KR100474955B1 - 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어시스템 및 그 방법 - Google Patents

중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어시스템 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100474955B1
KR100474955B1 KR10-2002-0041295A KR20020041295A KR100474955B1 KR 100474955 B1 KR100474955 B1 KR 100474955B1 KR 20020041295 A KR20020041295 A KR 20020041295A KR 100474955 B1 KR100474955 B1 KR 100474955B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
neutral point
motor
voltage
rotor
point voltage
Prior art date
Application number
KR10-2002-0041295A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040008005A (ko
Inventor
송중호
최익
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR10-2002-0041295A priority Critical patent/KR100474955B1/ko
Publication of KR20040008005A publication Critical patent/KR20040008005A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100474955B1 publication Critical patent/KR100474955B1/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/0003—Control strategies in general, e.g. linear type, e.g. P, PI, PID, using robust control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/14—Estimation or adaptation of machine parameters, e.g. flux, current or voltage
    • H02P21/18—Estimation of position or speed
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor
    • H02P6/085—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor in a bridge configuration

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

본 발명은 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따른 비엘디씨 모터의 제어 시스템은, 상기 비엘디씨 모터에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치; 상기 복수개의 스위치로부터의 출력 신호 및 상기 비엘디씨 모터의 고정자로부터의 출력 신호에 기초하여 상기 회전자의 위치를 보상하기 위한 위치 추정 정보를 발생하는 수단; 및 상기 위치 추정 정보에 기초하여, 상기 복수개의 스위치들의 동작을 제어하는 제어 수단을 포함한다.
본 발명에 의하면, 비엘디씨 모터의 속도 변화에 관계없이 비엘디씨 모터의 중성점 전압을 이용하여 회전자 위치를 정밀하게 추정하여 위치 추정 오차를 감소할 수 있다.

Description

중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어 시스템 및 그 방법{CONTROL SYSTEM AND METHOD BASED ON NEUTRAL VOLTAGE COMPENSATION OF BRUSHLESS DC MOTOR}
본 발명은 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로써, 특히 비엘디씨 모터의 회전에 의해 발생하는 중성점 전압을 이용해 회전자의 위치를 추정하고 추정 오차를 보상하여 제어하는 비엘디씨 모터의 제어 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 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. 주지된 바와 같이, 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, 또는 전류)을 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 커뮤테이션을 위해서는 회전자의 위치를 인식해야 한다. 여기서, 커뮤테이션이란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것을 말한다. 보통, 회전자의 위치를 인식하기 위한 장치로는 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 있는 것이다.
일반적으로, 이와 같은 비엘디씨 모터를 제어하기 위한 제어 시스템은, 컨버터(converter), 인버터(inverter), 비엘디씨 모터 및 제어기를 구비한다. 보다 상세하게 설명하면, 컨버터가 전원 공급 장치로부터 공급받은 교류 전원을 직류전원으로 변환하여 인버터에 전달하면, 인버터가 컨버터로부터 직류 전원을 공급받아 제어기로부터 오는 스위칭 동작 신호에 따라 스위칭 한다. 비엘디씨 모터는 인버터의 스위칭 동작에 의해 회전자를 회전시키고, 제어기는 회전자의 위치 및 속도를 검출하는 각종 센서로부터 검출된 신호를 수신하여 적절한 시점에 커뮤테이션을 수행하여 인버터의 스위칭 주기를 제어한다. 제어기는 비엘디씨 모터의 고정자에 3상 전류를 흘려서 회전자를 회전시키는 구동 제어를 수행한다. 제어기는 인버터의 스위칭 소자를 이용하여 비엘디씨 모터에 3상 전압을 공급하고 전압 및 전류를 제어한다. 이때, 회전자 영구자석의 정확한 위치에 따라서 적절한 인버터의 스위칭이 이루어져야만 비엘디씨 모터의 발생토크가 균일하게 일정한 값을 가지게 된다. 비엘디씨 모터는 기계적인 브러시와 정류자 대신에 회전자의 위치에 동기되어 적절한 전류를 공급해 주기 위하여 회전자의 위치정보가 필요하다. 회전자의 위치센서는 비엘디씨 모터의 가격상승, 부피 증가, 신뢰성 저하, 사용환경 제약 등 여러 가지 문제를 유발한다. 따라서, 이러한 문제를 극복하기 위하여 위치센서 없이 비엘디씨 모터를 구동하려는 연구가 꾸준히 진행되어 오고 있다. 이때, 회전자의 회전 위치를 정확하게 알지 못할 때는 토크리플(torque ripple)이 발생하게 되는데, 이러한 토크리플은 비엘디씨 모터의 진동 및 소음을 발생시키는 문제점이 있다.
이러한 토크리플을 줄이기 위해 사용되는 방법으로, 비엘디씨 모터에 인가되는 단자전압으로부터 역기전력의 일부 정보를 얻을 수 있다는 사실에 근거한 비엘디씨 모터의 단자전압 프로세싱(processing)방법이 있다. 단자전압 프로세싱 방법은 비엘디씨 모터의 단자전압을 위상 쉬프터(phase shifter, 예를 들어 저역 필터 등)를 통과시켜서 90도 위상차를 가지는 신호를 만들고, 90도 위상차를 가지는 신호의 제로크로싱(zero-crossing)신호에 대하여 신호 로직(logic)관계를 고려함으로써, 비엘디씨 모터의 각 상(a,b,c 상)의 역기전력에 대한 120도 플랫-탑(flat-top)부분의 위상 위치를 알 수 있다. 제어기는 상기한 플랫-탑 부분에 위상을 일치시켜서 비엘디씨 모터의 각 상에 전류가 흐를 수 있도록 인버터의 스위치를 스위칭 해준다.
그러나, 비엘디씨 모터의 속도가 가변되면 비엘디씨 모터의 단자전압에 대한 주파수가 변하게 되고, 이로 인해 위상 쉬프터는 정확히 90도의 위상차를 만들어 줄 수 없는 문제점이 있다. 즉, 넓은 대역의 주파수를 가지는 단자전압신호가 위상 쉬프터를 통과할 때, 정확히 90도 위상차를 가지는 신호가 만들어지지 않아서 비엘디씨 모터의 회전자 위치에 대한 위상 오차가 발생한다. 도 1은 종래의 위상 오차가 발생한 경우 시간에 따라 비엘디씨 모터에 나타나는 토크리플 발생 관계를 나타내는 그래프인데, 비엘디씨 모터의 회전자에 대한 위상 오차가 발생하면, 도 1에 도시한 바와 같이, 비엘디씨 모터의 각 상의 역기전력()과 상 전류()에는 위상 오차가 발생하게 되고, 위상 오차에 의해 비엘디씨 모터에서 발생하는 토크에 토크리플 성분이 포함되어진다. 이로 인해, 비엘디씨 모터의 회전을 정확히 제어할 수 없다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 비엘디씨 모터의 속도 변화에 관계없이 회전자 위치를 정밀하게 추정하고 이에 기초하여 비엘디씨 모터의 중성점 전압을 보상함으로써 비엘디씨 모터의 회전을 정확히 제어할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 과제는 위치 감지 소자를 사용하지 않고 구현함으로써, 제조 원가를 감소시키고 구동회로가 간단해지며, 장시간 사용해도 파손되지 않는 비엘디씨 모터 제어 시스템을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징에 따른 비엘디씨 모터의 중성점 전압을 이용한 제어 시스템은, 상기 비엘디씨 모터의 전기자를 구성하는 복수개의 코일 각각에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 포함하는 스위칭 수단; 상기 스위칭 수단의 출력 값, 즉 전동기 단자전압을 기초로 회전자의 제1 위치 신호를 얻고, 상기 비엘디씨 모터에 공급되는 각 상의 역기전력과 인버터 직류전류를 이용하여 추정한 중성점전압을 보상함으로써 회전자의 제2 위치 신호를 얻어 상기 회전자의 위치를 추정하는 위치 추정 수단; 및 상기 위치 추정 수단의 출력에 기초하여, 상기 비엘디씨 모터가 회전할 수 있도록 상기 스위칭 수단의 스위치들의 개폐를 제어하는 제어 수단을 포함한다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 비엘디씨 모터 제어 방법은, 비엘디씨 모터에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 구비하는 비엘디씨 모터 제어 시스템에 사용하기 위한 비엘디씨 모터 제어 방법으로써, 상기 비엘디씨 모터의 단자 전압 및 상기 복수개의 스위치로부터의 출력을 이용하여 상기 회전자의 위치를 보상하기 위한 위치 추정 신호를 생성하는 단계; 및 상기 회전자의 위치 추정 신호에 기초하여, 상기 비엘디씨 모터에 인가되는 전류의 스위칭을 제어하는 단계를 포함한다.
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 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비엘디씨 모터의 제어 시스템을 나타내는 구성 블록도 이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어 시스템은 전원 공급부(100), 인버터(200), 비엘디씨 모터(300), 단자전압 검출부(400), 위치 추정부(500), 전류 제어부(600)를 포함한다.
전원 공급부(100)는 상용 전원으로부터 입력되는 교류 전원을 직류 전원(Vd)으로 변환하여 인버터(200)에 공급한다. 설명의 편의상, 교류 전원으로부터 직류 전원(Vd)으로의 변환을 전원 공급부(100)에서 수행하는 것으로 설명하였으나, 실제로는 전원 공급부(100)에 연결된 컨버터(도시하지 않음)에서 수행된다. 인버터(200)는 동작에 필요한 직류 전원(Vd)을 컨버터로부터 전달받아 전류 제어부(600)로부터의 구동 신호에 의해 스위치(Q1~Q6)를 스위칭 하여 3상의 교류 전원으로 변환한다. 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 동일하므로 본 명세서에서 이에 대한 스위칭 순서의 설명은 생략한다. 본 발명의 실시 예에서 스위치(Q1~Q6)는 바이폴라 트랜지스터(transistor)를 예로 하여 설명되었으나, 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 상 전류()에 따라 회전자(도시하지 않음)를 회전시킨다. 통상, 비엘디씨 모터(300)는 권선 저항(R)과 인덕턴스(L)가 존재하는 3상의 코일에 의해 중성점(n)이 형성되는데, 일반적인 비엘디씨 모터(300)의 구조에 대한 설명은 생략한다. 단자전압 검출부(400)는 인버터(200)와 비엘디씨 모터(300)사이에 연결된 리드선에 연결되어 이 지점의 전압을 측정한다. 단자전압 검출부(400)는 일반적으로 3상의 저항 분압회로로 구성되며, 이하에서 일반적인 단자전압 검출에 대한 설명은 생략한다.
위치 추정부(500)는 단자전압 검출부(400)로부터 측정되는 단자전압(Va,Vb,Vc)을 기초로하여 개략적인 회전자의 위치 신호를 얻고, 전원 공급부(100)의 중간점(o)과 비엘디씨 모터(300)의 중성점(n) 사이에 인버터(200)의 동작에 따라서 나타나는 중성점 전압(Vno)을 기반으로 하여 회전자 위치 신호를 얻음으로써, 최종의 회전자 위치 추정 신호(θ)를 얻는다. 상기 개략적인 회전자의 위치 신호를 얻는 방법은 개루프(open loop)방식의 회전자 위치 추정방법이고, 중성점 전압(Vno)을 기반으로 하여 회전자 위치 신호를 얻는 방법은 폐루프(closed loop)방식의 회전자 위치 추정방법이다. 위치 추정부(500)는 이 두 가지 신호를 상보적으로 기능하도록 가산함으로써 최종적인 정밀한 위치 추정 신호(θ)를 얻을 수 있다.
이렇게 정밀한 위치 추정 신호를 얻기 위한 개념을 나타내는 것이 도 3으로서 도 2의 위치 추정부(500)를 보다 상세히 나타내는 구성 블록도 인데, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 추정부(500)는 저역 필터부(510), 제로 크로싱 위치(zero-crossing position)검출부(520), 중성점 전압 추정부(530), 제1 가산부(540), PI 제어부(550), 제2 가산부(560)를 포함한다.
저역 필터부(510)는 단자전압 검출부(400)로부터 측정되는 3상의 단자전압(Va,Vb,Vc)을 수신해 필터링하여 90도의 위상차를 가지는 단자전압(V'a,V'b,V'c) 신호로 변환한다. 제로 크로싱 위치 검출부(520)는 저역 통과 필터부(510)로부터 만들어진 90도의 위상차를 가지는 단자전압(V'a,V'b,V'c)을 수신하여 이 전압 신호파형이 영점을 통과하는 시간을 검출하여, 그 위치를 제1 회전자 위치값(θ1)으로 생성한다. 중성점 전압 추정부(530)는 직류전류 센서(210)로부터 측정한 직류단 전류 파형을 정류부(700)에 의해 정류(rectification)되어 얻어지는 직류 전류(｜id｜)와 비엘디씨 모터(300)의 회전속도에 따라서 결정되는 각 상의 역기전력의 크기(E)를 수신하여 추정된 중성점 전압(Vnop)을 발생한다. 제1 가산부(540)는 중성점 전압 추정부(530)로부터 추정된 중성점 전압(Vnop)을 수신하고, 위상각의 차가 영(0)이 되도록 보상하기 위해 설정된 중성점 전압 기준값(Vno = 0)과 추정된 중성점 전압(Vnop)을 가산한다. 다시 설명하면, 사전 설정된 중성점 전압 기준값(Vno = 0)은 비엘디씨 모터(300)의 전 속도범위에 걸쳐서 인버터(200)의 정상 동작구간에서 중성점 전압이 발생하지 않도록 보상하기 위한 값이다. PI(Proportional and Integral, 비례 적분)제어부(550)는 제1 가산부(540)로부터 가산된 중성점전압 오차신호를 수신하여 비례 적분 제어한다. 제2 가산부(560)는 제로 크로싱 위치 검출부(520)에서 검출한 제1 회전자 위치값(θ1)과, 추정된 중성점전압(Vnop)을 보상하기 위하여 필요한 제2 회전자 위치값(θ2)을 가산한 후, 최종적으로 위치 추정 신호(θ)를 생성하여 전류 제어부(600)에 전달한다.
전류 제어부(600)는 직류전류 센서(210)로부터 검출된 전류를 양의 값으로 변환하는 정류부(700)로부터 직류 전류(｜id｜)를 수신하고, 위치 추정부(500)로부터 추정된 회전자의 위치 추정 신호(θ)를 수신하여, 인버터(200)의 각 스위치(S1~S6)를 구동하기 위한 펄스폭 변조된 게이트(gate)구동 신호를 생성함으로써, 생성된 게이트 구동 신호로 스위칭 타이밍을 조절하여 인버터(200)의 스위치(S1~S6)를 구동한다.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어 시스템의 작용에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
위치 추정부(500)의 저역 필터부(510)는 비엘디씨 모터(300)의 각 상에 대한 단자전압(Va,Vb,Vc)을 수신해 필터링 하여, 90도의 위상차를 가지는 단자전압 신호(V'a,V'b,V'c)를 제로 크로싱 위치 검출부(520)로 출력한다. 제로 크로싱 위치 검출부(520)는 저역 필터부(510)로부터 입력받은 90도의 위상차를 가지는 단자전압(V'a,V'b,V'c)신호로부터 비엘디씨 모터(300)의 제1 회전자 위치값(θ1)을 생성한다.
한편, 중성점 전압 추정부(530)는 직류전류 센서(210)로부터 검출된 직류 전류(｜id｜)와 비엘디씨 모터(300)의 회전자의 회전속도에 의해 발생하는 역기전력크기(E)를 제로 크로싱 위치 검출부(520)로부터 수신하여 중성점 전압을 추정한다. 이하에서는 추정된 중성점 전압(Vnop)을 발생하기 위한 원리를 설명한다.
도 4는 비엘디씨 모터의 역기전력과 전류 파형 사이의 위상각을 나타내는 그래프인데, 도 4에 도시한 바와 같이, 회전자의 회전에 의해 유도되는 각 상의 역기전력()의 파형은 120도 플랫-탑 형태의 사다리꼴을 가진다. 도 4에서, 회전자의 회전에 의해 유도되는 각 상의 역기전력()은, 인버터(200)를 통하여 역기전력의 플랫-탑 파형 부분(E)과 120도 구형파 전류인 각 상의 전류()가 서로 일치하도록 공급되어야 비엘디씨 모터(300)에 발생하는 토크가 리플이 없는 균일한 값이 된다. 이때, 각 상의 역기전력의 플랫-탑 파형 부분(E)보다 120도 구형파 전류인 각 상의 전류가 앞서서 흐르는 경우는 위상각 차(α)가 영(0)보다 작은 경우이며 이때의 위상각 차를 진상 위상차(leading α)라고 한다. 각 상의 역기전력()의 플랫-탑 파형 부분(E)보다 120도 구형파 전류인 각 상의 전류()가 더 늦게 흐르는 경우는 위상각 차(α)가 영(0)보다 큰 경우이며, 이때의 위상각 차를 지상 위상차(lagging α)라고 한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 각 상의 역기전력()을 정확히 추정해 내고 상 전류()의 위상을 역기전력()의 위상과 일치시켜야 비엘디씨 모터(300)에 토크리플이 발생하지 않는다.
도 5는 위상각의 차이에 의해 발생하는 중성점 전압 파형을 나타내는 그래프인데, 도 5의 (a)는 도 4에 도시한 위상각 차이가 영(0), 도 5의 (b)는 위상각 차이가 진상, 도 5의 (c)는 위상각 차이가 지상인 경우의 각각에 대한 비엘디씨 모터(300)의 중성점 전압 파형을 나타내고 있다. 도 5(a)에서, 위상각 차가 영인 경우의 단자전압은 각각 60도 간격으로 커뮤테이션 구간마다 한번씩 발생하므로, 비엘디씨 모터(300)가 한번 회전하는 360도에서 6개의 커뮤테이션 구간 중성점 전압 펄스가 발생한다. 도 5(b)의 위상각 차가 진상인 경우는, 도 5(a)와 같은 커뮤테이션 구간 중성점 전압 펄스가 나타난 직후에 인버터(200)의 정상동작 구간에서 새로운 중성점 전압 성분이 추가로 나타나고, 도 5(c)의 위상각 차가 지상인 경우에는 도 5(a)와 같은 커뮤테이션 구간 중성점 전압 펄스가 나타나기 직전에 인버터(200)의 정상동작 구간에서 새로운 중성점 전압 성분이 추가로 나타남을 알 수 있다. 이처럼, 위상각 차가 발생하지 않는 경우와 위상각 차가 진상 및 지상인 경우를 비교하여 보면, 인버터(200)의 정상동작 구간에서의 중성점 전압 성분은 위상각이 서로 일치하지 못하는 경우에 발생함을 알 수 있다. 세 가지 경우에 동일하게 나타나는 펄스 형태의 중성점 전압이 나타나는 구간은 인버터(200)가 커뮤테이션 모드(commutation mode)로 동작하는 구간이다.
중성점 전압의 산출을 설명하기 위해, 도 3의 스위치(Q1)와 스위치(Q6)가 펄스 폭 변조(PWM)동작을 수행하고 있는 정상동작(normal mode)구간을 고려한다. 상기한 정상동작 구간이란, 커뮤테이션이 일어나지 않는 구간 즉, 인버터(200)의 임의의 스위치가 2개만 동작하고 있는 구간을 말한다. 예를 들어, 인버터(200)의 스위치(Q1) 및 스위치(Q6)가 온 상태인 경우 즉, a 상에서 비엘디씨 모터(300)를 거쳐 b 상으로 전류가 흐르는 정상동작 모드의 동작에 대해서 설명한다. 이와 대비되는 커뮤테이션 모드 구간은 전류의 흐름을 바꾸기 위해 임의의 스위치 3개가 동시에 동작하는 과도기 구간을 말한다.
인버터(200)의 정상동작 구간, 예를 들어, a 상에서 b 상으로 전류가 흐르는 정상동작 구간에서 발생하는 중성점 전압(Vno)은 수학식 1과 같이 산출된다.
: a 상의 역기전력, : b 상의 역기전력.
상기한 수학식 1은 실제로 역기전력을 정확히 알아내기는 어렵기 때문에 사용하기에는 부적합한 식이므로 쉽게 산출해 낼 수 있는 중성점 전압 추정 식이 필요하다. 인버터의 정상동작 구간에서 나타날 수 있는 중성점 전압을 추정하기 위해, 중성점 전압 추정부(530)는 다음의 수학식 2와 같은 추정식으로부터 추정 중성점 전압(Vnop)을 산출한다.
(S : 인버터의 스위칭 함수 (1 또는 -1), R : 모터의 권선 저항, L : 모터의 권선 인덕턴스, E : 모터 상 역기전력의 크기, Vd : 직류 입력 전압, id : 직류 전류).
상기한 수학식 2에서, 직류 입력 전압(Vd)이 일정한 전압원이고, 비엘디씨 모터(300)의 권선 저항(R) 및 인덕턴스(L)가 미리 정해진 값이며, 스위칭 함수(S)가 인버터(200)의 동작 특성에 의해 1인 경우(스위치가 온 된 상태)라면, 상기한 수학식 2에 따른 중성점 전압의 추정값을 산출하기 위한 필요 정보는 직류 전류(｜id｜)와 비엘디씨 모터(300)의 회전속도에 의해 결정되는 역기전력 크기의 값(E)뿐이다. 그러므로, 중성점 전압 추정부(530)는 직류전류 센서(510)로부터 검출된 직류 전류(｜id｜)와 각 상의 역기전력 크기(E)로부터 추정 중성점 전압(Vnop)을 산출할 수 있다. 상기한 스위칭 함수(S)는 스위치(Q1~Q6)의 상태에 따른 함수 값으로서, 스위칭 함수(S)값이 1이라는 의미는 인버터(200)의 스위치(Q1~Q6)가 온(On) 되는 경우를 의미하며, 스위칭 함수(S)값이 -1이라는 의미는 인버터(200)의 스위치가 오프(Off) 되는 경우를 의미한다. 스위칭 함수(S)값의 정의는 본 발명이 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 도 6은 비엘디씨 모터에서 실측된 중성점 전압과 본 발명의 실시 예에 의해 추정되는 중성점 전압 파형을 나타내는 그래프인데, 도 6의 (a)는 인버터(200)로 구동되는 비엘디씨 모터(300)에서 실측되는 중성점 전압 파형을 나타내며, 도 6의 (b)는 인버터(200)의 정상동작 동작에서 추정식인 상기 수학식 2에 의해 산출된 중성점 전압 파형을 나타낸다.
제1 가산부(540)는 중성점 전압 추정부(530)로부터 추정된 중성점 전압(Vnop)을 수신하고, 위상각의 차가 영(0)이 되도록 하기 위하여 중성점 전압 기준값(Vno = 0)과 추정된 중성점 전압(Vnop)을 가산한다. 상기한 중성점 전압 기준 값(Vno = 0)은 위치 추정부(500)에 포함된 임의의 보상값 제공수단을 통해 공급될 수도 있고, 마이컴 등의 외부장치(도시하지 않음)로부터 공급되는 보상값일 수도 있으며, 본 발명이 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. PI 제어부(550)는 제1 가산부(540)로부터 가산된 추정된 중성점 전압(Vnop)과 중성점 전압 기준 값((Vno = 0) 사이의 오차 신호값을 수신하여 비례 적분 제어를 수행하여 제2 회전자 위치값(θ2)을 생성한다. 제2 가산부(560)는 제로 크로싱 위치 검출부(520)에서 생성된 제1 회전자 위치값(θ1)과 PI 제어부(550)에서 생성된 제2 회전자 위치값(θ2)을 가산한 후, 최종적인 회전자 위치 추정 신호(θ)를 생성하고, 생성된 위치 추정 신호(θ)를 전류 제어부(600)에 전달한다. 전류 제어부(600)는 위치 추정부(500)의 출력값인 위치 추정 신호((θ)를 수신하여, 인버터(200)의 스위치(Q1~Q6)에 대한 타이밍 제어를 수행한다.
도 7은 위치 추정 오차의 보상에 따른 중성점 전압 추정 결과를 나타내는 그래프이다. 도 7의 (a)는 시간의 경과에 따른 비엘디씨 모터(300)의 회전자 위치 추정값을 나타내는 그래프인데, 회전자의 위치 추정 오차가 영보다 큰(+) 경우는 지상, 위치 추정 오차가 영보다 작은(-) 경우는 진상을 나타낸다. 도 7의 (a)는, 초기의 위치 추정 오차가 진상 위상차 20도인 경우에서 시작하여, 본 발명의 실시 예에 따른 위치 추정 및 중성점 전압의 보상이 0.05초에서 실행되면서 위치 추정 오차가 줄어들고 최종적으로 위치 추정 오차가 제로(0)가 됨을 나타낸다. 도 7의 (b)는 상기한 수학식 2에 의해 추정된 인버터(200)의 정상동작 구간에서 발생하는 중성점 전압 성분이 위치 추정부(500)에 의해 보상되어 제거되는 현상을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 위치 추정 오차를 보상한 후의 역기전력과 전류의 위상 관계 및 이에 따른 중성점 전압을 나타내는 그래프인데, 도 8의 (a)는 a 상에 흐르는 전류()와 a 상의 역기전력()이 지상 위상차를 가지므로 위치 추정 오차가 발생한 경우이다. 도 8의 (b)는 위치 추정부(500)가 위치 추정 오차를 보상한 후, 보상된 위치 추정 결과를 기초로 전류 제어부(600)가 인버터(200)의 스위치(Q1~Q6)에 대한 타이밍 제어를 수행한 후의 역기전력과 전류의 위상 관계 및 이에 따른 중성점 전압을 나타낸다.
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 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어 시스템 및 그 방법은 비엘디씨 모터의 속도 변화에 관계없이 비엘디씨 모터의 중성점 전압을 이용해 회전자 위치를 정밀하게 추정하여 비엘디씨 모터의 회전을 제어할 수 있다. 또한, 본 발명은 종래의 비엘디씨 모터 제어 방식에 비해 비엘디씨 모터의 전체의 속도 범위에 걸쳐서 보다 안정적이고 정밀한 회전자의 위치 정보 추출함으로써 위치 추정 오차를 감소할 수 있다. 또한, 본 발명은 비엘디씨 모터의 회전자의 위치를 인식하는 홀센서 등의 위치 검출 센서 없이도 단자전압을 이용하여 회전자의 위치를 추정할 수 있으므로, 비엘디씨 모터의 중량 및 부피를 감소할 수 있고, 전력 밀도를 향상시킬 수 있으며, 시스템의 제작 가격 경쟁력의 강화 등의 효과가 있다. 이처럼, 본 발명은 추가되는 센서나 별도의 장치 없이도 단자전압을 이용하여 비엘디씨 모터의 제어를 구현함으로써, 간단하고 신뢰성이 높은 시스템을 제공하며, 가전기기, 로봇, 산업기기 등의 소형화 및 정밀화에 활용할 수 있다.
도 1은 종래의 위상 오차가 발생한 경우 시간에 따라 비엘디씨 모터에 나타나는 토크리플 발생 관계를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 비엘디씨 모터 제어 시스템을 나타내는 구성 블록도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 위치 추정부를 보다 상세히 나타내는 구성 블록도.
도 4는 비엘디씨 모터의 역기전력과 전류 파형 사이의 위상각을 나타내는 그래프.
도 5는 위상각의 차이에 의해 발생하는 중성점 전압 파형을 나타내는 그래프.
도 6은 비엘디씨 모터에서 실측된 중성점 전압과 본 발명의 실시 예에 의해 추정되는 중성점 전압 파형을 나타내는 그래프.
도 7은 위치 추정 오차의 보상에 따른 중성점 전압 보상 결과를 나타내는 그래프.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 위치 추정 오차를 보상한 후의 역기전력과 전류의 위상 관계 및 이에 따른 중성점 전압을 나타내는 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 전원 공급부
200 : 인버터
300 : 비엘디씨 모터
400 : 단자전압 검출부
500 : 위치 추정부
600 : 전류 제어부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 3상의 코일로 이루어지는 고정자 및 회전자를 포함하는 비엘디씨 모터의 제어 시스템에 있어서,
    복수개의 스위치로 이루어지며, 전원공급부로부터 직류 전원을 인가받아 3상의 교류 전원으로 변환시켜 상기 비엘디씨 모터의 고정자에 인가하는 인버터;
    상기 인버터와 상기 비엘디씨 모터 사이에 연결되어, 3상의 단자전압을 검출하는 단자전압 검출부;
    상기 단자전압 검출부에서 측정되는 3상의 단자전압을 필터링하여 위상차를 갖는 단자전압 신호로 변환하는 필터부;
    상기 필터부로부터 상기 위상차를 갖는 단자전압 신호를 수신하여 상기 회전자의 제1 위치 정보를 생성하는 제로 크로싱 위치 검출부;
    상기 인버터의 정상 동작구간에서, 상기 전원공급부로부터 공급되는 직류전류와 상기 비엘디씨 모터의 회전에 따라 발생하는 역기전력의 크기에 근거하여, 상기 코일의 중성점의 전압을 추정하는 중성점 전압 추정부;
    상기 추정된 중성점 전압을 보상하여 상기 인버터의 정상 동작 구간에서 중성점 전압이 0이 되도록 하기 위한 회전자의 제2 위치 정보를 생성하는 중성점 전압 보상부;
    상기 제1 위치 정보와 상기 제2 위치 정보를 가산하여 회전자의 위치 추정 정보를 생성하는 가산부; 및
    상기 위치 추정 정보에 기초하여, 상기 복수개의 스위치들의 동작을 제어하는 제어 수단
    을 포함하는 비엘디씨 모터 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중성점 전압 보상부는
    상기 추정된 중성점 전압과 상기 중성점 전압 기준값을 가산하는 가산기; 및
    상기 가산기의 출력을 비례 적분 제어하여 상기 제2 위치 정보를 생성하는 비례 적분 제어기를 포함하는 비엘디씨 모터 제어 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 중성점 전압 추정부는
    (S : 상기 스위칭 수단의 스위칭 함수, R : 상기 비엘디씨 모터의 권선 저항, L : 상기 비엘디씨 모터의 권선 인덕턴스, E : 상기 비엘디씨 모터 각 상의 역기전력의 크기, Vd : 상기 스위칭 수단에 공급되는 직류 입력 전압, id : 상기 스위칭 수단에 공급되는 직류 전류)의 수학식을 이용해 상기 추정 중성점 전압(Vnop)을 산출하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터 제어 시스템.
  5. 삭제
  6. 3상의 코일로 이루어지는 고정자 및 회전자를 포함하는 비엘디씨 모터를, 복수개의 스위치로 이루어지며 전원공급부로부터 직류 전원을 인가받아 3상의 교류 전원으로 변환시켜 상기 고정자에 인가하는 인버터 및 상기 인버터와 상기 비엘디씨 모터 사이에 연결되어 3상의 단자전압을 검출하는 단자전압 검출부를 이용하여 제어하는 방법에 있어서,
    상기 단자전압 검출부로 출력되는 각 상의 단자전압을 필터링하여 위상차를 가지는 단자전압 신호로 변환하는 단계;
    상기 단자전압 신호의 파형이 영점을 통과하는 시간을 검출하여 그로부터 상기 회전자의 제1 위치 정보를 검출하는 단계;
    상기 인버터의 정상 동작구간에서, 상기 전원공급부로부터 공급되는 직류전류와 상기 비엘디씨 모터의 회전에 따라 발생하는 역기전력의 크기에 근거하여 상기 코일의 중성점의 전압을 추정하는 단계;
    상기 추정된 중성점 전압을 보상하여 상기 인버터의 정상 동작구간에서 중성점 전압이 0이 되도록 하기 위한 회전자의 제2 위치 정보를 생성하는 단계;
    상기 제1 위치 정보와 상기 제2 위치 정보를 가산하여 회전자의 위치 추정 정보를 생성하는 단계; 및
    상기 위치 추정 정보에 기초하여, 상기 복수개의 스위치들의 동작을 제어하는 단계
    를 포함하는 비엘디씨 모터 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 위치 추정 신호 생성 단계는
    (S : 상기 스위칭 수단의 스위칭 함수, R : 상기 비엘디씨 모터의 권선 저항, L : 상기 비엘디씨 모터의 권선 인덕턴스, E : 상기 비엘디씨 모터 각 상의 역기전력의 크기, Vd : 상기 스위칭 수단에 공급되는 직류 입력 전압, id : 상기 스위칭 수단에 공급되는 직류 전류)의 수학식을 이용해 상기 추정 중성점 전압(Vnop)을 산출하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터 제어 방법.
KR10-2002-0041295A 2002-07-15 2002-07-15 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어시스템 및 그 방법 KR100474955B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0041295A KR100474955B1 (ko) 2002-07-15 2002-07-15 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어시스템 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2002-0041295A KR100474955B1 (ko) 2002-07-15 2002-07-15 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어시스템 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040008005A KR20040008005A (ko) 2004-01-28
KR100474955B1 true KR100474955B1 (ko) 2005-03-10

Family

ID=37317270

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2002-0041295A KR100474955B1 (ko) 2002-07-15 2002-07-15 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어시스템 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100474955B1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140057809A (ko) * 2012-11-05 2014-05-14 현대모비스 주식회사 모터의 위치센서 보상 제어방법 및 시스템
KR101448677B1 (ko) * 2013-09-04 2014-10-10 계양전기 주식회사 Bldc 모터의 회전자 위치 추정 장치 및 방법
KR102177722B1 (ko) 2013-10-01 2020-11-11 현대모비스 주식회사 2 모드 중성점 권선 구현 모터 및 이를 적용한 전기 자동차
KR102255319B1 (ko) 2014-07-08 2021-05-24 현대모비스 주식회사 2 모드 중성점 권선 구현 모터 및 이의 제어 방법
DE102020110419A1 (de) * 2020-04-16 2021-10-21 Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg Regelungsvorrichtung und Verfahren zur Reduktion des Kommutierungswinkelfehlers bei einem EC-Motor

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR950030460A (ko) * 1994-04-04 1995-11-24 오오따 유다까 정류자없는 직류전동기의 구동장치
KR980012821A (ko) * 1996-07-18 1998-04-30 구자홍 센서리스 비엘디씨 전동기의 구동방법
JPH11122974A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Daikin Ind Ltd 同期モータの回転子の回転位置検出方法およびその装置
JP2000175484A (ja) * 1998-12-03 2000-06-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd ブラシレスモータのセンサレス駆動制御装置
KR20010073775A (ko) * 2000-01-20 2001-08-03 구자홍 비엘디씨 모터의 회전자 위치 검출장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR950030460A (ko) * 1994-04-04 1995-11-24 오오따 유다까 정류자없는 직류전동기의 구동장치
KR980012821A (ko) * 1996-07-18 1998-04-30 구자홍 센서리스 비엘디씨 전동기의 구동방법
JPH11122974A (ja) * 1997-10-17 1999-04-30 Daikin Ind Ltd 同期モータの回転子の回転位置検出方法およびその装置
JP2000175484A (ja) * 1998-12-03 2000-06-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd ブラシレスモータのセンサレス駆動制御装置
KR20010073775A (ko) * 2000-01-20 2001-08-03 구자홍 비엘디씨 모터의 회전자 위치 검출장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20040008005A (ko) 2004-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3057225B1 (en) Motor driving apparatus
JP5411428B2 (ja) 電気モータのための制御回路、電気モータの角度位置を決定し、電気モータの回転方向を決定するための方法
US8461796B2 (en) Motor drive circuit for driving a synchronous motor
KR101961106B1 (ko) 센서리스 제어 방법 및 장치
US9729099B1 (en) Sensorless control of AC induction motor method and apparatus
US20060145639A1 (en) Brushless DC motor system and method of controlling the same
ITMI971621A1 (it) Avvolgimento su asse in quadratura per controllo senza rivelatori di posizione angolare di rotore di un motore monofase a magneti
US20160056743A1 (en) Motor drive control apparatus and motor drive control method
Sundeep et al. Robust position sensorless technique for a PMBLDC motor
JP2019195256A (ja) モータ駆動回路、モータ駆動方法、及びこれを用いるモータ装置
US20170163185A1 (en) Method for sensorless commutation of a brushless direct current motor
EP2755319B1 (en) Control system for synchronous motor
US8344672B2 (en) Motor drive control circuit
KR100474955B1 (ko) 중성점 전압 보상을 기반으로 한 비엘디씨 모터의 제어시스템 및 그 방법
CN105359404B (zh) 用于无传感器式地获知电机的转子位置的方法和装置
US7161324B1 (en) Device for estimating pole position of synchronous motor
JP2002204592A (ja) インバータ装置
JP4121718B2 (ja) インバータ装置
KR100457360B1 (ko) 커뮤테이션 토크리플을 저감하는 비엘디씨 모터 구동시스템 및 그 방법
CN110620459B (zh) 用于操作bldc电动机的驱动电路
KR101733878B1 (ko) 강압 변환 회로 및 이를 이용한 센서리스 브러시리스 직류모터 구동 제어 장치
CN116868500A (zh) 控制无刷永磁电机的方法
US20050127858A1 (en) PWM motor control in the current mode with positive disconnection
KR100984251B1 (ko) 최대 출력 알고리즘을 이용한 ｂｌｄｃ 전동기 제어장치
Tripathi et al. Speed sensorless control of AC machines using direct flux control scheme

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
J201 Request for trial against refusal decision
AMND Amendment
B701 Decision to grant
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120131

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130205

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee