KR100732545B1 - 비엘디시 모터의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비엘디시 모터의 제어방법에 관한 것으로, 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 검출하고, 제어방식은 3상을 모두 통전하는 PWM방식을 도입하여 저렴하고 간단하게 180도 정현파 제어를 구현하도록 하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은, 회전자 위치에 따라 고정자 3상 코일에 인가되는 전류를 스위칭하여 비엘디시 모터의 구동을 제어하는 방법에 있어서, 각 상에 유기되는 역기전력을 검출하여 회전자 위치를 검출하고, 검출된 회전자 위치에 대응하여 3상을 모두 통전하는 PWM방식을 통해 180도 정현파 제어를 구현하는 것이다.

Description

비엘디시 모터의 제어방법{Controlling method of BLDC motor}

도 1은 종래 CT를 이용한 위치검출 및 180도 정현파 제어 패턴도,

도 2는 종래 역기전력을 이용한 위치검출 및 120도 구형파 제어 패턴도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 비엘디시 모터의 센서리스 구동장치의 제어 구성도,

도 4는 본 발명에 적용되는 단자전압검출부의 세부 구성도,

도 5는 본 발명의 역기전력을 이용한 위치검출 및 180도 정현파 제어 패턴도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

20 : 정류부 30 : 인버터

40 : 비엘디시 모터 50 : 단자전압검출부

60 : 제어부 70 : PWM신호발생부

본 발명은 3상 센서리스 비엘디시(Brushless Direct Current; BLDC) 모터의 제어방법에 관한 것으로, 특히 역기전력을 이용하여 180도 정현파 제어를 구현하는 비엘디시 모터의 제어방법에 관한 것이다.

통상, 비엘디시 모터의 고정자(stator)는 3상의 코일에 전류를 흘려 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotator)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다. 비엘디시 모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 비엘디시 모터의 연속적인 회전자계의 형성이 필요하며, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상의 코일에 흐르는 전류의 정류(commutation)를 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 정류를 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다. 여기서 정류란 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다.

이러한 비엘디시 모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치검출을 위해 자속의 변화에 따라 전위차가 달라지는 홀센서(Hall sensor)를 이용하거나 고정자의 각 상에 CT(Current Transformer)를 설치하고 있다.

그러나, 홀센서를 이용하는 경우에는 고온, 고압 환경 하에서 동작하는 모터에 취부가 불가능하여 압축기 등의 구동에는 사용할 수 없다는 문제점이 있다.

반면, CT를 이용하여 회전자 위치를 검출하는 방식은 가장 이상적인 제어방법으로 각 상에서 얻어진 상 전류를 d(direct axis), q(quadra axis) 두 축으로 좌표 변환하여 마치 brushed DC 모터와 같이 전류를 계자전류와 전기자 전류성분으로 분리함으로서 전류제어를 통해 원하는 토크를 얻을 수 있도록 하는 벡터제어방식이 다. 각 상에서 인가하는 전압은 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이, PWM형태이며 전류파형은 점선으로 도시한 정현파 형태가 된다. 비엘디시 모터에는 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 3상 코일에 모두 전류를 통전함으로서 상 효율을 높이고 있다.

이와 같이, CT를 이용한 위치검출은 180도 통전 제어를 할 수 있고 역기전력과 전류가 모두 정현파 형태를 가지고 있어 결과적으로 토크리플이 발생하지 않으며 이로 인해 효율이나 토크특성, 소음, 진동 등 대부분에서 양호한 특성을 나타낸다는 장점은 있으나, 회전자 위치를 추정하기 위해 고가의 CT를 사용해야 하며 독자적인 벡터제어 알고리즘을 구축하는데 상당한 기술과 시행착오를 수반하며 또한 복잡한 제어 알고리즘으로 인하여 제어기의 가격이 상승하는 등 전반적으로 높은 기술력과 제조 원가의 부담을 가져온다.

이러한 문제를 해결하기 위해 전기회로를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 방안이 모색되었으며, 그 결과로 비엘디시 모터의 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 방식이 현재 가장 널리 사용되고 있다.

역기전력을 이용한 위치검출은 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 모터의 3상 코일 중 2개의 코일에만 전류를 통전하고 나머지 1개의 상은 회전자가 회전할 때 발생하는 자기장의 변화를 통해 기전력을 발생시킴으로서 현재 회전자 내 자석 위치를 검출한다. 이때 기전력은 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, tropizoidal(사다리꼴) 형태로 얻어지며 각 상에서 기전력이 0이 되는 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 이 위치에서부터 위상각 30도 후에 각 상을 통전하는 방식으로 연속적으로 모터를 제어하고 있다.

그러나, 종래 역기전력을 이용한 위치검출은 전기각 120도 구간만 통전하여 구형파의 전류가 흐르는 것이 토크리플의 주요 원인으로 작용하기 때문에 이러한 토크리플이 제품에서 소음, 진동의 악화를 야기하며 효율면에서도 불리한 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 역기전력을 이용하여 회전자의 위치를 검출하고, 제어방식은 3상을 모두 통전하는 PWM방식을 도입하여 저렴하고 간단하게 비엘디시 모터의 180도 정현파 제어를 구현하는 비엘디시 모터의 제어방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 회전자 위치에 따라 고정자 3상 코일에 인가되는 전류를 스위칭하여 비엘디시 모터의 구동을 제어하는 방법에 있어서, 각 상의 역기전력을 검출하는 단계; 검출된 역기전력의 제로 크로싱 포인트를 검출하여 3상 PWM신호를 출력하는 단계; 및 PWM신호에 의한 3상 통전 후 한 상을 오프시켜 다음 상의 위치를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3상 PWM신호를 출력하는 단계는, 회전자의 회전으로 얻어지는 각 상의 유도 기전력이 제로 크로스를 통과하는 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 제로 크로싱 포인트(ZCP) 정보를 근거로 해당 상에 PWM 구동신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 PWM신호는 180도 통전의 정현파 제어신호인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다음 상의 위치를 검출하는 단계는, PWM 온 구간에서 3상 모두 전류가 흐르다가 PWM 오프 구간에서 2상만 통전하고 통전하지 않는 나머지 상에서 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치를 검출하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 회전자 위치에 따라 고정자 3상 코일에 인가되는 전류를 스위칭하여 비엘디시 모터의 구동을 제어하는 방법에 있어서, 각 상에 유기되는 역기전력을 검출하여 회전자 위치를 검출하고, 검출된 회전자 위치에 대응하여 3상을 모두 통전하는 PWM방식을 통해 180도 정현파 제어를 구현하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 비엘디시 모터의 센서리스 구동장치의 제어 구성도이다.

도 3에서, 본 발명의 비엘디시 모터의 센서리스 구동장치는 정류부(20), 인버터(30), 단자전압검출부(50), 제어부(60) 및 PWM신호발생부(70)를 포함하여 구성된다.

정류부(20)는 AC전원(10)을 정류 및 평활시켜 DC전원을 공급하는 것으로, 정류기(22) 및 평활 컨덴서(24)로 구성된다.

인버터(30)는 상기 정류부(20)에서 공급되는 DC전원을 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류전원(U, V, W)으로 바꾸어 비엘디시 모터(40)에 공급하는 것으로, 6개의 스위칭소자(Q1~Q6)와 다이오드로 구성된 통상의 스위칭회로이다.

단자전압검출부(50)는 비엘디시 모터(40)에 공급되는 3상 교류전원으로부터 각 상(U, V, W)의 단자전압을 검출하여 제어부(60)에 입력한다.

제어부(60)는 상기 단자전압검출부(50)에서 검출된 각 상(U, V, W)의 단자전압에 따라 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 회전자의 위치정보를 획득하고, 인버터(30)에 공급되는 PWM신호의 패턴을 제어하는 마이크로프로세서로서, 이 제어부(60)는 전체적인 인버터(30) 제어 알고리즘을 수행한다.

PWM신호발생부(70)는 상기 제어부(50)의 출력에 의해 PWM신호의 패턴을 발생하여 인버터(30)에 공급한다.

도 4는 본 발명에 적용되는 단자전압검출부의 세부 구성도이다.

도 4에서, 비엘디시 모터(40) 각 상(U, V, W)의 단자 전압은 저항(R1,R2)에 의해 분압되어 제어부(60)의 A/D입력포트(62)로 입력된다. 이때 각각의 저항분배회로(R1,R2)에 의해 분압된 전압 값이 각 상 단자 전압의 A/D입력전압 범위 내에 한정될 수 있게 A/D입력포트(62)에 별도로 제너다이오드를 추가하기도 한다.

또한, 센서리스 운전구간에서는 각 상의 단자전압으로부터 역기전력의 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하기 위해 각 상(U, V, W)의 단자전압과 인버터 직류단 전압(V)의 절반(1/2) 값을 비교기(52)를 통해 비교한 결과를 제어부(60)의 디지털입력포트(64)로 입력한다.

이하, 상기와 같이 구성된 비엘디시 모터의 제어방법의 동작과정 및 작용효과를 설명한다.

도 5는 본 발명의 역기전력을 이용한 위치검출 및 180도 정현파 제어 패턴도로서, 비엘디시 모터(40)의 초기 기동부터 회전자 위치를 검출하기까지의 제어흐름 및 전류파형을 나타낸 것이다.

본 발명의 비엘디시 모터(40)에서 회전자 위치검출의 제어목적은 토크리플 없는 이상적인 제어이며, 이를 위해 전압과 전류가 모두 정현파가 되도록 하면 된다. 비엘디시 모터(40)를 구동하기 위해서는 어떠한 제어방식이라 하더라도 초기에 회전자의 자석 위치를 모르기 때문에 초기 구동 알고리즘이 필요하며, 이 경우에도 회전자가 일단 회전을 시작해야 유도 기전력을 얻을 수 있기 때문에 마찬가지로 별도의 초기 구동 알고리즘이 필요하다. 이러한 초기 구동 알고리즘은 이미 모든 비엘디시 모터(40) 제어에서 사용하고 있는 공지된 기술이며 이 경우에도 일반적으로 공지된 강제정렬 방식을 사용하므로 상세한 설명을 생략한다.

이와 같이, 회전자의 자석 초기 위치가 얻어졌으면 다음으로 회전 주파수가 일정속도에 도달할 때까지 정해진 순서대로 회전자를 동기 회전시켜 유도 기전력을 발생시킨다. 이 구간에서부터 정현파 제어에 진입한다. 구동방법은 일반적으로 AC유도전동기의 정현파 제어방식과 동일한 PWM 제어방법을 사용한다. 단, 캐리어(carrier) 주파수는 삼각파나 톱니파 방식 혹은 원근사법 등 다양한 방법을 적용할 수 있다. 이 구간에 해당하는 제어방법을 도 5에 도시하였다.

회전자의 회전으로 얻어지는 각 상의 유도 기전력이 제로 크로스를 통과하는 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 제로 크로싱 포인트(ZCP) 정보를 근거로 상 전환을 하여 해당 상에 PWM 구동신호를 출력한다. 이때부터 3상 통전으로 구동하므로 전류파형은 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 정현파 형태를 갖게 된다.

이때, 제로 크로싱 포인트(ZCP) 검출을 보다 용이하게 하기 위하여 비엘디시 모터(40)의 권선을 분포권으로 하는 것이 유리하다.

이와 같이, 비엘디시 모터(40)가 일단 구동된 이후에는 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 PWM on 구간동안만 통전하고 빗금으로 표시한 구간의 PWM 신호는 파형출력을 off시킨다. 이렇게 하는 이유는 별도의 위치검출센서가 없기 때문에 3상을 모두 계속해서 통전할 경우 다음 상을 통전하기 위해 필요한 자석의 위치를 알 수 없기 때문이다.

그리고, 현재 운전 주파수는 알고 있기 때문에 통전에 필요한 PWM on 시간은 제어부(60)에서 계산할 수 있다. 단 비엘디시 모터(40)는 유도 부하이므로 PWM 신호를 off하더라도 비엘디시 모터(40) 상에는 전류가 계속해서 흐르게 된다. 따라서 어느 시점에서부터 PWM 신호를 off할 것인가는 실험을 통하여 적정 위치를 구할 필요가 있다. 이렇게 제어함으로써 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 비엘디시 모터(40) 상에는 PWM on구간에서는 3상 모두 전류가 흐르다가 PWM off 구간에서는 2상만 통전하고 통전하지 않는 상에서 발생하는 기전력을 이용하여 회전자의 위치를 검출한다.

상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 비엘디시 모터의 제어방법에 의하면, 기존 120도 제어방식과 같이 역기전력을 이용하면서도 120도 제어방식의 단점인 소음, 진동을 개선하고, 180도 제어에 사용되던 복잡한 벡터제어 알고리즘이나 고가의 복잡한 CT사용없이 기존 AC 유도전동기의 제어방법과 같이 3상을 모두 통전하는 PWM구동법으로 저렴하고 간단하게 정현파 제어를 구현함으로서 120도 방식 대비 개발기간 및 비용을 줄일 수 있으며, 제품의 고효율화 및 소음, 진동을 저감하 게 되는 효과가 있다.

상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 비엘디시 모터의 제어방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (5)

1. 회전자 위치에 따라 고정자 3상 코일에 인가되는 전류를 스위칭하여 비엘디시 모터의 구동을 제어하는 방법에 있어서,

   각 상의 역기전력을 검출하는 단계;

   검출된 역기전력의 제로 크로싱 포인트를 검출하여 3상 PWM신호를 출력하는 단계; 및

   상기 PWM신호의 온 구간에서는 3상을 모두 통전하다가 상기 PWM신호의 오프 구간에서는 2상만 통전하고 통전하지 않는 나머지 상에서 발생하는 역기전력을 검출하여 회전자 위치를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비엘디시 모터의 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 3상 PWM신호를 출력하는 단계는,

   회전자의 회전으로 얻어지는 각 상의 유도 기전력이 제로 크로스를 통과하는 제로 크로싱 포인트(ZCP)를 검출하여 제로 크로싱 포인트(ZCP) 정보를 근거로 해당 상에 PWM 구동신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 비엘디시 모터의 제어방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 PWM신호는 180도 통전의 정현파 제어신호인 것을 특징으로 하는 비엘디시 모터의 제어방법.
4. 삭제
5. 삭제

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