KR20000050928A - 고속모터의 센서리스 속도제어방법 - Google Patents

고속모터의 센서리스 속도제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고속모터의 센서리스 속도제어방법에 관한 것으로, 역기전력을 이용한 고속모터의 센서리스 제어방법에 있어서, 고속모터를 가속 모드로 모드 전환 RPM까지 가속 후 상기 고속모터의 역기전력 신호로부터 발생되는 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제1듀티조정단계와, 전압을 조정하여 이상적인 전류 파형이 만들어질 때의 구형파 에지와 동기신호의 펄스차를 측정하여 센서리스 모드 전환조건을 설정하는 전환조건설정단계와, 상기 전환조건설정단계에서 측정된 펄스차를 이용하여 상기 고속모터를 가속 모드에서 센서리스 모드로 전환하는 모드전환단계와, 상기 모드전환단계에서 센서리스 모드로 전환 후 고속까지 RPM을 상승시킨 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제2듀티조정단계로 이루어져, 전환 RPM까지 가속 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하고, 전환 RPM에서 센서리스 모드로 전환 후 고속까지 RPM을 상승시킨다음 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하여 고속에서의 안정된 모터제어와 센서리스 모드 전환이 가능하다.

Description

고속모터의 센서리스 속도제어방법 {sensorlee speed control method of high speed motor}
본 발명은 고속용(4만 rpm이상) 브러쉬리스 직류 모터(이하, 고속모터라 한다)의 센서리스(sensorless) 제어에 관한 것으로, 특히 역기전력 신호로부터 발생되는 구형파 신호의 듀티를 회전속도에 관계없이 일정하게 조정하여 고속에서의 안정된 모터제어와 센서리스 모드 전환이 가능한 고속모터의 센서리스 속도제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 인버터 방식에 의한 고속모터의 속도제어장치는 도 1에 도시한 바와같이, 가변저항 등에 의해 원하는 속도를 지령하는 속도명령부(10)와, 고속모터(100)의 역기전력을 이용하여 상기 고속모터(100)의 현재 회전속도를 측정하는 속도측정부(20)와, 상기 속도명령부(10)에 의해 지령된 설정속도에서 상기 속도측정부(20)에 의해 측정된 현재속도를 감산한 속도에러(e)를 입력으로 하여 상기 고속모터(100)의 속도제어를 행하는 PI제어기(30)와, 상기 PI제어기(30)의 출력과 고속모터(100)의 역기전력으로부터 검출된 회전자 위치정보를 입력으로 하여 상기 고속모터(100)에 인가되는 PWM 파형의 듀티 및 상을 제어하는 동기 및 PWM 제어부(40)와, 상기 동기 및 PWM 제어부(40)의 출력에 의해 고속모터(100)를 구동하는 인버터구동부(50)와, 상기 인버터구동부(50)로부터 출력되는 구동신호에 따라 다수개의 파워-트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프동작시켜 후술하는 컨버터부로부터 출력되는 DC전원을 3상 AC전원으로 변환시키는 인버터부(60)와, 상기 고속모터(100)의 역기전력을 감지하여 회전속도 및 회전자 위치를 검출하도록 신호를 정형시켜 주는 역기전력감지부(70)와, 전원입력단(81)으로부터 입력되는 AC입력전원을 DC전원으로 변환하는 컨버터부(80)로 구성되어 있다.
상기 역기전력감지부(70)는 도 2에 도시한 바와같이, 상기 고속모터(100)의 역기전력 신호(a,b,c)를 감지하여 소정의 크기로 축소하는 전압분배기(71)와, 상기 전압분배기(71)에 의해 축소된 역기전력 신호로부터 90。의 위상 지연을 갖는 삼각파를 생성하는 적분기(73)와, 상기 적분기(73)의 출력과 역기전력의 중성전압을 비교하여 구형파를 생성하는 비교기(75)와, 상기 비교기(75)의 구형파 신호를 DC 그라운드 기준으로 변환시키는 아이솔레이션(77)으로 구성되어 있으며, 상기 적분기(73)는 도 3에 도시한 바와같이, 내부회로에 가변저항(VR)을 부착하여 구형파의 듀티를 조절하게 된다.
상기와 같이 구성된 3상 2여자 방식의 고속모터의 속도제어장치에 있어서, 고속모터(100)가 일정속도로 회전하면, 인버터부(60)의 출력단에 연결된 역기전력감지부(70)에서는 상기 고속모터(100)의 역기전력 신호로부터 회전자 위치를 검출하기 위한 구형파 신호를 다음과 같이 발생한다.
먼저, 고속모터(100)의 역기전력 신호(a,b,c)는 그 크기가 적분기(73)에서 처리하기에는 매우 크므로 고속모터(100)의 역기전력 신호(a,b,c)를 전압분배기(71)를 통해 도 4에 도시한 바와같이, 적당한 크기(va,vb,vc)로 줄여준다.
상기 전압분배기(71)에 의해 축소된 역기전력 신호(va,vb,vc)가 적분기(73)를 통과하면 위상이 90。 지연되면서 도 4에 도시한 바와같이, 삼각파 형태를 갖는 신호(vai,vbi,vci)가 된다.
상기 적분기(73)의 출력 신호(vai,vbi,vci)는 역기전력의 중성점 전압(vn)과 비교기(75)에 의해 비교되어 도 4에 도시한 바와같이, 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)를 발생하고, 동기 및 PWM 제어부(40)는 상기 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 상승, 하강에지를 감지하여 그때의 역기전력 파형에 알맞는 상을 제어하게 된다.
상기 고속모터(100)의 상변환은 역기전력 신호로부터 발생된 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 상승, 하강에지에서 이루어지므로 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)가 부정확할 경우에는 정확한 모터제어가 어렵게 된다.
이상적인 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)는 듀티 50%를 갖는 신호여야 하지만 부품의 정확도나 하드웨어 지연 등의 요인으로 인하여 약간의 오차를 갖게 되며, 이러한 오차는 저속 회전시보다 고속 회전시에 그리고 고속모터(100)의 극수가 클수록 큰 영향을 미친다.
이에, 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해 적분기(73)에 도 3에 도시한 바와같이, 가변저항(VR)을 부착하여 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 듀티가 50%가 되도록 조정하도록 하였다.
그런데, 이와같은 종래 고속모터의 구형파 듀티 조정방법에 있어서, 실험결과에 의하면 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 정(positive) 듀티는 회전 RPM이 증가할수록 줄어드는 경향이 있다.
이에, 저속 회전시에 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 정 듀티를 50%로 설정한 경우에는 고속 회전시(4극, 50,000 RPM)에 듀티가 50%보다 낮게(예를들면, 48%) 되므로 모터제어가 불안정하게 된다.
또, 고속 회전시에 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 정 듀티를 50%로 설정한 경우에는 저속 회전시에 듀티가 50%보다 크게 되므로 고속모터(100) 기동 후 구형파의 에지신호와 동기신호간의 폭에 의해 가속 모드에서 센서리스 모드로의 전환조건을 판단해야 하는데, 부정확한 구형파의 입력으로 모드전환이 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 전환 RPM까지 가속 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하고, 전환 RPM에서 센서리스 모드로 전환 후 고속까지 RPM을 상승시킨다음 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하여 고속에서의 안정된 모터제어와 센서리스 모드 전환이 가능한 고속모터의 센서리스 속도제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 속도제어방법은, 역기전력을 이용한 고속모터의 센서리스 제어방법에 있어서, 고속모터를 가속 모드로 모드 전환 RPM까지 가속 후 상기 고속모터의 역기전력 신호로부터 발생되는 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제1듀티조정단계와, 전압을 조정하여 이상적인 전류 파형이 만들어질 때의 구형파 에지와 동기신호의 펄스차를 측정하여 센서리스 모드 전환조건을 설정하는 전환조건설정단계와, 상기 전환조건설정단계에서 측정된 펄스차를 이용하여 상기 고속모터를 가속 모드에서 센서리스 모드로 전환하는 모드전환단계와, 상기 모드전환단계에서 센서리스 모드로 전환 후 고속까지 RPM을 상승시킨 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제2듀티조정단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 BLDC 고속모터의 속도제어장치의 블록구성도,
도 2는 일반적인 BLDC 고속모터의 속도제어장치의 감지회로도,
도 3은 도 2의 적분기의 상세회로도,
도 4는 도 2의 역기전력 감지회로의 동작파형도,
도 5는 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 모드 전환조건 설정방법을 도시한 플로우챠트,
도 6은 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 모드 전환 및 고속 회전시 모터제어 동작순서를 도시한 플로우챠트,
도 7은 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 모드 전환조건 재설정방법을 도시한 플로우챠트.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
10 : 속도명령부 20 : 속도측정부
30 : PI제어기 40 : 동기 및 PWM 제어부
50 : 인버터구동부 60 : 인버터부
70 : 역기전력감지부 80 : 컨버터부
100 : 고속모터
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 고속모터의 속도제어장치는 도 1에 도시한 바와같이, 가변저항 등에 의해 원하는 속도를 지령하는 속도명령부(10)와, 고속모터(100)의 역기전력을 이용하여 상기 고속모터(100)의 현재 회전속도를 측정하는 속도측정부(20)와, 상기 속도명령부(10)에 의해 지령된 설정속도에서 상기 속도측정부(20)에 의해 측정된 현재속도를 감산한 속도에러(e)를 입력으로 하여 상기 고속모터(100)의 속도제어를 행하는 PI제어기(30)와, 상기 PI제어기(30)의 출력과 고속모터(100)의 역기전력으로부터 검출된 회전자 위치정보를 입력으로 하여 상기 고속모터(100)에 인가되는 PWM 파형의 듀티 및 상을 제어하는 동기 및 PWM 제어부(40)와, 상기 동기 및 PWM 제어부(40)의 출력에 의해 고속모터(100)를 구동하는 인버터구동부(50)와, 상기 인버터구동부(50)로부터 출력되는 구동신호에 따라 다수개의 파워-트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프동작시켜 후술하는 컨버터부로부터 출력되는 DC전원을 3상 AC전원으로 변환시키는 인버터부(60)와, 상기 고속모터(100)의 역기전력을 감지하여 회전속도 및 회전자 위치를 검출하도록 신호를 정형시켜 주는 역기전력감지부(70)와, 전원입력단(81)으로부터 입력되는 AC입력전원을 정류 및 평활시켜 DC전원으로 변환하는 컨버터부(80)로 구성되어 있다.
그리고, 상기 동기 및 PWM제어부(40)는 전환 RPM(가속 모드에서 센서리스 모드로 전환하기에 적합한 RPM, 8,000 RPM)까지 가속 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하고, 전환 RPM에서 센서리스 모드로 전환 후 고속까지 RPM을 상승시킨다음 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하도록 상기 고속모터(100)에 인가되는 PWM 파형의 듀티를 제어한다.
또한, 상기 역기전력감지부(70)는 도 2 및 도 3에 도시한 종래의 구성과 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
이하, 상기와 같이 구성된 고속모터의 센서리스 속도제어방법의 작용효과를 설명한다.
먼저, 고속모터(100)의 센서리스 모드 전환조건을 도 5에 도시한 바와 같이, 설정한다.
도 5는 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 모드 전환조건 설정방법을 도시한 플로우챠트로서, 도 5에서 S는 스텝(STEP)을 표시한다.
스텝S10에서는 속도명령부(10)에 의해 고속모터(100)의 원하는 속도를 지령하면, 동기 및 PWM 제어부(40)에서 고속모터(100)에 인가되는 PWM 파형의 듀티 및 상을 제어하기 위한 인버터 구동용 PWM신호를 인버터구동부(50)에 출력한다.
따라서, 상기 인버터구동부(50)에서는 동기 및 PWM 제어부(40)로부터 출력되는 PWM신호를 증폭시켜 인버터부(60)의 도시되지 않은 6개의 파워-트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프동작시키므로 컨버터부(80)로부터 출력되는 DC전원을 3상(u상, v상, w상) AC전원으로 변환시켜 고속모터(100)를 기동시킨다.
상기 고속모터(100)의 기동 후, 스텝S11에서는 고속모터(100)를 전환 RPM(가속 모드에서 센서리스 모드로 전환하기에 적합한 RPM, 8,000 RPM)까지 가속 모드로 가속시킨 후, 역기전력감지부(70)의 적분기(73)에 부착된 가변저항(VR)을 이용하여 고속모터(100)의 역기전력 신호로부터 발생되는 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 정 듀티를 50%로 조정한다.
이때, 일반적으로 전류 파형은 과전압에 의해 이상적인 형태가 아니므로 스텝S12에서는 가속 모드에서 전압을 슬라이닥스를 이용하여 천천히 떨어뜨리면 어느 순간에 이상적인 전류 파형이 만들어진다.
이어서, 스텝S13에서는 이상적인 전류 파형이 만들어질 때의 구형파 에지신호와 동기신호와의 펄스차(△P1)를 측정하여 센서리스 모드로의 전환조건을 설정하면서 동작을 종료한다.
이때, 이상적인 경우 펄스차는 0으로 수렴하여야 하지만 실제로는 어느 정도 오차를 갖게 된다.
상기와 같이 구형파 에지와 동기신호와의 펄스차(△P1)에 의해 센서리스 모드로의 전환조건이 설정되면, 고속에서의 안정된 모터제어와 센서리스 모드 전환 동작을 다음의 도 6에 도시한 바와같이, 수행한다.
도 6은 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 모드 전환 및 고속 회전시 모터제어 동작순서를 도시한 플로우챠트이다.
스텝S20에서는 동기 및 PWM 제어부(40)에서 고속모터(100)에 인가되는 PWM 파형의 듀티 및 상을 제어하기 위한 인버터 구동용 PWM신호를 인버터구동부(50)에 출력한다.
따라서, 상기 인버터구동부(50)에서는 동기 및 PWM 제어부(40)로부터 출력되는 PWM신호를 증폭시켜 인버터부(60)를 동작시키므로 컨버터부(80)로부터 출력되는 DC전원을 3상(u상, v상, w상) AC전원으로 변환시켜 고속모터(100)를 재기동시킨다.
상기 고속모터(100)의 재기동 후, 스텝S21에서는 고속모터(100)를 가속 모드로 가속시켜 전환 RPM에 도달하였는지를 판별하여, 전환 RPM에 도달하지 않으면(NO일 경우)에는 전환 RPM에 도달할 때까지 스텝S21이하의 동작을 반복수행한다.
상기 스텝S21에서의 판별결과, 전환 RPM에 도달하면(YES일 경우)에는 스텝S22로 나아가서 동기 및 PWM 제어부(40)는 자동적으로 고속모터(100)에 가해지는 PWM 듀티를 조절하여 전압을 떨어뜨린다.
이어서, 스텝S23에서는 고속모터(100)를 재기동하여 PWM 듀티를 조절할 때의 구형파 에지와 동기신호와의 펄스차(△P2)를 측정한다.
이에 따라, 스텝S24에서는 PWM 듀티를 조절할 때의 펄스차(△P2)가 이상적인 전류 파형이 만들어질 때의 펄스차(△P1)보다 작은가를 판별하여, 펄스차(△P2)가 펄스차(△P1)보다 작지 않으면(NO일 경우) 상기 스텝S22로 복귀하여 스텝S22이하의 동작을 반복수행한다.
상기 스텝S24에서의 판별결과, 펄스차(△P2)가 펄스차(△P1)보다 작으면(YES일 경우) 스텝S25로 나아가서 센서리스 모드로 전환한다.
상기 고속모터(100)를 센서리스 모드로 전환한 후, 스텝S26에서는 고속모터(100)의 RPM(속도)을 고속 영역(40,000 RPM)까지 상승시킨 후, 적분기(73)에 부착된 가변저항(VR)을 이용하여 고속모터(100)의 역기전력 신호로부터 발생되는 구형파 신호(Sa,Sb,Sc)의 정 듀티를 50%로 조정하여 고속에서의 안정된 모터제어와 센서리스 모드 전환을 가능하게 하면서 동작을 종료한다.
이때, 구형파의 듀티를 고속에서 맞추는 이유는 고속일수록 이상적인 구형파의 펄스가 필요하기 때문이다.
상기와 같이 고속 영역에서 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하여 고속에서의 안정된 모터제어가 이루어지면, 모드 전환을 위한 펄스차를 새롭게 설정하기 위한 고속모터(100)의 센서리스 모드 전환조건을 다음의 도 7에 도시한 바와 같이, 재설정한다.
도 7은 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 모드 전환조건 재설정방법을 도시한 플로우챠트이다.
스텝S30에서는 동기 및 PWM 제어부(40)에서 고속모터(100)에 인가되는 PWM 파형의 듀티 및 상을 제어하기 위한 인버터 구동용 PWM신호를 인버터구동부(50)에 출력한다.
따라서, 상기 인버터구동부(50)에서는 동기 및 PWM 제어부(40)로부터 출력되는 PWM신호를 증폭시켜 인버터부(60)를 동작시키므로 컨버터부(80)로부터 출력되는 DC전원을 3상(u상, v상, w상) AC전원으로 변환시켜 고속모터(100)를 기동시킨다.
상기 고속모터(100)의 기동 후, 스텝S31에서는 고속모터(100)를 전환 RPM까지 가속 모드로 가속시킨 후, 스텝S32에서는 전압을 조정하여 이상적인 전류 파형을 만든다.
이어서, 스텝S33에서는 이때의 구형파 에지와 동기신호와의 펄스차(△P3)를 측정하여 향후 센서리스 모드로의 전환을 위한 모드 전환조건으로 재설정하면서 동작을 종료한다.
상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 고속모터의 센서리스 속도제어방법에 의하면, 전환 RPM까지 가속 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하고, 전환 RPM에서 센서리스 모드로 전환 후 고속까지 RPM을 상승시킨다음 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하여 고속에서의 안정된 모터제어와 센서리스 모드 전환이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (5)

  1. 역기전력을 이용한 고속모터의 센서리스 제어방법에 있어서,
    고속모터를 가속 모드로 모드 전환 RPM까지 가속 후 상기 고속모터의 역기전력 신호로부터 발생되는 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제1듀티조정단계와,
    전압을 조정하여 이상적인 전류 파형이 만들어질 때의 구형파 에지와 동기신호의 펄스차를 측정하여 센서리스 모드 전환조건을 설정하는 전환조건설정단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속모터의 센서리스 속도제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전환조건설정단계에서 측정된 펄스차를 이용하여 상기 고속모터를 가속 모드에서 센서리스 모드로 전환하고 고속까지 RPM을 상승시킨 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제2듀티조정단계를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 고속모터의 센서리스 속도제어방법.
  3. 역기전력을 이용한 고속모터의 센서리스 제어방법에 있어서,
    고속모터를 가속 모드로 모드 전환 RPM까지 가속하는 모터가속단계와,
    전압을 조정하여 이상적인 전류 파형이 만들어질 때의 구형파 에지와 동기신호의 펄스차를 측정하여 센서리스 모드 전환조건을 재설정하는 전환조건재설정단계로 이루어진 고속모터의 센서리스 속도제어방법.
  4. 역기전력을 이용한 고속모터의 센서리스 제어방법에 있어서,
    고속모터를 가속 모드로 모드 전환 RPM까지 가속 후 상기 고속모터의 역기전력 신호로부터 발생되는 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제1듀티조정단계와,
    전압을 조정하여 이상적인 전류 파형이 만들어질 때의 구형파 에지와 동기신호의 펄스차를 측정하여 센서리스 모드 전환조건을 설정하는 전환조건설정단계와,
    상기 전환조건설정단계에서 측정된 펄스차를 이용하여 상기 고속모터를 가속 모드에서 센서리스 모드로 전환하는 모드전환단계와,
    상기 모드전환단계에서 센서리스 모드로 전환 후 고속까지 RPM을 상승시킨 후 구형파의 정 듀티를 50%로 조정하는 제2듀티조정단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고속모터의 센서리스 속도제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 모드전환단계는 상기 고속모터를 재기동하여 가속 모드로 모드 전환 RPM에 도달하면 PWM 듀티를 조절하여 구형파 에지와 동기신호와의 펄스차를 측정하고, 이 펄스차가 상기 전환조건설정단계에서 측정된 펄스차보다 작으면 상기 고속모터를 가속 모드에서 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 고속모터의 센서리스 속도제어방법.
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