KR100283891B1 - 브러시리스 직류 모터 구동장치 및 그의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 브러시리스 직류 모터 구동장치 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 종래의 기술에 있어서 브러시리스 직류 모터의 2상 구동시에는 스위칭의 상태가 다음 상태로 변화하는 커뮤테이션(commutation)시점에 모터 전류의 리플이 크게 발생함으로 인하여 커뮤테이션 토오크 리플이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 브러시리스 직류 모터로부터 유기전압의 제로 교차 시점을 검출하는 유기전압 위상검출부와; 상기 유기전압 위상검출부에서 검출한 신호에 의해 상기 브러시리스 직류 모터의 구동 속도를 검출하는 속도검출부와; 상기 속도검출부로부터 입력되는 속도검출신호와 운전제어부(미도시)로부터 입력되는 속도지령을 감산하여 속도오차를 구하는 제1 감산기와; 상기 제1 감산기에서 출력되는 속도오차에 대한 전압지령(전압의 크기)을 출력하는 속도제어부와; 인버터로부터 출력되는 전류의 위상을 검출하는 전류 위상검출부와; 상기 유기전압 위상검출부 및 전류 위상검출부로부터 입력받은 신호를 감산하여 위상오차를 출력하는 제2 감산기와; 상기 제2 감산기에서 출력한 위상오차와 상기 속도제어부에서 출력한 전압지령에 의해 인버터의 스위칭시간을 결정하는 전압제어부와; 상기 전압제어부에서 결정한 스위칭시간에 의한 변조신호에 의해 직류를 가변 주파수의 전압으로 출력하는 인버터와; 상기 인버터로부터 공급되는 전압에 의해 구동되는 브러시리스 직류 모터로 구성한 장치와 이의 제어방법을 제공하여 전류의 제로 교차(crossing) 시점을 검출함과 동시에 유기전압의 위상을 검출하여 이 두 신호의 위상차로부터 모터의 인가전압의 크기와 위상을 제어함으로써, 원하는 속도제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 브러시리스 직류 모터 구동장치 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 특히 브러시리스 직류(Brushless : BLDC) 모터를 3상으로 통전시 각 상에서 유기되는 전압과 통전시 흘려주는 전류의 위상제어를 통해 속도제어를 하여 모터에 토오크를 발생하도록 하는 브러시리스 직류 모터 구동장치 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
도 1은 종래 브러시리스 직류 모터 구동장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 브러시리스 직류 모터(100)의 유기전압의 위상을 검출하는 위상검출부(101)와; 상기 위상검출부(101)에서 검출한 신호에 의해 상기 브러시리스 직류 모터(100)의 구동 속도를 검출하는 속도검출부(102)와; 상기 속도검출부(102)로부터 입력되는 속도검출신호와 운전제어부(미도시)로부터 입력되는 속도지령을 감산하여 속도오차를 구하는 감산기(103)와; 상기 감산기(103)에서 출력되는 속도오차에 대한 전압지령(전압의 크기)을 출력하는 속도제어부(104)와; 상기 위상검출부(101)로부터 입력받은 신호와 상기 속도제어부(104)로부터 입력받은 전압지령에 의해 인버터(106)의 스위칭시간을 결정하는 전압제어부(105)와; 상기 전압제어부(105)에서 결정한 스위칭시간에 의한 변조신호에 의해 직류를 가변 주파수의 전압으로 출력하는 인버터(106)와; 상기 인버터(106)로부터 공급되는 전압에 의해 구동되는 브러시리스 직류 모터(100)(이하 ″BLDC 모터″라 함)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 1에서와 같이 브러시리스 직류 모터의 센서리스 속도제어 중 2상 구동에 있어서는 운전제어부(미도시)에서 출력한 속도지령(Wr*)과 속도검출부(102)에서 검출하여 출력한 속도검출신호(Wr)를 감산기(103)에서 감산을 한 후, 이 속도의 오차를 속도제어부(104)의 입력으로 출력한다. 이때 상기 속도검출부(102)의 출력인 속도검출신호(Wr)는 위상검출부(101)의 출력에 의해 계산되어지는데, 이 위상검출부(101)는 BLDC 모터(100)로 출력되는 인버터(106) 유기전압의 위상을 검출하여 상기 속도검출부(102) 및 전압제어부(105)로 출력한다. 상기 속도제어부(104)는 상기 감산기(103)에서 출력한 속도오차에 대한 전압의 크기에 대한 신호(전압지령)를 출력하며, 이를 전압제어부(105)에서 입력받아 전압지령에 의한 인버터(106)의 스위칭시간을 결정한다.
상기에서와 같이 종래의 기술에 있어서 브러시리스 직류 모터의 2상 구동시에는 스위칭의 상태가 다음 상태로 변화하는 커뮤테이션(commutation)시점에 모터 전류의 리플이 크게 발생함으로 인하여 커뮤테이션 토오크 리플이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 전류의 제로 교차(crossing) 시점을 검출함과 동시에 유기전압의 위상을 검출하여 이 두 신호의 위상차로부터 모터의 인가전압의 크기와 위상을 제어함으로써, 원하는 속도제어가 가능하도록 하는 장치와 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
도 1은 종래 브러시리스 직류 모터 구동장치의 구성을 보인 블록도.
도 2는 본 발명 브러시리스 직류 모터 구동장치의 일실시예 구성을 보인 블록도.
도 3은 위상 오차에 따른 유기전압과 지상인 전류의 관계를 보인 위상도.
도 4는 위상 오차에 따른 유기전압과 진상인 전류의 관계를 보인 위상도.
도 5는 본 발명의 일실시예 동작을 보인 흐름도.
도 6은 본 발명을 적용한 시뮬레이션 파형도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100, 200 : BLDC 모터 101 : 위상검출부
102, 202 : 속도검출부 103 : 감산기
104, 204 : 속도제어부 105 : 전압제어부
106, 208 : 인버터 201 : 제1 위상검출부
203 : 제1 감산기 205 : 제2 위상검출부
206 : 제2 감산기 207 : 전압지령발생부
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 브러시리스 직류 모터 구동장치의 구성은, 브러시리스 직류 모터로부터 유기전압의 제로 교차 시점을 검출하는 제1 위상검출부와; 상기 제1 위상검출부에서 검출한 신호에 의해 상기 브러시리스 직류 모터의 구동 속도를 검출하는 속도검출부와; 상기 속도검출부로부터 입력되는 속도검출신호와 운전제어부(미도시)로부터 입력되는 속도지령을 감산하여 속도오차를 구하는 제1 감산기와; 상기 제1 감산기에서 출력되는 속도오차에 대한 전압지령(전압의 크기)을 출력하는 속도제어부와; 인버터로부터 출력되는 전류의 위상을 검출하는 제2 위상검출부와; 상기 제1 위상검출부 및 제2 위상검출부로부터 입력받은 신호를 감산하여 위상오차를 출력하는 제2 감산기와; 상기 제2 감산기에서 출력한 위상오차와 상기 속도제어부에서 출력한 전압지령에 의해 인버터의 스위칭시간을 결정하는 전압지령발생부와; 상기 전압지령발생부에서 결정한 스위칭시간에 의한 변조신호에 의해 직류를 가변 주파수의 전압으로 출력하는 인버터와; 상기 인버터로부터 공급되는 전압에 의해 구동되는 브러시리스 직류 모터로 구성한 것을 특징으로 한다.
그리고. 제어방법에 있어서는 유기전압과 전류의 위상을 동상으로 하는 경우 일정한 주기마다 인터럽트가 걸리면 인터럽트 처리루틴으로 들어와 위상오차가 '0'보다 큰가를 판단하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 판단결과 '0'보다 크면 현재 단자전압과 유기전압의 상차(이하 ″위상차″라 함)를 위상오차와 위상이득의 곱에 이전 위상차를 가산하여 결정하고, 현재 단자전압의 크기는 이전 단자전압에서 위상오차와 전압이득의 곱을 감산하여 결정하는 제2 단계와; 상기 제1단계의 판단결과 '0'보다 작으면 현 위상차를 이전 위상차에서 위상오차와 위상이득의 곱을 감산하여 결정하고, 현재 단자전압의 크기는 위상오차와 전압이득의 곱에 이전 단자전압을 가산하여 결정하는 제3 단계와; 상기 제2 또는 제3 단계에서 결정된 현 위상차와 단자전압의 크기를 이용하여 인가전압의 3상이 120도의 상차가 나도록 현재의 인가전압의 위치를 결정하고, 3상에 대해 120도 상차가 나는 전압의 인가시간을 결정한 후, 인터럽트 처리루틴에서 빠져 나오는 제4 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명 브러시리스 직류 모터 구동장치의 일실시예 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와 같이 BLDC 모터(200)로부터 유기전압(EMF)의 제로 교차 시점을 검출하는 제1 위상검출부(201)와; 상기 제1 위상검출부(201)에서 검출한 신호에 의해 상기 BLDC 모터(200)의 구동 속도를 검출하는 속도검출부(202)와; 상기 속도검출부(202)로부터 입력되는 속도검출신호와 운전제어부(미도시)로부터 입력되는 속도지령을 감산하여 속도오차를 구하는 제1 감산기(203)와; 상기 제1 감산기(203)에서 출력되는 속도오차에 대한 전압지령(전압의 크기)을 출력하는 속도제어부(204)와; 인버터(208)로부터 출력되는 전류의 위상을 검출하는 제2 위상검출부(205)와; 상기 제1 위상검출부(201) 및 제2 위상검출부(205)로부터 입력받은 신호를 감산하여 위상오차를 출력하는 제2 감산기(206)와; 상기 제2 감산기(206)에서 출력한 위상오차와 상기 속도제어부(204)에서 출력한 전압지령에 의해 인버터(208)의 스위칭시간을 결정하는 전압지령발생부(207)와; 상기 전압지령발생부(207)에서 결정한 스위칭 시간에 의한 변조신호에 의해 직류를 가변 주파수의 전압으로 출력하는 인버터(208)와; 상기 인버터(208)로부터 공급되는 유기전압(EMF)에 의해 구동되는 BLDC 모터(200)로 구성한다.
이와 같이 구성한 본 발명에 따른 일실시예의 동작 과정 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
매입형 BLDC 모터에서 발생되는 토오크는 유기전압과 흐르는 전류의 곱에 의한 마그네틱 토오크 성분과 유기전압에 대한 전류의 위상에 의해 나타나는 리럭턴스 토오크 합으로 나타내는데, 이중 리럭턴스 토오크는 매입형 BLDC 모터의 영구자석(미도시)에 의해 BLDC 모터 내부의 리럭턴스 성분이 생기는 관계로 매입형 BLDC 모터에서는 마그네틱 토오크와 더불어 큰 양이 된다.
3상 통전은 2상 통전과는 달리 BLDC 모터의 유기전압과 전류의 위상을 조절하는 것이 필요한데, 2상 통전의 경우에 있어서는 BLDC 모터의 위치에 따라 위치 정보가 제어부(미도시)에 모터 회전자(미도시)의 위치를 알려주면 그 정보에 의해서 BLDC 모터의 다음 커뮤테이션(commutation) 시점을 정해줌으로, BLDC 모터의 유기전압과 전류의 위상 조절이 가능하다. 즉 2상 통전의 경우에는 전류가 120도 구간에서만 흘러가므로, 인버터의 스위치를 온(on)하기 이전의 상태가 '0'이므로 인버터의 상 스위치를 온(on)하면 BLDC 모터로 전류가 흘러 인버터 스위칭에 의해 전류의 위상을 맞추는 것이 가능하다.
그러나, 3상 통전에 있어서는 3상에 모두 전류가 흐르고 있어 인버터에 의해 BLDC 모터에 주어지는 단자전압에 대하여 BLDC 모터의 부하 상태에 따라 지연각이 생기므로, 인버터의 스위칭만으로는 전류와 유기전압을 제어할 수 없다. 따라서 본 발명은 전류의 제로 교차 시점을 판별하고, 이를 통해 유기전압과의 위상을 제어하여 BLDC 모터의 토오크 및 속도를 제어한다.
도 3과 도 4는 위상 오차에 따른 유기전압과 전류의 관계를 보인 위상도로서, 이에 도시한 바와 같이 도 3은 전류가 지상(angle of lag)인 경우이고, 도 4는 전류의 위상이 유기전압(EMF)에 비해 진상(angle of lead)인 경우로서, 상기 도 3은 BLDC 모터의 출력 토오크를 증대시키기 위해서 전류의 위상을 앞서게 하여 유기전압(EMF : E0)의 위상과 맞추는 경우이며, 상기 도 4는 전류의 위상을 지연시켜 유기전압(E0)의 위상과 맞추는 경우인데, 이를 위해 상기 도 3 및 도 4에서 단자전압(인가전압) VP 와 유기전압(E0)의 위상에 대한 인가전압의 상차 θP 의 관계를 보면 먼저, 도 3은 유기전압(E0)에 비해 전류가 지상이기 때문에 전류 위상을 제어하기 위해서는 인버터의 인가전압을 조정하여야 되는데, 이때 VP 의 크기는 작게하고, 위상 θP 을 앞서게 하면 전류의 위상을 유기전압(EMF)과 일치시킬 수 있다. 그러나 도 4는 반대로 상기 유기전압(EMF : E0)에 대한 인가전압 VP 의 크기는 크게하고, 위상 θP 는 감소되는 방향으로 제어하면 유기전압(EMF)과 일치시킬 수 있다.
상기 도 3 및 도 4에서 설명한 유기전압과 전류의 위상을 맞추는 과정을 전체 동작 흐름을 보인 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일실시예 동작을 보인 흐름도로서, 이에 도시한 바와 같이 인버터(208)를 사용하여 BLDC 모터(200)에 단자전압을 인가하여 BLDC 모터(200)에 전류를 흐르게 한다. 이때 상기 BLDC 모터(200)의 3상(VA, VB, VC)에 모두 전류가 흐르게 되는 3상 통전의 경우에는 일정한 주기마다 발생하는 인터럽트를 이용하여 단자전압의 위상과 크기를 결정한다. 즉 전압지령발생부(207)는 스위칭 주기마다 인터럽트를 건 다음, 제2 감산기(206)를 통한 위상오차 ødif 가 '0'보다 큰가를 판단하며(제1 단계), 이 판단결과에 따라 크면(øref가 양인 경우, 즉 유기전압에 대하여 전류가 뒤지는 경우) 현재의 단자전압과 유기전압의 상차(이하 ″위상차″라 함) θp n 은 위상오차 ødif 와 Kphase의 이득(gain)을 곱하여 이전 위상차 θp n-1 와 가산하여 크기를 결정하고, 현재 인가전압의 크기 Vp n 는 이전 인가전압의 크기 Vp n-1 에서 위상오차 ødif 와 Kvoltage의 이득 곱을 감산하여 감소시킨다(제2 단계).
만약, 상기 판단결과 작으면(øref가 음인 경우, 즉 유기전압에 대하여 전류가 앞서는 경우) 현재의 위상차 θp n 은 이전 위상차 θp n-1 에서 위상오차 ødif 와 Kphase의 이득(gain)의 곱을 감산하여 크기를 결정하고, 현재 인가전압의 크기 Vp n 는 위상오차 ødif 와 Kvoltage의 이득 곱과 이전 인가전압의 크기 Vp n-1 를 가산하여 증가시킨다(제3 단계).
이후, 상기 제2 단계 또는 제3 단계에서 결정한 현재의 위상차 θp n 와 현재 인가전압의 크기 Vp n 를 이용하여 3상(VA, VB, VC)에 대하여 120도 상차가 나도록 현재의 BLDC 모터 위치에 대하여 유기전압과 인가전압의 위상차인 θP 를 더한 값을 인가전압의 위치로 하고, 상기에서 구해진 VP 를 곱하여 3상에 대해 120도 상차가 나는 전압의 인가시간을 결정한 후, 펄스폭 변조 인터럽트의 처리루프에서 빠져 나온다(제4 단계).
도 6은 본 발명을 적용한 시뮬레이션 파형도로서, 이에 도시한 바와 같이 BLDC 모터의 유기전압(EMF)에 대하여 BLDC 모터의 전류 위상을 동상(In Phase)으로 제어한 경우로써, BLDC 모터의 지령 속도를 1200 rpm으로 한 경우이다.
상기 도 5에서는 유기전압과 전류의 위상을 동상으로 한 경우로 ødif 를 '0'과 비교하였지만, 매입형 BLDC 모터의 토오크를 제어하기 위해서는 유기전압에 대하여 모터의 전류를 진상으로 제어하여 모터의 리럭턴스 토오크 성분을 이용하는 경우는 ødif 와 '0'을 비교하는 대신 와 øref를 비교하여 판별 후, 상기 도 5와 같은 단계로 제어를 수행하면 된다(도 5에서는 위상지령 øref이 '0'인 경우이다).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 브러시리스 직류 모터 구동장치 및 그의 제어방법은 전류의 제로 교차(crossing) 시점을 검출함과 동시에 유기전압의 위상을 검출하여 이 두 신호의 위상차로부터 모터의 인가전압의 크기와 위상을 제어함으로써, 원하는 속도제어가 가능하도록 하는 효과가 있다.
Claims (3)
- 브러시리스 직류 모터로부터 유기전압의 제로 교차 시점을 검출하는 제1 위상검출부와; 상기 제1 위상검출부에서 검출한 신호에 의해 상기 브러시리스 직류 모터의 구동 속도를 검출하는 속도검출부와; 상기 속도검출부로부터 입력되는 속도검출신호와 운전제어부(미도시)로부터 입력되는 속도지령을 감산하여 속도오차를 구하는 제1 감산기와; 상기 제1 감산기에서 출력되는 속도오차에 대한 전압지령(전압의 크기)을 출력하는 속도제어부와; 인버터로부터 출력되는 전류의 위상을 검출하는 제2 위상검출부와; 상기 제1 위상검출부 및 제2 위상검출부로부터 입력받은 신호를 감산하여 위상오차를 출력하는 제2 감산기와; 상기 제2 감산기에서 출력한 위상오차와 상기 속도제어부에서 출력한 전압지령에 의해 인버터의 스위칭시간을 결정하는 전압지령발생부와; 상기 전압지령발생부에서 결정한 스위칭시간에 의한 변조신호에 의해 직류를 가변 주파수의 전압으로 출력하는 인버터와; 상기 인버터로부터 공급되는 전압에 의해 구동되는 브러시리스 직류 모터로 구성한 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 모터 구동장치.
- 유기전압과 전류의 위상을 동상으로 하는 경우 일정한 주기마다 인터럽트가 걸리면 인터럽트 처리루틴으로 들어와 위상오차가 '0'보다 큰가를 판단하는 제1 단계와; 상기 제1 단계의 판단결과 '0'보다 크면 현재 단자전압과 유기전압의 상차(이하 ″위상차″라 함)를 위상오차와 위상이득의 곱에 이전 위상차를 가산하여 결정하고, 현재 단자전압의 크기는 이전 단자전압에서 위상오차와 전압이득의 곱을 감산하여 결정하는 제2 단계와; 상기 제1단계의 판단결과 '0'보다 작으면 현 위상차를 이전 위상차에서 위상오차와 위상이득의 곱을 감산하여 결정하고, 현재 단자전압의 크기는 위상오차와 전압이득의 곱에 이전 단자전압을 가산하여 결정하는 제3 단계와; 상기 제2 또는 제3 단계에서 결정된 현 위상차와 단자전압의 크기를 이용하여 인가전압의 3상이 120도의 상차가 나도록 현재의 인가전압의 위치를 결정하고, 3상에 대해 120도 상차가 나는 전압의 인가시간을 결정한 후, 인터럽트 처리루틴에서 빠져 나오는 제4 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 모터 구동제어방법.
- 제2항에 있어서, 상기 제1 단계는 모터의 리럭턴스 토오크 성분을 이용하기 위해 유기전압에 대하여 모터의 전류를 진상으로 하는 경우에 위상오차와 위상지령을 비교한 후, 그에 따라 상기 제2,3 단계로 분기 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 모터 구동제어방법.
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| KR1019980018804A KR100283891B1 (ko) | 1998-05-25 | 1998-05-25 | 브러시리스 직류 모터 구동장치 및 그의 제어방법 |
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| KR1019980018804A KR100283891B1 (ko) | 1998-05-25 | 1998-05-25 | 브러시리스 직류 모터 구동장치 및 그의 제어방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR100457360B1 (ko) * | 2002-06-22 | 2004-11-16 | 한국과학기술연구원 | 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동시스템 및 그 방법 |
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1998
- 1998-05-25 KR KR1019980018804A patent/KR100283891B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR19990086023A (ko) | 1999-12-15 |
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