KR100486587B1 - 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법에 관한 것으로, 일정 토크 영역 또는 일정 속도 제어 영역에서의 역기전력과 토크축 인가전압(Vq)을 비교하여 모터의 락킹 상태를 검출함으로써, 모터에 지나친 전류가 인가되지 않도록 하여 모터의 손상을 방지하도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 영구 자석형 동기모터를 센서리스로 제어하는 장치에 있어서, 모터가 기동되어 일정 속도 영역 또는 일정 토크 영역에서 구동되면, 모터의 역기전력과 모터의 토크축 인가전압을 비교하는 제1 과정과; 상기 제1 과정의 비교결과,모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압보다 크면 모터가 락킹 상태임을 검출하고, 모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압 보다 작으면 모터가 정상 구동 상태임을 검출하는 제2 과정으로 이루어진다.

Description

센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법{LOCKING DETECTION METHOD FOR SENSORLESS BLDC MOTOR}

본 발명은 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법에 관한 것으로, 특히 일정 토크 영역 또는 일정 속도 제어 영역에서의 역기전력과 토크축 인가전압(Vq)을 비교하여 모터의 락킹 상태를 검출함으로써, 모터에 지나친 전류가 인가되지 않도록 하여 모터의 손상을 방지하도록 한 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법에 관한 것이다.

일반적으로, 비엘디씨모터는 효율이 높은 모터로서 최근에 가전제품에 사용되는 모터로서 이용되고 있다.

이러한 비엘디씨 모터는 유도 모터와는 달리 구동하는데 회전자의 위치 신호가 있어야 한느데, 위치 신호 검출 소자로서 홀 소자 또는 엔코더, 레졸버등을 사용한다.

도1은 종래 비엘디씨 모터 구동장치의 구성을 보인 블록도로서, 정류 다이오드는 교류 전압이 입력되면 직류 전압으로 정류하고, 그 직류 전압은 커패시터를 통해 6개의 전력소자로 구성된 인버터부에 인가되며, 상기 인버터부는 직류전압을 3상의 교류 전압으로 변환하여 이를 BLDC모터에 인가하여 BLDC 모터를 회전시킨다.

상기 6개의 전력소자는 마이콤에서 출력되는 제어신호에 의해서 제어되는데 이러한 제어신호는 BLDC 모터가 최적의 상태로 동작되도록 만들어져야 한다.

상기 BLDC모터가 인가되는 3상 교류 전원은 그 위상과 전압의 크기가 인버터의 동작에 의해 결정되는데, 특히 전압의 위상은 BLDC모터의 회전자의 신호에 의해 결정된다.

상기 도 1에는 회전자의 위치를 검출하기 위해 홀 소자를 사용한 경우로서, 인버터에서 인가하는 전압의 위상이 결정되는 시점은 마이컴에 의해 결정되는데,즉 도2와 같은 파형도에 의해, 상기 마이컴은 회전자의 위치를 검출하는 홀소자에서 검출된 회전자의 위치 신호에 의해 모터가 원하는 방향으로 토크를 발생하도록 각 상의 전압 위상을 결정하는 것이다.

그러나,과도한 부하가 인가되거나 모터의 기계적인 고장 등으로 인버터를 통해 모터에 전압을 공급하여 주어도 회전자가 회전하지 않는 경우도 발생될 수 있는데, 이러한 경우 계속적인 제어가 곤란하므로 회전자가 정지상태임을 검출하여 에러 상태로 표시해야 한다.

도3는 모터의 락킹상태(회전자가 정지되어있는 상태)를 검출하는 종래의 방법이 도시되어 있다.

먼저 첫 스텝에서 홀 센서의 위치 신호에 맞게 전류가 흐르도록 모터에 전압을 인가하여 모터를 기동하기 시작한다.

이에 따라, 모터가 기동되면 일정 전압이 모터에 인가될때까지 모터의 인가전압을 증가시키고, 이때 일정전압의 전압을 제어하는 출력을 내는 마이콤에서 모터의 구동 속도를 충분히 인지할 수 있으면서도, 될 수 있으면 작은 값이 되도록 하는 것이 좋다.

모터의 입력 전압을 일정 전압까지 증가시킨 후에는 홀소자의 출력신호로 부터 모터의 운전 주파수를 계산하고, 이러한 계산을 통해 얻어진 주파수를 미리 예축하여 저장하고 있는 주파수와 비교해 저장되어 있는 주파수가 더 높다면 모터가 과부하 또는 모터가 고장난 것으로 판단하여 모터의 락킹 상태 검출을 알리기 위한 검출신호를 발생한다.

반면에, 모터의 운전주파수가, 미리 저장되어있는 주파수보다 큰 경우는 정상적인 경우로 판단하여 모터를 계속 운전하도록 한다.

상술한 종래 기술은, 모터의 락킹을 판단하기 위한 위치검출신호를 홀센서를 이용하여 검출하는데, 이에 따라 위치 검출 센서를 사용하지 않는 센서리스 방법으로 모터를 구동시에 발생할 수 있는 모터의 락킹을 검출하지 못하여 모터가 손상되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 일정 토크 영역 또는 일정 속도 제어 영역에서의 역기전력과 토크축 인가전압(Vq)을 비교하여 모터의 락킹 상태를 검출함으로써, 모터에 지나친 전류가 인가되지 않도록 하여 모터의 손상을 방지하도록 한 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 영구 자석형 동기모터를 센서리스로 제어하는 장치에 있어서, 모터가 기동되어 일정 속도 영역 또는 일정 토크 영역에서 구동되면, 모터의 역기전력과 모터의 토크축 인가전압을 비교하는 제1 과정과; 상기 제1 과정의 비교결과,모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압보다 크면 모터가 락킹 상태임을 검출하고, 모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압 보다 작으면 모터가 정상 구동 상태임을 검출하는 제2 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 영구 자석형 동기모터를 센서리스로 제어하는 장치에 있어서, 모터가 기동되어, 전류의 변화율이 충분히 작은 상태이면(거의 '0'에 가까운값) 모터의 역기전력과 모터의 토크축 인가전압을 비교하는 제1 과정과; 상기 제1 과정의 비교결과,모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압보다 크면 모터가 락킹 상태임을 검출하고, 모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압 보다 작으면 모터가 정상 구동 상태임을 검출하는 제2 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법에 대한 실시예의 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도4는 본 발명 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법이 적용되는 장치의 구성을 보인 블록도로서, 일반적인 구성은 도1과 동일하며, 다만 회전자의 위치를 종래에는 홀센서를 이용하여 검출하였지만, 도4에서는, 회전자 위치검출부를 구비하여, 비엘디씨 모터에 인가되는 전압과 전류를 검출하여 소정 연산함으로써 회전자의 위치를 검출한다.

즉, 정류 다이오드는 교류의 전압이 입력되면 직류 전압으로 정류하고, 그 직류 전압은 커패시터를 통해 6개의 전력소자로 구성된 인버터부 의해 3상의 교류전압으로 변환되고, 이 3상 교류전압이 BLDC 모터에 입력되어 BLDC 모터를 회전시킨다.

상기 6개의 전력 소자는 마이콤에서 출력되는 제어신호에 의해서 제어되는데 , 이러한 제어신호는 BLDC 모터가 최적의 상태로 구동되도록 만들어져야 한다.

이를 위해, 회전자의 위치 검출이 이루어져야 하며, 본 발명이 적용되는 센서리스 구동방법에서는 직접 회전자의 위치를 검출하는 센서대신에, 모터에 인가되는 전압과 전류를 이용하여 회전자의 위치를 계산하는 회전자 위치 검출부가 회전자의 위치를 검출한다.

상기 마이콤은 회전자 위치 검출부에서 출력된 위치 검출 신호를 이용하여 회전자의 위치에 맞는 전류가 모터에 흐르도록 각 상의 전압을 결정하여 출력하고, PWM 제어부는 상기 마이콤의 출력전압이 모터의 입력전압이 되도록 인버터의 6개의 전력 소자를 제어하는 PWM 신호를 출력하며, Gate Drive 부는 출력된 PWM 신호를 사용할 수 있는 크기와 전위가 되도록 변환하는 역활을 한다.

도5는 본 발명 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹검출방법에 대한 일실시예의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와같이 모터가 기동되어 일정 속도 영역 또는 일정 토크 영역에서 구동되면, 모터의 역기전력과 모터의 토크축 인가전압을 비교하는 제1 과정과; 상기 제1 과정의 비교결과,모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압보다 크면 모터가 락킹 상태임을 검출하고, 모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압 보다 작으면 모터가 정상 구동 상태임을 검출하는 제2 과정으로 이루어지며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 일반적인 BLDC 모터의 전압 전류식을 d-q 모델로 정리하면, 하기의 수학식과 같다.

[수학식]

이때, 상기 d,q는 각각 d축과 q축의 직교하는 두 축을 의미한다.

여기서, 센서리스에 의해 모터가 구동되는 경우,모터가 저속으로 회전하면 d축의 전류(id)는 모터의 토크를 발생하지 않으므로 0으로 제어한다.

만약, 모터가 기동 초기라면, 가속하기 위하여 lq의 값을 (+)값으로 증가시키거나 알정 값으로 유지하게 되는데, 이러한 경우 토크축 인가전압(Vq)은 역기전력 전압보다 (R*lq + L*diq/dt) 값만큼 큰 값을 가지게 된다.

즉 정상적으로 가속이 이루어지는 경우는 토크축 인가전압(Vq)의 값이 모터가 회전하는 회전수에 의해 결정되는 역기전력의 값보다 큰 값을 갖게 된다.

또한 모터가 일정 속도로 제어되는 경우에도, lq의 값은 변통이 없으므로 토크축 인가전압(Vq)의 값은 역기전력의 값보다 (R*lq + L*diq/dt)만큼 커야 하는데, 즉 Vd의 값이 역기전력의 값보다 (R*lq + L*diq/dt)값만큼 크지 못하다면 모터의 위치 검출이 잘못된 것이다.

특히 ,lq값의 변동이 적은 일정 속도 제어 영역 또는 일정 토크 제어 영역에서는 L*diq/dt의 값이 무시되므로 특히 그러한다.

따라서, 본 발명은 상술한 특성을 이용하여 일정 토크 또는 일정 속도 제어 영역에서, 역기전력과 토크축 인가전압(Vq)을 비교하여 역기전력의 값이 토크축 인가전압(Vq)보다 작으면 모터가 구속된 경우로 인정하는 것인데, 이를 상기 도5를 참조하여 설명한다.

우선, 모터가 기동되어 일정 속도 영역 또는 일정 토크 영역에서 구동되면, 모터의 역기전력과 모터의 토크축 인가전압을 비교하고, 그 비교결과,모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압보다 크면 모터가 락킹 상태임을 검출하고, 모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압 보다 작으면 모터가 정상 구동 상태임을 검출한다.

이후, 상기 모터가 락킹 상태로 검출되면 인버터를 정지시키고, 정상상태로 검출되면, 모터를 계속하여 구동시킨다.

여기서, 상술한 일정 속도 영역 또는 일정 토크 영역의 판단은 전류의 변화율(diq/dt)의 값이 '0'인 구간을 나타내는 것으로, 전류의 변화율(diq/dt)의 값이 어떤 임의의 작은 값과 비교하여 작은 값이면, 일정 속도영역 또는 일정 토크영역으로 간주할 수 있다.

따라서, 도6과 같이, 일정속도 구간과 일정토크 구간을 판단하는 과정을 전류의 변화율(diq/dt)이 충분히 작은 상태인지를 판단하여 작은 상태이면 일정 속도영역 또는 일정 토크 영역으로 간주하여 모터의 역기 전력과 토크축 인가전압(Vq)의 전압을 비교하여 모터가 락킹 상태인지 정상상태인지를 판단한다.

상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 일정 토크 영역 또는 일정 속도 제어 영역에서의 역기전력과 토크축 인가전압(Vq)을 비교하여 모터의 락킹상태를 검출함으로써,모터에 지나친 전류가 인가되지 않도록 하여 모터의 손상을 방지하고, 아울러 전기 제품으로서의 고장 여부의 확인과 정상적인 동작 수행의 여부를 확인하는 효과가 있다.

도1은 종래 비엘디씨 모터 구동장치의 구성을 보인 블록도.

도2는 도1에 있어서, 홀소자 신호에 따른 전류 파형도.

도3은 종래 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법에 대한 동작흐름도.

도4는 본 발명 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법이 적용되는 장치의 구성을 보인 블록도.

도5는 본 발명 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법에 대한 일실시예의 동작흐름도.

도6은 본 발명 센서리스 비엘디시 모터의 락킹 검출방법에 대한 일실시예의 동작흐름도.

Claims (4)

1. 영구 자석형 동기모터를 센서리스로 제어하는 장치에 있어서,

   모터가 기동되어 일정 속도 영역 또는 일정 토크 영역에서 구동되면, 모터의 역기전력과 모터의 토크축 인가전압을 비교하는 제1 과정과;

   상기 제1 과정의 비교결과,모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압보다 크면 모터가 락킹 상태임을 검출하고, 모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압 보다 작으면 모터가 정상 구동 상태임을 검출하는 제2 과정으로 수행함을 특징으로 하는 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법.
2. 제1 항에 있어서, 모터가 락킹 상태로 검출되면 인버터를 정지시키고, 모터가 정상상태로 검출되면, 모터를 계속하여 구동하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법.
3. 영구 자석형 동기모터를 센서리스로 제어하는 장치에 있어서,

   모터가 기동되어, 전류의 변화율이 충분히 작은 상태이면(거의 '0'에 가까운값) 모터의 역기전력과 모터의 토크축 인가전압을 비교하는 제1 과정과;

   상기 제1 과정의 비교결과,모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압보다 크면 모터가 락킹 상태임을 검출하고, 모터의 역기전력이 모터의 토크축 인가전압 보다 작으면 모터가 정상 구동 상태임을 검출하는 제2 과정으로 수행함을 특징으로 하는 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법.
4. 제3 항에 있어서, 모터가 락킹 상태로 검출되면 인버터를 정지시키고, 모터가 정상상태로 검출되면, 모터를 계속하여 구동하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 비엘디씨 모터의 락킹 검출방법.