KR20060075262A - 비엘디씨 모터의 상전환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비엘디씨 모터의 상전환 방법에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 BLDC모터의 상전환 및 위치검출시점을 정확히 검출하여 압축기의 회전 및 RPM이 안정되어 소음 및 진동을 최소화 할 수 있는 비엘디씨 모터의 상전환 방법을 제공함에 있다.

이를 위해 본 발명은 비엘디씨 모터를 기계각으로 한 주기 회전할 때 첫번째 상전환 구간은 직전 주기의 마지막 상전환 구간과 동일하게 동작시키는 제1방식으로 기동 시키고, 센서리스 모드로 전환 후 상기 첫번째 상전환 구간은 직전주기까지의 첫번째 상전환 구간들의 구간주기의 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제3방식으로 구동 시킨다.

Description

비엘디씨 모터의 상전환 방법{Phase commutation method of a BLDC motor}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC모터의 제어장치를 도시한 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시한 BLDC모터가 기계적으로 한 주기를 회전할 때 상전환 방식을 도시한 도면이다.

도 3은 도 1에 도시한 BLDC모터의 제3방식에 따른 상전환 방법을 도시한 도면이다.

도 4는 도 1에 도시한 BLDC모터의 구동상태에 따라 적용되는 상전환 방식을 도시한 도면이다

도 5는 도 1에 도시한 BLDC모터의 상전환 방법을 도시한 흐름도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 전원부

70 : BLDC모터

90 : 단자전압 검출부

100 : 제어부

110 : 전류센서

본 발명은 비엘디씨 모터의 상전환 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상전환 시점을 정확하게 유지하여 소음 및 진동을 최소화하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법에 관한 것이다.

일반적으로, BLDC 모터(Brushless Direct Current)는 브러시와 정류자 등의 기계적인 요소 대신 스위칭 소자로 구성된 정류회로를 사용하는 모터로, 마모에 따른 브러시의 교체가 필요 없으며 전자파 장해와 소음이 적은 것이 특징이다.

이러한 BLDC 모터는 냉장고 및 에어컨용 압축기 및 세탁기 등과 같이 고효율 가변속 운전을 구현하는 것이 필요한 제품에 현재 가장 많이 사용되고 있다.

BLDC 모터를 운전하기 위해서는 회전자에서 발생하는 영구자석의 자속(flux)과 전기적으로 직각 또는 임의의 각도를 갖도록 고정자의 자속을 제어해야 한다. 이를 위해서 회전자가 어느 위치에 있는가를 항상 검출하여 회전자의 위치에 따라 고정자의 자속 발생위치를 결정하도록 인버터 스위칭 소자들의 스위칭 상태를 결정해야 한다. 이 때, 회전자의 위치를 검출하기 위해서 레졸버(Resolver), 인코더(Absolute Encoder), 홀센서 등을 사용할 수 있으나, 냉장고 및 에어컨용 압축기의 경우에 온도 및 압력 등의 환경적인 요인에 의해 센서를 사용하기 어려우므로 모터에 인가되는 전압 또는 전류로부터 회전자의 위치를 검출하는 센서리스(Sensorless)방식을 주로 사용한다.

BLDC 모터의 구동방식은 모터에 인가되는 상전류의 형상에 따라 구형파 전류 (Rectangular Current Waveform)방식과 정현파 전류(Sinusoidal Current Waveform) 방식으로 구분할 수 있다.

그 중 정현파 전류방식의 경우, 3상의 전압 및 전류를 모두 검출하여 회전자 위치를 검출할 수 있다. 통상적으로 냉장고 및 에어컨 등의 압축기용으로 기계각 한 주기(360도)의 회전자 위치정보는 10~12비트정도의 분해능(Resolution)이 필요하다.

이 때 냉장고 및 에어컨 등의 압축기는 냉매가스의 흡입, 압축, 토출 등의 연속작용에 의해 모터의 기계각 1회전 당 모터에 인가되는 부하의 변화가 매우 크다. 따라서 BLDC모터가 기계각으로 1회전할 때 10~12번 정도의 상전환 시 각 상전환 시점 및 위치검출시점을 정확히 결정하여야 한다.

그러나 이러한 종래의 BLDC모터의 상전환은 기계각으로 1회전한 후 다음 주기의 첫번째 상전환 시점을 정확하게 결정할 수 있는 방법이 제시되어 있지 않아 모터에 인가되는 부하의 변화가 큰 인버터 냉장고 등에 사용될 경우 소음과 진동이 심하다는 문제점이 있었다.

또한 BLDC모터가 센서리스 모드로 전환되어 안정된 동작을 하고 있는 경우와 초기 기동모드의 경우와 같은 방법으로 상전환을 수행하고 있어 모터의 동작모드에 따른 특성을 반영하여 상전환을 수행하지 못한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 BLDC모터의 상전환 및 위치검출시점을 정확히 검출하여 압축기의 회전 및 RPM이 안정되어 소음 및 진동을 최소화 할 수 있는 비엘디씨 모터의 상전환 방법을 제공함에 있다.

또한 BLDC모터의 동작모드에 따라 상전환 방법을 다르게 적용하여 특히 BLDC모터의 운전이 안정된 구간에서 상전환 시점을 정확히 판단할 수 있는 비엘디씨 모터의 상전환 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 비엘디씨 모터가 기계각으로 한 주기 회전한 후 상전환 시, 차기 상전환 구간은 제1주기의 첫번째 상전환 구간과 동일하게 동작하도록 제어한다.

또한 상기 차기 상전환 구간은, 상기 제1주기의 첫번째 상전환 구간과 상전환 시간과 위치검출시간이 동일하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 차기 상전환 구간은, 상기 제1주기의 첫번째 상전환 구간과 역기전압신호의 제로교차점 주기가 동일하도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한 비엘디씨 모터가 기계각으로 한 주기 회전할 때 첫번째 상전환 구간은, 직전 주기까지 첫번째 상전환 구간들의 구간주기의 평균에 해당하는 값으로 구간주기를 설정한다.

또한 상기 구간주기는, 역기전압신호가 제로 위상과 교차하는 제로교차점신호의 발생주기 인 것을 특징으로 한다.

또한 비엘디씨 모터를 기계각으로 한 주기 회전할 때 첫번째 상전환 구간은 직전 주기의 마지막 상전환 구간과 동일하게 동작시키는 제1방식으로 기동 시키고, 센서리스 모드로 전환 후 상기 첫번째 상전환 구간은 직전주기까지의 첫번째 상전 환 구간들의 구간주기의 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제3방식으로 구동 시킨다.

또한 상기 센서리스 모드로의 전환은, 상기 비엘디씨 모터를 한 주기 회전 시, 상전환 구간의 구간주기 중 최대값과 최소값의 차가 미리 설정된 값 이하일 경우 전환되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제1방식으로 기동 후, 상기 비엘디씨 모터의 속도가 미리 설정된 범위에 도달할 경우, 상기 첫번째 상전환 구간은 직전주기의 모든 상전환 구간의 구간주기 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제2방식으로 기동하는 것을 특징으로 한다.

또한 비엘디씨 모터를 기계각으로 한 주기 회전할 때 첫번째 상전환 구간은 직전주기의 모든 상전환 구간의 구간주기 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제2방식으로 기동 시키고, 센서리스 모드로 전환 후 상기 첫번째 상전환 구간은 직전주기까지의 첫번째 상전환 구간들의 구간주기의 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제3방식으로 구동 시킨다.

또한 상기 센서리스 모드로의 전환은, 상기 비엘디씨 모터를 한 주기 회전 시, 상전환 구간의 구간주기 중 최대값과 최소값의 차가 미리 설정된 값 이하일 경우 전환되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 구간주기는, 역기전압신호가 제로 위상과 교차하는 제로교차점신호의 발생주기 인 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설 명하도록 한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 BLDC모터의 제어장치는 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(U, V, W) AC전원으로 변환하는 인버터부(Inverter)(50)와 BLDC모터(70)의 역기전력을 감지하여 회전자 위치신호를 검출하는 위치/속도 검출부(90)와, 컨버터부(30)와 인버터부(50) 사이의 전류를 검출하는 전류센서(110)와, 전류센서(110)에서 검출한 전류정보와 위치/속도 검출부(90)에서 모터의 역기전압을 이용하여 검출된 회전자의 위치를 바탕으로 BLDC모터(70)의 회전속도를 제어하는 제어부(100)를 포함한다. 인버터부(50)는 인버터 제어신호를 발생시켜 인버터부(50)에서 출력되는 3상 교류전원의 상전환(phase commutation) 시점 및 각 상의 전류를 제어하여 제어부(100)의 제어신호에 따라 모터가 회전하도록 한다.

BLDC모터(70)의 회전 시 각 코일에는 역기전압이 발생한다. 모터를 제어하는 제어부는 역기전압이 모터의 공통점의 제로 위상과 교차할 때마다 반전되는 역기전압의 제로교차점신호(Zero crossing point : ZCP)를 생성하고, 이 제로교차점신호에 따라 각 코일에 전압을 인가한다. 이 제로교차점신호는 역기전압신호의 제로교차점을 의미하고, 그 주기는 BLDC모터(70)의 회전속도에 따라 달라진다.

BLDC모터(70)가 안정적으로 구동 되려면, 소정의 코일에 역기전압의 제로교차점신호가 출력되었을 때, 다른 코일에 3상 전압이 정확히 인가되어야 한다. 그 러므로, 역기전압의 제로교차점을 정확히 검출하는 것은 모터의 안정적인 동작을 위한 필수요소가 된다.

한편 도 2에 도시한 바와 같이 상전환 방식의 4극 BLDC모터(70)의 경우 12번 상전환을 하면 기계각으로 360도 회전하게 된다. ①~⑫까지 상전환이 수행되면 BLDC모터(70)는 기계적으로 1회전을 하는 것이다. ①번 상전환 구간을 살펴보면, 우선 하나의 상전환 구간은 역기전압의 제로교차점신호(ZCP)가 출력된 시점부터 다음 번 역기전압의 제로교차점신호(ZCP)가 출력된 시점까지(7)를 의미한다. 상전환 구간 중 일부는 실제 상전환이 이루어지는 구간(1)이고, 그 나머지는 회전자의 위치 검출이 이루어지는 구간(5)이다. ①번 상전환 구간 중 도면번호 3이 표시된 구간까지가 실제 상전환이 이루어지는 구간이다.

BLDC모터(70)가 기계각으로 1회전하는 동안 각 상전환 구간의 실제 상전환 구간(1), 위치검출구간(5), ZCP에서 다음 ZCP까지의 시점(하나의 상전환 구간)(7)은 부하의 토크 등에 따라 달라지게 된다. 도 2에서 냉장고의 냉매를 부하로 보았을 때, 부하의 토크가 한 주기내에서 점점 증가하다가 감소하는 경우, BLDC모터(70)의 토크도 비례하여 변화하는 것을 볼 수 있다. 이는 냉장고와 같이 냉매를 사용하는 경우 모터의 기계각 1회전당 모터에 인가되는 부하의 변화가 매우 크기 때문이다. 모터의 토크가 증가한다는 것은, 모터의 회전속도가 증가한다는 것으로 그에 따라 하나의ZCP가 출력된 시점에서 다음 ZCP가 출력되는 시점까지의 시간(7)이 늘어나는 것을 볼 수 있다. 또한, 모터의 회전속도가 증가함에 따라 실제 상전환이 이루어지는 구간(1)이 상대적으로 짧아지게 된다.

이와 같이 BLDC모터(70)가 기계각 1회전을 하여 12번의 상전환이 수행되고 한 주기가 끝나면, 다음 번 주기로 넘어가 다시 기계각으로 1회전을 하게 된다. 이 때 첫번째 주기의 ⑫번째 상전환이 완료되고, 두번째 주기의 첫번째 상전환, 즉 ⑬번째 상전환을 수행하는 방식에는 여러가지가 있다.

먼저, ⑫번째 상전환 구간과 동일한 방식으로 ⑬번째 상전환을 수행하는 방식1이 있다. 이는 BLDC모터(70)의 초기 기동 시 모터의 속도변동폭이 클 때 상전환 시점과 위치검출 시점을 검출하는데 주로 사용되는 방식이다.

다음으로, BLDC모터(70)를 기계각으로 한 주기 회전하는 동안 ①번째부터 ⑫번째까지 상전환 구간의 ZCP에서 ZCP까지의 값(7)을 메모리에 기억하고 있다가, ⑫번째 상전환이 완료되면 이 값들의 평균값을 계산하여 그 값을 ⑬번째 상전환 구간의 ZCP에서 ZCP까지의 값(7)으로 설정하는 방식2가 있다. 이는 BLDC모터(70)가 어느 정도의 속도에 도달하였을 때 사용되는 상전환 방식이다.

마지막으로, 도 3에 도시한 바와 같이 ①번째 상전환 구간의 ZCP에서 ZCP까지의 값(7)과 동일하게 ⑬번째 상전환 구간을 설정하고, 기계각의 3번째 주기의 시작인 번째 상전환 구간은 ①번째와 ⑬번째의 ZCP에서 ZCP까지의 값(7)의 평균으로 설정하는 방식3이 있다. 이는 BLDC모터(70)의 동작이 안정된 경우 각 상전환 구간별 평균을 구하여 다음 주기의 상전환 구간을 설정하는 방식이다. 이 때 안정된 구간인지의 여부를 판단하는 기준은 기계각이 한 주기 회전하는 동안 상전환 구간 별 ZCP에서 ZCP까지의 값(7)의 최대값과 최소값의 차가 제품에 따라 정해진 자체 규격의 범위 내에 들어올 경우 안정된 구간으로 판단한다.

도 4에 도시한 바와 같이, BLDC모터(70)의 초기 기동 시에는 방식1에 따라 상전환을 수행한다. BLDC모터(70)의 속도가 어느 정도 상승하게 되면 방식2로 전환하여 상전환을 수행하다가, 안정된 구간에 진입할 경우 방식3으로 전환하여 상전환을 수행하게 된다. 즉, 기동모드에서는 방식1과 방식2로 상전환을 수행하며, 센서리스 모드로 진입할 경우 방식3으로 상전환을 수행한다고 볼 수 있다.

다만, 반드시 방식1과 방식2를 거쳐 방식3으로 전환되는 것은 아니며, BLDC모터(70)의 구동조건이나 기타 환경, 설계에 따라 방식1과 방식2 중 어느 하나의 방식으로만 상전환을 수행하다가 안정된 구간에 진입하면 방식3으로 상전환을 수행할 수 있음은 물론이다.

이하 도 5을 참조하여 BLDC 모터의 상전환 방법을 설명한다.

먼저 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. 이와 같이 BLDC모터(70)에 비전환 상전류가 공급되면 구동이 시작되는 것이다.(S100)

모터의 구동이 시작되면 회전자의 위치정보를 이용하여 상전환이 이루어지는지의 여부를 판단할 수 있는데, 상전환이 시작되면 우선 방식1에 따라 상전환을 수행한다.(S110, S120) 즉, BLDC모터(70)가 기계각으로 1회전 할 때 12번의 상전환이 이루어지는 것으로 가정할 때, , ⑫번째 상전환 구간과 동일한 방식으로 ⑬번째 상전환을 수행하게 된다.

방식1에 따라 상전환을 지속하면서, BLDC모터(70)의 속도오차가 일정범위 내에 들어오는지를 판단한다.(S130) BLDC모터(70)가 초기 기동을 시작한 후, 규격에 따라 미리 정해진 일정 범위까지 가속되었는지의 여부를 판단하는 것이다. 속도오차가 일정범위 내에 들어올 때까지 방식1에 따라 상전환을 수행한다.

속도오차가 일정범위 내라면 상전환 방식을 방식2로 전환하여 상전환을 수행하게 된다.(S140) 한 주기 회전하는 동안 ①번째부터 ⑫번째까지 상전환 구간의 값을 메모리에 기억하고 있다가, ⑫번째 상전환이 완료되면 이 값들의 평균값을 계산하여 그 값을 ⑬번째 상전환 구간의 값으로 설정하게 된다.

방식2에 따라 상전환이 수행되면, 기계각으로 한 주기 회전하는 동안 각 상전환 구간의 ZCP에서 ZCP까지의 값(7) 중 최대값(MAX)과 최소값(MIN)을 판별하고, 최대값과 최소값의 차가 미리 설정된 기준범위보다 작은지의 여부를 판단하게 된다.(S150)

최대값과 최소값의 차가 기준범위보다 작으면, BLDC모터(70)의 구동이 안정된 단계로 진입하였다고 판단하여, 상전환을 방식3에 따라 수행하게 된다.(S160) 즉, 기계각으로 한 주기 회전하는 동안 각 상전환 구간의 값이 안정화 단계에서는 비교적 일정하다고 볼 수 있으므로, 직전 주기까지의 해당 상전환 구간 값(7)의 평균으로, 다음 주기의 해당 상전환 구간(7)을 설정하게 되는 것이다.

이와 같은 방법은 냉장고나 에어컨의 압축기와 같이 부하토크가 모터의 1회전에 따라 주기적으로 변동하는 경우에 효과적으로 적용할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 BLDC모터의 상전환 및 위치검출시점을 정확히 검출하여 압축기의 회전 및 RPM이 안정되어 소음 및 진동을 최소화 할 수 있다.

또한 BLDC모터의 동작모드에 따라 상전환 방법을 다르게 적용하여 특히 BLDC모터의 운전이 안정된 구간에서 상전환 시점을 정확하게 판단할 수 있다.

Claims (11)

1. 비엘디씨 모터가 기계각으로 한 주기 회전한 후 상전환 시, 차기 상전환 구간은 제1주기의 첫번째 상전환 구간과 동일하게 동작하도록 제어하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 차기 상전환 구간은, 상기 제1주기의 첫번째 상전환 구간과 상전환 시간과 위치검출시간이 동일하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 차기 상전환 구간은, 상기 제1주기의 첫번째 상전환 구간과 역기전압신호의 제로교차점 주기가 동일하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
4. 비엘디씨 모터가 기계각으로 한 주기 회전할 때 첫번째 상전환 구간은, 직전 주기까지 첫번째 상전환 구간들의 구간주기의 평균에 해당하는 값으로 구간주기를 설정하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 구간주기는, 역기전압신호가 제로 위상과 교차하는 제로교차점신호의 발생주기 인 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
6. 비엘디씨 모터를 기계각으로 한 주기 회전할 때 첫번째 상전환 구간은 직전 주기의 마지막 상전환 구간과 동일하게 동작시키는 제1방식으로 기동 시키고, 센서리스 모드로 전환 후 상기 첫번째 상전환 구간은 직전주기까지의 첫번째 상전환 구간들의 구간주기의 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제3방식으로 구동 시키는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 센서리스 모드로의 전환은, 상기 비엘디씨 모터를 한 주기 회전 시, 상전환 구간의 구간주기 중 최대값과 최소값의 차가 미리 설정된 값 이하일 경우 전환되는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 제1방식으로 기동 후, 상기 비엘디씨 모터의 속도가 미리 설정된 범위에 도달할 경우, 상기 첫번째 상전환 구간은 직전주기의 모든 상전환 구간의 구간주기 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제2방식으로 기동하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
9. 비엘디씨 모터를 기계각으로 한 주기 회전할 때 첫번째 상전환 구간은 직전주기의 모든 상전환 구간의 구간주기 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제2방식으로 기동 시키고, 센서리스 모드로 전환 후 상기 첫번째 상전환 구간은 직전주기까지의 첫번째 상전환 구간들의 구간주기의 평균에 해당하는 구간주기를 갖는 제3방식으로 구동 시키는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 센서리스 모드로의 전환은, 상기 비엘디씨 모터를 한 주기 회전 시, 상전환 구간의 구간주기 중 최대값과 최소값의 차가 미리 설정된 값 이하일 경우 전환되는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.
11. 제 6항 또는 제9항에 있어서,

    상기 구간주기는, 역기전압신호가 제로 위상과 교차하는 제로교차점신호의 발생주기 인 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 상전환 방법.

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