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KR20240087822A - 파형 정수 배수들에 기초한 전기 기계 토크 조정 - Google Patents

파형 정수 배수들에 기초한 전기 기계 토크 조정 Download PDF

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Publication number
KR20240087822A
KR20240087822A KR1020247011724A KR20247011724A KR20240087822A KR 20240087822 A KR20240087822 A KR 20240087822A KR 1020247011724 A KR1020247011724 A KR 1020247011724A KR 20247011724 A KR20247011724 A KR 20247011724A KR 20240087822 A KR20240087822 A KR 20240087822A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electric machine
controller
torque
pulse
waveform
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
KR1020247011724A
Other languages
English (en)
Inventor
매튜 욘킨스
마크 윌커츠
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 KR20240087822A publication Critical patent/KR20240087822A/ko
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • 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
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
    • H02P27/04—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage
    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters with pulse width modulation
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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Abstract

파형 정수 배수에 기초한 전기 기계 토크 조정을 위한 방법, 시스템 및 디바이스가 본원에 개시된다. 전기 기계의 펄스 작동을 지시하도록 배열된 하나의 전기 기계 제어기는, 펄스 파형의 파형 사이클의 정수 배수에 대응하는 기간에 기초하여 평균 토크를 계산하는 펄스 제어기를 활용하는 것을 포함한다.

Description

파형 정수 배수들에 기초한 전기 기계 토크 조정
본 개시는 전기 기계 관리 방법, 디바이스 및 시스템에 관한 것이며, 특히 파형 정수 배수들에 기초한 전기 기계 토크 조정에 관한 것이다.
본 명세서에 사용된 "전기 기계"라는 문구는 전기 모터 및 발전기 중 하나 또는 둘 모두로서 작동하는 기계를 포함하도록 광범위하게 해석되도록 의도된다. 전기 기계가 모터로 작동할 때, 그 전기 기계는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환한다. 발전기로 작동할 때에, 전기 기계는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
전기 모터와 발전기는 다양한 응용 분야와 다양한 작동 조건에서 사용된다. 일반적으로, 많은 현대의 전기 기계는 상대적으로 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있다. 그러나, 대부분의 전기 기계의 에너지 변환 효율은 그 기계의 작동 부하에 기초하여 상당히 달라질 수 있다. 많은 응용 분야에서는 전기 기계가 다양한 작동 부하 조건에서 작동해야 하며, 이는 연속 방식으로 작동할 때 전기 기계가 가능한 만큼 효율적으로 작동하지 않는 경우가 많다는 것을 의미한다.
예를 들어, 주어진 모터 속도에 대해, 모터의 부하가 가장 효율적인 부하보다 높거나 낮을 때 모터의 효율성은 다소 떨어지는 경향이 있다. 일부 성능 영역에서, 모터의 효율이 상대적으로 빠르게 떨어지는 경향이 있다.
모터가 거의 항상 가장 효율적인 지점이나 그 근처에서 작동하도록 작동 조건이 제어될 수 있다면 모터의 에너지 변환 효율은 매우 좋을 것이다. 전기 기계가 가장 효율적인 지점에서 더 자주 작동하는 상태를 달성하기 위해 작동 동안에 펄스를 발생시키는 것이 제안되었다.
펄스 작동에서 기계를 제어할 때에, 토크 출력의 측정 또는 추정은 일정 기간에 걸쳐 결정되어야 한다. 이러한 토크 출력을 결정하는 일반적인 방법은, 예를 들어, 최근 추정치 또는 토크 측정치의 디지털 필터를 평균화하거나 사용함으로써, 측정되거나 추정된 토크를 시간의 함수로 처리하는 것이다. 펄스 작동을 사용하는 전기 기계에 이러한 방법을 사용하려고 시도할 때에, 이러한 방법이 일관되지 않은 결과를 렌더링할 수 있으므로 토크 값이 부정확해질 수 있다.
본 발명은 파형 정수 배수들에 기초한 전기 기계 토크 조정에 관한 것을 제공하려고 한다.
본 발명은 전기 기계의 펄스 작동을 지시하도록 배열된 전기 기계 제어기를 제공하며, 상기 전기 기계 제어기는 펄스 파형의 파형 사이클 또는 서브사이클의 정수 배수에 대응하는 기간에 기초하여 평균 토크를 계산하는 펄스 제어기를 사용한다.
본 발명은 원하는 출력을 전달하기 위해 전기 기계의 펄스 작동을 야기하는 전기 기계 제어기를 제공하며, 상기 전기 기계의 펄스 작동은 상기 전기 기계의 출력이 제1 출력 레벨 및 상기 제1 출력 레벨보다 낮은 제2 출력 레벨 사이에서 교번하도록 하며, 여기에서:
상기 전기 기계 제어기는 특정 기간에 걸쳐 펄스 파형에 따라 상기 전기 기계의 펄스 타이밍을 지시하는 펄스 제어기를 포함하며, 상기 펄스 파형은 다수의 파형 사이클들로 구성되며; 그리고
상기 펄스 제어기는 상기 펄스 파형의 파형 사이클들의 정수 배수에 대응하는 기간을 기반으로 평균 토크를 계산한다.
본 발명은 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:
전기 기계;
전력 변환기; 그리고
원하는 출력을 전달하기 위해 상기 전기 기계의 펄스 작동을 야기하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 상기 전기 기계의 펄스 작동은 상기 전기 기계의 출력이 제1 출력 레벨과 그 제1 출력 레벨보다 낮은 제2 출력 레벨 사이에서 교변하도록 하며, 상기 전기 기계 제어기는 특정 기간에 걸쳐 펄스 파형에 따라 상기 전기 기계의 펄스의 타이밍을 지시하는 펄스 제어기를 포함하며 그리고 상기 펄스 파형은 다수의 파형 사이클들로 구성되고, 상기 펄스 제어기는 상기 펄스 파형의 파형 사이클들의 정수 배수에 대응하는 기간을 기반으로 평균 토크를 계산한다.
본 발명은 안전 프로세스가 시작되어야 하는지 여부를 결정하는 제어기에게 전기 기계의 토크 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 제공하며, 상기 결정은 상기 토크 피드백 신호들 및 명령된 토크 신호들의 차이를 임계값과 비교한 것에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호를 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값들과의 실제 차이가, 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 상기 제어기에게 송신하기 이전에 고장-검출 임계 이하의 정상 작동 하에서 표현되도록 한다.
본 발명은 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:
전기 기계;
전력 변환기; 및
안전 프로세스가 개시될 필요가 있는지를 판별하는 제어기에게 전기 기계의 토크 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 여기에서 상기 결정은 상기 토크 피드백 신호들의 임계값에 대한 그리고 명령된 토크 신호들의 임계값과의 비교에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호들을 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값과의 실제 차이가 정상 작동 하에서 표현되도록 하며, 그리고 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 상기 제어기에게 송신하기 이전에 상기 토크 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 조정한다.
본 발명은 안전 프로세스가 개시될 필요가 있는지를 판별하는 제어기에게 전기 기계의 전력 소스로부터의 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 제공하며, 여기에서 상기 결정은 상기 피드백 신호들의 임계값에 대한 그리고 명령된 토크 신호들의 임계값과의 비교에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호들을 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값과의 실제 차이가 정상 작동 하에서 표현되도록 하며, 그리고 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 제어기에게 송신하기 이전에 상기 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 조정한다.
본 발명은 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:
전기 기계;
전력 변환기; 및
안전 프로세스가 개시될 필요가 있는지를 판별하는 제어기에게 전기 기계의 전력 소스로부터의 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 여기에서 상기 결정은 상기 피드백 신호들의 임계값에 대한 그리고 명령된 토크 신호들의 임계값과의 비교에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호들을 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값과의 실제 차이가 정상 작동 하에서 표현되도록 하며, 그리고 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 제어기에게 송신하기 이전에 상기 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 조정한다.
본 발명은 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:
전기 기계;
전력 변환기; 및
전기 기계의 전력 소스로부터의 피드백 신호들을 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지를 결정하는 제어기에게 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 상기 결정은 측정된 전류 및 추정된 토크에 기반한 전류 추정을 비교한 것에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지의 여부를 결정하는 상기 제어기에게 송신하기 이전에 상기 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 상기 피드백 신호들을 조정한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 전기 기계 제어 아키텍처를 도식적으로 예시하는 기능 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있는 전기 기계에 대한 펄스 구동 신호를 도시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 방식을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있는 펄스 전력에 대한 원하는 전력 추정 방법을 도식적으로 나타내는 그래프이다.
본 개시는 펄스 파형의 정수 배수들에서 펄스 출력들을 평균화함으로써 펄스 전기 기계 관리를 활용하는 더 나은 방법을 제공한다. 이는 새로운 전기 기계 펄스 제어 방법을 구현함으로써 달성될 수 있다.
연속 가변 토크 제어가 필요한 모터의 작동을 위해 전기 기계 제어에 대한 역사적 관행들이 개발되었다. 예를 들어, 전기 기계가 연속 전력 적용 방식으로 작동할 때에, 100Nm(Newton meter)의 토크를 전달하려면, 전기 기계를 제어하는 제어 시스템은 100Nm의 전동 토크를 전달한다. 그러나, 일부 구현에서는, 더 짧은 기간 동안 더 많은 양의 토크를 전달(간헐적으로 펄싱 토크 전달)하는 이점이 있음을 알 수 있다. 이 펄스 작동은 더 효율적일 수 있으므로 더 바람직하다.
이러한 상황에서, 원하는 토크 출력이 일정 기간에 걸쳐서 100Nm의 토크이라면, 그리고 가장 효율적인 토크 생성이 200Nm이라면, 제어 시스템은 그 기간의 50% 동안 200Nm의 토크를 전달할 것이며, 이는 그 기간 동안 동일한 총 100Nm를 제공하지만, 전체 기간 동안 100Nm이 제공되었던 경우보다 더 효율적이다. 200Nm 토크 전달은 시간이 지남에 따라 간격을 두고 펄스들로 전달될 수 있다. 예를 들어, 기간은 20개의 세그먼트를 가질 수 있으며, 여기에서그 세그먼트들 중 10개의 세그먼트는 200 Nm에 있고 그 세그먼트들 중 10개의 세그먼트는 0 Nm에 있다 (예를 들면, 교대로 200 Nm, 0 Nm, 200 Nm, 0 Nm, …). 다른 구현 일정도 가능하며, 더 바람직한 작동을 제공할 수 있어서, 예를 들어 보다 효과적인 진동 제어를 제공한다.
일반적으로 이 펄스 기술은 연속 방식으로 작동될 수 있을 전기 기계(예: 전기 모터 및 발전기)의 펄스 제어와 관련된다. 이러한 펄스 기술은 작동 조건이 보장될 때 전기 기계의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 선택된 작동 조건 하에서, 전기 기계는 기존의 연속 모터 제어에 의해 달성될 것보다 더 에너지 효율적으로 원하는 평균 토크를 전달하기 위해 보다 효율적인 에너지 변환 작동 수준에서 간헐적으로 구동(펄스)된다.
상기 펄스들은 펄스 폭 변조(전기 기계가 켜져 있는 지속시간 변경) 또는 펄스 밀도 변조(특정 기간에서의 펄스 수)를 기반으로 조정될 수 있다. 상기 펄스들은 토크 출력에 대한 요구와 성능 및 효율성 고려 사항에 따라 이러한 방식으로 조정될 수 있다. 이러한 펄스 기술의 일부 목표는 정확하고 반응성이 뛰어난 토크 전달을 생성하는 것이지만 토크 제어도 달성 가능해야 한다. 예를 들어, 토크 전달로 인해 전기 기계가 작동하도록 설계되지 않은 성능 영역에서 작동하게 만드는 방식으로 토크가 전달되게 하는 것은 여러 문제들 중에서도 안전이나 장비 손상 문제의 결과를 가져올 수 있을 것이므로 토크가 제어되지 않는 경우가 될 수 있다.
많은 유형의 전기 기계는, 그 기계가 원하는 토크 출력을 전달하기 위해 모터로서 사용될 때 잠재적으로 변할지라도 연속적인 구동 전류에 의해 전통적으로 구동된다. 구동 전류는, 모터에 입력되는 전압 역할을 하는 전력 컨버터(예: 인버터)의 출력 전압을 제어함으로써 종종 관리된다. 반대로, 많은 유형의 발전기의 전력 출력은 자기장의 강도를 제어함으로써 관리되며, 이는 예를 들어 여자기(exciter)에 의해 회전자 코일에 공급되는 여자 전류를 제어함으로써 달성될 수 있다.
펄스 제어(pulsed control)를 사용하면, 기계의 출력이 다음과 같은 방식으로 "토크 온(on)" 상태와 "낮은 토크" 상태 사이에서 지능적으로 간헐적으로 변조된다: (1) 운영 요구 사항을 충족시키며, 동시에 (2) 전반적인 효율성을 향상시킴. 다르게 말하면, 선택된 작동 조건 하에서 전기 기계는 원하는 출력을 전달하기 위해 보다 효율적인 에너지 변환 작동 레벨 (상기 "토크 온" 상태)에서 간헐적으로 구동된다.
펄스들 사이의 기간에서, 상기 기계는 이상적으로 토크를 생성하거나 소비하지 않는다 ("낮은 (예: 0) 토크" 상태). 이는 개념적으로 전기 기계를 "오프(off)"하는 것으로 생각할 수 있다. 일부 구현에서, 이는 예를 들어 모터로의 구동 전류 또는 발전기에 대한 여자 전류(excitation current)를 차단함으로써 전기 기계를 효과적으로 "오프"시킴으로써 달성될 수 있다. 그러나, 다른 구현에서, 전기 기계는 전기 기계에 의해 생성된 토크가 0이 되거나 특정 기계에 대해 실용적이거나 적절할 수 있는 한 0에 가깝게 되도록 시도하는 방식으로 "낮은 토크" 상태 동안 제어될 수 있다. 특히, 고정자에서의 전자기장을 통해 회전자에 자기장이 유도되는 모터('AC 유도 모터')의 경우, 자기장 생성의 시상수는 전기 모터에서 일정 레벨의 연속적인 '필드' 전류를 유지하는데 필수적일 수 있다. 일부 구현에서, 전기 기계와 함께 사용되는 전력 변환기는 마찬가지로 "낮은 토크" 기간에 적어도 일부 동안 효과적으로 꺼질 수 있다.
전기 기계의 제어(예: 피드백, 피드포워드 등)는 연속적이거나 효과적인 연속 제어 전략을 기반으로 한다. 즉, 전기 기계를 사용하는 모든 순간에 전기 기계의 제어 시스템은 그 전기 기계의 작동 여부를 결정하는 제어 전략을 활용하고 있다. 현재 펄스 제어 프로세스에서는 순간 토크 샘플링이나 연속 평균화를 활용하는 경우 토크 요구 사항 충족 등에 대한 추정이 부정확해질 수 있다. 또한, 토크 보안이 제대로 구현되었는지 여부를 나타내는 지표로 토크 샘플들만이 사용되면 토크 보안 프로세스가 부정확할 수 있다.
예를 들어, 펄스 이벤트가 언제 발생해야 하는지 판단하기 위해 실제 시간이든 미래의 예측 시간이든 시간에 따른 '연속 평균'이 취해진다. 그러나 펄스 이벤트의 경우, 전기 기계의 출력은 켜져 있거나(예를 들어 도 4에서 1로 표시됨) 꺼져 있다(도 4에서 0으로 표시됨). 현재, 연속 평균화는 파형 사이클보다 작은 증분으로 평균을 구한다 (파형 사이클은 파형이 특정 값(예: 0.5)에서 시작하여 동일한 값으로 돌아오는 사이클이다). 경우에 따라, 상기 증분은 밀리초 또는 마이크로초 증분과 같은 파형 사이클보다 상당히 작을 수 있다. 평균화 관점에서 연속 평균화를 사용하면 전기 기계의 펄스 온/오프 여부에 따라 값이 오르고 내린다.
발생할 수 있는 잠재적인 부정확성의 예로서, 1.5개의 파형 사이클이 샘플링되면, 각 파형 사이클 동안 전기 기계가 0에서 1로 펄스를 보낸 다음 다시 0으로 돌아가는 경우, 토크 값은 0에서 1로 그리고 0으로 간 다음 다시 1로 가며 그리고 추정 토크 출력은 실제 출력 0.5가 아닌 약 0.66이 될 것이다. 이 잘못된 값은 후속 펄스에 제공할 토크의 양 및/또는 시간이 지남에 따라 필요한 펄스 수를 계산하기 위해 사용될 수 있으며, 잘못된 계산의 결과가 되며, 이는 성능 및/또는 효율성에 영향을 미칠 수 있을 것이다.
또 다른 예에서, 제어기가 매 밀리초 또는 마이크로초마다 평균을 계산하지만 펄스가 50 Hz인 펄스 밀도 전략과 결합되면 밀리초 예의 경우, 원하는 토크 출력이자 실제 출력인 평균 100 Nm을 원할 때에 평균 토크가 0 Nm인 기간과 평균 토크가 200 Nm인 다른 시점들의 평균 기간이 있을 것이다. 최대 오류는 평균화된 파형 수를 기반으로 하며, 그래서 정수 기반 접근 방식과 상관 관계가 없는 몇 개의 파형만을 기반으로 하는 평균화는 높은 오류 수준을 가질 수 있다.
이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 더 긴 시간(예: 10초)에 걸쳐 평균을 계산하는 것이다. 이러한 방법은 100 Nm에 가까운 평균을 제공하지만 추정기는 토크 입력 시스템로의 변화들 대한 응답성을 잃게 될 것이다(예: 의미 있는 변화들을 반영하기 위해 ~10초가 걸릴 것이다).
대조적으로, 본 개시의 실시예는 펄스 주기(즉, 파형 사이클)의 배수에 대응하는 평균 주기를 활용하는 방법을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 제어 전략은 파형 사이클 또는 해당 사이클의 세그먼트의 정수 배수 간격에 기초한 평균화를 활용한다. 이러한 방식에서, 평균화는 해당 기간에 걸친 실제 출력에 더 정확하게 대응한다. 예를 들어, 파형 사이클 또는 그 파형 사이클의 배수에 대응하는 간격에서, 주기적인 평균화/피드백 조건은 정확하다 (즉, 전기 기계가 사이클의 절반에 대해 0에서 작동하고 사이클의 절반에 대해 1에서 작동하는 경우 한 사이클에 대해 0.5).
여기에 설명된 실시예는 토크나 속도가 상대적으로 자주 변하는 것과 같은 동적 환경에서 특히 유용할 수 있다. 그 실시예는 시스템의 정확도를 매우 높게 허용하면서 시스템이 다양한 토크 요구 사항에 반응할 수 있도록 한다.
작동 조건이 보장될 때 전기 기계의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해 전기 기계(예를 들어, 전기 모터 및 발전기)의 펄스 제어를 용이하게 하는 다양한 방법, 제어기 및 전기 기계 시스템이 설명된다. 더 구체적으로, 선택된 작동 조건 하에서, 전기 기계 제어기는 전기 기계의 펄스 작동을 지시하도록 배열되며, 여기에서 상기 전기 기계 제어기는, 파형 사이클 또는 펄스 파형의 해당 사이클의 세그먼트의 정수 배수에 대응하는 기간에 기초하여 평균 토크를 계산하는 펄스 제어기를 활용한다.
또한, 일부 실시예에서, 전기 기계 제어기는 전기 기계의 펄스 작동이 원하는 출력을 전달하도록 할 수 있으며, 여기에서 상기 전기 기계의 펄스 작동은 그 전기 기계의 출력이 제1 출력 레벨 및 상기 제1 출력 레벨보다 낮은 제2 출력 사이에서 교번하도록 하며, 상기 전기 기계 제어기는 특정 기간에 걸쳐 펄스 파형에 따라 전기 기계의 펄스 타이밍을 지시하는 펄스 제어기를 포함하고, 상기 펄스 파형은 다수의 파형 사이클들로 구성되며 그리고 펄스 제어기는 펄스 파형의 해당 사이클의 세그먼트 또는 파형 사이클의 정수 배수에 대응하는 기간을 기반으로 평균 토크를 계산한다.
일부 실시예에서, 전기 기계는 원하는 출력이 주어진 모터 속도에 대해 지정된 출력 레벨보다 작을 때에 펄스 방식으로 구동되며 그리고 원하는 모터 출력이 지정된 출력 레벨 이상일 때 연속 방식으로 구동된다.
일부 실시예에서, 전력 변환기는 전기 기계의 출력을 제어하는 데 사용된다. 응용에 따라, 상기 전력 변환기는 인버터, 정류기 또는 기타 적절한 전력 변환기의 형태를 취할 수 있다.
펄스의 빈도는 특정 애플리케이션의 요구 사항에 따라 크게 달라질 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에서 전기 기계는 초당 적어도 10회, 100회 또는 1000회에서 제1 출력 레벨과 제2 출력 레벨 사이에서 교번한다.
일부 실시예에서, 시스템은 전기 기계, 전력 변환기, 및 전기 기계의 펄스 작동을 유발하여 원하는 출력을 전달하는 전기 기계 제어기를 포함할 수 있으며, 여기에서 전기 기계의 펄스 작동은 전기 기계의 출력이 제1 출력 레벨과 제1 출력 레벨보다 낮은 제2 출력 레벨 사이에서 교번하도록 하며, 전기 기계 제어기는, 특정 기간에 걸쳐 펄스 파형에 따라 전기 기계의 펄스 타이밍을 지시하는 펄스 제어기를 포함하며, 펄스 파형은 다수의 파형 사이클들로 구성되고, 펄스 제어기는 펄스 파형의 해당 사이클의 세그먼트들 또는 파형 사이클들의 정수 배수에 대응하는 기간에 기초하여 평균 토크를 계산한다.
다른 실시예에서, 펄스 폭 변조 제어기는 전기 기계의 펄스를 제어하기 위해 사용된다. 그리고, 일부 다른 실시예에서, 델타-시그마 변조 제어기가 사용된다.
일부 실시예에서, 상기 제1 출력 레벨은 전기 기계의 현재 작동 속도에서의 변이들에 따라 변한다. 다양한 실시예에서, 제1 출력 레벨은 전기 기계의 현재 작동 속도에서 가장 높은 시스템 또는 전기 기계 에너지 변환 효율이거나 그에 가까운 전기 기계 출력 레벨에 대응할 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스의 듀티 사이클은 원하는 출력의 변화에 따라 변한다. 일부 실시예에서, 펄스의 듀티 사이클은 작동 속도, 토크, 그리고 회전 속도와 극들 수의 곱 중 적어도 하나의 변화에 따라 변한다 (예를 들어, 4극 전기 기계는 회전당 4회 조정할 수 있다).
위에 설명된 모든 기능을 구현하기 위한 기계 제어기 및 전기 기계 시스템이 설명된다. 다양한 실시예에서, 상기 시스템은 모터, 발전기, 또는 모터/발전기로서 작동하도록 구성될 수 있다.
다양한 실시예에서, 전기 기계는 다음과 같을 수 있다: 유도성 (induction) 기계; 스위치드 릴럭턴스(switched reluctance) 전기 기계; 동기식 AC 전기 기계; 동기식 릴럭턴스 기계; 스위치드 릴럭턴스 기계; 영구 자석 동기식 릴럭턴스 기계; 하이브리드 영구자석 동기식 릴럭턴스 기계; 외부 여기(excited) AC 동기식 기계; 영구자석 동기식 기계; 브러시리스 DC 전기 기계; 전기적 여기(electrically excited) DC 전기 기계; 영구자석 DC 전기 기계; 직렬 권선형 DC 전기 기계; 션트 DC 전기 기계; 브러시드(brushed) DC 전기 기계; 복합 DC 전기 기계; 와전류(eddy current) 기계; AC 선형 기계; AC 또는 DC 기계 정류 기계; 또는 축방향 플럭스 기계.
다음의 상세한 설명에서, 본 문서의 일부를 구성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면은 본 개시의 하나 이상의 실시예가 어떻게 실시될 수 있는지를 예시로서 보여준다.
이들 실시예는 당업자가 본 개시의 하나 이상의 실시예를 실시할 수 있도록 충분히 자세하게 설명된다. 다른 실시예가 활용될 수 있고 프로세스, 컴퓨터화 및/또는 구조적 변경이 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
인식되는 바와 같이, 본 명세서의 다양한 실시예에 도시된 요소들은 본 개시의 다수의 추가적인 실시예를 제공하기 위해 추가, 교환, 결합 및/또는 제거될 수 있다. 도면에 제공된 요소들의 비율 및 상대적 규모는 본 발명의 실시예를 예시하기 위한 것이며 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 된다.
본 명세서의 도면은 첫 번째 숫자 또는 숫자들이 도면 그림 번호에 대응하고 나머지 숫자들은 도면 내 요소 또는 컴포넌트를 식별하는 번호 매기기 규칙을 따른다.
본 명세서에서 사용된 "하나" 또는 "여러"는 하나 이상의 그러한 것들을 지칭하는 것일 수 있다. 예를 들어, "여러 밸브"는 하나 이상의 밸브를 나타낼 수 있다. 본 명세서에서 사용된 "복수"는 둘 이상의 것들을 의미한다.
도 1은 본 개시의 실시예에 따른 전기 기계 제어 아키텍처를 도식적으로 예시하는 기능 블록도이다. 다양한 전기 기계가 있으며, 각 기계는 자신의 고유한 효율성 특성들을 가진다. 따라서 펄스 제어가 효율 이득을 제공할 수 있는 작동 영역은 특정 전기 기계의 특성 및 현재 작동 회전자 속도를 포함하는 요인들에 따라 크게 달라질 것이다.
전기 기계의 많은 응용 분야에서, 전력 변환기(예: 인버터)는 소스로 들어오거나 소스에서 나오는 전력을 전기 기계에 필요한 전압, 전류 및 파형으로 변환하기 위해 일반적으로 사용될 것이다. 예를 들어, 인버터는 배터리나 커패시터와 같은 DC 파워 서플라이로부터 받은 전력을 모터에 적용되는 적절한 AC 입력 전력으로 변환하기 위해 사용된다.
전력 변환기의 에너지 변환 효율은 일반적으로 변환기의 작동 범위에 따라 달라질 것이다. 따라서, 인버터/전기 모터 조합의 일부인 모터의 제어를 최적화할 때, 모터 단독의 에너지 변환 효율이 아닌 전체 인버터/전기 모터 시스템의 에너지 변환 효율을 고려하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 전기 기계의 펄스 제어는 펄스 동안에 에너지 변환에 영향을 미치는 컴포넌트들 중 일부/모두의 효율성을 설명하기 위해 모델링될 것이다. 예를 들어, 전기 모터의 전력이 배터리에서 공급되는 때에, 최고의 에너지 변환 효율을 제공하는 모터 구동 신호를 결정할 때에 인버터 및 모터 효율에 추가로 배터리의 전력 전달 효율, 컴포넌트들 간 케이블 손실 및 기타 손실 요인들이 고려될 수 있다.
일반적으로, 전력 변환기/전기 기계 시스템의 전체 에너지 변환 효율은 변환기 변환 효율과 전기 기계 변환 효율을 곱하고 다른 컴포넌트들의 전달 효율을 곱한 함수이다. 그래서, 최대 시스템 에너지 변환 효율을 갖는 펄스 구동 신호의 매개변수는 모터 자체에 대해 최상의 에너지 변환 효율을 제공할 수 있을 매개변수와 상이할 수 있다는 점이 이해되어야 한다.
도 1은 설명된 방식으로 전기 기계를 제어하기 위해 적합한 제어 아키텍처를 예시한다. 본 실시예에서, 시스템(100)은 기계 제어기(110), 펄스 제어기(펄스 발생기)(120), 파워 서플라이/싱크(130), 전력 제어기/컨버터(140) 및 전기 기계(160)를 포함한다.
펄스 제어기(120)는 펄스 작동이 필요할 때 전기 기계(160)의 펄스 타이밍을 제어/지시하는 역할을 담당한다. 도 1에 도시된 실시예에서, 펄스 제어기는 그 기능에 대한 설명을 용이하게 하기 위해 기계 제어기(110)와 별도의 컴포넌트로 도시되었다. 그러나, 다양한 실시예에서, 펄스 제어기는 기계 제어기(110)의 일부로서, 별도의 구성요소로서, 전력 제어기/변환기(140)의 일부로서, 또는 다른 적절한 형태로 구현될 수 있다.
작동되는 전기 기계(160)가 모터인 때에, 기계 제어기는 모터 제어기로서 기능하며, 전력 제어기/컨버터(140)는 파워 서플라이(130)로부터 공급받은 전력(132)을 모터(160)를 구동하기에 적합한 형태로 변환하는 것을 담당한다. 파워 서플라이/싱크가 전기 기계에 의해 요구되거나 출력되는 형태로 직접 전력을 공급하거나 수신할 수 있는 실시예에서, 전력 제어기(140)는 원하는 펄스 제공을 용이하게 하기 위해 단순히 모터를 켜고 끄는 스위치 또는 논리 곱셈기의 형태를 개념적으로 취할 수 있다.
파워 서플라이/싱크(130)는 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 일부 구현에서, 파워 서플라이/싱크는 배터리 또는 커패시터의 형태를 취할 수 있다. 다른 구현에서, 상기 소스는 전력 그리드(예를 들어, "벽(wall) 전력"), 광전지 시스템, 또는 임의의 다른 이용 가능한 소스일 수 있다. 유사하게, 상기 싱크는 전기 부하(예: 전기로 작동되는 기계 또는 가전제품, 건물, 공장, 집 등), 전력 그리드, 또는 전력을 사용하거나 저장하는 기타 시스템일 수 있다.
전력 제어기/변환기(140)는 또한 매우 다양한 형태를 취할 수 있다. 전원/싱크(130)가 DC 파워 서플라이이며 그리고 전기 기계(160)가 AC 모터인 때에, 전력 제어기/컨버터(140)는 인버터의 형태를 취할 수 있다. 반대로, 파워 서플라이/싱크(130)가 DC 전력 싱크이고 전기 기계(160)가 AC 발전기인 때에, 전력 제어기/컨버터(140)는 정류기의 형태를 취할 수 있다. 파워 서플라이/싱크(130)와 전기 기계가 모두 AC 컴포넌트들인 때에, 전력 제어기/변환기(140)는 양방향 또는 4사분면 전력 변환기를 포함할 수 있다.
도 1에서, 요청된 출력은 113으로 표시되고, 전기 기계에 의해 전달되거나 수신되는 토크는 161로 표시되며, 모터/발전기 속도는 164로 표시된다. 일부 실시예에서, 기계 제어기(110)는, 특정 작동 조건에 적합한 특정 듀티 사이클은 물론이며, 펄스 모터 제어가 바람직하며 그리고/또는 적절한 작동 영역을 정의하는 펄스 동작 맵 역할을 하는 데이터 구조(115)(예를 들어, 룩업 테이블)를 포함한다.
원하는 듀티 사이클이 일단 결정되면, 모터를 구동하기 위해 사용되는 펄스들의 지속 시간과 특성은 아주 다양한 방식으로 결정/생성할 수 있다. 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 상대적으로 간단한 한 가지 접근 방식은 펄스 제어기(120)로서 펄스 폭 변조(PWM) 제어기를 사용하는 것이다.
도 1에서, 논리 곱셈기(123)는 전력 변환기 제어 신호(128)를 생성하기 위해 기계 제어기(110)에 의해 출력된 전력 레벨 신호(119)에 펄스 제어 신호(125)를 곱하는 것으로 도시되어 있다. 논리 곱셈기(123)는 설명의 목적으로 도시되었으며, 실제로 곱셈기(123)의 기능은 기계 제어기(110)에 의해, 전력 변환기(140)에 의해 또는 다른 적절한 방식으로 달성될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 기계 제어기(110)는 듀티 사이클의 "오프" 단계 동안 전력 변환기(140)의 출력을 0으로 그리고 듀티 사이클의 "켜짐" 단계 동안 원하는 작동 출력 레벨(예를 들어, 현재 기계 속도를 위한 가장 효율적인 출력 레벨)로 간단히 설정할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 전기 기계 제어 시스템 또는 차량 제어 시스템은 그러한 시스템이 데이터를 모니터(예를 들어, 전력 변환기 피드백 신호, 토크 값, 전기 기계에 의해 끌어온 전류를 분석함)할 수 있도록 하는 안전 프로세스를 포함할 수 있어서, 잠재적으로 안전하지 않은 토크 적용의 결과를 가져올 수 있는 시스템의 오작동이 있는가를 판별한다. 안전 문제가 판별되면, 제어기는 전기 기계 및/또는 차량 탑승자를 보호하기 위해 토크의 상한이 추가로 제한되는 "림프 모드"에 차량을 배치하는 명령어들을 실행할 수 있다. 조건이 계속되면, 명령어들은 전력 변환기(140)를 비활성화할 수 있어서 (예를 들어, 전력 변환기가 어떤 전력도 변환할 수 없도록 전원에 대한 릴레이를 개방하여), 손상 또는 부상의 위험을 더욱 줄어들게 한다.
이러한 안전 프로세스는 차량 및/또는 전기 기계의 기능을 관리하기 위해 차량 또는 전기 기계에 제공되는 기계 제어기(110) 및/또는 다른 차량 제어기(예를 들어, 감시 전자 제어 유닛(electronic control unit, ECU) 또는 시스템 레벨 ECU)에 의해 실행되는 명령어들에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 본 개시 내용의 실시예를 활용할 때, 펄스 제어기(120)는 펄스 파형(예를 들어, 펄스 폭 변조(PWM))이 위의 안전 조치 중 임의의 것을 부정확하게 개시하지 않도록 안전 한계를 고려할 필요가 있다.
예를 들어, 기계 제어기(110)는 50 뉴턴/미터의 토크가 필요하며 명령어 요청이 전력 변환기(140)로 송신될 필요가 있다고 결정한다. 그러나 전력 변환기는 0과 100 사이에서 변화하는 PWM을 나타내는 피드백 메시지로 응답한다. 그러한 예에서, 기계 제어기 및/또는 다른 제어기는 제공된 응답이 요청된 결과가 아니라고 판단하고 그 결과에 기초하여 안전 프로세스를 시작하기 위한 조치를 취하라는 명령어들을 실행할 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서, 기계 제어기 및/또는 차량 제어기가 이러한 안전 프로세스 기능을 갖는 경우, 피드백 메시지에 운반된 정보는 안전 프로세스의 임계값을 충족하지 않는 방식으로 수정될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 안전 프로세스가 트리거되는지 여부를 결정하는 제어기로 피드백 신호가 송신되기 전에, 토크 데이터는 안전 프로세스 임계보다 더 높은 신호 데이터(예: 50Hz)를 제거하는 저역 통과 필터(예: 5Hz)를 통해 지나갈 수 있다. 다양한 다른 실시예에서, 특정 듀티 사이클을 갖는 PWM이 생성되고 명령어들은 제어기(예를 들어, 기계 제어기(110))에 의해 실행되어, PWM 파형의 기간에 걸친 평균값을 결정한다 (예를 들어, PWM = 50Hz이며 해당 기간에 걸친 값들이 평균화될 수 있으며, 그러면 그 평균값은 안전 프로세스 목적을 위한 안전 프로세스 임계와 비교될 피드백 신호로서 제공될 수 있다).
일부 다른 실시예에서, 안전 프로세스는 토크 값과 전류 값의 조합을 주어진 토크 값에 대한 예상 값과 비교하여, 전류가 예상 값 범위 내에 있는지 여부를 판별할 수 있다. 예를 들어, 다수의 토크 값에 대한 그런 예상 전류 값은 메모리에 저장될 수 있다.
예를 들어, 전력 변환기는 50 N/m의 토크 출력을 나타내는 피드백 신호를 보낼 수 있지만, 감지된 전류(예: 전력 변환기, 배터리 등과 같은 전력 소스에서 감지됨)는 500 A이다. 감지된 토크와 전류를 대응 토크의 현재 값 또는 값 범위와 비교함으로써 상기 제어기는 안전 프로세스를 시작해야할 필요가 있는지의 여부를 판별할 수 있다.
따라서, 위의 실시예와 마찬가지로, 여기에서는 일부 실시예에서, 전류 값을 안전 프로세스 트리거 임계 아래로 유지하기 위해 저역 통과 필터가 상기 전류 값에 적용될 수 있으며, 또는 다른 실시예에서는 위의 PWM 파형에 적용되는 것과 유사하게 평균화 프로세스가 전류에 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있는 전기 기계에 대한 펄스 구동 신호를 도시하는 그래프이다. 도 2는 펄스 전기 기계 작동(222)의 예를 도시한다. 이 특정 예에서, 원하는 전기 기계 토크는 10 Nm이지만 현재 작동 모터 속도에 대한 가장 효율적인 토크 출력은 50 Nm이다. 개념적으로, 전기 기계는, 그 전기 기계로 하여금 20%의 시간 동안 50 Nm의 토크를 전달하고 나머지 80%의 시간 동안 토크를 전혀(0) 전달하지 않음으로써, 10 Nm의 순 토크(221)를 전달하도록 구동될 수 있다. 모터는 10 Nm을 전달할 때보다 50 Nm을 전달할 때 더 효율적으로 작동하므로, 전기 기계의 전체 효율은 설명된 방식으로 전기 기계의 작동을 펄스 작동시킴으로써 향상될 수 있다. 도 2에 도시된 예에서, 전기 기계는 매 5시간 단위 중 1시간 단위의 기간 동안 50 Nm의 기계 출력(224로 표시)을 생성하며 그리고 그 후에, 그 사이의 4시간 단위 동안 상기 전기 기계는 제로 토크를 생성하도록 제어된다.
원하는 전기 기계 출력이 50 Nm를 초과하지 않는 한, 원하는 기계 출력은 50 Nm에서 작동하는 전기 기계의 듀티 사이클을 변경하는 것만으로도 이론적으로 충족될 수 있다. 예를 들어, 원하는 전기 기계 출력이 20 Nm으로 변경되면, 50Nm에서 작동하는 전기 기계의 듀티 사이클은 40%로 증가될 수 있다; 원하는 전기 기계 출력이 40Nm으로 변경되면, 듀티 사이클은 80%까지 증가될 수 있다; 원하는 전기 기계 출력이 5 Nm로 변경되면 듀티 사이클은 10%로 줄어들 수 있으며, 이하 마찬가지이다. 보다 일반적으로, 전기 기계를 펄스 작동시키는 것은 원하는 전기 기계 토크가 최대 효율 아래로 떨어질 때마다 잠재적으로 유리하게 사용될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 일부 실시예에서, 파형 주파수는 변경될 수 있다. 이러한 경우 파형 사이클 또한 변경될 것이다. 이것은 제어기에 대한 높은 반응성, 충실도가 높은 피드백 응답을 가능하게 할 것이다.
예를 들어, 실제로 사용되는 시간 단위의 규모는 특정 시스템의 크기, 특성 및 설계 요구 사항에 기반하여 크게 변할 수 있다. 실제로, 전기 기계가 지정된 듀티 사이클을 달성하기 위해 상대적으로 빠르게 "토크 켜기"에서 "낮은 토크" 상태로 전환될 때에, 그 전기 기계가 실제로는 이러한 상태들 사이에서 앞뒤로 전환되고 있다는 사실은 작동 관점에서 전기 기계의 성능을 실질적으로 저하시키지 않을 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 온/오프 사이클에 대한 주기들의 규모는 예를 들어 20 내지 1000Hz, 또는 20 내지 100Hz의 범위에서 대략 100μsec 내지 10초 (즉, 0.1 내지 10,000Hz 범위의 주파수에서의 펄스 동작)일 것으로 예상된다.
많은 경우에서 모터는 해당 기간 동안 실제로 꺼지지 않거나 "낮은 토크" 간격들의 일부 동안에만 꺼질 수 있지만, 파형 사이클의 낮은 토크 부분들은 전기 기계를 끄는 것으로 개념적으로 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모터 제어 방식을 도시한 흐름도이다. 도 3은 전기 기계(160)로 하여금 원하는 토크를 효율적으로 전달하도록 기계 제어기(예를 들어, 도 1의 110)에 의해 수행될 수 있는 제어 흐름을 예시한다. 논의를 단순화하기 위해, 전기 기계(160)가 모터로서 기능하는 실시예가 설명된다. 이러한 배열에서, 파워 서플라이/싱크(130)는 파워 서플라이의 역할을 하고 기계 제어기(110)는 모터 제어기의 역할을 한다.
초기에, 모터 제어기(110)는 블록(371)에 나타낸 바와 같이 현재 요청된 모터 출력(113) 및 현재 모터 속도(164)와 같은 임의의 필요한 모터 상태 정보를 수신한다. 그런 다음 모터 제어기(110)는 요청된 출력이 결정 블록(372)에 표시된 대로 펄스 제어 범위 내에 있는지 여부를 판별한다. 이 결정은 원하는 방식으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서는 펄스 제어가 적절한지 여부를 판단하기 위해 룩업 테이블(115) 또는 다른 적절한 데이터 구조가 사용될 수 있다. 일부 구현에서, 간단한 검색 테이블은, 다양한 모터 속도를 위해 펄스 제어가 적합한 최대 토크 레벨을 식별할 수 있다. 그러한 구현에서, 현재 모터 속도는, 현재 작동 조건 하에서 펄스형 제어가 적절한 최대 토크 레벨을 얻기 위한 룩업 테이블에 대한 인덱스로서 사용될 수 있다. 검색된 최대 토크 값은 요청된 토크와 비교될 수 있어서, 상기 요청된 출력이 펄스 제어 범위 내에 있는지 여부를 판단하게 한다.
다른 실시예에서, 룩업 테이블은 현재 동작 조건에 기초하여 펄스 동작을 위한 원하는 듀티 사이클과 같은 추가 정보를 제공할 수 있다. 이러한 구현 중 하나에서, 모터 속도 및 토크 요청은, 실제 토크 및/또는 모터 속도가 상기 테이블에서 제시된 인덱스 값들 사이에 있을 때에 작동 듀티 사이클들을 결정하기 위해 사용되고 있는 보간법으로 원하는 듀티 사이클을 표시하는 룩업 테이블 내 각 엔트리를 가진 룩업 테이블을 위한 인덱스들로서 사용될 수 있다.
요청된 토크/전류 작동 조건이 어떤 이유로 펄스 제어 범위를 벗어나면, 블록(372)으로부터 흐르는 "아니오" 분기에 의해 표시되는 것과 같이 통상적인 (즉, 연속/비펄스) 모터 제어가 사용된다. 따라서, 펄스는 사용되지 않으며, 전력 변환기는, 블록(374)에 의해 나타낸 바와 같은 종래의 방식으로 상기 요청된 출력을 전달하기 위해 모터를 구동하기에 적합한 레벨로 모터에 전력을 전달하도록 지시받는다.
반대로, 요청된 토크/전류 작동 조건이 펄스 제어 범위 내에 있는 경우, 블록(372)으로부터 흐르는 "예" 분기로 표시되는 것처럼 펄스 제어가 활용된다. 이러한 실시예에서, 모터 제어기는 펄스 방식으로 모터에 전력을 전달하도록 전력 변환기에 지시할 것이다.
"켜짐(on)" 펄스 동안, 전력 변환기는 일반적으로(반드시 그런 것은 아님) 현재 모터 속도에 대한 최대 효율 작동 레벨에서 또는 그에 가까운 바람직한 출력 레벨에서 전력을 전달하도록 지시받는다. "오프(off)" 펄스 동안 모터는 이상적으로 제로 토크를 출력한다. 일부 실시예에서, 펄스의 타이밍은 펄스 제어기에 의해 제어된다.
펄스 작동을 용이하게 하기 위해, 모터 제어기는 블록(375)에서 원하는 출력 레벨을 결정하며, 현재 모터 속도 (다른 에너지 효율적인 레벨들이 적절하게 사용할 수 있지만, 현재 모터 속도에서, 바람직하게는 시스템의 최대 효율 에너지 변환 출력 레벨에서 또는 이에 가까운 레벨)에서의 펄스 작동을 위한 원하는 듀티 사이클을 블록(376)에서 결정한다. 모터 제어기와 펄스 제어기는, 지정된 전력 레벨에서 블록(378)에서 상기 원하는 듀티 사이클을 구현하도록 전력 변환기에 지시한다.
개념적으로, 이는 모터에 전력이 공급되는 시간의 일부가 원하는 듀티 사이클에 대응하고 전력 레벨이 바람직한 출력 레벨에 대응하도록 상대적으로 높은 주파수에서 파워 서플라이를 효과적으로 켜고 끔으로써 달성될 수 있다. 일부 실시예에서, 듀티 사이클의 "오프" 부분은, 제로 토크를 전달하기 위해 모터를 구동하도록 전력 제어기/컨버터에 지시함으로써 구현될 수 있다.
전력이 펄스되는 주파수는 바람직하게는 기계 제어기 또는 펄스 제어기에 의해 결정된다. 일부 실시예에서, 펄스 주파수는 모터의 모든 작동에 대해 고정될 수 있는 반면, 다른 실시예에서는 모터 속도, 토크 요구 사항 등과 같은 작동 조건에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 펄스 주파수는 룩업 테이블을 사용하는 것을 통해 결정될 수 있다.
이러한 실시예에서, 현재 모터 작동 조건에 대한 적절한 펄스 주파수를 모터 속도, 토크 요구 사항 등과 같은 적절한 인덱스들을 사용하여 찾아볼 수 있다. 다른 실시예에서, 펄스 주파수는 임의의 주어진 작동 조건에 대해 반드시 고정될 필요는 없으며 펄스 제어기에 의해 지시되는 대로 변할 수 있다. 일부 특정 실시예에서, 펄스 주파수는 적어도 모터의 일부 작동 영역에서 모터 속도의 함수에 비례하여 변할 수 있다.
또한, 원하는 펄스 레벨(375) 및 원하는 듀티 사이클(376)을 결정하기 위해 모터 작동 동안에 다중 토크 값들을 결정될 필요가 있다. 이는 여기에 설명된 정수 배수들에 기초한 토크 평균화 방법을 활용하여 달성될 수 있다. 개시된 방법의 사용을 통해, 378에서의 펄스 전력 전달은 이전에 달성될 수 있었을 것보다 더 정확한 전력 레벨 및/또는 듀티 사이클에서의 것일 것이다. 잠재적인 전력 추정 방법을 나타내는 펄스의 세부 사항에는 최적의 효율성을 제공하면서 진동 및/또는 소음을 적절하게 해결하기 위한 여러 솔루션이 포함될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 4는 본 발명의 실시예와 함께 사용될 수 있는 펄스 전력에 대한 잠재적인 전력 추정 방법을 도식적으로 나타내는 그래프이다. 도 4는 실제 토크 출력(450), 연속 평균화(452), 및 파형 사이클(454)의 주기에 기초한 평균화 사이의 차이를 예시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실제 토크(450)는 그래프의 왼쪽에서 시작하여 토크를 전달하는 것으로 표시되며, 따라서 파형 사이클의 절반 동안 (왼쪽의 축 상에서) 토크 값 "1"을 가진다 (즉, 0부터 0.5까지, 여기에서 파형 사이클 기간은 아래쪽 축에서 0부터 1까지이다). 값이 "1"인 이 세그먼트는 토크 펄스를 나타낸다. 토크 펄스들은 대략 1-1.5, 2-2.5, 3-3.5, 4-4.5에서 또한 표시되며 대략 5에서 시작한다. 이 펄스들 사이에서, 토크는 0이 되고 다음 펄스가 시작될 때까지 유지된다. 이는 실제 제공되는 토크이다.
또한 도 4에는 연속 평균 방법론에 기초한 연속 평균(452)이 도시되어 있다. 이 구현에서는, 제어기가 1밀리초 간격으로 평균화를 수행한다. 이 예에서는, 토크 값이 상수 1일 때 평균화가 시작되므로 평균도 또한 1이다. 그러나, 토크가 0이 될 때에, 연속 평균값은 0.5 (이는 아래에서 자세히 설명될 것처럼 보다 정확한 주기 평균임) 쪽으로 떨어지기 시작한다. 그런 다음, 일정 시간이 지나면 토크가 전달되기 시작하고 토크 값이 다시 1로 점프한다. 이에 따라, 연속 평균이 다시 증가하기 시작한다. 예시에 의해 볼 수 있듯이, 연속 평균은 시간이 지남에 따라 향상되며, 그 이유는 더 많은 데이터 포인트가 평균화될수록 평균을 토크의 정확한 값으로 떨어뜨리기 위해 걸리는 시간이 걸어지며, 토크에서 정확한 변화를 파악할 수 있기 위해 더 지연이 길어지기 때문이다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 본 개시에서 설명된 정수 배수 방법론에 기초한 주기 평균(454)은 훨씬 더 정확하며, 이는 전기 기계 성능 및 효율성을 향상시킬 수 있고 평균화가 하나의 파형 사이클에서와 같이 작은 사이클 내에서 발생할 수 있으므로 낮은 대기 시간을 가지게 할 수 있다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 토크 네트(net) 출력은 표시된 전체 파형에 걸쳐 그리고 각 파형 사이클에서 0.5이므로, 이 평균은 정확하다.
또한, 도 4에서의 예가 (수평 축 상) 1, 2, 3, 4, 및 5에서의 지점 451에서 발생하는 평균화를 보여 주지만, 평균이 길이에 있어서 파형의 정수 배수인 한은 (예를 들면, 1.25 ~ 2.25 (1의 정수 배수)로부터의 또는 1.4 ~ 3.4 (2의 정수 배수)로부터의 평균화), 사이클 내에서의 실제의 시작 및 종료 지점이 변할 수 있다. 실시예는 범위(예를 들어, 1.25와 2.25 사이)의 시작점과 끝점 사이의 모든 데이터 포인트들을 평균화할 수 있다. 또한, 평균 포인트들(451)이 수집되어 다른 더 긴 평균을 생성하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 평균은 시간 0.0에서 0.5까지 (1.0에서 1.5까지, 2.0에서 2.5까지…) 또는 0.5에서 1.0까지 (1.5에서 2.0가지, 2.5에서 3.0까지, 3.5에서 4.0까지 …)와 같이 전체 파형 사이클보다 작은 파형 사이클의 일부에 대해 취해질 수 있지만, 파형의 정수 주기들에서 만들어진다. 이러한 기간에 관한 정보는 전기 기계 관리 결정을 내리는 데 또한 도움이 될 수 있다.
다양한 실시예에서, 토크 값은 (예를 들어, 제어되고 있는 특정 전기 기계로부터 또는 하나 이상의 다른 전기 기계들로부터 수집되고 메모리에 저장되어, 예를 들어 제어기에 의해 액세스 가능한 데이터에 기초하여) 추정되며 또는 제어되고 있는 특정 전기 기계와 연관된 센서들을 통해 측정될 수 있다. 예를 들어 토크는 전기 기계의 회전자 속도를 감지함으로써 측정될 수 있다. 또한 구현에서는 전기 기계로 들어가는 전류나 전압을 측정하여 대응하는 토크 값을 결정할 수도 있다.
본 발명의 실시예는 파형 정수 배수에 기초한 전기 기계 토크 조정을 위한 방법, 시스템 및 디바이스를 제공한다. 이러한 실시예는 펄스 파형의 파형 사이클들의 정수 배수를 사용하는 것을 통해 보다 정확한 추정 토크 값을 제공함으로써 잘못된 긍정 오류 검출을 방지만이 아니라 전기 기계의 성능 및/또는 효율성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서 특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 당업자는 동일한 기술을 달성하기 위해 계산된 임의의 배열이 도시된 특정 실시예를 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 개시 내용은 본 개시 내용의 다양한 실시예의 임의의 그리고 모든 적용 또는 변형을 포괄하도록 의도된 것이다.
위의 설명은 제한적 방식이 아니라 예시적인 방식으로 이루어졌다는 것이 이해되어야 한다. 위의 실시예와 여기에 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시예의 조합은 위의 설명을 검토할 때 당업자에게 명백할 것이다.
본 개시의 다양한 실시예의 범위는 위의 구조 및 방법이 사용되는 임의의 다른 응용을 포함한다. 따라서, 본 개시의 다양한 실시예의 범위는 첨부된 청구범위와 그러한 청구범위에 부여된 등가물의 전체 범위를 함께 참조하여 결정되어야 한다.
전술한 상세한 설명에서, 본 개시를 간소화할 목적으로 도면에 도시된 예시적인 실시예에서 다양한 특징들이 함께 그룹화된다. 본 개시의 방법은 본 개시의 실시예가 각 청구항에 명시적으로 기재된 것보다 더 많은 특징을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
오히려, 다음의 청구범위가 반영하는 바와 같이, 본 발명의 주제는 개시된 단일 실시예의 모든 특징보다 적다. 따라서, 다음의 청구범위는 상세한 설명에 포함되며, 각 청구항은 그 자체로 별도의 실시예로서 존재한다.

Claims (33)

  1. 전기 기계의 펄스 작동을 지시하도록 배열된 전기 기계 제어기로서, 상기 전기 기계 제어기는 펄스 파형의 파형 사이클 또는 서브사이클의 정수 배수에 대응하는 기간에 기초하여 평균 토크를 계산하는 펄스 제어기를 사용하는, 전기 기계 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기계 제어기는 작동 속도, 토크, 및 전기 기계의 회전 속도와 극들의 개수를 곱한 것 중 적어도 하나에서의 변이들에 따라 제1 출력 레벨을 변경하도록 구성되는, 전기 기계 제어기.
  3. 제1항에 있어서, 순차적인 제1 출력 레벨 펄스들 사이의 주기는 파형 사이클이며, 상기 파형 사이클은 전기 기계의 작동 동안에 변하는, 전기 기계 제어기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 파형 사이클은 전기 기계의 회전 속도의 함수로서 변하는, 전기 기계 제어기.
  5. 원하는 출력을 전달하기 위해 전기 기계의 펄스 작동을 야기하는 전기 기계 제어기로서, 상기 전기 기계의 펄스 작동은 상기 전기 기계의 출력이 제1 출력 레벨 및 상기 제1 출력 레벨보다 낮은 제2 출력 레벨 사이에서 교번하도록 하며, 여기에서:
    상기 전기 기계 제어기는 특정 기간에 걸쳐 펄스 파형에 따라 상기 전기 기계의 펄스 타이밍을 지시하는 펄스 제어기를 포함하며, 상기 펄스 파형은 다수의 파형 사이클들로 구성되며; 그리고
    상기 펄스 제어기는 상기 펄스 파형의 파형 사이클들의 정수 배수에 대응하는 기간을 기반으로 평균 토크를 계산하는, 전기 기계 제어기.
  6. 제5항에 있어서, 원하는 출력을 전달하기 위해 상기 전기 기계를 연속적인 방식으로 구동할 필요가 있을 제3 출력 레벨에서 상기 전기 기계가 작동할 때 가질 수 있을 것보다 상기 전기 기계의 펄스 작동 동안에 더 높은 에너지 변환 효율을 갖도록 상기 제1 출력 레벨 및 제2 출력 레벨이 선택되는, 전기 기계 제어기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 출력 레벨은 제로 토크인, 전기 기계 제어기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전기 기계의 펄스 작동 동안에, 상기 전기 기계가 제로 토크를 출력하는 시간들의 적어도 일부 동안 상기 전기 기계가 꺼지는, 전기 기계 제어기.
  9. 제5항에 있어서, 순차적인 제1 출력 레벨 펄스들의 시작들 사이의 주기는 파형 사이클이며, 상기 파형 사이클은 상기 전기 기계의 작동 동안에 변하는, 전기 기계 제어기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 파형 사이클은 상기 전기 기계의 회전 속도의 함수로서 변하는 전기 기계 제어기.
  11. 시스템으로서, 상기 시스템은:
    전기 기계;
    전력 변환기; 그리고
    원하는 출력을 전달하기 위해 상기 전기 기계의 펄스 작동을 야기하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 상기 전기 기계의 펄스 작동은 상기 전기 기계의 출력이 제1 출력 레벨과 그 제1 출력 레벨보다 낮은 제2 출력 레벨 사이에서 교변하도록 하며, 상기 전기 기계 제어기는 특정 기간에 걸쳐 펄스 파형에 따라 상기 전기 기계의 펄스의 타이밍을 지시하는 펄스 제어기를 포함하며 그리고 상기 펄스 파형은 다수의 파형 사이클들로 구성되고, 상기 펄스 제어기는 상기 펄스 파형의 파형 사이클들의 정수 배수에 대응하는 기간을 기반으로 평균 토크를 계산하는, 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전기 기계는 모터로서 작동하고, 상기 전력 변환기는 인버터를 포함하는, 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 전기 기계는 발전기로서 작동하고, 상기 전력 변환기는 정류기 또는 인버터를 포함하는, 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 전기 기계는 모터/발전기로서 작동하도록 구성되는, 시스템.
  15. 제11항에 있어서, 상기 펄스 제어기는 상기 전기 기계가 초당 적어도 10회의 주파수로 펄스되도록 구성되는, 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 펄스 제어기는 상기 전기 기계가 제1 출력 레벨과 제2 출력 레벨 사이에서 초당 적어도 100회 스위치하게 하도록 구성되는, 시스템.
  17. 제11항에 있어서, 상기 전기 기계는:
    동기식 릴럭턴스 기계;
    영구 자석 동기식 릴럭턴스 기계;
    하이브리드 영구자석 동기식 릴럭턴스 기계;
    스위치드 릴럭턴스 기계;
    외부 여기(excited) AC 동기식 기계; 및
    영구자석 동기식 기계를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
  18. 제11항에 있어서, 상기 전기 기계는 브러시리스 DC 전기 기계인, 시스템.
  19. 제11항에 있어서, 상기 전기 기계는:
    전기적 여기(electrically excited) DC 전기 기계;
    영구자석 DC 전기 기계;
    직렬 권선형 DC 전기 기계;
    션트 DC 전기 기계;
    브러시드(brushed) DC 전기 기계; 및
    복합 DC 전기 기계를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
  20. 제11항에 있어서, 상기 전기 기계는:
    와전류(eddy current) 기계;
    AC 선형 기계;
    AC 및 DC 기계 정류 기계; 및
    축방향 플럭스 기계를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 시스템.
  21. 안전 프로세스가 시작되어야 하는지 여부를 결정하는 제어기에게 전기 기계의 토크 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기로서, 상기 결정은 상기 토크 피드백 신호들 및 명령된 토크 신호들의 차이를 임계값과 비교한 것에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호를 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값들과의 실제 차이가, 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 상기 제어기에게 송신하기 이전에 고장-검출 임계 이하의 정상 작동 하에서 표현되도록 하는, 전기 기계 제어기.
  22. 시스템으로서, 상기 시스템은:
    전기 기계;
    전력 변환기; 및
    안전 프로세스가 개시될 필요가 있는지를 결정하는 제어기에게 전기 기계의 토크 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 여기에서 상기 결정은 상기 토크 피드백 신호들의 임계값에 대한 그리고 명령된 토크 신호들의 임계값과의 비교에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호들을 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값과의 실제 차이가 정상 작동 하에서 표현되도록 하며, 그리고 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 상기 제어기에게 송신하기 이전에 상기 토크 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 조정하는, 시스템.
  23. 안전 프로세스가 개시될 필요가 있는지를 판별하는 제어기에게 전기 기계의 전력 소스로부터의 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기로서, 여기에서 상기 결정은 상기 피드백 신호들의 임계값에 대한 그리고 명령된 토크 신호들의 임계값과의 비교에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호들을 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값과의 실제 차이가 정상 작동 하에서 표현되도록 하며, 그리고 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 제어기에게 송신하기 이전에 상기 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 조정하는, 전기 기계 제어기.
  24. 제23항에 있어서, 상기 전기 기계 제어기는 상기 피드백 신호들을 조정하기 위한 저역 통과 필터를 포함하는, 전기 기계 제어기.
  25. 제23항에 있어서, 상기 전기 기계 제어기는 펄스 폭 변조 파형의 기간에 걸쳐 평균값을 결정하도록 상기 전기 기계 제어기에 의해 실행 가능한 명령어들을 포함하는, 전기 기계 제어기.
  26. 제23항에 있어서, 상기 전력 소스는 전력 변환기 또는 배터리 중 하나이고, 상기 전기 기계 제어기는 상기 피드백 신호들을 조정하기 위한 저역 통과 필터를 포함하는, 전기 기계 제어기.
  27. 제26항에 있어서, 상기 전력 변환기는 인버터인, 전기기계 제어기.
  28. 제23항에 있어서, 상기 전력 소스는 전력 변환기 또는 배터리 중 하나이고, 상기 전기 기계 제어기는 펄스 폭 변조 파형의 기간에 걸쳐 평균값을 결정하기 위해 상기 전기 기계 제어기에 의해 실행 가능한 명령어들을 포함하는, 전기 기계 제어기.
  29. 시스템으로서, 상기 시스템은:
    전기 기계;
    전력 변환기; 및
    안전 프로세스가 개시될 필요가 있는지를 판별하는 제어기에게 전기 기계의 전력 소스로부터의 피드백 신호들을 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 여기에서 상기 결정은 상기 피드백 신호들의 임계값에 대한 그리고 명령된 토크 신호들의 임계값과의 비교에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 토크 피드백 신호들을 조정하여 평균값들을 수정하며 그래서 상기 명령된 값과의 실제 차이가 정상 작동 하에서 표현되도록 하며, 그리고 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지 여부를 판별하는 제어기에게 송신하기 이전에 상기 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 조정하는, 시스템.
  30. 시스템으로서, 상기 시스템은:
    전기 기계;
    전력 변환기; 및
    전기 기계의 전력 소스로부터의 피드백 신호들을 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지를 결정하는 제어기에게 송신하는 것을 제어하는 전기 기계 제어기를 포함하며, 상기 결정은 측정된 전류 및 추정된 토크에 기반한 전류 추정을 비교한 것에 기초하며, 상기 전기 기계 제어기는 안전 프로세스가 시작되어야 할 필요가 있는지의 여부를 결정하는 상기 제어기에게 송신하기 이전에 상기 피드백 신호들을 상기 임계 아래의 값들로 상기 피드백 신호들을 조정하는, 시스템.
  31. 제30항에 있어서, 상기 전류는 인버터 버스 전류인, 시스템.
  32. 제30항에 있어서, 상기 전류는 배터리 전류인, 시스템.
  33. 제30항에 있어서, 상기 추정된 토크는 적어도 하나의 전기 기계-인버터 조합 효율 특성값에 또한 기초하는, 시스템.
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