KR20060020890A - 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에 관한 것으로, 특히 본 발명은 역기전력의 ZCP를 용이하게 검출하면서도 상전환시 토크 리플을 감소시킨다.

이를 위해 본 발명은 브러시리스 직류전동기에 상전류를 인가하도록 마련된 복수의 스위칭소자를 갖는 인버터를 구비하는 3상 2여자 방식의 브러시리스 직류전동기의 구동장치에 있어서, 인버터가 상전류를 인가할 수 있도록 펄스 폭 변조된 신호 또는 온/오프신호를 상기 인버터에 인가하는 인버터구동부와, 인버터로부터 직류전동기에 인가된 3상의 상전류 중 여자되지 않은 개방된 상의 단자전압으로부터 제로크로싱 포인트를 검출하는 단자전압검출부와, 인버터의 120도 통전각 중 소호상의 전류가 0으로 소호될 때까지는 선단부 유니폴라 PWM 방식으로 통전시키고, 소호상의 전류가 0으로 소호된 이후에는 후단부 유니폴라 PWM 방식으로 통전시키도록 인버터구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치{DEVICE FOR DRIVING SENSORLESS DC BRUSHLESS MOTOR}

도 1은 종래의 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에서의 각 상의 역기전력과 스위칭소자의 PWM 패턴을 설명하기 위한 파형도이다.

도 2는 종래의 후단부 유니폴라 PWM 방식 및 각 상의 단자전압을 보인 도이다.

도 3a는 종래의 후단부 유니폴라 PWM방식의 비교기 검출회로의 출력을 보인 도이다.

도 3b는 종래의 선단부 유니폴라 PWM방식의 비교기 검출회로의 출력을 보인 도이다.

도 4는 도 3a와 도 3b에서의 토크, 비교기출력의 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도이다.

도 5는 종래의 단자전압검출회로의 구성도이다.

도 6은 본 발명에 따른 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치에 대한 제어블록도이다.

도 7은 도 6의 각 상의 역기전력과 스위칭소자의 PWM패턴을 설명하기 위한 파형도이다.

도 8은 도 7의 U상에 대한 토크, U상전류, Q1, U상 단자전압, U상 비교기출력의 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도이다.

도 9는 도 7의 토크, 비교기출력의 시뮬레이션 결과를 나타낸 파형도이다.

도 10은 도 7의 Q1과 Q3,Q5의 PWM 패턴을 설명하기 위한 부분확대도이다.

도 11은 도 7에서 단자전압을 이용한 ZCP를 검출하는 방식을 설명하기 위한 도이다.

*도면의 주요 기능에 대한 부호의 설명*

100 :교류 전원장치 101 : 컨버터

102 : 캐패시터 103 : 인버터

104 : 브러시리스 직류전동기 105 : 단자전압검출부

106 : 제어부 107 : 인버터구동

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 스위칭소자로 구성된 정류 회로를 사용한다. 이 브러시리스 직류전동기는 마모에 따른 브러시의 교체가 필요 없으며, 전자파 장해와 소음이 적은 것이 특징이 다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 3상 2여자 방식으로 구동되는 구형파 전류 여자 브러시리스 직류전동기는 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 ; 이하 ZCP라 칭함)를 지나게 되므로, 상전류 전환시점은 ZCP 검출시점으로부터 전기각으로 30도 지연된 시점이 된다. 이러한 비여자 구간에서 단자전압은 PWM 제어와 밀접한 연관이 있으며, 단자전압의 역기전력 파형으로부터 전환시점을 판단하게 된다.

보통 인버터 PWM 방식에는 바이폴라 PWM방식과 유니폴라 PWM 방식이 사용된다. 바이폴라 PWM방식은 통전되는 두 개의 스위치 모두를 동시에 온 또는 오프하는 방식이고, 유니폴라 PWM방식은 두 스위치 중 하나만 온 시키고, 다른 스위치는 PWM 하는 방식이다. 바이폴라 PWM 방식은 통전되는 두 스위치 모두 온 또는 오프해야 하기 때문에 스위칭손실과 전류리플이 큰 단점이 있다. 따라서, 스위칭손실이 적고 전류 맥동이 적은 유니폴라 PWM방식이 주로 사용된다.

유니폴라 PWM방식은 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 120도 통전 구간에서처음 60도 구간을 선단부라 하고, 나중 60도 구간을 후단부라고 한다면, 도 3a의 후단부 유니폴라 PWM 방식과 도 3b의 선단부 유니폴라 PWM방식으로 구분할 수 있다. 후단부 유니폴라 PWM방식은 도 3a와 같이, 선단부에서는 스위칭소자를 온 상태로 유지하고, 후단부에서는 PWM 제어하는 방식이다. 반면에, 선단부 유니폴라 PWM방식은 도 3b와 같이, 선단부에서는 스위칭소자를 PWM 제어하고, 후단부에는 온 상 태를 유지하는 방식이다.

선단부 유니폴라 PWM 방식과 후단부 유니폴라 PWM 방식은 각각 장점과 단점을 갖는데, 선단부 유니폴라 PWM 방식의 경우, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 도 4의 (b)의 후단부 유니폴라 PWM방식에 대비하여 상전환시의 토크리플은 상대적으로 적지만, 도 5의 비여자상의 단자전압 검출회로 출력은 도 3b에 도시된 바와 같이, 역기전력의 ZCP를 통과하기 이전까지는 펄스형태의 신호가 되고, 역기전력 ZCP를 통과한 이후에는 0 또는 1의 신호가 된다. 따라서, 역기전력의 ZCP를 검출하는 것이 상대적으로 어렵다. 반면에, 후단부 유니폴라 PWM방식의 경우, 도 4의 (b)의 선단부 유니폴라 PWM 방식에 대비하여 상전환시의 토크리플은 상대적으로 크나, 도 3a에 도시된 바와 같이, 역기전력의 ZCP를 통과하기 이전까지는 0 또는 1의 신호가 되고, 역기전력의 ZCP를 통과한 이후부터 펄스형태의 신호가 나오게 된다. 따라서, 후단부 유니폴라 PWM 방식의 경우, 단자전압검출회로의 출력이 0에서 1 또는 1에서 0으로 처음 변환하는 시점을 검출함으로서 쉽게 역기전력의 ZCP를 통과하는 시점을 검출할 수 있다.

이로 인해, 종래에는 선단부 PWM방식 또는 후단부 PWM방식 어느 하나를 채택함으로서 선단부 PWM방식을 채택하는 경우, 상전환 토크리플은 상대적으로 감소시킬 수 있으나, 역기전력의 ZCP 검출이 어려운 문제점이 있다. 반대로, 후단부 PWM방식을 채택하는 경우, 역기전력의 ZCP를 상대적으로 용이하게 검출할 수 있으나, 상전환 토크 리플이 비교적 큰 문제점이 있다.

따라서, 종래에는 역기전력의 ZCP을 용이하게 하면서도 상전환 토크 리플을 감소시킬 수 없는 방법이 없었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 역기전력의 ZCP를 용이하게 검출할 수 있으면서도 동시에 상전환시 토크 리플을 감소시킬 수 있는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치는 브러시리스 직류전동기에 상전류를 인가하도록 마련된 복수의 스위칭소자를 갖는 인버터를 구비하는 3상 2여자 방식의 브러시리스 직류전동기의 구동장치에 있어서, 상기 인버터가 상전류를 인가할 수 있도록 펄스 폭 변조된 신호 또는 온/오프신호를 상기 인버터에 인가하는 인버터구동부와, 상기 인버터로부터 상기 직류전동기에 인가된 3상의 상전류 중 여자되지 않은 개방된 상의 단자전압으로부터 제로크로싱 포인트를 검출하는 단자전압검출부와, 상기 인버터의 120도 통전각 중 소호상의 전류가 0으로 소호될 때까지는 선단부 유니폴라 PWM 방식으로 통전시키고, 소호상의 전류가 0으로 소호된 이후에는 후단부 유니폴라 PWM 방식으로 통전시키도록 상기 인버터구동부를 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 제어부는 제로크로싱 포인트로부터의 전기각 30도 이후로부터 전기각 15인 제1구간, 상기 제1구간으로부터 전기각 60도인 제2구간, 상기 제2구간으로부터 전기각 45도인 제3구간으로 구분된 구간들 중 상기 제1구간 및 제3구간에서는 해당 스위칭소자를 PWM 제어하고, 제2구간에서는 해당 스위칭소자를 온시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는 상전환시 발생하는 토크리플을 줄이도록, 소호되는 상의 전류가 0으로 소호되는 시점까지는 기존에 통전된 스위칭소자를 온 상태를 유지시킴과 함께 새로 통전되는 스위칭소자를 PWM 제어하고, ZCP 검출이 용이하도록, 소호상의 전류가 0으로 소호된 이후에는 새로 통전된 스위칭소자를 온 상태를 유지시킴과 함께 기존에 통전 중인 스위칭소자를 PWM 제어하는 것을 특징으로 한다.

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

본 발명에 따른 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치는 도 6에 도시된 바와 같이, 컨버터(101), 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 해당 스위칭소자(Q1~Q6)를 펄스폭 변조(PWM)된 스위칭신호 또는 온/오프시키기 위한 스위칭신호를 발생시킨다.

또한, 단자전압 검출부(105)는 역기전력의 ZCP 정보를 제공한다. 제어부(106)는 단자전압 검출부(105)로부터 입력되는 단자전압 정보와 ZCP 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 도 7과 같이, 인버터구동부(107)를 통해 인버터의 120도 통전각에서 후단부 유니폴라 PWM방식에 선단부 유니폴라 PWM방식을 부분적으로 가미하여 인버터구동부(107)를 제어한다. 이에 따라, 상전환시 토크 리플은 도 8과 도 9에 보인 바와 같이, 상술한 도 4의 (a)의 선단부 유니폴라 PWM방식에서의 토크 리플만큼 줄이면서도 도 4의 비여자상의 단자전압 검출회로 출력은 도 4의 (b)의 후단부 유니폴라 PWM방식과 같이, 역기전력의 ZCP를 통과하기 이전까지는 0 또는 1의 신호가 되므로, 단자전압검출회로의 출력이 0에서 1 또는 1에서 0으로 처음 변환하는 시점을 검출함으로서 역기전력의 ZCP를 통과하는 시점을 쉽게 검출할 수 있다.

본 발명의 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치는 선단부 유니폴라 PWM방식의 장점인 상전환시 토크 리플 저감특성과 후단부 유니폴라 PWM방식의 장점인 ZCP 검출의 용이성만을 도입함으로서 상전환구간에서 발생하는 토크 리플을 저감시키면서도 동시에 ZCP 검출이 용이하다.

도 10을 참고하여 도 7을 살펴보면, 통전각 120도 중에서 ZCP로부터의 전기각 30도 이후로부터 전기각 15도인 제1구간(0~15도), 이 제1구간으로부터 전기각 60도인 제2구간(15도~75도), 이 제2구간으로부터 전기각 45도인 제3구간(75도~120 도)으로 구분되며, 제1구간 및 제3구간에는 펄스폭 변조된 스위칭신호를 출력하여 각 구간에 대하여 상전류를 제공하고, 제2구간에는 스위칭소자를 온 시켜 브러시리스 직류전동기에 상전류를 제공한다.

즉, 브러시리스 직류전동기의 120도 통전시 상 전환시점에서는 선단부 유니폴라 PWM방식이 유리하므로 상전환 시점마다 이전 상의 전류가 다 소호될 때까지 선단부 유니폴라 방식을 활용하여 PWM한다. 이때, 전기각 기준으로 회전자가 일예로, 최대 15도 정도로 회전하는 시점까지는 소호상의 전류가 0으로 소호된다고 가정하면, 15도까지는 기존에 통전된 스위칭소자는 온 상태를 유지하고 새로 통전되는 스위칭소자를 PWM함으로서 상전환시 토크 리플을 저감시킬 수 있게 된다.

또한, 전류의 소호를 정확히 판별하기 위해서는 전기각으로 추정하는 방식 대신에 별도의 상전류검출장치를 통하여 상전류값을 검출하고, 검출된 상전류값이 0이 되는 시점까지는 기존에 통전된 스위칭소자는 온 상태를 유지하고 새로 통전되는 스위칭소자를 PWM하는 방식을 사용한다.

한편, 전류가 0으로 소호되면 새로 통전되는 스위칭소자는 온 상태를 유지하고 기존에 통전된 스위칭소자는 PWM한다. ZCP를 용이하게 검출하기 위해선 ZCP 비교기 회로의 출력이 0이나 1을 유지하다가 처음 1이나 0으로 변환하는 시점이 필요하다. 이러한 0이나 1을 유지하기 위한 안정 구간을 확보하기 위하여 ZCP 검출점으로부터 일정각도 먼저 PWM해주는데, 도 11의 ZCP를 검출하기 위한 안정 각도를 15도 이전으로 본다면, 새로 통전되는 스위칭소자는 온 상태를 유지하고 기존에 통전된 스위칭소자는 PWM을 하여 15도 후에 비교기 출력이 0에서 1로 또는 1에서 0으로 변하면서 ZCP가 용이하게 검출된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 후단부 유니폴라 PWM의 용이한 ZCP 검출특성에 대한 장점을 지니면서도 상전환시 선단부 유니폴라 PWM의 토크 리플 저감 특성을 갖는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 브러시리스 직류전동기에 상전류를 인가하도록 마련된 복수의 스위칭소자를 갖는 인버터를 구비하는 3상 2여자 방식의 브러시리스 직류전동기의 구동장치에 있어서,

   상기 인버터가 상전류를 인가할 수 있도록 펄스 폭 변조된 신호 또는 온/오프신호를 상기 인버터에 인가하는 인버터구동부와,

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

   상기 인버터의 120도 통전각 중 소호상의 전류가 0으로 소호될 때까지는 선단부 유니폴라 PWM 방식으로 통전시키고, 소호상의 전류가 0으로 소호된 이후에는 후단부 유니폴라 PWM 방식으로 통전시키도록 상기 인버터구동부를 제어하는 제어부를 포함하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 제로크로싱 포인트로부터의 전기각 30도 이후로부터 전기각 15인 제1구간, 상기 제1구간으로부터 전기각 60도인 제2구간, 상기 제2구간으로부터 전기각 45도인 제3구간으로 구분된 구간들 중 상기 제1구간 및 제3구간에서는 해당 스위칭소자를 PWM 제어하고, 제2구간에서는 해당 스위칭소자를 온시키는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상전환시 발생하는 토크리플을 줄이도록, 소호되는 상의 전류가 0으로 소호되는 시점까지는 기존에 통전된 스위칭소자를 온 상태를 유지시킴과 함께 새로 통전되는 스위칭소자를 PWM 제어하고, ZCP 검출이 용이하도록, 소호상의 전류가 0으로 소호된 이후에는 새로 통전된 스위칭소자를 온 상태를 유지시킴과 함께 기존에 통전 중인 스위칭소자를 PWM 제어하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류전동기의 센서리스 구동장치.

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