KR102520720B1 - 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법에 관한 발명으로, PWM 제어시에 비통전 구간을 통해 영교차점 검출의 정확성을 높이는 것에 관한 기술이다.
일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치는, 회전자 위치에 기초하여 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하는 브러시리스 직류 전동기(BLDM)의 센서리스 구동 장치에 있어서, 직류 입력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 브러시리스 직류 전동기로 공급하는 3상 인버터, 3상 인버터의 출력 단자로부터 3상 단자 전압을 검출하는 단자 전압 검출부 및 검출된 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력에 기초하여 단자 전압의 PWM제어를 수행하고, PWM제어는 전류의 스위칭이 발생하지 않는 비통전 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어부를 포함한다.

Description

브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법{DEVICE AND CONTROL METHOD FOR DRIVING SENSORLESS BLDC MOTOR}
브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법에 관한 발명으로, PWM 제어시에 비통전 구간을 통해 영교차점 검출의 정확성을 높이는 것에 관한 기술이다.
일반적으로 브러시리스 직류 전동기(Brushless DC Motor)는 구조가 간단하고 효율이 높아서 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 통상적으로, BLDC 모터의 고정자(stator)는 코일에 전류를 흘려 형성하는 전기자(armature)를 사용하고, 회전자(rotor)는 N극과 S극이 반복되어 형성된 영구자석을 사용한다.
BLDC 모터가 연속적으로 회전하기 위해서는 BLDC 모터의 연속적인 회전 자계의 형성이 필요하고, 회전자 자속이 고정자인 영구자석의 자계와 동기되어 회전하기 때문에 회전자의 위치 정보가 반드시 필요하다. 즉, 연속적인 회전자계를 형성하기 위해서는 전기자의 각 상의 코일에 흐르는 전류의 정류(commutation)를 적절한 시점에 해야 하는데, 적절한 정류를 위해서는 회전자의 위치를 정확히 인식해야 한다. 여기서 정류란, 회전자가 회전할 수 있도록 모터 고정자 코일의 전류 방향을 바꾸어 주는 것이다.
이러한 BLDC 모터의 원활한 운전을 위해서는 회전자의 위치와 상 전류의 전환시점을 정밀하게 일치시켜야 하며, 이를 위해 회전자의 위치를 검출하기 위한 장치가 요구되는데, 일반적으로는 회전자의 위치 검출을 위해 홀센서(Hall sensor)나 리졸버(Resolver) 소자, 인코더(encoder)와 같은 위치검출센서를 이용하였으나, 이러한 위치검출센서는 제조 원가가 상승하고 구동회로가 복잡해지는 등의 문제가 있기 때문에, 근래에는 회전자 위치 검출을 위한 센서 등을 사용하지 않고도 전동기를 구동시킬 수 있는 센서리스(Sensorless) 구동 방법이 사용되고 있다.
이러한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법으로는 전동기 회전 시 각 상의 고정자 코일에서 발생하는 역기전력을 추출하고, 상 역기전력의 영교차점을 이용하여 회전자의 위치 정보 및 각 상 전류의 전환 시점을 추정하여 전동기를 구동하는 방법이 주로 이용된다.
[선행기술문헌] US 2004/0263104
브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법에 관한 발명으로, PWM 제어시에 비통전 구간을 통해 영교차점 검출의 정확성을 높여 회전자의 위치 정보를 정확하게 추정한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치는,
회전자 위치에 기초하여 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하는 브러시리스 직류 전동기(BLDM)의 센서리스 구동 장치에 있어서, 직류 입력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 상기 브러시리스 직류 전동기로 공급하는 3상 인버터, 상기 3상 인버터의 출력 단자로부터 상기 3상 단자 전압을 검출하는 단자 전압 검출부 및 상기 검출된 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력에 기초하여 상기 단자 전압의 PWM제어를 수행하고, 상기 PWM제어는 상기 전류의 스위칭이 발생하지 않는 비통전 제어를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어부를 포함한다.
또한, 상기 단자 전압의 PWM 제어로부터 생성된 PWM 신호에 기초하여 상기 3상 역기전력의 영교차점(zero crossing point)을 검출하는 영교차점 검출부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 영교차점 검출부는, 상기 검출되는 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압을 비교하여 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출하는 영점 비교부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 영점 비교부는, 상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 양(+)인 구간에서는 양전압을 출력하고, 상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 음(-)인 구간에서는 영전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 전류를 스위칭하는 스위치의 동작을 위한 PWM 신호를 제거하여 비통전 신호 구간을 생성하는 비통전 제어를 수행할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 검출된 상기 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기의 회전자 위치를 검출하고 상기 검출된 회전자의 위치에 기초하여 상기 3상 인버터의 스위칭 동작을 제어할 수 있다.
또한, 상기 영교차점 검출부는, 상기 비통전 제어를 포함하는 상기 단자 전압의 PWM 제어로부터 생성된 비통전 신호 구간에 기초하여 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있다.
또한, 상기 검출되는 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기에 포함되는 상기 회전자의 위치를 결정하고, 상기 결정된 회전자의 위치에 기초한 상기 전동기의 정류 시점을 결정하여 상기 3상 인버터를 구동시키는 상전류 전환부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 PWM 제어에 기초한 PWM 신호의 스위칭 패턴을 결정하여 상기 3상 인버터에 전달하는 PWM 신호 발생부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 PWM 신호의 펄스폭을 변경하여 상기 전동기의 회전 속도를 변경하는 펄스폭 변조부를 포함할 수 있다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법은, 회전자 위치에 기초하여 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법에 있어서, 직류 입력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 브러시리스 직류 전동기로 공급하고, 상기 3상 인버터의 출력 단자로부터 상기 3상 단자 전압을 검출하고, 상기 검출된 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력에 기초하여, 상기 전류의 스위칭이 발생하지 않는 비통전 제어를 포함하는 상기 단자 전압의 PWM 제어를 수행하고, 상기 단자 전압의 PWM 제어로부터 생성된 PWM 신호에 기초하여 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출한다.
또한, 상기 영교차점을 검출하는 것은, 상기 검출되는 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압을 비교하여 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있다.
또한, 상기 영교차점을 검출하는 것은, 상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 양(+)인 구간에서는 양전압을 출력하고, 상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 음(-)인 구간에서는 영전압을 출력할 수 있다.
또한, 상기 비통전 제어는, 상기 전류를 스위칭하는 스위치의 동작을 위한 PWM 신호를 제거하여 비통전 신호 구간을 생성할 수 있다.
또한, 상기 검출된 상기 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기의 회전자 위치를 검출하고 상기 검출된 회전자의 위치에 기초하여 상기 3상 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 영교차점을 검출하는 것은, 상기 비통전 제어를 포함하는 상기 단자 전압의 PWM 제어로부터 생성된 비통전 신호 구간에 기초하여 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있다.
또한, 상기 검출되는 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기에 포함되는 상기 회전자의 위치를 결정하고, 상기 결정된 회전자의 위치에 기초한 상기 전동기의 정류 시점을 결정하여 상기 3상 인버터를 구동시키는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 PWM 제어에 기초한 PWM 신호의 스위칭 패턴을 결정하여 상기 3상 인버터에 전달하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 PWM 신호의 펄스폭을 변경하여 상기 전동기의 회전 속도를 변경하는 것을 포함할 수 있다.
PWM 제어시에 비통전 구간을 통해 영교차점 검출의 정확성을 높여 회전자의 위치 정보를 정확하게 추정할 수 있다. 또한, 검출 회로에서 사용되는 비교기(op-Amp)의 개수를 하나로 통합하는 회로를 구성하여 보다 간단한 회로를 구성할 수 있다.
도 1은 일반적인 브러시리스 직류 전동기의 구동을 위한 인버터와 전동기가 연결된 것을 도시한 개념도이다.
도 2는 브러시리스 직류 전동기의 구동을 위한 3상 역기전력과 홀 센서의 신호를 도시한 개념도이다.
도 3은 스위치 제어에 기초한 전류 흐름을 도시한 개념도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치를 제어하는 제어 블록도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 단자 전압 검출부 및 영점 비교부의 제어 흐름을 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 단자 전압 검출부의 세부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 8은 일 실시예에 따라 PWM 신호로부터 비통전 구간이 생성된 신호를 도시한 개념도이다.
도 9는 일 실시예에 따라 비통전 신호 구간을 생성하기 위한 스위치 동작을 도시한 것이다.
도 10은 일 실시예에 따라 영교차점이 검출된 신호와 비교기를 통해 출력되는 신호를 도시한 것이다.
도 11은 일 실시예에 따라 각 상의 저항을 하나로 합쳐서 역기전력을 검출하는 것을 도시한 개념도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도 면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람 직한 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법을 후술된 실시예들에 따라 상세하게 설명하도록 한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성요소를 나타내며, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본원 명세서 전체에서, "스위칭 소자"는 전기 전자 기기에서 전류를 연결해 주거나 차단해 주는 배선 소자를 의미한다. 이러한 스위칭 소자는, 제어 신호에 따라 전류를 연결하는 트랜지스터를 포함하고, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 및 전계효과 트랜지스터(FET)를 포함하나 반드시 이에 한정되지는 아니한다.
다만, 스위칭 소자가 예를 들어 전계효과 트랜지스터(FET)로서 동작하는 경우, 스위칭 소자가 게이트(gate) 단자, 드레인(drain) 단자, 소스(source) 단자를 포함하고, 입력된 신호에 따라 드레인 단자가 소스 단자로서 기능할 수 있고, 소스 단자가 드레인 단자로 기능할 수 있음은 자명한 사항이다.
또한, 스위칭 소자는 동작하는 전압에 따라, 저전압에서 동작하는 저전압 스위칭 소자(LN)와 고전압에서 동작하는 고전압 스위칭 소자(HN)로 구분될 수 있다. 특히, 고전압 스위칭 소자(HN)는 드레인 단자에 고전압을 인가해도 견딜 수 있는 스위칭 소자로서 통상적으로 각종 전력용 소자에서 사용되고 있다.
이러한 고전압 스위칭 소자들로는 DMOSFET(Double-diffused MOSFET), 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor: IGBT), EDMOSFET(Extended Drain MOSFET), LDMOSFET(Lateral Double-diffused MOSFET) 및 질화 갈륨(GaN) 트랜지스터 등이 있으나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
또한, 본원 명세서 전체에서 "턴 온(turn on)"이라 함은, 스위칭 소자를 비전도 상태에서 전도 상태(통전 상태)로 변화시키는 것을 의미한다. 특히 스위칭 소자에 전류가 흐르도록 게이트에 신호를 공급하는 것을 의미한다. 반면, "턴 오프(turn off)"라 함은, 스위칭 소자를 전도 상태에서 비전도 상태(비통전 상태)로 변화시키는 것을 의미한다.
상술한 바와 같이, 앞선 기술에 의한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법은 전동기 회전 시 각 상의 고정자 코일에서 발생하는 역기전력을 추출하고, 상 역기전력의 영교차점(ZCP; Zero Crossing Point)을 이용하여 회전자의 위치 정보 및 각 상 전류의 전환 시점을 추정하여 전동기를 구동하는 방법이 사용된다. 영교차점은, 각 상의 역기전력이 영점을 지나는 구간의 교차점을 의미하는 것으로 영교차점을 검출함으로써 홀 센서 등 별도의 위치 검출 센서 없이도 회전자의 위치를 감지하여 전동기의 구동 제어가 가능하다. 다만, 이러한 방법은 전동기 제작시에 고려되지 않은 중성점을 이용하여 상 전압을 직접 측정하므로, 상 역기전력 및 영교차점을 추출하는 데 한계가 있고, 또한, 단자 전압을 측정하여 이를 전동기 구동 전압의 절반과 비교하여 상 역기전력의 영교차점을 추출해야 하므로 이를 이용하여 전동기를 구동하는 방법은 역기전력의 크기가 작은 저속 구동 영역에서는 사용할 수 없으며, 펄스 폭 변조 방식에 의해 구동되는 전동기의 단자 전압에 고속 스위칭에 따른 노이즈 성분이 포함되어 있는 문제점이 있었다.
도 1은 일반적인 브러시리스 직류 전동기의 구동을 위한 인버터와 전동기가 연결된 것을 도시한 개념도이고, 도 2는 브러시리스 직류 전동기의 구동을 위한 3상 역기전력과 홀 센서의 신호를 도시한 개념도이며, 도 3은 스위치 제어에 기초한 전류 흐름을 도시한 개념도이다.
도 1을 참고하면, 3상 브러시리스 직류 전동기를 제어하기 위한 3상 인버터(100)가 도시되어 있으며, 전압 듀티(duty) 제어를 위한 6개의 스위치(MOSFET; Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)를 이용하여 150 ° 통전 제어를 하는 구동 회로이다. 150 ° 통전 이외에도 120 ° 통전 방식으로 제어를 할 수 있고, 150 ° 통전 방식은 스위치의 교차 작동으로 인해 발생하는 암 쇼트(Arm Short) 현상을 기구적으로(30 °)차단할 수 있으며, 암 쇼트 현상을 방지하기 위한 데드 타임(Dead time)이 필요하지 않다.
도 1에 도시된 3상 인버터(100)에 포함되는 6개의 스위치(Q1 내지 Q6)의 게이트(gate) 신호는 구형파의 형태일 수 있다. 또한, 도 4에서 후술할 바와 같이, 제어부(70)는 PWM 신호 발생부(80)를 제어하여 펄스 폭 변환(PWM) 또는 주파수 변환(PFM)된 게이트 신호를 사용함으로써 스위치를 구동시킬 수 있다.
이 때, 펄스 폭 변환(pulse width modulation)은 아날로그 신호를 유선 또는 무선 방식으로 전송하는 경우에 노이즈에 의한 아날로그 신호의 손상이 발생 하므로 노이즈에 강한 디지털 신호로 변환하여 전송하는 방식의 일종이다. 즉, 펄스 폭 변환은 아날로그 신호를 디지털 값으로 변환한 만큼 펄스 폭을 변환하는 방식으로, 신호의 진폭이 큰 경우에는 펄스의 폭이 커지고 진폭이 작을 때에는 펄스의 폭이 작아진다. 펄스 주파수 변환(pulse frequency modulation)은 신호의 크기에 따라서 펄스의 반복 주파수를 바꾸는 변환 방식으로 신호가 클 때 반복 주파수는 높아지고, 신호가 작을 때 반복 주파수는 낮아진다. 이렇게 스위치의 동작을 제어하는 것은 일반적으로 사용되고 있는 방법에 해당 한다.
스위치(Q1 내지 Q6)는 질화 갈륨(GaN) 전계효과 트랜지스터(FET)로 구현될 수 있다. 기존에는 스위칭 소자로 실리콘 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(Si MOSFET)이 주로 사용되었으나, 최근 차세대 전력 반도체 소자로 알려지고 있는 질화 갈륨 전계효과 트랜지스터(GaN FET)는 기존의 Si MOSFET에 비해 와이드 밴드 갭(Wide Band Gap) 반도체가 가지는 특징으로 인하여 상대적으로 낮은 도통 저항을 가지므로 그로 인한 발열 발생이 최소화될 수 있다. 또한, 소자 캐패시턴스(capacitance) 값이 작으며, 짧은 스위칭 턴 온 및 턴 오프 시간에 따른 고속 스위칭이 가능하여 스위칭 시에 발생하는 손실이 Si MOSFET에 비하여 현저하게 작다. 따라서, GaN FET으로 구현된 스위치를 이용하여 역률 보상 회로의 고효율화가 가능하다. 나아가, GaN FET 소자의 고주파 스위칭으로 인해 수동 소자의 부피가 작아질 수 있어서 회로의 고밀도화가 가능해지며, GaN FET 소자의 높은 역회복 특성을 이용하여 역률 보상 회로의 성능을 극대화 할 수 있다.
도 1을 참고하면, Q1 스위치 및 Q4 스위치를 'A'로 표시할 수 있고, Q2 스위치 및 Q5 스위치를 'B' 스위치로 표시할 수 있고, Q3 스위치 및 Q6 스위치를 'C'스위치로 표시할 수 있다. A, B, C 스위치는 도 2 도시된 것처럼 3상 역기전력 또는 홀 센서의 신호에 기초한 스위칭을 설명하기 위해 임의로 설정된 것이다.
Q1 스위치 및 Q4 스위치는 동시에 턴 온 되거나 턴 오프 될 수 없으며, 한쪽이 턴 온 되면 다른 한쪽은 턴 오프 되어야 한다. Q2 스위치 및 Q5 스위치도 동시에 턴 온 되거나 턴 오프 될 수 없으며, Q3 스위치 및 Q6 스위치도 동시에 턴 온 되거나 턴 오프 될 수 없다.
도 1에 도시된 바와 같은 브러시리스 직류 전동기의 각 상전압은 다음의 수학식 1과 같이 계산될 수 있는데, 각 상전압에는 상전류에 의한 성분과 역기전력 및 중성점 전압이 포함될 수 있다.
Figure 112015116697235-pat00001
이 때, Va, Vb, Vc는 상전압이고, ia, ib, ic는 상전류이며, ea, eb, ec는 상 역기전력이고, Vn은 중성점 전압이다.
도 2를 참고하면, 150 ° 통전 방식에 의한 3상 역기전력 및 홀 센서(Hall sensor)의 신호가 도시되어 있다.
홀 센서에 의한 방식은 회전자의 위치를 검출하기 위해 종래에 사용되던 방식으로 홀 센서가 검출하는 신호(Ha, Hb, Hc)에 기초하여, 전동기의 구동을 위한 스위칭을 제어할 수 있다. 또한, 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법으로서 전동기 회전 시에 각 상의 고정자 코일에서 발생하는 역기전력(ea, eb, ec)을 추출하여, 그로부터 회전자의 위치 정보 및 각 상 전류의 전환 시점을 추정할 수 있다.
도 2를 참고하면, 3상 직류 전동기는 각각 U상(Phase U), V상(Phase V), W상(Phase W)으로 표현될 수 있다. 또한, 150 ° 통전 방식에 따라 1구간을 30 °로 나눈 전기각에 있어서, 15 ° ~ 165 ° 사이에서는 도 1의 A스위치 중에서 Q1이 턴 온 되고, 135 ° ~ 285 ° 사이에서는 도 1의 B 스위치 중에서 Q2가 턴 온 되며, 255 ° 이상에서는 도 1의 C 스위치 중에서 Q3가 턴 온 된다.
도 2에 도시된 스위치 테이블(switch table)을 참고하면, A+는 Q1이 턴 온 되는 것이고, A-는 Q4가 턴 온 되는 것을 표시한 것이다. 또한, B+는 Q2가 턴 온 되는 것이고, B-는 Q5가 턴 온 되는 것을 표시한 것이다. 마찬가지로, C+는 Q3가 턴 온 되는 것이고, C-는 Q6가 턴 온 되는 것을 표시한 것이다. 이러한 스위치 테이블은 홀 센서가 검출한 신호 또는 전동기 회전 시에 각 상의 고정자 코일에서 발생하는 역기전력에 의해 작성될 수 있으며, 이러한 스위치 테이블에 기초하여, 도 1의 3상 인버터(100)로부터 3상 직류 전동기에 인가되는 전류의 흐름은 도 3에 도시된 것과 같다.
도 2에 도시된 스위치 테이블의 일 실시예(T)에 기초하면, 전기각이 135 ° ~ 165 ° 인 경우에, 스위치 테이블은 A+, B+, C- 로 표시될 수 있다. 즉, 이 구간에서는 Q1, Q2 및 Q6가 턴 온 되고 3상 인버터(100)로부터 3상 직류 전동기로 인가되는 전류의 흐름은 도 3에 도시된 것과 같이 표시될 수 있고 그에 따라 3상 직류 전동기의 구동을 제어할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치를 제어하는 제어 블록도이다.
도 4를 참고하면, 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치는 단자 전압 검출부(50), 영교차점 검출부(60), 제어부(70), PWM 신호 발생부(80), 펄스폭 변조부(85), 상전류 전환부(90)를 포함할 수 있다.
단자 전압 검출부(50)는 3상 인버터(100)의 출력 단자로부터 3상 단자 전압을 검출할 수 있다. 즉, 3상 인버터(100)는 외부로부터 공급되는 직류 입력전압을 브러시리스 직류 전동기(100)의 구동에 필요한 펄스 형태의 3상 교류 전압으로 변환하여 출력할 수 있고, 단자 전압 검출부(50)는 3상 인버터(100)의 3상 출력 단자 사이의 전압차를 계산하여 단자간 전압을 검출하여 제어부(70)에 입력할 수 있다.
단자 전압 검출부(50)에 의해서 검출되는 단자간 전압은 수학식 1에 기재된 브러시리스 직류 전동기의 각 상전압 간의 차이를 통해 계산될 수 있다. 앞서 검토한 바와 같이, 각 상전압은 역기전력 성분을 포함하고 있으므로, 단자 전압 검출부(50)에 의해서 검출되는 단자간 전압에도 3상 전동기의 각 상 간의 역기전력이 포함된다.
영교차점 검출부(60)는 단자 전압 검출부(50)에 의해서 검출된 단자간 전압을 전동기 입력 전압의 영점과 비교하여 3상 역기전력의 영교차점을 추출할 수 있다. 즉, 단자 전압 검출부(50)는 브러시리스 직류 전동기로부터 각 단자의 전압을 입력 받아 3상 역기전력을 포함하는 단자간 전압을 검출하여 이를 영교차점 검출부(60)에 포함되는 영점 비교부(61)로 송출할 수 있다.
영점 비교부(61)는 단자 전압 검출부(50)로부터 전달 받은 3상 단자 전압을 전동기의 입력 전압과 비교하여 3상 단자 전압과 전동기의 입력 전압의 차이가 양(+)인 구간에서는 양전압을 출력하고, 3상 단자 전압과 전동기의 입력 전압의 차이가 음(-)인 구간에서는 영전압을 출력할 수 있다.
제어부(70)는 단자 전압 검출부(50)가 검출한 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력에 기초하여 단자 전압의 PWM 제어를 수행할 수 있다. PWM 제어는, 펄스 폭 변환(pulse width modulation)으로 아날로그 신호를 유선 또는 무선 방식으로 전송하는 경우에 노이즈에 의한 아날로그 신호의 손상이 발생 하므로 노이즈에 강한 디지털 신호로 변환하여 전송하는 방식의 일종이다. 즉, 제어부(70)는 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다.
제어부(70)가 수행하는 PWM 제어는 후술할 바와 같이 비통전 제어가 포함될 수 있는데, 비통전 제어는 3상 인버터(100)에서의 전류 스위칭이 발생하지 않도록 PWM 신호가 제거된 비통전 신호 구간을 생성하는 제어를 의미한다.
영교차점 검출부(60)는 제어부(70)가 수행한 3상 단자 전압의 비통전 제어가 포함된 PWM 제어로부터 생성된 PWM 신호에 기초하여 3상 역기전력의 영교차점을 검출하며, 제어부(70)는 영교차점 검출부(60)가 검출한 영교차점에 기초하여 회전자의 위치 정보를 획득하고, 고정자 권선으로 전압이 인가되는 시점을 제어하여 전동기에 과전류가 공급되지 않도록 3상 인버터(100)에 공급되는 PWM 신호의 패턴을 제어하는 제어 신호를 송출할 수 있다. 이러한 제어 신호를 송출 함으로써, 3상 인버터(100)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 즉, 제어부(70)는 3상 인버터(100) 전체의 제어 알고리즘을 수행할 수 있다.
PWM 신호 발생부(80)는 제어부(70) 출력하는 PWM 신호 출력에 기초하여 PWM 신호의 스위칭 패턴을 결정할 수 있고, 결정된 스위칭 패턴을 3상 인버터(100)에 전달하여 스위치(Q1 내지 Q6)가 스위치 패턴에 따라 동작하게 할 수 있다.
펄스폭 변조부(85)는 PWM 신호 발생부(80)가 출력하는 PWM 신호의 펄스폭을 변경하여 전동기의 회전 속도를 변경할 수 있다. 펄스폭 변조부(85)는 전동기의 회전 속도를 가변시킬 수 있도록 3상 인버터(100)의 스위칭을 조절하여 브러시리스 전동기의 센서리스 구동을 제어할 수 있다.
상전류 전환부(90)는 영교차점 검출부(60)를 통해서 추출되는 3상 역기전력의 영교차점을 통해서 3상 전동기의 회전자 위치를 판단하고, 이를 통해 정류시점을 결정하여 3상 인버터(100)가 동작하도록 제어할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 단자 전압 검출부 및 영점 비교부의 제어 흐름을 도시한 것이고, 도 6 및 도 7은 일 실시예에 따른 단자 전압 검출부의 세부 구성을 나타낸 개념도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단자 전압 검출부(50)는 차동 증폭기를 이용하여 브러시리스 직류 전동기로부터 각 단자 전압을 입력 받아 상간 역기전력을 포함하는 단자간 전압을 검출하고, 이를 영점 비교부(61)에 송출할 수 있다.
영점 비교부(61)는 단자 전압 검출부(50)로부터 입력 받은 단자간 전압을 비교기를 통해 전동기 입력 전압과 비교함으로써 단자 전압과 전동기의 입력 전압의 차이가 양(+)인 구간에서는 양전압을 출력하고, 단자 전압과 전동기의 입력 전압의 차이가 음(-)인 구간에서는 영전압을 출력하는 구형 신호를 발생시킬 수 있다.
이 때, 도 5에서, Va, Vb, Vc는 상전압이고, Vac, Vba, Vcb는 상간 단자간 전압이며, Sac, Sba, Scb는 3상 단자 전압과 전동기의 입력 전압을 비교하여 송출된 신호이다.
도 6을 참고하면, 직류 전동기의 3상(U, V, W)의 단자 전압(Va, Vb, Vc)은 저항(R1, R2)에 의해 분압되어 제어부(70)의 A/D 입력포트(72)로 입력될 수 있다. 이 때, 각각의 저항 분배회로(R1, R2)에 의해 분압된 전압 값이 각 상 단자 전압의 A/D 입력 전압 범위 내에 한정될 수 있도록 A/D 입력포트(72)에 별도의 제너 다이오드를 추가할 수도 있다.
또한, 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 동작 구간에서는 3상 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있도록 각 상(U, V, W)의 단자 전압과 인버터(100) 직류단 전압(V)의 절반(1/2) 값을 비교기(30)를 통해 비교한 결과를 제어부(70)의 디지털 입력포트(74)로 입력할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따라 PWM 신호로부터 비통전 구간이 생성된 신호를 도시한 개념도이고, 도 9는 일 실시예에 따라 비통전 신호 구간을 생성하기 위한 스위치 동작을 도시한 것이다.
상술한 바와 같이, 앞선 기술에 의한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방식에 의한 경우에는 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력에 대한 PWM 제어를 수행하고, 그로부터 3상 역기전력의 영교차점을 검출하여 3상 인버터(100)의 스위치를 제어하였다.
그러나, 전동기가 구동된 후 저속으로 동작하는 구간에서는 PWM 신호의 펄스 개수가 많이 존재하고 역기전력의 크기가 작으므로 그에 따른 스위칭 노이즈가 커서 정확한 영교차점을 검출하는데 문제가 있었다.
따라서, 제어부(70)는 3상 역기전력에 기초한 PWM 신호에 대해서 비통전 제어를 수행하여 스위칭 노이즈에 따른 문제점을 해결하고 정확한 영교차점을 검출하여 회전자의 위치를 정확하게 감지할 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치에 의하면 회전자의 위치를 감지하는 홀 센서 등 별도의 위치 검출 센서가 없으므로, 전동기의 구동에 앞서 미리 정해진 위상에 따라 회전자를 정렬시킬 필요가 있다.
도 8을 참고하면, 제어부(70)는 PWM 신호에 대한 3상 비통전 제어를 수행하여 각 상마다 비통전 신호 구간을 생성할 수 있다. 단자 전압 검출부(50)에 의해 검출된 3상 단자 전압에 기초하여 3상 역기전력을 검출할 수 있고, 제어부(70)는 3상 역기전력에 대한 PWM 신호를 생성할 수 있다. 이 때, 제어부(70)는 PWM 신호를 생성하는 PWM 제어에 있어서 비통전 제어를 수행할 수 있는데, 구체적으로 저속 구간에서 스위치(Q1 내지 Q6)를 제어하여 PWM 신호를 제거할 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제어부(70)는 U상에 대한 비통전 구간(Z1), V상에 대한 비통전 구간(Z2), W상에 대한 비통전 구간(Z3)을 생성할 수 있고, 이러한 비통전 구간은 도 9에 도시된 것처럼 Q1 내지 Q6의 스위치 제어를 통해 비통전 신호를 생성할 수 있다.
도 2 및 도 3에서 상술한 바와 같이, 제어부(70)는 PWM 신호 발생부(80)를 제어하여 A스위치(Q1, Q4), B스위치(Q2, Q5), C스위치(Q3, Q6)를 동작시키는 스위칭 패턴을 생성할 수 있다.
3상 직류 전동기의 PWM 신호에 대한 비통전 신호 구간을 생성하기 위해서는 Q1, Q2, Q3 스위치가 모두 턴 온 되고 Q4, Q5, Q6 스위치는 모두 턴 오프 되거나, Q4, Q5, Q6 스위치가 모두 턴 온 되고 Q1, Q2, Q3 스위치가 모두 턴 오프 되는 경우에 비통전 구간이 생성될 수 있다.
비통전 구간에는 PWM 신호의 펄스가 존재하지 않으므로, PWM 비통전 신호 구간으로부터 정확한 영교차점이 검출될 수 있다. 즉, 영교차점 검출부(60)는 비통전 제어가 수행된 PWM 신호를 수신할 수 있고, PWM 제어로부터 생성된 비통전 신호 구간에 기초하여 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따라 영교차점이 검출된 신호와 비교기를 통해 출력되는 신호를 도시한 것이다.
도 10의 (a)는 영교차점 검출부(60)에 의해 비통전 구간이 포함된 PWM 신호로부터 영교차점이 검출된 것을 도시한 것이다. 영교차점 검출부(60)에 포함되는 영점 비교부(61)는 제어부(70)로부터 비통전 제어가 수행된 3상 단자 전압의 PWM 신호를 수신할 수 있고, 수신한 3상 단자 전압과 전동기의 입력 전압을 비교하여 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있다.
또한, 영점 비교부(61)는 3상 단자 전압의 PWM 신호에 포함된 3상 단자 전압과 전동기의 입력 전압의 차이가 양(+)인 구간에서는 양전압을 출력하고, 3상 단자 전압과 전동기의 입력 전압의 차이가 음(-)인 구간에서는 영전압을 출력하여 (b)와 같은 신호를 출력할 수 있고, 출력된 신호는 제어부(70)에 입력될 수 있다.
제어부(70)는 (c)에 도시된 것과 같이, 영점 비교부(61)를 통해서 출력된 신호의 위상을 지연시킬 수 있다. 즉, 영교차점 검출부(60)에 의해 검출된 영교차점을 3상 전동기의 구동점으로 할 수 있고, 영교차점을 기준으로 15 ° 만큼 위상을 지연시켜서 3상 전동기를 구동시킬 수 있고, 위상을 지연시키는 경우 홀 센서 등의 위치 검출 센서와 동일하게 전동기를 구동할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따라 각 상의 저항을 하나로 합쳐서 역기전력을 검출하는 것을 도시한 개념도이다.
도 5 내지 도 7에서와 같이, 3개의 비교기(op-Amp)를 사용하는 경우에는, 3개의 비교기가 모두 정상 동작하는 경우에만 역기전력을 포함하는 단자 전압을 검출할 수 있다.
따라서, 개시된 실시예에 의하면, 3개의 비교기를 사용하는 대신, 역기전력을 포함하는 단자 전압 검출을 위한 각 상의 저항(R1, R2, R3)을 하나로 합칠 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 역기전력을 검출하는 역기전력 검출부(200)는 역기전력 검출 회로(210), 노이즈를 필터링 하기 위한 저역 통과 필터(LPF; Low Pass Filter)(220), 역기전력 검출 회로(210)가 획득한 전압과 극전압(Vdc/2)을 비교하기 위한 비교기(240), 극전압을 검출하기 위한 극전압 검출기(230)를 포함할 수 있다. 이렇게, 역기전력을 검출하기 위한 각 상의 저항을 하나로 합치는 경우, 3개의 비교기가 모두 정상 동작해야만 역기전력을 검출할 수 있는 문제점을 해결할 수 있으며, 회로를 보다 간단하게 구성할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 12를 참고하면, 3상 인버터(100)는 직류 입력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 전동기로 공급할 수 있다(S100). 즉, 3상 인버터(100)는 6개의 스위치(Q1 내지 Q6)와 다이오드로 구성된 통상의 스위칭 회로로서, 정류부에서 공급되는 DC 전원을 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류 전원(U, V, W)으로 바꾸어 브러시리스 직류 전동기(BLDCM)에 공급할 수 있다.
단자 전압 검출부(50)는 3상 인버터(100)의 출력 단자 사이의 전압차를 계산하여 단자간 전압을 검출함으로써 3상 단자 전압을 검출할 수 있고(S110), 검출된 단자 전압을 제어부(70)로 송출할 수 있다. 단자 전압 검출부(50)가 검출하는 3상 단자 전압에는 3상 전동기의 각 상 간의 역기전력이 포함된다.
제어부(70)는 비통전 제어를 포함하는 단자 전압의 PWM 제어를 수행할 수 있다(S120). 즉, 단자 전압 검출부(50)가 검출한 출력 단자에 포함되는 역기전력에 대해서 3상 인버터(100)에서의 전류 스위칭이 발생하지 않도록 PWM 신호가 제거된 비통전 신호 구간을 생성할 수 있다. 제어부(70)는 PWM 신호에 대한 3상 비통전 제어를 수행하여 각 상마다 비통전 신호 구간을 생성할 수 있다.
영교차점 검출부(60)는 제어부(70)가 수행한 3상 단자 전압의 비통전 제어가 포함된 PWM 제어로부터 생성된 PWM 신호에 기초하여 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있다(S130). 영교차점 검출부(60)는 영점 비교부(61)를 포함하여 3상 단자 전압과 전동기의 입력 전압을 비교하여 3상 역기전력의 영교차점을 검출할 수 있다.
제어부(70)는 검출된 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 전동기의 회전자 위치를 검출하고(S140), 회전자의 위치에 기초한 전동기의 정류 시점을 결정하여(S150), 3상 인버터의 스위칭 동작을 제어할 수 있다(S160).
즉, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 비통전 제어를 통해 역기전력의 PWM 신호에 대한 스위칭 노이즈를 제거함으로써 영교차점 검출의 정확성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 바람직한 실시예들을 중심으로 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법에 대해 설명 하였다. 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 그 제어 방법의 예는 이에 한정되는 것이 아니며 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이다. 그러므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
50 : 단자전압 검출부
60 : 영교차점 검출부
61 : 영점 비교부
70 : 제어부
80 : PWM 신호 발생부
85 : 펄스폭 변조부
90 : 상전류 전환부
100 : 3상 인버터
200 : 역기전력 검출부
210 : 역기전력 검출 회로
220 : 저역 통과 필터
230 : 극전압 검출기
240 : 비교기

Claims (19)

  1. 회전자 위치에 기초하여 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하는 브러시리스 직류 전동기(BLDM)의 센서리스 구동 장치에 있어서,
    직류 입력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 상기 브러시리스 직류 전동기로 공급하는 3상 인버터;
    상기 3상 인버터의 출력 단자로부터 상기 3상 인버터 출력 단자 전압을 검출하는 단자 전압 검출부; 및
    상기 검출된 3상 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력에 기초하여 상기 3상 단자 전압의 PWM제어를 수행하는 제어부;를 포함하고,
    상기 PWM제어는 비통전 구간을 갖는 PWM 신호를 생성하는 것을 포함하고, 상기 비통전 구간에서 상기 PWM 신호의 펄스가 존재하지 않으며,
    상기 PWM 신호 및 상기 3상 단자 전압의 PWM 제어로부터 생성된 상기 비통전 구간으로부터 상기 3상 역기전력의 영교차점(zero crossing point)을 검출하는 영교차점 검출부;를 더 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영교차점 검출부는,
    상기 검출되는 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압을 비교하여 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출하는 영점 비교부;를 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 영점 비교부는,
    상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 양(+)인 구간에서는 양전압을 출력하고, 상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 음(-)인 구간에서는 영전압을 출력하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 검출된 상기 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기의 회전자 위치를 검출하고 상기 검출된 회전자의 위치에 기초하여 상기 3상 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 검출되는 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기에 포함되는 상기 회전자의 위치를 결정하고, 상기 결정된 회전자의 위치에 기초한 상기 전동기의 정류 시점을 결정하여 상기 3상 인버터를 구동시키는 상전류 전환부;를 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 PWM 제어에 기초한 PWM 신호의 스위칭 패턴을 결정하여 상기 3상 인버터에 전달하는 PWM 신호 발생부;를 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 PWM 신호의 펄스폭을 변경하여 상기 전동기의 회전 속도를 변경하는 펄스폭 변조부;를 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  11. 회전자 위치에 기초하여 고정자 권선에 인가되는 전류를 스위칭하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법에 있어서,
    직류 입력 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 브러시리스 직류 전동기로 공급하고;
    3상 인버터의 출력 단자로부터 3상 단자 전압을 검출하고;
    상기 검출된 3상 단자 전압에 포함되는 3상 역기전력에 기초하여 상기 3상 단자 전압의 PWM 제어를 수행하고;
    상기 PWM제어는 비통전 구간을 갖는 PWM 신호를 생성하는 것을 포함하고, 상기 비통전 구간에서 상기 PWM 신호의 펄스가 존재하지 않으며,
    상기 PWM 신호 및 상기 단자 전압의 PWM 제어로부터 생성된 상기 비통전 구간으로부터 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출하는 것;을 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 영교차점을 검출하는 것은,
    상기 검출되는 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압을 비교하여 상기 3상 역기전력의 영교차점을 검출하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 영교차점을 검출하는 것은,
    상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 양(+)인 구간에서는 양전압을 출력하고, 상기 3상 단자 전압과 상기 전동기의 입력 전압의 차이가 음(-)인 구간에서는 영전압을 출력하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법.
  14. 삭제
  15. ◈청구항 15은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 11항에 있어서,
    상기 검출된 상기 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기의 회전자 위치를 검출하고 상기 검출된 회전자의 위치에 기초하여 상기 3상 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 것;을 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법.
  16. 삭제
  17. ◈청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 11항에 있어서,
    상기 검출되는 3상 역기전력의 영교차점에 기초하여 상기 전동기에 포함되는 상기 회전자의 위치를 결정하고, 상기 결정된 회전자의 위치에 기초한 상기 전동기의 정류 시점을 결정하여 상기 3상 인버터를 구동시키는 것;을 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법.
  18. ◈청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 11항에 있어서,
    상기 PWM 제어에 기초한 PWM 신호의 스위칭 패턴을 결정하여 상기 3상 인버터에 전달하는 것;을 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법.
  19. ◈청구항 19은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    제 18항에 있어서,
    상기 PWM 신호의 펄스폭을 변경하여 상기 전동기의 회전 속도를 변경하는 것;을 포함하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 제어 방법.
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