KR101027882B1 - Ｂｌｄｃ 모터의 정풍량 제어방법 - Google Patents

Ｂｌｄｃ 모터의 정풍량 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BLDC 모터의 정풍량 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 팬에 대하여 실험을 통해 얻은 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식, 정압과 목표 속도제어 전압 등의 정보를 이용하여 센서와 전동댐퍼를 구비하지 않고서도 BLDC 모터의 정풍량을 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 정풍량 제어방법은 마이크로프로세서에서 초기 상태에서의 전압을 BLDC 모터에 인가하여 BLDC 모터의 RPM 정보를 얻는 단계; 상기 마이크로프로세서에서 자체 저장된 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식에 RPM 정보를 대입하여 초기 상태에서의 풍량과 정압을 계산하는 단계; 상기 초기 상태에서의 풍량과 정압으로 목표 시스템에서의 저항을 계산하는 단계; 상기 목표 시스템에서의 저항과 기정해진 목표 풍량으로 목표 정압을 계산하는 단계; 상기 마이크로프로세서에서 자체 저장된 정압대 속도제어 전압표 정보를 이용, 목표 정압에서의 목표 속도제어 전압을 확인하는 단계; 및 상기 마이크로프로세서에서 목표 속도제어 전압을 BLDC 모터에 인가하는 단계를 포함하여 구성된다.

Description

ＢＬＤＣ 모터의 정풍량 제어방법 {Constant Air Volume Controlling Method of BLDC Motor}
본 발명은 BLDC 모터의 정풍량 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특정 팬에 대하여 실험을 통해 얻은 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식, 정압과 목표 속도제어 전압 등의 정보를 이용하여 센서와 전동댐퍼를 구비하지 않고서도 BLDC 모터의 정풍량을 제어할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 밀폐된 공간의 공기는 거주자들의 호흡과 활동에 의하여 각종 유해물질과 이산화탄소의 함량이 증가하여 오염된다.
따라서 건물의 밀폐된 공간의 공기를 외부로 배출시킴과 아울러 외부의 신선한 공기를 내부로 유입시키기 위해 공동주택의 주방이나 사무실 또는 화장실에 마련된 팬을 이용하여 실내의 공기를 포집하고 포집된 실내의 공기를 배기관로를 통하여 외부로 배출하게 된다.
이 경우 저층건물의 경우에는 큰 문제가 없으나, 고층건물의 경우에는 층수가 증가함에 따라 팬의 출력이 증가하여야만 원활한 공기배출이 이루어질 수 있다.
따라서, 고층건물의 저층과 고층에 동일한 출력의 팬을 설치할 경우, 저층에 마련된 팬의 출력은 실내의 오염물질을 배출시키기에는 불필요하게 과도하고, 고층에 마련된 팬의 출력은 실내의 오염물질을 배출시키기에 미비할 뿐만 아니라, 정압 손실에 의하여 오염물질의 배출이 원활하게 이루어지지 않고, 소음이 과도하게 발생하였다.
또한, 설치시에 실내외를 연결하는 덕트의 조건이나 외기의 상태에 따른 정압의 변동에 의하여 기준 풍량이 변동되어 만족스런 환기가 이루어지지 않았다.
이를 해결하기 위하여 일정한 풍량을 유지할 수 있는 정풍량 제어를 해야하는바, 종래에는 정풍량 제어를 위해 정압(static pressure)을 검출하는 압력센서와, 팬을 작동시키는 BLDC 모터의 회전수를 측정하는 RPM(Revolutions Per Minute) 센서와, 풍량을 측정하기 위한 풍량센서를 구비하여 일정한 풍량의 배출이 이루어지도록 BLDC 모터의 작동을 제어하였다.
상기 BLDC 모터는 BrushLess DC 모터의 약자로 카본이 들어 있지 않은 DC 모터이다.
그런데 종래에는 정풍량 제어를 위해서 다수의 센서를 구비해야 하므로 가격이 상승하고 정풍량 제어를 위한 단계가 복잡할 수밖에 없으며 센서의 품질에 따라 정풍량 제어의 신뢰성이 영향을 받는 문제점이 있었다.
한편, 국내특허공개 10-2009-0041851호에는 배출되는 실내공기의 양과 흡입되는 실외공기의 양을 조절하는 전동댐퍼와 BLDC 모터에 내장되어 회전수를 측정하는 RPM 센서를 구비하여, 정풍량을 제어하는 기술이 개시되어 있으나, 이 역시도 전동댐퍼를 실내공기 배기구와 실외공기 흡기구에 설치하여야 하며, 정풍량 제어를 위해 여러 단계를 거쳐야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 특정 팬에 대하여 실험을 통해 얻은 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식, 정압과 목표 속도제어 전압 등의 정보를 이용하여 다수의 센서나 전동댐퍼를 구비하지 않고서도 BLDC 모터의 정풍량을 제어하되, 간단한 구성으로 여러 단계를 거치지 않고 정풍량 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 BLDC 모터의 정풍량 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 정풍량 제어방법은 마이크로프로세서에서 초기 상태에서의 전압을 BLDC 모터에 인가하여 BLDC 모터의 RPM 정보를 얻는 단계;
상기 마이크로프로세서에서 자체 저장된 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식에 RPM 정보를 대입하여 초기 상태에서의 풍량과 정압을 계산하는 단계;
상기 초기 상태에서의 풍량과 정압으로 목표 시스템에서의 저항을 계산하는 단계;
상기 목표 시스템에서의 저항과 기정해진 목표 풍량으로 목표 정압을 계산하는 단계;
상기 마이크로프로세서에서 자체 저장된 정압대 속도제어 전압표 정보를 이용, 목표 정압에서의 목표 속도제어 전압을 확인하는 단계; 및
상기 마이크로프로세서에서 목표 속도제어 전압을 BLDC 모터에 인가하는 단계를 포함하여 구성된다.
상술한 과제의 해결 수단에 의하면, 특정 팬에 대하여 실험을 통해 얻은 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식, 정압과 목표 속도제어 전압 등의 정보를 이용하여 다수의 센서나 전동댐퍼를 구비하지 않고서도 BLDC 모터의 정풍량을 제어하되, 간단한 구성으로 여러 단계를 거치지 않고 정풍량 제어의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 적용되는 시스템의 간략한 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정풍량 제어방법의 순서도,
도 3은 특정 전압에서 정압, 풍량 및 추세선을 나타내는 그래프,
도 4는 속도제어 전압별 정압대 풍량의 특성을 나타내는 그래프.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하고자 한다.
도 3은 특정 전압에서 정압, 풍량 및 추세선을 나타내는 그래프이다.
팬을 작동시키는 BLDC 모터의 속도 제어는 BLDC 모터의 드라이버에 인가되는 속도제어 전압의 크기에 따라 조정되고 이에 의해 풍량이 결정된다.
이 BLDC 모터 드라이버에서 출력되는 정보는 RPM(Revolutions Per Minute)으로서, 이는 팬을 작동시키는 BLDC 모터의 RPM을 측정하는 RPM 센서에 의해 검출되며, 이 RPM 센서로는 BLDC 모터의 내부에 내장되는 홀센서 등이 이용된다.
이와 같이 BLDC 모터에 속도제어 전압을 인가하고 이때 RPM과 풍량과 정압을 실험에 의해 측정하여 도 3과 같은 특정 속도제어 전압에서 정압 및 풍량 그래프를 얻을 수 있다.
도 3은 특정 팬에 대하여 실험에 의해 얻은 속도제어 전압 3.6v(volt)에서의 RPM대 정압, 풍량 및 추세선을 나타내는 그래프이다.
특정 팬에 대하여 실험에 의해 얻은 측정치(RPM, 풍량, 정압)와 스프레드시트 프로그램(예를 들어 Microsoft Excel) 등을 이용해 정압과 RPM 관계나 풍량과 RPM 관계를 나타내는 공식을 얻을 수 있다.
이에 의해 얻은 정압 다항식 y=-0.000878x2 + 4.4156x - 5225.5는 정압 추세선(여기서 x는 RPM이고, y는 정압)에 대한 공식이며, 풍량 다항식 y=-0.0003x2 + 0.7982x - 232.87은 풍량 추세식(x는 RPM이고, y는 풍량)에 관한 공식으로 2차 방정식으로 이루어진다.
이와 같이 속도제어 전압을 0.1v 단위로 반복 인가하고 이때 RPM과 풍량과 정압을 실험에 의해 측정하여 도 4와 같은 속도제어 전압별 그래프를 얻을 수 있다.
도 4는 속도제어 전압별 정압대 풍량의 특성을 나타내는 그래프이다.
범례에 표시된 다수의 그래프는 BLDC 모터의 속도제어 전압별 정압대 풍량 그래프이고, 범례와 반대 곡선을 그리는 하나의 그래프는 특정 시스템(BLDC 모터나 팬이 설치된 특정 장소)에서의 관내 정압대 풍량 그래프이며, 굵은 적선으로 표시된 그래프는 목표로 하는 시스템의 정압대 풍량을 나타내는 그래프이다.
도 4의 그래프에서 정압과 풍량이 반비례하여 정압이 증가할수록 배출되는 풍량은 감소하고, 정압이 증가하더라도 일정한 풍량을 유지하기 위해서는 속도제어 전압을 증가시켜 BLDC 모터의 회전수를 높여야 함을 알 수 있다.
또한, 어떤 특정 시스템에서 BLDC 모터의 속도제어 전압이 정해지면 그 속도제어 전압의 정압대 풍량 및 특정 관내 정압대 풍량 그래프가 만나는 점에서 풍량이 결정됨을 알 수 있다.
아래의 표 1은 이와 같이 속도제어 전압을 0.1v 단위로 반복 인가해서 얻은 속도제어 전압별 정압(여기서는 10Pa 단위로 측정)대 풍량을 나타낸 표이다.
Figure 112010077581979-pat00001
표 1에서 가로축은 특정 정압에서 속도제어 전압별 풍량을 나타낸 것이고, 세로축은 특정 속도제어 전압에서 정압별 풍량을 나타낸 것으로, 노란색으로 표시된 셀들은 각 정압에서 목표 풍량(여기서는 목표 풍량 120CMH로 가정함)과 유사한 값을 가진 셀이다.
이 셀들이 속한 속도제어 전압을 구하면 결국 정압대 목표 속도제어 전압으로 표를 만들 수 있고, 이것이 적색선 내부의 셀로서, 이를 이용하면 특정 정압에서 쉽게 목표 속도제어 전압을 얻을 수 있다.
예를 들어 구한 정압이 127Pa인 경우 단자리 수를 반올림하면 130Pa이므로 이때 목표 속도제어 전압을 표 1에서 구하면 3.4v이므로, 이 특정 시스템에서는 3.4v를 BLDC 모터에 인가하면 목표 풍량 120CMH으로 풍량을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 적용되는 시스템의 간략한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 정풍량 제어방법의 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 정풍량 제어를 위한 시스템이 마이크로프로세서(10)와 D/A 컨버터(20) 및 BLDC 모터(30)를 포함하여 구성된다.
이때 상기 마이크로프로세서(10)에는 상술한 실험에 의해 얻은 측정치와 특정 팬에 대하여 실험을 통해 얻은 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식, 상기 표 1에서의 정압과 목표 속도제어 전압 등의 정보가 기저장되어 있는 상태이다.
팬을 작동시키는 BLDC 모터(30)의 속도 제어는 BLDC 모터(30)의 드라이버에 인가되는 속도제어 전압에 따라 조정되고 이에 의해 풍량이 결정된다.
마이크로프로세서(10)는 먼저 디지털 제어량을 아날로그 제어량으로 변환하는 D/A 컨버터(20)를 통하여 초기 속도제어 전압(vi)을 팬을 작동시키는 BLDC 모터(30)에 인가한다(S302).
이에 의해 BLDC 모터(30)가 회전하고 이때 BLDC 모터(30)에 내장된 홀센서 등의 RPM 센서가 BLDC 모터(30)의 RPM을 측정하여 마이크로프로세서(10)에 전송하며, 상기 마이크로프로세서(10)는 이에 의해 초기 상태에서 BLDC 모터(30)의 RPM 정보를 읽는다(S304).
상기 마이크로프로세서(10)는 초기 상태에서의 RPM을 실험치로 얻은 공식(속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식)에 대입하여 초기 상태에서의 풍량(Vi)과 정압(Pi)을 계산한다(S306).
예를 들어 도 3에서 초기 RPM이 2060이면, 정압 추세선 공식 y=-0.000878x2 + 4.4156x - 5225.5(여기서 x는 RPM, y는 정압)에 의해 초기 상태에서의 정압(Pi)은 약 1444Pa가 되고, 풍량 추세선 공식 y=-0.0003x2 + 0.7982x - 232.87(여기서 x는 RPM, y는 풍량)에 의해 초기 상태에서의 풍량(Pi)은 약 133CMH가 된다.
다음 상기 초기 상태에서의 풍량(Vi)과 정압(Pi)을 아래의 수학식 1에 대입하여 목표 시스템에서의 저항(RO)을 계산한다(S308).
Figure 112010077581979-pat00002
여기서 P는 정압, R은 시스템 저항, V는 풍량이다.
상기 목표 시스템에서의 저항(RO)은 시스템이 결정되면(어느 장소에 팬이 설치되면) 변화하지 않으므로, 상기 초기 상태에서의 정압(Pi) 144Pa과, 초기 상태에서의 풍량(Vi) 133CMH를 수학식 1에 대입하면 목표 시스템에서의 저항(RO)은 0.0081이 된다.
다음 상기 목표 시스템에서의 저항(RO)과 목표 풍량(Vo)을 상기 수학식 1에 대입하여 목표 풍량에서의 정압(Po)을 계산한다(S310).
본 발명에서 목표 풍량(Vo)은 120CMH이므로 상기 수학식 1에 의해 계산된 목표 시스템에서의 저항(RO) 0.0081과 목표 풍량(Vo) 120CMH을 다시 수학식 1에 대입하면 목표 정압(Po) 116Pa를 얻을 수 있다.
다음 목표 정압(Po)을 정풍량이 되는 최고 정압(Pmax: 예를 들어 250Pa)과 비교하여(S312) Po > Pmax이면 미리 정해진 최고 속도제어 전압(vmax)를 인가한다(S318).
그러나 상기 S312단계에서 Po ≤ Pmax인 경우 자체 저장된 정압대 속도제어 전압표 정보(이에 관한 정보는 마이크로프로세서에 기저장되어 있음)를 이용 목표 정압(Po)에서의 목표 속도제어 전압(Vo)을 알아낸다.
상기 S310단계에서 구한 목표 정압(Po)이 116Pa이므로 단자리 수를 반올림하면 120Pa이므로 120Pa에서 목표 속도제어 전압(Vo)을 표 1에서 확인하면 3.4v를 구할 수 있다(S314).
마지막으로 마이크로프로세서(10)에서 목표 속도제어 전압(Vo)을 D/A 컨버터(20)를 이용하여 BLDC 모터(30)에 인가하면 목표 풍량(Vo)으로 BLDC 모터(30)를 제어할 수 있게 된다(S316).
본 발명에 적용되는 시스템에서는 3.4v를 인가하면 목표 풍량 120CMH로 BLDC 모터를 제어할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 특정 팬에 대하여 실험을 통해 얻은 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식, 정압과 목표 속도제어 전압 등의 정보를 이용하여, 상기한 단계를 반복 수행하지 않고 한 번의 수행으로 BLDC 모터의 정풍량을 제어할 수 있다.
10: 마이크로프로세서 20: D/A 컨버터
30: BLDC 모터

Claims (7)

  1. 마이크로프로세서에서 초기 상태에서의 전압을 BLDC 모터에 인가하여 BLDC 모터의 RPM 정보를 얻는 단계;
    상기 마이크로프로세서에서 속도제어 전압을 0.1v(volt) 단위로 BLDC 모터에 반복 인가하여 이때 RPM과 풍량과 정압을 측정한 측정치와, 스프레드시트 프로그램을 이용하여 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식을 얻고 저장하는 단계;
    상기 마이크로프로세서에서 저장된 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식에 RPM 정보를 대입하여 초기 상태에서의 풍량과 정압을 계산하는 단계;
    상기 초기 상태에서의 풍량과 정압으로 목표 시스템에서의 저항을 계산하는 단계;
    상기 목표 시스템에서의 저항과 기정해진 목표 풍량으로 목표 정압을 계산하는 단계;
    상기 마이크로프로세서에서 0.1v 단위로 속도제어 전압을 인가하여 10Pa 단위로 측정한 정압대 풍량을 측정한 표의 정보를 얻어 저장하고, 저장된 정압대 속도제어 전압표 정보를 이용, 목표 정압에서의 목표 속도제어 전압을 확인하는 단계; 및
    상기 마이크로프로세서에서 목표 속도제어 전압을 BLDC 모터에 인가하는 단계를 포함하는 BLDC 모터의 정풍량 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 속도제어 전압별 풍량과 RPM 간의 관계 공식 및 정압과 RPM 간의 관계 공식은 2차 방정식인 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 정풍량 제어방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 시스템에서의 저항과 목표 정압은
    Figure 112010077581979-pat00003
    에 의해 계산하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 정풍량 제어방법.
    단, 여기서 P는 정압, R은 시스템 저항, V는 풍량이다.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 마이크로프로세서는 목표 정압을 정풍량이 되는 최고 정압과 비교하여 최고 정압보다 큰 경우, 미리 정해진 최고 속도제어 전압을 BLDC 모터에 인가하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 정풍량 제어방법.
  7. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2005300089A (ja) * 2004-04-15 2005-10-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 風量補正機能付き換気装置
KR100696854B1 (ko) * 2006-03-20 2007-03-20 주식회사 하츠 Ｂｌｄｃ전동기를 이용한 정풍량 환기팬

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