KR101439403B1

KR101439403B1 - 와이어 송급기용 ｂｌｄｃ 모터의 구동 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101439403B1
Application number: KR1020140057187A
Authority: KR
Inventors: 김학기; 최산호
Original assignee: (주)대흥엔지니어링
Priority date: 2014-05-13
Filing date: 2014-05-13
Publication date: 2014-09-12

Abstract

와이어 송급기용 BLDC(blushless direct current) 모터의 구동 방법 및 장치가 게시되어 있다. 송급기용 BLDC 모터의 전압 제어 방법은 입력 전압의 참 실효치 전압을 연산하는 단계, 참 실효치 전압을 기반으로 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하는 단계와 출력 전압을 상기 송급기용 BLDC 모터로 제공하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

와이어 송급기용 ＢＬＤＣ 모터의 구동 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR OPERATING BLDC(blushless DC) MOTOR FOR WIRE FEEDER}

본 발명은 와이어 송급기에 관한 것으로써 보다 상세하게는 와이어 송급기에 사용되는 BLDC 모터에 관한 것이다.

직류 전동기는 제어가 간단하여 속도/토크 제어가 요구되는 여러 응용 분야에 널리 사용되어 왔다. 직류 전동기는 기계적인 접촉 구조인 정류자(commutator)와 브러시(Brush)를 이용하여 회전에 따라 전기자 전류의 극성을 바꾸어 주는 기계적인 정류를 통해 한 방향으로 토크가 발생하여 연속적인 회전이 가능하다. 이러한 기계적인 정류로 인해 회전 시 전자기적 잡음과 기계적 소음이 발생하며, 마찰에 따른 마모로 인해 정류자와 브러시의 정기적인 유지 보수가 필요하다.

이러한 직류 전동기의 단점을 해결하기 위해 정류자와 브러시 기능을 회전자의 위치 정보를 통해 반도체 스위치로 구현한 전동기가 바로 1962년에 개발된‘브러시리스(Brushless) DC 전동기(BLDC Motor)’이다. BLDC 전동기는 고효율, 고출력밀도, 고토크/관성 비의 특성과 더불어 고속운전이 가능하고 구동 방식이 간단하며 가격이 저렴하여 현재 에어컨과 냉장고용 압축기와 팬(Fan), 세탁기의 드럼, VCR, 재봉틀 등의 가전기기로부터, HDD, DVD 등의 정보 통신 기기와 서보 구동 및 전기 자전거와 스쿠터 등에 이르기까지 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

BLDC 전동기의 구조는 직류 전동기와는 달리 교류 전동기인 영구 자석 동기 전동기(PMSM, permanent magnet synchronous motor)처럼 회전자에 영구자석을 가지며, 고정자에 권선을 갖는 구조이다. 회전자는 다른 용어로 로터(rotor)라고 하고, 고정자는 다른 용어로 스테이터(stator)라고 한다. 그러나 고정자 권선에는 직류 전동기의 전기자 도체에 흐르는 전류와 같은 구형파 형태의 전류가 흐르기 때문에 브러시리스 DC 전동기라 부른다.

영구 자석이 회전하는 구조인 BLDC 전동기는 많은 도체로 이루어진 무거운 전기자가 회전하는 구조인 직류 전동기보다 관성이 작아져 빠른 가속 및·감속에 유리하다. 또한 권선이 고정자 측에 있어 방열이 유리하므로 온도에 따른 영구 자석의 감자(Demagnetization)를 피하기 위해 최대 전기자 전류에 제약이 있는 직류 전동기보다 최대 출력 토크 발생 측면에서 유리하다. 게다가 BLDC 전동기는 직류 전동기의 기계적인 접촉 문제와 정류 기능의 문제가 없으므로 고속 운전이 가능하다.

한국출원특허 제10-2013-0087832 [명칭: 에어캡 또는 에어튜브가 설치된 캠핑용 텐트]

본 발명의 제1 목적은 와이어 송급기용 BLDC 모터의 구동 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 와이어 송급기용 BLDC 모터의 구동을 수행하는 장치를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 송급기용 BLDC(blushless direct current) 모터의 전압 제어 방법은 입력 전압의 참 실효치 전압을 연산하는 단계, 상기 참 실효치 전압을 기반으로 상기 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하는 단계와 상기 출력 전압을 상기 송급기용 BLDC 모터로 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 참 실효치 전압은 상기 입력 전압에 대하여 고속 A/D(analog/digital) 변환 샘플링을 기반으로 연산될 수 있다. 상기 참 실효치 전압은 아래의 수학식을 기반으로 산출되고,

<수학식>

상기 v(n)은 샘플 n에서 샘플링된 전압, 상기 samplecount는 2 사이클 동안의 샘플의 개수, 상기

는 전압에 대한 스케일링 요소일 수 있다. 상기 2 사이클은 22us(micro second)이고 상기 샘플 카운트는 1000개일 수 있다. 송급기용 BLDC 모터의 전압 제어 방법은 상기 참 실효치 전압이 임계값 이하인 경우, 정지 신호로 판단하고 상기 송급기용 BLDC 모터의 브레이크를 구동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상술한 본 발명의 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 송급기용 BLDC(blushless direct current) 모터 구동 장치에 있어서, 상기 송급기용 BLDC모터의 구동 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 입력 전압의 참 실효치 전압을 연산하고 상기 참 실효치 전압을 기반으로 상기 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하고, 상기 출력 전압을 상기 송급기용 BLDC 모터로 제공하도록 구현될 수 있다. 상기 참 실효치 전압은 상기 입력 전압에 대하여 고속 A/D(analog/digital) 변환 샘플링을 기반으로 연산될 수 있다. 상기 참 실효치 전압은 아래의 수학식을 기반으로 산출되고,

<수학식>

는 전압에 대한 스케일링 요소일 수 있다. 상기 2 사이클은 22us(micro second)이고 상기 샘플 카운트는 1000개일 수 있다. 상기 프로세서는 상기 참 실효치 전압이 임계값 이하인 경우, 정지 신호로 판단하고 상기 송급기용 BLDC 모터의 브레이크를 구동시키도로 구현될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 와이어 송급기용 BLDC 모터 구동 방법 및 장치는 종래의 용접기는 그대로 사용하면서 BLDC 모터를 와이어 송급기 구동 모터로써 사용할 수 있다. 용접 시스템에서 모터를 BLDC 모터로 교체함으로써 BLDC 모터의 장점인 소비전력 절감, 내구성 향상, 우수한 속도 제어 등을 통해 용접 작업 품질을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와이어 송급 장치를 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 컨버터부를 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입력 전압 검출부의 동작을 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Vrms를 산출하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 브레이크 동작 구동을 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 용접 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 참 실효치의 전압을 기반으로 모터의 구동을 제어하는 방법을 나타낸 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 "직접 접속되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성 요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

BLDC(blushless direct current) 모터는 다른 모터에 비교하여 상대적으로 제어가 편리하고 토크가 크며 저소비 전력으로 구동될 수 있다. 따라서, BLDC 모터는 종래의 AC(alternating current) 유도 전동기 및 DC 브러시 방식의 모터를 대체하여 널리 사용될 수 있다.

종래의 산업용 용접기의 송급기는 주로 DC 브러시 모터를 기반으로 동작하였다. DC 브러시 모터는 위상 제어 또는 PWM(pulse width modulation) 변조된 전압 제어를 기반으로 와이어의 송급 속도를 제어하였다. 하지만, DC 브러시 모터는 브러시 마모에 의해 수명이 짧고 부하의 변동시 속도 변화의 폭이 크다는 단점이 있었다.

본 발명의 실시예에 따른 와이어 송급 장치는 와이어 송급에 사용되는 모터를 BLDC 모터로 구현할 수 있다. 용접 시스템에서 와이어 송급에 사용되는 모터를 BLDC 모터로 교체함으로써 BLDC 모터의 장점인 소비 전력 절감, 내구성 향상, 우수한 속도 제어 등을 통해 소비 전력을 절감하고 용접 작업 품질을 높일 수 있다. 이하, 본 발명의 실시예에서는 와이어 송급 장치의 BLDC 모터로 전력을 공급하는 모터 구동부의 동작에 대해 게시한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와이어 송급 장치를 나타낸 개념도이다.

도 1을 참조하면, 와이어 송급 장치는 입력 전압 검출부(100), 정류부(110), 스위칭 컨버터부(120), 마이크로 프로세서(130), 3상 브릿지 출력부(140) 및 모터(150)를 포함할 수 있다.

입력 전압 검출부(100)는 외부로부터 전압을 입력받고 고속 샘플링을 통해 참 실효치(true root mean square) 전압(Vrms)을 연산할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 입력 전압 검출부(100)는 고속 A/D(analog/digital) 샘플링을 사용하여 입력 전압의 참 실효치를 연산하기 위해 구현될 수 있다.

고속 A/D 샘플링을 기반으로 입력 전압의 참 실효치를 산출하기 위해 입력 전압 검출부(100)는 마이크로 프로세서(130)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 마이크로 프로세서(130)는 12 비트 고속 ADC를 통해 22ms 동안 1000회 샘플링을 수행하여 Vrms를 연산할 수 있다.

정류부(110)는 다이오드 정류를 통해 역전압을 방지하고 전압의 평활화를 위해 구현될 수 있다. 정류부(110)는 다이오드를 기반으로 AC 전압을 DC 전압으로 변환할 수 있다.

스위칭 컨버터부(120)는 스위칭 모드 벅 컨버터(buck converter)를 기반으로 안정화된 정전압을 출력하기 위해 구현될 수 있다. 벅 컨버터는 3상 브릿지 출력부로 전력을 전달하기 위해 구현된 회로로써 정류부(110)를 통해 전달된 DC 전압을 다른 크기의 DC 전압으로 변환하기 위해 구현될 수 있다.

스위칭 컨버터부(120)는 마이크로 프로세서(130)와 연결되어 동작할 수 있다. 마이크로 프로세서(130)는 전압 조절용 PWM 펄스를 출력할 수 있고, 스위칭 컨버터부(120)의 벅 컨버터는 수신한 전압 조절용 PWM 펄스를 기반으로 감압을 수행할 수 있다. 스위칭 컨버터부(120)의 구체적인 동작에 대해서는 후술한다.

또한, 마이크로 프로세서(130)는 출력 전압 ADC 스위칭 출력을 피드백받아 3상 브릿지 출력부의 동작을 제어하기 위해 구현될 수 있다. 마이크로 프로세서(130)는 입력 전압 검출부(100), 정류부(110), 스위칭 컨버터부(120)와 연결되어 AC/DC 컨버팅, 감압 등을 위해 동작할 수 있다. 또한, 마이크로 프로세서(130)는 3상 브릿지 출력부(140)와 연결되어 3상 브릿지 출력부(140)에 위치한 3상에 흐르는 전류를 제어하기 위해 6개의 스위치를 제어할 수 있다.

또한, 마이크로 프로세서(130)는 홀 센서에서 센싱된 값을 입력받고 회전자의 위치를 검출할 수 있다. 또한, 마이크로 프로세서(130)는 과전류 및 과열을 검출할 수 있다.

이뿐만 아니라 마이크로 프로세서(130)는 RPM(revolution per minute) 펄스 출력, 정/역회전 선택, 토크 보정 선택, 동작 표지 LED(light emitting diode), 비상 정지 입력 등 다양한 기능을 위해 구현될 수 있다.

3상 브릿지 출력부(140)는 BLDC 모터(150)를 구동하기 위한 3상 회로가 포함될 수 있다. BLDC 모터(150)에서 사용되는 회전자는 영구 자석이므로 홀 센서(hall sensor)와 같은 자속 검출 센서를 사용하여 BLDC 모터(150)의 회전자 위치를 판단할 수 있다. 홀 센서를 통해 검출된 회전자의 위치 정보를 사용하여 연속적인 회전을 위해 필요한 전류를 3상 브릿지 출력부(140)에 흘려주어 BLDC 모터(150)를 구동시킬 수 있다. 3상 브릿지 출력부(140)는 복수개의 반도체 스위치를 포함할 수 있다. 예를 들어, 3상 브릿지 출력부(140)는 3상에 흐르는 전류를 제어하기 위해 6개의 스위치(예를 들어, FET1(field effect transistor), FET2, FET3, FET4, FET5, FET6)이 포함할 수 있다.

BLDC 모터(150)는 다양한 형태로 구현될 수 있다. BLDC 모터(150)는 사용되는 슬롯(slot), 폴(pole), 로터(rotor)에 따라 다양한 구현 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, BLDC 모터(150)는 로터의 구성에 따라 싱글 로터 또는 더블 로터로 구현될 수 있고, 슬롯/폴의 개수에 따라 18슬롯 16폴, 27슬롯 24폴, 36슬롯 32폴, 18슬롯 18폴, 27슬롯 24폴, 36슬롯 32폴 등 다양한 형태로 구현될 수 있다

BLDC 모터(150)의 토크와 속도는 입력 전압 검출부(100), 정류부(110), 스위칭 컨버터부(120), 마이크로 프로세서(130)를 기반으로 결정된 전력을 통해 조절될 수 있다.

위와 같은 BLDC 모터(150)를 기반으로 와이어 송급기를 구현하는 경우, 스위칭 안정화 전원에 의해 1차 전원의 변동 발생시 속도 변화가 적을 수 있다. 또한, 회생 제동에 의해 브레이크 저항의 발열이 없을 수 있다. 이뿐만 아니라 입력 전원의 비선형 특성을 보정하여 출력 전압을 제어함으로 속도 조절시 직선성이 개선될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 컨버터부를 나타낸 개념도이다.

도 2에서는 스위칭 컨버터부에 포함된 벅 컨버터의 감압 동작에 대해 게시한다. 벅 컨버터는 트랜지스터의 스위칭을 통해, 정류부에서 정류된 DC를 감압하여 감압한 DC 전압을 BLDC 모터의 구동 회로로 전달하기 위해 구현될 수 있다.

벅 컨버터에서 입력 전압이 트랜지스터(200)의 드레인(drain)으로 인가되고 트랜지스터(200)의 게이트(gate)에는 PWM 파형의 하이(high) 구간이 입력되어 트랜지스터(200)를 턴-온시킬 수 있다. 이러한 경우 전류는 트랜지스터(200)의 드레인에서 소스로 흐르게 된다.

벅 컨버터에 포함된 다이오드(210)는 환류의 역할을 수행할 수 있다. 트렌지스터(200)가 동작하는 경우(on) 인덕터(220)에 에너지가 저장될 수 있다. 추후 트랜지스터(210)의 게이트에 로우(low) 신호가 공급되어 트렌지스터(210)가 동작하지 않는 경우(off), 인덕터(220)에 저장된 에너지를 소모시켜야 인덕터(220)의 포화가 발생하지 않는다. 벅 컨버터는 다이오드(210)를 통해 전류를 흘려줌으로써 인덕터(220)의 포화를 방지하는 역할을 수행할 수 있다.

트렌지스터(200)가 off가 될 시 인덕터(220)에 저장된 에너지가 방전되는데 인덕터(220)와 다른 커패시터를 통해 구현된 LC 필터를 통해 전류의 리플 성분을 감소시킬 수 있다. 벅 컨버터는 아래와 같은 순차적인 동작을 수행할 수 있다.

(1) 입력 전압 Vi가 트랜지스터(예를 들어, N-MOSFET, 200)의 드레인(Drain)으로 인가된다. 전술한 바와 같이 트랜지스터(200)의 드레인에 입력된 전압을 기반으로 빠른 스위칭을 수행할 수 있다.

(2) 게이트(Gate)에 걸린 PWM 파형이 하이(High) 구간이라면 트랜지스터(200)는 온-스테이트(On-state)가 되어 드레인(Drain)에서 소스(Source)로 전류가 흐른다.

(3) 소스(Source)를 통해 인가된 전원은 사실 굉장히 짧은 시간의 게이트(Gate)에 걸린 하이 신호로 들어온 전원 신호이기 때문에 실제적으로 고주파 신호가 된다. 이러한 고주파 신호를 인덕터(220)와 커패시터(230)로 구성된 LPF(Low Pass Filter)를 통하게 하여 고주파 성분을 제거하고 부하에 걸려 출력전압 Vo가 출력될 수 있다.

(4) 인덕터(220)과 커패시터(230)가 트랜지스터(200)의 온-스테이트 상태에서는 완충 상태가 되면 트랜지스터(200)의 게이트 신호에 로우 신호를 주어 입력 전원을 차단시켜 트랜지스터(200)이 오프-스테이트(Off-State)가 되도록 한다. 트랜지스터(200)이 오프-스테이트인 경우 인덕터(220)에 저장되었던 에너지가 방전을 시작하고, 순간적이지만 마치 입력 전원처럼 작용하여 계속적으로 부하에 전원을 공급할 수 있다. 벅 컨버터에서는 트랜지스터(200)을 제외하고 폐쇠-루프를 생성하기 위해서 중간에 다이오드(210)가 회로에 들어간다.

(5) 인덕터(220)의 에너지가 모두 방출되어 전압이 어느 정도 떨어지면 피드백을 통해 전압 강하를 감지하고 다시 게이트를 하이 상태로 만들어 트랜지스터(200)을 온-스테이트로 만들어 전술한 과정을 반복적으로 수행할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 DC-DC 양방향 컨버터에서는 트랜지스터(200)를 턴-온하고 다른 트랜지스터를 턴-오프하여 감압을 수행하는 벅 컨버터를 통해 BLDC 모터에 입력되는 전압을 안정화할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 입력 전압 검출부의 동작을 나타낸 개념도이다.

도 3에서는 입력 전압 검출부는 입력 전압을 수신하고 수신한 입력 전압에 대하여 고속 샘플링을 수행하여 참 실효치(true root mean square) 전압을 연산하는 방법에 대해 게시한다.

도 3을 참조하면 고속 A/D(analog/digital) 변환을 통해 디지털 참 실효치(true root mean square) 변환을 수행할 수 있다.

실효치 변환을 위해 예를 들어, 22ms 동안 1000회 정도의 샘플링을 수행할수 있다. 샘플링한 결과는 아래의 수학식을 기반으로 Vrms 값을 산출하기 위해 사용될 수 있다. 아래의 수학식은 Vrms를 산출하는 수식을 나타낸다.

<수학식>

v(n)은 샘플 n에서 샘플링된 전압값일 수 있다. samplecount는 2 사이클 동안의 샘플의 개수일 수 있다.

는 전압에 대한 스케일링 요소일 수 있다.

입력 전압 검출부에서는 위와 같은 수학식을 기반으로 Vrms의 값을 산출할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Vrms를 산출하는 방법을 나타낸 순서도이다.

도 4를 참조하면, 우선 샘플링된 전압의 제곱 합(asum)과 샘플링 카운트 인덱스(count)를 0으로 초기화할 수 있다(단계 S400).

*일정 시간(22us)후에 샘플링을 수행한다(단계 S410).

샘플링된 전압의 제곱 합 및 샘플링 카운트를 조정한다(단계 S420).

샘플링된 전압의 제곱 합은 샘플링된 전압의 제곱값을 누적하여 더한 값일 수 있다. 샘플링된 전압의 제곱 합을 기반으로 복수의 샘플링된 전압의 제곱 값을 누적하여 합산할 수 있다.

샘플링 카운트는 샘플링된 카운트를 증가시킨 값일 수 있다. 샘플링 카운트는 샘플링 횟수를 누적하여 증가시킬 수 있다.

샘플링 카운트의 값이 임계값 이하인지 여부를 판단한다(단계 S430).

예를 들어, 샘플링 카운트의 값이 미리 정한 임계값(예를 들어, 1000회)보다 큰지 여부를 판단하여 샘플링 카운트의 카운팅을 수행할지 종료할지 여부를 결정할 수 있다.

샘플링 카운트의 값이 임계값 미만인 경우, 계속적으로 샘플링을 수행하여 샘플링 카운트의 값이 임계값을 넘을 때까지 전술한 단계 S410 및 단계 S420의 절차를 수행할 수 있다.

샘플링 카운트의 값이 임계값 이상인 경우, Vrms를 산출한다(단계 S440).

샘플링 카운트의 값이 임계값 이상인 경우, 샘플링을 중단하고, 샘플링된 전압의 제곱 합을 샘플링 카운트의 개수로 나눌 수 있다. Vrms는 샘플링된 전압의 제곱 합을 샘플링 카운트의 개수로 나눈 값의 제곱근을 산출하여 구할 수 있다.

산출된 Vrms를 기반으로 DC 출력 전압을 조절한다(단계 S450).

산출된 Vrms의 값에서 게인(gain)의 값을 빼서 Vset을 설정할 수 있다. PID(propositional integral and derivative control) 제어를 기반으로 Vout에서 Vset을 뺀 값으로 출력 전압을 조절하도록 마이크로 프로세서에서 제어를 수행할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 위상 제어되거나 펄스폭 변조(pulse width modulation)된 직류 또는 교류의 비선형 입력 전원에 대해 참 실효치(true RMS) 측정 방식에 의해 입력 전압을 검출할 수 있다. 검출된 입력 전압에 대해 DC 출력 전압 조절을 수행하여 BLDC 모터의 구동을 제어할 수 있다.

구체적으로 기존의 AC 기반의 모터의 경우, 시간에 따라 입력되는 전압의 높낮이가 변하게 된다. 위상 제어는 AC 전원의 입력 신호를 0~180도 사이에서 비례적으로 분할하여 전원을 출력할 수 있다. 이러한 경우, AC 파형에 따라 AC 기반 모터의 출력이 미세하기 조절될 수 있다. 즉, 위상 제어를 사용하는 경우, 어느 위상각부터 전력을 공급하는지 여부에 따라 모터의 출력을 제어할 수 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 경우, 기존의 3상 전류의 크기와 위상을 동시에 제어(벡터 제어) 하는 교류 전동기와 다르게 산출된 Vrms를 기반으로 DC 출력 전압만을 제어하여 BLDC 전동기의 토크를 제어할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터의 브레이크 동작 구동을 나타낸 개념도이다.

도 5에서는 고속 실효치 변환 방식에 의해 비선형 입력 신호의 3 사이클 주기 이내에 입력 전원 정전 또는 정지 신호를 판정하여 BLDC 모터의 브레이크를 동작시키는 방법에 대해 게시한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고속 실효치 변환 방식에 의해 산출되는 Vrms 크기의 변화를 기반으로 전압의 입력이 중단되는지 여부 또는 정지 신호를 판단할 수 있다(단계 S500). 고속 실효치 변환 방식에 의해 산출되는 Vrms 크기의 변화가 일정 이상이 발생한 경우, 정지 신호로 판단하여 BLDC 모터의 구동을 빠르게 중단시킬 수 있다(단계 S520). 예를 들어, Vrms가 미리 설정한 임계값 이하로 검출되는 경우, 정지 신호로 판단하고 BLDC 모터의 구동이 중지되도록 BLDC 모터의 브레이크를 구동시킬 수 있다.

이러한 방법을 사용함으로써 3사이클 주기 이내에 BLDC 모터의 브레이크를 제어하여 BLDC 모터가 동작하지 않도록 구현될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 용접 시스템을 나타낸 개념도이다.

도 6에서는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터를 기반으로 한 용접 시스템을 예시적으로 나타낸다. BLDC 모터를 기반으로 구현되는 와이어 송급 장치를 제외한 다른 구성은 구현에 따라 다를 수 있다.

도 6을 참조하면, 용접 시스템은 용접 전원(600), 실드 가스(610), 와이어 송급 장치(620), 아날로그 리모콘(630), 용접 토치(640) 등으로 구현될 수 있다.

용접 전원(600)은 와이어 송급 장치(620)에 전원을 입력하고 용접 토치(640)에 실드 가스(610)를 공급해주기 위해 구현될 수 있다.

와이어 송급 장치(620)는 전술한 바와 같은 BLDC 모터를 기반으로 구현될 수 있다. BLDC 모터로 입력되는 전력을 제어하기 위해 전술한 바와 같이 외부로부터 전압을 입력받고 고속 샘플링을 통해 참 실효치(true root mean square) 전압(Vrms)을 연산할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면 와이어 송급 장치(620)의 BLDC 모터로 입력되는 전압은 다양한 방법을 기반으로 제어될 수 있다. 예를 들어, 와이어 송급 장치(620)로 입력되는 입력 전압에 대하여 고속 A/D(analog/digital) 샘플링을 사용하여 입력 전압의 참 실효치를 연산할 수 있다. 연산된 참 실효치는 BLDC 모터로 입력되는 전압을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 와이어 송급 장치(620)는 연산된 Vrms를 기반으로 BLDC 모터로 입력되는 전압을 제어할 수 있다. 또한, 와이어 송급 장치(620)는 다이오드 정류를 통해 AC 전압을 DC 전압으로 변환할 수 있다. 또한, 스위칭 모드 벅 컨버터(buck converter)를 기반으로 안정화된 정전압을 출력할 수 있다.

아날로그 리모콘(630)은 와이어 송급 동작 및 실드 가스의 유입을 제어하기 위해 구현될 수 있다.

용접 토치(640)는 와이어 송급 장치를 기반으로 공급받은 와이어 및 실드 가스를 기반으로 공급받은 용접 가스를 사용하여 용접을 수행할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 참 실효치의 전압을 기반으로 모터의 구동을 제어하는 방법을 나타낸 개념도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 입력 전압에 대한 샘플링 방법을 사용하여 BLDC 모터로 전달되는 출력 전압을 빠르게 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터 구동부는 입력 전압을 샘플링하여 연산된 Vrms의 변화를 기반으로 구동 모드를 판단하고(단계 S700), 판단된 구동 모드로 BLDC 모터로 전달되는 출력 전압을 제어할 수 있다(단계 S720).

예를 들어, BLDC 모터가 제1 구동 모드, 제2 구동 모드, 제3 구동 모드, 정지 모드로 동작한다고 가정할 수 있다. 각각의 구동 모드에 대응되는 구동 전압이 존재할 수 있다. 예를 들어, 제1 구동 모드인 경우, 제1 구동 전압, 제2 구동 모드인 경우, 제2 구동 전압, 제3 구동 모드인 경우, 제3 구동 전압으로 BLDC 모터가 구동될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따르면 각각의 구동 모드에 따라 서로 다른 입력 전압을 가질 수 있고, 입력 전압 검출부에서는 각각의 입력 전압의 변화를 빠르게 판단하여 BLDC 모터의 구동 모드의 변화를 빠르게 탐지할 수 있다.

예를 들어, 제1 구동 전압, 제2 구동 전압, 제3 구동 전압의 순서로 전압의 크기가 커지는 경우를 가정하면, 현재 전압의 크기를 기준으로 Vrms의 증가 또는 Vrms의 감소가 되는지 여부를 판단하여 BLDC 모터의 구동 모드를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 구동 전압으로 BLDC 모터가 동작하는 경우를 가정할 수 있다. 만약, 입력 전압을 샘플링하여 연산된 Vrms의 값이 커지는 경우, BLDC 모터 구동 장치는 BLDC 모터의 구동 모드가 제2 구동 전압 또는 제3 전압을 사용하는 제2 구동 모드 또는 제3 구동 모드로 변한다고 판단할 수 있다. 본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, BLDC 모터 구동 장치는 샘플링된 Vrms의 값이 커지는 정도에 따라 제2 구동 모드인지 제3 구동 모드인지를 추가적으로 판단할 수 있다.

또 다른 예로, 제2 전압으로 BLDC 모터가 동작하는 경우를 가정할 수 있다. BLDC 모터 구동 장치는 입력 전압을 샘플링한 Vrms의 값이 커지는 경우, BLDC 모터의 구동 모드가 제3 전압을 사용하는 제3 구동 모드로 변한다고 판단할 수 있다. 반대로 BLDC 모터 구동 장치는 입력 전압을 샘플링한 Vrms의 값이 작아지는 경우, BLDC 모터의 구동 모드가 제1 전압을 사용하는 제1 구동 모드로 변한다고 판단할 수 있다.

BLDC 모터 구동 장치에서는 이러한 입력 전압의 변화를 미리 판단하여 PID 제어를 통한 출력 전압의 변화를 빠르게 수행할 수 있다. 즉, 송급기의 반응 속도가 빨라져 용접 작업시 지연이 없이 구동 모드에 따라 송급기가 즉각적으로 구동될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 모터는 작업자의 작업 습관을 기록한 메모리를 기반으로 구동될 수 있다. 예를 들어, 작업자는 작업 습관에 따라 와이어 송급을 서로 다르게 할 수 있다. 작업자는 구동 모드를 일정한 주기에 따라 계속적으로 바꿀 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따른 와이어 송급 장치에서는 이러한 작업자의 와이어 송급에 관련된 패턴을 메모리에 저장할 수 있다. 메모리에 저장된 작업자의 와이어 송급과 관련된 패턴은 이후에 작업자에 의한 별도의 와이어 송급 모드의 변화없이도 지속적인 작업을 가능하게 한다.

예를 들어, 작업자가 제1 구동 모드로 1분, 제2 구동 모드로 5분, 제3 구동 모드로 2분 다시 제1 구동 모드로 1분을 작업하는 작업 패터을 가지는 것으로 가정할 수 있다. 작업자의 이러한 작업 패턴은 메모리에 저장되고, 메모리에 저장된 작업 패턴은 프로세서를 기반으로 작업자에 의한 별도의 동작 모드 조작 없이도 동일한 패턴으로 BLDC 모터를 구동하게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 와이어의 굵기에 따라 BLDC 모터의 구동 모드의 전압이 다르게 설정될 수 있다. 와이어가 상대적으로 굵을수록 용접을 위한 시간이 오래걸릴 수 있다. 따라서, BLDC 모터의 구동 모드에 따라 BLDC 모터에 가해지는 전압이 달라질 수 있다. 예를 들어, 직경이 3mm인 와이어에 대한 제1 구동 전압과 직경이 1mm인 와이어에 대한 제1 구도 전압이 다르게 설정될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 와이어 송급 장치는 와이어의 공급부에서 와이어의 두께를 센싱할 수 있고, 이에 따라 와이어 송급 장치의 BLDC 모터의 구동모드에 따른 설정 전압이 다를 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로, 상기 개시된 실시예 들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.

Claims

용접 와이어 송급기용 BLDC(blushless direct current) 모터의 전압 제어 방법에 있어서,
송급기용 BLDC 모터의 구동을 위해서 외부 전원에서 상기 송급기용 BLDC 모터로 공급되는 입력 전압의 참 실효치 전압을 연산하는 단계;
상기 참 실효치 전압을 기반으로 상기 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하는 단계; 및
상기 출력 전압을 상기 송급기용 BLDC 모터로 제공하는 단계를 포함하고,
상기 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하는 단계는,
상기 참 실효치 전압을 기반으로 PID(propositional integral and derivative control) 제어를 사용하여 상기 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하는 단계인 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 전압 제어 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 참 실효치 전압은 상기 입력 전압에 대하여 고속 A/D(analog/digital) 변환 샘플링을 기반으로 연산되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 전압 제어 방법.
제3항에 있어서,
상기 참 실효치 전압은 아래의 수학식을 기반으로 산출되고,
<수학식>

상기 v(n)은 샘플 n에서 샘플링된 전압, 상기 samplecount는 2 사이클 동안의 샘플의 개수, 상기
는 전압에 대한 스케일링 요소인 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 전압 제어 방법.
제4항에 있어서,
상기 2 사이클은 22us(micro second)이고 상기 샘플 카운트는 1000개인 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 전압 제어 방법.
제5항에 있어서,
상기 참 실효치 전압이 임계값 이하인 경우, 정지 신호로 판단하고 상기 송급기용 BLDC 모터의 브레이크를 구동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 전압 제어 방법.
용접 와이어 송급기용 BLDC(blushless direct current) 모터 구동 장치에 있어서, 상기 송급기용 BLDC모터의 구동 장치는 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는 송급기용 BLDC 모터의 구동을 위해서 외부 전원에서 상기 송급기용 BLDC 모터로 공급되는 입력 전압의 참 실효치 전압을 연산하고 상기 참 실효치 전압을 기반으로 상기 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하고, 상기 출력 전압을 상기 송급기용 BLDC 모터로 제공하도록 구현되며,
상기 송급기용 BLDC 모터로 공급될 출력 전압을 제어하는 것은 PID(propositional integral and derivative control) 제어를 사용하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC모터의 구동 장치.
삭제
제7항에 있어서,
상기 참 실효치 전압은 상기 입력 전압에 대하여 고속 A/D(analog/digital) 변환 샘플링을 기반으로 연산되는 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 구동 장치.
제9항에 있어서,
상기 참 실효치 전압은 아래의 수학식을 기반으로 산출되고,
<수학식>

상기 v(n)은 샘플 n에서 샘플링된 전압, 상기 samplecount는 2 사이클 동안의 샘플의 개수, 상기
는 전압에 대한 스케일링 요소인 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 구동 장치.
제10항에 있어서,
상기 2 사이클은 22us(micro second)이고 상기 샘플 카운트는 1000개인 것을 특징으로 하는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 구동 장치.
제11항에 있어서, 상기 프로세서는,
상기 참 실효치 전압이 임계값 이하인 경우, 정지 신호로 판단하고 상기 송급기용 BLDC 모터의 브레이크를 구동시키도로 구현되는 용접 와이어 송급기용 BLDC 모터의 구동 장치.