KR101759968B1

KR101759968B1 - 게이팅 펄스폭 변조 구동에 의한 브러시리스 직류 모터들의 저속 동작

Info

Publication number: KR101759968B1
Application number: KR1020127008682A
Authority: KR
Inventors: 워드 알. 브라운
Original assignee: 마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2017-07-20
Also published as: EP2486648A1; CN102577084A; TWI495253B; WO2011044121A1; TW201125278A; KR20120084292A; US20110084635A1; CN102577084B; EP2486648B1; US8339077B2

Abstract

브러시리스 DC(BLDC) 모터의 저속 동작은 각 정류 주기 내에 PWM 펄스들의 일부를 게이팅 오프함으로써 개선된다. 그렇게 함으로써, 더 긴 PWM 펄스폭들이 비가청의 PWM 신호 주파수들로 사용되지만, 반면에 BLDC 모터의 원하는 저속 동작을 여전히 허용할 수 있다. 피크 역기전력이 발생하는 각 정류 주기 내의 비게이트된(non-gated) PWM 펄스들의 중앙에 놓여짐은 손실들을 더 감소시키고, 또한 BLDC 모터로부터 최대 토크의 전달을 개선한다.

Description

게이팅 펄스폭 변조 구동에 의한 브러시리스 직류 모터들의 저속 동작{SLOW SPEED OPERATION OF BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTORS BY GATING PULSE WIDTH MODULATION DRIVE}

본 발명은 브리시리스 직류(BLDC) 모터들에 관한 것으로, 더 구체적으로는 게이팅 펄스폭 변조(PWM) 구동에 의한 BLDC 모터들의 저속 동작에 관한 것이다.

브러시리스 직류(BLDC) 모터들은 가전 제품들, 자동차, 항공 우주, 소비자, 의료, 산업 자동 장비 및 도구와 같은 제조업에 사용된다. BLDC 모터들은 정류용 브러시들을 사용하지 않고, 대신에 전기적인 정류를 사용한다. BLDC 모터들은 브러시 DC 모터들과 유도 모터들보다 장점들이 많은데, 그 장점들은 더 좋은 속도 대 토크 특성들, 높은 동적 응답, 높은 효율, 긴 수명 시간(long operating life), 서비스 사이의 더 긴 시간 간격, 실질적으로 잡음이 없는 동작 및 더 높은 속도 범위들이다. BLDC 모터들에 대한 더 자세한 정보는 "쉽게 제어가 가능한(Control Made Easy) 브러시리스 DC 모터"라는 제목이 붙은 AN857(2002); "브러시리스 DC (BLDC) 모터 기본들"이라는 제목이 붙은 AN885(2003); "모터 제어 센서 피드백 회로들"이라는 제목이 붙은 AN894(2003); "센서 없는 BLDC 제어용 dsPIC30F의 사용"이라는 제목이 붙은 AN901(2004); 및 "센서 없는 BLDC 제어용 PIC18F2431의 사용"이라는 제목이 붙은 AN970(2005)의 마이크로칩 애플리케이션 주석들에서 찾아볼 수 있다(모두 본 발명의 모든 목적을 위해 여기에 참조로서 포함됨).

3상 BLDC 모터는 전기적인 사이클, 즉 스텝당 60 전기도로 6개의 스텝에서 360 회전의 전기도를 완료한다. 모든 60 전기도에서 동기적으로, 상전류 스위칭이 업데이트(정류(commutation))된다. 하지만, 하나의 전기적인 사이클은 모터 회전자의 하나의 기계적인 회전(360 기계도)에 대응하지 않을 수 있다. 하나의 기계적인 회전을 완료하기 위해 반복될 전기적인 사이클들의 수는 회전자 극 쌍들의 수에 따른다. 예를 들면, 4극 BLDC 모터는 모터 회전자의 하나의 기계적인 회전을 완료하기 위해 2개의 전기적인 사이클을 필요로 할 것이다(도 5 참조).

BLDC 모터용 구동 정류는 모터 회전자 축의 회전 위치를 모니터링하는 위치 센서들에 의해 결정될 수 있다. 그런 위치 센서들은 예를 들면 모터의 비-구동 종점 상의 고정자 내부에 내장된 홀 효과(hall effect) 위치 센서들일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 센서 없는 BLDC 모터용 구동 정류는 모터의 각 상(A-B-C)에서 역기전력(back EMF) 전압을 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 정류 주기 동안에 비-구동 상의 역기전력이 모터 공급 전압의 절반을 가로지를 때, 구동 정류는 모터와 함께 동기화된다. 이것은 "제로-크로싱"으로 언급되는데, "제로-크로싱"은 역기전력이 각 전기적인 사이클에 걸쳐 모터 공급 전압의 절반과 동등한 점이다. 구동 전압이 구동 상들에 적용될 때, 제로-크로싱은 비-구동 상에서 검출된다. 또한, 비-구동 상에서의 역기전력의 제로-크로싱 전압에 대한 전압 극성은 소정 허용값들 내에서 구동 상들로의 구동 전압의 적용 동안 제로-크로싱 이벤트, 예를 들면 포지티브로부터 네거티브 또는 네거티브로부터 포지티브로의 변화를 검출하는데 사용될 수 있다.

BLDC 모터의 회전 속도는 모터의 고정자 권선들에 적용된 평균 DC 전압들의 진폭에 따른다. 평균 DC 전압이 더 높게 적용되면 될수록 BLDC 모터는 더 빠르게 회전할 것이다. 일반적으로 DC 전압들은 고정자 권선들에 적용된 전압 진폭들을 제어하기 위해 펄스폭 변조(PWM)를 이용하여 생성된다. PWM 최대 주파수는 구동 트랜지스터들의 스위칭 손실에 의해 제한된다. PWM 최소 주파수는 오디오 범위의 주파수들에서 원하지 않는 오디오 방출들에 의해 제한된다. 수용할 수 있는 타협안은 15KHz 내지 20KHz 범위 내이다. PWM 듀티 사이클은 구동 전력 전계 효과 트랜지스터들(FET들)과 모터 설계들에 내재된 저주파 필터 특성들을 통해 여전히 전파될 수 있는 점까지만 감소될 수 있다. PWM 주파수의 감소는 더 긴 구동 주기들을 용인할 것이지만, 그러나 이것은 또한 모터로부터 가청 잡음을 발생시킬 것이다.

부분적인 정류 주기(commutation period) 동안에 브러시리스 DC 모터를 구동함으로써 상술한 문제점은 해결되고, 또 다른 장점들이 달성된다. 모터로의 평균 구동 전압은 최소 펄스폭으로부터 이용할 수 있는 것보다 더 감소될 수 있고, 또한 각 정류 주기 내의 펄스들의 수를 감소시킴으로써 비가청 PWM 주파수를 여전히 유지할 수 있다. 그러므로, BLDC 모터로의 평균 구동 전압은 각 정류 주기 내에 PWM 펄스들의 수를 제한함으로써 더 감소될 수 있지만, 반면에 비가청 PWM 신호 주기와 듀티 사이클을 유지할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법은 소정 듀티 사이클로 복수의 펄스폭 변조(PWM) 펄스들을 생성하는 단계; 상기 브러시리스 직류 모터의 복수의 정류 주기들의 각각에 대해 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계; 상기 복수의 정류 주기들의 각각에서 상기 복수의 PWM 펄스들의 일부를 게이팅 오프하는 단계로서, 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들은 상기 복수의 정류 주기들의 상기 전기적인 타이밍 센터들 쪽으로 그룹핑되는 단계; 및 상기 복수의 정류 주기들 동안에 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들을 이용하여 전력 스위칭 트랜지스터들을 구동하는 단계로서, 상기 전력 스위칭 트랜지스터들은 상기 브러시리스 직류 모터의 고정자 코일들과 직류 전원 사이에 연결되는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법은 소정 듀티 사이클로 복수의 펄스폭 변조(PWM) 펄스들을 생성하는 단계; 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 각 고정자 코일에서 역기전력 전압들을 측정하고, 그리고 상기 측정된 역기전력 전압들로부터 상기 측정된 역기전력 전압들의 각각이 언제 제로-크로싱 전압 값에 있는지를 결정함으로써, 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 복수의 정류 주기들의 각각에 대해 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계로서, 상기 제로-크로싱 전압 값은 직류 전원의 전압값의 절반인 단계; 상기 복수의 정류 주기들의 각각에서 상기 복수의 PWM 펄스들의 일부를 게이팅 오프하는 단계로서, 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들은 상기 복수의 정류 주기들의 상기 전기적인 타이밍 센터들 쪽으로 그룹핑되는 단계; 및 상기 복수의 정류 주기들 동안에 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들을 이용하여 전력 스위칭 트랜지스터들을 구동하는 단계로서, 상기 전력 스위칭 트랜지스터들은 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 고정자 코일들과 직류 전원 사이에 연결되는 단계를 포함한다.

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 이러한 참조는 본 발명의 한정을 내포하지 않고 이러한 한정을 의미하지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야의 당업자에 의해 형태와 기능에 있어서 수정물, 대체물, 및 등가물이 고려될 수 있다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.

첨부한 도면과 관련된 다음의 설명을 참조하면 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 브러시리스 직류 모터, 홀 효과 위치 센서들 및 전기적으로 정류하는 모터 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터와 전기적으로 정류하는 모터 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 3은 각 60도 정류 주기 동안에 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 3개의 고정자 권선의 각각에 흐르는 전류들을 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 역기전력 제로-크로스 검출기들을 상세하게 도시한 도면이다.
도 5는 각 60도 정류 주기 동안에 3개의 고정자 권선의 각각에서의 역기전력 전압들을 보여주는 4극 모터의 타이밍 및 진폭 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 개시에 따른, 각 정류 주기 동안에 BLDC 모터의 단일 상에서 서로 다른 PWM 듀티 사이클들에 대한 전압의 진폭 및 타이밍 그래프들을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 수정물 및 대체 형태가 가능하지만, 바람직한 실시예들이 도면에 도시되고 여기에 상세히 설명되었다. 하지만, 바람직한 실시예들의 설명은 본 발명을 여기에 개시된 바람직한 형태로 한정하려는 것이 아니며, 오히려 반대로, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정된 모든 수정물 및 등가물을 포함하려 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호로 나타내고, 유사한 구성요소는 아래첨자를 달리하여 동일한 부호로 나타낸다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 브러시리스 직류 모터, 홀 효과 위치 센서들 및 전기적으로 정류하는 모터 컨트롤러를 도시한 도면이다. 숫자 100으로 표현된 3상 브러시리스 직류 모터는, 3상 구성으로 배치된 복수의 고정자 코일들(102)과 마그넷들을 구비한 회전자(미도시됨)를 포함한다. 논의 목적들을 위해, 여기에 도시된 모터(100)는 한 번의 360도의 기계적인 회전을 만들기 위해 360도 전기 회전을 필요로 하는 2극 3상 구성일 수 있다. 모터(100)는 3상 브러시리스 직류 모터(100)와 직류(DC) 전원에 연결된 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110)에 의해 전기적으로 정류된다. 홀 효과 위치 센서들(104)은 회전자 위치 정보를 마이크로컨트롤러(미도시됨)를 포함할 수 있는 디지털 디바이스(106)로 공급하며, 출력들을 구비한 PWM 생성기는 펄스폭 변조(PWM) 제어 출력들(PWM0-PWM5)을 제공하는 전력 트랜지스터 드라이버들에 연결되고, 전력 트랜지스터 드라이버들은 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110)의 턴-온 및 턴-오프를 제어한다. 홀 효과 센서들(104)로부터의 3개의 신호들의 결합에 기초하여, 정류의 정확한 순서가 결정될 수 있다. 회전자 위치 표시를 위해 홀 효과 위치 센서들(104)을 사용하는 것은 바람직하며, 또한 이러한 사용은 저속 모터 제품들까지 요구되어 질 수 있다.

모터(100)는 직류원(미도시됨)으로부터 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110), 예를 들면 전력 전계 효과 트랜지스터들(3상 모터에 대해 상마다 한 쌍)을 통해 전기적으로 정류된다. 전력 트랜지스터들(108, 110)은 전력 트랜지스터들용 드라이버들(미도시됨)을 통해 전력 트랜지스터들(108, 110)에 연결된 디지털 디바이스(106), 예를 들면 마이크로컨트롤러에 의해 제어된다. 디지털 디바이스(106)는 6개의 펄스폭 변조(PWM) 출력들(PWM0-PWM5)을 제공하는데, 적절하게 시퀀스되고 타이밍된 PWM 신호들에 따라 전력 트랜지스터들(108, 110)의 선택된 상 쌍들을 턴-온 또는 턴-오프함으로써, 모터 회전 방향과 속도 양쪽을 제어한다.

도 2는 본 발명의 또 하나의 바람직한 실시예에 따른 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터와 전기적으로 정류하는 모터 컨트롤러를 도시한 도면이다. 숫자 200으로 표현된 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터는, 3상 구성으로 배치된 복수의 고정자 코일들(102)과, 마그넷들을 구비한 회전자(미도시됨)를 포함한다. 논의 목적들을 위해, 여기에 도시된 모터(200)는 한 번의 360도의 기계적인 회전을 만들기 위해 360도 전기 회전을 필요로 하는 2극 3상 구성일 수 있다. 모터(200)는 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터(200)와 직류(DC) 전원에 연결된 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110)에 의해 전기적으로 정류된다. 역기전력 제로-크로스 검출기들(204)과 디지털 디바이스(206), 예를 들면, 펄스폭 변조(PWM) 출력들을 제공하는 PWM 생성기들을 구비한 마이크로컨트롤러는 전력 트랜지스터 드라이버들에 연결된다. 전력 트랜지스터 드라이버들(PWM0-PWM5)은 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110)의 턴-온 및 턴-오프를 제어한다.

각 고정자 코일(102)은 2개의 정류 주기들 동안에 DC 전원의 포지티브에 연결되고, 2개의 정류 주기들 동안에 DC 전원의 네거티브에 연결되며, 2개의 정류 주기들 동안에 DC 전원의 포지티브 및 네거티브로부터 분리된다. 모터 상 위치는 측정시에 다른 2개의 고정자 코일들(102)이 DC 전원에 연결되어 있는 동안 DC 전원에 비연결 고정자 코일(102)에서 측정된 역기전력 전압에 의해 결정된다. 고정자 코일들(102)의 각각에서의 역기전력 전압들은 역기전력 제로-크로스 검출기들(204)(상마다 하나)에 모니터링된다. 하지만, 역기전력 전압을 측정하기 위해서는 고정자 코일들(102)의 하나를 통해 전류가 흐를 수 있도록 고정자 코일들(102)의 하나에 대하여 DC 전원의 포지티브로의 연결을 필요로 하며, 이에 의해 검출 기준 레벨("제로-크로싱" 이벤트), 예를 들면 1/2 공급 전압으로 중앙에 놓여진 레벨로 모터 생성 전압을 바이어싱한다. 전류 흐름을 갖는 코일들 쌍의 다른 고정자 코일(102)은 DC 전원의 네거티브에 연결된다.

도 3은 각 60도 정류 주기 동안에 3상 브러시리스 직류 모터의 3개의 고정자 권선들(코일들(102))의 각각에 흐르는 전류들을 도시한 도면이다. 모터(100)의 회전은 6개의 정류 주기들((1) 내지 (6))로 구분되고, 전류는 6개의 정류 주기들의 각각 동안 3개의 코일들(102) 중 2개의 코일의 서로 다른 결합을 통해 흐른다. 코일들(102) 중 2개의 결합들이 DC 전원에 연결되는 반면에, 제3 코일(102)(3상 모터)은 전원에 연결되지 않는다. 하지만 비연결 코일(102)은, "제로-크로싱" 이벤트, 즉, 비연결 코일(102) 상의 역기전력이 실질적으로 제로 전압("제로 전압"은 DC 공급 전압의 1/2로서 여기에 정의됨)을 통과하면서 극성이 변하는 것을 검출하기 위해 제로-크로스 검출기들(204)에 의해 모니터링된다. 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 역기전력 제로-크로스 검출기들(204)의 각각의 하나에 의해 검출된 거의 제로 전압 점에서, 모터(100) 고정자 코일들(102)의 동기화 관계가 확인된다. 홀 효과 위치 센서들(104)이 사용될 때는, 홀 효과 위치 센서들(104)이 회전자 위치를 디지털 디바이스(106)로 직접 전송함으로 역기전력 제로-크로스 검출은 필요하지 않다

도 4는 도 2에 도시된 역기전력 제로-크로스 검출기들을 상세하게 도시한 도면이다. 역기전력 제로-크로스 검출기들(204)은 3상 전압 분할 저항기들(418, 420)과, 상 저주파 필터들(422), 기준 저주파 필터(430), 기준 전압 분할 저항들(426, 420) 및 전압 비교기들(424)을 포함할 수 있다. 기준 전압 분할 저항들(426, 428)은 비교기들(424) 및/또는 아날로그 입력들을 구비한 디지털 디바이스(206)에 의해 사용될 "가상" 중성 기준 전압을 얻기 위해 사용된다. 3상 전압 분할 저항들(418, 420)은 저주파 필터들(422)과 비교기들(424)에 사용하기 위해 고정자 코일들(102) 전압을 훨씬 더 낮은 전압들로 감소시킨다. 저항들(418, 420, 426, 428)에 대한 바람직한 저항값들의 관계는 다음과 같다.

Raa = Rbb = Rcc = Rrr

Ra = Rb = Rc = 2*Rr

Ra/(Raa+Ra) = Vcomparator_maximum_input/((DC+)-(DC-))

저주파 필터들(422)은 입력들로부터 실질적으로 원하지 않는 잡음을 감소시켜 비교기들(424)에 제공하기 위해 이용될 수 있다. 비교기들(424)은 비연결 코일(102) 상의 역기전력이 중성 기준 전압보다 더 크거나 또는 중성 기준 전압과 같거나 미만인지를 결정하는데 이용된다. 비교기들(424)의 출력들이 로직 하이("1")이면, 역기전력 전압이 중성 기준 전압보다 더 크다는 것을 의미하고, 로직 로우("0")이면, 역기전력 전압이 중성 기준 전압 이하임을 의미하거나 또는 그 반대를 의미할 수 있다(설계자의 선택). 비교기들(424)의 각각의 출력들은 그것에 의해 역기전력 전압이 "제로" 천이 점에 있는지 또는 역기전력 극성 천이가 발생하는지를 나타내기 위해, 그리고 디지털 디바이스(206)에 동일한 내용을 표시하기 위해 이용될 수 있다. 디지털 디바이스가 아날로그 입력들과 아날로그-디지털(ADC) 변환 능력들 및/또는 전압 비교기들을 구비하면, 외부 비교기들은 필요하지 않을 수 있다. 이러한 상황이라면, 저주파 필터들로부터의 출력들과 저항들(426, 428)로부터의 중성 기준 전압은 디지털 디바이스(206)(예를 들면, 혼합 신호 디바이스)의 아날로그 입력들(미도시됨)에 직접 연결될 수 있다.

도 5는 각 60도 정류 주기 동안에 3개의 고정자 권선의 각각에서의 역기전력 전압들을 보여주는 4극 모터의 타이밍 및 진폭 그래프를 도시한 도면이다. 상 코일이 DC 전원에 연결되지 않으면, 상 코일을 통해 전류는 흐르지 않는다. 상 코일이 포지티브(DC+) 전원에 연결되면, 2개의 정류 주기들(120 전기도) 동안 전류는 포지티브 방향으로 흐르고, 그 후 그 다음 정류 주기(60 전기도) 동안 전류는 흐르지 않으며(코일은 DC 전원에 연결되지 않음), 비연결 정류 주기 후에 2개의 정류 주기들(120 전기도) 동안 네거티브(DC-) 전원에 연결되면 그 동일 코일에는 네거티브 방향으로 전류가 흐르고, 그 후 다음 전송 주기(60 전기도) 동안에 전류가 흐르지 않는다. 그리고 상술한 전기적인 사이클이, 즉 또 하나의 360도 전기적인 사이클이 반복된다.

센서 없는 BLDC 모터를 사용할 때, 비연결 코일 상의 역기전력은 포지티브 구동 극성으로부터 네거티브 구동 극성으로 변하며, 연결되지 않는 60도 주기 동안 내내 그럴 것이다. 연결이 끊어졌을 때 전류가 처음부터 코일로 흐르면, 전류는 계속 흐를 것이고, 이에 의해 하부 구동 트랜지스터(110)와 병렬로 연결된 다이오드를 순방향 바이어싱시켜서 네거티브(DC-) 전원 전압과 동등한 모터 코일 단자 상의 전압 플러스 다이오드 순바이어스 전압을 보여준다. 이 네거티브 스파크는 코일 내의 에너지가 소멸될 때까지 지속된다.

"제로-크로싱"은 각 상 코일(102)에서 측정된 전압이 실질적으로 DC 공급 전압의 절반이 되는 지점이며(그래프에서 "제로"로 정규화됨), 역기전력 그래프들에 대한 작은 원들에 의해 분명히 도시된다. PWM 듀티 사이클이 정류 주기에서 100%이면, 측정된 역기전력은 전원의 최대 포지티브(DC+) 레일 전압과 최대 네거티브(DC-) 레일 전압 사이에서 변한다. PWM 듀티 사이클이 정류 주기에서 50%이면, 측정된 역기전력은 전원의 최대 포지티브(DC+) 레일 전압의 50%(절반)과 최대 네거티브(DC-) 레일 전압의 50%(절반) 사이에서 변한다. PWM 듀티 사이클이 정류 주기에서 25%이면, 측정된 역기전력은 전원의 최대 포지티브(DC+) 레일 전압의 25%(1/4)과 최대 네거티브(DC-) 레일 전압의 25%(1/4) 사이에서 변한다. 그러므로, 2개의 전류 운반 코일들(102)에 적용된 PWM 듀티 사이클과 비연결 코일(102) 상의 측정된 역기전력 사이에 직접적인 관계가 있다. 하지만, 역기전력은 항상 다른 2개의 코일들이 여기된 때(그것을 통해 전류가 흐름), 정류 주기의 실질적인 센터(예를 들면, 중앙, 중간점)에서 "제로-크로싱" 점을 통과한다. 단지 더 낮은 PWM 듀티 사이클의 경우, 정류 주기에서 역기전력의 변동이 덜하다. "제로-크로싱" 점이 관심 있는 것이므로, 이것은 문제되지 않는다.

비연결 코일(102) 상의 역기전력은 다른 2개의 코일들(102)이 포지티브(DC+) 및 네거티브(DC-) 전원 레일들에 연결되어 그들을 통해 전류가 흐를 때에만, 검출하기 적당하게 바이어스된다. "제로-크로싱"이 발생해야하는 시점에서 2개의 연결된 코일들(102)에 전류가 흐르지 않는다면, 비연결 코일(102)에서의 역기전력은 기준 전압에 비례하여 중앙에 놓여지지 않을 것이며, 정확한 "제로-크로싱"의 검출은 가능하지 않을 것이다. 하지만, 정확한 제로-크로싱의 순간에 전력 구동이 오프(전류가 흐르지 않음)이기 때문에 제때에 정확한 "제로-크로싱" 점의 검출을 놓치더라도, 역기전력의 극성 변화(예를 들면 포지티브에서 네거티브로 또는 그 역으로)가 언제 전력 구동이 제로-크로싱 후에 곧 되돌아갈 때인지를 결정하는 한, 치명적이지 않을 수 있으며, 이것은 정상 동작에서 너무 많은 정류 타이밍 에러를 초래하지 않도록 제때에(전기도) 충분할 정도로 발생한다. 낮은 듀티 사이클 신호들이 중요한 정류 타이밍 에러들을 초래할 때, 불안정성 문제들이 발생한다. 도 5에 도시된 역기전력 그래프들에 도시된 바와 같이, "제로-크로싱" 점들은 정류 주기 변화로부터 대략 30 전기도에서, 예를 들면 실질적으로 정류 주기의 센터(중앙)에서 발생한다. 낮은 듀티 사이클 PWM 신호들이 저속 모터 제품들에 사용되면, 홀 효과 위치 센서들(104)(도 1 참조)의 사용은 바람직하다.

도 6은 본 발명의 개시에 따른, 서로 다른 PWM 듀티 사이클들에 대하여 각 정류 주기 동안에 센서 없는 BLDC 모터의 단일 상에서의 전압의 진폭 및 타이밍 그래프들을 도시한 도면이다. BLDC 모터는 적절한 60도 정류 주기들 동안에 각 고정자 코일(102) 상의 평균 전압들에 종속하는 회전 속도로 동작한다. 모터(100, 200)의 회전 방향은 각 (360도) 전기적인 사이클에 걸쳐 DC 전원에의 코일들(102)의 정류 연결 순서에 종속한다.

그래프(530)는 모터(100)의 단일 상에서 하나의 전기적인 사이클에 걸쳐 100 퍼센트 PWM 구동 듀티 사이클을 나타낸다. 100 퍼센트 듀티 사이클은 모터(100)의 최대 회전 속도를 초래하는 최대 전압을 야기할 것이다.

그래프(532)는 모터(100, 200)의 단일 상에서 하나의 전기적인 사이클에 걸쳐 대략 5 퍼센트 PWM 구동 듀티 사이클을 나타낸다. 낮은 듀티 사이클들에서는, 더 작은 평균 전압들이 생성될 것이며, 따라서 모터 속도가 적용된 전압에 정비례하므로 더 늦은 회전 속도들이 야기될 것이다. 적용 전압에 대한 회전 속도의 비는 저속 모터들의 것보다 고속 모터들에서 훨씬 크다. 그러므로, 고속 모터들에는 상대적인 작은 전압을 제공하더라도 여전히 상당한 고속이 야기될 것이다. PWM 듀티 사이클은 구동 펄스폭들이 여전히 모든 모터 설계들에 내재된 저주파 필터 특성들을 통해 전파될 수 있는 점까지만 감소될 수 있을 것이므로, PWM에 의한 전압 감소는 구동 트랜지스터들(108, 110)과 모터의 전기적인 특성들에 의해 제한된다. 펄스폭들이 너무 짧은 PWM 신호들은 모터의 저주파 필터 특성에 의해 감소되거나 및/또는 구동 전력 트랜지스터들(108, 110)의 스위칭 시간들보다 더 짧아진다. 더 긴 펄스폭들을 사용할 수 있도록 PWM 주파수를 감소시키면, 모터로부터 가청 잡음 방해들이 생성된다. 따라서 최소 비가청 PWM 주파수는 모터(100, 200)의 저속 동작에 이용될 수 있는 최대 펄스폭들을 결정한다.

그래프(534)는 모터(100, 200)의 단일 상에서 하나의 전기적인 사이클에 걸쳐 대략 10 퍼센트 PWM 구동 듀티 사이클을 나타낸다. 낮은 듀티 사이클들에서는, 더 작은 평균 전압들이 생성될 것이며, 따라서 더 늦은 회전 속도들이 야기될 것이다. 하지만, 모터의 평균 구동 전압은 각 정류 주기 내의 PWM 펄스들의 수를 감소시킴으로써, 최소 비가청 PWM 주파수(그래프(532)에 도시됨)에서 가능한 것보다 더 감소될 수 있다. 이것은 그래프(532)에 도시된 바와 같이, 일반적으로 생성될 일부 PWM 펄스들을 게이팅 오프(gating off)함으로써 달성될 수 있다. 이에 의해, PWM 펄스들의 수를 제한하고 반면에 PWM 주기와 듀티 사이클을 유지함으로써, BLDC 모터(100, 200)의 평균 구동 전압이 감소될 수 있다. 더 긴 PWM 펄스폭(예를 들면, 10%)을 사용함으로 모터(100, 200)와 구동 트랜지스터들(108, 110) 특성들과 더 양립할 수 있게 된다. 정류 주기 내에 더 작은 PWM 펄스들을 사용함으로써, 더 낮은 평균 구동 전압들(더 늦은 회전 속도들)이 가능하다. 바람직하게는, PWM 구동 펄스들은 전류-저항(I-R) 손실들을 최소로 유지하고, 최대 토크를 전달하기 위해 정류 주기들 내의 피크 역기전력의 중앙에 놓여질 수 있다.

PWM 펄스들이 각각의 정류 주기들의 내에 실질적으로 중앙(예를 들면 30, 90, 150, 210, 270, 330도(전기적인 타이밍 센터들))에 놓여진 것에 주목하자. 정류 주기들의 각각에 대한 정확한 전기적인 타이밍 센터는 유도 지연(inductive lag)과 모터 특성에 따라 +30도 값들로부터 약간 +/- 시프트될 수 있다. 낮은 회전 속도로 동작할 때, 바람직하게는 정류 주기 타이밍 관계들은 홀 효과 위치 센서들(104)로부터 디지털 디바이스(106)로 제공된 회전자 위치 신호들을 사용하여 결정된다. 하지만, 각 정류 주기 동안에 PWM 신호 펄스들은 그 주기 동안안에 실질적으로 중앙에 놓여지므로, 비연결 코일(102) 역기전력 여기 전압이 "제로-크로싱" 근처(예를 들면, 점(544) 근처)에서 생성될 것이다. 그러므로, 각 정류 주기 내의 PWM 펄스들의 오프 시간들이 상당히 큰 낮은 PWM 구동 듀티 사이클들 동안에도, 측정된 역기전력이 극성을 변경할 때 "제로-크로싱"(점들(544))이 결정될 수 있다(도 4에 도시된 중성 기준 전압으로 언급됨).

Claims

브러시리스 직류 모터의 저속 동작을 제어하기 위한 방법으로서,
소정 듀티 사이클로 복수의 펄스폭 변조(PWM) 펄스들을 생성하는 단계;
상기 브러시리스 직류 모터의 복수의 정류 주기들의 각각에 대해 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계;
상기 복수의 정류 주기들의 각각에서 상기 복수의 PWM 펄스들의 일부를 게이팅 오프하는 단계, - 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들은 상기 복수의 정류 주기들의 상기 전기적인 타이밍 센터들 쪽으로 모이게 됨(grouped) - ; 및
상기 복수의 정류 주기들 동안에 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들을 이용하여 전력 스위칭 트랜지스터들을 구동하는 단계, - 상기 전력 스위칭 트랜지스터들은 상기 브러시리스 직류 모터의 고정자 코일들과 직류 전원 사이에 연결됨 - ;를 포함하는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 정류 주기들의 각각에 대해 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계는 상기 브러시리스 직류 모터의 회전자 위치들을 측정하는 단계를 포함하는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제2항에 있어서,
상기 회전자 위치들을 측정하는 단계는 홀 효과 위치 센서들로 수행되는, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 브러시리스 직류 모터는 센서 없는 브러시리스 직류 모터인, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제4항에 있어서,
상기 복수의 정류 주기들의 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계는,
상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 각 고정자 코일에서 역기전력 전압을 측정하는 단계; 및
상기 측정된 역기전력 전압들로부터, 상기 측정된 역기전력 전압들이 언제 상기 직류 전원의 전압값의 절반인 제로-크로싱 전압값에 있는지를 결정하는 단계를 포함하는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 브러시리스 직류 모터는 3상 모터이고, 전기적인 사이클 내에 6개의 정류 주기들을 갖는, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제6항에 있어서,
상기 정류 주기들의 각각은 상기 전기적인 사이클 내에서 60도이고, 상기 전기적인 사이클은 360도인, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 소정 듀티 사이클은 상기 복수의 펄스들의 온-시간들보다 더 큰 오프-시간들을 갖는, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 소정 듀티 사이클 온-시간들은 상기 복수의 PWM 펄스들의 오프-시간들의 50% 이하인, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 소정 듀티 사이클 온-시간들은 상기 복수의 PWM 펄스들의 오프-시간들의 10% 이하인, 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작을 제어하기 위한 방법으로서,
소정 듀티 사이클로 복수의 펄스폭 변조(PWM) 펄스들을 생성하는 단계;
상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 각 고정자 코일에서 역기전력 전압들을 측정하고, 그리고 상기 측정된 역기전력 전압들로부터 상기 측정된 역기전력 전압들의 각각이 언제 실질적으로 제로-크로싱 전압 값에 있는지를 결정함으로써, 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 복수의 정류 주기들의 각각에 대해 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계, - 상기 제로-크로싱 전압 값은 직류 전원의 전압값의 절반임 - ;
상기 복수의 정류 주기들의 각각에서 상기 복수의 PWM 펄스들의 일부를 게이팅 오프하는 단계, - 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들은 상기 복수의 정류 주기들의 상기 전기적인 타이밍 센터들 쪽으로 모이게 됨 - ; 및
상기 복수의 정류 주기들 동안에 게이팅 오프되지 않는 상기 복수의 PWM 펄스들을 이용하여 전력 스위칭 트랜지스터들을 구동하는 단계, - 상기 전력 스위칭 트랜지스터들은 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 고정자 코일들과 직류 전원 사이에 연결됨 - ;를 포함하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터는 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터이고, 전기적인 사이클 내에 6개의 정류 주기들을 갖는, 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 정류 주기들의 각각은 상기 전기적인 사이클 내에서 60도이고, 상기 전기적인 사이클은 360도인, 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제12항에 있어서,
상기 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계는,
상기 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 2개의 고정자 코일에 상기 직류 전원을 인가하는 단계; 및
상기 직류 전원에 연결되지 않은 상태에서 상기 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 제3 고정자 코일에서의 상기 역기전력 전압을 측정하는 단계를 포함하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 소정 듀티 사이클은 상기 복수의 펄스들의 온-시간들보다 더 큰 오프-시간들을 갖는, 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 소정 듀티 사이클 온-시간들은 상기 복수의 PWM 펄스들의 오프-시간들의 50% 이하인, 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.
제11항에 있어서,
상기 소정 듀티 사이클 온-시간들은 상기 복수의 PWM 펄스들의 오프-시간들의 10% 이하인, 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 저속 동작 제어 방법.