KR100791814B1 - 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서리스 BLDC 전동기의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집중권 BLDC 전동기의 ZCP검출 실패에 의한 운전정지의 발생을 방지하기 위한 운전제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 비교기로 입력되는 기준전압을 변경하여 새로운 기준점을 통해 ZCP를 검출함으로써 ZCP검출의 불균일을 피하고 새로운 기준점에 의해 검출된 ZCP에 대응하여 상전환 시점을 보정하여 전류의 맥동을 저감시키고 안정적인 운전이 가능하도록 함에 있다. 이를 위해 본 발명의 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법은 센서리스 비엘디씨 모터의 ZCP 검출방법에 있어서, 기준전압에서 미리 설정된 일정 값을 더하거나 뺀 값을 새로운 기준전압으로 하여 ZCP를 검출하여 모터의 구동을 제어한다.

Description

센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법 {Control Method of Sensorless BLDC Motor}

도 1은 센서리스 BLDC 전동기의 구동장치를 나타내는 도면.

도 2는 센서리스 BLDC 전동기의 ZCP검출을 위한 검출회로.

도 3은 4극 6slot SPM 집중권 BLDC모터의 자속쇄교량의 변화가 없는 구간을 나타내는 도면.

도 4는 4극 6slot SPM 집중권 BLDC모터의 역기전압의 파형.

도 5는 본 발명에 따른 ZCP검출방법을 나타내는 도식도.

도 6(a), (b)는 본 발명에 따른 보정각 적용전, 후의 상전류의 파형.

도 7(a), (b)는 본 발명에 따른 보정각 및 전류맥동저감각도(진각) 적용전, 후의 상전류의 파형

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

12 : 정류부 13 : 인버터

14 : BLDC 모터 15 : 단자전압검출부

16 : 제어부 17 : 전류센서

21~23 : 비교기 31 : 고정자의 slot

32 : 회전자 33 : 영구자석

본 발명은 센서리스 BLDC 전동기의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집중권 BLDC 전동기의 ZCP검출 실패에 의한 운전정지의 발생을 방지하기 위한 운전제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 직류모터(DC 모터)는 인가전압과 속도가 선형적인 관계를 갖고 있어 속도제어가 간단하고 넓은 속도제어범위를 갖는다. 다만, 한방향의 토크유지를 위해 브러시가 필수적 구성요소이고 이 브러시 때문에 고속운전이 어렵고 브러시의 마모로 인한 잦은 유지보수와 소음 등이 심한 단점이 있다. 이를 개선하기 위해 통상의 DC모터와 반대로 코일이 권선된 고정자와 영구자석이 마련된 회전자로 구성되고 고정자의 코일에 흐르는 전류를 제어하여 고정자의 자속과 회전자의 영구자석의 자속이 직각 또는 임의의 각도를 갖도록 제어하여 회전력을 얻는 브러시리스 DC모터(일명 BLDC모터)가 나오게 되었다. 이 BLDC모터는 브러시가 없어 기존의 DC모터의 단점을 해소하고 DC모터의 장점을 그대로 가지고 있어 최근 널리 쓰이고 는데 자속의 적절한 제어를 위해 회전자의 위치에 따라 고정자의 자속 발생위치를 결정하도록 인버터 스위칭 소자들의 스위칭상태를 결정해야 한다. 이때 회전자의 위치를 검출하기 위해 홀센서 등의 센서를 이용할 수 있으나 온도 및 압력 등의 환경적인 요인에 의해 센서없이 역기전압을 통해 Zero Cross Point(영교차점, ZCP)를 검출하여 회전자의 위치정보를 알아내는 센서리스방식을 주로 이용한다.

영교차점은 고정자에서 유기되는 각 상의 역기전압과 기준전압을 비교하여 검출하게 되는데 ZCP가 검출되면 인터럽트가 발생되고 통상적으로 그 검출시점으로부터 전기각30도가 지난 시점에 상전환(commutation)을 행하게 된다.

도 3은 4극 6slot SPM 집중권 BLDC모터의 자속쇄교량의 변화가 없는 구간을 나타내는 도면인데 분포권(24 slot)의 BLDC모터와는 다르게 4극 6slot SPM 집중권 타입의 BLDC모터는 극간격이 90도이고 고정자 slot의 간격은 60도이다. 한 상의 고정자 권선에 유기되는 상 역기전압은 쇄교자속의 변화에 기인하는 것인데 도 3에 도시된 바와 같이 4극 6slot SPM 집중권 타입의 BLDC모터는 상권선에 대하여 쇄교 자속량의 변화가 없는 구간이 좌우로 15도씩 발생한다. 따라서 이러한 구간은 역기전압이 영(0)이 된다.

도 4는 4극 6slot SPM 집중권 BLDC모터의 역기전압의 파형을 나타내는데 도 4에 도시된 바와 같이 역기전압이 영(0)인 구간이 발생하여 회전자 위치 검출이 불균일하게 되고 불규칙한 상전환 시점의 결과를 초래하여 상전류의 맥동이 발생하게 된다. 이는 모터의 성능이 저하되고 심한 경우 정상동작이 불가능하게 되는 문제점이 있어 왔다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이러한 본 발명의 목적은 비교기로 입력되는 기준전압을 변경하여 새로운 기준점을 통해 ZCP를 검출함으로써 ZCP검출의 불균일을 피함에 있다.

또한, 새로운 기준점에 의해 검출된 ZCP에 대응하여 상전환 시점을 보정하여 전류의 맥동을 저감시키고 안정적인 운전이 가능하도록 함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법은 기준전압에서 미리 설정된 일정 값을 더하거나 뺀 값을 새로운 기준전압으로 하여 ZCP를 검출하고; 검출된 ZCP에 전류 맥동 저감 각도를 더 보정하여 상 전환을 수행한다.

또한, 상기 미리 설정된 일정 값은 영보다 크고 역기전압의 크기에 해당하는 값보다 작은 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 일정값은 비교기의 기준전압이 인가되는 단자에 연결되는 저항을 조절하여 더하거나 빼도록 하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적의 본 발명에 따른 또 다른 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어 방법에 있어서, 제 1 기준 전압에서 미리 설정된 일정 값을 더하거나 뺀 값을 제 2 기준 전압으로 설정하고; 상기 제 2 기준 전압을 이용하여 검출된 ZCP로부터 전기각 30도에 전류 맥동 저감 각도를 더 보정하여 상전환을 수행한다.

또한, 상기 제 2 기준전압이 일정값을 빼서 된 경우에, 상기 전류 맥동 저감 각도를 상승구간에서는 더하도록 하고 하강구간에서는 빼도록 한다.

또한, 상기 제 2 기준전압이 일정값을 더해서 된 경우에, 상기 전류 맥동 저감 각도를 상승구간에서는 빼도록 하고 하강구간에서는 더하도록 한다.

또한, 상기 전류 맥동 저감 각도는 모터의 RPM에 따라 변하는 값인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전류맥동저감각도의 보정은 미리 설정된 일정 RPM을 넘는 고속 구동시에 10 내지 15도의 각도를 보정하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 상기 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기는 4극 6슬롯 SPM타입 전동기 인 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 센서리스 BLDC 전동기의 구동장치를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이 상기 구동장치는 입력전원(AC)(11)을 입력받아 정류하는 정류기 및 정류된 입력전원(AC)을 평활하는 평활콘덴서로 이루어진 정류부(12)와 정류부(12)에서 정류, 평활된 직류전압(DC)을 인가받아 제어부(16)의 구동신호에 의해 도통제어를 받는 트랜지스터와 트랜지스터에 각 역병렬로 접속된 다이오드로 이루어진 인버터(13)와 인버터(13)의 스위칭에 따라 변환된 3상 전원을 인가받는 고정자와 고정자의 회전자계에 따라 회전하는 회전자로 이루어진 BLDC모터(14)와 BLDC모터(14)의 회전자에서 발생하는 역기전압을 입력받아 기준전압과 비교하여 ZCP를 검출, 회전자의 위치를 알아내어 제어부로 전달하는 단자전압검출부(15)와 회전자의 위치정보를 토대로 모터의 속도를 계산하고 이를 통해 모터를 제어하기 위한 PWM패턴을 발생하여 인버터(13)로 전달 제어하는 제어부(16)와 모터에 인가되는 부하를 판단하기 위한 전류를 검출 제어부(16)로 전달하는 전류센서(17)로 이루어진다.

또한, 도 2는 센서리스 BLDC 전동기의 ZCP검출을 위한 검출회로인데 직류전동기의 중성점전압(Vdc)를 저항 R3를 통해 기준입력으로 반전단자로 입력받고 3상 의 전압(Vu, Vv, Vw)을 R1과 R2를 통해 분압한 후 비반전단자로 입력받아 이를 비교한 결과(

)를 제어부(16)으로 출력하는 비교기(21~23)으로 구성된다.

이와 같은 구성에 의해 센서리스 BLDC모터의 구동장치의 동작은 아래와 같다.

입력전원(AC)는 정류부(12)를 거쳐 정류되고 평활되어 인버터(13)에 전달되며 제어부(16)의 신호에 따라 각 트랜지스터가 도통되어 회전자의 위치에 따라 3상의 전압을 고정자에 인가하여 BLDC모터가 제어된다.

단자전압검출부는 역기전압이 변하는 구간을 검출하는데 이를 도 2를 통해 설명하면 중성점 전위가 저항(R3)를 거쳐 각 비교기(21~23)의 반전단자로 입력되며 각 상의 역기전압은 저항 R1, R2를 통해 분압되어 각 비교기(21~23)의 비반전단자로 입력되어 중성점의 전위와 비교되어 출력전압(

)이 출력된다. 이 때 각 상의 역기전압이 양에서 음으로 바뀔 때 영교차점(ZCP)이 검출되고 음에서 양으로 바뀔 때에도 영교차점(ZCP)이 검출된다. 일반적으로 영교차점이 검출되면 인터럽트를 발생시키고 이를 통해 회전자의 위치와 전류센서의 전류값에 따라 상전환시점을 계산하고 인버터(13)로 PWM패턴을 전달하여 모터를 제어한다. 종래의 4극 6slot SPM타입 BLDC모터의 경우 좌우로 15도씩 자속쇄교량의 변화가 없어 역기전압이 영(0)인 구간이 있어 ZCP검출이 불균일해짐은 앞서 언급하였다. ZCP검출이 불균일해짐에 따라 상전환시점이 회전자의 위치에 대응하게 적절히 이루어지지 않아 성능이 저하되고 떨림이 생기거나 정상적인 동작이 이루어지지 않는다. 도 5는 이런 문제 점을 개선한 본 발명에 따른 ZCP검출방법을 나타내는 도식도이다. 도 5에서

는 종래의 기준전압이고 본 도면에서는 일정한 값(a)를 기준전압으로부터 빼서 새로운 기준전압

으로 한 경우를 나타낸 것이다. 기준전압은 도 2에서와 같이 R3와 R4에 의해 분압되어 비교기의 반전단자로 입력되는데 새로운 기준전압으로 입력하기 위해서는 R3와 R4의 비율을 조정함으로써 이룰 수 있다. 즉 각 비교기에 걸리는 전압은

이므로 예를 들어 0.8

를 새로운 기준전압으로 하기 위해서는 R4=4R3가 되도록 R3와 R4의 값을 정하면 된다. 상기 일정한 값(a)는 영(0)보다는 크고 역기전압의 크기 보다는 작은 값 중 임의의 값이 될 수 있는데 이는 역기전압이 영(0)인 구간을 피해서 ZCP를 안정적이고 균일하게 검출하려는데 그 목적이 있기 때문이다.

이렇게 새로운 기준전압으로부터 ZCP를 검출하면 그로부터 일정시점 뒤에 상전환을 수행한다. 일반적으로 ZCP가 검출되면 그로부터 전기각 30도 뒤에 상전환을 수행하게 되는데 본 발명에서는 새로운 기준점을 적용하여 ZCP를 검출하므로 종래와 같이 상전환을 수행하면 회전자의 위치에 맞지 않게 된다. 도 5에서는 본래의 ZCP와 새로운 기준전압에 의해 검출된 ZCP와 전기각으로

만큼의 차이가 있음을 알 수 있다. 따라서 상승하는 부분에서는 30+

후에 상전환을 하고 하강하는 부분에서는 30-

후에 상전환을 하도록 상전환 시점을 보정하여야 한다. 또한,

는 새로운 기준전압을 만들기 위해 더하거나 빼준 일정한 값(a)에 따라 달라지게 되고 또한 현재의 RPM에 따라서도 변하게 되는 값이다. 따라서

는 미리 어떤 크기의 값을 더하거나 빼서 새로운 기준전압을 만들 것인지를 정하고 실험에 의해 그 값을 결정하게 된다.

또한, 도 5와는 달리 일정한 값(a)를 더하여 새로운 기준전압을 만들 수 있는데 이 경우에 있어서는 도 5의 경우와 상전환 시점을 어떻게 보정하느냐의 차이가 있을 뿐 다른부분은 동일하다. 즉 상전환 시점을 상승구간에서는 30-

후에 상전환을 실시하고 하강구간에서는 30+

후에 상전환을 실시하면 된다.

통상 역기전압이 파형이 사다리꼴인 BLDC모터에서는 구형파의 상전류를 인가하면 맥동없는 토크가 발생한다. 이를 위해 전류원 인버터를 사용하여야 하나 경제성이 떨어지므로 통상 인버터는 전압원 인버터를 사용하는데 이 경우 이상적인 구형파의 상전류를 공급할 수 없기 때문에 상전환시에 전류의 맥동이 발생하게 된다. 특히 고속영역에서는 전류의 맥동이 심하게 되는데 이를 위해 전류맥동을 저감시킬 보정이 필요하게 된다. 따라서 전류의 맥동을 저감시키기 위해 전환시점의 계산에 진각을 주어 전류의 맥동을 저감시키게 되는데 이 진각의 크기는 실험에 의해 구할 수 있는데 통상 3000RPM이상의 고속운전역역에서 10~15도의 진각을 보상하면 전류의 맥동이 확연히 감소됨을 도 7(a)와 (b)를 보면 알 수가 있다.

도 6(a)(b)는 본 발명에 따른 보정각 적용전, 후의 상전류의 파형을 나타낸 것이다. 도 6(a)에 표시된 것과 같이 종래의 기준전압을 적용할 경우 상승구간에서는

만큼 앞당겨 ZCP를 검출하여 30도 지연 후 상전환을 하기 때문에 전환시점이

만큼 빨라졌고 하강구간에서는

만큼 늦게 검출하여 30도 지연 후 상전환을 하기 때문에 전환시점이

만큼 늦어져 상전환의 구간이 비균등함을 볼 수 있다. 반면 (b)에서는 새로운 기준전압을 적용하여 ZCP를 검출하고

를 보정하여 상전환을 실시하여 상전환 구간의 상태가 균등해졌음을 볼 수 있다.

도 7(a)(b)는 본 발명에 따른 보정각 및 전류맥동저감각도(진각) 적용전, 후의 상전류의 파형을 나타낸 것이다. 도 7(a)는 종래의 기준전압을 적용하고 전류맥동저감각도를 적용하여 보정한 경우로 전류의 맥동이 도 6(a)에 비해 줄어든 것을 확인할 수 있으나 상전환 구간은 여전히 비균등함을 볼 수 있다. 도 7(b)에서는 새로운 기준전압을 적용하여

만큼 보정하고 진각을 적용한 경우로 상전환 구간의 비균등해지고 전류의 맥동도 저감되었음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법은 기준전압을 변경하여 ZCP를 검출하여 ZCP검출의 불균일을 피할 수 있고 또한, 새로운 기준점에 의해 검출된 ZCP에 대응하여 상전환 시점이 보정됨으로써 상전환 구간이 균일해져 안정적으로 모터를 제어할 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

1. 기준전압에서 미리 설정된 일정 값을 더하거나 뺀 값을 새로운 기준전압으로 하여 ZCP를 검출하고;

   상기 검출된 ZCP에 전류 맥동 저감 각도를 더 보정하여 상 전환을 수행하는 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 미리 설정된 일정 값은 영보다 크고 역기전압의 크기에 해당하는 값보다 작은 것이 특징인 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 일정값은 비교기의 기준전압이 인가되는 단자에 연결되는 저항을 조절하여 더하거나 빼도록 하는 것이 특징인 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
4. 제 1 기준 전압에서 미리 설정된 일정 값을 더하거나 뺀 값을 제 2 기준 전압으로 설정하고;

   상기 제 2 기준 전압을 이용하여 검출된 ZCP로부터 전기각 30도에 전류 맥동 저감 각도를 더 보정하여 상전환을 수행하는 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 기준전압이 일정값을 빼서 된 경우에,

   상기 전류 맥동 저감 각도를 상승구간에서는 더하도록 하고 하강구간에서는 빼도록 하는 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 기준전압이 일정값을 더해서 된 경우에,

   상기 전류 맥동 저감 각도를 상향구간에서는 빼도록 하고 하강구간에서는 더하도록 하는 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 전류 맥동 저감 각도는 모터의 RPM에 따라 변하는 값인 것이 특징인 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 전류맥동저감각도의 보정은 미리 설정된 일정 RPM을 넘는 고속 구동시에 10 내지 15의 각도를 보정하는 것이 특징인 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법
10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

    상기 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기는 4극 6슬롯 SPM타입 전동기 인 것이 특징인 집중권 방식의 센서리스 비엘디씨 전동기의 제어방법

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