KR20060068844A - 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치 - Google Patents

위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치 Download PDF

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Abstract

높은 토크로 3상 BLDC 모터를 구동시키고, 또한 위치센서를 사용하지 않고, 회전자의 위치를 정확하고 간단하게 검출할 수 있다.
150° 통전방식으로 3상 BLDC 모터에 구동전류를 공급하여 구동시키는 것으로 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자가 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하여 3상 BLDC 모터를 구동시키는 인버터부와, 3상 BLDC 모터가 구동됨에 따라 발생되는 a상의 역기전력을 분배함과 아울러 각 상의 역기전력을 합성한 중성점 전압을 발생하는 전압 분배기와, 전압 분배기에서 분배된 a상의 역기전력 및 중성점 전압의 위상을 각기 지연시키는 제 1 및 제 2 위상지연기와, 제 1 및 제 2 위상 지연기에서 위상이 지연된 a상의 역기전력 및 중성점 전압의 전압 레벨을 비교하여 a상의 역기전력의 제로크로싱을 검출하는 비교기와, 비교기가 제로크로싱을 검출하는 시간에 따라 3상 BLDC 모터를 150° 통전방식으로 구동시키기 위한 회전자 위치 검출신호를 발생하는 회전자 위치 검출수단과, 회전자 위치 검출수단이 발생하는 회전자 위치 검출신호에 따라 스위칭 신호를 발생하여 인버터부의 스위칭 소자를 150° 통전방식으로 스위칭시키는 구동 제어부로 구성된다.
BLDC모터, 150°통전, 회전자, 적분, 저역통과필터, 타이머, 분주기

Description

위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치{Apparatus for Driving three phase Brushless DC motor without position sensors}
도 1은 종래의 180° 통전방식을 설명하기 위한 파형도.
도 2는 종래의 120° 통전방식의 구동장치의 구성을 보인 블록도.
도 3a 내지 도 3e는 도 2의 각 부의 동작 파형도.
도 4는 본 발명의 150° 통전방식의 구동장치의 구성을 보인 블록도.
도 5a 내지 도 5h는 도 4의 각 부의 동작 파형도.
도 6a 및 도 6b는 종래의 120°통전방식을 시뮬레이션한 결과를 보인 그래프.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 150°통전방식을 시뮬레이션한 결과를 보인 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
400 : 인버터부 410 : 3상 BLDC 모터
420 : 전압 분배기 430 : 제 1 위상 지연기
440 : 제 2 위상 지연기 450 : 비교기
460 : 회전자 위치 검출수단 461 : 타이머
463 : 시간 분주기 470 : 구동 제어부
본 발명은 브러시가 없는 3상 직류모터(Three Phase Brushless DC Motor ; 이하, '3상 BLDC 모터'라고 약칭함)를 위치센서를 사용하지 않고, 회전자의 위치를 정확하게 추정하면서 150°의 통전방식으로 구동전류를 공급하여 구동시키는 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 구동장치에 관한 것이다.
일반적으로 3상 BLDC 모터는 일반 3상 DC 모터에서 정류자(commutator)의 역할을 수행하는 브러시를 제거하면서도 3상 DC 모터의 특성을 그대로 유지할 수 있도록 개발된 것으로서 영구자석으로 이루어진 회전자와, 3개의 코일 즉, a상, b상 및 c상 코일이 권선되어 있는 고정자를 구비한다.
이러한 3상 BLDC 모터는 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및 c상 코일에 3상 전류를 공급하고, 그 공급한 3상 전류에 따라 a상, b상 및 c상 코일이 각기 자계를 발생하여 영구자석으로 이루어진 회전자를 회전시키는 것이다.
상기 회전자의 a상, b상 및 c상 코일에 3상 전류를 공급하여 구동하는 구동방식으로는 180° 통전방식과, 120° 통전방식이 알려져 있다.
상기 180° 통전방식은 3상 BLDC 모터를 구동시킴에 따라 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및 c상 코일에서 도 1a에 도시된 바와 같이 각기 발생되는 역기전력(Va, Vb, Vc)에 따라 도 1b 내지 도 1c에 도시된 바와 같이 a상, b상 및 c상 코일에 플러스 180°주기 및 마이너스 180°주기동안 모두 구동전류를 공급하여 구동시 키는 것이다.
이러한 180° 통전방식은 3상 BLDC 모터의 평균토크를 크게 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 회전자의 위치를 검출할 경우에 3상 BLDC 모터의 a상, b상 및 c상 코일에서 발생되는 역기전력(Va, Vb, Vc)을 이용하지 못하고, 3상 BLDC 모터의 파라미터들을 이용하여 회전자의 위치를 검출해야 되므로 3상 BLDC 모터의 파라미터들의 변화에 매우 취약하고, 계산량이 많으므로 고가의 프로세서를 사용하여 회전자의 위치를 검출해야 된다.
그러므로 3상 BLDC 모터를 구동시킴에 있어서 상기한 180° 통전방식 대신에 회전자의 위치 검출이 용이한 120° 통전방식을 많이 사용하고 있다. 상기 120° 통전방식은 플러스 180°주기 및 마이너스 180°주기 중에서 각기 120°의 구간동안만 3상 BLDC 모터의 a상, b상 및 c상 코일에 구동전류를 공급하여 구동시키는 것이다.
이러한 120° 통전방식으로 3상 BLDC 모터를 구동시키는 종래의 구동장치를 도 2 및 도 3의 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 종래의 구동장치의 구성을 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자가 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하는 인버터부(200)와, 상기 인버터부(200)가 출력하는 3상 전류가 a상, b상 및 c상 코일로 흐르면서 발생되는 자계에 따라 회전자가 회전하는 3상 BLDC 모터(210)와, 상기 3상 BLDC 모터(210)의 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 a상, b상 및 c상의 역기전력(Va, Vb, Vc)을 분배하는 전압 분배기(220) 와, 상기 전압 분배기(220)에서 분배된 각각의 역기전력(Va, Vb, Vc)을 각기 적분하는 저역통과필터(230, 230a, 230b)와, 상기 저역통과필터(230, 230a, 230b)에서 적분된 출력전압을 접지전압과 각기 비교하여 제로크로싱(zero crossing)을 검출하고, 회전자의 회전위치 추정신호를 발생하는 비교기(240, 240a, 240b)와, 상기 비교기(240, 240a, 240b)가 출력하는 회전자의 회전위치 추정신호에 따라 스위칭 제어신호를 발생하여 상기 인버터부(200)의 스위칭 동작을 제어하는 구동 제어부(250)로 구성하였다.
이와 같이 구성된 종래의 구동장치는 스위칭 제어신호에 따라 구동제어부(250)가 출력하는 스위칭 신호에 따라 인버터부(200)의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 발생하고, 발생한 3상 전류는 3상 BLDC 모터(210)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일에 공급되어 회전자가 회전하게 된다.
그리고 상기 a상, b상 및 c상 코일로 3상 전류가 흐름에 따라 도 3a에 도시된 바와 같이 a상, b상 및 c상 코일에서 역기전력(Va, Vb, Vc)이 발생하고, 발생한 역기전력(Va, Vb, Vc)은 전압 분배기(220)에서 분배되어 출력되며, 전압 분배기(220)에서 분배된 역기전력(Va, Vb, Vc)은 저역통과필터(230, 230a, 230b)를 통해 각기 적분되어 위상이 90°지연된다.
상기 저역통과필터(230, 230a, 230b)의 출력전압은 비교기(240, 240a, 240b)의 비반전 입력단자(+)에 각기 인가되고, 비교기(240, 240a, 240b)의 반전 입력단자(-)에는 접지전압이 인가되는 것으로서 비교기(240, 240a, 240b)는 저역통과필터(230, 230a, 230b)의 출력전압을 접지전압과 각기 비교하여 저역통과필터(230, 230a, 230b)의 출력전압의 제로크로싱을 검출한 펄스신호를 출력한다.
상기 비교기(240, 240a, 240b)가 출력하는 펄스신호는 3상 BLDC 모터(210)의 회전자의 위치를 추정한 위치 추정신호로서 그 비교기(240, 240a, 240b)의 출력신호에 따라 구동 제어부(250)가 스위칭 제어신호를 발생하고, 발생한 스위칭 제어신호에 따라 인버터부(200)가 도 3b 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 3상 구동전류를 발생하여 3상 BLDC 모터(210)의 a상, b상 및 c상 코일로 공급하고, 도 3e에 도시된 바와 같은 구동토크를 발생하여 회전자를 회전시키게 된다.
그러나 상기한 종래의 120° 통전방식의 구동장치는 회전자의 위치를 검출하는 것이 용이하고, 저렴하게 제조할 수 있는 반면에 도 3e에 도시된 바와 같은 6차 고조파에 해당하는 토크 리플이 발생하고, 또한 상기한 종래의 180° 통전방식에 비하여 평균 토크가 낮게 발생하는 문제점이 있었다.
그러므로 본 발명의 목적은 위치센서를 사용하지 않고, 120° 통전방식과 같이 회전자의 위치를 정확하고 간단하게 검출할 수 있는 3상 BLDC 직류모터의 구동장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 회전자의 위치를 검출하면서 높은 토크로 3상 BLDC 모터를 구동시킬 수 있는 위치센서가 없는 3상 BLDC 직류모터의 구동장치를 제공하는데 있다.
이러한 목적을 가지는 본 발명의 위치센서가 없는 3상 BLDC 직류모터의 구동장치는 150° 통전방식으로 구동전류를 공급하여 구동시키는 것으로서 스위칭 신호 에 따라 스위칭 소자가 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하여 3상 BLDC 모터를 구동시키는 인버터부와, 상기 3상 BLDC 모터가 구동됨에 따라 발생되는 a상의 역기전력을 분배함과 아울러 각 상의 역기전력을 합성한 중성점 전압을 발생하는 전압 분배기와, 상기 전압 분배기에서 분배된 a상의 역기전력 및 중성점 전압의 위상을 각기 지연시키는 제 1 및 제 2 위상지연기와, 상기 제 1 및 제 2 위상 지연기에서 위상이 지연된 a상의 역기전력 및 중성점 전압의 전압 레벨을 비교하여 a상의 역기전력의 제로크로싱을 검출하는 비교기와, 상기 비교기가 제로크로싱을 검출하는 시간에 따라 상기 3상 BLDC 모터를 150° 통전방식으로 구동시키기 위한 회전자 위치 검출신호를 발생하는 회전자 위치 검출수단과, 상기 회전자 위치 검출수단이 발생하는 회전자 위치 검출신호에 따라 스위칭 신호를 발생하여 상기 인버터부의 스위칭 소자를 150° 통전방식으로 스위칭시키는 구동 제어부로 구성됨을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2 위상지연기들 각각은 저역통과필터로서 상기 제 1 위상지연기는 a상 역기전력의 위상을 75° 지연시키고, 상기 제 2 위상지연기는 중성점 전압의 위상을 45° 지연시키는 것을 특징으로 한다.
상기 회전자 위치 검출수단은 상기 비교기가 출력하는 펄스신호의 고전위 기간 및 저전위 기간의 시간을 카운트하는 타이머와, 상기 타이머가 카운트한 시간을 1/6으로 분주하여 회전자 위치 검출신호로 출력하는 시간 분주기로 구성됨을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도 4 내지 도 7의 도면을 참조하여 본 발명의 위치센서가 없는 3상 BLDC 직류모터의 구동장치를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 구동장치의 구성을 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자가 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류(Ia, Ib, Ic)를 출력하는 인버터부(400)와, 상기 인버터부(400)가 출력하는 3상 전류(Ia, Ib, Ic)가 a상, b상 및 c상 코일로 흐르면서 발생되는 자계에 따라 회전자가 회전하는 3상 BLDC 모터(410)와, 상기 3상 BLDC 모터(410)의 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 3상 전류(Ia, Ib, Ic)에 따라 발생되는 a상, b상 및 c상의 역기전력(Va)을 분배함과 아울러 역기전력(Va, Vb, Vc)의 중성점 전압(VN)을 검출하여 출력하는 전압 분배기(420)와, 상기 전압 분배기(420)에서 분배된 역기전력(Va)의 위상을 75° 지연시키는 제 1 위상지연기(330)와, 상기 전압 분배기(420)에서 출력되는 중성점 전압(VN)의 위상을 45° 지연시키는 제 2 위상 지연기(340)와, 상기 제 1 및 제 2 위상 지연기(330)(340)에서 위상이 지연된 역기전력(Va') 및 중성점 전압(VN')을 비교하여 역기전력(Va')의 제로크로싱을 검출하는 비교기(450)와, 상기 비교기(450)가 제로크로싱을 검출하는 시간에 따라 상기 3상 BLDC 모터(410)를 150° 통전방식으로 구동시키기 위한 회전자 위치 검출신호를 발생하는 회전자 위치 검출수단(460)과, 상기 회전자 위치 검출수단(460)이 발생하는 회전자 위치 검출신호에 따라 스위칭 신호를 발생하여 상기 인버터부(400)의 스위칭 소자를 스위칭시키는 구동 제어부(470)로 구성하였다.
상기 회전자 위치 검출수단(460)은 상기 비교기(450)가 출력하는 펄스신호의 고전위 기간 및 저전위 기간의 시간을 카운트하는 타이머(461)와, 상기 타이머(461)가 카운트한 시간을 1/6으로 분주하여 회전자 위치 검출신호로 출력하는 시간 분주기(463)로 구성하였다.
이와 같이 구성된 본 발명의 구동장치는 스위칭 제어신호에 따라 구동제어부(460)가 출력하는 스위칭 신호에 따라 인버터부(400)의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류(Ia, Ib, Ic)를 발생하고, 발생한 3상 전류(Ia, Ib, Ic)는 3상 BLDC 모터(410)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일에 각기 공급되어 회전자가 회전하게 된다.
그리고 상기 a상, b상 및 c상 코일로 3상 전류(Ia, Ib, Ic)가 흐름에 따라 도 5a에 도시된 바와 같이 a상, b상 및 c상 코일에서 역기전력(Va, Vb, Vc)이 발생하고, 발생한 역기전력(Va, Vb, Vc)은 전압 분배기(420)에 입력되어 역기전력(Va)이 분배된 후 출력됨과 아울러 도 5b에 도시된 바와 같이 역기전력(Va, Vb, Vc)을 합성한 중성점 전압(VN)을 출력하게 된다.
상기 전압 분배기(420)에서 출력되는 역기전력(Va) 및 중성점 전압(VN)은 제 1 위상 지연기(430) 및 제 2 위상 지연기(440)에 입력되어 각기 위상이 지연된다.
여기서, 상기 제 1 위상 지연기(430) 및 제 2 위상 지연기(440)는 예를 들면, 저역통과필터를 사용하여 위상을 지연시키는 것으로서 도 5c에 도시된 바와 같이 제 1 위상 지연기(430)는 역기전력(Va)의 위상을 75° 지연시켜 출력하고, 제 2 위상 지연기(440)는 중성점 전압(VN)의 위상을 45° 지연시켜 출력한다.
상기 제 1 위상 지연기(430) 및 제 2 위상 지연기(440)에서 각기 위상이 지연된 역기전력(Va') 및 중성점 전압(VN')은 비교기(450)로 입력되는 것으로서 비교기(450)는 역기전력(Va') 및 중성점 전압(VN')의 크기를 비교하여 도 5d에 도시된 바와 같이 펄스신호를 출력하게 된다.
그러면, 회전자 위치 검출수단(460)의 타이머(461)는 상기 비교기(450)가 출력하는 펄스신호의 고전위 기간 및 저전위 기간의 시간을 각기 카운트하고, 타이머(461)가 카운트한 시간을 시간 분주기(463)가 1/6으로 분주하여 도 5e에 도시된 바와 같이 펄스신호를 출력한다.
상기 시간 분주기(463)가 출력하는 펄스신호는 구동 제어부(470)로 입력되는 것으로 구동 제어부(470)는 상기 시간 분주기(463)가 출력하는 펄스신호에 따라 스위칭 신호를 발생하고, 그 스위칭 신호에 따라 인버터부(400)의 스위칭 소자가 온 및 오프되면서 도 5f 내지 도 5h에 도시된 바와 같이 3상 구동전류(Ia, Ib, Ic)를 출력하여 3상 BLDC 모터(410)를 150° 통전방식으로 구동시킨다.
종래의 120°통전방식과 본 발명의 150° 통전방식으로 3상 BLDC 모터(410)를 구동시키는 것을 PSIM으로 시뮬레이션하여 도 6a 및 도 6b와, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 결과를 얻었다.
도 6a 및 도 7a는 종래의 120°통전방식 및 본 발명의 150° 통전방식으로 3상 BLDC 모터(410)를 구동시킬 경우에 3상 BLDC 모터(410)의 a상, b상 및 c상 코일 로 흐르는 전류를 보인 그래프이고, 도 6b 및 도 7b는 3상 BLDC 모터(410)의 토크를 보인 그래프이다.
상기 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 150° 통전방식은 180° 통전방식에 비하여 평균토크의 합은 적으나, 종래의 120° 통전방식에 비하여 높은 토크를 발생하였고, 120° 통전방식과 같이 회전자의 위치 검출이 용이하다.
한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 3상 BLDC 모터를 150° 통전방식으로 구동시키는 것으로 120° 통전방식에 비하여 높은 토크를 가지고, 또한 회전자의 위치검출이 용이하므로 낮은 성능의 프로세서로 구동장치를 구성하여 3상 BLDC 모터를 구동시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 스위칭 신호에 따라 스위칭 소자가 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하여 3상 BLDC 모터를 구동시키는 인버터부;
    상기 3상 BLDC 모터가 구동됨에 따라 발생되는 a상의 역기전력을 분배함과 아울러 각 상의 역기전력을 합성한 중성점 전압을 발생하는 전압 분배기;
    상기 전압 분배기에서 분배된 a상의 역기전력 및 중성점 전압의 위상을 각기 지연시키는 제 1 및 제 2 위상지연기;
    상기 제 1 및 제 2 위상 지연기에서 위상이 지연된 a상의 역기전력 및 중성점 전압의 전압 레벨을 비교하여 a상의 역기전력의 제로크로싱을 검출하는 비교기;
    상기 비교기가 제로크로싱을 검출하는 시간에 따라 상기 3상 BLDC 모터를 150° 통전방식으로 구동시키기 위한 회전자 위치 검출신호를 발생하는 회전자 위치 검출수단; 및
    상기 회전자 위치 검출수단이 발생하는 회전자 위치 검출신호에 따라 스위칭 신호를 발생하여 상기 인버터부의 스위칭 소자를 150° 통전방식으로 스위칭시키는 구동 제어부로 구성된 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 위상지연기는;
    a상 역기전력의 위상을 75° 지연시키고,
    상기 제 2 위상지연기는;
    중성점 전압의 위상을 45° 지연시키는 것을 특징으로 하는 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치.
  3. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 위상지연기들 각각은;
    저역통과필터인 것을 특징으로 하는 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자 위치 검출수단은;
    상기 비교기가 출력하는 펄스신호의 고전위 기간 및 저전위 기간의 시간을 카운트하는 타이머; 및
    상기 타이머가 카운트한 시간을 1/6으로 분주하여 회전자 위치 검출신호로 출력하는 시간 분주기로 구성됨을 특징으로 하는 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치.
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