KR20140137123A - 단자간 전압을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법 - Google Patents

단자간 전압을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 브러시리스 직류 전동기에 공급되는 3상 단자간 전압을 이용하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하고 추출된 영교차점에 직접 대응하여 전동기를 정류시킴으로써 구동 시 발생하는 토크의 맥동을 최소화할 수 있는 단자간 전압을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 브러시리스 직류 전동기(BLDM)(100)에 공급하는 3상 인버터(120)와; 상기 3상 인버터(120)의 3상 출력 단자 전압으로부터 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 영교차점 검출부(200)와; 상기 영교차점 검출부(200)를 통하여 검출되는 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 검출하여 회전자의 위치에 따라 3상 인버터(120)의 스위칭 동작을 제어하는 마이크로컴퓨터(300);를 포함하여 이루어져, 브러시리스 직류 전동기의 상전류 전환 시점과 정확히 일치하여 전동기를 정류시킴으로써 전동기 구동 시 토크 맥동을 최소화할 수 있게 된다.

Description

단자간 전압을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법 {DEVICE AND METHOD FOR DRIVING SENSORLESS BLDC MOTOR USING VRIATION OF TERMINAL CONNECTION}
본 발명은 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법에 관한 것으로, 특히 브러시리스 직류 전동기에 공급되는 3상 단자간 전압을 이용하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하고 추출된 영교차점에 직접 대응하여 전동기를 정류시킴으로써 구동 시 발생하는 토크의 맥동을 최소화할 수 있는 단자간 전압을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 브러시리스 직류 전동기(BLDM, Brushless DC Motor)는 구조가 간단하고 효율이 높아 산업분야에서 널리 사용되고 있다. 이러한 브러시리스 직류 전동기는 회전자 자속이 고정자인 영구자석의 자계와 동기되어 회전하기 때문에 회전자의 위치 정보가 반드시 필요하며, 이를 위해 홀센서와 같은 위치검출장치가 사용된다.
하지만, 이러한 회전자 위치검출장치의 사용은 전동기의 가격 및 부피를 상승시킬 뿐만 아니라 고장에 의해 신뢰성을 저하시키고 전자파 장애 등 다양한 문제를 유발시키게 된다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 근래에는 회전자 위치검출장치를 사용하지 않고도 전동기를 구동시킬 수 있는 센서리스(Sensorless) 구동 방법이 사용되고 있다. 이러한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법으로는 전동기 회전 시 각 상의 고정자 코일에서 발생하는 역기전력을 추출하고, 상 역기전력의 영교차점을 이용하여 회전자의 위치정보 및 각 상 전류의 전환 시점을 추정하여 전동기를 구동하는 방법이 주로 이용된다.
그러나 종래의 센서리스 구동 방법은 전동기 제작 시 고려되지 않은 중성점을 이용해야만 상 전압을 직접 측정할 수 있기 때문에 상 역기전력 및 영교차점을 추출하는데 한계가 있다. 또한, 단자 전압을 측정하여 이를 전동기 구동 전압의 절반과 비교하여 상 역기전력의 영교차점을 추출해야 하므로 이를 이용하여 전동기를 구동하는 방법은 역기전력의 크기가 작은 저속 구동 영역에서 사용할 수 없으며, 펄스 폭 변조 방식에 의해 구동되는 전동기의 단자 전압에 고속 스위칭에 의한 잡음 성분이 포함되어 있는 문제점이 있다.
뿐만 아니라, 상 역기전력의 영교차점과 전동기의 상전류 전환 시점은 정확히 전기각 30도의 위상 차이가 있으므로 전동기의 토크 성능을 최대한 보장하기 위해서는 이러한 위상 차이를 보상하기 위한 부가적인 방법 및 장치를 필요로 하게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1234778호 (2013.02.13)
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 홀센서 신호와 같이 브러시리스 직류 전동기의 상전류 전환 시점과 정확히 일치하고 동시에 저속 구동 영역에서도 추출할 수 있는 신호를 발생시키며 이를 이용하여 전동기 구동 시 토크 맥동을 최소화할 수 있는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방치 및 구동 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치는 직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 브러시리스 직류 전동기(BLDM)에 공급하는 3상 인버터와; 상기 3상 인버터의 3상 출력 단자 전압으로부터 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 영교차점 검출부와; 상기 영교차점 검출부를 통하여 검출되는 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 검출하여 회전자의 위치에 따라 3상 인버터의 스위칭 동작을 제어하는 마이크로컴퓨터;를 포함하여 이루어진다.
상기 영교차점 검출부는 3상 인버터의 3상 출력 단자로부터 상간 역기전력을 포함하는 단자간 전압을 추출하는 단자간 전압 추출모듈과, 상기 단자간 전압 추출모듈을 통하여 추출되는 단자간 전압과 전동기 입력 전압의 영점을 비교하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 영점 비교모듈을 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 영점 비교모듈은 단자간 전압의 크기가 양(+)인 구간에서는 단자간 양전압을, 단자간 전압의 크기가 음(-)인 구간에서는 영전압을 구형 신호로 출력하게 된다.
또한, 상기 마이크로컴퓨터는 영교차점 검출부를 통하여 검출되는 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 판별하고, 판별된 회전자의 위치에 따른 전동기의 정류 시점을 결정하여 3상 인버터가 구동될 수 있도록 하는 상전류 전환부와, 상기 전동기의 회전 속도를 가변시킬 수 있도록 3상 인버터를 스위칭하여 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동을 수행하는 펄스폭 변조부를 포함하여 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법은 브러시리스 직류 전동기(BLDM)에 3상 교류전원을 공급하는 3상 인버터의 3상 출력 단자간 전압을 추출하고, 추출된 단자간 전압으로부터 전동기의 상전류 전환 시점과 일치하는 상간 역기전력의 영교차점을 검출하는 단계와; 상기 검출된 상간 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 판별하여 전동기의 정류 시점을 결정하고, 상기 전동기의 정류 시점에 따라 상기 3상 인버터의 스위칭 동작을 제어하여 전동기를 구동시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
여기에서, 상기 상간 역기전력의 영교차점을 검출하는 단계는 상기 3상 인버터의 3상 출력 단자 전압을 차동 증폭기에 입력하여 상간 역기전력을 포함하는 단자간 전압을 추출하는 단계와, 상기 추출되는 단자간 전압과 전동기 입력 전압의 영점을 비교기를 통하여 비교하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따른 단자간 전압을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법에 의하면 단자간 전압으로부터 직접적으로 상간 역기전력의 영교차점을 추출할 수 있고 이는 전동기 입력전압의 영점과 비교하여 발생되므로 저속 구동 영역에서도 이용할 수 있으며, 홀센서 출력신호와 같이 전동기의 상전류 전환 시점과 정확히 일치하므로 부가적인 위상 보상 방법이나 회로 없이 이를 이용하여 센서리스 구동이 가능하여 전동기 구동시 상전류 전환 시점의 불일치로 인해 발생하는 토크 맥동을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치를 개략적으로 도시한 블록도,
도 2는 브러시리스 직류 전동기의 상전류 전환 시점과 상간 역기전력 영교차점의 관계를 나타낸 개념도,
도 3은 브러시리스 직류 전동기의 단자간 전압과 상간 역기전력의 관계를 나타낸 개념도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영교차점 검출부의 상세 블록 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 구동 장치의 출력신호와 홀센서 출력신호를 파형을 비교한 일례를 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치의 전체적인 개념을 나타낸 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기(100)의 구동 장치는 직류 입력전압(110)을 3상 교류 전압으로 변환하여 전동기(100)에 공급하는 3상 인버터(120)와, 상기 3상 인버터(120)의 3상 출력 단자 전압으로부터 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 영교차점 검출부(200)와, 상기 영교차점 검출부(200)의 출력 신호로부터 전동기 회전자의 위치 및 이에 따른 전동기(100)의 정류 시점을 결정하여 상기 3상 인버터(120)의 스위칭 신호를 제어하는 마이크로컴퓨터(300)를 포함하여 이루어진다.
상기 3상 인버터(120)는 외부로부터 공급되는 직류 입력전압(110)을 브러시리스 직류 전동기(100)의 구동에 필요한 펄스 형태의 3상 교류 전압으로 변환하여 출력하게 된다.
상기 영교차점 검출부(200)는 3상 인버터(120)의 3상 출력 단자 사이의 전압차를 계산하여 단자간 전압을 추출하고 추출된 단자간 전압을 전동기 입력 전압의 영점과 비교하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하게 된다.
상기 마이크로컴퓨터(300)는 영교차점 검출부(200)를 통하여 추출되는 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 판별한 후, 회전자의 위치에 따른 전동기의 정류 시점을 결정하여 상기 3상 인버터(120)의 스위칭을 제어하여 전동기(100)를 구동시키게 된다.
상기 영교차점 검출부(200)에 의해 추출되는 단자간 전압은 브러시리스 직류 전동기(100)의 각 상전압 간의 차이를 통하여 계산된다.
상기 브러시리스 직류 전동기(100)의 각 상전압은 다음의 수학식 1과 같이 계산되는데, 각 상전압에는 상전류에 의한 성분과 역기전력 및 중성점 전압을 포함하고 있다.
Figure pat00001
여기서, V a , V b , V c 는 상전압이고, i a , i b , i c 는 상전류이고, e a , e b , ec는 상 역기전력이고, V n 은 중성점 전압이다.
이와 같이, 상전압에는 상전류에 의한 성분과 역기전력 및 중성점 전압을 포함하고 있기 때문에, 상전압 간의 차를 연산하면 다음의 수학식 2와 같이 중성점 전압이 소거되고 상 역기전력 차가 포함된 직접 측정이 가능한 단자간 전압을 획득할 수 있게 된다.
Figure pat00002
여기서, V ac , Vba, V cb 는 해당 상간 전압이고, i ac , i ba , i cb 는 해당 상간 전류이고, e ac , e ba , e cb 는 해당 상간 역기전력이다.
도 2는 브러시리스 직류 전동기의 상전류 전환 시점과 상간 역기전력 영교차점의 관계를 나타낸 개념도이다.
도 2를 참조하면, 상간 역기전력의 영교차점(O)은 해당 상전류의 전환 시점(X)과 정확히 일치하지만, 상간 역기전력을 직접 측정하는 것은 불가능하며 이를 연산하기 위해서는 상전류를 측정할 수 있는 센서가 필요하게 된다.
도 3은 브러시리스 직류 전동기의 단자간 전압과 상간 역기전력의 관계를 나타낸 개념도이다.
도 3을 참조하면, 단자간 전압의 영교차점은 상간 역기전력의 영교차점과 같은 시점에 발생하므로, 본 발명의 실시예에서는 이를 검출하여 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동에 이용하게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 영교차점 검출부의 상세 블록 구성도를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영교차점 검출부(200)는 3상 인버터(120)의 출력 단자 사이의 전압 차를 추출하는 단자간 전압 추출모듈(210)과, 상기 단자간 전압 추출모듈(210)을 통하여 추출된 단자간 전압을 전동기 입력 전압의 영점과 비교하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 영점 비교모듈(220)을 포함하여 이루어진다.
상기 단자간 전압 추출모듈(210)은 차동 증폭기를 이용하여 브러시리스 직류 전동기(100)로부터 각 단자 전압을 입력받아 상간 역기전력을 포함하는 단자간 전압을 발생시키고 이를 영점 비교모듈(220)에 송출하게 된다.
상기 영점 비교모듈(220)은 단자간 전압 추출모듈(210)로부터 단자간 전압을 입력받아 비교기를 이용하여 전동기 입력전압의 영점과 비교함으로써, 단자간 전압의 크기가 양(+)인 구간에서는 비교기에 입력되는 단자간 양전압인 구형 신호를, 단자간 전압의 크기가 음(-)인 구간에서는 영전압인 구형 신호로 발생시켜 마이크로 컴퓨터(300)로 전송하게 된다. 상기 영점 비교모듈(220)의 출력 신호는 영점과 비교하여 발생되므로 역기전력의 크기가 작은 전동기 구동 초기의 저속 영역에서도 발생하게 되며, 이 신호의 상승지점과 하강지점은 상간 역기전력의 영교차점과 정확히 일치하게 된다.
상기 마이크로컴퓨터(300)는 전동기 회전자의 위치에 따른 정류 시점을 결정하는 상전류 전환부(310)와, 3상 인버터(120)의 스위칭을 제어하여 브러시리스 전동기(100)를 구동시키는 펄스폭 변조부(320)를 포함하여 이루어진다.
상기 상전류 전환부(310)는 영교차점 검출부(200)를 통하여 추출되는 역기전력 영교차점을 통하여 전동기(100)의 회전자 위치를 판별하고, 이를 통하여 정류시점을 결정하여 이에 따라 3상 인버터(120)가 동작될 수 있도록 제어하게 된다.
상기 펄스폭 변조부(320)는 전동기 회전 속도를 가변시킬 수 있도록 3상 인버터(120)를 스위칭하여 브러시리스 전동기(100)의 센서리스 구동을 수행하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 센서리스 구동 장치의 출력신호와 홀센서 출력신호를 파형을 비교한 일례를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영교차점 검출부(200)의 출력신호의 파형은 회전자 위치를 검출하여 브러시리스 직류 전동기(100)의 구동에 이용되는 홀센서의 출력신호의 파형과 동일한 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치는 홀센서가 구비되지 않고도 브러시리스 직류 전동기(100)의 상전류 전환 시점과 정확히 일치하여 전동기(100)를 정류시킴으로써 전동기 구동 시 토크 맥동을 최소화할 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
100 : 브러시리스 직류 전동기(BLDM) 110 : 직류 입력전압
120 : 3상 인버터 200 : 영교차점 검출부
210 : 단자간 전압 추출모듈 220 : 영점 비교모듈
300 : 마이크로컴퓨터 310 : 상전류 전환부
320 : 펄스폭 변조부

Claims (6)

  1. 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치에 있어서,
    직류 전압을 3상 교류 전압으로 변환하여 브러시리스 직류 전동기(BLDM)(100)에 공급하는 3상 인버터(120)와;
    상기 3상 인버터(120)의 3상 출력 단자 전압으로부터 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 영교차점 검출부(200)와;
    상기 영교차점 검출부(200)를 통하여 검출되는 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 검출하여 회전자의 위치에 따라 3상 인버터(120)의 스위칭 동작을 제어하는 마이크로컴퓨터(300);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 영교차점 검출부(200)는
    상기 3상 인버터(120)의 3상 출력 단자로부터 상간 역기전력을 포함하는 단자간 전압을 추출하는 단자간 전압 추출모듈(210)과,
    상기 단자간 전압 추출모듈(210)을 통하여 추출되는 단자간 전압과 전동기(100) 입력 전압의 영점을 비교하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 영점 비교모듈(220)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 영점 비교모듈(220)은 단자간 전압의 크기가 양(+)인 구간에서는 단자간 양전압을, 단자간 전압의 크기가 음(-)인 구간에서는 영전압을 구형 신호로 출력하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마이크로컴퓨터(300)는
    상기 영교차점 검출부(200)를 통하여 검출되는 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 판별하고, 판별된 회전자의 위치에 따른 전동기의 정류 시점을 결정하여 3상 인버터(120)가 구동될 수 있도록 하는 상전류 전환부(320)와,
    상기 전동기(100)의 회전 속도를 가변시킬 수 있도록 3상 인버터(120)를 스위칭하여 브러시리스 직류 전동기(100)의 센서리스 구동을 수행하는 펄스폭 변조부(320)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치.
  5. 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법에 있어서,
    (a) 브러시리스 직류 전동기(BLDM)(100)에 3상 교류전원을 공급하는 3상 인버터(120)의 3상 출력 단자간 전압을 추출하고, 추출된 단자간 전압으로부터 전동기(100)의 상전류 전환 시점과 일치하는 상간 역기전력의 영교차점을 검출하는 단계와;
    (b) 상기 검출된 상간 역기전력 영교차점을 통하여 전동기 회전자의 위치를 판별하여 전동기(100)의 정류 시점을 결정하고, 상기 전동기(100)의 정류 시점에 따라 상기 3상 인버터(120)의 스위칭 동작을 제어하여 전동기(100)를 구동시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상간 역기전력의 영교차점을 검출하는 단계(a)는
    상기 3상 인버터(120)의 3상 출력 단자 전압을 차동 증폭기에 입력하여 상간 역기전력을 포함하는 단자간 전압을 추출하는 단계와,
    상기 추출되는 단자간 전압과 전동기 입력 전압의 영점을 비교기를 통하여 비교하여 상간 역기전력의 영교차점을 추출하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 방법.
KR1020130057605A 2013-05-22 2013-05-22 단자간 전압을 이용한 브러시리스 직류 전동기의 센서리스 구동 장치 및 구동 방법 KR101498003B1 (ko)

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