KR20150051002A - 모터의 구동장치 및 그 제어방법 - Google Patents

모터의 구동장치 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20150051002A KR1020130132358A KR20130132358A KR20150051002A KR 20150051002 A KR20150051002 A KR 20150051002A KR 1020130132358 A KR1020130132358 A KR 1020130132358A KR 20130132358 A KR20130132358 A KR 20130132358A KR 20150051002 A KR20150051002 A KR 20150051002A
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Abstract

본 발명에 따른 모터 구동장치는 스위칭 동작을 통해, 직류전압을 BLDC모터의 각 상에 인가하는 인버터, 상기 각 상의 플로팅 구간에서 역기전력의 패턴을 검출하고, 상기 역기전력의 패턴을 이용하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출한 후, 상기 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 상기 인버터의 스위칭 동작 및 상기 각 상의 상전환을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 모터 드라이버를 포함한다.

Description

모터의 구동장치 및 그 제어방법{Apparatus and Method for driving motor}
본 발명은 모터의 구동장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 직류모터(DC 모터)는 인가전압과 속도가 선형적인 관계를 갖고 있어서, 속도제어가 간단하고 넓은 속도제어범위를 갖지만, 한방향의 토크유지를 위해 브러시가 필수적 구성요소이며, 상기 브러시로 인해 고속운전이 어렵고, 브러시의 마모로 인한 잦은 유지보수와 소음 등이 심한 단점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 개선하기 위해, 통상의 DC모터와 반대로 코일이 권선된 고정자와 영구자석이 마련된 회전자로 구성되고, 고정자의 코일에 흐르는 전류를 제어하여, 고정자의 자속과 회전자의 영구자석의 자속이 직각 또는 임의의 각도를 갖도록 제어하여 회전력을 얻는 브러시리스 DC모터(일명 BLDC모터)가 나오게 되었다.
상기 BLDC모터는 브러시가 없어 기존의 DC모터의 단점을 해소하고, DC모터의 장점을 그대로 가지고 있어 최근 널리 쓰이고 있는데, 자속의 적절한 제어를 위해 회전자의 위치에 따라 고정자의 자속 발생위치를 결정하도록, 인버터 스위칭 소자들의 스위칭상태를 결정해야하는바, 상기 회전자의 위치를 검출하기 위해서, 홀센서 등의 센서를 이용할 수 있으나 온도 및 압력 등의 환경적인 요인에 의해, 센서없이 역기전압을 통해 Zero Cross Point(영교차점, ZCP)를 검출하여 회전자의 위치정보를 알아내는 센서리스방식을 주로 이용한다.
따라서, 상기 센서리스 방식에 있어서, 종래에는 하기의 선행기술문헌에 기재된 특허문헌과 같이, 고정자에서 유기되는 각 상의 역기전력과 기준전압을 비교하여, 상기 영교차점(ZCP)을 검출하게 되는데, 상기 BLDC모터에 있어서 인덕터등의 미스매치(Mismatch)등으로 인해 상기 상전압과 기준전압에 오차가 발생하는 경우에, 상기 영교차점(ZCP)의 검출에 대한 정확성이 떨어짐으로써, 상기 회전자의 위치 검출이 불균일해지고, 나아가 상기 모터의 상전환 시점이 불규칙하게 되는 문제점이 있었다.
2006-0068844KR
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 각 상의 플로팅 구간의 역기전력 패턴과 기준패턴을 이용하여, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출함으로써, BLDC 모터구동의 신뢰성을 확보할 수 있는 모터 구동장치 및 그 제어방법을 위한 것이다.
본 발명에 따른 모터 구동장치는 스위칭 동작을 통해, 직류전압을 BLDC모터의 각 상에 인가하는 인버터, 상기 각 상의 플로팅 구간에서의 역기전력값에 대한 샘플링을 통해, 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하고, 상기 역기전력의 패턴과 상기 플로팅 구간에서의 기준패턴을 비교하여, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 모터 드라이버를 포함한다.
또한, 상기 모터 드라이버는 상기 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 상기 인버터의 스위칭 동작 및 상기 각 상의 상전환을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성한다
또한, 상기 인버터는 상기 모터 드라이버의 PWM 신호에 의해 제어되는 트랜지스터 와 상기 트랜지스터에 각 역병렬로 연결된 다이오드를 포함한다.
또한, 상기 모터 드라이버는 상기 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하며, 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하여, 상기 각 상의 역기전력의 패턴을 형성한 후, 상기 역기전력의 패턴을 기설정된 기준패턴과 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출한다.
또한, 상기 모터 드라이버는 상기 각 상의 역기전력을 디지털 값으로 변환하는 적어도 하나 이상의 아날로그 디지털 변환기(A/D Converter) 및 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 적어도 하나 이상의 레지스터를 포함한다.
또한, 상기 레지스터는 플립플롭(Flip-Flop)이다.
또한, 상기 모터 드라이버는 상기 각 상의 플로팅 구간에서 검출된 역기전력의 패턴 과 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 ZCP 검출모듈, 상기 검출된 영교차점(ZCP)의 정보등을 이용하여, 회전자의 위치 및 회전속도를 측정하는 제어모듈 및 상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 속도정보를 기반으로, 상기 각 상의 상전환 시점을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호발생모듈을 포함한다.
또한, 상기 모터 드라이버는 초기구동시에, 상기 각 상의 상전환을 위한 상기 영교차점(ZCP)에 대한 정보를 상기 PWM 신호발생모듈에 제공하는 초기구동회로를 포함한다.
또한, 상기 ZCP 검출모듈은U상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 제 1 변환기와 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 제 1 레지스터를 포함하는 U상 검출회로, V상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 제 2 변환기와 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 제 2 레지스터를 포함하는 V상 검출회로, W상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 제 3 변환기와 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 제 3 레지스터를 포함하는 W상 검출회로, 상기 제 1 내지 3 레지스터에 저장된 상기 디지털 값을 이용하여, 상기 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하는 패턴 검출회로 및 상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 ZCP 검출회로를 포함한다.
또한, 상기 ZCP 검출모듈은 상기 각 상의 플로팅 구간에서 샘플링된 상기 역기전력값을 순차적으로 입력받는 아날로그 먹스, 상기 아날로그 먹스로부터 전송된 상기 각 상의 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 변환모듈, 상기 변환모듈로부터 출력된 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 저장모듈, 상기 저장된 디지털 값을 이용하여, 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하는 패턴 검출회로 및 상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 ZCP 검출회로를 포함한다.
또한, 상기 제어모듈은 상기 영교차점(ZCP)이 발생한 위치정보를 이용하여, 회전자의 위치를 측정하는 위치 측정회로, 상기 영교차점(ZCP)이 발생하는 시간간격정보를 이용하여, 상기 회전자의 속도를 측정하는 속도 측정회로 및 상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 속도정보를 기반으로 상기 PWM 신호발생모듈을 통해, 각 상의 상전환을 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
또한, 상기 PWM 신호발생모듈은 상기 회전자의 회전속도를 제어하기 위해, 상기 컨트롤러에서 결정된 듀티비가 적용된 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성회로, 상기 PWM 신호를 이용하여, 각 상의 상전환을 유도하기 위한 구동전압을 생성하는 구동신호 생성회로 및 상기 컨트롤러로부터 인가된 상기 각 상의 상전환정보를 기반으로, 상기 구동신호를 이용하여, 상기 인버터의 트랜지스터를 동작시키는 게이트 드라이버를 포함한다.
본 발명에 따른 모터 구동장치의 제어방법은 BLDC 모터의 각 상에 스위칭 동작을 통해 선택적으로 직류전압을 인가하는 단계, 상기 각 상의 플로팅 구간에서의 역기전력값에 대한 샘플링을 통해, 역기전력의 패턴을 검출하고, 상기 역기전력의 패턴과 상기 플로팅 구간에서의 기준패턴을 비교하여, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 단계 및 상기 영교차점(ZCP)의 검출여부에 따라, 각 상의 상전환 수행여부를 결정하는 상전환 결정단계를 포함한다.
또한, 상기 영교차점(ZCP) 검출단계는 아날로그 먹스를 통해, 상기 각 상의 플로팅 구간에서 샘플링된 상기 역기전력값을 순차적으로 입력받는 단계, 변환모듈을 통해,상기 아날로그 먹스로부터 전송된 상기 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 단계, 저장모듈을 통해, 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 단계, 패턴 검출회로를 통해, 상기 저장된 디지털 값을 이용하여, 상기 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하는 단계 및 ZCP 검출회로를 통해, 상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)의 위치정보를 검출하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 상전환 결정단계는 상기 영교차점(ZCP)이 검출된 경우에 상기 검출된 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 회전자의 위치 및 회전속도를 측정하는 단계, 상기 회전자의 위치 및 회전속도를 기반으로, PWM 신호를 생성하는 단계 및 상기 PWM 신호를 이용한 인버터의 스위칭 동작을 통해, 상기 각 상의 상전환 수행을 제어하는 단계를 포함한다. ]
또한, 상기 상전환 결정단계는 상기 영교차점(ZCP)을 검출되지 않은 경우에
상기 기준패턴과 비교하여, 상기 역기전력의 패턴의 위치정보를 검출하는 단계, 상기 위치정보를 이용하여, 영교차점(ZCP)의 발생위치를 계산하는 단계, 상기 계산된 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 회전자의 위치 및 회전속도를 측정하는 단계, 상기 회전자의 위치 및 회전속도를 기반으로, PWM 신호를 생성하는 단계 및 상기 PWM 신호를 이용한 인버터의 스위칭 동작을 통해, 상기 각 상의 상전환 수행을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, BLDC 모터 구동장치의 ZCP 검출모듈을 통해, 각 상의 플로팅(Floating) 구간에서의 역기전력의 패턴을 검출한 후, 이를 기저장된 각 상의 기준패턴과 비교함으로써, 각 상의 영교차점(ZCP)을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 각 상의 역기전력의 변화를 통해 영교차점(ZCP)를 검출하여, 회전자의 위치정보를 알아내는 센서리스방식에 있어서, 각 상의 플로팅(Floating) 구간에서의 역기전력값을 디지털 값으로 변환한 후, 상기 디지털 값으로 이루어진 역기전력의 패턴을 형성한 후, 상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출함으로써, 상기 모터의 인덕터등의 미스매치(Mismatch)등으로 인해, 상기 역기전력과 기준전압간에 크로싱이 발생하지 않은 경우에도, 각 상의 영교차점(ZCP)의 검출 및 각 상의 상전환 시점에 대한 정확성을 확보할 수 있으며, 나아가 최적의 BLDC 모터제어를 구현할 수 있다.
또한, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출함에 있어서, 각 상의 역기전력과 기준전압간의 비교를 위해, 각 상마다 비교기(Comparator)를 구비하는 대신, 아날로그 먹스, 하나의 디지털 아날로그 변환기(ADC) 및 저장모듈(레지스터)을 통해, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출함으로써, 전체 모터 구동장치를 경박단소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 모터 구동장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 모터 구동장치를 나타낸 전체 회로도이다.
도 3은 본 발명에 따른 모터 구동장치의 제어방법을 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 ZCP 검출모듈의 회로구성을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 ZCP 검출모듈의 영교차점(ZCP)의 검출프로세스를 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "일면", "타면", "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명인 모터 구동장치 및 그 제어방법에대한 일실시예를 상세히 설명하기로 하며, 영교차점(ZCP)이란, 각 상의 역기전력(상전압)이 기준전압과 교차(Crosssing)되는 지점을 말한다.
도 1은 본 발명에 따른 모터 구동장치를 나타낸 블록도이며, 도 2는 본 발명에 따른 모터 구동장치를 나타낸 전체 회로도이고, 도 3은 본 발명에 따른 모터 구동장치의 제어방법을 나타낸 도면이다.
정류부(500)는 입력전원(AC)(600)을 입력받아 정류하는 정류기(510) 및 정류된 입력전원(600)을 평활하는 평활 커패시터(520)를 포함하며, 상기 정류 및 평활된 직류전압(DC)을 인버터(300)에 인가한다.
인버터(300)는 정류부(500)을 통해 정류 및 평활된 직류전압을 인가받아, 스위칭 동작을 통해, 상기 직류전압을 BLDC 모터의 각 상에 인가하며, 모터 드라이버(100)의 PWM 신호에 의해 제어되는 트랜지스터 와 상기 트랜지스터에 각 역병렬로 연결된 다이오드를 포함하고, 정류부(500)대신 직류전원(DC)에 의해 직류전압을 인가받을 수 있다.
모터 드라이버(100)는 BLDC모터의 각 상의 플로팅 구간(H, 도 5a)에서 역기전력의 패턴을 검출하고(S100), 상기 역기전력의 패턴을 이용하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출한 후, 상기 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 상기 인버터의 스위칭 동작 및 상기 각 상의 상전환을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성한다.
즉, 모터 드라이버(100)는 상기 각 상의 플로팅 구간(H, 도 5a)에서의 역기전력값을 디지털 값으로 변환하며, 상기 디지털 값으로 이루어진 역기전력의 패턴을 형성한 후, 상기 역기전력의 패턴을 상기 플로팅 구간(H, 도 5a)에서의 기준패턴(a,b,c)(도 5a)과 비교하여(S110), 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출한다.
또한, 모터 드라이버(100)는 상기 역기전력의 패턴 과 상기 기준패턴(a,b,c)이 상이하여, 상기 영교차점(ZCP)가 검출되지 않은 경우에는 상기 기준패턴(a,b,c)상에서 상기 역기전력의 패턴의 위치정보(위상등)를 검출하며(S180), 상기 위치정보를 기초로 실제적인 영교차점(ZCP)을 찾기위한 계산을 수행한다(S190).
그리고, 모터 드라이버(100)는 상기 각 상의 역기전력을 디지털 값으로 변환하는 적어도 하나 이상의 아날로그 디지털 변환기(A/D Converter) 및 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 적어도 하나 이상의 레지스터를 포함할 수 있으며, 초기구동시에, 상기 각 상의 상전환을 위한 상기 영교차점(ZCP)에 대한 정보를 상기 PWM 신호발생모듈에 제공하는 초기구동회로(130)를 포함할 수 있다.
또한, 모터 드라이버(100)는 ZCP 검출모듈(110), 제어모듈(120) 및 PWM 신호발생모듈(140)을 포함할 수 있으며, ZCP 검출모듈(110)은 각 상(U, V, W)의 플로팅 구간(전원이 연결되지 않은 구간)에서 검출된 역기전력의 패턴과 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하며, 각 상(U, V, W)의 검출회로(111,112,113), 패턴 검출회로(173), ZCP 검출회로(174)등으로 구성될 수 있고, 상세한 내용은 후술하도록 한다.
제어모듈(120)은 상기 검출된 영교차점(ZCP)의 정보등을 이용하여, 회전자의 위치 및 회전속도를 측정한 후, 각 상의 상전환을 제어하며, 위치 측정회로(121), 속도 측정회로(122) 및 컨트롤러(123)를 포함할 수 있다.
여기에서, 위치 측정회로(121)는 BLDC 모터의 구동프로세스 중 상기 영교차점(ZCP)이 발생한 위치정보(도 5a참조)를 이용하여, 회전자의 위치를 측정하며(S130), 속도 측정회로(122)는 상기 영교차점(ZCP)이 발생하는 시간간격정보를 이용하여, 상기 회전자의 속도를 측정하고(S140), 컨트롤러(123)는 상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 속도정보를 기반으로 상기 PWM 신호발생모듈을 통해, PWM 신호를 생성하여(S150), 각 상(U상 ,V상 , W상)의 상전환을 제어한다.
PWM 신호발생모듈(140)은 상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 속도정보를 기반으로, 상기 각 상의 상전환 시점을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하며, PWM 생성회로(141), 구동신호 생성회로(142) 및 게이트 드라이버(143)를 포함한다.
여기에서, ⅰ) PWM 생성회로(141)는 상기 회전자의 회전속도를 제어하기 위해, 상기 컨트롤러에서 결정된 듀티비가 적용된 PWM 신호를 생성하며, ⅱ) 구동신호 생성회로(142)는 상기 PWM 신호를 이용하여, 각 상의 상전환을 유도하기 위한 구동전압을 생성하고, ⅲ) 게이트 드라이버(143)는 상기 컨트롤러(123)로부터 인가된 상기 각 상의 상전환 정보(영교차점 검출위치등)를 기반으로, 상기 구동신호를 증폭하여, 상기 인버터(300)의 트랜지스터의 스위칭 동작(ON/OFF)을 제어하며(S160), 상기 인버터(300)의 스위칭 동작을 통해 , 각 상의 상전환이 수행되어진다(S170).
이하, 도 4a 내지 4c를 참고하여, 본 발명에 따른 ZCP 검출모듈에서의 각 상에서의 영교차점(ZCP)검출을 위한 회로구성에 대해 보다 상세히 설명할 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 ZCP 검출모듈의 회로구성의 일실시예를 나타내며, 도 4b는 본 발명의 ZCP 검출모듈에 포함되는 U상 검출회로의 회로구성을 나타낸 도면이고, 도 4c는 본 발명에 따른 ZCP 검출모듈의 회로구성의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, ZCP 검출모듈(110)은 각 상(U,V,W)의 플로팅 구간(H, 도5a)에서 샘플링된 역기전력값을 디지털값으로 변환하여, 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 U상 검출회로(111), V상 검출회로(112) 및 W상 검출회로(113)를 포함하며, 상기 각 상의 검출회로(111,112,113)는 제 1 내지 3 변환기(114,115,116) 및 상기 제 1내지 3 변환기(114,115,116)에 직렬로 연결되는 제 1 내지 3 레지스터(117,118,119)를 포함한다. 여기에서, 제 1내지 3 변환기(114,115,116)는 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital converter, 이하 ADC 라 함)일 수 있으며, 제 1 내지 3 레지스터(117,118,119)는 각각 적어도 하나이상의 레지스터(Register)를 포함하며, 상기 레지스터(Register)는 플립플롭(flip-flop)일 수 있다.
패턴 검출회로(173)는 각 상(U,V,W)의 검출회로(111,112,113)로부터 제 1 내지 3 레지스터(117,118,119)에 순차적으로 저장된 각 상의 역기전력값을 인가받으며, 상기 역기전력값을 이용하여, 각 상의 역기전력의 패턴을 검출한다.
ZCP 검출회로(174)는 패턴 검출회로(173)에서 검출된 상기 각 상의 역기전력의 패턴과 기설정된 각 상의 기준패턴을 비교하여, 상기 역기전력의 패턴으로부터 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출한다. 여기에서, ZCP 검출회로(174)는 각 상의 상전환을 위해 상기 플로팅 구간(H)의 일부구간(기준패턴(c, 도 5a)중 영교차점의 발생영역)의 샘플링을 통해, 영교차점(ZCP)을 검출할 수 있으며, 제어모듈(120)은 상기 영교차점(ZCP)을 기초로 각 상의 상전환을 수행할 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, U상 검출회로(111)는 U상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 제1변환기(114) 및 상기 디지털 값이 순차적으로 저장되는 복수의 레지스터(Reg_1 ~ Reg_N)로 구성되는 제 1 레지스터(117)를 포함할 수 있다.
즉, U상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값이 순차적으로 제1변환기(171)를 통해 디지털 값으로 변환되면, 상기 디지털 값은 Reg_1 에서부터 Reg_N으로 순차적으로 저장됨과 동시에 패턴 검출회로(173)로 전송된다.
그리고, 패턴 검출회로(173)는 제 1 레지스터(117)로부터 순차적으로 전송된 상기 역기전력의 디지털 값을 이용하여, U상의 플로팅 구간에서의 역기전력의 패턴을 형성하며, ZCP 검출회로(174)는 기설정된 U상의 기준패턴(a) (도 5a참조)과 비교하여, U상의 영교차점(ZCP)을 검출한다. 여기에서, 상기 U상의 기준패턴(a)의 영교차점(ZCP)은 U상의 역기전력의 사이클(0 ° ~ 360 °(또는 0 °))중 상기 역기전력의 위상이 0°와 180°되는 지점에서 검출되는 것으로 설정될 수 있으며, V상 및 W상의 검출회로(112,113)도 상기에서 살펴본 U상의 검출회로(111)와 동일한 구성 및 기능을 포함할 수 있다.
나아가, 도 4c에 도시된 바와 같이, ZCP 검출모듈(110)은 각 상(U상,V상,W상)의 플로팅 구간에서 샘플링된 상기 역기전력값을 순차적으로 입력받는 아날로그 먹스(175), 상기 아날로그 먹스(175)로부터 전송된 상기 각 상의 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 변환모듈(171), 상기 변환모듈(171)로부터 출력된 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 저장모듈(172), 상기 저장된 디지털 값을 이용하여, 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하는 패턴 검출회로(173) 및 상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 ZCP 검출회로(174)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 각 상(U상,V상,W상)의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값은 아날로그 먹스(175)를 통해 변환모듈(171)로 전송되고, 변환모듈(171)은 상기 역기전력값을 디지털값으로 변환된 후, 저장모듈(172)에 순차적으로 저장되며, 패턴 검출회로(173) 와 ZCP 검출회로(174)를 통해 각 상의 역기전력의 패턴을 형성하여, 영교차점(ZCP)을 검출하는 것은 상기에서 설명한 내용과 동일하다.
여기에서, 변환모듈(171)은 아날로그 디지털 변환기(Analog to Digital converter) 일 수 있으며, 저장모듈(172)은 적어도 하나이상의 레지스터(Register)를 포함하며, 상기 레지스터(Register)는플립플롭(flip-flop)일 수 있다.
상기에서 검토한 바와 같이, BLDC 모터 구동장치의 ZCP 검출모듈을 통해, 각 상의 플로팅(Floating) 구간에서의 역기전력의 패턴을 검출한 후, 이를 기저장된 각 상의 기준패턴과 비교함으로써, 각 상의 영교차점(ZCP)을 보다 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출함에 있어서, 각 상의 역기전력과 기준전압간의 비교를 위해, 각 상마다 비교기(Comparator)를 구비하는 대신, 아날로그 먹스, 하나의 디지털 아날로그 변환기(ADC) 및 저장모듈(레지스터)을 통해, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출함으로써, 전체 모터 구동장치를 경박단소화할 수 있다.
이하, 도 5a 내지 5c를 참고하여, 본 발명의 ZCP 검출모듈에 있어서, 각 상의 플로팅 구간에서 영교차점(ZCP)검출을 위한 프로세스에 대해 보다 상세히 설명할 것이다.
도 5a는 BLDC 모터의 각 상(U상,V상,W상)에 있어서, 역기전력의 파형형태 및 기준패턴을 나타낸 도면이며, 도 5b 와 5c는 W상에 있어서, 플로팅 구간에서의 역기전력 패턴을 이용하여, 영교차점(ZCP)을 검출하는 것을 나타낸 도면이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, BLDC 모터의 각 상의 상전압은 사다리꼴 형태로 변화되며, 각 상(U상 ,V상 ,W상)은 전원(Vdd)이 인가되는 구간, 접지구간(GND) 및 플로팅(Floating) 구간(전원이 인가되지 않는 구간, H(점선영역))을 포함한다. 또한, a 내지 f 단계를 통해, 상기 모터의 회전자(미도시)는 360°회전을 하게되며, 일반적으로 영교차점(ZCP)이 검출되면, 그로부터 전기각 30°뒤에 상전환을 수행하게 된다.
여기에서, BLDC 모터의 회전자가 360°회전을 하는 동안에 각 상(U상,V상,W상)의 역기전력(a,b,c)은 사인파 형태로 변화하며, 상기 각 상의 역기전력 과 영교차점(ZCP)은 플로팅 구간(H)에서만 검출될 수 있는바, 1) 상기 U상의 역기전력에 대한 기준패턴(a)에 있어서, 영교차점(ZCP)은 U상의 역기전력의 사이클(0 ° ~ 360 °(또는 0 °))중 상기 역기전력의 위상이 0°(ZU1)와 180°(ZU2)되는 지점에서 검출될 수 있으며, 2) 상기 V상의 역기전력에 대한 기준패턴(b)에 있어서, 영교차점(ZCP)은 V상의 역기전력의 사이클(0 ° ~ 360 °(또는 0 °))중 상기 역기전력의 위상이 0°(ZV1)와 180°(ZV2)되는 지점에서 검출될 수 있으며, 3) 상기 W상의 역기전력에 대한 기준패턴(c)에 있어서, 영교차점(ZCP)은 W상의 역기전력의 사이클(0 ° ~ 360 °(또는 0 °))중 상기 역기전력의 위상이 0°(ZW1)와 180°(ZW2)되는 지점에서 검출될 수 있다.
그리고, 도 5b에 도시된 바와 같이, W상의 플로팅 구간(d, 도5a 참조)에서 역기전력값이 샘플링되어 아날로그 먹스(175)를 통해 변환모듈(171)로 입력되고, 상기 역기전력값은 변환모듈(171)을 통해 디지털값으로 변환된 후, 저장모듈(172)에 순차적으로 저장되며, 패턴 검출회로(173)는 저장모듈(172)에 저장된 상기 디지털값을 이용하여, 역기전력의 패턴(K2)을 형성하고, ZCP 검출회로(174)는 상기 역기전력의 패턴(K2) 과 상기 플로팅 구간(d)에서의 기준패턴(c)과 비교를 통해, 상기 역기전력의 패턴(K2) 과 상기 플로팅 구간(d)에서의 기준패턴(c)이 동일한 경우, 상기 영교차점(ZW2)(위상이 0 ° 또는 360 °인 지점)을 검출할 수 있다. 여기에서, 상기 역기전력값은 상기 플로팅 구간(H)에서 80 ~ 84회 샘플링 될 수 있다.
하지만, 도 5c에 도시된 바와 같이, W상의 플로팅 구간(d, 도5a 참조)에서 샘플링된 역기전력값을 이용하여 형성된 역기전력의 패턴(K1)이 상기 플로팅 구간(d)에서의 기준패턴(c)과 상이한 경우에, W상의 기준패턴(c, 도 5a)의 사이클(0 ° ~ 360 °(또는 0 °))중 상기 역기전력의 패턴(K1)이 형성된 구간의 위상(D1 , D2 )을 검출한 후, 상기 기준패턴(c, 도 5a)에서의 영교차점(ZW2)과의 위상차(△D)를 계산하여, 상기 플로팅 구간(d, 도5a 참조)에서 검출된 역기전력의 패턴(K1)과 실제의 영교차점(ZW2)과의 위상차이를 검출하고, 이를 기초로 W상의 영교차점 검출 및 보다 정확한 상전환을 수행할 수 있다. 여기에서, W상을 기준으로 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 이용하여 역기전력의 패턴을 형성한 후, 이를 이용하여 영교차점(ZCP)을 검출하는 프로세스를 설명했지만, U상과 V상에서도 동일하게 적용될 수 있다.
상기에서 검토한 바와 같이, 본 발명에 따른 모터 구동장치는 각 상의 역기전력의 변화를 통해 영교차점(ZCP)를 검출하여, 회전자의 위치정보를 알아내는 센서리스방식에 있어서, 각 상의 플로팅(Floating) 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환한 후, 상기 디지털 값으로 이루어진 역기전력의 패턴을 형성한 후, 상기 패턴과 기설정된 기준패턴과 비교하여, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출함으로써, 상기 모터의 인덕터등의 미스매치(Mismatch)등으로 인해, 상기 역기전력과 기준전압간에 크로싱이 발생하지 않은 경우에도, 각 상의 영교차점(ZCP)의 검출 및 각 상의 상전환 시점에 대한 정확성을 확보할 수 있으며, 나아가 최적의 BLDC 모터제어를 구현할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 모터의 구동장치 및 그 제어방법은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10 : 모터 구동장치
100 : 모터 드라이버 110 : ZCP 검출모듈
111 : U상 검출회로 112: V상 검출회로
113 : W상 검출회로 114 : 제 1 비교기
115 : 제2 비교기 116 : 제3 비교기
117 : 제 1 레지스터 118 : 제 2 레지스터
119 : 제 3 레지시터 120 : 제어모듈
121 : 위치측정회로 122 : 속도측정회로
123 : 컨트롤러 130 : 초기구동회로
140 : PWM 신호발생모듈 141 : PWM 생성회로
142 : 구동신호 생성회로 143 : 게이트 드라이버
171 : 변환모듈 172 : 저장모듈
173 : 패턴 검출회로 174 : ZCP 검출회로
175 : 아날로그 먹스
300 : 인버터 400 : BLDC 모터
500 : 정류부 600 : AC 전원

Claims (16)

  1. 스위칭 동작을 통해, 직류전압을 BLDC모터의 각 상에 인가하는 인버터;
    상기 각 상의 플로팅 구간에서의 역기전력값에 대한 샘플링을 통해, 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하고, 상기 역기전력의 패턴과 기준패턴을 비교하여, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 모터 드라이버를 포함하는 모터 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 드라이버는
    상기 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 상기 인버터의 스위칭 동작 및 상기 각 상의 상전환을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 모터 구동장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터는
    상기 모터 드라이버의 PWM 신호에 의해 제어되는 트랜지스터 와 상기 트랜지스터에 각 역병렬로 연결된 다이오드를 포함하는 모터 구동장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 드라이버는
    상기 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하며, 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하여, 상기 각 상의 역기전력의 패턴을 형성한 후, 상기 역기전력의 패턴을 기설정된 기준패턴과 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 모터 구동장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 드라이버는
    상기 샘플링된 각 상의 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 적어도 하나 이상의 아날로그 디지털 변환기(A/D Converter); 및
    상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 적어도 하나 이상의 레지스터를 포함하는 모터 구동회로.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 레지스터는
    플립플롭(Flip-Flop)인 모터 구동회로.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터 드라이버는
    상기 각 상의 플로팅 구간에서 검출된 역기전력의 패턴 과 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 ZCP 검출모듈;
    상기 검출된 영교차점(ZCP)의 정보등을 이용하여, 회전자의 위치 및 회전속도를 측정하는 제어모듈;및
    상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 속도정보를 기반으로, 상기 각 상의 상전환 시점을 제어하기 위한 PWM 신호를 생성하는 PWM 신호발생모듈을 포함하는 모터구동회로.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 모터 드라이버는
    초기구동시에, 상기 각 상의 상전환을 위한 상기 영교차점(ZCP)에 대한 정보를 상기 PWM 신호발생모듈에 제공하는 초기구동회로를 포함하는 모터 구동장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 ZCP 검출모듈은
    U상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 제 1 변환기와 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 제 1 레지스터를 포함하는 U상 검출회로;
    V상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 제 2 변환기와 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 제 2 레지스터를 포함하는 V상 검출회로;
    W상의 플로팅 구간에서 샘플링된 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 제 3 변환기와 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 제 3 레지스터를 포함하는 W상 검출회로;
    상기 제 1 내지 3 레지스터에 저장된 상기 디지털 값을 이용하여, 상기 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하는 패턴 검출회로; 및
    상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 ZCP 검출회로를 포함하는 모터 구동장치.

  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 ZCP 검출모듈은
    상기 각 상의 플로팅 구간에서 샘플링된 상기 역기전력값을 순차적으로 입력받는 아날로그 먹스;
    상기 아날로그 먹스로부터 순차적으로 전송된 상기 각 상의 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 변환모듈;
    상기 변환모듈로부터 출력된 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 저장모듈;
    상기 저장된 디지털 값을 이용하여, 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하는 패턴 검출회로; 및
    상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 ZCP 검출회로를 포함하는 모터 구동장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어모듈은
    상기 영교차점(ZCP)이 발생한 위치정보를 이용하여, 회전자의 위치를 측정하는 위치 측정회로;
    상기 영교차점(ZCP)이 발생하는 시간간격정보를 이용하여, 상기 회전자의 속도를 측정하는 속도 측정회로; 및
    상기 회전자의 위치 및 상기 모터의 속도정보를 기반으로 상기 PWM 신호발생모듈을 통해, 각 상의 상전환을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 모터 구동장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 PWM 신호발생모듈은
    상기 회전자의 회전속도를 제어하기 위해, 상기 컨트롤러에서 결정된 듀티비가 적용된 PWM 신호를 생성하는 PWM 생성회로;
    상기 PWM 신호를 이용하여, 각 상의 상전환을 유도하기 위한 구동전압을 생성하는 구동신호 생성회로; 및
    상기 컨트롤러로부터 인가된 상기 각 상의 상전환정보를 기반으로, 상기 구동신호를 이용하여, 상기 인버터의 트랜지스터를 동작시키는 게이트 드라이버를 포함하는 모터 구동장치.

  13. BLDC 모터의 각 상에 스위칭 동작을 통해 선택적으로 직류전압을 인가하는 단계;
    상기 각 상의 플로팅 구간에서의 역기전력값에 대한 샘플링을 통해, 역기전력의 패턴을 검출하고, 상기 역기전력의 패턴과 기준패턴을 비교하여, 각 상의 영교차점(ZCP)을 검출하는 단계; 및
    상기 영교차점(ZCP)의 검출여부에 따라, 각 상의 상전환 수행여부를 결정하는 상전환 결정단계를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법.


  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 영교차점(ZCP) 검출단계는
    아날로그 먹스를 통해, 상기 각 상의 플로팅 구간에서 샘플링된 상기 역기전력값을 순차적으로 입력받는 단계;
    변환모듈을 통해,상기 아날로그 먹스로부터 순차적으로 전송된 상기 역기전력값을 디지털 값으로 변환하는 단계;
    저장모듈을 통해, 상기 디지털 값을 순차적으로 저장하는 단계;
    패턴 검출회로를 통해, 상기 저장된 디지털 값을 이용하여, 상기 각 상의 역기전력의 패턴을 검출하는 단계; 및
    ZCP 검출회로를 통해, 상기 역기전력의 패턴과 기설정된 기준패턴을 비교하여, 상기 각 상의 영교차점(ZCP)의 위치정보를 검출하는 단계를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법.

  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 상전환 결정단계는
    상기 영교차점(ZCP)이 검출된 경우에
    상기 검출된 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 회전자의 위치 및 회전속도를 측정하는 단계;
    상기 회전자의 위치 및 회전속도를 기반으로, PWM 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 PWM 신호를 이용한 인버터의 스위칭 동작을 통해, 상기 각 상의 상전환 수행을 제어하는 단계를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 상전환 결정단계는
    상기 영교차점(ZCP)을 검출되지 않은 경우에
    상기 기준패턴과 비교하여, 상기 역기전력의 패턴의 위치정보를 검출하는 단계;
    상기 위치정보를 이용하여, 영교차점(ZCP)의 발생위치를 계산하는 단계;
    상기 계산된 영교차점(ZCP)의 위치정보등을 이용하여, 회전자의 위치 및 회전속도를 측정하는 단계;
    상기 회전자의 위치 및 회전속도를 기반으로, PWM 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 PWM 신호를 이용한 인버터의 스위칭 동작을 통해, 상기 각 상의 상전환 수행을 제어하는 단계를 포함하는 모터 구동장치의 제어방법.
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