KR100629007B1

KR100629007B1 - 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 회전자위치추정장치

Info

Publication number: KR100629007B1
Application number: KR1020040107763A
Authority: KR
Inventors: 최준혁; 이종배; 정인성; 성하경; 조순봉
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-09-27
Also published as: KR20060068845A

Abstract

전압 분배기의 출력전압을 저역통과필터로 적분하고, 저역통과필터에서의 위상지연을 보상하여 위상이 정확히 90°가 지연되게 한다.

인버터부에서 출력되어 3상 BLDC 모터의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력을 전압 분배기로 분배하고, 아날로그/디지털 변환기에서 디지털 전압으로 변환한 후 디지털 저역통과필터로 적분하며, 디지털 저역통과필터에서 정확히 90°가 지연되지 않는 위상을 위상지연 보상기에서 보상하여 위상이 90° 지연되게 한 후 비교기로 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 것으로 회전자의 위치에 따라 인버터부의 스위칭 동작을 정확히 제어하여 3상 BLDC 모터를 안정하게 구동시킬 수 있고, 구동효율을 향상시킨다.

BLDC 모터, 회전자위치, 저역통과필터, 위상지연 보상기, 적분기

Description

위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 회전자위치 추정장치{Apparatus for estimating rotor position of three phase Brushless DC motor without position sensors}

도 1은 종래의 회전자 위치 추정장치의 일 예를 보인 블록도.

도 2는 종래의 회전자 위치 추정장치의 다른 예를 보인 블록도.

도 3은 본 발명의 회전자 위치 추정장치의 구성을 보인 블록도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

300 : 인버터부 310 : 3상 BLDC 모터

320 : 전압 분배기 330 : 아날로그/디지털 변환기

340 : 디지털 저역통과필터 350 : 위상지연 보상기

360 : 비교기

본 발명은 브러시가 없는 3상 직류모터(Three Phase Brushless DC Motor ; 이하, '3상 BLDC 모터'라고 약칭함)의 회전자의 위치를 엔코더 등과 같은 고가의 위치제어용 신호발생소자들을 사용하지 않고, 정확히 추정하는 위치센서가 없는 3 상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치에 관한 것이다.

일반적으로 3상 BLDC 모터는 일반 3상 DC 모터에서 정류자(commutator)의 역할을 수행하는 브러시를 제거하면서도 3상 DC 모터의 특성을 그대로 유지할 수 있도록 개발된 것으로서 영구자석으로 이루어진 회전자와, 3개의 코일 즉, a상, b상 및 c상 코일이 권선되어 있는 고정자를 구비한다.

이러한 3상 BLDC 모터는 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및 c상 코일에 3상 전류를 공급하고, 그 공급한 3상 전류에 따라 a상, b상 및 c상 코일이 각기 자계를 발생하여 영구자석으로 이루어진 회전자를 회전시키는 것이다.

이 때, BLDC 모터의 회전자의 회전속도를 정확히 제어하기 위해서는 회전자의 위치를 정확히 추정해야 된다. 즉, BLDC 모터는 회전자의 위치를 추정하고, 추정한 회전자의 위치에 따라 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 전류의 방향을 전환시키는 인버터부의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되는 시점을 조절하여 회전자의 회전속도를 제어하고 있다.

도 1은 종래의 회전자 위치 추정장치의 일 예를 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 인버터부(100)에서 출력되어 3상 BLDC 모터(110)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 전류에 따라 발생되는 역기전력(Va, Vb, Vc)을 분배하는 전압 분배기(120)와, 상기 전압 분배기(120)에서 분배된 각각의 역기전력(Va, Vb, Vc)을 각기 적분하는 적분기(130, 130a, 130b)와, 상기 적분기(130, 130a, 130b)의 출력전압을 접지전압과 각기 비교하여 제로크로싱(zero crossing)을 검출하고, 회전자의 회전위치 추정신호를 발생하는 비교기(140, 140a, 140b)로 구 성하였다.

이와 같이 구성된 종래의 회전자 위치 추정장치의 일 예는 스위칭 제어신호에 따라 인버터부(100)의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하고, 출력한 3상 전류는 3상 BLDC 모터(110)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일에 공급되어 회전자가 회전하게 된다.

그리고 상기 3상 코일로 3상 전류가 흐름에 따라 각기 역기전력(Va, Vb, Vc)이 발생하고, 발생한 역기전력(Va, Vb, Vc)은 전압 분배기(120)에서 분배되어 출력되며, 전압 분배기(120)에서 출력된 역기전력(Va, Vb, Vc)은 적분기(130, 130a, 130b)에서 각기 적분되어 위상이 지연된다. 여기서, 상기 적분기(130, 130a, 130b)는 예를 들면, 연산증폭기를 이용하여 역기전력(Va, Vb, Vc)의 위상을 정확히 90°지연시키는 순수 적분기이다.

상기 적분기(130, 130a, 130b)의 출력신호는 비교기(140, 140a, 140b)의 비반전 입력단자(+)에 각기 인가되고, 비교기(140, 140a, 140b)의 반전 입력단자(-)에는 접지전압이 인가되는 것으로서 비교기(140, 140a, 140b)는 적분기(130, 130a, 130b)의 출력전압을 접지전압과 각기 비교하여 적분기(130, 130a, 130b)의 출력전압의 제로크로싱을 검출한 펄스신호를 출력한다.

상기 비교기(140, 140a, 140b)가 출력하는 펄스신호는 3상 BLDC 모터(110)의 회전자의 위치를 추정한 신호로서 그 비교기(140, 140a, 140b)의 출력신호에 따라 게이트 구동신호 발생부가 상기 인버터부(100)의 스위칭 소자들을 스위칭시키기 위한 게이트 구동신호를 발생한다.

그러나 상기한 종래의 회전자 위치 추정장치는 전압 분배기(120)에서 출력되는 역기전력(Va, Vb, Vc)을 적분기(130, 130a, 130b)로 적분하여 위상을 90° 지연시킴으로써 초기조건과, 연산증폭기의 직류 옵셋의 특성에 의한 드리프트(drift)와, 적분기(130, 130a, 130b)의 포화 문제가 발생하게 된다.

그러므로 3상 BLDC 모터를 구동시키는 대부분의 구동장치들은 위상을 정확히 90° 지연시키는 적분기(130, 130a, 130b)를 사용하지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 저역통과필터(200, 200a, 200b)를 사용하여 전압 분배기(120)에서 출력되는 역기전력(Va, Vb, Vc)을 적분하고 있다.

그러나 상기 저역통과필터(200, 200a, 200b)를 사용하여 역기전력(Va, Vb, Vc)을 적분하는 것은 저역통과필터(200, 200a, 200b)의 극점이 원점에서 멀어질수록 드리프트는 감소하나 위상지연이 정확히 90°가 되지 못하고, 또한 이득이 낮아지게 된다.

이러한 현상은 저역통과필터(200, 200a, 200b)의 차단주파수가 낮은 저속영역으로 갈수록 더욱 심하게 발생하게 되고, 위상지연이 정확히 90°가 되지 않아 인버터부(100)의 스위칭 시퀀스가 정확하게 이루어지지 않게 되므로 3상 BLDC 모터를 효율적으로 구동시키지 못하게 되는 문제점이 있었다.

그러므로 본 발명의 목적은 위치센서를 사용하지 않고, 3상 BLDC 모터의 회전자 위치를 정확하게 추정할 수 있는 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전압 분배기의 출력전압을 저역통과필터로 적분하고, 저역통과필터에서의 위상지연을 보상하여 위상이 정확히 90°가 지연되게 하는 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치를 제공하는데 있다.

이러한 목적을 가지는 본 발명의 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치는, 인버터부에서 출력되어 3상 BLDC 모터로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력을 분배하는 전압 분배기와, 전압 분배기에서 분배된 각각의 역기전력을 각기 디지털 전압으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기와, 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력전압을 디지털로 적분하는 디지털 저역통과필터와, 상기 디지털 저역통과필터의 출력신호의 위상을 보상하여 위상이 90° 지연되게 하는 위상지연 보상기와, 상기 위상지연 보상기의 출력전압을 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 비교기로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 디지털 저역통과필터의 적분 값은

이고, 상기 위상지연 보상기의 위상지연보상계수는

인 것을 특징으로 한다.

여기서,

는 디지털 저역통과필터로 입력되는 역기전력이고,

는 디지털 저역통과필터에서 출력되는 역기전력이며,

는

이며,

는 디지털 저역통과필터의 극(pole)이며,

는 위상이다.

이하, 첨부된 도 3의 도면을 참조하여 본 발명의 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 회전자 위치 추정장치의 구성을 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 인버터부(300)에서 출력되어 3상 BLDC 모터(310)의 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)을 분배하는 전압 분배기(320)와, 전압 분배기(320)에서 분배된 각각의 역기전력(Va2, Vb2, Vc2)을 각기 디지털 전압(Va3, Vb3, Vc3)으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(330)와, 상기 아날로그/디지털 변환기(330)의 출력전압을 디지털로 적분하는 디지털 저역통과필터(340)와, 상기 디지털 저역통과필터(340)의 출력신호의 위상을 보상하여 정확히 90° 지연되게 하는 위상지연 보상기(350)와, 상기 위상지연 보상기(350)의 출력전압을 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터(310)의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 비교기(360)로 구성하였다.

이와 같이 구성된 본 발명의 회전자 위치 추정장치는 스위칭 제어신호에 따라 인버터부(300)의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하고, 출력한 3상 전류는 3상 BLDC 모터(310)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일에 공급되어 회전자가 회전하게 된다.

그리고 상기 a상, b상 및 c상 코일로 3상 전류가 흐름에 따라 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)이 발생하고, 발생한 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)은 전압 분배기(320)에서 분배된 후 아날로그/디지털 변환기(330)에서 각기 디지털 역기전력(Va2, Vb2, Vc3)으로 변환되어 출력된다.

상기 아날로그/디지털 변환기(330)에서 출력되는 역기전력(Va2, Vb2, Vc3)은 디지털 저역통과필터(340)에서 적분되어 위상이 90° 미만으로 지연되고, 디지털 저역통과필터(340)의 출력전압(Va3, Vb3, Vc3)은 위상지연 보상기(350)에서 위상지연이 보상되어 위상이 정확히 90° 지연된다.

상기 디지털 저역통과필터(340) 및 위상지연 보상기(350)에서 위상이 정확히 90°지연되면서 적분된 역기전력은 비교기(360)에 입력되어 접지레벨과 비교 및 제로크로싱이 검출되고, 그 검출된 제로크로싱은 3상 BLDC 모터(310)의 회전자 위치 추정신호로 출력된다.

여기서, 상기 디지털 저역통과필터(340) 및 위상지연 보상기(350)에서 역기전력(Va2, Vb2, Vc2)의 위상을 정확히 90° 지연시키면서 적분하는 동작을 설명한다.

역기전력(Va2)을 순수적분기(

)로 적분할 경우에 드리프트 및 적분기의 포화가 발생하므로 본 발명에서는 역기전력(Va)을 디지털 저역통과필터(340)가 다음의 수학식 1과 같이 적분하게 된다.

여기서,

는 디지털 저역통과필터로 입력되는 역기전력이고,

는 디지털 저역통과필터에서 출력되는 역기전력이며,

는

이며,

는 디지털 저역통과필터의 극(pole)이다.

상기 수학식 1에서 위상

및 이득

은 각각 다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같다.

여기서,

는 추정된 동기 각속도이다.

본 발명에서는 상기 수학식 1과 같이 저역통과필터(340)에서 출력되는 적분전압

에 위상지연 보상기(350)가 수학식 4와 같이 위상지연 보상계수

를 곱하여 위상지연이 정확히 90°가 되도록 보상한다.

여기서, 위상지연보상계수는

이고,

및

이다.

본 발명에서 디지털 저역통과필터(340)가 입력되는 역기전력

를 적분할 경우에 디지털 저역통과필터(340)의 큰 시정수에 의해서 발생하는 드리프트 문제를 해결하기 위해서는 차단주파수가 커야 되나, 차단주파수가 클 경우에 위상을 저속 영역에서의 위상지연의 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다.

그러므로 본 발명에서는 디지털 저역통과필터(340)의 극(pole)

가 저속영역에서는 작은 값이고, 3상 BLDC 모터의 회전자의 회전속도가 증가함에 따라 증가하도록 다음의 수학식 5와 같이 주파수의 함수로 설정하였다.

여기서,

는 상수이다.

이와 같이 하여 디지털 저역통과필터(340) 및 위상지연 보상기(350)를 통과한 최종 출력전압은 다음의 수학식 6과 같다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다. 즉, 상기에서는 3상 BLDC 모터에서 발생되는 a상의 역기전력 Va를 기준으로 하여 설명한 것으로서 본 발명을 실시함에 있어서는 b상의 역기전력 Vb 및 c상의 역기전력 Vc에도 동일하게 적용하여 실시한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 위치센서를 사용하지 않고, 3상 BLDC 모터의 회전자의 위치를 추정하는 것으로서 3상 BLDC 모터의 역기전력을 저역통과필터로 적분하고, 위상지연 보상기로 위상지연을 보상하여 위상이 정확히 90° 지연되게 함으로써 회전자의 위치를 정확히 추정하고, 추정한 회전자의 위치에 따라 인버터부의 스위칭 동작을 정확히 제어하여 3상 BLDC 모터를 안정하게 구동시킬 수 있음은 물론 구동효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

인버터부에서 출력되어 3상 BLDC 모터로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력을 분배하는 전압 분배기;

전압 분배기에서 분배된 각각의 역기전력을 각기 디지털 전압으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기;

상기 아날로그/디지털 변환기의 출력전압을 디지털로 적분하는 디지털 저역통과필터;

상기 디지털 저역통과필터의 출력신호의 위상을 보상하여 위상이 90° 지연되게 하는 위상지연 보상기; 및

상기 위상지연 보상기의 출력전압을 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 비교기로 구성된 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 회전자 위치 추정장치.
제 1 항에 있어서, 상기 디지털 저역통과필터의 적분 값은;

다음의 수학식 1인 것을 특징으로 하는 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 회전자 위치 추정장치.

수학식 1

여기서,
는 디지털 저역통과필터로 입력되는 역기전력이고,
는 디지털 저역통과필터에서 출력되는 역기전력이며,
는
이며,
는 디지털 저역통과필터의 극(pole)이다.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 위상지연 보상기의 위상지연보상계수는;

인 것을 특징으로 하는 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 회전자 위치 추정장치.

여기서,
은 위상이다.