KR20080079142A - 홀센서가 없는 오디디용 브러시리스 직류전동기의 기동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3상 인버터가 출력하는 공간전압벡터에 의하여 구동되며, 위치센서가 없는 ODD용 브러시리스 직류전동기(BLDC전동기)의 기동방법에 관한 것이다.

회전자의 초기 위치 추정 방법은 BLDC모터의 정지상태에서 회전위치를 검출하고 초기구동을 수행하는 방법에 있어서 6개의 여자상에 전류펄스를 인가하고 일정시간 후 전류크기의 대소비교를 통해 가장 작은 인덕턴스를 나타내는 공간전압벡터 구간에 회전자가 위치하는 것으로 추정한다.

또한, 본 발명에 따른 BLDC전동기 기동방법은 최초 회전자 위치를 파악 후 동기가속을 위해 차례로 여자상에 전압벡터를 인가하여 기동하는 것이 특징인 홀센서가 없는 ODD용 직류전동기의 기동방법에 관한 것이다.

Description

홀센서가 없는 오디디용 브러시리스 직류전동기의 기동방법{Moving method of Brushless DC MOTOR for ODD without hall sensor}

도 1은 3상 인버터와 BLDC모터 회로도.

도 2는 3상 인버터가 출력하는 공간벡터전압을 나타낸 회로도.

도 3은 정류테이블.

도 4는 인덕턴스 측정을 위한 DC전원 전류의 시간에 대한 이론값을 나타낸 그래프.

도 5는 서로 다른 시정수를 갖는 전류 상승 파형을 나타낸 그래프.

도 6은 회전자의 위치에 따른 기동 과정을 나타낸 개요도.

도 7은 실험장치의 구성도.

도 8은 초기회전자 위치 추정과정에서의 DC전원 측 전류 파형을 나타낸 그래프.

도 9는 인덕턴스 측정을 위하여 전류를 샘플링하는 시점을 나타낸 그래프.

도 10은 본 발명에 따른 초기 기동 순서도.

본 발명은 3상 인버터가 출력하는 공간 전압벡터에 의하여 구동되며, 홀센서가 없는 ODD용 직류전동기(BLDC전동기)의 회전자의 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로, 브러시리스 DC전동기(Brushless DC Motor)의 경우에는 회전자에 부착되어 있는 영구자석으로부터 자속을 공급받기 때문에 최대의 토크를 발생시키기 위해서는 회전자의 절대적 위치를 정확하게 알고 있어야 한다.

회전자가 공급하는 자속의 절대적인 위치에 동기 시켜야 최대의 토크가 발생하기 때문이다.

회전자의 절대적인 위치정보를 얻기 위해서는 회전자에 엔코더(Encoder) 또는 홀센서(Hall sensor)등과 같은 위치센서를 부착하여야 한다.

엔코더는 회전자의 위치를 연속적으로 검출할 수 있다는 장점이 있으나, 가격이 매우 높아 전체시스템의 가격을 많이 증가시킨다는 단점이 있다.

따라서, 이러한 위치센서들은 고도의 정밀도와 안정성을 요구하는 분야에서 널리 쓰이고 있으며, 일반적인 BLDC전동기 시스템에서는 홀 센서가 주로 사용된다.

홀 센서는 자속밀도에 비례하는 전압을 발생시키는 홀 효과(Hall Effect)에 기반한 센서로서 고정자측에 전기각 120°의 간격을 두고 부착되어 회전자의 자속을 직접 측정한다.

엔코더 및 홀 센서 등을 사용하는 경우, 회전자 자속의 절대위치를 비교적 정확하게 알아낼 수 있다.

그러나 이러한 위치센서들을 사용하는 것은 다음과 같은 문제점들을 안고 있다.

첫째, 가격적 측면에서 비용이 많이 증가한다.

일반적으로 소형의 기기 시스템은 가격상승에 민감하며, 전동기 시스템의 비용은 전체시스템에서 큰 비중을 차지하지 않는다.

그러나 위치센서들은 상당히 고가이기 때문에 위치센서들을 사용하는 경우, 전체시스템의 가격이 많이 상승하게 된다.

둘째, 기계적 측면에서 크기 및 무게가 증가한다.

소형기기의 경우, 그 휴대성으로 인하여 크기 및 무게의 제약이 따르게 된다.

그러나 자속 및 위치센서들은 일반적으로 고정자측에 부착되기 때문에 전체적인 크기 및 무게를 증가시키게 된다.

셋째, 신뢰성 측면에서 오동작의 위험이 있다.

위치센서들은 고정자측에 부착되어 있으므로 기계적인 충격에 의하여 손상되기 쉽다.

또한, 전기적 잡음, 온도 및 환경 등의 요인에 의하여 오동작 및 고장의 위험성이 있다.

따라서, 위치센서들을 사용하는 경우 전체 시스템의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다.

이와 같이, BLDC전동기는 전동기 자체로는 가격 및 제어 측면에서 많은 장점이 있지만, 회전자의 절대적인 위치를 검출하여야 하고, 이를 위해서 위치센서들을 사용하여야 한다는 큰 단점을 지니고 있다.

근래에는 이러한 단점을 극복하기 위하여 위치센서를 사용하지 않는 구동방법에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

이러한 구동방법을 흔히 센서리스(Sensorless) 구동방법이라 칭한다.

센서리스 구동방법에는 여러 가지 방법들이 사용되고 있다.

역기전력의 부호가 바뀌는 시점으로부터 회전자의 위치를 파악하는 제로-크로싱(Zero-crossing)방법, 위치정보를 이용하지 않고, 미리 정해놓은 전압형태로 전압을 인가하여 회전자를 가속시키는 오픈 루프(openloop)방법을 주로 사용하고 있다.

오픈 루프 기동의 경우 외란에 취약하기 때문에 기동중의 작은 외란에 의해서 동기 탈조되는 경우가 발생한다.

그래서 제로-크로싱(Zero-crossing)방법이 BLDC전동기 시스템에 주로 사용되고 있다.

그러나 역기전력을 이용하는 방법은 회전자가 정지해 있거나 저속으로 회전하고 있는 경우에는 회전자의 위치정보를 얻을 수 없다.

따라서, 정지시부터 일정속도(즉, 역기전력이 충분히 커지는 속도)까지는 특별한 방법으로 구동시켜야 한다.

전동기의 회전자의 위치를 파악하고, 전압을 회전자의 위치에 동기시켜 인가할 수 있는 기동방법이 필요하다.

또한, 회전자의 초기위치를 모르는 경우 초기기동시에 회전자가 일시적으로 반대방향으로 회전하는 경우가 발생할 수 있다.

뿐만 아니라 초기 기동시에 필요한 토크를 최대로 내지 못할 수 있기 때문에 기동에 실패할 가능성도 있다.

이에 초기위치를 정확히 알야야 회전자의 역방향회전을 막을 수 있고, 초기 기동 토크를 최대로 얻을 수 있다.

그러므로 초기위치를 정확하게 추정하는 것이 필요하다.

종래에 알려진 회전자 추정방법 중에서 회전자에 자석에 의한 고정자 코어의 포화현상을 이용하는 방법이 주로 사용되었다.

이 방법에서는 3상 인버터의 6가지 전압벡터를 차례로 인가하고, 그 중 가장 작은 인덕턴스를 가지는 벡터를 찾아내어 그 벡터 부근의 60°위치에 회전자가 위치하고 있다고 추정 후 모터의 정지상태에서 초기구동시 위치판별을 위한 6개의 여자상에 대한 전류 펄스와 토크를 발생시키기 위한 여자상을 번갈아 입력하여 모터를 구동시킴과 동시에 위치판별을 수행한다.

그러나 전류를 인가하지 않았을 때 회전자는 마찰이나 다른 외부조건이 작용하지않는 한 자기회로의 자기저항을 최소화하는 지점으로 움직이고 또한, 초기 구동 시 6개의 전류 펄스 중에 회전방향과 반대방향의 토크를 내는 여자상이 있어 평균 토크가 낮아져 회전자의 가속시간 및 위치판별 주기가 길어져 속도가 증가하면 사용하기 어렵다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 보완하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 센서리스 기동은 정지시의 회전자 초기위치를 정확하게 추정하고, 영 속에서부터 역기전력이 어느 정도 이상으로 증가하여 측정 가능할 정도의 속도까지 가속시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 BLDC 전동기의 회전자의 초기위치를 정확하게 파악하는 방법을 제공하고 저속영역 내에서 상기 BLDC전동기를 센서 없이 기동시키는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 3상 인버터가 출력하는 공간전압벡터에 의하여 구동되며, 홀센서가 없는 ODD용 브러시리스 직류전동기(BLDC전동기)의 회전자의 기동방법에 관한 것이다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 BLDC모터 정지상태에서 회전자 위치를 검출하고 초기구동을 수행하는 방법에 있어서 6개의 여자상에 전류펄스를 인가하고 일정시간 후의 대소비교를 통해 가장 적은 인덕턴스를 나타내는 공간전압벡터의 구간에 회전자가 위치하는 것으로 추정한다.

또한, 본 발명에 따른 BLDC전동기 구동방법은 전류의 크기를 측정하여 최초 회전자 위치를 파악 후 동기가속을 위해 차례로 여자상에 전압벡터를 인가하여 기동하는 것을 특징으로 한다.

도 7의 실험장치의 구성도에 나타내는 바와 같이 본 발명의 시스템은 PC, 마이콤을 이용한 컨트롤러, 모터구동을 위한 인버터 회로 등으로 구성된다.

컨트롤러는 3개의 타이머와 2개의 A/D 컨버터를 구비하는데, 타이머를 이용 하여 PWM신호를 생성하고 A/D컨버터를 통해 단자전압을 측정한다.

도 8의 초기회전자 위치 추정과정에서의 DC전원 측 전류 파형을 참조하면, 본 발명의 제 1단계에서 도 2의 3상 인버터가 출력하는 공간 벡터 전압을 도 3의 정류테이블의 순서로 각 여자상에 인가하여 검출된 전류펄스의 대소비교를 통해 회전자의 최초위치판별을 수행한다.

더욱 구체적으로 설명하면 가장 적은 인덕턴스를 나타내는 공간전압벡터의 구간에 회전자가 위치하는 것으로 추정한다.

이에 회전자의 위치를 공간전압벡터에 대하여 -60°전기각 범위 또는 +60° 전기각 범위 내의 60°단위로 추정할 수 있다.

구동단계를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 1단계로 고정좌표계에서 전기각 0°인 공간전압벡터 V1을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1을 구하는 단계.

2단계 고정좌표계에서 전기각 180°인 공간전압벡터 V4를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L4를 구하는 단계.

3단계 상기 인덕턴스 L1 및 L4의 크기를 비교하여, 공간전압벡터 V1 및 V4 중에서 작은 인덕턴스 값을 나타내는 공간전압벡터를 기준 공간전압벡터로 추정하는 단계.

4단계 상기 선택된 기준 공간전압벡터에 대하여 전기각 +60°에 위치하는 공간전압벡터를 인가하여 인덕턴스를 구하는 단계.

5단계 상기 선택된 기준 공간전압벡터에 대하여 전기각 -60°에 위치하는 공 간전압벡터를 인가하여 인덕턴스를 구하는 단계.

6단계 상기 1단계 또는 2단계에서 구한 기준 공간전압벡터의 인덕턴스 및 상기 4단계 및 5단계에서 구한 인덕턴스의 3개 인덕턴스 중 가장 적은 인덕턴스를 나타내는 공간전압벡터의 구간 즉, 공간전압벡터의 방향에 대하여 -60°내지 +60°의 전기각 범위에 회전자가 위치하는 것으로 추정하는 단계로 할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 BLDC전동기 구동방법은 각각에 대한 인덕턴스의 크기를 비교하여 초기회전자 위치를 60°범위 내에서 파악 후 도 7의 실험장치의 구성도에서 보듯 이각 여자상을 차례로 인가하여 초기기동을 행한다.

상기 공간전압벡터를 고정자에 인가하여 인덕턴스를 측정하는 과정은 인덕턴스값 자체를 구하는 대신에 상기 공간전압벡터를 인가한 후 고정자의 전류 값이 소정값에 도달할 때까지 소요되는 시간을 측정하여 상기 측정된 전류값 또는 소요시간을 인덕턴스 값으로 사용한다.

이때 상기 측정된 전류값과 인덕턴스는 반비례 관계에 있고 상기 소요시간과 인덕턴스는 비례관계에 있다.

따라서, 측정된 전류값이 클수록 인덕턴스값은 작은 것이며 전류값이 소정값에 도달할 때까지 소요되는 시간이 짧을수록 인덕턴스값이 작은 것이다.

전동기의 회전자의 위치에 따른 인덕턴스의 변화를 실험으로 확인하였다.

실험대상 전동기에 T=50㎲ 동안 3상 인버터 공간벡터전압을 인가하였고, 도 2는 3상 인버터가 출력하는 공간 벡터 전압을 도시한 것이다.

상기 등가회로에서 DC전원측 전류를 t=T에서 샘플링한 전류값을 I1이라 정의 한다.

DC전원측 전류 i(t)는 도 4의 인덕턴스 측정을 위한 DC전원 전류의 시간에 대한 이론값과 같은 그래프로 나타낼 수 있다.

본 발명에 따라 회전자의 d축 위치를 추정하는 과정은 다음과 같다.

1) 3상 인버터가 출력하는 6개의 공간전압벡터(도 2 참조) 중 V1 및 V4를 인가한다. 이때, 소정시간(T) 후 상승한 전류를 I1 및 I4라 정의한다.

I1 및 I4의 대소관계는 V1 방향의 인덕턴스 및 V4 방향의 인덕턴스의 대소관계와 반대된다.

즉, V1방향의 인덕턴스가 V4방향의 인덕턴스 보다 작은 경우 I1은 I4보다 크다.

2) 이후, 회전자가 위치하는 것으로 추정되는 180°범위(즉, 전기각 -90°내지 +90°범위) 내에 존재하는 나머지 두 개의 전압벡터를 차례로 인가하고, 그때의 인덕턴스를 측정한다.

예를 들어, V1이 작은 경우 V2 및 V6벡터방향의 전압을 차례로 인가하고 소정시간 후 상승 된 전류 I2 및 I6을 측정한다.

3) 상기 3가지 전압벡터에서의 인덕턴스의 대소관계를 비교하여 가장 인덕턴스가 작은 전압벡터의 방향이 회전자 초기위치방향이다.

본 발명에 따른 회전자 추정과정은 6회 전압을 인가하여 60°단위의 초기위치를 판별한다.

이하에서는 본 발명에 따른 회전자의 초기회전자 위치추정방법의 구현 예를 설명한다.

도 1의 3상 인버터와 BLDC모터에 도시되어 있는 바와 같이 전동기에 DC전압을 인가하는 경우, DC전압원측의 전류센서에서 측정되는 전류는 고유의 시정수를 가지고 상승한다.

이때, 간단하게 인덕턴스를 측정할 수 있는 방법이 있다.

도 4는 인덕턴스 측정을 위한 DC전원 전류의 시간에 대한 이론값을 나타낸 그래프로서 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 소정시간이 지난 뒤에 전류값을 측정하는 방법이다.

측정된 전류 값으로부터 인턱턴스를 구할 수 있다.

일반적으로, BLDC전동기에서 인덕턴스 값의 차이는 매우 작다.

또한, 자석의 세기가 작을수록 인덕턴스 값은 더욱 작아진다.

인덕턴스를 측정하기 위한 전류 샘플간의 차이가 매우 작은 경우, 인덕턴스의 대소관계를 판별하기가 매우 어렵다.

따라서, 가장 큰 전류 샘플의 차이를 얻을 수 있는 시간을 선정하여 그 시간이 경과 한 후에 전류를 측정하는 경우에 인덕턴스의 대소관계를 가장 정확하게 판별할 수 있다.

도 5는 서로 다른 시정수를 갖는 전류 상승 파형을 그래프로서, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 서로 다른 시정수로 전류가 상승하는 경우에는 인덕턴스가 서로 상이함을 의미한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 BLDC전동기의 기동방법에 대하여 구체적으로 설 명한다.

전술한 회전자의 초기위치추정방법을 사용하여 회전자의 초기위치를 60°범위 내에서 추정할 수 있다.

도 6은 회전자 위치에 따른 기동과정을 나타낸 개요도이다.

도 6의 (a)와 같이 회전자 위치가 330°내지 30°사이에 위치하는 경우 V2를 인가하면 회전자는 토크를 발생시키며 반 시계방향으로 회전하게 된다.

이후, (b)에서처럼 회전자가 30°를 지나가는 경우 V2를 인가하는 경우 회전자는 토크를 발생시키며 반 시계방향으로 회전하게 된다.

회전자가 d축이 90°를 지났다고 판단하면 회전자는 다음 영역으로 이동한 것이다.

따라서, (c)에서처럼 V4를 인가하여 회전자를 반 시계방향으로 회전시킨다.

다음 영역으로 이동하여 120°에 위치한다고 추정할 수 있다.

이러한 과정을 반복함으로써 회전자의 위치를 전기각 360°구간 내에 추정하며 전압을 인가할 수 있다.

도 10은 상기한 바와 같은 BLDC전동기 기동방법의 순서도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 회전자의 초기위치추정방법 및 전동기 기동방법의 효과를 확인하기 위한 실험을 설명한다.

도 7은 본 실험 예에서 사용된 실험장치의 구성도이다.

실험에 사용된 전동기는 노트북에 사용되는 Super Slim형 광디스크 드라이브(ODD)의 디스크를 회전시키기 위한 스핀들 모터이다.

상기 스핀들 모터는 12V전압의 SMPS를 DC전원으로 사용하는 MOSFET 3상 인버터를 사용하여 구동한다.

인버터의 게이팅 및 제어를 위해 빠른 디지털 신호처리가 가능한 AVR 128제어보드를 사용하였다.

DC전원측에는 하나의 센싱저항을 사용하여 DC전원으로 들어오는 전류를 측정하였다.

센싱 저항의 양단전압은 전압증폭기에 의하여 증폭된 후 제어 보드의 A/D컨버터를 통하여 디지털 신호로 전환된다.

상기 스핀들 전동기에 본 발명에 따른 회전자 초기위치추정방법 및 전동기 구동방법을 적용하여 실험하였다.

초기위치추정을 위하여 전압을 인가하여도 회전자가 멈춰있는 최대의 인가시간은 50㎲이다.

따라서, 50㎲동안 전압을 인가하였으며, 50㎲가 경과되는 시점에서 전류를 샘플링하였다.

전압벡터 6회의 전압을 인가한다.

도 8은 초기회전자 위치 추정과정에서의 DC전원 측 전류 파형을 나타낸 그래프이며, 도 9는 인덕턴스 측정을 위하여 전류를 샘플링하는 시점을 나타낸 그래프이다.

초기위치추정과정 중의 DC전원측 전류 파형을 도 8 및 도 9에 도시하였다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 구동방법을 사용하여 구동실험을 수행하였 다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 동기 탈조의 위험 없이 높이 기동토크로 전동기를 기동시키기 위하여 상기 추정방법으로 회전자 위치를 추정한 후 차례로 전압 벡터를 인가하여 구동한다.

회전자의 영구자석에 의한 고정자 코어의 자기포화현상을 이용해 고정자의 인덕턴스가 위치에 따라 달라짐을 확인하고, 이 현상을 이용하여 정지시뿐만 아니라 역기전력을 무시할 수 있을 정도의 저속구간까지 회전자의 위치를 파악할 수 있다.

그리고 고정자 인덕턴스의 대소관계에 의해서만 위치를 판별하기 때문에 센서리스 구동알고리즘이 전동기의 전기적 상수 및 기계적 상수에 의한 영향을 받지 않아도 된다.

또한, 회전자의 위치를 파악하기 위하여 별도의 전압을 인가하지 아니하므로 고주파 주입방법을 비롯한 기존의 방법보다 효율적이고 구현이 간단하며 동기 탈조의 위험도 없다는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 홀센서가 없는 ODD용 브러시리스 직류 전동기의 기동방법에 있어서,

   고정좌표계에서 전기각 0°인 공간전압벡터 V1을 고정자에 인가하여 인덕턴스 L1을 구하는 1단계;

   고정좌표계에서 전기각 180°인 공간전압벡터 V4를 고정자에 인가하여 인덕턴스 L4를 구하는 2단계;

   상기 인덕턴스 L1 및 L4의 크기를 비교하여, 공간전압벡터 V1 및 V4 중에서 작은 인덕턴스 값을 나타내는 공간전압벡터를 기준 공간전압벡터로 추정하는 3단계;

   상기 선택된 기준 공간전압벡터에 대하여 전기각 +60°에 위치하는 공간전압벡터를 인가하여 인덕턴스를 구하는 4단계.

   상기 선택된 기준 공간전압벡터에 대하여 전기각 -60°에 위치하는 공간전압벡터를 인가하여 인덕턴스를 구하는 5단계.

   상기 1단계 또는 2단계에서 구한 기준 공간전압벡터의 인덕턴스 및 상기 4단계 및 5단계에서 구한 인덕턴스의 3개 인덕턴스 중 가장 적은 인덕턴스를 나타내는 공간전압벡터의 구간 즉, 공간전압벡터의 방향에 대하여 -60°내지 +60°의 전기각 범위에 회전자가 위치하는 것으로 추정하는 6단계;

   의 구동단계를 가지는 것이 특징인 홀센서가 없는 ODD용 브러시리스 직류 전동기의 기동방법.
2. 제 1항에 있어서,

   6단계에서 초기위치 추정과정은 3상 인버터가 출력하는 6개의 공간전압벡터 중 V1 및 V4를 인가한 후 소정시간(T) 후 상승한 전류를 I1 및 I4라 정의하고, I1 및 I4의 대소관계를 비교하는 과정;

   I1 및 I4의 대소관계를 통해 회전자가 위치하는 것으로 추정되는 180°범위(즉, 전기각 -90°내지 +90°범위) 내에 존재하는 나머지 두 개의 전압벡터를 차례로 인가하고, 그때의 인덕턴스를 측정하는 과정;

   상기 3가지 전압벡터에서의 인덕턴스의 대소관계를 비교하여 가장 인덕턴스가 작은 전압벡터의 방향이 회전자 초기위치방향을 추정하는 것이 특징인 홀센서가 없는 ODD용 브러시리스 직류 전동기의 기동방법.

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