KR20160028251A - Bldc 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

Bldc 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BLDC(Blushless DC) 모터를 구동시키는 모터 구동부(100) 및 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 감지하여 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 제어부(200)를 포함하여 구성되며, 상기 제어부(200)는 기설정된 기준 RPM을 토대로 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속(High RPM)인지, 저속(Low RPM)인지 판별하여 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어 시스템에 관한 것이다.

Description

BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법 {BLDC Motor control system and control method}
본 발명은 BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 BLDC(Blushless DC) 모터의 회전 속도를 감지하여 미리 설정된 기준 RPM에 따라 상이하게 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행함으로써, 각 RPM의 구간에서 최고의 효율로 구동할 수 있는 BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
소형 정밀제어 모터는 크게 AC 모터, DC 모터, BLDC(Brushless) 모터 및 릴럭턱스(Reluctance) 모터로 구분된다.
최근들어 소형모터는 자동차 고급화로 인한 제어장치 증가로 각종 전자기기와 정밀기기의 구동원, 제어원으로서 관련제품 개발과 경쟁력 확보를 좌우하는 핵심부품으로 위치를 확고히 굳히고 있으며, 이에 따라 구동되는 모터의 소형화, 저소음화, 저소비전력화 등이 요구된다.
BLDC 모터는 브러쉬와 정류자가 없는 모터로서, 기계적인 마찰손실과 불꽃, 노이즈가 원칙적으로 발생하지 않으며 속도 제어나 토크 제어가 뛰어나다. 또한, 속도 제어에 의한 손실이 없고, 소형모터로서의 효율이 뛰어나다.
이외에도 소형화하기 쉽고, 내구성이 강하며, 유지보수가 없어 수명이 길다는 장점이 있어서 점차 가전분야의 제품에 많이 사양되고 있다.
도 1은 종래의 BLDC 모터 제어장치의 제어블럭도이다.
종래의 BLDC 모터(10)의 제어장치는 인버터부(70), 위치감지부(20), PWM 처리부(50)를 포함하며, 인버터는 브릿지 다이오드(미도시)로부터 인가된 DC 전압을 교류 전압으로 변환한다.
이러한 교류 전압이 BLDC 모터(10)에 인가되면 BLDC 모터(10)의 회전자는 회전을 하게 되며, 회전자의 회전에 따라, 위치감지부(20)에서는 회전자의 위치를 감지하여 구동신호발생부(30)와 속도제어부(40)로 제어신호를 출력한다.
속도제어부(40)는 이와 같이 위치감지부(20)로부터 전달되는 회전자의 위치에 대한 정보를 이용하여 모터의 회전속도를 판별한다.
구동신호발생부(30)는 인버터의 각 트랜지스터를 온/오프 스위칭 동작시킬 수 있도록 하는 일정 구동신호를 발생시켜 PWM 처리부(50)로 출력하게 되며, PWM 처리부(50)에서는 속도제어부(40)로부터 입력되는 회전속도 정보에 따라 구동신호발생부(30)로부터 입력된 일정구동신호를 펄스폭 변조하여 게이트 드라이버(60)로 출력한다.
게이트 드라이버(60)는 펄스폭 변조된 구동신호를 인버터와 각 트랜지스터로 공급하여, 각각의 트랜지스터가 온/오프 스위칭 동작하여 BLDC 모터(10)를 구성하는 각 고정자의 각 상(A, B, C)으로 교류 전압이 공급되어 BLDC 모터(10)가 회전 제어되는 것이다.
하지만 PWM 제어 신호를 이용하여 고속으로 회전하는 BLDC 모터(10)에 사용하는 경우, 고속 스위칭 동작에 따라 상전류의 전류 피크치가 증가하며 이는 스위칭에 따른 손실이 증가하여 더 큰 방열관이 필요하거나, 소자의 정격을 증가시켜야 한다는 것을 의미한다.
이에 따라, 본 발명의 BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법은, BLDC 모터 초기 구동시인 저속(Low) RPM에서는 구형파(Block wave, Square wave)로 펄스폭 변조하여 초기 구동 마찰로 인해 큰 힘이 필요한 BLDC 모터를 제어할 수 있으며,
고속(High) RPM에서는 정현파(Sine wave)로 펄스폭 변조하여 BLDC 모터를 제어함으로써, 노이즈 및 리플(ripple) 저감의 효과가 있다.
국내공개특허 제10-2006-0118877호("BLDC 모터 제어 장치 및 그 제어 방법", 이하 선행문헌 1)에서는 소정의 조건에 따라 BLDC 모터에 공급되는 교류 전원의 상 전환하는 시점을 달리하여 BLDC 모터가 회전할 때 발생하는 토크 및 리플을 최소화할 수 있는 BLDC 모터 제어 장치 및 그 제어 방법을 개시하고 있다.
국내 공개 특허 제10-2006-0118877호 (공개일자 2006.11.24.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 BLDC(Blushless DC) 모터의 회전 속도를 감지하여 미리 설정된 기준 RPM에 따라 상이하게 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행함으로써, 각 RPM의 구간에서 최고의 효율로 구동할 수 있는 BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템은, BLDC(Blushless DC) 모터를 구동시키는 모터 구동부(100) 및 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 감지하여 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 제어부(200)를 포함하여 구성되며, 상기 제어부(200)는 기설정된 기준 RPM을 토대로 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속(High RPM)인지, 저속(Low RPM)인지 판별하여 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 제어부(200)는 기설정된 기준 RPM을 이용하여, 상기 BLDC 모터의 회전 속도의 고속인지, 저속인지 판별하는 속도 판별부(210) 및 상기 속도 판별부(210)의 판별 결과에 따라, 상기 BLDC 모터의 구동 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)의 제어 신호를 생성하여 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 신호 생성부(220)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,
상기 제어부(200)는 상기 BLDC 모터의 최대 RPM의 40%에 해당하는 RPM을 기준 RPM으로 설정하여, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 저속으로 판별될 경우, 구형파(Block wave, Square wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하고, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속으로 판별될 경우, 정현파(Sine wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 방법은, 모터 구동부에서 BLDC 모터를 구동시키는 구동 단계(S100) 및 제어부에서 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 감지하여, 기설정된 기준 RPM을 토대로 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 제어 단계(S200)로 이루어지며, 상기 제어 단계(S200)는 속도 판별부에서 기설정된 기준 RPM을 이용하여, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속인지 저속인지 판별하는 속도 판별 단계(S210), 신호 생성부에서 상기 속도 판별 단계(S210)의 판별 결과에 따라, 상기 BLDC 모터의 구동 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)의 제어 신호를 생성하여 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 신호 생성 단계(S220)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 제어 단계(S200)는 상기 BLDC 모터의 최대 RPM의 40%에 해당하는 RPM을 기준 RPM으로 설정하며, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 저속으로 판별될 경우, 구형파(Block wave, Square wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하고, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속으로 판별될 경우, 정현파(Sine wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법은 BLDC(Blushless DC) 모터의 회전 속도를 감지하여 미리 설정된 기준 RPM에 따라 BLDC 모터의 회전 속도가 고속인지, 저속인지 판별하여 각각 상이하게 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 수행함으로써, 각 RPM의 구간에서 최고의 효율로 구동할 수 있다.
이 때, 저속으로 판별될 경우, 마찰에 의한 큰 힘(Togue)이 필요로 하는 BLDC 모터 초기 구동으로 판단하여, 구형파 전류 파형에 의해 BLDC 모터의 구동을 제어하여 BLDC 모터 구동 힘을 증가시킬 수 있으며,
고속으로 판별될 경우, 초기 구동보다 큰 힘이 필요치 않기 때문에 정현파 전류 파형에 의해 BLDC 모터의 구동을 제어함으로써, 소음(noise) 및 리플(ripple)을 감소시킬 수 있다.
이를 통해서, 각각의 RPM에 맞게 상이하게 제어 신호를 생성하여 소음을 줄이고 부드러운 구동을 이룰 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 BLDC 모터 제어 장치의 제어 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템에 의해 BLDC 모터의 회전 속도에 따른 제어 전류 파형을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템에서 BLDC 모터의 회전 속도를 판별하기 위한 기준 RPM을 설정하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템 및 그 제어 방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
더불어, 시스템은 필요한 기능을 수행하기 위하여 조직화되고 규칙적으로 상호 작용하는 장치, 기구 및 수단 등을 포함하는 구성 요소들의 집합을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템을 간략하게 나타낸 구성도이다. 도 2를 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, BLDC(Brushless DC) 모터를 포함하고 상기 BLDC 모터를 구동시키는 모터 구동부(100) 및 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 제어부(200)를 포함하여 구성될 수 있다.
각 구성에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 모터 구동부(100)는 상술한 바와 같이, 상기 BLDC 모터를 구동시킬 수 있으며, 상기 제어부(200)로부터 상기 BLDC 모터의 제어 신호를 전달받아 제어를 수행할 수 있다.
상기 제어부(200)는 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 감지하여 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 제어부(200)는 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 기준 RPM을 토대로 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속(High RPM)인지, 저속(Low RPM)인지 판별하여 각각 상이한 제어 신호를 생성할 수 있다.
상기 제어부(200)는 속도 판별부(210) 및 신호 생성부(220)로 구성될 수 있으며, 상기 속도 판별부(210)는 미리 설정된 기준 RPM을 이용하여 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속인지, 저속인지 판별할 수 있다.
즉, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 미리 설정된 기준 RPM 이상일 경우, 고속으로 판별하고, 미리 설정된 기준 RPM 미만일 경우, 저속으로 판별하게 된다.
여기서, 상기 기준 RPM은 상기 BLDC 모터의 최대 RPM이 40%에 해당하는 RPM을 설정할 수 있으나 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하다. 더불어, 이는 도 4에 도시된 바와 같이, 구형파와 정현파에 따른 효과를 최적화할 수 있도록 설정한 것이며, 이에 따라 적용하는 모터의 최대 RPM에 따라 상이하게 설정할 수 있다.
상기 신호 생성부(220)는 상기 속도 판별부(210)의 판별 결과에 따라, 각각 상이한 상기 BLDC 모터의 구동 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호를 생성하여 상기 BLDC 모터의 구동을 제어할 수 있다.
상세하게는, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 미리 설정된 기준 RPM 미만일 경우, 저속(Low RPM)으로 판별하며 도 3에 도시된 바와 같이, 구형파(Block wave, Square wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어한다.
또한, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 미리 설정된 기준 RPM 이상일 경우, 고속(High RPM)으로 판별하며 도 3에 도시된 바와 같이, 정현파(Sine wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 방법을 나타낸 순서도이다. 도 5를 참조로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 방법의 단계를 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터 제어 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 구동 단계(S100)와, 속도 판별 단계(S210) 및 신호 생성 단계(S220)를 포함하는 제어 단계(S200)로 이루어질 수 있다.
각 단계에 대해서 자세히 알아보자면,
상기 구동 단계(S100)는 상기 모터 구동부(100)에서 상기 BLDC 모터를 구동시킨다.
상기 제어 단계(S200)는 간략하게는, 상기 제어부(200)에서 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 감지하여, 미리 설정된 기준 RPM을 토대로 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 각각 상이한 제어 신호를 생성한다.
다시 말하자면, 상기 제어 단계(S200)는 상기 속도 판별 단계(S210) 및 신호 생성 단계(S220)로 이루어질 수 있으며,
상기 속도 판별 단계(S210)는 상기 속도 판별부(210)에서 미리 설정된 기준 RPM을 이용하여, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속(High RPM)인지, 저속(Low RPM)인지 판별할 수 있다.
상세하게는, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 미리 설정된 기준 RPM 이상일 경우, 고속으로 판별하고, 미리 설정된 기준 RPM 미만일 경우, 저속으로 판별하게 된다. 여기서, 상기 기준 RPM은 상기 BLDC 모터의 최대 RPM이 40%에 해당하는 RPM을 설정할 수 있으나 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하다. 더불어, 이는 도 4에 도시된 바와 같이, 구형파와 정현파에 따른 효과를 최적화할 수 있도록 설정한 것이며, 이에 따라 적용하는 모터의 최대 RPM에 따라 상이하게 설정할 수 있다.
상기 신호 생성 단계(S220)는 상기 신호 생성부(220)에서 상기 속도 판별 단계(S210)의 판별 결과에 따라, 상기 BLDC 모터의 구동 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)의 제어 신호를 각각 상이하게 생성하여 상기 BLDC 모터의 구동을 제어할 수 있다.
상세하게는, 상기 속도 판별 단계(S210)의 판별 결과에 따라, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 미리 설정된 기준 RPM 미만일 경우, 저속(Low RPM)으로 판별하여 도 3에 도시된 바와 같이, 구형파(Block wave, Square wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하게 된다.
이와 반대로, 상기 속도 판별 단계(S210)의 판별 결과에 따라, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 미리 설정된 기준 RPM 이상일 경우, 고속(High RPM)으로 판별하여 도 3에 도시된 바와 같이, 정현파(Sine wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하게 된다.
즉, 다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 제어 시스템 및 그 제어 방법은 BLDC 모터가 초기 구동 시 소음(noise)이 크게 발생하지 않는 반면에, 마찰에 의한 큰 힘(toque)이 필요하므로 이를 판단하여 구형파를 이용하여 BLDC 모터를 제어함으로써, 힘(togue)이 증가하고 힘의 증가에 따라 BLDC 모터의 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, BLDC 모터가 고속 구간에서는 소음이 크게 발생하는 반면에, 초기 구동에 비해선 마찰에 의한 큰 힘이 필요치 않기 때문에 정현파를 이용하여 BLDC 모터를 제어함으로써, 소음 및 리플(ripple)을 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한 정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : 모터 구동부
200 : 제어부
210 : 속도 판별부 220 : 신호 생성부

Claims (5)

  1. BLDC(Blushless DC) 모터를 구동시키는 모터 구동부(100); 및
    상기 BLDC 모터의 회전 속도를 감지하여 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 제어부(200);
    를 포함하여 구성되며,
    상기 제어부(200)는
    기설정된 기준 RPM을 토대로 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속(High RPM)인지, 저속(Low RPM)인지 판별하여 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부(200)는
    기설정된 기준 RPM을 이용하여, 상기 BLDC 모터의 회전 속도의 고속인지, 저속인지 판별하는 속도 판별부(210); 및
    상기 속도 판별부(210)의 판별 결과에 따라, 상기 BLDC 모터의 구동 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)의 제어 신호를 생성하여 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 신호 생성부(220);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부(200)는
    상기 BLDC 모터의 최대 RPM의 40%에 해당하는 RPM을 기준 RPM으로 설정하여,
    상기 BLDC 모터의 회전 속도가 저속으로 판별될 경우,
    구형파(Block wave, Square wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하고,
    상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속으로 판별될 경우,
    정현파(Sine wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어 시스템.
  4. 모터 구동부에서 BLDC 모터를 구동시키는 구동 단계(S100); 및
    제어부에서 상기 BLDC 모터의 회전 속도를 감지하여, 기설정된 기준 RPM을 토대로 상기 BLDC 모터의 제어를 위한 제어 신호를 생성하는 제어 단계(S200);
    로 이루어지며,
    상기 제어 단계(S200)는
    속도 판별부에서 기설정된 기준 RPM을 이용하여, 상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속인지 저속인지 판별하는 속도 판별 단계(S210);
    신호 생성부에서 상기 속도 판별 단계(S210)의 판별 결과에 따라, 상기 BLDC 모터의 구동 제어를 위한 PWM(Pulse Width Modulation)의 제어 신호를 생성하여 상기 BLDC 모터의 구동을 제어하는 신호 생성 단계(S220);
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어 단계(S200)는
    상기 BLDC 모터의 최대 RPM의 40%에 해당하는 RPM을 기준 RPM으로 설정하며,
    상기 BLDC 모터의 회전 속도가 저속으로 판별될 경우, 구형파(Block wave, Square wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하고,
    상기 BLDC 모터의 회전 속도가 고속으로 판별될 경우, 정현파(Sine wave) 전류 파형에 의해 상기 BLDC 모터 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터 제어 방법.
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