KR100319137B1 - 브러시리스 직류 모터의 속도 제어방법 및 그 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치는 모터의 유기전압의 위상을 검출하는 유기전압 위상 검출기와, 전류의 위상을 검출하는 전류 위상 검출기와, 상기 두 위상 검출기로부터 얻어진 유기전압과 전류의 위상 오차를 출력하는 감산기와, 상기 감산기를 통해 얻어진 위상오차로부터 인버터의 전압지령을 발생하는 전압지령 발생기를 포함하여 그 위상오차에 의거해 상기 유기전압 위상과 전류 위상을 동기화시키도록 제어하여 DC 모터의 속도를 제어하는 장치에서 지연기를 더 포함하여 상기 검출되는 유기전압의 위상 혹은 전류의 위상 신호중 임의의 한 신호를 지연시켜 그 신호의 제로 크로싱 시점을 지연시키도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래에 동시에 발생한 신호라 할지라도 위상 오차를 가지는 것으로 인식되던 문제점을 해결할 수 있게 되어 브리시리스 DC 모터를 최적으로 제어할 수 있게 된다.

Description

브러시리스 직류 모터의 속도 제어방법 및 그 제어장치{Method and apparatus for speed control of a brushless DC motor}

본 발명은 브러시리스 DC 모터의 속도 제어방법 및 그 제어장치에 관한 것으로서, 브러시리스 DC 모터를 3상으로 통전시 브러시리스 DC 모터의 각 상에서 유기되는 전압(emf)과 통전 시 흘려주는 전류와의 위상오차를 검지하여 이 둘의 위상오차로부터 유기전압에 대하여 전류 위상을 제어할 때 검출되는 유기전압의 위상 혹은 전류의 위상 신호중 한 개의 신호를 임의로 지연시켜서 전동기 전류위상제어를 용이하게 하여 브러시리스 DC 모터의 속도를 제어하기 위한 브러시리스 DC 모터의 속도 제어방법 및 그 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 브러시리스 DC 모터를 최적으로 제어하기 위해서는 유기전압의 위상과 전동기의 전류를 일정하게 유지시키는 것이 필요하다.

이러한 브러시리스 DC 모터는 IPM 모터와 SPM 모터로 나누어지며, 이 둘의 모터 중 IPM 모터의 경우에는 리럭턴스 토오크 성분을 이용하기 위하여 전류의 위상을 유기전압의 위상 보다 앞서게 하여, 마그네틱 토오크 성분과 리럭턴스 토오크 성분을 동시에 발생하게 한다. 이에 비하여 SPM모터의 경우에는 리럭턴스 토오크성분을 가지고 있지 않고, 마그네틱 토오크 성분만 가지게 된다.

따라서 유기전압과 전류의 곱으로 표시되는 전동기의 마그네틱 토오크는 유기전압의 위상과 전류의 위상이 동일한 경우(위상이 동기화 된 경우)에 최대가 된다.

도 1은 종래의 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치의 구성을 보여주는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치는 브러시리스 DC 모터(1)의 전류 위상을 검출하는 전류위상 검출기(3)와, 브러시리스 DC 모터(1)의 유기전압의 위상을 검출하는 유기전압 위상 검출기(4)와, 유기전압 위상 검출기 (4)의 검출된 위상을 통하여 속도를 검출하는 속도 검출기(5)와, 전류위상 검출기 (3)로부터 검출된 전류위상 검출신호와 유기전압 위상 검출기(4)로부터 검출된 유기전압 위상 검출신호를 입력받아 감산하여 위상오차를 계산하는 제 1 감산기(6)와, 속도 검출기(5)로부터의 속도검출신호()와 외부로부터 입력되는 속도지령 ()을 감산하는 제 2 감산기(9)와, 그 제 2 감산기(9)의 출력값에 속도를 제어하는 속도 제어기(8)와, 속도 제어기(8)로부터 속도 제어값을 입력받고 제 1 감산기 (6)로부터 위상오차값을 입력받아 전압지령을 발생하는 전압지령 발생기(7)와, 그 전압지령에 따라 전압을 브러시리스 DC 모터(1)에 인가해주는 인버터(2)로 구성되어 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 종래의 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치에서는 모터 속도 제어과정을 살펴보면, 속도지령()과 속도 검출기(5)를 통하여 검출된 모터(1)의 속도를 제 2 감산기(9)를 통하여 감산을 한 후 이 속도의 오차를 속도 제어기(8)의 입력으로 출력한다. 이 때 속도 검출기(5)의 출력인 속도는 유기전압 위상검출기(4)의 출력에 의해 계산된다. 위상 검출기(4)는 모터(1)로부터 유기전압의 제로 크로싱(zero crossing)시점을 검출하여 속도 제어기(5)에 입력으로 넣어주고, 이 입력 주기를 이용하여 속도검출기(5)는 속도로 변환한다. 상기 속도 제어기(8)는 제 2 감산기(9)를 통한 속도오차에 대하여 전압지령 발생기(7)에 전압의 크기를 출력하며 속도오차가 양일 때 즉 지령치 속도보다 모터(1)의 속도가 느릴때는 지령전압을 증가시키고 속도오차가 음일 때 즉 지령치 속도보다 모터(1)의 속도가 빠를 때는 지령치 전압을 감소시킨다.

한편, 도 2는 전압지령 발생기(7)의 동작을 나타내는 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 전압지령 발생기(7)는 인터럽트 처리 루틴이 개시되면(단계110), 위상오차 지령(ψref)과 위상오차의 차이(K)를 구하여(단계120), 단자전압 (인가전압)의 크기 및 위상을 결정한다(단계130). 그 구해진 인가전압의 크기 및 위상을 가지고 3상의 전압지령을 발생시키는 과정을 수행한다(단계140). 도 2에서 Kphase는 위상오차 위상게인을 나타내며, Kvoltage는 위상오차 전압게인을 나타내고,은 인가전압(단자전압)과 유기전압의 상차로 현재치를 나타내고,은 인가전압(단자전압)과 유기전압의 상차로 과거치를 나타낸다.은 인가전압(단자전압)의 크기로 현재치를 나타내고,은 인가전압(단자전압)의 크기로 과거치를 나타내며, Vas, Vbs, Vcs는 3상 인가전압을 나타내며, ψref는 위상오차 지령을 나타내며, θ는 emf의 위상을 나타낸다.

전압지령 발생기(7)는 3상 인버터의 지령 전압 발생기의 역할을 하며, 이 전압지령 발생기(7)에 의해 발생된 스위치의 인가시간에 따라 인버터(2)는 모터(1)에 전압을 인가하여, 모터(1)를 회전하게 한다.

유기전압 emf와 전류의 위상을 맞추기 위해서는 우선 모터(1)의 입력단자에 설치된 전류 위상 검출기(3)로부터 전류의 위상을 검출한다. 이 때 전류위상 검출기(3)에 의해 검출된 전류의 위상과 유기 전압위상 검출기(4)를 통해 얻어진 유기전압의 위상을 제 1 감산기(6)를 통해 위상 오차를 구한다.

이 유기전압과 전류의 위상 오차가 전압지령 발생기(7)의 입력으로 사용된다. 즉, 상기 전압지력발생기(7)는 속도 제어기로부터의 지령 전압과 제 1 감산기 (6)를 통한 위상오차를 입력으로 받아서 상기 인버터(2)의 스위칭 시간을 결정하게 된다.

그런데, 이상과 같은 종래의 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치에 의한 제어방법에 의하면, 유기전압과 전류의 위상을 동일하게 유지하기 위하여 인가전압의 크기와 위상을 조정하게 되는 경우, 전류위상과 유기전압의 위상의 차인 위상오차는 제어기를 통해서 구해지게 된다. 즉, 전류위상 검출기(3)와 유기전압위상 검출기(4)의 출력은 제 1 감산기(6)의 입력으로 사용되고 위상오차를 계산하는데 사용되며, 제 1 감산기(6)의 기능은 마이콤(micom)이라는 제어기를 사용하여 위상오차를 구하게 된다.

전류위상 검출기(3) 및 유기전압 위상 검출기 출력(4)은 제어기의 인터럽트 단자에 입력되고 제어를 통하여 유기전압의 위상과 전류의 위상이 동일하게 된다면, 전류위상 검출기의 제로 크로싱(zero crossing) 시점과 유기전압 위상 검출기의 제로 크로싱 시점이 동일하게 된다. 따라서 동시에 발생하는 2개의 사건(유기전압 혹은 전류)중 먼저 발생한 인터럽트에 대하여 위상을 감지한 후 다음 신호의 위상을 감지하게 되므로, 동시에 발생한 신호라 할지라도 위상 오차를 가지는 것으로 인식될 수 있다.

도 4a는 유기전압과 전류의 위상이 일치하는 경우를 나타내는 그래프이다.

도 4a를 참조하여 더 상세히 설명하면, 도시된 바와 같이 전류위상 검출기 (3)와 유기전압 위상검출기(4)의 신호가 일치한다면, 제 1 감산기(6)에 입력되는 신호는 거의 동일한 시점이 된다. 따라서 제 1 감산기(6)의 기능을 수행하는 과정에서 마이콤은 두 개의 신호를 동시에 인지하게 되므로 두 신호 중 먼저 발생한 신호의 위상을 검출한 후, 나머지 신호에 대한 위상을 검출하게 되고 이 검출된 두 신호의 차이로부터 위상오차를 구하게 된다.

따라서, 유기전압의 위상과 전류의 위상이 완전히 일치하는 경우라 하더라도 위상오차를 계산하는 과정에서 계산의 지연을 가져오게 되어 유기전압 위상 검출기 (4)의 출력과 전류위상 검출기(3)의 신호가 일치하는 경우라도 위상오차를 가지는 것으로 인식된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 브러시리스 DC 모터의 속도제어를 효율적으로 하여 모터를 최대효율에서 운전하기 위하여 유기전압 및 전류 두 신호 중 임의의 한 신호를 지연시켜서 실제 유기전압의 위상과 전류의 위상이 동일하게 제어되도록 하는 브러시리스 DC 모터의 속도 제어방법 및 제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치의 구성을 보여주는 블럭도.

도 2는 종래의 전압지령 발생기의 동작을 나타내는 흐름도.

도 3은 본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치의 구성을 보여주는 블럭도.

도 4a는 유기전압과 전류의 위상이 일치하는 경우를 나타내는 그래프.

도 4b는 유기전압에 대하여 전류의 위상을 지연시킨 경우를 보여주는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 브러시리스 DC모터 2 : 인버터

3 : 전류 위상 검출기 4 : 유기전압 위상 검출기

5 : 속도 검출기 6 : 제 1 감산기

7 : 전압지령 발생기 8 : 속도 제어기

9 : 제 2 감산기 10 : 지연기

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 속도 제어방법은 브러시러스 DC 모터를 3상으로 통전 시 브러시리스 DC 모터의 각 상에서 유기되는 유기전압과 통전 시 흘려주는 전류와의 위상오차를 검지하여 그 위상오차에 의거하여 상기 유기전압 위상과 전류 위상을 동기화시키도록 제어하여 DC 모터의 속도를 제어하는 방법에 있어서, 상기 검출되는 유기전압의 위상 혹은 전류의 위상 신호중 임의의 한 신호를 지연시켜 그 신호의 제로 크로싱 시점을 지연시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치는 모터의 유기전압의 위상을 검출하는 유기전압 위상 검출기와, 전류의 위상을 검출하는 전류 위상 검출기와, 상기 두 위상 검출기로부터 얻어진 유기전압과 전류의 위상 오차를 출력하는 감산기와, 상기 감산기를 통해 얻어진 위상오차로부터 인버터의 전압지령을 발생하는 전압지령 발생기를 포함하여 그 위상오차에 의거해 상기 유기전압 위상과 전류 위상을 동기화시키도록 제어하여 DC 모터의 속도를 제어하는 장치에 있어서, 상기 검출되는 유기전압의 위상 혹은 전류의 위상 신호중 임의의 한 신호를 지연시켜 그 신호의 제로 크로싱 시점을 지연시키도록 하는 지연기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치의 구성을 보여주는 블럭도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치는 브러시리스 DC 모터(1)의 입력단자에 설치되어 전류신호를 지연시키는 지연기(10)와, 지연기(10)를 통해 지연처리되어진 전류 위상을 검출하는 전류위상 검출기(3)와, 브러시리스 DC 모터(1)의 유기전압의 위상을 검출하는 유기전압 위상 검출기(4)와, 유기전압 위상 검출기(4)의 검출된 위상을 통하여 속도를 검출하는 속도 검출기(5)와, 전류위상 검출기(3)로부터 검출된 전류위상 검출신호와 유기전압 위상 검출기 (4)로부터 검출된 유기전압 위상 검출신호를 입력받아 감산하여 위상오차를 계산하는 제 1 감산기(6)와, 속도 검출기(5)로부터의 속도검출신호()와 외부로부터 입력되는 속도지령()을 감산하는 제 2 감산기(9)와, 그 제 2 감산기(9)의 출력값에 속도를 제어하는 속도 제어기(8)와, 속도 제어기(8)로부터 속도 제어값을 입력받고 제 1 감산기(6)로부터 위상오차값을 입력받아 전압지령을 발생하는 전압지령 발생기(7)와, 그 전압지령에 따라 전압을 브러시리스 DC 모터(1)에 인가해주는 인버터 (2)로 구성되어 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치에서 모터 속도 제어과정을 살펴보면, 속도지령()과 속도 검출기(5)를 통하여 검출된 모터(1)의 속도()를 제 2 감산기(9)를 통하여 감산을 한 후 이 속도의 오차를 속도 제어기(8)의 입력으로 출력한다.

이 때 속도 검출기(5)의 출력인 속도는 유기전압 위상 검출기(4)의 출력에 의해 계산된다.

위상 검출기(4)는 모터(1)로부터 유기전압의 제로 크로싱 시점을 검출하여 속도 제어기(5)에 입력으로 넣어 주고, 이 입력을 속도검출기(5)에서 속도로 변환한다.

상기 속도 제어기(8)는 제 2 감산기(9)를 통한 속도오차에 대하여 전압지령 발생기(7)에 전압의 크기를 출력하며 속도오차가 양일 때, 즉 지령치 속도보다 모터(1)의 속도가 느릴 때는 지령전압을 증가시키고 속도오차가 음일 때 즉 지령치 속도보다 모터(1)의 속도가 빠를 때는 지령치 전압을 감소시킨다. 전압지령 발생기 (7)는 3상 인버터의 지령 전압 발생기의 역할을 하며, 이 전압지령 발생기(7)에 의해 발생된 스위치의 인가시간에 따라 인버터(2)는 모터(1)에 전압을 인가하여, 모터(1)를 회전하게 한다. 유기전압과 전류의 위상을 맞추기 위해서는 우선 모터(1)의 입력단자에 설치된 지연기(10)와 전류 위상 검출기(3)로부터 전류의 위상을 검출한다. 이 때 전류위상 검출기(3)에 의해 검출된 전류의 위상과 유기 전압위상 검출기(4)를 통해 얻어진 유기전압의 위상을 제 1 감산기(6)를 통해 위상 오차를 구한다.

이 유기전압과 전류의 위상 오차가 전압지령 발생기(7)의 입력으로 사용된다.

즉 상기 전압지령 발생기(7)은 속도 제어기(8)로부터의 지령 전압과 제 1 감산기(6)을 통한 위상오차를 입력으로 받아서 상기 인버터(2)의 스위칭 시간을 결정하게 된다.

전압지령 발생기(7)에서의 지연기(10)에서의 전류지연을 고려하여 위상 오차를 구하게 된다.

즉, 지연기(10)에 의해서 전류위상 검출기(3)의 제로 크로싱 시점이 실제 전류에 비해 지연되어 있으므로, 제 1 감산기(6)에 의한 위상오차 계산기에 지연시간 만큼을 고려하여 위상오차를 검출하여 전압지령 발생기(7)가 인버터(2)의 인가시간을 결정한다.

도 4b는 도 4a와 같이 위상이 일치한 경우, 전류위상 검출기(3)의 앞 단에 지연기(10)를 부착한 경우이다. 지연기(10)를 부착하면 브러시리스 DC모터에 흐르는 전류는 지연기(10)를 거침으로 인해서 도 4b와 같이 소정의 지연시간을 가지게 된다.

따라서 유기전압 위상검출기(4)와 전류위상 검출기(3)의 신호는 위상을 동일하게 유지하는 경우에도 제로 크로싱 시점의 지연을 가져와서, 동일한 시점에 제로 크로싱을 발생하지 않는다.

이상의 실시예에서는 지연기를 통하여 모터의 전류 위상을 지연시키는 것으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 지연기를 통해 유기전압 위상을 지연시키도록 구성할 수 있음은 자명하다 할 것이다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 브러시리스 DC 모터의 속도 제어방법에 의하면, 유기전압 위상 검출기 혹은 전류위상 검출기의 신호중 임의의 한 신호를 지연시켜 유기전압에 대한 전류의 위상이 일치한 경우에도 제로 크로싱 시점의 지연을 가져와 동일한 시점에 제로 크로싱을 발생하지 않게 됨에 따라, 종래에동시에 발생한 신호라 할지라도 위상 오차를 가지는 것으로 인식되던 문제점을 해결할 수 있게 되어 브리시리스 DC 모터를 최적으로 제어할 수 있게 된다.

Claims (2)

1. 브러시러스 DC 모터를 3상으로 통전시 브러시리스 DC모터의 각 상에서 유기되는 유기전압과 통전시 흘려주는 전류와의 위상오차를 검지하여 그 위상오차에 의거하여 상기 유기전압 위상과 전류 위상을 동기화시키도록 제어하여 DC 모터의 속도를 제어하는 방법에 있어서,

   상기 검출되는 유기전압의 위상 혹은 전류의 위상 신호중 임의의 한 신호를 지연시켜 그 신호의 제로 크로싱 시점을 지연시키는 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 속도 제어방법.
2. 모터의 유기전압의 위상을 검출하는 유기전압 위상 검출기와, 전류의 위상을 검출하는 전류 위상 검출기와, 상기 두 위상 검출기로부터 얻어진 유기전압과 전류의 위상 오차를 출력하는 감산기와, 상기 감산기를 통해 얻어진 위상오차로부터 인버터의 전압지령을 발생하는 전압지령 발생기를 포함하여 그 위상오차에 의거해 상기 유기전압 위상과 전류 위상을 동기화시키도록 제어하여 DC 모터의 속도를 제어하는 장치에 있어서,

   상기 검출되는 유기전압의 위상 혹은 전류의 위상 신호중 임의의 한 신호를 지연시켜 그 신호의 제로 크로싱 시점을 지연시키도록 하는 지연기를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 DC 모터의 속도 제어장치.