KR100378810B1 - 모터의 염가형 센서리스 감지회로 - Google Patents

모터의 염가형 센서리스 감지회로 Download PDF

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Abstract

본 발명은 염가형의 정현파 전류 구동방식으로 비엘디씨 모터나 영구자석 동기 모터에서 회전자 위치를 용이하게 감지할 수 있도록 한 모터의 염가형 센서리스 감지회로에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 센서리스 제어 방식으로 제어하는 비엘디씨 모터 또는 영구자석 동기모터의 제어회로에 있어서, 모터의 특정 한상의 전류를 감지하는 전류 감지센서와, 동일한 상의 전압을 감지하는 전압 감지센서와, 상기에서 감지된 전류 및 전압을 이용하여 로터의 공간적인 위치 정보를 계산하는 디지털적으로 계산하는 위치 연산부와, 상기에서 계산된 위치 데이터를 손실없이 전송하기 위한 포토 커플러와, 상기에서 전송된 위치 데이터를 받아 모터를 구동시키는 마이크로 컴퓨터로 포함하여 구성한 것이다.

Description

모터의 염가형 센서리스 감지회로{LOW PRICE TYPE SENSELESS DETECTION CIRCUIT FOR MOTOR}
본 발명은 모터의 염가형 센서리스 감지회로에 관한 것으로, 특히 염가형의 정현파 구동방식으로 영구자석 동기 모터나 비엘디씨 모터에 모두 적용가능한 모터의 염가형 센서리스 감지회로에 관한 것이다.
영구자석 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor)는 구형파 전류 구동(rectangular current wave drive) 방식과 정현파 전류 구동(sinusoidal current wave drive) 방식을 사용하고 있다.
일반적으로 백색가전(home appliance) 분야에서는 제어가 용이한 영구자석형 동기 모터의 구형파 전류 구동방식을 사용하여 왔다. 이 방식은 3상의 모터 권선중 2상만 외부에서 전압이 인가되므로 전류가 흐르지 않는 비통전상(open phase)이 존재하며, 비통전상으로부터 추출된 단자전압은 위치정보를 가지고 있는 모터의 역기전력과 동일하므로 위치정보를 용이하게 뽑아 낼 수 있는 장점이 있다.
따라서 위치센서 없는 구동방식은 대부분 이 방식을 채용하고 있다.
그러나, 구형파 전류 구동방식은 모터에 인가 가능한 최대 전압의 제한 및 모터의 시정수로 인하여 전류(commutation)시 이상적인 형태인 전류 변화가 급격한 형상을 만들기가 어렵고, 이로 인해 발생되는 모터의 토크리플로 인해, 소음을 저감하는데 어느정도 한계가 존재한다.
반면 정현파 전류 구동 방식은 전류의 변화가 급격하지 않으므로 저소음 저진동에 유리한 반면, 제어회로가 복잡하고 특히 센서리스 운전제어 측면에서는, 고정자에 전류가 흐르지 않는 비통전상이 존재하지 않기 때문에 단자전압만으로 영구자석형 동기 모터의 위치정보를 도출하기가 곤란하다.
도 1은 비엘디씨 모터의 등가회로 및 인버터 회로도로서, 이에 도시된 바와 같이, 6개의 트랜지스터(Qa+,Qb+,Qc+,Qa-,Qb-,Qc-) 및 이 트랜지스터와 역병렬 연결된 다이오드(Da+,Db+,Dc+,Da-,Db-,Dc-)로 이루어지는 인버터(1)와, 인덕턴스(La,Lb,Lc), 저항(Ra,Rb,Rc) 및 역기전력(EMFa,EMFb,EMFc)으로 표현되는 비엘디씨 모터(2)로 구성된다.
이와 같이 구성된 종래기술에 대하여 살펴보면, 인버터(1)로 직류전압이 공급되면 상기 인버터(1)의 6개의 트랜지스터(Qa+,Qb+,Qc+,Qa-,Qb-,Qc-)는 미도시된 구동수단으로부터의 구동신호에 의해 도통되어 3상전압으로 변환되고, 이 변환된 3상전압을 비엘디씨 모터(2)로 인가하게 된다.
상기 3상전압에 의해 비엘디씨 모터(2)의 회전자에 의해 고정자에서는 역기전력(EMFa,EMFb,EMFc)을 발생하게 된다.
상기 회전자의 위치를 감지하기 위하여는 홀센서를 이용하거나, 전압과 전류의 정보를 이용하여 위치를 감지하고, 그 위치에 따라 인버터(1)의 동작을 제어한다.
도 2는 도 1에서와 같이 동작할 경우 고정자에서 발생하는 역기전력의 한 예를 도시한 것이다.
도 2는 종래 비엘디씨 모터의 센서리스 운전 방식의 개념도로서, 구동방식은120도 구간동안 모터에 전압을 인가하여 전류가 흐르도록 하고, 나머지 60도 구간동안은 전압을 인가하지 않아 전류가 흐르지 않도록 하고, 또 나머지 구간은 앞의 120도 구간과 극성이 다른 전압을 인가하여 전류의 방향을 바꾸어 준다.
상기에서 120도 구간동안 모터에 전압을 인가하여 전류가 흐르도록 한 경우, 등가회로상의 저항 및 인덕턴스에 전압이 걸려서, 위치정보를 가지고 있는 역기전력(EMF)만을 도출하기가 어렵다.
따라서 60도의 전압이 인가되지 않는 구간을 주어 강제적으로 전류가 흐르지 않는 구간을 만들고, 그러면 등가회로의 저항 및 인덕턴스에 걸리는 전압이 없으므로 역기전력만의 도출이 가능하다.
그러나, 상기에서와 같은 종래기술인 전압과 전류를 이용한 영구자석 동기모터에서 위치를 감지하여 모터를 제어하고자 할 경우, 고가의 전류 센서가 적어도 2개 이상 필요하고, 전압 및 전류의 아날로그 신호를 디지털로 변환하는 변환기가 필요하며, 짧은 시간에 많은 양의 데이터를 처리하여야 하므로 고가의 디지털 시그널 프로세서가 적용되는 것이 일반적이므로, 가격경쟁이 심한 가전제품에는 적용하기 어려운 문제점이 있다. 그리고 모터에 전류가 흐르지 않는 구간이 필요하게 되고, 이로인해 전류의 불연속으로 인해 모터의 토크 리플이 발생하고, 그 토크 리플에 의해 진동소음이 유발하는 문제점이 있다.
따라서 상기에서와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 센서 없는 모터의 정현파 전류구동을 염가형으로 구현할 수 있도록 한 영구자석 동기 모터의 염가형 센서리스 감지회로를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 전류 및 전압 감지저항과 하나의 오피 앰프(OP AMP) 및 몇개의 수동소자로 구성된 모터의 염가형 센서리스 감지회로를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 팬, 압축기 및 기타의 가전제품에 염가로 적용할 수 있도록 한 모터의 염가형 센서리스 감지회로를 제공함에 있다.
도 1은 비엘디씨 모터(BLDC Motor)의 등가회로 및 인버터 회로도.
도 2는 종래 비엘디씨 모터의 센서리스 운전방식의 개념도.
도 3은 본 발명 모터의 염가형 센서리스 감지회로에 대한 블럭도.
도 4는 도 3에서, 위치신호 계산부의 일실시예.
도 5는 도 4에서, 옵셋 보상 저항이 없는 경우와 옵셋 보상 저항이 있는 경우를 시뮬레이션한 결과를 보여주는 전류 및 전압 파형도.
***** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *****
10 : 정류부 20 : 인버터
30 : 모터 40 : 전류 감지 센서
50 : 전압 감지 센서 60 : 위치 연산부
61 : 위치신호 계산부 62 : 영전위 검출부
70 : 포토 커플러 80 : 마이크로 컴퓨터
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 ...........
이하, 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명 영구자석 동기 모터의 염가형 센서리스 감지회로에 대한 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 모터를 구동시키기 위한 구동신호를 출력하는 마이크로 컴퓨터(80)와, 상기 구동신호에 의해 트랜지스터가 스위칭 동작하여 정류부(10)로부터의 직류전압을 3상전압으로 변환시켜 모터(30)로 공급하는 인버터(20)와, 상기 모터(30)의 한상에 흐르는 전류를 검출하는 전류센서(40)와, 상기 모터(30)에 공급되는 3상전압을 검출하는 전압센서(50)와, 상기 전류센서(40)와 전압센서(50)로부터의 전류 및 전압을 이용하여 위치정보를 알아내는 위치 연산부(60)와, 상기에서 얻은 위치정보를 손실없이 마이크로 컴퓨터(80)로 전달하기 위한 포토 커플러(90)로 구성한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 동작 및 작용 효과에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
정류부(10)에서 입력되는 교류전원을 평활시켜 직류전압으로 만들고, 이렇게 만들어진 직류전압을 인버터(20)로 공급한다.
이때 마이크로 컴퓨터(80)에서 인버터(20)의 트랜지스터를 구동시키기 위한 게이트 구동신호를 출력시키게 되면, 상기 인버터(20)의 트랜지스터가 턴온 또는 턴오프하면서 직류전압을 3상전압으로 변환시켜 모터(30)로 공급한다.
영구자석 동기모터의 구형파 전류 구동방식의 경우, 적어도 전기적으로 60도 마다 위치 정보가 필요하나, 정현파 전류 구동방식의 경우보다는 정밀한 위치정보가 필요하다.
그러나 일반적으로 가전제품의 경우 정밀한 위치제어를 행하지 않으며, 또한 일반적으로 급 가감속을 행하지 않으므로 속도의 변동이 크지 않아 일정한 시점에서의 위치 정보와 속도 정보로부터 연속적으로 변화하는 위치 정보를 계산하더라도 모터를 구동하는데 무리가 없다.
반면 가전제품의 경우 재료비의 저감이 상당히 중요한 요소이므로 상대적으로 적은량의 염가형 하드웨어로부터 위치 정보를 추출하여 구동하는 것이 중요하다.
따라서 본 발명에서는 한 상의 위치 정보만을 이용하여 위치정보를 알아내고 구동하도록 한다. 즉 한상의 위치 신호를 얻기 위하여 모터의 특정상에 금속판 무유도 저항(Metal Plate Resistor)을 이용한 전류 센서(40) 1개와 전압을 얻기 위한 전압 센서(50)를 각각 설치한다.
이렇게 설치한 전류 센서(40)에서 모터(30)의 한상에 흐르는 전류를 검출하고, 전압 센서(50)에서 상기 모터(30)로 입력되는 3상 전압을 각각 검출하여 위치 연산부(60)로 전달하게 되면, 상기 위치 연산부(60)는 상기 센서(40)(50)의 결과를 아날로그로 연산 처리하여 위치 정보를 얻는다.
즉 상기 위치 연산부(60)의 위치신호 계산부(61)에서 상기 센서(40)(50)로부터의 검출신호로부터 아날로그 위치 신호를 계산하고, 제로-크로싱 검출부(62)에서 상기 아날로그 위치 신호의 영전위점(zero cross point)을 검출하여 마이크로 컴퓨터(80)로 전달한다.
영구자석 동기 모터의 한상에 걸리는 전압식은 아래의 수학식 1과 같다.
또한, 영구자석의 위치 정보인, 쇄교자속(flux linkage)은 아래의 수학식 2로 표현된다.
여기서는 회전자의 영구자석에 의해 A상 권선에 나타나는 쇄교자속이다.
상기에서 위치신호 계산부(61)는 도 4에 도시한 바와 같이 구성된 것으로, 저항(R1)은 모터 고정자의 저항이고, 콘덴서(C1)는 모터 고정자의 인덕턴스, 저항(R2)은 모터에 인가되는 전압을 각각 모델링한 것이다.
모터의 상저항은 25℃에서 4.5Ω이고, 상인덕턴스는 31.9mH이다. 도 4에서저항(R1)의 전류는 고정자 권선저항의 전압에 비례하고, 콘덴서(C1)의 전압은 고정자 권선 인덕턴스 전압에 비례하며, 상전압 또한 동일한 비례상수로 저항(R2)에 전류로 나타나야 한다.
위의 관계를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 3과 같다.
상기 각 파라미터 전류의 합이 적분되어 적분기의 출력으로 나타나므로, 적분기의 출력은 아래의 수학식 4와 같다.
그리고 상기 수학식 3을 수학식 4에 대입하면 아래의 수학식 5와 같다.
정현파 전류 구동을 위한 모터의 역기전력은 정현파 형상을 가지므로 역기전력은 아래의 수학식 6과 같이 표현되고, 수학식 6을 수학식 5에 대입하면 수학식 7을 도출할 수 있다.
즉, 출력전압(Vout)의 크기는 모터의 역기전력 상수(Ke)와, 모터의 각 파라미터의 전압과, 전류의 비율(Again) 및 적분을 위한 콘덴서(C2)의 함수에 의해 결정된다.
상기 콘덴서(C2)의 크기는 위치를 감지하고자 하는 최저속도에서의 콘덴서로 흐르는 충전전류를 오피 앰프(OP Amp)의 바이어스 전류보다 상당히 크게되도록 한다.
상기 콘덴서(C2)의 경우 특성을 일정하게 하기 위하여 온도 보상형의 정밀콘덴서를 사용하는데, 온도보상형의 경우 콘덴서의 용량의 변화에 따라 재료비의 변화가 크다. 그리고 오피 앰프(OP Amp)의 바이어스 전류가 작을수록 상기 콘덴서(C2)의 용량도 작아지므로, 오피 앰프(OP Amp)는 바이어스 전류가 상당히 작은 소자를 사용한다.
상기 콘덴서(C2)의 값이 결정되면 전류 이득(Again)은 수학식 7로부터 결정된다.
모터에서 온도에 가장 민감하게 변화하는 요소가 모터의 고정자 저항이고, 저항의 온도변화로 인하여 모터의 저항에 걸리는 전압 성분과 저항(R1)에 흐르는 전류의 비율이 이득(Again)값을 벗어나게 한다.
모터의 역기전력을 온도 변화를 고려하여 수식으로 나타내면 아래의 수학식8과 같다.
여기서, Ro는 상온에서의 저항(R1) 설계시 기준이 되는 온도에서의 고정자 권선의 저항이다.
그런데, 콘덴서(C2)에 흐르는 전류(i)는이므로, 모터의 저항이 변화할때의 위치 감지 결과는 아래의 수학식 10과 같이 표시할 수 있다.
상기 수학식 10에서 △λm은 온도 변화에 따른 고정자 권선 저항의 변화에 의한 위치 감지 오차이다.
상기 위치 감지 오차의 값은 정지 및 저속시 적분 결과의 옵셋으로 나타나며, 옵셋 오차는 모터의 속도가 정상속도에 도달하더라도 유지되므로 역기전력의영전위점(zero cross point)의 오차는 항상 존재하게 된다.
본 발명에서 제안한 위치 감지 방식은 아날로그 적분기의 출력 결과의 영전위점을 감지하므로 적분결과의 옵셋은 위치감지결과에 상당한 영향을 미친다. 이러한 모터의 온도변화에 따른 옵셋의 영향을 배제하는 역할을 저항(R3)이 담당한다.
상기 옵셋 보상저항(R3)의 결정은 모터가 정지된 상태에서 적분기의 출력이 발산하지 않도록 어느 정도의 안전율을 가지고 결정한다.
도 5는 상기 옵셋 보상 저항(R3)을 결정하기 위하여 모터 정지 상태에 대한 시뮬레이션한 결과로, 모터의 실제 저항이 5Ω이고, 저항의 모델이 4.5Ω인 경우에 대하여 시뮬레이션을 하였다.
도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 옵셋 보상 저항이 없는 경우 옵셋 전류로 적분기의 출력전압이 대략 0.2sec 후 포화되었고, 도 5의 (b)는 옵셋 보상 저항이 있는 경우 시뮬레이션 결과이다. 저항 오차에 의한 충전 전류는 보상 저항(R3)으로 방전된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 모터의 권선저항 변화에 따라 위치 감지 오차를 저감하기 위하여 위치 감지부에 보상저항을 삽입하여 모터의 온도 변화에도 불구하고 신뢰성 있게 위치 감지가 가능하도록 하고, 팬과 압축기 그리고 기타의 가전제품에 적용하여 염가로 구현할 수 있도록 하고, 또한 진동 및 소음을 저감시키도록 한 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 회전자의 내부 또는 외부에 고정자를 가지고, 상기 고정자에 외부에서 선택적으로 전압 또는 주파수를 가변할 수 있는 인버터를 가지고 센서리스 제어 방식으로 제어하는 비엘디씨 모터 또는 영구자석 동기모터의 제어회로에 있어서, 상기 모터의 특정 한상에 흐르는 전류를 감지하는 전류 감지센서와, 상기 모터에 인가되는 3상의 전압을 감지하는 전압 감지센서와, 상기에서 감지된 전류 및 전압을 이용하여 회전자의 위치를 아날로그로 계산하는 위치신호 계산부 및 그 계산된 아날로그 위치신호의 영전위점(zero cross point)을 검출하여 디지털적으로 변환시키는 영전위검출부로 구성된 위치 연산부와, 상기에서 계산된 위치 데이터를 손실없이 전송하기 위한 포토 커플러와, 상기에서 전송된 위치 데이터를 받아 모터를 구동시키는 마이크로 컴퓨터로 포함한 것을 특징으로 하는 모터의 염가형 센서리스 감지회로.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 위치신호 계산부는 모터로 입력되는 전류를 적분하기 위하여 모터 고정자의 권선저항을 모델링한 저항(R1)과 모터 인덕턴스를 모델링한 콘덴서(C1)가 병렬 연결된 적분기와, 상기 적분기를 통해 적분한 값과 모터로 입력되는 3상 전압중 한상의 전압을 더한 값과 기준전압을 비교하여 위치를 연산해내는 오피 앰프와, 상기 오피 앰프와 병렬로 연결하여 모터의 온도 보상을 위한 옵셋 보상 저항(R3) 및 온도보상 콘덴서(C2)를 포함한 것을 특징으로 하는 모터의 염가형 센서리스 감지회로.
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