KR100597731B1 - Sensorless bldc motor and speed controlling method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 3상의 코일이 감겨진 고정자와, 상기 고정자내에 수용되어 회전하는 회전자를 갖는 센서리스 BLDC모터 및 그 속도 제어방법에 관한 것이다. 본 센서리스 BLDC모터는, 상기 고정자의 역기전력에 기초한 각 상의 상신호를 발생하는 상신호발생부와; 상기 회전자의 회전속도를 산출하고, 상기 회전자의 회전속도가 공진영역내에 있을 경우, 상기 회전자의 쇄교각도의 사인값이 작아지도록 상기 쇄교각도를 조절하는 연산부와; 상기 연산부에서 연산된 쇄교각도에 따라, 상기 상신호의 지연시간이 작아지도록 조절하여 구동신호를 인버터에 제공하는 구동신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 역기전력을 감소시켜 회전속도를 상승시킴으로써, 회전자의 공진영역을 회피할 수 있게 된다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensorless YLDC motor having a stator wound around a three-phase coil, a rotor accommodated in the stator, and rotating therein, and a speed control method thereof. The sensorless PDC motor includes: a phase signal generator for generating a phase signal of each phase based on the counter electromotive force of the stator; Calculating a rotation speed of the rotor, and adjusting the chain bridge angle so that a sine value of the chain bridge angle of the rotor decreases when the rotation speed of the rotor is in a resonance region; And a driving signal generator for adjusting the delay time of the phase signal so as to reduce the delay time of the phase signal and providing the driving signal to the inverter according to the angle of operation calculated by the calculating unit. As a result, the resonance speed of the rotor can be avoided by reducing the counter electromotive force to increase the rotation speed.
Description
도 1은 센서리스 BLDC모터의 제어블럭도,1 is a control block diagram of a sensorless SLC motor;
도 2는 도 1의 센서리스 BLDC모터의 전기적 등가회로도,FIG. 2 is an electrical equivalent circuit diagram of the sensorless XLC motor of FIG. 1;
도 3은 본 발명에 따른 센서리스 BLDC모터의 게이트신호를 나타내는 그래프,3 is a graph showing a gate signal of a sensorless DCL motor according to the present invention;
도 4는 도 3의 센서리스 BLDC모터의 속도그래프,4 is a speed graph of the sensorless YLDC motor of FIG.
도 5는 종래의 센서리스 BLDC모터의 속도그래프이다. 5 is a speed graph of a conventional sensorless SLCD motor.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명> <Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10 : 마이컴 12 : 상전압검출부10: microcomputer 12: phase voltage detector
14 : 디지털이상기 16 : 스텝신호발생부14: digital phase shifter 16: step signal generation unit
18 : 모드선택부 20 : 상신호발생부18: Mode selector 20: Phase signal generator
22 : 펄스발생부 24 : 연산부22: pulse generator 24: calculator
30 : 인버터 32 : AND게이트30
34 : 인버터부34: inverter unit
본 발명은 센서리스 BLDC모터 및 그 속도 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 쇄교각도를 조절하여 회전자의 회전속도가 공진영역을 회피할 수 있도록 한 센서리스 BLDC모터 및 그 속도 제어방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
통상적으로 센서리스 BLDC모터는, 코일이 감겨진 고정자와, 고정자내에 수용되어 회전하여 부하를 구동하는 회전자를 포함하며, 고정자의 코일단자에 나타나는 역기전력에 기초하여 회전자의 위치를 파악하여 고정자에 공급되는 전압을 회로적으로 제어하게 된다. In general, a sensorless SLCD motor includes a stator in which a coil is wound and a rotor accommodated in the stator to rotate and drive a load. The sensorless SLCD motor detects the position of the rotor based on the counter electromotive force appearing on the stator's coil terminal. Circuit voltage is controlled.
이러한 센서리스 BLDC모터의 구동신호가 인가되면, 먼저 회전자가 일정한 위치에 정지하도록 고정자의 2상에 전원을 인가하여 회전자를 정렬하게 된다. 그런 다음, 일정 시간동안 강제적으로 모터가 구동시키며, 모터의 회전수가 일정이상이 되면 고정자 코일에 전압이 유기되어 역기전력이 발생하게 된다. 그러면, 이 역기전력을 바탕으로 회전자의 위치를 추정하여 구동신호를 생성할 수 있게 되며, 모터의 센서리스 운전이 가능하게 된다. When the driving signal of the sensorless PDC motor is applied, the rotor is first aligned by applying power to two phases of the stator so that the rotor stops at a predetermined position. Then, the motor is forcibly driven for a certain time, and when the number of revolutions of the motor exceeds a certain level, the voltage is induced in the stator coil to generate counter electromotive force. Then, the driving position can be generated by estimating the position of the rotor based on the counter electromotive force, and the sensorless operation of the motor is possible.
이에 따라, 모터의 회전속도가 일정 이상이 되면, 모터로부터의 역기전압을 검출하고, 역기전압에 의해 상신호를 발생시키게 된다. 그리고, 상신호로부터 회전자의 실제속도를 연산하고, 실제 회전속도에 따라 모터로의 전원공급 단속하는 펄스신호의 펄스폭을 조절하여 발생하게 된다. 그러면, 펄스폭에 따라, 고정자에 공급되는 전원공급량이 조절되어 모터의 회전속도를 제어할 수 있게 된다. As a result, when the rotational speed of the motor is higher than or equal to a certain level, the counter electromotive voltage from the motor is detected and the phase signal is generated by the counter electromotive voltage. Then, the actual speed of the rotor is calculated from the phase signal, and the pulse width of the pulse signal for controlling the power supply to the motor is generated according to the actual rotation speed. Then, according to the pulse width, the amount of power supplied to the stator is adjusted to control the rotational speed of the motor.
그런데, 이러한 센서리스 BLDC모터의 기동 초기에는, 부하가 상당히 크 며, 도 5에 도시된 바와 같이, 이에 따라 설정된 회전속도, 예를 들면, 3500-3600까지 도달하는 데 상당한 시간이 소요된다. 그리고, 3400-3500에 해당하는 주파수대에는 주변의 배관이나 모터 자체의 고유진동수와의 공진점이 존재하므로, 회전자의 회전속도가 이 구간에 놓이게 되면, 공진이 발생하여 모터의 소음과 진동이 급격하게 증가하게 된다. By the way, in the initial stage of the start of such a sensorless PDC motor, the load is quite large, and as shown in FIG. 5, the rotational speed set accordingly, for example, 3500-3600 It takes considerable time to reach. And 3400-3500 In the frequency band corresponding to the resonance point with the natural frequency of the surrounding pipe or the motor itself, if the rotational speed of the rotor is placed in this section, the resonance occurs and the noise and vibration of the motor is increased rapidly.
한편, 모터의 정상 기동중에도, 모터에 입력되는 전압이 낮아지게 되면, 회전자의 회전속도가 하강하게 되며, 이런 경우, 펄스폭을 조절하여 회전속도를 상승시키도록 하고 있으나, 입력전압이 아주 낮은 경우에는, 펄스폭을 최대로 조절하더라도 회전자의 회전속도를 상승시키지 못하여 회전자의 회전속도가 공진영역을 회피하지 못하게 된다. On the other hand, if the voltage input to the motor is lowered during the normal starting of the motor, the rotation speed of the rotor is lowered. In this case, the rotation speed is increased by adjusting the pulse width, but the input voltage is very low. In this case, even if the pulse width is adjusted to the maximum, the rotational speed of the rotor cannot be increased so that the rotational speed of the rotor does not avoid the resonance region.
따라서 본 발명의 목적은, 회전자의 회전속도가 공진영역내에 놓이는 것을 방지할 수 있도록 하는 센서리스 BLDC모터 및 그 속도 제어방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a sensorless KLDC motor and its speed control method which can prevent the rotational speed of the rotor from falling within the resonance region.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 3상의 코일이 감겨진 고정자와, 상기 고정자내에 수용되어 회전하는 회전자를 갖는 센서리스 BLDC모터에 있어서, 상기 고정자의 역기전력에 기초한 각 상의 상신호를 발생하는 상신호발생부와; 상기 회전자의 회전속도를 산출하고, 상기 회전자의 회전속도가 공진영역내에 있을 경우, 상기 회전자의 쇄교각도의 사인값이 작아지도록 상기 쇄교각도를 조절하는 연산부와; 상기 연산부에서 연산된 쇄교각도에 따라, 상기 상신호의 지연시간이 작아지도록 조절하여 구동신호를 인버터에 제공하는 구동신호발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 BLDC모터에 의해 달성된다.The object of the present invention is a sensorless XLC motor having a stator in which a three-phase coil is wound and a rotor accommodated in the stator and rotating in accordance with the present invention, wherein the phase for generating a phase signal of each phase based on the counter electromotive force of the stator. A signal generator; Calculating a rotation speed of the rotor, and adjusting the chain bridge angle so that a sine value of the chain bridge angle of the rotor decreases when the rotation speed of the rotor is in a resonance region; According to the angle of operation calculated by the calculation unit, the delay time of the phase signal is achieved by the sensorless LED motor, characterized in that it comprises a drive signal generator for providing a drive signal to the inverter.
여기서, 상기 구동신호발생부는, AND게이트인 것이 바람직하다. In this case, it is preferable that the drive signal generator is an AN gate.
그리고, 상기 연산부에서 연산된 회전속도에 따라 펄스신호의 펄스폭을 조절하여 발생시키는 펄스발생부를 더 포함하며, 상기 연산부는, 상기 쇄교각도의 조절후에도, 상기 회전자의 회전속도가 공진영역의 속도 이상으로 상승하지 못하면, 쇄교각도를 복귀시키고, 상기 펄스발생부의 펄스폭을 조절하여 상기 회전자의 회전속도가 공진영역의 속도 이하로 저하되도록 할 수 있다.The apparatus may further include a pulse generator configured to generate and adjust a pulse width of a pulse signal according to the rotation speed calculated by the calculator, wherein the calculator is further configured to adjust the rotation speed of the rotor even after the chain angle is adjusted. If it does not rise above the speed, the chain bridge angle may be returned and the pulse width of the pulse generator may be adjusted so that the rotational speed of the rotor is lower than the speed of the resonance region.
한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 3상의 코일이 감겨진 고정자와, 상기 고정자내에 수용되어 회전하는 회전자를 갖는 센서리스 BLDC모터의 속도 제어방법에 있어서, 상기 고정자의 역기전력에 기초한 각 상의 상신호를 발생하는 단계와; 상기 회전자의 회전속도를 산출하는 단계와; 상기 회전자의 회전속도가 공진영역내에 있을 경우, 상기 회전자의 쇄교각도의 사인값이 작아지도록 상기 쇄교각도를 조절하는 단계와; 상기 쇄교각도에 따라, 상기 상신호의 지연시간이 작아지도록 조절하여 구동신호를 인버터에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서리스 BLDC모터에 의해 달성된다. On the other hand, according to another field of the present invention, in the method for controlling the speed of a sensorless ULCD motor having a stator wound around a three-phase coil and a rotor accommodated in the stator and rotating, Generating a phase signal based on each phase; Calculating a rotational speed of the rotor; Adjusting the chain bridge angle so that the sine of the chain bridge angle of the rotor is small when the rotational speed of the rotor is within the resonance region; According to the chain angle, it is achieved by a sensorless XLC motor comprising the step of providing a drive signal to the inverter by adjusting the delay time of the phase signal to be small.
여기서, 상기 쇄교각도의 조절후에도, 상기 회전자의 회전속도가 공진영역의 속도 이상으로 상승하지 못하면, 쇄교각도를 복귀시키고, 상기 고정자로 공급되는 전원공급량을 조절하여 상기 회전자의 회전속도가 공진영역의 속도 이하로 저하되 도록 할 수 있다. Here, if the rotation speed of the rotor does not rise above the speed of the resonance region even after the adjustment of the chain bridge angle, the chain bridge angle is restored, and the rotation speed of the rotor is controlled by adjusting the amount of power supplied to the stator. Can be lowered below the speed of the resonance region.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명에 따른 센서리스 BLDC모터의 제어블럭도이다. 센서리스 BLDC모터(1)의 제어회로는, 센서리스 BLDC모터(1)의 제어회로는, 모터(1)가 가변속되도록 전력을 공급하는 인버터(30)와, 인버터(30)로 공급되는 펄스폭신호와 전원공급신호를 전달하는 마이컴(10)을 포함한다. 1 is a control block diagram of a sensorless ULCD motor according to the present invention. The control circuit of the
여기서, 마이컴(10)은, 고정자 코일에 인가되는 각각의 단자전압으로부터 상전압을 산출하여 상부호를 검출하는 상전압검출부(12)와, 산출된 상부호에 의해 입력파형보다 90。지연된 신호를 추출하는 디지털 이상기(14)와, 모터(1)가 구동을 시작하여 규정속도에 도달하기까지 스테핑신호를 발생시키는 스텝신호발생부(16)를 포함한다. 그리고, 마이컴(10)은, 스텝신호발생부(16)로부터의 스테핑신호 또는 디지털이상기(14)로부터의 신호를 인가받아 후술할 인버터(30)로 상신호를 공급하는 상신호발생부(20)와, 모터(1)의 회전속도에 따라 펄스를 발생시키는 펄스발생부(22)를 더 포함하며, 상신호발생부(20)는 모드선택부(18)에 의해, 스테핑신호 또는 디지털이상기(14)로부터의 신호중 하나를 선택적으로 공급받게 된다. Here, the
또한, 마이컴(10)에는, 모터(1)의 회전속도에 따라 펄스발생부(22)와, 상신호발생부(20)와 스텝신호발생부(16) 및 모드선택부(18)로부터의 신호를 입력받아 회전자의 회전속도를 산출하는 연산부(24)가 마련되어 있다. 이 연산부(24)는, 산출된 회전자의 회전속도가 공진영역, 예를 들면, 3400-3500내에 있을 경우, 역기전력e가 낮아지도록 회전자의 쇄교각도를 조절하게 된다.The
한편, 인버터(30)는, 펄스발생부(22)로부터의 펄스신호와 상신호발생부(20)로부터의 상신호를 AND연산하는 AND게이트(32)와, AND게이트(32)로부터의 출력신호에 따라 모터(1)로의 전원을 단속하는 인버터부(34)를 포함한다. On the other hand, the
이러한 센서리스 BLDC모터(1)는, 도 2에 도시된 바와 같은 전기적 등가회로로 표현되며, 이 등가회로에 따라 다음의 [수학식1]을 도출할 수 있다. The
[수학식1][Equation 1]
여기서, V는 입력전압이고, R은 모터(1)의 저항, L은 모터(1)의 인덕턴스, e는 모터(1)의 역기전력이다. Is the input voltage, R is the resistance of the
한편, 모터(1)의 역기전력e는 [수학식2]로 나타낼 수 있으며, On the other hand, the counter electromotive force e of the
[수학식2][Equation 2]
여기서, B는 모터(1)의 자속밀도이고, l은 고정자 코일의 길이, v는 회전자의 회전속도, 는 자속밀도B와 전류i의 쇄교각도이다. Where is the magnetic flux density of the
[수학식1]과 [수학식2]에서 볼 수 있는 바와 같이, 모터(1)의 역기전력e는 모터(1)의 회전속도에 비례하며, 모터(1)의 회전속도나 전류가 증가하여 다음의 [수학식3]이 성립하게 되면, 모터(1)의 회전속도가 더 이상 상승하지 않게 된다. As can be seen in [Equation 1] and [Equation 2], the counter electromotive force e of the
[수학식3][Equation 3]
여기서, 입력전압V를 높여주거나 역기전력e를 낮추어 주면, 모터(1)의 회전속도를 상승시킬 수 있다. 그런데, 입력전압V을 낮추어주면 모터의 효율이 저하되며, 역기전력e의 요소인 자속밀도B와 코일의 길이l는 모터(1)의 설계시 설정된 것으로 조절하기가 불가능하므로, 본 발명에서는, 쇄교각도인 를 조절하여 역기전력e를 낮춤으로써, 모터(1)의 회전속도를 상승시키게 된다. 여기서, 쇄교각도 는, 자속밀도B와 코일의 각도가 90。일 경우, 그 값이 1로 가장 크며, 쇄교각도는 내에서 조절하여 역기전력e를 조절할 수 있다. 이 때, 이하로 쇄교각도를 낮추게 되면, 회전자가 역방향으로 회전하게 되므로, 주의해야 한다. Here, by increasing the input voltage V or lowering the counter electromotive force e, the rotational speed of the
이러한 구성에 의한 센서리스 BLDC모터(1)가 초기전원을 인가받아 구동을 시작하면, 먼저 회전자가 일정한 위치에 정지하도록 ALIGN운전을 수행한 다음, 일정 시간동안 스텝신호발생부(16)로부터의 스테핑신호가 상신호발생부(20)로 공급되어 모터(1)가 강제구동하게 된다. 그런 다음, 모터(1)의 회전수가 일정 이상이 되어 고정자 코일에 전압이 유기되면, 도 3의 (a)에 점선으로 표시된 바와 같은 역기전력이 상전압검출부(12)로부터 검출되고, 검출된 역기전력은 디지털이상기(14)로 입력되어 변환된 다음, 모드선택부(18)에 의해 상신호발생부(20)로 공급되게 된다. 이 때, 상신호발생부(20)에서는, 도 3의 (b)에 점선으로 표시된 바와 같이, 역기전력보다 30。지연된 상신호를 AND게이트(32)에 공급하게 된다.When the
한편, 연산부(24)에서는, 상신호발생부(20)로부터 검출된 상신호에 따라 회 전자의 회전속도를 산출한다. 이 때, 회전자의 회전속도가 공진영역, 예를 들면, 3400-3500내에 있으면, 연산부(24)는 역기전력e가 낮아지도록 회전자의 쇄교각도를 90。에서 60。 사이에서 조절하고, 다시 상신호발생부(20)로 신호를 보내어 상신호의 지연시간을 단축하게 된다. 그러면, 도 3의 (b)의 실선으로 나타난 바와 같이, AND게이트(32)로 지연시간이 단축된 상신호가 공급되며, AND게이트(32)에서는 이 상신호와 펄스신호를 AND연산하여 인버터부(34)에 구동신호를 공급하게 된다. On the other hand, the
그러면, 상전압검출부(12)에서 검출되는 상전압은, 도 3의 (a)의 실선으로 표시된 바와 같이, 상신호의 지연시간이 단축된 만큼 상전압도 단축되어 검출된다. 이렇게 쇄교각도를 감소시키면, 역기전력e가 작아지게 되며, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자의 회전속도가 상승되어 회전자가 공진영역인 3400∼3500을 회피할 수 있게 된다. Then, the phase voltage detected by the phase
한편, 역기전력을 작게 하였음에도 불구하고, 회전자가 공진영역을 회피할 수 없는 경우, 쇄교각도를 90。로 복귀시키고, 펄스발생부(22)에서 발생하는 펄스폭을 작게 조절하여 모터(1)에 인가되는 입력전압을 작게 한다. 그러면, 회전자의 회전속도가 공진영역의 속도 이하로 저하되어 공진영역을 회피할 수 있게 된다. On the other hand, when the counter electromotive force is reduced, when the rotor cannot avoid the resonance region, the chain bridge angle is returned to 90 degrees, and the pulse width generated by the
이와 같이, 회전자의 회전속도가 공진영역내에 놓이게 되면, 쇄교각도를 작게 하여, 즉, 상신호발생부(20)로부터의 상신호의 지연신호를 짧게 하여 모터(1)에 전원을 미리 인가함으로써, 회전속도를 상승시켜 공진영역을 회피할 수 있게 된다. In this way, when the rotational speed of the rotor is within the resonance region, the angle of chain bridge is made small, that is, the delay signal of the phase signal from the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 역기전력을 감소시켜 회전속도를 상승시킴으로써, 회전자의 공진영역을 회피할 수 있게 된다. As described above, according to the present invention, it is possible to avoid the resonance region of the rotor by reducing the counter electromotive force to increase the rotational speed.
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