KR20140007831A - 전기 기계에서 오프셋 각을 결정하기 위한 방법, 장치, 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

전기 기계에서 오프셋 각을 결정하기 위한 방법, 장치, 및 컴퓨터 프로그램 Download PDF

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카타리나 슈스터
마르틴 비르트
다니엘 라이흘레
군터 괴팅
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 전기 기계(1) 내에서 고정자(10)에 대한 회전자(20)의 가정된 배향과 실제 배향 간의 오프셋 각을 결정하고 타당성을 체크하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 방법에서 전기 기계는 먼저 준-제로 전류 상태로 제어되며, 이 상태에서는 전기 기계의 권선에 실질적으로 전류가 흐르지 않아야 한다. 그리고 나서, 준-제로 전류 상태 동안 전기 기계 내에서 제어되는 전압의 방향을 지시하는 전압 표시기가 결정된 다음, 회전자와 관련해서 고정된 좌표계로 변환된다. 변환된 전압 표시기를 기초로, 이전에 가정된, 교정된 오프셋 각과 관련한 오프셋 각 또는 각 에러가 결정될 수 있다.

Description

전기 기계에서 오프셋 각을 결정하기 위한 방법, 장치, 및 컴퓨터 프로그램{METHOD, DEVICE, AND COMPUTER PROGRAM FOR DETERMINING AN OFFSET ANGLE IN AN ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 전기 기계에서 오프셋 각을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해 설계된 장치 및 컴퓨터 프로그램, 및 상기 컴퓨터 프로그램이 저장된, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체에 관한 것이다.
높은 파워 포텐셜을 가진 전기 기계는 예컨대 전기 차 및 하이브리드 차에 사용된다. 이 경우, 전기 기계는 모터로서 작용하는 구동 모드로, 그리고 제동 과정 동안 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 제너레이터 모드로 작동될 수 있다. 전기 기계에 의해 토크가 전기 기계와 연결된 샤프트로 전달될 수 있고, 상기 샤프트는 예컨대 차량의 휠들과 연결된다. 토크는 전기 기계가 구동 모드로 작동되는지 또는 제너레이터 모드로 작동되는지에 따라 포지티브 값 또는 네거티브 값을 가질 수 있다.
회전자가 고정자 회전 계자와 동일한 회전 주파수를 갖는 예컨대 전기 동기기와 같은 위상 고정 전기 기계는 토크를 발생시키고, 상기 토크는 회전자와 고정자 회전 계자 간의 각 오프셋에 심하게 의존한다. 또한, 전기 기계의 구동 샤프트의 각 위치가 출력부와 동기화되어야 하는, 즉 각 위치가 정확히 공지되어야 하는 전기 기계도 많이 사용된다.
각 위치, 즉 전기 기계의 고정자에 대한 회전자의 배향을 검출하기 위해, 다양한 각 센서 시스템이 공지되어 있다. 이들은 일반적으로 전기 기계의 완성 후에야 전기 기계의 후속하는 작동 동안 계속 구동 샤프트의 실제 각 위치에 대한 정보를 검출하기 위해 상기 전기 기계에 장착된다. 각 센서의 장착시, 각 센서가 전기 기계의 구조와 관련해서 소정 위치에 정확히 고정되는 것이 항상 보장될 수 없다. 따라서, 전기 기계를 위해 제공되는 각 센서 시스템의 제로 위치가 전기 기계의 실제 제로 위치와 각(α)만큼 차이날 수 있다. 상기 각(α)을 오프셋 각이라 한다. 상기 오프셋 각은 가능한 정확히 공지되어야 하고 전기 기계의 제어시, 예컨대 소정 토크 프로파일을 구현하기 위해 고려되어야 한다.
따라서, 전기 기계 및 각 센서 시스템의 조립 후, 오프셋 각이 교정 방법에 의해 결정되어야 한다. 가능한 교정 방법은 DE 10 2008 001 408 A1에 개시되어 있다.
상기 오프셋 각이 전기 기계의 수명 동안 예컨대 강한 기계적 부하로 인해 변화될 수 있기 때문에, 상기 오프셋 각은 전기 기계의 작동 동안 때때로 체크되어야 한다.
본 발명의 과제는, 전기 기계의 작동 동안 전기 기계의 오프셋 각을 체크할 수 있거나 교정에 의해 미리 얻어진 오프셋 각의 값을 나중 시점에서 타당성 체크할 수 있는, 전기 기계에서 오프셋 각을 결정하기 위한 방법, 장치 및 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
상기 과제는 독립 청구항들에 따른 전기 기계에서 오프셋 각을 결정하는 방법, 장치 및 컴퓨터 프로그램에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다.
본 발명의 제 1 관점에 따라, 전기 기계의 오프셋 각을 결정하기 위한 방법이 제시된다. 전기 기계는 하나의 고정자 및 하나의 회전자를 포함한다. 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다: 전기 기계를 준-제로 전류 상태로 제어하는 단계; 준-제로 전류 상태 동안 전압 표시기를 결정하는 단계; 회전자와 관련해서 고정된 좌표계로 전압 표시기를 변환하는 단계; 및 변환된 전압 표시기를 기초로 오프셋 각을 결정하는 단계.
본 방법의 가능한 특징들 및 장점들은 하기에 상세히 설명된다.
먼저, 전기 기계는 소위 준-제로 전류 상태로 제어된다. 상기 준-제로 전류 상태는 전기 기계의 권선에 실질적으로 전류가 흐르지 않는 것으로 규정된다. 달리 표현하면, 준-제로 전류 상태에 도달하기 위해, 전기 기계는 전기 기계 내에서 전류가 실질적으로 흐르지 않도록 제어된다. 전기 기계의 권선에 인가되는 전압은 전기 기계 내에 실제로 존재하는 유도된 동기로 발생된 전압에 실질적으로 상응하도록 선택될 수 있다. 달리 표현하면, 전기 기계의 권선에 인가되는 전압은, 전기 기계를 가속시키는 전류가 권선에 세팅되지 않고, 전기 기계의 자기장에서 회전되는 회전자로 인해 전기 기계의 권선에 전류가 유도되지 않도록 세팅되어야 한다.
"실질적으로 전류가 흐르지 않는다" 라는 표현은 전기 기계의 권선 내에서 흐르는 전류가 충분히 작게 선택되며, 실질적으로 토크가 전기 기계와 연결된 샤프트로 전달되지 않는, 즉 전기 기계와 결합된 샤프트의 작동 상태가 전기 기계에 의해 변화되지 않는 것을 의미한다. 이는 특히 전기 기계가 낮은 회전수로, 예컨대 전기 기계의 정격 회전수 미만으로 작동되는 경우에 적용된다. 예컨대, 준-제로 전류 상태 동안 권선에 흐르는 전류는 전기 기계의 정격 전류의 5% 미만, 바람직하게는 2% 미만일 수 있다.
오프셋 각을 결정하기 위한 방법을 실시하기 위해, 준-제로 전류 상태가 전기 기계의 제어에 의해 의도적으로 야기될 수 있다. 그러나, 이를 위해 전기 기계의 정상 작동, 즉 예컨대 운전자에 의해 요구된 그리고 전기 기계에 의해 야기된 차량의 주행 상태가 중단되거나 또는 방해받을 수 있기 때문에, 오프셋 각 결정 방법을 실시하기 위해 전기 기계를 의도적으로 준-제로 전류 상태로 만들지 않고, 반대로 전기 기계가 다른 이유로 준-제로 전류 상태로 제어될 때까지 대기한 다음, 오프셋 각 결정 방법을 실시하기 위해 기회를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 전기 차에서 운전자에 의해 요구된 주행 상황이 주어질 수 있고, 전기 기계는 운전자에 의해 요구되는 방식으로 토크를 샤프트로, 즉 힘을 차량 휠들로 가하지 않아도 된다. 즉, 차량은 전기 기계에 의해 힘을 제공받지 않으면서 자유로이 롤링될 수 있다.
제시된 오프셋 각 결정 방법은 전기 기계가 준-제로 상태 동안 샤프트와 기계적으로 고정 결합되기 때문에 특히 바람직할 수 있다. 달리 표현하면, 오프셋 각 결정 방법을 실시하기 위해, 전기 기계를 샤프트로부터 분리할 필요가 없고, 언제 소정 준-제로 전류 상태가 전기 기계의 상응하는 제어에 의해 제어되는지를 모니터링하는 것으로 충분하다.
준-제로 전류 상태가 제어된 후에, 준-제로 전류 상태 동안 전기 기계 내에서 제어된 전압의 방향을 지시하는 전압 표시기가 결정된다. 전압 표시기는 전기 기계의 고정자의 권선에서 전압 분배의 방향과 세기에 대한 척도인, 벡터 값이다. 전기 기계의 회전 작동 동안 전압 표시기는 전기 기계의 회전자와 동기로 회전한다.
글로벌 좌표계에서, 즉 전기 기계와 관련해서 고정된 좌표계에서 전압 표시기의 상기 회전을 방지하기 위해, 전압 표시기는 후속해서 회전자와 관련해서 고정된 좌표계로 변환된다. 회전자와 관련해서 고정된 좌표계는 전기 기계의 회전하는 회전자와 관련해서 고정된, 즉 회전자와 함께 회전하는 좌표계이다. 전압 표시기가 회전자와 관련해서 고정된 상기 좌표계로 변환되기 때문에, 전압 표시기는 전기 기계의 고정 상태에서 고정될 수 있다. 즉, 일정한 절대값 및 일정한 배향을 갖는다. 따라서, 후속해서 상기 방식으로 변환되는, 시간적으로 일정한 전압 표시기가 시간에 따라 변하는, 회전하는 전압 표시기에서와 보다 훨씬 더 간단히 전기 기계의 상태에 대한 추가 정보를 유도하기 위해 사용될 수 있다. 전압 표시기의 변환은 통상의 수학적 방법으로 실시될 수 있다.
전압 표시기는 특히 컴포넌트(d) 및 컴포넌트(q)가 고정 상태에서 전압 표시기에 할당되도록 회전자와 관련해서 고정된 좌표계로 변환될 수 있다. 달리 표현하면, 변환된 전압 표시기는 2개의 컴포넌트로 분해될 수 있고, 상기 컴포넌트들 중 하나의 컴포넌트(d)는 전기 선속의 방향으로 나타나는 전압 표시기의 벡터 성분을 나타내고, 컴포넌트(q)는 이것에 대해 수직인 벡터 성분을 나타낸다.
끝으로, 오프셋 각은 변환된 전압 표시기를 기초로 결정될 수 있다. 이 경우, 전기 기계의 제어시 준-제로 전류 상태에서 실제로 나타나는, 변환된 전압 표시기가 교정에 의해 이전에 얻어진 오프셋 각에 대한 지식을 기초로 세팅된 소정 전압 표시기 또는 전압 표시기와 일치하는지의 여부가 결정될 수 있다. 선행 교정을 기초로 가정된 오프셋 각이 실제로 측정된 오프셋 각과 일치하지 않는 경우, 가정된 오프셋 각과 실제로 측정된 오프셋 각의 차이로부터 각 에러가 결정될 수 있다. 이 각 에러는 전기 기계의 후속하는 제어시 고려될 수 있다. 즉, 전기 기계의 제어부에 의해 전기 기계의 제어를 위해 사용되는 오프셋 각은 각 에러 만큼 정정될 수 있다.
오프셋 각은 특히 변환된 전압 표시기의 컴포넌트(d) 또는 컴포넌트(q)로부터 계산될 수 있다. 특히, 오프셋 각의 각 에러가 컴포넌트(q) 및 컴포넌트(d)로부터 아크탄젠트 값의 형성에 의해 계산될 수 있다.
오프셋 각의 결정된 각 에러는 오프셋 각의 추후 타당성 체크를 위해 사용될 수 있다. 결정된 각 에러가 작을수록, 전기 기계의 제어부에 의해 가정되는, 더 이른 시점에 교정에 의해 얻어진 오프셋 각과 전기 기계 및 이것에 결합된 각 센서 시스템 내에 실제로 존재하는 오프셋 각 사이의 편차가 작아진다. 결정된 각 에러가 미리 정해진 한계치를 초과하면, 전기 기계의 손상 또는 차선의(suboptimal) 토크 제어를 피하기 위해, 예컨대 기계 제어부 내에 저장된 오프셋 각의 정정과 같은 적합한 조치가 실시될 수 있다.
오프셋 각을 결정하기 위한 전술한 방법은 예컨대 전기 기계를 제어하도록 설계된 장치에 의해 실시될 수 있다. 이를 위해, 적합한 제어 장치가 전술한 방법 단계들을 실시하게 하는 소프트웨어로서 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다. 적합한, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체, 예컨대 프로그래밍 가능한 마이크로 칩, 예컨대 EEPROM, 또는 CD 또는 DVD가 저장된 컴퓨터 프로그램을 포함할 수 있으므로, 컴퓨터 프로그램은 추후에도 프로그래밍 가능한 제어 장치에서 실행될 수 있다.
전술한 방법을 실시하도록 설계된 장치는 전기 기계가 준-제로 전류 상태로 제어되는 경우를 인식한 다음, 전압 표시기를 결정하고, 회전자와 관련해서 고정된 좌표계로 변환함으로써, 후속해서 전기 기계의 오프셋 각을 변환된 전압 표시기를 기초로 계산할 수 있어야 한다.
전술한 방법 또는 전술한 장치는 전기 동기기에 의해 구동되는 전기 차 또는 하이브리드 차에 특히 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예의 특징들 및 장점들은 부분적으로 오프셋 각을 결정하기 위한 전술한 방법과 관련해서 그리고 부분적으로 상기 방법을 실시하기 위한 장치와 관련해서 설명된다. 그러나, 특징들은 당업자가 알 수 있는 방식으로 임의로 서로 조합되거나 또는 교체될 수 있다.
본 발명에 의해, 전기 기계의 작동 동안 전기 기계의 오프셋 각을 체크할 수 있거나 교정에 의해 미리 얻어진 오프셋의 값을 나중 시점에서 타당성 체크할 수 있는, 전기 기계에서 오프셋 각을 결정하기 위한 방법, 장치 및 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예들이 첨부한 도면을 참고로 설명되지만, 이것에 제한되지는 않는다.
도 1은 전기 기계의 횡단면도.
도 2는 회전자와 관련해서 고정된 좌표계에서 전압 표시기.
도 3은 전기 기계의 오프셋 각을 결정하기 위한 본 발명에 따른 장치를 포함하는 전기 차.
도면들은 개략적으로 그리고 척도에 맞지 않게 도시된다.
도 1에는 다수의 고정자 권선(15)을 가진 고정자(10), 및 회전자(20)를 포함하는 전기 기계(1)가 도시된다. 고정자 권선(15)을 통해 흐르는 전류는 좌측에 도시된 권선 부분에서 도면 평면으로부터 나와서, 도면 평면 내에서 우측에 도시된 권선 부분 내로 들어간다. 이로 인해 생기는 자기장은 화살표 A의 방향을 갖는다. 명확성을 위해, 단 하나의 고정자 권선(15)이 도시되지만, 통상 고정자 권선들은 고정자의 전체 원주를 따라 균일하게 배치된다. 회전자(20)는 예컨대 영구자석 또는 회전자 권선(도시되지 않음)에 의해 여기되고, 화살표 B로 표시된 바와 같은 회전자의 길이 방향으로 배향된 자기장을 갖는다. 고정자(10)와 회전자(20) 사이의 힘은 sin(α)에 비례하고, 상기 α는 고정자(10)에 의해 생긴 자기장(A)과 회전자(20)에 의해 생긴 자기장(B) 사이의 각에 상응한다.
회전자(20) 또는 이것에 의해 생긴 자기장(B)의 실제 배향은 각 센서 시스템(30)에 의해 검출될 수 있다. 전기 기계(1) 내부의 각 센서 시스템(30)의 실제 조립 위치가 소정 조립 위치와 편차를 갖기 때문에, 각 센서 시스템(30)에 의해 검출된 배향 각, 즉 각 센서 시스템(30)으로부터 예컨대 전기 기계(1)의 제어부로 전달된 배향 각은 회전자의 실제 배향 각과 다를 수 있다. 상기 각 차이를 오프셋 각이라 하고, 이 오프셋 각은 전기 기계(1)의 조립 후에 각 센서 시스템(30)에 의해 처음으로 교정에 의해 결정될 수 있다.
전기 기계(1)의 후속 작동 동안, 전기 기계(1)는 각각 제어부에 의해, 전기 기계(1)의 소정 토크가 발생되도록, 고정자(10)와 회전자(20)에 의해 생긴 자기장(A, B)의 세기 및 배향이 세팅되도록 제어된다. 전기 기계(1)의 제어를 위해, 각 센서 시스템(30)에 의해 제공된, 회전자(20)의 실제 배향 각에 대한 정보가 오프셋 각을 고려해서 사용된다.
더 나중 시점에 오프셋 각을 결정하거나 지금까지 가정된 오프셋 각의 타당성을 체크하기 위해, 제어부가 전기 기계를 준-제로 전류 상태로 바꾸려고 할 때까지 대기된다. 제어부는 이를 위해 전기 기계의 권선에 인가되는 전압을 전기 기계 내에 실제로 존재하는 동기로 발생된 전압에 상응하게 세팅함으로써, 권선에 실질적으로 전류가 흐르지 않는다.
제어부에 의해 지시된 준-제로 전류 상태가 실제로 달성되는지의 여부를 체크하기 위해, 즉 제어부에 의해 가정된 오프셋 각이 전기 기계 내에 실제로 존재하는 오프셋 각에 상응하는지의 여부를 체크하기 위해, 전압 표시기는 도 2에 도시된 바와 같이 회전자와 관련해서 고정된 좌표계(40)로 변환된다. 이러한, 회전자와 관련해서 고정된 좌표계(40)에서 전압 표시기는 벡터(X)로서 표시될 수 있다. 좌표계(40)는 횡축에 컴포넌트(d)를 그리고 종축에 전압 표시기(X)의 컴포넌트(q)를 나타낸다. 제어부에 의해 가정된 오프셋 각이 정확하면, 전압 표시기(X)는 종축을 따라 정렬되어야 한다. 즉, 컴포넌트(q)만을 갖는다. 그러나, 가정된 오프셋이 각 에러를 가지면, 회전자와 관련해서 고정된 좌표계(40)로 전압 표시기의 변환시 컴포넌트(d)가 나타난다. 90°와, 좌표계(40) 내부에서 전압 표시기(X)의 각(β)과의 차이로부터 주어지는 각(γ)(즉 γ=90°-β)은 각 에러에 상응하고, 하나 또는 2개의 인수를 가진 아크탄젠트 함수, 즉 arctan(z) 또는 arctan2(y, x)에 의해 계산되며, 예컨대 γ=arctan d/q. 이는 교정되거나 또는 각 센서 시스템에 의해 공급된 오프셋 각의 타당성 체크 및 정정을 가능하게 한다.
도 3은 소정 토크를 발생시키고 샤프트(70)를 통해 차량의 휠들(80)로 전달하기 위해, 전기 기계(1)가 제어 장치(60)에 의해 제어되는 전기차(50)를 개략적으로 도시한다. 제어 장치(60)는 이 경우 소프트웨어 제어될 수 있고, 상응하는 컴퓨터 프로그램에 의해, 오프셋 각을 결정하기 위한 전술한 방법을 필요시 또는 적적한 기회에 실행하도록 지시를 받는다.
1 전기 기계
10 고정자
20 회전자
40 좌표계
70 샤프트

Claims (10)

  1. 하나의 고정자(10) 및 하나의 회전자(20)를 포함하는 전기 기계(1)에서 오프셋 각을 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 전기 기계의 권선에 실질적으로 전류가 흐르지 않도록, 상기 전기 기계를 준-제로 전류 상태로 제어하는 단계;
    상기 준-제로 전류 상태 동안 상기 전기 기계에서 제어되는 전압의 방향을 지시하는 전압 표시기(X)를 결정하는 단계;
    회전자와 관련해서 고정된 좌표계(40)로 상기 전압 표시기를 변환하는 단계;
    변환된 전압 표시기를 기초로 상기 오프셋 각을 결정하는 단계
    를 포함하는, 오프셋 각을 결정하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전압 표시기는, 컴포넌트(d)와 컴포넌트(q)가 고정 상태에서 상기 전압 표시기에 할당되도록, 회전자와 관련해서 고정된 좌표계로 변환되고, 상기 오프셋 각은 상기 컴포넌트(d)와 상기 컴포넌트(q) 중 적어도 하나로부터 계산되는 것을 특징으로 하는 오프셋 각을 결정하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 오프셋 각의 각 에러(Y)는 상기 컴포넌트(d)와 상기 컴포넌트(q)로부터 아크탄젠트 값의 형성에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 오프셋 각을 결정하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 기계는 상기 준-제로 전류 상태 동안 상기 전기 기계로부터, 상기 전기 기계와 연결된 샤프트(70)로 토크가 실질적으로 전달되지 않도록 제어되는 것을 특징으로 하는 오프셋 각을 결정하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 기계는 상기 준-제로 전류 상태 동안 상기 샤프트와 기계적으로 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 오프셋 각을 결정하기 위한 방법.
  6. 고정자(10)와 회전자(20)를 포함하는 전기 기계(1)에서 오프셋 각을 결정하기 위한 장치(60)로서,
    상기 장치가 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실시하도록 설계되는, 오프셋 각을 결정하기 위한 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 장치는, 상기 전기 기계의 권선 내에 실질적으로 전류가 흐르지 않도록 상기 전기 기계가 준-제로 전류 상태로 제어되는 경우를 인식하도록 설계되고, 또한 전압 표시기를 결정하고 상기 전압 표시기를 회전자와 관련해서 고정된 좌표계로 변환하며 변환된 전압 표시기를 기초로 상기 전기 기계의 오프셋 각을 계산하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 오프셋 각을 결정하기 위한 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 따른 장치를 포함하는 전기 차(50).
  9. 컴퓨터에서 실행시 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 전기 기계의 오프셋 각을 결정하도록 설계된 컴퓨터 프로그램.
  10. 제 9 항에 따른 컴퓨터 프로그램이 저장된, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.
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