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KR102226615B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 모터 시스템의 동작 방법 - Google Patents

스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 모터 시스템의 동작 방법 Download PDF

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KR102226615B1
KR102226615B1 KR1020180146408A KR20180146408A KR102226615B1 KR 102226615 B1 KR102226615 B1 KR 102226615B1 KR 1020180146408 A KR1020180146408 A KR 1020180146408A KR 20180146408 A KR20180146408 A KR 20180146408A KR 102226615 B1 KR102226615 B1 KR 102226615B1
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pole
coils
signal
rotor
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조영철
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(주)쿠첸
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Abstract

SR 모터를 포함하는 모터 시스템 및 이의 동작 방법이 개시된다. 본 개시의 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 모터 시스템의 동작 방법은, 설정된 주파수 및 회전 방향에 기초하여 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 단계 및 이상 상황 발생 시, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 복수의 돌극들에 권선된 복수의 코일들 중 적어도 두 개의 코일들을 동시에 여자시킴으로써, 상기 스위치드 릴럭턴스를 제동시키는 단계를 포함한다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 모터 시스템의 동작 방법{Operation method of motor system comprising switched reluctance motor}
본 개시의 기술적 사상은 스위치드 릴럭턴스 모터 (Switched Reluctance Motor; 이하, 'SR 모터'라 한다)를 포함하는 모터 시스템의 동작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 SR 모터의 제동 제어 방법에 관한 것이다.
SR 모터는 자기저항(reluctance)의 변화에 따라 발생하는 토크를 이용하여 회전력을 발생시키는 전동기이다. SR 모터는 고성능 및 고내구성을 가지며, 구조가 단순하여 최근 폭넓은 관심을 받고 있으며, 세탁기, 냉장고, 에어컨, 쿠커 등과 같은 각종 가전기기나 다양한 운송기계, 의료 장비 등의 구동장치로서 사용될 수 있다. SR 모터에 고장이 발생하거나, SR 모터가 역방향으로 회전하는 경우, 또는 SR 모터가 탑재되는 장치의 뚜껑이 열릴 때 등의 경우에 SR 모터가 빠르게 제동될 것이 요구된다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 SR 모터를 빠르고 안전하게 제동하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 모터 시스템은, 설정된 주파수 및 회전 방향에 기초하여 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 단계 및 이상 상황 발생 시, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 복수의 돌극들에 권선된 복수의 코일들 중 적어도 두 개의 코일들을 동시에 여자시킴으로써, 상기 스위치드 릴럭턴스를 제동시키는 단계를 포함한다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 SR 모터를 포함하는 모터 시스템의 동작 방법에 따르면, SR 모터의 제동 제어 시, SR 모터의 회전자에 대한 구속력을 발생시킴으로써, 회전자가 역회전하는 것을 방지하므로 회전자가 빠르고 안전하게 제동될 수 있다. 또한, 회생 전류가 권선 코일로 유도되어 순환 전류로서 흐르게 되므로, 회생 전력이 빠르게 소비되고, 고가의 회생 저항이 요구되지 않는 바, 비용이 절감될수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구조 및 기본 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SRM 드라이버의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구동을 위한 코일들의 여자 순서(excitation order)를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 구동을 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터의 제동 제어 방법에 따른 여자 순서를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 제동 제어를 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터의 제동 원리를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터의 제동 제어 방법에 따른 여자 순서를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 제동 제어를 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터 시스템의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터 시스템의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 기술적 사상의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 시스템을 나타내는 블록도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구조 및 기본 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, SR 모터 시스템(10)은 SR 모터(110), SR모터 드라이버(120)(이하, SRM 드라이버라고 함), 위치 센서부(130) 및 구동 컨트롤러(140)를 포함할 수 있다. SR모터 드라이버(120), 위치 센서부(130) 및 구동 컨트롤러(140)는 SR 모터(110)의 구동을 위한 구동 회로로 지칭될 수 있다.
SR 모터(110)는, 자기저항의 변화에 따라 발생하는 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)를 이용하여 회전력을 얻을 수 있다. 도 2a를 참조하면, SR 모터(110)는 고정자(11)(stator) 및 회전자(12)(rotator)를 포함할 수 있다. 고정자(11) 및 회전자(12)는 투자율이 높은 자성 물질들로 구성될 수 있으며, 예컨대, 규소 강판이 적층된 구조를 가질 수 있다. SR 모터(110)는, 고정자(11)와 회전자(12)가 모두 돌극형 구조를 가지는 이중 돌극형(double salient pole)구조를 가질 수 있다. 고정자(11) 및 회전자(12)는 각각 복수의 돌극(silent-pole)을 포함한다. 고정자(11)의 돌극들에는 코일(13)이 권선된다. 회전자(12)의 중심에는 SR 모터(110)의 샤프트가 연결되며, 회전자(12)와 동시에 회전하는 센싱 마그넷이 샤프트 또는 회전자(12)에 장착될 수 있다.
본 개시의 실시예에 따른 SR 모터(110)는 4상 모터 구조를 가질 수 있다. SR 모터(110)의 고정자(11)는 8개의 돌극들(예컨대, A극, B극, C극, D극, A'극, B'극, C'극, D'극)을 포함하고, 회전자(12)는 6개의 돌극들을 포함할 수 있다. 고정자(11)의 서로 대향하는 돌극들에는 코일이 권선된다. 도 2a에서는 A극과 A'극에 코일(13)이 감겨진 것으로 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이며, A극과 A'극, B극과 B'극, C극과 C'극, D극과 D'극에 각각 A상 코일, B상 코일, C상 코일 및 D상 코일이 권선될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 코일(13)(즉, 권선)의 양단에 전압이 인가되어, 즉 코일(13)이 통전되어 코일(13)에 전류가 흐르면, 코일(13)이 권선된 돌극들이 여자되고(excitation), 전류의 방향에 직교하는 방향으로 자속이 발생한다. 예컨대, A극과 A'극에 권선된 코일(13)의 권선 방향에 따라서, A극의 오른쪽에서 왼쪽으로 전류(I)가 흐르면 A극과 A'극이 여자되고, 전류(I)에 직교하는 F1 방향으로 자속이 발생한다. 이하, 본 개시에서, 돌극이 여자된다는 표현은 상기 돌극에 권선된 코일(13)이 통전됨으로써 여자된다는 의미와 동일하게 사용하기로 한다.
자속이 회전자(12)를 경유함에 따라서, 회전자(12)에 전류가 발생하고, 고정자(11)의 자속과 회전자(12)의 자속이 쇄교함에 따라 토크(torque)가 발생하게 된다. 즉, 고정자(11)와 회전자(12) 간에 작용하는 자기 흡인력에 의하여 토크가 발생할 수 있다. A상, B상, C 상 및 D상의 코일들에 순차적으로 전압이 인가되고 상전류가 흐름으로써 회전자(12)가 회전할 수 있다.
계속하여 도 1을 참조하면, SRM 드라이버(120)(또는 SRM 인버터로 지칭됨)는 스위칭 동작을 통해, 직류전압을 SRM 모터(110)의 코일들(예컨대, A상, B상, C상 및 D상 코일들) 각각에 인가할 수 있다. SR 모터 시스템(10)은 입력되는 상용 교류 전원을 직류 전원(즉, 직류 전압)으로 정류하는 컨버터(미도시)를 더 포함할 수 있으며, SRM 드라이버(120)는 컨버터로부터 제공되는 직류 전압을 SRM 모터(110)의 코일들에 인가할 수 있다.
SRM 드라이버(120)는 스위칭 소자들(후술되는 도 3의 Q1 내지 Q6)을 포함할 수 있으며, 스위칭 소자들이 스위칭 신호들(SSWs)에 응답하여 '턴-온' 또는 '턴-오프'되어 코일들에 전압을 인가할 수 있다. 또한, SRM 드라이버(120)는 SR 모터(110)의 상태를 감지하기 위한 센싱 신호들(Ssen), 예컨대, 전류, 온도, 전압 등을 센싱하기 위한 센싱 신호들(Ssen)을 출력할 수 있다.
위치 센서부(130)는 회전자(12)의 각도 위치에 상응하는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 제공한다. 실시예에 있어서, 위치 센서부(130)는 센서 마그넷에 근접하게 배치되는 복수의 홀 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어서, 위치 센서부(130)는 제1 홀 센서(131) 및 제2 홀 센서(132)를 포함할 수 있다. 제1 홀 센서(131) 및 제2 홀 센서(132)는, 회전자(12)가 회전시 센서 마그넷의 자기 신호를 감지하여 각각 제1 위치 센싱 신호(SS1) 및 제2 위치 센싱 신호(SS2)를 출력할 수 있다.
구동 컨트롤러(140)는 스위칭 신호들(SSWs)을 생성하고, 스위칭 신호들(SSWs)을 SRM 드라이버(120)에 제공할 수 있다. 구동 컨트롤러(140)는 제어 신호(Ctrl)(예컨대 사용자 입력 또는 미리 설정된 구동 알고리즘에에 따른 회전 방향, 속도 지령 및/또는 토크 지령 등을 설정하는 제어 신호), 위치 센서부(130)로부터 제공되는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2) 및 SRM 드라이버(120)로부터 제공되는 센싱 신호들(Ssen) 중 적어도 하나를 기초로 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있다.
구동 컨트롤러(140)는 설정된 회전 방향 및 속도 등에 따라서, SR 모터(110) 구동을 위한 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있다. 실시예에 있어서, 구동 컨트롤러(140)는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 기초로 SR 모터(110)의 회전 속도를 검출하고, SRM 드라이버(120)로부터 출력되는 센싱 신호(Ssen)를 기초로, SRM 모터(110)의 코일들을 통해 흐르는 전류량을 검출할 수 있으며, 속도 지령에 따른 타겟 속도와 SR 모터(110)의 회전 속도(즉, 현재 속도)의 차이를 기초로 SRM 모터(110)의 코일들을 통해 흐르는 전류량을 증가시키거나 또는 감소시키기 위하여 스위칭 신호들(SSWs)의 듀티비를 조절할 수 있다.
또한, SR 모터(110) 구동 중 이상 상황 발생 시, 구동 컨트롤러(140)는 SR 모터(110)를 제동 시키기 위한 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있다. 구동 컨트롤러(140)는 외부로부터의 제동 요청 신호 또는 이상 상황 발생 감지 시(예컨대, 역회전, 전압 또는 전류의 이상 레벨 감지) SR 모터(110)를 긴급 제동하기 위한 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있다.
실시예에 있어서, 구동 컨트롤러(140)는 마이크로 컨트롤러(또는 마이크로 컴퓨터)로 구현될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 구동 컨트롤러(140)는 CPU(Central Processing Unit), 프로세서, DSP(Digital Signal Processing), 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP), MCU(Micro Controller Unit), 또는 미니 컴퓨터와 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
구동 컨트롤러(140)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호 생성기(141)를 포함할 수 있으며, PWM 신호 생성기(141)는 PWM 신호들을 생성하고, PWM 신호들을 스위칭 신호들(SSWs)로서 제공할 수 있다. PWMW 신호 생성기(141)는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 기초로, PWM 신호들, 즉 스위칭 신호들(SSWs)을 생성할 수 있으며, 제어 신호(Ctrl) 및 센싱 신호들(Ssen)을 기초로 PWM 신호의 듀티비(duty ratio)를 조절할 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SRM 드라이버의 구성을 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위하여, SR 모터(도 1의 10)에 권선된 코일들을 나타내는 등가 회로(10')를 함께 도시한다. 등가 회로(10')는 고정자(11)에 권선된 4상의 코일들(La, Lb, Lc, Ld)을 포함한다.
SRM 드라이버(120)는 커패시터(C1), 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6), 복수의 다이오드들(D1 내지 D6)을 포함할 수 있다. 실시예에 있어서, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)은 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), FET(Field Effect Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor) 등으로 구현될 수 있다.
커패시터(C1)는 DC 링크 커패시터로서, 제1 입력 노드(Ip) 및 제2 입력 노드(In) (즉, DC 링크)에 연결되며, 제1 및 제2 입력 노드(Ip, In)를 통해 수신되는 직류 전압(Vdc)을 안정적으로 제공할 수 있다.
제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)는 제1 노드(N1)를 통해 A상 코일(La)의 일 단(A극 방향의 단자) 및 C상 코일(Lc)의 일 단(C극 방향의 단자)에 전기적으로 연결된다. 제2 스위칭 소자(Q2) 및 제2 다이오드(D2)는 제2 노드(N2)를 통해 A상 코일(La)의 타 단(A'극 방향의 단자)에 연결되고, 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제3 다이오드(D3)는 제3 노드(N3)를 통해 C상 코일(Lc)의 타 단(C'극 방향의 단자)에 전기적으로 연결된다. 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)는 제4 노드(N4)를 통해 B상 코일(Lb)의 일 단(B극 방향의 단자) 및 D상 코일(Ld)의 일 단(D극 방향의 단자)에 연결된다. 제5 스위칭 소자(Q5) 및 제5 다이오드(D5)는 제5 노드(N5)를 통해 B상 코일(Lb)의 타 단(B'극 방향의 단자)에 연결되고, 제6 스위칭 소자(Q6) 및 제6 다이오드(D6)는 제6 노드(N6)를 통해 D상 코일(Ld)의 타 단(D' 극 방향의 단자)에 연결된다.
A상 코일(La) 및 C상 코일(Lc)은 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제1 다이오드(D1)를 공유할 수 있으며, B상 코일(Lb) 및 D상 코일(Ld)은 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제4 다이오드(D4)를 공유할 수 있다. 이와 같은, 스위칭 소자 공유 방식이 적용됨으로써, SR 모터(110)를 구동하기 위한 스위칭 소자 및 다이오드의 개수가 감소될 수 있으며, SRM 드라이버(120)의 회로 사이즈가 감소될 수 있다.
스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)은 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2) 중 대응하는 스위칭 신호에 응답하여 '턴-온' 또는 '턴-오프'하는 스위칭 동작을 수행함으로써, 코일들(La, Lb, Lc, Ld)에 전압을 인가할 수 있다. A상, B상, C상 및 D상의 코일들(La, Lb, Lc, Ld) 각각은 양단에 연결된 스위칭 소자들이 '턴-온'되면 통전될 수 있다. 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)의 스위칭 동작에 대해서는 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
복수의 다이오드들(D1 내지 D6)은 코일들(La, Lb, Lc, Ld)에 전압이 인가된 후, 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)이 '턴-오프'시에 생성되는 역기전압을 환류시킬 수 있다.
한편, SRM 드라이버(120)는 SR 모터(110)의 상태를 감지하기 위한 센싱부(SU)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 센싱부(SU)는 DC 링크에 흐르는 전류량을 검출하기 위한 저항(Rsen)을 더 포함할 수 있다. 저항(Rsen) 양단의 센싱 전압들(Vsen)이 센싱 신호로서, 구동 드라이버(도 1의 140)에 제공되면, 구동 드라이버(140)는 센싱 전압들(Vsen)및 저항(Rsen)의 저항값을 기초로 전류량(상전류)을 검출할 수 있다.
도 4는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터의 구동을 위한 여자 순서(excitation order)를 나타내는 도면이다. 예시적으로 회전자(12)가 시계 방향으로 회전하는 실시예가 도시된다.
도 2a 및 도 2b를 참조하여 전술한 바와 같이, 고정자(11)의 돌극들은 각 돌극들에 권선된 코일이 통전됨으로써 여자될 수 있으며, 고정자(11)의 돌극들이 반시계 방향으로 차례로 여자되면, 회전자(12)가 시계 방향으로 회전할 수 있다. 예컨대, 제1 단계(step1), 제2 단계(step2), 제3 단계(step3) 및 제4 단계(Step4)가 차례로 진행됨에 따라 고정자(11)의 돌극들이 반시계 방향으로 차례로 여자되고, 이에 따라 회전자(12)의 회전자(12)의 돌극, 예컨대 제1 돌극(P1)이 시계 방향으로 회전함을 알 수 있다.
제1 단계에서, 고정자(11)의 A극과 A'극이 여자되고, 도시된 방향과 같이 자기력선이 발생한다. 자기 흡인력에 의하여 고정자(11)의 A극에 인접한 제1 돌극(P1)이 고정자(11)의 A극에 정렬된다. 제2 단계에서, B극과 B'극이 여자되고, 제1 단계에서 고정자(11)의 B극에 가장 인접했던 회전자(12)의 돌극이 B극에 정렬된다. 이에 따라서, 제1 돌극(P1)은 15도 회전할 수 있다. 이후, 제3 단계에서 C극과 C'극이 여자되고, 제4 단계에서 B극과 B'극이 여자되면, 각 단계에서, 제1 돌극(P1)이 15도씩 회전할 수 있다. 제1 단계 내지 제4 단계가 차례로 진행됨에 따라서 회전자(12)가 시계 방향으로 60도 회전할 수 있으며, 제1 단계 내지 제4 단계의 진행이 6번 수행되면 회전자(12)가 360도, 즉 일 회전할 수 있다. 예컨대, 1초 동안 제1 단계 내지 제4 단계의 진행이 6번 수행되면, 즉 코일들이 6Hz로 통전되면, 1분 동안 회전자(12)는 60회 회전할 수 있다. SR 모터(110)에서, 주파수 6Hz는 60RPM(Revolution Per Minute)을 의미하게 된다.
한편, 전술한 바와 반대로, 고정자(11)의 돌극들이 시계 방향으로 여자되면, 즉, 제4 단계, 제3 단계, 제2 단계 및 제1 단계가 차례로 진행되면, 회전자(12)가 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
도 5는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 구동을 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는, 도 4에 도시된 바와 같이 SR 모터(110)의 회전자(12)가 시계 방향으로 회전하도록 제어하기 위한 SRM 드라이버(도 3의 120)의 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)의 파형을 나타낸다. 도 1을 참조하여 전술한 바와 같이, 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)은 PWM 신호 생성기(도 1의 141)에서 생성될 수 있다. 도 3을 함께 참조하여 설명하기로 한다.
PWM 신호 생성기(도 1의 141)는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)의 조합에 기초하여 P1 내지 P4 구간을 구분하고, P1 내지 P4 구간에 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)을 생성할 수 있다. 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)은 제1 레벨, 예컨대 로직 하이 및 제2 레벨, 예컨대 로직 로우를 가질 수 있다. 실시예에 있어서, 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)의 제1 레벨의 구간 및 제2 레벨의 구간은 서로 동일할 수 있으며, 한 주기(예컨대, P1 내지 P4 구간)에서, 제1 위치 센싱 신호(PSS1) 및 제2 위치 센싱 신호(PSS2)는 90도의 위상 차이를 가질 수 있다.
우선, P1 구간에 S1H 신호 및 S1L1 신호가 생성될 수 있다. 본 개시에서, 신호가 생성된다는 것은 상기 신호가 활성 레벨로 천이된다는 것을 의미한다. 이에 따라서, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 '턴-온'되어 A상 코일(La)이 통전될 수 있다. 제1 스위칭 소자(Q1), A상 코일(La), 및 제2 스위칭 소자(Q2)를 통해 전류가 흐를 수 있다.
한편, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 P1 구간 동안 '풀-온'되면, 전류가 과다하게 유입될 뿐만 아니라, 전류의 양을 조절하기가 어려워진다. 반면, P1 구간에, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 '턴-온' 및 '턴-오프'가 반복되면, 즉 반복 스위칭되면, 전류의 양이 조절될 수 있다. 그러나, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)가 모두 반복 스위치할 경우, 스위칭 손실이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 스위칭 소자(Q2)가 '풀-온'되고, 제1 스위칭 소자(Q1)가 반복 스위칭함으로써, 전류의 양을 조절할 수 있다. 따라서, P1 구간에, 제2 스위칭 소자(Q2)가 '풀-온'되도록 제어하는 활성 레벨, 예컨대 로직 하이를 갖는 S1L1 신호 및 제1 스위칭 소자(Q1)가 스위칭되도록 제어하는 펄스폭 변조된 S1H 신호가 생성될 수 있다. 이와 유사하게, 다른 구간들, 즉 P2, P3, 및 P4 구간에도 스위칭 소자들이 '턴-온'되도록 제어하는 두 스위칭 신호들 중 하나는 펄스폭 변조된 신호로서 생성될 수 있다.
P2 구간에 S2H 신호 및 S2L1 신호가 생성될 수 있으며, S2H 신호 및 S2L1 신호에 응답하여, 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제5 스위칭 소자(Q5)가 '턴-온'되어 D상 코일(Ld)이 통전될 수 있다. P3 구간에 S1H 신호 및 S1L2 신호가 생성될 수 있으며, S1H 신호 및 S1L2 신호에 응답하여, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제3 스위칭 소자(Q3)가 '턴-온'되어 C상 코일(Lc)이 통전될 수 있다. 또한, P4 구간에 S2H 신호 및 S2L2 신호가 생성될 수 있으며, S2H 신호 및 S2L2 신호에 응답하여, 제4 스위칭 소자(Q4) 및 제6 스위칭 소자(Q6)가 '턴-온'되어 B상 코일(Lb)이 통전될 수 있다.
이와 같이, P1 구간 내지 P4 구간에 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)이 생성되고, 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)이 스위칭 소자들(Q1 내지 Q6)에 인가됨으로써, 고정자(11)의 돌극들에 권선된 4상 코일들(La, Lb, Lc, Ld)이 반시계 방향으로 통전되고, 회전자(12)가 시계 방향으로 회전할 수 있다. 4상 코일들(La, Lb, Lc, Ld) 각각에 흐르는 전류는 상전류 또는 여자 전류로 지칭될 수 있다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터의 제동 제어 방법에 따른 여자 순서를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 고정자(11)의 돌극들 중 인접하지 않은 돌극들이 동시에 여자될 수 있다. 예컨대, 제1 단계(step1)에서, A극과 A'극, 및 C극과 C'극이 동시에 여자되고, 제2 단계(step2)에서, B극과 B'극, 및 D극과 D'극이 동시에 여자될 수 있다. 제1 단계와 제2 단계가 반복적으로 수행될 수 있으며, 이에 따라서, 회전하던 회전자(12)가 정지할 수 있다.
도 7은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 제동 제어를 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
제동 제어 시, 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)은 위치 센싱 신호들(도 5의 PSS1 및 PSS2)과 무관하게 생성될 수 있다. 즉, 제동 제어 시, PWM 신호 생성기(도 1의 141)는 회전자(12)의 회전 속도와 무관하게 미리 설정된 주파수를 갖는 기준 신호를 기초로 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)을 생성할 수 있다.
도 7을 참조하면, S1H 신호 및 S2H 신호는 전 구간, 예컨대 P1 내지 P4 구간에서 활성 레벨을 가질 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 전류 제어를 위하여 펄스폭 변조된 신호가 S1H 신호 및 S2H 신호로서 생성될 수 있다. 예컨대, S1H 신호 및 S2H 신호는 20KHz 이하의 주파수를 가질 수 있으며, S1H 신호 및 S2H 신호의 펄스폭 듀티비는 5%이하일 수 있다. 다른 스위칭 신호들(S1L1, S1L2, S2L1, S2L2)은 고정된 저주파수(즉, Freq_fix)를 갖는 신호들일 수 있다. 실시예에 있어서, 주파수는 0.01Hz 이하일 수 있다. S1L1 신호 및 S1L2 신호가 동일한 구간, 예컨대 P2 구간 및 P4 구간에 생성되고, S2L1 및 S2L2 신호가 동일한 구간, 예컨대 P1 구간 및 P3 구간에 생성될 수 있다. 예를 들어, PWM 신호 생성기(도 1의 141)는 고정된 주파수(예컨대 20KHz 내외)를 갖는 기준 신호 또는 클럭 신호를 기초로 도시된 바와 같이 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)을 생성할 수 있다.
도 3을 함께 참조하면, P1 구간 및 P3 구간에, S2H 신호, S2L1 신호 및 S2L2 신호에 응답하여, 제4 내지 제6 스위칭 소자들(Q4, Q5, Q6)이 '턴-온'될 수 있으며, 이에 따라서, 도 6의 제2 단계에 도시된 바와 같이, B극과 B'극, 및 D극과 D'극이 동시에 여자될 수 있다. 또한, P2 구간 및 P4 구간에는, S1H 신호, S1L1 신호 및 S1L2 신호에 응답하여, 제1 내지 제3 스위칭 소자들(Q1, Q2, Q3)이 '턴-온'될 수 있으며, 이에 따라서, 도 6의 제1 단계에 도시된 바와 같이, A극과 A'극, 및 C극과 C'극이 동시에 여자될 수 있다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터의 제동 원리를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 회전자(12)가 시계 방향(CW)으로 회전하던 중, 고정자(11)의 돌극들 중 인접하지 않은 돌극들이 동시에 여자되면, 회전자(12)의 돌극에는 회전하던 방향 및 그 반대 방향으로부터 흡인력이 작용할 수 있다. 예를 들어, B극과 B'극 및 D극과 D'극이 동시에 여자되면, B극과 D극이 모두 같은 극성, 예컨대 N극이 될 수 있다. 회전자(12)의 제1 돌극(P1)은 S극이 될 수 있으며, 제1 돌극(P1)에 회전 방향에 위치한 B극으로부터 제1 흡인력(SF1)이 작용하고, 회전 방향의 반대 방향에 위치한 D으로부터 제2 흡인력(SF2)이 작용할 수 있다. 따라서, 회전자(12)의 토크가 약해지게 되며, 회전자(12)가 정지할 수 있다.
종래의 제동 방법에 따르면, SR 모터의 제동을 위해서, 회전자(12)가 회전하는 방향의 반대방향으로 토크를 발생시킬 수 있다. 예컨대, SR 모터의 회전 동작 시, 고정자(11)의 돌극들이 반시계 방향으로 여자됨에 따라서 회전자(12)가 시계 방향으로 회전할 경우, SR 모터의 제동 시, 고정자(12)의 돌극들이 시계 방향으로 여자됨에 따라서, 회전자(12)의 회전 방향의 반대 방향으로 토크가 발생될 수 있다. 즉, 회전자(12)의 회전 방향의 전측에서 흡인력이 발생하지 않고, 후측에서 흡인력이 발생되어, 역토크가 발생하게 되며 이에 따라서 회전자(12)가 정지할 수 있다. 그러나, 이러한 제동 방법에 따르면, 역토크로 인하여 회전자(12)가 역회전할 수 있으며, 역회전에 의해 회생되는 전력으로 인하여 SRM 드라이버(120)의 직류 전압(도 3의 Vdc)이 상승하는 문제가 발생할 수 있다. 직류 전압 상승을 방지하기 위해서는 SRM 드라이버(120) 내에 전기 에너지를 열 에너지로 소비하는 회생 저항 및 전력반도체를 구비하고, 전력반도체의 스위칭을 통해 회생 저항이 전기에너지를 열에너지로 소비할 수 있다. 그러나, 회생 저항 및 전력 반도체가 추가됨에 따른 비용 상승이 발생할 수 있다.
그러나, 본 개시의 실시예에 따른 제동 방법에 따르면, 회전자(12)의 회전 방향의 전측 및 후측에서 흡입력이 발생하므로, 역토크가 아닌 구속력이 발생하여, 회전자(12)가 역회전하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 회전자(12)가 빠르고 안전하게 정지할 수 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, S1H 신호 및 S2H 신호가 전 구간에서 활성 레벨을 가지며, 이에 따라서, 제1 스위칭 소자(도 1의 Q1) 및 제4 스위칭 소자(Q4)가 각각 대응하는 코일이 통전되지 않는 구간에도 '턴-온'되어, 회생 전류가 다시 통전되는 코일로 유도될 수 있다. 이렇게 회생 전류가 순환 전류로서 흐르게 됨으로써, 회생 전력이 빠르게 소비될 수 있다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터의 제동 제어 방법에 따른 여자 순서를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 SR 모터 제동 제어를 위한 스위칭 신호들의 파형을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, SR 모터(110)의 회전자(12)의 제동을 위하여, 고정자(11)의 모든 돌극들이 동시에 여자될 수 있다. 이에 따라서, 회전하던 회전자(12)가 정지할 수 있다. 즉, A극과 A'극, B극과 B'극, C극과 C' 극, 및 D극과 D'극에 권선된 코일들이 동시에 통전될 수 있다.
도 10을 참조하면, 제동 제어 시, 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)은 위치 센싱 신호들(도 5의 PSS1 및 PSS2)과 무관하게 생성될 수 있다. 즉, 제동 제어 시, PWM 신호 생성기(도 1의 141)는 회전자(12)의 회전 속도와 무관하게 스위칭 신호들(S1H, S1L1, S1L2, S2H, S2L1, S2L2)을 생성할 수 있다.
S1H 신호 및 S2H 신호는 전 구간, 예컨대 P1 내지 P4 구간에서 활성 레벨을 가질 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 전류 제어를 위하여 펄스폭 변조된 신호가 S1H 신호 및 S2H 신호로서 생성될 수 있다. 비제한적인 예로서, S1H 신호 및 S2H 신호는 20KHz의 주파수를 가지며, 펄스폭의 듀티비는 5%이하일 수 있다. 다른 스위칭 신호들(S1L1, S1L2, S2L1, S2L2)은 모두 턴-온(예컨대 로직 하이(H)) 될 수 있다. A극과 A'극, B극과 B'극, C극과 C' 극, 및 D극과 D'극, 즉 고정자(110)의 모든 돌극들이 동시에 여자됨에 따라, 회전자(120)에 구속력이 발생하므로, 회전자(120)가 정지할 수 있다.
도 11은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터 시스템의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 실시예는 도 1의 SR 모터 시스템(10)에 적용될 수 있다.
도 11을 참조하면, SR 모터 시스템(10)은 SR 모터의(110)의 구동 준비를 수행할 수 있다(S110). 예컨대, SR 모터 시스템(10)은 사용자 입력과 같은 외부 제어 신호 및/또는 미리 설정된 구동 알고리즘에 기초하여 생성되는 내부 제어 신호에 기초하여, 회전 방향, 속도, 및 토크 등을 설정할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 상기 설정에 따라서, SR 모터(110)를 구동할 수 있다(S120). 전술한 바와 같이, 구동 컨트롤러(140), SRM 드라이버(120) 및 위치 센서부(130)의 동작에 기초하여, SR 모터(110)의 회전자(110)가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 SR 모터(110) 구동 중, 이상 상황 발생 여부를 판단할 수 있다(S130). 실시예에 있어서, SR 모터 시스템(10)이 탑재되는 제품, 예컨대, 믹서, 쿠커 등이 SR 모터(110)의 동작 중, 제품의 덮개가 열리는 등의 이상 상황 발생 시, 제품의 메인 컨트롤러가 이를 감지하고, SR 모터 시스템(10)에 이상 상황 발생 신호를 제공할 수 있다. 실시예에 있어서, 구동 컨트롤러(140)는 외부로부터 제공되는 전압 또는 내부에서 생성되는 전압의 전압 레벨이 최대 임계 레벨을 초과하거나 또는 최소 임계 레벨 미만일 경우, 또는 전류량이 최대 임계량을 초과하거나 또는 최소 임계량 미만일 경우, 이상 상황이 발생하였다고 판단할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 이상 상황이 발생하지 않으면, 계속하여 SR 모터(110)를 구동하고, 이상 상황 발생 감지 시, 긴급 제동을 수행할 수 있다(S140). SR 모터 시스템(10), 즉 구동 컨트롤럴(140) 및 SRM 드라이버(120)는 도 6내지 도 10을 참조하여 설명한 본 개시의 실시예들에 따른 제동 방법에 따라서, 긴급 제동을 수행할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 이상 상황이 해소되었는지 여부를 판단할 수 있다(S150). 예컨대, SR 모터 시스템(10)이 탑재되는 제품의 메인 컨트롤러가 제품의 덮개가 닫혔음을 확인하고, 이상 상황 해소 신호를 SR 모터 시스템(10)에 제공할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 이상 상황이 해소되었다고 판단되면, S110 단계로 돌아가서, SR 모터의(110)의 구동 준비를 수행하고, 이후의 단계들을 수행함으로써, SR모터(110)를 재구동할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 이상 상황이 해소되지 않았다고 판단되면, SR 모터(110)의 구동을 종료할 수 있다. 실시예에 있어서, SR 모터 시스템(10)은 소정의 시간 내에 이상 상황이 해소되지 않거나 또는 이상 상황 해소 여부를 소정의 시간 간격으로 미리 설정된 복수 회 체크하고, 이상 상황이 해소되지 않으면 SR 모터(110)의 구동을 종료할 수 있다(S160).
도 12는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터의 구동 시스템의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다. 본 실시예는 도 1의 SR 모터 시스템(10)에 적용될 수 있다.
도 12를 참조하면, SR 모터 시스템(10)은 SR 모터의(110)의 구동 준비를 수행할 수 있다(S210). 구동 시스템(10)은 사용자 입력과 같은 외부 제어 신호 및/또는 미리 설정된 구동 알고리즘에 기초하여 생성되는 내부 제어 신호에 기초하여, 회전 방향, 속도, 및 토크 등을 설정할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 상기 설정에 따라서, SR 모터(110)를 구동할 수 있다(S220).
SR모터 구동 시, SR 모터 시스템(10)은 역방향 회전 여부를 감지할 수 있다(S230). 예컨대, 구동 컨트롤러(140)가 위치 센서부(130)로부터 제공되는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 기초로 역방향 회전 여부를 감지함으로써, 이상 상황 발생 여부를 판단할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 역방향 회전이 발생하지 않으면, 계속하여 SR 모터(110)를 구동하고, 역방향 회전 발생 감지 시, 긴급 제동을 수행할 수 있다(S240). SR 모터 시스템(10)은 도 6내지 도 10을 참조하여 설명한 본 개시의 실시예들에 따른 제동 방법에 따라서, 긴급 제동을 수행할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 SR 모터(110), 즉, SR 모터(110)의 회전자(120)가 정지하였는지 여부를 판단할 수 있다(S250). 예컨대, 구동 컨트롤러(140)가 위치 센서부(130)로부터 제공되는 위치 센싱 신호들(PSS1, PSS2)을 기초로 회전자(120)의 정지 여부를 판단할 수 있다.
회전자(120)가 정지하지 않았다면, SR 모터 시스템(10)은 계속하여 긴급 제동을 수행하고, 회전자(120)가 정지하였다고 판단하면, S210 단계로 돌아가서, SR 모터의(110)의 구동 준비를 수행하고 이후의 단계들을 수행함으로써, SR모터(110)를 재구동할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 SR 모터 시스템(10)은 조리 재료에 교반 기능을 수행하는 믹서, 쿠커 등의 제품에 탑재될 수 있으며, 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한 바와 같이, SR모터가 동작 중 제품의 덮개가 제거되거나, 회전자(12)가 역회전 하는 경우와 같이, 이상 상황 발생 시, 긴급 제동을 수행할 수 있다.
SR 모터 시스템(10)은 도 6내지 도 10을 참조하여 설명한 본 개시의 실시예들에 따른 제동 방법에 따라 긴급 제동을 수행할 수 있다. 이에 따라서, SR 모터(110)가 빠르고 확실하게 정지함으로써, 안전사고의 발생이 방지될 수 있으며, 할 수 있으며, SR 모터 시스템(도 1의 10)이 저비용으로 구현될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (7)

  1. 스위치드 릴럭턴스 모터를 포함하는 모터 시스템의 동작 방법에 있어서,
    설정된 주파수 및 회전 방향에 기초하여 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 단계; 및
    이상 상황 발생 시, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터의 고정자의 복수의 돌극들에 권선되고 서로 다른 전류 패스를 형성하는 복수의 코일들 중 적어도 두 개의 코일들을 동시에 여자시킴으로써, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터를 제동하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 코일들 중 서로 인접하지 않은 돌극들에 권선된 적어도 두 개의 코일들을 여자시키는 단계; 및
    상기 복수의 코일들 중 서로 인접하지 않은 다른 돌극들에 권선된 적어도 두 개의 다른 코일들을 여자시키는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터는 8개의 돌극들 및 상기 8개의 돌극들 중 서로 대향하는 두 개의 돌극에 각각 권선된 제1 상 코일, 제2 상 코일, 제3 상 코일 및 제4 상 코일을 포함하며,
    상기 모터 시스템은, 서로 인접하지 않은 돌극들에 권선된 제1 상 코일 및 제3 상 코일을 동시에 여자시키고, 서로 인접하지 않은 다른 돌극들에 권선된 제2 상 코일 및 제4 상 코일을 동시에 여자시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 모터 시스템은,
    미리 설정된 주파수를 갖는 기준 신호를 기초로 상기 제1 내지 제4상 코일들을 여자시키기 위한 스위칭 신호들을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 코일들을 여자시키는 단계는,
    상기 복수의 코일들을 동시에 여자시키는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 모터 시스템은,
    상기 릴럭턴스 모터의 회전자의 회전 방향을 검출하고, 상기 회전 방향이 미리 설정된 회전 방향과 상이할 때 상기 이상 상황이 발생하였다고 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 모터 시스템은,
    상기 모터 시스템이 탑재된 제품의 메인 컨트롤러로부터 제공되는 이상 상황 발생 신호를 기초로 상기 이상 상황이 발생하였다고 판단하는 것을 특징으로 하는 방법.
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