KR100327398B1

KR100327398B1 - 브러쉬없는 직류(ｂｌｄｃ) 모터의 회전자 위치 검출장치

Info

Publication number: KR100327398B1
Application number: KR1020000002253A
Authority: KR
Inventors: 조관열
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2002-03-13
Also published as: KR20010075790A

Abstract

모터의 중성점 전압 및 1상의 전류만으로 회전자의 위치를 검출함으로써 위치 검출에 필요한 회로부의 부품수 저감을 통한 재료비 저감 및 위치검출 회로부가 차지하는 면적을 줄이기 위한 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치를 제공하기 위한 것으로서, 인버터를 구비한 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에 있어서, 상기 인버터에서 출력된 1상의 신호를 직렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전류를 적분하는 제1 적분부와, 상기 인버터에서 출력된 3상의 신호를 병렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전압을 적분하는 제2 적분부와, 상기 제1 적분부에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합하는 혼합부와, 상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교부와, 상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호를 적분하는 제3 적분부와, 상기 제3 적분부에서 적분된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 각각 비교하는 제2 비교부와, 상기 제1 및 제2 비교부에서 출력된 신호를 연산하여 위치신호를 계산하는 위치신호 계산부를 포함하여 구성되며, 모터의 중성점 전압 및 1상의 전류만으로 회전자의 위치를 검출함으로써 위치 검출에 필요한 회로부의 부품수 저감을 통한 재료비 저감 및 위치검출 회로부가 차지하는 면적을 줄여 컴팩트한 회로부를 구성할 수 있는 효과가 있다.

Description

브러쉬없는 직류(ＢＬＤＣ) 모터의 회전자 위치 검출장치{apparatus for detecting rotor position of BLDC motor}

본 발명은 브러쉬없는 직류 전동기에 관한 것으로, 특히 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에 관한 것이다.

냉장고/에어컨용 압축기 및 세탁기의 가변속 운전을 구현하기 위하여 현재 가장 많이 사용되고 있는 전동기는 다른 전동기에 비해 효율이 높고 제어가 용이한 브러쉬없는 직류 전동기(brushless DC motor)이다.

브러쉬없는 직류 전동기를 운전하기 위해서는 회전자에서 발생하는 영구자석의 자속(flux)과 전기적으로 직각 또는 임의의 각도를 갖도록 고정자의 자속을 제어해야 한다.

이를 위해서는 회전자가 어느 위치에 있는가를 항상 검출하여 회전자의 위치에 따라 고정자의 자속 발생위치를 결정하도록 인버터 스위칭 소자들의 스위칭 상태를 결정해야 한다.

회전자의 위치를 검출하기 위해서는 레졸버(resolver), 엔코더(absolute encoder), 홀센서(hall sensor) 등을 사용할 수 있으나 냉장고/에어컨용 압축기의 경우에는 온도/압력 등의 환경적인 요인에 의해 센서를 사용하기 어려우므로 전동기에 인가되는 전압 또는 전류로부터 회전자의 위치를 검출해야 한다.

브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 구동방식은 인가되는 상전류의 형상에 따라구형파 전류(rectangular current waveform)방식과 정현파 전류(sinusoidal current waveform)방식으로 구분할 수 있다.

구형파 전류방식은 인가되는 상전류를 구형파로 제어하기 위하여 전기각으로 60°마다 A, B, C 3상에 전압을 인가하는 인버터 스위치의 도통상태를 결정한다.

구형파 전류방식은 일반적으로 A, B, C 3상중 2상은 전기각으로 120°동안 전압 또는 전류가 인가되고 나머지 한 상에는 전압 또는 전류가 인가되지 않는다.

즉 회전자의 위치에 따라 A, B, C 3상중의 어느 한 상에는 전기각으로 약 60°동안 전류가 흐르지 않는 영역이 존재한다.

이와 같은 구형파 전류 구동방식에서는 전압 또는 전류가 인가되지 않는 영역에서 그 상에 유기되는 상전압으로부터 회전자의 위치를 검출할 수 있다.

즉 오픈 페이즈(open phase)의 상전압이 영(zero)이 되는 점을 검출함으로써 전기각으로 60°마다의 회전자의 위치를 검출할 수 있다.

그러나 정현파 전류 구동방식의 경우에는 회전자의 위치에 관계없이 A, B, C 3상에는 항상 전압 또는 전류가 인가되므로 구형파 전류 제어방식에서와 같이 오픈된 상(open phase)의 유기 전압 정보를 이용하여 회전자 위치를 검출할 수 없다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 정현파 전류 방식의 경우에는 A, B, C 3상의 전압 및 전류를 모두 검출하여 회전자 위치를 검출할 수 있다.

이하, 종래 기술에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도1은 종래 기술에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치를 나타낸 도면으로, 단상 교류 전원(220V, 60㎐)을 입력받아 정류하는 정류부(1)와, 상기 정류부(1)에서 정류된 전압을 평활하는 평활 콘덴서(2)와, 소정 구동신호에 따라 동작하여 상기 평활 콘덴서(2)에서 평활된 DC 전압을 각 상에 따른 소정 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터(3)와, 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압에 따라 소정 동력을 발생시키는 BLDC 모터(4)와, 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압에 따라 상기 BLDC 모터(4)의 회전자 위치를 검출하는 회전자 위치 검출회로(5)와, 상기 회전자 위치 검출회로(5)에서 검출된 회전자 위치와 기설정된 소정 속도와 비교하여 그 비교결과에 따라 상기 BLDC 모터(4)를 제어하기 위한 신호를 출력하는 마이컴(6)과, 상기 마이컴(6)에서 출력된 제어신호에 따라 각 상을 제어하기 위한 소정 구동신호를 발생하는 게이트 신호 발생부(7)로 구성된다.

상기 인버터(3)는 6개의 트랜지스터(Q1~Q6)와, 상기 트랜지스터(Q1~Q6)와 역병렬로 연결되어 있는 프리 휠링 다이오드(free wheeling diode)(D1~D6)로 구성되어 있고, 상기 트랜지스터중 3개(Q1, Q3, Q5)는 상기 평활 콘덴서(2)의 고전압 부분에 연결되며, 상기 트랜지스터중 나머지 3개(Q2, Q4, Q6)는 상기 평활 콘덴서(2)의 접지측에 연결되고, 각 상은 고전압 부분에 연결된 트랜지스터중 3개(Q1, Q3, Q5)와 접지측에 연결된 트랜지스터중 3개(Q2, Q4, Q6)의 중간 전위점이 상기 BLDC모터(4)가 연결된다.

상기 BLDC 모터(4)는 상기 인버터(3)에서 공급되는 각 상에 따른 소정 교류 전원에 따라 소정 회전자계를 발생시키는 고정자(미도시)와, 상기 고정자의 회전자계에 의해 회전하는 회전자(미도시)로 구성된다.

도2는 도1의 정현파 전류 구동시 전압, 전류 파형을 나타낸 도면이고, 도3은 도1의 회전자 위치 검출회로의 상세 구성을 나타낸 도면으로, 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압으로부터 각 상에 따른 전류를 검출하는 전류 검출부(51)와, 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압으로부터 각 상에 따른 전압을 검출하는 전압 검출부(52)와, 상기 전류 검출부(51)에서 검출된 A상의 전류와 전압 검출부(52)에서 검출된 A상의 전압에 따라 회전자의 위치를 검출하는 제1 위치 검출부(53)와, 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 B상의 전류와 전압 검출부(52)에서 검출된 B상의 전압에 따라 회전자의 위치를 검출하는 제2 위치 검출부(54)와, 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 C상의 전류와 전압 검출부(52)에서 검출된 C상의 전압에 따라 회전자의 위치를 검출하는 제3 위치 검출부(55)로 구성된다.

상기 제1 내지 제3 위치 검출부(53~55) 각각은 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 각 상에 따른 중성점에 대한 전류를 적분하는 제1 적분부(71)와, 상기 전압 검출부(52)에서 출력된 각 상에 따른 중성점에 대한 전압을 적분하는 제2 적분부(72)와, 상기 제1 적분부(71)에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부(72)에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합하는 혼합부(130)와, 상기 혼합부(130)에서 출력된 신호와 기설정된 신호를 비교하여 그 결과신호를 출력하는 비교기(74)로 구성된다.

도4는 도3의 각부 파형을 나타낸 도면이다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, BLDC 모터(4)를 구동시키기 위한 단상 교류 전원(220V, 60㎐)이 정류부(1)로 입력되면, 정류부(1)는 입력되는 단상 교류 전원(220V, 60㎐)을 정류하여 변환하여 출력하고, 평활 콘덴서(2)는 상기 정류부(1)에서 적분된 전압을 평활하여 소정 직류 전압(310V)으로 변환하고, 인버터(3)는 소정 구동신호에 따라 동작하여 상기 평활 콘덴서(2)에서 평활된 소정 직류 전압(310V)을 소정 교류 전압으로 변환하여 출력한다.

즉 인버터(3)는 상기 평활 콘덴서(3)의 고전위 부분에 접속된 3개의 트랜지스터(Q1, Q3, Q5)와, 저전원 부분에 접속된 트랜지스터(Q2, Q4, Q6)가 각각하나씩 짝을 이루어 도2에 도시된 바와 같은 고정자의 각 상(A, B, C)으로 소정 교류 전압을 공급한다. 예를 들어 A상의 전압은 도2에 도시된 바와 같다.

그러면 회전자 BLDC 모터(4)는 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압에 따라 소정 동력을 발생시켜 출력한다. 즉 상기 BLDC 모터(4)를 구성하는 고정자의 각 상(A, B, C)에 권선된 코일에 전류가 흐르고 상기 전류에 의해 형성된 자기장이 모터와 회전자 사이의 에어-갭(air-gap)에 공간적으로 회전하는 회전자계를 발생시켜 상기 회전자가 상기 회전자계와 동기되어 회전한다.

이에 따라 회전자 위치 검출회로(5)는 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압에 따라 상기 BLDC 모터(4)의 회전자 위치를 검출하여 그 결과신호를 출력한다.

즉 회전자 위치 검출회로(5)내 전류 검출부(51)는 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압으로부터 각 상에 따른 전류를 검출하고, 전압 검출부(52)는 상기 인버터(3)에서 출력된 각 상에 따른 소정 교류 전압으로부터 각 상에 따른 전압을 검출한다.

그러면 제1 위치 검출부(53)는 상기 전류 검출부(51)에서 검출된 A상의 전류와 전압 검출부(52)에서 검출된 A상의 전압에 따라 회전자의 위치를 검출한다. 즉 상기 제1 위치 검출부(53)내 제1 적분부(71)는 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 각 상에 따른 중성점에 대한 전류를 적분하고, 제2 적분부(72)는 상기 전압 검출부(52)에서 출력된 각 상에 따른 중성점에 대한 전압을 적분하며, 혼합부(130)는 상기 제1 적분부(71)에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부(72)에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합한 후 그 결과신호를 출력하고, 비교기(74)는 상기 혼합부(130)에서 출력된 신호와 기설정된 신호를 비교하여 그 결과신호를 출력한다.

그리고 제2 위치 검출부(54)는 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 B상의 전류와 전압 검출부(52)에서 검출된 B상의 전압에 따라 회전자의 위치를 검출한다. 즉 상기 제2 위치 검출부(54)내 제1 적분부(71)는 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 각 상에 따른 전류를 적분하고, 제2 적분부(72)는 상기 전압 검출부(52)에서 출력된 각 상에 따른 전압을 적분하며, 혼합부(130)는 상기 제1 적분부(71)에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부(72)에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합한 후 그 결과신호를 출력하고,비교기(74)는 상기 혼합부(130)에서 출력된 신호와 기설정된 신호를 비교하여 그 결과신호를 출력한다.

아울러 제3 위치 검출부(55)는 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 C상의 전류와 전압 검출부(52)에서 검출된 C상의 전압에 따라 회전자의 위치를 검출한다. 즉 상기 제3 위치 검출부(55)내 제1 적분부(71)는 상기 전류 검출부(51)에서 출력된 각 상에 따른 전류를 적분하고, 제2 적분부(72)는 상기 전압 검출부(52)에서 출력된 각 상에 따른 전압을 적분하며, 혼합부(130)는 상기 제1 적분부(71)에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부(72)에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합한 후 그 결과신호를 출력하고, 비교기(74)는 상기 혼합부(130)에서 출력된 신호와 기설정된 신호를 비교하여 그 결과신호를 출력한다.

상기 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 모델은 하기한 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서는 중성점(neutral point)에 대한 A, B, C 3상의 각각의 상전압을 나타내고,는 A, B, C 3상의 각각의 상전류, R은 A, B, C 3상에 대한 상저항 행렬, L은 A, B, C 3상에 대한 상 인덕턴스(phase inductance) 행렬,는 각 상에 유기되는 유기전압이다.

그리고 영구자석이 회전자의 코어(core)에 부착되어 있는 영구자석 표면부착형 부러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 경우에는 회전자의 위치에 따른 릴럭턴스(reluctance) 변화가 없으므로이다.

그러므로 상기 수학식1에서 상 유기전압는 하기한 수학식2와 같이 모터의 속도에 비례하고 회전자 위치에 따라 정현파로 변환하는 함수로 도4에 도시된 바와 같다.

상기 유기전압는 회전자 위치의 정보를 포함하고 있으므로 유기전압의 정보로부터 회전자의 위치를 검출할 수 있다.

그러나 모터의 전류를 정현파로 제어하는 경우 유기전압는 측정이 불가능하기 때문에 상기 수학식1로부터 유추해내야 하므로, 수학식1에서 유기전압는 하기한 수학식3으로 다시 표현할 수 있으나 하기한 수학식3에는 전류의 미분항이 존재하여 회로나 알고리즘상으로 구현하기 어려우므로 하기한 수학식4와 같이 양변을 적분하여 구한다.

여기서 유기전압의 적분값은 상기한 수학식2로부터 하기한 수학식5로 다시 표현할 수 있으므로 상기한 수학식4에서 구한 유기전압의 적분값으로부터 회전자의 위치를 검출할 수 있다.

이와 같이 회전자 위치 검출회로(5)는 상기 A, B, C 3상의 각 상마다 적분된 유기전압의 신호로부터 영(zero)이 되는 점을 검출하여 회전자의 위치를 검출할 수 있으며, 상기 인버터(3)의 A상의 유기전압의 적분값이 영(zero)보다 큰 경우에는 A상에 해당하는 고전위 트랜지스터(Q1, Q3, Q5)를 도통(on)하기 위한 신호를, A상의 유기전압의 적분값이 영(zero)보다 작은 경우에는 A상에 해당하는 저전위 트랜지스터(Q2, Q4, Q6)를 도통(on)하기 위한 신호를 출력한다.

그리고 회전자 위치 검출회로(5)는 B상과 C상에 대해서도 동일한 방법으로 트랜지스터의 도통(on)하기 위한 신호를 출력하게 된다.

이에 따라 마이컴(6)은 상기 회전자 위치 검출회로(5)에서 검출된 회전자 위치와 기설정된 소정 속도와 비교하여 그 비교결과에 따라 상기 BLDC 모터(4)를 제어하기 위한 신호를 출력한다.

즉 마이컴(6)은 상기 회전자 위치 검출회로(5)에서 인버터의 고전위 트랜지스터를 도통(on)하기 위한 신호에 따라 인버터의 A상 권선에 +V_dc전압을 인가하기 위한 제어신호를 출력하고, A상 권선에 영(zero) 전압을 인가하기 위한 제어신호를 출력한다. 그리고 마이컴(6)은 B상과 C상에 대해서도 동일한 방법으로 트랜지스터의 도통(on) 상태에 따른 제어신호를 출력하게 된다.

그러면 게이트 신호 발생부(7)는 상기 마이컴(6)에서 출력된 제어신호에 따라 각 상을 제어하기 위한 소정 구동신호를 발생한다.

이와 같은 과정을 반복수행하여 마이컴(6)은 BLDC 모터(4)의 회전자 위치를 제어하게 된다.

그러나 종래 기술에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 회전자의 위치를 검출하기 위하여 A, B, C 3상의 전압 및 전류를 모두검출해야 하므로 상전압/상전류 측정용 저항 및 절연부에 의한 코스트가 높다.

둘째, A, B, C 3상의 전압 및 전류 신호로부터 각각의 유기전압의 적분값을 얻기 위해 필요한 적분회로, 비교기(comparator) 등의 소자가 많이 필요하므로 코스트가 높고 회로부가 차지하는 면적이 높다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 모터의 중성점 전압 및 1상의 전류만으로 회전자의 위치를 검출함으로써 위치 검출에 필요한 회로부의 부품수 저감을 통한 재료비 저감 및 위치검출 회로부가 차지하는 면적을 줄이기 위한 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래 기술에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치의 일예를 나타낸 도면

도2는 도1의 정현파 전류 구동시 전압, 전류 파형을 나타낸 도면

도3은 도1의 회전자 위치 검출회로의 상세 구성을 나타낸 도면

도4는 도3의 각부 파형을 나타낸 도면

도5는 본 발명에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치의 일실시예를 나타낸 도면

도6a 내지 도6c는 도5의 제1 및 제2 비교부, 위치신호 계산부의 상세 구성을 나타낸 도면

도7은 도6의 위치검출 파형을 나타낸 도면

도8은 도6의 회전자 위치에 따른 PWM신호의 파형을 나타낸 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110 : 제1 적분부 120 : 제2 적분부

130 : 혼합부 140 : 제1 비교부

150 : 적분부 160 : 제2 비교부

170 : 위치신호 계산부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치의 특징은, 인버터를 구비한 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에 있어서, 상기 인버터에서 출력된 1상의 신호를 직렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전류를 적분하는 제1 적분부와, 상기 인버터에서 출력된 3상의 신호를 병렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전압을 적분하는 제2 적분부와, 상기 제1 적분부에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합하는 혼합부와, 상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교부와, 상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호를 적분하는 제3 적분부와, 상기 제3 적분부에서 적분된 1상의 신호와기설정된 제2 기준값을 각각 비교하는 제2 비교부와, 상기 제1 및 제2 비교부에서 출력된 신호를 연산하여 위치신호를 계산하는 위치신호 계산부를 포함하여 구성되는데 있다.

상기 제1 비교부는 상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교기로 구성되는데 다른 특징이 있다.

상기 제1 기준값은 풀다운 저항에 의해 설정되는 영(zero) 전위임을 또다른 특징으로 하는데 있다.

상기 제2 비교부는 상기 적분부에서 적분된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 비교하는 제2 비교기로 구성되는데 또다른 특징이 있다.

상기 제2 기준값은 전압 분배에 의해 설정되는 값임을 또다른 특징으로 하는데 있다.

상기 위치신호 계산부는 상기 제1 비교부에서 출력된 신호를 인버트하는 제1 인버터와, 상기 제1 인버터에서 인버트된 신호와 제2 비교부에서 출력된 신호를 논리곱하는 제1 앤드게이트와, 상기 제2 비교부에서 출력된 신호를 인버트하는 제2 인버터와, 상기 제1 비교부에서 출력된 신호와 제2 인버터에서 인버트된 신호를 논리곱하는 제2 앤드 게이트와, 상기 제1 및 제2 앤드 게이트에서 논리곱된 신호를 논리합하는 오어 게이트를 포함하여 구성되는데 또다른 특징이 있다.

본 발명은 모터의 중성점 전압 및 1상의 전류만으로 회전자의 위치를 검출함으로써 위치 검출에 필요한 회로부의 부품수 저감을 통한 재료비 저감 및 위치검출 회로부가 차지하는 면적을 줄여 컴팩트한 회로부를 구성할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 본 발명에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도5는 본 발명에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치의 일실시예를 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이, 센서리스(sensorless)화하며, 전술한 도3에 도시된 바와 같은 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략한다.

도시된 바와 같이, 상기 인버터(3)에서 출력된 1상의 신호를 직렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전류를 적분하는 제1 적분부(110)와, 상기 인버터(3)에서 출력된 3상의 신호를 병렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전압을 적분하는 제2 적분부(120)와, 상기 제1 적분부(110)에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부(120)에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합하는 혼합부(130)와, 상기 혼합부(130)에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교부(140)와, 상기 혼합부(130)에서 출력된 1상의 신호를 적분하는 제 3 적분부(150)와, 상기 제 3 적분부(150)에서 적분된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 각각 비교하는 제2 비교부(160)와, 상기 제1 및 제2 비교부(140)(160)에서 출력된 신호를 연산하여 위치신호를 계산하는 위치신호 계산부(170)를 포함하여 구성되는데 있다.

도6a 내지 도6c는 도5의 제1 및 제2 비교부, 위치신호 계산부의 상세 구성을 나타낸 도면이고, 도6a에 도시된 제1 비교부(140)는 상기 혼합부(130)에서 출력된1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교기(141)로 구성되고, 도6b는 제2 비교부(160)는 상기 제 3 적분부(150)에서 적분된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 비교하는 제2 비교기(161)로 구성되며, 도6c에 도시된 위치신호 계산부(130)는 상기 제1 비교부(140)에서 출력된 신호를 인버트하는 제1 인버터(171)와, 상기 제1 인버터(171)에서 인버트된 신호와 제2 비교부(160)에서 출력된 신호를 논리곱하는 제1 앤드게이트(172)와, 상기 제2 비교부(160)에서 출력된 신호를 인버트하는 제2 인버터(173)와, 상기 제1 비교부(140)에서 출력된 신호와 제2 인버터(174)에서 인버트된 신호를 논리곱하는 제2 앤드 게이트(174)와, 상기 제1 및 제2 앤드 게이트(172)(174)에서 논리곱된 신호를 논리합하는 오어 게이트(175)로 구성된다.

도7은 도6의 위치검출 파형을 나타낸 도면이고, 도8은 도6의 회전자 위치에 따른 PWM신호의 파형을 나타낸 도면이다.

여기에 도시된 것에 의해서 본 발명이 제한되지는 않는다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

종래의 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에서는 회전자의 위치정보를 얻기 위해 A, B, C 3상의 유기전압 정보를 모두 사용하므로 재료비의 상승을 초래하므로 본 발명의 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에서는 A, B, C 3상중 어느 한 상의 유기전압만으로 회전자의 위치정보를 검출하고자 하며 상기 A, B, C 3상중 A상을 예를들면 A상에 대한 전압의 모델식은 하기한수학식6과 같으며, 상기 수학식6으로부터 하기한 수학식7과 같이 유기전압을 적분하면 속도에 관계없이 위치에 따라 변하는 A상의 정보를 얻을 수 있다.

먼저, 제1 적분부(110)는 도5에 도시된 바와 같이 상기 인버터(3)에서 출력된 1상의 신호를 직렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전류를 적분하여 그 결과신호를 출력한다.

그리고, 제2 적분부(120)는 상기 인버터(3)에서 출력된 3상의 신호를 병렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전압을 적분하여 그 결과신호로 도7에 도시된 바와 같은를 출력한다.

그러면 혼합부(130)는 상기 제1 적분부(110)에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부(120)에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합한 후 도7에 도시된 바와 같은 유기전압의 적분값()으로를 출력한다.

이에 따라 제1 비교부(140)는 상기 혼합부(130)에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교한 후 도7에 도시된 바와 같은 결과신호(S1)를 출력한다.

즉 제1 비교부(140)내 제1 비교기(141)는 도6a에 도시된 바와 같이, 상기 혼합부(130)에서 출력된 1상의 신호와 풀업 저항에 의해 기설정된 영(zero) 전위의 제1 기준값을 비교하여 그 결과신호(S1)를 출력한다.

상기 결과신호(S1)는 0°, 180°, 360° 등으로 180°간격의 위치정보이다.

아울러 제 3 적분부(150)는 상기 혼합부(130)에서 출력된 1상의 신호를 적분한다.

그러면 제2 비교부(160)는 상기 제 3 적분부(150)에서 적분된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 각각 비교한 후 도7에 도시된 바와 같은 결과신호(S2)를 출력한다.

즉 제2 비교부(160)내 제2 비교기(161)는 도6b에 도시된 바와 같이, 상기 혼합부(130)에서 출력된 1상의 신호와 저항(R1)(R2)에 의한 전압 분배에 의해 기설정된 제2 기준값을 비교하여 그 결과신호(S2)를 출력한다.

상기 결과신호(S2)는 90°와 270°의 회전자 위치정보이다.

여기서 상기한 수학식7의를 적분하면 하기한 수학식8과 같이 적분값는에 전기각으로 90°뒤진 파형이 나타나므로 전기각 90° 및 270°의 정보를 얻을 수 있다.

여기서는 BLDC 모터(4)의 속도()의 함수이므로 BLDC 모터(4)의 속도가 임의의 기준 속도보다 낮은 경우에는 적분을 하지 않고 모터의 속도가 임의의 기준속도보다 높은 경우에만 적분을 하여 안정성을 증대시켜야 한다.

여기서 제2 비교부(160)의 기준전압을 임의의 전압로 한 경우 전기적으로 한 주기(전기각 360°)에 4개의 위치 정보를 얻을 수 있다.

즉 제1 비교부(140)의 출력인 0°와 180°의 S1신호, 제2 비교부(160)의 출력인 90° 및 270°의 S2신호가 사용가능하며, 회전자 위치정보가 90°마다 수정/보완되므로 적당한 PWM(Pulse Width Modulation) 방법에 의해 형현파 전류 구동방식으로 상기 BLDC 모터(4)의 속도를 제어할 수 있다.

그러면 위치신호 계산부(170)는 상기 제1 및 제2 비교부(140)(160)에서 출력된 신호를 연산하여 위치신호를 계산하여 그 결과신호를 마이컴(6)으로 출력한다.

즉 위치신호 계산부(170)내 제1 인버터(171)는 상기 제1 비교부(140)에서 출력된 신호를 인버트한다. 그러면 제1 앤드게이트(172)는 상기 제1 인버터(171)에서 인버트된 신호와 제2 비교부(160)에서 출력된 신호를 논리곱하여 그 결과신호를 출력한다. 아울러 제2 인버터(173)는 상기 제2 비교부(160)에서 출력된 신호를 인버트한다. 그러면 제2 앤드 게이트(174)는 상기 제1 비교부(140)에서 출력된 신호와제2 인버터(174)에서 인버트된 신호를 논리곱하여 그 결과신호를 출력한다. 이에 따라 오어 게이트(175)는 상기 제1 및 제2 앤드 게이트(172)(174)에서 논리곱된 신호를 논리합한 후 도7에 도시된 바와 같은 결과신호(Sm)를 마이컴(6)으로 출력한다.

또한, 90°단위로 검출된 회전자 위치정보로 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터(4)의 상전류를 정현파(sinusoidal wave)로 구동하기 위한 PWM은 여러 가지가 있을 수 있으나 그 한 예로 도8에 나타낸 바와 같은 방법을 사용할 수 있다.

즉 A상의 전류를 정현파로 제어하기 위한 한주기(360°) 동안의 A상의 기준전압과 도8에 도시된 바와 같은 삼각파(carrier wave)를 비교하여 A상에 해당하는 상기 인버터(3)의 고전위 및 저전위 트랜지스터의 온/오프(on/off)신호를 회전자의 위치별로 미리 계산하여 룩-업-테이블(look-up-table)로 마이컴(6)에 직접 계산하여 PWM신호를 발생시킬 수 있다.

그러나 위치신호 계산부(160)는 90°단위로 회전자 위치정보를 검출할 수 있으나 60°단위 이내의 위치정보는 알 수 없다.

즉 위치신호 계산부(160)는 회전자가 기준위치로부터 0°와 90° 위치에 있을 경우에는 회전자 위치신호를 검출할 수 있지만 30° 또는 50°등의 0°와 90° 사이의 위치정보는 검출할 수 없다.

그러나 실제 PWM신호를 발생하기 위해서 도8에 도시된 바와 같이, 0°와 90° 사이의 임의의 위치각에 대한 정보도 필요하므로 위치신호 계산부(160)는 0°와 90° 이내의 임의의 각을 회전자의 운전 속도로부터 근사적으로 계산한다.

즉 위치신호 계산부(160)는 하기한 수학식9과 같이 0°이전의 일정시간동안의 회전자 속도를 계산하여 0°부터 60°까지 일정하게 회전한다고 가정하고 회전자 위치를 계산한다.

상기 회전자의 위치가 90°가 되면 위치신호 계산부(160)는 회전자 위치정보를 검출하게 되므로 회전자 속도로부터 계산된 위치를 검출된 위치정보로 수정하여 동일한 방법으로 90°에서 180°까지의 세밀한 위치를 계산한다.

한편, 상기 제3 적분부(150)를 혼합부(130)에서 출력된 1상의 신호를 적분하여 그 결과신호를 제1 및 제2 비교부(140)(160)로 출력하도록 회로를 구성하여 상기 정류된 1상의 신호를 제1 비교부(140)에서 기설정된 제1 기준값과 비교하여 그 결과신호를 출력하고, 아울러 상기 정류된 1상의 신호를 제2 비교부(160)에서 기설정된 제2 기준값과 비교하여 그 결과신호를 출력한 후 위치신호 계산부(170)에서 상기 제1 및 제2 비교부(140)(160)에서 출력된 신호를 연산하여 위치신호를 계산한 후 그 결과신호를 마이컴(6)으로 출력하여 마이컴(6)에서 회전자 위치를 제어하도록 할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 모터의 중성점 전압 및 1상의 전류만으로 회전자의 위치를 검출함으로써 위치 검출에 필요한 회로부의 부품수 저감을 통한 재료비 저감할 수 있다.

둘째, 위치검출 회로부가 차지하는 면적을 줄여 컴팩트한 회로부를 구성할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims

인버터를 구비한 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에 있어서,

상기 인버터에서 출력된 1상의 신호를 직렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전류를 적분하는 제1 적분부와;

상기 인버터에서 출력된 3상의 신호를 병렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전압을 적분하는 제2 적분부와;

상기 제1 적분부에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합하는 혼합부와;

상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교부와;

상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호를 적분하는 제3 적분부와;

상기 제3 적분부에서 적분된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 각각 비교하는 제2 비교부와;

상기 제1 및 제2 비교부에서 출력된 신호를 연산하여 위치신호를 계산하는 위치신호 계산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 비교부는

상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교기로 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제2항에 있어서,

상기 제1 기준값은

풀다운 저항에 의해 설정되는 영(zero) 전위임을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제1항에 있어서,

상기 제2 비교부는

상기 적분부에서 적분된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 비교하는 제2 비교기로 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제4항에 있어서,

상기 제2 기준값은

전압 분배에 의해 설정되는 값임을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제1항에 있어서,

상기 위치신호 계산부는

상기 제1 비교부에서 출력된 신호를 인버트하는 제1 인버터와;

상기 제1 인버터에서 인버트된 신호와 제2 비교부에서 출력된 신호를 논리곱하는 제1 앤드게이트와;

상기 제2 비교부에서 출력된 신호를 인버트하는 제2 인버터와;

상기 제1 비교부에서 출력된 신호와 제2 인버터에서 인버트된 신호를 논리곱하는 제2 앤드 게이트와;

상기 제1 및 제2 앤드 게이트에서 논리곱된 신호를 논리합하는 오어 게이트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
인버터를 구비한 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치에 있어서,

상기 인버터에서 출력된 1상의 신호를 직렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전류를 적분하는 제1 적분부와;

상기 인버터에서 출력된 3상의 신호를 병렬 저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전압을 적분하는 제2 적분부와;

상기 제1 적분부에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2 적분부에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합하는 혼합부와;

상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호를 적분하는 제3 적분부와;

상기 제3 적분부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교부와;

상기 제3 적분부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 각각 비교하는 제2 비교부와;

상기 제1 및 제2 비교부에서 출력된 신호를 연산하여 위치신호를 계산하는 위치신호 계산부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 제1 비교부는

상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하는 제1 비교기로 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제8항에 있어서,

상기 제1 기준값은

풀다운 저항에 의해 설정되는 영(zero) 전위임을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 제2 비교부는

상기 정류부에서 정류된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 비교하는 제2 비교기로 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제10항에 있어서,

상기 제2 기준값은 전압 분배에 의해 설정되는 값임을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 위치신호 계산부는

상기 제1 비교부에서 출력된 신호를 인버트하는 제1 인버터와;

상기 제1 인버터에서 인버트된 신호와 제2 비교부에서 출력된 신호를 논리곱하는 제1 앤드게이트와;

상기 제2 비교부에서 출력된 신호를 인버트하는 제2 인버터와;

상기 제1 비교부에서 출력된 신호와 제2 인버터에서 인버트된 신호를 논리곱하는 제2 앤드 게이트와;

상기 제1 및 제2 앤드 게이트에서 논리곱된 신호를 논리합하는 오어 게이트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 제1 적분부는

상기 인버터에서 출력된 1상의 신호를 직렬저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전류를 적분하여 그 결과신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 제2 적분부는

상기 인버터에서 출력된 3상의 신호를 병렬저항을 통해 검출되는 중성점에 대한 1상의 전압을 적분하여 그 결과신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 혼합부는

상기 제1 적분부에서 출력된 신호와 비례계수(R)를 연산한 신호, 상기 제2적분부에서 출력된 신호 및 상기 1상의 전류에 비례계수(Ls)를 연산한 신호를 혼합하여 임의의 각에서의 유기전압의 적분값을 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 제1 비교부는

상기 제3 적분부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제1 기준값을 비교하여 임의의 각에서의 결과신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제16항에 있어서,

상기 제1 비교부내 제1 비교기는

상기 제3 적분부에서 출력된 1상의 신호와 풀업 저항에 의해 기설정된 영(zero) 전위의 제1 기준값을 비교하여 그 결과신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 제3 적분부는

상기 혼합부에서 출력된 1상의 신호를 적분하여 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제7항에 있어서,

상기 제2 비교부는

상기 제3 적분부에서 출력된 1상의 신호와 기설정된 제2 기준값을 비교하여 임의의 각에서의 결과신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.
제19항에 있어서,

상기 제2 비교부내 제2 비교기는

상기 제3 적분부에서 출력된 1상의 신호와 저항(R1)(R2)에 의한 전압 분배에 의해 기설정된 제2 기준값을 비교하여 그 결과신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 브러쉬없는 직류(BLDC) 모터의 회전자 위치 검출장치.