KR101842246B1 - 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치 - Google Patents

브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치 Download PDF

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KR101842246B1 KR1020160162469A KR20160162469A KR101842246B1 KR 101842246 B1 KR101842246 B1 KR 101842246B1 KR 1020160162469 A KR1020160162469 A KR 1020160162469A KR 20160162469 A KR20160162469 A KR 20160162469A KR 101842246 B1 KR101842246 B1 KR 101842246B1
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Abstract

본 발명은 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치에 관한 것으로서, 3상 교류전원을 공급받아 동작하는 브러쉬리스 직류 모터에서 회전자의 회전 운동에 따른 회전자 위치 및 각속도를 검출하는 회전자 검출부와, 상기 회전자 위치와 기설정된 지령 토크에 기초하여 지령 전류를 생성하는 지령 전류 생성부와, 상기 회전자 위치 및 각속도에 기초하여 상기 브러쉬리스 직류 모터의 구동 시 역기전력을 추정하는 역기전력 추정부와, 상기 지령 전류와 상기 회전자 위치 및 각속도에 기초하여 제1 듀티비를 생성하는 제1 듀티비 생성부와, 상기 지령 전류와 상기 역기전력에 기초하여 제2 듀티비를 생성하는 제2 듀티비 생성부와, 상기 브러쉬리스 직류 모터에 흐르는 상전류의 통전 또는 전류에 따른 제어모드 설정신호에 기초하여 상기 제1 듀티비와 상기 제2 듀티비 중 어느 하나를 선택하여 최종 듀티비로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 통전 구간과 전류 구간에 대해서 모두 토크 리플이 제거되거나 크게 억제될 수 있으며, 이를 통하여 브러쉬리스 직류 모터가 적용되는 휠체어, 전기 자전거 등의 응용 시 더욱 부드럽고 정확하며 승차감이 우수한 운전이 가능한 효과가 있다.

Description

브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치{DRIVE CONTROL DEVICE OF BRUSHLESS DC MOTOR}
본 발명은 고조파 성분이 많이 포함된 브러쉬리스 직류 모터의 운전 시 발생하는 토크 리플을 감소시키기 위한 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 브러쉬리스 직류 모터는 산업 및 가정용 제품에 매우 다양하게 활용되고 있는데, 특히 운전 효율이 높은 장점으로 인해 전기 자전거 및 전기 오토바이 및 휠체어 등에 적용되고 있다.
도 1은 이상적인 브러쉬리스 직류 모터의 역기전력과 상전류 형상을 나타내며, 도 1에서 각 상의 역기전력(3)은 도통구간(θ 1 ~ θ 3 / θ 4 ~ θ 6)에서 평탄한 역기전력 형상을 가지게 되고, 이 구간에 대해서는 일정한 상전류(6)를 인가하면, 일정한 출력 토크를 발생시킬 수 있다.
하지만, 실제 브러쉬리스 직류 모터는 도 1의 이상적인 경우와 달리, 도 2에 도시된 바와 같이 6고조파 성분이 많이 포함되어 있어 일정한 상전류에 대해서도 토크 리플이 발생하게 된다.
또한, 실제 브러쉬리스 직류 모터의 상전류의 위치가 전환되는 전류(commutation) 구간에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 실제 상전류의 전환이 일치하지 않아 이로 인해 전류 및 토크 리플이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
KR 10-0691223 B1 KR 10-1041072 B1
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 휠체어 등에 사용되는 브러쉬리스 직류 모터의 운전에서 토크 리플을 발생시키지 않거나 크게 감소시키도록 통전 구간과 전류 구간을 구분하여 각각에서 토크 리플을 억제할 수 있는 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치는, 3상 교류전원을 공급받아 동작하는 브러쉬리스 직류 모터에서 회전자의 회전 운동에 따른 회전자 위치 및 각속도를 검출하는 회전자 검출부와, 상기 회전자 위치와 기설정된 지령 토크에 기초하여 지령 전류를 생성하는 지령 전류 생성부와, 상기 회전자 위치 및 각속도에 기초하여 상기 브러쉬리스 직류 모터의 구동 시 역기전력을 추정하는 역기전력 추정부와, 상기 지령 전류와 상기 회전자 위치 및 각속도에 기초하여 제1 듀티비를 생성하는 제1 듀티비 생성부와, 상기 지령 전류와 상기 역기전력에 기초하여 제2 듀티비를 생성하는 제2 듀티비 생성부와, 상기 브러쉬리스 직류 모터에 흐르는 상전류의 통전 또는 전류에 따른 제어모드 설정신호에 기초하여 상기 제1 듀티비와 상기 제2 듀티비 중 어느 하나를 선택하여 최종 듀티비로 출력하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 통전 구간과 전류 구간에 대해서 모두 토크 리플이 제거되거나 크게 억제될 수 있으며, 이를 통하여 브러쉬리스 직류 모터가 적용되는 휠체어, 전기 자전거 등의 응용 시 더욱 부드럽고 정확하며 승차감이 우수한 운전이 가능한 효과가 있다.
도 1은 이상적인 브러쉬리스 직류 모터의 역기전력과 상전류 형상을 나타내는 그래프이고,
도 2는 실제 브러쉬리스 직류 모터의 역기전력 파형을 나타내는 그래프이고,
도 3은 도 2의 전류 구간에서 전류 리플이 발생한 상태의 파형을 나타내는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고,
도 5는 도 4의 전체 알고리즘을 상세히 나타낸 도면이고,
도 6은 도 4의 지령 전류 생성부에서 이용 가능한 역기전력 함수의 파형을 나타내는 그래프이고,
도 7은 도 4의 역기전력 추정부에서 이용 가능한 역-역기전력 함수의 파형을 나타내는 그래프이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 5는 도 4의 전체 알고리즘을 상세히 나타낸 도면이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치에 대해 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 브러쉬리스 직류 모터(10)의 구동 제어 장치(100)는 크게 회전자 검출부(110), 지령 전류 생성부(120), 역기전력 추정부(130), 제1 듀티비 생성부(140), 제2 듀티비 생성부(150) 및 제어부(160)를 포함하여 구성된다.
회전자 검출부(110)는 3상 교류전원을 공급받아 동작하는 브러쉬리스 직류 모터(10)에서 회전자의 회전 운동에 따른 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00001
) 및 각속도(ωre)를 검출한다.
지령 전류 생성부(120)는 회전자 검출부(110)에 의해 검출된 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00002
)와 기설정된 지령 토크(Tm *)에 기초하여 지령 전류(Im *)를 생성한다.
여기서, 지령 전류 생성부(120)는, 실제 전동기의 역기전력을 바탕으로 역기전력의 리플로 인해 발생하는 토크 리플을 억제하기 위한 기설정된 역기전력 역함수(f(em(θre))-1)에 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00003
)와 기설정된 지령 토크(Tm *)를 적용하여 지령 전류(Im *)에 대한 값을 산출한다.
이때, 역기전력 역함수(f(em(θre))- 1)는 도 2의 실제 역기전력 파형에서 통전되는 2상의 역기전력 차이의 역함수에 해당하는 것으로서, 도 7에 도시된 바와 같은 파형으로 나타낼 수 있다.
예컨대, 도 7을 참조하면, 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00004
)가 0도 내지 30도, 60도 내지 90도, 120도 내지 150도, 180도 내지 210도, 240도 내지 270도, 300도 내지 330도의 각도 범위에 포함되면 0.55[V]에서 0.75[V]까지 일정한 기울기(B)로 상승하는 직선 형태에 대응하는 값을 가지도록 하고, 회전자의 위치(
Figure 112016117884460-pat00005
)가 30도 내지 60도, 90도 내지 120도, 150도 내지 180도, 210도 내지 240도, 330도 내지 360도의 각도 범위에 포함되면 0.75[V]에서 0.55[V]까지 상기 기울기(B)와 크기는 같고 방향이 반대인 기울기(B')로 하강하는 직선 형태에 대응하는 값을 가지도록 하여, 도 7에 도시된 바와 같이 위로 뾰족한 좌우대칭 구조의 그래프를 나타내게 된다.
역기전력 추정부(130)는 회전자 검출부(110)에 의해 검출된 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00006
)및 각속도(ωre)에 기초하여 브러쉬리스 직류 모터(10)의 구동 시 역기전력(
Figure 112016117884460-pat00007
)을 추정한다.
여기서, 상기 역기전력 추정부(130)는, 상기 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00008
) 및 각속도(ωre)를 상기 역기전력 역함수와 역함수 관계에 있는 기설정된 역기전력 함수(f(em(θre)))에 적용하여 상기 역기전력(
Figure 112016117884460-pat00009
)에 대한 값을 산출할 수 있다.
이때, 상기 역기전력 함수(f(em(θre)))는 후술할 전류 제어부(142)에서 지령 전류(Im *)를 추종하기 위해 인버터에 공급해야 할 지령 전압(Vm *)에서 역기전력의 영향을 보상하기 위한 것으로서, 도 6에 도시된 바와 같은 파형으로 나타낼 수 있다.
예컨대, 도 6을 참조하면, 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00010
)가 0도 내지 30도, 60도 내지 90도, 120도 내지 150도, 180도 내지 210도, 240도 내지 270도, 300도 내지 330도의 각도 범위에 포함되면 1.82[V]에서 1.31[V]까지 일정한 기울기(A)로 하강하는 직선 형태에 대응하는 값을 가지도록 하고, 회전자의 위치(
Figure 112016117884460-pat00011
)가 30도 내지 60도, 90도 내지 120도, 150도 내지 180도, 210도 내지 240도, 330도 내지 360도의 각도 범위에 포함되면 1.31[V]에서 1.82[V]까지 상기 기울기(A)와 크기는 같고 방향이 반대인 기울기(A')로 상승하는 직선 형태에 대응하는 값을 가지도록 하여, 도 6에 도시된 바와 같이 아래로 뾰족한 좌우대칭 구조의 그래프를 나타내게 된다.
제1 듀티비 생성부(140)는 지령 전류 생성부(120)에 의해 생성된 지령 전류와 회전자 검출부(110)에 의해 검출된 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00012
) 및 각속도(ωre)에 기초하여 제1 듀티비(dout1)를 생성한다.
구체적으로, 제1 듀티비 생성부(140)는, 지령 전류(Im *)와 브러쉬리스 직류 모터(10)의 현재 전류(im)의 오차에 기초하여 지령 전압(Vm *)을 생성하는 전류 제어부(142)와, 브러쉬리스 직류 모터(10)의 현재 직류 전압(Vdc)을 기준으로, 지령 전압(Vm *)과 역기전력의 크기의 합에 해당하는 전압을 발생하기 위한 제1 듀티비(dout1)를 연산하는 제1 듀티비 연산부(144)를 포함할 수 있다.
이때, 회전자 위치(
Figure 112016117884460-pat00013
)에 따라 통전하는 상이 변경될 때 발생하는 변화량을 보상하여 지령 전류(Im *)의 변동을 빠르게 추종할 수 있도록 하는 포워드 보상항(GF)을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 전류 제어부(142)는 지령 전류(Im *)와 브러쉬리스 직류 모터(10)의 현재 전류(im)의 오차와, 포워드 보상항(GF)의 출력값의 합에 기초하여 지령 전압(Vm *)을 생성하게 된다.
제2 듀티비 생성부(150)는 지령 전류 생성부(120)에 의해 생성된 지령 전류(Im *)와, 역기전력 추정부(130)에 의해 추정된 역기전력에 기초하여 제2 듀티비(dout2)를 생성한다.
여기서, 상기 제2 듀티비 생성부(150)는 기준 듀티비(dref)를 계산하는 기준 듀티비 연산부(152)와, 보상 듀티비(dcom)를 산출하는 보상 듀티비 연산부(154)와, 상기 기준 듀티비(dref) 및 상기 보상 듀티비(dcom)를 합한 값에 대응되는 제2 듀티비(dout2)를 연산하는 제2 듀티비 연산부(156)를 포함할 수 있다.
먼저, 기준 듀티비 연산부(152)는 스위칭 전압에 의해 하강하는 전류와 상승하는 전류의 기울기가 같아지도록 하기 위해서, 전류(commutation)가 되지 않는 상의 전류로부터 아래의 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112016117884460-pat00014
여기서, Rs는 모터의 상권선 저항, Vdc는 인버터의 직류 링크단 전압, imre는 전류(commutation)되지 않는 상의 전류, emre는 전류되지 않는 상의 역기전력을 나타낸다.
즉, 기준 듀티비 연산부(152)는 상기 지령 전류(Im *)와 상기 브러쉬리스 직류 모터의 상권선 저항(Rs)을 곱한 값에 상기 역기전력(em)을 더한 후 상기 브러쉬리스 직류 모터의 현재 전압(Vdc)/3으로 나누어 기준 듀티비(dref)를 계산하게 된다.
만일 브러쉬리스 직류 모터가 이상적인 경우라면 상기 수학식 1에 의한 기준 듀티비만으로도 충분히 전류 구간에서의 토크 리플을 억제할 수 있지만, 실제 모터에서는 전류 오차, 저항 오차 및 역기전력 데이터 간에 오차가 발생할 수 있기 때문에, 상기 수학식 1에 의해 계산된 기준 듀티비에 의해 하강하는 전류와 상승하는 전류의 기울기가 서로 달라져서 나머지 상의 전류에 리플이 발생할 수 있다.
다음으로, 보상 듀티비 연산부(154)는 이러한 오차로 인한 토크 리플을 억제하기 위한 것으로서, 기준 듀티비 연산부(152)에 의해서 전류(commutation) 구간에서 전류의 리플이 발생하는 경우, 지령 전류(Im *)와 전류(commutation)되지 않는 상전류의 절대값(|imre|)의 오차에 따라, 기설정된 비례이득(Kpcs), 적분이득(Kics) 및 안티 와인드업 이득(Kacs)에 의해 전류의 리플이 제한적으로 억제된 보상 듀티비(dcom)를 산출한다.
제어부(160)는 브러쉬리스 직류 모터(10)에 흐르는 상전류의 통전 또는 전류에 따른 제어모드 설정신호(Smode)에 기초하여 상기 제1 듀티비(dout1)와 상기 제2 듀티비(dout2) 중 어느 하나를 선택하여 최종 듀티비(dout)로 출력한다.
이때, 제어부(160)는 두 개의 입력단자와 하나의 출력단자를 갖는 스위치 형태로 마련되되, 하나의 입력단자는 제1 듀티비 생성부(140)의 출력단에 연결되고 나머지 하나의 제2 듀티비 생성부(150)의 출력단에 연결되며, 제어모드 설정신호(Smode)에 따라, 제1 듀티비 생성부(140)와 제2 듀티비 생성부(150) 중 어느 하나에 연결된 입력단자와 상기 출력단자 사이가 선택적으로 단락되도록 동작한다.
이 경우, 출력된 최종 듀티비(dout)는 상기 브러쉬리스 직류 모터(10)에 구동 전원을 공급하는 인버터의 동작을 제어하기 위한 PWM 신호의 듀티비로서 동작하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 통전 구간에서의 토크 리플은 지령 전류 생성부(120)의 역기전력 역함수(f(em(θre))- 1)에 의해 보상되고 전류 구간에서의 토크 리플은 보상 듀티비 연산부(154)에서 산출한 보상 듀티비(dcom)에 의해 보상됨에 따라, 통전 구간 및 전류 구간을 포함하는 전 구간에서 토크 리플이 제거되거나 크게 억제될 수 있고, 이를 통해 브러쉬리스 직류 모터가 적용되는 휠체어, 전기 자전거 등의 응용 시 더욱 부드럽고 정확하며 승차감이 우수한 운전이 가능한 효과가 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.
10: 브러쉬리스 직류 모터
100: 구동 제어 장치
110: 회전자 검출부
120: 지령 전류 생성부
130: 역기전력 추정부
140: 제1 듀티비 생성부
142: 전류 제어부
144: 제1 듀티비 연산부
150: 제2 듀티비 생성부
152: 기준 듀티비 연산부
154: 보상 듀티비 연산부
156: 제2 듀티비 연산부
160: 제어부

Claims (4)

  1. 3상 교류전원을 공급받아 동작하는 브러쉬리스 직류 모터에서 회전자의 회전 운동에 따른 회전자 위치(θre) 및 각속도(ωre)를 검출하는 회전자 검출부;
    상기 회전자 위치(θre)와 기설정된 지령 토크(Tm *)에 기초하여 지령 전류(Im *)를 생성하는 지령 전류 생성부;
    상기 회전자 위치(θre) 및 각속도(ωre)에 기초하여 상기 브러쉬리스 직류 모터의 구동 시 역기전력(em)을 추정하는 역기전력 추정부;
    상기 지령 전류(Im *)와 상기 회전자 위치(θre) 및 각속도(ωre)에 기초하여 제1 듀티비(dout1)를 생성하는 제1 듀티비 생성부;
    상기 지령 전류(Im *)와 상기 역기전력(em)에 기초하여 제2 듀티비(dout2)를 생성하는 제2 듀티비 생성부; 및
    상기 브러쉬리스 직류 모터에 흐르는 상전류의 통전 또는 전류(commutation)에 따른 제어모드 설정신호(Smode)에 기초하여 상기 제1 듀티비와 상기 제2 듀티비 중 어느 하나를 선택하여 최종 듀티비(dout)로 출력하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 듀티비 생성부는,
    상기 지령 전류(Im *)와 상기 브러쉬리스 직류 모터의 현재 전류(im)의 오차에 기초하여 지령 전압(Vm *)을 생성하는 전류 제어부; 및
    상기 브러쉬리스 직류 모터의 현재 직류 전압(Vdc)을 기준으로, 상기 지령 전압과 상기 역기전력의 크기의 합에 해당하는 전압을 발생하기 위한 제1 듀티비(dout1)를 연산하는 제1 듀티비 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 듀티비 생성부는,
    상기 지령 전류(Im *)와 상기 브러쉬리스 직류 모터의 상권선 저항(Rs)을 곱한 값에 상기 역기전력(em)을 더한 후 상기 브러쉬리스 직류 모터의 현재 전압(Vdc)/3으로 나누어 기준 듀티비(dref)를 계산하는 기준 듀티비 연산부;
    상기 지령 전류와 전류(commutation)되지 않는 상전류의 절대값(|imre|)의 오차에 따라 기설정된 비례이득(Kpcs), 적분이득(Kics) 및 안티 와인드업 이득(Kacs)에 의해 전류의 리플이 제한적으로 억제된 보상 듀티비(dcom)를 산출하는 보상 듀티비 연산부; 및
    상기 기준 듀티비 및 상기 보상 듀티비를 합한 값에 대응되는 제2 듀티비(dout2)를 연산하는 제2 듀티비 연산부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지령 전류 생성부는
    상기 회전자 위치(θre)와 기설정된 지령 토크(Tm *)를 기설정된 역기전력 역함수에 적용하여 상기 지령 전류(Im *)에 대한 값을 산출하고,
    상기 역기전력 추정부는,
    상기 회전자 위치(θre) 및 각속도(ωre)를 상기 역기전력 역함수와 역함수 관계에 있는 기설정된 역기전력 함수에 적용하여 상기 역기전력(em)에 대한 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치.
KR1020160162469A 2016-07-05 2016-12-01 브러쉬리스 직류 모터의 구동 제어 장치 KR101842246B1 (ko)

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Citations (3)

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JP2009065758A (ja) 2007-09-05 2009-03-26 Honda Motor Co Ltd 昇圧コンバータの制御装置および制御方法
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