KR20050012800A - 독립 위상 파라미터를 이용한 브러쉬리스 모터 제어 - Google Patents

독립 위상 파라미터를 이용한 브러쉬리스 모터 제어

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KR20050012800A
KR20050012800A KR10-2004-7020563A KR20047020563A KR20050012800A KR 20050012800 A KR20050012800 A KR 20050012800A KR 20047020563 A KR20047020563 A KR 20047020563A KR 20050012800 A KR20050012800 A KR 20050012800A
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KR
South Korea
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phase
control
stator
winding
motor
Prior art date
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KR10-2004-7020563A
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English (en)
Inventor
마슬로브보리스에이.
핌스터매튜지.
소고모니안자레살마시
Original Assignee
웨이브크레스트 래버러토리스, 엘엘씨
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    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
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Abstract

다상 영구 자석 모터에 대한 제어 시스템은 각 모터 위상 회로 소자 간의 물리적인 편차를 보상한다. 제어 시스템은 대응하는 와인딩의 특정한 파라미터와 세밀하게 정합된 모터 위상 와인딩의 스위칭 기동을 위해 제어 전압을 연속적으로 발생시킨다. 이 시스템은 각 스테이터 위상 컴포넌트가 강자성적으로 격리된 스테이터 전자석으로 이루어져 있는 모터에 적용 가능하며, 전자석 코어 소자는 서로 간에 직접적으로 접촉되지 않고 분리된 위상 와인딩으로 형성된다. 파라미터들을 상수로 편입시키는 알고리즘을 적용하는 디지털 신호 프로세서를 이용할 수 있으며, 특정 위상에 대한 파라미터들은 그 위상을 기동하는 적절한 제어 신호를 생성하기 위해 액세스된다.

Description

독립 위상 파라미터를 이용한 브러쉬리스 모터 제어 {BRUSHLESS MOTOR CONTROL UTILIZING INDEPENDENT PHASE PARAMETERS}
상술한 계류 중인 특허출원들은 연소 엔진에 대한 실용적인 대안으로서 차량에 대한 효율적인 전기 모터 구동 장치를 개발하는 시도들을 설명한다. 모터 와인딩(Winding)의 전기적으로 제어되는 펄스형 기동은 모터 특성에 대한 더욱 유연한 관리의 가능성을 제시한다. 펄스 폭, 듀티 사이클(Duty Cycle) 및 적절한 스테이터(Stator) 와인딩에 대한 배터리원의 스위칭 인가 등을 제어함으로써, 교류 동기식 모터 동작과 거의 차이가 없는 기능적인 다용성을 실현할 수 있다. 이러한 와인딩과 함께 영구 자석을 사용하면 전류 소비를 제한하는데 유리하다.
차량 구동 환경에서는, 최소의 전력 소비로 높은 토크 출력 능력을 유지하면서, 광범위한 속도에 걸쳐 부드러운 동작을 구현하는 것이 매우 바람직하다. 계류 중인 출원에서 설명하는 모터 구조 설계는 이러한 목적을 위한 것이다. 전자석 코어(Core) 부분은 플럭스 집중을 증가시키기 위해, 환상의 고리에서 격리된 투자성 구조로서 구성할 수 있다. 전자석 코어 부분을 격리하면, 다른 전자석 멤버와의 바람직하지 않은 변압기 간섭 효과나 플럭스 손실을 최소로 하면서, 자기 코어에서의 개별적인 플럭스 집중이 가능하다.
브러쉬리스 모터 어플리케이션(Application) 내의 정밀 제어 동작은 전류 피드백(Feedback) 소자와 결합된 비선형 피드포워드(Feedforward) 보상의 통합을 포함한다. 그러나, 일반적으로 피드포워드 보상 식은, 도 1 에서 각 모터 위상에 대한 등가 회로도에 예시적으로 도시되어 있는 위상 저항 및 위상 자기인덕턴스 등과 같은 다양한 회로 파라미터에 크게 의존한다. Vi(t) 는 위상별 전압 입력을 나타내고, Ri는 위상별 와인딩 저항을 나타내며, Li는 위상별 자기인덕턴스를 나타낸다. Ei(t) 는 위상별 모터의 반대되는 역기전력(Back-emf) 전압을 나타내며, 다음 식으로 근사시킬 수 있다.
Ei= (Keiω)sin(Nrθi)
여기서, Kei는 위상별 역기전력 전압 계수를 나타내고, ω(t) 는 로터(Rotor) 속도를 나타내고, Nr은 영구 자석 쌍의 수를 나타내며, θi(t) 는 i 번째 위상 와인딩과 로터 기준 위치 간의 상대적인 변위를 나타낸다.
기계적/제조 내구성 및 다른 구조적인 특성에 의해 영향을 받는 현상으로 인하여, 각 모터 위상은 각 회로 소자에 대하여 일정 범위의 값을 나타낸다. 회로 파라미터의 크기에 영향을 줄 수 있는 요소로는, 전자석 코어의 총 플럭스 링키지(Flux Linkage), 전기 회로에 대한 코어 인덕턴스의 변동, 단면적 및 와인딩 장력과 같은 제조 내구성의 변화에 따른 위상 와인딩의 저항 편차, 코어의 투자율 편차(물질의 등급 및 처리와 마무리 내력에 관련됨), 위상 와인딩 기술(균일 와인딩과 스크램블(Scramble) 와인딩) 또는 각 스테이터 코어 상의 코일의 제작 품질, 전자석과 영구 자석 상호 작용의 위치(예를 들면, 자기 회로의 투자도), 영구 자석 로터 자석 하위 결합(Rotor Magnet Sub Assembly)에 의존적인 공극 플럭스 밀도의 편차, 잉여 자속 밀도, 외부 자기장으로 인한 바이어스 자기장, 코일 배선의 형상(사각형, 원형, 나선형), 코일의 와인딩 계수, 코어의 단층 내구성을 바꿀 수 있는 코어 형상의 제조 내구성 및 코일이 감겨지는 유효 길이 등이 포함된다.
일반적으로, 모터 제어법에서는 전체 모터에 걸쳐서 파라미터가 균일하다고 가정한다. 모터의 대응하는 모든 회로 소자를 나타내는 하나의 중간 파라미터값을 취한다. 이러한 럼프형 파라미터 기법은 종종, 각각의 위상 보상 루틴(Routine) 내에서의 파라미터값 부정합으로 인한 제어법의 과도/과소 보상에 의해, 동작 추적에 있어서의 저하를 유발한다. 이러한 가정된 파라미터는 독립적인 강자성적으로 격리된 코어 컴포넌트(Component)로서 구성된 스테이터 구조와는 훨씬 큰 불일치를 가지기 마련이다. 따라서, 별개의 위상 와인딩과 스테이터 위상 컴포넌트 구조에서의 파라미터 편차를 해소하는 개별화된 회로 파라미터 보상이 필요하다.
본 출원은 2001년 4월 5일에 제출되어 계류 중인 Maslov 등의 미국 출원 제 09/826,423 호, 2001년 4월 5일에 제출되어 계류 중인 Maslov 등의 미국 출원 제 09/826,422 호, 2001년 10월 1일에 제출된 Maslov 등의 미국 출원 제 09/966,102 호 및 2001년 11월 27일에 제출된 Pyntikov 등의 미국 출원 제 09/993,596 호에 관련된 주제를 포함하며, 이들 모든 출원은 본 출원과 함께 공통적으로 양도되었다. 이들 출원의 개시 사항은 여기에 참고로 편입되어 있다.
본 발명은 회전식 전기 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 브러쉬리스 영구 자석 모터의 정밀 제어에 관한 것이다.
도 1 은 각 모터 위상에 대한 등가 회로도.
도 2 는 본 발명에 따른 모터 제어 시스템의 블록도.
도 3 은 도 2 의 시스템에 의해 제어되는 모터의 각 스테이터 코어 부분 와인딩에 대한 드라이버 및 스위치 세트의 부분 회로도.
도 4 는 도 2 의 제어 시스템에 사용하는데 적합한 모터 구조의 3차원 절단도.
도 5 는 도 2 의 제어 시스템에서 사용하기 위한 토크 제어 회로 방법론을 설명하는 블록도.
도 6 은 도 5 의 제어 회로 방법론의 변형을 나타내는 부분 블록도.
본 발명은 계류 중인 출원들에 개시된 바와 같이 분리되고 강자성적으로 격리된 개별적인 스테이터 코어 소자 구성의 이점을 유지하면서, 이러한 필요를 충족시킨다. 각각의 위상 제어 루프는 그것의 대응하는 와인딩 및 구조와 세밀하게 정합되어 있기 때문에, 개별적인 위상 회로 소자를 보상하는 제어법을 실행할 수 있는 본 발명의 능력은 고도의 정밀 제어 능력을 제시한다. 다상 모터에 대한 제어 시스템에 있어서 하나 이상의 파라미터 세트를 설정함으로써, 이러한 능력이 적어도 부분적으로 얻어지는데, 여기서 각 세트의 파라미터들은 각각의 스테이터 위상의 특성과 특별히 정합되어 있다. 기동되는 위상 와인딩에 대한 스테이터 위상 컴포넌트에 관계된 파라미터에 따라 신호를 생성하는 제어 회로에 의하여, 각 위상 와인딩의 연속적인 스위칭 기동이 통제된다. 이러한 제어는 다양한 구성의 모터에 이점을 제공하고, 각 위상 컴포넌트가 강자성적으로 격리된 스테이터 전자석으로 이루어져 있는 모터에 적용 가능한데, 여기서 전자석 코어 소자들은 서로 간에 직접적으로 접촉되어 있지 않고 분리된 위상 와인딩으로 형성되어 있다.
파라미터를 상수로 편입하는 알고리즘을 적용하는 디지털 신호 프로세서를 사용할 수 있으며, 여기서 특정 위상에 대한 파라미터는 그 위상을 기동하기 위한 적절한 제어 신호를 생성하기 위해 액세스된다. 다른 파라미터들은 위치, 온도 및다른 외부 조건과 같은 시스템의 선택된 상태에 따라 변할 수 있다. 선택적으로, 제어 회로에는 각 위상에 대한 별개의 루프를 설치할 수 있으며, 여기서 각 루프는 각 위상에 대한 파라미터를 포함하는 제어 알고리즘을 실행한다. 그 알고리즘에는 각 상에서 감지된 전류, 로터의 감지된 위치와 속도, 제어 회로에 대한 입력 신호로서 수신되는 감지된 조건 등에 기초한 컴포넌트들이 포함될 수 있다.
본 발명은, 전기 차량 동작과 같이, 사용자가 보내는 가변적인 입력을 모터가 추적하도록 되어 있는 어플리케이션에서 특히 유리하다. 토크 지시 입력 신호에 응답하여, 각 상에 대한 특정 파라미터를 포함하는 식에 따라, 위상별로 필요한 전류 궤도가 제어 회로에 의해 선택된다.
본 발명의 추가적인 이점은 다음의 상세한 설명으로부터 쉽게 명백해질 것이지만, 여기서는 단지 본 발명을 실행하도록 고안된 최상의 모드를 설명하는 방식으로 본 발명의 바람직한 실시형태만을 나타내고 설명한다. 본 발명은 다른 다양한 실시형태로도 실현 가능하며, 몇몇 세부 사항들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 명백한 측면에서의 변경이 가능하다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것이지 제한적인 것으로 여겨져서는 안된다.
동일한 참조번호가 동일한 소자를 나타내는 첨부도면에서, 제한적으로가 아니라 예시적으로 본 발명을 설명한다.
도 2 는 본 발명에 따른 모터 제어 시스템의 블록도이다. 다상 모터(10)는 로터(20)와 스테이터(30)로 이루어진다. 스테이터는 전기 스위치 세트(42)를 통하여 DC 전원(40)으로부터 공급된 구동 전류에 의하여 스위칭 기동되는 복수의 위상 와인딩을 구비한다. 스위치 세트는 게이트 드라이버(46)를 통해 제어 회로(44)에 연결된다. 제어 회로(44)는 하나 이상의 사용자 입력 및 동작 중 감지된 모터 조건에 대한 복수의 입력을 가지고 있다. 각 위상 와인딩에서의 전류는 그 출력이 제어 회로(44)에 제공되는 복수의 전류 센서(48) 중 하나에 의해 감지된다. 제어 회로는 이러한 목적을 위한 복수의 입력을 가질 수 있고, 선택적으로는, 전류 센서로부터의 신호가 다중화되어 하나의 제어 회로 입력에 접속될 수 있다. 로터 위치 센서(46)는 위치 신호가 입력되는 제어 회로(44)의 다른 입력에 접속된다. 위치 센서의 출력은, 위치 신호를 제어 회로(44)의 다른 입력으로 입력될 속도 신호로 변환하는 속도 근사 회로(50)에도 인가된다.
시퀀스 제어 회로는 Texas Instrument 디지털 신호 프로세서 TMS320LF2407APG 와 같은 마이크로프로세서나 등가의 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 스위치 세트는 국제 정류기 IRFIZ48N-ND 와 같은 복수의 MOSFET H-브릿지를 포함할 수 있다. 게이트 드라이버는 Intersil MOSFET 게이트 드라이버 HIP4082IB 를 포함할 수 있다. 위치 센서는 홀 효과 장치(Allegro Microsystems 92B5308), 거대 자기 저항(GMR) 센서, 용량성 회전 센서, 리드(Reed) 스위치, 비정질 센서를 포함하는 펄스 배선 센서, 리졸버(Resolver) 및 광학 센서 등과 같은 어떠한 공지된 감지 수단으로도 구성될 수 있다. 속도 검출기(50)는 감지된 위치 신호의 시간 도함수의 근사치를 제공한다.
도 3 은 각각의 스테이터 코어 부분 와인딩에 대한 드라이버 및 스위치 세트의 부분 회로도이다. 스테이터 위상 와인딩(34)은 4 개의 FET 의 브릿지 회로 내에 접속되어 있다. 스테이터 와인딩(34)으로의 적절한 방향으로 구동 전류를 보내는데에는, 예를 들어 바이폴라 트랜지스터와 같이, 어떠한 다양한 공지된 전기 스위칭 소자도 사용 가능함을 알 수 있을 것이다. FET(53)와 FET(55)는 전원을 거쳐 직렬로 접속되어 있고, FET(54)와 FET(56)도 마찬가지이다. 스테이터 와인딩(34)은 2 개의 직렬 FET 회로의 접속 노드 사이에 접속되어 있다. 게이트 드라이버(46)는 스퀀스 제어 회로(44)로부터 수신된 제어 신호에 응답하여 활성화 신호를 FET 의 게이트 단자에 인가한다. FET(53 및 56)는 한 방향의 모터 전류 흐름에 대해 동시에 활성화된다. 역방향의 전류 흐름에 대하여, FET(54 및 55)가 동시에 활성화된다. 선택적으로는, 게이트 드라이버(46)가 시퀀스 제어 회로(44) 내에 집적될 수 있다.
본 발명의 모터는 자동차, 오토바이, 자전거 등의 차량 바퀴의 구동에 사용하는데 적합하다. 도 4 는 차량 바퀴 내에 설치될 수 있는 모터 구조의 절단도로서, 스테이터는 고정 샤프트(Shaft)에 단단히 탑재되어 있고 바퀴를 구동하기 위하여 로터에 의해 둘러싸여 있다. 모터(10)는 방사상 공극에 의해 스테이터로부터 분리된 고리형 영구 자석 로터(20)를 포함한다. 로터와 스테이터는 고정 샤프트의 중앙에 있는 회전축에 대하여 동축으로 구성되어 있다. 스테이터는 복수의 강자성적으로 격리된 소자나 스테이터 그룹들을 포함한다. 서로 직접적으로 접촉되지 않은 투자성 물질로 이루어진 코어 부분(32)은 각 폴 상에 형성된 각각의 와인딩부(34)를 가진다. 이 실시예에서는, 공극을 따라 주변으로 배치된 2 개의 돌출한 전자석 폴로 각각 이루어진 7 개의 스테이터 그룹이 나타나 있다. 로터는 공극 주위에 원주를 따라 배치되고 고리형 백플레이트(24: Back Plate)에 고정되어 있는 복수의 영구 자석(22)을 포함한다. 이러한 구성을 채택한 모터에 대한 보다 상세한 설명을 위하여, 상술한 Maslov 등의 출원 제 09/966,102 호를 참조한다. 그러나, 차량 환경은 본 발명의 모터가 채택될 수 있는 다수의 특정 어플리케이션 중 단순한 예시라는 점을 알아야 한다. 아래에서 더욱 충분하게 설명할 본 발명의 개념은, 모든 위상 와인딩을 지지하는 단일 스테이터 코어를 포함하여, 다른 영구 자석 모터 구조에도 적용 가능하다.
차량 구동 어플리케이션 실시예의 경우, 제어 회로에 대한 사용자 입력 중 하나는 사용자의 스로틀(Throttle) 지시에 의해 지적된 필요한 토크를 나타낸다. 스토틀에서의 증가는 토크 증가로 실현되는 속도 증가 지시를 가리킨다. 제어 회로프로세서에 대한 다른 외부 입력은 운전자가 브레이크 페달이나 핸들을 동작할 때 발생하는 브레이크 신호를 포함할 수 있다. 프로세서는 모터 구동을 즉시 비활성화시켜 응답할 수 있고, 아니면, 구동 제어를 변경하여 토크와 속도를 감소시킬 수 있다. 운전자의 지시에 즉시 응답하기 위하여, 별개의 외부적인 비활성화 신호가 인가될 수 있다.
제어 시스템 토크 추적 기능은 구동 조건의 변화, 부하 증감, 지형 등과 같은 변화하는 외부 조건을 통한 일정한 입력 지시에 대하여 정상 동작을 유지해야 한다. 제어 시스템은 운전자의 스로틀 입력에 응답하여 토크 지시의 변화를 정확하고 유연하게 수용해야 한다. 도 5 는 이러한 목적을 달성하기 위하여 개별적인 회로 파라미터는 물론 감지된 모터 동작 조건을 고려한 피드포워드 보상 식을 사용하는 토크 제어 회로 방법론을 나타내는 블록도이다. 정밀 토크 추적을 위해, 위상별로 필요한 전류 궤도가 다음 식에 따라 선택된다.
Idi= (2τd/NsKτi)sin(Nrθi)
여기서, Idi는 위상별로 필요한 전류 궤도를 나타내고, τd는 사용자가 요청한 토크 지시를 나타내고, Nr은 위상 와인딩의 총 수를 나타내고, Kτi는 위상별 토크 전송 계수를 나타내며, θi는 i 번째 위상 와인딩과 로터 기준점 간의 상대적인 위치의 변위를 나타낸다. 위상별 전류 크기는 토크 전송 계수 Kτi의 위상별 값에 의존한다.
필요한 위상 전류를 생성하기 위해, 다음의 위상별 전압 제어 식이 위상 와인딩에 대한 드라이버에 적용된다.
Vi(t) = LidIdi/dt + RiIi+ Ei+ksei
도 5 는 위상 전류 센서, 위치 센서 및 속도 검출기로부터 수신된 신호와 토크 지시 입력을 이용하여 제어 회로가 실시간으로 이 전압 제어 식의 컴포넌트를 얻는 방법론을 나타내며, 참조번호 60 으로 총칭해서 나타내고 있다. 외부의 사용자 요청(필요) 토크 지시 τd(t) 는, 스로틀에 응답하여, 제어 회로 기능 블록(62)에 입력되고, 로터 위치 θ 는 제어 회로 기능 블록(64)에 입력된다. 블록(64)은 로터 위치, 영구 자석 폴 쌍의 수(Nr), 스테이터 위상의 수(Ns) 및 특정 위상의 위상 지연에 기초하여 자극각 θi(t) 를 나타내는 출력을 생성한다. 제어 회로 기능 블록(64)의 출력은 제어 회로 기능 블록(62)으로 인가된다. 제어 회로 기능 블록(62)은, 이렇게 수신된 자극각 입력을 사용하여 상기한 식에 따라, 사용자 요청 토크 τd(t) 가 모터에 의해 생성되도록, Ns개의 위상 간에 위상 전류가 어떻게 분배될 지를 결정한다. 제어 회로 기능 블록(66)은 블록(62)으로부터 수신된 필요한 위상 전류 Idi(t) 와 감지된 위상 전류 Ii(t) 간의 차이를 계산하여 위상 전류 추적 오차 신호 ei(t) 를 출력한다. 이 오차 신호는 제어 회로 기능 블록(68)에서 이득 계수 ks에 의해 승산된다. 전류 피드백 이득의 효과는 측정 노이즈와 모델 파라미터 부정확으로 인한 시스템 교란을 배제하여 전체적인 시스템 완강성을 증가시키는것이다. 블록(68)의 출력은 제어 회로 기능 블록(70)에 인가된다. 블록(70)은 위상 와인딩(34)의 선택적 제어 기동을 위해 게이트 드라이버(52)로 시변 전압 신호 Vi(t) 를 출력한다. Vi(t) 는 인덕턴스, 유도 역기전력 및 저항의 효과를 보상하는 성분을 가진다.
위상 와인딩 내의 인덕턴스의 존재를 보상하기 위해, LdIdi/dt 항(dIdi/dt 는 필요한 위상 전류 Idi(t) 의 표준 시간 도함수를 나타냄)이 제어 회로 기능 블록(70)으로 입력되어 위상 전압 연산에 추가된다. τd(t), θi(t) 및 ω(t) 의 수신된 입력에 따라, 제어 회로 기능 블록(72)에서 LdIdi/dt 가 결정된다. 유도 역기전력 전압을 보상하기 위해, Ei항이 제어 회로 기능 블록(74)으로부터 기능 블록(70)에 대한 입력으로서 위상 전압 연산에서 추가된다. 역기전력 보상치는, 역기전력 계수 Kei를 이용하여, 블록(74)에 대한 입력으로서 수신된 자극각과 속도로부터 얻어진다. 위상 와인딩 저항과 기생 저항에 기인한 전압 강하를 보상하기 위해, RiIi(t) 항이 제어 회로 기능 블록(76)으로부터 기능 블록(70)에 대한 입력으로서 위상 전압 연산에서 추가된다.
동작 시, 제어 회로(44)는 각 위상 와인딩의 개별적인 기동을 위해 제어 신호 Vi(t) 를 게이트 드라이버로 연속해서 출력한다. 게이트 드라이버는 와인딩이 선택된 시퀀스가 제어 회로에 설정된 시퀀스와 조화되도록 각 스위치 세트를 활성화한다. 시퀀스는 도 5 의 블록도에 일반적으로만 도시되어 있는 링크를 통해 게이트 드라이버로 전송된다. 각각의 연속적인 제어 신호 Vi(t) 는 대응하는 위상 와인딩에서 감지된 특정 전류 및 즉시 감지된 로터 위치와 속도에 관련되며, 각 위상에 대하여 구체적으로 미리 정해져 있는 모델 파라미터 Kei와 Kτi에도 관련된다. 따라서, 각각의 얻어진 제어 신호 Vi(t) 에 대해, 시기 적절하게 감지된 모터 피드백 신호를 수신하는 것에 추가하여, 제어 회로는 그 제어 신호가 대응하는 특정한 위상에 정해져 있는 파라미터에 액세스해야 한다. 따라서, 제어 회로는 다양한 스테이터 위상 간의 개개의 위상 특성차를 보상할 능력을 가진다. 전압 제어 루틴의 과도/과소 보상을 방지하기 위해, 사용되는 위상별 회로 파라미터는 그들의 실제 위상값들과 정확히 정합된다.
위상별 토크 전송 계수 Kτi는 각 상의 위상별 토크 기여분을 포착한다. 이 파라미터는 해당 위상에 인가된 전류 당 발생된 유효 토크의 비율에 비례한다. 위상에 의해 생성된 토크는 유효 공극 플럭스 밀도를 생성하는 위상의 코어 물질에서 유발되는 자속 밀도의 함수이다. 전자석 코어 형상의 디자인에는, 코어가 포화되지 않도록 하면서 물질 내의 유도를 최적화하기 위해, 코어의 각 부분 상에서의 암페어 횟수(Ampere-turns)의 함수인 전류 밀도가 고려된다. 그러나, 코어 물질의 자기 특성은, 종종, 스테이터 코어 전체에 걸쳐서 균일하지 않다. 모터가 분리된 강자성적으로 독립적인 전자석 코어들로 구성되는 경우에는 불균일이 훨씬 더 심해질 수 있다. 와인딩과 인덕턴스에서의 편차도 토크 상수와 역기전력 계수 파라미터를 결정하는데 기여한다. 와인딩에 에어포켓(Air Pocket)이 형성되면 유효 플럭스 형성의 저하가 일어난다. 균일 와인딩으로 높은 패킹(Packing) 계수가 얻어지지만, 배선 제조에 있어서 편차가 있을 수 있다. 따라서, 공칭(Nominal) 모터 토크 전송 계수와 공칭 역기전력 계수가 제어 회로에 의해 사용되면, 위상 특성에 있어서의 편차로 인해 전체적인 모터 출력 토크 리플(Ripple)이 발생한다. 도 5 에 나타낸 토크 제어 회로 방법론에서는, 각 위상에 대한 소정의 위상별 토크 전송 계수와 역기전력 계수를 적용함으로써 이 문제를 회피한다.
도 5 에 도시된 연산은 실시간으로 연속해서 수행된다. 블록(62)에 나타낸 식은 바람직한 실시형태에서 토크를 추적하기 위해 필요한 전류를 제공하도록 선택된다. 이 식은, 토크 입력 지시의 변경을 정밀하게 추적하는 것 이외의 요소도 중요하다면, 변경할 수 있다. 예를 들면, 일부 차량 환경의 경우, 쓸데없이 불안정한 구동 조건을 피하기 위해 가속과 감속의 정도를 고려할 수 있다. 따라서, 블록(62)의 식은 추가적인 고려를 수용하기 위해 변경될 수 있다.
도 5 에 도시된 제어 회로 방법론은 특정한 위상 파라미터가 각각의 생성된 제어 전압 출력으로 대체되어 있는 통합된 실행 체계에서 수행될 수 있다. 선택적으로는, 제어 회로(44)는 도 6 의 부분 블록도에 나타낸 바와 같이 각 스테이터 위상 n 에 대하여 별개의 제어 루프를 제공할 수 있다. Ns개의 모터 위상 각각에 대하여, 대응하는 제어 루프(60i)가 제공된다. 각 루프는 각각의 모터 위상에 대한 관련 파라미터를 포함한다. 제어 루프는 적절한 모터 위상 기동 시퀀스에 따라 활성화되며, 제어 전압의 생성을 위해 감지된 모터 피드백 신호만을 필요로 한다.
본 상세한 설명에서, 본 발명의 바람직한 실시형태와 그 다용성에 대한 소수의 실시예만을 나타내고 설명하였다. 본 발명은 다른 다양한 조합과 환경에서 이용할 수 있으며, 여기에 표현된 발명적 개념의 범위 내에서 변경이나 개조가 가능하다. 예를 들면, 도 5 에 나타낸 제어 회로 방법론에서, 필요한 위상별 전류 Idi(t) 는 검색 테이블에 저장된 값을 참조하여 τd(t), θi(t) 의 수신된 입력으로부터 실시간으로 결정될 수 있다.
본 발명의 모터는 차량 구동 외에 광범위한 어플리케이션에서 이용 가능함을 알 수 있다. 차량 구동의 구현에 있어서는 로터가 스테이터를 둘러싸는 것이 바람직하지만, 다른 어플리케이션에서는 스테이터가 로터를 둘러싼 상태로 유리한 용도를 찾을 수도 있을 것이다. 따라서, 각각의 내측 및 외측의 고리형 멤버는 스테이터 또는 로터 중 하나로 이루어질 수 있으며 전자석 그룹 또는 영구 자석 그룹 중 하나로 이루어질 수 있다는 것은 본 발명의 사상 내에 있는 것이다.

Claims (15)

  1. 코어 소자에 형성된 위상 와인딩을 각각 포함하는 복수의 스테이터 위상 컴포넌트 및 로터를 갖는 다상 영구 자석 모터에 대한 제어 시스템에 있어서,
    복수의 제어 가능한 스위치; 및
    적어도 하나의 제어 파라미터 세트를 포함하는 복수의 제어 파라미터를 내부에 저장하고 있는 제어 회로를 구비하고,
    상기 각각의 위상 와인딩은, 하나 이상의 상기 스위치 및 상기 위상 와인딩의 선택적 기동을 위한 전원에 접속되고,
    상기 각각의 세트는 물리적 특성에 기초하여 상이한 각 스테이터 위상 컴포넌트에 대해 구체적으로 결정되며,
    상기 위상 와인딩은, 기동되는 위상 와인딩에 대한 스테이터 위상 컴포넌트와 연관된 상기 제어 파라미터 세트에 따라 상기 제어 회로에 의해 생성된 제어 신호에 응답하여 기동되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 디지털 신호 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 회로는 각 스테이터 위상에 대한 별개의 제어 루프로 구성되며,
    상기 제어 루프 각각의 구성은 각 위상 와인딩에 대한 제어 신호를 생성하도록 각 모터 위상에 대하여 상기 파라미터 세트를 적용하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이터 위상 컴포넌트 각각의 코어 소자는 강자성적으로 격리된 스테이터 전자석을 포함하고,
    상기 전자석 코어 소자들은 서로 간의 직접적인 접촉으로부터 분리되어 있으며,
    상기 각각의 코어 소자에 위상 와인딩이 형성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 각각의 위상 와인딩에 결합되고 상기 디지털 신호 프로세서의 입력에 접속되는 전류 센서를 더 포함하며,
    상기 각각의 연속적인 제어 신호는, 연관된 상기 위상 와인딩으로부터 얻어진 전류 센서 출력에 따라 상기 디지털 신호 프로세서에 의하여 생성되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 디지털 신호 프로세서에 위치 신호를 제공하기 위해 결합된 출력을 갖는 로터 위치 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 위치 센서의 출력과 상기 디지털 신호 프로세서 사이에, 속도 신호 생성기가 속도 신호를 제공하도록 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 파라미터 중 한 세트는 위상 의존적인 토크 전송 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어 파라미터는 각 스테이터 위상에 연관된 위상 의존적인 역기전력 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
  10. 코어 소자에 각각 형성된 복수의 스테이터 위상 와인딩 및 로터를 갖는 다상 영구 자석 모터의 실시간 연속 제어 방법에 있어서,
    적어도 하나의 제어 파라미터 세트를 포함하는 복수의 제어 파라미터를 내부에 저장하고 있는 제어 회로에 지시 신호를 입력하는 입력 단계; 및
    기동될 각 위상 와인딩과 연관된 파라미터에 따라 상기 제어 회로에 의해 생성되는 제어 신호에 응답하여 상기 위상 와인딩을 기동하는 기동 단계를 포함하며,
    상기 각각의 세트는 물리적 특성에 기초하여 각 스테이터 위상 컴포넌트에 대해 구체적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    연속적으로 기동하는 상기 기동 단계는 기동될 위상 와인딩의 전류를 감지하는 감지 단계를 더 포함하며,
    상기 각 와인딩을 기동하기 위한 제어 신호는 상기 각 와인딩에서 감지된 전류에 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스테이터는 각 위상 와인딩에 대해 강자성적으로 격리된 코어 소자를 포함하고,
    상기 코어 소자들은 서로 간의 직접적인 접촉으로부터 분리되어 있으며,
    상기 각각의 파라미터 세트는 상기 코어 소자와 위상 와인딩의 특정한 구조적인 속성에 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    로터 위치를 감지하는 감지 단계를 더 포함하며,
    상기 제어 신호는 감지된 위치에 관련되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어 파라미터 중 한 세트는 위상 의존적인 토크 전송 계수를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    사용자가 생성한 상기 지시 신호는 필요한 모터 토크를 나타내며, 연속적으로 위상 와인딩을 기동하는 상기 기동 단계는 하기 식,
    Idi= (2τd/NsKτi)sin(Nrθi)
    (단, Idi는 위상별로 필요한 전류 궤도를, τd는 사용자가 요청한 토크 지시를, Ns는 위상 와인딩의 총 수를, Kτi는 위상별 토크 전송 계수를, 그리고 θi는 i 번째 위상 와인딩과 로터 기준점 사이의 상대적인 위치적 변위를 각각 나타냄)
    에 따라 필요한 토크를 개별적으로 추적하는 것을 특징으로 하는 방법.
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