KR100691223B1 - 브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법을 개시한다. 본 발명은 브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 브러시리스 직류 모터의 ZCP 검출 오류를 최소화하여 브러시리스 직류 모터의 안정성을 확보하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 방법은, 브러시리스 직류 모터에 제공되는 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화를 검출하고, 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화 여부를 통해 오픈된 상의 ZCP 검출 여부를 판별한다.

Description

브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법{CONTROL APPARATUS AND METHOD FOR BRUSHLESS DC MOTOR}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치를 나타낸 블록도.
도 2는 도 1에 나타낸 브러시리스 직류 모터의 제어 장치에서, 3상 풀-브리지 인버터의 구성을 나타낸 회로도.
도 3은 도 2에 나타낸 인버터를 구동하기 위한 인버터 제어 신호를 나타낸 도면.
도 4는 도 1에 나타낸 단자 전압 검출부의 구성을 나타낸 회로도.
도 5는 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부의 입출력 신호를 나타낸 파형도.
도 6은 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부에서 노이즈에 의한 비교기의 입출력 신호의 변화를 나타낸 파형도.
도 7은 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부에서 캐패시터의 작용에 의한 비교기의 출력 신호의 변화를 나타낸 파형도.
도 8은 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부에서 단자 전압의 듀티 비가 매우 큰 경우 ZCP 검출 허가 시점의 지연에 따른 ZCP 검출 오류 특성을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 방법을 나타 낸 순서도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법에서의 ZCP 검출 조건을 나타낸 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
110 : 브러시리스 직류 모터
114 : 제어부
116 : 단자 전압 검출부
402, 404, 406 : 비교기
본 발명은 모터(motor)의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 브러시리스 직류 모터(brushless DC motor)의 ZCP(Zero Crossing Point) 검출 오류를 방지하기 위한 제어 장치 및 방법에 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. 이와 같은 브러시리스 직류 모터를 구동하기 위한 제어 장치를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
종래의 브러시리스 직류 모터의 제어 장치에서, 컨버터와 캐패시터, 인버터 로 구성되는 전력 변환 장치는 교류 전원 장치로부터 공급되는 교류 전원을 펄스 형태의 3상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 모터에 공급한다. 이 3상 교류 전원(U, V, W)의 각각의 상 전류 가운데 두 개의 상 전류는 통전되고 나머지 하나의 상 전류는 오픈 상태(즉 전기적으로 개방(open)되어 통전되지 않는 상태)되는데, 이 상 전류 상태로부터 역 기전력의 ZCP(Zero Crossing Point)를 검출하고, 이 ZCP에 근거하여 브러시리스 직류 모터의 여러 가지 동작을 제어하게 된다. 일예로서, 이 ZCP를 기준으로 하여 다음 상 전환 시점을 결정하는 것을 들 수 있다.
만약 노이즈 등의 영향을 받아 이 ZCP의 검출 오류가 발생하면 브러시리스 직류 모터를 정상적으로 제어할 수 없어 브러시리스 직류 모터가 정지하는 극단적인 상황이 발생할 수도 있기 때문에 ZCP의 검출 오류를 방지하는 것은 브러시리스 직류 모터의 안정성 확보에 있어 매우 중요하다.
본 발명은 브러시리스 직류 모터의 ZCP 검출 오류를 최소화하여 브러시리스 직류 모터의 안정성을 확보하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적의 본 발명에 따른 브러시리스 모터의 제어 장치는, 상용 교류 전원을 다상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 모터에 제공하는 전력 변환부와; 전력 변환부에서 브러시리스 직류 모터에 제공되는 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화를 검출하기 위한 단자 전압 검출부와; 단자 전압 검출부로부터 제공되는 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화 여부를 통해 오픈된 상의 ZCP 검출 신호의 정상적인 발생 여부를 판별하는 제어부를 포함한다.
또한 제어부는, 단자 전압의 레벨이 상기 전력 변환부에서 수행되는 각각의 상 전환 모드에 대응되는 레벨을 가질 때 오픈된 상의 ZCP가 발생한 것으로 인정한다.
상술한 목적의 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 방법은, 상용 교류 전원을 다상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 모터에 제공하는 전력 변환부를 포함하는 브러시리스 직류 모터의 제어 방법에 있어서, 전력 변환부에서 브러시리스 직류 모터에 제공되는 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화를 검출하고; 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화 여부를 통해 오픈된 상의 ZCP 검출 신호의 정상적인 발생 여부를 판별한다.
또한, 단자 전압의 레벨이 상기 전력 변환부에서 수행되는 각각의 상 전환 모드에 대응되는 레벨을 가질 때 오픈된 상의 ZCP가 발생한 것으로 인정한다.
또한, 단자 전압의 레벨 변화는 상기 다상 교류 전원의 단자 전압의 파형에서 상 전환시 발생하는 전압의 레벨 변화이다.
이와 같은 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법의 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 1은 본 발명에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치를 나타낸 블록도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 컨버터(104)와 직류단 캐패시터(DC-link capacitor, 108), 인버터(106)로 구성되는 전력 변환 장치는 교류 전원 장치(102)로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환한 후 다시 3상 교류 전원(U, V, W)으로 변환하여 브러시리스 직류 모터(110)에 공급한다. 컨버터(104)는 교류 전원을 직류로 변환하고, 인버터(106)는 직류 전원을 펄스 형태의 3상 교류 전원(U, V, W)으로 변환한다.
단자 전압 검출부(116)는 인버터(106)에서 브러시리스 직류 모터(110)로 공급되는 3상 교류 전원의 각 상의 전압(U, V, W)을 검출하여 각 상의 단자 전압 정보(UC, VC, WC)를 제어부(114)에 제공한다. 제어부(114)는 단자 전압 검출부(116)로부터 제공되는 3상 교류 전원의 단자 전압 정보(UC, VC, WC)와 브러시리스 직류 모터(110)의 회전자의 위치/속도 정보(F/G)를 참조하여 브러시리스 직류 모터(110)의 회전 속도를 제어하기 위한 인버터 제어 신호(P1~P6)를 생성한다. 제어부(114)에서 생성되는 인버터 제어 신호(P1~P6)는 인버터(106)에서 브러시리스 직류 모터(110)로 출력되는 3상 교류 전원(U, V, W)의 각 상의 전환 시점 및 전류량을 제어하기 위한 것으로서, 그 궁극적인 목적은 브러시리스 직류 모터(110)의 회전 속도가 외부로부터 입력되는 속도 명령(H)을 추종하도록 하는 것이다.
도 2는 도 1에 나타낸 브러시리스 직류 모터의 제어 장치에서, 3상 풀-브리지 인버터의 구성을 나타낸 회로도로서, 다음에 설명하는 도 3의 2상 여자 패턴의 3상 교류 신호들(P1~P6)에 의해 각각의 스위칭 소자 즉 트랜지스터들(Q1~Q6)이 스위칭되어 상 전류의 전환이 이루어진다.
도 3은 도 2에 나타낸 인버터를 구동하기 위한 인버터 제어 신호를 나타낸 도면으로서, 2상 여자 패턴의 3상 교류 신호 형태를 갖고 후단부 유니폴라 펄스폭 변조 방식에서 사용되는 인버터 제어 신호(P1~P6)를 나타낸 것이다. 후단부 유니폴라 펄스폭 변조 방식에서는, 120° 통전 구간 가운데 후단부의 60° 구간에서(out-going phase) 단일의 스위칭 소자의 온/오프에 의해 펄스폭이 변조된다(unipolar).
도 4는 도 1에 나타낸 단자 전압 검출부의 구성을 나타낸 회로도이다. 도 4 에 나타낸 바와 같이, 단자 전압 검출부(116)에는 브러시리스 직류 모터(110)에 공급되는 단자 전압(U, V, W)과 직류단 캐패시터(108) 양단의 직류단 전압(VDC)이 입력된다. 이 두 종류의 전압은 단자 전압 검출부(116)를 구성하는 저항들(R1, R2, R3, R4)에 의해 일정 비율로 분압된 후 비교기(402, 404, 406)에 의해 비교된 결과가 단자 전압 정보(UC, VC, WC)로서 출력된다. 단자 전압 정보(UC, VC, WC)는 각 상의 단자 전압을 직류단 캐패시터(108) 양단의 직류단 전압(VDC) 의 1/2과 비교하여 단자 전압이 VDC/2 보다 크면 논리 1에 해당되는 전기 신호 즉 “HIGH” 레벨의 신호를 출력하고, VDC/2 보다 작으면 논리 0에 해당되는 전기 신호 즉 “LOW” 레벨의 신호를 출력한다. 이 때, 각 상의 단자 전압이 VDC/2 레벨을 통과하는 시점이 각 상의 역기전력의 ZCP에 해당된다.
5는 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부의 입출력 신호를 나타낸 파형도로서, 단자 전압 검출부(116)에 입력되는 각 상의 단자 전압(U, V, W) 및 그에 따른 단자 전압 정보 즉 비교기(402, 404, 406)의 출력 신호(UC, VC, WC)를 함께 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 각 상의 단자 전압(U, V, W)이 VDC/2보다 큰 구간에서는 해당 상의 비교기(402, 404, 406)의 출력 신호(UC, VC, WC)는 "HIGH" 레벨이다. 반대로 각 상의 단자 전압(U, V, W)이 VDC/2보다 작은 구간에서는 해당 상의 비교기(402, 404, 406)의 출력 신호(UC, VC, WC)는 “LOW” 레벨이다. 도 5에서, U 상은 오픈된 상이고, V상과 W상이 통전된 상인데, V상의 단자 전압(V)이 점차 감소하여 VDC/2 아래로 하강하는 시점이 V상의 ZCP이고, W상의 단자 전압(W)이 점차 증가하여 VDC/2 이상으로 상승하는 시점이 W상의 ZCP이다.
도 6은 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부에서 노이즈에 의한 비교기의 입출력 신호의 변화를 나타낸 파형도이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 만약 U상 단자 전압(U)이 오픈된 상의 단자 전압이 VDC/2를 통과하지 않아도 인버터(106) 내부의 스위칭 동작에 따른 외란(예를 들면 도 6의 원으로 표시된 ringing 부분)에 의해 오픈된 U상의 단자 전압(U)이 VDC/2를 통과한 것으로 판단되어 실제와는 다른 잘못된 ZCP 검출이 이루어질 수 있다. 이와 같은 노이즈 문제를 해결하기 위해 단자 전압 검출부(116)의 각 비교기(402, 404, 406)의 (+) 단자에 캐패시터(C1)를 두어 비교기(402, 404, 406)의 출력이 노이즈의 영향을 덜 받도록 한다. 즉, 도 4에의 캐패시터(C1)는 저항(R2)과 함께 필터를 형성함으로써, 외부로부터 유입되는 노이즈에 의해 비교기(402, 404, 406)의 입력 측에 갑작스런 전압의 변화가 발생하여 비교기(402, 404, 406)에서 비정상적인 출력이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 7은 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부에서 캐패시터의 작용에 의한 비교기의 출력 신호의 변화를 나타낸 파형도이다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 단자 전압 검출부(116)에 입력되는 어느 상의 단자 전압이 VDC/2 이하로 내려가는 매우 좁은 펄스폭을 가질 경우 비교기(402, 404, 406)의 (+) 단자에 입력되는 신호는 캐패시터(C1)의 작용에 의해 실제의 단자 전압의 파형을 반영하지 못하고 그 형상이 손상되어 VDC/2 이하로 내려가지 못할 수 있다. 이 경우 비교기(402, 404, 406)의 출력 신호는 본래의 단자 전압의 크기가 제대로 반영되지 않은 잘못된 비교 결과 즉 잘못된 ZCP 검출 결과를 발생시키게 된다. 이와 같은 ZCP 검출 오류를 방지하기 위해 ZCP 검출 허가 시점을 일정 시간 지연시키는데, 이를 도 8에 나타내었다.
도 8은 도 4에 나타낸 단자 전압 검출부에서 단자 전압의 듀티 비가 매우 큰 경우 ZCP 검출 허가 시점의 지연에 따른 ZCP 검출 오류 특성을 나타낸 도면으로서, (A)는 단자 전압의 듀티 비가 50%인 경우를 나타낸 것이고, (B)는 단자 전압의 듀티 비가 거의 풀 듀티(full duty)에 가까운 90%의 듀티 비를 갖는 경우를 나타낸 것이다. 도 8(A)의 경우 듀티 비가 50%이기 때문에 ZCP 검출 허가 시점이 다소 지연되더라도 계속되는 PWM 발생으로 인해 다음 트리거가 발생하기 때문에 ZCP 검출이 가능하지만, 도 8(B)의 경우에는 듀티 비가 풀 듀티에 가깝기 때문에 단자 전압 검출부(116)의 캐패시터(C1)의 작용에 의해 10%의 펄스 폭 구간이 비교기(402, 404, 406)에 제대로 입력되지 않아(도 7(C) 참조) 정상적인 ZCP 검출이 어렵다. 따라서 이 경우에는 다음과 같은 방법을 이용하여 정상적인 ZCP 검출이 가능하도록 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 상 전환을 수행하고(902) 일정 시간이 경과하면(904) 오픈된 상의 역 기전력이 상승하는 구간인지를 검사한다(906).
만약 단계(906)에서, 오픈된 상의 역 기전력이 상승하는 구간이면 오픈된 상의 비교기 출력에서 상승 엣지 트리거(rising edge trigger)가 발생하는지를 검사한다(908). 이 때 오픈된 상의 비교기 출력에서 상승 엣지 트리거가 발생하면 ZCP가 발생한 것으로 인정하여 ZCP 인터럽트 처리 루틴을 수행한다(916). 반대로 오픈된 상의 비교기 출력에서 상승 엣지 트리거가 발생하지 않으면 오픈된 상의 비교기 출력에서 레벨 변화가 발생하는지를 검사하고(910), 레벨 변화가 발생하면 ZCP가 발생한 것으로 인정하여 ZCP 인터럽트 처리 루틴을 수행하고(916), 반대로 레벨 변화가 발생하지 않으면 ZCP가 발생하지 않은 것으로 인정하여 단계(908)로 복귀한다. 여기서 레벨 변화의 발생은 도 10의 표에 나타낸 각각의 상 전환 모드(0~5)에서의 레벨 변화가 정상적으로 발생한 경우를 의미한다.
단계(906)에서, 오픈된 상의 역 기전력이 상승하는 구간이 아니면 오픈된 상의 비교기 출력에서 하강 엣지 트리거(falling edge trigger)가 발생하는지를 검사한다(912). 이 때 오픈된 상의 비교기 출력에서 하강 엣지 트리거가 발생하면 ZCP가 발생한 것으로 인정하여 ZCP 인터럽트 처리 루틴을 수행한다(916). 반대로 오픈된 상의 비교기 출력에서 하강 엣지 트리거가 발생하지 않으면 오픈된 상의 비교기 출력에서 레벨 변화가 발생하는지를 검사하고(914), 레벨 변화가 발생하면 ZCP가 발생한 것으로 인정하여 ZCP 인터럽트 처리 루틴을 수행하고(916), 반대로 레벨 변화가 발생하지 않으면 ZCP가 발생하지 않은 것으로 인정하여 단계(912)로 복귀한다. 여기서 레벨 변화의 발생은 도 10의 표에 나타낸 각각의 상 전환 모드(0~5)에서의 레벨 변화가 정상적으로 발생한 경우를 의미한다.
즉, ZCP 발생 시에 오픈된 상의 비교기 출력의 고유한 특성을 통해 ZCP 발생 여부를 확인함으로써 단자 전압이 거의 풀 듀티에 가까운 펄스 폭을 가질 경우에도 ZCP 발생 여부를 정확히 검출할 수 있다. 이 때, 오픈된 상의 비교기 출력을 매우 짧은 시간(예를 들면 250㎲) 간격을 2~3회 정도 검출하고, 검출된 값들이 “HIGH” 또는 “LOW”를 유지할 경우 해당 비교기의 출력 레벨을 “HIGH” 또는 “LOW”로 인정한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 모터의 제어 장치 및 방법에서의 ZCP 검출 조건을 나타낸 도면으로서, 통전 상과 오픈 상에 따른 ZCP 검출 조건(즉, 레벨 변화)을 나타낸 것이다. 즉, 도 10의 각 모드(0~5)와 같이 통전 상과 오픈 상이 구성될 때, 오픈된 상의 비교기의 출력이 검출 조건에 부합하는 레벨을 가질 때 ZCP가 발생한 것으로 인정한다.
본 발명은 브러시리스 직류 모터에서 거의 풀 듀티에 가까운 듀티 비의 단자 전압이 공급될 때에도 ZCP 발생 여부를 정확히 확인하여 ZCP 검출 오류를 최소화함으로써 ZCP 검출에 근거한 제어 동작을 충실히 수행할 수 있도록 하여 브러시리스 직류 모터의 동작 안정성을 확보할 수 있도록 한다.

Claims (5)

  1. 상용 교류 전원을 다상 교류 전원으로 변환하여 상기 브러시리스 직류 모터에 제공하는 전력 변환부와;
    상기 전력 변환부에서 상기 브러시리스 직류 모터에 제공되는 상기 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화를 검출하기 위한 단자 전압 검출부와;
    상기 단자 전압 검출부로부터 제공되는 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화 여부를 통해 오픈된 상의 ZCP 검출 신호의 정상적인 발생 여부를 판별하는 제어부를 포함하는 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 단자 전압의 레벨이 상기 전력 변환부에서 수행되는 각각의 상 전환 모드에 대응되는 레벨을 가질 때 오픈된 상의 ZCP가 발생한 것으로 인정하는 브러시리스 직류 모터의 제어 장치.
  3. 상용 교류 전원을 다상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 모터에 제공하는 전력 변환부를 포함하는 브러시리스 직류 모터의 제어 방법에 있어서,
    상기 전력 변환부에서 브러시리스 직류 모터에 제공되는 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화를 검출하고;
    상기 다상 교류 전원의 단자 전압의 레벨 변화 여부를 통해 오픈된 상의 ZCP 검출 신호의 정상적인 발생 여부를 판별하는 브러시리스 직류 모터의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,상기 단자 전압의 레벨이 상기 전력 변환부에서 수행되는 각각의 상 전환 모드에 대응되는 레벨을 가질 때 오픈된 상의 ZCP가 발생한 것으로 인정하는 브러시리스 직류 모터의 제어 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 단자 전압의 레벨 변화가 상기 다상 교류 전원의 단자 전압의 파형에서 상 전환시 발생하는 전압의 레벨 변화인 브러시리스 직류 모터의 제어 방법.
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