KR102278969B1 - 위치 센서리스 컨트롤을 위한 ａｆｐｍ 브러시리스 ｄｃ 모터의 기동 방법 - Google Patents

위치 센서리스 컨트롤을 위한 ａｆｐｍ 브러시리스 ｄｃ 모터의 기동 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 위치 센서를 사용하지 않고 간단한 단일 전류 제어 전략으로 기존의 전류 제어 방법을 대체하고 모터 드라이브의 비용과 크기를 줄이도록 하기 위한 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법에 관한 것이다.

Description

위치 센서리스 컨트롤을 위한 ＡＦＰＭ 브러시리스 ＤＣ 모터의 기동 방법{Method for moving employing Axial Flux Permanent Magnet brushless DC motor for controlling to location sensorless}
본 명세서에 개시된 내용은 동력을 발생할 시, 별도의 위치 센서를 사용하지 않고 AFPM(axial flux permanent magnet) 브러시리스 DC 모터를 기동함으로써 모터 드라이브의 비용과 크기를 줄일 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.
최근, RFPM(radial flux permanent magnet) 모터의 대체를 위한 AFPM 모터가 많은 연구의 대상이 되어 왔다.
기존의 RFPM 모터에 비해 AFPM 모터의 장점에는 높은 토크 대 중량비, 양호한 효율, 조정 가능한 에어-갭, 균형 잡힌 로터-스테이터 인력(attractive force), 더욱 좋은 열 제거 성능이 포함될 수 있다.
즉, AFPM 모터는 쉽고 컴팩트하게 차량 바퀴에 장착할 수 있어 바퀴 림을 완벽하게 장착하여 직접 구동 장치에 적합한 것이다.
AFPM 방식 기계는 전기자 슬롯이 있거나 없는 단면 또는 양면, 전기자 코어 유무에 관계없이 내부 또는 외부 영구 마그네틱 로터, 표면 장착 또는 내부 영구 마그네틱 및 단일 스테이지 또는 다단계 기계로 제공될 수 있다. 양면 구성에는 외부 스테이터나 외부 로터가 있다. 외부 스테이터는 더 적은 영구 마그네틱을 의미하지만 권선의 사용 빈도가 떨어지는 반면 외부 로터는 기계 토폴로지(machine topology)에 특히 유리하다.
양면 AFPM 방식 기계의 토폴로지는 하나의 스테이터에 두 개의 로터 방식(TORUS)과 2개의 스테이터에 하나의 로터 방식(AFIR)이 있을 수 있다.
한편, 방사형 자속 기계(radial flux machine)와는 달리, AFPM 기계 카테고리는 축방향으로 흐르는 자속과 로터 상에 영구 자석을 갖는 두 가지 특징을 공통적으로 공유하면서 많은 다양한 가능한 구조의 세트를 통합할 수 있다.
AFPM 기계는 하이브리드 트랙션 시스템(hybrid traction system)의 가스 터빈에 의해 구동되는 고속 발전기(high-speed generator), 플라이휠 전기 기계(flywheel-electrical machine) 조합을 갖는 하이브리드 전기 차량(hybrid electric vehicle), 전기 차량의 휠 직접 구동, 그리고 시동기 모터(starter motor), 엔진 구동 발전기(engine driven generator)와 같은 최근 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다.
대한민국 특허출원 출원번호 제10-2009-0109503호
개시된 내용은, 위치 센서를 사용하지 않고 간단한 단일 전류 제어 전략(simple single current control strategy)으로 기존의 전류 제어 방법을 대체하고 모터 드라이브의 비용과 크기를 줄이도록 하기 위한 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법을 제공하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 일실시예에 따른 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법은,
동력을 발생할 시, 제어부에서 3상 인버터로 직접 구동을 수행함으로써 기동하는 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법을 전제로 한다.
이러한 상태에서, 상기 동력이 발생될 시, 사용자 키 조작으로부터 기동명령을 입력받아 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터를 기동 개시하는 제 1 단계; 및
상기 제 1 단계에 의해 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터가 기동 개시될 시, 역기전력 파형의 제로 크로싱 포인트로부터 가상 홀 센서 신호를 생성함으로써 센서리스 모드로 상기 3상 인버터를 제어하는 제 2 단계를 포함하고 있다.
그리고, 이러한 경우 상기 제 2 단계는 아래의 과정으로서 구체적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
(a) 상기 제 1 단계에 의해 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터가 기동 개시될 시, 상기 3상 인버터를 통해 회전자 위치를 강제로 정렬시키는 제 1 과정;
(b) 상기 제 1 과정에 의해 회전자 위치가 강제로 정렬될 시, 상기 3상 인버터를 통해 상(phase) 전환을 수행하는 제 2 과정;
(c) 상기 제 2 과정에 의해 상 전환이 수행될 시, 전압이 인가되지 않은 상의 역기전력을 검출하는 제 3 과정;
(d) 상기 제 3 과정에 의해 역기전력이 검출될 시, 검출된 역기전력 값이 미리 설정된 값 이내로 될 때까지 미리 설정된 일정횟수로 상 전환을 수행하는 제 4 과정; 및
(e) 상기 제 4 과정에 의해 상 전환이 수행될 시, 검출된 역기전력 값이 미리 설정된 값 이내가 될 경우 센서리스 모드로 상기 3상 인버터를 제어하는 제 5 과정
실시예들에 의하면, AFPM 브러시리스 DC 모터를 구동할 시, 회전자 위치 검출장치 없이 역기전력을 이용한 BLDC 모터의 회전자의 위치 검출이 가능하다.
또한, 모터의 상전류 측정에 관한 추가적인 회로 구성이 없이 역기전력만을 이용하여 모터 회전자의 위치 검출이 가능하며, 모터의 초기 기동 단계에서 작은 전류로 제어함으로써 기동 실패율을 줄일 수 있다.
그리고, 이에 더하여 회전자에 대한 정확하고 빠른 정렬을 통해 기동실패 확률을 줄일 수 있다.
추가적으로, 더 나아가서 위치 센서를 사용하지 않고 간단한 단일 전류 제어 전략으로 기존의 전류 제어 방법을 대체하고 모터 드라이브의 비용과 크기를 줄인다.
도 1은 일실시예에 따른 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터를 설명하기 위한 모터의 구조를 나타낸 도면
도 2는 도 1의 DC 모터를 설명하기 위한 RFPM 동기식 모터(a)와 AFPM 동기식 모터(b)의 주요 치수를 도시한 도면
도 3은 도 1의 DC 모터를 설명하기 위한 AFPM BLDC 모터의 신호 파형을 나타내는 도면
도 4는 일실시예에 따른 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법에 따른 제안된 역기전력 제로 크로싱 추정 방법의 다이어그램을 나타내는 도면
도 5는 일실시예에 따른 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법에 따른 역기전력 제로 크로싱의 검출을 설명하기 위한 도면
도 6은 도 1의 DC 모터를 설계를 위해 제안된 AFPM BLDC 모터 드라이브의 블록 다이어그램을 나타내는 도면
도 7은 도 1의 DC 모터를 설계에 따른 양과 음의 비율에 따른 로터 속도를 나타내는 도면
도 8은 도 1의 DC 모터를 설계에 따른 부하 조건에서의 모터 성능으로 모터 속도(a) 및 전자기 토크(b)를 나타낸 도면
도 9는 도 1의 DC 모터를 설계에 따른 모터의 선간 전압을 설명하기 위한 도면
일실시예에 따른 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터는 성능 효율성을 유지하면서 비용 효과적인 위치 센서리스 컨트롤 기반의 제어 기술을 제공한다.
일실시예의 목적은 브러시리스 영구 자석 동기식 모터에 대한 축방향 자속 구조와 방사형 자속 구조의 비교, 그리고 AFPM 브러시리스 DC 모터에 대한 비용 효과적인 위치 센서리스 제어 전략을 제시하도록 한다.
이러한 비교는 다른 모터 치수에 맞게 수행된다. 또한, 단일 전류 센서를 사용하는 AFPM 브러시리스 DC 모터 드라이브에 대해 비용 효과적이고 위치 센서리스 제어 전략이 제안된다.
이것은 3상 전류 제어기를 하나만 사용하여 쿼시-스퀘어전류파형을 생성하는 것을 기초로 한다.
기존의 방법들과는 달리, 일실시예에서 제안된 방법은 삼각 캐리어 변조와 평형 상 전류를 필요로 하지 않고 매우 간단한 제어 방식과 같은 장점을 제공한다.
제안된 위치 센서리스 기술은 모터의 종단에서 측정된 라인 전압의 차이로부터 유도된 세 가지 전압 기능의 제로 크로싱 포인트 검출에 기반한다.
이러한 제어 알고리즘은 공기 청정기, 송풍기, 냉각팬, 그리고 이와 관련된 가정용 응용 프로그램과 같이 비용에 민감한 제품에 특히 적합하다. 이렇게 제안된 제어 시스템의 유효성은 시뮬레이션 결과에 의해 검증되었다.
일실시예에서 제안되는 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터를 활용한 축방향 자속 기계는 기계축과 평행하게 흐르는 자속의 방향이 기존의 전기 기계와는 다르다.
많은 수의 가능한 기술 솔루션으로 인해 AFPM과 RFPM 모터의 일반적인 비교가 불가능하다. 따라서 두 모터의 비교는 표면 장착 영구 자석 동기화 모터의 두 가지 특징 타입에 초점을 맞춘다. 즉, 1) 하나의 외부 스테이터와 하나의 내부 로터가 있는 가장 일반적인 RFPM 모터, 2) 2개의 외부 스테이터와 1개의 내부 로터를 가진 AFPM 모터에 초점을 맞춘다.
일실시예에서 전기 모터의 비교는 "사이징 방정식"을 사용하여 수행된다.
사이징 방정식은 모터 전자기 토크를 전기/자기 재료 이용에 따른 계수에 따른 모터 길이 및 모터 직경과 연관시킨다.
일실시예에서 사용되는 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터는 높은 전력 밀도, 소형화, 고효율, 낮은 유지 보수 및 제어의 용이성 때문에 점점 더 많은 응용 분야에서 사용되고 있다. 그러므로, 일실시예에서는 위치 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터를 활용하여 저비용 응용 분야의 핵심 요소로 모터 드라이브의 비용을 최소화하도록 한다.
즉, 센서 및 관련 부대품은 모터 드라이브의 복잡성, 비용 및 크기를 증가시키고 시스템의 신뢰성을 감소시킨다. 따라서 모터 드라이브에서는 센서의 수를 줄이는 것이 바람직하다.
한편, 종래의 AFPM BLDC 모터 드라이브는 인버터 상에서 6스위치 3상을 통해 일반적으로 구현되며, 3개의 홀 이펙트 위치 센서는 전류 정류에 대한 적절한 신호를 생성한다. 그러나, 이러한 센서가 많은 단점을 갖는 것은 잘 알려진 사실이다. 이러한 센서는 모터의 비용을 증가시키며 장착을 위한 특별한 기계 장치가 필요하다.
따라서, 센서리스 제어는 엄격한 환경에서 모터를 작동시키는 신뢰할 수 있는 방법에 해당한다.
최근, AFPM 모터의 센서리스 제어 기술에 관한 여러 연구가 수행되었다. 일실시예에서는 1) 모터 종단의 제로 크로싱 포인트를 중성점 전압 또는 역기전력 검출 방법으로 검출하며, 2) 추정 법칙 또는 관측 패턴을 사용하는 것의 두 가지 범주로 나눌 수 있다.
일실시예에서 제시된 비교 절차는 모터 구조와 전달된 전자기 토크에 기초하며, 단일 전류 센서를 사용하여 AFPM BLDC 모터 구동을 위한 비용 효과적인 위치 센서리스 제어가 제안된다. 그리고, 제안된 제어 전략은 단 하나의 히스테리시 전류 컨트롤러와 속도 조절을 위한 PID 컨트롤러를 기반으로 하도록 한다.
이를 위한 먼저, RFPM과 AFPM 모터의 구조에 대해서 살펴보면, 양 모터의 비교를 위해 여러 파라미터가 일정하거나 매우 가깝게 유지될 수 있다.
에어 갭 내의 자속의 진행 방향에 따라, 영구 자석 기계는 RFPM, AFPM 및 TFPM) 장비로 분류된다. 각각은 특정 응용 분야에 따라 다른 많은 구조 변형 특성을 가지고 있다.
일실시예에서는 정현파 또는 비정현파의 역기전력 및 등방성 로터 구조가 적용된 RFPM 및 AFPM 브러시리스 모터에 비교가 적용된다.
먼저, RFPM 브러시리스 DC 모터에 대해서 살펴본다.
RFPM 브러시리스 DC 모터는 높은 전력 밀도, 높은 효율, 낮은 유지 보수 및 제어 용이성 때문에 컴퓨터, 자동차, 산업 및 가정용 제품에 점점 더 많이 사용되고 있다.
RFPM 구조는 하나의 외부 원통형 스테이터와 하나의 내부 원통형 로터를 가진 일반적인 구조이다. 이 모터의 구조는 도 1의 b에 도시되어 있다. RFPM 모터는 산업 응용 분야에 널리 사용되므로 레퍼런스 솔루션으로 취급되며, 주요 모터 치수는 표 1에 기재되어 있다.
Figure 112019078933240-pat00001
다음으로, AFPM 브러시리스 DC 모터에 대해서 살펴보면, AFPM 브러시리스 DC 모터가 적용된 AFPM 기계는 구형파 또는 사인파 전류로 작동하도록 설계할 수 있다. 이들의 작동 원리는 매우 유사하지만 다양한 유형의 응용 분야에 대해 선택할 수 있다. 각 스테이터 코일을 통해 흐르는 전류는 로터의 자석에 의해 생성된 자속과 상호 작용하여, 로터 원주에 접선 방향의 힘을 생성하다.
AFPM 구조 중에서 몇 가지 다른 기하학적 구조가 제안되었다. 특히 하나 이상의 스테이터 및/또는 로터가 있는 샌드위치 구조가 가장 선호도가 높다. 도 1의 a에 도시된 바와 같이, 일실시예에서 고려한 모터는 2개의 외부 로터와 1 개의 내부 양면 스테이터로 구현된다. 도 2의 b는 일반적인 AFPM 모터에 대한 도면이며, 하기의 표 2는 일실시예에서 사용되는 AFRM 모터의 주요 모터 치수가 기재되어 있다.
Figure 112019078933240-pat00002
AFPM 기계 유형은 기본적으로 다음과 같이 분류할 수 있는 다양한 특징의 서로 다른 조합이다. 즉, (1) 다중 디스크 구조, 단면 구조, 양면 구조를 포함하는 스테이터, (2) 슬롯형 스테이터와 환형권선 슬롯리스 스테이터를 포함한 전기자 슬롯, (3) 표면 장착형 영구 자석(PM) 타입, 그리고 내부 또는 매립형 영구 자석(PM)을 세부 분류 구성요소로 할 수 있다.
AFPM 모터에서 토크 생성에 유용한 활성 높이는 (D2 - D1)/2이다. 단부 권선 엔드 와인딩 방해물을 고려할 때, 높이는 De와 Di의 차이에 따라 달라진다.
이러한 상술한 두 모터의 구조를 기반으로 양 모터의 토크 비교에 대해서 살펴본다. 전기 모터 간의 비교는 종종 모터 전자기 토크를 활성 모터 길이 및 모터 기준 직경에 연결하는 "사이징 방정식"을 사용하여 수행된다.
RFPM 기계의 경우 토크 방정식은 로렌츠 힘 방정식을 통해 도출될 수 있다. RFPM 모터의 경우 가장 자주 발생하는 사이징 방정식은 다음의 수학식 1과 같은 형식이다.
Figure 112019078933240-pat00003
여기서 Dr(m)은 공기 갭 직경이고, L(m)은 스테이터 코어의 유효 축방향 길이이다. 계수 εr(N.m/m3)은 공기 갭 자속 밀도 및 선택된 전기 부하에 따라 달라진다.
수학식 1은 다른 모터 부품에 존재하는 실제 자속 및 전류 밀도를 고려하지 않는다.
따라서 전기 및 자성 부하는 경험에 기초하여 설계자가 선택해야 하다. 이 경우, 문제는 하기의 수학식 2와 같은 다른 형태의 크기 조정 방정식을 사용하는 경우에도 변하지 않는다.
Figure 112019078933240-pat00004
여기서, De(m)은 외부 모터 직경이고, 계수 εe (N.m/m4)는 스테이터 요크, 스테이터 톱니 및 전도체의 전류 밀도에 따라 달라진다.
한편, 결과에 따른 AFPM 기계 토폴로지는 RFPM 기계의 길이 비율 값(스테이터(stator) 스택의 축 방향 길이 대 에어 갭 직경)이 0.4 내지 0.6 이하로 설계되는 응용 분야에서 보다 잘 수행된다.
다음으로, AFPM BLDC 모터 모델에 대해서 살펴본다. AFPM 모터의 스테이터(stator) 권선은 RFPM과 다르지만, AFPM BLDC 모터의 경우 기존의 BLDC 모델을 사용할 수 있으며, 기존의 것과의 차이점은 인덕턴스 계산과 같은 스테이터(stator) 파라미터에 있다. 그러나 측정으로 이러한 파라미터를 얻을 수 있기 때문에, 파라미터가 필요하지 않다. 또한 영구 자석(PM)에 의해 생성된 역기전력과 여기된 코일에 의해 생성된 역기전력 간에 차이가 없으므로 파라미터가 필요하지 않다.
따라서 BLDC 모터의 수학적 모델, 즉, 일실시예의 대상은 도 1a에 보이는 내부 돌극기 스테이터와 2개의 외부 로터가 있는 양면 AFPM 브러시리스 기반의 기계이다.
BLDC 모터는 '6 단계 정류'라고 불리는 3상 인버터로 구동되며, 이때, 각 상 사이의 전도 간격은 120에 해당하는 전기 각도이다.
따라서 각 단계에서 두 상만 활성화되고 나머지 세 번째 상은 플로팅 된다.
정류 시간은 적절한 센서에 의해 검출되거나 센서리스 시스템에서 모터 파라미터로부터 추정될 수 있는 로터 위치에 의해 결정된다.
도 3에는 3상 AFPM BLDC 모터의 경우 120°전도 모드의 역기전력 및 상전류 파형이 도시되어 있다.
역기전력 파형의 제로 크로싱 순간은 모터의 세 단자 전압만을 측정하여 간접적으로 추정할 수 있다. 추정 된 역기전력을 이용하여 도 4와 같이 가상 홀 센서 신호를 생성할 수 있다. 즉, 도 4는 제안된 역기전력 제로 크로싱 추정 방법의 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 5는 역기전력 제로 크로싱의 검출을 설명하기 위한 도면으로, 도 5a는 필터링되지 않은 vbcca 전압 파형 및 상 c의 역기전력, 도 5b는 필터링 된 vbcca 전압 파형을 나타낸다.
즉, 도 5는 상 c의 시뮬레이션된 역기전력 파형과 선간 전압 차이를 나타낸다. 도 5a에서 보듯이 vbcca 파형은 정류 순간에 나타나는 전압 스파이크를 포함한다.
전압 스파이크는 상 정류 순간에 프리-휠링 다이오드가 전도된 결과이며, 필터링을 통해 제거된다.
그렇지 않으면 원치않는 제로 크로싱 포인트가 발생하므로, 이를 제거하기 위해 3개의 Butterworth order 2 타입의 로우 패스 필터링이 선택될 수 있다.
다음으로, 제어 시스템에 대해서 살펴본다.
영구 자석 모터의 공통 제어 알고리즘은 PWM 전류 제어이다. 이는 상 전류의 측정을 기반으로 하며, 이는 비교되어 쿼시-스퀘어 템플릿을 따를 것이 강요된다. 다른 전류 제어 방법은 인가된 전압을 제어하기 위해 가변 직류 전압원을 이용하는 것이다.
이것은 PWM 제어 방식에 비해 몇 가지 장점이 있다. 선형 전력 단은 펄스 전력 단보다 저렴하지만 손실은 저전압 및 고전류에서 높을 수 있다. 그러나 고속에서 선형 전력 단은 스위칭 손실 및 펄스 전력 단의 정류 지연이 중요한 경우 가장 좋은 대안이 될 수 있다.
제안된 제어 전략의 블록 다이어그램은 도 6에 나와 있다. 로터 속도 제어를 위해 PID 컨트롤러를 사용하여 동적 응답을 개선하고 정상 상태 오류를 줄인다.
궁극적으로 히스테리시스 전류 컨트롤러는 DC 기준 전류 주변의 작은 밴드 내의 권선 전류를 조절한다. 전자기 토크는 전류 기준에 의해 직접 조절된다.
전류 레퍼런스가 클수록 높은 토크가 발생하다. 또한 최대 허용 권선 전류에 따라 PID 속도 제어기 출력에 대한 제한이 제거된다. 이러한 시스템의 로딩 성능을 평가하기 위해 일련의 추가 시뮬레이션이 수행되었다.
이때, 구동 시스템은 반 부하(1.1 N.m) 상태에서 시작한 다음 정격 부하(2.2 N.m)가 0.2s 후에 AFPM 모터에 적용된다. 그 후, 모터는 t = 0.3s에서 하프 로드(half-loaded) 상태가 된다. 이 조건에서의 모터 속도는 고정되어 있으며 100 rad/sec와 동일하다. 얻어진 결과는 도 8에 도시되어 있으며, AFPM BLDC 모터의 속도 성능이 양호함을 나타낸다.
일실시예에 따른 상전압을 이용하여 모터를 기동하는 방법은 아래와 같이 이루어진다.
먼저 동력을 발생할 시, 제어부에서 3상 인버터로 기동을 수행함으로써 직접 구동하는 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법을 전제로 한다.
이러한 상태에서, 구체적으로는 동력이 발생될 시, 사용자 키 조작으로부터 기동명령을 입력받아 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터를 기동 개시하는 제 1 단계;
상기 제 1 단계에 의해 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터가 기동 개시될 시, 역기전력 파형의 제로 크로싱 포인트로부터 가상 홀 센서 신호를 생성함으로써 센서리스 모드로 상기 3상 인버터를 제어하는 제 2 단계를 포함하고 있다.
그리고, 이러한 경우 상기 제 2 단계는 아래와 같이 구성된다.
(a) 먼저 제어부가 상기 제 1 단계에 의해 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터가 기동 개시될 시, 3상 인버터를 통해 BLDC 모터의 회전자 위치를 강제로 정렬시킨다.
(b) 그리고 나서, 제어부가 3상 인버터를 통해 BLDC 모터의 상 전환을 수행한다.
(c) 다음, 단자전압 검출부가 전압이 인가되지 않은 상의 역기전력을 검출한다.
(d) 그래서, 제어부가 이렇게 검출된 역기전력 값이 미리 설정된 값 이내로 될 때까지 미리 설정된 일정횟수로 상 전환을 수행한다.
(e) 그리고 나서, 제어부가 이렇게 검출된 역기전력 값이 미리 설정된 값 이내가 될 경우 센서리스 모드로 상기 인버터를 제어한다.
이상과 같이, 일실시예는 구동 시에 회전자의 위치를 강제로 정렬시킨 후 상 전환을 수행하고, 전압이 인가되지 않는 상의 역기전력을 검출하여 설정값 이내로 안정화 되는 경우에 센서리스 모드로 동작한다.
그래서, 이를 통해 상전압 검출을 이용한 위치 센서리스 컨트롤로부터 AFPM 브러시리스 DC 모터를 기동함으로써, AFPM 브러시리스 DC 모터를 구동할 시, 회전자 위치 검출장치 없이 역기전력을 이용한 BLDC 모터의 회전자의 위치 검출이 가능하다.
또한, 모터의 상전류 측정에 관한 추가적인 회로 구성이 없이 역기전력만을 이용하여 모터 회전자의 위치 검출이 가능하며, 모터의 초기 기동 단계에서 작은 전류로 제어함으로써 기동 실패율을 줄일 수 있다.
그리고, 이에 더하여 회전자에 대한 정확하고 빠른 정렬을 통해 기동실패 확률을 줄일 수 있다.
추가적으로, 더 나아가서 위치 센서를 사용하지 않고 간단한 단일 전류 제어 전략으로 기존의 전류 제어 방법을 대체하고 모터 드라이브의 비용과 크기를 줄인다.
한편, 이러한 경우 일실시예에 따른 상전압을 이용하여 모터를 기동하는 방법은 상기의 (d) 단계에서 상기 제어부가 그 검출된 역기전력 값을 미리 설정된 값과 비교하여 상 전환 시점을 결정할 수 있다.
또한, 다른 한편으로 일실시예에 따른 상전압을 이용하여 모터를 기동하는 방법은 상기의 (d) 단계에서 상기 제어부가 그 검출된 역기전력 값을 미리 설정된 값과 비교하여 벗어날 경우 상 전환을 수행하되, 그 검출된 역기전력 값이 미리 설정된 값 이내가 될 때까지 상 전환을 수행한다.
시뮬레이션 결과는 전자기 토크가 부하 조건에서 양호한 성능을 나타내며 토크 리플이 매우 낮음을 명확하게 나타내며, 모터의 선간 전합(line to line voltage of motor)은 도 9에 도시되어 있다.
결론적으로 일실시예에서는 두 개의 로터에 하나의 양면 스테이터 AFPM BLDC 모터와, 기존의 RFPM 모터에 대한 PM 동기식 모터 구조를 비교하기 위한 방법을 제시했다. 두 개의 모터 구조는 전체 모터 체적(overall motor volume), losses per wasting surface, 그리고 에어-갭 자속 밀도(air-gap flux density)가 일정하게 유지될 때, 두 개의 모터 구조물을 제공된 전자기 토크 및 토크 밀도의 관점에서 비교하였으며, 결과적으로 비용 효율적이고, 고성능인 AFPM BLDC 모터 구동 시스템이 제안되었다.
임의의 순간에 상 전류를 샘플링하기 위해 프리 휠링 전류(freewheeling current) 또는 전류 신호(current sign)에 대한 정보가 필요없는 효과적인 단일 전류 센서 기술이 채택되었다.

Claims (3)

  1. 동력을 발생할 시, 제어부에서 3상 인버터로 기동을 수행함으로써 직접 구동하는 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법에 있어서,
    상기 브러시리스 DC 모터의 수학적 모델은,
    a) 내부 돌극기 스테이터와 2개의 외부 로터가 있는 양면 AFPM 브러시리스 기반의 기계이고,
    b) '6 단계 정류'의 3상 인버터로 구동하며, 각 상 사이의 전도 간격은 120에 해당하는 전기 각도로 각 단계에서 두 상만 활성화하고 나머지 세 번째 상은 플로팅하고,
    c) 정류 시간은 아래의 센서리스 시스템에서 모터 파라미터로부터 추정하는 로터 위치에 의해 결정하며,

    상기 동력이 발생될 시, 사용자 키 조작으로부터 기동명령을 입력받아 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터를 기동 개시하는 제 1 단계; 및
    상기 제 1 단계에 의해 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터가 기동 개시될 시, 역기전력 파형의 제로 크로싱 포인트로부터 가상 홀 센서 신호를 생성함으로써 센서리스 모드로 상기 3상 인버터를 제어하는 제 2 단계를 포함하고 있으며,

    상기 제 1 단계는,
    상기 브러시리스 DC 모터를 구동할 경우에, 히스테리시스 전류 컨트롤러로부터 DC 기준 전류 주변의 작은 밴드 내의 권선 전류를 조절하고, 전자기 토크는 전류 기준에 의해 직접 조절하고, 전류 기준을 크게 할수록 높은 토크를 발생하며,

    상기 제 2 단계는
    (a) 상기 제 1 단계의 히스테리시스 전류 컨트롤러에 의해 상기 AFPM 브러시리스 DC 모터가 기동 개시될 시, 상기 3상 인버터를 통해 회전자 위치를 강제로 정렬시키는 제 1 과정;
    (b) 상기 제 1 과정에 의해 회전자 위치가 강제로 정렬될 시, 상기 3상 인버터를 통해 상 전환을 수행하는 제 2 과정;
    (c) 상기 제 2 과정에 의해 상 전환이 수행될 시, 전압이 인가되지 않은 상의 역기전력을 검출하고, 역기전력 파형의 제로 크로싱 순간은 상기 브러시리스 DC 모터의 수학적 모델에 따른 브러시리스 DC 모터의 세 단자 전압만을 측정하여 간접적으로 추정하는 제 3 과정;
    (d) 상기 제 3 과정에 의해 역기전력이 검출될 시, 검출된 역기전력 값이 미리 설정된 값 이내로 될 때까지 미리 설정된 일정횟수로 상 전환을 수행하는 제 4 과정; 및
    (e) 상기 제 4 과정에 의해 상 전환이 수행될 시, 검출된 역기전력 값이 미리 설정된 값 이내가 될 경우 센서리스 모드로 상기 3상 인버터를 제어하는 제 5 과정; 을 포함하고,

    상기 제 4 과정((d))은
    상기 제 3 과정에 의해 역기전력이 검출될 시, 검출된 역기전력 값을 미리 설정된 값과 비교하여 상 전환 시점을 결정하고,

    상기 제 4 과정((d))은
    상기 제 3 과정에 의해 역기전력이 검출될 시, 검출된 역기전력 값을 미리 설정된 값과 비교하여 벗어날 경우 상 전환을 수행하되, 미리 설정된 값 이내가 될 때까지 상 전환을 수행하는 것을 특징으로 하는 센서리스 컨트롤을 위한 AFPM 브러시리스 DC 모터의 기동 방법.
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