KR100425727B1 - 비엘디씨 모터의 기동 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비엘디씨모터의 기동 제어 장치에 관한 것으로, 커패시터의 충방전을 이용하여 비엘디씨모터의 속도에 따라 입력 전원단에서 부하단으로 전력 공급을 제한 할 수 있도록 한 비엘디씨모터의 기동 제어 장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 인가되는 교류 전원에 의해 충전 및 방전하는 제1 커패시터와; 상기 제1 커패시터 및 교류 전원을 정류 및 평활시키는 정류 및 평활부와; 상기 정류 및 평활부의 출력 전압을 스위칭하여 비엘디씨모터의 기동을 원활하게 하는 구형파로 출력하는 인버터부와; 상기 교류 전원을 충방전하여 반파 정류시켜 비엘디씨모터를 제어하는 전원을 출력하는 반파 충방전 전원공급부와; 상기 반파 충방전 전원공급부의 출력 전압을 인가받아 상기 비엘디씨모터의 속도를 측정하여 상기 인버터부를 제어하는 홀센서부로 구성된 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 정류 및 평활시키는 정류 및 평활부 및 반파 정류시키는 충방전 전원공급부를 두어 입력 전원단에서 부하단으로의 전력 공급이 커패시터의 충방전을 통하여 이뤄지도록 함으로써, 입력 전원단에서 부하단으로 제한된 전원 공급이 이뤄지도록 하였다. 또한, 커패시터의 충방전이 원활하도록 하기 위해 기동 저항을 설치하여 제어 및 구동 회로의 전력 공급을 원활하게 하는 효과가 있다.

Description

비엘디씨 모터의 기동 제어 장치{APPARATUS FOR DRIVING CONTROL OF BLDC MOTOR}

본 발명은 비엘디씨모터의 기동 제어 장치에 관한 것으로, 특히 커패시터의 충방전을 이용하여 비엘디씨모터의 속도에 따라 입력 전원단에서 부하단으로 전력 공급을 제한 할 수 있도록 한 비엘디씨모터의 기동 제어 장치에 관한 것이다.

도 1은 종래의 비엘디씨모터의 기동 제어 장치의 구성을 보인 블록도로써, 이에 도시된 바와같이 교류 전원을 스위칭하여 정류 및 원하는 레벨의 직류 전원 전압으로 출력하는 스위칭 모드 전원 공급부(11)와; 상기 직류 전원 전압을 평활시켜 출력하는 평활 콘덴서(C2)와; 상기 평활 콘덴서(C2)의 출력 전압을 스위칭하여 구형파를 출력하는 인버터부(12)와; 상기 인버터부(12)에 의해 회전하는 비엘디씨모터의 속도를 측정하여 인버터부(12)를 온/오프 시키는 홀센서부(13)로 구성되고, 이와 같이 구성된 종래 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

입력 교류 전압을 스위칭 모드 전원 공급부(11)를 통해 정류 및 원하는 레벨의 직류 전압으로 변환시켜, 이를 비엘디씨모터의 구동 전원 및 제어회로의 전원으로 사용한다.

이러한 방식은 직류 전압레벨의 정밀한 조정이 가능하고, 직류 전압의 변동 리플이 작고, 부하의 변화에 따른 전압레벨의 변화가 없다.

반면에 상기 스위칭 모드 전원 공급부(11) 구성에 따른 가격상승 및 그 스위칭 모드 전원 공급부(11) 자체의 효율로 인하여 전체적인 효율의 저감을 가져오게된다.

즉, 상기 비엘디씨 모터의 효율(η)은 아래의 수학식(1)과 같다.

여기서,는 스위칭 모드 전원 공급부의 효율을 나타내고,는 제어회로를 포함한 모터의 효율을 나타낸다.

이에 따라, 전체 입력대비 출력의 효율은 상기 스위칭 모드 전원 공급부(11)로 인해 15~25%정도 저감된다.

그러나, 상기와 같이 동작하는 종래 장치는 스위칭 모드 전원 공급부를 두어 정류 및 원하는 레벨의 직류 전압으로 변환하는데 이 경우 상기 스위칭 모드 전원 공급부는 회로 자체의 효율로 인하여 전체적으로 비엘디씨 모터 전체의 효율을 저감시키게 된다. 또한 상기 스위칭 모드 전원 공급부의 구성에 따른 가격 상승의 요인을 가져 오게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 브리지 정류 및 평활부를 사용하여 전파 정류화시키고, 커패시터를 추가하여 입력 전원단에서 부하단으로의 전력공급이 그 커패시터의 충방전을 통하여 이뤄지도록 함으로써, 제한된 전원공급이 이뤄질 수 있도록 한 비엘디씨 모터의 기동 제어 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 비엘디씨 모터의 기동 제어 장치의 구성을 보인 회로도.

도 2는 본 발명 비엘디씨 모터의 기동 제어 장치에 대한 구성을 보인 회로도.

도 3은 본 발명 비엘디씨 모터의 전원부 충방전 경로를 보인 예시도.

도 4는 본 발명 비엘디씨 모터의 제어 전원부 충방전 경로를 보인 예시도.

도 5는 본 발명 인버터부에 기동 저항이 삽입된 비엘디씨 모터의 기동 제어 장치에 대한 구성을 보인 회로도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

21: 정류 및 평활부 22: 인버터부

23: 반파 충방전 전원공급부 24: 홀센서부

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인가되는 교류 전원에 의해 충전 및 방전하는 제1 커패시터와; 상기 제1 커패시터 및 교류 전원을 정류 및 평활시키는 정류 및 평활부와; 상기 정류 및 평활부의 출력 전압을 스위칭하여 비엘디씨모터의 기동을 원활하게 하는 구형파로 출력하는 인버터부와; 상기 교류 전원을 충방전하여 반파 정류시켜 비엘디씨모터를 제어하는 전원을 출력하는 반파 충방전 전원공급부와; 상기 반파 충방전 전원공급부의 출력 전압을 인가받아 상기 비엘디씨모터의 속도를 측정하여 상기 인버터부를 제어하는 홀센서부로 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 비엘디씨모터의 기동 제어 장치에 대한 구성을 보인 회로도로써, 이에 도시한 바와 같이 인가되는 교류 전원(AC)에 의해 충전 및 방전하는 제1 커패시터(C9)와; 상기 제1 커패시터(C9)를 통해 교류 전원(AC)을 입력받아 정류 및 평활시키는 정류 및 평활부(21)와; 상기 정류 및 평활부(21)의 출력 전압을 스위칭하여 비엘디씨모터의 기동을 원활하게 하는 구형파로 출력하는 인버터부(22)와; 충전 및 방전용의 제2 커패시터(C1)를 통해 상기 교류 전원(AC)를 입력받아 반파 정류시켜 비엘디씨모터를 제어하는 전원을 출력하는 반파 충방전 전원공급부(23)와; 상기 반파 충방전 전원공급부(23)의 출력 전압을 인가받아 상기 비엘디씨모터의 속도를 측정하여 상기 인버터부(22)를 제어하는 홀센서부(24)로 구성된 것으로, 이와 같이 구성된 본 발명의 동작을 설명하면 다음과 같다.

일정한 부하를 갖는 팬부하에 비엘디씨모터가 사용될 경우에 입력 전원단에서 부하단으로의 전력공급을 제한할 수 있는 제어 가능한 수단만 있다면, 직류 링크 전압(Vdc link)의 레벨은 부하의 크기와 공급되는 전력량에 따라서 결정되게 된다.

이 점에 착안하여 본 발명은 제1~제4 다이오드(D2~D5) 및 제1 평활용 커패시터(C2)로 구성되어 있는 정류 및 평활부(21)와, 제1 커패시터(C9), 제5 다이오드(D1)와 제6 다이오드(D6) 및 제2 평활용 커패시터(C3), 제2 커패시터(C1)로 구성된 반파 충방전 전원 공급부(23)을 추가하여 입력 전원단에서 부하단으로의 전력공급이 상기 제2 커패시터(C1)를 통해 이뤄지도록 함으로써, 제한된 전원공급이 이뤄지도록 하였다.

이때 상기 비엘디씨모터의 전원부에 공급되는 전파의 충방전 경로는 도 3의 본 발명 비엘디씨모터의 전원부 충방전 경로를 보인 예시도와 같다.

즉, 상기 정류 및 평활부(21)의 제1 평활용 커패시터(C2)의 양단 전압인 상기 직류 링크 전압(Vdc link)은 아래의 수학식(2)와 같이 계산되어지며, 상기 제1 커패시터(C9)의 용량값을 조정하여 원하는 레벨의 직류 전압을 얻을 수 있다.

여기서, 상기 제1 평활용 커패시터(C2)는 상기 제1 커패시터(C9)에 비해 훨씬 크기 때문에 상기 직류 링크 전압(Vdc link)의 전압 리플을 무시하면, 그 직류 링크 전압은 일정한 것으로 간주 할 수 있다.

즉, 간략히 상기 제1 커패시터(C9)의 양단간에 반주기 동안에 2×(Vi-Vdc)만큼 전위가 변할 걸로 생각 할 수 있다.

그러면, 상기 제1 커패시터(C9)의 충방전에 의해 상기 비엘디씨모터 전원회로에 공급되는 혹은 소비되는 평균 전류(Iavg)는 다음 수학식(2)와 같다.

여기서 C9는 제1 커패시터, Vdc,link는 직류 링크 전압을 나타내며 Iavg는 비엘디씨모터 전원회로에 공급되는 평균 전류를 나타낸다.

즉, 부하가 상기 평균 전류(Iavg)로 일정한 팬 부하인 경우는 위의 충방전을 이용한 전원회로를 사용하여 상기 제1 커패시터(C9)의 용량값을 조정함에 의해 원하는 직류 전압을 얻을 수 있다.

도 4는 비엘디씨모터의 제어 전원부 충방전 경로를 보인 예시도로서, 이에 도시한 바와 같이 제어 전원회로의 방전 경로가 상기 제1 평활용 커패시터(C2)를 충전하도록 되어 있기 때문에 의도하지 않은 배전압 기능을 갖게 되며, 이 특성 때문에 상기 비엘디씨모터의 스위칭 소자로 트랜지스터를 사용할 경우에 기동 문제가 발생할 수 있다.

즉, 상기 비엘디씨모터 기동 이전에는 상기 제1 평활용 커패시터(C2)에 충전된 전압의 방전 경로가 없기 때문에, 그 제1 평활용 커패시터(C2)에는 입력 전압의 2배에 해당되는 전압이 충전되게 된다.

상기 비엘디씨모터 기동이후에는 상기 제1 커패시터(C9)를 통해 공급되는 전력량이 그 비엘디씨모터에 의해 소비되는 전력량에 비해 훨씬 적으므로 직류 링크전압이 입력 전압의 피크값 이상으로 상승하지 않게 된다.

문제는 기동전에, 즉 제어 전원의 전압이 상기 트랜지스터 소자인 엔모스 트랜지스터(Q1, Q2)를 구동할 수 있을 정도로 상승하기 이전에 직류 링크 전압이 과다하게 상승할때 발생한다. 이렇게 될 경우 제1 커패시터의 충방전이 원활하지 않게 되어 제어 및 구동회로에 전력이 공급되지 않고 상기 비엘디씨모터는 기동을 하지 못하게 된다.

상기 비엘디씨모터의 기동여부를 결정하는 것은 제어전원회로의 전압 레벨(V2)이 상기 엔모스 트랜지스터(Q1, Q2)를 구동할 수 있는 전압레벨까지 상승할 수 있는지의 여부에 따라 결정된다.

입력 전압의 n번째 사인파 입력이 들어올때 상기 제2 커패시터(C1)의 양단간에 방전되지 않고 남아 있는 전압 레벨을이라 하고, 그때 그 제2 커패시터(C1)을 통해 제어회로로 공급되는 전류를이라 하면 아래의 수학식(3)과 같이 표현된다.

여기서, 상기 C1, C2는 제2, 제1 평활용 커패시터의 용량값을 나타내며 상기 제2 커패시터(C1)를 통한 충전 전류인을 시간에 대한 함수로 변환하면 아래의수학식(4)와 같이 표현된다.

상기 제2 평활용 커패시터(C3)에 충전되는 전압 레벨(V2)을 라플라스 방정식으로 표현하면 아래의 수학식(5)와 같이 표현가능하다.

여기서, R은 제어회로의 등가 저항값을 나타내며 상기 수학식(5)를 시간함수로 표현한것이 아래의 수학식(6)이 된다.

결국, 충방전 전원회로를 사용한 모터 제어 및 구동회로에서 허용차를 감안한 낮은 입력전압에서도 원활하게 기동하기 위해서, 정상적인 동작 조건에 맞춰 설계된 상기 제2 커패시터(C1)의 용량값 대신에 기동조건을 만족시키도록 그 제2 커패시터(C1)의 용량값이 선정되어야 하고, 혹은 기동저항(R2, R4)을 추가하여야 한다.

이에 따라, 본 발명 또다른 실시예의 도 5는 본 발명 인버터부에 기동 저항이 삽입된 비엘디씨모터의 기동 제어 장치에 대한 구성을 보인 회로도로서, 이에도시한 바와 같이 직류 링크 전압(Vdc,link)의 과도 상승을 감지하여 그 직류 링크 전압의 레벨이 어느 기준치 이상으로 상승하면 강제적으로 기동할 수 있도록 기동 저항(R2, R4)을 직류 링크단 전압과 상기 엔모스 트랜지스터(Q1, Q2)단 사이에 삽입하였다.

이때, 전원 투입후 기동하기까지의 시간 지연을 t1으로 설계하고자 하면, 입력 전압의 n번째 사인파 입력이 들어올때 상기 직류 링크단 전압을 구하는 하기의 수학식(7)으로부터 기동 저항(R2, R4)값의 설계치는 계산되어진다.

이때, 상기 엔모스 트랜지스터(Q1, Q2)를 턴온 시킬 수 있는 전압 레벨을이라 하면, 아래의 수학식(8)로부터 상기 기동 저항(R2)값의 설계치가 계산된다. 또한 상기 기동 저항(R4)값도 같은 방법으로 구해진다.

여기서,는 제어회로의 정격전압을 나타내고, R12는 풀다운 저항을 나타낸다.

상기 기동 저항의 삽입으로 본 모터 제어회로는 어떠한 입력 조건에서도 기동을 할 수 있다. 단, 상기 기동 저항(R2, R4)는 정상 동작 중에는 전력 손실을 야기하므로 기동시간을 고려하여 가능한 최대가 되도록 하는 것이 좋다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 정류 및 평활시키는 정류 및 평활부 및 반파 정류시키는 충방전 전원공급부를 두어 입력 전원단에서 부하단으로의 전력 공급이 커패시터의 충방전을 통하여 이뤄지도록 함으로써, 입력 전원단에서 부하단으로 제한된 전원 공급이 이뤄지도록 하였다.

또한, 커패시터의 충방전이 원활하도록 하기 위해 기동 저항을 설치하여 제어 및 구동 회로의 전력 공급을 원활하게 하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 인가되는 교류 전원에 의해 충전 및 방전하는 제1 커패시터와; 상기 제1 커패시터를 통해 교류 전원을 입력받아 정류 및 평활시키는 정류 및 평활부와; 상기 정류 및 평활부의 출력 전압을 스위칭하여 비엘디씨모터의 기동을 원활하게 하는 구형파로 출력하는 인버터부와; 충전 및 방전용의 제2 커패시터를 통해 상기 교류 전원을 입력받아 반파 정류시켜 비엘디씨모터를 제어하는 전원을 출력하는 반파 충방전 전원공급부와; 상기 반파 충방전 전원공급부의 출력 전압을 인가받아 상기 비엘디씨모터의 속도를 측정하여 상기 인버터부를 제어하는 홀센서부로 구성된 것을 특징으로 하는 비엘디씨모터의 기동 제어 장치.
2. 제1 항에 있어서, 상기 인버터부는 비엘디씨모터의 제1 권선과 제2 권선을 직렬 접속하여 스위칭 소자인 엔모스 트랜지스터의 드레인단과 직렬 접속하며 그 제1, 제2 권선에 커패시터를 병렬 접속하고, 기동저항 일측과 상기 엔모스 트랜지스터의 게이트단을 병렬 연결한 것을 복수개 구비한 것을 특징으로 하는 비엘디씨모터의 기동 제어 장치.
3. 제1 항에 있어서, 상기 반파 충방전 전원공급부는 제1, 제2 다이오드를 직렬 접속하여, 그 제1, 제2 다이오드의 접속점에 상기 충전 및 방전용의 제2 커패시터를 접속하고, 상기 제1, 제2 다이오드에 직렬 접속의 저항 및 제너다이오드를 병렬 접속함과 아울러 제2 평활용 커패시터를 병렬 접속하여 구성된 것을 특징으로 하는 비엘디씨모터의 기동 제어 장치.