JP4223506B2

JP4223506B2 - ３相モータの初期駆動方法

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Publication number: JP4223506B2
Application number: JP2005248348A
Authority: JP
Inventors: 濬煥李; 泰徳金; 炯午金
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-09-08
Filing date: 2005-08-29
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2025-08-29
Also published as: KR100586993B1; EP1635447A3; JP2006081389A; KR20060023001A; CN1324802C; EP1635447A2; CN1747316A

Description

本発明は、３相モータの初期駆動方法に関し、より詳しくは、３相モータの停止状態から所定の速度まで回転子の位置を把握し、回転子の位置による整流を制御するに当たって、電力消耗及び製造費用を減少させることができる３相モータの初期駆動方法に関する。

一般に、モータの回転時に最大トルクを得るために励磁される相は、モータの回転子の位置によって決定される。ここで、回転子が回転している場合、逆起電力によって回転子の位置を測定することができ、これに基づいて最大トルクを得るための適切な相を選択的に励磁させてモータを回転させる。

反面、モータの初期駆動時には逆起電力によって回転子の位置を測定することができないため、位置感知用センサーを利用する。ここで、回転子の位置による適切な相を励磁することができない場合、モータの初期駆動に失敗することがあり、駆動時間が長くなり、不必要な電力の消費が発生し得る。

エアコンや冷蔵庫の圧縮器のように、その駆動環境が位置感知用センサーを装着し難い構造では、別途の回転子位置感知方法が提案されている。例えば、固定子を励磁させることによって回転子を強制整列させ、整列された位置から駆動を始める。

一方、韓国特許公開公報第２０００-２４０７８号では、位置感知用センサーを使用せずに回転子の初期位置を測定する他の方法を開示している。

つまり、インバータに印加されるＰＷＭ駆動信号は、モータのトルクを発生させるためのＰ_{ｐｈａｓｅ}以外に、回転子の位置を把握するためのＰ_{Ｐｕｌｓｅ}を含んでいる。ここで、前記公報ではＢＬＤＣのような３相３励磁方式のモータを構成し、電気角で１回転は３６０゜の角を有するようになり、これは電気角６０゜毎に整流を行ってこそモータの正常な回転が保障される。
韓国特許公開公報第２０００−２４０７８号

しかし、前記公報に開示された方法による場合、回転子の位置を判断するために_{ＰＰｕｌｓｅ}を追加しなければならないが、Ｐ_{Ｐｕｌｓｅ}を生成するためのインバータのスイッチング動作によってスイッチングロスを発生させる問題点がある。

また、Ｐ_{Ｐｕｌｓｅ}によってＰ_{Ｐｕｌｓｅ}を使用しない場合と同一のトルクを発生するためには、スイッチング周波数（キャリア周波数）を２倍以上に増加させなければならないという短所がある。

また、Ｐ_{Ｐｕｌｓｅ}の追加は、スイッチングノイズを伴うのが一般的である。したがって、マイクロプロセッサーなどのような制御部のＡ／Ｄ性能が高性能であることを要求し、その製造費容が増加するという短所がある。

したがって、本発明の目的は、３相モータの停止状態から所定の速度まで回転子の位置を把握し、回転子の位置による整流を制御するに当たって、電力消耗及び製造費用を減少させることができる３相モータの初期駆動方法を提供することにある。

上記の目的は、本発明によって、３相モータの初期駆動方法において、
前記３相モータの回転子の初期位置に対応する２相の励磁相を励磁させるための第１ＰＷＭ駆動信号をインバータに供給する段階と；前記第１ＰＷＭ駆動信号の周期と同一の周期で前記第１ＰＷＭ駆動信号の各周期内で前記第１ＰＷＭ駆動信号により流れる電流を測定する段階と；前記第１ＰＷＭ駆動信号により流れる電流を最初の測定から所定の基準回数連続して測定された測定値に基づいて基準測定値を算出する段階と；前記測定値を所定の遅延回数測定した後から、所定の比較測定間隔で前記基準回数連続して測定した測定値に基づいて比較測定値を算出する段階と；前記基準測定値と前記比較測定値を比較し、前記比較測定値が前記基準測定値より所定比率以上大きくなる場合、前記回転子の回転位置に対応して他の２相の励磁相を励磁させるための第２ＰＷＭ駆動信号を前記インバータに供給する段階とを含むことを特徴とする３相モータの初期駆動方法によって達成される。

ここで、前記基準測定値及び前記比較測定値は、前記励磁相整流の測定値に対する平均値を含むことができる。

そして、前記遅延回数は、前記基準回数と同一であり得る。

また、前記比較測定間隔は、前記励磁相整流の毎測定周期と同一であり得る。

ここで、前記基準測定値は、式

（ここで、Ｉ_Ｒｅｆは前記基準測定値であり、Ｎは前記基準回数であり、ｘ_ｉはｉ番目測定での測定値である）によって算出され；
前記比較測定値は、式

（ここで、Ｉ_ｃｏｍは前記比較測定値であり、Ｘ_ｃはｃ番目測定での測定値であり、ｊは前記遅延回数より大きい自然数である）によって算出されることができる。

そして、前記ｊは前記Ｎより大きい自然数であり、１ずつ増加することができる。

そして、前記３相モータの初期駆動時、前記回転子の初期位置を決定する段階をさらに含み；前記第１ＰＷＭ駆動信号を前記インバータに供給する段階で、前記回転子の位置は前記回転子の初期位置を含むことができる。

ここで、前記第１ＰＷＭ駆動信号及び前記第２ＰＷＭ駆動信号のうちの少なくともいずれかは、バイポーラ方式、前記インバータの入力側トランジスタを連続してオンさせ、出力側トランジスタを断続してオンさせるアウト−ゴーイング方式及び前記インバータの入力側トランジスタを断続してオンさせ、出力側トランジスタを連続してオンさせるオン−ゴーイング方式のうちのいずれか一つのパルス波形を含むことを特徴とする。

本発明によれば、３相モータの停止状態から所定の速度まで回転子の位置を把握し、回転子の位置による整流を制御するに当たって、電力消耗及び製造費用を減少させた３相モータの初期駆動方法が提供される。

以下、添付した図面を参照して、本発明について詳細に説明する。

図１は本発明によるモータ駆動装置の概略的な構成を示した図面である。図面に示されているように、モータ駆動装置は、３相モータ１、インバータ３、整流検出部５、及び制御部７を有する。

３相モータ１は、抵抗Ｒ１〜Ｒ３及びインダクタＬ１〜Ｌ３を含む固定子１１と内部回転子１２を有する。３相モータ１の各位相端子はインバータ３に連結されており、励磁相整流が流入してインダクタＬ１〜Ｌ３に整流が流れれば、磁場が形成されて内部回転子１２を回転させる。

インバータ３は６個のスイッチング用トランジスタＱ１〜Ｑ６を有する。スイッチング用トランジスタは２つが直列で一対をなし、３相モータ１の位相端子に各々連結されており、各対のうちの一つ（以下、“上部トランジスタＱ１〜Ｑ３”という）は外部Ｖｄｃのプラス端子に、他の一つ（以下、“下部トランジスタＱ４〜Ｑ６”という）は、マイナス端子に連結されている。

インバータ３から３相モータ１に供給される励磁相整流は、整流検出部５によって検出され、各トランジスタＱ１〜Ｑ６のベース端子は、制御部７から入力されるバイアス信号によってスイッチング制御される。

制御部７は２相励磁方式によってインバータ３を駆動する。つまり、インバータ３の３個の上部トランジスタＱ１〜Ｑ３のうちのいずれか一つをターンオンし、ターンオンした相と異なる相を有する下部トランジスタＱ４〜Ｑ６のうちの一つをターンオンする。このような励磁方式によって、次の表１のように、６個の整流方向を記号化することができる。

ここで、矢印は位相端子（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の間の整流の方向を示している。例えば、“Ｕ->Ｖ”とは、３相モータ１のU位相端子に流入した励磁相整流がV位相端子に流出することを意味する。

制御部７は、インバータ３のスイッチング用トランジスタ（Ｑ１〜Ｑ６をスイッチングする一方、整流検出部５から検出された整流に基づいてインバータ３のトランジスタ（Ｑ１〜Ｑ６を選択的にスイッチングする。

図２は、ＩＰＭ（インテリアパーマネントマグネット）形態の４極モータ１において、回転子１２の位置による機械角に対する各励磁相整流の測定値を示したグラフである。ここで、回転子１２の位置が機械角３０゜乃至９０゜内に位置する場合、ＩＵ励磁相整流がインバータ３から３相モータ１に供給されるのが、回転子１２に正方向のトルクを発生することができる。また、回転子１２の位置が機械角９０゜乃至１５０゜内に位置する場合に−ＩＷ励磁相整流が、回転子１２の位置が機械角１５０゜乃至２１０゜内に位置する場合にＩＶ励磁相整流が、回転子１２の位置が機械角２１０゜乃至２７０゜内に位置する場合に−ＩＵ励磁相整流が、回転子１２の位置が機械角２７０゜乃至３３０゜内に位置する場合にＩＷ励磁相整流が、回転子１２の位置が機械角３３０゜乃至３０゜内に位置する場合に−ＩＶ励磁相整流が、インバータ３から３相モータ１に供給されるのが、回転子１２に正方向のトルクを発生することができる。

ここで、制御部７は、整流検出部５によって検出された励磁相整流に対する測定値に基づいて回転子１２の位置を把握し、把握された回転子１２の位置による整流時点を判断する。

以下では、本発明による３相モータ１の初期駆動方法について、図３及び図４を参照して詳細に説明する。ここで、図４の（a）は、制御部７からインバータ３に供給されるＰＷＭ駆動信号のパルス波形を示した図である。ここで、図４の（a）のパルス波形は、励磁される相によってインバータ３のトランジスタＱ１〜Ｑ６のうちのいずれか２つをオン／オフさせることで、表１の６相の励磁相整流を３相モータ１に供給する。

まず、３相モータ１が初期駆動する場合、制御部７は３相モータ１の回転子１２の初期位置を決定する（Ｓ１０）。ここで、モータ１の初期位置決定方法の一例として、任意の２相を励磁させることによって、強制整列を行うことができる。

また、３相モータ１の回転子１２の初期位置を決定する他の方法としては、本発明の出願人が既に出願した韓国特許出願第２００４-６６８８８号（未公開）、または韓国特許出願第２００４-６８１１７号（未公開）に開示された方法に基づいて回転子１２の初期位置を算出することによって、回転子１２の初期位置を決定することができる。その他にも、回転子１２の初期位置を決定できる他の方法が適用可能なことは勿論である。

次に、制御部７はＳ１０段階で、回転子１２の初期位置が決定された場合、回転子１２の初期位置に対応する２相を励磁させるための第１ＰＷＭ駆動信号をインバータ３に出力する（Ｓ１１）。例えば、回転子１２の初期位置での機械角が３０゜である場合、制御部７は、ＩＵ励磁相整流が３相モータ１に供給されるように、インターバーのトランジスタＱ１及びＱ５に図４の（a）パルス波形を有する第１ＰＷＭ駆動信号を出力する。

ここで、第１ＰＷＭ駆動信号によって、インバータ３から出力されるＩＵ励磁相整流の波形は、図４の（b）に示した通りである。

ここで、制御部７は、整流検出部５が第１ＰＷＭ駆動信号による励磁相整流を一定の周期で測定するように制御する。ここで、整流検出部５による励磁相整流の測定周期は第１ＰＷＭ駆動信号の周期と同一であり、第１ＰＷＭ駆動信号の各周期内で測定される。また、整流検出部５による励磁相整流の測定は第１ＰＷＭ駆動信号の各オン区間内で測定されるのが好ましい。

一方、制御部７は、励磁相整流に対して最初測定から所定の基準回数ほど連続された測定値に基づいて基準測定値を算出する。図４では、基準回数が４回であることを一例として示している。

ここで、制御部７は、最初測定から基準回数ほど連続的に測定された測定値の平均値を基準測定値として算出することができる（Ｓ１２）。平均値は、次の式（１）を通じて算出される。

ここで、Ｉ_Ｒｅｆは基準測定値であり、Ｎは基準回数であり、ｘ_ｉはｉ番目測定での測定値である。

次に、制御部７は、励磁相整流に対して所定の遅延回数ほど測定が完了した後から、所定の比較測定間隔で励磁相整流に対して基準回数ほど連続された測定値に基づいて比較測定値を算出する（Ｓ１３）。

ここで、比較測定値は、基準測定値と同様な方法で算出される。例えば、基準測定値が基準回数ほどの測定値の平均値によって算出された場合、比較測定値も基準回数ほどの測定値の平均値によって算出される。

ここで、平均値による比較測定値は、次の式（２）を通じて算出される。

ここで、Ｉ_ｃｏｍは比較測定値であり、Ｘ_ｃはｃ番目測定での測定値であり、ｊは遅延回数に１を足した値である。

一方、比較測定値を算出するに当たって、遅延回数は基準回数と同一であり得る。つまり、制御部７は基準測定値を算出するために基準回数、例えば、最初の測定からＮ回までの測定値に基づいて基準測定値を算出した場合、制御部７はＮ＋１回目の測定値から基準回数、つまり、Ｎ+１回目の測定値から連続的にＮ回測定された測定値に基づいて、比較測定値を算出することができる。

また、制御部７は、Ｎ＋１回目から毎測定の際に比較測定値を算出することができる。つまり、Ｎ+１回目の測定値から基準回数ほど連続的に測定した測定値によって、比較測定値（以下、“第１比較測定値”という）を算出し、Ｎ+２回目の測定値から基準回数ほど連続的に測定した測定値によって、２番目の比較測定値（以下、“第２比較測定値”という）を算出する。

一方、制御部７は、第１比較測定値が算出されれば基準測定値と比較し（Ｓ１４）、第１比較測定値が基準測定値より所定比率以上大きいか否かをチェックする。制御部７のこのような比較過程は、次の式（３）で表される。

ここで、Ｃｐ（Compare parameter）値は、３相モータ１の特性によって選択可能な変数であって、測定を通じて選択されることができる。

制御部７は、算出された基準測定値と第１比較測定値が式（３）を満たしない場合、前述の方法で第２比較測定値を算出し、算出された第２比較測定値と基準測定値が式（３）を満たしたか否かを再確認する。制御部７は式（３）が満たされるときまでインバータ３に第１ＰＷＭ駆動信号を出力し、第１ＰＷＭ駆動信号によってインバータ３からはＩＵ励磁相整流が出力され、３相モータ１に供給される。

一方、式（３）が満たされる場合、制御部７は回転子１２の回転による整流のための第２ＰＷＭ駆動信号をインバータ３に出力する（Ｓ１５）。ここで、第２ＰＷＭ駆動信号はインバータ３のトランジスタＱ１及びＱ６をオン／オフさせることで、インバータ３から−ＩＷ励磁相整流が出力され、３相モータ１に供給される。

一方、制御部７は、第２ＰＷＭ駆動信号が出力された後、３相モータ１の回転速度が所定の基準速度を超えたか否かを判断する（Ｓ１６）。ここで、回転速度が基準速度を超えた場合、制御部７は前記の整流時点を探すための過程の遂行を中断する。反面、回転速度が基準速度以下である場合には、第２ＰＷＭ駆動信号に対しても、図３のＳ１１段階乃至Ｓ１５段階の過程を通じて、第３ＰＷＭ駆動信号の出力のための整流時点を探す過程を行うようになる。

前述した実施例では、図４の（a）に示されたパルス波形が、インバータ３の上部トランジスタＱ１〜Ｑ３及び下部トランジスタＱ４〜Ｑ６に同一に入力されることを一例とした。これは図５の（a）に示されたようなパルス波形が、各相によって上部トランジスタＱ１〜Ｑ３及び下部トランジスタＱ４〜Ｑ６に入力される方式であり、これを一般にバイポーラ（Bi-Polar）方式という。

その他にも、本発明は、図５の（b）及び（c）に各々示されたようなアウト−ゴーイング方式及びオン−ゴーイング方式のパルス波形にも適用可能なことは勿論である。この場合、図４の（b）に示された励磁相整流の波形で、パルス波形のうちオン区間での整流の大きさが小さくなることがある。

このように、励磁相整流の大きさを検出して基準測定値及び比較測定値を算出し、基準測定値より所定比率以上大きくなるときを回転子１２の回転による整流時点と判断し、インバータ３を制御することで、初期駆動時に使用された従来の位置感知用センサーを除去することができる。

また、従来のＰ_{Ｐｕｌｓｅ}を利用した初期駆動時の回転子１２の位置感知方法に比べ、スイッチング損失などによる電力損失をなくすことができ、製造費用も減少させることができる。

本発明によるモータ駆動装置の構成を示した図である。ＩＰＭ形態の４極モータにおいて、回転子の機械角に対する各励磁相整流の測定値を示したグラフである。本発明による３相モータの初期駆動方法を説明するための制御フローチャートである。本発明によるインバータに印加されるＰＷＭ駆動信号のパルス波形と、ＰＷＭ駆動信号による励磁相整流の波形を示した図である。バイポーラ方式、アウト−ゴーイング方式及びオン−ゴーイング方式のパルス波形を示した図である。

符号の説明

１３相モータ
３インバータ
５整流検出部
７制御部
１２回転子
Ｑ１〜Ｑ３上部トランジスタ
Ｑ４〜Ｑ６下部トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ３抵抗
Ｌ１〜Ｌ３インダクタ

Claims

３相モータの初期駆動方法において、
前記３相モータの回転子の初期位置に対応する２相の励磁相を励磁させるための第１ＰＷＭ駆動信号をインバータに供給する段階と；
前記第１ＰＷＭ駆動信号の周期と同一の周期で前記第１ＰＷＭ駆動信号の各周期内で前記第１ＰＷＭ駆動信号により流れる電流を測定する段階と；
前記第１ＰＷＭ駆動信号により流れる電流を最初の測定から所定の基準回数連続して測定された測定値に基づいて基準測定値を算出する段階と；
前記測定値を所定の遅延回数測定した後から、所定の比較測定間隔で前記基準回数連続して測定した測定値に基づいて比較測定値を算出する段階と；
前記基準測定値と前記比較測定値を比較し、前記比較測定値が前記基準測定値より所定比率以上大きくなる場合、前記回転子の回転位置に対応して他の２相の励磁相を励磁させるための第２ＰＷＭ駆動信号を前記インバータに供給する段階とを含むことを特徴とする３相モータの初期駆動方法。
前記基準測定値及び前記比較測定値は、複数の測定値の平均値を含むことを特徴とする請求項１に記載の３相モータの初期駆動方法。
前記遅延回数は前記基準回数と同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の３相モータの初期駆動方法。
前記比較測定間隔は前記励磁相電流の毎測定周期と同一であることを特徴とする請求項１または２に記載の３相モータの初期駆動方法。
前記基準測定値は、式

（ここで、Ｉ_Ｒｅｆは前記基準測定値であり、Ｎは前記基準回数であり、ｘ_ｉはｉ番目測定での測定値である）によって算出され；
前記比較測定値は、式

（ここで、Ｉ_ｃｏｍは前記比較測定値であり、Ｘ_ｃはｃ番目測定での測定値であり、ｊは前記遅延回数より大きい自然数である）によって算出されることを特徴とする請求項１または２に記載の３相モータの初期駆動方法。
前記ｊは、前記Ｎより大きい自然数であり、１ずつ増加することを特徴とする請求項５に記載の３相モータの初期駆動方法。
前記３相モータの初期駆動時、前記回転子の初期位置を決定する段階をさらに含み；
前記第１ＰＷＭ駆動信号を前記インバータに供給する段階で、前記回転子の位置は前記回転子の初期位置を含むことを特徴とする請求項１に記載の３相モータの初期駆動方法。
前記第１ＰＷＭ駆動信号及び前記第２ＰＷＭ駆動信号のうちの少なくともいずれかは、バイポーラ方式、前記インバータの入力側トランジスタを連続してオンさせ、出力側トランジスタを断続してオンさせるアウト−ゴーイング方式及び前記インバータの入力側トランジスタを断続してオンさせ、出力側トランジスタを連続してオンさせるオン−ゴーイング方式のうちのいずれか一つのパルス波形を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の３相モータの初期駆動方法。