KR20060068845A - Apparatus for estimating rotor position of three phase brushless dc motor without position sensors - Google Patents
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Abstract
전압 분배기의 출력전압을 저역통과필터로 적분하고, 저역통과필터에서의 위상지연을 보상하여 위상이 정확히 90°가 지연되게 한다.The output voltage of the voltage divider is integrated into the low pass filter and the phase delay in the low pass filter is compensated for so that the phase is delayed by exactly 90 °.
인버터부에서 출력되어 3상 BLDC 모터의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력을 전압 분배기로 분배하고, 아날로그/디지털 변환기에서 디지털 전압으로 변환한 후 디지털 저역통과필터로 적분하며, 디지털 저역통과필터에서 정확히 90°가 지연되지 않는 위상을 위상지연 보상기에서 보상하여 위상이 90° 지연되게 한 후 비교기로 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 것으로 회전자의 위치에 따라 인버터부의 스위칭 동작을 정확히 제어하여 3상 BLDC 모터를 안정하게 구동시킬 수 있고, 구동효율을 향상시킨다.The counter electromotive force generated by the three-phase current output from the inverter section and flowing through the a-phase, b-phase and c-phase coils wound on the stator of the 3-phase BLDC motor is distributed to the voltage divider, and converted from the analog / digital converter to the digital voltage. After integrating with the digital low pass filter, the phase delay compensator compensates for the phase that is not delayed exactly 90 ° in the digital low pass filter, and delays the phase by 90 °. By outputting the position estimation signal of the rotor, it is possible to drive the three-phase BLDC motor stably by accurately controlling the switching operation of the inverter according to the position of the rotor, and improve the driving efficiency.
BLDC 모터, 회전자위치, 저역통과필터, 위상지연 보상기, 적분기BLDC motor, rotor position, low pass filter, phase delay compensator, integrator
Description
도 1은 종래의 회전자 위치 추정장치의 일 예를 보인 블록도.1 is a block diagram showing an example of a conventional rotor position estimation device.
도 2는 종래의 회전자 위치 추정장치의 다른 예를 보인 블록도.Figure 2 is a block diagram showing another example of a conventional rotor position estimation device.
도 3은 본 발명의 회전자 위치 추정장치의 구성을 보인 블록도.Figure 3 is a block diagram showing the configuration of the rotor position estimation device of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
300 : 인버터부 310 : 3상 BLDC 모터300: inverter 310: three-phase BLDC motor
320 : 전압 분배기 330 : 아날로그/디지털 변환기320: voltage divider 330: analog-to-digital converter
340 : 디지털 저역통과필터 350 : 위상지연 보상기340: digital low pass filter 350: phase delay compensator
360 : 비교기360: comparator
본 발명은 브러시가 없는 3상 직류모터(Three Phase Brushless DC Motor ; 이하, '3상 BLDC 모터'라고 약칭함)의 회전자의 위치를 엔코더 등과 같은 고가의 위치제어용 신호발생소자들을 사용하지 않고, 정확히 추정하는 위치센서가 없는 3 상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치에 관한 것이다.The present invention does not use expensive position control signal generators such as encoders to position the rotor of a brushless three-phase DC motor (hereinafter, abbreviated as 'three-phase BLDC motor'). The present invention relates to a rotor position estimator for a three-phase BLDC motor without a position sensor for accurately estimating.
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.In general, three-phase BLDC motor is developed to maintain the characteristics of three-phase DC motor while removing the brush that acts as a commutator in a conventional three-phase DC motor, a rotor made of permanent magnets, and three A coil, that is, a stator in which a, b and c phase coils are wound.
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.The three-phase BLDC motor supplies three-phase currents to the a-phase, b-phase, and c-phase coils wound on the stator, and the a-phase, b-phase, and c-phase coils respectively generate magnetic fields according to the supplied three-phase currents. To rotate the rotor made of permanent magnets.
이 때, BLDC 모터의 회전자의 회전속도를 정확히 제어하기 위해서는 회전자의 위치를 정확히 추정해야 된다. 즉, BLDC 모터는 회전자의 위치를 추정하고, 추정한 회전자의 위치에 따라 고정자에 권선되어 있는 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 전류의 방향을 전환시키는 인버터부의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되는 시점을 조절하여 회전자의 회전속도를 제어하고 있다.At this time, in order to accurately control the rotational speed of the rotor of the BLDC motor, it is necessary to accurately estimate the position of the rotor. That is, the BLDC motor is configured to selectively switch the switching elements of the inverter unit for estimating the position of the rotor and for switching the direction of the current flowing to the a-phase, b-phase and c-phase coils wound on the stator according to the estimated rotor position. The rotational speed of the rotor is controlled by adjusting the on and off points.
도 1은 종래의 회전자 위치 추정장치의 일 예를 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 인버터부(100)에서 출력되어 3상 BLDC 모터(110)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 전류에 따라 발생되는 역기전력(Va, Vb, Vc)을 분배하는 전압 분배기(120)와, 상기 전압 분배기(120)에서 분배된 각각의 역기전력(Va, Vb, Vc)을 각기 적분하는 적분기(130, 130a, 130b)와, 상기 적분기(130, 130a, 130b)의 출력전압을 접지전압과 각기 비교하여 제로크로싱(zero crossing)을 검출하고, 회전자의 회전위치 추정신호를 발생하는 비교기(140, 140a, 140b)로 구 성하였다.1 is a block diagram showing an example of a conventional rotor position estimation apparatus. As shown therein, the counter electromotive force Va, Vb, Vc generated by the current flowing through the a-phase, b-phase, and c-phase coils output from the
이와 같이 구성된 종래의 회전자 위치 추정장치의 일 예는 스위칭 제어신호에 따라 인버터부(100)의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하고, 출력한 3상 전류는 3상 BLDC 모터(110)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일에 공급되어 회전자가 회전하게 된다.An example of the conventional rotor position estimator configured as described above outputs a three-phase current while the switching elements of the
그리고 상기 3상 코일로 3상 전류가 흐름에 따라 각기 역기전력(Va, Vb, Vc)이 발생하고, 발생한 역기전력(Va, Vb, Vc)은 전압 분배기(120)에서 분배되어 출력되며, 전압 분배기(120)에서 출력된 역기전력(Va, Vb, Vc)은 적분기(130, 130a, 130b)에서 각기 적분되어 위상이 지연된다. 여기서, 상기 적분기(130, 130a, 130b)는 예를 들면, 연산증폭기를 이용하여 역기전력(Va, Vb, Vc)의 위상을 정확히 90°지연시키는 순수 적분기이다.As the three-phase coil flows into the three-phase current, the counter electromotive force Va, Vb, Vc is generated, and the generated counter electromotive force Va, Vb, Vc is distributed in the
상기 적분기(130, 130a, 130b)의 출력신호는 비교기(140, 140a, 140b)의 비반전 입력단자(+)에 각기 인가되고, 비교기(140, 140a, 140b)의 반전 입력단자(-)에는 접지전압이 인가되는 것으로서 비교기(140, 140a, 140b)는 적분기(130, 130a, 130b)의 출력전압을 접지전압과 각기 비교하여 적분기(130, 130a, 130b)의 출력전압의 제로크로싱을 검출한 펄스신호를 출력한다.Output signals of the
상기 비교기(140, 140a, 140b)가 출력하는 펄스신호는 3상 BLDC 모터(110)의 회전자의 위치를 추정한 신호로서 그 비교기(140, 140a, 140b)의 출력신호에 따라 게이트 구동신호 발생부가 상기 인버터부(100)의 스위칭 소자들을 스위칭시키기 위한 게이트 구동신호를 발생한다.The pulse signals output by the
그러나 상기한 종래의 회전자 위치 추정장치는 전압 분배기(120)에서 출력되는 역기전력(Va, Vb, Vc)을 적분기(130, 130a, 130b)로 적분하여 위상을 90° 지연시킴으로써 초기조건과, 연산증폭기의 직류 옵셋의 특성에 의한 드리프트(drift)와, 적분기(130, 130a, 130b)의 포화 문제가 발생하게 된다.However, the above-described conventional rotor position estimator integrates the back EMF Va, Vb, Vc output from the
그러므로 3상 BLDC 모터를 구동시키는 대부분의 구동장치들은 위상을 정확히 90° 지연시키는 적분기(130, 130a, 130b)를 사용하지 않고, 도 2에 도시된 바와 같이 저역통과필터(200, 200a, 200b)를 사용하여 전압 분배기(120)에서 출력되는 역기전력(Va, Vb, Vc)을 적분하고 있다.Therefore, most drives that drive three-phase BLDC motors do not use
그러나 상기 저역통과필터(200, 200a, 200b)를 사용하여 역기전력(Va, Vb, Vc)을 적분하는 것은 저역통과필터(200, 200a, 200b)의 극점이 원점에서 멀어질수록 드리프트는 감소하나 위상지연이 정확히 90°가 되지 못하고, 또한 이득이 낮아지게 된다.However, integrating the back EMF Va, Vb, Vc using the
이러한 현상은 저역통과필터(200, 200a, 200b)의 차단주파수가 낮은 저속영역으로 갈수록 더욱 심하게 발생하게 되고, 위상지연이 정확히 90°가 되지 않아 인버터부(100)의 스위칭 시퀀스가 정확하게 이루어지지 않게 되므로 3상 BLDC 모터를 효율적으로 구동시키지 못하게 되는 문제점이 있었다.This phenomenon occurs more severely toward the low speed region where the cutoff frequency of the
그러므로 본 발명의 목적은 위치센서를 사용하지 않고, 3상 BLDC 모터의 회전자 위치를 정확하게 추정할 수 있는 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치를 제공하는데 있다. It is therefore an object of the present invention to provide a rotor position estimation apparatus for a three-phase BLDC motor without a position sensor capable of accurately estimating the rotor position of a three-phase BLDC motor without using a position sensor.
본 발명의 다른 목적은 전압 분배기의 출력전압을 저역통과필터로 적분하고, 저역통과필터에서의 위상지연을 보상하여 위상이 정확히 90°가 지연되게 하는 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to integrate the output voltage of the voltage divider into the low pass filter, the rotor position of the three-phase BLDC motor without position sensor to compensate for the phase delay in the low pass filter so that the phase is delayed by exactly 90 ° The present invention provides an estimation apparatus.
이러한 목적을 가지는 본 발명의 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치는, 인버터부에서 출력되어 3상 BLDC 모터로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력을 분배하는 전압 분배기와, 전압 분배기에서 분배된 각각의 역기전력을 각기 디지털 전압으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기와, 상기 아날로그/디지털 변환기의 출력전압을 디지털로 적분하는 디지털 저역통과필터와, 상기 디지털 저역통과필터의 출력신호의 위상을 보상하여 위상이 90° 지연되게 하는 위상지연 보상기와, 상기 위상지연 보상기의 출력전압을 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 비교기로 구성됨을 특징으로 한다.The rotor position estimation device for a three-phase BLDC motor without a position sensor of the present invention having the above object includes a voltage divider for distributing a counter electromotive force generated according to a three-phase current output from an inverter unit and flowing to a three-phase BLDC motor. An analog / digital converter for converting each counter electromotive force distributed by a divider into a digital voltage, a digital low pass filter for digitally integrating the output voltage of the analog / digital converter, and a phase of an output signal of the digital low pass filter. Comprising a phase delay compensator for compensating the phase delay by 90 °, and a comparator for outputting the output voltage of the phase delay compensator as a position estimation signal of the rotor of the three-phase BLDC motor compared to the ground voltage.
상기 디지털 저역통과필터의 적분 값은 이고, 상기 위상지연 보상기의 위상지연보상계수는 인 것을 특징으로 한다.The integral value of the digital low pass filter is The phase delay compensation coefficient of the phase delay compensator It is characterized by that.
여기서, 는 디지털 저역통과필터로 입력되는 역기전력이고, 는 디지털 저역통과필터에서 출력되는 역기전력이며, 는 이며, 는 디지털 저역통과필터의 극(pole)이며, 는 위상이다.here, Is the back EMF input to the digital low pass filter, Is the back EMF output from the digital low pass filter, Is Is, Is the pole of the digital lowpass filter, Is phase.
이하, 첨부된 도 3의 도면을 참조하여 본 발명의 위치센서가 없는 3상 BLDC 모터의 회전자 위치 추정장치를 상세히 설명한다.Hereinafter, a rotor position estimation apparatus for a three-phase BLDC motor without a position sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings of FIG. 3.
도 3은 본 발명의 회전자 위치 추정장치의 구성을 보인 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이 인버터부(300)에서 출력되어 3상 BLDC 모터(310)의 a상, b상 및 c상 코일로 흐르는 3상 전류에 따라 발생되는 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)을 분배하는 전압 분배기(320)와, 전압 분배기(320)에서 분배된 각각의 역기전력(Va2, Vb2, Vc2)을 각기 디지털 전압(Va3, Vb3, Vc3)으로 변환하는 아날로그/디지털 변환기(330)와, 상기 아날로그/디지털 변환기(330)의 출력전압을 디지털로 적분하는 디지털 저역통과필터(340)와, 상기 디지털 저역통과필터(340)의 출력신호의 위상을 보상하여 정확히 90° 지연되게 하는 위상지연 보상기(350)와, 상기 위상지연 보상기(350)의 출력전압을 접지전압과 비교하여 상기 3상 BLDC 모터(310)의 회전자의 위치추정신호로 출력하는 비교기(360)로 구성하였다.3 is a block diagram showing the configuration of the rotor position estimation device of the present invention. As shown therein, the back EMF (Va1, Vb1, Vc1) that is generated in accordance with the three-phase current output from the
이와 같이 구성된 본 발명의 회전자 위치 추정장치는 스위칭 제어신호에 따라 인버터부(300)의 스위칭 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 3상 전류를 출력하고, 출력한 3상 전류는 3상 BLDC 모터(310)의 고정자에 권선된 a상, b상 및 c상 코일에 공급되어 회전자가 회전하게 된다.The rotor position estimating apparatus of the present invention configured as described above outputs three-phase current while the switching elements of the
그리고 상기 a상, b상 및 c상 코일로 3상 전류가 흐름에 따라 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)이 발생하고, 발생한 역기전력(Va1, Vb1, Vc1)은 전압 분배기(320)에서 분배된 후 아날로그/디지털 변환기(330)에서 각기 디지털 역기전력(Va2, Vb2, Vc3)으로 변환되어 출력된다.After the three-phase current flows to the a-phase, b-phase and c-phase coils, the counter electromotive force Va1, Vb1, Vc1 is generated, and the generated counter electromotive force Va1, Vb1, Vc1 is distributed in the
상기 아날로그/디지털 변환기(330)에서 출력되는 역기전력(Va2, Vb2, Vc3)은 디지털 저역통과필터(340)에서 적분되어 위상이 90° 미만으로 지연되고, 디지털 저역통과필터(340)의 출력전압(Va3, Vb3, Vc3)은 위상지연 보상기(350)에서 위상지연이 보상되어 위상이 정확히 90° 지연된다.The counter electromotive force Va2, Vb2, Vc3 output from the analog-to-
상기 디지털 저역통과필터(340) 및 위상지연 보상기(350)에서 위상이 정확히 90°지연되면서 적분된 역기전력은 비교기(360)에 입력되어 접지레벨과 비교 및 제로크로싱이 검출되고, 그 검출된 제로크로싱은 3상 BLDC 모터(310)의 회전자 위치 추정신호로 출력된다.The counter electromotive force integrated while the phase is delayed by exactly 90 ° in the digital
여기서, 상기 디지털 저역통과필터(340) 및 위상지연 보상기(350)에서 역기전력(Va2, Vb2, Vc2)의 위상을 정확히 90° 지연시키면서 적분하는 동작을 설명한다.Here, the operation of integrating the phases of the back EMF Va2, Vb2, Vc2 by exactly 90 ° in the digital
역기전력(Va2)을 순수적분기()로 적분할 경우에 드리프트 및 적분기의 포화가 발생하므로 본 발명에서는 역기전력(Va)을 디지털 저역통과필터(340)가 다음의 수학식 1과 같이 적분하게 된다.Back EMF (Va2) is pure integrator ( In the present invention, since the drift and the saturation of the integrator occur, the digital
여기서, 는 디지털 저역통과필터로 입력되는 역기전력이고, 는 디지털 저역통과필터에서 출력되는 역기전력이며, 는 이며, 는 디지털 저역통과필터의 극(pole)이다.here, Is the back EMF input to the digital low pass filter, Is the back EMF output from the digital low pass filter, Is Is, Is the pole of the digital lowpass filter.
상기 수학식 1에서 위상 및 이득 은 각각 다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같다.Phase in Equation 1 And gain Are as Equations 2 and 3, respectively.
여기서, 는 추정된 동기 각속도이다.here, Is the estimated synchronous angular velocity.
본 발명에서는 상기 수학식 1과 같이 저역통과필터(340)에서 출력되는 적분전압 에 위상지연 보상기(350)가 수학식 4와 같이 위상지연 보상계수 를 곱하여 위상지연이 정확히 90°가 되도록 보상한다.In the present invention, the integral voltage output from the
여기서, 위상지연보상계수는 이고, 및 이다.Where the phase delay compensation coefficient ego, And to be.
본 발명에서 디지털 저역통과필터(340)가 입력되는 역기전력 를 적분할 경우에 디지털 저역통과필터(340)의 큰 시정수에 의해서 발생하는 드리프트 문제를 해결하기 위해서는 차단주파수가 커야 되나, 차단주파수가 클 경우에 위상을 저속 영역에서의 위상지연의 정확도가 떨어지는 문제가 발생한다.Reverse electromotive force into which the digital
그러므로 본 발명에서는 디지털 저역통과필터(340)의 극(pole) 가 저속영역에서는 작은 값이고, 3상 BLDC 모터의 회전자의 회전속도가 증가함에 따라 증가하도록 다음의 수학식 5와 같이 주파수의 함수로 설정하였다.Therefore, in the present invention, the pole of the digital
여기서, 는 상수이다.here, Is a constant.
이와 같이 하여 디지털 저역통과필터(340) 및 위상지연 보상기(350)를 통과한 최종 출력전압은 다음의 수학식 6과 같다.In this way, the final output voltage passing through the digital
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. 즉, 상기에서는 3상 BLDC 모터에서 발생되는 a상의 역기전력 Va를 기준으로 하여 설명한 것으로서 본 발명을 실시함에 있어서는 b상의 역기전력 Vb 및 c상의 역기전력 Vc에도 동일하게 적용하여 실시한다.On the other hand, while the present invention has been shown and described with respect to specific preferred embodiments, various modifications and changes of the present invention without departing from the spirit or field of the invention provided by the claims below It can be easily understood by those skilled in the art. That is, the above description is based on the counter electromotive force Va of the a phase generated by the three-phase BLDC motor. In the present invention, the same applies to the counter electromotive force Vb of the b phase and the counter electromotive force Vc of the c phase.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 위치센서를 사용하지 않고, 3상 BLDC 모터의 회전자의 위치를 추정하는 것으로서 3상 BLDC 모터의 역기전력을 저역통과필터로 적분하고, 위상지연 보상기로 위상지연을 보상하여 위상이 정확히 90° 지연되게 함으로써 회전자의 위치를 정확히 추정하고, 추정한 회전자의 위치에 따라 인버터부의 스위칭 동작을 정확히 제어하여 3상 BLDC 모터를 안정하게 구동시킬 수 있음은 물론 구동효율을 향상시킬 수 있다. As described above, the present invention estimates the position of the rotor of a three-phase BLDC motor without using a position sensor, and integrates the back electromotive force of the three-phase BLDC motor with a low pass filter, and compensates the phase delay with a phase delay compensator. By accurately delaying the phase by 90 °, the position of the rotor can be accurately estimated, and the switching operation of the inverter can be accurately controlled according to the estimated position of the rotor to stably drive the three-phase BLDC motor. Can be improved.
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