KR100283517B1 - 펄스폭 변조 구동 비엘디시 모터의 역기전력 검출 회록 - Google Patents

펄스폭 변조 구동 비엘디시 모터의 역기전력 검출 회록 Download PDF

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Abstract

이 발명은 펄스폭 변조 방식에 의해 구동되는 비엘디시 모터의 역기전력을 검출하는 회로에 관한 것으로서,
전원측에 연결된 다수의 상측 구동 트랜지스터, 상기 상측 구동 트랜지스터와 접지측 사이에 각각 연결된 다수의 하측 구동 트랜지스터, 그리고 상기 구동 트랜지스터의 턴-오프시 전원측에 대해 역방향의 프리휠링 전류가 흐르도록 하기 위해 상기 구동 트랜지스터의 에미터와 컬렉터 단자 사이에 각각 연결되는 다이오드를 포함하며 상기 구동 트랜지스터가 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭되는 인버터 회로와, 각 상의 일측 단자가 상기 인버터 회로의 상측 구동 트랜지스터와 하측 구동 트랜지스터의 접속점에 각각 연결되며 타측 단자가 공통으로 중성점에 연결되는 고정자 코일과, 상기 고정자 코일의 각 상에서 검출되는 상전압과 상기 중성점 전압의 차이 전압을 샘플링한 후 홀딩하는 다수의 샘플링/홀드 회로와, 상기 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호의 오프-듀티마다 펄스를 발생하는 샘플링 클럭에 동기하여 동작함으로써 상기 샘플링/홀드 회로의 동작을 각각 제어하는 다수의 제어 스위치를 포함한다.

Description

펄스폭 변조 구동 비엘디시 모터의 역기전력 검출 회로
이 발명은 펄스폭 변조 방식에 의해 구동되는 비엘디시 모터의 역기전력을 검출하는 회로에 관한 것이다.
일반적으로 디시(DC) 모터는 선형 시스템(linear system)으로 모형화될 수 있기 때문에 제어하기가 쉽다는 장점을 가지고 있지만, 접촉식 정류자(commutator)인 브러시(brush)의 마모로 인해 관리하기가 어렵다는 단점을 가지고 있다.
그러므로, 상기 디시 모터에서 브러시를 없애고 디시 모터의 특성은 그대로 유지되도록 고안된 모터가 비엘디시(BLDC; brushless direct current) 모터이다.
이러한 비엘디시 모터는 영구 자석으로 이루어진 회전자(rotor)와 전압이 인가되면 전자석이 되는 코일로 이루어진 고정자(stator)를 포함하며, 일반적으로 홀 센서(hall sensor)를 통해 검출된 상기 회전자의 위치 정보에 따라 고정자 코일에 교번으로 인가되는 전압에 의해 정상적으로 회전하게 된다.
도 1은 고정자 코일에 전압이 교번으로 인가되도록 하기 위한 3상 비엘디시 모터의 인버터 회로를 나타낸 것으로서, 회전자의 위치 정보에 따라 입력되는 스위칭 제어 신호에 의해 상측 구동 트랜지스터(Q1, Q2, Q3)와 하측 구동 트랜지스터(Q4, Q5, Q6)에서 각각 하나의 트랜지스터가 교번으로 스위칭되므로 고정자 코일의 각 상(A, B, C)에 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 되어 회전자가 계속 회전할 수 있게 된다.
그러나, 비엘디시 모터의 이용 목적에 따라 홀 센서를 취부하지 못하는 경우가 많기 때문에, 최근에는 홀 센서 대신 모터 회전시 발생하는 역기전력(back electromotive force)을 검출하여 이를 회전자의 절대적인 위치 정보로 이용하는 센서리스(sensorless) 비엘디시 모터의 구동 방법이 제시되고 있다.
모터의 회전시 고정자 코일의 각 상에서 발생하는 역기전력은 정현파와 비슷한 형태를 가지는데, 역기전력을 이용하여 모터를 정상적으로 회전시키기 위해서는 모터 구조상 역기전력이 음(-)의 반주기에서 양(+)의 반주기로 전환되는 시점, 즉 역기전력이 고정자 코일의 중성점 전압과 교차하는 제로-크로스 포인트(zero-cross point)로부터 전기적으로 30도(degree) 지연된 후에 고정자 코일에 인가되는 전압의 방향을 바꾸어주어야 한다. 따라서, 센서리스 구동 방법에 의해 모터를 정상적으로 회전시키기 위해서는 먼저 정확한 역기전력을 검출하는 일이 선행되어야 한다.
상기 비엘디시 모터의 구동 방법에는 펄스폭 변조(pulsewidth modulation) 방식에 의해 구동하는 방법이 있다.
이 구동 방법은 상기 인버터 회로의 구동 트랜지스터를 스위칭하는 제어 신호의 펄스폭을 변조하여 인가하는 방법으로서, 대개 고정자 코일에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 모터의 회전 속도를 제어하기 위해 사용된다.
그러나 이러한 펄스폭 변조 구동 방법을 사용하게 되면, 도 2에 도시된 바와 같이 고정자 코일의 각 상에는 모터 회전시 발생하는 순수한 역기전력(OBE)에 심한 왜곡 성분이 포함된 상전압(DBE)이 검출되기 때문에, 정확한 역기전력을 검출하기가 어렵게 된다.
특히 센서리스 비엘디시 모터 구동의 경우에, 정확한 역기전력을 검출하지 못한다는 것은 최적의 정류 시점을 검출할 수 없다는 것을 의미하며, 이로 인해 정상적인 모터 구동이 불가능해질 수 있다는 문제점이 발생한다.
따라서, 이 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 펄스폭 변조 방식에 의해 구동되는 비엘디시 모터의 회전시 발생하는 순수한 역기전력을 정확하게 복원할 수 있는 역기전력 검출 회로 및 방법을 제공하는 데에 있다.
도 1은 일반적인 3상 비엘디시 모터의 정류(commutation)를 위한 인버터(inverter) 회로를 나타낸 것이다.
도 2는 종래 펄스폭 변조 방식에 의해 구동하는 3상 비엘디시 모터의 고정자 코일 한 상에서 검출되는 상전압의 파형을 나타낸 것이다.
도 3은 이 발명에 따른 펄스폭 변조 방식에 의해 구동하는 3상 비엘디시 모터의 역기전력 검출 회로를 나타낸 것이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3에 도시된 역기전력 검출 회로에서 전원 공급 모드와 프리휠링(freewheeling) 모드로 동작하는 경우를 나타낸 것이다.
도 5는 이 발명에 따른 펄스폭 변조 방식에 의해 구동하는 비엘디시 모터의 역기전력 검출 과정을 나타낸 것이다.
상기의 과제를 달성하기 위한 이 발명에서,
인버터 회로는, 전원측에 연결된 다수의 상측 구동 트랜지스터, 상기 상측 구동 트랜지스터와 접지측 사이에 각각 연결된 다수의 하측 구동 트랜지스터, 그리고 상기 구동 트랜지스터의 턴-오프시 전원측에 대해 역방향의 프리휠링(freewheeling) 전류가 흐르도록 하기 위해 상기 구동 트랜지스터의 에미터와 컬렉터 단자 사이에 각각 연결되는 다이오드를 포함하며, 상기 구동 트랜지스터는 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭된다.
고정자 코일 각 상(phase)의 일측 단자는 상기 인버터 회로의 상측 구동 트랜지스터와 하측 구동 트랜지스터의 접속점에 각각 연결되며, 타측 단자는 공통으로 중성점(neutral point)에 연결되어 있다.
다수의 샘플링/홀드 회로는, 상기 고정자 코일의 각 상에서 검출되는 상전압과 상기 중성점 전압의 차이 전압을 샘플링(sampling)한 후 홀딩(holding)한다.
다수의 제어 스위치는, 상기 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호의 오프-듀티(off-duty)마다 펄스를 발생하는 샘플링 클럭에 동기하여 동작함으로써 상기 샘플링/홀드 회로의 동작을 각각 제어한다.
이 발명에서는 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호에 의해 구동하는 상기 인버터 회로가 상기 고정자 코일에 전압을 인가하는 구간에서는 상기 코일의 상전압을 측정하지 않고, 상기 코일에 전압을 인가하지 않는 구간 중 상전류가 감쇄된 후에 상전압을 샘플링하여 홀딩함으로써 순수한 역기전력을 복원하는 방법을 제안한다.
이하, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 이 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조로 설명하기로 한다.
도 3은 이 발명에 따른 펄스폭 변조 방식에 의해 구동하는 3상 비엘디시 모터의 역기전력 검출 회로를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 펄스폭 변조 구동 3상 비엘디시 모터의 역기전력 검출 회로에서,
인버터 회로(100)는, 전원측에 연결된 pnp형 상측 구동 트랜지스터(Q1∼Q3), 상기 상측 구동 트랜지스터(Q1∼Q3)와 접지측 사이에 각각 연결된 npn형 하측 구동 트랜지스터(Q4∼Q6), 그리고 상기 구동 트랜지스터(Q1∼Q6)의 턴-오프시 전원측에 대해 역방향의 프리휠링 전류가 흐르도록 하기 위해 상기 구동 트랜지스터(Q1∼Q6)의 에미터와 컬렉터 단자 사이에 각각 연결되는 다이오드(D1∼D6)를 포함하며, 상기 구동 트랜지스터(Q1∼Q6)는 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호(pwm)에 의해 스위칭된다.
고정자 코일 각 상(A, B, C)의 일측 단자는 상기 인버터 회로(100)의 상측 구동 트랜지스터(Q1∼Q3)와 하측 구동 트랜지스터(Q4∼Q6)의 접속점에 각각 연결되며, 타측 단자는 공통으로 중성점에 연결되어 있다.
3개의 샘플링/홀드 회로(210∼230)는, 상기 고정자 코일의 각 상(A, B, C)에서 검출되는 상전압과 상기 중성점 전압의 차이 전압을 샘플링한 후 홀딩한다.
3개의 제어 스위치(SW1∼SW3)는, 상기 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호(pwm)의 오프-듀티마다 펄스를 발생하는 샘플링 클럭에 동기하여 턴-온됨으로써 상기 샘플링/홀드 회로(210∼230)를 동작시킨다.
이 발명에서 인버터 회로(100)의 구동 트랜지스터(Q1∼Q6)를 교번으로 스위칭하기 위해 사용되는 스위칭 제어 신호(pwm)는 펄스폭 변조 신호로서 온-듀티와 오프-듀티를 가지며, 인버터 회로(100)는 상기 스위칭 제어 신호(pwm)의 온-듀티 동안 전원 공급 모드로 동작하고 오프-듀티 동안 프리휠링 모드로 동작한다.
도 4a 및 도 4b는 각각 도 3에 도시된 역기전력 검출 회로에서 전원 공급 모드와 프리휠링 모드로 동작하는 경우를 나타낸 것이다.
먼저, 스위칭 제어 신호(pwm)의 온-듀티 동안 하나의 상측 구동 트랜지스터(Q1)와 하측 구동 트랜지스터(Q5)가 동시에 턴-온되면 전류가 도 4a에 도시된 굵은 선으로 형성된 경로를 통해 흐름으로써 고정자 코일의 A상과 B상이 여자된다.
그리고, 이 때 고정자 코일의 B상에서 검출되는 상전압은 도 2에 도시된 바와 같이 순수한 역기전력에 심한 왜곡 성분이 포함된 전압이기 때문에, 제어 스위치(SW2)가 턴-오프되어 샘플링/홀드 회로(220)는 동작하지 않는다.
그러나, 스위칭 제어 신호(pwm)의 오프-듀티 동안에는 턴-온되었던 구동 트랜지스터(Q1, Q5)가 턴-오프되면서 다이오드(D2, D4)가 턴-온되므로, 전류는 도 4b에 도시된 굵은 선으로 형성된 경로를 통해 흐르게 되고, 식 1과 같은 회로 방정식이 성립된다.
[여기서, La:A상의 권선 유도 저항, ia:A상의 전류, Ra:A상의 저항, Ea:역기전력, V:전원 전압]
그리고 이 때 흐르는 전류는 전원 전압에 대해 역방향인 프리휠링 전류로서 전원 전압과 저항(Ra)에 의해 빠르게 감쇄하기 때문에, 결국 일정 시간 후에는 전원 전압이나 프리휠링에 의한 전류가 흐르지 않으므로, 고정자 코일의 B상에서 검출되는 상전압에는 거의 순수한 역기전력 성분만이 남게 된다.
그러므로, 이 때 샘플링/홀드 회로(220)를 통해 중성점 전압 대비 상전압을 측정하면 순수한 역기전력에 가까운 값을 얻을 수 있다.
도 5는 이 발명에 따른 펄스폭 변조 방식에 의해 구동하는 비엘디시 모터의 역기전력 검출 과정을 나타낸 것으로서, 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호(pwm)의 오프-듀티마다, 즉 인버터 회로(100)가 고정자 코일에 전압을 인가하지 않고 프리휠링 모드로 동작하는 구간마다 펄스를 발생하는 샘플링 클럭(Sam-clk)에 동기하여 동작하는 샘플링/홀드 회로(210∼230)를 통해 순수하게 복원된 역기전력(RBE)을 얻을 수 있다.
상기한 같은 역기전력 검출 회로는, 비교적 간단한 하드웨어로 구현이 가능하고 신호 처리에 따른 시간 지연 효과도 적어 정확한 역기전력 및 제로-크로스 포인트를 검출할 수 있다.

Claims (2)

  1. 펄스폭 변조 구동 비엘디시 모터의 역기전력을 검출하는 데에 있어서,
    전원측에 연결된 다수의 상측 구동 트랜지스터, 상기 상측 구동 트랜지스터와 접지측 사이에 각각 연결된 다수의 하측 구동 트랜지스터, 그리고 상기 구동 트랜지스터의 턴-오프시 전원측에 대해 역방향의 프리휠링 전류가 흐르도록 하기 위해 상기 구동 트랜지스터의 에미터와 컬렉터 단자 사이에 각각 연결되는 다이오드를 포함하며, 상기 구동 트랜지스터가 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭되는 인버터 회로와,
    각 상의 일측 단자가 상기 인버터 회로의 상측 구동 트랜지스터와 하측 구동 트랜지스터의 접속점에 각각 연결되며 타측 단자가 공통으로 중성점에 연결되는 고정자 코일과,
    상기 고정자 코일의 각 상에서 검출되는 상전압과 상기 중성점 전압의 차이 전압을 샘플링한 후 홀딩하는 다수의 샘플링/홀드 회로와,
    상기 펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호의 오프-듀티마다 펄스를 발생하는 샘플링 클럭에 동기하여 동작함으로써 상기 샘플링/홀드 회로의 동작을 각각 제어하는 다수의 제어 스위치를 포함하는 펄스폭 변조 구동 비엘디시 모터의 역기전력 검출 회로.
  2. 펄스폭 변조 구동 비엘디시 모터의 역기전력을 검출하는 데에 있어서,
    펄스폭 변조된 스위칭 제어 신호에 의해 구동하는 인버터 회로가 고정자 코일에 전압을 인가하는 구간에서는 상기 코일의 상전압을 측정하지 않고, 상기 코일에 전압을 인가하지 않는 구간 중 상전류가 감쇄된 후에 상전압을 샘플링하여 홀딩하는 단계를 포함하는 펄스폭 변조 구동 비엘디시 모터의 역기전력 검출 방법.
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