KR20020037837A - 비엘디씨 전동기의 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기를 구동하기 위한 구동장치에 관한 것이다.

본 발명은 BLDC 전동기를 회전시키기 위한 게이팅 신호를 출력하는 전류 제어기와 BLDC 전동기의 3상 코일과 연결된 스위칭 소자를 포함하고, 상기 전류 제어기에서 출력하는 게이팅 신호에 따라 상기 스위칭 소자가 소프트 스위칭 구동하여 3상 코일에 교번으로 전류가 흐르도록 하는 전류 구동부 및, 상기 게이트 구동부의 동작에 따라 상기 3상 코일의 각 상에 흐르는 역기전력 전압을 검출하고, 검출한 3상 코일의 역기전력 전압을 교번으로 비교하며 비교차에 대한 결과 신호가 상기 게이트 구동부에 인가되도록 하는 전압 검출부를 포함하며, 상기 전류 구동부는 상기 전압 검출부에서 제공한 신호를 입력받아 BLDC 전동기의 위치 정보를 판단한다.

따라서, 본원 발명은 홀 센서를 필요로 하지 않으며, 그에 따라 원가가 절감되고 홀 센서를 이용함에 따라 발생되었던 장착성의 어려움을 해소하는 효과가 있다.

Description

비엘디씨 전동기의 구동장치{A DEVICE FOR ROTATING A BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTOR}

본 발명은 BLDC 전동기(motor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선간 전압을 이용하여 위치 검출을 하고 이를 이용하여 하이브리드 전기 자동차의 3상 BLDC 전동기를 구동하는 BLDC 전동기의 구동장치에 관한 것이다.

하이브리드(hybrid) 전기 자동차에 사용되는 모터는 비교적 제어하기가 용이하고 효율이 높은 BLDC(brushless direct current) 전동기가 많이 사용되고 있다.

BLDC 전동기는 다수의 마그네틱 폴을 가지는 회전자와, U상, V상, W상 코일로 이루어진 고정자를 포함하며, 고정자측 코일의 각 상으로 전류를 흘려주고, 이 전류에 의해 코일에 자계가 발생하도록 하여 회전자를 회전시킨다.

따라서, BLDC 전동기를 구동시키기 위해서 종래의 구동장치는 도1에 도시된 바와 같이 전류 제어기(10), 게이트 구동부(20), BLDC 전동기(30)와, 120도 간격으로 배치된 3개의 홀 센서(A, B, C)를 포함한다.

게이트 구동부(20)는 전류 제어기(10)에서 출력하는 게이팅 신호(AH, AL, BH, BL, CH, CL)에 따라 턴 온/오프하는 6개의 트랜지스터를 포함하는데, 신호(AH, BH, CH)에 의해 턴 온/오프하는 3개의 트랜지스터는 전원 전압단에 입력단이 연결된 상위 구동부라 할 수 있고, 신호(AL, BL, CL)에 의해 턴 온/오프하는 3개의 트랜지스터는 상위 구동부의 트랜지스터와 직렬 연결되어 출력단이 (도시하지 않은) 오차 증폭기와 연결되는 하위 구동부라 할 수 있다.

여기서, BLDC 전동기(30)의 고정자 코일인 U상 코일, V상 코일, W상 코일은 상, 하위 구동부의 트랜지스터중 각 하나와 연결되어져 있다.

따라서, 전류 제어기(10)가 게이팅 신호를 인가하면, 상위 구동부와 하위 구동부의 트랜지스터중 각각 하나의 트랜지스터가 턴 온하고, 그에 따라 턴 온하는 트랜지스터를 전류 경로로 하여 U, V, W상 코일중 2개의 코일에 전류가 흘러 전계가 형성어 BLDC 전동기(30)가 회전한다.

여기서, 홀 센서(A, B, C)는 BLDC 전동기(30)의 위치 및 속도를 검출하기 위한 센서로서, 회전자의 마그네틱 폴의 극성에 대응하는 인덱스 신호를 발생하여 BLDC 전동기의 위치를 게이트 구동부(20)에 알린다.

그런데, 상기와 같은 종래의 BLDC 전동기의 구동장치는 BLDC 전동기의 위치를 검출하기 위해 홀 센서(hall sensor)가 필요하였는데, 이 홀 센서는 엔진과 CVT 사이에 모터가 존재하는 하이브리드 전기 자동차에 적용될 때 장착이 어렵고 온도나 기타 외부 환경에 매우 취약하여 장착성이 떨어지고, 그 가격이 높아 원가에 부담이 되는 문제점이 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 홀 센서 대신에 BLDC 전동기의 위치를 입력 선간전압을 이용하여 판별하는 BLDC 전동기의 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1은 종래의 BLDC 전동기의 구동장치의 블록 구성도이다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 구동장치의 블록 구성도이다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 구동장치중 전압 검출부, 로패스 필터에 대한 회로도이다.

도4는 BLDC 전동기의 구동장치에서 검출하는 U상, V상, W상 코일에서 검출되는 역기전력 전압 파형도이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 BLDC 전동기의 구동장치는, 홀 센서를 이용하지 않고 BLDC 전동기의 위치를 검출하고, 검출한 BLDC 전동기의 위치 센서를 이용하여 BLDC 전동기의 회전을 제어하도록 한다.

이를 위해, 본 발명의 BLDC 전동기의 구동장치는 홀 센서를 대신하여 전압 검출부를 이용한다. 이 전압 검출부는 BLDC 전동기를 구성하는 고정자의 U상, V상, W상 코일의 역기전력 전압을 검출하고, 이 전압을 차동 증폭기를 이용하여 각 선간 전압으로 만들고 이를 로패스 필터를 통해 필터링 하여 BLDC 전동기의 회전을 제어하는 게이트 구동부의 입력이 되도록 한다.

따라서, 게이트 구동부는 전압 검출부에서 출력하는 선간 전압에 의해 현재 모터의 위치 정보를 판단할 수 있다.

따라서, 본 발명은 전류 제어기, 게이트 구동부, 전압 검출부 및 로패스 필터를 포함한다.

전류 제어기는 BLDC 전동기를 회전시키기 위한 게이팅 신호를 출력하고, 게이트 구동부는 BLDC 전동기의 3상 코일과 연결된 스위칭 소자를 포함하고, 상기 전류 제어기에서 출력하는 게이팅 신호에 따라 상기 스위칭 소자가 구동하여 3상 코일에 교번으로 전류가 흐르도록 한다.

상기 전압 검출부는 상기 게이트 구동부의 동작에 따라 상기 3상 코일의 각 상에 흐르는 역기전력 전압을 검출하고, 검출한 3상 코일의 역기전력 전압을 교번으로 비교하여 비교차에 대한 결과 신호를 발생한다.

상기 로패스 필터는 상기 전압 검출부에서 출력하는 신호를 로패스 필터링 하여 리플이 없는 신호가 되도록 하여 상기 게이트 구동부로 출력한다.

보다 상세히, 전압 검출부는 U상 코일에 (+) 입력단이 연결되고 V상 코일에 (-) 입력단이 연결된 제1 차동 증폭기, V상 코일에 (+) 입력단이 연결되고 W상 코일에 (-) 입력단이 연결된 제2 차동 증폭기, 및 W상 코일에 (+) 입력단이 연결되고 U상 코일에 (-) 입력단이 연결된 제3 차동 증폭기를 포함한다.

그리고, 상기 로패스 필터는 상기 제1 차동 증폭기의 출력단에 연결된 제1 저항과 상기 제1 저항과 병렬 연결되고 일단이 접지된 제1 커패시터로 이루어진 제1 필터, 상기 제2 차동 증폭기의 출력단에 연결된 제2 저항과 상기 제2 저항과 병렬 연결되고 일단이 접지된 제2 커패시터로 이루어진 제2 필터, 및 상기 제3 차동 증폭기의 출력단에 연결된 제3 저항과 상기 제3 저항과 병렬 연결되고 일단이접지된 제3 커패시터로 이루어진 제3 필터를 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 구동장치를 설명한다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차의 BLCD 전동기의 구동장치의 블록 구성도이다. 도2에서 보면, 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기의 구동장치는 전류 제어기(100), 게이트 구동부(200), BLDC 전동기(300), 전압 검출부(400), 및 로패스 필터(500)를 포함한다.

전류 제어기(100)에 전류 명령 신호가 인가되면, 전류 제어기(100)는 BLDC 전동기(300)를 구동하기 위한 게이팅 신호(AH, AL, BH, BL, CH, CL)를 발생하여 게이트 구동부(200)에 인가한다. 이때, 게이팅 신호(AH, AL, BH, BL, CH, CL)는 종래의 게이팅 신호와 동일하다.

게이트 구동부(200)는 종래 기술에서 설명한 바와 같이 6개의 IGBT로 이루어져 있으며, 6개중 3개(AH, BH, CH를 게이트 단자의 입력으로 하는 트랜지스터)는 상위 구동부로 전원 전압단에 입력단이 연결되어져 있고, 나머지 3개(AL, BL, CL을 게이트 단자의 입력으로 하는 트랜지스터)는 상위 트랜지스터와 각각 직렬 연결되어져 있다. 직렬 연결된 트랜지스터들로 인가되는 게이팅 신호(AH, AL 또는 BH, BL 또는 CH, CL)는 서로 동일한 위상을 가지게 되는데, 서로 120도 위상차를 가진다.

BLDC 전동기(300)의 3상 코일은 직렬 연결된 트랜지스터들의 접점에 각각 연결되어 있다. 그러므로, 2개의 트랜지스터가 턴 온하면, 상위 트랜지스터를 통해 인가되는 전류는 3상 코일 중 2개의 코일을 도통하여 하위 트랜지스터에 흐른다.따라서, BLDC 전동기(300)의 고정자에는 자계가 형성되고 이 자계에 의해 회전자는 인력 및 척력에 의해 회전하게 된다.

여기서, 본 발명의 BLDC 전동기의 구동장치는 홀 센서를 사용하지 않는다.

그러므로, 본 발명의 BLDC 전동기의 구동장치는 홀 센서를 대신하여 U상, V상, W상 코일의 역기전력 전압을 검출하기 위한 전압 검출부(400)와 전압 검출부(400)의 출력의 리플을 제거하기 위한 로패스 필터(500)를 이용한다.

보다 상세히는, 전압 검출부(400)는 도3과 같이 구성되어 있다. 도3에 도시되어 있듯이, 전압 검출부(400)는 3개의 차동 증폭기(com1, com2, com3)와 다수의 저항으로 이루어져 있다.

차동 증폭기(com1)의 (+) 입력단은 게이트 구동부(200)의 출력단과 BLDC 전동기(300)의 3상 코일중 U상 코일의 접점에 연결되어 있고, (-) 입력단은 게이트 구동부(200)의 출력단과 BLDC 전동기(300)의 3상 코일중 V상 코일의 접접에 연결되어 있다.

그리고, 차동 증폭기(com2)의 입력단은 게이트 구동부(200)의 출력단과 BLDC 전동기(300)의 3상 코일중 V상 코일의 접점에 연결되어 있고, (-) 입력단은 게이트 구동부(200)의 출력단과 BLDC 전동기(300)의 3상 코일중 W상 코일의 접접에 연결되어 있다.

그리고, 차동 증폭기(com3)의 입력단은 게이트 구동부(200)의 출력단과 BLDC 전동기(300)의 3상 코일중 W상 코일의 접점에 연결되어 있고, (-) 입력단은 게이트 구동부(200)의 출력단과 BLDC 전동기(300)의 3상 코일중 U상 코일의 접접에 연결되어 있다.

따라서, 게이트 구동부(200)가 구동하여 120도 위상 간격에 따라 게이트 구동부(200)의 스위칭 소자가 구동하면 3상 코일로 인가되는 역기전력 전압 또는 3상 코일을 통해 게이트 구동부(200)의 스위칭 소자로 인가되는 역기전력 전압이 각 차동 증폭기(com1, com2, com3)에 인가된다.

여기서, U상 코일에 발생하는 역기전력을 Va라 하고, V상 코일에 발생하는 역기전력을 Vb라 하며, W상 코일에 발생하는 역기전력을 Vc라 한다.

따라서, BLDC 전동기(300)의 3상 코일에 발생하는 역기전력 파형은 도4와 같은 파형이 나타난다. 도4를 보면, 게이트 구동부(200)의 스위칭 소자가 소프트 스위칭을 할 때인데, 0도-60도 구간은 게이트 구동부(200)에 의해 U상 코일에 전류가 인가되고 V상 코일을 통해 게이트 구동부(200)로 전류가 흐를 때이고, 60도-120도는 U상 코일에 전류가 인가되고 WTKD 코일을 통해 전류가 게이트 구동부(200)로 흐를 때이다. 그리고, 120도-240도는 V상 코일에 전류가 인가되고 W상에서 V상으로 전류가 흘러 게이트 구동부(200)로 전류가 인가될 때이다.

도4의 전압 파형의 전류는 각각 전압 검출부(400)의 각 차동 증폭기(com1, com2, com3)에 인가되고 각 차동 증폭기의 입력단에 형성된 저항에 의해 소정 전압이 차동 증폭기에 인가된다.

여기서, 차동 증폭기(com1)를 보면, 차동 증폭기(com1)는 Va 전압과 Vb 전압을 비교하여 Va 전압이 크면 하이 레벨 신호를 Vb 전압이 크면 로우 레벨의 신호를 출력하게 된다. 이는 다른 차동 증폭기(com2, com3) 또한 마찬가지이다.

따라서, 차동 증폭기(com1)의 출력은 Va-Vb가 되고, 차동 증폭기(com2)의 출력은 Vb-Vc가 되며, 차동 증폭기(com3)의 출력은 Vc-Va가 된다.

전압 검출부(400)에서 출력하는 신호인 Va-Vb, Vb-Vc, Vc-Va는 로패스 필터(500)로 인가되고, 로패스 필터에 의해 리플이 제거되어 게이트 구동부(200)로 인가된다.

여기서, 로패스 필터(500)에서 게이트 구동부(200)로 인가되는 신호를 도4를 참조로 보다 상세히 설명한다. 우선 차동 증폭기(com1, com2, com3)의 최대값을 1로 설정하면(즉 Va, Vb, Vc의 최대값(max) - Va, Vb, Vc의 최소값의 결과치가 1이라고 설정하면), 0도에서는 Va가 최대값, Vb가 최소값, Vc가 최대값이므로, 차동 증폭기(com1)는 1, 차동 증폭기(com2)는 -1, 차동 증폭기(com3)는 0이 된다.

그리고, 30도에서는 Va가 최대값, Vb가 최소값, Vc가 중간값이므로, 차동 증폭기(com1)는 1, 차동 증폭기(com2)는 -0.5, 차동 증폭기(com3)는 -0.5가 된다.

따라서, 게이트 구동부(300)는 로패스 필터(500)로부터 차동 증폭기(com1)의 출력이 -0.5, 차동 증폭기(com2)의 출력이 0.5, 차동 증폭기(com3)의 출력이 -0.5이라는 신호를 입력받으면 150도에 대한 정보라고 인식하게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 홀 센서 대신에 BLDC 전동기의 위치를 입력 선간 전압을 이용하여 판별하므로써, 원가가 절감되고 홀 센서를 이용함에 따라 발생되었던 장착성의 어려움을 해소하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기의 구동장치에 있어서,

   BLDC 전동기를 회전시키기 위한 게이팅 신호를 출력하는 전류 제어기;

   BLDC 전동기의 3상 코일과 연결된 스위칭 소자를 포함하고, 상기 전류 제어기에서 출력하는 게이팅 신호에 따라 상기 스위칭 소자가 소프트 스위칭 구동하여 3상 코일에 교번으로 전류가 흐르도록 하는 전류 구동부; 및

   상기 게이트 구동부의 동작에 따라 상기 3상 코일의 각 상에 흐르는 역기전력 전압을 검출하고, 검출한 3상 코일의 역기전력 전압을 교번으로 비교하며 비교차에 대한 결과 신호가 상기 게이트 구동부에 인가되도록 하는 전압 검출부를 포함하며,

   상기 전류 구동부는 상기 전압 검출부에서 제공한 신호를 입력받아 BLDC 전동기의 위치 정보를 판단하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 구동장치.
2. 제1항에서,

   상기 전압 검출부에서 출력하는 신호를 로패스 필터링 하여 리플이 없는 신호가 되도록 하는 로패스 필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기의 구동장치.
3. 제1항에서,

   상기 전압 검출부는,

   U상 코일에 발생하는 전압(Va)과 V상 코일에 발생하는 전압(Vb)을 비교하여 Va-Vb에 대한 결과 신호를 출력하는 제1 차동 증폭기와,

   상기 V상 코일에 발생하는 전압(Vb)과 W상 코일에 발생하는 전압(Vc)을 비교하여 Vb-Vc에 대한 결과 신호를 출력하는 제2 차동 증폭기와,

   상기 W상 코일에 발생하는 전압(Vc)과 상기 V상 코일에 발생하는 전압을 비교하여 Vc-Va에 대한 결과 신호를 출력하는 제3 차동 증폭기를 포함하는 BLDC 전동기의 구동장치.