KR101982880B1 - 교류 전기 모터와 제어 인버터를 포함하는 전기 장치 및 상기 장치의 기전력을 측정하기 위한 방법 - Google Patents

교류 전기 모터와 제어 인버터를 포함하는 전기 장치 및 상기 장치의 기전력을 측정하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교류 전기 모터(3)와, 상기 모터(3)의 위상(들)을 제어하기 위한 제어 인버터(5)를 포함하는 전기 장치(1)에 관한 것이다. 상기 모터(3)는 적어도 하나의 위상(PA, PB, PC)의 적어도 하나의 권선부 상에 사전 정의된 전위(M)에 대한 상대 전압을 측정하기 위한 일 지점(Ma, Mb, Mc)을 포함한다. 상기 측정 지점(Ma, Mb, Mc)은 권선부를 제 1 부분(Za1; Zb1; Zc1)과 제 2 부분(Za2; Zb2; Zc2)으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력(ea1, ea2)이 서로 위상차를 갖도록 선택된다. 상기 모터(3)는 또한, 상기 측정 지점과 사전 정의된 전위 사이의 전압을 측정하기 위한 수단(11A, 11B, 11C)을 포함한다. 본 발명은 또한, 기전력을 측정하기 위한 연관 방법에 관한 것이다.

Description

교류 전기 모터와 제어 인버터를 포함하는 전기 장치 및 상기 장치의 기전력을 측정하기 위한 방법{ELECTRIC DEVICE COMPRISING AN ALTERNATING CURRENT ELECTRIC MOTOR AND A CONTROL INVERTER AND A METHOD FOR MEASURING THE ELECTROMOTIVE FORCE OF THIS DEVICE}
본 발명은 교류 전기 모터와 제어 인버터를 포함하는 전기 장치 및 이러한 전기 장치의 기전력을 측정하기 위한 연관 방법에 관한 것으로, 교류 전기 모터의 분야에 적용된다.
본 발명은, 보다 구체적으로 설명하자면, 전기 자동차 분야에 있어서, 특히, 트랙션 인버터(traction inverter) 및 이와 연관된 전기 모터 또는 심지어 공기 조화 압축기 인버터 및 이와 연관된 전기 모터에 적용 가능하다.
전술한 바와 같은 용례에 특히 초점을 맞추어 설명되고는 있지만, 본 발명의 장치 및 방법이, 예를 들어, 동력 조타 장치 또는 팬 전기 모터와 같은 기타 다른 분야에 적용될 수도 있음을 알 수 있을 것이다.
통상적으로, 전기 자동차에는 고전압 충전지가 장착되어 있으며, 이러한 고전압 충전지로부터 인버터로 직류 전류가 공급되어 인버터에서 상기 직류 전류가 교류 전류로 변환됨으로써 전기 모터의 동력으로 사용될 수 있으며, 이러한 동력을 사용하여 자동차의 이동이 이루어지게 된다.
전기 모터를 제어하기 위해서는, 특히 인버터의 스위치를 제어하기 위해서는, 모터의 각각의 위상에 정확한 순간에 전력을 공급하여 최적의 구동 토크를 달성하여야 하며, 이를 위해 모터의 각 방향 위치를 파악할 필요가 있다.
모터의 각 방향 위치를 파악하기 위하여, 예를 들어, 미국 특허 제 6,307,336 호에 개시된 바와 같이, 전기 모터의 회전 축선 상에 배치되는 위치 센서, 예를 들어, 홀 효과 인코더(hall effect encoder)/센서가 일반적으로 사용되어 왔다.
그러나, 상기 위치 센서는 시스템 내부적으로 약점이 있어 센서가 고장이 나는 경우 차량 멈춤을 야기하는 것으로 보여지며, 더욱이, 이러한 종류의 센서는 단가가 높은 편이다.
유럽 특허 제 EP 1564882 호에서는, 모터의 각각의 위상의 기전력을 직접 측정하기 위한 보조 권선부(winding)가 제안되어 있다.
그러나, 상기 해결 방안은 전기 모터의 구조를 변경하여야 하는 경우 이를 복잡하게 만들 수 있다.
또한, 앞서 설명한 위치 센서의 경우, 예를 들어, 측정 신호의 부재(不在)가 상기 보조 구성의 고장으로 인해 비롯되는 것인지 또는 모터 자체의 고장으로 인해 비롯되는 것인지를 알 수가 없다.
미국 특허 제 7,489,097 호에는 모터의 위상의 기전력을 직접 측정하기 위한, 교류 전류 모터 및 제어 인버터를 포함하는 전기 시스템이 설명되어 있다. 이와 같이 기전력(EMF)을 직접 측정하기 위해서는, EMF를 측정하고자 하는 위상에 측정 동안 전력이 인가되지 않도록 하는 특정한 방식으로 인버터에 의해 모터가 제어되어야 한다.
위상의 사다리꼴 제어를 이용함으로써 두 개의 위상에는 전력이 인가되도록 하면서 하나의 위상에는 전력이 인가되지 않도록 할 수 있다. 이 경우, EMF를 측정하기에 충분히 긴 주기 동안 전류는 제로이며 이에 따라 제로 크로싱(zero crossing)이 검출된다.
그러나, 이러한 제어 방식은, 예를 들어, 사인파 모터 제어 방식으로는 적절하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은, 위치 센서를 사용하지 않고 모터의 위상의 기전력을 직접 검출할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 주제는, 교류 전기 모터와, 상기 모터의 위상(들)을 제어하기 위한 제어 인버터를 포함하는 전기 장치에 있어서, 상기 모터는 적어도 하나의 위상의 적어도 하나의 권선부 상에 사전 정의된 전위에 대한 상대 전압을 측정하기 위한 일 지점을 포함하며, 상기 측정 지점은 권선부를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로 위상차를 갖도록 선택되고, 상기 모터는 또한, 상기 측정 지점과 사전 정의된 전위 사이의 전압을 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 장치이다.
권선부를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로 위상차를 갖도록 하는 방식으로 위상의 권선부의 레벨에서 직접 측정 지점을 선택함으로써, 모터의 형상 제어가 무의미해진다.
일 태양에 따르면, 상기 측정 지점과 사전 정의된 전위 사이의 전압을 측정하기 위한 상기 수단은 상기 인버터에 의해 관심 위상이 자유 회전 모드로 전환된 상태에서 전압을 측정하도록 구성된다.
다른 태양에 따르면, 상기 모터의 권선부는 중심 지점이 마련된 권선부이며, 상기 측정 지점은 상기 권선부의 중심 지점이다.
또한, 상기 권선부의 두 개의 부분 각각에서 야기되는 기전력은 실질적으로 동일한 진폭을 가질 수도 있다.
상기 인버터는 모든 위상을 자유 회전 모드로 동기식으로 전환하여 모터의 각각의 위상에 대한 전압 측정이 동시에 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.
일 태양에 따르면, 상기 인버터는 표준형 3상 인버터이다.
일 개선 사항에 따르면, 상기 인버터는 H-형상의 3상 브리지 인버터이다.
상기 교류 전기 모터는, 예를 들어, 전기각의 획분에 해당하는 기계적 스텝을 구비한 다상 전기 모터이다.
상기 교류 전기 모터는 교류 3상 전기 모터일 수도 있다.
상기 장치는 측정 수단에 연결되어 있으며, 각각의 위상의 측정 결과로부터 모터의 각각의 위상의 기전력을 추정하며 측정 기전력에 따라 상기 인버터를 제어하도록 구성되는 모터 제어 유닛을 포함할 수도 있다.
상기 제어 유닛은, 예를 들어, 각각의 위상의 기전력의 제로 크로싱으로부터 모터의 각방향 위치를 추정하도록 구성된다.
본 발명의 다른 주제는, 교류 전기 모터와, 상기 모터의 위상(들)을 제어하기 위한 제어 인버터를 포함하는 전기 장치의 기전력을 측정하기 위한 방법에 있어서, 적어도 하나의 위상의 권선부의 측정 지점과 사전 정의된 전위 사이의 전압을 측정하는 단계를 포함하며, 상기 측정 지점은 권선부를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로 위상차를 갖도록 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 장치의 기전력 측정 방법을 제공한다.
일 태양에 따르면, 상기 적어도 하나의 위상의 권선부의 측정 지점과 사전 정의된 전위 사이의 전압 측정 단계는 상기 인버터에 의해 관심 위상이 자유 회전 모드로 전환된 상태에서 수행된다.
다른 태양에 따르면, 상기 모터의 권선부는 중심 지점이 마련된 권선부이며, 상기 측정 지점은 상기 권선부의 중심 지점이다.
예를 들어, 상기 권선부의 두 개의 부분 각각에서 야기되는 기전력은 실질적으로 동일한 진폭을 가질 수 있다.
상기 모든 위상은 예를 들어, 펄스 폭 변조에 의해 자유 회전 모드로 동기식으로 전환되어 모터의 각각의 위상에 대한 전압 측정이 동시에 이루어질 수 있다.
상기 인버터는, 예를 들어, 표준형 3상 인버터 또는 H-형상의 3상 브리지 인버터이다.
상기 교류 전기 모터는, 예를 들어, 전기각의 획분에 해당하는 기계적 스텝을 구비한 다상 전기 모터이다.
상기 교류 전기 모터는 3상 전기 모터일 수도 있다.
일 태양에 따르면, 상기 모터의 각각의 위상의 기전력은 각각의 위상의 전압 측정값으로부터 추정되며 상기 인버터는 측정 기전력에 따라 제어된다.
다른 태양에 따르면, 상기 모터의 각방향 위치는 각각의 위상의 기전력의 제로 크로싱으로부터 추정된다.
상기 모터의 각각의 위상의 기전력의 측정으로부터 진단 정보가 추정될 수 있으며, 위상 중 하나의 오류 발생 시에 경고 신호가 발생될 수 있다.
본 발명에 따른 교류 전기 모터와 제어 인버터를 포함하는 전기 장치 및 상기 장치의 기전력을 측정하기 위한 방법에 의하면, 값비싼 위치 센서를 사용하지 않고서도 모터의 위상의 기전력을 직접 검출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명이 첨부 도면을 참조하여 비제한적인 예로서 주어진 바람직한 실시예의 아래의 상세한 설명을 읽음으로써 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 장치의 제 1 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 장치의 세부 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 따른 장치에 대한 PWM 제어 그래프이다.
도 4는 3상 모터의 기전력의 측정값을 벡터 그래프를 이용하여 나타낸 도면이다.
도 5는 장치의 제 2 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 인버터가 중심 지점 전압의 측정이 가능하도록 전환되어 있는 도 5의 회로를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 분리 다단계 교류 전기 모터를 간단한 형태로 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 모터의 배선 구조의 제 1 예를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7의 모터의 배선 구조의 제 2 예를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 장치가 장착되어 있는 자동차의 속도 함수로서의 기전력 측정값의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 11은 제로 크로싱의 검출을 위한 시간 변화에 따른 3상 모터의 위상의 기전력을 나타낸 그래프이다.
도 12는 측정 EMF의 두 개의 제로 크로싱 사이의 지연을 속도 함수로서 나타낸 도면이다.
전체 도면에 걸쳐 동일한 구성 요소는 동일한 도면 부호로 지시되어 있다.
도 1에는, 한편으로는 교류 전기 모터(3)를 포함하면서, 다른 한편으로는 모터(3)의 위상(PA, PB, PC)을 제어하기 위한 제어 인버터(5)를 포함하는 본 발명에 따른 장치(1)가 도시되어 있다.
용어 "전기 모터(electric motor)"는 전류 인가시에 전기 에너지를 기계 운동으로 변환하며 또한 기계 운동을 전기 에너지(전류 발생기)로 변환하는 전기 기기를 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
일 예로서, 전기 모터(3)는 중성(neutral) 지점을 구비하지 않은 3상 모터로서 모터의 세 개의 위상(PA, PB, PC)은 각각 중심 지점(Ma, Mb, Mc)이 마련되어 있는 권선부(winding)에 의해 생성된다. 따라서, 도 1에는 모터가 인덕턴스로서의 역할을 하는 권선부를 중심으로 단지 부분적으로만 도시되어 있음이 이해될 것이다.
전술한 예에서, 모터의 위상을 제어하기 위한 제어 인버터(5)는 H-형상 브리지 3상 인버터이다.
본 실시예에 있어서, 상기 인버터는 세 개의 H-형상 브리지(Ha, Hb, Hc)를 포함한다.
각각의 H-형상 브리지는 네 개의 스위치(Si,j)(i=1,2; j=A, A', B, B', C, C')를 포함하며, 여기서, 지수 'i'의 값이 1이라는 것은 해당 스위치가 이른바 브리지의 기부(foot)로 불리우는 브리지의 저부에 위치함을 나타내며, 지수 'i'의 값이 2라는 것은 해당 스위치가 브리지의 상부에 위치함을 나타낸다. 또한, 지수 'j'와 관련하여 프라임 표시(prime mark)의 유무는 스위치가 속한 위상을 나타낸다.
스위치(Si,j)(i=1,2; j=A, A', B, B', C, C')는, 예를 들어, 절연 게이트 양극형 트랜지스터(Insulated Gate Bioplar Transistor:IGBT) 유형의 전원 스위치로서, 입력부의 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:MOSFET)와 출력부의 양극형 트랜지스터가 조합되어 있는 하이브리드 트랜지스터에 해당한다.
용어 "H-형상 브리지 구조" 또는 "H-형상 브리지"는 공지된 바와 같은 전기 또는 전자 회로에 해당한다.
예를 들어, H-형상 브리지(Ha)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 보통 개략적으로 H-자 형태로 배열되는 네 개의 스위칭 소자(S1A, S2A, S1A', S2A')를 포함하며, H-자형으로 형성됨에 따라 하나의 수평 방향 가지부와 이 수평 방향 가지부의 양측에 각각 배치되는 두 개의 수직 방향 가지부로 구성되고 있고, 상기 두 개의 수직 방향 가지부 각각의 양측에는 스위칭 소자(S1A, S2A)와 스위칭 소자(S1A', S2A')가 마련되어 있다. 여기서, 상기 수평 방향 가지부가 브리지의 부하(load), 다시 말해, 전기 모터(1)의 위상(PA)의 권선부에 해당한다.
각각의 스위치(Si,j)는 제어 유닛(9)에 연결되어 있다. 제어 유닛(9)은 펄스 폭 변조(PWM) 방식을 이용하며, 예를 들어, 모터를 일 방향 또는 반대 방향으로 회전시켜 자동차의 추진력을 발생시키는 등의 다양한 기능을 수행할 수 있다.
상기 회로는 직류(DC) 전압원(E)에 연결되어 있다. 상기 회로를 자동차에 적용한 용례의 경우, 상기 전압원(E)은, 예를 들어, 전원 충전지와 같은 축전기 수단의 역할을 한다.
상기 모터(3)는, 적어도 하나의 위상의 적어도 하나의 권선부 상에, 사전 정의된 전위에 대한 상대 전압을 측정하기 위한 일 지점을 포함한다. 이러한 측정 지점은 권선부를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로에 대해 위상차를 갖도록 선택된다.
본 예에서, 상기 측정 지점은 위상(PA, PB, PC)의 권선부의 중심 지점(Ma, Mb, Mc)과 동일하게 결정되는 것이 유리하다.
본 발명에 따른 장치는 또한, 상기 인버터에 의해, 예를 들어, 관심 위상(PA, PB, PC)이 자유 회전 모드로 전환된 상태에서, 상기 측정 지점(Ma, Mb, Mc)과 사전 정의된 전위, 예를 들어 회로의 접지부(M) 사이의 전압을 측정하기 위한 수단(11A, 11B, 11C)을 포함한다.
자유 회전 모드로의 상기 위상(PA, PB, PC)의 전환은 선택 사항으로서, 오프셋으로 인한 영향을 배제할 수 있는 장점이 있다.
보다 자세히 설명하자면, 도 2에 상세히 도시된 바와 같이, 일 예의 브리지(Ha)는 스위치로서 개략적으로 나타내어진 바와 같은 스위칭 소자를 포함한다.
도시된 바와 같이, 브리지의 기부의 스위치, 다시 말해, 스위치(S1A, S2A)는 폐쇄되어 있으며, 다시 말해, 위상(A)은 인버터(5)에 의해 자유 회전 모드로 전환되어 있는 상태이다.
권선부의 제 1 부분은 임피던스(Za1)로 나타내어지며, 제 2 부분은 임피던스(Za2)로 나타내어진다.
이 경우, 아래의 수학식 1을 가정할 수 있다.
Figure 112011048822921-pat00001
상기 수학식 1에서, VOM 은 위상의 권선부의 중심 지점과 회로의 접지부 사이에서 측정되는 전압이며,
ea1 은 임피던스(Za1)의 제 1 부분에서 야기되는 부분 기전력이고,
ea2 은 임피던스(Za2)의 제 2 부분에서 야기되는 부분 기전력이며,
ia 는 도 2에 도시된 바와 같이 H-형상 브리지가 자유 회전 모드로 전환되는 경우 야기되는 전류이다.
Za1 = Za2 = Z 의 관계를 만족하는 가장 간단한 경우를 가정하면(물론, Za1이 Za2와 다를 수도 있음에 주의하여야 한다), 아래의 수학식 2를 얻을 수 있다.
Figure 112011048822921-pat00002
전술한 바와 같이, 측정 지점은 부분 기전력(ea1, ea2)이 서로 위상차를 갖도록 선택된다. 이러한 측정 지점 선정은 여러 서로 다른 방법으로 달성될 수 있는데, 특히, 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 기계적 스텝이 전기각의 획분(fraction)에 해당하는 다상 교류 전기 모터(설명을 위해, 이러한 유형의 모터는 부분 다단계 전기 모터(fractional step electric motor)라 한다)를 사용하여 이루어질 수도 있다.
산출 과정을 간소화하기 위하여, 위상의 각각의 하프 코일(half coil)의 부분 기전력(ea1, ea2)이 진폭은 동일하지만(즉, 인덕턴스와 권선수는 동일하지만) 상호 위상차를 갖는 것으로 가정할 수 있다.
상기 부분 기전력(ea1, ea2)의 측정하고자 하는 모든 고조파(harmonics)의 위상차가 동일한 경우에도 상기와 같은 가정은 유효하다.
상기 부분 기전력(ea1, ea2)은 아래의 수학식 3에서와 같이 전개될 수 있다.
Figure 112011048822921-pat00003
상기 수학식 3에서, Ek는 고조파의 진폭(k)이며(여기서, k는 자연수이다), wk는 고조파의 펄스 주파수 또는 각 방향 주파수이다.
따라서, 브리지 기부의 두 개의 스위치(S1A, S1A')가 폐쇄되어 있는 경우 측정 지점으로서의 중심 지점의 전압을 산출함으로써, 위상(PA)이 "자유 회전(freewheeling)" 상태에 있음을 알 수 있다.
이에 따라, 아래의 수학식 4 및 수학식 5가 얻어진다.
Figure 112011048822921-pat00004
Figure 112011048822921-pat00005
위상의 총 기전력이 아래의 수학식 6 및 수학식 7과 같이 나타내어질 수 있는 것으로 가정할 수 있다.
Figure 112011048822921-pat00006
Figure 112011048822921-pat00007
전술한 바와 같은 산출 과정의 결과 알 수 있는 바와 같이, EMF가 고조파를 포함하지 않는 경우, 측정값(VOM)은 교류 전류 모터(3)의 각각의 위상의 기전력(EMF)의 직접 측정된 신뢰성 있는 측정값을 제공한다.
따라서, EMF의 영상을 얻을 수 있지만, 이렇게 해서 얻어진 EMF 영상의 경우, 각각의 고조파 성분이 각도(φk+φk')에 해당하는 위상차에서 Ak/Ak 의 율로 감쇄된다.
Figure 112011048822921-pat00008
일 예로서, 당업자들에게 12-10 코일로 알려진 다섯 쌍의 자극과 12 개의 치부(teeth)를 구비한 기기(예를 들어, 도 10 참조)를 사용하여 두 개의 하프 코일 사이의 π/6의 위상차를 달성할 수 있다.
따라서, 아래와 같은 아래의 감쇄율과 위상차가 얻어진다.
Figure 112011048822921-pat00009
상기 감쇄율 및 위상차는 공지된 매개 변수로서 고정값을 가지며, 모터(3)의 구성에 좌우된다. 따라서, 모터의 각각의 위상의 EMF가 별도의 센서 또는 복잡한 추정 및 산출 과정을 필요로 하지 않고 용이하게 측정될 수 있다.
이러한 산출 과정은 따라서, EMF의 비율 또는 임피던스의 비율이 공지되어 있는 한, 균일하지 않은 값의 임피던스 및/또는 균일하지 않은 진폭의 EMF를 이용하여 유사한 방식으로 어려움 없이 이루어질 수 있다.
따라서, 모터(3)의 기전력이 지연이나 교란 현상 없이 또한 특정 필터링 과정을 필요로 하지 않고서도 검출될 수 있다.
전술한 바와 같은 장치의 덕택으로, 따라서, 인버터에 의해 관심 위상이 자유 회전 모드로 전환된 상태에서 적어도 하나의 위상의 권선부의 측정 지점과 사전 정의된 전위 사이에서 전압이 측정되는 방식으로 기전력을 측정하기 위한 방법이 실시될 수 있으며, 상기 측정 지점은 권선부를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로에 대해 위상차를 갖도록 선택된다.
모터의 각각의 위상의 기전력은 각각의 위상의 전압 측정값으로부터 추정될 수 있으며, 이와 같이 측정된 기전력에 따라 인버터가 제어될 수 있다.
바람직한 일 실시예에 따르면, 인버터(5)는 모든 위상을 자유 회전 모드로 동기식으로 전환하도록 구성되어, 모터의 각각의 위상에 대하여 전압의 동시 측정이 가능하도록 한다.
일 예가 펄스 폭 변조(PWM)를 중심으로 한 제어 방식을 도시한 도 3에 도시되어 있다.
상기 도면에서, PWM S1A는 스위치(S1A)용의 PWM 제어를 나타내며, PWM S1A'는 스위치(S1A')용의 PWM 제어를 나타내며, PWM S1B는 스위치(S1B)용의 PWM 제어를 나타내며, PWM S1B'는 스위치(S1B')용의 PWM 제어를 나타내며, PWM S1C는 스위치(S1C)용의 PWM 제어를 나타내며, PWM S1C'는 스위치(S1C')용의 PWM 제어를 나타낸다.
도 4는 모터의 각각의 위상의 권선부의 중심 지점에서의 각각의 위상의 EMF와 전압 측정값 사이의 연관성을 설명하는 도면이다. 이러한 연관성은, 다시 말해, 벡터 관계(위상차 및 이득의 존재를 설명하기 위해 사용됨)임이 이해될 것이다.
본 발명은 또한, 전술한 실시예와 유사한 방식으로, 도 5에 도시된 바와 같이 중심 지점을 구비한 권선부를 포함하는 한편 중성 지점을 구비하는 3상 모터(3) 및 표준 인버터(5)에 적용될 수 있다.
본 예에서, 상기 인버터(5)는 세 개의 가지부(A, B, C)를 포함하며, 각각의 가지부 당 두 개씩의 스위칭 소자(S1a, S2a, S1b, S2b, S1c, S2c)가 제공되어 있다.
상기 모터(3)는, 적어도 하나의 위상의 적어도 하나의 권선부 상에, 사전 정의된 전위에 대한 상대 전압을 측정하기 위한 일 지점을 포함한다. 이러한 측정 지점은 권선부를 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할하여(즉, 위상(A)의 경우 부분(Za1, Za2)으로, 위상(B)이 경우 부분(Zb1, Zb2)으로, 또한 위상(C)의 경우 부분(Zc1, Zc2))으로 분할하여), 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로에 대해 위상차를 갖도록 선택된다.
본 예에서, 상기 측정 지점은 위상(PA, PB, PC)의 권선부의 중심 지점(Ma, Mb, Mc)과 동일하게 결정되는 것이 유리하다.
또한, 상기 인버터에 의해 관심 위상(PA, PB, PC)이 자유 회전 모드로 전환된 상태에서, 상기 측정 지점(Ma, Mb, Mc)과 사전 정의된 전위, 예를 들어 회로의 접지부(M) 사이의 전압을 측정하기 위한 수단(11A, 11B, 11C)이 마련되어 제어 유닛(9)에 연결되어 있다.
스위칭 소자(S1a, S2a, S1b, S2b, S1c, S2c)가 개략적으로 스위치로 도시되어 있는 도 5 및 도 5에서와 동일한 회로가 도시되어 있는 도 6을 참조하여 이들 스위칭 소자가 이하에 보다 상세히 설명된다.
도시된 바와 같이, 각각의 가지부의 기부의 스위치, 다시 말해, 스위치(S2a, S2b, S2c)는 페쇄되어 있으며, 즉, 위상(PA, PB, PC)이 인버터(5)에 의해 자유 회전 모드로 전환되어 있다. 또한, 스위치(S2a, S2b, S2c)가 폐쇄되어 있는 경우, 중성 지점의 전압은 제로이며, 이에 따라 도 2에 도시된 바와 동일한 상태를 나타낸다.
따라서, 도 1 내지 도 4의 예와 유사한 방식으로, 각각의 위상의 기전력(EMF)을 개별적으로 또는 모두 함께 동기식으로 결정할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 용례는 위상의 권선부가 제 1 부분과 제 2 부분으로 분할되어 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로에 대해 위상차를 갖도록 선택되는 방식으로 이루어지는 측정 지점의 선정 과정을 수반한다.
이러한 측정 지점 선정은, 예를 들어, 분리 다단계 전기 모터(분리 다단계 다상 모터), 다시 말해, 기계적 스텝이 전기각의 획분에 해당하는 기기의 사용을 통해 이루어질 수 있다.
분리 다단계 기기는 권선부가 동일 위상에 속하지만 전기적으로 위상차를 갖는다는 독특한 특징을 갖추고 있다.
도 7에는 통상 12-10으로 불리우는 전기 기기(모터)의, 또는 권선부(+UA, -UA, +VA, -VA, +WA, -WB, +UB, -UB, +VB, -VB, +WB, -WB) 및 열 개의 자극(pole)(다섯 쌍의 자극(P1, P2, P3, P4, P5))을 구비한 열두 개의 노치(notch)의 일 예가 도시되어 있다.
각각의 쌍의 자극은 피치(2π/5)로 서로 오프셋되어 있는 반면, 권선부는 서로 간격(2π/12)으로 오프셋되어 있다.
사용 용어를 보면, 동일한 문자로 지시되어 있지만 부호가 반대인 권선부는 반대 방향으로 권선되어 있음을 의미한다. 예를 들어, +UA는 -UA의 반대 방향으로 권선된 것을 의미한다.
전술한 바와 같은 모터에서, 3상은 참조 문자 U, V, W로 지시되어 있으며, 각각의 위상의 네 개의 권선부의 도면 부호를 보면, 첫번째 문자는 권선부가 속한 위상을 나타낸다. 예를 들어, 권선부(+UA, -UA, +UB, -UB)는 위상(U)의 권선부를 의미한다.
모터의 소정의 특징에 따라, 각각의 위상의 기전력을 직접 측정하기 위한 본 발명에 따른 방법의 실시를 위한 두 가지 배선 방식이 고려할 수 있다.
도 8에 도시된 제 1 방식에 따르면, 동일 위상의 네 개의 권선부가 직렬로 배열되며, 동일 위상의 기전력에 해당하는 전압을 측정하기 위한 측정 지점(Mu, Mv, Mw)은, 한편으로는 동일 위상의 두 개의 인접한 직렬 권선부, 예를 들어 권선부(+UA, -UA)와 다른 한편으로는 동일 위상의 다른 두 개의 인접한 직렬 권선부, 예를 들어 권선부(+UB, -UB) 사이의 중심 지점이다.
따라서, 일 예로서, 동일 위상의 권선부(즉, 위상(U)의 권선부(+UA, -UA, +UB, -UB))가 권선부(+UA, -UA)에 의해 형성되는 제 1 부분과 권선부(+UB, -UB)에 의해 형성되는 제 2 부분으로 분할되어 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 위상차를 갖도록 위상(U)의 측정 지점(Mu)이 선정됨을 알 수 있다.
도 9에 도시된 제 2 방식에 따르면, 동일 위상의 순방향 및 역방향 권선부(예를 들어, 권선부(+UA)와 권선부(-UA))는 병렬로 배열되며, 위상의 기전력에 해당하는 전압을 측정하기 위한 측정 지점(Mu, Mv, Mw)은, 한편으로는 동일 위상의 두 개의 인접한 병렬 권선부, 예를 들어 권선부(+UA, -UA)와 다른 한편으로는 제 1 권선부와 대향하게 배치되는, 동일 위상의 다른 두 개의 인접한 병렬 권선부, 예를 들어 권선부(+UB, -UB) 사이의 중심 지점이다.
도 10에는, 일 예로서, 전기 자동차와 관련하여, 실선(50)으로 나타낸 전압 측정 값(VOM)과 파선(52)으로 나타낸 추정 기전력의 진폭이 속도 함수로서 도시되어 있다.
도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 모터를 제어하기 위한 유닛(9)은 상기 측정 수단(11A, 11B, 11C)에 연결되어 있으며, 각각의 위상에 대한 측정 결과로부터 모터의 각각의 위상의 기전력을 추정하는 한편 측정 기전력에 따라 인버터를 제어하도록 구성되어 있다.
용어 "무센서(sensorless)" 제어가 적용되는데, 그 이유는 물리적 위치량을 직접 측정하기 위한 위치 센서가 없기 때문이다.
따라서, EMF를 직접 측정하는 방법을 사용할 경우 가능한 기기의 제어 간소화 효과에 추가하여, 무센서 방식의 모터 위치 제어 효과를 얻을 수 있다.
물론, 정지 시의 모터의 위치는 알 수 없지만, 필요한 경우, 회전자의 이동을 개시하기에 충분한 전류로 고정자를 여기시킬 수 있으며, 발생 EMF의 양이 충분한 경우, 제어 유닛(9)은 또한, EMF 측정을 통해 모터의 위치를 추정할 수 있다. 제어 유닛(9)은 또한, PWM 제어에 의해 각각의 위상에 인가되는 전압을 정확하게 산출하여 필요한 모터 토크와 회전 방향을 획득할 수 있다.
시동 위상은, 짧게 이루어진 경우, 운전자가 감지하지 못할 수도 있다.
기어비가 10이며, 휠 직경이 70cm이고, 속도가 40km/h인 예를 가정하면, 기기의 회전수는 3000rpm-1이다. 1km/h의 속도에서, 기기의 회전수는 1.25rpm-1이며, 이 값은 1초 동안 휠이 0.125바퀴 회전함을 의미한다. 실질적으로 중요한 것은, 회전자의 각도를 용이하게 확인하는 것이다. 전술한 12-10 기기의 예에서, 회전수는 1/5 이거나 200ms(0.025의 휠 회전)의 값을 갖추어야 한다. 이 경우 운전자가 이러한 이동량을 감지하기란 불가능한데, 그 이유는 이동량이 5.5cm에 불과하기 때문이다.
측정 EMF는 8.8V이다(도 10 참조). 측정값의 분석이 충분히 이루어지는 것을 전제로, 이러한 측정 EMF는 컴퓨터를 사용하여 모터의 위치를 검색하기 위한 산출 과정에 사용될 수 있다.
또한, 제어 유닛(9)은 각각의 위상의 기전력의 제로 크로싱으로부터 모터의 각방향 위치를 추정하도록 구성된다.
실제로, 제로 크로싱 검출 과정은 소프트웨어를 사용하여 또는 전자 회로를 통해 간단히 이루어지는 작동이다.
도 11을 참조하면, 3상 모터의 경우, 주기 당 또한 위상 당 두 개의 제로 크로싱이 계산된다. 위상간의 위상차가 존재하는 것으로 가정하면, 위상당 총 여섯 개의 제로 크로싱이 계산된다. EMF 측정값의 제로 크로싱과 관련한 정보는 산출 과정 없이 모터(3)의 각 방향 위치를 획득하기 위해 직접적으로 이용 가능하다. 따라서, 각각의 전기 주기에 대하여 여섯 개의 각 방향 위치가 획득되며, 이러한 개수는 시점당 회전자의 각 방향 위치를 정확하게 알 필요는 없는 다수의 용례에서 필요로 하는 개수보다 많은 값이다.
도 12에는 기어비가 10이며 휠의 직경이 70cm이고 열두 개의 노치와 다섯 쌍의 자극을 구비한 기기와 관련한 용례에서 측정 EMF의 두 개의 제로 크로싱 사이의 지연을 전기 자동차의 속도 함수로서 나타낸 도면이다.
또 다른 태양에 따르면, 제어 유닛(9)은 모터의 각각의 위상의 기전력의 측정값으로부터 진단 정보를 추정하도록 구성되어 있다.
실제로, 상기와 같은 측정값은 예를 들어, 모터의 위상의 오류를 검출하며 경고 신호를 발생시키기 위한 비강제적인 방법을 제공한다.
위상에 오류가 있는 경우에도, 운전자는 차량을 서비스센터까지 운전하는 것은 가능하며 이와 같은 위상 오류를 고려하여 PWM 제어를 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의해, 모터의 각각의 위상의 기전력을 용이하게 직접 측정할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이에 따라, 더 이상 특정 센서를 사용할 필요가 없어 모터의 제어 회로를 간소화할 수 있으며, 따라서 비용면에서 경제적이다.
분명히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 위상의 개수와 상관 없이 어느 교류 전기 모터에나 적용된다.
본원에서, 용어 "전기 모터"는 광범위한 의미의 전기 기기로 이해하여야 하며, 다시 말해, 기기가 전기 동력식인 경우에는 추진 모터로서, 또는 인버터가 모터에 의해 생성되는 전기 에너지를 회수하기 위한 충전 모드로 전환되는 경우에는 전류 발생기로서의 역할을 함을 이해하여야 한다.
1 : 전기 장치 3 : 전기 모터
5 : 제어 인버터 9 : 제어 유닛
PA, PB, PC : 위상 11A, 11B, 11C : 전압 측정 수단
ea1, ea2 : 기전력 Ma, Mb, Mc : 측정 지점
Za1, Za2, Zb1, Zb2, Zc1, Zc2 : 권선부

Claims (23)

  1. 교류 전기 모터(3)와, 상기 모터(3)의 위상(들)을 제어하기 위한 제어 인버터(5)를 포함하는 전기 장치(1)에 있어서,
    상기 모터(3)는 적어도 하나의 위상(PA, PB, PC)의 적어도 하나의 권선부 상에, 사전 정의된 전위(M)에 대한 전압을 측정하기 위한 측정 지점(Ma, Mb, Mc)을 포함하며,
    상기 측정 지점(Ma, Mb, Mc)은, 상기 권선부를 제 1 부분(Za1; Zb1; Zc1)과 제 2 부분(Za2; Zb2; Zc2)으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력(ea1, ea2)이 서로 위상 시프트되도록 선택되고,
    상기 모터(3)는 또한, 상기 인버터(5)가 적어도 하나의 관심 위상을 자유 회전 모드로 전환한 상태에서 전압을 측정하도록 구성되는, 상기 측정 지점과 사전 정의된 전위 사이의 전압을 측정하기 위한 측정 수단(11A, 11B, 11C)을 포함하는 것인 전기 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 모터(3)의 권선부는 중심 지점(Ma, Mb, Mc)이 마련된 권선부이며, 상기 측정 지점은 상기 권선부의 상기 중심 지점인 것인 전기 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 권선부의 상기 두 개의 부분 각각에서 야기되는 상기 기전력은 동일한 진폭을 갖는 것인 전기 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터(5)는, 모든 위상을 자유 회전 모드로 동기식으로 전환하여 상기 모터(3)의 각각의 위상에 대한 전압 측정이 동시에 이루어질 수 있도록 구성되는 것인 전기 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터(5)는 표준형 3상 인버터인 것인 전기 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 인버터는 H-형상의 3상 브리지 인버터(5)인 것인 전기 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 전기 모터(3)는 기계적 스텝이 전기각의 획분에 대응하는 다상 전기 모터인 것인 전기 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 교류 전기 모터(3)는 교류 3상 전기 모터인 것인 전기 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 측정 수단(11A, 11B, 11C)에 연결되어 있고, 각각의 위상에 대한 측정 결과로부터 상기 모터의 각각의 위상의 기전력을 추정하고 그리고 측정된 상기 기전력에 따라 상기 인버터(5)를 제어하도록 구성되는 모터 제어 유닛(9)을 포함하는 전기 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제어 유닛(9)은 각각의 위상의 상기 기전력의 제로 크로싱(zero crossing)으로부터 상기 모터(3)의 각방향(angular) 위치를 추정하도록 구성되는 것인 전기 장치.
  12. 교류 전기 모터(3)와, 상기 모터의 위상(들)을 제어하기 위한 제어 인버터(5)를 포함하는 전기 장치(1)의 기전력을 측정하기 위한 방법에 있어서,
    적어도 하나의 위상(PA, PB, PC)의 권선부의 측정 지점(Ma, Mb, Mc)과 사전 정의된 전위(M) 사이의 전압을 측정하는 단계를 포함하며,
    상기 측정 지점(Ma, Mb, Mc)은, 상기 권선부를 제 1 부분(Za1; Zb1; Zc1)과 제 2 부분(Za2; Zb2; Zc2)으로 분할하여 이들 두 개의 부분에서 야기되는 기전력이 서로 위상 시프트되도록 선택되고,
    상기 전압을 측정하는 단계는 상기 인버터(5)가 관심 위상을 자유 회전 모드로 전환한 상태에서 수행되는 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 모터(3)의 권선부는 중심 지점(Ma, Mb, Mc)이 마련된 권선부이며, 상기 측정 지점은 상기 권선부의 중심 지점인 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 권선부의 상기 두 개의 부분 각각에서 야기되는 상기 기전력은 동일한 진폭을 갖는 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 모든 위상은 자유 회전 모드로 동기식으로 전환되어, 상기 모터(3)의 각각의 위상에 대한 전압 측정이 동시에 이루어질 수 있는 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 인버터(5)는 표준형 3상 인버터인 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 인버터(5)는 H-형상의 3상 브리지 인버터인 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 교류 전기 모터(3)는, 기계적 스텝이 전기각의 획분에 대응하는 다상 전기 모터인 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  20. 제 12 항에 있어서, 상기 교류 전기 모터(3)는 3상 전기 모터인 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  21. 제 12 항에 있어서, 상기 모터의 각각의 위상의 기전력은 각각의 위상(PA, PB, PC)에 대한 전압 측정값으로부터 추정되며, 상기 인버터는 측정된 상기 기전력에 따라 제어되는 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 모터의 각방향 위치는 각각의 위상(PA, PB, PC)의 기전력의 제로 크로싱으로부터 추정되는 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
  23. 제 12 항에 있어서, 상기 모터의 각각의 위상의 상기 기전력의 측정으로부터 진단 정보가 추정되며, 위상 중 하나의 오류 발생 시에 경고 신호가 발생되는 것인 전기 장치의 기전력 측정 방법.
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