KR20060105016A - 직류 모터를 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

3상 직류 모터는 주기적으로 반복되는 3개의 제 1 스위칭 상태(a, c, e)에 의해 제어되며, 이에 따라 상기 3개의 제 1 스위칭 상태의 각각의 상태에서, 직류 모터(M)의 3개의 상(U, V, W) 중 하나가 제 1 입력 전압과 제 2 입력 전압 사이에서 주기적으로 스위칭된다. 반면에, 나머지 두 개의 상은 지속적으로 제 1 입력 전압에 연결되어 있다.

Description

직류 모터를 제어하는 방법 및 장치{CONTROLLING OF A DIRECT-CURRENT MOTOR}
본 발명은 브러시리스 직류 모터(brushless direct-current motor)를 제어하기 위한 방법 및 상기 방법을 수행하기 적합한 AC/DC 인버터에 관한 것이다.
모터의 스테이터(stator)는 로터(rotor)의 자석이 스스로 정렬되고, 그에 따라 로터의 회전을 유도하는 회전 자기장을 생성한다. 모터의 가능한 가장 높은 전기적 효율도를 얻기 위해, 주기의 1/3 만큼 위상 편이된 정현파 전류를 이용하여 스테이터의 3개의 권선에 반응하는 것이 바람직하다. 모터의 회전 속도가 전류의 주파수에 따라 다르기 때문에, 다양한 주파수를 갖는 전류를 제공하는 것이 가능해야 한다. 임의로 선택 가능한 주파수를 지니는 구동 전류를 제공하기 위하여, AC/DC 인버터가 일반적으로 사용되며, 이는 고정 공급 전압을 갖는 펄스 모드에서, 모터의 권선에 대응하며, 이때, 스위치의 반복 주파수는 회전 주파수보다 충분히 높다. 공급 전압의 정현 프로파일(sinusoidal profile)이 AC/DC 인버터에 가까우면 가까울수록, 상기 AC/DC 인버터의 스위치의 스위칭 프로세스가 요구하는 주파수는 더 높아진다. 스위치의 파워 손실은 스위칭 주파수를 증가시킨다. 상기 스위칭 주파수가 너무 높을 경우, 이는 스위치의 과열 현상이나 파괴를 초래할 수 있다. 모 터 권선에 대한 정현파 공급 전류의 요망 값과, 낮은 스위칭 주파수에 대한 필요성과 그에 대응하는 AC/DC 인버터에서의 낮은 손실 사이에서 모터의 획득 가능한 효율도가 협의된다.
널리 이용되는 제어 방법은 6개의 주기적으로 변화하는 스위칭 상태를 이용하는 것이다. 상기 스위칭 상태는 각각의 권선이 각각 하나의 상태에 전류가 흐르지 않는, 주기의 1/6인 구간을 가진다. 그 후 전류는 2개의 상태 동안 제 1 방향으로 흐르고, 상기 권선에는 또 다른 상태 동안 전류가 흐르지 않으며, 최종적으로 2개의 추가 상태 동안 전류는 반대 방향으로 흐르고, 3개의 권선의 전류는 각각 주기의 1/3 만큼 위상 편이(phase-shift)된다. 이러한 이론에 의하면, 제어하기 간단하나, 모터의 3개의 권선 중 하나에는 계속하여 전류가 흐르지 않아 모터의 토크를 형성하는데 기여하지 않는다. 그러므로 상기 권선과 그 안에 흐르는 전류의 세기는, 전류가 흐르는 2개의 권선이 필요한 토크를 전달하기에 충분하도록 설계되어져야 한다. 항상 3개의 권선 모두에 전류가 흐르게 하는 제어 방법에 의해, 같은 토크에 대하여, 권선의 회선의 수가 줄어들 수 있고, 그에 따라 비용과, 중량과, 크기가 감소할 뿐 아니라, 저항에 의한 손실이 감소하고, 효율도가 증가할 수 있다.
본 발명의 목적은 이러한 개선된 제어 방법을 제공하는 것이다.
주기적으로 반복하는 3개의 제 1 스위칭 상태에 의해 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)가 제어될 수 있다. 3개의 제 1 스위칭 상태 중 각각의 상태에서, 제 1 입력 전압과 제 2 입력 전압 사이에서, 3개의 상(phase) 중 1개의 상이 주기적으로 스위칭되는 반면에, 다른 나머지 2개의 상은 지속적으로 제 1 입력 전압에 연결되어 있다. 하나의 상이 제 2 입력 전압에 연결되어 있는 동안, 직렬 회로에서 1개의 상과 서로 병렬인 나머지 2개의 상을 통해 전류가 흘러, 3개의 상 모두가 전류를 운반하고, 모터의 토크를 형성하도록 기여할 수 있다.
제 2 스위칭 상태 중 하나의 상태가 제 1 스위칭 상태 중 두 개의 상태 사이에 삽입되어 있을 때, 모터의 균일한 회전이 이뤄질 수 있으며, 이때 3개의 상 중 하나가 제 1 입력 전압과 제 2 입력 전압 사이에서 주기적으로 스위칭되는 반면에 나머지 두 개의 상은 제 2 입력 전압에 지속적으로 연결되어 있다. 또한, 하나의 상이 제 1 입력 전압에 스위칭되면, 전류는 3개의 상을 모두 통과하여 흐른다.
모든 제 2 스위칭 상태에서, 상이 주기적으로 스위칭되는 것이 주기적으로 미리 스위칭되는 것도 아니고, 다음에 뒤따르는 제 1 스위칭 상태에서 스위칭되는 것도 아닐 경우, 지속적으로 집중적으로 회전하는 공간 벡터가 얻어진다.
균일한 모터 파워를 위해, 모든 제 1 스위칭 상태에서, 각각의 제 1 스위칭 상태 구간으로부터, 주기적으로 스위칭되는 상이 제 2 입력 전압에 연결되어 있는 시간의 한 부분이, 각각의 제 2 스위칭 상태 구간으로부터, 주기적으로 스위칭되는 상이 제 1 입력 전압에 연결되어 있는 시간의 한 부분과 같다.
상기 시간의 한 부분은 직류 모터의 하중에 비례하여 모든 제 1 스위칭 상태, 또는 제 2 스위칭 상태에서 조정된다.
AC/DC 인버터가 상기 직류 모터를 제어하기 위해 사용될 경우, 모터의 각각의 상은 제 1 입력 전압을 운반하는 제 1 단자와 모터의 관련 상 사이에 위치하는 제 1 스위치를 갖는다. 그리고 제 2 입력 전압을 운반하는 제 2 단자와 모터의 관련 상 사이에 위치하는 제 2 스위치를 갖는다. 모든 제 1 스위칭 상태에서, 주기적으로 스위치되는 상의 제 1 스위치는 열린 상태로 남아 있고, 반면에 상기 상의 제 2 스위치는 주기적으로 스위칭된다. 그러므로 제 1 스위치에서 어떤 스위칭 손실도 발생하지 않는다. 따라서 모든 제 2 스위칭 상태에서, 주기적으로 스위칭되는 상의 제 2 스위치는 열린 상태로 남아 있고, 반면에 상기 상의 제 1 스위치는 주기적으로 스위칭된다.
본 발명에 따르는 상술한 방법에 따라 스위치를 제어하기 위해 AC/DC는 제어 회로에 적합하다.
도 1은 본 발명을 수행하기 위해 사용되는 AC/DC 인버터를 도식한 도면이다.
도 2는 AC/DC 인버터의 스위치의 상태뿐 아니라, 모터의 상에서의 전압과, 전류의 흐름 방향까지 도식한 시간 도표이다.
도 3은 본 발명에 따라 제어되는 전기 모터의 하나의 상의 전류 신호를 시뮬레이팅한 시간 프로파일이다.
도 1에서 도식하고 있는 AC/DC 인버터는 6개의 스위치(SU1, SV1, SW1, SU2, SV2, SW2)를 포함하며, 이 중 스위치(SU1, SV1, SW1)가 양극 공급 단자(+)와 3상 브러시리스 직류 모터(M)의 상(U, V, W) 사이에 배치되어 있고, 스위치(SU2, SV2, SW2)는 상기 3개의 상 중 하나와 음극 공급 단자(-) 사이에 각각 배치된다. 상기 스위치들은 종래의 방식으로 병렬 연결된 억제 다이오드를 갖는 IGBT일 수 있다.
직류 모터(M)에서 자기장의 요망 회전 주파수, 또는 모터의 요망 파워를 설계하는 2개의 입력 신호에 따라 스위치(SU1 ~ SW2)를 열고 닫기 위해, 제어 회로(C)가 제어 시퀀스를 생성한다.
상기 제어 회로(C)는 6개의 스위칭 상태를 순환적으로 반복한다. 도 2에서 나타내는 바와 같이, 제 1 스위칭 상태에서, 양극 단자에 연결되어 있는 스위치(SU1, SW1)는 닫히고, 각각에 해당하는 보충 스위치(SU2, SW2)가 열림에 따라 양극 공급 전위가 상(U, W)에 공급된다. 마찬가지로 스위치(SV1)는 열리고, 스위치(SV2)는 교대로 열리고 닫히며, 제 1 스위칭 상태(a)의 주기로부터 스위치(SV2)가 닫히는 시간의 한 부분α는 모터(M)의 필요한 파워에 비례하여 제어 회로(C)에 의해 선택되어 진다. 모터를 도식한 도면상에서, 상태(a)에서, 화살표로 나타내는 바와 같이, 전류는 모터의 상(U, V)과 상(W, V)을 통해 흐른다. 그러므로 3개의 상 모두 자기장의 공간 벡터(Ua)를 형성하는데 기여하며, 상(U, V)의 기여는 상(V)의 기여에 평행 하는 기여에 중첩한다.
뒤따르는 상태(b)에서, 펄스 점유 계수(α)를 이용하여 스위치(SU1)는 닫히고, 스위치(SV2, SW2)는 열리며, 그리고 스위치(SU2, SV1, SW1)가 열린다. 상(V, W)은 낮은 공급 전압에 놓여있고, 상(U)은 펄스 점유 계수(α)를 이용하여 높은 공급 전위를 획득한다. 공간 벡터(Ub)가 반시계 방향으로 60°만큼 회전한다.
일반적으로, 스위칭 상태(a, c, e)에서, 2개의 상에서, 높은 공급 전위에 연 결되어 있는 스위치는 열리고, 낮은 공급 전위에 연결되어 있는 스위치는 닫힌다. 나머지 1개의 상에서, 높은 공급 전위에 연결되어 있는 스위치는 열리고, 낮은 공급 전위에 연결되어 있는 스위치는 펄스를 발생시킨다. 이러한 3개의 스위칭 상태(a, c, e)의 시퀀스에 대하여, 모터의 서로 다른 방향의 회전에 대응하는 두 가지 서로 다른 가능성이 존재한다. 각각의 스위칭 상태(b, d, f)에서, 상(U, V, W) 중 두개의 상 각각에서, 낮은 공급 전위에 연결되어 있는 스위치는 열리고, 높은 공급 전위에 연결되어 있는 스위치가 열리며, 나머지 하나의 상에서 낮은 공급 전위에 연결되어 있는 스위치는 열리고, 높은 공급 전위에 연결되어 있는 스위치는 펄스를 발생시킨다. 펄스 상은 상이 직접 전 상태에서 펄스처리되지 않거나, 다음의 스위칭 상태에서 펄스처리되지 않는 경우, 존재한다. 그러므로, 하나의 스위칭 상태에서 다음 상태로 진행할 때 60°의 공간 벡터의 균일한 회전이 얻어질 수 있다.
모터의 하나의 상에 있어서, 예를 들어, 상(U)에 있어서, 도 3은 제어 신호(CSU1)의 상과 모터의 기전력(emf) 사이의 하중 각(δ)에서 상(U)을 공급하는 2개의 스위치(SU1, SU2)에 대하여, 제어 신호(CSU1, CSU2)를 함께 지니는 곡선(IU)으로서, 시간 좌표 함수에 따른 상 전류의 계산된 시뮬레이션을 도출한다.

Claims (9)

  1. 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(11)를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    3개의 제 1 스위칭 상태(a, c, e)가 주기적으로 반복되는 단계,
    3개의 제 1 스위칭 상태 각각에서, 직류 모터(M)의 3개의 상(U, V, W)중 하나가 제 1 입력 전압(+)과 제 2 입력 전압(-)에 걸쳐 주기적으로 스위칭되는 단계로서, 이때 나머지 두 개의 상은 지속적으로 제 1 입력 전압(+)에 연결되는 단계
    를 포함함을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 2 스위칭 상태(b, d, f) 중 각각의 상태는 상기 제 1 스위칭 상태(a, c, e) 중 두 개의 상태 사이에 삽입되며, 3개의 상(U, V, W) 중 하나가 제 1 입력 전압(+)과 제 2 입력 전압(-)에 걸쳐 주기적으로 스위칭되는 반면에, 나머지 두 개의 상은 제 2 입력 전압(-)에 지속적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 제 2 스위칭 상태(b, d, f) 중 모든 상태에 있어서, 상이 스위칭되는 것은 주기적으로 미리 스위칭되는 것도 아니고, 뒤따르는 스위칭 상태(a, c, e)에서 스위칭되는 것도 아님을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three- phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 각각의 제 1 스위칭 상태(a, c, e)의 구간으로부터 주기적으로 스위칭되는 상이 제 2 입력 전압(-)에 연결되어 있을 때의 시간의 한 부분(α)은, 각각의 제 2 스위칭 상태(b, d, f)의 구간으로부터 주기적으로 스위칭하는 상이 제 1 입력 전압(+)에 연결되어 있을 때의 시간의 한 부분과 같음을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제 2 스위칭 상태(b, d, f)에서, 주기적으로 스위칭되는 상이 제 1 입력 전압(+)에 연결되어 있는 시간의 한 부분(α)이 상기 직류 모터(11)의 하중에 비례하여 조정됨을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제 1 스위칭 상태(a, c, e)에서, 주기적으로 스위칭되는 상이 제 2 입력 전압(-)에 연결되어 있는 시간의 한 부분은 상기 직류 모터(11)의 하중에 비례하여 조정됨을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직류 모터(11)를 제어 하기 위해 AC/DC 인버터가 사용되며, 모터(11)의 각각의 상(U, V, W)과 제 1 입력 전압(+)을 운반하는 단자 사이에서, AC/DC 인버터의 제 1 스위치(SU1, SV1, SW1)가 각각 하나씩 제공되며, 모터(11)의 각각의 상(U, V, W)과 제 2 입력 전압(-)을 운반하는 단자 사이에서, AC/DC 인버터의 제 2 스위치(SU2, SV2, SW2)가 각각 하나씩 제공되고,
    모든 제 1 스위칭 상태(a, c, e)에서, 주기적으로 스위칭되는 상의 제 1 스위치는 열려 있음을 유지하고, 상기 상의 제 2 스위치는 주기적으로 스위칭됨을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 모든 제 2 스위칭 상태(b, d, f)에서, 주기적으로 스위칭되는 상의 제 2 스위치는 열려 있음을 유지하고, 상기 상의 제 1 스위치는 주기적으로 스위칭됨을 특징으로 하는 3상 직류 모터(three-phase direct-current motor)(M)를 제어하기 위한 방법.
  9. AC/DC 인버터에 있어서, 상기 인버터는 제 1 항 내지 제 8 항에 따르는 방법을 수행하기 위한 제어 회로(C)를 포함함을 특징으로 하는 AC/DC 인버터.
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