KR20100101478A

KR20100101478A - 모터 제어 장치 및 제어 방법

Info

Publication number: KR20100101478A
Application number: KR1020090019983A
Authority: KR
Inventors: 이동철; 민병욱; 손창우
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-17

Abstract

모터 제어 장치 및 제어 방법이 개시된다. 본 발명에 따라 모터의 상전압에 대하여 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산하여 정현파 지령전압을 발생함으로써 데드타임 적용에 따른 전압 왜곡을 저감하고, 모터의 전류 왜곡이 감소되고, 모터의 전류 왜곡에 따른 소음과 진동이 줄인다.

모터, 오프셋 전압, 데드 타임, 전류 왜곡

Description

모터 제어 장치 및 제어 방법{MOTOR CONTROLLING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 데드타임(Dead-Time)에 의해 발생하는 전압 왜곡을 저감시키는 모터 제어 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

초소형 전자 공학(Micro Electronics) 혁명에 따라 디지털 회로가 다수의 제어 용도로 사용되고 있다. 예를 들어, 마이크로 컨트롤러 (Micro-Controller; 이하 MCU) , 마이크로컴퓨터 (Micro-Computer; 이하 마이컴) 또는 마이크로프로세서 (Micro-Processor) 등은 냉난방 시스템, 환기 시스템, 공기조화 시스템, 공장 자동화, 가변속 장치 등의 용도로 사용되고 있고, 이들을 운전하기 위한 모터를 제어하는데 사용되고 있다. 상기 마이컴은 일반적으로 전력 인버터(Inverter)들을 구동하는 신호들의 펄스폭을 변조하는 PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하여 모터의 속도 및 동작을 제어한다.

종래에는 모터, 특히 BLDC(Brushless Direct Current) 모터,를 제어함에 있어서, 180°통전 방식 중 하나인 SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation) 방식을 사용하였다. 상기 SPWM을 저가의 마이컴을 이용하여 구현하기 위해서는 연산시간의 단축을 위해 정수형의 양수값만을 정현파의 지령전압으로 발생하였다.

그러나, 종래 기술에 따른 SPWM은 데드타임을 적용하는 경우에, 특히 정현파의 지령 전압의 크기가 0에 가까울 수록 전압 왜곡이 발생하는 문제점이 있다.

또한, 종래 기술에 따른 SPWM은 상기 전압 왜곡에 따라 모터의 전류 왜곡이 발생하고, 소음과 진동이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명은 정현파 교류 전압에 오프셋 전압을 적용하여 데드타임(Dead-Time)에 의해 발생하는 전압 왜곡을 저감시키는 모터 제어 장치 및 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전류 왜곡을 저감하고, 소음과 진동을 줄이는 모터 제어 장치 및 제어 방법을 제공함에 또 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 모터 제어 명령의 듀티에 따라 정현파 교류 전압을 출력하는 정현파전압출력유닛과, 상기 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산하여 정현파 지령전압을 생성하는 지령전압생성유닛과, 상기 정현파 지령전압과 반송파를 비교하여 구형파 펄스 신호를 발생하는 신호발생유닛을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 방법은, 모터 제어 명령의 듀티에 따라 정현파 교류 전압을 출력하는 정현파전압출력단계와, 상기 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산하여 정현파 지령전압을 생성하는 지령전압생성단계와, 상기 정현파 지령전압과 반송파를 비교하여 구형파 펄스 신호를 발생하는 신호발생단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따라 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산 하여 정현파 지령전압을 발생함으로써 데드타임 적용에 따른 전압 왜곡을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따라 데드타임 적용에 따른 전압 왜곡을 저감시킴으로써, 모터의 전류 왜곡이 감소되고, 모터의 전류 왜곡에 따른 소음과 진동이 줄어드는 장점이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모터 제어 장치 및 제어 방법을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 모터 제어 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 모터 제어 명령의 듀티에 따라 정현파 교류 전압을 출력하는 정현파전압출력유닛(100)과, 상기 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산하여 정현파 지령전압을 생성하는 지령전압생성유닛(200)과, 상기 정현파 지령전압과 반송파를 비교하여 구형파 펄스 신호를 발생하는 신호발생유닛(300)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 모터 제어 장치는 복수의 스위칭소자를 구비하고, 상기 구형파 펄스 신호에 따라 스위칭되어 고주파 구형 펄스 전압을 출력하는 스위칭유닛(400)을 더 포함하여 구성된다.

상기 모터 제어 명령에 따른 듀티(Duty), 즉 시간주기에 대한 스위칭소자의 통전시간(On Time)을 정하여 이를 입력하면, 상기 정현파출력유닛(100)은 사인테이블(Sine Table)을 참조하여 상기 듀티를 상기 사인테이블에 곱하여 정현파 교류 전압을 출력한다. 상기 사인테이블은 상기 정현파 교류 전압의 위상 0~360°에 대응 하여 0~2ⁿ크기의 값으로 미리 저장된 테이블을 의미한다. 이에 따라 상기 정현파 교류 전압은 0~duty*2ⁿ의 크기로 발생된다.

상기 지령전압생성유닛(200)은 상기 정현파출력유닛(100)으로부터 출력된 정현파 교류 전압과 미리 설정된 오프셋 전압을 연산하여 정현파 지령전압을 생성한다. 여기서, 상기 오프셋 전압은 상기 정현파 교류 전압의 위상에 따른 값을 가지는 상기 사인테이블과 상기 모터 제어 명령의 듀티를 근거로 설정된다. 예를 들어, 상기 오프셋 전압을 사인테이블의 최대값의 1/2에서 듀티의 1/2를 뺀 값으로 하는 것이 좋다. 이때, 상기 지령전압생성유닛(220)은 상기 정현파 교류 전압을 상기 오프셋 전압만큼 이동시켜 정현파 지령전압을 생성한다. 도 4를 참조하면, 각 상전압 U 지령전압(A), V 지령전압(B), W 지령전압(C)에 대하여 상기 오프셋 전압을 적용한 다음 데드타임을 적용하여 각 상전압 A', B', C'를 생성한다.

상기 신호발생유닛(300)은 상기 정현파 지령전압과 반송파(Carrier Wave)를 비교하여 구형파 펄스 신호(PWM 신호)를 발생한다. 여기서, 상기 반송파는 일반적으로 삼각파의 형태를 갖는다. 즉, 상기 신호발생유닛(300)은 상기 오프셋 전압을 적용시켜 생성한 정현파 지령전압과 삼각파 형태의 반송파를 비교하고, 상기 비교결과에 따라 PWM 신호를 발생한다.

상기 스위칭 유닛(400)은 상기 구형파 펄스 신호를 근거로 스위칭되어 고주파 구형 펄스 전압을 출력한다. 여기서, 상기 스위칭유닛(400)은 복수의 스위칭소자들을 구비한다. 상기 스위칭유닛(400)이 고주파 구형 펄스 전압을 출력하기 이전 에 데드타임(Dead Time)을 적용한다. 상기 복수의 스위칭소자가 모두 온(ON) 상태가 되는 시간이 발생하여 단락 상태에 이르게 되면 상기 스위칭소자가 파괴되는 현상이 발생하게 되는데, 이러한 현상을 방지하기 위해 스위칭소자 사이에 오프(OFF)에서 온(ON)되는 천이시간 사이에 지연시간을 둔다. 이를 데드타임이라 한다. 이러한 데드타임을 적용하면, 데드타임이 없을 때 설정된 구형 펄스 전압과 데드타임으로 인해 야기된 실측 시의 전압과의 전압 오차가 발생하게 되고, 출력 전압 오차로 인해 출력 전류의 왜곡이 발생한다. 도 5를 참조하여 3상 BLDC(Brushless Direct Current) 모터 선간전압의 경우를 설명한다. 각 선간전압을 순서대로 U-V 지령전압을 A, V-W 지령전압을 B, W-U 지령전압을 C라 하고, 데드타임이 적용된 후의 각 선간전압을 순서대로 U-V 지령전압을 A', V-W 지령전압을 B', W-U 지령전압을 C'라 하면, 도 5에 보인 바와 같이, 선간전압이 A에서 A'로, B에서 B'로, C에서 C'으로 찌그러짐을 알 수 있다.

반면, 도 6을 참조하면, 각 상의 상전압에 오프셋 전압을 적용한 결과, 선간전압 간에 차이가 없게되어 전압 왜곡 및 전류 왜곡을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 방법은, 도 2에 도시한 바와 같이, 모터 제어 명령의 듀티가 입력되면(S110), 모터 제어 명령의 듀티에 따라 정현파 교류 전압을 출력하는 정현파전압출력단계(S120)와, 상기 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산하여 정현파 지령전압을 생성하는 지령전압생성단계(S130)와, 상기 정현파 지령전압과 반송파를 비교하여 구형파 펄스 신호를 발생하는 신호발생단계(S140)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 모터 제어 방법은, 상기 구형파 펄스 신호에 따라 스위칭되어 고주파 구형 펄스 전압을 출력하는 구형펄스전압출력단계(S150)를 포함하여 구성된다. 이하 장치의 구성은 도 1을 참조한다.

상기 모터 제어 명령에 따른 듀티(Duty), 즉 시간주기에 대한 스위칭소자의 통전시간(On Time)을 정하여 이를 입력하면(S110), 사인테이블(Sine Table)을 참조하여 상기 듀티를 상기 사인테이블에 곱하여 정현파 교류 전압을 출력한다(정현파전압출력단계, S120). 상기 사인테이블은 상기 정현파 교류 전압의 위상 0~360°에 대응하여 0~2ⁿ크기의 값으로 미리 저장된 테이블을 의미한다. 이에 따라 상기 정현파 교류 전압은 0~duty*2ⁿ의 크기로 발생된다.

상기 지령전압생성단계(S130)는 출력된 정현파 교류 전압과 미리 설정된 오프셋 전압을 연산하여 정현파 지령전압을 생성한다. 여기서, 상기 오프셋 전압은 상기 정현파 교류 전압의 위상에 따른 값을 가지는 상기 사인테이블과 상기 모터 제어 명령의 듀티를 근거로 설정된다. 예를 들어, 상기 오프셋 전압을 사인테이블의 최대값의 1/2에서 듀티의 1/2를 뺀 값으로 하는 것이 좋다. 이때, 상기 정현파 교류 전압을 상기 오프셋 전압만큼 이동시켜 정현파 지령전압을 생성한다. 도 4를 참조하면, 각 상전압 U 지령전압(A), V 지령전압(B), W 지령전압(C)에 대하여 상기 오프셋 전압을 적용한 다음 데드타임을 적용하여 각 상전압 A', B', C'를 생성한다.

상기 신호발생단계(S140)는 상기 정현파 지령전압과 반송파(Carrier Wave)를 비교하여 구형파 펄스 신호(PWM 신호)를 발생한다. 여기서, 상기 반송파는 일반적으로 삼각파의 형태를 갖는다. 즉, 상기 오프셋 전압을 적용시켜 생성한 정현파 지령전압과 삼각파 형태의 반송파를 비교하고, 상기 비교결과에 따라 PWM 신호를 발생한다.

상기 단계(S140)에서 발생된 구형파 펄스 신호를 근거로 스위칭되어 고주파 구형 펄스 전압을 출력한다. 여기서, 상기 스위칭유닛(400)에 구비된 복수의 스위칭소자가 모두 온(ON) 상태가 되는 시간이 발생하여 단락 상태에 이르게 되면 상기 스위칭소자가 파괴되는 현상이 발생하게 되는데, 이러한 현상을 방지하기 위해 스위칭소자 사이에 오프(OFF)에서 온(ON)되는 천이시간 사이에 지연시간을 둔다. 이를 데드타임이라 한다. 이러한 데드타임을 적용하면, 데드타임이 없을 때 설정된 구형 펄스 전압과 데드타임으로 인해 야기된 실측 시의 전압과의 전압 오차가 발생하게 되고, 출력 전압 오차로 인해 출력 전류의 왜곡이 발생한다. 도 5를 참조하여 3상 BLDC(Brushless Direct Current) 모터의 경우를 설명한다. 각 선간전압을 순서대로 U-V 지령전압을(A), V-W 지령전압을(B), W-U 지령전압을(C)라 하고, 데드타임이 적용된 후의 각 선간전압을 순서대로 U-V 지령전압을 A', V-W 지령전압을 B', W-U 지령전압을 C'라 하면, 도 5에 보인 바와 같이, 선간전압이 A에서 A'로, B에서 B'로, C에서 C'으로 찌그러짐을 알 수 있다.

반면, 도 6을 참조하면, 각 상의 상전압에 오프셋 전압을 적용한 결과, 선간전압 간에 차이가 없게되어 전압왜곡 및 전류왜곡을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 제어 방법은, 도 3에 도시한 바와 같이, 상용 교류 전원 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 단계(S210)와, 모터 제어 명령의 듀티와 교류 전압 위상에 따라 미리 저장된 사인테이블을 소정 연산하여 정현파 교류 전압을 출력하는 제2 단계(S220)와, 상기 모터 제어 명령의 듀티와 상기 사인테이블을 근거로 오프셋 전압을 설정하는 제3 단계(S221)와, 상기 정현파 교류 전압과 상기 오프셋 전압을 근거로 정현파 지령전압을 생성하는 제4 단계(S230)와, 상기 정현파 지령전압과 미리 설정된 진폭과 주기를 가지는 삼각 반송파를 비교하는 제5 단계(S231)와, 상기 제5 단계의 비교 결과를 근거로 구형파 펄스 신호를 출력하는 제6 단계(S240)와, 상기 구형파 펄스 신호에 따라 스위칭되어 상기 직류 전압을 구형파 펄스 전압으로 변환하여 출력하는 제7 단계(S250)를 포함하여 구성된다.

먼저, 모터를 구동하기 위해 상용 교류 전원 전압을 직류 전압으로 변환한다(S210). 이때, 교류-직류 변환유닛(AC-DC Converter)를 이용하여 교류를 직류로 변환하고, 평활 커패시터를 이용하여 평활화한 다음 인버터로 공급한다. 한편, 지령 듀티가 입력된 모터 제어 명령을 수신하면, 상기 모터 제어 명령의 듀티와 교류 전압 위상에 따라 미리 저장된 사인테이블을 소정 연산하여 정현파 교류 전압을 생성하여 출력한다(S220). 여기서, 사인테이블은 위상 0~360°에 대응하여 0~2ⁿ크기의 값으로 미리 저장된 테이블이다. 또한, 상기 소정 연산은 곱셈하는 것이 좋다. 즉, 모터 구동을 위한 지령 듀티가 발생하면, 이는 0~2ⁿ의 크기를 가지는 사인테이블과의 곱으로 정현파 형태의 지령전압을 발생한다. 발생된 정현파 지령전압으로 오프셋 전압을 합성한다(S230). 예를 들어, 상기 오프셋 전압은 정현파 지령 전압의 크기가 사인테이블의 최대값인 2ⁿ의 중간 값인 2^(n-1)을 기준으로 그 진폭이 변화하도록 한다. 즉, 상기 오프셋 전압은 상기 사인테이블의 최대값의 1/2와 듀티의 1/2의 차로 설정된다. 상기 오프셋 전압이 합성된 정현파 지령전압은 삼각 반송파 (Carrier Wave)와의 비교한 후(S231), 구형파 펄스 신호(PWM 신호)를 출력한다. 데드 타임을 적용한 후, 상기 구형파 펄스 신호에 따라 스위칭되어 상기 제1 단계에서 출력된 직류 전압을 구형파 펄스 전압으로 변환하여 출력한다.

상기와 같이, 본 발명에 따라 모터의 상전압에 대하여 오프셋 전압을 적용하여 정현파 지령전압을 생성하여 출력함으로써 스위칭소자의 단락을 방지하기 위해 적용한 데드타임에 따른 전압 왜곡을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 전압왜곡에 따른 모터의 전류 왜곡을 방지할 수 있고, 전류 왜곡에 따른 소음과 진동을 줄일 수 있다. 한편, 본 발명은 연산 시간과 변수 크기의 제한으로 정수형의 양수값만을 사용한 마이컴으로 SPWM을 구현하는 것을 전제로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 모터 제어 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도;

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 제어 방법을 개략적으로 보인 흐름도;

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터 제어 방법을 개략적으로 보인 흐름도;

도 4는 본 발명에 따라 오프셋 전압이 적용된 정현파 지령 전압을 보인 그래프;

도 5는 종래 기술에 있어서 데드타임에 의한 전류 왜곡을 보인 그래프;

도 6은 본 발명에 따라 데드타임에 의한 전류 왜곡을 개선하는 동작을 설명하기 위한 그래프이다.

Claims

모터 제어 명령의 듀티에 따라 정현파 교류 전압을 출력하는 정현파전압출력유닛;

상기 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산하여 정현파 지령전압을 생성하는 지령전압생성유닛; 및

상기 정현파 지령전압과 반송파를 비교하여 구형파 펄스 신호를 발생하는 신호발생유닛;을 포함하는 모터 제어 장치.
제1 항에 있어서, 상기 오프셋 전압은,

교류 전압의 위상에 따른 값을 가지는 사인테이블과 상기 모터 제어 명령의 듀티를 근거로 설정되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
제1 항에 있어서, 상기 지령전압생성유닛은,

상기 정현파 교류 전압을 상기 오프셋 전압만큼 이동시켜 정현파 지령전압을 생성하는 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
제1 항에 있어서, 상기 정현파 교류 전압은,

교류 전압의 위상에 따른 값을 가지는 사인테이블과 상기 모터 제어 명령의 듀티의 곱인 것을 특징으로 하는 모터 제어 장치.
제1 항에 있어서,

복수의 스위칭소자를 구비하고, 상기 구형파 펄스 신호에 따라 스위칭되어 고주파 구형 펄스 전압을 출력하는 스위칭유닛;을 더 포함하는 모터 제어 장치.
모터 제어 명령의 듀티에 따라 정현파 교류 전압을 출력하는 정현파전압출력단계;

상기 정현파 교류 전압 및 미리 설정된 오프셋 전압을 소정 연산하여 정현파 지령전압을 생성하는 지령전압생성단계; 및

상기 정현파 지령전압과 반송파를 비교하여 구형파 펄스 신호를 발생하는 신호발생단계;를 포함하는 모터 제어 방법.
제6 항에 있어서, 상기 오프셋 전압은,

교류 전압의 위상에 따른 값을 가지는 사인테이블과 상기 모터 제어 명령의 듀티를 근거로 설정되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
제6 항에 있어서, 상기 지령전압생성단계는,

상기 정현파 교류 전압을 상기 오프셋 전압만큼 이동시키는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
제6 항에 있어서, 상기 정현파 교류 전압은,

교류 전압의 위상에 따른 값을 가지는 사인테이블과 상기 모터 제어 명령의 듀티의 곱인 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
제6 항에 있어서,

상기 구형파 펄스 신호에 따라 스위칭되어 고주파 구형 펄스 전압을 출력하는 구형펄스전압출력단계;를 더 포함하는 모터 제어 방법.
상용 교류 전원 전압을 직류 전압으로 변환하는 제1 단계;

모터 제어 명령의 듀티와 교류 전압 위상에 따라 미리 저장된 사인테이블을 소정 연산하여 정현파 교류 전압을 출력하는 제2 단계;

상기 모터 제어 명령의 듀티와 상기 사인테이블을 근거로 오프셋 전압을 설정하는 제3 단계;

상기 정현파 교류 전압과 상기 오프셋 전압을 근거로 정현파 지령전압을 생성하는 제4 단계;

상기 정현파 지령전압과 미리 설정된 진폭과 주기를 가지는 삼각 반송파를 비교하는 제5 단계;

상기 제5 단계의 비교 결과를 근거로 구형파 펄스 신호를 출력하는 제6 단계; 및

상기 구형파 펄스 신호에 따라 스위칭되어 상기 직류 전압을 구형파 펄스 전 압으로 변환하여 출력하는 제7 단계;를 포함하는 모터 제어 방법.

상기 정현파 지령전압과 반송파를 비교하여 구형파 펄스 신호를 발생하는 신호발생단계;를 포함하는 모터 제어 방법.