KR100436909B1 - 브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법 - Google Patents

브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법 Download PDF

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Abstract

무통전상(無通電相)의 단자 전압의 검출 수단과 인버터의 모선(母線)에 인가되어 있는 DC 전압의 검출 수단을 구비하고, 단자 전압과 DC 전압으로부터 인버터 환류 전류 기간을 판단하고, 인버터 환류 전류 기간 종료후의 단자 전압과 브러시리스 모터(brushless motor)의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형을 원용하여, 로터의 자극(磁極) 위치를 확정하는 것에 의해서, 브러시리스 모터의 구동을 행하고, 저속 회전 영역으로부터 고속 회전 영역까지 양질의 브러시리스 모터의 구동이 가능하게 되어, 권선의 무통전 기간에 발생하는 유기(誘起) 전압이 나타나는 시간이 단축되게 되어도, 로터의 자극(磁極) 위치를 정확하게 검출할 수 있는 브러시리스 모터의 구동 제어를 실현하게 된다.

Description

브러시리스 모터의 구동 장치 및 구동 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DRIVING A BRUSHLESS MOTOR}
본 발명은 브러시리스 모터의 구동 시스템에 있어서 로터의 자극 위치의 검출을 홀(Hall) 소자등의 위치 검출 수단을 이용하지 않고, 스테이터의 권선에 발생하는 유기 전압에 의해서 위치 검출을 행하는 센서리스(sensorless) 구동 방식에 관한 것으로 특히, 무통전상의 단자 전압과 인버터의 모선(母線)에 인가되어 있는 DC 전압으로부터 인버터 환류 전류 기간을 판단하고, 인버터 환류 전류 기간 종료후의 단자 전압과 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형과를 비교함으로써, 로터의 자극 위치를 확정하는 브러시리스 모터의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법에 관한 것이다.
종래로부터 브러시리스 모터의 구동 제어는 로터의 자극 위치와 통전해야할 권선과를 관계시켜서 전류(轉流)를 행할 필요가 있고, 브러시리스 모터의 출력 토크(torque)는 로터가 갖는 자석에 의한 자속(磁束)과 스테이터가 갖는 권선에 흐르는 전류에 의한 자속의 상호 작용에 의해서 발생하고 있다. 이 때문에, 브러시리스모터의 구동은 로터의 자극으로부터 발생하는 자속이 최대로 되는 부근에 존재하는 권선에 전류를 흐르게 함으로써 토크를 발생시켜서 브러시리스 모터를 회전 제어할 필요가 있다. 또한, 브러시리스 모터의 구동 제어는, 로터의 자극 위치에 따라서, 전류를 흘려야할 상(相)을 시시각각 절환시켜 나감으로써 행하지만, 이 상의 절환인 전류(轉流)의 시각이 자속 최대 위치보다도 대폭 벗어난 경우, 발생하는 토크가 감소하고, 최악의 경우, 브러시리스 모터는 조화를 이탈하여 정지에 이르고 말게 된다.
따라서, 브러시리스 모터의 구동 제어는 어떤 수단에 의해서 로터의 자극 위치를 검출하고, 이것에 의해 제어를 행할 필요가 있다. 그 중에서도 로터의 자극 위치의 검출을 홀 소자등의 위치 검출 수단을 이용하지 않고, 스테이터의 권선에 발생하는 유기 전압에 의해서 위치 검출을 행하는 센서리스 구동 방식이 종래로부터 제안되어 있다. 이 종류의 센서리스 구동에 의한 로터의 자극 위치 검출 방법에 관한 종래의 시스템 구성의 한 예를 도 23과 도 24를 참조하여 이하에서 설명한다.
도 23에 나타낸 종래의 시스템 구성에 있어서, (1)은 교류 전원, (2)는 컨버터, (3)은 인버터, (5)는 브러시리스 모터, (6)은 스테이터, (7)은 로터, (8)은 제어부, (9)는 구동 회로, (16)은 기준 전압 생성 수단, (17u, 17v, 17w)는 비교기이다. 브러시리스 모터(5)는 중성점을 중심으로 Y 결선된 3개의 상권선(相券線)(6u, 6v, 6w)이 부착된 스테이터(6)와, 자석이 장착된 로터(7)를 구비한다. U상 권선(6u)의 비결선 단(端)에 U상 단자(11u), V상 권선(6v)의 비결선 단(端)에 V상 단자(11v), W상 권선(6w)의 비결선 단(端)에 W상 단자(11w)가 접속되어 있다.
교류 전원(1)으로부터 출력되는 AC 전압은 컨버터(2)에 의해서 DC 전압(Vdc)으로 변환되어서 인버터(3)에 공급된다. 인버터(3)는 1쌍의 스위칭 소자가 전류의 상류측과 하류측의 관계로 직렬 접속된 U상용, V상용, W상용의 3개의 직렬 회로를 갖추고, 이들 3개의 직렬 회로에 컨버터(2)로부터 출력되는 DC 전압(Vdc)이 인가된다. U상용의 직렬 회로는 상류측 스위칭 소자인 트랜지스터(12u)와 하류측 스위칭 소자인 트랜지스터(13u)를 구비하고, 마찬가지로, V상용의 직렬 회로는 상류측 스위칭 소자인 트랜지스터(12v)와 하류측 스위칭 소자인 트랜지스터(13v)를 구비하며, 또한, W상용의 직렬 회로는 상류측 스위칭 소자인 트랜지스터(12w)와 하류측 스위칭 소자인 트랜지스터(13w)를 구비한다. 또한, 윤전 다이오드(free wheeling diode)(14u, 14v, 14w, 및 15u, 15v, 15w)가, 각각 상류측과 하류측의 각각의 트랜지스터와 병렬로 접속된다.
인버터(3)에 있어서의 트랜지스터(12u)와 트랜지스터(13u)의 상호 접속점, 트랜지스터(12v)와 트랜지스터(13v)의 상호 접속점, 트랜지스터(12w)와 트랜지스터(13w)의 상호 접속점에, 브러시리스 모터(5)의 단자(11u, 11v, 11w)가 각각 접속된다. 인버터(3)는 각각의 트랜지스터의 온·오프(ON-OFF)에 의해서, 브러시리스 모터(5)의 상권선(相券線)(6u, 6v, 6w)에 순차로 통전하지만, 각각의 상으로서도 1쌍의 트랜지스터가 상류측 및 하류측과도 오프(OFF)되는 무통전 기간을 갖고, 이 기간에서는 이하에서 설명하는 로터(7)의 자극 위치의 검출을 행한다.
비교기(17u, 17v, 17w)에서는 무통전 기간내에 브러시리스 모터(5)의 단자(11u, 11v, 11w)에 발생하는 단자 전압(유기 전압)과 기준 전압 생성 수단(16)으로부터의 기준 전압(예를 들면, DC 전압 값(Vdc)의 1/2 등)이 비교되어, 도 24에 나타낸 바와 같이, 이 비교 결과인 교점에서 변화하는 신호를 위치 검출 신호로서 제어부(8)에 출력한다. 제어부(8)는 브러시리스 모터(5)의 상권선(相券線)(6u, 6v, 6w)에 순차로 통전하기 위한 제어 신호(U+, V+, W+, U-, V-, W-)를 위치 검출 신호의 변화점을 기준으로 하여 생성하고, 구동 회로(9)에 출력한다. 이렇게 하여서, 브러시리스 모터(5)의 회전 제어를 행하고 있다.
종래의 센서리스 구동의 기타 예로서는 예를 들어 일본국 특허 제2786863호 공보에 기재된 것이 있다. 이것은, 브러시리스 모터의 무통전상의 단자 전압을 직접 샘플링하여 검출하는 A/D 컨버터를 구비하고, 이 샘플링 값의 2점을 이용하여 유기 전압의 기울기를 구하여, 이 기울기와 DC 전압 값의 1/2과의 교점을 기준으로 하여서, 그 결과로부터 전류(轉流)를 행하는 것이다.
그러나, 상기 종래의 구성에서는 무통전 기간중에 유기 전압과 기준 전압의 교점이 존재하지 않으면 안되고, 이것이 브러시리스 모터 구동의 제어시에 통전 기간 등에 관해서 제한되는 원인이 되고 있었다. 구체적으로는 통전 기간을 120°미만으로 억제할 필요가 있고, 120°이상으로 하는 광각(廣角) 통전을 어렵게 하고 있었다.
또한, 일본국 특허 제2786863호 공보에 기재된 구성에서는 원리적으로 무통전상의 단자 전압을 항상 2점 이상 검출하지 않으면 안되며 브러시리스 모터의 회전수가 고속으로 되고, 2점 이상의 단자 전압을 검출할 수 없게 되었을 경우, 유기 전압의 기울기를 산출할 수 없기 때문에, 전류(轉流) 시각을 결정할 수 없고, 브러시리스 모터가 정지한다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상기 과제를 해결함과 동시에 로터의 자극 위치를 정확히 검출할 수 있고, 저속 회전 영역으로부터 고속 회전 영역까지 양호하게 브러시리스 모터의 구동이 가능한 구동 제어를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시형태에 관련된 시스템 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 도 1의 시스템에 있어서, 120°통전 구동했을 때의 인버터의 스위칭 동작 제어 신호를 나타내는 차트.
도 3은 도 1의 시스템에 있어서, 120°통전 구동했을 때의 U 상(相)의 단자 전압 파형도.
도 4는 도 1의 시스템에 있어서, 120°통전 구동하고, W-U 상의 통전으로부터 W-V 상의 통전으로 절환되었을 때의 파형도.
도 5는 도 1의 시스템에 있어서, 120°통전 구동하고, U-W 상의 통전으로부터 V-W 상의 통전으로 절환되었을 때의 파형도.
도 6은 유기 전압이 정현파형인 브러시리스 모터가, 120°통전 구동될 때의 전기각(電氣角)과 유기 전압 파형의 관계도.
도 7은 유기 전압이 사다리꼴파형(trapeziform wave-form)인 브러시리스 모터가, 120°통전 구동될 때의 전기각과 유기 전압 파형의 관계도.
도 8은 브러시리스 모터가 고속 회전했을 때의 단자 전압 파형도.
도 9는 도 1의 시스템에 있어서, 150°통전 구동했을 때의 인버터의 스위칭 동작 제어 신호를 나타내는 차트.
도 10은 유기 전압이 정현파형인 브러시리스 모터가, 150°통전 구동될 때의 전기각과 유기 전압 파형의 관계도.
도 11은 브러시리스 모터가 150°통전 구동했을 때의 단자 전압 파형도.
도 12는 120°통전 구동과 150°통전 구동했을 때의 상전류(相電流) 파형도.
도 13은 IPM 모터의 인덕턴스 특성도.
도 14는 상전류에 의한 유기 전압의 상이를 나타내는 파형도.
도 15는 도 1의 시스템에 있어서, 150°통전 구동했을 때의 인버터의 스위칭 동작 제어 신호와 제어부의 타이머 동작을 나타내는 차트.
도 16은 도 15에 있어서의 제1타이머와 PWM 신호와의 관계도.
도 17은 도 1의 시스템에 있어서, 150°통전 구동했을 때의 인버터의 스위칭 동작 제어 신호와 제어부의 타이머 동작을 나타내는 차트.
도 18은 도 17에 있어서의, 제1타이머와 제3타이머와 단자 전압 파형과의 관계도.
도 19는 도 17에 있어서의, 제1타이머와 제2타이머와 제3타이머와의 관계도.
도 20은 도 17에 있어서의, 제1타이머와 제2타이머와 제3타이머와의 관계도.
도 21은 도 17에 있어서, 15°진각(進角) 제어시의 차트.
도 22는 (a), (b)는 진각치(進角値) 상이에 의한 단자 전압 파형의 비교도.
도 23은 종래의 시스템 구성을 나타내는 블록도.
도 24는 종래의 시스템 구성에 있어서의, 무통전 기간의 단자 전압과 위치 검출 신호의 파형도.
도 25는 본 발명의 모터 구동 시스템이 적용된 공기 조화기의 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
3 : 인버터
4 : DC 전압 검출 수단
5 : 브러시리스 모터
6 : 스테이터
7 : 로터
8 : 제어부
9 : 구동 회로
11u : U상(相) 단자
11v : V상 단자
11w : W상 단자
16 : 기준 전압 생성 수단
18a : 3000rpm의 정현파형의 유기 전압 파형
18b : 6000rpm의 정현파형의 유기 전압 파형
19a : 3000rpm의 사다리꼴파형의 유기 전압 파형
19b : 6000rpm의 사다리꼴파형의 유기 전압 파형
90 : 콤프레서 모터
91: 4방향 밸브
92 : 실내 유닛(unit)
93: 실내 열교환기
95 : 실외 유닛 96: 실외 열교환기
98 : 팽창 밸브 100: 모터 구동 시스템
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 브러시리스 모터 구동 장치는 복수 상(相)의 권선을 갖는 스테이터와 복수 극(極)의 자석을 갖는 로터를 구비한 브러시리스 모터에 대하여, 상기 로터의 자극 위치를 검출하고, 상기 검출된 자극 위치에 상응하여 상기 스테이터 권선으로의 통전을 인버터에 의해서 순차로 절환시키는 브러시리스 모터의 구동 장치에 있어서, 상기 인버터의 모선(母線)에 인가되어 있는 DC 전압을 검출하는 DC 전압 검출 수단과, 상기 스테이터의 권선중 무통전상의 단자 전압을 검출하는 단자 전압 검출 수단과, 상기 검출된 단자 전압과 상기 DC 전압으로부터 인버터 환류 전류 기간을 판단하는 환류 전류 기간 판정 수단과, 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형 데이터를 기억하는 기억부와, 상기 인버터 환류 전류 기간 종료후의 상기 단자 전압과, 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 상기 단자 전압 파형을 원용하여서, 상기 로터의 자극 위치를 확정하는 자극 위치 검출 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 브러시리스 모터 구동 방법은 복수 상(相)의 권선을 갖는 스테이터와 복수 극(極)의 자석을 갖는 로터를 구비한 브러시리스 모터에 대하여,상기 로터의 자극 위치를 검출하고, 상기 검출된 자극 위치에 상응하여 상기 스테이터 권선으로의 통전을 인버터에 의해서 순차로 절환시키는 브러시리스 모터의 구동 방법에 있어서 상기 인버터의 모선(母線)에 인가되어 있는 DC 전압을 검출하는 공정과, 상기 스테이터의 권선중 무통전상의 단자 전압을 검출하는 공정과, 상기 검출된 단자 전압과 상기 DC 전압으로부터 인버터 환류 전류 기간을 판단하는 공정과, 상기 인버터 환류 전류 기간 종료후의 상기 단자 전압과, 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 상기 단자 전압 파형을 원용하여서, 상기 로터의 자극 위치를 확정하는 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 예를 들어 DC 전압 값의 1/2 등의 기준 전압과 DC 전압과의 교점을 구하지 않고, 로터의 자극 위치를 검출할 수 있으며, 저속 회전 영역으로부터 고속 영역까지 양호한 운전 제어가 가능하게 된다.
이하, 본 발명의 실시형태에 관하여, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 첨부 도면에 있어서 동일 구성 요소에 관하여는 동일 참조 번호로서 나타내는 것으로 한다.
(제1실시형태)
도 1은 본 발명의 제1실시형태에 관련한 시스템 구성을 나타내는 블록도이다. 도 1에 있어서, (1)은 교류 전원, (2)는 컨버터, (3)은 인버터, (4)는 DC 전압 검출 수단, (5)는 브러시리스 모터, (6)은 스테이터, (7)은 로터, (8)은 제어부, (9)는 구동 회로, (10)은 A/D 변환기이다. 브러시리스 모터(5)는 중성점을 중심으로 Y 결선된 3개의 상권선(相券線)(6u, 6v, 6w)이 부착된 스테이터(6)와, 자석이장착된 로터(7)를 구비한다. U상 권선(6u)의 비결선 단(端)에 U상 단자(11u), V상 권선(6v)의 비결선 단(端)에 V상 단자(11v), W상 권선(6w)의 비결선 단(端)에 W상 단자(11w)가 접속되어 있다.
교류 전원(1)으로부터 출력되는 AC 전압은 컨버터(2)에 의해서 DC 전압으로 변환되어 인버터(3)에 공급된다. 인버터(3)는 1쌍의 스위칭 소자가 전류의 상류측과 하류측의 관계로 직렬 접속된 3개의 직렬 회로를 각각 U상용, V상용, W상용으로서 갖는다. 이들 직렬 회로에 컨버터(2)로부터 출력되는 DC 전압이 인가된다. U상용의 직렬 회로는 상류측 스위칭 소자인 트랜지스터(12u)와 하류측 스위칭 소자인 트랜지스터(13u)를 구비하고, 마찬가지로, V상용의 직렬 회로는 상류측 스위칭 소자인 트랜지스터(12v)와 하류측 스위칭 소자인 트랜지스터(13v)를 구비하며, 또한, W상용의 직렬 회로는, 상류측 스위칭 소자인 트랜지스터(12w)와 하류측 스위칭 소자인 트랜지스터(13w)를 구비한다. 또한, 윤전 다이오드(14u, 14v, 14w, 및 15u, 15v, 15w)가, 각각 상류측과 하류측의 각각의 트랜지스터와 병렬로 접속되어 있다.
인버터(3)에 있어서, U상용 직렬 회로의 트랜지스터(12u)와 트랜지스터(13u)의 상호 접속점, V상용 직렬 회로의 트랜지스터(12v)와 트랜지스터(13v)의 상호 접속점, W상용 직렬 회로의 트랜지스터(12w)와 트랜지스터(13w)의 상호 접속점에 브러시리스 모터(5)의 단자(11u, 11v, 11w)가 각각 접속된다. 인버터(3)는 각각의 트랜지스터의 온·오프(ON-OFF)에 의해서, 브러시리스 모터(5)의 상권선(相券線)(6u, 6v, 6w)에 순차로 통전하는 동작을 한다.
DC 전압 검출 수단(4)은 인버터(3)의 입력측에 배치되고, DC 전압 검출수단(4)에 의해서 검출된 DC 전압은, 인버터(3) 및 A/D 변환기(10)에 입력된다. 또한, A/D 변환기(10)에는 브러시리스 모터(5)의 단자(11u, 11v, 11w)로부터의 단자(유기) 전압도 입력되어 샘플링된다.
제어부(8)에서는 A/D 변환기(10)에서 얻어지는 DC 전압 검출 수단(4)으로부터의 DC 전압과 브러시리스 모터(5)로부터의 단자 전압의 정보로부터, 인버터(3)에 있어서의 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 신호(U+, V+, W+, U-, V-, W-)를 생성하고, 구동 회로(9)에 출력한다. 이들의 스위칭 동작 제어 신호에 근거하여서, 구동 회로(9)에 의해 인버터(3)에 있어서의 트랜지스터의 스위칭 동작이 행하여 진다.
여기서, 제어부(8)는 브러시리스 모터(5)로부터의 무통전상의 단자 전압을 검출하는 단자 전압 검출부(81)와, 이 검출된 단자 전압과 인버터의 모선에 인가되어 있는 DC 전압을 비교함으로써 인버터 환류 전류 기간을 판단하는 환류 전류 기간 판정부(82)와, 주로 로터(7) 내의 자석에 의해서 스테이터(6)의 권선에 유기(誘起)되며, 브러시리스 모터(5) 측으로부터 발생하는 단자 전압 파형 데이터를 기억하는 기억부(83)를 갖춘다. 이 유기 전압 파형은 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형으로 되고, 후술하는 자극 위치를 검출할 때에 이용되며, 이것을 기억부(83)에 테이블화한 데이터 등으로서 기억되어 있다. 또한, 제어부(8)는 인버터 환류 전류 기간 종료후의 단자 전압과 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형을 원용하여서, 로터의 자극 위치를 확정하는 자극 위치 검출부(84)를 갖는다. 제어부(8)와 A/D 변환기(10)는 단일칩의 마이크로 컴퓨터로 구성이 가능하며, 각각의 제어 기능의 상세에 관하여는 후술한다.
이어서, 상기 구성의 모터 구동 시스템에 있어서, 스테이터(6)의 상권선(相券線)(6u, 6v, 6w)이 이상적인 전류(轉流) 타이밍에서 통전 제어되고, 로터(7)가 일정 속도로 회전하고 있는 것으로서, 그 동작 상태를 이하에서 설명한다.
도 2는 본 실시형태의 제어부(8)로부터 출력되고, 인버터(3)에 있어서의 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 신호(U+, V+, W+, U-, V-, W-)를 나타낸다. 스위칭 동작 제어 신호는 일반적으로 120°통전 구동이라고 말해지는 것이고, 또한, 권선 단자 전압의 통전율을 제어하는 소위 PWM 제어를 실현한다. 도 2에 있어서, U+로서 나타낸 신호는 U상용(相用)의 트랜지스터(12u)를 제어하는 신호이고, U-로서 나타낸 신호는, U상용의 트랜지스터(13u)를 제어하는 신호이다. 기타 V상, W상에 관해서도 마찬가지이고, 각각의 신호는 액티브 하이(active high)로 되어 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 제어 신호로 브러시리스 모터(5)를 구동했을 때의 U상 단자(11u)의 단자 전압 파형을 나타낸다. 이 단자 전압 파형은 브러시리스 모터를 회전시키기 위해 인가하는 구동 전압과, 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압이 혼재(混在)한 것이다. 이 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압은, 회전 속도나 통전 전류 등에 의해서 변화하고, 로터(7)의 자극 위치의 검출시에 유효한 정보가 된다. 도 2에 나타낸 바와 같은 120°통전 구동에서는 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압은 도 3에 나타낸 기간 Ts에서 얻어진다.
또한, 기간 Ts에 있어서 전류시(轉流時)에 윤전 다이오드(14u, 15u)에 전류가 흐르는 기간(인버터 환류 전류 기간) Tf에서는, DC 전압 또는 0 전압으로 고정되고, 또한, 인버터(3)는 PWM 제어에 의한 초핑(chopping)이 행하여 지고 있기 때문에, 예를 들면, 전기각 300°∼360°기간에서는, 트랜지스터(12w)가 온(ON)되어 W-V상이 통전되고 있는 기간만 유효한 정보로서 활용할 수 있다.
그래서, 본 제1실시형태에 있어서 자극 위치 검출을 위해 유효한 정보가 될 수 있는 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압을 취득하는 방법에 관하여, 도 4를 이용하여 설명한다.
도 4는 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 신호 패턴이 도 2에 있어서의 ⑤로부터⑥, 즉, W-U상의 통전으로부터 W-V상의 통전으로 절환되었을 때의 트랜지스터(12w, 13u, 13v)의 동작 상태와, U상 단자(11u)의 전압 파형이다. 통전이 절환된 후, A/D 변환기(10)에 의해서 DC 전압과 U상의 단자 전압을 트랜지스터(12w)가 온(ON)되어 있는 기간내에 샘플링한다. 샘플링된 단자 전압(도면중 ×표)과 DC 전압을 비교하여, 동등하면 윤전 다이오드(14u)에 전류가 흐르고 있는 인버터 환류 전류 기간인 것을 알게 된다(도면중 P1∼P3). 트랜지스터(12w)가 온(ON)하는 때마다 샘플링과 전압 비교를 행하고, 단자 전압이 DC 전압보다 충분히 적은 값(P4)에 있게 된다면, 인버터 환류 전류 기간은 종료되고, 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압으로 판단할 수 있다.
도 5는 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 신호 패턴이, 도 2에 있어서의 ②로부터 ③, 즉, U-W상의 통전으로부터 V-W상의 통전으로 절환되었을 때의 트랜지스터(12u, 12v, 13w)의 동작 상태와, U상 단자(11u)의 전압 파형이다. 통전이 기간 ②로부터 ③으로 절환된 후, A/D 변환기(10)에 의해서 DC 전압과 U상의 단자 전압을 트랜지스터(13w)가 온(ON)되어 있는 기간내에 샘플링한다. 샘플링된 단자 전압(도면중 ×표)과 제로(zero) 전위를 비교하여, 동등하면 윤전 다이오드(15u)에 전류가 흐르고 있는 인버터 환류 전류 기간인 것을 알게 된다(도면중 P5∼P7). 트랜지스터(13w)가 온(ON)할 때마다 샘플링과 전압 비교를 행하고, 단자 전압이 제로(zero) 전위보다 충분히 큰 값(P8)에 있게 된다면 인버터 환류 전류 기간은 종료되고, 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압으로 판단할 수 있다.
샘플링한 단자 전압이 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압으로 판단할 수 있게 된다면 그 값으로부터 로터(7)의 자극 위치를 검출할 수 있다. 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압으로 자극 위치를 검출하는 방법을 이하에서 설명한다.
브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압은 주로 로터(7)내의 자석에 의해서 스테이터(6)의 권선에 유기되는 전압, 소위 유기 전압이다. 이 유기 전압 파형은 브러시리스 모터의 권선의 권수나, 자석의 재료 등의 사양이 결정되면 저절로 결정되는 것이고, 도 6에 나타낸 바와 같이, 대체로 정현파형 함수로 표시할 수 있으며, 3000rpm의 유기 전압 파형(파선(18a)으로 나타냄), 6000rpm의 유기 전압 파형(실선(18b)으로 나타냄)과 같이 브러시리스 모터 회전수에 의해서 그 진폭이 변화한다. 이 파형이 자극 위치를 검출할 때에 이용되는 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형으로 되고, 이것을 제어부(8)내의 기억부(83)에 테이블화한 데이터등으로서 기억시켜 둔다.
이것에 의해서, 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같은 시스템에 있어서 인버터(3)에 공급되는 DC 전압이 240V에서 브러시리스 모터가 회전했다고 한다면, 신호 패턴이 기간 ③ 에서 회전수가 3000rpm일 때, 유기 전압이 110V라면, 자극 위치는 전기각에서 165°인 것으로 판단할 수 있다. 또한, 신호 패턴이 기간 ⑥ 에서 회전수가 6000rpm일 때, 유기 전압이 90V라면, 자극 위치는 전기각에서 305°인 것으로 판단할 수 있다.
이와 같이 브러시리스 모터 회전수를 파악하여 둔다면 유기 전압으로부터 자극 위치가 검출될 수 있게 된다. 즉, 제1실시형태에 있어서 제어부(8)에서 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압으로 자극 위치를 검출하고, 검출된 위치 정보로부터 브러시리스 모터 회전수의 산출을 실행하여 산출된 브러시리스 모터 회전수를 다시 자극 위치 검출에 이용한다고 하는 제어 루프(loop)를 구성하면 구동이 가능하다.
또한, 유기 전압 파형을 도 6에 나타낸 바와 같은 정현파형으로서 설명하였으나, 로터(7)내의 자석의 착자 등에 의해서는 유기 전압 파형을 도 7에 나타낸 바와 같은 사다리꼴파형(trapeziform wave-form)의 것으로 하는 등, 구동되는 브러시리스 모터의 특성에 맞춘 파형을 자극 위치의 검출시에 이용하는 것이 바람직하다.
본 실시형태에 의하면, 브러시리스 모터가 고속 회전으로 구동되고, 도 8에 나타낸 바와 같이, 무통전 기간의 단자 전압 파형에 있어서 인버터 환류 전류 기간이 길게 되고, 유기 전압의 제로 크로스 포인트(zero cross point)(DC 전압 값의 1/2과의 교점)가 감춰진 것으로 되었다고 해도, A/D 변환기에 의해서 단자 전압을 1점(point)(도면중 ×표) 샘플링할 수 있다면 자극 위치를 판단할 수 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서 인버터(3)에 있어서의 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 신호의 다른 예를 도 9에 나타낸다. 동(同) 도면에 나타낸 스위칭 동작 제어 신호는 각각의 상(相)의 통전각(通電角)을 넓히고, 전기각에서 150°의 통전 기간을 갖고, 무통전 기간을 30°로하고 있다. 여기서 스위칭 동작 제어 신호와 유기 전압(U상을 대표)의 관계는 도 10에 나타내는 바와 같다.
도 11은 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 신호 패턴이 기간 10(Ｏ표 내의 10으로서 나타냄)으로부터 12(Ｏ표 내의 12으로서 나타냄)에 걸쳐서 절환시의 U상의 단자 전압 파형을 나타낸다. 120°통전 구동의 시(時)와 비교해서 통전 기간이 짧게 되어 있기 때문에, 유기 전압을 검출할 수 있는 기간도 짧게 되고, 도 9 및 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 신호 패턴11(Ｏ표 내의 11로서 나타냄)에서는 유기 전압의 제로 크로스 포인트가 나타나기 이전에 스위칭 동작이 개시하고 있는 것으로 된다. 이러한 경우에서도, A/D 변환기에 의해서 단자 전압을 1점 샘플링할 수 있다면 자극 위치를 판단할 수 있기 때문에 통전각을 넓게한 구동이 가능함을 알 수 있다.
이와 같이, 통전각이 넓게 된다면 도 12에 나타낸 바와 같이 각각의 상에 흐르는 전류에 있어서 120°통전 구동시의 전류 파형(파선(20a)으로 나타냄)과 비교하여, 완만한 상승 및 하강의 전류 파형(실선(20b)으로 나타냄)을 실현할 수 있다. 이 전류 파형의 개선에 의해서 브러시리스 모터 구동의 저소음화(低騷音化) 및 저진동화(低振動化)가 가능하게 된다.
또한, 본 실시형태에서는 통전각을 120°와 150°로한 경우에 괸하여 설명하였지만, 본 실시형태를 적용하고, A/D 변환기에 의해서 단자 전압을 1점이라도 샘플링할 수 있다면, 통전각은 약 180°부근 까지 넓게 하는 것도 가능하며, 전류 파형을 정현파형에 가깝게 한 대략의 정현파 구동도 실현할 수 있고, 그 위에 브러시리스 모터 구동의 저소음화 및 저진동화를 도모할 수 있다.
(제2실시형태)
제1실시형태에서는 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압은 주로 로터(7)내의 자석에 의해서 유기되는 유기 전압인 것을 전제로 설명하였지만 본 제2실시형태에서는 브러시리스 모터가 돌극성(salient pole)을 가진 IPM 모터에 있어서 엄밀한 자극 위치 검출을 행할 필요가 있는 경우를 고려하여 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형을 유기 전압 파형과 스테이터(6)에 부착된 권선의 상호 인덕턴스에 의해서 발생하는 전압과의 합성 파형으로 했다.
도 13은 IPM 모터의 1상당(相當)의 유효 인덕턴스를 나타내는 것이고, 로터(7)에 자석이 매립된 IPM 모터에서는 특히 진폭 Las가 크게 되며, 무통전 기간의 단자 전압에 있어서 이 영향을 무시할 수 없게 된다. IPM 모터의 모델의 전압 방정식으로부터 무통전 기간에 있어서의 예를 들면, U상 단자 전압을 도출하면 하기의 식(A)으로 된다.
Vu=[(Vv+Vw)+3Las{cos(2θ-2π/3)·p(iv)+cos(2θ+2π/3)·p(iw)}-6ω·Las{sin(2θ-2π/3)·iv+sin(2θ+2π/3)·iw}+3φu]/2 .......(A)
식 (A)에 있어서 제2항 및 제3항은 상호 인덕턴스에 의해서 발생하는 전압이고, 제1항 및 제4항은 상호 인덕턴스에 의해서 발생하는 전압을 포함하지 않는 유기 전압을 나타내고 있다. 여기서, Vv 및 Vw는 중성점에서 본 각각의 단자 전압이고, iv 및 iw는 중성점에 흐르는 방향을 정(正)으로 하는 상전류(相電流), φu는 중성점에서 본 자석에 의한 유기 전압, ω는 회전 속도, p는 미분 연산자(d/dt)이다.
또한, 도 14는 상전류가 없을 때의 유기 전압 파형(21a)과, 상전류가 흐렀을 때의 유기 전압 파형(21b)과의 비교를 나타내는 것이다. 유기 전압 파형은 상전류가 크게 됨에 따라서, 전기각에 대하여 전진된 파형으로 되는 것이 시뮬레이션 등에 의해서 증명되어 있다. 이것을 고려하지 않으면, 동일 유기 전압 값을 샘플링하여도 상전류가 큰 경우, 자극 위치를 늦은 측에서 검출하고 말며, 최적의 통전 타이밍에 의한 구동이 행하여질 수 없게 된다.
식 (A)로부터, 특히 IPM 모터의 경우, 무통전 기간에 있어서의 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압에 상호 인덕턴스에 의해서 발생하는 전압분을 가미한 쪽이 정확한 자극 위치 검출을 할 수 있는 것은 명백하며, 그것을 위해서는 도 14 및 식 (A)의 제2항 및 제3항으로부터 알 수 있는 바와 같이, 무통전 기간에 있어서의 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압이 회전 속도와 상전류에 의해서 변화하기 때문에, 회전 구동 중의 이들의 값에 상응해서 자극 위치의 검출 연산을 행할 필요가 있다. 또한, 도 1에 나타낸 시스템 구성에서는 상전류를 검출하는 수단은 설치되어 있지 않으나, 이것은 인버터(3)의 모선에 인가되어 있는 DC 전압과 PWM 제어에 의한 초핑의 통전율(듀티)과, 각각의 상권선에 대한 통전 기간이 각각상전류와 비례 관계에 있기 때문에, 상전류 검출 수단을 구비하지 않아도 전술한 3개의 값을 가지고 대용할 수 있다.
(제3실시형태)
본 제3실시형태에서는, 상기 제1실시형태 또는 제2실시형태에 있어서의 제어부(8)를 인버터 제어용 마이크로 컴퓨터로서 구현화(具現化)시키고, 도 15는 이 인버터 제어용 마이크로 컴퓨터내에서의 타이머 구성과, 출력되는 인버터 제어 신호의 관계를 나타낸 것이다. 인버터(3)에 있어서의 트랜지스터의 스위칭 동작을 제어하는 신호는, 도 9에 나타낸 바와 같은 150°통전 구동을 실현하는 것으로서, 브러시리스 모터가 회전중에 발생하는 유기 전압에 맞추어서 통전되는 상(相)이 절환되도록 구성되어 있다.
제1타이머는 PWM 신호의 반송 주파수 마다에 업다운 카운트(up-down count)를 반복하고, 도 16에 나타낸 바와 같은 반송 주파수 결정 값에 도달하면 업 카운트로부터 다운 카운트로 이행하며, 통전율 결정 값에 도달하면 PWM 신호를 반전시킨다. 이 종류의 타이머는 일반적으로 인버터 제어용 마이크로 컴퓨터에는 표준으로 장비되어 있다.
제2타이머는 브러시리스 모터의 회전수에 근거하여서 전기각 30°마다에 카운트 클리어(count clear)된다. 제2타이머의 카운트 값이 클리어되고부터 전기각 30°에 상당하는 값까지 카운트되면, 통전되는 상(相)이 절환되도록 U+로부터 W- 까지의 신호를 억제하고 카운트 클리어하고 있다.
PWM 신호의 반송 주파수를 일정하게 하고, 통전율을 변화시키는 것에 의해서 브러시리스 모터의 회전수를 억제하도록 한 구동 장치의 경우, 말할 것도 없이 PWM 신호의 반송 주기와, 통전되는 상(相)을 절환시키는 전류(轉流) 타이밍은 비동기(非同期)이다. 브러시리스 모터를 안정되게 구동시키기 위해서는 전류(轉流) 타이밍으로써 확실하게 통전되는 상(相)을 절환시킬 필요가 있고, 도 15에 나타낸 바와 같이, PWM 신호의 출력이 반송 주기의 도중에 있더라도 변화시키지 않으면 안된다.
이것을 실현하기 위해서는 PWM 신호의 반송 주파수와 통전율을 결정하는 제1타이머와, 통전되는 상(相)을 절환하는 전류(轉流) 타이밍을 계측하는 제2타이머를 구비하는 구성에 의해서, 본 발명의 제1 및 제2실시형태가 적용되는 브러시리스 모터의 안정 구동이 도모된다.
도 17은 상술한 제어 방법에 더해서 제3타이머를 추가한 제어 방법을 나타내는 타이밍 차트이다. 제3타이머는 제1타이머에 동기하여 카운트 업되며 그 기능에 관하여 도 18을 이용하여 이하에서 설명한다.
도 18에 있어서 PWM 신호가 제1타이머에 동기하여 변화하는 것은 전술한 바와 같다. 제1 및 제2실시형태에서는 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압을 단자 전압으로부터 샘플링하여 로터(7)의 자극 위치의 검출에 이용하고 있으나, 이 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압은 PWM 신호와 어긋난 타이밍으로 나타날 수 있다. 이것은 인버터(3)에 있어서의 트랜지스터의 스위칭 동작의 지연이나 단자 전압 검출 회로의 시정수(시정數)의 영향에 의한 것이다.
따라서, 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압을 샘플링할 때에는 이 타이밍의 어긋남을 고려하여서 행하지 않으면 안된다. 예를 들면 제1타이머의 반송 주파수 결정 값을 α, 제1타이머의 통전율 결정 값을 β, 타이밍의 어긋남을 γ로하면, 제3타이머의 카운트 값이 (β+γ)로부터 (α+β+γ) 까지의 기간에 있어서, 단자 전압을 샘플링하면 되게 된다.
일반적인 인버터 제어용 마이크로 컴퓨터에서는, 제1타이머의 카운트 값이 통전율 결정 값에 도달할 때에, 끼워넣기 등의 이벤트(event)를 발생시킬 수 있으나, 상술한 타이밍의 어긋남을 가미한 시점에서 끼워넣기 등의 이벤트를 발생시킬 수는 없다. 따라서, 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압을 단자 전압으로부터 샘플링해야할 기간을 정확히 계측하는 것에 제3타이머를 사용하고, 카운트 값이 단자 전압 샘플링 허가 기간 개시 타이밍이나 종료 타이밍에 도달한 시점에서 끼워넣기 이벤트를 발생시켜서, 샘플링 동작의 제어를 행하여, 오(誤)검출을 방지하고 있다.
여기서, 도 18을 이용한 설명에 관하여는 도 15 또는 도 17에 있어서 신호 패턴이 기수(奇數)(①,③,⑤, ...)로서 표시되는 기간중에 있어서만 들어 맞는다.
이어서, 도 15 또는 도 17에 있어서 PWM 신호가 액티브 기간에 신호 패턴이 우수(偶數)로부터 기수(예를 들어 ②로부터③)로 이행했을 때의 제어에 관하여, 도 19를 이용하여 설명한다.
우선, 도면중의 Ⅰ는 통전율 결정 값 (β)에 어긋남 (γ)를 가산한 타이밍이다. 이 시점에서 신호 패턴이 우수인 것인가 기수인가를 판단하고, 혹시 우수라면 무통전상이 없는 기간으로서 단자 전압의 샘플링 동작은 개시하지 않는다.
이어서, 전류(轉流) 타이밍을 계측하는 제2타이머의 카운트 값이 전류(轉流)타이밍에 도달한 시점 Ⅱ에서 신호 패턴은 기수로 된다. 이 때, PWM 신호가 액티브 기간인가를 판단하고, 액티브 기간에 있으면 Ⅱ의 시점에 있어서의 제3타이머의 카운트 값 (T)를 기억하여 둔다. 그리고, 제3타이머의 카운트 값이 (T+γ)로 된 시점 Ⅲ으로부터, 단자 전압의 샘플링을 개시하고, (α+β+γ) 로서 표시되는 Ⅳ의 타이밍에서 종료한다.
역으로 도 15 또는 도 17에 있어서 PWM 신호가 액티브 기간에 신호 패턴이 기수로부터 우수(예를 들어 ①로부터 ②)로 이행했을 때의 제어에 관하여는 도 20과 같다. 단자 전압의 샘플링은 제3타이머의 카운트 값이 (β+γ)로 된 시점 Ⅰ로부터, 제2타이머에 의한 전류(轉流)가 행해진 시점 Ⅱ의 제3타이머의 카운트 값 (T)에 어긋남 (γ)를 가산한 타이밍 Ⅲ까지 행해진다.
본 실시형태에 의하면, 제1 또는 제2실시형태의 제어부(8)를 인버터 제어용 마이크로 컴퓨터로서 구현화함으로써 저렴하고 용이하게 고정도(高精度)의 단자 전압 샘플링 제어를 실현할 수 있다.
(제4실시형태)
본 제4실시형태에서는 제3실시형태에서 이용한 제2타이머에서 계측되는 통전상(通電相)을 절환시키는 전류(轉流) 타이밍을, 가변으로 하고 있다. 이하에서 기술하는 설명에서는 제2타이머에서 계측되는 통전상(通電相)을 절환시키는 전류(轉流) 타이밍을 브러시리스 모터가 회전 중에 발생하는 유기 전압에 대하여, 도 21에 나타낸 바와 같이 전체적으로 이르게 하는, 소위 진각(進角) 제어에 관하여 기술한다.
도 21은 통전상(通電相)을 절환시키는 전류(轉流) 타이밍에 있어서, 도 17에 나타낸 것보다 전기각에서 15°이른 상태를 나타내는 것이다. 일반적으로 브러시리스 모터의 구동 중에 있어서의 모터 효율의 최고점은 회전수가 빠르게 되든지 상전류가 크게 되는 것에 따르며, 회전 중에 발생하는 유기 전압에 대하여 통전상(通電相)을 절환시키는 전류(轉流) 타이밍을 이른 시점에 존재시키기 위해, 이러한 전류(轉流) 타이밍을 이르게 하는 진각 제어(이후, 이른 량을 진각 값이라고 한다)가 이용된다.
본 실시형태에서는 상전류를 검출하는 수단이 설치되어 있지 않기 때문에, 인버터(3)의 모선에 인가되어 있는 DC 전압과, PWM 제어에 의한 초핑의 통전율(듀티)과, 각각의 상권선에 대한 통전 기간을 가지고 상전류의 대용을 행하고, 이것에 브러시리스 모터의 회전수를 더한 4개의 파라미터에 의해서, 진각 값을 결정하며, 브러시리스 모터를 항상 최고 효율점에서 구동시킬 수 있다. 또한 상기 4개의 파라미터의 어느 것을 이용하는 것으로 하여 시스템을 구축하여도 된다.
여기서, 로터의 자극 위치를 확정하기 위해서 이용한 단자 전압 값이 소정의 범위내에 수용되도록, 진각 값을 제한했을 경우에 관하여, 도 22를 이용하여 이하에서 설명한다.
도 22의 (a)의 상태에서는 무통전시의 단자 전압 파형으로부터 Tbemf의 기간에 있어서 자극 위치 검출을 위한 유효한 정보로 될 수 있는 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압이 나타날 수 있다. 이러한 상태에 있다면 전기각에 대한 전압 값의 변화(단자 전압의 기울기)가 크기 때문에, 각도 오차가 작은 위치 연산이 가능하다.
이에 대해, 도 22의 (b)에 나타낸 상태까지 진각 값을 크게 하면, 자극 위치 검출을 위한 유효한 정보로 될 수 있는 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압의 전기각에 대한 전압 값의 변화가 작고, 설령 제3실시형태에서 기술한 바와 같은 구성에서 단자 전압을 정확히 샘플링하였다 하여도, 전압 값으로부터 자극 위치로 변환하는 때에 커다란 각도 오차를 발생시키고 만다.
이러한 상태를 방지하기 위해서, 자극 위치 검출을 위한 유효한 정보로 될 수 있는 브러시리스 모터측으로부터 발생하는 전압을 샘플링할 때 마다, 그 값이, 도 22 (a)에 나타낸 th1로부터 th2의 소정의 범위 내에 있는가 확인해 가면서, 예를 들면, 혹시 th1 보다도 적다면 진각 값을 작게 한다고 하는 제한을 부가하는 것으로 하며, 이것에 의해서 자극 위치 검출 정도(精度)의 향상이 도모된다.
(제5실시형태)
본 실시형태에서는 제1실시형태로부터 제4실시형태에 나타낸 모터 구동 시스템을 에어컨(공기 조화기) 등의 냉동장치의 콤프레서 모터의 구동 시스템에 적용한 예를 나타낸다. 도 25는 전술한 실시형태의 모터 구동 시스템 장치가 적용된 냉동장치의 하나인 공기 조화기의 구성을 나타낸다. 도 25에 나타낸 공기 조화기는 전술한 모터 구동 시스템(100)과 냉동 사이클을 구비한다. 냉동 사이클은 콤프레서 모터(90), 실내 유닛(92), 실외(室外) 유닛(95) 및 4방향 밸브(91)로서 이루어진다. 실내 유닛(92)은 실내 열교환기(93)를 포함하고, 실외 유닛(95)은 실외 열교환기(96) 및 팽창 밸브(98)를 포함한다.
냉동 사이클 중에는 열 매체인 냉매가 순환한다. 냉매는 콤프레서 모터(90)에 의해서 압축되고, 실외 열교환기(96)에서 실외의 공기와 열교환 되며, 또한 실내 열교환기(93)에서 실내의 공기와 열교환 된다. 실내 열교환기(93)에서의 열교환 후의 공기에 의해서 실내의 냉난방이 행하여 진다. 냉방 또는 난방의 절환은 4방향 밸브(91)에 의해서 냉매의 순환 방향을 반전(反轉)시킴으로써 행하여 진다. 콤프레서 모터(90)는 모터 구동 시스템(100)에 의해서 구동된다.
이상과 같은 본 실시형태의 냉동장치에 의하면, 콤프레서 모터(90)에 흐르는 전류 파형을 정현파형으로 근접시키는 개선에 의해서, 냉동장치의 저소음화 및 저진동화를 실현시킬 수 있다. 또한, 더욱 정도(精度)가 높은 자극 위치 검출은 콤프레서 모터(90)의 최고 효율 포인트에서의 구동을 가능하게 하고, 나아가서는 냉동장치의 고(高) 효율화에 크게 기여할 수 있다. 또한, A/D 변환기의 단자 전압 샘플링은 콤프레서 모터(90)의 회전수의 고속화를 가능하게 하고, 단시간에 목표 온도에 도달하는 냉동장치가 실현될 수 있다.
이상으로부터 명백한 바와 같이 본 발명의 제1양태에 의하면, 단자 전압과 DC 전압으로부터 인버터 환류 전류 기간을 판단하고, 인버터 환류 전류 기간 종료후의 상기 단자 전압과 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형을 원용하여, 로터의 자극 위치를 확정하는 것을 특징으로 한 구동 방법을 실현하며, 이것에 의하면 이하에서 기술하는 효과를 이룬다.
우선, 무통전 기간의 단자 전압 파형에 있어서 인버터 환류 전류 기간이 길게 되고, 유기 전압의 제로 크로스 포인트가 감춰지는 것 같은 경우에 있어서도 인버터 환류 전류 기간 후에 샘플링한 단자 전압으로부터 자극 위치가 검출될 수 있기 때문에 원하는 전류(轉流) 타이밍에서 통전상(通電相)을 절환시킬 수 있으며, 브러시리스 모터를 최고 효율로서 구동시키거나 회전 영역을 더욱 고속측으로 넓히거나 할 수 있다.
또한, 단자 전압을 1점 샘플링할 수 있다면 자극 위치를 검출할 수 있기 때문에 유기 전압의 제로 크로스 포인트가 나타나기 이전에 스위칭 동작의 개시가 가능하고, 통전각을 넓게 할 수 있으며 브러시리스 모터 구동의 저소음화, 저진동화를 도모할 수 있다.
본 발명의 제2양태에 의하면, 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형은 로터내의 자석에 의한 유기 전압 파형과, 권선의 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 전압 파형과의 합성 파형으로 함으로써, 특히, 돌극성을 갖는 IPM 모터에 있어서 엄밀한 자극 위치의 검출이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 제3양태에 의하면, 상전류와 브러시리스 모터의 회전수에 의해서 변화하는 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 전압 파형을 구할 때에, 상전류를 인버터의 각각의 상권선에 대한 통전율 등으로 대용하여 산출되기 때문에, 전류 센서 등을 이용하지 않는 저렴한 시스템을 구축할 수 있다.
본 발명의 제4양태에 의하면, PWM 신호의 반송 주파수와 통전율을 결정하는 제1타이머와, 스테이터의 권선으로의 통전을 순차로 절환시키는 타이밍을 계측하는 제2타이머에 의해서 구성되고, 인버터를 제어하는 PWM 신호를 출력하는 제어부를 구비함으로써, 특히, 브러시리스 모터가 고속 회전시에 있어서도 반송 주파수에 관계 없이, 원하는 전류(轉流) 타이밍에서 확실히 통전상을 절환시킬 수 있으며, 안정된 구동을 유지할 수 있다.
본 발명의 제5양태에 의하면, 상기 제어부에 무통전상의 단자 전압의 검출 타이밍을 계측하는 PWM 신호에 동기한 제3타이머를 추가함으로써, 인버터에 있어서의 트랜지스터의 스위칭 동작의 지연이나 단자 전압 검출 회로의 시정수의 영향을 받지 않는 엄밀한 자극 위치 검출을 할 수 있다.
본 발명의 제6양태에 의하면, 자극 위치 검출에 이용하는 단자 전압 값을 감시하면서 소정의 범위내에 들어가도록 전류(轉流) 타이밍의 가변 범위에 제한을 설치했기 때문에, 단자 전압 값으로부터 자극 위치로의 변환 연산에 발생하는 오차를 극력 저감(低減)하고, 조화 이탈이 없는 브러시리스 모터의 안정 구동을 실현할 수 있다.

Claims (18)

  1. 복수 상(相)의 권선을 갖는 스테이터와 복수 극(極)의 자석을 갖는 로터를 구비한 브러시리스 모터에 대하여, 상기 로터의 자극 위치를 검출하고, 상기 검출된 자극 위치에 상응하여 상기 스테이터 권선으로의 통전(通電)을 인버터에 의해서 순차로 절환시키는 브러시리스 모터의 구동 장치에 있어서,
    상기 인버터의 모선(母線)에 인가되어 있는 DC 전압을 검출하는 DC 전압 검출 수단과,
    상기 스테이터의 권선 중, 무통전상(無通電相)의 단자 전압을 검출하는 단자 전압 검출 수단과,
    상기 검출된 단자 전압과 상기 DC 전압으로부터 인버터 환류 전류 기간을 판단하는 환류 전류 기간 판정 수단과,
    브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형 데이터를 기억하는 기억부와,
    상기 인버터 환류 전류 기간 종료후의 상기 단자 전압과, 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 상기 단자 전압 파형을 원용하여서, 상기 로터의 자극 위치를 확정하는 자극 위치 검출 수단을, 갖는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자전압 파형은 상기 로터 내의 자석에 의한 유기 전압 파형으로 하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형은 상기 로터내의 자석에 의한 유기 전압 파형과 상기 권선의 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 전압 파형과의 합성 파형으로 하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 로터내의 자석에 의한 유기 전압 파형은 정현파형 함수로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 로터내의 자석에 의한 유기 전압 파형은 브러시리스 모터의 회전수에 상응하여 산출되는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 권선의 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 전압 파형은 상기 인버터의 모선에 인가되어 있는 DC 전압과, 각각의 상권선에 대한 통전율 및 통전 기간과, 상기 브러시리스 모터의 회전수에 상응하여 산출되는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  7. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터를 제어하는 PWM 신호를 출력하는 제어부를 구비하고, 해당 제어부는 상기 PWM 신호의 반송 주파수와 통전율을 결정하는 제1타이머와, 상기 스테이터의 권선으로의 통전을 순차로 절환시키는 타이밍을 계측하는 제2타이머를 갖는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  8. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 인버터를 제어하는 PWM 신호를 출력하는 제어부를 구비하고, 해당 제어부는 상기 PWM 신호의 반송 주파수와 통전율을 결정하는 제1타이머와, 상기 스테이터의 권선으로의 통전을 순차로 절환시키는 타이밍을 계측하는 제2타이머와, 무통전상의 단자 전압의 검출 타이밍을 계측하는 상기 PWM 신호에 동기한 제3타이머를 갖는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 스테이터의 권선으로의 통전을 순차로 절환시키는 타이밍은 상기 인버터의 모선에 인가되어 있는 DC 전압과, 각각의 상권선에 대한 통전율 및 통전 기간과, 상기 브러시리스 모터의 회전수중, 적어도 1개의 파라미터에 상응하여 가변인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 로터의 자극 위치를 확정하기 위한 단자 전압이 소정의 범위내에 들어오도록 상기 스테이터의 권선으로의 통전을 순차로 절환시키는 타이밍이 가변으로 되는 범위에 제한을 설치하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
  11. 제8항 기재의 브러시리스 모터의 구동 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 냉동 장치.
  12. 복수 상(相)의 권선을 갖는 스테이터와 복수 극(極)의 자석을 갖는 로터를 구비한 브러시리스 모터에 대하여, 상기 로터의 자극 위치를 검출하고, 상기 검출된 자극 위치에 상응하여 상기 스테이터의 권선으로의 통전을 인버터에 의해서 순차로 절환시키는 브러시리스 모터의 구동 방법에 있어서,
    상기 인버터의 모선(母線)에 인가되어 있는 DC 전압을 검출하는 공정과,
    상기 스테이터의 권선 중, 무통전상의 단자 전압을 검출하는 공정과,
    상기 검출된 단자 전압과 상기 DC 전압으로부터 인버터 환류 전류 기간을 판단하는 공정과,
    상기 인버터 환류 전류 기간 종료 후의 상기 단자 전압과, 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 상기 단자 전압 파형을 원용하여서, 상기 로터의 자극 위치를 확정하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형은 상기 로터내의 자석에 의한 유기 전압 파형으로 하는 것을 특징으로하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 브러시리스 모터의 특성으로부터 미리 도출되는 단자 전압 파형은 상기 로터 내의 자석에 의한 유기 전압 파형과 상기 권선의 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 전압 파형과의 합성 파형으로 하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 로터내의 자석에 의한 유기 전압 파형은 정현파형 함수로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 로터 내의 자석에 의한 유기 전압 파형은 브러시리스 모터의 회전수에 상응하여 산출되는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 권선의 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 전압 파형은 상기 인버터의 모선에 인가되어 있는 DC 전압과, 각각의 상권선에 대한 통전율 및 통전 기간과, 상기 브러시리스 모터의 회전수에 상응하여 산출되는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 방법.
  18. 제8항에 있어서, 상기 스테이터의 권선으로의 통전을 순차로 절환시키는 타이밍은 상기 인버터의 모선에 인가되어 있는 DC 전압과, 각각의 상권선에 대한 통전율 및 통전 기간과, 상기 브러시리스 모터의 회전수 중, 적어도 1개의 파라미터에 상응하여 가변인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터의 구동 장치.
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