 낮은 속도로 동작하는 경우, 상 권선(7)에 유도되는 역기전력은 비교적 적다. 결과적으로, 여자 상태에서 상 권선(7)의 전류가 비교적 빠르게 상승한다. 전류가 비교적 빠르게 상승하고, 과전류 역치가 비교적 높기 때문에, 제어기(14)는, 특정의 입력 또는 출력 전력을 얻기 위하여 짧은 전도 기간을 채택할 필요가 있다. 도 8에는 수개의 홀 기간에 대한 역기전력과 상 전류의 파형이 도시된다. 상 전류의 파형이 비교적 높은 고조파 성분을 가지는 것을 알 수 있다.
이제 모터 시스템(1)이 낮은 과전류 역치를 채택한다고 가정한다. 모터 시스템(1)은 동일한 비교적 낮은 속도에서 동작하고, 따라서 전류는 다시 비교적 빠르게 상승한다. 다만, 이제는 과전류 역치가 낮기 때문에, 제어기(14)는 동일한 입력 또는 출력 전력을 얻기 위하여 더 긴 전도 기간을 채택해야 한다. 도 9에는 수개의 홀 기간에 대한 역기전력과 상 전류의 파형이 도시된다. 도 8에 도시된 바와 비교해 보면, 상 전류의 파형과 역기전력의 파형이 더 유사하다. 상 전류가 더 작은 고조파 성분을 가지고, 따라서 모터 시스템(1)의 효율이 개선된다. 또한, 상 전류가 더 낮은 역치에서 제한되기 때문에, 동손(copper loss)이 감소되고, 이에 따라 효율이 더 증가된다.
과전류 역치, 전도 기간, 어드밴스 기간 및 프리휠 기간은 모두 상 전류 파형의 형태에 영향을 준다. 상 전류의 파형에 최소의 고조파를 발생시키는 특정한 값은, 다른 것들 가운데서도, 여자 동안 상 전류가 상승하는 속도, 그리고 프리휠링 동안 상 전류가 감쇠하는 속도에 따라 결정될 것이다. 상 전류가 상승하는 속도는 주로, 상 권선(7)의 인덕턴스(inductance), 전력 공급원(2)의 전압 및 결국 회전자(5)의 속도에 따라 결정되는, 상 권선(7)의 역기전력에 따라 결정된다. 제어기(14)가 공급 전압과 회전자 속도 모두의 변화에 대응하여, 과전류 역치, 전도 기간 및 어드밴스 기간을 조절하는 것은 이러한 이유에서다. 프리휠링 동안, 상 권선(7)의 전류가 감쇠하는 속도는, 주로 인덕턴스와 역기전력에 따라 결정된다. 따라서, 감쇠 속도는 공급 전압이 아니라, 회전자 속도에 따라 결정된다. 그럼에도 불구하고, 전력 공급원(2)의 전압은, 최적의 효율을 낳는 프리휠 기간에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 전력 공급원(2)의 전압이 감소하면, 상 전류는 여자 동안 더 느린 속도로 상승할 것이다. 이를 보상하기 위하여, 프리휠링 동안의 상 전류 감쇠를 줄이도록 더 짧은 프리휠 기간이 채택될 수 있다. 반대로, 전력 공급원(2)의 전압이 증가하면, 전도 기간 동안 인버터 스위칭 주파수를 낮추기 위하여, 더 긴 프리휠 기간이 채택될 수 있다. 결과적으로, 스위칭 손실이 줄어들 수 있다. 따라서, 제어기(14)는 공급 전압과 회전자 속도에 대응하여 프리휠 기간 또한 조절한다.
공급 전압 및/또는 회전자 속도에 따라 가변하는 과전류 역치를 채택함으로써, 고정 과전류 역치를 채택한 모터 시스템과 비교하여, 5% 내지 10% 사이의 효율 개선이 관찰되었다.
가속 모드 및 정상 상태 모드에서, 제어기(14)가 공급 전압 및/또는 회전자 속도에 대응하여 과전류 역치를 조절하기는 하지만, 그렇게 행하는 이유는 두 가지의 동작 모드에 대해 매우 상이하다. 가속 모드에서, 제어기(14)는, 시작 토크의 감소 및/또는 파워 스위치(Q1-Q4)의 과열 방지를 위하여, 과전류 역치를 조절한다. 정상 상태 모드에서, 제어기(14)는, 모터 시스템(1)의 효율 개선을 위하여 과전류 역치를 조절한다.
상술한 실시예에서, 정상 상태 모드에서 동작하는 경우, 제어기(14)는 각각의 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 켜뮤테이션한다. 이것의 원인은 회전자 속도가 증가함에 따라, 홀 기간이 감소하고, 따라서 상 권선 인덕턴스와 관련된 시상수(L/R)가 점점 더 중요해진다는 것이다. 각각의 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션함으로써, 공급 전압은 역기전력에 의해 부스트(boost)된다. 그 결과, 상 권선(7)을 통하는 전류의 방향이 보다 빠르게 반전될 수 있다. 또한, 회전자 속도가 증가함에 따라, 상 권선(7)에 유도되는 역기전력도 증가하며, 이는 결국 상 전류가 상승하는 속도에 영향을 준다. 각각의 홀 에지에 앞서 상 권선(7)을 커뮤테이션함에 따라, 상 전류가 역기전력을 리드(lead)하도록 할 수 있고, 이는 더 느린 상승에 대한 보상에 도움이 된다. 이것이 짧은 기간의 역방향 토크(negative torque)를 발생시킬 수 있지만, 후속하는 정방향 토크의 이득(gain)에 의해 그 이상 보상되는 것이 일반적이다. 또한, 역기전력을 리드하는 상 전류 파형을 가지는 것이 효율 측면에서 이상적이지는 않지만, 특정의 입력 또는 출력 전력을 얻기 위해서 불가피할 수 있다. 제어기(14)는 따라서, 정상 상태 모드로 동작할 경우, 수반되는 비교적 높은 회전자 속도로 인하여 커뮤테이션을 앞당긴다. 그러나, 모터 시스템(1)이 정상 상태 모드에서 더 낮은 속도로 동작하면, 커뮤테이션을 앞당기는 것이 불필요할 수 있다. 또한, 모터 시스템(1)의 최적의 효율은, 다음 홀 에지 후까지 커뮤테이션을 지연시킴으로써 얻어질 수 있다. 따라서, 정상 상태 모드에서 동작하는 경우, 제어기(14)는 홀 에지에 대하여 커뮤테이션을 앞당기거나, 동기시키거나 또는 지연시킬 수 있다. 그러므로, 일반적으로, 제어기(14)는 공급 전압과 회전자 속도의 변화에 대응하여 커뮤테이션 기간을 조절한다고 할 수 있다.
어드밴스 기간의 룩업 테이블을 저장하는 대신, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간의 룩업 테이블을 저장할 수 있다. 이는 커뮤테이션이, 홀 에지 전에(즉, 앞서서), 홀 에지에서(즉, 동기하여), 또는 홀 에지 후에(즉, 지연되어) 발생하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 40 krpm에서 홀 기간은 375μs이다. 제어기(14)는 다음 홀 에지에 앞서서 상 권선(7)을 커뮤테이션하기 위하여 350μs의 커뮤테이션 기간을 저장할 수 있고, 다음 홀 에지와 동기하여 상 권선(7)을 커뮤테이션하기 위하여 375μs의 커뮤테이션 기간을 저장할 수 있으며, 다음 홀 에지 후까지 커뮤테이션을 지연시키기 위하여 390μs의 커뮤테이션 기간을 저장할 수 있다. 또한, 어드밴스 기간 대신 커뮤테이션 기간을 저장함으로써, 제어기(14)는 커뮤테이션 기간(T_COM)을 얻기 위하여, 더 이상 홀 기간(T_HALL)으로부터 어드밴스 기간(T_ADV)을 감산할 필요가 없다. 결과적으로, 더 단순하고, 잠정적으로 더 저렴한 마이크로컨트롤러가 사용될 수 있다.
어드밴스/커뮤테이션 기간(advance/commutation period)과 전도 기간은 상 여자가 시작되고 끝나는 전기적 각도를 규정한다. 따라서, 일반적으로, 제어기(14)가, 턴 온 각도와 턴 오프 각도 사이에서 정해진 기간 동안, 상 권선을 순차적으로 여자시키고, 프리휠링시킨다고 할 수 있다. 제어기(13)는 공급 전압과 회전자 속도의 변화에 대응하여 과전류 역치, 턴 온 각도 및/또는 턴 오프 각도를 조절한다.
각각의 룩업 테이블에는 제어기(14)의 타이머에 직접 로딩될 수 있는 값이 저장된다. 이것은 제어기(14)에 의해 실행되는 명령을 단순화하고, 따라서 비교적 단순하고 저렴한 마이크로컨트롤러가 사용될 수 있다. 다만, 제어기(14)는 상 권선(7)의 여자 및 프리휠링을 제어하기 위한 대체 가능한 값을 저장할 수 있다. 예를 들어, 룩업 테이블에는 전기적 각도(예를 들어, 턴 온 각도, 턴 오프 각도, 프리휠 각도)가 저장될 수 있다. 또는, 공급 전압과 회전자 속도에 대해 각 제어 파라미터의 동작이 방정식으로 표현될 수 있다. 제어기(14)는 제어 파라미터 값을 획득하기 위하여 현재 공급 전압과 회전자 속도를 이용하여 방정식을 푼다.
상술한 실시예에서, 제어기(14)는 공급 전압 및 회전자 속도 모두에 대응하여 다양한 제어 파라미터(즉, 어드밴스 기간, 전도 기간, 프리휠 기간 및 듀티 사이클)를 조절한다. 다만, 전력 공급원(2)의 전압이 비교적 일정하거나, 또는 공급 전압에 편차가 중요하게 생각되지 않으면, 다양한 제어 파라미터는 회전자 속도에 대해서만 조절될 수 있다. 이는 제어기(14)의 메모리 요구를 감소시킨다. 따라서, 잠정적으로 더 저렴한 컨트롤러가 사용될 수 있다. 그렇지 않으면, 룩업 테이블에 대한 더 우수한 속도 분해능(speed resolution)을 채택하기 위해 사용가능한 추가 메모리가 이용될 수 있다.
상술한 실시예에서, 모터 시스템(1)은 AC 전력 공급원(2)에 의해 구동된다. 다양한 제어 파라미터는, 전력 공급원의 RMS 전압(DC_SMOOTH로부터 결정됨)의 변화에 대응하여 업데이트된다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 제어 파라미터는, 그 대신에 DC 링크 전압(즉, 평활화 없이)의 변화에 대응하여 업데이트될 수 있다. 제어 파라미터는 AC 전력 공급원(2)의 사이클에 걸쳐서 가변하는 DC 링크 전압으로 업데이트된다. AC 전력 공급원 대신, 모터 시스템(1)은, 배터리와 같은, DC 전력 공급원에 의해서도 구동될 수 있다. 공급 전압의 변화에 대응하여 제어 파라미터를 조절함으로써, 배터리가 방전되는 동안 특정의 전력 프로파일이 유지될 수 있다. 또한, 배터리의 수명이 연장되도록, 모터 시스템(1)의 효율이 각각의 전압 시점에서 최적화될 수 있다.
제어기(14)가 공급 전압과 회전자 속도의 변화에 대응하여 프리휠 기간을 조절하지만, 특히 정상 상태 모드에서 동작할 때는 고정 프리휠 기간을 사용하는 것도 가능하다. 고정 프리휠 기간에 대해, 대응하는 전기 각도가 회전자 속도에 따라 증가한다. 고정 프리휠 기간 사용의 실현 가능성은 모터 시스템(1)의 속도 범위 및 상 권선(7)의 인덕턴스에 따라 결정된다. 예를 들어, 속도 범위가 비교적 작으면, 고정 프리휠 기간에 대한 프리휠 각도는 속도 범위의 각 끝단과 거의 동일할 것이다. 또는, 상 권선(7)의 인덕턴스가 비교적 크면, 프리휠링 동안 비교적 느린 속도로 상 전류가 감쇠할 것이다. 따라서, 고정 프리휠 기간이 속도 범위의 양 끝단에서 매우 상이한 프리휠 각도를 야기하더라도, 프리휠링 동안 상 전류에 초래되는 감쇠는 문제되지 않을 것이다. 고정 프리휠 기간을 채택함으로써, 일반적으로 상 전류 파형의 성형(shaping)에 더 중요한, 다른 제어 파라미터를 위해 추가 메모리가 이용될 수 있다.
논리적 로우로 풀링된 FW# 신호에 대응하여, 게이트 드라이버 모듈(11)은 상측 스위치(Q1, Q2)를 모두 개방(open)한다. 상 권선(7)의 전류는 DIR1과 DIR2에 의해 정해지는 방향으로 인버터(10)의 하측 루프 주위를 프리휠링한다. 특정 종류의 파워 스위치는 양 방향으로 전도할 수 있다. 따라서, 상측 스위치(Q1, Q2)를 모두 개방하는 것뿐만 아니라, 게이트 드라이버 모듈(11)은 하측 스위치(Q3, Q4)를 폐쇄(close)할 수 있다. 이것은 상 권선(7)의 전류가, 효율이 떨어지는 프리휠 다이오드를 통하는 대신, 하측 스위치(Q3, Q4) 모두를 통해 프리휠링할 수 있도록 한다. 또한, 게이트 드라이버 모듈(11)은, 상 전류가 인버터(10)의 하측 루프 주위를 프리휠링하는 대신, 상측 루프 주위를 프리휠링하도록 스위치(Q1-Q4)를 제어할 수 있다.
인버터(10)의 하부 암에 각각 설치된, 한 쌍의 션트 저항(R1, R2)을 가짐으로써, 전류 센서(12)는, 여자 및 프리휠링 동안 상 권선(7)의 전류를 센싱할 수 있다. 다만, 제어기(14)가 상 권선(7)을 미리 설정된 시간 기간 동안 프리휠링시키기 때문에, 프리휠링 동안 상 전류를 반드시 모니터링해야 하는 것은 아니다. 따라서, 전류 센서(12)는 하나의 션트 저항을 포함할 수 있다. 프리휠링 동안, 전류가 센싱되지 못하지만, 하나의 션트 저항 사용은 구성 요소 비용(component cost)과 전류 센서(12)의 전력 손실을 줄일 수 있다. 전력 손실의 감소가 작을 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 이것은 특정 응용, 예를 들어, 저전력, 저압 모터 시스템에 대하여 매우 중요할 수 있다.
상술한 실시예에서, 전류 제한기(20)는 주로 제어기(14)의 주변장치(17)로부터 형성된다. 이는, 가능한 한 제어기(14)의 이용가능한 주변장치(17)를 활용하여, 모터 시스템(1)의 전체 비용을 줄인다. 그렇지만, 동시에 전류 제한기(20)는, 제어기(14)에 과전류 신호를 출력하는 별도의 회로로서 제공될 수 있다.
상술한 실시예에서, 역치 신호를 생성하기 위한 역치 생성기(25)는 PWM 모듈(21)과 평활 필터(22)를 포함한다. 이것은 제어기(14)의 기존의 주변장치(17)를 활용한다. 그러나, 동시에 역치 신호를 생성하기 위한 대체 수단이 사용될 수 있다. 예로서, 제어기(14)의 주변장치(17)는 디지털 아날로그 변환기(DAC)를 포함한다. 그렇지만, 일반적으로 PWM 모듈을 가지는 마이크로컨트롤러는 DAC를 가지는 마이크로컨트롤러보다 저렴하다. 따라서, PWM 모듈의 사용은, 공급 전압 및/또는 회전자 속도의 변화에 대응하여 조절될 수 있는 역치 신호를 생성하기 위한 비용 효율적 해결 방법이다.
지금까지 영구 자석 모터(3)를 가지는 모터 시스템(1)을 참조로 했지만, 회전자 속도에 따라 가변하는 과전류 역치의 사용은, 동시에, 모터와 생성기를 모두 포함하는, 다른 종류의 전기 기계의 상 권선의 전류를 제한하는데 이용될 수 있다. 전기 기계는 하나 이상의 상 권선을 포함할 수 있다. 또한, 특정 종류의 전기 기계에 있어서, 상 권선을 통하는 전류 방향이 단방향일(unidirectional) 수 있다. 따라서, 커뮤테이션이 상 권선을 통하는 전류 방향의 반전을 필연적으로 수반하는 것은 아니다.

Claims (13)

  1. 전기 기계의 상 권선(phase winding)을 공급 전압으로 여자(excite)시키는 단계;
    상기 상 권선 내의 전류가 역치(threshold)를 초과하는 경우, 상기 상 권선을 프리휠링(freewheeling)시키는 단계; 및
    상기 공급 전압 및 상기 전기 기계의 속도 중 적어도 하나의 변화에 대응하여 상기 역치를 조절하는 단계를 포함하며,
    상기 공급 전압의 감소 및 상기 전기 기계의 속도의 증가 중 적어도 하나에 대응하여 상기 역치를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 방법은,
    프리휠 기간(freewheel period) 동안 상기 상 권선을 프리휠링시키는 단계, 및 상기 프리휠 기간의 끝에서 상기 상 권선을 여자시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 프리휠 기간은,
    각각의 전기적 하프 사이클(electrical half-cycle)에 대해 고정되는, 전기 기계의 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 전기적 하프 사이클에 대해 턴 온 각도(turn-on angle)와 턴 오프 각도(turn-off angle) 사이에서 정해진 기간 동안 상기 상 권선을 순차적으로 여자시키고 프리휠링시키는 단계, 및 상기 공급 전압 및 상기 전기 기계의 속도 중 적어도 하나의 변화에 대응하여, 상기 턴 온 각도와 상기 턴 오프 각도 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 전기적 하프 사이클에 대해 전도 기간(conduction period) 동안 상기 상 권선을 순차적으로 여자시키고 프리휠링시키는 단계, 및 상기 공급 전압 및 상기 전기 기계의 속도 중 적어도 하나의 변화에 대응하여 상기 전도 기간의 길이를 조절하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    프리휠 기간(freewheel period) 동안 상기 상 권선을 프리휠링시키는 단계, 및 상기 공급 전압 및 상기 전기 기계의 속도 중 적어도 하나의 변화에 대응하여 상기 프리휠 기간을 조절하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    듀티 사이클(duty cycle)을 가지는 펄스(pulsed) 신호를 생성하는 단계;
    역치 전압을 생성하기 위하여 상기 펄스 신호를 평활(smooth)화하는 단계;
    상기 전기 기계의 구성 요소(component)에 걸리는 전압을 센싱하는 단계;
    센싱된 전압을 상기 역치 전압과 비교하는 단계;
    상기 센싱된 전압이 상기 역치 전압을 초과하는 경우, 상기 상 권선을 프리휠링시키는 단계; 및
    상기 공급 전압 및 상기 전기 기계의 속도 중 적어도 하나의 변화에 대응하여 상기 듀티 사이클을 조절하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    복수의 전압 또는 속도 각각에 대한 듀티 사이클을 포함하는 룩업 테이블(lookup table)을 저장하는 단계, 상기 공급 전압 또는 상기 전기 기계의 속도에 대응하는 듀티 사이클을 상기 룩업 테이블로부터 선택하는 단계, 및 선택된 듀티 사이클을 이용하여 상기 펄스 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계의 제어 방법.
  8. 전기 기계를 위한 제어 시스템에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 수행하는, 제어 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어 시스템은,
    상기 상 권선에 연결되는 인버터;
    상기 상 권선의 전류를 센싱하기 위한 전류 센서; 및
    상기 인버터를 제어하기 위한 하나 이상의 제어 신호를 생성하기 위한 제어기를 포함하고,
    상기 인버터는, 제1 제어 신호에 대응하여 상기 공급 전압으로 상기 상 권선을 여자시키고 제2 제어 신호에 대응하여 상기 상 권선을 프리휠링시키며,
    상기 제어기는, 상기 상 권선의 전류가 상기 역치를 초과하는 경우, 상기 제1 제어 신호를 생성하고 차후에 상기 제2 제어 신호를 생성하는, 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전류 센서는, 상기 상 권선의 전류에 민감한 전압을 가지는 신호를 출력하고,
    상기 제어 시스템은, 상기 공급 전압 및 상기 전기 기계의 속도 중 적어도 하나에 따라 결정되는 전압을 가지는 신호를 생성하는 역치 생성기를 더 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 전류 센서에 의해 출력되는 신호의 전압이 상기 역치 생성기에 의해 출력되는 신호의 전압을 초과하는 경우 상기 제2 제어 신호를 생성하는, 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 역치 생성기는, PWM 모듈 및 평활 필터를 포함하고,
    상기 PWM 모듈의 듀티 사이클은 상기 공급 전압 및 상기 전기 기계의 속도 중 적어도 하나에 따라 결정되는, 제어 시스템.
  12. 영구 자석 모터 및 제9항에 따른 제어 시스템을 포함하는, 모터 시스템.
  13. 삭제
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