KR101111044B1

KR101111044B1 - 전기 기계의 속도를 측정하는 방법

Info

Publication number: KR101111044B1
Application number: KR1020050057562A
Authority: KR
Inventors: 홀거 슈토어크; 마르틴 짐머만; 미하엘 슈헨
Original assignee: 루크 라멜렌 운트 쿠플룽스바우베타일리궁스 카게
Priority date: 2004-07-03
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2012-03-13
Also published as: EP1612923A1; JP2006017725A; US20060001388A1; US7248990B2; KR20060048737A

Abstract

본 발명은 고정자, 회전자 및 권선을 구비한 전기 기계, 특히 EC 모터의 속도 측정 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 일련의 샘플링 시점동안 회전자에 대해 각각의 속도 측정값(ω(k))이 측정됨으로써 속도 측정 신호(ω)가 검출된다. 또한, 상기 회전자의 질량 관성모멘트의 관성모멘트 값이 산출되고, 개별 샘플링 시점동안 권선 내 전류에 대한 각각의 전류값(I(k))이 측정됨으로써 전류 신호(I)가 검출되며, 개별 속도 측정값(ω(k))에 대해 더 이전의 샘플링 시점에 할당된 속도 측정값(ω_k(k-1)), 전류 신호(I) 및 관성모멘트 값으로부터 상기 속도 측정값의 추정값(ω_s(k))이 산출되고, 상기 추정값(ω_s(k))에는 상기 추정값(ω_s(k))이 포함되는 허용오차 범위가 지정된다. 상기 속도 측정값(ω(k))이 상기 허용오차 범위 밖에 놓이는 경우, 상기 속도 측정값(ω(k))은 상기 허용오차 범위 내에 존재하는 속도값(ω_k(k))으로 대체된다.

전동기, 속도, 제어

Description

전기 기계의 속도를 측정하는 방법{METHOD FOR MEASURING SPEED OF AN ELECTRIC MACHINE}

도 1은 전동기의 속도 제어 회로의 신호 흐름도이다.

*도면의 주요 부호 설명*

1: 속도 제어 회로

2: 제어 시스템

3: 속도 센서

4: 샘플-홀드 소자

5: 제 1 지연 소자

6: 제 2 지연 소자

7: 연산 장치

8: 제 1 비교 장치

9: 제 2 비교 장치

10: 속도 측정 신호 입력

11: 전류 신호 입력

13: 제 3 비교 장치

14: 속도 제어기

본 발명은 고정자, 회전자 및 권선을 포함하는 전기 기계, 특히 EC 모터의 속도를 측정하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 일련의 샘플링 시점동안 각각 하나의 회전자 속도 측정값(ω(k))이 측정됨으로써 속도 측정 신호(ω)가 검출된다.

고정자에 배치된 전자 정류 권선과 상호 작용하는 자석 세그먼트들이 둘레에 배치된 영구 자석 회전자를 구비한 EC 모터의 이러한 속도 측정 방법이 실제로 공지되어 있다. 공지된 상기 방법에서는 자석 세그먼트들의 위치가 EC 모터의 고정자 내에 배치된 홀 센서들에 의해 검출된다. 홀 센서들의 출력 신호는 자계에 따라 0 또는 1이 된다. 회전자의 극쌍 개수로부터 산출된, 회전자의 원주방향으로 서로 인접하는 자석 세그먼트들간의 각 오프셋(angular offset) 및 홀 센서들의 측정 신호가 연속하여 2회 변경되는 시간 간격으로부터 속도 측정값이 산출된다. 그러나 자석 세그먼트들은 회전자 둘레에의 배치 및 치수와 관련하여 원주방향으로 (상세하게 공지되어 있지 않은) 제조 허용오차를 갖기 때문에, 속도 측정값의 산출 근거가 되는 계산된 각 오프셋과 실제 각 오프셋 사이에 편차가 생긴다. 통상적인 제조 허용오차는 20%이다. 이러한 제조 허용오차는 회전자 속도가 일정할 경우 속도 측정 신호가 실제 속도값의 -20% 내지 +20%의 범위 내에 있는 임의의 값을 빠른 순서로 취하도록 한다.

회전자의 방향 전환시 또 다른 속도 오차가 발생할 수 있다. 단일 방향으로 회전하는 경우에는 먼저 제 1 자석 섹션이 홀 센서를 지나간 다음, 제 2 자석 섹션이 홀 센서를 지나간다. 그로 인해 자계가 바뀜으로써 홀 센서의 출력 신호가 변동한다. 회전자가 정지한 다음 반대 방향으로 움직이면 다시 제 1 자석 섹션이 홀 센서를 통과하고, 그 결과 출력 신호가 다시 바뀌게 된다. 상기 두 신호 변경 사이의 시간 간격은 매우 짧을 수 있고, 그로 인해 사실과 다르게 매우 높은 속도가 검출된다.

속도 신호는, 예컨대 각각 마지막 바로 이전의 속도 측정값, 마지막 속도 측정값 및 현재의 속도 측정값으로부터 평균값이 생성됨으로써 평활화(smoothing)될 수는 있으나, 그러한 경우 평균된 속도 측정값이 현재 시점이 아닌 홀 센서 신호의 마지막 변경 시점에 속도를 반영할 수 있다. 계산된 속도 신호와 실제 속도 신호 사이의 이러한 시간 지연은 특히 속도 신호가 실제값 신호로서 속도 제어 회로에 전달되는 경우에 불리하게 작용한다. 특히 속도가 느린 경우, 지연 시간이 상대적으로 큰 값을 취하며, 그 결과 속도 제어 품질이 상응하게 저하된다.

따라서 본 발명의 목적은, 속도 측정값에 비해 실제로 시간 지연을 갖지 않는 비교적 정확한 속도 측정 신호를 간단하게 측정할 수 있게 하는, 도입부에 언급한 방식의 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은, 회전자의 질량 관성모멘트의 관성모멘트 값이 측정되고, 개별 샘플링 시점동안 권선 내 전류에 대한 각각의 전류값(I(k))이 측정됨으로써 전류 신호(I)가 검출되며, 개별 속도 측정값(ω(k))에 대해 더 이전의 샘플링 시점에 할당된 속도 측정값(ω_k(k-1)), 전류 신호(I) 및 관성모멘트 값으로부터 상기 속도 측정값의 추정값(ω_s(k))이 측정되고, 상기 추정값(ω_s(k))에는 상기 추정값(ω_s(k))이 포함되는 허용오차 범위가 지정되며, 상기 속도 측정값(ω(k))은 상기 허용오차 범위 밖에 놓이고, 상기 허용오차 범위 내에 존재하는 속도값(ω_k(k))으로 대체됨으로써 달성된다.

즉, 허용오차 범위 밖에 놓임으로써 타당성이 없는 속도 측정값(ω(k))이 허용오차 범위로 제한되는 것이 바람직하며, 이때 허용오차 범위의 한계값은 다이내믹하게 산출된다. 그 결과, 속도 측정 신호의 변동이 간단하게 평활화될 수 있으며, 이때 평활화된 또는 수정된 속도 측정 신호와 측정된 속도 신호 사이의 시간 지연은 일어나지 않는다. 이러한 값 제한은 하기와 같은 전기 기계의 동적 방정식(dynamic equation)에 기초한다.

J?dω/dt = K_t?I

상기 식에서 J는 회전자의 질량 관성모멘트를, ω는 회전자 속도를, K_t는 전기 기계의 상수를, I는 권선 전류를, 그리고 t는 시간을 나타낸다. 속도 추정값(ω_s(k))은 하기와 같이 산출되며, T는 샘플링 지속시간을 나타낸다.

허용오차 범위의 폭이 ±△ω _lim 로 결정되면, k번째 속도 측정값(ω(k))에 대해 허용오차 범위의 상위 경계값(ω _HighLim (k)) 및 하위 경계값(ω _LowLim (k))이 추정값(ω_s)에서 시작하여 하기와 같이 산출될 수 있다.

ω _HighLim (k) = ω_s + △ω _lim = ω_k(k-1) + TK _t ?I(k-1)/J + △ω _lim

ω _LowLim (k) = ω_s - △ω _lim = ω_k(k-n) + TK _t ?I(k-1)/J - △ω _lim

이때, 속도 변동을 현저히 감소시킬 수 있도록 허용오차 범위의 폭(±△ω _lim )이 바람직하게 속도 측정값(ω(k))의 변동폭보다 훨씬 더 작게 선택된다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는 회전자에 부하 모멘트가 가해지는데, 이때 상기 부하 모멘트에 대해 부하 모멘트 신호(M_L)가 제공되고, 이전 샘플링 시점에 할당된 속도 측정값(ω_k(k-1)), 전류 신호(I), 부하 모멘트 신호(M_L) 및 관성 모멘트값으로부터 속도 추정값(ω_s(k))이 산출된다. 즉, 이 방법은 부하 모멘트 신호가 가해지는 전기 기계에서도 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 부하 모멘트가 회전자를 멈추거나 구동할 수 있다. 이러한 전기 기계의 동적 방정식은 하기와 같다.

J?dω/dt = K_t?I - M_L

이로부터 속도 추정값(ω_s(k)) 및 허용오차 범위의 상위 경계값(ω _HighLim (k)) 과 하위 경계값(ω _LowLim (k))이 하기와 같이 산출된다.

ω _HighLim (k) = ω_s + △ω _lim = ω(k-1) + T/J[K _t ?I(k-1) - M_L(k-1)] + △ω _lim

ω _LowLim (k) = ω_s - △ω _lim = ω(k-1) + T/J[K _t ?I(k-1) - M_L(k-1)] - △ω _lim

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는 권선에 인가된 전압이 검출되는데, 이때 상기 전압, 권선의 임피던스, 경우에 따라 수정된 속도 측정값(ω(k)) 및 기계 상수(K_e)로부터 간접적으로 전류값(I(k))이 산출된다. 상응하는 시스템 방정식은 하기와 같다.

U = R_A ?I + L_A ?dl/dt + K_e ?ω_k

위 식에서 R_A는 권선의 옴의 저항을, L_A는 권선의 인덕턴스를, 그리고 K_e는 전기 기계의 기계 상수를 나타낸다. 이 방법은 권선에 인가된 전압의 펄스폭 변조에 의해 권선 전류가 조정되는 전기 기계에서 바람직하게 사용된다.

허용오차 범위의 폭 및/또는 레벨이 이전 샘플링 시점에 할당된 속도 측정값(ω_k(k-1))을 기초로 선택되고, 속도가 증가함에 따라 감소되고/거나 속도가 감소함에 따라 증가되는 것이 바람직하다. 그 결과, 예컨대 속도에 따라 정확도가 달라지는 추정값이나 평균값으로만 제공되는 속도 의존적 부하 모멘트가 가해지는 전기 기계에서는 허용오차 범위의 폭 산출시 정확도의 속도 의존도가 고려된다.

본 발명의 한 바람직한 실시예에서는, 허용오차 범위의 폭 및/또는 레벨이 전류 신호(I)를 기초로 하여 선택되고, 바람직하게는 전류가 증가함에 따라 증대되고/거나 전류가 감소함에 따라 감소된다. 이때 권선 전류가 증가하면 회전자가 가속됨에 따라 속도가 그에 상응하게 증가된다는 것이 전제된다. 즉, 허용오차 범위의 폭 및/또는 레벨은 권선에 전류가 흐름으로써 예상되는 회전자의 속도 변동에 매칭된다.

속도 신호가 예컨대 리플(ripple)과 같은 장애를 받는 경우, 권선 전류를 대부분 그에 상응하게 약화된다. 이 경우, 필터링을 통해, 예컨대 슬라이딩 평균값 형성을 통해 전류 신호(I)를 평활화하고, 필터링된 전류 신호(I)를 이용하여 속도 측정값(ω(k))의 추정값(ω_s(k))을 산출하는 것이 바람직할 수 있다.

하기에는 도면을 참고로 본 발명의 실시예를 더 상세히 설명한다. 도면은 전동기의 속도 제어 회로의 신호 흐름도를 도시한 것이다.

전기 기기는 EC 모터 및 도면부호 "1"로 표시된 EC 모터용 속도 제어 회로를 포함한다. EC 모터는 예컨대 왕복 피스톤 내연기관의 가변 캠샤프트 조정장치(variable camshaft phasing) 또는 병렬 시프트 트랜스미션(parallel shift gearbox)의 시프트 핑거용 조정 장치와 같은 자동차의 조정 장치를 위한 구동 모터로서 사용된다. EC 모터 및 상기 EC 모터에 의해 구동되는 기계 부하는 도면에 "2"로 표시되어 있는 제어 시스템을 형성한다.

EC 모터에는 EC 모터 권선의 각각의 위상에 대해 각각 하나의 홀 센서를 갖 는 속도 센서(3)가 배치되고, 상기 홀 센서는 본래 공지되어 있는 방식으로 EC 모터 회전자의 자화 링과 상호 작용하여 회전자 속도에 대한 속도 측정 신호를 검출한다. 속도 측정 신호는 샘플-홀드 소자(sample and hold element)(4)에 전달되고, 상기 샘플-홀드 소자는 상기 속도 측정 신호로부터 일정한 샘플링 비율(1/T)로 샘플링을 수행함으로써 샘플링 시점(k?T)에 각각 할당되는 속도 측정값들(ω(k))의 시퀀스를 발생시키며, 이때 k는 정수 지수를, T는 샘플링 지속시간을 나타낸다.

또한 전기 기기는 2개의 지연 소자(5, 6), 연산 장치(7) 및 2개의 비교 장치(8, 9)를 포함하는 속도 측정값(ω(k)) 제한 장치를 갖는다. 연산 장치(7)의 속도 측정 신호 입력(10)은 제 1 지연 소자(5)를 통해 수정된 속도 신호(ω_k(k))용 단자와 연결된다. 수정된 속도 신호(ω_k(k))가 제 1 지연 소자(5)에 의해 샘플링 지속시간(T)에 상응하는 시간만큼 지연된다. 그럼으로써 속도 측정 신호 입력(10)에 속도 신호(ω_k(k-1))가 인가된다. 연산 장치(7)의 전류 신호 입력(11)은 제 2 지연 소자(6)를 통해 EC 모터의 권선 전류 신호(I(k))용 단자와 연결된다. 권선 전류 신호(I(k))가 제 2 지연 소자(6)에 의해 샘플링 지속시간(T)에 상응하는 시간만큼 지연된다. 그럼으로써 전류 신호 입력(11)에 전류 신호(I(k-1))가 인가된다. 또한 연산 장치(7)는 EC 모터의 평균 부하 모멘트(M_L)의 척도인 신호와 연결되는 부하 모멘트 신호 입력(12)을 갖는다.

속도 신호(ω_k(k-1)), 전류 신호(I(k-1)), 지연된 부하 모멘트 신호(M_L), 샘 플링 지속시간(T), 회전자의 공지된 관성모멘트 값(J), EC 모터의 모터 상수(K_t) 및 사전 설정된 간격값(interval value)(±△ω_lim)으로부터 연산 장치(7)에 의해, 현재 샘플링 단계(k)에 각각 할당된 허용오차 범위([ω _LowLim (k), ω _HighLim (k)])의 상위 경계값(ω _HighLim (k)) 및 하위 경계값(ω _LowLim (k))이 하기와 같이 산출된다.

ω _HighLim (k) = ω_k(k-1)+ T/J[K _t ?I(k-1) - M_L(k-1)] + △ω _lim

ω _LowLim (k) = ω_k(k-1)+ T/J[K _t ?I(k-1) - M_L(k-1)] - △ω _lim

상위 경계값(ω _HighLim (k))은 제 1 비교 장치(8)의 제 1 입력에 전달되고, 상기 제 1 비교 장치(8)는 속도 신호(ω(k))가 인가되는 제 2 입력부를 가진다. 상기 제 1 비교 장치(8)의 출력은 제 2 비교 장치(9)의 제 1 입력과 연결된다. 제 2 비교 장치(9)의 제 2 입력에는 연산 장치(7)에 의해 검출된 하위 경계값(ω _LowLim (k)) 신호가 인가된다. 제 2 비교 장치(9)의 출력에는 수정된 또는 허용오차 범위로 제한된 속도 신호(ω_k(k))가 제공된다.

제 2 비교 장치(9)의 입력은 제 3 비교 장치(13)의 실제값 입력에 연결된다. 상기 제 3 비교 장치(13)의 설정값 입력에는 속도 설정값 신호(ω _set )가 인가되고, 상기 속도 설정값 신호는 예컨대 상위 제어 장치로부터 제공된다. 속도 설정값 신호(ω _set )와 수정된 속도 신호(ω_k(k))의 편차는 제어 편차로서 제 3 비교 장치(13)의 출력에 송출된다. 상기 출력은 속도 제어기(14)의 입력에 연결된다. 속도 제 어기(13)의 출력에는 이미 언급한 전류 신호(I(k))가 제공된다. 상기 전류 신호(I(k))에 상응하게 (도면에는 상세히 도시되지 않은) 트리거 장치를 통해 EC 모터의 권선이 예컨대 권선에 인가된 전압의 펄스폭 변조에 의해 트리거링된다.

본 발명을 통해, 속도 측정값에 비해 실제로 시간 지연을 갖지 않는 비교적 정확한 속도 측정 신호를 간단하게 측정할 수 있게 하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims

고정자, 회전자 및 권선을 구비한 전기 기계에 포함된 속도 제어 회로에 의해 상기 전기 기계의 속도를 측정하는 방법에 있어서,

일련의 시점 동안 상기 회전자의 속도(ω)를 샘플링하여 속도 측정값ω(k)을 결정하는 단계와,

상기 회전자의 질량 관성모멘트의 관성모멘트 값을 결정하는 단계와,

샘플링 시점 동안 상기 권선 내 전류에 대한 각각의 전류값(I(k))을 측정하여 전류 신호(I)를 결정하는 단계와,

샘플링 이전에 할당된 속도 측정값(ω_k(k-1)), 상기 전류 신호(I), 상기 관성모멘트 값을 이용하여 상기 속도 측정값(ω(k)) 각각에 대한 추정값(ω_s(k))을 결정하는 단계와,

상기 추정값(ω_s(k))에 대해 상기 추정값(ω_s(k))이 포함되는 허용오차 범위를 지정하는 단계와,

상기 속도 측정값(ω(k))이 상기 허용오차 범위 밖에 놓이는 경우, 상기 속도 측정값(ω(k))을 상기 허용오차 범위 내에 존재하는 속도값(ω_k(k))으로 대체하는 단계

를 포함하며,

상기 허용오차 범위가 경계값들에 의해 제한되고, 상기 허용오차 범위 밖에 놓이는 속도 측정값(ω(k))은 상기 속도 측정값에 가장 가까운 허용오차 범위의 경계값으로 수정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계 속도 측정 방법.
제1항에 있어서,

상기 회전자에 부하 모멘트를 가하고 상기 부하 모멘트에 대한 부하 모멘트 신호(M_L)를 제공하는 단계를 더 포함하며,

추정값(ω_s(k))을 결정하는 상기 단계는,

이전 샘플링 시점에 할당된 속도 측정값(ω_k(k-1)), 전류 신호(I), 부하 모멘트 신호(M_L) 그리고 관성 모멘트값을 이용하여 결정하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계 속도 측정 방법.
제1항에 있어서,

상기 권선에 인가된 전압을 검출하는 단계를 더 포함하고,

검출된 상기 전압, 권선의 임피던스, 속도 측정값(ω(k)) 그리고 기계 상수로부터 상기 전류값(I(k))이 산출되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계 속도 측정 방법.
삭제
제1항에 있어서,

허용오차 범위를 지정하는 상기 단계는,

상기 속도 측정값(ω_k(k-1))에 대한 함수로서, 상기 허용오차 범위의 폭 또는 레벨을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계 속도 측정 방법.
제1항에 있어서,

허용오차 범위를 지정하는 상기 단계는,

상기 전류 신호(I)에 대한 함수로서, 상기 허용오차 범위의 폭 또는 레벨을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계 속도 측정 방법.
제1항에 있어서,

허용오차 범위를 지정하는 상기 단계는,

전류 증가에 대응하여 상기 허용오차 범위를 증가시키거나 또는 전류 감소에 대응하여 상기 허용오차 범위를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계 속도 측정 방법.