KR20120132197A - 모터 구동 시스템의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터 구동 시스템의 제어장치 및 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 모터구동 시스템의 제어장치 및 방법은, 기존의 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM의 스위칭 신호 대신에 상기 PWM의 스위칭 신호의 소정 제어 듀티값을 토대로 기 설정된 소정 시간 동안만 일정 전압을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공함에 따라, 기존의 온/오프를 반복적을 실행하는 PWM의 스위칭 신호에 의해 발생한 역기전력에 따라 생성된 노이즈 성분의 전자파에 의한 모터의 손상을 최소로 줄일 수 있고 제품에 대한 내구성 및 신뢰성을 더욱 향상할 수 있게 된다.

Description

모터 구동 시스템의 제어 장치 및 방법{CONTROLING APPARATUS AND METHOD FOR MOTOR-DRIVE UNIT}

본 발명은 모터구동 시스템 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터 구동 시스템의 인버터로 제공되는 스위칭 신호를 구형파로 생성하여 모터를 구동할 수 있도록 한 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적인 모터 구동 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 홀센서(16)가 장착된 스테이터(12)와, 이 스테이터(12)를 회전하게 되는 로터(14)로 구성되며, 홀센서(16)는 로터(14)의 회전 시 위치 신호를 검출한다.

여기서, 상기 홀센서 도체나 반도체에 전류를 흘리고, 여기에 수직방향의 자계를 주면 전류와 자계의 수직방향에 전위차가 생기는 현상(홀효과)을 이용하여 입력단자간에 전류를 흘리고 전류에 직각방향으로 센서면에 자계를 가하면 전류와 자계 모두에 직각인 방향으로 자계와 제어전류의 곱에 비례하는 홀 전압이 발생되는 원리를 이용한 것이다.

그리고, 상기 인버터(40)는 외부로부터 공급되는 DC전원을 임의의 가변 주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류전원(U,V, W)으로 바꾸어 모터(10)에 공급하는 것으로, 6개의 스위칭소자(Q1~Q6)와 다이오드로 구성된 통상의 스위칭회로이다.

한편, 상기 제어부(50)는 상기 홀 센서(16)를 통해 검출된 모터(10)의 로터위치정보를 입력받아 인버터(40)에 공급되는 PWM신호의 패턴을 제어하는 마이컴으로서, 로터(14)의 회전 시 홀센서(16)에서 검출된 위치신호(S1,S2,S3)를 받아서 스테이터(12) 코일의 전원을 스위칭하기 위한 스위칭소자(IPM; Q1~Q6)에 PWM신호를 발생시킨다.

즉, 모터(10)를 구동하기 위해서는 모터(10)의 스테이터(12)에 고정된 홀센서(16)에서 검출한 로터 위치 신호를 제어부(50)에서 입력받아 로터(14)의 자속방향과 90°를 이루는 회전자계가 발생하도록 제어부(50)에서 PWM신호발생부(70)를 통해 인버터(40)에 PWM신호를 발생시킨다.

따라서, 인버터(40)는 제어부(50)에서 공급되는 PWM신호의 패턴에 따라 스테이터(12)와 로터(14) 사이에 회전토크가 발생하도록 스위칭소자(Q1~Q6)를 스위칭함으로서 스테이터(12)에 회전 자계가 발생하고, 로터(14)에 자계가 형성된다. 이러한 상기 로터(14)의 자계는 스테이터(12)에서 발생하는 회전자계를 따라 회전하려고 하는 힘이 작용하여 로터(14)가 회전하면서 회전 구동력을 발생시키게 되는 것이다.

즉, 상기 모터(10)는 스테이터에 감겨진 복수의 코일에 전류가 인가되면 각 코일의 극성이 순차적으로 변하면서 회전자계가 발생하고, 로터(14)에 자계가 형성된다. 로터의 자계는 스테이터에서 발생하는 회전자계를 따라 회전하려고 하는 힘이 작용하여 로터가 회전하면서 회전 구동력을 발생시키게 되는 것이다.

그러나, 이러한 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM의 스위칭 신호에 따라 상기 해당 스위칭 소자가 온/오프가 반복적으로 스위칭됨에 따라 오프 시 상기 로터(14)에 전류 흐름이 역방향으로 전환되고, 이러한 역방향의 전류 흐름에 따라 역기전력이 생성되며, 상기 역기전력은 노이즈 형태의 전자파로서 다른 주변 장비에 악영향을 미친다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM의 스위칭 신호 대신에 상기 PWM의 스위칭 신호의 소정 제어 듀티값을 토대로 기 설정된 소정 시간 동안만 일정 전압을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공함에 따라, 기존의 온/오프를 반복적을 실행하는 PWM의 스위칭 신호에 의해 발생한 역기전력에 따라 생성된 노이즈 성분의 전자파에 의한 주변 장비의 영향을 최소로 줄일 수 있는 모터 구동 시스템의 제어 장치 및 방법을 제공하고자 함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 모터 구동 시스템의 제어 장치는,

로터 및 스테이터로 구비되는 모터와,

홀 센서로부터 공급되는 모터의 로터 위치 정보를 제공받아 스위칭 소자로 구비되는 인버터에 공급하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 전송하는 제어부를 포함하되,

상기 스위칭 신호는,

기 정의된 소정 시간 동안 설정된 소정 크기의 전압을 가지는 구형파로 생성하여 기 정의된 스위칭 소자로 공급하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭 신호는, 다수개의 코일 중 기 정의된 하나 코일의 전류 공급 개시 시점으로부터 기 정의된 제1 소정 시간(T1) 동안 OV 전압을 가지고, 기 정의된 제2 소정 시간(T2) 동안 일정 전압(Vs)을 기지며, 상기 제2 소정 시간 경과 시점부터 코일의 전류 종료 시점까지 제3 소정 시간(T3) 동안 0V 전압을 가지는 구형파로 구비되는 것이 바람직하다 할 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 모터 구동 시스템의 제어 방법은,

제어부에서 모터의 로터의 위치에 따라 상기 모터의 스테이터 권선에 연결된 인버터의 스위칭 소자를 선택하는 단계와,

선택된 스위칭 소자를 구동하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 해당 스위칭 소자로 공급하여 해당 로터에 전류를 공급하는 단계; 및

상기 로터와 스테이트의 회전토크에 따라 모터를 회전하는 단계를 포함하되,

상기 스위칭 신호는,

기 정의된 소정 시간 동안 소정 크기의 전압을 가지는 구형파로 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 스위칭 신호는,

다수개의 코일 중 기 정의된 하나 코일의 전류 공급 개시 시점으로부터 기 정의된 제1 소정 시간(T1) 동안 OV 전압을 가지고, 기 정의된 제2 소정 시간(T2) 동안 일정 전압(Vs)을 기지며, 상기 제2 소정 시간 경과 시점부터 코일의 전류 종료 시점까지 제3 소정 시간(T3) 동안 0V 전압을 가지는 구형파로 구비되는 것이 바람직하다 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 모터 구동 시스템의 제어 장치기존의 및 방법에 의하면, 기존의 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM의 스위칭 신호 대신에 상기 PWM의 스위칭 신호의 소정 제어 듀티값을 토대로 기 설정된 소정 시간 동안만 일정 전압을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공함에 따라, 기존의 온/오프를 반복적을 실행하는 PWM의 스위칭 신호에 의해 발생한 역기전력에 따라 생성된 노이즈 성분의 전자파에 의한 주변 장비의 영향을 최소로 줄일 수 있는 효과를 얻는다.

도 1은 일반적인 모터 구동 시스템의 구성을 보인 도이다.
도 2는 도 1에 도시된 모터의 구성을 상세하게 보인 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 모터 구동 시스템의 제어 장치의 구성을 보인 도이다.
도 4는 도 3에 도시된 모터 구동 신호를 보인 파형도이다.
도 5는 본 발명에 의한 모터 구동 시스템의 제어 과정을 보인 흐름도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다. 또한, 종래의 구성과 동일한 부분에 대해서는 동일부호 및 동일명칭을 병기한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 모터 구동 시스템의 제어 장치의 구성을 보인 도이고, 도 4는 도 3에 도시된 모터 구동 신호를 보인 파형도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 모터 구동 시스템의 제어 장치는, 기존의 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM의 스위칭 신호 대신에 상기 PWM의 스위칭 신호의 소정 제어 듀티값을 토대로 기 설정된 소정 시간 동안만 일정 전압을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공하도록 구비되고, 이러한 장치는, 모터(10), 제어부(30), 및 인터버(50)를 포함한다.

그리고, 상기 모터(10)는 통상적인 로터(14) 및 스테이터(12)로 구비되며, 상기 스테이터(12)는 코일이 각각 3개씩 전기적으로 120도 위상차를 가지고 코일에 전류가 흐름에 따라 회전 자계를 발생할 수 있으며, 스테이터에 고정되는 홀 센서는 120도 위상차를 가지는 3개의 홀 센서(16)로 구성되어 회전하는 로터의 위치를 검출하며, 로터는 스테이터 코일의 내부 또는 외부를 회전하며 보통 2극의 영구자석이 스테이터(12)의 3개 코일과 대응되게 설치된다.

상기 제어부(30)는 상기 로터(14)의 회전 위치를 검출하는 홀 센서로부터 제공되는 홀 신호를 토대로 상기 스위칭 소자를 온/오프를 단속하게 위한 스위칭 신호를 생성하고 생성된 스위칭 신호는 해당 스위칭 소자로 제공되도록 구비된다.

여기서, 통상 3상 모터의 상기 스위칭 신호는, 도 4의 a)에 도시된 바와 같이, 120도 위상차를 가지는 회전 자계를 형성하기 위해 50%의 제어 듀티값을 가지는 PWM 형태로 생성되나, 본 발명에서의 인버터(50)에 공급되는 스위칭 신호는, 다수개의 코일 중 하나의 코일(상)에 대해 30도 회전 자계가 형성되는 구간(제1 소정 시간)에서 전압 0V가 인가되고, 이어 60도 회전 자계를 형성하는 구간(제2 소정 시간)에서 일정 전압(Vs)를 인가하며, 나머지 30도 회전 자계를 형성하는 구간(제3 소정 시간)에서 전압(0V)을 인가하도록 구비된다. 이러한 스위칭 신호는 도 4의 b)에 도시된 바와 같다.

즉, 상기 스위칭 신호는 하나의 코일의 전류 공급 개시 시점으로부터 기 정의된 제1 소정 시간(T1) 동안 OV 전압을 가지고, PWM의 총 온 타임과 일치하는 제2 소정 시간(T2) 동안 일정 전압(Vs)을 기지며, 상기 제2 소정 시간 경과 시점부터 코일의 전류 종료 시점까지 제3 소정 시간(T3) 동안 0V 전압을 가지는 구형파로 구비된다.

여기서, 상기 제1 소정 시간(T1)과 제3 소정 시간(T3)의 합은 PWM의 총 오프 타입과 일치하도록 설계된다.

이러한 구성에 의하면, 상기 제어부(30)는 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM 신호 대신에 기 정의된 소정 시간 동안 일정 전압(Vs)을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공한다.

이러한 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM 신호 대신에 기 정의된 소정 시간 동안 일정 전압(Vs)을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

도 5는 도 3의 제어부에 의한 모터 구동 시스템의 제어 과정을 보인 흐름도로서, 도 5를 참조하여 이러한 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM 신호 대신에 기 정의된 소정 시간 동안 일정 전압(Vs)을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공하여 모터가 구동되는 과정을 보다 구체적으로 설명한다.

우선, 상기 제어부(30)는 단계(101)를 통해 홀 센서(16)로부터 공급되는 홀 신호를 수신하고, 수신된 홀 신호를 토대로 인버터(50)의 각 스위칭 소자로 제공하기 위한 스위칭 신호를 생성한다(단계 103).

여기서, 상기 스위칭 신호는 도 4의 b)에 도시된 바와 같이, 하나의 코일의 전류 공급 개시 시점으로부터 기 정의된 제1 소정 시간(T1) 동안 OV 전압을 가지고, PWM의 총 온 타임과 일치하는 제2 소정 시간(T2) 동안 일정 전압(Vs)을 기지며, 상기 제2 소정 시간 경과 시점부터 코일의 전류 종료 시점까지 제3 소정 시간(T3) 동안 0V 전압을 가지는 구형파로 생성된다.

이러한 구형파의 스위칭 신호는 기 정의된 해당 스위칭 소자로 제공되며, 외부로부터 공급되는 전원은 스위칭 소자를 통과하여 스테이터(14)의 해당 코일로 제공된다(단계 105).

그리고, 스테이터(12)의 해당 코일에 제공된 전류의 방향 및 전류의 흐름에 따라 생성된 전자기력으로 로터가 회전하게 된다(단계 107).

즉, 제어부(50)에서 공급되는 구형파의 스위칭 신호에 따라 전류가 공급될 때 상기 스테이터(12)와 로터(14) 사이에 회전 토크가 발생하고 상기 스테이터(12)에 회전 자계가 발생하여 로터(14)에 자계가 형성된다. 이러한 상기 로터(14)의 자계는 스테이터(12)에서 발생하는 회전 자계를 따라 회전하려고 하는 힘이 작용하여 로터(14)가 회전하면서 회전 구동력을 발생시키게 되는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM 신호 대신에 상기 소정 제어 듀티값에 토대로 설정된 소정 시간 동안 일정 전압을 출력하는 펄스 형태의 모터 구동 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공함에 따라, 기존의 PWM 신호에 의해 발생한 역기전력에 의한 노이즈 성분의 전자파로 인해 모터의 손상을 최소로 줄일 수 있고 제품에 대한 내구성 및 신뢰성을 더욱 향상할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징으로 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위 의해 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

기존의 소정 제어 듀티값을 가지는 주파수 형태의 PWM의 스위칭 신호 대신에 상기 PWM의 스위칭 신호의 소정 제어 듀티값을 토대로 기 설정된 소정 시간 동안만 일정 전압을 출력하는 구형파의 스위칭 신호를 생성하여 상기 스위칭 소자로 제공함에 따라, 기존의 온/오프를 반복적을 실행하는 PWM의 스위칭 신호에 의해 발생한 역기전력에 따라 생성된 노이즈 성분의 전자파에 의한 주변 장비의 영향을 최소로 줄일 수 있는 모터 구동 시스템의 제어 장치 및 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 적용되는 차량의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.

Claims (4)

1. 로터 및 스테이터로 구비되는 모터와,
   홀 센서로부터 공급되는 모터의 로터 위치 정보를 제공받아 스위칭 소자로 구비되는 인버터에 공급하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 전송하는 제어부를 포함하되,
   상기 스위칭 신호는,
   기 정의된 소정 시간 동안 설정된 소정 크기의 전압을 가지는 구형파로 생성하여 기 정의된 스위칭 소자로 공급하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 제어 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 스위칭 신호는,
   다수개의 코일 중 기 정의된 하나 코일의 전류 공급 개시 시점으로부터 기 정의된 제1 소정 시간(T1) 동안 OV 전압을 가지고, 기 정의된 제2 소정 시간(T2) 동안 일정 전압(Vs)을 기지며, 상기 제2 소정 시간 경과 시점부터 코일의 전류 종료 시점까지 제3 소정 시간(T3) 동안 0V 전압을 가지는 구형파로 구비되는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 제어 장치.
3. 제어부에서 모터의 로터의 위치에 따라 상기 모터의 스테이터 권선에 연결된 인버터의 스위칭 소자를 선택하는 단계와,
   선택된 스위칭 소자를 구동하기 위한 스위칭 신호를 생성하여 해당 스위칭 소자로 공급하여 해당 로터에 전류를 공급하는 단계; 및
   상기 로터와 스테이트의 회전토크에 따라 모터를 회전하는 단계를 포함하되,
   상기 스위칭 신호는,
   기 정의된 소정 시간 동안 소정 크기의 전압을 가지는 구형파로 구비되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 제어 방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 스위칭 신호는,
   다수개의 코일 중 기 정의된 하나 코일의 전류 공급 개시 시점으로부터 기 정의된 제1 소정 시간(T1) 동안 OV 전압을 가지고, 기 정의된 제2 소정 시간(T2) 동안 일정 전압(Vs)을 기지며, 상기 제2 소정 시간 경과 시점부터 코일의 전류 종료 시점까지 제3 소정 시간(T3) 동안 0V 전압을 가지는 구형파로 구비되는 것을 특징으로 하는 모터 구동 시스템의 제어 방법.
   
   

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