KR100671958B1 - 비엘디씨모터용 토크맥동 저감형 전류제한 제어장치 - Google Patents

비엘디씨모터용 토크맥동 저감형 전류제한 제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BLDC모터(BrushLess DC Motor)의 구동을 제어하기 위한 제어장치에 관한 것으로 BLDC모터에 전원을 인가하는 인버터(inverter)에, 전류측정치와 기준치를 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 발생하는 추종부를 연결함으로써, 저사양의 프로세서가 적용된 MCU(Micro Controller Unit)를 사용하면서도 제어지령치와 실제 출력치간 오차를 효율적으로 감소시킬 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여 BLDC모터의 제어장치에 탑재된 MCU의 처리부하를 획기적으로 감소시키면서도, 효율적이고 신속한 인버터의 제어가 가능하게 되었으며, 이로써 BLDC모터 제어장치의 성능제고는 물론 저사양 MCU의 채용을 통한 제작단가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
비엘디씨모터(BrushLess DC Motor), 펄스폭변조(Pulse Width Modulation), 톱니파(saw tooth wave), 비교기

Description

비엘디씨모터용 토크맥동 저감형 전류제한 제어장치 {Minimizing torque pulsation type current limit controller for BLDC motor}
도 1은 종래의 비엘디씨모터용 제어장치 블럭도
도 2는 본 발명의 블럭도
도 3은 본 발명의 추종부 일 실시예 블럭도
도 4는 본 발명의 추종부를 통한 PWM과정 설명도
도 5는 본 발명의 작동과정 흐름도
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
100 : BLDC모터(BrushLess DC Motor)
110 : 위치센서(rotor position sensor)
200 : 인버터(inverter)
300 : MCU(Micro Controller Unit)
400 : 추종부
410 : 입력측비교기
411 : 기준치입력단
412 : 측정치입력단
420 : 출력측비교기
423 : PWM출력단
510 : 전류측정부
520 : 발진부
본 발명은 BLDC모터(BrushLess DC Motor)의 구동을 제어하기 위한 제어장치에 관한 것으로 BLDC모터에 전원을 인가하는 인버터(inverter)에, 전류측정치와 기준치를 비교하여 PWM(Pulse Width Modulation)신호를 발생하는 추종부를 연결함으로써, 저사양의 프로세서가 적용된 MCU(Micro Controller Unit)를 사용하면서도 제어지령치와 실제 출력치간 오차를 효율적으로 감소시킴으로써 BLDC모터의 토크맥동(torque pulsation)을 저감한 것이다.
BLDC모터는 구조적으로 영구자석의 회전자가 적용된 동기모터와 유사하나, 작동방식에 있어서는 전력용 반도체 스위칭소자와 회전자의 위치검출수단을 통하여 회전자의 기자력과 고정자의 기자력이 일정각을 유지하도록 함으로써 직류모터의 운전특성을 얻게되는 특징이 있다.
따라서 BLDC모터는 정류자형 직류모터에서와 같이 브러시의 마멸로 인한 보 수가 필요없으면서도 정류자형 직류모터와 같은 우수한 제어특성을 가지며, 전력용 반도체 스위칭소자의 개발과 희토류자석의 개발에 힘입어 고속화 및 소형화가 가능하게 되어 서보시스템의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.
BLDC모터를 구동하기 위해서는 회전자의 회전위치를 상시 검측하여, 회전자의 위치에 따라 반도체 스위칭소자를 이용하여 모터내 각 고정자 권선에 입력되는 전류를 최적으로 투입해야 하는데, 여기서 전류를 투입하는 역할을 하는 부분이 인버터(inverter)이다.
모터에 공급되는 전류의 제어를 위해서는 모터내 각 고정자 권선단자에 인가되는 전압을 제어하면 되는데, 이때 전압의 제어는 펄스폭변조(PWM : Pulse Width Modulation)를 통하여 수행하게 된다.
펄스폭변조는 전력소자의 스트레스를 최소화하고 효율적으로 전력을 제어하기 위한 수단으로서, 인버터에 인가되는 단자전압의 파형을 펄스폭변조하여 모터에 인가되는 평균전압을 제어하게 되며, 이로써 모터에 흐르는 전류가 제어되어 결국 모터의 사용 전력 및 발생 토크가 제어되는 것이다.
실제 BLDC모터의 제어에 있어서는 모터의 회전에서 나타나는 역기전력과 고정자 권선에 실제로 인가되는 전류파형의 오차 등으로 인하여 모터의 토크가 반복적으로 증감하는 토크맥동(torque pulsation)이 발생하게 되는데, 이러한 토크맥동은 모터의 고속회전시에는 관성에 의하여 상쇄되지만, 저속회전시에는 심각한 소음과 진동을 유발할 수 있다.
이러한 BLDC모터의 토크맥동 문제를 해결하기 위하여, 도 1에서와 같이, 회 전자의 위치를 검출하는 위치센서(110)와 연결되어 인버터(200)를 제어하는 MCU(300)에 고성능 프로세서를 적용함으로써, 회전자의 위치를 기초로 소요 전류를 추정하는 연산을 실시간으로 수행하도록 한 제어장치가 개발되어 사용되고 있으나, MCU(300)가 소요 전류를 추정하는 연산을 고속으로 수행함과 동시에 위치센서(110)로 부터의 위치정보 수신은 물론 인버터(200)의 제어신호의 생성에 이르는 전과정을 수행하여야 하므로, 고가의 고성능 프로세서가 적용되어야 하고, 그에 따라 제어장치의 제작단가가 상승하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, BLDC모터의 제어장치를 BLDC모터에 전원을 인가하는 인버터와, 전류측정부, 전류측정부와 연결되어 측정치를 톱니파(saw tooth wave)로 변환하여 발진하는 발진부, 전류제한 기준치 신호를 발생시키는 MCU 및 이들과 연결된 추종부로 구성하고, 추종부가 상기 톱니파와 기준치를 비교하여 펄스를 발생시키는 방식으로 펄스폭변조(PWM)를 수행하도록 함으로써, MCU의 처리부하를 획기적으로 감소시키면서도 효율적인 인버터의 제어가 가능하게 되어, BLDC모터의 토크맥동을 경제적이며 효과적으로 저감할 수 있도록 한 것이다.
본 발명의 상세한 구성 및 작동원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음 과 같다.
우선 도 1은 종래의 고사양 MCU(300)가 적용된 BLDC모터(100)의 제어장치를 도시한 것으로, 여기서 MCU(300)는 회전자의 위치를 감지하는 위치센서(110)로부터 위치정보를 수신한 후 소요 전류 추정치를 실시간으로 산정하여, 그에 따른 PWM신호를 인버터(200)로 출력하게 되는데, 통상 이러한 연산 및 제어를 수행하기 위해서는 DSP(Digital Signal Processor)와 같은 실시간 연산 및 제어용 고성능 프로세서가 MCU(300)에 적용될 필요가 있다.
도 2는 본 발명의 구성을 도시한 것으로, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 그 하드웨어적 구성요소로서, 인버터(200), MCU(300), 추종부(400), 전류측정부(510) 및 발진부(520)를 기본적으로 포함하게 된다.
여기서 인버터(200)는 종래 제어장치에 있어서의 인버터(200)와 같이, PWM신호가 입력되면 그에 따라 BLDC모터(100)에 전류를 인가하게 되는데, 본 발명에 있어서 인버터(200)에 PWM신호를 인가하는 역할은 종래 제어장치에서와 같이 MCU(300)가 수행하는 것이 아니라 비교기로 구성된 추종부(400)가 수행하게 된다.
한편, 인버터(200)에는 전류측정부(510)가 연결되어 실제 사용되는 전류를 측정하게 되며, 이 측정치는 발진부(520)로 입력된 후 톱니파형태로 변환되어 추종부(400)로 입력되게 된다.
또한, MCU(300)는 전류제한 기준치 신호를 추종부(400)로 입력하게 되는데, 여기서 전류제한 기준치는 사용자의 조작에 의하여 가변되는 것으로서, 목적 회전속도 또는 출력에 대응되는 값이다.
추종부(400)는 기본적으로 MCU(300)에서 출력된 전류제한 기준치 신호 및 발진부(520)에서 출력된 측정치 톱니파가 각각 입력되는 기준치입력단(411) 및 측정치입력단(412)과 인버터(200)로 PWM신호를 출력하는 PWM출력단(423)이 구성된 비교기회로의 형태를 가지게 되는데, 도 3에서와 같이 한쌍의 비교기로 구성될 수도 있다.
도시된 실시예의 경우, 입력측비교기(410)에는 각각 기준치입력단(411) 및 측정치입력단(412)이 구성되며, 출력측비교기(420)의 일측 입력단에는 입력측비교기(410)의 출력단이 연결되고 타측의 입력단은 접지된 형태로 추종부(400)가 구성되는데, 이와 같이 한쌍의 비교기를 연속하여 구성함으로써 양측 비교기의 연산을 서로 검증하여 결과치의 신뢰성을 제고할 수 있게 된다.
전류 측정치를 반영하는 톱니파와 MCU(300)에서 출력되는 전류제한 기준치에 의하여 본 발명의 추종부(400)가 PWM신호를 출력하는 과정이 도 4에 도시되어 있는데, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 추종부(400)는 MCU(300)로부터 입력된 전류제한 기준치와 발진부(520)로부터 톱니파형태로 입력된 전류 측정치를 비교하여 기준치가 더 클 경우에는 기 설정된 값을 출력하고 측정치가 더 클 경우에는 영(零)의 값을 출력하게 된다.
결국, 추종부(400)는 일정한 주기(T)와 진폭을 가지되, 한 주기 내에서 기준치가 측정치보다 큰 구간을 펄스폭(W)으로 하는 펄스신호를 발생함으로써 펄스폭변조(PWM : Pulse Width Modulation)를 수행하게 되며, 추종부(400)에서 발생된 PWM신호는 인버터(200)로 입력되어 BLDC모터(100)를 구동하게 되는 것이다.
도 5는 본 발명의 제어장치를 통하여 BLDC모터(100)가 구동되는 과정을 도시한 흐름도로서, 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 추종부(400)의 측정치 및 기준치간 비교과정이 반복되면서 목표치인 기준치와 측정치간 오차가 감소되고, 그에 따라 BLDC모터(100)의 토크맥동 또한 감소하게 된다.
이렇듯, 비교기가 구성된 추종부(400)와 그와 연결된 발진부(520) 등의 간단한 하드웨어적 구성을 추가함으로써, MCU(300)가 복잡한 연산을 수행하지 않으면서도, 효과적이고 신속한 PWM제어가 가능하게 된다.
결국 본 발명의 기술요지는 BLDC모터(BrushLess DC Motor)(100)와 연결된 인버터(inverter)(200)와 MCU(Micro Controller Unit)(300)가 포함된 BLDC모터용 제어장치에 있어서, 인버터(200)에 연결되어 전류를 측정하는 전류측정부(510)와, 전류측정부(510)와 연결되어 측정치를 톱니파(saw tooth wave)로 변환하여 발진하는 발진부(520)와, 비교기가 내장되고 비교기의 입력단에 각각 연결된 기준치입력단(411) 및 측정치입력단(412)과, 비교기의 출력단에 연결된 PWM출력단(423)이 구성되되, 이들 기준치입력단(411), 측정치입력단(412) 및 PWM출력단(423)은 각각 MCU(300), 발진부(520) 및 인버터(200)와 연결된 추종부(400)를 포함함을 특징으로 하는 비엘디씨모터용 토크맥동 저감형 전류제한 제어장치이다.
본 발명을 통하여 BLDC모터의 제어장치에 탑재된 MCU의 처리부하를 획기적으로 감소시키면서도, 효율적이고 신속한 인버터의 제어가 가능하게 되었으며, 이로 써 BLDC모터 제어장치의 성능제고는 물론 제작단가 절감의 효과를 얻을 수 있다.

Claims (1)

  1. BLDC모터(BrushLess DC Motor)(100)와 연결된 인버터(inverter)(200)와 MCU(Micro Controller Unit)(300)가 포함된 BLDC모터용 제어장치에 있어서,
    인버터(200)에 연결되어 전류를 측정하는 전류측정부(510)와;
    전류측정부(510)와 연결되어 측정치를 톱니파(saw tooth wave)로 변환하여 발진하는 발진부(520)와;
    비교기가 내장되고 비교기의 입력단에 각각 연결된 기준치입력단(411) 및 측정치입력단(412)과, 비교기의 출력단에 연결된 PWM출력단(423)이 구성되되, 이들 기준치입력단(411), 측정치입력단(412) 및 PWM출력단(423)은 각각 MCU(300), 발진부(520) 및 인버터(200)와 연결된 추종부(400)를 포함함을 특징으로 하는 비엘디씨모터용 토크맥동 저감형 전류제한 제어장치.
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