KR100296303B1 - 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법에 관한 것으로, 종래에는 비엘디씨 모터의 전압 및 전류를 제어할 때 상도통시 일정한 듀티비로 제어하기 때문에 전류 상승시 고정자 권선의 저항 및 인덕턴스에 의해 원하는 전류까지 상승하는데 시간이 소요되고, 전류하강시 모터에 흐르던 전류가 순간적으로 영이되지 않고 일정시간에 걸쳐 감소한다, 이러한 전류지연 및 진상각제어에 의해 토크리플이 발생하게 되고, 이 토크리플은 모터의 진동 및 소음을 발생시키는 주요한 요인이 되는 문제점이 있다. 따라서 본 발명은 비엘디씨 모터의 전류도통 구간중 도통시작시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고 스위칭소자를 턴온시켜 상전류를 상승시키는 제1단계와, 상기에서 일정시간이 경과하면 스위칭소자를 PWM 제어로서 상도통구간동안 상전류를 유지하도록 하는 제2단계와, 상기에서 상도통구간이 끝나면 일정시간 동안 PWM의 듀티비를 변경하여 전압을 인가하는 제3단계와, 상기에서 일정시간이 경과하면 전압을 차단하는 제4단계로 동작하여, 전류상승시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고, 스위칭소자를 턴온시켜 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하여 시간지연을 줄이고, 전류하강시 상도통구간이 끝난후에 일정시간동안 작은 듀티비로 전압을 인가하여 정류시 발생하는 토크리플을 저감시키도록 한 것이다.

Description

비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법{TORQUE RIPPLE REDUCTANCE OF A BLDC MOTOR}

본 발명은 비엘디씨 모터의 정류(Commutation)시 발생하는 토크 리플을 저감시키기 위한 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법에 관한 것으로, 특히 비엘디씨 모터의 전류 도통구간중 도통시작시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고, 스위칭소자를 턴온시켜 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하여 시간지연을 줄이고, 상기 상도통구간이 끝난후에 일정시간동안 작은 듀티비로 전압을 인가하여 정류(COMMUTATION)시 발생하는 토크리플을 저감시키도록 한 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법에 관한 것이다.

도 1은 종래 비엘디씨 모터의 구동회로도로서, 이에 도시된 바와같이, 입력되는 교류전원을 정류하여 일정한 직류전압으로 변환시켜 출력하는 정류부(11)와, 상기 정류부(11)에서 직류전압 공급시 인가되는 게이트신호에 따라 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 전압 및 주파수를 조절하는 인버터(12)와, 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 3상전압을 검출하여 회전자의 위치를 검출하고, 그 검출한 위치신호를 출력하는 회전자 위치 검출부(14)와, 상기 회전자 위치 검출부(14)에서 검출한 회전자 위치에 따라 속도를 제어하기 위한 펄스폭변조신호를 출력하는 마이크로 컴퓨터(15)와, 상기에서 출력되는 펄스폭변조신호를 받아 인버터(12)의 스위칭소자를 구동시키기 위한 3상의 게이트신호를 출력하는 게이트신호 발생부(16)로 구성한다.

이와같이 구성된 종래기술에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

냉장고/에어컨용 압축기 및 세탁기의 가변속 운전을 구현하기 위하여 현재 가장 많이 사용되고 있는 모터는 다른 모터에 비해 효율이 높은 브러쉬리스 직류 모터(이하, 비엘디씨 모터라 약칭함)이다.

이 비엘디씨 모터는 회전자에 영구자석을 부착하는 구조에 따라 도 3(a)와 같이 표면부착형(SPM)과 도 3(b)에서와 같이 매립형(IPM)으로 구분된다.

매립형은 회전자의 리럭턴스(Reluctance) 차에 의한 리럭턴스 토크를 이용할 수 있기 때문에 표면부착형에 비해 단위체적당 고출력을 얻을 수 있으므로 고효율 운전이 가능하며, 영구자석이 회전자 철심내에 삽입되어 있으므로 고속운전시 원심력에 의한 영구자석의 이탈방지가 용이하다.

상기 표면부착형의 최대토크 운전을 하기 위해서는, 도 4(a)에서와 같이, 회전자의 영구자석에서 발생하는 자기력에 전기각으로 직각(90)으로 쇄교되는 자기력을 고정자에서 발생하여야 한다.

그리고 매립형의 리럭턴스 토크를 이용하여 최대토크 운전을 하기 위해서는, 도 4(b)에서와 같이, 회전자의 영구자석에 의해 발생하는 자기력에 전기각으로 90도 보다 일정각도(α)만큼 더 앞선위치에 고정자의 자기력을 발생하여야 한다.

상기에서 앞선각도 α를 진상각(Advance angle)이라고 하며, α의 크기는 부하의 크기, 모터의 회전속도 등에 의해 결정된다.

고정자 권선에 유기되는 유기전압(emf)와 진상각의 관계는 도 5에 도시한 바와같다.

그러면 가변속 운전을 행하는 비엘디씨 모터의 구동회로에 대하여 도 1 및 도 2에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

전원전압단으로 부터 AC 220V 60Hz의 교류전원을 공급하면, 이를 정류부(11)에서 정류하여 310V의 직류전압으로 변환하여 인버터(12)로 공급한다.

이때 마이크로 컴퓨터(15)는 부하에 따라 속도를 결정하고, 그 결정된 속도에 대응하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 게이트신호 발생부(16)로 제공한다.

그러면 상기 게이트신호 발생부(16)는 인버터(12)의 6개의 스위칭소자를 온 또는 오프시키기 위하여 도 2의 (b)에서와 같은 게이트신호(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 인버터(12)로 제공한다.

따라서 상기 인버터(12)의 6개 스위칭소자가 번갈아 가면서 온 또는 오프시켜 발생하는 3상전압을 비엘디씨 모터(BLDC Motor)로 공급한다.

따라서 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에는 도 2(a)에서와 같이 3상의 유기전압(emf)과 상전류가 흐르게 된다.

이에 상기 회전자 위치 검출부(14)는 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 3상전압을 검출하여 회전자의 위치를 검출하고, 그 검출한 회전자 위치에 대한 위치신호를 마이크로 컴퓨터(15)로 출력시킨다.

그러면 상기 마이크로 컴퓨터(15)는 상기 회전자 위치 검출부(14)에서 검출한 회전자 위치에 따라 부하의 회전자속도를 임의로 제어하기 위해서는 고정자 권선에 인가되는 전압 또는 전류의 크기를 변화시켜야 한다.

이를 위해 인버터(12)의 스위칭소자 6개중 A+,B+,C+ 스위치의 게이트신호를 펄스폭변조(PWM) 펄스에 의해 일정시간 온/오프하여 전압 또는 전류의 크기를 제어한다.

도 2(c)에 도시한 바와같은 모터 발생토크는 아래식 (1)(2)와 같이 주어진다.

따라서 인버터(12)의 스위칭소자가 온됨에 따라 유기되는 전압이 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 의 고정자 권선에 인가되면, 상기 모터에 흐르는 전류는, 도 6에서와 같이, 고정자 권선의 저항 및 인덕턴스(inductance)에 의해 원하는 전류까지 상승하는데 시간이 소요된다.

그리고 상기 인버터(12)의 스위칭소자가 오프되면, 비엘디씨 모터(BLDC Motor)의 고정자 권선에 흐르던 전류는 순간적으로 영(Zero)이 되지 않고, 도 7에서와 같이, 일정시간에 걸쳐 감소한다.

이러한 전류지연 및 진상각 제어에 의해 A,B,C 상에 발생하는 토크 및 총 토크는 도 2(c)에 도시한 바와같다.

이상에서와 같은 과정에 의해 비엘디씨 모터(BLDC Motor)가 구동되어 냉장고/에어컨용 압축기 및 세탁기의 가변속 운전을 구현한다.

그러나, 상기에서와 같은 종래기술에서, 인버터의 스위칭소자를 이용하여 비엘디씨 모터로 3상전압 공급하여 전압 및 전류를 제어할 때 상도통시(120도 도통) 일정한 듀티비로 제어하기 때문에 전류 상승시 고정자 권선의 저항 및 인덕턴스에 의해 원하는 전류까지 상승하는데 시간이 소요되고, 전류하강시 모터에 흐르던 전류가 순간적으로 영이되지 않고 일정시간에 걸쳐 감소한다, 이러한 전류지연 및 진상각제어에 의해 각 상에 발생하는 토크 및 총토크는 고정자 권선의 상이 바뀔때마다 정류(Commutation)에 의해 토크리플이 발생하게 되고, 이러한 토크리플은 모터의 진동 및 소음을 발생시키는 주요한 요인이 되는 문제점이 있다.

따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 비엘디씨 모터에 흐르는 전류 공급 및 차단시 발생하는 토크리플을 줄이도록 한 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 전류상승시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고, 스위칭소자를 턴온시켜 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하여 시간지연을 줄이도록 한 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전류하강시 상도통구간이 끝난후에 일정시간동안 작은 듀티비로 전압을 인가하여 정류시 발생하는 토크리플을 저감시키도록 한 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법을 제공함에 있다.

도 1은 종래 비엘디씨 모터의 구동회로도.

도 2는 도 1에서, 상전류 및 토크 파형도.

도 3은 비엘디씨 모터의 구조도.

도 4은 도 3에서, 회전자에 영구자석을 부착하는 구조에 따른 리럭턴스 차에 의한 리럭턴스 토크 파형도.

도 5는 도 3에서, 고정자 권선에 유기되는 유기전압과 진상각의 관계도.

도 6은 도 2에서, 'AA' 부분에 대한 상세 파형도.

도 7은 도 2에서, 'AB' 부분에 대한 상세 파형도.

도 8은 본 발명에서 전류 도통구간중 도통시작시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고, 스위칭소자를 턴온시켜 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하기 위한 게이트신호 및 상전류 파형도.

도 9는 본 발명에서 전류 도통구간이 끝난후에 일정시간동안 작은 듀티비로 전압을 인가하여 정류(COMMUTATION)시 발생하는 토크리플을 저감토록 하기 위한 게이트신호 및 상전류 파형도.

도 10은 본 발명 비엘디씨 모터의 토크리플 저감을 위한 상전류 및 토크 파형도.

도 11은 본 발명에서 진상각 제어를 하지않는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감을 위한 상전류 및 토크 파형도.

도 12는 본 발명에서 비엘디씨 모터의 토크리플 저감을 위한 또 다른 방법의 상전류 및 토크 파형도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

11 : 정류부12 : 인버터

14 : 회전자 위치 검출부15 : 마이크로 컴퓨터

16 : 게이트신호 발생부BLDC Motor : 비엘디씨 모터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 비엘디씨 모터의 전류도통 구간중 도통시작시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고 스위칭소자를 턴온시켜 상전류를 상승시키는 제1단계와, 상기에서 일정시간이 경과하면 스위칭소자를 PWM 제어로서 상도통구간동안 상전류를 유지하도록 하는 제2단계와, 상기에서 상도통구간이 끝나면 일정시간동안 PWM의 듀티비를 변경하여 전압을 인가하는 제3단계와, 상기에서 일정시간이 경과하면 전압을 차단하는 제4단계로 이루어진다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.

본 발명 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법은 비엘디씨 모터의 전류도통 구간중 도통시작시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고 스위칭소자를 턴온시켜 상전류를 상승시키는 제1단계(S11)와, 상기에서 일정시간이 경과하면 스위칭소자를 PWM 제어로서 상도통구간동안 상전류를 유지하도록 하는 제2단계(S12)와, 상기에서 상도통구간이 끝나면 일정시간동안 PWM의 듀티비를 변경하여 전압을 인가하는 제3단계(S13)와, 상기에서 일정시간이 경과하면 전압을 차단하는 제4단계(S14)로 이루어진다.

이와같이 각 단계로 이루어진 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

전원전압단으로 부터 AC 220V 60Hz의 교류전원을 공급하면, 이를 정류부(11)에서 정류하여 310V의 직류전압으로 변환하여 인버터(12)로 공급한다.

이때 마이크로 컴퓨터(15)는 부하에 따라 속도를 결정하고, 그 결정된 속도에 대응하는 펄스폭변조(PWM) 펄스를 게이트신호 발생부(16)로 제공한다.

그러면 상기 게이트신호 발생부(16)는 인버터(12)의 6개의 스위칭소자(A+,A-,B+,B-,C+,C-)를 턴온 또는 턴오프시키기 위한 게이트신호를 발생시키는데, 전류 도통구간중 도통시작시에는 도 8에서와 같이 초기 일정시간은 PWM 제어를 하지않고, 스위칭신호를 턴온시키기 위한 게이트신호를 출력하여 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하고, 상기 초기 일정시간이 경과하면 PWM 펄스에 의한 게이트신호를 발생시키도록 한다. (S11)

이에따라 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에는 원하는 상전류 값에 빨리 도달하게 된다.

상기에서 초기 일정시간은 모터의 스펙(spec) 즉, 저항, 인덕턴스, 유도전압(emf) 상수 및 회전자의 속도에 의해 결정된다.

그런다음 상기 PWM 펄스에 의해 상도통구간동안 상전류를 일정하게 제어(S12)한 후 상도통구간이 끝나면 전압공급을 바로 정지시키지 않고 도 9에서와 같이 PWM의 듀티비를 작게 하여(S13) 다시 일정시간 동안 전압을 비엘디씨 모터(BLDC Motor)로 공급한다.(S14)

그러면 정류(commutation)시 발생하는 토크리플을 저감한다.

다시말하면, 게이트신호 발생부(16)는, 도 10(b)에서와 같이, 각 상을 제어하기 위한 게이트신호에 대하여 초기 일정시간동안 스위칭소자를 턴온시키기 위한 신호를 제공하고, 이후에 PWM 펄스제어로 제어한 후 상도통구간이 끝나면 PWM 듀티를 작게한 PWM 펄스를 인버터(12)로 제공한다.

따라서 상기 인버터(12)내 6개의 스위칭소자가 번갈아 가면서 온 또는 오프시켜 발생하는 3상전압을 비엘디씨 모터(BLDC Motor)로 공급한다.

따라서 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에는, 도 10(a)에서와 같이, 유기전압(emf)과 상전류가 흐르도록 하여 전류 상승시 원하는 상전류까지 빠르게 도달하도록 하고, 전류하강시 토크리플의 발생을 줄인다.

상기에서와 같이 전류지연을 없애고, 진상각 제어에 의해 비엘디씨 모터(BLDC Motor)의 A,B,C 상에 발생하는 토크 및 총 토크는, 도 10(c)에 도시한 바와같으며,여기서 각 상의 발생토크의 리플을 줄여 총 토크의 리플을 줄인 것을 알 수 있다.

이상에서와 같이 전류상승 및 전류하강시 고정자 권선에 유기되는 전압과 전류에 의해 발생하는 모터 토크는 리플이 줄어들어 진동/소음을 줄인다.

지금까지 설명한 것은 고정자 권선에 유기되는 유기전압과 진상각 제어에 의한 매립형 비엘디씨 모터를 제어한 경우이고, 진상각 제어를 행하지 않는 표면부착형 비엘디씨 모터에도 적용할 수 있다.

이와같이 진상각 제어를 행하지 않는 표면부착형 비엘디씨 모터를 제어할 경우의 상전류와 게이트신호는 도 11에 도시한 바와같다.

그리고, 도 10에서와 같은 제어를 수행할 때 인버터(12)의 6개의 스위칭소자를 도 12(b)에서와 같이 도통초기부터 60도 구간은 PWM을 하지 않고, 60-120도 구간에서만 PWM제어를 행하는 방법도 있고, 도 12(c)에서와 같이 인버터(12)의 상위 스위칭소자(A+,B+,C+)만 PWM 하거나 하위 스위칭소자(A-,B-,C-)만 PWM 하는 경우도 적용할 수 있다.

이상에서와 같은 과정에 의해 비엘디씨 모터(BLDC Motor)가 구동되어 냉장고/에어컨용 압축기 및 세탁기의 가변속 운전을 행할 때 진동/소음없이 운전할 수 있도록 한다.

따라서, 본 발명은 비엘디씨 모터의 고정자 권선전류의 정류(COMMUTATION)시 PWM 펄스의 패턴 변경에 의해 상전류 파형을 개선하여 모터의 토크리플을 저감시켜 냉장고, 에어컨, 세탁기 등에 적용되는 비엘디씨 모터의 진동/소음을 저감하도록 한효과가 있다.

Claims (6)

1. 비엘디씨 모터의 전류도통 구간중 도통시작시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고 스위칭소자를 턴온시켜 상전류를 상승시키는 제1단계와, 상기에서 일정시간이 경과하면 스위칭소자를 PWM 제어로서 상도통구간동안 상전류를 유지하도록 하는 제2단계와, 상기에서 상도통구간이 끝나면 일정시간 동안 PWM의 듀티비를 변경하여 전압을 인가하는 제3단계와, 상기에서 일정시간이 경과하면 전압을 차단하는 제4단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법.
2. 제1항에 있어서, 초기시간은 모터의 저항, 인덕턴스, 유도전압 상수 및 회전자의 속도에 의해 결정하도록 한 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법.
3. 제1항에 있어서, 제3단계에서 PWM 듀티비는 상도통구간의 듀티비 보다 작게 설정한 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법.
4. 제1항에 있어서, 진상각 제어를 하지 않는 경우에도 적용하도록 한 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법.
5. 제1항에 있어서, 도통초기부터 60도 구간은 PWM 제어를 하지않고 스위칭소자를 턴온시키고, 60-120도 구간은 스위칭소자를 PWM 제어로 구동하도록 한 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법.
6. 제1항에 있어서, 상위 스위칭소자 또는 하위 스위칭소자만 PWM 제어로 구동하도록 한 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법.