KR100327862B1 - 인덕턴스의 변화를 이용한 브러시리스 직류 모터의 초기위치 판별 및 초기 구동 알고리즘 - Google Patents

Abstract

BLDC 모터 내의 로터의 정지 상태에서 회전위치를 검출하고 초기 구동을 수행하는 방법에 있어서: 6개의 여자상에 전류 펄스를 인가하고 일정시간 후의 두 여자 상전류의 차이 Δi를 구하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 구한 3개의 Δi를 이용하여 각각의 차인 ΔΔi를 구하는 제 2 단계; 전류를 인가하지 않았을 경우 회전자가 위치하게 되는 자기 저항을 최소화하는 지점 부근(P₁∼P₆)에서는 3개의 ΔΔi의 부호를 조사하고 베어링의 마찰등 외부적 요인에 의해 (P₁∼P₆)부근에 있지 않을 경우에는 3개의 Δi의 부호를 조사하여 초기 위치를 판별하는 제 3 단계; 현재 여자 구간에서 최대 토크를 내는 여자상인 P_phase및 다음 여자상인 P_pulse를 펄스열로 구성하는 제 4 단계; 상기 P_pulse인가후 일정시간(T) 경과시의 전류 크기(α)와 P_phase인가후 일정시간(T) 경과시의 전류 크기(β)를 비교하여 위치 판별하면서 상기 α와 β의 크기가 서로 교차하는 지점에서 정류를 수행하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, BLDC모터가 별도의 센서 없이도 인덕턴스 변화로 구해지는 소정의 펄스열을 인가받아 정지상태에서 원활하게 구동되도록 하는 효과가 있다.

Description

인덕턴스의 변화를 이용한 브러시리스 직류 모터의 초기 위치 판별 및 초기구동 알고리즘{Initial position detection and starting algorithm of BLDC motor using inductance variation}

본 발명은 인덕턴스의 변화를 이용한 BLDC 모터의 센서리스 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 브러시리스 DC모터가 별도의 센서 없이도 인덕턴스 변화로 구해지는 소정의 펄스열을 인가받아 정지상태에서 원활하게 구동되도록 하는 인덕턴스의 변화를 이용한 BLDC 모터의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 전자제품의 구동원인 3상 BLDC(brushless direct current) 모터를 구동하기 위해 엔코더(encoder) 또는 홀센서(hall sensor)를 탑재하고 영구자석으로 이루어진 회전자의 자극의 위치를 검출하는 방식이 주로 사용되는 바, 모터의 외형이 커지고 제작비용이 증가하는 것은 물론 습도 등의 환경에도 영향을 받아 신뢰성이 저하되는 단점이 있었다.

이에 따라 이러한 단점을 개선하기 위해 도 1 내지 도 6에 의해 재시되는 것과 같은 센서리스(sensorless) BLDC 모터가 도입된다. 이 방식은 역기전력(BEMF; back electromotive force)을 이용하여 제로크로싱을 근거로 한 로터의 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.

도 1에서 알 수 있는 바와 같이 전류는 자속의 포화 정도에 영향을 주는 바,BLDC 모터의 두 상을 여자시킬 때 전체 자속(λ_phase)은 영구자석에 의한 자속(λ_PM)과 전류에 의한 자속(Li)의 합으로 나타난다.

영구자석에 의한 자속과 같은 방향의 자속을 발생시키는 전류를 i⁺라 하고, 반대방향의 자속을 생성하는 전류를 i^-라 하면, 도 1과 같이 i⁺에 의한 자속의 변화가 i^-에 의한 자속의 변화보다 작기 때문에 L⁺가 L^-보다 작다.

이러한 인덕턴스의 변화는 전류의 상승 시간에 영향을 미치고, 도 2와 같이 i⁺가 i^-보다 반응이 빠름을 알 수 있다. 도 2에서 Δi는 일정 시간 T에서의 두 전류의 크기 차이다.

미리 방향을 설정한 전류에 대해 Δi가 양수이면 i⁺는 영구자석의 자속과 같은 방향의 자속을 생성하는 것을 의미하고, Δi가 음수이면 i⁺는 영구자석의 자속과 반대 방향의 자속을 생성하는 것을 의미한다.

BLDC 모터의 6개의 여자상의 전류를 도 3과 같이 정의하고 각 상에 전류를 인가하였을 때 일정 시간에서의 회전자의 위치에 따른 전류의 크기는 도 4와 같은 사인곡선 형태로 나타난다. 여기서 각 여자상의 전류 펄스에 대해 3개의 Δi를 구하면 도 5와 같은 형태의 곡선으로 나타난다.

상기와 같은 이론적 바탕을 근거로 6개의 여자상에 전류 펄스를 인가하여 3개의 Δi 구하고, 3개의 Δ의 부호를 조사하여 위치 판별을 수행할 수 있다.

실제로 모터의 정지상태에서 초기 구동 시 도 6과 같이 위치 판별을 위한 6개의 여자상에 대한 전류 펄스와 토크를 발생시키기 위한 여자상을 번갈아 입력하여 모터를 구동시킴과 동시에 위치 판별을 수행한다.

그러나 전류를 인가하지 않았을 때 로터는 마찰이나 다른 외부 조건이 작용하지 않는한 자기 회로의 자기 저항을 최소화하는 지점(도 5의 P₁∼P₆)으로 움직이는데, P₁∼P₆지점 근처에서는 하나의 Δi 영에 가까우므로 3개의 Δi의 부호로써 초기 위치 판별이 어렵게 된다.

또한 초기 구동 시 6개의 전류 펄스 중에 회전 방향과 반대 방향의 토크를 내는 여자상이 있어 평균 토크가 낮아져 회전자의 가속 시간 및 위치 판별 주기가 길어져 속도가 증가하면 사용하기 어렵다. 경우에 따라서는 로터의 덜커덕거림이 발생하는 등 부드러운 증속이 이루어지지 않는다.

이에 따라 P1∼P6 지점 근처에서 명확하게 초기 위치 판별을 수행하고 초기 구동 시 회전자의 위치 판별 주기를 최대한 줄이고 평균 토크를 높여 회전자의 가속 시간을 단축하는 것이 필요하다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, BLDC모터가 별도의 센서 없이도 인덕턴스 변화로 구해지는 소정의 펄스열을 인가받아 정지상태에서 원활하게 구동되도록 하는 인덕턴스의 변화를 이용한 BLDC 모터의 센서리스 제어방법을 제공한다.

도 1 내지 도 6의 종래의 일반적인 BLDC 모터의 제어와 관련된 것으로서,

도 1은 전류변화가 쇄교자속의 포화정도에 미치는 영향을 나타내는 그래프,

도 2는 인덕턴스 변화가 전류의 증감에 미치는 영향을 나타내는 그래프,

도 3은 BLDC 모터의 내부구조도 및 6개 여자상을 나타내는 도표,

도 4는 로터의 위치에 따른 여자상 전류의 변화를 나타내는 그래프,

도 5는 도 4에서 각 여자상의 전류차 Δi에 대한 변화를 나타내는 그래프,

도 6은 초기 구동시 위치판별을 수행하는 상태를 나타내는 그래프,

도 7 내지 도 13은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 제어와 관련된 것으로서,

도 7은 모터 및 그 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도,

도 8은 정지상태 및 초기구동에서 로터의 위치를 검출하는 알고리즘을 나타 내는 순서도,

도 9는 도 5의 Δi간의 차이인 ΔΔi에 대한 변화를 나타내는 그래프,

도 10은 도 4의 사각형에 해당하는 부분을 확대하여 나타내는 그래프,

도 11은 여자를 위한 펄스열 및 그에 따른 전류변화를 나타내는 그래프,

도 12는 정류위치에서 상전류의 변화상태를 비교하여 나타내는 그래프,

도 13은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 스피드 프로파일을 나타내는 그래프.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 BLDC 모터 내의 로터의 정지 상태에서 회전위치를 검출하고 초기 구동을 수행하는 방법에 있어서: 6개의 여자상에 전류 펄스를 인가하고 일정시간 후의 두 상전류의 차이 Δi를 구하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 구한 3개의 Δi를 이용하여 각각의 차인 ΔΔi를 구하는 제 2 단계; 전류를 인가하지 않았을 경우 회전자가 위치하게 되는 자기 저항을 최소화하는 지점 부근(P₁∼P₆)에서는 3개의 Δi의 부호를 조사하고 베어링의 마찰등 외부적 요인에 의해 (P₁∼P₆)부근에 있지 않을 경우에는 3개의 Δi의 부호를 조사하여 초기 위치를 판별하는 제 3 단계; 현재 여자 구간에서 최대 토크를 내는 여자상인 P_phase및 다음 여자상인 P_pulse를 펄스열로 구성하는 제 4 단계; 상기 P_pulse인가후 일정시간(T) 경과시의 전류 크기(α)와 P_phase인가후 일정시간(T) 경과시의 전류 크기(β)를 비교하여 위치 판별하면서 상기 α와 β의 크기가 서로 교차하는 지점에서 정류를 수행하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 제 4 단계에서 P_pulse는 P_phase보다 인가 시간을 짧게 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 7에 나타내는 바와 같이 본 발명의 시스템은 PC, 마이콤을 이용한 컨트롤러, 모터 구동을 위한 인버터 회로 등으로 구성된다. 컨트롤러는 3개의 타이머와 2개의 A/D 컨버터를 구비하는데, 타이머를 이용하여 PWM 신호를 생성하고 A/D 컨버터를 통해 단자 전압을 측정한다. 로터의 회전위치를 검출하고 각 상의 코일을 통전하여 속도를 조절하기 위해 모터의 운전상태가 디지털 신호로 처리되어 컨트롤러에 입력된 다음 컴퓨터 상에 출력된다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제 1 단계에서 각 여자상의 전류 펄스에 대해 3개의 Δi를 구하면 도 5와 같은 형태의 곡선으로 나타나는 것은 전술한 바와 같다.

다음, 제 2 단계에서 6개의 여자상에 전류 펄스를 인가하여 도 9와 같이 3개의 Δi의 차인 ΔΔi를 구하면 도 5와 다른 형태의 곡선이 구해짐을 알 수 있다.

다음, 제 3 단계에서 P1∼P6 지점 부근에서 3개의 ΔΔi의 부호를 조사하여 초기 위치 판별한다. P1∼P6는 도 5에 나타내는 것처럼 로터의 회전위치 중 모터에 전류를 인가하지 않았을 때 자기 회로의 자기 저항을 최소화하는 지점이고 회전자의 초기 위치는 이러한 지점 근처에 위치하는 경우가 대부분이다. 하지만 베어링의 마찰등 다른 외부적 요인에 의해 P1∼P6 부근에 회전자가 위치하지 않을 수도 있는데, 이때는 하나의 ΔΔi의 값이 영에 가까우므로 제 1 단계에서 구한 3개의 Δi를 이용하여 초기위치 판별을 수행한다.

도 10은 도 4의 사각형 부분을 확대한 것으로서, 4개의 여자상의 펄스의 크기가 서로 교차하는 상태를 알 수 있다. S_CB지점에서는 여자상전류 AB 및 BA는 각각 여자상전류 CA 및 AC와 교차한다. BA 상과 CA상은 모터의 회전 방향과 반대 방향의 토크를 내는 여자상이고 AB상과 AC상은 회전 방향과 같은 방향의 토크를 내는 여자상이므로 AB상과 AC상의 펄스 크기의 교차지점을 이용한다. 이 구간에서 AB상은 최대 토크를 내는 여자상이고, AC 상은 다음 구간의 여자상이다.

다음, 제 4 단계에서 도 11과 같이 펄스열(pulse train)을 구성한다. 펄스열은 구동 시 현재 여자 구간에서 최대 토크를 내는 여자상인 P_phase및 다음 여자상인 P_pulse로 구성된다.

이때 로터위치 판별을 위한 P_pulse는 인덕턴스의 변화가 전류 응답에 반영될 수 있는 최소 시간만큼 인가하고, 최대 토크를 발생시키기 위한 P_phase는 P_pulse보다 길지만 위치 판별 주기를 고려하여 설정한다. 그 크기의 비율은 일률적으로 설정할 수 없으며 BLDC 모터의 규격, 사용부하 조건 등에 따라 달라질 수 있다.

다음, 제 5 단계에서 상기한 펄스열을 연속적으로 인가하면서 시간 T 길이의 후에 P_pulse의 전류 크기(α)와 역시 마찬가지로 시간 T 후에 P_phase의 전류 크기(β)를 비교하여 위치를 판별한다. 그리고 α와 β의 크기가 서로 교차하는 지점에서 정류를 수행한다. 이때 인버터는 하드 초핑을 수행한다. 하드 초핑은 인버터의 상위 트랜지스터와 하위 트랜지스터를 동시에 ON/OFF 하는 것으로, 하드 초핑을 할 경우 모터의 인덕턴스에 의해 남아있는 전류가 빨리 감쇄하므로 P_phase와 P_pulse사이의 간격을 줄일 수 있어 토크의 증대 및 보다 정확한 정류를 수행할 수 있다.

도 12의 (a)는 정류위치에서 여자상전류 변화를 나타낸다. 이 위치에서 BC상이 통전되고 짧은 펄스가 BA상에 인가되어 그 응답을 비교한다. 12의 (b)처럼 여자상전류 BA가 여자상전류 BC와 교차될 때까지 BC상 및 BA상에 각각 50㎲ 및 20㎲ 동안 20㎲의 간격을 가지고 두 종류의 펄스가 입력된다. 상기 펄스는 모두 회전하고자 하는 방향의 토크를 발생하며 양자가 교차될 때 전류는 BA상으로 절환되어 통전되고, 짧은 펄스가 CA상에 인가되어 다음 정류위치를 찾는다.

이와 같이 하면 초기 위치 판별 시 실제 회전자가 위치하는 지점인 P1∼P6에서 위치 판별이 용이할 뿐 아니라 베어링 마찰이나 외부적 요인에 의해 로터가 P1∼P6이외의 지점에 위치하더라도 초기 위치를 판별할 수 있다. 또한 초기 구동 시 기존의 방법보다 위치 판별 주기가 짧고, 평균 토크가 높아 효과적으로 회전자를 가속시킬 수 있게 된다.

이후 로터의 회전위치 인식이 용이할 정도의 충분한 역기전력이 형성되면 역기전력에 의한 구동 방법으로 이행한다. 실험에 따르면 4500rpm의 정격속도를 지니는 스핀들 모터의 경우 본 발명의 알고리즘을 사용하여 2300rpm까지 가속할 수 있다. 도 13은 실험 대상인 8극 12슬롯의 브러시리스 직류 모터에 대한 속도 프로파일이다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 BLDC모터가 별도의 센서 없이도 인덕턴스 변화로 구해지는 소정의 펄스열을 인가받아 정지상태에서 원활하게 구동되도록 하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. BLDC 모터 내의 로터의 정지 상태에서 회전위치를 검출하고 초기 구동을 수행하는 방법에 있어서:

   6개의 여자상에 전류 펄스를 인가하고 일정시간 후의 두 상전류의 차이 Δi를 구하는 제 1 단계;

   상기 제 1 단계에서 구한 3개의 Δi를 이용하여 각각의 차인 Δi를 구하는 제 2 단계;

   전류를 인가하지 않았을 경우 회전자가 위치하게 되는 자기 저항을 최소화하는 지점 부근(P₁∼P₆)에서는 3개의 ΔΔi의 부호를 조사하고 베어링의 마찰등 외부적 요인에 의해 (P₁∼P₆)부근에 있지 않을 경우에는 3개의 Δi의 부호를 조사하여 초기 위치를 판별하는 제 3 단계;

   현재 여자 구간에서 최대 토크를 내는 여자상인 P_phase및 다음 여자상인 P_pulse를 펄스열로 구성하는 제 4 단계;

   상기 P_pulse인가후 일정시간(T) 경과시의 전류 크기(α)와 P_phase인가후 일정시간(T) 경과시의 전류 크기(β)를 비교하여 위치 판별하면서 상기 α와 β의 크기가 서로 교차하는 지점에서 정류를 수행하는 제 5 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인덕턴스의 변화를 이용한 BLDC 모터의 센서리스제어방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 4 단계에서 P_pulse는 P_phase보다 인가 시간을 짧게 하는 것을 특징으로 하는 인덕턴스의 변화를 이용한 BLDC 모터의 제어방법.
3. 제 1항에 있어서

   상기 제 5 단계에서 펄스열을 인가하여 다음 여자상의 정류위치를 판별함에 있어 모터의 인덕턴스에 의해 남아있는 전류를 빨리 감쇄시켜 P_phase와 P_pulse사이의 간격을 줄임으로서 토오크를 증대시키고 보다 정확한 정류를 수행하기 위해 인버터에서 하드 초핑을 사용하는 것을 특징으로 하는 인덕턴스의 변화를 이용한 BLDC 모터의 제어방법.