KR101055848B1 - 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 브러시리스 모터의 역기전력과 속도의 비, 즉 전동기의 고유한 파라미터인 토크 상수를 실시간으로 추정하여 그 값이 급격히 변하는 시점을 전환시점으로 판별하는 것으로 추가의 하드웨어를 구성하지 않고 노이즈와 외란에 강인한 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 모터의 구동을 위한 전압 지령치, 실제 전류, 고정자의 임피던스를 비교하여 역기전력의 크기를 계산하는 단계와, 브러시리스 직류 전동기를 모델링하여 속도를 추정하는 단계와, 상기 계산된 역기전력과 추정된 속도의 비로 토크상수와 그 변화량을 계산하는 단계와, 모터를 구동하는 실제 토크상수와 상기 계산된 토크상수의 오차를 부하토크로 궤환하여 속도 제어를 위한 실제속도를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
브러시리스 직류(Brushless Direct Current : BLDC) 모터, 위치 센서, 토크상수, 역기전력

Description

위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치 및 방법{Apparatus and method for driving brushless direct current motor without position sensors}
본 발명은 다양한 산업 분야에서 사용되는 브러시리스 직류(Brushless Direct Current : BLDC) 모터를 운전하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 로터 위치 감지용 센서를 사용하지 않고도 브러시리스 직류 모터의 로터 위치를 실시간으로 판별하여 모터의 속도를 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
전자산업의 소형화 경량화하는 경향에 따라서 DC 모터에 필수적인 브러시를 없애기 위한 연구가 추진되었고, 이러한 결과 브러시를 제거시키는 대신에 공급전압을 회로적으로 정확히 제어하여 반전되는 전압을 DC 모터에 공급하는 브러시리스 모터(Brushless Motor)가 개발되어 왔다. 이러한 브러시리스 모터에는 모터 회전자의 정확한 위치측정이 정확한 전압공급을 위하여 필수적이라 할 수 있다.
도 1 은 일반적인 3상 브러시리스 직류 모터의 역기전력 모양과 역기전력의 모양에 따른 6구간의 제어 전압을 도시한 타이밍도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3상 브러시리스 직류 모터는 이상적으로 각 상의 역기전력의 형태가 사다리꼴 모양이 120도 위상차를 가지고 분포한다. 따라서 세 개의 상과 역기전력의 모양을 조합하면 전기각 한 바퀴 당 6개의 구간으로 나눌 수 있다.
그리고 브러시리스 직류 모터를 제어하기 위해서는 이러한 6개의 구간에 따라 3상 인버터의 스위치의 절환 형태를 바꾸어 제어하게 된다. 즉, 구간 1에서 a상은 비도통이며, c상의 상위 스위치 및 b상의 하위 스위치가 도통되는
Figure 112009079374115-pat00001
과, 구간 2에서는 c상이 비도통이며, a상의 상위 스위치 및 b상의 하위 스위치가 도통되는
Figure 112009079374115-pat00002
로 제어된다. 이러한 조합으로 6구간으로 나뉘며 한 상이 비도통이 되고 두 상이 도통되어 제어 되는 방식을 120도 도통 방식이라고 한다.
이러한 120도 도통 방식으로 브러시리스 직류 모터를 구동하기 위해서는 6구간을 구분하기 위한 위치센서가 사용되는데 일반적으로는 3개의 홀 센서(hall effect sensor)를 부착하여 사용한다.
그러나 이러한 홀 센서를 사용함으로서 드라이브의 비용이 증가하며 홀 센서는 습도나 열에 약하고 기계적 충격에 약하기 때문에 센서의 오동작을 유발시킬 염려가 있어 드라이브의 신뢰성을 저하시키며, 홀 센서를 차지하는 공간이 브러시리스 직류(Brushless Direct Current : BLDC) 모터에 상당한 공간을 차지하는 비중이 크기 때문에 위치 센서가 없는 브러시리스 직류 모터의 개발이 추진되어 왔다.
일반적인 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터 운전 방법은 각 상의 전압을 측정하여 역기전력의 제로 크로싱(Zero Crossing Point : ZCP)을 찾는 방식이다.
도 2 는 일반적인 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터 운전 방법의 기본 원리를 나타낸 타이밍도로서, 구간별로 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00003
)과, 상전압(
Figure 112009079374115-pat00004
)과, 역기전력의 제로 크로싱(ZCP)을 각각 나타내고 있다.
도 2를 참조하면, 임의의 상이 비도통 구간일 때 역기전력이 양전압에서 음전압으로 변한다. 이때 다른 상의 스위치가 온/오프(ON/OFF) 됨에 따라 중성점의 전위가
Figure 112009079374115-pat00005
와 0으로 변화하기 때문에 비도통 상의 전압
Figure 112009079374115-pat00006
(7)은 다음 수학식 1과 같이 나타난다.
Figure 112009079374115-pat00007
상기 수학식 1에서
Figure 112009079374115-pat00008
는 비도통 상의 전압을 나타내고,
Figure 112009079374115-pat00009
는 비도통 상의 역기전력을 나타낸다.
도 3 은 일반적인 역기전력의 ZCP를 상전압을 통해 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면으로, 도 3을 참조하면 비도통 상의 전압이
Figure 112009079374115-pat00010
지점을 지날 때 역기전력의 ZCP(zero crossing point)와 일치하는 것을 알 수 있다. 이 지점은 실제 구간을 구분하는 전환시점보다 30도 위상이 앞서는 곳으로 위상지연 필터를 통해 전환시점과 일치시킨다. 이상과 같은 방식으로 각 상의 전압을 이용하여 전환시점을 판별하는 것이 일반적으로 사용되는 방식이다.
이상과 같이 각 상의 전압을 이용하여 전환시점을 판별하는 방식은 비도통 상의 전압이
Figure 112009079374115-pat00011
이 되는 시점을 센싱하기 위해 비교기(comparator)와, 별도의 전원을 구성해야 하기 때문에 부피와 드라이브의 비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한 위상 지연 필터를 사용하기 때문에 고속에서의 위치 분해능이 저하된다. 또한, 상전압을 이용하여 전환시점을 판별하는데, 이때 상전압은 스위칭에 따라 크기가 빠르게 변하기 때문에 노이즈에 취약한 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 브러시리스 모터의 역기전력과 속도의 비, 즉 전동기의 고유한 파라미터인 토크 상수를 실시간으로 추정하여 그 값이 급격히 변하는 시점을 전환시점으로 판별하는 것으로 추가의 하드웨어를 구성하지 않고 노이즈와 외란에 강인한 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 로터 위치 감지용 센서를 사용하지 않고도 브러시리스 직류 모터의 로터 위치를 실시간으로 판별하여 속도를 제어하는 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치의 특징은 사용자가 원하는 브러시리스 직류(Brushless Direct Current : BLDC) 모터의 속도(
Figure 112009079374115-pat00012
)와 BLDC 모터의 실제 속도(
Figure 112009079374115-pat00013
)의 오차를 기반으로 BLDC 모터의 전기 각속도를 제어하는데 필요한 전류(
Figure 112009079374115-pat00014
)를 출력하는 속도 제어기와, BLDC 모터를 구동하는 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00015
)와 상기 속도 제어기에서 출력되는 전류(
Figure 112009079374115-pat00016
)의 오차를 기반으로 BLDC 모터 구동을 위한 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00017
)를 출력하는 전류제어기와, 상기 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00018
)를 이용하여 산출된 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00019
)의 크기와 상기 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00020
)를 이용하여 검출된 BLDC 모터의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00021
)의 비로 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00022
)를 추정하는 토크상수 추정기와, 상기 추정된 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00023
)와 BLDC 모터 구동을 위한 실제 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00024
)를 기반으로 BLDC 모터를 구동하는 다수개의 상 중 어느 하나의 상으로 전환시킬 시점을 판별하여, 판별된 상 전환 시점에 따른 제어신호를 출력하는 전환시점 판별기와, 상기 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00025
) 및 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00026
), 그리고 고정자의 인덕턴스(
Figure 112009079374115-pat00027
)와 저항(
Figure 112009079374115-pat00028
)을 이용하여 산출되는 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00029
)의 크기를 출력하는 역기전력 관측기와, 상기 역기전력 관측기에서 출력되는 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00030
)의 크기에 상기 실제 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00031
)와 결합하여 BLDC 모터의 실제 속도(
Figure 112009079374115-pat00032
)를 출력하는 결합기와, 상기 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00033
)와 전환시점 판별기에서 출력 되는 상 전환 시점에 따른 제어신호를 이용하여 모터의 회전각 및 속도를 제어하기 위한 PWM 펄스 형태의 제어신호를 출력하는 PWM 회로부와, 직류전압(
Figure 112009079374115-pat00034
)을 상기 PWM 회로부에서 출력되는 제어신호에 의해 3상 교류전압으로 가변하여 BLDC 모터를 구동하는 구동 인버터와, 상기 BLDC 모터를 구동하는 각 상의 전류 중 BLDC 모터를 구동하는 가장 큰 전류값을 검출하여 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00035
)로 출력하는 전류 검출기(MAX)를 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 토크상수 추정기는 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00036
)를 이용하여 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00037
) 크기의 산출을 다음 수식 을 사용하여 산출되며, 이때,
Figure 112009079374115-pat00039
는 전압 지령치,
Figure 112009079374115-pat00040
는 고정자 저항,
Figure 112009079374115-pat00041
는 고정자 인덕턴스,
Figure 112009079374115-pat00042
는 계산된 역기전력의 크기인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 토크상수 추정기는 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00043
)를 이용하여 BLDC 모터의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00044
)를 검출하는 방법을 위해 토크상수 추정기에서 추정된 추전토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00045
)와 BLDC 모터의 실제토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00046
)의 오차에 의해 산출된 부하토크를 궤환시키는 부하토크 생성기와, 상기 입력되는 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00047
) 및 상기 부하토크 생성기에서 입력되는 부하토크를 입력받아 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00048
), 관성계수(J) 및 마찰 계수(B) 를 기반으로 BLDC 모터의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00049
)를 검출하는 전동기의 기계적 모델을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 전환시점 판별기는 상기 추정 토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00050
)의 변화량이 0보다 작아지는 시점을 중심으로 다음 상으로 전환시킬 전환시점을 판별하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 역기전력 관측기는 상기 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00051
)를 입력으로 역기전력을 제외한 전기적 모델을 통해 전압 지령에 대한 추정 전류(
Figure 112009079374115-pat00052
)를 산출하는 추정전류 산출기와, 상기 산출된 추정 전류(
Figure 112009079374115-pat00053
)와 상위 도통 상의 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00054
)와 비교하여 그 오차를 상기 추정전류 산출기로 궤환하는 궤환부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 적분기의 출력은 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00055
)의 크기와 일치하며, 상기 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00056
)의 크기는 다음 수식
Figure 112009079374115-pat00057
를 이용하여 BLDC 모터의 실제속도(
Figure 112009079374115-pat00058
)를 산출하며, 이때,
Figure 112009079374115-pat00059
는 역기전력의 크기,
Figure 112009079374115-pat00060
는 토크 상수인 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 결합기는 수식
Figure 112009079374115-pat00061
를 이용하여 BLDC 모터의 실제 속도(
Figure 112009079374115-pat00062
)를 산출하며, 이때,
Figure 112009079374115-pat00063
는 역기전력의 크기,
Figure 112009079374115-pat00064
는 토크 상수를 나타 내는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 방법의 특징은 모터의 구동을 위한 전압 지령치, 실제 전류, 고정자의 임피던스를 비교하여 역기전력의 크기를 계산하는 단계와, 브러시리스 직류 전동기를 모델링하여 속도를 추정하는 단계와, 상기 계산된 역기전력과 추정된 속도의 비로 토크상수와 그 변화량을 계산하는 단계와, 모터를 구동하는 실제 토크상수와 상기 계산된 토크상수의 오차를 부하토크로 궤환하여 속도 제어를 위한 실제속도를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 역기전력 크기를 예측하고 브러시리스 직류 모터 모델링을 통한 속도를 추정하여 토크 상수를 실시간으로 예측하여 전환시점을 판별하기 위한 별도의 하드웨어를 구성하지 않으므로 드라이브의 부피와 비용을 저감할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 상전압을 이용하지 않고 상전류만을 이용하여 위치를 추정하기 때문에 제어가능 속도 범위가 넓고 노이즈에 강인한 특성을 갖는 효과가 있다.
셋째, 위상 지연 필터로 인한 고속에서의 분해능 저하, 중성점 사용과 같은 제약조건 없이 전동기를 구동할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4와 같이, 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치는 제 1, 제 2 비교기(10a)(10b)와, 속도 제어기(20)와, 전류제어기(30)와, 토크상수 추정기(40)와, 전환시점 판별기(50)와, 역기전력 관측기(60)와, 결합기(70)와, PWM 회로부(80)와, 구동 인버터(90)와, 전류 검출기(MAX)(100)와, 브러시리스 직류(Brushless Direct Current : BLDC) 모터(110)를 포함한다.
상기 제 1 비교기(10a)는 사용자가 원하는 BLDC 모터(110)의 속도(
Figure 112009079374115-pat00065
)와 현재 BLDC 모터(110)의 실제 속도(
Figure 112009079374115-pat00066
)를 서로 비교하여 그에 따른 제 1 비교신호를 출력한다.
상기 속도 제어기(20)는 제 1 비교기(10a)에서 출력되는 제 1 비교신호에 따라 BLDC 모터(110)의 전기 각속도를 제어하는데 필요한 전류(
Figure 112009079374115-pat00067
)를 출력한다.
상기 제 2 비교기(10b)는 BLDC 모터(110)를 구동하는 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00068
)와 속도 제어기(20)에서 출력되는 전류(
Figure 112009079374115-pat00069
)를 비교하여 그에 따른 제 2 비교신호를 출력한다.
상기 전류제어기(30)는 제 2 비교기(10b)에서 출력되는 제 2 비교신호를 기반으로 BLDC 모터(110) 구동을 위한 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00070
)를 발생시켜 출력한다.
상기 토크상수 추정기(40)는 전류제어기(30)에서 출력되는 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00071
)를 이용하여 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00072
)의 크기를 산출하고, 전류 검출기(100)에서 출력되는 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00073
)를 이용하여 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00074
)를 검출한다. 그리고 검출된 역기전력의 크기와 전동기 속도의 비로 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00075
)를 추정한다.
이때, 상기 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00076
)를 이용하여 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00077
)의 크기를 산출하는 방법은 다음 수학식 2의 고정자의 전압 방정식을 사용하여 산출한다.
Figure 112009079374115-pat00078
상기 수학식 2에서,
Figure 112009079374115-pat00079
는 전압 지령치,
Figure 112009079374115-pat00080
는 고정자 저항,
Figure 112009079374115-pat00081
는 고정자 인덕턴스,
Figure 112009079374115-pat00082
는 계산된 역기전력의 크기를 나타낸다.
또한, 상기 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00083
)를 이용하여 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00084
)를 검출하는 방법은 다음 도 5를 통해 검출한다. 도 5의 상세한 설명은 아래에서 다시 기재하기로 한다.
상기 전환시점 판별기(50)는 토크상수 추정기(40)에서 추정된 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00085
)와 BLDC 모터(110) 구동을 위한 실제 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00086
)를 기반으로 BLDC 모터(110)를 구동하는 다수개의 상 중 어느 하나의 상으로 전환시킬 시점을 판별하여, 판별된 상 전환 시점에 따른 제어신호를 출력한다.
도 6 은 도 4의 전환시점 판별기에서 전환시점을 판별하는 방법을 상세히 설명하기 위한 타이밍도이다.
도 6을 참조하여 설명하면, BLDC 모터(110)는 도 1을 통해 서술할 바와 같이 역기전력이 사다리꼴 형태를 가지고 역기전력이 평탄한 구간에 대해 해당하는 상을 도통시켜 제어한다. 즉, 일반적인 브러시리스 직류 전동기는 고정자가 3상 Y결선의 형태를 가지므로 한 상의 역기전력이 변화는 도통된 두 상의 전류 모두에 영향을 미친다.
따라서 도 6의 도면부호 52와 같이, 전환시점에서 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00087
)의 크기가 감소하게 되면, 이에 따라 추정 토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00088
)가 감소하게 되고, 이 시점은 전환시점과 일치하게 된다. 그러므로 추정 토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00089
)의 변화량이 0보다 작아지는 시점을 중심으로 전환시점 판별기(50)는 다음 상으로 전환시킬 전환시점을 판별 할 수 있게 된다.
상기 역기전력 관측기(60)는 전류제어기(30)에서 출력되는 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00090
)와, 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00091
)와, 고정자의 임피던스(
Figure 112009079374115-pat00092
)를 비교하여 관측되는 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00093
)의 크기를 출력한다. 이때, 상기 역기전력 관측기(60)는 도 7의 구조로 구성되며, 도 7의 상세한 설명은 아래에서 다시 기재하기로 한다.
상기 결합기(70)는 역기전력 관측기(60)에서 관측된 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00094
)의 크기에 BLDC 모터(110)의 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00095
)와 결합하여 BLDC 모터(110)의 실제 속도(
Figure 112009079374115-pat00096
)를 출력한다. 참고로, 상기 추정된 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00097
)에서 실제 속도(
Figure 112009079374115-pat00098
)의 산출은 아래의 수학식 3을 통해 계산된다.
상기 PWM 회로부(80)는 전류제어기(30)에서 출력되는 전압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00099
)와 전환시점 판별기(50)에서 출력되는 상 전환 시점에 따른 제어신호를 이용하여 레지스터 값을 설정하여 모터의 회전각 및 속도를 제어하기 위한 PWM 펄스 형태의 제어신 호를 출력한다.
상기 구동 인버터(90)는 직류전압(
Figure 112009079374115-pat00100
)을 PWM 회로부(80)에서 출력되는 제어신호에 의해 3상 교류전압으로 가변하여 브러시리스 직류(Brushless Direct Current : BLDC) 모터(110)를 구동한다.
상기 전류 검출기(MAX)(100)는 BLDC 모터(110)를 구동하는 각 상의 전류 중 BLDC 모터(110)를 구동하는 실제 전류
Figure 112009079374115-pat00101
를 검출한다. 즉, 각 상의 전류 중 BLDC 모터(110)가 구동되는 위치에 따라서 어느 하나의 상에 전류가 인가되며, 이때 가장 큰 전류값이 BLDC 모터(110)를 구동시키는 실제 전류값이 된다.
도 5 는 도 4의 토크상수 추정기 내의 BLDC 모터를 모델링하여 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00102
)를 검출하는 구조를 나타낸 구성도이다.
도 5와 같이, 상기 토크상수 추정기(40)는 토크상수 추정기(40)에서 추정된 추전토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00103
)와 BLDC 모터(110)의 실제토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00104
)의 오차에 의해 산출된 부하토크를 궤환시키는 부하토크 생성기(40b)와, 전류 검출기(100)에서 출력되는 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00105
) 및 부하토크 생성기(40b)에서 입력되는 부하토크를 입력받아 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00106
), 관성계수(J) 및 마찰 계수(B)와 소정 연산과정을 통해 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00107
)를 검출하는 전동기의 기계적 모델(40a)로 구성된다.
이때, 상기 기계적 모델(40a)은 역기전력(전동기 극수(P)와 실제 토크상수(
Figure 112009079374115-pat00108
)의 곱)과 결합되어 부하가 없는 순수한 전동기 비부하토크(
Figure 112009079374115-pat00109
)를 출력하는 제 2 결합기(41)와, 부하토크 생성기(40b)에서 출력되는 부하토크와 제 2 결합기(41)에서 출력되는 비부하토크(
Figure 112009079374115-pat00110
)를 비교하여 전체 출력 토크를 계산하는 제 3 비교기(42)와, 상기 제 3 비교기(42)에서 출력되는 오차에 관성계수(J)를 결합하는 제 3 결합기(43)와, 상기 제 3 결합기(43)의 출력을 이용하여 적분된 적분항을 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00111
)로 추정하는 적분기(44)와, 상기 적분항에 마찰계수(B)를 결합하고, 마찰계수(B)가 결합된 값을 상기 제 3 비교기(42)로 궤환시키는 제 4 결합기(40a)를 포함한다.
이처럼, 전동기의 기계적 모델(40a)에 추정 토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00112
)의 오차를 궤환시켜 구성하고 있다. 한편, 전동기의 기계적 모델을 결정하는 J(관성 계수)와 B(마찰 계수)는 시스템에 따라 그 조건이 다르며 상황에 따라 가변적이기 때문에 수치를 정확하게 추정하는 것이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 추정 토크 상수(
Figure 112009079374115-pat00113
)의 오차를 궤환함으로써 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00114
)를 정확하게 추정할 수 있다.
도 7 은 도 4의 역기전력 관측기의 구조를 보다 상세히 나타낸 구성도이다.
도 7과 같이, 상기 역기전력 관측기(60)는 전류제어기(30)에서 출력되는 전 압 지령치(
Figure 112009079374115-pat00115
)를 입력으로 역기전력을 제외한 전기적 모델을 통해 전압 지령에 대한 추정 전류(
Figure 112009079374115-pat00116
)를 산출하는 추정전류 산출기(60a)와, 상기 추정전류 산출기(60a)에서 산출된 추정 전류(
Figure 112009079374115-pat00117
)와 상위 도통 상의 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00118
)와 비교하여 그 오차를 상기 추정전류 산출기(60a)로 궤환하는 궤환부(60b)로 구성된다.
이때, 상기 궤환부(60b)는 추정 전류(
Figure 112009079374115-pat00119
)와 실제 전류(
Figure 112009079374115-pat00120
)를 서로 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제 4 비교기(61b)와, 상기 제 4 비교기(61b)에서 출력되는 오차를 입력으로 비례적분(Proportional Intergral : PI)하여 출력하고, 상기 출력값을 이용하여 적분기(63b)를 통해 산출된 적분항을 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00121
)으로 추정하는 PI 제어기(65)로 구성된다.
한편, 상기 적분기(63b)의 출력은 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00122
)의 크기와 일치하며, 상기 역기전력(
Figure 112009079374115-pat00123
)의 크기는 다음 수학식 3과 같이 BLDC 모터(110)의 실제속도(
Figure 112009079374115-pat00124
)에 비례하기 때문에 정확한 BLDC 모터(110)의 속도(
Figure 112009079374115-pat00125
)를 추정 할 수 있다.
Figure 112009079374115-pat00126
상기 수학식 3에서,
Figure 112009079374115-pat00127
는 역기전력의 크기,
Figure 112009079374115-pat00128
는 토크 상수,
Figure 112009079374115-pat00129
는 모터의 실제 전기 각속도를 나타낸다.
이처럼, 상기 역기전력 관측기(60)는 BLDC 모터(110)의 속도를 제어하기 위한 실제 속도를 추정하기 위함이다. 앞서 서술한 BLDC 모터(110)의 모델링을 통해 토크상수 추정기(40)에서 추정한 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00130
)는 전환시점을 판별하기 위한 것으로, 역기전력 관측기(60)를 통해 추정한 BLDC 모터(110)의 속도(
Figure 112009079374115-pat00131
)와는 그 목적이 상이하다.
이와 같이 속도추정을 위해 두 가지 방법을 모두 사용하는 이유는 속도 제어를 위한 속도(
Figure 112009079374115-pat00132
)보다 전환시점 판별을 위한 속도(
Figure 112009079374115-pat00133
)의 추정이 선행되어야 하기 때문이다. 그리고 이처럼 정확한 전환시점 판별이 되어 전동기가 제어되어야 역기전력 관측기(60)가 보다 정확한 동작을 할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1 은 일반적인 3상 브러시리스 직류 모터의 역기전력 모양과 역기전력의 모양에 따른 6구간의 제어 전압을 도시한 타이밍도
도 2 는 일반적인 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터 운전 방법의 기본 원리를 나타낸 타이밍도
도 3 은 일반적인 역기전력의 ZCP를 상전압을 통해 추정하는 방법을 설명하기 위한 도면
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 5 는 도 4의 토크상수 추정기 내의 BLDC 모터를 모델링하여 BLDC 모터(110)의 전기 각속도(
Figure 112009079374115-pat00193
)를 검출하는 구조를 나타낸 구성도
도 6 은 도 4의 전환시점 판별기에서 전환시점을 판별하는 방법을 상세히 설명하기 위한 타이밍도
도 7 은 도 4의 역기전력 관측기의 구조를 보다 상세히 나타낸 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 42, 61 : 비교기 20 : 속도 제어기
30 : 전류제어기 40 : 토크상수 추정기
40a : 기계적 모델 40b : 부하토크 생성기
41, 43, 45, 62, 64, 70 : 결합기 44, 63 : 적분기
50 : 전환시점 판별기 60 : 역기전력 관측기
60a : 추정전류 산출기 60b : 궤환부
65 : PI 제어기

Claims (10)

  1. 사용자가 원하는 브러시리스 직류(Brushless Direct Current : BLDC) 모터의 속도(
    Figure 112009079374115-pat00134
    )와 BLDC 모터의 실제 속도(
    Figure 112009079374115-pat00135
    )의 오차를 기반으로 BLDC 모터의 전기 각속도를 제어하는데 필요한 전류(
    Figure 112009079374115-pat00136
    )를 출력하는 속도 제어기와,
    BLDC 모터를 구동하는 실제 전류(
    Figure 112009079374115-pat00137
    )와 상기 속도 제어기에서 출력되는 전류(
    Figure 112009079374115-pat00138
    )의 오차를 기반으로 BLDC 모터 구동을 위한 전압 지령치(
    Figure 112009079374115-pat00139
    )를 출력하는 전류제어기와,
    상기 전압 지령치(
    Figure 112009079374115-pat00140
    )를 이용하여 산출된 역기전력(
    Figure 112009079374115-pat00141
    )의 크기와 상기 실제 전류(
    Figure 112009079374115-pat00142
    )를 이용하여 검출된 BLDC 모터의 전기 각속도(
    Figure 112009079374115-pat00143
    )의 비로 토크상수(
    Figure 112009079374115-pat00144
    )를 추정하는 토크상수 추정기와,
    상기 추정된 토크상수(
    Figure 112009079374115-pat00145
    )와 BLDC 모터 구동을 위한 실제 토크상수(
    Figure 112009079374115-pat00146
    )를 기반으로 BLDC 모터를 구동하는 다수개의 상 중 어느 하나의 상으로 전환시킬 시점을 판별하여, 판별된 상 전환 시점에 따른 제어신호를 출력하는 전환시점 판별기와,
    상기 전압 지령치(
    Figure 112009079374115-pat00147
    ) 및 실제 전류(
    Figure 112009079374115-pat00148
    ), 그리고 고정자의 임피던스(
    Figure 112009079374115-pat00149
    ) 및 저항(
    Figure 112009079374115-pat00150
    )을 이용하여 산출되는 역기전력(
    Figure 112009079374115-pat00151
    )의 크기를 출력하는 역기전력 관측기와,
    상기 역기전력 관측기에서 출력되는 역기전력(
    Figure 112009079374115-pat00152
    )의 크기에 상기 실제 토크상수(
    Figure 112009079374115-pat00153
    )와 결합하여 BLDC 모터의 실제 속도(
    Figure 112009079374115-pat00154
    )를 출력하는 결합기와,
    상기 전압 지령치(
    Figure 112009079374115-pat00155
    )와 전환시점 판별기에서 출력되는 상 전환 시점에 따른 제어신호를 이용하여 모터의 회전각 및 속도를 제어하기 위한 PWM 펄스 형태의 제어신호를 출력하는 PWM 회로부와,
    직류전압(
    Figure 112009079374115-pat00156
    )을 상기 PWM 회로부에서 출력되는 제어신호에 의해 3상 교류전압으로 가변하여 BLDC 모터를 구동하는 구동 인버터와,
    상기 BLDC 모터를 구동하는 각 상의 전류 중 BLDC 모터를 구동하는 가장 큰 전류값을 검출하여 실제 전류(
    Figure 112009079374115-pat00157
    )로 출력하는 전류 검출기(MAX)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 토크상수 추정기는
    전압 지령치(
    Figure 112009079374115-pat00158
    )를 이용하여 역기전력(
    Figure 112009079374115-pat00159
    ) 크기의 산출을 다음 수식
    Figure 112009079374115-pat00160
    을 사용하여 산출되며, 이때,
    Figure 112009079374115-pat00161
    는 전압 지령치,
    Figure 112009079374115-pat00162
    는 고 정자 저항,
    Figure 112009079374115-pat00163
    는 고정자 인덕턴스,
    Figure 112009079374115-pat00164
    는 계산된 역기전력의 크기인 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 토크상수 추정기는 실제 전류(
    Figure 112011044465166-pat00165
    )를 이용하여 BLDC 모터의 전기 각속도(
    Figure 112011044465166-pat00166
    )를 검출하기 위해
    토크상수 추정기에서 추정된 추정토크 상수(
    Figure 112011044465166-pat00167
    )와 BLDC 모터의 실제토크 상수(
    Figure 112011044465166-pat00168
    )의 오차에 의해 산출된 부하토크를 궤환시키는 부하토크 생성기와,
    상기 실제 전류(
    Figure 112011044465166-pat00169
    ) 및 상기 부하토크 생성기에서 입력되는 부하토크를 입력받아 역기전력(
    Figure 112011044465166-pat00170
    ), 관성계수(J) 및 마찰 계수(B)를 기반으로 BLDC 모터의 전기 각속도(
    Figure 112011044465166-pat00171
    )를 검출하는 전동기의 기계적 모델을 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기계적 모델은
    역기전력과 결합되어 부하가 없는 순수한 전동기 비부하토크(
    Figure 112009079374115-pat00172
    )를 출력하는 제 2 결합기와,
    부하토크 생성기에서 출력되는 부하토크와 제 2 결합기에서 출력되는 비부하 토크(
    Figure 112009079374115-pat00173
    )를 비교하여 출력 토크를 계산하는 제 3 비교기와,
    상기 제 3 비교기에서 출력되는 오차에 관성계수(J)를 결합하는 제 3 결합기와,
    상기 제 3 결합기의 출력을 이용하여 적분된 적분항을 BLDC 모터의 전기 각속도(
    Figure 112009079374115-pat00174
    )로 추정하는 적분기와,
    상기 적분항에 마찰계수(B)를 결합하고, 마찰계수(B)가 결합된 값을 상기 제 3 비교기로 궤환시키는 제 4 결합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전환시점 판별기는 상기 추정 토크 상수(
    Figure 112009079374115-pat00175
    )의 변화량이 0보다 작아지는 시점을 중심으로 다음 상으로 전환시킬 전환시점을 판별하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 역기전력 관측기는
    상기 전압 지령치(
    Figure 112011044465166-pat00176
    )를 입력으로 역기전력이 고려되지 않은 전동기의 전기적 모델을 통해 전압 지령에 대한 추정 전류(
    Figure 112011044465166-pat00177
    )를 산출하는 추정전류 산출기와,
    상기 산출된 추정 전류(
    Figure 112011044465166-pat00178
    )와 상기 실제 전류(
    Figure 112011044465166-pat00179
    )와 비교하여 그 오차를 상기 추정전류 산출기로 궤환하는 궤환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 궤환부는
    추정 전류(
    Figure 112011044465166-pat00180
    )와 실제 전류(
    Figure 112011044465166-pat00181
    )를 서로 비교하여 그에 따른 오차를 출력하는 제 4 비교기와,
    상기 제 4 비교기에서 출력되는 오차를 입력으로 비례적분(Proportional Intergral : PI)하여 출력하고, 상기 비례적분하여 출력되는 출력값을 이용하여 적분기를 통해 산출된 적분항을 역기전력(
    Figure 112011044465166-pat00182
    )으로 추정하는 PI 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적분기의 출력은 역기전력(
    Figure 112009079374115-pat00183
    )의 크기와 일치하며, 상기 역기전력(
    Figure 112009079374115-pat00184
    )의 크기는 다음 수식
    Figure 112009079374115-pat00185
    를 이용하여 BLDC 모터의 실제속도(
    Figure 112009079374115-pat00186
    )를 산출하며, 이때,
    Figure 112009079374115-pat00187
    는 역기전력의 크기,
    Figure 112009079374115-pat00188
    는 토크 상수인 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합기는 수식
    Figure 112009079374115-pat00189
    를 이용하여 BLDC 모터의 실제 속도(
    Figure 112009079374115-pat00190
    )를 산출하며, 이때,
    Figure 112009079374115-pat00191
    는 역기전력의 크기,
    Figure 112009079374115-pat00192
    는 토크 상수를 나타내는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 장치.
  10. 모터의 구동을 위한 전압 지령치, 실제 전류, 고정자의 임피던스를 비교하여 역기전력의 크기를 계산하는 단계와,
    브러시리스 직류 전동기를 모델링하여 속도를 추정하는 단계와,
    상기 계산된 역기전력과 추정된 속도의 비로 토크상수와 그 변화량을 계산하는 단계와,
    모터를 구동하는 실제 토크상수와 상기 계산된 토크상수의 오차를 부하토크로 궤환하여 속도 제어를 위한 실제속도를 추정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 위치 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 운전 방법.
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