KR20060118877A - Bldc모터 제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 BLDC 모터 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 고정자와 회전자를 갖는 BLDC 모터 제어장치는, 직류전원을 교류전원으로 전환하여 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터부와; 상기 회전자의 회전위치를 검출하는 위치검출부와; 소정의 지연각이 저장된 저장부와; 상기 위치검출부의 검출 결과에 따라 상기 회전자의 회전속도 및 소정의 기준시점을 판단하고, 상기 판단된 기준시점으로부터 상기 저장부에 저장된 상기 지연각 중 상기 판단된 회전속도 및 상기 인버터부의 제어를 위한 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류전원이 상 전환 되도록 상기 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 BLDC 모터의 토크 리플을 최소화 할 수 있고, 저속연산능력을 갖는 프로세서를 이용하여 BLDC 모터 제어장치를 마련할 수 있어 비용을 절감 할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명에 따른 BLDC 모터 제어장치의 제어블럭도이고,
도 2는 도 1의 BLDC 모터 제어장치의 인버터부의 스위칭 작용과 상전류의 관계를 설명하기 위한 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 PWM 듀티비와, 상 전환시의 역기전압과, 상 전환 구간에서의 상전류의 평균적인 기울기의 관계를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명에 따른 BLDC 모터 제어장치의 제어흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : BLDC 모터 제어장치 10 : 인버터부
20 : 위치검출부 30 : 저장부
40 : 제어부
본 발명은, BLDC 모터 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 BLDC 모터가 회전할 때 발생하는 토크리플을 최소화 할 수 있는 BLDC 모터 의 제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 BLDC 모터는 브러시와 정류자 등의 기계적인 요소 대신 스위칭 소자로 구성된 정류 회로를 사용하는 직류모터를 말한다. 이러한 BLDC 모터는 마모에 따른 브러시의 교체가 필요 없으며, 구동소음이 적은 것이 특징이다.
한편, BLDC 모터는 다상 교류전원(예를 들어 3상)의 상 전환을 통해 구동하게 되는데, 여자되지 않은 상의 역기전압의 제로크로싱포인트로부터 소정의 지연시간이 경과한 후에 상 전환 시킨다. 이는 제로크로싱포인트가 상 전환을 해야 하는 시점보다 소정의 위상만큼 앞서기 때문이다.
그러나 소정의 지연시간이 BLDC 모터의 부하, 회전속도 등에 무관하게 일정한 값을 갖는 경우 상 전환이 이루어지는 시점에서 상전류의 일시적인 증감이 발생하여 토크 리플이 발생하고, 이러한 토크 리플은 소음 발생과 진동의 원인이 된다.
따라서 소정의 조건에 따라 상 전환을 하는 시점을 달리하여 BLDC 모터의 토크 리플을 최소화하기 위한 제어장치 및 방법이 요구된다.
따라서 본 발명의 목적은, BLDC 모터의 상 전환 시점을 조정하여 토크 리플을 최소화 하는 BLDC 모터 제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 고정자와 회전자를 갖는 BLDC 모터 제어장치에 있어서, 직류전원을 교류전원으로 전환하여 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터부와; 상기 회전자의 회전위치를 검출하는 위치검출부와; 복수의 지연각이 저장된 저장부와; 상기 위치검출부의 검출 결과에 따라 상기 회전자의 회전속도 및 소정의 기준시점을 판단하고, 상기 판단된 기준시점으로부터 상기 저장부에 저장된 상기 지연각 중 상기 판단된 회전속도 및 상기 인버터부의 제어를 위한 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류전원이 상 전환 되도록 상기 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 저장부에 저장된 지연각은 복수의 설정 회전속도 및 설정 듀티비에 대해 설정되며, 상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 지연각 중 상기 판단된 회전속도에 대응되는 상기 설정 회전속도 및 상기 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 상기 설정 듀티비에 대한 지연각을 독출하고, 상기 기준시점으로부터 상기 독출된 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류 전원이 상 전환 되도록 상기 인버터부를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 기준시점은 여자되지 않은 상의 역기전압의 제로크로싱포인트일 수 있다.
여기서, 상기 저장부에 저장된 상기 지연각은 식
Vdc ×d = 4×E
(여기서, Vdc 는 직류전압이고, d 는 PWM 신호의 듀티비이고, E 는 상 전환 시점에서의 역기전압이다.)을 만족시킬 수 있다.
상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따라, 고정자와 회전자를 갖는 BLDC 모터 제어방법에 있어서, 소정의 지연각을 설정하는 단계와; 직류전원을 교류전원으 로 전환하여 상기 BLDC 모터에 공급하는 단계와; 상기 회전자의 회전위치를 검출하는 단계와; 상기 검출된 회전위치에 따라 상기 회전자의 회전속도와 소정의 기준시점을 판단하는 단계와; 상기 판단된 기준시점으로부터 상기 지연각 중 상기 판단된 회전속도 및 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류전원을 상 전환 하는 단계를 포함하는 BLDC 모터 제어방법에 의해 달성될 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
여기서 본 발명의 실시예들을 설명하는데 있어, 동일한 구성요소는 동일한 참조번호를 사용하여 설명하며 그 설명은 생략할 수 있다.
본 발명에 따른 BLDC 모터 제어장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 인버터부(10)와, 위치검출부(20)와, 저장부(30)와, 제어부(40)를 포함한다.
인버터부(10)는 직류전압을 교류전압으로 전환하여 BLDC 모터(50)에 인가한다. 여기서, 인버터부(10)에 공급되는 직류전압은 상용전원으로부터 정류회로를 거쳐 커패시터를 통해 공급될 수 있다.
위치검출부(20)는 BLDC 모터에 포함된 회전자의 회전위치를 검출한다. 여기서, 위치검출부(20)는 인코더와 같은 위치검출센서 또는 역기전압을 이용하는 전자회로 등으로 다양하게 마련될 수 있다.
저장부(30)에는 소정의 지연각이 저장된다. 여기서 지연각은 후술할 제어부(40)가 교류전원의 상 전환 시점을 결정하는데 사용된다. 이에 대해서는 아래에서 상세히 설명한다.
저장부(30)는 전원이 공급되지 않는 경우에도 저장된 데이터를 보존할 수 있는 EEPORM 과 같은 비활성 메모리로 마련될 수 있다.
제어부(40)는 위치검출부(20)의 검출 결과에 따라 상기 회전자의 회전속도 및 소정의 기준시점을 판단하고, 상기 판단된 기준시점으로부터 상기 저장부(30)에 저장된 상기 지연각 중 상기 판단된 회전속도 및 상기 인버터부(10)의 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호의 듀티비에 대응하는 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류전원이 상 전환 되도록 상기 인버터부(10)를 제어한다. 여기서 PWM 신호는 제어부(40)가 BLDC 모터의 회전속도를 제어하기 위해 인버터부(10)에 인가하는 신호로, 제어부(40)는 PWM 신호의 듀티비(Duty ratio)를 조절하여 BLDC 모터의 회전속도를 제어한다.
여기서, 기준시점은 역기전압을 이용하는 전자회로로 위치검출부(20)를 구성하는 경우에는 여자되지 않은 상의 역기전압의 제로크로싱포인트로 정할 수 있다. 이하에서는 기준시점은 제로크로싱포인트인 것을 일예로 하여 설명한다.
한편, 지연각은 실시간으로 구해지는 값이 아니라 실험치에 해당하는 값으로서 아래 [식 1]이 만족되도록 마련되는 값일 수 있다.
[식 1]
Vdc × d = 4 × E
여기서, Vdc 는 직류전압이고, d 는 PWM 신호의 듀티비이고, E 는 상 전환 시점에서의 역기전압이다.
[식 1]의 유도과정을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
여기서, Q1 과 Q2 가 ON 되어 a상 및 c상이 통전된 상태에서 Q1이 OFF가 되고 Q3이 ON 되어 b상 및 c상이 통전되는 상 전환의 경우를 예로 들어 설명하겠다.
먼저 Ia 가 소호되기 시작되어 0이 되는 시점까지의 구간인 상 전환 구간에서 Q3이 ON 되어 있는 상태일 때 상전류의 기울기는 아래 [식 2]와 같다.
[식 2]
여기서, 은 코일의 인덕턴스, 는 커패시터의 DC 링크 전압, 는 상전환 시점에서의 역기전압을 의미한다.
한편, 상 전환 구간에서 Q3이 OFF 되어 있는 상태일 때, 상전류의 기울기는 아래 [식 3]과 같다.
[식 3]
따라서, [식 2]와 [식 3]을 통해서 상 전환 구간에서 상전류의 평균적인 기울기는 아래 [식 4]와 같음을 알 수 있다.
[식 4]
여기서, 는 PWM 의 듀티비를 의미한다.
[식 4]에 나타난 PWM 듀티비와, 상 전환시의 역기전압과, 상 전환 구간에서 의 상전류의 평균적인 기울기의 관계는 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같다.
도 3a 내지 도 3c에서 알 수 있는 바와 같이 상 전환 구간에서 소호되는 상과 점호되는 상의 전류의 기울기에 따라서 전류리플이 발생하고 이러한 전류리플은 토크리플을 발생시킨다. 따라서 토크리플을 제거하기 위해서는 도 3b에 도시된 바와 같이 Vdc × d = 4 × E 를 만족하는 시점에 상 전환이 이루어져야 한다.
이처럼 [식 1]이 만족되도록 하는 지연각은 소정의 BLDC 모터 회전자의 회전속도 및 PWM 신호의 듀티비에 대해 임의의 지연각을 반복적으로 적용하는 중에 인버터부(10)로 흘러들어가는 전류의 리플이 최소화 되는 지연각을 선택하는 것에 의해 산출할 수 있다.
여기서 산출된 지연각은 회전자가 회전해야 하는 각도를 의미하는 값으로서 동일한 지연각에 대해서도 회전자가 회전하는 속도에 따라 제로크로싱포인트로부터 상 전환이 이루어지는 시점까지의 걸리는 시간은 달라진다.
즉, 동일한 지연각을 갖는다 하더라도 회전자의 회전속도가 빠른 경우에는 지연각 만큼 회전하는 시간이 짧을 것이고, 회전자의 회전속도가 느린 경우에는 지연각 만큼 회전하는 시간이 길어질 것이다. 이러한 제로크로싱포인트로부터 실제 상 전환을 위한 시점까지 걸리는 시간은 회전자의 속도를 판단하는 제어부(40)에 의해 지연각으로부터 산출될 수 있다.
실험치에 의해 얻어진 지연각의 일예를 테이블 형식으로 나타낸 것이 다음의 [표 1]이다.
[표 1]
d<50% | 50%<d<60% | 60%<d<70% | 70%<d<80% | 80%<d<90% | 90%<d<100% | |
1000~2000 | 30도 | 25도 | 20도 | 15도 | 10도 | 5도 |
2000~3000 | 27.5도 | 25도 | 20도 | 15도 | 10도 | 5도 |
3000~4000 | 25도 | 20도 | 15도 | 10도 | 7.5도 | 5도 |
4000~5000 | 22.5도 | 17.5도 | 12.5도 | 10도 | 7.5도 | 5도 |
[표 1]에서 제일 좌측은 회전자의 회전속도(rpm)의 범위를 나타내는 설정 회전속도이고, 제일 상측은 PWM 신호의 듀티비의 범위를 나타내는 설정 듀티비이다.
제어부(40)는, 제로크로싱포인트로부터 판단된 회전속도에 대응되는 설정 회전속도 및 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 설정 듀티비에 대한 지연각 만큼 지연된 시점에서 교류 전원이 상 전환이 되도록 인버터부(10)를 제어한다.
예를 들어 회전속도가 2500 rpm 이고 PWM 신호의 듀티비가 65%일때는 설정 회전속도(2000~3000) 및 설정 듀티비(60%<d<70%) 에 대응하는 지연각이 20도에 해당한다. 이 경우 제어부(40)는 제로크로싱포인트로부터 20도 만큼 지연된 시점에 상 전환 되도록 인버터부(10)를 제어한다. 이에 따라 상전류 리플이 줄어들고, 따라서 토크리플이 최소화되어 BLDC 모터의 안정적인 회전이 유지 될 수 있다.
보다 정밀하게 토크리플을 제거하기 위해서 [표 1]에 나타난 회전자의 회전속도 범위 및 듀티비 범위를 줄이고 그에 대응하여 산출되는 지연각의 수는 늘릴 수 있다.
이에 따라 제어부(40)는 토크리플을 줄이기 위한 실시간 연산을 최소화 할 수 있어 연산에 따른 지연시간을 막을 수 있고 또한 저속연산능력을 갖는 프로세서로 제어부(40)를 마련할 수 있어 비용절감의 효과도 발생한다.
본 발명의 따른 BLDC 모터 제어장치(1)의 제어과정을 도 4를 참조하여 설명 하면 다음과 같다.
먼저, 인버터부(10)로부터 공급되는 교류전원에 의해 BLDC 모터의 회전자는 회전한다(S10).
회전하는 회전자의 회전위치는 위치검출부(20)에 의해 검출되고(S20), 제어부(40)는 위치검출부(20)에 의해 검출 결과에 따라 회전자의 회전속도와 기준시점을 판단한다(S30).
그런 다음, 제어부(40)는 현재의 PWM 듀티비와 회전자의 회전속도에 대응하는 지연각을 저장부(30)로부터 읽어와서(S40) 기준시점으로부터 지연각 만큼 위상이 지연된 시점에 교류전원이 상 전환 되도록 인버터부(10)를 제어한다(S50).
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 소정의 조건에 따라 BLDC 모터에 공급되는 교류전원의 상 전환 하는 시점을 달리하여 BLDC 모터의 토크 리플을 최소화 할 수 있다.
또한, 교류전원의 상 전환 하는 시점을 위한 지연각을 미리 테이블 형식으로 만들어 둠으로써 저속연산능력을 갖는 프로세서를 이용하여 BLDC 모터 제어장치를 마련할 수 있어 비용 절감의 효과가 있다.
Claims (5)
- 고정자와 회전자를 갖는 BLDC 모터 제어장치에 있어서,직류전원을 교류전원으로 전환하여 상기 BLDC 모터에 공급하는 인버터부와;상기 회전자의 회전위치를 검출하는 위치검출부와;복수의 지연각이 저장된 저장부와;상기 위치검출부의 검출 결과에 따라 상기 회전자의 회전속도 및 소정의 기준시점을 판단하고, 상기 판단된 기준시점으로부터 상기 저장부에 저장된 상기 지연각 중 상기 판단된 회전속도 및 상기 인버터부의 제어를 위한 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류전원이 상 전환 되도록 상기 인버터부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 저장부에 저장된 지연각은 복수의 설정 회전속도 및 설정 듀티비에 대해 설정되며,상기 제어부는 상기 저장부에 저장된 지연각 중 상기 판단된 회전속도에 대응되는 상기 설정 회전속도 및 상기 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 상기 설정 듀티비에 대한 지연각을 독출하고, 상기 기준시점으로부터 상기 독출된 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류 전원이 상 전환 되도록 상기 인버터부를 제어하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어장치.
- 제2항에 있어서,상기 기준시점은 여자되지 않은 상의 역기전압의 제로크로싱포인트인 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 저장부에 저장된 상기 지연각은 식Vdc × d = 4 × E(여기서, Vdc 는 직류전압이고, d 는 PWM 신호의 듀티비이고, E 는 상 전환 시점에서의 역기전압이다.)을 만족시키는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어장치.
- 고정자와 회전자를 갖는 BLDC 모터 제어방법에 있어서,소정의 지연각을 설정하는 단계와;직류전원을 교류전원으로 전환하여 상기 BLDC 모터에 공급하는 단계와;상기 회전자의 회전위치를 검출하는 단계와;상기 검출된 회전위치에 따라 상기 회전자의 회전속도와 소정의 기준시점을 판단하는 단계와;상기 판단된 기준시점으로부터 상기 지연각 중 상기 판단된 회전속도 및 PWM 신호의 듀티비에 대응하는 지연각 만큼 지연된 시점에서 상기 교류전원을 상 전환 하는 단계를 포함하는 BLDC 모터 제어방법.
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101316161B1 (ko) * | 2012-06-25 | 2013-10-08 | 제이에스시시 오토메이션(시아먼) 리미티드 | 단상교류 전자기계의 숫자제어기 |
KR20160028251A (ko) | 2014-09-03 | 2016-03-11 | 주식회사 코아비스 | Bldc 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법 |
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2005
- 2005-05-17 KR KR1020050041297A patent/KR20060118877A/ko not_active Application Discontinuation
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KR20160028251A (ko) | 2014-09-03 | 2016-03-11 | 주식회사 코아비스 | Bldc 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법 |
DE102015011523A1 (de) | 2014-09-03 | 2016-03-24 | Coavis | Steuersystem und Steuerverfahren für einen BLDC-Motor |
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WITN | Withdrawal due to no request for examination |