KR101851029B1

KR101851029B1 - 동기식 기계의 회전자 위치를 체크하기 위한 방법 및 회로 장치

Info

Publication number: KR101851029B1
Application number: KR1020137005444A
Authority: KR
Inventors: 톰 카우프만; 페터 슈타우더; 크리슈티안 비치; 보그단 부디아누; 요헨 라이덱
Original assignee: 콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2018-04-20
Anticipated expiration: 2031-07-28
Also published as: KR20140001826A; EP2601739A2; EP2601739B1; CN103069709B; CN103069709A; WO2012016914A2; US20130134967A1; WO2012016914A3; DE102010063692A1; US9182214B2

Abstract

고정자에 고정되는 하나 이상의, 구체적으로는, 3개의 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 위치가 결정되는 방법 및 회로 장치로서, 제 1 회전자 위치 결정 프로세스 후에, 오프-로드 회전자가 적절한 전압 벡터를 인가함으로써 미리 정의된 각도에 걸쳐 회전된 후에, 또 다른 회전자 위치 결정 프로세스가 실행되고, 제 2 회전자 위치 결정 프로세스의 결과가 예상된 회전자 위치와 비교된다.

Description

동기식 기계의 회전자 위치를 체크하기 위한 방법 및 회로 장치{METHOD AND CIRCUIT ARRANGEMENT FOR CHECKING THE ROTOR POSITION OF A SYNCHRONOUS MACHINE}

본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 방법, 및 청구항 18 의 전제부에 따른 회로 장치에 관한 것이다.

브러시리스 직류 모터들 (brushless d.c. motors) 이라고도 공지되어 있는, 상 권선들 (phase windings) 이 제공된 고정자 및 영구 여자된 회전자를 갖는 전자 정류된 동기식 기계 (electronically-commutated synchronous machine) 들은 많은 인기가 있다. 이 기계들은 낮은 마모성, 및 제한된 전자기적 또는 음향적 간섭을 특징으로 하고, 고도의 효율성을 나타낸다. 통상적으로 3개의 고정자 권선들로의 전류의 유입은 자계를 발생시키고, 이 자계 내에는 영구 여자된 회전자가 배치되어 있다. 고정자 권선들에 흐르는 전류들 (또는 인가된 전압들) 의 적절한 전환 (정류) 에 의해, 회전 운동이 발생된다. 또한, 전자 정류된 모터들은 모터 차량의 전기기계 작동식 휠 브레이크들에 대한 구동 메커니즘들로서 이용되고, 적절한 연결 메커니즘이 모터의 회전 운동을 브레이크 라이닝들의 병진 운동으로 변환시킨다. 이러한 적용을 위해, 모터들은 정지 또는 저속 회전시의 높은 토크 정격으로 설계된다.

모터의 전자 정류를 달성하기 위해, 회전자의 위치를 알아야만 한다; 정지된 모터, 또는 저속으로 회전하는 모터에 대해, 회전자 위치가 센서들에 의해 적절히 결정될 수도 있다. 널리 적용된 장치에서는, 회전자와 연관된 로터리 인코더의 스캐닝, 또는 회전자 자석들의 표유 전자계의 직접 스캐닝을 위해, 고정자에 고정된 3개의 홀 센서들 (Hall sensors) 이 이용된다.

WO 2005/046041 A2 는 영구 여자된 회전자, 상 권선들이 제공된 고정자, 및 비-절대형 센서를 가져서 회전자 시작 위치가 결정되는 동기식 기계의 동작 방법을 기술하고 있다. 오프-로드 동기식 기계들 (off-load synchronous machines) 에 있어서, 회전자 시작 위치의 결정시의 각도 오차들의 제거를 위해, 하나의 전류 및/또는 전압 벡터의 최소치가 특정 시간 간격 동안 결정된 회전자 위치의 방향으로 전달되어, 회전자의 장치를, 관련된 위치로 강제로 안내한다. 이러한 방법은 작은 각도 오차들의 제거를 가능하게 하지만, 결함 있는 센서의 신뢰성 있는 검출은 가능하지 않다.

이러한 센서들에 의해 검출된 회전자 위치가 실제 회전자 위치와 일치하지 않는 경우, 다양한 타입의 기능 불량이 일어날 수도 있다. 많은 경우, 이것은 모터, 구동 디바이스 또는 모터 제어 시스템에 손상을 초래할 수도 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 회전자 위치 센서들의 동작을 검증하기 위한 것이며, 센서들의 올바른 동작의 경우에는, 실제 회전자 위치와 센서들에 의해 나타낸 회전자 위치 사이의 어떤 편차를 검출하고, 모터의 제어를 위한 각도 보정을 발생시키기 위한 것이다.

이러한 목적은 청구항 1 에 정의된 본 발명에 따른 방법에 의해 달성된다.

따라서, 고정자에 고정되는 하나 이상의, 구체적으로는, 3개의 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치가 결정되고, 제 1 회전자 위치 결정 프로세스 후에, 오프-로드 회전자가 적절한 전압 벡터의 인가에 의해 미리 정의된 각도에 걸쳐 회전되고, 그 후에 추가의 회전자 위치 결정 프로세스가 실행되며, 제 2 회전자 위치 결정 프로세스의 결과가 예상된 회전자 위치와 비교되는 방법이 제공된다. 제 1 위치 결정 프로세스 후에, 고정된 전기각 (electrical angle), 예를 들어, 60°에 걸친 회전 동안, 예상된 회전자 위치가 결정될 수도 있다. 예상된 제 2 회전자 위치와 측정된 제 2 회전자 위치의 일치의 경우, 위치 오차는 회전자 위치 센서 시스템에서의 회전자 위치 센서들의 개수 및 위치에 의해 정의된 각도 분해능 미만이다.

제 1 정류 스킴 (first commutation scheme) 이 특정되어, 인가된 전압 벡터와 예상된 회전자 위치 사이의 연관성이 확립되도록 하는 것이 바람직하다. 정류 스킴이 특정되는 경우, 예상된 회전자 위치가 정류 테이블로부터의 간단한 판독에 의해 결정될 수도 있다.

원하는 회전의 달성을 위해 인가될 전압 벡터와 현재 회전 위치 사이의 연관성이, 특정된 제 1 정류 스킴에 의해 결정되는 경우가 유리하다. 특정된 정류 스킴에 있어서, 컬럼들의 각도 관련 수치만큼 정류 테이블과 상이한 전압 벡터의 인가에 의해, 센서들의 배열 및 개수에 의해 결정되는 정확도로 특정 각에 걸친 회전이 달성될 수도 있다.

바람직하게는, 제 2 회전자 위치 결정 프로세스의 결과와 예상된 회전자 위치 사이의 비교를 참조하여, 모든 후속 결정되는 회전자 위치들 및 예를 들어 순간 회전 속도를 포함하는 유도된 변수들이 보정된다. 회전자 위치에서의 어떤 변위도 모터의 후속 정류 동안 회전자 위치 센서들에 의해 검출된다면, 가장 높은 가능한 기계적 토크가 계속 전달될 것이다.

회전자 위치의 결정 동안, 상 권선들에 흐르는 전류들은 온도 정보에 기초하여 적절히 제한을 받는다. 구체적으로, 더 높은 온도의 경우일수록, 더 높은 제한 전류가 선택되고, 더 낮은 온도의 경우일수록, 더 낮은 제한 전류가 선택된다. 더 높은 온도에서는, 영구 여자된 회전자의 감소된 자화가 고정자 권선들에서의 그에 대응하여 증가된 전류 흐름만큼 상쇄된다. 본 발명에 따른 방법의 실행을 가능하게 하기에 충분히 높은 정격으로 코일 전류들이 선택될 수도 있다. 제한된 토크가 전달된 결과로서, 모터 또는 구동된 디바이스에 대한 어떤 손상 위험도 최소화된다.

회전자 위치의 결정 동안, 상 권선들에 흐르는 전류들은, 상 권선들에 인가된 전압들의 교번하는 컷인 (cut-in) 및 컷아웃 (cut-out) 에 의해 제한되는 경우가 유리하다. 이것은, 모터의 제어 전자 장치들이 펄스폭 변조를 위한 설비를 포함하지 않더라도, 전류 제한을 가능하게 한다.

본 발명의 실시형태의 구체적으로 바람직한 형태에 있어서, 전자 정류된 동기식 기계에는, 제 1 정류 스킴을 위한 적절한 배열의 3개의 회전자 위치 센서들과 함께, 3개의 상 권선들이 제공되는 고정자 및 영구 여자된 회전자가 제공되고, 회전자 위치는 회전자 위치 센서들로부터의 데이터의 판독에 의해 결정되고, 적절한 전압 벡터는 제 2 정류 스킴에 의해 정의되며, 이에 의해 결정된 제 2 회전자 위치가 제 1 정류 스킴과 비교된다. 회전자 위치 센서들이 올바르게 동작하고 있는 경우, 정류 테이블에서의 2개의 컬럼들 사이의 간격과 등가인 정확도로 회전자의 위치가 결정될 수도 있다.

본 발명의 실시형태의 특히 바람직한 형태에 있어서, 회전자 위치들은 각도들로서 표현되고, 360°는 정류 스킴의 하나의 완전한 사이클을 나타내고, 제 1 정류 스킴과 두번째로 결정된 회전자 위치와의 비교 후에, 제 1 정류 스킴에서의 90°의 각도 변위를 갖는 전압 벡터가 인가되고, 그 후에 동일한 방향으로 추가 90°만큼 변위된 각도에서의 제 2 정류 스킴에서의 전압 벡터가 인가되고, 제 3 회전자 위치가 그 후에 결정되어, 제 3 회전자 위치에 대한 회전자 위치 센서들로부터의 데이터가 제 2 회전자 위치에 대한 데이터에 대해 인버팅된 것이 아닌 경우에 오차가 검출된다. 이들 데이터가 인버팅된 것이면, 모든 회전자 위치 센서들의 올바른 동작이 확인된다.

본 발명의 실시형태의 대안적이고 특히 바람직한 형태에 의하면, 제 2 정류 스킴의, 회전 반대 방향에 인접한 적어도 하나의 추가의 전압 벡터가 그 후에 인가되고, 제 3 회전자 위치가 그 후에 결정되어, 제 3 회전자 위치에 대한 회전자 위치 센서들로부터의 데이터가 제 2 회전자 위치에 대한 데이터와 상이하지 않은 경우에 오차가 검출된다.

특히 바람직한 장치에 있어서, 전자 정류된 동기식 기계에는, 정류 스킴을 위한 적절한 배열의 3개의 회전자 위치 센서들과 함께, 3개의 상 권선들이 제공되는 고정자 및 영구 여자된 회전자가 제공되고, 회전자 위치의 초기 결정 전에, 정류 스킴에 대한 베이스 전압 백터가 인가되고, 회전자 위치가 회전자 위치 센서들로부터의 데이터의 판독에 의해 결정되고, 적절한 전압 벡터가 특정 증분들만큼 베이스 전압 벡터에 대해 변화되며, 적절한 전압 벡터의 조정과 함께, 회전자 위치의 제 2 결정은, 인접한 회전자 위치가 나타날 때까지 점진적으로 계속된다. 이 방법은 회전자 위치 센서들의 전환 포인트 또는 회전자 위치의 더욱 정확한 결정을 가능하게 한다.

특히 바람직한 장치에 있어서, 회전자 위치 센서들은 홀 효과 (Hall effect) 에 기초하여 동작하고; 회전자 위치 센서들로부터의 데이터의 판독 및 전압 벡터의 증분 변화가 반복되어, 원하는 회전자 위치가 베이스 전압 벡터의 인가에 의해 모터의 동작 방향들 양쪽에서 달성되고, 회전자 위치 센서들로부터의 데이터에 대한 변경시 기존의 전압 벡터들이 베이스 전압 벡터와 비교되며, 홀 효과로 동작하는 회전자 위치 센서의 히스테리시스 (hysteresis) 인, 변경된 데이터 판독치들에 대해 결과 측정치가 계산된다.

구체적으로, 홀 효과로 동작하는 모든 회전자 위치 센서들의 히스테리시스는, 관련 전환 포인트에 인접한 베이스 전압 벡터의 인가, 및 관련된 회전자 위치 센서로부터의 동시 판독에 의한 그 전압 벡터의 반복된 증분 변화에 의해 결정된다.

특히 바람직한 장치에 있어서, 베이스 전압 벡터에 대해 조정되는, 관련된 회전자 위치 센서(들) 의 전환 위치들은, 전자 정류된 동기식 기계의 후속 제어를 위한 적절한 조정들의 제공에 의해 고려되어, 구체적으로, 위치 차이 및/또는 히스테리시스가 해당 회전자 위치 센서 각각에 대해 로깅되어 (logged) 고려되도록 한다.

특히 바람직한 장치에 있어서, 공지된 벡터 변조 방법들의 이용에 의해 적절한 전압 벡터들이 설정되어, 관련 펄스 점유율 (pulse duty factor) 의 적절한 조정에 의해 데드타임 영향들 (dead-time effects) 이 특히 보상된다. 임의의 단락을 방지하기 위해 정류기 브리지의 연결과 연관된 필수의 시간 지연에 의해 데드타임 영향들이 발생된다. 펄스 점유율, 즉, 펄스 폭 대 펄스 간격 비의 적용에 의해, 결함 있는 각도를 가진 전압 백터의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시형태의 대안적인, 특히 바람직한 형태에 의하면, 적절한 전압 벡터들은, 펄스 점유율에 의한, 인가된 전압들 중 하나의 전압의 조정에 의해 변화된다.

본 발명의 실시형태의 추가의 특히 바람직한 형태에 있어서, 적절한 전압 벡터들은, 인접한 베이스 전압 벡터들 사이의 급속한 전환에 의해 발생된다.

제로 벡터들 (zero vectors) 의 반복되고 단기적인 입력에 의해 전류의 제한이 영향을 받는 경우가 특히 적절하다. 제로 벡터 조건 하에서, 모든 권선들이 동일한 전위에 있어서, 어떠한 전압 차이도 발생되지 않는다.

또한, 본 발명은 전자 정류된 동기식 기계의 제어를 위한 회로 장치에 관한 것으로, 이 회로 장치는, 고정자에 고정되는 하나 이상의, 구체적으로는, 3개의 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 위치가 결정되는 방법을 실행하고, 구체적으로, 모터 차량의 브레이크들을 제어 또는 규제를 위한 회로 장치의 구성 엘리먼트이다.

적절하게, 모터의 온-로드 (on-load) 동작은, 하나 이상의 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 위치가 결정되는 방법의 오차 없는 실행 후에만 진행하여, 구체적으로, 제어 시스템이 회전자의 실제 위치와 개념적인 위치 사이에서 검출된 어떤 차이라도 고려하도록 한다.

또한, 본 발명은 모터 차량들에서의 이러한 타입의 회로 장치의 이용에 관한 것이다.

고정자 권선들에 흐르는 전류들이 제한되어, 구체적으로 모터 또는 구동 디바이스에 대한 손상을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.

특히 바람직한 장치에 있어서, 전류 제한은 인가된 전압의 제한에 의해, 구체적으로는, 제어 회로에서의 펄스 폭 변조에 의해 달성된다.

본 발명의 실시형태의 추가의 특히 바람직한 형태에 있어서, 전류의 흐름은 온도 임계치가 초과될 때 거의 전체 중단이 된다.

실시형태의 추가의 바람직한 형태들은, 도면들을 참조하여 하나의 예시적인 형태의 실시형태의 다음의 설명 및 종속항들에 개시된다.

도 1 은 전자 정류된 동기식 기계의 개략적 오버뷰를 도시한 것이다.
도 2 는 홀 센서들 및 로터리 인코더의 일 예시적인 장치를 도시한 것이다.
도 3 은 120°- 및 180°-블록 정류를 위한 베이스 전압 벡터의 인가와 연관된 자계 벡터들의 위치를 도시한 것이다.

도 1 에 나타낸 바와 같이, 전자 정류된 동기식 기계 (1) 는 전기기계적 에너지 컨버터 (2), 전자 제어 디바이스 (3) 및 회전자 위치 센서 시스템 (4) 을 포함한다. 구동 메커니즘으로서의 이 전자 정류된 동기식 기계의 이용 이외에도, 발전기로서의 동작도 또한 가능하여, 기계적 운동이 이에 따라 전기적 에너지로 변환되도록 한다. 고정자는 통상적으로, U, V 및 W 로 나타낸 3개의 상 권선들로 이루어지고, 이 상 권선들은 스타 포인트 (S) 에서 만난다. 특히, 상 권선들의 델타 연결도 또한 가능하다. 영구 여자된 회전자는 베어링 장착된 회전자 샤프트 (R) 를 통해 자기 로터리 인코더 (7) 에 연결된다. 이 로터리 인코더의 자계가 디지털 홀 센서들 (6) 에 의해 스캐닝된다. 이들 센서들은, 예를 들어, 자북극 계 (field of magnetic north pole) 내에 위치될 때에 인에이블되고, 자남극이 바로 가까이에 있을 때에는 어떠한 전류도 도전되지 않는다. 이러한 타입의 홀 스위치들 (Hall switches) 은 히스테리시스를 가지며, 그 결과, 특정 최소 자계의 존재로부터의 영향만으로 전환이 발생한다. 통상적으로 3개의 홀 센서들로부터의 정보 신호들 (H1, H2, H3) 은 회전자 위치 (8) 의 결정을 위한 회로에 의해 프로세싱된다. 회전자 위치로서 표현되는 전기각을 참조하여, 제어 회로 (9) 는, 고정자의 상 권선들 (U, V, W) 에 인가되는 전압 벡터를 결정하고, 그에 따라 인버터 브리지 (5) 의 반도체 회로를 제어한다. 전자 제어 설비는 마이크로-제어기에 의해 실행되는 프로그램의 형태로, 전부 또는 일부분 구현될 수도 있다.

로터리 인코더 및 홀 센서들의 기하학적 구조는, 회전 축이 지면으로부터 돌출하는 도 2 에 나타나 있다. 고정자에 고정된 3개의 센서들은, 전기각의 60°의 간격들 각각에 걸친 회전자의 회전시, 하나의 센서가 각각 그의 출력 상태를 변경시키도록 배열된다. 전기각과 기계각 사이의 관계는 다음의 식에 의해 정의될 수도 있다:

여기서 φ_el 은 전기각이고, φ_mech 는 기계각이며, p 는 극 쌍들의 개수이다. 이에 따라, 회전자가 적절히 장착된 바 자석으로서 구성되는 경우, 전기각과 기계각은 동일한 반면, p = 7 인 것으로 나타낸 경우, 기계각은 전기각보다 더 상당히 작다. 3개의 홀 센서들의 합리적인 배치들은 센서들 사이의 전기각 차이 Δφ_s _ens _{or_} _el 과 연관되고:

여기서 n 은 정수인데; 이것은, 회전자를 고려된 제 1 센서의 위치로부터 다음으로 이동시키기 위해, 적용가능한 정류 스킴이 얼마나 자주 적용될 필요가 있는지를 나타낸다.

회전자가 반시계 방향으로 회전하고 센서들이 나타낸 바와 같이 위치되는 경우, 나타낸 상대적 위치들은 a 로부터 f 로 진행하고; 홀 센서들은 테이블에 나타낸 신호들을 전달한다 (N: 센서의 북극, S: 센서의 남극):

위치 f 는 시작 위치에 대응한다, 즉, 센서 신호들 및 정류 스킴이 360° 전기각의 완성시에 반복되고, 이 360° 전기각은 극 쌍의 기계각에 대응한다. 이에 따라, 3개의 홀 센서들은 정확히 60°의 절대 전기각들을 전달한다.

자계 벡터의 특정 배향의 달성을 위해 어떤 전압들이 인가되어야 하는지가 정류 스킴을 참조하여 정의될 수도 있다. 관련된 전압들이 특정한 개별 전압 값들만이 발생하는 블록 정류 스킴에 따라 인가된 전압들에 정확히 대응할 때, 상 권선들에 인가되는 전압들의 특정 조합은 전압 벡터 또는 베이스 전압 벡터로서 기술된다.

도 3 은 3개의 상 권선들이 포인트들 U, V 및 W 에서 인버터 브리지에 연결되고 각각의 권선 Us, Vs 및 Ws 의 제 2 단부들이 스타-연결되는, 회전 축에 직교하는 모터의 개략적 단면을 도시한 것이다. 지면에 흐르는 전류는 십자로 나타내지만, 지면 밖으로 흐르는 전류는 점으로 나타내고; 자계 백터는 화살표로 도시되어 있다. 120°-블록 정류는 종래의 정류 스킴을 나타낸 것으로, 포지티브 (+) 공급 전압이 하나의 상 (phase) 에 인가되고, 네거티브 (-) 공급 전압이 하나의 상에 인가되지만, 제 3 상은 연결되지 않거나 또는 평균 전위 (0) 에 있다. 120°-블록 정류에서의 일 예시적인 베이스 전압 벡터의 인가와 연관된 기하학적 구조는 도 3 의 a) 에 나타나 있고; 이 장치에서, 오프-로드 회전자는 단시간 내에 그 자신을 자계 백터로 배향시킨다. 홀 센서들이 도 2 에 도시된 바와 같이 배열되는 경우, 이 홀 센서들은 위치 f 를 나타내고; 어떤 추가의 근소한 반시계 방향 회전은 신호 H1 에 대한 결과 변경에 의해 제 1 홀 센서의 전환을 야기한다. 이러한 홀 센서의 전환은, 높은 토크의 전달에 의한 반시계 방향 회전을 보장하기 위해, 60°와 120°사이의 전기각에 대한 인접한 베이스 전압 벡터에 대한 전환이 요구되는 제어 전자 장치에 시그널링된다.

다양한 위치들 또는 전기각들과 연관된 대응하는 베이스 전압 벡터들은 다음의 정류 테이블에 나타나 있다:

U_120, V_120 및 W_120 은 120°-블록 정류에서의 상들 U, V 및 W 에 각각 인가되는 전압들을 나타낸다. 또한, 이 테이블은 각 경우 30°전기각과 반시계 방향으로 인접한 180°-블록 정류에서의 베이스 전압 벡터들을 나타낸 것이고; 위치 f 에 대해, 대응하는 기하학적 구조가 도 3 의 b) 에 나타나 있다. 오프-로드 회전자는 그 자신을 30°의 전기각에 인접한 자계 벡터로 배향시키고, 그에 따라, 120°-블록 정류에서의 2개의 정류 위치들 사이에 정확히 위치된다. 180°-블록 정류에 대해, 홀 센서들은 그에 의해 30°의 전기각에 걸쳐 회전될 필요가 있다.

이에 따라, 전류가 2개의 상 권선들 (120°-블록 정류) 또는 3개의 상 권선들 (180°-블록 정류) 에 각각 피딩되고, 3개의 홀 센서들이 회전자 위치의 결정을 위해 이용되는 2개의 관례적인 블록 정류 스킴들이 존재하는데, 여기서 2개의 스킴들 사이의 이 홀 센서들은 30°의 전기각에 걸쳐 회전된다. 이 센서들이 120°-블록 정류를 위해 배열되는 경우, 자극들은, 180°-베이스 전압 벡터의 인가시, 센서들 앞의 정확히 중앙의 위치를 취하여, 홀 센서들에 의해 나타낸 결과 레벨들이 정류 테이블에서 명확히 분류가능해야 한다. 이에 대응하여, 센서들이 180°-블록 정류를 위해 배열되는 경우, 120°-베이스 전압 벡터의 인가는 센서들의 명확한 분류가능 신호의 발생을 유발한다.

이에 따라, 2개의 블록 정류 스킴들 중 하나의 블록 정류 스킴에 따른 센서 장치에 있어서, 다른 블록 정류 스킴에 대한 베이스 전압 벡터의 인가는 명확한 센서 신호들을 발생시킨다. 전류 각도 오차는 30°의 전기각에 대응한다 - 7개의 극 쌍들의 경우, 이것은 약 4.3°의 기계각을 나타낸다. 로터리 인코더의 자화에서의 어떤 허용 오차도 여기에서는 무시되고; 대부분의 경우, 이러한 허용 오차는 상당히 더 작은 크기를 갖는다.

전자 정류된 모터에서, 고정자의 위치가 센서 엘리먼트들에 대해 변위되는 경우, 또는 로터리 인코더가 회전자에 대해 중심을 벗어난 경우, 이것은 센서 데이터에 기초하여 결정된 회전자 위치에서 오차를 초래한다. 모터가 Δφ_error 의 전기각에 걸쳐 변위된 회전자 위치에서 정류되면, 다양한 타입의 기능 불량들이 발생한다:

인 경우, 모터가 하나의 회전 방향으로 조기에 정류되고 다른 회전 방향으로는 대응하는 시간 지연으로 정류되어, 그 결과, 모터 특성, 또는 관련 회전 속도와 연관된 기계적 토크가 동작 방향에 따라 상이하다. 자기 저항 토크가 없는 모터들에서는, 최대 정 토크, 즉, 정적 회전자에 의해 전달된 최대 토크가 감소된다.

인 경우, 자계는 회전자에 거의 평행하거나 또는 역평행하게 놓여 있고, 전달된 정 토크가 제로에 가까우며, 토크 방향이 더 이상 명확하지 않다.

인 경우, 토크 방향이 역전된다, 즉, 모터가 원하는 방향에 대해 반대 방향으로 회전한다. 임의의 우선적인 회전 속도 레귤레이터가, 최대 상한에 도달될 때까지, 그의 설정 포인트 값을 계속 증가시킨다.

어떠한 심각한 기능 불량들, 그리고 구체적으로 모터 또는 구동 디바이스에 대한 어떠한 손상이라도 제외시키기 위해, 시스템의 가동시 센서 시스템의 체크가 요구될 수도 있다. 본 발명에 따른 방법은 모터의 오프-로드 동작이 가능한 모든 시스템들에 적용될 수도 있다.

센서 시스템이 120°-블록 정류를 위해 구성되고, 180°-블록 정류를 위한 베이스 전압 벡터가 특정 시간 간격 동안 오프-로드 회전자에 인가되는 경우, 회전자는 그 자신을 배향시켜 홀 센서들의 레벨들이 정류 테이블에서 명확히 분류가능해야 한다. 이 경우, 센서들 또는 로터리 인코더는 그들의 개념적인 위치에 대해 30°미만의 전기각만큼 회전된다. 이러한 체크 동안, 회전자는 60°+/- 30°를 초과하지 않는 전기각에 걸쳐 회전한다.

홀 센서들의 동작을 테스트하기 위해, 그리고 구체적으로 N 또는 S 의 지속적인 표시를 제외시키기 위해, 홀 센서들로부터의 데이터가 버퍼 저장될 수도 있고 180°의 추가의 전기각에 걸쳐 회전자가 회전하여, 90°의 각도에 걸쳐 변위된 120°-베이스 전압 벡터가 우선 먼저 인가되고, 이에 후속하여 추가 90°에 걸쳐 변위된 180°-베이스 전압 벡터가 인가된다. 홀 센서들은 그 후에 인버팅된 데이터를 나타내야 한다. 센서에 대해 N 이 버퍼링되고, 회전 후, 판독물이 S 인 경우, 관련된 홀 센서는 예상대로 동작한다. 이에 따라, 모든 센서들의 판독물로부터, 전체 센서 시스템과 회전자의 오프-로드 상태 양쪽을 체크하는 것이 가능하다.

대안적으로, 회전자의 동작 없는 상태의 체크는, 모터의 하나의 회전 방향으로의 적어도 하나의 180°-베이스 전압 벡터의 인가, 홀 센서 데이터의 버퍼링, 및 회전 반대 방향으로의 적어도 하나의 추가의 180°-베이스 전압 벡터의 인가에 의해 실행될 수도 있어, 적어도 하나의 홀 센서로부터의 데이터의 추가의 판독물이 버퍼링된 데이터와는 상이해야 한다.

이에 대응하여, 180°-블록 정류를 위해 구성된 센서 시스템은 관련된 다른 정류 스킴에 대한 베이스 전압 벡터들의 이용에 의해 체크될 수 있다.

회전자 및 센서 위치를 체크하는 동안 모터에 대한 손상을 방지하기 위해, 인가된 전압들이, 예를 들어, 펄스 폭 변조에 의해 제한될 수도 있어, 획득된 전류, 및 전달된 결과 토크가 이에 따라 감소된다. 공급 전압의 펄스 폭 변조가 가능하지 않은 경우, 전류 제한은 전압 벡터의 교번하는 컷인 및 컷아웃에 의해 달성될 수 있다. 회전자의 영구 자석에 의해 발생된 자계, 그리고 또한 그에 의해 달성가능한 토크가 온도가 증가함에 따라 감소하기 때문에, 이러한 영향은 온도에 대한 정보가 입수가능하다면 권선 전류들의 증가만큼 상쇄될 수 있다. 이에 따라, 제어 회로에는 온도의 결정을 위한 수단이 제공될 수도 있어서, 특정 센서 또는 기존의 전기적 컴포넌트들의 온도 관련 특성들이 채용될 수도 있다.

회전자 각도 및/또는 회전 속도의 결정은 허용 오차들의 크기에 의한 심각한 오차들로 인해 손상되기 때문에, 모터의 제어 및 전류들의 규제가 센서 시스템의 허용 오차들에 의해 더욱 어려워질 수도 있다. 이들 오차들은 센서 위치들의 더욱 정확한 체크에 의해 보상될 수도 있는데; 이것은 권선들에 인가된 전압들이 개별적으로 선택 또는 조정될 수 있다면 달성될 수 있다.

센서 시스템이 120°-블록 정류를 위해 구성되고, 120°-베이스 전압 벡터가 특정 시간 간격 동안 오프-로드 회전자에 인가되는 경우, 로터리 인코더의 N/S 전이는 홀 센서의 바로 앞 또는 바로 가까이에 있게 된다. 이에 따라, 회전자는 홀 센서로부터의 데이터가 변경되는 위치에 가까이 있어, 인가된 베이스 전압 벡터의 전환이 요구된다. 비단계적이거나 또는 특정 증분의, 전압 벡터의 각도 변화에 의해, 홀 센서들의 정확한 스위칭 위치가 결정될 수 있다.

로터리 인코더의 개별 위치들과 연관된 자계 강도에서의 어떤 차이들과 함께, 홀 센서의 히스테리시스의 결과로서, 전환 포인트는 목표로 하는 위치 및 가해진 접근 방향에 따라 변화하게 된다. 각각이 겪는 홀 센서의 히스테리시스는, 전환이 발생하거나 또는 인접한 베이스 전압 벡터의 위치가 획득될 때까지, 증분하여 또는 비단계적으로 하나의 회전 방향으로 변화되는 인가된 전압 벡터에 의해 결정된다. 그 후에, 홀 센서의 전환 포인트는 회전 반대 방향으로 접근되어, 전환시의 전압 벡터와 그에 대응하는 베이스 전압 벡터 사이의 각도 차이를 결정한다. 베이스 전압 벡터의 위치의 오버런 및 회전 반대 방향으로의 접근의 경우, 전환시의 전압 벡터와 그에 대응하는 베이스 전압 벡터 사이의 각도 차이가 다시 결정될 수도 있어서, 관련된 센서에 대한 히스테리시스 또는 전환 각도 차이의 확립을 가능하게 한다. 이러한 모든 극 쌍들에 대한 모든 정류 위치들에 대한 체크의 실행에 의해, 전체 센서 시스템이 평가될 수 있다.

전압 벡터의 증분 변화 또는 비단계적 변화에 적용된 방법은 이용가능한 회로 설비들에 따라 변화될 수도 있다. 권선들에 인가된 모든 전압들의 펄스 폭 변조에 전용 회로가 이용가능한 경우, 공지된 벡터 변조 방법들, 이를테면, 사인-델타 변조 또는 공간-벡터 변조가 적용될 수도 있다. 데드타임 영향들은 펄스 점유율의 조정에 의해 고려될 수도 있다. 전류 제한은 중간 회로 전압의 조정에 의해 가능하다.

단일의 펄스 폭 변조 회로만이 이용가능하고, 각각의 상 권선이 펄스 폭 변조 회로의 출력 전압과 함께 포지티브 또는 네거티브 공급 전압을 필요에 따라 수신할 수 있거나, 또는 개방 회로 조건으로 존재할 수도 있는 경우, 시작 위치는 베이스 전압 벡터의 인가에 의해 달성된다. 이러한 포인트로부터, 관련 홀 센서의 스위칭 위치가 확립될 때까지, 하나의 상 권선에 인가된 전위가 상향 및 하향 증분하여 변화된다. 센서들이 120°-블록 정류를 위해 구성되는 경우, 펄스 폭 변조에 대한 50% 펄스 점유율에 대응하는 평균 전압이 사실상의 개방 회로 상 권선에 적절히 인가될 수도 있고, 인가된 전압이 펄스 점유율의 조정에 의해 변화될 수도 있다. 전류 제한을 위해, 다수의 제로 벡터들이 능동 인가된 전압 벡터에 첨가될 수도 있어서, 포지티브 또는 네거티브 공급 전압이 모든 상 권선들에 전달된다.

충분히 빠른 응답 제어 전자 장치가 제공되는 경우, 결여된 펄스 폭 변조 회로가 인접한 베이스 전압 벡터들 사이의 적절한 전환에 의해 대체될 수도 있어서, 제로 벡터들이 또한 이 경우 전류 제한을 위해 첨가될 수도 있다.

전자 정류된 기계 및 구동 디바이스에 대한 신규 구동 유닛의 완성시, 센서 시스템의 체크가 실행될 수도 있다. 그에 따라 결정된 홀 센서들의 각도 보정 또는 히스테리시스가 그 후에 비휘발성 메모리에 저장될 수도 있다. 시스템의 각각의 가동시, 구동 유닛은 그의 센서 시스템의 독립적인 평가를 완료하여, 그것을 저장된 값들과 비교할 수 있다. 내부적으로 측정된 변수의 결과의 강화된 품질은 구동 시스템의 더욱 정확한 규제를 가능하게 한다.

Claims

고정자에 고정되는 하나 이상의 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계 (electronically-commutated synchronous machine) 의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법으로서,
제 1 회전자 위치 결정 프로세스 후에, 오프-로드 (off-load) 회전자는 미리 결정된 전압 벡터의 인가에 의해 미리 정의된 각도에 걸쳐 회전되고, 그 후에 추가의 회전자 위치 결정 프로세스가 실행되며, 제 2 회전자 위치 결정 프로세스의 결과가 예상된 회전자 위치와 비교되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
제 1 정류 스킴 (first commutation scheme) 이 특정되어, 상기 인가된 전압 벡터와 상기 예상된 회전자 위치 사이의 연관성이 확립되도록 하는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
원하는 회전의 달성을 위해 인가될 전압 벡터와 현재 회전자 위치 사이의 연관성은, 특정된 제 1 정류 스킴에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 회전자 위치 결정 프로세스의 결과와 상기 예상된 회전자 위치 사이의 비교를 참조하여, 모든 후속 결정되는 회전자 위치들 및 유도된 변수들이 보정되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 회전자 위치의 결정 동안, 상 권선들 (phase windings) 에 흐르는 전류들은 온도 정보에 기초하여 제한을 받아서, 더 높은 온도의 경우일수록, 더 높은 제한 전류가 선택되고, 더 낮은 온도의 경우일수록, 더 낮은 제한 전류가 선택되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 회전자 위치의 결정 동안, 상 권선들에 흐르는 전류들은, 상기 상 권선들에 인가된 전압들의 교번하는 컷인 (cut-in) 및 컷아웃 (cut-out) 에 의해 제한되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 전자 정류된 동기식 기계에는, 제 1 정류 스킴을 위한 3개의 회전자 위치 센서들과 함께, 3개의 상 권선들이 제공되는 고정자 및 영구 여자된 회전자가 제공되고,
상기 회전자 위치는 상기 회전자 위치 센서들로부터의 데이터의 판독에 의해 결정되고, 미리 결정된 전압 벡터는 제 2 정류 스킴에 의해 정의되며, 그에 의해 결정된 제 2 회전자 위치는 상기 제 1 정류 스킴과 비교되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 회전자 위치들은 각도들로서 표현되고, 360°는 정류 스킴의 하나의 완전한 사이클을 나타내고,
상기 제 1 정류 스킴과 두번째로 결정된 회전자 위치와의 비교 후에, 상기 제 1 정류 스킴에서의 90°의 각도 변위를 갖는 전압 벡터가 인가되고, 그 후에 동일한 방향으로 추가의 90°만큼 변위된 각도에서의 상기 제 2 정류 스킴에서의 전압 벡터가 인가되고, 제 3 회전자 위치가 그 후에 결정되어, 상기 제 3 회전자 위치에 대한 상기 회전자 위치 센서들로부터의 데이터가 상기 제 2 회전자 위치에 대한 데이터에 대해 인버팅된 것이 아닌 경우에 오차가 검출되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 제 2 정류 스킴의, 회전 반대 방향에 인접한 적어도 하나의 추가의 전압 벡터가 그 후에 인가되고, 제 3 회전자 위치가 그 후에 결정되어, 상기 제 3 회전자 위치에 대한 상기 회전자 위치 센서들로부터의 데이터가 상기 제 2 회전자 위치에 대한 데이터와 상이하지 않은 경우에 오차가 검출되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 전자 정류된 동기식 기계에는, 정류 스킴을 위한 3개의 회전자 위치 센서들과 함께, 3개의 상 권선들이 제공되는 고정자 및 영구 여자된 회전자가 제공되고,
회전자 위치의 초기 결정 전에, 상기 정류 스킴에 대한 베이스 전압 벡터가 인가되고, 상기 회전자 위치가 상기 회전자 위치 센서들로부터의 데이터의 판독에 의해 결정되고, 미리 결정된 전압 벡터가 상기 베이스 전압 벡터에 대해 특정 증분들만큼 변화되며, 상기 미리 결정된 전압 벡터의 조정과 함께, 상기 회전자 위치의 제 2 결정은, 인접한 회전자 위치가 나타날 때까지 점진적으로 계속되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 회전자 위치 센서들은 홀 효과 (Hall effect) 에 기초하여 동작하고, 상기 회전자 위치 센서들로부터의 데이터의 판독 및 상기 전압 벡터의 증분 변화가 반복되어, 원하는 회전자 위치가 상기 베이스 전압 벡터의 인가에 의해 모터의 동작 방향들 양쪽에서 달성되고, 상기 회전자 위치 센서들로부터의 데이터에 대한 변경시 기존의 전압 벡터들이 상기 베이스 전압 벡터와 비교되며, 상기 홀 효과로 동작하는 회전자 위치 센서의 히스테리시스 (hysteresis) 인, 변경된 데이터 판독치들에 대해 결과 측정치가 계산되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 홀 효과로 동작하는 모든 회전자 위치 센서들의 히스테리시스는, 관련 전환 포인트에 인접한 베이스 전압 벡터의 인가, 및 관련된 회전자 위치 센서로부터의 동시 판독에 의한 상기 전압 벡터의 반복된 증분 변화에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베이스 전압 벡터에 대해 조정되는, 관련된 상기 회전자 위치 센서(들) 의 전환 위치들은, 상기 전자 정류된 동기식 기계의 후속 제어를 위한 조정들의 제공에 의해 고려되어, 위치 차이 및/또는 히스테리시스가 해당 회전자 위치 센서 각각에 대해 로깅되는 (logged) 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 결정된 전압 벡터들이 공지된 벡터 변조 방법들의 이용에 의해 설정되어, 관련 펄스 점유율 (pulse duty factor) 의 조정에 의해 데드타임 영향들 (dead-time effects) 이 보상되고,
상기 공지된 벡터 변조 방법은 사인-델타 변조 또는 공간-벡터 변조인 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 결정된 전압 벡터들은, 펄스 점유율에 의한, 인가된 전압들 중 하나의 전압의 조정에 의해 변화되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
미리 결정된 전압 벡터들은 인접한 베이스 전압 벡터들 사이의 전환에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
제로 벡터들 (zero vectors) 의 반복되고 단기적인 입력에 의해 전류의 제한이 영향을 받는 것을 특징으로 하는 회전자 위치 센서들에 대한 전자 정류된 동기식 기계의 회전자의 상대적 위치의 결정을 위한 방법.
전자 정류된 동기식 기계의 제어를 위한 회로 장치로서,
상기 회로 장치는 제 1 항에 기재된 방법을 실행하고, 모터 차량의 브레이크들의 제어 또는 규제를 위한 회로 장치의 구성 엘리먼트인 것을 특징으로 하는 전자 정류된 동기식 기계의 제어를 위한 회로 장치.
제 18 항에 있어서,
모터의 온-로드 (on-load) 동작은 제 1 항에 기재된 방법의 오차 없는 실행 후에만 진행하여, 제어 시스템이 상기 회전자의 실제 위치와 예상된 위치 사이에서 검출된 차이를 고려하도록 하는 것을 특징으로 하는 전자 정류된 동기식 기계의 제어를 위한 회로 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 회로 장치는 모터 차량에서 이용되는 것을 특징으로 하는 회로 장치.