KR20150031356A - Bldc 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법 - Google Patents

Bldc 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 센서리스(Sensorless) 제어 기법을 사용하는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 인버터부로 인가되는 DC 전압을 측정하고, BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 AD 컨버터; 및 상기 측정된 DC 전압의 절반값을 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압(이하, '기준전압'이라 함)으로 설정한 후, 상기 기준전압에 의거하여 한 주기 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산하고, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일하지 않으면, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일해지도록 상기 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이에 따라, 본 발명은 센싱된 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압의 오차를 보상하여 회전자의 위치를 보다 정확히 파악함으로써, 모터 제어의 정확성을 높일 수 있고, 그에 따라 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 예방할 수 있게 된다.

Description

BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COMPENSATING REFERENCE VOLTAGE IN BLDC MOTOR CONTROL SYSTEM}
본 발명은 BLDC(Brushless Direct Current) 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 센서리스(Sensorless) 제어 기법을 사용하는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법에 관한 것이다.
브러시 없이 전자적으로 정류를 수행하는 BLDC 모터는 소형화된 크기, 우수한 제어 성능 및 고효율 등의 장점으로 인해 널리 적용되고 있다.
이러한 BLDC 모터는 영구자석으로 된 회전자와 전자석으로 된 그 외곽의 고정자를 구비한다. 고정자 권선에 교류전류를 흘려주면 회전자계가 발생하고 그 결과 회전자에 설치된 자석이 회전자계에 동기되어 회전하게 된다.
회전자의 자석과 고정자에서 형성되는 회전자계의 동기를 위해서는 회전자의 위치 검출이 요구되며, 이를 위해 하나 이상의 회전자 위치 검출 센서가 필요하다.
회전자 위치 검출 센서로는 홀 센서(Hall effect sensor)가 사용되는 경우가 많으나, 홀 센서는 쉽게 파손되거나, 온도 등의 외부 요인에 의해 고장 또는 오동작을 일으킬 수 있는 단점이 있다. 또한, 모터 구조에 따라 홀 센서의 설치가 어려운 경우도 있다.
전술한 문제로 인해, 위치 검출 센서 없이 모터를 구동하는 센서리스 제어 기법이 모색되었다.
센서리스 제어 기법으로는 여러 가지 방안이 제안되어 있으나, 그 중 120° 통전 방식을 이용하고, 비통전 기간에 발생하는 제로 크로싱 지점(Zero-corssing point)을 감지하여 그로부터 회전자의 위치를 파악하는 방법이 주로 사용되고 있다.
제로 크로싱 지점은 역기전력이 상승 또는 하강하여 기준전압과 교차하는 순간을 의미하는 것으로, 제로 크로싱 지점부터 30°지난 지점이 상전류(phase current)를 전환하는 시점이 되므로, 이 상전류를 전환하는 지점에서 스위칭 소자를 순서에 따라 전환하면 된다.
따라서, 역기전력을 이용한 센서리스 제어 기법은 제로 크로싱 지점의 검출이 중요하다.
제로 크로싱 지점을 검출하는 방법으로는 OP-AMP 비교기를 이용하는 방법이 있는 데, 이 경우에는 OP-AMP를 별도로 구입해야 하므로 추가적인 비용이 발생하는 문제점이 있다.
제로 크로싱 지점을 검출하는 다른 방법으로는 마이크로 컨트롤러의 AD 컨버터(Analog to Digital Converter)로 인버터로 인가되는 DC 전압을 직접 센싱하고, 센싱한 DC 전압의 절반값을 기준전압(역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압)으로 설정한 후, AD 컨버터를 통해 측정한 역기전력을 이 기준전압과 비교하여 두 값이 일치하는 부분을 제로 크로싱 지점으로 추정한다.
그러나, AD 컨버터를 이용하는 경우에는 마이크로 컨트롤러 내의 내부 리소스를 그대로 사용하기 때문에, 마이크로 컨트롤러가 갖는 고유의 AD 컨버터 오프셋(Offset)으로 인해 센싱된 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압에 오차가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
이와 같이, 센싱된 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압에 오차가 발생하게 되면, 제로 크로싱 지점 검출에도 오차가 발생하게 되고, 제로 크로싱 지점 검출 오차는 회전자 위치 추정에서의 오차로 이어져 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 야기시키게 되는 문제점이 있다.
KR 10-0629006 B1, 2006. 06. 21, 명칭: 위치센서가 없는 3상 브러시리스 직류모터의 구동장치
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 센싱된 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압의 오차를 보상하여 회전자의 위치를 보다 정확히 파악함으로써, 모터 제어의 정확성을 높이고, 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 예방할 수 있는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치는, 인버터부로 인가되는 DC 전압을 측정하고, BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 AD 컨버터; 및 상기 측정된 DC 전압의 절반값을 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압(이하, '기준전압'이라 함)으로 설정한 후, 상기 기준전압에 의거하여 한 주기 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산하고, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일하지 않으면, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일해지도록 상기 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상하는 제어부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 방법은, AD 컨버터가 인버터부로 인가되는 DC 전압을 측정하는 과정; 제어부에서 상기 측정된 DC 전압의 절반값을 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압(이하, '기준전압'이라 함)으로 설정하는 과정; 상기 AD 컨버터가 BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 과정; 상기 제어부에서 상기 기준전압에 의거하여 한 주기 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산하는 과정; 및 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일하지 않으면, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일해지도록 상기 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상하는 과정을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법에 따르면, 센싱된 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압의 오차를 보상하여 회전자의 위치를 보다 정확히 파악함으로써, 모터 제어의 정확성을 높일 수 있고, 그에 따라 모터의 오동작, 성능 저하 및 시스템 불안정을 예방할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치를 구비하는 BLDC 모터 제어 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도면.
도 2는 도 1에 나타난 BLDC 모터의 구동 방식을 예시한 이상적인 파형도.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 구동 방식을 적용할 경우 기준전압의 보상 원리를 설명하기 위한 예시적인 파형도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 방법을 설명하기 위한 순서도.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치를 구비하는 BLDC 모터 제어 시스템의 구성을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1에서, 배터리부(10)는 BLDC 모터 제어 시스템에 구동 전압(DC 전압)을 공급한다.
인버터(20)는 배터리부(10)에서 인가되는 DC 전원을 3상 교류전원으로 변환시켜 BLDC 모터(30)에 인가함으로써 BLDC 모터(30)를 구동한다. 전술한 인버터(20)는 예를 들면, 6개의 동작 소자들로 구성된 스위칭 회로를 구비하는 것으로, 배터리부(10)로부터 제공되는 DC 전압을 원하는 주파수의 3상 AC 전압으로 변환하여 BLDC 모터(30)에 인가한다.
AD 컨버터(40)는 배터리부(10)에서 인버터(20)로 공급되는 DC 전압을 측정하여 제어부(50)로 인가한다.
BLDC 모터(30)는 인버터(20)로부터 출력되는 3상 AC 전압에 의해 구동되어 회전한다.
BLDC 모터(30)의 회전자가 회전함에 따라 고정자 권선에는 역기전력이 유도되는데, AD 컨버터(40)는 이러한 역기전력 신호를 측정하여 제어부(50)에 피드백한다.
제어부(50)는 역기전력을 이용한 센서리스 제어 기법을 근간으로 하여 BLDC 모터(30)를 구동한다.
즉, 제어부(50)는 AD 컨버터(40)에서 측정되는 BLDC 모터(30)의 역기전력 신호로부터 BLDC 모터(30)의 회전자 위치를 파악하여 회전자의 위치에 따라 제어 신호를 발생시킨다. 역기전력의 제로 크로싱 지점 검출로부터 회전자 위치가 추정되며 그 결과에 맞추어 인버터(20)의 스위칭 상태를 조절하기 위한 제어 신호가 출력된다.
제어부(50)는 AD 컨버터(40)에 측정된 각 상의 역기전력 신호를 제로 크로싱 지점 판단 기준전압(이하, '기준전압'이라 함)과 비교하여 제로 크로싱 지점을 검출한다.
제로 크로싱 지점을 검출하기 위한 기준전압은 인버터(20)로 인가되는 DC 전압의 절반값으로, 제어부(50)는 AD 컨버터(40)를 통해 측정된 DC 전압(배터리부(10)에서 인버터(20)로 공급되는 DC 전압)의 절반값을 기준전압으로 설정한다.
이후, 제어부(50)는 AD 컨버터(40)를 통해 측정된 역기전력 신호를 기준전압과 비교하여 두 값이 일치하는 지점을 제로 크로싱 지점으로 판별하여 BLDC 모터(30)의 회전자 위치를 검출한다.
그러나, 이때 AD 컨버터(40)를 통해 측정된 DC 전압의 절반값으로 설정된 기준전압은 AD 컨버터(40)가 갖는 고유의 오프셋으로 인해 측정 오차가 발생할 수 있으며, 이에 기인하는 회전자 위치 추정 오차가 발생할 수 있다.
이에 따라, 제어부(50)는 기준전압의 오차를 보상하여 보다 정확하게 회전자 위치를 파악한다.
구체적으로, 기준전압 오차 보상을 위해, 제어부(50)는 AD 컨버터(40)를 통해 측정된 DC 전압의 절반값으로 설정된 기준전압에 오차가 있는지를 확인하기 위해, 기준전압에 의거하여 한 주기(120°) 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산하고, 계산된 두 구간의 듀티비가 서로 동일하지 않으면, 기준전압에 오차가 있는 것으로 판단하여 두 구간의 듀티비가 서로 동일해질 때까지 히스테리시스 제어 방식으로 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상한다.
이와 같이, 제어부(50)는 기준전압으로 설정된 값을 이용하여 한 주기(120°) 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비에 의거하여 기준전압의 오차를 보상함으로써 회전자의 정확한 위치를 추정한다.
제어부(50)의 후단에서는, 제어부(50)에서 출력되는 제어 신호에 따라 인버터(20)의 동작 소자들이 선택적으로 온 및 오프되면서 회전자의 추정된 위치에 대응하는 3상 전류를 출력하여 BLDC 모터(30)를 구동시키게 된다.
도 2는 도 1에 나타난 BLDC 모터의 구동 방식을 예시한 이상적인 파형도로서, 120° 통전 방식을 적용하여 BLDC 모터(30)를 구동하는 경우를 가정한 것이다.
120° 통전 방식은 3상(a상, b상, c상)으로 이루어진 고정자 권선의 각 상에 번갈아 하이(H), 로우(L), 오픈(O) 상의 전압을 인가하며, 그 전압에 의해 고정자 권선에 발생되는 자기력으로 회전자를 회전시켜 BLDC 모터(30)를 구동하는 방식이다.
도 2에서, θr은 BLDC 모터(30)의 회전각, 즉 회전자 위치로서 0°~ 360°의 값을 가진다. ea, eb, ec는 각 권선의 역기전력, ia, ib, ic는 각 권선의 상전류이다.
동작 모드 1부터 동작 모드 6까지 6개의 동작 모드, 즉 6가지 스위칭 상태가 정의되며, 제어부(50)는 인버터(20)의 스위칭 상태를 동작 모드 1 내지 동작 모드 6으로 순차적으로 변화시켜 회전자계를 만들어 줄 수 있다. 이와 같이 만들어진 고정자의 회전자계와 회전자의 영구자석에 의한 자계의 상호 작용에 의해 일정 토크가 발생하여 BLDC 모터(30)가 회전하게 된다.
회전 시에, BLDC 모터(30)의 각 권선은 렌츠의 법칙에 따라 각 권선에 인가되는 주 전압과 반대의 극성을 갖은 역기전력을 발생시킨다.
도 2를 참조하면, 모든 동작 모드에 있어서, 두 개의 권선이 여자(Excitation)될 때 다른 한 개의 권선은 여자되지 않는다. 예를 들어, 동작 모드 1에서는, a상, b상의 권선이 여자되고, c상의 권선이 여자되지 않는다.
각 동작 모드(예컨대, 동작 모드 1)에 있어 여자되지 않는 한 개의 권선(예컨대, c상의 권선)에서는 오픈 상(Open Phase)의 역기전력 신호(예컨대, eC)가 제로 크로싱 지점(ZCP)을 통과하며 이로부터 회전자 위치(예컨대, 30°)를 파악할 수 있다.
예시하고 있는 120° 통전 방식에서는, 제로 크로싱 이벤트가 발생하는 기계각 기준 6개의 회전자 위치가 존재한다. 도 2를 참조하면, 0°~ 360°의 회전각 범위에서 여자되지 않는 각 권선당 2개, 총 6개의 회전자 위치(30°, 90°, 150°, 210°, 270°, 330°)가 존재함을 알 수 있다.
제어부(50)는 여자되지 않은 권선의 역기전력을 기준전압(VREF)과 비교하여 제로 크로싱 지점(ZCP)을 검출한다.
제로 크로싱 지점(ZCP)을 검출하기 위한 기준전압(VREF)은 인버터(20)에 인가되는 DC 전압의 절반값(VDC/2)으로, 제어부(50)는 AD 컨버터(40)를 통해 인버터(20)에 인가되는 DC 전압을 측정한 후, 측정된 DC 전압의 절반값을 기준전압(VREF)으로 설정하고, BLDC 모터(30)의 역기전력이 이와 같이 설정된 기준전압(VREF)과 일치할 때, 제로 크로싱 이벤트가 발생한 것으로 판단한다.
한편, 각 동작 모드의 경계 지점에서 상전환(Commutation)이 발생하여 여자되는 권선이 한 상(예를 들어, a상)에서 다른 상(예를 들어, b상)으로 바뀐다.
그러므로, 회전자 위치에 따라 하나의 동작 모드를 다른 동작 모드로 바꾸어 스위칭 상태를 변화시키기 위해서는, 동작 모드의 경계 지점을 검출하는 것이 필요하다.
도 2를 참조하면, 역기전력의 제로 크로싱 지점(ZCP)과 상전환이 발생하는 경계 지점(예를 들어, 330°와 360°)과는 30°의 오프셋이 존재한다. 즉, 제로 크로싱 지점부터 30°가 지난 지점이 바로 상전류를 전환하는 경계 지점이 되므로, 해당 경계 지점에서 현재 동작 모드를 다음 동작 모드로 바꾸어 스위칭 상태를 순서에 따라 전환하면 된다.
예를 들어, 한 상에서 제로 크로싱 이벤트가 검출되는 경우 제어부(50)에 내장된 타이머가 제로 크로싱 검출 시점으로부터 회전각 30°에 대응하는 시간을 측정하여 인터럽트를 발생시킴으로써 해당 권선을 다음 스위칭 상태로 상전환할 시간이 되었음을 알릴 수 있을 것이다.
제어부(50)는 이와 같이 여자되지 않은 오픈 상(Open Phase)의 역기전력 신호에서 발생하는 제로 크로싱을 검출하여 회전자 위치를 파악하고, 그로부터 일정(예를 들어, 30°) 오프셋을 두고 상전환 시점을 결정하여 동작 모드를 바꿈으로써 인버터(20)의 스위칭 상태를 전환할 수 있다.
그러나, 앞서 설명한 바와 같이 AD 컨버터(40)가 갖는 고유의 오프셋으로 인해 AD 컨버터(40)를 통해 측정된 DC 전압의 절반값으로 설정된 기준전압에 오차가 발생할 수 있으며, 이로 인해 제로 크로싱 검출 오차가 발생할 수 있고, 이는 회전자 위치 추정 오차를 발생시킬 수 있다.
따라서, 제어부(50)는 기준전압의 오차를 보상한 후, 보상된 기준전압을 이용하여 보다 정확하게 제로 크로싱 지점을 검출하고, 이렇게 검출된 제로 크로싱 지점을 이용하여 동작 모드의 전환 시점을 결정한다.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 구동 방식을 적용할 경우 기준전압의 보상 원리를 설명하기 위한 예시적인 파형도로, 제로 크로싱 지점이 검출되는 각 상(a상, b상, c상)의 오픈 상(Open Phase)에서의 역기전력 신호(도 2의 점선 부분)를 조합해 놓은 파형도이다.
우선, 제어부(50)는 고유의 오프셋을 갖는 AD 컨버터(40)를 통해 측정된 인버터(20)로 인가되는 DC 전압의 절반값을 기준전압으로 설정한다.
이후, 제어부(50)는 기준전압에 의거하여 한 주기(120°) 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산한다.
이때, 제어부(50)는 두 구간의 듀티를 100%로 보고 듀티비를 계산하되, 첫번째 제로 크로싱 지점(제1ZCP)이 검출된 시점에서 두번째 제로 크로싱 지점(제2ZCP)이 검출된 시점까지의 제1구간 타이머값과 두번째 제로 크로싱 지점(제2ZCP)이 검출된 시점에서 세번째 제로 크로싱 지점(제3ZCP)이 검출된 시점까지의 제2구간 타이머값을 이용하여 한 주기와 각 구간이 차지하는 주기 정보를 획득한 후, 이를 이용하여 두 구간의 듀티비를 각각 계산한다.
한편, 기준전압이 측정 오차가 없는 이상적인 값일 경우, 두 구간의 듀티비는 각각 50%로 일정할 것이다.
그러나, 도 3a에 도시하는 바와 같이 기준전압에 측정 오차가 발생하여 이상적인 값보다 낮은 값으로 기준전압이 설정되면, 제1구간의 듀티비는 50%보다 큰 값(예를 들어, 80%)이 되고, 제2구간의 듀티비는 50%보다 작은 값(예를 들어, 20%)이 된다.
또한, 도 3b에 도시하는 바와 같이 기준전압에 측정 오차가 발생하여 이상적인 값보다 높은 값으로 기준전압이 설정되면, 제1구간의 듀티비는 50%보다 작은 값(예를 들어, 20%)이 되고, 제2구간의 듀티비는 50%보다 큰 값(예를 들어, 80%)이 된다.
전술한 바와 같이, 기준전압에 측정 오차가 발생하여 이상적인 값을 벗어나게 되면, 두 구간의 듀티비에 차이가 발생하게 된다.
따라서, 기준전압이 이상적인 값일 때의 듀티비를 이용하여 각 구간의 듀티비가 50%에 근접하도록 히스테리시스 제어 방식으로 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상한다.
두 구간 중에서 제1구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우, 제1구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty, 제1구간의 현재 듀티비를 ZCduty, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때, ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 기준전압을 순차적으로 증가시키고, ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 기준전압을 순차적으로 감소시킨다.
예를 들어, 도 3a에 도시하는 바와 같이 기준전압에 측정 오차가 발생하여 이상적인 값보다 낮은 값으로 기준전압이 설정된 경우, 제1구간의 듀티비 목표값 ZC* duty이 50%이고, 제1구간의 현재 듀티비 ZCduty가 80%이며, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값 hband이 0이라고 가정했을 때, ZC* duty(50%)와 ZCduty(80%)의 차가 -30으로 0보다 작으므로, 기준전압을 히스테리시스 제어 방식으로 순차적으로 증가시켜 제1구간의 듀티비가 50%에 근접하도록 기준전압을 보상한다.
그리고, 도 3b에 도시하는 바와 같이 기준전압에 측정 오차가 발생하여 이상적인 값보다 높은 값으로 기준전압이 설정된 경우, 제1구간의 듀티비 목표값 ZC* duty이 50%이고, 제1구간의 현재 듀티비 ZCduty가 20%이며, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값 hband이 0이라고 가정했을 때, ZC* duty(50%)와 ZCduty(20%)의 차가 30으로 0보다 크므로, 기준전압을 히스테리시스 제어 방식으로 순차적으로 감소시켜 제1구간의 듀티비가 50%에 근접하도록 기준전압을 보상한다.
한편, 두 구간 중에서 제2구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우, 제2구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty, 제2구간의 현재 듀티비를 ZCduty, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때, ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 기준전압을 순차적으로 감소시키고, ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 기준전압을 순차적으로 증가시킨다.
예를 들어, 도 3a에 도시하는 바와 같이 기준전압에 측정 오차가 발생하여 이상적인 값보다 낮은 값으로 기준전압이 설정된 경우, 제2구간의 듀티비 목표값 ZC* duty이 50%이고, 제2구간의 현재 듀티비 ZCduty가 20%이며, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값 hband이 0이라고 가정했을 때, ZC* duty(50%)와 ZCduty(20%)의 차가 30으로 0보다 크므로, 기준전압을 히스테리시스 제어 방식으로 순차적으로 증가시켜 제2구간의 듀티비가 50%에 근접하도록 기준전압을 보상한다.
그리고, 도 3b에 도시하는 바와 같이 기준전압에 측정 오차가 발생하여 이상적인 값보다 높은 값으로 기준전압이 설정된 경우, 제2구간의 듀티비 목표값 ZC* duty이 50%이고, 제2구간의 현재 듀티비 ZCduty가 80%이며, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값 hband이 0이라고 가정했을 때, ZC* duty(50%)와 ZCduty(80%)의 차가 -30으로 0보다 작으므로, 기준전압을 히스테리시스 제어 방식으로 순차적으로 감소시켜 제2구간의 듀티비가 50%에 근접하도록 기준전압을 보상한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 방법을 설명하기 위한 순서도로서, 도 3a 및 도 3b에서 설명한 기준전압의 보상 원리를 적용하고 있다.
우선, AD 컨버터(40)는 인버터(20)로 인가되는 DC 전압을 측정하여 제어부(50)로 인가한다(S10).
제어부(50)는 AD 컨버터(40)로부터 인가받은 DC 전압의 절반값을 기준전압(역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압)으로 설정한다(S12).
한편, 인버터(20)에서 BLDC 모터(30)로 인가되는 3상 AC 전압에 의해 BLDC 모터(30)가 구동되어 BLDC 모터(30)의 회전자가 회전함에 따라 고정자 권선에는 역기전력이 유도되고, AD 컨버터(40)는 BLDC 모터(30)의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하여 제어부(50)로 인가한다(S14).
제어부(50)는 상기한 과정 S12에서 설정된 기준전압과 상기한 과정 S14에서 AD 컨버터(40)를 통해 측정된 역기전력 신호를 비교하여 두 값이 일치하는 지점을 제로 크로싱 지점으로 추정한 후(S16), 한 주기 동안 각 상(a상, b상, c상)의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산한다(S18).
이후에는, 상기한 과정 S18에서 계산한 두 구간의 듀티비가 서로 동일하지 않으면, 두 구간의 듀티비가 서로 동일해지도록 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상하되, 두 구간 중에서 제1구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우에는, 제1구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty(50%), 제1구간의 현재 듀티비를 ZCduty, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때, ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 기준전압을 순차적으로 증가시키고, ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 기준전압을 순차적으로 감소시켜 기준전압을 보상한다(S20).
또한, 상기한 과정 S20에서 두 구간 중에서 제2구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우에는, 제2구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty(50%), 제2구간의 현재 듀티비를 ZCduty, ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때, ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 기준전압을 순차적으로 감소시키고, ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 기준전압을 순차적으로 증가시켜 기준전압을 보상한다.
상기한 과정 S20을 통해 기준전압을 보상한 후에는, 상기한 과정 S10으로 이동하여 이후의 과정을 반복 수행한다.
본 발명의 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치 및 방법은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.
10. 배터리부, 20. 인버터부,
30. BLDC 모터, 40. AD 컨버터,
50. 제어부

Claims (8)

  1. 인버터부로 인가되는 DC 전압을 측정하고, BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 AD 컨버터; 및
    상기 측정된 DC 전압의 절반값을 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압(이하, '기준전압'이라 함)으로 설정한 후, 상기 기준전압에 의거하여 한 주기 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산하고, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일하지 않으면, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일해지도록 상기 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상하는 제어부를 포함하여 이루어지는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 두 구간의 듀티를 100%로 보고 듀티비를 계산하되,
    첫번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점에서 두번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점까지의 제1구간 타이머값과 두번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점에서 세번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점까지의 제2구간 타이머값을 이용하여 상기 두 구간의 듀티비를 각각 계산하는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 두 구간 중에서 제1구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우, 상기 제1구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty, 상기 제1구간의 현재 듀티비를 ZCduty, 상기 ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때,
    ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 상기 기준전압을 순차적으로 증가시키고,
    ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 상기 기준전압을 순차적으로 감소시키는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 두 구간 중에서 제2구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우, 상기 제2구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty, 상기 제2구간의 현재 듀티비를 ZCduty, 상기 ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때,
    ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 상기 기준전압을 순차적으로 감소시키고,
    ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 상기 기준전압을 순차적으로 증가시키는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 장치.
  5. AD 컨버터가 인버터부로 인가되는 DC 전압을 측정하는 과정;
    제어부에서 상기 측정된 DC 전압의 절반값을 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압(이하, '기준전압'이라 함)으로 설정하는 과정;
    상기 AD 컨버터가 BLDC 모터의 고정자에 유도되는 역기전력 신호를 측정하는 과정;
    상기 제어부에서 상기 기준전압에 의거하여 한 주기 동안 각 상의 제로 크로싱 지점을 지나는 두 구간의 듀티비를 계산하는 과정; 및
    상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일하지 않으면, 상기 두 구간의 듀티비가 서로 동일해지도록 상기 기준전압을 순차적으로 증가 또는 감소시켜 보상하는 과정을 포함하여 이루어지는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 두 구간의 듀티비를 계산하는 과정은,
    상기 두 구간의 듀티를 100%로 보고 듀티비를 계산하되,
    첫번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점에서 두번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점까지의 제1구간 타이머값과 두번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점에서 세번째 제로 크로싱 지점이 검출된 시점까지의 제2구간 타이머값을 이용하여 상기 두 구간의 듀티비를 각각 계산하는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 기준전압을 보상하는 과정은,
    상기 두 구간 중에서 제1구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우, 상기 제1구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty, 상기 제1구간의 현재 듀티비를 ZCduty, 상기 ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때,
    ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 상기 기준전압을 순차적으로 증가시키고,
    ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 상기 기준전압을 순차적으로 감소시키는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 방법.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 기준전압을 보상하는 과정은,
    상기 두 구간 중에서 제2구간의 듀티비를 이용하여 기준전압을 보상하고자 하는 경우, 상기 제2구간의 듀티비 목표값을 ZC* duty, 상기 제2구간의 현재 듀티비를 ZCduty, 상기 ZC* duty와 ZCduty의 오차 설정 값을 hband라고 할 때,
    ZC* duty - ZCduty ≤ -(hband/2)이면, 상기 기준전압을 순차적으로 감소시키고,
    ZC* duty - ZCduty ≥ hband/2이면, 상기 기준전압을 순차적으로 증가시키는 BLDC 모터 제어 시스템에서 역기전력의 제로 크로싱 지점 판단 기준전압 보상 방법.
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