KR101853785B1 - 3상모터 제어장치 및 그의 고토크 유지 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3상모터가 고토크를 유지할때 특정 상에 교류전류를 흐르게 함으로써 그 상전류가 흐르는 코일에 열이 지나치게 발생하는 것을 방지할 수 있도록 한 3상모터 제어장치 및 그의 고토크 유지 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3상모터를 제어하는 제어장치로서, 상기 3상모터의 각 상에 흐르는 토크를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부로부터 감지된 3상의 토크를 근거로 하여 고토크를 유지하는지 여부를 판단하여 고토크를 유지하는 경우 상기 3상 중에서 특정 하나의 상에 직류신호를 인가하고 나머지 상들에 교류신호를 인가하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치가 제공된다.

Description

3상모터 제어장치 및 그의 고토크 유지 방법{DEVICE FOR CONTROLLING 3 PHASE-MOTOR AND METHOD FOR KEEPING HIGH TORGUE OF THE SAME}
본 발명은 3상모터 제어장치 및 그의 고토크 유지 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3상모터가 고토크를 유지할때 특정 상에 교류전류를 흐르게 함으로써 그 상전류가 흐르는 코일에 열이 지나치게 발생하는 것을 방지할 수 있도록 한 3상모터 제어장치 및 그의 고토크 유지 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 모터 구동을 제어하기 위해서는 펄스 폭 변조(PWM ; Pulse Width Modulation) 신호를 통한 인버터의 스위칭으로 3상모터의 구동을 제어한다. 일 예로 인버터 스위칭을 수행하는 PWM 신호는 도 3에 도시된 바와 같이 제1상(A_H)에 대해서는 120°동안 온 상태를 유지하고, 제2상(C_L)에서 대해서는 120°동안 온/오프 스위칭을 반복하여 출력하며, 제3상(B_H)에 대해서는 120°동안 온 신호를 출력하는 방식으로 구동되도록 제어한다. 다만, 제1상을 기준으로 제2상은 위상이 120도 늦고, 제3상은 120도 빠르게 전압을 인가한다.
종래의 3상모터를 제어하는 제어장치는 대한민국 공개특허 제2003-0050454호(공개일 : 2003 06.25., 하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치 및 방법) 등 다수가 출원되어 있는 상태이다.
상기 특허를 포함하는 종래의 3상모터 제어장치는 구동모터로 사용되는 BLDC(Brushless Direct Current) 전동기의 구동 제어를 각 상(相)의 전류(轉流)를 직접 검출한 다음 히스테리시스 전류 제어를 통해 저속 영역에서의 토크 맥동을 저감시킬 뿐, 3상모터가 최대토크(혹은 높은 토크)의 출력을 유지할때 특정 상에 열이 지나치게 발생하는 문제점이 있다. 예를 들면 3상모터를 이용하여 제동압력을 생성하는 전자식 브레이크 시스템 등의 시스템이 장착된 차량의 운전자가 브레이크 페달을 지속적으로 밟아서 고압의 제동력을 유지하는 상황에서는 특정 상에 열이 지나치게 발생하는 문제를 야기할 수 있다.
대한민국 공개특허 제2003-0050454호(공개일: 2003.06.25.) "하이브리드 전기 자동차의 모터 제어장치 및 방법"
본 발명의 목적은, 3상모터가 고토크를 유지할때 특정 상에 교류전류를 흐르게 함으로써 그 상전류가 흐르는 코일에 열이 지나치게 발생하는 것을 방지할 수 있도록 한 3상모터 제어장치 및 그의 고토크 유지 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3상모터를 제어하는 제어장치로서, 상기 3상모터의 각 상에 흐르는 토크를 감지하는 감지부; 및 상기 감지부로부터 감지된 3상의 토크를 근거로 하여 고토크를 유지하는지 여부를 판단하여 고토크를 유지하는 경우 상기 3상 중에서 특정 하나의 상에 직류신호를 인가하고 나머지 상들에 교류신호를 인가하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치가 제공된다.
상기 제어부는 상기 3상 중에서 가장 높은 전류를 필요로 하는 제 1 상에 교류의 전압을 인가하고, 상기 제 1 상보다 120도 빠른 위상을 갖는 제 3 상에 교류의 전압을 인가하며, 상기 제 1 상 보다 120도 낮은 위상을 갖는 제 2 상에 직류의 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
상기 제어부는 상기 제 1 상, 상기 제 2 상 및 제 3 상의 전압을 더한 합이 '0'이 되도록 상기 3상모터에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 상과 제 3 상은 사인파형인 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3상모터를 제어하는 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법에 있어서, 상기 3상모터에 흐르는 토크를 각각 수신하는 단계; 상기 수신된 3상의 토크를 근거로 하여 고토크를 유지하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 판단하는 단계의 판단결과, 고토크를 유지하는 경우 상기 3상 중에서 특정 하나의 상에 직류신호를 인가하고 나머지 상들에 교류신호를 인가하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법이 제공된다.
상기 제어하는 단계는 상기 3상 중에서 가장 높은 전류를 필요로 하는 제 1 상에 교류의 전압을 인가하고, 상기 제 1 상보다 120도 빠른 위상을 갖는 제 3 상에 교류의 전압을 인가하며, 상기 제 1 상 보다 120도 낮은 위상을 갖는 제 2 상에 직류의 전압을 인가하는 것이 바람직하다.
상기 제어하는 단계는 상기 제 1 상, 상기 제 2 상 및 제 3 상의 전압을 더한 합이 '0'이 되도록 상기 3상모터에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면 3상모터가 고토크를 유지할때 특정 상에 교류전류를 흐르게 함으로써 그 상전류가 흐르는 코일에 열이 지나치게 발생하는 것을 방지할 수 있고 고토크 출력 유지시간을 연장할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면 3상모터에 인가되는 제 1상 내지 제 3 상의 기준전압을 더한 합이 '0'이 되도록 3상모터에 인가되는 전압의 크기를 제어할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어장치를 설명하기 위한 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도,
도 3은 종래의 3상모터에 인가되는 전압을 도시한 그래프,
도 4는 본 발명의 3상모터에 인가되는 전압을 도시한 그래프,
도 5는 3상모터에 흐르는 전류를 도시한 그래프, 그리고
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어장치에 따라 제어되는 결과를 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어장치를 설명하기 위한 블록도를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어장치는 3상모터(11)와, 3상모터(11)의 각 상에 흐르는 토크를 감지하는 감지부(12)와, 감지부(12)에 의해 감지된 각 상의 토크가 고토크를 유지할 경우 특정 상에 교류신호를 인가하여 전류수위를 조절하는 제어부(13)를 포함하여 구성된다.
3상모터(11)는 도시하지 않은 브레이크 및 인버터에 의해 각각 제동 및 구동된다. 3상모터(11)는 U, V, W의 3개의 상을 갖고 브레이크와 일체로 형성되어 있으며, 브레이크는 브레이크 코일에 전류가 도통할때에 풀린다. 인버터는 스위치용 트랜지스터와 트랜지스터 구동회로를 갖는다.
감지부(12)는 3상모터(11)의 각 상에 흐르는 토크를 감지한다. 여기서 가장 높은 전류를 필요로 하는 제 1 상, 제 1 상보다 120도 늦은 위상을 갖는 제 2 상과, 제 1 상보다 120도 빠른 위상을 갖는 제 3 상에 흐르는 토크를 감지한다. 여기서 감지부(12)는 토크를 측정하는 토크센서일 수 있다.
제어부(13)는 감지부(12)에 의해 감지된 제 1 내지 제 3 상의 토크를 미리 설정된 일정토크와 비교하여 감지부(12)에 의해 감지된 예를 들면 제 1 상의 토크가 일정토크이상인지 여부를 판단한다. 즉, 제어부(12)는 제 1상의 토크가 일정 토크이상인 경우로 판단되면 제 1 상에 높은토크(고토크)가 발생한 것으로 판단한다.
나아가 제어부(13)는 일시적으로 발생될 수 있는 고토크에 대한 전류수위조절을 막도록 고토크가 발생하더라도 일정시간동안 유지되는지 여부를 더 판단할 수 있다.
특히 제어부(13)는 고토크가 발생한 경우 전류수위를 조절하기 위한 교류신호, 즉 사인파형(sine wave)을 스위칭부(미도시)에 제공한다. 스위칭부는 제어부(13)의 제어에 따라 제공되는 교류신호를 3상모터(11)의 제 1 상에 인가되도록 스위칭하고, 제 1 상보다 120도 빠른 위상을 갖는 교류신호를 3상모터(11)의 제 3상에 인가되도록 스위칭하며, 3상모터(11)의 제 2 상에 직류신호가 인가되도록 제어한다.
이때 고토크가 발생하지 않은 경우 제 1 상 내지 제 3 상에 인가되는 전압은 도 3의 그래프에 잘 도시되어 있다. 고토크가 발생한 경우 제 1 상 내지 제 3 상에 인가되는 전압은 도 4에 도시된 바와 같으며, 제 1 상 내지 제 3 상에 인가되는 전압을 더한 총합은 '0'이 되도록 3상모터(11)에 인가되는 전압의 크기를 제어한다.
따라서 3상모터(11)의 3상 중에서 특정 상에 직류의 전압을 인가하여 일정하게 유지하도록 하는 대신에 나머지 상들에 교류의 전압을 인가함에 따라 그 상전류가 흐르는 코일에 열이 지나치게 발생하는 것을 방지할 수 있고 토크 출력 유지 시간을 연장할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
제어부(13)는 3상모터(11)에 연결된 감지부(12)로부터 감지된 3상모터(11)에 흐르는 토크를 수신한다(S11).
제어부(13)는 수신된 토크가 일정토크 이상인지 여부를 판단한다(S13).
상기 S13 단계의 판단결과 수신된 토크가 일정토크 이하인 경우 제어부(13)는 3상모터(11)의 3상에 직류신호가 인가되도록 제어한다(18).
상기 S13 단계의 판단결과 수신된 토크가 일정토크 이상인 경우, 즉 3상모터(11)의 3상 중에서 어느 하나의 특정상, 예를 들면 상술된 제 1상에서 고토크가 발생한 경우 제어부(13)는 특정 상에 직류신호를 인가하고 나머지 상들에 교류신호를 인가하도록 제어한다(S15). 더 자세하게 제어부(13)는 제 1 상에 교류의 전압을 인가하도록 하고, 제 3 상에 제 1상보다 120도 빠른 위상을 갖는 교류의 전압을 인가하도록 하며, 제 2 상에 직류의 전압을 인가하도록 한다. 이때 제어부(13)는 제 1 상 내지 제 3 상에 인가되는 전압을 더한 총합이 '0'이 되도록 3상모터(11)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 인가한다.
이렇게 함으로써 3상모터(11)의 3상 중 어느 한 상에서 고토크가 유지되는 경우 미리 정해진 2상에 교류신호를 인가함으로써 전류수위를 조절할 수 있다. 이에 따라, 운전자가 브레이크 페달을 지속적으로 밟아서 고압의 제동력을 유지하는 상황에서 어느 한 코일에 열이 지나치게 발생하게 되는 종래의 문제를 해결할 수 있다.
도 5은 3상모터에 흐르는 전류를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3상모터 제어장치에 따라 제어되는 결과를 도시한 그래프이다.
도 5의 그래프에서 보듯이 제 1 상(ia[A])과 제 3 상(ic[A])에서 측정된 전류가 진동함에도 불구하고 도 6에 도시된 3상모터(11)의 토크는 크게 흔들리지 않고 있음을 확인할 수 있다. 또한 3상모터(11)가 움직이지 않으면서 외부에게 가해지는 하중(10Nm)을 출력하여 힘의 평형을 이루는 상황과 같은 값을 유지할 수 있다. 도 6의 그래프에서 보듯이 3상모터의 각도(angle)가 비록 흔들리지만 3상모터에 부착된 감속기의 감속비를 고려하면 위의 진폭은 무시할 수 있는 수준이다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
11 : 3상모터 12 : 감지부
13 : 제어부

Claims (7)

  1. 3상모터를 제어하는 제어장치로서,
    상기 3상모터의 각 상에 흐르는 토크를 감지하는 감지부; 및
    상기 감지부로부터 감지된 3상의 토크를 근거로 하여 고토크를 유지하는지 여부를 판단하여 고토크를 유지하는 경우 상기 3상 중에서 특정 하나의 상에 직류신호를 인가하고 나머지 상들에 교류신호를 인가하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 3상 중에서 가장 높은 전류를 필요로 하는 제 1 상에 교류의 전압을 인가하고, 상기 제 1 상보다 120도 빠른 위상을 갖는 제 3 상에 교류의 전압을 인가하며, 상기 제 1 상 보다 120도 낮은 위상을 갖는 제 2 상에 직류의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 상, 상기 제 2 상 및 제 3 상의 전압을 더한 합이 '0'이 되도록 상기 3상모터에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 상과 제 3 상은 사인파형인 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치.
  5. 3상모터를 제어하는 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법에 있어서,
    상기 3상모터에 흐르는 토크를 각각 수신하는 단계;
    상기 수신된 3상의 토크를 근거로 하여 고토크를 유지하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단하는 단계의 판단결과, 고토크를 유지하는 경우 상기 3상 중에서 특정 하나의 상에 직류신호를 인가하고 나머지 상들에 교류신호를 인가하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 3상 중에서 가장 높은 전류를 필요로 하는 제 1 상에 교류의 전압을 인가하고, 상기 제 1 상보다 120도 빠른 위상을 갖는 제 3 상에 교류의 전압을 인가하며, 상기 제 1 상 보다 120도 낮은 위상을 갖는 제 2 상에 직류의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 제 1 상, 상기 제 2 상 및 제 3 상의 전압을 더한 합이 '0'이 되도록 상기 3상모터에 인가되는 전압의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 3상모터 제어장치의 고토크 유지 방법.
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