KR20120133756A - 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법 및 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치 - Google Patents

커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법 및 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비엘디씨 모터의 커뮤테이션(commutation)시 발생하는 토크 리플 저감방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비엘디씨 모터의 커뮤테이션 시간을 조절하여 토크 리플을 저감시키는 방법 및 토크 리플 저감장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법 및 토크 리플 저감장치에 의하면 커뮤테이션 시간 동안 특정 듀티비를 사용하여 아웃고잉(outgoing) 상에서의 전류의 기울기와 인커밍(incoming) 상에서의 전류의 기울기를 조절함으로써 커뮤테이션(Commutation)에 의한 토크 리플을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법 및 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치{Torque Ripple Reduction Method of BLDC Motor with Commutation Interval Control and the Torque Ripple Reduction Device of BLDC Motor}
본 발명은 비엘디씨 모터의 커뮤테이션(commutation)시 발생하는 토크 리플 저감방법 및 저감장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비엘디씨 모터의 커뮤테이션 시간을 조절하여 토크 리플을 저감시키는 방법 및 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치에 관한 것이다.
일반적으로 브러쉬리스 직류모터(BrushLess DC Motor:BLDC Motor이하 '비엘디씨 모터'라 한다.)는 노이즈가 발생하지 않으며 속도 제어나 토크 제어가 뛰어나며 효율이 높은 장점이 있어서 가전분야의 제품에 널리 사용되고 있는 모터 중의 하나이다.
도 1은 종래의 비엘디씨 모터의 구동회로를 나타내는 도면이다.
도 1을 참고하면 종래의 비엘디씨 모터의 구동회로는, 입력되는 교류전원을 정류하여 일정한 직류전압으로 변환시켜 출력하는 정류부(11)와, 상기 정류부(11)에서 직류전압 공급 시 인가되는 게이트 신호에 따라 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 전압 및 주파수를 조절하는 인버터(12)와, 각각의 상 전류를 검출하는 전류센서(13)와, 상기 비엘디씨 모터(BLDC Motor)에 인가되는 3상 전압을 검출하여 회전자의 위치를 검출하고, 그 검출한 위치신호를 출력하는 위치센서(14)와, 상기 위치센서(14)에서 검출한 회전자 위치에 따라 속도를 제어하기 위한 펄스폭변조신호를 출력하는 제어부(15)와, 상기 제어부(15)에서 출력되는 펄스폭변조신호를 받아 인버터(12)의 스위칭소자를 구동시키기 위한 3상의 게이트신호를 출력하는 게이트신호 발생부(16)로 구성된다.
비엘디씨 모터가 계속적으로 회전을 하기 위해서는 전기자(armature)의 각상의 코일에 흐르는 전류에 대해 적절한 시점에서 커뮤테이션(commutation)을 해야 한다. 커뮤테이션(commutation)이란 인버터 스위치의 스위칭 주기를 조절하여 모터 고정자 코일의 전류를 바꾸어 주는 것을 말하며, 이러한 커뮤테이션(commutation)으로 인해 토크 리플이 발생하게 된다.
인버터의 스위칭 소자를 이용하여 비엘디씨 모터로 3상 전압을 공급하여 전압 및 전류를 제어할 때 상 도통시 일정한 듀티비로 비엘디씨 모터를 제어하기 때문에 전류 상승 시 고정자 권선의 저항 및 인덕턴스에 의해 원하는 전류까지 상승하는데 시간이 소요되고, 전류하강 시 모터에 흐르던 전류가 순간적으로 영(zero)이 되지 않고 일정시간에 걸쳐 감소하게 된다,
이러한 전류지연 및 진상각 제어에 의해 각 상에 발생하는 토크 및 총 토크는 고정자 권선의 상이 바뀔 때마다 커뮤테이션(Commutation)으로 인한 토크 리플이 발생하게 되고, 이러한 토크 리플은 모터의 진동 및 소음을 발생시키는 주요 원인으로 작용하는 문제가 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 커뮤테이션 시간(Commutation interval) 동안, 아웃고잉(outgoing) 전류와 인커밍(incoming) 전류의 기울기를 조절하여 논-커뮤테이팅(Non Commutating) 전류의 기울기의 변동이 발생하지 않게 함으로써 커뮤테이션(Commutation)에 의한 토크 리플을 저감시킬 수 있는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법 및 토크 리플 저감장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법은, 인버터의 스위치가 온오프됨에 따라 발생하는 역기전력을 이용하여 구동되는 비엘디씨 모터의 커뮤테이션 영역에서 발생하는 토크 리플을 저감시키는 방법에 있어서, (a) 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하지 않는 노말 영역과 상기 인버터의 스위치가 온오프됨에 따라 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하는 커뮤테이션 영역을 판단하는 단계; 및 (b) 커뮤테이션 영역으로 판단된 경우 아웃고잉전류의 제로점 도달시간과 인커밍전류의 최종점 도달 시간이 동일하게 되도록 커뮤테이션 시간을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 의한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치는 비엘디씨 모터에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 포함하는 인버터; 양단자가 상기 인버터에 연결된 전원커패시터 상기 전원 커패시터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류센서; 및 상기 전류센서에서 센싱된 전류에 따라 상기 인버터의 스위치의 개폐를 제어하는 게이트신호를 생성하는 제어부;를 구비하되, 상기 제어부는, 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하지 않는 영역인 노말영역과 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하는 영역인 커뮤테이션 영역을 판단하며, 커뮤테이션 영역으로 판단된 경우 아웃고잉전류의 제로점 도달시간과 인커밍전류의 최종점 도달시간이 동일하게 되도록 상기 인버터의 스위치의 개폐를 제어하여 커뮤테이션 시간을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법 및 토크 리플 저감장치에 의하면 커뮤테이션 시간 동안 특정 듀티비를 사용하여 아웃고잉(outgoing) 상에서의 전류의 기울기와 인커밍(incoming) 상에서의 전류의 기울기를 조절함으로써 커뮤테이션(Commutation)에 의한 토크 리플을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법에 의하면 부가적인 제어루프나 감지회로를 필요로 하지 아니하며, 이로 인해 저가의 모터 시스템에 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 비엘디씨 모터의 구동회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법을 설명하기 위한 비엘디씨 모터 인버터의 등가 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 등가회로도에 있어서 인버터 스위치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 등가 회로도의 각 상에서의 역기전력과 상전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 커뮤테이션 영역에서 영전류 리플을 만족하기 위한 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 커뮤테이션 영역에서 인버터의 스위치 및 전류 경로의 상태를 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 의한 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법에 따른 파형을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되었을 때의 비엘디씨 모터의 등가회로이다.
도9는 본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법의 흐름도이다.
도 10은 본 발명에 따른 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11a 내지 도 11b는 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되지 아니한 경우의 상 전류를 나타내는 도면이다.
도 12a 내지 도 12b는 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용된 경우의 상 전류를 나타내는 도면이다.
도 13a 내지 도 13b는 저속 모드에서 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용된 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법을 설명하기 위한 비엘디씨 모터 인버터의 등가 회로도이다.
도 3은 도 2에 도시된 등가회로도에 있어서 인버터의 제1 내지 제6스위치(AU ~ CD)의 동작을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 등가 회로도의 각 상에서의 역기전력과 상전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 등가회로에 있어서 각 상에 따른 전압은 아래의 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, R은 각 상의 저항을, L은 각 상의 인덕턴스 값을, ia, ib, ic는 상전류를, ea, eb, ec는 역기전력(back EMF)을, Vn은 중성점의 전압을 각각 나타낸다.
이때 비엘디씨 모터(200)에서 발생되는 토크(Te)는 아래의 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
은 모터의 각 속도를 나타낸다.
본 발명에서는 단극 펄스폭변조의 한 종류로 120도 통전방식인 상위 펄스폭변조 방식을 사용하여 설명하지만 스위칭 동작을 수행하는 다른 스위칭 소자를 이용한 펄스폭변조 방식을 사용할 수 있음은 당연하다.
도3은 도 2에 도시된 등가회로도에 있어서 인버터의 스위치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면 인버터(100)의 제1 스위치(AU), 제2 스위치(AD), 제3 스위치(BU), 제4 스위치(BD), 제5 스위치(CU) 및 제6스위치(CD)의 게이트에 각각 인가되는 제1게이트신호(SAU), 제2게이트신호(SAD), 제3게이트신호(SBU), 제4게이트신호(SBD), 제5게이트신호(SCU) 및 제6게이트신호(SCD)는 각 스텝(step)에서 서로 다르다. 각 스텝(step)은 노말 영역(normal region)과 커뮤테이션 영역(commutation region)으로 나뉘어진다.
여기서 노말 영역(normal region)은 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하지 않는 영역이고, 커뮤테이션 영역(commutation region)은 상기 인버터의 스위치가 온 오프됨에 따라 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하는 영역을 의미한다. 커뮤테이션(commutation)은 하나의 스텝(step)이 끝나고 다음 스텝(step)이 시작될 때 일어난다.
커뮤테이션 영역(commutation region)에서의 역기전력(back-EMF)의 크기는 도 4에 도시된 바와 같다. 커뮤테이션 영역(commutation region)이 충분히 짧다면 역기전력(back-EMF)의 변위는 무시할 수 있다.
이때 커뮤테이션 영역(commutation region)에서 영 전류 토크 리플(zero current torque ripple)을 만족하기 위해서는 발생된 토크가 모든 커뮤테이션 영역(commutation region)에서 동일한 크기를 유지해야 한다.
도 5는 커뮤테이션 영역에서 영전류 리플을 만족하기 위한 전류 파형을 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 커뮤테이션 영역에서 토크 리플이 영(zero)이 되는 영전류 리플 조건을 만족하기 위해서는 아웃고잉 전류(outgoing current, ia)와 인커밍 전류(incoming current, ib)의 기울기가 같아야 한다.
이때, 각 전류의 기울기는 아래의 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00004
여기서, i a , i b , i c 는 각각 아웃고잉 전류(outgoing current), 인커밍 전류(incoming current) 및 논-커뮤테이팅 전류(non-commutating current)로 칭한다.
본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법은 아웃고잉 전류(outgoing current)와 인커밍 전류(incoming current)의 기울기를 동시에 조절함으로써 영전류 리플 조건을 만족시키는 것을 특징으로 한다.
각 전류의 기울기는 커뮤테이션 시간(commutation interval) 동안 인버터의 스위치에 인가되는 게이트신호의 듀티비(duty ratio)에 의해 결정된다. 이때 듀티비(duty ratio)는 상 전류(phase current), 모터 스피드, 모터 변수 및 커뮤테이션 시간(commutation interval)에 의해 결정된다.
전류의 기울기를 조절함으로써 커뮤테이션 시간(commutation interval)을 제어할 수 있으므로 커뮤테이션 시간(commutation interval)이 스위칭 빈도에 따라 동기화될 수 있다. 따라서 커뮤테이션 시간(commutation interval)을 구하기 위해 별도의 부가적인 회로를 필요로 하지 아니한다.
이하에서 전류 조절 과정에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 커뮤테이션 영역에서 인버터의 스위치 및 전류 경로의 상태를 나타내는 도면이다.
도 6에서는 도 2 및 도 3에 도시된 스텝(step) 3에서 스텝(step) 4로 펄스폭변조(PWM) 동작이 진행되는 경우의 인버터의 스위치와 전류 경로를 나타낸다.
스텝(step) 3의 노말 영역(normal region)에서는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 제1스위치(AU)와 제6스위치(CD)가 온 되어 a상에서 c상으로 전류가 흐른다.
또한, 스텝(step) 4의 노말 영역(normal region)에서는 도 6의(e)에 도시된 바와 같이 제3 스위치(BU)와 제6 스위치(CD)를 통하여 전류가 흐른다.
한편, 도 6의 (b) 및 (c)를 참고하면, 커뮤테이션 영역(commutation region)에서는 제1스위치(AU)가 온 상태에서 오프상태로 바뀌고, 제3스위치(BU)가 오프상태에서 온 상태로 변하며, 제2 스위치(AD)의 바디 다이오드(D2)가 아웃고잉 전류(outgoing current)의 환류 전류(freewheeling current)에 의해 턴 온 된다.
따라서 커뮤테이션(commutation)에 의해 b상에서 c상으로 전류가 흐른다. 이때 제6스위치(CD)는 턴 온 상태를 유지한다.
a상에서 c상으로 전류가 흐르다가 커뮤테이션(commutation)에 의해 b상에서 c상으로 전류가 흐르는 경우, a상에 흐르는 전류(아웃고잉 전류, outgoing current)는 감소하고, b상에 흐르는 전류(인커밍 전류, incoming current)는 증가하며, c상에 흐르는 전류는 이전의 전류크기를 가지며 흐름상태를 유지하게 된다.
종래의 경우 도 6의 (b) 및 도 6의 (c)에 도시된 상태에 따라 아웃고잉 전류(outgoing current)가 지속적으로 감소하여 그 크기가 영(zero)이 된다. 이에 비해 본 발명에 따른 토크 리플 제거방법이 적용되는 경우 도 6의 (d)에 도시된 상태가 커뮤테이션 영역(commutation region)에 추가된다.
도 6의 (d)에 도시된 바와 같이 제1 스위치(AU)가 도통되는 시간 동안 아웃고잉 전류(outgoing current)가 흐르게 되어 아웃고잉 전류(outgoing current)가 바로 영(zero)으로 되지 않는다.
따라서 아웃고잉 전류(outgoing current)의 기울기를 완만하게 조절할 수 있으며 이를 통해 아웃고잉 전류(outgoing current)가 영(zero)으로 되는 시간, 즉 커뮤테이션 시간(commutation interval)의 길이를 조절할 수 있다.
아웃고잉 전류(outgoing current)의 기울기는 제1 스위치(AU)에 대한 듀티비(duty ratio)에 따라 정해진다. 즉, 상기 아웃고잉 전류가 감소하는 동안 상기 아웃고잉 전류가 흐르는 인버터의 제1스위치(AU)에 인가되는 게이트신호의 듀티비(Da)를 조절하여 상기 제1스위치(AU)를 일정 시간 턴 온 및 턴 오프 시킴으로써 상기 아웃고잉 전류가 제로점에 도달하는 시간을 지연시킨다.
한편, 인커밍 전류(incoming current)도 이와 동일한 방법에 의해 정해진다.
즉, 상기 인커밍 전류가 증가하는 동안 상기 인커밍 전류가 흐르는 인버터의 제3스위치(BU)에 인가되는 게이트신호의 듀티비(Db)를 조절하여 상기 제3스위치(BU)를 일정 시간 턴 온 및 턴 오프 시킴으로써 상기 인커밍전류가 최종점에 도달하는 시간을 지연시킨다.
이러한 과정을 통해 상기 아웃고잉전류가 제로점에 도달하는 시간과 상기 인커밍전류가 최종점에 도달하는 시간이 동일하게 되도록 커뮤테이션 시간을 조절할 수 있다.
도 7은 본 발명에 의한 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법에 따른 파형을 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 상전류 파형을 참고하면 본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법을 이용함으로써 영전류 리플 조건을 만족하는 것을 확인할 수 있다.
도 7의 (a)는 비엘디씨 모터의 상태가 스텝(step) 3에서 스텝(step) 4로 진행될 때 상전류 및 생성된 토크를 나타낸다.
도 7의 (a)에 도시된 실선은 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되지 아니한 경우이며, 인버터의 스위치에 인가되는 게이트신호가 도 7의 (b)에 도시된 상태에 있을 때의 파형을 나타낸다. 이때 제1 스위치(AU)에 인가되는 제1게이트신호(SAU)의 듀티비Da는 영(zero)이고, 제3 스위치(BU)에 인가되는 제3게이트신호(SBU)의 듀티비Db 및 제6 스위치(CD)에 인가되는 제6게이트신호(SCD)의 듀티비Dc는 각각 1의 값을 나타낸다.
다시 말해서 아웃고잉 전류(outgoing current)와 인커밍 전류(incoming current)는 가파른 기울기를 갖는다. 이때 인커밍 전류(incoming current)의 크기가 최종점에 도달하기 전에 아웃고잉 전류(outgoing current)의 크기가 영(zero)에 도달한다.
따라서 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되지 아니하는 경우 a상의 전류(아웃고잉 전류)의 제로점 도달시간과 b상의 전류(인커밍 전류)의 최종점 도달시간이 서로 다르게 되어 커뮤테이션 토크 리플(commutation torque ripple)이 영(zero)이 되는 조건을 만족시킬 수 없었다.
이때 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법을 적용하게 되면 인버터의 각 스위치에 인가되는 게이트신호의 듀티비는 도 7의 (c)에 도시된 것과 같이 변하고, 각 상의 전류의 기울기는 도 7의 (a)에 도시된 실선에서 점선으로 변하게 된다.
즉, 인커밍 전류(incoming current)와 아웃고잉 전류(outgoing current)는 좀더 완만한 기울기를 갖게 된다. 또한 인커밍 전류(incoming current)와 아웃고잉 전류(outgoing current)는 그들의 최종 값에 동시에 도달한다. 따라서 영전류 리플 조건을 만족하게 된다.
도 6 및 도 7의 (c)를 참고하여 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법을 적용한 경우 커뮤테이션 영역에서의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 6의 (d)와 같이 1 스위치(AU)와 제3 스위치(BU)가 모두 온 된다. 이후 도 6의 (b)와 같이 1 스위치(AU)가 오프되고 제3 스위치(BU)는 온 상태를 유지한다. 이어서 도 6의 (c)와 같이 1 스위치(AU)와 제3 스위치(BU)가 모두 오프된다.
이와 같이 도 6의 (d), (b) 및 (c)의 과정이 제1 스위치(AU)에 인가되는 제1게이트신호(SAU)의 듀티비Da와 제3 스위치(BU)에 인가되는 제3게이트신호(SBU)의 듀티비Db에 따라 반복되면서 커뮤테이션이 진행된다.
도 8은 커뮤테이션 시간 동안 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되었을 때의 비엘디씨 모터의 등가회로이다.
각 상에 대한 전압은 다음의 식 (4) 내지 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
도 4를 참고하면 각 상에 대한 역기전력의 크기는 다음과 같이 정의될 수 있다. 즉, ea 및 eb의 역기전력은 E, ec 의 역기전력은 E에 해당된다. Dc는 논-커뮤테이팅 전류에 대한 듀티비이므로 스위치의 상태가 변화될 필요가 없으며, 따라서 Dc는 1을 유지한다.
도 8 및 역기전력의 크기에 근거하여 중성점의 전압(Vn)은 다음의 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00008
한편, 각 전류의 기울기는 아래의 식 (8) 내지 식 (10)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
여기서, Ia, Ib 및 Ic는 각 상 전류의 평균값을 나타낸다.
상술한 바와 같이 본 발명의 목적은 전류 리플을 영(zero)으로 만드는 것이다.
각 상 전류의 기울기가 도 5에서 설명된 영전류 리플 조건을 만족할 때 상기 식 (10)은 아래의 식 (11)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00012
도 7을 참고하면 커뮤테이션 시간 동안 인커밍 전류(incoming current)는
Figure pat00013
만큼 증가한다. 따라서 상기 식 (9)는 아래의 식 (12)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00014
한편, 전류센서에서 센싱되는 전류값(Im)과 각 상 전류 사이의 관계는 아래의 식 (13)과 같이 나타낼 수 있다. 또한, 각 상 전류의 평균값은 평균화 방법을 이용하여 나타낼 수 있으며 센싱되는 전류값(Im)과 각 상 전류 사이의 관계는 아래의 식 (14)와 같이 정리할 수 있다.
Figure pat00015
Figure pat00016
상기의 식 (11) 내지 식 (14)를 이용하여 듀티비를 계산하면 아래의 식 (15) 내지 식 (17)과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
여기서, Da는 아웃고잉 전류(outgoing current)의 기울기를 조절하기 위한 제1게이트신호(SAU)의 듀티비이고, Db는 인커밍 전류(incoming current)의 기울기를 조절하기 위한 제3게이트신호(SBU)의 듀티비이다.
역기전력(back EMF)의 크기 아래의 식 (18)에 의해 계산될 수 있다.
Figure pat00020
여기서, K emf 는 모터의 EMF 상수이다.
즉, 역기전력 E는 모터의 EMF 상수와 모터의 회전속도를 이용하여 구할 수 있다. 모터 속도는 홀 센서의 신호로부터 예측할 수 있다.
한편, 커뮤테이션 시간은 아래의 식 (19)와 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00021
여기서, Ts는 인버터의 스위치에 인가되는 게이트 신호의 스위칭 주파수이며, 커뮤테이션 시간은 스위칭 주파수의 정수배(n)임을 알 수 있다.
커뮤테이션 시간의 길이는 센싱된 전류 값을 기준으로 하여 결정된다. 먼저, 커뮤테이션이 시작되는 시점에서 센싱된 전류의 크기(Iprev) 및 커뮤테이션이 완료되는 시점에서 센싱된 전류의 크기(Icurr)를 저장한다. 이 저장된 두 전류의 크기를 비교하여 Iprev 가 Icurr 보다 큰 값을 갖는 경우에는 커뮤테이션 시간의 길이가 길어져야 하고 반대의 경우에는 커뮤테이션 시간의 길이가 짧아져야 한다.
본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법은 상기의 과정을 통해 계산된 듀티비를 갖는 게이트신호를 인버터의 스위치에 인가하여 각 상의 전압을 변동시킴으로써 구현될 수 있다.
도9는 본 발명에 따른 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법의 흐름도이다.
도9에 도시된 바와 같이 노말 영역인지 커뮤테이션 영역인지를 판단하여 노말 영역인 경우에는 일반적인 비엘디씨 모터의 동작에 따라 제어루프가 동작한다.
그러나 커뮤테이션 영역으로 판단된 경우에는 앞서의 식들을 이용하여 구해진 듀티비에 따라 아웃고잉전류의 기울기와 인커밍전류의 기울기가 동일하게 되도록 인버터의 제1 내지 제6 스위치(AU ~ CD)의 동작이 제어된다.
보통 커뮤테이션(Commutation) 영역에서는 2회 내지 3회의 제어루프가 동작하게 되는데, 첫 번째 제어루프에서 듀티비를 계산하고 이에 따라 인버터의 제1 내지 제6 스위치(AU ~ CD)의 동작이 제어된다.
즉, 커뮤테이션(Commutation) 영역에서는 먼저 제1 스위치(AU)와 제3 스위치(BU)가 모두 온 되고, 이후 제1게이트신호(SAU)의 듀티비Da에 따라 제1 스위치(AU)가 오프된다. 이때 제3게이트신호(SBU)의 듀티비Db가 제1게이트신호(SAU)의 듀티비Da 보다 커서 제3 스위치(BU)는 온 상태를 유지한다.
이어서 제1게이트신호(SAU)의 듀티비Da 및 제3게이트신호(SBU)의 듀티비Db에 따라 1 스위치(AU)와 제3 스위치(BU)가 모두 오프된다.
이와 같이, 커뮤테이션(Commutation) 영역으로 판단된 경우 제1게이트신호(SAU)의 듀티비Da 및 제3게이트신호(SBU)의 듀티비Db에 따라 인버터의 제1 내지 제6 스위치(AU ~ CD)의 동작을 제어함으로써 토크 리플을 저감시킨다.
도10은 본 발명에 따른 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도10을 참고하면 본 발명에 따른 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감장치(1000)는 인버터(1100), 전원커패시터(1200), 전류센서(1300) 및 제어부(1400)를 구비한다.
상기 인버터(1100)는 상기 비엘디씨 모터(2000)에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 포함한다. 상기 전류센서(1300)는 양 단자가 상기 인버터(1100)에 연결된 전원 커패시터(1200)에 흐르는 전류를 센싱하여 상기 제어부(1400)에 전달한다.
상기 제어부(1400)는 상기 전류센서(1300)에서 센싱된 전류에 따라 상기 인버터(1100)의 스위치의 개폐를 제어하는 게이트신호를 생성한다.
상기 제어부(1400)는, 상기 비엘디씨 모터(2000)에 흐르는 전류가 변하지 않는 영역인 노말영역과 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하는 영역인 커뮤테이션 영역을 판단한다. 그 결과 커뮤테이션 영역으로 판단된 경우 아웃고잉전류의 제로점 도달시간과 인커밍전류의 최종점 도달시간이 동일하게 되도록 상기 인버터의 스위치의 개폐를 제어하여 커뮤테이션 시간을 조절한다.
이때 상기 제어부는 상기 인버터의 스위치를 스위칭하는 게이트신호의 듀티비를 조절하여 상기 비엘디씨 모터에 인가되는 전압을 변동시킴으로써 커뮤테이션 시간을 조절한다.
도11은 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되지 아니한 경우의 상 전류를 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용된 경우의 상 전류를 나타내는 도면이다.
도 11을 참고하면 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되지 아니한 경우에 있어서 상전류 리플이 발생되었음을 알 수 있다. 상전류 리플은 상전류의 50% 이상을 차지한다.
도 11의 (b)는 도 11의 (a)의 점선 부분을 확대한 도면이다. 도 11의 (b)를 참고하면 아웃고잉 전류(outgoing current)인 C상의 전류와 인커밍 전류(incoming current)인 B상의 전류가 영(zero) 전류 리플 조건을 만족하지 아니함을 알 수 있다. 또한 그 결과로부터 커뮤테이션에 의한 토크 리플이 발생되었음을 예상할 수 있다.
도 12를 참고하면 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용된 경우에는 상전류 리플이 저감되었음을 알 수 있다
도 12의 (b)는 도 12의 (a)의 점선 부분을 확대한 도면이다. 도 12의 (b)를 참고하면 아웃고잉 전류(outgoing current)인 C상의 전류와 인커밍 전류(incoming current)인 B 상의 전류가 영(zero) 전류 리플 조건을 만족하고 있으며, 이에 따라 커뮤테이션에 의한 토크 리플이 현저하게 감소되었음을 예상할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용된 경우의 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 13의 (a)를 참고하면 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용되지 아니한 경우 커뮤테이션에 의한 토크 리플이 발생되었음을 알 수 있다.
이에 비해 도 13의 (b)를 참고하면 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법이 적용된 경우에는 커뮤테이션에 의한 토크 리플이 현저하게 감소되었음을 알 수 있다.
이러한 결과로부터 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법에 의하면 커뮤테이션에 의한 토크 리플을 효율적으로 저감시키는 효과가 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 토크 리플 저감방법에 의하면 동시에 아웃고잉 전류(outgoing current)와 인커밍 전류(incoming current)의 기울기를 모두 조정하는 것이 가능하고, 이를 통해 커뮤테이션 시간을 조절할 수 있다. 따라서 커뮤테이션 시간(commutation interval)을 구하기 위한 부수적인 회로를 필요로 하지 아니하며 저가의 모터시스템에 효율적으로 적용할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (10)

  1. 비엘디씨 모터의 커뮤테이션 영역에서 발생하는 토크 리플을 저감시키는 방법에 있어서,
    (a) 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하지 않는 영역인 노말 영역과 온오프 동작을 하는 인버터의 스위치가 변동됨에 따라 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하는 영역인 커뮤테이션 영역을 판단하는 단계; 및
    (b) 커뮤테이션 영역으로 판단된 경우 아웃고잉전류의 제로점 도달시간과 인커밍전류의 최종점 도달 시간이 동일하게 되도록 커뮤테이션 시간을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 인버터의 스위치를 스위칭하는 게이트신호의 듀티비(duty ratio)를 조절하여 상기 비엘디씨 모터에 인가되는 전압을 변동시킴으로써 커뮤테이션 시간을 조절하는 단계인 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    (b1) 상기 아웃고잉전류가 감소하는 동안 상기 아웃고잉전류가 흐르는 인버터의 제1스위치(AU)에 인가되는 게이트신호의 듀티비(Da)를 조절하여 상기 제1스위치(AU)를 일정 시간 턴 온 및 턴 오프 시킴으로써 상기 아웃고잉전류가 제로점에 도달하는 시간을 지연시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    (b2) 상기 인커밍전류가 증가하는 동안 상기 인커밍전류가 흐르는 인버터의 제3스위치(BU)에 인가되는 게이트신호의 듀티비(Db)를 조절하여 상기 제3스위치(BU)를 일정 시간 턴 온 및 턴 오프 시킴으로써 상기 인커밍전류가 최종점에 도달하는 시간을 지연시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (b1) 단계 및 상기 (b2) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  6. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 커뮤테이션이 시작되는 시점에서 센싱된 전류와 상기 커뮤테이션이 완료되는 시점에서 센싱된 전류를 비교하여 상기 커뮤테이션 시간을 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    상기 커뮤테이션이 시작되는 시점에서 센싱된 전류가 상기 커뮤테이션이 완료되는 시점에서 센싱된 전류보다 큰 값을 갖는 경우 상기 커뮤테이션 길이가 길어지고, 상기 커뮤테이션이 시작되는 시점에서 센싱된 전류가 상기 커뮤테이션이 완료되는 시점에서 센싱된 전류보다 작은 값을 갖는 경우 상기 커뮤테이션 길이가 짧아지도록 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  8. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    상기 커뮤테이션 시간이 상기 게이트신호의 스위칭 주파수의 정수배인 것으로 결정되는 단계인 것을 특징으로 하는 커뮤테이션 시간 조절을 이용한 비엘디씨 모터의 토크 리플 저감방법.
  9. 비엘디씨 모터의 토크리플 저감장치에 있어서,
    상기 비엘디씨 모터에 인가되는 전류를 스위칭하기 위한 복수개의 스위치를 포함하는 인버터;
    양단자가 상기 인버터에 연결된 전원커패시터;
    상기 전원 커패시터에 흐르는 전류를 센싱하는 전류센서; 및
    상기 전류센서에서 센싱된 전류에 따라 상기 인버터의 스위치의 개폐를 제어하는 게이트신호를 생성하는 제어부;를 구비하되,
    상기 제어부는,
    상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하지 않는 영역인 노말영역과 상기 비엘디씨 모터에 흐르는 전류가 변하는 영역인 커뮤테이션 영역을 판단하며,
    커뮤테이션 영역으로 판단된 경우 아웃고잉전류의 제로점 도달시간과 인커밍전류의 최종점 도달시간이 동일하게 되도록 상기 인버터의 스위치의 개폐를 제어하여 커뮤테이션 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 인버터의 스위치를 스위칭하는 게이트신호의 듀티비를 조절하여 상기 비엘디씨 모터에 인가되는 전압을 변동시킴으로써 커뮤테이션 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터의 토크리플 저감장치.
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