KR20150129755A

KR20150129755A - 무브러시 dc 모터들용 사인 변형 사다리꼴 구동

Info

Publication number: KR20150129755A
Application number: KR1020157026987A
Authority: KR
Inventors: 워드 알. 브라운; 하워드 헨드릭스
Original assignee: 마이크로칩 테크놀로지 인코포레이티드
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2015-11-20
Also published as: US9071172B2; EP2973987A2; TWI634734B; CN105144566B; WO2014159092A2; US20140265967A1; CN105144566A; WO2014159092A3; TW201448447A

Abstract

무브러시 직류 전류(BLDC) 모터에 대한 펄스폭 변조(PWM) 사다리꼴 정류 구동은, 인가된 구동 전압이 BLDC 모터에서 생성되는 유도 전압과 실질적으로 일치하도록 사인 변형된다. -30도와 +30도 사이의 각도의 코사인 값들은, 연결되지 않은 모터 단자들에서 측정되는 제로 크로싱 BEMF 전압들 사이의 시간들로부터 결정되는 회전자 각 위치들에 의존하여 PWM 구동 신호의 듀티 사이클을 변형하는데 이용된다.

Description

무브러시 DC 모터들용 사인 변형 사다리꼴 구동{SINE MODIFIED TRAPEZOIDAL DRIVE FOR BRUSHLESS DC MOTORS}

본 출원은 Ward R. Brown 및 Howard Hendricks에 의해 "Sine Modified Trapezoidal Drive for Brushless DC Motors"라는 발명의 명칭으로 2013년 3월 14일에 출원된 공동 소유의 미국 가출원 제61/784,606호의 우선권을 주장하며, 상기 가출원은 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로서 통합된다.

본 발명은 무브러시 직류(BLDC) 모터들에 관한 것으로, 특히 BLDC 모터에 대해 사인파 변형 사다리꼴 구동을 발생시키는 것에 관한 것이다.

무브러시 직류(BLDC) 모터들은 전기제품(appliances), 자동차, 항공우주산업, 가전기기(consumer), 의료기기(medical), 산업 자동화 장비 및 도구와 같은 산업 분야들에서 사용되고 있다. BLDC 모터들은 정류용 브러시들을 사용하지 않고, 대신에 전자 정류가 사용된다. BLDC 모터들은 브러시 DC 모터들과 유도 모터들을 능가하는 장점들, 더 좋은 속도 대 토르크 특성들, 높은 동적 응답, 고 효율, 긴 동작 수명, 더 긴 시간의 서비스 간 간격, 실질적인 무잡음 동작 및 더 높은 속도 범위를 갖고 있다. BLDC 모터들의 더욱 상세한 개관은 "Blushless DC Motor Control Made Easy"라는 제목의 마이크로칩 애플리케이션 노트 AN857 및 "Blushless DC (BLDC) Motor Fundamentals"라는 제목의 마이크로칩 애플리케이션 노트 AN885에서 볼 수 있고, 둘 다가 www.microchip.com에 나와 있으며, 둘 다는 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로서 통합된다.

BLDC 모터 제어는 3가지 상황: (1) 모터 속도를 제어할 펄스폭 변조(PWM) 구동 전압들, (2) BLDC 모터의 고정자를 정류하는 메커니즘, 및 (3) BLDC 모터의 회전자 위치를 평가하는 방식을 제공한다. PWM는 BLDC 모터의 고정자 권선들에 가변 전압을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 고정자 권선들에 제공되는 실효 전압은 PWM 듀티 사이클에 비례한다. 고정자 코일들의 인덕턴스들은 저주파 통과 필터들로서 작용하여서 PWM 펄스들을 평활하여(smooth out) 실질적인 직류(DC) 전압들이 되게 한다. 적절히 정류된다면, BLDC 모터의 토르크-속도 특성은 실질적으로 DC 모터와 동일하다. 가변 전압은 모터의 속도와 이용 가능한 토르크를 제어한다.

3상 BLDC 모터는 전기 사이클, 즉 스텝당 60 전기각으로 6개의 스텝으로 이루어지는 360 회전 전기 회전각를 완성한다. 매 60 전기각마다 동기적으로, 권선 상 전류 스위칭이 업데이트(정류)된다. 하지만, 하나의 전기 사이클은 모터 회전자의 하나의 기계 회전(360 기계각)에 일치하지 않을 수 있다. 하나의 기계 회전을 마치도록 반복될 전기 사이클의 수는 회전자 극 쌍들의 수에 의존한다.

BLDC 모터들은 자려식(self-commutating)이 아니어서, 따라서 제어하기에 좀 더 복잡하다. BLDC 모터 제어는 모터 회전자 위치와 BLDC 모터 회전자 권선들을 정류하는 메커니즘의 지식을 필요로 한다. BLDC 모터의 폐루프 속도 제어를 위해서는 2개의 추가 요구 사항(requirements), 즉 BLDC 모터로부터 모터 속도와 전력을 제어하기 위한 회전 속도의 측정 및 펄스폭 변조(PWM) 구동 신호가 필요하다.

BLDC 모터의 회전자 위치를 감지하고자 하는 경우에는 홀 효과 센서들이 절대적인 회전자 위치 감지를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 하지만, 홀 효과 센서들은 BLDC 모터의 비용 및 복잡도를 증가시킨다. 센서리스(sensorless) BLDC 제어는 모터의 각 상(A-B-C)마다 역기전력(BEMF) 전압들을 모니터링하여 구동 정류를 결정함으로써, 홀 효과 센서들의 필요를 제거한다. 미구동된(un-driven) 상의 BEMF가 정류 주기 중간에서 모터 공급 전압의 50%를 크로싱할 때에, 구동 정류는 모터에 대해 동기화된다. 이것은 각 전기 사이클에 걸쳐 BEMF가 제로 크로싱 전압 상하로 변하는 "제로-크로싱"으로 지칭된다. 제로-크로싱은 구동 상들에 구동 전압이 인가되고 있을 때에 미구동된 상에서만 검출될 수 있다. 그래서 3상 BLDC 모터를 위해 구동 전압이 2개의 구동 상들에 인가되는 동안에는, 모터 공급 전압의 50% 미만으로부터 50% 초과까지 미구동된 상에서의 BEMF의 변화를 검출하는 것이 사용될 수 있다.

BLDC 모터를 위한 가장 간단한 제어 방법 중 하나는 사다리꼴 정류이다. 예를 들어 파워 트랜지스터들을 이용하는 스위칭(정류)은 회전자 위치에 의존하여 3상 BLDC 모터의 고정자 권선들 중 적절한 2개의 고정 권선들에 전원을 공급한다. 제3 권선은 전원으로부터 분리된 채로 남아 있다. (WYE 연결 고정자 권선들에 있어서) 회전자가 회전하는 동안에는, 2개의 고정자 권선 전류는 크기가 같으며 제3 비연결 고정자 권선 전류는 0이다. 3상 BLDC 모터에서는 6개의 서로 다른 공간 벡터 방향들만이 있으며, 회전자가 회전함에 따라, 2개의 고정자 권선들(WYE 연결 고정자 권선들)을 통과하는 전류는 매 60 전기 회전각에서 전기적으로 스위칭(정류)되므로, 전류 공간 벡터는 항상 직각 위상(quadrature) 방향을 기준으로 가장 가까운 30도 내에 있다. 그러므로 각 권선용 전류 파형은 0으로부터, 포지티브 전류로, 0으로 그리고 이후 네거티브 전류로 변하는 계단형이다. 이로 인해, 회전자가 회전함에 따라 6개의 별개의(distinct) 방향들 사이를 나아갈 때 평활(smooth) 회전에 가까운 전류 공간 벡터가 만들어진다. 사다리꼴 전류 구동 BLDC 모터들은 제어의 간단함 때문에 인기가 있지만, 사인 곡선 구동보다 높은 토르크 리플과 낮은 효율로 인해 문제가 있다.

사인 곡선 정류는 회전자가 회전함에 따라 평활하게 변하는 3개의 전류들로 BLDC 모터의 3개의 고정자 권선들을 구동한다. 이들 전류의 상대적 위상들은 예를 들어, 120도 떨어져 선택되어서, 이들은 항상 회전자에 대해 직각 위상 방향에 있는 그리고 일정한 크기를 갖는 평활하게 회전하는 전류 공간 벡터를 제공한다. 이로 인해, 사다리꼴 정류와 연관된 토르크 리플과 정류 스파이크들이 제거된다. 하지만 사인 곡선 정류 구동 시스템들은 사다리꼴 정류 구동 시스템들보다 더 복잡하고 비용이 더 많이 든다.

BLDC 모터를 구동할 때에 더 낮은 회로 복잡성과 비용으로 토르크 리플을 감소시키고 효율을 증가시킬 필요가 있다.

일 실시예에 따르면, 무브러시 직류(BLDC) 모터에 대한 사다리꼴 구동을 변형하기 위한 방법은 정류 구동 주기를 시작하는 단계; 상기 정류 구동 주기를 N개의 시간 세그먼트들로 분할하는 단계; 상기 N개의 시간 세그먼트들을 N개의 각도 세그먼트들과 결합시키는 단계, - 상기 N개의 시간 세그먼트들의 중앙부에 있는 상기 N개의 각도 세그먼트들 중 하나의 각도 세그먼트는 실질적으로 제로(0) 도일 수 있음 - ; 상기 N개의 각도 세그먼트들의 각각에 대해 코사인 값들을 결정하는 단계; 및 상기 정류 구동 주기 동안 적절한 시간들의 상기 코사인 값들로 상기 BLDC 모터에 대한 펄스폭 변조(PWM) 구동의 듀티 사이클을 변형하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 BLDC 모터는 3상으로 제1 모터 단자, 제2 모터 단자 및 제3 모터 단자를 구비한다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 정류 구동 주기를 시작하는 단계는, 상기 제1 모터 단자를 전력 공급 공통부에 결합시키는 단계; 상기 제2 모터 단자를 상기 PWM 구동에 의해 제어되는 전력 공급 전압에 결합시키는 단계; 역기전력(BEMF) 전압이 상기 제3 모터 단자에서 언제 실질적으로 제로에 있는지를 결정하는 단계, - 상기 제3 모터 단자는 상기 전력 공급 공통부 또는 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않을 수 있음 - ; 및 실질적으로 제로 전압에 있는 상기 BEMF 전압과 실질적으로 제로 전압에 있는 이전의 BEMF 전압 사이의 시간으로부터 상기 정류 구동 주기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 각각 60 전기각 회전의 6개의 정류 구동 주기들이 있고, 상기 6개의 정류 구동 주기들의 각 정류 구동 주기는 모터 단자들의 서로 다른 연결 구성을 가질 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 N개의 각도 세그먼트들은 약 마이너스 30 (-30)도로부터 약 플러스 30 (+30)도까지일 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 PWM 구동의 듀티 사이클은 제로(0) 도의 각도 세그먼트에서 가장 큰 값일 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 3상 BLDC 모터는 3개의 고정자 폴 페어(pole pair) 권선들을 가질 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 3개의 고정자 폴 페어 권선들은 WYE 연결일 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 3개의 고정자 폴 페어 권선들은 델타 연결일 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 3상 BLDC 모터는 상마다 하나의 폴 페어 권선을 가질 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 3상 BLDC 모터는 상마다 적어도 2개의 폴 페어 권선들을 가질 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 코사인 값들을 결정하는 단계는 마이크로컨트롤러와 코사인 룩업 테이블에 의해 행해질 수 있다. 상기 방법의 구체적인 실시예에 따르면, 상기 정류 구동 주기를 시작하는 단계, 상기 정류 구동 주기를 N개의 시간 세그먼트들로 분할하는 단계, 상기 N개의 시간 세그먼트들을 N개의 각도 세그먼트들과 결합시키는 단계, 상기 코사인 값들을 결정하는 단계, 및 상기 PWM 구동의 듀티 사이클을 변형하는 단계는 마이크로컨트롤러에 의해 행해질 수 있다.

또 하나의 실시예에 따르면, 사인 변형 펄스폭 변조(PWM)에 의해 무브러시 직류(BLDC) 모터를 구동하기 위한 시스템은, 제1 모터 단자, 제2 모터 단자 및 제3 모터 단자를 구비하는 3상 BLDC 모터; 상기 모터 단자들의 각각에 결합되는 상부 파워 스위치들 및 하부 파워 스위치들, - 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들은 상기 PWM 구동에 의해 제어되는 전력 공급 공통부와 전력 공급 전압 사이에 더 결합되며, 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들의 각각은 상기 모터 단자들의 각각의 단자를 상기 전력 공급 공통부 및 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나 어디에도 연결하지 않을 것임 - ; 제로 크로싱 전압 검출기들, - 상기 모터 단자들의 각 단자는 상기 제로 크로싱 전압 검출기들의 각각의 검출기에 연결될 수 있음 - ; PWM 마스터 시간 기반부; 상기 PWM 마스터 시간 기반부 및 상기 모터 단자들의 각각의 모터 단자들에 결합되는 PWM 생성기들; 및 코사인 룩업 테이블, 및 상기 모터 단자들 중 상기 전력 공급 공통부 및 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않은 단자들의 역기전력(BEMF) 제로 전압 크로싱들 사이의 시간 주기를 저장하기 위한 적어도 하나의 타이머/카운터를 포함하는 마이크로컨트롤러, - 상기 제로 크로싱 전압 검출기들은 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들이 언제 일어나는지를 제공함 - ;을 포함할 수 있고, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들 사이의 저장된 시간 주기들과 연관된 회전각의 코사인 값들에 근거하여 상기 PWM 생성기들로부터 상기 PWM 구동의 듀티 사이클을 제어하기 위한 상기 PWM 생성기들로의 사인 변형 듀티 사이클 PWM 제어 신호를 생성한다.

구체적인 실시예에 따르면, 상부 및 하부 구동기 쌍들이 상기 PWM 생성기들과, 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들 중 각각의 파워 스위치들 사이에 결합될 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들은 상부 및 하부 파워 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터들(MOSFETs)을 포함할 수 있다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 PWM 제어 신호의 상기 듀티 사이클은 각 저장된 시간 주기의 1/2 시간에서 가장 큰 값일 수 있다.

다른 또 하나의 실시예에 따르면, 무브러시 직류(BLDC) 모터에 사인 변형 펄스폭 변조(PWM) 구동을 제공하기 위한 모터 컨트롤러는 각 모터 단자에 결합되는 상부 파워 스위치들 및 하부 파워 스위치들, - 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들은 상기 PWM 구동에 의해 제어되는 전력 공급 공통부와 전력 공급 전압 사이에 더 결합되며, 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들의 각각은 상기 모터 단자들의 각각을 상기 전력 공급 공통부와 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나 어디에도 연결하지 않을 것임 - ; 제로 크로싱 전압 검출기들, - 상기 모터 단자들의 각 단자는 상기 제로 크로싱 전압 검출기들의 각각의 검출기에 연결될 수 있음 - ; PWM 마스터 시간 기반부; 상기 PWM 마스터 시간 기반부 및 상기 모터 단자들의 각각의 모터 단자들에 결합되는 PWM 생성기들; 및 코사인 룩업 테이블, 및 상기 모터 단자들 중 상기 전력 공급 공통부 및 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않은 단자들의 역기전력(BEMF) 제로 전압 크로싱들 사이의 시간 주기를 저장하기 위한 적어도 하나의 타이머/카운터를 포함하는 마이크로컨트롤러, - 상기 제로 크로싱 전압 검출기들은 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들이 언제 일어나는지를 제공함 - ;을 포함할 수 있고, 상기 마이크로컨트롤러는 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들 사이의 저장된 시간 주기들과 연관된 회전각의 코사인 값들에 근거하여 상기 PWM 생성기들로부터 상기 PWM 구동의 듀티 사이클을 제어하기 위한 상기 PWM 생성기들로의 사인 변형 듀티 사이클 PWM 제어 신호를 생성한다. 구체적인 실시예에 따르면, 상기 PWM 제어 신호의 상기 듀티 사이클은 각 저장된 시간 주기의 1/2 시간에서 가장 큰 값일 수 있다.

상술한 구성에 의해, BLDC 모터를 구동할 때에 더 낮은 회로 복잡성과 비용으로 토르크 리플을 감소시키고 효율을 증가시킬 수 있다.

본 개시는 첨부 도면들과 결합된 이하의 설명을 참조하면 보다 완전하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 교시들에 따른, WYE 및 델타 구성들로 연결된 3상 BLDC 모터 권선들의 개략도들을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 교시들에 따른, WYE 권선으로 구성된 3상 BLDC 모터 동작의 개략적인 파형 그래프를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 개시의 교시들에 따른, 델타 권선으로 구성된 3상 BLDC 모터 동작의 개략적인 파형 그래프를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 개시의 교시들에 따른, 3상 BLDC 모터에 대한 사다리꼴 구동의 개략적인 파형 그래프를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 모터에 대한 사인 변형 구동의 개략적인 파형 그래프를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 모터 컨트롤러-구동기의 개략적인 블록도를 도시하는 도면이다.
도 7은 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 모터 컨트롤러-구동기의 개략적인 동작 흐름도를 도시하는 도면이다.
본 개시는 다양한 변형들 및 대안의 형태들을 허용하지만, 그의 특정 예시의 실시예들이 도면들에 도시되었고 본 명세서에서 상세히 설명된다. 하지만, 그 특정 예시의 실시예들에 대한 설명은 본 개시를 여기에서 개시된 특정 형태들로 한정하고자 하는 것이 아니고, 오히려, 본 개시는 특허청구범위에 정의되는 모든 변형들 및 균등물들을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다.

본 개시의 실시예에 따르면, 사다리꼴 구동의 각 구동 스텝이 사인 변형되므로, 인가된 구동 전압, 예를 들어 PWM이 실질적으로 BLDC 모터의 유도 전압과 일치한다. 이로 인해, BLDC 모터는 가장 효율적이고 가장 적은 토르크 리플로 동작할 수 있을 것이다. 이는 예를 들어, 3상 BLDC 모터에 대해 한 번에 하나의 모터 단자에만 단상 사인파, 예를 들어 사인 변형 PWM 듀티 사이클의 작은 부분으로써, BLDC 모터에 대한 정상의 DC 구동, 예를 들어 PWM 구동을 변형함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 제1 단자는 제1 고정자 권선에 연결되고 그리고 전원 공급 공통부에 있으며, 제2 단자는 사인 변형된 PWM 듀티 사이클 구동 전압으로 구동된다. 3상 BLDC 모터의 제3 단자는 플로팅으로 남게 되는데, 예를 들어, 전원 공급 공통부 및 PWM 구동 신호 중 어느 하나에 연결되지 않는다. BLDC 모터의 회전 속도를 결정하기 위한 그리고 또 하나의 모터 상 단자에 대해 언제 구동 전압을 정류할지를 결정하는 PWM 구동 신호가 온일 때에는 언제든지, 역기전력(BEMF) 전압이 제3 단자에서 측정된다. 3개의 단자 연결 관계들은 회전자가 매번 60도 회전할 때마다 변경(정류)된다. 3상보다 많은 상을 갖는 BLDC 모터들이 본 개시의 교시로부터 또한 혜택을 얻을 수 있음이 예상되고 본 발명의 범위 내에 있다.

WYE 연결된 3상 BLDC 모터에서는 제1 단자 및 제2 단자에 연결된 제1 고정자 권선 및 제2 고정자 권선이 또한 직렬로 연결되고, 제3 고정자 권선은 제1 고정자 권선과 제2 고정자 권선 사이의 공통 연결부와 제3 단자 사이에 연결된다. 델타 연결된 3상 BLDC 모터에서는 제1 고정자 권선이 제1 단자 및 제2 단자 사이에 연결되고, 제2 고정자 권선은 제2 단자와 제3 단자 사이에 연결되고, 제3 고정자 권선은 제3 단자 및 제1 단자 사이에 연결된다. 제1 단자는 전력 공급 공통부에 있고 제2 단자는 사인 변형 PWM 듀티 사이클 구동 전압으로 구동될 때에는, 제1 고정자 권선은 그 권선의 양단에 풀 PWM 구동 신호를 가지며, 제2 고정자 권선 및 제3 고정자 권선은 제1 단자와 제2 단자 사이에 직렬로 연결되고, 그리고 제1 고정자 권선과 병렬로 연결된다. 제3 단자는 제2 고정자 권선과 제3 고정자 권선 사이에 연결되고, 그리고 예를 들어, 전원 공급 공통부 및 PWM 구동 신호 중 어느 하나에도 연결되지 않은 플로팅으로 남게 된다.

이제 도면을 보면, 특정 예시의 실시예의 세부 사항들이 개략적으로 도시되어 있다. 도면들에서 같은 요소들은 같은 숫자들로 나타내어지며, 유사한 요소들은 같은 숫자들에 다른 소문자 첨자를 붙여서 나타내어질 것이다.

도 1을 보면, 본 개시의 교시들에 따른, WYE 및 델타 구성들로 연결된 3상 BLDC 모터 권선들의 개략도들이 도시되어 있다. 도 2를 보면, 본 개시의 교시들에 따른, WYE 권선으로 구성된 3상 BLDC 모터 동작의 개략적인 파형 그래프가 도시되어 있다. 도 2에서, "A"로 식별되어 도시된 파형은 A 고정자 권선 코일에 의해 유도된 전압이고, "B"로 식별되어 도시된 파형은 B 고정자 권선 코일에 의해 유도된 전압이고, 그리고 "C"로 식별되어 도시된 파형은 C 고정자 권선 코일에 의해 유도된 전압이며, 상기 A, B 및 C 고정자 권선 코일들(도 1)은 영구 자계가 있을 때에 움직인다. A-B로서 식별되는 파형은 단자 V에 대해 단자 U에서 유도된 전압이며, C-B로서 식별되는 파형은 단자 V에 대해 단자 W에서 유도된 전압이며, 그리고 A-C로서 식별되는 파형은 단자 W에 대해 단자 U에서 유도된 전압이다.

도 3을 보면, 본 개시의 교시들에 따른, 델타 권선으로 구성된 3상 BLDC 모터 동작의 개략적인 파형 그래프가 도시되어 있다. 도 3에서, "A"로 식별되어 도시된 파형은 A 권선 코일에 의해 유도된 전압이고, "B"로 식별되어 도시된 파형은 B 권선 코일에 의해 유도된 전압이고, 그리고 "C"로 식별되어 도시된 파형은 C 권선 코일에 의해 유도된 전압이며, 상기 A, B 및 C 권선 코일들(도 1)은 영구 자계가 있을 때에 움직인다. A+B로서 식별되는 파형은 단자 V에 대해 단자 U에서 유도된 전압이며, B+C로서 식별되는 파형은 단자 U에 대해 단자 W에서 유도된 전압이며, 그리고 C+A로서 식별되는 파형은 단자 W에 대해 단자 V에서 유도된 전압이다. WYE 및 델타 구성들 둘 다에서, 3상 BLDC 모터는 인가된 전압이 유도된 권선 전압과 실질적으로 일치할 때에 가장 효율적이고 가장 낮은 토르크 리플로 동작할 것이다

도 4를 보면, 본 개시의 교시들에 따른, 3상 BLDC 모터에 대한 사다리꼴 구동의 개략적인 파형 그래프가 도시되어 있다. 미구동된, 즉 플로팅되는 고정자 권선 단자는 실질적으로 제로(0) 전압으로부터 모터 전압까지 변하는 사다리꼴 전압 파형을 포함하며, 그리고 60도 정류들을 위해 BEMF 제로 크로스 센서리스 회전자 위치 결정들을 결정하는데 사용되며, 이는 www.microchip.com에서 "Blushless DC (BLDC) Motor Fundamentals"라는 제목의 마이크로칩 애플리케이션 노트 AN885에 보다 상세하게 설명되어 있으며, 상기 AN885는 모든 목적을 위해 본 명세서에 참조로서 통합된다. 고정자 권선 전압들은 120 전기각들만큼 시간상 시프트된 위상이며, 2개의 직렬 연결된 고정자 권선들의 양단 전압들의 합은 매 60 전기각마다 모터 구동 전압 상하로 조금 변하는 상부 파형으로서 도시되어 있다. 미구동된 제3 고정자 권선에 연결되는 플로팅 단자의 사다리꼴 파형 (BEMF)보다 이 파형이 작거나 클 때 이 파형의 부분들에 주목해야 한다. 사다리꼴 파형이 2개의 직렬 연결된 고정자 권선들의 양단 전압보다 클 때에는 "과 구동"(over-driven)이며, 사다리꼴 파형이 2개의 직렬 연결된 고정자 권선들의 양단 전압보다 작을 때에는 "부족 구동"(under-driven)이다

도 5를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 모터에 대한 사인 변형 구동의 개략적인 파형 그래프가 도시되어 있다. 본 개시의 교시에 따르면, 2개의 직렬 연결된 고정자 권선 (WYE 연결 고정자 권선들) 또는 하나의 구동 코일(델타 연결 고정자 권선들)에 대한 PWM 구동의 듀티 사이클은, 결과로 얻어진 도 5의 상부 파형에 도시된 바와 같이 미구동된 제3 권선에서 측정되는 생성된 BEMF 전압과 실질적으로 일치하도록 변화될 수 있다. 이는 펄스폭 변조(PWM) 구동 신호의 듀티 사이클을 변경함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 구동 전압의 증가는 PWM 듀티 사이클의 증가에 기인하며, 그리고 구동 전압의 감소는 PWM 듀티 사이클의 감소에 기인한다. 그러므로 PWM 구동 신호의 사인 변형 듀티 사이클은, 이하에서 보다 상세하게 설명되듯이 각도들에서의 회전자 위치와 그리고 예를 들어 회전자 위치 각도들을 이용하는 코사인 룩업 테이블로부터의 코사인 함수로써 결정될 수 있다.

PWM 듀티 사이클은 BLDC 모터의 속도를 결정하는데, 예를 들어 전 속력(full speed)에서는 PWM 듀티 사이클이 약 100%일 것이며, 반 속력(half-speed)에서는 PWM 듀티 사이클이 약 50%일 것이다. 정류 시간들은, 연결되지 않은 각각 단자들에서의 BEMF가 "제로 볼트"에 있을 때, 예를 들어 WYE 고정자 연결 BLDC 모터의 공통점에서의 전압 또는 약 1/2 구동 전압에 실질적으로 동일할 때 사이의 시간들에 의해 결정될 수 있다. 마이크로컨트롤러를 이용하는 BLDC 모터 컨트롤러에 있어서, 마이크로컨트롤러는 BEMF 제로 크로싱들 사이의 시간을 나타내기 위해 또한 (3상 BLDC 모터에 있어서) 다음 60 전기각 구동 권선 구성에 대해 BLDC 모터 단자들을 언제 정류할지를 결정하는데 사용하기 위해, 타이머/카운터를 프로그램할 수 있다. BEMF 제로 크로싱들 사이의 시간이 변할 때에는, BLDC 모터의 새로운 회전 속도를 적절하게 나타내도록 마이크로컨트롤러가 타이머/카운터의 카운트 값을 또한 변경할 것이다. 이 카운트 값은 60 전기각 구동 주기에 걸쳐 한 세트의 PWM 듀티 사이클 수정자들을 보간하는데 사용될 수 있다.

예를 들어, PWM 펄스폭들의 듀티 사이클은 구동 주기의 중앙에서 가장 크며, 유도된 전압의 피크를 동반하며, 그리고 구동 주기의 각 점에서 각도의 코사인에 의해 감소되며, 여기서 센터의 각도(예를 들어 도 5에서 300도에 도시됨)는 제로(0) 도, 구동 주기의 시작의 각도(예를 들어 도 5에서 270도에 도시됨)는 대략 마이너스 30 (-30)도, 그리고 구동 주기의 종점의 각도(예를 들어 도 5에서 330도에 도시됨)는 대략 플러스 30 (+30)도가 되도록 정의된다. 약 -30도와 약 +30도 사이의 각도의 코사인의 값은 타이머/카운터의 카운트 값들로부터 결정되는 회전자 각 위치들에 의존하여 PWM 구동 신호의 듀티 사이클을 변형하는데 사용될 수 있으며, 상기 타이머/카운터의 카운트 값은 연결되지 않은 모터 단자들에서 측정되는 제로 크로싱 BEMF 전압들 사이의 시간들을 나타낸다.

도 6를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 모터 컨트롤러-구동기의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 3상 BLDC 모터(632)는 3 세트의 파워 스위치들(620-630), 예를 들어 파워 금속 산화막 반도체(MOSFET) 트랜지스터들에 의해 구동될 수 있고, 이 3세트의 파워 스위치들(620-630)은 교대로 모터 단자들 U, V, 또는 W를 전력 공급 공통부, 전력 공급 전압, Vmotor로 결합시키거나, 모터 단자가 "플로트", 즉 전력 공급 공통부 및 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않도록 한다. 이들 파워 스위치들(620-630)은 상부/하부 구동기들(614-618)에 의해 구동될 수 있다. 상부/하부 구동기들(614-618)은 PWM 마스터 시간 기반부(606)로부터 마스터 클록 신호를 수신할 수 있는 PWM 생성기들(608-612)에 결합될 수 있다. PWM 생성기들(608-612)로부터의 PWM 신호들의 듀티 사이클 제어는, 코사인 룩업 테이블(604)에도 또한 결합될 수 있는 마이크로컨트롤로(602)에 의해 제공될 수 있다. 마이크로컨트롤러(602)는 또한, BEMF 전압 제로 크로싱들에 근거하는 회전자 위치 지시를 위해 각 고정자 권선 단자 U, V 및 W, 예를 들어 제로 크로싱 검출기들(602b)에서 전압을 모니터링 할 수 있다. 타이머/카운터(602a)는 BEMF 전압 제로 크로싱들 사이에 결정된 시간으로써 프로그램될 수 있고, 그리고 BEMF 전압 제로 크로싱들 사이의 시간이 변할 때에 업데이트될 수 있다.

예를 들어 타이머/카운터(602a)의 정류 시간 카운트에 근거하여 회전자의 위치를 알 수 있다면, 마이크로컨트롤러는 PWM 구동 신호의 듀티 사이클을 "조절"하여, 인가된 구동 전압, 예를 들어 PWM 듀티 사이클과 유도된 전압이 실질적으로 동일하고, 이에 의해 BLDC 모터(632)의 토르크 리플을 감소시키고 그리고 효율을 증가시킬 수 있다. PWM 구동 신호의 듀티 사이클은 센터의 각도가 0도가 되도록(cosine 0 = 1) 정의되는, 구동 주기의 각 점에서 각도의 코사인에 근거하여 변형될 수 있는데, 여기서 구동 주기의 시작은 약 -30도일 수 있으며, 구동 주기의 종점은 약 +30도일 수 있다. 그러므로 PWM 듀티 사이클은 약 -30도로부터 약 +30도까지의 코사인 값들에 따라 변경될 수 있으며, 여기서 PWM 듀티 사이클은 제로(0) 도에서 가장 큰 값(결과로 얻어진 가장 큰 구동 전압 값)이고, 그 결과 구동 전압 파형은 BLDC 모터 유도 전압과 실질적으로 동일하게 된다. 마이크로컨트롤러(602)는, 타이머/카운터(602a)의 카운트 증분들을 이용하고, 약 -30도로부터 약 +30도까지의 회전각를 표시하고, 그리고 나서, 코사인 룩업 테이블(604)에서 각 카운트 증분과 연관되는 회전각의 코사인 값들을 룩업함으로써, PWM 듀티 사이클을 변경하기 위한 코사인 값들을 통합할 수 있다. 본 개시의 교시에 따라, 이들 코사인 값을 인가하여 PWM 구동 듀티 사이클을 사인 변형할 수 있다. 마이크로컨트롤러는, 대안으로 카운트 증분들로 표현되는 균등 각도(equivalent degrees)에 근거하여 코사인 값들을 계산할 수 있다.

도 7를 보면, 본 개시의 특정 예시의 실시예에 따른, BLDC 모터 컨트롤러-구동기의 개략적인 동작 흐름도가 도시되어 있다. 단계(720)에서, 새로운 정류 주기가 시작된다. 단계(704)에서 제1 모터 단자는 예를 들어 하부 트랜지스터 스위치(622, 626 또는 630)를 통해 전력 공급 공통부에 결합된다. 제1 모터 단자는 전체 정류 주기 동안 전력 공급 공통부에 계속 결합될 수 있다. 단계(706)에서, 제2 모터 단자는 예를 들어 상부 트랜지스터 스위치(624, 628 또는 620)를 통해 PWM 구동 신호에 결합된다. PWM 구동 신호의 듀티 사이클은 BLDC 모터(632)의 속도를 제어하는데 사용된다. 단계(708)에서, 제3 모터 단자는 BEMF 전압이 언제 실질적으로 제로 전압 크로싱, 예를 들어 WYE 권선 연결 모터의 공통부의 전압 또는 1/2 모터 공급 전압에 있는지를 결정하기 위해 모니터링된다.

단계(710)에서, 현재의 BEMF 제로 전압 크로싱과 이전의 BEMF 제로 전압 크로싱 사이의 시간이 결정되는데, 이 시간은 모터의 회전 속도를 나타내는 BLDC 모터의 정류 구동 시간 주기를 설정한다. 단계(712)에서, 결정된 정류 구동 시간 주기는, 또한 하나의 정류 시간 주기를 나타내는 약 -30도로부터 약 +30도까지의 모터의 회전을 나타내는 N 시간 세그먼트들로 분할될 수 있다. 단계(714)에서, 이들 N 시간 세그먼트들은 -30도로부터 +30도까지의 연관된 회전각의 코사인 값들을 룩업하는데 사용될 수 있다. 대안으로, 마이크로컨트롤러(602)는 N 시간 세그먼트들을 각도 세그먼트들, 예를 들어 약 -30도로부터 약 +30도까지의 소망하는 단위(granularity)에 의존하는 각도 범위들로 변환한 다음 각각의 각도 세그먼트에 대한 코사인 값들을 계산할 수 있다. 단계(716)에서, 정류 N 시간 세그먼트들 동안 각각의 회전각의 코사인 값들은 PWM 구동 신호의 듀티 사이클을 사인 변형하는데 사용된다. 단계(718)는 정류 시간 주기가 약 +30 회전각에서 언제 종료되었는 지를 결정하며, 즉, 정류 시간 주기는 약 -30도로부터 약 +30도까지 60도 회전으로서 정의된다. 정류 시간 주기의 종점에서 새로운 정류와 정류 시간 주기가 단계(702)에서 시작된다.

정류 주기들 동안에 PWM 구동 신호의 듀티 사이클을 사인 변형하는 것은 또한, 1, 2 그리고 3보다 많은 상 BLDC 모터들에 적절하게 인가될 수 있음이 예상되고 본 개시의 범위 내에 있다. BLDC 모터 구동 설계 분야에서 통상의 지식과 본 개시의 혜택을 가진 자는 과도한 실험 없이 이러한 애플리케이션들을 용이하게 구현할 수 있을 것이다.

본 개시의 실시예들은 본 개시의 예시적인 실시예들을 참조하여 특별히 도시되고 설명되고 정의되었지만, 이러한 참조는 본 개시의 한정을 의미하지 않고 이러한 한정이 추정되지도 않는다. 개시된 본 발명은 이 기술분야에 통상의 기술을 가지고 본 개시의 혜택을 갖는 사람들에게는 형태와 기능에 있어서 상당한 수정, 대체, 및 균등물들이 가능하다. 본 개시의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 개시의 범위를 한정하지 않는다.

Claims

무브러시 직류(BLDC) 모터에 대한 사다리꼴 구동을 변형하기 위한 방법으로서,
정류 구동 주기를 시작하는 단계;
상기 정류 구동 주기를 N개의 시간 세그먼트들로 분할하는 단계;
상기 N개의 시간 세그먼트들을 N개의 각도 세그먼트들과 결합시키는 단계, - 상기 N개의 시간 세그먼트들의 중앙부에 있는 상기 N개의 각도 세그먼트들 중 하나의 각도 세그먼트는 실질적으로 제로(0) 도임 - ;
상기 N개의 각도 세그먼트들의 각각에 대해 코사인 값들을 결정하는 단계; 및
상기 정류 구동 주기 동안 적절한 시간들의 상기 코사인 값들로 상기 BLDC 모터에 대한 펄스폭 변조(PWM) 구동의 듀티 사이클을 변형하는 단계를 포함하는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제1항에 있어서,
상기 BLDC 모터는 3상으로 제1 모터 단자, 제2 모터 단자 및 제3 모터 단자를 구비하는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제2항에 있어서,
상기 정류 구동 주기를 시작하는 단계는,
상기 제1 모터 단자를 전력 공급 공통부에 결합시키는 단계;
상기 제2 모터 단자를 상기 PWM 구동에 의해 제어되는 전력 공급 전압에 결합시키는 단계;
역기전력(BEMF) 전압이 상기 제3 모터 단자에서 언제 실질적으로 제로에 있는지를 결정하는 단계, - 상기 제3 모터 단자는 상기 전력 공급 공통부 또는 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않음 - ; 및
실질적으로 제로 전압에 있는 상기 BEMF 전압과 실질적으로 제로 전압에 있는 이전의 BEMF 전압 사이의 시간으로부터 상기 정류 구동 주기를 결정하는 단계를 포함하는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제2항에 있어서,
각각 60 전기각 회전의 6개의 정류 구동 주기들이 있고, 상기 6개의 정류 구동 주기들의 각 정류 구동 주기는 모터 단자들의 서로 다른 연결 구성을 갖는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제2항에 있어서,
상기 N개의 각도 세그먼트들은 약 마이너스 30 (-30)도로부터 약 플러스 30 (+30)도까지인, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제5항에 있어서,
상기 PWM 구동의 듀티 사이클은 제로(0) 도의 각도 세그먼트에서 가장 큰 값인, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제2항에 있어서,
상기 3상 BLDC 모터는 3개의 고정자 폴 페어(pole pair) 권선들을 갖는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제7항에 있어서,
상기 3개의 고정자 폴 페어 권선들은 WYE 연결인, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제7항에 있어서,
상기 3개의 고정자 폴 페어 권선들은 델타 연결인, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제2항에 있어서,
상기 3상 BLDC 모터는 상마다 하나의 폴 페어 권선을 갖는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제2항에 있어서,
상기 3상 BLDC 모터는 상마다 적어도 2개의 폴 페어 권선들을 갖는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제1항에 있어서,
상기 코사인 값들을 결정하는 단계는 마이크로컨트롤러와 코사인 룩업 테이블에 의해 행해지는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
제1항에 있어서,
상기 정류 구동 주기를 시작하는 단계, 상기 정류 구동 주기를 N개의 시간 세그먼트들로 분할하는 단계, 상기 N개의 시간 세그먼트들을 N개의 각도 세그먼트들과 결합시키는 단계, 상기 코사인 값들을 결정하는 단계, 및 상기 PWM 구동의 듀티 사이클을 변형하는 단계는 마이크로컨트롤러에 의해 행해지는, 무브러시 직류 모터에 대한 사다리꼴 구동 변형 방법.
사인 변형 펄스폭 변조(PWM)에 의해 무브러시 직류(BLDC) 모터를 구동하기 위한 시스템으로서,
제1 모터 단자, 제2 모터 단자 및 제3 모터 단자를 구비하는 3상 BLDC 모터;
상기 모터 단자들의 각각에 결합되는 상부 파워 스위치들 및 하부 파워 스위치들, - 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들은 상기 PWM 구동에 의해 제어되는 전력 공급 공통부와 전력 공급 전압 사이에 더 결합되며, 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들의 각각은 상기 모터 단자들의 각각의 단자를 상기 전력 공급 공통부 및 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나 어디에도 연결하지 않을 것임 - ;
제로 크로싱 전압 검출기들, - 상기 모터 단자들의 각 단자는 상기 제로 크로싱 전압 검출기들의 각각의 검출기에 연결됨 - ;
PWM 마스터 시간 기반부;
상기 PWM 마스터 시간 기반부 및 상기 모터 단자들의 각각의 모터 단자들에 결합되는 PWM 생성기들; 및
코사인 룩업 테이블, 및 상기 모터 단자들 중 상기 전력 공급 공통부 및 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않은 단자들의 역기전력(BEMF) 제로 전압 크로싱들 사이의 시간 주기를 저장하기 위한 적어도 하나의 타이머/카운터를 포함하는 마이크로컨트롤러, - 상기 제로 크로싱 전압 검출기들은 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들이 언제 일어나는지를 제공함 - ;을 포함하고,
상기 마이크로컨트롤러는 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들 사이의 저장된 시간 주기들과 연관된 회전각의 코사인 값들에 근거하여 상기 PWM 생성기들로부터 상기 PWM 구동의 듀티 사이클을 제어하기 위한 상기 PWM 생성기들로의 사인 변형 듀티 사이클 PWM 제어 신호를 생성하는, 무브러시 직류 모터 구동 시스템.
제14항에 있어서,
상기 PWM 생성기들과, 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들 중 각각의 파워 스위치들 사이에 결합되는 상부 및 하부 구동기 쌍들을 더 포함하는, 무브러시 직류 모터 구동 시스템.
제14항에 있어서,
상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들은 상부 및 하부 파워 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터들(MOSFETs)을 포함하는, 무브러시 직류 모터 구동 시스템.
제14항에 있어서,
상기 PWM 제어 신호의 상기 듀티 사이클은 각 저장된 시간 주기의 1/2 시간에서 가장 큰 값인, 무브러시 직류 모터 구동 시스템.
무브러시 직류(BLDC) 모터에 사인 변형 펄스폭 변조(PWM) 구동을 제공하기 위한 모터 컨트롤러로서,
각 모터 단자에 결합되는 상부 파워 스위치들 및 하부 파워 스위치들, - 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들은 상기 PWM 구동에 의해 제어되는 전력 공급 공통부와 전력 공급 전압 사이에 더 결합되며, 상기 상부 파워 스위치들 및 상기 하부 파워 스위치들의 각각은 상기 모터 단자들의 각각을 상기 전력 공급 공통부와 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에 연결하거나 어디에도 연결하지 않을 것임 - ;
제로 크로싱 전압 검출기들, - 상기 모터 단자들의 각 단자는 상기 제로 크로싱 전압 검출기들의 각각의 검출기에 연결됨 - ;
PWM 마스터 시간 기반부;
상기 PWM 마스터 시간 기반부 및 상기 모터 단자들의 각각의 모터 단자들에 결합되는 PWM 생성기들; 및
코사인 룩업 테이블, 및 상기 모터 단자들 중 상기 전력 공급 공통부 및 상기 전력 공급 전압 중 어느 하나에도 연결되지 않은 단자들의 역기전력(BEMF) 제로 전압 크로싱들 사이의 시간 주기를 저장하기 위한 적어도 하나의 타이머/카운터를 포함하는 마이크로컨트롤러, - 상기 제로 크로싱 전압 검출기들은 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들이 언제 일어나는지를 제공함 - ;을 포함하고,
상기 마이크로컨트롤러는 상기 BEMF 제로 전압 크로싱들 사이의 저장된 시간 주기들과 연관된 회전각의 코사인 값들에 근거하여 상기 PWM 생성기들로부터 상기 PWM 구동의 듀티 사이클을 제어하기 위한 상기 PWM 생성기들로의 사인 변형 듀티 사이클 PWM 제어 신호를 생성하는, 모터 컨트롤러.
제18항에 있어서,
상기 PWM 제어 신호의 상기 듀티 사이클은 각 저장된 시간 주기의 1/2 시간에서 가장 큰 값인, 모터 컨트롤러.