KR20120084289A - 센서 없는 브러시리스 직류 모터들에서의 감소된 제로-크로싱 입상용 가변 펄스폭 변조 - Google Patents

센서 없는 브러시리스 직류 모터들에서의 감소된 제로-크로싱 입상용 가변 펄스폭 변조 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 정류 주기들 내의 제로-크로싱 이벤트의 예측에서 PWM 구동 주파수를 증가시킴으로써, 센서 없는 브러시리스 직류(BLDC) 모터에서 제로-크로싱 검출의 정확성이 향상된다. 제로-크로싱 이벤트가 검출되면, PWM 주파수는 더 낮은 정상 동작 주파수로 되돌아갈 수 있다. 그에 의해 전력 구동 트랜지스터들의 스위칭 손실은 최소화되지만, 반면에 BLDC 모터의 안전한 동작을 위한 정확한 제로-크로싱 검출은 유지된다.

Description

센서 없는 브러시리스 직류 모터들에서의 감소된 제로-크로싱 입상용 가변 펄스폭 변조{VARIABLE PULSE WIDTH MODULATION FOR REDUCED ZERO-CROSSING GRANULARITY IN SENSORLESS BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTORS}
본 발명은 센서 없는 브리시리스 직류(BLDC) 모터들에 관한 것으로, 더 구체적으로는 센서 없는 BLDC 모터를 구동할 때, 감소된 제로-크로싱 검출 입상용 가변 펄스폭 변조(PWM)를 사용하는 것에 관한 것이다.
브러시리스 직류(BLDC) 모터들은 가전 제품들, 자동차, 항공 우주, 소비자, 의료, 산업 자동 장비 및 도구와 같은 제조업에 사용된다. BLDC 모터들은 정류용 브러시들을 사용하지 않고, 대신에 전기적인 정류를 사용한다. BLDC 모터들은 브러시 DC 모터들과 유도 모터들보다 장점들이 많은데, 그 장점들은 더 좋은 속도 대 토르크 특성들, 높은 동적 응답, 높은 효율, 긴 수명 시간(long operating life), 서비스 사이의 더 긴 시간 간격, 실질적으로 잡음이 없는 동작 및 더 높은 속도 범위들이다. BLDC 모터들에 대한 더 자세한 정보는 "쉽게 제어가 가능한(Control Made Easy) 브러시리스 DC 모터"라는 제목이 붙은 AN857(2002); "브러시리스 DC (BLDC) 모터 기본들"이라는 제목이 붙은 AN885(2003); "모터 제어 센서 피드백 회로들"이라는 제목이 붙은 AN894(2003); "센서 없는 BLDC 제어용 dsPIC30F의 사용"이라는 제목이 붙은 AN901(2004); 및 "센서 없는 BLDC 제어용 PIC18F2431의 사용"이라는 제목이 붙은 AN970(2005)의 마이크로칩 애플리케이션 주석들에서 찾아볼 수 있다(모두 본 발명의 모든 목적을 위해 여기에 참조로서 포함됨).
3상 BLDC 모터는 전기적인 사이클, 즉 스텝당 60 전기도로 6개의 스텝에서 360 회전의 전기도를 완료한다. 모든 60 전기도에서 동기적으로, 상전류 스위칭이 업데이트(정류(commutation))된다. 하지만, 하나의 전기적인 사이클은 모터 회전자의 하나의 기계적인 회전(360 기계도)에 대응하지 않을 수 있다. 하나의 기계적인 회전을 완료하기 위해 반복될 전기적인 사이클들의 수는 회전자 극 쌍들의 수에 따른다. 예를 들면, 4극 BLDC 모터는 모터 회전자의 하나의 기계적인 회전을 완료하기 위해 2개의 전기적인 사이클을 필요로 할 것이다(도 3 참조).
BLDC 모터용 구동 정류는 모터의 각 상(A-B-C)에서 역기전력(back EMF) 전압을 모니터링함으로써 결정될 수 있다. 정류 주기 동안에 비-구동 상의 역기전력이 모터 공급 전압의 절반을 가로지를 때, 구동 정류는 모터와 함께 동기화된다. 이것은 "제로-크로싱"으로 언급되는데, "제로-크로싱"은 역기전력이 각 전기적인 사이클에 걸쳐 제로-크로싱 전압 위 및 아래로 변하는 점이다. 구동 전압이 구동 상들에 적용될 때, 제로-크로싱은 비-구동 상에서 검출된다. 또한, 비-구동 상에서의 역기전력의 제로-크로싱 전압에 대한 전압 극성은 소정 허용값들 내에서 구동 상들로의 구동 전압의 적용 동안 제로-크로싱 이벤트, 예를 들면 포지티브로부터 네거티브 또는 네거티브로부터 포지티브로의 변화를 검출하는데 사용될 수 있다.
센서 없는 브러시리스 DC 모터들을 구동할 때, 높은 모터 회전 속도들과 50% 이하의 PWM 듀티 사이클의 구동 전압에서 큰 갭들이 발생한다. 제로-크로싱 검출의 불확실성이 약 20%에 이르면, PWM 구동 제어 알고리즘은 불안정해진다. 구동 전압에서의 갭들은 제로-크로싱 검출에서 타이밍 에러들을 생성하고, 높은 PWM 주파수들은 비효율적이며, 또한 전계 효과 트랜지스터(FET) 전력 드라이버의 과열로 인한 전력 FET 실패들로 이어진다.
비-구동 상의 역기전력(BEMF)이 정류 주기의 중간에서 모터 공급 전압의 절반을 가로지를 때, 구동 정류는 센서 없는 BLDC 모터와 함께 동기화된다. 이것은 때때로 제로-크로싱으로 언급된다. 제로-크로싱은 구동 전압이 다른 2개의 상들에 적용될 때만 유효하다. 구동 전압은 전체 구동 전압을 변조하는 펄스폭에 의해 변한다. 그러므로 PWM 구동 오프 주기들 동안에 제로-크로싱은 검출되지 않는다. PWM 주파수가 낮고 모터 속도가 높을 때, 낮은 (오프) PWM 주기들은 정류 주기의 상당한 퍼센트일 수 있고, 그것에 의해 제로-크로싱 검출에서 갭을 야기할 수 있다. 이들 갭들이 정류 주기의 20% 이상이면, 그들은 제어 알고리즘에 불안정을 야기할 것이다. 이 갭 퍼센트는, 증가되고 원하지 않는 스위칭 손실을 희생하면서 PWM 주파수를 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
언제 제로-크로싱이 발생해야하는지의 예측으로 단지 짧은 시간 동안 PWM 주파수를 증가시킴으로써 상술한 문제점은 해결되고, 또 다른 장점들이 달성되는데, 더 낮은 평균 PWM 주파수의 효율은 여전히 유지되는 반면에, 더 좋은 제로-크로싱 검출 분해능의 장점을 얻을 수 있다. 제로-크로싱 이벤트의 예측으로 짧은 시간 동안 PWM 주파수를 증가시킴으로 제로-크로싱 이벤트의 검출 분해능을 개선할 수 있다.
선행기술들은 고속 아날로그-디지털 변환기(ADC)로 제로-크로싱 전압을 측정했다. 이것은 ADC 전압 캡처가 만들어지는(전압 샘플 획득) 동안에 안정한 구동 주기를 필요로 한다. 이들 종래 기술 해결책들은 ADC 전압 캡처 동안에 모터 구동 온을 강제한다. 하지만, 본 발명의 개시에 따르면, 제로-크로싱 이벤트를 검출하기 위해 비교기를 사용함으로써, 안정한 전압 캡처는 필요하지 않으며, 대신에 제로-크로싱 임계 위(또는 아래)로 상승하는 역기전력 전압 상에서 즉시 발생하는 이벤트로 대체된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법은 제로-크로싱 이벤트가 예측되기 전의 소정 시간 간격까지 초당 제1 펄스들의 수로 제1 복수의 펄스폭 변조(PWM) 제어 펄스들을 생성하고, 그 후 초당 제2 펄스들의 수로 제2 복수의 PWM 제어 펄스들을 생성하는 단계로서, 상기 초당 제2 펄스들의 수로 상기 제2 복수의 PWM 제어 펄스들은 상기 초당 제1 펄스들의 수로 상기 제1 복수의 PWM 제어 펄스들보다 더 큰 단계; 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 비여기 상 연결에서 역기전력을 측정함으로써, 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 전기적인 사이클의 적어도 하나의 정류 주기에서 상기 초당 제2 펄스들의 수로 상기 제2 복수의 PWM 제어 펄스들의 생성 동안에 제로-크로싱 이벤트를 검출하는 단계; 및 상기 제로-크로싱 이벤트가 검출된 후에 상기 초당 제1 펄스들의 수로 상기 제1 복수의 PWM 제어 펄스들을 생성하는 것으로 되돌아가는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 하나의 바람직한 실시예에 따르면, 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법은 제로-크로싱 이벤트가 예측되기 전의 소정 시간 간격까지 초당 제1 펄스들의 수로 복수의 펄스폭 변조(PWM) 펄스들을 생성하고, 그 후 초당 제2 펄스들의 수로 상기 복수의 PWM 제어 펄스들을 생성하는 단계로서, 상기 초당 제2 펄스들의 수는 상기 초당 제1 펄스들의 수보다 큰 단계; 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 각 고정자 코일에서 역기전력 전압들을 측정하고, 그리고 상기 측정된 역기전력 전압들로부터 언제 상기 측정된 역기전력 전압들의 각각이 제로-크로싱 전압 값에 있는지를 결정함으로써, 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 복수의 정류 주기들의 각각 동안 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계로서, 상기 제로-크로싱 전압 값은 직류 전원의 전압값의 절반인 단계; 및 상기 복수의 정류 주기들 동안에 상기 복수의 PWM 펄스들로 전력 스위칭 트랜지스터를 구동하는 단계로서, 상기 전력 스위칭 트랜지스터들은 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 상기 고정자 코일들과 상기 직류 전원 사이에 연결되는 단계를 포함한다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 이러한 참조는 본 발명의 한정을 내포하지 않고 이러한 한정을 의미하지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야의 당업자에 의해 형태와 기능에 있어서 수정물, 대체물, 및 등가물이 고려될 수 있다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
첨부한 도면과 관련된 다음의 설명을 참조하면 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터와 전기적으로 정류하는 모터 컨트롤러를 도시한 도면이다.
도 2는 각 60도 정류 주기 동안에 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 3개의 고정자 권선의 각각에 흐르는 전류들을 도시한 도면이다.
도 3은 각 60도 정류 주기 동안에 3개의 고정자 권선의 각각에서의 역기전력 전압들을 보여주는 4극 모터의 타이밍 및 진폭 그래프를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 역기전력 제로-크로스 검출기들을 상세하게 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 개시에 따른, 각 정류 주기 동안에 센서 없는 BLDC 모터의 단일 상에서 서로 다른 PWM 듀티 사이클들에 대한 전압의 진폭 및 타이밍 그래프들을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 수정물 및 대체 형태가 가능하지만, 바람직한 실시예들이 도면에 도시되고 여기에 상세히 설명되었다. 하지만, 바람직한 실시예들의 설명은 본 발명을 여기에 개시된 바람직한 형태로 한정하려는 것이 아니며, 오히려 반대로, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정된 모든 수정물 및 등가물을 포함하려 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소는 동일한 참조부호로 나타내고, 유사한 구성요소는 아래첨자를 달리하여 동일한 부호로 나타낸다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터와 전기적으로 정류하는 모터 컨트롤러를 도시한 도면이다. 숫자 100으로 표현된 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터는, 3상 구성으로 배치된 복수의 고정자 코일들(102)과 마그넷들을 구비한 회전자(미도시됨)를 포함한다. 논의 목적들을 위해, 여기에 도시된 모터(100)는 한 번의 360도의 기계적인 회전을 만들기 위해 360도 전기 회전을 필요로 하는 2극 3상 구성일 수 있다. 모터(100)는 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터(100)와 직류(DC) 전원에 연결된 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110)에 의해 전기적으로 정류된다. 역기전력 제로-크로스 검출기들(104)과 디지털 디바이스(106), 예를 들면, 펄스폭 변조(PWM) 출력들을 제공하는 PWM 생성기들을 구비한 마이크로컨트롤러는 전력 트랜지스터 드라이버들에 연결된다. 전력 트랜지스터 드라이버들(PWM0-PWM5)은 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110)의 턴-온 및 턴-오프를 제어한다.
모터(100)는 직류원(미도시됨)으로부터 전력 스위칭 트랜지스터들(108, 110), 예를 들면 전력 전계 효과 트랜지스터들(3상 모터에 대해 상마다 한 쌍)을 통해 전기적으로 정류된다. 전력 트랜지스터들(108, 110)은 전력 트랜지스터들용 드라이버들(미도시됨)을 통해 전력 트랜지스터들(108, 110)에 연결된 디지털 디바이스(106), 예를 들면 마이크로컨트롤러에 의해 제어된다. 디지털 디바이스(106)는 6개의 펄스폭 변조(PWM) 출력들(PWM0-PWM5)을 제공하는데, 적절하게 시퀀스되고 타이밍된 PWM 신호들에 따라 전력 트랜지스터들(108, 110)의 선택된 상 쌍들을 턴-온 또는 턴-오프함으로써, 모터 회전 방향과 속도 양쪽을 제어한다.
각 고정자 코일(102)은 2개의 정류 주기들 동안에 DC 전원의 포지티브에 연결되고, 2개의 정류 주기들 동안에 DC 전원의 네거티브에 연결되며, 2개의 정류 주기들 동안에 DC 전원의 포지티브 및 네거티브로부터 분리된다. 모터 상 위치는 측정시에 다른 2개의 고정자 코일들(102)이 DC 전원에 연결되어 있는 동안 DC 전원에 비연결 고정자 코일(102)에서 측정된 역기전력 전압에 의해 결정된다. 고정자 코일들(102)의 각각에서의 역기전력 전압들은 역기전력 제로-크로스 검출기들(104)(상마다 하나)에 모니터링된다. 하지만, 역기전력 전압을 측정하기 위해서는 고정자 코일들(102)의 하나를 통해 전류가 흐를 수 있도록 고정자 코일들(102)의 하나에 대하여 DC 전원의 포지티브로의 연결을 필요로 하며, 이에 의해 검출 기준 레벨("제로-크로싱" 이벤트), 예를 들면 1/2 공급 전압으로 센터링된 레벨로 모터 생성 전압을 바이어싱한다. 전류 흐름을 갖는 코일들 쌍의 다른 고정자 코일(102)은 DC 전원의 네거티브에 연결된다.
도 2는 각 60도 정류 주기 동안에 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 3개의 고정자 권선들(코일들(102))의 각각에 흐르는 전류들을 도시한 도면이다. 모터(100)의 회전은 6개의 정류 주기들((1) 내지 (6))로 구분되고, 전류는 6개의 정류 주기들의 각각 동안 3개의 코일들(102) 중 2개의 코일의 서로 다른 결합을 통해 흐른다. 코일들(102) 중 2개의 결합들이 DC 전원에 연결되는 반면에, 제3 코일(102)(3상 모터)은 전원에 연결되지 않는다. 하지만 비연결 코일(102)은 "제로-크로싱" 이벤트, 즉 비연결 코일(102) 상의 역기전력이 실질적으로 제로 전압("제로 전압"은 DC 공급 전압의 1/2로서 여기에 정의됨)을 통과하면서 극성이 변하는 것을 검출하기 위해 역기전력 제로-크로스 검출기들(104)에 의해 모니터링된다. 아래에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 역기전력 제로-크로스 검출기들(104)의 각각의 하나에 의해 검출된 거의 제로 전압 점에서, 모터(100) 고정자 코일들(102)의 동기화 관계가 확인된다.
도 3은 각 60도 정류 주기 동안에 3개의 고정자 권선의 각각에서의 역기전력 전압들을 보여주는 4극 모터의 타이밍 및 진폭 그래프를 도시한 도면이다. 상 코일이 DC 전원에 연결되지 않으면, 상 코일을 통해 전류는 흐르지 않는다. 상 코일이 포지티브(DC+) 전원에 연결되면, 2개의 정류 주기들(120 전기도) 동안 전류는 포지티브 방향으로 흐르고, 그 후 그 다음 정류 주기(60 전기도) 동안 전류는 흐르지 않으며(코일은 DC 전원에 연결되지 않음), 비연결 정류 주기 후에 2개의 정류 주기들(120 전기도) 동안 네거티브(DC-) 전원에 연결되면 그 동일 코일에는 네거티브 방향으로 전류가 흐르고, 그 후 다음 전송 주기(60 전기도) 동안에 전류가 흐르지 않는다. 그리고 상술한 전기적인 사이클이, 즉 또 하나의 360도 전기적인 사이클이 반복된다.
센서 없는 BLDC 모터를 사용할 때, 비연결 코일 상의 역기전력은 포지티브 구동 극성으로부터 네거티브 구동 극성으로 변하며, 연결되지 않는 60도 주기 동안 내내 그럴 것이다. 연결이 끊어졌을 때 전류가 처음부터 코일로 흐르면, 전류는 계속 흐를 것이고, 이에 의해 하부 구동 트랜지스터(110)와 병렬로 연결된 다이오드를 순방향 바이어싱시켜서 네거티브(DC-) 전원 전압과 동등한 모터 코일 단자 상의 전압 플러스 다이오드 순바이어스 전압을 보여준다. 이 네거티브 스파크는 코일 내의 에너지가 소멸될 때까지 지속된다.
"제로-크로싱"은 각 상 코일(102)에서 측정된 전압이 실질적으로 DC 공급 전압의 절반이 되는 지점이며(그래프에서 "제로"로 정규화됨), 역기전력 그래프들에 대한 작은 원들에 의해 분명히 도시된다. PWM 듀티 사이클이 정류 주기에서 100%이면, 측정된 역기전력은 전원의 최대 포지티브(DC+) 레일 전압과 최대 네거티브(DC-) 레일 전압 사이에서 변한다. PWM 듀티 사이클이 정류 주기에서 50%이면, 측정된 역기전력은 전원의 최대 포지티브(DC+) 레일 전압의 50%(절반)과 최대 네거티브(DC-) 레일 전압의 50%(절반) 사이에서 변한다. PWM 듀티 사이클이 정류 주기에서 25%이면, 측정된 역기전력은 전원의 최대 포지티브(DC+) 레일 전압의 25%(1/4)과 최대 네거티브(DC-) 레일 전압의 25%(1/4) 사이에서 변한다. 그러므로, 2개의 전류 운반 코일들(102)에 적용된 PWM 듀티 사이클과 비연결 코일(102) 상의 측정된 역기전력 사이에 직접적인 관계가 있다. 하지만, 역기전력은 항상 다른 2개의 코일들이 여기된 때(그것을 통해 전류가 흐름), 정류 주기의 실질적인 센터(예를 들면, 중앙, 중간점)에서 "제로-크로싱" 점을 통과한다. 단지 더 낮은 PWM 듀티 사이클의 경우, 정류 주기에서 역기전력의 변동이 덜하다. "제로-크로싱" 점이 관심 있는 것이므로, 이것은 문제되지 않는다.
비연결 코일(102) 상의 역기전력은 다른 2개의 코일들(102)이 포지티브(DC+) 및 네거티브(DC-) 전원 레일들에 연결되어 그들을 통해 전류가 흐를 때에만, 검출하기 적당하게 바이어스된다. "제로-크로싱"이 발생해야하는 시점에서 2개의 연결된 코일들(102)에 전류가 흐르지 않는다면, 비연결 코일(102)에서의 역기전력은 기준 전압에 비례하여 센터링되지 않을 것이며, 정확한 "제로-크로싱"의 검출은 가능하지 않을 것이다. 하지만, 정확한 제로-크로싱의 순간에 전력 구동이 오프(전류가 흐르지 않음)이기 때문에 제때에 정확한 "제로-크로싱" 점의 검출을 놓치더라도, 역기전력의 극성 변화(예를 들면 포지티브에서 네거티브로 또는 그 역으로)가 언제 전력 구동이 제로-크로싱 후에 곧 되돌아갈 때인지를 결정하는 한, 치명적이지 않을 수 있으며, 이것은 정상 동작에서 너무 많은 정류 타이밍 에러를 초래하지 않도록 제때에(전기도) 충분할 정도로 발생한다. 낮은 듀티 사이클 신호들이 중요한 정류 타이밍 에러들을 초래할 때, 불안정성 문제들이 발생한다. 도 5에 도시된 역기전력 그래프들에 도시된 바와 같이, "제로-크로싱" 점들은 정류 주기 변화로부터 대략 30 전기도에서, 예를 들면 실질적으로 정류 주기의 센터(중앙)에서 발생한다.
도 4는 도 1에 도시된 역기전력 제로-크로스 검출기들을 상세하게 도시한 도면이다. 역기전력 제로-크로스 검출기들(104)은 3상 전압 분할 저항기들(418, 420)과, 상 저주파 필터들(422), 기준 저주파 필터(430), 기준 전압 분할 저항들(426, 420) 및 전압 비교기들(424)을 포함할 수 있다. 기준 전압 분할 저항들(426, 428)은 비교기들(424) 및/또는 아날로그 입력들을 구비한 디지털 디바이스(106)에 의해 사용될 "가상" 중성 기준 전압을 얻기 위해 사용된다. 3상 전압 분할 저항들(418, 420)은 저주파 필터들(422)과 비교기들(424)에 사용하기 위해 고정자 코일들(102) 전압을 훨씬 더 낮은 전압들로 감소시킨다. 저항들(418, 420, 426, 428)에 대한 바람직한 저항값들의 관계는 다음과 같다.
Raa = Rbb = Rcc = Rrr
Ra = Rb = Rc = 2*Rr
Ra/(Raa+Ra) = Vcomparator_maximum_input/((DC+)-(DC-))
저주파 필터들(422)은 입력들로부터 실질적으로 원하지 않는 잡음을 감소시켜 비교기들(424)에 제공하기 위해 이용될 수 있다. 비교기들(424)은 비연결 코일(102) 상의 역기전력이 중성 기준 전압보다 더 크거나 또는 중성 기준 전압과 같거나 미만인지를 결정하는데 이용된다. 비교기들(424)의 출력들이 로직 하이("1")이면, 역기전력 전압이 중성 기준 전압보다 더 크다는 것을 의미하고, 로직 로우("0")이면, 역기전력 전압이 중성 기준 전압 이하임을 의미하거나 또는 그 반대를 의미할 수 있다(설계자의 선택). 비교기들(424)의 각각의 출력들은 그것에 의해 역기전력 전압이 "제로" 천이 점에 있는지 또는 역기전력 극성 천이가 발생하는지를 나타내기 위해, 그리고 디지털 디바이스(106)에 동일한 내용을 표시하기 위해 이용될 수 있다. 디지털 디바이스가 아날로그 입력들과 아날로그-디지털(ADC) 변환 능력들 및/또는 전압 비교기들을 구비하면, 외부 비교기들은 필요하지 않을 수 있다. 이러한 상황이라면, 저주파 필터들로부터의 출력들과 저항들(426, 428)로부터의 중성 기준 전압은 디지털 디바이스(106)(예를 들면, 혼합 신호 디바이스)의 아날로그 입력들(미도시됨)에 직접 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 개시에 따른, 각 정류 주기 동안에 센서 없는 BLDC 모터의 단일 상에서 서로 다른 PWM 듀티 사이클들에 대한 전압의 진폭 및 타이밍 그래프들을 도시한 도면이다. BLDC 모터는 특유한 60도 정류 주기들 동안에 각 고정자 코일(102) 상의 평균 전압들에 따르는 회전 속도로 동작한다. 모터(100)의 회전 방향은 각 (360도) 전기적인 사이클에 걸쳐 DC 전원으로 코일들(102)의 정류 연결 순서에 따른다.
도 5에 도시된 그래프들은 상부 변조 시스템(특유한 상부 FET(108)만 변조됨)을 묘사한다. 제로-크로싱 비교기 기준은 0으로 묘사된 가상 제로 레벨(Vsupply/2)로 설정된다(도 4 참조). 역기전력 전압이 기준을 가로지르는 제1 시점들이 상승하는 역기전력 사이드 점들(540, 542, 544) 상에 있고, 그것에 의해 비교기 출력 천이를 제공한다. 100 퍼센트 미만의 듀티 사이클들의 경우 하강하는 역기전력 측에서, 역기전력은 매 변조 오프-온 및 온-오프 천이시에 0을 가로지르며, 그들 모두는 실제의 제로-크로싱 이벤트 전에 발생한다.
그래프(530)는 모터(100)의 단일 상에서 하나의 전기적인 사이클에 걸쳐 100 퍼센트 PWM 구동 듀티 사이클을 나타낸다. 100 퍼센트 듀티 사이클은 모터(100)의 최대 회전 속도를 초래하는 최대 전압을 야기할 것이다. 2개의 연결된 코일들(102)이 전체 정류 주기에 걸쳐 전류가 흐르므로 역기전력이 비연결 코일(102)에 항상 나타나기 때문에, "제로-크로싱" 점(540)의 검출은 항상 정확하다.
그래프(532)는 모터(100)의 단일 상에서 하나의 전기적인 사이클에 걸쳐 대략 25 퍼센트 PWM 구동 듀티 사이클을 나타낸다. 그런 낮은 듀티 사이클들을 위해 정류 주기들 동안에, 역기전력은 정류 주기의 25 퍼센트 동안만 비연결 코일(102)에 나타날 것이다. 따라서 연결된 코일들(102) 상에 여기되지 않을 때 "제로-크로싱" 점이 발생하면, 역기전력의 검출은 연결된 코일(102) 여기의 짧은 주기 동안에, 측정된 역기전력이 네거티브로부터 포지티브로 가는 시점에서 얻어질 수 있다. 따라서 "제로-크로싱" 점의 발생 검출은 정류 주기의 의미 있는 부분에서 이루어지지 않을 것이다(예를 들면, "제로-크로싱"의 검출은 점(540)에서 발생했어야 했지만 발생하지 않았고, 대신에 "제로-크로싱"의 검출은 점(542)에서만 발생함). 상당한 시간이 "제로-크로싱"이 검출되어야 할 시점으로부터 (상 시프트) 지연된다. 이것은 모터(100)에 대한 정류 제어에서 불안정성을 야기한다.
그래프(534)는 모터(100)의 단일 상에서 하나의 전기적인 사이클에 걸쳐 대략 25 퍼센트 PWM 구동 듀티 사이클을 나타낸다. 하지만, "제로-크로싱"이 발생해야 할 때의 예측에서 짧은 시간 동안만 PWM 주파수(초당 PWM 펄스들의 수)를 증가시킴으로써, 그래프(532)에 도시된 검출 부정확성에 비해 "제로-크로싱" 점(542)에서의 검출 정확성은 상당하게 개선될 수 있다. 따라서 더 낮은 평균 PWM 주파수의 효율은 여전히 유지하면서 반면에 더 좋은 제로-크로싱 검출 분해능을 얻을 수 있다. "제로-크로싱"이 검출되면, 더 높은 주파수 PWM 펄스들은 정상적인 사용 PWM 주파수로 다시 복귀할 수 있다. 또한, 모터(100)의 적용 (사용)에 따라, "제로-크로싱" 발생들의 검출은 하나의 전기적인 사이클 내에 발생하는 6개의 정류 주기들의 각각에 대해 요구되지 않을 수 있다. 그에 의해 전력 트랜지스터(108, 110)가 모터(100)의 동작 동안에 스위칭 온 및 오프되어야 하는 시간들의 수를 더 줄일 수 있다. 디지털 디바이스(106)가 "제로-크로싱" 정보를 획득하면, PWM 주파수는 하나 이상의 정류 주기들의 센터 타이밍, 예를 들면 30, 90, 150, 210, 270 및/또는 330 전기도들 전에, 약간 증가될 수 있다. 그리고 "제로-크로싱"이 검출되면, PWM 주파수는 정상 동작 주파수로 되돌아간다. 따라서 그에 의해 전력 트랜지스터들(108, 110)에서의 스위치 손실들은 최소화되지만, 반면에 모든 동작 속도들 및 PWM 듀티 사이클들에 걸쳐 모터 정류 타이밍 안정성을 유지하도록 "제로-크로싱" 이벤트들을 정확하게 검출할 수 있다.

Claims (13)

  1. 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법에 있어서,
    제로-크로싱 이벤트가 예측되기 전의 소정 시간 간격까지 초당 제1 펄스들의 수로 제1 복수의 펄스폭 변조(PWM) 제어 펄스들을 생성하고, 그 후 초당 제2 펄스들의 수로 제2 복수의 PWM 제어 펄스들을 생성하는 단계로서, 상기 초당 제2 펄스들의 수로 상기 제2 복수의 PWM 제어 펄스들은 상기 초당 제1 펄스들의 수로 상기 제1 복수의 PWM 제어 펄스들보다 더 큰 단계;
    상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 비여기 상 연결에서 역기전력을 측정함으로써, 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 전기적인 사이클의 적어도 하나의 정류 주기에서 상기 초당 제2 펄스들의 수로 상기 제2 복수의 PWM 제어 펄스들의 생성 동안에 제로-크로싱 이벤트를 검출하는 단계; 및
    상기 제로-크로싱 이벤트가 검출된 후에 상기 초당 제1 펄스들의 수로 상기 제1 복수의 PWM 제어 펄스들을 생성하는 것으로 되돌아가는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 복수의 PWM 제어 펄스들은, 상기 초당 제2 펄스들의 수로 발생할 때 각각의 정류 주기 내에 센터링되는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터는 3상 모터이고, 전기적인 사이클 내에 6개의 정류 주기들을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 정류 주기들의 각각은 상기 전기적인 사이클 내의 60도이고, 상기 전기적인 사이클은 360도인 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제로-크로싱 이벤트를 검출하는 단계는,
    직류(DC) 전원으로부터 상기 3상 모터의 제1 상으로 포지티브 전압을, 그리고 상기 DC 전원으로부터 상기 3상 모터의 제2 상으로 네거티브 전압을 제공하는 단계;
    상기 6개의 정류 주기들의 적어도 하나 동안에 상기 DC 전원에 연결되지 않는 상기 3상 모터의 제3 상에서 상기 역기전력 전압을 측정하는 단계; 및
    각각의 정류 주기들 내에 센터링되도록 언제 상기 제1 복수의 PWM 제어 펄스들이 생성되어야 하는지를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 복수의 PWM 제어 펄스들은 상기 측정된 역기전력 전압의 피크값으로 각각의 정류 주기들 내에 센터링되는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 DC 전원으로부터의 상기 포지티브 및 네거티브 전압들은 상기 3상 모터의 상들 각 쌍에 연결되고, 상기 역기전력 전압은 비연결 상에서 측정되는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 각각의 비연결 상에서 상기 역기전력 전압을 측정하는 단계는 역기전력 제로-크로스 검출기들로 행해지며, 상기 역기전력 제로-크로스 검출기들의 각각은 상기 3상 모터의 각 상에 연결되는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 역기전력 제로-크로스 검출기들의 각각은 저주파 필터와 전압 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  10. 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법에 있어서,
    제로-크로싱 이벤트가 예측되기 전의 소정 시간 간격까지 초당 제1 펄스들의 수로 복수의 펄스폭 변조(PWM) 펄스들을 생성하고, 그 후 초당 제2 펄스들의 수로 상기 복수의 PWM 제어 펄스들을 생성하는 단계로서, 상기 초당 제2 펄스들의 수는 상기 초당 제1 펄스들의 수보다 큰 단계;
    상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 각 고정자 코일에서 역기전력 전압들을 측정하고, 그리고 상기 측정된 역기전력 전압들로부터 언제 상기 측정된 역기전력 전압들의 각각이 제로-크로싱 전압 값에 있는지를 결정함으로써, 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 복수의 정류 주기들의 각각 동안 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계로서, 상기 제로-크로싱 전압 값은 직류 전원의 전압값의 절반인 단계; 및
    상기 복수의 정류 주기들 동안에 상기 복수의 PWM 펄스들로 전력 스위칭 트랜지스터를 구동하는 단계로서, 상기 전력 스위칭 트랜지스터들은 상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 상기 고정자 코일들과 상기 직류 전원 사이에 연결되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 센서 없는 브러시리스 직류 모터는 3상 모터이고, 전기적인 사이클 내에 6개의 정류 주기들을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 정류 주기들의 각각은 상기 전기적인 사이클 내의 60도이고, 상기 전기적인 사이클은 360도인 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전기적인 타이밍 센터들을 결정하는 단계는,
    상기 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 2개의 고정자 코일에 상기 직류 전원을 제공하는 단계; 및
    상기 직류 전원이 연결되지 않은 상태에서 상기 3상 센서 없는 브러시리스 직류 모터의 제3 고정자 코일에서의 상기 역기전력 전압을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 없는 브러시리스 직류 모터에서의 제로-크로싱 검출 개선 방법.
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