KR20090038725A - Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를위한 시스템 장치 - Google Patents

Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를위한 시스템 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20090038725A
KR20090038725A KR1020070104176A KR20070104176A KR20090038725A KR 20090038725 A KR20090038725 A KR 20090038725A KR 1020070104176 A KR1020070104176 A KR 1020070104176A KR 20070104176 A KR20070104176 A KR 20070104176A KR 20090038725 A KR20090038725 A KR 20090038725A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pwm
bldc motor
voltage
current
switching
Prior art date
Application number
KR1020070104176A
Other languages
English (en)
Inventor
김일환
오태석
전성구
허남억
Original Assignee
강원대학교산학협력단
주식회사 이지브레인
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 강원대학교산학협력단, 주식회사 이지브레인 filed Critical 강원대학교산학협력단
Priority to KR1020070104176A priority Critical patent/KR20090038725A/ko
Publication of KR20090038725A publication Critical patent/KR20090038725A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

본 발명은 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치에 관한 것이다. 본 발명은 3상 BLDC 전동기를 제어하는 PWM 인버터에 구비된 스위칭 소자 중 4개의 스위칭 소자를 동시에 온/오프 제어하도록 하고, 그 중 서로 대응하는 스위칭 소자끼리는 반대되는 스위칭 상태가 되도록 제어한다. 특히, BLDC 전동기의 상전류 방향과 전압방향의 일치 여부, 그리고 PWM 신호의 온/오프에 따라 스위칭 소자를 제어하게 된다. 즉, 전압과 전류의 방향이 같고 PWM 온시에는 BLDC 전동기에 'Vs'가 인가되고, PWM 오프시에는 PWM 인버터 내부에 전류 루프가 형성되어 '0'의 전압이 인가된다. 또 전압과 전류의 방향이 다르고 PWM 온시에는 '-Vs' 가 인가되고, PWM 오프시에는 PWM 인버터 내부에 전류 루프가 형성되어 '0'의 전압이 인가되도록 한다. 이와 같은 본 발명에 따르면 PWM 오프 구간에서 BLDC 전동기로 '-Vs'가 인가되지 않게 되어 전류 리플을 감소시킬 수 있고, 따라서 BLDC 전동기의 진동과 소음을 감소시키는 이점이 있다.
BLDC, 전류리플, 펄스 폭변조, PWM 인버터, 스위칭 소자

Description

ＢＬＤＣ 전동기 제어를 위한 ＰＷＭ 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치{A PWM METHOD FOR CONTROLING BLDC MOTORS AND A SYSTEM THEREOF}
본 발명은 BLDC 전동기 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BLDC 전동기 구동시 전압과 전류 방향이 다른 경우 PWM 오프(OFF)구간에서의 스위칭 상태를 변경하여 '0'(Zero) 전압이 BLDC 전동기에 인가되도록 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치에 관한 것이다.
최근 전동기의 소형화에 유리한 비엘디씨(BLDC : Brush-less DC) 전동기 사용이 보편화되었다. 이는 로봇산업의 발달로 인하여 정밀하고, 소형화된 전동기가 필요하게 되고, 이에 모터 및 드라이버를 소형화하고자 하는 경향에 따른다.
상기 BLDC 전동기는, 주지된 바와 같이 직류 전동기와는 달리 브러쉬가 없어 브러쉬 마모로 인한 보수가 필요하지 않고, 회전자의 위치에 동기하여 고정자 권선에 이상적인 구형파 전류를 흘려주면 직류전동기와 마찬가지로 전류에 비례하여 일정한 토크를 발생하는 특징을 갖는다. 그래서 상기 BLDC 전동기는 소형전동기나 드라이버가 필요한 로봇 산업에서 사용이 증가하는 추세에 있다.
이와 같은 상기 BLDC 전동기는 현재까지 펄스 폭 변조(pulse width modulation, 이하 PWM이라 칭함) 기법에 의해 제어되는바, 특히 상기 PWM 기법을 이용한 바이폴라 PWM 방식 또는 유니폴라 PWM 방식에 의해 제어되고 있다.
하지만, 상기 BLDC 전동기를 제어하는 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 상기 바이폴라 PWM 방식과 유니폴라 PWM 방식 모두 전동기의 인덕턴스 성분으로 인하여 전압과 전류의 방향이 반대가 되는 경우가 발생하게 되고, 이때 전류의 방향이 바뀌는 순간에 전동기를 제어할 수 없는 상태가 초래된다.
보다 구체적으로 상기 바이폴라 PWM 방식과 유니폴라 PWM 방식에 대해 설명한다.
여기서 종래 기술 및 본 발명의 실시 예에서 BLDC 전동기는 일반적으로 사용되는 3상 BLDC 전동기를 예로 설명할 것이다.
또 상기 3상 BLDC 전동기의 구동 제어를 위해 사용되는 바이폴라 PWM 방식과 유니폴라 PWM 방식의 특징을 도 1과 도 2를 참조하여 설명하도록 한다.
도 1에는 일반적인 3상 BLDC 전동기의 제어를 위한 바이폴라 PWM 방식 및 그에 따른 BLDC 전동기의 상전류와 역기전력을 나타내고 있다.
도 1을 참조하면 바이폴라 PWM 방식은 오프시 스위치를 모드 오프(OFF) 시키는 방식이다. 따라서 스위칭 소자의 전력 손실이 크게 된다.
여기서 상기 바이폴라 PWM 방식에서는 전압 및 전류의 방향과 PWM 상태에 따라서 '-Vs' 전압이 인가되는 경우가 발생하고 이는 전류 리플이 발생하게 된다.
이를 다음 [표 1]에 나타내고 있다.
전압과 전류의 방향이 같을 때 전압과 전류의 방향이 다를 때
PWM 상태 PWM ON PWM OFF PWM ON PWM OFF
인가되는 전압 Vs -Vs -Vs -Vs
즉 바이폴라 PWM 방식은 전압과 전류의 방향이 다를 경우 PWM이 온(ON)인 경우나 오프(OFF)일 경우 모두 '-Vs' 전압이 전동기에 인가되기 때문에, 전류 리플의 원인이 되고 제어 성능을 저하시키게 된다.
다음, 도 2는 일반적인 3상 BLDC 전동기의 제어를 위한 유니폴라 PWM 방식 및 그에 따른 BLDC 전동기의 상전류와 역기전력을 나타내고 있다.
도 2를 참조하면 유니폴라 PWM 방식은 오프(OFF)시 전동기 전단의 스위칭 소자만 오프되고, 전동기 후단의 스위칭 소자는 항상 온(ON)을 유지하는 방식이다. 예컨대, A상에서 C상으로 전류를 흘려주고자 할 때, 스위칭소자 Q1은 온(ON)/오프(OFF) 스위칭되고 있고, 스위칭소자 'Q6'은 그 구간 동안 항상 온이 됨을 알 수 있다.
유니폴라 PWM 방식도 마찬가지로 상기 바이폴라 PWM 방식과 같이 전압 및 전류의 방향과 PWM 상태에 따라서 전동기에 인가되는 전압에 차이가 있다.
이를 다음 [표 2]에 나타내고 있다.
전압과 전류의 방향이 같을 때 전압과 전류의 방향이 다를 때
PWM 상태 PWM ON PWM OFF PWM ON PWM OFF
인가되는 전압 Vs 0 -Vs -Vs
즉 유니폴라 PWM 방식도 전압과 전류의 방향이 다를 경우에는 PWM이 온(ON) 또는 오프(OFF) 상태에 관계없이 모두 '-Vs'의 전압이 BLDC 전동기에 인가되고 있다. 이 또한 전류 리플의 원인이 되고 제어 성능을 저하시키게 된다.
다시 말해, BLDC 전동기는 PWM 오프(OFF)시에 전압이 '0'으로 걸린다는 가정하에 제어하도록 설계되어 있는데, 이때 '-Vs' 전압이 인가되면 전류 리플의 원인이 되는 것이다. 만약 이를 고려하여 PWM 온(ON)시의 전압을 인가해준다 하더라도 전동기 제어과정에서 필요한 전압보다 높게 주었다가 오프(OFF)시에 '-Vs'가 인가되어 다시 낮아지기 때문에 전류 리플 원인을 해소하지 못하고 있다.
이와 같이 BLDC 전동기 구동시 전류 리플이 발생하면 전동기가 회전할 때 진동과 소음의 원인이 되고, 제어 성능을 현저하게 저하시키게 된다.
결국, 이러한 문제점으로 인해 BLDC 전동기가 갖는 장점 즉 부피 대 토크 특성이 좋고, 고효율과 긴 동작수명, 저소음, 동작 속도가 빠른 이유에도 불구하고, BLDC 전동기를 지능로봇과 같은 고성능 제어에 적용하는데 한계가 있었던 것이다.
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전동기 구동시 상전류 전환 구간에서의 전류 맥동과 PWM 스위칭시 발생하는 전류 맥동을 감소시키고자 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 전동기 구동시 PWM 오프구간에서의 스위칭 소자의 상태를 제어하도록 하여 전동기에 인가되는 전압을 제어하도록 하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 3상의 BLDC 전동기와 상기 3상의 BLDC 전동기 권선을 중심으로 각 권선의 전단과 후단에 위치하는 6개의 스위칭 소자를 구비하는 PWM 인버터 그리고 상기 BLDC 전동기의 회전자 위치에 따라 다르게 발생하는 전류 방향 및 이의 전압 방향과, 상기 PWM 인버터의 PWM 신호 온/오프에 따라 상기 스위칭 소자 중 4개의 스위칭 소자를 동시에 온/오프 제어하도록 하는 제어부를 포함하여 구성된다.
상기 제어부는 상기 4개의 스위칭 소자 중에서, 상기 전단과 후단에 대응하는 스위칭 소자간에는 스위칭 상태가 서로 반대가 되도록 제어한다.
상기 제어부는 상기 PWM 신호가 오프 구간인 경우에는 상기 PWM 인버터 내부에 전류 루프가 형성되도록 하여 상기 BLDC 전동기에 '0'의 전압이 인가되도록 한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 BLDC 전동기의 회전자 위치에 따른 전류 방향을 검출하는 단계와 상기 전류 방향에 따라 상기 BLDC 전동기의 고정자 권선에 연결된 PWM 인버터의 스위칭 소자를 선택하는 단계와 상기 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 신호의 상태를 검출하는 단계 그리고 상기 전류 방향에 대한 전압방향의 일치 여부 및 상기 PWM 신호의 상태에 따라 상기 선택된 스위칭 소자를 스위칭하는 단계를 포함하여 구성된다.
상기 BLDC 전동기는 3상 전동기이고, 상기 스위칭 소자는 6개의 스위칭 소자가 제공되며, 상기 전류 방향에 따라 선택된 4개의 스위칭 소자를 동시에 온/오프 제어한다.
상기 4개의 스위칭 소자 중에서, 상기 BLDC 전동기 전단과 후단에 각각 대응되는 스위칭 소자끼리는 서로 반대되어 스위칭 동작한다.
상기 전류 방향과 전압 방향이 같고 PWM 신호가 온인 경우에는 상기 BLDC 전동기에 'Vs'가 인가되도록 스위칭 제어되고, 상기 전류 방향과 전압 방향이 같고 PWM 신호가 오프인 경우에는 PWM 인버터 내부 회로에서 전류 루프가 형성되도록 하여 상기 BLDC 전동기에는 '0'의 전압이 인가되도록 스위칭 제어된다.
상기 전류 방향과 전압 방향이 다르고 PWM 신호가 온인 경우에는 상기 BLDC 전동기에 '-Vs'가 인가되도록 스위칭 제어되고, 상기 전류 방향과 전압 방향이 다르고 PWM 신호가 오프인 경우에는 PWM 인버터 내부 회로에서 전류 루프가 형성되도록 하여 상기 BLDC 전동기에는 '0'의 전압이 인가되도록 스위칭 제어된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치에서는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
먼저, BLDC 전동기 구동 제어시에, 전압과 전류의 방향이 같을 경우 PMW 온시에는 'Vs'전압이 인가되도록 하고 PWM 오프시에는 '0'의 전압이 인가되도록 하며, 아울러 전압과 전류의 방향이 다를 경우 PWM 오프시에 '0'의 전압이 인가되도록 함으로써, 전류 리플이 감소되고, 따라서 전동기의 진동과 소음이 감소되는 효과가 있다.
이에 따라, 전동기 구동시 전류 리플 감소로 인하여 속도응답과 전류응답도 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
이하 본 발명에 의한 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치를 첨부된 도면에 도시된 바람직한 실시예를 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 BLDC 전동기 제어를 위한 시스템 장치의 구성도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 PWM 인버터 내부 회로가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 PWM 방식에 의한 상전류 및 역기전력 상태를 보인 파형도가 도시되어 있다. 그리고 도 6 내지 도 9에는 전압/전류 방향과 PWM 상태에 따른 전류 흐름이 표시된 회로도가 도시되어 있다.
먼저 도 3의 구성을 살펴본다.
비엘디씨(Brush-less DC, BLDC) 전동기(100)가 구비된다. 본 실시 예의 BLDC 전동기(100)는 3상 전원을 인가받아 구동되는 3상 비엘디씨 전동기(이하에서는 'BLDC 전동기'라 칭함)(100)가 사용된다.
우선 본 발명의 시스템 장치에 전반적인 전원을 공급하기 위한 전원 공급부(200)가 구비된다. 상기 전원 공급부(200)는 일반 교류 전원을 말한다.
상기 전원 공급부(200)로부터 교류 전원을 인가받고, 이를 상기 BLDC 전동기(100)에 적합한 전원으로 변환하는 컨버터(210)가 연결된다.
그리고 상기 컨버터(210) 출력단에는 상기 전원을 실제 BLDC 전동기(100)를 구동하기 위한 3상 전원으로 변환하고 이를 BLDC 전동기(100)로 출력하는 PWM 인버터(220)가 연결된다. 상기 PWM 인버터(220)는 PWM 신호를 통해 상기 BLDC 전동기(100)로 3상 전원을 인가하도록 6개의 스위칭 소자로 구성되는 3상 풀 브릿지 인버터(Full Bridge Inverter)임이 바람직하다. 상기 PWM 인버터(220)는 도 4를 참조하여 아래에서 상세하게 설명하도록 한다.
다음, 상기 3상 전원을 공급받는 상태에서 상기 PWM 신호에 의해 구동하는 BLDC 전동기(100)의 회전자에 따라 그 BLDC 전동기(100)에 흐르는 전류 방향을 알 수 있도록 전류 방향 검출부(230)가 구비된다. 상기 전류 방향 검출부(230)는 BLDC 전동기(100)의 홀센서 신호를 이용하는 것으로 설명한다. 그러나 선간 전항에 의한 전압 차이를 검출하는 센서를 이용하여 구성되기도 한다.
그리고 상기 전류 방향 검출부(230)에서 검출한 전류 방향과 전압 방향, 그리고 상기 PWM 인버터(220)로부터 출력되는 PWM 신호에 따라 상기 PWM 인버터(220)에 구비된 스위칭 소자를 스위칭 제어하는 제어부(240)가 구비된다. 상기 제어 부(240)는 전압과 전류의 방향이 동일할 때 PWM 온시에는 'Vs' 전압, PWM 오프시에는 '0'의 전압이 전동기에 인가되도록 하고, 전압과 전류의 방향이 다를 때 PWM 온시에는 '-Vs' 전압, PWM 오프시에는 '0'의 전압이 전동기에 인가되도록 제어한다.
아울러, 상기 BLDC 전동기(100) 내의 회전자의 위치를 검출하는 위치센서(250) , 그리고 상기 BLDC 전동기(100)의 속도를 검출하는 속도센서(260)가 구비된다. 상기 위치센서(250) 와 상기 속도센서(260)로 검출된 결과는 상기 제어부(240)를 통해 상기 BLDC 전동기(100)의 구동시 참고된다.
다음 도 4를 참조하여 상기 PWM 인버터(220)의 내부 회로 구성을 설명한다.
상기 PWM 인버터(220)는 BLDC 전동기(100)를 제어하는 역할을 수행한다.
상기 PWM 인버터(220)에는 6개의 스위칭 소자, 즉 'Q1', 'Q2', 'Q3', 'Q4', 'Q5', 'Q6'가 구성되고, 각 제어신호에 따라 온/오프가 수행된다. 즉 BLDC 전동기(100)의 권선에 원하는 전압을 인가하기 위해서는 BLDC 전동기(100)의 회전자의 위치에 따라 다르게 발생하는 홀센서 신호를 입력받아 상기 'Q1', 'Q2', 'Q3', 'Q4', 'Q5', 'Q6'의 스위칭 상태를 제어하게 된다.
도면을 참조하면, 'Q1'과 'Q4', 'Q3'과 'Q6', 'Q5'와 'Q2'가 각각 직렬 연결되고, 그 각각은 병렬 구성되고 있다. 여기서, 상기 'Q1', 'Q3', 'Q5'는 상기 BLDC 전동기(100)의 전단에 위치하고, 상기 'Q2', 'Q4', 'Q6'은 상기 BLDC 전동기(100)의 후단에 위치한다.
그리고, 'Q1'과 'Q4', 'Q3'과 'Q6', 'Q5'와 'Q2' 사이에는 BLDC 전동기(100)의 고정자 권선(A,B,C)이 연결된다.
미설명 부호 'D1 ~ D6'은 역전류 방지 다이오드이다.
이어 상기한 바와 같은 구성을 가지는 BLDC 전동기 제어를 위한 시스템 장치를 이용하여 전류 리플을 감소시키기 위한 PWM 스위칭 방식을 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명은 상기 PWM 인버터(220)에 구비된 6개의 스위칭 소자 중에서 4개의 스위칭 소자를 한 번에 온, 오프하도록 한다. 상기 4개의 스위칭 소자를 제어하도록 하는 PWM 방식에 의한 상전류 및 역기전력 파형이 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제어부(240)는 상기 6개의 스위칭 소자 중 상기 전류 방향 검출부(230)에서 검출한 전류의 방향과 관련된 4개의 스위칭 소자만이 선택되게 된다.
예를 들면, A상에서 C상으로 전류를 흘려주고자 할 때, 상기 'Q1', 'Q4', 'Q3', 'Q6'을 한번에 각각 온(ON) 또는 오프(OFF)하는 것을 볼 수 있다. 이때 상기 'Q1'과 'Q4', 상기 'Q3'과 'Q6'은 스위칭 상태가 반대되도록 한다. 즉 'Q1'이 온일 때 'Q4'는 오프이다. 이는 시스템 장치의 회로 내부에서 전류 루프를 형성시킴으로써 PWM 오프 구간인 'Q6' 오프 구간에서 전동기에 '0'의 전압이 인가되도록 하기 위함이다.
이와 같은 PWM 방식을 이용하여 전압과 전류의 방향, 그리고 PWM 상태에 따라 BLDC 전동기(100)에 'Vs', '-Vs', '0'의 전압이 인가됨을 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명하도록 한다.
참고로, 상기 PWM 인버터(220)에 공급되는 전압과 상기 PWM 인버터(220)에 흐르는 전류의 방향이 일치하는 경우는 상기 BLDC 전동기(100)의 인덕턴스 성분이 제어에 영향을 주지 않아 원하는 제어 전압을 인가할 수 있는 상태, 즉 전류가 원하는 방향으로 흐르는 전류의 정상상태를 말한다. 반면, 상기 PWM 인버터(220)에 공급되는 전압과 상기 PWM 인버터(220)에 흐르는 전류의 방향이 일치하지 않는 경우는 상기 BLDC 전동기(100)의 인덕턴스 성분으로 인하여 전류의 방향을 바꾸고자 할 때 즉시 바뀌지 않고 순간적으로 원래의 방향을 유지하는 경우, 즉 전류의 과도상태를 말한다.
ⅰ) 전압과 전류 방향이 같고 PWM 온인 경우.
이 경우, 상기 제어부(240)는 상기 BLDC 전동기(100)로 전압을 인가하기 위해 상기 PWM 인버터(200)의 'Q1'과 'Q2'가 온상태, 상기 'Q4'와 'Q5'가 오프상태가 되도록 제어한다.
이때 전류(i)의 흐름은 도 6과 같다.
그리고 도 6상태에서의 전압방정식은 [수학식 1]과 같다.
Figure 112007074052740-PAT00001
여기서, 'L'은 상기 A상과 B상의 인덕턴스 성분, 'R'은 저항, 'i'는 전류, 'Vs'는 직류 전압원, 'E'는 상기 A상과 B상에서 발생하는 역기전력을 나타낸다.
즉, 상기 PWM 인버터(220)에 공급되는 전압과 상기 PWM 인버터(220)에 흐르는 전류의 방향이 일치하면서 상기 검지된 PWM 신호의 상태가 온인 경우, 상기 BLDC 전동기(100)에 양의 직류전압, 즉 'Vs'가 인가된다.
ⅱ) 전압과 전류 방향이 같고 PWM 오프인 경우.
이 경우, 종래에는 '-Vs'가 인가되기 때문에 전류 리플 현상의 원인이 되었다.
이에, 전압과 전류 방향이 동일하더라도 PWM 오프 구간에서 '0'의 전압이 BLDC 전동기(100)에 인가되도록 해야 한다.
이를 위해서, 상기 제어부(240)는 상기 'Q1'과 'Q5'가 온상태, 상기 'Q4'와 'Q2'가 오프상태가 되도록 제어한다.
이때 전류(i)의 흐름은 도 7과 같다.
그리고 도 7상태에서의 전압방정식은 [수학식 2]와 같이 표시할 수 있다.
Figure 112007074052740-PAT00002
즉, 상기 PWM 인버터(220)에 공급되는 전압과 상기 PWM 인버터(220)에 흐르는 전류의 방향이 일치하면서 상기 검지된 PWM 신호의 상태가 오프인 경우, 상기 BLDC 전동기(100)에는 '0'의 전압이 인가됨으로써, 전류 리플 현상을 감소시킬 수 있다.
다음에는 전압과 전류의 방향이 다른 경우를 설명한다. 이 경우는 앞서 설명 한 바와 같이 고정자 권선의 인덕턴스 성분으로 인하여 발생한다.
ⅲ) 전압과 전류 방향이 다르고 PWM 온인 경우.
이 경우는 종래 바이폴라 PWM 방식, 유니폴라 PWM 방식에서와 같이 상기 제어부(240)는 상기 'Q1'과 'Q2'가 온상태, 상기 'Q4'와 'Q5'가 오프 상태가 되도록 제어한다.
이때 전류(i)의 흐름은 도 6과 같다.
도시된 바와 같이 이 경우 전류는 원래 상기 'Q1'과 'Q2'가 온상태이므로 상기 A상에서 상기 B상으로 흘러야 하지만, 상기 BLDC 전동기(100) 권선의 인덕턴스 성분으로 인하여 현재 스위칭 상태의 직전 상태의 전류흐름인 상기 B상에서 상기 A상으로 흐르게 된다. 이 경우의 전압방정식은 [수학식 3]과 같다.
Figure 112007074052740-PAT00003
즉, 상기 PWM 인버터(220)에 공급되는 전압과 상기 PWM 인버터(220)에 흐르는 전류의 방향이 불일치하면서 상기 검지된 PWM 신호의 상태가 온인 경우, 상기 BLDC 전동기(100)에 음의 직류전압, 즉 '-Vs'가 인가된다.
ⅳ) 전압과 전류 방향이 다르고 PWM 오프인 경우.
이 경우, 상기 제어부(240)는 상기 BLDC 전동기(100)로 '0'의 전압이 인가되도록 해야한다. 이를 위해 상기 제어부(240)는 상기 'Q1'과 'Q5'가 온상태, 상기 'Q4'와 'Q2'가 오프상태가 되도록 제어한다.
이때 전류(i)의 흐름은 도 7과 같다.
도 7을 참조하면, 상기 PWM 인버터(220) 회로 내부에서 전류가 루프가 형성되기 때문에, '-Vs'의 전압이 상기 BLDC 전동기(100)로 인가되지 않게 된다.
따라서, 상기 BLDC 전동기(100)로 인가되는 전압이 '0'이 된다. 물론 상기 BLDC 전동기(100) 권선의 인덕턴스 성분으로 인하여 전류는 상기 B상에서 상기 A상으로 흐르게 된다. 이 경우의 전압방정식은 상기 [수학식 2]와 동일하다.
즉, 상기 PWM 인버터(220)에 공급되는 전압과 상기 PWM 인버터(220)에 흐르는 전류의 방향이 불일치하면서 상기 검지된 PWM 신호의 상태가 오프인 경우, 상기 BLDC 전동기(100)에는 '0'의 전압이 인가되는 것이다.
이와 같이, ⅰ) 내지 ⅳ)의 경우에서와 같이 전압과 전류의 방향의 동일 여부 및 이 상태에서의 PWM 상태에 따라 상기 BLDC 전동기(100)로 인가되는 전압을 다음 [표 3]에 정리하였다.
전압과 전류의 방향이 같을 때 전압과 전류의 방향이 다를 때
PWM 상태 PWM ON PWM OFF PWM ON PWM OFF
인가되는 전압 Vs 0 -Vs 0
다시 말하면, 본 실시 예에 따른 PWM 방식에서는 전압과 전류의 방향이 같고 PWM 온시에는 'Vs'가 인가되고, PWM 오프시에는 상기 PWM 인버터(220) 내부에 전류 루프가 형성되어 '0'의 전압이 인가된다. 또 전압과 전류의 방향이 다르고 PWM 온시에는 '-Vs' 가 인가되고, PWM 오프시에는 상기 PWM 인버터(220) 내부에 전류 루프가 형성되어 '0'의 전압이 인가된다.
이와 같이 하면, 종래 바이폴라 PWM 방식과 유니폴라 PWM 방식에서 전류 리플의 가장 큰 원인이 되는 전압과 전류의 방향이 다른 경우에 PWM 오프시 '-Vs'가 BLDC 전동기(100)로 인가되는 현상이 해결된다. 그래서 전류 리플을 감소시킬 수 있게 되고, 나아가 상기 BLDC 전동기(100)의 진동과 소음을 저감시켰다. 이는 BLDC 전동기(100)를 소형 전동기나 드라이버가 필요한 로봇 산업 및 지능 로봇과 같은 고성능 제어에 적용할 수 있음을 말한다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
도 1은 일반적인 3상 BLDC 전동기의 제어를 위한 바이폴라 PWM 방식 및 그에 따른 BLDC 전동기의 상전류와 역기전력을 나타내고 있는 파형도.
도 2는 일반적인 3상 BLDC 전동기의 제어를 위한 유니폴라 PWM 방식 및 그에 따른 BLDC 전동기의 상전류와 역기전력을 나타내고 있는 파형도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 BLDC 전동기 제어를 위한 시스템 장치의 구성도.
도 4는 도 3의 PWM 인버터 내부 회로도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 PWM 방식에 의한 상전류 및 역기전력 상태를 보인 파형도.
도 6 내지 도 9에는 전압/전류 방향과 PWM 상태에 따른 전류 흐름이 표시된 회로도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : BLDC 전동기 200 : 전원 공급부
210 : 컨버터 220 : PWM 인버터
230 : 전류 방향 검출부 240 : 제어부
250 : 위치센서 260 : 속도센서

Claims (7)

  1. 3상의 BLDC 전동기와;
    상기 3상의 BLDC 전동기 권선을 중심으로 각 권선의 전단과 후단에 위치하는 6개의 스위칭 소자를 구비하는 PWM 인버터; 그리고
    상기 BLDC 전동기의 회전자 위치에 따라 다르게 발생하는 전류 방향 및 이의 전압 방향과, 상기 PWM 인버터의 PWM 신호 온/오프에 따라 상기 스위칭 소자 중 4개의 스위칭 소자를 동시에 온/오프 제어하도록 하는 제어부:를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 시스템 장치.
  2. BLDC 전동기의 회전자 위치에 따른 전류 방향을 검출하는 단계와;
    상기 전류 방향에 따라 상기 BLDC 전동기의 고정자 권선에 연결된 PWM 인버터의 스위칭 소자를 선택하는 단계와;
    상기 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 신호의 상태를 검출하는 단계; 그리고
    상기 전류 방향에 대한 전압방향과의 일치 여부 및 상기 PWM 신호의 상태에 따라 상기 선택된 스위칭 소자를 스위칭하는 단계:를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 BLDC 전동기 전단과 후단에 각각 대응되는 스위칭 소자끼리는 서로 반 대되어 스위칭 동작하는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전류 방향과 전압 방향이 같고 PWM 신호가 온인 경우에는 상기 BLDC 전동기에 'Vs'가 인가되도록 스위칭 제어됨을 특징으로 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전류 방향과 전압 방향이 같고 PWM 신호가 오프인 경우에는 PWM 인버터 내부 회로에서 전류 루프가 형성되도록 하여 상기 BLDC 전동기에는 '0'의 전압이 인가되도록 스위칭 제어됨을 특징으로 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전류 방향과 전압 방향이 다르고 PWM 신호가 온인 경우에는 상기 BLDC 전동기에 '-Vs'가 인가되도록 스위칭 제어됨을 특징으로 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전류 방향과 전압 방향이 다르고 PWM 신호가 오프인 경우에는 PWM 인버터 내부 회로에서 전류 루프가 형성되도록 하여 상기 BLDC 전동기에는 '0'의 전압이 인가되도록 스위칭 제어됨을 특징으로 하는 BLDC 전동기 제어를 위한 PWM 스위칭 방법.
KR1020070104176A 2007-10-16 2007-10-16 Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를위한 시스템 장치 KR20090038725A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070104176A KR20090038725A (ko) 2007-10-16 2007-10-16 Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를위한 시스템 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070104176A KR20090038725A (ko) 2007-10-16 2007-10-16 Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를위한 시스템 장치

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020090068980A Division KR101000121B1 (ko) 2009-07-28 2009-07-28 Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20090038725A true KR20090038725A (ko) 2009-04-21

Family

ID=40762825

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070104176A KR20090038725A (ko) 2007-10-16 2007-10-16 Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를위한 시스템 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20090038725A (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101280499B1 (ko) * 2012-03-16 2013-07-01 성암전기 주식회사 Ｐｗｍ 방법을 적용한 브러쉬 없는 직류전동기의 제어장치에 구비된 전력용 스위치를 제어하기 위한 스위칭 함수 발생기
KR101347832B1 (ko) * 2013-04-05 2014-01-06 선진모타테크주식회사 브러시가 없는 직류 모터를 사용한 전지형 만능차용 전압 분압장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101280499B1 (ko) * 2012-03-16 2013-07-01 성암전기 주식회사 Ｐｗｍ 방법을 적용한 브러쉬 없는 직류전동기의 제어장치에 구비된 전력용 스위치를 제어하기 위한 스위칭 함수 발생기
KR101347832B1 (ko) * 2013-04-05 2014-01-06 선진모타테크주식회사 브러시가 없는 직류 모터를 사용한 전지형 만능차용 전압 분압장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100329077B1 (ko) 공기조화기의 실외팬용 브러시리스모터의 구동장치
US6670784B2 (en) Motor Apparatus and control method therefor
JP4689905B2 (ja) ブラシレスモータの駆動制御方法及びその装置
US20020158600A1 (en) Brushless-motor driver in PWM mode
JP2008259348A (ja) モータ制御装置
KR20090038725A (ko) Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를위한 시스템 장치
KR101000121B1 (ko) Ｂｌｄｃ 전동기 제어를 위한 ｐｗｍ 스위칭 방법과 이를 위한 시스템 장치
JP3250555B2 (ja) スイッチトリラクタンスモータ用インバータ装置およびその制御方法
US20230283210A1 (en) Direct drive system for brushless dc (bldc) motor
CN114447885B (zh) 三相马达驱动电路及方法
JP2007252135A (ja) ブラシレスモータの駆動装置
US6342772B1 (en) Drive circuit and method for driving a switched reluctance machine
JPH11136994A (ja) ３相誘導電動機駆動装置
JP4736155B2 (ja) インバータ装置
Bhosale et al. Performance comparison of Two PWM techniques applied to BLDC motor control
JP2000350486A (ja) ブラシレスモータの制御装置
Bellini et al. Mixed mode PWM for high performance stepping motors
JP2012239301A (ja) モータ制御装置
JP4053132B2 (ja) モータ駆動回路
JP2005312145A (ja) ブラシレスモータの駆動装置
KR20170064431A (ko) Bldc 전동기 pwm 제어 장치 및 그 방법
JP2003209999A (ja) モータ制御装置
JP2002186274A (ja) ブラシレスｄｃモータの制御装置
EP4175161A1 (en) Adaptive rectification for preventing current inversion in motor driving
JP3706440B2 (ja) モータ駆動回路

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
N231 Notification of change of applicant
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application
A107 Divisional application of patent
J201 Request for trial against refusal decision
A107 Divisional application of patent
J501 Disposition of invalidation of trial