KR100397031B1 - 고주파수클럭을이용한스위치된자기저항드라이브용각도제어장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 적어도 하나의 위상 권선 및 고정자에 대하여 로터의 절대 위치에 해당하는 신호 세트를 출력하는 로터 포지션 인코더를 갖는 스위치된 자기저항 드라이브를 제어하기 위한 회로 및 방법에 관한 것이다. 상기 회로는 상기 신호 세트를 모니터하고 상기 신호 세트가 상태를 변화시키는 주파수에 실질적으로 비례하는 주파수를 갖는 고주파수 클럭 신호를 발생시킨다. 상기 고 주파수 클럭 신호는 각 로터의 회전을 위한 로터 위치 변환기로부터의 디지탈 펄스들의 수에 대한 적분배수이며 로터의 증가 위치에 해당하는 각 로터의 회전을 위한 다수의 디지탈 펄스들로 이루어진다. 상기 고주파수 클럭 신호는 상기 신호 세트의 상태 변화에 대하여 리셋트되는 카운터에 인가된다. 상기 카운터의 출력은 소정의 값과 비교되고 적어도 하나의 위상 권선은 전력이 공급되며 비교 결과에 대응하여 전력 공급이 중단된다.

Description

고주파수 클럭을 이용한 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치

본 발명은 제어 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 스위치된 자기저항 드라이브용 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 자기저항 기계는 자기 회로의 자기 저항이 최소화되는, 즉 여기 권선의 인덕턴스가 최대화되는 위치로 이동 부분이 이동하는 경향에 의하여 토크가 발생되는 전기 모터로서 작동될 수 있다.

한 유형의 자기 저항 기계에서 위상 권선에의 전력 공급은 제어된 주파수에서 발생한다. 이러한 기계들은 모터 또는 발전기로서 작동될 수 있다. 이들은 일반적으로 동기성 자기 저항 모터로 불리운다. 제 2 유형의 자기 저항 기계에서, 회로소자는 로터의 각도 위치를 검출하고 상기 로터 위치의 기능으로서 상기 위상 권선에 전력을 공급하기 위하여 제공된다. 이러한 제 2 유형의 자기 저항 기계는 또한 모터 또는 발전기로 될 수 있으며, 이러한 기계들은 일반적으로 스위치된 자기 저항 기계로서 공지되어 있다. 본 발명은 모터 또는 발전기로서 작동하는 스위치된 자기 저항 기계를 포함하여, 스위치된 자기 저항 기계에 일반적으로 적용 가능하다.

제 1 도는 모터로서 작동하는 스위치된 자기 저항 기계용의 스위치된 자기 저항 드라이브 시스템(10)의 주요 구성 요소를 도시한다. 직류 전원(11)의 입력은 배터리 또는 정류 및 여과된 교류 본선으로 될 수 있다. 전원(11)에 의하여 제공되는 직류 전압은 전자 제어 유니트(14)의 제어하에 전력 변환기(13)에 의하여 모터의 위상 권선을 교차하여 스위치된다. 상기 스위칭은 드라이브(10)의 적절한 작동을 위하여 로터의 회전 각도에 정확히 동기 되어야 한다. 따라서, 로터 위치 검출기(15)는 일반적으로 로터의 각도 위치에 해당하는 신호를 공급하기 위하여 이용된다. 상기 로터 위치 검출기(15)의 출력은 또한 속도 피드백 신호를 발생시키는 데에도 이용될 수 있다.

상기 로터 위치 검출기(15)는 다양한 형태를 취할 수 있다. 어떤 시스템에서는, 상기 로터 위치 검출기(15)가 상기 전력 변환기(13)내에서 장치들의 상이한 스위칭 배열이 필요한 위치로 로터가 회전할 때마다 상태를 변화시키는 출력 신호를 제공하는 로터 위치 변환기로 이루어질 수 있다. 다른 시스템에서는, 상기 로터 위치 검출기(15)는 상기 로터가 미리 선택된 각도로 회전할 때마다 클럭 펄스 (또는유사한 신호)를 출력하는 상대 위치 인코더로 이루어질 수 있다.

상기 로터 위치 검출기(15)가 로터 위치 변환기로 이루어지는 시스템에 있어서, 로터의 각도 위치를 표시하는 출력 신호를 적절히 제공하기 위한 로터 위치 변환기 회로소자의 고장은 동작성을 심각하게 저하시키거나, 심한 경우에는 모터가 작동 불능이 되게 할 수도 있다. 이러한 경우에, 고장난 로터 위치 변환기의 출력에 기초하여 기계를 제어하려고 시도하는 제어기(14)는 그 기계와 그 제어 회로소자의 나머지 부분까지도 잠재적으로 손상시킬 수 있다.

상기 로터 위치 검출기(15)로부터의 정확한 신호의 중요성은 제 2 도 및 제 3 도를 참조하여 설명된다. 제 2 도 및 제 3 도는 모터로서 작동하는 자기 저항 기계의 스위칭을 설명한다.

제 2 도는 화살표(22)쪽으로 고정자 극(21)에 회전극(20)이 접근하는 것을 개략적으로 도시한다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, 완전한 위상 권선(23) 부분은 상기 고정자 극(21) 주위에 권선되어 있다. 상술된 바와 같이, 고정자 극(21) 주위의 위상 권선(23) 부분에 전력이 공급될 경우, 힘은 고정자 극(21)과 일렬로 회전극(20)을 당기는 경향이 있는 로터상에 작용된다.

제 3 도는 고정자 극(21) 주위의 위상 권선(23) 부분에 대한 전력 공급을 제어하는 전력 변환기(13)내의 스위칭 회로소자를 개략적으로 도시한다. 전력 스위칭 장치(31,32)가 스위치-온 될 때, 위상 권선(23)은 직류 전원에 연결되고 상기 위상 권선에는 전력이 공급된다.

일반적으로, 상기 위상 권선에는 다음과 같이 로터의 회전을 작동시키도록전력이 공급된다: 로터의 제 1 각도 위치(" 턴-온 각도" 로 칭함)에서, 제어기(14)는 스위칭 장치들(31,32)을 모두 턴-온 시키도록 스위칭 신호를 출력한다. 상기 스위칭 장치들(31,32)이 온으로 될 때, 상기 위상 권선은 증가하는 자속(Magnetic flux)이 모터내에 형성되도록 직류 버스에 연결된다. 모터 토크를 발생시키는 것은 상기 회전극상에 형성되는 이러한 자속이다. 상기 기계내에 자속이 증가됨에 따라, 전기적 전류는 직류 버스에 의하여 제공되는 직류 전원으로부터 스위치들(31,32) 및 위상 권선(23)을 통하여 흐른다 어떤 제어기에서는 전류 피드백이 이용되고, 위상 전류의 절대량은 스위칭 장치들(31) 및/또는(32) 중의 하나 또는 모두를 신속히 온 및 오프로 스위칭 함으로써 전류를 쵸핑(chopping)하여 제어된다.

여러 시스템에서, 상기 위상 권선은 이른바 로터 " 프리휠링 각도" 로 로터가 회전할 때까지 상기 직류 버스 라인에 접속된 (또는 쵸핑이 이용되는 경우에는 쵸핑에 접속된) 상태로 유지된다. 로터가 프리휠링 각도에 해당하는 각도 위치(제 2 도의 위치(24))에 이르게 되면, 스위치들 중의 하나, 예를 들면 (31)가 턴-오프된다. 결과적으로, 위상 권선을 통하여 흐르는 전류는 계속 흐르게 되나, 상기 스위치들 중의 하나 (이 예에서는 (32))와 복귀 다이오드들 중의 하나 이 예에서는 (34))만을 흐르게 된다. 상기 프리휠링 주기 동안 위상 권선을 교차하는 자동 전압은 거의 없으며, 상기 자속은 실질적으로 일정하게 유지된다. 상기 모터 시스템은 " 턴-오프" 각도로 주지된 각도 위치(제 2 도의 위치(25)로 표시됨)로 로터가 회전할 때까지 이러한 프리휠링 상태로 유지된다. 상기 로터가 턴-오프 각도에 이르게 되면, 스위치들(31, 32)은 모두 턴-오프되고 위상 권선(23)내의 전류는다이오드들(33, 34)을 통하여 흐르기 시작한다. 상기 다이오드들(33, 34)은 기계내에서 자속(따라서, 위상 전류가)이 감소되도록 유도하면서 상기 직류 버스로부터의 직류 전압을 서로 반대의 센스(Sense)에 인가한다.

스위치된 자기 저항 모터내의 위상 권선에 대한 전력 공급은 로터의 각도 위치에 대한 정확한 검출에 따라 상당히 좌우된다.

스위치된 자기 저항 드라이브용의 공지된 인코더 시스템들은 위상에 대한 전력 공급이 적절한 시간에 발생하도록 증가 포지션 인코더에 의하여 출력된 디지탈 신호들을 신속하게 처리하는 데에 값비싼 전자 공학이 필요하므로 제한되어 있다. 예를 들면, 공지의 시스템에서, 증가 포지션 인코더는 각각의 완전한 로터의 회전에 비교적 큰 수의 디지탈 클럭 펄스를 제공하는 데에 이용될 수 있다. 값비싼 전자 회로나 고속의 마이크로프로세서를 사용하지 않는 시스템에서는, 상기 위상 권선에 대한 전력 구동을 로터의 각도 위치에 적절히 동기 시키기 위하여 상기 증가 인코더에 의하여 출력되는 큰 수의 디지탈 펄스를 처리하는 것이 곤란하고 많은 비용이 든다.

본 발명은 첨부된 독립 청구항에 의해 정의된다. 본 발명의 바람직한 특징들은 각각의 종속항들에 언급되어 있다.

본 발명은 고해상도 증가 펄스 트레인을 포지션 인코더로부터 발생시키는 스위치된 자기저항 드라이브용 제어 시스템으로, 저렴하고 효율적인 시스템으로 확대된다. 스위치된 자기저항 드라이브용의 점화 신호들을 제어하기 위해 이용될 수 있는 고해상도 위치 신호를 발생시키기 위하여 이러한 제어 시스템을 이용하는 방법및 회로 역시 공지되어 있다. 이러한 제어 시스템은 신속한 마이크로프로세서가 없이도 스위치된 자기 저항 드라이브에 대한 저렴하고 효율적인 제어를 허락한다.

기타 본 발명의 특징 및 장점들은 도면을 참조로 하여 예로써 제시된 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 명백해진다.

도면 중 동일한 참조 부호는 동일한 부품을 나타낸다.

이하, 도시된 바의 이 발명의 실시예는 스위치된 자기저항 드라이브를 제어하기 위하여 작동되는 바대로 설명된다. 명확성을 기하기 위하여, 실제 실행에 있어서의 특징들이 이 발명의 명세서에 모두 설명되는 것은 아니다.

일반적으로, 본 발명은 제 4 도에 개략적으로 도시된 바와 스위치된 자기 저항 기계의 작동을 제어하기 위하여 개선된 제어 시스템 및 포지션 인코더로 구성된다. 제 4도를 참조하면, 상기 시스템은 로터 포지션 인코더(42)로부터 로터의 각도 위치에 해당하는 신호를 수신하는 제어기(40)로 구성된다. 상기 인코더(42)로부터의 신호에 대하여, 상기 제어기(40)는 위상 권선에 대한 전력공급을 제어하는 전력 스위칭 장치들 (제 4 도에 도시되지 않음)의 스위칭 상태를 결정하는 스위칭 신호 (또는 점화 신호)들을 발생시킨다.

제 4 도의 실시예에 있어서, 상기 인코더(42)에 의하여 제어기(40)에 출력된 신호들은 제 1 세트(42a) 및 제 2 세트(42b)의 2개의 세트로 이루어진다. 제 1 신호 세트(42a)는 로터의 절대 위치에 해당하는 제 1 해상도로 되며, 이 위치에서 상기 신호 세트(42a)는 전기적 각도 360도의 범위 내에서 실제의 로터 위치를 정의하는 데에 이용될 수 있다. 상기 제 2 신호 세트(42b)는 증가 위치에 해당하는 제 2해상도로 되며, 이 위치에서 상기 신호 세트(42b)는 로터의 절대 위치는 표시하지 않고 상대 이동을 표시하는 회전에 대하여 펄스의 정수를 제공한다. 제 4 도의 실시예에 있어서, 상기 제 1 세트의 해상도는 제 2 세트의 해상도보다 낮으며, 상기 제 1 및 제 2 세트(42a, 42b)로 구성되는 인코더(42)로 부터의 출력 신호들은 일련의 디지탈 펄스로 구성된다.

제 5 도 (가) 내지 (다)는 상기 인코더(42)의 구성을 보다 상세하게 도시한다. 제 5 도 (가) 내지 (다)의 실시예에 있어서, 상기 인코더(42)는 컵-베인(cup-vane)(50) 및 센서들(51a, 51b, 51c) 및 (52a, 52b)로 구성된다. 제 5 도(가)는 컵-베인(50)의 사시도이다. 제 5 도 (나) 및 (다)는 상기 컵-베인(50)을 보다 상세하게 도시하며, 본 발명에 의한 세서들(51a-51c) 및 (52a, 52b)의 위치 결정을 나타낸다.

제 5 도(나)를 참조하면, 컵-베인(50)은 2세트의 톱니부(53) 및 (56)를 포함하는 이중 해상도 컵-베인으로 이루어진다. 제 1 톱니 세트(53)는 8개의 상응하는 광 차단 영역(이하, " 표시부" 로 칭함)을 구획하는 8개의 돌출 톱니부(53a-53h)와 8개의 광 통과 영역(54a-54h)(이하, " 공간부" 로 칭함)을 포함한다. 제 5 도의 실시예에 있어서, 상기 톱니부(53a-53h)들은 모두 동일한 폭과 크기로 되어, 상기 표시부의 각도 범위는 상기 공간부의 각도 범위와 실질적으로 동일하다.

제 5 도 (나) 및 (다)는 고정자에 대한 로터의 절대 위치를 표시하는 신호를 출력하는 제 1 해상도의 디지탈 인코더를 제공하는 데에 어떻게 제 1 톱니세트(53)가 이용될 수 있는지를 도시한다. 제 5 도(나)를 참조하면, 3개의 센서들(51a-51c)은 상기 컵-베인(50)에 결합되어 제 1 세트의 디지탈 신호들을 출력하는 데에 이용된다. 제 5 도 (가) 내지 (다)의 실시예에 있어서, 상기 3개의 센서들(51a-51c)은 제 5 도(다)에 도시된 바와 같이 실질적으로 15°떨어져서 위치된 홈이 패인 광센서들로 이루어진다. 상기 광센서들(51a-51c)은 또한 상기 8개의 톱니부(53e-h)를 수용할 수 있도록 위치된다. 작동에 있어서, 상기 3개의 센서들(51a-51c) 각각의 상기 톱니부(53a-53h) 중의 하나가 상기 센서에 결합된 홈내에 있을 때에는 제 1 로직 레벨(예를 들면, 로직" 1" )의 디지탈 신호를 출력하고, 상기 센서와 결합된 홈이 비어 있을 때에는 제 2 로직 레벨(예를 들면, 로직 " 0" )의 디지탈 신호를 출력한다. 따라서, 상기 톱니부(53a-53h)가 상기 센서들(51a-51c)을 지나서 회전함에 따라, 상기 센서들로부터의 출력들이 로터의 절대 위치에 대한 표시를 함께 제공한다.

제 5 도(나)를 다시 참조하면, 상기 컵-베인(50)이 또한 제 2 톱니 세트(56)를 포함하고 있음을 알 수 있다. 제 5 도(가) 내지 (다)의 실시예에 있어서, 상기 제 2 톱니 세트(56)는 120개의 광 차단 영역(이하, " 표시부" 로 칭함)과 120개의 광 통과 영역(이하, " 공간부" 로 칭함)을 제공할 수 있는 크기의 동일한 폭으로 된 120개의 톱니부를 포함한다.

제 5 도 (나) 및 (다)는 로터의 중간 위치를 표시하는 신호들을 출력하는 제 2 해상도의 디지탈 인코더를 제공하기 위하여 상기 제 2 톱니 세트(56)가 어떻게 이용될 수 있는지를 도시한다. 제 5 도(나)를 참조하면, 2개의 센서들(52a-52b)은 제 2 디지탈 신호 세트를 제공하기 위하여 상기 컵-베인(50)과 결합되어 사용된다.제 5 도 (가) 내지 (다)의 실시예에 있어서, 상기 2개의 센서들(52a, 52b)은 제 5 도(다)에 도시된 바와 같이 실질적으로 0.75°떨어져서 위치되는 홈이 패인 광 센서들로 이루어진다. 상기 광 센서들(52a, 52b)은 또한 제 2 톱니 세트(56)로 이루어진 120개의 톱니부를 수용하도록 위치된다. 센서들(52a, 52b)은 상기 센서들(51a-51c)과 유사한 방식으로 작동한다. 이하에서 설명되는 방식으로 센서들(52a, 52b)의 출력을 모니터링 함으로써, 로터가 회전의 0.75°고해상도 증가를 통하여 회전할 때마다 디지탈 펄스를 발생시키는 것이 가능하다. 이러한 센서들(52a, 52b)의 모니터링으로부터 출력되는 디지탈 펄스는 제 2 해상도의 제 2 신호 세트의 일 예가 된다.

제 5 도(가) 내지 (다)의 특정 인코더(42)는 예로써 도시된 것으로서 본 발명은 기타 유형 및 구조의 베인, 센서 및 기타 형태의 포지션 인코더에도 적용 가능하다. 예를 들면, 세트 당 톱니부의 수는 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 센서의 수 및 위치에 따라서 변경이 가능하다. 제 5 도(다)에서 센서의 간격은 그들의 출력 신호들이 상기 표시부 및 공간부를 통과하는 특정 순서를 따르도록 할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들면, 제한된 각도 범위에서 전체의 또는 두개의 센서들을 배열하기에 공간이 불충분한 경우, 각각의 센서는 근접하는 센서에 대하여 각각의 위치에 위치될 수 있어서 분리된 표시/공간부에 의하여 적당한 시간에 영향을 받게 된다. 상기 표시부가 피치 원의 직경(PCD)을 갖는다고 고려할 때, 상기 PCD상에서 하나의 센서의 위치는 센서에 의하여 출력되는 파장의 타이밍을 변화시키지 않고도 하나 이상의 표시부/공간부 피치에 의하여 변화될 수 있다. 더우기, 컵-베인이 이용되는 것이나 상기 베인이 광차단 및 통과 영역을 규정하는 것은 필수적인 것이 아니다. 기타 유형의 베인 및 센서가 이용될 수도 있다. 예를 들면, 상기 베인은 자성의 표시부 및 비자성 공간부로 이루어지고, 상기 센서는 홀 효과 장치(Hall-Effect Device)로 이루어질 수 있다. 마찬가지로, 상기 베인은 강자성 물질로 된 톱니부로 이루어지고 상기 센서들 각각은 자기저항 센서의 형태로 이루어질 수 있다. 상기 지디탈 신호를 유도하기 위한 기타 수단들은 변화하는 커패시턴스 또는 인덕턴스 영역 및 변화를 검출하기에 적합한 센서를 포함한다. 또한, 광의 투과성을 변화시키는 영역 대신으로 광 반사 변화가 이용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 제 5 도(가) 내지 (다)에 도시된 특정한 인코더에 한정되지 않고 제 1 해상도의 제 1 신호 세트를 발생시키는 기타의 인코더에도 적용될 수 있다. 추가적으로 제 2 해상도의 제 2 신호 세트를 발생시키는 인코더들에도 또한 적용될 수 있다.

제 4 도를 참조하면, 본 발명의 제어기(40)는 인코더(42)로부터 2개의 출력 신호 세트를 수신하여 이 신호들을 스위치된 자기 저항 기계의 위상 권선에 대한 전력 공급을 제어하도록 전력 장치의 스위칭을 제어하는 데에 이용한다. 인코더(42)로부터의 상기 제 2 출력 신호 세트는 주파수 배율기(44)에 제공됨을 알 수 있다. 주파수 배율기(44)는 인코더(42)로부터 상기 제 2 해상도의 제 2 신호 세트를 수신하여 상기 기계의 위상 권선에 대한 전력 공급을 제어하기 위하여 각도 제어기(46)에 의하여 사용되는 고주파수 클럭 신호(HF clock)를 발생시킨다. 제 4 도에는 도시되지 않았으나, 실시 예들로부터 주파수 배율기(44)가 인코더(42)로부터의 제 1 신호 세트를 수신하고 상기 제 1 신호 세트로부터 HF 클럭을 발생시키는 곳을 알 수 있다.

제 6 도(가) 및 (나)는 제 4 도의 주파수 배율기(44)를 작동시키는 데에 이용될 수 있는 회로소자의 예를 나타낸다. 제 6 도(가)는 인코더(42b)로부터 제 2 신호세트가 주파수 배율기(44)에 출력될 때에 이용될 수 있는 회로소자를 도시한다. 제 6 도(나)는 인코더(42)로부터의 제 1 신호 세트(42a)가 주파수 배율기(44)에 출력될 때에 이용될 수 있는 회로소자를 도시한다.

제 6 도(가)를 참조하면, 제 2 디지탈 신호 세트(42b)는 센서(52a, 52b)로부터의 신호들을 모니터링하고 로터가 소정의 높은 회전 해상도 증가로 회전할때에 상태를 변화시키는 신호를 출력하는 증가 검출기(60)에 인가된다. 제 6(가)도의 실시예에 있어서, 증가 검출기(60)는 배타적 OR(XOR) 게이트로 이루어진다. 증가 검출기(60)로부터의 출력은 로터 회전의 고해상도 증가에 각각 해당하는 일련의 클럭 펄스이다. 상기 증가 검출기(60)로부터의 일련의 클럭 펄스는 8-비트 업 카운터(61)의 리셋트 입력에 인가된다. 따라서, 업 카운터(61)가 로터의 각각의 완전한 회전에 대하여 소정수의 펄스로 구성되는 센서들(52a, 52b) 로부터 유도된 일련의 디지탈 펄스를 수신한다. 8-비트 업 카운터(61)의 클럭 입력은 ÷N 제산기(63)를 통하여 시스템 클럭에 결합되고, 여기에서 N은 이 실시예에서는 4의 값을 갖는 정수이다. 상기 시스템 클럭은 인코더(42)에 의하여 출력되는 제 2 디지탈 신호 세트로 이루어지는 디지탈 펄스의 주파수에 비하여 매우 높은 주파수를 가질 수 있다. 작동에 있어서, 상기 업 카운터(61)는 인코더(42)에 의하여 출력되는제 2 디지탈 신호 세트에 펄스의 상승 또는 하강 에지가 발생되는 매 순간 리셋트된다. 상기 업 카운터(61)는 로터의 각도 속도에 해당하는 클럭화된 출력을 제공하기 위하여 상기 제산된 시스템 클럭에 대응하여 승산한다. 예를 들면, 로터가 제 1 속도(예를 들면, 비교적 느린 속도)로 회전하면, 업 카운터(61)는 비교적 드물게 리셋트되어 업 카운터(61)의 최대 계수가 비교적 높게 된다. 로터의 각도 속도가 제 2 속도로 증가되면, 업 카운터(61)는 다소 자주 리셋트되어 업 카운터(61)의 최대 출력이 비교적 낮게 된다. 일반적으로, 업 카운터(61)의 출력은 모터의 속도에 반비례하는 8-비트의 최대 계수 값으로 된다. 상기 업 카운터(61)의 최대 출력은 인코더(42)에 의하여 출력된 제 2 디지탈 신호 세트내의 펄스에 대하여 프로그램이 가능한 제산기(62)에 제공될 수 있다.

업 카운터(61)로부터의 8-비트 디지탈 출력은 프로그램 가능한 제산기(62)의 제어 입력에 인가된다. 프로그램 가능한 제산기(62)는 시스템 클럭을 그의 클럭 입력으로서 수신한다. 이 기술 분야에서 자명한 바와 같이, 프로그램 가능한 제산기(62)는 표준형의 구조로 되며, 그의 클럭에 인가되는 신호에 대한 주파수의 일부인 주파수를 갖는 출력 클럭 신호를 제공한다. 제 6 도(가) 및 (나)의 실시예에 있어서, 프로그램 가능한 제산기는 그 출력 클럭 주파수가 상기 제어 입력에서 수신된 상기 8-비트 디지탈 워드로 표시되는 수로 제산되는 입력 클럭 주파수와 동일하게 되는 유형으로 이루어진다. 따라서, 프로그램가능한 제산기(62)는 인코더(42)로부터의 제 2 신호 세트로 이루어진 디지탈 펄스의 주파수에 비례하여 변화하는 주파수를 갖는 고주파수의 디지탈 클럭 신호(HF 클럭)를 출력한다. 인코더(42)로부터의 제 2 신호 세트로 된 디지탈 펄스의 주파수는 모터의 속도에 비례하여 변화하므로, 상기 HF 클럭 신호는 모터의 속도에 비례하여 변화하는 주파수를 갖는다.

제 6 도(가) 및 (나)에는 도시되지는 않았으나, 상기 제산된 시스템 클럭의 주파수가 업 카운터(61)가 인코더(42)로부터의 연속적인 클럭 펄스들 간에 오버 플로우되는 경우와 같은 실시예에서는, 상기 업 카운터(61)의 비트 수가 마찬가지로 증가될 수 있다.

제 6 도(나)는 인코더(42)로부터의 제 1 신호 세트(42a)가 주파수 배율기(44)에 제공될 때 주파수 배율기(44)를 작동시키기 위한 회로소자를 도시한다. 제 6 도(나)의 회로소자는 신호 (42a)에 의하여 반사된 바와 같이 회전의 증가를 통하여 로터가 회전하는 매순간 업 카운터(61)가 리셋트되는 것을 제외하고는 제 6도(가)에 대하여 이상에서 설명된 바와 유사한 방식으로 작동된다.

3중 입력 연력 게이트(64)는 신호들(42a)을 수신하여 상기 신호들(42a) 중 어느 하나가 상태를 변화시킬 때마다 상태를 변화시키는 출력신호를 제공한다. 제 6 도(나)의 회로소자가 이용되는 경우, 인코더(42)로부터의 고해상도 펄스 트레인(42b)은 작동중인 드라이브에 불필요하다. 이러한 실시예에서는, 단지 하나의 펄스 트레인을 제공하는 단순한 RPT가 사용될 수 있다.

제 4 도를 다시 참조하면, 상기 주파수 배율기(44)로부터의 HF 클럭 신호는 각도 제어 회로(46) 및 쵸핑(chopping) 제어 회로(47)에 인가된다. 일반적으로, 상기 각도 제어 회로(46) 및 쵸핑 제어 회로(47)는 전력 장치용 스위칭 신호를 제공하기 위하여 상기 HF 클럭 및 인코더(42)로부터의 신호에 반응하게 된다. 상기 쵸핑 제어기(47)는 상기 쵸핑 방법이 위상 권선내의 전류를 제어하는데에 효율적일 때에 비교적 낮은 각도 속도로 사용될 수 있으며, 각도 제어기(46)는 상기 기계의 속도가 비교적 높고 쵸핑 제어가 비효율적일 때에 이용될 수 있다. 통상, 상기 각도 제어기(46) 및 쵸핑 제어기(47)는 인코더(42)로부터 유도된 디지탈 로터 위치 신호들을 수신하여 상기 인코더(42)로부터의 로터 위치 신호들을 수신하여 상기 인코더(42)로부터의 로터 위치 신호들을 원하는 작동 조건에 대한 턴-온 및 턴-오프 각도에 해당하는 신호들과 비교한다. 적절한 제어기에 의하여 로터가 상기 턴-온 각도에 해당하는 위치에 있다고 결정될 때, 상기 적절한 전력 장치에 스위칭 신호가 발생되어 적절한 위상 권선에 전력을 공급한다. 상기 인코더(42)로부터의 로터 위치 신호에 의하여 상기 로터가 상기 턴-오프 각도에 해당하는 위치에 있다고 표시될 때, 적절한 제어기는 상기 적절한 스위칭 장치를 턴 오프하도록 스위칭 신호를 발생시키고 상기 적절한 위상 권선에 대한 전력 공급을 중단한다. 쵸핑 제어가 이용되면, 상기 제어기(47)는 상기 턴-온 및 턴-오프 각도에 의한 주기간에 쵸핑 신호들을 발생시켜 상기 위상 권선 내의 전류를 제어할 수 있다. 이러한 기술은 스위치된 자기 저항 드라이브의 기술 분야에서 주지되어 있다.

제 4 도의 실시예에 있어서, 상기 턴-온 및 턴-오프 정보는 토크-요구(Torque-Demand)및 모터의 실제 속도를 나타내는 신호들을 입력 신호로서 포함하는 제어 법칙 표(48)에 의하여 제공된다. 제 4 도의 실시예에 있어서, 상기 제어 법칙 표(48)는 여러 속도/토크-요구 조합에 대하여 적절한 턴-온 및 턴-오프데이타를 수용하고 있는 EPROM 내에 미리 보간된 매트릭스를 포함하는 순람표로 이루어질 수 있다. 이러한 턴-온 및 턴-오프 데이타는 경험적으로 유도 및 계산될 수 있다. 상기 제어 법칙 표(48)는 스파스 매트릭스(Sparse matrix)로 이루어지며, 실제 시간에 있어서 상기 적절한 턴-온 및 턴-오프 각도를 계산하는 데에 마이크로프로세서 또는 ASIC을 이용하는 또 다른 실시예도 고려가능 하다.

제 7 도(가)는 제 4 도의 각도 제어기(46)를 작동시키는 데에 이용될 수 있는 회로소자의 예를 개략적으로 도시한다. 제 7 도(가)에 도시된 바와 같이, 각도 제어기(46)는 제 6 도에 관련하여 설명된 상기 HF 클럭 신호들을 클럭 입력으로서 수신하는 8-비트 업 카운터(70)로 이루어질 수 있다. 표시된 바와 같이, 상기 HF 클럭 신호는 로터의 각도 속도에 비례하는 주파수에서 발생되는 일련의 클럭 펄스로 이루어진다. 업 카운터(70)의 리셋트 입력은 제 7 도(가)의 실시예에서는 센서(51a)로부터의 펄스 트레인으로 된 제 1 신호 세트로부터 적어도 하나의 신호를 수신하기 위하여 연결된다.

제 7 도(가)를 참조하면, 상기 8-비트 업 카운터(70)는 상기 펄스 트레인(51a)의 출력에 에지가 발생될 때마다 리셋된다. 실시예들이 업 카운터(70)가 하강 에지에서 리셋될 수도 있으나, 제 7 도(가)의 실시예에 있어서 상기 업 카운터(70)는 각각의 상승 에지에서 리셋된다. 이는 업 카운터(70)가 고정자 극에 대하여 회전극의 절대 위치에 해당하는 지점에서 리셋트되고, 또한 상기 업 카운터(70)가 로터의 속도에 비례하여 변화되는 HF 클럭 신호에 클럭되기 때문이며, 여기에서 업 카운터(70)의 작동 출력은 오버타임을 증가시키는 디지탈 워드가되고 이 디지탈 워드의 값은 로터의 위치에 대응한다. 이는 제 7 도(나)의 각도 제어 램프 신호에 의하여 개략적으로 도시된다.

제 7 도(나)를 참조하면, 업 카운터(70)의 출력은 상기 각도 제어 램프에 의하여 도시된다. 제 7 도(나)에서와 같이, 시간 To 지점에서 업 카운터(70)는 디코더(71)로부터의 상승 에지 클럭신호를 수신한다. 이 상승 에지는 업 카운터(70)를 리셋트하여 그의 출력을 제로(0)로 하강시킨다. 이상에서 설명된 바와 같이, 이러한 상승 에지의 발생은 로터극이 고정자 극에 대하여 절대 위치에 도달한다는 것을 나타낸다. 업 카운터(70)가 리셋트된 후, 그의 출력은 시간 T4에서 펄스 트레인(51a)으로부터 다음의 상승 에지가 발생될 때까지 각각의 HF 클럭 펄스에 대응하여 증가된다. 로터의 속도에 비례하는 비율로 상기 HF 클럭 펄스가 발생하므로, 상기 업 카운터(70)의 출력은 로터의 위치에 상응하게 된다.

제 7도(가)를 다시 참조하면, 로터의 위치에 상응하는 업 카운터(70)로부터의 디지탈 출력은 원하는 위상 권선에 전력을 공급하거나 중단하도록 전력장치를 제어하기 위하여 스위칭 신호들 또는 점화 신호들을 출력하는 데에 이용될 수 있다. 특히, 제 7 도(가)에서, 8-비트 비교기(72)는 적절한 스위칭 장치를 턴-온시킬 수 있도록 로터가 언제 턴-온에 이르게 되는 지를 감지하는 데에 이용된다. 제 7 도(가)에 도시된 바와 같이, 비교기(72)는 제어 법칙 표(48)로부터 원하는 턴-온 지점에 해당하는 8-비트 워드를 그의 입력(A)에서 수신한다. 비교기(72)는 업 카운터(70)로부터의 작동 출력을 그의 입력(B)에서 수신한다. 제 7 도(가)의 실시예에 있어서, 비교기(72)는 입력(A)가 입력(B)를 초과할 때 마다 로직 하이를 출력한다.따라서, 원하는 턴-온 각도에 해당하는 신호가 업 카운터(70)의 작동 출력을 초과할 때마다 비교기(72)의 출력은 로직 하이("1" )가 되며, 다른 모든 시간에서는 로직 로우(" 0" )가 된다. 이 신호는 업 카운터(70)의 작동 출력이 턴-온 각도를 나타내는 신호를 초과할 때마다 로직 하이가 되는 디지탈 신호를 출력하기 위하여 인버터에 의하여 반전된다.

마찬가지로, 비교기(74)는 제어 법칙 표(48)로부터 그의 입력(A)에서는 원하는 턴-오프 각도에 해당하는 디지탈 워드를, 그리고 입력(B)에서는 업 카운터(70)의 작동 출력을 수신한다. 비교기(72)와 마찬가지로, 비교기(74)는 그의 입력(A)에서의 워드가 입력(B)에서의 워드를 초과할 때마다 로직 하이(" 1" )의 출력 신호를 발생시킨다. 따라서, 비교기(74)는 업 카운터(70)로부터의 출력이 상기 턴-오프 각도에 해당하는 신호를 초과할 때마다 로직 로우(" 0" )인 디지탈 신호를 출력한다.

비교기(72)로부터의 반전된 출력 및 비교기(74)로부터의 출력은 모두 AND 게이트(75)에 인가된다. 따라서, AND 게이트(75)는 업 카운터(70)로부터의 작동 출력이 턴-온 각도를 나타내는 신호보다 크고 턴-오프 각도를 나타내는 신호보다 작을 때에만 로직 하이인 디지탈 신호를 출력한다. 이러한 AND 게이트(75)로 부터의 출력 신호는 제 7 도(가)에는 도시되지 않은 회로소자에 의하여 적절한 위상 권선에 대한 전력 공급을 제어하는 데에 이용될 수 있다. 비교기(72,74) 및 AND 게이트(75)의 일반적인 작동은 제 7 도(나)에 도시되어 있으며, 여기에서 AND 게이트(75)로부터의 출력은 기계의 전력 공급을 제어하는 데에 이용될 수 있는 일련의 펄스를 나타낸다.

당업자에게는 자명한 바와 같이, 제 7 도(가)의 실시예에 의한 제어 시스템은 기본적인 것으로서, 프리휠링(Freewheeling)과 같이 좀 더 복잡한 제어 기능을 수행하기 위한 회로소자는 포함하지 않는다. 이러한 추가 기능은 본 발명의 요지 및 범위에서 벗어나지 않는 한 제 7 도(가)의 회로에 쉽게(예를 들면, 또 다른 비교기를 추가함으로써) 추가될 수 있다. 또한, 제 7 도(가)는 단일 위상만을 위한 제어 회로소자를 도시한다. 상기 회로소자는 일반적으로 모터의 각각의 위상에 대하여 반복되며, 드라이브가 모터링으로부터 발전(Generating)으로 진행할 경우, 각도 제어 램프를 상승에지에서 리셋트되는 것으로부터 하강 에지에서 리셋트되는 것으로 에지를 변경하는 데에 추가 회로소자 (도시되지 않음)가 일반적으로 필요하다. 예를 들면, 제 7 도(가)의 회로소자는 센서(51b) 또는 센서(51c)중 하나의 펄스 트레인에 의하여 리셋트되는 업 카운터(70)를 사용하여 반복될 수 있다. 제 7 도(가)의 제어기를 다중-위상 모터에까지 연장하기 위한 기술 및 회로소자는 이 발명 개시에 의한 장점을 갖는 당업계에서 자명하다. 또한, 제 7 도(가)의 제어 회로는 각도 제어기를 개략적으로 도시한다. 상기 제어기는 쵸핑 회로를 포함하도록 수정될 수 있는데, 이 쵸핑 회로는 턴-온 및 턴-오프 각도간의 간격 동안에 원하는 전류와 위상 권선내를 흐르는 실제 전류를 비교하고 실제 전류가 원하는 전류와 같거나 이를 초과할 때마다 위상 전류를 쵸핑한다.

제 4 도의 제어기는 비용이 많이 드는 절대 위치 인코더 또는 처리 회로소자가 없이도 스위치된 자기 저항 기계를 효과적으로 제어할 수 있다. 따라서, 제 4 도에 도시된 바의 본 발명 제어기는 저렴하고 효율적인 제어 시스템을 제공할 수있다.

제 5 도(가) 및 (다)에 도시된 특정한 인코더(42)는 일실시예이며, 본 발명은 기타 유형 및 특징의 베인 및 센서 및 기타 형태의 포지션 인코더에 적용될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한 센서의 수와 위치에 따라 각 세트당 톱니부의 수가 변할 수 있다.

또 다른 선택적인 실시예로부터 상이한 해상도를 갖는 2개의 증가 인코더 또는 상이한 해상도를 갖는 2개의 절대 인코더를 사용할 수 있음을 알 수 있다. 또한 본 발명의 상기 실시예는 논리 회로, ASIC 또는 마이크로프로세서를 포함하나, 적절히 프로그램된 마이크로컨트롤러, 특정한 논리 회로 또는 아날로그 회로소자에 의하여 본 발명이 실행될 수도 있음을 당업자에게 자명하다.

본 발명은 회전 기계의 용어로써 설명되었으나, 동일한 효과를 위하여 선형 포지션 인코더에 동일한 작동 원리가 적용될 수도 있음은 당업자에게 자명하다. 예를 들면, 당업자에게는 자기 저항 기계 (기타 유형의 전기 기계와 같이)가 선형 모터로서 구성될 수도 있음을 자명하다. 선형 모터의 이동 부재는 이 기술 분야에서 로터로서 언급된다. 이에 사용된 " 로터" 라는 용어는 선형 모터의 이동 부재를 포함한다.

그러므로, 상기 실시예 및 설명으로 개시된 본 발명의 원리는 다양한 회로 유형 및 배열을 이용하여 실행될 수 있다. 당업자는 이상에서 도시되고 설명된 예를 엄격히 따를 필요는 없으며 청구범위에 설정된 바의 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 알 수 있을 것이다.

제 1 도는 스위치된 자기저항 드라이브 시스템의 주요부분을 도시한다.

제 2 도는 고정자 극에 인접한 회전극 및 상기 고정자 극에 결합된 위상 권선 부분에 대한 전환점을 도시한다.

제 3 도는 제 2도의 고정자 극에 결합된 위상 권선 부분에 대하여 전력을 공급하는 전력 변환기내의 스위칭 회로소자를 도시한다.

제 4 도는 스위치된 자기저항 드라이브의 작동을 제어하기 위한 개선된 제어 시스템 및 포지션 인코더를 도시한다.

제 5 도 (가) 내지 (다)는 제 4 도의 인코더의 구성을 보다 상세하게 도시한다.

제 6 도 (가) 및 (나)는 제 4 도의 주파수 배율기(multiplier)를 작동시키는 데에 사용될 수 있는 회로소자의 예를 도시한다.

제 7 도 (가) 및 (나)는 제 4 도의 각도 제어기를 작동시키는 데에 사용될 수 있는 회로소자의 예, 및 상기 각도 제어기로 전송되고 또한 상기 각도 제어 기에 의하여 발생되는 신호들의 예를 도시한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 스위치된 자기저항 드라이브 시스템 11 : 직류전원

12 : 모터 13 : 전력 변환기

15 : 로터 위치 검출기 20 : 회전극

21 : 고정자 극 23 : 위상 권선

31,32 : 전력 스위칭 장치 40 : 제어기

42 : 로터 포지션 인코더 44 : 주파수 배율기

50 : 컵 - 베인 51a-51c, 52a 52b : 센서

48 : 제어 법칙표 60 : 증가 검출기

61, 70 : 업 카운터 62, 63 : 제산기

64 : 논리 회로 72, 74 : 비교기

Claims (10)

1. 로터(20), 고정자(21) 및 하나 이상의 위상 권선(23)으로 이루어지는 스위치된 자기저항 드라이브용 제어장치로서,

   상기 고정자에 대한 상기 로터의 위치를 표시하는 출력 신호를 발생시키도록 작동될 수 있는 로터 포지션 인코더(50, 51a, 51b, 51c, 52a, 52b)와;

   상기 인코더로부터의 제 1, 2 출력 신호(42a;42b)를 수신하기 위하여 배열되며, 각각이 상기 제 1 출력 신호들의 상태 변화에 의해 정의되는 일련의 클럭 펄스를 발생시키기 위하여 작동될 수 있는 증가 검출기(60:64)와, 상기 일련의 클럭 펄스를 수신하기 위하여 배열된 리셋트 입력(R)을 가지며, 상기 증가 검출기에 의하여 발생된 각각의 클럭 펄스에 대응하여 리셋될 수 있으며, 시스템 클럭에 연결된 클럭 입력을 가지며, 상기 증가 검출기로부터의 일련의 클럭 펄스의 주파수에 비례하여 변화하는 출력(C)을 제공하기 위하여 작동될 수 있는 카운터, 및 상기 카운터와 상기 시스템 클럭의 출력을 수신하기 위하여 연결되며, 상기 제 2 출력 신호 주파수에 비례하는 주파수와 상기 시스템 클럭 주파수의 일부를 갖는 클럭 신호(HFCLOCK)를 그 출력에 제공하기 위하여 작동될 수 있으며, 여기서 상기 클럭 신호 주파수와 상기 시스템 클럭 주파수와의 관계는 상기 카운터의 출력에 의하여 제어되는, 프로그램 가능한 제산기(62)로 구성되는 주파수 배율기(44); 및

   상기 클럭 신호 및 상기 인코더로부터의 제 1 출력신호들(42a)에 반응하여 하나 이상의 위상 권선에 대한 전력공급을 제어하는 스위칭 신호들을 발생시키는각도 제어 수단(46)으로 구성되는, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 증가 검출기는 배타적 OR 게이트로 이루어지는, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 클럭 신호의 주파수가 상기 카운터의 출력에 의하여 제산되는 상기 시스템 클럭의 주파수와 같은, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 각도 제어 수단은:

   고주파수 클럭 신호를 수신하기 위하여 연결된 클럭 입력 및 상기 제 1 출력 신호들을 수신하기 위하여 연결된 리셋 입력(R)을 가지며, 상기 제 2 카운터 리셋 입력에 펄스를 인가함으로써 상기 제 2 카운터 클럭 입력에 인가된 펄스들의 수를 표시하는 제 2 카운터 출력을 제공하기 위하여 작동될 수 있는 제 2 카운터(70)와;

   상기 제 2 카운터 출력(B) 및 상기 위상 권선이 전력을 공급받는 로터 위치에 해당하는 값을 갖는 턴-온 신호(A)를 수신하기 위하여 연결되며, 상기 제 2 카운터 출력값이 상기 턴-온 신호값을 초과하는 경우 제 1 로직 레벨에서 출력 신호를 제공하는 제 1 비교기(72)와;

   상기 제 2 카운터 출력 및 상기 위상 권선이 전력을 공급받지 못하는 로터 위치에 해당하는 값을 갖는 턴-오프 신호(A)를 수신하기 위하여 연결되며, 상기 제2 카운터 출력값이 상기 턴-오프 신호값을 초과하는 경우, 소정의 로직 레벨에서 출력 신호를 제공하는 제 2 비교기; 및

   상기 비교기로부터의 상기 출력신호들이 상기 카운터 출력이 상기 턴-온 신호값 보다는 크고 상기 턴-오프 신호값보다는 작다는 것을 나타내는 경우, 상기 위상 권선에 전력을 공급하도록 하는 점화 신호를 발생시키기 위해 상기 제 1 및 제 2 비교기로부터의 상기 출력 신호들에 반응하는 논리 수단으로 이루어지는, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 로직 레벨은 로직 로우 레벨이며,

   상기 소정의 로직 레벨은 로직 로우 레벨이고, 상기 제 1 및 제 2 비교기로 부터의 출력 신호들에 반응하는 상기 논리 수단은, 상기 제 1 비교기의 출력을 반전시키기 위하여 상기 제 1 비교기의 출력에 연결되는 인버터(73) 및 상기 인버터의 상기 출력을 수신하기 위하여 연결된 제 1 입력과 상기 제 2 비교기의 출력을 수신하기 위하여 연결된 제 2 입력을 갖는 AND 게이트(75)로 구성되는, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 출력 신호들은 상기 로터의 절대위치에 해당하는 제 1 해상도에 있고, 상기 제 2 출력 신호들은 상기 로터의 증가 위치에 해당하는 제 2 해상도에 있으며, 상기 제 2 해상도는 제 1 해상도보다 더 큰, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 로터 포지션 인코더는 제 1 피쳐(Feature) 세트(53) 및 제 2 피쳐(Feature) 세트(56)를 포함하는 부재(50), 제 1 센서 세트를 지나서 상기 부재의 이동을 표시하는 출력 신호들을 발생시키기 위하여 배열되는 제 1 센서 세트(51a, b, c), 및 제 2 센서 세트(52a, b)를 지나서 상기 부재의 이동을 표시하는 출력 신호들을 발생시키기 위하여 배열되는 제 2 센서 세트(52a, b)로 구성되며, 상기 제 1 센서 세트로부터의 출력 신호들은 상기 제 1 출력 신호들로 이루어지고 상기 제 2 센서 세트로부터의 출력들은 제 2 출력 신호들로 이루어지는, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 로터 포지션 인코더는 피쳐 세트를 포함하는 부재 및 상기 센서들을 지나서 상기 부재의 이동을 표시하는 상기 출력 신호들을 발생 시키기 위하여 작동할 수 있는 센서들의 세트로 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2 출력 신호들은 같은 신호인, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
9. 제 7 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 피쳐들은 광 차단 및 광 통과 영역을 규정하고 상기의 센서 세트를 구성하는 센서들은 광 센서인, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 광 차단 및 광 통과 영역은 각도범위를 규정하고,상기 제 1 피쳐 세트내의 피쳐들에 의하여 규정되는 상기 광 통과 및 광 차단 영역의 각도 범위는 실질적으로 동일한, 스위치된 자기저항 드라이브용 각도 제어장치.