KR101038668B1 - 3상 ｂｌｄｃ 모터의 제어 방법 및 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

차량용 3상 직류모터에 장착되는 홀 센서의 오동작 또는 불량 시에도 모터 제어를 일정하게 할 수 있는 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템에 관한 것으로, 3상 BLDC 모터를 구동시키는 모터 구동부, 상기 모터 구동부를 제어하는 중앙처리장치, 상기 3상 BLDC 모터의 속도를 감지하는 감지수단, 상기 모터 구동부의 출력을 상기 감지수단의 출력신호로 변환하는 디지털 필터회로 및 상기 디지털 필터 회로의 출력 신호를 비교하는 비교회로를 포함하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템을 이용하는 것에 의해, 홀 센서의 오동작 또는 불량 시에도 3상 BLDC 모터의 제어를 정상적으로 실행할 수 있어 차량 주행시의 사고를 미연에 방지할 수 있다.
필터, 홀 센서, 3상, BLDC 모터

Description

3상 ＢＬＤＣ 모터의 제어 방법 및 제어 시스템{ Three Phase BLDC Motor control method and system}
본 발명은 브러시가 없는 3상 직류모터(Three Phase Brushless DC Motor ; 이하, '3상 BLDC 모터'라고 약칭함)의 제어 방법 및 제어 시스템에 관한 것으로, 특히 차량용 3상 직류모터에 장착되는 홀 센서의 오동작 또는 불량 시에도 모터 제어를 일정하게 할 수 있는 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 3상 BLDC 모터는 일반 3상 DC 모터에서 정류자(commutator)의 역할을 수행하는 브러시를 제거하면서도 3상 DC 모터의 특성을 그대로 유지할 수 있도록 개발된 것으로서 영구자석으로 이루어진 회전자와 3개의 코일 즉, a상, b상 및 c상 코일이 권선되어 있는 고정자를 구비한다.
이러한 3상 BLDC 모터는 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및 c상 코일에 3상 전류를 공급하고, 그 공급한 3상 전류에 따라 a상, b상 및 c상 코일이 각기 자계를 발생하여 영구자석으로 이루어진 회전자를 회전시키는 것이다.
이때, BLDC 모터의 회전자의 회전속도를 정확히 제어하기 위해서는 회전자의 위치를 정확히 추정해야 된다. 즉, BLDC 모터는 회전자의 위치를 추정하고, 추정한 회전자의 위치에 따라 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 전류의 방향을 전환시키는 인버터부의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되는 시점을 조절하여 회전자의 회전속도를 제어하고 있다.
도 1은 종래의 회전자 위치 추정장치의 구성을 보인 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 회전자 위치 추정장치는 인버터부(300)에서 출력되어 3상 BLDC 모터(310)의 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)을 분배하는 전압 분배기(320), 전압 분배기(320)에서 분배된 각각의 역기전력(Va2, Vb2, Vc2)을 각기 디지털 전압(Va3, Vb3, Vc3)으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(330), 상기 아날로그/디지털 변환기(330)의 출력전압을 디지털로 적분하는 디지털 저역통과필터(340), 상기 디지털 저역통과필터(340)의 출력신호의 위상을 보상하여 정확히 90°지연되게 하는 위상지연 보상기(350), 상기 위상지연 보상기(350)의 출력전압을 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터(310)의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 비교기(360)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 회전자 위치 추정장치는 스위칭 제어신호에 따라 인버터부(300)의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하고, 출력한 3상 전류는 3상 BLDC 모터(310)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일에 공급되어 회전자가 회전하게 된다.
그리고 상기 a상, b상 및 c상 코일로 3상 전류가 흐름에 따라 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)이 발생하고, 발생한 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)은 전압 분배기(320)에서 분배된 후 아날로그/디지털 변환기(330)에서 각기 디지털 역기전력(Va2, Vb2, Vc3)으로 변환되어 출력된다.
상기 아날로그/디지털 변환기(330)에서 출력되는 역기전력(Va2, Vb2, Vc3)은 디지털 저역통과필터(340)에서 적분되어 위상이 90°미만으로 지연되고, 디지털 저역통과필터(340)의 출력전압(Va3, Vb3, Vc3)은 위상지연 보상기(350)에서 위상지연이 보상되어 위상이 정확히 90°지연된다.
상기 디지털 저역통과필터(340) 및 위상지연 보상기(350)에서 위상이 정확히 90°지연되면서 적분된 역기전력은 비교기(360)에 입력되어 접지레벨과 비교 및 제로 크로싱이 검출되고, 그 검출된 제로 크로싱은 3상 BLDC 모터(310)의 회전자 위치 추정신호로 출력된다.
또한 홀 센서를 사용하여 구동하는 경우, 3상 BLDC 모터(310)가 모터 구동부로부터 공급되는 모터 구동전원에 회전 구동하며, 홀 센서는 3상 BLDC 모터(310)의 회전자 위치를 검출하여 회전자 위치정보를 출력한다.
그러면, 제어부 등에서는 홀 센서에 의한 회전자 위치정보를 입력으로 하여 3상 BLDC 모터(310)의 회전 속도 등을 산출하며, 산출한 회전 속도와 목표 속도와의 비교 결과에 의거하여 펄스폭 변조 제어신호의 듀티를 조절한다.
이에 따라, 모터 구동부에 의해 3상 BLDC 모터(310)로 인가되는 모터 구동전원의 전압 레벨이 변화되어 3상 BLDC 모터(310)의 회전 속도가 목표 속도로 또는 목표 속도에 가깝게 변화되도록 구동된다.
상술한 바와 같이, BLDC 모터를 구동함에 있어서 홀 센서를 사용하여 구동하는 기술과 홀 센서 없이 역기전력을 이용하여 검출된 신호를 위치제어에 사용하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 홀 센서 기술의 경우 정확한 모터의 위치를 제어할 수 있는 장점이 있는 반면, 모터 내부의 홀 센서가 오동작을 할 경우 모터를 제대로 제어할 수 없을 뿐만 아니라 모터를 교체해야 하는 비용적인 문제가 발생할 수 있다.
또한, 홀 센서가 없는 경우 비교적 정확한 모터의 위치제어가 불가능하며, 역기전력을 가공하는 회로와 가공되어 만들어진 신호를 중앙처리장치에서 소프트웨어적으로 처리해야할 추가적인 논리회로가 필요하다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 홀 센서의 오동작 또는 불량 시에도 3상 BLDC 모터를 정상적으로 제어할 수 있는 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 홀 센서를 포함한 모터의 교체시까지 모터의 정상 제어가 가능한 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템은 3상 BLDC 모터를 구동시키는 모터 구동부, 상기 모터 구동부를 제어하는 중앙처리장치, 상기 3상 BLDC 모터의 속도를 감지하는 감지수단, 상기 모터 구동부의 출력을 상기 감지수단의 출력신호로 변환하는 디지털 필터회로 및 상기 디지털 필터 회로의 출력 신호를 비교하는 비교회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템에 있어서, 상기 중앙처리장치는 상기 감지수단의 오동작 또는 불량 시, 상기 디지털 필터 회로와 상기 비교회로의 출력 값에 따라 상기 모터 구동부를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템에 있어서, 상기 디지털 필터 회로는 상기 모터 구동부의 출력 신호에서 각 상의 신호를 기준 값과 비교 대상 값으로 구분하여 각 상별로 출력하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템에 있어서, 상기 중앙처리장 치는 상기 비교회로에 상기 감지수단의 초기값을 출력하고, 상기 비교회로는 3개의 비교기로 이루어지고, 상기 초기값과 상기 디지털 필터 회로의 출력 신호를 비교하는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템에 있어서, 상기 감지수단은 홀 센서인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 방법은 (a)상기 3상 BLDC 모터의 속도를 감지하는 감지수단의 오동작 또는 불량을 판단하는 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 상기 감지수단이 오동작 또는 불량으로 판단되는 경우, 모터 구동부의 출력을 상기 감지수단의 출력신호로 변환하여 출력하는 단계, (c) 상기 단계 (b)에서 변환된 출력 신호를 기준 값과 비교하는 단계 및 (d) 상기 모터 구동부는 상기 단계 (c)의 비교 결과에 따라 상기 3상 BLDC 모터를 구동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템에 의하면, 홀 센서의 오동작 또는 불량 시에도 3상 BLDC 모터의 제어를 정상적으로 실행할 수 있어 차량 주행시의 사고를 미연에 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 방법 및 제어 시스템에 의하면, 홀 센서의 오동작 또는 불량 시에 홀 센서 교체 또는 홀 센서와 일체화 모터의 교 체를 필요로하지 않으므로 3상 BLDC 모터의 유지관리비를 저감할 수 있다는 효과도 얻어진다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템의 블록도이고, 도 3은 도 2에 도시된 디지털 필터회로의 회로도이고, 도 4는 도 2에 도시된 비교회로의 회로도이며, 도 5는 도 4의 입출력 전압의 상태를 설명하는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3상 BLDC 모터의 제어 시스템은 3상 BLDC 모터(10)를 구동시키는 모터 구동부(20), 상기 모터 구동부(20)를 제어하는 중앙처리장치(30), 상기 3상 BLDC 모터(10)의 속도를 감지하는 감지수단(40), 상기 모터 구동부(20)의 출력을 상기 감지수단(40)의 출력신호로 변환하는 디지털 필터회로(50) 및 상기 디지털 필터 회로(50)의 출력 신호를 비교하는 비교회로(60)로 이루어진다.
상기 모터 구동부(20)는 PWM 신호가 출력 또는 단속되도록 구비되는 스위칭 회로로서, 예를 들어 3상 BLDC 모터(10)를 구동시키기 위해, 3상 풀 브리지 회로(Full-Bridge Circuit)로 구성되고, 상기 브리지 회로는 FET 소자로 구성된다.
또, 상기 3상 풀 브리지 회로의 하이 사이드(High Side) 및 로우 사이드(Low Side)에는 모두 N 채널 MOSFET을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 감지수단(40)은 홀 센서를 구비하고, 상기 3상 BLDC 모터(10)의 속도를 감지하기 위해 3상 BLDC 모터와 일체화되어 이루어진다.
한편, 중앙처리장치(30)의 내부 제어 주기(Control Interval)는 종래의 일정한 시간 간격을 갖는 방식이 아닌, 시변(Time-Variant) 방식이며, 이는 모터(M)의 속도와 반비례한다.
즉, 모터(M)의 속도가 느리면 제어 주기는 길어지고, 모터(M)의 속도가 빨라지면 제어 주기는 짧아지는 것이며, 이는 모터(M)의 속도에 맞추어 최적의 시기에 모터(M)의 속도를 조절할 수 있도록 제어함으로써, 종래의 제어 방식과는 달리 응답성 및 정밀성을 향상시킬 수 있다.
또한, 3상 BLDC 모터(10)가 상기 중앙처리장치(20)에서 목표한 속도에 맞게 회전할 수 있도록, 중앙처리장치(30)에서 감지수단(40)의 홀 센서를 통해 현재 3상 BLDC 모터(10)의 회전수를 피드백 신호로 받으면, 상기 중앙처리장치(30)에서는 모터 구동부(20)을 제어한다.
즉, 상기 중앙처리장치(20)는 3상 BLDC 모터(10)의 현재 회전수가 목표 회전수에 도달할 수 있도록, PID(Proportional Integral Derivative) 제어를 통하여 피드백 제어를 실시한다.
여기서, PID 제어는 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종으로서, P 제어(비례)는 기준 신호와 현재 신호 사이의 오차 신호에 적당한 비례 상수 이득을 곱하여 제어 신호를 만들고, I 제어(비례 적분)는 오차 신호를 적분하여 제어 신호를 만드는 적분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결해 사용하며, D 제어(비례 미분)는 오차 신호를 미분하여 제어 신호를 만드는 미분 제어를 비례 제어에 병렬로 연결하여 사용하는 제어 방법이다.
따라서, 중앙처리장치(20)는 상기 PID 제어를 통하여 증가되거나 또는 감소되도록 산출된 PWM 듀티(Duty, %)를 이용하여, 3상 BLDC 모터(10)가 목표 회전수에 도달하도록 피드백 제어를 실시함으로써, 더욱 정확한 제어를 가능하게 한다.
즉, 상기 중앙처리장치(30)는 상기 모터 구동부(20)를 통하여 3상 BLDC 모터(10)를 제어하도록, PWM 신호를 상기 모터 구동부(20)로 출력한다.
따라서, 상기 중앙처리장치(30)에서 출력된 PWM 신호가 모터 구동부(20)의 스위칭 신호에 의해 3상 BLDC 모터(10)로 전달되게 되고, 상기 3상 BLDC 모터(10)는 3 상(U, V, W) 라인을 통하여 목표 회전수에 도달하도록 회전하게 된다.
이때, 홀 센서는 상기 PWM 신호가 인가되면, 3상 BLDC 모터(10) 회전자의 위치 정보를 중앙처리장치(30)로 출력하며, 중앙처리장치(30)에서는 상기 모터 구동부(20)의 FET 소자를 턴 온시켜 3상 BLDC 모터(10)를 구동하도록 구비된다.
또한, 홀 센서는 구동되는 3상 BLDC 모터(10)의 회전수 및 속도를 감지하여 중앙처리장치(30)로 출력하며, 피드백 신호로 입력된 3상 BLDC 모터(10)의 현재 속도는 목표 속도에 근접하기 위한 PID 제어에 이용된다.
상기 디지털 필터 회로(50)는 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 갖고, 상기 모터 구동부(20)의 출력 신호에서 3상(U상, V상, W상)의 각 신호를 기준 값과 비교 대상 값으로 구분하여 각 상별로 비교회로(60)로 출력한다.
즉 상기 디지털 필터 회로(50)는 다수의 저항 R과 접지 저항 RG 로 이루어지고, 모터 구동부(20)에서 입력되는 3상(U상, V상, W상)에 대해 각각 2개씩 6개 출력의 홀 센서 신호(INA+,INA- ; INB+,INB- ; INC+,INC-)로 변환한다. 예를 들어, 출력 VREF는 U상의 전압이 12V일 때 저항비에 의해 2V가 되며, VIN는 3상 중 2상의 값을 합하여 출력되는 값이다. 또한 다수의 저항 R의 각각의 예시적인 값은 47KΩ이고, 접지 저항 RG의 각각은 4.7KΩ이며, 본 실시예에서는 이값에 한정되는 것은 아니다.
상기 비교회로(60)는 중앙처리장치(30)로부터의 기준 값과 상기 디지털 필터 회로(50)의 출력 신호를 입력받아 비교하고, 그 비교의 결과를 상기 중앙처리장치(30)로 출력한다.
즉 비교회로(60)는 도 3에 도시된 디지털 필터 회로(50)의 6개 출력의 홀 센서 신호(INA+,INA- ; INB+,INB- ; INC+,INC-)를 받도록 도 4에 도시된 비교기 3개로 이루어진다. 이러한 비교기는 히스테리시스 기능을 가진 넌 인버팅(NON-INVERTING) 비교기로서 미리 VTLH와 VTHL 값이 설정되어 3상 BLDC 모터(10)의 두상의 합한 값(VIN)이 기준값(VREF)과 비교되어 출력하며, 이 출력 값이 각 상의 위치 검출 신호가 된다. 또한 저항 R1의 예시적인 값은 1KΩ이고, 저항 RF의 예시적인 값은 1MΩ이고, 저항 ROUT의 예시적인 값은 300Ω이며, 전압 VDD의 예시적인 값은 5V이다. 본 실시예에서는 이값에 한정되는 것은 아니다.
도 4에 있어서 VTLH와 VTHL 값의 입출력 전압의 상태는 도 5에 도시된 바와 같다.
도 5에서, VTLH와 VTHL 는 각각 다음의 식에서 구해진다.
VTLH = VREF(1+R1/RF)-VOL(R1/RF)
VTHL = VREF(1+R1/RF)-VOH(R1/RF)
상기 VOL 와 VOH 는 0~1V의 값으로서 온도 및 비교기의 출력 특성에 따라 변화하는 값이다.
상술한 바와 같이, 상기 중앙처리장치(30)는 상기 비교회로(60)에 감지수단(40)의 초기값을 출력하고, 상기 비교회로(60)는 상기 초기값과 상기 디지털 필터 회로(50)의 출력 신호를 비교하여 상기 중앙처리장치(30)로 출력한다.
따라서, 상기 중앙처리장치(30)는 상기 감지수단(40)의 오동작 또는 불량 시, 상기 디지털 필터 회로(50)와 비교회로(60)의 출력 값에 따라 상기 모터 구동부(20)를 제어하여 3상 BLDC 모터(10)가 정상동작하도록 한다.
다음에 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 방법에 대해 도 5에 따라 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 방법을 설명하는 흐틈도이다.
먼저 중앙처리장치(30)에서 3상 BLDC 모터(10)를 구동하는 PWM신호를 모터 구동부(20)에 출력하면, 모터 구동부(20)에서 상 BLDC 모터(10)의 구동을 위한 각 3상 모터구동신호를 출력하여 3상 BLDC 모터(10)를 구동하게 된다(S10).
이때 3상 BLDC 모터(10)의 위치는 감지수단(40)의 홀 센서의 출력에 의해 중앙처리장치(30)에서 인식하게 된다(S20).
다음에 중앙처리장치(30)는 감지수단(40)의 홀 센서가 오동작하는가 또는 홀 센서가 불량인가 판단한다(S30). 이러한 판단은 홀 센서의 중앙처리장치(20)로의 입력단에 풀업 저항(pull-up resistor)을 마련하는 것에 의해 홀 센서의 불량 또는 홀 센서 라인의 오픈 발생시 중앙처리장치(20)가 판단할 수 있다.
다음에 상기 감지수단(40)이 오동작 또는 불량으로 판단되는 경우, 모터 구동부(20)에서 출력되는 각 상의 신호를 디지털 필터회로(50)가 입력받고, 디지털 필터회로(50)는 입력받은 각 상의 신호를 기준 값과 비교 대상값으로 구분하여 각 상별로 출력한다. 즉 디지털 필터회로(50)는 모터 구동부(20)의 출력을 상기 감지수단의 출력신호로 변환하여 출력한다(S40).
그 후, 비교회로(60)는 상기 단계 S40에서 변환된 출력 신호를 미리 설정된 기준 값과 비교하고(S50), 이 비교 결과에 따라 상기 3상 BLDC 모터(10)가 정상으로 구동되도록, 상기 중앙처리장치(30)는 상기 모터 구동부(20)를 제어한다(S60).
한편 상기 단계 S30에서 감지수단(40)의 홀 센서가 오동작하지 않거나 또는 홀 센서가 불량이 아닌 경우 단계 S60으로 진행하여 정장적인 제어가 이루어진다.
한편, 감지수단(40)의 홀 센서가 불량인 상태로 최초 모터 기동시에는 홀 센서의 초기상태와 동일한 상태로 형성해야 하므로, 중앙처리장치(30)에서 비교회로(60)에 홀 센서의 초기 값과 동일한 신호를 출력하여 최초 3상 BLDC 모터(10) 기동시에도 이상이 없도록 해준다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
도 1은 종래의 회전자 위치 추정장치의 구성을 보인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 시스템의 블록도,
도 3은 도 2에 도시된 디지털 필터회로의 회로도,
도 4는 도 2에 도시된 비교회로의 회로도,
도 5는 도 4의 입출력 전압의 상태를 설명하는 도면,
도 6은 본 발명에 따른 3상 BLDC 모터의 제어 방법을 설명하는 흐틈도.

Claims (8)

  1. 3상 BLDC 모터를 구동시키는 모터 구동부,
    상기 모터 구동부를 시변 방식으로 PID 제어하는 중앙처리장치,
    상기 3상 BLDC 모터의 속도를 감지하는 감지수단,
    상기 모터 구동부의 출력을 상기 감지수단의 출력신호로 변환하는 디지털 필터회로,
    상기 디지털 필터 회로의 출력 신호를 비교하는 비교회로 및
    상기 중앙처리장치로의 입력단에 마련된 풀업 저항을 포함하고,
    상기 디지털 필터회로는 다수의 저항과 접지저항으로 이루어지고, 상기 모터 구동부의 출력 신호에서 각 상의 신호를 기준 값과 비교 대상 값으로 구분하여 각 상별로 출력하는 것을 특징으로 하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는 상기 감지수단의 오동작 또는 불량 시, 상기 디지털 필터 회로와 상기 비교회로의 출력 값에 따라 상기 모터 구동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중앙처리장치는 상기 비교회로에 상기 감지수단의 초기값을 출력하고,
    상기 비교회로는 3개의 비교기로 이루어지고, 상기 초기값과 상기 디지털 필터 회로의 출력 신호를 비교하는 것을 특징으로 하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감지수단은 홀 센서인 것을 특징으로 하는 3상 BLDC 모터의 제어 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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