KR100457360B1 - 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동시스템 및 그 방법 - Google Patents

커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따른 비엘디씨 모터 구동 시스템은, 비엘디씨 모터 구동 시스템에 있어서, 상기 비엘디씨 모터의 전기자를 구성하는 복수개의 코일 각각에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 포함하는 스위칭 수단; 상기 비엘디씨 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 수단; 및 상기 위치 검출 수단의 출력에 기초하여, 상기 비엘디씨 모터가 회전할 수 있도록 상기 스위칭 수단의 스위치들의 개폐를 제어하는 제어 수단을 포함하며, 상기 제어 수단은, 상기 복수개의 코일 중 제1 코일에 전류가 흐르고 제2 코일에 전류가 흐르지 않는 상태에서 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않고 상기 제2 코일에 전류가 흐르는 상태로 변화하는 커뮤테이션 구간에서, 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 시점과 상기 제2 코일에 흐르는 전류가 정상상태에 도달하는 시점이 일치하도록 상기 스위칭 수단을 상기 비엘디씨 모터의 회전 속도에 따라 가변하도록 제어함으로써, 상기 비엘디씨 모터의 토크리플을 감소시킨다.

Description

커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동 시스템 및 그 방법{CONTROL SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING A COMMUTATION TORQUE RIPPLE OF A BRUSHLESS DC MOTOR}
본 발명은 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동 시스템 및 그 방법에 관한 것으로써, 특히 단일의 직류전류 센서를 이용하여 비엘디씨 모터의 속도 변화에 따라 듀티비를 가변하여 커뮤테이션 구간에서 발생하는 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 비엘디씨 모터(BLDC : Brushless DC motor, 브러시 없는 직류 모터)는 직류(DC)모터에서 브러시(Brush), 정류자(commutator) 등 기계적인 접촉부를 없애고, 이를 대신해 전자적인 정류 기구를 설치한 직류 모터를 말한다. 비엘디씨 모터의 고정자(stator)는 코일에 전류를 흘려 회전 자계를 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. 비엘디씨 모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 비엘디씨 모터에 연속적인 회전 자계가 형성되어야 한다. 연속적인 회전 자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상(state)의 코일에 흐르는 전류에 대한 커뮤테이션(Commutation, 정류)을 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 커뮤테이션을 위해서는 회전자의 위치를 인식해야 한다. 여기서, 커뮤테이션(Commutation)이란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것을 말한다. 이때, 회전자의 위치를 인식하기 위한 장치가 필요한데, 보통 이러한 회전자 위치 인식장치로는 홀센서(Hall Sensor)나 리졸버(Resolver)소자 등이 이용된다. 비엘디씨 모터의 장점은 마모된 브러시 교환이 필요 없고, 이엠아이(EMI : Electromagnetic interference)의 노이즈가 적으며, 열전달 특성이 개선되어 같은 크기의 다른 모터보다 더 큰 파워를 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 비엘디씨 모터 구동 시스템을 나타내는 구성 블록도 인데, 도 1에 도시한 바와 같이, 일반적인 비엘디씨 모터 제어 구동 장치는 동작을 위한 교류 전원을 공급하는 전원 공급부(10), 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(20), 컨버터(20)로부터 직류 전원을 공급받아 제어기(80)로부터 스위칭 동작 신호에 따라 스위칭 하는 인버터(30), 인버터(30)에서 출력되는 각각의 상(통상적으로 3상)전류를 검출하는 전류 센서(40), 인버터(30)의 스위칭 동작에 의해 회전자를 회전하는 비엘디씨 모터(50), 회전자의 위치를 검출하는 위치센서(60), 회전자의 회전 속도를 검출하는 속도센서(70), 위치센서(60)와 속도 센서(70)로부터 검출된 신호를 수신하여 적절한 시점에 커뮤테이션을 하기 위해 인버터(30)의 스위칭 주기를 제어하는 제어기(80)로 구성된다.
일반적으로, 컨버터(20)는 AC 전원으로부터 DC 전원을 만들어내는 전력 변환기로서 정류회로를 지칭하며 비엘디씨 모터(50)를 구동하기 위한 컨버터(20)로는 단순히 입력 AC 전원을 DC 전원으로 변형하는 정류회로가 사용되기도 한다. 인버터(30)는 보통 6개의 스위칭소자로 구성되는데, 인버터(30)는 DC 입력 전원을 3상 AC전원으로 변환시키는 전력 변환장치로서 전류원 인버터와 전압원 인버터의 두 가지 형태가 있으며, 비엘디씨 모터(50)를 구동하기 위한 인버터(30)는 전압원 인버터가 주로 사용된다. 전압원 인버터는 입력된 DC전원을 이용하여 제어하고자 하는 비엘디씨 모터(50)에 펄스 열의 전압을 인가한다.
제어기(80)는 비엘디씨 모터(50)의 고정자에 3상 전류를 흘려서 회전자의 자극과 동기(synchronization)시켜 회전시키는 구동 제어를 수행하는데, 보다 상세하게, 외부로부터 입력되는 삼각파(saw-tooth wave)신호를 이용하여 펄스의 폭을 변조한 전압과 전류를 인버터(30)에 공급하여 줌으로써 동작 제어를 수행한다. 즉, 제어기(80)는 비엘디씨 모터(50)에 인가되는 전류를 검출하여 검출된 전류값을 기초로 위치센서(60) 및 속도센서(60)에서 감지된 신호와 연산을 통해 제어 신호를 발생하여 인버터(30)에 공급한다. 실제로, 비엘디씨 모터(50)의 제어는 비엘디씨 모터(50)에 공급되는 전류에 의해 발생하는 토크를 제어함으로 이루어지게 되므로 이를 토크 제어라고도 한다.
그런데, 종래의 비엘디씨 모터의 구동 방법 중에서, 인버터(30)의 스위칭 동작에 의해 비엘디씨 모터(50)를 구동하는 방법은 커뮤테이션 토크리플(commutation torque ripple)의 발생을 저감시키기 위해 인버터(30)의 3상 출력 전류를 검출하여 전류를 제어하는데, 통상적으로는 인버터(30)의 스위칭 소자를 이용하여 비엘디씨 모터(50)에 3상 전압을 공급하여 전압 및 전류를 제어한다. 이때, 상도통시(120도 도통)에 일정한 듀티비(duty rate)로 비엘디씨 모터(50)를 제어하기 때문에, 전류 상승 시 고정자 권선의 저항 및 인덕턴스에 의해 원하는 전류까지 상승하는데 시간이 소요되고, 전류 하강 시 모터에 흐르던 전류가 순간적으로 영(0)이 되지 않고 일정 시간에 걸쳐 감소한다. 이러한 전류 지연 및 회전각 제어에 의해 발생하는 토크(torque)는 고정자 권선의 상이 바뀔 때마다 커뮤테이션에 의해 토크리플이 발생하게 되는데, 이러한 토크리플은 모터의 진동 및 소음을 발생시키는 문제점이 있다. 이처럼 발생하는 토크리플을 저감하기 위해, 사다리꼴 역기전력을 가지는 비엘디씨 모터(50)의 전류 제어는 3개의 전류 센서(40)를 기반으로 하는 토크리플 저감 방법을 이용하여 인버터(30)의 직류 전류를 제어하는 것이 바람직하다. 이렇게 3개의 전류 센서를 필요로 하는 인버터 출력 전류 제어방법을 개선하여 단일 직류 전류 센서를 기반으로 하는 토크 리플 저감 방법이 있다.
도 2는 종래의 인버터의 커뮤테이션 구간에서 전류 제어기가 포화되는 상황을 나타내는 그래프로서, 직류링크 전류(｜id｜)는 비엘디씨 모터(50)의 각 상의 코일을 거쳐 출력되는 직류단 전류의 실제 측정 전류이고, 기준 전류(idref)는 외부로부터 입력되는 기준 전류값이고, 직류단 공급 전압(Vd)은 컨버터(20)로부터 출력되는 공급 전압이며, 커뮤테이션 시간(tc)은 비엘디씨 모터(50)의 커뮤테이션이 일어나는 구간의 시간이고, PWM(Pulse Width Modulation)캐리어 웨이브(carrier wave)는 펄스폭 변조를 수행하기 위한 삼각파 펄스이며, 샘플링 시간(Ts)은 일회의 전류 제어를 수행하기 위한 샘플 인터벌(sample interval)시간이며, 전압(Vmout)은 데드비트 전류 제어를 수행하여 출력되는 출력 전압이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 제어기(80)가 전류 제어의 성능을 향상시키기 위하여 데드비트(dead-bit)전류 제어를 수행한다. 상기한 데드비트 전류 제어는 각 상의 실제 측정 전류(｜id｜)와 기준 전류(idref)와의 오차가 발생할 때 수행하는 전류 제어의 하나이다. 데드비트 전류 제어 시에, 도 2에 도시한 바와 같이, 인버터(30)의 커뮤테이션 구간(tc)에서 제어기(80)로부터 출력되는 전압(Vmout)이 포화(saturation)되는 현상이 발생한다. 예를 들어, 인버터(30)의 커뮤테이션 구간에서 검출된 실제 측정 전류(｜id｜)는, 커뮤테이션이 시작되는 순간 영(zero)레벨까지 떨어지고 다시 영 레벨부터 상승하는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 비엘디씨 모터(50)의 특성상 나타나는 현상으로써, 커뮤테이션 시의 스위치(S1~S6)의 내부 다이오드를 통해 흐르는 전류에 의해 발생한다. 이때, 제어기(80)는 이러한 실제 측정 전류(｜id｜)가 동작에 필요한 정상 전류로 환원되기 위한 데드비트 전류 제어를 수행하여 제어기(80)의 출력 신호 전압(Vmout)을 출력하게 되는데, 이때 제어기(80)의 출력 신호 전압(Vmout)이 포화(Vsat)되어 커뮤테이션 구간에서 인버터(50)의 각 상의 전류가 영이 되는 시간(이하, 제로점 도달 시간이라 칭함)과 각 상의 전류가 원하는 최종의 전류값에 도달하는 시간(이하, 최종점 도달 시간이라 칭함)이 일치하지 않게 되며 비엘디씨모터(50)는 커뮤테이션 시의 토크리플을 나타내게 된다.
그런데, 단일 직류 전류 센서를 기반으로 하는 종래의 토크리플 저감 방법은 일정한 듀티비를 커뮤테이션 구간에서 적용하거나, 인버터(30)의 스위칭 소자가 턴 오프(turn-off)될 스위칭 시점을 지연시키는 방법 등이 제시되고 있으나, 이러한 토크리플 저감 방법은 비엘디씨 모터(50)의 파라미터(parameter)변동에 민감한 방법일 뿐만 아니라, 비엘디씨 모터(50)의 속도 변화에 따라 저속도 및 고속도 영역에서 전체적으로 안정적인 모터성능을 보장해 주지 못하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 단일 직류 전류 센서를 이용하여 비엘디씨 모터의 속도 변화에 따라 각각 듀티비를 가변함으로써 인버터 커뮤테이션 구간에서 발생하는 커뮤테이션 토크리플을 저감시키는 데에 있다.
또한, 본 발명은 특별한 센서나 장치를 추가하지 않고도 비엘디씨 모터의 구동을 제어하는 데 또 다른 목적이 있다.
도 1은 일반적인 비엘디씨 모터 구동 시스템을 나타내는 구성 블록도.
도 2는 종래의 인버터의 커뮤테이션 구간에서 전류 제어기가 포화되는 상황을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 비엘디씨 모터의 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터의 구동 시스템을 나타내는 구성 블록도.
도 4는 도3의 직류전류 제어부를 보다 상세히 나타내는 구성 블록도.
도 5는 도4의 전압 보상부에서의 보상 전압과 게이트 신호의 듀티비와의 관계를 나타내는 그래프.
도 6은 커뮤테이션 토크리플을 저감하기 위해 저속도일 때의 인버터의 펄스폭 변조 패턴과 이에 따른 상 전류 파형을 나타내는 그래프.
도 7은 커뮤테이션 토크리플을 저감하기 위해 고속도일 때의 인버터의 펄스폭 변조 패턴과 이에 따른 상 전류 파형을 나타내는 그래프.
도 8은 커뮤테이션 구간에서 상 전류의 기울기를 일치시킬 수 있는 보상 전압과 비엘디씨 모터 속도에 따른 변수와의 관계를 나타내는 그래프.
도 9는 저속도에서의 종래의 기술에 따른 상 전류의 실제 측정치와 본 발명의 실시 예에 따른 실제 측정치를 비교하는 그래프.
도 10은 저속도에서의 토크리플에 대한 종래의 실측치와 본 발명의 실시 예에 따른 저감된 토크리플 결과를 나타내는 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 전원 공급부
200 : 인버터
300 : 비엘디씨 모터
400 : 홀센서
500 : 직류전류 제어부
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터의 구동 시스템은, 비엘디씨 모터 구동 시스템에 있어서, 상기 비엘디씨 모터의 전기자를 구성하는 복수개의 코일 각각에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 포함하는 스위칭 수단; 상기 비엘디씨 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 수단; 및 상기 위치 검출 수단의출력에 기초하여, 상기 비엘디씨 모터가 회전할 수 있도록 상기 스위칭 수단의 스위치들의 개폐를 제어하는 제어 수단을 포함하며, 상기 제어 수단은, 상기 제어 수단은, 상기 복수개의 코일 중 제1 코일에 전류가 흐르고 제2 코일에 전류가 흐르지 않는 상태에서 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않고 상기 제2 코일에 전류가 흐르는 상태로 변화하는 커뮤테이션 구간에서, 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 시점과 상기 제2 코일에 흐르는 전류가 정상상태에 도달하는 시점이 일치하도록 상기 스위칭 수단을 상기 비엘디씨 모터의 회전 속도에 따라 가변하도록 제어함으로써, 상기 비엘디씨 모터의 토크리플을 감소시킨다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동 방법은, 비엘디씨 모터 구동 방법에 있어서, 상기 비엘디씨 모터의 회전자의 위치를 검출하는 단계; 및 상기 비엘디씨 모터의 위치에 기초하여, 상기 비엘디씨 모터가 쇠전할 수 있도록 상기 비엘디씨 모터의 전지자를 구성하는 복수개의 코일에 인가되는 전류를 스위칭 하는 단계를 포함하며, 상기 스위칭 단계는, 복수개의 코일 중 제1 코일에 전류가 흐르고 제2 코일에 전류가 흐르지 않느 상태에서 제1 코일에 전류가 흐르지 않고 제2 코일에 전류가 흐른 상태로 변화하는 커뮤테이션 구간에서, 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 시점과 상기 제2 코일에 흐르는 전류가 정상상태에 도달하는 시점이 일치하도록 상기 비엘디씨 모터의 회전 속도에 따라 가변하여 스위칭 함으로써, 상기 비엘디씨 모터의 토크리플을 감소시킨다.
이하에서는 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 비엘디씨 모터의 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터의 구동 시스템을 나타내는 구성 블록도 이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 비엘디씨 모터의 커뮤테이션 토크리플을 저감하기 위한 제어 구동 시스템은 전원 공급부(100), 인버터(200), 모터(300), 전류 센서(400), 직류전류 제어부(500)를 포함한다.
전원 공급부(100)는 상용 전원으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 인버터(200)에 공급한다. 이때, 전원 공급부(100)는 입력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 컨버터(도시하지 않음)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
인버터(200)는 동작에 필요한 직류 전원을 전원 공급부(100)로부터 전달받아 직류전류 제어부(500)의 구동 신호에 의해 스위치(S1~S6)를 스위칭 한다. 인버터(200)는 각 상에 흐르는 전류를 감지하는 단일의 직류전류 센서(210)를 더 포함한다. 인버터(200)의 스위칭 순서는 일반적인 3상 인버터의 스위칭 순서와 동일하며 이에 대한 스위칭 순서의 설명은 생략한다. 본 발명의 실시 예에서 스위치(S1~S6)는 바이폴라 트랜지스터(transistor)를 사용하여 설명하지만, 스위칭 동작을 수행하는 다른 스위칭 소자를 사용할 수도 있다. 비엘디씨 모터(300)는 인버터(200)의 스위칭 동작에 의해 각 상(a상, b상, c상)으로 유입되는 전류에 따라 회전자를 회전시킨다. 홀센서(400)는 회전자의 회전에 의해 발생하는 자기량의 변화를 감지하여 회전자의 위치 감지 신호를 생성한 후 직류전류 제어부(500)에 전달한다. 직류전류 제어부(500)는 홀센서(400)로부터 회전자의 위치(Θ)감지 신호를 수신하고, 비엘디씨 모터(300)의 회전자의 위상각에 의해 발생하는 역기전력(E)을 산출하고, 외부로부터 입력되는 기준 전류(idref)와 직류전류 센서(210)로부터 검출된 전류(｜id｜)를 정류기(rectifier, 510)로부터 수신하여, 인버터(200)의 각 스위치(S1~S6)를 구동하기 위한 펄스폭 변조된 구동 신호를 발생시켜서 인버터(200)에 전달한다. 직류전류 제어부(500)에서는 커뮤테이션 구간에서는 포화 전압(Vsat)발생 시에 이를 적절히 보상하여 게이트 신호(gate signal)를 발생시켜서, 커뮤테이션 시 발생하는 토크리플을 저감한다.
도 4는 도3의 직류전류 제어부를 보다 상세히 나타내는 구성 블록도 이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 직류전류 제어부는 제1 가산부(501), 제1 곱셈부(502), 제2 곱셈부(503), 제2 가산부(504), 전압 보상부(505), 스위칭부(506), 제3 가산부(507), PWM 변조부(508), 게이트 구동부(509) 및 커뮤테이션 검출부(510)를 포함하며, 인버터(200)의 커뮤테이션 시에 발생하는 토크리플을 저감하기 위해 비엘디씨 모터(300)의 속도 변화에 따라 포화된 전압을 보상한다.
제1 가산부(501)는 외부, 바람직하게는 마이컴(micom, 도시하지 않음)으로부터 입력되는 기준 전류(idref)와, 단일의 직류전류 센서(210)가 검출한 전류를 정류(rectification)하는 정류기(510)로부터 출력된 전류(｜id｜)를 수신하여, 기준 전류(idref)와 출력 전류(｜id｜)의 오차를 구한다. 제1 곱셈부(502)는 제1가산부(501)의 출력을 제1 상수(K)배로 증폭한다. 제2 곱셈부(503)는 회전자의 위상각 변화에 의해 발생하는 역기전력(E)을 비엘디씨 모터(300)의 속도 센서(도시하지 않음)로부터 수신하여 역기전력(E)을 제2 상수배, 바람직하게는 2배로 증폭한다. 제2 가산부(504)는 제1 곱셈부(502)에서 특정 상수(K)배 증폭된 전류와 제2 곱셈부(503)에서 2배로 증폭된 역기전력(E)을 수신하여 가산한다.
전압 보상부(505)는 비엘디씨 모터(300)의 회전자 위상각에 의한 역기전력(E)을 기초로 하여 토크리플을 저감하기 위한 보상 전압(Vcomp)을 생성한다. 도 5는 도4의 전압 보상부에서의 보상 전압과 게이트 신호의 듀티비와의 관계를 나타내는 그래프인데, 도 5에 도시한 바와 같이, 포화 전압(Vsat)에 의해, 커뮤테이션 시 발생하는 토크리플을 저감하기 위해 비엘디씨 모터(300)의 속도 변화에 따른 보상 전압(Vcomp)을 인가함으로써 직류전류 제어부(500)가 스위치(S1~S6)의 구동 신호를 인버터(200)에 인가하여 스위치를 온 시키는 시간(ton)과 스위치를 오프 시키는 시간(toff)을 조절할 수 있다. 즉, 포화 전압(Vsat)에서 보상된 전압(Vmout)이 PWM 캐리어 웨이브와 만나는 시점에서 스위치가 온, 오프 되고, 이에 따라 스위칭 듀티비가 가변하게 된다. 도 5에 도시한 PWM 캐리어 웨이브(carrier wave)는 펄스폭 변조를 수행하기 위한 삼각파 펄스이며, 샘플링 시간(Ts)은 일회의 전류 제어를 수행하기 위한 샘플 인터벌(sample interval)시간을 의미한다.
스위칭부(506)는 전압 보상부(505)로부터 보상된 전압을 커뮤테이션 검출부(510)의 스위칭 시간에 따라 스위칭 한다. 제3 가산부(507)는 전압보상부(505)에 의해 보상된 전압을 스위칭부(506)로부터 스위칭 시간에 따라 수신하여, 제2 가산부의 출력 전압을 조정한다. PWM 변조부(508)는 PWM 케리어 웨이브를 기초로 하여, 제3 가산부(507)의 출력 전압을 펄스폭 변조한다. 게이트 구동부(509)는 PWM 변조부(508)로부터 변조된 스위칭 신호를 수신하고, 홀센서(400)로부터 수신한 회전자의 위치 감지 신호를 참조하여 인버터(200)의 각 스위치(S1~S6)를 스위칭 하는 게이트 구동 신호를 발생한다. 커뮤테이션 검출부(510)는 게이트 구동부(509)의 게이트 구동 신호를 감지하여 커뮤테이션 구간에서의 전류 레벨을 검출하고, 커뮤테이션 구간에서 각 상의 전류가 영이 되는 시간과 각 상의 전류가 최종의 전류값에 도달하는 시간의 차이에 따라 스위칭부(506)를 구동한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 구동 시스템의 동작 및 토크리플 저감 구동 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조해 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예는, 커뮤테이션 구간에서 인버터(200)의 스위치(S1)가 온 상태에서 오프 상태로 변하고 스위치(S3)가 오프 상태에서 온 상태로 변하며 스위치(S2)는 온 상태를 유지하는 경우 즉, 커뮤테이션 구간에서 스위치(S1)와 스위치(S2)가 온 되어 a 상에서 c 상으로 전류가 흐르다가, 스위치(S1)가 오프 되고 스위치(S3)가 온 되어 b 상에서 c 상으로 전류가 흐르는 경우에 대해서 동작을 설명한다.
인버터(200)의 전류 흐름 방향은 스위치(S1)가 온 상태에서 오프 상태로 변하고 스위치(S3)가 오프 상태에서 온 상태로 변하므로, a 상에서 c 상으로 전류 흐르다가, 커뮤테이션에 의해 b 상에서 c 상으로 전류가 흐르게 된다. 이때, 스위치(S2)는 온 상태를 유지한다. 커뮤테이션 구간에서, a 상에서 c 상으로 전류가 흐르다가 커뮤테이션에 의해 b 상에서 c 상으로 전류가 흐르는 경우는, a 상에 흐르는 전류(ia)가 감소하고 b 상에 흐르는 전류(ib)가 증가하며 c 상에 흐르는 전류(ic)는 이전의 전류 크기를 가지며 흐름 상태를 유지하게 된다.
도 6은 커뮤테이션 토크리플을 저감하기 위해 저속도일 때의 인버터의 펄스폭 변조 패턴과 이에 따른 상 전류 파형을 나타내는 그래프인데, 도 6에 도시한 바와 같이, 그래프의 기준점으로부터 왼쪽은 커뮤테이션 되기 이전의 상태를 나타내고, 오른쪽은 커뮤테이션이 이루어진 상태를 나타낸다. 즉, 직류전류 제어부(500)의 구동 신호에 따라, 인버터(200)의 스위치(S1)가 오프 되고 스위치(S3)가 온 되는 커뮤테이션 구간에서의 스위칭 신호와 각 상 전류의 파형을 보여주고 있다. 도 6에서 점선으로 도시한 펄스 신호와 전류 파형은 종래의 기술에 따른 전류 제어 펄스 신호와 전류 파형을 나타내며, 실선으로 도시한 전류 제어 펄스 파형과 전류 파형은 본 발명의 실시 예에 따라 전류 제어에 의해 발생하는 전류 제어 펄스 신호와 전류 파형이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 직류전류 제어부(500)가 전류 제어 펄스 신호를 인버터(200)의 각 스위치(S1,S2,S3)에 종래의 점선처럼 인가하는 경우에는, a 상의 전류(ia)가 영이 되는 제로점 도달 시간(tc)과 b 상의 전류(ib)가 최종의 전류값에 도달하는 최종점 도달 시간(tf)이 일치하지 않기 때문에 이에 따른 토크리플이 비엘디씨 모터(300)에서 발생하며, a 상과 b 상에 대한 커뮤테이션이 이루어지는 동안 이전의 상태를 유지하는 c 상에 흐르는 전류(ic) 또한 b 상의 전류(ib)의 최종점 도달 시간(tf)까지 하강한 후 다시 정상의 전류값에 도달하게 된다.
a 상의 전류(ia)의 제로점 도달 시간(tc)과 b 상의 전류(ib)의 최종점 도달 시간(tf)을 일치시켜 토크리플을 저감하기 위해, 직류전류 제어부(500)가 스위치(S3)와 스위치(S2)를 하기하는 수학식 1과 같은 듀티비로 스위칭 하여 제어하면, 비엘디씨 모터(300)의 상 전류에 대한 커뮤테이션을 균일하게 유지해 나갈 수 있다. 즉, 커뮤테이션 구간에서 a 상의 전류(ia)의 제로점 도달 시간(tc)보다 b 상의 전류(ib)의 최종점 도달 시간(tf)이 더 짧으므로, 하기하는 수학식 1과 같은 듀티비로 스위칭 하여 b 상의 전류(ib)의 최종점 도달 시간(tf)을 a 상의 전류(ia)의 제로점 도달 시간(tc)에 일치시킨다. 상 전류에 대한 커뮤테이션을 균일하게 유지하기 위한 스위치(S2)와 스위치(S3)의 스위칭 듀티비는 하기하는 수학식 1과 같다.
(여기서, E : 역기전력, Vd : 직류단 공급 전압).
상기한 수학식 1에 의한 듀티비에 따라, 도 6에 도시한 바와 같이, 스위치(S2)와 스위치(S3)가 온 되는 동안의 펄스폭은 듀티비 * 샘플링 시간(Dlow * Ts)이다.
도 7은 커뮤테이션 토크리플을 저감하기 위해 고속도일 때의 인버터의 펄스폭 변조 패턴과 이에 따른 상 전류 파형을 나타내는 그래프인데, 비엘디씨 모터(300)가 고속도일 때의 경우에는 직류전류 제어부(500)가 인버터(200)의 스위치(S1)를 하기하는 수학식 2와 같은 듀티비로 스위칭하고, 스위치(S2)는 오프 상태에서 온 상태로 가변하여 도통하며, 스위치(S3)를 도통 상태로 유지한다. 이때의 전류 흐름 방향도 저속도일 때의 전류 흐름 방향과 동일하다. 즉, 커뮤테이션 구간에서 a 상의 제로점 도달 시간(tc)이 b 상의 최종점 도달 시간(tf)보다 짧으므로, 직류전류 제어부(500)는 수학식 2와 같은 듀티비로 인버터(200)의 스위치(S1)를 스위칭 하여 a 상의 제로점 도달 시간(tc)을 b 상의 최종점 도달 시간(tf)에 일치시킨다. 비엘디씨 모터(300)의 회전자의 회전이 고속도일 때, 인버터(200)의 스위치(S1)에 대한 스위칭 듀티비는 다음의 수학식 2와 같다.
(여기서, E : 역기전력, Vd : 직류단 공급 전압).
상기한 수학식 1과 수학식 2에 의해 저속도 및 고속도일 때의 듀티비가 산출되면, 산출된 듀티비로부터 커뮤테이션 시의 토크리플을 저감하기 위한 보상 전압(Vcomp)은 하기하는 수학식 3 및 수학식 4에 의해 산출할 수 있다. 저속도일 때의 보상 전압과 스위칭 듀티비와의 관계는 수학식 3과 같다.
(여기서, Vd : 직류단 전압, Dlow : 저속도일 때의 스위칭 듀티비).
고속도일 때의 보상 전압(Vcomp)과 듀티비와의 관계는 수학식 4와 같다.
(여기서, Vd : 직류단 전압, Dhigh : 고속도일 때의 스위칭 듀티비)
도 8은 커뮤테이션 구간에서 상 전류의 기울기를 일치시킬 수 있는 보상 전압과 비엘디씨 모터 속도에 따른 변수와의 관계를 나타내는 그래프인데, 도 8에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 보상 전압(Vcomp)과 비엘디씨 모터(300)의 속도에 따른 변수(4E/Vd)와의 관계를 나타내는 그래프이다. 비엘디씨 모터(300)의 속도에 따른 변수(4E/Vd)가 1부터 0 까지 감소하게 되면, 저속도일 때의 스위칭 듀티비는 수학식 1에 따라 감소하게 되므로, 전압 보상부(505)는 수학식 3에 의해 보상 전압(Vcomp)을 증가하여야 한다. 즉, 비엘디씨 모터(300)의 속도가 감소하게 되면, 이는 회전자의 회전 각속도가 작아져 역기전력(E)의 크기가 감소하게 된다. 이때에는 수학식 1에 따라 스위칭 듀티비가 감소하므로 수학식 3에 따라 보상 전압(Vcomp)이 감소한다.
이와 반대로, 비엘디씨 모터(300)의 속도에 따른 변수(4E/Vd)가 1 이상으로 증가하게 되면 수학식 2에 의해 고속도일 때의 스위칭 듀티비(Dhigh)가 증가하게 되므로, 수학식 4에 의해 보상 전압(Vcomp)이 증가한다. 즉, 비엘디씨 모터(300)의속도가 고속도로 증가하게 되면, 비엘디씨 모터(300)의 회전자의 회전 각속도가 커져 역기전력(E)의 크기가 증가하게 된다. 이때에는 수학식 2에 의한 스위칭 듀티비가 증가하므로, 전압 보상부(505)가 수학식 4에 의해 산출된 보상 전압(Vcomp)이 증가한다.
도 9는 저속도에서의 종래의 기술에 따른 상 전류의 실제 측정치와 본 발명의 실시 예에 따른 실제 측정치를 비교하는 그래프인데, 도 9에 도시한 (a)는 도 6에 도시한 점선과 같이 a 상의 전류(ia)의 제로점 도달 시간과 b 상의 전류(ib)의 최종점 도달 시간이 일치하지 않고 c 상의 전류(ic)가 커뮤테이션 구간에서 감소한다. 그러나, 본 발명의 실시 예에 따라, 토크리플을 저감하기 위해 비엘디씨 모터(300)의 속도 변화에 따른 보상 전압(Vcomp)으로 보상하면, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 커뮤테이션 구간에서 a 상의 전류(ia)의 제로점 도달 시간과 b 상의 전류(ib)의 최종점 도달 시간이 일치하고, c 상의 전류(ic)가 감소하지 않고 이전의 전류 흐름 상태를 유지한다. 도10은 저속도에서의 토크리플에 대한 종래의 실측치와 본 발명의 실시 예에 따른 저감된 토크리플 결과를 나타내는 그래프인데, 도 10에 도시한 (a)는 종래의 비엘디씨 모터(300)에서 감지되는 토크리플을 보여주고 있으며, 도 10에 도시한 (b)는 본 발명의 실시 예에 따라 토크리플이 완전하게 저감되어 있음을 보여주고 있다. 이 결과는 비엘디씨 모터(300)의 속도가 저속도일 경우의 결과를 나타내는 그래프이며, 비엘디씨 모터(300)의 속도가 고속도일 경우에서도 동일한 결과를 나타내며, 이에 대한 결과 그래프는 생략한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시 예는 하나의 실시 예에 지나지 않으며, 전술한 내용 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상 및 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 물론이다.
이상에서와 같이, 본 발명의 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동 시스템 및 그 방법은 단일 직류전류 센서를 장착한 인버터로 비엘디씨 모터를 구동할 때 모터의 속도 변화에 따라 인버터 커뮤테이션 구간에서 발생하는 커뮤테이션 토크리플을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 특별한 센서나 장치를 추가하지 않고도 비엘디씨 모터의 구동을 제어할 수 있다.

Claims (9)

  1. 복수개의 코일로 구성된 전기자와 회전자를 포함하는 비엘디씨 모터의 구동 시스템에 있어서,
    상기 비엘디씨 모터의 전기자를 구성하는 복수개의 코일 각각에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 포함하는 스위칭 수단;
    상기 비엘디씨 모터의 회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 수단; 및
    상기 위치 검출 수단의 출력에 기초하여, 상기 비엘디씨 모터가 회전할 수 있도록 상기 스위칭 수단의 스위치들의 개폐를 제어하는 제어 수단을 포함하며,
    상기 제어 수단은, 상기 복수개의 코일 중 제1 코일에 전류가 흐르고 제2 코일에 전류가 흐르지 않는 상태에서 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않고 상기 제2 코일에 전류가 흐르는 상태로 변화하는 커뮤테이션 구간에서,
    상기 비엘디씨 모터의 회전 속도가 제 1 속도인 경우, 상기 제2 코일에 흐르는 전류가 정상상태에 도달하는 시점이 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 시점에 일치되도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 주기를 제어하며,
    상기 비엘디씨 모터의 회전 속도가 제 2 속도인 경우, 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 시점이 상기 제2 코일에 흐르는 전류가 정상상태에 도달하는 시점에 일치되도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 주기를 제어하는 비엘디씨 모터 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은
    상기 비엘디씨 모터에 유입되는 전체 전류 측정치와 기준 전류값의 차이에 기초하여, 상기 스위칭 수단의 복수개의 스위치에 인가하는 펄스의 듀티비를 제어하는 비엘디씨 모터 구동 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어 수단은
    상기 비엘디씨 모터에 유입되는 전체 전류 측정치와 기준 전류값의 차이를 출력하는 제1 가산부;
    상기 제1 가산부의 출력을 제1 상수(K)배로 증폭하는 제1 곱셈부;
    상기 비엘디씨 모터의 역기전력을 검출하는 수단;
    상기 역기전력 검출 수단의 출력을 제2 상수배로 증폭하는 제2 곱셈부;
    상기 제1 곱셈부의 출력과 상기 제2 곱셈부 출력을 가산하는 제2 가산부;
    상기 역기전력 검출 수단의 출력으로부터 토크리플을 저감하기 위한 보상 전압을 출력하는 전압 보상부;
    상기 전압 보상부의 출력이 입력되는 전압 보상 스위칭부;
    상기 전압 보상 스위칭부의 출력과 상기 제2 가산부의 출력을 가산하는 제3 가산부;
    상기 제3 가산부 출력을 펄스폭 변조하는 펄스폭 변조부;
    상기 펄스폭 변조부의 출력으로부터 상기 스위칭 수단의 스위치를 구동하는 구동 신호를 생성하는 게이트 구동부; 및
    상기 게이트 구동부의 구동 신호에 기초하여, 상기 커뮤테이션 구간의 개시에서부터 상기 코일에 흐르는 전류가 정상 상태에 도달할 때까지 전류 레벨을 검출하여 상기 전압 보상 스위칭부를 동작시키는 커뮤테이션 검출부
    를 포함하는 비엘디씨 모터 구동 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    (E : 역기전력, Vd : 비엘디씨 모터에 인가되는 직류 공급 전압)가 1보다 작은 경우에, 상기 전압 보상부의 출력 Vcomp은 다음 수식에 의해서 결정되며,
    ,,
    상기 게이트 구동부는 상기 펄스폭 변조부의 출력을 상기 제2 코일에 흐르는 전류를 제어하는 상기 스위칭 수단의 스위치에 인가하는 비엘디씨 모터 구동 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    (E : 역기전력, Vd : 비엘디씨 모터에 인가되는 직류 공급 전압)가 1보다 큰 경우에 , 상기 전압 보상부의 출력 Vcomp은 다음 수식에 의해서 결정되며,
    ,
    상기 게이트 구동부는 상기 펄스폭 변조부의 출력을 상기 제1 코일에 흐르는 전류를 제어하는 상기 스위칭 수단의 스위치에 인가하는 비엘디씨 모터 구동 시스템.
  6. 복수개의 코일로 구성된 전기자와 회전자를 포함하는 비엘디씨 모터의 구동 방법에 있어서,
    상기 비엘디씨 모터의 회전자의 위치를 검출하는 단계; 및
    상기 비엘디씨 모터의 위치에 기초하여, 상기 비엘디씨 모터가 회전할 수 있도록 상기 비엘디씨 모터의 전지자를 구성하는 복수개의 코일에 인가되는 전류를 스위칭 하는 단계를 포함하며,
    상기 스위칭 단계는, 복수개의 코일 중 제1 코일에 전류가 흐르고 제2 코일에 전류가 흐르지 않느 상태에서 제1 코일에 전류가 흐르지 않고 제2 코일에 전류가 흐른 상태로 변화하는 커뮤테이션 구간에서,
    상기 비엘디씨 모터의 회전 속도가 제 1 속도인 경우, 상기 제2 코일에 흐르는 전류가 정상상태에 도달하는 시점이 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 시점에 일치되도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 주기를 제어하며,
    상기 비엘디씨 모터의 회전 속도가 제 2 속도인 경우, 상기 제1 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 시점이 상기 제2 코일에 흐르는 전류가 정상상태에 도달하는 시점에 일치되도록 상기 스위칭 수단의 스위칭 주기를 제어하는 비엘디씨 모터의 구동 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 스위칭 단계는
    상기 비엘디씨 모터에 유입되는 전류 측정치와 기준 전류값의 차이에 기초하여, 전류를 스위칭하기 위한 펄스의 듀티비를 제어하는 비엘디씨 모터 구동 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 스위칭 단계는
    (E : 역기전력, Vd : 비엘디씨 모터에 인가되는 직류 공급 전압)가 1보다 작은 경우에, 상기 펄스의 듀티비를에 의해서 결정하는 단계; 및
    상기 듀티비에 의해 보상되는 보상 전압 Vcomp을에 의해서 결정하여 스위칭 하는 단계를 포함하는 비엘디씨 모터 구동 방법.
  9. 제3항에서,
    (E : 역기전력, Vd : 비엘디씨 모터에 인가되는 직류 공급 전압)가 1보다 큰 경우에, 상기 펄스의 듀티비를에 의해서 결정하는 단계; 및
    상기 듀티비에 의해 보상되는 보상 전압 Vcomp을에 의해서 결정하여 스위칭 하는 단계를 포함하는 비엘디씨 모터 구동 방법.
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