KR102504096B1 - Bldc 전동기 pwm 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

Bldc 전동기 pwm 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에는 BLDC 전동기 PWM 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다. BLDC 전동기 PWM 제어 장치는 BLDC 전동기 권선을 중심으로 각 권선의 전단에 연결되는 3개의 스위칭 소자를 포함하는 상단 스위치부와 후단에 연결되는 3개의 스위칭 소자를 포함하는 하단 스위치부를 구비하는 인버터부; 및 상기 인버터부의 상단 스위치부에 포함된 스위칭 소자와 하단 스위치부에 포함된 스위칭 소자를 동시에 on 또는 off 제어하는 PWM 신호를 상기 인버터부에 제공하는 PWM 제어부를 포함할 수 있다.

Description

BLDC 전동기 PWM 제어 장치 및 그 방법 {PWM METHOD FOR CONTROLING BLDC MOTORS AND DEVICE THEREOF}
본 발명은 BLDC 전동기를 PWM 신호를 이용하여 제어하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 전동기의 소형화에 유리한 비엘디씨(BLDC : Brush-less DC) 전동기 사용이 보편화되었다. 이는 로봇산업의 발달로 인하여 정밀하고, 소형화된 전동기가 필요하게 되고, 이에 모터 및 드라이버를 소형화하고자 하는 경향에 따른다.
상기 BLDC 전동기는 직류 전동기와는 달리 브러쉬(brush)가 없어 브러쉬 마모로 인한 보수가 필요하지 않고, 회전자의 위치에 동기하여 고정자 권선에 이상적인 구형파 전류를 흘려주면 직류전동기와 마찬가지로 전류에 비례하여 일정한 토크를 발생하는 특징을 갖는다. 그래서 상기 BLDC 전동기는 소형전동기나 드라이버가 필요한 로봇 산업에서 사용이 증가하는 추세에 있으며, 근래의 하이브리드(hybrid) 자동차나 전기 자동차가 보급되면서 사용 영역을 넓혀가는 추세이다.
이와 같은 상기 BLDC 전동기는 현재까지 펄스 폭 변조(pulse width modulation, 이하 PWM이라 칭함) 기법에 의해 제어되고 있다. PWM 제어는 on 펄스(pulse)와 off 펄스의 듀티비(duty ratio)를 이용하여 BLDC에 전압을 가변적으로 인가할 수 있는 제어 방법이다.
BLDC 전동기를 PWM 제어를 하기 위하여, 복수의 스위칭 소자를 사용할 수 있다. 현실적인 스위칭 소자는 on 또는 off 될 때 전력을 소모하게 되고, 소모된 전력은 상기 스위칭 소자의 발열로 나타나게 된다. 따라서, 스위칭 소자의 발열은 스위칭 조사의 수명을 단축하거나 오동작을 유발할 수 있다.
따라서, BLDC 전동기를 PWM 제어 하는 경우에 전력 소모를 줄일 수 있는 기술의 제공이 요구 된다.
한국공개특허 제2015-0051002호
본 발명의 일 실시예가 해결하고자 하는 기술적 과제는 BLDC 전동기를 PWM 방식으로 제어하는 방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해 될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 BLDC 전동기 PWM 제어 장치는 BLDC 전동기 권선을 중심으로 각 권선의 전단에 연결되는 3개의 스위칭 소자를 포함하는 상단 스위치부와 후단에 연결되는 3개의 스위칭 소자를 포함하는 하단 스위치부를 구비하는 인버터부; 및 상기 인버터부의 상단 스위치부에 포함된 스위칭 소자와 하단 스위치부에 포함된 스위칭 소자를 동시에 on 또는 off 제어하는 PWM 신호를 상기 인버터부에 제공하는 PWM 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 PWM 제어부는,상기 상단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 제1 PWM 신호를 제공하는 동안 상기 하단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 제2 PWM 신호를 동시에 제공할 수 있으며, 상기 제1 PWM 신호의 on인 구간에는 상기 제2 PWM 신호는 off 이면, 상기 제1 PWM 신호가 off인 구간에는 상기 제2 PWM 신호는 on일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 PWM 제어부는, 상기 상단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 제1 PWM 신호 제공을 종료하여 상기 스위칭 소자를 off 전환할 때, 상기 후단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 on 신호를 버퍼 시간 동안 제공할 수 있으며, 상기 버퍼 시간은 상기 BLDC 전동기 권선에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 태양에 따른 BLDC 전동기 PWM 제어 방법은, BLDC 전동기의 권선 전단에 연결된 상단 스위칭 소자에 제1 PWM 신호를 제공하는 단계; 상기 BLDC 전동기의 권선 후단에 연결된 하단 스위칭 소자에 상기 제1 PWM 신호와 on 또는 off 구간이 반전된 제2 PWM 신호를 제공하는 단계; 상기 상단 스위칭 소자에 상기 제1 PWM 신호를 제공을 종료하는 단계; 상기 BLDC 전동기 권선에 흐르는 전류의 크기를 측정하고, 상기 전류의 크기에 비례하여 버퍼 시간을 결정하는 단계; 및 상기 하단 스위칭 소자에 상기 버퍼 시간 동안 on 신호를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면, BLDC 전동기를 PWM 방식으로 제어함에 있어서 인버터에서 소모되는 전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, BLDC 전동기 PWM 제어 장치의 구성도이다.
도 2와 도3은, 종래의 스위칭 소자가 on 되고 off되는 것에 따른 인버터부의 전류를 도시한 도면이다.
도 4는 종래의 스위칭 소자에 제공되는 PWM 신호를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위칭 소자에 제공되는 PWM 신호를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실 실시예에 따른, 도 5의 PWM 신호가 제공 될 때의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, PWM 신호 제공에 따른 전력 소모를 나타낸 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, BLDC 전동기 PWM 제어 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 전동기 PWM 제어 장치(10)는 전원부(40), 인버터부(50), PWM 제어부(70) 및 BLDC 전동기(80)를 포함할 수 있다.
전원부(40)는 인버터부(50)에 직류 전원을 공급할 수 있다. 전원부(40)는 전력의 소스(source)가 교류인 경우에 상기 교류를 직류로 변환하는 컨버터(converter)를 포함할 수 있다.
인버터부(50)는 BLDC 전동기(80)의 권선을 중심으로 각 권선의 전단에 연결되는 3개의 스위칭 소자(110, 120, 130)를 포함하는 상단 스위치부와 후단에 연결되는 3개의 스위칭 소자(140, 150, 160)를 포함하는 하단 스위치부를 구비하는 인버터부를 포함할 수 있다.
예를 들어서, 상기 스위칭 소자는 트랜지스터(transistor)일 수 있다. 도 1을 포함하여 이하의 도면에서, 상기 스위칭 소자는 트랜지스터의 일종인 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Efect-Transistor)이 도시되어 있다. 상기 트랜지스터와 MOSFET은 스위칭 소자의 예시에 불과하며 이에 한정되지 않는다.
인버터부(50)는, 도1에 도시된 것과 같이, 상단 스위치부에 제1 스위칭 소자(110), 제2 스위칭 소자(120) 및 제3 스위칭 소자(130)가 구비될 수 있고, 하단 스위치부 제4 스위칭 소자(140), 제5 스위칭 소자(150) 및 제6 스위칭 소자(160)가 구비될 수 있다.
설명의 편의를 위하여 스위칭 소자가 on 이 된다는 것은 상기 스위칭 소자가 도통된 상태를 의미하고, 스위칭 소자가 off 된다는 것은 상기 스위칭 소자가 전류를 차단하는 상태를 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스위칭 소자는 트랜지스터 일 수 있으며, 상기 트랜지스터의 게이트(gate) 단자에 전압 또는 전류가 인가된 상태를 on 상태, 전압 및 전류가 인가되지 않은 상태가 off 상태인 것으로 지칭된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인버터부(50)는 2상 구동 방식의 BLDC 전동기(80)에 전류를 공급할 있다. 이를 위하여, 인버터부(50)의 상단 스위치부에 포함된 하나의 스위칭 소자와 하단 스위치부에 포함된 하나의 스위칭 소자가 동시에 on 될 수 있다. 예를 들어서, 제1 스위칭 소자(110)와 제5 스위칭 소자(150)가 동시에 on 될 수 있다.
PWM 제어부(70)는 인버터부(50)에 PWM 신호를 제공할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른, PWM 제어부(70)는 인버터부(50)에 포함된 각 스위칭 소자에 PWM 신호를 제공하여 상기 각 스위칭 소자를 제어할 수 있다.
예를 들어서, PWM 제어부(70)는 인버터부(50)에 포함된 각 MOSFET의 게이트 단자에 PWM 신호를 제공할 수 있다. 상기 PWM 신호가 하이(high)이면 상기 MOSFET은 on이 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 PWM 제어부(70)의 동작은 도 2 내지 도5를 참조한 설명에서 자세하게 다루기 때문에 설명의 중복을 피하기 위하여 생략한다.
BLDC 전동기(80)는 브러시리스 직류 모터일 수 있다. BLDC 전동기(80)를 전기회로적으로 모델링 하면, 도1에 도시된 것과 같이, 저항부(170)와 인덕터부(180)로 나타낼 수 있다.
도 2와 도3은, 종래의 스위칭 소자가 on 되고 off되는 것에 따른 인버터부의 전류를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제1 스위칭 소자(110)와 제5 스위칭 소자(150)가 on된 상태의 전류 흐름이 도시되어 있다. 전류는 전원부(40), 제1 스위칭 소자(110), BLDC 전동기(80) 및 제5 스위칭 소자(150)를 순서대로 지나는 시계 방향으로 흐르게 된다.
도 3을 참조하면, 제1 스위칭 소자(110)가 off 되고 제5 스위칭 소자(150)가 on 된 상태의 전류 흐름이 도시되어 있다. 제1 스위칭 소자(110)가 off되면서, BLDC 전동기(80)에 전원부(40)로부터 전류가 공급되지 않지만, 인덕터부(180)에 축적된 에너지에 의해서 전류가 시계 방향으로 계속 흐르게 된다. 이때, 제5 스위칭 소자(150)를 지난 전류는 제4 스위칭 소자(140)의 다이오드쪽으로 흐르게 된다. 전류의 흐름 방향에서 제4 스위칭 소자(140)의 다이오드가 순방향이기 때문이다.
일반적으로 MOSFET에서 전력 소모는, 스위칭 소자가 on 또는 off 되는 구간에서 스위칭에 의한 전력 손실(Psw_Q), 스위칭 소자에 도통될 때의 전력 손실(Pcon_Q), 다이오드의 스위칭 손실(Psw_D) 및 다이오드의 도통 손실(Pcon_D)를 포함할 수 있다.
도 3과에 도시된 것과 같이, 다이오드에 도통 될 때의 손실이 MOSFET 전력 소모 중에서 제일 큰 부분을 차지한다. 따라서, 다이오드에 도통 되는 시간을 줄임으로써, MOSFET의 전체적인 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 4는 종래의 스위칭 소자에 제공되는 PWM 신호를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제1 스위칭 소자(110)에 제공되는 종래의 제1 PWM 신호(420)과 제4 스위칭 소자(140)에 제공되는 종래의 제2 PWM 신호(410)가 도시되어 있다. 종래에는, 종래의 제1 PWM 신호(420)가 on 되어 있는 동안 종래의 제2 PWM 신호(410)는 off되어 있다. 따라서, 종래의 제1 PWM 신호(420)가 on 되어 있을 때에는 도 2에 도시된 것과 같이 전류가 흐르다가, 종래의 제1 PWM 신호(420)가 off 되면 도 3에 도시된 것과 같이 전류가 흐르게 된다. 제1 스위칭 소자(110)에 종래의 제1 PWM 신호(420)가 제공되는 동안에 제5 스위칭 소자(150)에는 on 신호가 제공되며, 이는 설명의 편의를 위하여 도면에서 생략하였다.
따라서, 도 4에 도시된 것과 같이 PWM 신호가 제공되면 제4 스위칭 소자의 다이오드에서 전력 소모가 발생하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 스위칭 소자에 제공되는 PWM 신호를 도시한 도면이다. 도 6은 본 발명의 실 실시예에 따른, 도 5의 PWM 신호가 제공 될 때의 전류 흐름을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 스위칭 소자에 제1 PWM 신호(520)가 제공되는 동안 제4 스위칭 소자(140)에 제2 PWM 신호(510)가 제공될 수 있다. 제2 PWM 신호(510)는 제1 PWM 신호(520)가 on 구간일 때 동일한 타이밍에 off 구간을 가지며, 반대로 제1 PWM 신호(520)가 off 구간일 때 동일한 타이밍에 on 구간을 가진다. 즉, 제2 PWM 신호(510)는 제1 PWM 신호(520)를 반전한 PWM 신호(515)를 포함할 수 있다.
제1 PWM 신호(520)가 제1 스위칭 소자(110)에 제공 될 때 제1 PWM 신호(520) 중에서 on 구간일 때에는 도 2와 같이 전류가 흐르게 된다. 설명의 편의를 위해서, 제1 스위칭 소자(110)에 제1 PWM 신호(520)가 제공될 때에, 제5 스위칭 소자(150)는 계속 on 상태이다.
그러나 제1 PWM 신호(520)가 off 구간일 때 도 6에 도시된 것과 같이 전류가 흐를 수 있다. 제1 스위칭 소자(110)에 제1 PWM 신호(520)가 제공될 때 제4 스위칭 소자(140)에는 제2 PWM 신호(510)가 동시에 제공되고 있으며, 제1 PWM 신호(520)가 off 구간 일 때 제2 PWM 신호(510)는 on 구간이므로, 제4 스위칭 소자(140)는 스위치가 도통 상태가 되며 이에 따라 다이오드보다 스위치 쪽의 저항이 낮기 때문에 전류는 스위치 쪽으로 흐르게 될 수 있다.
도 6과 같이 전류가 흐르게 되면, 도 3과 갈이 전류가 흐릴 때에 비하여, 다이오드에 전류가 흐르지 않기 때문에, MOSFET의 전력 소모는 줄어들 수 있다.
제1 스위칭 소자(110)에 제1 PWM 신호(520) 제공이 종료되어 off 될 때, 제4 스위칭 소자(140)에는 버퍼 시간(310) 동안 on 신호가 추가적으로 제공될 수 있다. 버퍼 시간(310)은 제1 PWM 신호(520) 제공이 종료될 때 BLDC 전동기(80)에 흐르는 전류의 크기에 따라서 결정될 수 있다. BLDC 전동기(80)에 흐르는 전류는 저항부(170)에서 측정될 수 있지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 버퍼 시간(310)은 제1 PWM 신호(520) 제공이 종료될 때 BLDC 전동기(80)에 흐르는 전류의 크기에 비례할 수 있다. 상기 전류의 크기가 클수록 버퍼 시간(310)은 길어질 수 있다.
제1 스위칭 소자(110)에 제1 PWM 신호(520) 제공이 종료될 때에, 버퍼 시간(310) 동안 제4 스위칭 소자(140)에 on 신호가 추가적으로 제공됨으로써, 도 6과 같은 전류 흐름을 좀 더 오래 유지할 수 있다. 따라서, MOSFET에서 소모되는 전력을 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 4와 도 5는, 설명의 편의를 위하여, 제1 스위칭 소자(110)와 제4 스위칭 소자(140)에 제공되는 PWM 신호를 나타내었지만, 다른 스위칭 소자의 조합에도 동일하게 적용될 수 있으므로, 중복된 설명은 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른, PWM 신호 제공에 따른 전력 소모를 나타낸 표이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 MOSFET을 스위칭 소자로 사용하였을 때, 스위치와 다이오드의 소모 전력을 측정한 결과를 나타낸 테이블(table)이다.
종래의 PWM 제어 방법 대비, 본 발명의 PWM 제어 방법에 의해서, 다이오드의 도통 전력 소모(Pcon_D)가 가장 많이 줄어들 수 있다. 본 발명의 PWM 제어 방법에서 제2 PWM 신호(510)에 의해서 제1 PWM 신호(520)가 off 구간일 때 on 신호를 제공함으로써 다이오드가 아닌 스위치 쪽으로 전류가 흐르게 함으로써 스위치 쪽의 전력 소모는 상승하지만, 다이오드 쪽의 전력 소모는 상기 상승 전력 보다 더 크게 감소시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
BLDC 전동기 PWM 제어 장치 10
전원부 40
인버터부 50
PWM 제어부 70
BLDC 전동기 80

Claims (6)

  1. BLDC 전동기 권선을 중심으로 각 권선의 전단에 연결되는 3개의 스위칭 소자를 포함하는 상단 스위치부와 후단에 연결되는 3개의 스위칭 소자를 포함하는 하단 스위치부를 구비하는 인버터부; 및
    상기 인버터부의 상단 스위치부에 포함된 스위칭 소자와 하단 스위치부에 포함된 스위칭 소자를 동시에 on 또는 off 제어하는 PWM 신호를 상기 인버터부에 제공하는 PWM 제어부를 포함하며,
    상기 PWM 제어부는,
    상기 상단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 제1 PWM 신호 제공을 종료하여 상기 스위칭 소자를 off 전환할 때, 상기 하단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 on 신호를 버퍼 시간 동안 제공하는,
    BLDC 전동기 PWM 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 제어부는,
    상기 상단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 제1 PWM 신호를 제공하는 동안 상기 하단 스위치에 포함된 스위칭 소자에 제2 PWM 신호를 동시에 제공하며,
    상기 제1 PWM 신호의 on인 구간에는 상기 제2 PWM 신호는 off 이면, 상기 제1 PWM 신호가 off인 구간에는 상기 제2 PWM 신호는 on인,
    BLDC 전동기 PWM 제어 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼 시간은 상기 BLDC 전동기 권선에 흐르는 전류의 크기에 따라 결정되는,
    BLDC 전동기 PWM 제어 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 버퍼 시간은,
    상기 off 전환 시점에 상기 BLDC 전동기 권선에 흐르는 전류의 크기가 클수록 시간이 길어지는,
    BLDC 전동기 PWM 제어 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위칭 소자는,
    MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)를 포함하는,
    BLDC 전동기 PWM 제어 장치.
  6. BLDC 전동기의 권선 전단에 연결된 상단 스위칭 소자에 제1 PWM 신호를 제공하는 단계;
    상기 BLDC 전동기의 권선 후단에 연결된 하단 스위칭 소자에 상기 제1 PWM 신호와 on 또는 off 구간이 반전된 제2 PWM 신호를 제공하는 단계;
    상기 상단 스위칭 소자에 상기 제1 PWM 신호를 제공을 종료하는 단계;
    상기 BLDC 전동기 권선에 흐르는 전류의 크기를 측정하고, 상기 전류의 크기에 비례하여 버퍼 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 하단 스위칭 소자에 상기 버퍼 시간 동안 on 신호를 제공하는 단계를 포함하는,
    BLDC 전동기 PWM 제어 방법.
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