KR100489583B1 - 브러시리스 직류 모터의 제어 장치 - Google Patents

브러시리스 직류 모터의 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 브러시리스 직류 모터의 제어 장치에 관한 것으로, 모터에 공급되는 상 전압의 크기에 따라 제어 입력을 적절히 조절함으로써 직류단 전압이나 모터의 역기전력 상수 등이 변경되더라도 안정되고 신속한 센서리스 운전 모드로의 전환이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치는 상용 교류 전원을 다상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 모터에 제공하는 전력 변환부를 포함한다. 단자전압 검출부는 브러시리스 직류 모터에 제공되는 다상 교류 전원의 상 전압의 변화를 검출하여 단자전압 검출신호를 발생시킨다. 제어부는 단자전압 검출부에서 발생하는 단자전압 검출신호로부터 상 전류와 역기전력의 위상차를 판별하고, 위상차에 따라 상 전압의 부족 입력 또는 과도 입력을 보상하여 상 전류와 역기전력의 위상이 동기되도록 제어한다.

Description

브러시리스 직류 모터의 제어 장치{CONTROL APPARATUS FOR BRUSHLESS DC MOTOR}
본 발명은 모터(motor)의 제어 장치에 관한 것으로, 특히 브러시리스 직류 모터(brushless DC motor)의 센서리스 운전 모드의 제어 장치에 관한 것이다.
브러시리스 직류 모터는 브러시와 정류자 등의 기계적인 요소 대신 스위칭 소자로 구성된 정류 회로를 사용한다. 이 브러시리스 직류 모터는 마모에 따른 브러시의 교체가 필요 없으며, 전자 장해(electromagnetic interference)와 구동 소음이 적은 것이 특징이다.
브러시리스 직류 모터는 상용 교류 전원을 펄스 형태의 다상 교류 전원(일반적으로 3상)으로 변환하는 전력 변환 장치를 통해 전원을 공급받는다. 브러시리스 직류 모터의 속도를 제어하는 제어 장치는, 전력 변환 장치에서 브러시리스 직류 모터로 공급되는 다상 교류 전원의 상 전류 정보와 회전자의 위치 및 속도 정보를 근간으로 하여 브러시리스 직류 모터의 회전 속도를 제어한다. 제어 장치는 브러시리스 직류 모터의 회전 속도가 외부로부터 입력되는 속도 명령을 추종하도록 제어한다.
브러시리스 직류 모터로부터 최적의 효율을 이끌어내기 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환(commutation) 시점을 정밀하게 일치시켜야 한다. 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치 검출을 위해 인코더(encoder)와 같은 위치 검출 센서를 이용한다. 인코더는 부피가 크고 가격이 높기 때문에 전기 회로를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 방안이 모색되었고, 그 결과로서 모터의 역기전력의 제로 크로싱 포인트(Zero Crossing Point)를 통해 회전자의 위치를 검출하는 전기 회로가 많이 사용되고 있다. 인코더와 같은 위치 검출 센서 대신 전기 회로를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 운전 모드를 센서리스 운전 모드라고 한다.
브러시리스 직류 모터의 센서리스 운전을 위해서는 센서리스 운전을 시작하기에 앞서 소정의 초기 기동이 요구되는데, 이를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래의 브러시리스 직류 모터의 센서리스 운전을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 인버터 및 제어 변수를 초기화하는 시스템 초기화를 실시하고(102), 2상(3상 모터의 경우)을 여자시켜 회전자를 강제로 정렬시킨다(104). 회전자의 정렬이 완료되면 상 전압과 구동 주파수를 미리 설정된 값까지 증가시키는 모터의 동기 가속을 실시한다(106). 동기 가속에 의해 구동 주파수와 상 전압이 일정 수준에 도달하면 구동 주파수는 고정시키고 상 전압은 가변시키면서, 이 때 발생하는 역기전력의 제로 크로싱 포인트를 검출하는 운전 모드 전환을 실시한다(108). 이와 같은 과정에서 검출되는 제로 크로싱 포인트를 이용하여 상 전류의 전환 및 모터의 회전 속도를 제어하는 센서리스 운전 모드를 실시한다(110).
도 2는 종래의 브러시리스 직류 모터의 센서리스 운전을 위한 초기 기동시의 주파수 및 상 전압의 변화를 나타낸 파형도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 구동 주파수(202)와 상 전압(204)을 각각 f0과 V0에서 f1과 V1까지 상승시킨 다음, 구동 주파수(202)는 f1로 고정시키고 상 전압(204)은 V1 부근에서 가변시킨다. 상 전압(204)을 가변시키는 동안 역기전력의 제로 크로싱 포인트를 검출하여 회전자의 위치 정보를 획득하고, 모터의 고정자의 자계와 회전자의 자계가 안정된 범위 내로 동기되면 센서리스 운전 모드로 전환하여 브리시리스 직류 모터를 운전한다.
그러나 직류단 전압이나 모터의 역기전력 상수 등이 변경되면 제어 입력을 최소로 하더라도 제로 크로싱 포인트를 검출하는데 비교적 긴 시간이 소요되어 브러시리스 직류 모터를 정상적으로 운전하는데 필요한 시간이 길어진다. 때로는 제로 크로싱 포인트가 검출되지 않아 센서리스 운전이 불가능한 경우도 있다.
본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치는 모터에 공급되는 상 전압의 크기에 따라 제어 입력을 적절히 조절함으로써 직류단 전압이나 모터의 역기전력 상수 등이 변경되더라도 안정되고 신속한 센서리스 운전 모드로의 전환이 가능하도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치는 상용 교류 전원을 다상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 모터에 제공하는 전력 변환부를 포함한다. 단자전압 검출부는 브러시리스 직류 모터에 제공되는 다상 교류 전원의 상 전압의 변화를 검출하여 단자전압 검출신호를 발생시킨다. 제어부는 단자전압 검출부에서 발생하는 단자전압 검출신호로부터 상 전류와 역기전력의 위상차를 판별하고, 위상차에 따라 상 전압의 부족 입력 또는 과도 입력을 보상하여 상 전류와 역기전력의 위상이 동기되도록 제어한다.
본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 3은 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치를 나타낸 블록도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 컨버터(304)와 캐패시터(308), 인버터(306)로 구성되는 전력 변환 장치는 교류 전원 장치(302)로부터 공급되는 교류 전원을 펄스 형태의 3상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 모터(310)에 공급한다. 인버터(306)에서 브러시리스 직류 모터(310)로 공급되는 3상 교류 전원(U, V, W)의 전압이 단자전압 검출부(312)를 통해 검출된다. 단자전압 검출부(312)의 단자전압 검출신호(UC, VC, WC)는 제어부(314)에 제공되어 인버터 제어 신호를 발생시키는 근간이 된다. 또, 단자전압 검출부(312)는 역기전력의 제로 크로싱 포인트 정보를 제공한다 제어부(314)는 단자전압 검출부(312)로부터 입력되는 단자전압 정보와 제로 크로싱 포인트 정보를 참조하여 브러시리스 직류 모터(310)의 회전 속도를 제어한다. 제어부(314)는 인버터(306)에서 출력되는 3상 교류 전원(U, V, W)의 상 전환(phase commutation) 시점 및 상 전류의 크기를 제어하기 위한 인버터 제어 신호를 출력하여 브러시리스 직류 모터(310)의 회전 속도가 속도 명령을 추종하도록 한다.
삭제
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치에서, 3상 풀-브리지 인버터(306)의 구성을 나타낸 회로도로서, 2상 여자 패턴의 3상 교류 신호들(P1~P6)에 의해 각각의 스위칭 소자 즉 트랜지스터들(Q1~Q6)이 스위칭되어 상 전류의 전환이 이루어진다.
도 5는 도 3에 나타낸 단자 전압 검출부(312)의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 단자전압 검출부(312)에는 브러시리스 직류 모터(310)에 공급되는 단자 전압(U, V, W)과 직류단 캐패시터(308) 양단의 직류단 전압(VDC)이 입력된다. 이 두 종류의 전압은 단자전압 검출부(312)를 구성하는 저항들(R1, R2, R3, R4)에 의해 일정 비율로 분압된 후 비교기(502, 504, 506)에 의해 비교된 결과가 단자전압 검출신호(UC, VC, WC)로서 출력된다. 단자전압 검출신호(U C, VC, WC) 는 각 상의 단자 전압 을 직류단 캐패시터(308) 양단의 직류단 전압(VDC) 의 1/2과 비교하여 단자 전압이 VDC/2 보다 크면 1 상태를 출력하고, VDC/2 보다 작으면 0 상태를 출력한다.
상 전류와 역기전력의 위상이 일정 범위 이내에서 동기되지 않으면 오픈 구간(전기각 60°에서 발생하는 트리거의 폭이 정상적인 크기를 벗어나는데, 이를 도 6 내지 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 6과 도 7은 상 전압의 크기가 적절한 경우를 나타낸 것으로서, 도 6은 상 전류 및 역기전력의 파형을 나타낸 도면이고, 도 7은 이 때의 단자전압 검출부(312)에서 출력되는 단자전압 정보를 나타낸 도면이다. 도 6과 같이 상 전압의 크기가 적절하면 각 상의 상 전류와 역기전력의 위상차가 일정 범위 이내의 값을 갖게 되어 사실상 동기되며, 이 때 도 7의 V상 단자전압 검출신호(VC) 및 W상 단자전압 검출신호(VW)에 나타나는 각각의 트리거 신호(702, 704)의 폭은 전기각 30°에매우 근접한다.
도 8과 도 9는 상 전압의 크기가 부족한 경우를 나타낸 것으로서, 도 8은 상 전류 및 역기전력의 파형을 나타낸 도면이고, 도 9는 이 때의 단자전압 검출부(312)에서 출력되는 단자전압 정보를 나타낸 도면이다. 도 8과 같이 상 전압의 크기가 부족하면 각각의 상 전류의 위상이 역기전력의 위상보다 앞서며(lead), 이 때 도 9의 V상 단자전압 검출신호(VC) 및 W상 단자전압 검출신호(VW)에 나타나는 각각의 트리거 신호(902, 904)의 폭은 전기각 30°보다 훨씬 큰 60°에 달한다.
도 10과 도 11은 상 전압의 크기가 과도한 경우를 나타낸 것으로서, 도 10은 상 전류 및 역기전력의 파형을 나타낸 도면이고, 도 11은 이 때의 단자전압 검출부(312)에서 출력되는 단자전압 정보를 나타낸 도면이다. 도 10과 같이 상 전압의 크기가 과도하면 각각의 상 전류의 위상이 역기전력의 위상보다 뒤지며(lag), 이 때 도 11의 U상 단자전압 검출신호(VU) 및 W상 단자전압 검출신호(VW)에 나타나는 각각의 트리거 신호(1102, 1104)의 폭은 전기각 30°보다 훨씬 작으며, 그 수도 매우 많다.
이와 같이, 직류단 전압의 변동이나 역기전력 상수의 변동에 의해 각 상의 상 전압이 변화하더라도 각 상의 오픈 구간에서 발생하는 트리거의 특성을 통해 상 전압의 변동 정도를 판별하여 보상함으로써 역기전력의 제로 크로싱 포인트 검출이 보다 빠르게 이루어지도록 한다.
도 12는 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 방법을 나타낸 순서도로서, 각 상의 오픈 구간에서 발생하는 트리거의 특성에 따라 상 전압의 변동을 보상하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 각 상의 오픈 구간에서 트리거가 발생하는지를 판별하여(1202), 트리거가 발생하지 않으면 회전자가 60°회전하였는지를 판별한다(1204). 트리거가 발생하지 않고 회전자가 60°회전하였으면 상 전환을 실시하고(1206), 회전자가 60°회전하지 않았으면 트리거 판별 단계(1202)를 계속 수행한다.
트리거 판별 단계(1202)에서 트리거가 발생하면 상 전류와 역기전력의 위상이 동기되었는지를 판별하고(1208), 위상이 동기되었으면 센서리스 운전 모드로 전환(1210)하여 브러시리스 직류 모터를 구동한다. 위상이 동기되지 않았으면 상 전압의 부족 또는 과다를 판별하여 상 전압의 크기를 보상한다. 위상의 동기 여부는 트리거의 폭을 통해 알 수 있는데, 트리거의 폭이 전기각 30°보다 훨씬 크면 상 전압이 부족한 경우이고, 반대로 트리거의 폭이 전기각 30°보다 작고 그 수가 많으면 상 전압이 과도한 경우이다.
상 전압이 부족하면, 즉 트리거의 폭을 전기각 30°와 비교하여(1212) 트리거의 폭이 전기각 30°보다 훨씬 크면 상 전압의 크기를 부족분만큼 증가시킨 후(1214) 회전자의 60°회전 여부를 판별한다(1204).
반대로 상 전압이 과도한 경우에는 입력되는 상 전압을 최소로 하고, 대신 구동 주파수를 증가시켜서 상 전압의 부족분을 보상하도록 한다. 즉 트리거의 폭을 전기각 30°와 비교하여(1212) 트리거의 폭이 전기각 30°보다 훨씬 작고 그 수가 많으면(과도 입력), 상 전압(예를 들면 U상의 전압)이 최소 값(ULOW)인지를 판별하여(1216) 상 전압(U)이 최소 값(ULOW)에 도달할 때까지 감소시킨다(1218). 만약 상 전압(U)이 최소 값(ULOW)보다 크지 않으면 회전자가 60°회전하였는지를 판별하여(1204) 상 전환을 실시하거나(1206) 트리거 발생 판별 단계(1202)로 복귀한다. 상 전압(U)이 감소하여 최소 값(ULOW)에 도달하면(1220) 상 전압은 고정시키고 구동 주파수를 증가시켜서 상 전압의 부족분을 보상한다(1222).
본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치는 모터에 공급되는 상 전압의 크기에 따라 제어 입력을 적절히 조절함으로써 상 전압의 부족/과도를 보상함으로써 직류단 전압이나 모터의 역기전력 상수 등이 변경되더라도 안정되고 신속하게 센서리스 운전 모드로의 전환이 가능하도록 한다.
도 1은 종래의 브러시리스 직류 모터의 센서리스 운전을 위한 제어 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 종래의 브러시리스 직류 모터의 센서리스 운전을 위한 초기 기동시의 주파수 및 상 전압의 변화를 나타낸 파형도.
도 3은 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치를 나타낸 블록도.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치에서, 3상 풀-브리지 인버터의 구성을 나타낸 회로도.
도 5는 도 3에 나타낸 단자 전압 검출부의 구성을 나타낸 회로도.
도 6과 도 7은 상 전압이 적절한 크기일 때의 상 전류 및 역기전력의 파형과 단자전압 검출부에서 출력되는 단자전압 정보를 각각 나타낸 도면.
도 8과 도 9는 상 전압이 부족 입력될 때의 상 전류 및 역기전력의 파형과 단자전압 검출부에서 출력되는 단자전압 정보를 각각 나타낸 도면.
도 10과 도 11은 상 전압이 과도 입력될 때의 상 전류 및 역기전력의 파형과 단자전압 검출부에서 출력되는 단자전압 정보를 각각 나타낸 도면.
도 12는 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 방법을 나타낸 순서도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
302 : 교류 전원 장치
304 : 컨버터
306 : 인버터
308 : 캐패시터
310 : 브러시리스 직류 모터
312 : 단자전압 검출부
314 : 제어부

Claims (12)

  1. 상용 교류 전원을 다상 교류 전원으로 변환하여 상기 브러시리스 직류 모터에 제공하는 전력 변환부와;
    상기 브러시리스 직류 모터에 제공되는 다상 교류 전원의 상 전압의 변화를 검출하여 단자전압 검출신호를 발생시키는 단자전압 검출부와;
    상기 단자전압 검출부에서 발생하는 상기 단자전압 검출신호로부터 상 전류와 역기전력의 위상차를 검출하고, 검출된 상기 위상차로부터 상기 상 전압의 부족 입력 또는 과도 입력을 판별하며, 상기 상 전압의 부족 입력 또는 과도 입력을 보상하여 상 전류와 역기전력의 위상이 동기되도록 제어하는 제어부를 포함하는 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전력 변환부는,
    상기 상용 교류 전원을 직류로 변환하는 컨버터와;
    상기 직류 전원을 상기 다상 교류 전원으로 변환하는 인버터;
    상기 컨버터와 인버터를 연결하는 직류단 캐패시터를 포함하여 이루어지는 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단자전압 검출부는,
    상기 다상 교류 전원의 단자전압을 기준 전압과 비교하고;
    상기 다상 교류 전원의 단자전압이 상기 기준 전압보다 클 때 제 1 레벨의 단자전압 검출 신호를 발생시키고, 상기 다상 교류 전원의 상 전압이 상기 기준 전압보다 작을 때 제 2 레벨의 단자전압 검출 신호를 발생시키도록 이루어지는 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 기준 전압이 상기 직류단 캐패시터 양단에 나타나는 직류단 전압의 1/2 크기이고;
    상기 제 1 논리 레벨이 상기 직류단 전압의 1/2보다 크며, 상기 제 2 논리 레벨이 상기 직류단 전압의 1/2보다 작은 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 단자전압 검출부에 의해 검출되는 상기 상 전압의 변화가 상 전압의 오픈 구간에서 발생하는 트리거 신호의 폭인 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 트리거 신호의 폭이 전기각 30°보다 클 때 상기 상 전압이 부족 입력되는 것으로 판별하고, 상기 트리거 신호의 폭이 전기각 30°보다 작을 때 상기 상 전압이 과도 입력되는 것으로 판별하는 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 상 전압이 과도 입력되는 것으로 판별되면 상기 상 전압을 최소 허용치까지 감소시키고, 구동 주파수를 증가시켜 상기 상 전압이 상기 최소 허용치까지 감소한데 따른 부족분을 보상하도록 이루어지는 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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