KR20060002566A - 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에 관한 것으로, 특히 본 발명은 3상 2여자 120도 통전방식의 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치의 하드웨어를 그대로 사용하면서 전압 인가범위를 제로크로싱 포인트 검출위치까지 확장하여 상전류를 정현파에 가까운 형태로 인가할 수 있도록 함으로서 토크 맥동을 저감시켜 진동 및 소음을 감소시킨다.

이를 위해 본 발명은 브러시리스 직류전동기에 상전류를 인가하는 인버터를 구비하는 3상 2여자 방식의 브러시리스 직류전동기의 구동장치에 있어서, 인버터가 상전류를 인가할 수 있도록 펄스 폭 변조된 스위칭신호를 인버터에 인가하는 인버터구동부와, 인버터로부터 직류전동기에 인가된 3상의 상전류 중 여자되지 않은 개방된 상의 단자전압으로부터 제로크로싱 포인트를 검출하는 단자전압검출부와, 인버터의 통전각을 제로크로싱 포인트까지 확장시키도록 인버터구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치{APPARATUS FOR DIRVING SENSORLESS DC BRUSHLESS MOTOR}

도 1은 종래의 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에서의 각 상의 역기전력과 상전류와의 관계를 설명하기 위한 파형도이다.

도 2는 본 발명에 따른 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에 대한 제어블록도이다.

도 3은 본 발명에 따른 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에서의 각 상의 역기전력과 상전류와의 관계를 설명하기 위한 파형도이다.

도 4는 도 3의 U상, V상, W상의 상전류를 전기각 30도마다 구분된 영역(I, II, III, IV)별로 설명하기 위한 파형도이다.

도 5는 도 4의 I 영역의 하나의 스위칭주기를 확대한 파형도이다.

도 6은 도 5의 구간별 브러시리스 직류전동기의 회로 구성도이다.

도 7는 통전각이 120도일 때의 상전류의 파형과 통전각이 제로크로싱까지 확장했을 때의 상전류의 파형을 비교하기 위한 파형도이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

100 :교류 전원장치 101 : 컨버터

102 : 캐패시터 103 : 인버터

104 : 브러시리스 직류전동기 105 : 단자전압검출부

106 : 제어부 107 : 인버터구동부

본 발명은 브러시리스 직류전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 토크 맥동을 최소화할 수 있는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에 관한 것이다.

일반적으로, 브러시리스 직류전동기는 브러시와 정류자 등의 기계적인 요소 대신 스위칭 소자로 구성된 정류 회로를 사용한다. 이 브러시리스 직류전동기는 마모에 따른 브러시의 교체가 필요 없으며, 전자파 장해와 소음이 적은 것이 특징이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치는 브러시리스 직류전동기를 3상 2여자 방식으로 구동시키는 경우, 브러시리스 직류전동기에서는 항상 두 상이 동시에 여자 되며, 여자 되지 않은 개방된 상이 항상 존재하게 된다. 이 개방된 구간에서 회전자의 위치는 역기전력이 영이 되는 위치(이하, 제로크로싱 포인트 ; ZCP)를 지나게 되므로, 상전류 전환시점은 제로크로싱 포인트 검출시점으로부터 전기각으로 30도 지연된 시점이 된다.

그러나, 종래의 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치는 반주기의 전기각이 180 임에도 불구하고, 전기각 120 도 만큼 밖에 인버터의 각상 스위치를 도통시키지 않고 잔여의 전기각 60도의 기간이 무통전제어로 되어 있다.

따라서, 상전류가 전환될 때마다 토크 맥동이 크게 발생하여 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치가 진동 및 소음을 발생시키는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 브러시리스 직류전동기의 3상 2여자 방식의 센서리스 구동장치의 하드웨어를 그대로 사용하면서도 상 전환할 때 발생하는 토크 맥동을 최소화할 수 있는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치는 브러시리스 직류전동기에 상전류를 인가하는 인버터를 구비하는 3상 2여자 방식의 브러시리스 직류전동기의 구동장치에 있어서, 상기 인버터가 상전류를 인가할 수 있도록 펄스 폭 변조된 스위칭신호를 상기 인버터에 인가하는 인버터구동부와, 상기 인버터로부터 상기 전동기에 인가된 3상의 상전류 중 여자되지 않은 개방된 상의 단자전압으로부터 제로크로싱 포인트를 검출하는 단자전압검출부와, 상기 인버터의 통전각을 제로크로싱 포인트까지 확장시키도록 상기 인버터구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 상기 통전각 중에서 제로크로싱 포인트로부터의 전기각 30도인 제1구간, 제1구간으로부터 전기각 60도인 제2구간, 제2구간으로부터 전기각 30도인 제3구간, 제3구간으로부터 전기각 30도인 제4구간으로 구분하고, 상기 제1구 간, 제3구간, 제4구간은 펄스폭 변조된 스위칭신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 제1구간과 제4구간에서의 시비율을 서로 다르게 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 제1구간의 시비율을 상기 제4구간의 시비율보다 높게 설정하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상기 제1구간, 제3구간, 제4구간에서의 시비율을 d1 +d3 = (3/2)d2의 관계식에 의하여 정하는 것을 특징으로 한다. 이때, d1는 제1구간의 시비율, d2는 제3구간의 시비율, d3는 제4구간의 시비율이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 컨버터(101)와 캐패시터(102), 인버터(103)로 구성되는 전력 변환 장치는 교류 전원 장치(100)로부터 공급되는 교류 전원을 펄스 형태의 3상 교류 전원으로 변환하여 브러시리스 직류 전동기(104)에 공급한다.

인버터(103)에서 브러시리스 직류전동기(104)로 공급되는 3상 교류 전원(U, V, W)의 전압은 단자전압 검출부(105)를 통해 검출된다. 단자전압 검출부(105)의 단자전압 검출신호(UC, VC, WC)는 제어부(106)에 제공되고, 제어부(106)는 인버터(103)를 구동시키는 인버터구동부(107)를 통해 적절한 펄스폭 변조(PWM)된 스위칭신호를 발생시킨다.

또한, 단자전압 검출부(105)는 역기전력의 제로크로싱 포인트 정보를 제공한다. 제어부(106)는 단자전압 검출부(105)로부터 입력되는 단자전압 정보와 제로크로싱 포인트 정보를 근거로 하여 브러시리스 직류 전동기(104)의 회전 속도를 제어한다. 제어부(314)는 인버터(103)에서 출력되는 3상 교류전원(U, V, W)의 상 전환(phase commutation) 시점 및 상전류의 크기를 제어하기 위한 펄스폭 변조된 스위칭신호를 출력하여 브러시리스 직류전동기(104)의 회전속도가 속도 명령을 추종하도록 한다. 이 펄스폭 변조된 스위칭신호는 인버터(103)에서 출력되는 3상 교류전원(U, V, W)의 상 전환(phase commutation) 시점 및 상전류의 크기를 제어하기 위한 것이다.

제어부(106)는 확장 구형파 운전을 위하여 인버터구동부(107)를 통해 인버터(103)의 통전각을 기존의 120도 아닌 제로크로싱 포인트까지 확장시킨다. 이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 통전각을 120도로 제어하는 경우에는 상전류의 파형이 일그러진 형태의 구형파(a)가 나타나지만, 본 발명과 같이, 통전각을 제로크로싱 포인트까지 제어하는 경우, 상전류의 파형이 거의 정현파(b)와 같이 나타나게 되므로, 토크 맥동을 줄일 수 있게 된다.

통상, 인버터 PWM 방식에는 바이폴라 PWM방식이나 유니폴라 PWM방식이 사용되는데, 통전되는 두 개의 스위칭소자 모두를 온 또는 오프시키는 것을 바이폴라 PWM이라 하고, 두개의 스위칭소자 중 하나만 온 시키고, 다른 스위칭소자는 PWM 하는 것을 유니폴라 PWM 방식이라 한다.

유니폴라 PWM 방식은 스위칭소자가 120도 구간에서 연속적으로 통전될 때, 처음 60도 구간은 선단부라 하고, 나중 60도 구간에서는 후단부라고 하면, 통전된 스위칭소자의 PWM 패턴이 선단부에서는 온 상태를 유지하고, 후단부는 PWM 하는 방식을 후단부 유니폴라 PWM 방식이라 하고, 반대로 통전된 스위칭소자가 선단부에서는 PWM을 하고 후단부에서는 온 상태를 유지하는 방식을 선단부 유니폴라 PWM 이라 한다.

후단부 유니폴라 PWM 방식은 제로크로싱 포인트 검출이 용이한 데 비하여 상전환이 토크 리플이 크게 발생하는 문제점이 있고, 이에 반하여 선단부 유니폴라 PWM 방식은 상전환시 토크 리플은 저감되나, 제로크로싱 포인트 검출이 어려운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명에 브러시리스 직류전동의 센서리스 구동장치는 후단부 유니폴라 PWM방식에 부분적으로 선단부 유니폴라 PWM방식을 가미한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 통전각 180도 구간 중에서 제로크로싱 포인트가 검출되는 곳까지 확장하여 토크 리플을 저감시키며, 전압을 인가하기 위해서 뒤의 30도 부분을 개방함으로서 전류가 소거될 시간을 주어 제로크로싱 포인트를 원활히 검출할 수 있도록 한다.

도 3에서 통전각 150도 중에서 제로크로싱 포인트(ZCP)로부터의 전기각 30도인 제1구간(0~30도), 제1구간으로부터 전기각 60도인 제2구간(30도~90도), 제2구간으로부터 전기각 30도인 제3구간(90도~120도), 제3구간으로부터 전기각 30도인 제4구간(120도~150)으로 구분되며, 제1구간, 제3구간 및 제4구간에는 적절한 펄스폭 변조된 스위칭신호가 출력하여 각 구간에 대하여 적절한 상전류를 제공하고, 제2구 간에는 스위칭소자를 온 시켜 브러시리스 직류전동기에 상전류를 제공한다.

좀더 상세히 살펴보면, 도 3과 같이, 3상 2여자 후단부 유니폴라 PWM 방식에다 앞의 30도부분에 전압을 인가하는 부분을 PWM 방식으로 추가한 패턴임을 알 수 있다. PWM 스위칭 구간은 우선 30도 확장한 구간(A)과 기존의 3상 2여자 후단부 PWM구간(B)으로 나누어서 각기 다른 시비율을 인가한다.

이하에서는 각 구간의 시비율을 각각 d1,d2,d3으로 놓고 이 값들을 어떻게 결정하는지 알아보기로 한다.

확장 구형파 운전구간은 무통전 구간을 빼고 도 4와 같이 5개의 영역으로 나눌 수 있다. U상을 기준으로 홀수 영역(I, III, V)은 3상 여자구간이고, 짝수 영역(II, IV)은 2상 여자 구간이다. 이중 영역 I 이 확장된 부분인데, 이는 역기전력의 제로크로싱 포인트가 검출되는 부분까지 확장된 것을 알 수 있다. 영역 I 을 보면 U상은 전류가 기립하고 V상, W상은 이미 통전 되고 있는 상이다. 전동기 3상전류의 합은 0이기 때문에 U상전류의 기립이 원활하기 위해서는 V상전류가 증가하거나 W상전류가 감소해야 된다. 따라서, 전체 3상을 동시에 PWM 스위칭을 하지 않는다면 둘 중 하나를 선택해야하는데 본 발명에서는 W상 전류를 감소시켜 U상 전류의 기립을 도왔다. 왜냐하면, W상전류의 감소는 소거되는 전류의 길이를 줄여줘서 역기전력의 제로크로싱포인트 검출을 돕는 작용도 하기 때문이다.

본 발명에 따른 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에서는 d1을 d3에 비해 크게 놓고 시비율(펄스폭 변조된 스위칭신호의 듀티비)을 결정하였으며, 이를 기본으로 해서 전 영역에 걸쳐 상당 인가되는 평균 전압의 분석을 통해서 시 비율 d1, d2, d3를 구하였다.

참고로, 도 5는 도 4의 영역 I의 한 개의 스위칭 주기 Ts를 확대한 파형이다. 도 5에 도시된 바와 같이, d1이 d3보다 크면 세 부분으로 나눌 수 있고, 각 영역의 길이는 d3, d1-d3, Ts-d1이 된다. 스위칭 주기 Ts동안 도 6과 같이, 회로 세 개가 순차적으로 구성될 것이고, 각 회로 별 상당 가해지는 전압의 크기와 전압인가 시간의 곱을 통해서 한 주기 동안에 인가되는 평균 전압을 구할 수 있다. 따라서, 영역 I의 스위칭 주기 동안의 Van, Vbn, Vcn 값을 구하면 다음과 같다.

Van = (1/3)*d3*Vdc+(2/3)*(d1-d3)*Vdc=(1/3)*(2*d1-d3)*Vdc ---식(1)

Vbn= -(2/3)*d3*Vdc-(1/3)*(d1-d3)*Vdc=-(1/3)*(d1+d3)*Vdc ---식(2)

Vcn = (1/3)*d3*Vdc - (1/3)*(d1-d3)*Vdc = (1/3)*(2*d3 - d1)*Vdc ---식(3)

U상을 기준으로 했을 때, II~IV영역은 전류가 평탄하게 인가되어야 하는 구간으로 인가 되는 전압의 크기가 일정해야 한다. 영역 II와 영역 IV의 전압은 같으므로, 영역 II와 영역 III의 전압을 같다고 하여 d1, d2, d3사이의 관계식을 구하면 다음과 같다.

d1 + d3 = (3/2)*d2 ---식(4)

이때, d2의 값은 통전각이 120도일 때의 순수 2여자 구간의 시비율이다.

식(4)에 따라 확장부분의 시비율 d1과 확장각과 겹치는 부분의 시비율 d3의 합이 d2의 1.5배와 같으면, 영역 II~IV에 걸쳐서 일정한 전압을 인가할 수 있다.

d1+d3=1.5*d2를 유지하면서 d1,d3의 값을 선정하면, 영역 I에서 직류전동기의 모든 통전상에 흐르는 전류의 합은 0이기 때문에 U상전류와 W상의 전류의 합은 V상 전류와 같다. 따라서 W상전류의 크기를 줄인 만큼 U상전류가 흘러 들어갈 것이다. 결국 원활한 U상전류의 기립을 위해서는 d3의 값을 적게 하여 W상의 전류를 줄여 줄 수 밖에 없다. 이때, d3의 값은 개방된 상에서 전류가 소거되기 좋도록 값을 결정해야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 3상 2여자 120도 통전방식의 브러시리스 직류전동기의 센서리스 제어장치의 하드웨어를 그대로 사용하면서 전압 인가범위를 제로크로싱 포인트 검출위치까지 확장하여 상전류를 정현파에 가까운 형태로 인가할 수 있도록 함으로서 토크 맥동을 저감시켜 진동 및 소음을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 브러시리스 직류전동기에 상전류를 인가하는 인버터를 구비하는 3상 2여자 방식의 브러시리스 직류전동기의 구동장치에 있어서,

   상기 인버터가 상전류를 인가할 수 있도록 펄스 폭 변조된 스위칭신호를 상기 인버터에 인가하는 인버터구동부와,

   상기 인버터로부터 상기 전동기에 인가된 3상의 상전류 중 여자되지 않은 개방된 상의 단자전압으로부터 제로크로싱 포인트를 검출하는 단자전압검출부와,

   상기 인버터의 통전각을 제로크로싱 포인트까지 확장시키도록 상기 인버터구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 제로크로싱 포인트로부터의 전기각 30도인 제1구간, 제1구간으로부터 전기각 60도인 제2구간, 제2구간으로부터 전기각 30도인 제3구간, 제3구간으로부터 전기각 30도인 제4구간으로 구분하고, 상기 제1구간, 제3구간, 제4구간은 펄스폭 변조된 스위칭신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1구간과 제4구간에서의 시비율을 서로 다르게 설정하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1구간의 시비율을 상기 제4구간의 시비율보다 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1구간, 제3구간, 제4구간에서의 시비율은 다음의 식에 의하여 정해지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.

   d1 +d3 = (3/2)d2

   (이때, d1는 제1구간의 시비율, d2는 제3구간의 시비율, d3는 제4구간의 시비율이다.)

Images