KR20140048581A - 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 외부 환경에 따라 역기전력 신호의 검출 에러를 사전에 방지할 수 있는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 보정장치를 개시한다.
본 발명에 다른 오류 보정장치는, 역기전력 신호를 이용하여 센서리스 모터의 구동 시 오류 신호를 보정하기 위한 장치에 있어서, 센서리스 모터 구동 시 발생하는 역기전력(Back-EMF:BEMF) 신호를 소정 레벨로 증폭 처리하는 신호 증폭부; 상기 신호 증폭부의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 상기 AD 컨버터의 출력 신호에 근거하여 역기전력 신호의 제로 크로싱(Zero-crossing) 시점을 검출하는 제로크로싱 검출부; 및 상기 센서리스 모터의 회전속도에 기초하여 역기전력 신호의 제로 크로싱 시점 간의 시간차를 산출하고, 산출 결과에 따라 상기 제로크로싱 검출부에서 출력되는 제로 크로싱 시점이 산출된 시간차 범주에 포함되는지를 판단하여 상기 AD 컨버터에서 출력되는 역기전력 신호의 진위를 판단하는 제어부;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 센서리스 모터의 위치검출을 위한 역기전력 신호의 안정적인 필터링을 기반으로, 역기전력 신호에 대한 발생 위치를 예측하고, 예측 결과로부터 모터의 구동 제어를 수행함으로써, 센서리스 모터 구동을 위한 인버터의 회로 구성을 단순화하여 시스템 단가를 격감시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치{DEVICE FOR DETECTING ERROR OF SENSORLESS MOTOR USING BEMF SIGNAL}

본 발명은 센서리스(sensorless) 모터 구동방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 센서리스 모터의 역기전력 발생 시점을 예측하고, 예측 결과에 대응하는 역기전력 신호만을 허용함으로써, 외부 환경에 따라 역기전력 신호의 검출 에러를 사전에 방지할 수 있는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치에 관한 것이다.

일반적으로, 세탁기 등에 적용되는 센서리스 영구자석 동기모터를 이용하여 세탁조 등을 회전시키는 경우, 일정한 속도로 운전되는 정상상태 영역은 거의 없고 가속 및 감속운전을 반복함으로, 안정한 운전을 위해서는 센서리스 영구자석 동기모터가 정/역 회전을 할 때, 가/감속 운전특성이 양호해야 한다. 이러한 센서리스 제어에서는 정/역 구간의 저속운전 및 가/감속시의 회전자 위치검출 및 제어성능이 중요하다

따라서, 종래에는 가상의 q축 및 d축을 설정하여 실제 시스템의 상전류를 가상의 축으로 축 변환하여 관측기 내의 모델식에 의한 전류와 비교하여 각 축의 전류 오차로부터 관측기의 회전자 위치와 속도가 실제 시스템의 위치와 속도를 추종하도록 한다. 하지만, 이러한 센서리스 영구자석 동기모터에 대한 센서리스 제어는 모터 기동 후 일정속도 이상일 때 비로소 수행되게 되는데, 이는 센서리스 영구자석 동기모터의 역기전력은 속도가 낮아짐에 따라 품질(quality)이 저하되어 회전자 위치와 속도를 추정하는 데 어려움이 있기 때문이다.

이에 따라, 종래에는 센서리스 영구자석 동기모터의 초기 기동 시, 회전자의 위치에 상응하는 전류를 제공하여 그에 합당한 모터 토크량을 발생시켜야 함에도 불구하고, 회전자의 위치와 속도를 알 수 없기 때문에 회전자의 위치와 속도에 관계없이 최고 부하를 기준으로 전류를 제공하게 된다. 그러므로, 종래에는 센서리스 영구자석 동기모터의 초기 기동 시 저부하에서는 관성계수가 실제 부하와 같지 않아 불필요한 토크를 필요로 하게 되고, 이에 따라 필요 이상으로 토크가 인가되어 기동 전류가 증가할 뿐만 아니라, 기동 전류가 증가하면 인버터에 발생되는 열도 증가하여 지속적인 운전이 불가능할 우려가 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 첨부된 특허문헌에서는 기 설정한 관성계수와 토크 가속도로부터 회전자의 위치를 추정토록 하고 있다. 즉, 첨부된 도 1에서와 같이, 3상 전압을 공급하기 위한 전압소스 인버터(180), 상전압 인가에 따른 전류추정기(110), 모터모델을 기반으로 추정한 제1 속도/위치 추정기(120), 기계모델을 기반으로 추정한 제2 속도/위치 추정기(130), 상기 모터모델과 기계모델로 각각 추정한 위치/속도를 혼합하는 크로스오버 함수를 가진 혼합기(140), 측정된 또는 추정된 속도와 지령을 비교하여 토오크 지령을 발생하는 속도제어기(150), 토오크 지령을 전류 지령으로 변환하는 전류지령 변환기(160) 및 지령 전류와 추정 및 측정한 전류와 비교하여 전압을 발생하는 백터 전류 제어기(170)로 구성된다.

상기 전류 추정기(110)는 여러 가지 형태로 구성될 수 있는데, 첫 번째로 모터의 3상에 세 개의 전류 변환기나 직렬의 션트(shunt) 저항을 이용하여 삼상 전류를 직접 검출하는 형태와, 두 번째로 두 개의 전류 변환기나 직렬의 션트 저항으로 두 상의 전류 검출 후 나머지 한 상은 2상 전류값으로 구하는 형태 및 세 번째로 직류 버스(bus)측의 하나의 직렬 션트 저항이나 인버터의 아래쪽 스위치들과 접지사이에 직렬로 두 개 혹은 세 개의 션트 저항으로 3상 전류를 재구성하여(current reconstruction) 추정하는 형태로 구성된다.

결국, 센서리스 영구자석 동기모터 초기 기동 시 속도, 위치 정보를 추정할 때 실제 부하에 따른 관성계수와 토크 가속도를 이용함으로써, 필요 이상으로 토크 인가에 따른 기동 전류가 증가를 억제할 뿐만 아니라, 기동 전류 최소화에 의한 인버터에 발생되는 열 증가를 방지함으로써, 지속적인 운전이 불가능할 경우를 미연에 방지토록 하고 있다.

그러나, 전술한 바와 같이 관성계와 토크 가속도를 이용하여 센서리스 모터의 위치를 추정하는 것은 관성 및 토크 가속도 센서 등이 부가되어야 하기 때문에, 실질적으로 제품의 단가를 상승시키는 원인이 된다. 따라서, 센서리스 모터의 위치 추정이 용이한 시스템 개발이 시급한 실정이다.

1. 대한민국 공개특허 10-2008-0027689, 공개일자 2008년 03월 28일, 발명의 명칭 '센서리스 영구자석 동기모터의 구동제어방법'

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 센서리스 모터의 역기전력 발생 시점을 예측하고, 예측 결과에 대응하는 역기전력 신호만을 허용함으로써, 외부 환경에 따라 역기전력 신호의 검출 에러를 사전에 방지할 수 있는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 센서리스 모터의 위치검출을 위한 역기전력 신호의 안정적인 필터링을 기반으로, 역기전력 신호에 대한 발생 위치를 예측하고, 예측 결과로부터 모터의 구동 제어를 수행함으로써, 센서리스 모터 구동을 위한 인버터의 회로 구성을 단순화하여 시스템 단가를 격감시킬 수 있는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치는, 역기전력 신호를 이용하여 센서리스 모터의 구동 시 오류 신호를 판단하기 위한 장치에 있어서, 센서리스 모터 구동 시 발생하는 역기전력(Back-EMF:BEMF) 신호를 소정 레벨로 증폭 처리하는 신호 증폭부; 상기 신호 증폭부의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터; 상기 AD 컨버터의 출력 신호에 근거하여 역기전력 신호의 제로 크로싱(Zero-crossing) 시점을 검출하는 제로크로싱 검출부; 및 상기 센서리스 모터의 회전속도에 기초하여 역기전력 신호의 제로 크로싱 시점 간의 시간차를 산출하고, 상기 제로크로싱 검출부에서 출력되는 제로 크로싱 시점이 산출된 시간차 범주에 포함되는지를 판단하여 상기 AD 컨버터에서 출력되는 역기전력 신호의 진위를 판단하는 제어부;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산출된 시간차는 현재 센서리스 모터의 회전속도(V[rps])로부터 연산되는 제로크로싱 시점 간의 시간차이고, 산출된 시간차 범주는 연산된 제로크로싱 시점 간의 시간차에 대한 허용 가능한 범위인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시간차에 대한 허용 가능한 범위는 100㎲ 내지 200㎲이거나, 상기 시간차에 대한 10% 내지 20% 비율인 것을 특징으로 한다.

전술된 바와 같이, 본 발명에서 제시하는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치는 센서리스 모터의 역기전력 발생 시점을 예측하고, 예측 결과에 대응하는 역기전력 신호만을 허용함으로써, 외부 환경에 따라 역기전력 신호의 검출 에러를 사전에 방지할 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 센서리스 모터의 위치검출을 위한 역기전력 신호의 안정적인 필터링을 기반으로, 역기전력 신호에 대한 발생 위치를 예측하고, 예측 결과로부터 모터의 구동 제어를 수행함으로써, 센서리스 모터 구동을 위한 인버터의 회로 구성을 단순화하여 시스템 단가를 격감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 센서리스 모터 구동 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치를 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2의 동작을 설명하기 위한 타이밍 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에서 제시하는 센서리스 모터의 동작은 모터 회전 속도를 참고하여 역기전력의 제로크로싱(Zero-crossing) 시점을 예측하고, 예측된 시점을 기반으로 현재 검출되는 역기전력 신호의 진위 여부를 판단한다. 즉, 역기전력 신호는 전기 또는 기계적 잡음에 의한 노이즈와 혼동될 수 있으며, 이러한 노이즈로 인해 모터 제어의 신뢰성을 상실하게 됨에 따라, 역기전력의 제로크로싱 시점에 기반하여 노이즈와 역기전력 신호를 구분하는 것이다.

여기서, 역기전력 신호를 예측하기 위해서는 회전자의 회전속도 즉, rps(rotation per second)를 인지해야 하고, 이로부터 시간을 산출함으로써 예측 가능하다. 센서리스 모터의 1회전 당 발생하는 역기전력 신호는 3상 DC 모터일 경우 모터 회전자의 자력 극수(n)에 대한 'n×6'회 발생한다. 이는 U, V, W 상에 대하여 역기전력이 포지티브 신호 및 네거티브 신호로 각각 발생하기 때문이다.

그러나, 자력 극수(n)는 회전자에 대한 N극과 S극이 대향되어 동일한 시점에서 상호 극성이 다른 역기전력 신호가 발생하기 때문에, 실질적으로 모터 1회전당 발생하는 역기전력 신호는 'n/2×6'회가 발생한다. 그리고, 역기전력 신호의 발생 횟수는 역기전력 신호에 대한 제로크로싱(zero-crossing)의 횟수로 상정될 수 있을 것이다.

따라서, 회전자의 회전속도(V)[rps]는 회전자의 1회전 시 소요되는 시간(t)으로 나눈 "(n/2×6)/t"로 산출되며, 역기전력의 제로크로싱에 대한 주기는 "t/(n/2×6)"이다. 이는 역기전력 제로크로싱의 시간 차를 나타내는 것으로, 역기전력의 발생시점을 예측할 수 있는 수단이 된다.

도 2는 본 발명에 따른 센서리스 모터 구동을 위한 인버터를 나타낸 구성도이다. 도시된 바와 같이 센서리스 모터 구동 시 발생하는 역기전력(Back-EMF:BEMF) 신호를 소정 레벨로 증폭 처리하는 신호 증폭부(203)와, 상기 신호 증폭부(203)의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터(205)와, 상기 AD 컨버터(205)의 출력 신호에 근거하여 역기전력 신호의 제로 크로싱(Zero-crossing) 시점을 검출하는 제로크로싱 검출부(207), 상기 센서리스 모터의 회전속도에 기초하여 역기전력 신호의 제로 크로싱 시점 간의 시간차를 예측하고, 예측 결과에 따라 상기 제로크로싱 검출부(207)에서 출력되는 제로 크로싱 시점이 예측된 시간차 범주에 포함되는지를 판단하여 상기 AD 컨버터(205)에서 출력되는 역기전력 신호의 진위를 판단하는 제어부(201)로 이루어진다.

여기서, 상기 센서리스 모터의 회전속도는 외부 센서에 의해 검출될 수 있으며, 상기 제어부(201)로부터 예측된 시간차는 현재 센서리스 모터의 회전속도(V[rps])로부터 연산되는 제로크로싱 시점 간의 시간차를 나타낸다. 그리고, 예측된 시간차 범주는 연산된 제로크로싱 시점 간의 시간차에 대한 허용 가능한 범위로서 대략 100㎲ 내지 200㎲로 설정할 수 있을 것이다. 필요에 따라, 허용 가능한 범위를 설정하지 아니하고, 시간차에 대한 일정 비율 예컨대 10% 내지 20%로 설정할 수 있을 것이다.

또한, 시간차 범주 내에서 제로크로싱 신호가 검출되면 이는 정상적인 역기전력 신호로 간주되는 것으로, 상기 센서리스 모터가 등속도로 회전할 경우 전술된 시간차 범주는 매우 작아지거나 설정할 필요가 없을 것이다. 그러나, 센서리스 모터의 회전이 가속 또는 감속 상태일 경우에는 제어부(201)에서 연산되는 예측 시간차가 가변되어야 할 것이다. 이는 상기 제어부(201)가 현재 검출되는 센서리스 모터의 회전속도가 가변됨을 인지하고, 이로부터 제로크로싱 시점 간의 예측 시간차가 가변함에 따라 상기 제로크로싱 검출부(207)에서 검출되는 제로크로싱 시점에 대한 허용 범위를 부여하기 위한 것이다.

따라서, 상기 제어부(201)는 AD 컨버터(205)에서 출력되는 현재의 역기전력 신호가 예측된 시간차 범주 내에 포함되는 것으로 판단할 경우, AD 컨버터(205)에서 출력된 역기전력 신호가 정상적인 신호로 판단하는 것이다. 이러한 구성을 포함하고 있는 인버터는 노이즈와 정상적인 역기전력 신호를 판별함으로써 센서리스 모터의 제어에 대한 신뢰성을 확보하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 센서리스 모터의 제어신호인 PWM 신호와 더불어 역기전력 신호를 나타낸 그래프이다. 도 3a는 PWM 신호와 역기전력 신호를 중첩한 도면이고, 도 3b는 상기 제어부(201)의 예측 시간차 범주를 도시하고 있다.

먼저 도시된 바와 같이, U상에서 센서리스 모터를 구동하기 위한 PWM 신호가 발생되면 PWM 신호의 포지티브 에지 부분에서 역기전력(a)이 발생한다. 또한, U상에서 PWM 신호의 네거티브 에지 부분에서는 역기전력 (d)이 발생한다. 이와 같이 각 상별(U,V,W) PWM 신호가 순차적으로 공급되면, 이에 대응하는 역기전력 신호가 도면과 같이 b,c,d,e,f...가 생성된다.

이러한 역기전력(BEMF) 신호는 신호증폭부(203)를 통해 소정 레벨의 신호로 증폭 처리되며, 상기 AD 컨버터(205)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 디지털 신호는 아날로그의 역기전력 신호를 설정 주파수로 샘플링하는 것으로, 이를 근거로 상기 제로크로싱 검출부(207)에서 역기전력 신호의 제로 크로싱을 검출한다. 즉, 상기 제로크로싱 검출부(207)는 각 역기전력 신호에 대한 제로크로싱(zero-crossing) 시점이 추출한다.

이와 동시에 상기 제어부(201)는 센서리스 모터의 회전속도 정보를 수신하며, 상기 회전속도 정보는 외부로부터 접속되는 별도의 속도 검출계를 이용하여 센서리스 모터의 rpm을 측정하고, 측정결과가 제어부(201)로 제공된다. 상기 제어부(201)는 현재 검출되는 회전속도(V)와 현재 적용되는 센서리스 모터의 극수(n)를 토대로 역기전력에 대한 제로크로싱 시점을 예측한다.

예컨대, 상기 센서리스 모터의 극수(n)가 4극이고, 현재 검출되는 센서리스 모터의 회전수가 3000rpm일 경우, 역기전력 신호 간 시간차는 1.33msec로 산출된다. 또한, 상기 제어부(201)는 역기전력 신호 간 시간차에 대한 허용범위 즉, 예측 시간차 범주를 기 설정된 범위 내에서 산출한다. 만약, 허용 가능한 시간차 범주가 200㎲일 경우, 상기 제어부(201)는 예측 시간차를 1.13msec 내지 1.53msec로 산정한다.

이후 상기 제어부(201)는 제로크로싱 검출부(207)에서 검출된 역기전력 신호의 제로크로싱 시점이 예측 시간차 범주 내에 포함되는지를 판단한다. 여기서, 제어부(201)의 판단결과, 예측 시간차 범주 내에 현재 검출된 역기전력 신호의 제로크로싱 시점이 존재하지 않을 경우, 현재 검출된 역기전력 신호는 노이즈로 판단한다. 반면, 상기 예측 시간차 범주 내에 현재 검출된 역기전력 신호의 제로크로싱 시점이 존재할 경우에는, 현재 검출된 역기전력 신호가 정상적인 신호임으로 인지하는 것이다.

도 3b는 제어부(201)에서 예측한 시간차와 현재 검출되는 역기전력 신호를 중첩시킨 도면으로, 역기전력(a) 신호가 발생한 후, 역기전력(b) 신호가 발생할 때, 제어부(201)는 역기전력(a)를 기준으로 예측한 시간차를 산출하고, 산출 결과를 기반으로 예측한 시간차 범주에 역기전력(b)가 존재하는지를 판단한다. 도 3b에서는 현재 검출된 역기전력(b) 신호가 제어부(201)에서 검출된 예측 시간차 범주에 포함되고 있어 정상적인 신호로 판단한다.

반면, 상기 제로크로싱 검출부(207)가 현재 역기전력(c)을 검출하고, 제어부(201)가 세 번째 예측한 시간차를 산출한 결과, 예측 시간차 범주에 역기전력(c) 신호가 검출되지 아니할 경우, 상기 제어부(201)는 현재 검출된 신호를 노이즈로 간주하는 것이다.

상기 제어부(201)는 이와 같이 노이즈로 판단되는 신호를 제거함으로써, 센서리스 모터의 컨트롤이 가능하게 되는데, 노이즈 제거를 위해서는 마스킹법을 사용한다. 즉, 제어부(201)는 내부 메모리에 도 3b와 같이 제로크로싱 검출부(207)에서 검출된 역기전력 신호(데이터)를 저장하고, 제어부(201)에서 산출된 예측 시간차에 따라 마스킹 데이터를 생성한다.

즉, 일정 시간 단위로 검출되는 역기전력 데이터를 시계열적으로 메모리에 저장하고 더불어, 제어부(201)에서 산출된 예측 시간차 정보를 '1'로 설정하고 나머지 정보를 '0'으로 설정하여 상기 메모리에 마스킹하는 것이다. 따라서, 예측된 시간차에 대응하여 현재 역기전력 데이터('1')가 존재할 경우, 예측된 시간차 정보 '1'과 역기전력 데이터 '1'을 AND 게이트로 출력함으로써, 정상적인 신호만을 유지토록 하는 것이다.

예측되지 않은 시간 동안에는 메모리에 '0'으로 라이팅하기 때문에, 예측되지 않은 시간에 역기전력 데이터('1')가 존재할 경우 AND 게이트 출력에 의해 '0'으로 마스킹 되는 것이다. 따라서, 노이즈임으로 판단되는 신호는 마스킹 데이터에 의해 클리어되고, 정상적인 역기전력 데이터만 메모리에 존재하게 된다.

상기 제어부(201)는 이와 같이 마스킹 기법에 따라 노이즈를 제거하고, 정상적인 데이터만 추출함으로써, 센서리스 모터의 구동을 정확하게 수행할 수 있는 데이터만을 제공하게 되는 것이다.

201 : 제어부 203 : 신호 증폭부
205 : AD 컨버터 207 : 제로크로싱 검출부
a,b,c,d,e,f : 역기전력 신호에 대한 제로크로싱 시점

Claims (6)

1. 역기전력 신호를 이용하여 센서리스 모터의 구동 시 오류 신호를 판단하기 위한 장치에 있어서,
   센서리스 모터 구동 시 발생하는 역기전력(Back-EMF:BEMF) 신호를 소정 레벨로 증폭 처리하는 신호 증폭부;
   상기 신호 증폭부의 출력 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터;
   상기 AD 컨버터의 출력 신호에 근거하여 역기전력 신호의 제로 크로싱(Zero-crossing) 시점을 검출하는 제로크로싱 검출부; 및
   상기 센서리스 모터의 회전속도에 기초하여 역기전력 신호의 제로 크로싱 시점 간의 시간차를 산출하고, 상기 제로크로싱 검출부에서 출력되는 제로 크로싱 시점이 산출된 시간차 범주에 포함되는지를 판단하여 상기 AD 컨버터에서 출력되는 역기전력 신호의 진위를 판단하는 제어부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서리스 모터의 회전속도는 외부 센서에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 제어부로부터 산출된 시간차는 현재 센서리스 모터의 회전속도(V[rps])로부터 연산되는 제로크로싱 시점 간의 시간차이고, 산출된 시간차 범주는 연산된 제로크로싱 시점에서 허용 가능한 시간차 범위인 것을 특징으로 하는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 산출된 시간차는 아래의 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치.
   시간 차= t/(n/2×6)... 수학식 1
   여기서, t는 센서리스 모터 1회전당 소요 시간, n은 모터의 극수이다.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 시간차 범위는 100㎲ 내지 200㎲인 것을 특징으로 하는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 시간차 범위는 상기 시간차에 대한 10% 내지 20% 비율인 것을 특징으로 하는 역기전력 신호를 이용한 센서리스 모터의 오류 판단장치.
   
   
   

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