KR102411852B1 - 모터 구동 제어 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터 구동 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 구동 제어를 위해 복수의 스위치 소자가 상/하단 병렬로 구비된 인버터를 포함하는 모터의 구동 제어 방법에 있어서, 외부로부터 구동 신호가 인가될 경우, 모터의 회전자 위치를 강제 정렬하는 정렬 단계(S100), 상기 정렬 단계(S100)에 의해 상기 모터의 회전자 위치의 강제 정렬이 완료되면, 상기 모터의 센서리스 구동을 수행하여 가속을 위한 기설정된 수만큼의 상전환을 수행하는 상전환 수행 단계(S200), 상기 상전환 수행 단계(S200)에 의해 발생하는 전류방향을 검출하여, 하단 스위칭 방식을 위한 기설정된 전류방향인지 판단하는 판단 단계(S300) 및 상기 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 기설정된 전류방향으로의 상전환이 이루어져 하단 스위칭 방식일 경우, 상기 모터의 각 권선의 전단에 위치하는 상기 상단 스위치 소자들 중 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온 유지시킨 후 온/오프 스위칭 제어하고, 상기 모터의 각 권선의 후단에 위치하는 상기 하단 스위치 소자들 중 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온/오프 스위칭시킨 후 온 제어하는 스위칭 시간 제어 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.에 관한 것이다.

Description

모터 구동 제어 장치 및 방법{Motor driving control device and method}
본 발명은 모터 구동 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 스위치부에서 상/하단 스위치가 번갈아 스위칭되도록 제어하면서, 특정 상전환 구간에서는 하단 스위칭이 이루어지도록 제어하되 소정시간만큼만 하단 스위칭이 이루어지도록 제어한 후 상단 스위칭으로 제어함으로써, 기존의 3상 BLDC 모터 시스템의 구성을 그대로 유지하면서도 구동 소음을 효과적으로 저감시킬 수 있는 모터 구동 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
팬 어플리케이션에서 소음 저감은 중요한 요인 중에 하나이다. 이를 위해 다양한 모터 중, 일예로서 BLDC 모터를 이용한 개발이 활발해지고 있으며, 특히, 외전형 모터는 공간 절약형 팬 모터에 유리하다.
BLDC 모터는 현재까지 펄스 폭 변조(PWM, Pulse width modulation) 기법에 의해 제어되며, 이러한 BLDC 모터의 소음은 정류 방식을 의해 상당한 영향을 받게 된다.
일반적으로 3상 BLDC 모터는 도 1의 a)에 도시된 바와 같은, 유니폴라 PWM 방식에 의한 상단 스위치 구동 방식을 사용하게 된다.
상기 상단 스위칭 구동 방식은 BLDC 모터의 상단의 스위치 소자만 PWM 구동을 통해 온/오프 스위칭되고, 하단의 스위치 소자는 항상 온을 유지하는 방식이다. 일 예를 들자면, A상에서 B상으로 전류를 흘려주면, A상의 상단의 스위치 소자는 온/오프 스위칭되고, B상의 하단의 스위치 소자는 그 구간 동안 항상 온이 되게 되고, A상에서 C상으로 전류를 흘려주면, A상의 상단의 스위치 소자는 온/오프 스위칭되고, C상의 하단의 스위치 소자는 그 구간 동안 항상 온이 되게 된다.
이러한 종래의 BLDC 모터의 정류 방식에 의한 소음을 저감하기 위해, 도 1의 b)에 도시된 바와 같은, 상/하단 스위칭 구동 방식이 개발되었다.
상기 상/하단 스위칭 구동 방식은 BLDC 모터의 상단의 스위치 소자와 하단의 스위치 소자가 번갈아가면서 PWM 구동을 통해 온/오프 스위칭이 이루어지는 방식이다. 즉, (상단 스위칭 구동)A상에서 B상으로 전류를 흘려주면, 상단 스위칭 구동 방식과 동일하게 A상의 상단의 스위치 소자는 온/오프 스위칭되고, B상의 하단의 스위치 소자는 그 구간 동안 항상 온이 되게 되지만, 다음 구간인 (하단 스위칭 구동)A상에서 C상으로 전류를 흘려주면, A상의 상단의 스위치 소자는 항상 온이 되고, C상의 하단의 스위치 소자는 온/오프 스위칭되게 된다.
상기 상/하단 스위치 구동 방식을 적용시킬 경우, 상단 스위칭 구동 방식에 비해, 모터의 소음이 저감됨을 실험을 통해 확인할 수 있다.
일반적으로 3상 BLDC 모터의 스위치 소자들은 N-FET를 적용하고 있으며, 상단 스위치 소자들에는 부트스트랩 회로(Bootstrap circuit)를 구성하여 상단의 스위치 소자가 온 되는 동안 요구되는 고전압을 안정적으로 공급하게 된다.
그렇지만, 상/하단 스위칭 구동 방식을 적용시킬 경우, 상단 스위칭 구동 방식에 비해 상단의 스위치 소자가 온 되는 시간이 길어지기 때문에, 부트스트랩 회로에 포함되어 있는 커패시터 방전의 위험으로 인해 커패시터 용량에 따라 온 되는 시간이 제한되는 것은 불가피하다.
이러한 문제점은 상단 스위치 소자를 N-FET이 아닌 P-FET를 적용하거나, 부트스트랩 회로에 포함되어 있는 커패시터 용량을 증가함으로써 해소할 수 있지만, 단가 상승은 피할 수 없는 문제점이다.
국내 등록특허공보 제10-1343312호(등록일 2013.12.13.)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 스위치부에서 상/하단 스위치가 번갈아 스위칭되도록 제어하면서, 특정 상전환 구간에서는 하단 스위칭이 이루어지도록 제어하되 소정시간만큼만 하단 스위칭이 이루어지도록 제어한 후 상단 스위칭으로 제어함으로써, 기존의 3상 BLDC 모터 시스템의 구성을 그대로 유지하면서도 구동 소음을 효과적으로 저감시킬 수 있는 모터 구동 제어 장치 및 방법를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 이루고 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 모터 구동 제어 방법은, 구동 제어를 위해 복수의 스위치 소자가 상/하단 병렬로 구비된 인버터를 포함하는 모터의 구동 제어 방법에 있어서, 외부로부터 구동 신호가 인가될 경우, 모터의 회전자 위치를 강제 정렬하는 정렬 단계(S100); 상기 정렬 단계(S100)에 의해 상기 모터의 회전자 위치의 강제 정렬이 완료되면, 상기 모터의 센서리스 구동을 수행하여 가속을 위한 기설정된 수만큼의 상전환을 수행하는 상전환 수행 단계(S200); 상기 상전환 수행 단계(S200)에 의해 발생하는 전류방향을 검출하여, 하단 스위칭 방식을 위한 기설정된 전류방향인지 판단하는 판단 단계(S300); 및 상기 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 기설정된 전류방향으로의 상전환이 이루어져 하단 스위칭 방식일 경우, 상기 모터의 각 권선의 전단에 위치하는 상기 상단 스위치 소자들 중 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온 유지시킨 후 온/오프 스위칭 제어하고, 상기 모터의 각 권선의 후단에 위치하는 상기 하단 스위치 소자들 중 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온/오프 스위칭시킨 후 온 제어하는 스위칭 시간 제어 단계(S400); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 기설정된 전류방향으로의 상전환이 이루어지지 않아 상단 스위치 방식일 경우, 상기 상단 스위치 소자들 중 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 온/오프 스위칭 제어하고, 상기 하단 스위치 소자들 중 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 온 제어하는 상단 스위칭 단계(S500); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 스위칭 시간 제어 단계(S400)의 소정 시간은 상기 상단 스위치 소자에 포함되는 부트스트랩 회로에 구성되는 커패시터 용량에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법을 제공한다.
또한, 모터(100)의 권선을 중심으로 각 권선의 전단에 위치하는 복수의 스위치 소자로 구성되는 상단 스위치 소자부(210)와, 각 권선의 후단에 위치하는 복수의 스위치 소자로 구성되는 하단 스위치 소자부(220)를 포함하며, 상단 스위치 소자부(210)와 하단 스위치 소자부(220)의 대응되는 각 2개의 스위치 소자가 직렬로 연결된 한 쌍을 이루며 각각의 세쌍이 서로 병렬로 연결되어, 제어신호에 따라 온/오프 제어되면서 상기 모터(100)로 전원을 공급하는 스위치부(200); 및 외부의 구동 신호에 의해 상기 모터(100)가 구동되도록 상기 제어신호를 생성하여 상기 스위치부(200)의 스위치 소자들의 온/오프를 제어하는 제어부(300);를 포함하며, 상기 제어부(300)는 외부의 구동 신호에 의해 상기 모터(100)의 상전환이 이루어지도록 상기 제어신호를 생성한 후, 상기 모터(100)의 상전환에 의해 발생하는 전류방향을 검출하여, 기설정된 전류방향으로의 상전환이 이루어질 경우, 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 상기 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온 유지시킨 후 온/오프 스위칭 제어하고, 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 상기 전류방향과 관련되는 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온/오프 스위칭한 후 온 제어되도록 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치를 제공한다.
또한, 상기 제어부(300)는 상기 모터(100)의 상전환에 따라 상단의 스위치 소자가 온/오프 스위칭되거나, 하단의 스위치 소자가 온/오프 스위칭되는 상하단 스위칭 방식으로 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치를 제공한다.
또한, 상기 제어부(300)의 소정 시간은 상기 상단 스위치 소자부(210)의 부트스트랩 회로(미도시)에 포함되는 커패시터(미도시)의 용량에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 제어 장치 및 방법에 따르면, 스위치부에서 상/하단 스위치가 번갈아 스위칭되도록 제어하면서, 특정 상전환 구간에서는 하단 스위칭이 이루어지도록 제어하되 소정시간만큼만 하단 스위칭이 이루어지도록 제어한 후 상단 스위칭으로 제어함으로써, 기존의 3상 BLDC 모터 시스템의 구성을 그대로 유지하면서도 구동 소음을 효과적으로 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
더불어, 부트스트랩 회로의 방전으로 인한 상단 스위치 소자의 구동 정지를 방지할 수 있어, BLDC 모터를 좀 더 안정적으로 구동시킬 수 있다.
도 1은 종래의 BLDC 모터의 상단 스위칭 구동 방식과 상하단 스위칭 구동 방식을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치 및 방법의 제한적 상하단 스위칭 구동 방식을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치 및 방법의 제한적 상하단 스위칭 구동 방식에 의한 상전류 상태를 보인 파형도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 모터 구동 제어 장치 및 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
일반적인 3상 BLDC 모터는 유니폴라 방식의 상단 스위칭 구동 방식을 적용하여 동작하게 된다. 상단 스위칭 구동 방식이란 전류방향에 따라 3상 BLDC 모터의 권선을 중심으로 각 권선의 전단에 위치하는 3개의 스위치 소자, 즉, 상단 스위치 소자를 PWM 온/오프 스위칭 제어하며, 하단 스위치 소자는 항상 온 상태를 유지하도록 하는 구동 방식이다.
이러한 기존 구동 방식에서 발생하는 모터 구동 소음을 저감시키기 위하여, 상하단 스위칭 구동 방식이 개발되고 있다.
상하단 스위칭 구동 방식이란 상단 스위치 소자와 하단 스위치 소자를 전류방향에 따라 번갈아가면서 PWM 온/오프 스위칭 제어하고, 온 상태를 유지하도록 하는 구동 방식이다.
상하단 스위칭 구동 방식을 적용시킬 경우, 상단 스위칭 구동 방식에 비해 소음은 저감되지만, 상단 스위치 소자가 온 제어될 경우, 상황에 따라 부트스트랩 회로에 포함되어 있는 커패시터의 방전이 발생하거나, 저속구간에 구동 실패가 발생할 수 있다.
상세하게는, 일반적으로 3상 BLDC 모터는 스위치 소자로 N-FET를 적용하고 있으며, 상단 스위치 소자에는 부트스트랩 회로를 구성함으로써, N-FET를 이용하여 상단 스위치 소자를 구성할 때, 상단 스위치 소자가 온 되는 동안 요구되는 높은 전압을 확보하기 위하여 커패시터를 포함하여 상단 스위치 소자가 오프되어 있는 동안 커패시터를 충전하고, 온되는 순간부터 커패시터의 방전이 이루어져 커패시터의 용량에 따라 상단 스위치 소자의 온 동작 가능 시간이 제한되게 된다.
즉, 상단 스위치 소자가 온/오프 스위칭 제어되는 상단 스위칭 구동 방식일 경우에는 안정적으로 구동되지만, 상하단 스위칭 구동 방식에 적용시킬 경우, 부트스트랩 회로에 포함되는 커패시터의 용량에 따라 일정시간 이상 상단 스위치 소자의 온 시킬 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 상단 스위치 소자를 P-FET로 변경하거나 부트스트랩 회로의 커패시터 용량을 증가시키는 방법이 있으나, 두 가지 해결방법 모두 비용 증가가 불가피하다.
이러한 상단 스위칭 구동 방식이 갖는 문제점과 상하단 스위칭 구동 방식이 갖는 문제점을 동시에 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치 및 방법은 3상 BLDC 모터의 상하단 스위칭 구동 방식을 적용시키되, 하단 스위치 소자가 온/오프 스위칭되는 시간을 제어하여 동시에 상단 스위치 소자가 온 되는 시간을 함으로써, 종래의 상하단 스위칭 구동 방식이 갖는 구동 소음 저감의 효과와 부트스트랩 회로의 방전으로 인한 상단 스위치 소자의 구동 정지를 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도 2를 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 방법의 단계에 대해 상세하게 설명한다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 정렬 단계(S100), 상전환 수행 단계(S200), 판단 단계(S300) 및 판단 결과에 따라 스위칭 시간 제어 단계(S400) 또는 상단 스위칭 단계(S500)를 포함하여 구성될 수 있다.
각 단계에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 정렬 단계(S100)는 외부로부터 구동 신호가 인가될 경우, 다시 말하자면, 외부로부터 이그니션 신호가 인가될 경우, 모터(100)(이하, 3상 BLDC 모터(100)로 정의함.)의 회전자 위치를 강제로 정렬함으로써, 동작 준비를 수행할 수 있다.
상기 상전환 수행 단계(S200)는 상기 정렬 단계(S100)에 의해 상기 3상 BLDC 모터(100)의 회전자 위치의 강제 정렬이 완료되면, 가속을 위한 6번의 상전환을 수행하게 된다. 즉, 저속구간에 대한 실제 구동이 이루어지게 된다.
상세하게는, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 센서리스 구동을 수행하여 모터를 구동할 때, 3상 여자 방식으로 코터를 구동하되, 가속을 위한 미리 설정된 수만큼의 상정환, 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 6번의 상전환을 수행하게 된다.
상기 판단 단계(S300)는 상기 상전환 수행 단계(S200)에 의해 발생하는 전류방향을 검출하여, 하단 스위칭 방식을 위한 미리 설정된 전류방향인지 판단하게 된다.
상세하게는, 상기 3상 BLDC 모터(100)는 상술한 바와 같이, 상하단 스위칭 구동 방식을 적용하여, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 2번째, 4번째, 6번째 상전환시, 하단 스위칭 구동 방식이 적용되면서 하단 스위치 소자가 온/오프 스위칭 동작을 수행하게 된다.
이 때, 전류방향에 관련되는 상단 스위치 소자가 온 동작을 수행하게 되는데, 부트스트랩 회로의 커패시터 방전에 의한 구동 정지를 방지하기 위하여, 하단 스위치 구동 방식이 적용될 경우, 하단 스위치 소자의 온/오프 스위칭 동작 시간을 제어하게 된다.
이에 따라, 상기 판단 단계(S300)는 상기 상전환 수행 단계(S200)에 의해 발생하는 전류방향을 검출하여, 하단 스위칭 방식이 적용되는 2번째, 4번째, 6번째 스텝인지 판단하게 된다.
상기 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하단 스위칭 방식이 적용되는 2번째, 4번째, 6번째 스텝일 경우, 스위칭 시간 제어 단계(S400)는 수행하게 되며, 상단 스위칭 방식이 적용되는 1번째, 3번째, 5번째 스텝일 경우, 상기 상단 스위칭 단계(S500)를 수행하게 된다.
상세하게는, 상기 스위칭 시간 제어 단계(S400)는 상가 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 미리 설정된 방향으로의 상전환이 이루어져 하단 스위칭 방식이 적용되는 스텝일 경우, 하단 스위칭 구동 방식을 적용하게 된다.
이 때, 종래의 하단 스위칭 구동 방식과는 상이하게 스위칭 시간을 제어하게 된다. 즉, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 각 권선의 전단에 위치하는 상단 스위치 소자들 중 2번째, 4번째, 6번째 스텝의 전류방향과 관련되는 상단 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온 동작을 유지시킨 후 소정 시간이 지난 후 온/오프 스위칭 제어하게 된다.
제어되는 상단 스위치 소자와 매칭되는 하단 스위치 소자, 즉, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 각 권선의 후단에 위치하는 하단 스위치 소자들 중 2번째, 4번째, 5번째 스텝의 전류 방향과 관련되는 하단 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온/오프 스위칭시킨 후 소정 시간이 지난 후 온 동작으로 제어하게 된다.
이 때, 상기 소정 시간은 상기 상단 스위치 소자에 포함되는 부트스르랩 회로에 구성되는 커패시터 용량에 따라 상이하게 설정되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소정 시간은 250us를 설정하였으나, 이는 일 실시예에 불과하다.
다시 말하자면, 상단 스위치 소자는 온 동작을 수행하기 위해서는 높은 전압이 요구되기 때문에, 오프 동작시 부트스트랩 회로에 구성되는 커패시터를 충전하게 된다. 이 후, 온 동작시 커패시터에 충전된 전압을 이용하면서 커패시터의 방전이 시작되기 때문에 완전 방전이 되어 상단 스위치 소자의 구동 정지를 방지하기 위해서, 완전 방전이 되지 않으면서도 다음 동작 전까지 잔여 전압에 충전 전압을 더해 동작이 가능하도록 소정 시간을 설정할 수 있다.
상기 상단 스위칭 단계(S500)는 상기 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 미리 설정된 방향으로의 상전환이 이루어지지 않아 상단 스위칭 방식이 적용되는 스텝일 경우, 상단 스위칭 구동 방식을 적용하게 된다.
이 때, 종래의 상단 스위칭 구동 방식과 동일하게 스위칭 시간을 제어하게 된다.
즉, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 각 권선의 전단에 위치하는 상단 스위치 소자들 중 1번째, 3번째, 5번째 스텝의 전류방향과 관련되는 상단 스위치 소자를 선택하여 해당 스텝이 구동되는 동안 온/오프 스위칭 제어를 수행하게 된다.
제어되는 상단 스위치 소자와 매칭되는 하단 스위치 소자, 즉, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 각 권선의 후단에 위치하는 하단 스위치 소자들 중 1번째, 3번째, 5번째 스텝의 전류 방향과 관련되는 하단 스위치 소자를 선택하여 해당 스텝이 구동되는 동안 온 동작으로 제어하게 된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 방법은, 초기 구동 구간, 다시 말하자면 저속 구간에 적용하는 것이 가장 바람직하다.
구동 소음을 저감하기 위하여, 상하단 스위칭 구동 방식을 저속 구간에 적용할 경우, 상단 스위치 소자가 온 동작을 유지하는 시간이 길어지기 때문에 그만큼 커패시터의 방전의 위험성이 높아지게 된다. 그렇기 때문에, 본 발명의 제한적 스위칭 제어 방법, 일명 '제한적 상하단 스위칭 구동 방식'을 적용함으로써, 저속 구간에서도 상단 스위치 소자를 커패시터 용량에 따라 미리 설정된 소정 시간동안만 온 동작을 유지시켜 구동 소음 저감과 더불어 구동 실패 현상을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치를 나타낸 구성도이다. 도 3을 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치의 각 구성에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 3상 BLDC 모터(100), 스위치부(200), 제어부(300) 및 전원 공급부와 컨버터부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 전원 공급부는 상기 3상 BLDC 모터(100)를 구동시키기 위한 시스템 장치에 전반적인 전원을 공급하며, 일반 교류 전원을 말한다.
상기 컨버터는 상기 전원 공급부로부터 교류 전원을 인가받고, 이를 상기 3상 BLDC 모터(100)에 적합한 전원으로 변환할 수 있다.
상기 컨버터의 출력단은 변환한 상기 전원을 상기 3상 BLDC 모터(100)에 적합한 3상 전원으로 변환하여 구동하기 위한 상기 스위치부(200)가 연결된다.
상기 스위치부(200)를 통해서 출력되는 3상 전원에 의해 상기 3상 BLDC 모터(100)의 구동이 이루어지게 된다.
상기 스위치부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, PWM 신호를 통해 상기 3상 BLDC 모터(100)로 3상 전원을 인가하도록 6개의 스위치 소자로 구성되는 3상 풀 브릿지 인버터인 것이 바람직하다.
상기 스위치부(200)는 상단 스위치 소자부(210)와 하단 스위치 소자부(220)로 나누어 볼 수 있으며, 상세하게는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 고정자 권선(A, B, C)을 중심으로 각 고정자 권선(A, B, C)의 전단에 위치하는 3개의 스위치 소자로 구성되는 상기 상단 스위치 소자부(210)와 각 고정자 권선(A, B, C)의 후단에 위치하는 3개의 스위치 소자로 구성되는 상기 하단 스위치 소자부(220)를 포함하여 구성될 수 있다.
각각의 스위치 소자는 N-FET로 구성되는 것이 바람직하며, 각 제어신호에 따라 온/오프가 수행된다. 즉, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 권선에 원하는 전압을 인가하기 위해서는, 상기 3상 BLDC모터(100)의 회전자의 위치에 따라 상이하게 발생하는 전류방향을 입력받아 각각의 스위치 소자의 스위칭 상태를 제어할 수 있으며, 각각의 스위치 소자는 역전류 방지를 위한 다이오드를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스위치부(200)는 상기 상단 스위치 소자부(210)와 하단 스위치 소자부(220)의 대응되는 각 2개의 스위치 소자가 직렬로 연결된 한 쌍을 이루며 각각의 세쌍이 서로 병렬로 연결되어 제어신호에 따라 온/오프 제어되면서 상기 3상 BLDC 모터(100)로 변환한 3상 전원을 공급하게 된다.
상세하게는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 상단 스위치 소자부(210)는 T1, T3, T5의 스위치 소자를 포함하며, 상기 하단 스위치 소자부(220)는 T2, T4, T6의 스위치 소자를 포함하여 구성된다. 또한, T1과 T2, T3과 T4, T5와 T6의 스위치 소자가 각각 직렬 연결되어 각각의 쌍을 이루고 있으며, 각각의 3쌍이 병렬로 연결되어 구성되고 있다.
상기 제어부(300)는 외부의 구동 신호, 다시 말하자면 이그니션 신호에 의해 상기 3상 BLDC 모터(100)가 구동되도록 상기 제어신호를 생성하여 전달함으로써, 상기 스위치부(200)의 스위치 소자들의 온/오프 제어가 이루어지게 된다.
먼저, 도 4에는 상기 제어부(300)의 제어신호에 따라, 상기 스위치부(200)의 스위치 소자의 상전환에 따른 스위칭 제어 상태를 도시하고 있다.
1번째 스텝의 경우, A상에서 B상으로 전류를 흘려주며 발생되는 전류방향에 의해 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 T1과 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 T4가 선택되어 온/오프 제어되게 된다.
2번째 스텝의 경우, A상에서 C상으로 전류를 흘려주며 발생되는 전류방향에 의해 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 T1과 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 T6이 선택되어 온/오프 제어되게 된다.
3번째 스텝의 경우, B상에서 C상으로 전류를 흘려주며 발생되는 전류방향에 의해 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 T3과 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 T6이 선택되어 온/오프 제어되게 된다.
4번째 스텝의 경우, B상에서 A상으로 전류를 흘려주며 발생되는 전류방향에 의해 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 T3과 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 T2가 선택되어 온/오프 제어되게 된다.
5번째 스텝의 경우, C상에서 A상으로 전류를 흘려주며 발생되는 전류방향에 의해 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 T5와 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 T2가 선택되어 온/오프 제어되게 된다.
6번째 스텝의 경우, C상에서 B상으로 전류를 흘려주며 발생되는 전류방향에 의해 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 T5와 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 T4가 선택되어 온/오프 제어되게 된다.
이 때, 상기 제어부(300)는 도 1의 a)에 도시된 바와 같은 상단 스위칭 구동 방식을 적용하지 않고, 도 1의 b)에 도시된 바와 같은 상하단 스위칭 구동 방식을 적용하되, 하단 스위칭 구동 시, 종래의 하단 스위칭 구동 방식과는 상이하게 스위칭 시간을 제어하게 된다. 즉, 1번째, 3번째, 5번째 스텝의 경우 상단 스위칭 구동 방식을 적용하고, 2번째, 4번째, 6번째 스텝의 경우 하단 스위칭 구동 방식을 적용하되, 종래의 하단 스위칭 구동 방식과는 상이하게 스위칭 시간을 제어하게 된다.
상세하게는, 상기 제어부(300)는 외부의 구동신호에 의해 상기 3상 BLDC 모터(100)의 상전환이 이루어지도록 상기 제어신호를 생성한 후, 상기 3상 BLDC 모터(100)의 상전환에 의해 발생하는 전류방향을 검출하여 미리 설정된 전류방향으로의 상전환이 이루어질 경우, 다시 말하자면, 2번째, 4번째, 6번째 스텝으로 상전환이 이루어질 경우, 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 상기 전류방향과 관련되는 상단 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온 동작을 유지시킨 후 소정 시간이 지난 후 온/오프 스위칭 제어하게 된다.
제어되는 상단 스위치 소자와 매칭되는 하단 스위치 소자는 소정 시간만큼만 온/오프 스위칭시킨 후 소정 시간이 지난 후 온 동작으로 제어하게 된다.
이 때, 상기 소정 시간은 상기 상단 스위치 소자에 포함되는 부트스르랩 회로에 구성되는 커패시터 용량에 따라 상이하게 설정되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 소정 시간은 250us를 설정하였으나, 이는 일 실시예에 불과하다.
다시 말하자면, 상단 스위치 소자는 온 동작을 수행하기 위해서는 높은 전압이 요구되기 때문에, 오프 동작시 부트스트랩 회로에 구성되는 커패시터를 충전하게 된다. 이 후, 온 동작시 커패시터에 충전된 전압을 이용하면서 커패시터의 방전이 시작되기 때문에 완전 방전이 되어 상단 스위치 소자의 구동 정지를 방지하기 위해서, 완전 방전이 되지 않으면서도 다음 동작 전까지 잔여 전압에 충전 전압을 더해 동작이 가능하도록 소정 시간을 설정할 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 1번째, 3번째, 5번째 스텝의 경우, 일반적인 상단 스위칭 구동 방식을 적용하여 상기 스위치 소자들의 제어가 이루어지지만,
상기 제어부(300)는 2번째, 4번째, 6번째 스텝의 경우, 하단 스위칭 구동 방식을 적용하되, 상술한 바와 같이, 선택되는 상단 스위치 소자로 소정시간만큼만 온 동작이 유지되도록 제어신호를 전달하고, 소정시간이 지난 후, 온/오프 스위칭 제어되도록 제어신호를 전달하게 된다.
매칭되는 하단 스위치 소자 역시, 소정시간만큼만 온/오프 스위칭 제어가 이루어지도록 제어신호를 전달하고, 소정시간이 지난 후, 온 동작이 유지되도록 제어신호를 전달하게 된다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 구동 제어 장치는, 초기 구동 구간, 다시 말하자면 저속 구간에 적용하는 것이 가장 바람직하다.
구동 소음을 저감하기 위하여, 상하단 스위칭 구동 방식을 저속 구간에 적용할 경우, 상단 스위치 소자가 온 동작을 유지하는 시간이 길어지기 때문에 그만큼 커패시터의 방전의 위험성이 높아지게 된다. 그렇기 때문에, 본 발명의 제한적 스위칭 제어 방법, 일명 '제한적 상하단 스위칭 구동 방식'을 적용함으로써, 저속 구간에서도 상단 스위치 소자를 커패시터 용량에 따라 미리 설정된 소정 시간동안만 온 동작을 유지시켜 구동 소음 저감과 더불어 구동 실패 현상을 방지할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : BLDC 모터
200 : 스위치부
210 : 상단 스위치 소자부 220 : 하단 스위치 소자부
300 : 제어부

Claims (6)

  1. 구동 제어를 위해 복수의 스위치 소자가 상/하단 병렬로 구비된 인버터를 포함하는 3상 BLDC 모터의 구동 제어 방법에 있어서,
    외부로부터 구동 신호가 인가될 경우, 3상 BLDC 모터의 회전자 위치를 강제 정렬하는 정렬 단계(S100);
    상기 정렬 단계(S100)에 의해 상기 3상 BLDC 모터의 회전자 위치의 강제 정렬이 완료되면, 상기 3상 BLDC 모터의 센서리스 구동을 수행하여 가속을 위한 기설정된 수만큼의 상전환을 수행하여, 스위치 소자들의 온/오프 제어를 수행하는 상전환 수행 단계(S200);
    상기 상전환 수행 단계(S200)에 의한 스위치 소자들의 온/오프 제어에 의해, 발생하는 전류방향을 검출하여, 하단 스위칭 방식을 위한 기설정된 순서의 상전환에 따른 전류방향인지 판단하는 판단 단계(S300); 및
    상기 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 기설정된 전류방향으로의 상전환이 이루어져 하단 스위칭 방식일 경우,
    상기 3상 BLDC 모터의 각 권선의 전단에 위치하는 상기 상단 스위치 소자들 중 검출한 상기 전류방향과 관련된 해당하는 순서의 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온 유지시킨 후 온/오프 스위칭 제어하고, 상기 모터의 각 권선의 후단에 위치하는 상기 하단 스위치 소자들 중 검출한 상기 전류방향과 관련된 해당하는 순서의 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온/오프 스위칭시킨 후 온 제어하는 스위칭 시간 제어 단계(S400);
    를 포함하며,
    소정 시간은
    상기 상단 스위치 소자에 포함되는 부트스트랩 회로에 구성되는 커패시터 용량에 따라, 상기 커패시터가 완전 방전되는 시간을 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 모터 구동 제어 방법은
    상기 판단 단계(S300)의 판단 결과에 따라, 기설정된 전류방향으로의 상전환이 이루어지지 않아 상단 스위치 방식일 경우,
    상기 상단 스위치 소자들 중 검출한 상기 전류방향과 관련된 해당하는 순서의 스위치 소자를 선택하여 온/오프 스위칭 제어하고, 상기 하단 스위치 소자들 중 검출한 상기 전류방향과 관련된 해당하는 순서의 스위치 소자를 선택하여 온 제어하는 상단 스위칭 단계(S500);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 3상 BLDC 모터(100)의 권선을 중심으로 각 권선의 전단에 위치하는 복수의 스위치 소자로 구성되는 상단 스위치 소자부(210)와, 각 권선의 후단에 위치하는 복수의 스위치 소자로 구성되는 하단 스위치 소자부(220)를 포함하며, 상단 스위치 소자부(210)와 하단 스위치 소자부(220)의 대응되는 각 2개의 스위치 소자가 직렬로 연결된 한 쌍을 이루며 각각의 세 쌍이 서로 병렬로 연결되어, 제어신호에 따라 온/오프 제어되면서 상기 3상 BLDC 모터(100)로 전원을 공급하는 스위치부(200); 및
    외부의 구동 신호에 의해 상기 3상 BLDC 모터(100)가 구동되도록 상기 제어신호를 생성하여 상기 스위치부(200)의 스위치 소자들의 온/오프를 제어하는 제어부(300);
    를 포함하며,
    상기 제어부(300)는
    외부의 구동 신호에 의해 상기 3상 BLDC 모터(100)의 상전환이 이루어지도록 상기 제어신호를 생성한 후,
    상기 3상 BLDC 모터(100)의 상전환에 의해 발생하는 전류방향을 검출하여, 상단 스위칭 방식을 위한 기설정된 순서의 상전환에 따른 전류방향인지 또는, 하단 스위칭 방식을 위한 기설정된 순서의 상전환에 따른 전류방항인지 판단하여, 판단 결과를 이용하여, 상기 상단 스위치 소자부(210) 중 검출한 상기 전류방향과 관련된 해당하는 순서의 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온 유지시킨 후 온/오프 스위칭 제어하고, 상기 하단 스위치 소자부(220) 중 검출한 상기 전류방향과 관련된 해당하는 순서의 스위치 소자를 선택하여 소정 시간만큼만 온/오프 스위칭한 후 온 제어되도록 상기 제어신호를 생성하며,
    소정 시간은
    상기 상단 스위치 소자에 포함되는 부트스트랩 회로에 구성되는 커패시터 용량에 따라, 상기 커패시터가 완전 방전되는 시간을 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부(300)는
    상기 3상 BLDC 모터(100)의 상전환에 따라 상단의 스위치 소자가 온/오프 스위칭되거나, 하단의 스위치 소자가 온/오프 스위칭되는 상하단 스위칭 방식으로 상기 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 구동 제어 장치.

  6. 삭제
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