KR20020039032A - 하이브리드 전기 자동차의 비엘디씨 전동기 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치에 관한 것이다.

본 발명은 U상, V상, W상의 3상 코일로 이루어진 고정자와 다수의 마그네틱 폴로 이루어진 회전자로 이루어진 BLDC 전동기와, 3개의 트랜지스터가 초핑(chopping), 다른 3개의 트랜지스터가 정류 동작을 수행하는 게이트 구동부와, 상기 게이트 구동부의 6개 트랜지스터를 구동하기 위한 게이트 구동 신호를 출력하는 전류 제어기와, 상기 U, V, W상에 흐르는 전압을 검출하는 역기전력 검출부를 포함하는 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치에 있어서, 상기 역기전력 검출부에서 검출한 U, V, W상의 전압을 입력하여 U, V, W상의 전압을 가산한 후 이를 기준 전압과 비교하여 비교차에 해당하는 제1 신호를 상기 전류 제어기로 출력하는 위치 검출부를 포함하며, 이때, 상기 제1 신호에 의해 상기 전류 제어기는 30도 간격의 펄스폭 변조 신호를 출력한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 30도 간격으로 BLCD 전동기의 위치를 검출할 수 있도록 하여 전류 왜곡률을 줄이고, 그에 따라 전동기의 토크를 개선하여 차량의 승차감을 향상시키는 효과가 있다.

Description

하이브리드 전기 자동차의 비엘디씨 전동기 구동장치{BLDC MOTOR-DRIVING DEVICE FOR HYBRID ELECTRIC VEHICLE}

본 발명은 BLDC 전동기(motor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하이브리드전기 자동차에 적용되는 PWM 방식의 3상 BLDC 전동기의 구동장치에 관한 것이다.

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

일반적으로 BLDC 전동기는 다수의 마그네틱 폴을 가지는 회전자와, 120도 간격의 U상, V상, W상 코일로 이루어진 고정자를 포함하고, 고정자측 3상 코일중 2상 코일에 120도 위상 간격으로 교번으로 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 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 도2와 같은 PWM 게이트 구동 펄스를 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 형성되어 BLDC 전동기(30)가 회전한다.

홀 센서(A, B, C)는 BLDC 전동기(30)의 위치 및 속도를 검출하기 위한 센서로서, 인덱스 신호를 게이트 구동부(20)에 인가한다.

그런데, 상기와 같은 종래의 PWM 방식의 BLDC 전동기의 구동장치는 게이트 구동 신호(AH, AL, BH, BL, CH, CL)의 펄스폭을 조절하여 BLDC 전동기(30)의 구동을 제어하는데, 도2와 같은 출력 신호를 이용함에 의해 60도 단위로 BLDC 전동기의 위치를 검출하게 되어 전류 왜곡율이 높고, 그에 따라 승차감이 저감되는 단점이 있다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 30도 단위로 BLDC 전동기의 위치를 검출하여 전류 왜곡율이 낮고 승차감이 향상되도록 하는 것을 목적으로 한다.

도1은 일반적인 BLDC 전동기의 구동장치의 블록 구성도이다.

도2는 종래의 BLDC 전동기를 구동하기 위한 PWM 출력 파형도이다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치의 블록 구성도이다.

도4는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기 구동장치를 구동하기 위한 PWM 출력 파형도이다.

도5는 본 발명의 실시예에 따른 위치 검출기의 내부 회로도이다.

도6은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기 구동장치에서 검출한 U, V, W 코일의 역기전력 파형도이다.

도7은 본 발명의 실시예에 따른 위치 검출기에서 발생하는 신호들의 파형도이다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치는,

U상, V상, W상의 3상 코일로 이루어진 고정자와 다수의 마그네틱 폴로 이루어진 회전자로 이루어진 BLDC 전동기와, 3개의 트랜지스터가 초핑(chopping), 다른 3개의 트랜지스터가 정류 동작을 수행하는 게이트 구동부와, 상기 게이트 구동부의 6개 트랜지스터를 구동하기 위한 게이트 구동 신호를 출력하는 전류 제어기와, 상기 U, V, W상에 흐르는 전압을 검출하는 역기전력 검출부를 포함하는 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치에 있어서,

상기 역기전력 검출부에서 검출한 U, V, W상의 전압을 입력하여 U, V, W상의 전압을 가산한 후 이를 기준 전압과 비교하여 비교차에 해당하는 제1 신호를 상기 전류 제어기로 출력하는 위치 검출부를 포함하며, 이때, 상기 제1 신호에 의해 상기 전류 제어기는 30도 간격의 펄스폭 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 위치 검출부는 상기 U상, V상, W상 전압을 입력으로 하는 브리지 다이오드와, 상기 브리지 다이오드의 출력 전압을 가산하는 가산기, 및 상기 가산기에 의해 얻어진 전압을 기준 전압과 비교하는 비교기를 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치를 설명한다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 자동차의 BLCD 전동기 구동장치의 블록 구성도이다. 도3에서 보면, 본 발명의 실시예에 따른 장치는 전류 제어기(100), 게이트 구동부(200), BLDC 전동기(300), 역기전력 검출부(400), 위치 검출부(500), 홀 센서(A, B, C)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.

이렇게 BLDC 전동기(300)가 회전하면, 홀 센서(A, B, C)는 자계의 크기를 검출하고 이에 대한 신호를 게이트 구동부(200)로 출력한다.

여기서, 본원 발명은 그 목적을 달성하기 위해 U, V, W상 코일에 형성되는 역기전력을 검출하는 역기전력 검출부(400)와 위치 검출부(500)를 이용한다.

역기전력 검출부(400)는 U, V, W상 코일의 경로에 입력단이 연결되어 U, V, W상에 형성되는 전압을 검출한다. 이러한 역기전력 검출부(400)에서 검출한 U, V, W상의 전압은 도6과 같다.

도6에서 Ea는 U상 전압이고, Eb는 V상 전압이며, Ec는 W상 전압이다.

도6에 도시된 바와 같이, 게이팅 신호가 120도 위상 간격을 가지므로 U, V, W상 전압 파형 또한 120도 위상 간격을 나타낸다.

역기전력 검출부(400)에서 검출한 전압(Ea, Eb, Ec)은 위치 검출부(500)에 인가되는데, 위치 검출부(500)는 도5와 같이 구성되어져 있다.

위치 검출부(500)는 도2와 같이 60도 단위로 신호를 인식하는 것에서, 60도 단위에서 30도 쉬프트된 정보를 제공하여 30도 단위로 신호를 인식할 수 있도록 한다.

이를 위해, 위치 검출부(500)는 브리지 다이오드(501), 가산기(502), 및 비교기(com)를 포함한다.

브리지 다이오드(501)는 U, V, W상 전압을 정류하기 위한 것으로, 다이오드(D1, D4)와 다이오드(D2, D5)와, 다이오드(D3, D6)가 직렬 연결되어 있고, 다이오드(D1, D2, D3)의 캐소드가 서로 연결되어 있으며, 다이오드(D4, D5, D6)의 애노드가 서로 연결되어 있다.

U상 전압(Ea)은 다이오드(D1, D4)의 접점에 인가되고, V상 전압(Eb)은 다이오드(D2, D5)의 접점에 인가되며, W상 전압(Ec)은 다이오드(D3, D6)의 접점에 인가된다.

여기서, 도6의 0도-60구간을 일예로 하여 위치 검출부(500)의 동작을 설명하면, Ea는 양의 값이므로 다이오드(D1)를 도통시켜 저항(R1)에 인가되고, Eb는 음의 값이므로 다이오드(D5)를 도통시켜 저항(R2)에 인가되며, Ec는 그 값에 따라 다이오드(D3)와 다이오드(D6)를 도통시켜 저항(R1, R2)에 각각 흐른다.

저항(R1)에 형성되는 전압은 최대값을 나타내므로 Emax로 표현하고, 저항(R2)에 형성되는 전압은 최소값을 나타내므로 Emin으로 나타내면 도7과 같이나타나게 된다.

따라서, 브리지 다이오드(501)를 통해 정류된 3상 전압은 비반전 증폭기(AMP)와 저항(R4)과 커패시터(C1)로 이루어진 가산기(502)를 통하면 Ea 전압과 Eb 전압은 서로 상쇄되어 없어지고 Ec 전압만이 남게 된다.

따라서, 0도-60도 사이에는 Ec 전압이 남고, 60도-120도 사이에는 Eb 전압이 남으며, 120도-180도 사이에는 Ea 전압이 남으며, 다시 180도-360도 사이에는 Ec, Eb, Ea 순서대로 남게 된다.

결국, 커패시터(C1)의 전압은 도7의 Esum 전압 파형을 나타내게 된다.

도7의 Esum 전압 파형은 비교기(com)의 (+) 입력 단자에 입력되고, (-) 입력 단자의 기준 전압과 비교된다. 여기서, 기준 전압은 Emax+Emim=Emed 값이다.

결국, 비교기(com)를 통해 출력되는 값은 Esum이 Emed보다 클때만 하이값이 출력되게 되므로 도7의 Eout과 같이 나타낸다.

여기서, Eout 파형을 보자, Eout 파형은 Esum이 Emed 보다 클 때 하이 레벨이 되는 구형파인데, 라이징 에지 시점이 60도를 단위에서 30도 쉬프트 되어 있다. 즉, Eout의 라이징 에지와 폴링 에지가 30도, 90도, 150도, 210도 270도 330도 이다.

비교기(com)의 출력(Eout)은 게이트 구동부(200)에 입력된다. 따라서, 게이트 구동부(200)는 60도 단위의 홀 신호와 60도 단위에서 30도 쉬프트된 위치 검출부(500)의 신호를 입력받게 되고, 그에 따라 입력되는 두 신호를 이용하여 도4와 같이 AH, AL, BH, BL, CH, CL의 게이팅 신호가 30도 간격을 인식할 수 있는 스위칭신호를 만들어 6개의 IGBT를 구동시킨다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 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 30도 간격으로 BLCD 전동기의 위치를 검출할 수 있도록 하여 전류 왜곡률을 줄이고, 그에 따라 전동기의 토크를 개선하여 차량의 승차감을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. U상, V상, W상의 3상 코일로 이루어진 고정자와 다수의 마그네틱 폴로 이루어진 회전자로 이루어진 BLDC 전동기와, 3개의 트랜지스터가 초핑(chopping), 다른 3개의 트랜지스터가 정류 동작을 수행하는 게이트 구동부와, 상기 게이트 구동부의 6개 트랜지스터를 구동하기 위한 게이트 구동 신호를 출력하는 전류 제어기와, 상기 U, V, W상에 흐르는 전압을 검출하는 역기전력 검출부를 포함하는 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치에 있어서,

   상기 역기전력 검출부에서 검출한 U, V, W상의 전압을 입력하여 U, V, W상의 전압을 가산한 후 이를 기준 전압과 비교하여 비교차에 해당하는 제1 신호를 상기 전류 제어기로 출력하는 위치 검출부를 포함하며, 이때, 상기 제1 신호에 의해 상기 전류 제어기는 30도 간격의 펄스폭 변조 신호를 출력하는 것을 특징으로 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치.
2. 제1항에서,

   상기 위치 검출부는,

   상기 U상, V상, W상의 역기전력 전압을 입력으로 하고 정류하는 브리지 다이오드, 상기 브리지 다이오드를 통해 출력되는 U상, V상, W상의 역기전력 전압을 가산하는 가산기 및, 상기 가산기를 통해 얻어진 전압을 U상, V상, W상에서 얻어지는 최대 전압과 최소 전압의 평균 전압과 비교하는 비교기를 포함하는 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치.
3. 제2항에서,

   상기 브리지 다이오드는, 제1 및 제2 다이오드가 직렬로 연결되고, 제3 및 제4 다이오드가 직렬로 연결되며, 제5 및 제6 다이오드가 직렬로 연결되면서, 상기 제1, 제3, 제5 다이오드의 캐소드가 공통으로 연결되고 상기 제2, 제4, 제6 다이오드의 애노드가 공통으로 연결되며, 직렬 연결된 다이오드의 접점에 각각 상기 U상, V상, W상의 역기전력 전압이 인가되고,

   상기 가산기는 상기 다이오드들의 공통 접점에 연결되는 제1 및 제2 저항과, 상기 제1 및 제2 저항의 접점에 비반전 단자가 연결되고 반전 단자가 접지되며, 출력단에서 비반전 단자로 피드백 저항인 제3 저항이 연결된 비반전 증폭기와, 상기 비반전 증폭기의 출력단에 연결된 제4 저항과 상기 제4 저항과 병렬로 연결되고 타단이 접지된 커패시터로 이루어지고,

   상기 커패시터의 전압을 (+) 단자의 입력으로 하고, 상기 U상, V상, W상에 형성되는 최대 전압과 최소 전압의 평균 전압을 기준 전압으로 하여, 상기 커패시터 전압과 상기 기준 전압을 비교하는 비교기를 포함하는 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치.
4. 제1항에서,

   상기 제1 신호는,

   상기 홀 신호에서 발생하는 신호의 주기보다 30도 쉬프트된 신호인 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기 자동차의 BLDC 전동기 구동장치.