KR20060070911A - 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법 - Google Patents

비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법 Download PDF

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박평기
배헌엽
김윤정
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    • H02P6/20—Arrangements for starting
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Abstract

본 발명은 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 BLDC모터의 센서리스 기동 시 저속의 등속기동방식을 이용하여 기동소음 및 진동을 저감하고 기동실패율을 줄일 수 있고, 또한 기동 시 PWM 듀티를 작게 유지함에 따라 기동 시 탈조로 인한 과도전류의 발생을 억제하고, 인버터의 사양을 최적화 할 수 있는 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법을 제공함에 있다.
이를 위해 본 발명은 기동속도와 회전자의 펄스 폭 듀티를 일정하게 유지하며 기동을 시작하고, 일정시간동안 상기 회전자의 위치검출횟수가 미리 설정된 모드전환횟수 이상일 경우 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.

Description

비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법{Starting apparatus of a BLDC motor and method thereof}
도 1은 종래의 BLDC모터의 센서리스 기동방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 BLDC모터의 기동 시 PWM 듀티와 속도변화를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC모터의 센서리스 기동장치를 도시한 블록도이다.
도 4는 도 3에 도시한 센서리스 기동장치의 단자전압 검출부를 도시한 블록도이다
도 5a 및 도 5b는 도 3에 도시한 BLDC모터의 기동 시 PWM 듀티와 속도변화를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 BLDC모터의 센서리스 기동방법을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 BLDC모터의 센서리스 기동방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC모터의 기동 시 전류파형을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 전원부
70 : BLDC모터
90 : 단자전압 검출부
100 : 제어부
본 발명은 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비엘디씨 모터의 센서리스 기동 시 기동전류를 작게 유지하여 기동소음 및 진동을 줄이고 기동실패율을 줄일 수 있는 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 센서리스 BLDC모터(Sensorless Brushless Direct Current)는 코일이 감겨진 고정자와, 고정자 내에 수용되어 회전에 의해 부하를 구동하는 회전자를 포함하며, 고정자의 코일단자에 나타나는 역기전력에 기초하여 회전자의 위치를 검출하고 고정자에 공급되는 전압을 제어하게 된다. 역기전력에 기초하여 전류가 흐르는 시간을 설정하게 되므로 일반적으로 자극검출용 홀 센서가 불필요하게 되고 신뢰성도 향상된다.
이러한 센서리스 BLDC모터의 구동은 역기전력에 기초하여 회전자의 위치를 추정하고, 추정된 위치를 바탕으로 구동신호를 발생시키는 것으로 이루어진다. 그러 나, 모터의 운전속도가 낮은 경우 회전자의 위치를 원활하게 검출할 수 없게 된다. 즉, BLDC모터의 센서리스 기동 시에는 회전자의 위치를 검출할 수 없기 때문에 일반적인 구동과는 다른 방식으로 구동신호를 발생시켜야 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 1에 도시한 바와 같이 먼저 BLDC모터를 기동할 초기의 동기속도를 가정하여 초기 PWM 듀티(DUTY)를 결정한 후 기동을 시작한다.(S10, S20) BLDC모터는 PWM 듀티에 따라 설정되는 동기시간이 경과할 때까지 기동을 지속한다.(S30)
동기시간이 경과하면 동기속도가 센서리스 모드로 전환하기에 적합한 속도(약 600RPM) 이상인지를 판단한다.(S40) 동기속도가 전환속도 미만인 경우에는 상전환을 수행하고 PWM 듀티 및 동기속도를 증가시켜 기동함으로써 모터를 가속화 한다.(S50, S60) 다시 증가된 PWM 듀티에 따라 설정된 동기시간이 경과하면 동기속도가 전환속도 이상이 되는지 여부를 판단한다.(S30, S40)
도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 동기속도가 전환속도 이상이 될 때까지 상전환을 수행함과 동시에 PWM 듀티와 동기속도를 증가시켜 기동하게 된다. 동기속도가 전환속도 이상이라면 BLDC모터의 운전모드를 센서리스 모드로 전환한다.(S70) 그리고, 회전자의 위치가 검출되는지의 여부를 판단한다.(S80) 회전자 위치가 검출된다면 기동이 성공한 것이므로 센서리스 모드에 따라 구동을 지속한다.(S90) 한편 회전자 위치가 검출되지 않는다면 기동에 실패한 것으로 판단하고 그에 따른 조치를 취한다.(S100)
이러한 센서리스 BLDC모터의 기동 모드에서 센서리스 모드로의 전환은 안정 된 제어를 위해 매우 중요하며, 회전자의 위치검출이 정상적으로 이루어지는 순간에 전환하는 것이 필요하다.
그러나 이러한 종래의 BLDC모터의 기동방식은 회전자 위치검출이 정상적으로 이루어지지 않은 상태에서 PWM 듀티를 지속적으로 증가시키기 때문에 모터의 부하토크의 변화에 따라서 회전자의 위치 및 상전환 시점간의 동기가 어긋나는 경우가 발생하며, 이 때 기동전류가 과도하게 커지고 이에 따라 기동소음 및 진동이 크게 발생하는 문제점이 있었다.
또한 회전자의 속도를 증가시키기 때문에 압축기 등과 같이 속도가 증가함에 따라 부하토크가 증가하는 시스템에서 이러한 BLDC모터의 기동방식이 사용될 경우, 회전자의 위치와 상전환 시점간의 동기가 어긋나 기동실패율이 증가하며, 기동전류가 과도하게 발생하는 경우 인버터의 사양을 최적화하기 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 BLDC모터의 센서리스 기동 시 저속의 등속기동방식을 이용하여 기동소음 및 진동을 저감하고 기동실패율을 줄일 수 있는 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법을 제공함에 있다.
또한 기동 시 PWM 듀티를 작게 유지함에 따라 기동 시 탈조로 인한 과도전류의 발생을 억제하고, 인버터의 사양을 최적화 할 수 있는 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법을 제공함에 있다.
또한 모터의 운전속도에 따라 부하토크가 급격하게 변화하는 시스템에 사용될 경우 기동전류가 작게 유지하므로 시스템을 안정적으로 운영할 수 있는 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법을 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 비엘디씨 모터의 센서리스 기동 시, 기동속도와 회전자의 펄스 폭 듀티를 일정하게 유지하며 기동한다.
또한 상기 비엘디씨 모터의 기동이 시작되면 상기 회전자의 위치를 주기적으로 검출하고, 상기 회전자의 위치가 미리 설정된 모드전환횟수 이상 연속적으로 검출되면 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한 비엘디씨 모터의 센서리스 기동 시, 회전자 위치의 검출횟수에 따라 센서리스 모드로의 전환여부를 판단한다.
또한 상기 회전자 위치가 미리 설정된 모드전환횟수 이상 연속적으로 검출되면 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전자 위치가 상기 모드전환횟수 미만으로 검출되면 상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 미리 설정된 최대횟수 미만일 경우 상전환 후 기동을 지속하는 것을 특징으로 한다.
또한 기동속도와 회전자의 펄스 폭 듀티를 일정하게 유지하며 기동을 시작하고, 일정시간동안 상기 회전자의 위치검출횟수가 미리 설정된 모드전환횟수 이상일 경우 센서리스 모드로 전환한다.
또한 상기 회전자의 위치검출횟수가 상기 모드전환횟수 미만일 경우 상전환 후 기동을 지속하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상전환이 미리 설정된 횟수만큼 수행되는 동안에는 센서리스 모드로 전환하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상전환은, 상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 미리 설정된 최대횟수 미만일 경우 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 상기 최대횟수 이상인 경우 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 상기 최대횟수 이상인 경우 기동실패로 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한 비엘디씨 모터의 전압을 감지하여 회전자 위치신호를 검출하는 단자전압 검출부와, 상기 회전자 위치신호의 검출횟수에 따라 센서리스 모드로의 전환여부를 판단하는 제어부를 포함한다.
또한 상기 비엘디씨 모터는 일정한 기동속도와 회전자 펄스 폭 듀티를 유지하며 기동하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 일정시간동안 상기 회전자 위치신호가 미리 설정된 모드전환횟수 이상 연속적으로 검출될 경우 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상기 회전자 위치신호가 상기 모드전환횟수 미만으로 검출될 경우 상전환 후 기동을 지속하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는, 상전환이 미리 설정된 횟수만큼 수행되는 동안에는 센 서리스 모드로 전환하지 않는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 3에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 센서리스 BLDC모터의 기동장치는 상용교류전원이 입력되는 전원부(10)와, 전원부(10)로부터 입력되는 AC전원을 DC전원으로 변환하는 컨버터부(Converter)(30)와, BLDC모터(70)를 회전시키기 위해 다수개의 파워 트랜지스터를 교번으로 턴온 또는 턴오프시켜 컨버터부(30)로부터 출력되는 DC전원을 3상 AC전원으로 변환하는 인버터부(Inverter)(50)와, BLDC모터(70)의 역기전력을 감지하여 회전자 위치신호를 검출하는 단자전압 검출부(90)와, 단자전압 검출부(90)에서 검출된 회전자의 위치를 바탕으로 기동장치의 제어신호를 발생시키는 제어부(100)를 포함한다.
단자전압 검출부(90)에 대해 구체적으로 살펴보면 도 4에 도시한 바와 같이, BLDC모터(70)의 역기전력 신호를 감지하여 소정의 크기로 축소하는 전압분배기(71)와, 전압분배기(71)에 의해 축소된 역기전력 신호로부터 90도의 위상 지연을 갖는 삼각파를 생성하는 적분기(73)와, 적분기(73)의 출력과 역기전력의 중성전압을 비교하여 구형파를 생성하는 비교기(75)와, 비교기(75)의 구형파 신호를 DC 그라운드를 기준으로 변환시키는 아이솔레이션(77)으로 구성되어 있다.
이와 같이 구성된 센서리스 BLDC모터의 기동장치는, 전원부(10)에서 상용교류전원이 인가되면, 상용교류전원은 컨버터부(30)를 통해 소정의 DC전원으로 변환되고, 인버터부(50)에서는 6개의 파워 트랜지스터(미도시)를 교번으로 턴온 또는 턴오프 동작시켜 컨버터부(30)로부터 출력되는 DC전원을 3상(u, v, w상) AC전원으로 변환시켜 BLDC모터(70)를 회전시킨다.
이 때 BLDC모터(70)를 기동하기 위한 초기 동기속도와 PWM 듀티(Pulse Width Modulation Duty)를 설정하여야 하는데, 이는 BLDC모터(70)의 특성과 단자전압 검출부(90)의 특성을 고려하여 선정되어야 한다. 초기 동기속도는 약 100RPM정도로 설정되며 PWM 듀티는 동기속도에 따라 결정된다. 동기속도를 100RPM 이외에 다른 값으로 설정할 수 있음은 물론이다.
초기 동기속도와 PWM 듀티가 설정되면 이에 따라 BLDC모터(70)를 기동하는데, PWM 듀티와 동기가 부합되는 일정시간 간격마다 상전환을 수행하게 된다. 이 때, PWM 듀티는 초기 설정된 PWM 듀티를 유지하고, 상전환 시간의 간격은 처음 상전환을 수행할 때와 같은 간격을 유지한다. 즉, BLDC모터(70)의 기동 시 PWM 듀티와 동기속도는 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같은 패턴을 유지한다. 초기 설정된 PWM 듀티와 동기속도로 센서리스 모드로 전환할 때까지 기동을 지속하게 된다.
한편 BLDC 모터(70)의 운전모드를 기동모드에서 센서리스 모드로 전환하는 시점을 판단하기 위해서는 매 상전환 시마다 단자전압 검출부(90)의 신호를 확인하여 회전자의 위치검출이 이루어지고 있는지를 판단하여야 한다. 미리 설정된 횟수이상 연속적으로 위치검출이 이루어지는 경우, 센서리스 모드로 운전모드를 전환시킨다.
이하 도 6을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 BLDC 모터의 센서리스 기동방법을 설명한다.
먼저 BLDC모터(70)의 기동 알고리즘을 적용하기 위해서 초기 PWM 듀티와 동기속도를 설정한다.(S110) 초기 PWM 듀티와 동기속도가 설정되었으면, 설정된 값에 따라 BLDC 모터(70)의 기동을 시작한다.(S120) 제어부(100)에서 BLDC모터(70)의 기동을 시작하라는 신호를 각 장치에 전달하면, 전원부(10)로부터 AC전원이 입력되고, AC전원은 컨버터부(30)에서 소정의 DC전원으로 변환된 후, 인버터부(50)를 거치면서 3상 AC전원으로 재 변환된다. 이렇게 변환된 3상 AC전원에 의해 BLDC모터(70)가 회전하게 된다.
기동이 시작된 후 PWM 듀티와 동기속도에 따라 정해진 시간이 경과하였는지를 판단한다.(S130) 이 일정시간이 경과할 때까지 현 상태를 유지하며 기동을 계속하는데, 이 때 단자전압 검출부(90)에서는 주기적으로 회전자의 위치를 검출하여 제어부(100)로 그 신호를 출력해주게 된다.
일정시간이 경과하면 그 때까지 단자전압 검출부(90)에서 검출한 회전자의 위치검출횟수가 센서리스 모드로 전환하기에 적합한 모드전환횟수 이상인지의 여부를 판단한다.(S140) 모드전환횟수는 BLDC모터(70)의 특성 등을 고려하여 수 회로 설정되는데, 이는 회전자가 연속적으로 검출되는 경우를 전제로 한다. 예를 들어 모드전환횟수가 3회로 설정된 경우 단자전압 검출부(90)에서 회전자가 3회 이상 연속적으로 검출되었는지의 여부를 판단하는 것이다.
회전자의 위치검출횟수가 모드전환횟수 이상이 되지 않을 경우, 기동시작 후 상전환 횟수가 미리 설정된 최대 상전환 횟수 미만인지의 여부를 판단한다.(S150) 최대 상전환 횟수는 수 십회 정도로 설정되는데, 오랫동안 BLDC모터(70)의 기동모드를 지속하는 것이 바람직하지 않기 때문에 일정한 제한을 두는 것이다.
상전환 횟수가 최대 상전환 횟수 미만일 경우 상전환을 수행한 후 초기 설정된 PWM 듀티와 동기속도로 기동을 계속한다.(S160) 그리고, PWM 듀티와 동기속도에 따라 초기 설정된 일정시간이 경과하면 그 때까지 단자전압 검출부(90)에서 검출된 회전자 위치검출횟수가 모드전환횟수 이상인지의 여부를 판단한다.(S130, S140)
회전자 위치검출횟수가 모드전환횟수 이상이 아닐 경우, 상전환 횟수가 최대 상전환 횟수 미만인 동안 상전환을 수행한 후,(S150, S160) 120~150단계의 과정을 반복한다. 한편 상전환 횟수가 최대 상전환 횟수를 초과하는 경우, 더 이상 기동을 지속하지 않고 기동실패로 판단하여 BLDC모터(70)의 기동을 정지한다.(S200)
130단계에서 회전자 위치검출횟수가 모드전환횟수 이상인 경우에는 센서리스 모드로 전환하기에 적합하다고 판단하여 센서리스 모드로 전환되어 구동하게 된다.(S170) 그리고, 단자전압 검출부(90)에서는 회전자의 위치가 검출되는지의 여부를 판단하여(S180) 회전자의 위치가 검출될 경우 기동이 성공되었다고 판단하고,(S190) 그렇지 않을 경우 기동실패로 판단하게 된다.(S200)
이외에도 도 7에 도시한 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 BLDC모터의 센서리스 기동방법을 살펴보면, 대부분의 과정이 제1실시예에서 설명한 바와 동일하나, 250단계에서 상전환 횟수가 최대 상전환 횟수 이상인 경우, 제1실시예와 달리 센서리스 모드로 운전모드를 전환하게 된다.(S270) 이는 설계치 이상의 횟수만큼 상전환을 수행하는 동안 연속적인 회전자 위치검출이 이루어지지 않더라도 최 종 상전환 시 센서리스 모드로 운전모드를 전환시켜 기동실패를 낮출 수 있도록 하기 위함이다. 물론, 센서리스 모드로 전환된다 하여도, 단자전압 검출부(90)에서 회전자의 위치가 검출되어야만 기동에 성공하였다고 판단하고, 그렇지 않을 경우 기동실패로 판단하게 된다.(S280~S300)
한편, 상기 설명한 바와 다르게 본 발명의 제3실시예에 따르면 기동을 시작한 후 상전환이 수 회 이루어지는 동안의 위치검출 신호는 BLDC모터(70)의 역기전력에 의한 신호가 아닌 노이즈에 의한 신호일 가능성을 고려하여, 상전환이 수 회 이루어진 후의 위치검출신호를 이용하여 센서리스 모드로의 전환여부를 판단하여 노이즈에 의한 문제점을 해결할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 기동방식에 의하면 상전환이 이루어지는 시간이 일정하게 유지되기 때문에 모터가 가속되지 않아 모터가 탈조 할 가능성이 줄어들며 또한 PWM 듀티가 증가되지 않기 때문에 기동실패 시에 과도한 기동전류가 발생하지 않는다. 이는 도 8에 도시한 바와 같이 기동전류가 2A 이하로 유지되는 한편 안정화 된 패턴으로 회전자의 위치검출이 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 저속의 등속기동방식을 이용함으로써 기동소음 및 진동을 줄이고 기동실패율을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 기동 시 PWM 듀티를 작게 유지함과 동시에 일정한 값으로 유지함으로써 기동 시 탈조로 인한 과도전류의 발생을 억제할 수 있고 이에 따라 인버터의 사양 을 최적화 할 수 있게 된다.
또한 모터의 운전속도에 따라 부하토크가 급변하는 시스템에 사용되는 BLDC모터의 센서리스 기동에 있어, 기동전류가 작게 유지될 수 있는 효과가 있다.

Claims (16)

  1. 비엘디씨 모터의 센서리스 기동 시, 기동속도와 회전자의 펄스 폭 듀티를 일정하게 유지하며 기동하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 비엘디씨 모터의 기동이 시작되면 상기 회전자의 위치를 주기적으로 검출하고, 상기 회전자의 위치가 미리 설정된 모드전환횟수 이상 연속적으로 검출되면 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  3. 비엘디씨 모터의 센서리스 기동 시, 회전자 위치의 검출횟수에 따라 센서리스 모드로의 전환여부를 판단하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회전자 위치가 미리 설정된 모드전환횟수 이상 연속적으로 검출되면 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회전자 위치가 상기 모드전환횟수 미만으로 검출되면 상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 미리 설정된 최대횟수 미만일 경우 상전환 후 기동을 지속하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  6. 기동속도와 회전자의 펄스 폭 듀티를 일정하게 유지하며 기동을 시작하고,
    일정시간동안 상기 회전자의 위치검출횟수가 미리 설정된 모드전환횟수 이상일 경우 센서리스 모드로 전환하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 회전자의 위치검출횟수가 상기 모드전환횟수 미만일 경우 상전환 후 기동을 지속하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 상전환이 미리 설정된 횟수만큼 수행되는 동안에는 센서리스 모드로 전환하지 않는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 상전환은, 상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 미리 설정된 최대횟수 미만일 경우 수행되는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 상기 최대횟수 이상인 경우 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 비엘디씨 모터의 상전환 횟수가 상기 최대횟수 이상인 경우 기동실패로 판단하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동방법.
  12. 비엘디씨 모터의 전압을 감지하여 회전자 위치신호를 검출하는 단자전압 검출부와,
    상기 회전자 위치신호의 검출횟수에 따라 센서리스 모드로의 전환여부를 판단하는 제어부를 포함하는 비엘디씨 모터의 기동장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 비엘디씨 모터는 일정한 기동속도와 회전자 펄스 폭 듀티를 유지하며 기동하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제어부는, 일정시간동안 상기 회전자 위치신호가 미리 설정된 모드전환횟수 이상 연속적으로 검출될 경우 센서리스 모드로 전환하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 회전자 위치신호가 상기 모드전환횟수 미만으로 검출될 경우 상전환 후 기동을 지속하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제어부는, 상전환이 미리 설정된 횟수만큼 수행되는 동안에는 센서리스 모드로 전환하지 않는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 기동장치.
KR1020040109736A 2004-12-21 2004-12-21 비엘디씨 모터의 기동장치 및 방법 KR20060070911A (ko)

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